JP2007134146A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の一時的な異常による発電の低下を検知し、これを知らせることであり、一時的な異常の検知、すなわち診断には、あらかじめ用意された正常運転時の静的なデータを用いず、個々の燃料電池の劣化を考慮に入れた動的なデータに基づいた診断を行うことである。さらに不具合の要因を分析し、分析結果および対処方法を利用者に知らせることである。
【解決手段】診断装置は、検出装置で検出した燃料電池の状態を処理する処理装置と、記憶装置と、時計とを備え、記憶装置から時刻と燃料電池の状態を読み出し、時刻を変数に、燃料電池の状態を値になる近似式を作成し、燃料電池の状態と時刻と近似式から導き出される燃料電池の状態とを比較し、近似式の値が予め前記診断装置に設定した閾値を超えれば異常と診断し、ユーザーインターフェース装置に出力することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の異常を検出し、異常の内容および対処方法を提示する燃料電池システムに関する。

一般に燃料電池の性能は、燃料電池を構成する材料の劣化により徐々に低下し、次第に発電出力が低下してくる。そして、燃料電池は材用の劣化のほかに一時的な不具合により発電出力が低下する場合がある。燃料電池の発電原理は化学反応によるものであり、燃料から水素イオンと電子を取り出し、さらに、この水素イオンと電子および酸素から水を生成することで電気を生み出している。それ故、正常時の発電でも発電電圧が定まらない場合がある。これは、複雑に絡む一連の化学反応を阻害する要因が発生するため、一時的に発電量が低下するためである。阻害要因は、例えば、燃料から水素イオンと電子を取り出す際にできる気泡や、水素イオンと電子および酸素から生成される水が上げられる。気泡は、燃料から水素イオンと電子を取り出す際に、燃料を触媒に当てるが、燃料と触媒の接触を阻害する要因になる。また、生成水は、酸素の流通を防ぎ、水素イオンと電子および酸素の化学反応を阻害する要因になっている。このように、気泡や生成水は、材料の劣化とは無関係に一時的に燃料電池の発電出力を下げてしまう。また、化学反応に必要な酸素が不十分だったり、環境温度が化学反応に不適切な場合も、一時的に燃料電池の発電出力を下げてしまう要因になる。一方、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池システムでは、メタノール水溶液が適切な濃度でなければ、燃料電池の発電出力を下げてしまう。さらに、数日間、燃料電池を使用しない状態で放置すると、メタノール水溶液の濃度が変化したり、燃料電池内部が乾燥してしまい、ウォームアップのための始動運転が必要な場合がある。このように、本来発電する能力があるにもかかわらず、一時的な要因で化学反応が適切に行われず、燃料電池の発電出力が低下してしまう場合がある。

そこで、燃料電池の劣化も考慮に入れて、現時点での燃料電池の適切な発電電圧値を把握することは重要である。従来、燃料電池の異常を診断する装置として、検出した発電電圧と圧電電力値−発電電圧値診断テーブルを比較して異常を判定するもの（例えば特許文献１参照）が提案されている。また、劣化を診断する装置および方法としては、燃料電池の出力電圧／出力電流比から劣化を診断するもの（例えば特許文献２参照）や、電圧電流特性を測定して近似式を導出し劣化を診断するもの（例えば特許文献３参照）が提案されている。また、予め異常などを含めデータベース化して登録しておき、異常時には、チェック項目をチェックして診断を行う（例えば特許文献４参照）方法や、異常時の運転パターン，電圧の変化パターン，温度パターンをデータベース化して記憶しておき、運転時の出力電圧の変化パターンを比較して異常パターンとして同定する(例えば特許文献５参照)方法など、データベースを用いて診断を行う手法が存在する。

特開２００３−１７８７８９号公報 特開平１１−１９５４２３号公報 特開２０００−３５７５２６号公報 特開２００４−１７９００３号公報 特開平９−２４５８２６号公報

燃料電池の性能には個体差があり、従来技術による予め用意したデータのみの比較ではその精度に課題がある。また、寿命による出力低下なのか、一時的な異常による低下なのか判断する手段はない。さらに、一時的な異常と診断した場合、これを利用者に知らせ、適切な処置を促す手段はない。また後で異常の内容を分析し、知識として蓄える手段もない。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の一時的な異常による発電の低下を検知し、これを知らせることであり、一時的な異常の検知、すなわち診断には、あらかじめ用意された正常運転時の静的なデータを用いず、個々の燃料電池の劣化を考慮に入れた動的なデータに基づいた診断を行うことである。さらに不具合の要因を分析し、分析結果および対処方法を利用者に知らせることである。

一つ又は複数の燃料電池と検出装置と診断装置とユーザーインターフェース装置とからなる燃料電池システムにおいて、前記診断装置は、検出装置で検出した燃料電池の状態を処理する処理装置と、記憶装置と、時計とを備え、前記検出装置で検出した燃料電池の状態と、前記時計から検出した時刻とを前記記憶装置に記憶し、前記記憶装置から時刻と燃料電池の状態を読み出し、時刻を変数に、燃料電池の状態を値になる近似式を作成し、前記検出装置で検出した燃料電池の状態と前記検出した時刻と前記近似式から導き出される燃料電池の状態とを比較し、前記近似式の値が予め前記診断装置に設定した閾値を超えれば異常と診断し、前記ユーザーインターフェース装置に出力することを特徴とする燃料電池システム。

燃料電池の不具合による出力の低下を検出し、メッセージを表示することで、本来の適切な燃料電池の出力を得る機会を与えることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は例えば、図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システム、図１４に示すように構成された第２実施形態に係る燃料電池システム、及び図１８に示すように構成された第３実施形態に係る燃料電池システムに適用される。まず、第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図１は、本発明の一実施例である第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の概念を例示する概念ブロック図であり、燃料電池１と、燃料電池１の状態を検出する検出装置であるセンサー４と、センサー４からデータを受け取り燃料電池１を診断する診断装置２、および診断装置２の結果を出力するユーザーインターフェース装置３で構成される。燃料電池１は、化学反応により燃料から水素イオンと電子を取り出し、さらに、この水素イオンと電子および酸素から水を生成することで電気を生み出すものである。燃料電池１には、燃料電池１の状態、例えば燃料電池１が発電した電圧，燃料電池１の温度，燃料電池１の内部圧力，燃料電池１が消費する燃料の消費速度を検出するセンサー４が付けられており、インターフェースを示す接続線１２と接続線１４により診断装置２と接続されている。センサー４は電圧計や電流計であれば燃料電池１の出力部に接続すればよく、温度計ならば燃料電池１の表面に設置すれば燃料電池１の温度が測定できる。また、図１には示していなが燃料電池１は燃料タンク部分を所持し、燃料タンク内部に圧力計を設置すれば燃料電池１の内部圧力が測定できる。また、燃料タンクの質量を定期的に計測すれば、燃料の消費速度を知ることができる。ここで、燃料電池１の電流と電圧との関係から燃料電池１の電気抵抗を計測することができ、診断に用いることができる。本実施例では電圧，温度，燃料タンク内部圧力，燃料消費速度の４種類のデータを扱う例を示す。

診断装置２は、定期的に診断の処理を開始するよう指令を出す時計であるタイマー５と、接続線１２からセンサー４で検出された燃料電池１の状態を示すデータをデジタルな値に変換する処理装置であるセンサー処理部６と、燃料電池１を診断する診断処理部７，センサー処理部６で変換されたデータを時刻と共に記憶する記憶装置８と、便宜上、診断処理部７が異常と判定した時点から、監視用にセンサー処理部６で変換されたデータを時刻と共に記憶する監視用記憶装置９と、異常運転時の燃料電池１の電圧値，温度値，圧力値，消費速度値の変化を異常パターンとして記憶し、かつ各異常パターンに対応するメッセージとを記憶した診断データベース１０とを備えており、インターフェースを示す接続線
１３によりユーザーインターフェース装置３と接続されている。ユーザーインターフェース装置３は、診断装置２で、定期的にあるいは指定時刻ごとに診断される燃料電池１の診断結果をインターフェースを示す接続線１３により診断装置２から受け取り、表示、場合により音声により利用者に知らせるものである。

便宜上設けられた監視用記憶装置９は記憶装置８で代用してもよい。

記憶装置８および監視用記憶装置９は、例えば図４に示すようなデータ形式で、時刻毎に燃料電池１が発電した電圧，燃料電池１の温度，燃料電池１の内部圧力，燃料電池１が消費する燃料の消費速度を記憶するものである。監視用記憶装置９は、記憶装置８に監視下に置かれたことを示すフラグの欄を設ける事で、記憶装置８で代用することができる。

診断データベース１０は、予め実験で得られたデータに基づいて作成した燃料電池１の異常パターンと、異常パターンごとに異常原因および利用者へのメッセージの対応とを記憶した記憶装置である。診断データベース１０は、燃料電池１に異常が起きた場合、燃料電池１の発電電圧，温度，内部圧力，燃料消費速度の変化のパターンと、予め実験で得られたデータに基づいて作成した異常パターンと比較し、異常の内容を判定するのに使用する。例えば図６は燃料電池１に異常が起きた場合の発電電圧の変化を示している。実験により３種類の異常をそれぞれ意図的に起こしたところ、燃料電池１の発電電圧は図６に示すように、意図的に異常を起こした時刻Ｔ０を境に発電電圧が下降していくのがわかる。発電電圧の下降の仕方は意図的に組み入れた異常の種類により異なり、それぞれ異常パターン電圧１，異常パターン電圧２，異常パターン電圧３となる。診断データベース１０は、意図的に異常を起こした時刻Ｔ０以降の発電電圧の変化を、例えば２秒おきに電圧値として、図１０の異常パターン電圧テーブルのような形式で持っている。電圧の異常パターンと異常の内容を示すメッセージは、例えば図１１にあるような異常パターンとメッセージの対応テーブルの形式で、診断データベース１０に記録されている。同様にして、図７は燃料電池１に異常が起きた場合の燃料電池１の温度の変化を示しており、図８は燃料電池１に異常が起きた場合の燃料電池１の内部圧力の変化を示しており、図９は燃料電池１に異常が起きた場合の燃料電池１の燃料消費速度の変化を示していおり、それぞれ、図
１０にあるような異常パターン温度圧テーブル，異常パターン圧力テーブル，異常パターン消費テーブルに、例えば２秒おきの値として記録されている。診断データベース１０に記憶されている異常パターンと、燃料電池１に異常が起きた場合にセンサー４から得られる燃料電池１の発電電圧，温度，内部圧力，燃料消費速度の変化のパターンとを比較し、パターンマッチした異常パターンから異常の内容を判定することができる。

ここで、記憶装置８，監視用記憶装置９および診断データベース１０は、実質上、逐次蓄えられる燃料電池１に関するログデータと、診断に用いるために用意した異常パタンデータと、それに対応するメッセージなので、一つの記憶装置に置き換えて実施してもよい。

ユーザーインターフェース装置３は、例えば図１３にあるようなインターフェース101で構成されており、例えば診断情報を表示するボタン１０２を押すと、燃料電池１の発電電圧を表示する部分１０４，燃料電池１の温度を表示する部分１０５，燃料電池１の圧力を表示する部分１０６，燃料電池１の燃料消費速度を表示する部分１０７，燃料電池１の診断結果を表示する部分１０８が表示され、診断処理部７から渡される、燃料電池１の電圧値，温度値，内部圧力値，燃料の消費速度値、および診断結果であるメッセージを表示する。

また、外部装置と接続するために設けられたポート１１１は、例えばＵＳＢで実装され、ケーブルを通して外部のＰＣなどと接続する。操作ボタン１０３が押されると、読み出し要求が診断処理部７に送信され、記憶装置８や監視用記憶装置９に記憶されているデータが読み出され、ポート１１１を通して外部に出力される。こうすることで、異常時のデータを他の装置を使って分析することができる。

またインターフェース１０１は、例えば発光ダイオードを用いた運転ランプ１１０を備え、診断結果のメッセージの内容に応じて、例えば正常なメッセージを表示している場合は青色の点灯表示、異常メッセージを表示する場合は、赤色で点滅表示など、ランプの色や、点灯，点滅といった表示状態を変えることで、利用者に燃料電池１の状態をしらせる。さらにインターフェース１０１は、スピーカー１０９を備え、異常メッセージを表示する場合、警告音を発することで、利用者にいち早く知らせることができる。

図１２は、複数の異常パターンの組み合わせから、燃料電池１の異常内容を特定し、利用者に対策方法を提示する対応テーブルの実施例を示したものである。図１２において、例えば、異常パターン電圧１と異常パターン圧力１が同時に検出された場合、対応するメッセージは「燃料がなくなりました。カートリッジを交換してください。」になる。このような複数の異常パターンの組み合わせから、異常を特定する対応テーブルを、診断データベース１０に持たせることで、多角的な項目から異常を割り出せ、診断の信頼を向上させることができる。

図２は、図１に示した燃料電池システムの構成の概念ブロック図において、ブロック間で行われるデータの流れおよび処理の概要を説明するものである。まず初めにタイマー５から診断処理開始の指令および、時刻がセンサー処理部６に渡され、センサー処理部６はこれらを受けて、センサー４から燃料電池１の状態を示すデータ、例えば燃料電池１が発電した電圧データ，燃料電池１の温度データ，燃料電池１の内部圧力データ，燃料電池１が消費する燃料の消費速度データを受け取り、デジタルな値に変換した後、タイマー５から受けた時刻と共に、燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１が消費する燃料の消費速度値を診断処理部７に渡す。診断処理部７は、前記データを受けて、後で述べる診断処理の結果、異常が無ければ、記憶装置８に記録すると共に、ユーザーインターフェース装置３に、電圧値，温度値，内部圧力値，燃料の消費速度値、および正常である事を示すメッセージを渡す。ここで、記憶装置８にセンサー処理部６から渡される前記データが２つ以前記録されれば、燃料電池１の電圧，温度，内部圧力、および燃料の消費速度のトレンドを示す近似式が作成でき、燃料電池１の診断に用いることができる。ここで本実施例では、記憶装置８に燃料電池１の状態をログデータとして記録し、近似式を導き出し、燃料電池１の診断に用いている。

診断処理部７はセンサー処理部６から渡される、電圧値，温度値，内部圧力値、および燃料の消費速度値のうちいずれかが、異常と判断した場合、前記センサー処理部６から渡される時刻，電圧値，温度値，内部圧力値、および燃料の消費速度値を監視用記憶装置８に記憶し、監視下におく。監視下に置かれた監視用記憶装置９のデータは、診断処理部７により、診断データベース１０から異常パターン名ごとに、時刻，電圧値，温度値，内部圧力値、および燃料の消費速度値が読み出され、どの異常パターン名に合うのか照合される。診断処理部７は、異常パターン名が判明すれば、その異常パターン名に対応するメッセージを診断データベース１０から読み出し、ユーザーインターフェース装置３に、電圧値，温度値，内部圧力値，燃料の消費速度値、およびメッセージを渡す。また、診断処理部７はユーザーインターフェース装置３からデータ読み出しの要求があれば、記憶装置８および監視用記憶装置９に記録されている、時刻，電圧値，温度値，内部圧力値、および燃料の消費速度値に関する全てのデータを読み出し、ユーザーインターフェース装置３に出力する。

次に診断処理部７における診断処理を図３にあるフローチャートに基づいて説明する。

診断処理部７は、初期の段階で、異常を判定する閾値が項目別に設定され、かつ、項目別に設けられた診断フラグがＯＦＦ、項目別パターンマッチカウンタが０、異常パターン名を記憶するリストが空に設定されている。ここでいう項目というのは、電圧，温度，内部圧力、および燃料消費速度の４つである。診断処理部７は、センサー処理部６からデータ受け渡しの合図を受けると動作を開始する。まずステップＳ１において、センサー処理部６から時刻，燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１が消費する燃料の消費速度値を受け取り、次にステップＳ２において、各項目別診断フラグのチェックを行うが、初期段階で、項目別診断フラグが全てＯＦＦに設定されているので、ここではステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、記憶装置８にデータがあるかどうかチェックされる。これは診断処理に記憶装置８に蓄積されたデータを用いるためであり、記憶装置８にデータが無ければ診断処理部７は燃料電池１の診断が行えないので、これを防ぐためのチェックである。記憶装置８に診断を行うために必要なデータ、つまり近似式を導き出すに必要なデータであるが、本実施例では、電圧，温度，圧力，消費速度の４つの項目についてそれぞれ近似式を導き出すので、最低、それぞれの項目で２つ以上あれば近似式を導き出すことができる。従って、ここでは、それぞれの項目のうち少なくとも２つ以上データがあるかどうかをチェックすることにする。もし、どの項目についても２つ以上のデータが無ければ、ステップＳ７に移り、センサー処理部６から受け取った、時刻，燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１の消費する燃料の消費速度値が、記憶装置８に、図５に示すような形式で記録される。診断処理部７の動作はここで終了し、次のセンサー処理部６からデータ受け渡しの合図がくるまで休止する。一方、ステップＳ３において、記憶装置８に、それぞれの項目のうちすくなくとも２つ以上のデータが存在すれば、センサー処理部６から受け取ったデータを記憶装置８に記録する前に、燃料電池１に異常が無いかを、ステップＳ４およびステップＳ５で検査する。通常、本燃料電池システムが工場で制作された場合、品質チェックのテストが行われるが、その際、異常が無ければ適切なデータが記憶装置８に記録される。

ステップＳ４では、記憶装置８から時刻，電圧，温度，圧力，消費速度の全てのデータを読み出し、各項目ごとに近似式を作成する。例えば電圧を例にとると、時刻ｔを変数に電圧Ｖを値にした、例えばＶ＝Ａｖｔ＋Ｂｖとなるような、定数ＡｖおよびＢｖを割り出し、一次近似式を作成する。測定データから近似式を導出する手法として例えば最小二乗法による手法がある。同様にして温度Ｃ，圧力Ｐ，消費速度Ｌとすれば、それぞれ、時刻ｔの関数として、Ｃ＝Ａｃｔ＋Ｂｃ，Ｐ＝Ａｐｔ＋Ｂｐ，Ｌ＝Ａｌｔ＋Ｂｌなる一次近似式を作成する。本実施例では、最小二乗法による一次近似式を適用したが、診断の感度を上げるために、高次の近似式を適用してもよい。また、時間軸は、診断の目的におおじて考慮する必要がある。例えば、寿命に関わる診断を目的とするならば、タイマー５から出される診断処理開始指令の間隔は一日単位であり、前記の時刻ｔは日時を含めた長さになる。一方、燃料電池１の起動時の異常や運転時の異常を検出するには、タイマー５から出される診断処理開始指令の間隔は数分単位であり、前記の時刻ｔは秒を含めた長さになる。

また、図３のフローチャートは、センサー処理部６からデータ受け渡しの合図を受ける度に動作を開始し、ステップＳ４において、この近似式は、逐次更新される。

次にステップＳ５において、センサー処理部６から受け取った、時刻，燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値、燃料電池１の消費する燃料の消費速度値と、ステップＳ４で導出した近似式による値との差を算出し、予め決められた閾値を超えるかどうか判定する。例えば電圧値の場合、図４にあるように、センサー処理部６から受け取った時刻をｔ_now とすると、ステップＳ４で導出した近似式Ｖ＝
Ａｖｔ＋Ｂｖのｔにｔ_now を代入し、Ｖｏ値を求め、センサー処理部６から受け取った燃料電池１の発電電圧値Ｖｓとの差ＤｌｔＶを算出し、ＤｌｔＶが予め決められた閾値を超えるかどうか判定する。同様に、温度，圧力，消費速度についても、センサー処理部６から受け取った時刻を近似式に代入することで値を算出し、センサー処理部６から受け取った値との差が閾値を超えるかどうか判定する。電圧，温度，圧力，消費速度の全ての項目で閾値を超えなければ、異常が発生していないと判断し、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、センサー処理部６から受け取った、時刻，燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値、燃料電池１の内部圧力値、燃料電池１の消費する燃料の消費速度値を、記憶装置８に、図５に示すような形式で記録すすと共に、燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１の消費する燃料の消費速度値および異常なしのメッセージをユーザーインターフェース装置３に通知した後、診断処理部７の動作は終了し、次のセンサー処理部６からデータ受け渡しの合図がくるまで起動しない。

一方、ステップＳ５において、電圧，温度，圧力，消費速度のうち一つでも閾値を超える項目があれば、その項目について異常と判定し、ステップＳ６で該当する項目の診断フラグがＯＮになり、ステップＳ８に進む。ステップＳ８において、センサー処理部６から受け取った時刻，燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１の消費する燃料の消費速度値のうち、異常と判定された項目は監視用記憶装置９に、それ以外は、記憶装置８に、図５に示すような形式で記録される。ここで、監視用記憶装置９には、異常と判定された項目とその値、および時刻が記録されるが、時刻についは、ステップＳ９で行われる診断データベース１０とのデータ比較のため、オフセットの調整が必要になる。そこで、時刻は、異常と判定した時刻を引いた値が随時記憶される。

以下、異常と判定された項目について、センサー４で逐次検出される燃料電池の状態から燃料電池の状態と診断データベース１０に記憶された異常パターンとを比較することで異常内容を特定する処理を行う。まず、ステップＳ９におてい、監視用記憶装置９から時刻、異常と判定された項目およびその値を読み出し、診断データベース１０にあるような、該当する項目の異常パターンテーブルの値と比較し、データのマッチングが行われる。つまり、異常パターンごとに時刻に対応するデータの差分が計算され、差分の合計が閾値を下回りかつ、一番小さいものがパターンとマッチしたと判断される。すなわち、パターン形状の差が閾値内でかつ最小である異常パターンを見つけ出すのである。パターンにマッチしたと判断された異常パターンが検出できれば、異常パターン名を異常パターンリストに登録する。次にステップＳ１２で、異常パターンリストにある全ての異常パターン名に対応したメッセージを図１２にある異常パターンの組み合わせテーブルから読み出し、該当するメッセージをユーザーインターフェース装置３に出力する。最後に、ステップ
Ｓ１４において、異常パターンを比較し異常内容を特定できた項目の診断フラグをＯＦＦにし、同様に該当する項目別パターンマッチカウンタを０に初期化する。

ステップＳ９において、診断データベース１０から異常パターンが検出できなければ、該当する項目の診断フラグをＯＮにしたまま、診断処理部７の動作は終了し、次のセンサー処理部６からデータを待つことになる。ここで、ステップＳ１０およびステップＳ１１において、何度も監視用記憶装置９から時刻、異常と判定された項目のデータを読み出し、診断データベース１０にある項目別の異常パターンテーブルの値と比較しても一致する異常パターンが検出できなかった場合、無限ループに陥る危険性がある。これを防ぐために、診断データベース１０と比較した回数を項目別に設けたパターンマッチカウンタで数え、上限を超えても適当な異常パターンが検出できなければパターンマッチングの処理を中止し、ステップ１３に移り、その他の異常としてユーザーインターフェース装置３に通知する。最後に、ステップ１４において、該当する項目の診断フラグをＯＦＦにし、項目別パターンマッチカウンタを０に初期化される。

図３のフローチャート中、ステップＳ１５は、項目別診断フラグのいずれかがＯＮ、つまり異常な項目が検出され、診断データベース１０を参照して異常パターンを照合する処理フローにおいて、異常と判定されなかった項目のチェックを行うものである。

つまり、センサー処理部６から受け取った、燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１の消費する燃料の消費速度値のうち、異常と判定されなかった項目について、記憶装置８から時刻と、異常と判定されなかった項目の全てのデータを読み出し、項目ごとに近似式を作成し、近似式の値と比較し、閾値を超えた項目があれば、異常と判定する。異常と判定された項目は、該当する項目別診断フラグをＯＮにし、監視用記憶装置９に、項目および値と時刻を記録し、異常と判定できなかった項目については、記憶装置８に、図５に示すような形式で記録する。ここで、監視用記憶装置９に記録する場合、時刻についは、ステップＳ９で行われる診断データベース１０とのデータ比較のため、オフセットの調整が必要になる。そこで、時刻は、異常と判定した時刻を引いた値が記憶される。

また、ステップＳ１３において、すなわち、診断データベース１０におけるどの異常パターンともマッチしなかった場合、新しい異常パターンとして、これまで監視用記憶装置９に記録されていた、燃料電池１が発電した電圧値，燃料電池１の温度値，燃料電池１の内部圧力値，燃料電池１の消費する燃料の消費速度値のうち、異常と判定された項目のデータが、時刻と共に診断データベースに記録されてもよい。例えば、異常と判定された項目のデータが温度である場合、図１０にある異常パターン温度テーブルに異常パターン温度４の欄が新規に設けられ、監視用記憶装置９に記録されていた燃料電池１の温度値が、時刻と共に記録される。このように診断データベース１０を更新することで、新しい異常パターンに対応することができる。さらに、ステップ９において、異常パターンとマッチしたこれまでの回数を図１０の各種異常パターンテーブルの異常パターン毎に記憶し、その回数をステップ１２においてメッセージとともに表示すれば、異常パターンの出現頻度がわかり燃料電池の運営に便利である。

以上本実施形態においては、燃料電池運転中に、燃料電池の状態をセンサーで検出し、この状態を検知した時刻と共に記憶装置に記録し、時刻を変数に、状態が値になる近似式を作成する。さらには、３回目以降センサーで検出された燃料電池の状態は、記憶装置に記録する前に、近似式に検出時刻を代入して得られた状態と、センサーで検出して得たれた状態を比較し、閾値を超えれば、異常と判定し、以後、検出される状態は、あらかじめ用意された複数の異常パターンと比較され、マッチしたパターンに対応する異常メッセージを、ユーザーインターフェース装置に表示し、利用者に知らせる。ここで、燃料電池の状態とは燃料電池の発電電圧，燃料電池の発電電流，燃料電池の温度，燃料電池内の圧力，燃料電池が消費する燃料の量も検出し、燃料電池の温度，燃料電池内の圧力，燃料電池が消費する燃料の量である。

本実施形態によれば、燃料電池の不具合による出力の低下を検出し、メッセージを表示することで、本来の適切な燃料電池の出力を得る機会を与えることができる。また、記憶装置に記録された時刻と燃料電池の状態を基に、時刻を変数に、燃料電池の状態が値になる近似式を作成するので、あらかじめ正常運転時のデータを用意する必要がない。さらに、この近似式を活用し、交換のための燃料電池の閾値を決め、閾値を下回る時刻を算出すれば、燃料電池の材料劣化による交換の時期を知らせることができ、計画的な燃料電池の利用を可能になる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述した第１実施形態と同一の部分については同一番号を付することによりその詳細な説明は省略する。

図１４は、本発明の第２実施形態に係る一実施例である燃料電池システムの構成の概念を例示する概念ブロック図であり、燃料電池１，インターフェース１０１，診断装置２、及び診断データベース１０がそれぞれ離れた場所にあって、ネットワーク１５で接続されており、燃料電池１もしくはインターフェース１０１の複数の燃料電池、および診断データベース１０が、診断装置２の内部ではなく、離れたところに、ネットワークを経由して診断装置２と接続しているところが第１実施形態の形態と異なる。図１４には記されていないが、燃料電池１，インターフェース１０１，診断装置２、及び診断データベース１０は通信のための処理部分を内部に持ち、例えばＴＣＰ／ＩＰを用いて、相互にデータのやり取りができるものとする。

第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、診断装置２は、ネットワーク対応にネットワーク処理部１７および所在テーブル１１を設けている。所在テーブル１１は、診断装置２が診断すべき燃料電池および診断データベースの所在を記憶しており、例えば図
１５および図１６に示すような形式でデータが記録されている。

図１５は、燃料電池所在テーブルで、診断装置２が診断すべき燃料電池に関するデータで、燃料電池の識別名ごとに、燃料電池の所在場所，燃料電池の管理者，燃料電池のＩＰアドレスが記録されている。この内、燃料電池のＩＰアドレスは、診断装置２がネットワーク１５を経由して燃料電池と通信を行うのに不可欠なデータである。

図１６は、診断データベース所在テーブルで、診断装置２が参照すべき診断データベースに関するデータで、診断データベースの識別名ごとに、診断データベースの所在場所，診断データベースの管理者，診断データベースのＩＰアドレスが記録されている。この内、診断データベースＩＰアドレスは、診断装置２がネットワーク１５を経由して診断データベースと通信を行うのに不可欠なデータである。診断データベースは少なくとも１つは記録されなければならないが、２つ以前記録されていれば、最初に登録されていたものがメインの診断データベースとなり、異常パターンの検出処理に用いるが、異常パターンが見つけられなかった場合や、メインの診断データベースが使用不可能になっていた場合は、２番目以降に記録された診断データベースにアクセスし、診断処理の信頼性を高めることができる。

ネットワーク処理部１７は、センサー処理部６および診断処理部７で処理に必要なデータを所在テーブル１１の燃料電池所在テーブルおよび、診断データベース所在テーブルのデータに基づき、ネットワーク１５を経由して燃料電池１，インターフェース１０１、及び診断データベース１０から取得するものである。

図１７は第２実施形態に係る燃料電池システムにおいてデータの流れを示した図である。図１７において、センサー処理部６は、タイマー５から診断処理開始の指令を受けると、センサー４およびセンサー１１２から燃料電池１およびインターフェース１０１の状態を示すデータ、例えば燃料電池が発電した電圧データ，燃料電池の温度データ，燃料電池の内部圧力データ，燃料電池が消費する燃料の消費速度データを読み出すが、直接センサー４およびセンサー１１２から読み出すのではなく、ネットワーク処理部１７に燃料電池の状態を示すデータの読み出しを依頼して行う。ネットワーク処理部１７は燃料電池の状態を示すデータの読み出しの依頼を受けると、所在テーブル１１の燃料電池所在テーブルを参照し、燃料電池識別名とそれに対応するＩＰアドレスを取得し、例えば、燃料電池１の燃料電池識別名を１−２９とすれば、ＩＰアドレス１４４.１**．２１.３を取得し、
ＴＣＰ／ＩＰにより燃料電池１に接続し、センサー４から燃料電池１の状態を示すデータ、例えば燃料電池１が発電した電圧データ，燃料電池１の温度データ，燃料電池１の内部圧力データ，燃料電池１が消費する燃料の消費速度データを読み出し、燃料電池識別名データ１−２９と共に、センサー処理部６に渡す。

センサー処理部６，診断処理部７，記憶装置８，監視用記憶装置９、及びユーザーインターフェース装置３間のデータの流れは、図２で説明したデータの流れに燃料電池識別名のデータが加わっただけなので、説明は省略する。ただし、診断処理部７は、燃料電池識別名ごとにデータを仕分けし、複数の燃料電池の診断を同時に行うものとする。すなわち、診断処理部７は、燃料電池識別名ごとに記憶装置８に、燃料電池が発電した電圧値，燃料電池の温度値，燃料電池の内部圧力値，燃料電池が消費する燃料の消費速度値を記録する。また、診断処理部７は、近似式の導出や異常の検出，異常と判断した後の監視用記憶装置９への記録、さらには、診断データベースを参照し、異常パターンの照合及びメッセージの読み出し、そして、ユーザーインターフェース装置３への出力も燃料電池識別名ごと分割し、行うものとする。

ここで診断処理部７は、燃料電池に異常ありと診断した場合、診断データベース１０から図１０にある異常パターンテーブルから異常パターン名ごとの、時刻，電圧値，温度値，内部圧力値、および燃料の消費速度値を読み出し、異常パターンの照合を行い、異常パターンが判明すれば、図１１および図１２にある異常パターンとメッセージの対応テーブルから異常パターンに対応するメッセージを読み出すが、診断処理部７は、異常パターンに関するデータを、直接診断データベース１０から読み出すのではなく、ネットワーク処理部１７に異常パターン名ごとの時刻，電圧値，温度値，内部圧力値，燃料の消費速度値、および異常パターンに対応するメッセージの読み出しを依頼して行う。すなわちネットワーク処理部１７は、診断データベース１０の読み出しの依頼を受けると、所在テーブル１１の診断データベース所在テーブルを参照し、最初に登録された診断データベース識別名とそれに対応するＩＰアドレスを取得し、例えば、診断データベース識別名がＤ−301で、ＩＰアドレス１１４．１**．２１．３である診断データベース１０にＴＣＰ／ＩＰにより接続し、異常パターン名ごとの、時刻，電圧値，温度値，内部圧力値，燃料の消費速度値、および異常パターン名に対応するメッセージを読み出し、診断処理部７に渡す。

このように、診断装置２は、ネットワーク処理部１７および所在テーブル１１を設けたことにより、ネットワークで接続された診断データベースにアクセスし、ネットワークで接続された複数の燃料電池を診断することができる。

一方、診断装置２を複数設け、ネットワーク１５に接続した場合、診断データベース
１０を複数の診断装置２で共有することができる。燃料電池や診断装置の数が増え、大規模な燃料電池システムである時など、診断データベース１０を複数の診断装置２で共有することは、診断データベース１０の保守を容易にすることができるとともに効率を上げることができる。

最後に、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述した第１実施形態と同一の部分については同一番号を付することによりその詳細な説明は省略する。

図１８は、本発明の第３実施形態に係る一実施例である燃料電池システムの構成の概念を例示する概念ブロック図であり、燃料電池１とリチウム電池２０が接続線１６でつながり、診断装置２が燃料電池１ではなくリチウム電池２０に接続され、センサー４がリチウム電池２０に設けられたところが、第１実施形態とは異なる。

リチウム電池２０には、燃料電池１で発電された電気が充電され、センサー４は、燃料電池１が発電した電圧を、２次電池であるリチウム電池の残量を調べることで間接的に計測することができる。このような構成をとることで、直接、燃料電池１にセンサー４を取り付けなくても、間接的に燃料電池１の状態を検出することができる。

本発明は燃料電池の診断に利用可能である。

本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおける構成要素間のデータの流れを示すブロック図である。 本発明を適用した実施形態に係る燃料電池システムの診断処理の処理手順を示すフローチャート図である。 本発明を適用した実施形態に係る燃料電池システムにおける診断処理において、記憶装置からデータを読み出し、近似式を導き出し、近似式から得られた予想値とセンサーで検出した測定値の差分を説明するのに用いる図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、センサーで検出した燃料電池の状態に関するデータを検出した時刻と共に記憶装置に記録する際のデータの形式を説明する図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の発電電圧の値の変化を時刻を横軸にして異常の種類別に示した図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の温度の値の変化を時刻を横軸にして異常の種類別に示した図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の内部圧力の値の変化を時刻を横軸にして異常の種類別に示した図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の燃料消費量の値の変化を時刻を横軸にして異常の種類別に示した図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の状態の変化を、電圧，温度，圧力、燃料消費量ごとに２秒おきに値をテーブルにまとめたものを説明する図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の燃料電池の発電電圧の変化をパターンとして捕らえたとき、パターンと異常の内容を示すメッセージとの対応を示したテーブルを説明した図である。 燃料電池の発電プロセスに異常が生じた場合の複数の項目の異常パターンの組み合わせから燃料電池の異常の内容を示すメッセージとの対応を示すテーブルを説明する図である。 本発明を適用した実施形態に係る燃料電池システムにおいて、ユーザーインターフェース装置のインターフェース構成を説明する図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 ネットワークを経由して燃料電池にアクセスするときに用いる燃料電池所在テーブルを説明する図である。 ネットワークを経由して診断データベースにアクセスするときに用いる診断データベース所在テーブルを説明する図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおける構成要素間のデータの流れを示すブロック図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…診断装置、３…ユーザーインターフェース装置、４，１１２…センサー、５…タイマー、６…センサー処理部、７…診断処理部、８…記憶装置、９…監視用記憶装置、１０…診断データベース、１１…所在テーブル、１２，１３，１４,１６,１８…接続線、１５…ネットワーク、１７…ネットワーク処理部、１０１…インターフェース、１０２…ボタン、１０３…操作ボタン、１０４…発電電圧を表示する部分、１０５…温度を表示する部分、１０６…圧力を表示する部分、１０７…燃料消費速度を表示する部分、１０８…診断結果を表示する部分、１０９…スピーカ、１１０…運転ランプ、１１１…ポート。

Claims (6)

1. 一つ又は複数の燃料電池と検出装置と診断装置とユーザーインターフェース装置とからなる燃料電池システムにおいて、前記診断装置は、検出装置で検出した燃料電池の状態を処理する一つ又は複数の処理装置と、一つ又は複数の記憶装置と、時計とを備え、前記検出装置で検出した燃料電池の状態と、前記時計から検出した時刻とを前記記憶装置に記憶し、前記記憶装置から時刻と燃料電池の状態を読み出し、時刻を変数に、燃料電池の状態を値になる近似式を作成し、前記検出装置で検出した燃料電池の状態と前記検出した時刻と前記近似式から導き出される燃料電池の状態とを比較し、前記近似式の値が予め前記診断装置に設定した閾値を越えれば異常と診断し、前記ユーザーインターフェース装置に出力することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記診断装置は、燃料電池の状態の推移を複数の異常パターンと、前記異常パターンに対応するメッセージと予め記憶する診断データベースを備え、前記燃料電池の状態が異常と診断された場合、前記診断装置は、前記検出装置で逐次検出される燃料電池の状態から燃料電池の状態が推移するパターンを生成し、前記異常パターンと比較し、パターン形状の差が閾値内でかつ最小である異常パターンを見つけ出し、前記診断データベースから異常パターンに対応したメッセージを読み出し、前記ユーザーインターフェース装置に出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記診断装置は、燃料電池の状態の推移を複数の異常パターンと、前記異常パターンに対応するメッセージと予め記憶する診断データベースを備え、前記燃料電池の状態が異常と診断され、前記診断装置は、前記検出装置で逐次検出される燃料電池の状態から燃料電池の状態が推移するパターンを生成し、前記異常パターンと比較し、パターン形状の差が閾値内でかつ最小である異常パターンを見つけ出せない場合に、前記燃料電池の状態が推移するパターンを前記診断データベースに新たな異常パターンとして記憶することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記記憶装置は前記燃料電池の所在を示すテーブルを記憶し、前記テーブルに示された前記燃料電池を個別に診断することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池と二次電池を接続し、前記検出装置は、二次電池の状態を検出することで、前記燃料電池の状態を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池と前記診断装置とをネットワークで接続したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
   
   

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