JP2007227159A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの排出系に設けられている種々の要素のいずれかに生じる故障を有効に判定する。
【解決手段】水素濃度センサ３１は、希釈ファン１４から排出されるガスに含まれる水素濃度を検出する。濃度推定手段４１は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、希釈ファン１４から排出されるガスに含まれる水素濃度を推定する。故障判定手段４２は、水素濃度センサ３１によって検出される水素濃度と、濃度推定手段４１によって推定される水素濃度とを比較し、この比較結果に基づいて、少なくともパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。この燃料電池では、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極側の窒素濃度が増加し、水素分圧が低下する傾向となる。そのため、水素分圧の低下を抑制するために、燃料電池スタック１の燃料極から排出される排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）は、水素排出流路に設けられたパージバルブの開閉状態を切り替えることにより、この水素排出流路を介して外部に排出される。この際、外部に排出される排出ガスは、そのガス中に含まれる水素濃度が所定値以下となるように希釈装置によって希釈される。また、希釈されたガスに含まれる水素濃度は水素濃度センサによって検出され、これにより、排出ガスに含まれる水素濃度の管理が行われる。

ここで、特許文献１には、水素濃度センサの故障を判定する手法が開示されている。この特許文献１の手法において、水素濃度センサは、燃料電池の酸化剤極側から排出される排出ガス（酸素が消費された空気）を外部に排出するための空気排出流路に設けられている。燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスは希釈装置に導入され、この希釈装置で所定の濃度に希釈される。希釈されたガスは、水素濃度センサよりも上流側の空気排出流路に供給され、これにより、水素濃度センサの故障の有無を判定している。
特開２００３−３０２３６２号公報

ところで、燃料極側から排出される排出ガスの流路には、水素濃度センサ以外にも、希釈装置、パージバルブ等が設けられているため、希釈装置またはパージバルブの故障を、水素濃度センサの故障と誤判定してしまう虞がある。そのため、燃料極側から排出されるガスに含まれる水素濃度を水素濃度センサによって管理する上では、水素排出流路に設けられている種々の要素の故障を総合的に判定することが好ましい。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスの排出系に設けられている種々の要素のいずれかに生じる故障を有効に判定することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、排出流路と、パージバルブと、希釈手段と、濃度検出手段と、濃度推定手段と、判定手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池システムは、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する。排出流路は、燃料電池の燃料極側から排出されるガスを外部に排出する。パージバルブは、排出流路に設けられ、開閉状態が切替可能となっている。希釈手段は、パージバルブよりも下流側の排出流路に設けられており、燃料極から排出されるガスを希釈して排出する。濃度検出手段は、希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する。濃度推定手段は、燃料電池の運転状態に基づいて、希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を推定する。判定手段は、濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度と、濃度推定手段によって推定される燃料ガスの濃度とを比較し、この比較結果に基づいて、少なくともパージバルブ、希釈手段および濃度検出手段のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する。

本発明によれば、燃料電池の運転状態に基づいて、排出される水素濃度を推定し、この水素濃度の推定値と、濃度検出手段によって検出された水素濃度とを比較することにより、排出流路に設けられるパージバルブ、希釈手段、濃度検出手段のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を燃料極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を酸化剤極に供給するケースについて説明する。この燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブ１１は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部４０によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ2へと排出される。この水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ1に接続されており、水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料電池スタック１からの排出ガスは、水素循環流路Ｌ2を介して燃料電池スタック１の水素の供給側へと循環される。これにより、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。水素循環ポンプ１２の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部４０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、水素排出流路Ｌ3が接続されている。この水素排出流路Ｌ3には、開閉状態が切替可能なパージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開閉状態を切り替えることにより、燃料電池スタック１の燃料極から排出された排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージバルブ１３は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部４０によって制御される。例えば、パージバルブ１３は、基本的に閉状態に制御されており、所定の周期毎に、閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。また、水素排出流路Ｌ3には、パージバルブ１３よりも下流側（本実施形態では、最下流側の端部）に、希釈ファン１４といった希釈装置（希釈手段）が設けられており、燃料極側から排出される排出ガスは、ガス中の水素濃度が所定値以下となるように希釈して外部に排出される。希釈ファン１４の駆動量、すなわち、その回転数は、制御部４０によって制御される。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって加圧され、空気供給流路Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ4には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ5を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ5には、空気調圧バルブ２１が設けられている。空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１へ供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２０の駆動量（回転数）とともに制御部４０によって制御される。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出装置２が接続されている。出力取出装置２は、制御部４０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電力）を取り出す。出力取出装置２によって取り出された電力は、例えば、車両の駆動モータ（図示せず）を制御するモータ制御部３を介して、駆動モータに供給される。また、この出力取出装置２には、モータ制御部３と並列に充放電可能な二次電池４が接続されている。出力取出装置２によって取り出された電力、ならびに、駆動モータからの回生電力は、二次電池４に充電される。また、二次電池４に蓄電された電力は、モータ制御部３を介して、駆動モータに供給される。

制御部４０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。制御部４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素調圧バルブ１１の開度演算、空気調圧バルブ２１の開度演算、水素循環ポンプ１２の回転数演算、およびコンプレッサ２０の回転数演算を行う。そして、制御部４０は、この演算によって算出された制御量（制御信号）を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブ１１の開度、空気調圧バルブ２１の開度、水素循環ポンプ１２の回転数、およびコンプレッサ２０の回転数を制御する。また、本実施形態との関係において、制御部４０は、故障判定処理として、水素排出流路Ｌ3に設けられる各種の要素（パージバルブ１３、希釈ファン１４等）のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する。

制御部４０には、センサ３０〜３６を含む各種センサからの検出信号が入力されている。流量センサ（流量検出手段）３０は、希釈ファン１４から排出されるガスの流量（以下「ファン流量」という）を検出するセンサである。水素濃度センサ（濃度検出手段）３１は、希釈ファン１４から排出されるガスに含まれる水素の濃度（以下「実水素濃度」という）を検出するセンサである。空気圧力センサ３２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力を検出するセンサであり、水素圧力センサ３３は、燃料電池スタック１に供給される水素圧力を検出するセンサである。スタック温度センサ３４は、燃料電池スタック１の温度（以下「スタック温度」という）を検出するセンサである。また、大気圧センサ３５（図１には図示せず）は大気圧を検出するセンサであり、外気温センサ３６（図１には図示せず）は外気温を検出するセンサである。

図２は、第１の実施形態にかかる制御部４０の構成図である。制御部４０は、これを機能的に捉えた場合、濃度推定手段４１と、故障判定手段（判定手段）４２とを有している。濃度推定手段４１は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、希釈ファン１４から排出される水素濃度を推定する。故障判定手段４２は、水素濃度センサ３１によって検出された実水素濃度と、濃度推定手段４１によって推定された水素濃度（以下「推定水素濃度」という）とを比較し、この比較結果に基づいて、少なくともパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する。故障判定手段によって故障が判定された場合、この故障結果は、警報ランプ５０によってドライバーに報知される。

以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、制御部４０によって実行される故障判定処理を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態にかかる故障判定処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の間隔毎に呼び出され、制御部４０によって実行される。

まず、ステップ１において、各種センサ３０〜３６の検出値が読み込まれる。このステップ１において読み込まれる検出値としては、水素濃度センサ３１による実水素濃度、空気圧力センサ３２による空気圧力、水素圧力センサ３３による水素圧力、スタック温度センサ３４によるスタック温度、大気圧センサ３５による大気圧、および、外気温センサ３６による外気温が挙げられる。

ステップ２において、濃度推定手段４１は、希釈ファン１４の希釈空気流量、すなわち、燃料極側から排出される排出ガスを希釈するための希釈空気流量Ｑairを算出する。希釈空気流量Ｑairは、希釈ファン１４が送風する空気の流量であり、希釈ファン１４の回転数、大気圧および外気温に基づいて算出される。具体的には、実験やシミュレーションを通じて、希釈ファン１４の回転数、大気圧および外気温と、希釈空気流量Ｑairとの対応関係を予め取得しておき、マップ演算等を用いて希釈空気流量Ｑairが算出される。

ステップ３において、濃度推定手段４１は、燃料極側から排出される排出ガス中の水素のモル分率を算出する。このモル分率は、排出ガスに含まれる水素のモル数を、排出ガスのモル数で除算することによって算出される、排出ガス中の水素の濃度であり、排出ガス中の水蒸気や窒素を除く水素の濃度に相当する。モル分率は、燃料電池スタック１内のガス圧力と、反応ガスの温度と、燃料極におけるガス組成と、電解質膜の特性に応じたガス透過量とに基づいて算出可能である。ここで、燃料電池スタック１内のガス圧力は、空気圧力センサ３２による空気圧力、或いは、水素圧力センサ３３による水素圧力を参照することにより特定することができる。反応ガスの温度は、燃料電池スタック１の温度と概ね対応するため、スタック温度センサ３４によるスタック温度を参照することにより推定することができる。また、燃料極におけるガス組成は、水素排出流路Ｌ3を介して排出される排出ガスに依存する傾向があるため、パージバルブ１３の開閉周期を参照することにより、その値を概ね推定することができる。また、ガス透過量は、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。なお、水素のモル分率は、数式によってこれを求めることもできるが、代表的なパラメータ（ガス圧力、反応ガスの温度、パージバルブ１３の開閉周期）とモル分率との対応関係を、実験やシミュレーションを通じて予め取得しておくことで、マップ演算によって算出してもよい。

ステップ４において、濃度推定手段４１は、パージバルブ１３から排出される水素流量Ｑh2を算出する。具体的には、水素流量Ｑh2は、以下に示すオリフィスの式（数式１）に基づいて算出することができる。ここで、Ｑh2は水素の体積流量、εは修正係数、Ｃは流量係数、Ａはパージバルブ１３の開口面積、Ｐiはパージバルブ１３の上流側の圧力、Ｐoはパージバルブ１３の下流側の圧力、ρは流体密度とする。

（数式１）
Ｑh2＝εＣＡ√（２（Ｐi−Ｐo）／ρ）
修正係数ε、流量係数Ｃおよびパージバルブ１３の開口面積Ａは、予め実験的に取得可能な値である。パージバルブ１３の上流側の圧力Ｐiは、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素圧力と概ね一致するため、水素圧力センサ３３の検出値を参照することにより特定することができる。なお、燃料電池スタック１自身が圧力損失要素となる可能性もあるため、スタックの圧力損失を予め取得した上で、この圧力損失分を水素圧力センサ３３の検出値から減算した値をパージバルブ１３の上流側の圧力Ｐiとして用いてもよい。また、パージバルブ１３の下流側の圧力Ｐoは、大気圧と概ね一致するため、大気圧センサ３５による大気圧を参照することにより、特定することができる。また、パージバルブ１３の上流側における排出ガスの温度と、その下流側における排出ガスの温度とが同じであると考えた場合、気体密度ρは、周知の気体の状態方程式と、ステップ３において算出された水素のモル分率とに基づいて算出することができる。

ステップ５において、希釈ファン１４から排出される水素濃度を推定する（推定水素濃度（暫定値）の算出）。この水素濃度は、下式（数式２）に示すように、水素流量Ｑh2を、この水素流量Ｑh2と希釈空気流量Ｑairとの和で除算することにより算出される。

（数式２）
Ｑh2／（Ｑh2＋Ｑair）
ステップ６において、濃度推定手段４１は、水素濃度センサ３１の応答遅れ、および、パージバルブ１３から水素濃度センサ３１までの水素の移動時間を考慮した上で、最終的な推定水素濃度を算出する。本実施形態の故障判定処理は、実水素濃度と推定水素濃度との値的な不一致を条件として故障を判定する。したがって、この故障判定処理において算出すべき推定水素濃度は、水素濃度センサ３１が検出したであろう水素濃度の推定値、すなわち、水素濃度センサ３１を流れる排出ガス中の水素濃度の推定値である。しかしながら、ステップ５において算出された推定水素濃度は、演算の都合時、パージバルブ１３から排出される水素流量Ｑh2を用いている（すなわち、ステップ６において算出される推定水素濃度は、パージバルブ１３の出口において希釈ファン１４で希釈した際の水素濃度の推定値となる）。そのため、ステップ５において算出された推定水素濃度と、水素濃度センサ３１による実水素濃度とは、場所的に異なる箇所でのガス中の水素濃度であるため、これらを直接的に比較することはできない。

そこで、本実施形態では、パージバルブ１３から排出された排出ガス（水素）が水素濃度センサ３１に到達するまでの時間（以下「到達時間」という）と、水素濃度センサ３１の反応時間とを考慮して、推定水素濃度を算出する。この到達時間、および、センサの反応時間は、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。このステップ６において、濃度推定手段４１は、ステップ５において算出された推定水素濃度を一旦保持した上で、到達時間とセンサの反応時間とに基づいて、保持された推定水素濃度のうち、水素濃度センサ３１を流れる排出ガスに対応する推定水素濃度を、最終的な推定水素濃度として故障判定手段４２に対して出力する。

ステップ７において、故障判定手段４２は、ステップ６において算出された推定水素濃度と、ステップ１において読み込まれた実水素濃度とを比較し、両者の差の絶対値が、所定の判定値以上となっているか否かを判定する。推定水素濃度または実水素濃度にはそれぞれ誤差等が含まれている可能性があるため、両者の間に絶対的な乖離が存在することを判断するために、予め設定された判定値を用いる。このステップ７において肯定判定された場合、すなわち、推定水素濃度と実水素濃度との差が判定値以上の場合には、ステップ８に進む。一方、ステップ７において否定判定された場合、すなわち、推定水素濃度と実水素濃度との差が判定値よりも小さい場合には、ステップ８の処理をスキップして本ルーチンを抜ける。

ステップ７の肯定判定に続くステップ８において、少なくともパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれか一つに故障が生じていることを判定した上で、本ルーチンを抜ける。また、ステップ８では、警報ランプ５０を点灯させるといった処理をさらに行い、ドライバーにパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれかに故障が生じていることを報知してもよい。

このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、水素排出流路Ｌ3と、パージバルブ１３と、希釈ファン１４と、水素濃度センサ３１と、濃度推定手段４１と、故障判定手段４２とを有している。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に水素が供給されるとともに、酸化剤極に空気が供給されることにより、水素と空気とを電気化学的に反応させて電力を発電する。水素排出流路Ｌ3は、燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガスを外部に排出する。パージバルブ１３は、水素排出流路Ｌ3に設けられ、開閉状態が切替可能なバルブである。希釈ファン１４は、パージバルブ１３よりも下流側の水素排出流路Ｌ3に設けられており、燃料極から排出されるガスを希釈して排出する。水素濃度センサ３１は、希釈ファン１４から排出されるガスに含まれる水素の濃度を検出する（実水素濃度の検出）。濃度推定手段４１は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、希釈ファン１４から排出されるガスに含まれる水素の濃度を推定する（推定水素濃度の算出）。故障判定手段４２は、水素濃度センサ３１による実水素濃度と、濃度推定手段４１による推定水素濃度とを比較し、この比較結果に基づいて、少なくともパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する。

燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、推定水素濃度を算出し、この推定水素濃度と実水素濃度とを比較することにより、水素排出流路（排出流路）Ｌ3に設けられる各種の要素（パージバルブ１３、希釈ファン１４、水素濃度センサ３１）のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定することができる。

また、本実施形態によれば、希釈ファン１４の出口付近の水素濃度を推定する際には、希釈空気流量Ｑairと、水素流量Ｑh2とを推定し、これらの流量Ｑair，Ｑh2に基づいて、推定水素濃度が推定される。ここで、希釈空気流量Ｑairは、希釈ファン１４の回転数と、希釈ファン１４に流入する空気の圧力（大気圧）および温度（外気温）に基づいて、算出される。一方、水素流量Ｑh2は、燃料電池スタック１内のガス圧力、温度および水素のモル分率と、パージバルブ１３下流の圧力（大気圧）および温度とに基づいて算出される。この水素流量Ｑh2は、パージバルブ１３を通過する水素流量に相当するため、本実施形態では、これに水素濃度センサ３１の応答遅れ、およびパージバルブ１３から水素濃度センサ３１までの水素の到達時間とが考慮されている。そのため、図４に示すように、パージバルブ１３の動きに応じた希釈ファン１４出口の推定水素濃度を精度よく算出することができる。これにより、故障判定を精度よく行うことができる。

（第２の実施形態）
つぎに、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、故障判定に応じて、故障箇所を具体的に判定する故障箇所判定処理を行うことである。なお、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略する。

図５は、本実施形態にかかる制御部４０の構成図である。制御手段４３は、故障判定手段４２による故障箇所判定処理に伴い、パージバルブ１３の開閉状態および希釈ファン１４の駆動量（回転数）を制御する。この制御手段４３によるパージバルブ１３および希釈ファン１４の制御に応じて、故障判定手段４２は、パージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれに故障が生じているかを判定する。

図６は、推定水素濃度と実水素濃度との差に応じた故障箇所の傾向を示す説明図である。第１の実施形態で述べたように、推定水素濃度と実水素濃度と差が所定の判定値以上である場合、パージバルブ１３、希釈ファン１４、水素濃度センサ３１のうち少なくとも１つに故障が生じていると判定することができる。ここで、推定水素濃度と実水素濃度との差が判定値以上大きい場合、具体的には、推定水素濃度から実水素濃度を減算した値が正側（プラス側）に判定値ＤH以上となる場合、水素濃度センサ３１の劣化、パージバルブ１３の閉固着の可能性が考えられる。一方で、推定水素濃度と実水素濃度との差が所定の判定値以上大きい場合、具体的には、推定水素濃度から実水素濃度を減算した値が負側（マイナス側）に判定値ＤL以下となる場合、希釈ファン１４の動作不良、パージバルブ１３の開固着もしくは異物噛み込みの可能性が考えられる。本実施形態では、以下に示す処理を実行することにより、具体的な故障箇所を判定する。

図７は、本発明の第２の実施形態にかかる故障箇所判定処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、第１の実施形態に示す故障判定処理において、パージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれかに故障が生じているとの判定が行われた場合に呼び出され、制御部４０によって実行される。まず、ステップ１０において、制御手段４３は、パージバルブ１３を閉状態に制御する。

ステップ１１において、故障判定手段４２は、水素濃度センサ３１の検出値を読み込んだ上で、その検出値である実水素濃度が概ね「０（零）」であるか否かを判定する。制御手段４３がパージバルブ１３を閉状態に制御している場合、このパージバルブ１３が正常に動作している限り、水素排出流路Ｌ3は遮断されるため、実水素濃度も「０」となる。そのため、この判定処理を行うことにより、パージバルブ１３が正常に動作しているか否かを判定することができる。なお、実水素濃度が「０」であるか否かを判定する場合、この値が厳密に「０」となることを要件とすることが好ましいが、誤差等の要因も考慮して、許容可能な範囲の中で概ね「０」となっていることを判定することとする。

このステップ１１において否定判定された場合、すなわち、実水素濃度が概ね「０」とは認められない場合には、ステップ１２に進む。一方、ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、実水素濃度が概ね「０」と認められる場合には、ステップ１３に進む。なお、パージバルブ１３が正常に閉状態に動作したとしても、その直前の状態が開状態となっていた場合には、水素排出流路Ｌ3内に排出ガス（水素）が存在している可能性がる。そのため、このステップ１１の処理を行う場合には、制御手段４３がパージバルブ１３を閉状態に制御した後に、ある程度の時間が経過したことを条件として、ステップ１１の処理に進んでもよい。

ステップ１２において、パージバルブ１３の故障が判定される。具体的には、パージバルブ１３が開状態のまま固着している（開固着）、或いは、パージバルブ１３が異物を噛み込んで完全に閉状態に切り替わらない状態であることが判定される。一方、ステップ１３において、制御手段４３は、希釈ファン１４の空気流量が所定値（任意の値）となるように、その駆動量（回転数）を制御する。

ステップ１４において、故障判定手段４２は、流量センサ３０による検出値（ファン流量）を読み込んだ上で、希釈ファン１４による希釈空気流量がファン流量と対応するか否かを判定する。具体的には、第１の実施形態と同様に、希釈ファン１４の回転数（制御指示値）、大気圧および外気温を参照した上で、希釈空気流量が算出される。そして、算出された希釈空気流量と、検出されたファン流量とが比較される。希釈ファン１４が正常に動作している場合、算出された希釈空気流量と、検出されたファン流量とは対応する。なお、算出された希釈空気流量と検出値との対応は、両者が厳密に一致する場合のみを指すものではなく、両者が概ね一致していると見なせる程度であれば対応していると判断してもよい。

このステップ１４において否定判定された場合、すなわち、算出された希釈空気流量と、検出されたファン流量とが対応しない場合には、ステップ１５に進み、希釈ファン１４の故障が判定される。一方、ステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、算出された希釈空気流量と、検出値とが対応する場合には、ステップ１６に進む。ステップ１６において、制御手段４３は、希釈ファン１４の回転数を一定に制御するとともに、パージバルブ１３の開閉状態を周期的に切り替える制御を行う。

ステップ１７において、故障判定手段４２は、流量センサ３０からのファン流量を時系列的に読み込んだ上で、パージバルブ１３の開閉動作に対応してファン流量が変化するか否かを判断する。パージバルブ１３が正常に動作している場合には、パージバルブ１３の開閉周期に対応して、排出ガスに相当する分だけファン流量が変化する。このステップ１７において否定判定された場合、すなわち、パージバルブ１３の開閉動作に対応してファン流量が変化していない場合には、ステップ１８に進む。一方、ステップ１７において肯定判定された場合、すなわち、パージバルブ１３の開閉動作に対応してファン流量が変化している場合には、ステップ１９に進む。

ステップ１８において、パージバルブ１３の故障が判断される。具体的には、パージバルブ１３が閉状態のまま固着している（閉固着）と判定される。一方、ステップ１９において、水素濃度センサ３１の故障が判断される。

このように本実施形態によれば、故障判定手段４２は、少なくともパージバルブ１３、希釈ファン１４および水素濃度センサ３１のいずれか一つに故障が生じていることを判定した場合には、これらのいずれに故障が生じているかを判定する故障箇所判定処理を行っている。通常、水素濃度センサ３１の劣化等に起因して、その検出値が正常な値を示していない場合には、排出ガスの水素濃度管理が困難となるため、水素濃度センサ３１は確実に故障判定を行う必要がある。ただし、水素濃度センサ３１が正常に作動していても、パージバルブ１３が正常に作動しなかったり、希釈ファン１４が所望の流量を供給できなかったりした場合にも、水素濃度センサ３１が故障していると誤診断してしまう可能性がある。そのため、これらの装置の異常を発見した場合には、その異常箇所を的確に検出する必要がある。本実施形態によれば、パージバルブ１３、希釈ファン１４、水素濃度センサ３１のいずれに故障が生じているか判定するので、水素濃度センサ３１以外の希釈ファン１４やパージバルブ１３に異常がある場合にも、水素濃度センサ３１が故障していると誤診断することがなく、また、故障部位の点検や交換を促すことができる。

本実施形態において、燃料電池システムは、パージバルブ１３の開閉状態を制御する制御手段４３をさらに有している。この場合、制御手段４３は、故障判定手段４２による故障箇所判定処理の開始にともない、パージバルブ１３を閉状態に制御する。また、故障判定手段４２は、制御手段４３がパージバルブ１３を閉状態に制御していることを前提に、水素濃度センサ３１による実水素濃度に基づいて、パージバルブ１３に故障が生じているか否かを判定する。これにより、パージバルブ１３の故障を切り分けて判定することができる。

ここで、故障判定手段４２は、水素濃度センサ３１による実水素濃度が零ではないと判断した場合には、パージバルブ１３が開固着している、または、パージバルブ１３が異物を噛み込んでいるとの判定を行う。これにより、パージバルブ１３が開固着や異物の噛み込みなどの故障を判定することができる。

また、本実施形態において、燃料電池システムは、希釈ファン１４から排出されるガス流量を検出する流量センサ３０をさらに有している。ここで、制御手段４３は、故障判定手段４２によって水素濃度センサ３１による実水素濃度が零であると判断された場合には、希釈ファン１４を所定の回転数で動作させる。また、故障判定手段４２は、制御手段４３が希釈ファン１４の回転数制御を行っていることを前提に、希釈ファン１４の回転数から推定されるガス流量と、流量センサ３０によって検出されるファン流量とに基づいて、希釈ファン１４に故障が生じているか否かを判定する。これにより、パージバルブ１３に開固着や異物の噛み込みなどが発生していないと判断できる場合には、希釈ファン１４に生じている故障を切り分けて判定することができる。

ここで、故障判定手段４２は、希釈ファン１４の回転数から推定されるガス流量と、流量センサ３０によるファン流量とが対応していないと判断した場合には、希釈ファン１４が故障しているとの判定を行う。これにより、希釈ファン１４の故障を有効に判定することができる。

さらに、本実施形態において、制御手段４３は、故障判定手段４２によって希釈ファン１４の回転数から推定されるガス流量と流量センサ３０によるファン流量とが対応していると判断された場合には、パージバルブ１３の開閉状態を周期的に切り替える。そして、故障判定手段４２は、制御手段４３がパージバルブ１３の開閉制御を行っていることを前提に、流量センサ３０によるファン流量に基づいて、パージバルブ１３または水素濃度センサ３１に故障が生じているか否かを判定する。これにより、パージバルブ１３に開固着や異物の噛み込みなどが発生しておらず、かつ、希釈ファン１４に故障がないと判定できる場合、流量センサ３０のファン流量によって、水素濃度センサ３１の故障、或いは、パージバルブ１３の故障とを切り分けることができる。

ここで、故障判定手段４２は、流量センサ３０によるファン流量が、パージバルブ１３の開閉制御に応じて変化したと判断した場合には、水素濃度センサ３１に故障が生じているとの判定を行い、流量センサ３０によるファン流量が、パージバルブ１３の開閉制御に応じて変化しないと判断した場合には、パージバルブ１３が閉固着しているとの判定を行う。これにより、水素濃度センサ３１の故障、或いは、パージバルブ１３の閉固着を有効に判定することができる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図 第１の実施形態にかかる制御部の構成図 第１の実施形態にかかる故障判定処理の手順を示すフローチャート 実水素濃度と推定水素濃度との説明図 第２の実施形態にかかる制御部の構成図 推定水素濃度と実水素濃度との差に応じた故障箇所の傾向を示す説明図 第２の実施形態にかかる故障箇所判定処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 出力取出装置
３ モータ制御部
４ 二次電池
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ パージバルブ
１４ 希釈ファン
２０ コンプレッサ
２１ 空気調圧バルブ
３０ 流量センサ
３１ 水素濃度センサ
３２ 空気圧力センサ
３３ 水素圧力センサ
３４ スタック温度センサ
３５ 大気圧センサ
３６ 外気温センサ
４０ 制御部
４１ 濃度推定手段
４２ 故障判定手段
４３ 制御手段

Claims (9)

1. 燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極側から排出されるガスを外部に排出する排出流路と、
   前記排出流路に設けられ、開閉状態が切替可能なパージバルブと、
   前記パージバルブよりも下流側の前記排出流路に設けられており、前記燃料極から排出されるガスを希釈して排出する希釈手段と、
   前記希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、
   前記濃度検出手段によって検出される前記燃料ガスの濃度と、前記濃度推定手段によって推定される前記燃料ガスの濃度とを比較し、当該比較結果に基づいて、少なくとも前記パージバルブ、前記希釈手段および前記濃度検出手段のいずれか一つに故障が生じているか否かを判定する判定手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記濃度推定手段は、前記希釈手段が前記燃料極側から排出されるガスを希釈するための希釈流量と、前記パージバルブから排出される水素流量とに基づいて、燃料ガスの濃度を算出するとともに、当該算出された燃料ガスの濃度に、前記パージバルブから前記水素濃度検出手段へと前記排出ガスが到達する時間と、前記水素濃度検出手段の反応時間とを考慮して、前記濃度検出手段を流れるガスに対応する前記燃料ガスの濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記判定手段は、少なくとも前記パージバルブ、前記希釈手段および前記濃度検出手段のいずれか一つに故障が生じていると判定した場合には、前記パージバルブ、前記希釈手段および前記濃度検出手段のいずれに故障が生じているかを判定する故障箇所判定処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
4. 前記パージバルブの開閉状態を制御する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記判定手段による前記故障箇所判定処理の開始にともない、前記パージバルブを閉状態に制御し、
   前記判定手段は、前記制御手段が前記パージバルブを閉状態に制御していることを前提に、前記濃度検出手段によって検出される前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記パージバルブに故障が生じているか否かを判定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 前記判定手段は、前記濃度検出手段によって検出される前記燃料ガスの濃度が零ではないと判断した場合、前記パージバルブが開固着している、または、前記パージバルブが異物を噛み込んでいるとの判定を行うことを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
6. 前記希釈手段から排出されるガス流量を検出する流量検出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記判定手段によって、前記濃度検出手段による前記燃料ガスの濃度が零であると判断された場合、前記希釈手段を所定の駆動量で動作させ、
   前記判定手段は、前記制御手段が前記希釈手段の駆動量制御を行っていることを前提に、前記希釈手段の駆動量から推定されるガス流量と、前記流量検出手段によって検出されるガス流量とに基づいて、前記希釈手段に故障が生じているか否かを判定することを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
7. 前記判定手段は、前記希釈手段の駆動量から推定されるガス流量と、前記流量検出手段によって検出されるガス流量とが対応しないと判断した場合、前記希釈手段が故障しているとの判定を行うことを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記判定手段によって、前記希釈手段の駆動量から推定されるガス流量と前記流量検出手段によって検出されるガス流量とが対応すると判断された場合、前記パージバルブの開閉状態を周期的に切り替え、
   前記判定手段は、前記制御手段が前記パージバルブの開閉制御を行っていることを前提に、前記流量検出手段によって検出されるガス流量に基づいて、前記パージバルブまたは前記濃度検出手段に故障が生じているか否かを判定することを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
9. 前記判定手段は、前記流量検出手段によって検出されるガス流量が、前記パージバルブの開閉周期に応じて変化したと判断した場合、前記濃度検出手段に故障が生じているとの判定を行い、前記流量検出手段によって検出されるガス流量が、前記パージバルブの開閉周期に応じて変化しないと判断した場合、前記パージバルブが閉固着しているとの判定を行うことを特徴とする請求項８に記載された燃料電池システム。
   
   

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