JP2010091535A - 異常検出装置、異常検出方法および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素センサまたは酸素センサの出力処理回路のいずれに異常が生じているか判定することができる異常検出装置、異常検出方法および燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 異常検出装置（３０）は、ヒータ（１５）による加熱によって起動する限界電流式の酸素センサ（１０）がヒータによって加熱される前に、酸素センサの出力に基づいて、酸素センサまたは酸素センサの出力処理回路（２０）に異常が生じているか否かを判定する判定部（３１）を備える。燃料電池システム（１００）は、酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池（５０）と、燃料電池のカソード（５１）を一部に含む第１配管と、燃料電池のアノード（５２）を一部に含む第２配管と、第１配管または第２配管のいずれかの位置に配置されヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサ（１０）と、異常検出装置（３０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、異常検出装置、異常検出方法および酸素センサを備える燃料電池システムに関する。

酸素センサは、雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサである。この酸素センサに異常が生じると正確な酸素濃度を検出することが困難となる。そこで、酸素センサを大気にさらした場合のセンサ出力を基に、酸素センサの異常の判断を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９８０７５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、酸素センサまたは酸素センサの出力処理回路のいずれに異常が生じているか判断することができない。

本発明は、酸素センサまたは酸素センサの出力処理回路のいずれに異常が生じているか判定することができる異常検出装置、異常検出方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る異常検出装置は、ヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサがヒータによって加熱される前に、酸素センサの出力に基づいて異常を判定する判定部を備えることを特徴とするものである。本発明に係る異常検出装置においては、ヒータによる加熱前における酸素センサの出力が用いられる。この場合、酸素濃度変化に基づく酸素センサの出力変動が回避される。その結果、酸素センサに異常が生じているか否か、または、酸素センサの出力処理回路に異常が生じているか否かを判定することができる。

判定部は、酸素センサへの電圧印加前における酸素センサの出力に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの出力処理回路のアース電位に異常が生じているか否かを判定することができる。

判定部は、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの出力処理回路に異常が生じているか否かを判定することができる。判定部は、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率の最大値に基づいて、異常を判定してもよい。

判定部は、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の酸素センサの出力に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサに異常が生じているか否かを判定することができる。

酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の酸素センサの出力に基づいて異常が生じていると判定されなかった場合に、酸素センサの出力を、酸素濃度０％の出力として記憶する記憶部をさらに備えていてもよい。この場合、酸素センサの経年変化等を補償することができる。

判定部は、酸素センサへの電圧印加後かつヒータへの電力供給が開始された後に酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサに異常が生じているか否かを判定することができる。

判定部は、酸素センサへの電圧印加後かつヒータへの電力供給が開始された後に酸素センサの出力の時間変化率が所定値に到達するまでの時間に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの熱容量またはヒータに異常が生じているか否かを判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムは、酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、燃料電池のカソードを通過する第１配管と、燃料電池のアノードを通過する第２配管と、第１配管または第２配管のいずれかの位置に配置されヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサと、請求項１〜８のいずれかに記載の異常検出装置と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、酸素センサに異常が生じているか否か、または、酸素センサの出力処理回路に異常が生じているか否かを判定することができる。この場合、酸素センサの酸素濃度検出の精度が向上する。それにより、配管におけるエアフローメータ等の設置の必要性が抑制される。その結果、燃料電池システムのコストが抑制される。

炭化水素燃料から水素を生成する改質部に対して燃料の燃焼によって加熱する加熱部をさらに備え、第１配管および第２配管の少なくとも一方が加熱部に接続され、酸素センサは、加熱部の排気ガス配管に配置されていてもよい。この場合、加熱部の排気ガスの熱を用いて酸素センサを加熱することができる。それにより、酸素センサに備わるヒータにおける電力消費を抑制することができる。

本発明に係る異常検出方法は、ヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサがヒータによって加熱される前に酸素センサの出力に基づいて異常を判定する判定ステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る異常検出方法においては、ヒータによる加熱前における酸素センサの出力が用いられる。この場合、酸素濃度変化に基づく出力変動が回避される。その結果、酸素センサに異常が生じているか否か、または、酸素センサの出力処理回路に異常が生じているか否かを判定することができる。

判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加前における酸素センサの出力に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの出力処理回路のアース電位に異常が生じているか否かを判定することができる。

判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの出力処理回路に異常が生じているか否かを判定することができる。判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率の最大値に基づいて、異常を判定してもよい。

判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加後における酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の酸素センサの出力に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサに異常が生じているか否かを判定することができる。

酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の酸素センサの出力に基づいて異常が生じていると判定されなかった場合に、酸素センサの出力を、酸素濃度０％の出力として記憶する記憶ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、酸素センサの経年変化等を補償することができる。

判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加後かつヒータへの電力供給が開始された後の酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサに異常が生じているか否かを判定することができる。

判定ステップにおいて、酸素センサへの電圧印加後かつヒータへの電力供給が開始された後に酸素センサの出力の時間変化率が所定値に到達するまでの時間に基づいて、異常を判定してもよい。この場合、酸素センサの熱容量またはヒータに異常が生じているか否かを判定することができる。

本発明によれば、酸素センサまたは酸素センサの出力処理回路のいずれに異常が生じているか判定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る異常検出装置３０の構成を説明するためのブロック図である。異常検出装置３０は、酸素センサ１０または酸素センサ１０の出力処理回路２０に異常が生じているか否かを検出する装置である。

酸素センサ１０は、限界電流式酸素センサであって、電解質１１の一面にアノード１２が設けられ、電解質１１の他面にカソード１３が設けられ、細孔が形成された多孔質基板１４がカソード１３を覆うように電解質１１上に配置された構造を有する。電解質１１には、ヒータ１５が配置されている。

電解質１１は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばジルコニアからなる。アノード１２およびカソード１３は、例えば白金からなる。多孔質基板１４は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ１５は、例えば白金薄膜等からなる。

出力処理回路２０は、印加電圧制御部２１、ヒータ電力制御部２２、電流電圧変換部２３等を備える。また、出力処理回路２０には、アノード１２と出力処理回路２０とを接続する配線およびカソード１３と出力処理回路２０とを接続する配線が含まれる。印加電圧制御部２１は、アノード１２およびカソード１３に印加する電圧を制御する制御回路である。ヒータ電力制御部２２は、ヒータ１５に供給する電力を制御する制御回路である。電流電圧変換部２３は、酸素センサ１０の限界電流を電圧信号に変換する変換回路である。

異常検出装置３０は、判定部３１および記憶部３２を備える。判定部３１は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。判定部３１は、電流電圧変換部２３から与えられる電圧信号に基づいて、酸素センサ１０または出力処理回路２０に異常が生じているか否かを判定する。記憶部３２は、不揮発性メモリ等から構成され、判定部３１の判定結果を記憶する。

出力処理回路２０は、アースされている。また、アノード１２と印加電圧制御部２１とを接続する配線には、センサシールド２４が設けられている。カソード１３と印加電圧制御部２１とを接続する配線には、センサシールド２５が設けられている。センサシールド２４，２５は、アースされている。

次に、酸素センサ１０および出力処理回路２０の動作の概略について説明する。印加電圧制御部２１は、アノード１２に、カソード１３と比較して相対的にプラスの電圧を印加する。この印加電圧は、可変である。印加電圧制御部２１によってアノード１２に電圧が印加されると、下記式（１）に従ってカソード１３において酸素が酸素イオンとなって電解質１１を伝導する。アノード１２においては、下記式（２）に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ ＝ ２Ｏ^２− （１）
２Ｏ^２− ＝ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ （２）

式（１）および式（２）の反応によって電流が生じる。例えば、電流電圧変換部２３は、この電流を、電流値に対応する大きさの電圧信号に変換する。酸素センサ１０において生じる電流は、多孔質基板１４の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、多孔質基板１４の外部の酸素濃度によって決まる。したがって、電流電圧変換部によって生成される電圧信号に基づいて、酸素センサ１０は、酸素センサ１０が配置される雰囲気中の酸素濃度を検出することができる。

次に、ヒータ電力制御部２２は、ヒータ１５への電力供給を開始する。それにより、ヒータ１５の温度が上昇し、電解質１１が加熱される。例えば、ヒータ電力制御部２２は、電解質１１の温度が５００℃〜７００℃程度になるようにヒータ１５への供給電力を制御する。それにより、電解質１１を酸素イオンが伝導可能になる。

図２は、酸素センサ１０に電圧を印加する場合の、電流電圧変換部２３の出力と経過時間との関係を説明するための図である。酸素センサ１０への電圧印加前においては、酸素センサ１０において理論的に電流は生じない。したがって、電流電圧変換部２３の出力電圧はほぼゼロになる。この場合の電流電圧変換部２３の出力電圧を以下、出力電圧Vs_Aと称する。

印加電圧制御部２１による電圧印加によってアノード１２とカソード１３との間に電圧差が生じると、酸素センサ１０に電流が生じる。この場合、酸素センサ１０の出力電流値は、所定値になるまで増大する。これに対応して、電流電圧変換部２３の出力電圧値は、所定値になるまで増大する。ヒータ１５に電力が供給されるまで、この出力電圧値はほぼ一定となる。印加電圧制御部２１によって酸素センサ１０に電圧が印加された後かつヒータ１５に電力が供給される前の電流電圧変換部２３の出力電圧を以下、出力電圧Vs_Bと称する。

ヒータ１５に電力が供給されると、電解質１１を酸素イオンが伝導することによって酸素センサ１０の出力電流値は徐々に増大し、ほぼ一定値になる。これに対応して、電流電圧変換部２３の出力電圧値も徐々に増大してほぼ一定値になる。ヒータ１５に電力が供給された後の電流電圧変換部２３の出力電圧を以下、出力電圧Vs_Cと称する。

本実施例においては、判定部３１は、電流電圧変換部２３の出力電圧値に基づいて酸素センサ１０または出力処理回路２０に異常が生じているか否かを判定する。図３は、酸素センサ１０に電圧を印加する場合の、電流電圧変換部２３の出力電圧値と、その出力電圧値の時間変化率と、経過時間との関係を説明するための図である。

酸素センサ１０への電圧印加前においては、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じていなければ、出力電圧Vs_Aはほぼゼロになる。しかしながら、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じている場合、電流電圧変換部２３は所定の大きさの電圧を出力する。判定部３１は、出力電圧Vs_Aに基づいて、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じているか否かを判定する。

例えば、判定部３１は、出力電圧Vs_Aが第１の許容範囲（例えばVs_A_min1＝−１０ｍＶ〜Vs_A_max1＝１０ｍＶ）以内にある場合、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じていないと判定してもよい。判定部３１は、出力電圧Vs_Aが第１の許容範囲外かつ第２の許容範囲（例えばVs_A_min2＝−５０ｍＶ〜Vs_A_max2＝５０ｍＶ）以内にある場合、ユーザへ警告を行う警告処理を実行してもよい。さらに、判定部３１は、出力電圧Vs_Aが第２の許容範囲外にある場合、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じていると判定し、酸素センサ１０を用いた酸素濃度検出を停止する停止処理を実行してもよい。

ここで、限界電流式の酸素センサの出力電流は、μＡオーダの極めて微弱な電流である。したがって、アース電位不良は検出酸素濃度の異常に直結する。本実施例のように出力処理回路２０のアース電位の異常が検出されれば、酸素センサ１０の酸素濃度検出精度が向上する。

次に、出力処理回路２０に異常がなければ、出力電圧Vs_Bが所定の時間変化率を有する。しかしながら、例えば出力処理回路２０の時定数等に異常があれば、出力電圧Vs_Bの時間変化率dVs_Bの最大値dVs_B_maxが小さくなる。そこで、判定部３１は、時間変化率dVs_Bの最大値dVs_B_maxに基づいて、出力処理回路２０に異常があるか否かを判定する。

例えば、判定部３１は、最大値dVs_B_maxが第１のしきい値dVs_B1（例えば、標準値の０．７倍の値）以上である場合、出力処理回路２０に異常が生じていないと判定してもよい。判定部３１は、最大値dVs_Bが第１のしきい値dVs_B1未満かつ第２のしきい値dVs_B2（例えば、標準値の０．５倍の値）以上である場合、ユーザへ警告を行う警告処理を実行してもよい。さらに、判定部３１は、最大値dVs_Bが第２のしきい値未満である場合、出力処理回路２０に異常が生じていると判定し、酸素センサ１０を用いた酸素濃度検出を停止する停止処理を実行してもよい。

以上のように、ヒータ１５による加熱前の電流電圧変換部２３の出力を用いることによって、酸素センサ１０または出力処理回路２０に異常が生じているか否かを判定することができる。それにより、酸素センサ１０および出力処理回路２０の異常を弁別判断可能になり、修理時間、費用等の縮減が可能となる。

次に、出力電圧Vs_Bの変化率が最大値dVs_Bに達した後には、出力電圧Vs_Bは、酸素濃度０％の値として所定の範囲に収まる。しかしながら、経年変化等により酸素センサ１０に異常が生じていると、出力電圧Vs_Bが上記所定の範囲から外れてしまう。そこで、判定部３１は、出力電圧Vs_Bの変化率が最大値dVs_Bに達した後の出力電圧Vs_Bに基づいて、酸素センサ１０に異常が生じているか否かを判定する。

例えば、判定部３１は、出力電圧Vs_Bが第１の許容範囲（例えばVs_B_min1＝印加電圧−１０ｍＶ〜Vs_B_max1=印加電圧＋１０ｍＶ）以内にある場合、酸素センサ１０に異常が生じていないと判定してもよい。判定部３１は、出力電圧Vs_Bが第１の許容範囲外かつ第２の許容範囲（例えばVs_B_min2=出力電圧−５０ｍＶ〜Vs_B_max2=出力電圧＋５０ｍＶ）以内である場合、ユーザへ警告を行う警告処理を実行してもよい。さらに、判定部３１は、出力電圧Vs_Bが第２の許容範囲外である場合、酸素センサ１０に異常が生じていると判定し、酸素センサ１０を用いた酸素濃度検出を停止する停止処理を実行してもよい。

記憶部３２は、出力電圧Vs_Bの変化率が最大値dVs_Bに達した後の出力電圧Vs_Bが第１の許容範囲内にある場合、この出力電圧Vs_Bを酸素センサ１０の検出酸素濃度が０％である場合の電圧値として記憶する。この場合、記憶部３２に記憶された値を用いて電流電圧変換部２３の出力を補正することによって、酸素センサの製造バラツキまたは経年変化が補償され、酸素濃度検出の精度が向上する。なお、この補正によれば、高温大気中での補正に比較して温度分布その他の外乱の影響が小さくなる。それにより、簡便かつ高精度に補正が可能である。

次に、酸素センサ１０の酸素濃度に対する応答性に異常が生じていなければ、出力電圧Vs_Cが所定の時間変化率を有する。しかしながら、酸素センサ１０の応答性に異常があれば、出力電圧Vs_Cの時間変化率dVs_Cの最大値dVs_C_maxが小さくなる。そこで、判定部３１は、最大値dVs_C_maxに基づいて、酸素センサ１０の応答性に異常があるか否かを判定する。

例えば、判定部３１は、最大値dVs_C_maxが第１のしきい値dVs_C1（例えば、標準値の０．７倍の値）以上である場合、酸素センサ１０の応答性に異常が生じていないと判定してもよい。判定部３１は、最大値dVs_C_maxが第１のしきい値dVs_C1未満かつ第２のしきい値dVs_C2（例えば、標準値の０．５倍）以上である場合、ユーザへ警告を行う警告処理を実行してもよい。さらに、判定部３１は、最大値dVs_C_maxが第２のしきい値以下である場合、酸素センサ１０の応答性に異常が生じていると判定し、酸素センサ１０を用いた酸素濃度検出を停止する停止処理を実行してもよい。

この場合、例えば、酸素センサ１０への酸素到達を阻害する酸素センサ１０の表面の付着物の存在を容易に検出することができる。また、酸素センサ１０のセンサ応答性の劣化は負帰還制御装置の性能低下を招くことがあるが、この性能低下を未然に防止することができる。

次に、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５に異常が生じていなければ、ヒータ１５への電力供給を開始した後に出力電圧Vs_Cが最大値dVs_C_maxに到達するまでの時間T_Vsが所定の値よりも小さくなる。しかしながら、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５に異常が生じていれば、時間T_Vsが長くなる。そこで、判定部３１は、時間T_Vsに基づいて、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５に異常が生じているか否かを判定する。

例えば、判定部３１は、時間T_Vsが第１のしきい値T_Vs1（例えば、標準値＋１０ｓｅｃ）未満である場合、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５に異常が生じていないと判定してもよい。判定部３１は、時間T_Vsが第１のしきい値T_Vs1以上かつ第２のしきい値T_Vs2（例えば、標準値＋３０ｓｅｃ）未満である場合、ユーザへ警告を行う警告処理を実行してもよい。さらに、判定部３１は、時間T_Vsが第２のしきい値T_Vs2以上の場合、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５の少なくともいずれか一方に異常が生じていると判定し、酸素センサ１０を用いた酸素濃度検出を停止する停止処理を実行してもよい。

この場合、ヒータ１５の劣化、酸素センサ１０本体への付着物の存在等を容易に検出することができる。それにより、酸素センサ１０および出力処理回路２０の機能を望ましい状態に保つための保守、点検作業等が容易になる。

図４〜図６は、異常検出装置３０による酸素センサの異常検出の際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。まず、図４を参照して、判定部３１は、電流電圧変換部２３から出力電圧Vs_Aを読み込む（ステップＳ１）。次に、判定部３１は、出力電圧Vs_Aが第２の許容範囲（Vs_A_min2以上Vs_A_max2 以下）にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において出力電圧Vs_Aが第２の許容範囲にあると判定された場合、判定部３１は、出力電圧Vs_Aが第１の許容範囲（Vs_A_min1以上Vs_A_max1以下）にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３において出力電圧Vs_Aが第１の許容範囲にあると判定された場合、判定部３１は、酸素センサ１０に電圧が印加されるように印加電圧制御部２１を制御する（ステップＳ４）。次に、判定部３１は、ルーチン１をコールする（ステップＳ５）。その後、フローチャートの実行は終了する。

ステップＳ２において出力電圧Vs_Aが第２の許容範囲にあると判定されなかった場合、判定部３１は、停止処理ルーチンをコールする（ステップＳ６）。それにより、酸素濃度検出の停止処理が実行される。ステップＳ３において出力電圧Vs_Aが第１の許容範囲にあると判定されなかった場合、判定部３１は、警告処理ルーチンをコールする（ステップＳ７）。それにより、ユーザへの警告処理が実行される。

図４のフローチャートにおいてルーチン１がコールされた場合、図５のフローチャートが実行される。図５を参照して、判定部３１は、出力電圧Vs_Bを電流電圧変換部２３から読み込む（ステップＳ１１）。次に、出力電圧Vs_Bの時間変化率dVs_Bに（出力電圧Vs_B−出力電圧Vs_B_old）を代入する（ステップＳ１２）。出力電圧Vs_B_oldは、前回のフローチャート実行時に与えられる値である。次いで、判定部３１は、出力電圧Vs_B_oldに出力電圧Vs_Bの値を代入する（ステップＳ１３）。

次に、判定部３１は、dVs_BがdVs_B_old以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、dVs_B_oldは、前回のフローチャート実行時に与えられる値である。ステップＳ１４においてdVs_BがdVs_B_old以下であると判定された場合、判定部３１は、dVs_B_oldが第２のしきい値dVs_B2以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５においてdVs_B_oldが第２のしきい値dVs_B2以上であると判定された場合、判定部３１は、dVs_B_oldが第１のしきい値dVs_B1以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６においてdVs_B_oldが第１のしきい値dVs_B1以上であると判定された場合、判定部３１は、出力電圧Vs_B_oldが第２の許容範囲（Vs_B_min2以上 Vs_B_max2 以下）にあるか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において出力電圧Vs_B_oldが第２の許容範囲にあると判定された場合、判定部３１は、出力電圧Vs_B_oldが第１の許容範囲（Vs_B_min1以上 Vs_B_max1 以下）にあるか否かを判定する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１８において出力電圧Vs_B_oldが第１の許容範囲にあると判定された場合、ヒータ電力制御部２２は、ヒータ１５への電力供給を開始する（ステップＳ１９）。次に、判定部３１は、ルーチン２をコールする（ステップＳ３０）。その後、フローチャートの実行が終了する。

ステップＳ１５においてdVs_B_oldが第２のしきい値dVs_B2以上であると判定されなかった場合、および、ステップＳ１７において出力電圧Vs_B_oldが第２の許容範囲にあると判定されなかった場合、判定部３１は、停止処理ルーチンをコールする（ステップＳ２１）。それにより、酸素濃度検出の停止処理が実行される。その後、フローチャートの実行が終了する。

ステップＳ１６においてdVs_B_oldが第１のしきい値dVs_B1以上であると判定されなかった場合、および、ステップＳ１８において出力電圧Vs_B_oldが第１の許容範囲にあると判定されなかった場合、判定部３１は、警告処理ルーチンをコールする（ステップＳ２１）。それにより、ユーザへの警告処理が実行される。その後、フローチャートの実行が終了する。

ステップＳ１４においてdV_BがdVs_B_old以下であると判定されなかった場合、判定部３１は、出力電圧dVs_B_oldにdVs_Bを代入する（ステップＳ２３）。次に、判定部３１は、５１２ｍｓ後にルーチン１をコールする（ステップＳ２４）。その後、フローチャートの実行が終了する。このステップＳ１４、Ｓ２３およびＳ２４の実行によって、dV_Bが最大値を示すまでルーチン１がコールされる。

図５のフローチャートにおいてルーチン２がコールされた場合、図６のフローチャートが実行される。図６を参照して、判定部３１は、出力電圧Vs_Cを電流電圧変換部２３から読み込む（ステップＳ３１）。次に、出力電圧Vs_Cの時間変化率dVs_Cに（出力電圧Vs_C−出力電圧Vs_C_old）を代入する（ステップＳ３２）。出力電圧Vs_C_oldは、前回のフローチャート実行時に与えられる値である。次いで、判定部３１は、出力電圧Vs_C_oldに出力電圧Vs_Cを代入する（ステップＳ３３）。

次に、判定部３１は、dV_CがdVs_C_old以下であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。dVs_C_oldは、前回のフローチャートの実行時に与えられる値である。ステップＳ３４においてdV_CがdVs_C_old以下であると判定された場合、判定部３１は、dVs_C_oldが第２のしきい値dVs_C2以上であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。ステップＳ３５においてdVs_C_oldが第２のしきい値dVs_C2以上であると判定された場合、判定部３１は、dVs_C_oldが第１のしきい値dVs_C1以上であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。

ステップＳ３６においてdVs_C_oldが第１のしきい値dVs_C1以上であると判定された場合、判定部３１は、時間T_Vsが第２のしきい値T_Vs2以上であるか否かを判定する（ステップＳ３７）。ステップＳ３７において時間T_Vsが第２のしきい値T_Vs2以上であると判定された場合、判定部３１は、時間T_Vsが第１のしきい値T_Vs1以上であるか否かを判定する（ステップＳ３８）。ステップＳ３８において時間T_Vsが第１のしきい値T_Vs1以上であると判定された場合、フローチャートの実行は終了する。

ステップＳ３５においてdVs_C_oldが第２のしきい値dVs_C2以上であると判定されなかった場合、および、ステップＳ３７において時間T_Vsが第２のしきい値時間T_Vs_２以上であると判定されなかった場合、判定部３１は、停止処理ルーチンをコールする（ステップＳ３９）。それにより、酸素濃度検出の停止処理が実行される。その後、フローチャートの実行が終了する。

ステップＳ３６においてdVs_C_oldが第１のしきい値dVs_C1以上であると判定されなかった場合、および、ステップＳ３８において出力電圧Vs_B_oldが第１のしきい値T_Vs_1以上であると判定されなかった場合、判定部３１は、警告処理ルーチンをコールする（ステップＳ４０）。それにより、ユーザへの警告処理が実行される。その後、フローチャートの実行が終了する。

ステップＳ３４においてdV_CがdVs_C_old以下であると判定されなかった場合、判定部３１は、dVs_C_oldにdV_Cを代入する（ステップＳ４１）。次に、判定部３１は、時間T_Vsに時間T_Vs＋１を代入する（ステップＳ４２）。次いで、判定部３１は、５１２ｍｓ後にルーチン１をコールする（ステップＳ４３）。その後、フローチャートの実行が終了する。ステップＳ３４、Ｓ４１〜Ｓ４３の実行によって、dVs_Cが最大値を示すまでルーチン２がコールされる。

図４〜図６のフローチャートによれば、酸素センサ１０への電圧印加前における酸素センサ１０の出力に基づいて、出力処理回路２０のアース電位に異常が生じているか否かを判定することができる。また、酸素センサ１０の出力の時間変化率に基づいて、酸素センサ１０または出力処理回路２０のいずれに異常が生じているか判定することができる。また、酸素濃度０％の出力値を補正することができる。ヒータ１５への電力供給が開始された後の酸素センサ１０の出力の時間変化率に基づいて、酸素センサ１０の応答性に異常が生じているか否かを判定することができる。さらに、ヒータ１５への電力供給が開始された後に酸素センサ１０の出力の時間変化率が所定値に到達するまでの時間に基づいて、酸素センサ１０の熱容量およびヒータ１５に異常が生じているか否かを判定することができる。

図７は、実施例２に係る燃料電池システム１００の全体構成を説明するためのブロック図である。燃料電池システム１００は、酸素センサ１０、改質器４０、燃料電池５０、炭化水素燃料ポンプ７１、エアポンプ７３、凝縮水ポンプ７４、制御部８０等を備える。

改質器４０は、改質部４１および加熱部４２を備える。燃料電池５０は、カソード５１とアノード５２とによって電解質が挟持された構造を有する。炭化水素燃料ポンプ７１は、炭化水素を改質部４１に供給するためのポンプである。エアポンプ７３は、カソード５１にエアを供給するためのポンプである。凝縮水ポンプ７４は、凝縮水タンク６１に蓄えられた凝縮水を改質部４１に供給するためのポンプである。炭化水素燃料ポンプ７１には、フローメータ７２が設けられている。

酸素センサ１０は、実施例１と同様の構造を有する。制御部８０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、実施例１に係る出力処理回路２０および異常検出装置３０を有する。

次に、燃料電池システム１００の動作の概略について説明する。まず、炭化水素燃料ポンプ７１は、制御部８０の指示に従って炭化水素燃料を改質部４１に供給する。この場合、制御部８０は、フローメータ７２の検出結果に応じて炭化水素燃料ポンプ７１の回転数を制御する。凝縮水ポンプ７４は、制御部８０の指示に従って、凝縮水を改質部４１に供給する。

改質部４１においては、炭化水素燃料と凝縮水とによって炭化水素燃料の水蒸気改質反応が進行する。水蒸気改質反応によって、水素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、燃料電池５０のアノード５２に供給される。

エアポンプ７３は、制御部８０の指示に従って、エアをカソード５１に供給する。燃料電池５０においては、カソード５１に供給された酸素とアノード５２に供給された水素とによって発電反応が進行する。カソード５１から排出されるカソードオフガスおよびアノード５２から排出されるアノードオフガスは、加熱部４２に供給される。

カソードオフガスには、酸素が含まれる。アノードオフガスには、水素、一酸化炭素等の燃料が含まれる。それにより、加熱部４２においては、アノードオフガスに含まれる燃料がカソードオフガスに含まれる酸素を用いて燃焼する。この燃焼によって得られた燃焼熱は、改質部４１に与えられる。それにより、吸熱反応の水蒸気改質反応を促進することができる。

加熱部４２から排出されるオフガスは、熱交換器６２を通過する。熱交換器６２には、水道水等の冷却媒体が供給される。それにより、加熱部４２からのオフガス中の水蒸気が凝縮して液水となり、凝縮水タンク６１に流入する。

酸素センサ１０は、加熱部４２からのオフガス中の酸素濃度を検出して、制御部８０にその検出結果を与える。制御部８０は、酸素センサ１０の検出結果に基づいて、エアポンプ７３からカソード５１に供給される酸素量を制御する。制御部８０に備わる異常検出装置３０を用いることによって酸素センサ１０の酸素濃度検出精度が向上することから、エアポンプ７３に対するフローメータの設置の必要性が低下する。それにより、燃料電池システム１００の低コスト化を図ることができる。また、酸素センサ１０が加熱部４２と熱交換器６２との間に配置されていることから、加熱部４２からのオフガスの熱を利用して酸素センサ１０を加熱することができる。それにより、ヒータ１５の消費電力を抑制することができる。

なお、本実施例においては、エアポンプ７３からカソード５１および加熱部４２を通る配管が第１配管に相当し、炭化水素燃料ポンプ７１から改質部４１、アノード５２および加熱部４２を通る配管が第２配管に相当する。

実施例１に係る異常検出装置の構成を説明するためのブロック図である。 酸素センサに電圧を印加する場合の、電流電圧変換部の出力と経過時間との関係を説明するための図である。 酸素センサに電圧を印加する場合の電流電圧変換部の出力電圧値とその出力電圧値の時間変化率と経過時間との関係を説明するための図である。 検出装置による酸素センサの異常検出の際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。 検出装置による酸素センサの異常検出の際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。 検出装置による酸素センサの異常検出の際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。 実施例２に係る燃料電池システムの全体構成を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１０ 酸素センサ
１１ 電解質
１２ アノード
１３ カソード
１４ 多孔質基板
１５ ヒータ
２０ 検出装置
２１ 印加電圧制御部
２２ ヒータ電力制御部
２３ 電流電圧変換部
２４，２５ センサシールド判定部
３１ 判定部
３２ 記憶部
４０ 改質器
４１ 改質部
４２ 加熱部
５０ 燃料電池
５１ カソード
５２ アノード
８０ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (18)

1. ヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサが前記ヒータによって加熱される前に、前記酸素センサの出力に基づいて異常を判定する判定部を備えることを特徴とする異常検出装置。
2. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加前における前記酸素センサの出力に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１記載の異常検出装置。
3. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１記載の異常検出装置。
4. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率の最大値に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１記載の異常検出装置。
5. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の前記酸素センサの出力に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１記載の異常検出装置。
6. 前記酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の前記酸素センサの出力に基づいて異常が生じていると判定されなかった場合に、前記酸素センサの出力を、酸素濃度０％の出力として記憶する記憶部をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の異常検出装置。
7. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加後かつ前記ヒータへの電力供給が開始された後の前記酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の異常検出装置。
8. 前記判定部は、前記酸素センサへの電圧印加後かつ前記ヒータへの電力供給が開始された後に前記酸素センサの出力の時間変化率が所定値に到達するまでの時間に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の異常検出装置。
9. 酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードを通過する第１配管と、
   前記燃料電池のアノードを通過する第２配管と、
   前記第１配管または前記第２配管のいずれかの位置に配置され、ヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサと、
   請求項１〜８のいずれかに記載の異常検出装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
10. 炭化水素燃料から水素を生成する改質部に対して燃料の燃焼によって加熱する加熱部をさらに備え、
    前記第１配管および前記第２配管の少なくとも一方が前記加熱部に接続され、
    前記酸素センサは、前記加熱部の排気ガス配管に配置されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
11. ヒータによる加熱によって起動する限界電流式の酸素センサが前記ヒータによって加熱される前に、前記酸素センサの出力に基づいて異常を判定する判定ステップを含むことを特徴とする異常検出方法。
12. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加前における前記酸素センサの出力に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１記載の異常検出方法。
13. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１記載の異常検出方法。
14. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率の最大値に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１記載の異常検出方法。
15. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加後における前記酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の前記酸素センサの出力に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１記載の異常検出方法。
16. 前記酸素センサの出力の時間変化率が最大値に到達した後の前記酸素センサの出力に基づいて異常が生じていると判定されなかった場合に、前記酸素センサの出力を、酸素濃度０％の出力として記憶する記憶ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の異常検出方法。
17. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加後かつ前記ヒータへの電力供給が開始された後の前記酸素センサの出力の時間変化率に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の異常検出方法。
18. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサへの電圧印加後かつ前記ヒータへの電力供給が開始された後に前記酸素センサの出力の時間変化率が所定値に到達するまでの時間に基づいて、異常を判定することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の異常検出方法。

Images