JP2013239360A - 燃料電池システム及びその故障診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁の故障診断を誤判定すること無く行い得る燃料電池システム及びその故障診断方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、燃料電池１０から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスを排出するパージ弁２９と、を備え、パージ実行をしないとき、流路断面積制御手段５３により、燃料オフガス流量がパージ実行時における燃料オフガス流量よりも少なくなるよう配管径制御機構３１を制御して、燃料電池１０の燃料オフガスの圧力をパージ弁２９の上流側の燃料オフガス排出流路に設置された第1圧力センサ２５により検出し、故障検知手段５４により、第1圧力センサ２５の検出圧力に基づきパージ弁２９の故障を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パージ弁の故障診断を行う燃料電池システム及びその故障診断方法に関する。

燃料電池システムを搭載した車両などでは、例えば燃費を改善するために、燃料電池スタックから排出された水素ガスを再循環させる水素循環経路を備えたものが種々提案されている。この水素循環経路には、水素ガスの一部を排気するためのパージ弁が備えられており、該パージ弁の開閉によりアノード極に供給される水素濃度を適正に維持している。

このようなパージ弁の故障診断を行う装置として、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１では、アノード排出ガスの排出口とパージ弁との間に圧力センサを設置して、パージ指令があったときの圧力変動値で、弁の開故障及び閉故障を検知する方法が提案されている。ここで、「開故障」とは弁が開いたままになって閉弁できなくなる故障状態をいい、「閉故障」とは弁が閉じたままになって開弁できなくなる故障状態をいう。また、特許文献１では、水素流量の変動を加味した故障判定値との比較によりパージ弁の故障判定を行い、燃料電池の運転状態に影響されずに開故障及び閉故障を検知する。

ＷＯ２００５／１１９８２３号公報

また、特許文献１では、システムが持つ流量特性等に起因する故障の誤判定を回避するために、燃料電池のアノード排出ガスの排出口とパージ弁との間に、排出流路の流路断面積を小さくする絞り手段（オリフィス）を備えた構成を開示しているが、パージ実行時には、絞り手段で小さくなった流路断面積分だけ置換できる燃料ガス量が減り、パージ効率（以下では、１回のパージで置換できる燃料ガス量について、最大量に対する比を意味するものとして用いる）が下がるという事情があった。

そこで、本発明は、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁の故障診断を誤判定すること無く行い得る燃料電池システム及びその故障診断方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスを排出するパージ手段と、前記パージ手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの圧力を検出する第1の圧力センサと、前記第1の圧力センサの上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの流路断面積を調整する流路断面積調整手段と、前記パージ手段に開閉指令を出力して、燃料オフガスのパージ実行を制御するパージ制御手段と、前記パージ実行をしていないとき、燃料オフガスの流路断面積が該パージ実行時よりも小さくなるよう前記流路断面積調整手段を制御する流路断面積制御手段と、前記第1の圧力センサの検出圧力に基づき前記パージ手段の故障を検知する故障検知手段と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、パージ非実行時における燃料オフガスの流路断面積は、パージ実行時における燃料オフガスの流路断面積よりも小さくなるよう調整されるので、仮にパージ手段に漏れ故障が発生していたときには、燃料オフガスが流路断面積調整手段の下流側に流入し難くなるので、第1の圧力センサの検出圧力における圧力低下量を大きくすることができる。これにより、燃料電池システムの負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障判定を行うことができ、故障診断における誤判定を回避することができる。また、パージ実行時には、燃料オフガスの流路断面積は相対的に大きくなるよう調整されるので、１回のパージで置換できる燃料ガス量を減らすことなく維持でき、パージ実行時のパージ効率を下げることなく維持できる。結果として、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ手段の故障診断を誤判定無く行い得る燃料電池システムを実現することができる。

また、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力の変動状況に基づき、前記燃料電池が安定発電中か否かを判定する安定発電判断手段を備え、前記故障検知手段は、前記安定発電判断手段によって安定発電中と判断された場合に故障を検知することが好ましい。

このような構成によれば、燃料ガス供給系・循環系での圧力変動が小さい場合にのみ故障検知を行うので、燃料電池システムの負荷変動や流量特性等に伴う誤検知を確実に防止することができる。

また、前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する故障閾値と、所定時間とを設定し、前記パージ実行をしないとき、所定の基準圧力に対する前記第1圧力センサの検出圧力の差分を求め、前記所定時間の間、前記差分の絶対値が前記故障閾値を上回るとき、前記パージ手段が故障であると判定することが好ましい。

このような構成によれば、シミュレーション実験等に基づき予め設定される所定時間及び故障閾値によって故障判定を行うので、パージ手段における故障判定を簡易な構成でより正確に行うことができる。

また、前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する故障閾値と、所定時間とを設定し、前記パージ実行をしないとき、所定の基準圧力から前記故障閾値を差し引いた故障判断値を求め、前記所定時間の間、前記第1の圧力センサの検出圧力が前記故障判断値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定することが好ましい。

このような構成によれば、シミュレーション実験等に基づき予め設定される所定時間及び故障閾値、並びに故障閾値に基づく故障判断値によって故障判定を行うので、パージ手段における故障判定を簡易な構成でより正確に行うことができると共に、減算回数を減らして計算量を抑制することができる。

また、故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する閉故障閾値と、判定時間とを設定し、前記パージ実行時であって、該パージ実行の開始から前記判定時間が経過した時に、所定の基準圧力に対する前記第1の圧力センサの検出圧力の差分の絶対値が前記閉故障閾値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定することが好ましい。

このような構成によれば、シミュレーション実験等に基づき予め設定される判定時間及び閉故障閾値によって故障判定を行うので、パージ手段における故障判定を、簡易な構成でより正確に行うことができる。

また、故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する閉故障閾値と、判定時間とを設定し、前記パージ実行時であって、該パージ実行の開始から前記判定時間が経過した時に、前記第1の圧力センサの検出圧力が所定の基準圧力から前記閉故障閾値を差し引いた閉故障判断値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定することが好ましい。

このような構成によれば、シミュレーション実験等に基づき予め設定される判定時間及び閉故障閾値、並びに閉故障閾値に基づく閉故障判断値によって故障判定を行うので、パージ手段における故障判定を、簡易な構成でより正確に行うことができると共に、減算回数を減らして計算量を抑制することができる。

また、前記所定の基準圧力は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力であることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池システムの運転制御に通常使用されている燃料ガスの目標圧力を基準圧力として用いるので、新たな手段構成を要することなく簡易な構成で、故障診断を行うことができる。

また、前記流量調整手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路または前記燃料ガス供給流路に設置され、燃料オフガスまたは燃料ガスの圧力を検出する第２の圧力センサを備え、前記所定の基準圧力は、前記第２の圧力センサの検出圧力であることが好ましい。

このような構成によれば、実測圧力を基準圧力として用いるので、より正確な故障検知が可能となる。

また、前記パージ手段から排出される燃料オフガスを希釈ガスで希釈する希釈器を備え、前記流路断面積調整手段は、前記希釈ガスの最小流量に基づき前記流路断面積を調整することが好ましい。

例えば、希釈ガスの最小流量に応じた排出可能な燃料オフガス量を求め、該排出可能燃料オフガス量とパージ手段の入口及び出口間の最大圧力差とに基づき最小の流路断面積を求め、該最小流路断面積より大きな流路断面積となるよう流路断面積調整手段の流路断面積を設定する。このようにすることにより、希釈できる量に合わせてパージ手段の故障の検知精度を向上させることができると共に、不必要に流路断面積を小さくして、燃料オフガス流量を絞ってパージ効率を下げることもなく、排出濃度を維持することが可能となる。

また、前記パージ手段の故障が検知されたとき、前記流路断面積制御手段は、前記流路断面積が最小面積になるよう前記流路断面積調整手段を制御することが好ましい。

このような構成によれば、パージ手段が故障した場合であっても流路断面積調整手段は最小流路断面積に設定されているので、排出可能燃料オフガスを超えるガスを排出することを好適に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムの故障診断方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスを排出するパージ手段と、前記パージ手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの圧力を検出する第1の圧力センサと、前記第1の圧力センサの上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの流路断面積を調整する流路断面積調整手段と、を備える燃料電池システムの故障診断方法であって、前記パージ手段に開閉指令を出力して、燃料オフガスのパージ実行を制御するパージ制御ステップと、前記パージ実行をしていないとき、燃料オフガスの流路断面積が該パージ実行時よりも小さくなるよう前記流路断面積調整手段を制御する流路断面積制御ステップと、前記第1の圧力センサの検出圧力に基づき前記パージ手段の故障を検知する故障検知ステップと、を含むことを特徴とする。

このような故障診断方法によれば、流路断面積制御ステップにより、パージ非実行時における燃料オフガスの流路断面積は、パージ実行時における燃料オフガスの流路断面積よりも小さくなるよう調整されるので、仮にパージ手段に故障が発生していたときには、第1の圧力センサの検出圧力における圧力低下量を大きくすることができることから、燃料電池システムの負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障判定を行うことができ、故障診断における誤判定を回避することができる。また、パージ実行時には、燃料オフガスの流路断面積は相対的に大きくなるよう調整されるので、１回のパージで置換できる燃料ガス量を減らすことなく維持でき、パージ実行時のパージ効率を下げることなく維持できる。結果として、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ手段の故障診断を誤判定無く行い得る燃料電池システムを実現することができる。

本発明により、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁の故障診断を誤判定すること無く行い得る燃料電池システム及びその故障診断方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 配管径制御機構の断面構造を説明する説明図である。 パージ弁の故障の有無に応じた圧力センサ出力値の時間的推移を例示するタイムチャート（パージ非実行時）である。 第１実施形態におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第３実施形態におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。 パージ弁の故障の有無に応じた圧力センサ出力値の時間的推移を例示するタイムチャート（パージ実行時）である。 第３変形例におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。

本発明の燃料電池システム及びその故障診断方法の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第１変形例、第２変形例、第３変形例の順に適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系４０、制御部５１などで構成されている。

燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノード及びカソード等で挟持した構造を有している。セパレータには、燃料ガス（反応ガス；水素）が通流するアノード流路１１及び酸化剤ガス（反応ガス；空気）が通流するカソード流路１２がそれぞれ形成されている。アノード流路１１は、単セルの積層方向に貫通して各アノードに水素を分配供給する水素導入連通路と、アノードに対向する面に形成された流路と、単セルの積層方向に貫通して各アノードから燃料オフガス（水素など）を集合排出する水素導出連通路とで構成されている。カソード流路１２は、単セルの積層方向に貫通して各カソードに空気を分配供給する空気導入連通路と、カソードに対向する面に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して各カソードから酸化剤オフガス（湿潤な空気など）を集合排出する空気導出連通路とで構成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されることにより、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。また、燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。

また、アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガス（水素）を給排する系であり、水素タンク２１、水素供給／循環デバイス２２、パージ弁２９（パージ手段）、配管径制御機構３１（流路断面積調整手段）、配管ａ１〜ａ６などで構成されている。水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮した容器であり、配管ａ１を介して下流側の水素供給／循環デバイス２２と接続されている。

水素供給／循環デバイス２２は、配管（燃料ガス供給流路）ａ２を介して水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池１０に供給すると共に、配管ａ４を介して燃料電池１０から排出された未反応の水素を吸引し、アノードに戻して再循環させる。なお、本実施形態の水素供給／循環デバイス２２を含む燃料ガス供給系・循環系の構成としては、種々の態様が考えられる。（１）水素供給／循環デバイス２２をエゼクタで具現する構成、（２）レギュレータ及びエゼクタで具現する構成、（３）前記（１）及び（２）に加えて配管ａ４に循環ポンプを配置する構成、等々である。なお、本実施形態では、後記するように、燃料ガスの目標圧力を基準圧力として用いていることから、該燃料ガスの目標圧力を調整する手段としてレギュレータを備える構成とするのが望ましい。

パージ弁２９は、例えば、常閉型で電磁作動式のものであり、配管（燃料オフガス排出流路）ａ５，ａ６に接続されている。このパージ弁２９は、例えば燃料電池１０の発電中に制御部５１の開閉指令に基づき定期的に開弁して、水素循環路（配管ａ２，ａ３，ａ４、アノード流路１１）に蓄積した不純物（水分（水蒸気、結露水）、窒素等）を排出すると共に、水素タンク２１から新鮮な水素を供給して、発電性能の低下を防止するようになっている。

配管径制御機構３１は、配管ａ３，ａ５に接続されて絞り手段または流量制限手段として機能する。配管径制御機構３１の断面構造を図２に示す。制御部５１からの開度制御指令に基づき弁体３１ａを配管方向に対して垂直方向に移動させて、燃料オフガス排出流路の径、即ち流路断面積を調節し、燃料オフガス排出流路を流れる燃料オフガスの流量を調整する。すなわち、図２に示すように、配管径制御機構３１はコイル３１ｂ及び圧縮ばね３１ｃを備えた電磁作動式のものであり、コイル３１ｂに印加される（制御指令の）電圧値に応じて弁体３１ａが図に対して上下方向に移動する。

ここで、図２（ａ）は弁開度（、即ち流路断面積）が最小の状態を、図２（ｂ）は弁開度（流路断面積）が最大の状態をそれぞれ示す。図２（ａ）の状態では、コイル３１ｂに電圧は印加されておらず、弁体３１ａは圧縮ばね３１ｃで突出方向に付勢されている。また、図２（ｂ）の状態では、コイル３１ｂに電圧が印加されて図中上方向に弁体３１ａを移動させる力が働き、圧縮ばね３１ｃの図中下方向に働く弾性力とのバランスによって弁体３１ａの位置が定まる。なお、配管径制御機構３１は電磁作動式に限定されることなく、空圧作動式など他の作動機構によるものであっても良い。また、流路断面積調整手段としては、少なくとも流量を調整する機能を有していれば良く、他の構造を備えた可変オリフィスや弁開度を調節可能な調節弁であっても良い。また、ここではノーマルオープン型の場合のみを例示したが、ノーマルクローズ型の弁を用いても良い。

また、この配管径制御機構３１の下流側となる配管ａ５には、燃料オフガスの圧力を検出する第1圧力センサ２５が設置されている。

また、カソード系４０は、燃料電池１０のカソードに対して酸化剤ガス（空気（酸素））を給排する系であり、エアコンプレッサ（不図示）、配管ｂ１，ｂ２などで構成されている。エアコンプレッサは、例えばモータで駆動される機械式の過給器であり、外気（空気）を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する。このエアコンプレッサは、配管ｂ１を介してカソード流路１２の入口と接続されている。また、カソード流路１２の出口側では配管ｂ２に背圧弁４１が接続されている。背圧弁４１は、バタフライ弁等で構成される常閉型の弁であり、その開度は制御部５１によって制御され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力を適宜調節している。

また、パージ弁２９の下流側の配管ａ６及び背圧弁４１の下流側の配管ｂ３は希釈器４２に接続されている。希釈器４２は、アノード流路１１から排出された燃料オフガスとカソード流路１２から排出された酸化剤オフガスとを混合し、燃料オフガスに含まれる水素を、酸化剤オフガス（空気等）で希釈するようになっている。希釈後のガスは配管ｂ４を介して外に排出される。

また、制御部５１は、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサ、プログラムや各種データを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリなどで構成され、パージ弁２９等の各種弁を開閉し、背圧弁４１の開度を調節し、エアコンプレッサ等の各モータの回転速度を調節する。

制御部５１は、パージ制御手段５２、流路断面積制御手段５３、故障検知手段５４及び安定発電判断手段５５を備えている。なお、これらは、前記プロセッサ上で実行されるプログラムの機能的まとまりとして具現されるものである。パージ制御手段５２は、パージ弁２９に開閉指令を出力して、燃料オフガスを排出するパージの実行／非実行を制御する。流路断面積制御手段５３は、パージ非実行時に、燃料オフガス流量がパージ実行時における燃料オフガス流量よりも少なくなるように配管径制御機構３１を制御する。

また、故障検知手段５４は、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力と燃料ガスの目標圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する。本実施形態では、基準圧力として燃料ガスの目標圧力を用いる。ここで、燃料ガスの目標圧力は、例えば、燃料電池１０のアノード流路１１の入口圧力についての目標圧力である。また、安定発電判断手段５５は、燃料電池１０に供給される燃料ガスの目標圧力の変動状況に基づき、燃料電池１０が安定発電中か否かを判定する。なお、要求負荷（アクセル開度）の変化に応じて燃料電池１０の指令電流値が変化し、燃料電池１０の指令電流値変化に応じて燃料ガスの目標圧力は変化する。また、水素供給／循環デバイス２２に備えるレギュレータにより燃料ガスの所定目標圧力となるように調整される。したがって、燃料電池１０が安定発電中か否かを判断するためのパラメータとしては、燃料ガスの目標圧力の他に、要求負荷（アクセル開度）や燃料電池１０の指令電流値等のパラメータによっても行うことができる。

ここで、故障検知手段５４が実行する故障判定の基本的考え方について図３を参照して説明する。図３はパージ非実行時におけるパージ弁２９の故障の有無に応じたタイムチャートであり、（ａ）は配管径制御機構３１によって流路断面積を小さくする場合の第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１ｏを、（ｂ）は配管径制御機構３１によって流路断面積を小さくしない場合の第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１を、それぞれ示す。なお、パージ非実行時は、パージ制御手段５２によりパージ弁２９に対して閉弁指令が出力されている時である。

アノード圧力が運転状態に応じた目標圧となるような燃料ガス供給量で燃料ガス供給を行っている状態であって、パージ弁２９による水素パージが行われていない時に、パージ弁２９に故障が無ければ、第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１ｏ、Ｐｍ１はほぼ燃料ガス目標圧力となる。また、パージ弁２９に漏れ等の故障が発生している場合には、第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１ｏ、Ｐｍ１は低下する。すなわち、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力（Ｐｍ１ｏ、Ｐｍ１）と、燃料ガスの目標圧力との差分が、その圧力低下量ΔＰｍ１ｏ、ΔＰｍ１となる。ここで、運転状態に応じた目標圧となるような燃料ガス供給量とは、事前の実機テストやシミュレーション等で求められるものであって、予め制御部５１のメモリに保持されるものである。また、本実施形態でいう故障としては、パージ弁２９の開閉機構の動作不良等によってパージ弁２９が開いたままの状態、或いは完全に閉じきれない状態となる故障、シール等の付属部品が劣化することにより生じた隙間から漏れ出す故障等が考えられる。

また、配管径制御機構３１等の流量調整手段によって流路断面積を小さくして燃料オフガス流量を少なくした場合は、図３（ｂ）と対比して図３（ａ）に示すように、故障による圧力低下量ΔＰｍ１ｏはΔＰｍ１よりも大きくなる。これは、圧力低下量がパージ弁２９への供給流量に対する漏れ出す流量の比でほぼ決まることから、配管径制御機構３１によって流路断面積を小さくすることで、燃料オフガスが第１圧力センサ２５側に流れ難くなり、対比するパージ弁２９への供給流量を配管径制御機構３１によって少なくした分だけ圧力低下量が大きくなることによるものである。

このように、故障による圧力低下量をより大きなものとすることができれば、燃料電池システム１の負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障の判定を行うことができ、誤検知を確実に防止することができる。また、他の要因による圧力低下と明確に区別できることから、所定期間Ｔｚ１ｏをＴｚ１よりも短く設定することができ、より速く故障検出を行うことができる。

次に、故障判定の基本的手法について具体的に説明する。本実施形態では、圧力低下について故障によるものか否かを判定するために、故障閾値ΔＰｚ１ｏ及び所定期間Ｔｚ１ｏを設定している。つまり、故障検知手段５４は、故障による圧力低下量ΔＰｍ１ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ１ｏを上回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えたときに、故障であると判定する。なお、図３において見方を変えてみると、第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ１ｏが燃料ガス目標圧力から故障閾値ΔＰｚ１ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ１ｏを下回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えたときに故障であると判定しても良いことが分かる。

これら両者の判定法は意味的には等価であるが処理手順が異なる。前者の判定法では、圧力低下量ΔＰｍ１ｏ＝燃料ガス目標圧力−第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ１ｏの減算を行った後、圧力低下量ΔＰｍ１ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ１ｏを上回る期間が連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えたか否かを判定する。これに対して後者の判定法では、故障判断値Ｐｚ１ｏ＝燃料ガス目標圧力−故障閾値ΔＰｚ１ｏの減算を行った後、第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏを下回る期間が連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えたか否かを判定する。ここで、減算の回数について比較してみると、前者の判定法では「ΔＰｍ１ｏ＝燃料ガス目標圧力−検出値Ｐｍ１ｏ」の減算を少なくとも所定期間Ｔｚ１ｏの間のサンプリング数回（検出回数分）行う必要があるのに対し、後者の判定法では「Ｐｚ１ｏ＝燃料ガス目標圧力−ΔＰｚ１ｏ」の1回で済む。後記する図４のフローチャートでは、計算量がより少ない後者の判定法を採用している。

なお、故障閾値ΔＰｚ１ｏ及び所定期間Ｔｚ１ｏは、当該燃料電池システムの特性や燃料ガスの目標圧力に応じて定まり、事前の実機テストやシミュレーション実験等で求め得る値である。したがって、予め、燃料ガスの目標圧力に対する故障閾値ΔＰｚ１ｏ及び所定期間Ｔｚ１ｏをこれら実験等によって求めておき、制御部５１のメモリ（不図示）に保持されるテーブルとして構成するのが望ましい。

次に、以上のような構成要素を備えた燃料電池システムの故障診断方法について、図４を参照して説明する。ここで、図４は第１実施形態におけるパージ弁２９の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。なお、図４におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１１０の手順は、パージ非実行時には、制御部５１により、パージ弁２９の開閉制御の周期（や開弁制御における開制御時間）よりも十分に短い周期で繰り返し実行されるものである。

まず、制御部５１は、現在水素パージが行われているか（パージ弁２９が開制御されているか）否かを判断する（ステップＳ１０１）。例えば、パージ制御手段５２によるパージ弁２９の開閉制御が、パージフラグ（オン時に開制御、オフ時に閉制御）に基づき行われている場合には、該パージフラグを参照して判断すれば良い。水素パージが行われている場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）にはステップＳ１１１に進む。また、水素パージが行われておらず、パージ弁２９が閉制御されている場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）にはステップＳ１０２に進む。

水素パージが行われている場合、故障検知手段５４は、配管径制御機構３１に対して流路断面積（配管径）が大きくなるように配管径についての制御指令を出力する（ステップＳ１１１）。そして、水素パージの終了判断を行う（ステップＳ１１２）。すなわち、（パージフラグがオン状態で）水素パージが行われている間はこの状態を維持し、（パージフラグがオフ状態となって）水素パージが終了するとステップＳ１１３に進む。

そして、故障検知手段５４は、配管径制御機構３１に対して流路断面積（配管径）が小さくなるように配管径についての制御指令を出力し（ステップＳ１１３）、ステップＳ１０２に進む。つまり、ステップＳ１０１〜ステップＳ１１０で行う故障判定手順は、パージ弁２９に閉弁指令が出力されて、水素パージが行われていない状態にあるときに実施されるもので、水素パージ中には該水素パージが終了するまで実施されない。

次に、ステップＳ１０２では、安定発電判断手段５５は、燃料電池１０に供給される燃料ガスの目標圧力の変動状況に基づき燃料電池１０が安定発電中であるか否かを判定する。すなわち、直前の所定時間Ｔ＿ａｎ以内に負荷変動等に起因して燃料ガス目標圧力が変化したか否かを判断し、燃料ガス目標圧力が変化していない場合を安定発電中であるとする。安定発電中でない場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）には終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、安定発電中の場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）にはステップＳ１０３に進む。なお、圧力変化の有無の判断については、所定圧力範囲を設定して、所定時間Ｔ＿ａｎ以内に該所定圧力範囲を超えて変化した場合に安定発電中でないとし、圧力変化が該所定圧力範囲内の場合には安定発電中であると判断しても良い。

次に、燃料ガス供給量を運転状態に応じた燃料ガス目標圧となる供給量に固定（ステップＳ１０３）した上で、故障検知手段５４は、第１圧力センサ２５により検出された燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ１ｏを取得し（ステップＳ１０４）、また、燃料ガス目標圧力から故障閾値ΔＰz１ｏを減算して故障判断値Ｐｚ１ｏを求める（ステップＳ１０５）。

そして、燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ１ｏを故障判断値Ｐｚ１ｏと比較して（ステップＳ１０６）、検出圧力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏ以上であれば（Ｓ１０６：Ｎｏ）、パージ弁２９は正常に閉じていると判断し、検出圧力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏを下回る期間を計数するカウンタＣＴを初期化（ステップＳ１１０）した後、終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、検出圧力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏを下回っている場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０７に進む。

そして、カウンタＣＴが、所定期間Ｔｚ１ｏに該当する計数値ＣＴ（Ｔｚ１ｏ）に達したか否かを判断する（ステップＳ１０７）。カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ１ｏ）に達した場合（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）は、検出圧力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏを下回る期間が連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えたことを意味し、パージ弁２９が正常に閉じておらず故障していると判定して（ステップＳ１０９）終了する。また、カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ１ｏ）に達していない場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）は、検出圧力値Ｐｍ１ｏが故障判断値Ｐｚ１ｏを下回る期間が連続して所定期間Ｔｚ１ｏを超えていないことを意味し、カウンタＣＴをインクリメント（ステップＳ１０８）した後に終了して次の実行周期まで待つこととなる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム及びその故障診断方法では、パージ制御手段５２（パージ制御ステップ）によりパージ実行をしていないとき、流路断面積制御手段５３により、流路断面積を小さくし、燃料オフガス流量がパージ実行時における燃料オフガス流量よりも少なくなるよう配管径制御機構３１の配管径を制御する（流路断面積制御ステップ）。また、燃料電池１０の燃料オフガスの圧力を第1圧力センサ２５により検出し（検出ステップ）、故障検知手段５２により、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力と燃料ガスの目標圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する（故障判定ステップ）。

これにより、パージ非実行時における燃料オフガスの流路断面積は、パージ実行時における燃料オフガスの流路断面積よりも小さくなるよう調整されるので、仮にパージ弁２９に漏れ故障が発生していたときには、燃料オフガスが流路断面積調整手段の下流側に流入し難くなるので、第1の圧力センサの検出圧力における圧力低下量を大きくすることができる。これにより、燃料電池システム１の負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障の判定を行うことができ、故障診断における誤判定を回避することができる。また、パージ実行時には、燃料オフガスの流路断面積は相対的に大きくなるよう調整されるので、１回のパージで置換できる燃料ガス量を減らすことなく維持でき、パージ実行時のパージ効率を下げることなく維持できる。結果として、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁２９の故障診断を誤判定無く行い得る燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施形態では、故障検知手段５４は、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力Ｐｍ１ｏと、燃料ガスの目標圧力から故障閾値ΔＰｚ１ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ１ｏとの比較の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する。より具体的に、故障検知手段５２は、所定時間Ｔｚ１ｏにわたって故障判断値Ｐｚ１ｏとの比較について第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力Ｐｍ１ｏが下回るとき、パージ弁２９が故障であると判定する。

このように、本実施形態では、故障判断値Ｐｚ１ｏとの比較、及び所定時間Ｔｚ１ｏにわたる判断によって、パージ弁２９における漏れ等の故障判定を行うので、燃料ガスの目標圧力に応じた故障閾値ΔＰｚ１ｏ及び所定時間Ｔｚ１ｏを、予め実機テストやシミュレーション実験等で求めて設定しておけば良い。その結果として、パージ弁２９における漏れ故障判定を簡易な構成でより正確に行うことができる。

なお、故障検知手段５４は、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力Ｐｍ１ｏと、燃料ガスの目標圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定するようにして良い。より具体的に、故障検知手段５２は、所定時間Ｔｚ１ｏにわたって差分（圧力低下量ΔＰｍ１ｏ）の絶対値が故障閾値ΔＰｚ１ｏを上回るとき、パージ弁２９が故障であると判定する。このような判定によっても前記と同等の効果が得られる。

また本実施形態では、安定発電判断手段５５によって燃料ガスの目標圧力の変動状況に基づき燃料電池１０が安定発電中か否かを判定し、故障検知手段５４は、安定発電中と判断された場合に故障判定を実行する。このように、アノード供給系・循環系での圧力変動が小さい場合にのみ故障検知を行うので、燃料電池システム１の負荷変動や流量特性等に伴う誤検知を確実に防止することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム及びその故障診断方法について説明する。図５は第２実施形態の燃料電池システム２の構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム２は、第１実施形態と同様に、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系４０、制御部５１２などで構成されている。

本実施形態において第１実施形態と異なる点は、水素供給／循環デバイス２２と燃料電池１０のアノード流路１１入口と間の配管ａ２に、燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサ２６が設置されている点である。また、制御部５１２の故障検知手段５４２における故障判定も、該第２圧力センサ２６によって検出した燃料ガスの圧力を基準圧力として行う点が異なる。

すなわち、制御部５１２の故障検知手段５４２は、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力と第２圧力センサ２６によって検出された燃料ガスの圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する。第１実施形態では燃料ガスの目標圧力を基準圧力として用いたが、本実施形態では、配管径制御機構３１の上流側の燃料ガス供給流路（ａ２）の燃料ガス圧力（第２圧力センサ２６による実測圧力）を基準圧力として用いるので、より正確な故障検知が可能となる。

故障検知手段５４２が実行する故障判定の基本的考え方については、図３において、燃料ガス目標圧力を第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎに置き換えて見れば良い。また、本実施形態の以下の説明では、第１圧力センサ２５の検出値をΔＰｍ２ｏ、故障閾値をΔＰｚ２ｏ、圧力低下量をΔＰｍ２ｏ、故障判断値をＰｚ２ｏ、とそれぞれ表記する。

したがって、故障検知手段５４２は、第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎと第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ２ｏとの差分、即ち、故障による圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ２ｏを超えたときに故障であると判定する。また、見方を変えて、第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ２ｏが第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎから故障閾値ΔＰｚ２ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ２ｏを下回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ２ｏを超えたときに故障であると判定しても良い。

次に、本実施形態の燃料電池システムの故障診断方法について、図６を参照して説明する。ここで、図６は第２実施形態におけるパージ弁２９の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。なお、図６におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２１０の手順は、制御部５１２により、パージ弁２９の開閉制御の周期よりも十分に短い周期で繰り返し実行されるものである。

まず、第１実施形態と同様に、水素パージが行われていない（パージ弁２９が閉制御されている）とき（Ｓ２０１：Ｎｏ）で、且つ、燃料電池１０が安定発電中であるとき（Ｓ２０２：Ｎｏ）に、以下の故障判定手順に進み、そうでないとき（Ｓ２０１：ＹｅｓまたはＳ２０２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ２１１〜ステップＳ２１３を第１実施形態のステップＳ１１１〜ステップＳ１１３と同様に実行し、燃料オフガスの流路断面積（配管径）が小さくなるように制御指令を出力して（ステップＳ２１３）、ステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、安定発電判断手段５３は、燃料電池１０が安定発電中であるか否かを判定する。すなわち、所定時間Ｔ＿ａｎ以内に負荷変動等に起因して燃料ガス目標圧力が変化したか否かを判断し、燃料ガス目標圧力が変化していない場合を安定発電中であるとする。安定発電中でない場合には終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、安定発電中の場合にはステップＳ２０３に進む。

次に、故障検知手段５４２は、第１圧力センサ２５により検出された燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ２ｏと、第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎとを取得し（ステップＳ２０３）、第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎから第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ２ｏを減算して圧力低下量ΔＰｍ２ｏを求める（ステップＳ２０４）。

そして、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値を故障閾値ΔＰｚ２ｏと比較して（ステップＳ２０５）、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏ以下であれば（Ｓ２０５：Ｎｏ）、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回る期間を計数するカウンタＣＴを初期化（ステップＳ２１０）した後、終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、圧力低下量ΔＰｍ２の絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回っている場合（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）には、ステップＳ２０６に進む。

そして、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回る期間を計数するカウンタＣＴが、所定期間Ｔｚ２ｏに該当する計数値ＣＴ（Ｔｚ２ｏ）に達したか否かを判断する（ステップＳ２０６）。カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ２ｏ）に達した場合（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）は、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回る期間が連続して所定期間Ｔｚ２ｏを超えたことを意味し、パージ弁２９の故障と判定して（ステップＳ２０９）終了する。また、カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ２ｏ）に達していない場合（Ｓ２０６：Ｎｏ）には、圧力低下量ΔＰｍ２ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回る期間が連続して所定期間Ｔｚ２ｏを超えていないことを意味し、カウンタＣＴをインクリメント（ステップＳ２０７）した後、終了して次の実行周期まで待つこととなる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム及びその故障診断方法では、パージ制御手段５２（パージ制御ステップ）によりパージ実行をしていないとき、流路断面積制御手段５３により、燃料オフガス流量がパージ実行時における燃料オフガス流量よりも少なくなるよう配管径制御機構３１の配管径を制御する（流路断面積制御ステップ）。また、燃料電池１０の燃料オフガスの圧力を第1圧力センサ２５により検出すると共に、燃料ガスの圧力を第２圧力センサ２６により検出し（検出ステップ）、故障検知手段５４２により、第２圧力センサ２６で検出された燃料ガスの圧力と第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する（故障判定ステップ）。

これにより、パージ非実行時における燃料オフガスの流路断面積は、パージ実行時における燃料オフガスの流路断面積よりも小さくなるよう調整されるので、仮にパージ弁２９に故障が発生していたときには、第1圧力センサ２５の検出圧力における圧力低下量を（ΔＰｍ２ｏのように）大きくすることができることから、燃料電池システム２の負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障判定を行うことができ、故障診断における誤判定を回避することができる。また、パージ実行時には、燃料オフガスの流路断面積は相対的に大きくなるよう調整されるので、パージ実行時のパージ効率を下げることなく維持できる。結果として、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁２９の故障診断を誤判定無く行い得る燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施形態では、故障検知手段５４２は、所定時間Ｔｚ２ｏにわたって差分（圧力低下量ΔＰｍ２ｏ）の絶対値が故障閾値ΔＰｚ２ｏを上回るとき、パージ弁２９が故障であると判定する。このように、故障閾値ΔＰｚ２ｏとの比較、及び所定時間Ｔｚ２ｏにわたる判断によって、パージ弁２９における漏れ等の故障判定を行うが、燃料ガスの目標圧力に応じた故障閾値ΔＰｚ２ｏ及び所定時間Ｔｚ２ｏについては、予め実機テストやシミュレーション実験等で求めて設定しておけば良い。その結果として、パージ弁２９における故障判定を簡易な構成でより正確に行うことができる。

なお、故障検知手段５４２は、所定期間Ｔｚ２ｏにわたって第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ２ｏが第２圧力センサ２６による燃料ガス圧力検出値Ｐｉｎから故障閾値ΔＰｚ２ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ２ｏを下回るとき、パージ弁２９が故障であると判定するようにしても良い。このような判定によっても前記と同等の効果が得られると共に、処理手順における減算の回数を減らして計算量をより少なくすることができる。

また、安定発電判断手段５３によって燃料電池が安定発電中か否かを判定することによる効果は、第１実施形態と同等である。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム及びその故障診断方法について説明する。図７は第３実施形態の燃料電池システムの構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム２は、第１実施形態と同様に、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系４０、制御部５１３などで構成されている。

本実施形態において第１実施形態と異なる点は、燃料電池１０のアノード流路１１出口と配管径制御機構３１との間の配管ａ３に、燃料オフガスの圧力を検出する第３圧力センサ２７が設置されている点である。また、制御部５１３の故障検知手段５４３における故障判定も、該第３圧力センサ２７によって検出した燃料オフガスの圧力を用いて判定を行う点が異なる。

すなわち、制御部５１３の故障検知手段５４３は、第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力と第３圧力センサ２７によって検出された燃料オフガスの圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する。第１実施形態では燃料ガスの目標圧力を基準圧力として用いたが、本実施形態では、配管径制御機構３１の上流側の燃料オフガス排出流路（ａ３）の燃料オフガス圧力（第３圧力センサ２７による実測圧力）を基準圧力として用いるので、より正確な故障検知が可能となる。また、第２実施形態と比較して、基準圧力として燃料オフガス圧力を用いることにより、燃料電池１０における差圧（入口圧力と出口圧力との圧力差）の変動を排除することができ、より正確な故障検知が可能となる。

故障検知手段５４３が実行する故障判定の基本的考え方については、図３において、燃料ガス目標圧力を第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔに置き換えて見れば良い。また、本実施形態の以下の説明では、第１圧力センサ２５の検出値をΔＰｍ３ｏ、故障閾値をΔＰｚ３ｏ、圧力低下量をΔＰｍ３ｏ、故障判断値をＰｚ３ｏ、とそれぞれ表記する。

したがって、故障検知手段５２３は、第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔと第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ３ｏとの差分、即ち（漏れ）故障による圧力低下量ΔＰｍ３ｏの絶対値が故障閾値ΔＰｚ３ｏを上回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ３ｏを超えたときに故障であると判定する。また、見方を変えて、第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ３ｏが第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔから故障閾値ΔＰｚ３ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ３ｏを下回る期間が、連続して所定期間Ｔｚ３ｏを超えたときに故障であると判定しても良い。本実施形態では、計算量がより少ない後者の判定法を採用する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの故障診断方法について、図８を参照して説明する。ここで、図８は第３実施形態におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートである。なお、図８におけるステップＳ３０１〜ステップＳ３１０の手順は、制御部５１３により、パージ弁２９の開閉制御の周期よりも十分に短い周期で繰り返し実行されるものである。

まず、第１実施形態と同様に、水素パージが行われていない（パージ弁２９が閉制御されている）とき（Ｓ３０１：Ｎｏ）で、且つ、燃料電池１０が安定発電中であるとき（Ｓ３０２：Ｎｏ）に、以下の故障判定手順に進み、そうでないとき（Ｓ３０１：ＹｅｓまたはＳ３０２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３１１〜ステップＳ３１３を第１実施形態のステップＳ１１１〜ステップＳ１１３と同様に実行し、燃料オフガスの流路断面積（配管径）が小さくなるように制御指令を出力して（ステップＳ３１３）、ステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、安定発電判断手段５３は、燃料電池１０が安定発電中であるか否かを判定する。すなわち、所定時間Ｔ＿ａｎ以内に負荷変動等に起因して燃料ガス目標圧力が変化したか否かを判断し、燃料ガス目標圧力が変化していない場合を安定発電中であるとする。安定発電中でない場合には終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、安定発電中の場合にはステップＳ３０３に進む。

次に、故障検知手段５４３は、第１圧力センサ２５により検出された燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ３ｏと、第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔとを取得し（ステップＳ３０３）、また、第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔから故障閾値ΔＰｚ３ｏを減算して故障判断値Ｐｚ３ｏを求める（ステップＳ３０４）。

そして、燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ３ｏを故障判断値Ｐｚ３ｏと比較して（ステップＳ３０５）、検出圧力値Ｐｍ３ｏが故障判断値Ｐｚ３ｏ以上であれば（Ｓ３０５：Ｎｏ）、検出圧力値Ｐｍ３ｏが故障判断値Ｐｚ３ｏを下回る期間を計数するカウンタＣＴを初期化（ステップＳ３１０）した後、終了して次の実行周期まで待つこととなる。また、検出圧力値Ｐｍ３ｏが故障判断値Ｐｚ３ｏを下回っている場合（Ｓ３０５：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０６に進む。

そして、カウンタＣＴが、所定期間Ｔｚ３ｏに該当する計数値ＣＴ（Ｔｚ３ｏ）に達したか否かを判断する（ステップＳ３０６）。カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ３ｏ）に達した場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）は、検出圧力値Ｐｍ３ｏが故障判断値Ｐｚ３ｏを下回る期間が連続して所定期間Ｔｚ３ｏを超えたことを意味し、パージ弁２９の故障であると判定して（ステップＳ３０９）終了する。また、カウンタＣＴが計数値ＣＴ（Ｔｚ３ｏ）に達していない場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）は、検出圧力値Ｐｍ３ｏが故障判断値Ｐｚ３ｏを下回る期間が連続して所定期間Ｔｚ３ｏを超えていないことを意味し、カウンタＣＴをインクリメント（ステップＳ３０７）した後に終了して次の実行周期まで待つこととなる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム及びその故障診断方法では、パージ制御手段５２（パージ制御ステップ）によりパージ実行をしていないとき、流路断面積制御手段５３により、燃料オフガス流量がパージ実行時における燃料オフガス流量よりも少なくなるよう配管径制御機構３１の配管径を制御する（流路断面積制御ステップ）。また、燃料電池１０の燃料オフガスの圧力を第1圧力センサ２５により検出すると共に、燃料オフガスの圧力を第３圧力センサ２７により検出し（検出ステップ）、故障検知手段５４３により、第３圧力センサ２７で検出された燃料ガスの圧力と第1圧力センサ２５で検出された燃料オフガスの圧力との差分の時間的推移に基づいてパージ弁２９の故障を判定する（故障判定ステップ）。

これにより、パージ非実行時における燃料オフガスの流路断面積は、パージ実行時における燃料オフガスの流路断面積よりも小さくなるよう調整されるので、仮にパージ弁２９に故障が発生していたときには、第1圧力センサ２５の検出圧力における圧力低下量を（ΔＰｍ３ｏのように）大きくすることができることから、燃料電池システム２の負荷変動や流量特性等に起因する圧力の低下と明確に区別して故障の判定を行うことができ、故障診断における誤判定を回避することができる。また、パージ実行時には、燃料オフガスの流路断面積は相対的に大きくなるよう調整されるので、パージ実行時のパージ効率を下げることなく維持できる。結果として、パージ実行時のパージ効率を下げることなく、パージ弁２９の故障診断を誤判定無く行い得る燃料電池システムを実現することができる。

より具体的に、故障検知手段５４３は、所定期間Ｔｚ３ｏにわたって第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ３ｏが第３圧力センサ２７による燃料オフガス圧力検出値Ｐｏｕｔから故障閾値ΔＰｚ３ｏを差し引いた故障判断値Ｐｚ３ｏを下回るとき、パージ弁２９が故障であると判定する。このように、本実施形態では、故障判断値Ｐｚ３ｏとの比較、及び所定時間Ｔｚ３ｏにわたる判断によって、パージ弁２９における漏れ等の故障判定を行い、燃料ガスの目標圧力に応じた故障閾値ΔＰｚ３ｏ及び所定時間Ｔｚ３ｏについては、予め実機テストやシミュレーション実験等で求めて設定しておく態様を採る。その結果として、パージ弁２９における故障判定を簡易な構成でより正確に行うことができる。

なお、故障検知手段５４３は、所定時間Ｔｚ３ｏにわたって差分（圧力低下量ΔＰｍ３ｏ）の絶対値が故障閾値ΔＰｚ３ｏを上回るとき、パージ弁２９が故障であると判定するようにしても良い。このような判定によっても前記と同等の効果が得られる。

〔第１変形例〕
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、第１、第２及び第３実施形態において、パージ弁２９の閉制御時に配管径制御機構３２によって配管径が小さくなるよう調節する手法として、以下のような手法を採ることができる。

すなわち、希釈器４２における希釈ガス、即ちカソード系４０における酸化剤ガスの最小流量に基づき、配管径制御機構３１の流路断面積を調節するものである。パージ弁２９の漏れ故障の検知において、少なくともパージ弁２９の漏れ故障として検知したい最小の漏れ口の流路断面積Ｓｍｉｎ（隙間Ｄｍｉｎ）を想定するとき、配管径制御機構３１により調節される流路断面積（配管径）はこの最小流路断面積Ｓｍｉｎ（隙間Ｄｍｉｎ）より大きく設定すれば良いことになる。

ここで、最小流路断面積Ｓｍｉｎ（隙間Ｄｍｉｎ）は、パージ弁２９が閉制御時に、パージ弁２９の漏れ故障により外に排出したくない水素濃度まで希釈しきれなくなる流量Ｑの水素が漏れてしまう隙間のことである。したがって、燃料電池１０の運転中におけるカソード系４０における酸化剤ガスの最小流量（供給圧力）から、その時に、希釈器４２において排出可能な燃料オフガス流量Ｑを算出し、この排出可能な燃料オフガス流量Ｑと、パージ弁２９の入口及び出口間で発生し得る最大圧力差とに基づき、最小流路断面積Ｓｍｉｎ（隙間Ｄｍｉｎ）を算出する。そして、配管径制御機構３１によって、流路断面積（配管径）がこの最小流路断面積Ｓｍｉｎ（隙間Ｄｍｉｎ）より大きくなるように調節される。

これにより、希釈できる量に合わせてパージ弁２９の故障の検知精度を向上させることができると共に、不必要に流路断面積（配管径）を小さくして燃料オフガス流量を絞ることにより、パージ効率を下げることもなく、排出濃度を維持することが可能となる。

〔第２変形例〕
また、上記した第１、第２及び第３実施形態では、パージ実行時には故障診断を行わず、パージ非実行時に故障診断を行うようにしたが、パージ実行時に詰まり等の閉故障についての故障診断を行うようにしても良い。ここで、本変形例でいう閉故障としては、パージ弁２９の開閉機構の動作不良等によってパージ弁２９が閉じたままの状態、或いは完全に開ききれない状態となる故障、シール等の付属部品が劣化することにより弁内流路における流れを妨げる故障等が考えられる。

ここで、図９を参照して、故障検知手段５４、５４２、５４３が実行する故障判定の基本的考え方について説明する。なお、以下では、代表的に第１実施形態に対する変形として、図１の参照符号を用いて説明する。図９は、パージ実行時におけるパージ弁２９の故障の有無に応じた圧力センサ出力値の時間的推移を例示するタイムチャートであり、（ａ）はパージ制御に用いるパージフラグを、（ｂ）は故障が有る場合の第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１を、（ｃ）は故障が無い場合の第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１を、それぞれ示す。

パージ弁２９による水素パージが行われていない時に、パージ弁２９に故障が無ければ、第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１はほぼ燃料ガス目標圧力である。この状態で、パージフラグがオンとなってパージ弁２９の開制御が行われると、第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１は、徐々に低下していくことになる。このとき、パージ弁２９に故障が有る場合（図９（ｂ）参照）には、故障が無い場合（図９（ｃ）参照）と比べて圧力低下の速度が遅い。したがって、パージ実行の開始（パージフラグがオンとなる立ち上がりタイミング）から判定時間Ｔｙが経過した時に、基準圧力（ここでは、燃料ガスの目標圧力）に対する第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１の差分（圧力低下量ΔＰｍ１）の絶対値が故障閾値ΔＰｙ（閉故障閾値）を下回るか否かを判定すれば、パージ弁２９が故障であるか否かを判定することができる。

ここで、故障閾値ΔＰｙ及び判定時間Ｔｙは、当該燃料電池システムの特性や燃料ガスの目標圧力、そして特にパージ弁２９の特性に応じて定まり、事前の実機テストやシミュレーション実験等で求め得る値である。したがって、予め、燃料ガスの目標圧力に対する故障閾値ΔＰｙ及び判定時間Ｔｙをこれら実験等によって求めておき、制御部５１のメモリ（不図示）に保持されるテーブルとして構成するのが望ましい。

具体的判定手法としては、パージ実行の開始から判定時間Ｔｙが経過した時に、燃料ガスの目標圧力に対する第1圧力センサ２５の出力値Ｐｍ１の差分（圧力低下量ΔＰｍ１）の絶対値が故障閾値ΔＰｙを下回るときに、パージ弁２９が故障であると判定する。また、本変形例においても上記実施形態と同様に見方を変えてみると、パージ実行の開始から判定時間Ｔｙが経過した時に、第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ１が燃料ガス目標圧力から故障閾値ΔＰｙを差し引いた故障判断値Ｐｙ（閉故障判断値）を下回るときに、パージ弁２９が故障であると判定しても良いことが分かる。

次に、パージ実行時におけるパージ弁２９の故障診断方法について、図１０を参照して説明する。図１０は、変形例におけるパージ弁の故障診断方法の手順を説明するフローチャートであり、接続子Ｐ１から接続子Ｐ２までの処理は、例えば、図４におけるステップＳ１１１とステップＳ１１２の間に挿入されることとなる。なお、ステップＳ１１２のＮｏ判断の分岐先は接続子Ｐ１となる。

まず、故障検知手段５４は、パージ実行の開始から判定時間Ｔｙが経過したか否かを判断する（ステップＳ４０１）。すなわち、判定時間Ｔｙが経過するまではこの判断を繰り返し、判定時間Ｔｙが経過した時点でステップＳ４０２に進む。

次に、故障検知手段５４は、第１圧力センサ２５により検出された燃料オフガスの検出圧力値Ｐｍ１を取得し（ステップＳ４０２）、また、燃料ガスの目標圧力から第1圧力センサ２５の検出値Ｐｍ１を減算して圧力低下量ΔＰｍ１を求める（ステップＳ４０３）。

そして、圧力低下量ΔＰｍ１の絶対値を故障閾値ΔＰｙと比較して（ステップＳ４０４）、圧力低下量ΔＰｍ１の絶対値が故障閾値ΔＰｙ以上であれば（Ｓ４０４：Ｎｏ）、接続ポイントＰ１に進む。また、圧力低下量ΔＰｍ１の絶対値が故障閾値ΔＰｙ２ｏを下回っている場合（Ｓ４０４：Ｙｅｓ）には、パージ弁２９の故障と判定して（ステップＳ４０５）終了する。

このように本変形例によれば、シミュレーション実験等に基づき予め設定される判定時間Ｔｙ及び故障閾値ΔＰｙによって故障の判定を行うので、パージ弁２９における詰まり等の閉故障判定を、簡易な構成でより正確に行うことができる。また、判定時間Ｔｙ及び故障判断値Ｐｙによって故障判定を行う場合も、同様にパージ弁２９における詰まり等の閉故障判定を、簡易な構成でより正確に行うことができると共に、減算回数を減らして計算量を抑制することができる。

〔第３変形例〕
また、上記した第１、第２及び第３実施形態、並びに第１及び第２変形例において、パージ弁２９の故障が検知されたとき、配管径制御機構３１等の流量調整手段によって流路断面積を最小面積に設定するのが望ましい。これにより、パージ弁２９が故障した場合であっても流路断面積調整手段は最小流路断面積に設定されているので、排出可能燃料オフガスを超えるガスを排出することを好適に抑制することができる。

１，２，３ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路
１２ カソード流路
２０ アノード系
２１ 水素タンク
２２ 水素供給／循環デバイス
２５ 第1圧力センサ（第1の圧力センサ）
２６ 第２圧力センサ（第２の圧力センサ）
２７ 第３圧力センサ（第２の圧力センサ）
２９ パージ弁（パージ手段）
３１ 配管径制御機構（流路断面積調整手段）
ａ１〜ａ６，ｂ１〜ｂ４ 配管
４０ カソード系
４１ 背圧弁
４２ 希釈器
５１，５１２，５１３ 制御部
５２ パージ制御手段
５３ 流路断面積制御手段
５４，５４２，５４３ 故障検知手段
５５ 安定発電判断手段

Claims (11)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
   前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスを排出するパージ手段と、
   前記パージ手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの圧力を検出する第1の圧力センサと、
   前記第1の圧力センサの上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの流路断面積を調整する流路断面積調整手段と、
   前記パージ手段に開閉指令を出力して、燃料オフガスのパージ実行を制御するパージ制御手段と、
   前記パージ実行をしていないとき、燃料オフガスの流路断面積が該パージ実行時よりも小さくなるよう前記流路断面積調整手段を制御する流路断面積制御手段と、
   前記第1の圧力センサの検出圧力に基づき前記パージ手段の故障を検知する故障検知手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力の変動状況に基づき、前記燃料電池が安定発電中か否かを判定する安定発電判断手段を備え、
   前記故障検知手段は、前記安定発電判断手段によって安定発電中と判断された場合に故障を検知すること
   を特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
3. 前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する故障閾値と、所定時間とを設定し、
   前記パージ実行をしないとき、所定の基準圧力に対する前記第1の圧力センサの検出圧力の差分を求め、
   前記所定時間の間、前記差分の絶対値が前記故障閾値を上回るとき、前記パージ手段が故障であると判定すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する故障閾値と、所定時間とを設定し、
   前記パージ実行をしないとき、所定の基準圧力から前記故障閾値を差し引いた故障判断値を求め、
   前記所定時間の間、前記第1の圧力センサの検出圧力が前記故障判断値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する閉故障閾値と、判定時間とを設定し、
   前記パージ実行時であって、該パージ実行の開始から前記判定時間が経過した時に、所定の基準圧力に対する前記第1の圧力センサの検出圧力の差分の絶対値が前記閉故障閾値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記故障検知手段は、予め前記パージ手段の故障を判定するための圧力に関する閉故障閾値と、判定時間とを設定し、
   前記パージ実行時であって、該パージ実行の開始から前記判定時間が経過した時に、前記第1の圧力センサの検出圧力が所定の基準圧力から前記閉故障閾値を差し引いた閉故障判断値を下回るとき、前記パージ手段が故障であると判定すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記所定の基準圧力は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力であること
   を特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記流路断面積調整手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路または前記燃料ガス供給流路に設置され、燃料オフガスまたは燃料ガスの圧力を検出する第２の圧力センサを備え、
   前記所定の基準圧力は、前記第２の圧力センサの検出圧力であること
   を特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記パージ手段から排出される燃料オフガスを希釈ガスで希釈する希釈器を備え、
   前記流路断面積調整手段は、前記希釈ガスの最小流量に基づき前記流路断面積を調整すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記パージ手段の故障が検知されたとき、前記流路断面積制御手段は、前記流路断面積が最小面積になるよう前記流路断面積調整手段を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項９記載の燃料電池システム。
11. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
    前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
    前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスを排出するパージ手段と、
    前記パージ手段の上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの圧力を検出する第1の圧力センサと、
    前記第1の圧力センサの上流側の前記燃料オフガス排出流路に設置され、燃料オフガスの流路断面積を調整する流路断面積調整手段と、
    を備える燃料電池システムの故障診断方法であって、
    前記パージ手段に開閉指令を出力して、燃料オフガスのパージ実行を制御するパージ制御ステップと、
    前記パージ実行をしていないとき、燃料オフガスの流路断面積が該パージ実行時よりも小さくなるよう前記流路断面積調整手段を制御する流路断面積制御ステップと、
    前記第1の圧力センサの検出圧力に基づき前記パージ手段の故障を検知する故障検知ステップと、
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの故障診断方法。

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