JP4210055B2 - 燃料電池システムの診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として用いられ、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をして発電電圧を負荷に供給する燃料電池システムの異常状態を診断するための燃料電池システムの診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池スタックにアノードガスとして水素ガスを供給すると共に、カソードガスとして空気を供給し、燃料電池スタックの化学反応を発生させることで発電させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを発電させると化学反応により純水が発生するために、この純水を積極的に燃料電池スタック内から排除する必要がある。
【０００３】
燃料電池スタック内に発生する純水を積極的に排除しないと、燃料電池スタック内に純水が滞留する水詰まりが発生し、燃料電池スタックの発電効率の低下を発生させてしまう。また、水詰まりが発生すると、発電効率の低下のみならず、燃料電池スタック内で水詰まりが発生した部分と発生していない部分とで発電電流の偏りが発生する。このように水詰まり部分に偏りが発生した状態で燃料電池スタックの発電を継続すると、水詰まりが発生していない部分における発熱の集中が発生し、燃料電池スタックの著しい機能低下の原因となってしまう。
【０００４】
これに対し、従来において水詰まりを検出する手法として、通常運転中においては燃料電池スタック内の各発電モジュール（セル）の発電電圧を検出し、燃料電池スタックから発電電力（又は発電電流）を出力した際の電圧低下を検出することで水詰まりを検出していた。
【０００５】
また、水詰まりを検出する他の手法としては、特開平７−２３５３２４号公報で開示されている燃料電池システムのように、交流インピーダンスメータを使用し、燃料電池スタック内の抵抗値を検出して水詰まりの発生を直接検出していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水詰まりの検出のみを目的としており、燃料電池スタックの経時劣化等による発電効率低下、燃料電池スタックの水詰まり以上に圧損が大きくなる異常、水素ガス調整系装置の不具合等の検出はできなかった。すなわち、従来の水詰まりに対応する燃料電池システムでは、水詰まりを検出するために水詰まり検出専用の部品を設ける必要があった。具体的には、特開平７−２３５３２４号公報に開示された燃料電池システムでは、通常運転の制御では必要ない交流インピーダンスメータを水詰まり検出のために設けるために、システムを高価なものにしているという問題点がある。
【０００７】
また、従来の燃料電池システムでは、水詰まりに対する処理として、起動時に燃料電池スタック内で水詰まりが発生していても運転することができるように、水詰まり除去用弁を水素ガス流路に設け、水詰まり除去用弁を開状態にして外部に放出する水詰まり除去動作をしていた。しかし、この燃料電池システムでは、起動時に水詰まり状態の診断を行わずに水詰まり除去動作を行っていたため、必要以上に水詰まり除去動作を行っていた。したがって、従来の燃料電池システムでは、起動するのに多くの時間を要すると共に、水素ガスを余分に消費するという問題点があった。
【０００８】
更にまた、従来の燃料電池システムにおいて、経時劣化等による燃料電池スタックの発電効率低下を診断するためには、定期的に発電効率を測定して燃料電池スタックの運転続行の可否判断を行う手法や、燃料電池スタックの運転時間を計測する積算タイマを設け、積算タイマの値に応じて定期的に部品交換をする手法が存在した。すなわち、従来の燃料電池システムにおいて、経時劣化を検出するためには、経時劣化を検出する専用の処理を行ったり、専用の部品を設ける必要があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、専用の構成を設けることなく燃料電池システムを診断することができる燃料電池システムの診断装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池システムの診断装置では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に要求される発電電力に応じて上記燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、上記燃料電池が実際に発電した発電電圧を検出する発電状態検出手段とを有する燃料電池システムの上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段の異常を診断するものである。
【００１１】
この燃料電池システムの診断装置は、上記発電状態検出手段で検出された実際の発電電圧及び上記燃料電池に要求された発電電力に基づいて算出された発電電流の時間微分値を演算する微分値演算手段と、予め記憶した上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段を診断するための発電電流時間微分値である第１しきい値と、上記微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記燃料電池システムの複数の運転状態から、上記燃料電池システムの運転状態を診断する診断手段とを備え、上記検出された実際の発電電圧が上記燃料電池に要求された発電電力に対応付けられた上記燃料電池システムの異常を診断するための所定の発電電圧である第２しきい値よりも低い場合に、上記算出された発電電流を用いて上記微分値演算手段により発電電流の時間微分値を演算し、上記診断手段により、この時間微分値が上記第１しきい値以下である場合には、上記燃料電池の経時劣化であると診断し、上記第１しきい値より高い場合には、上記ガス供給手段の異常であると診断することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る燃料電池システムの診断装置では、上記ガス供給手段は、上記燃料電池の発電を開始させる場合に、酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始して上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を所定の通常運転可能範囲の圧力まで上昇させるものであり、上記診断装置は、上記ガス供給手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始した場合に、上記燃料ガス圧力検出手段で検出された燃料ガス圧力の時間微分値を演算する圧力時間微分値演算手段と、予め記憶した上記燃料電池の圧損異常を診断するための燃料ガス圧力の時間微分値である第３しきい値と、上記圧力時間微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記圧力時間微分値演算手段によって演算された時間微分値が上記第３しきい値よりも大きい場合には、上記燃料電池の圧損異常であると診断する診断手段とを、さらに備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る燃料電池システムの診断装置では、上記燃料電池システムは、上記燃料電池の燃料ガス出口と水詰まり除去用弁とが燃料ガス排出流路で挿通されており、上記水詰まり除去用弁を開状態にすることによって上記燃料電池の水詰まりを除去する水詰まり除去手段をさらに有し、上記診断装置は、上記診断手段により上記ガス供給手段の異常であると診断した場合に、上記水詰まり除去用弁を開閉作動させる制御信号を出力し、上記発電状態検出手段で検出した実際の発電電圧が上下変動していない場合に、上記水詰まり除去用弁の異常であると診断する診断手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池システムの診断装置によれば、発電状態検出手段で検出された実際の発電電圧及び上記燃料電池に要求された発電電力に基づいて算出された発電電流の微分値を演算し、演算した微分値と、予め記憶した燃料電池の経時劣化及びガス供給手段を診断するための発電電流時間微分値である第１しきい値とを比較して、燃料電池システムの複数の運転状態から、燃料電池システムの運転状態を診断するので、通常燃料電池システムに設けられている燃料電池の状態を検出する発電状態検出手段を利用して、専用の構成を設けることなく燃料電池システムに発生する種々の状態を診断することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
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９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に適用される。
【００２３】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極（カソード極）と燃料極（アノード極）とにより挟んで構成されたセル構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路、冷却水を通過させる冷却水流路が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。なお、この燃料電池システムでは、カソード極に関する構成の図示を省略している。
【００２４】
この燃料電池システムは、水素を貯蔵している図示しない水素タンクと接続された水素ガス供給調圧弁２が水素ガス供給流路Ｌ１で挿通されて燃料電池スタック１の水素ガス入口に接続し、燃料電池スタック１の水素ガス出口と水詰まり除去用弁３とが水素ガス排出流路Ｌ２で挿通されている。これにより、燃料電池システムは水素ガス系を構成する。
【００２５】
また、この燃料電池システムにおいて、水素ガス供給流路Ｌ１の燃料電池スタック１の水素ガス入口には、水素ガス供給調圧弁２から燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力を検出する圧力センサ４が設けられている。圧力センサ４は、水素ガス入口における水素ガス圧力値を検出してセンサ信号として制御部８に出力する。
【００２６】
水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３は、図示しないアクチュエータと接続され、制御部８からの制御信号に従ってアクチュエータが駆動することで開閉動作や開度が制御される。水素ガス供給調圧弁２は、開度が調整されることにより燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力及び水素ガス流量を調整する。水詰まり除去用弁３は、制御部８からの制御信号に従って開閉制御され、開状態にされることで、水素ガス排出流路Ｌ２中及び燃料電池スタック１内の水素ガスを外部に排出する。
【００２７】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と接続した電力消費負荷５を備える。この電力消費負荷５は、燃料電池スタック１と電力用ハーネス６を介して接続され、燃料電池スタック１から発電電力が供給される。この電力消費負荷５は、供給された発電電力を利用して駆動する。また、電力消費負荷５は、駆動するのに必要な発電電力量を要求する電力供給要求を制御部８に出力する。この電力消費負荷５は、例えば燃料電池システムが車両に設けられた場合には車両駆動用モータ等である。
【００２８】
電力用ハーネス６には、発電電圧センサ７が接続されている。発電電圧センサ７は、燃料電池スタック１から電力消費負荷５に供給される発電電力の発電電圧を検出してセンサ信号を制御部８に出力する。
【００２９】
制御部８は、水素ガス供給調圧弁２、水詰まり除去用弁３、圧力センサ４、電力消費負荷５、発電電圧センサ７とハーネス９を介して接続されている。この制御部８は、図示しない記憶部を備え、記憶部に記憶したプログラムを起動し、圧力センサ４及び発電電圧センサ７からのセンサ信号及び電力消費負荷５からの発電電力要求、記憶部に記憶したテーブルを用いて少なくとも水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を制御する処理をする。
【００３０】
これにより、制御部８は、燃料電池スタック１を起動させると共に燃料電池スタック１の診断を行う起動時診断処理、燃料電池スタック１を運転させる前処理である通常運転前処理、燃料電池スタック１を通常運転させると共に通常運転時における燃料電池スタック１の診断を行う通常運転診断処理を行う。なお、制御部８が行う各種処理の処理内容については後述する。
【００３１】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの動作手順］
つぎに、上述した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の動作手順について説明する。
【００３２】
「燃料電池システムの起動時診断処理」
燃料電池システムを起動するに際して、例えば車両運転者からの指示操作により電力消費負荷５が起動すると、電力消費負荷５により電力供給要求を生成して制御部８に出力する。これに応じて、制御部８では、図２のステップＳ１の処理に移行し、制御部８により、水詰まり除去用弁３を開状態に制御すると共に（ステップＳ１）、燃料電池システムの起動時の所定開度θ０に水素ガス供給調圧弁２を設定することを決定し（ステップＳ２）、所定開度θ０とする制御信号を出力する（ステップＳ３）。このような動作により、水素ガス供給流路Ｌ１を介して水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、燃料電池スタック１の発電を開始させる。
【００３３】
次に、制御部８は、ステップＳ３の水素ガス供給開始時刻から任意の時刻ｔ１に達すると、圧力センサ４のセンサ信号を入力して燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力Ｐin［ＭＰａ］を取り込む（ステップＳ４）。そして、制御部８は、取り込んだ水素ガス圧力Ｐinと、図３に示す圧力値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ５）。
【００３４】
この圧力値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。圧力値診断テーブルは、ステップＳ３での水素ガス供給開始時刻からの時刻と、この時刻に対応する水素ガス圧力Ｐinとが対応づけられてなる。この圧力値診断テーブルは、燃料電池システムに異常が無く、燃料電池システムを通常運転診断処理に移行させることを、時刻ｔ１及び時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において判定する水素ガス圧力Ｐinの範囲を示す通常運転移行可能範囲Ｐ１，Ｐ２が少なくとも格納されている。
【００３５】
通常運転移行可能範囲Ｐ１は、燃料電池システムの運転可能範囲の上限圧力値を上限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ１は、水素ガス供給開始時刻ｔ０から徐々に水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、徐々に水素ガス圧力Ｐinが上昇することを考慮して設定されている。
【００３６】
通常運転移行可能範囲Ｐ２は、運転可能範囲の下限圧力値を下限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ２は、燃料電池スタック１の起動時に水詰まりが発生していたときに、図３中の一点鎖線で示すように水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を開状態にして水詰まりが解消するときに徐々に水素ガス圧力Ｐinが下降すること、及び燃料電池スタック１に圧損が発生していたときの水素ガス圧力Ｐinの経時変化を考慮して設定されている。
【００３７】
制御部８は、ステップＳ５において、ステップＳ４で取り込んだ時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinと、通常運転移行可能範囲Ｐ１とを照合する。次に、水素ガス圧力Ｐinと通常運転移行可能範囲Ｐ１との照合結果により、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高いか否かを判定し（ステップＳ６）、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高くないと判定したときには時刻ｔ０から通常運転前処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ７）。一方、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高いと判定したときには、燃料電池スタック１内に水詰まりが発生している可能性があり、水詰まり除去用弁３の開状態とする時間を延長するように制御信号を出力し（ステップＳ８）、更に水素ガス供給調圧弁２を所定開度θ０にする時間を延長するように制御信号を出力して（ステップＳ９）、起動延長フローに移行する。
【００３８】
水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３の状態を延長した後の時刻ｔ２において、制御部８により圧力センサ４のセンサ信号を入力して燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力Ｐin［ＭＰａ］を取り込む（ステップＳ１０）。この時刻ｔ２は、時刻ｔ０から水詰まり除去用弁３を開状態にすることで、燃料電池スタック１内の水詰まりが解消されているはずである時刻に設定されている。
【００３９】
次に、制御部８により、時刻ｔ２における水素ガス圧力Ｐinと、図３に示す圧力値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ１１）。水素ガス圧力Ｐinと圧力値診断テーブルとの照合を行った結果、ステップＳ１２において、水素ガス圧力Ｐ in が通常運転移行可能範囲Ｐ２の範囲内であるか否かを判定し、水素ガス圧力Ｐ in が図３に示す圧損上限値以上か否かを判定する。水素ガス圧力Ｐinが圧損上限以上でないと判定したときには、図３の時刻ｔ０’において通常運転前処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ１３）。一方、水素ガス圧力Ｐinが圧損上限値以上であると判定したときには、水詰まり以外の異常が発生していると判断し、この場合においては燃料電池スタック１の圧損異常と判断する。そして、制御部８は、圧損異常に対応するために、一部のシステム停止や機能制限等の所定の異常処理に移行して処理を終了する（ステップＳ１４）。
【００４０】
「通常運転前処理」
つぎに、上述のステップＳ７又はステップＳ１３の次に行う通常運転診断処理の前に行う通常運転前処理について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４１】
この通常運転前処理において、制御部８は、先ず、燃料電池スタック１内の水を除去している最中か否かを判定する（ステップＳ２１）。すなわち、制御部８は、通常運転前処理に移行した段階で水詰まり除去用弁３を開状態にしているか否かを判定する。制御部８は、水詰まり除去用弁３が閉状態であって水詰まりの除去を終了していると判定したときには、第１通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ２２）。一方、制御部８は、水詰まり除去用弁３が開状態であって水詰まりを除去している最中であると判定したときには、第２通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００４２】
このような運転前処理を行うのは、水詰まり除去用弁３の開閉状態により燃料電池スタック１の水素ガス入口圧力と水素ガス出口圧力との圧力差が異なり、水詰まり除去用弁３の開閉状態に応じて燃料電池スタック１の水素ガス入口圧力を制御する必要があることによる。
【００４３】
なお、以下に説明する通常運転診断処理における水詰まり除去のタイミングは、制御部８内の図示しないタイマを使用し、一定間隔にて水詰まり除去用弁３を開状態にする。
【００４４】
「第１通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中でないと判定した後に移行する第１通常運転診断処理について図５のフローチャートを参照して説明する。
【００４５】
この第１通常運転診断処理では、先ず、制御部８は、電力消費負荷５からの電力供給要求に応じて燃料電池スタック１で発電させる発電電力値を決定する。そして、制御部８は、決定した発電電力値に応じて燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力値を演算して（ステップＳ３１）、水素ガス供給調圧弁２の開度θを演算する（ステップＳ３２）。これにより、制御部８は、演算した開度θとする制御信号を出力して水素ガス供給調圧弁２を動作させる（ステップＳ３３）。
【００４６】
そして、水素ガス供給調圧弁２が開度θにて安定すると、燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐを出力させる（ステップＳ３４）。次に、制御部８は、発電電圧センサ７からのセンサ信号を取り込んで発電電圧Ｅ［Ｖ］を取得する（ステップＳ３５）。これにより、燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐ［Ｗ］を得ていることを認識する。そして、制御部８は、取得した発電電力Ｅから発電電流Ｉ［Ａ］を算出し（ステップＳ３６）、算出した発電電流Ｉを図示しない記憶部に記憶して一時保管する（ステップＳ３７）。
【００４７】
次に、水素ガス供給調圧弁２の状態を開度θにて一定にした状態において、ステップＳ３４で出力させている発電電力Ｐ及びステップＳ３５で取り込んだ発電電圧Ｅと、図６に示す発電電力値−発電電圧値診断テーブルとを照合する（ステップＳ３８）。
【００４８】
この発電電力値−発電電圧値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電力値−発電電圧値診断テーブルは、燃料電池スタック１で発電している発電電力Ｐと、燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧Ｅであるしきい値とが対応づけられてなる。この発電電力値−発電電圧値診断テーブルによれば、燃料電池システムが正常に運転しているときの発電電力Ｐに対応した発電電圧Ｅの取りうる正常運転域と、燃料電池システムが正常に運転していないときの発電電力Ｐに対応した発電電圧Ｅの取りうる異常運転域とを区別する。この発電電圧Ｅのしきい値は、水素ガス供給調圧弁２を所定開度θとした状態における発電電力Ｐに対する理論上の発電電圧Ｅ（理論値）から、所定電圧低下させた値が実験等の結果に基づいて設定されて格納されている。
【００４９】
ここで、水素ガス供給調圧弁２の開度が一定の状態において、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅが低下するということは、燃料電池スタック１の発電電力出力抵抗値が上昇していることを示し、燃料電池スタック１の電力出力端子での電圧降下が発生しており、何等かの異常が燃料電池スタック１に発生していることによって電力消費負荷５が要求する電力が供給できていない状態となる。したがって、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅがしきい値以下であるときには正常運転域外であることが判定できる。
【００５０】
このような発電電力値−発電電圧値診断テーブルを用いて、制御部８により発電電圧Ｅが正常運転域内か否かを判定する（ステップＳ３９）。ステップＳ３５で検出した発電電圧Ｅがしきい値よりも高い、すなわち燃料電池スタック１が通常動作をしていると判定可能な発電電圧Ｅの範囲（正常運転域）と判定したときには処理を終了する。
【００５１】
一方、制御部８は、ステップＳ３５で検出した発電電圧Ｅがしきい値よりも低い、すなわち発電電圧Ｅの範囲が正常運転域外であると判定したときには燃料電池スタック１を診断する診断処理に移行する。
【００５２】
診断処理において、先ず、制御部８は、ステップＳ３７にて一時保管した発電電流Ｉを読み出し（ステップＳ４０）、読み出した発電電流Ｉを微小時間ｔにて一階微分して、各微小時間ｔごとの発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出する（ステップＳ４１）。このとき、制御部８は、図７に示すように、ある一定期間に亘って保管された発電電流Ｉを用いて一定期間内における発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出する。
【００５３】
次に、制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと、発電電流微分値診断テーブルとを照合して（ステップＳ４２）、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔが燃料電池スタック１の異常と認められる異常範囲であるか否かを判定する（ステップＳ４３）。
【００５４】
この発電電流微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電流微分値診断テーブルは、図７に示すように、燃料電池システムの異常を診断するための発電電流微分値ｄＩ／ｄｔであるしきい値が格納されてなる。
【００５５】
制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値を超えず異常範囲でないと判定したときには、時刻ｔに依存せずにゆっくりと変化する異常状態であると判定する。これに応じて制御部８は、燃料電池スタック１の電力端子の経時劣化による発電効率低下状態と判定し、一部のシステム停止や機能制御等、所定の異常処理の制御を行う（ステップＳ４４）。
【００５６】
また、制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔが上昇し、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値を超えたと判定したときは異常範囲であると判定する。これにより、制御部８は、刻々と発電状態の低下を引き起こしている状態であって、水素ガスが十分に発電電力に変換されていない状態であり、水素ガス系の不具合と判定する。
【００５７】
これに応じ、制御部８は、水詰まり除去用弁３を繰り返し開閉作動させる制御信号を出力し（ステップＳ４５）、このときの発電電圧センサ７からの発電電圧Ｅを取り込む（ステップＳ４６）。これにより、制御部８は、水素ガス供給圧力を一定とした状態において水詰まり除去用弁３が開閉作動したことによる発電電圧Ｅの変動を確認する（ステップＳ４７）。
【００５８】
次に、制御部８は、水詰まり除去用弁３を開閉作動させたことに応じて発電電圧Ｅが上下変動するか否かを判定することにより、水詰まり除去用弁３の異常が発生しているか否かを判定する（ステップＳ４８）。
【００５９】
発電電圧Ｅが上下変動したと判定したときには水詰まり除去用弁３が正常に開閉作動して水詰まり除去用弁３の異常が発生していないと判定し、水詰まり除去用弁３以外の水素ガス系の異常と判定する。これに応じ、制御部８は、燃料電池システムの停止、水素ガス供給系、燃料電池システムを搭載した移動装置等のサブシステムの停止等、所定の異常時処理をして処理を終了する（ステップＳ５０）。
【００６０】
一方、発電電圧Ｅが上下変動しないと判定したときには水詰まり除去用弁３が正常に開閉作動しておらず、水詰まり除去用弁３の異常が発生していると判定する。これに応じ、制御部８は、水詰まり除去用弁３を開状態のままにする制御をし、その他のシステムをフェールセーフ側に制御する等の異常時処理をして処理を終了する（ステップＳ４９）。
【００６１】
「第２通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中であると判定した後に移行する第２通常運転診断処理について図８のフローチャートを参照して説明する。なお、第２通常運転診断処理の説明において、上述の第１通常運転診断処理と同じ部分についての説明を省略する。
【００６２】
第２通常運転処理においては、水詰まりを除去している最中であることから、水詰まり除去用弁３が開状態にあるので、この状態に応じて水素ガス供給調圧弁２の開度をステップＳ３２とは異なる開度θｐに設定する（ステップＳ３２’、ステップＳ３３’）。これに応じて、以下の処理（ステップＳ３４’〜ステップＳ３８’、ステップＳ４１’、ステップＳ４２’、ステップＳ４６’、ステップＳ４７’）では、発電電力Ｐとは異なる発電電力Ｐｐ、発電電圧Ｅとは異なる発電電圧Ｅｐ、発電電流Ｉとは異なる発電電流Ｉｐ、発電電圧Ｅｐ、発電電力Ｐｐに応じた発電電力値−発電電圧値診断テーブル、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔとは異なる発電電流微分値ｄＩｐ／ｄｔを使用する。
【００６３】
これにより、第２通常運転診断処理では、上述の第１通常運転診断処理と同様の動作、処理を行う。
【００６４】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの効果］
以上、詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素ガス圧力Ｐinが通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも高い場合（ステップＳ５、ステップＳ６）に起動時の診断処理に移行して、燃料電池スタック１の圧損を検出することができる。
【００６５】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理において発電電流微分値ｄＩ／ｄｔの変化により、発電効率低下（ステップＳ４４）、水詰まり除去用弁３の異常（ステップＳ４９）、水素ガス調整系の異常（ステップＳ５０）等、複数種類の異常状態を分別して検出して異常時処理を行うことができる。
【００６６】
したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の圧損、発電効率低下、水詰まり除去用弁３の異常、水素ガス調整系異常を検出するための専用の検出装置等を追加する必要がない。
【００６７】
具体的には、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電圧Ｅを発電電力値−発電電圧値診断テーブルと照合し、異常運転域にある場合に発電電流Ｉを微分して発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出して（ステップＳ４１）、発電電流微分値診断テーブルと照合をすることにより、その後に燃料電池スタック１の発電効率低下、水詰まり除去用弁３の異常、水素ガス供給系の異常の何れかの状態を選別することができる。
【００６８】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと発電電流微分値診断テーブルとの照合の結果、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値以上である場合に（ステップＳ４３）、水素ガス系の異常の可能性を診断することができる。
【００６９】
更に、この燃料電池システムによれば、通常運転中に、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと発電電流微分値診断テーブルとの照合の結果、異常が発生していると判定した場合に（ステップＳ４３）、水詰まり除去用弁３を開閉作動させたことによる発電電圧Ｅの変動を照合することにより、水詰まり除去用弁３の異常又は水素ガス供給系の異常を診断することができる。
【００７０】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの構成］
つぎに、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符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７１】
この燃料電池システムは、図９に示すように、電力用ハーネス６に回路抵抗１１を設け、電力消費負荷５内の電力消費側内部抵抗５ａを備える点で第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００７２】
この燃料電池システムにおいて、制御部８は、電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値及び回路抵抗１１の抵抗値を予め記憶しており、これらの抵抗値、及び電力消費負荷５からの電力供給要求に基づいて発電電圧を推定する。また、この制御部８は、燃料電池システムの起動時の診断処理において、水素ガス圧力Ｐinの微分値を演算し、演算した水素ガス圧力Ｐinの微分値を用いて水詰まりの判定をする。更に、この制御部８は、通常運転診断処理において、発電電圧の微分値を用いて診断処理を行う。なお、この制御部８の詳細な処理手順については後述する。
【００７３】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの動作手順］
つぎに、上述した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の動作手順について説明する。なお、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムの動作と同一の処理ステップについては同一のステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７４】
「燃料電池システム起動時の診断処理」
起動時において、第２実施形態に係る燃料電池システムは、図１０に示すように、ステップＳ４において時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinを圧力センサ４からのセンサ信号により取り込むと、取り込んだ水素ガス圧力Ｐinを時間ｔにて微分して水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを算出する。そして、制御部８は、算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと、図１１に示す圧力微分値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ６１）。
【００７５】
この圧力微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。圧力微分値診断テーブルは、ステップＳ３での水素ガス供給開始時刻からの時刻と、この時刻に対応する水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔとが対応づけられてなる。この圧力微分値診断テーブルは、燃料電池システムに異常が無く、燃料電池システムを通常運転診断処理に移行させることを判定する水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔの範囲を示す通常運転移行可能範囲Ｐ１１，Ｐ１２が少なくとも格納されている。
【００７６】
通常運転移行可能範囲Ｐ１１は、水素ガス供給開始時刻ｔ０から徐々に水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、徐々に水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが上昇することを考慮して設定されている。
【００７７】
通常運転移行可能範囲Ｐ１２は、運転可能範囲の下限圧力微分値を下限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ１２は、燃料電池スタック１の起動時に水詰まりが発生していたときに、図１１中の一点鎖線で示すように水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を開状態にして水詰まりが解消するときに徐々に水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが下降すること、及び燃料電池スタック１に圧損が発生していたときの水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔの経時変化を考慮して設定されている。
【００７８】
制御部８は、ステップＳ６１において、ステップＳ４で取り込んだ時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinから算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと、通常運転移行可能範囲Ｐ１１とを照合する。水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと通常運転移行可能範囲Ｐ１１との照合結果により、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが大きいか否かを判定し（ステップＳ６２）、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが大きくないと判定したときには時刻ｔ０から通常運転診断処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ７）。一方、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが高いと判定したときには、燃料電池スタック１内に水詰まりが発生している可能性があり、ステップＳ８以降の起動延長フローに移行する。
【００７９】
そして、起動延長フローにおけるステップＳ１０において、時刻ｔ２での水素ガス圧力Ｐinを微分して水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを算出し、算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと圧力微分値診断テーブルの通常運転移行可能範囲Ｐ１２とを照合する（ステップＳ６３）。
【００８０】
水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと圧力微分値診断テーブルとの照合を行った結果、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが図１１に示す圧損上限値以上か否かを判定することで、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが通常運転移行可能範囲Ｐ１２の範囲内であるか否かを判定する。水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが圧損上限以上でないと判定したときには、図１１の時刻ｔ０’において通常運転診断処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ１３）。一方、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが圧損上限値以上であると判定したときには、水詰まり以外の異常が発生していると判断し、この場合においては燃料電池スタック１の圧損異常と判断する。そして、制御部８は、圧損異常に対応するために、一部のシステム停止や機能制限等の所定の異常処理に移行して処理を終了する（ステップＳ１４）。
【００８１】
「通常運転前処理」
つぎに、上述のステップＳ７又はステップＳ１３の次に行う通常運転診断処理の前に行う通常運転前処理について図１２のフローチャートを参照して説明する。
【００８２】
この通常運転前処理において、第１実施形態と同様にステップＳ２１での判定を行い、水詰まり除去用弁３を開状態にしているか否かを判定する。制御部８は、水詰まり除去用弁３が閉状態であって水詰まりの除去を終了していると判定したときには、第３通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ７１）。一方、制御部８は、水詰まり除去用弁３が開状態であって水詰まりを除去している最中であると判定したときには、第４通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ７２）。
【００８３】
「第３通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中でないと判定した後に移行する第３通常運転診断処理について図１３のフローチャートを参照して説明する。
【００８４】
この第３通常運転診断処理では、ステップＳ３４にて燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐを出力させた後に、電力消費負荷５での消費電圧を取り込み（ステップＳ８１）、回路抵抗１１の抵抗値、電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値及び取り込んだ消費電圧から消費電流を算出して（ステップＳ８２）、発電電圧Ｅを推定して記憶部に記憶することで一時保管する（ステップＳ８３）。
【００８５】
次に、水素ガス供給調圧弁２の状態を開度θにて一定にした状態において、一時保管した発電電圧Ｅと、図１４に示す発電電流値−発電電圧値診断テーブルとを照合する（ステップＳ８４）。
【００８６】
この発電電流値−発電電圧値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電流値−発電電圧値診断テーブルは、燃料電池スタック１で発電している発電電流Ｉと、燃料電池システムの異常を診断するための推定した発電電圧Ｅであるしきい値とが対応づけられてなる。
【００８７】
ここで、水素ガス供給調圧弁２の開度が一定の状態において、発電電流Ｉに対する発電電圧Ｅが低下するということは、燃料電池スタック１の発電電力出力抵抗値が上昇していることを示し、燃料電池スタック１の電力出力端子での電圧降下が発生している状態となる。したがって、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅがしきい値以下であるときには正常運転域外であることが判定できる。
【００８８】
このような発電電流値−発電電圧値診断テーブルを用いて、制御部８により発電電圧Ｅが正常運転域内か否かを判定する（ステップＳ８５）。発電電圧Ｅがしきい値よりも高い、すなわち燃料電池スタック１が通常動作をしていると判定可能な発電電圧Ｅの範囲（正常運転域）と判定したときには処理を終了して通常運転診断処理を継続する。
【００８９】
一方、制御部８は、発電電圧Ｅがしきい値よりも低い、すなわち発電電圧Ｅの範囲が正常運転域外であると判定したときには燃料電池スタック１を診断する診断処理に移行する。
【００９０】
診断処理において、先ず、制御部８は、ステップＳ８３にて一時保管した発電電圧Ｅを読み出し（ステップＳ８６）、読み出した発電電圧Ｅを微小時間ｔにて一階微分して、各微小時間ｔごとの発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔを算出する（ステップＳ８７）。このとき、制御部８は、図１５に示すように、ある一定期間に亘って保管された発電電圧Ｅを用いて一定期間内における発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔを算出する。
【００９１】
次に、制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔと、発電電圧微分値診断テーブルとを照合して（ステップＳ８８）、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔが燃料電池スタック１の異常と認められる異常範囲であるか否かを判定する（ステップＳ８９）。
【００９２】
この発電電圧微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電圧微分値診断テーブルは、図１５に示すように、燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔであるしきい値が格納されてなる。
【００９３】
制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値を下回らず異常範囲でないと判定したときには、時刻ｔに依存せずにゆっくりと変化する異常状態であると判定する。これに応じて制御部８は、燃料電池スタック１の電力端子の経時劣化による発電効率低下状態と判定して所定の異常処理の制御を行う（ステップＳ４４）。
【００９４】
また、制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔが下降し、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値以下となると判定したときは異常範囲であると判定する。これにより、制御部８は、刻々と発電状態の低下を引き起こしている状態であって、水素ガスが十分に発電電力に変換されていない状態であり、水素ガス系の不具合と判定する。これに応じ、制御部８は、ステップＳ４５〜ステップＳ５０の処理を行う。
【００９５】
「第４通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中であると判定した後に移行する第４通常運転診断処理について図１６のフローチャートを参照して説明する。なお、第４通常運転診断処理の説明において、上述の通常運転診断処理と同じ部分についての説明を省略する。
【００９６】
第４通常運転診断処理においては、水詰まりを除去している最中であることから、水詰まり除去用弁３が開状態にあるので、この状態に応じて水素ガス供給調圧弁２の開度を開度θｐに設定する（ステップＳ３２’、ステップＳ３３’）。これに応じて、発電電力Ｐとは異なる発電電力Ｐｐ、発電電圧Ｅとは異なる発電電圧Ｅｐ、発電電流Ｉとは異なる発電電流Ｉｐ、発電電圧Ｅｐ、発電電力Ｐｐに応じた発電電力値−発電電圧値診断テーブル、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔとは異なる発電電圧微分値ｄＥｐ／ｄｔを使用する。これにより、第４通常運転診断処理では、上述の第３通常運転診断処理と同様の動作、処理を行う。
【００９７】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの効果］
以上、詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電電圧を計測する電圧センサを設けなくても、回路抵抗１１及び電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値、消費電圧及び消費電流を用いて発電電圧Ｅを推定することができ、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００９８】
具体的には、この燃料電池システムによれば、起動時から時刻ｔ１、時刻ｔ２後に、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを演算し、圧力微分値診断テーブルとの照合をし、燃料電池スタック１の水詰まりの発生、燃料電池スタック１の圧損を診断することができる。
【００９９】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔと発電電圧微分値診断テーブルとの照合の結果、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値以下である場合に（ステップＳ８８）、水素ガス系の異常の可能性を診断することができる。
【０１００】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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起動時の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】水素ガス圧力の変動により燃料電池システムの異常を診断するための圧力値診断テーブルを示す図である。
【図４】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通常運転前処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】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第１通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】発電電力に対応した発電電圧の値に応じて燃料電池システムの異常を診断するための発電電力値−発電電圧値診断テーブルを示す図である。
【図７】発電電流微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための発電電流微分値診断テーブルを示す図である。
【図８】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第２通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】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。
【図１０】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起動時の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】水素ガス微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための圧力微分値診断テーブルを示す図である。
【図１２】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通常運転前処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】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第３通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】発電電流に対応した発電電圧の値に応じて燃料電池システムの異常を診断するための発電電流値−発電電圧値診断テーブルを示す図である。
【図１５】発電電圧微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧微分値診断テーブルを示す図である。
【図１６】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第４通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素ガス供給調圧弁
３ 水詰まり除去用弁
４ 圧力センサ
５ 電力消費負荷
５ａ 電力消費側内部抵抗
６ 電力用ハーネス
７ 発電電圧センサ
８ 制御部
９ ハーネス
１１ 回路抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として用いられ、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をして発電電圧を負荷に供給する燃料電池システムの異常状態を診断するための燃料電池システムの診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池スタックにアノードガスとして水素ガスを供給すると共に、カソードガスとして空気を供給し、燃料電池スタックの化学反応を発生させることで発電させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを発電させると化学反応により純水が発生するために、この純水を積極的に燃料電池スタック内から排除する必要がある。
【０００３】
燃料電池スタック内に発生する純水を積極的に排除しないと、燃料電池スタック内に純水が滞留する水詰まりが発生し、燃料電池スタックの発電効率の低下を発生させてしまう。また、水詰まりが発生すると、発電効率の低下のみならず、燃料電池スタック内で水詰まりが発生した部分と発生していない部分とで発電電流の偏りが発生する。このように水詰まり部分に偏りが発生した状態で燃料電池スタックの発電を継続すると、水詰まりが発生していない部分における発熱の集中が発生し、燃料電池スタックの著しい機能低下の原因となってしまう。
【０００４】
これに対し、従来において水詰まりを検出する手法として、通常運転中においては燃料電池スタック内の各発電モジュール（セル）の発電電圧を検出し、燃料電池スタックから発電電力（又は発電電流）を出力した際の電圧低下を検出することで水詰まりを検出していた。
【０００５】
また、水詰まりを検出する他の手法としては、特開平７−２３５３２４号公報で開示されている燃料電池システムのように、交流インピーダンスメータを使用し、燃料電池スタック内の抵抗値を検出して水詰まりの発生を直接検出していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水詰まりの検出のみを目的としており、燃料電池スタックの経時劣化等による発電効率低下、燃料電池スタックの水詰まり以上に圧損が大きくなる異常、水素ガス調整系装置の不具合等の検出はできなかった。すなわち、従来の水詰まりに対応する燃料電池システムでは、水詰まりを検出するために水詰まり検出専用の部品を設ける必要があった。具体的には、特開平７−２３５３２４号公報に開示された燃料電池システムでは、通常運転の制御では必要ない交流インピーダンスメータを水詰まり検出のために設けるために、システムを高価なものにしているという問題点がある。
【０００７】
また、従来の燃料電池システムでは、水詰まりに対する処理として、起動時に燃料電池スタック内で水詰まりが発生していても運転することができるように、水詰まり除去用弁を水素ガス流路に設け、水詰まり除去用弁を開状態にして外部に放出する水詰まり除去動作をしていた。しかし、この燃料電池システムでは、起動時に水詰まり状態の診断を行わずに水詰まり除去動作を行っていたため、必要以上に水詰まり除去動作を行っていた。したがって、従来の燃料電池システムでは、起動するのに多くの時間を要すると共に、水素ガスを余分に消費するという問題点があった。
【０００８】
更にまた、従来の燃料電池システムにおいて、経時劣化等による燃料電池スタックの発電効率低下を診断するためには、定期的に発電効率を測定して燃料電池スタックの運転続行の可否判断を行う手法や、燃料電池スタックの運転時間を計測する積算タイマを設け、積算タイマの値に応じて定期的に部品交換をする手法が存在した。すなわち、従来の燃料電池システムにおいて、経時劣化を検出するためには、経時劣化を検出する専用の処理を行ったり、専用の部品を設ける必要があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、専用の構成を設けることなく燃料電池システムを診断することができる燃料電池システムの診断装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池システムの診断装置では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に要求される発電電力に応じて上記燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、上記燃料電池が実際に発電した発電電圧を検出する発電状態検出手段とを有する燃料電池システムの上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段の異常を診断するものである。
【００１１】
この燃料電池システムの診断装置は、上記発電状態検出手段で検出された実際の発電電圧及び上記燃料電池に要求された発電電力に基づいて算出された発電電流の時間微分値を演算する微分値演算手段と、予め記憶した上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段を診断するための発電電流時間微分値である第１しきい値と、上記微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記燃料電池システムの複数の運転状態から、上記燃料電池システムの運転状態を診断する診断手段とを備え、上記検出された実際の発電電圧が上記燃料電池に要求された発電電力に対応付けられた上記燃料電池システムの異常を診断するための所定の発電電圧である第２しきい値よりも低い場合に、上記算出された発電電流を用いて上記微分値演算手段により発電電流の時間微分値を演算し、上記診断手段により、この時間微分値が上記第１しきい値以下である場合には、上記燃料電池の経時劣化であると診断し、上記第１しきい値より高い場合には、上記ガス供給手段の異常であると診断することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る燃料電池システムの診断装置では、上記ガス供給手段は、上記燃料電池の発電を開始させる場合に、酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始して上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を所定の通常運転可能範囲の圧力まで上昇させるものであり、上記診断装置は、上記ガス供給手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始した場合に、上記燃料ガス圧力検出手段で検出された燃料ガス圧力の時間微分値を演算する圧力時間微分値演算手段と、予め記憶した上記燃料電池の圧損異常を診断するための燃料ガス圧力の時間微分値である第３しきい値と、上記圧力時間微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記圧力時間微分値演算手段によって演算された時間微分値が上記第３しきい値よりも大きい場合には、上記燃料電池の圧損異常であると診断する診断手段とを、さらに備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る燃料電池システムの診断装置では、上記燃料電池システムは、上記燃料電池の燃料ガス出口と水詰まり除去用弁とが燃料ガス排出流路で挿通されており、上記水詰まり除去用弁を開状態にすることによって上記燃料電池の水詰まりを除去する水詰まり除去手段をさらに有し、上記診断装置は、上記診断手段により上記ガス供給手段の異常であると診断した場合に、上記水詰まり除去用弁を開閉作動させる制御信号を出力し、上記発電状態検出手段で検出した実際の発電電圧が上下変動していない場合に、上記水詰まり除去用弁の異常であると診断する診断手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池システムの診断装置によれば、発電状態検出手段で検出された実際の発電電圧及び上記燃料電池に要求された発電電力に基づいて算出された発電電流の微分値を演算し、演算した微分値と、予め記憶した燃料電池の経時劣化及びガス供給手段を診断するための発電電流時間微分値である第１しきい値とを比較して、燃料電池システムの複数の運転状態から、燃料電池システムの運転状態を診断するので、通常燃料電池システムに設けられている燃料電池の状態を検出する発電状態検出手段を利用して、専用の構成を設けることなく燃料電池システムに発生する種々の状態を診断することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
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９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に適用される。
【００２３】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極（カソード極）と燃料極（アノード極）とにより挟んで構成されたセル構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路、冷却水を通過させる冷却水流路が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。なお、この燃料電池システムでは、カソード極に関する構成の図示を省略している。
【００２４】
この燃料電池システムは、水素を貯蔵している図示しない水素タンクと接続された水素ガス供給調圧弁２が水素ガス供給流路Ｌ１で挿通されて燃料電池スタック１の水素ガス入口に接続し、燃料電池スタック１の水素ガス出口と水詰まり除去用弁３とが水素ガス排出流路Ｌ２で挿通されている。これにより、燃料電池システムは水素ガス系を構成する。
【００２５】
また、この燃料電池システムにおいて、水素ガス供給流路Ｌ１の燃料電池スタック１の水素ガス入口には、水素ガス供給調圧弁２から燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力を検出する圧力センサ４が設けられている。圧力センサ４は、水素ガス入口における水素ガス圧力値を検出してセンサ信号として制御部８に出力する。
【００２６】
水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３は、図示しないアクチュエータと接続され、制御部８からの制御信号に従ってアクチュエータが駆動することで開閉動作や開度が制御される。水素ガス供給調圧弁２は、開度が調整されることにより燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力及び水素ガス流量を調整する。水詰まり除去用弁３は、制御部８からの制御信号に従って開閉制御され、開状態にされることで、水素ガス排出流路Ｌ２中及び燃料電池スタック１内の水素ガスを外部に排出する。
【００２７】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と接続した電力消費負荷５を備える。この電力消費負荷５は、燃料電池スタック１と電力用ハーネス６を介して接続され、燃料電池スタック１から発電電力が供給される。この電力消費負荷５は、供給された発電電力を利用して駆動する。また、電力消費負荷５は、駆動するのに必要な発電電力量を要求する電力供給要求を制御部８に出力する。この電力消費負荷５は、例えば燃料電池システムが車両に設けられた場合には車両駆動用モータ等である。
【００２８】
電力用ハーネス６には、発電電圧センサ７が接続されている。発電電圧センサ７は、燃料電池スタック１から電力消費負荷５に供給される発電電力の発電電圧を検出してセンサ信号を制御部８に出力する。
【００２９】
制御部８は、水素ガス供給調圧弁２、水詰まり除去用弁３、圧力センサ４、電力消費負荷５、発電電圧センサ７とハーネス９を介して接続されている。この制御部８は、図示しない記憶部を備え、記憶部に記憶したプログラムを起動し、圧力センサ４及び発電電圧センサ７からのセンサ信号及び電力消費負荷５からの発電電力要求、記憶部に記憶したテーブルを用いて少なくとも水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を制御する処理をする。
【００３０】
これにより、制御部８は、燃料電池スタック１を起動させると共に燃料電池スタック１の診断を行う起動時診断処理、燃料電池スタック１を運転させる前処理である通常運転前処理、燃料電池スタック１を通常運転させると共に通常運転時における燃料電池スタック１の診断を行う通常運転診断処理を行う。なお、制御部８が行う各種処理の処理内容については後述する。
【００３１】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの動作手順］
つぎに、上述した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の動作手順について説明する。
【００３２】
「燃料電池システムの起動時診断処理」
燃料電池システムを起動するに際して、例えば車両運転者からの指示操作により電力消費負荷５が起動すると、電力消費負荷５により電力供給要求を生成して制御部８に出力する。これに応じて、制御部８では、図２のステップＳ１の処理に移行し、制御部８により、水詰まり除去用弁３を開状態に制御すると共に（ステップＳ１）、燃料電池システムの起動時の所定開度θ０に水素ガス供給調圧弁２を設定することを決定し（ステップＳ２）、所定開度θ０とする制御信号を出力する（ステップＳ３）。このような動作により、水素ガス供給流路Ｌ１を介して水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、燃料電池スタック１の発電を開始させる。
【００３３】
次に、制御部８は、ステップＳ３の水素ガス供給開始時刻から任意の時刻ｔ１に達すると、圧力センサ４のセンサ信号を入力して燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力Ｐin［ＭＰａ］を取り込む（ステップＳ４）。そして、制御部８は、取り込んだ水素ガス圧力Ｐinと、図３に示す圧力値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ５）。
【００３４】
この圧力値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。圧力値診断テーブルは、ステップＳ３での水素ガス供給開始時刻からの時刻と、この時刻に対応する水素ガス圧力Ｐinとが対応づけられてなる。この圧力値診断テーブルは、燃料電池システムに異常が無く、燃料電池システムを通常運転診断処理に移行させることを、時刻ｔ１及び時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において判定する水素ガス圧力Ｐinの範囲を示す通常運転移行可能範囲Ｐ１，Ｐ２が少なくとも格納されている。
【００３５】
通常運転移行可能範囲Ｐ１は、燃料電池システムの運転可能範囲の上限圧力値を上限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ１は、水素ガス供給開始時刻ｔ０から徐々に水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、徐々に水素ガス圧力Ｐinが上昇することを考慮して設定されている。
【００３６】
通常運転移行可能範囲Ｐ２は、運転可能範囲の下限圧力値を下限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ２は、燃料電池スタック１の起動時に水詰まりが発生していたときに、図３中の一点鎖線で示すように水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を開状態にして水詰まりが解消するときに徐々に水素ガス圧力Ｐinが下降すること、及び燃料電池スタック１に圧損が発生していたときの水素ガス圧力Ｐinの経時変化を考慮して設定されている。
【００３７】
制御部８は、ステップＳ５において、ステップＳ４で取り込んだ時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinと、通常運転移行可能範囲Ｐ１とを照合する。次に、水素ガス圧力Ｐinと通常運転移行可能範囲Ｐ１との照合結果により、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高いか否かを判定し（ステップＳ６）、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高くないと判定したときには時刻ｔ０から通常運転前処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ７）。一方、通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも水素ガス圧力Ｐinが高いと判定したときには、燃料電池スタック１内に水詰まりが発生している可能性があり、水詰まり除去用弁３の開状態とする時間を延長するように制御信号を出力し（ステップＳ８）、更に水素ガス供給調圧弁２を所定開度θ０にする時間を延長するように制御信号を出力して（ステップＳ９）、起動延長フローに移行する。
【００３８】
水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３の状態を延長した後の時刻ｔ２において、制御部８により圧力センサ４のセンサ信号を入力して燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力Ｐin［ＭＰａ］を取り込む（ステップＳ１０）。この時刻ｔ２は、時刻ｔ０から水詰まり除去用弁３を開状態にすることで、燃料電池スタック１内の水詰まりが解消されているはずである時刻に設定されている。
【００３９】
次に、制御部８により、時刻ｔ２における水素ガス圧力Ｐinと、図３に示す圧力値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ１１）。水素ガス圧力Ｐinと圧力値診断テーブルとの照合を行った結果、ステップＳ１２において、水素ガス圧力Ｐ in が通常運転移行可能範囲Ｐ２の範囲内であるか否かを判定し、水素ガス圧力Ｐ in が図３に示す圧損上限値以上か否かを判定する。水素ガス圧力Ｐinが圧損上限以上でないと判定したときには、図３の時刻ｔ０’において通常運転前処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ１３）。一方、水素ガス圧力Ｐinが圧損上限値以上であると判定したときには、水詰まり以外の異常が発生していると判断し、この場合においては燃料電池スタック１の圧損異常と判断する。そして、制御部８は、圧損異常に対応するために、一部のシステム停止や機能制限等の所定の異常処理に移行して処理を終了する（ステップＳ１４）。
【００４０】
「通常運転前処理」
つぎに、上述のステップＳ７又はステップＳ１３の次に行う通常運転診断処理の前に行う通常運転前処理について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４１】
この通常運転前処理において、制御部８は、先ず、燃料電池スタック１内の水を除去している最中か否かを判定する（ステップＳ２１）。すなわち、制御部８は、通常運転前処理に移行した段階で水詰まり除去用弁３を開状態にしているか否かを判定する。制御部８は、水詰まり除去用弁３が閉状態であって水詰まりの除去を終了していると判定したときには、第１通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ２２）。一方、制御部８は、水詰まり除去用弁３が開状態であって水詰まりを除去している最中であると判定したときには、第２通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００４２】
このような運転前処理を行うのは、水詰まり除去用弁３の開閉状態により燃料電池スタック１の水素ガス入口圧力と水素ガス出口圧力との圧力差が異なり、水詰まり除去用弁３の開閉状態に応じて燃料電池スタック１の水素ガス入口圧力を制御する必要があることによる。
【００４３】
なお、以下に説明する通常運転診断処理における水詰まり除去のタイミングは、制御部８内の図示しないタイマを使用し、一定間隔にて水詰まり除去用弁３を開状態にする。
【００４４】
「第１通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中でないと判定した後に移行する第１通常運転診断処理について図５のフローチャートを参照して説明する。
【００４５】
この第１通常運転診断処理では、先ず、制御部８は、電力消費負荷５からの電力供給要求に応じて燃料電池スタック１で発電させる発電電力値を決定する。そして、制御部８は、決定した発電電力値に応じて燃料電池スタック１の水素ガス入口における水素ガス圧力値を演算して（ステップＳ３１）、水素ガス供給調圧弁２の開度θを演算する（ステップＳ３２）。これにより、制御部８は、演算した開度θとする制御信号を出力して水素ガス供給調圧弁２を動作させる（ステップＳ３３）。
【００４６】
そして、水素ガス供給調圧弁２が開度θにて安定すると、燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐを出力させる（ステップＳ３４）。次に、制御部８は、発電電圧センサ７からのセンサ信号を取り込んで発電電圧Ｅ［Ｖ］を取得する（ステップＳ３５）。これにより、燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐ［Ｗ］を得ていることを認識する。そして、制御部８は、取得した発電電力Ｅから発電電流Ｉ［Ａ］を算出し（ステップＳ３６）、算出した発電電流Ｉを図示しない記憶部に記憶して一時保管する（ステップＳ３７）。
【００４７】
次に、水素ガス供給調圧弁２の状態を開度θにて一定にした状態において、ステップＳ３４で出力させている発電電力Ｐ及びステップＳ３５で取り込んだ発電電圧Ｅと、図６に示す発電電力値−発電電圧値診断テーブルとを照合する（ステップＳ３８）。
【００４８】
この発電電力値−発電電圧値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電力値−発電電圧値診断テーブルは、燃料電池スタック１で発電している発電電力Ｐと、燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧Ｅであるしきい値とが対応づけられてなる。この発電電力値−発電電圧値診断テーブルによれば、燃料電池システムが正常に運転しているときの発電電力Ｐに対応した発電電圧Ｅの取りうる正常運転域と、燃料電池システムが正常に運転していないときの発電電力Ｐに対応した発電電圧Ｅの取りうる異常運転域とを区別する。この発電電圧Ｅのしきい値は、水素ガス供給調圧弁２を所定開度θとした状態における発電電力Ｐに対する理論上の発電電圧Ｅ（理論値）から、所定電圧低下させた値が実験等の結果に基づいて設定されて格納されている。
【００４９】
ここで、水素ガス供給調圧弁２の開度が一定の状態において、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅが低下するということは、燃料電池スタック１の発電電力出力抵抗値が上昇していることを示し、燃料電池スタック１の電力出力端子での電圧降下が発生しており、何等かの異常が燃料電池スタック１に発生していることによって電力消費負荷５が要求する電力が供給できていない状態となる。したがって、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅがしきい値以下であるときには正常運転域外であることが判定できる。
【００５０】
このような発電電力値−発電電圧値診断テーブルを用いて、制御部８により発電電圧Ｅが正常運転域内か否かを判定する（ステップＳ３９）。ステップＳ３５で検出した発電電圧Ｅがしきい値よりも高い、すなわち燃料電池スタック１が通常動作をしていると判定可能な発電電圧Ｅの範囲（正常運転域）と判定したときには処理を終了する。
【００５１】
一方、制御部８は、ステップＳ３５で検出した発電電圧Ｅがしきい値よりも低い、すなわち発電電圧Ｅの範囲が正常運転域外であると判定したときには燃料電池スタック１を診断する診断処理に移行する。
【００５２】
診断処理において、先ず、制御部８は、ステップＳ３７にて一時保管した発電電流Ｉを読み出し（ステップＳ４０）、読み出した発電電流Ｉを微小時間ｔにて一階微分して、各微小時間ｔごとの発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出する（ステップＳ４１）。このとき、制御部８は、図７に示すように、ある一定期間に亘って保管された発電電流Ｉを用いて一定期間内における発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出する。
【００５３】
次に、制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと、発電電流微分値診断テーブルとを照合して（ステップＳ４２）、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔが燃料電池スタック１の異常と認められる異常範囲であるか否かを判定する（ステップＳ４３）。
【００５４】
この発電電流微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電流微分値診断テーブルは、図７に示すように、燃料電池システムの異常を診断するための発電電流微分値ｄＩ／ｄｔであるしきい値が格納されてなる。
【００５５】
制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値を超えず異常範囲でないと判定したときには、時刻ｔに依存せずにゆっくりと変化する異常状態であると判定する。これに応じて制御部８は、燃料電池スタック１の電力端子の経時劣化による発電効率低下状態と判定し、一部のシステム停止や機能制御等、所定の異常処理の制御を行う（ステップＳ４４）。
【００５６】
また、制御部８は、算出した発電電流微分値ｄＩ／ｄｔが上昇し、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値を超えたと判定したときは異常範囲であると判定する。これにより、制御部８は、刻々と発電状態の低下を引き起こしている状態であって、水素ガスが十分に発電電力に変換されていない状態であり、水素ガス系の不具合と判定する。
【００５７】
これに応じ、制御部８は、水詰まり除去用弁３を繰り返し開閉作動させる制御信号を出力し（ステップＳ４５）、このときの発電電圧センサ７からの発電電圧Ｅを取り込む（ステップＳ４６）。これにより、制御部８は、水素ガス供給圧力を一定とした状態において水詰まり除去用弁３が開閉作動したことによる発電電圧Ｅの変動を確認する（ステップＳ４７）。
【００５８】
次に、制御部８は、水詰まり除去用弁３を開閉作動させたことに応じて発電電圧Ｅが上下変動するか否かを判定することにより、水詰まり除去用弁３の異常が発生しているか否かを判定する（ステップＳ４８）。
【００５９】
発電電圧Ｅが上下変動したと判定したときには水詰まり除去用弁３が正常に開閉作動して水詰まり除去用弁３の異常が発生していないと判定し、水詰まり除去用弁３以外の水素ガス系の異常と判定する。これに応じ、制御部８は、燃料電池システムの停止、水素ガス供給系、燃料電池システムを搭載した移動装置等のサブシステムの停止等、所定の異常時処理をして処理を終了する（ステップＳ５０）。
【００６０】
一方、発電電圧Ｅが上下変動しないと判定したときには水詰まり除去用弁３が正常に開閉作動しておらず、水詰まり除去用弁３の異常が発生していると判定する。これに応じ、制御部８は、水詰まり除去用弁３を開状態のままにする制御をし、その他のシステムをフェールセーフ側に制御する等の異常時処理をして処理を終了する（ステップＳ４９）。
【００６１】
「第２通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中であると判定した後に移行する第２通常運転診断処理について図８のフローチャートを参照して説明する。なお、第２通常運転診断処理の説明において、上述の第１通常運転診断処理と同じ部分についての説明を省略する。
【００６２】
第２通常運転処理においては、水詰まりを除去している最中であることから、水詰まり除去用弁３が開状態にあるので、この状態に応じて水素ガス供給調圧弁２の開度をステップＳ３２とは異なる開度θｐに設定する（ステップＳ３２’、ステップＳ３３’）。これに応じて、以下の処理（ステップＳ３４’〜ステップＳ３８’、ステップＳ４１’、ステップＳ４２’、ステップＳ４６’、ステップＳ４７’）では、発電電力Ｐとは異なる発電電力Ｐｐ、発電電圧Ｅとは異なる発電電圧Ｅｐ、発電電流Ｉとは異なる発電電流Ｉｐ、発電電圧Ｅｐ、発電電力Ｐｐに応じた発電電力値−発電電圧値診断テーブル、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔとは異なる発電電流微分値ｄＩｐ／ｄｔを使用する。
【００６３】
これにより、第２通常運転診断処理では、上述の第１通常運転診断処理と同様の動作、処理を行う。
【００６４】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの効果］
以上、詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素ガス圧力Ｐinが通常運転移行可能範囲Ｐ１よりも高い場合（ステップＳ５、ステップＳ６）に起動時の診断処理に移行して、燃料電池スタック１の圧損を検出することができる。
【００６５】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理において発電電流微分値ｄＩ／ｄｔの変化により、発電効率低下（ステップＳ４４）、水詰まり除去用弁３の異常（ステップＳ４９）、水素ガス調整系の異常（ステップＳ５０）等、複数種類の異常状態を分別して検出して異常時処理を行うことができる。
【００６６】
したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の圧損、発電効率低下、水詰まり除去用弁３の異常、水素ガス調整系異常を検出するための専用の検出装置等を追加する必要がない。
【００６７】
具体的には、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電圧Ｅを発電電力値−発電電圧値診断テーブルと照合し、異常運転域にある場合に発電電流Ｉを微分して発電電流微分値ｄＩ／ｄｔを算出して（ステップＳ４１）、発電電流微分値診断テーブルと照合をすることにより、その後に燃料電池スタック１の発電効率低下、水詰まり除去用弁３の異常、水素ガス供給系の異常の何れかの状態を選別することができる。
【００６８】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと発電電流微分値診断テーブルとの照合の結果、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔがしきい値以上である場合に（ステップＳ４３）、水素ガス系の異常の可能性を診断することができる。
【００６９】
更に、この燃料電池システムによれば、通常運転中に、発電電流微分値ｄＩ／ｄｔと発電電流微分値診断テーブルとの照合の結果、異常が発生していると判定した場合に（ステップＳ４３）、水詰まり除去用弁３を開閉作動させたことによる発電電圧Ｅの変動を照合することにより、水詰まり除去用弁３の異常又は水素ガス供給系の異常を診断することができる。
【００７０】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの構成］
つぎに、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符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７１】
この燃料電池システムは、図９に示すように、電力用ハーネス６に回路抵抗１１を設け、電力消費負荷５内の電力消費側内部抵抗５ａを備える点で第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００７２】
この燃料電池システムにおいて、制御部８は、電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値及び回路抵抗１１の抵抗値を予め記憶しており、これらの抵抗値、及び電力消費負荷５からの電力供給要求に基づいて発電電圧を推定する。また、この制御部８は、燃料電池システムの起動時の診断処理において、水素ガス圧力Ｐinの微分値を演算し、演算した水素ガス圧力Ｐinの微分値を用いて水詰まりの判定をする。更に、この制御部８は、通常運転診断処理において、発電電圧の微分値を用いて診断処理を行う。なお、この制御部８の詳細な処理手順については後述する。
【００７３】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの動作手順］
つぎに、上述した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の動作手順について説明する。なお、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムの動作と同一の処理ステップについては同一のステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７４】
「燃料電池システム起動時の診断処理」
起動時において、第２実施形態に係る燃料電池システムは、図１０に示すように、ステップＳ４において時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinを圧力センサ４からのセンサ信号により取り込むと、取り込んだ水素ガス圧力Ｐinを時間ｔにて微分して水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを算出する。そして、制御部８は、算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと、図１１に示す圧力微分値診断テーブルとの照合を行う（ステップＳ６１）。
【００７５】
この圧力微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。圧力微分値診断テーブルは、ステップＳ３での水素ガス供給開始時刻からの時刻と、この時刻に対応する水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔとが対応づけられてなる。この圧力微分値診断テーブルは、燃料電池システムに異常が無く、燃料電池システムを通常運転診断処理に移行させることを判定する水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔの範囲を示す通常運転移行可能範囲Ｐ１１，Ｐ１２が少なくとも格納されている。
【００７６】
通常運転移行可能範囲Ｐ１１は、水素ガス供給開始時刻ｔ０から徐々に水素ガスを燃料電池スタック１に供給して、徐々に水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが上昇することを考慮して設定されている。
【００７７】
通常運転移行可能範囲Ｐ１２は、運転可能範囲の下限圧力微分値を下限値とした所定水素ガス圧力範囲である。この通常運転移行可能範囲Ｐ１２は、燃料電池スタック１の起動時に水詰まりが発生していたときに、図１１中の一点鎖線で示すように水素ガス供給調圧弁２及び水詰まり除去用弁３を開状態にして水詰まりが解消するときに徐々に水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが下降すること、及び燃料電池スタック１に圧損が発生していたときの水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔの経時変化を考慮して設定されている。
【００７８】
制御部８は、ステップＳ６１において、ステップＳ４で取り込んだ時刻ｔ１での水素ガス圧力Ｐinから算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと、通常運転移行可能範囲Ｐ１１とを照合する。水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと通常運転移行可能範囲Ｐ１１との照合結果により、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが大きいか否かを判定し（ステップＳ６２）、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが大きくないと判定したときには時刻ｔ０から通常運転診断処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ７）。一方、通常運転移行可能範囲Ｐ１１よりも水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが高いと判定したときには、燃料電池スタック１内に水詰まりが発生している可能性があり、ステップＳ８以降の起動延長フローに移行する。
【００７９】
そして、起動延長フローにおけるステップＳ１０において、時刻ｔ２での水素ガス圧力Ｐinを微分して水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを算出し、算出した水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと圧力微分値診断テーブルの通常運転移行可能範囲Ｐ１２とを照合する（ステップＳ６３）。
【００８０】
水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔと圧力微分値診断テーブルとの照合を行った結果、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが図１１に示す圧損上限値以上か否かを判定することで、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが通常運転移行可能範囲Ｐ１２の範囲内であるか否かを判定する。水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが圧損上限以上でないと判定したときには、図１１の時刻ｔ０’において通常運転診断処理に移行すると判定して処理を終了する（ステップＳ１３）。一方、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔが圧損上限値以上であると判定したときには、水詰まり以外の異常が発生していると判断し、この場合においては燃料電池スタック１の圧損異常と判断する。そして、制御部８は、圧損異常に対応するために、一部のシステム停止や機能制限等の所定の異常処理に移行して処理を終了する（ステップＳ１４）。
【００８１】
「通常運転前処理」
つぎに、上述のステップＳ７又はステップＳ１３の次に行う通常運転診断処理の前に行う通常運転前処理について図１２のフローチャートを参照して説明する。
【００８２】
この通常運転前処理において、第１実施形態と同様にステップＳ２１での判定を行い、水詰まり除去用弁３を開状態にしているか否かを判定する。制御部８は、水詰まり除去用弁３が閉状態であって水詰まりの除去を終了していると判定したときには、第３通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ７１）。一方、制御部８は、水詰まり除去用弁３が開状態であって水詰まりを除去している最中であると判定したときには、第４通常運転診断処理に移行して処理を終了する（ステップＳ７２）。
【００８３】
「第３通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中でないと判定した後に移行する第３通常運転診断処理について図１３のフローチャートを参照して説明する。
【００８４】
この第３通常運転診断処理では、ステップＳ３４にて燃料電池スタック１から電力供給要求に応じた発電電力Ｐを出力させた後に、電力消費負荷５での消費電圧を取り込み（ステップＳ８１）、回路抵抗１１の抵抗値、電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値及び取り込んだ消費電圧から消費電流を算出して（ステップＳ８２）、発電電圧Ｅを推定して記憶部に記憶することで一時保管する（ステップＳ８３）。
【００８５】
次に、水素ガス供給調圧弁２の状態を開度θにて一定にした状態において、一時保管した発電電圧Ｅと、図１４に示す発電電流値−発電電圧値診断テーブルとを照合する（ステップＳ８４）。
【００８６】
この発電電流値−発電電圧値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電流値−発電電圧値診断テーブルは、燃料電池スタック１で発電している発電電流Ｉと、燃料電池システムの異常を診断するための推定した発電電圧Ｅであるしきい値とが対応づけられてなる。
【００８７】
ここで、水素ガス供給調圧弁２の開度が一定の状態において、発電電流Ｉに対する発電電圧Ｅが低下するということは、燃料電池スタック１の発電電力出力抵抗値が上昇していることを示し、燃料電池スタック１の電力出力端子での電圧降下が発生している状態となる。したがって、発電電力Ｐに対する発電電圧Ｅがしきい値以下であるときには正常運転域外であることが判定できる。
【００８８】
このような発電電流値−発電電圧値診断テーブルを用いて、制御部８により発電電圧Ｅが正常運転域内か否かを判定する（ステップＳ８５）。発電電圧Ｅがしきい値よりも高い、すなわち燃料電池スタック１が通常動作をしていると判定可能な発電電圧Ｅの範囲（正常運転域）と判定したときには処理を終了して通常運転診断処理を継続する。
【００８９】
一方、制御部８は、発電電圧Ｅがしきい値よりも低い、すなわち発電電圧Ｅの範囲が正常運転域外であると判定したときには燃料電池スタック１を診断する診断処理に移行する。
【００９０】
診断処理において、先ず、制御部８は、ステップＳ８３にて一時保管した発電電圧Ｅを読み出し（ステップＳ８６）、読み出した発電電圧Ｅを微小時間ｔにて一階微分して、各微小時間ｔごとの発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔを算出する（ステップＳ８７）。このとき、制御部８は、図１５に示すように、ある一定期間に亘って保管された発電電圧Ｅを用いて一定期間内における発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔを算出する。
【００９１】
次に、制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔと、発電電圧微分値診断テーブルとを照合して（ステップＳ８８）、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔが燃料電池スタック１の異常と認められる異常範囲であるか否かを判定する（ステップＳ８９）。
【００９２】
この発電電圧微分値診断テーブルは、予め図示しない制御部８内の記憶部に記憶されている。発電電圧微分値診断テーブルは、図１５に示すように、燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔであるしきい値が格納されてなる。
【００９３】
制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値を下回らず異常範囲でないと判定したときには、時刻ｔに依存せずにゆっくりと変化する異常状態であると判定する。これに応じて制御部８は、燃料電池スタック１の電力端子の経時劣化による発電効率低下状態と判定して所定の異常処理の制御を行う（ステップＳ４４）。
【００９４】
また、制御部８は、算出した発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔが下降し、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値以下となると判定したときは異常範囲であると判定する。これにより、制御部８は、刻々と発電状態の低下を引き起こしている状態であって、水素ガスが十分に発電電力に変換されていない状態であり、水素ガス系の不具合と判定する。これに応じ、制御部８は、ステップＳ４５〜ステップＳ５０の処理を行う。
【００９５】
「第４通常運転診断処理」
つぎに、上述のステップＳ２１にて水詰まりを除去している最中であると判定した後に移行する第４通常運転診断処理について図１６のフローチャートを参照して説明する。なお、第４通常運転診断処理の説明において、上述の通常運転診断処理と同じ部分についての説明を省略する。
【００９６】
第４通常運転診断処理においては、水詰まりを除去している最中であることから、水詰まり除去用弁３が開状態にあるので、この状態に応じて水素ガス供給調圧弁２の開度を開度θｐに設定する（ステップＳ３２’、ステップＳ３３’）。これに応じて、発電電力Ｐとは異なる発電電力Ｐｐ、発電電圧Ｅとは異なる発電電圧Ｅｐ、発電電流Ｉとは異なる発電電流Ｉｐ、発電電圧Ｅｐ、発電電力Ｐｐに応じた発電電力値−発電電圧値診断テーブル、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔとは異なる発電電圧微分値ｄＥｐ／ｄｔを使用する。これにより、第４通常運転診断処理では、上述の第３通常運転診断処理と同様の動作、処理を行う。
【００９７】
［第２実施形態に係る燃料電池システムの効果］
以上、詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電電圧を計測する電圧センサを設けなくても、回路抵抗１１及び電力消費側内部抵抗５ａの抵抗値、消費電圧及び消費電流を用いて発電電圧Ｅを推定することができ、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００９８】
具体的には、この燃料電池システムによれば、起動時から時刻ｔ１、時刻ｔ２後に、水素ガス微分値ｄＰin／ｄｔを演算し、圧力微分値診断テーブルとの照合をし、燃料電池スタック１の水詰まりの発生、燃料電池スタック１の圧損を診断することができる。
【００９９】
また、この燃料電池システムによれば、通常運転診断処理中に、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔと発電電圧微分値診断テーブルとの照合の結果、発電電圧微分値ｄＥ／ｄｔがしきい値以下である場合に（ステップＳ８８）、水素ガス系の異常の可能性を診断することができる。
【０１００】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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起動時の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】水素ガス圧力の変動により燃料電池システムの異常を診断するための圧力値診断テーブルを示す図である。
【図４】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通常運転前処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】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第１通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】発電電力に対応した発電電圧の値に応じて燃料電池システムの異常を診断するための発電電力値−発電電圧値診断テーブルを示す図である。
【図７】発電電流微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための発電電流微分値診断テーブルを示す図である。
【図８】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第２通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】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。
【図１０】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起動時の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】水素ガス微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための圧力微分値診断テーブルを示す図である。
【図１２】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通常運転前処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】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第３通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】発電電流に対応した発電電圧の値に応じて燃料電池システムの異常を診断するための発電電流値−発電電圧値診断テーブルを示す図である。
【図１５】発電電圧微分値の変動により燃料電池システムの異常を診断するための発電電圧微分値診断テーブルを示す図である。
【図１６】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第４通常運転処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素ガス供給調圧弁
３ 水詰まり除去用弁
４ 圧力センサ
５ 電力消費負荷
５ａ 電力消費側内部抵抗
６ 電力用ハーネス
７ 発電電圧センサ
８ 制御部
９ ハーネス
１１ 回路抵抗
Claims (3)
- 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に要求される発電電力に応じて上記燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、上記燃料電池が実際に発電した発電電圧を検出する発電状態検出手段とを有する燃料電池システムの上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段の異常を診断する燃料電池システムの診断装置であって、
上記発電状態検出手段で検出された実際の発電電圧及び上記燃料電池に要求された発電電力に基づいて算出された発電電流の時間微分値を演算する微分値演算手段と、
予め記憶した上記燃料電池の経時劣化及び上記ガス供給手段を診断するための発電電流時間微分値である第１しきい値と、上記微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記燃料電池システムの複数の運転状態から、上記燃料電池システムの運転状態を診断する診断手段とを備え、
上記検出された実際の発電電圧が上記燃料電池に要求された発電電力に対応付けられた上記燃料電池システムの異常を診断するための所定の発電電圧である第２しきい値よりも低い場合に、上記算出された発電電流を用いて上記微分値演算手段により発電電流の時間微分値を演算し、
上記診断手段により、この時間微分値が上記第１しきい値以下である場合には、上記燃料電池の経時劣化であると診断し、
上記第１しきい値より高い場合には、上記ガス供給手段の異常であると診断すること
を特徴とする燃料電池システムの診断装置。 - 上記ガス供給手段は、上記燃料電池の発電を開始させる場合に、酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始して上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を所定の通常運転可能範囲の圧力まで上昇させるものであり、
上記診断装置は、
上記ガス供給手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給開始した場合に、上記燃料ガス圧力検出手段で検出された燃料ガス圧力の時間微分値を演算する圧力時間微分値演算手段と、
予め記憶した上記燃料電池の圧損異常を診断するための燃料ガス圧力の時間微分値である第３しきい値と、上記圧力時間微分値演算手段で演算された時間微分値とを比較して、上記圧力時間微分値演算手段によって演算された時間微分値が上記第３しきい値よりも大きい場合には、上記燃料電池の圧損異常であると診断する診断手段とを、
さらに備え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の診断装置。 - 上記燃料電池システムは、
上記燃料電池の燃料ガス出口と水詰まり除去用弁とが燃料ガス排出流路で挿通されており、上記水詰まり除去用弁を開状態にすることによって上記燃料電池の水詰まりを除去する水詰まり除去手段をさらに有し、
上記診断装置は、
上記診断手段により上記ガス供給手段の異常であると診断した場合に、上記水詰まり除去用弁を開閉作動させる制御信号を出力し、上記発電状態検出手段で検出した実際の発電電圧が上下変動していない場合に、上記水詰まり除去用弁の異常であると診断する診断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの診断装置。
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