JP4352688B2 - 燃料電池の診断装置および診断方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の診断装置および診断方法に関し、詳しくは、燃料電池の状態を診断する燃料電池の診断装置および診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックにおける電圧の経時変化に基づいて水量過剰や水量過少などの運転状態を判別するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池スタックの単セルや複数個の単セルからなるセルブロックの電圧の経時変化のパターンを種々の運転条件の場合について予め測定して記憶させているパターンと比較することにより燃料電池スタックの運転状態を判定している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２４５８２６号公報（図１，図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックの異常が水量過剰や水量過少に限られるものではないことや異常に伴って生じる現象も燃料電池スタックの単セルやセルブロックの電圧挙動に現われるものに限られないことから、こうした電圧挙動に基づく判定では、誤判定が生じる場合がある。特に、燃料電池スタックの他の異常をも含めて診断しようとする場合には、判定としては適正を欠くものとなる。
【０００５】
本発明の燃料電池の診断装置および診断方法は、燃料電池の状態をより適正に判定することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の診断装置および診断方法は、燃料電池に生じ得る複数の異常をより正確に判定することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池の診断装置は、移動体に搭載された燃料ガス供給系や冷却系を動作させることなく燃料電池を運転してその状態を診断することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池の診断装置および診断方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池の診断装置は、
燃料電池の状態を診断する燃料電池の診断装置であって、
前記燃料電池の運転に用いられる運転用機器と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記燃料電池が所定の運転パターンで運転されるよう前記運転用機器を制御する機器制御手段と、
該機器制御手段により前記燃料電池が前記所定の運転パターンで運転されている際に前記運転状態検出手段により検出された該燃料電池の運転状態の変化と前記所定の運転パターンとに基づいて該燃料電池の状態を診断する診断手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池の診断装置では、燃料電池を所定の運転パターンで運転し、この運転されている際に検出された燃料電池の運転状態の変化と所定の運転パターンとに基づいて燃料電池の状態を診断するから、電圧挙動だけに基づいて燃料電池の状態を診断するものに比して、より適正に燃料電池の状態を診断することができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転用機器は前記燃料電池への燃料ガスおよび／または酸化ガスの供給に用いられるガス供給用機器であり、前記機器制御手段は前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池に前記燃料ガスおよび／または前記酸化ガスが所定の供給パターンで供給されるよう前記ガス供給用機器を制御する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の燃料電池の診断装置において、前記所定の供給パターンは、前記燃料ガスおよび／または前記酸化ガスの流量の所定の増減パターン，供給圧力の所定の増減パターン，加湿の程度の所定の増減パターンのいずれかを含むものとすることもできる。こうすれば、燃料ガスや酸化ガスの流量の増減や供給圧力の増減，加湿の程度の増減に起因する燃料電池の状態についての診断をより適正に行なうことができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転用機器は前記燃料電池の運転温度の調節に用いられる温度調節用機器であり、前記機器制御手段は前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池が所定の温度パターンで運転されるよう前記温度調節用機器を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の運転温度の変化に起因する燃料電池の状態についての診断をより適正に行なうことができる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転状態検出手段は前記燃料電池の運転状態の一つとして該燃料電池の出力電流と出力電圧とを検出する手段であり、前記診断手段は前記検出された出力電流と出力電圧とに基づいて該燃料電池の状態を診断する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に生じ得る異常のうち燃料電池の出力電流と出力電圧とに特徴的な挙動を示すものについての診断をより適正に行なうことができる。
【００１２】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転状態検出手段は前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧および／またはセル間電圧を検出する手段であり、前記診断手段は前記検出された端子間電圧および／またはセル間電圧に基づいて該燃料電池の状態を診断する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に生じ得る異常のうち燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧やセル間電圧に特徴的な挙動を示すものについての診断をより適正に行なうことができる。ここで、「セル間電圧」には、単セルの電圧が含まれる他、複数個の単セルからなるセルブロックの電圧も含まれる。
【００１３】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転状態検出手段は前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池の内部抵抗を検出する手段であり、前記診断手段は前記検出された内部抵抗に基づいて該燃料電池の状態を診断する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に生じ得る異常のうち燃料電池の内部抵抗に特徴的な挙動を示すものについての診断をより適正に行なうことができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転状態検出手段は前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池の温度，燃料ガス系の排気温度，酸化ガス系の排気温度のいずれかを検出する手段であり、前記診断手段は前記検出された燃料電池の温度，燃料ガス系の排気温度，酸化ガス系の排気温度のいずれかに基づいて該燃料電池の状態を診断する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に生じ得る異常のうち燃料電池の温度，燃料ガス系の排気温度，酸化ガス系の排気温度のいずれかに特徴的な挙動を示すものについての診断をより適正に行なうことができる。
【００１５】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記診断手段は、前記所定の運転パターンによる運転の前後において前記燃料電池からの出力電圧が所定値未満のときには、機械的な不良または経時変化に伴う劣化と診断する手段であるものとすることもできる。こうすれば、機械的な不良や経時変化に伴う劣化も診断することができる。
【００１６】
移動体に電力源として搭載された燃料電池の状態を診断するために用いられる態様の本発明の燃料電池の診断装置において、前記運転用機器は前記移動体に搭載された機器を一部として含み、前記運転状態検出手段は前記移動体に搭載されて前記燃料電池の運転状態の一つとしての状態を検出する手段を含み、前記機器制御手段は前記燃料電池を運転制御するために前記移動体に搭載された制御系に接続可能で該制御系に指示を与えることにより前記運転用機器を制御する手段であり、前記運転用機器の一部として前記燃料電池からの電力を調整する電力調整手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、移動体に搭載された燃料電池を移動体を停止した状態で診断することができる。この態様の本発明の燃料電池の診断装置において、前記電力調整手段は、前記燃料電池の出力端子に接続されて前記燃料電池からの電力を吸収または消費することにより調整する手段であるものとすることもできる。
【００１７】
こうした移動体に搭載された燃料電池を診断するために用いられる本発明の燃料電池の診断装置において、前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスを該燃料電池に供給するために前記移動体に搭載された燃料ガス供給系に代わって前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えるものとしたり、前記燃料電池を冷却するために前記移動体に搭載された冷却系に代わって前記燃料電池を冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、移動体に搭載された燃料ガス供給系や冷却系に異常が生じているときでも、移動体に搭載された燃料電池を診断することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池の診断方法は、
燃料電池の状態を診断する燃料電池の診断方法であって、
（ａ）前記燃料電池を所定の運転パターンで運転し、
（ｂ）該所定の運転パターンで運転されている際の燃料電池の運転状態を検出し、
（ｃ）該検出した運転状態の変化と前記所定の運転パターンとに基づいて前記燃料電池の状態を診断する
ことを要旨とする。
【００１９】
この本発明の燃料電池の診断方法によれば、所定の運転パターンで運転されている際の燃料電池の運転状態を検出し、この運転されている際に検出された燃料電池の運転状態の変化と所定の運転パターンとに基づいて燃料電池の状態を診断するから、電圧挙動だけに基づいて燃料電池の状態を診断するものに比して、より適正に燃料電池の状態を診断することができる。
【００２０】
こうした本発明の燃料電池の診断方法において、前記ステップ（ａ）は、前記燃料電池への燃料ガスおよび／または酸化ガスの流量の所定の増減パターン，供給圧力の所定の増減パターン，加湿の程度の所定の増減パターン，若しくは前記燃料電池の運転温度の所定の変化パターンのいずれかを前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池を運転するステップであるものとすることもできる。こうすれば、燃料ガスや酸化ガスの流量の増減や供給圧力の増減，加湿の程度の増減，燃料電池の運転温度の変化のいずれかに起因する燃料電池の状態についての診断をより適正に行なうことができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池の診断方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記燃料電池の出力電流および出力電圧，前記燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧若しくはセル間電圧，前記燃料電池の内部抵抗，前記燃料電池の温度，前記燃料電池の燃料ガス系の排気温度，前記燃料電池の酸化ガス系の排気温度のいずれかを前記運転状態の一つとして検出するステップであるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に生じ得る異常のうち燃料電池の出力電流および出力電圧や燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧若しくはセル間電圧，燃料電池の内部抵抗，燃料電池の温度，燃料電池の燃料ガス系の排気温度，燃料電池の酸化ガス系の排気温度のいずれかに特徴的な挙動を示すものについての診断をより適正に行なうことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は本発明の一実施例である燃料電池の診断装置２０により車両１１０に搭載された燃料電池１２２の状態を診断する際の構成の概念を例示する概念図であり、図２は車載された燃料電池システム１２０の構成の概略を示す構成図であり、図３は実施例の診断装置２０の構成の概略を示す構成図である。説明の都合上、車両１１０に搭載された燃料電池システム１２０の構成について説明し、その後、実施例の燃料電池の診断装置２０の構成について詳細に説明する。
【００２３】
燃料電池システム１２０は、図２に示すように、燃料電池１２２に燃料としての水素と空気を供給する燃料ガス供給系１３０と、燃料電池１２２からの発電電力を調整して走行用に用いたり電力を蓄える電力調整系１４０と、燃料電池１２２を冷却する冷却系１５０と、燃料電池１２２の運転を制御すると共に車両の走行を制御する車両運転用制御装置１６０とを備える。
【００２４】
燃料電池１２２は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する高分子膜を電解質膜として用いた単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、電解質膜の両側に形成された燃料極側の流路と空気極側の流路に水素と酸素とを供給することによって生じる電気化学反応により発電する。
【００２５】
燃料ガス供給系１３０は、高圧の水素を貯蔵し調節弁１３２を介して燃料電池１２２の燃料極側の流路に接続された水素タンク１３１と、燃料電池１２２の燃料極側の流路を一部として構成された循環流路に水素タンク１３１から供給された水素を循環させる水素用ポンプ１３３と、燃料電池１２２の空気極側の流路に酸素を含有する酸化ガスとしての空気を供給する空気供給ポンプ１３４と、燃料電池１２２に供給される水素や空気を加湿する加湿器１３５，１３６とを備える。燃料ガス供給系１３０の燃料電池１２２への接続部には、実施例の燃料電池の診断装置２０の燃料ガス供給装置３０を取り付けるための燃料ガス供給装置取付部１３９が設けられている。
【００２６】
電力調整系１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１を介して燃料電池１２２の出力端子に接続されたバッテリ１４２と、インバータ１４３を介して燃料電池１２２の出力端子に接続された走行用モータ１４４とを備え、走行用モータ１４４による電力の消費とバッテリ１４２の充放電が可能に構成されている。電力調整系１４０の燃料電池１２２への接続部には、実施例の燃料電池の診断装置２０の電力調整装置４０を取り付けるための電力調整装置取付部１４９が設けられている。
【００２７】
冷却系１５０は、燃料電池１２２の冷却水の流路を一部に含む循環流路として構成されており、冷却水を空冷するラジエータ１５１と、冷却水を循環させる冷却水用ポンプ１５２とを備え、ラジエータ１５１で冷却された冷却水を循環流路に循環させることにより燃料電池１２２を冷却する。冷却系１５０の燃料電池１２２への接続部には、実施例の燃料電池の診断装置２０の冷却装置５０を取り付けるための冷却装置取付部１５９が設けられている。
【００２８】
車両運転用制御装置１６０は、図示しないＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータとして構成されており、入出力ポートや通信ポートを備える。車両運転用制御装置１６０には、燃料電池１２２を構成するセル間の電圧を検出する電圧センサからのセル間電圧や燃料電池１２２に取り付けられた温度センサ１２２ａからの燃料電池温度Ｔ，燃料電池１２２の出力端子近傍の電力ラインに取り付けられた電圧センサ１２３からの端子間電圧Ｖ，同じく燃料電池１２２の出力端子近傍の電力ラインに取り付けられた電流センサ１２４からの出力電流Ｉ，ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１に取り付けられた図示しない電圧センサや電流センサからの電圧や電流，バッテリ１４２の出力端子近傍の電力ラインに取り付けられた図示しない電圧センサや電流センサからの充放電電圧や充放電電流，インバータ１４３から走行用モータ１４４への電力ラインに取り付けられた図示しない電流センサからの走行用モータ１４４の相電流，走行用モータ１４４に取り付けられた図示しない回転位置センサからの回転子の位置などが入力ポートを介して入力されている。また、車両運転用制御装置１６０からは、調節弁１３２への駆動信号や水素用ポンプ１３３への駆動信号，空気供給ポンプ１３４への駆動信号，加湿器１３５，１３６への駆動信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１へのスイッチング制御信号，インバータ１４３へのスイッチング制御信号，冷却水用ポンプ１５２への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。また、車両運転用制御装置１６０には、実施例の燃料電池の診断装置２０の制御装置６０と接続するための接続コネクタ１６９が通信ポートに接続されている。
【００２９】
次に、実施例の燃料電池の診断装置２０の構成について説明する。実施例の燃料電池の診断装置２０は、図１および図３に示すように、燃料電池システム１２０の燃料ガス供給系１３０に代えて燃料電池１２２に燃料としての水素と空気を供給するための燃料ガス供給装置３０と、燃料電池システム１２０の電力調整系１４０に代えて燃料電池１２２からの発電電力を調整するための電力調整装置４０と、燃料電池システム１２０の冷却系１５０に代えて燃料電池１２２を冷却するための冷却装置５０と、燃料電池システム１２０の車両運転用制御装置１６０と通信可能に接続されると共に装置全体をコントロールする制御装置６０とを備える。
【００３０】
燃料ガス供給装置３０は、図３に示すように、出入口に調節弁３２を備える水素タンク３１と、水素を循環させるための水素用ポンプ３３と、空気を供給するための空気供給ポンプ３４と、供給する水素や空気を加湿する加湿器３５，３６とを備え、燃料ガス供給系取付部３９により燃料電池システム１２０の燃料ガス供給装置取付部１３９に取り付けられたときには、燃料電池システム１２０の燃料ガス供給系１３０と同様に機能するように構成されている。
【００３１】
電力調整装置４０は、直流電力を昇降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータ４１とこれに接続された充放電可能なバッテリ４２とを備え、電力調整系取付部４９により燃料電池システム１２０の電力調整装置取付部１４９に接続されたときには、燃料電池１２２からの発電電力を自在にバッテリ４２に充電することができるようになっている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の電力調整系取付部４９側には、燃料電池１２２の電圧や電流を検出するための電圧センサ４３や電流センサ４４が取り付けられている。
【００３２】
冷却装置５０は、外気により冷却水を冷却するラジエータ５１と、冷却水を循環させるための冷却水用ポンプ５２とを備え、冷却系取付部５９により冷却装置取付部１５９に取り付けられたときには、燃料電池システム１２０の冷却系１５０と同様に機能するように構成されている。
【００３３】
制御装置６０は、機能的には、図１に示すように、車両運転用制御装置１６０を介して燃料電池１２２の運転を制御する運転制御部６１と、運転されている燃料電池１２２の状態に基づいて燃料電池１２２の状態を診断する診断部６２と、燃料ガス供給装置３０や電力調整装置４０，冷却装置５０を制御する装置制御部６３とから構成されており、ハード的には、図３に示すように、ＣＰＵ６５やＲＯＭ６６，ＲＡＭ６７を中心とするマイクロコンピュータとして構成されている。制御装置６０には、電圧センサ４３からの電圧や電流センサ４４からの電流などが図示しない入力ポートを介して入力されており、制御装置６０からは、調節弁３２への駆動信号や水素用ポンプ３３への駆動信号，空気供給ポンプ３４への駆動信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ４１へのスイッチング制御信号，冷却水用ポンプ５２への駆動信号などが図示しない出力ポートを介して出力されている。また、制御装置６０の図示しない通信ポートには、燃料電池システム１２０の車両運転用制御装置１６０の通信ポートに接続された１６９に接続可能な接続コネクタ６９が取り付けられている。
【００３４】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池の診断装置２０を用いて車両１１０に搭載された燃料電池１２２の状態を診断する際の様子について説明する。実施例の燃料電池の診断装置２０には、接続コネクタ６９と接続コネクタ１６９とにより制御装置６０と車両運転用制御装置１６０を接続すると共に電力調整系取付部４９を電力調整装置取付部１４９に取り付けて電力調整装置４０を燃料電池システム１２０に接続して行なう第１の診断パターンと、この第１の診断パターンに加えて燃料ガス供給系取付部３９と燃料ガス供給装置取付部１３９に取り付けて燃料電池システム１２０に燃料ガス供給装置３０を接続して行なう第２の診断パターンと、第１の診断パターンに加えて冷却系取付部５９を冷却装置取付部１５９に取り付けて燃料電池システム１２０に冷却装置５０を接続して行なう第３の診断パターンと、燃料ガス供給装置３０や電力調整装置４０，冷却装置５０のすべてを燃料電池システム１２０に接続して行なう第４の診断パターンとが想定されている。即ち、燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０を動作させて燃料電池１２２の状態と共に燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の診断を行なうときに第１の診断パターンを用い、燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の一方に異常が生じているときや燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の影響を考慮せずに診断するときに第２の診断パターンや第３の診断パターンを用い、燃料ガス供給系１３０および冷却系１５０に異常が生じているときや燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の影響を考慮せずに燃料電池１２２だけを診断する際に第４の診断パターンを用いる。各診断パターンは、燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０の接続関係が異なるだけで診断処理については同一であるから、以下では第４の診断パターンを用いて説明する。
【００３５】
図４は、実施例の燃料電池の診断装置２０の制御装置６０で実行される診断処理の一例を示すフローチャートである。実施例の診断処理では、運転状態の変更に伴う燃料電池１２２の挙動に基づいて行なわれる複数のチェックを行ない（ステップＳ１００〜Ｓ１６０）、チェック項目の結果に基づいてを総合的に燃料電池１２２の状態を診断する（ステップＳ１７０）。チェック項目としては、燃料電池１２２電流電圧特性（以下、ＩＶ特性という）の悪化のチェック（ステップＳ１００）、燃料電池１２２の出力端子を開放状態としたときの端子間電圧や燃料電池１２２を構成する複数個のセルにおけるセル間電圧の過大な低下のチェック（ステップＳ１１０）、水素の供給量や圧力の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１２０）、空気の供給量や圧力の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１３０）、内部抵抗が過大でないかのチェック（ステップＳ１４０）、燃料電池１２２の運転温度の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１５０）、水素や空気の加湿量の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１６０）、などが挙げられる。実施例では、各チェック項目を、図示の都合上、フローチャートとして順に行なうように示したが、その順序は問題にならず、入れ替えて行なうものとしてもよい。以下に、各チェック項目について説明する。
【００３６】
ＩＶ特性の悪化のチェック（ステップＳ１００）は、具体的には、燃料電池１２２が十分に機能が発揮できる定常状態となるよう燃料ガス供給装置３０，電力調整装置４０，冷却装置５０を機能させた後に、電力調整装置４０のＤＣ／ＤＣコンバータ４１の制御により、燃料電池１２２の発電電流Ｉを変化させ、発電電流の変化に伴って変化する発電電圧Ｖを検出し、得られた発電電流Ｉと発電電圧Ｖとの関係（特性）と正常に機能する燃料電池のＩＶ特性との偏差が許容範囲内にあるか否かを判定することにより行なうことができる。この場合、発電電流Ｉと発電電圧Ｖは、電力調整装置４０の電流センサ４４と電圧センサ４３とにより検出された値を用いることもできるし、車載された電流センサ１２４や電圧センサ１２３により検出された値を用いることもできる。
【００３７】
燃料電池１２２の出力端子を開放状態としたときの端子間電圧やセル間電圧の過大な低下のチェック（ステップＳ１１０）は、具体的には、燃料ガス供給装置３０により燃料電池１２２に十分な水素と空気とを供給した状態で電力調整装置４０により発電電流Ｉを値０とし、その状態において電圧センサ４３や電圧センサ１２３により検出される電圧（燃料電池１２２の端子間電圧）や、燃料電池１２２を構成するセル間の電圧を検出する図示しない電圧センサにより検出されるセル間電圧を、正常に機能する燃料電池を同様の状態としたときに検出される端子間電圧やセル間電圧と比較し、許容範囲以上に端子間電圧やセル間電圧が低下しているか否かの判定により行なうことができる。ここで、セル間電圧としては、各セル毎の電圧を用いるものとしてもよいし、複数個のセルからなるセルブロックの電圧を用いるものとしてもよい。
【００３８】
水素の供給量や圧力の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１２０）は、具体的には、燃料電池１２２を定常運転状態とした後に、燃料ガス供給装置３０の調節弁３２の開度を変更して燃料電池１２２に供給する水素の供給量および供給圧力を変更させたときの発電電流Ｉと発電電圧Ｖとを検出し、この発電電流Ｉと発電電圧Ｖとの変化の程度を正常に機能する燃料電池に対して同様に運転したときの発電電流Ｉと発電電圧Ｖとの変化の程度と比較し、許容範囲以上の変化の程度に偏差が生じているか否かの判定により行なうことができる。この場合、水素の供給圧力の変更を伴うことなく供給量だけを変更したり、逆に供給量の変更を伴うことなく供給圧力だけを変更してチェックを行なうことにより、水素の供給量に対する影響や水素の供給圧力に対する影響をチェックすることができる。
【００３９】
空気の供給量や圧力の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１３０）は、前述した水素の場合と同様である。こうしたステップＳ１２０とステップＳ１３０は、別のチェック項目としても行なうこともできるが、組み合わせて同時に行なうことにより、水素の供給量や圧力の変化と空気の供給量や圧力の変化を種々組み合わせることができる。例えば、水素と酸素の供給量が燃料電池１２２における電気化学反応のモル比で維持されながら水素の供給量と空気の供給量とを増減して行なったり、一方の供給量を固定した状態で他方の供給量を増減して行なったり、水素の供給圧力と空気の供給圧力との偏差を増減して行なうなど、種々の手法で行なうことができる。
【００４０】
内部抵抗が過大でないかのチェック（ステップＳ１４０）は、具体的には、燃料電池１２２の発電電流Ｉや発電電圧Ｖから内部抵抗を計算し、経年使用の程度を考慮して想定される内部抵抗の値から許容範囲以上大きくなっているか否かを判定することにより行なうことができる。
【００４１】
燃料電池１２２の運転温度の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１５０）は、具体的には、燃料電池１２２に取り付けられた図示しない温度センサにより検出される燃料電池温度に基づいて冷却装置５０の冷却水用ポンプ５２を駆動制御して燃料電池１２２の温度を変化させ、この変化に伴って発電電流Ｉや発電電圧Ｖを検出し、得られた発電電流Ｉや発電電圧Ｖの変化の程度を正常に機能する燃料電池を同様の状態としたときに検出される発電電流Ｉや発電電圧Ｖの変化の程度と比較し、許容範囲以上の変化の程度に偏差が生じているか否かの判定により行なうことができる。なお、燃料電池１２２の温度は、燃料電池１２２に取り付けられた図示しない温度センサにより検出される信号を車両運転用制御装置１６０を介して制御装置６０に入力することにより得ることができる。
【００４２】
水素や空気の加湿量の変化に伴う発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響のチェック（ステップＳ１６０）は、燃料ガス供給装置３０の加湿器３５，３６による燃料電池１２２に供給する水素や空気の加湿量を変化させ、この変化に伴って発電電流Ｉや発電電圧Ｖを検出し、得られた発電電流Ｉや発電電圧Ｖの変化の程度を正常に機能する燃料電池を同様の状態としたときに検出される発電電流Ｉや発電電圧Ｖの変化の程度と比較し、許容範囲以上の変化の程度に偏差が生じているか否かの判定により行なうことができる。
【００４３】
ステップＳ１７０の診断は、実施例では、異常などを含めた燃料電池の各状態に対して上述した各チェックを実施し、その結果を予めデータベース化して登録しておき、診断の対象となる燃料電池１２２に対して行なったチェック項目の結果と一致する状態を導出することにより行なうものとした。燃料電池の各状態とチェック結果との一例を図５に示す。図５中、「○」は悪化や過大影響があると判定されるものであり、「×」は悪化や過大影響がないと判定されるものであり、「△」は悪化や過大影響がある場合やない場合が生じるものであり、「？」は判定困難なものである。診断の際には、「△」と「？」は、「○」および「×」のいずれとも一致するものとして取り扱われる。実施例では、こうした診断の際に、すべてのチェック用の運転パターンによる運転を行なった後においても所定の出力電圧が出力されないときには、図５の「セルモニタ端子の接触不良」や「セルモニタ基板の異常」以外の機械的な不良あるいは経年使用による劣化と診断するものとしている。なお、図５に示す燃料電池の状態およびチェック結果は一例であり、燃料電池の種類や特性などにより異なる場合が生じる。
【００４４】
以上説明した実施例の燃料電池の診断装置２０によれば、燃料電池１２２を各チェック項目に対応した運転、即ちチェック用の運転パターンによる運転を行なった際に検出される発電電流Ｉや発電電圧Ｖなどの検出値を正常に機能する燃料電池を同様にチェック用の運転パターンにより運転したときに得られる検出値と比較することにより燃料電池１２２の状態を診断することができる。特に、複数のチェック項目を実施してその結果を用いて燃料電池１２２の状態を診断するから、より適正に燃料電池１２２を診断することができる。しかも、チェック用の運転パターンによる運転を行なった後においても所定の出力電圧が出力されないときには、機械的な不良あるいは経年使用による劣化と診断することができる。
【００４５】
また、実施例の燃料電池の診断装置２０によれば、車両１１０に搭載された燃料電池１２２を車両１１０から取り外すことなく、車両１１０を停止した状態で燃料電池１２２を運転してその状態を診断することができる。しかも、燃料電池システム１２０の燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０に異常が生じているときでも燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０を接続して運転することにより、燃料電池１２２を運転してその状態を診断することができる。
【００４６】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、ステップＳ１００〜Ｓ１６０のチェックのすべてを行なって燃料電池１２２の状態を診断するものとしたが、これらのチェック項目のすべてを行なう必要はなく、その一部を行なうものとしてもよい。また、実施例で挙げたチェック項目以外のチェックを行なうものとしてもよいのは勿論である。例えば、水素系の排気温度や空気系の排気温度の変化に対する発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響，水素系や空気系の背圧の変化に対する発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響，車両１１０の振動に対する発電電流Ｉや発電電圧Ｖの過大な影響など種々のものを挙げることができる。
【００４７】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、電力調整装置４０としてＤＣ／ＤＣコンバータ４１とバッテリ４２とを用いたが、燃料電池１２２の発電電力を調整できればよいから、バッテリ４２に代えて電力を消費する負荷を用いるものとしてもよい。
【００４８】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、燃料電池１２２の発電電力を電力調整装置４０により調整するものとしたが、燃料電池システム１２０の電力調整系１４０におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１４１とバッテリ１４２とを用いて燃料電池１２２の発電電力を調整するものとしてもよい。この場合、燃料電池１２２の発電電力の調整は、車両運転用制御装置１６０を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１４１にスイッチング制御信号を出力することにより行なえばよい。また、燃料電池１２２の発電電力を燃料電池システム１２０の電力調整系１４０における走行用モータ１４４で消費するものとしてもよい。この場合、図６に例示するように、車両１１０の駆動輪１１４に対して走行状態における負荷と同様の負荷を負荷作用ローラ４６ａ，４６ｂにより与えることができる駆動装置４５などを用いればよい。こうすれば、車両１１０に搭載された燃料電池システム１２０を走行しているときと同様な状態として燃料電池１２２の診断を行なうことができる。
【００４９】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、車両１１０に搭載された燃料電池システム１２０における燃料電池１２２の状態を診断するものとしたが、車両以外の航空機や船舶などの移動体に搭載された燃料電池システムの燃料電池の状態を診断するものとしてもよく、また、移動体に搭載されていない燃料電池の状態を診断するものとしても差し支えない。
【００５０】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、燃料電池システム１２０とは別に燃料ガス供給装置３０や電力調整装置４０，冷却装置５０，制御装置６０を備えるものとしたが、燃料電池システム１２０の燃料ガス供給系１３０や電力調整系１４０，冷却系１５０，車両運転用制御装置１６０が実施例の燃料電池の診断装置２０の各部として機能するものとしてもよい。即ち、燃料電池システム１２０に実施例の燃料電池の診断装置２０の機能を持たせるものとしてもよいのである。
【００５１】
実施例では、所定の運転パターンで燃料電池が運転されている際に検出される燃料電池の運転状態の変化に基づいて燃料電池の状態を診断する本発明を燃料電池の診断装置２０として説明したが、燃料電池の診断方法の形態としてもよいのは勿論である。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の一実施例である燃料電池の診断装置２０により車両１１０に搭載された燃料電池１２２の状態を診断する際の構成の概念を例示する概念図である。
【図２】 車載された燃料電池システム１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図３】 実施例の診断装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図４】 実施例の燃料電池の診断装置２０で実行される診断処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】 燃料電池の各状態とチェック結果との一例を示す説明図である。
【図６】 駆動装置４５の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
２０ 燃料電池の診断装置、３０ 燃料ガス供給装置、３１ 水素タンク、３２ 調節弁、３３ 水素用ポンプ、３４ 空気供給ポンプ、３５，３６ 加湿器、３９ 燃料ガス供給系取付部、４０ 電力調整装置、 ４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２ バッテリ、４３ 電圧センサ、４４ 電流センサ、４５ 駆動装置、４６ａ，４６ｂ 負荷作用ローラ、４９ 電力調整系取付部、５０ 冷却装置、５１ ラジエータ、５２ 冷却水用ポンプ、５９ 冷却系取付部、６０ 制御装置、６１ 運転制御部、６２ 診断部、６３ 装置制御部、６５ ＣＰＵ、６６ ＲＯＭ、６７ ＲＡＭ、６９ 接続コネクタ、１１０ 車両、１１４ 駆動輪、１２０ 燃料電池システム、１２２ 燃料電池、１２２ａ 温度センサ、１２３ 電圧センサ、１２４ 電流センサ、１３０ 燃料ガス供給系、１３１ 水素タンク、１３２ 調節弁、１３３ 水素用ポンプ、１３４ 空気供給ポンプ、１３５，１３６ 加湿器、１３９ 燃料ガス供給装置取付部、１４０ 電力調整系、１４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４２ バッテリ、１４３ インバータ、１４４ 走行用モータ、１４９ 電力調整装置取付部、１５０ 冷却系、１５１ ラジエータ、１５２ 冷却水用ポンプ、１５９ 冷却装置取付部、１６０ 車両運転用制御装置、１６９ 接続コネクタ。

Claims (16)

1. 燃料電池の状態を診断する燃料電池の診断装置であって、
   前記燃料電池への燃料ガスおよび／または酸化ガスの供給に用いられるガス供給用機器と、前記燃料電池の運転温度の調節に用いられる温度調節用機器と、のうち少なくとも一方を含む運転用機器と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記燃料電池の運転状態が複数の診断項目の各々に応じた状態となる所定の運転パターンで該燃料電池が運転されるよう前記運転用機器を制御する機器制御手段と、
   該機器制御手段により前記燃料電池が前記所定の運転パターンで運転されている際に前記運転状態検出手段により検出された該燃料電池の運転状態の変化と前記所定の運転パターンとに基づいて該燃料電池の状態を診断する診断手段と、
   を備える燃料電池の診断装置。
2. 請求項１記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記機器制御手段は、前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池に供給される前記燃料ガスおよび／または前記酸化ガスの供給パターンが所定の供給パターンとなるよう前記運転用機器のうち前記ガス供給用機器を制御する手段である
   燃料電池の診断装置。
3. 前記所定の供給パターンは、前記燃料ガスおよび／または前記酸化ガスの流量の所定の増減パターン，供給圧力の所定の増減パターン，加湿の程度の所定の増減パターンのいずれかを含む請求項２記載の燃料電池の診断装置。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記機器制御手段は、前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池が所定の温度パターンで運転されるよう前記運転用機器のうち前記温度調節用機器を制御する手段である
   燃料電池の診断装置。
5. 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の運転状態の一つとして該燃料電池の出力電流と出力電圧とを検出する手段を含み、
   前記診断手段は、少なくとも前記検出された出力電流と出力電圧とに基づいて該燃料電池の状態を診断する手段である
   燃料電池の診断装置。
6. 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧および／またはセル間電圧を検出する手段を含み、
   前記診断手段は、少なくとも前記検出された端子間電圧および／またはセル間電圧に基づいて該燃料電池の状態を診断する手段である
   燃料電池の診断装置。
7. 請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池の内部抵抗を検出する手段を含み、
   前記診断手段は、少なくとも前記検出された内部抵抗に基づいて該燃料電池の状態を診断する手段である
   燃料電池の診断装置。
8. 請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
   前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の運転状態の一つとして前記燃料電池の温度，燃料ガス系の排気温度，酸化ガス系の排気温度のいずれかを検出する手段を含み、
   前記診断手段は、少なくとも前記検出された燃料電池の温度，燃料ガス系の排気温度，酸化ガス系の排気温度のいずれかに基づいて該燃料電池の状態を診断する手段である
   燃料電池の診断装置。
9. 前記診断手段は、前記所定の運転パターンによる運転の前後において前記燃料電池からの出力電圧が所定値未満のときには、機械的な不良または経時変化に伴う劣化と診断する手段である請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池の診断装置。
10. 移動体に電力源として搭載された燃料電池の状態を診断する請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池の診断装置であって、
    前記運転用機器は、前記移動体に搭載された機器を一部として含み、
    前記運転状態検出手段は、前記移動体に搭載されて前記燃料電池の運転状態の一つとしての状態を検出する手段を含み、
    前記機器制御手段は、前記燃料電池を運転制御するために前記移動体に搭載された制御系に接続可能で該制御系に指示を与えることにより前記運転用機器を制御する手段であり、
    前記運転用機器の一部として、前記燃料電池からの電力を調整する電力調整手段を備える
    燃料電池の診断装置。
11. 前記電力調整手段は、前記燃料電池の出力端子に接続されて前記燃料電池からの電力を吸収または消費することにより調整する手段である請求項１０記載の燃料電池の診断装置。
12. 前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスを該燃料電池に供給するために前記移動体に搭載された燃料ガス供給系に代わって前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備える請求項１０または１１記載の燃料電池の診断装置。
13. 前記燃料電池を冷却するために前記移動体に搭載された冷却系に代わって前記燃料電池を冷却する冷却手段を備える請求項１０ないし１２いずれか記載の燃料電池の診断装置。
14. 燃料電池の状態を診断する燃料電池の診断方法であって、
    （ａ）前記燃料電池の運転状態が複数の診断項目の各々に応じた状態となる所定の運転パターンで該燃料電池を運転し、
    （ｂ）該所定の運転パターンで運転されている際の燃料電池の運転状態を検出し、
    （ｃ）該検出した運転状態の変化と前記所定の運転パターンとに基づいて前記燃料電池の状態を診断する
    燃料電池の診断方法。
15. 前記ステップ（ａ）は、前記燃料電池への燃料ガスおよび／または酸化ガスの流量の所定の増減パターン，供給圧力の所定の増減パターン，加湿の程度の所定の増減パターン，若しくは前記燃料電池の運転温度の所定の変化パターンのいずれかを前記所定の運転パターンの一つとして前記燃料電池を運転するステップである請求項１４記載の燃料電池の診断方法。
16. 前記ステップ（ｂ）は、前記燃料電池の出力電流および出力電圧，前記燃料電池を開放状態としたときの端子間電圧若しくはセル間電圧，前記燃料電池の内部抵抗，前記燃料電池の温度，前記燃料電池の燃料ガス系の排気温度，前記燃料電池の酸化ガス系の排気温度のいずれかを前記運転状態の一つとして検出するステップである請求項１４または１５記載の燃料電池の診断方法。

Images