JP4506075B2 - 燃料電池の診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の診断装置に関し、詳しくは、移動体に電力源として搭載された燃料電池を診断するために移動体とは別体として構成された燃料電池の診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタック内の水量過剰や水量過少などの運転状態を判別すると共に正常な状態に戻すように制御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、燃料電池スタックを構成する各セルまたは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おき、実際の経時変化のパターンを記憶させた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する。
【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を車両に搭載する場合、車両の走行中における燃料電池スタックの運転異常を車両を停止した状態で再現することは困難である。車両の走行中において燃料電池スタックに運転異常が生じた場合、修理工場などで燃料電池スタックの運転異常の原因を特定するために、運転異常が生じた状態を再現する必要が生じるが、車両を停止した状態で燃料電池スタックを運転しようとすると、燃料電池スタックからの電力を消費できないため、その再現ができない。また、異常や故障を未然に防ぐための点検整備の際にも同様の問題が生じる。
【０００５】
本発明の燃料電池の診断装置は、移動体を停止した状態で移動体に搭載された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。また、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。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、
駆動用の電力源としての燃料電池と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の燃料ガス供給系と前記燃料電池を運転制御するための移動体制御系とを搭載する移動体における前記燃料電池の運転状態に基づいて該燃料電池を診断するために前記移動体とは別体として構成された燃料電池の診断装置において、
前記燃料ガス供給系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池に燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給手段と、
電力の調整に伴って充電可能な蓄電手段を有し、前記燃料電池の出力端子に接続されて該燃料電池からの電力を調整する電力調整手段と、
前記移動体制御系に接続され、前記燃料電池を運転するための前記移動体制御系の制御と前記燃料電池への燃料ガスの供給のための前記燃料ガス供給手段の制御と前記燃料電池からの電力の調整のための前記電力調整手段の制御とにより前記燃料電池を運転制御する運転制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池の診断装置では、燃料ガス供給系に代えて燃料電池に取り付けられて燃料電池に燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給手段と、電力の調整に伴って充電可能な蓄電手段を有し、燃料電池の出力端子に接続されて燃料電池からの電力を調整する電力調整手段と、移動体制御系に接続され、燃料電池を運転するための移動体制御系の制御と燃料電池への燃料ガスの供給のための燃料ガス供給手段の制御と燃料電池からの電力の調整のための電力調整手段の制御とにより燃料電池を運転制御する運転制御手段と、を備える。したがって、移動体を停止した状態で移動体に搭載された燃料電池を運転してその状態を診断することができる。
【０００９】
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、電力の調整に伴って電力を消費可能な負荷を有し、前記燃料電池からの電力を前記負荷により消費することによって調整する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池からの電力を充電可能な蓄電手段である移動体蓄電手段を搭載し、前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記移動体蓄電手段に充電されるよう前記移動体制御系に指示する手段であるものとすることもできる。
【００１１】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池からの電力を消費可能な電力消費機器を搭載し、前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記電力消費機器により消費されるよう前記移動体制御系に指示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、前記移動体は、前記燃料電池の出力端子と前記電力消費機器との間に介在して該電力消費機器を駆動制御する機器制御系を搭載し、前記移動体制御系は、前記燃料電池からの電力を前記電力消費機器により消費するよう前記機器制御系を制御する手段であるものと
することもできる。
【００１２】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池を冷却するための冷却系を搭載し、前記冷却系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池を冷却可能な冷却手段を備えるものとすることもできる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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に取り付けられた図示しない温度センサからの燃料電池温度，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，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，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，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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
第１の診断パターンのときには、燃料ガス供給系１３０と電力調整系１４０とが所定の動作となるよう運転指示を制御装置６０の運転制御部６１から車両運転用制御装置１６０に通信出力すると共に燃料電池１２２の電流が所定のパターンとなるよう装置制御部６３から電力調整装置４０のＤＣ／ＤＣコンバータ４１にスイッチング制御信号を出力する。そして、燃料電池１２２の電流の変化に合わせて燃料電池１２２の状態情報（セル間電圧や燃料電池温度など）を通信により車両運転用制御装置１６０から運転制御部６１に入力し、この運転制御部６１に入力した燃料電池１２２の状態情報に基づいて診断部６２により燃料電池１２２の状態を診断する。なお、燃料電池１２２の状態としては、水素や空気の供給量や圧力を変化させたり、燃料電池１２２からの電流を変化させるなどにより、アノード側のフラッディングやカソード側のフラッディング，電解質膜のドライアップ，水素や酸素の電解質膜におけるリーク（クロスリーク），電気的短絡，金属イオンによるコンタミなどの状態を診断することができる。
【００２７】
第２の診断パターンや第３の診断パターンあるいは第４の診断パターンでは、燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の一方あるいは双方が故障しているときでも、第１の診断パターンと同様に燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０を運転することにより、燃料電池１２２の状態を診断することができる。
【００２８】
以上説明した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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、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４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。
【００３１】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、第１ないし第４のパターンのいずれかのパターンにより燃料電池１２２を診断するものとしたが、第２ないし第４のいずれかのパターンによる診断はできないものとしてもよい。即ち、燃料電池の診断装置２０を燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０の一方または双方を備えないものとしてもよいのである。
【００３２】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、燃料電池１２２を車両１１０に搭載した状態で診断するものとしたが、修理や点検などの目的で燃料電池１２２を車両１１０から降ろした状態で診断することができるのは勿論である。
【００３３】
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の燃料電池１２２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を診断するものとしても差し支えない。
【００３４】
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】 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、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、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、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。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の診断装置に関し、詳しくは、移動体に電力源として搭載された燃料電池を診断するために移動体とは別体として構成された燃料電池の診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタック内の水量過剰や水量過少などの運転状態を判別すると共に正常な状態に戻すように制御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、燃料電池スタックを構成する各セルまたは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おき、実際の経時変化のパターンを記憶させた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する。
【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を車両に搭載する場合、車両の走行中における燃料電池スタックの運転異常を車両を停止した状態で再現することは困難である。車両の走行中において燃料電池スタックに運転異常が生じた場合、修理工場などで燃料電池スタックの運転異常の原因を特定するために、運転異常が生じた状態を再現する必要が生じるが、車両を停止した状態で燃料電池スタックを運転しようとすると、燃料電池スタックからの電力を消費できないため、その再現ができない。また、異常や故障を未然に防ぐための点検整備の際にも同様の問題が生じる。
【０００５】
本発明の燃料電池の診断装置は、移動体を停止した状態で移動体に搭載された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。また、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。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、
駆動用の電力源としての燃料電池と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の燃料ガス供給系と前記燃料電池を運転制御するための移動体制御系とを搭載する移動体における前記燃料電池の運転状態に基づいて該燃料電池を診断するために前記移動体とは別体として構成された燃料電池の診断装置において、
前記燃料ガス供給系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池に燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給手段と、
電力の調整に伴って充電可能な蓄電手段を有し、前記燃料電池の出力端子に接続されて該燃料電池からの電力を調整する電力調整手段と、
前記移動体制御系に接続され、前記燃料電池を運転するための前記移動体制御系の制御と前記燃料電池への燃料ガスの供給のための前記燃料ガス供給手段の制御と前記燃料電池からの電力の調整のための前記電力調整手段の制御とにより前記燃料電池を運転制御する運転制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池の診断装置では、燃料ガス供給系に代えて燃料電池に取り付けられて燃料電池に燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給手段と、電力の調整に伴って充電可能な蓄電手段を有し、燃料電池の出力端子に接続されて燃料電池からの電力を調整する電力調整手段と、移動体制御系に接続され、燃料電池を運転するための移動体制御系の制御と燃料電池への燃料ガスの供給のための燃料ガス供給手段の制御と燃料電池からの電力の調整のための電力調整手段の制御とにより燃料電池を運転制御する運転制御手段と、を備える。したがって、移動体を停止した状態で移動体に搭載された燃料電池を運転してその状態を診断することができる。
【０００９】
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、電力の調整に伴って電力を消費可能な負荷を有し、前記燃料電池からの電力を前記負荷により消費することによって調整する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池からの電力を充電可能な蓄電手段である移動体蓄電手段を搭載し、前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記移動体蓄電手段に充電されるよう前記移動体制御系に指示する手段であるものとすることもできる。
【００１１】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池からの電力を消費可能な電力消費機器を搭載し、前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記電力消費機器により消費されるよう前記移動体制御系に指示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、前記移動体は、前記燃料電池の出力端子と前記電力消費機器との間に介在して該電力消費機器を駆動制御する機器制御系を搭載し、前記移動体制御系は、前記燃料電池からの電力を前記電力消費機器により消費するよう前記機器制御系を制御する手段であるものと
することもできる。
【００１２】
本発明の燃料電池の診断装置において、前記移動体は、前記燃料電池を冷却するための冷却系を搭載し、前記冷却系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池を冷却可能な冷却手段を備えるものとすることもできる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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に取り付けられた図示しない温度センサからの燃料電池温度，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，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，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，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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
第１の診断パターンのときには、燃料ガス供給系１３０と電力調整系１４０とが所定の動作となるよう運転指示を制御装置６０の運転制御部６１から車両運転用制御装置１６０に通信出力すると共に燃料電池１２２の電流が所定のパターンとなるよう装置制御部６３から電力調整装置４０のＤＣ／ＤＣコンバータ４１にスイッチング制御信号を出力する。そして、燃料電池１２２の電流の変化に合わせて燃料電池１２２の状態情報（セル間電圧や燃料電池温度など）を通信により車両運転用制御装置１６０から運転制御部６１に入力し、この運転制御部６１に入力した燃料電池１２２の状態情報に基づいて診断部６２により燃料電池１２２の状態を診断する。なお、燃料電池１２２の状態としては、水素や空気の供給量や圧力を変化させたり、燃料電池１２２からの電流を変化させるなどにより、アノード側のフラッディングやカソード側のフラッディング，電解質膜のドライアップ，水素や酸素の電解質膜におけるリーク（クロスリーク），電気的短絡，金属イオンによるコンタミなどの状態を診断することができる。
【００２７】
第２の診断パターンや第３の診断パターンあるいは第４の診断パターンでは、燃料ガス供給系１３０や冷却系１５０の一方あるいは双方が故障しているときでも、第１の診断パターンと同様に燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０を運転することにより、燃料電池１２２の状態を診断することができる。
【００２８】
以上説明した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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、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４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。
【００３１】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、第１ないし第４のパターンのいずれかのパターンにより燃料電池１２２を診断するものとしたが、第２ないし第４のいずれかのパターンによる診断はできないものとしてもよい。即ち、燃料電池の診断装置２０を燃料ガス供給装置３０や冷却装置５０の一方または双方を備えないものとしてもよいのである。
【００３２】
実施例の燃料電池の診断装置２０では、燃料電池１２２を車両１１０に搭載した状態で診断するものとしたが、修理や点検などの目的で燃料電池１２２を車両１１０から降ろした状態で診断することができるのは勿論である。
【００３３】
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の燃料電池１２２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を診断するものとしても差し支えない。
【００３４】
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】 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、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、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、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 (6)
- 駆動用の電力源としての燃料電池と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の燃料ガス供給系と前記燃料電池を運転制御するための移動体制御系とを搭載する移動体における前記燃料電池の運転状態に基づいて該燃料電池を診断するために前記移動体とは別体として構成された燃料電池の診断装置において、
前記燃料ガス供給系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池に燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給手段と、
電力の調整に伴って充電可能な蓄電手段を有し、前記燃料電池の出力端子に接続されて該燃料電池からの電力を調整する電力調整手段と、
前記移動体制御系に接続され、前記燃料電池を運転するための前記移動体制御系の制御と前記燃料電池への燃料ガスの供給のための前記燃料ガス供給手段の制御と前記燃料電池からの電力の調整のための前記電力調整手段の制御とにより前記燃料電池を運転制御する運転制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の診断装置。 - 前記電力調整手段は、電力の調整に伴って電力を消費可能な負荷を有し、前記燃料電池からの電力を前記負荷により消費することによって調整する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の診断装置。
- 前記移動体は、前記燃料電池からの電力を充電可能な蓄電手段である移動体蓄電手段を搭載し、
前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記移動体蓄電手段に充電されるよう前記移動体制御系に指示する手段である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の診断装置。 - 前記移動体は、前記燃料電池からの電力を消費可能な電力消費機器を搭載し、
前記運転制御手段は、前記電力調整手段の制御に代えて前記燃料電池からの電力が前記電力消費機器により消費されるよう前記移動体制御系に指示する手段である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の診断装置。 - 前記移動体は、前記燃料電池の出力端子と前記電力消費機器との間に介在して該電力消費機器を駆動制御する機器制御系を搭載し、
前記移動体制御系は、前記燃料電池からの電力を前記電力消費機器により消費するよう前記機器制御系を制御する手段である
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池の診断装置。 - 前記移動体は、前記燃料電池を冷却するための冷却系を搭載し、
前記冷却系に代えて前記燃料電池に取り付けられて該燃料電池を冷却可能な冷却手段を備える
ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池の診断装置。
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