(57)【要約】【課題】  水素循環系を備えたシステムの燃料電池に供給される燃料ガスの圧力の制御性を向上させることを課題とする。【解決手段】  圧力センサ１０で検出された燃料電池１の入口の水素の圧力と、燃料電池１の入口の水素の目標圧力とに基づいて、水素循環系のエゼクタ５の入口における水素の目標圧力となる目標水素循環系入口圧を目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算し、圧力センサ９で検出されたエゼクタ５の入口の水素の圧力が、目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算された目標水素循環系入口圧となるように水素循環系入口圧制御手段１６で調圧弁４を調整し、燃料電池１に供給される水素の圧力を制御して構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池に、燃料ガスの圧力を調圧する調圧弁を介して調圧された燃料ガスが供給され、前記燃料電池から排出された未使用の燃料ガスを前記燃料電池入口に戻して循環させる燃料ガス循環系を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池入口の燃料ガスの圧力を検出する第１の圧力検出手段と、
前記燃料ガス循環系入口の燃料ガスの圧力を検出する第２の圧力検出手段と、
前記第１の圧力検出手段で検出された前記燃料電池入口の燃料ガスの圧力と、前記燃料電池入口の燃料ガスの目標圧力とに基づいて、前記燃料ガス循環系入口における燃料ガスの目標圧力の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する目標燃料ガス循環系入口圧演算手段と、
前記第２の圧力検出手段で検出された前記燃料ガス循環系入口の燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段で演算された目標燃料ガス循環系入口圧となるように前記調圧弁を調整し、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス循環系入口圧制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段は、
前記燃料電池から取り出す目標電流に基づいて第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算するフィードフォワード補償部と、
前記第１の圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力と目標圧力とに基づいて第２の目標燃料ガス循環系入口圧を演算するフィードバック補償部とを備え、
前記フィードフォワード補償部の演算で得られた圧力と前記フィードバック補償部の演算で得られた圧力とに基づいて目標燃料ガス循環系入口圧を求める
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流と前記燃料ガス循環系を構成する循環部材の作動状態とに基づいて、第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池外に選択的に排出するパージ弁を有し、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流と前記パージ弁の開閉状態とに基づいて、第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムの周囲の大気圧を検出する大気圧検出手段を有し、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流、前記パージ弁の開閉状態ならびに前記大気圧検出手段で検出された大気圧に基づいて、第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段を有し、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流、前記パージ弁の開閉状態ならびに前記燃料ガス温度検出手段で検出された燃料ガスの温度に基づいて、第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の発電で発生する熱を除去する冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段を有し、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流、前記パージ弁の開閉状態ならびに前記冷却液温度検出手段で検出された冷却液の温度に基づいて、第１の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記請求項２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池外に選択的に排出するパージ弁と、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードバック補償部で演算された第２の目標燃料ガス循環系入口圧の変動量に基づいて、前記パージ弁の開故障を診断する故障診断手段と
を有することを特徴とする燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項９】
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードフォワード補償部は、
前記燃料電池から取り出す目標電流が所定値以下の場合には、第１の目標燃料ガス循環系入口圧として一定値を出力し、
前記故障診断手段は、
前記燃料電池から取り出す目標電流が前記所定値以下の場合に、前記パージ弁の開故障を診断する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１０】
前記請求項２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池外に選択的に排出するパージ弁と、
前記第２の圧力検出手段で検出された燃料ガス循環系入口圧の変動量に基づいて、前記パージ弁の開故障を診断する故障診断手段と
を有することを特徴とする燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１１】
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードバック補償部で演算された第２の目標燃料ガス循環系入口圧、あるいは第２の圧力検出手段で検出された燃料ガス循環系入口圧に対して、前記パージ弁の開閉動作周波数に応じた周波数成分の信号を抽出する抽出手段を有し、
前記故障診断手段は、
前記抽出手段で抽出された信号に基づいて、前記パージ弁の開故障を診断する
ことを特徴とする請求項８、９及び１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１２】
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードバック補償部で演算された第２の目標燃料ガス循環系入口圧、あるいは第２の圧力検出手段で検出された燃料ガス循環系入口圧に対して、前記パージ弁の開閉動作周波数に応じた周波数成分の信号を抽出する抽出手段と、
前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段のフィードバック補償部で演算された第２の目標燃料ガス循環系入口圧、あるいは前記抽出手段で抽出された信号、もしくは前記第２の圧力検出手段で検出された燃料ガス循環系入口圧を移動平均して定量化する移動平均手段とを有し、
前記故障診断手段は、前記移動平均手段で定量化された信号に基づいて、前記パージ弁の開故障を診断する
ことを特徴とする請求項８、９及び１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１３】
前記パージ弁を介して前記燃料電池から排出された燃料ガスを希釈する希釈手段を有し、
前記故障診断手段によって前記パージ弁が開故障していると診断された場合には、前記希釈手段は燃料ガスを希釈する希釈能力を高める
ことを特徴とする請求項８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１４】
前記パージ弁を介して前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼する燃焼手段を有し、
前記故障診断手段によって前記パージ弁が開故障していると診断された場合には、前記燃焼手段に供給される空気を増量して燃焼能力を高める
ことを特徴とする請求項８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１５】
前記故障診断手段によって前記パージ弁が開故障していると診断された場合には、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標圧力を下げる
ことを特徴とする請求項８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【請求項１６】
前記故障診断手段によって前記パージ弁が開故障していると診断された場合には、前記燃料電池システムの運転を停止する
ことを特徴とする請求項８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの故障診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを循環させる循環系を備えた燃料電池システム、及び燃料ガスをシステム外にパージするパージ弁の開故障を診断する燃料電池システムの故障診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される空気の圧力に応じて水素の圧力を調整するレギュレータで調圧された水素が燃料電池スタックに供給される。レギュレータの下流側にはイジェクタが設けられ、このイジェクタにより燃料電池スタックから排出された水素を水素循環流路を介して燃料電池スタックの入口側に循環させる。イジェクタの下流側の燃料電池スタックの水素入口には、圧力センサが設けられ、この圧力センサで燃料電池スタックに供給される水素の圧力が測定される。
【０００３】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池発電電流値の移動平均に基づいて算出された想定水素圧力と、上記圧力センサで測定した実際の水素圧力との差分と設定値との大小関係により水素パージバルブの開故障を判断している。
【特許文献１】特開２００３−９２１２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上説明したように、水素循環系を備えた従来の燃料電池システム及び燃料電池システムの故障診断装置においては、燃料電池スタックの水素入口にしか水素の圧力を測定する圧力センサが設けられていなかった。このため、燃料電池スタックに供給される水素の圧力が目標圧力となるようにレギュレータを調圧して制御する際に、燃料電池スタックの水素入口に設けられた圧力センサで測定された水素の圧力しか考慮されていなかった。
【０００５】
また、燃料電池スタックの水素入口側には水素を循環させるイジェクタの水素循環装置が設けられているため、水素循環時におけるイジェクタの圧損が生じる。しかし、上記従来の燃料電池システムでは、水素圧力を制御する際に、この水素循環装置の圧損が考慮されていなかった。そのため、燃料電池スタックに供給される水素の圧力を目標圧力に制御する制御精度ならびに応答性が悪くなるといった問題を招いていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力の制御性を向上した燃料電池システムを提供することにある。
【０００７】
また、他の目的は、燃料ガス圧力の制御性を向上した燃料電池システムにおける燃料ガスを排気を選択するパージ弁の開故障を的確に診断できる燃料電池システムの故障診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池に、燃料ガスの圧力を調圧する調圧弁を介して調圧された燃料ガスが供給され、前記燃料電池から排出された未使用の燃料ガスを前記燃料電池入口に戻して循環させる燃料ガス循環系を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池入口の燃料ガスの圧力を検出する第１の圧力検出手段と、前記燃料ガス循環系入口の燃料ガスの圧力を検出する第２の圧力検出手段と、前記第１の圧力検出手段で検出された前記燃料電池入口の燃料ガスの圧力と、前記燃料電池入口の燃料ガスの目標圧力とに基づいて、前記燃料ガス循環系入口における燃料ガスの目標圧力の目標燃料ガス循環系入口圧を演算する目標燃料ガス循環系入口圧演算手段と、前記第２の圧力検出手段で検出された前記燃料ガス循環系入口の燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス循環系入口圧演算手段で演算された目標燃料ガス循環系入口圧となるように前記調圧弁を調整し、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス循環系入口圧制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料ガス循環系入口の燃料ガスの圧力を考慮して、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を制御することにより、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力制御の応答性ならびに安定性を向上させることができる。
【００１０】
また、応答性ならびに安定性を向上した制御性でもって制御される燃料ガスの圧力の変動に基づいて、パージ弁の開故障を診断することにより、開故障を的確に診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、発電時に未使用の水素を再使用する水素循環系を有する燃料電池１を備えている。この燃料電池１は、アノードに燃料ガスの水素が供給され、カソードに酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行して、電力が発電される。なお、図１では、燃料電池１に空気を供給する空気供給系は、省略されて図示されていない。
【００１３】
（化１）
アノード（水素極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− 
カソード（酸素極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
燃料電池１のアノードへの水素の供給は、水素タンク２から減圧弁３、調圧弁４を介してなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３で機械的に所定の圧力まで減圧され、調圧弁４で燃料電池入口での水素圧力が所望の水素圧に制御される。
【００１４】
エゼクタ５は、水素供給系を構成し、調圧弁４の下流側に設置され、アノードで消費されずに燃料電池１から排出された未使用の水素を燃料電池の水素入口に戻して再循環させる。循環ポンプ６は、水素供給系を構成してエゼクタ５と並列に配置され、エゼクタ５が機能しない発電領域で作動させ、燃料電池１から排出されて水素をエゼクタ５をバイパスして燃料電池１の水素入口側に戻す。
【００１５】
燃料電池１の水素出口側の下流には、燃料電池１から排出され水素を循環させずに燃料電池１外に排気するパージ弁７が設けられている。燃料電池１のカソードからアノードへ電解質膜を介して窒素が透過することで水素系内のガスが重たくなり、水素循環機能が衰える。そこで、水素循環機能を確保するために、予め設定されたパージ周期で定期的にパージ弁７を開いて水素系内に蓄積した窒素を排出する。また、水素系のガス流路に溜まった水分を吹き飛ばし、セル電圧を回復させる際にも開放される。このようなパージ弁７の下流には、希釈ファン８が設けられている。希釈ファン８は、外部から空気を取り入れてパージ弁７を介して燃料電池１の水素系からパージされた水素混合ガスを可燃濃度未満のガスに希釈し排気する。希釈ファン８は、取り入れる空気の量を増やすことで希釈能力を高めている。
【００１６】
調圧弁４とエゼクタ５との間の水素系流路には、水素循環系の水素の圧力となる、エゼクタ５に導入される水素の圧力を測定する圧力センサ（Ｐ）９が設けられている。エゼクタ５と循環ポンプ６との連結点と燃料電池１の水素入口との間の水素系流路には、燃料電池１に導入される水素の圧力を測定する圧力センサ（Ｐ）１０が設けられている。燃料電池１の水素出口には、燃料電池１から排出された水素の温度を測定する温度センサ（Ｔ）１１が設けられている。また、燃料電池システムには、システム周囲の大気の圧力を測定する大気圧センサ（Ｐ）１２が設けられている。
【００１７】
パワーマネージャー１３は、燃料電池１から電力を取り出し、取り出した電力を負荷となる、例えば車両を駆動するモータ（図示しない）へ供給する。
【００１８】
また、燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、圧力センサ９，１０，１２ならびに温度センサ１１を含む本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、調圧弁４、パージ弁７を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池１に供給される水素の圧力制御の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。コントロールユニットは、パージ弁制御手段１４、循環ポンプ制御手段１５、水素循環系入口圧制御手段１６ならびに目標水素循環系入口圧演算手段１７を備えている。
【００１９】
パージ弁制御手段１４は、開閉信号をパージ弁７に与え、例えばタイマーにより予め設定されたパージ周期でパージ弁７を開閉制御する。
【００２０】
循環ポンプ制御手段１５は、目標取出電力（又は目標取出電流）に基づいて循環ポンプ６の作動を制御し、車両のアイドル時等の燃料電池１の目標取出電力が少ない場合に燃料電池１での水素消費量が少なくエゼクタ５では水素が循環しない領域があるので、この場合に循環ポンプ６を作動させる。
【００２１】
水素循環系入口圧制御手段１６は、圧力センサ９で検出された水素循環系入口圧を、目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算された目標水素循環系入口圧にするために、調圧弁４の開度、あるいは調圧弁４を駆動するアクチュエータの駆動電流を制御する。
【００２２】
水素循環系入口圧制御手段１６は、図２の制御ブロック図に示すように構成されている。図２において、水素循環系入口圧制御手段１６は、周知のＰＩ制御にしたがって制御信号を生成しており、目標水素循環系入口圧から圧力センサ９で測定された水素循環系入口圧を差し引いた値をＰＩ制御器２０に入力して調圧弁４の開度を制御する開度信号を生成して調圧弁４に与える。
【００２３】
図１に戻って、目標水素循環系入口圧演算手段１７は、圧力センサ１０で検出された燃料電池水素入口圧を目標水素圧力にするための目標水素循環系入口圧を演算する。目標水素循環系入口圧演算手段１７は、図３（ａ）の制御ブロック図に示すように構成されている。
【００２４】
図３（ａ）において、目標水素循環系入口圧演算手段１７は、フィードフォワード補償部とフィードバック補償部とで構成されている。フィードフォワード補償部では、燃料電池１の目標取出電流、循環ポンプ６のＯＮ／ＯＦＦ、パージ弁７の開閉、大気圧、燃料電池出口の水素温度に基づいて、目標水素循環系入口圧を演算する。フィードフォワード補償部は、燃料電池１の目標取出電流に応じて目標水素循環系入口圧のフィードフォワード値（ＦＦ値）を出力するマップ３０を備えている。このマップ３０では、図３（ａ）に示すように、循環ポンプ６のＯＮ／ＯＦＦとパージ弁７の開閉との組み合わせに対応して４種類（ＦＦマップＮｏ１〜４）のＦＦ値が用意され、循環ポンプ６とパージ弁７の状態に応じてこの４種類のＦＦ値が選択される。
【００２５】
また、フィードフォワード補償部は、パージ弁７が開放されているときに、ＦＦ値を補正する補正係数を求める補正マップ３１を備えている。この補正マップ３１では、大気圧センサ１２で測定された大気圧と、温度センサ１１で測定された燃料電池１の水素出口の水素温度とに基づいて、ＦＦ値を補正する補正係数が予め用意されている。
【００２６】
一方、フィードバック補償部は、燃料電池１の水素入口の目標圧力と、圧力センサ１０で測定された燃料電池１の入口の水素圧力とに基づいて、周知のＰＩ制御の手法を用いたＰＩ制御器３２で目標水素循環系入口圧を補正する目標水素循環系入口圧を演算し、演算で得られた目標水素循環系入口圧でフィードフォワード補償部で演算された目標水素循環系入口圧を補正する。
【００２７】
燃料電池１からの取出電流が大きくなると燃料電池１の水素消費量が増えるので、水素供給流量も増える。水素供給流量が増えるとエゼクタ５の圧損が増大するため、燃料電池入口圧を目標圧力に維持するために必要な水素循環系入口圧が上がる。そこで、目標水素循環系入口圧演算手段１７では、図３（ｂ）に示すように、取出電流が大きくなるほどフィードフォワード補償部におけるマップ３０の目標水素循環系入口圧のＦＦ値が高くなるように設定する。
【００２８】
発電時に低負荷状態でエゼクタ５が機能しない発電領域において循環ポンプ６が作動している場合と、エゼクタ５が機能する発電領域で循環ポンプ６が作動していない場合とでは、エゼクタ５の圧損が異なるため、水素循環ポンプのＯＮ／ＯＦＦ状態に応じても目標水素循環系入口圧のＦＦ値を選択する。なお、エゼクタ５を２個以上使うシステムにおいては、それぞれのエゼクタの作動状態に応じて目標水素循環系入口圧のＦＦ値を選択するするようにすればよい。
【００２９】
また、パージ弁７が開いている場合には、大気圧、燃料電池１の水素出口の水素温度に応じてマップ３０の出力値が補正される。高地で大気圧が下がると、パージ弁７を介して排出される水素混合ガスのパージ排出流量が増える。また、燃料電池１から排出される水素の温度が低いと水素循環系の水蒸気分圧が下がり水素含有量が増え、水蒸気よりも水素の方が軽いため、パージ排出流量が増加する。
【００３０】
パージ排出流量が増加すると、燃料電池１の水素入口圧が下がるため、燃料電池１の水素入口圧を目標圧力に維持するためには、水素循環系入口圧を上げてなくてはならない。そこで、大気圧が高くなるほど、さらに水素温度が低いほどフィードフォワード補償部のマップ３０の目標水素循環系入口圧のＦＦ値が高くなるように、補正マップ３１を用いて補正することで、パージ弁７が開いたときに燃料電池１の水素入口圧が下がらないように制御する。なお、温度センサ１１で測定された水素温度に代えて、冷却液温度センサで計測された冷却液温度のピンチ温度に基づいて推定した水素温度の値を用いるようにしてもよい。
【００３１】
このように、上記実施例１では、燃料電池１から排出された未使用の水素をエゼクタ５を介して燃料電池１の水素入口側に戻す水素循環系を備えたシステムにおいて、
（１）圧力センサ１０で検出された燃料電池１の入口の水素圧力と目標圧力とに基づいて目標水素循環系入口圧を目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算し、
（２）演算で算出された目標水素循環系入口圧と、圧力センサ９で検出された水素循環系入口圧とに基づいて、調圧弁４の開度もしくは駆動電流を制御する、
という２重ループの制御構成を採用して、燃料電池１に供給される水素の圧力を制御している。
【００３２】
調圧弁４で燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に直接制御すると、水素の循環時にエゼクタ５や循環ポンプ６の圧損があり、この圧損が水素流量によって変化する。このため、制御ゲインを上げられず、水素圧力制御の応答性ならびに安定性の双方を満足させるのが困難となる。
【００３３】
これに対して、上記実施例１においては、燃料電池１に供給される水素の調圧制御系を上記（１），（２）に示す２重ループ構成としたため、（１）では調圧弁４から燃料電池１までの間に存在するエゼクタ５や循環ポンプ６の圧損を考慮して水素圧力を演算し、（２）ではエゼクタ５や循環ポンプ６の圧損に影響されることなく制御ゲインを上げることが可能となる。したがって、水素圧力制御の応答性と安定性の双方を向上させることができる。
【００３４】
目標水素循環系入口圧演算手段１７は、燃料電池１から取り出す目標電流に基づいて目標水素循環系入口圧を演算するフィードフォワード補償部と、燃料電池１の入口の水素検出圧力と目標圧力に基づいて目標水素循環系入口圧を演算するフィードバック補償部を備えている。このような構成により、燃料電池１から取り出す電流が大きくなるとフィードフォワード補償部が出力する目標水素循環系入口圧が上がるので、燃料電池１の入口の水素圧力を下げることなく目標圧力に維持することができる。したがって、燃料電池１から取り出す電流が変化しても燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持することができる。
【００３５】
目標水素循環系入口圧演算手段１７のフィードフォワード補償部は、燃料電池１から取り出す目標電流と、水素循環系のエゼクタ５や循環ポンプ６の作動状態、パージ弁の開閉状態、大気圧、ならびに燃料電池１の出口の水素温度に基づいて、目標水素循環系入口圧を演算する構成とした。
【００３６】
水素循環系の動作状態に応じて、調圧弁４から燃料電池１までの水素供給流路の圧損が変わり、燃料電池１の入口の水素圧力と循環系入口圧の関係が変わる。したがって、水素循環系の動作状態に応じてフィードフォワード補償部が出力する目標水素循環系入口圧を変化させるので、エゼクタ５や循環ポンプ６がＯＮ／ＯＦＦしたときにも燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持することができる。
【００３７】
パージ弁７が開くと、燃料電池１の入口の水素圧力が下がるので、水素循環系入口圧を上げなくてはならない。そこで、フィードフォワード補償部では、パージ弁７の開閉状態に基づいて目標水素循環系入口圧を演算することで、パージ弁７が開閉したときにも燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持することができる。
【００３８】
大気圧が下がると、パージ弁７を介してパージされるパージ排出流量が増える、そこで、フィードフォワード補償部では、大気圧に応じて目標水素循環系入口圧を演算することで、高地でシステムを運転したときにも燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持することができる。
【００３９】
燃料電池１から排出される水素の温度が変わると、水素循環系の水蒸気含有量が変化し、パージ排出流量が変動する。そこで、フィードフォワード補償部では、水素温度に基づいて目標水素循環系入口圧を演算することで、水素温度が高い領域から低い領域にわたって燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持することができる。なお、水素温度に代えて、冷却液温度センサで計測された冷却液温度のピンチ温度を用いることで、水素温度を計測する温度センサ１１を削減することができる。
【実施例２】
【００４０】
図４は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの故障診断装置の構成を示す図である。図４において、実施例２の特徴とするところは、先の図１に示す燃料電池システムの構成に対して、図示しないコントロールユニットにパージ弁開故障診断手段１８を加え、パージ弁７の開故障を検出診断するようにしたことにあり、水素圧力の制御も含めて他は先の実施例１と同様である。
【００４１】
図４において、パージ弁開故障診断手段１８は、パージ弁制御手段１４からパージ弁７に与えられてパージ弁７の開閉を指令制御する開閉信号と、目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算された目標水素循環系入口圧とに基づいて、パージ弁７の開故障を診断する。
【００４２】
図５にパージ弁７が正常時（同図（ａ））と開故障時（同図（ｂ））とにおける各部の圧力の応答を示す。図５において、パージ弁７が正常時であって、パージ弁７が開いているときには燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持するために、水素循環系入口圧が上がる一方、パージ弁７が閉じているときには水素循環系入口圧が下がる。これに対して、パージ弁７が開故障時には、パージ弁７に開放を指令する開閉信号を与えても水素循環系入口圧は変動しない。ここで、開故障の誤診断を回避するために、パージ弁７の開閉に応じた目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算されるＦＦ値を一定にする必要があり、水素圧力の調圧精度に影響が及ばない範囲内で、燃料電池１から取り出される取出電流が低い領域でＦＦ値を一定に設定する必要がある。
【００４３】
このような水素循環系入口圧の特性に基づいて、パージ弁開故障診断手段１８では、パージ弁７が閉じているときの目標水素循環系入口圧とパージ弁７が開いているときの目標水素循環系入口圧とを比較し、両圧力差が予め設定された所定値以下であればパージ弁７が開故障していると診断する。診断の結果、パージ弁７が開故障していると診断された場合には、開放状態のパージ弁７を介して排気される水素の流量が一時的に増えるため、パージ弁開故障診断手段１８から希釈ファン８に指令を与え、希釈ファン８の回転数を上げて取り入れる空気を増量して希釈能力を高め、排気水素を確実に可燃濃度未満のガスに希釈し、安全性を確保する。もしくは、水素の目標圧力を下げたり、システムの運転を停止するようにしてもよい。
【００４４】
なお、パージ弁７の開故障診断には、目標水素循環系入口圧に代えて、目標水素循環系入口圧演算手段１７におけるフィードバック補償部の出力（ＰＩ制御器３２の出力）を用いても可能である。
【００４５】
以上説明したように、上記実施例２においては、パージ弁７が正常な場合では、燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持するために、パージ弁７が開いているときには目標水素循環系入口圧力が上がり、パージ弁７が閉じているときには目標水素循環系入口圧力が下がるが、パージ弁７が開故障すると目標水素循環系入口圧の上下変動がなくなる。したがって、目標水素循環系入口圧力が上下するか否か、すなわち上下の変動量でパージ弁７の開故障を確実に診断することができる。
【００４６】
目標水素循環系入口圧演算手段１７のフィードフォワード補償部では、燃料電池１から取り出す目標電流が所定値以下のときには一定値のＦＦ値を出力し、パージ弁開故障診断手段１８は、燃料電池１からの目標電流が所定値以下のときにパージ弁７の開故障を診断するようにしている。これにより、パージ弁７が開故障したときの目標水素循環系入口圧の上下変動は、フィードフォワード補償部の出力のＦＦ値を一定にすることでほとんどなくなる。したがって、パージ弁７の正常時と開故障時との区別がつきやすくなり、診断精度を向上することができる。
【００４７】
パージ弁開故障診断手段１８によってパージ弁７が開故障していると診断された場合には、希釈ファン８の希釈能力を上げることで、パージ弁７からの排水素が希釈ファン８によって十分に希釈処理され、安全性を確保することができる。また、排水素を十分希釈した後排気することで、パージ弁７の開故障時に燃料電池１の運転を継続することも可能となる。
【００４８】
また、パージ弁７が開故障と診断された場合には、燃料電池１の水素運転圧力を下げることで、パージ弁７を介して排気される排水素流量が低減できる。したがって、安全性を向上することができる。もしくは、パージ弁７が開故障と診断された場合に、パージ弁開故障時に燃料電池１の運転を継続できないシステムにおいては、運転を停止することによってパージ弁７からの可燃濃度の水素混合ガスの排出を防止し、安全性を確保することができる。
【実施例３】
【００４９】
図６は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの故障診断装置の構成を示す図である。図６において、実施例３の特徴とするところは、パージ弁開故障診断手段１８では、目標水素循環系入口圧演算手段１７で演算された目標水素循環系入口圧に代えて、圧力センサ９で計測された水素循環系入口圧を用いてパージ弁７の開故障診断するようにしたことにある。加えて、先の図４に示す希釈ファン８に代えて、燃焼器１９を用いたことにあり、他は先の実施例２と同様である。
【００５０】
図５に示すように、目標水素循環系入口圧に、圧力センサ９で計測された水素循環系入口圧の圧力検出値が追従するので、目標水素循環系入口圧に代えて圧力検出値を用いて診断することが可能となる。
【００５１】
燃焼器１９は、パージ弁７を介して排気されたパージ排出水素を燃焼処理する。したがって、パージ弁７が開故障していると診断された場合には、パージ弁７に閉指令の開閉信号が与えられている場合も含めて常に燃焼器１９へ供給される空気を増量することで、排水素を確実に燃焼させた後排気して安全性を確保する。
【００５２】
なお、パージ弁７が開故障と診断された場合には、先の実施例２と同様に、水素の目標圧力を下げたり、システムの運転を停止するようにしてもよい。
【００５３】
このように、上記実施例３においては、先の実施例２と同様の効果を得ることができる。また、燃焼器１９を用いて、パージ弁７が開故障していると診断されると、パージ弁閉指令中にも燃焼器１９へ空気増量を行うことで、燃焼器１９内の水素と空気の混合比が適切になり、パージ弁７からの排水素が燃焼器１９によって燃焼処理され、燃焼器１９の過温度による破損を防止することもできる。また、パージ弁開故障時に燃料電池１の運転を継続することも可能となる。
【実施例４】
【００５４】
次に、本発明の実施例４について説明する。この実施例４の特徴とするところは、先の図４に示す実施例２又は図６に示す実施例３に対して、図示しないコントロールユニットに図７（ａ）に示すパージ周波数成分抽出手段７０と移動平均手段７１を加え、移動平均手段７１で得られた結果に基づいてパージ弁開故障診断手段１８がパージ弁７の開故障を検出診断するようにしたことにあり、水素圧力の制御ならびに診断後の開故障時の対処も含めて他は先の実施例２又は３と同様である。
【００５５】
図７（ａ）において、パージ周波数成分抽出手段７０は、目標水素循環系入口圧（あるいは圧力センサ９で計測された水素循環系入口圧の検出値、もしくは目標水素循環系入口圧演算手段１７におけるフィードバック補償部の出力（ＰＩ制御器３２の出力））を、パージ弁７を介して燃料電池１から排出された水素を排気するパージ処理のパージ周期（開閉動作周波数）に基づいて、図７（ｂ）に示すような周波数帯域成分のみを通過させるバンドパスフィルタで構成され、パージ処理の影響で変動する目標水素循環系入口圧だけを通過させて目標水素循環系入口圧のパージ周波数成分を抽出する。抽出された変動抽出値Ｘは、移動平均手段７１に与えられる。
【００５６】
移動平均手段７１は、パージ周波数成分抽出手段７０で抽出された変動抽出値Ｘ（あるいは圧力センサ９で計測された水素循環系入口圧の検出値、もしくは目標水素循環系入口圧演算手段１７におけるフィードバック補償部の出力（ＰＩ制御器３２の出力））の二乗値を移動平均してレベル信号Ｙに変換し、目標水素循環系入口圧を定量化する。
【００５７】
パージ弁開故障診断手段１８は、移動平均手段７１で得られたレベル信号Ｙが予め設定された所定値以下であればパージ弁７が開故障していると診断する。
【００５８】
図８にパージ弁７が正常時（同図（ａ））と開故障時（同図（ｂ））とにおける各信号の応答を示す。図８において、パージ弁７が正常時であって、パージ弁７が開いているときには燃料電池１の入口の水素圧力を目標圧力に維持するために、水素循環系入口圧が上がる一方、パージ弁７が閉じているときには水素循環系入口圧が下がる。また、パージ周波数成分抽出手段７０で抽出された変動抽出値Ｘは、図８（ａ）に示すように水素循環系入口圧の変化が増幅され、変動抽出値Ｘを移動平均して得られたレベル信号Ｙは所定の値の出力値となる。
【００５９】
これに対して、パージ弁７が開故障時には、パージ弁７に開放を指令する開閉信号を与えても水素循環系入口圧は変動しない。このため、図８（ｂ）に示すように、パージ周波数成分抽出手段７０では変動分は抽出されず、レベル信号Ｙも出力されない。このような水素循環系入口圧の特性に基づいて、パージ弁開故障診断手段１８では、レベル信号Ｙが所定値以下である場合には、パージ弁７が開故障していると診断する。
【００６０】
このように、上記実施例４では、先の実施例２、実施例３と同様の効果を得ることができることに加えて、目標水素循環系入口圧のうち抽出されたパージ周波数成分に基づいてパージ弁７の開故障を診断することで、パージ周期に応じた周波数成分の信号が増幅され、開故障の診断精度を向上することができる。また、抽出されたパージ周波数成分の変動量を移動平均して定量化することで、容易なロジックで開故障を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す水素循環系入口圧制御手段の構成を示す図である。
【図３】図１に示す目標水素循環系入口圧演算手段の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの故障診断装置の構成を示す図である。
【図５】実施例２における、パージ弁の開故障を診断する際の各信号の様子を示す図である。
【図６】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの故障診断装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの故障診断装置の一部構成、ならびに作用を示す図である。
【図８】実施例４における、パージ弁の開故障を診断する際の各信号の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料電池
２…水素タンク
３…減圧弁
４…調圧弁
５…エゼクタ
６…循環ポンプ
７…パージ弁
８…希釈ファン
９，１０…圧力センサ
１１…温度センサ
１２…大気圧センサ
１３…パワーマネージャー
１４…パージ弁制御手段
１５…循環ポンプ制御手段
１６…水素循環系入口圧制御手段
１７…目標水素循環系入口圧演算手段
１８…パージ弁開故障診断手段
１９…燃焼器
２０，３２…ＰＩ制御器
３０…マップ
３１…補正マップ
７０…パージ周波数成分抽出手段
７１…移動平均手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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