(57)【要約】【課題】  燃料電池の起動前に、パージ弁の開故障を診断することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  制御部２０は、燃料電池スタック２へ水素供給を開始する前に、パージ弁１４へ閉指令を出力し、水素循環ポンプ１１を運転する。パージ弁１４の気密性が正常であれば、圧力センサ１２が検出するパージ弁１４の上流圧力が低下し、制御部２０は、圧力センサ１２の検出値に基づいて、パージ弁１４の開故障を判定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、該酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、該燃料極側に水素を主成分とする燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池に再度供給する燃料ガス循環手段と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを燃料極出口もしくは前記燃料ガス循環流路から系外へ排出する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路を開閉する排出ガス流路開閉手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記排出ガス流路開閉手段に対する開閉指令状態の検知手段と、
燃料ガス排出流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記検知された排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令時に、前記燃料ガス循環手段の動作状態において前記圧力検出手段によって検出される圧力に基づいて、前記排出ガス流路開閉手段の開故障状態の判定を行う開故障状態判定手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス循環流路の前記燃料ガス排出流路接続部と前記燃料極出口との間の前記燃料ガス循環流路を開閉する燃料ガス循環流路開閉手段を備え、
前記開故障状態判定手段は、
前記燃料ガス循環流路開閉手段を全閉または中間開度にすることで、前記検知された排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令時に、前記燃料ガス循環手段が動作状態で前記圧力検出手段によって検出される圧力に基づいて、前記排出ガス流路開閉手段の故障状態の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス循環流路の前記燃料ガス排出流路接続部と前記燃料極出口との間の前記燃料ガス循環流路を開閉する燃料ガス循環流路開閉手段と、
前記燃料ガス循環流路開閉手段と並列に配置されたオリフィスと、を備え、
前記開故障状態判定手段は、
前記燃料ガス循環流路開閉手段を全閉にすることで、前記検知された排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令時に、前記燃料ガス循環手段が動作状態で前記圧力検出手段によって検出される圧力に基づいて、前記排出ガス流路開閉手段の故障状態の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料ガスを系外へ排出する排出ガス流路開閉手段（パージ弁）の開故障を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
通常、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給は、燃料電池スタックの隅々まで燃料ガスが行き渡るように、出力電流を燃料ガスの質量流量に換算した流量より過剰の流量を供給し、燃料極から排出された余剰の燃料ガスは、燃料循環経路により再び燃料極入口へ還流させている。
【０００４】
燃料ガスの循環駆動方式としては、新規水素ガスを駆動流とする流体ポンプであるエゼクタや水素ポンプなどを利用する。そして、水素再循環を長時間続けていると、水素循環系内に、酸化剤極からクロスオーバしてくる窒素などの濃度が高まり、発電効率が低下する。また、水素循環路内に水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。そのため、循環系を持つ燃料電池システムの多くが、排出ガス流路開閉手段（以下パージ弁とも言う）を開くことによって、窒素などの混入した水素や水のパージを行ない、循環系の水素濃度を所定以上に保つといった動作を行っている。そしてパージされる水素は、希釈器で一定濃度以下に希釈して排出するか、もしくは、触媒による反応を利用した触媒燃焼器を用いて、燃焼水蒸気に変換するなど前処理し排出するといった方法が考えられている。これらの排出ガス処理装置に対し、パージ弁の機能の診断を行う方策により、より排出水素の処理を適切に行うことが望まれる。
【０００５】
従来のパージ弁の故障診断技術としては、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池の燃料極の入口に圧力を測定する手段と、燃料電池の発電電流を測定する手段を設け、燃料電池システムが発電状態である状態に対して、上記電流測定手段から測定された発電電流から算出される想定水素圧力と上記圧力測定手段によって計測される圧力との差分をとり、この差分と設定値との大小関係によりパージ弁の故障診断を行っている。
【特許文献１】特開２００３−９２１２５号公報（第４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術におけるパージ弁の故障診断方法は、燃料電池に水素が供給された発電状態でのみ診断が可能であり、燃料電池起動時や発電停止中などの特殊なモードにおいてパージ弁の開故障の判断を行うことが困難であった。特に、燃料電池を電源とした燃料電池車両などにおいては、走行前にパージ弁の診断ができることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するため、本発明は、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、該酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、該燃料極側に水素を主成分とする燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池に再度供給する燃料ガス循環手段と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを燃料極出口もしくは前記燃料ガス循環流路から系外へ排出する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路を開閉する排出ガス流路開閉手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記排出ガス流路開閉手段に対する開閉指令状態の検知手段と、燃料ガス排出流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記検知された排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令時に、前記燃料ガス循環手段の動作状態において前記圧力検出手段によって検出される圧力に基づいて、前記排出ガス流路開閉手段の開故障状態の判定を行う開故障状態判定手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池システムの起動前、すなわち燃料電池に燃料ガスを供給する前の状態で、排出ガス流路の開閉指令状態を閉指令状態とし、燃料ガス循環手段を動作させる。パージ弁が正常状態、すなわち所定の気密性を確保できていれば、燃料ガスの循環に起因して生じる燃料ガス循環手段の入出口間の圧力差によりパージ弁の上流が減圧される一方で、パージ弁が開故障状態、すなわち所定の気密性を確保できていない場合、所定時間経過後においてはパージ弁上流圧は大気圧相当の圧力となるため、正常状態におけるパージ弁上流圧と、開故障状態におけるパージ弁上流圧との大小関係により、パージ弁の開故障を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが以下に説明する各実施例は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１に備えられる燃料電池スタック２は、固体高分子電解質膜を燃料極３と酸化剤極４とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、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２の内部には、酸化剤ガス流路４ｃ、燃料ガス流路３ｃ、及び図示しない冷却水流路が設けられている。
【００１１】
そして、燃料電池スタック２は、酸化剤極４に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、燃料極３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２の燃料極３では、水素が水素イオンと電子とに電離し、水素イオンは電解質膜中を酸化剤極４へ移動し、電子は、外部回路を通って燃料極３から酸化剤極４へ至る。酸化剤極４では、燃料極３から移動してきた水素イオンと、外部回路を通った電子と、酸化剤ガス中の酸素とが反応して水が生成される。
【００１２】
この燃料電池システム１は、各部の動作を制御する制御部２０が備えられている。制御部２０としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられており、この制御部２０によって各部が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。
【００１３】
また、燃料電池システム１は、燃料極３に供給する水素ガスを蓄積する水素タンク５、レギュレータ６、水素供給調整弁８が水素供給流路７上に配設され、また燃料ガス循環手段として水素循環ポンプ１１が水素循環流路１０上に配設され、水素循環流路１０内から酸化剤ガス流路へ循環路内の燃料ガスを排出する手段として水素排出流路１３及びパージ弁１４設置されている。
【００１４】
また燃料極入口３ａの圧力検出手段として圧力センサ９、パージ弁１４の水素循環流路１０側の圧力検出手段として圧力センサ１２がそれぞれ設置されており、これらの圧力センサは、検出した圧力をセンサ信号として制御部２０に出力する。その結果、圧力センサ９により検出された燃料ガス圧力は、制御部２０により燃料電池スタック２内の燃料ガス圧力として認識され、圧力センサ１２により検出された燃料ガス圧力は、パージ弁入口圧力として認識される。
【００１５】
尚、水素供給調整弁８及びパージ弁１４は、それぞれ弁開度を調整するアクチュエータを内蔵し、制御部２０からの制御信号にしたがって、それぞれの弁開度が制御されるものとする。
【００１６】
また、水素循環ポンプ１１は、回転数を制御するインバータを内蔵し、制御部２０からの回転数制御信号にしたがってその回転数を調整するものとする。
【００１７】
図２は、本実施例におけるパージ弁開故障診断処理を説明するフローチャートである。尚、このフローチャートは、燃料電池システムの起動前の状態、すなわち水素供給調整弁８を開け、燃料電池スタック２内の燃料ガス流路３ｃに燃料ガスを供給する前段階において、制御部２０により実行されるものである。また、パージ弁の開故障状態を示すフラグは、このフローチャートの開始以前に、リセットされた初期状態にあるものとする。
【００１８】
まずステップＳ１０において、制御部２０からパージ弁１４に閉指令を送信する。その後、パージ弁１４が動作完了するのに十分な時間が経過したあとで、ステップＳ２に示すように水素循環ポンプ１１を動作させ、ある一定回転数で駆動させる。この動作後のステップＳ３、すなわち、水素循環ポンプ１１の回転数及びパージ弁１４の循環路側の圧力センサ１２によって検知される値が十分に安定した状態においては、水素循環流路１０内の燃料ガス流量と水素循環ポンプの入口と出口の圧力差は、図３に示す圧力−流量特性図上において、水素循環ポンプの性能を示す曲線群ａと水素循環流路１０の圧損特性を示す曲線ｂとの交点の値をとる。したがって、水素循環ポンプ１１の上流と下流との間でポンプ回転数に応じた圧力差が生じる。
【００１９】
この際、パージ弁１４の気密性が十分に確保されていれば、燃料電池スタック２内の燃料ガス流路３ｃ及び水素循環流路１０は外部に対して閉鎖された空間となる。そのため、水素循環ポンプ１１の動作によって発生した圧力差により、水素循環ポンプ１１の下流側（ポンプ出口側）の燃料ガス圧力は、水素循環ポンプ１１の動作前に対して高い圧力となり、また一方で、水素循環ポンプ１１の上流側（ポンプ入口側）の燃料ガス圧力は水素循環ポンプ１１の動作前に対して低い圧力となる。
【００２０】
その一方で、パージ弁１４を閉じたときに、パージ弁１４の気密性が十分に確保されていない場合、水素循環ポンプ１１の上流側は、外部の定圧源、すなわち大気に対して連通された空間となる。そのため、水素循環ポンプ１１の動作によって発生した圧力差により、水素循環ポンプ１１の下流側の燃料ガス圧力は、水素循環ポンプ１１の動作前に対して高い圧力となるものの、一方で水素循環ポンプの上流側の燃料ガス圧力は水素循環ポンプ１１の動作前とほぼ同等の値となる。
【００２１】
図１に示す燃料電池システムにおいては、前記した２つのパージ弁状態による水素循環ポンプ下流側の燃料ガス圧力の差異を、図１に示す圧力センサ１２によって検知することが可能である。
【００２２】
したがって、図２におけるステップＳ１３において、圧力センサ１２の検出値ＲＰを制御部２０に読み込めば、この検出値ＲＰは、パージ弁１４の作動状態を反映した値となっている。
【００２３】
次いで、ステップＳ１４において、パージ弁１４が正常状態で想定されるパージ弁の循環路側の圧力（ＴＰ）とステップＳ３の状態で圧力センサ１２によって測定された実圧力（ＲＰ）との差（ＲＰ−ＴＰ）が、所定値（ＤＰ）未満であるか否かを判定する。ここで、ＴＰは、パージ弁１４の機能が正常な実機において測定した値の平均値を用い、またＤＰは、パージ弁の密閉性能が正常か否かを判定する判別値であり、これも実機を用いた測定から設定する。
【００２４】
ステップＳ１４の判定において、（ＲＰ−ＴＰ）が（ＤＰ）未満であれば、正常と判断して、ステップＳ１８へ進む。ステップＳ１４の判定で、（ＲＰ−ＴＰ）が所定値（ＤＰ）以上であった場合、パージ弁１４が開故障状態であると判断し、ステップＳ１６へ進んで、パージ弁開故障フラグをセット（ＯＮ）し、ステップＳ１８へ進む。
【００２５】
ステップＳ１８では、水素循環ポンプ１１を停止させ、パージ弁開故障診断を終了する。
【００２６】
尚、ステップＳ１６でセットされたパージ弁開故障フラグは、燃料電池始動前の一連の故障診断が終了したとき、制御部２０により燃料電池システムの起動前故障診断を全て終了したときに、燃料電池システムが正常か否かを判定するために参照され、またこの判定結果をユーザーに表示するために使用される。
【００２７】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの起動前、すなわち燃料電池に燃料ガスを供給する前の状態で、排出ガス流路の開閉指令状態を閉指令状態（パージ弁閉指令）とし、燃料ガス循環手段（水素循環ポンプ）を動作させる。パージ弁が正常状態、すなわち所定の気密性を確保できていれば、燃料ガスの循環に起因して生じる燃料ガス循環手段の入出口間の圧力差によりパージ弁の上流が減圧される一方で、パージ弁が開故障状態、すなわち所定の気密性を確保できていない場合、所定時間経過後においてはパージ弁上流圧は大気圧相当の圧力となるため、正常状態におけるパージ弁上流圧と、開故障状態におけるパージ弁上流圧との大小関係により、パージ弁の開故障を検知することができるという効果がある。
【実施例２】
【００２８】
次に、図４、図５を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。図４は、実施例２の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図４に示す燃料電池システム１は、図１に示す燃料電池システムに加え、水素循環流路１０の燃料電池スタック２の燃料極出口３ｂに接続する点から水素排出流路１３と分岐する点までの間に、可変式の循環流路遮断弁１７を設けている。循環流路遮断弁１７は、燃料ガス循環流路１０内に循環される燃料ガスを遮断すべく設置されている。尚、循環流路遮断弁１７は、制御部２０からの開度指令値にしたがって開度を制御するアクチュエータを内蔵している。
【００２９】
図５は、実施例２におけるパージ弁開故障診断処理を説明するフローチャートである。実施例１との相違点は、実施例１のステップＳ１０に相当するステップＳ２０にて、制御部２０からパージ弁１４に閉指令を送信するのみならず、循環流路遮断弁１７にも閉または中間開度指令を送信する点である。その結果、ステップＳ２４においては、水素循環流路１０内の燃料ガス流量と水素循環ポンプの入口と出口の圧力差は、図３に示す圧力−流量特性図上において、水素循環流路１０の圧損特性が実施例１で示した曲線ｂからｂ´に変化する。その結果、水素循環ポンプ１１の上流と下流との間で所定の圧力差を大きくとることが可能となり、実施例１に比べ、圧力による検知性を上げることが可能となり、図５の処理フロー内のステップＳ２０で循環流路遮断弁１７に全閉指令を与えた場合、最も検知性を上げることが可能となる。
【００３０】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの起動前、すなわち燃料ガスを供給する前の状態で、排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令状態（パージ弁閉指令）とし、燃料ガス循環流路開閉手段（循環流路遮断弁）を全閉または中間開度にした状態で、燃料ガス循環手段（水素循環ポンプ）を動作させる。パージ弁が正常状態において、燃料ガスの循環に起因して生じる燃料ガス循環手段の入出口間の圧力差を大きくすることが可能であるため、実施例１に対して正常状態におけるパージ弁上流圧と、開故障状態におけるパージ弁上流圧との差異を大きくすることが可能であるため、圧力検出手段によるパージ弁の開故障の検知性を向上することができるという効果がある。
【実施例３】
【００３１】
次に、図６を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。図６に示す燃料電池システム１は、図４に示した燃料電池システムに加え、循環流路遮断弁１７に並列にオリフィス１８が追加されている。
【００３２】
このオリフィス１８の追加により、図５に示した実施例２と同様の処理フローを経ることで、パージ弁１４の開故障を診断することが可能である。但し、ステップＳ２０において、循環流路遮断弁１７に与える指令は、全閉指令である。本実施例においては、循環流路遮断弁１７を全閉したとき、これに並列に配置されたオリフィス１８により水素循環流路１０の圧損が定まる。
【００３３】
実施例２では循環流路遮断弁１７に与える開度指令と実開度との相違がある可能性があり、パージ弁１４が開故障していない場合でも（ＲＰ）と（ＴＰ）の差異が変化してしまう可能性があるのに対し、本実施例では、固定した圧損を生じるオリフィスを使用することで実施例２に対して誤診断を起こしにくいと同時に、実施例２同様の検知性を持つ、すなわち実施例１にくらべて検知性を上げることが可能である。
【００３４】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの起動前、すなわち燃料ガスを供給する前の状態で、排出ガス流路の開閉指令状態が閉指令状態（パージ弁閉指令）とし、燃料ガス循環流路開閉手段（循環流路遮断弁）を閉状態し、燃料ガス循環手段（水素循環ポンプ）を動作させる。このときオリフィスを使用して燃料ガス循環流路内の圧損を設定できるので、実施例２に対して誤診断を起こしにくいと同時に、実施例２同様の検知性を持つ、すなわち実施例１にくらべて検知性を上げることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１におけるパージ弁開故障診断処理を説明するフローチャートである。
【図３】水素循環系の圧力−流量特性図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】実施例２におけるパージ弁開故障診断処理を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：燃料極
３ｃ：燃料ガス流路
４：酸化剤極
４ｃ：酸化剤ガス流路
５：水素タンク
６：レギュレータ
７：水素供給流路
８：水素供給調整弁
９：圧力センサ
１０：水素循環流路
１１：水素循環ポンプ
１２：圧力センサ
１３：水素排出流路
１４：パージ弁
１５：空気供給流路
１６：空気排出流路
２０：制御部
【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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