(57)【要約】【課題】燃料電池装置の信頼性を維持することができる燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法を提供する。【解決手段】燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池１と、前記燃料電池１に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサ１３を有するエア供給システム３とを備えた燃料電池装置に適用され、前記コンプレッサ１３の回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システム３の故障と判定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。
【請求項２】
燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤としてのエアの圧力を調整する圧力制御弁を有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記圧力制御弁の開度と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。
【請求項３】
燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを備えたエア供給システムと、
前記燃料電池を冷却する冷却システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記燃料電池の発電電流が所定値以下であってかつ前記燃料電池におけるエア圧力と冷媒圧力との差の絶対値が所定値以上の状態が、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池装置としては、燃料電池の燃料極へ供給される改質ガスの組成の変動を検知することで、改質器の異常の早期発見を図るものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２６０１９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池においては、エア供給システムが故障すると、発電に適切な流量や圧力のエアを燃料電池に供給することが困難となるため、エア故障の判定を適切に行うことが燃料電池装置の信頼性を維持する上で非常に重要である。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、エア供給システムの故障を確実に判定することができ、燃料電池装置の信頼性を維持することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサ（例えば、実施の形態におけるコンプレッサ１３）を有するエア供給システム（例えば、実施の形態におけるエア供給システム３）とを備えた燃料電池装置に適用され、前記コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記コンプレッサの回転数が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤としてのエアの圧力を調整する圧力制御弁（例えば、実施の形態における圧力制御弁１１）を有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、前記圧力制御弁の開度と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記圧力制御弁の開度が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを備えたエア供給システムと、前記燃料電池を冷却する冷却システム（例えば、実施の形態における冷却システム４）とを備えた燃料電池装置に適用され、前記燃料電池の発電電流が所定値以下であってかつ前記燃料電池におけるエア圧力と冷媒圧力との差の絶対値が所定値以上の状態が、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記発電電流が所定値以下で、前記絶対値が所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の適用される燃料電池装置の概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【００１４】
前記燃料電池１には、燃料供給システム２が燃料供給流路１７を介して接続されている。前記燃料供給システム２は、燃料（例えば水素ガス）を貯蔵する燃料供給源を備え、該供給源から燃料供給流路１７を介して燃料電池１のアノードに水素ガスを供給する。
【００１５】
また、前記燃料電池１には、エア供給システム３がエア供給流路１５を介して接続されている。前記エア供給システム３はエアコンプレッサ１３を備え、該エアコンプレッサ１３から前記エア供給流路１５を介して燃料電池１のカソードにエア（酸化剤ガス）を供給する。
【００１６】
前記燃料電池１は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤として酸素を含むエア（空気）を供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
前記空気は発電に供された後、燃料電池１のカソードからオフガスとして排出され、エア排出流路１６を介して排出される。
【００１７】
前記エア排出流路１６には、圧力制御弁（背圧弁）１１が設けられている。この圧力制御弁１１の開度を調整することにより、前記燃料電池１に供給されるエアの圧力が制御される。
【００１８】
前記エア供給流路１５には、エア流量センサ８やエア圧力センサ９が設けられている。前記エア流量センサ８は、前記エアコンプレッサ１３から燃料電池１に供給するエア流量を検出するためのものである。また、前記エア圧力センサ９は、前記燃料電池１に供給するエア圧力を検出するためのものである。後述するように、これらのセンサ８，９にて検出されたエア流量やエア圧力に基づいて、エア供給システム３の状態が判定される。このエア供給システム３は、前記エアの流路１５、流路１６、エアコンプレッサ１３や圧力制御弁１１を備えて構成されている。
【００１９】
なお、燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路（図示せず）に排出され、燃料電池１のアノードに再び供給されるようになっている。
【００２０】
前記燃料電池１には、冷却システム４が接続されている。前記冷却システム４は、冷却媒体を循環させるためのポンプ等を備え、前記燃料電池１のセル間に冷却媒体（例えば水などの冷媒）を供給する。このように冷却媒体を燃料電池１に循環させることで燃料電池１を冷却し、発電時の発熱による燃料電池１の温度上昇を抑制して、燃料電池１を適正な温度で運転させることができる。また、冷却システム４には、冷媒圧力センサ５が接続され、該冷媒圧力センサ５により燃料電池１に供給される冷媒の圧力を検出する。
【００２１】
また、燃料電池１は負荷（例えばモータやエアコンディショナ等）６に接続され、該負荷６に燃料電池１で発電した電力を供給する。そして、燃料電池１と負荷６とを接続する経路に電流センサ１０が設けられ、この電流センサ１０により燃料電池１から負荷６に供給される発電電流ＩＦＣを検出する。
【００２２】
また、燃料電池装置は制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）７を備えており、このＥＣＵ７により上述した機器を制御する。すなわち、ＥＣＵ７は、前記センサ５、８、９、１０における各検出値（冷媒圧力ＰＷ、エア流量ＱＡ、エア圧力ＰＡ、発電電流ＩＦＣ）に基づいて、前記システム２、３、４や負荷６の制御を行う。このＥＣＵ７が行う制御のうち、エア供給システム３の故障判定制御について、図２〜図４を用いて説明する。
【００２３】
図２は図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１２で、エア流量センサ８が故障しているかどうかを判定する。ステップＳ１２の判定結果がＮＯの場合（センサ８が正常に作動している場合）には、ステップＳ１４のエア供給システム故障判定処理を行う。また、ステップＳ１２の判定結果がＹＥＳの場合（センサ８が故障している場合）には、ステップＳ１４の前記故障判定処理を行わずにステップＳ１８に進む。このように、エア流量センサ８が正常と判定された場合にのみ前記故障判定を行うことで、エア供給システム３の状態を確実に判定することができる。エア流量センサ８の故障判定は、センサ８で検出される信号電圧の状態により行うことができる。また、後述する他のセンサ９、５の故障判定も同様にして行うことができる。
【００２４】
ステップＳ１４では、エアコンプレッサ１３の回転数の指令値に対するフィードバック量（回転数と指令値の差分）の絶対値が、所定値（判定基準値）ＮＦＢ以上かどうかを判定する。この回転数は、前記流量センサ８により検出された流量ＱＡに基づいて算出される。なお、エアコンプレッサ１３の回転数を直接検出してもよい。
ステップＳ１４での判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、ステップＳ１４での判定結果がＮＯであればステップＳ１８に進む。
【００２５】
ステップＳ１８では、故障判定タイマー１に所定時間（故障判定時間）Ｔ１を設定する。そして、ステップＳ２４でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【００２６】
ステップＳ１６では、故障判定タイマー１の設定時間が０かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、タイマー１の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップＳ２４に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記絶対値が所定値ＮＦＢ以上になってからの継続時間を計測する。
【００２７】
また、タイマー１が０になった場合には、ステップＳ２０で、エア供給システム３が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム３が正常な場合には前記コンプレッサ１３の回転数が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム３の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム３が故障と判定された場合には、エアの流路１５、１６の閉塞や、エア流量センサ８上流でのエア流出、コンプレッサ８の異常等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【００２８】
図３は図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示す他のフローチャートである。まず、ステップＳ３２で、エア圧力センサ９が故障しているかどうかを判定する。ステップＳ３２の判定結果がＮＯの場合（センサ９が正常に作動している場合）には、ステップＳ３４のエア供給システム故障判定処理を行う。また、ステップＳ３２の判定結果がＹＥＳの場合（センサ９が故障している場合）には、ステップＳ３４の前記故障判定処理を行うことなくステップＳ３８に進む。このように、エア圧力センサ９が正常と判定された場合にのみエア供給システム故障判定を行うことで、エア供給システム３の状態を確実に判定することができる。
【００２９】
ステップＳ３４では、圧力制御弁１１の開度の指令値に対するフィードバック量（開度と指令値の差分）の絶対値が、所定値（判定基準値）ＡＦＢ以上かどうかを判定する。この圧力制御弁１１の開度は、前記圧力センサ９により検出された圧力ＰＡに基づいて算出される。なお、圧力制御弁１１の開度を直接検出してもよい。
【００３０】
ステップＳ３４での判定結果がＹＥＳであればステップＳ３６に進み、ステップＳ３４での判定結果がＮＯであればステップＳ３８に進む。
ステップＳ３８では、故障判定のタイマー２に所定時間（故障判定時間）Ｔ２を設定する。そして、ステップＳ４４でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ３６では、故障判定タイマー２の設定時間が０かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ４０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、タイマー２の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップＳ４４に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記絶対値が所定値ＡＦＢ以上になってからの継続時間を計測する。
【００３２】
また、タイマー２が０になった場合には、ステップＳ４０で、エア供給システム３が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム３が正常な場合には前記圧力制御弁１１の開度が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム３の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム３が故障と判定された場合には、エア圧力センサ９下流のエアの流路１５、１６の閉塞や、前記圧力制御弁１１上流でのエア流出、あるいは圧力制御弁１１の異常等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【００３３】
図４は図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ５２で、エア圧力センサ９あるいは冷媒圧力センサ５が故障しているかどうかを判定する。ステップＳ５２の判定結果がＮＯの場合（センサ９，５が正常に作動している場合）には、ステップＳ５４に進む。また、ステップＳ５２の判定結果がＹＥＳの場合（センサ９，５のいずれかが故障している場合）には、後述するエア供給システム故障判定処理を行わずにステップＳ５８に進む。このように、エア圧力センサ９、冷媒圧力センサ５のいずれかが故障と判定された場合には、前記故障判定を行わない。これにより、センサ９，５の故障による誤判定を防止することができる。
【００３４】
ステップＳ５４では、前記電流センサ１０で検出された燃料電池１の発電電流ＩＦＣが所定値Ｉ１以下かどうかを判定する。ステップＳ５４の判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ５６の故障判定処理に進み、ステップＳ５４の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ５６の故障判定処理を行わずにステップＳ５８に進む。発電電流ＩＦＣが大きい場合には燃料電池１に供給されるエア流量が増加し、これに伴いエア圧力と冷媒との差圧も大きくなるので、この場合の誤判定を防止するためである。
【００３５】
ステップＳ５６では、エア圧力ＰＡと冷媒圧力ＰＷの差が所定値（判定基準値）ＰＤ１以上かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ６０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ５８に進む。
ステップＳ５８では、故障判定タイマー３の設定時間を所定時間Ｔ３に設定する。そして、ステップＳ６６でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【００３６】
ステップＳ６０では、故障判定タイマー３の設定時間が０かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ６２に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ６４に進む。ステップＳ６４では、タイマー３の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップＳ６４に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記エア圧力ＰＡと冷媒圧力ＰＷとの差の絶対値が所定値ＰＤ１以上になってからの継続時間を計測する。
【００３７】
また、タイマー３が０になった場合には、ステップＳ６２で、エア供給システム３が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム３が正常な場合には前記発電電流ＩＦＣが所定値以下で、前記絶対値が所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム３の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム３が故障と判定された場合には、エアの流路１５、１６の閉塞や等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池装置は、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途、例えば燃料電池搭載のオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池装置にも適用することができるのはもちろんである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用される燃料電池装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料供給システム
３  エア供給システム
４  冷却システム
５  冷媒圧力センサ
７  ＥＣＵ
８  流量センサ
９  エア圧力センサ
１０  電流センサ
１１  圧力制御弁
１３  コンプレッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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