(57)【要約】【課題】  開閉弁からの流体の漏れを精度よく検知する。【解決手段】  希釈器３０にはエゼクタ５２が備えられており、このエゼクタ５２には、燃料電池スタックの酸素極から排出されるカソードオフガスが流入する。エゼクタ５２内にカソードオフガスが通過すると、排気バルブ２６を介してアノードオフガスが吸引される。制御ユニット８０は、排気バルブ２６を閉じると、カソードオフガスの圧力、流速、温度を測定し、これらのパラメータから空洞部２７内のアノードオフガスの圧力を推定する。制御ユニット８０は、この推定値と、アノードオフガスの圧力の実測値とを比較することにより、排気バルブ２６からのアノードオフガスの漏れを検知する。【選択図】  図２
2005276546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異常検知システムであって、
第１の流体が流れる第１の流路と、
第２の流体が流れる第２の流路と、
前記第１の流路と第２の流路が接続され、前記第１の流体の流速を利用することにより前記第２の流体を吸引して排出するエゼクタと、
前記第１の流路中に設けられ、前記第１の流体の圧力および流速の少なくとも一方を検出する第１検出部と、
前記第２の流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁と前記エゼクタを結ぶ流路中に設けられ、前記第２の流体の圧力を検出する第２検出部と、
前記第１検出部によって検出された値から推定される第２の流体の圧力の推定値と、前記第２検出部によって検出される第２の流体の圧力の実測値とに基づいて、前記開閉弁の異常を検知する異常検知部と、
を備える異常検知システム。
【請求項２】
請求項１に記載の異常検知システムであって、
前記異常検知部は、前記開閉弁を閉状態としたときに前記検知を行う、異常検知システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の異常検知システムであって、
前記異常検知部は、前記推定値の時間変化率と、前記実測値の時間変化率とに基づき前記検知を行う、異常検知システム。
【請求項４】
請求項１に記載の異常検知システムであって、
前記第２の流路は、前記第２検出部と前記エゼクタとを結ぶ流路の一部が、他の部分の径よりも狭く形成されている、異常検知システム。
【請求項５】
請求項１に記載の異常検知システムであって、
該異常検知システムは燃料電池システムに備えられており、
前記第２の流路は、前記燃料電池システムの水素極から排出されるアノードオフガスが流れる流路に接続されている、異常検知システム。
【請求項６】
請求項５に記載の異常検知システムであって、
前記第１の流路は、前記燃料電池システムの酸素極から排出されるカソードオフガスが流れる流路に接続されている、異常検知システム。
【請求項７】
請求項６に記載の異常検知システムであって、
更に、前記エゼクタと接続される手前で前記第１の流路を分流した分流路と、
前記分流路を開閉する第２開閉弁と、
前記第２開閉弁を制御する開閉制御部と、
を備える異常検知システム。
【請求項８】
請求項７に記載の異常検知システムであって、
前記開閉制御部は、前記第２開閉弁の開閉を前記第１検出部によって検出された値に応じて制御する、異常検知システム。
【請求項９】
請求項７に記載の異常検知システムであって、
前記開閉制御部は、前記第２開閉弁の開閉を前記燃料電池システムに要求する発電量に応じて制御する、異常検知システム。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれかに記載の異常検知システムであって、
前記燃料電池システムは、カソードオフガスによってアノードオフガスを希釈する希釈器を備えており、
前記エゼクタは、前記希釈器内に設けられている、異常検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の漏れを検知する技術に関し、特に、燃料電池システムの水素極から排出されるアノードオフガスの漏れを検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両等の動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムには、水素と空気が供給され、これらの電気化学反応により発電が行われる。燃料電池システムの酸素極からはカソードオフガスが、水素極からはアノードオフガスが排出される（特許文献１，２参照）。通常、アノードオフガスを大気中に排出する配管経路中には、このアノードオフガスの流通を開閉するための開閉弁が備えられている。
【０００３】
アノードオフガスには、発電時に消費しきれずに残留してしまった水素が含まれている場合がある。このような残留水素が大気中に排出されるのは、安全面や環境への影響面から好ましくない。そのため、前述した開閉弁からの水素漏れを検出することは重要である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなアノードオフガスの漏れを検出する方法としては、水素濃度センサを用いる方法が考えられる。しかし、水素濃度のみに着目する方法では、アノードオフガスには不純物として水分や窒素等も含まれるため、このような状況下における信頼性の高い漏れの検出は困難であった。また、開閉弁からアノードオフガスが漏れたとしてもすぐに大気中に排出されてしまうため、圧力センサによって漏れを検出しようとしても十分にその圧力変化を検出することができなかった。このような課題は、燃料電池システムに限らず、開閉弁からの流体の漏れを検出する技術に共通の課題であった。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、開閉弁からの水素等の流体の漏れを精度良く検出可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の異常検知システムを次のように構成した。すなわち、
第１の流体が流れる第１の流路と、
第２の流体が流れる第２の流路と、
前記第１の流路と第２の流路が接続され、前記第１の流体の流速を利用することにより前記第２の流体を吸引して排出するエゼクタと、
前記第１の流路中に設けられ、前記第１の流体の圧力および流速の少なくとも一方を検出する第１検出部と、
前記第２の流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁と前記エゼクタを結ぶ流路中に設けられ、前記第２の流体の圧力を検出する第２検出部と、
前記第１検出部によって検出された値から推定される第２の流体の圧力の推定値と、前記第２検出部によって検出される第２の流体の圧力の実測値とに基づいて、前記開閉弁の異常を検知する異常検知部とを備えることを要旨とする。
【０００８】
このような構成の異常検知システムでは、第２の流体の圧力変化は第１の流体が流れるエゼクタの吸引力に依存しており、このエゼクタの吸引力は、第１の流体の圧力や流速に依存している。そのため、本発明によれば、第１検出部によって検出した第１の流体の圧力や流速によって第２の流体の圧力を推定し、この推定値と、第２検出部によって検出した第２の流体の圧力の実測値とを比較することで、精度よく開閉弁の異常を検知することが可能となる。
【０００９】
前記第１検出部は、第１の流体の圧力や流速に加え、温度も検出するものとしてもよい。前記異常検知部は、こうして検出した温度も用いることで、第２の流体の圧力をより精度良く推定することが可能となる。
【００１０】
上記構成の異常検知システムにおいて、
前記異常検知部は、前記開閉弁を閉状態としたときに前記検知を行うものとしてもよい。開閉弁にシート漏れが発生している場合には、開閉弁を閉状態とした場合であってもエゼクタによって第２の流体が強制的に吸引されるため、第２の流体の圧力の実測値は、推定値よりも高くなる。そのため、このような構成とすれば、容易に開閉弁の異常を検知することが可能となる。
【００１１】
前記異常検知部が開閉弁の異常を検知する方法としては、前記推定値と前記実測値とを直接比較し、両者が一致しない場合や両者に所定の差がある場合に異常であると検知するものとしてもよい。また、前記推定値の時間変化率と、前記実測値の時間変化率とを求め、これらを比較することによって検知を行うものとしてもよい。前者の方法は、例えば、第２の流体の圧力状態が安定している場合に用いることができ、後者の方法は、例えば、第２の流体の圧力が変化している場合に用いることができる。
【００１２】
上記構成の異常検知システムにおいて、
前記第２の流路は、前記第２検出部と前記エゼクタとを結ぶ流路の一部が、他の部分の径よりも狭く形成されているものとしてもよい。このような構成は、例えば、前記第２検出部と前記エゼクタとを結ぶ流路にオリフィスを設けることにより実現することができる。こうすることにより、エゼクタによって第２の流体を吸引する流量を抑制することができるため、第２検出部における第２の流体の圧力が安定化し、更に、第２の流体の圧力を検出する時間を長くすることができる。そのため、精度良く開閉弁の異常を検知することが可能となる。
【００１３】
上記構成の異常検知システムにおいて、
該異常検知システムは燃料電池システムに備えられており、前記第２の流路は、前記燃料電池システムの水素極から排出されるアノードオフガスが流れる流路に接続されているものとしてもよい。このような構成であれば、燃料電池システムから排出されるアノードオフガスの漏れを検知することができる。
【００１４】
かかる構成の異常検知システムにおいて、
前記第１の流路は、前記燃料電池システムの酸素極から排出されるカソードオフガスが流れる流路に接続されているものとしてもよい。こうすることにより、アノードオフガスを吸引するための第１の流体を別途用意する必要がないため、システムの構成を簡略化することが可能となる。
【００１５】
上記構成の異常検知システムにおいて、
更に、前記エゼクタと接続される手前で前記第１の流路を分流した分流路と、
前記分流路を開閉する第２開閉弁と、
前記第２開閉弁を制御する開閉制御部と、
を備えるものとしてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、エゼクタに加え、分流路を用いてカソードオフガスを排出することができる。そのため、第１の流路内のカソードオフガスの圧力が必要以上に上昇することを抑制することができ、カソードオフガスを圧送するエアコンプレッサなどに損失が及ぶことを抑制することができる。
【００１７】
上記構成の異常検知システムにおいて、
前記開閉制御部は、前記第２開閉弁の開閉を前記第１検出部によって検出された値や前記燃料電池システムに要求する発電量に応じて制御するものとしてもよい。
【００１８】
このような構成であれば、カソードオフガスの圧力が高くなった場合や流速が増加した場合、要求電力が増大した場合等に、カソードオフガスを分流路から排出することができる。そのため、カソードオフガスの滞留に伴う燃料電池システムの発電効率の低下を抑制することができる。
【００１９】
上記構成の異常検知システムにおいて、
前記燃料電池システムは、カソードオフガスによってアノードオフガスを希釈する希釈器を備えており、前記エゼクタは、前記希釈器内に設けられているものとしてもよい。こうすることにより、燃料電池システムの構成を簡略化することが可能となる。
【００２０】
なお、本発明の異常検知システムにおいて、上述した種々の構成は、適宜、組み合わせたり一部を省略したりして適用することができる。そのほか、本発明は、開閉弁の異常を検知する異常検知方法や、上述した異常検知システムを備える燃料電池システム、かかる燃料電池システムを搭載した移動体としても構成することができる。移動体とは、例えば、車両や船舶、航空機などをいう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．希釈器の構成：
Ｃ．異常検知システムの構成：
Ｄ．圧力推定方法：
Ｅ．異常検知処理：
Ｆ．変形例：
【００２２】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての異常検知システム２００を備える燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載され、動力源として利用される。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０や、水素タンク２０、希釈器３０などを備えている。
【００２３】
燃料電池スタック１０は、固体高分子膜型の燃料電池スタックであり、固体高分子膜を挟んで、空気が供給される酸素極１１と水素が供給される水素極１２とを備えている。燃料電池スタック１０の水素極１２に供給された水素は固体高分子膜上の触媒により水素イオンと電荷とに分離される。水素イオンは固体高分子膜を通過して酸素極１１に移動し、一方、分離された電荷は外部回路を介して酸素極１１に移動する。酸素極１１では、供給された空気中の酸素と、固体高分子膜を介して酸素極１１に到達した水素イオンと、外部回路を介して到達した電荷とが反応して水が生成される。
【００２４】
燃料電池スタック１０の酸素極１１には、エアコンプレッサ４１によって圧縮された空気が燃料電池スタック１０の起動中、常時、空気供給管３１を通じて供給される。酸素極１１からの排気（以下、「カソードオフガス」と称する）は、空気排出管３２を通じて希釈器３０に流出する。空気中の酸素は燃料電池スタック１０による電気化学反応に供されるため、カソードオフガスには主に窒素と水分が含まれる。
【００２５】
燃料電池スタック１０の水素極１２には、水素タンク２０に貯蔵された高圧水素が水素供給管３３を通じて供給される。水素極１２からの排気（以下、「アノードオフガス」と称する）は、水素排出管３４に流出する。アノードオフガス中には、電気化学反応において消費されなかった水素が含まれる。
【００２６】
希釈器３０は、水素排出管３４から流入したアノードオフガスを、空気排出管３２から流入したカソードオフガスによって希釈し、これらを大気中へ排出する。希釈器３０の詳細な構成については後述する。
【００２７】
水素排出管３４は、その経路が途中で二つに分岐しており、一方は希釈器３０に接続され、他方は水素循環管３５を介して水素供給管３３に接続されている。水素循環管３５には、水素タンク２０から出力される水素の逆流を防止するための逆止弁２５が備えられている。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となるため、水素排出管３４にはアノードオフガスを加圧するための水素ポンプ４２が分岐部分の上流に設けられている。
【００２８】
水素排出管３４には、分岐部分と希釈器３０との間に排気バルブ２６が設けられている。排気バルブ２６は、本発明の「開閉弁」に相当する。この排気バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは水素循環管３５を介して再び水素極１２に投入される。こうすることで、アノードオフガス中に残留する水素が再び水素極１２に供給されることとなり、水素を効率的に利用することが可能となる。
【００２９】
アノードオフガスの循環中、窒素や水分などの不純物が酸素極１１から固体高分子膜を介して水素極１２に透過するため、アノードオフガス中の不純物の濃度は徐々に増大する。従って、燃料電池システム１００は、定期的に排気バルブ２６を解放し、アノードオフガスを希釈器３０に排出する。こうすることにより、アノードオフガス中の不純物を低減させることができる。排気バルブ２６は、例えば、３０秒に一度のタイミングで２秒間、解放される。この排気バルブ２６の開閉は、後述する制御ユニットによって制御される。
【００３０】
Ｂ．希釈器の構成：
図２は、希釈器３０および異常検知システム２００の構成を示す説明図である。希釈器３０は、略箱形状の筐体５１によって形成されており、筐体５１内には、エゼクタ５２と分流管５３と分流バルブ６０と混合室５７とが備えられている。筐体５１には、第１開口部５４と第２開口部５５と排出口５６が設けられている。
【００３１】
第１開口部５４は、空気排出管３２と接続されており、筐体５１内ではエゼクタ５２に接続されている。エゼクタ５２の下流は混合室５７に通じており、混合室には排出口５６が設けられている。空気排出管３２から希釈器３０に流入したカソードオフガスは、エゼクタ５２内を高速に通過し、混合室５７を通って排出口５６から排出される。カソードオフガスがエゼクタ５２を通過する際には、ベルヌーイの定理によりエゼクタ５２の吸引口５８に吸引力が発生する。
【００３２】
第１開口部５４には、更に、エゼクタ５２をバイパスするように分流管５３が接続されている。分流管５３の下流は混合室５７に通じている。分流管５３の内部には、分流管５３内を通るカソードオフガスの流量を調整するための分流バルブ６０が設けられている。エゼクタ５２の内径は狭いため、エゼクタ５２にカソードオフガスの全量を通過させることは困難である。そのため、分流バルブ６０の開度を適宜、調整することで、効率的にカソードオフガスをバイパスして排出することが可能となる。また、この分流バルブ６０を設けることにより、空気排出管３２中に別途、調圧バルブなどを設けることなくカソードオフガスの流量を調整することができる。
【００３３】
第２開口部５５は、排気バルブ２６、空洞部２７およびオリフィス部２８を介して水素排出管３４と接続されており、筐体５１内では、エゼクタ５２の吸引口５８に接続されている。前述したように、エゼクタ５２内をカソードオフガスが高速に通過すると、エゼクタ５２の吸引口５８に吸引力が発生するため、水素極１２から排出されたアノードオフガスは、エゼクタ５２に吸引され、カソードオフガスとともに混合室５７に排出される。このとき、エゼクタ５２内では、アノードオフガスがカソードオフガスによって希釈されることとなる。混合室５７内に流入したアノードオフガスは、分流管５３から流入したカソードオフガスによって更に希釈され、排出口５６を通り、大気中に排出される。
【００３４】
排気バルブ２６の下流には、断面積が水素排出管３４よりも大きい空洞部２７が備えられている。この空洞部２７は、断面積が水素排出管３４よりも狭いオリフィス部２８を介して第２開口部に接続されている。排気バルブ２６から空洞部２７に排出されたアノードオフガスは、オリフィス部２８を通ることで徐々にエゼクタ５２に吸引される。このような構成によれば、排気バルブ２６からの少量のシート漏れでも空洞部２７の圧力が変化しやすくなるため、精度良く排気バルブ２６の異常検知を行うことが可能となる。
【００３５】
なお、本実施例では、空洞部２７とオリフィス部２８は、希釈器３０の外部に設けられるものとしたが、オリフィス部２８を、もしくは両者を、希釈器３０の内部に設けるものとしてもよい。
【００３６】
Ｃ．異常検知システムの構成：
異常検知システム２００は、制御ユニット８０やカソードオフガス圧力センサ７０、流速センサ７１、温度センサ７２、アノードオフガス圧力センサ７３等によって構成されている。カソードオフガス圧力センサ７０と流速センサ７１と温度センサ７２は、空気排出管３２の経路中に設けられており、アノードオフガス圧力センサ７３は、空洞部２７に設けられている。
【００３７】
制御ユニット８０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭを備えている。ＲＯＭには燃料電池システム１００および異常検知システム２００を制御するためのプログラムが記録されており、ＣＰＵはＲＡＭをワークエリアとしてこのプログラムを実行する。このプログラムが実行されることで、ＣＰＵは、図示する発電制御部８１、開閉制御部８２、異常検知部８３として機能する。
【００３８】
発電制御部８１は、燃料電池システム１００の発電制御を行うとともに、排気バルブ２６の開閉を制御することで、前述したようなアノードオフガスの定期的な排出を行う。
【００３９】
開閉制御部８２は、カソードオフガスの圧力Ｐ０や燃料電池システム１００の目標電力に応じて分流バルブ６０の開閉制御を行う。
【００４０】
図３は、空気排出管３２中のカソードオフガスの圧力Ｐ０と燃料電池システム１００の電力の関係および分流バルブ６０の開閉タイミングを示す説明図である。仮に、分流バルブ６０が常時、閉状態であるとすると、図中の破線で示したグラフのように、圧力Ｐ０が上昇しても電力量はそれほど伸びない。これは、カソードオフガスの全量がエゼクタ５２を通る必要があり、カソードオフガスが効率的に排出されず、発電効率が悪化するためである。一方、圧力Ｐ０が所定の圧力Ｐｐとなった時、または燃料電池システム１００の電力が所定値Ｗｐとなった時に分流バルブ６０を開状態とすれば、カソードオフガスが効率的に排出され、図中の実線で示したグラフのように、カソードオフガスの圧力Ｐ０の上昇が抑制される共に、出力電力も増加することとなる。従って、開閉制御部８２によって、適切なタイミングで分流バルブ６０を開状態とすることにより、効率的に発電を行わせることが可能となる。
【００４１】
開閉制御部８２は、カソードオフガスの圧力Ｐ０が低い場合には、分流バルブ６０を閉状態とする。こうすることにより、カソードオフガスの圧力Ｐ０が低い状態であっても、カソードオフガスの全量をエゼクタ５２に流通させることができるため、後述する排気バルブ２６の異常検知に必要なエゼクタ５２の吸引力を確保することが可能となる。
【００４２】
異常検知部８３（図２）は、排気バルブ２６の異常の検知を行う。具体的には、カソードオフガスの圧力Ｐ０、流速Ｕ０、温度Ｔ０を測定し、これらの値に基づき、空洞部２７におけるアノードオフガスの圧力Ｐ１の推定値を求める。そして、この推定値と、アノードオフガスの圧力Ｐ１の実測値とを比較することで排気バルブ２６のシート漏れを検知する。
【００４３】
Ｄ．圧力推定方法：
ここで、異常検知部８３が、空洞部２７内のアノードオフガスの圧力Ｐ１を推定する方法について説明する。空洞部２７内のアノードオフガスの圧力状態は、エゼクタ５２によって空洞部２７から吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１に依存しており、この流量Ｑ１は、エゼクタ５２内を流れるカソードオフガスの流量Ｑに依存している。そこで、まず、エゼクタ５２内を流れるカソードオフガスの流量Ｑを求める方法について説明する。
【００４４】
空気排出管３２およびエゼクタ５２内のカソードオフガスの流れを準一次元定常等エントロピー流れであるものと考え、空気排出管３２を流れるカソードオフガスの圧力をＰ０（ａｔｍ）、速度をｕ０（ｍ／ｓ）、密度をρ０（ｇ／ｍ３）、温度をＴ０（Ｋ）、断面積をＡ０（ｍ２）とする。また、エゼクタ５２内でのカソードオフガスのマッハ数をＭ、速度をｕ、密度をρ、断面積をＡとする。更に、マッハ数が１となる各物理量に「＊」を付し、Ｒは気体定数、κはカソードオフガスの比熱比であるものとする。
【００４５】
準一次元定常等エントロピー流れでは、ｄ（Ａρｕ）＝０と考えることができるため、質量保存則より、
【数１】
2005276546.tif 000003
となる。
【００４６】
マッハ数が１の場合の各物質量を考えると、次の関係が成り立つ。
【数２】
2005276546.tif 000004
【００４７】
そこで、式（３）（４）（５）を用いて式（１）を変形すると、式（１）は、次のようになる。
【数３】
2005276546.tif 000005
【００４８】
ｕ０、Ｔ０は、流速センサ７１、温度センサ７２によって測定される既知の物理量であり、Ａ０の値も既知であるため、上記式（５）によって、Ａ＊を求めることができる。
【００４９】
次に、このＡ＊を用いれば、
【数４】
2005276546.tif 000006
より、
【数５】
2005276546.tif 000007
として、マッハ数Ｍを求めることができる。
【００５０】
以上より、エゼクタ５２内のマッハ数Ｍは、空気排出管３２内のカソードオフガスの速度ｕ０と温度Ｔ０によって求めることができる。このマッハ数Ｍを用いれば、エゼクタ５２内の各物理量は次のように表される。
【数６】
2005276546.tif 000008
【００５１】
これらの値を用いれば、エゼクタ５２内を流れるカソードオフガスの流量Ｑ（ｇ／ｓ）は次のように求めることができる。
【数７】
2005276546.tif 000009
【００５２】
異常検知部８３が排気バルブ２６のシート漏れを検知する処理を行っている間のρ０が一定であると考えれば、上記式（１２）により、エゼクタ５２内を流れるカソードオフガスの流量Ｑは、エゼクタ５２内を通るカソードオフガスのマッハ数Ｍに応じて変化するといえる。
【００５３】
次に、エゼクタ５２によって空洞部２７から吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１を求める方法について説明する。
【００５４】
図４は、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１を求めるマップを示す説明図である。このマップは、制御ユニット８０のＲＯＭ内に予め記録されているものとする。横軸は、上記式（８）によって求めたエゼクタ５２内のカソードオフガスの圧力Ｐと、空洞部２７内のアノードオフガスの圧力Ｐ１との差圧Ｐｄ（ａｔｍ）であり、縦軸は、エゼクタによって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１（ｇ／ｓ）を表す。
【００５５】
図４に示すように、かかるマップはエゼクタ５２内のカソードオフガスの流量Ｑに応じて複数設定されている。そのため、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１を求める際には、まず、式（１２）で求めた流量Ｑの値に応じて、用いるマップを選択する。図示するように、この流量Ｑの値が大きいほど、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１は多くなる。
【００５６】
マップを選択した後には、上記差圧Ｐｄを求めることで、その差圧Ｐｄに応じたアノードオフガスの流量Ｑ１が推定される。図示するように、このアノードオフガスの流量Ｑ１は、差圧Ｐｄが大きいほど少なくなる。差圧Ｐｄが大きい状態というのは、空洞部２７内の圧力が低下している状態であり、このような状態では、空洞部２７内のアノードオフガスの多くが既に吸引されており、吸引されるべき空洞部２７内のアノードオフガスの量が低下しているためである。
【００５７】
このマップによれば、上記式（１２）で求まるエゼクタ５２内のカソードオフガスの流量Ｑと、上記式（８）で求まるエゼクタ５２内の圧力Ｐと、空洞部２７内の圧力Ｐ１から、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１を求めることができる。ただし、空洞部２７内の圧力Ｐ１を実測するのは、この一連の計算を行う初回のみであり、それ以後は、この方法によって最終的に推定される空洞部２７内の圧力Ｐ１の値を用いる。
【００５８】
以上の方法によって、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１が求まれば、この流量Ｑ１と空洞部２７の容積の関係より、空洞部２７内の圧力Ｐ１の時間変化量を推定することができる。かかる推定には、例えば、図５に示すマップや所定の関数を用いることができる。
【００５９】
図５は、空洞部２７内の圧力Ｐ１の時間変化率を推定するためのマップである。横軸は、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１であり、縦軸は、空洞部２７内の圧力降下の時間変化率を表す。このマップによれば、エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１が増すほど、空洞部２７内の圧力降下の時間変化率が大きくなることとなる。最終的に、この時間変化率を時間で積分し、計算の初回に実測した空洞部２７内の圧力Ｐ１から差し引くことにより、空洞部２７内の圧力Ｐ１の推定値を求めることができる。
【００６０】
Ｅ．異常検知処理：
図６は、制御ユニット８０が実行する異常検知処理のフローチャートである。この処理は、排気バルブ２６の異常を検知するための処理であり、排気バルブ２６からアノードオフガスが排出された後に排気バルブ２６が閉じられ、アノードオフガスが再び循環状態になるタイミングで実行される。かかる処理について、図７を交えて説明する。図７は、空洞部２７内のアノードオフガスの圧力Ｐ１の変化を示す説明図である。
【００６１】
制御ユニット８０は、発電制御部８１によって排気バルブ２６を閉じると（ステップＳ１０、図７のタイミングｔ１）、まず、空気排出管３２中のカソードオフガスの圧力Ｐ０が、図３で示した圧力Ｐｐ以上であるかを判断する（ステップＳ１１）。圧力Ｐｐ以上であれば（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、分流バルブ６０を開き（ステップＳ１２）、圧力Ｐｐ未満であれば（ステップＳ１１：Ｎｏ）、分流バルブ６０を閉じる（ステップＳ１３）。制御ユニット８０は、このような処理をおこなうことにより、エゼクタ５２の吸引力を確保しつつ、空気排出管３２内のカソードオフガスの圧力Ｐ０が必要以上に上昇することを抑制することができる。
【００６２】
次に、制御ユニット８０は、カソードオフガス圧力センサ７０、流速センサ７１、温度センサ７２によってカソードオフガスの圧力Ｐ０、流速Ｕ１、温度Ｔ０を測定し（ステップＳ１４）、これらのパラメータを用いて前述した方法により、空洞部２７内のアノードオフガスの圧力Ｐ１の理想的な推定値Ｐｅとその時間変化率Ｐｅｄを求める（ステップＳ１５）。図７の破線で示すグラフは、ここで求めた推定値Ｐｅを表す。そして、更に、アノードオフガス圧力センサ７３を用いて空洞部２７内のアノードオフガスの圧力Ｐ１を測定し、実測値Ｐｍを得る（ステップＳ１６）。図５の実線で示すグラフは、この実測値Ｐｍを表す。
【００６３】
次に、制御ユニット８０は、実測値Ｐｍの時間変化率Ｐｍｄを求め（ステップＳ１７）、これらの値を比較する（ステップＳ１８）。その結果、両者の値に有意な差がある場合には（ステップＳ１８：Ｎｏ）、排気バルブ２６に異常が発生していると判定する（ステップＳ１９）。このような場合には、排気バルブ２６から空洞部２７内へのアノードオフガスの漏れにより、アノードオフガスの圧力Ｐ１がエゼクタ５２の吸引によって十分に低下していないと推測できるためである。上記ステップＳ１８の判断においては、測定誤差等を許容するために所定の閾値を設けることが好ましい。
【００６４】
上記ステップＳ１８において、両者の値が概ね等しい場合には（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、制御ユニット８０は、実測値Ｐｍの時間変化率Ｐｍｄが、ゼロであるかを判断する（ステップＳ２０）。ゼロではない場合には（ステップＳ２０：Ｎｏ）、図７のタイミングｔ１からタイミングｔ２の間のグラフの勾配に示されるように、アノードオフガスの圧力Ｐ１の実測値が変化しているため、処理を上記ステップＳ１４に戻すことで、引き続き、時間変化率の相違に基づく検知を行う。なお、上記ステップＳ２０においても、測定誤差等を許容するために所定の閾値を設けるものとしてもよい。
【００６５】
上記ステップＳ２０において実測値Ｐｍの時間変化率Ｐｍｄがゼロであると判断された場合には（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、図７のタイミングｔ２以降で示すように、アノードオフガスの圧力Ｐ１が安定したこととなる。かかる場合には、制御ユニット８０は、時間変化率ではなく、実測値Ｐｍと推定値Ｐｅとを直接比較する（ステップＳ２１）。そして、両者の値が異なる場合には（ステップＳ２１：Ｎｏ）、制御ユニット８０は、排気バルブ２６に異常が発生していると判定する（ステップＳ１９）。このような場合には、排気バルブ２６からアノードオフガスが漏れ出し、空洞部２７内の圧力が高くなっていると推測できるためである。実測値Ｐｍと推定値Ｐｅが同じ場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、異常なしと判定する（ステップＳ２２）。なお、上記ステップＳ２１の判断においても、測定誤差等を許容するために所定の閾値を設けるものとしてもよい。
【００６６】
以上で説明した異常検知処理では、アノードオフガスの圧力の実測値が変化している場合と、圧力が安定した場合とで、異なる方法により排気バルブ２６の異常を検知している。具体的には、アノードオフガスの圧力が変化している場合には、圧力の時間変化率の相違に基づき異常を判断し、圧力が安定した場合には、圧力値を直接比較することで異常を判断している。このようにすることにより、アノードオフガスの圧力状態に応じて精度良く排気バルブの異常を検出することが可能となる。ただし、必ずしも両者の方法を組み合わせて処理を行う必要はなく、いずれか一方のみの方法によって異常を検知するものとしてもよい。
【００６７】
以上、本発明の実施例について説明した。上述した実施例によれば、空洞部２７内のアノードオフガスの圧力変化は、カソードオフガスが流れるエゼクタ５２の吸引力に依存しているため、空気排出管３２内のカソードオフガスの圧力等からアノードオフガスの圧力を容易に推定することができる。そのため、アノードオフガスの圧力の推定値と実測値とを比較することで、精度よく排気バルブ２６の異常を検知することが可能となる。
【００６８】
Ｆ．変形例：
（変形例１）
図８は、希釈器３０の変形例を示す説明図である。本変形例による希釈器３０１の混合室５７１内には、多数の仕切板５７２が交互に設けられている。このような構成によれば、混合室５７１からアノードオフガスが大気中に排出されるまでに相当の時間を要することとなる。そのため、カソードオフガスによるアノードオフガスの希釈を十分に行うことが可能となる。
【００６９】
（変形例２）
上記実施例で説明した異常検知処理のステップＳ１１では、カソードオフガスの圧力状態に応じて分流バルブ６０の開閉を制御するものとした。しかし、カソードオフガスの圧力ではなく、燃料電池システム１００に要求する電力に応じて分流バルブ６０の開閉を制御するものとしてもよい。具体的には、燃料電池システム１００に要求する電力が図３で示した電力値Ｗｐ以上となる場合に、分流バルブ６０を開き、Ｗｐ未満の場合に、分流バルブ６０を閉じるものとすればよい。このような方法によれば、エゼクタ５２の吸引力を確保しつつ、カソードオフガスの滞留に伴う発電効率の低下を抑制することができる。
【００７０】
（変形例３）
上記実施例で説明した異常検知処理は、排気バルブ２６からのアノードオフガスの排出が終了する度に実行されるものとした。しかし、異常検知処理は、このようなタイミング以外にも、例えば、燃料電池システム１００の停止時に行うものとしてもよい。このような場合には、異常検知処理が終了するまでエアコンプレッサ４１の運転は停止しないものとする。そのほか、例えば、燃料電池システム１００のメンテナンスモード等においてオペレータの指示に応じて実行されるものとしてもよい。
【００７１】
（変形例４）
上記実施例で説明した燃料電池システム１００は、アノードオフガスを循環して再利用する構成であるものとした。しかし、燃料電池システム１００の構成はこれに限られず、アノードオフガスを循環させない構成であるものとしてもよい。このような場合には、上記異常検知処理は、例えば、燃料電池システム１００の停止時などに実行される。このような場合には、前述したように、異常検知処理が終了するまでは、エアコンプレッサ４１の運転は停止しないものとする。
【００７２】
（変形例５）
上記実施例では、エゼクタ５２にカソードオフガスを流すことでアノードオフガスを吸引・排出するものとした。しかし、エゼクタ５２に流す流体はカソードオフガスに限定されない。例えば、炭酸ガスや窒素などを別途用意して流すものとしてもよい。
【００７３】
（変形例６）
上記実施例では、カソードオフガスの圧力Ｐ０、流速Ｕ０、温度Ｔ０のすべてのパラメータを実測してアノードオフガスの圧力Ｐ１を推定するものとした。しかし、例えば、温度Ｔ０を既定値とするなど、一部のパラメータを固定するものとしてもよい。また、一部のパラメータを、燃料電池システム１００の発電量などに基づき所定のマップや関数により推測するものとしてもよい。
【００７４】
（変形例７）
上記実施例では、アノードオフガスの圧力Ｐ１の推定値を、式（１）〜（１２）で示した関数を用いて算出するものとした。しかし、カソードオフガスの圧力Ｐ０等とアノードオフガスの圧力Ｐ１の関係を予め定義した所定のマップやテーブルを参照して推定値を求めるものとしてもよい。
【００７５】
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施例としての異常検知システム２００を備える燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】希釈器３０および異常検知システム２００の構成を示す説明図である。
【図３】空気排出管３２中のカソードオフガスの圧力Ｐ０と燃料電池システム１００の電力の関係および分流バルブ６０の開閉タイミングを示す説明図である。
【図４】エゼクタ５２によって吸引されるアノードオフガスの流量Ｑ１を求めマップを示す説明図である。
【図５】空洞部２７内の圧力の時間変化率を推定するためのマップを示す説明図である。
【図６】制御ユニット８０が実行する異常検知処理のフローチャートである。
【図７】アノードオフガスの圧力Ｐ１の変化を示す説明図である。
【図８】希釈器３０の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０...燃料電池スタック
１１...酸素極
１２...水素極
２０...水素タンク
２５...逆止弁
２６...排気バルブ
２７...空洞部
２８...オリフィス部
３０，３０１...希釈器
３１...空気供給管
３２...空気排出管
３３...水素供給管
３４...水素排出管
３５...水素循環管
４１...エアコンプレッサ
４２...水素ポンプ
５１...筐体
５２...エゼクタ
５３...分流管
５４...第１開口部
５５...第２開口部
５６...排出口
５７，５７１...混合室
５８...吸引口
６０...分流バルブ
７０...カソードオフガス圧力センサ
７１...流速センサ
７２...温度センサ
７３...アノードオフガス圧力センサ
８０...制御ユニット
８１...発電制御部
８２...開閉制御部
８３...異常検知部
１００...燃料電池システム
２００...異常検知システム
【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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