(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス通路に設置されてカソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段の故障判定を行う故障判定装置であって、
水素ガスを含む検出用基準ガスを前記水素検出手段の検出部に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段を備え、前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に所定のタイミングで戻すことを特徴とする水素検出手段の故障判定装置。
【請求項２】
前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈手段を備え、この希釈手段により希釈されたアノードオフガスを前記検出用基準ガスとして前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に戻すことを特徴とする請求項１に記載の水素検出手段の故障判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検査対象ガスの流路上で検査対象ガス中に通常は含まれることのない被検知ガスを検出するガス検出手段に対して故障判定を行う故障判定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体高分子膜型燃料電池は、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を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、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するようになっている。
【０００３】
また、このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、カソードから排出される未反応の空気（空気オフガスという）は系外に排出するのが一般的であるが、その場合には、空気オフガス中に水素ガスが存在しないことを確認する必要がある。
そこで、従来から、特公平６−５２６６２号公報や特開平６−２２３８５０号公報等に開示されているように、燃料電池のカソード側の排出系に水素検出器を設置し、この水素検出器によって空気オフガス中に水素が存在していないことを確認するシステムが開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシステムにおいて、水素検出器の故障の有無は極めて重要である。しかしながら、本来、水素が存在しないガスに対して水素を検出するという使用態様では、水素検出器の故障の有無を判定するのが極めて難しかった。
そこで、この発明は、水素検出手段等のガス検出手段に対して、適宜のタイミングで容易に且つ確実に故障の有無を判定することができる故障判定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この出願に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通するカソードオフガス通路（例えば、後述する実施の形態における空気排出路２２）に設置されてカソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段（例えば、後述する実施の形態における水素センサ２５）の故障判定を行う故障判定装置（例えば、後述する実施の形態における故障判定装置１）であって、水素ガスを含む検出用基準ガスを前記水素検出手段の検出部（例えば、後述する実施の形態における検出部２５ａ）に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段（例えば、後述する実施の形態におけるパージ弁１４、水素排出路１５、希釈装置１６、還流路１７、導入弁１８）を備え、前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に所定のタイミングで戻すことを特徴とする水素検出手段の故障判定装置である。
このように構成することにより、基準ガス供給手段によって水素ガスを含む検出用基準ガスを水素検出手段の検出部に供給したときに、水素検出手段が所定濃度以上の水素ガスを検出した場合には水素検出手段が正常であると判定することができ、水素検出手段が水素ガスを検出しないかあるいは検出しても検出濃度が所定濃度に満たない場合には水素検出手段が故障であると判定することができる。したがって、水素検出手段の故障判定を所定のタイミングで容易に且つ確実に実施することができ、水素検出手段の検出結果に対する信頼性が向上する。
【０００８】
また、検出用基準ガスの供給源を新たに用意する必要がなくなり、装置構成を簡単にすることができる。
【０００９】
また、前記発明において、前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈手段（例えば、後述する実施の形態における希釈装置１６）を備え、この希釈手段により希釈されたアノードオフガスを前記検出用基準ガスとして前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に戻すように構成してもよい。
このように構成することにより、検出用基準ガスの水素濃度を既知とすることができ、故障判定の判定値を高い精度で設定することができるので、水素検出手段に対する故障判定精度を高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係るガス検出手段の故障判定装置の一実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態におけるガス検出手段の故障判定装置は水素センサの故障判定装置の態様である。
図１は、この発明に係る水素センサの故障判定装置１を備えた燃料電池システムの構成図である。この実施の形態において、水素センサの故障判定装置１を備えた燃料電池システムは、例えば電気自動車等の車両に搭載されている。
【００１１】
燃料電池２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。この燃料電池２では、図示しない水素供給装置から水素供給路１１を介して燃料として水素が前記アノードに供給されるとともに、コンプレッサ２３により空気供給路２１を介して酸化剤として空気が前記カソードに供給され、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するようになっている。コンプレッサ２３は、制御装置３０によって、燃料電池２の出力電流に応じた流量の空気を燃料電池２に供給するように制御される。
【００１２】
そして、未反応の水素、すなわち水素オフガス（アノードオフガス）は燃料電池２から水素循環路１２に排出され、エゼクタ１３を介して、水素供給路１１に戻され、再び燃料電池２のアノードに供給されるようになっている。
一方、反応済みの空気、すなわち空気オフガス（カソードオフガス）は燃料電池２から空気排出路（ガス流路）２２を介して系外に排出される。
【００１３】
空気排出路２２の途中には、空気オフガス（検査対象ガス）中に通常は含まれることのない水素ガス（被検知ガス）の濃度を検出する水素センサ（水素検出手段、ガス検出手段）２５が設けられている。水素センサ２５は、空気排出路２２の外周面上に固定され、水素を検知する検知部２５ａが空気排出路２２内に突出するように設置されている。なお、水素センサ２５は、検知部２５ａが空気排出路２２の内面とほぼ面一となるように設置することも可能である。
水素センサ２５は、いわゆるガス接触燃焼式水素センサであり、水素が触媒に接触した際に燃焼する熱を利用して、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から水素濃度を検出するようになっている。この水素センサ２５の出力信号は制御装置３０に入力される。
【００１４】
また、水素循環路１２内の水素オフガスは、パージ弁１４を介して水素排出路１５に排出可能にされ、さらに、水素排出路１５を通って希釈装置（希釈手段）１６に導入可能にされている。希釈装置１６は、水素排出路１５から取り込んだ水素オフガスを、水素センサ２５よりも下流の空気排出路２２から取り込んだ空気オフガスによって所定の倍率で希釈することができるように構成されている。以下、この希釈装置１６によって所定濃度に希釈された水素オフガスを基準ガス（検出用基準ガス）と称す。
希釈装置１６で生成された基準ガスは、還流路１７および導入弁１８を介して、水素センサ２５よりも上流に位置する空気排出路２２に戻される。また、パージ弁１４および導入弁１８は、制御装置３０によって開閉制御されるようになっている。
【００１５】
そして、パージ弁１４と導入弁１８を開放すると、水素循環路１２を流れる水素オフガスが水素排出路１５を通って希釈装置１６に導入され、希釈装置１６において所定の濃度に希釈された水素オフガス、すなわち基準ガスが還流路１７を通って空気排出路２２に排出されるようになる。そして、空気排出路２２に導入された基準ガスが空気排出路２２を流れる空気オフガスにほぼ均一に混合された状態で水素センサ２５に到達するように、基準ガスの導入部１９から水素センサ２５までの距離が設定されている。
なお、希釈装置１６による希釈倍率は予め所定に設定されており、水素オフガスの水素濃度は既知であるので、基準ガスの水素濃度も既知である。
この実施の形態において、パージ弁１４、水素排出路１５、希釈装置１６、還流路１７、導入弁１８は、基準ガス供給手段を構成する。
【００１６】
このように構成された水素センサ２５の故障判定装置１の作用を説明する。
この実施の形態においては、燃料電池２の運転中に定期的に所定時間だけパージ弁１４と導入弁１８を開放することによって基準ガスを水素センサ２５の上流において空気オフガスに混入させ、この空気オフガスを水素センサ２５に通過させたときの水素センサ２５の出力に基づいて、水素センサ２５が正常か故障かを判定するようにした。
次に、図２のフローチャートを参照してパージ弁１４および導入弁１８の開閉を説明する。図２に示すフローチャートは、パージ弁１４および導入弁１８の開閉制御ルーチンを示すものである。
【００１７】
初めに、ステップＳ１０１において、導入弁１８が閉鎖されてから所定時間Ａが経過したか否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間Ａが経過した）である場合は、ステップＳ１０２に進んで、パージ弁１４および導入弁１８を開放する。
一方、ステップＳ１０１の判定結果が「ＮＯ」（所定時間Ａが経過していない）である場合は、ステップＳ１０６に進んで、パージ弁１４および導入弁１８の閉鎖を継続し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００１８】
ステップＳ１０２の処理を実行した後、ステップＳ１０３に進み、導入弁１８を開放してから所定時間Ｂが経過したか否か判定する。これは、導入弁１８を開放して基準ガスを空気排出路２２に導入してから所定時間Ｂが経過しないと、安定した水素濃度の基準ガスを空気排出路２２に導入できないこと、および、基準ガスがほぼ均一に混合された空気オフガスが水素センサ２５に到達しないことによる。
【００１９】
ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間Ｂが経過した）である場合は、ステップＳ１０４に進んで、水素センサ２５の故障判定を実行する。
一方、ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（所定時間Ｂが経過していない）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合は、所定時間Ｂが経過するまでステップＳ１０３の処理を継続することとなる。
【００２０】
ステップＳ１０４の処理を実行した後、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０４の故障判定処理を開始してから所定時間Ｃが経過したか否かを判定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間Ｃが経過した）である場合は、故障判定処理を終了したものと判定して、ステップＳ１０６に進み、パージ弁１４および導入弁１８を閉鎖して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（所定時間Ｃが経過していない）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合は、所定時間Ｃが経過するまでステップＳ１０５の処理を継続することとなる。
【００２１】
次に、ステップＳ１０４における故障判定処理について、図３を参照して説明する。
初めに、ステップＳ２０１において、すでに故障と判定したか否かを判定する。ステップＳ２０１における判定結果が「ＹＥＳ」（すでに故障と判定した）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＮＯ」（未だ故障と判定していない）である場合は、ステップＳ２０２に進み、水素センサ２５のセンサ値を検出する。
【００２２】
次に、ステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０２で検出した水素濃度が判定値よりも低いか否か判定する。ステップＳ２０３における判定結果が「ＹＥＳ」（検出濃度が判定値より低い）である場合は、水素センサ２５が故障していると判定して、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、ステップＳ２０３における判定結果が「ＮＯ」（検出濃度が判定値以上）である場合は、水素センサ２５は故障していないと判定することができるので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２３】
このように、この実施の形態の水素センサ２５の故障判定装置１においては、燃料電池２の運転中に定期的に水素センサ２５の故障判定を容易に且つ確実に実施することができる。したがって、水素センサ２５の検出結果に対する信頼性が向上する。また、万が一。水素センサ２５が故障しているときには、これを早期発見することができる。
また、この実施の形態では、燃料電池２のアノードから排出される水素オフガスを希釈装置１６によって所定濃度に希釈して基準ガスとし、これを水素センサ２５よりも上流の空気排出路２２に戻すようにしているので、基準ガスの供給源を新たに用意する必要がなく、装置構成が簡単になる。
さらに、基準ガスの水素濃度が既知であるので、故障判定の判定値を高い精度で設定することができ、水素センサ２５に対する故障判定精度を高めることができる。
【００２４】
なお、図４は、この実施の形態におけるパージ弁１４および導入弁１８の開閉、水素センサ２５の出力（検出濃度）、故障判定処理のタイムチャートであり、所定時間Ｂの経過途中において水素センサ２５で水素が検出され始め、故障判定処理の期間中（所定時間Ｃ）は水素センサ２５はほぼ一定濃度の出力を示している。
【００２５】
なお、前述した実施の形態では、水素センサ２５の故障判定を燃料電池２の運転中に所定時間毎に実行しているが、水素センサ２５の故障判定を実行するタイミングは、燃料電池システムの停止時に、燃料電池２のカソードへの空気供給を停止する前に実行することも可能である。また、水素センサ２５は、接触燃焼式水素センサに限るものではなく、ガス流中で水素を検出することができるタイプのものであれば、その形式は問わない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明するように、この出願に係る発明によれば、水素ガスを含む検出用基準ガスを前記水素検出手段の検出部に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段を備えることにより、基準ガス供給手段によって水素ガスを含む検出用基準ガスを水素検出手段の検出部に供給したときに、水素検出手段が所定濃度以上の水素ガスを検出した場合には水素検出手段が正常であると判定することができ、水素検出手段が水素ガスを検出しないかあるいは検出しても検出濃度が所定濃度に満たない場合には水素検出手段が故障であると判定することができる。したがって、水素検出手段の故障判定を所定のタイミングで容易に且つ確実に実施することができ、水素検出手段の検出結果に対する信頼性が向上するという優れた効果が奏される。
【００２９】
また、検出用基準ガスの供給源を新たに用意する必要がなくなり、装置構成を簡単にすることができるという効果がある。
【００３０】
また、この発明において、前記基準ガス供給手段が、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈手段を備え、この希釈手段により希釈されたアノードオフガスを前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に戻すように構成されている場合には、検出用基準ガスの水素濃度を既知とすることができ、故障判定の判定値を高い精度で設定することができるので、水素検出手段に対する故障判定精度を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係るガス検出手段の故障判定装置を備えた燃料電池システムの一実施の形態における構成図である。
【図２】  前記実施の形態における弁開閉制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】  前記実施の形態における故障判定制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】  前記実施の形態におけるタイムチャートである。
【符号の説明】
１  故障判定装置
２  燃料電池
１４  パージ弁（基準ガス供給手段）
１５  水素排出路（基準ガス供給手段）
１６  希釈装置（希釈手段、基準ガス供給手段）
１７  還流路（基準ガス供給手段）
１８  導入弁（基準ガス供給手段）
２２  空気排出路（カソードオフガス通路、ガス流路）
２５  水素センサ（水素検出手段、ガス検出手段）
２５ａ  検出部
３０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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