JP4636336B2

JP4636336B2 - 排気弁の故障診断装置

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Publication number: JP4636336B2
Application number: JP2006514087A
Authority: JP
Inventors: 統▲将▼ 石河; 尚樹蟹江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: JPWO2005119823A1; DE112005001278T5; US20070218327A1; WO2005119823A1; US9147893B2; DE112005001278B4

Description

本発明は燃料電池システムのアノード排出ガスの排出流路に配設されている排気弁の故障を判定する故障診断装置に関するものであり、特に、故障判定精度を高めるための改良技術に関する。

単セルを直列に複数積層して成る燃料電池スタックに燃料ガスと酸化ガスを供給して電力を発電する燃料電池システムにおいては、アノード極から排出された水素ガスを再びアノード極に還流させることにより未反応水素ガスを電池反応に再利用する構成が知られている。水素ガスの循環路には水素ガスの一部を排気するための水素排気弁が設けられており、水素ガスに含まれる水素以外の成分濃度が高くなった時点で水素排気弁を定期的に開くことによりアノード極に供給される水素濃度を適正に維持している。ところが、水素排気弁に異常が生じ、弁の開閉作動が正常に機能しない場合には、電池運転に支障が生じることとなる。このため、特開２００３−９２１２５号公報には水素排気弁への水素排出指令を検知し、燃料電池スタックの燃料給気部の目標圧力と実際の水素供給圧とに基づいて水素排気弁の故障を判定する技術が提案されている。水素排気弁が開いている場合には実際の水素供給圧は目標圧力よりも低下するはずであるから、その差分が閾値以上であれば正常であり、差分が閾値未満であれば閉故障と判定できる。また、水素排気弁が閉じている場合には、実際の水素供給圧は目標圧力に一致するはずであるから、その差分が閾値未満であれば正常であり、差分が閾値以上であれば開故障と判定できる。
特開２００３−９２１２５号公報

しかし、上述の従来技術では、燃料電池スタックの水素供給路に圧力センサを設置して水素供給圧を検出する構成としているため、水素循環系を備えたシステムでこのような構成を採用すると、圧力センサは水素ガスを伝播する水素循環ポンプの脈動（圧力変動）の影響を受けるため、水素排気弁の故障診断に必要な水素供給圧を正確に検出することが困難になり、故障判定を誤診断する虞がある。
また、水素排気弁の故障の有無を検知するために、水素排気弁の上流側に圧力センサを設置するだけでは、燃料電池の出力変動に伴う水素循環系の圧力変化や、配管の圧力損失等により、水素排気弁を開閉したときに十分な圧力差を得ることができず、誤検出をする場合があった。
また、従来では、水素排気弁の開閉時間と燃料電池スタックの発電電量との関係を予めマップデータとして保持しておき、このマップデータを参照しながら水素排気弁を開閉制御していたので、水素排気系の経時変化や何等かのシステム要因により水素排気弁の流量特性に変化が生じた場合に、実際の水素パージ量とマップ値（予定される水素パージ量）との間にずれが生じ得る。実際の水素パージ量がマップ値を下回ると、水素循環系の不純物濃度が上昇し、燃料電池スタックの発電特性が低下する。一方、実際の水素パージ量がマップ値を上回ると、燃費の悪化を招く。このような異常を検出するために、水素排気弁の開弁時と閉弁時のそれぞれにおける、水素排気弁上流側の水素排出通路の圧力変化を検出するだけでは、異常部位を特定することができない。
そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池システムのアノード排出ガスの排出流路に配設されている排気弁の故障判定を正確に行える故障診断装置を提案することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明の故障診断装置は、燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、燃料電池のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量に基づいて排気弁の故障を判定する判定手段とを備える。アノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量に基づいて排気弁の故障判定を行うため、正確な故障診断が可能になる。
本発明の故障診断装置は、燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、燃料電池のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量と燃料電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて排気弁の故障を判定する判定手段とを備える。燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて排気弁の故障判定を行うことにより、燃料電池の運転状態に影響されることなく正確に故障判定を行える。
排気弁の故障判定に用いられるアノード排出ガスの状態量としては、例えば、アノード排出ガスの圧力が好適である。
本発明の故障診断装置はアノード排出ガスの排出口と排気弁との間の排出流路の流路断面積を小さくする絞り手段を更に備え、検出手段は絞り手段と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出するように構成するのが望ましい。排出流路に絞り手段を設置することで、排気弁の開弁時におけるアノード排出ガス圧の低下量を一層大きくすることができるため、燃料電池の運転状態によって変動するアノード排出ガス圧の影響を受けずに正確な故障判定を行える。
ここで、判定手段は排気弁の故障が検出された場合には排気弁の故障判定を複数回繰り返すのが望ましい。このように構成すれば、一時的な作動不良等による誤判定を回避できる。
また、判定手段は、排気弁の開閉に伴う圧力変動に基づいて排気弁の故障を判定するのが好ましい。排気弁の開閉に伴う圧力変動を検出することで、弁故障を判定できる。
また、判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出するアノード排出ガスの圧力、排気弁が開弁してから閉弁するまでに検出手段が検出するアノード排出ガスの最低圧力、及び開弁している排気弁が閉弁するときに検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力に基づいて排気弁の故障を判定するのが好ましい。これら複数の圧力値に基づいて排気弁の故障判定を行うことで、精度の高い故障判定を実現できる。
また、判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、排気弁の下流側又は排気弁自体に流量低下要因があると判定し、所定の閾値以上である場合に、排気弁の上流側に流量低下要因があると判定するのが好ましい。かかる構成により、アノード排出ガスの排出流路に生じた流量低下要因の部位を特定できる。

図１は実施例１の燃料電池システムの主要構成図である。
図２は水素排気弁の開弁時における出口水素圧力の低下を示す図である。
図３は出口水素圧力の絶対圧を利用した故障判定ルーチンである。
図４は出口水素圧力の差圧を利用した故障判定ルーチンである。
図５は実施例２の燃料電池システムの主要構成図である。
図６は実施例３の燃料電池システムの主要構成図である。
図７は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。
図８は水素排気弁の故障判定ルーチンである。
図９は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。
図１０は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。
図１１は水素排気系の異常部位を特定する判定ルーチンである。

本実施形態の故障診断装置は、水素排気弁に開閉指令が与えられたときにおける燃料電池の水素排出口と水素排気弁との間の水素流路（水素排出路又は水素循環路）を流れる水素ガス（アノード排出ガス）の状態量を検出し、検出された水素ガスの状態量と燃料電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて（例えば、水素ガス状態量と故障判定値との大小関係等を比較して）水素排気弁の故障（開閉故障等の作動不良又は破損等によるガス漏れ）を判定する。ここで、水素ガスの状態量とは、水素圧力又はこれと物理的に等価な物理量（例えば、水素ガスの流量又は流速など）をいう。更に、水素ガスの状態量には水素圧力又はこれと物理的に等価な物理量の変化量又はその変化速度を含むものとする。後述する各実施例ではガス状態量として水素圧力（絶対圧）又はその変化量（差圧）を例示するが、これに限定されるものではない。また、故障判定値とは故障判定の目安となる水素ガスの状態量をいい、燃料電池の運転状態に応じて変動する水素ガスのガス状態量の変動量を加味した上で適正な故障判定が行えるように設定するのが望ましい。

図１は本実施例に係わる燃料電池システム１０の概略構成を示している。同システム１０は、例えば、燃料電池車両搭載用又は定置用の発電システムとして構成されており、反応ガス（水素ガス、酸素ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池スタック２０を備えている。燃料電池スタック２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜電極接合体２４を備えている。膜電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。高圧水素タンク又は水素吸蔵合金タンク等の水素供給源（図示せず）から放出される水素ガスはレギュレータ６１にて所定圧に減圧された後に水素供給路３１を流れてアノード極２２に供給され、電池反応に供した後に水素排出路３２を流れて排出される。水素排出路３２には水素オフガスをシステム外に排出するための水素排気弁６２が配設されている。水素排気弁６２としては、例えば、電磁遮断弁が好適であり、リニア弁、オンオフ弁の何れでもよい。燃料電池スタック２０の水素排出口２７と水素排気弁６２との間には水素排出路３２内の水素圧力を検出する検出手段としての圧力センサ７０が設置されている。一方、酸素供給路４１からカソード極２３に供給される酸素ガスは電池反応に供した後に酸素排出路４２を流れて排出される。制御部５０は要求負荷に応じて発電制御を行うシステムコントローラであり、必要に応じて水素排気弁６２の開閉指令を与えて水素オフガスを定期的に排出する。制御部５０は圧力センサ７０が検出した水素圧力に基づいて水素排気弁６２の開閉故障又は破損等の故障を判定する判定手段５１を備えた故障診断装置として機能する。
次に、水素排気弁６２の故障判定の概要について説明する。水素排気弁６２が正常に閉弁しているときには、水素排気口２７と水素排気弁６２との間の水素排出路３２の水素圧力（以下、出口水素圧力と称する。）の最低圧は水素パージ時（水素排気弁６２の開弁時）の想定最高圧（推定最高圧）以上になり、水素排気弁６２が正常に開弁しているときには、出口水素圧力は通常運転時（水素排気弁６２の閉弁時）の想定最低圧（推定最低圧）以下になることが本発明者の実験により確認されている。ここで、水素パージ時の想定最高圧及び通常運転時の想定最低圧としては、システムの運転状態（燃料電池スタック２０の運転負荷やレギュレータ６１の流量特性など）に対応して定まる圧力値でもよく、又はシステムの運転状態に関係ない一定圧力値であってもよい。これらの圧力値（水素パージ時の想定最高圧、通常運転時の想定最低圧）は水素排気弁６２の故障判定値として用いることができる。具体的には、水素排気弁６２が閉弁しているときの出口水素圧力（絶対圧）若しくは水素排気弁６２が開弁しているときの出口水素圧力（絶対圧）を故障判定値と比較することにより、又はこれらの出口水素圧力の差圧を故障判定値と比較することにより、水素排気弁６２の開閉故障又は破損等の有無を判定できる。但し、出口水素圧力は水素排気弁６２が開閉しなくても、運転負荷やレギュレータ６１の流量特性等に起因して水素流量が絶えず変動するため、これらの影響による圧力変動が水素排気弁６２の開閉に伴う圧力変動として誤判定されないように故障判定値の値を設定する必要がある。また、水素排気弁６２の開閉故障を一旦検出すると、故障判定を所定回数繰り返し実行することで誤判定を回避することができる。
図３は出口水素圧力の絶対値を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示している。同ルーチンは制御部５０によって実行される。同ルーチンが呼び出されると、まず、変数Ｉを初期化するために、初期値「１」を代入する（Ｓ１０１）。変数Ｉは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。次に、水素パージを行うか否かを判定する（Ｓ１０２）。水素パージを行う場合には（Ｓ１０２；ＹＥＳ）、水素排気弁６２に開弁指令を与え（Ｓ１０３）、出口水素圧力の最低値（圧力センサ７０が検出した最低圧）Ｐ１が水素パージ時の想定最高圧ＰＸ以上であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。出口水素圧力の最低値Ｐ１が水素パージ時の想定最高圧ＰＸ未満である場合には（Ｓ１０４；ＮＯ）、正常に開弁していると判定し（Ｓ１０５）、同ルーチンを終了する。一方、出口水素圧力の最低値Ｐ１が水素パージ時の想定最高圧ＰＸ以上である場合には（Ｓ１０４；ＹＥＳ）、水素排気弁６２が正常に開いていない、つまり、閉故障と判定する（Ｓ１０６）。そして、変数Ｉの値を「１」だけインクリメントし（Ｓ１０７）、変数Ｉの値が所定回数ＩＡ未満であれば（Ｓ１０８；ＮＯ）、Ｓ１０３以降の処理を再度繰り返し、変数Ｉの値が所定回数ＩＡ以上であれば（Ｓ１０８；ＹＥＳ）、水素排気弁６２は閉故障の状態にあると確定する（Ｓ１０９）。
一方、水素パージを行わない場合には（Ｓ１０２；ＮＯ）、水素排気弁６２に閉弁指令を与え（Ｓ１１０）、出口水素圧力（圧力センサ７０が検出した水素圧）Ｐ２が通常運転時の想定最低圧ＰＹ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１１）。出口水素圧力Ｐ２が通常運転時の想定最低圧ＰＹ以上である場合には（Ｓ１１１；ＮＯ）、正常に閉弁していると判定し（Ｓ１０５）、同ルーチンを終了する。一方、出口水素圧力Ｐ２が通常運転時の想定最低圧ＰＹ以下である場合には（Ｓ１１１；ＹＥＳ）、水素排気弁６２が正常に閉じてない、つまり開故障と判定する（Ｓ１１２）。そして、変数Ｉの値を「１」だけインクリメントし（Ｓ１１３）、変数Ｉの値が所定回数ＩＢ未満であれば（Ｓ１１４；ＮＯ）、Ｓ１１０以降の処理を再度繰り返し、変数Ｉの値が所定回数ＩＢ以上であれば（Ｓ１１４；ＹＥＳ）、水素排気弁６２は開故障の状態にあると確定する（Ｓ１１５）。
尚、「開故障」とは弁が開いたままになって閉弁できなくなる故障状態をいい、「閉故障」とは弁が閉じたままになって開弁できなくなる故障状態をいう。
図４は出口水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示している。同ルーチンは制御部５０によって実行される。同ルーチンが呼び出されると、まず、変数Ｊを初期化するために、初期値「１」を代入する（Ｓ２０１）。変数Ｊは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。次に、水素パージを行うか否かを判定する（Ｓ２０２）。水素パージを行わない場合には（Ｓ２０２；ＮＯ）、同ルーチンを終了する。水素パージを行う場合には（Ｓ２０２；ＹＥＳ）、水素排気弁６２に開弁指令を与え（Ｓ２０３）、水素パージ直後（開弁指令を与えた直後）の出口水素圧力ＰＡと、水素パージ後（開弁指令を与えてから所定時間経過後）の出口水素圧力の最低圧力ＰＢを記録する（Ｓ２０４，Ｓ２０５）。水素排気弁６２が正常に開弁したならば、出口水素圧力は低下するはずであるから、上述した圧力ＰＡと圧力ＰＢの差圧は所定の想定差圧（故障判定値）ＰＺ以上になることが予想される。想定差圧ＰＺは水素排気弁６２が正常に開弁したときに検出される出口水素圧力の差圧である。大流量の水素を必要とする高負荷時にはレギュレータ６１の２次圧は低下する一方で、小流量の水素で足りる低負荷時にはレギュレータ６１の２次圧は増加するため、想定差圧ＰＺは高負荷運転時よりも低負荷運転時の方が大きい値になる。そこで、差圧（ＰＡ−ＰＢ）と想定差圧ＰＺを比較し、差圧（ＰＡ−ＰＢ）が想定差圧ＰＺ以上であれば（Ｓ２０６；ＹＥＳ）、開閉故障なし（正常作動）と判定し（Ｓ２０７）、同ルーチンを終了する。
一方、差圧（ＰＡ−ＰＢ）が想定差圧ＰＺ未満であれば（Ｓ２０６；ＮＯ）、水素排気弁６２が正常に開閉していない、つまり、開閉故障が生じていると判定する（Ｓ２０８）。次いで、水素排気弁６２が開故障の状態にあるのか又は閉故障の状態にあるのかを判定するため、水素パージ時の出口水素圧力の最低圧力が取り得る最高圧力ＰＨと、上述した圧力ＰＢを比較し（Ｓ２０９）、圧力ＰＢが圧力ＰＨ以上である場合には（Ｓ２０９；ＹＥＳ）、水素排気弁６２が正常に開弁しない、つまり、閉故障と判定する（Ｓ２１０）。誤判定を回避するため、再度、水素排気弁６２に開閉指令を与え（Ｓ２１１）、変数Ｊの値を「１」だけインクリメントする（Ｓ２１２）。変数Ｊの値が所定回数ＪＣ未満であれば（Ｓ２１３；ＮＯ）、Ｓ２０４以降の処理を再度繰り返し、変数Ｊの値が所定回数ＪＣ以上であれば（Ｓ２１３；ＹＥＳ）、水素排気弁６２は閉故障の状態にあると確定する（Ｓ２１４）。
一方、圧力ＰＢが圧力ＰＨ未満である場合には（Ｓ２０９；ＮＯ）、水素排気弁６２は正常に開弁できていると推定できる。そこで、水素排気弁６２が開故障の状態にあるか否かを判定するため、水素パージ時の想定最低圧ＰＬと、上述した圧力ＰＡを比較し（Ｓ２１５）、圧力ＰＡが圧力ＰＬ以下である場合には（Ｓ２１５；ＹＥＳ）、水素排気弁６２が正常に閉弁しない、つまり、開故障と判定する（Ｓ２１６）。その後は上述したＳ２１１以降の処理を行う。これに対して、圧力ＰＡが圧力ＰＬ以上である場合には（Ｓ２１５；ＮＯ）、Ｓ２０８の故障判定は誤りと考えられるため、水素排気弁６２に開閉故障は生じてないもの判定して、同ルーチンを終了する。
尚、上述した水素排気弁故障判定ルーチンでは運転負荷に応じて変動する出口水素圧力を用いているので、故障判定精度を高めるために水素排出口２７と圧力センサ７０との間の水素排出路３２に流路断面積を小さくするオリフィス（絞り手段又は流量制限手段）８０を設けて（図１参照）、水素排気弁６２の開弁後における出口水素圧力の低下量を一層増大させるように構成するのが望ましい。圧力センサ７０の上流にオリフィス８０を設けると、水素排出路３２の流体抵抗は増大するため、水素排気弁６２を開弁しても、オリフィス８０の下流にある圧力センサ７０には水素ガスが流入し難くなる。このため、図２に示すように、オリフィス８０を設けたときの出口水素圧力（実線）の低下量はオリフィス８０を設けていないときの出口水素圧力（点線）の低下量よりも大きくなる。このように、水素排気弁６２の開弁後における出口水素圧力の低下量を大きくすることで、運転負荷やレギュレータ６１の流量特性等に起因する開閉故障の誤判定を回避することができる。
但し、故障判定値として用いられる「水素パージ時の想定最高圧」、「通常運転時の想定最低圧」、「想定差圧」、「水素パージ時の出口水素圧力の最低圧力が取り得る最高圧力」、「水素パージ時の想定最低圧」については、オリフィス８０の設置に伴う出口水素圧力の低下量を考慮して適宜補正する必要がある。
本実施例によれば、運転負荷やレギュレータ６１の流量特性等に起因する水素流量の変動を加味した故障判定値と、出口水素圧力を比較して水素排気弁３２の故障判定を行うので、システムの運転状態に影響されずに故障判定を行うことができる。また、圧力センサ７０の上流にオリフィス８０を設置することにより水素排気弁６２の開弁後における出口水素圧力の低下量を大きくし、運転負荷やレギュレータ６１の流量特性等に起因する開閉故障の誤判定を回避できる。
尚、出口水素圧力の絶対圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンと、出口水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンは何れか一方のみを実行してもよいが、一方の故障判定ルーチンで開閉故障が検出された場合に、他方の故障判定ルーチンを実行して開閉故障の有無を再判定するように構成してもよい。

図５は本実施例に係わる燃料電池システム１１の概略構成を示している。図中、図１に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとしてその詳細な説明を省略する。同システム１１は水素循環系を備えており、水素排出路３２を流れる水素ガスを水素供給路３１に還流させる水素循環路３３が配管されている。水素排出路３２には燃料電池スタック２０から排出された水素ガスを水素供給路３１に圧送するための水素循環ポンプ６３が設置されている。水素循環ポンプ６３は制御部５０によって駆動制御される。本実施例のように水素循環系に水素循環ポンプ６３を備えるシステムでは、レギュレータ６１の流量特性に加えて、水素循環ポンプ６３の駆動に伴う水素ガスの圧力変動（脈動）が生じるため、圧力センサ７０が検出する出口水素圧力（検出圧力）は水素循環ポンプ６３の影響を受けて測定誤差を生じる虞がある。そこで、水素循環ポンプ６３の下流側と圧力センサ７０との間にオリフィス８０を設けることにより、水素循環ポンプ６３の駆動に伴い圧力センサ７０に伝播する水素ガスの圧力変動を抑制している。本実施例における水素排気弁６２の故障判定処理（出口水素圧力の絶対圧又は差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチン）は実施例１と同様である。

上述した実施例１又は実施例２において、水素排気弁６２の開弁時における出口水素圧力の低下を大きくするための手段としては、水素排出路３２の流路断面積を小さくすることが可能な絞り手段であれば、必ずしもオリフィス８０である必要はなく、例えば、絞り手段としての弁を水素排出路３２に配設し、弁開度を調整することで水素排出路３２の流路断面積を小さくするように構成してもよい。また、このような絞り手段（オリフィス又は弁など）は必ずしも必須ではなく、適宜省略してもよい。

図６は本実施例に係わる燃料電池システム１２の概略構成を示している。図中、図５に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとしてその詳細な説明を省略する。高圧水素タンク９２から放出される水素ガスは水素供給路３１を通じて燃料電池２０のアノード極２２に供給される。電池反応に供した後の水素オフガスは水素排出路３２を流れ、水素循環ポンプ６３によって圧縮されて、水素循環路３３を経由して水素供給路３１に還流する。水素循環路３３には水素排出路３４が分岐配管されており、水素排気弁６２を開閉することによって、不純物濃度の高い水素オフガスを水素循環系外に排出する構成となっている。水素排気弁６２から排出された水素オフガスは希釈器９３に導入され、十分な低濃度に希釈されてシステム外に排気される。一方、大気から取り込まれた空気はエアコンプレッサ９１によって加圧され、酸素供給路４１を通じてカソード極２３に供給される。電池反応に供した後の酸素オフガスは酸素排出路４２を流れて、希釈器９３に流入する。水素排気弁６２の上流側には流量制限要素９０が配設されている。流量制限要素９０は、水素排出路３４を流れる水素オフガスの流量を制限するための部材であり、例えば、オリフィス等である。制御部５０はエアコンプレッサ９１の駆動制御や水素排気弁６２の開閉制御を行う他、圧力センサ７０が検出した圧力値に基づいて水素排気弁６２の故障判定を行う。圧力センサ７０は流量制限要素９０の出口側と水素排気弁６２の入り口側との間にある水素排出路３４内の水素圧を計測する。
図７は水素排気弁６２の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。同図に示す例では、水素排気弁６２の開閉作動を３回繰り返すための駆動信号が出力されている。１回目の開弁指令は時刻ｔ１〜ｔ２の期間に、２回目の開弁指令は時刻ｔ３〜ｔ４の期間に、３回目の開弁指令は時刻ｔ５〜ｔ６の期間に、それぞれ出力されている。ところが、１回目の開弁指令では水素排気弁６２は正常に開弁しているものの、２回目及び３回目の開弁指令では水素排気弁６２は正常に開閉作動せず、開弁したままである（開故障）。図中Ｐ１＿ｎは水素排気弁６２にｎ回目の開弁指令が与えられた直後の圧力値、Ｐ２＿ｎは水素排気弁６２にｎ回目の開弁指令が与えられてから閉弁指令が与えられる迄の最低圧力値、Ｐ３＿ｎは水素排気弁６２にｎ回目の閉弁指令が与えられた直後の復帰圧力値である。これらの各圧力値Ｐ１＿ｎ，Ｐ２＿ｎ，及びＰ３＿ｎは、圧力センサ７０の検出値である。水素排気弁６２に弁故障が生じてない場合には、水素排気弁６２が閉弁しているときの圧力Ｐ１＿ｎは、水素循環路３３の圧力に等しい。水素排気弁６２が開弁すると、水素排出路３４を流下する水素ガスの流れは流量制限要素９０によって抑制され、最低圧力値Ｐ２＿ｎは流量制限要素９０が無いときの最低圧力値よりも大幅に低下するので、水素排気弁６２の開閉に伴う圧力変化を大きくとることが可能である。
次に、水素排気弁６２の開閉故障を診断する方法について説明する。
（１）制御部５０は、１回目の開弁指令が水素排気弁６２に与えられたときの圧力値Ｐ１＿１，Ｐ２＿１，及びＰ３＿１を記憶する。
（２）制御部５０は、Ｐ３＿１とＰ２＿１とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図７に示す例では、１回目の開弁指令に対して水素排気弁６２は正常に開閉しているので、両者の差圧は閾値以上となる。そこで、制御部５０は、水素排気弁６２が正常に開閉していると判断し、Ｐ１＿１を正常圧力として記憶する。
（３）制御部５０は、２回目の開弁指令が水素排気弁６２に与えられたときの圧力値Ｐ１＿２，Ｐ２＿２，及びＰ３＿２を記憶する。
（４）制御部５０は、Ｐ３＿２とＰ２＿２とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図７に示す例では、２回目の開弁指令に対して水素排気弁６２は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値未満となる。そこで、制御部５０は、水素排気弁６２が開故障の状態にあると判断する。
（５）水素排気弁６２が開故障の状態にあると、大量の水素オフガスが希釈器９３に流れ込み、十分に希釈されないままシステム外に排気される虞がある。そこで、制御部５０はエアコンプレッサ９１に対してエア流量の増加を指示する。
（６）更に、再判定のために制御部５０は水素排気弁６２に３回目の開弁指令を与える。
（７）制御部５０は、３回目の開弁指令が水素排気弁６２に与えられたときの圧力値Ｐ１＿３，Ｐ２＿３，及びＰ３＿３を記憶する。
（８）制御部５０は、Ｐ１＿１（正常時圧力）とＰ１＿３とを比較し、両者の差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する。図７に示す例では、３回目の開弁指令に対して水素排気弁６２は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値以上となる。そこで、制御部５０は、水素排気弁６２が開故障の状態が継続していると判定する。
（９）水素排気弁６２の開故障の状態が継続していると判定されたならば、最終確認として、制御部５０はＰ３＿３とＰ２＿３とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図７に示す例では、３回目の開弁指令に対して水素排気弁６２は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値未満となる。そこで、制御部５０は水素排気弁６２の開故障の状態が継続していると判定する。
図８は水素排気弁６２の故障判定ルーチンを示している。同図を参照しながら、上述の説明を再述する。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は、Ｐ３＿１とＰ２＿１との差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ３０１）。Ｐ３＿１とＰ２＿１との差圧が所定の閾値以上である場合には（Ｓ３０１；ＹＥＳ）、制御部５０は、水素排気弁６２が正常に開閉していると判定し（Ｓ３０２）、本ルーチンを終了する。一方、Ｐ３＿１とＰ２＿１との差圧が所定の閾値未満である場合には（Ｓ３０１；ＮＯ）、水素排気弁６２が開故障している可能性があるので、制御部５０は再度、水素排気弁６２に開弁指令を与えるとともに、エアコンプレッサ９１にエア流量増加指示を与える（Ｓ３０３）。次いで、制御部５０は、Ｐ１＿１とＰ１＿３との差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（Ｓ３０４）。Ｐ１＿１とＰ１＿３との差圧が所定の閾値未満である場合には（Ｓ３０４；ＹＥＳ）、制御部５０は、水素排気弁６２が正常に開閉していると判定し（Ｓ３０２）、本ルーチンを終了する。一方、Ｐ１＿１とＰ１＿３との差圧が所定の閾値以上である場合には（Ｓ３０４；ＮＯ）、水素排気弁６２が開故障している可能性があるので、再確認のために、Ｐ３＿３とＰ２＿３との差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ３０５）。Ｐ３＿３とＰ２＿３との差圧が所定の閾値以上である場合には（Ｓ３０５；ＹＥＳ）、制御部５０は、水素排気弁６２が正常に開閉していると判定し（Ｓ３０２）、本ルーチンを終了する。一方、Ｐ３＿３とＰ２＿３との差圧が所定の閾値未満である場合には（Ｓ３０５；ＮＯ）、制御部５０は、水素排気弁６２が開故障していると判定し（Ｓ３０６）、本ルーチンを終了する。
本実施例によれば、流量制限要素９０の出口側と水素排気弁６２の入口側との間の水素排出路３４に圧力センサ７０を配設したので、水素排気弁６２の開閉に伴う圧力変化を大きくとることが可能となる。また、複数の圧力値（Ｐ１＿ｎ，Ｐ２＿ｎ，及びＰ３＿ｎ）の比較により水素排気弁６２の故障をより正確に判定することができるとともに、水素排気弁６２の開故障に備えて予めエアコンプレッサ９１のエア流量を増量しておくことで、高濃度水素ガスの排気を抑制できる。

次に、水素排気系に生じた流量低下要因の部位を判定する方法について説明する。本実施例が適用される燃料電池システムは、水素排気弁６２の上流側に圧力センサ７０が配設された構成であればよい。例えば、実施例４のように、水素排気弁６２とその上流側に配設された流量制限要素９０との間に圧力センサ７０が配設された構成がより好ましい。説明の便宜上、実施例４の燃料電池システム１２を参照しながら説明する。
図９及び図１０は、水素排気弁６２の開閉動作に伴う圧力変化を示している。図中、Ｐ１は水素排気弁６２に開弁指令が与えられた直後の圧力値、Ｐ２は水素排気弁６２に開弁指令が与えられてから閉弁指令が与えられる迄の最低圧力値、Ｐ３は水素排気弁６２が閉弁して所定時間が経過した後の圧力値（復帰圧力値）を示している。Ｐ１〜Ｐ３は、何れも圧力センサ７０の検出値である。
図９において、実線は水素排気弁６２の下流側或いは水素排気弁６２自体に流量低下要因（例えば、詰まり等）が生じたときの圧力変化を示し、一点鎖線は正常状態の圧力変化を示している。水素排気弁６２の下流側或いは水素排気弁６２自体に流量低下要因が生じると、水素排気弁６２下流側或いは水素排気弁６２自体の圧力損失が増加するので、水素排気弁６２を開弁したときに圧力センサ７０が検出する圧力値Ｐ２は、正常値Ｐ２′よりも高くなる。一方、水素排気弁６２の上流側には、流量低下要因が無いので、水素排気弁６２閉弁時の圧力変化は、正常時の圧力変化とほぼ同様となり、復帰圧力Ｐ３は、正常値Ｐ３′とほぼ同一である。
図１０において、実線は水素排気弁６２の上流側（例えば、流量制限要素９０）に流量低下要因が生じたときの圧力変化を示し、一点鎖線は正常状態の圧力変化を示している。水素排気弁６２の上流側に流量低下要因が生じると、流量制限要素９０を通過する水素ガス量が低下するので、水素排気弁６２を開弁したときに圧力センサ７０が検出する圧力値Ｐ２は、正常値Ｐ２″よりも低くなる。更に、水素排気弁６２の上流側の圧力損失の増大に伴い、水素排気弁６２を閉弁しても、圧力は直ちには復帰せず、復帰圧力Ｐ３は正常値Ｐ３″よりも低くなる。
このように、水素排気弁６２の下流側或いは水素排気弁６２自体に流量低下要因が生じた場合と、その上流側に流量低下要因が生じた場合とでは、圧力変化の様子が大きく異なる。水素排気弁６２の下流側或いは水素排気弁６２自体に流量低下要因が生じると、水素排気弁６２を開弁したときの圧力降下量（Ｐ１−Ｐ２）は小さくなるが、水素排気弁６２を再び閉弁したときの圧力復帰量（Ｐ３−Ｐ２）は正常値である。一方、水素排気弁６２の上流側に流量低下要因が生じると、水素排気弁６２を開弁したときの圧力降下量（Ｐ１−Ｐ２）は大きくなり、水素排気弁６２を再び閉弁したときの圧力復帰量（Ｐ３−Ｐ２）は小さくなる。
図１１は水素排気系の異常部位判定ルーチンを示している。
制御部６０は、水素排気弁６２に開閉指令を与えるとともに、圧力センサ７０が検出した圧力値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を記憶する。
制御部６０は、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が所定の閾値以内であれば（Ｓ４０１；ＹＥＳ）、正常であると判定する（Ｓ４０２）。
一方、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が所定の閾値を超えていれば（Ｓ４０１；ＮＯ）、制御部６０は、規定差圧−（Ｐ１−Ｐ２）を演算する（Ｓ４０３）。規定差圧−（Ｐ１−Ｐ２）＞０であれば（Ｓ４０４：ＹＥＳ）、制御部６０は、水素排気弁６２の下流側又は水素排気弁６２自体に流量低下要因が生じていると判定する（Ｓ４０５）。
規定差圧−（Ｐ１−Ｐ２）≦０であれば（Ｓ４０４：ＮＯ）、制御部６０は、規定差圧−（Ｐ３−Ｐ２）を演算する（Ｓ４０６）。規定差圧−（Ｐ３−Ｐ２）＞０であれば（Ｓ４０７：ＹＥＳ）、制御部６０は、水素排気弁６２の上流に流量低下要因が生じていると判定する（Ｓ４０９）。
規定差圧−（Ｐ３−Ｐ２）≦０であれば（Ｓ４０７：ＮＯ）、制御部６０は、水素排気弁６２の下流側の圧力損失が減少しているものと判定する（Ｓ４０８）。
本実施例によれば、圧力値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を検出することにより、水素排気系に生じた流量低下要因の部位（異常部位）を特定することができる。

本発明によれば燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて排気弁の故障判定を行うので、燃料電池の運転状態に影響されることなく正確に故障判定を行える。

Claims

燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、
前記燃料電池のアノード排出ガスの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの圧力を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力に基づいて前記排気弁の故障を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、前記排気弁に開弁指令が与えられたときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの最低圧力が所定の閾値以上であるときに前記排気弁が故障していると判定する、故障診断装置。
燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、
前記燃料電池のアノード排出ガスの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの圧力を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力に基づいて前記排気弁の故障を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、前記排気弁に閉弁指令が与えられたときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力が所定の閾値未満であるときに前記排気弁が故障していると判定する、故障診断装置。
請求項１又は請求項２に記載の故障診断装置であって、
前記排出口と前記排気弁との間の排出流路の流路断面積を小さくする絞り手段を更に備え、
前記検出手段は、前記絞り手段と前記排気弁との間のアノード排出ガスの圧力を検出する、故障診断装置。
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の故障診断装置であって、
前記判定手段は、前記排気弁の故障が検出された場合には、前記排気弁の故障判定を複数回繰り返す、故障診断装置。
請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の故障診断装置であって、
ｎを正数としたとき、
前記判定手段は、前記排気弁にｎ回目の閉弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力と、前記排気弁に開弁指令が与えられてからｎ回目の閉弁指令が与えられるまでに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの最低圧力との差圧が所定の閾値以上であるときに前記排気弁は正常に開閉していると判定する、故障診断装置。
請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の故障診断装置であって、
ｎを正数としたとき、
前記判定手段は、前記排気弁にｎ回目の閉弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力と、前記排気弁に開弁指令が与えられてからｎ回目の閉弁指令が与えられるまでに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの最低圧力との差圧が所定の閾値未満であり、且つ、前記排気弁に異なる時刻に二つの開弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの圧力の差圧が所定の閾値未満であるときに前記排気弁は正常に開閉していると判定する、故障診断装置。
請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の故障診断装置であって、
ｎ，ｋを異なる正数としたとき、
前記判定手段は、前記排気弁にｎ回目の閉弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力と、前記排気弁に開弁指令が与えられてからｎ回目の閉弁指令が与えられるまでに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの最低圧力との差圧が所定の閾値未満であり、且つ、前記排気弁に異なる時刻に二つの開弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの圧力の差圧が所定の閾値以上であり、且つ、前記排気弁に（ｎ＋ｋ）回目の閉弁指令が与えられた直後に前記検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力と、前記排気弁に開弁指令が与えられてから（ｎ＋ｋ）回目の閉弁指令が与えられるまでに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの最低圧力との差圧が所定の閾値未満であるときに前記排気弁は正常に開閉していると判定する、故障診断装置。
燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、
前記燃料電池のアノード排出ガスの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの圧力を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力に基づいて前記排気弁の故障を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、前記排気弁の下流側又は前記排気弁自体に流量低下要因があると判定する、故障診断装置。
燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、
前記燃料電池のアノード排出ガスの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの圧力を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力に基づいて前記排気弁の故障を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値以上である場合に、前記排気弁の上流側に流量低下要因があると判定する、故障診断装置。