JP6300844B2 - 冷媒ポンプの故障検知方法及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに用いられる冷媒ポンプの故障を検知する方法に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部温度を監視することが必要である。なぜなら、燃料電池スタックの温度が過度に上昇すると、燃料電池スタックが破損するからである。しかし、燃料電池スタックの内部に直接温度センサを設置することは困難である。このため、燃料電池スタックを冷却するための冷媒の温度を測定し、この冷媒温度に基づいて燃料電池スタックの内部温度を推定している。

ところで、冷媒は、冷媒ポンプによって冷媒回路内を循環するようになっている。冷媒ポンプが故障すると、冷媒温度は燃料電池スタックの内部温度を正しく反映しない。このため、冷媒ポンプの動作が正常か異常かを検知する必要がある。

第１の関連技術として、冷媒ポンプの異常を検知するために、冷媒回路に圧力センサを設けるものがある（特許文献１参照）。具体的には、圧力センサが冷媒ポンプの出口側の冷媒回路に配置される。この圧力センサによって、冷媒ポンプから排出される冷媒のポンプ出口側圧力が測定される。そして、ポンプ出口側圧力と内部データとが比較されて、冷媒ポンプの異常判定が行われる（特許文献１の段落００９２から０１０１参照。）。ここで、内部データとは、冷媒ポンプの回転数に対応した正常な冷媒のポンプ出口側圧力のデータである。

第２の関連技術としては、冷媒ポンプの上流側と下流側に圧力センサを設けるものがある。冷媒ポンプが動作しているときに、冷媒ポンプの上流側と下流側との圧力が測定され、それらの圧力差が算出される。この圧力差に基づいて、冷媒の流量が算出される。算出された流量が燃料電池スタックを冷却するために十分であれば、冷媒ポンプは正常に動作していると判断される。

特開２００２−１８４４３５号公報

しかしながら、第１の関連技術においては、誤検出が生じる場合がある。理由は以下のとおりである。すなわち、冷媒のポンプ出口側圧力は、冷媒ポンプ回転数によって大きく変動する。また冷媒温度や供給されるアノードガスの圧力変化、カソードガスの圧力変化も冷媒のポンプ出口側圧力に影響を与えうる。このため、冷媒ポンプの故障を判断するために、冷媒のポンプ出口側圧力の閾値を設定したとしても、燃料電池システムの運転状態によっては、誤検知が生じてしまう。また、第２の関連技術においては、２つの圧力センサが必要となる。このため、燃料電池システムの製造コストの上昇、重量の増大及び部品レイアウトの自由度低下、という問題が生じる。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、誤検知が生じない、冷媒ポンプの故障検知方法を提供することを課題とする。

第１手段は、燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプの故障検知方法であって、冷媒ポンプの回転数は制御部からの回転数指令によって制御されるものであり、制御部が燃料電池スタックの発電量に対応する第１回転数指令を出力する前又は出力しているときに、冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、制御部が第１回転数指令よりも高い回転数に対応する第２回転数指令を出力しているときに、ポンプ出口側圧力を取得し、取得された２つのポンプ出口側圧力の差に基づいて、冷媒ポンプの故障検知を行う、という構成を採っている。これにより、冷媒ポンプが正常であれば、回転数の上昇に伴って、冷媒のポンプ出口側圧力も大きく上昇する。このため、冷媒ポンプの回転数が上昇する前後のポンプ出口側圧力を監視することで、冷媒ポンプの故障を精度良く検知することができる。

また、第２手段は、第１手段の構成に加え、制御部は、燃料電池スタックに供給されるアノードガスまたはカソードガスの時間に対する圧力変化が所定範囲内の場合に、第２回転数指令を出力する、という構成を採っている。これにより、冷媒のポンプ出口側圧力は、アノードガスやカソードガスの圧力の影響を受けない。すなわち、ポンプ出口側圧力の変化が、冷媒ポンプの回転数の変化によってのみ生じるため、冷媒ポンプの故障をより精度良く検知することができる。

また、第３手段は、第２手段の構成に加え、制御部は、アノードガスまたはカソードガスの圧力が所定範囲を超えて低下した場合には、第１回転数指令を出力する、という構成を採っている。アノードガスまたはカソードガスの圧力が大きく低下する場合、冷媒のポンプ出口側圧力も大きく低下する。このため、ポンプ出口側圧力の低下が冷媒ポンプの故障によるものか、あるいはアノードガス等の圧力低下によるものか、区別することができなくなる。このような場合に故障検知が行われないので、誤検知を効果的に防止することができる。

また、第４手段は、燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプの故障検知方法であって、冷媒ポンプの回転数は、ＣＡＮ通信線で接続された制御部又はポンプドライバからの回転数指令によって制御されるものであり、ＣＡＮ通信線においてＣＡＮ通信異常が発生した場合に、ＣＡＮ通信異常の発生直前または発生時の冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、通信異常の発生から所定時間経過後の冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、取得された２つのポンプ出口側圧力の差に基づいて、冷媒ポンプの故障検知を行う、という構成を採っている。これにより、仮にＣＡＮ通信異常が生じていたとしても、冷媒ポンプが正常に動作していれば、ポンプドライバからの回転数指令によって、冷媒ポンプの回転数も変化する。これに伴い、冷媒のポンプ出口側圧力も変化する。一方、冷媒ポンプが故障していれば、ポンプ出口側圧力は変化しない。従って、ＣＡＮ通信異常時であっても、ポンプ出口側圧力を監視することで、冷媒ポンプの故障を精度良く検知することができる。

また、第５手段は、第４手段の構成に加え、ポンプドライバは、ＣＡＮ通信異常が発生した場合に、冷媒ポンプの回転数を上昇させる回転数指令を出力する、という構成を採っている。これにより、冷媒ポンプが正常であれば、冷媒ポンプの回転数も大きく上昇する。冷媒ポンプの回転数の上昇に伴い、冷媒のポンプ出口側圧力も大きく上昇する。従って、回転数が上昇する前後のポンプ出口側圧力の差を監視することで、冷媒ポンプの故障をより精度良く検知することができる。

第６手段は、第４手段又は第５手段の構成に加え、ＣＡＮ通信異常が発生した後に、燃料電池スタックに供給されるアノードガス又はカソードガスの圧力が所定範囲を超えて低下した場合には、燃料電池スタックによる発電を停止する、という構成を採っている。アノードガス又はカソードガスの圧力が大きく低下した場合、冷媒のポンプ出口側圧力も影響を受けて低下する。このため、ポンプ出口側圧力の低下が、冷媒ポンプの故障によるものなのか、アノードガス等の圧力低下によるものなのか、区別することができない。このような、冷媒ポンプの故障を検知できない場合に発電を停止することで、燃料電池スタックの破損を確実に防止することができる。

第７手段は、燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに接続される冷媒回路と、この冷媒回路に設けられて前記燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプに回転数指令を出力する制御部と、前記冷媒ポンプの出口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量に対応する第１回転数指令を出力する前又は出力しているときに、前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得する、第１の冷媒圧力取得機能と、前記第１回転数指令よりも高い回転数に対応する第２回転数指令を出力しているときに、前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得する、第２の冷媒圧力取得機能と、取得された２つの前記出口側圧力の差に基づいて、前記冷媒ポンプの故障検知を行う故障検知機能とを有する、という構成を採っている。このため、冷媒ポンプの回転数指令が低い時（第１回転数指令）には、冷媒のポンプ出口側圧力も低い。一方、冷媒ポンプの回転数が高い時（第２回転数指令）には、冷媒ポンプが正常であれば、冷媒のポンプ出口側圧力も高くなる。これら、２つのポンプ出口側圧力を比較して、大きく変動していれば、ポンプが正常に動作していることが分かる。一方、ポンプ出口側圧力が変化していなければ、冷媒ポンプの故障であることが分かる。

本発明によれば、燃料電池システムの様々な運転状態（起動時、発電中、ＣＡＮ通信異常時等）において、冷媒ポンプの故障を精度良く検知することができる。

燃料電池システムの全体概要を示すブロック図である。 燃料電池システムの起動時、発電中、ＣＡＮ通信異常時における、冷媒ポンプ回転数と冷媒のポンプ出口側圧力の関係を示す線図である。 燃料電池システムの起動時における、冷媒ポンプの故障検知方法を説明するためのフローチャートである。 燃料電池システムの起動時における、冷媒ポンプの故障検知方法の一例を説明するためのタイムチャートである。 燃料電池システムの発電中における、冷媒ポンプの故障検知方法を説明するためのフローチャートである。 燃料電池システムの発電中における、冷媒ポンプの故障検知方法の一例を説明するためのタイムチャートである。 燃料電池システムのＣＡＮ通信異常時における、冷媒ポンプの故障検知方法を説明するためのフローチャートである。 燃料電池システムのＣＡＮ通信異常時における、冷媒ポンプの故障検知方法の一例を説明するためのタイムチャートである。

［燃料電池システムの全体構成］
次に、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池スタック３とラジエータ５を備えている。燃料電池スタック３とラジエータ５の間には、冷媒が循環する冷媒回路７が設けられている。冷媒回路７は主に２つの流路７Ａ，７Ｂを備えている。一方の流路７Ａは、ラジエータ５から燃料電池スタック３へ冷媒を供給するための冷媒供給流路である。他方の流路７Ｂは、燃料電池スタック３から排出される冷媒を、ラジエータ５に戻すための冷媒排出流路である。冷媒供給流路７Ａには、電動式の冷媒ポンプ９が設けられている。冷媒ポンプ９は、電動モータによって駆動されるポンプである。また、冷媒ポンプ９の出口側（下流側）には、冷媒のポンプ出口側圧力を検出するための圧力センサ１１が設けられている。この圧力センサ１１の信号は、制御部１７に送信されるようになっている。なお、冷媒ポンプ９の入口側には圧力センサは設けられていない。

また、冷媒ポンプ９には、インバータ３５を介してポンプドライバ１０が接続されており、このポンプドライバ１０によって冷媒ポンプ９が動作する。また、インバータ３５には所定の電源３７が接続されており、この電源３７から冷媒ポンプ９に電力が供給される。更に、ポンプドライバ１０は、イグニッション信号線１３とＣＡＮ（Controller Area Network）信号線１５を介して、制御部１７に接続されている。このため、制御部１７から出力された信号（例えば、回転数指令）がポンプドライバ１０に送信され、このポンプドライバ１０が冷媒ポンプ９の動作を制御する。但し、ポンプドライバ１０は、制御部１７との間に設けられたＣＡＮ信号線１５が断線しても、自律的に回転数指令を出力して冷媒ポンプ９を動作させる機能も有している。なお、制御部１７は、回転数指令を出力する他、後記する様々な制御を行っている。

燃料電池スタック３には、アノードガスである水素を供給するための水素供給流路４３が接続されている。この水素供給流路４３には、スタック入口水素圧力を検出するための水素圧力センサ４５が設けられている。また、燃料電池スタック３には、カソードガスである空気を供給するための空気供給流路４７が接続されている。この空気供給流路４７には、スタック入口空気圧力を検出するための空気圧力センサ４９が設けられている。

また、冷媒ポンプ９は、ターボ型あるいは容積型のいずれであってもよい。また、以下において、冷媒ポンプ９の回転数について説明しているが、ここでいう回転数は、必ずしもインペラなどの回転数だけを意味するものではない。例えば、ピストン式のポンプにおいては、単位時間当たりのピストンの往復回数なども、広く回転数として取り扱う。

［故障検知の概要］
次に、図２に基づいて、冷媒ポンプ９の故障検知の原理について説明する。図２の上側の線図は、冷媒ポンプの実際の回転数の変化を示している。一方、下側の線図は、冷媒のポンプ出口側圧力の変化を示している。また、図２の線図は、縦方向に延びる２本の実線で３つの領域に区切られている。左側の領域は、燃料電池システム１の起動時を示し、中央領域は発電中を示し、右側の領域は、ＣＡＮ通信異常時を示している。更に、太い実線の線図は、冷媒ポンプ９が正常な場合の変化を示しており、太い点線の線図は、冷媒ポンプ９が異常な場合の変化を示している。なお、冷媒ポンプ９が正常とは、回転数指令に基づいて冷媒ポンプ９が回転している状態を意味する。一方、冷媒ポンプ９が異常とは、冷媒ポンプ９が回転数指令に従っていない場合を意味する。具体的には、冷媒ポンプ９の機械的あるいは電気的な故障に加え、冷媒回路への空気混入や、冷媒回路中の冷媒量低下等も広く含んでいる。また、ＣＡＮ通信異常とは、制御部１７とポンプドライバ１０との間で、ＣＡＮ信号の送受信が行えない状態を意味する。

起動時において、冷媒ポンプ９の回転数が上昇すると、これに伴って冷媒のポンプ出口側圧力も上昇する。一方、冷媒ポンプ９が故障によって回転していない場合には、冷媒のポンプ出口側圧力はゼロのままである。また、発電中において冷媒ポンプ９が正常であれば、冷媒ポンプ９の回転数の変化に応じて、冷媒のポンプ出口側圧力も変化する。しかし、冷媒ポンプ９の故障によって冷媒ポンプ９の回転数が低下すると、これに伴って冷媒のポンプ出口側圧力も低下する。更に、ＣＡＮ通信異常時においては、冷媒ポンプ９の回転数が上昇するような制御が行われる。このため、冷媒ポンプ９が正常な場合には、ポンプドライバ１０の制御によって回転数は上昇する。これにより、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇する。一方、冷媒ポンプ９が故障（電源失陥も含む）している場合には、冷媒ポンプ９は停止してしまう。このため、冷媒のポンプ出口側圧力も低下する。

本実施形態では、以上のような原理を用いて、冷媒ポンプ９の故障を検知する。具体的な故障検知方法について以下に説明する。

［起動時の故障検知］
［冷媒ポンプが正常な場合］
先ず、図３に基づいて、燃料電池システム１の起動時における、冷媒ポンプ９の故障検知について説明する。

図３に示すように、先ず、イグニッションがオンにされる（ステップＳ１）。次に、制御部１７は、冷媒ポンプ９の回転数が第１の回転数（例えば５００ｒｐｍ）になるように、第１回転数指令をポンプドライバ１０に出力する（ステップＳ２）。第１の回転数は、燃料電池システム１が起動した直後の通常の発電量に対応する回転数である。ここで、発電量に対応する回転数とは、燃料電池スタック３が所定の発電量で動作する場合に、燃料電池スタック３を適切に冷却するために必要な冷媒流量を得るための回転数である。但し、５００ｒｐｍは一例であって、燃料電池スタック３の発電能力や冷媒ポンプ９の容量によって適切に設定すべきものである。続いて、スタック入口水素圧力が安定しているかどうかが判断される（ステップＳ３）ここで、スタック入口水素圧力が安定していると判断されるのは、スタック入口水素圧力が目標圧力に到達してから所定時間経過後に再度スタック入口水素圧力を測定し、それらの圧力の差が所定範囲の場合である。

スタック入口水素圧力が安定していると判断された場合には、故障検知が開始される（ステップＳ４）。故障検知が開始されると、制御部１７によって冷媒のポンプ出口側圧力（第１冷媒圧力）が取得される（ステップＳ５）。なお、第１回転数指令が出力される前に、後記する冷媒のポンプ出口側圧力を取得してもよい。その後、制御部１７は、冷媒ポンプ９の回転数が第２の回転数（例えば２０００ｒｐｍ）になるように、第２回転数指令をポンプドライバ１０に出力する（ステップＳ６）。この２０００ｒｐｍは、燃料電池スタック３の発動量に対応していない回転数である。具体的には、発電量に対応する回転数よりも高い回転数である。このように、高い回転数の回転数指令を出力するのは、冷媒ポンプ９の故障検知の精度を高めるためである。すなわち、冷媒ポンプ９が正常に動作している場合、冷媒ポンプ９の回転数の上昇に伴って、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇するはずである。このようなことから、冷媒ポンプ９の回転数を大きく変化させることで、冷媒のポンプ出口側圧力の変化も大きくなる。逆に、冷媒ポンプ回転数を高めても冷媒のポンプ出口側圧力が変化しなければ、冷媒ポンプ９の故障であると判断しやすくなる。

そして、制御部１７は、第２回転数指令の出力を所定時間継続する。ここで、第２回転数指令の出力が開始された時点と，開始から所定時間経過後での、スタック入口水素圧力が比較される。比較の結果、スタック入口水素圧力が所定値以上低下したと判断された場合は（ステップＳ７のＹｅｓ)、制御部１７は第１回転数指令を出力すると共に、故障検知を停止する（ステップＳ７１）。

一方、スタック入口水素圧力が所定値以上低下していないと判断された場合は（ステップＳ７のＮｏ)、故障検知が継続されて、制御部１７によって、圧力センサ１１で検出された冷媒のポンプ出口側圧力（第２冷媒圧力）が取得される（ステップＳ８）。そして、取得された２つの冷媒圧力の差が算出されて、その差が閾値を超えているかどうか判断される（ステップＳ９）。冷媒ポンプ９が正常であれば、第２冷媒圧力は第１冷媒圧力に対して、閾値を超えて大きく上昇する。このため、第１と第２冷媒圧力の差が閾値を超えた場合には、冷媒ポンプは正常であると判断され（ステップＳ１０）、燃料電池システムは通常運転が行われる。

［冷媒ポンプが異常の場合］
第１及び第２冷媒圧力の差が閾値を超えていない場合（ステップＳ９のＮｏ）、制御部１７からの第２回転数指令に対して、冷媒ポンプ９が正常に回転していないと考えられる。このため、冷媒ポンプ９は故障していると判断される（ステップＳ９１）。これにより、故障確定フラグＩが立てられる（ステップＳ９２）。故障確定フラグが立てられたら、制御部１７は、燃料電池スタック３による発電を停止する等、燃料電池スタック３の破損を回避するための制御を行う。

図４は、前記起動時の故障検知方法の一具体例を、タイムチャートとして示したものである。時刻Ｔ１０でイグニッションがオンにされると（ステップＳ１）、燃料電池動作モードが起動のための動作モードに変化する。次に、時刻Ｔ１１において、燃料電池動作モードがＭ１１になり、制御部１７が第１回転数指令をポンプドライバ１０に出力する（ステップＳ２）。第１回転数指令によって、冷媒ポンプ９の回転数は第１の回転数まで上昇する。そして、回転数は時刻Ｔ１２までは一定である。なお、本実施形態の燃料電池スタック３は、この時点では実際の発電を開始していないが、発電前であっても冷媒ポンプ９を回転させる場合はある。

次に、燃料電池スタック３への水素の供給が開始される。このため、スタック入口水素圧力が上昇する。これら冷媒ポンプ９の回転数の上昇やスタック入口水素圧力の上昇により、冷媒のポンプ出口側圧力は以下のように変化する。すなわち、時刻Ｔ１１の直後は冷媒ポンプ９の回転数の上昇に伴って、冷媒のポンプ出口側圧力が上昇する。その後、ポンプ出口側圧力は一定となる。そして次に、スタック入口水素圧力の上昇に伴って、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇する。これは、燃料電池スタック３のセパレータを介して水素及び冷媒が隣接しており、水素の圧力が変化するとセパレータが変形して、ポンプ出口側圧力を高めるからである。

次に、スタック入口水素圧力が安定しているかどうかが判断される（ステップＳ３）。本実施形態では、スタック入口水素圧力の安定性については、スタック入口水素圧力が目標圧力に達した時刻と、その時刻から所定時間経過時（時刻Ｔ１２）における水素圧力とを比較して、その差が所定範囲内かどうかで判断している。本実施形態の場合、スタック入口水素圧力は安定しているので（ステップＳ３のＹｅｓ）、故障検知が開始される（ステップＳ４）。

［時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３］
時刻Ｔ１２では、燃料電池動作モードがＭ１４に変更され、発電が開始される。この時点で、制御部１７によって、冷媒のポンプ出口側圧力（第１冷媒圧力）が取得される（ステップＳ５）。これは、制御部１７が有する第１冷媒圧力取得機能である。また、制御部１７は、冷媒ポンプ９の回転数が第２の回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）になるように、第２回転数指令を出力する（ステップＳ６）。

以上のような制御により、冷媒ポンプ９の実際の回転数が上昇する。これに伴い、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇する。また、時刻Ｔ１３における、スタック入口水素圧力が測定され、時刻Ｔ１２におけるスタック入口水素圧力と比較される。比較の結果、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３の間に、スタック入口水素圧力が所定値以上低下していないと判断された場合（ステップＳ７のＮｏ）、時刻Ｔ１３において、制御部１７によって、ポンプ出口側圧力（第２冷媒圧力）が取得される（ステップＳ８）。これは、制御部１７が有する第２冷媒圧力取得機能である。そして、第１及び第２冷媒圧力の差が算出され、算出された冷媒圧力の差が閾値を超えているかどうか判断される（ステップＳ９）。

一方、時刻Ｔ１３でのスタック入口水素圧力が大きく低下した場合（ステップＳ７のＹｅｓ）、制御部１７は第１回転数指令を出力すると共に、故障検知を停止する（ステップＳ７１）。なぜなら、スタック入口水素圧力が大きく低下した場合、これに伴って冷媒の出口側圧力も低下する。その結果、出口側圧力の低下が、冷媒ポンプ９の故障によるものなのか、あるいはスタック入口水素圧力の低下によるものか区別できないからである。なお、スタック入口水素圧力が大きく変動した場合には、燃料電池スタック３の破損を防止するために、発電量を制限する等の制御を行ってもよい。

一方、第１及び第２の水素圧力の差が所定範囲内の場合、故障検知が継続される（ステップＳ７のＮｏ）。すなわち、制御部１７によって第２冷媒圧力が取得される（ステップＳ８）。そして、第１冷媒圧力と第２冷媒圧力との差が算出される。制御部１７によって、この冷媒圧力の差が所定の閾値を超えているかどうか判断される（ステップＳ９）。これは、制御部１７が有する故障検知機能である。冷媒圧力の差が所定の閾値を超えている場合は、冷媒ポンプ９が正常であると判断され（ステップＳ１０のＹｅｓ)、燃料電池システム１は通常運転が行われる。

［時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４］
その後、時刻Ｔ１３において、制御部１７は、５００ｒｐｍに対応する第１回転数指令を出力する。これにより、冷媒ポンプ９の回転数は５００ｒｐｍまで低下する。冷媒ポンプ９の回転数が低下するので、冷媒のポンプ出口側圧力も低下する。そして、冷媒のポンプ出口側圧力が所定値になった後は一定値となる。

［冷媒ポンプが故障している場合］
［時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３］
次に、冷媒ポンプ９が故障している場合について説明する。但し、時刻Ｔ１２までの動作は、冷媒ポンプ９が正常な場合と同様であるので、説明を省略する。冷媒ポンプ９が故障している場合、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３の間において、冷媒ポンプ９の回転数は上昇しないか（図３中の実際の回転数の太点線）あるいは低下する。冷媒ポンプ９の回転数が上昇しなければ、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇しない（図中のポンプ出口側圧力の太点線）。時刻Ｔ１３において、第１と第２冷媒圧力の差が閾値を超えていない場合（ステップＳ９のＮｏ）、制御部１７は、第２の回転数に対応する回転数指令（２０００ｒｐｍ）を延長する。これは、冷媒のポンプ出口側圧力の差が閾値を超えているかどうかを判断するための時間を延長するためである。

［時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４］
次に、時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４まで、継続して第１及び第２冷媒圧力の差が閾値を超えなかった場合には（ステップＳ９のＮｏ）、時刻Ｔ１４において、冷媒ポンプ９の故障であると判断される（ステップＳ９1）。このとき、燃料電池動作モードがＭ１９となる。制御部１７は、冷媒ポンプ９を停止させるための回転数指令（図中における回転数指令の太点線）を出力する。更に、時刻Ｔ１４において、故障確定フラグＩが立てられる（ステップＳ９２）。故障確定フラグＩが立てられると、燃料電池スタック３による発電が停止される。これにより、燃料電池スタック３の過度な温度上昇が抑制されて、燃料電池スタック３の破損が防止される。

なお、アノードガスとしての水素だけでなく、カソードガスとしての空気も冷媒のポンプ出口側圧力に影響を及ぼす。このため、スタック入口空気圧力も、冷媒ポンプ９の故障検知のパラメータとすることが望ましい。すなわち、時刻Ｔ１２におけるスタック入口空気圧力と、時刻Ｔ１３におけるスタック入口空気圧力が取得される。そして、これら２つのスタック入口空気圧力の差が所定範囲を超えた場合、冷媒ポンプ９の故障検知が停止される。なお、スタック入口空気圧力が大きく変動した場合には、燃料電池スタック３の破損を防止するために、発電量を制限する等の制御を行ってもよい。

［発電中の故障検知］
［冷媒ポンプが正常な場合］
次に、図５及び図６に基づいて、発電中における冷媒ポンプ９の故障検知方法について説明する。ここで、図６は、図５の故障検知方法の一具体例をチャイムチャートで示したものである。先ず、時刻Ｔ２０において、イグニッションがオンにされると、所定の発電準備制御が行われた後、燃料電池スタック３による発電が開始される。このとき、制御部１７からは、第１の回転数（例えば、５００ｒｐｍ）に対応する第１回転数指令が出力される。このとき、冷媒のポンプ出口側圧力（第１冷媒圧力）が取得される（ステップＳ２１）。その後、時刻Ｔ２１において、制御部１７から、冷媒ポンプ９の回転数を上昇させる回転数指令が出力される。そして、回転数指令が所定値（例えば、２０００ｒｐｍ）を超えているか否かが判断される（ステップＳ２２）。回転数指令が所定値を超えている場合には、冷媒ポンプ９の故障検知に進む。一方、回転数指令が所定値を超えていない場合には、再度回転数指令が監視される。なお、２０００ｒｐｍは一例であって、これに限定されるものではない。

冷媒ポンプ９が正常に動作している場合、回転数指令の上昇に伴って、冷媒ポンプ９の実際の回転数も上昇する。このため、冷媒のポンプ出口側圧力も上昇する。その後、回転数指令の上昇が停止すると、冷媒のポンプ出口側圧力も一定の圧力値となる。このとき、冷媒のポンプ出口側圧力（第２の冷媒圧力）が取得される（ステップＳ２３)。取得された第１及び第２の冷媒圧力の差が所定の閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ２４）。冷媒圧力の差が所定の閾値を超えている場合、冷媒ポンプ９は正常に動作していると判断される。このため、燃料電池システム１は通常運転が行われる（ステップＳ２４のＹｅｓ）。なお、冷媒圧力の差の閾値を決定するに際しては、冷媒の温度、冷媒ポンプ９の回転数指令やスタック入口水素圧力などをパラメータとしてもよい。例えば、冷媒温度が高い場合や、回転数指令がより高い（例えば、３０００ｒｐｍ）場合には、閾値をより大きくしてもよい。また、スタック入口水素圧力やスタック入口空気圧力が高い場合にも、閾値を大きくしてもよい。

［冷媒ポンプが故障した場合］
［時刻Ｔ２２から時刻Ｔ２４］
例えば、時刻Ｔ２２の時点で冷媒ポンプ９が故障した場合について説明する。時刻Ｔ２２において、冷媒ポンプ９が正常に動作していないため、冷媒のポンプ出口側圧力が低下する（冷媒のポンプ出口側圧力の差の太点線）。そして、冷媒のポンプ出口側圧力の差が閾値よりも低下し、時刻Ｔ２４において、故障検知フラグが立てられる（ステップＳ２５）。また、時刻Ｔ２４において、メータアクションが実行される。このメータアクションとは、例えば、自動車のメータなどに、冷媒ポンプ９が故障したことを表示するなどの警報表示である。故障確定前にメータアクションを実行することで、運転者に注意を促すことができる。

また、時刻Ｔ２４において、冷媒のポンプ出口側圧力の差が閾値よりも低下しているので、冷媒ポンプ９の故障の可能性がある。このため、制御部１７は、時刻Ｔ２４において、燃料電池スタック３の発電量の低減を開始する（ステップＳ２６)。なお、本実施形態では、冷媒のポンプ出口側圧力の差が閾値を下回ってから所定時間経過後に故障検知フラグが立てられている。しかしながら、冷媒のポンプ出口側圧力が閾値を下回ったら、直ちに故障検知フラグを立てるようにしてもよい。また、閾値を設定するに際して、起動時の場合と同様に、回転数指令やスタック入口水素圧力などをパラメータとして、閾値を変更するようにしてもよい。

［時刻Ｔ２４から時刻Ｔ２５］
前記したように、制御部１７は、時刻Ｔ２４において、燃料電池スタック３の発電量を低減させる（ステップＳ２６)。このとき、発電量が急激に低下すると、電力を利用している負荷にも大きな影響を及ぼす。このため、発電量の時間当たりの低減量を制限し、急激な発電量変化を防止してもよい。その後、前記ステップＳ２４と同様に、再度、第１及び第２の冷媒圧力の差が所定の閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ２４−２）。第１及び第２の冷媒圧力の差が所定の閾値を超えていると判断された場合（ステップＳ２４−２のＹｅｓ）、通常運転が行われる。一方、第１及び第２の冷媒圧力の差が所定の閾値を超えていないと判断された場合（ステップＳ２４−２のＮｏ）、続いて、故障検知フラグが立てられてから、所定時間経過しているか否かが判断される（ステップＳ２７）。所定時間経過していないと判断された場合は（ステップＳ２７のＮｏ）、再度、第１及び第２の冷媒圧力の差が所定の閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ２４−２）。一方、所定時間経過していると判断された場合は（ステップＳ２７のＹｅｓ）、時刻Ｔ２５において、故障検知フラグが取り下げられると共に（ステップＳ２８）、故障確定フラグＩＩが立てられる（ステップＳ２９）。故障確定フラグＩＩが立てられると、制御部１７は、燃料電池スタック３の発電量がゼロになるように制御する（ステップＳ３０)。なお、発電量低減の開始タイミングとしては、故障確定フラグＩＩが立てられてからでもよい。

［時刻Ｔ２５から時刻Ｔ２６］
時刻Ｔ２５から所定時間経過後の時刻Ｔ２６において、故障確定フラグＩＩが取り下げられる。なお、発電中の故障検知は、燃料電池スタック３の暖機が完了した後に行ってもよい。燃料電池スタック３の暖機の完了を判断するためには、例えば、燃料電池スタック３から排出される冷媒の温度を測定すればよい。冷媒の温度が例えば６０℃を超えていれば、燃料電池スタック３の暖機が完了していると判断できる。冷媒の温度は、冷媒排出流路７Ｂに設けられた温度センサ３３によって取得される。

［ＣＡＮ通信異常時の故障検知］
［時刻Ｔ３０から時刻Ｔ３２］
次に、図７及び図８に基づいて、ＣＡＮ通信異常時の、冷媒ポンプ９の故障検知について説明する。図８は、図７の故障検知方法の一具体例をチャイムチャートで示したものである。図８において、最上段の線図がＣＡＮ通信の状態を示している。イグニッションがオンにされた時刻Ｔ３０から所定時間経過後の時刻Ｔ３１において、制御部１７からポンプドライバ１０へのＣＡＮ通信が開始される（ステップＳ３１）。ＣＡＮ通信が開始されてから所定時間（例えば、１００ｍｓ）経過後の時刻Ｔ３２において、制御部１７からポンプドライバ１０へ向けてイグニッション（ＩＧ）信号の送信が開始される。そして、ポンプドライバ１０において、イグニッションオンの信号を受信した否かが判断される（ステップＳ３２）。ポンプドライバ１０がイグニッションオンの信号を受信していない場合、燃料電池システム１の運転は行われない。なお、イグニッション信号は、イグニッション信号線を介して送信される。

［時刻Ｔ３２から時刻Ｔ３４］
ＣＡＮ通信異常が発生している場合、制御部１７とポンプドライバ１０との間で、ＣＡＮ信号の送受信が行われない。本実施形態では、イグニッションがオンにされた時刻Ｔ３０から所定時間経過時である時刻Ｔ３３において、ポンプドライバ１０がＣＡＮ信号を受信したか否かが判断される（ステップＳ３３）。ポンプドライバ１０がＣＡＮ信号を受信できなかった場合、ポンプドライバ側でＣＡＮ通信異常フラグが立てられる（ステップＳ３４）。このとき、冷媒ポンプ９の回転数（第１の回転数）はゼロである。そして、このＣＡＮ通信異常フラグが立てられたタイミングで、冷媒のポンプ出口側圧力（第１の冷媒圧力）が取得される（ステップＳ３５）。なお、冷媒のポンプ出口側圧力を取得するのは、正確にＣＡＮ通信異常フラグが立てられたときでなくてもよい。例えば、ＣＡＮ通信異常フラグが立てられる直前や、直後であってもよい。但し、冷媒ポンプ９が回転していないので、原則として冷媒のポンプ出口側圧力はゼロである。

［冷媒ポンプが故障していない場合］
時刻Ｔ３３において、制御部１７ではなくポンプドライバ１０が、第２の回転数に対応する回転数指令を冷媒ポンプ９に出力する（ステップＳ３６）。これは、制御部１７とポンプドライバ１０との間でＣＡＮ通信異常が発生しており、制御部１７から回転数指令を受信することができないからである。第２の回転数は、発電量に対応した回転数よりも高い回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）である。冷媒ポンプ９が故障していない場合、冷媒ポンプ９は高い回転数で回転する。これにより、冷媒のポンプ出口側圧力は上昇する。このときの冷媒のポンプ出口側圧力（第２の冷媒圧力）を取得する（ステップＳ３７)。そして、第１の冷媒圧力と第２の冷媒圧力との差が、所定の閾値を超えているかどうかが判断される（ステップＳ３８)。冷媒圧力の差が閾値を超えていれば、冷媒ポンプ９は正常であると判断できる。このため、ＣＡＮ通信異常であると判断される（ステップＳ３９）。そして、時刻Ｔ３３から所定時間継続して冷媒圧力の差が閾値を超えていた場合、時刻Ｔ３４において故障確定フラグＩＩＩが立てられる（ステップＳ４０）。なお、冷媒ポンプ９が正常に動作していれば、燃料電池スタック３が冷却されるので、燃料電池スタックによる発電を継続することが可能である。

［冷媒ポンプが正常に動作していない場合］
一方、冷媒圧力の差が閾値を超えていない場合、冷媒ポンプ９が回転していないと考えられる。これにより、冷媒ポンプ９には電源失陥が生じていると判断できる（ステップＳ３８1）。この場合は、時刻Ｔ３３以降も冷媒ポンプ９の回転数はゼロのままである（図中の実際の回転数の太点線）。このため、冷媒のポンプ出口側圧力もゼロのままとなり（図中の冷媒のポンプ出口側圧力の太点線）、燃料電池スタック３は冷却されない。このため、制御部１７は、燃料電池スタック３に対し発電停止の制御を行う（ステップＳ３８２）。そして、故障確定フラグＩＩＩが立てられる（ステップＳ４０）。なお、ＣＡＮ通信異常が発生した後に、アノードガス又はカソードガスの圧力が所定範囲を超えて低下した場合、起動時の場合と同様に、故障検知を正しく判断できない。このため、故障検知を停止すると共に、燃料電池スタック３による発電を停止するようにしてもよい。

以上のことから、冷媒ポンプ９の回転数が変化する前後の冷媒のポンプ出口側圧力（第１の冷媒圧力と第２の冷媒圧力）を取得することで、ＣＡＮ通信線が断線していても、冷媒ポンプ９が正常に動作しているかどうかを正確に検知できる。

前記各実施形態によれば、燃料電池スタック３の起動時、発電中そしてＣＡＮ通信異常時に、冷媒ポンプ９の故障が精度良く検知され、故障確定フラグＩ〜ＩＩＩが立てられる。そして、いずれかの故障確定フラグＩ〜ＩＩＩが立てられた場合に、代表故障確定フラグが立てられる。この代表故障確定フラグが立てられると、燃料電池スタック３の破損を防ぐために、システム停止処理などの様々な制御が行われる。

１ 燃料電池システム
３ 燃料電池スタック
５ ラジエータ
７ 冷媒回路
７Ａ 一方の流路（冷媒供給流路）
７Ｂ 他方の流路（冷媒排出流路）
９ 冷媒ポンプ
１０ ポンプドライバ
１１ 圧力センサ
１３ イグニッション信号線（通信線）
１５ ＣＡＮ通信線（通信線）
１７ 制御部
３３ 温度センサ
４３ 水素供給流路
４５ 圧力センサ
４７ 空気供給流路
４９ 圧力センサ

Claims (5)

1. 燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプの故障検知方法であって、前記冷媒ポンプの回転数は制御部からの回転数指令によって制御されるものであり、
   前記制御部が前記燃料電池スタックの発電量に対応する第１回転数指令を出力する前又は出力しているときに、前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、
   前記制御部が前記第１回転数指令よりも高い回転数に対応する第２回転数指令を出力しているときに、前記ポンプ出口側圧力を取得し、
   取得された２つの前記出口側圧力の差に基づいて、前記冷媒ポンプの故障検知を行い、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスまたはカソードガスの時間に対する圧力変化が所定範囲内の場合に、前記第２回転数指令を出力し、
   前記制御部は、前記アノードガスまたは前記カソードガスの圧力が前記所定範囲を超えて低下した場合には、前記第１回転数指令を出力する、冷媒ポンプの故障検知方法。
2. 燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプの故障検知方法であって、前記冷媒ポンプの回転数は、ＣＡＮ通信線で接続された制御部又はポンプドライバからの回転数指令によって制御されるものであり、
   前記ＣＡＮ通信線においてＣＡＮ通信異常が発生した場合に、前記ＣＡＮ通信異常の発生直前または発生時の冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、
   前記通信異常の発生から所定時間経過後の前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得し、
   取得された２つの前記冷媒のポンプ出口側圧力の差に基づいて、前記冷媒ポンプの故障を検知する、冷媒ポンプの故障検知方法。
3. 請求項２に記載の冷媒ポンプの故障検知方法であって、
   前記ポンプドライバは、前記ＣＡＮ通信異常が発生した場合に、前記冷媒ポンプの回転数を上昇させる回転数指令を出力する、冷媒ポンプの故障検知方法。
4. 請求項２又は３に記載の冷媒ポンプの故障検知方法であって、
   前記ＣＡＮ通信異常が発生した後に、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガス又はカソードガスの圧力が所定範囲を超えて低下した場合には、前記燃料電池スタックによる発電を停止する、冷媒ポンプの故障検知方法。
5. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに接続される冷媒回路と、この冷媒回路に設けられて前記燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプに回転数指令を出力する制御部と、前記冷媒ポンプの出口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池スタックの発電量に対応する第１回転数指令を出力する前又は出力しているときに、前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得する、第１の冷媒圧力取得機能と、
   前記第１回転数指令よりも高い回転数に対応する第２回転数指令を出力しているときに、前記冷媒のポンプ出口側圧力を取得する、第２の冷媒圧力取得機能と、
   取得された２つの前記出口側圧力の差に基づいて、前記冷媒ポンプの故障検知を行う故障検知機能と、
   前記制御部が、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスまたはカソードガスの時間に対する圧力変化が所定範囲内の場合に、前記第２回転数指令を出力する機能と、
   前記制御部が、前記アノードガスまたは前記カソードガスの圧力が前記所定範囲を超えて低下した場合には、前記第１回転数指令を出力する機能と、
   を有する燃料電池システム。

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