JP7120978B2 - 故障検知処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに連通した気液分離器内に貯留される水の有無を検出可能な検出センサの故障検知処理方法に関する。

燃料電池システムは、アノードガス（水素等の燃料ガス）及びカソードガス（エア等の酸化剤ガス）により発電する燃料電池スタックと、アノード系装置において燃料電池スタックに連通した気液分離器とを有する。気液分離器は、アノードオフガス（気体）と、水（液体）とを分離し、ドレイン弁の開弁に基づき内部に溜まる水を外部に排出する。

また、燃料電池システムは、特許文献１に開示されているように、気液分離器内の水位を検出する水位センサ（検出センサ）を備える。燃料電池システムの制御部は、水位センサの検出信号に基づきドレイン弁の開弁と閉弁を切り換える。これにより気液分離器から水と共にアノードガスが排出されることを抑制しつつ、適宜のタイミングで水を排出することができる。

特開２００６－１４７５２６号公報

ところで、特許文献１に開示されているような水位センサを有する燃料電池システムでは、水位センサが故障すると、気液分離器内の水の状態を推定できなくなる。このため、燃料電池システムは、水位センサの故障を把握できるシステムであることが望まれる。

本発明は、上記の技術に関連するものであり、水位センサの故障を簡単且つ精度よく判定することができる故障検知処理方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、燃料電池スタックに連通した気液分離器内に貯留される水の有無を検出可能な検出センサの故障検知処理方法であって、制御部により、前記検出センサが水ありを検出し、且つ前記燃料電池スタックの発電電流値が所定の電流閾値以下であり、且つ前記気液分離器内の前記水を排出するドレイン弁が開弁であるときに実条件を満たしたことを判定する条件判定ステップと、前記制御部により、時間閾値を超えて前記実条件が成立し続ける場合に、前記検出センサの故障を判定する故障判定ステップとを有する。

上記の故障検知処理方法は、水位センサの故障を簡単且つ精度よく判定することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を概略的に示す説明図である。 図１の気液分離器及び水位センサを示す断面図である。 水位センサの電圧読取範囲に設定される閾値を示す説明図である。 燃料電池システムの制御部の機能ブロック図である。 故障検知処理方法のフローチャートである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、アノード系装置１４、カソード系装置１６及び冷却装置１８を備える。この燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）のモータルームに搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の発電による電力を図示しないバッテリ、モータ等に供給して燃料電池車両を走行させる。

燃料電池スタック１２は、アノードガス（水素等の燃料ガス）とカソードガス（エア等の酸化剤ガス）の電気化学反応により発電を行う発電セル２０を複数備える。複数の発電セル２０は、燃料電池スタック１２を燃料電池車両に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車幅方向に沿って積層された積層体に構成されている。なお、複数の発電セル２０は、燃料電池車両の車長方向（前後方向）や重力方向に積層されていてもよい。

発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２（以下、「ＭＥＡ２２」という）と、ＭＥＡ２２を挟持する２つのセパレータ２４（第１セパレータ２４ａ、第２セパレータ２４ｂ）とで構成される。ＭＥＡ２２は、電解質膜２６（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜２６の一方の面に設けられたアノード電極２８と、電解質膜２６の他方の面に設けられたカソード電極３０とを有する。第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂは、ＭＥＡ２２と対向し合う面の各々に、アノードガスを流通させるアノードガス流路３２と、カソードガスを流通させるカソードガス流路３４とを形成する。また、複数の発電セル２０の積層により第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂ同士が対向し合う面には、冷媒を流通させる冷媒流路３６が形成される。

さらに、燃料電池スタック１２は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を、複数の発電セル２０の積層方向に沿ってそれぞれ流通させる図示しない複数の連通孔（アノードガス連通孔、カソードガス連通孔、冷媒連通孔）を備える。積層体内において、アノードガス連通孔はアノードガス流路３２に連通し、カソードガス連通孔はカソードガス流路３４に連通し、冷媒連通孔は冷媒流路３６に連通している。

燃料電池スタック１２は、アノード系装置１４によりアノードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてアノードガスは、アノードガス連通孔（アノードガス入口連通孔）を流通してアノードガス流路３２に流入し、アノード電極２８において発電に使用される。発電に使用されたアノードオフガス（未反応の水素を含む）は、アノードガス流路３２からアノードガス連通孔（アノードガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部のアノード系装置１４に排出される。

また、燃料電池スタック１２は、カソード系装置１６により加圧されたカソードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてカソードガスは、カソードガス連通孔（カソードガス入口連通孔）を流通してカソードガス流路３４に流入し、カソード電極３０において発電に使用される。発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路３４からカソードガス連通孔（カソード出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部のカソード系装置１６に排出される。

さらに、燃料電池スタック１２は、冷却装置１８により冷媒が供給される。燃料電池スタック１２内において冷媒は、冷媒連通孔（冷媒入口連通孔）を流通して冷媒流路３６に流入し、発電セル２０を冷却する。発電セル２０を冷却した冷媒は、冷媒流路３６から冷媒連通孔（冷媒出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部の冷却装置１８に排出される。

また本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、角筒状のスタックケース３８内に複数の発電セル２０の積層体を収容している。積層体の積層方向両端には、図示しないターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが外方に向かって順に配置される。エンドプレートは、各発電セル２０の積層方向に締付荷重を付与する。

燃料電池システム１０のアノード系装置１４は、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給するアノード供給管４０と、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出するアノード排出管４２とを有する。また、アノード供給管４０とアノード排出管４２の間には、アノード排出管４２のアノードオフガスに含まれる未反応の水素をアノード供給管４０に戻すための循環用バイパス管４４が接続されている。さらに、循環用バイパス管４４には、アノード系装置１４の循環回路からアノードオフガスを排出するパージ管４６が接続されている。

アノード系装置１４を構成する補機としては、水素タンク４８、熱交換器５０、複数のインジェクタ５２、エジェクタ５４、パージ弁５６、及び気液分離器６０があげられる。

水素タンク４８は、例えば、燃料電池車両の後側に設けられ、アノード供給管４０の一端（上流端）に接続されている。水素タンク４８は、適宜のタイミングで、貯留している高圧のアノードガス（水素）をアノード供給管４０に供給する。

熱交換器５０は、水素タンク４８から減圧して供給され温度が低下したアノードガスを加熱する。熱交換器５０においてアノードガスと熱交換する熱媒体としては、例えば、燃料電池スタック１２を流通した水（冷媒等）が用いられる。

複数（図示例では２つ）のインジェクタ５２は、アノード供給管４０において上流側から供給される所定流量のアノードガスを、所定の噴出圧で所定量を下流側に噴出する。なお、アノード系装置１４は、インジェクタ５２を１つ備えた構成でもよく、３以上備えた構成でもよい。

エジェクタ５４は、インジェクタ５２から噴出されたアノードガスの移動によって発生する負圧により、循環用バイパス管４４からアノードオフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。

パージ弁５６は、パージ管４６に設けられ、パージ管４６の流路を開閉する。パージ弁５６の開弁により、アノード系装置１４の循環回路（エジェクタ５４より下流側のアノード供給管４０、燃料電池スタック１２、アノード排出管４２、気液分離器６０、循環用バイパス管４４）からアノードオフガスが排出される。

一方、気液分離器６０は、アノード排出管４２と循環用バイパス管４４の間に設置され、燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスに含まれる水（発電時の生成水）を、アノードオフガスから分離する。気液分離器６０には、分離した液水及び反応ガス（水素や窒素）を排出するドレイン管５８が接続されている。

図２に示すように、気液分離器６０は、燃料電池スタック１２の一端のエンドプレートに設置される筐体６２を備える。筐体６２は、例えば、一対の凹状部材６２ａ、６２ｂを接合して構成され、その内部に燃料電池スタック１２のアノードオフガスが流入する内部空間６４を有する。上部側の内部空間６４は、アノードオフガス（水素、窒素等）が流通するガス流通部６４ａとなっている一方で、下部側の内部空間６４は水（凝縮水）を貯留する貯留部６４ｂとなっている。

貯留部６４ｂは、重力方向下側に向かって水平方向の断面積が小さくなるテーパ状を呈している。貯留部６４ｂの容量（満タン時の水位）は、燃料電池スタック１２から排出される水を充分に貯留可能な大きさに設定されている。

筐体６２においてガス流通部６４ａが設けられている適宜の箇所（図２中の右側）には、アノード排出管４２が接続され燃料電池スタック１２からアノードオフガスが流入される導入口６６が形成されている。また、筐体６２は、導入口６６よりも重力方向上側位置に、循環用バイパス管４４に連通するガス導出口６８を備える。導入口６６とガス導出口６８の間には、突出壁６７が形成されている。これにより気液分離器６０は、導入口６６からガス導出口６８に向かうアノードオフガスを突出壁６７に当てて、含有する水を突出壁６７に付着させて液水として下方に落下させる。

筐体６２内においてガス流通部６４ａと貯留部６４ｂの間には、複数の切り欠き７０ａを有する境界壁７０が設けられている。境界壁７０は、凹状部材６２ｂの底部から突出するボス６２ｂ１に対して取付ネジ７１を螺合することで固定される。この境界壁７０は、貯留部６４ｂの水の跳ね返りを低減しつつ、ガス流通部６４ａにおいてアノードオフガスから分離した液水を、切り欠き７０ａを通して貯留部６４ｂに流通させる。

また、筐体６２の貯留部６４ｂの重力方向下側には、ドレイン管５８に接続される排水ポート７２が設けられている。排水ポート７２に連結されるドレイン管５８の端部には、ドレイン管５８の流路を開閉するドレイン弁７４（ブリードバルブ）が設けられている。

そして、燃料電池システム１０は、貯留部６４ｂ内の所定の高さ位置（排水ポート７２より上側）に水位センサ７６を備える。例えば、水位センサ７６は、貯留部６４ｂに貯留されている水の水位を検出する電気抵抗式の検出センサとなっている。水位センサ７６は、筐体６２に固定され、貯留部６４ｂ内に突出棒状の検出部７７を有する。検出部７７は、重力方向に対して斜めに延在し、その軸方向上に複数の検出極を有する。各検出極間の電気抵抗値は水の水位に応じて変化するため、水位センサ７６はこの電気抵抗値の変化に基づく検出信号（電圧信号）を出力する。なお、水位センサ７６は、電気抵抗式に限定されず、種々の方式を採用可能であり、例えば静電容量式の検出センサを適用してもよい。

水位センサ７６の検出信号は、燃料電池システム１０の動作を制御する制御部８０に送信される（図１参照）。制御部８０は、水位センサ７６の検出信号を受信し、気液分離器６０の貯留部６４ｂに貯留される水の状態を認識する。

図３に示すように、水位センサ７６の検出信号は、当該水位センサ７６の規格に応じて所定の電圧読取範囲（例えば、０Ｖ～５Ｖ）が設定されている。制御部８０は、この電圧読取範囲に対応する複数のセンサ閾値Ｔｓ（下限故障閾値Ｔｓ１、水なし判定閾値Ｔｓ２、水あり判定閾値Ｔｓ３、上限故障閾値Ｔｓ４）を有している。

下限故障閾値Ｔｓ１は、水位センサ７６の規格に応じた検出下限値を規定するものであり、検出信号がこの下限故障閾値Ｔｓ１以下（水位センサ下限故障：上下限故障範囲）の場合に水位センサ７６の下限検出の異常と見なすことができる。水なし判定閾値Ｔｓ２は、貯留部６４ｂに貯留されている水がないことを判定するための閾値であり、検出信号が水なし判定閾値Ｔｓ２以下且つ下限故障閾値Ｔｓ１を上回る（水なし判定範囲の）場合に貯留部６４ｂの水なしと見なすことができる。水あり判定閾値Ｔｓ３は、貯留部６４ｂに貯留されている水があることを判定するための閾値であり、検出信号が水あり判定閾値Ｔｓ３を上回り且つ上限故障閾値Ｔｓ４以下（水あり判定範囲）の場合に貯留部６４ｂの水ありと見なすことができる。また、制御部８０は、水なし判定閾値Ｔｓ２を上回り且つ水あり判定閾値Ｔｓ３以下の場合に、その電圧値に基づき貯留部６４ｂの水位を監視することができる。上限故障閾値Ｔｓ４は、水位センサ７６の規格に応じた検出上限値を規定するものであり、検出信号がこの上限故障閾値Ｔｓ４を上回る（水位センサ上限故障：上下限故障範囲の）場合に水位センサ７６の上限検出の異常と見なすことができる。なお、水位センサ７６は、水位を監視せずに、単純に水の有無を検出する検出センサであってもよい。

図１に戻り、燃料電池システム１０の制御部８０（ＦＣＥＣＵ）は、プロセッサ、メモリ、入出力インタフェースを有し、情報処理を実施するコンピュータ（マイクロコントローラを含む）に構成されている。制御部８０は、水位センサ７６の検出信号と上記のセンサ閾値Ｔｓを比較することで、気液分離器６０の貯留部６４ｂに水の状態（水あり、水なし、水位）及び水位センサ７６の上下限故障を判断することができる。そして、制御部８０は、貯留部６４ｂの水の状態に応じてドレイン弁７４（又はパージ弁５６）の開閉を切り換える。

また、アノード系装置１４は、ドレイン弁７４よりも下流側のドレイン管５８に対しパージ管４６を接続している。制御部８０は、パージ管４６のパージ弁５６とドレイン管５８のドレイン弁７４とを独立して開閉することで、循環用バイパス管４４を流通するアノードオフガスと、気液分離器６０で分離された水とを別々のタイミングで排出する。排出されたアノードオフガス及び水は、ドレイン管５８の下流部において合流する。

なお、アノード系装置１４は、循環用バイパス管４４の途中位置等に、アノードオフガスをアノード供給管４０に循環させるポンプを備えてもよく、アノードガスを一方向に流通させるためのバルブ（チェックバルブ）を備えていてもよい。

ここで、燃料電池システム１０は、気液分離器６０に設けた水位センサ７６が故障する可能性がある。特に、制御部８０は、水位センサ７６が水ありの検出信号を出力し続ける故障（以下、水あり故障という）を起こすと、情報処理上で、ドレイン弁７４から水が排出される一方で、アノードオフガスが排出していないと判断することになる。これにより制御部８０は、アノードオフガスに含まれる窒素分圧の演算値を上昇させ、この窒素分圧に基づき燃料電池スタック１２の電流出力の制限値を低下させる等の制御（挙動）を実施することになる。

そのため、本実施形態に係る制御部８０は、所定条件に基づき水位センサ７６の水あり故障が生じたか否かを判定する構成となっている。具体的には、図４に示すように、制御部８０内には、電力管理制御部８２、検出信号判定部８４、ＤＴＣ判定部８６、アノード系排出処理部８８、水あり故障判定部９０が設けられる。

電力管理制御部８２は、燃料電池システム１０の電力を管理する機能部であり、例えばアノード系排出処理部８８が算出した窒素分圧Ｎｐの情報に基づき燃料電池スタック１２の電流制限値Ｌｃ（瞬時値）を算出している。また電力管理制御部８２は、車両の図示しないモータ及びジェネレータの動作を制御するＭＧＥＣＵ９２と情報通信を行うように構成される。電力管理制御部８２は、算出した電流制限値ＬｃをＭＧＥＣＵ９２に送信する一方で、ＭＧＥＣＵ９２から燃料電池スタック１２の発電電流指令値Ｅｏを取得する。

そして電力管理制御部８２は、発電電流指令値Ｅｏに基づき燃料電池スタック１２の目標電流値Ｏｃを算出し、水あり故障判定部９０にこの目標電流値Ｏｃを送信する。後述するように、目標電流値Ｏｃが所定の電流閾値Ｔｃ以下の場合に、水あり故障判定部９０が水あり故障Ｂｗの判定を行うからである。

検出信号判定部８４は、水位センサ７６と情報通信して検出信号Ｓを受信すると、上記したセンサ閾値Ｔｓに基づき水位センサ７６が検出した気液分離器６０（貯留部６４ｂ）内の水の状態を判定する。そして例えば、検出信号判定部８４は、水位センサ７６の上限故障や下限故障を判定した場合にその情報（上下限故障Ｂｓ）をＤＴＣ判定部８６に出力する。

また、検出信号判定部８４は、検出信号Ｓが水なし判定閾値Ｔｓ２以下の場合には水なし判定を行う一方で、検出信号Ｓが水あり判定閾値Ｔｓ３（又は水なし判定閾値Ｔｓ２）を上回る場合には水あり判定を行う。検出信号判定部８４は、判定した水の状態（水あり判定、水なし判定、水位）の情報Ｉｗを、アノード系排出処理部８８及び水あり故障判定部９０に送信する。

ＤＴＣ判定部８６は、燃料電池システム１０（燃料電池車両）の故障管理を行う機能部であり、検出信号判定部８４から上下限故障Ｂｓを受信し、水あり故障判定部９０から水あり故障Ｂｗを受信する。ＤＴＣ判定部８６は、これらの故障情報に基づき故障コードをセットし、また故障コードに予め紐づいている故障レベルを判定して適宜の処理を行う。例えば、ＤＴＣ判定部８６は、水あり故障Ｂｗを受信した場合に、車両の報知部９４（モニタ、インジケータ、スピーカ等）に水あり故障Ｂｗに基づく報知を行う。これにより車両のユーザは、水位センサ７６の水あり故障Ｂｗを認識することができる。

一方、アノード系排出処理部８８は、適宜の情報を処理することでパージ弁５６及びドレイン弁７４の開閉を制御する。例えば、アノード系排出処理部８８は、窒素透過量及び水素圧力を受信することで、アノード系装置１４の窒素分圧Ｎｐを算出し、算出した窒素分圧Ｎｐに基づきパージ弁５６、ドレイン弁７４の開閉を判定する。窒素透過量は、各発電セル２０の電解質膜２６を透過した窒素ガス量に関わる情報であり、例えば、カソードガスの供給量（流量、圧力等）に基づき制御部８０の他の機能部で算出される。水素圧力は、アノード系装置１４の循環回路を流動するアノードガス（アノードオフガスを含む）の圧力情報であり、循環回路の適宜の位置に設けられた圧力センサ（不図示）から取得される。

また、アノード系排出処理部８８は、検出信号判定部８４から水の状態の情報Ｉｗ（及び上下限故障Ｂｓ）を受信すると共に、水あり故障判定部９０から水あり故障Ｂｗの有無の情報を受信して、貯留部６４ｂの水位を算出する。水位の算出時には、パージ弁５６の開弁情報及びドレイン弁７４の開弁情報に基づき、アノード系装置１４からのアノードオフガス及び水の排出量を算出し、これらの排出量により水位センサ７６が検出した水位を補正する。そして、アノード系排出処理部８８は、算出した貯留部６４ｂの水位、窒素分圧Ｎｐ等に基づきドレイン弁７４の開閉を切り換える。

さらに、アノード系排出処理部８８は、周知の方法によって気液分離器６０の凍結状態又は解凍状態、ドレイン弁７４の凍結状態又は解凍状態を判定する機能を有する。そして、アノード系排出処理部８８は、水あり故障判定部９０に種々の情報（ドレイン弁開弁完了Ｄｏ、気液分離器状態Ｇｓ（凍結状態、解凍状態）、ドレイン弁状態Ｄｓ（凍結状態、解凍状態））を送信する。

水あり故障判定部９０は、水位センサ７６の水あり故障Ｂｗを判定する機能部であり、以下の実条件（ａ）～（ｄ）が成立した場合に水あり故障Ｂｗを判定する。
（ａ）水位センサ７６の検出信号Ｓが水あり判定である。
（ｂ）燃料電池スタック１２の目標電流値Ｏｃが所定の電流閾値Ｔｃ以下である。
（ｃ）ドレイン弁７４が開弁されている。
（ｄ）（ａ）～（ｃ）の状態での経過時間が所定の時間閾値Ｔｔを経過している。

実条件（ａ）については、水位センサ７６の水あり故障Ｂｗを検知する上で必須の要件であり、水あり故障判定部９０は検出信号判定部８４からの水の状態の情報Ｉｗに基づき水あり判定がなされているか否かを判定する。

実条件（ｂ）は、気液分離器６０から水がない状況を作るための条件である。すなわち、燃料電池スタック１２が低電力負荷発電を行っている際に、ドレイン弁７４が開弁している状態では、燃料電池スタック１２の単位時間当たりの生成水量に対してドレイン弁７４の開弁による単位時間当たりの排水量が上回る。このため、ある程度の時間が経過すると気液分離器６０内から生成水が確実に排水される状況を作ることができる。つまり、実条件（ｂ）の低電力負荷発電を規定する電流閾値Ｔｃは、気液分離器６０が水を排出する単位時間当たりの排水量に対し、燃料電池スタック１２の発電時に生成される単位時間当たりの生成水量が少なくなる電流値であり、燃料電池スタック１２の発電能力や気液分離器６０の構造にもよるが、例えば５０Ａ前後に設定される。なお、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２が発電していなくても（目標電流値Ｏｃが０でも）、気液分離器６０において水を排出できるため、水あり故障Ｂｗの判定を行うことができる。

また実条件（ｃ）について、制御部８０は、ドレイン弁開弁完了Ｄｏに基づきドレイン弁７４の開弁状態を認識する。制御部８０は、ドレイン弁７４の開弁まで待機する構成とせずに、実条件（ａ）、（ｂ）の成立に伴いアノード系排出処理部８８によりドレイン弁７４を強制的に開弁させる制御を実施してもよい。

さらに実条件（ｄ）の成立を判定するために、水あり故障判定部９０は、実条件（ａ）～（ｃ）の成立に基づき経過時間を計測するカウント部（不図示）と、時間閾値Ｔｔとを内部に有する。そして、カウント部がカウントする経過時間が時間閾値Ｔｔを超えた場合に水あり故障Ｂｗの有りを判定し、経過時間が時間閾値Ｔｔ以下の際に実条件（ａ）～（ｃ）のうちいずれか１つでも成立しなくなれば水あり故障Ｂｗの無しを判定する。水あり故障判定部９０が判定した情報（水あり故障Ｂｗの有無）は、ＤＴＣ判定部８６及びアノード系排出処理部８８に出力され、各部の処理に用いられる。

さらに、水あり故障判定部９０は、上記の故障検知を実施する前に、以下の項目の成立を前提条件（ｅ）、（ｆ）としている。
（ｅ）水位センサ７６が上下限故障Ｂｓではない。
（ｆ）気液分離器６０又はドレイン弁７４が凍結していない。

すなわち、（ｅ）の水位センサ７６が上下限故障Ｂｓの場合には、そもそも水位センサ７６が異常となっていることから、水あり故障Ｂｗの判定を実施しなくてもよい段階にある。また（ｆ）の気液分離器６０又はドレイン弁７４の一方でも凍結していた場合には、気液分離器６０からの水の排出ができない状況にあるため、水あり故障Ｂｗの判定を行うことができない。このため、制御部８０は、気液分離器６０とドレイン弁７４の両方とも解凍状態であり且つ水位センサ７６が上下限故障Ｂｓではない前提条件の成立に基づき、実条件の監視を実施する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、制御部８０の制御下に動作して、燃料電池スタック１２に対してアノード系装置１４により水素ガスを供給及び排出し、また燃料電池スタック１２に対してカソード系装置１６によりエアを供給及び排出する。燃料電池スタック１２内の各発電セル２０は、アノードガス流路３２を流通しアノード電極２８に供給された水素ガスと、カソードガス流路３４を流通しカソード電極３０に供給されたエアとに基づき電力を生じる。さらに燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の発電時に、冷却装置１８を動作して冷媒を循環させ、燃料電池スタック１２の冷却を行う。

アノード系装置１４は、水素ガスの供給において、水素タンク４８からアノード供給管４０に水素ガスを流出する。水素ガスは、アノード供給管４０を流通し、熱交換器５０、複数のインジェクタ５２及びエジェクタ５４の順に流通して燃料電池スタック１２に供給される。またアノード系装置１４は、燃料電池スタック１２において発電に使用されたアノードオフガス（発電に未使用のアノードガス、窒素ガス、生成水を含む）を、アノード排出管４２を介して気液分離器６０に導く。

気液分離器６０は、内部空間６４においてアノードオフガスを気体と液水とに分離し、循環用バイパス管４４に気体を流出させる。また、燃料電池システム１０は、気液分離器６０に設けられた水位センサ７６により貯留部６４ｂの水位を検出し、検出した水位に基づき適宜のタイミングでドレイン弁７４を開弁することで、ドレイン管５８から液水を流出させる。

そして、制御部８０は、燃料電池スタック１２の発電中又は発電停止時に、水位センサ７６の検出信号Ｓが水ありの電圧値のまま出力し続ける故障の検知を行う。この故障検知処理方法では、図５に示す処理フローを実施する。

故障検知処理方法において、制御部８０は、水あり故障Ｂｗの判定を行うための前提条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１０：条件判定ステップ）。すなわち、制御部８０は、水位センサ７６が上下限故障Ｂｓではない、気液分離器６０が解凍状態及びドレイン弁７４が解凍状態の場合に前提条件が成立していることを判定する。一方、制御部８０は、水位センサ７６の上下限故障Ｂｓ、気液分離器６０の凍結、ドレイン弁７４の凍結のうちいずれか１つでも成立していれば前提条件が成立していないことを判定する。

そして、前提条件が成立していない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ１１に進んで判定非実施処理を行う。この場合、水あり故障判定部９０は、カウント部による時間カウントをリセットし、また水あり故障Ｂｗの有無の情報をステータスレジスタ等に保持していた場合にはその情報を継続的に保持する処理を行う。

一方、前提条件が成立している場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、制御部８０は、上記の実条件（ａ）～（ｃ）が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１２：条件判定ステップ）。すなわち、水あり故障判定部９０は、水位センサ７６の検出信号Ｓが水あり判定であり、燃料電池スタック１２の目標電流値Ｏｃが所定の電流閾値Ｔｃ以下であり、ドレイン弁７４が開弁している場合にステップＳ１４に進み、これらの実条件（ａ）～（ｃ）のうちいずれか１つでも成立していない場合にステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、水あり故障判定部９０は判定正常処理を行う。この場合、水あり故障判定部９０は、カウント部による時間カウントをリセットし、また水あり故障Ｂｗの有無の情報として水あり故障Ｂｗの無し（正常）のステータスをステータスレジスタ等にセットする。

一方、ステップＳ１４において、水あり故障判定部９０は、カウント部がカウントする経過時間と、時間閾値Ｔｔとを比較し、経過時間が時間閾値Ｔｔを超えたか否かを判定する（故障判定ステップ）。そして、経過時間が時間閾値Ｔｔ以下の場合にはステップＳ１５に進み、経過時間が時間閾値Ｔｔを超えた場合にはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５において、水あり故障判定部９０は故障検知中処理を行う。この場合、水あり故障判定部９０は、カウント部による時間カウントを加算し、また故障検知中のステータスをステータスレジスタ等にセットする。

また、経過時間が時間閾値Ｔｔを超えた場合には水あり故障Ｂｗが発生していることになり、ステップＳ１６において、水あり故障判定部９０は判定異常処理を行う。この場合水あり故障判定部９０は、カウント部による時間カウントをリセットし、また水あり故障Ｂｗの有無の情報として水あり故障Ｂｗの有り（故障確定）のステータスをステータスレジスタ等にセットする。

水あり故障判定部９０は、以上の処理フローを所定間隔毎（例えば、１秒毎）に繰り返すことで、カウント部の時間カウントを加算して経過時間を経過させる。そして、この間の実条件（ａ）～（ｃ）の成立又は非成立を監視することで、水あり故障Ｂｗを精度よく判定することができる。

また図４に示すアノード系排出処理部８８は、水あり故障判定部９０から水あり故障Ｂｗの有りの情報を受信すると、燃料電池スタック１２の発電中にドレイン弁７４を常開状態（強制開弁）とする制御を行う（開弁ステップ）。すなわち、アノード系排出処理部８８は、水あり故障Ｂｗの判定前（水あり故障Ｂｗの無しと判定している間）は、適宜のタイミングでドレイン弁７４の開閉を行っているが、水あり故障Ｂｗの確定後はドレイン弁７４を常開状態とすることで、気液分離器６０からの水の排水を持続的に行う。

これにより、水位センサ７６の水あり故障Ｂｗにより気液分離器６０の水位が不明となっても、気液分離器６０内での水の貯留が抑制される。そして、制御部８０は、水あり故障Ｂｗの有りによりドレイン弁７４が常開状態であることを認識していることで、循環回路内のアノードガスの濃度（窒素分圧Ｎｐに対する水素圧力）を補正することができる。その結果、窒素分圧Ｎｐに基づく燃料電池スタック１２の電流制限値Ｌｃの低下を抑制することが可能となる。燃料電池システム１０は、電流制限値Ｌｃが低下しないことで、ＭＧＥＣＵ９２の発電電流指令値Ｅｏに対して燃料電池スタック１２の実電流を迅速且つ安定的に追従させることができる。なお、燃料電池スタック１２の発電停止時の掃気制御や発電停止中は、強制開弁が設定されていても、ドレイン弁７４を閉弁することが好ましい。

さらにＤＴＣ判定部８６は、水あり故障Ｂｗの有りの情報を受信すると、水あり故障Ｂｗに対応する故障コードをセットし、車両の報知部９４を介してユーザに報知を行う（報知ステップ）。これによりユーザは、必要に応じて車両のメンテナンス等の対応を図ることが可能となる。一方、メンテナンス側は、水位センサ７６の水あり故障Ｂｗの故障コードに基づき簡単に適宜の対処を採ることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、上記の燃料電池システム１０は、アノード系装置１４に設けられる気液分離器６０の水位センサ７６の故障を判定する構成であるが、水位センサ７６を備える燃料電池システム１０の補機であれば同様の判定を行うことができる。従って、例えば燃料電池システム１０のカソード系装置１６に設けられる気液分離器（不図示）の水位センサの故障を判定する構成でもよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

本発明の一態様は、燃料電池スタック１２に連通した気液分離器６０内に貯留される水の有無を検出可能な検出センサ（水位センサ７６）の故障検知処理方法であって、制御部８０により、検出センサが水ありを検出し、且つ燃料電池スタック１２の発電電流値（目標電流値Ｏｃ）が所定の電流閾値Ｔｃ以下であり、且つ気液分離器６０内の前記水を排出するドレイン弁７４が開弁であるときに実条件を満たしたことを判定する条件判定ステップと、制御部８０により、時間閾値Ｔｔを超えて実条件が成立し続ける場合に、検出センサの故障を判定する故障判定ステップとを有する。

上記の故障検知処理方法では、条件判定ステップ、故障判定ステップを有することで、水位センサ７６の故障（水あり故障Ｂｗ）を簡単且つ精度よく判定することが可能となる。すなわち、燃料電池スタック１２の発電電流値が所定の電流閾値Ｔｃ以下であり、且つドレイン弁７４が開弁である場合には、気液分離器６０から水を排出している状態にある。それにも関わらず経過時間が時間閾値Ｔｔを超えても水位センサ７６が水ありを判定している場合には、水位センサ７６が故障して水ありの検出信号Ｓを送り続けていると見なすことができる。

また、気液分離器６０は、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出するアノード系装置１４の循環回路に設けられる。これにより気液分離器６０は、水位センサ７６の水位に基づきドレイン弁７４が開弁することにより、アノード系装置１４の循環回路から液水を排出することができる。そして、制御部８０は、水位センサ７６の故障（水あり故障Ｂｗ）を判定した場合に、適切な代替制御に切り替えて循環回路からのアノードオフガスや液水の排出を行うことができる。

また、故障判定ステップにより水位センサ７６の故障（水あり故障Ｂｗ）を判定した場合に、制御部８０は、燃料電池スタック１２の発電中はドレイン弁７４を常開状態とする開弁ステップを実施する。これにより、故障検知処理方法では、水位センサ７６の故障を判定した場合に常開状態のドレイン弁７４から液水を確実に排出することができ、気液分離器６０内の液水の貯留量を抑えることができる。その結果、気液分離器６０に液水が溜まることによる不都合（アノード系装置１４の窒素分圧Ｎｐの上昇、気液分離器６０やドレイン弁７４の凍結等）を良好に抑制することができる。

また、故障判定ステップにより水位センサ７６の故障（水あり故障Ｂｗ）を判定した場合に、制御部８０は、報知部９４により水位センサ７６の故障を報知する報知ステップを実施する。これにより、ユーザは、水位センサ７６の故障を簡単に認識することができ、必要な対処を早期に図ることができる。

また、燃料電池スタック１２の発電電流値と比較する電流閾値Ｔｃは、気液分離器６０が水を排出する単位時間当たりの排出量に対し、燃料電池スタック１２の発電時に生成される単位時間当たりの生成水量が少なくなる電流値である。これにより、故障検知処理方法では、気液分離器６０の液水を確実に減少させることができ、気液分離器６０内に液水がない状態を作ることが可能となる。

また、条件判定ステップでは、実条件の判定を行う前の前提条件として気液分離器６０及びドレイン弁７４が凍結していないことを判定する。これにより、故障検知処理方法では、気液分離器６０又はドレイン弁７４が凍結していた場合に、不要な水位センサ７６の故障判定を行うことを回避することができる。

また、制御部８０は、水位センサ７６の検出信号Ｓの値が予め設定された上下限故障範囲内である場合に当該水位センサ７６の上下限故障Ｂｓを判定する構成であり、条件判定ステップでは、実条件の判定を行う前の前提条件として水位センサ７６が上下限故障Ｂｓをしていないことを判定する。これにより、故障検知処理方法では、水位センサ７６が上下限故障Ｂｓの場合に、不要な水位センサ７６の故障判定を行うことを回避することができる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…アノード系装置 ４２…アノード排出管
５８…ドレイン管 ６０…気液分離器
６４ｂ…貯留部 ７４…ドレイン弁
７６…水位センサ ８０…制御部
８６…ＤＴＣ判定部 ８８…アノード系排出処理部
９０…水あり故障判定部 ９４…報知部

Claims (7)

1. 燃料電池スタックに連通した気液分離器内に貯留される水の有無を検出可能な検出センサの故障検知処理方法であって、
   前記燃料電池スタックから排出され、前記燃料電池スタックに戻されるガスに含まれる窒素分圧に基づいて、前記燃料電池スタックの電流出力を制御する制御部により、前記検出センサが水ありを検出し、且つ前記燃料電池スタックの発電電流値が所定の電流閾値以下であり、且つ前記気液分離器内の前記水を排出するドレイン弁が開弁であるときに実条件を満たしたことを、前記燃料電池スタックの発電中に判定する条件判定ステップと、
   前記制御部により、時間閾値を超えて前記実条件が成立し続ける場合に、前記検出センサの故障を判定する故障判定ステップとを有する
   故障検知処理方法。
2. 請求項１記載の故障検知処理方法において、
   前記気液分離器は、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給すると共に、前記燃料電池スタックからアノードオフガスを排出するアノード系装置の循環回路に設けられる
   故障検知処理方法。
3. 請求項１又は２記載の故障検知処理方法において、
   前記故障判定ステップにより前記検出センサの故障を判定した場合に、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電中は前記ドレイン弁を常開状態とする開弁ステップを実施する
   故障検知処理方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の故障検知処理方法において、
   前記故障判定ステップにより前記検出センサの故障を判定した場合に、前記制御部は、報知部により前記検出センサの故障を報知する報知ステップを実施する
   故障検知処理方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の故障検知処理方法において、
   前記燃料電池スタックの発電電流値と比較する電流閾値は、前記気液分離器が水を排出する単位時間当たりの排水量に対し、前記燃料電池スタックの発電時に生成される単位時間当たりの生成水量が少なくなる電流値である
   故障検知処理方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の故障検知処理方法において、
   前記条件判定ステップでは、前記実条件の判定を行う前の前提条件として前記気液分離器及び前記ドレイン弁が凍結していないことを判定する
   故障検知処理方法。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の故障検知処理方法において、
   前記制御部は、前記検出センサの検出信号の値が予め設定された上下限故障範囲内である場合に当該検出センサの上下限故障を判定する構成であり、
   前記条件判定ステップでは、前記実条件の判定を行う前の前提条件として前記検出センサが上下限故障をしていないことを判定する
   故障検知処理方法。

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