JP2008269812A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化ガスの分流制御に異常が生じた場合であっても、燃料電池の出力電流を制御できる燃料電池システム。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガスを圧送する供給機１４とを備える。供給路１１と排出路１２とは、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるようにバイパス路１７によって接続される。バイパス路１７及び燃料電池２への酸化ガスの分流を調整する調圧弁１６及びバイパス弁１８が設けられる。制御装置７は、調圧弁１６及びバイパス弁１８のどちらかの異常時に、調圧弁１６を制御することによる燃料電池２の出力電流の制御を止めて、供給機１４を制御することによる燃料電池２の出力電流の制御に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化ガス中の酸素との化学反応によって電力を発生する。一般に、燃料電池から排出される燃料オフガスは、水素希釈器を通り、水素濃度が低減された状態で大気中へ排出される。一方、燃料電池から排出される酸化オフガスは、そのまま大気中へと排出される。

ところが、燃料電池を迅速に昇温するべく、発電効率の低い状態で燃料電池を運転すると、カソードにおいて水素（主にポンピング水素）が発生する場合がある。このため、酸化オフガス中に水素が含まれ得る。しかし、水素を含む酸化オフガスをそのまま大気中へと排出することは環境上好ましくない。

このような事情に鑑み、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、酸化ガスの供給路と酸化オフガスの排気路とをバイパス路で接続している。そして、酸化ガスをバイパス路から酸化オフガスに導入することで、酸化オフガス中の水素濃度を低減している。
特開２００６−７３５０１号公報（段落[００２５]及び[００９３]）

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、バイパス路及び燃料電池への酸化ガスの分流について何ら検討されていない。このため、必要量の酸化ガスが燃料電池に流れず、燃料電池の出力電流の制御に支障をきたすおそれがある。また、仮に分流用の制御弁などを設けたとしても、制御弁が凍結等の理由により動作しない場合には、必要量以上の酸化ガスが燃料電池に流れ込んで出力電流の制御に支障をきたしてしまうおそれがある。

本発明は、酸化ガスの分流制御に異常が生じた場合であっても、燃料電池の出力電流を制御できる燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、供給路に設けられて燃料電池に酸化ガスを圧送する供給機と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路及び燃料電池への酸化ガスの分流を調整する分流調整手段と、供給機及び分流調整手段を制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、分流調整手段の異常時に、分流調整手段を制御することによる燃料電池の出力電流の制御から、供給機を制御することによる燃料電池の出力電流の制御に切り替えるというものである。

かかる構成によれば、正常時の分流調整手段によって、バイパス路及び燃料電池への酸化ガスの分流を調整できると共に、燃料電池の出力電流を制御できる。一方、分流調整手段に異常が起きた場合には、燃料電池の出力電流を制御する装置を供給機に切り替えるので、出力電流を引き続き制御できる。

好ましくは、制御装置は、通常運転よりも電力損失の大きな低効率運転中に分流調整手段の異常が起きたとき、分流調整手段による制御から供給機による制御に切り替えて燃料電池の出力電流を制御するとよい。

かかる構成によれば、低効率運転中に分流調整手段の異常が起きたときのフェールセーフを達成できる。

より好ましくは、分流調整手段は、通常運転の際にはバイパス路への酸化ガスの分流を禁止し、低効率運転の際にはバイパス路に分流される酸化ガスの流量を調整するとよい。

かかる構成によれば、低効率運転の際には、バイパスされた酸化ガスで酸化オフガス中の水素を希釈できる。一方で、通常運転の際には、酸化ガスを燃料電池をバイパスさせなくて済むので、燃料電池への酸化ガスの供給を適切になし得る。

好ましくは、分流調整手段は、燃料電池への酸化ガスの供給圧を調整する調圧弁と、バイパス路から排出路へと分流する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有するとよい。そして、制御装置は、低効率運転中に調圧弁及びバイパス弁の少なくとも一方の異常が起きたとき、調圧弁による制御から供給機による制御に切り替えて燃料電池の出力電流を制御するとよい。

かかる構成によれば、低効率運転中に調圧弁及びバイパス弁の少なくとも一方に異常が起きて燃料電池への酸化ガスの分流量に不具合が生じても、燃料電池の出力電流を制御できる。これにより、低効率運転を維持できる。

より好ましくは、制御装置は、供給機による制御に切り替える際、供給機を一旦停止させてから駆動するとよい。

かかる構成によれば、異常発生により燃料電池への酸化ガスの供給流量及び供給圧に不具合が生じた場合に、その不具合を供給機の一旦停止により解消できる。これにより、供給機による出力電流の制御に円滑に移行できる。

ここで、調圧弁が開弁状態で異常になっている場合は、燃料電池に必要量以上の酸化ガスが供給されるので、燃料電池の出力電流が大きくなる。

よって、好ましい一態様の燃料電池システムは、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、制御装置は、電流センサによる検出値が閾値を超えたとき、調圧弁の異常が開弁状態で起きていると判断し、供給機を一旦停止させるとよい。

かかる構成によれば、調圧弁の異常が開弁状態であると判断できると共に、その異常状態の判断をトリガとして供給機を一旦停止させることができる。

より好ましくは、制御装置は、電流センサによる検出値を調圧弁の開度指令値にフィードバック制御するものであり、調圧弁の開度指令値が閾値を越えたときに、一旦停止させていた供給機の駆動を開始するとよい。

かかる構成によれば、調圧弁の開度指令値をトリガとして供給機の駆動を開始できる。

ここで、調圧弁でなく、バイパス弁が閉弁状態で異常になっているときも、燃料電池に必要量及び必要圧以上の酸化ガスが供給される。

よって、好ましい別の態様の燃料電池システムは、供給機による酸化ガスの吐出圧を検出する圧力センサを備え、制御装置は、圧力センサによる検出値が閾値を超えたとき、バイパス弁の異常が閉弁状態で起きていると判断し、供給機を一旦停止させるとよい。

かかる構成によれば、バイパス弁の異常が閉弁状態であると判断できると共に、その異常状態の判断をトリガとして供給機を一旦停止させることができる。

好ましくは、制御装置は、調圧弁及びバイパス弁のどちらに異常が起きているかを、異なるセンサを用いて判断するとよい。

かかる構成によれば、同じセンサを用いる場合よりも、調圧弁及びバイパス弁のどちらの異常であるかを精度良く判断できる。

好ましくは、調圧弁は排出路に設けられ、バイパス弁はバイパス路に設けられるとよい。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、酸化ガスの分流制御に不具合が生じた場合であっても、燃料電池の出力電流を制御できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、電力系６、及び、制御装置７を備える。燃料電池システム１は、車両１００に搭載することができるが、もちろん車両１００のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生すると共に発熱する。固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、温度センサ７１により検出され、およそ６０〜８０℃となる。

燃料電池２の出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）及び出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）は、それぞれ電圧センサ８及び電流センサ９によって検出される。燃料電池２の出力電力（以下、「ＦＣ出力」という。）は、ＦＣ電圧にＦＣ電流を乗じたものである。

酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。供給路１１には、酸化ガス流路２ａに供給される酸化ガスが流れる。排出路１２には、酸化ガス流路２ａから排出された酸化オフガスが流れる。コンプレッサ１４（供給機）は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２に圧送する。燃料電池２に圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿されている。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの回転数を制御装置７に制御されることで、酸化ガスの吐出量を制御される。コンプレッサ１４による酸化ガスの吐出圧は、圧力センサＰ１によって検出される。

調圧弁１６は、排出路１２においてカソード出口付近に配設され、燃料電池２への酸化ガスの供給圧を調圧する。調圧弁１６は、例えばステッピングモータを駆動源とする制御弁であり、制御装置７からの指令により開度を任意に設定される。バイパス路１７は、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるように、供給路１１と排出路１２とを接続する。バイパス路１７と供給路１１との接続部Ｂは、コンプレッサ１４と加湿器１５との間に位置する。また、バイパス路１７と排出路１２との接続部Ｃは、加湿器１５とマフラー１９との間に位置する。酸化オフガスは、マフラー１９を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

バイパス弁１８は、バイパス通路１７に設けられる。バイパス弁１８は、モータ又はソレノイドなどを駆動源とする制御弁であり、制御装置７からの指令により開度を設定される。バイパス弁１８の開弁により、コンプレッサ１４から吐出された酸化ガスの一部がバイパス路１７へと分流され、バイパス弁１８を通ってマフラー１９へと導かれる。このバイパスされる酸化ガス量は、制御装置６によって制御される。以下の説明では、バイパスされる酸化ガスを「バイパスエア」と称する。

なお、特許請求の範囲に記載の「分流調整手段」について補足説明する。バイパス弁１８は、バイパス通路１７及び燃料電池２への酸化ガスの分流を調整する「分流調整手段」として機能するといえる。なぜなら、例えばバイパス弁１８を閉弁すると、酸化ガスがバイパス通路１７に分流されるからである。また、調圧弁１６も、バイパス通路１７及び燃料電池２への酸化ガスの分流を調整する「分流調整手段」として機能するといえる。なぜなら、バイパス弁１８の閉弁時に、調圧弁１６を閉弁するとバイパスエアが増えるからである。

燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、調圧弁２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａにポンプ２４によって戻され、再び燃料ガス流路２ｂに供給される。また、水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

電力系６は、システム１の電力を充放電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現されると共に、燃料電池２のＦＣ電圧が制御される。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、車両１００の主動力源を構成し、車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５及び６６は、それぞれ、コンプレッサ１４のモータ１４ａ及びポンプ２４のモータ２４ａの駆動を制御する。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成され、システム１を統括制御する。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する低効率運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置７は、圧力センサＰ１、電圧センサ８、電流センサ９、温度センサ７１、燃料電池システム１がおかれる環境温度を検出する外気温センサ７２、及び、車両１００のアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどからセンサ信号を入力する。そして、制御装置８０は、各センサ信号に基づき当該システム各部（供給機１４、背圧調製弁１６及びバイパス弁１８など）を中枢的に制御する。特に、制御装置７は、低温起動時など燃料電池２を急速暖機する必要があるときには、燃料電池２の運転動作点をシフトし、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して発電効率の低い運転を行う。

図２は、ＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。図２は、燃料電池２が比較的高い発電効率（第１の発電効率）の運転（以下、「通常運転」という。）を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって燃料電池２が比較的低い発電効率（第２の発電効率）の運転（以下、「低効率運転」という。）を行った場合を点線で示している。

燃料電池２を通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。

これに対し、燃料電池２を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池２の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定して燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、料電池２への酸化ガスの供給が不足した状態となるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大される。これにより、通常運転に比して短時間で燃料電池２を昇温できるようになる。ところが、低効率運転を行うと、燃料電池２のカソードにはポンピング水素が発生する。

図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示している。
燃料電池２の各単セル８０は、電解質膜８１と、電解質膜８１を挟持するアノード及びカソードを備える。水素（Ｈ₂）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ₂）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると、下記式（１）の反応が進行して、水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成された水素イオンは電解質膜８１を透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
アノード： Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・（１）

ここで、図３（Ａ）に示す通常運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。
カソード： ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

一方、図３（Ｂ）に示す低効率運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸化オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
カソード： ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ ・・・（３）

このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態では、酸化オフガスにポンピング水素が含まれる。そこで、低効率運転の場合、制御装置７は、バイパス弁１８を開弁制御し、酸化オフガスにバイパスエアを導入するようにしている。バイパスエアによって酸化オフガス中の水素濃度が希釈されるので、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスが、排出路１２から外部に排気されるようになる。

低効率運転は、燃料電池２を暖機することを目的として、例えば燃料電池２の温度又は外気温が所定の低温（例えば０℃以下）である起動時に行われる。低効率運転の制御について詳述すると、制御装置７は、先ず、燃料電池２に要求されるＦＣ出力と暖機に必要な熱量からＦＣ電流及びＦＣ電圧の目標値を決定する。そして、制御装置７は、ＦＣ電圧の目標値となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を用いてＦＣ電圧を制御する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１による電圧指令値は、電圧センサ１０による検出値がフィードバックされて補正される。

一方、低効率運転でのＦＣ電流の制御は、調圧弁１６によってなされる。具体的には、制御装置７は、先ず、メモリに格納されている低効率運転ストイキ比マップを参照し、ＦＣ電流及びＦＣ電圧の目標値からエアストイキ比の目標値を決定する。次いで、制御装置７は、エアストイキ比の目標値やメモリ内のその他のマップを用いて、コンプレッサ１４による酸化ガス要求吐出量、燃料電池２の発電に必要な酸化ガス流量（以下、「ＦＣエア要求流量」という。）及び水素濃度低減に必要なバイパスエア要求流量を求める。そして、酸化ガス要求吐出量に従って、コンプレッサ１４の駆動が制御される。

また、制御装置７は、別のマップを参照し、ＦＣエア要求流量及びバイパスエア要求流量から調圧弁１６及びバイパス弁１８の開度指令値を決定し、開度指令値に従って調圧弁１６及びバイパス弁１８を制御する。これにより、燃料電池２及びバイパス路１７への酸化ガスの分流制御がなされる。このとき、調圧弁１６の開度指令値は、電流センサ９によって検出されるＦＣ電流の測定値とＦＣ電流の目標値との偏差から補正される。つまり、制御装置７は、電流センサ９による検出値を調圧弁１６の開度指令値にフィードバックし、それにより調圧弁１６を制御することで、ＦＣ電流の制御を行う。

低効率運転を終了すべきか否か、すなわち燃料電池２の暖気運転を終了すべきか否かは、燃料電池２の温度や低効率運転の運転時間などを基準に判断すればよい。そして、燃料電池２の暖機が完了したと判断したところで、低効率運転から通常運転に移行すればよい。通常運転では、ポンピング水素が発生しないのでバイパス弁１８は閉じられるとよい。通常運転では、低効率運転と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を用いてＦＣ電圧が制御され、調圧弁１６を用いてＦＣ電流が制御される。

図４は、低効率運転中におけるＦＣ電流の制御方法を示すフローチャートである。
図４に示すように、調圧弁１６及びバイパス弁１８の両方とも正常であるときは（ステップＳ１：Ｎｏ）、上記のように、調圧弁１６によるＦＣ電流の制御が行われると共に、燃料電池２及びバイパス路１７への酸化ガスの分流制御が行われる（ステップＳ２）。

一方、調圧弁１６及びバイパス弁１８が凍結等の理由により動作しない場合がある。このような異常が調圧弁１６及びバイパス弁１８の少なくとも一つに起きたときは（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御装置７はコンプレッサ１４によるＦＣ電流の制御を行う（ステップＳ３）。つまり、制御装置７は、デフォルト機能である調圧弁１６による制御からコンプレッサ１４による制御に切り替えて、ＦＣ電流の制御を行う。以下、調圧弁１６及びバイパス弁１８のそれぞれに異常が起きたときの切替え方法について順に説明する。

図５は、調圧弁１６の異常が開弁状態で起きたときの切替え方法を示すタイミングチャートである。なお、調圧弁１６の異常が開弁状態であるとは、調圧弁１６の弁体を閉弁方向に移動できない状態をいい、調圧弁１６の全開状態に限られるものではない。

図５に示すように、調圧弁１６によりＦＣ電流を制御しているときに、調圧弁１６の異常が開弁状態で起きると、ＦＣ電流が目標値よりも増加し始める（タイミングｔ₁）。これは、燃料電池２への酸化ガスの流量が増大するからである。増加したＦＣ電流が電流センサ９によって検出され、電流偏差が調圧弁１６の開度指令値にフィードバックされると、調圧弁１６の開度指令値は閉弁方向（例えば開度０％）となる（タイミングｔ₁→ｔ₂）。これにより、燃料電池２への酸化ガスの流量が減って且つバイパスエア流量が増えることが意図される。ところが、開弁状態で異常の調圧弁１６は動作しないので、バイパスエア量が増えず、ＦＣ電流の増加が収まらないことになる（タイミングｔ₁→ｔ₂）。

増加したＦＣ電流が電流閾値を越えたとき、制御装置７は、調圧弁１６が開弁状態で異常になっていると判断する（タイミングｔ₂）。この判断後、制御装置７は、切替処理を開始する。切替え処理では、先ず、コンプレッサ１４のモータ１４ａの駆動が停止される（タイミングｔ₂）。コンプレッサ１４の駆動が停止側に移行すると、酸化ガスの供給が遮断されるので、ＦＣ電流が低下し始める（タイミングｔ₂→ｔ₃）。コンプレッサ１４の停止後、ＦＣ電流が目標値を下回る（タイミングｔ₃）。このとき、電流偏差が調圧弁１６の開度指令値にフィードバックされ、調圧弁１６の開度指令値は開弁方向となる（タイミングｔ₃）。これは、制御装置７が調圧弁１６を開けて、燃料電池２への酸化ガスの流量を増加させようとするからである。ところが、開弁状態で異常の調圧弁１６は動作しないので、ＦＣ電流が低下し続け、調圧弁１６の開度指令値も開度１００％に向かって上昇し続ける（タイミングｔ₃→ｔ₄）。

上昇した調圧弁１６の開度指令値が閾値（例えば開度８０％）を越えたとき、制御装置７は、モータ１４ａを立ち上げ、コンプレッサ１４の駆動を再開する（タイミングｔ₄）。これにより、低下していたＦＣ電流を目標値に向けて上昇側に転じさせることができる（タイミングｔ₄→ｔ₅）。そして、調圧弁１６の開度指令値が開度１００％になったときに（タイミングｔ₅）、制御装置７は、切替処理を終了し、モータ１４ａの回転数を制御することによるＦＣ電流の制御を開始し、ＦＣ電流が目標値を満たすようにする。なお、制御装置７は、モータ１４ａの回転数の指令値についても、電流偏差（電流センサ９によるＦＣ電流の検出値と目標値との差）で補正するとよい。

続いて、図６を用いて、バイパス弁１８の異常が閉弁状態で起きたときの切替え方法について説明する。なお、バイパス弁１８の異常が閉弁状態であるとは、バイパス弁１８の弁体を開弁方向に移動できない状態をいい、バイパス弁１８の全閉状態に限られない。

図６に示すように、調圧弁１６によりＦＣ電流を制御しているときに、バイパス弁１８の異常が閉弁状態で起きると、ＦＣ電流が目標値よりも増加し始める（タイミングｔ₁）。これは、燃料電池２への酸化ガスの流量が増大するからである。そして、調圧弁１６の開度指令値は、上記同様に電流偏差をフィードバックされて閉弁方向（例えば開度０％）となる（タイミングｔ₁→ｔ₂）。ところが、閉弁状態で異常のバイパス弁１８は動作しないので、ＦＣ電流が増加すると共にコンプレッサ１４の吐出圧が上昇する（タイミングｔ₁→ｔ₂）。吐出圧は、上記のとおり圧力センサＰ１によって検出される。

上昇した吐出圧の値が圧力閾値を越えたとき、制御装置７は、バイパス弁１８が閉弁状態で異常になっていると判断する（タイミングｔ₂）。ここで、圧力センサＰ１を用いたバイパス弁１８の異常検出を採用したのは、電流センサ９を用いたのでは、調圧弁１６の異常検出方法と同じになってしまい、調圧弁１６及びバイパス弁１８のどちらの異常であるかを精度良く判断し難いからである。本実施形態では、バイパス弁１８の異常検出は圧力センサＰ１を用い、調圧弁１６の異常検出は電流センサ９を用いることで、両者の異常検出の有無が精度良く判断される。このようにセンサを選択したのは、バイパス弁１８が閉弁状態で異常になっている場合は（図６の場合）、調圧弁１６が開弁状態で異常になっている場合（図５の場合）に比べると、ＦＣ電流の上昇率は低く抑えられる一方で、吐出圧の上昇率は高くなるという事情に鑑みたからである。

制御装置７は、バイパス弁１８が閉弁状態で異常になっていると判断したとき、切替処理を開始し、コンプレッサ１４のモータ１４ａの駆動を停止させる（タイミングｔ₂）。すると、吐出圧及びＦＣ電流が低下していき（タイミングｔ₂→ｔ₃）、ＦＣ電流が目標値を下回ると（タイミングｔ₃）、調圧弁１６の開度指令値は上記同様に電流偏差をフィードバックされて開弁方向となる（タイミングｔ₃以降）。そして、調圧弁１６の開度指令値が開度１００％に向かって上昇し続け（タイミングｔ₃→ｔ₄）、上昇した調圧弁１６の開度指令値が閾値（例えば開度８０％）を越えたとき、制御装置７は、モータ１４ａを立ち上げ、コンプレッサ１４の駆動を再開する（タイミングｔ₄）。

その後、調圧弁１６の開度指令値が開度１００％になったとき（タイミングｔ₅）、制御装置７は、モータ１４ａの回転数を制御することによるＦＣ電流の制御を開始する。これにより、切替処理が完了し、その後、ＦＣ電流が目標値を満たすようになる。なお、制御装置７は、モータ１４ａの回転数の指令値についても、電流偏差（電流センサ９によるＦＣ電流の検出値と目標値との差）で補正するとよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、低効率運転中に調圧弁１６及びバイパス弁１８のどちらに異常が発生しても、ＦＣ電流を制御する操作装置をコンプレッサ１４に切り替えている。よって、ＦＣ電流を引き続き制御でき、低効率運転を維持できる。また、コンプレッサ１４に切替え制御する際に、コンプレッサ１４を一旦停止させてから駆動させている。これにより、異常発生により増加したＦＣ電流、ＦＣエア流量及び吐出圧を下げることができるので、その後のコンプレッサ１４によるＦＣ電流の制御に円滑に切り替えることができる。さらに、フィードバック制御される調圧弁１６の開度指令値をトリガとして、コンプレッサ１４の駆動を再開できる。一方で、低効率運転中に調圧弁１６及びバイパス弁１８が正常である場合には、これらによってバイパスエア流量及びＦＣエア流量を適切に分流制御できると共に、ＦＣ電流を制御できる。

＜変形例＞
調圧弁１６及びバイパス弁１８が異常であると判断したとき（図５及び図６のタイミングｔ₂）、コンプレッサ１４を一旦停止させるのではなく、停止方向に駆動してもよい。要するに、コンプレッサ１４による酸化ガスの吐出量を減らすことで、ＦＣ電流を下げることができればよい。

例えば図５及び図６に示した、調圧弁１６によるＦＣ電流の制御からコンプレッサ１４によるＦＣ電流の制御への切り替えは、低効率運転時に限らず、通常運転時においても実行してもよい。

バイパス弁１８は、バイパス通路１７に設けられる場合に限らず、接続点Ｂに設けられてもよい。この場合には、バイパス弁１８をロータリー弁で構成するとよい。

実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。 実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示す。 実施形態に係る燃料電池システムの低効率運転中におけるＦＣ電流の制御方法を示すフローチャートである。 実施形態に係る調圧弁の異常が開弁状態で起きたときの切替え方法を示すタイミングチャートである。 実施形態に係るバイパス弁の異常が閉弁状態で起きたときの切替え方法を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、７：制御装置、９：電流センサ、１１：供給路、１２：排出路、１４：コンプレッサ（供給機）、１６：調圧弁（分流制御手段）、１７：バイパス路、１８：バイパス弁（分流制御手段）、Ｐ１：圧力センサ

Claims (11)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
   前記供給路に設けられ、前記燃料電池に酸化ガスを圧送する供給機と、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
   酸化ガスが前記燃料電池をバイパスして流れるように、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記バイパス路及び前記燃料電池への酸化ガスの分流を調整する分流調整手段と、
   前記供給機及び前記分流調整手段を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記分流調整手段の異常時に、前記分流調整手段を制御することによる前記燃料電池の出力電流の制御から、前記供給機を制御することによる前記燃料電池の出力電流の制御に切り替える、燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、通常運転よりも電力損失の大きな低効率運転中に前記分流調整手段の異常が起きたときに、前記分流調整手段による制御から前記供給機による制御に切り替えて前記燃料電池の出力電流を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記分流調整手段は、前記通常運転の際には前記バイパス路への酸化ガスの分流を禁止し、前記低効率運転の際には前記バイパス路に分流される酸化ガスの流量を調整する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記分流調整手段は、
   前記燃料電池への酸化ガスの供給圧を調整する調圧弁と、
   前記バイパス路の下流へと分流する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、
   前記制御装置は、前記低効率運転中に前記調圧弁及び前記バイパス弁の少なくとも一方の異常が起きたとき、前記調圧弁による制御から前記供給機による制御に切り替えて前記燃料電池の出力電流を制御する、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記供給機による制御に切り替える際、前記供給機を一旦停止させてから駆動する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、
   前記制御装置は、前記電流センサによる検出値が閾値を超えたとき、前記調圧弁の異常が開弁状態で起きていると判断し、前記供給機を一旦停止させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御装置は、前記電流センサによる検出値を前記調圧弁の開度指令値にフィードバック制御するものであり、
   前記制御装置は、前記調圧弁の開度指令値が閾値を越えたときに、一旦停止させていた前記供給機の駆動を開始する請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記供給機による酸化ガスの吐出圧を検出する圧力センサを備え、
   前記制御装置は、前記圧力センサによる検出値が閾値を超えたとき、前記バイパス弁の異常が閉弁状態で起きていると判断し、前記供給機を一旦停止させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、
   前記制御装置は、前記電流センサによる検出値を前記調圧弁の開度指令値にフィードバック制御するものであり、
   前記制御装置は、前記調圧弁の開度指令値が閾値を越えたときに、一旦停止させていた前記供給機の駆動を開始する、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御装置は、前記調圧弁及び前記バイパス弁のどちらに異常が起きているかを、異なるセンサを用いて判断する、請求項４に記載の燃料電池システム。
11. 前記調圧弁は、前記排出路に設けられ、
    前記バイパス弁は、前記バイパス路に設けられている、請求項４ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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