JP2010257731A

JP2010257731A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010257731A
Application number: JP2009105925A
Authority: JP
Inventors: Naohisa Tsuchiya; 尚久土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP5348538B2

Abstract

【課題】排出弁の異常を的確に検知することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料供給流路３１と、燃料供給流路３１の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するガス供給装置３５と、燃料電池１０から排出される燃料オフガスを、排出弁３７を介して排出する排出流路３２と、ガス供給装置３５及び排出弁３７の駆動を制御する制御装置４と、を備え、制御装置４は、ガス供給装置３５に対する燃料ガス供給指令値と燃料電池１０における燃料ガス消費量の推定値との偏差が、排出弁３７の開閉のタイミングにあわせて変動する場合に、排出弁３７に異常があると判断する燃料電池システム１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、燃料電池の発電に伴って発生する燃料オフガスや水分を、排出弁を介して外部に排出するための排出流路が設けられる。

排出流路に設けられた排出弁は、例えば異物の噛み込みや水分噴射による瞬間的な凍結等により、排出弁が開弁状態から閉弁状態に戻らない開固着を生じることがある。そのため、例えば特許文献１においては、この開固着を、可変ガス供給装置（インジェクタ）に対するガス供給指令量に基づいて検出する技術が提案されている。より具体的には、特許文献１においては、インジェクタに対するガス供給指令量の増加量が所定の閾値を所定時間越えた場合に、開固着が発生していると判断する。

特開２００８−１１２７０１号公報

しかしながら、インジェクタに対するガス供給指令量の増加量が、所定の閾値を所定時間越えるのは、排出弁の開弁異常の場合だけではなく、他にも、インジェクタの閉固着や燃料電池システムの他の箇所にガス漏れがある場合などにも起こり得る。従って、上記従来の技術の方法では、インジェクタや燃料電池システムの他の箇所に異常があったとしても、排出弁の異常として同一に扱ってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、排出弁の異常を的確に検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、前記燃料供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、排出弁を介して排出する排出流路と、前記ガス供給装置及び前記排出弁の駆動を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記ガス供給装置に対する燃料ガス供給指令値と前記燃料電池における燃料ガス消費量の推定値との偏差が、前記排出弁の開閉のタイミングにあわせて変動する場合に、前記排出弁に異常があると判断する燃料電池システムを構成する。

排出弁の開閉のタイミングにあわせた燃料ガス供給指令値と燃料ガス消費量の推定値との偏差の変動は、排出弁が指令どおりに（推測どおりに）開閉されていない場合すなわち排出弁に異常が生じている場合に生じるから、上記構成により、排出弁の異常を的確に検知できる。

尚、本明細書において、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度などで表されるガスの状態を意味する。

また、上記構成において、前記偏差が前記排出弁の開閉のタイミングにあわせて変動しない場合に、前記排出弁には異常がないと判断するようにしてもよい。

燃料ガス供給指令値と燃料ガス消費量の推定値にたとえ偏差が存在していたとしても、この偏差が排出弁の開閉のタイミングにあわせて変動しない場合は、排出弁以外の箇所の異状によるものであるから、上記構成によれば、別の箇所の異常を排出弁の異常とするような誤りが防止できる。すなわち排出弁の異常の有無をより的確に検知できる。尚、「偏差が…開閉のタイミングにあわせて変動しない場合」とは、例えば、偏差の変動と開閉のタイミングとが同期せず、排出弁か開閉しても偏差は一定値を示したままであったり、また例えば、排出弁が開閉とはまったく異なるタイミングで偏差が変動したりすることを示す。

また、上記構成において、前記偏差が前記ガス供給装置の駆動のタイミングにあわせて変動する場合に、前記ガス供給装置に異常があると判断するようにしてもよい。

ガス供給装置の駆動のタイミングにあわせた燃料ガス供給指令値と燃料ガス消費量の推定値との偏差の変動は、ガス供給装置が指令どおりに（推測どおりに）駆動されていない場合すなわち燃料ガス供給装置に異常が生じている場合に生じるから、上記構成により、ガス供給装置の異常を的確に検知できる。

また、上記構成において、前記偏差が所定値以上であり、かつ該偏差が前記排出弁の開閉及び前記ガス供給装置の駆動のタイミングにあわせて変動しない場合に、前記燃料電池、前記燃料供給流路または前記排出流路にガス漏れがあると判断するようにしてもよい。

燃料ガス供給指令値と燃料ガス消費量の推定値に偏差が存在し、この偏差が排出弁の開閉及びガス供給装置の駆動のタイミングによらず一定である場合は、排出弁及びガス供給装置以外の箇所、すなわち、燃料電池、前記燃料供給流路または前記排出流路でのガス漏れが発生している蓋然性が高いから、上記構成により、こうしたガス漏れを検知できるとともに、上記部位のガス漏れを排出弁やガス供給装置の異常と検知するような誤りも防止できる。

本発明によれば、排出弁の異常を的確に検知することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図同実施形態に係るインジェクタの制御に関する機能ブロック図同実施形態に係るシステム異常検知方法を説明するためのフローチャート同実形態に係る排気排水弁に異常がある場合のタイムチャート同実施形態に係る排気排水弁以外の箇所に異常がある場合のタイムチャート

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。
（燃料電池システムの全体構成）
まず、図１を用いて、本発明の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。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成したスタック構造を有している。単セルはいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成されている。

カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。

燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する酸化ガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して外部に酸化オフガスを導くための酸化オフガス排気流路２３と、を備えている。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給する水素供給流路３１（燃料供給流路）と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出するインジェクタ上流側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１の上流側には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するためのアノード側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させている。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁体及び弁座を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ３５は、水素供給流路３１の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力等）を調整して下流側の燃料電池１０に供給するものであり、本発明におけるガス供給装置の一実施形態である。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排気排水流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、排気排水流路３８を介して外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。排気排水弁３７の開放により、循環流路３２内水素オフガスの不純物の濃度が下がり、水素供給流路３１に循環供給される水素オフガスの水素濃度が上がる。循環流路３２は、本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３７は、本発明における排出弁の一実施形態である。

希釈器４０は、排気排水弁３７及び排気排水流路３８を介して排出される水素オフガスを、酸化オフガス排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、後述するインジェクタ３５の駆動制御や、インジェクタ３５や排気排水弁３７等の異常検知等種々の処理や制御を行う。

（インジェクタの駆動制御）
以下、図２を用いて、制御装置４によるインジェクタ３５の駆動制御機能について詳細に説明する。ここで、図２は、本発明の実施の形態に係るインジェクタ３５の制御に関する機能ブロック図である。

制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０における発電により消費される水素ガス消費量Ｑ_FCを算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素ガス消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に燃料電池１０における水素ガス消費量Ｑ_FCを算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５の下流位置の圧力値（検出圧力値）に基づいて、燃料電池１０内の水素ガス流路（アノード側）から電解質膜を介して酸化ガス流路（カソード側）へと透過する水素ガスの量（クロスリーク量Ｑ_CL）を算出する（クロスリーク量算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、インジェクタ３５の下流位置における水素ガスの圧力値とクロスリーク量との関係を表す特定のマップと、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５の下流位置の圧力値（検出圧力値）とを用いてカソード側へリークするクロスリーク量Ｑ_CLを算出している。

また、制御装置４は、循環流路３２から排気排水弁３７を介して排出された水素オフガスの排気量Ｑ_PRを算出する（排気量算出機能：Ｂ３）。本実施の形態においては、インジェクタ３５の下流位置の圧力値（検出圧力値）から推定される循環流路３２内部の水素オフガスの圧力及び排気排水弁３７の開閉時間に基づいて、水素オフガスの排気量Ｑ_PRを算出している。

以上の算出結果に基づいて、制御装置４は、燃料電池２における水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESを、Ｑ_ES＝Ｑ_FC＋Ｑ_CL＋Ｑ_PRの式により算出する（水素ガス消費量推定機能：Ｂ４）。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）との偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ６）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。本実施形態においては、ＰＩ型フィードバック制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ７）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ８）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESとフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量の指令値Ｑ_RQを算出する（噴射流量算出機能：Ｂ９）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量の指令値Ｑ_RQを静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ１０）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期は一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を送出することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御してインジェクタ３５を所定の駆動周期で駆動させることにより、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

さらに、本実施の形態においては、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量の指令値Ｑ_RQと水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESとの偏差Ｑ_IN（Ｑ_IN＝｜Ｑ_RQ−Ｑ_ES｜）及び偏差の変動を監視し、これにより燃料電池システム内の異常を検知するようになっている（システム異常検知機能：Ｃ１）。以下、図３乃至図５を用いて詳細に説明する。

（システム異常検知フロー）
図３は、本実施形態に係るシステム異常検知フローを説明するためのフローチャートである。以下このフローチャートに沿って説明する。

はじめに、制御装置４は、演算周期毎にインジェクタ３５の噴射流量Ｑ_RQと水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESとの偏差Ｑ_INを算出し（ステップＳ１）、偏差Ｑ_INが所定の閾値Ｑ_THを越えているか、いないかを判断する（ステップＳ２）。偏差Ｑ_INが所定の閾値Ｑ_THを越えていない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ１に戻り、次の演算周期において再び偏差Ｑ_INを算出する。すなわち、偏差Ｑ_INが所定の閾値Ｑ_THを越えていない間は、演算周期毎に偏差Ｑ_INを算出し、閾値Ｑ_THを越えているかどうかの判定を繰り返すことにより、システム内部の異常を監視するようになっている。

そして、偏差Ｑ_INが所定の閾値Ｑ_THを越えている場合は、システム内部に異常がある可能性が高く、その箇所を特定するために以下のような制御を行う。

まず、偏差Ｑ_INが所定の閾値Ｑ_THを越えている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）は、排気排水弁３７に異常がある可能性が高いため、最初に排気排水弁３７に異常があるか否かを検知するための異常検知動作を行う（ステップＳ３）。

排気排水弁３７の異常検知動作においては、制御装置４は、排気排水弁３７に開弁指令と閉弁指令を所定の期間のあいだ交互に送出し、排気排水弁３７の開閉指令のタイミングにあわせて、偏差Ｑ_INがどのように変動しているかの監視を行う。

これを図４及び図５を使ってより具体的に説明する。ここで、図４は、排気排水弁３７に開弁異常がある場合のタイミングチャートの一例、図５は、排気排水弁３７以外の箇所に異常がある場合のタイミングチャートの一例である。図４及び図５において、（ａ）は排気排水弁３７への開閉指令を示すタイムチャート、（ｂ）は、インジェクタ３５の噴射流量の指令値Ｑ_RQと水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESの変動を示すタイムチャート、（ｃ）は、上記Ｑ_RQとＱ_ESとの偏差Ｑ_INの変動を示すタイムチャートである。尚、本実施の形態においては、排気排水弁３７の開閉の周期は、例えば数１０〜数１００ｍｓである。

排気排水弁３７に開弁異常がある場合は、排気排水弁３７に閉指令がなされても、実際は排気排水弁３７が開いたままの状態であるから、水素ガス消費量の推定値Ｑ_ES算出の前提とする排気排水弁３７状態と実際の状態とが乖離することになる。そのため、図４に示すように、排気排水弁３７への閉指令がなされたときに水素ガス消費量の推定値Ｑ_ESと噴射流量の指令値Ｑ_RQとに誤差が生じて偏差Ｑ_INが大きくなり、例えば、所定の閾値Ｑ_THを越える。一方、排気排水弁３７への開指令がなされたときには、水素ガス消費量の推定値Ｑ_ES算出の前提とする排気排水弁３７状態と実際の状態とに相違はないから、偏差Ｑ_INは小さくなり、例えば、所定の閾値Ｑ_THより小さくなる。

すなわち、排気排水弁３７に開弁異常がある場合は、排気排水弁３７への開閉指令にあわせて偏差Ｑ_INが閾値Ｑ_THより大きくなったり小さくなったりする。言い換えれば、排気排水弁３７に開弁異常がある場合は、排気排水弁３７への開閉指令と偏差Ｑ_INの変動とが同期する。

尚、図４においては、排気排水弁に開弁異常がある場合のタイムチャートを示したが、閉弁異常がある場合も、偏差Ｑ_INの変動特性は反転するものの（排気排水弁３７への開指令にあわせて偏差Ｑ_INが閾値Ｑ_THより大きくなり、閉指令にあわせて偏差Ｑ_INが閾値Ｑ_THより小さくなる）、排気排水弁３７への開閉指令と偏差Ｑ_INの変動とが同期する点では同様である。

一方、図５は、排気排水弁３７には異常がなく、他の箇所に異常がある場合のタイミングチャートである。同図に示すように、排気排水弁３７には異常がない場合は、排気排水弁３７へ開指令がなされようとも閉指令がなされようとも、水素ガス消費量の推定値Ｑ_ES算出の前提とする排気排水弁３７状態と実際の状態とに相違はないから、偏差Ｑ_INは排気排水弁３７への開指令及び閉指令と同期しない値（＞Ｑ_TH）を示す。言い換えれば、排気排水弁３７には異常がない場合は、排気排水弁３７への開閉指令と偏差Ｑ_INの変動とは同期しない。

制御装置４は、上記図４と図５を用いて示した偏差Ｑ_INの変動の挙動の違いを利用して、排気排水弁３７に異常の有無を判断する。より具体的には、制御装置４は、排気排水弁３７への開弁指令と閉弁指令を一定期間交互に繰り返し、当該開閉指令のタイミングと偏差Ｑ_INの変動とが同期する場合は、排気排水弁３７に異常があると判断し、同期しない場合は、排気排水弁３７には異常はないと判断する。尚、排気排水弁３７に異常がある場合は、さらに、排気排水弁への開指令の際に偏差Ｑ_INが増大するのか、閉指令の際に偏差Ｑ_INが増大するのかを検出することにより、排気排水弁３７の異常が、開弁異常であるのか、閉弁異常であるのかを判別することができる。

図３に戻って説明を続ける。制御装置４は、排気排水弁３７に異常があると判断した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）は、排気排水弁３７の異常検知動作に引き続き、さらに一定期間排気排水弁３７の開閉を繰り返す、異常回復動作を行う（ステップＳ５）。これにより、例えば排気排水弁３７に異物が噛みこんだ場合等に、異物を排除し排気排水弁３７の異常を回復することができる。尚、ステップＳ３における排気排水弁３７への交互の開閉指令だけでも、異物等の噛みこみを解消できる場合もある。排気排水弁３７の異常回復動作を一定期間繰り返しても異常が回復しない場合（一定期間経過後に偏差Ｑ_IN＞Ｑ_TH）は、制御装置４は、燃料電池システム１を停止させるようにしてもよい。

次に、制御装置４は、排気排水弁３７には異常がないと判断した場合（ステップＳ４：ＮＯ）は、インジェクタ３５に異常がある可能性があるので、インジェクタ３５に異常があるか否かを検知するための異常検知動作を行う（ステップＳ６）。

インジェクタ３５の異常検知動作は、排気排水弁３７の異常検知動作と同様に行う。すなわち、制御装置４は、今度はインジェクタ３５への開弁指令と閉弁指令を一定期間交互に繰り返し、当該開閉指令のタイミングと偏差Ｑ_INの変動とが同期する場合は、インジェクタ３５に異常があると判断し、同期しない場合は、インジェクタ３５には異常はないと判断する。ここで、本実施の形態においては、インジェクタ３５の開閉の周期は、例えば数ｍｓである。尚、インジェクタ３５に異常がある場合は、さらに、インジェクタ３５への開指令の際に偏差Ｑ_INが増大するのか、閉指令の際に偏差Ｑ_INが増大するのかを検出することにより、インジェクタ３５の異常が、開弁異常であるのか、閉弁異常であるのかを判別することができる。

制御装置４は、インジェクタ３５に異常があると判断した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）は、インジェクタ３５の異常検知動作に引き続き、さらに一定期インジェクタ３５の開閉を繰り返す、異常回復動作を行う（ステップＳ８）。これにより、例えばインジェクタ３５に異物が噛みこんだ場合等に、異物を排除しインジェクタ３５の異常を回復することができる。尚、ステップＳ６におけるインジェクタ３５への交互の開閉指令だけでも、異物等の噛みこみを解消できる場合もある。インジェクタ３５の異常回復動作を一定期間繰り返しても異常が回復しない場合（一定期間経過後に偏差Ｑ_IN＞Ｑ_TH）は、制御装置４は、燃料電池システム１を停止させるようにしてもよい。

制御装置４は、インジェクタ３５には異常がないと判断した場合（ステップＳ８：ＮＯ）は、インジェクタ３５から排気排水弁３７までの流路（水素供給流路３１、燃料電池１０、循環流路３２等）においてガス漏れがあると判断して、安全のために燃料電池システム１全体を停止させる（ステップＳ９）。

以上説明したように、本実施の形態においては、偏差Ｑ_INの大きさのみならず、排気排水弁３７やインジェクタ３５の開閉指令のタイミングにあわせて偏差Ｑ_INがどのように変動しているかの監視を行うことにより、排気排水弁３７に異常があるのか、インジェクタ３５に異常があるのか、またはインジェクタ３５から排気排水弁３７までの流路に異常があるのかといった異常個所の特定が可能になり、より正確かつ精緻な異常検知が実現できる。

（変形例）
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。

例えば、本実施の形態においては、異常が起きる可能性の高さに鑑みて、排気排水弁３７の異常検知動作をインジェクタ３５の異常検知動作より先に行っているが、この順番を逆にしてもよい。すなわち、比較的駆動周期の短い（数ｍｓ）インジェクタ３５の異常検知動作を先に行った上で、駆動周囲の長い（数１０から数１００ｍｓ）排気排水弁３７の異常検知動作を行うようにしてもよい。また、排気排水弁３７、インジェクタ３５駆動周期がそれぞれ異なっていることから異常検知動作を同時に行い、偏差Ｑ_INが排気排水弁３７の開閉タイミングに同期するのか、インジェクタ３５の開閉タイミングに同期するのかを同時に監視することも可能である。

また、本実施の形態における燃料電池システム１の構成も適宜変更可能であることはいうまでもない。例えば、本発明におけるガス供給装置としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する弁装置であればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。また例えば、本発明の排気弁として排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器で回収した水分を外部に排出する排水弁は別に設けてもよい。

１……燃料電池システム、２……酸化ガス配管系、３……水素ガス配管系、４……制御装置、１０……燃料電池、１１……ＰＣＵ、１２……トランクションモータ、１３……電流センサ、２０……加湿器、２１……酸化ガス供給流路、２２……酸化ガス排出流路、２３……酸化オフガス排気流路、２４……コンプレッサ、２５……カソード側圧力センサ、２６……背圧弁、２７……ステップモータ、３０……水素タンク、３１……水素供給流路（燃料ガス供給流路）、３２……循環流路（排出流路）、３３……遮断弁、３４……レギュレータ、３５……インジェクタ（ガス供給装置）、３６……気液分離器、３７……排気排水弁、３８……排気排水流路、３９……水素ポンプ、４０……希釈器、４１……インジェクタ上流側圧力センサ、４２……温度センサ、４３……アノード側圧力センサ

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給流路と、
前記燃料供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するガス供給装置と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、排出弁を介して排出する排出流路と、
前記ガス供給装置及び前記排出弁の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ガス供給装置に対する燃料ガス供給指令値と前記燃料電池における燃料ガス消費量の推定値との偏差が、前記排出弁の開閉のタイミングにあわせて変動する場合に、前記排出弁に異常があると判断する燃料電池システム。
前記偏差が前記排出弁の開閉のタイミングにあわせて変動しない場合に、前記排出弁には異常がないと判断する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記偏差が前記ガス供給装置の駆動のタイミングにあわせて変動する場合に、前記ガス供給装置に異常があると判断する請求項２に記載の燃料電池システム。
前記偏差が所定値以上であり、かつ該偏差が前記排出弁の開閉及び前記ガス供給装置の駆動のタイミングにあわせて変動しない場合に、前記燃料電池、前記燃料供給流路または前記排出流路にガス漏れがあると判断する請求項３に記載の燃料電池システム。