JP2019160412A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイパス弁の開固着と、供給流路およびバイパス流路を構成する配管における配管抜けと、を切り分けて特定することができる。【解決手段】燃料電池と、コンプレッサと、空気の供給量を調整する供給量調整弁と、バイパス流路を通る空気の流量を調整するバイパス弁と、空気の流量を測定する流量測定部と、空気の圧力を測定する圧力測定部と、供給量調整弁およびバイパス弁の開度を制御する開度制御信号を出力する開度制御部と、コンプレッサの回転数を制御する回転数制御信号を出力する回転数制御部と、燃料電池システムの異常の有無を判定する判定部と、を備え、判定部は、流量が流量閾値より小さい場合、バイパス弁が開固着していると判定し、流量が流量閾値以上である場合、配管抜けが発生していると判定する、燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、コンプレッサから送られる空気を燃料電池に送る供給流路と、燃料電池から排出される空気を大気へと排出する排出流路と、供給流路を流れる空気の一部を、燃料電池をバイパスして、排出流路へと送るバイパス流路と、を備えるものがある。また、バイパス流路には、流量を調整するバイパス弁が設けられることがある。特許文献１には、供給流路内の酸化剤ガスの推定圧力値に基づいて、バイパス弁の異常を検出する燃料電池システムが開示されている。

特開２００９−０１６１１７号公報

このような燃料電池システムにおいて、バイパス流路との接続部位よりも下流側の供給流路に設けられて燃料電池への酸化剤ガスの流量を調整する調整弁を閉弁させるとともにバイパス弁を閉弁させる制御信号を出力した状態において、コンプレッサから酸化剤ガスの供給を行った場合に、調整弁が正常に閉弁している際に供給流路内の圧力が上昇しないときの原因としては、バイパス弁の開弁状態での固着と、供給流路およびバイパス流路を構成する配管における配管抜けに伴うガス漏れと、が考えられる。かかる燃料電池システムにおいて、このような原因を切り分けて特定したいという要請がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、空気を用いて発電する燃料電池と、前記空気を圧縮して前記燃料電池に送るコンプレッサと、前記燃料電池と前記コンプレッサとを接続し、前記コンプレッサから圧縮されて送られてくる前記空気を前記燃料電池に送る供給流路と、一方の端部が前記燃料電池と接続し、前記燃料電池から排出される前記空気を大気へ排出する排出流路と、前記供給流路から分岐して前記排出流路に接続されるバイパス流路であって前記排出流路との接続部位から前記排出流路のうち下流側である下流側流路に前記空気を送るバイパス流路と、前記供給流路のうち前記バイパス流路との接続部位より下流側の位置と、前記排出流路のうち前記バイパス流路との接続部位より上流側の位置と、のうち少なくとも一方に設けられ、前記燃料電池への前記空気の供給量を調整する供給量調整弁と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通る前記空気の流量を調整するバイパス弁と、前記コンプレッサが送る前記空気の流量を測定する流量測定部と、前記バイパス流路のうち前記バイパス弁が設けられた位置より上流側もしくは前記供給流路に設けられ、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気の圧力を測定する圧力測定部と、前記供給量調整弁および前記バイパス弁の開度を制御する開度制御信号を出力する開度制御部と、前記コンプレッサの回転数を制御する回転数制御信号を出力する回転数制御部と、前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出部と、前記燃料電池システムの異常の有無を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、前記バイパス弁の開度を閉弁状態にして、かつ、前記発電量が予め設定された設定発電量になるよう前記供給量調整弁を制御するために前記開度制御信号を前記開度制御部に出力させるとともに、前記コンプレッサが予め設定された設定回転数で回転するよう前記回転数制御信号を前記回転数制御部に出力させた状態において、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が予め設定された圧力閾値より小さいときであって、前記流量測定部が測定する前記流量が予め設定された流量閾値より小さい場合、前記バイパス弁が開固着していると判定し、前記流量測定部が測定する前記流量が前記流量閾値以上である場合、前記供給流路および前記バイパス流路を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する。このような形態とすれば、バイパス弁の開固着と、供給流路およびバイパス流路を構成する配管における配管抜けと、を切り分けて特定することができる。したがって、それぞれの異常に応じて適切な対処を行うことができる。

（２）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、空気を用いて発電する燃料電池と、前記空気を圧縮して前記燃料電池に送るコンプレッサと、前記コンプレッサの回転数を検出する回転数センサと、前記燃料電池と前記コンプレッサとを接続し、前記コンプレッサから圧縮されて送られてくる前記空気を前記燃料電池に送る供給流路と、一方の端部が前記燃料電池と接続し、前記燃料電池から排出される前記空気を大気へ排出する排出流路と、前記供給流路から分岐して前記排出流路に接続されるバイパス流路であって前記排出流路との接続部位から前記排出流路のうち下流側である下流側流路に前記空気を送るバイパス流路と、前記供給流路のうち前記バイパス流路との接続部位より下流側の位置と、前記排出流路のうち前記バイパス流路との接続部位より上流側の位置と、のうち少なくとも一方に設けられ、前記燃料電池への前記空気の供給量を調整する供給量調整弁と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通る前記空気の流量を調整するバイパス弁と、前記コンプレッサが送る前記空気の流量を測定する流量測定部と、前記バイパス流路のうち前記バイパス弁が設けられた位置より上流側もしくは前記供給流路に設けられ、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気の圧力を測定する圧力測定部と、前記供給量調整弁および前記バイパス弁の開度を制御する開度制御信号を出力する開度制御部と、前記コンプレッサの回転数を制御する回転数制御信号を出力する回転数制御部と、前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出部と、前記燃料電池システムの異常の有無を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、前記バイパス弁の開度を閉弁状態にして、かつ、前記発電量が予め設定された設定発電量になるよう前記供給量調整弁を制御するために前記開度制御信号を前記開度制御部に出力させるとともに、前記コンプレッサが予め設定された設定回転数で回転するよう前記回転数制御信号を前記回転数制御部に出力させた状態において、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が予め設定された圧力閾値より小さいときであって、前記流量測定部が測定する前記流量が予め設定された流量閾値より小さい場合、前記バイパス弁が開固着していると判定し、前記流量測定部が測定する前記流量が前記流量閾値以上である場合、前記コンプレッサの異常判定を行い、前記異常判定において前記回転数センサが検出する回転数と前記回転数制御信号に対応する回転数との差が、予め設定された回転数閾値以上である場合、前記コンプレッサに異常があると判定し、前記異常判定において前記回転数センサが検出する回転数と前記回転数制御信号に対応する回転数との差が、前記回転数閾値より小さい場合、前記供給流路および前記バイパス流路を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する。このような形態とすれば、バイパス弁の開固着と、供給流路およびバイパス流路を構成する配管における配管抜けと、コンプレッサにおける異常と、を切り分けて特定することができる。したがって、それぞれの異常に応じて適切な対処を行うことができる。

（３）上記形態における燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が前記圧力閾値以上であるとき、前記供給量調整弁が閉固着していると判定してもよい。このような形態とすれば、供給量調整弁の閉固着についても特定することができる。

（４）上記形態における燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池システムの運転中に、前記開度制御信号に応じて変動する前記流量測定部が測定する前記流量について学習を行い、前記学習の結果に応じて前記流量閾値を補正する閾値補正部を備えてもよい。このような態様とすれば、燃料電池システムを構成する部品の交換あるいは修理などにより、空気が通る流路における圧力損失に変化が生じたとしても、その変化に対応して流量閾値を補正できる。このため、燃料電池システムの異常を切り分けて特定する精度を維持することができる。

本発明の形態は、燃料電池システムに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする車両および船舶などに搭載される燃料電池システム、車両そのもの、船舶そのものなどの種々の形態に適用することも可能である。また、これらを実現するコンピュータプログラムなどの態様で実現することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

第１実施形態の燃料電池システムの構成を示した説明図である。 異常特定処理を示すフローである。 発電量の変動および空気の流量変動を示す説明図である。 異常特定処理を示すフローである。 第３実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１０の構成を示した説明図である。燃料電池システム１０は、モータで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、セルモニタ１１０と、コンプレッサ２００と、供給流路３００と、排出流路４００と、バイパス流路５００と、吸気流路６００と、制御部７００とを備える。

燃料電池１００は、単セルを複数積層させたスタック構造を有している。各単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。燃料電池１００は、水素ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。本実施形態では、酸化剤ガスは、空気である。セルモニタ１１０は、燃料電池１００を構成するセルの電圧または電流を検出するモニタである。

コンプレッサ２００は、大気から取り込まれた空気を圧縮して燃料電池１００に送る。本実施形態では、コンプレッサ２００は、空気を送るエアコンプレッサである。コンプレッサ２００は、コンプレッサ２００の回転数を検出する回転数センサ２７０を有する。

供給流路３００は、燃料電池１００とコンプレッサ２００とを接続している。供給流路３００は、コンプレッサ２００から圧縮されて送られてくる空気を燃料電池１００に送るための流路である。排出流路４００は、一方の端部が燃料電池１００と接続し、燃料電池１００から排出される空気を大気へと排出するための流路である。バイパス流路５００は、供給流路３００から分岐して排出流路４００に接続される流路である。吸気流路６００は、大気からコンプレッサ２００に空気を取り込ませるための流路である。

供給流路３００には、第１弁３５０と、インタークーラ３６０と、圧力センサ３７０とが設けられている。第１弁３５０は、供給流路３００のうちバイパス流路５００との接続部位より下流側に設けられる。第１弁３５０は、燃料電池１００への空気の供給流路を調整する。インタークーラ３６０は、コンプレッサ２００によって圧縮された空気を冷却する。圧力センサ３７０は、コンプレッサ２００によって圧縮された空気の圧力を測定する。

排出流路４００には、第２弁４５０と、マフラー４６０とが設けられている。第２弁４５０は、排出流路４００のうちバイパス流路５００との接続部位より上流側に設けられる。第２弁４５０は、燃料電池１００からの空気の排出量を調整する。マフラー４６０は、排出流路４００のうちバイパス流路５００との接続部位より下流側に設けられる。マフラー４６０は、空気を大気に排出する際に発生する排気音を低減する。

本実施形態では、燃料電池１００への空気の供給量は、第１弁３５０および第２弁４５０によって、調整される。このため、第１弁３５０および第２弁４５０は、課題を解決するための手段における供給量調整弁の下位概念に相当する。また、本実施形態では、第１弁３５０および第２弁４５０は、任意の開度範囲に調整可能な弁として構成されている。なお、第１弁３５０および第２弁４５０は、任意の開度範囲に調整可能な弁に限らず、開閉弁であってもよい。

バイパス流路５００には、第３弁５５０が設けられている。第３弁５５０は、バイパス流路５００を通る空気の流量を調整する。第３弁５５０が開弁しているとき、バイパス流路５００は、排出流路４００との接続部位から排出流路４００のうち下流側である下流側流路４４０に空気を送る。本実施形態では、第３弁５５０は、開閉弁として構成されている。なお、第３弁５５０は、開閉弁に限らず、任意の開度範囲に調整可能な弁であってもよい。本実施形態において、供給流路３００とバイパス流路５００とは、複数の配管が連結することによって構成されている。

吸気流路６００には、エアクリーナ６６０と、エアフロメータ６７０とが設けられている。エアクリーナ６６０は、コンプレッサ２００に取り込まれる空気中の塵埃を除去する。エアフロメータ６７０は、コンプレッサ２００が送る空気の流量を測定する。

制御部７００は、燃料電池システム１０に備えられた各種センサから出力される信号を受信するとともに、燃料電池システム１０全体を制御する。制御部７００は、開度制御部７１０と、回転数制御部７２０と、発電量算出部７３０と、判定部７４０とを有する。開度制御部７１０は、第１弁３５０、第２弁４５０および第３弁５５０の開度を制御する開度制御信号を、第１弁３５０、第２弁４５０および第３弁５５０に対して出力する。回転数制御部７２０は、コンプレッサ２００の回転数を制御する回転数制御信号を、コンプレッサ２００に対して出力する。発電量算出部７３０は、セルモニタ１１０から送られる信号に基づいて、燃料電池１００の発電量を算出する。

判定部７４０は、燃料電池システム１０の異常の有無を判定する。具体的には、判定部７４０は、後述の異常特定処理を実行することにより、圧力センサ３７０およびエアフロメータ６７０が測定する値に基づいて、燃料電池システム１０において異常がある箇所を判定する。

Ａ２．異常特定処理：
図２は、判定部７４０が実行する異常特定処理を示すフローである。異常特定処理は、燃料電池１００の発電に異常がある場合に、その異常の原因となった箇所を特定する処理である。異常特定処理は、燃料電池システム１０が搭載された車両に備えられた図示しないイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまでの間、定期的に実行される。

異常特定処理が開始されると、判定部７４０は、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であるか否か判定する（ステップＳ１１０）。ここでいう間欠運転とは、例えばアイドリング時や低速走行時のような低負荷運転時に、燃料電池１００に対して供給する空気の量を調整することにより、燃料電池１００の発電量が予め設定された設定発電量になるよう制御される運転状態のことである。設定発電量については後述する。なお、本実施形態では、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態になる際、開度制御部７１０は、第３弁５５０の開度を閉弁状態にして、かつ、燃料電池１００の発電量が設定発電量になるよう第１弁３５０および第２弁４５０を制御するために開度制御信号を出力する。また、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態になる際、回転数制御部７２０は、コンプレッサ２００に最低回転数で回転するよう回転数制御信号を出力する。

図３は、燃料電池システム１０が通常運転の状態から間欠運転の状態に移行した場合における、燃料電池１００の発電量の変動およびコンプレッサ２００から送られる空気の流量変動を示す説明図である。ここでいう通常運転とは、燃料電池１００に要求される電力に応じて燃料電池１００の発電量を変化させる運転状態のことである。図３は、燃料電池システム１０に異常がない場合における発電量の変動およびコンプレッサ２００から送られる空気の流量変動を示す。図３における各グラフの横軸は、時間を表す。図３において、上段のグラフは、燃料電池システム１０の運転状態を示し、中段のグラフは、燃料電池１００の発電量の変動を示し、下段のグラフは、コンプレッサ２００から送られる空気の流量変動を示す。

図３の上段のグラフの縦軸におけるＳ０は、燃料電池システム１０の運転状態が通常運転の状態であることを示し、Ｓ１は、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であることを示す。

タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間において、燃料電池システム１０の運転状態は、通常運転の状態である。タイミングｔ１において、燃料電池システム１０の運転状態が、通常運転の状態から間欠運転の状態に切り替わると、回転数制御部７２０は、コンプレッサ２００に最低回転数で稼働するよう回転数制御信号を出力する。このため、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間において、コンプレッサ２００が送る空気の流量は、流量Ｆ１から流量Ｆ０に減少する。また、タイミングｔ１において、開度制御部７１０は、第３弁５５０の開度を閉弁状態にして、かつ、燃料電池１００の発電量が設定発電量になるよう第１弁３５０および第２弁４５０を制御するために開度制御信号を出力する。

タイミングｔ２以降において、燃料電池１００の発電量は、一定の範囲内に維持される。ここでいう一定の範囲とは、発電量Ｗ０から発電量Ｗ１までの間の範囲のことである。このときの燃料電池１００の発電量の調整は、第１弁３５０および第２弁４５０の開度が調整されることによって実現される。本実施形態では、この一定の範囲が、設定発電量にあたる。なお、設定発電量は、一定の範囲に限らず、一定の値であってもよい。

図２の説明に戻り、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態ではないと判定される場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であると判定される場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、判定部７４０は、発電量算出部７３０が算出した燃料電池１００の発電量が設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいか否か判定する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、発電量閾値とは、図３の中段のグラフにおいて説明した一定の範囲のうち下限の値である発電量Ｗ０より低い値ＴＶのことである。本実施形態では、燃料電池１００の発電量が発電量閾値である値ＴＶを下回る場合、燃料電池１００の発電量は発電量閾値より小さいと判定される。他の実施形態では、ある時間間隔あたりの燃料電池１００の発電量の平均値が発電量閾値を下回る場合、燃料電池１００の発電量は発電量閾値より小さいと判定されてもよい。発電量閾値は、間欠運転の状態において燃料電池１００が設定発電量を発電できない状態であることを検出し得る値である限り、任意の値であってもよい。

燃料電池１００の発電量が発電量閾値以上であると判定される場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。このとき、開度制御信号および回転数制御信号が示す指示通りに、燃料電池システム１０は制御されていることから、燃料電池システム１０には異常がないということである。

燃料電池１００の発電量が発電量閾値より小さいと判定される場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、判定部７４０は、圧力センサ３７０が測定する圧力の値が予め設定された圧力閾値以上であるか否か判定する（ステップＳ１３０）。燃料電池１００の発電量が発電量閾値より小さいと判定される場合とは、第３弁５５０の開度を閉弁状態にして、かつ、燃料電池１００の発電量が設定発電量になるよう第１弁３５０および第２弁４５０を制御するために開度制御信号を開度制御部７１０が出力しているにもかかわらず、燃料電池１００の発電量が発電量閾値より小さい場合である。本実施形態では、燃料電池システム１０に異常がない場合であって、かつ、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であるときに測定され得る圧力範囲のうちの最大値が、圧力閾値として、設定される。測定され得る圧力範囲は、予め実験的に求められる。

圧力センサ３７０が測定する圧力の値が圧力閾値以上であると判定される場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、判定部７４０は、第１弁３５０と第２弁４５０とのうち少なくとも一方が閉弁した状態で固着していると判定する（ステップＳ１３５）。その後、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

圧力センサ３７０が測定する圧力の値が圧力閾値より小さいと判定される場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、判定部７４０は、エアフロメータ６７０が測定する流量の値が予め設定された流量閾値以上であるか否か判定する（ステップＳ１４０）。

ここで、流量閾値について説明する。流量閾値は、異常特定処理において、供給流路３００とバイパス流路５００とのうちの少なくとも一方における異常と、第３弁５５０における異常と、を切り分けるために設定される閾値である。

供給流路３００とバイパス流路５００とのうちの少なくとも一方における異常として想定される事象は、バイパス流路５００のうち第３弁５５０が設けられた位置から上流側の部分と供給流路３００とを構成している複数の配管において配管同士を連結する連結部位において連結が外れていることである。配管同士の連結が外れることによって、コンプレッサ２００から送られる空気は、燃料電池１００まで送られずに連結が外れた箇所から大気に放出される。このような事象を第１事象と呼ぶ。

一方、第３弁５５０における異常として想定される事象は、間欠運転の状態において、開度制御部７１０が第３弁５５０を閉弁状態にする開度制御信号を出力しているにもかかわらず、第３弁５５０が開弁した状態で固着していることである。第３弁５５０が開弁した状態で固着していることによって、コンプレッサ２００から送られる空気は、燃料電池１００に送られる分と、バイパス流路５００を介して排出流路４００から大気に放出される分と、に分けられる。このような事象を第２事象と呼ぶ。

第１事象の場合、コンプレッサ２００の配置位置から送られる空気が大気に放出される位置までの距離は、コンプレッサ２００の配置位置から配管同士を連結する連結部位のうち連結が外れた位置までの距離である。一方、第２事象の場合、コンプレッサ２００の配置位置から送られる空気が大気に放出される位置までの距離は、コンプレッサ２００の配置位置から下流側流路４４０の下流側末端までの距離である。すなわち、第２事象の方が第１事象と比べて、コンプレッサ２００から送られる空気が大気に放出されるまでの距離は長い。このため、第２事象の方が第１事象と比べて、コンプレッサ２００から送られる空気に対する圧力損失も高い。第２事象では、燃料電池システム１０に異常がない場合と比べても、エアフロメータ６７０が測定する流量の値は変動しない。これに対して、第１事象の方では、第２事象と比べて、コンプレッサ２００から送られる空気が大気に放出されるまでの距離が短いことから、コンプレッサ２００から送られる空気に対する圧力損失は低い。よって、燃料電池システム１０に異常がない場合と比べて、エアフロメータ６７０が測定する流量の値は上昇する。

したがって、流量閾値には、第２事象で想定される流量の最大値より高い値であって、かつ、第１事象で想定される流量の最小値より低い値を設定する。例えば、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であるときであって燃料電池システム１０に第１事象もしくは第２事象が起こっている場合に、エアフロメータ６７０が測定する流量の値を予め実験的に取得し、取得された値から第１事象と第２事象とを切り分けることができる流量の値を流量閾値として設定する。なお、連結部位が複数ある場合には、コンプレッサ２００から空気が送られる距離において最も離れた位置にある連結部位の連結が外れたことを第１事象として設定し、その流量の値を実験的に取得してもよい。

図２の異常特定処理の説明に戻り、エアフロメータ６７０が測定する流量の値が流量閾値以上であると判定される場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、判定部７４０は、供給流路３００およびバイパス流路５００を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する（ステップＳ１４５）。このとき、異常がある旨を燃料電池システム１０が搭載された車両の運転者に報知してもよいし、燃料電池システム１０を停止させてもよい。その後、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

エアフロメータ６７０が測定する流量の値が流量閾値より小さいと判定される場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、判定部７４０は、第３弁５５０が開弁した状態で固着していると判定する（ステップＳ１４７）。このとき、ステップＳ１４５が実行された場合と同様に、運転者への報知等を行ってもよい。また、第３弁５５０の固着状態を解消するために第３弁５５０の開閉を繰り返すよう開度制御部７１０は開度制御信号を出力してもよい。その後、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

以上説明した第１実施形態によれば、第３弁５５０の開固着と、供給流路３００およびバイパス流路５００を構成する配管における配管抜けと、を切り分けて特定することができる。したがって、それぞれの異常に応じて適切な対処を行うことができる。

第３弁の開固着と、供給流路およびバイパス流路を構成する配管における配管抜けと、を切り分けて特定できない燃料電池システムでは、第３弁が開弁した状態で固着していないにもかかわらず固着を解消しようとして第３弁の開閉を繰り返すことにより、正常であった第３弁を故障させるおそれがある。また、供給流路およびバイパス流路に異常がないにもかかわらず供給流路およびバイパス流路を構成する配管を誤って交換する虞がある。第１実施形態の燃料電池システム１０では、第３弁５５０の開固着と、供給流路３００およびバイパス流路５００を構成する配管における配管抜けと、を切り分けて特定することができるため、第３弁５５０の故障を招く可能性および供給流路およびバイパス流路を構成する配管を誤って交換する可能性を低減させることができる。

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．装置構成：
第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０の構成と同じである。第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０とは異なる手順で異常特定処理を行う。

Ｂ２．異常特定処理：
図４は、第２実施形態における異常特定処理を示すフローである。第２実施形態において実行される異常特定処理は、図２で説明した異常特定処理におけるステップＳ１４０：ＹＥＳとステップＳ１４５との間にステップＳ１４１を加えたものである。図４において、図２で説明した異常特定処理と同様の処理内容である部分については、ステップＳ１４５を除き、図示および説明を省略する。

エアフロメータ６７０が測定する流量の値が流量閾値以上であると判定される場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、判定部７４０は、コンプレッサ２００に異常があるか否か判定する（ステップＳ１４１）。具体的には、判定部７４０は、回転数センサ２７０が検出するコンプレッサ２００の回転数と回転数制御信号に対応する回転数との差が、予め設定された回転数閾値以上であるか否か判定する。回転数制御信号に対応する回転数とは、該回転数制御信号を受けたコンプレッサ２００が正常であるときに実行する回転数のことである。回転数閾値とは、回転数センサ２７０が検出している回転数と、回転数制御信号に対応する回転数との差が、この閾値以上である場合には、コンプレッサ２００に異常があるとみなされる値である。

回転数の差が回転数閾値以上であると判定される場合（ステップＳ１４１：ＹＥＳ）、コンプレッサ２００に異常があると判定する（ステップＳ１４３）。その後、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

回転数の差が回転数閾値より小さいと判定される場合（ステップＳ１４１：ＮＯ）、判定部７４０は、供給流路３００およびバイパス流路５００を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する（ステップＳ１４５）。その後、判定部７４０は、異常特定処理を終了する。

以上説明した第２実施形態によれば、第３弁５５０の開固着と、供給流路３００およびバイパス流路５００を構成する配管における配管抜けと、コンプレッサ２００における異常と、を切り分けて特定することができる。したがって、それぞれの異常に応じて適切な対処を行うことができる。

Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．装置構成：
図５は、第３実施形態の燃料電池システム１０ａの構成を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池システム１０ａは、制御部７００が閾値補正部７５０を有する点において、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。

閾値補正部７５０は、燃料電池システム１０ａの運転中に、エアフロメータ６７０が測定する空気の流量について学習を行い、その学習結果に応じて流量閾値を補正する。燃料電池システム１０ａの運転中には、燃料電池１００に要求される電力に応じて開度制御部７１０から出力される開度制御信号が変更されることにより、第１弁３５０、第２弁４５０および第３弁５５０の開度が適宜変更される。第１弁３５０、第２弁４５０および第３弁５５０の開度の状況によって、コンプレッサ２００から送られてくる空気が流れることのできる流路は変動するため、閾値補正部７５０は、その状況ごとにエアフロメータ６７０が測定する空気の流量について学習を行い、流量閾値の補正に用いる。閾値補正部７５０は、例えば、修理時に燃料電池システム１０ａを構成する部品のうち少なくとも一部が組み換えられた際に修理者からの指示によって上述した学習および補正を一定期間実行するよう構成されていてもよいし、予め設定された時間間隔に応じて上述した学習および補正を実行するよう構成されていてもよい。

以上説明した第３実施形態によれば、燃料電池システム１０ａを構成する部品の交換あるいは修理などにより、空気が通る流路における圧力損失に変化が生じたとしても、その変化に対応して流量閾値を補正できる。このため、燃料電池システム１０ａの異常を切り分けて特定する精度を維持することができる。

Ｄ．他の実施形態：
第１実施形態では、燃料電池１００への空気の供給量は、第１弁３５０および第２弁４５０によって調整されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、第１弁３５０と第２弁４５０とのうち一方しか備えていない燃料電池システムの場合では、その一方の弁によって、燃料電池１００への空気の供給量は調整されてもよい。

第１実施形態では、圧力センサ３７０は、供給流路３００に設けられていたが、本発明はこれに限られない。例えば、圧力センサ３７０は、バイパス流路５００のうち第３弁５５０が設けられた位置より上流側に設けられていてもよい。

第１実施形態では、圧力閾値には、燃料電池システム１０に異常がない場合であって、かつ、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であるときに測定され得る圧力範囲のうちの最大値が設定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、圧力閾値には、該最大値より大きい値が設定されてもよい。

第１実施形態では、異常特定処理において、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転の状態であるか否か判定する処理が含まれていたが、本発明はこれに限られない。例えば、異常特定処理は、図２で説明したフローからステップＳ１１０を省いた処理であってもよい。この場合、異常特定処理を実行する前提条件として、開度制御部７１０は、第３弁５５０の開度を閉弁状態にして、かつ、燃料電池１００の発電量が設定発電量になるよう第１弁３５０および第２弁４５０を制御するために開度制御信号を出力するとともに、回転数制御部７２０は、コンプレッサ２００に予め設定された設定回転数で回転するよう回転数制御信号を出力する。すなわち、前提条件を満たすことのできる条件下である限り、任意のタイミングで異常特定処理を実行してもよい。予め設定された設定回転数については、コンプレッサ２００の最低回転数から最大回転数の間において任意の回転数で設定されてもよい。

第１実施形態では、エアフロメータ６７０が測定する流量の値を予め実験的に取得し、その取得された値から流量閾値を設定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、流量閾値は、次のように設定してもよい。まず、コンプレッサ２００から送られる空気の流量を考慮して、配管同士を連結する連結部位のうち連結が外れた位置からコンプレッサ２００までの距離に応じた圧力損失の値と、下流側流路４４０の下流側末端からコンプレッサ２００までの距離に応じた圧力損失の値と、を算出する。次に、その算出された圧力損失の値から、間欠運転の状態にある燃料電池システム１０に第１事象もしくは第２事象が起こっている場合にエアフロメータ６７０が測定する流量の値の推定値を算出する。そして、算出された推定値から第１事象と第２事象とを切り分けることができる流量の値を流量閾値として設定してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１０ａ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…セルモニタ
２００…コンプレッサ
２７０…回転数センサ
３００…供給流路
３５０…第１弁
３６０…インタークーラ
３７０…圧力センサ
４００…排出流路
４４０…下流側流路
４５０…第２弁
４６０…マフラー
５００…バイパス流路
５５０…第３弁
６００…吸気流路
６６０…エアクリーナ
６７０…エアフロメータ
７００…制御部
７１０…開度制御部
７２０…回転数制御部
７３０…発電量算出部
７４０…判定部
７５０…閾値補正部

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   空気を用いて発電する燃料電池と、
   前記空気を圧縮して前記燃料電池に送るコンプレッサと、
   前記燃料電池と前記コンプレッサとを接続し、前記コンプレッサから圧縮されて送られてくる前記空気を前記燃料電池に送る供給流路と、
   一方の端部が前記燃料電池と接続し、前記燃料電池から排出される前記空気を大気へ排出する排出流路と、
   前記供給流路から分岐して前記排出流路に接続されるバイパス流路であって前記排出流路との接続部位から前記排出流路のうち下流側である下流側流路に前記空気を送るバイパス流路と、
   前記供給流路のうち前記バイパス流路との接続部位より下流側の位置と、前記排出流路のうち前記バイパス流路との接続部位より上流側の位置と、のうち少なくとも一方に設けられ、前記燃料電池への前記空気の供給量を調整する供給量調整弁と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通る前記空気の流量を調整するバイパス弁と、
   前記コンプレッサが送る前記空気の流量を測定する流量測定部と、
   前記バイパス流路のうち前記バイパス弁が設けられた位置より上流側もしくは前記供給流路に設けられ、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気の圧力を測定する圧力測定部と、
   前記供給量調整弁および前記バイパス弁の開度を制御する開度制御信号を出力する開度制御部と、
   前記コンプレッサの回転数を制御する回転数制御信号を出力する回転数制御部と、
   前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出部と、
   前記燃料電池システムの異常の有無を判定する判定部と、を備え、
   前記判定部は、
   前記バイパス弁の開度を閉弁状態にして、かつ、前記発電量が予め設定された設定発電量になるよう前記供給量調整弁を制御するために前記開度制御信号を前記開度制御部に出力させるとともに、前記コンプレッサが予め設定された設定回転数で回転するよう前記回転数制御信号を前記回転数制御部に出力させた状態において、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が予め設定された圧力閾値より小さいときであって、
   前記流量測定部が測定する前記流量が予め設定された流量閾値より小さい場合、前記バイパス弁が開固着していると判定し、
   前記流量測定部が測定する前記流量が前記流量閾値以上である場合、前記供給流路および前記バイパス流路を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する、燃料電池システム。
2. 燃料電池システムであって、
   空気を用いて発電する燃料電池と、
   前記空気を圧縮して前記燃料電池に送るコンプレッサと、
   前記コンプレッサの回転数を検出する回転数センサと、
   前記燃料電池と前記コンプレッサとを接続し、前記コンプレッサから圧縮されて送られてくる前記空気を前記燃料電池に送る供給流路と、
   一方の端部が前記燃料電池と接続し、前記燃料電池から排出される前記空気を大気へ排出する排出流路と、
   前記供給流路から分岐して前記排出流路に接続されるバイパス流路であって前記排出流路との接続部位から前記排出流路のうち下流側である下流側流路に前記空気を送るバイパス流路と、
   前記供給流路のうち前記バイパス流路との接続部位より下流側の位置と、前記排出流路のうち前記バイパス流路との接続部位より上流側の位置と、のうち少なくとも一方に設けられ、前記燃料電池への前記空気の供給量を調整する供給量調整弁と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通る前記空気の流量を調整するバイパス弁と、
   前記コンプレッサが送る前記空気の流量を測定する流量測定部と、
   前記バイパス流路のうち前記バイパス弁が設けられた位置より上流側もしくは前記供給流路に設けられ、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気の圧力を測定する圧力測定部と、
   前記供給量調整弁および前記バイパス弁の開度を制御する開度制御信号を出力する開度制御部と、
   前記コンプレッサの回転数を制御する回転数制御信号を出力する回転数制御部と、
   前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出部と、
   前記燃料電池システムの異常の有無を判定する判定部と、を備え、
   前記判定部は、
   前記バイパス弁の開度を閉弁状態にして、かつ、前記発電量が予め設定された設定発電量になるよう前記供給量調整弁を制御するために前記開度制御信号を前記開度制御部に出力させるとともに、前記コンプレッサが予め設定された設定回転数で回転するよう前記回転数制御信号を前記回転数制御部に出力させた状態において、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が予め設定された圧力閾値より小さいときであって、
   前記流量測定部が測定する前記流量が予め設定された流量閾値より小さい場合、前記バイパス弁が開固着していると判定し、
   前記流量測定部が測定する前記流量が前記流量閾値以上である場合、前記コンプレッサの異常判定を行い、
   前記異常判定において前記回転数センサが検出する回転数と前記回転数制御信号に対応する回転数との差が、予め設定された回転数閾値以上である場合、前記コンプレッサに異常があると判定し、
   前記異常判定において前記回転数センサが検出する回転数と前記回転数制御信号に対応する回転数との差が、前記回転数閾値より小さい場合、前記供給流路および前記バイパス流路を構成する配管において配管抜けが発生していると判定する、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記判定部は、前記発電量算出部が測定する前記発電量が前記設定発電量より低く設定された発電量閾値より小さいとともに前記圧力測定部が測定する前記圧力が前記圧力閾値以上であるとき、前記供給量調整弁が閉固着していると判定する、燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池システムの運転中に、前記開度制御信号に応じて変動する前記流量測定部が測定する前記流量について学習を行い、前記学習の結果に応じて前記流量閾値を補正する閾値補正部を備える、燃料電池システム。

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