(57)【要約】【課題】より確実に空気供給系の異常診断を行い得ることを課題とする。【解決手段】システム制御装置３０の目標空気流量演算部３１により目標空気流量を演算し、操作量演算部３２により、流量計１０の検出値および目標空気流量に基づき、空気供給系の空気流量をフィードバック制御し、所定範囲設定部３３では、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定して、異常判定部３４により、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるときには、空気供給異常と判定する。【選択図】図１
2007220625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を検出する流量検出手段と、
前記酸化剤ガスの目標流量を演算する酸化剤ガス目標流量演算手段と、
前記流量検出手段の検出値および前記酸化剤ガスの目標流量に基づき、前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス流量をフィードバック制御する流量制御手段と、
前記フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、前記酸化剤ガス流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、前記フィードバック量の正常範囲外で且つ前記フィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する所定範囲設定手段と、
前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記所定範囲外となるとき、酸化剤ガス供給異常と判定する異常判定手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定範囲設定手段は、前記フィードバック量の正常範囲を、前記流量検出手段の正常時の検出精度、前記酸化剤ガス供給手段の流量精度保証範囲、前記酸化剤ガスを供給する流路の流路抵抗保証範囲、並びに、前記流量制御手段の演算精度に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定範囲設定手段は、前記フィードバック量の許容範囲を、前記流量検出手段の検出精度、前記酸化剤ガス供給手段の流量精度保証範囲、前記酸化剤ガスを供給する流路の流路抵抗保証範囲、並びに、前記流量制御手段の演算精度に基づいて設定することを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定範囲設定手段は、前記所定範囲の上限値を、前記フィードバック量の正常範囲の上限値と前記フィードバック量の許容範囲の上限値との間の値から前記フィードバック量の許容範囲の上限値までの間の値として設定すると共に、前記所定範囲の下限値を、前記フィードバック量の正常範囲の下限値と前記フィードバック量の許容範囲の下限値との間の値から前記フィードバック量の許容範囲の下限値までの間の値として設定することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定範囲設定手段は、前記酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲を、前記燃料電池の含水率低下で起こる発電性能の低下を防止できる酸化剤ガス流量以下となるよう設定し、前記酸化剤ガスの供給過大を防止できる第１の所定範囲として、前記フィードバック量の正常範囲の上限値と前記フィードバック量の許容範囲の上限値との間の値から前記フィードバック量の許容範囲の上限値までの範囲を設定し、
前記異常判定手段は、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、酸化剤ガス供給異常と判定することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定範囲設定手段は、前記酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲を、前記燃料電池の発電に必要な酸化剤ガスの供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる酸化剤ガス流量以上となるよう設定し、前記酸化剤ガスの供給不足を防止できる第２の所定範囲として、前記フィードバック量の正常範囲の下限値と前記フィードバック量の許容範囲の下限値との間の値から前記フィードバック量の許容範囲の下限値までの範囲を設定し、
前記異常判定手段は、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、酸化剤ガス供給異常と判定することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガスが流れる燃料ガス排出流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路と前記酸化剤ガス排出流路とをつなぐ連結流路と、
前記酸化剤ガス排出流路の出口を外部に開放する機構と、を有し、
前記所定範囲設定手段は、前記酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲を、前記燃料ガス排出流路から排出される燃料ガスを前記酸化剤ガス流路内で外部へ排出できる燃料ガス濃度まで低減できる酸化剤ガス流量以上となるよう設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記所定範囲設定手段は、前記酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲を、前記燃料電池の発電に必要な酸化剤ガスの供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる酸化剤ガス流量と、前記燃料ガス排出流路から排出される燃料ガスを前記酸化剤ガス流路内で外部へ排出できる燃料ガス濃度まで低減できる酸化剤ガス流量とのうち、より大となる酸化剤ガス流量以上となるよう設定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記異常判定手段は、前記酸化剤ガスの供給異常と判定したとき、当該燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段を有し、
前記異常判定手段は、前記酸化剤ガスの供給異常と判定したとき、前記電圧検出手段の検出値が前記燃料電池の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段を有し、
前記異常判定手段において、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて酸化剤ガス供給異常と判定したとき、前記電圧検出手段の検出値が前記燃料電池の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止し、あるいは、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って酸化剤ガス供給異常と判定したとき、当該燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項７〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記異常判定手段において、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて酸化剤ガス供給異常と判定されたとき、前記酸化剤ガス目標流量演算手段は、前記酸化剤ガス目標流量を減少させることを特徴とする請求項５〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記異常判定手段において、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って酸化剤ガス供給異常と判定されたとき、前記酸化剤ガス目標流量演算手段は、前記酸化剤ガス目標流量を前記酸化剤ガスの供給異常を回避できるまで増大させることを特徴とする請求項６，７，８及び１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池に空気を供給する空気供給系に故障が発生すると、発電に適切な流量および圧力で空気を燃料電池に供給することが困難となるため、故障判定を適切に行うことが燃料電池システムの信頼性を維持する上で重要である。従来の空気供給系の故障判定手法としては、例えば、特開２００４−１７９０７２号公報に開示の「燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法」がある。
【０００５】
この従来例は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定する。具体的には、コンプレッサの回転数を、空気流量計により検出された流量に基づいて算出するか、或いは直接検出するとしている。
【特許文献１】特開２００４−１７９０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、故障判定に用いるコンプレッサの回転数を空気流量計等の計器の検出結果に基づいており、空気流量計等の計器が正常に動作しているという前提で、コンプレッサ回転数の指令値に対するフィードバック量（回転数と指令値の差分）に基づき、空気供給系（コンプレッサ、流路抵抗）の異常診断を行っている。
【０００７】
したがって、空気流量計等の計器が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができないシステムでは、空気供給系の異常診断を行うことができない可能性あり、また、空気流量計等の計器が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うためには、異常／正常診断を行うための部品の追加が必要になるという事情があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を検出する流量検出手段と、前記酸化剤ガスの目標流量を演算する酸化剤ガス目標流量演算手段と、前記流量検出手段の検出値および前記酸化剤ガスの目標流量に基づき、前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス流量をフィードバック制御する流量制御手段と、前記フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、前記酸化剤ガス流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な酸化剤ガス流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、前記フィードバック量の正常範囲外で且つ前記フィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する所定範囲設定手段と、前記フィードバック制御におけるフィードバック量が前記所定範囲外となるとき、酸化剤ガス供給異常と判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、所定範囲設定手段によりフィードバック量の許容範囲を設定する上で、酸化剤ガス供給手段における操作量のフィードバック量に影響を与える部品性能の保証精度に応じて、所定範囲からフィードバック量の許容範囲までのマージンを可変設定可能であるので、異常判定手段による誤判定を抑制でき、結果として、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素を含有する燃料ガス（例えば、水素ガス）および酸素を含有する酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されて、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック３を備える。
【００１３】
また、水素供給系として、水素ガス供給装置１、圧力調整弁６、水素ガス供給流路７、ガス循環装置８、水素ガス循環流路９、圧力センサ２３、温度センサ２４、流量制御弁（パージ弁）１１および水素ガス排出流路１２を備え、空気供給系として、空気コンプレッサ２、アフタークーラ１３、加湿器１４、空気供給流路４０、４１、４２、１５、フィルタ１４、空気排気流路１６、１８、圧力調整弁１７、流量計（流量検出手段）１０、圧力センサ２６および温度センサ２７を備えている。
【００１４】
またさらに、本実施例の燃料電池システムは、水素供給系および空気供給系、或いは図示しない冷却機構等の各種センサや、他の各種センサ（大気圧センサ２８、外気温センサ２９および電圧センサ（電圧検出手段）２０等）からの検知信号に基づき、水素供給系および空気供給系、或いは冷却機構等の各構成要素の制御を行うシステム制御装置３０を備えた構成である。
【００１５】
燃料電池スタック３は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード（燃料極）４と酸化剤ガスである空気が供給されるカソード（酸化剤極）５とが電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック３の各発電セルでは、アノード４に供給された水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード５にそれぞれ移動する。カソード５では、供給された空気中の酸素と電解質膜を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１６】
燃料電池スタック３の電解質膜としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。なお、電解質膜は、加湿器１４により加湿された供給空気が供給されることにより湿潤状態に保され、効率的な発電を行うことができる。
【００１７】
燃料電池スタック３で発電を行うには、燃料ガスである水素ガスや酸化剤ガスである空気をそれぞれ各発電セルのアノード４およびカソード５に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。
【００１８】
まず水素供給系には、燃料電池スタック３へ供給する水素ガスを高圧状態で保持する水素ガス供給装置１と、水素ガス供給装置１から供給される水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁６と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを水素ガス循環流路９に循環させるガス循環装置８と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを再び燃料電池スタック３へ供給するための水素ガス循環流路（燃料ガス循環路）９と、水素ガス循環流路９内の水素ガスを外部へ排出する流量制御弁（パージ弁）１１と、流量制御弁１１の下流に接続された水素ガス排出流路（燃料ガス排出流路）１２と、を備えている。
【００１９】
水素ガス供給装置１から流出する水素ガスは、水素ガス供給流路７を流れて燃料電池スタック３のアノード４へ供給される。圧力調整弁６は、水素ガス供給流路７上に配置されており、水素ガス供給装置１から流出する高圧状態の水素ガスをアノード４内において適切な圧力（アノード運転圧力）および流量に調整する。また、圧力調整弁６よりも下流の水素ガス供給流路７上には、水素ガスの圧力（アノード運転圧力）を検出する圧力センサ２３が配置されており、システム制御装置３０が圧力センサ２３の検出値をフィードバックして圧力調整弁６の動作を制御することで、燃料電池スタック３のアノード運転圧力が調整される。
【００２０】
水素ガス循環流路９は、アノード４の水素ガス排出口と水素ガス供給流路７との間を接続し、ガス循環装置８は未反応のまま排出された水素ガスを、水素ガス循環流路９を介してアノード４へ再び循環させている。また、水素ガス排出流路１２は水素ガス循環流路９から分岐して、流量制御弁１１は該水素ガス排出流路１２上に配置され、システム制御装置３０により流量制御弁１１の開度を調整することで、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガス（アノードオフガス）の排出流量が調整される。なお、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガス（アノードオフガス）は、空気排出流路１８内にてカソードオフガスにより十分に希釈されて外部へ排出される。
【００２１】
通常発電時には、カソード５内に存在する燃料電池スタック３の発電に寄与することのないガス（例えば、窒素）が、カソード５とアノード４の窒素分圧差に応じて、カソード５からアノード４へ電解質膜を介して透過してくる。ガス循環装置８の循環流量には、ガス循環装置８のガス循環性能、並びにアノード４の圧力損失と水素ガス循環流路９の圧力損失に基づいた限界値が存在する。そのため、燃料電池スタック３の発電に応じて要求される水素流量に基づいた水素ガス循環流路９に許容できる窒素濃度の限界値（上限許容窒素濃度）が存在する。つまり、水素ガス循環流路９の窒素濃度を上限許容窒素濃度以下に調整するため、カソード５からの透過窒素を外部へ排出する必要があるが、カソード５からの透過窒素は、アノードオフガスとともに水素ガス排出流路１２から外部へ排出することができるために、パージ弁１１の開度を調整することで水素ガス循環流路９の窒素濃度を調整できる。
【００２２】
次に、空気供給系には、燃料電池スタック３へ空気を圧縮して供給する空気コンプレッサ２と、空気コンプレッサ２が吸入する空気の流量を検出する流量計１０と、コンプレッサ２で圧送された空気を冷却するアフタークーラ１３と、燃料電池スタック３から排出される空気（排空気）から燃料電池スタック３へ供給される空気（供給空気）へ水分を移動する加湿器１４と、燃料電池スタック３から排出される空気の圧力を調整する圧力調整弁１７と、を備える。
【００２３】
空気コンプレッサ２から吐出される空気は、空気供給流路１５を流れて燃料電池スタック３のカソード５へ供給され、カソード５から排出される空気は、空気排出流路１８を流れて装置外部へ排出される。空気コンプレッサ２から流出する空気は、アフタークーラ１３により燃料電池スタック３での電気化学的反応に適した温度まで冷却される。カソード５から排出される空気は、一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスとなる。加湿器１４は、カソードオフガスに含まれる水分を用いて燃料電池スタック３へ供給される空気を加湿する。加湿器１４よりも下流の空気供給流路１５上には、空気の圧力（カソード運転圧力）を検出する圧力センサ２６が配置されており、システム制御装置３０が圧力センサ２３，２６の検出値をフィードバックして、アノード運転圧力に応じて圧力調整弁１７の動作を制御することで、燃料電池スタック３のカソード運転圧力が調整される。
【００２４】
システム制御装置３０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されている。システム制御装置３０は、水素供給系および空気供給系等の各種センサや、他の各種センサ（例えば、大気圧を検出する大気圧センサ２８、外気温を検出する外気温センサ２９、並びに、燃料電池スタック３における各燃料電池セル或いは燃料電池スタック３全体の電流値を検出するセンサや電圧値を検出する電圧センサ２０等）から検出値を入力し、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００２５】
図１において、システム制御装置３０は、目標空気流量演算部３１、操作量演算部３２、所定範囲設定部３３および異常検出部３４を備えているが、これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。
【００２６】
目標空気流量演算部３１は、特許請求の範囲にいう酸化剤ガス目標流量演算手段に該当し、要求負荷（発電電流）に応じて空気（酸化剤ガス）の目標空気流量を演算する。
【００２７】
また、操作量演算部３２は流量制御手段に該当し、流量計（流量検出手段）１０の流量検出値および目標空気流量演算部３１による目標空気流量に基づき、フィードバック制御により燃料電池スタック３へ目標空気流量を供給するべく、コンプレッサ２の操作量（フィードバック量）を演算する。
【００２８】
操作量演算部３２は、図示しない体積流量演算部、コンプレッサ圧力比演算部およびマップを有して構成されている。ここで、体積流量演算部は、目標空気流量、大気圧センサ２８の検出値、並びに外気温センサ２９の検出値に基づき体積流量を演算する。また、コンプレッサ圧力比演算部は、目標空気流量、大気圧センサ２８の検出値、外気温センサ２９の検出値、並びに、空気供給系の圧力センサ２６の検出値および温度センサ２７の検出値に基づき、コンプレッサ２の上流圧力および下流圧力を推定し、コンプレッサ圧力比を演算する。
【００２９】
つまり、操作量演算部３２では、体積流量演算部が算出した体積流量とコンプレッサ圧力比演算部が算出した圧力比とから、あらかじめ設定されているマップを参照して、コンプレッサ２から燃料電池スタック３へ目標空気流量を供給するためのコンプレッサ指令回転数を演算する。なお、システム制御装置３０は、目標空気流量と、流量計１０の検出値とに基づき、コンプレッサ２の回転数を操作量（フィードバック量）としてフィードバック制御する。
【００３０】
また、所定範囲設定部３３は、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定する。
【００３１】
なお、所定範囲設定部３３は、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの間の値として設定する。
【００３２】
また、所定範囲設定部３３は、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック３の含水率低下で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以下となるよう設定し、空気の供給過大を防止できる第１の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの範囲を設定する。
【００３３】
またさらに、所定範囲設定部３３は、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック３の発電に必要な酸化剤ガスの供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以上となるよう設定し、空気の供給不足を防止できる第２の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの範囲を設定する。所定範囲設定部３３のより詳しい説明は、原理的説明に基づき後述する。
【００３４】
さらに、異常検出部３４は、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるとき、空気供給異常と判定する。また、異常検出部３４は、フィードバック制御におけるフィードバック量が第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、空気供給異常と判定する。また、異常検出部３４は、フィードバック制御におけるフィードバック量が第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、空気供給異常と判定する。またさらに、空気供給異常と判定したとき、或いは、各部品について異常／正常を判断して異常を判断したときには、警報発生装置３５を介して警報を発生する。
【００３５】
次に、図２〜図５を参照して、所定範囲設定部３３により設定される所定範囲、空気供給過大を防止できる第１の所定範囲、並びに空気供給不足を防止できる第２の所定範囲について詳細に説明する。ここで、図２は発電電流に対する空気流量の推移を説明する説明図であり、図３はシステム許容上限空気流量およびシステム下限空気流量による目標空気流量の成立範囲を説明する説明図であり、図４はコンプレッサ２のフィードバック量の正常範囲とフィードバック量の許容範囲を説明する説明図であり、図５は空気流量過大診断および空気流量不足診断における診断閾値の成立範囲を説明する説明図である。
【００３６】
まず、図２および図３を参照して、燃料電池システムを安全で且つ安定して運転可能な目標空気流量の選定について説明する。
【００３７】
図２において、Ｑaは燃料電池スタック３の発電に必要な空気流量の要求負荷（発電電流）に対する推移である。したがって、空気流量Ｑa以上の空気流量とすれば、燃料電池スタック３への空気流量不足による出力低下を防止できる。
【００３８】
また、Ｑbは燃料電池スタック３の電解質膜の含水率を所定の要求値に保つことができる空気流量の要求負荷（発電電流）に対する推移である。したがって、空気流量Ｑb以下の空気流量とすれば、電解質の含水率を要求値以上に確保でき、電解質膜のドライアウトを防止できる。
【００３９】
ここで、連続的に供給される反応ガスによって、燃料電池スタック３を構成するセルの電解質膜に含まれる水分が持ち去られると、燃料電池スタック３の出力を低下させる原因（電解質膜のドライアウト）となる。つまり、燃料電池システムにおいて高い出力を安定して得るには、電解質の含水率を要求値以上に保つ必要がある。なお、燃料電池システムの要求負荷に応じて、運転温度および運転圧力がわかる場合には、要求負荷に応じた生成水量と反応ガスにより持ち出される水分量とから、電解質の含水率を要求値に保つ空気流量を算出できる。本実施例では、電解質の含水率の要求値を実験値に基づき算出している。
【００４０】
また、Ｑcは、流量制御弁（パージ弁）１１から排出されるパージガス中に含まれる水素をカソードオフガスで十分に希釈して外部へ排出することができる空気流量の要求負荷（発電電流）に対する推移である。したがって、空気流量Ｑｃ以上の空気流量とすれば、流量制御弁１１から排出されるパージガス中に含まれる水素を、カソードオフガスで十分に希釈して外部へ排出することができる。
【００４１】
ここで、流量制御弁１１から排出されるパージガスの流量は、流量制御弁１１の開口面積が決まっている場合には、流量制御弁１１の上下差圧およびガス温度から算出できる。すなわち、燃料電池システムの要求負荷に応じて運転温度および運転圧力がわかる場合には、パージガスの流量を算出できる。なお、本実施例では、パージガス中には窒素が含まれるが、安全を考慮して、パージガスは水素濃度１００％と仮定し、水素濃度１００％のパージガスを十分に希釈して外部へ排出できる空気流量として算出する。
【００４２】
したがって、燃料電池システムを安全に運転することができ、且つ高い出力を安定して得ることができる空気流量の成立範囲としては、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Ｑb以下の空気流量であって、燃料電池スタック３の発電に必要な空気流量Ｑaと流量制御弁１１からの排出水素を希釈できる空気流量Ｑcとのうちで、より大となる空気流量以上であることが条件となる。
【００４３】
つまり、図３に示すように、要求負荷（発電電流）に対する空気流量の特性において、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Ｑbをシステム許容上限空気流量ＱＵとし、電解質膜のドライアウトを防止できる空気流量Ｑb以下の空気流量であって、燃料電池スタック３の発電に必要な空気流量Ｑaと流量制御弁１１からの排出水素を希釈できる空気流量Ｑcとのうちで、より大となる空気流量をシステム許容下限空気流量ＱＬとする範囲（図中、斜線部分Ｑarea）内で、目標空気流量を選定する必要がある。なお、図３に示す例では、目標空気流量Ｑｔを、発電電流に応じてシステム許容下限空気流量ＱＬにマージンをもたせた空気流量として選定している。
【００４４】
また、このようにして、所定範囲設定部３３において所定範囲、第１の所定範囲および第２の所定範囲の設定に用いられる空気流量のシステム限界許容範囲が、システム許容上限空気流量ＱＵおよびシステム許容下限空気流量ＱＬにより設定される。
【００４５】
次に、図４を参照して、コンプレッサ２の操作量（回転数）、即ちフィードバック量の正常範囲および許容範囲について説明する。
【００４６】
図４（ａ）は、フィードバック量の正常範囲を空気流量に対応させて示したものである。ここで、フィードバック量の正常範囲は、空気供給系の各部品が正常であるときのフィードバック量の範囲である。
【００４７】
本実施例の空気供給系は、コンプレッサ２、流量計１０、アフタークーラ１３、加湿器１４、空気供給流路１５、４０、４１、４２から構成されている。フィードバック量の正常範囲は、流量計１０の検出精度と、コンプレッサ２の吐出流量の性能保証範囲と、アフタークーラ１３の圧力損失保証範囲と、加湿器１４の圧力損失保証範囲と、空気供給流路１５、４０、４１、４２の圧力損失保証範囲と、操作量演算部３２の演算精度と、に基づき算出される。なお、操作量演算部３２の演算精度は、大気圧センサ２８の検出精度、外気温センサ２９の検出精度、圧力センサ２６の検出精度、並びに温度センサ２７の検出精度を含めた精度である。
【００４８】
したがって、フィードバック量の正常範囲は、図４（ａ）に示すように、これら部品ばらつきによって上方にドリフトした空気流量Ｑ１に対応するフィードバック量から、部品ばらつきによって下方にドリフトした空気流量Ｑ２に対応するフィードバック量までの範囲となる。
【００４９】
他方図４（ｂ）は、フィードバック量の許容範囲を空気流量に対応させて示したものである。フィードバック量がこの許容範囲内であれば、流量計１０の検出精度が低下した場合でも、コンプレッサ２から供給する空気流量がシステム許容下限空気流量ＱＬ以下、或いは、システム許容上限空気流量ＱＵ以上になることはないように、フィードバック量の許容範囲を設定する。
【００５０】
つまり、フィードバック量の許容範囲は、流量計１０の検出精度が低下した結果、流量計１０の検出値が目標空気流量と一致しているにもかかわらず、コンプレッサ２から供給する空気流量がシステム許容上限空気流量ＱＵまたはシステム許容下限空気流量ＱＬと等しくなる場合に、流量計１０の検出精度と、コンプレッサ２の吐出流量の性能保証範囲と、アフタークーラ１３の圧力損失保証範囲と、加湿器１４の圧力損失保証範囲と、空気供給流路１５、４０、４１、４２の圧力損失保証範囲と、操作量演算部３２の演算精度と、に基づき算出される。
【００５１】
すなわち、フィードバック量の許容範囲は、図４（ｂ）に示すように、システム許容上限空気流量ＱＵよりこれら部品ばらつきによって下方にドリフトした空気流量Ｑ３に対応するフィードバック量から、システム許容下限空気流量ＱＬより部品ばらつきによって上方にドリフトした空気流量Ｑ４に対応するフィードバック量までの範囲となる。
【００５２】
このように、フィードバック量の許容範囲は、燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲に対応して設定され、異常検出部３４は、コンプレッサ回転数のフィードバック量が許容範囲内であるか否かを監視して異常検出を行うことになる。
【００５３】
具体的には、異常検出部３４が空気供給異常と判定するフィードバック量の所定範囲として、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値（Ｑ１）とフィードバック量の許容範囲の上限値（Ｑ３）との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値（Ｑ３）までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値（Ｑ２）とフィードバック量の許容範囲の下限値（Ｑ４）との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値（Ｑ４）までの間の値として設定する。
【００５４】
また、本実施例では、空気流量過大診断および空気流量不足診断を行うために、それぞれ流量過大診断閾値および流量不足診断閾値を設定し、流量過大診断閾値を超えるか、或いは流量不足診断閾値を下回るとき、酸化剤ガス供給異常と判定するようにしており、これら流量過大診断閾値および流量不足診断閾値を選定するための範囲として、それぞれ第１の所定範囲および第２の所定範囲を設定している。
【００５５】
次に、図５を参照して、第１の所定範囲および第２の所定範囲、空気流量過大診断における流量過大診断閾値。並びに空気流量不足診断における流量不足診断閾値の選定について説明する。
【００５６】
図５における領域Ａは第１の所定範囲であり、空気流量過大診断の流量過大診断閾値を設定可能な領域である。すなわち、第１の所定範囲（領域Ａ）は、フィードバック量の正常範囲の上限値（Ｑ１）とフィードバック量の許容範囲の上限値（Ｑ３）との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値（Ｑ３）までの範囲として設定されるもので、ここでは、フィードバック量の正常範囲の上限値（Ｑ１）からフィードバック量の許容範囲の上限値（Ｑ３）までの範囲として設定されている。
【００５７】
また、領域Ｂは第２の所定範囲であり、空気流量不足診断の流量不足診断閾値を設定可能な領域である。すなわち、第２の所定範囲（領域Ｂ）は、フィードバック量の正常範囲の下限値（Ｑ２）とフィードバック量の許容範囲の下限値（Ｑ４）との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値（Ｑ４）までの範囲として設定されるもので、ここでは、フィードバック量の正常範囲の下限値（Ｑ２）からフィードバック量の許容範囲の下限値（Ｑ４）までの範囲として設定されている。
【００５８】
第１の所定範囲（領域Ａ）および第２の所定範囲（領域Ｂ）において、それぞれ流量過大診断閾値および流量不足診断閾値をフィードバック量の正常範囲により近い側で選定した場合、空気流量過大あるいは空気流量不足に対してより安全側で燃料電池システムを運転できる一方、異常検出部３４による誤判定が生じやすくなる。したがって、空気流量過大または空気流量不足に対してより安全側で燃料電池システムを運転しながら、異常検出部３４による誤判定を抑制するには、第１の所定範囲（領域Ａ）および第２の所定範囲（領域Ｂ）の中央値に診断閾値を選定するのが望ましい。
【００５９】
さらに、コンプレッサ回転数のフィードバック量の許容範囲を算出する上で、フィードバック量に影響を与える各部品の性能保証精度を正確に見積もることができる場合、診断閾値からフィードバック量の許容範囲までのマージンを小さく見込めることができる。そのため、異常検出部３４による誤判定を抑制するために、第１の所定範囲（領域Ａ）および第２の所定範囲（領域Ｂ）の中央値から、よりフィードバック量の許容範囲の上限および下限側で、診断閾値を設定するほうが望ましい。本実施例では、要求負荷毎に、空気流量過大診断では流量過大診断閾値を第１の所定範囲（領域Ａ）の中央値に、空気流量不足診断では流量不足診断閾値を第２の所定範囲（領域Ｂ）の中央値に選定している。
【００６０】
次に、以上説明した構成および原理的説明を踏まえて、本実施例の燃料電池システムの異常判定部３４により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について、図６〜図８を参照して説明する。ここで、図６は本実施例の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートであり、図７は空気流量不足診断で用いる発電電流に応じた流量不足診断閾値のテーブルＴＡを説明する説明図であり、図８は空気流量過大診断で用いる発電電流に応じた流量過大診断閾値のテーブルＴＢを説明する説明図である。
【００６１】
まず、操作量演算部３２からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み（ステップＳ１０１）、燃料電池スタック３の発電電流を読み込み（ステップＳ１０２）、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルＴＡを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込む（ステップＳ１０３）。ここで、テーブルＴＡは、要求負荷（発電電流）毎の流量不足診断閾値の数値表であり、上述したように第１の所定範囲（領域Ａ）の中央値として設定され、図７に示すような特性を持つ。
【００６２】
次に、ステップＳ１０２で読み込んだ発電電流から、テーブルＴＢを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む（ステップＳ１０４）。ここで、テーブルＴＢは、要求負荷（発電電流）毎の流量過大診断閾値の数値表であり、上述したように第２の所定範囲（領域Ｂ）の中央値として設定され、図８に示すような特性を持つ。
【００６３】
次に、ステップＳ１０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ１０３で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る（空気供給不足）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量不足）か否かを判定する（ステップＳ１０５）。空気供給異常（空気流量不足）と判定されたときはステップＳ１０７に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップＳ１０６に進む。
【００６４】
つまり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理は所定周期のサンプリング時間毎に行われ、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回ってからハードウェアタイマまたはソフトウェアタイマが計時する所定時間の間、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る（空気供給不足）状態が継続したか否かによって判断され、空気供給不足状態が所定時間継続した場合に空気供給異常（空気流量不足）と判定される。
【００６５】
次に、ステップＳ１０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ１０４で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る（空気供給過大）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量過大）か否かを判定する（ステップＳ１０６）。空気供給異常（空気流量過大）と判定されたときはステップＳ１０７に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップＳ１０１に戻る。
【００６６】
つまり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理は所定周期のサンプリング時間毎に行われ、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回ってからハードウェアタイマまたはソフトウェアタイマが計時する所定時間の間、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る（空気供給過大）状態が継続したか否かによって判断され、空気供給過大状態が所定時間継続した場合に空気供給異常（空気流量過大）と判定される。
【００６７】
ステップＳ１０５で空気供給異常（空気流量不足）と判定された場合、或いはステップＳ１０６で空気供給異常（空気流量過大）と判定された場合には、警報発生装置３５を介して警報情報を報知し（ステップＳ１０７）、システムを停止する（ステップＳ１０８）。ここで、警報情報の報知は、警報音の発生、警報メッセージの音声出力、警報メッセージの表示パネル上への表示、或いは表示パネル上の所定箇所の点滅表示など、種々のものが考えられる。
【００６８】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素ガス（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の供給により発電を行う燃料電池スタック３と、水素ガスを供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）と、空気を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）と、空気供給系が供給する空気流量を検出する流量計（流量検出手段）１０と、を備える燃料電池システムにおいて、システム制御装置３０の目標空気流量演算部３１により目標空気流量を演算し、操作量演算部（流量制御手段）３２により、流量計１０の検出値および目標空気流量に基づき、空気供給系の空気流量をフィードバック制御するものとし、所定範囲設定部３３では、フィードバック制御におけるフィードバック量の正常範囲を設定し、該フィードバック量の正常範囲を含み、空気流量が当該燃料電池システムを正常運転可能な空気流量のシステム限界許容範囲となるフィードバック量の許容範囲を設定し、フィードバック量の正常範囲外で且つフィードバック量の許容範囲内の領域を所定範囲として設定して、異常判定部３４により、フィードバック制御におけるフィードバック量が所定範囲外となるときには、空気供給異常と判定する。
【００６９】
具体的に、所定範囲設定３３において、フィードバック量の正常範囲および許容範囲を、流量計１０の正常時の検出精度、空気供給系の流量精度保証範囲（コンプレッサ２の吐出流量の性能保証範囲、アフタークーラ１３の圧力損失保証範囲および加湿器１４の圧力損失保証範囲）、空気を供給する流路の流路抵抗保証範囲（空気供給流路１５、４０、４１、４２の圧力損失保証範囲）、並びに、操作量演算部３２の演算精度に基づいて設定するのが望ましく、所定範囲の上限値を、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの間の値として設定すると共に、所定範囲の下限値を、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの間の値として設定する。
【００７０】
このように、所定範囲設定３３によりフィードバック量の許容範囲を設定する上で、空気供給系（コンプレッサ２）における操作量のフィードバック量に影響を与える部品性能の保証精度に応じて、所定範囲からフィードバック量の許容範囲まで（空気流量不足診断および空気流量過大診断の診断閾値からフィードバック量の許容範囲まで）のマージンを可変設定するようにすれば、異常判定部３４による誤判定を抑制でき、結果として、計器類が正常か或いは異常かの動作判定を正確に行うことができない場合でも、空気流量制御の制御パラメータを用いてより確実に空気供給系の異常診断を行い、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定３３において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック３の含水率低下で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以下となるよう設定し、空気供給過大を防止できる第１の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の上限値とフィードバック量の許容範囲の上限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の上限値までの範囲を設定し、異常判定部３４により、フィードバック制御におけるフィードバック量が第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えるとき、空気供給異常（空気流量過大）と判定する。これにより、燃料電池スタック３の含水率低下で起こる発電性能の低下が発生する前に、空気供給過大を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００７２】
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定３３において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック３の発電に必要な空気の供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量以上となるよう設定し、空気供給不足を防止できる第２の所定範囲として、フィードバック量の正常範囲の下限値とフィードバック量の許容範囲の下限値との間の値からフィードバック量の許容範囲の下限値までの範囲を設定し、異常判定部３４により、フィードバック制御におけるフィードバック量が第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回るとき、空気供給異常（空気流量不足）と判定する。これにより、燃料電池スタック３の発電に必要な空気の供給不足で起こる燃料電池スタック３の発電性能の低下が発生する前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００７３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定３３において、空気流量のシステム限界許容範囲を、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガスを空気排気流路１８内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できる空気流量以上となるよう設定する。これにより、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガスを空気排気流路１８内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００７４】
また、本実施例の燃料電池システムでは、所定範囲設定３３において、空気流量のシステム限界許容範囲を、燃料電池スタック３の発電に必要な空気の供給不足で起こる発電性能の低下を防止できる空気流量と、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガスを空気排気流路１８内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できる空気流量とのうち、より大となる空気流量以上となるよう設定する。これにより、燃料電池スタック３の発電に必要な空気の供給不足で起こる燃料電池スタック３の発電性能の低下が発生する前で、且つ、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガスを空気排気流路１８内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００７５】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、異常判定部３４により空気供給異常と判定したとき、当該燃料電池システムの運転を停止する。これにより、空気供給異常と判定された場合には、燃料電池システムを安全に停止できるので、燃料電池スタック３の発電性能の低下を防止できる。
【実施例２】
【００７６】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００７７】
ただし、燃料電池スタック３を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段として、電圧センサ２０は必須であり、異常検出部３４において空気供給異常と判定したときには、電圧センサ２０の検出値が燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例１とは異なる。
【００７８】
また、本実施例では、システム許容下限空気流量ＱＬ（図３参照）を、燃料電池スタック３の発電に必要な空気流量Ｑａ（図２参照）のみに基づき設定している。これは、カソード５からアノード４へ電解質膜を透過してくる窒素が少ない場合には、流量制御弁（パージ弁）１１から排出するパージガス流量が少なくなるため、燃料電池スタック３の発電に必要な空気流量Ｑａが、流量制御弁１１からの排出水素を希釈できる空気流量Ｑｃに対して常に十分に大きくなっているからである。
【００７９】
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部３４により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について、図９および図１０を参照して説明する。ここで、図９は本実施例の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートであり、図１０は燃料電池スタック３の電流に応じた基準セル電圧のテーブルＴＣを説明する説明図である。
【００８０】
まず、操作量演算部３２からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み（ステップＳ２０１）、燃料電池スタック３の発電電流を読み込み（ステップＳ２０２）、読み込んだ電流値に基づき、テーブルＴＡを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込み（ステップＳ２０３）、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルＴＢを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む（ステップＳ２０４）。
【００８１】
次に、ステップＳ２０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ２０３で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る（空気供給不足）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量不足）か否かを判定する（ステップＳ２０５）。空気供給異常（空気流量不足）と判定されたときはステップＳ２０７に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップＳ２０６に進む。
【００８２】
次に、ステップＳ２０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ２０４で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る（空気供給過大）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量過大）か否かを判定する（ステップＳ２０６）。空気供給異常（空気流量過大）と判定されたときはステップＳ２０７に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップＳ２０１に戻る。
【００８３】
ステップＳ２０５で空気供給異常（空気流量不足）と判定された場合、或いはステップＳ２０６で空気供給異常（空気流量過大）と判定された場合には、警報発生装置３５を介して警報情報を報知する（ステップＳ２０７）。
【００８４】
次に、燃料電池スタック３の発電電流を読み込み（ステップＳ２０８）、テーブルＴＣを参照して、ステップＳ２０７で読み込んだ電流値に応じた燃料電池スタック３の基準セル電圧を読み込み（ステップＳ２０９）、さらに、燃料電池スタック３のセル電圧の最小値を読み込む（ステップＳ２１０）。ここで、テーブルＴＣは、発電電流毎の基準セル電圧の数値表であり、燃料電池スタック３の電流電圧特性に基づき算出され、図１０に示すような特性を持つ。
【００８５】
次に、ステップ２１０で読み込んだセル電圧の最小値とステップ２０９で読み込んだ基準セル電圧とを比較して、燃料電池スタック３から要求負荷（発電電流）に応じて安定して電力を得ることが可能かどうかを判定する（ステップＳ２１１）。
【００８６】
具体的には、セル電圧の最小値が基準セル電圧を下回る状態が所定時間継続した場合には、燃料電池スタック３から要求負荷（発電電流）に応じて安定して電力を得ることができないと判定し、ステップＳ２１２へ進んでシステムを停止する。他方、セル電圧の最小値が基準セル電圧以上であるか、或いはセル電圧の最小値が基準セル電圧を下回る状態が所定時間継続しない場合には、燃料電池スタック３から要求負荷に応じて安定して電力を得ることが可能であると判定し、ステップＳ２０１へ戻る。
【００８７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、異常検出部３４において空気供給異常と判定したときには、電圧センサ２０の検出値（セル電圧の最小値）が燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる所定電圧（基準セル電圧）を下回る場合に当該燃料電池システムの運転を停止する。
【００８８】
これにより、電圧センサ２０の検出値（セル電圧の最小値）が所定電圧（基準セル電圧）を下回る場合に、燃料電池システムの運転を停止できるので、空気供給系（コンプレッサ２）から供給する空気の供給異常（空気流量過大あるいは空気流量不足）が起きた場合でも、燃料電池スタック３の発電電流に応じた最低セル電圧を監視することで、電圧センサ２０の検出値（セル電圧の最小値）が所定電圧（基準セル電圧）を下回るまでは、燃料電池システムの運転を継続できる。
【実施例３】
【００８９】
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００９０】
ただし、燃料電池スタック３を構成する各セルの電圧或いは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段として、電圧センサ２０は必須であり、異常検出部３４において空気供給異常（空気流量過大）と判定したときには、電圧センサ２０の検出値が燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる所定電圧を下回る場合に、当該燃料電池システムの運転を停止し、あるいは、異常検出部３４において空気供給異常（空気流量不足）と判定したときには当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例１とは異なる。
【００９１】
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部３４により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順について説明する。本実施例での空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順は、図９のフローチャートにおいて、ステップＳ２０５で空気供給異常（空気流量不足）と判定した場合に、警報発生装置３５を介して警報情報を報知後、当該燃料電池システムの運転を停止する点が実施例２とは異なる。そのため、説明図は省略する。
【００９２】
これにより、電圧センサ２０の検出値（セル電圧の最小値）が所定電圧（基準セル電圧）を下回る場合に、燃料電池システムの運転を停止できるので、空気供給系（コンプレッサ２）から供給する空気の供給異常（空気流量過大）が起きた場合でも、燃料電池スタック３の発電電流に応じた最低セル電圧を監視することで、電圧センサ２０の検出値（セル電圧の最小値）が所定電圧（基準セル電圧）を下回るまでは、燃料電池システムの運転を継続できる。さらに、水素ガス排出流路１２から排出される水素ガスを空気排気流路１８内で外部へ排出できる水素ガス濃度まで低減できなくなる前に、空気供給不足を検出でき、より確実に空気供給系の異常診断を行うことができ、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【実施例４】
【００９３】
次に、本発明の実施例４に係る燃料電池システムについて説明する。実施例４の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００９４】
ただし、異常検出部３４において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて空気供給異常（空気流量過大）と判定されたときには、目標空気流量演算部３１は目標空気流量を減少させ、また、異常検出部３４において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って空気供給異常（空気流量不足）と判定されたときには、目標空気流量演算部３１は空気供給異常（空気流量不足）を回避できるまで目標空気流量を増大させる点が実施例１とは異なる。
【００９５】
次に、本実施例の燃料電池システムの異常判定部３４により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断と、診断後の目標空気流量演算部３１の処理について、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。
【００９６】
まず、操作量演算部３２からコンプレッサ回転数のフィードバック量を読み込み（ステップＳ３０１）、燃料電池スタック３の発電電流を読み込み（ステップＳ３０２）、読み込んだ電流値に基づき、テーブルＴＡを参照して、空気流量不足診断に用いる流量不足診断閾値を読み込み（ステップＳ３０３）、さらに、読み込んだ電流値に基づき、テーブルＴＢを参照して、空気流量過大診断に用いる流量過大診断閾値を読み込む（ステップＳ３０４）。
【００９７】
次に、ステップＳ３０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ３０３で読み込んだ流量不足診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量不足診断閾値を下回る（空気供給不足）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量不足）か否かを判定する（ステップＳ３０５）。空気供給異常（空気流量不足）と判定されたときはステップＳ３０７に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以上のとき、或いは空気供給不足状態が所定時間継続していないときはステップＳ３０６に進む。
【００９８】
次に、ステップＳ３０１で読み込んだコンプレッサ回転数のフィードバック量と、ステップＳ３０４で読み込んだ流量過大診断閾値とを比較して、フィードバック量が流量過大診断閾値を上回る（空気供給過大）状態が所定時間継続したか否かにより、空気供給異常（空気流量過大）か否かを判定する（ステップＳ３０６）。空気供給異常（空気流量過大）と判定されたときはステップＳ３０９に進み、フィードバック量が流量不足診断閾値以下のとき、或いは空気供給過大状態が所定時間継続していないときはステップＳ３０１に戻る。
【００９９】
ステップＳ３０５で空気供給異常（空気流量不足）と判定された場合には、警報発生装置３５を介して警報情報を報知し（ステップＳ３０７）、目標空気流量演算部３１により目標空気流量を前回の目標空気流量よりも増大させる（ステップＳ３０８）。このように、空気供給不足と判定された場合には、目標空気流量を所定割合だけ増大させることで、コンプレッサ２から供給する空気流量を増大させることができる。そして、空気供給異常（空気流量不足）を回避できるまで目標空気流量を増大させた後は、ステップＳ３０１へ戻る。
【０１００】
他方、ステップＳ３０６で空気供給異常（空気流量過大）と判定された場合には、警報発生装置３５を介して警報情報を報知し（ステップＳ３０９）、目標空気流量演算部３１により目標空気流量を前回の目標空気流量よりも減少させる（ステップＳ３１０）。このように、空気供給過大と判定された場合には、目標空気流量を所定割合だけ減少させることで、コンプレッサ２から供給する空気流量を減少させることができる。そして、空気供給異常（空気流量過大）を回避できるまで目標空気流量を減少させた後は、ステップＳ３０１へ戻る。
【０１０１】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、異常検出部３４において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第１の所定範囲内に設定される流量過大診断閾値を超えて空気供給異常（空気流量過大）と判定されたときには、目標空気流量演算部３１は目標空気流量を減少させ、また、異常検出部３４において、フィードバック制御におけるフィードバック量が第２の所定範囲内に設定される流量不足診断閾値を下回って空気供給異常（空気流量不足）と判定されたときには、目標空気流量演算部３１は空気供給異常（空気流量不足）を回避できるまで目標空気流量を増大させる。
【０１０２】
このように、空気供給異常（空気流量過大あるいは空気流量不足）と判定されたときに、目標空気流量を変更することで、空気供給異常を回避できるので、燃料電池システムの停止させることなく運転を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】発電電流に対する空気流量の推移を説明する説明図である。
【図３】システム許容上限空気流量およびシステム下限空気流量による目標空気流量の成立範囲を説明する説明図である。
【図４】コンプレッサ２のフィードバック量の正常範囲とフィードバック量の許容範囲を説明する説明図である。
【図５】空気流量過大診断および空気流量不足診断における診断閾値の成立範囲を説明する説明図である。
【図６】実施例１の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートである。
【図７】空気流量不足診断で用いる発電電流に応じた流量不足診断閾値のテーブルＴＡを説明する説明図である。
【図８】空気流量過大診断で用いる発電電流に応じた流量過大診断閾値のテーブルＴＢを説明する説明図である。
【図９】実施例２の空気流量過大診断および空気流量不足診断の手順を説明するフローチャートである。
【図１０】燃料電池スタック３の電流に応じた基準セル電圧のテーブルＴＣを説明する説明図である。
【図１１】実施例４の燃料電池システムの異常判定部３４により行われる空気流量過大診断および空気流量不足診断と、診断後の目標空気流量演算部３１の処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０４】
１  水素ガス供給装置
２  空気コンプレッサ
３  燃料電池スタック
４  アノード（燃料極）
５  カソード（酸化剤極）
６  圧力調整弁
７  水素ガス供給流路
８  ガス循環装置
９  水素ガス循環流路
１０  流量計（流量検出手段）
１１  流量制御弁（パージ弁）
１２  水素ガス排出流路
１３  アフタークーラ
１４  加湿器
１５，４０，４１，４２  空気供給流路
１６，１８  空気排気流路
１７  圧力調整弁
２０  電圧センサ（電圧検出手段）
２３，２６  圧力センサ
２４，２７  温度センサ
３０  システム制御装置
３１  目標空気流量演算部（酸化剤ガス目標流量演算手段）
３２  操作量演算部（流量制御手段）
３３  所定範囲設定部
３４  異常検出部
３５  警報発生装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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