(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードで生成された水素イオンが電解質膜を介してカソードへ移動するように構成された燃料電池と、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを前記燃料電池のカソードに供給するためのガス供給流路と、前記燃料電池のカソードから排出されるガスを流通させるガス排出流路と、前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスを希釈する希釈手段と、前記燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより前記燃料電池の低効率発電を実現させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記希釈手段は、前記ガス供給流路を流れる酸化ガスの一部を前記燃料電池をバイパスして前記ガス排出流路へと導くバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、前記ガス供給流路から前記バイパス流路を経由して前記ガス排出流路へと流れる酸化ガスにより前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスを希釈するものであり、
前記制御手段は、前記希釈手段が異常である場合にのみ、前記低効率発電時において前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスの生成量が所定量以下になるように前記燃料電池の電圧下限値を設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記バイパス流路を流通する酸化ガスの流量の指令値と、前記バイパス弁の開度と、に基づいて、前記酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を推定し、この推定圧力と前記圧力センサで検出した検出圧力との偏差に基づいて前記希釈手段の異常を判定する異常判定手段と、
を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記異常判定手段は、前記推定圧力が前記検出圧力よりも小さく、かつ、前記推定圧力と前記検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記バイパス弁に閉故障が生じたものと判定するものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記希釈手段は、ガス排出流路を流通するガスの圧力を調整する背圧弁を有し、
前記異常判定手段は、前記推定圧力が前記検出圧力よりも大きく、かつ、前記推定圧力と前記検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記背圧弁に開故障が生じたものと判定するものである、
請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
アノードで生成された水素イオンが電解質膜を介してカソードへ移動するように構成された燃料電池と、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを前記燃料電池のカソードに供給するためのガス供給流路と、前記燃料電池のカソードから排出されるガスを流通させるガス排出流路と、前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスを希釈する希釈手段と、を備え、前記燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより前記燃料電池の低効率発電を実現させる燃料電池システムの制御方法であって、
前記希釈手段は、前記ガス供給流路を流れる酸化ガスの一部を前記燃料電池をバイパスして前記ガス排出流路へと導くバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、前記ガス供給流路から前記バイパス流路を経由して前記ガス排出流路へと流れる酸化ガスにより前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスを希釈するものであり、
前記希釈手段が異常である場合にのみ、前記低効率発電時において前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスの生成量が所定量以下になるように前記燃料電池の電圧下限値を設定する工程を備える、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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。このような燃料電池システムの燃料電池のアノードからは、発電時に消費されずに余った燃料（水素）を含む燃料オフガスが排出される。このような燃料オフガスをそのままシステムの外部に排出すると、燃料オフガスに含まれる水素の排出量が所定の環境基準値を上回る場合がある。このため、燃料電池のアノードから排出される燃料オフガスを空気等の希釈ガスと混合・希釈して水素濃度を低減させる技術が提案されている。
【０００３】
ところで、現在においては、燃料電池の低効率運転（通常運転時よりも発電効率が低い状態での運転）を実施することにより、供給した反応ガスのエネルギをより多く熱エネルギに変換して、燃料電池を昇温させる技術が提案されている。このような低効率運転においては、燃料電池のアノードから水素を含む燃料オフガスが排出されるだけでなく、燃料電池のカソードにおいてアノードガス（いわゆるポンピング水素）が生成されることが知られている。このため、近年においては、燃料電池のカソード側に希釈手段を設けることにより、排出されるポンピング水素の濃度を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１７４６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記した特許文献１に記載された技術を採用しても、カソード側の希釈手段が故障した場合には、ポンピング水素の濃度を低減させることができないため、排出水素濃度を所定の環境基準値以下に抑えることができないおそれがある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、希釈手段に頼らずに低効率発電時におけるポンピング水素の排出を抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池と、この燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより燃料電池の低効率発電を実現させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、低効率発電時において燃料電池のカソードで生成されるアノードガス（ポンピング水素）の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定するものである。
【０００７】
また、本発明に係る運転方法は、発電を行う燃料電池を備え、この燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより燃料電池の低効率発電を実現させる燃料電池システムの制御方法であって、低効率発電時において燃料電池のカソードで生成されるアノードガス（ポンピング水素）の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定する工程を備えるものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、低効率発電時において、燃料電池の電圧下限値を特定の値に設定することにより、ポンピング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。従って、低効率発電時におけるポンピング水素の排出量を低減させることができるので、ポンピング水素を希釈するための装置を省くことができる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、ポンピング水素を希釈する希釈手段を備えることもできる。そして、この希釈手段が異常である場合にのみ、低効率発電時においてポンピング水素の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定する制御装置を採用することができる。
【００１０】
かかる構成を採用すると、希釈手段が正常である場合には、ポンピング水素の濃度を希釈手段で希釈することができ、なおかつ、特に電圧の下限値を設定することなく低効率発電を実施することができるので暖機（自己発熱）を効果的に行うことができる。一方、希釈手段が異常である場合には、燃料電池の電圧下限値を特定の値に設定しながら低効率発電を実施することにより、ポンピング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを燃料電池のカソードに供給するためのガス供給流路と、燃料電池のカソードから排出されるガスを流通させるガス排出流路と、を設けることができる。そして、ガス供給流路を流れる酸化ガスの一部を燃料電池をバイパスしてガス排出流路へと導くバイパス流路と、このバイパス流路を流通する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、ガス供給流路からバイパス流路を経由してガス排出流路へと流れる酸化ガスによりポンピング水素を希釈する希釈手段を採用することができる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を検出する圧力センサを設けることができる。かかる場合、バイパス流路を流通する酸化ガスの流量の指令値と、バイパス弁の開度と、に基づいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を推定し、この推定圧力と圧力センサで検出した検出圧力との偏差に基づいて希釈手段の異常を判定する異常判定手段を採用することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、推定圧力が検出圧力よりも小さく、かつ、推定圧力と検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、バイパス弁に閉故障が生じたものと判定する異常判定手段を採用することができる。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、ガス排出流路を流通するガスの圧力を調整する背圧弁を有する希釈手段を採用することができる。かかる場合、推定圧力が検出圧力よりも大きく、かつ、推定圧力と検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、背圧弁に開故障が生じたものと判定する異常判定手段を採用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、希釈手段に頼らずに低効率発電時におけるポンピング水素の排出を抑制することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１７】
まず、図１〜図６を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、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２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
【００１９】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池２０（図４）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池２０は、電解質膜２１（図４）の一方の面にカソード（空気極）を有し、他方の面にアノード（燃料極）を有し、さらにカソード及びアノードを両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。また、燃料電池２のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソードで生成されるポンピング水素（後述）が含まれる。
【００２０】
燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂと、燃料電池２の温度を検出する温度センサ２ｃと、が取り付けられている。電流センサ２ａで検出された出力電流に係る情報や温度センサ２ｃで検出された温度に係る情報は、後述する電圧制御に用いられる。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型のものを採用することができる。
【００２１】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給流路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、バイパス流路３８、希釈器４０、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
【００２２】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものであり、本発明における酸化ガス供給源の一実施形態である。酸化ガス供給流路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソードに導くためのガス流路である。酸化ガス供給流路３２には、エアコンプレッサ３１から供給される酸化ガスの圧力及び温度を検出する圧力センサ３５及び温度センサ３６が設けられている。これら圧力センサ３５及び温度センサで検出された圧力及び温度に係る情報は、後述する希釈手段の異常判定に用いられる。
【００２３】
加湿モジュール３３は、酸化ガス供給流路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、本発明におけるガス排出流路の一実施形態である。カソードオフガス流路３４のカソード極出口付近には、背圧弁３７が配設されている。制御装置６が背圧弁３７の開閉動作を制御することにより、カソードオフガス流路３４を流通するカソードオフガスの圧力が調整され、この結果、ポンピング水素の排出量が調整されることとなる。
【００２４】
バイパス流路３８は、酸化ガス供給流路３２を流れる酸化ガスの一部を、燃料電池２をバイパスして、カソードオフガス流路３４へと導くものである。バイパス流路３８には、バイパス弁３９が設けられている。バイパス流路３８を流通する酸化ガスの流量は、バイパス弁３９によって調整される。制御装置６がバイパス弁３９の開閉動作を制御することにより、酸化ガス供給流路３２からバイパス流路３８を経由してカソードオフガス流路３４へと酸化ガスが供給され、これにより、カソードオフガス流路３４を流通するポンピング水素が希釈される。すなわち、バイパス流路３８、バイパス弁３９及び制御装置６は、本発明における希釈手段を構成する。なお、背圧弁３７もまたポンピング水素の排出量を調整するものであるため、本発明における希釈手段を構成する。
【００２５】
希釈器４０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度(所定の環境基準値）以下に抑えるように希釈する。希釈器４０には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
【００２６】
燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給流路４２、燃料ガス循環流路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
【００２７】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給流路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００２８】
燃料ガス循環流路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給流路４２へ導かれる。燃料ガス供給流路４２から燃料ガス循環流路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００２９】
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
【００３０】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２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５３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Ｍ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３１】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池（例えばニッケル水素電池等）である。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
【００３２】
トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。
【００３３】
制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル開度を検出する図示されていないアクセルペダルセンサ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
【００３４】
また、制御装置６は、燃料電池２に設けられた温度センサ２ｃから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池２の温度を検出し、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する。そして、制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転処理を行う。ここで、通常運転処理とは、暖機することなく効率の高い運転動作点（すなわち電力損失の小さな運転動作点）で運転する処理をいう。一方、制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判定した場合に、低効率運転処理（発電効率の低い運転動作点で運転する処理）を行う。
【００３５】
ここで、図２〜図４を用いて、通常運転と低効率運転との関係及びポンピング水素の発生原理について説明する。
【００３６】
図２において、横軸は出力電流を、縦軸は出力電圧を、各々表しており、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）は、燃料電池２に電流を流していない状態における電圧を表す。一般に、図２に示すような電流・電圧特性（ＩＶ特性）が得られる燃料電池２においては、制御装置６は、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（Ｉ0、Ｖ0）にて運転を行う（図２（Ａ）参照）。これに対し、暖機運転を行う場合には、制御装置６は、電力損失の大きな低効率運転動作点（ＩL、ＶL）にて運転を行い、燃料電池２の内部温度を上昇させる（図２（Ｂ）参照）。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギのうち、電力損失分（熱エネルギ）を積極的に増大させることができるため、迅速な暖機を実現させることができる。
【００３７】
なお、図３は、通常運転時におけるＩＶ特性マップ（実線）と、低効率運転時におけるＩＶ特性マップ（破線）と、を示すものであり、通常運転時及び低効率運転時においてはこれらＩＶ特性マップを用いて運転動作点を決定することができる。低効率運転時におけるＩＶ特性マップ（破線）は、トラクションモータＭ３からの出力要求に応じて適宜設定することができ、図３に示したものはその一例である。
【００３８】
燃料電池２の通常運転時には、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以上に設定する。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酸化ガス供給量の理論値に対する実際の酸化ガス供給量の比（実際の酸化ガス供給量を理論値で除した値）を意味する。これに対し、燃料電池４０の低効率運転時には、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未満に設定する。エアストイキ比を低く設定すると、水素と酸素との反応によって取り出すことができるエネルギのうち、電力損失分（熱エネルギ）を積極的に増大させることができる一方、燃料電池２のカソードにはポンピング水素が発生する。
【００３９】
図４は、ポンピング水素の発生原理を説明するための図である。図４（Ａ）は通常運転時における電池反応を示す図であり、図４（Ｂ）は低効率運転時における電池反応を示す図である。燃料電池２の各単電池２０は、電解質膜２１と、この電解質膜２１を挟持するアノード及びカソードを備えている。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以下の化学式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜２１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。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                              ・・・（Ａ）
【００４０】
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分である場合（エアストイキ比が１．０以上）には、以下の化学式（Ｂ）の反応が進行して、図４（Ａ）に示すように酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合（エアストイキ比が１．０未満）には、不足する酸化ガス量に応じて以下の化学式（Ｃ）の反応が進行し、図４（Ｂ）に示すように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、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。このように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。
２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ         ・・・（Ｂ）
２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2                              ・・・（Ｃ）
【００４１】
制御装置６は、このようなポンピング水素が生成される低効率発電時において、希釈手段が異常である場合（背圧弁３７やバイパス弁３９が故障した場合）に、ポンピング水素の生成量が所定量以下になるように燃料電池２の出力電圧の下限値を設定する。すなわち、制御装置６は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。
【００４２】
低効率発電時・希釈手段異常時における制御装置６の具体的な電圧制御について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、燃料電池２の出力電流（Ａ）と、燃料電池２の温度（℃）と、燃料電池２の出力電圧の下限値（Ｖ）と、の関係を規定したテーブルであり、図６は、図５のテーブルの値をプロットして近似曲線を描いたマップである。図５のテーブルに示した燃料電池２の出力電圧の下限値は、燃料電池２の出力電流をＩ1〜Ｉ10まで変化させ、かつ、燃料電池２の温度をＴ1〜Ｔ6まで変化させた場合においてポンピング水素の生成量が所定量以下になるように設定した値である。
【００４３】
制御装置６は、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流と、温度センサ２ｃで検出した燃料電池２の温度と、図５及び図６のテーブル・マップと、に基づいて、燃料電池２の出力電圧の下限値を設定する。例えば、制御装置６は、燃料電池２の温度がＴ3である場合に、燃料電池２の出力電圧の下限値をＶ31、Ｖ32、…、Ｖ36、…に設定する。また、制御装置６は、燃料電池２の温度がＴ6である場合に、燃料電池２の出力電圧の下限値をＶ61、Ｖ62、…、Ｖ60に設定する。すなわち、制御装置６は、燃料電池２の温度がＴN（Ｎ：１〜６）である場合に、図６のマップに描かれた近似曲線ＴN（Ｎ：１〜６）よりも上方の領域において、出力電流と出力電圧を設定するようにする。
【００４４】
また、制御装置６は、バイパス流路３８を流通する酸化ガスの流量の指令値と、バイパス弁３９の開度と、温度センサ３６で検出した酸化ガスの温度と、に基づいて、エアコンプレッサ３１から供給される酸化ガスの圧力を推定する。そして、制御装置６は、この推定した圧力と、圧力センサ３５で検出した酸化ガスの圧力と、の偏差に基づいて、希釈手段の異常（背圧弁３７やバイパス弁３９の故障）を判定する。すなわち、制御装置６は、本発明における異常判定手段の一実施形態としても機能する。
【００４５】
制御装置６による希釈手段の異常判定手法について、具体的に説明する。バイパス流路３８を流通する酸化ガスの流量の指令値をＱ（L/min）、バイパス弁３９の開度をＡ（mm2）、バイパス弁３９の下流圧力をＰL（kPa）（＝１０１．３（大気圧））、エアコンプレッサ３１から供給される酸化ガスの圧力の推定値（推定圧力）をＰE（kPa）、エアコンプレッサ３１から供給される酸化ガスの温度をＴ0（℃）、単位変換係数をｋ（＝０．２２６）とすると、推定圧力ＰEは以下の数式により算出される。なお、バイパス流路３８を流通する酸化ガスの流量指令値Ｑ及びバイパス弁３９の開度Ａは、燃料電池２の低効率運転の動作点に応じて、制御装置６により決定される値である。
【００４６】
【数１】
0004905706.tif 000002
【００４７】
制御装置６は、このようにして算出した推定圧力ＰEと、圧力センサ３５で検出した圧力（検出圧力）Ｐ0と、を比較し、両者の偏差の絶対値ｅを算出する。そして、制御装置６は、算出した偏差の絶対値ｅが所定の閾値を超える場合に、背圧弁３７又はバイパス弁３９が故障している（希釈手段が異常である）ものと判定する。
【００４８】
具体的には、制御装置６は、推定圧力ＰEが検出圧力Ｐ0よりも小さく、かつ、これら推定圧力ＰEと検出圧力Ｐ0との偏差の絶対値ｅが所定の閾値を超える場合に、バイパス弁３９に閉故障が生じたものと判定する。バイパス弁３９に閉故障が生じると、バイパス流路３８に酸化ガスが流入し難くなり、酸化ガス供給流路３２における酸化ガスの圧力（検出圧力）が理論値（推定圧力）よりも有意に高くなるためである。一方、制御装置６は、推定圧力ＰEが検出圧力Ｐ0よりも大きく、かつ、これら推定圧力ＰEと検出圧力Ｐ0との偏差の絶対値ｅが所定の閾値を超える場合に、背圧弁３７に開故障が生じたものと判定する。背圧弁３７に開故障が生じると、背圧弁３７の下流側にガスが漏れることとなるため、背圧弁３７の上流側の酸化ガス供給流路３２における酸化ガスの圧力（検出圧力）が理論値（推定圧力）よりも有意に低くなるためである。
【００４９】
次に、図７のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。
【００５０】
まず、制御装置６は、温度センサ２ｃから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池２の温度を検出し（温度検出工程：Ｓ１）、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する（暖機判定工程：Ｓ２）。制御装置６は、暖機判定工程Ｓ２において、燃料電池２の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転を実現させる（通常運転工程：Ｓ１４）。一方、制御装置６は、暖機判定工程Ｓ２において、燃料電池２の温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判定した場合に、希釈手段が異常であるか否か（背圧弁３７又はバイパス弁３９が故障しているか否か）を判定する（希釈手段異常判定工程：Ｓ３）。
【００５１】
＜異常時低効率運転＞
制御装置６は、希釈手段異常判定工程Ｓ３において、算出した推定圧力ＰEと、圧力センサ３５での検出圧力Ｐ0と、の偏差の絶対値ｅが所定の閾値を超える（希釈手段が異常である）と判定した場合に、以下の異常時低効率運転（電圧下限値設定工程Ｓ４〜異常時電流電圧制御工程Ｓ６）を実施する。
【００５２】
すなわち、制御装置６は、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流と、温度センサ２ｃで検出した燃料電池２の温度と、図５及び図６のテーブル・マップと、に基づいて、燃料電池２の出力電圧の下限値を設定する（電圧下限値設定工程：Ｓ４）。そして、制御装置６は、設定した電圧下限値を上回るような目標低効率運転動作点（目標とする出力電流指令値及び出力電圧指令値）を設定する（異常時低効率動作点設定工程：Ｓ５）。次いで、制御装置６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いることにより、電圧センサ２ｂで検出した燃料電池２の出力電圧を出力電圧指令値に近付ける制御を行うとともに、エアコンプレッサ３１や背圧弁３７を用いて燃料電池２へのエア供給量を絞ることにより、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流を出力電流指令値に近付ける制御を行う（異常時電流電圧制御工程：Ｓ６）。
【００５３】
その後、制御装置６は、燃料電池２の温度が所定の基準温度を超えたか否かを判定し（温度判定工程：Ｓ７）、燃料電池２の温度が基準温度を超えた場合には異常時低効率運転を終了し、超えない場合には希釈手段異常判定工程Ｓ３に戻って制御を続行する。以上のような異常時低効率運転においては、バイパス弁３９等から構成される希釈手段の制御が停止されることとなる。
【００５４】
＜正常時低効率運転＞
一方、制御装置６は、希釈手段異常判定工程Ｓ３において、算出した推定圧力ＰEと、圧力センサ３５での検出圧力Ｐ0と、の偏差の絶対値ｅが所定の閾値以下である（希釈手段が正常である）と判定した場合に、以下の正常時低効率運転（正常時低効率動作点設定工程Ｓ８〜水素希釈工程Ｓ１２）を実施する。
【００５５】
すなわち、制御装置６は、所定の暖機目標温度等に応じた目標低効率運転動作点を設定し（正常時低効率動作点設定工程：Ｓ８）、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いた電圧制御を行うとともに、エアコンプレッサ３１や背圧弁３７を用いた電流制御を行う（正常時電流電圧制御工程：Ｓ９）。また、制御装置６は、設定した目標低効率運転動作点に対応したパージ水素量及びポンピング水素量をマップ等に基づいて導出し、これらを加算することにより燃料電池２からの総排出水素量を算出する（総排出水素量算出工程：Ｓ１０）。次いで、制御装置６は、算出した総排出水素量に基づいて、排出水素濃度を所定の環境基準値以下にするために必要な希釈情報（バイパス流路３８を流通する酸化ガスの流量の指令値等）を算出する（希釈情報算出工程：Ｓ１１）。そして、制御装置６は、算出した希釈情報に基づいて、エアコンプレッサ３１の回転数、背圧弁３７の開度、バイパス弁３９の開度等を調整して、正常時低効率運転中に排出されるポンピング水素等を希釈する（水素希釈工程：Ｓ１２）。
【００５６】
その後、制御装置６は、燃料電池２の温度が所定の基準温度を超えたか否かを判定し（温度判定工程：Ｓ１３）、燃料電池２の温度が基準温度を超えた場合には正常時低効率運転を終了し、超えない場合には希釈手段異常判定工程Ｓ３に戻って制御を続行する。以上のような正常時低効率運転においては、バイパス弁３９等から構成される希釈手段によるポンピング水素の希釈が可能となるため、電圧の下限値が制限されることがない。
【００５７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、希釈手段が正常である場合には、ポンピング水素の濃度を希釈手段で希釈することができ、なおかつ、特に電圧の下限値を設定することなく低効率発電を実施することができるので暖機（自己発熱）を効果的に行うことができる。一方、希釈手段が異常である場合には、燃料電池２の電圧下限値を特定の値に設定しながら低効率発電を実施することにより、ポンピング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。
【００５８】
なお、以上の実施形態においては、燃料電池２の温度が低下した場合に、暖機を目的として低効率運転を実施した例を示したが、燃料電池２の触媒活性を回復させる場合や、燃料電池２の電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に、低効率運転を実施することもできる。
【００５９】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２に取り付けた温度センサ２ｃを用いて燃料電池２の温度を検出して暖機が必要か否か等の判定を行ったが、燃料電池２の温度の代わりに、外気温度や燃料電池周辺の部品温度を検出して暖気が必要か否か等の判定を行うこともできる。
【００６０】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】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２】（Ａ）は図１に示す燃料電池システムの通常運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図であり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池システムの低効率運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの通常運転時及び低効率運転時におけるＩＶ特性マップである。
【図４】ポンピング水素の発生原理を説明するための説明図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムの低効率運転時（希釈手段異常時）における電圧下限値の設定に使用されるテーブルである。
【図６】図５に示すテーブルのデータをプロットして作成した近似曲線マップである。
【図７】図１に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（制御手段、希釈手段、異常判定手段）、３１…エアコンプレッサ（酸化ガス供給源）、３２…酸化ガス供給流路、３４…カソードオフガス流路（ガス排出流路）、３５…圧力センサ、３７…背圧弁（希釈手段）、３８…バイパス流路（希釈手段）、３９…バイパス弁（希釈手段）。
【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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