JP2008226674A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、燃料電池の電流制限を短時間とし、電流制限による出力低下を防止して車両等に搭載された場合に操縦者に違和感を与えることなく、かつ燃料電池の耐久性の向上が図れる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明に関わる燃料電池システムは、最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin/tを検出する最低セル電圧変化量検出手段５と、最低セル電圧Ｖminの変化量Ｖmin/tに基づいて最低セル電圧Ｖminが所定値以下になることを予想する最低セル電圧低下判定手段５とを備え、最低セル電圧低下判定手段５により最低セル電圧Ｖminが所定値以下まで低下すると予測される場合、発電電流制限手段７によって燃料電池２から負荷に供給する電流Ｉnを制限している。
【選択図】図１

Description

本発明は、最大出力電流を制限して性能低下を防止する燃料電池システムに関する。

自動車等に用いられる燃料電池は、固体高分子電解膜の一方の片面を水素極で、他方の片面を酸素極で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）の両面を導電性のセパレータで挟んだセルが数十から数百枚積層されたスタック構造をしている。
このようなスタック構造の燃料電池を使用する場合、一部のセルのセル電圧だけが低下してしまう現象があり、その要因としては、反応による生成水で反応ガス流路の流れが悪くなることによって、また、セルにおける固体高分子電解膜の凍結等によって有効膜面積が低下し、ストイキ不足（水素不足）が発生するためと考えられる。

ストイキ不足となったセルの許容以上の電流を燃料電池から引いた場合、ストイキ不足となるセルのセル電圧だけが急激に低下してしまい、さらにそのまま電流を引き続けると、ストイキ不足となったセルの固体高分子電解膜の劣化を引き起こし、燃料電池の耐久性が低下する可能性がある。

そこで、燃料電池が備える全てのセルの何れか１つでも、その出力電圧であるセル電圧が所定の閾値を下回らないように、全てのセル電圧を監視し、図１０に示すように、セル電圧が最も低い最低セル電圧Ｖ10を検出して、最低セル電圧Ｖ10の検出値が膜劣化を引き起こすレベルであるセル電圧保護レベルｈl以下となる場合(図１０の時刻ｔ10)には、燃料電池から取り出す出力電流Ｉ10に上限値Ｉmaxを設けて制限し、最も低いセル電圧に応じた電流制限を行っている（例えば、特許文献１）。なお、図１０は、時間(横軸)に対する燃料電池の電流Ｉ10、最低セル電圧Ｖ10、および平均セル電圧(縦軸)の関係を示した図である。
特開２００５−１９７００８(段落番号００３２〜００３８)

ところで、前記の従来技術は、図１０に示すように、実際に最低セル電圧Ｖ10が保護レベル以下に低下した後(図１０の時刻ｔ10後)に保護機能的に出力電流Ｉ10を制限するだけなので、実際に制限がかかると、出力電流Ｉ10が減少して出力低下が発生する。そのため、車輛等で使用される場合は急な出力低下を引き起こしてしまい、操縦者に違和感を与えてしまう。また、保護機能的に出力電流Ｉ10を制限した時刻ｔ10後、出力電流Ｉ10が減少するため、出力電流Ｉ10による発熱量が減少してしまう。このため、セル電圧が保護レベル以下に低下したセルが温まり、膜の有効発電面積が回復するまでに時間がかかる。

加えて、セル電圧で制限を行う場合、スタックの電流・電圧特性が劣化した際には各セルのセル電圧が低下しているため、電流制限がかかりやすくなるという問題がある。
また、最低セル電圧が、実際に固体高分子電解膜の劣化を引き起こす保護レベル以下になるまで電流制限を行わないことから、ストイキ不足によるセルの発電性能の低下を引き起こし、ストイキ不足となったセルの固体高分子電解膜の有効発電面積を拡大して通常のレベルにまで回復するのに多くの時間を費し、電流制限する時間が長時間となっている。
さらに、セル電圧が保護レベル以下に低下した後に出力電流を制限するため、セルの固体高分子電解膜が分解等して劣化し、燃料電池の耐久性が低下する可能性がある。

本発明は前記実状に鑑み、燃料電池の電流制限を短時間とし、電流制限による出力低下を防止して車両等に搭載された場合に操縦者に違和感を与えることなく、かつ燃料電池の耐久性の向上が図れる燃料電池システムの提供を目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明に関わる燃料電池システムは、複数積層された各々のセルに反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記複数のセルのうちの最低セル電圧を検出する最低セル電圧検出手段と、前記燃料電池から負荷に供給する電流を制限する発電電流制限手段とを備えた燃料電池システムであって、最低セル電圧の単位時間当たりの変化量を検出する最低セル電圧変化量検出手段と、前記最低セル電圧の変化量に基づいて前記最低セル電圧が所定値以下になることを予想する最低セル電圧低下判定手段と、前記最低セル電圧低下判定手段により前記最低セル電圧が所定値以下まで低下すると予測される場合、燃料電池から負荷に供給する電流を制限する発電電流制限手段とを備えている。

本発明の請求項１に関わる燃料電池システムによれば、最低セル電圧が保護レベル等の所定値以下まで低下すると予測される場合は、発電電流制限手段により燃料電池から負荷に供給する電流を制限するため、所定値以下になる前に電流制限を開始でき、最低電圧セルのストイキ不足による膜劣化を防止することができ、最低電圧セルの電圧回復を短時間で行える。

本発明の請求項２に関わる燃料電池システムによれば、平均セル電圧の変化量と最低セル電の圧変化量とを比較することにより、どちらの変化量も同等に低下している場合は、最低電圧セルだけによる電圧低下ではなく、それ以外の故障が原因であると判断することもでき、ストイキ不足等による最低電圧セルの電圧低下とそれ以外の故障との切り分けを行うことが可能である。

本発明の請求項３に関わる燃料電池システムによれば、負荷に供給する電流の単位時間当たりの増加量を制限して負荷への電流を制限するため、負荷の出力が急に低下することがなく、操縦者に違和感を与えることがない。また、燃料電池の膜凍結により発電有効面積が減少している場合でも、電流の増加量を制限して負荷への電流を制限するので、大きな電流制限による過度の発熱量の低減を防止できるとともに、電流の増加によって燃料電池への暖機を促進することが可能であり、早急な有効発電面積の回復が行える。

本発明の請求項４に関わる燃料電池システムによれば、電圧低下判定手段では予測できないような突発的な電圧低下の場合に電流制限を行うので、膜劣化現象を防止できる。

本発明の請求項５に関わる燃料電池システムによれば、いずれかのセル電圧が所定値以下まで低下すると予測される場合、燃料電池から負荷に供給する電流を制限するので、各々のセルの何れかにおいて所定値以下に低下すると予測される急激な電圧低下が生じた場合にも電流制限を行って、燃料電池の性能の低下を防止するとともに、燃料電池の耐久性の向上が図れる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態である燃料電池システム１は、その全体構成図である図１に示すように、負荷に接続され電流を供給する燃料電池２と、酸化剤としての空気を燃料電池２に供給するカソードガス供給装置３と、燃料としての水素を燃料電池２に供給するアノードガス供給装置４と、燃料電池システム１を統括的に制御する制御装置(最低セル電圧検出手段、最低セル電圧変化量検出手段、最低セル電圧低下判定手段、平均セル電圧検出手段、平均セル電圧変化量検出手段、セル電圧低下検出手段、セル電圧変化量算出手段、セル電圧低下予測手段)５と、燃料電池２の各セルｃ(ｃ1、ｃ2、…)の電圧を検出するセル電圧検出器(セル電圧検出手段)６と、燃料電池２から負荷に取り出される電流の制限を行う電流制限器(発電電流制限手段)７と、燃料電池２から取り出される電流を検出する電流検出器８とを含んで構成されている。なお、燃料電池システム１は、図示しない車両に搭載されている。

燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルｃが、多数、例えばセルcが２００枚直列に積層されたスタック(図示せず)の構造に形成されている。前記セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、カソードガス供給装置３、アノードガス供給装置４および冷却水循環装置(図示せず)からそれぞれ供給される空気、水素、水が混合しないように通流されている。

この燃料電池２は、アノードガス供給装置４からアノード(水素極)２ｂに水素が供給されるとともにカソードガス供給装置３からカソード(酸素極)２ｃに空気が供給され、負荷から電流が要求されることにより、水素と酸素との電気化学反応が進行し燃料電池２から負荷へ電流が取り出され、供給された水素及び酸素が消費される。
なお、燃料電池２から電流が取り出されない場合は、供給された水素及び酸素は消費されることなく、そのまま燃料電池２から、排水素、排空気として排出される。なお、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素を再循環して使用している。

燃料電池２から取り出される発電電流は、電流制限器７に入力されており、電流制限器７には、電流検出器８を介して、例えば走行モータやエアコンディショナ等(図示せず)の負荷が接続されている。
なお、この電流制限器７は、制御装置１５から出力される電流レート制限指令信号に応じて燃料電池２から取り出される発電電流レートを制限前より増加量が少なくなるように制限したり、電流制限指令信号に応じて燃料電池２から取り出される発電電流を制限する。

制御装置(ＥＣＵ： Electronic Control Unit)５は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイスおよび各種電気・電子回路(図示せず)を含んで構成され、本実施形態の電流制限器７の制御を含み燃料電池システム１を統括的に制御する。この制御装置５は、図示しないスロットルペダルに備えられるスロットル開度センサからのスロットル開度値、セル電圧検出器６からの各セルｃのセル電圧、電流検出器８からの電流値等の各種信号やデータを、入出力インタフェイスを介して入力する機能を有する。また、制御装置５は、入力した各種信号やデータに基づいて、所定の燃料電池２のセルｃの中から最低セル電圧を検出する最低セル電圧検出機能、各セル電圧から平均のセル電圧を検出する平均セル電圧検出機能、最低セル電圧、平均セル電圧および各々のセル電圧の単位時間当たりの変化量をそれぞれ検出するセル電圧変化量検出機能、燃料電池２の電流レート制限および電流制限の判断を行う電流制限判断機能等を有しており、電流制限器７に出力する電流レート制限指令値を設定する電流レート制限設定制御、およびセル電圧が積層されたスタック電圧の異常およびセル電圧異常を判断するスタック−セル電圧異常判断制御を行う。その他、制御装置５はカソードガス供給装置３およびアノードガス供給装置４等を制御する。これらの各種制御信号やデータは、入出力インタフェイスを介して、それぞれの機器等に出力され、燃料電池システム１が統括的に制御されている。
なお、上述の電流レート制限設定制御およびスタック−セル電圧異常判断制御については、後述する。

図２は、ブロック分けされた燃料電池２とセル電圧検出器６を示す概念図である。
図２に示すように、セル電圧検出器６は、燃料電池２を構成する例えば２００枚のセルｃを所定数、例えば４０枚のセルｃからなるブロック単位に５つにブロック分けし、各セルブロックｃｂ(ｃb1、ｃb2、ｃb3、ｃb4、ｃb5)毎に、それぞれに含まれる４０枚のセルｃのセル電圧を検出する。
また、セル電圧検出器６は、統合ユニット６ａと５つの検出器ユニット６ｂ(６ｂ1〜６ｂ5）とを有しており、燃料電池２の分解、組立て等が容易であるように構成されている。
検出器ユニット６ｂは、燃料電池２のそれぞれのセルブロックｃｂの上面に配設されており、各検出器ユニット６ｂは、それぞれのセルブロックｃｂの４０枚のセルｃのセル電圧を１枚１枚走査して検出する。

なお、それぞれのセルブロックｃｂの４０枚のセルｃのセル電圧を１枚１枚走査するのではなく、セルｃ１枚おきに走査したりセルｃ２枚おきに走査したりして、１枚おきのセル電圧または２枚おきのセル電圧を検出してもよく、走査して検出するセルｃの間隔は任意である。すなわち、最低セル電圧は１セルの電圧だけではなく、複数セルｃ（例えば２セルｃ）毎のセル電圧を検出する場合には、複数のセルｃ毎に検出した値を最低セル電圧として用いてもよい。また、セルブロックｃｂ当りのセルｃの枚数やセルブロックｃｂ数は、任意に選択できる。
統合ユニット６ａは、各検出器ユニット６ｂと接続されており、各検出器ユニット６ｂが各セルｃを走査して検出したセル電圧が入力され、各セルｃのセル電圧値を示す信号が制御装置５に出力されている。

次に、燃料電池システム１における燃料電池２から取り出される電流レートの制限を行う電流レート制限設定制御について、該制御フローを示す図３を用いて説明する。
まず、セル電圧検出器６で検出した全セルｃのセル電圧を示す信号が、制御装置５に入力され、制御装置５において最低セル電圧Ｖminを検出する(Ｓ１)。
続いて、制御装置５において、最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl以上か比較される(Ｓ２)。最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl未満(図５の時刻ｔ0)の場合には最低セル電圧を保護電圧レベルＶl以上にする最低セル電圧回復制御Ｓ３が行われる。なお、図５は、最低セル電圧回復制御Ｓ３の際の経過時間ｔに対する最低セル電圧Ｖmin、平均セル電圧Ｖav、および燃料電池２から取り出され負荷に供給される電流Ｉnの関係を示す図である。

ここで、最低セル電圧回復制御Ｓ３について、該制御フローを示す図４とタイムチャートを示す図５を用いて説明する。
制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、燃料電池２から取り出す電流を減じる(図５の時刻ｔ0後)(Ｓ３１)。続いて、制御装置５において、セル電圧検出器６からの信号に基づき最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl以上か比較する(Ｓ３２)。最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl未満の場合(図５の時刻ｔ0からｔ01まで)には、ステップＳ３１に移行する。一方、最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl以上の場合(図５の時刻ｔ01後)には、最低セル電圧回復制御Ｓ３を終了して図３のステップＳ４に移行する。
以上が、最低セル電圧回復制御Ｓ３である。この最低セル電圧回復制御Ｓ３によって、最低セル電圧Ｖminの急激な低下に対応でき、膜劣化を防止できる。

図３のステップＳ２において、最低セル電圧Ｖminが、保護電圧レベルＶl以上と判断された場合には、制御装置５において、最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin/tが検出される (Ｓ４)。
続いて、最低セル電圧Ｖminの変化量Ｖmin/tが、最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される所定の低下予想変化量Ｖmil以上か比較される(Ｓ５)。このように、予め、保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される電圧変化量の閾値Ｖmilを設定し、その閾値Ｖmil以上の変化量Ｖmin/tである場合には最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下に低下すると予測する。

図６には、最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される低下予想変化量(最低セル電圧変化量の閾値)Ｖmilと最低セル電圧Ｖminの大きさとの関係を示している。図６によれば、最低セル電圧Ｖminが小さい場合には、保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される最低セル電圧変化量の閾値Ｖmilが小さく、最低セル電圧Ｖminが大きくなるに従って該変化量の閾値Ｖmilが大きくなる傾向にある。なぜなら、最低セル電圧Ｖminが小さい場合には、該変化量Ｖmin／tが大きいと保護電圧レベルＶl以下に成り易く、最低セル電圧Ｖminが大きい場合には、該変化量Ｖmin／tが大きくても、保護電圧レベルＶl以下に成り難いためである。なお、最低セル電圧Ｖminの大きさに対する保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される変化量の閾値Ｖmilは、予めテーブル等を用いて設定されており、ステップＳ５の処理が行われる。

図３のステップＳ５において、最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin／tが、低下予想変化量Ｖmilより小さいと判断された場合には、ステップＳ１に移行する。
図７は、電流レート制限設定制御の際の経過時間ｔに対する最低セル電圧Ｖmin、平均セル電圧Ｖav、および燃料電池２から取り出され負荷に供給される電流Ｉnの関係を示した図である。

一方、図３のステップＳ５において、最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin／tが、低下予想変化量Ｖmil以上と判断された場合(図７の時刻ｔ2)には、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流制限器７によって、燃料電池２から取り出される電流Ｉnの電流レートが時刻ｔ2前の電流レートＩnsに比べ増加率が少ない所定の制限電流レートＩnrに制限される。
すなわち、図７の時刻ｔ1、ｔ2間において、最低セル電圧Ｖminが、低下予想変化量Ｖmil以上変化したと判断された場合、時刻ｔ2以後、燃料電池２から取り出される電流Ｉnの電流レートが時刻ｔ2前の電流レートＩnsより増加率が少なく、かつ増加量がプラスである制限電流レート(電流の単位時間当たりの増加量)Ｉnrに制限される。ここで、燃料電池２には、暖機性能が向上する増加量がプラスである制限電流レートＩnrの電流Ｉn1が流れるので、最低セル電圧Ｖminのセルｃの温度が上昇し、膜が温められ有効発電面積の回復への時間が短縮される(Ｓ６)。

続いて、負荷から要求される電流Ｉyが電流検出器８により検出され、負荷から要求される電流を示す信号が電流検出器８から制御装置５に入力され、制御装置５において、燃料電池２の制限を受けた電流レートＩnrの制限電流Ｉn1(図７参照)が、負荷からの要求電流Ｉyと比較される(Ｓ７)。
制限電流Ｉn1が要求電流Ｉy以上の場合には、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流レート制限が解除される。(Ｓ８)。

一方、図３のステップＳ７において、制限電流Ｉn1が要求電流Ｉyより小さいと判断された場合には、制御装置５において、最低セル電圧Ｖminの変化量Ｖmin／tが最低セル電圧のセルｃが回復したと判断される予め設定した所定の回復電圧変化量に達したか、或いは、最低セル電圧Ｖminが回復したと判断される予め設定した所定の回復電圧に達したか等に基づいて最低セル電圧のセルｃが回復に至ったかを判断する(Ｓ９)。

最低セル電圧のセルｃが回復に至ったと判断された場合、すなわち、該セルｃの有効発電面積が暖機運転またはヒーター等による加熱によって回復した場合、例えば、図７の時刻ｔ3に至ると、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流制限器７による電流レート制限が解除され、制限された電流レート電流レートＩnrから制限前の電流レートＩnsに復帰する(Ｓ８)。
一方、図３のステップＳ９において、最低セル電圧が回復に至らないと判断された場合、ステップＳ６に移行する。
以上が燃料電池２から取り出される電流レートの制限を行う電流レート制限設定制御である。

次に、セルcが多数直列に積層されたスタックのスタック電圧の異常およびセル電圧の異常を判断するスタック−セル電圧異常判断制御について、該制御フローを示す図８を用いて説明する。
図８において、Ｓ１１からＳ１５までの処理は、図３に示す前述の燃料電池２から取り出される電流レートの制限を行う電流レート制限設定制御のＳ１からＳ５の処理とそれぞれ同様であるから、詳細な説明は省略する。

図８のステップＳ１６において、セル電圧検出器６で検出したセル電圧を示す信号が、制御装置５に入力され、制御装置５において全セルｃの平均セル電圧の単位時間当たりの変化量Ｖav／tを検出する (Ｓ１６)。
続いて、制御装置５において、平均セル電圧の単位時間当たりの変化量Ｖav／tと、最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin／tとが同等であるか、比較される(Ｓ１７)。

図９は、平均セル電圧の変化量と、最低セル電圧の変化量とが同等の場合における経過時間ｔに対する最低セル電圧Ｖmin、平均セル電圧Ｖav、および燃料電池２から取り出され負荷に供給される電流Ｉnの関係を示した図である。
ステップ１７において、平均セル電圧の単位時間当たりの変化量Ｖav／tと最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin／tとが同等と判断された場合(図９の時刻ｔ4〜ｔ5)には、セルｃが直列に積層されていることから単一のセルｃの異常ではなく、システム故障、電圧モニタ故障等でスタック全体の異常をきたしていると判断し、負荷への電流レートＩnr1(図９の時刻ｔ5以後の実線部)または電流Ｉn(図９の時刻ｔ5以後の一点鎖線部)を制限するとともに、スタック異常ランプを点灯する或いはスタック異常警報音を発する等を行い、スタック異常を操縦者に知らせる(Ｓ１８)。

一方、図８のステップＳ１７において、平均セル電圧の単位時間当たりの変化量Ｖav／tと最低セル電圧Ｖminの単位時間当たりの変化量Ｖmin／tとが同等でないと判断された場合には、最低セル電圧Ｖminのセルｃの異常と判断し、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流制限器７によって燃料電池２から取り出される電流Ｉnを、例えば図７の時刻ｔ2前の電流レートＩnsから時刻ｔ2後の暖機性能が向上するプラスの増加率であるとともにより増加率が減少した所定の制限電流レートＩnrに制限する。ここで、燃料電池２には、暖機性能が向上するプラスの増加率の制限電流レートＩnrの電流Ｉn1(図７参照)が流れるので、最低セル電圧のセルｃの膜内の温度が上昇し、該セルｃの有効発電面積の回復が短時間で行える(Ｓ１９)。

続いて、負荷から要求される電流Ｉyが電流検出器８により検出され、電流検出器８から該電流Ｉyを示す信号が制御装置５に入力され、制御装置５において、燃料電池２の制限を受けた電流レートＩnrにおける電流Ｉn1が、負荷からの要求電流Ｉyと比較される(Ｓ２０)。
燃料電池２の制限電流レートＩnの電流Ｉn1が、負荷からの要求電流Ｉy以上の場合、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流制限器７による電流レート制限が解除される(Ｓ２１)。

一方、ステップＳ２０において、燃料電池２の制限電流Ｉn1が負荷からの要求電流Ｉyより小さい場合、セル電圧検出器６からの入力信号に基づいて、制御装置５において、最低セル電圧Ｖminの変化量Ｖmin／tが、最低セル電圧のセルｃが回復したと判断される予め設定した所定の回復電圧変化量に達したか、或いは、該セルｃの最低セル電圧Ｖminが回復したと判断される予め設定した所定の回復電圧に達したか等に基づいて最低セル電圧が回復に至ったかを判断する(Ｓ２２)。

最低セル電圧が回復に至ったと判断された場合、すなわち、有効発電面積が小さくなった最低電圧のセルが暖機運転等の加熱によって有効発電面積が大きくなり回復した場合、例えば、図７においては時刻ｔ3に至ると、制御装置５から電流制限器７に信号が送られ、電流制限器７による電流レート制限が解除され、図７の時刻ｔ3以降のように、制限を受けた電流レートＩnrから制限前の電流レートInsに復帰する(Ｓ２１)。

一方、ステップＳ２２において、最低セル電圧が回復に至らないと判断された場合、すなわち、最低電圧のセルｃが暖機運転等の加熱によっても有効発電面積が大きくなっておらず回復していないと判断された場合、ステップＳ１９に移行する。
以上がスタック−セル電圧異常判断制御である。

前記構成によれば、最低セル電圧Ｖminが、燃料電池２の膜が分解して劣化する保護レベルの所定の保護電圧レベルＶl以下まで低下すると予測される場合、電流制限器７により燃料電池２から負荷に供給する電流を制限するので、保護電圧レベルＶl以下になる前に電流制限を開始でき、ストイキ不足による膜劣化を防止することができる。そのため、最低電圧セルｃの電圧回復を短時間で行うことが可能であるとともに、膜劣化を防止できるので燃料電池２の信頼性、耐久性が向上する。

また、スタック−セル電圧異常判断制御において、平均セル電圧変化量Ｖav／tと最低セル電圧変化量Ｖmin／tを比較することにより、どちらの変化量も同等に低下している場合は、最低電圧セルだけによる電圧低下ではなく、それ以外が原因のシステム故障、電圧モニタ故障等であると判断できるため、ストイキ不足等による単一の最低電圧セルの電圧低下との切り分けを行うことができる。

また、最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下になる前に、最低セル電圧Ｖminのレートを用いて負荷に供給する電流Ｉnのレートで制限するため、出力が急に低下することがないため、操縦者に違和感を与えることがない。また、燃料電池２の膜凍結により有効発電面積が減少している場合でも、暖機性能が向上するプラスの増加率をもった制限電流レートＩnrで制限するため、発熱量の低減も抑制可能であり、燃料電池２における早急な有効発電面積の確保が行える。
また、最低セル電圧Ｖminの急激な保護電圧レベルＶl以下への電圧低下や、平均セル電圧変化量Ｖav／tと最低セル電圧変化量Ｖmin／tとが同様な所定値以下まで低下するシステム故障、電圧モニタ故障等の場合には電流制限を行うため、システム故障、電圧モニタ故障等を検知できるとともに、膜劣化を防止することができる。

なお、前記実施形態における図３に示す電流レート制限設定制御および図８に示すスタック−セル電圧異常判断制御においては、全セル中の最低セル電圧Ｖminを検出して、最低セル電圧Ｖminの変化量Ｖmin/tが、最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下に低下すると予想される所定の低下予想変化量(閾値)Ｖmil以上か比較して、最低セル電圧Ｖminが保護電圧レベルＶl以下に低下すると予測する場合を例示して説明したが、各セル電圧を検出して、各々のセル電圧がそれぞれの電圧に応じた低下予想変化量(閾値)(図６参照)以上か比較して、全セル電圧それぞれが保護電圧レベルＶl以下に低下するか予測して、電流制限器７による電流、すなわち、電流レートまたは電流値を制限することも可能である。
このように、全セルのセル電圧がそれぞれ保護電圧レベルＶl以下に低下するかの予測を行えば、最低セル電圧Ｖminのセル以外のセルにおいて保護電圧レベルＶl以下に低下すると予測される急激な電圧低下が生じた場合にも、その異常を検知して電流制限を行うことが可能であり、燃料電池２の性能の低下を防止するとともに、耐久性の向上が図れる。

なお、本実施形態では、最低セル電圧Ｖminの保護電圧レベルＶl以下への電圧低下を判断基準として制御する場合を例示して説明したが、保護電圧レベルＶlに限定されることなく、保護電圧レベルＶl以外の所定値を設定して制御を行うことも可能である。

本発明の実施例に関わる燃料電池システムの全体構成図。 実施例のブロック分けされた燃料電池とセル電圧検出器を示す概念図。 実施例の燃料電池システムにおける燃料電池から取り出される電流レートの制限を行う制御フローを示す図。 実施例の燃料電池システムにおける最低セル電圧回復制御フローを示す図。 実施例の燃料電池システムにおける最低セル電圧回復制御の際の経過時間に対する最低セル電圧、平均セル電圧、および燃料電池から取り出され負荷に供給される電流の関係を示す図。 実施例の最低セル電圧が保護電圧レベル未満に低下すると予想される最低セル電圧変化量の閾値と最低セル電圧の大きさとの関係を示す図。 実施例の燃料電池システムにおける電流レート制限設定制御の際の経過時間に対する最低セル電圧、平均セル電圧、および燃料電池から取り出される電流の関係を示した図。 実施例の燃料電池システムにおけるスタック電圧の異常を判断するスタック−セル電圧異常判断制御フローを示す図。 実施例の燃料電池システムの平均セル電圧の変化量と、最低セル電圧の変化量とが同等の場合における経過時間に対する最低セル電圧、平均セル電圧、および燃料電池から取り出され負荷に供給される電流の関係を示した図 従来の燃料電池システムにおける経過時間に対する燃料電池の電流、最低セル電圧、および平均セル電圧の関係を示した図。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
５ 制御装置(最低セル電圧検出手段、最低セル電圧変化量検出手段、最低セル電圧低下判定手段、平均セル電圧検出手段、平均セル電圧変化量検出手段、セル電圧低下検出手段、セル電圧変化量算出手段、セル電圧低下予測手段)
６ セル電圧検出器(セル電圧検出手段)
７ 電流制限器(発電電流制限手段)
ｃ(ｃ1、ｃ2、…) セル
Ｉn 電流
Ｉnr 制限電流レート(電流の単位時間当たりの増加量)
Ｖav 平均セル電圧
Ｖav／t 平均セル電圧の単位時間当たりの変化量
Ｖmin 最低セル電圧
Ｖmin/t 最低セル電圧の単位時間当たりの変化量

Claims (5)

1. 複数積層された各々のセルに反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、複数の前記セルのうちの最低セル電圧を検出する最低セル電圧検出手段と、前記燃料電池から負荷に供給する電流を制限する発電電流制限手段とを備えた燃料電池システムであって、
   最低セル電圧の単位時間当たりの変化量を検出する最低セル電圧変化量検出手段と、
   前記最低セル電圧の変化量に基づいて前記最低セル電圧が所定値以下になることを予想する最低セル電圧低下判定手段とを備え、
   前記最低セル電圧低下判定手段により前記最低セル電圧が所定値以下まで低下すると予測される場合、前記発電電流制限手段によって前記燃料電池から負荷に供給する電流を制限することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記複数のセルの平均セル電圧を検出する平均セル電圧検出手段と、
   前記平均セル電圧の単位時間当たりの変化量を検出する平均セル電圧変化量検出手段とをさらに備え、
   前記平均セル電圧検出手段により検出される平均セル電圧の変化量と前記セル電圧が最も低いセルの電圧の変化量とに基づいて、前記発電電流制限手段により前記燃料電池から前記負荷に供給する電流を制限する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記発電電流制限手段は、前記燃料電池から前記負荷に供給する電流の単位時間当たりの増加量を制限する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記最低セル電圧が所定値以下になったことを検出するセル電圧低下検出手段をさらに備え、
   該検出手段により前記最低セル電圧が所定値を下回ったことが検出された場合、前記発
   電電流制限手段により前記燃料電池から前記負荷に供給する電流を制限する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 複数積層された各々のセルに反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記各々のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
   前記燃料電池から負荷に供給する電流を制限する発電電流制限手段と、
   前記検出した各々のセル電圧の単位時間あたりの変化量を算出するセル電圧変化量算出手段と、
   前記算出した各々のセル電圧の変化量および前記検出した各々のセル電圧に基づいて、いずれかのセル電圧が所定値以下になることを予測するセル電圧低下予測手段とを備え、
   前記セル電圧低下予測手段により前記いずれかのセル電圧が所定値以下まで低下すると予測される場合、
   前記発電電流制限手段を介して、前記燃料電池から負荷に供給する電流を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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