JP2009231223A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時に高電位状態への移行を回避させる。
【解決手段】反応ガスの供給を受けて反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサ３１と、各種処理を実行する制御部６とを備える燃料電池システム１であって、制御部が、高電位回避許可条件下において、燃料電池の出力電圧を所定の高電位回避電圧以下に抑制して高電位状態を回避させる高電位回避処理と、酸化ガスのストイキ比を所定の許容範囲内に維持させるために燃料電池の発電量を所定の制限発電量以下に抑制して燃料電池の出力を制限させる出力制限処理と、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足しているか否かを判定する判定処理と、燃料電池が起動されてから、酸化ガスの供給量が充足していると判定されるまでの間、出力制限処理を禁止する禁止処理とを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いる燃料電池システムの開発が行われている。このような燃料電池システムでは、燃費を向上させるために、アイドリング時や低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池の発電を一時的に停止させ、二次電池等の蓄電手段から負荷（車両モータ等）に電力を供給させる間欠運転を行っている。このような間欠運転時に反応ガスの供給を止めて燃料電池の運転を停止させると、燃料電池は高電位状態になる。燃料電池を高電位状態で放置すると劣化してしまうため、燃料電池の運転を停止させる場合には電圧を低下させる等して高電位状態を回避させる必要がある。下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止した後に、燃料ガスのみを燃料電池に供給して燃料電池内に残留する酸化ガスを消費させ、燃料電池から電流を出力させることで高電位状態を回避させている。
特開２００５−１００８２０号公報

ところで、運転を停止した燃料電池のスタック内には反応ガスが残留するため、スタック内に残留した酸化ガスは、運転停止後に徐々に消費されていく。そして、残留した酸化ガスが消費された後に燃料電池を起動させると、酸化ガスの供給遅れが生じ、酸化ガスが不足した状態になる。酸化ガスが不足すると、酸化ガスストイキを維持させるために、燃料電池の発電量が実際に供給されている酸化ガスの流量に応じた値に制限される。発電量が抑えられると出力電圧が上がるため、高電位状態に移行するおそれがあり、燃料電池劣化の要因となる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池の起動時に高電位状態への移行を回避させ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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、所定の高電位回避許可条件下において、燃料電池の出力電圧を所定の高電位回避電圧以下に抑制して高電位状態を回避させる高電位回避手段と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、酸化ガスのストイキ比を所定の許容範囲内に維持させるために燃料電池の発電量を要求発電量よりも低い所定の制限発電量以下に抑制して燃料電池の出力を制限させる出力制限手段と、燃料電池が起動された直後から開始する所定の期間であって、高電位回避許可条件を満たしている間は、出力制限手段による制限を禁止させる禁止手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、酸化ガスのストイキ比を所定の許容範囲内に維持させるために燃料電池の発電量を制限発電量以下に抑制する燃料電池の出力制限を、所定の高電位回避許可条件下において、燃料電池の起動直後から開始する所定の期間禁止させることができる。したがって、高電位回避許可条件下における燃料電池の起動時に、高電位回避手段によって燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に確実に抑制させることができる。すなわち、燃料電池の起動時に、高電位状態を回避させることができる。一方、所定の期間が経過した後は、出力制限手段によって燃料電池の発電量が制限発電量以下に抑制されるため、無駄な電力損失を抑えることができ、高い発電効率を得ることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の期間を、燃料電池が起動されてから酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足されるまでの間としてもよい。具体的には、上記燃料電池システムにおいて、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足しているか否かを判定する判定手段をさらに備え、上記禁止手段は、燃料電池が起動されてから、判定手段によって酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していると判定されるまでの間、出力制限手段による上記制限を禁止させることができる。

このようにすることで、燃料電池の出力制限を、燃料電池の起動時から酸化ガスの供給量不足が解消されるまでの間禁止させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記コンプレッサのモータの回転数を検出する回転数センサをさらに備え、上記判定手段は、回転数センサによって検出された回転数とコンプレッサに対する指令回転数とが乖離している場合に、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していないと判定することができる。

このようにすることで、燃料電池を起動させてから、回転数センサによって検出された回転数がコンプレッサに対する指令回転数に接近するまでの間は、燃料電池の出力制限を禁止させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記判定手段は、回転数センサによって検出された回転数がコンプレッサに対する指令回転数未満である場合に、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していないと判定することができる。

このようにすることで、燃料電池を起動させてから、回転数センサによって検出された回転数がコンプレッサに対する指令回転数に到達するまでの間は、燃料電池の出力制限を禁止させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の期間を、燃料電池が起動されてから、制限発電量および燃料電池への要求発電量の双方が、高電位回避電圧に対応する高電位回避発電量以上に上昇するまでの間としてもよい。具体的には、上記燃料電池システムにおいて、制限発電量および要求発電量の双方が高電位回避発電量以上であるか否かを判定する判定手段をさらに備え、上記禁止手段は、燃料電池が起動されてから、判定手段によって制限発電量および要求発電量が高電位回避発電量以上であると判定されるまでの間、出力制限手段による上記制限を禁止させることができる。

このようにすることで、燃料電池の出力制限を、燃料電池の起動時から制限発電量および要求発電量が高電位回避発電量以上に到達するまでの間禁止させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の起動を、燃料電池における間欠運転の終了に伴う起動とすることにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池が起動されたときからの経過時間が所定の時間に達した場合に、禁止手段による上記禁止を解除させる解除手段をさらに備えることができる。

このようにすることで、負担を要する出力が長時間継続することを防止させることができるため、燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池の起動時に高電位状態への移行を回避させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２（ＦＣ）と、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と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、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、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶと、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。コンプレッサ３１には、コンプレッサのモータの回転数を検出する回転数センサＮが設けられている。コンプレッサ３１から供給されている酸化ガスの供給量は、回転数センサＮによって検出された回転数に応じて決めることができる。

水素ガス配管系４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４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、二次電池であるバッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、図示しない各種の補機インバータ等を備えている。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またはトラクションモータ５４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。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ５１の機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、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。

バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示し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。トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部６からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部６は、燃料電池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５４等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータ５４の他に、例えば、燃料電池２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３１や水素ポンプ４４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、オーディオ等が含まれる。

制御部６（出力制限手段）は、燃料電池２の出力を制限させるための出力制限処理を実行する。出力制限処理は、酸化ガスのストイキ比（以下、エアストイキ比という。）を所定の許容範囲内に維持させるために燃料電池２の発電量を要求発電量よりも低い所定の制限発電量以下に抑制する処理である。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２での消費酸化ガス量に対する燃料電池２への供給酸化ガス量の余剰比をいう。所定の制限発電量は、エアストイキ比が予め設定された許容範囲の上限に達するときの発電量である。燃料電池システム１では、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を実験などにより求められた所定の値に設定した状態で燃料電池２を運転させている。したがって、出力制限処理を実行し、エアストイキ比が所定の値を含む許容範囲を逸脱することがないように制御することで、電力損失を抑え、高い発電効率を得ることができる。

制御部６（高電位回避手段）は、所定の高電位回避許可条件下において、燃料電池２における高電位状態を回避させるための高電位回避処理を実行する。高電位回避処理は、燃料電池２の出力電圧を所定の高電位回避電圧以下に抑制する処理である。具体的には、出力電圧と高電位回避電圧とを比較し、出力電圧が高電位回避電圧を超えている場合には、燃料電池２の出力電圧を強制的に下げる必要があると判定して燃料電池２の出力電圧を、高電位回避電圧以下に強制的に下げる。このとき、燃料電池２の出力電圧をどの値にまで下げるかは任意に設定することができる。一方、出力電圧が高電位回避電圧以下である場合には、燃料電池２の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判定する。高電位回避処理を実行することで、燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑えることができるため、高電位状態を回避させることができる。

所定の高電位回避許可条件とは、高電位回避処理を実行する際の諸条件をいい、高電位回避許可条件が満たされない場合には、高電位回避処理の実行は禁止される。高電位回避許可条件が満たされない場合としては、高電位状態に陥ることにより生ずる不利益よりも、高電位回避処理を実行することにより生ずる不利益の方が大きくなる状況下が挙げられる。例えば、燃料電池の発電状態が急速暖機制御中である場合、車速が所定の速度以上である場合、バッテリ５２が充電できない状態である場合等が該当する。

高電位回避電圧は、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６の内部メモリ６１に格納される。この高電位回避電圧は、固定値としてもよいが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としてもよい。

ところで、出力制限処理と高電位回避処理の双方を実行させると、高電位回避処理で設定された出力電圧が出力制限処理によってキャンセルされてしまうことがある。この状況について、図２を参照して具体的に説明する。図２に示すタイミングｔ１は、図２（ａ）に示す間欠フラグがオンからオフに切り換わった時点、すなわち、燃料電池２の運転モードが間欠運転モードから通常運転モードに切り換わった時点を示す。また、タイミングｔ２は、図２（ｃ）に示す酸化ガスの流量不足が解消した時点、すなわち、酸化ガスの供給遅れが解消した時点を示す。

図２に示すように、ｔ１で間欠運転から通常運転に切り換わった直後に、図２（ｂ）に示す燃料電池２への指令電圧が、点線ｂ２で示すように、高電位回避電圧（ｔ１・ｔ２間の実線ｂ１で示される電圧）よりも上昇してしまうことがある。つまり、高電位回避処理で設定された電圧がキャンセルされ、出力電圧が高電位回避電圧よりも高くなる。

上述したように、燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑えることができれば、高電位状態を回避させることができるため、高電位回避処理を実行させて強制的に燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に下げている。ところが、例えば、間欠運転中にスタック内の残留酸化ガスが消費され、その後間欠運転から通常運転に切り換わる場合には、図２（ｃ）のｔ１・ｔ２間に示されるように酸化ガスの流量が不足して酸化ガスの供給遅れが生ずることになる。この場合には、エアストイキ比を維持させるために、燃料電池への指令発電量が出力制限処理で決定される制限発電量以下に制限されることになる。すなわち、図２（ｄ）に示す指令発電量は、ｔ１・ｔ２間の実線ｄ１で示される高電位回避発電量（高電位回避電圧に対応して設定される発電量）ではなく、ｔ１・ｔ２間の点線ｄ２で示される制限発電量に抑制されてしまう。この場合、図２（ｄ）のｔ１・ｔ２間における指令発電量は、ｔ１・ｔ２間の実線ｄ１で示される高電位回避発電量よりも小さくなる。

ここで、図３に示す特性マップを参照して燃料電池の出力電圧と発電量の関係について説明する。図３は、燃料電池のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示す特性マップである。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６の内部メモリ６１に格納される。この特性マップの値は、固定値としてもよいが、逐次書き換え可能な値としてもよい。

図３に示すＶｔは高電位回避電圧であり、Ｐｔは高電位回避発電量である。図３に示すように、出力電圧Ｖと発電量Ｐは、出力電圧Ｖが上がると発電量Ｐが下がり、出力電圧Ｖが下がると発電量Ｐが上がる関係にある。出力電圧Ｖと発電量Ｐがこのような関係にある燃料電池において、間欠運転から通常運転に切り換わった直後の指令発電量Ｐが高電位回避発電量Ｐｔよりも小さくなると、指令電圧Ｖは高電位回避電圧Ｖｔよりも大きくなる。つまり、図２（ｂ）の点線ｂ２で示すように、指令電圧が、ｔ１・ｔ２間の実線ｂ１で示される高電位回避電圧よりも上昇してしまうことになる。

このような問題を解決するために、制御部６（禁止手段）は、燃料電池２の運転モードが、間欠運転モードから通常運転モードに切り換ってから酸化ガスの供給量不足が解消されるまでの間であって、上記高電位回避許可条件を満たしている間は、酸化ガス供給量による出力制限処理を禁止させる。これにより、出力制限処理が実行されて高電位回避処理がキャンセルされてしまう事態を回避させることができる。すなわち、間欠運転明けの起動時に、燃料電池への指令電圧Ｖが高電位回避電圧Ｖｔを超えて高電位状態に移行してしまう事態を防止することができる。

図２（ｂ）および（ｄ）を参照して、禁止手段としての制御部６の処理を具体的に説明する。ｔ１・ｔ２間の実線ｂ１で示される電圧は高電位回避電圧Ｖｔである。ｔ１以降の実線および点線ｄ１で示される発電量は高電位回避発電量Ｐｔであり、ｔ１以降の点線ｄ２で示される発電量は出力制限処理で決定される制限発電量であり、ｔ１以降の点線および実線ｄ３で示される発電量は燃料電池への要求発電量である。ｔ１からｔ２までの期間は、間欠運転明けに酸化ガスの供給遅れが生じる期間を示す。

図２（ａ）に示すようにタイミングｔ１（高電位回避許可条件下であるとする）で間欠運転から通常運転に切り換わると、制御部６は、出力制限処理を禁止する。これにより、図２（ｂ）のｂ１に示すように、高電位回避処理によって、ｔ１・ｔ２間の指令電圧が高電位回避電圧Ｖｔに抑制され、図２（ｄ）のｄ１に示すように、ｔ１・ｔ２間の指令発電量が、高電位回避電圧Ｖｔに対応する高電位回避発電量Ｐｔに設定される。このように、指令発電量を高電位回避発電量Ｐｔに設定することができれば、高電位回避処理で設定された高電位回避電圧Ｖｔ（高電位回避発電量Ｐｔに対応する電圧）がキャンセルされる事態を回避することができる。

なお、ｔ１・ｔ２間において指令発電量が高電位回避発電量Ｐｔに設定された場合であっても、酸化ガスの供給量が不足しているときには、出力電流が要求量に達しないため、指令発電量で発電しようとしても指令発電量に応じた発電量で発電することはできない。このような運転状態を長時間継続してしまうと、燃料電池のスタックに負担をかけてしまうことになるが、高電位状態に陥ることに比べればスタックの劣化を抑えることができるというメリットがある。また、このような運転状態の継続を、ｔ１・ｔ２間の短時間に限定することで、スタックの劣化を極力防止することができる。

図２（ｃ）に示すようにタイミングｔ２で酸化ガスの供給量不足が解消すると、制御部６は、出力制限処理の禁止を解除する。これにより、出力制限処理が実行されることになる。なお、図２（ｄ）では、ｔ２以降、指令発電量として要求発電量がそのまま出力される。これは、図２（ｄ）の実線ｄ３で示される燃料電池への要求発電量が、点線ｄ２で示される制限発電量よりも小さいため、出力制限処理での制限対象から除外されていることと、実線ｄ３で示される要求発電量が、点線ｄ１で示される高電位回避発電量よりも大きいため、高電位回避処理で出力電圧が強制的に下げられる対象からも除外されているためである。

酸化ガスの供給量不足が解消されたか否かは、例えば、以下のように判定することができる。制御部６（判定手段）は、回転数センサＮによって検出された回転数とコンプレッサ３１への指令回転数とを比較して、検出回転数が指令回転数未満であって、検出回転数と指令回転数とが乖離しているか否かを判定することで、酸化ガスの供給量不足が解消したか否かを判定する。そして、検出回転数と指令回転数とが乖離している場合には、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して不足していると判定する。一方、検出回転数と指令回転数とが乖離していない場合、すなわち、検出回転数と指令回転数とが接近または一致している場合には、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足している、すなわち、酸化ガスの供給量不足が解消されたと判定する。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、回転数センサＮ、電流センサＡおよび電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１および水素ポンプ４４等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、例えば、上述した出力制限処理や高電位回避処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、出力制限処理を禁止させる処理について説明する。

最初に、高電位回避許可条件下において、間欠フラグがオンからオフに切り換ると（ステップＳ１０１）、制御部６は、出力制限処理を禁止して（ステップＳ１０２）、通常運転を開始させる（ステップＳ１０３）。

続いて、制御部６は、酸化ガス供給量が要求供給量に対して不足しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）には、ステップＳ１０４の判定を繰り返し行う。

一方、上記ステップＳ１０４で酸化ガス供給量が要求供給量に対して充足していると判定された場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）に、制御部６は、出力制限処理の禁止を終了する（ステップＳ１０５）。すなわち、これ以降は、出力制限処理が実行されることになる。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、出力制限処理を、高電位回避許可条件下において、間欠運転明けの起動時から酸化ガスの供給量不足が解消されるまでの間禁止させることができる。したがって、間欠運転明けの起動時に酸化ガスの供給量が不足しても、出力制限処理によって燃料電池２の発電量が要求発電量よりも低い制限発電量以下に抑制されてしまうことを防ぐことができる。これにより、高電位回避許可条件下における間欠運転明けの起動時に、高電位回避処理を実行させて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に確実に抑制させることができる。すなわち、燃料電池の起動時に、高電位状態を確実に回避させることができる。

また、出力制限処理の禁止を解除した後は、燃料電池の発電量を制限発電量以下に抑制させることができるため、無駄な電力損失を抑えることができ、高い発電効率を得ることができる。

なお、出力制限を禁止させる期間に制限を設けることとしてもよい。例えば、制御部６（解除手段）は、燃料電池２が起動されてから経過した時間が所定の時間に達した場合に、出力制限の禁止を解除することとしてもよい。これにより、例えば、燃料電池の起動時に運転者がアクセルを踏み続ける等して制限発電量ｄ２を超える出力が継続するような場合であっても、そのような負担を要する出力が長時間継続することを防止させることができるため、燃料電池の劣化を抑制することができる。

解除する際の所定の時間としては、例えば、燃料電池２の起動時におけるコンプレッサ３１の応答遅れに起因する酸化ガスの供給遅れを見込んで設定される時間、燃料電池２が起動されてから酸化ガスの流量が予め設定された所定値に達するまでの時間、および燃料電池２が起動されてからコンプレッサ３１の回転数が予め設定された所定値に達するまでの時間等を考慮して設定することができる。

また、上述した実施形態においては、酸化ガスの供給量不足が解消されたことを、出力制限の禁止を終了する際の条件にしているが、終了条件は、これに限定されない。例えば、燃料電池への要求発電量と制限発電量の双方が高電位回避発電量以上に上昇したときに、出力制限の禁止を終了させることとしてもよい。要するに、要求発電量が制限発電量によって高電位回避発電量以下に抑制されることがない状況に移行した場合に、出力制限の禁止を終了させることができれば、高電位回避処理によって設定された電圧がキャンセルされてしまうことはない。

具体的には、制御部６（判定手段）は、要求発電量および制限発電量の双方が、高電位回避電圧に対応する高電位回避発電量以上であるか否かを判定する。そして、制御部６（禁止手段）は、高電位回避許可条件下において、燃料電池の運転モードが間欠運転モードから通常運転モードに切り換ってから、要求発電量および制限発電量の双方が高電位回避発電量以上であると判定されるまでの間、出力制限処理を禁止させる。

これにより、出力制限処理を、燃料電池の起動時から要求発電量および制限発電量の双方が高電位回避発電量以上に到達するまでの間禁止させることができる。これにより、間欠運転明けの起動時に、高電位回避処理を実行させて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に確実に抑制させることができる。すなわち、燃料電池の起動時に、高電位状態への移行を確実に回避させることができる。

また、上述した実施形態において、制御部６は、間欠運転モードから通常運転モードに切り換ったときに出力制限処理を禁止させているが、出力制限処理の禁止を開始させるタイミングは、これに限定されない。例えば、エンジン始動時における燃料電池２の起動時に、出力制限処理の禁止を開始させることとしてもよい。すなわち、酸化ガスの供給遅れが生じ得る燃料電池２の起動時に、出力制限処理の禁止を開始させることができればよい。

また、上述した実施形態において、制御部６は、検出回転数と指令回転数とが乖離している場合に、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して不足していると判定しているが、過不足の判定要件はこれに限定さない。例えば、検出回転数が指令回転数よりも少ない場合に、酸化ガスの供給量が要求供給量に対して不足していると判定することもできる。

また、上述した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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。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することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 制御部の制御内容を説明するためのタイミングチャートである。 燃料電池のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示す図である。 出力制限処理を禁止させる処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御部、３１…コンプレッサ、５３…トラクションインバータ、５４…トラクションモータ、６１…メモリ、Ｎ…回転数センサ。

Claims (9)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   所定の高電位回避許可条件下において、前記燃料電池の出力電圧を所定の高電位回避電圧以下に抑制して高電位状態を回避させる高電位回避手段と、
   前記反応ガスのうちの酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   前記酸化ガスのストイキ比を所定の許容範囲内に維持させるために前記燃料電池の発電量を要求発電量よりも低い所定の制限発電量以下に抑制して前記燃料電池の出力を制限させる出力制限手段と、
   前記燃料電池が起動された直後から開始する所定の期間であって、前記高電位回避許可条件を満たしている間は、前記出力制限手段による前記制限を禁止させる禁止手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記所定の期間は、前記燃料電池が起動されてから前記酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足されるまでの間であ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. 前記酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足しているか否かを判定する判定手段をさらに備え、
   前記禁止手段は、前記燃料電池が起動されてから、前記判定手段によって前記酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していると判定されるまでの間、前記出力制限手段による前記制限を禁止させることを特徴とする請求項２に燃料電池システム。
4. 前記コンプレッサのモータの回転数を検出する回転数センサをさらに備え、
   前記判定手段は、前記回転数センサによって検出された前記回転数と前記コンプレッサに対する指令回転数とが乖離している場合に、前記酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していないと判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記判定手段は、前記回転数センサによって検出された前記回転数が前記コンプレッサに対する指令回転数未満である場合に、前記酸化ガスの供給量が要求供給量に対して充足していないと判定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記所定の期間は、前記燃料電池が起動されてから、前記制限発電量および前記燃料電池への要求発電量の双方が、前記高電位回避電圧に対応する高電位回避発電量以上に上昇するまでの間であ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。
7. 前記制限発電量および前記要求発電量の双方が前記高電位回避発電量以上であるか否かを判定する判定手段をさらに備え、
   前記禁止手段は、前記燃料電池が起動されてから、前記判定手段によって前記制限発電量および前記要求発電量が前記高電位回避発電量以上であると判定されるまでの間、前記出力制限手段による前記制限を禁止させることを特徴とする請求項６に燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の起動は、前記燃料電池における間欠運転の終了に伴う起動であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池が起動されたときからの経過時間が所定の時間に達した場合に、前記禁止手段による前記禁止を解除させる解除手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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