JP6160313B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の出力を管理する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムで使用される燃料電池は、一般的に７０℃前後が発電に適した温度域とされている。このため、燃料電池システムを起動してからは、燃料電池を発電に適した温度域に速く昇温させることが望ましい。

特許文献１には、燃料電池自身を発電させることで生じる自己発熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが開示されている。

特開２００９−４２４３号公報

燃料電池の暖機後、例えば車両の制動中に燃料電池から駆動モータへの電力供給が停止されるような場合には、燃料電池の出力電流の低下に伴い燃料電池の電圧が高くなって燃料電池が劣化してしまう。この劣化対策として、出力電流が所定電流値以下にならないように、燃料電池から意図的に電流を取り出すことをしている。一方、システム異常が発生するような状況では、燃料電池が劣化する領域まで電圧を高くしてでも、出力電流を所定電流値よりも低く制限する制御ロジックが実施される。

また、アイドルストップ（ＩＳ）運転時にも、駆動モータなどの負荷からの電力要求が小さくなる。ただし、ＩＳ運転中は、燃費を良くするために燃料電池への燃料ガスの供給を制限するため、上述の劣化対策を実施しようとすると、発電領域での燃料ガス濃度が下がり、ＩＶ特性が低下してしまう。

ＩＶ特性が低下すると劣化防止のための下限電流値も小さくなるが、燃料電池から意図的に取り出す電流は、基準特性で規定された所定電流値のままである。このため、ＩＳ運転中に料電池で必要以上に燃料ガスが消費され続けるため、ＩＶ特性の低下が進み燃料電池の電圧が下がってしまう。

このようにＩＳ運転中にＩＶ特性の低下によって燃料電池の電圧が低下すると、次回の再起動時（復帰時）には、燃料電池から十分な電力を駆動モータに素早く供給できなくなってしまう。そのため、ＩＳ移行時に、燃料電池の電力管理手法を電流制御から電圧制御に切り替えている。

しかしながら、燃料電池の電力管理手法が電圧制御へ切り替えられると、電圧制御の実行中にシステム異常が起こり得る状況になっても、ＩＳ中は電流制御による制御ロジックが実施されないので、ＩＳ制御から復帰したときにステム異常を回避できないことが懸念される。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＩＳへの移行に伴い、電圧制御によって、ＩＶ特性の低下を抑制しつつ電流制御と連動してシステム異常を回避する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムは、車両を駆動する駆動モータと、前記駆動モータに供給される電力を発電する燃料電池と、前記燃料電池を発電させるための補機と、を備える。この燃料電池システムは、燃料電池に対するシステム要求電力に基づいて、前記燃料電池の電流を制御する制御部と、前記燃料電池の高電圧に伴う前記燃料電池の劣化を抑制するために前記燃料電池の電流を所定の電流値でガードするガード部と、を含む。また燃料電池システムは、燃料電池システムの状態に応じて、前記燃料電池の電流を前記所定の電流値以下に制限する異常回避制限部と、前記燃料電池に対するシステム要求電力が走行時の値よりも小さいときには、アイドルストップ制御を実施するＩＳ実行部と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記アイドルストップ制御に移行するときに、前記燃料電池の電圧を前記劣化抑制のための所定の電圧値に制限するＩＳ制御部と、を含む。そして前記ＩＳ制御部は、前記アイドルストップ制御の許可条件として、前記異常回避制限部によって電流を制限する制限値が前記所定の電流値よりも高いか否かを判断し、前記制限値が前記所定の電流値よりも高い場合には、前記アイドルストップ制御の実施が可能であると判断することを特徴とする。

この態様によれば、ＩＳ制御部は、ＩＳへの移行時に、燃料電池の電力管理手法を電流制御から電圧制御に切り替える。これにより、燃料電池への燃料ガスの供給制限に伴いＩＶ特性が低下する場合に、ＩＶ特性の低下に応じて、燃料電池から取り出す電流量を小さくすることができる。このため、ＩＳ中の燃料ガスの消費が抑えられ、ＩＶ特性の低下を抑制することができる。

また、異常回避制限部は、システム異常が起こりやすい状態になると、燃料電池の劣化抑制のための電流値よりも制限値を低下させることで、システム異常を回避する。

そのため、ＩＳ制御部は、異常回避制限部で算出される制限値と、劣化抑制のための電流値とを利用し、例えば、制限値が劣化抑制のための電流値よりも小さいときには電圧制御から電流制御に切り戻す。これにより、ＩＳ中にシステム異常が懸念されるタイミングでＩＳ制御から電流制御に復帰させるので、電流制御によってシステム異常を回避することが可能となる。

したがって、ＩＳへの移行に伴い、電圧制御によってＩＶ特性の低下を抑制しつつ、電流制御と連動してシステム異常を回避することができる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、コントローラの機能構成を示すブロック図である。 図３は、ＩＶ特性の劣化に伴う燃料電池の電圧低下を説明するための図である。 図４は、アイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャートである。 図５は、電流制御部の構成を示すブロック図である。 図６は、ＩＳ制御部の構成を示すブロック図である。 図７は、ＩＳ許可条件を説明するための図である。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて発電する電源システムである。本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池、いわゆる電池セルを積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２とが、設けられている。

燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを用いて電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極の両電極では、以下の電気化学反応が進行する。

アノード電極 ： ２Ｈ² → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋ Ｏ² → ２Ｈ²Ｏ ・・・（２）

燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって起電力が生じると共に水が生成される。燃料電池は互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック１では、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が出力電圧（例えば数百ボルト）となる。

燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置２からカソードガスが供給され、またアノードガス給排装置３からアノードガスが供給される。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソード流量センサ２３と、カソードコンプレッサ２４と、温度センサ２５と、カソード圧力センサ２６と、を備える。さらにカソードガス給排装置２は、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソードガス排出通路２８と、カソードガス圧力調整弁２９と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソード流量センサ２３は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード流量センサ２３は、カソードコンプレッサ２４に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「カソード供給流量」という。）を検出する。

カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

温度センサ２５は、カソードコンプレッサ２４とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ２５は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２４とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口側の圧力（以下「ＷＲＤ入口圧力」という。）を検出する。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２８のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２８を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソードガス排出通路２８は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２８は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、カソードガス圧力調整弁２９を通過して、他端が開口端となっている。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２８に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１からアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、カソードガス排出通路２８に接続される。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４から、カソードガス排出通路２８に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８とを備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

第１水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。

第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を検出する。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７とを備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。

駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時にロータが外力によって回転させられることでステータコイルの両端に起電力を発生させる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、または、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、駆動モータ５３の回生電力又は燃料電池スタック１の発電電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び駆動モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、一方の電圧端子が燃料電池スタック１に接続され、他方の電圧端子がバッテリ５５に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ５５の電力に基づいて燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を昇圧又は降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御して、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力（出力電流×出力電圧）が制御される。

補機類５７は、燃料電池スタック１を運転するために設けられた制御部品の集合である。補機類５７は、カソードコンプレッサ２４、カソードガス圧力調整弁２９、アノード調圧弁３３、パージ弁３５、循環ポンプ４５、ＰＴＣヒータ４６などによって構成される。補機類５７は、バッテリ５５と並列に接続され、バッテリ５５、または燃料電池スタック１から電力が供給されて駆動する。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６には、前述した第１水温センサ４７、第２水温センサ４８、電流センサ５１及び電圧センサ５２の他にも、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの検出信号が入力される。

他のセンサとしては、外気温を検出する外気温センサ６１や、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６３がある。

コントローラ６は、各種センサからの検出信号と、燃料電池システム１００に設けられた各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池スタック１を効率良く発電させる。

次にコントローラ６の機能構成の一部について説明する。

図２は、本実施形態における制御部２００を示すブロック図である。

制御部２００は、各種センサからの検出信号と、燃料電池システム１００に設けられた各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池システム１００を制御する。

例えば、制御部２００は、アクセルストロークセンサ６３で検出される踏み込み量に基づいて駆動モータ５３に対する供給電力を演算し、駆動モータ５３に対する供給電力と補機類５７に対する供給電力とを加算して所要供給電力を算出する。制御部２００は、所要供給電力からバッテリ５５で賄われる電力を減算した値を、システム要求電力として算出し、システム要求電力に基づいて燃料電池スタック１を発電させる。

制御部２００は、電流制御部２０１と、システム指令部２０２と、ＩＳ制御部３００と、劣化抑制電圧保持部３０１と、切替部 ３０２と、を備える。

電流制御部２０１は、燃料電池スタック１の電流値を用いて発電電力を管理する。電流制御部２０１は、システム要求電力に基づいて燃料電池スタック１から取り出す出力電流の目標値（以下「目標電流」という）を演算し、その目標電流を、切替部 ３０２を介してシステム指令部２０２に出力する。

また、電流制御部２０１は、燃料電池システム１００の異常（システム異常）を回避するための電流制限を実施する場合を除き、燃料電池の高電位劣化を抑制するために定められた電流値（劣化抑制のための下限電流値）よりも目標電流を低くすることを禁止する。

ここで高電位劣化について説明する。燃料電池は、燃料電池から取り出される電流が大きくなるほど、燃料電池で生じる電圧が低くなる特性を有している。このため、車両の制動時などにおいて駆動モータ５３への電力供給が停止されるような状況では、出力電流が走行時の電流値よりも小さくなり、燃料電池で生じる電圧が最大値（例えば１．０Ｖ）近くまで上昇する。燃料電池の電圧が最大値付近まで高くなると、燃料電池の電解質膜に埋め込まれた白金が溶解するため、燃料電池の発電性能が劣化してしまう。ここでは、燃料電池で生じた高い電圧によって燃料電池が劣化することを「高電位劣化」という。

システム指令部２０２は、目標電流に基づいて補機類５７などに指令値を出力する。

例えば、システム指令部２０２は、目標電流に基づいてカソードコンプレッサ２４及びカソードガス圧力調整弁２９を制御して、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力を調節する。これと共にシステム指令部２０２は、目標電流に基づいてアノード調圧弁３３を制御して、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力を調節する。そしてシステム指令部２０２は、目標電流に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して、燃料電池スタック１からインバータ５４を介して駆動モータ５３に電力を供給する。

劣化抑制電圧保持部３０１には、劣化抑制のための上限電圧値が保持されている。劣化抑制のための上限電圧値は、燃料電池の高電位劣化を抑制するために実験データ等によって予め定められた電圧値の上限値である。上限電圧値は、例えば０．８Ｖ（ボルト）に設定される。

ＩＳ制御部３００は、車両がアイドルストップ（ＩＳ）運転に移行すると判断した場合には、燃料電池システム１００の燃費を良くするために、燃料電池スタック１の運転を制限するアイドルストップ制御（以下「ＩＳ制御」という。）を実行する。また、ＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御に移行するときに、燃料電池スタック１の電力管理を、電流値ではなく電圧値を用いて行う。すなわち、車両がＩＳ運転に移行するときは、燃料電池スタック１の電力管理手法が電流制御から電圧制御に切り替えられる。

ＩＳ制御部３００は、システム要求電力が、所定の電力閾値よりも小さい場合には、車両がＩＳ運転に移行すると判断し、システム指令部２０２に対してアイドルストップ制御（以下「ＩＳ制御」という。）の実施を許可する。なお、電力閾値は、走行時のシステム要求電力よりも小さな値であり、ＩＳ運転時のシステム要求電力に基づいて設定される。ＩＳ運転時は、駆動モータ５３に対する供給電力がゼロになるので、ＩＳ運転時のシステム要求電力は、補機類５７に対する供給電力のみに基づいて算出される。

ＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御に移行するときには、劣化抑制のための上限電圧値に基づいて燃料電池スタック１の電圧の目標値（以下「目標電圧」という。）を演算し、その目標電圧を切替部３０２に出力する。

切替部３０２は、電力管理切替フラグの設定値に基づいて、システム指令部２０２に対する指令値を、目標電流から目標電圧に切り替える。電力管理切替フラグは、ＩＳ制御の実施が許可されると、「０」から「１」に切り替えられる。切替部３０２は、電力管理切替フラグが「１」を示す場合には、電圧制御の指令値として目標電圧をシステム指令部２０２に出力し、電力管理切替フラグが「０」を示す場合には、電流制御の指令値として目標電流をシステム指令部２０２に出力する。

システム指令部２０２は、ＩＳ制御部３００によってＩＳ制御の実施が許可されると、燃料電池システム１００の補機類５７に指令を出してＩＳ制御を実施する。

ここで、燃料電池スタック１に対して電流制御を用いない理由について図３を参照して間単に説明する。車両がＩＳ運転に移行するときには、燃料電池システム１００では、駆動モータ５３に対する電力供給が停止されるため、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が一定流量に制限される。燃料電池スタック１内に閉じ込められたアノードガスは、電解質膜でのカソードガスとの発電反応によって徐々に消費されるため、発電領域でのアノードガスの水素濃度が下がり、その結果、燃料電池スタック１のＩＶ特性が低下する。ＩＶ特性が低下すると、以下のような問題が生じる。

図３に示すように、高電位劣化を抑制するために予め定められた電圧値Ｖｔｈが０．８Ｖ（ボルト）とすると、燃料電池スタック１の通常運転時の基準特性によって、電圧値０．８Ｖのときの電流値Ａが、高電位劣化防止のための下限電流値として設定される。

一方、実際の燃料電池のＩＶ特性が基準特性よりも低くなると、電圧値０．８Ｖのときの電流値Ｂは、上述の下限電流値Ａよりも小さくなる。このため、ＩＳ運転中に電流値を用いて高電位劣化対策を実施しようとすると、ＩＶ特性の低下に伴い電圧値０．８Ｖのときの電流値Ａは電流値Ｂまで引き下げられるにも関わらず、基準特性で設定された下限電流値Ａのままで電流制御が実行される。

ＩＳ運転時はアノードガスの供給量は一定量に制限されているため、燃料電池スタック１から過剰に電流が取り出され続けることで、燃料電池の水素濃度が低下し、ＩＶ特性がさらに低下してしまう。このように、ＩＶ特性が低下するほど、必要以上に大きな電流が燃料電池スタック１から取り出されることになり、さらなるＩＶ特性の低下を招く。

ＩＶ特性の低下に伴って燃料電池の電圧が低下すると、次回の再起動時（復帰時）には、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に十分な電力を素早く供給できなくなってしまう。この対策として、ＩＳ制御部３００は、ＩＳ運転に移行するときに、燃料電池スタック１の電力管理手法を電流制御から電圧制御に切り替える。

図４は、ＩＳ制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。

まず、ＩＳ制御部３００は、システム要求電力が電力閾値よりも小さい場合には、車両がＩＳ運転に移行すると判定し、燃料電池スタック１に対してＩＳ制御を開始する。

ステップＳ１０１においてＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御の実施を許可するためのＩＳ許可条件が成立しているか否かを判断する。ＩＳ許可条件は、燃料電池スタック１の状態が正常か、またはフラッディングや過温度になり易い異常状態か、を判定するための条件である。ＩＳ許可条件の一例については、図７を参照して後述する。

ステップＳ１０１でＩＳ許可条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１０９においてＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御を停止して通常制御に復帰させる。

一方、ＩＳ許可条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１０２においてＩＳ制御部３００は、システム指令部２０２に対してＩＳ制御の実施を許可する。

ＩＳ制御の実施が許可されると、システム指令部２０２は、目標電流に基づいてアノード調圧弁３３の開度を制御して、アノードガスの圧力を所定値に制限し、制限した状態を所定時間継続させる。そしてシステム指令部２０２は、補機類５７で消費される電力を所定値以下にするために、目標電流に基づいてカソードコンプレッサ２４の操作量を下げ、この状態を所定時間継続させる。

このように、アノードガスの圧力を減圧することにより、ステップＳ１０５でカソードコンプレッサ２４を停止するときに、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧が許容差圧を超えないようにする。このとき、燃料電池スタック１から取り出される出力電流が低下し、燃料電池スタック１で生じる出力電圧が徐々に上昇する。

ステップＳ１０３においてＩＳ制御部３００は、システム指令部２０２によってパージ弁３５を閉じる。これにより、ＩＳ運転中はアノードガスが外気に排出されなくなるため、カソードコンプレッサ２４を停止することが可能になる。パージ弁３５が閉じられると、電力管理切替フラグは「１」に設定される。

ステップＳ１０４においてＩＳ制御部３００は、燃料電池スタック１の電力制御モードを電流制御から電圧制御に切り替える。具体的には、ＩＳ制御部３００は、電圧センサ５２の検出値を取得し、その検出値が、高電位劣化を抑制するための電圧値になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧を制限する。

これにより、燃料電池スタック１から過剰に電流を取り出し続けることを回避できるので、燃料電池スタック１のＩＶ特性の低下を抑えることができ、これに伴う燃料電池スタック１の電圧低下を抑制することができる。なお、ＩＳ制御中は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への出力電流が極端に低下して燃料電池システム１００の回路定数が通常運転時の値から大きく変わる。このため、電流制御では燃料電池スタック１の電圧を精度よく調整できなくなるので、電圧制御に切り替えることにより、適切な電圧調整が可能となる。

ステップＳ１０５においてＩＳ制御部３００は、システム指令部２０２によってカソードコンプレッサ２４を停止する。

ステップＳ１０６においてＩＳ制御部３００は、車両がＩＳ運転に移行した後も電圧制御によって、電圧センサ５２の検出値が高電位劣化抑制のための電圧値を超えないようにＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。これにより、燃料電池の高電位劣化を防止する。

ステップＳ１０７においてＩＳ制御部３００は、ＩＳ復帰条件が成立したか否かを判断する。ＩＳ復帰条件の一例としては、図７の（１）〜（７）に示したＩＳ許可条件と反対の条件であり、例えば、スタック出口水温が所定温度よりも高い場合には、ＩＳ復帰条件が成立したと判断される。

ステップＳ１０８においてＩＳ制御部３００は、ＩＳ復帰条件が成立したと判断した場合には、ＩＳ制御から通常制御に復帰する復帰処理（再起動処理）の実施をシステム指令部２０２に指示する。復帰処理では、ＩＳ制御に移行するときに行われるステップＳ１０２からステップＳ１０５までの処理が順番を反対にして行われる。そしてＩＳ制御の一連の処理が終了し、これに伴い電力管理切替フラグが「１」から「０」に切り替えられる。

このような燃料電池システムでは、車両がＩＳ運転に移行することに伴い燃料電池スタック１の電力管理手法が電流制御から電圧制御に切り替えられる。その結果、ＩＳ運転中は電流制御部２０１でシステム異常を回避するための電流制限ロジックが実施されないので、ＩＳ制御から復帰してもシステム異常を回避できないことが懸念される。

そこで、本発明では、ＩＳ運転への移行に伴い燃料電池スタック１に対して電圧制御を実施しつつ、電流制御部２０１の制御ロジックを利用してシステム異常を回避する。

図５は、本実施形態における電流制御部２０１の詳細を示すブロック図である。

電流制御部２０１は、スタック性能維持部２１０と、異常回避電流制限部２２０と、目標電流設定部２３０と、を備える。

スタック性能維持部２１０は、燃料電池スタック１自体の発電性能を維持するように目標電流を演算する。スタック性能維持部２１０は、高電位劣化抑制部２１１と、要求電流制御部２１５と、を備える。

高電位劣化抑制部２１１は、劣化抑制のための下限電流値を、性能ガード部２１４に出力する。本実施形態では、高電位劣化抑制部２１１に劣化抑制のための下限電流値が予め記憶されている。劣化抑制のための下限電流値は、基準となるＩＶ特性によって定められる。なお、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性から、高電位劣化を抑制するための電圧値に対応する電流値を、劣化抑制のための下限電流値として用いてもよい。

要求電流制御部２１５は、燃料電池スタック１に対するシステム要求に基づいて、燃料電池スタック１の出力電流を制御する。要求電流制御部２１５は、ＩＳ移行電流演算部２１２と、要求電流演算部２１３と、を備える。

ＩＳ移行電流演算部２１２は、ＩＳ許可フラグの設定値に基づいてＩＳ移行時に燃料電池スタック１から取り出す電流の要求値（以下「要求電流」という。）を性能ガード部２１４に出力する。ＩＳ移行時の要求電流は、ＩＳ移行電流演算部２１２に予め記憶されている。ＩＳ移行時の要求電流は、ＩＳ制御に移行するときにアノードガスの圧力を所定値に減圧するために定められた値である。

ＩＳ許可フラグは、ステップＳ１０１でＩＳ許可条件が成立していると判断された場合には「１」に設定され、ＩＳ許可条件が成立していないと判断された場合には「０」に設定される。

ＩＳ移行電流演算部２１２は、ＩＳ許可フラグが「１」を示す場合には、ＩＳ移行時の要求電流を出力し、ＩＳ許可フラグが「０」を示す場合には、例えばゼロを出力する。

要求電流演算部２１３は、システム要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の要求電流を演算する。なお、ＩＳ運転に移行するときには、要求電流演算部２１３から出力される要求電流は、ＩＳ移行時の要求電流よりも小さな値を採る。ここでは、要求電流演算部２１３で演算される要求電流を通常時の要求電流という。

要求電流演算部２１３は、システム要求電力が大きくなるほど、大きな要求電流を性能ガード部２１４に出力する。例えば、車両を加速するときに、システム要求電力が大きくなるので、要求電流が大きくなる。

本実施形態では、要求電流演算部２１３には、燃料電池スタック１のＩＶ特性を示す基準情報が保持されている。要求電流演算部２１３は、システム要求電力の算出値を受け付けると、基準情報に示された複数の電流値のそれぞれについて、電流値と、その電流値に対応付けられた電圧値とを乗算して発電電力を算出する。そして要求電流演算部２１３は、システム要求電力を超える発電電力となる電流値のうち最も小さい電流値を要求電流として性能ガード部２１４に出力する。

性能ガード部２１４は、劣化抑制のための下限電流値によって、燃料電池の電圧が高電位劣化領域に飛び込まないように要求電流をガード（制限）する。性能ガード部２１４は、通常時の要求電流と、ＩＳ移行時の要求電流と、劣化抑制のための下限電流値とのうち大きい方の値を選択し、その選択した値を要求電流として目標電流設定部２３０に出力する。

例えば、性能ガード部２１４は、通常時又はＩＳ移行時の要求電流が、劣化抑制のための下限電流値よりも小さくなる場合には、目標電流が劣化抑制のための下限電流値よりも低くならないように要求電流を劣化抑制下限電流値に設定する。これにより、燃料電池スタック１から取り出される電流の低下に伴う燃料電池の高電位劣化を抑制することができる。

異常回避電流制限部２２０は、目標電流設定部２３０によって燃料電池システム１００がシステム異常を起こしやすい異常状態であると判定された場合には、燃料電池スタック１の要求電流を、劣化抑制のための下限電流値以下に制限する。具体的には、異常回避電流制限部２２０は、燃料電池システム１００に状態がシステム異常を起こしやすい状態に近づくほど、システム異常を回避するための制限値を低くする。

異常回避電流制限部２２０は、過温度防止制限部２２１と、所要酸素分圧維持部２２２と、過乾燥防止制限部２２３と、目詰まり防止制限部２２４と、を備える。

過温度防止制限部２２１は、燃料電池スタック１の温度に基づいて、過温度防止のための目標電流の上限値（以下「上限電流値」という。）を演算し、演算結果を目標電流設定部２３０に出力する。本実施形態では、燃料電池スタック１の温度として第１水温センサ４７で検出されるスタック出口水温が用いられる。

過温度防止制限部２２１には、例えば、スタック出口水温と上限電流値とが互いに対応付けられた過温度防止マップが記憶されている。そして過温度防止制限部２２１は、スタック出口水温の検出値を受け付けると、過温度防止マップを参照し、検出値に対応付けられた上限電流値を算出する。

過温度防止マップは、実験データ等に基づいて定められる。具体的には、過温度マップの上限電流値は、燃料電池スタック１の温度が発電に適した温度域よりも高くなり過ぎないように設定される。過温度防止制限部２２１は、スタック出口水温が高くなるほど、上限電流値を低くする。

所要酸素分圧維持部２２２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの状態に基づいて、酸素分圧低下を防止するための上限電流値を演算し、その演算結果を目標電流設定部２３０に出力する。

燃料電池スタック１内のカソードガスには、水蒸気などの不純物ガスが含まれている。この不純物ガスの分圧は、カソードガスの供給圧力、供給流量やガス温度などで変動する。不純物ガスの分圧が上昇するほど、燃料電池スタック１の発電領域の酸素分圧が相対的に低下するため、燃料電池スタック１の電圧が著しく低下する恐れがある。

この対策として、所要酸素分圧維持部２２２は、カソード圧力センサ２６からのＷＲＤ入口圧力と、温度センサ２５からのＷＲＤ入口温度と、カソード流量センサ２３からのカソード供給流量とを用いて、酸素分圧低下防止のための上限電流値を演算する。

所要酸素分圧維持部２２２には、例えば、ＷＲＤ入口圧力とＷＲＤ入口温度とカソード供給流量と上限電流値とが互いに対応付けられた分圧維持マップが記憶されている。そして所要酸素分圧維持部２２２は、ＷＲＤ入口圧力、ＷＲＤ入口温度及びカソード供給流量の各検出値を取得すると、分圧維持マップを参照し、検出値に対応付けられた上限電流値を算出する。

例えば、所要酸素分圧維持部２２２は、ＷＲＤ入口温度が低くなるほど、不純物ガスの分圧も低くなるので、カソードガスの圧力を低くするために上限電流値を小さくする。同様に、ＷＲＤ入口圧力が低くなるほど上限電流値を小さくし、カソードガス供給流量が少なくなるほど上限電流値を小さくする。

過乾燥防止制限部２２３は、燃料電池スタック１の内部抵抗値（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）に基づいて、過乾燥防止のための上限電流値を演算し、その演算結果を目標電流設定部２３０に出力する。

燃料電池スタック１のＨＦＲは、電解質膜の湿潤状態と相関関係があり、電解質膜が乾燥するほど、ＨＦＲが小さくなり、電解質膜が湿った状態になるほど、ＨＦＲが大きくなる。ＨＦＲが大きく電解質膜が乾燥した状態では、燃料電池スタック１の発電量を増やしてカソードガスの供給流量を増加させると、カソードガスによって燃料電池スタック１内の水蒸気が外に持ち出されるため、電解質膜が過乾燥になってしまう。

この対策として、過乾燥防止制限部２２３は、ＨＦＲが大きくなるほど、上限電流値を小さくする。これにより、電解質膜が乾燥しているときに、カソードガスの供給流量が小さくなるので、電解質膜の過乾燥を回避することができる。

例えば、過乾燥防止制限部２２３には、ＨＦＲと上限電流値とが互いに対応付けられた過乾燥防止マップが記憶されている。そして過乾燥防止制限部２２３は、ＨＦＲの測定値を受け付けると、過乾燥防止マップを参照し、測定値に対応付けられた上限電流値を算出する。

なお、燃料電池スタック１のＨＦＲは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して測定される。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６から燃料電池スタック１のアノード電極側出力端子１１に交流電流が供給され、交流電流によってアノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２との端子間電圧の振幅が検出される。電流制御部２０１は、検出した端子間電圧の振幅を交流電流の振幅で除算して内部抵抗値を算出する。あるいは、燃料電池スタック１の内部抵抗値を測定する内部抵抗測定装置を、燃料電池システム１００に設けてもよい。

目詰まり防止制限部２２４は、カソードガスの流量に基づいてフラッディング防止のための上限電流値を演算し、その演算結果を目標電流設定部２３０に出力する。

本実施形態では目詰まり防止制限部２２４は、カソード要求流量に対する目標カソード流量の割合（ストイキ値）を算出し、そのストイキ値に応じて上限電流値を算出する。カソード要求流量は、電解質膜が形成された発電領域において発電に必要な理論空気流量である。また、目標カソード流量は、燃料電池スタック１に供給するカソードガス流量の目標値である。例えば、目標カソード流量は、前回の目標電流に基づいて設定される。

カソードガスのストイキ値が低くなるほど、燃料電池スタック１内の電解質膜で消費されなかった余剰のカソードガスの流量が少なくなり、カソードガスによって外に持ち出される水蒸気の量が少なくなる。このため、電解質膜が湿った状態で、燃料電池スタック１の発電量（電流値）を増やして発電に伴う生成水の量を増加させると、電解質膜に凝縮水が多量に付着してフラッディングを起こしてしまう。

この対策として、目詰まり防止制限部２２４は、ＨＦＲが小さく電解質膜が湿った状態では、カソードガスのストイキ値が低くなるほど、カソードガスによる水蒸気の持ち出し量が少なくなるため、上限電流値を小さくする。これにより、生成水量が抑えられるのでフラッディングを防止することができる。

また、目詰まり防止制限部２２４は、電解質膜が湿った状態では、カソードガスのストイキ値が大きくてなっても、上限電流値を小さくする。これにより、カソードガスによる水蒸気の持ち出し量が増加すると共に生成水量が減少するので、フラッディングを防止することができる。

例えば、目詰まり防止制限部２２４には、カソードガスのストイキ値と上限電流値が互いに対応付けられた目詰まり防止マップが記憶されている。そして目詰まり防止制限部２２４は、カソードガスのストイキ値を算出すると、目詰まり防止マップを参照し、算出値に対応付けられた上限電流値を目標電流設定部２３０に出力する。

目標電流設定部２３０は、性能ガード部２１４でガードされた要求電流の設定値と、異常回避電流制限部２２０の各上限電流値とのうち、最も小さい値の電流値を選択し、その選択した値を目標電流としてシステム指令部２０２に出力する。

このように、スタック性能維持部２１０では、車両の制動時やＩＳ移行時などにシステム要求電力が極端に下がり、要求電流が高電位劣化を招く値まで小さくなるような場合には、性能ガード部２１４によって要求電流を劣化抑制のための下限電流値に制限する。

また、異常回避電流制限部２２０では、燃料電池システム１００が、過温度、過乾燥やフラッディングなどの何らかのシステム異常が起こり得る状態に近づくほど、異常回避電流制限部２２０の各上限電流値のうち少なくともひとつの制限値が下がってくる。その制限値が、性能ガード部２１４から出力される要求電流よりも小さくなると、目標電流設定部２３０で設定される目標電流は、要求電流以下に制限される。

本実施形態では、異常回避電流制限部２２０で算出された各上限電流値と、高電位劣化抑制部２１１で設定された劣化抑制のための下限電流値とが、システム異常に関する情報として、ＩＳ制御部３００に出力される。

図６は、ＩＳ制御部３００の構成を示すブロック図である。

ＩＳ制御部３００は、システム異常判断部３１０と、ＩＳ制御許可部３２０と、許可復帰条件保持部３２１と、電圧制御部３３０と、を備える。

電圧制御部３３０は、劣化抑制電圧保持部３０１の上限電圧値と、電圧センサ５２の検出値とを取得し、上限電圧値と検出値とに基づいて、燃料電池のセル電圧が上限電圧値になるように目標電圧を演算する。例えば、電圧制御部３３０は、上限電圧値と検出値との差分に所定の電圧上昇率を乗算して目標電圧を算出し、その算出結果を切替部３０２に出力する。

システム異常判断部３１０は、ＩＳ制御の許可条件又は復帰条件のひとつとして、電流制御部２０１のシステム異常に関する情報を利用して、システム指令部２０２によるＩＳ制御の実施が可能か否かを判断する。

本実施形態では、システム異常判断部３１０は、異常回避電流制限部２２０から各上限電流値を取得すると共に、高電位劣化抑制部２１１から劣化抑制のための下限電流値を取得する。そしてシステム異常判断部３１０は、各上限電流値と劣化抑制のための下限電流値とに基づいて、システム指令部２０２によるＩＳ制御の実施を許可するか否かを判断する。

例えば、システム異常判断部３１０は、各上限電流値のうち全ての制限値が、劣化抑制のための下限電流値よりも高い場合には、燃料電池システム１００の状態が正常であると判断し、ＩＳ制御の実施を許可するための許可信号をＩＳ制御許可部３２０に出力する。

一方、システム異常判断部３１０は、各上限電流値の少なくとも１つの制限値が、劣化抑のための下限電流値よりも低い場合には、燃料電池システム１００の状態が異常であると判断し、ＩＳ制御の実施を禁止するための禁止信号をＩＳ制御許可部３２０に出力する。例えば、システム異常判断部３１０は、過温度防止のための上限電流値が劣化抑制のための下限電流値よりも低いと判断した場合には、ＩＳ制御を停止する。

また、ＩＳ制御を実施している間においても、システム異常判断部３１０は、上限電流値が劣化抑制のための下限電流値よりも低いか否かを判断する。システム異常判断部３１０は、上限電流値の少なくとも１つの制限値が劣化抑制のための下限電流値よりも低いと判断した場合には、禁止信号を出力してＩＳ制御を中止する。システム異常判断部３１０は、上限電流値の全てが劣化抑制のための下限電流値よりも高い場合には、許可信号をＩＳ制御許可部３２０に出力する。

許可復帰条件保持部３２１には、ＩＳ制御の実施を許可するためのＩＳ許可条件と、ＩＳ制御を停止して通常制御に復帰させるＩＳ復帰条件と、を示す条件情報がそれぞれ保持されている。条件情報については、図７を参照して後述する。

ＩＳ制御許可部３２０は、システム異常判断部３１０から許可信号又は禁止信号を受けると共に、条件情報に示されたＩＳ許可条件が成立しているか否かを判定する。

ＩＳ制御許可部３２０は、システム異常判断部３１０から許可信号を受けると共にＩＳ許可条件が成立していると判定した場合には、システム指令部２０２に対してＩＳ制御の実施を指示する。

一方、ＩＳ制御許可部３２０は、システム異常判断部３１０から禁止信号を受けると、条件情報に示されたＩＳ許可条件が成立している場合であっても、システム指令部２０２に対してＩＳ制御の実施を禁止する。また、ＩＳ制御許可部３２０は、ＩＳ許可条件が成立していない場合には、システム異常判断部３１０から許可信号を受け付けても、ＩＳ制御の実施を禁止する。

また、ＩＳ制御許可部３２０は、ＩＳ制御が実施されている期間に復帰条件が成立しているか否かを判断する。

そしてＩＳ制御許可部３２０は、システム異常判断部３１０から禁止信号を受けると、ＩＳ復帰条件が成立している場合であっても、システム指令部２０２に対してＩＳ制御からの復帰を指示する。またＩＳ制御許可部３２０は、ＩＳ復帰条件が成立していないと判定した場合には、システム異常判断部３１０から許可信号を受け付けても、ＩＳ制御からの復帰を指示する。

一方、ＩＳ制御許可部３２０は、システム異常判断部３１０から許可信号を受け付けると共に、ＩＳ復帰条件が成立していると判定した場合に限り、システム指令部２０２によるＩＳ制御を継続させる。

このように、ＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御を開始してから終了するまでの間、異常回避電流制限部２２０の各上限電流値と、高電位劣化抑制部２１１の劣化抑制のための下限電流値とを利用する。これにより、電圧制御の実施と、システムの安全性確保とを両立することができる。

また、本実施形態では、異常回避電流制限部２２０の各上限電流値を利用する例について説明したが、これらの上限電流値に代えて、目標電流設定部２３０から出力される目標電流を利用するようにしてもよい。

この場合にＩＳ制御部３００は、目標電流設定部２３０の目標電流が劣化抑制のための下限電流値よりも低い場合には、システム異常ありと判定してＩＳ制御を停止し、目標電流が下限電流値よりも高い場合には、システム異常なしと判定してＩＳ制御を許可する。これにより、本実施形態と同様の効果が得られると共に、少ないパラメータでシステム異常を判定できるので、処理負荷を軽減することができる。

また、本実施形態では、異常回避電流制限部２２０で算出される各上限電流値の全ての制限値を、劣化抑制のための下限電流値と比較する例について説明したが、各上限電流値のうち少なくとも１つの制限値のみを用いるようにしてもよい。例えば、最も緊急性の高いシステム異常に関する上限電流値のみを利用することが考えられる。

図７は、ＩＳ制御部３００で判断されるＩＳ許可条件の一例を示す図である。図７に示したＩＳ許可条件の大小関係を反対にした条件が、ＩＳ復帰条件として用いられる。

１番目のＩＳ許可条件としては、スタック出口水温が、フラッディング防止のための所定温度以下であることが確認される。

２番目のＩＳ許可条件としては、スタック入口水温とスタック出口水温とのうち小さい方の値が所定温度以上であることが確認される。

３番目のＩＳ許可条件としては、実施中の制御シーケンスが、暖機運転時のシーケンスでないことが確認される。

４番目のＩＳ許可条件として、ＨＦＲの測定値が、目標ＨＦＲに所定の加湿許容値を減算したＨＦＲ下限値よりも大きいことが確認される。５番目のＩＳ許可条件として、ＨＦＲの測定値が、目標ＨＦＲに所定の乾燥許容値を加算したＨＦＲ上限値よりも小さいことが確認される。すなわち、燃料電池スタック１の内部抵抗値が、ＩＳ制御の復帰時に燃料電池スタック１から駆動モータ５３へ早期に電力供給できる範囲内の値であることが確認される。

６番目のＩＳ許可条件として、ＨＦＲ測定不能フラグが、ＨＦＲを測定できることを意味する「０」であることが確認される。

７番目のＩＳ許可条件として、各セル電圧の平均値から最低セル電圧を減算した減算値がセル電圧のばらつき度合いを示すパラメータとして用いられ、そのばらつき度合いが、フラッディング状態を判定するための所定の閾値以下であることが確認される。

１番目から７番目までのＩＳ許可条件が、ＩＳ制御許可部３２０で確認される条件である。また、ＩＳ許可条件が成立しない場合には、燃料電池システム１００をＩＳ制御から通常制御に復帰させる。

８番目のＩＳ許可条件は、システム異常判断部３１０で確認される条件である。システム異常判断部３１０では、ＩＳ許可条件として、異常回避電流制限部２２０の上限電流値が、劣化抑制のための下限電流値に所定値αを加算した値（異常閾値）よりも高いことが確認される。

所定値αは、燃料電池システム１００の仕様に合わせて適宜設定される。所定値αを大きくするほど、システム異常の検出感度が鈍くなり、所定値αを小さくするほど、システム異常の検出感度が敏感になる。なお、例えば、所定値αを下限電流値に加算してＩＳ復帰条件を判定する場合には、ＩＳ復帰条件が成立すると、ＩＳ制御での電圧制御から異常回避電流制限部２２０による電流制限に切り替えられる際に、燃料電池の電流が急激に下げられる可能性がある。この場合には、燃料電池スタック１が不安定になるため、目標電流設定部２３０から出力される目標電流を、段階的に低下させる電流変化率制限部を設けるようにしてもよい。

本実施形態によれば、制御部２００を構成する電流制御部２０１は、システム要求電力に基づいて燃料電池スタック１に対する要求電流を演算する要求電流制御部２１５と、要求電流を劣化抑制のための下限電流値でガードする性能ガード部２１４と、を備える。

さらに電流制御部２０１は、燃料電池システム１００が異常状態であると判定された場合には要求電流を劣化抑制のための下限電流値以下に制限する異常回避電流制限部２２０と、システム要求電力が電力閾値よりも小さいときにはＩＳ制御を実施するシステム指令部２０２とを備える。

また、制御部２００は、ＩＳ制御に移行するときに、燃料電池スタック１の電圧を高電位劣化抑制のための所定の電圧値に制限するＩＳ制御部３００を含む。そしてＩＳ制御部３００は、ＩＳ制御の許可条件又は復帰条件として、異常回避電流制限部２２０で算出された制限値と、高電位劣化抑制部２１１によって設定された下限電流値とに基づいて、システム指令部２０２によるＩＳ制御の実施が可能か否かを判断する。

このように、ＩＳ制御部３００は、ＩＳへの移行時に、燃料電池スタック１の電力管理手法を電流制御から電圧制御に切り替える。これにより、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給制限に伴いＩＶ特性が低下する場合に、ＩＶ特性の低下に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を小さくすることができる。このため、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１でのアノードガスの消費が抑えられ、ＩＶ特性の低下を抑制することができる。

また、異常回避電流制限部２２０は、システム異常が起こりやすい状態になると、燃料電池スタック１の劣化抑制のための下限電流値よりも制限値を低下させることで、システム異常を回避する。

そのため、ＩＳ制御部３００は、異常回避電流制限部２２０で算出される制限値と、劣化抑制のための下限電流値とを利用し、例えば、制限値が劣化抑制のための下限電流値よりも小さいときには電圧制御から電流制御に切り戻す。これにより、ＩＳ制御中にシステム異常が懸念されるタイミングでＩＳ制御から電流制御に復帰させるので、電流制御によってシステム異常を回避することが可能となる。

したがって、制御部２００は、ＩＳ運転への移行に伴い、電圧制御によってＩＶ特性の低下を抑制しつつ、電流制御と連動してシステム異常を回避することができる。

例えば、ＩＳ制御部３００は、異常回避電流制限部２２０の制限値が、高電位劣化抑制部２１１の下限電流値よりも低い場合には、ＩＳ制御の実施を停止する。これにより、ＩＳ制御の実施に伴いシステム異常が発生し、燃料電池システム１００が強制停止されることを防止できる。

また、本実施形態では、高電位劣化抑制部２１１から固定値である下限電流値が出力される例について説明したが、ＩＳ制御部３００は、劣化抑制のための下限電流値を、異常回避電流制限部２２０による制限値の低下に応じて変更してもよい。

例えば、高電位劣化抑制部２１１の下限電流値は、ＩＳ制御の可否を判定するための閾値として用いられるため、高電位劣化抑制部２１１は、異常回避電流制限部２２０による制限値が低くなるほど、高電位劣化の許容範囲内で下限電流値を低く設定する。これにより、ＩＳ許可条件を確認するときには、劣化抑制のための下限電流値が小さくなるので、ＩＳ制御の実施が許可されやすくなる。したがって、ＩＳ制御の実施回数が増えるのでアノードガスの供給量を低減することができる。

具体的には、ＩＳ制御部３００は、異常回避電流制限部２２０で算出される制限値が所定の変更閾値よりも小さくなるほど、劣化抑制のための上限電圧値を、例えば０．８Ｖから０．９Ｖまでの許容範囲内で上昇させる。そしてＩＳ制御部３００は、変更後の電圧値を高電位劣化抑制部２１１に供給し、高電位劣化抑制部２１１は、燃料電池スタック１の基準特性を参照し、変更後の電圧値に対応する電流値を劣化抑制のための下限電流値として性能ガード部２１４に出力する。なお、変更閾値は、変更前の上限電圧値に基づいて設定される。

このように、制限値の低下に応じて、燃料電池の電圧値を高電位劣化を許容できる範囲の上限値０．９Ｖまで高くすることにより、燃料電池スタック１から取り出される出力電流が少なくなるので、ＩＳ制御中におけるＩＶ特性の低下を抑制することができる。

また、電圧値の上昇に応じて劣化抑制のための下限電流値が小さくなるため、ＩＳ制御に入り易くなり、ＩＳ制御の実施回数が増加し、燃料電池システム１００の燃費が向上する。

したがって、異常回避電流制限部２２０の制限値を、高電位劣化を許容できる範囲内で電圧値を上昇させることにより、ＩＳ制御中の出力電流の低減によってＩＶ特性の低下を抑制できると共に、燃料電池システム１００の燃費を良くすることができる。

また、過温度防止制限部２２１は、燃料電池スタック１の温度として用いられるスタック出口水温に基づいて、燃料電池スタック１の過温度防止のための上限電流値を演算する。ＩＳ制御部３００は、過温度防止のための上限電流値が、劣化抑制のための下限電流値よりも低い場合には、ＩＳ制御の実施を停止する。

これにより、ＩＳ制御中に、燃料電池スタック１の温度がフェール閾値よりも高くなり過ぎて、燃料電池システム１００が強制停止されることを防止できる。

また、所要酸素分圧維持部２２２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量及びガス温度のうち少なくとも１つの検出値に基づいて、燃料電池スタック１内の酸素分圧低下を防止するための上限電流値を演算する。そしてＩＳ制御部３００は、酸素分圧低下防止のための上限電流値が、劣化抑制のための下限電流値よりも低い場合には、ＩＳ制御の実施を停止する。

これにより、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１の発電領域内の酸素分圧が下がり、燃料電池システム１００の発電性能が低下してシステム異常を起こしてしまうことを防止できる。

また、過乾燥防止制限部２２３は、燃料電池スタック１の内部抵抗値（ＨＦＲ）に基づいて、燃料電池スタック１の過乾燥を防止するための上限電流値を演算する。そしてＩＳ制御部３００は、過乾燥防止のための上限電流値が、劣化抑制のための下限電流値よりも低い場合には、ＩＳ制御の実施を停止する。

これにより、燃料電池スタック１内の電解質膜が過乾燥状態になり、燃料電池スタック１の発電効率が著しく低下してシステム異常を起こすことを防止できる。

また、目詰まり防止制限部２２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量に基づいて、フラッディングを防止するための上限電流値を演算する。ＩＳ制御部３００は、フラッディング防止のための上限電流値が、劣化抑制のための下限電流値よりも低い場合には、ＩＳ制御の実施を停止する。

これにより、電解質膜に凝縮水が付着して目詰まりを起こして、燃料電池システム１００が緊急停止されることを防止できる。

ＩＳ制御部３００は、上述の上限電流値の全てが劣化抑制のための下限電流値よりも高い場合には、ＩＳ制御が可能であると判断する。これにより、システム異常を回避しつつ、ＩＳ制御を実施することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池（燃料電池）
５３ 駆動モータ
５７ 補機類（補機）
２０２ システム指令部（ＩＳ実行部）
２１１ 要求電流制御部（制御部）
２１４ 性能ガード部（ガード部）
２２０ 異常回避電流制限部（異常回避制限部）
３００ ＩＳ制御部

Claims (8)

1. 車両を駆動する駆動モータと、前記駆動モータに供給される電力を発電する燃料電池と、前記燃料電池を発電させるための補機と、を備える燃料電池システムにおいて、
   燃料電池に対するシステム要求電力に基づいて、前記燃料電池の電流を制御する制御部と、
   前記燃料電池の高電圧に伴う前記燃料電池の劣化を抑制するために前記燃料電池の電流を所定の電流値でガードするガード部と、
   燃料電池システムの状態に応じて、前記燃料電池の電流を前記所定の電流値以下に制限する異常回避制限部と、
   前記燃料電池に対するシステム要求電力が走行時の値よりも小さいときには、アイドルストップ制御を実施するＩＳ実行部と、
   前記アイドルストップ制御に移行するときに、前記燃料電池の電圧を前記劣化抑制のための所定の電圧値に制限するＩＳ制御部と、を含み、
   前記ＩＳ制御部は、前記アイドルストップ制御の許可条件として、前記異常回避制限部によって電流を制限する制限値が前記所定の電流値よりも高いか否かを判断し、前記制限値が前記所定の電流値よりも高い場合には、前記アイドルストップ制御の実施が可能であると判断する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ＩＳ制御部は、前記制限値が前記所定の電流値よりも低い場合には、前記アイドルストップ制御の実施を停止する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ＩＳ制御部は、前記制限値が低下するほど、前記劣化を許容できる所定範囲内で前記所定の電流値を下げる、
   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１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限値は、前記燃料電池の過温度防止のための上限電流値であり、前記燃料電池の温度に基づいて算出される、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限値は、カソードガス分圧低下を抑制するための上限電流値であり、前記燃料電池に供給されるカソードガスの状態に基づいて算出される、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限値は、前記燃料電池の過乾燥を抑制するための上限電流値であり、前記燃料電池の抵抗値に基づいて算出される、
   燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限値は、生成水による燃料電池膜の目詰まりを抑制するための上限電流値であり、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量に基づいて算出される、
   燃料電池システム。
8. 請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ＩＳ制御部は、前記制限値の全てが前記所定の電流値よりも高い場合には、前記アイドルストップ制御の実施が可能であると判断する、
   燃料電池システム。

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