JP6183416B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、発電の基本単位となる発電体（以降「セル」とも呼ぶ）が複数積層されたスタック構造を有している。従来、このような燃料電池を含んで構成される燃料電池システムが知られている。特許文献１には、燃料電池システムを氷点下環境で起動させるための方法が記載されている。
特開２０１１−０３４８３７号公報
特許文献１のような燃料電池システムの始動時において、燃料電池の電圧の低下が検出された場合、燃料電池システムは、燃料電池のセルの劣化を抑制するために、燃料電池の出力制限をする。具体的には、燃料電池システムは、燃料電池に対して要求する電流に上限を設ける。
電圧の低下に伴うセルの劣化は、セルの温度が高くなるにつれて進行しやすくなるという性質がある。このため、燃料電池システムは、燃料電池の温度が高くなるにつれて燃料電池の出力制限量を大きくする。一方、燃料電池の温度を表す指標として、燃料電池の冷却に使用される冷却媒体の温度が使用されている。この冷却媒体の温度は、燃料電池から排出された後の冷却媒体の温度を温度センサで測定することによって、簡便に取得することができる。以上より、燃料電池システムでは、燃料電池の電圧の低下が検出された場合、冷却媒体の温度に応じた大きさの出力制限量で、燃料電池の出力制限をすることが考えられる。
ここで、複数のセルを備える燃料電池の場合、燃料電池の各セルの温度は均一ではない。例えば、スタック構造の端部周辺に位置するセルは、中央部周辺に位置するセルと比較して、放熱しやすく、かつ、昇温性が悪いため、温度が低いという特徴がある。これに対して、冷却媒体の温度は、あくまで燃料電池全体の温度を表す指標に過ぎない。従って、冷却媒体の温度に応じた出力制限量で燃料電池の出力制限をした場合、特に燃料電池の端部周辺に位置するセルに対しては過剰な出力制限を課すこととなる。このような過剰な出力制限は、燃料電池の各セルにおける発熱量の低下を招き、燃料電池の始動性を悪化させるという課題があった。
このため、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池の始動性を向上させることが可能な燃料電池システムが求められていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；複数のセルが積層された燃料電池と；前記セルの電圧であるセル電圧を測定するセルモニタと；前記燃料電池の冷却に使用される冷却媒体の温度を測定する温度測定部と；前記セル電圧の低下に基づいて前記燃料電池の出力制限をする制御部であって、前記出力制限における出力制限量を前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた量とする制御部と、を備え；前記制御部は；前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が第１の閾値以下となった場合は、前記出力制限に用いる出力制限量を、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた前記出力制限量よりも小さくする。
燃料電池の出力制限量は、燃料電池の温度と正の相関がある。すなわち、燃料電池の温度が高ければ高いほど出力制限量は大きくなり、燃料電池の温度が低ければ低いほど出力制限量は小さくなる。一方、複数のセルを備える燃料電池の場合、燃料電池の各セルの温度は均一ではない。例えば、燃料電池の端部周辺のセルの温度は、燃料電池の中央部周辺のセルの温度と比較して低い。このため、燃料電池の温度を表す指標として広く用いられている冷却媒体の温度は、実際の燃料電池の端部周辺のセルの温度と比較して、高くなる。従って、冷却媒体の温度に応じて燃料電池の出力制限量を決定した場合、燃料電池の端部周辺のセルに対しては、過剰な出力制限を課す（すなわち、出力制限量が大きすぎる）ことになる。このような過剰な出力制限は、燃料電池の各セルにおける発熱量の低下を招き、燃料電池の始動性の悪化の原因となる。この点、この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、燃料電池の端部周辺のセルから取得されたセル電圧が低下している場合に、燃料電池の出力制限に用いる出力制限量を、温度測定部により測定された冷却媒体の温度に応じた出力制限量よりも小さくする。このため、本形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の端部周辺のセルに対して過剰な出力制限を課すことを回避することができるため、燃料電池の各セルにおける発熱量を向上させると共に、燃料電池の始動性を向上させることができる。この結果、本形態の燃料電池システムによれば、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池の始動性を向上させることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて；前記制御部は、前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が前記第１の閾値以下となった場合における前記出力制限量を、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度よりも低い温度に補正された補正後の温度に応じて決定してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、燃料電池の出力制限量を、燃料電池の端部周辺のセルの温度に適合するように低く補正された補正後の温度に応じて決定することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて；前記制御部は、一次遅れ要素によって前記補正を行ってもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、一次遅れ要素によって補正後の温度を求める。このため、補正後の温度は、燃料電池の始動後から暫くの間は、温度測定部により測定された冷却媒体の温度よりも低い温度となり、その後、温度測定部により測定された冷却媒体の温度に近い温度となる。この結果、制御部は、燃料電池の始動後から暫くの間（例えば、燃料電池の暖機が進むまでのある程度の間）は、燃料電池の各セルにおける発熱量の向上と、それに伴う始動性の向上と、を優先させることができ、その後（例えば、燃料電池の暖機が進んだ後）は、セルの劣化の抑制を優先させることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて；前記制御部は；前記燃料電池システムの暖機中は、一次遅れ要素によって前記補正を行い；前記燃料電池システムの暖機終了後は、一次遅れ要素と、外気温に応じて決定された値と、のうち、前記補正の量が大きくなる一方によって前記補正を行ってもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、燃料電池システムの暖機中は、一次遅れ要素によって補正後の温度を求める。このため、燃料電池システムの暖機中は、燃料電池の各セルにおける発熱量の向上と、それに伴う始動性の向上と、を優先させることができる。また、制御部は、燃料電池システムの暖機終了後は、一次遅れ要素と外気温に応じて決定された値とのうち、補正の量が大きくなる一方、すなわち、補正後の温度がより低くなる一方によって補正後の温度を求める。このため、燃料電池システムの暖機終了後は、外気温を考慮して可能な限り始動性の向上を図りつつ、かつ、セルの劣化を抑制することができる。
（５）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；複数のセルが積層された燃料電池と；前記セルの電圧であるセル電圧を測定するセルモニタと；前記燃料電池の冷却に使用される冷却媒体の温度を測定する温度測定部と；前記セル電圧の低下に基づいて前記燃料電池の出力制限をする制御部であって、前記出力制限における出力制限量を前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた量とする制御部と、を備え；前記制御部は；前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が第１の閾値以下となり、かつ、前記燃料電池の全ての前記セルから取得された前記セル電圧が第２の閾値以下となった場合は；前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度よりも低い温度に補正された補正後の温度に応じた出力制限量と、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた前記出力制限量と、のうち、前記出力制限量が大きくなる一方を選択して前記出力制限をする。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、補正後の温度、すなわち、燃料電池の端部周辺のセルの温度に応じた出力制限量と、冷却媒体の温度、すなわち、燃料電池の温度に応じた出力制限量と、のうち、出力制限量が大きくなる一方を選択して燃料電池の出力制限をする。この結果、本形態によれば、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池の始動性を向上させた燃料電池システムにおいて、さらに、セルの劣化の抑制効果を大きくすることができる。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて；前記第１の閾値は、前記補正後の温度に応じて決定される値であり；前記第２の閾値は、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じて決定される値であってもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の端部周辺のセル電圧の低下を検出するための第１の閾値を、補正後の温度、すなわち、燃料電池の端部周辺のセルの温度に応じて決定することができる。また、燃料電池の全てのセル電圧の低下を検出するための第２の閾値を、冷却媒体の温度、すなわち、燃料電池の温度に応じて決定することができる。すなわち、本形態の燃料電池システムによれば、セル電圧の低下を検出するための閾値を精密に決定することができる。
本発明は、上記以外の種々の態様で実現できる。例えば、燃料電池システムの制御装置、燃料電池システムの制御方法、燃料電池の制御装置、燃料電池の制御方法、これらの制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。また、本発明の一形態としての燃料電池システムは、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池の始動性を向上させることを課題としている。しかし、この技術には、他にも、燃料電池システムにおける各種性能の向上、ユーザビリティの向上、燃料電池システムの制御方法の簡略化、共通化等が望まれている。
本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を表す図である。 出力制限量マップの一例を示す図である。 出力制限量決定処理の手順を示すフローチャートである。 端部温度の推定方法について説明する図である。 端部温度の推定方法の変形について説明する図である。 第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第２実施形態における出力制限量決定処理の手順を示すフローチャートである。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を表す図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、例えば電気自動車に搭載されて使用される。本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池の端部周辺のセルにおけるセル電圧の低下が検出された場合に、冷却媒体の温度に応じた出力制限量よりも小さな出力制限量で、燃料電池の出力制限をする。
ここで、「燃料電池の出力制限」とは、燃料電池システム１０が燃料電池に対して要求する電流に上限を設けることを意味する。また、「出力制限量」とは、燃料電池システム１０が燃料電池の出力制限をする際の、制限の大きさを意味する。出力制限量が大きい場合、燃料電池システム１０が燃料電池に対して要求する電流の上限が低くなり、出力制限量が小さい場合、燃料電池システム１０が燃料電池に対して要求する電流の上限が高くなる。また、「端部周辺のセル」とは、スタック構造に積層された複数のセルにおける、積層方向の最も外側に位置するセルを少なくとも含む、隣接した１個から数個のセルを意味する。「数個」とは、例えば、２，３個から５，６個程度であってもよいし、例えば、積層方向の最も外側に位置するセルから、積層方向における全セルの長さの１／２０以下の範囲内に存在するセルまでであってもよい。
燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給系２００と、酸化ガス供給系３００と、燃料電池冷却系４００と、負荷装置５００と、電源切換スイッチ６００と、バッテリー７００と、セルモニタ８００と、システムコントローラ９００と、を備えている。
燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０（以降、単に「セル１１０」とも呼ぶ）を積層したスタック構造を有している。セル１１０は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード側触媒電極層（以降、単に「アノード」とも呼ぶ）と、電解質膜の他方の面に配置されたカソード側触媒電極層（以降、単に「カソード」とも呼ぶ）と、を備えている。本実施形態では、電解質膜として固体高分子電解質膜を採用している。また、アノード側およびカソード側の触媒電極層として、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子および電解質を含む触媒を採用している。セル１１０は、アノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（例えば、水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化ガス（例えば、空気に含まれる酸素）と、の電気化学反応により電力を発生する。積層されたセル１１０の両端には、総合電極としての２つのターミナルプレート１１１が配置されている。
燃料ガス供給系２００は、水素タンク２１０と、流量調整部２２０と、加湿調整部２３０、循環コンプレッサ２４０と、気液分離部２５０と、切換弁２６０と、を備えている。燃料ガス供給系２００は、水素タンク２１０から、燃料電池１００を構成する各セル１１０のアノードに対して、燃料ガスである水素を供給する。水素の供給は、水素タンク２１０から、燃料ガス供給流路２７１ａ、流量調整部２２０、燃料ガス供給流路２７１ｂ、加湿調整部２３０、および、燃料ガス供給流路２７１ｃを介して行われる。流量調整部２２０は、システムコントローラ９００からの指示に従った流量および圧力となるように、水素の供給量を調整する。加湿調整部２３０は、水素の湿度がシステムコントローラ９００からの指示に従った状態となるように、水素の加湿温度を調整する。水素タンク２１０としては、例えば、高圧水素が貯蔵された水素タンクと圧力調整弁を採用できる。
また、燃料ガス供給系２００は、切換弁２６０を開くことにより、アノードで使用されなかった水素を、燃料電池システム１０の外部に排出する。水素の排出は、燃料ガス排出流路２７１ｄ、気液分離部２５０、および、切換弁２６０を介して行われる。また、燃料ガス供給系２００は、切換弁２６０を閉じることにより、アノードで使用されなかった水素を燃料ガス供給流路２７１ｃに戻し、燃料ガスとして再利用する。水素の再利用は、燃料ガス排出流路２７１ｄ、気液分離部２５０、循環流路２７１ｅ、循環コンプレッサ２４０、および、循環流路２７１ｆを介して行われる。循環コンプレッサ２４０は、システムコントローラ９００からの指示に従って、水素の循環量および圧力を調整する。
酸化ガス供給系３００は、吸気口３１０と、コンプレッサ３２０と、加湿調整部３３０と、封止弁３４０と、排気口３９０と、を備えている。酸化ガス供給系３００は、燃料電池１００を構成する各セル１１０のカソードに対して、酸化ガスである酸素を含む空気を供給する。空気の供給は、吸気口３１０から、酸化ガス供給流路３５１ａ、コンプレッサ３２０、酸化ガス供給流路３５１ｂ、加湿調整部３３０、および、酸化ガス供給流路３５１ｃを介して行われる。コンプレッサ３２０は、システムコントローラ９００からの指示に従った圧力となるように、吸気口３１０から取り込む空気量を調整する。加湿調整部３３０は、空気の湿度がシステムコントローラ９００からの指示に従った状態となるように、空気の加湿温度を調整する。
また、酸化ガス供給系３００は、燃料電池１００から排出された電気化学反応に使用された酸素の分だけ濃度の薄くなった排気ガスを、排気口３９０から排出する。排気ガスの排出は、酸化ガス排出流路３５１ｄ、封止弁３４０、および、酸化ガス排出流路３５１ｅを介して行われる。封止弁３４０は、燃料電池システム１０の停止時において、排気口３９０、酸化ガス排出流路３５１ｅ、封止弁３４０、および、酸化ガス排出流路３５１ｄを介して、空気がカソードに供給されることを抑制する。封止弁３４０は、空気の供給の抑制を、システムコントローラ９００からの指示に従い、その開閉状態を調整することにより実現する。
燃料電池冷却系４００は、ラジエータ４１０と、冷媒温度センサ４２０と、冷媒循環ポンプ４３０と、ロータリーバルブ４５０と、を備えている。燃料電池冷却系４００は、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００を冷却する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができるが、本実施形態としては水を採用する。ラジエータ４１０は、冷媒供給流路４４１ａと、冷媒排出流路４４１ｂとを介して燃料電池１００に接続されている。ラジエータ４１０は、冷却媒体を、冷媒供給流路４４１ａを介して燃料電池１００へ供給し、冷却に供された後の冷却媒体を、冷媒排出流路４４１ｂを介して受け取ることで、冷却媒体を循環させる。冷媒温度センサ４２０は、燃料電池１００から排出された後の冷却媒体の温度を測定する。冷媒温度センサ４２０の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。冷媒温度センサ４２０は「温度測定部」として機能する。冷媒循環ポンプ４３０と、ロータリーバルブ４５０とは、システムコントローラ９００からの指示に従って、冷却媒体の循環量および圧力を調整する。
負荷装置５００は、例えば、車両駆動用モータ等により構成される。負荷装置５００は、電源切換スイッチ６００を介して、燃料電池１００の正極側および負極側のターミナルプレート１１１にそれぞれ接続されている。インバータ５５０は、燃料電池１００またはバッテリー７００から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置５００に供給する。インバータ５５０は、燃料電池１００およびバッテリー７００と並列に接続されている。電流センサ５６０は、燃料電池１００と直列に接続され、燃料電池１００を流れる電流値を測定する。
バッテリー７００は、例えば、二次電池により構成される。バッテリー７００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７５０を介して負荷装置５００および燃料電池１００と並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ７５０は、バッテリー７００の出力電圧を昇圧してインバータ５５０に供給し、また、燃料電池１００の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー７００に供給する。本実施形態の燃料電池システム１０は、電源切換スイッチ６００がオフ（開）のときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ７５０とインバータ５５０を介して、バッテリー７００が負荷装置５００に接続される。一方、電源切換スイッチ６００がオン（閉）のときには、燃料電池１００が負荷装置５００に接続される。
セルモニタ８００は、燃料電池１００を構成する各セル１１０と接続されており、各セル１１０におけるセル電圧をそれぞれ測定する。セル電圧とは、カソードおよびアノードの各電極における電位差を意味する。本実施形態のセルモニタ８００は、燃料電池１００を構成するセル１１０の全てに対してそれぞれ接続されており、各セル１１０におけるセル電圧を個別に測定することができる。しかし、セルモニタ８００は、燃料電池１００を構成するセル１１０の一部に対して接続されており、当該一部のセル１１０におけるセル電圧を取得してもよい。セルモニタ８００の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。
システムコントローラ９００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１０と、記憶部９２０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９３０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９４０と、外気温を測定する外気温センサ９５０と、を備えている。システムコントローラ９００は、燃料電池システム１０の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。
ＣＰＵ９１０は、ＲＯＭ９３０に格納されている制御プログラムを読み出して実行することにより、燃料電池システム１０の各構成要素の動作を制御すると共に、制御部９１２、端部温度推定部９１４として機能する。記憶部９２０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等によって構成されている。記憶部９２０には、出力制限量マップ９２２が予め記憶されている。
制御部９１２は、燃料電池１００に対して要求する電流に上限を設けることで、燃料電池１００の出力制限をする。制御部９１２が燃料電池１００の出力制限をすることによって生じた電力の不足は、例えばバッテリー７００によって補われる。また、制御部９１２は、後述の出力制限量決定処理を実行することによって、制御部９１２が燃料電池１００の出力制限をする際の、制限の大きさ（出力制限量）を決定する。端部温度推定部９１４は、出力制限量決定処理において、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度を推定する。
図２は、出力制限量マップ９２２の一例を示す図である。出力制限量マップ９２２には、制限開始電圧（Ｖ）と、温度（℃）により定まる閾値（図２、破線）とが、対応付けられて記憶されている。制限開始電圧は、制御部９１２が燃料電池１００の出力制限を開始すべき電圧を意味する。セル電圧の低下に伴うセル１１０の劣化は、セル１１０の温度が高くなるにつれて進行しやすいという性質がある。このため、出力制限量マップ９２２の閾値（破線）は、制限開始電圧と温度とが正の相関関係を持つように規定されている。なお、図２に示した出力制限量マップ９２２は一例に過ぎず、具体的な電圧の値、温度、閾値については適宜変更することができる。
Ａ−２．出力制限量決定処理：
図３は、出力制限量決定処理の手順を示すフローチャートである。出力制限量決定処理は、制御部９１２と端部温度推定部９１４とが協働することにより実行される。出力制限量決定処理は、燃料電池システム１０の始動後、所定の間隔を空けて繰り返し実行される。所定の間隔は任意に定めることができる。
ステップＳ１０において制御部９１２は、冷却媒体温度を取得する。具体的には、制御部９１２は、冷媒温度センサ４２０から、冷媒温度センサ４２０によって測定された最新の冷却媒体の温度を取得し、この温度を冷却媒体温度とする。なお、冷媒温度センサ４２０により取得された冷却媒体の温度は、燃料電池１００から排出された後の冷却媒体の温度であるため、冷却媒体温度は、燃料電池１００を構成する複数のセル１１０の平均温度と同視できる。
ステップＳ１２において端部温度推定部９１４は、端部温度を推定する。「端部温度」とは、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度を意味する。具体的には、端部温度推定部９１４は、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度に対して一次遅れフィルタを適用することにより求められた値を、端部温度とする。端部温度は、「補正後の温度」として機能する。
図４は、端部温度の推定方法について説明する図である。図３のステップＳ１２で説明した通り、端部温度推定部９１４は、冷却媒体温度Ｔｆｃに対して一次遅れフィルタｆｌｔを適用することで、端部温度ＴＥｆｃを求める（式１）。
ＴＥｆｃ＝ ｆｌｔ（Ｔｆｃ） ・・・（１）
図４では、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度Ｔｆｃと、ステップＳ１２で推定された端部温度ＴＥｆｃとの、時間経過に伴う推移を表している。図４では、冷却媒体温度Ｔｆｃを実線で、端部温度ＴＥｆｃを破線で、それぞれ表している。一次遅れフィルタが適用された結果、図示のように端部温度ＴＥｆｃは、燃料電池システム１０の始動後、一定の時間に亘って冷却媒体温度Ｔｆｃよりも低い値となる。一般的に、燃料電池１００において、端部周辺のセル１１０は、スタック構造の中央部周辺に位置するセル１１０と比較して放熱しやすく、かつ、昇温性が悪いため、温度が低いという特徴がある。このため、出力制限量決定処理（図３）のステップＳ１２によれば、端部温度推定部９１４は、端部温度ＴＥｆｃを実情に近い値に補正することができる。
図３のステップＳ１４において制御部９１２は、各セル１１０のセル電圧を取得する。具体的には、制御部９１２は、セルモニタ８００によって測定された各セル１１０における最新のセル電圧をそれぞれ取得する。
ステップＳ１６において制御部９１２は、端部セルの最小電圧が、第１の閾値以下であるか否かを判定する。具体的には、制御部９１２は、以下の手順ａ１〜ａ４を実行する。
（ａ１）制御部９１２は、ステップＳ１４で取得された各セル１１０のセル電圧の中から、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０におけるセル電圧を、それぞれ抽出する。
（ａ２）制御部９１２は、手順ａ１で抽出したセル電圧の中から、最小のセル電圧を抽出し「端部セルの最小電圧」とする。
（ａ３）制御部９１２は、第１の閾値を求める。具体的には、制御部９１２は、出力制限量マップ９２２を参照し、ステップＳ１２で推定された端部温度ＴＥｆｃに対応した制限開始電圧を求め、第１の閾値とする。このように、第１の閾値は、端部温度ＴＥｆｃに応じて決定される値である。
（ａ４）制御部９１２は、手順ａ２で求めた端部セルの最小電圧が、手順ａ３で求めた第１の閾値（端部温度に対応した制限開始電圧）以下であるか否かを判定する。
端部セルの最小電圧が第１の閾値より大きい場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、ステップＳ１８において制御部９１２は、燃料電池１００に対する出力制限を実施しない（すなわち、出力制限量＝０）と判定し、処理を終了する。
端部セルの最小電圧が第１の閾値以下である場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、ステップＳ２０において制御部９１２は、端部セルの最小電圧（手順ａ２）と、第１の閾値として求められた制限開始電圧（手順ａ３）と、の乖離量に応じて、燃料電池１００に対する出力制限量を求める。制御部９１２は、出力制限量を任意の方法で求めることができる。例えば、記憶部９２０に予め用意されたマップを利用して求めてもよく、所定の計算式によって求めてもよい。出力制限量を求めた後、制御部９１２は処理を終了し、燃料電池１００に対して要求する電流に対して得られた出力制限量に基づく上限を設ける。
このように、本実施形態の出力制限量決定処理によれば、制御部９１２は、冷却媒体温度よりも低い温度に補正された端部温度（ステップＳ１２）によって、第１の閾値を決定する（ステップＳ１６、手順ａ３）。出力制限量マップ９２２（図２）において制限開始電圧と温度とは正の相関関係があるため、第１の閾値として求められる制限開始電圧は、冷却媒体温度によって決定される制限開始電圧よりも低くなる。この結果、端部セルの最小電圧と、第１の閾値として求められた制限開始電圧との乖離量（ステップＳ２０）は、端部セルの最小電圧と、冷却媒体温度によって決定される制限開始電圧との乖離量と比べて、小さくなる。制御部９１２は、上記のようにして、冷却媒体温度を利用した場合よりも小さく補正された乖離量に応じて出力制限量を求める（ステップＳ２０）。従って、本実施形態の出力制限量決定処理によれば、制御部９１２は、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０におけるセル電圧の低下が検出された場合に、冷却媒体温度に応じた出力制限量よりも小さな出力制限量で、燃料電池１００の出力制限をすることができる。
なお、ステップＳ１６では、端部セルの最小電圧と第１の閾値とを比較した。しかし、ステップＳ１６において制御部９１２は、端部セルのセル電圧の統計値（例えば、平均値、中央値、最頻値等）と、第１の閾値とを比較してもよい。また、制御部９１２は、端部セルの各セル電圧と、第１の閾値とをそれぞれ比較してもよい。それぞれ比較する場合、制御部９１２は、いずれか１つのセルにおいてセル電圧が第１の閾値以下となった場合にステップＳ１６の条件が成立したと判定してもよく、ｎ個（ｎは２以上の整数）のセルおいてセル電圧が第１の閾値以下となった場合にステップＳ１６の条件が成立したと判定してもよい。
燃料電池１００の出力制限量は、燃料電池１００の温度と正の相関がある。すなわち、燃料電池１００の温度が高ければ高いほど出力制限量は大きくなり、燃料電池１００の温度が低ければ低いほど出力制限量は小さくなる。一方、本実施形態のように、複数のセル１１０を備える燃料電池１００の場合、燃料電池１００の各セル１１０の温度は均一ではない。例えば、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度は、燃料電池１００の中央部周辺のセル１１０の温度と比較して低い。このため、燃料電池１００の温度を表す指標として広く用いられている冷却媒体の温度（冷却媒体温度Ｔｆｃ）は、実際の燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度（端部温度ＴＥｆｃ）と比較して、高くなる。従って、冷却媒体の温度に応じて燃料電池１００の出力制限量を決定した場合、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０に対しては、過剰な出力制限を課す（すなわち、出力制限量が大きすぎる）ことになる。このような過剰な出力制限は、燃料電池１００の各セル１１０における発熱量の低下を招き、燃料電池１００始動性の悪化の原因となる。
この点、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御部９１２は、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０から取得されたセル電圧が低下している場合（図３、ステップＳ１６：ＹＥＳ）に、実際の燃料電池１００の出力制限に用いる出力制限量を、温度測定部（冷媒温度センサ４２０）により測定された冷却媒体の温度（冷却媒体温度Ｔｆｃ）に応じた出力制限量よりも小さくする（図３、ステップＳ２０）。このため、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０に対して過剰な出力制限を課すことを回避することができるため、燃料電池１００の各セル１１０における発熱量を向上させると共に、燃料電池１００の始動性を向上させることができる。この結果、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池１００の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池１００の始動性を向上させることができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御部９１２は、燃料電池１００の出力制限量を、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度に適合するように低く補正された補正後の温度（端部温度ＴＥｆｃ）によって決定することができる（図３、ステップＳ２０）。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御部９１２は、一次遅れフィルタｆｌｔによって補正後の温度（端部温度ＴＥｆｃ）を求める（図３、ステップＳ１２）。このため、補正後の温度は、燃料電池１００の始動後から暫くの間は、温度測定部（冷媒温度センサ４２０）により測定された冷却媒体の温度（冷却媒体温度Ｔｆｃ）よりも低い温度となり、その後、温度測定部により測定された冷却媒体の温度に近い温度となる（図４）。この結果、制御部９１２は、燃料電池１００の始動後から暫くの間（例えば、燃料電池１００の暖機が進むまでのある程度の間）は、燃料電池１００の各セル１１０における発熱量の向上と、それに伴う始動性の向上と、を優先させることができ、その後（例えば、燃料電池１００の暖機が進んだ後）は、セル１１０の劣化の抑制を優先させることができる。セル電圧の低下に伴うセル１１０の劣化は、セル１１０の温度が高くなるにつれて進行しやすいという性質がある。このため、本実施形態のように、セル１１０の温度が上がっていない燃料電池１００の始動後においては、出力制限量を大きくすることにより得られるセル１１０の劣化の抑制効果よりも、出力制限量を小さくすることにより得られる始動性の向上効果を優先させることが好ましいためである。
Ａ−３．端部温度の推定方法の変形：
図５は、端部温度の推定方法の変形について説明する図である。図３で説明した出力制限量決定処理において、端部温度の推定（ステップＳ１２）は、上述した手順に代えて、以下の手順ｂ１〜ｂ３により実施されてもよい。
（ｂ１）端部温度推定部９１４は、燃料電池システム１０が暖機中であるか否かを判定する。具体的には、端部温度推定部９１４は、ステップＳ１０により取得された冷却媒体温度が、所定の目標温度以下である場合は燃料電池システム１０が暖機中であると判定し、所定の目標温度より高い場合は燃料電池システム１０の暖機が終了した（暖機中でない）と判定する。所定の目標温度は、予め定められて記憶部９２０に格納されている。所定の目標温度は、例えば外気温に応じて変動してもよい。
（ｂ２）燃料電池システム１０が暖機中である場合：端部温度推定部９１４は、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度Ｔｆｃに対して一次遅れフィルタｆｌｔを適用することで求められた値、すなわち、図３のステップＳ１２で説明した式１により求められた値を、端部温度ＴＥｆｃとする。
（ｂ３）燃料電池システム１０の暖機が終了している場合：まず、端部温度推定部９１４は、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度Ｔｆｃから、外気温に応じて決定された所定のオフセット値ΔＴを減じる（式２）。所定のオフセット値ΔＴは、外気温ごとに予め定められて記憶部９２０に格納されている。
Ｔｆｃ−ΔＴ（外気温） ・・・（２）
次に、端部温度推定部９１４は、冷却媒体温度Ｔｆｃに対して一次遅れフィルタｆｌｔを適用した値（式１の右項）と、冷却媒体温度Ｔｆｃから所定のオフセット値ΔＴを減じた値（式２）と、を比較し、いずれか小さい一方の値を、端部温度ＴＥｆｃとする。
図５では、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度Ｔｆｃと、ステップＳ１２の変形において推定された端部温度ＴＥｆｃとの、時間経過に伴う推移を表している。図示のように、一点鎖線の丸で囲んだ暖機終了前においては、一次遅れフィルタが適用された結果として、端部温度ＴＥｆｃは、冷却媒体温度Ｔｆｃよりも低い値となる。また、暖機終了後においても、一次遅れフィルタと外気温に基づくオフセット値の減算とのうち、補正後の温度が低くなる一方（すなわち、補正の量が大きくなる一方）が適用された結果として、端部温度ＴＥｆｃは、冷却媒体温度Ｔｆｃよりも低い値となる。
以上のように、本変形の燃料電池システム１０によれば、制御部９１２は、燃料電池システム１０の暖機中は、一次遅れフィルタｆｌｔによって補正後の温度（端部温度ＴＥｆｃ）を求める。このため、燃料電池システム１０の暖機中は、燃料電池１００の各セル１１０における発熱量の向上と、それに伴う始動性の向上と、を優先させることができる。また、制御部９１２は、燃料電池システム１０の暖機終了後は、一次遅れフィルタｆｌｔと外気温に応じて決定された値（ΔＴ）とのうち、補正の量が大きくなる一方、すなわち、補正後の温度がより低くなる一方によって補正後の温度を求める。このため、燃料電池システム１０の暖機終了後は、外気温を考慮して可能な限り始動性の向上を図りつつ、かつ、セル１１０の劣化を抑制することができる。
Ｂ．第２実施形態：
本発明の第２実施形態では、出力制限量決定処理における処理内容が相違する構成について説明する。図中において第１実施形態と同様の構成および処理を有する部分は、先に説明した第１実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。すなわち、以下に説明しない構成および処理は、上述した第１実施形態と同様である。
Ｂ−１．燃料電池システムの構成：
図６は、第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。図１に示した第１実施形態との違いは、燃料電池システム１０ａが、制御部９１２に代えて制御部９１２ａを備える点のみである。制御部９１２ａは、実行する出力制限量決定処理における処理内容が、第１実施形態とは異なる。
Ｂ−２．出力制限量決定処理：
図７は、第２実施形態における出力制限量決定処理の手順を示すフローチャートである。図３に示した第１実施形態との違いは、ステップＳ２０に代えてステップＳ２６を備える点と、さらに、ステップＳ２１〜Ｓ３０を備える点である。
出力制限量決定処理の開始後、ステップＳ２１において制御部９１２ａは、処理内部で使用する変数ｉに０をセットすることで、変数ｉを初期化する。ステップＳ１０〜Ｓ１４は、図３で説明した第１実施形態と同様である。
ステップＳ２２において制御部９１２ａは、全セルの最小電圧が、第２の閾値以下であるか否かを判定する。具体的には、制御部９１２ａは、以下の手順ｃ１〜ｃ３を実行する。
（ｃ１）制御部９１２ａは、ステップＳ１４で取得された各セル１１０のセル電圧の中から、最小のセル電圧を抽出し「全セルの最小電圧」とする。ここでは、端部周辺のセル１１０におけるセル電圧が抽出されてもよく、中央部周辺のセル１１０におけるセル電圧が抽出されてもよい。
（ｃ２）制御部９１２ａは、第２の閾値を求める。具体的には、制御部９１２ａは、出力制限量マップ９２２を参照し、ステップＳ１０で取得された冷却媒体温度Ｔｆｃに対応した制限開始電圧を求め、第２の閾値とする。このように、第２の閾値は、冷却媒体温度Ｔｆｃに応じて決定される値である。
（ｃ３）制御部９１２ａは、手順ｃ１で求めた全セルの最小電圧が、手順ｃ２で求めた第２の閾値（冷却媒体温度に対応した制限開始電圧）以下であるか否かを判定する。
全セルの最小電圧が第２の閾値より大きい場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、制御部９１２ａは、処理をステップＳ１６へ遷移させる。一方、全セルの最小電圧が第２の閾値以下である場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２４において制御部９１２ａは、全セルの最小電圧（手順ｃ１）と、第２の閾値として求められた制限開始電圧（手順ｃ２）と、の乖離量をＲＡＭ９４０や記憶部９２０に記憶させる。その後、制御部９１２ａは、変数ｉに１をセットし、処理をステップＳ１６へ遷移させる。
ステップＳ１６において制御部９１２ａは、端部セルの最小電圧が、第１の閾値として求められた制限開始電圧以下であるか否かを判定する。詳細は、図３のステップＳ１６と同様である。
端部セルの最小電圧が第１の閾値より大きい場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、制御部９１２ａは、処理をステップＳ２８へ遷移させる。一方、端部セルの最小電圧が第１の閾値以下である場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、ステップＳ２６において制御部９１２ａは、端部セルの最小電圧（手順ａ２）と、第１の閾値として求められた制限開始電圧（手順ａ３）と、の乖離量をＲＡＭ９４０や記憶部９２０に記憶させる。その後、制御部９１２ａは、変数ｉに１をセットし、処理をステップＳ２８へ遷移させる。
ステップＳ２８において制御部９１２ａは、変数ｉが０であるか否かを判定する。
変数ｉが０である場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）、ステップＳ１８において制御部９１２ａは、燃料電池１００に対する出力制限を実施しない（すなわち、出力制限量＝０）と判定し、処理を終了する。
変数ｉが０でない場合（ステップＳ２８：ＮＯ）、ステップＳ３０において制御部９１２ａは、ステップＳ２４で記憶された乖離量と、ステップＳ２６で記憶された乖離量と、のうち、いずれか大きい一方の値を取得する。ＲＡＭ９４０等に１つしか乖離量が記憶されていない場合、制御部９１２ａは、記憶されている乖離量を取得する。制御部９１２ａは、取得した乖離量に応じて、燃料電池１００に対する出力制限量を求める。出力制限量を求めた後、制御部９１２ａは処理を終了し、システムコントローラ９００が燃料電池１００に対して要求する電流に対して、得られた出力制限量に基づく電流制限を設ける。
なお、第１実施形態と同様に、ステップＳ１６において制御部９１２ａは、端部セルのセル電圧の統計値と第１の閾値とを比較してもよく、端部セルの各セル電圧と第１の閾値とをそれぞれ比較してもよい。同様に、ステップＳ２２において制御部９１２ａは、全セルのセル電圧の統計値と第２の閾値とを比較してもよく、全セルについて、各セル電圧と第２の閾値とをそれぞれ比較してもよい。
Ｂ−３．端部温度の推定方法の変形：
第２実施形態の出力制限量決定処理において、端部温度の推定（ステップＳ１２）は、図５で説明した手順ｂ１〜ｂ４により実施されてもよい。
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１０ａによれば、制御部９１２ａは、補正後の温度（端部温度ＴＥｆｃ）、すなわち、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度に応じた出力制限量と、冷却媒体の温度（冷却媒体温度Ｔｆｃ）、すなわち、燃料電池１００の温度に応じた出力制限量と、のうち、出力制限量が大きくなる一方を選択して（図７、ステップＳ３０）燃料電池１００の出力制限をする。この結果、本実施形態の燃料電池システム１０ａによれば、冷却媒体の温度を利用して簡便に燃料電池１００の出力制限をしつつ、かつ、燃料電池１００の始動性を向上させた燃料電池システム１０ａにおいて、さらに、セル１１０の劣化の抑制効果を大きくすることができる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１０ａによれば、燃料電池１００の端部周辺のセル電圧の低下を検出するための第１の閾値を、補正後の温度（端部温度ＴＥｆｃ）、すなわち、燃料電池１００の端部周辺のセル１１０の温度に応じて決定することができる。また、燃料電池１００の全てのセル電圧の低下を検出するための第２の閾値を、冷却媒体の温度（冷却媒体温度Ｔｆｃ）、すなわち、燃料電池１００の温度に応じて決定することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０ａによれば、セル電圧の低下を検出するための閾値を精密に決定することができる。
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
・変形例１：
上記実施形態では、燃料電池システムの構成の一例を示した。しかし、燃料電池システムの構成は種々の変更が可能であり、例えば、構成要素の追加、削除、置換等を実施することができる。
例えば、燃料電池としては、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池を採用することができる。
・変形例２：
上記実施形態では、出力制限量決定処理の一例について説明した。しかし、図３、７に示した処理の手順はあくまで一例であり、種々の変形が可能である、例えば、一部のステップを省略してもよいし、更なる他のステップを追加してもよい。また、実行されるステップの順序を変更してもよい。
例えば、端部温度を推定するために採用された手段（一次遅れフィルタ、外気温に基づくオフセット値）は、あくまで一例に過ぎず、種々の変更が可能である。例えば、端部温度推定部は、一定のオフセット値を利用して端部温度を推定してもよく、燃料電池システムが始動されてからの経過時間に応じたオフセット値を利用して端部温度を推定してもよい。
例えば、上記実施形態では、燃料電池の一方の端部周辺におけるセル電圧および端部温度と、他方の端部周辺におけるセル電圧および端部温度と、を区別せずに処理を行った。しかし、端部温度推定部は、燃料電池の一方の端部と他方の端部とを区別して、それぞれについての端部温度を推定してもよい。また、制御部は、燃料電池の一方の端部と他方の端部とを区別して、セル電圧を取得し、図３、７の制御を実施してもよい。
・変形例３：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０、１０ａ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…セル
１１１…ターミナルプレート
２００…燃料ガス供給系
２１０…水素タンク
２２０…流量調整部
２３０…加湿調整部
２４０…循環コンプレッサ
２５０…気液分離部
２６０…切換弁
２７１ａ〜ｄ…燃料ガス排出流路
２７１ｅ、ｆ…循環流路
３００…酸化ガス供給系
３１０…吸気口
３２０…コンプレッサ
３３０…加湿調整部
３４０…封止弁
３５１ａ〜ｃ…酸化ガス供給流路
３５１ｄ、ｅ…酸化ガス排出流路
３９０…排気口
４００…燃料電池冷却系
４１０…ラジエータ
４２０…冷媒温度センサ
４３０…冷媒循環ポンプ
４４１ａ…冷媒供給流路
４４１ｂ…冷媒排出流路
４５０…ロータリーバルブ
５００…負荷装置
５５０…インバータ
５６０…電流センサ
６００…電源切換スイッチ
７００…バッテリー
７５０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
８００…セルモニタ
９００…システムコントローラ
９１０…ＣＰＵ
９１２、９１２ａ…制御部
９１４…端部温度推定部
９２０…記憶部
９２２…出力制限量マップ
９３０…ＲＯＭ
９４０…ＲＡＭ
９５０…外気温センサ

Claims (6)

  1. 複数のセルが積層された燃料電池と、
    前記セルの電圧であるセル電圧を測定するセルモニタと、
    前記燃料電池の冷却に使用される冷却媒体の温度を測定する温度測定部と、
    前記セル電圧の低下に基づいて前記燃料電池の出力制限をする制御部であって、前記出力制限における出力制限量を前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた量とする制御部と、
    を備える燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、
    前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が第１の閾値以下となった場合は、前記出力制限に用いる出力制限量を、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた前記出力制限量よりも小さくする、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であって、
    前記制御部は、前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が前記第１の閾値以下となった場合における前記出力制限量を、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度よりも低い温度に補正された補正後の温度に応じて決定する、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、一次遅れ要素によって前記補正を行う、燃料電池システム。
  4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記燃料電池システムの暖機中は、一次遅れ要素によって前記補正を行い、
    前記燃料電池システムの暖機終了後は、一次遅れ要素と、外気温に応じて決定された値と、のうち、前記補正の量が大きくなる一方によって前記補正を行う、燃料電池システム。
  5. 複数のセルが積層された燃料電池と、
    前記セルの電圧であるセル電圧を測定するセルモニタと、
    前記燃料電池の冷却に使用される冷却媒体の温度を測定する温度測定部と、
    前記セル電圧の低下に基づいて前記燃料電池の出力制限をする制御部であって、前記出力制限における出力制限量を前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた量とする制御部と、
    を備える燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、
    前記燃料電池の端部周辺の前記セルから取得された前記セル電圧が第１の閾値以下となり、かつ、前記燃料電池の全ての前記セルから取得された前記セル電圧が第２の閾値以下となった場合は、
    前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度よりも低い温度に補正された補正後の温度に応じた出力制限量と、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じた前記出力制限量と、のうち、前記出力制限量が大きくなる一方を選択して前記出力制限をする、燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記第１の閾値は、前記補正後の温度に応じて決定される値であり、
    前記第２の閾値は、前記温度測定部により測定された前記冷却媒体の温度に応じて決定される値である、燃料電池システム。
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