WO2009084447A1

WO2009084447A1 - 燃料電池システム

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Publication number: WO2009084447A1
Application number: PCT/JP2008/073053
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Kota Manabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2009-07-09
Also published as: JP4424419B2; US20100273075A1; US9225028B2; DE112008003533B8; CN101911357B; JP2009158399A; CN101911357A; DE112008003533B4; DE112008003533T5

Abstract

急速暖機などによってセル電圧を低下させる場合であっても、適正な電流制限を実施することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】急速暖機が開始されると、セル電圧許容値設定部８０ｃは、燃料電池の運転状態に応じた最低セル電圧許容値を設定する。一方、セル電圧目標値設定部８０ｄは、最低セル電圧目標値の初期値を設定する。その後、セル電圧目標値設定部８０ｄは、セルモニタによって検出される最低セル電圧と、設定した最低セル電圧目標値とを比較し、最低セル電圧が最低セル電圧目標値の付近に一定時間連続して収束しているか否かを判定する。セル電圧目標値設定部８０ｄは、肯定的な判定が得られると、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶだけ下げた値に更新する。

Description

燃料電池システム

　本発明は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

　水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

　アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

　ここで、下記特許文献１には、燃料電池を始動する際にアノードに供給される燃料ガス及びカソードに供給される酸化ガスの少なくともいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させてさらなる熱を発生させることで、燃料電池の温度を上昇させる急速暖機を行う技術が開示されている。
特表２００３－５０４８０７号

　ところで、急速暖機を行う際には、燃料電池のセル電圧を予め設定された閾値（許容値）まで下げる必要があるが、従来はセル電圧が許容値を下回るまで電流制限を行っていなかった。しかしながら、セル電圧が許容値を下回ってから電流制限したのでは急速暖機時のセル電圧の低下スピードが速いために、電流制限が追いつかず、セル電圧が許容値を大幅に下回ってしまうという題が生じていた。

　本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、急速暖機などによってセル電圧を低下させる場合であっても、適正な電流制限を実施することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

　以上説明した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池と、セル電圧を検知する検知手段と、前記セル電圧の最低目標電圧を設定する設定手段と、検知されるセル電圧が前記最低目標電圧に達した場合に、前記燃料電池の電流制限を行う制御手段とを備え、前記設定手段は、検知されるセル電圧と前記最低目標電圧との関係が所定条件を満たす場合に、前記最低目標電圧を段階的に更新することを特徴とする。

　かかる構成によれば、検知されるセル電圧と最低目標電圧との関係が所定条件を満たす場合（例えば、セル電圧が最低目標電圧の付近に一定時間連続して収束している場合や、セル電圧が最低目標電圧の付近から離れて一定時間連続して高くなっている場合など）に、最低目標電圧を段階的に更新する。電流制限の際には、このように更新される最低セル電圧目標値が利用されるため、セル電圧と最低目標電圧とが大きくかけ離れてしまい、セル電圧を制御し切れずにセル電圧が最低目標電圧を大幅に低下してしまう、といった問題を未然に防止することができる。

　ここで、上記構成にあっては、前記設定手段は、前記セル電圧の最低目標電圧として、該セル電圧の最低許容値よりも高い値を設定する態様が好ましい。

　さらにまた、上記構成にあっては、前記設定手段は、検知されるセル電圧が前記最低目標電圧の閾値範囲に入り、該状態が所定時間以上継続した場合に、現時点で設定されている最低目標電圧を下げる態様が好ましい。

　また、上記構成にあっては、前記設定手段は、検知されるセル電圧が、所定回数以上、前記最低目標電圧の閾値範囲に入った場合に、前記最低目標電圧を下げる態様も好ましい。

　さらに、上記構成にあっては、前記設定手段は、検知されるセル電圧が、前記最低目標電圧に更新マージンを加算した値を越え、該状態が所定時間以上継続した場合に、現時点で設定されている最低目標電圧を上げる態様も好ましい。

　さらにまた、上記構成にあっては、前記設定手段は、検知されるセル電圧が、所定回数以上、前記最低目標電圧に更新マージンを加算した値を越えた場合に、前記最低目標電圧を上げる態様も好ましい。

　また、上記構成にあっては、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記セル電圧の最低許容値を設定する許容値設定手段をさらに具備する態様も好ましい。

　さらにまた、上記構成にあっては、前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池の関連温度、前記燃料電池の出力電流、または前記燃料電池に対する反応ガスの供給状態のいずれかである態様が好ましい。

　また、本発明に係る別の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池と、セル電圧を検知する検知手段と、前記セル電圧の最低目標電圧を設定する設定手段と、検知されるセル電圧が前記最低目標電圧に到達した場合に、前記燃料電池の電流制限を行う制御手段とを備え、前記設定手段は、前記制御手段によって電流制限が行われている間、前記燃料電池に対する出力電流の指令値が、所定時間以上前記出力電流の下限値に設定されている場合には、現時点で設定されている最低目標電圧を、前記検知手段によって検知される実測セル電圧に更新することを特徴とする。

　本発明によれば、急激なセル電圧の低下等が生じた場合であっても、適正な電流制限を実施することが可能となる。

Ａ．本実施形態
　図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

　図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸素を含む酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。

　燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

　アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

　Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－・・・（１）
　（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
　Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（３）

　なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

　燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

　燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスを貯蔵する燃料ガス供給装置４２、当該燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

　燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁（エジェクタ）４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

　循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７および水素ポンプ５５前後の循環経路圧力を検出する圧力センサ５８・５９が設置されている。

　また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

　一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１、およびカソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとしてカソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５のエア供給圧力を検出する圧力センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

　また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ－ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

　さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０の各セルにおける電圧を検出するセルモニタ１０１が燃料電池２０に接続されている。セルモニタ（検知手段）１０１は、各セルのセル電圧を検出するようになっており、さらにセル電圧の最低値である最低セル電圧も検出するものである。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

　インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

　電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスの測定結果により、燃料電池２０の状態（含水量や発電状態など）を把握する。

　さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、５８、５９、回転数センサ５７、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。本実施形態では、燃料電池２０の冷却水の温度を測定するセンサとして温度センサ３２、３６を例示したが、燃料電池周辺の外気温度や部品温度など、燃料電池２０に関わる温度（以下、スタック関連温度と総称）を検知しても良い。

　制御部８０は、燃料電池システム１０の出力電力を制御するに際して、例えば、急速暖機中では、車両用補機損失パワー、バッテリ充電量、高圧補機９６のパワー制限率に基づいて、車両システム要求パワー（システムに要求されるシステム要求電力）Ｐｒｅｑを演算し、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０の出力する二次側電圧でシステム要求パワーＰｒｅｑを除して車両システム要求電流Ｉｒｅｑを演算する。その際、セルモニタ１０１が検出した最低セル電圧に基づく電流制限処理を行う。

　本実施形態では、当該車両の運転を停止している状態（すなわち、車両走行前の起動準備段階；以下、起動準備状態という）において、スタック関連温度が所定温度（例えば０℃）未満であることが検知されると、低効率運転を開始し（すなわち起動準備状態から低効率運転状態へ移行し）、燃料電池２０の急速暖機を行う。

　ここで、低効率運転とは、通常運転に比してエアの供給量を絞る（例えば、エアストイキ比を１．０付近に設定する）ことにより、発電損失を高めて低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりも濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大する。

　このような低効率運転による急速暖機は、車両走行前（起動準備状態→低効率運転状態）だけでなく、車両走行中や車両停止時（通常運転状態→低効率運転状態）などにも実行される。また、低効率運転時のエアストイキ比（すなわち酸素余剰率）は１．０付近に限定する趣旨ではなく、通常運転に比して小さい値であれば任意に設定・変更可能である。　　　

　図２は、制御部８０が所定のコンピュータプログラムを実行することにより実現される機能ブロック図である。
　図２に示すように、制御部８０は、急速暖機判定部８０ａと、要求電力算出部８０ｂと、セル電圧許容値設定部８０ｃと、セル電圧目標値設定部８０ｄと、電流・電圧指令値算出部８０ｅとを備えて構成されている。

　急速暖機判定部８０ａは、温度センサ３２、３５によって検知されるスタック関連温度に基づき、急速暖機の実行開始・停止などを判定する。詳述すると、急速暖機判定部８０ａは、起動準備状態においてスタック関連温度が第１閾値温度（例えば０℃）未満であることを検知すると、急速暖機の実行を開始すべきと判断し、急速暖機の実行開始指示を、セル電圧許容値設定部８０ｃ、セル電圧目標値設定部８０ｄ、電流・電圧指令値算出部８０ｅに出力する。一方、急速暖機判定部８０ａは、スタック関連温度が第２閾値温度（例えば０℃～８０℃）以上になったことを検知、あるいは急速暖機開始から所定時間以上経過したことを検知等すると、急速暖機の実行停止指示を電流・電圧指令値算出部８０ｅに出力する。

　要求電力算出部８０ｂは、車両用補機損失パワー、バッテリ充電量、高圧補機９６のパワー制限率等に基づいて、システム要求電力（ここでは燃料電池１２に対する要求電力）を算出し、算出した要求電力を電流・電圧指令値算出部８０ｅに出力する。

　セル電圧許容値設定部（許容値設定手段）８０ｃは、燃料電池２０の運転状態に基づいて最低セル電圧許容値を設定する機能を備えている。最低セル電圧許容値とは、燃料電池の保護のため、低温時にセル電圧として許容できる電圧（セル電圧の最低許容値）をあらわすものであり、例えば燃料ガス欠乏時の逆電位と抵抗値によるカソード電位減少量などから算出される。この最低セル電圧許容値は、予め実験などによって求められ、実験結果に基づき最低セル電圧許容値を決定するための許容値マップが作成される。この許容値マップには、燃料電池２０の運転状態、具体的にはスタック関連温度や、燃料電池２０の出力電流、さらには燃料電池２０に対する燃料ガスの供給状態（燃料ガスの供給状態が正常であるか、異常であるか）などに応じた最低セル電圧許容値が種々登録されている。

　セル電圧許容値設定部８０ｃは、温度センサ３２、３５によって検知されるスタック関連温度や、電流センサ９８によって検知される燃料電池２０の出力電流、圧力センサ４４や流量計(図示略）などによって検知される単位時間あたりの燃料ガス流量などから、燃料電池２０の運転状態を把握すると、許容値マップを参照し、該運転状態に応じた最低セル電圧許容値を設定する。そして、セル電圧許容値設定部８０ｃは、設定した最低セル電圧許容値をセル電圧目標値設定部８０ｄに通知する。

　セル電圧目標値設定部（設定手段）８０ｄは、最低セル電圧の目標値（最低目標電圧）を設定する機能や、検知されるセル電圧が最低セル電圧の目標値（以下、最低セル電圧目標値）との関係で所定条件を満たす場合に該最低セル電圧目標値を段階的に更新する機能、さらには更新した最低セル電圧目標値を電流・電圧指令値設定部８０ｅに出力する機能を備えている。更新される最低セル電圧目標値は、常に最低セル電圧許容値以上の値に設定されるが、最低セル電圧目標値の設定、更新に関する動作は後に詳述するため、これ以上の説明は割愛する。

　電流・電圧指令値設定部８０ｅは、要求電力算出部８０ｂから出力される要求電力や、セル電圧許容値設定部８０ｃ、セル電圧目標値設定部８０ｄから出力される最低セル電圧目標値に基づき、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。この電流指令値および電圧指令値は、燃料電池２０における実際の出力電流・出力電圧を規定する制御信号となる。また、電流・電圧指令値設定部（制御手段）８０ｅは、検知されるセル電圧（最低セル電圧）が最低セル電圧目標値に達した場合に、最低セル電圧目標値に対してＰＩ制御で電流制限を行う。

　図３は、従来の電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図４は本実施形態の電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３及び図４では、縦軸に燃料電池２０のセル電圧、出力電流（車両システム要求電流Ｉ０）、出力電圧が示され、横軸に経過時間が示される。

　図３に示すように、従来の電流制限処理では最低セル電圧許容値Ｖｐｈのみが設定され、最低セル電圧目標値は設定されていなかった。このため、低効率運転による急速暖機が開始された後は、最低セル電圧が最低セル電圧許容値に到達するまで電流制限は行われないが、最低セル電圧許容値に到達してから電流制限が行われたのでは、低効率運転時のセル電圧の低下スピードが早いために、セル電圧が最低セル電圧許容値を大幅に下回ってしまうという問題が生じていた（図３に示すα参照）。

　そこで、本実施形態では図４に示すように、最低セル電圧許容値Ｖｐｈ以上の最低セル電圧目標値Ｖｔｈを設定し、この最低セル電圧目標値Ｖｔｈを段階的に更新するとともに、更新される最低セル電圧目標値Ｖｔｈを利用して電流制限を行う。具体的には、段階的に更新される最低セル電圧目標値Ｖｔｈに対してＰＩ制御で電流制限を行い、これにより、セル電圧が最低セル電圧許容値を大幅に下回ってしまうという問題を抑制することが可能となる。

　以下、本実施形態の電流制限処理について図４を参照しながら詳細に説明する。
　急速暖機判定部８０ａによって、起動準備状態においてスタック関連温度が第１閾値温度（例えば０℃）未満であることが検知され、低効率運転による急速暖機を開始すべき指示が出力されると、セル電圧許容値設定部８０ｃは、当該時点での燃料電池２０の運転状態を把握した後、許容値マップを参照することで該運転状態に応じた最低セル電圧許容値Ｖｐｈを設定する（図４参照）。一方、セル電圧目標値設定部８０ｄは、最低セル電圧目標値Ｖｔｈの初期値（例えば－０．０５Ｖ）を設定する（図４参照）。なお、最低セル電圧目的値の初期値は、固定値としても良いがＦＣ関連温度などに応じて適宜変更しても良い。

　一方、電流・電圧指令値算出部８０ｅは、燃料電池２０のセル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの初期値に向けて下がるように、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。かかる制御が行われると、燃料電池２０のセル電圧は最低セル電圧目標値Ｖｔｈに向かって下降してゆく。

＜最低セル電圧目標値を下げる場合の動作＞
　セル電圧目標値設定部８０ｄは、セルモニタ１０１によって検出される最低セル電圧と、設定した最低セル電圧目標値Ｖｔｈとを比較する。そして、セル電圧目標値設定部８０ｄは、条件式（１）を利用して最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近に一定時間(所定時間）連続して収束しているか否かを判定する。なお、閾値電圧Ｖｒ（≧０）や所定時間Ｔｒ（≧０）については、任意に設定・変更可能である。
　｜Ｖｔｈ－Ｖｄ｜　≦　Ｖｒが所定時間Ｔｒ以上継続　　　　・・・（１）
　Ｖｔｈは最低セル電圧目標値、Ｖｄは最低セル電圧、Ｖｒは閾値電圧（閾値範囲）を示す。

　セル電圧目標値設定部８０ｄは、条件式（１）が成立したと判断すると（図４に示すβ１参照）、下記式（２）に示すように、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶ（例えば０．０５Ｖ）だけ下げた値に更新する。
　Ｖｔｈ　＝　Ｖｔｈ－ΔＶ　　　・・・（２）

　さらに、セル電圧目標値設定部８０ｄは、更新した最低セル目標電圧値を電流・電圧指令値設定部８０ｅに出力する。電流・電圧指令値設定部８０ｅは、要求電力算出部８０ａから出力される要求電力や、セル電圧許容値設定部８０ｃから出力されるセル電圧許容値、セル電圧目標値設定部８０ｄから出力される最低セル電圧目標値に基づき、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。かかる制御が行われると、燃料電池２０のセル電圧は更新された最低セル電圧目標値Ｖｔｈに向かって下降してゆく。このような制御が繰り返し行われることで、最低セル電圧目標値Ｖｔｈは段階的に下がってゆく。

＜最低セル電圧目標値を上げる場合の動作＞
　セル電圧目標値設定部８０ｄは、条件式（３）を利用して最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近から離れて一定時間（所定時間）連続して高くなったか否かを判定する。なお、条件式（１）と同様、目標値更新マージンＶｒ’（≧０）や所定時間Ｔｒ’（≧０）については、任意に設定・変更可能である。
　Ｖｄ　＞　Ｖｔｈ＋Ｖｒ’が所定時間Ｔｒ’以上継続　　　　・・・（３）
　Ｖｔｈは最低セル電圧目標値、Ｖｄは最低セル電圧、Ｖｒ’は目標値更新マージン（更新マージン）を示す。

　セル電圧目標値設定部８０ｄは、条件式（３）が成立したと判断すると（図４に示すβ２参照）、下記式（４）に示すように、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶ’（例えば０．０５Ｖ）だけ上げた値に更新する。
　Ｖｔｈ　＝　Ｖｔｈ＋ΔＶ’　　　・・・（４）

　このように、段階的に下げていった最低セル電圧目標値を再度上げる理由は、最低セル電圧と最低セル電圧目標値との差が大きくなると、その落差が大きいために、最低セル電圧が最低セル電圧目標値に向かって低下してゆくスピードが早く、セル電圧が制御しきれなくなってしまう（すなわち、セル電圧が最低セル電圧目標値を大幅に低下してしまう）からである。

　よって、上記の如く、最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近から離れて一定時間連続して高くなった場合には、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶ’（例えば０．０５Ｖ）だけ上げた値に更新するとともに、更新した最低セル目標電圧値を電流・電圧指令値設定部８０ｅに出力する。

　電流・電圧指令値設定部８０ｅは、要求電力算出部８０ａから出力される要求電力や、セル電圧許容値設定部８０ｃ、セル電圧目標値設定部８０ｄから出力される最低セル電圧目標値に基づき、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。かかる制御が行われることで、最低セル電圧と最低セル電圧目標値とが大きくかけ離れてしまい、セル電圧を制御し切れずにセル電圧が最低セル電圧目標値を大幅に低下してしまう、といった問題を未然に抑制することが可能となる。

　図５に、上記電流制限処理を説明するためのフローチャートを示す。以下、図５のフローチャートを使用して、制御部８０の処理動作の流れを説明する。

　急速暖機判定部８０ａは、まず、起動準備状態においてスタック関連温度が第１閾値温度（例えば０℃）未満であるか否かを検知する。急速暖機判定部８０ａは、温度センサ３２、３６によってスタック関連温度が第１閾値温度未満であることが検知されると、低効率運転による急速暖機を開始すべきと判断し、急速暖機の開始指示を、セル電圧許容値設定部８０ｃ、セル電圧目標値設定部８０ｄ、電流・電圧指令値算出部８０ｅに出力する（ステップＳ１０→ステップＳ２０）。

　セル電圧許容値設定部８０ｃは、急速暖機の開始指示を受け取ると、当該時点での燃料電池２０の運転状態を把握した後、許容値マップを参照することで該運転状態に応じた最低セル電圧許容値Ｖｐｈを設定する（ステップＳ２０）。一方、セル電圧目標値設定部８０ｄは、最低セル電圧目標値Ｖｔｈの初期値（例えば－０．０５Ｖ）を設定する（ステップＳ３０）。
（ステップ３０；図４参照）。

　電流・電圧指令値算出部８０ｅは、燃料電池２０のセル電圧が設定した最低セル電圧目標値Ｖｔｈ（ここでは、初期値）に向けて下がるように、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する（ステップＳ４０）。かかる制御が行われると、燃料電池２０のセル電圧は最低セル電圧目標値Ｖｔｈに向かって下降してゆく。

　その後、セル電圧目標値設定部８０ｄは、セルモニタ１０１によって検出される最低セル電圧と、設定した最低セル電圧目標値Ｖｔｈとを比較することにより、最低セル電圧目標値の更新タイミングが到来したか否かを判断する（ステップＳ５０）。詳述すると、セル電圧目標値設定部８０は、上記条件式（１）を利用して最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近に一定時間連続して収束しているか否か（最低セル電圧目標値を下げるか否か）、あるいは上記条件式（３）を利用して最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近から離れて一定時間連続して高くなったか否か（最低セル電圧目標値を上げるか否か）を判定する。

　セル電圧目標値設定部８０ｄは、上記条件式（１）、（３）がいずれも成立せず、最低セル電圧目標値の更新タイミングが到来していないと判断すると（ステップＳ５０；ＮＯ）、ステップＳ４０に戻る。一方、セル電圧目標値設定部８０ｄは、上記条件式（１）、（３）のいずれかが成立すると、成立した条件式に応じて、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを下げる、または最低セル電圧目標値Ｖｔｈを上げるための処理を行う。

　詳述すると、セル電圧目標値設定部８０ｄは、上記条件式（１）が成立すると（図４に示すβ１参照）、最低セル電圧目標値を下げるべく、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶ（式（２）参照）だけ下げた値に更新する（ステップＳ５０→ステップＳ６０→ステップＳ８０）。

　一方、セル電圧目標値設定部８０ｄは、上記条件式（３）が成立すると（図４に示すβ２参照）、最低セル電圧目標値を上げるべく、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶ’（式（４）参照）だけ上げた値に更新する（ステップＳ５０→ステップＳ６０→ステップＳ７０）。

　セル電圧目標値設定部８０ｄは、このようにしてセル電圧目標値を更新すると、更新したセル電圧目標値を電流・電圧指令値設定部８０ｅに出力する。電流・電圧指令値設定部８０ｅは、要求電力算出部８０ａから出力される要求電力や、セル電圧目標値設定部８０ｄから出力される更新された最低セル電圧目標値などに基づき、ＤＣ－ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する（ステップＳ４０）。かかる制御が行われることで、最低セル電圧と最低セル電圧目標値とが大きくかけ離れてしまい、セル電圧を制御し切れずにセル電圧が最低セル電圧目標値を大幅に低下してしまう、といった問題を未然に防止することができる。

Ｂ．変形例
　本発明は、上記実施形態に限定される趣旨ではなく、種々に変更して適用することが可能である。

＜変形例１＞
　上記実施形態では、条件式（１）、（３）のいずれかが成立した場合に、最低セル電圧目標値を更新したが、これに加えて（あるいは代えて）、下記条件式（５）が成立した場合に最低セル電圧目標値を更新しても良い。
　電流制限実施中にＩｃ　＝　Ｉｌがリセット時間Ｔｓ以上継続　　　　・・・（５）
　Ｉｃは電流指令値、Ｉｌは電流下限値を示す。

　セル電圧目標値設定部８０ｄは、条件式（５）が成立したと判断すると、下記式（６）に示すように、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを、現時点での最低セル電圧Ｖｒに更新する。
　Ｖｔｈ　＝　Ｖｒ　　　・・・（６）
　Ｖｒは現時点での最低セル電圧Ｖｒを示す。

　このように、セル電圧目標値設定部（設定手段）８０ｄは、電流制限を実施している間に燃料電池２０の電流指令値がリセット時間（例えば５００ｍｓ）以上、電流下限値（例えば１０Ａ）と一致する場合には、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを、現時点での最低セル電圧（実測セル電圧）Ｖｒに更新する。かかる制御を行う理由は、電流制限を一定時間実施しても、最低セル電圧が最低セル電圧目標値まで上がらない場合、燃料電池２０の電流指令値は電流下限値Ｉｌで滞留してしまうからである。このような問題を解消するために、燃料電池２０の電流指令値が一定時間（リセット時間）以上、電流下限値と一致する場合には、最低セル電圧目標値Ｖｔｈを、現時点での最低セル電圧Ｖｒに更新する。なお、電流下限値Ｉｌや、リセット時間Ｔｓについては、任意に設定変更可能である。

＜変形例２＞
　また、上記条件式（１）、（３）の代わりに（あるいはこれに加えて）、下記条件式（１）’、（３）’が成立した場合に最低セル電圧目標値を更新しても良い。なお、所定回数Ｎｒ（≧１）、Ｎｒ’（≧１）については、任意に設定変更可能である。
　｜Ｖｔｈ－Ｖｄ｜　≦　Ｖｒを所定回数Ｎｒ以上検知　　　・・・（１）’
　Ｖｄ　＞　Ｖｔｈ＋Ｖｒ’を所定回数数Ｎｒ’以上検知　　・・・（３）’

　具体的に説明すると、セル電圧目標値設定部（設定手段）８０ｄは、条件式（１）’が成立したと判断すると、式（２）に示すように最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶだけ下げた値に更新する一方、条件式（３）’が成立したと判断すると、式（４）に示すように最低セル電圧目標値Ｖｔｈを更新幅ΔＶだけ上げた値に更新する。このように、最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近に収束した時間や最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近から離れた時間ではなく、最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近に収束した回数や最低セル電圧が最低セル電圧目標値Ｖｔｈの付近から離れた回数に基づいて、最低セル電圧目標値を更新するか否かを判断しても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本実施形態に係る制御部のブロック構成図である。従来の電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態の電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態の電流制限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

１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池、３２，３６・・・温度センサ、１０１・・・セルモニタ、８０ａ・・・急速暖機判定部、８０ｂ・・・要求電力算出部、８０ｃ・・・セル電圧許容値設定部、８０ｄ・・・セル電圧目標値設定部、８０ｅ・・・電流・電圧指令値算出部。

Claims

　複数のセルを有する燃料電池と、
　セル電圧を検知する検知手段と、
　前記セル電圧の最低目標電圧を設定する設定手段と、
　検知されるセル電圧が前記最低目標電圧に達した場合に、前記燃料電池の電流制限を行う制御手段とを備え、
　前記設定手段は、検知されるセル電圧と前記最低目標電圧との関係が所定条件を満たす場合に、前記最低目標電圧を段階的に更新することを特徴とする燃料電池システム。
　前記設定手段は、前記セル電圧の最低目標電圧として、該セル電圧の最低許容値よりも高い値を設定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。
　前記設定手段は、検知されるセル電圧が前記最低目標電圧の閾値範囲に入り、該状態が所定時間以上継続した場合に、現時点で設定されている最低目標電圧を下げることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記設定手段は、検知されるセル電圧が、所定回数以上、前記最低目標電圧の閾値範囲に入った場合に、前記最低目標電圧を下げることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記設定手段は、検知されるセル電圧が、前記最低目標電圧に更新マージンを加算した値を越え、該状態が所定時間以上継続した場合に、現時点で設定されている最低目標電圧を上げることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記設定手段は、検知されるセル電圧が、所定回数以上、前記最低目標電圧に更新マージンを加算した値を越えた場合に、前記最低目標電圧を上げることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記セル電圧の最低許容値を設定する許容値設定手段をさらに具備することを特徴とする請求項２～６のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池の関連温度、前記燃料電池の出力電流、または前記燃料電池に対する反応ガスの供給状態のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
　複数のセルを有する燃料電池と、
　セル電圧を検知する検知手段と、
　前記セル電圧の最低目標電圧を設定する設定手段と、
　検知されるセル電圧が前記最低目標電圧に到達した場合に、前記燃料電池の電流制限を行う制御手段とを備え、
　前記設定手段は、前記制御手段によって電流制限が行われている間、前記燃料電池に対する出力電流の指令値が、所定時間以上前記出力電流の下限値に設定されている場合には、現時点で設定されている最低目標電圧を、前記検知手段によって検知される実測セル電圧に更新することを特徴とする燃料電池システム。