(57)【要約】燃料電池システムは、燃料電池の運転状態が燃料ガス不足であるか又は酸化ガス不足であるかを判定し（ステップ３０１，３０２）、燃料ガス不足であると判定されたときには（ステップ３０１；ＹＥＳ）、酸化ガス不足と判定されたときよりも下限電圧を高く設定し（ステップ３０５）、燃料電池の出力電圧が下限電圧を下回らないように燃料電池の出力電圧を制御する（ステップ３０６，３０７）。
2008146928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の運転状態が燃料ガス不足であるか又は酸化ガス不足であるかを判定する判定装置と、
前記判定装置により燃料ガス不足であると判定されたときに、酸化ガス不足と判定されたときよりも下限電圧を高く設定する下限電圧設定装置と、
前記下限電圧設定装置により設定された下限電圧を下回らないように前記燃料電池の出力電圧を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
低効率運転時の下限電圧を通常運転時の下限電圧よりも低く設定する下限電圧設定装置と、
前記下限電圧設定装置により設定された下限電圧を下回らないように前記燃料電池の出力電圧を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動するときの温度が所定値以下のときに、前記低効率運転を実施する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記下限電圧設定装置は、低効率運転時に燃料ガス不足が生じているときには通常運転時に燃料ガス不足が生じているときよりも下限電圧を低く設定する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記下限電圧設定装置は前記燃料電池の温度が低い程、前記下限電圧を低く設定する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電圧が前記下限電圧を下回るときには、前記燃料電池への燃料ガス供給量又は酸化ガス供給量を増加する処理、前記燃料電池の出力電流を制限する処理、発電停止する処理のうち何れかの処理を実施する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
負荷変動のある過渡的な発電状態において、前記燃料電池の出力電圧の変化をΔＶ、前記燃料電池の出力電流の変化をΔＩとしたとき、前記判定装置は、｜ΔＶ／ΔＩ｜を算出し、前記｜ΔＶ／ΔＩ｜が第一の閾値以上であるときには、燃料ガス不足と判定し、前記｜ΔＶ／ΔＩ｜が前記第一の閾値未満であるときは、酸化ガス不足であると判定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
負荷変動のない定常的な発電状態において、前記燃料電池の出力電圧の変化をΔＶ、時間変化をΔｔとしたとき、前記判定装置は、｜ΔＶ／Δｔ｜を算出し、前記｜ΔＶ／Δｔ｜が第二の閾値以上であるときには、燃料ガス不足と判定し、前記｜ΔＶ／Δｔ｜が前記第二の閾値未満であるときは、酸化ガス不足であると判定する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記判定装置は、前記燃料電池のアノード電位が所定の閾値電位を超えたときに、燃料ガス不足が生じているものと判定し、前記アノード電位が前記閾値電位を下回るときに、酸化ガス不足が生じているものと判定する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記判定装置は、水の電気分解時の前記燃料電池のアノード電位の低下が最小になる条件下で作成された電流対電圧特性マップ上のセル電圧を算出し、実際のセル電圧が前記電流対電圧特性マップ上のセル電圧より高いときに、燃料ガス不足が生じていないものと判定する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記電流対電圧特性マップは、温度特性を有するマップデータである、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記電流対電圧特性マップは、セル電圧制御に要する制御遅れ時間を加味した上で予め補正されたマップデータである、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記電流対電圧特性マップは、セル電流に関係なく一定の電圧値を有するマップデータである、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数のセルを直列に積層して成るスタック構造を有しており、各セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置して成る膜−電極アッセンブリを有する。膜−電極アッセンブリに燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。
燃料電池システムを運転する際には、燃料電池スタック内部の水分管理や温度管理などをきめ細かく行い、フラッディングによる反応ガス供給不足や電解質膜の乾燥による抵抗増加などの発電異常を検出し、十分な出力が取り出せるようにセルの発電状態を管理する必要がある。特公平７−６３０２０号公報には、電極電位が上限電圧を超えないように、しかもセル電圧が下限電圧を下回らないように運転制御する方式について言及している（電極電位とは、アノード電極及びカソード極それぞれの電位をいい、セル電圧とは、アノード極を基準にしたときのカソード極の電位をいうものとする。）。燃料電池スタックを、電極電位が酸化領域になる高電位で運転を継続すると、触媒がイオン化し、溶出する虞があるので、電極電位が触媒劣化を引き起こす高電位にならないように上限電圧が定められる。また、一部のセルが逆電位（アノード電位がカソード電位よりも高くなる現象）になる状態で発電を継続すると、触媒劣化等により発電性能が低下する虞があるので、逆電位にならないように下限電圧が定められる。
【特許文献１】特公平７−６３０２０号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかし、従来の運転方式では、下限電圧は、予め定められた固定値であるため、セル電圧低下要因に応じて発電許容範囲を柔軟に変更するということができず、発電許容範囲が固定的であるという難点を有していた。
また、複数のセルを直列に積層して成る燃料電池スタックを運転する場合、全てのセルの発電性能やコンディションを完全に一致させることは難しく、ドライアップ現象によるプロトン導電性の低下や反応ガス供給不足などが原因で運転条件が厳しくなったときに、発電性能が低いセルやコンディションの悪いセルでは、セル電圧低下が見られる。セル電圧低下要因のうち、燃料電池スタックが電気化学的なダメージを受けるのは、燃料ガス不足であり、セル電圧低下要因が酸化ガス不足のときには、燃料電池スタックが電気化学的なダメージを受けることはない。
しかし、従来では、セル電圧低下要因が燃料ガス不足又は酸化ガス不足のうち何れであるのかを判別することが困難であったため、セル電圧低下が検出されると、セル電圧低下要因が酸化ガス不足であったとしても、一律に出力制限していたので、ドライバビリティを悪化させていた。
そこで、本発明は、上記の問題を解決し、運転状態に応じて発電許容範囲を柔軟に変更できる燃料電池システムを提供することを課題とする。また、本発明は、セル電圧低下要因が燃料ガス不足又は酸化ガス不足の何れであるかを判定し、セル電圧低下要因に応じて適切にセル電圧を管理できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の運転状態が燃料ガス不足であるか又は酸化ガス不足であるかを判定する判定装置と、判定装置により燃料ガス不足であると判定されたときに酸化ガス不足のときよりも下限電圧を高く設定する下限電圧設定装置と、下限電圧設定装置により設定された下限電圧を下回らないように燃料電池の出力電圧を制御する制御装置とを備える。
セル電圧低下要因が燃料ガス不足である場合には、セルが逆電位になる状態での発電継続がセルに与えるダメージは大きいので、下限電圧を高めに設定し、逆電位が生じないようにセル電圧低下を厳しく制限するのが好ましい。一方、セル電圧低下要因が酸化ガス不足である場合には、セルが逆電位になる状態での発電継続がセルに与えるダメージは、燃料ガス不足の場合に比較して少ないので、逆電位の発生を許容するべく、酸化ガス不足のときの下限電圧を燃料ガス不足のときの下限電圧よりも低めに設定し、セル電圧低下の制限を相対的に緩くするのが好ましい。
本発明の他の観点に基づく燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、低効率運転時の下限電圧を通常運転時の下限電圧よりも低く設定する下限電圧設定装置と、下限電圧設定装置により設定された下限電圧を下回らないように燃料電池の出力電圧を制御する制御装置とを備える。
燃料電池の温度が低いときには、燃料電池にダメージを与える電気化学反応の活性が低下するので、燃料電池の温度が低い程、下限電圧を低く設定し、セル電圧低下の制限を緩くするのが好ましい。例えば、低効率運転時の下限電圧を通常運転時の下限電圧よりも低めに設定するのが好ましい。
ここで、制御装置は、燃料電池システムを起動するときの温度が所定値以下のときに低効率運転を実施するのが好ましい。低効率運転を実施することで、燃料電池の熱損失を制御し、燃料電池を早期に暖機させることができる。
下限電圧設定装置は、低効率運転時に燃料ガス不足が生じているときには、通常運転時に燃料ガス不足が生じているときよりも下限電圧を低く設定するのが好ましい。
制御装置は、燃料電池の出力電圧が下限電圧を下回るときには、燃料電池への燃料ガス供給量又は酸化ガス供給量を増加する処理、燃料電池の出力電流を制限する処理、発電停止する処理のうち何れかの処理を実施し、セル電圧回復を試みるのが望ましい。
負荷変動のある過渡的な発電状態において、燃料電池の出力電圧の変化をΔＶ、燃料電池の出力電流の変化をΔＩとしたとき、判定装置は｜ΔＶ／ΔＩ｜を算出し、｜ΔＶ／ΔＩ｜が第一の閾値以上であるときには、燃料ガス不足と判定し、｜ΔＶ／ΔＩ｜が第一の閾値未満であるときは、酸化ガス不足であると判定する。
燃料ガス不足のときは、不足するプロトンを水の電気分解によって補償するため、｜ΔＶ／ΔＩ｜は第一の閾値よりも大きくなる。酸化ガス不足のときは、｜ΔＶ／ΔＩ｜は電解質膜のオーム抵抗が支配的となり、第一の閾値よりも小さくなる。｜ΔＶ／ΔＩ｜と第一の閾値とを比較することで、燃料ガス不足と酸化ガス不足とを区別できる。
負荷変動のない定常的な発電状態において、燃料電池の出力電圧の変化をΔＶ、時間変化をΔｔとしたとき、判定装置は、｜ΔＶ／Δｔ｜を算出し、｜ΔＶ／Δｔ｜が第二の閾値以上であるときには、燃料ガス不足と判定し、｜ΔＶ／Δｔ｜が第二の閾値未満であるときは、酸化ガス不足であると判定する。
燃料ガス不足のときは、不足するプロトンを水の電気分解によって補償するため、｜ΔＶ／Δｔ｜は第二の閾値よりも大きくなる。酸化ガス不足のときは、｜ΔＶ／Δｔ｜は電解質膜のオーム抵抗が支配的となり、第二の閾値よりも小さくなる。｜ΔＶ／Δｔ｜と第二の閾値とを比較することで、燃料ガス不足と酸化ガス不足とを区別できる。
本発明の好適な実施形態において、判定装置は、燃料電池のアノード電位を実測し、燃料電池のアノード電位が所定の閾値電位を超えたときに、燃料ガス不足が生じているものと判定し、アノード電位が所定の閾値電位を下回るときに、酸化ガス不足が生じているものと判定する。燃料ガス不足が生じると、燃料電池は、水の電気分解によりプロトンを生成し、燃料ガス不足を補う。このとき、アノード電位は、ある一定の閾値電位を上回るので、アノード電位とこの閾値電位とを比較することで、燃料ガス不足であるのか或いは酸化ガス不足であるのかを判定できる。酸化ガス不足と判定されたときは、セル電圧が負電圧を下回ることは、許容され得るので、燃料電池スタックの出力制限は不要となり、ドライバビリティの悪化を抑制できる。
判定装置は、水の電気分解時の燃料電池のアノード電位の上昇が最小になる条件下で作成された電流対電圧特性マップ上のセル電圧を算出し、実際のセル電圧が電流対電圧特性マップ上のセル電圧より高いときに、燃料ガス不足が生じていないものと判定する。水の電気分解時の燃料電池のアノード電位の上昇が最小になる条件とは、例えば、プロトンを生成する上で必要十分な水分が燃料電池内部に存在する条件をいう。何等かの要因によりセル電圧が負電圧に落ち込んだとしても、その時のセル電圧が上述の電流対電圧特性マップの上側の領域に属している限り、セル電圧低下要因は、少なくとも燃料ガス不足でないことが保証される。セル電圧低下要因が少なくとも燃料ガス不足でない場合、セル電圧が負電圧を下回ることは、許容され得るので、燃料電池スタックの出力制限は不要となり、ドライバビリティの悪化を抑制できる。
ここで、電流対電圧特性マップは、（１）温度特性を有するマップデータ、（２）セル電圧制御に要する制御遅れ時間を加味した上で予め補正されたマップデータ、或いは（３）セル電流に関係なく一定の電圧値を有するマップデータとしてもよい。温度特性や制御遅れ時間を加味したマップデータを用いることで、よりきめ細かいセル電圧制御が可能になる。一方、セル電流に関係なく一定の電圧値からなるマップデータを用いることで、セル電圧制御を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成図である。
図２は燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。
図３は通常運転時におけるセル電圧管理ルーチンを示すフローチャートである。
図４は負荷変動のある過渡的な発電状態において反応ガス不足が生じたときの燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
図５は負荷変動のない定常的な発電状態において反応ガス不足が生じたときの燃料電池スタックのＶ−ｔ特性を示すグラフである。
図６は低温起動ルーチンを示すフローチャートである。
図７はセル電極電位に基づくセル電圧管理の説明図である。
図８はＩ−Ｖ特性に基づくセル電圧管理の説明図である。
図９はＩ−Ｖ特性に基づくセル電圧管理の説明図である。
図１０はＩ−Ｖ特性に基づくセル電圧管理の説明図である。
図１１はＩ−Ｖ特性に基づくセル電圧管理の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、燃料電池システム１０全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）７０とを備えている。
燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ…（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ…（３）
燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、発電電流を検出するための電流センサ７２、各セルの電圧を検出するためのセルモニタ（セル電圧検出器）７３が取り付けられている。セルモニタ７３としては、一つのセルを単位としてセル電圧を検出するものでもよく、複数のセル（セルモジュール）を単位としてセル電圧を検出するものでもよい。
酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４７に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。
なお、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、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、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２，６３，６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び冷媒温度を検出するための温度センサ７４を備えている。暖気運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖気運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６２，６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。
なお、冷媒温度は、燃料電池スタック２０の温度（触媒温度）を代表するものであり、電池運転制御を最適化するための指標の一つとして利用される。
コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御装置として機能する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。
システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。
図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。
アノード極２３は、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２２上に形成したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アッセンブリ２５が形成される。
【実施例１】
【０００６】
次に、実施例１に係わるセル電圧管理の概要について説明する。
コントローラ７０は、セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回らないように運転制限しつつ運転制御し、燃料電池スタック２０の運転状態に応じて運転制限の条件を変更する。運転状態とは、セル電圧低下要因（反応ガス供給不足、スタック温度低下など）に関連する物理量を総称する概念である。運転制限の条件とは、電池運転を制限するための条件（例えば、発電許容範囲の下限を示す下限電圧Ｖｔｈ）をいう。スタック温度が低温である程、運転制限の条件を緩くするのが望ましい。例えば、通常運転時における下限電圧Ｖｔｈよりも、低温起動時における下限電圧Ｖｔｈを低く設定するのが望ましい（通常運転とは、暖機運転が終了した後における、電池運転に適した温度範囲での電池運転をいう。通常運転は、通常発電と同義である。低温起動とは、起動時の温度が所定温度以下であるために暖機運転を要する起動をいう。）。また、温度低下に伴って下限電圧Ｖｔｈが次第に低下するように下限電圧Ｖｔｈに温度特性を持たせてもよい。
セル電圧低下要因がアノード極２３への燃料ガス不足である場合には、セル２１が逆電位になる状態での発電継続がセル２１に与えるダメージは大きいので、下限電圧Ｖｔｈを高めに設定し、逆電位が生じないようにセル電圧低下を厳しく制限する。酸素と過不足なく反応するのに必要な水素（理論値）に対する供給水素の不足量が多い程、下限電圧Ｖｔｈを高めに設定するのが望ましい。
一方、セル電圧低下要因がカソード極２４への酸化ガス不足である場合には、セル２１が逆電位になる状態での発電継続がセル２１に与えるダメージは、燃料ガス不足のときよりも少ないので、逆電位の発生を許容するべく、酸化ガス不足のときの下限電圧Ｖｔｈを燃料ガス不足のときの下限電圧よりも低めに設定し、セル電圧低下の制限を相対的に緩くするのが好ましい。水素と過不足なく反応するのに必要な酸素（理論値）に対する供給酸素の不足量が多いときの下限電圧Ｖｔｈは、供給酸素の不足量が少ないときの下限電圧Ｖｔｈよりも高めに設定するのが望ましい。
セル電圧低下要因と下限電圧Ｖｔｈとの関係について要約すると、燃料ガス不足時の温度と酸化ガス不足時の温度が同一であるという条件下においては、燃料ガス不足が燃料電池スタック２０に与えるダメージは、酸化ガス不足が燃料電池スタック２０に与えるダメージよりも大きいので、燃料ガス不足時の下限電圧Ｖｔｈを酸化ガス不足時の下限電圧Ｖｔｈよりも高めに設定するのが望ましい。
図３は通常運転時におけるセル電圧管理ルーチンを示すフローチャートである。
このルーチンは、通常運転時に一定周期間隔で呼び出され、コントローラ７０によって繰り返し実行される。そして、このルーチンでは、下限電圧Ｖｔｈを変数、Ｖｔｈ０を温度によって定まる定数（反応ガスが不足なく供給されているときの下限電圧）、Ｖｈを酸素と不足なく反応するのに必要な水素（理論値）に対する供給水素の不足量に応じて定まる定数（下限電圧の増加量）、Ｖａを水素と過不足なく反応するのに必要な酸素（理論値）に対する供給酸素の不足量に応じて定まる定数（下限電圧の増加量）として取り扱い、演算周期毎に下限電圧Ｖｔｈの値を更新している。
コントローラ７０は、燃料ガス不足であるか否かを判定する（ステップ３０１）。燃料ガス不足である場合には（ステップ３０１；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、下限電圧Ｖｔｈの値を、Ｖｔｈ０にＶｈを加算した値に更新する（ステップ３０５）。このとき、酸素と過不足なく反応するのに必要な水素（理論値）に対する供給水素の不足量が多い程、Ｖｈの値を大きくする。本発明の好適な実施態様の一つとして、供給水素の不足量に比例してＶｈの値を大きくする比例制御が好ましい。
ここで、燃料ガス不足時の温度と酸化ガス不足時の温度が同一であるという条件下においては、Ｖｈの値をＶａの値よりも大きくする。
燃料ガス不足でない場合には（ステップ３０１；ＮＯ）、コントローラ７０は、酸化ガス不足であるか否かを判定する（ステップ３０２）。酸化ガス不足である場合には（ステップ３０２；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、下限電圧Ｖｔｈの値を、Ｖｔｈ０にＶａを加算した値に更新する（ステップ３０４）。このとき、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素（理論値）に対する供給酸素の不足量が多い程、Ｖａの値を大きくする。本発明の好適な実施態様の一つとして、供給酸素の不足量に比例してＶａの値を大きくする比例制御が好ましい。
酸化ガス不足でない場合には（ステップ３０２；ＮＯ）、コントローラ７０は、下限電圧Ｖｔｈの値をＶｔｈ０に更新する（ステップ３０３）。
そして、コントローラ７０は、セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップ３０６）。セル電圧が下限電圧Ｖｔｈ以上である場合には（ステップ３０６；ＮＯ）、コントローラ７０は、セル電圧管理ルーチンを抜けて終了する。セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回っている場合には（ステップ３０６；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、セル電圧回復処理を実施する（ステップ３０７）。
セル電圧回復処理としては、反応ガス不足を解消するための処理（例えば、燃料ガス不足を解消するための処理として、インジェクタ４４を制御することにより、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガス供給圧を昇圧したり、或いは循環ポンプ４７の回転数を制御することにより、燃料電池スタック２０に流入する燃料ガス流量を増量したりする等の処理を実行する。酸化ガス不足を解消するための処理として、例えば、エアコンプレッサ３２の回転数を制御し、燃料電池スタック２０に流入する酸化ガス供給量を増量する等の処理を実行する。）、燃料電池スタック２０の出力電流を制限する処理（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して燃料電池スタック２０から取り出す電流を制限する処理）、発電停止する処理のうち何れかの処理を実施し、セル電圧回復を試みるのが望ましい。
なお、燃料電池スタック２０の出力が制限されることにより、燃料電池スタック２０の出力がシステム要求電力に満たない場合がある。このような場合には、不足電力をバッテリ５２から補うものとする。
次に、図４乃至図５を参照しながら反応ガス不足を判定する処理について説明する。この判定処理は、上述したステップ３０１，３０２において実施されるものである。
図４は負荷変動のある過渡的な発電状態において反応ガス不足が生じたときの燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）を示している。実線は、燃料ガス不足が生じたときのＩ−Ｖ特性を示し、破線は酸化ガス不足が生じたときのＩ−Ｖ特性を示している。このグラフに示すように、燃料ガス不足が生じたときの｜ΔＶ／ΔＩ｜は、酸化ガス不足が生じたときの｜ΔＶ／ΔＩ｜よりも大きくなることが理解できる。その理由については以下のように説明できる。
燃料ガスが不足すると、アノード極２３における酸化反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）によって得られるプロトンだけでは、発電電流を維持することができなくなるので、セル２１は、水の電気分解によりプロトンを生成し、燃料ガス不足を補償しようとする。このときセル２１は、他のセル２１からエネルギーを得て、アノード電位を、水の電気分解が進行する電位まで急速に昇圧させることにより、水を電気分解する。その結果、アノード電位がカソード電位よりも急速に高くなり、セル電圧が急速にマイナスになる（逆電位になる）。これは、燃料ガス不足が生じるときの｜ΔＶ／ΔＩ｜は、燃料ガス不足が生じないときの｜ΔＶ／ΔＩ｜よりも大きくなることを意味している。ここで、Ｖが低下する場合では、ΔＶ／ΔＩは、負の値になる点に留意されたい。
なお、０Ｖ付近での電圧変化を検出して燃料ガス不足による逆電位又は酸化ガス不足による逆電位を判定するのが好ましい。例えば、０．６Ｖ以下の電圧変化を検出することで、絶対値の大きい電圧変化である逆電位が燃料ガス不足により生じるか、或いは酸化ガス不足により生じるかを判断することができる。
ところで、アノード電位が高電位になると、白金触媒がイオン化して溶出し、或いは白金触媒を担持するカーボンが酸化する虞がある。これらの現象は、触媒性能を低下させる要因になるので、逆電位を回避する必要がある。
一方、酸化ガスが不足すると、アノード極２３から電解質膜２２を通過してカソード極２４に至るプロトンは、酸素と反応することができないので、外部回路（電力系５０）を流れる電子と結合して水素を生成する（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）。このときの｜ΔＶ／ΔＩ｜は、電解質膜２２のオーム抵抗が支配的となるので、酸化ガス不足が生じる場合の｜ΔＶ／ΔＩ｜と、酸化ガス不足が生じない場合の｜ΔＶ／ΔＩ｜とで大きな差異はみられない。
以上の考察をまとめると、負荷変動のある過渡的な発電状態の下では、燃料ガス不足のときには（４）が成立し、酸化ガス不足のときは（５）式が成立する。ここで、閾値Ｘ（Ｔ）は、温度Ｔの関数である。
｜ΔＶ／ΔＩ｜≧Ｘ（Ｔ）  …（４）
｜ΔＶ／ΔＩ｜＜Ｘ（Ｔ）  …（５）
図５は負荷変動のない定常的な発電状態において反応ガス不足が生じたときの燃料電池スタック２０のＶ−ｔ特性（電圧対時間特性）を示している。負荷（負荷電流）が一定であっても、燃料電池スタック２０内部のガス流路には絶えず水分を含むガスが流れているので、大きな水滴が電極表面を覆う等の理由で偶発的にフラッディングが生じ、一時的な反応ガス不足を引き起こす場合がある。実線は、燃料ガス不足が生じたときのＶ−ｔ特性を示し、破線は酸化ガス不足が生じたときのＶ−ｔ特性を示している。このグラフに示すように、燃料ガス不足が生じたときの｜ΔＶ／Δｔ｜は、酸化ガス不足が生じたときの｜ΔＶ／Δｔ｜よりも大きくなることが理解できる。その理由は、負荷変動のある過渡的な発電状態において反応ガス不足が生じたときの燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性の変化と同様の理由で説明できる。ここで、Ｖが低下する場合では、ΔＶ／Δｔは、負の値になる点に留意されたい。
以上の考察をまとめると、負荷変動のない定常的な発電状態の下では、燃料ガス不足のときには（６）が成立し、酸化ガス不足のときは（７）式が成立する。ここで、閾値Ｙ（Ｔ）は、温度Ｔの関数である。
｜ΔＶ／Δｔ｜≧Ｙ（Ｔ）  …（６）
｜ΔＶ／Δｔ｜＜Ｙ（Ｔ）  …（７）
上述の説明から理解できるように、コントローラ７０は、セル電圧低下要因が燃料ガス不足又は酸化ガス不足の何れであるかを判定する判定装置、セル電圧低下要因に応じて下限電圧を設定する下限電圧設定装置、及びセル電圧が下限電圧を下回らないように燃料電池スタック２０の出力電圧を制御する制御装置として機能する。
【実施例２】
【０００７】
次に、実施例２に係わる低温環境下におけるセル電圧管理について説明する。
図６は低温起動ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、低効率運転時に呼び出され、コントローラ７０によって実行される。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０前後に設定して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を制御することにより、電力損失を高めて、低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給酸素がどれだけ余剰であるかを示す。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、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（電力損失）が増大する。低効率運転は、例えば、低温始動時などの場面において熱損失を意図的に増大させることによって、燃料電池スタック２０を迅速に暖機するために利用される。
コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると（ステップ６０１；ＹＥＳ）、温度センサ７４の検出値を読み取り、冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ０を下回っているか否かを判定する（ステップ６０２）。閾値温度Ｔ０は、低効率運転を実施するか否かを判断する基準となる温度であり、例えば、０℃付近の温度に設定される。
冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ０を下回っていない場合には（ステップ６０２；ＮＯ）、低効率運転を実施する必要がないので、コントローラ７０は、低温起動ルーチンを抜け、通常始動処理ルーチン（図示せず）を実施する。
一方、冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ０を下回っている場合には（ステップ６０２；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、絞り弁３５の弁開度を絞り込むことによりエアストイキ比を１．０前後に設定し、低効率運転を実施する（ステップ６０３）。低効率運転の実施により生じた熱損失（熱エネルギー）によって、燃料電池スタック２０は暖機される。
コントローラ７０は、Ｖｔｈ０にＶａを減算した値を下限電圧Ｖｔｈとして更新する（ステップ６０４）。このとき、温度が低い程、Ｖａの値を大きくする。
そして、コントローラ７０は、セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップ６０５）。セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回っている場合には（ステップ６０５；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、セル電圧回復処理を実施する（ステップ６０６）。セル電圧が下限電圧Ｖｔｈ以上である場合には（ステップ６０５；ＮＯ）、コントローラ７０は、セル電圧回復処理をスキップする。
コントローラ７０は、温度センサ７４の検出値を読み取り、冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ１を超えているか否かを判定する（ステップ６０７）。閾値温度Ｔ１は、暖気運転が完了したか否かを判断する基準となる温度である。
冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ１を超えていない場合には（ステップ６０７；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、ステップ６０３の処理に戻る。冷媒温度Ｔが閾値温度Ｔ１を超えている場合には（ステップ６０７；ＮＯ）、コントローラ７０は、低温起動ルーチンを抜ける。
このように、低温環境下で酸化ガス不足を意図的に作り出す低効率運転時には、セル２１が逆電位になる状態での発電継続がセル２１に与えるダメージは、通常運転時における酸化ガス不足がセル２１に与えるダメージよりも少ないので、逆電位の発生を許容するべく、低効率運転時に設定される下限電圧Ｖｔｈを通常運転時に設定される下限電圧よりも低めに調整し、セル電圧低下の制限を緩くしている。
なお、実施例１において、燃料ガス不足時に設定される下限電圧Ｖｔｈを酸化ガス不足時に設定される下限電圧Ｖｔｈよりも高く調整することを説明したが（ステップ３０４，３０５）、これは、燃料ガス不足時の温度と、酸化ガス不足時の温度とが同じであることを前提とするものである。温度一定の条件下では、燃料ガス不足が燃料電池スタック２０に与えるダメージは、酸化ガス不足が燃料電池スタック２０に与えるダメージより大きいので、セル電圧低下要因に応じて下限電圧Ｖｔｈを調整する必要がある。これに対し、実施例２では、低効率運転時に設定される下限電圧Ｖｔｈを通常運転時に設定される下限電圧Ｖｔｈよりも低めに調整している（ステップ６０４）。その理由は、低効率運転時の燃料電池スタック２０の温度は、通常運転時の燃料電池スタック２０の温度よりも低いので、燃料電池スタック２０にダメージを与える電気化学反応の活性が低下するということによるものである。
従って、低効率運転時に設定される下限電圧Ｖｔｈを通常運転時に設定される下限電圧Ｖｔｈよりも低めに調整すること（ステップ６０４）は、燃料ガス不足時の温度と酸化ガス不足時の温度とが同一であるという条件下において、燃料ガス不足時に設定される下限電圧Ｖｔｈを酸化ガス不足時に設定される下限電圧Ｖｔｈよりも高く調整すること（ステップ３０４，３０５）と矛盾するものではないことを付記する。
なお、実施例１及び実施例２において、セル電圧が下限電圧Ｖｔｈを下回るか否かの判定（ステップ３０６，６０６）は、一つのセル２１のセル電圧を単位として判定してもよく、複数のセル２１のセル電圧の合計値を単位として判定してもよい。
実施例１及び実施例２に係わる燃料電池システム１０によれば、セル電圧低下要因に応じて下限電圧を変更するので、発電許容範囲を柔軟に変更することができる。
【実施例３】
【０００８】
次に、実施例３に係わるセル電圧管理について説明する。ここで説明するセル電圧管理は、主として通常運転時に用いられることを想定しているが、原理上、温度制限がないので、低温環境下（例えば、低効率運転時）にも適用できる。
（１）セル電極電位に基づくセル電圧管理
図７は起動時、通常運転時、酸化ガス不足時、及び燃料ガス不足時のそれぞれの時点における電極電位の変化を示す。起動時には、燃料電池スタック２０の出力電圧は、開放端電圧に設定されているので、出力電流はゼロである。このとき、カソード電位ＣＡ１には、直流抵抗成分の影響による電圧降下は見られず、開放端電位に設定される。また、アノード電位ＡＮ１は、ゼロ電位のままである。起動時のセル電圧ＶＣ１は、起動時のカソード電位ＣＡ１から起動時のアノード電位ＡＮ１を差し引いた電圧値（開放端電圧）に等しい。なお、単位セルあたりのセル電圧ＶＣ１は、約１．０Ｖである。
通常運転時には、アノード電位ＡＮ２は、電気化学反応により定まる所定の正電位に昇圧する一方、カソード電位ＣＡ２には、直流抵抗成分による影響を受けて、電圧降下ＩＲ２が見られる。通常運転時のセル電圧ＶＣ２は、通常運転時のカソード電位ＣＡ２から通常運転時のアノード電位ＡＮ２を差し引いた電圧値ＶＣ２に等しい。なお、単位セルあたりのセル電圧ＶＣ２は、約０．６Ｖである。
酸化ガス不足時には、アノード電位ＡＮ３は、通常運転時のアノード電位ＡＮ２と比較して殆ど電位変動は見られない。一方、カソード電位ＣＡ３は、通常運転時のカソード電位ＣＡ２よりも低い電位に低下し、その上、直流抵抗成分による影響を受けて電圧降下ＩＲ３が見られるので、カソード電位ＣＡ３は、アノード電位ＡＮ３よりも低い電位に低下する。酸化ガス不足時のセル電圧ＶＣ３は、酸化ガス不足時のカソード電位ＣＡ３から酸化ガス不足時のアノード電位ＡＮ３を差し引いた電圧値ＶＣ３に等しい。カソード電位ＣＡ３は、アノード電位ＡＮ３より低電位なので、セル電圧ＶＣ３は、負電圧である。
燃料ガス不足時には、カソード電位ＣＡ４は、直流抵抗成分による影響を受けて電圧降下ＩＲ４が見られるものの、通常運転時のカソード電位ＣＡ２と比較して殆ど電位変動は見られない。一方、アノード電位ＡＮ４は、通常運転時のアノード電位ＡＮ２よりも高電位に昇圧し、水の電気分解によってプロトンを生成することで、燃料ガス不足を補う。燃料ガス不足時のセル電圧ＶＣ４は、燃料ガス不足時のカソード電位ＣＡ４から燃料ガス不足時のアノード電位ＡＮ４を差し引いた電圧値ＶＣ４に等しい。カソード電位ＣＡ４は、アノード電位ＡＮ４よりも低電位なので、セル電圧ＶＣ４は、負電圧である。
ここで、注目すべき点は、酸化ガス不足時には、アノード電位ＡＮ３は、所定の閾値電位Ｖａｎを超えないのに対し、燃料ガス不足時には、アノード電位ＡＮ４は、水の電気分解によりプロトンを生成するため、閾値電位Ｖａｎを超えるという点である。閾値電位Ｖａｎとしては、水の電気分解時にアノード電位が達する電位範囲であって、且つ、膜−電極アッセンブリ２５の触媒層に含まれる白金触媒がイオン化し始める電位付近（例えば、１．３Ｖ）に設定するのがよい。アノード電位を測定するための測定回路（図示せず）を燃料電池スタック２０に実装しておくことで、コントローラ７０は、アノード電位を基に反応ガス不足を判定できる。
例えば、コントローラ７０は、セルモニタ７３からの出力信号を所定の演算周期間隔で監視し、セル電圧が負電圧に落ち込んだことを検出すると、アノード電位と閾値電位Ｖａｎとを比較する。その比較の結果、アノード電位が閾値電位Ｖａｎを超えているときに燃料ガス不足と判定され、アノード電位が閾値電位Ｖａｎ未満のときに酸化ガス不足と判定される。なお、この判定処理は、実施例１の燃料ガス不足判定処理（ステップ３０１）、及び酸化ガス不足判定処理（ステップ３０２）に適用できる。そして、燃料ガス不足と判定されたときは、実施例１のステップ３０５，３０６，３０７の処理が実施され、酸化ガス不足と判定されたときは、実施例１のステップ３０４，３０６，３０７の処理が実施される。但し、酸化ガス不足の場合には、セル２１に電気化学的なダメージを与えることがないので、出力制限処理などのセル電圧回復処理（ステップ３０７）を省略して、セル電圧が負電圧を下回ることを許容してもよい。
上述のセル電極電位に基づくセル電圧管理によれば、セル電圧低下要因が燃料ガス不足であるのか、或いは酸化ガス不足であるのかを区別できるので、酸化ガス不足が生じていると判定されたときには、出力制限することなく、セル電圧低下を許容し、ドライバビリティ悪化を回避できる。
（２）Ｉ−Ｖ特性マップに基づくセル電圧管理
図８はセル２１のＩ−Ｖ特性マップを示しており、横軸はセル電流を示し、縦軸はセル電圧を示している。Ｉ−Ｖ特性マップ８０１は、反応ガスが過不足なくセル２１に供給されている状況を想定した通常運転時のＩ−Ｖ特性を示している。Ｉ−Ｖ特性マップ８０２は、セル２１への燃料ガス供給が不足している状況であって、且つ燃料ガス不足を補うためのプロトンを生成する上で必要十分な水分が燃料電池スタック２０内部に蓄積している状況を想定したＩ−Ｖ特性を示している。このような状況では、プロトン生成に必要な水分が十分に存在しているため、水の電気分解時のセル電圧の低下が最小になる。ここで、注目すべき点は、何等かの要因によりセル電圧が負電圧に落ち込んだとしても、その時のセル電圧が許容範囲８０３に属している限り、セル電圧低下要因は、少なくとも燃料ガス不足でないことが保証されるという点である。ここで、許容範囲８０３は、セル電圧が負電圧になる範囲であって、且つ、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２の上側の範囲である。但し、セル電圧がＩ−Ｖ特性マップ８０２を下回ったとしても、必ずしも燃料ガス不足が生じている訳ではない点に留意されたい。この特性を利用することにより、燃料ガス不足の有無を判定できる。
例えば、コントローラ７０は、セルモニタ７３からの出力信号を所定の演算周期間隔で監視し、セル電圧が負電圧に落ち込んだことを検出すると、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２の電圧値（セル電圧が負電圧に落ち込んだときのセル電流に対応するＩ−Ｖ特性マップ８０２上のセル電圧）と、実際のセル電圧とを比較する。その比較の結果、実際のセル電圧がＩ−Ｖ特性マップ８０２の電圧値を上回っている場合（実際のセル電圧が許容範囲８０３に属している場合）には、燃料ガス不足は生じていないものと判定される。この判定処理は、実施例１の燃料ガス不足判定処理（ステップ３０１）に適用できる。そして、燃料ガス不足と判定されたときは、実施例１のステップ３０５，３０６，３０７の処理が実施される。燃料ガス不足が生じていないときのセル電圧低下は、セル２１にダメージを与えないので、そのようなセル電圧低下は、許容され得る。更に、燃料電池スタック２０の出力制限は不要となる。なお、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２は、コントローラ７０からアクセス可能なメモリに保持しておけばよい。
次に、図９乃至図１１を参照しながら、Ｉ−Ｖ特性に基づくセル電圧管理の各種変形例について説明する。
図９は温度特性を加味したＩ−Ｖ特性マップ８０２を示している。Ｉ−Ｖ特性マップ８０２Ａ，８０２Ｂ，８０２Ｃは、それぞれ異なる温度環境下において、セル２１への燃料ガス供給が不足し、且つ、燃料ガス不足を補うためのプロトンを生成する上で必要十分な水分が燃料電池スタック２０内部に蓄積している状況を想定したＩ−Ｖ特性を示している。活性化過電圧の絶対値は温度低下に伴い大きくなるので、低電流域でのセル電圧低下の度合いは大きくなる。また、プロトン輸送抵抗は温度低下に伴い大きくなるので、Ｉ−Ｖ特性の線形領域の傾きは大きくなる。このような理由により、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２Ｂは、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２Ａよりも低温環境でのＩ−Ｖ特性を示し、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２Ｃは、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２Ｂよりも低温環境でのＩ−Ｖ特性を示している。これらのＩ−Ｖ特性マップ８０２Ａ，８０２Ｂ，８０２Ｃに示すように、温度低下に伴い、セル電圧低下の許容範囲８０３は、次第に広くなることが分かる。温度特性を考慮したＩ−Ｖ特性マップ８０２を使用することで、よりきめ細かいセル電圧管理が可能になる。
図１０は制御遅れ時間を電圧値に換算したマージン８０５を加味して補正されたＩ−Ｖ特性マップ８０４を示している。燃料ガス不足時に水の電気分解が実施されると、セル電圧は比較的急速に低下する。このため、セル電圧が許容範囲８０３のうちＩ−Ｖ特性マップ８０２に比較的近いところまで落ち込んだ段階で燃料ガス不足でないと判定されたとしても、燃料ガス不足が生じている場合には、その後、短時間でセル電圧がＩ−Ｖ特性マップ８０２を大きく下回ることがあり得る。セル電圧が大きく低下すると、アノード電位が上述の閾値電位Ｖａｎを超えて昇圧し、膜−電極アッセンブリ２５の触媒層に含まれる白金触媒がイオン化する虞がある。制御遅れ時間を電圧値に換算したマージン８０５を加味してＩ−Ｖ特性マップ８０２を補正し、このような補正により得られたＩ−Ｖ特性マップ８０４を用いて反応ガス不足を判定することで、制御遅れを解消できる。なお、制御遅れ時間としては、セル電圧管理に要する各種処理の所要時間（セル電圧サンプリング時間、反応ガス不足判定時間など）や制御系の機械的な応答遅れ時間などを積算した時間を用いればよい。
図１１は簡素化されたＩ−Ｖ特性マップ８０６を示している。Ｉ−Ｖ特性マップ８０６は、セル電流に関係なく、一定値Ｖ０を有するマップデータである。一定値Ｖ０は、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２のセル電流＝０に対応するセル電圧として求めることができる。燃料ガス不足の有無を判定する基準となる閾値電圧として、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２上の一番高い電圧値Ｖ０を設定することで、全てのセル電流範囲において、電圧Ｖ０を基に燃料ガス不足の有無を判定できるので、セル電圧管理を簡素化できる。この場合、それぞれの異なる温度に対応する電圧値Ｖ０を予め算出し、温度特性を加味したＩ−Ｖ特性マップ８０６に基づいてセル電圧管理を実施してもよく、或いは電池運転において想定される全ての温度範囲について、燃料ガス不足の有無を判定する基準となる電圧値を予め算出し、この電圧値をＩ−Ｖ特性マップ８０６としてもよい。
なお、温度特性を加味したＩ−Ｖ特性マップ８０２Ａ，８０２Ｂ，８０２Ｃ（図９）、制御時間遅れを加味したＩ−Ｖ特性マップ８０４（図１０）、又は簡素化されたＩ−Ｖ特性マップ８０６（図１１）を用いた燃料ガス不足の判定処理は、Ｉ−Ｖ特性マップ８０２（図８）を用いた燃料ガス不足の判定処理と同じである。また、図９乃至図１１に示すＩ−Ｖ特性マップ８０２（８０２Ａ，８０２Ｂ，８０２Ｃ），８０４，８０６は、必ずしも単独で使用する必要はなく、それぞれの特徴を組み合わせて使用してもよい。
上述のＩ−Ｖ特性マップに基づくセル電圧管理によれば、水の電気分解時のセル電圧の低下が最小になるＩ−Ｖ特性マップ８０２，８０４，８０６を用いることで、燃料ガス不足が生じていないことが確実に保証できるセル電圧の許容範囲８０３を特定することができる。燃料ガス不足が生じていないと判定されたときには、セル電圧低下を許容できるので、出力制限が不要となり、ドライバビリティの悪化を回避できる。
なお、上述の実施例１乃至実施例３では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて下限電圧を変更することで、発電許容範囲を柔軟に変更することができる。また、本発明によれば、セル電圧低下要因が燃料ガス不足又は酸化ガス不足の何れであるかを判定し、セル電圧低下要因に応じて適切にセル電圧を管理することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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