(57)【要約】【課題】過度に電流制限を行う事を抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と、燃料電池スタックにおけるセル当り電圧を監視する監視部と、予め登録された制限抵抗値と電流値とを乗算することによって電流制限電圧を算出し、セル当り電圧が電流制限電圧以下に低下したことを検知した場合に、燃料電池スタックの出力を制限する制御部と、を備える。制御部は、セル当り電圧が予め定められた閾値電圧に低下した場合に、燃料電池スタックに供給するアノードガス流量を増加させ、アノードガス流量を増加した状態で予め定めた時間が経過した時点において、セル当り電圧が安定した場合、セル当り電圧が安定した際の電圧値および電流値に応じて制限抵抗値を算出し、算出された制限抵抗値が登録されていた制限抵抗値よりも大きい場合、制限抵抗値を更新する。【選択図】図３
2019071207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と、
前記燃料電池スタックにおけるセル当り電圧を監視する監視部と、
予め登録された制限抵抗値と前記電流値とを乗算することによって電流制限電圧を算出し、前記セル当り電圧が前記電流制限電圧以下に低下したことを検知した場合に、前記燃料電池スタックの出力を制限する制御部と、を備え、
前記制御部は、
（ａ）前記セル当り電圧が予め定められた閾値電圧に低下した場合に、前記燃料電池スタックに供給するアノードガス流量を増加させる処理と、
（ｂ）前記アノードガス流量を増加した状態で予め定めた時間が経過した時点において、前記セル当り電圧が前記閾値電圧以上に上昇せず、かつ、前記セル当り電圧が下降を続けることなく安定した場合、前記セル当り電圧が安定した際の電圧値および電流値に応じて前記制限抵抗値を算出する処理と、
（ｃ）前記処理（ｂ）で算出された前記制限抵抗値が前記登録されていた制限抵抗値よりも大きい場合、前記制限抵抗値を更新する処理と、
を実行する、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、セルの電圧が０Ｖ未満の負電圧に低下すると、アノードガスの供給が欠乏した状態（アノードガス欠乏状態）と判定するものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、アノードガス欠乏状態と判定すると、燃料電池スタックの出力電流を制限する「出力電流制限」を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０８５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、セルが劣化すると、カソードガスの供給が欠乏した状態（以下、「カソードガス欠乏状態」という）であっても、セルの電圧が負電圧まで低下する場合がある。この負電圧は、セルの劣化が進むほど大きくなる。この場合、電流制限が頻繁に行なわれるおそれがある。そのため、過度に電流制限を行う事を抑制できる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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。
【０００６】
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、複数のセルを有する燃料電池スタックと；前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と；前記燃料電池スタックにおけるセル当り電圧を監視する監視部と；予め登録された制限抵抗値と前記電流値とを乗算することによって電流制限電圧を算出し、前記セル当り電圧が前記電流制限電圧以下に低下したことを検知した場合に、前記燃料電池スタックの出力を制限する制御部と、を備える。前記制御部は、（ａ）前記セル当り電圧が予め定められた閾値電圧に低下した場合に、前記燃料電池スタックに供給するアノードガス流量を増加させる処理と、（ｂ）前記アノードガス流量を増加した状態で予め定めた時間が経過した時点において、前記セル当り電圧が前記閾値電圧以上に上昇せず、かつ、前記セル当り電圧が下降を続けることなく安定した場合、前記セル当り電圧が安定した際の電圧値および電流値に応じて前記制限抵抗値を算出する処理と、（ｃ）前記処理（ｂ）で算出された前記制限抵抗値が前記登録されていた制限抵抗値よりも大きい場合、前記制限抵抗値を更新する処理と、を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、供給するアノードガス流量を増加させたときに、セル当り電圧が回復せず安定した場合に、セル当り電圧に応じて制限抵抗値を設定するので、単セルの劣化が進んでカソードガス欠乏状態でセル当り電圧が負電圧に低下した場合には電流制限を行わない。このため、過度に電流制限を行う事を抑制できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。
【図２】セル当り電圧の変化の一例を示したタイミングチャートである。
【図３】発電監視処理の概要を表わすフローチャートである。
【図４】制限抵抗値決定処理の一例を示したフローチャートである。
【図５】電流とセル当り電圧との関係を示したタイミングチャートである。
【図６】電流制限処理の一例を示したフローチャートである。
【図７】電流制限率とセル当り電圧との関係を示したグラフである。
【図８】セル当り電圧と燃料電池スタックの電流とアノードガス供給流量との関係の一例を示したタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給排出系３０と、アノードガス供給排出系５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）９１と、２次電池９２と、負荷９３と、監視部９４と、電流検出部９５と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。
【００１１】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する発電監視処理を実現する。
【００１２】
２次電池９２は、ＰＣＵ９１に接続されている。ＰＣＵ９１は、２次電池９２に接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を含んでいる。燃料電池スタック１０および２次電池９２の電力は、ＰＣＵ９１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷９３や、後述するカソードガスコンプレッサ３２、アノードガスポンプ６４、各種弁に、供給される。
【００１３】
カソードガス供給排出系３０は、カソードガス配管３１と、カソードガスコンプレッサ３２と、第１開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。
【００１４】
カソードガスコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３３は、カソードガスコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０との間に設けられている。
【００１５】
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口圧力を調整する。
【００１６】
アノードガス供給排出系５０は、燃料ガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、アノードガスポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。
【００１７】
アノードガスタンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側、から設けられている。
【００１８】
第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの量を制御する。
【００１９】
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかったアノードガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器７０へと誘導する。
【００２０】
気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。
【００２１】
排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された水の排水と、気液分離器７０内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。
【００２２】
循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６４が設けられている。気液分離器７０によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６４によって、燃料ガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部２０の制御に応じて燃料電池スタック１０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷９３に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０とＰＣＵ９１とを介して２次電池９２に蓄電される。
【００２４】
監視部９４は、セル当り電圧を監視する。より具体的には、監視部９４は、燃料電池スタック１０の個々の単セル１１の電圧を計測する。あるいは、各単セル１１をｎ枚１組（ｎは１以上の整数）としたセルグループと接続し、各セルグループについての単セル１１の電圧の合計値を計測するようにしてもよい。ｎが２以上の場合には、計測した電圧をｎで除算することによって、セル当り電圧を算出できる。監視部９４は、その計測結果からセル当り電圧を求めて制御部２０に送信する。なお、監視部９４は、求めたセル当り電圧のうち、最も低いセル当り電圧のみを制御部２０に送信するものとしてもよい。セル当り電圧が大きく低下する主な原因は、アノードガスの欠乏または、カソードガスの欠乏である。これらの欠乏は、燃料電池スタック１０の両端の単セル１１で生じやすいので、少なくとも両端の単セル１１については、個々の単セル１１の電圧を測定することが好ましい。
【００２５】
電流検出部９５は、燃料電池スタック１０の電流値を検出する。電流検出部９５は、検出した電圧値を制御部２０に送信する。
【００２６】
図２は、セル当り電圧Ｖｃの変化の一例を示したタイミングチャートである。グラフＧ１とＧ２は、アノードガス欠乏状態のセル当り電圧Ｖｃの変化を示しており、グラフＧ３とＧ４は、カソードガス欠乏状態のセル当り電圧Ｖｃの変化を示している。本実施形態において、セル当り電圧Ｖｃが低下して閾値電圧Ｖ０を下回るタイミングｔ０で、制御部２０は、アノードガス流量を増加する。閾値電圧Ｖ０とは、単セル１１がアノードガス欠乏状態か否かを判定するための閾値であり、予め実験的に定めることができる。閾値電圧Ｖ０は、０Ｖ未満とすることが好ましい。タイミングｔ０からｔ１の期間で、アノードガス欠乏状態かカソードガス欠乏状態かを判定できる。
【００２７】
アノードガス欠乏状態の場合、グラフＧ１に示すように、アノードガス供給流量を増加すると、セル当り電圧Ｖｃが回復する。ただし、場合によっては、グラフＧ２に示すように、アノードガス供給流量を増加しても直ちにセル当り電圧Ｖｃが回復せずに、かなり低い電圧まで低下してしまう場合がある。このような場合を考慮して、電流制限電圧Ｖ１が設定されている。セル当り電圧Ｖｃがこの電流制限電圧Ｖ１以下になると、燃料電池スタック１０の電流制限を行う事により単セル１１の劣化を抑制する。電流制限電圧Ｖ１は、次の式（１）に従って、予め登録された制限抵抗値Ｒｒと燃料電池スタック１０の電流値Ｉとを乗算することによって算出される。
【００２８】
Ｖ１ ＝ −Ｒｒ × Ｉ …（１）
【００２９】
カソードガス欠乏状態の場合、グラフＧ３およびＧ４に示すように、セル当り電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ０以上に回復せずに安定する。グラフＧ４は、グラフＧ３よりも単セル１１が劣化した場合を示している。単セル１１に劣化が生じている場合、グラフＧ４に示すように、電流制限電圧Ｖ１を下回る電圧値で安定する可能性がある。この場合には、以下に説明するように、電流制限のための制限抵抗値が更新される。
【００３０】
図３は、本実施形態における、燃料電池スタック１０の発電監視処理の概要を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御部２０により繰り返し実行される処理である。制御部２０は、この処理を開始すると、ステップＳ１００で、監視部９４により燃料電池スタック１０におけるセル当り電圧Ｖｃを取得し、セル当り電圧Ｖｃが、予め定められた閾値電圧Ｖ０以下に低下したか否か判定する。セル当り電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ０以下に低下した場合、制御部２０は、ステップＳ１１０に進み、燃料電池スタック１０に供給するアノードガス流量を増加させる。一方、セル当り電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ０より大きい場合、制御部２０はステップＳ１００の処理に戻る。なお、本実施形態において、燃料電池スタック１０に供給するアノードガス流量は、セル当り電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ０以上に回復した時点で増加させる前のアノードガス流量に戻す。
【００３１】
次に、制御部２０は、ステップＳ１２０で、セル当り電圧Ｖｃを取得し、セル当り電圧Ｖｃが回復したか否か判定する。セル当り電圧Ｖｃが回復している場合、発電監視処理を終了する。一方、セル当り電圧Ｖｃが回復していない場合、ステップＳ１３０に進み、一定時間経過した時点（図２のタイミングｔ１）において、セル当り電圧Ｖｃが安定したかどうかを判定する。セル当り電圧Ｖｃが下降を続け安定しない場合、アノードガス欠乏状態と判定でき、発電監視処理を終了する。一方、セル当り電圧Ｖｃが下降を続けることなく安定した場合、カソードガス欠乏状態と判定でき、ステップＳ１４０に進み、制限抵抗値決定処理を行う。制限抵抗値決定処理については後述する。なお、ステップＳ１３０の「一定時間」とは、カソードガス欠乏状態と判定出来る時間として、予め実験的に定めることができる。また、「安定」とは、セル当り電圧Ｖｃのタイミングｔ１以前の予め定めた時間での変動が少ない状態であり、例えば、予め定めた時間でのセル当り電圧Ｖｃの最高値と最低値との差が、０．０５Ｖ以下である状態である。
【００３２】
また、制御部２０は、上述したステップＳ１２０と並行して、ステップＳ１５０で電流制限処理を行う。電流制限処理については後述する。
【００３３】
図４は、制限抵抗値決定処理の一例を示したフローチャートである。まず、制御部２０は、ステップＳ２００において次の式（２）で示すように、電流制限電圧Ｖ１の抵抗成分である制限抵抗値Ｒｒを算出する。
【００３４】
Ｒｒ（ｎ） ＝ −Ｖｃ（ｔ） ／ Ｉ（ｔ） …（２）
ここでＲｒ（ｎ）は今回算出する制限抵抗値、Ｖｃ（ｔ）はセル当り電圧Ｖｃが安定した場合における電圧値、Ｉ（ｔ）は燃料電池スタック１０の電流値であり、ｔは時刻である。Ｖｃ（ｔ）は、セル当り電圧Ｖｃが下降し続けることなく安定した場合におけるセル当り電圧Ｖｃの平均値を用いてもよいし、最低値を用いてもよい。セル当り電圧Ｖｃ（ｔ）が負電圧で低いほど、制限抵抗値Ｒｒ（ｎ）は大きくなり、電流制限電圧Ｖ１が低くなる。
【００３５】
図５は、カソードガス欠乏状態における電流とセル当り電圧Ｖｃとの関係を示したタイミングチャートである。この例では、上述した式（２）におけるＶｃ（ｔ）として、セル当り電圧が安定した場合における最低電圧Ｖｌｏｗを使用する。Ｉ（ｔ）は、セル当り電圧Ｖｃが最低電圧Ｖｌｏｗとなるタイミングｔｍにおける電流値である。
【００３６】
次に、制御部２０は、ステップＳ２１０（図４）で、算出した制限抵抗値Ｒｒ（ｎ）が前回の電流制限における制限抵抗値Ｒｒ（ｎ−１）より大きいか否か判定する。制限抵抗値Ｒｒ（ｎ）が制限抵抗値Ｒｒ（ｎ−１）より大きい場合、ステップＳ２２０に進み、次回の電流制限における制限抵抗値Ｒｒを更新する。より具体的には、ステップＳ２００で算出した制限抵抗値Ｒｒ（ｎ）を次回以降の電流制限で使用する値として登録する。一方、制限抵抗値Ｒｒ（ｎ）が制限抵抗値Ｒｒ（ｎ−１）より小さい場合、ステップＳ２２５に進み、次回の電流制限における制限抵抗値Ｒｒは前回用いた制限抵抗値Ｒｒ（ｎ−１）に維持したままにする。
【００３７】
なお、図３のステップＳ１３０でカソードガス欠乏状態になると判定した場合には、カソードに溜まった液水を除去するために、制御部２０は、カソードガス流量を増加させる掃気処理を実行してもよい。
【００３８】
図６は、図３のステップＳ１５０における電流制限処理の一例を示したフローチャートである。まず、制御部２０は、ステップＳ３００で上述した式（１）に従って、電流制限電圧Ｖ１を算出する。
【００３９】
次に、制御部２０は、ステップＳ３１０でセル当り電圧Ｖｃを取得し、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１以下に低下したか否か判定する。セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１以下に低下した場合、制御部２０は、ステップＳ３２０に進み、燃料電池スタック１０の電流制限を行う。電流制限の内容については後述する。一方、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１より大きい場合、制御部２０はステップＳ３００の処理に戻る。
【００４０】
電流制限を１回行った後、制御部２０は、ステップＳ３３０で、電流制限の終了条件が成立したか否か判定する。終了条件としては種々の条件を採用可能であり、例えば、セル当り電圧Ｖｃが、電流制限電圧Ｖ１まで上昇したこと、と定めることができる。セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１より低い場合、制御部２０は、処理をステップＳ３２０に戻して、終了条件が成立するまで、上述したステップＳ３２０、Ｓ３３０の処理を繰り返す。つまり、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超える値に回復するまで電流制限を行う。なお、燃料電池スタック１０の電流値Ｉは、経時的に変化するので、ステップＳ３３０の判断を行う度に、電流制限電圧Ｖ１を再計算することが好ましい。電流制限の終了条件は、燃料電池スタック１０により出力される電流が予め定めた電流値まで上昇したこと、と定めることもできる。終了条件が成立した場合、制御部２０は、電流制限処理を終了する。
【００４１】
制御部２０は、ステップＳ３２０の電流制限において次の式（３）で示すように、制御周期ごとに燃料電池スタック１０により出力される電流の上限値である制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ）を定めている。なお、本実施形態において、制御周期とは、ステップＳ３２０〜ステップＳ３３０の処理を繰り返す周期のことである。
【００４２】
Ｉｃａｐ（ｊ） ＝ Ｉｃａｐ（ｊ−１） × Ｒｃａｐ（ｊ） …（３）
ここでＩｃａｐ（ｊ）は今回の制限電流値、Ｉｃａｐ（ｊ−１）は前回の制限電流値、Ｒｃａｐ（ｊ）は今回の電流制限率である。電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）が低いほど、制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ）も低くなり、電流制限が厳しくなる。電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）は、直前に取得したセル当り電圧Ｖｃに応じて、電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）とセル当り電圧Ｖｃとの関係が定義されたマップや関数に基づき、定めることができる。１回目の電流制限における初期値Ｉｃａｐ（０）は、例えば、電流制限の開始直前における燃料電池スタック１０の電流値を使用可能である。
【００４３】
図７は、電流制限率Ｒｃａｐとセル当り電圧Ｖｃとの関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は電流制限率Ｒｃａｐを示し、横軸はセル当り電圧Ｖｃを示している。電流制限率Ｒｃａｐは、セル当り電圧Ｖｃの値が電流制限電圧Ｖ１以下の場合は１（＝１００％）以下であり、セル当り電圧Ｖｃが下がるほど低下する。電流制限率Ｒｃａｐは、セル当り電圧Ｖｃが予め定めた劣化電圧Ｖ２以下では０である。劣化電圧Ｖ２とは、単セル１１の性能が劣化する電圧値である。また、電流制限率Ｒｃａｐは、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超えると１より大きな値（例えば１．１〜１．３）となる。なお、ステップＳ３２０が開始されたときに選択された電流制限率Ｒｃａｐのグラフは、ステップＳ３３０で終了条件が成立するまで維持される。
【００４４】
図８は、電流制限処理におけるセル当り電圧Ｖｃと燃料電池スタック１０の電流とアノードガス供給流量との関係の一例を示したタイミングチャートである。上段のグラフはセル当り電圧Ｖｃの変化を示している。中段のグラフは燃料電池スタック１０の実際の電流値Ｉｆｃと、電流制限によって出力が制限された制限電流値Ｉｃａｐ、燃料電池スタック１０が出力するよう要求されている電流値（以下、「要求電流値Ｉｒｅｑ」という）を示している。下段のグラフは、アノードガス供給流量の変化を示している。なお、中段のグラフでは、説明の便宜上、実際の電流値Ｉｆｃを示すグラフを下方向にずらして記載しているが、実際は、制限電流値Ｉｃａｐおよび要求電流値Ｉｒｅｑのグラフと部分的に重なっている。
【００４５】
図８の上段のグラフに示すように、燃料電池システム１００の稼働中に単セル１１がアノードガス欠乏状態となった場合、セル当り電圧が徐々に低下する。セル当り電圧Ｖｃが過度に低下して劣化電圧Ｖ２を下回ると、単セル１１の性能が劣化する原因となる。そのため、本実施形態では、上述したように、監視部９４がセル当り電圧Ｖｃが、閾値電圧Ｖ０に低下したことを検知したタイミングｔ２において、制御部２０がアノードガス供給流量を増加し、劣化電圧Ｖ２よりも高い電流制限電圧Ｖ１以下に低下したことを検知したタイミングｔ３において、制御部２０が電流制限をすることによってセル当り電圧Ｖｃが劣化電圧Ｖ２に到達する事を抑制する。
【００４６】
図８の中段のグラフに示すように、タイミングｔ３以前は電流制限がされていないため、制限電流値Ｉｃａｐは定格電流値Ｉｒに設定されている。制御部２０は、タイミングｔ３において、図６のステップＳ３２０の電流制限を開始し、制御周期毎にステップＳ３２０〜ステップＳ３３０の制御を繰り返す。この際、ステップＳ３２０の電流制限が最初に実行されるときは、上述した式（３）の前回の制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ−１）として、その直前の実際の電流値Ｉｆｃが使用されている。また、要求電流値Ｉｒｅｑと実際の電流値Ｉｆｃとの差分に相当する電力は、２次電池９２が負担する。そして、制御部２０は、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超える値まで上昇したタイミングｔ４以降において、制限電流値Ｉｃａｐを大きくしていく。
【００４７】
なお、図８の例では、図６のステップＳ３３０における電流制限の終了条件は、制限電流値Ｉｃａｐ≧定格電流値Ｉｒと定めている。そのため、タイミングｔ４以降も上述した式（２）に従って制御周期毎に制限電流値Ｉｃａｐが更新される。図７に示したように、セル当り電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超えている場合には、電流制限率Ｒｃａｐが１を超える値になるので、制限電流値Ｉｃａｐは徐々に上昇する。
【００４８】
図８の下段のグラフに示すように、制御部２０は、タイミングｔ２においてアノードガス供給流量を増加する。この例では、制御部２０は、セル当り電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ０を超える値まで上昇したタイミングｔ５において、アノードガス供給流量を減少しているが、アノードガス供給流量を減少するタイミングは任意に定めることができる。
【００４９】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、供給するアノードガス流量を増加させて、セル当り電圧Ｖｃが回復せず安定した場合に、セル当り電圧Ｖｃに応じて制限抵抗値を設定するので、単セル１１の劣化が進んでカソードガス欠乏状態でセル当り電圧Ｖｃが負電圧に低下した場合には電流制限を行わない。このため、過度に電流制限を行う事を抑制できる。
【００５０】
本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又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。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池スタック
１１…単セル
２０…制御部
３０…カソードガス供給排出系
３１…カソードガス配管
３２…カソードガスコンプレッサ
３３…第１開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給排出系
５１…燃料ガス配管
５２…アノードガスタンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６３…循環配管
６４…アノードガスポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…ＰＣＵ
９２…２次電池
９３…負荷
９４…監視部
９５…電流検出部
１００…燃料電池システム
【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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