(57)【要約】【課題】高負荷連続運転時における燃料電池の乾燥を抑制する。【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料電池システムは、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記燃料電池から取り出す電流を上限電流値以下に制限する電流制限部と、を備え、前記電流制限部は、前記検出されたインピーダンスに基づいて前記上限電流値を変更する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
前記燃料電池から取り出す電流を上限電流値以下に制限する電流制限部と、
を備え、
前記電流制限部は、前記検出されたインピーダンスに基づいて前記上限電流値を変更する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記インピーダンスが第１のインピーダンス値より高い第２のインピーダンス値であるとき、前記上限電流値を前記第１のインピーダンス値の時の上限電流値よりも低い値とする、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を備え、
前記検出された温度に基づいて前記上限電流値を変更する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記検出された温度が第１の温度より高い第２の温度のとき、前記上限電流値を前記第１の温度の時の上限電流値よりも低い値とする、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池のインピーダンスを検出する工程と、
前記燃料電池から取り出す電流を上限電流値以下に制限する工程と、
を備え、
前記電流を制限する工程は、前記検出されたインピーダンスに基づいて前記上限電流値を変更する、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムと、燃料電池システムの制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池のセル面内における含水量分布を推定し、その推定結果に基づいて、燃料電池から取り出す電流を制限している。上記推定は、例えば、燃料電池の冷却水温に基づいて行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ／２０１０／０７３３８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１３６４７号公報
【特許文献３】特開２００７−３３５２２０号公報
【特許文献４】特開２００９−１５８３８３号公報
【特許文献５】特開２０１３−２３５７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、高負荷で連続運転している場合に、冷却水温の上昇が燃料電池セルの実際の乾きに対して遅れるため、燃料電池セルの乾きが進行した後に電流制限を行うことになり、制御性が悪化し、燃料電池の発熱量が増加する。このために、燃料電池セルの乾燥が進み、電解質膜が適度な湿潤状態に戻りにくくなるという問題が発生した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池システムは、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記燃料電池から取り出す電流を上限電流値以下に制限する電流制限部と、を備えてよい。前記電流制限部は、前記検出されたインピーダンスに基づいて前記上限電流値を変更してよい。インピーダンスの変化は、冷却水温に比べて、燃料電池の乾きに対して高い応答性を示すことから、この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の乾きが進行する前に電流制限を行うことができる。その結果、高負荷で連続運転する場合においても、燃料電池の発熱の増大を抑制することができる。したがって、この形態の燃料電池システムは、高負荷連続運転時における燃料電池の乾燥を抑制することができる。
【０００７】
（２）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記インピーダンスが第１のインピーダンス値より高い第２のインピーダンス値であるとき、前記上限電流値を前記第１のインピーダンス値の時の上限電流値よりも低い値としてもよい。この燃料電池システムによれば、インピーダンスが低いときよりも高いときの方が、上限電流値が低い値となり、電流制限が厳しく設定されることなる。インピーダンスが高いほど燃料電池の水分量が少なく乾燥し易く、その場合に、電流制限をより厳しく設定できることから、燃料電池の乾燥を十分に抑制することができる。
【０００８】
（３）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を備え、前記検出された温度に基づいて前記上限電流値を変更するようにしてもよい。この燃料電池システムによれば、燃料電池の温度によって燃料電池の乾きをコントロールすることが可能となることから、燃料電池の乾燥をより抑制することができる。
【０００９】
（４）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記検出された温度が第１の温度より高い第２の温度のとき、前記上限電流値を前記第１の温度の時の上限電流値よりも低い値とするようにしてもよい。この燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が低いときよりも高いときの方が、上限電流値が低い値となり、電流制限が厳しく設定されることなる。温度が高いほど燃料電池は乾燥し易く、その場合に、電流制限をより厳しく設定できることから、燃料電池の乾燥をより抑制することができる。
【００１０】
（５）本発明の他の形態は、燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法である。この燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池のインピーダンスを検出する工程と、前記燃料電池から取り出す電流を上限電流値以下に制限する工程と、を備えていてもよい。前記電流を制限する工程は、前記検出されたインピーダンスに基づいて前記上限電流値を変更するようにしてもよい。この構成の燃料電池システムの制御方法によれば、前記形態の燃料電池システムと同様に、高負荷連続運転時における燃料電池の乾燥を抑制することができる。
【００１１】
本発明は、燃料電池システムや燃料電池システムの制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。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の各工程に対応した機能を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した記録媒体等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池車両の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池車両の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】制御ユニットが実行する出力制御処理を示すフローチャートである。
【図４】電流の目標値の取得工程を説明するための説明図である。
【図５】電流制限用マップを示す説明図である。
【図６】電流制限用マップの制作に用いたグラフの図である。
【図７】電流制限用マップの制作に用いたグラフの図である。
【図８】電流制限用マップの制作に用いたグラフの図である。
【図９】電流制限用マップの制作に用いたグラフの図である。
【図１０】出力制御処理によって変化する電流制限用マップ上の動作点の遷移を示す説明図である。
【図１１】出力制御処理によって変化する燃料電池スタックの発電状態の遷移を示す説明図である。
【図１２】参考例における燃料電池スタックの発電状態の遷移を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池車両１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両１０は、四輪自動車であり、燃料電池システム３０を搭載する。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック４０、水素ガス供給排出機構５０、空気供給排出機構６０、冷却水循環機構７０、および制御ユニット１００を備えている。
【００１４】
燃料電池スタック４０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セル４１を積層して形成される。単セル４１は、アノード、カソード、電解質、セパレータ等から構成される。燃料電池スタック４０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。
【００１５】
水素ガス供給排出機構５０は、燃料電池スタック４０に水素ガスを供給および排出する。水素ガスとは、水素リッチな気体を意味しており、純水素には限定されない。水素ガス供給排出機構５０は、水素タンク５１と、水素ガス供給流路５２と、水素ガス循環流路５３と、水素ガス排出流路５４と、を備える。
【００１６】
水素タンク５１は、高圧の水素ガスを貯蔵する。水素ガス供給流路５２は、水素タンク５１の水素ガスを燃料電池スタック４０に供給するための管路である。水素ガス循環流路５３は、消費されずに燃料電池スタック４０から排出された水素ガスを水素ガス供給流路５２に循環させるための管路である。水素ガス排出流路５４は、水素ガス循環流路５３と、空気供給排出機構６０に備えられる空気排出路６６（後述）とをつなぐ管路である。
【００１７】
水素ガス供給流路５２における、水素ガス循環流路５３と水素ガス供給流路５２との接続地点Ｘよりも上流側には、水素ガス供給弁としてのインジェクタ５５が設けられている。水素ガス供給排出機構５０は、圧力センサ５６を備える。圧力センサ５６は、接続地点Ｘよりも下流側における水素ガス供給流路５２内の水素ガスの圧力を検出する。
【００１８】
水素ガス循環流路５３における、水素ガス排出流路５４と水素ガス循環流路５３との接続地点Ｙよりも下流側には、水素循環ポンプ５７が設けられている。水素循環ポンプ５７により、水素ガス循環流路５３における水素ガスの循環がなされる。水素ガス排出流路５４の途中には、パージバルブ５８が設けられている。パージバルブ５８は、水素ガス循環流路５３内に不純物が増加した時に、その不純物を空気排出路から排出するために開かれる。
【００１９】
燃料電池スタック４０に酸化剤ガスとしての空気の供給および排出をする空気供給排出機構６０は、空気供給路６１と、空気排出路６６と、バイパス路６９と、を備える。空気供給路６１および空気排出路６６は、燃料電池スタック４０と自身の大気開放口とを接続する流路である。空気供給路６１の大気開放口には、エアクリーナ（図示せず）が設けられている。バイパス路６９は、空気供給路６１と空気排出路６６とを接続する流路である。
【００２０】
空気供給排出機構６０は、エアコンプレッサ６２を備える。エアコンプレッサ６２は、空気供給路６１の途中に設けられ、空気供給路６１の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。エアコンプレッサ６２が設けられる位置は、空気供給路６１とバイパス路６９との接続地点よりも大気開放口に近い位置である。
【００２１】
空気供給排出機構６０は、分流シャットバルブ６３を備える。分流シャットバルブ６３は、空気供給路６１とバイパス路６９との接続地点に設けられ、エアコンプレッサ６２から流れてくる圧縮空気を、空気供給路６１の下流側と、バイパス路６９とに分流する。このようなバルブは、三方弁とも言う。ここで言う「分流」とは、両方に流量を配分することと、何れか一方に１００％の流量を配分することとを含む。
【００２２】
空気供給排出機構６０は、圧力検出部としての圧力センサ６５を備える。圧力センサ６５は、エアコンプレッサ６２と分流シャットバルブ６３との間における空気供給路６１内の空気圧を検出する。
【００２３】
空気供給排出機構６０は、圧力調整シャットバルブ６７を備える。圧力調整シャットバルブ６７は、空気排出路６６に設けられ、バルブ開度に応じて空気排出路６６の流路断面積を調整する。圧力調整シャットバルブ６７を通過した空気は、バイパス路６９との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。
【００２４】
燃料電池スタック４０を冷却する冷却水循環機構７０は、ラジエータ７１と、冷却水循環ポンプ７２と、水温センサ７３，７４と、分流シャットバルブ７５とを備える。分流シャットバルブ７５は、冷却水循環路７６とバイパス路７７の接続地点に設けられている。冷却水循環機構７０は、単セル４１の運転温度を制御するために、単セル４１とラジエータ７１との間において冷却水を循環させ、また冷却水をバイパス路７７を介してラジエータ７１を迂回させる。冷却水は、このように循環することによって、単セル４１における吸熱とラジエータ７１における放熱とを実行する。水温センサ７３は、冷却水循環機構７０における燃料電池スタック４０の出口側に設けられ、出口側における冷却水の温度を検出する。水温センサ７３は、出口側の冷却水の温度を検出することで、燃料電池スタック４０の温度を検出することができる。水温センサ７３は、ラジエータ７１の出口側に設けられ、ラジエータ７１から排出された直後の冷却水の温度を検出する。
【００２５】
燃料電池システム３０の運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えたマイクロコンピュータである。制御ユニット１００は、運転者によって操作されるアクセルペダル１１０の操作量（以下、「アクセル位置」と呼ぶ）を検出するアクセル位置センサ１１２の出力信号を始めとする種々の情報から、燃料電池スタック４０に対する出力要求を演算する。また、制御ユニット１００は、圧力センサ５６、６５などの各種センサからのステータス情報を受け取る。制御ユニット１００は、出力要求とステータス情報とを基に、インジェクタ５５の動作、各バルブ５８、６３、６７の動作、ポンプ５７、７２およびエアコンプレッサ６２の動作などを制御して、燃料電池スタック４０の出力を制御する。
【００２６】
図２は、燃料電池車両１０の電気的構成を示すブロック図である。燃料電池車両１０は、さらに、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ８７と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３と、駆動モータ８５と、を備える。
【００２７】
燃料電池スタック４０は、ＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ８７を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。直流電源ラインＤＣＬはＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、駆動モータ８５に接続されている。
【００２８】
二次電池８１は、燃料電池スタック４０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なニッケル水素電池やリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、二次電池８１の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御ユニット１００の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池スタック４０の出力がアクセル位置から定まる出力要求に対して不足するような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、その不足分を補償するように二次電池８１に放電させる。ＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ８７は、燃料電池スタック４０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有する。
【００２９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池スタック４０および二次電池８１から得られた直流電力を交流電力へと変換する。駆動モータ８５は、三相モータなどで構成することができ、ＤＣ／ＡＣインバータ８３からの交流電力に応じて回転駆動力を発生する。駆動モータ８５は、外力によってそのロータが回転させられるときには発電機として働き、交流電力（回生電力）を発生する。そうした回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３で直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に充電される。
【００３０】
燃料電池スタック４０の周辺には、燃料電池スタック４０の発電状態を検出するセンサ群として、電流計９１、電圧計９２、インピーダンス計９３がそれぞれ設けられている。インピーダンス計９３は、燃料電池スタック４０に高周波の交流電圧を印加して、燃料電池スタック４０のインピーダンスを測定する。電流計９１、電圧計９２、およびインピーダンス計９３の各測定結果は、制御ユニット１００へと送信される。
【００３１】
制御ユニット１００は、電圧計９２（図１）の測定値から燃料電池スタック４０の出力電力測定値（発電状態）を検出する。また、制御ユニット１００は、図示しないＳＯＣ検出部によって二次電池８１の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を検出する。制御ユニット１００は、これらの情報を基にＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ８７およびＤＣ／ＤＣコンバータ８２の出力電圧を設定して燃料電池スタック４０および二次電池８１の出力電力を制御する。また、制御ユニット１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３によって交流電力の周波数を制御して、駆動モータ８５に必要なトルクを発生させる。
【００３２】
Ｂ．出力制御処理：
図３は、制御ユニット１００が実行する燃料電池スタック４０の出力制御処理を示すフローチャートである。出力制御処理は、燃料電池スタック４０を起動させるためのスタータスイッチがオンされた後に繰り返し実行される。処理が開始されると、制御ユニット１００は、アクセル位置を始めとする種々の情報から定まる、燃料電池スタック４０に対する出力要求を受け付ける（ステップＳ１００）。次いで、制御ユニット１００は、受け付けた出力要求に応じて、燃料電池スタック４０に出力させる電力を決定し、その電力を得るための燃料電池スタック４０の電流の目標値を取得する（ステップＳ２００）。
【００３３】
図４は、ステップＳ２００における電流の目標値の取得工程を説明するための説明図である。図中には、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vと、後述するステップＳ４００で用いる燃料電池スタック４０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧI-Pと、を、左右の縦軸をそれぞれ電圧軸および電力軸とし、横軸を電流軸として示してある。
【００３４】
通常、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される。また、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増加に従ってなだらかに下降する横Ｓ字状の曲線グラフとして表される。制御ユニット１００は、燃料電池スタック４０についてのＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性を表す情報を、燃料電池スタック４０の制御用情報として予め記憶しており、その制御用情報に基づいて、燃料電池スタック４０の電流の指令値を取得する。具体的には、次の通りである。
【００３５】
制御ユニット１００は、ステップＳ１００によって受け付けた出力要求に応じて、燃料電池スタック４０が出力すべき電力（目標電力Ｐｔ）を決定する。そして、燃料電池スタック４０のＩ−Ｐ特性に基づいて、目標電力Ｐｔに対して燃料電池スタック４０が出力すべき電流の目標値（目標電流Ｉｔ）を取得する。
【００３６】
なお、燃料電池スタック４０のＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性は、燃料電池スタック４０の運転温度など、その運転状態に応じて変化する。そのため、制御ユニット１００は、それらの運転状態ごとの制御用情報を予め記憶しており、現在の燃料電池スタック４０の運転状態に応じて、適宜、制御用情報を選択して用いることが好ましい。
【００３７】
図３のステップＳ２００に続くステップＳ３００では、制御ユニット１００は、ステップＳ２００で求めた目標電流Ｉｔの上限を制限する電流制限処理を実行する。ステップＳ３００の電流制限処理は、詳しくは、次の通りである。
【００３８】
制御ユニット１００は、まず、インピーダンス計９３からインピーダンスＺを取り込み（ステップＳ３１０）、水温センサ７３から燃料電池スタック４０の温度Ｔを取り込む（ステップＳ３２０）。次いで、制御ユニット１００は、ＲＯＭに予め格納された電流制限用マップを用いて、インピーダンスＺおよび温度Ｔに応じた電流制限率Ｒを算出する処理を行う（ステップＳ３３０）。
【００３９】
図５は、電流制限用マップＭＰを示す説明図である。図示するように、電流制限用マップＭＰは、横軸に燃料電池の温度Ｔをとり、縦軸に電流制限率Ｒをとり、横軸の値と縦軸の値とに対応するインピーダンスＺをマッピングした３次元のマップデータである。電流制限率Ｒは、目標電流Ｉｔの上限を規定するためのパラメータである。電流制限率Ｒが低いほど、目標電流Ｉｔの上限が低くなり、電流制限は厳しいものとなる。マップデータは４本のグラフＧ１〜Ｇ４からなり、グラフＧ１はインピーダンスＺ＝Ｚａについてのものであり、グラフＧ２はＺ＝Ｚｂについてのものであり、グラフＧ３はＺ＝Ｚｃについてのものであり、グラフＧ４はＺ＝Ｚｄについてのものである。Ｚａは、例えば１００［ｍΩ］である。Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃ，Ｚｄは、この順に大きくなっている。すなわち、Ｚｄ＞Ｚｃ＞Ｚｂ＞Ｚａである。
【００４０】
各グラフＧ１〜Ｇ４は、温度Ｔが例えばＴａ以下の場合には、電流制限率Ｒは１００％であり、温度Ｔが例えばＴａを超えると、温度Ｔの上昇に伴って、電流制限率Ｒは漸次低減する。その漸次低減する割合は、グラフＧ１〜Ｇ４の中でインピーダンスＺが最も高いグラフＧ４が最も大きく、インピーダンスＺが小さくなるに伴い（Ｇ３、Ｇ２、Ｇ１と移行するに伴い）徐々に小さくなっている。したがって、温度ＴがＴａを超えた場合、同じ温度での電流制限率Ｒは、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の順で小さくなる。グラフＧ４は、本実施形態では、高負荷で連続運転しても、燃料電池スタック４０のセル４１の乾きが進行しないようなラインとなっている。なお、本実施形態では、グラフＧ１〜Ｇ４の数は４本としたが、これに換えて、２本、３本、５本、６本、…、１０本、といた他の複数本としてもよい。
【００４１】
図６ないし図９は、電流制限用マップＭＰの制作に用いたグラフの図である。図６は、燃料電池スタック４０を出力電流１００［Ａ］の定常状態で運転しながら、燃料電池スタック４０の温度Ｔを漸次、上昇させ、そのときのセル４１の乾きの指標となるインピーダンスの上昇を、実験的にあるいはシミュレーションにより求めたグラフである。図７は、燃料電池スタック４０を１９０［Ａ］定常状態で運転しながら、図６と同様にして求めたグラフである。図８は、燃料電池スタック４０を３２０［Ａ］定常状態で運転しながら、図６と同様にして求めたグラフである。図９は、燃料電池スタック４０を４７５［Ａ］定常状態で運転しながら、図６と同様にして求めたグラフである。
【００４２】
図６ないし図９のグラフから、インピーダンスＺが温度Ｔに応じて急激に変化する変曲点の大きさが判る。すなわち、図６のグラフから、電流が１００［Ａ］で、温度ＴがＴｄを上回ると、インピーダンスＺが急激に大きくなる（すなわち、燃料電池がドライとなる）ことが判る。図７のグラフから、電流が１９０［Ａ］で、温度ＴがＴｄより小さいＴｃを上回ると、インピーダンスＺが急激に大きくなることが判る。図８のグラフから、電流が３２０［Ａ］で、温度ＴがＴｃより小さいＴｂを上回ると、インピーダンスＺが急激に大きくなることが判る。図９のグラフから、電流が４７５［Ａ］で、温度ＴがＴｂより小さいＴａを上回ると、インピーダンスＺが急激に大きくなることが判る。図６から図９までのグラフから得られたこれらの変曲点Ｔａ〜Ｔｄを用いて、電流制限用マップＭＰ（図５）のグラフＧ４の制作が可能となる。なお、Ｔａ〜Ｔｄは、この順に大きくなっている。すなわち、Ｔｄ＞Ｔｃ＞Ｔｂ＞Ｔａである。
【００４３】
その上で、図５において、インピーダンスＺがＺｄのときのグラフＧ４を基準とし、温度Ｔに応じた電流制限率Ｒの値が、インピーダンスＺがＺｃの場合には基準の＋１０％となり、インピーダンスＺがＺｂの場合には基準の＋２０％となり、インピーダンスＺがＺａの場合には基準の＋３０％となるように、グラフＧ３〜Ｇ１を定めた。上記の各インピーダンスＺの値に対する、１０％、２０％、３０％といった比率は、実験的にあるいはシミュレーションにより導き出した。
【００４４】
図３のステップＳ３３０では、制御ユニット１００は、ＲＯＭから上述した図５の電流制限用マップＭＰを呼び出し、そのマップＭＰを参照して、ステップＳ３１０で取り込んだインピーダンスＺとステップＳ３２０で取り込んだ温度Ｔとに対応する電流制限率Ｒを求める。インピーダンスＺの値がＺａ以下であるときには、グラフＧ１によって電流制限率Ｒを求める。インピーダンスＺの値がＺｄ以上であるときには、グラフＧ４によって電流制限率Ｒを求める。インピーダンスＺの値がＺｄからＺａまでの間で、グラフＧ１〜Ｇ４のインピーダンスの値以外の値である場合には、隣り合うグラフとグラフの間の内分点を演算によって求めて、その内分点にインピーダンスＺを照らし合わせることで、電流制限率Ｒを求めるようにする。
【００４５】
図３のステップＳ３３０の実行後、制御ユニット１００は、ステップＳ２００で求められた目標電流ＩｔにステップＳ３３０で求められた電流制限率Ｒを掛けることによって、新たな目標電流Ｉｔ＊を求める（ステップＳ３４０）。ステップＳ３４０の処理を終えると、ステップＳ３００の電流制限処理を抜けて、ステップＳ４００に進む。
【００４６】
ステップＳ４００では、制御ユニット１００は、図４に示した、燃料電池スタック４０のＩ−Ｖ特性に基づいて、ステップＳ３４０によって求めた新目標電流Ｉｔ＊を出力するために必要な燃料電池スタック４０の電圧の目標値（目標電圧Ｖｔ）を取得する。すなわち、図４に示すように、ステップＳ３００の電流制限処理によって、目標電流は、出力要求に応じた目標電力Ｐｔに対応する目標電流Ｉｔから、電流制限を掛けた後の新目標電流Ｉｔ＊に移行し、ステップＳ４００によって、新目標電流Ｉｔ＊に対応する目標電圧Ｖｔが、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vから求められる。
【００４７】
図３のステップＳ４００の実行後、制御ユニット１００は、ステップＳ３４０によって求められた新目標電流Ｉｔを燃料電池スタック４０に出力させるために、燃料電池スタック４０に目標電圧Ｖｔを出力させるように、ＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ８７に指令する出力制御を行う（ステップＳ５００）。その後、制御ユニット１００は、燃料電池車両１０の運転が停止されるまで、ステップＳ１００ないしＳ５００の処理を繰り返す（ステップＳ６００）。燃料電池車両１０の運転が停止されると（ステップＳ６００：ＹＥＳ）、出力制御処理を終了する。
【００４８】
図１０は、出力制御処理によって変化する電流制限用マップＭＰ上の動作点の遷移を示す説明図である。最初、燃料電池スタック４０は適度な湿潤状態であり、インピーダンスＺがＺａ（例えば１００［ｍΩ］）以下である場合には、燃料電池スタック４０の水温である温度Ｔが高くなっても、グラフＧ１のライン上で制御されるため、電流制限率Ｒは高く、電流制限は緩い。
【００４９】
燃料電池スタック４０の高負荷で連続運転されると、燃料電池スタック４０は高温状態を継続することになり、セル４１は乾き始め、インピーダンスＺは上昇する。インピーダンスＺが１００［ｍΩ］を超えると、グラフＧ１とグラフＧ２との間の内分点の制限値に電流制限率Ｒは制御される。例えば、温度Ｔが変化しないで、インピーダンスＺが１００［ｍΩ］から１０５［ｍΩ］と上昇した場合には、図中の動作点Ｐ１から動作点Ｐ２に遷移し、電流制限率ＲはＲａからＲｂに低下する。すなわち、電流制限は厳しくなる。
【００５０】
その後、インピーダンスＺの上昇と共に、電流制限率Ｒは低下し、インピーダンスＺがＺｄ以上となった場合には、グラフＧ４のライン上の動作点Ｐ３に移行されるため、連続運転しても、セル４１の乾きは進行しない。
【００５１】
Ｃ．実施形態の効果：
以上のように構成された燃料電池システム３０によれば、インピーダンスＺに基づいて電流制限率Ｒを変化させていることから、燃料電池スタック４０のセル４１の乾きが進行する前に電流制限を行うことができる。その結果、高負荷で連続運転する場合においても、燃料電池の発熱の増大を抑制することができる。したがって、燃料電池システム３０は、高負荷連続運転時における燃料電池の乾燥を抑制することができる。
【００５２】
図１１は、出力制御処理によって変化する燃料電池スタック４０の発電状態の遷移を示す説明図である。図中には、燃料電池スタック４０の電流−電圧特性（以下、「ＩＶ特性」と呼ぶ）が示されている。燃料電池スタック４０の温度Ｔが８０℃で、インピーダンスＺがＺａ（例えば１００［ｍΩ］）である場合に、動作点Ｑ１で運転しているとする。この運転状態から温度Ｔが上昇すると、図３の出力制御処理によって、電流が制限される。電流制限が掛かっている状態で連続運転していると、セル４１の乾きが進行し、ＩＶ特性のカーブが垂れてくる。この結果、ＩＶ特性はベースであるＣ１からＣ２に遷移し、動作点はＱ２に移行する。ＩＶ特性の傾きがインピーダンスＺに相当することから、動作点Ｑ２に移行することで、インピーダンスＺが上昇し、図５の電流制限用マップＭＰに従う出力制御処理によって、電流制限がさらに施され、動作点はＱ３に移行する。
【００５３】
上記インピーダンスＺに基づく動作点Ｑ３への移行は、従来技術に比較して、セル４１の乾きを早めに見て電流制限を掛けたことによるものであり、このときの発熱量の増加は低く抑えることができる。このため、温度Ｔの上昇はわずかなものとなり、ＩＶ特性はＣ３に遷移し、動作点はＩＶ特性Ｃ３上のＱ４に移行するに過ぎない。動作点Ｑ４に移行することで、インピーダンスＺが上昇し、ＩＶ特性はＣ４に遷移するが、Ｃ４はＣ３に対して変化の小さいものとなる。このようにして、ＩＶ特性の変化は収束し、安定したものとなり、温度Ｔも上がりにくくなる。したがって、図１１のグラフからも、高負荷で連続運転する場合に、燃料電池の発熱の増大を抑制できることが判る。
【００５４】
図１２は、参考例における燃料電池スタックの発電状態の遷移を示す説明図である。参考例は、燃料電池の冷却水温のみから電流制限を掛ける構成である。燃料電池スタックの温度（冷却水温）が８０℃である場合に、動作点Ｓ１で運転しているとする。この運転状態から温度が上昇すると、電流が制限される。電流制限が掛かっている状態で連続運転していると、セルの乾きが進行し、ＩＶ特性のカーブが垂れてくる。この結果、ＩＶ特性はベースであるＣ１１からＣ１２に遷移し、動作点はＳ２に移行する。動作点がＳ１からＳ２に移行したことによる電圧変化量とそのときの電流値との積（図中の、長方形Ｓａ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓｂの面積）が、燃料電池の発熱量の増加分に相当する。この発熱量の増加によって、燃料電池スタックの温度が上昇するので、電流制限がより厳しく掛けられ、動作点はＳ３に移行する。冷却水温の上昇はセルの実際の乾きに対して遅れるため、前記実施形態に比べて温度上昇は大きなものとなる。
【００５５】
電流制限が掛かっている状態で連続運転していると、セルの乾きが進行し、ＩＶ特性のカーブが垂れてくる。この結果、ＩＶ特性はＣ１２からＣ１３に遷移し、動作点はＳ４に移行する。そうすると、燃料電池スタックの発熱量が増え、水温が上昇し、電流制限がより厳しく掛けられ（Ｓ５）、といった循環が繰り返されることになり、処理が発散している。この結果、参考例によれば、高負荷で連続運転された場合に、燃料電池スタックのセルが乾燥しきってしまうことがあり、電解質膜が適度な湿潤状態に戻りにくくなる。
【００５６】
Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態では、燃料電池の温度を検出する温度検出部として、燃料電池スタック４０の出口側に設けられた水温センサ７３を用いていたが、これに換えて、燃料電池スタックの入口側に設けられた水温センサを用いてもよいし、燃料電池スタック４０の内部の温度を直接検出する温度センサを用いてもよい。
【００５７】
・変形例２：
前記実施形態では、インピーダンス検出部としてインピーダンス計９３を設けたが、これに換えて、電流計９１の測定結果と電圧計９２の測定結果に基づいてインピーダンスを求める構成としてもよい。
【００５８】
・変形例３：
上記実施形態は、燃料電池システムは車両に搭載されていた。しかし、上記実施例の燃料電池システムは、車両以外の移動体に搭載されるものとしても良いし、建造物や施設等に固定的に設置されるものとしてもよい。
【００５９】
本発明は、上述の実施形態や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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池車両
２０…燃料電池車両
３０…燃料電池システム
４０…燃料電池スタック
４１…単セル
５０…水素ガス供給排出機構
５１…水素タンク
５２…水素ガス供給流路
５３…水素ガス循環流路
５４…水素ガス排出流路
５５…インジェクタ
５６…圧力センサ
５７…水素循環ポンプ
５８…パージバルブ
６０…空気供給排出機構
６１…空気供給路
６２…エアコンプレッサ
６３…分流シャットバルブ
６５…圧力センサ
６６…空気排出路
６７…圧力調整シャットバルブ
６９…バイパス路
７０…冷却水循環機構
７１…ラジエータ
７２…冷却水循環ポンプ
７３…水温センサ
７４…水温センサ
７６…冷却水循環路
７５…分流シャットバルブ
７７…バイパス路
８１…二次電池
８５…駆動モータ
９１…電流計
９２…電圧計
９３…インピーダンス計
１００…制御ユニット
１１０…アクセルペダル
１１２…アクセル位置センサ
ＭＰ…電流制限用マップ
【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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【図１２】
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