JP4171412B2 - 燃料電池システムにおける電流制限装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電状態に応じて、燃料電池の発電電流を制限する燃料電池の電流制限装置に関する。

燃料電池は、固体高分子電解膜の片面を水素極、もう片面を酸素極で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）の両面を導電性のセパレータで挟んだ単セルが数十から数百枚積層された構造をしている。このような構造の燃料電池の発電を安定的に継続させるためには、例えば８０℃程度の一定した温度条件下で燃料電池が運転されると共に、燃料電池が備える全ての単セルのいずれか１つでも、その出力電圧（セル電圧）が所定の閾値を下回らないように、全てのセル電圧を監視し、最も低いセル電圧に応じた電流制限が行われる（例えば特許文献１）。ちなみに、運転時における燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合や、固体高分子電解膜の加湿状態が所定状態よりも低く、イオン導伝性が低下している場合等において発電効率が低下し、各単セルのセル電圧が低下する場合がある。このようにセル電圧が低下した状態で、セル電圧の低下がない状態と同様に燃料電池から発電電流を取り出そうとすると、燃料電池の発電状態が不安定となって、さらにセル電圧が低下したり、固体高分子電解膜が劣化して、燃料電池の耐久性が低下したりするおそれがある。
特開平７−２７２７３６号公報（段落番号００１９、００２０）

前記した燃料電池の耐久性等の問題については、特許文献１のように、最低セル電圧に応じて電流制限値を設定して発電電流を制限する手法により解決することができる。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池から取り出される発電電流の多少にかかわらず、最低セル電圧の変化に応じて直ぐに電流制限値を変更して電流制限を行う。このため、発電電流が少なく、発電電流を制限する必要がない場合にも電流制限値の変更が頻繁になされるという、ムダな動作を行うことになり、場合によっては燃料電池の制御が不安定になるおそれがある。

そこで、本発明は、燃料電池のセル電圧に応じた制御をしつつも、ムダな動作を省き、安定した燃料電池の発電制御に寄与できる燃料電池の電流制限装置を提供することを主たる課題とする。

前記課題を解決した本発明は、燃料ガスと酸化剤とを化学反応させて発電を行う複数の単セルを備えた燃料電池の発電電流を電流制限値により制限する燃料電池システムにおける電流制限装置であり、セル電圧と発電電流値とを少なくとも入力する入力手段と、セル電圧に応じて燃料電池から取り出す発電電流を制限する電流目標制限値を設定する電流目標制限値設定手段と、現在の電流制限値と発電電流値との差が第１の所定値よりも小さくなったときに電流制限値を電流目標制限値に置き換える電流制限値設定手段と、燃料電池から取り出す発電電流を電流制限値に応じて制限する電流制限器又は発電電流を消費する負荷の消費電力制御手段に、電流制限値を出力する出力手段と、を有するとともに、制限を復帰する際には、発電電流値に応じて求まる復帰レートに基づいて緩やかに現在の電流制限値を変化させる構成を有することとした。
この構成によれば、電流制限値と発電電流値の差が大きいときには、電流制限値を変更するといったムダな動作が省かれる。一方、電流制限値と発電電流値の差が小さくなったときに電流制限値が変更される。そして、制限からの復帰は、復帰レートに基づいてなされる。

本発明によれば（請求項１）、燃料電池のセル電圧に応じて制御をしつつも、ムダな動作を省き、安定した燃料電池の発電制御に寄与できる。また、発電電流の制限からの復帰時に、緩やかに制限を変化させることにより、急激な出力変化を防止し、例えば燃料電池のシステムのハンチングを防ぐことができる。また、例えば車両の場合は、急激な出力変化が防止されるので、ドライバ等に与える違和感を低減することができる。
また、本発明によれば（請求項２）、電流制限マップ値を設定することで、電流目標制限値、つまりは、電流制限値を適切な値にすることができる。
また、本発明によれば（請求項３）、ドライバに与える違和感を少なくしつつ、迅速に電流制限を復帰（解除）することができる。

≪燃料電池の電流制限装置の構成≫
以下、本発明の燃料電池の電流制限装置（適宜「電流制限装置」と省略する）を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）を詳細に説明する。
図１は、本実施形態の電流制限装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、酸化剤としての空気を燃料電池１１に供給する空気供給装置１２、燃料としての水素を燃料電池１１に供給する水素供給装置１３、燃料電池１１から取り出される電流の（発電電流値）の制限を行う電流制限器１４、燃料電池システム１０を統括的に制御する制御装置１５、燃料電池１１から取り出される電流の量（発電電流値）を検出する電流検出器１６、燃料電池１１の各単セルの電圧（セル電圧）を検出するセル電圧検出器１７を含んで構成される。なお、この燃料電池システム１０は、図示しない車両に搭載されものとする。
ちなみに、本実施形態の電流制限装置は、制御装置１５に含まれるものとする。

燃料電池１１は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質膜２１の片面を触媒を含んでなる水素極（アノード）２２、もう片面を触媒を含んでなる酸素極（カソード）２３で挟んだ膜電極構造体（前記したＭＥＡ）の両面を図示しない導電性のセパレータで挟んだ単セルが、多数積層（横並び）された構造をしている（例えば単セルを２００枚積層）。セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、空気供給装置１２、水素供給装置１３、及び図示しない冷却水循環装置から供給される、空気、水素、水がそれぞれ混合しないように通流される。

この構成の燃料電池１１は、水素供給装置１３から水素極２２に水素が供給され、空気供給装置１２から酸素極２３に空気が供給されると、水素と酸素の電気化学反応により発電が開始される。そして、負荷３１に電流（発電電流）が供給されることにより、つまり、燃料電池１１から電流が取り出されることにより前記した電気化学反応が進み、供給された水素及び酸素が消費される。ちなみに、燃料電池１１から電流が取り出されない場合は、供給された水素及び酸素は消費されないでそのまま燃料電池１１から排出されることになる（排Ｈ２、排Ａｉｒ）。なお、水素供給装置１３が水素タンク等に蓄えられた純水素を使用する場合は、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池１１から排出された水素（排Ｈ２）を、エゼクタ等を用いて再循環して使用する。本実施形態では、水素供給装置１３は、エゼクタを備えて水素タンクから供給される純水素を循環使用するものとする。

燃料電池１１から取り出される発電電流は、電流制限器１４に入力されており、この電流制限器１４には、例えば走行モータや空気供給装置１２、図示しないエアコンプレッサモータ等の電気的な負荷３１や、電気二重層コンデンサ等からなる図示しないキャパシタ等が接続されている。なお、この電流制限器１４は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成されており、制御装置１５から出力される電流制限指令値（電流制限値）に応じて、燃料電池１１から取り出される発電電流を制限する。

制御装置１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェイス（入力手段・出力手段）及び各種電気・電子回路を含んで構成され、燃料電池システム１０を統括的に制御する役割、及び本実施形態の電流制限装置が必要とする機能を提供する役割を有する。この制御装置１５は、図示しないスロットルペダルに備えられるスロットル開度センサからのスロットル開度値、電流検出器１６からの発電電流値、セル電圧検出器１７からの最低セル電圧ＶＬＯＷ等の各種信号やデータを、図示しない入出力インタフェイスを介して入力する機能を有する。また、入力した各種信号やデータに基づいて所定の演算処理を行い、燃料電池システム１０の発電目標値を設定する機能、空気供給装置１２の前記した図示しないコンプレッサモータの回転速度を設定する機能、水素供給装置１３の図示しない電磁作動の遮断弁をＯＮ／ＯＦＦさせる信号を設定する機能、電流制限器１４に出力する電流制限指令値（電流制限値）を設定する機能等を備える。これらの各種信号やデータは、図示しない入出力インタフェイスを介して、それぞれの機器等に出力される。なお、この電流制限器１４に出力する電流指令値を設定する機能（つまり電流目標制限値設定手段及び電流制限値設定手段の機能）については、後でフローチャートを参照して詳細に説明する。

セル電圧検出器１７は、燃料電池１１を構成する例えば２００枚の単セルを所定数（例えば５０枚）の単セルからなるブロック単位にブロック分けし、各セルブロックごとに、それぞれ含まれる所定数の単セルのセル電圧を検出する。図２は、ブロック分けされた燃料電池とセル電圧検出器を模式的に示す図であるが、この図に示すように、本実施形態の燃料電池１１は、符号１１ａ１〜１１ａ４で示されるように、４つのセルブロックにブロック分けされている。また、セル電圧検出器１７は、符号１７ａで示される統合ユニットと、符号１７ｂ１〜１７ｂ４で示される４つの検出器ユニットとからなる。このように検出器ユニット１７ｂを４つに分けるのは、例えば燃料電池１１の分解、組立て等を容易にするためである。
なお、符号について、個別の検出器ユニットを指す場合は符号１７ｂ１や符号１７ｂ２等を用いるが、検出器ユニット全体を指す場合や個々を意識しない場合は符号１７ｂを用いることとする。この点は、セルブロックについても同様であり、個別のセルブロックを指す場合は符号１１ａ１や符号１１ａ２を用いるが、個別のセルブロックを意識しない場合はセルブロック１１ａと記載する。

本実施形態での検出器ユニット１７ｂは、図２に示されるように、燃料電池１１の一側面（上面）に配置して備えられている。検出器ユニット１７ｂ１は、５０枚の単セルを備えるセルブロック１１ａ１の各単セルのセル電圧を１枚１枚走査して検出する。同様に、検出器ユニット１７ｂ２はセルブロック１１ａ２が５０枚備える各単セルのセル電圧を、検出器ユニット１７ｂ３はセルブロック１１ａ３が５０枚備える各単セルのセル電圧を、検出器ユニット１７ｂ４はセルブロック１１ａ４が５０枚備える各単セルのセル電圧を、それぞれ走査して１枚１枚検出する。なお、セルブロック当りの単セルの枚数やセルブロック数は一例であり、本発明がこの数字に限定されるものではない。

図２に示すように、統合ユニット１７ａは、各検出器ユニット１７ｂと接続されており、各検出器ユニット１７ｂが走査して検出したセル電圧を入力し、各セルブロック１１ａにおける最低値（最低セル電圧ＶＬＯＷ）を決定する処理を行って、制御装置１５に処理結果を出力する。
ちなみに、本実施形態では、セルブロック１１ａ１、セルブロック１１ａ２、セルブロック１１ａ３、セルブロック１１ａ４の順というように、シーケンシャルに各セル電圧がそれぞれの検出器ユニット１７ｂ１〜１７ｂ４により検出される。そして、検出値は、逐次、統合ユニット１７ａに出力されるものとする。そして、統合ユニット１７ａが、所定のセルブロック１１ａごとの最低セル電圧ＶＬＯＷを決定して制御装置１５に直ちに出力するものとする。なお、最低セル電圧ＶＬＯＷの入出力については、後で図６を参照して説明する。
ちなみに、検出器ユニット１７ｂが４つあることから、この４つの検出器ユニット１７ｂにより、各セルブロック１１ａを同時に（並行して）走査してセル電圧を検出するようにしてもよい。このようにすることでも、制御の遅れを防止することができる。

≪電流制限装置の動作≫
次に、本実施形態の電流制限装置の動作を説明する。

（電流制限値の設定）
まず、電流制限値の設定のフロー、つまり、請求項の電流制限値設定手段の機能を、図３のフローチャートに沿って説明する（適宜図１、図２、図４を参照）。なお、動作の主体は電流制限装置たる制御装置１５である。図３は、制御装置が行う電流制限値の設定処理を示すフローチャートである

図３のフローチャートに示すように、制御装置１５は、まず、セル電圧検出装置１７が出力する所定のセルブロック１１ａの最低セル電圧ＶＬＯＷと、電流検出器１６が検出して出力する発電電流値ＩＦＣを、図示しない入出力インタフェイス（入力手段・出力手段）を介して入力する（Ｓ１１）。なお、所定のセルブロック１１ａの最低セル電圧ＶＬＯＷについては、後で説明する。
次に、入力した最低セル電圧ＶＬＯＷと発電電流値ＩＦＣとを用いて図４のマップから電流制限マップ値を検索する（Ｓ１２）。なお、図４のマップは、３次元マップになっている。ちなみに、マップではなく、テーブルや関数により電流制限マップ値（プレ電流制限値）を求めてもよい。

次に、制御装置１５は、現在の電流制限値が電流制限マップ値と同じ値か否かを判断する（Ｓ１３）。ステップＳ１３において、「電流制限値＝電流制限マップ値」であれば（Ｙｅｓ）、現在の電流制限値はそのままの値が維持され、処理を終了してＲＥＴＵＲＮする（Ｓ１４）。

なお、ステップＳ１４でＲＥＴＵＲＮするごとに、つまり、このフローチャートが１回終了するごとに、設定された現在の電流制限値が電流制限指令値として電流制限器１４に出力され、この指令値に応じて、燃料電池１１から取り出される電流の値（発電電流値）が制限される。なお、本実施形態では、電流制限値の変更は必要な場合だけ行われるので、電流制限値（電流指令値）が頻繁に変更されてバタツクようなことはない。

説明をステップＳ１３に戻す。ステップＳ１３で、「電流制限値＝電流制限マップ値」でなければ（Ｎｏ）、電流制限値と入力した発電電流値との差が、所定値１（第１の所定値）未満か否かを判断する（Ｓ１５）。ちなみに、このステップＳ１５は、燃料電池１１の発電電流を制限する電流制限値を変更するか否かを判定するステップである。
このステップＳ１５において、「電流制限値と発電電流値との差＜所定値１」ではない場合は（Ｎｏ）、ステップＳ１６でサブルーチンにより電流目標制限値の設定を行う。なお、ステップＳ１６の電流目標制限値の設定を行うサブルーチンは、後で詳細に説明する。

ステップＳ１６で電流目標値を設定すると、ＲＥＴＵＲＮする（Ｓ１４）。この場合は、電流目標制限値の設定（変更）が行われるものの、電流制限値は、そのままの値が維持される。このように処理するのは、電流制限値と発電電流値との差が大きいので、電流制限値を変更する必要がないという理由による。これにより、発電電流を制限する必要がない場合にも電流制限値の変更が頻繁になされるという、制御装置１５におけるムダな動作が省略され、燃料電池１１（燃料電池システム１０）の安定した制御を行うことができる。一方、電流目標制限値は、常に新しいものにしておいて、いざ、電流制限値を変更する際に、その変更処理が円滑に行えるようにしている。
なお、所定値１は、実験やシミュレーション等により、急に発電電流が変化しても車両がハンチングを起こさない程度の値が設定される。

説明をステップＳ１５に戻す。ステップＳ１５で、「電流制限値と発電電流値との差＜所定値１」の場合は（Ｙｅｓ）、現在の電流制限値と現在の発電電流値ＩＦＣとの差が少ないことから、電流制限値を変更する処理を行うべく、ステップＳ２１に移行する。例えば、発電電流値ＩＦＣが大きくなった場合や、電流制限値が小さくなった場合等に、両者の差が所定値１よりも小さくなる。

ステップＳ２１では、最低セル電圧ＶＬＯＷが所定値２（第２の所定値）以上か否かを判断する。なお、このステップＳ２１は、電流制限値を制限する側の処理か、電流制限値を復帰（緩和）する側の処理か、どちらの側の処理を行うかを判定するステップである。
このステップＳ２１において、「最低セル電圧＜所定値２」の場合は（Ｙｅｓ、制限側）、ステップＳ２２で電流目標制限値の設定を行う。なお、ステップＳ２２の電流目標制限値の設定を行うサブルーチンは、後で詳細に説明する。ちなみに、所定値２は、燃料電池１１が安定した状態で発電していると判定できる値に設定される。

ステップＳ２３では、前段のステップＳ２２（サブルーチン）で設定された電流目標制限値が現在の電流制限値に設定される。ちなみに、後記するように、ステップＳ２２において、電流目標制限値は、前回の電流目標制限値と同じ値になることがある。その場合は、電流制限値の変化はなくなり、同じ値が維持される。ステップＳ２３の後は、ステップＳ１４に移行してＲＥＴＵＲＮする。これにより、制限側における電流制限値が変更され、併せて、制御装置１５から電流制限器１４に対して、変更された電流制限値に応じた電流制限指令値が出力される。

一方、前記したステップＳ２１において、「最低セル電圧＜所定値２」ではない場合は（Ｎｏ、復帰側）、ステップＳ１２において検索した電流制限マップ値を電流制限値として設定する（Ｓ３１）。つまり、現在の電流制限値が緩和側に変更される。そして、ステップＳ１４に移行してＲＥＴＵＲＮする。これにより、復帰側における電流制限値が変更され、制御装置１５から電流制限器１４に対して、変更された電流制限値に応じた電流制限指令値が出力される。

なお、本実施形態では、最初のルーチン（ｎ番目のルーチン）のステップＳ１１で、「所定のセルブロックのセル電圧」として入力するのは、セルブロック１１ａ１についての最低セル電圧ＶＬＯＷである。つまり、検出器ユニット１７ｂ１が検出した５０ある単セルのセル電圧のうち、最低の値を示すセル電圧である。同様に、２回目のルーチン（２ｎ番目のルーチン）のステップＳ１１で、「所定のセルブロックのセル電圧」として入力するのは、セルブロック１１ａ２についての最低セル電圧ＶＬＯＷである。同様に、３回目のルーチン（３ｎ番目のルーチン）のステップＳ１１で、「所定のセルブロックのセル電圧」として入力するのは、セルブロック１１ａ３についての最低セル電圧ＶＬＯＷである。そして、４回目のルーチン（４ｎ番目のルーチン）のステップＳ１１で、「所定のセルブロックのセル電圧」として入力するのは、セルブロック１１ａ４についての最低セル電圧ＶＬＯＷである。
即ち、各ルーチンごとにセルブロック１１ａ１〜１１ａ４の最低セル電圧ＶＬＯＷが順繰りにステップＳ１１で入力され、それぞれの最低セル電圧ＶＬＯＷにより電流制限値算出処理のフローが実行される。こうすることで、燃料電池１１が備える全ての単セルのセル電圧の検出が終了するのを待って発電電流を制限するのに比べて、より早いタイミングで発電電流の制限を行うことができ、例えば、燃料電池１１を保護する処理の実行を高速化することができる。

（電流目標制限値の設定）
次に、電流目標制限値の設定のフロー、つまり、請求項の電流目標制限値設定手段の機能を、図５のフローチャートに沿って説明する（適宜図１〜図４参照）。図５は、制御装置が行う電流目標制限値の設定処理を示すフローチャートである。

図５のフローチャートで示されるように、ステップＳ２０１では、電流目標制限値が電流制限マップ値よりも大きい（高いか）か否かを判断する。ステップＳ２０１で、「電流目標制限値＞電流制限マップ値」の場合は（Ｙｅｓ）、電流目標制限値に電流制限マップ値を設定する（Ｓ２０２）。一方、ステップＳ２０１で、「電流目標制限値＞電流制限マップ値」ではない場合は（Ｎｏ）、電流目標制限値は前回の電流目標制限値が設定する（Ｓ２０３）。つまり、電流目標制限値は前回の値のまま維持される。
なお、ステップＳ２０１における電流目標制限値は、現在有効な電流目標制限値であり、例えば、前回のステップＳ１６や前回の当該ステップＳ２０１で設定された値が用いられる。また、ステップＳ２０１における電流制限マップ値は、ステップＳ１２で検索された値が用いられる。

ステップＳ２０２又はステップＳ２０３の処理が終わると、ステップＳ２０４に移行してサブルーチンを終了する（ＲＥＴＵＲＮ）。

（タイムチャート）
次に、図６のタイムチャートに沿って本実施形態の電流制限装置の動作を説明する（適宜図１〜図５を参照）。文書中のステップ番号は、図３又は図５のフローチャートのものである。
ここで、図６（ａ）は、平均セル電圧と最低セル電圧の時間変化を示したタイムチャートである。図６（ｂ）は、発電電流値、電流制限値、電流目標制限値及び電流制限マップ値の時間変化を示したタイムチャートである。なお、この２つのタイムチャートは、区間１、区間２、区間３…というように便宜上区間分けしてある。本実施形態では、この各区間は、セルスキャン周期と同じ時間の長さになっている。ちなみに、セルスキャン周期は、各検出器ユニット１７ｂが１つのセルブロック１１ａの単セルを全部スキャン（走査）してセル電圧を検出するのに要する時間である。本実施形態のように、４つのセルブロック１１ａがある場合は、燃料電池１１の全ての単セルのセル電圧を検出するには、４つ分のセルスキャン周期を要する。
以下、タイムチャートの説明を行う。

区間１； 図６（ａ）の区間１に示されるように、最初は平均セル電圧と最低セル電圧ＶＬＯＷとは乖離が少ない状態で推移している。つまり、燃料電池１１は安定な状態である。また、ドライバがスロットルペダルを踏込んでいない等の状況により、図６（ｂ）の区間１に示されるように、発電電流値ＩＦＣは低い値を維持している。このように、最低セル電圧ＶＬＯＷが平均セル電圧に近い値を示し、かつ発電電流値ＩＦＣ（図中丸数字４）が低い値を示しているので、細い破線で示す電流制限値（図中丸数字２）、太い実線で示す電流目標制限値（図中丸数字３）、太い破線で示す電流制限マップ値（図中丸数字１）は、同じ値になっている（つまり制限されていない状態である）。
ちなみに、この区間１では、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４の処理が繰り返して行われる。

区間２； 図６（ａ）の区間２に矢印ａで示されるように、最低セル電圧ＶＬＯＷが低下する。なお、この最低セル電圧ＶＬＯＷは、区間２についてのものではなく、直前の区間１において検出されたセルブロック１１ａ（例えばセルブロック１１ａ１）についての、複数ある単セルのセル電圧のうち、最も低い値のセル電圧である。この最低セル電圧ＶＬＯＷの値から、燃料電池１１は、不安定状態にあることが理解される。
図６（ｂ）の区間２に示されるように、発電電流値ＩＦＣは依然として低い値である。したがって、電流制限値は、高い値のまま維持される（Ｓ１５）。これにより、安定な制御が行われる。一方、矢印ｂで示されるように、電流制限マップ値は最低セル電圧ＶＬＯＷに応じた値になる（Ｓ１２）。なお、電流目標制限値は新たに設定されるが（Ｓ１６）、電流目標制限値よりも電流制限マップ値の値の方が高い（大きい）ので、同じ値が維持される（ステップＳ２０１、Ｓ２０３）。補足すると、図６（ａ）から理解されるように、本実施形態では、最低セル電圧ＶＬＯＷの値は１つの区間で同じ値が維持されるのではない。このため、図６（ｂ）に示されるように、電流制限マップ値は最低セル電圧ＶＬＯＷに応じた値になっている。但し、それにもかかわらず、電流目標制限値は同じ値が維持されている。これは、サブルーチンのステップＳ２０１、Ｓ２０３で、前回と同じ値が電流目標制限値と設定されるようになっているからである。このことにより、電流制限マップ値が頻繁に変化しても電流目標制限値が頻繁に変化することがなく、安定な制御を行うことができる。また、燃料電池１１が不安定状態にあっても、前記したように、電流制限値と発電電流値ＩＦＣとの差が充分大きいので（差が所定値１以上開いているので）、ムダな制限がなされず、安定して燃料電池の発電制御がなされる。
ちなみに、この区間２では、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ１６（Ｓ２０１→Ｓ２０３）→Ｓ１４の処理が繰り返して行われる。

区間３の前半； 図６（ａ）の区間３の前半に示されるように、最低セル電圧ＶＬＯＷが区間２よりも低下する（矢印ｂ）。なお、この最低セル電圧ＶＬＯＷも、前記説明したように、直前の区間（ここでは区間２）において検出されたセルブロック１１ａ（例えばセルブロック１１ａ２）についてのものである。この最低セル電圧ＶＬＯＷの値から、燃料電池１１は、依然として不安定状態にあることが理解される。
図６（ｂ）の区間３の前半に示されるように、発電電流値ＩＦＣは依然として低い値である（Ｓ１５）。したがって、電流制限値は、高い値のまま維持される。一方、電流制限マップ値は低い値になる（Ｓ１２）。また、電流目標制限値が新たに設定される（Ｓ１６）。ちなみに、この区間３の前半の制御は、区間２の制御と同じであるので、さらなる説明は省略する。

区間３の後半； 図６（ｂ）に矢印ｃで示される部分から以降の区間３の後半を説明する。図６（ｂ）に示される矢印ｃの部分で、例えばドライバがスロットルペダルを踏み込む等している。このため、燃料電池１１から取り出される電流（発電電流）が上昇する。これにより、発電電流制限値と発電電流値ＩＦＣとの差が所定値１よりも小さくなる（Ｓ１５）。なお、この段階では、最低セル電圧が所定値２以上あるので、ステップＳ２１では、制限側のステップＳ２２に振り分けられ、ステップＳ２２により電流目標制限値が設定される。このステップＳ２２では、電流目標制限値（前回値）の方が電流制限マップ値（Ｓ１２）よりも高いので、電流目標制限値には、前回の電流目標制限値が設定される（Ｓ２０１、Ｓ２０３）。そして、ステップＳ２３で、電流制限値には、ステップＳ２２の電流目標制限値が設定される（Ｓ２３）。これにより、図６（ｂ）に矢印ｄで示されるように、電流制限値（丸数字２）が一気に低下する。
つまり、本実施形態では、必要なときに電流制限がなされるのが理解される。

区間４； 図６（ａ）の区間４に矢印ｅで示されるように、最低セル電圧ＶＬＯＷは区間３と同じ低い値である。なお、最低セル電圧ＶＬＯＷの意味については既に説明したとおりである。
ちなみに、この区間４で最低セル電圧ＶＬＯＷの低下が抑制されているのは、つまり、区間２・区間３と連続して低下した最低セル電圧ＶＬＯＷのさらなる低下が抑制されたのは、制御装置１５が電流制限値を低くして、燃料電池１１から取り出される発電電流を制限したからである。このようにすることで、燃料電池１１が保護される。なお、最低セル電圧ＶＬＯＷについての閾値は、図６（ａ）には示していないが、本発明の趣旨からして、区間３・区間４における最低セル電圧ＶＬＯＷは、閾値よりも上にあるものとする。

区間５； 図６（ａ）の区間５に示されるように、最低セル電圧ＶＬＯＷは、平均セル電圧と同様の高い値になる。これは、例えば、燃料電池１１の内部に溜まっていた生成水が、パージ等により排出されたことによりセル電圧が回復したためである。図６（ａ）に示されるように、最低セル電圧ＶＬＯＷが回復して、所定値２以上の値になっている。
これにより、図６（ｂ）に示されるように、発電電流値ＩＦＣが上昇する（矢印ｆ）。つまり、この区間５では、「所定値１＞電流制限値と発電電流値との差」かつ「最低セル電圧≧所定値２」になる。よって、この区間５では、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ２１→Ｓ３１の処理が繰り返して行われる。

ちなみに、区間４までは、喩えドライバがスロットルペダルを踏み込んでいても、最低セル電圧ＶＬＯＷが低いことから電流目標制限値（電流制限値）が低く押さえられ、このため、発電電流値ＩＦＣが低い値になっていた。しかし、区間５で燃料電池１１が安定状態に復帰したことにより最低セル電圧ＶＬＯＷが元に戻って高い値になったため、制御装置１５が、電流目標制限値（電流制限値）を高く設定できるようになり、このため、区間５では（矢印ｆ）、目標電流制限値、電流制限値、発電電流値ＩＦＣが共に上昇を始めている。
なお、区間５の矢印ｆにおいて、電流目標制限値（丸数字３）が一気に上昇しているのに対して、電流制限値と発電電流値ＩＦＣ（丸数字２・４）が緩やかに上昇していっている。これは、図３のステップＳ３１の後に、図７のステップＳ３２〜Ｓ３４で示される処理（復帰におけるレート処理）が行われているからである。ここで、図７は、図３の変形例を示す図であり、ステップＳ３２〜Ｓ３４とステップＳ２４〜Ｓ２７（制限におけるレート処理）が図３に付加されたフローチャートである。制限用のレート（制限レート）は、そのマップが図８に示してある。復帰用のレート（復帰レート）は、そのマップが図９に示してある。ちなみに、図７のステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ３３のＦｌａｇは、復帰レート制御の実施の有無を振り分けるフラグである。

図８は、制限レートを示した図であるが、図８の制限側の制限レートは、発電電流値ＩＦＣが高い程、制限レートが早くなっている。一方、発電電流値ＩＦＣが低い程、制限レートがゆっくりになっている。これは、短時間に変化量の大きな電流（発電電流値ＩＦＣ）の変化が発生するのを防止するためである。図９は復帰レートを示した図であるが、図９の復帰側の復帰レートも、発電電流値ＩＦＣが高い程、復帰レートが早くなっている。一方、発電電流値ＩＦＣが低い程、復帰レートがゆっくりになっている。これも、短時間に変化量の大きな電流の変化が発生するのを防止するためである。なお、図６（ｂ）の区間５、区間６において、発電電流値ＩＦＣが高いほど復帰レートが早くなるため、電流制限値・発電電流値ＩＦＣが上昇する（復帰する）勾配が大きくなる（矢印ｇ参照）。
このようにすることで、ドライバに与える違和感を少なくしつつ、迅速に電流制限を復帰（解除）することができる。制限側についても同様であり、図８のようなマップを用いて制限レートを求め、この制限レートに基づき、制御することで、ドライバに与える違和感を少なくしつつ、迅速に電流制限を行うことができる。なお、制限レートは、上限値（或いは下限値）としての意味合いを持ってもよいし、ある値に乗じる係数としての意味合いを持ってもよい。

区間６； 区間６も区間５と同様の制御がなされる。ちなみに、ドライバはスロットルペダルをさらに踏み込んでいるものとする。なお、区間６の矢印ｈで、燃料電池１１の出力が最高になっている。
区間７； 区間７は、区間１と同様の制御がなされる。つまり、電流制限値と電流制限マップ値とが同じ値であるので、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４の処理が繰り返して行われる。

ちなみに、本願出願人は、特願２００３−３４７１４６（未公開）において、本願のように燃料電池を複数のセルブロックに分割して、それぞれのセルブロックの最低セル電圧と発電電流値との関係から、最低セル電圧が閾値以下にならない燃料電池の出力を電流制限値として算出し、その値に応じて発電電流値をフィードフォワード制御する技術を出願している。本実施形態でも、そのように燃料電池１１を複数のセルブロック１１ａ１〜１１ａ４に分割して、それぞれのセルブロック１１ａの最低セル電圧と発電電流値との関係に基づき電流制限の制御を行うこととしている。このため、電流制限における制御の遅れを少なくすることができるという制御上の利益が得られる。補足すると、特許文献１（特開平７−２７２７３６号公報）としてあげた技術では、燃料電池の全ての単セルのセル電圧を検出してからでないと最低セル電圧を決定できないことから、その分、電流制限における制御の遅れを生じる。一方、本実施形態では、そのような電流制限における制御の遅れをなくすことができる。また、本実施形態の場合は、前記した２つの技術に比べて、頻繁に電流制限値の変更を行うこともないので、安定した制御を行うことができる。

以上説明した本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、様々に変更して実施することができる。例えば、検出器ユニットを４つ設けたが、これは必須ではなく、１つの検出器ユニットが全単セルのセル電圧を検出し、検出データの全てを制御装置に送信し、制御装置がセルブロックごとの最低セル電圧を判別するようにしてもよい。
また、電流制限器により発電電流の取り出し側で電流制限を行ったが、負荷側で電流制限を行ってもよい。例えば、発電電流を消費する走行モータ等の負荷の消費電力制御手段（モータコントローラ）に電流制限値を出力して、走行モータの回転速度を押さえる等、負荷側で発電電流の制限を行ってもよい。
また、燃料電池を４つのセルブロックに分割してそれぞれのセルブロックの最低セル電圧を検出し、各最低セル電圧に応じて電流制限値（電流目標制限値）を設定したが、燃料電池を複数のセルブロックに分割する構成は、本発明を実施するうえでの必須の要件ではないことはいうまでもない。

本実施形態の電流制限装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。 ブロック分けされた燃料電池とセル電圧検出器を模式的に示す図である。 制御装置が行う電流制限値の設定処理を示すフローチャートである。 発電電電流値と最低セル電圧とから電流制限マップ値を設定する電流制限マップを模式的に示す図である。 制御装置が行う電流目標制限値の設定処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、平均セル電圧と最低セル電圧の時間変化を示したタイムチャートである。（ｂ）は、発電電流値、電流制限値、電流目標制限値及び電流制限マップ値の時間変化を示したタイムチャートである。 図３の変形例を示す図である。 制限レートを示すマップである。 復帰レートを示すマップである。

符号の説明

１１ 燃料電池
１４ 電流制限器
１５ 制御装置（入力手段、電流目標制限値設定手段、電流制限値設定手段、出力手段）
１６ 電流検出器
１７ セル電圧検出器

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤とを化学反応させて発電を行う複数の単セルを備えた燃料電池の発電電流を電流制限値により制限する燃料電池システムにおける電流制限装置であって、
   前記複数の単セルの各セル電圧を検出するセル電圧検出器が検出したセル電圧と、前記燃料電池から取り出される電流を検出する電流検出器が検出した発電電流値とを入力する入力手段と、
   前記セル電圧に応じて、当該セル電圧が低くなると前記燃料電池から取り出す発電電流が少なくなるように制限する電流目標制限値を設定する電流目標制限値設定手段と、
   現在の電流制限値と前記発電電流値との差が第１の所定値よりも小さいとき、かつ、前記セル電圧が第２の所定値よりも小さいときに、前記現在の電流制限値を前記設定した電流目標制限値に置き換える電流制限値設定手段と、
   前記燃料電池から取り出す発電電流を前記電流制限値に応じて制限する電流制限器又は前記発電電流を消費する負荷の消費電力制御手段に、前記電流制限値を出力する出力手段と、
   を有するとともに、
   前記燃料電池の発電電流値の制限を復帰する際には、発電電流値と復帰レートとの前記対応関係の情報により、発電電流値に応じて求まる復帰レートに基づいて緩やかに現在の電流制限値を変化させる構成を有すること
   を特徴とする燃料電池システムにおける電流制限装置。
2. 前記電流目標制限値の設定において、
   前記セル電圧と、発電電流値と、電流目標制限値との対応関係の情報を参照して、セル電圧と発電電流とから電流制限マップ値を設定し、
   前記電流目標制限値が前記設定した電流制限マップ値を超えるときは、前記電流制限マップ値を新たな電流目標制限値として設定し、
   前記電流目標制限値が前記設定した電流制限マップ値を超えないときは、前回の電流目標制限値を新たな電流目標制限値として設定すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムにおける電流制限装置。
3. 前記発電電流値と復帰レートとの対応関係の情報は、前記発電電流値が大きくなるほど、前記復帰レートが大きくなるように設定されていること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおける電流制限装置。

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