JP5215582B2

JP5215582B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5215582B2
Application number: JP2007099928A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣松本; 千大和氣
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: JP2008258035A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、上記電気化学反応は発電量に応じた発熱を伴うので、発電を継続すると、この熱により電解質膜が損傷する場合がある。このため、燃料電池システムは燃料電池内に冷媒を通流させる冷却手段を備えており、燃料電池の温度は、電解質膜を保護するために予め設定された保護温度を上回らないように調整される。

このような冷却手段を備える燃料電池システムとして、特許文献１には、冷却手段の冷却能力を推定し、この冷却能力に基づいて、燃料電池の発電量を制限する制御を行う燃料電池システムが示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、推定された冷却能力の値を閾値として、燃料電池の発熱量が閾値を上回る場合には、冷却可能な範囲内に燃料電池の発電量を制限し、燃料電池の発熱量が閾値を下回る場合には、上記発電量の制限を解除する。

図６は、燃料電池の冷媒流路の出口付近における冷媒の温度変化を示すタイミングチャートである。具体的には、図６は、燃料電池から取り出される電流の制限制御を、特許文献１に示されるように閾値に基づいて行った場合における冷媒の温度変化を示すタイミングチャートである。ここで閾値は、燃料電池を保護するための保護温度よりも低い値に設定される。

図６に示すように、冷媒の温度が閾値を上回ると、冷媒の温度が保護温度に達しないように、電流の制限値を除々に小さくする制限制御が行われる。制限制御を行うと、冷媒の温度は、一旦上昇した後、次第に下がり始め、閾値を下回る。次に、閾値を下回ると、電流の制限値が除々に大きくなるように制限解除制御が行われる。制限解除制御を行うと、冷媒の温度は、一旦下降した後、次第に上昇し、再び閾値を上回る。以上のように電流の制限制御を行うことにより、燃料電池の温度を保護温度以下にした状態で、燃料電池による発電を継続することができる。
特開２００２−８３６２２号公報

ところで、燃料電池の膜電極の触媒には、電気化学反応が促進される活性化温度があり、このような温度で発電を行うことにより、効率よく発電を行うことができる。このため、発電を継続して行う場合には、燃料電池を活性化温度付近に保った状態で行われることが好ましい。

しかしながら、例えば、燃料電池の発電量が急激に増加するような運転状況では、これに伴い燃料電池の温度も急激に変化するため、図６に示すようにして電流の制限制御を行うと、電流の制限及びこの制限の解除の判断が頻繁に切り替えられることとなる。このため、燃料電池から取り出される電流の制限値がハンチングしてしまい、上述のような、発電を行うのに好ましい温度付近で安定して発電を行うことができなかった。

本発明は、燃料電池の温度を保護温度以下にしつつ、効率よく発電できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、反応ガス（例えば、後述の水素ガス）及び酸化ガス（例えば、後述の空気）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池内に冷媒を流通させ当該燃料電池を冷却する冷却手段（例えば、後述の冷却システム３０）と、冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段（例えば、後述の流出口温度計４４）と、前記燃料電池から取り出される電流を制限する電流制限手段（例えば、後述の電流制限器１２）と、前記電流制限手段による電流の制限値（例えば、後述の電流制限値）の単位時間当たりの変化量を制限レート量として、該制限レート量を調整する電流制限レート調整手段（例えば、後述の電流制限レート調整部４７）と、を備える燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）であって、前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度の単位時間当たりの変化量を算出する冷媒温度変化量算出手段（例えば、後述の冷媒温度変化量算出部４６）をさらに備え、前記電流制限レート調整手段は、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が所定の燃料電池保護温度よりも低い第１閾値以上である場合には、当該温度が前記第１閾値よりも低い第２閾値以下になるまで前記制限レート量を負の値とし、特に、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量が所定の収束判定値以上である場合には、前記制限レート量を負の所定値とし、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量が前記収束判定値よりも小さい場合には、前記制限レート量を前記負の所定値よりも大きな値にすることを特徴とする。

この発明によれば、冷媒の温度が第１閾値よりも高くなった際に、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値以上である場合には制限レート量を負の所定値とし、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値よりも小さい場合には制限レート量を上記負の所定値よりも大きな値にする電流制限レート調整手段を設けた。これにより、燃料電池の温度変化量が小さくなるのに合わせて、電流の制限値のハンチングを収束させることができる。また、これに伴い、燃料電池の温度を第１閾値と第２閾値の間に収束させながら発電を継続させることができる。ここで例えば、これら第１閾値及び第２閾値を燃料電池保護温度付近に設定することにより、燃料電池の温度を、上述のような発電を行うのに好ましい温度に保ちながら、効率よく発電を行うことができる。

この場合、前記電流制限レート調整手段は、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第２閾値よりも大きくかつ前記第１閾値よりも小さい場合には、前記制限レート量の値を略０にすることが好ましい。

この発明によれば、第１閾値と第２閾値との間では、燃料電池から取り出される電流の制限値は略一定となる。これにより、燃料電池の温度が急激に変化するのを防止することができる。また、制限レート量を略０にすることにより、例えば、燃料電池への要求出力が設定された電流の制限値付近において激しく変化するような場合であっても、この要求に対する応答を安定にすることができる。ここで例えば、本発明の燃料電池システムを車両の動力源として応用した場合には、操縦者による出力要求に対する応答を安定にすることで、操縦者が感じる違和感を低減させることができる。

本発明によれば、燃料電池の温度変化量が小さくなるのに合わせて、電流の制限値のハンチングを収束させることができる。また、これに伴い、燃料電池の温度を第１閾値と第２閾値の間に収束させながら発電を継続させることができる。ここで例えば、これら第１閾値及び第２閾値を燃料電池保護温度付近に設定することにより、燃料電池の温度を、発電を行うのに好ましい温度に保ちながら、効率よく発電を行うことができる。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや酸化ガスとしての空気を供給する供給装置２０と、燃料電池１０内に冷媒を流通させる冷却手段としての冷却システム３０と、これらを制御する制御装置４０とを有する。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含む空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。この燃料電池１０の各セパレータの間には、冷却システム３０の冷媒が流れる燃料電池内部流路１０１が形成されており、これにより、上記電気化学反応により発熱した燃料電池１０は冷却される。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２及びエゼクタ２８と、を含んで構成される。

コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、エゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、遮断弁２５１が設けられている。また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

冷却システム３０は、燃料電池１０の燃料電池内部流路１０１を通って冷媒が循環する冷媒循環路３１と、この冷媒循環路３１に接続されたラジエタ３３と、を備える。冷媒循環路３１は、冷媒がラジエタ３３から燃料電池１０へ流れる燃料電池流入路３１１と、燃料電池１０に形成された燃料電池内部流路１０１と、冷媒が燃料電池１０からラジエタ３３へ流れる燃料電池流出路３１２と、ラジエタ３３に形成されたラジエタ内部流路３３１と、を含んで構成される。

ラジエタ３３には、燃料電池流出路３１２及び燃料電池流入路３１１と接続されたラジエタ内部流路３３１が設けられている。このラジエタ内部流路３３１に冷媒を流すことにより、ラジエタ３３は、冷媒と熱交換して、この冷媒を冷却する。

燃料電池流入路３１１には、ウォータポンプ３２が設けられている。ウォータポンプ３２は、冷媒循環路３１内の冷媒を圧送することにより、冷媒を冷媒循環路３１内で循環させる。このウォータポンプ３２は、制御装置４０によってその回転数を制御することが可能となっている。また、燃料電池流出路３１２の燃料電池１０側には、この燃料電池流出路３１２内の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段としての流出口温度計４４が設けられている。この流出口温度計４４は、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度Ｔを計測して、制御装置４０に出力する。

また、燃料電池１０は、電流制限手段としての電流制限器（ＶＣＵ）１２を介して、高圧バッテリ１１及び駆動モータ１３に接続されている。燃料電池１０で発電された電力は、高圧バッテリ１１及び駆動モータ１３に供給される。電流制限器１２は、制御装置４０から出力される電流制限値に基づいて、この電流制限値の範囲内で燃料電池１０から取り出される電流を制限しながら、燃料電池１０の電力を高圧バッテリ１１及び駆動モータ１３に供給する。

高圧バッテリ１１は、燃料電池１０の出力電圧よりも高圧バッテリ１１の電圧が低い場合には、燃料電池１０で発電した電力を蓄電する。一方、必要に応じて駆動モータ１３に電力を供給し、駆動モータ１３の駆動を補助する。この高圧バッテリ１１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池や、キャパシタ等により構成される。

制御装置４０には、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、遮断弁２５１、パージ弁２６１、ウォータポンプ３２、及び電流制限器１２が接続されている。

制御装置４０は、供給装置２０を駆動する供給装置駆動部４５と、冷媒温度変化量算出手段としての冷媒温度変化量算出部４６と、電流制限レート調整手段としての電流制限レート調整部４７とを有し、供給装置２０を駆動して燃料電池１０を発電させるほか、燃料電池１０から取り出される電流の制限値を調整する。

また、制御装置４０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。

ここで、イグニッションスイッチがオンにされたことに基づいて、供給装置駆動部４５により、燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガス及び空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水等の残留水とともに、水素排出路２６及びエア排出路２４に流入する。これら水素ガス及び空気は、図示しない排ガス処理装置で処理されて、外部に排出される。

冷媒温度変化量算出部４６は、冷媒の温度の単位時間当たりの変化量を算出する。具体的には、冷媒温度変化量算出部４６は、流出口温度計４４により検出された燃料電池流出路３１２内の冷媒の温度Ｔに基づいて、この冷媒の温度の単位時間当たりの変化量を算出する。

電流制限レート調整部４７は、冷媒の温度及びその変化量に基づいて制限レート量を調整し、この制限レート量に基づいて決定された電流制限値を電流制限器１２に出力する。ここで、制限レート量は、燃料電池１０から取り出される発電電流の制限値（電流制限値）の単位時間当たりの変化量である。この電流制限レート調整部４７は、制限レート量を設定するための制御マップを備えており、これにより燃料電池システム１の状態に応じて適切な制限レート量を設定することができる。

この電流制限レート調整部４７は、制限レート量を負の値にして電流制限量を次第に小さな値にすることにより燃料電池１０の出力を制限したり、制限レート量を正の値にして電流制限値を次第に大きな値にすることにより燃料電池１０の出力の制限を解除したりする。

電流制限レート調整部４７の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。
まず、ＳＴ１では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、所定の燃料電池保護温度よりも低い第１閾値以上であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ２に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ５に移る。ここで、燃料電池保護温度とは、燃料電池１０の膜電極を保護するために設定された冷媒の上限温度であり、本実施形態では、例えば１００℃に設定される。また、第１閾値は、この燃料電池保護温度よりも低い温度、本実施形態では、例えば９５℃に設定される。

ＳＴ２では、電流制限処理を行い、ＳＴ３に移る。具体的には、この電流制限処理では、冷媒の温度が第１閾値よりも高くなったことに応じて、電流制限値の制限レート量を負の所定値に設定することにより、電流制限値を次第に小さくし、燃料電池１０の発電電流を制限する。また、この制限レート量の値は、後述のＳＴ６の制限レート量変更処理において、冷媒温度変化量算出部４６により算出された冷媒の温度の変化量に応じて、変更されるようになっている。

ＳＴ３では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、第２閾値以下であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ４に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ２に移る。ここで、第２閾値は、第１閾値よりも低い温度であり、本実施形態では、例えば９０℃に設定される。これにより、ＳＴ１〜ＳＴ３においては、冷媒の温度Ｔが第１閾値以上となった場合には、この冷媒の温度Ｔが第２閾値以下になるまで制限レート量が負に設定される。

ＳＴ４では、電流制限解除処理を行い、ＳＴ５に移る。具体的には、この電流制限解除処理では、冷媒の温度が第２閾値よりも低くなったことに応じて、電流制限値の制限レート量を正の値にすることにより、電流制限値を次第に大きくし、燃料電池１０の発電電流の制限を解除する。ここで、制限レート量の値は、例えば、上述のＳＴ２の電流制限処理において設定された負の制限レート量に−１を乗じて正にした値が用いられる。

ＳＴ５では、冷媒温度変化量算出部４６により算出された冷媒の温度の変化量の絶対値が、所定の収束判定値よりも小さいか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合はＳＴ６に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ１に移る。

ＳＴ６では、制限レート量変更処理を行い、ＳＴ１に移る。具体的には、この制限レート量変更処理では、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値よりも小さくなったことに応じて、制限レート量の値を、上述のＳＴ２の電流制限処理において設定された負の制限レート量よりも大きな値にする。これにより、ＳＴ５及びＳＴ６においては、冷媒の温度変化量の絶対値が所定の収束判定値よりも小さくなったことに応じて、つまり、冷媒の温度変化が収束し始めたことに応じて、発電電流の制限値を収束させる制御を行う。

電流制限レート調整部４７の動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。
時刻ｔ_１〜ｔ_２、ｔ_３〜ｔ_４、ｔ_５〜ｔ_６、ｔ_７〜ｔ_８では、電流制限値の制限レート量を負の所定値に設定することにより、電流制限値を減少させる電流制限処理（図２のＳＴ２の処理）が行われる。図３に示すように、この電流制限処理は、冷媒の温度が第１閾値以上となってから第２閾値以下となるまで行われる。

時刻ｔ_２〜ｔ_３、ｔ_４〜ｔ_５、ｔ_６〜ｔ_７、ｔ_８以降では、電流制限値の制限レート量を正の値に設定することにより、電流制限値を上昇させる電流制限解除処理（図２のＳＴ４の処理）が行われる。図３に示すように、この電流制限解除処理は、冷媒の温度が第２閾値以下となってから第１閾値以上となるまで行われる。

ここで、時刻ｔ_５では、冷媒の温度変化量（図３中の冷媒温度のグラフの傾き）の絶対値が、所定の収束判定値よりも小さいと判別され（図２のＳＴ５の判別）、制限レート量変更処理（図２のＳＴ６の処理）が行われたことに基づいて、保護制御から収束制御に切り替えられる。つまり、時刻ｔ_５以降の収束制御区間における制限レート量（図３中の電流制限値のグラフの傾き）の絶対値は、時刻ｔ_５までの保護制御区間における制限レート量よりも小さな値となる。このようにして、制限レート量を切り替えることにより、冷媒の温度、すなわち、燃料電池１０の温度を、第１閾値と第２閾値との間に収束させることができる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）本実施形態の燃料電池システム１によれば、冷媒の温度が第１閾値よりも高くなった際に、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値以上である場合には制限レート量を負の所定値とし、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値よりも小さい場合には制限レート量を上記負の所定値よりも大きな値にする電流制限レート調整手段を設けた。これにより、燃料電池の温度変化量が小さくなるのに合わせて、電流の制限値のハンチングを収束させることができる。また、これに伴い、燃料電池１０の温度を第１閾値と第２閾値の間に収束させながら発電を継続させることができる。ここで例えば、これら第１閾値及び第２閾値を燃料電池保護温度付近に設定することにより、燃料電池１０の温度を、発電を行うのに好ましい温度に保ちながら、効率よく発電を行うことができる。

＜第２実施形態＞
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。第２実施形態の燃料電池システムは、上述の第１実施形態の燃料電池システム１と、制御装置の電流制限レート調整部の構成が異なる。

本実施形態の電流制限レート調整部の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、ＳＴ１１では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、第１閾値以上であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ１２に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ１９に移る。
ＳＴ１２では、電流制限処理を行い、ＳＴ１３に移る。具体的には、この電流制限処理では、冷媒の温度が第１閾値よりも高くなったことに応じて、電流制限値の制限レート量を負の所定値に設定することにより、電流制限値を次第に小さくし、燃料電池１０の発電電流を制限する。また、この制限レート量の値は、後述のＳＴ２０の制限レート量変更処理において、冷媒温度変化量算出部４６により算出された冷媒の温度の変化量に応じて、変更されるようになっている。

ＳＴ１３では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、第１閾値以下であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ１４に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ１２に移る。
ＳＴ１４では、電流制限値ホールド処理を行い、ＳＴ１５に移る。具体的には、この電流制限値ホールド処理では、制限レート量の値を略０に設定することにより、電流制限値を一定にする。

ＳＴ１５では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、第２閾値以下（９０℃）であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ１６に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ１４に移る。
ＳＴ１６では、電流制限解除処理を行い、ＳＴ１７に移る。具体的には、この電流制限解除処理では、冷媒の温度が第２閾値よりも低くなったことに応じて、電流制限値の制限レート量を正の値にすることにより、電流制限値を次第に大きくし、燃料電池１０の発電電流の制限を解除する。ここで、制限レート量の値は、例えば、上述のＳＴ１２の電流制限処理において設定された負の制限レート量に−１を乗じて正にした値が用いられる。

ＳＴ１７では、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度Ｔが、第２閾値以上であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”である場合にはＳＴ１８に移り、この判別が“ＮＯ”である場合にはＳＴ１７に移る。
ＳＴ１８では、電流制限値ホールド処理を行い、ＳＴ１９に移る。具体的には、この電流制限値ホールド処理では、制限レート量の値を略０に設定することにより、電流制限値を一定にする。

ＳＴ１９では、冷媒温度変化量算出部４６により算出された冷媒の温度の変化量の絶対値が、所定の収束判定値よりも小さいか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合はＳＴ２０に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ１１に移る。

ＳＴ２０では、制限レート量変更処理を行い、ＳＴ１に移る。具体的には、この制限レート量変更処理では、冷媒の温度変化量が所定の収束判定値よりも小さくなったことに応じて、制限レート量の値を、上述のＳＴ１２の電流制限処理において設定された負の制限レート量よりも大きな値にする。これにより、ＳＴ１９及びＳＴ２０においては、冷媒の温度変化量の絶対値が所定の収束判定値よりも小さくなったことに応じて、つまり、冷媒の温度変化が収束し始めたことに応じて、発電電流の制限値を収束させる制御を行う。

本実施形態の電流制限レート調整部の動作について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。
時刻ｔ_１〜ｔ_２、ｔ_５〜ｔ_６、ｔ_９〜ｔ_１０では、電流制限値の制限レート量を負の所定値に設定することにより、電流制限値を減少させる電流制限処理（図４のＳＴ１２の処理）が行われる。図５に示すように、この電流制限処理は、冷媒の温度が第１閾値以上となってから第１閾値以下となるまで行われる。

時刻ｔ_３〜ｔ_４、ｔ_７〜ｔ_８、ｔ_１１〜ｔ_１２では、電流制限値の制限レート量を正の値に設定することにより、電流制限値を上昇させる電流制限解除処理（図４のＳＴ１６の処理）が行われる。図５に示すように、この電流制限解除処理は、冷媒の温度が第２閾値以下となってから第２閾値以上となるまで行われる。

また、時刻ｔ_２〜ｔ_３、ｔ_４〜ｔ_５、ｔ_８〜ｔ_９、ｔ_１０〜ｔ_１１では、電流制限値の制限レート量を略０に設定することにより、電流制限値を一定にする電流制限値ホールド処理（図４のＳＴ１４またはＳＴ１８の処理）が行われる。図５に示すように、この電流制限値ホールド処理は、冷媒の温度が第１閾値以下となってから第２閾値以下となるまで、または、冷媒の温度が第２閾値以上となってから第１閾値以上となるまで行われる。この電流制限値ホールド処理が行われる期間では、電流制限値を一定にすることにより、冷媒の温度変化量は、他の期間と比較して緩やかになる。

また、時刻ｔ_９では、冷媒の温度変化量（図５中の冷媒温度のグラフの傾き）の絶対値が、所定の収束判定値よりも小さいと判別され（図４のＳＴ１９の判別）、制限レート量変更処理（図４のＳＴ２０の処理）が行われたことに基づいて、保護制御から収束制御に切り替えられる。つまり、時刻ｔ_９以降の収束制御区間における制限レート量（図５中の電流制限値のグラフの傾き）の絶対値は、時刻ｔ_９までの保護制御区間における制限レート量よりも小さな値となる。このようにして、制限レート量を切り替えることにより、冷媒の温度、すなわち、燃料電池１０の温度を、第１閾値と第２閾値との間に収束させることができる。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（２）本実施形態の燃料電池システムによれば、第１閾値と第２閾値との間では、燃料電池１０から取り出される電流の制限値は略一定となる。これにより、燃料電池１０の温度が急激に変化するのを防止することができる。また、制限レート量を略０にすることにより、例えば、燃料電池１０への要求出力が設定された電流の制限値付近において激しく変化するような場合であっても、この要求に対する応答を安定にすることができる。ここで例えば、本実施形態の燃料電池システムを車両の動力源として応用した場合には、操縦者による出力要求に対する応答を安定にすることで、操縦者が感じる違和感を低減させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

上述の第１、第２実施形態の燃料電池システムでは、電流制限値の制限レート量を、流出口温度計４４により検出された冷媒の温度に基づいて設定したが、これに限らない。例えば、水素排出路内のガスの温度、エア排出路内の空気の温度、または、燃料電池の温度に基づいて、電流制限値の制限レート量を設定してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池システムの電流制限レート調整部の動作を示すフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムの電流制限レート調整部の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの電流制限レート調整部の動作を示すフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムの電流制限レート調整部の動作を示すタイミングチャートである。冷媒の温度変化を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
１１高圧バッテリ
１２電流制限器（電流制限手段）
２０供給装置
３０冷却システム（冷却手段）
４４流出口温度計（冷媒温度検出手段）
４０制御装置
４５供給装置駆動部
４６冷媒温度変化量算出部（冷媒温度変化量算出手段）
４７電流制限レート調整部（電流制限レート調整手段）

Claims

反応ガス及び酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に冷媒を流通させ当該燃料電池を冷却する冷却手段と、
冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記燃料電池から取り出される電流を制限する電流制限手段と、
前記電流制限手段による電流の制限値の単位時間当たりの変化量を制限レート量として、該制限レート量を調整する電流制限レート調整手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度の単位時間当たりの変化量を算出する冷媒温度変化量算出手段をさらに備え、
前記電流制限レート調整手段は、
前記冷媒温度検出手段により検出された温度が所定の燃料電池保護温度よりも低い第１閾値以上である場合には、当該温度が前記第１閾値よりも低い第２閾値以下になるまで前記制限レート量を負の値とし、
特に、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量の絶対値が、冷媒の温度変化が収束し始めたと判断するための収束判定値以上である場合には、前記制限レート量を負の所定値とし、
前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量の絶対値が前記収束判定値よりも小さい場合には、前記制限レート量を前記負の所定値よりも大きな値にすることを特徴とする燃料電池システム。
反応ガス及び酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に冷媒を流通させ当該燃料電池を冷却する冷却手段と、
冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記燃料電池から取り出される電流を制限する電流制限手段と、
前記電流制限手段による電流の制限値の単位時間当たりの変化量を制限レート量として、該制限レート量を調整する電流制限レート調整手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度の単位時間当たりの変化量を算出する冷媒温度変化量算出手段をさらに備え、
前記電流制限レート調整手段は、
所定の燃料電池保護温度よりも低い第１閾値と当該第１閾値より低い第２閾値とを設定し、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値以上である場合には、当該温度が前記第１閾値以下になるまで前記制限レート量を負の値とし、前記温度が前記第２閾値よりも大きくかつ前記第１閾値以下である場合には、前記制限レート量の値を略０とし、
特に、前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量の絶対値が、冷媒の温度変化が収束し始めたと判断するための収束判定値以上である場合には、前記制限レート量を負の所定値とし、
前記冷媒温度検出手段により検出された温度が前記第１閾値よりも高くなった際に、前記冷媒温度変化量算出手段により検出された温度変化量の絶対値が前記収束判定値よりも小さい場合には、前記制限レート量を前記負の所定値よりも大きな値にすることを特徴とする燃料電池システム。