JP2004207029A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガス及び原料供給動力の無駄をなくしながら、燃料電池本体のセル電圧のバラツキを抑制する。
【解決手段】燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定する。このような制御を行うため、各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段１７と、燃料電池本体内部の原料ガスの分布を変更する原料ガス分布変更手段１９と、原料ガス分布を変化させた時のセル電圧の変化に基づいて原因を判断するセル劣化判断手段２０と、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を算出し原料ガスの供給を制御する原料ガスストイキ比変更手段２１とをコントローラにて実現する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発電セルから構成される燃料電池本体により発電を行う燃料電池システムに関するものであり、特に、セル電圧のバラツキを抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体のアノード極に水素ガス、カソード極に空気をそれぞれ供給し、各電極において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、アノード（水素極）とカソード（空気極）との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。固体高分子タイプの燃料電池本体では、アノードで水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、カソードで酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜をカソードに向かって移動する。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
また、固体高分子膜を加湿する上で有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを、再度燃料電池本体へと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池本体外部に接続した負荷（以下、外部負荷という。）で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体のアノードへと供給し、未使用の水素ガスをアノード出口から排出させて、この排水素（以下、循環水素という。）を再度、燃料電池本体のアノード入口へ戻して再利用するようにしている。アノード出口から排出される循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、この水蒸気を多く含んだ循環水素が水素タンクからの乾燥している水素に混合されて燃料電池本体のアノードへ供給されることによって、燃料電池本体の固体高分子膜が加湿されることになる。
【０００６】
前記の水素循環形式の燃料電池システムでは、外部負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体のアノード極へと供給するが、これにさらに循環水素が混合されるため、アノード極への供給水素流量が発電に必要な水素量よりも多くなる。このとき、発電に必要な水素量だけをアノード極に供給した場合にはアノード出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなって発電効率が落ちるため、前述のように発電に必要な水素量よりも多い水素ガスをアノード極に供給することによって、燃料電池システムの全てのセルでの発電が高効率で行われるようになる。燃料電池システムでは、同様のことがカソード極についても言えるため、発電に必要な酸素（空気）量のみを供給するのではなく、少し余分に酸素をカソード極に供給するようにしている。このような発電に要する水素（空気）量に対する実際に供給する水素（空気）量の比を原料ガスストイキ比と通常呼んでいるが、この原料ガスストイキ比は、前記理由により１以上の最適値に設定されている。
【０００７】
原料ガスストイキはこのように燃料電池本体での発電を効率よく行わせるように設定される。しかしながら、燃料電池本体の状態は運転状態によって変化するので、ストイキ比を最適値に設定した場合でも、運転負荷あるいは経年変化の影響により発電効率が悪くなり、その結果としてセル電圧のバラツキが大きくなるという問題がある。セル電圧バラツキが許容範囲を超えて電圧下限以下になるようなセルが生じた場合は、燃料電池本体を構成している高分子膜にダメージを与えてしまう可能性があり、セル電圧にバラツキを生じないように、総電圧が低下しないようにストイキ比を変更する必要がある。
【０００８】
燃料電池本体のセル電圧バラツキを抑制するための運転方法としては、例えば、セル電圧にバラツキを生じた場合に、燃料電池本体へ供給するの原料ガス流量を所定量増加させることで、結果としてストイキ比を増加させるように作用させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６４０６８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されるように、セル電圧にバラツキが生じた場合、あるいは総電圧が低下した場合に常にストイキ比を増加するように設定すると、原料の無駄使いや原料供給動力の無駄使いになる場合がある。
【００１１】
例えば、セル電圧にバラツキが生ずる原因としては、発電セルの性能劣化による場合と、燃料電池本体内の原料ガス分布によって偶発的にその時の運転状態でセル電圧が相対的に低くなっている場合とがある。
【００１２】
前者の場合、そのまま負荷を増加すると、発電セルの性能劣化が進行し、燃料電池本体全体の性能低下に繋がる。また、ストイキ比を低いまま設定しておくと、各発電セルへの原料ガス供給むらが生じ、セル電圧のバラツキを拡大させる。したがって、この場合には前記特許文献１記載の技術のようにストイキ比を増加するように設定することは有効である。
【００１３】
これに対して、後者の場合、そのまま負荷を増加すれば、燃料電池本体内の原料ガス分布が変わって電圧の低い発電セルのセル電圧が復帰することから、このような場合にも電圧の低いセルを救済するようにストイキ比を設定すると、原料あるいは原料供給動力の無駄使いとなる。
【００１４】
例えば、水素原料ストイキを高く設定すると循環させる水素量が増える。これは原料供給動力の増加を引き起こす。また、水素ストイキを高くしたことで水素循環系を循環する水分が増え、そのパージのために水素を大気で放出する頻度が増えて、原料の無駄使いに至る可能性がある。一方、空気原料のストイキを高く設定すると、発電に使用しなかった空気はそのまま捨てることになり、空気原料供給動力の無駄使いを引き起こす。
【００１５】
したがって、特許文献１記載の技術のように常に原料ガスストイキ比を高く設定すると、後者の場合にも原料ガスストイキ比を高く設定することになり、無駄に捨てる原料が増え、また原料供給のための動力の無駄使いになる。
【００１６】
本発明は、以上のような従来技術の有する不具合に鑑みて提案されたものであり、燃料電池本体に最適な流量で原料ガスを供給し、原料ガス及び原料供給動力の無駄をなくしながら、燃料電池本体の各セル電圧のバラツキを抑制することができ、常にセル電圧が下限値以上となるようにすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、複数の発電セルを備え原料ガスである水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置と、前記燃料電池本体のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置とを有する。そして、前記燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定するようにしている。
【００１８】
セル電圧にバラツキが生じる場合、発電セルの劣化が原因で性能が出ない場合と、燃料電池本体内の燃料ガス分布によってたまたまその時の運転状態で特定の発電セルの電圧が相対的に低くなっている場合とがある。後者の場合、そのまま負荷を増加すれば、燃料電池本体内の原料ガス分布が変わって電圧の低いセルの電圧は復帰するが、前者の場合はますます発電セルを弱らせて燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。
【００１９】
したがって、セル電圧にバラツキが生じた場合に常に電圧の低い発電セルを救済するようにストイキ比を設定すると、後者のような場合は原料あるいは原料供給動力の無駄使いとなる。反対に、原料を節約しようとしてストイキ比を低く設定すると、各セルへの原料供給むらを生じセル電圧にバラツキを生じ燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。
【００２０】
本発明では、燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定しているので、常に適正な原料ガスストイキ比での運転が実現される。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池本体に最適な流量で原料ガスを供給し、常に適正な原料ガスストイキ比での運転を実現しているので、原料ガス及び原料供給動力の無駄を抑えながら、燃料電池本体の各セル電圧のバラツキを抑制することができる。また、セル電圧のバラツキ過大による燃料電池本体へのダメージを防止することも可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を図１に示す。この図１に示す燃料電池システム１は、電解質として固体高分子膜を有する固体高分子タイプの燃料電池本体２を備えている。燃料電池本体２は、複数の発電セルを積層したスタック構造を有し、各発電セルにおいて、原料ガスとしてカソード極に供給される空気中の酸素とアノード極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。
【００２４】
燃料電池本体２は、カソード極入口に、空気供給用配管３を介してコンプレッサやブロワ等の空気供給装置４が接続されている。空気供給装置４は、燃料電池本体２のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置に相当するものであり、この空気供給装置４により流量及び圧力が調整された空気（酸素を含有するガス）が、空気供給用配管３を通って燃料電池本体２のカソード入口に供給されるようになっている。
【００２５】
燃料電池システム１では、カソード極入口から供給された空気が全て消費されるわけではなく、消費されずに残った酸素及び空気中の他の成分が排空気として排空気用配管５から排出される。この排空気用配管５は大気開放されており、前記排空気は大気中に放出される。
【００２６】
また、燃料電池本体２は、アノード極入口に、水素供給用配管６を介して、例えば水素タンク等からなる水素供給装置７が接続されている。この水素供給装置７は、燃料電池本体２のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置に相当するものである。そして、水素供給用配管６の中途部には、水素供給バルブ８が配されており、目標流量の水素ガス（以下、原料水素という。）を水素供給装置７から燃料電池本体２のアノード極入口側に供給できるようになっている。
【００２７】
前記燃料電池システム１は、水素循環型として構成されており、燃料電池本体２での発電に使用されずに燃料電池本体２から排出された排水素（循環水素）の経路となる循環水素用配管９が設けられている。そして、この循環水素用配管９の中途部に循環水素ポンプ１０が配設されており、燃料電池本体２から排出された水蒸気を多く含む循環水素が、前記循環水素ポンプ１０の駆動によって、循環水素用配管９を通って燃料電池本体２のアノード極入口側へと循環され、水素供給装置７から供給される原料水素と合流するようになっている。したがって、燃料電池システム１では、水素供給装置７から供給される原料水素と水蒸気を多く含む循環水素との混合水素が、燃料電池本体２のアノード極に供給されることになる。
【００２８】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、水蒸気を多く含む循環水素を原料水素と混合して燃料電池本体２のアノード極に供給することによって、燃料電池本体２の固体高分子膜を加湿するようにしている。なお、加湿効果を更に良好なものとするために、水素供給装置７の後段に加湿器を別途設置するようにしてもよい。このような加湿器を設置することで、燃料電池本体２のアノードには、加湿器を通過することで加湿された原料水素と循環水素との混合水素が供給されるようになり、燃料電池本体２の固体高分子膜を十分に加湿することができるようになる。
【００２９】
また、前記燃料電池システム１には、前記循環水素用配管９内の余剰水素ガスや水蒸気を大気中へ放出するためのパージバルブ１１が配設された排水素用配管１２が循環水素用配管８に分岐して設けられている。
【００３０】
そして、本実施形態の燃料電池本体２には、当該燃料電池本体２で発電した電力を消費する外部負荷１３が接続されている。具体的には、外部負荷１３として例えばインバータが燃料電池本体２に接続され、燃料電池本体２で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システム１を車両に適用した場合には車両走行の動力として使用されることになる。
【００３１】
燃料電池本体２と外部負荷１３との間には、電圧センサ１４と負荷電流センサ１５とが配設されており、電圧センサ１４によって燃料電池本体２における発電電圧が検出され、負荷電流センサ１５によって燃料電池本体２から外部負荷１３へと供給される負荷電流が検出されるようになっている。
【００３２】
また、燃料電池本体２には、該燃料電池本体２の動作温度を検出する温度センサ１６が配設されている。燃料電池システム１では、燃料電池本体２における反応時に熱が発生するが、図示を省略する冷却機構によって冷却されるとともに、前記温度センサ１６にて燃料電池本体２の動作温度が監視されることによって、最適な温度下での運転が可能である。
【００３３】
さらに、燃料電池本体２には、燃料電池本体２を構成する各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段に相当するセル電圧測定装置１７が設置されている。本実施形態の燃料電池システム１では、このセル電圧測定装置１７による測定結果に基づき、セル電圧が低下した発電セルを特定し、その原因を判断する。
【００３４】
そして、燃料電池システム１は、本発明の制御を行うためのコントローラ１８を備えている。このコントローラ１８は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。このコントローラ１８には、前記セル電圧測定装置１７における測定結果や循環水素ポンプ１０からの情報が入力され、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、前記燃料電池本体２を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体２内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断する。そして、この判断結果に応じて空気供給装置４や水素供給装置７に指示を送り、原料ガスストイキ比を設定する。
【００３５】
このコントローラ１８の内部構成を図２に示す。コントローラ１８は、図２に示すように、基本的には、原料ガス分布変更手段１９、セル劣化判断手段２０、原料ガスストイキ比変更手段２１とから構成される。
【００３６】
原料ガス分布変更手段１９は、負荷過渡変化がない定常時に原料ガス流量を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更するものである。例えば、カソード圧力調整弁とアノード圧力調整弁を有し、負荷過渡変化がない定常時に燃料電池本体のカソード圧力またはアノード圧力、あるいはこれら両者を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更する。この原料ガス分布変更手段１９によって例えば原料ガス流量を過渡的に増加させ、その時のセル電圧の変化の様子を調べることで、セル劣化の原因を判断することができる。
【００３７】
セル劣化判断手段２０は、前記原料ガス分布変更手段１９により原料ガス分布を変化させた時のセル電圧の変化に基づいてセル電圧低下原因を判断するものであり、前記セル電圧測定装置１７における測定結果に基づいて各セル電圧が所望の電圧値であるか否かを判断するセル電圧判断手段２２を有する。セル劣化判断手段２０は、前記原料ガス分布変更手段１９によって燃料電池本体２内部の原料ガス分布を変更した時に、前記セル電圧判断手段２２で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇した場合には、前記原因が燃料電池本体２内部での原料ガス分布によるものと判断し、前記セル電圧判断手段２２で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇しない場合には、前記原因がセル劣化によるものと判断する。
【００３８】
前記セル電圧判断手段２２は、例えば負荷電流と燃料電池本体の動作温度を入力とする燃料電池電流電圧性能関数を参照することにより各発電セルにおける所望のセル電圧を算出するセル電圧算出手段（図示は省略する。）と、前記セル電圧算出手段からの出力より低い電圧の発電セルを判別する第１の電圧低下セル判別手段２３と、各セル電圧を他のセル電圧と比較する相対電圧比較手段（図示は省略する。）と、前記相対電圧比較手段からの情報に基づいて相対的に電圧の低い発電セルを判別する第２の電圧低下セル判別手段２４とを有する。そして、前記第２の電圧低下セル判別手段２４により相対的に電圧が低いと判別され、且つ前記第１の電圧低下セル判別手段２３により所望の電圧値より低い電圧であると判別された発電セルについて、セル電圧が低いと判断する。
【００３９】
前記原料ガスストイキ比変更手段２１は、前記セル劣化判断手段２０により前記原因がセル劣化によるものと判断された場合には、劣化した発電セルのセル電圧が下限値以上になるように原料ガスストイキ比を算出し、前記セル劣化判断手段２０により前記原因が燃料電池本体２内部での原料ガス分布によるものと判断された場合には、原料ガスストイキ比を所定の下限値に設定する。また、前記原料ガスストイキ比変更手段２１は、電圧の低い発電セルに対する重み付けを相対的に大きくして重み付け平均電圧を算出する平均電圧算出手段を有し、この平均電圧算出手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出する。
【００４０】
以上がコントローラ１８の構成であるが、次に、このコントローラ１８による処理の一例について、図３のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００４１】
コントローラ１８では、先ず、セル電圧判断手段２２に組み込まれたセル電圧算出手段において、所望のセル電圧を算出する（ステップＳ１０）。この所望のセル電圧は、燃料電池本体２の電流電圧特性関数（Ｉ−Ｖ特性）を参照することで算出する。燃料電池本体２の電流電圧特性関数の一例を図４に示す。セル電圧算出手段では、現在の負荷電流を電流電圧特性関数に入力してその負荷電流時の所望のセル電圧を算出する。電流電圧特性関数は燃料電池動作温度に応じて複数用意しておけば、動作温度に応じて所望のセル電圧を算出することができる。
【００４２】
次に、セル電圧測定装置１７によりセル電圧のバラツキを測定する（ステップＳ２０）。セル電圧のバラツキの測定は、セル電圧判断手段２２に組み込まれた相対電圧比較手段において、各セル電圧と他のセル電圧とを相対的に比較することにより行う。本実施例ではセル電圧平均値からの差を測定するようにしている。セル電圧ヒストグラムを作成するようにしても良い。
【００４３】
ステップＳ３０では、電圧が低い発電セルがあるか否かを判断する。本実施形態では、先のステップＳ１０で第１の電圧低下セル判別手段２３により所望の電圧より低い電圧の発電セルと判別され、ステップＳ２０で第２の電圧低下セル判別手段２４により相対的に電圧が低いセル（セル電圧平均値からの差が所定値以上のセル）と判別された発電セルがあった場合、電圧が低い発電セルであると判断する。そして、次のステップＳ４０で、その電圧が低い発電セルのセル番号を記憶する。
【００４４】
一方、ステップＳ３０で電圧が低いセルがないと判断された場合には、ステップＳ３５で識別変数「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」に０を代入して（初期化）、リターンへジャンプし処理を終了する。なお、識別変数「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」は、セル電圧の低下が燃料電池本体２内部のガス分布によって引き起こされたか発電セル自体の劣化により引き起こされたかを判断する変数である。
【００４５】
次いで、原料ガス分布変更手段１９により原料流量を所定量過渡的に変更して、燃料電池本体２内部の原料ガス分布を変更するようにする（ステップＳ５０）。本実施形態では、空気流量のみを変更するが、空気と水素の両方を変更しても良いし、空気の代わりに水素を変更しても良い。ただし、水素を増加変更した場合、その余分な水素を大気へ放出して捨てる必要があり、かつ燃料の無駄にもなるので、本実施形態では空気流量のみを変更する。また、水素あるいは空気を減少変更した場合、原料不足でさらに電圧低下を招く可能性があるので、本実施形態では、空気流量をΔＦだけΔｔ秒間、過渡的に増加変化するようにしている。なお、燃料電池本体２のアノード、カソードの圧力調整弁がある場合には、これらの弁開度を調整して圧力を変えるようにしてもよい。
【００４６】
ステップＳ６０では、ステップＳ４０で記憶した電圧の低いセルの電圧が変化したかどうかを調べる。ステップＳ６２では、ステップＳ４０で記憶した電圧の低いセルの電圧が上昇した場合には、セル電圧の低下が燃料電池本体２内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断し、識別変数「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」に１を代入する（初期値は０）。セル電圧が上昇しない場合には、セル電圧の低下はセル自体の劣化により引き起こされたと判断し、ステップＳ６４で、識別変数「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」に２を代入する。
【００４７】
ステップＳ７０では、セル電圧の重み付け平均電圧を算出する。「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」＝２の場合、すなわち、劣化してセル電圧が低下しているセルがある場合、そのセルの電圧に最も大きい重み付けをする。本実施形態では重みは０から１の実数で与え、劣化しているセル電圧に相対的に大きい重み、例えば１を与える。その他のセルには例えば０．３を与えて重み付け平均を算出する。このようにすることにより、劣化しているセル電圧がより強く平均電圧に反映されるようになる。
【００４８】
一方、「ＦＬＡＧ＿Ｃｅｌｌ＿Ｖ」＝１の場合、すなわち、セル電圧の低下が燃料電池本体２内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断した場合は、例えば電圧の低いセルに０．６を与え、その他のセルには０．５を与える。このようにすることによりセル電圧低いセルの影響があまり平均電圧に反映されないようになる。重み付けはファジイ理論でよく使われるメンバーシップ関数を使用するようにすればコンピュータでの自動処理が容易になるので、本実施形態ではこの方法を使っている。
【００４９】
ステップＳ８０では、ステップＳ７０で算出されたセル電圧の重み付け平均電圧とステップＳ１０で算出された所望のセル電圧を平均した電圧との差分を算出する。
【００５０】
ステップＳ９０では、ステップＳ８０で算出した電圧の差分の絶対値が所定値以上かどうかを調べる。所定値以下の場合には、ステップＳ１００へ進み、原料ガスストイキ比変更手段２１によりストイキ比を所定の最低値に設定する。この場合は、セル電圧の低下があったとしても燃料電池本体２内の原料ガス分布に依存するものであるので、ストイキ比は最低値にして原料・原料供給動力の節約をする。
【００５１】
ステップＳ８０で算出した電圧の差分の絶対値が所定値以上の場合には、ステップＳ１１０へ進む。
【００５２】
本実施形態ではセル電圧の重み付け平均電圧を算出して、この重み付け平均電圧とステップＳ１０で算出した所望のセル電圧を平均した電圧との差分に応じてストイキ比を変更するようにしている。
【００５３】
また、本実施形態では、重み付け平均電圧とステップＳ１０で算出した所望のセル電圧を平均した電圧との差分とストイキ変更量を関係つける関数を予めコンピュータに記憶させておき、この関数を参照することによりストイキ比変更量を算出するようにしている。また、差分電圧が大きいほどストイキ変更量も大きくなるようにしている。このようにすることで劣化して電圧の低くなったセル電圧を下限値以上に維持するようにストイキ比を大きくするようにする。図５に関数の一例を示す。
【００５４】
以上の構成を有する本実施形態の燃料電池システム１では、セル電圧のバラツキが燃料電池本体２内部での原料ガス分布に依存するものか発電セル自体の劣化に依存するものかどうかを判断して原料ガスストイキ比を設定するようにしているので、原料及び原料動力の無駄を節約でき、且つセル電圧のバラツキ過大による燃料電池本体２へのダメージを防止することができる。
【００５５】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池本体２内の原料ガス分布を変化させた時に、電圧が低いと判断されたセル電圧が上昇したかどうかを調べ、電圧が上昇した場合にはセル電圧の低下がその時の運転状態の燃料電池本体２内部の原料ガス分布によって引き起こされたと判断し、電圧が低いと判断されたセルの電圧が上昇しない場合には、セル電圧の低下はセルの劣化により引き起こされたと判断することができ、的確な判断が可能である。燃料電池本体２内部の原料ガス分布の変更は、例えば負荷過渡変化がない定常時に燃料電池の原料供給側と出口の圧力差を過渡的に増加することで、簡単に行うことができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、各セル電圧の所望のセル電圧値と比較して電圧の低いセルを判断することができる。例えば、所望のセル電圧値は燃料電池の電圧電流性能特性から算出するようにすれば負荷電流値に応じた所望のセル電圧値を算出して電圧の低いセルを判断できる。また、温度をパラメータとして電圧電流性能特性を複数用意しておき、燃料電池の動作温度に応じて参照するようにすれば、燃料電池の動作温度に応じた所望のセル電圧値を算出して電圧の低いセルを判断できる。また、各々のセル電圧を他のセル電圧と相対的に比較して相対的に電圧の低いセルを判断することができ、特異的に電圧の低いセルを判断できる。セル電圧の低下は所望の電圧値と比較して判断できるが、さらに相対的に比較することでセル電圧のバラツキを明確にすることができ、特に注意を要する電圧の低いセルを判断することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、セル電圧の低下が劣化により引き起こされたと判断された場合には、劣化して電圧の低いセルの電圧の電圧が下限値以上になるように原料ストイキ比を算出することができ、劣化して弱ったセルを更に弱らせてしまうことを防止でき、燃料電池本体２にダメージを与えることを防止することができる。セル電圧の低下が燃料電池内部のガス分布により引き起こされたと判断された場合には、ストイキ比を所定の下限値に設定することができ、原料及び原料供給に必要な動力の無駄使いを節約できる。
【００５８】
さらにまた、本実施形態の燃料電池システム１では、電圧の低いセルの電圧に対して相対的に大きな重み付けをして全セルの平均電圧を算出し、原料ガスストイキ比を算出することができ、劣化して電圧の低いセルがある場合には、劣化したセルの電圧の重み付けを相対的に極端に大きくして（他のセルとの重みの格差を大きくして）劣化したセルの電圧が下限値以上になるように原料ストイキ比を算出するように設定することができ、劣化して弱ったセルを更に弱らせてしまうことを防止でき、燃料電池本体２にダメージを与えることを防止することができる。セル電圧の低下が燃料電池本体２内部の原料ガス分布により引き起こされたと判断された場合には、電圧の低いセル電圧の重みつけを相対的に幾分大きくし、他のセルとの重みの格差を小さくするようにしてセル電圧の重み付け平均を算出し、ストイキ比を所定の下限値に設定するように設定することで、原料及び原料供給に必要な動力の無駄使いを節約できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】燃料電池システムのコントローラで実現される機能を説明するための図である。
【図３】コントローラによる処理の一例を説明するためのフローチャートである
【図４】燃料電池本体の電流電圧特性関数の一例を示す特性図である。
【図５】ストイキ比を設定するための関数の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池本体
４ 空気供給装置
７ 水素供給装置
１０ 循環水素ポンプ
１７ セル電圧測定装置
１８ コントローラ
１９ 原料ガス分布変更手段
２０ セル劣化判断手段
２１ 原料ガスストイキ比変更手段
２２ セル電圧判断手段
２３ 第１の電圧低下セル判別手段
２４ 第２の電圧低下セル判別手段

Claims (9)

1. 複数の発電セルを備え、原料ガスである水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体のアノード極に水素を含有するガスを供給する水素含有ガス供給装置と、
   前記燃料電池本体のカソード極に酸素を含有するガスを供給する酸素含有ガス供給装置とを有し、
   前記燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるか或いはセル劣化によるものであるかを判断し、その判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池本体を構成する各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
   前記燃料電池内部の原料ガスの分布を変更する原料ガス分布変更手段と、
   前記原料ガス分布変更手段により原料ガス分布を変化させたときのセル電圧の変化に基づいて前記原因を判断するセル劣化判断手段と、
   前記セル劣化判断手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出し、当該原料ガスストイキ比となるように、前記燃料電池本体に対する原料ガスの供給を制御する原料ガスストイキ比変更手段とを有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。
3. 前記セル劣化判断手段は、各セル電圧が所望の電圧値であるか否かを判断するセル電圧判断手段を有し、
   前記原料ガス分布変更手段によって前記燃料電池本体内部の原料ガス分布を変更したときに、前記セル電圧判断手段で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇した場合には、前記原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものと判断し、前記セル電圧判断手段で電圧が低いと判断された発電セルのセル電圧が上昇しない場合には、前記原因がセル劣化によるものと判断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記セル電圧判断手段は、
   負荷電流と燃料電池本体の動作温度を入力とする燃料電池電流電圧性能関数を参照することにより各発電セルにおける所望のセル電圧を算出するセル電圧算出手段と、
   前記セル電圧算出手段からの出力より低い電圧の発電セルを判別する第１の電圧低下セル判別手段と、
   各セル電圧を他のセル電圧と比較する相対電圧比較手段と、
   前記相対電圧比較手段からの情報に基づいて相対的に電圧の低い発電セルを判別する第２の電圧低下セル判別手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記セル電圧判断手段は、前記第２の電圧低下セル判別手段により相対的に電圧が低いと判別され、且つ前記第１の電圧低下セル判別手段により所望の電圧値より低い電圧であると判別された発電セルについて、電圧が低いと判断することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記原料ガスストイキ比変更手段は、
   前記セル劣化判断手段により前記原因がセル劣化によるものと判断された場合には、劣化した発電セルのセル電圧が下限値以上になるように原料ガスストイキ比を算出し、
   前記セル劣化判断手段により前記原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものと判断された場合には、原料ガスストイキ比を所定の下限値に設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記原料ガスストイキ比変更手段は、電圧の低い発電セルに対する重み付けを相対的に大きくして重み付け平均電圧を算出する平均電圧算出手段を有し、この平均電圧算出手段からの出力に基づいて原料ガスストイキ比を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記原料ガス分布変更手段は、負荷過渡変化がない定常時に原料ガス流量を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 前記原料ガス分布変更手段は、カソード圧力調整弁とアノード圧力調整弁とを有し、負荷過渡変化がない定常時に燃料電池本体のカソード圧力又はアノード圧力、或いはこれら両者を過渡的に増加変更することにより原料ガスの分布を変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

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