JP2006073379A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、燃料供給装置と、空気供給装置と、コントローラと、電力変換器と、を備え、コントローラは、複数の燃料電池セルの各電圧のバラツキが最小になるように、複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、燃料供給量と空気供給量の少なくともどちらか一方を燃料電池セル毎に設定し、燃料供給装置は燃料電池セル毎の燃料供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は空気供給装置は燃料電池セル毎の空気供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、燃料供給装置と、空気供給装置と、コントローラと、電力変換器と、を備え、コントローラは、複数の燃料電池セルの各電圧のバラツキが最小になるように、複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、燃料供給量と空気供給量の少なくともどちらか一方を燃料電池セル毎に設定し、燃料供給装置は燃料電池セル毎の燃料供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は空気供給装置は燃料電池セル毎の空気供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、電子機器などの電源として好適な燃料電池システムに関する。
近年、電子機器等の電源として、長時間連続して電力を供給することができる燃料電池が注目されてきている。燃料電池は、一般に電解質層を間に挟んで、両側に燃料極と空気極とを配置して構成される。燃料極に水素を送給し、空気極に酸素を送給することによって、電気化学的反応が起こり、直流電流が発生する。この電流を発生させる最小単位である燃料電池セルの起電力は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電力を得るためには複数の燃料電池セルを直列接続する必要がある。複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成することにより、大きな電力を作ることができる。
一方、燃料電池から取り出すことができる電流の所望の値は反応面積の拡大により達成できるが、携帯型の電子機器などの電源は小型化が要求されるため、反応面積を拡大することはできない。限られた反応面積の中で反応を活発且つ多量に起こさせるために、負荷機器の要求電力に応じて各燃料電池セルに燃料を円滑に送給するなどの運転制御が求められている。
特開２０００−２０８１６１号公報に、効率良く、かつ安全に運転することができる第１の従来例の燃料電池の運転方法及び運転装置が開示されている。燃料電池システムの効率を高めるために、空気供給源の空気圧縮機の負荷を低減したり、燃料ガス流量の供給を余りに小さい量にすると、セル電圧の低下、反転を引き起こして燃料電池に損傷を与えることがある。そのため、第１の従来例の燃料電池の運転技術には、例えば燃料電池の燃料電池セル電圧を監視し、その標準偏差が所定値を上回らず、所定値に追随するように負荷電流、空気供給量、空気圧力、燃料ガス供給量および燃料ガス圧力を制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。これにより、従来例の運転方法及び運転装置は、燃料電池が損傷することなく安全に運転し、且つ燃料電池システムの効率を上げることを図っている。
特開２００２−１８４４４３号公報に、他の従来例の燃料電池システムが開示されている。他の従来例の燃料電池システムは、負荷の要求電力に応じて、水素供給量を変更し、且つ燃料電池を構成する燃料電池セルの各出力電圧が所定のセル電圧になるように電圧制御を行う（特許文献２参照）。これにより、その時々の水素供給量における最大限の発電電力が得られ、且つ燃料電池を構成する各燃料電池セルの電圧特性がばらついた場合でも電圧低下による過放電を防止することができるよう意図している。
特開２０００−２０８１６１号公報
特開２００２−１８４４４３号公報
第１の従来例の燃料電池の運転方法及び運転装置は、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池セルの各電圧を監視し、燃料電池スタックに供給する燃料及び空気の量を制御していた。他の従来例の燃料電池システムは、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池セルの各電圧を測定して、燃料電池スタックに供給する水素及びセルの目標電圧を制御していた。従来の技術では、発電電力量と要求電力の差に応じて燃料電池スタックに供給する燃料または空気のそれぞれの総量を決定し、燃料又は空気の総量を一定に保ちながら、各燃料電池セルの電圧のばらつきを低減するために、各燃料電池セル毎に燃料供給量または空気供給量を増減させることは困難であった。燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池セルにそれぞれ均等な濃度の規定量の燃料を精度良く供給するためには、各燃料電池セルに個別に燃料を供給すること、が望ましい燃料供給方式となる。
本発明は、燃料電池セル毎に燃料供給量又は空気供給量を増減させることにより、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は下記の構成を有する。
請求項１に記載の発明は、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給する燃料供給装置と、目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置が要求した要求電力と前記複数の燃料電池セルの各電圧とに基づいて、前記燃料供給量、前記空気供給量、及び前記燃料電池スタックの目標電圧又は目標電流を決定するコントローラと、前記燃料電池スタックの電圧又は電流が前記目標電圧又は前記目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を前記負荷装置に供給する電力変換器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記コントローラは、前記複数の燃料電池セルの各々の電圧のバラツキが最小になるように、前記複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、前記燃料供給量と前記空気供給量の少なくともいずれか一方を前記燃料電池セル毎に設定し、前記燃料供給装置は前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、ことを特徴とする燃料電池システムである。
請求項１に記載の発明は、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給する燃料供給装置と、目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置が要求した要求電力と前記複数の燃料電池セルの各電圧とに基づいて、前記燃料供給量、前記空気供給量、及び前記燃料電池スタックの目標電圧又は目標電流を決定するコントローラと、前記燃料電池スタックの電圧又は電流が前記目標電圧又は前記目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を前記負荷装置に供給する電力変換器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記コントローラは、前記複数の燃料電池セルの各々の電圧のバラツキが最小になるように、前記複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、前記燃料供給量と前記空気供給量の少なくともいずれか一方を前記燃料電池セル毎に設定し、前記燃料供給装置は前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、ことを特徴とする燃料電池システムである。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
請求項２に記載の発明は、前記コントローラが、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、前記燃料供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量を増減させて、及び／又は前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を増減させて、前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきを低減させ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である。
この発明によれば、燃料電池スタックの動作点を一定に保ちながら、複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減する燃料電池システムを実現できる。
請求項３に記載の発明は、前記燃料電池システムが、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測器を更に備え、前記コントローラは、前記燃料電池スタックの温度と前記負荷装置の要求電力とから、前記燃料供給量の総量を算出する燃料供給総量テーブル及び／又は前記空気供給量の総量を算出する空気供給総量テーブルを有し、前記コントローラは、前記温度計測器から前記燃料電池スタックの温度を入力し、前記負荷装置から要求電力を入力して、前記燃料供給総量テーブル及び／又は前記空気供給総量テーブルに基づいて前記燃料供給量の総量及び／又は前記空気供給量の総量を算出し、前記燃料供給量の総量及び／又は前記空気供給量の総量を前記燃料電池セルの総数で除した量を前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量及び／又は前記空気供給量の初期値とし、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の各燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、各々の前記燃料電池セルの前記燃料供給量及び／又は前記空気供給量から前記電圧偏差に所定の値を乗算した値を減算して目標とする燃料供給量及び／又は空気供給量を得て、この動作を繰り返すことにより、セル電圧のばらつきを低減する、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムである。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させながら、複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減する燃料電池システムを実現できる。
請求項４に記載の発明は、前記コントローラが、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池セルの電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、前記複数の燃料電池セルの前記電圧偏差の絶対値の最大値が所定値よりも小さくなった場合に、一定時間内の前記燃料電池スタックの発電電力を算出し、その発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に応じて、前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量を増減させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の燃料電池システムである。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
請求項５に記載の発明は、前記燃料電池スタックの発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に所定の値を乗じた値をこれまでの前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量に加算することによって前記燃料供給量の総量又は空気供給量の総量を増減させ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である。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
請求項６に記載の発明は、前記複数の燃料電池セルの各電圧の中の最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラが前記目標電圧を増加させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラが前記目標電流を減少させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の燃料電池システムである。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
請求項７に記載の発明は、前記複数の燃料電池セルの各電圧の中での最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電圧に加算し、前記目標電圧に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電流から減算し、前記目標電流に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムである。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。
本発明によれば、燃料電池セル毎に燃料供給量又は空気供給量を増減させることにより、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを実現できるという有利な効果が得られる
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中のいずれかの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できる、有利な効果が得られる。
本発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できるという有利な効果が得られる。
本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、以下に図面とともに記載する。
《実施の形態１》
図１〜４を用いて、本発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明する。図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示すように本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタック１００、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルに燃料を供給するための燃料供給装置１０１（１）〜１０１（ｎ）（ｎは２以上の任意の正整数）、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルに空気を供給するための空気供給装置１０２、燃料電池スタック１００の電圧を制御するための電力変換器１０３、燃料電池スタック１００の発電電力が負荷装置の要求電力に満たないときに不足分の電力を補うための２次電池１０４、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルの電圧を計測するための電圧計測器１０５、燃料電池スタック１００の電流を計測するための電流計測器１０６、燃料電池スタック１００の温度を計測するための温度計測器１０７、燃料電池システムを制御するためのコントローラ１０８で構成される。燃料電池システムは、負荷装置１０９に電力を供給する。
図１〜４を用いて、本発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明する。図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示すように本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタック１００、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルに燃料を供給するための燃料供給装置１０１（１）〜１０１（ｎ）（ｎは２以上の任意の正整数）、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルに空気を供給するための空気供給装置１０２、燃料電池スタック１００の電圧を制御するための電力変換器１０３、燃料電池スタック１００の発電電力が負荷装置の要求電力に満たないときに不足分の電力を補うための２次電池１０４、燃料電池スタック１００の各燃料電池セルの電圧を計測するための電圧計測器１０５、燃料電池スタック１００の電流を計測するための電流計測器１０６、燃料電池スタック１００の温度を計測するための温度計測器１０７、燃料電池システムを制御するためのコントローラ１０８で構成される。燃料電池システムは、負荷装置１０９に電力を供給する。
燃料電池スタック１００は、ｎ個（ｎは２以上の任意の正整数）の燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）を直列に接続して構成される。燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）は、電解質層の両側に燃料極と空気極とを配置して構成される（図示していない。）。燃料極に水素または水素イオンを発生させる燃料（例えばメタノール）を送給し、空気極に酸素を送給することによって、電気化学的反応が起こり、直流電気が発生する。燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）は、燃料供給装置１０１（１）〜１０１（ｎ）からそれぞれ燃料を供給される。各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）は、空気供給装置１０２から同一の空気供給量の空気を供給される。
燃料供給装置１０１（１）〜１０１（ｎ）は、コントローラ１０８からそれぞれ燃料供給量を入力し、その燃料供給量に基づいて燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ燃料を供給する。
空気供給装置１０２は、コントローラ１０８から空気供給量を入力し、その空気供給量に基づいて燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に、空気を供給する。空気供給量は、ｎ個全ての燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に対して共通の値である。
電力変換器１０３は、実施の形態１において入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧（直列に接続した燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の総電圧）が、コントローラ１０８が指示した目標電圧になるように制御する。
空気供給装置１０２は、コントローラ１０８から空気供給量を入力し、その空気供給量に基づいて燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に、空気を供給する。空気供給量は、ｎ個全ての燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に対して共通の値である。
電力変換器１０３は、実施の形態１において入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧（直列に接続した燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の総電圧）が、コントローラ１０８が指示した目標電圧になるように制御する。
２次電池１０４は、電力変換器１０３の出力端子に接続される。２次電池１０４は、実施の形態１においてリチウムイオン２次電池である。２次電池１０４は、負荷装置１０９の要求する要求電力が、燃料電池スタック１００の発電電力だけでは足りない場合に、放電する。本発明の燃料電池システムは、負荷装置１０９の要求する要求電力と、燃料電池スタック１００の発電電力とが一致するように、要求電力に応じて燃料電池スタック１００の目標電圧と燃料供給総量を設定する。しかし、燃料電池スタックだけでは負荷装置１０９の要求する要求電力に合わせて、発電電力をすぐに追従させることができないため、追従できない分の電力を、２次電池が放電することにより補う。２次電池１０４は、負荷装置１０９が要求する要求電力よりも、燃料電池スタック１００の発電電力が多いときに、余った電力（＝要求電力−発電電力）で充電される。
電圧計測器１０５は、ｎ個の燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の各電圧を計測して、計測したｎ個の電圧値をコントローラ１０８に伝送する。
電流計測器１０６は、燃料電池スタック１００の出力電流を計測して、計測した電流値をコントローラ１０８と電力変換器１０３とに伝送する。
温度計測器１０７は、燃料電池スタック１００の温度を計測して、コントローラ１０８に伝送する。
電流計測器１０６は、燃料電池スタック１００の出力電流を計測して、計測した電流値をコントローラ１０８と電力変換器１０３とに伝送する。
温度計測器１０７は、燃料電池スタック１００の温度を計測して、コントローラ１０８に伝送する。
コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求した要求電力を入力し、その要求電力に応じて燃料電池スタック１００の目標電圧を決定し、電力変換器１０３に出力する。
コントローラ１０８は、燃料供給総量テーブル４０１（図４）を有する。図４については後述する。コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求してきた要求電力と温度計測器１０７が計測した温度とを入力して、燃料供給総量テーブル４０１から、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給する燃料供給総量を算出する。
コントローラ１０８は、燃料供給総量テーブル４０１（図４）を有する。図４については後述する。コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求してきた要求電力と温度計測器１０７が計測した温度とを入力して、燃料供給総量テーブル４０１から、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給する燃料供給総量を算出する。
コントローラ１０８は、電圧計測器１０５が出力するｎ個の燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の各電圧値を入力し、各電圧値に基づいてｎ個の燃料電池セルに供給する燃料供給量をそれぞれ決定する。ｎ個の燃料供給量の総和は、燃料供給総量と一致するようにする。この燃料供給量の求め方の詳細を図２に示す。図２については後述する。
コントローラ１０８は、ｎ個の燃料供給量をそれぞれ対応する燃料供給装置１０１（１）〜（ｎ）に出力する。コントローラ１０８は、所定の空気供給量の値を空気供給装置１０２に出力する。
コントローラ１０８は、ｎ個の燃料供給量をそれぞれ対応する燃料供給装置１０１（１）〜（ｎ）に出力する。コントローラ１０８は、所定の空気供給量の値を空気供給装置１０２に出力する。
負荷装置１０９は、２次電池の両端に接続される。実施の形態１において負荷装置１０９は、ノートパソコンである。負荷装置１０９は、コントローラ１０８に要求電力を出力する。負荷装置１０９は、燃料電池スタック１００が出力する電力と、２次電池１０４が放電する電力とを合わせた電力を供給され、動作する。
実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の各電圧のばらつきが、燃料供給量のばらつきや燃料電池セルの特性のばらつきにより発生するような場合に、燃料電池セルの電圧のばらつきの低減を図るものである。各燃料電池セル毎に燃料供給量を制御して燃料電池セルの電圧のばらつきを低減し、燃料電池セルの劣化を防止して、燃料電池スタックの発電電力の安定化を図ることを目的とする。
図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに供給する燃料供給量と、燃料電池セルの最大出力電力との関係を示す図である。図３において、横軸が燃料供給量（ｃｃ／ｍｉｎ）で、縦軸が最大出力電力（ｗ）を示す。図３に示すように、所定の燃料供給量（Ｒｉ＿ｍａｘ）に達するまでは、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給する燃料供給量の増加に伴って、燃料電池セルの出力する最大出力電力は単調に増加する。本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、この単調増加領域内（Ｒｉ＿ｍｉｎ≦燃料供給量≦Ｒｉ＿ｍａｘ）で各燃料電池セルに燃料をそれぞれ供給する。
図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて、要求電力と燃料供給総量との関係を示す燃料供給総量テーブル４０１である。図４において、横軸は負荷装置１０９から要求される要求電力を示し、縦軸は燃料電池スタック１００に供給する燃料の燃料供給総量を示す。要求電力と燃料供給総量との関係は、温度に応じて変化する。燃料電池スタックの温度が低いほど、負荷装置が要求する要求電力を満たすために必要な燃料供給総量は多くなる。
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの制御アルゴリズムを示すフローチャートである。まず、コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求する要求電力（Ｐｒｅｑ）と、温度計測器１０７が出力する燃料電池スタック１００の温度計測値（Ｔ１）とを入力し、燃料供給総量テーブル４０１から燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を算出する（ステップ２００）。このとき、コントローラ１０８は要求電力に基づいて、燃料電池スタック１００の目標電圧Ｖ０を決定し、電力変換器１０３に出力する。
コントローラ１０８は、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を燃料電池セルの数（ｎ）で除算した値を、各燃料電池セルへの燃料供給量（Ｒｉ）の初期値に設定する（Ｒｉ←Ｒｔｏｔａｌ／ｎ （ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０１）。
コントローラ１０８は、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を燃料電池セルの数（ｎ）で除算した値を、各燃料電池セルへの燃料供給量（Ｒｉ）の初期値に設定する（Ｒｉ←Ｒｔｏｔａｌ／ｎ （ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０１）。
燃料供給装置１０１（１）〜（ｎ）は、コントローラ１０８から指示された燃料供給量（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に応じて、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ燃料を供給する。空気供給装置１０２は、コントローラ１０８から指示された一定の空気供給量に応じて、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に均等に空気を供給する。燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）は、燃料と空気を供給され、発電する。
電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
一定時間（実施の形態１において、１分）経過したか否かを判断する（ステップ２０２）。一定時間が経過するまで、初期値の燃料供給量を各燃料電池セルに供給し続ける。一定時間が経過すると、一定時間内における各燃料電池セルのそれぞれの平均電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）を算出する（ステップ２０３）。ｎ個の電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）の平均電圧（Ｖａｖｅ）を算出する（ステップ２０４）。
燃料電池セル毎に、電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）と平均電圧（Ｖａｖｅ）との差であるセル電圧偏差（ｅｉ）を算出する（ｅｉ＝Ｖｉ−Ｖａｖｅ（ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０５）。
燃料電池セル毎に、電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）と平均電圧（Ｖａｖｅ）との差であるセル電圧偏差（ｅｉ）を算出する（ｅｉ＝Ｖｉ−Ｖａｖｅ（ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０５）。
各燃料電池セルへの燃料供給量（Ｒｉ）をセル電圧偏差（ｅｉ）に応じて算出し直す（Ｒｉ＝Ｒｉ−ｋ１×ｅｉ）（ステップ２０６）。ここで、ｋ１は所定の正定数［ｃｃ／ｍｉｎ／Ｖ］である。電圧の高い燃料電池セルほど燃料供給量（Ｒｉ）は小さくなり、電圧の低い燃料電池セルほど燃料供給量（Ｒｉ）は大きくなる。この結果、全ての燃料電池セルへの燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）は一定のままで、各燃料電池セルへの燃料供給量（Ｒｉ）をそれぞれの燃料電池セル電圧偏差（ｅｉ）に応じて変えることができる。ステップ２０６において、燃料供給総量が一定となる理由は下記式で示される。
ΣＲｉ＝ΣＲｉ−ｋ１Σｅｉ
＝ΣＲｉ−ｋ１（ΣＶｉ−ｎＶａｖｅ）
＝ΣＲｉ−ｋ１×０
＝ΣＲｉ
＝Ｒｔｏｔａｌ
ΣＲｉ＝ΣＲｉ−ｋ１Σｅｉ
＝ΣＲｉ−ｋ１（ΣＶｉ−ｎＶａｖｅ）
＝ΣＲｉ−ｋ１×０
＝ΣＲｉ
＝Ｒｔｏｔａｌ
燃料供給量（Ｒｉ）が、単調増加領域（燃料電池セルへの燃料供給量の増加に伴って燃料電池セルの発電電力が単調に増加する領域（図３））内に収まるように、燃料供給量（Ｒｉ）の飽和処理を行う（ステップ２０７）。ここでの飽和処理とは、燃料供給量（Ｒｉ）が燃料供給量最小値（Ｒｉ＿ｍｉｎ）未満ならＲｉ＿ｍｉｎに設定し、燃料供給量最大値（Ｒｉ＿ｍａｘ）より大きければＲｉ＿ｍａｘに設定することである。その理由は、燃料供給量最大値（Ｒｉ＿ｍａｘ）より多い量の燃料を燃料電池セルに供給しても、発電電力の増加が見込めないからである。
燃料供給装置１０１（１）〜（ｎ）は、飽和処理後の燃料供給量（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に基づいて、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ燃料を供給する。
燃料供給装置１０１（１）〜（ｎ）は、飽和処理後の燃料供給量（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に基づいて、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ燃料を供給する。
ここで、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値よりも小さくなってその燃料電池セルが破損することを防ぐために、コントローラ１０８は電力変換器１０３に出力する燃料電池スタック１００の目標電圧を設定し直す（ステップ２２０〜２２３）。
まず、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値（ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ））と、所定値（Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）との差であるセル最小電圧偏差（ｅｍ）を算出する（ｅｍ←ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ）−Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）（ステップ２２０）。セル最小電圧偏差（ｅｍ）が所定値より小さいか否か判断する（ステップ２２１）。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック１００の目標電圧を増加させる（目標電圧←目標電圧＋ｋ３×ｅｍ）（ステップ２２２）。ここで、ｋ３は所定の係数である。このようにコントローラ１０８は目標電圧を増加させ、電力変換器１０３はステップ２２２で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック１００の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こり、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化することを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値Ｖ０に戻す（ステップ２２３）。
まず、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値（ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ））と、所定値（Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）との差であるセル最小電圧偏差（ｅｍ）を算出する（ｅｍ←ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ）−Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）（ステップ２２０）。セル最小電圧偏差（ｅｍ）が所定値より小さいか否か判断する（ステップ２２１）。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック１００の目標電圧を増加させる（目標電圧←目標電圧＋ｋ３×ｅｍ）（ステップ２２２）。ここで、ｋ３は所定の係数である。このようにコントローラ１０８は目標電圧を増加させ、電力変換器１０３はステップ２２２で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック１００の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こり、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化することを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値Ｖ０に戻す（ステップ２２３）。
次に、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを示す値であるｎ個の電圧偏差（ｅｉ（ｉ＝１〜ｎ））の絶対値の最大値が、所定値より小さいか否かを判断する（ステップ２０８）。ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値以上であれば、ｎ個の燃料電池セルの電圧のばらつきが大きいと判断し、ステップ２０２に戻る。ステップ２０２からステップ２２３を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが低減するのを待つ。
一方、ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック１００の最新の所定時間内の発電電力（Ｐ）を算出する（電力Ｐ＝総電圧（ΣＶｉ）×電流）（ステップ２０９）。
一方、ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック１００の最新の所定時間内の発電電力（Ｐ）を算出する（電力Ｐ＝総電圧（ΣＶｉ）×電流）（ステップ２０９）。
さらに負荷装置１０９が要求する要求電力（Ｐｒｅｑ）と、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）との電力差（ｅｐ）を算出する（ステップ２１０）。電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値より小さいか否かを判断する（ステップ２１１）。電力差（ｅｐ）が所定値より小ければ、現在の発電電力が良好とみなし、ステップ２０２に戻る。
電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値以上であれば、燃料供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて燃料供給総量を算出し直す（Ｒｔｏｔａｌ←Ｒｔｏｔａｌ＋ｋ２×ｅｐ）（ステップ２１２）。ここで、ｋ２は所定の正定数［ｃｃ／ｍｉｎ／Ｖ］である。具体的には、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）が、要求電力（Ｐｒｅｑ）より小さいときには、燃料供給量不足と判断し、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を増加させる。発電電力（Ｐ）が要求電力（Ｐｒｅｑ）より大きいときには、燃料供給量過剰と判断し、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を減少させる。
電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値以上であれば、燃料供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて燃料供給総量を算出し直す（Ｒｔｏｔａｌ←Ｒｔｏｔａｌ＋ｋ２×ｅｐ）（ステップ２１２）。ここで、ｋ２は所定の正定数［ｃｃ／ｍｉｎ／Ｖ］である。具体的には、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）が、要求電力（Ｐｒｅｑ）より小さいときには、燃料供給量不足と判断し、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を増加させる。発電電力（Ｐ）が要求電力（Ｐｒｅｑ）より大きいときには、燃料供給量過剰と判断し、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を減少させる。
このとき、燃料電池スタック１００の発電電力不足の際に燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）が増えすぎたり、ゼロになることを避けるために飽和処理を行う（ステップ２１３）。ここでの飽和処理とは、燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）が、燃料供給総量最小値（Ｒｔｏｔａｌ＿ｍｉｎ＝ｎ×Ｒｉ＿ｍｉｎ）未満ならＲｔｏｔａｌ＿ｍｉｎに設定し、燃料供給総量最大値（Ｒｔｏｔａｌ＿ｍａｘ＝ｎ×Ｒｉ＿ｍａｘ）より大きければＲｔｏｔａｌ＿ｍａｘに設定することである。
燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を変更することにより、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）への各燃料供給量（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ２０２に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ２０２以降を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの燃料供給量（（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ））を調整しながら、要求電力（Ｐｒｅｑ）と燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）を一致させる。
燃料供給総量（Ｒｔｏｔａｌ）を変更することにより、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）への各燃料供給量（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ２０２に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ２０２以降を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの燃料供給量（（Ｒｉ）（ｉ＝１〜ｎ））を調整しながら、要求電力（Ｐｒｅｑ）と燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）を一致させる。
以上述べた通り、本実施の形態の燃料電池システムは、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきに応じて各燃料電池セルへの燃料供給量（Ｒｉ）を制御する。これにより、燃料電池セルの特性や燃料供給装置の特性に多少ばらつきがあっても、燃料電池セルの電圧のばらつきを無くして、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下することにより燃料電池セルが劣化することを防ぐ。更に、いずれかの燃料電池セルの電流が低下することにより、燃料電池スタックの発電電力が低下してしまうことを防ぐことができる。
本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、負荷装置１０９が要求する要求電力と燃料電池スタック１００の発電電力との差に応じて燃料供給総量を管理することにより、要求電力と発電電力をできるだけ一致させることができる。
燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタック１００の電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタック１００の電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
なお、本発明の実施の形態１の電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧を目標電圧に一致させるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータであった。これに代えて電力変換器１０３は、燃料電池スタックの電流を目標電流に一致させるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。この場合、図２のステップ２２２において、コントローラ１０８は燃料電池スタック１００の目標電圧の増加に代えて、燃料電池スタックの目標電流を減少させる（目標電流←目標電流−ｋ４×ｅｍ）（ｋ４は所定の正定数）。
なお、本発明の実施の形態１において、燃料電池セルと同数の燃料供給装置が各燃料電池セルにそれぞれ燃料を供給したが、燃料供給装置の数はこれに限定されない。複数の燃料電池セルのそれぞれに対応する燃料供給量に基づいて個別に燃料を供給できれば、燃料供給装置の数はいくつであっても良い。例えば、一つの燃料供給装置が燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルにそれぞれ燃料を供給しても良い。
《実施の形態２》
図５〜９を用いて、本発明の実施の形態２の燃料電池システムを説明する。図５は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を示す図である。図５において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態２の燃料電池システムは、空気を供給する空気供給装置５０２（１）〜５０２（ｎ）（ｎは２以上の任意の正整数）を燃料電池セル１０１（１）〜１０１（ｎ）毎に設置し、各燃料電池セルに均一に燃料を供給する燃料供給装置５０１を一つ設置する。コントローラ１０８は、空気供給総量テーブル８０１（図８）を有する。それ以外の構成について、実施の形態２の燃料電池システムは実施の形態１と同じである。
図５〜９を用いて、本発明の実施の形態２の燃料電池システムを説明する。図５は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を示す図である。図５において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態２の燃料電池システムは、空気を供給する空気供給装置５０２（１）〜５０２（ｎ）（ｎは２以上の任意の正整数）を燃料電池セル１０１（１）〜１０１（ｎ）毎に設置し、各燃料電池セルに均一に燃料を供給する燃料供給装置５０１を一つ設置する。コントローラ１０８は、空気供給総量テーブル８０１（図８）を有する。それ以外の構成について、実施の形態２の燃料電池システムは実施の形態１と同じである。
実施の形態２の燃料電池システムは、空気供給量のばらつきにより燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが発生するような場合に、空気供給量を制御して燃料電池セル１０１（１）〜１０１（ｎ）の電圧のばらつきを低減し、燃料電池スタックの発電電力の安定化と燃料電池セルの劣化を防止することを目的とする。各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）への空気供給量の求め方の詳細は図６に示す。図６については後述する。
図７は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに供給する空気供給量と、燃料電池セルが出力する最大出力電力の関係を示す図である。図７において、横軸が空気供給量（Ｌ／ｍｉｎ）で、縦軸が最大出力電力（ｗ）を示す。図７に示すように、所定の空気供給量（Ａｉ＿ｍａｘ）に達するまでは、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給する空気供給量の増加に伴って、燃料電池セルの出力する最大出力電力は単調に増加する。本発明の実施の形態２の燃料電池システムは、この単調増加領域内（Ａｉ＿ｍｉｎ≦空気供給量≦Ａｉ＿ｍａｘ）で各燃料電池セル１０１（１）〜１０１（ｎ）に空気をそれぞれ供給する。
図８は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムにおいて、要求電力と空気供給総量との関係を示す空気供給総量テーブル８０１である。図８において、横軸は負荷装置１０９から要求される要求電力を示し、縦軸は燃料電池スタック１００に供給する空気の空気供給総量を示す。要求電力と空気供給総量との関係は、温度に応じて変化する。燃料電池スタック１００の温度が低いほど、負荷装置１０９が要求する要求電力を満たすために必要な空気供給総量は多くなる。
図９は、パラメータとしての空気供給量の変化に対する燃料電池セルの、電流―電圧特性９０１（空気供給量：大）、電流―電圧特性９０２（空気供給量：中）、電流―電圧特性９０３（空気供給量：小）と、電流―電力特性９１１（空気供給量：大）、電流―電力特性９１２（空気供給量：中）、電流―電力特性９１３（空気供給量：小）を示す図である。図９において、横軸が電流（Ａ）、左側の縦軸が電圧（Ｖ）、右側の縦軸が電力（Ｗ）を示す。図９において、燃料電池セルへの燃料供給量は２ｃｃ／ｍｉｎであった。燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給される空気供給量が少ないと、燃料電池セルの出力する電圧と電力が低下することがわかる。
図６のフローチャートについて説明する。図６は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの制御アルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の実施の形態２の燃料電池システムは、図６に示すフローチャートを用いて、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に供給する空気供給量を決定する。図６において、図２と同一ステップには同一番号を付している。
まず、コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求する要求電力（Ｐｒｅｑ）と、温度計測器１０７が出力する燃料電池スタック１００の温度計測値（Ｔ１）とを入力し、空気供給総量テーブル８０１から空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を算出する（ステップ６００）。このとき、コントローラ１０８は要求電力に基づいて、燃料電池スタック１００の目標電圧Ｖ０を決定し、電力変換器１０３に出力する。
コントローラ１０８は、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を燃料電池セルの数（ｎ）で除算した値を、各燃料電池セルへの空気供給量（Ａｉ）の初期値に設定する（Ａｉ←Ａｔｏｔａｌ／ｎ （ｉ＝１〜ｎ））（ステップ６０１）。
まず、コントローラ１０８は、負荷装置１０９が要求する要求電力（Ｐｒｅｑ）と、温度計測器１０７が出力する燃料電池スタック１００の温度計測値（Ｔ１）とを入力し、空気供給総量テーブル８０１から空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を算出する（ステップ６００）。このとき、コントローラ１０８は要求電力に基づいて、燃料電池スタック１００の目標電圧Ｖ０を決定し、電力変換器１０３に出力する。
コントローラ１０８は、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を燃料電池セルの数（ｎ）で除算した値を、各燃料電池セルへの空気供給量（Ａｉ）の初期値に設定する（Ａｉ←Ａｔｏｔａｌ／ｎ （ｉ＝１〜ｎ））（ステップ６０１）。
空気供給装置５０２（１）〜（ｎ）は、コントローラ１０８から指示された空気供給量（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に応じて、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に空気を供給する。燃料供給装置６０１は、コントローラ１０８から指示された一定の燃料供給量に応じて、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）に均等に燃料を供給する。燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）は、燃料と空気を供給され、発電する。
電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
電力変換器１０３は、燃料電池スタック１００の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
一定時間（実施の形態２において、１分）経過したか否かを判断する（ステップ２０２）。一定時間が経過するまで、初期値の空気供給量を各燃料電池セルに供給し続ける。一定時間が経過すると、一定時間内における各燃料電池セルのそれぞれの平均電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）を算出する（ステップ２０３）。ｎ個の電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）の平均電圧（Ｖａｖｅ）を算出する（ステップ２０４）。
燃料電池セル毎に、電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）と平均電圧（Ｖａｖｅ）との差であるセル電圧偏差（ｅｉ）を算出する（ｅｉ＝Ｖｉ−Ｖａｖｅ（ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０５）。
燃料電池セル毎に、電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）と平均電圧（Ｖａｖｅ）との差であるセル電圧偏差（ｅｉ）を算出する（ｅｉ＝Ｖｉ−Ｖａｖｅ（ｉ＝１〜ｎ））（ステップ２０５）。
各燃料電池セルへの空気供給量（Ａｉ）をセル電圧偏差（ｅｉ）に応じて算出し直す（Ａｉ＝Ａｉ−ｋ１×ｅｉ）（ステップ６０６）。ここで、ｋ１は所定の正定数［Ｌ／ｍｉｎ／Ｖ］である。電圧の高い燃料電池セルほど空気供給量（Ａｉ）は小さくなり、電圧の低い燃料電池セルほど空気供給量（Ａｉ）は大きくなる。この結果、全ての燃料電池セルへの空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）は一定のままで、各燃料電池セルへの空気供給量（Ａｉ）をそれぞれの燃料電池セル電圧偏差（ｅｉ）に応じて変えることができる。ステップ６０６において、空気供給総量が一定となる理由は下記式で示される。
ΣＡｉ＝ΣＡｉ−ｋ１Σｅｉ
＝ΣＡｉ−ｋ１（ΣＶｉ−ｎＶａｖｅ）
＝ΣＡｉ−ｋ１×０
＝ΣＡｉ
＝Ａｔｏｔａｌ
ΣＡｉ＝ΣＡｉ−ｋ１Σｅｉ
＝ΣＡｉ−ｋ１（ΣＶｉ−ｎＶａｖｅ）
＝ΣＡｉ−ｋ１×０
＝ΣＡｉ
＝Ａｔｏｔａｌ
空気供給量（Ａｉ）が、単調増加領域（燃料電池セルへの空気供給量の増加に伴って燃料電池セルの発電電力が単調に増加する領域（図７））内に収まるように、空気供給量（Ａｉ）の飽和処理を行う（ステップ６０７）。ここでの飽和処理とは、空気供給量（Ａｉ）が空気供給量最小値（Ａｉ＿ｍｉｎ）未満ならＡｉ＿ｍｉｎに設定し、空気供給量最大値（Ａｉ＿ｍａｘ）より大きければＡｉ＿ｍａｘに設定することである。その理由は、空気供給量最大値（Ａｉ＿ｍａｘ）より多い量の空気を燃料電池セルに供給しても、発電電力の増加が見込めないからである。
空気供給装置５０２（１）〜（ｎ）は、飽和処理後の空気供給量（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に基づいて、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ空気を供給する。
空気供給装置５０２（１）〜（ｎ）は、飽和処理後の空気供給量（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に基づいて、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）にそれぞれ空気を供給する。
ここで、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値よりも小さくなってその燃料電池セルが破損することを防ぐために、コントローラ１０８は電力変換器１０３に出力する燃料電池スタック１００の目標電圧を設定し直す（ステップ２２０〜２２３）。
まず、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値（ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ））と、所定値（Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）との差であるセル最小電圧偏差（ｅｍ）を算出する（ｅｍ←ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ）−Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）（ステップ２２０）。セル最小電圧偏差（ｅｍ）が所定値より小さいか否か判断する（ステップ２２１）。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック１００の目標電圧を増加させる（目標電圧←目標電圧＋ｋ３×ｅｍ）（ステップ２２２）。ここで、ｋ３は所定の係数である。このようにコントローラ１０８は目標電圧を増加させ、電力変換器１０３はステップ２２２で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック１００の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こって、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化する、と言うことを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値Ｖ０に戻す（ステップ２２３）。
まず、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値（ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ））と、所定値（Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）との差であるセル最小電圧偏差（ｅｍ）を算出する（ｅｍ←ｍｉｎ（Ｖｉ）（ｉ＝１〜ｎ）−Ｖｒｅｆ＿ｍｉｎ）（ステップ２２０）。セル最小電圧偏差（ｅｍ）が所定値より小さいか否か判断する（ステップ２２１）。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ、燃料電池スタック１００の目標電圧を増加させる（目標電圧←目標電圧＋ｋ３×ｅｍ）（ステップ２２２）。ここで、ｋ３は所定の係数である。このようにコントローラ１０８は目標電圧を増加させ、電力変換器１０３はステップ２２２で設定された新たな目標電圧に一致するように、燃料電池スタック１００の電圧を増加させる。これにより、燃料電池セルの電圧が所定値未満になって過放電が起こって、燃料電池セルの電解質膜が破損または劣化する、と言うことを防いでいる。
セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電圧を元の値Ｖ０に戻す（ステップ２２３）。
次に、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを示す値であるｎ個の電圧偏差（ｅｉ（ｉ＝１〜ｎ））の絶対値の最大値が、所定値より小さいか否かを判断する（ステップ２０８）。ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値以上であれば、ｎ個の燃料電池セルの電圧のばらつきが大きいと判断し、ステップ２０２に戻る。ステップ２０２からステップ２２３を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが低減するのを待つ。
一方、ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック１００の最新の所定時間内の発電電力（Ｐ）を算出する（電力Ｐ＝総電圧（ΣＶｉ）×電流）（ステップ２０９）。
一方、ｎ個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきが小さくなったと判断し、燃料電池スタック１００の最新の所定時間内の発電電力（Ｐ）を算出する（電力Ｐ＝総電圧（ΣＶｉ）×電流）（ステップ２０９）。
さらに負荷装置１０９が要求する要求電力（Ｐｒｅｑ）と、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）との電力差（ｅｐ）を算出する（ステップ２１０）。電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値より小さいか否かを判断する（ステップ２１１）。電力差（ｅｐ）が所定値より小ければ、現在の発電電力が良好とみなし、ステップ２０２に戻る。
電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値以上であれば、空気供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて空気供給総量を算出し直す（Ａｔｏｔａｌ←Ａｔｏｔａｌ＋ｋ２×ｅｐ）（ステップ６１２）。ここで、ｋ２は所定の正定数［Ｌ／ｍｉｎ／Ｖ］である。具体的には、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）が、要求電力（Ｐｒｅｑ）より小さいときには、空気供給量不足と判断し、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を増加させる。発電電力（Ｐ）が要求電力（Ｐｒｅｑ）より大きいときには、空気供給量過剰と判断し、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を減少させる。
電力差（ｅｐ）の絶対値が所定値以上であれば、空気供給総量の過不足が生じていると判断し、電力差に応じて空気供給総量を算出し直す（Ａｔｏｔａｌ←Ａｔｏｔａｌ＋ｋ２×ｅｐ）（ステップ６１２）。ここで、ｋ２は所定の正定数［Ｌ／ｍｉｎ／Ｖ］である。具体的には、燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）が、要求電力（Ｐｒｅｑ）より小さいときには、空気供給量不足と判断し、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を増加させる。発電電力（Ｐ）が要求電力（Ｐｒｅｑ）より大きいときには、空気供給量過剰と判断し、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を減少させる。
このとき、燃料電池スタック１００の発電電力不足の際に空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）が増えすぎたり、ゼロになることを避けるために飽和処理を行う（ステップ６１３）。ここでの飽和処理とは、空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）が空気供給総量最小値（Ａｔｏｔａｌ＿ｍｉｎ＝ｎ×Ａｉ＿ｍｉｎ）未満ならＡｔｏｔａｌ＿ｍｉｎに設定し、空気供給総量最大値（Ａｔｏｔａｌ＿ｍａｘ＝ｎ×Ａｉ＿ｍａｘ）より大きければＡｔｏｔａｌ＿ｍａｘに設定することである。
空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を変更することにより、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）への各空気供給量（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ２０２に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ２０２以降を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの空気供給量（（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ））を調整しながら、要求電力（Ｐｒｅｑ）と燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）を一致させる。
空気供給総量（Ａｔｏｔａｌ）を変更することにより、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）への各空気供給量（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ２０２に戻る。
その後この燃料電池システムはステップ２０２以降を繰り返し、燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの空気供給量（（Ａｉ）（ｉ＝１〜ｎ））を調整しながら、要求電力（Ｐｒｅｑ）と燃料電池スタック１００の発電電力（Ｐ）を一致させる。
以上述べた通り、本実施の形態の燃料電池システムは、各燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧のばらつきに応じて各燃料電池セルへの空気供給量（Ａｉ）を制御する。これにより、燃料電池セルの特性や空気供給装置の特性に多少ばらつきがあっても、燃料電池セルの電圧のばらつきを無くして、いずれかの燃料電池セルの電圧が低下することにより燃料電池セルが劣化することを防ぐ。更に、いずれかの燃料電池セルの電流が低下することにより、燃料電池スタックの発電電力が低下してしまうことを防ぐことができる。
本発明の実施の形態２の燃料電池システムは、負荷装置１０９が要求する要求電力と燃料電池スタック１００の発電電力との差に応じて空気供給総量を管理することにより、要求電力と発電電力をできるだけ一致させることができる。
燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタックの電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
燃料電池セル１１０（１）〜１１０（ｎ）の電圧の最小値が所定値より小さくなった場合には、燃料電池スタックの電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
なお、本発明の実施の形態２の電力変換器１０３は、燃料電池スタックの電圧を目標電圧に一致させるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータであった。これに代えて電力変換器１０３は、燃料電池スタックの電流を目標電流に一致させるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。この場合、図６のステップ２２２において、コントローラ１０８は燃料電池スタック１００の目標電圧の増加に代えて、燃料電池スタックの目標電流を減少させる（目標電流←目標電流−ｋ４×ｅｍ）（ｋ４は所定の正定数）。
なお、本発明の実施の形態２において、燃料電池セルと同数の空気供給装置が各燃料電池セルに空気を供給したが、空気供給装置の数はこれに限定されない。複数の燃料電池セルのそれぞれに対応する空気供給量に基づいて個別に空気を供給できれば、空気供給装置の数はいくつであっても良い。例えば、一つの空気供給装置が燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルにそれぞれ空気を供給しても良い。
なお、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいては、燃料供給量を燃料電池セル毎に設定し、空気供給量は全ての燃料電池セルに共通の値であった。実施の形態２の燃料電池システムにおいては、空気供給量を燃料電池セル毎に設定し、燃料供給量は全ての燃料電池セルに共通の値であった。これらに代えて、燃料と空気の両方の供給量をそれぞれ燃料電池セル毎に設定して供給しても良い。
本発明の燃料電池システムによれば、複数の燃料電池セルを直列に接続して所望の出力電圧を得る燃料電池スタックから、安定した出力電流を取り出すことができる。それにより複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを小型化して、携帯電子機器などの電源として好適な小型の燃料電池システムを実現することができる。
本発明の燃料電池システムは、携帯電子機器等の電源として有用である。
１００ 燃料電池スタック
１０１、５０１ 燃料供給装置
１０２、５０２ 空気供給装置
１０３ 電力変換器
１０４ ２次電池
１０５ 電圧計測器
１０６ 電流計測器
１０７ 温度計測器
１０８ コントローラ
１０９ 負荷装置
１１０ 燃料電池セル
１０１、５０１ 燃料供給装置
１０２、５０２ 空気供給装置
１０３ 電力変換器
１０４ ２次電池
１０５ 電圧計測器
１０６ 電流計測器
１０７ 温度計測器
１０８ コントローラ
１０９ 負荷装置
１１０ 燃料電池セル
Claims (7)
- 複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、
目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給する燃料供給装置と、
目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、
負荷装置が要求した要求電力と前記複数の燃料電池セルの各電圧とに基づいて、前記燃料供給量、前記空気供給量、及び前記燃料電池スタックの目標電圧又は目標電流を決定するコントローラと、
前記燃料電池スタックの電圧又は電流が前記目標電圧又は前記目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を前記負荷装置に供給する電力変換器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記コントローラは、前記複数の燃料電池セルの各々の電圧のバラツキが最小になるように、前記複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、前記燃料供給量と前記空気供給量の少なくともいずれか一方を前記燃料電池セル毎に設定し、
前記燃料供給装置は前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記コントローラは、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記燃料供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量を増減させて、
及び／又は前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を増減させて、
前記複数の燃料電池セルの各電圧のばらつきを低減させ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。 - 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測器を更に備え、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの温度と前記負荷装置の要求電力とから、前記燃料供給量の総量を算出する燃料供給総量テーブル及び／又は前記空気供給量の総量を算出する空気供給総量テーブルを有し、
前記コントローラは、前記温度計測器から前記燃料電池スタックの温度を入力し、前記負荷装置から要求電力を入力して、前記燃料供給総量テーブル及び／又は前記空気供給総量テーブルに基づいて前記燃料供給量の総量及び／又は前記空気供給量の総量を算出し、前記燃料供給量の総量及び／又は前記空気供給量の総量を前記燃料電池セルの総数で除した量を前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量及び／又は前記空気供給量の初期値とし、
所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池の電圧と前記複数の各燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、各々の前記燃料電池セルの前記燃料供給量及び／又は前記空気供給量から前記電圧偏差に所定の値を乗算した値を減算して目標とする燃料供給量及び／又は空気供給量を得て、この動作を繰り返すことにより、セル電圧のばらつきを低減する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラは、所定時間毎且つ前記燃料電池セル毎に、前記燃料電池セルの電圧と前記複数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記複数の燃料電池セルの前記電圧偏差の絶対値の最大値が所定値よりも小さくなった場合に、一定時間内の前記燃料電池スタックの発電電力を算出し、その発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に応じて、前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量を増減させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックの発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に所定の値を乗じた値をこれまでの前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量に加算することによって前記燃料供給量の総量又は空気供給量の総量を増減させ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。
- 前記複数の燃料電池セルの各電圧の中の最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラが前記目標電圧を増加させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラが前記目標電流を減少させることにより、前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
- 前記複数の燃料電池セルの各電圧の中での最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなった際には、前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電圧に加算し、前記目標電圧に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電流から減算し、前記目標電流に基づいて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を減少させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
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