JP2006127874A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 通常運転時に燃料電池の発電効率をより確実に向上できる、燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】 自動二輪車のフレーム２００に沿って配置される燃料電池システム１０は、カソード１２ｃを有する燃料電池１２、カソード１２ｃに酸素を含む空気を供給するエアポンプ３４、および燃料電池システム１０の構成要素の動作を制御するＣＰＵ７２を含む。ＣＰＵ７２は、通常運転時に、燃料電池１２のカソード１２ｃを酸素欠乏状態にする酸素欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断し、酸素欠乏処理を実行すべきであると判断する場合にエアポンプ３４を停止させる。
【選択図】 図４

Description

この発明は燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より特定的には、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
従来、燃料電池システムでは、一時的に燃料電池のカソードへの酸化剤の供給を停止するあるいは一時的にカソードへの酸化剤の供給量を減少させることによってカソードを酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理（エアスターブ処理）が行われている。
一般に、酸化剤欠乏処理後には酸化剤欠乏処理前よりも燃料電池の出力（特に起電力）が増加することが知られている。これを利用して、特許文献１では、定常的な発電を行う通常運転時に酸化剤欠乏処理を実行することによって、時間経過に伴って低下する燃料電池の出力を回復させる技術が開示されている。
また、特許文献２では、始動時に燃料電池の温度に基づいて酸化剤欠乏処理を実行し、燃料電池の過電圧（内部抵抗）ひいては発熱量を増加させる技術が開示されている。
特開昭６３−２６９６１ 特表２００３−５０４８０７
しかし、特許文献１には、酸化剤欠乏処理を実行するか否かの判断基準や酸化剤欠乏処理を実行するタイミングが何ら開示されていない。酸化剤欠乏処理中には燃料電池からの出力（電力）が低下する。このために、酸化剤欠乏処理を実行して燃料電池の出力を回復させても、燃料電池システムの状態（たとえば燃料電池の電解質の状態）によっては、酸化剤欠乏処理によって増加した電力量が酸化剤欠乏処理によって減少した電力量よりも少なくなることがある。つまり、燃料電池の電解質の状態によっては、酸化剤欠乏処理を実行することで、かえって燃料電池の発電効率を低下させてしまうことになる。
また、燃料電池の出力が不安定な始動時に酸化剤欠乏処理を実行する特許文献２の技術は、迅速に燃料電池の温度を上昇させ、迅速に燃料電池システムを燃料電池が安定して発電できる通常運転に移行させるためのものである。つまり、特許文献２の技術は、酸化剤欠乏処理を実行することによって、通常運転時に、時間経過に伴って低下する燃料電池の出力を回復させ、発電効率を向上させるものではない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、通常運転時に燃料電池の発電効率をより確実に向上できる、燃料電池システムおよびその制御方法を提供することである。
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、酸化剤が供給されるカソードを有する燃料電池、および通常運転時に、カソードを酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断し、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する場合にカソードへの酸化剤の供給量を制御する制御手段を備える。
請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前回の酸化剤欠乏処理前の燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の燃料電池の出力値とを記憶する第１記憶手段をさらに備え、制御手段は第１記憶手段に記憶される前回の酸化剤欠乏処理前の燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の燃料電池の出力値との比較結果に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断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は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、経過時間に対応する燃料電池の予測出力値を記憶する第２記憶手段をさらに備え、制御手段は現在の燃料電池の出力値と第２記憶手段に記憶される燃料電池の予測出力値との比較結果に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを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は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池に電気的に接続される二次電池と二次電池の蓄電量を検出するための蓄電量検出手段とをさらに備え、制御手段は蓄電量検出手段によって検出される二次電池の蓄電量に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断することを特徴とする。
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、時間を計測する計時手段をさらに備え、制御手段は予め設定されている運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を運転開始後に計時手段が計測した後に酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断す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は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、直接メタノール型燃料電池システムであることを特徴とする。
請求項７に記載の輸送機器は、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムを用いたことを特徴とする。
請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する燃料電池システムの制御方法であって、通常運転時に、カソードを酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断し、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する場合にカソードへの酸化剤の供給量を制御することを特徴とする。
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムは前回の酸化剤欠乏処理前の燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の燃料電池の出力値とを記憶する第１記憶手段を備え、第１記憶手段に記憶される前回の酸化剤欠乏処理後の燃料電池の出力値が前回の酸化剤欠乏処理前の燃料電池の出力値よりも所定の割合以上大きい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断することを特徴とする。
請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムは経過時間に対応する燃料電池の予測出力値を記憶する第２記憶手段を備え、現在の燃料電池の出力値が第２記憶手段に記憶される燃料電池の予測出力値よりも小さい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断することを特徴とする。
請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムは燃料電池に電気的に接続される二次電池を備え、二次電池の蓄電量が所定量未満である場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断することを特徴とする。
請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項８から１１のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムは時間を計測する計時手段を備え、予め設定されている運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を運転開始後に計時手段が計測した後に酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断することを特徴とする。
この明細書において、「通常運転」とは、燃料電池が定常的に発電可能な燃料電池システムの状態をいう。
請求項１に記載の燃料電池システムでは、通常運転時に、酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断する。そして、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する場合に、一時的にカソードへの酸化剤の供給を停止するあるいは一時的にカソードへの酸化剤の供給量をそれまでの供給量よりも減少させる。このように、酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断した後に酸化剤欠乏処理を実行することによって、通常運転時に燃料電池の発電効率をより確実に向上できる。請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。
請求項２に記載の燃料電池システムでは、前回の酸化剤欠乏処理後の燃料電池の出力値が前回の酸化剤欠乏処理前の燃料電池の出力値よりも所定の割合以上大きい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する。つまり、前回の酸化剤欠乏処理の結果に基づいて、酸化剤欠乏処理後に得られる増加分の電力量が酸化剤欠乏処理中に得られない電力量よりも多くなることを期待できる場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する。このように、燃料電池の発電効率の向上が期待できる場合に酸化剤欠乏処理を実行することによって、通常運転時に燃料電池の発電効率をより確実に向上できる。請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。
請求項３に記載の燃料電池システムでは、現在の燃料電池の出力値が予測出力値よりも小さい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する。つまり、標準的な燃料電池の出力推移よりも出力低下が早い場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する。したがって、燃料電池の出力を回復させる必要性が低い場合に不要な酸化剤欠乏処理を避けることができ、通常運転時に燃料電池の発電効率を低下させるおそれを低減できる。請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。
請求項４に記載の燃料電池システムでは、二次電池の蓄電量が所定量未満である場合に、言い換えれば二次電池の充電が必要な場合に、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する。二次電池の蓄電量が十分な場合は燃料電池の出力を回復させる必要がないので、これによって、不要な酸化剤欠乏処理を避け、燃料電池の発電効率を低下させるおそれを低減できる。また、過充電による二次電池の劣化等の弊害も防止することができる。請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。
請求項５に記載の燃料電池システムでは、予め設定されている運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を運転開始後に計時手段が計測した後に、酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する。このように、運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を計時手段が運転開始後に自動的に計測することによって、通常運転に移行したか否かをオペレータに判断させることがなく、オペレータの負担を軽減できる。請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。
直接メタノール型燃料電池システムでは、燃料電池にメタノール水溶液が直接供給されるので改質器が不要となり、システムの構成を簡略化できる。このような理由から、直接メタノール型燃料電池システムは、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。直接メタノール型燃料電池システムひいてはそれを用いた機器をより長い時間動作させるためには、燃料電池の発電効率の向上が不可欠である。燃料電池の発電効率を向上できるので、この発明は、請求項６に示すように携帯性を要する機器に好適に用いられる直接メタノール型燃料電池システムにおいて特に有効となる。
輸送機器に用いる場合には、軽量にするために、据え置き型の機器に用いる場合よりも燃料電池システムを小さくする必要がある。このために、燃料電池システムの二次電池も小型で軽量なものが用いられ、その蓄電量が不足しやすい。このような理由から、輸送機器に用いる場合には、特に燃料電池の発電効率を向上させ、速やかに二次電池の蓄電量を増加させることが要求される。したがって、この発明は、請求項７に示すように輸送機器に好適に用いられる。
この発明によれば、通常運転時に燃料電池の発電効率をより確実に向上できる。
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図１〜図４に示すように、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、直接メタノール型燃料電池システムとして構成される。直接メタノール型燃料電池システムは改質器が不要であるので、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。ここでは、燃料電池システム１０を輸送機器の一例である自動二輪車に用いる場合について説明する。なお、図２に示すように、自動二輪車については車体フレーム２００のみを示し、図２において左側が車両前方、右側が車両後方である。燃料電池システム１０は車体フレーム２００に沿って配置される。
図１を主に参照して、燃料電池システム１０は燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、固体高分子膜からなる電解質１２ａと電解質１２ａを両側から挟むアノード（燃料極）１２ｂおよびカソード（空気極）１２ｃとを含む複数の燃料電池セルを直列に接続（積層）した燃料電池セルスタックとして構成される。
また、燃料電池システム１０は、高濃度のメタノール燃料（メタノールを約５０ｗｔ％程度含む水溶液）Ｆを収容する燃料タンク１４を含み、燃料タンク１４は燃料供給パイプ１６を介してメタノール水溶液Ｓが収容される水溶液タンク１８に接続される。燃料供給パイプ１６には燃料ポンプ２０が介挿され、燃料ポンプ２０の駆動によって燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆが水溶液タンク１８に供給される。
燃料タンク１４には水位センサ１５が装着され、燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆの水位が検出される。また、水溶液タンク１８には水位センサ２２が装着され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの水位が検出される。水溶液タンク１８は、水溶液パイプ２４を介して燃料電池１２のアノード１２ｂに接続される。水溶液パイプ２４には、上流側から水溶液ポンプ２６、熱交換器として機能するラジエータ２８および水溶液フィルタ３０が順に介挿される。ラジエータ２８の近傍にはラジエータ２８を冷却するための冷却ファン３２が配置される。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、水溶液ポンプ２６によってアノード１２ｂに向けて送られ、必要に応じてラジエータ２８によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。
一方、燃料電池１２のカソード１２ｃにはエアポンプ３４がエア側パイプ３６を介して接続され、エア側パイプ３６にはエアフィルタ３８が介挿される。したがって、エアポンプ３４からの酸素（酸化剤）を含む空気がエアフィルタ３８によって浄化されたのちカソード１２ｃに供給される。
また、アノード１２ｂと水溶液タンク１８とはパイプ４０を介して接続され、アノード１２ｂから排出される未反応のメタノール水溶液や生成された二酸化炭素が水溶液タンク１８に与えられる。
さらに、カソード１２ｃにはパイプ４２を介して水タンク４４が接続される。パイプ４２には気液分離器として機能するラジエータ４６が介挿され、ラジエータ４６の近傍にはラジエータ４６を冷却するための冷却ファン４８が配置される。カソード１２ｃから排出される水分（水および水蒸気）を含む排気がパイプ４２を介して水タンク４４に与えられる。
また、水溶液タンク１８と水タンク４４とはＣＯ2ベントパイプ５０を介して接続される。ＣＯ2ベントパイプ５０にはメタノール水溶液Ｓを分離するためのメタノールトラップ５２が介挿される。これによって、水溶液タンク１８から排出される二酸化炭素が水タンク４４に与えられる。
水タンク４４には、水位センサ５４が装着され、水タンク４４内の水位が検出される。また、水タンク４４には排気ガスパイプ５６が取り付けられ、排気ガスパイプ５６から二酸化炭素とカソード１２ｃからの排気とが排出される。
水タンク４４は水還流パイプ５８を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ５８には水ポンプ６０が介挿される。水タンク４４内の水は、水溶液タンク１８の状況に応じて必要なときに水ポンプ６０の駆動によって水溶液タンク１８へ還流される。
また、水溶液パイプ２４において、ラジエータ２８と水溶液フィルタ３０との間には、バイパスパイプ６２が形成される。
図４をも参照して、さらに燃料電池システム１０においては、バイパスパイプ６２にメタノール水溶液Ｓの濃度を検出するための濃度センサ６４が設けられ、燃料電池１２の温度を検出するための温度センサ６６が燃料電池１２に装着され、外気温度を検出するための外気温度センサ６８がエアポンプ３４の近傍に設けられる。
図４に示すように、燃料電池システム１０は制御回路７０を含む。
制御回路７０は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するための制御手段としてのＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２にクロック信号を与えるクロック回路７４、ＣＰＵ７２に与えられるクロック信号に基づく経過時間やフラグ等を格納するための、たとえばＤＲＡＭからなる揮発性メモリ７５、燃料電池システム１０の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭからなる不揮発性メモリ７６、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ７８、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８０、自動二輪車を駆動するモータ２０２に燃料電池１２を接続するための電気回路８２における電圧値を検出するための電圧検出回路８４、電気回路８２を流れる電流値を検出するための電流検出回路８６、電気回路８２を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路８８、電気回路８２の過電圧を防止するための電圧保護回路９０、電気回路８２に設けられるダイオード９２、および電気回路８２に所定の電圧を供給するための電源回路９４を含む。
このような制御回路７０のＣＰＵ７２には、濃度センサ６４、温度センサ６６および外気温度センサ６８からの検出信号が入力され、また水位センサ１５，２２および５４からの検出信号も入力される。さらに、ＣＰＵ７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ９６からの検知信号や各種設定や情報入力のための入力部９８からの信号が与えられる。
また、ＣＰＵ７２によって、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が制御される。また、ＣＰＵ７２によって、各種情報を表示し、自動二輪車の搭乗者に各種情報を報知するための表示部１００が制御される。
この実施形態では、ＣＰＵ７２が制御手段に相当し、揮発性メモリ７５が第１記憶手段に相当し、不揮発性メモリ７６が第２記憶手段に相当する。また、この実施形態では、ＣＰＵ７２、クロック回路７４および揮発性メモリ７５を含んで、計時手段が構成される。
この実施形態では、クロック回路７４からのクロック信号に基づく時間の情報をＣＰＵ７２が揮発性メモリ７５に蓄積することによって、或る処理を開始してからの経過時間が計測される。また、第１記憶手段である揮発性メモリ７５には、酸化剤欠乏処理（後述）前の燃料電池１２の出力値と酸化剤欠乏処理後の燃料電池１２の出力値とが格納される。ここでは、酸化剤欠乏処理前および酸化剤欠乏処理後の出力値として電圧値が揮発性メモリ７５に記憶される。また、第２記憶手段である不揮発性メモリ７６には、経過時間に対応する標準的な予測電圧値および予測電流値のテーブルデータが格納される。燃料電池１２の出力（電力）は、通常運転に移行直後の出力（初期出力）に対して、たとえば１０００時間の運転で標準的に１０％程度低下する。このような標準的な出力推移に対応する予測電圧値および予測電流値、つまり標準的な出力推移を示す予測出力値のテーブルデータが不揮発性メモリ７６に格納される。
また、燃料電池１２には二次電池１０２および二次電池１０２の蓄電量（二次電池１０２の容量に対する充電率）を検出するための蓄電量検出装置１０３が並列接続される。二次電池１０２および蓄電量検出装置１０３はモータ２０２にも並列接続される。二次電池１０２は、燃料電池１２からの出力を補完するものであり、燃料電池１２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によってモータ２０２や補機類に電気エネルギーを与える。二次電池１０２としては、ニッケル水素型電池、リチウムイオン電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池等が用いられる。蓄電量検出手段である蓄電量検出装置１０３からの検出信号はＣＰＵ７２に入力される。
モータ２０２には、モータ２０２の各種データを計測するためのメータ２０４が接続され、メータ２０４によって計測されたデータやモータ２０２の状況は、インターフェイス回路１０４を介してＣＰＵ７２に与えられる。
このような燃料電池システム１０の発電動作について説明する。燃料電池システム１０は、図示しないメインスイッチがオンされることを契機として、水溶液ポンプ２６やエアポンプ３４等の補機類を駆動し、発電（運転）を開始する。
発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容された所望の濃度のメタノール水溶液Ｓが水溶液ポンプ２６の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、必要に応じてラジエータ２８で冷却され、水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。一方、酸化剤である酸素を含む空気がエアポンプ３４の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、エアフィルタ３８によって浄化されカソード１２ｃに供給される。
燃料電池１２のアノード１２ｂでは、メタノール水溶液Ｓのメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンとが生成され、生成された水素イオンは、電解質１２ａを通ってカソード１２ｃに流入する。この水素イオンは、カソード１２ｃに供給された空気中の酸素と電気化学反応して、水（水蒸気）と電気エネルギーとが生成される。
燃料電池１２のアノード１２ｂで生成された二酸化炭素はパイプ４０、水溶液タンク１８およびＣＯ2ベントパイプ５０を通って水タンク４４に与えられ、排気ガスパイプ５６から排出される。
一方、燃料電池１２のカソード１２ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となって排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード１２ｃから排出された水蒸気の一部は、ラジエータ４６で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ４６による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４８を動作させることによって行われる。カソード１２ｃからの水分（水および水蒸気）ならびに未反応の空気はパイプ４２を通って水タンク４４に与えられる。また、水のクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動した水がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。さらに、メタノールのクロスオーバーによってカソード１２ｃで生成された水と二酸化炭素がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。
なお、水のクロスオーバーとは、アノード１２ｂで生成された水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、数モルの水がカソード１２ｃへ移動する現象である。メタノールのクロスオーバーとは、水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、メタノールがカソード１２ｃへ移動する現象である。カソード１２ｃにおいて、メタノールはエアポンプ３４から供給される空気と反応して水と二酸化炭素とに分解される。
水タンク４４に回収された水（液体）は、水ポンプ６０の駆動によって水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に適宜還流され、メタノール水溶液Ｓの水として利用される。
一般に、発電中の燃料電池において、カソードを一時的に酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理を実行すると出力（特に起電力）が増加することが知られている。燃料電池システム１０では、通常運転時に、一時的にカソード１２ｃへの空気の供給を停止するあるいは一時的にカソード１２ｃへの空気の供給量をそれまでの供給量よりも減少させることによって、酸化剤欠乏処理（ここでは酸素欠乏処理）を実行する。これによって、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の出力回復を図っている。
ついで、燃料電池システム１０の発電開始後の主要動作の一例について説明する。
なお、この実施形態ではメインスイッチがオンされることによって、揮発性メモリ７５にフラグ１〜３がオフの状態で格納されるものとする。「フラグ」とは、たとえば、オンとオフとによってＣＰＵ７２に現在の状況を判断させ、状況に応じた処理を行わせるための情報である。この実施形態において、フラグ１は、現在と比較的近い時点で酸素欠乏処理を実行したか否かを判断するための情報である。また、フラグ２は、酸素欠乏処理の実行が必要であると決定したか否かを判断するための情報である。また、フラグ３は、前回の酸素欠乏処理が出力の回復に寄与したか否かを判断するための情報である。以下、フラグのオフからオンへの変更を「フラグを立てる」といい、フラグがオンである状態を「フラグが立っている」という。また、フラグのオンからオフへの変更を「フラグを下ろす」といい、フラグがオフである状態を「フラグが下がっている」という。
図５および図６を参照して、まず、メインスイッチがオンされ、発電（運転）が開始されると、クロック回路７４から出力されるクロック信号（パルス信号）を計数することによって、発電開始からの時間が算出される。つまり、発電開始からの時間の計測が開始される。また、電気回路８２による燃料電池１２の電圧値および電流値の検出と蓄電量検出装置１０３による二次電池１０２の蓄電量の検出とが開始される（ステップＳ１）。
発電開始からの経過時間は揮発性メモリ７５に蓄積される。電圧検出回路８４によって検出された電圧値および電流検出回路８６によって検出された電流値は、それぞれ発電開始からの経過時間に関連付けられて揮発性メモリ７５に蓄積される。同様に、蓄電量検出装置１０３によって検出された二次電池１０２の蓄電量は、発電開始からの経過時間に関連付けられて揮発性メモリ７５に蓄積される。
そして、発電開始から予め設定されている所定時間（たとえば１０分）を経過したか否かが判断される（ステップＳ３）。ステップＳ３で判断基準となる所定時間は、発電開始から燃料電池１２が定常的に安定的な出力で発電できるようになるまでの時間、つまり発電開始から通常運転への移行に必要な時間に基づいて設定される。これは、燃料電池１２の出力が安定していない状態において、後述するように現在の出力値と経過時間に対応する予測出力値とを比較できないためである。つまり、通常運転に移行するまでは、燃料電池１２の出力が変動するため、その出力から電解質１２ａの状態を判断できず、酸素欠乏処理を実行すべきか否か判断できないためである。
発電開始から所定時間が経過し（ステップＳ３がＹＥＳ）、通常運転に移行すれば、現在の二次電池１０２の蓄電量が所定量（たとえば充電率９０％）未満であるか否かが判断される（ステップＳ５）。発電から所定時間経過していなければ（ステップＳ３がＮＯ）、所定時間経過するまで待機する。
現在の二次電池１０２の蓄電量が所定量以上であれば（ステップＳ５がＮＯ）、二次電池１０２への充電が必要なく、燃料電池１２の出力を回復させる必要もないので、所定時間（たとえば３分）経過するまで（ステップＳ６がＹＥＳになるまで）待機する。その後、所定時間経過すれば（ステップＳ６がＹＥＳ）、ステップＳ５に移って現在の二次電池１０２の蓄電量を検出し所定量未満であるか否かが判断される。
一方、現在の二次電池１０２の蓄電量が所定量未満であれば（ステップＳ５がＹＥＳ）、以前に酸素欠乏処理を実行したことを示すフラグ１が立っているか否かが判断される（ステップＳ７）。そして、フラグ１が下がっていれば（ステップＳ７がＮＯ）、現在の電圧値と電流値とに基づく出力と経過時間に対応する予測電圧値と予測電流値とに基づく予測出力値とが比較され、現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値未満か否かが判断される（ステップＳ９）。
現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値未満であれば（ステップＳ９がＹＥＳ）、つまり、現在の出力値が標準的な出力値よりも小さければ、酸素欠乏処理の実行が必要であると決定したことを示すフラグ２が立てられ、フラグ２を立ててからの時間の計測が開始される（ステップＳ１１）。そして、現在の出力値と経過時間に対応する予測出力値とが比較され、現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値以上か否かが判断される（ステップＳ１３）。
現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値以上でなければ（ステップＳ１３がＮＯ）、フラグ２を立ててから所定時間（たとえば１０分）経過したか否かが判断される（ステップＳ１４）。フラグ２を立ててから所定時間経過していなければ（ステップＳ１４がＮＯ）、ステップＳ１３に移って現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値以上か否かが再度判断される。つまり、フラグ２を立ててから所定時間経過するまで、現在の出力値と経過時間に対応する予測出力値とが随時比較され、複数回のチェックが行われる。
出力値が予測出力値以上でない状態がフラグ２を立ててから所定時間継続すれば（ステップＳ１４がＹＥＳ）、現在の電圧値が酸素欠乏処理前の燃料電池１２の電圧値として揮発性メモリ７５に格納される（ステップＳ１５）。そして、燃料電池１２の出力を回復させるための酸素欠乏処理が実行される（ステップＳ１７）。このように、フラグ２を立ててから所定時間経過するまで出力値と予測出力値とを監視（モニタリング）することによって、正確な判断を行うことができ、燃料電池１２の電圧値が瞬間的に予測電圧値を下回った場合等に不要な酸素欠乏処理を実行することがない。
ここで、図７を参照して、ステップＳ１７の酸素欠乏処理（エアスターブ処理）について説明する。
まず、エアポンプ３４の停止によってカソード１２ｃへの空気の供給が停止され、これと同時にエアポンプ３４の停止時間の計測が開始される（ステップＳ１０１）。アノード１２ｂには、エアポンプ３４の停止後も水溶液ポンプ２６によってメタノール水溶液Ｓが供給される。
そして、燃料電池１２の電圧値と設定電圧値（たとえば酸素欠乏処理前の電圧値の５％〜６０％の電圧値）とが比較され、電圧値が設定電圧値まで低下したか否かが判断される（ステップＳ１０３）。電圧値が設定電圧値まで低下していなければ（ステップＳ１０３がＮＯ）、エアポンプ３４の停止時間が設定時間（たとえば１０秒）に達したか否かが判断される（ステップＳ１０５）。
エアポンプ３４の停止時間が設定時間に達すれば（ステップＳ１０５がＹＥＳ）、エアポンプ３４の駆動に伴ってカソード１２ｃへの空気の供給が再開され、これと同時にエアポンプ３４の停止時間がクリアされ（ステップＳ１０７）、酸素欠乏処理が終了する。エアポンプ３４の停止時間が設定時間に達していなければ（ステップＳ１０５がＮＯ）、ステップＳ１０３に移る。また、電圧値が設定電圧値まで低下すれば（ステップＳ１０３がＹＥＳ）、その時点でステップＳ１０７に移り、酸素欠乏処理が終了する。
通常運転時にこのような酸素欠乏処理を実行することによって、たとえば図８に示すように燃料電池の出力が増加する。図８には、酸素欠乏処理後に得られる増加分の電力量が、酸素欠乏処理中に発電できない電力量と酸素欠乏処理中に補機類等によって消費される電力量との合計（酸素欠乏処理中に得られない電力量）よりも多くなる場合が示されている。つまり、図８には酸素欠乏処理が燃料電池１２の発電効率を向上させる場合が示されている。また、図８から、一点鎖線で示す標準的な出力推移よりも燃料電池１２の出力低下が早く、この状態が１０分間継続した場合に酸素欠乏処理が実行されていることがわかる。
図５および図６に戻って、ステップＳ１７における酸素欠乏処理の終了と同時に、酸素欠乏処理を実行したことを示すフラグ１が立てられ、フラグ１を立ててからの時間の計測が開始される（ステップＳ１９）。つづいて、酸素欠乏処理後に検出される最大の電圧値が酸素欠乏処理後の電圧値として揮発性メモリ７５に格納される（ステップＳ２１）。
そして、酸素欠乏処理前の燃料電池１２の電圧値と酸素欠乏処理後の燃料電池１２の電圧値とが比較され、酸素欠乏処理の結果、燃料電池１２の電圧値が所定の割合（たとえば５％）以上増加したか否かが判断される（ステップＳ２３）。ステップＳ２３で判断基準となる電圧値の増加率は、酸素欠乏処理後に必要であると予測される増加分の電力量に基づいて設定される。酸素欠乏処理後に増加するのは主に起電力であるので、酸素欠乏処理前の電圧値と酸素欠乏処理後の電圧値とを比較することによって増加分の電力量をほぼ把握できる。酸素欠乏処理後の電圧値が酸素欠乏処理前の電圧値よりも５％以上増加していれば、図８に示すように、二点差線で示す酸素欠乏処理を実行しなかった場合の出力推移に対して、酸素欠乏処理後に得られる増加分の電力量が酸素欠乏処理中に得られない電力量よりも多くなることを期待できる。つまり、酸素欠乏処理後の電圧値が酸素欠乏処理前の電圧値よりも５％以上増加していれば、燃料電池１２の発電効率の向上を期待できる。
酸素欠乏処理後の電圧値が酸素欠乏処理前の電圧値よりも所定の割合以上増加していなければ（ステップＳ２３がＮＯ）、次回の酸素欠乏処理が燃料電池１２の発電効率を低下させるおそれがあることを示すフラグ３が立てられ、フラグ３を立ててからの時間の計測が開始される（ステップＳ２５）。そして、フラグ２が下ろされ、フラグ２を立ててからの経過時間がクリアされる（ステップＳ２７）。酸素欠乏処理後の電圧値が酸素欠乏処理前の電圧値よりも所定の割合以上増加していれば（ステップＳ２３がＹＥＳ）、ステップＳ２７に移る。また、ステップＳ１３で現在の出力値が予測出力値以上である場合（ＹＥＳの場合）もステップＳ２７に移る。
その後、所定時間（たとえば５分）経過したか否かが判断され（ステップＳ２８）、所定時間経過すれば（ステップＳ２８がＹＥＳ）、ステップＳ５に移る。所定時間経過していなければ（ステップＳ２８がＮＯ）、所定時間経過するまで待機する。また、ステップＳ９で現在の出力値が経過時間に対応する予測出力値以上である場合（ＮＯの場合）もステップＳ２８に移る。
また、ステップＳ７でフラグ１が立っている場合（ＹＥＳの場合）、フラグ３が立っているか否かが判断される（ステップＳ２９）。フラグ３が下がっていれば（ステップＳ２９がＮＯ）、フラグ１を立ててから所定時間（たとえば１０分）経過しているか否かが判断される（ステップＳ３１）。フラグ１を立ててから所定時間経過していれば（ステップＳ３１がＹＥＳ）、フラグ１が下ろされ、フラグ１を立ててからの経過時間がクリアされ（ステップＳ３３）、ステップＳ９に移る。フラグ１を立ててから所定時間経過していなければ（ステップＳ３１がＮＯ）、ステップＳ６に移る。
一方、フラグ３が立っていれば（ステップＳ２９がＹＥＳ）、フラグ３を立ててから所定時間（たとえば３０分）経過しているか否かが判断される（ステップＳ３５）。フラグ３を立ててから所定時間経過していれば（ステップＳ３５がＹＥＳ）、フラグ３が下ろされ、フラグ３を立ててからの経過時間がクリアされ（ステップＳ３７）、ステップＳ３３に移る。
フラグ３を立ててから所定時間経過していなければ（ステップＳ３５がＮＯ）、ステップＳ６に移る。つまり、前回の酸素欠乏処理の結果に基づいて、次回の酸素欠乏処理が燃料電池１２の発電効率を低下させるおそれがある場合はステップＳ６に移り、酸素欠乏処理の実行を回避する。
このような燃料電池システム１０では、二次電池１０２の蓄電量および現在の出力値と予測出力値との比較結果に基づいて酸素欠乏処理を実行すべきか否か判断し、各条件を満たす場合に酸素欠乏処理が実行される。また、以前に酸素欠乏処理を実行している場合は、前回の酸素欠乏処理の結果をも考慮して酸素欠乏処理を実行すべきか否かを判断し、各条件を満たす場合に酸素欠乏処理が実行される。したがって、不要な酸素欠乏処理や燃料電池１２の発電効率を低下させるおそれがある酸素欠乏処理を避けることができ、通常運転時に燃料電池１２の発電効率をより確実に向上できる。
また、二次電池１０２の蓄電量が多い（充電率が高い）場合は酸素欠乏処理を実行しないので、充電末期の過充電による二次電池１０２の劣化、二次電池１０２の充電終了タイミングの判断誤り等の弊害も防止できる。
このような燃料電池システム１０によれば、発電効率をより確実に向上できるので、自動二輪車の二次電池１０２の蓄電量を速やかに増加させることができる。したがって、自動二輪車の二次電池１０２の容量を小さく設定でき、小型で軽量な二次電池１０２を用いることができる。また、発電開始から通常運転への移行に必要な所定時間を自動的に発電開始後に計測するので、通常運転に移行したか否かを自動二輪車のドライバに判断させることがなく、ドライバの負担を軽減できる。
なお、上述の実施形態では、酸素欠乏処理を実行すべきか否かを二次電池１０２の蓄電量および現在の出力値と予測出力値との比較結果に基づいて判断し、以前に酸素欠乏処理を実行していれば前回の酸素欠乏処理の結果をも考慮して判断する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限定されず、二次電池１０２の蓄電量、現在の出力値と予測出力値との比較結果および前回の酸素欠乏処理の結果のいずれか１つに基づいて酸素欠乏処理を実行すべきか否か判断し、条件を満たす場合に酸素欠乏処理を実行するようにしてもよい。
燃料電池システム１０は自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器にも好適に用いることができる。
この発明は、改質器搭載タイプの燃料電池システムや水素を燃料電池に供給するタイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。
この発明に係る燃料電池システムの要部を示す図解図である。 自動二輪車のフレームに燃料電池システムを搭載した状態を示す斜視図である。 燃料電池システムの要部を示す図解図である。 燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 燃料電池システムの発電開始後の主要動作の一例を示すフロー図である。 図７の続きを示すフロー図である。 燃料電池システムにおいて実行される酸素欠乏処理の一例を示すフロー図である。 酸素欠乏処理を実行した場合の燃料電池の出力推移を示す図解図である。
符号の説明
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１２ｃ カソード
３４ エアポンプ
７２ ＣＰＵ
７４ クロック回路
７５ 揮発性メモリ
７６ 不揮発性メモリ
８４ 電圧検出回路
８６ 電流検出回路
１０２ 二次電池
１０３ 蓄電量検出装置
２００ 車体フレーム

Claims (12)

  1. 酸化剤が供給されるカソードを有する燃料電池、および
    通常運転時に、前記カソードを酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断し、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する場合に前記カソードへの前記酸化剤の供給量を制御する制御手段を備える、燃料電池システム。
  2. 前回の酸化剤欠乏処理前の前記燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の前記燃料電池の出力値とを記憶する第１記憶手段をさらに備え、
    前記制御手段は前記第１記憶手段に記憶される前回の酸化剤欠乏処理前の前記燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の前記燃料電池の出力値との比較結果に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 経過時間に対応する前記燃料電池の予測出力値を記憶する第２記憶手段をさらに備え、
    前記制御手段は現在の前記燃料電池の出力値と前記第２記憶手段に記憶される前記燃料電池の予測出力値との比較結果に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池に電気的に接続される二次電池と前記二次電池の蓄電量を検出するための蓄電量検出手段とをさらに備え、
    前記制御手段は前記蓄電量検出手段によって検出される前記二次電池の蓄電量に基づいて酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 時間を計測する計時手段をさらに備え、
    前記制御手段は予め設定されている運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を運転開始後に前記計時手段が計測した後に酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 直接メタノール型燃料電池システムである、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムを用いた、輸送機器。
  8. 燃料電池のカソードに酸化剤を供給する燃料電池システムの制御方法であって、
    通常運転時に、前記カソードを酸化剤欠乏状態にする酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを状況に応じて判断し、酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する場合に前記カソードへの前記酸化剤の供給量を制御する、燃料電池システムの制御方法。
  9. 前記燃料電池システムは前回の酸化剤欠乏処理前の前記燃料電池の出力値と前回の酸化剤欠乏処理後の前記燃料電池の出力値とを記憶する第１記憶手段を備え、
    前記第１記憶手段に記憶される前回の酸化剤欠乏処理後の前記燃料電池の出力値が前回の酸化剤欠乏処理前の前記燃料電池の出力値よりも所定の割合以上大きい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
  10. 前記燃料電池システムは経過時間に対応する前記燃料電池の予測出力値を記憶する第２記憶手段を備え、
    現在の前記燃料電池の出力値が前記第２記憶手段に記憶される前記燃料電池の予測出力値よりも小さい場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
  11. 前記燃料電池システムは前記燃料電池に電気的に接続される二次電池を備え、
    前記二次電池の蓄電量が所定量未満である場合に酸化剤欠乏処理を実行すべきであると判断する、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
  12. 前記燃料電池システムは時間を計測する計時手段を備え、
    予め設定されている運転開始から通常運転への移行に必要な所定時間を運転開始後に前記計時手段が計測した後に酸化剤欠乏処理を実行すべきか否かを判断する、請求項８から１１のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
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