JP2007184202A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を低温下で始動する際に、燃料電池の暖機運転を安定して行うとともに、ガスの供給不足による劣化を抑止する。
【解決手段】複数の単位セルを備え、所定ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池１２と、低温始動時に、各単位セル毎に所定ガスのセルストイキ比を算出するセルストイキ比算出手段と、セルストイキ比が所定値よりも低下している場合は、所定ガスの供給量を増加するガス量増加手段と、を備える。凍結によりガス流路が閉塞している場合であっても、燃料電池１２の暖機を短時間で行うことができ、且つガスの供給不足による燃料電池１２の劣化を抑止することが可能となる。
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来から、例えば特開平８−３１５８４３号公報には、電圧が所定値以上となるまでアノード側へガスを供給し、滞留している水分などを除去した後に外部負荷への電力供給を開始する燃料電池が開示されている。
特開平８−３１５８４３号公報 特開２００５−７１６２６号公報 特開２００３−３４６８４９号公報
しかしながら、上記従来の技術では、電圧が所定値以下であることの原因としてアノード流路閉塞のみしか考慮していないため、その他の原因の場合には起動に時間がかかる虞がある。
また、氷点以下の起動時には、前回の運転時に生成された水分が燃料電池の内部で凍結し、凍結によって燃料電池内部のガス流路が閉塞する場合がある。この場合、ガスの流れが阻害されるため、燃料電池の電圧が低下し、燃料電池を安定して運転することが困難となる。このため、暖機に長時間を要することとなり、早期に通常運転に移行することが困難となる。
低温時にガス流路が凍結しているか否かを判別しようとしても、数個のセルのみで流路が閉塞している場合、ガスの圧力損失への影響が殆ど生じない。このため、流路が閉塞しているか検知することは困難である。
また、流路の閉塞によってガスの供給が更に不足すると、負電圧が発生するという問題がある。この場合、負電圧の要因がアノードガス、カソードガスの何れの供給不足に起因するものか判断することは困難である。特にアノードガスの供給に不足が生じている場合は、負電圧により電解質膜、触媒層などが劣化するという問題が生じる。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池を低温下で始動する際に、燃料電池の暖機運転を安定して行うとともに、ガスの供給不足による劣化を抑止することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の単位セルを備え、所定ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、低温始動時に、各単位セル毎に前記所定ガスのセルストイキ比を算出するセルストイキ比算出手段と、前記セルストイキ比が所定値よりも低下している場合は、前記所定ガスの供給量を増加するガス量増加手段と、を備えたことを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記セルストイキ比算出手段は、各単位セルのセル電圧を取得するセル電圧取得手段と、各単位セルの前記セル電圧を平均して平均セル電圧を算出する平均セル電圧算出手段と、前記燃料電池に供給される前記所定ガスのストイキ比を基準値から変化させるストイキ比可変手段と、前記ストイキ比を前記基準値から変化させた際に、前記ストイキ比と前記平均セル電圧の変化率との関係を表す近似式を取得する近似式取得手段と、前記ストイキ比を前記基準値から所定値に変化させた際に、各単位セルのセル電圧の変化率を算出するセル電圧変化率算出手段と、を有し、前記近似式を用いて、前記セル電圧の変化率から各単位セル毎に前記セルストイキ比を算出することを特徴とする。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、各単位セル毎に算出された前記セルストイキ比に基づいて、各単位セル毎に前記所定ガスの流量を算出するガス流量算出手段を更に備えたことを特徴とする。
第４の発明は、第３の発明において、前記ガス量増加手段は、各単位セル毎に算出された前記所定ガスのセルストイキ比又は前記所定ガスの流量の最小値を算出する最小値算出手段と、前記最小値が所定のしきい値以上となるように前記燃料電池に供給される前記所定ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、を有することを特徴とする。
第５の発明は、第２〜第４の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段と、前記内部温度に基づいて前記セル電圧を補正する補正手段と、
を更に備えたことを特徴とする。
第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記セルストイキ比を算出する際に、前記燃料電池の負荷を通常運転時の負荷よりも小さい値に設定する負荷設定手段を更に備えたことを特徴とする。
第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記ガス量増加手段は、前記燃料電池の運転が通常運転に移行した後、前記燃料電池の温度が氷点以上に上昇するまでの間は、前記通常運転に移行する前の増量比で前記所定ガスの供給量を増加することを特徴とする。
第８の発明は、第７の発明において、前記ガス量増加手段は、前記燃料電池の温度が氷点以上に上昇した後は、前記所定ガスの供給量の増加を停止することを特徴とする。
第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記所定ガスは、水素を含む第１のガス及び酸素を含む第２のガスであり、前記セルストイキ比算出手段は、各単位セル毎に前記第１のガスの前記セルストイキ比を算出した後、各単位セル毎に前記第２のガスの前記セルストイキ比を算出することを特徴とする。
第１の発明によれば、各単位セル毎に算出されたセルストイキ比が所定値よりも低下している場合は、所定ガスの供給量を増加するため、凍結によりガス流路が閉塞している場合であっても、燃料電池の電圧低下を抑えることができ、燃料電池を安定して運転することができる。これにより、燃料電池の暖機を短時間で行うことが可能となり、またガスの供給不足による燃料電池の劣化を抑止することが可能となる。
第２の発明によれば、燃料電池に供給される所定ガスのストイキ比と平均セル電圧の変化率との関係を表す近似式に基づいて、所定ガスのセルストイキ比を各単位セル毎に求めることができる。従って、セルストイキ比に基づいてガス流路が閉塞している単位セルを検知することができ、セルストイキ比に基づいて所定ガスの供給量を増加することが可能となる。
第３の発明によれば、各単位セル毎に算出されたセルストイキ比に基づいて、各単位セル毎に所定ガスの流量を算出することができるため、凍結により流路が閉塞している単位セルを検知することができ、各単位セル毎の所定ガスの流量に基づいて所定ガスの供給量を増加することが可能となる。
第４の発明によれば、所定ガスのセルストイキ比又は流量の最小値が所定のしきい値以上となるように燃料電池に供給される所定ガスの流量を制御するため、各単位セルにおける出力の低下を確実に抑えることができる。従って、低温始動時に燃料電池を安定して運転することが可能になる。
第５の発明によれば、燃料電池の内部温度に基づいてセル電圧を補正するため、低温始動時において、燃料電池の温度上昇がセル電圧に与える影響を抑えることができる。従って、セルストイキ比を高精度に求めることが可能となる。
第６の発明によれば、セルストイキ比を算出する際に燃料電池の負荷を通常運転時の負荷よりも小さい値に設定するため、一部のセルにガスの供給不足が生じている場合であっても、負電圧による膜の劣化を抑止することが可能となる。
第７の発明によれば、燃料電池の運転が通常運転に移行した後、燃料電池の温度が氷点以上に上昇するまでの間は、通常運転に移行する前の増量比で所定ガスの供給量を増加するため、通常運転に移行した後においても、凍結により流路が閉塞している単位セルのセルストイキ比を増加することができ、燃料電池の電圧低下を抑止することができる。
第８の発明によれば、燃料電池の温度が氷点以上に上昇した後は、所定ガスの供給量の増加を停止するため、運転条件に応じた最小限のガス量で燃料電池を運転することができる。
第９の発明によれば、水素を含む第１のガスの供給不足は流路の閉塞度合いが大きい際に生じるため、最初に第１のガスのセルストイキ比を算出し、第１のガスの流量の増加を行うことで、暖機時間を短縮することができる。また、第１のガスの供給が不足すると、負電圧により燃料電池が劣化するため、最初に第１のガスのセルストイキ比を算出することで、第１のガスの供給不足を早期に判定することができる。従って、負電圧により燃料電池が劣化してしまうことを抑止することができる。
以下、図面に基づいてこの一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。燃料電池システム１０は燃料電池１２を備えている。本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、２つの燃料電池スタック（スタック１２ａとスタック１２ｂ）から構成されている。
各スタック１２ａ，１２ｂは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。図１及び図２において、矢印Ａは単位セルの積層方向を示している。本実施形態において、スタック１２ａ，１２ｂのそれぞれは２００個の単位セルを備えている。
単位セルに設けられた電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されており、触媒層、拡散層を備えている。また、セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。隣接する単位セル同士は、一方のセルのアノードと他方のセルのカソードがセパレータを介して対向した状態で積層されている。
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から各スタック１２ａ，１２ｂ内のアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、水素タンク１８の下流にレギュレータ２０が設けられている。レギュレータ２０は、燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。また、アノードガス流路１４には、レギュレータ２０の下流に圧力センサ２２が接続されている。
カソードガス流路１６にはポンプ２４が設けられており、ポンプ２４の駆動により各スタック１２ａ，１２ｂ内のカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。
図２は、アノードガス流路１４、カソードガス流路１６と各スタック１２ａ，１２ｂとの接続部を詳細に示す模式図である。ここで、図２（Ａ）は、アノードガス流路１４と各スタック１２ａ，１２ｂとの接続部を示している。図２（Ａ）に示すように、アノードガス流路１４は分配管２６を介して各スタック１２ａ，１２ｂと接続されている。分配管２６は、アノードガス流路１４から送られたアノードガスをスタック１２ａとスタック１２ｂに分配する機能を有している。
図２（Ｂ）は、カソードガス流路１６と各スタック１２ａ，１２ｂとの接続部を示している。図２（Ｂ）に示すように、カソードガス流路１６は分配管２８を介して各スタック１２ａ，１２ｂと接続されている。分配管２８は、カソードガス流路１６から送られたカソードガスをスタック１２ａとスタック１２ｂに分配する機能を有している。
また、図２は、各スタック１２ａ，１２ｂが備える４００個の単位セルの配置を示している。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、スタック１２ａにはセル番号＃１〜＃２００のセルが設けられており、スタック１２ｂにはセル番号＃２０１〜＃４００のセルが設けられている。スタック１２ａにおいては、セル番号＃１のセルは分配管２６，２８が接続された端部の反対側に配置され、分配管２６，２８に近づくほどセル番号は増加し、最も分配管２６，２８に近接したセルの番号は＃２００となる。一方、スタック１２ｂにおいては、セル番号＃２０１のセルは分配管２６，２８が接続された端部側に配置され、分配管２６，２８から離れるほどセル番号は増加し、最も分配管２６，２８から離れたセルの番号は＃４００となる。
図３は、各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向から各スタック１２ａ，１２ｂの内部を見た状態を模式的に示している。すなわち、図３は、セルの積層方向と直交する方向に沿った断面を模式的に示したものであり、例えば図２（Ａ）中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面に対応している。
図３に示すように、各単位セルには、アノードガスの流路３０とカソードガスの流路３２が設けられている。流路３０，３２は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図３では各流路３０，３２を破線で略式に示している。図３に示すように、各流路３０，３２はセルの一端から他端に向けて直線状に延在している。
各流路３０，３２の両端には、各流路３０，３２のそれぞれと個別に接続される分配部３４，３５が単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部３４，３５の更に外側には、マニホールド３６，３８，４２，４４が設けられている。マニホールド３６は分配部３４を介してアノードガスの流路３０と接続されている。また、マニホールド３８は分配部３５を介してカソードガスの流路３２と接続されている。マニホールド３６，３８及び後述するマニホールド４２，４４は、単位セルの積層方向に貫通する孔として設けられている。マニホールド３６の端部は分配管２６と接続され、マニホールド３８の端部は分配管２８と接続されている。
また、燃料電池１２の各単位セルには冷却液が循環している。これにより、発電に伴う燃料電池１２の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池１２の温度が最適値に設定される。
このような構成によれば、アノードガス流路１４から分配管２６を経由して各スタック１２ａ，１２ｂに送られたアノードガスは、マニホールド３６に送られ、マニホールド３６から分配部３４および流路３０を経由して各単位セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路１６から分配管２８を経由して各スタック１２ａ，１２ｂに送られたカソードガスは、マニホールド３８に送られ、マニホールド３８から分配部３５および流路３２を経由して各単位セルのカソードに送られる。
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
アノードから排出されたアノードオフガスは、図３に示すマニホールド４２に送られ、マニホールド４２を経由して図１に示すアノードオフガス流路４６に送られる。アノードオフガス流路４６にはポンプ４８が設けられており、アノードオフガスは、ポンプ４８の駆動により再びアノードガス流路１４へ戻される。アノードガス流路１４に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１８からの水素の補充を受けて、再度燃料電池１２へ送られる。アノードオフガスを燃料電池１２に送ることで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池１２内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量は、レギュレータ２０、ポンプ４８により制御することができる。
アノードオフガス流路４６には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器５０が設けられている。気液分離器５０には排水弁５２が接続されている。気液分離器５０に捕集されたアノードオフガス中の水分は、排水弁５２を開くことで排出される。
ポンプ４８の下流において、アノードオフガス流路４６には排気弁５４が接続されている。アノードオフガス流路４６→アノードガス流路１４→燃料電池１２の経路からなるアノード循環系に窒素（Ｎ２）等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁５４を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を排出する。
また、排気弁５４が接続された箇所の下流には、逆止弁５６が設けられている。逆止弁５６は、アノードガス流路１４からポンプ４８へ向かう流れを阻止する機能を有している。
一方、各単位セルのカソードから排出されたカソードオフガスは、図３に示すマニホールド４４に送られ、マニホールド４４から図１に示すカソードオフガス流路５８に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路５８を通り、最終的にはマフラー６０から排出される。カソードオフガス流路５８には、カソードオフガスの圧力を調整する制御弁６２、および制御弁６２の上流におけるカソードオフガス圧力を検出する圧力センサ６４が設けられている。制御弁６２によれば、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスの圧力を制御することができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量はポンプ２４、制御弁６２により制御することができる。
また、カソードオフガス流路５８において、マフラー６０の上流には加湿器６６が設けられている。加湿器６６にはカソードガス流路１６が導入されている。加湿器６６は、燃料電池１２内で生成されてカソードオフガスに含まれる水分を吸収し、吸収した水分によりカソードガス流路１６中のカソードガスを加湿する機能を有している。
図１に示すように、本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）、冷却水温などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されており、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２が備える４００個の単位セルのそれぞれのセル電圧を検知することができる。また、ＥＣＵ４０には、上述した圧力センサ２２，６４、レギュレータ２０、排水弁５２、排気弁５４、制御弁６２などが接続されている。ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量を制御することで、燃料電池１２を所望の運転状態で運転することができる。
［各単位セルのストイキ比（ガス流量）の算出方法］
燃料電池１２は、上述したようにアノードガス中の水素とカソードガス中の酸素が各単位セル内で反応することで発電を行うため、発電効率を高めるためには、各単位セルに供給されるガス量を正確に制御することが必要である。しかし、極低温下の起動時には、アノードガス、カソードガスの流路３０，３２、分配部３４，３５、マニホールド３６，３８，４２，４４などに凍結が生じている場合があり、凍結により流路３２，３４が閉塞すると、流路内におけるガスの流れが阻害される場合がある。
このため、本実施形態では、低温時に燃料電池１２を始動する際に、各単位セルに供給されるストイキ比（ガス量）を求め、ガスの供給が不足している場合は、ガスの供給量を増加する処理を行う。
ところで、各単位セルに供給されるガス量を検知する際に、各単位セルのセル電圧に基づいて供給ガス量を推定することが考えられる。しかしながら、セル電圧はガス量以外の要因によっても変化するため、セル電圧に基づいて各セルへの供給ガス量を正確に推定するには困難が伴う。
例えば、ある単位セルにおいて、電解質膜、またはアノード、カソードを構成する触媒層、拡散層が何らかの要因により劣化している場合は、その単位セルにおける供給ガス量が適正値に保たれている場合であっても、セル電圧は低下してしまう。また、アノード、カソードの流路３０，３２などに異物が付着したような場合、供給ガス量は適正値であっても、セル電圧は低下してしまう。
従って、セル電圧に基づく判定では、供給ガス量に起因するセル電圧の変動と、他の要因によるセル電圧の変動とを切り分けて判定することは困難であり、セル電圧に基づいて各単位セルへの供給ガス量を正確に検知することは困難である。
このような点に鑑みて、本実施形態では、各単位セルへの供給ガス量を単位セル毎のセル電圧の変化率に基づいて算出するようにしている。以下、セル電圧の変化率に基づいて各単位セルの供給ガス量を求める方法を詳細に説明する。以下の説明では、各単位セルへのカソードガス供給量を求める方法を説明するが、アノードガスの供給量についても同様の方法で求めることができる。
図４は、燃料電池１２に供給されるカソードガスのストイキ比と、燃料電池１２の出力との関係を示す特性図であって、燃料電池１２の運転中に実測して得られた特性を示している。
図４において、横軸は、カソードガス流路１４を流れるカソードガスのストイキ比を示している。このストイキ比は、カソードガス流量の理論値に対する実際のカソードガス流量の比率である。カソードガス流量の理論値は、燃料電池１２の駆動負荷に基づいて算出される値である。通常、高電流密度域でのカソードガスのストイキ比は１．２〜１．５程度の値とされ、理論値よりも実際のカソードガス流量を多くすることで、燃料電池１２を安定して運転することができる。
また、図４の縦軸は、燃料電池１２が備える全ての単位セルのセル電圧値の平均値（平均セル電圧）を示している。上述したようにＥＣＵ４０は各単位セルのセル電圧を検出することができ、これらのセル電圧を平均することで平均セル電圧が求まる。
図４の特性を取得する際には、アノードガス流路１４におけるアノードガスの流量は一定値に固定されている。図４の特性を取得する際には、先ず、ストイキ比を基準ストイキ比Ｓ０に設定した状態で平均セル電圧（基準電圧Ｖ０）を検出する。その後、ストイキ比を基準ストイキ比Ｓ０から減少させ、各ストイキ比Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３毎に平均セル電圧を検出する。
基準ストイキ比Ｓ０からストイキ比を減少させていくと、カソードガスの流量が低下し、燃料電池１２内での反応量が低下するため、平均セル電圧は基準電圧Ｖ０から低下していく。図４に示すように、ストイキ比がＳ０からＳ１に低下すると平均セル電圧はＶ１となり、基準電圧Ｖ０からの平均セル電圧の変化量ΔＶ１は（Ｖ０−Ｖ１）となる。同様に、ストイキ比がＳ０からＳ２に低下すると平均セル電圧はＶ２となり、平均セル電圧の変化量はΔＶ２（＝Ｖ０−Ｖ２）となる。また、ストイキ比がＳ０からＳ３に低下すると平均セル電圧はＶ３となり、平均セル電圧の変化量はΔＶ３（＝Ｖ０−Ｖ３）となる。このように、平均セル電圧の変化量は、ストイキ比が基準ストイキ比Ｓ０から低下するほど増加する。
図５は、平均セル電圧の変化率とストイキ比との関係を示す特性図（近似式）であって、図４の特性に基づいて得られるものである。図５において、横軸は平均セル電圧の変化率を示している。平均セル電圧の変化率は、例えば図４に示す各ストイキ比Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３において、平均セル電圧の変化量ΔＶ１，ΔＶ２，ΔＶ３をそれぞれ基準電圧Ｖ０で除算することにより求めることができる。すなわち、ストイキ比Ｓ１における電圧変化率はΔＶ１／Ｖ０となり、ストイキ比Ｓ２における電圧変化率はΔＶ２／Ｖ０となり、ストイキ比Ｓ３における電圧変化率はΔＶ３／Ｖ０となる。図５の近似式は、各ストイキ比Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３において電圧変化率をプロットし、近似曲線（直線）で結ぶことにより得られたものである。
図５の特性によれば、単位セルの電圧変化率とカソードガスのストイキ比との関係が明らかになる。従って、各単位セルにおいて、セル電圧の変化率が求まれば、電圧変化率に基づいて各単位セルのセルストイキ比（各単位セルを流れるカソードガスのストイキ比）を求めることが可能になる。
各単位セルにおけるセル電圧は、燃料電池１２に供給されるカソードガスのストイキ比を可変することで変化する。従って、ストイキ比を可変した際の各単位セルのセル電圧の変化量から、セル電圧の電圧変化率を求めることができる。
以下、各単位セルにおいてセル電圧の変化率を求める方法を説明する。各単位セルの電圧変化率を求める際には、先ずカソードガス流路１４におけるカソードガスのストイキ比を図４で説明した基準ストイキ比Ｓ０に設定し、この状態で各単位セルにおいて基準電圧Ｖ０（ｎ）を求める。その後、カソードガス流路１４におけるストイキ比を基準ストイキ比Ｓ０から通常運転時のストイキ比ＳＡまで低下させる。そして、ストイキ比をＳＡとした状態で、各単位セルにおいてセル電圧ＶＡ（ｎ）を求める。これにより、ストイキ比がＳ０からＳＡに変化した際のセル電圧の変化量（Ｖ０（ｎ）−ＶＡ（ｎ））が求まり、変化量（Ｖ０（ｎ）−ＶＡ（ｎ））を基準電圧Ｖ０（ｎ）で除算することで、各単位セルのセル電圧の変化率Ｐ（ｎ）を求めることができる。すなわち、電圧変化率Ｐ（ｎ）は以下の（１）式から求められる。
Ｐ（ｎ）＝（Ｖ０（ｎ）−ＶＡ（ｎ））／Ｖ０（ｎ） ・・・（１）
但し、上式において、ｎはセル番号である。
このようにして求められた各単位セルのセル電圧の変化率Ｐ（ｎ）は、図５の特性（横軸）に当てはめられる。これにより、各単位セルにおいてカソードガスのストイキ比（セルストイキ比）を求めることが可能になる。
上述したように、燃料電池１２が必要とするカソードガス流量の理論値は、燃料電池１２の負荷に基づいて算出され、これに基づいて各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値が算出される。従って、図５の特性から各単位セルにおける実際のセルストイキ比が求まると、これを各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値に乗算することで、各単位セルにおける実際のカソードガス流量を求めることが可能となる。
なお、全ての単位セルに均等にカソードガスを供給することを想定した場合、各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値は、燃料電池１２全体へのカソードガス供給量の理論値をセル数で除算した値となる。
このように、本実施形態の手法によれば、各単位セルのセル電圧の変化率に基づいて、各単位セルにおけるセルストイキ比、及びカソードガス流量を求めることができる。従って、各単位セルのそれぞれに対してカソードガスの供給が良好に行われているか否かを判定することが可能になる。
また、本実施形態の手法では、セル電圧の変化率は基準電圧Ｖ０からの電圧変化量を基準電圧Ｖ０で除算することにより算出されるため、ガスの供給量以外の要因、例えば電解質膜、アノード、カソードを構成する触媒層、拡散層などの劣化、短絡、流路への異物混入などの要因でセル電圧が変動した場合であっても、その影響が及ぶことはない。従って、本実施形態の手法によれば、これらの要因を排除した状態で各単位セルにおけるストイキ比、カソードガス流量を正確に求めることができる。
図６は、燃料電池１２の各単位セル（＃１〜＃４００）において、上述した方法でセルストイキ比（カソードガス流量）を算出した結果を示す模式図である。図６において、横軸はセル番号を、縦軸はセルストイキ比（カソードガス流量）を示している。
図６に示す結果では、スタック１２ｂの各単位セル（＃２０１〜４００）のセルストイキ比（カソードガス流量）はほぼ均一であるが、スタック１２ａの各単位セル（＃１〜２００）では、セル番号が比較的小さい＃２６，＃５９，＃８７のセルにおいて、セルストイキ比（カソードガス流量）が他のセルよりも低下している。従って、これらのセルではガス供給量（ストイキ比）が低下していることが判別できる。
燃料電池１２を安定して運転するためには、各単位セルにおけるセルストイキ比（カソードガス流量）が図６に示す限界セルストイキ比（限界セル流量）以上となるように運転を行う必要がある。本実施形態の手法によれば、各単位セルにおけるセルストイキ比（ガス流量）を高い精度で求めることができるため、各単位セルにおけるセルストイキ比（ガス流量）の最小値が常に限界セルストイキ比（限界セル流量）よりも多くなるようにガスを供給することで、燃料電池１２を安定して運転することができる。
［低温時の暖機運転］
氷点下の低温起動時には、前回の運転時に燃料電池１２内部で発生した水分など、燃料電池１２内に残留する水分が燃料電池１２内で凍結していることが想定される。本実施形態では、上述した方法を用いて、低温始動時に各単位セルのセルストイキ比（ガス流量）を求め、ストイキ比が低下している単位セルを判別する。
低温始動時においては、セルストイキ比が低下している単位セルでは、凍結により流路３０，３２などが閉塞していることが想定できる。この場合においても、最もストイキ比が低下している単位セルのセルストイキ比（ガス流量）が限界セルストイキ比（ガス流量）以上となるようにガスの供給量を増加する処理を行うことで、燃料電池１２を安定して運転することができる。これにより、全ての単位セルのセルストイキ比を限界セルストイキ比以上に高めることができ、燃料電池１２の電圧低下を抑えることが可能となる。
図７は、燃料電池システム１０の始動時に行われる処理を示すタイミングチャートである。低温始動の際には、燃料電池システム１０は時刻ｔ０で始動され、暖機運転が行われる。そして、時刻ｔ７で通常運転に移行し、燃料電池１２は正式に起動される。本実施形態では、時刻ｔ０から時刻ｔ７の間に、各単位セルの流路３０，３２などが凍結により閉塞しているか否かを判定し、流路が閉塞している場合はガス量を増量する処理を行う。
図７（Ａ）は、始動後に設定される燃料電池１２の負荷を示している。図７の例では、始動時の時刻ｔ０以降に負荷が０．１［Ａ／ｍ２］に設定される。そして、通常運転に移行した時刻ｔ７以降は、負荷が１．０［Ａ／ｍ２］に設定される。このように、各単位セルの流路３０，３２が凍結により閉塞しているか否かを判定する際には、通常運転時よりも負荷を小さく設定することで、アノードガス、カソードガスの一方でセルストイキ比を求める際に、アノードガス、カソードガスの他方のガス不足に起因して正確なストイキ比判定ができなくなってしまうことを回避できる。通常運転時よりも小さく設定する負荷は、小さく設定しすぎると電圧の変化が検出しづらくなることと、高く設定しすぎると流量不足により生じる負電圧による電解質膜、触媒層などの劣化が生じてしまうことから、０．０５〜０．１［Ａ／ｍ２］程度とすることが望ましい。なお、本実施形態においては、通常運転時の燃料電池の負荷は１．０［Ａ／ｍ２］としたが、この値に限定するものではない。
図７（Ｂ）は、アノードガス流路１４におけるアノードガスのストイキ比を示している。また、図７（Ｃ）は、カソードガス流路１６におけるカソードガスのストイキ比を示している。これらのストイキ比は、燃料電池１２の負荷に応じて設定される値であって、負荷に対応したガス流量の理論値に対する実際のガス流量の比率である。負荷が０．１［Ａ／ｍ２］の場合、アノードガスのストイキ比は１．２程度の値に設定され、カソードガスのストイキ比は２．０程度の値に設定される。
また、図７（Ｄ）は、燃料電池１２の温度を示している。図７（Ｄ）に示すように、時刻ｔ０に燃料電池１２が始動されると、燃料電池１２の温度は以降の発電によって上昇する。なお、燃料電池１２の温度に基づくセル電圧の補正については後述する。
本実施形態では、時刻ｔ０からｔ７の間に、アノードガス、カソードガスのストイキ比を変化させ、図４、図５で説明した方法で電圧変化率とストイキ比との関係を取得する。そして、上述した方法で、各単位セルの電圧変化率に基づいて、各単位セルにおけるアノードガス、カソードガスのセルストイキ比（ガス流量）を算出する。
このため、図７（Ｂ）に示すように、先ず時刻ｔ０からｔ３の間にアノードガスのストイキ比を段階的に低下させて、電圧変化率を算出し、図４及び図５の特性を取得する処理を行う。この際、カソードガスのストイキ比は一定（ここでは２．０）に保たれる。図７（Ｂ）の例では、アノードガスのストイキ比を１．２→１．１→１．０５へ段階的に変化させている。従って、ストイキ比１．２，１．１，１．０５に対応した平均セル電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を求めることで、図４、図５で説明したように、ストイキ比を変化させた際の電圧変化率が求まる。従って、各単位セルの電圧変化率に基づいて、各単位セルにおけるアノードガスのセルストイキ比（アノードガス流量）を算出することができる。
各単位セルにおけるアノードガスのセルストイキ比（ガス流量）が求まると、最もストイキ比の低下している単位セルのセルストイキ比（ガス流量）が限界セルストイキ比（限界セル流量）以上となるようにアノードガスを増量する処理が行われる。
続いて、図７（Ｃ）に示すように、時刻ｔ４からｔ６の間にカソードガスのストイキ比を段階的に低下させて、電圧変化率を算出する処理を行う。この際、アノードガスのストイキ比は一定（ここでは１．２）に保たれる。図７（Ｃ）の例では、カソードガスのストイキ比を２．０→１．９→１．８へ段階的に変化させている。従って、ストイキ比２．０，１．９，１．８に対応した平均セル電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を求めることで、図４、図５で説明したように、ストイキ比を変化させた際の電圧変化率が求まる。従って、各単位セルの電圧変化率に基づいて、各単位セルにおけるカソードガスのセルストイキ比（カソードガス流量）を算出することができる。
各単位セルにおけるカソードガスのセルストイキ比（ガス流量）が求まると、最もストイキ比の低下している単位セルのセルストイキ比（ガス流量）が限界セルストイキ比（限界セル流量）以上となるようにカソードガスを増量する処理が行われる。
これにより、全ての単位セルのアノードガス、カソードガスのセルストイキ比を限界ストイキ比以上とすることができ、凍結により流路３０，３２が閉塞している場合であっても燃料電池１２を安定して運転することができる。
このようにして低温下で燃料電池１２が始動され、時刻がｔ７を経過すると、燃料電池システム１０が正式に起動され、通常運転へ移行する。すなわち、燃料電池１２の負荷は、駆動する燃料電池自動車等の負荷の値に設定される。図７の例では、上述したように燃料電池１２の負荷が１．０［Ａ／ｍ２］に設定される。
時刻ｔ７以降においても、流路の凍結が完全に解消するまでの間、すなわち、燃料電池１２の暖機が完了して燃料電池１２の温度が氷点下以上に上昇するまでの間は、凍結によりガスの流れが阻害されることが想定されるため、時刻ｔ７以前におけるガスの増量比に基づいてガスの増量が行われる。例えば、時刻ｔ７以前の判定に基づいてアノードガスのストイキ比を１．５倍に増量した場合、時刻ｔ７以降においても同様に負荷１．０［Ａ／ｍ２］に対応したストイキ比を１．５倍に増量する制御を行う。これにより、通常運転に移行した後においても、凍結により流路が閉塞している単位セルのセルストイキ比を負荷１．０［Ａ／ｍ２］に対応した限界ストイキ比以上とすることができ、燃料電池１２の電圧低下を抑止することができる。
時刻ｔ７以降に燃料電池１２の暖機が完了し、燃料電池１２の温度が氷点下以上に上昇した後は、燃料電池１２内で凍結した水分が溶けており、流路３０，３２等の閉塞は解消されているため、アノードガス、カソードガスのストイキ比の増量を停止し、ストイキ比を負荷に応じた値に設定する。これにより、運転条件に応じた最小限のガス量で燃料電池１２を運転することができる。
以上のように、本実施形態の手法によれば、低温起動時に各単位セルのアノードガス、カソードガスのセルストイキ比（ガス流量）を求めることが可能となる。そして、凍結による流路閉塞によってセル電圧が低下している場合は、最もセル電圧が低下している単位セルのセル電圧を基準としてストイキ比（ガス流量）を増量するため、低温始動時であっても燃料電池１２を安定して運転することが可能となる。これにより、燃料電池１２の暖機を早期に完了することができ、早期に通常運転に移行することが可能となる。
また、流路３０，３２が閉塞しているか否かの判定は、通常運転に移行する前に燃料電池１２の負荷を低下させた状態で行うため、一部のセルにガスの供給不足が生じている場合であっても、負電圧による膜の劣化を確実に抑止することが可能となる。なお、好適には、判定時の負荷は燃料電池１２内部で負電圧が生じる値以下に設定することが望ましい。
また、各単位セルにおけるガス流量を求める際には、最初にアノードガスの流量を求めるため、凍結によりアノードガスの供給が著しく不足している場合は、暖機を停止したり、外部熱源によって暖機を行う等の適切な処置を行うことで、負電圧の発生により電解質膜などの膜が劣化してしまうことを抑止できる。また、アノードガスの供給不足は流路の閉塞度合いが大きい際に生じるため、最初にアノードガスのストイキ比を算出し、アノードガスの流量の増加を行うことで、閉塞しているアノードガス流路を先に暖機することができ、暖機時間を短縮することができる。
［電圧値の温度補正］
図７（Ｄ）に示すように、時刻ｔ０からｔ７の間に閉塞している流路を判定する過程では、燃料電池１２の発電に伴って燃料電池１２の温度が上昇する。そして、燃料電池１２の温度が上昇するとセル電圧が上昇するため、電圧変化率に基づいて凍結による流路の閉塞が生じているか否かを判定する際には、温度上昇による電圧変化の要因が含まれてしまうことが想定される。このため、本実施形態では、各単位セルのセルストイキ比を求める際に、温度の上昇分を考慮して電圧値を補正するようにしている。
図８は、燃料電池１２の温度とセル電圧との関係を示す特性図である。本実施形態では、図８の特性に基づいて、電圧変化率を補正する処理を行う。
上述したように、電圧変化率を求める際には、ストイキ比を低下させる毎に平均セル電圧を求める。図７の例では、時刻ｔ１の時点でストイキ比１．２に対応した平均セル電圧Ｖ０を求め、時刻ｔ２の時点でストイキ比１．１に対応した平均セル電圧Ｖ１を求め、時刻ｔ３の時点でストイキ比１．０５に対応した平均セル電圧Ｖ２を求める。
一方、図７（Ｄ）に示すように燃料電池１２の温度は、時間の経過とともに上昇する。このため、セル電圧Ｖ０は、時刻ｔ１の時点の温度Ｔ１に基づいて補正される。同様に、セル電圧Ｖ１は時刻ｔ２の時点の温度Ｔ２に基づいて補正され、セル電圧Ｖ２は時刻ｔ３の時点の温度Ｔ３に基づいて補正される。
具体的には、図８に示すように、温度がＴ０からＴ１に変化した際の電圧変化量ΔＶ１を求め、平均セル電圧Ｖ０からΔＶ１を減算することでＶ０を補正する。平均セル電圧Ｖ２，Ｖ３についても同様に、温度がＴ０からＴ２に変化した際の電圧変化量ΔＶ２、温度がＴ０からＴ３に変化した際の電圧変化量ΔＶ３を平均セル電圧Ｖ１，Ｖ２からそれぞれ減算することでＶ１，Ｖ２を補正する。従って、補正後の平均セル電圧Ｖ０補正後，Ｖ１補正後，Ｖ２補正後は以下の式で表すことができる。
Ｖ０補正後＝Ｖ０−ΔＶ１
Ｖ１補正後＝Ｖ０−ΔＶ２
Ｖ２補正後＝Ｖ０−ΔＶ３
これにより、補正後の平均セル電圧Ｖ０補正後，Ｖ１補正後，Ｖ２補正後に基づいて図４、図５の特性を求めることができる。各単位セルの電圧変化率を求める際にも、同様の方法で、セル電圧検出時の温度に基づいて電圧値を補正する。これにより、温度変化が電圧に与える影響を排除した状態で各単位セルにおけるセルストイキ比を高精度に算出することができ、凍結により流路３０，３２の閉塞が生じている単位セルを正確に判別することが可能となる。従って、低温始動時のガスの増量を最適かつ高精度に制御することができ、ガス流量が過剰になって燃費が低下することを抑えるとともに、ガスの供給不足を確実に抑えることが可能となる。
燃料電池１２の温度は、燃料電池１２内を循環する冷却液の出口温度（冷却液が燃料電池から排出される箇所の温度）から取得することができる。また、燃料電池１２の温度は、始動時からの燃料電池１２内の反応量（発生エネルギー）と、発電量に基づいて算出しても良い。燃料電池１２内の反応量は、始動から温度を取得する時点までのアノードガス供給量（供給水素量）に基づいて算出することができる。一方、発電量は始動から温度を取得する時点までに燃料電池１２が発生した電気エネルギーである。燃料電池１２内の反応量のうち、発電以外に消費されたエネルギーが発熱量となるため、反応量から発電量を減算することで発熱量を求めることができ、発熱量と燃料電池１２の熱容量（既知）とから、燃料電池１２の温度上昇分を求めることができる。これにより、初期温度と温度上昇分から燃料電池１２の温度を求めることができる。
［本実施形態のシステムの処理手順］
次に図９のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０における処理の手順について説明する。図９の処理は、燃料電池１２の始動時に行われるものである。先ず、ステップＳ１では、燃料電池１２の冷却水温度を測定する。次のステップＳ２では、冷却水温度が氷点以下であるか否かを判定する。
ステップＳ２で冷却水温度が氷点以下の場合は、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、燃料電池１２の暖機運転を開始する。この場合、図７で説明したように、燃料電池１２の負荷が０．１［Ａ／ｍ２］に設定される。一方、ステップＳ２で冷却水温度が氷点以下でない場合は、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ３の後はステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、各単位セルにおいてアノードガスのセルストイキ比（ガス流量）を求める。ここでは、上述した方法でアノードガスのストイキ比を変化させ、電圧変化率に基づいて各単位セルのセルストイキ比を求める。
次のステップＳ５では、各単位セルにおいて、アノードガスのセルストイキ比（ガス流量）が低下しているか否かを判定する。そして、セルストイキ比が限界セルストイキ比未満の単位セルが存在する場合は、ステップＳ６へ進む。一方、セルストイキ比が限界セルストイキ比未満の単位セルが存在しない場合は、ステップＳ７へ進む。
ステップＳ６では、アノードガスの流量を増加する処理を行う。ここでは、最もストイキ比（流量）の低下している単位セルのセルストイキ比が限界セルストイキ比（限界セル流量）以上となるようにアノードガスの流量を増量する。ステップＳ６の後はステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、各単位セルにおいてカソードガスのセルストイキ比（ガス流量）を求める。ここでは、上述した方法でカソードガスのストイキ比を変化させ、電圧変化率に基づいて各単位セルのセルストイキ比を求める。
次のステップＳ８では、各単位セルにおいて、カソードガスのセルストイキ比（ガス流量）が低下しているか否かを判定する。そして、セルストイキ比が限界セルストイキ比未満の単位セルが存在する場合は、ステップＳ９へ進む。一方、セルストイキ比が限界セルストイキ比未満の単位セルが存在しない場合は、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ９では、カソードガスの流量を増加する処理を行う。ここでは、最もストイキ比（流量）の低下している単位セルのセルストイキ比が限界セルストイキ比（限界セル流量）以上となるようにカソードガスの流量を増量する。ステップＳ９の後はステップＳ１０へ進む。
ステップＳ１０では、燃料電池１２の起動を正式に行い、通常運転へ移行する。ここでは、燃料電池１２の負荷が例えば１．０［Ａ／ｍ２］に設定される。この際、ステップＳ６、ステップＳ９でアノードガス、カソードガスの流量を増加している場合は、通常運転に移行した後も同じ増量比でガスの増量を行う。
次のステップＳ１１では、燃料電池１２の冷却水温度を測定する。次のステップＳ１２では、冷却水温度が氷点以上であるか否かを判定する。ステップＳ１２で冷却水温度が氷点以上の場合は、ステップＳ１３へ進む。一方、ステップＳ１２で冷却水温度が氷点以下でない場合は、ステップＳ１１へ戻る。
ステップＳ１３へ進んだ場合は、燃料電池１２の暖機が完了しており、凍結による流路３０，３２の閉塞が解消していると考えられるため、ステップＳ６、ステップＳ９でアノードガス、カソードガスの流量を増加している場合は、アノードガス、カソードガスのストイキ比を通常運転時の目標ストイキ比に制御する。ステップＳ１３の後は処理を終了する(RETURN)。
以上説明したように本実施形態によれば、低温起動時に各単位セルのアノードガス、カソードガスのセルストイキ比（ガス流量）を高精度に求めることが可能となる。そして、凍結による流路閉塞によってセル電圧が低下している場合は、最もセル電圧が低下している単位セルのセル電圧に基づいて供給ガス量を増量するため、低温始動時であっても燃料電池１２を安定して運転することが可能となる。これにより、燃料電池１２の暖機を短時間で行うことが可能となり、またガスの供給不足による燃料電池１２の劣化を抑止することが可能となる。
本発明の各実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 アノードガス流路、カソードガス流路と各スタックとの接続部を詳細に示す模式図である。 各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図である。 燃料電池に供給されるカソードガスの流量と、燃料電池の出力との関係を示す特性図である。 各単位セルの平均電圧の変化率とカソードガス流量との関係を示す特性図である。 燃料電池の各単位セル（＃１〜＃４００）において、カソードガス流量（ストイキ比）を算出した結果を示す模式図である。 燃料電池システムの始動時に行われる処理を示すタイミングチャートである。 燃料電池の温度とセル電圧との関係を示す特性図である。 燃料電池システムにおける処理の手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ アノードガス流路
１６ カソードガス流路
２０ レギュレータ
２４ ポンプ
４０ ＥＣＵ
６２ 制御弁

Claims (9)

  1. 複数の単位セルを備え、所定ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
    低温始動時に、各単位セル毎に前記所定ガスのセルストイキ比を算出するセルストイキ比算出手段と、
    前記セルストイキ比が所定値よりも低下している場合は、前記所定ガスの供給量を増加するガス量増加手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記セルストイキ比算出手段は、
    各単位セルのセル電圧を取得するセル電圧取得手段と、
    各単位セルの前記セル電圧を平均して平均セル電圧を算出する平均セル電圧算出手段と、
    前記燃料電池に供給される前記所定ガスのストイキ比を基準値から変化させるストイキ比可変手段と、
    前記ストイキ比を前記基準値から変化させた際に、前記ストイキ比と前記平均セル電圧の変化率との関係を表す近似式を取得する近似式取得手段と、
    前記ストイキ比を前記基準値から所定値に変化させた際に、各単位セルのセル電圧の変化率を算出するセル電圧変化率算出手段と、を有し、
    前記近似式を用いて、前記セル電圧の変化率から各単位セル毎に前記セルストイキ比を算出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 各単位セル毎に算出された前記セルストイキ比に基づいて、各単位セル毎に前記所定ガスの流量を算出するガス流量算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
  4. 前記ガス量増加手段は、
    各単位セル毎に算出された前記所定ガスのセルストイキ比又は前記所定ガスの流量の最小値を算出する最小値算出手段と、
    前記最小値が所定のしきい値以上となるように前記燃料電池に供給される前記所定ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
    を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段と、
    前記内部温度に基づいて前記セル電圧を補正する補正手段と、
    を更に備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記セルストイキ比を算出する際に、前記燃料電池の負荷を通常運転時の負荷よりも小さい値に設定する負荷設定手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記ガス量増加手段は、前記燃料電池の運転が通常運転に移行した後、前記燃料電池の温度が氷点以上に上昇するまでの間は、前記通常運転に移行する前の増量比で前記所定ガスの供給量を増加することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記ガス量増加手段は、前記燃料電池の温度が氷点以上に上昇した後は、前記所定ガスの供給量の増加を停止することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
  9. 前記所定ガスは、水素を含む第１のガス及び酸素を含む第２のガスであり、
    前記セルストイキ比算出手段は、各単位セル毎に前記第１のガスの前記セルストイキ比を算出した後、各単位セル毎に前記第２のガスの前記セルストイキ比を算出することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
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