JP2011171147A - 燃料電池の制御 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＯＣＶの発生を回避するために、セルに抵抗部を備えた燃料電池システムにおいて、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することを目的とする。
【解決手段】電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムは、各セルにそれぞれ接続される抵抗部と、抵抗部の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、温度指標値が、抵抗部の温度が抵抗部の溶断温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、抵抗部の温度に影響を与える燃料電池の制御パラメータについての制御を行う制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の制御に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）を含むセルに反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。

燃料電池を有する燃料電池システムは、セルに開回路電圧（以下、「ＯＣＶ」とも呼ぶ）が生じると、電極に含まれる白金が溶出するなど燃料電池システムの構成部材に不具合が生じることがあった。この問題を解決するために、セルに可変抵抗部を取り付ける技術が知られている（特許文献１）。また、セルに抵抗部とスイッチを取り付ける技術が知られている（特許文献２）。

特公平８−３３７８２号公報 特許第３８９５９６０号公報

しかし、上記技術のように、セルに抵抗部を備える燃料電池システムは、抵抗部が可変抵抗であっても、発熱量や耐熱温度を考慮せずに抵抗値を制御した場合には、抵抗部が発熱により溶断する虞があった。また、抵抗部の溶断や電気的損失を抑制するためのスイッチを新たに設置する必要性が生じるなど、抵抗部を備えることによる不具合が生じる虞があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ＯＣＶの発生を回避するために、セルに抵抗部を備えた燃料電池システムにおいて、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様を採る。

第１の態様は、電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムを提供する。第１の態様に係る燃料電池システムは、各前記セルにそれぞれ接続される抵抗部と、前記抵抗部の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、前記温度指標値が、前記抵抗部の温度が前記抵抗部の溶断温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記抵抗部の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行う制御部と、を備える。

第１の態様に係る燃料電池システムによれば、抵抗部の温度に相関する温度指標値が取得され、温度指標値が、抵抗部の温度が抵抗部の溶断温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、抵抗部の温度に影響を与える燃料電池の制御パラメータについての制御が行われるため、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御パラメータは、前記燃料電池の電圧値であってもよい。この場合、燃料電池の電圧値についての制御を行うことにより、抵抗部の温度を抵抗部の溶断温度より小さくすることができ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外である場合には、前記燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行ってもよい。この場合、抵抗部の温度は燃料電池の電圧の絶対値に依存するため、燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行うことにより、抵抗部の温度を抵抗部の溶断温度より小さくすることができ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ未満である場合には、前記燃料電池の電圧を上昇させる制御を行ってもよい。この場合、負電圧運転時において抵抗部の温度を抵抗部の溶断温度より小さくすることができ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ以上である場合には、前記燃料電池の電圧を下降させる制御を行ってもよい。この場合、正電圧（通常）運転時において抵抗部の温度を抵抗部の溶断温度より小さくすることができ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記抵抗部の抵抗値と、前記抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて前記温度指標値の前記所定の範囲を設定してもよい。この場合、抵抗部の抵抗値と、抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて温度指標値の所定の範囲が設定されるため、温度指標値の許容範囲を精度良く設定することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記抵抗部の抵抗値は可変であり、前記制御パラメータは、前記抵抗部の抵抗値であってもよい。この場合、抵抗部の抵抗値についての制御を行うことにより、抵抗部の温度を抵抗部の溶断温度より小さくすることができ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記温度指標値は前記抵抗部の抵抗値であり、前記制御部は、前記セルの電圧値が所定値以上の場合には、前記抵抗部の抵抗値を下降させる制御を行ってもよい。この場合、セルの電圧値は抵抗部の抵抗値に依存するため、抵抗部の抵抗値を下降させる制御を行うことにより、セルの電圧値を小さくすることができ、燃料電池システムの不具合の発生を抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記抵抗部を冷却するための冷却部を備え、前記制御部は、前記抵抗部の抵抗値が前記所定の範囲の下限値であって、かつ、前記セルの電圧値が所定値以上の場合には、前記冷却部を制御して前記抵抗部を冷却しつつ、前記抵抗部の抵抗値を下降させる制御をおこなってもよい。この場合、セルの電圧値を所定値より小さくなるように制御しつつ、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記セルの電圧値と、前記抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて前記温度指標値の前記所定の範囲を設定してもよい。この場合、前記セルの電圧値と、抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて温度指標値の所定の範囲が設定されるため、温度指標値の許容範囲を精度良く設定することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記セルは開口部を備えた略板形状を有し、前記抵抗部は、前記開口部の内側に配置されていてもよい。この場合、抵抗部は、セルに設けられた開口部の内側に配置されているため、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池および燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。 第１実施例におけるセル２１の概略構成を表わす断面模式図である。 第１実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。 第１実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 第２実施例におけるセル２１の概略構成を表わす断面模式図である。 第２実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。 第２実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。 第３実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 変形例における燃料電池２２の外観構成を例示した説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。電気自動車１０は、燃料電池システム２０と、二次電池３０と、車両駆動軸３９を駆動する駆動モータ３３と、を有している。燃料電池システム２０は、燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を含んでいる。

水素タンク２３に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、水素ガス供給路６０に放出されて、水素ガス供給路６０に設けられた減圧弁６１によって減圧された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれ、水素ポンプ６５によって再び水素ガス供給路６０に供給される。また、アノード排ガス路６３から分岐した排ガス排出路６４に設けられた開閉弁６６を開状態とすることで、アノード排ガスの一部を外部に排出することができる。

エアコンプレッサ２４は、フィルタを備えたエアフロメータ２８を介して外部から取り込まれた酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。空気は、燃料電池２２に供給される前に加湿されるとしてもよい。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。

燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池２２は、複数のセル２１がセパレータを介して積層されたスタック構造を有している。セル２１は燃料電池２２における発電を行う単位モジュールであり、各セル２１は、電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル２１は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層を含んでいる。燃料電池２２の各セル２１は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例において、各セル２１の構成や仕様は互いに同一である。各セルの具体的な構成は図２を用いて後述する。

燃料電池システム２０は、また、燃料電池２２の各セル２１の電圧（セル電圧）を測定する電圧計２６と、各セル２１にそれぞれ並列に接続されている抵抗部２５と、電圧計２６から出力されるセル電圧を示す信号や他の信号を利用して後述する燃料電池システム２０の制御を行う制御部７０と、を有している。制御部７０は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータを利用して構成される。

燃料電池システム２０は、インバータ３５を介して駆動モータ３３と接続されていると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して二次電池３０と接続されている。燃料電池システム２０から出力される電力は、駆動モータ３３に供給され、駆動モータ３３による車両駆動軸３９の駆動に使用される。また、二次電池３０の残存容量が所定値以下になった場合等には、燃料電池システム２０によって二次電池３０の充電が行われる。二次電池３０の電力は、電力不足時における駆動モータ３３の駆動等に使用される。

Ａ−２．セルの構成：
図２は、第１実施例における燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。セル２１は、電解質膜ＭＥと、アノードＡＥと、カソードＣＥと、ガス拡散層ＧＤと、セパレータＳＰと、抵抗部２５と、電圧計２６と、を備えている。

電解質膜ＭＥは、固体高分子材料であるフッ素系樹脂や、炭化水素系樹脂により構成されている。アノードＡＥおよびカソードＣＥは、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）によって構成されている。

ガス拡散層ＧＤは、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどのガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。セパレータＳＰは、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼など、ガス不透過の導電性部材によって形成されている。セパレータＳＰは、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータＳＰは、アノードＡＥ側においてガス拡散層ＧＤとの間に、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路ＡＧＣを形成する。また、セパレータＳＰは、カソードＣＥ側においてガス拡散層ＧＤとの間に、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路ＣＧＣを形成する。

抵抗部２５は、各セパレータＳＰの間に跨ってそれぞれ配置され、隣り合うセパレータＳＰ間に電流を流すことができる構成を備えている。第１実施例における抵抗部２５の抵抗値は既知の固定値である。本実施例では、各抵抗部２５の抵抗値はすべて同じ値であるが、必ずしも同じ値である必要はなく、少なくとも一部の抵抗部２５の抵抗値が他の抵抗部２５の抵抗値と異なる構成であってもよい。電圧計２６は、各セパレータＳＰの間に跨ってそれぞれ配置され、隣り合うセパレータＳＰ間の電位差を検出することができる構成を備えている。

Ａ−３．燃料電池システムの制御：
図３は、第１実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。抵抗部２５の溶断温度Ｔｍ（℃）を用いて、抵抗部２５が溶断温度Ｔｍまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）が算出される（ステップＳ１２０）。抵抗部２５の溶断温度Ｔｍは、抵抗部２５の材質などの仕様に応じて予め設定することができる。

抵抗部２５が溶断温度Ｔｍまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）は、下記の式（１）を用いて算出することができる。式（１）において、ΔＴは、溶断温度Ｔｍと初期温度Ｔａとの温度差（℃）であり、Ｃｒは、抵抗部２５の比熱（Ｊ／（ｋｇ・℃））であり、Ｗｒは、抵抗部２５の重量（ｇ）である。
Ｑ＝ΔＴ×Ｃｒ×Ｗｒ×１／１０００ ・・・（１）

必要熱量Ｑが算出されると、燃料電池２２の制御の際に、抵抗部２５の溶断を抑制するために用いられる電圧の閾値Ｖ１およびＶ２が設定される（ステップＳ１３０）。抵抗部２５の溶断は、負電圧での発電時（セル電圧が０（ゼロ）Ｖ未満での発電時）と通常発電時（セル電圧が０Ｖ以上での発電時）との両方において発生する可能性がある。

電圧の閾値Ｖ１は負電圧発電時における閾値であり、閾値Ｖ２は通常発電時における閾値である。本実施例における燃料電池２２の電圧値は、抵抗部２５の温度に相関する指標値であると共に、抵抗部２５の温度に影響を与える燃料電池２２の制御パラメータである。

セル２１のセル電圧が０Ｖ未満である負電圧発電時における閾値Ｖ１の設定の際には、まず、下記の式（２）を用いて原閾値Ｖ１ｏを算出する。式（２）において、Ｒは抵抗部２５の抵抗値であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｖ１ｏは、抵抗部２５の温度が抵抗部２５の溶断温度Ｔｍと等しくなる際のセル２１の電圧である。従って、セル２１の電圧が原閾値Ｖ１ｏより大きくなるように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の温度は抵抗部２５の溶断温度Ｔｍより小さくなる。
Ｖ１ｏ＝−（Ｒ×Ｑ）^0.5 ・・・（２）

閾値Ｖ１は、原閾値Ｖ１ｏに安全係数を加味して、原閾値Ｖ１ｏより大きい値として設定される。閾値Ｖ１は、セル２１毎に、当該セル２１に接続されている抵抗部２５の抵抗値に基づき設定される。セル２１のセル電圧が閾値Ｖ１より大きくなるように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の溶断を抑制できる。

また、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上である通常発電時における閾値Ｖ２の設定の際には、まず、下記の式（３）を用いて原閾値Ｖ２ｏを算出する。式（３）において、Ｒは抵抗部２５の抵抗値であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｖ２ｏは、抵抗部２５の温度が抵抗部２５の溶断温度Ｔｍと等しくなる際のセル２１の電圧である。従って、セル２１の電圧が原閾値Ｖ２ｏより小さくなるように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の温度は抵抗部２５の溶断温度Ｔｍより小さくなる。
Ｖ２ｏ＝（Ｒ×Ｑ）^0.5 ・・・（３）

閾値Ｖ２は、原閾値Ｖ２ｏに安全係数を加味して、原閾値Ｖ２ｏより小さい値として設定される。閾値Ｖ２は、セル２１毎に、当該セル２１に接続されている抵抗部２５の抵抗値に基づき設定される。セル２１のセル電圧が閾値Ｖ２より大きくならないように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の溶断を抑制できる。

閾値Ｖ１，Ｖ２の設定が完了すると、制御部７０による燃料電池２２の運転制御が行われる（ステップＳ１４０）。図４は、第１実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。制御部７０は、燃料電池システム２０の各部を制御して燃料電池２２の発電を行い（ステップＳ２１０）、所定のタイミングで電圧計２６により測定された各セル２１の電圧値を取得する（ステップＳ２２０）。このとき、制御部７０は、抵抗部２５の温度に相関する温度指標値としての電圧値を取得する指標値取得部として機能する。電圧測定のタイミングは、所定時間経過毎であってもよいし、所定時間発電した毎であってもよい。

制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ未満であり（ステップＳ２３０：ＮＯ）、かつ、セル電圧がセル２１毎に設定された閾値Ｖ１以上である場合には（ステップＳ２４０：ＮＯ）、抵抗部２５の溶断の恐れが無いとして、発電を継続する（ステップＳ２１０）。一方、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ未満であり、かつ、セル電圧が閾値Ｖ１より小さい場合には（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、セル電圧の絶対値が大きくなることから抵抗部２５の溶断の恐れがあるため、燃料電池２２の電圧を上昇させる制御を実行する（ステップＳ２５０）。具体的には、制御部７０は、例えば、負荷（電流）を下げたり、水素ガス循環系の循環量を増加したり、エアストイキ比を増加させたり、加湿量を増加したりする制御を行う。これにより、各セル２１のセル電圧が閾値Ｖ１以上となり、抵抗部２５の溶断が回避される。

また、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上であり（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、かつ、セル電圧がセル２１毎に設定された閾値Ｖ２以下である場合には（ステップＳ２６０：ＮＯ）、抵抗部２５の溶断の恐れが無いとして、発電を継続する（ステップＳ２１０）。一方、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上であり、かつ、セル電圧が閾値Ｖ２より大きい場合には（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、抵抗部２５の溶断の恐れがあるため、燃料電池２２の電圧を下降させる制御を実行する（ステップＳ２７０）。具体的には、制御部７０は、例えば、発電を行って二次電池３０を充電したり、エアストイキ比を減少させたりする制御を行う。これにより、各セル２１のセル電圧が閾値Ｖ２以下となり、抵抗部２５の溶断が回避される。

すなわち、本実施例の燃料電池システム２０では、セル２１のセル電圧を用いた判定（ステップＳ２４０およびＳ２６０）において抵抗部２５の溶断の恐れがあると判定された場合には、燃料電池２２の電圧の絶対値を低下させる制御が実行される（ステップＳ２５０およびＳ２７０）。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム２０によれば、制御部７０による燃料電池２２の運転制御の際に、各セル２１の電圧値が取得され、取得された電圧値が閾値Ｖ１，Ｖ２により規定される所定の範囲内になるように燃料電池２２の電圧制御が行われるため、抵抗部による不具合の発生を効率的に抑制することができる。具体的には、セル２１の電圧は、抵抗部２５の電流に相関するため、抵抗部２５の温度に相関する。また、電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２は、抵抗部２５の温度が抵抗部２５の溶断温度Ｔｍより小さくなるような電圧の範囲を規定するように設定される。これにより、本実施例の燃料電池システム２０では、抵抗部２５への電流を制御するためのスイッチなどを新たに設けることなく、抵抗部の溶断などの不具合の発生を効率的に抑制することができる。

本実施例の燃料電池システム２０では、電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２がセル２１毎に設定され、電圧の測定値と閾値Ｖ１，Ｖ２との判定もセル２１毎に実行されるため、すべてのセル２１に一律の閾値を設定して電圧制御を行う場合と比較して、燃料電池２２の電圧の許容範囲を広くとることができ、同様にドライバビリティの低下を抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、燃料電池２２の電圧を制御することにより、抵抗部２５の溶断を抑制する燃料電池システム２０について説明したが、第２実施例では、燃料電池２２の電圧ではなく、抵抗部２５の抵抗値を制御することにより抵抗部２５の溶断を抑制する燃料電池システム２０について説明する。第２実施例における燃料電池システム２０は、抵抗部２５が可変抵抗となっていること、および、制御部７０が抵抗部２５の抵抗値を制御する点が第１実施例と異なるが、それ以外の機能や構成については、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。

Ｂ−１．セルの構成：
図５は、第２実施例における燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。各セパレータＳＰの間に跨ってそれぞれ配置される抵抗部２５の抵抗値が可変である点が第１実施例の図２と異なるが、それ以外の点は第１実施例の図２と同様である。

Ｂ−２．燃料電池システムの制御：
図６は、第２実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。第１実施例と同様に、式（１）を用いて、抵抗部２５が溶断温度Ｔｍまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）が算出される（ステップＳ３２０）。

必要熱量Ｑが算出されると、燃料電池２２の制御の際に、抵抗部２５の溶断を抑制するために用いられる抵抗部２５の抵抗値の閾値Ｒ１が設定される（ステップＳ３３０）。閾値Ｒ１の設定の際には、下記の式（４）を用いて原閾値Ｒ１ｏを算出する。式（４）において、Ｖはセル２１の電圧値であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｒ１ｏは、抵抗部２５の温度が抵抗部２５の溶断温度Ｔｍと等しくなる際の抵抗部２５の抵抗値である。従って、抵抗部２５の抵抗値が原閾値Ｒ１ｏより大きくなるように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の温度は抵抗部２５の溶断温度Ｔｍより小さくなる。
Ｒ１ｏ＝Ｖ²／Ｑ・・・（４）

閾値Ｒ１は、原閾値Ｒ１ｏに安全係数を加味して、原閾値Ｒ１ｏより大きい値として設定される。閾値Ｒ１は、セル２１毎に設定される。抵抗部２５の抵抗値が閾値Ｒ１より小さくならないように燃料電池２２の制御を行えば、抵抗部２５の溶断を抑制できる。

閾値Ｒ１の設定が完了すると、制御部７０による燃料電池２２の運転制御が行われる（ステップＳ３４０）。図７は、第２実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。第１実施例と同様に、制御部７０は、燃料電池システム２０の各部を制御して燃料電池２２の発電を行い（ステップＳ４１０）、所定のタイミングで電圧計２６により測定された各セル２１の電圧値を取得する（ステップＳ４２０）。本実施例では、燃料電池２２は、ステップＳ４１０において発電をおこなう態様で説明しているが、本発明は燃料電池２２が無負荷時の場合においても適用することができる。すなわち、燃料電池２２が無負荷時において（ステップＳ４１０）、所定のタイミングで電圧計２６により測定された各セル２１の電圧値を取得し（ステップＳ４２０）、その後以下の制御を行う態様であってもよい。

制御部７０は、セル２１のセル電圧が０．８５Ｖより小さい場合には（ステップＳ４３０：ＮＯ）、電極に含まれる白金が溶出するなど燃料電池システムの構成部材に不具合が生じる恐れが無いとして、発電を継続する（ステップＳ４１０）。一方、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０．８５Ｖ以上である場合には（ステップＳ４３０：ＹＥＳ）、燃料電池システムの構成部材に不具合が生じる恐れがあるため、抵抗部２５の抵抗値を下降させる制御を実行する（ステップＳ４４０）。これにより、電極に含まれる白金の溶出など、燃料電池システムの不具合の発生を抑制することができる。

ステップＳ４４０において、抵抗部２５の抵抗値を下降させたときに、制御部７０は、抵抗値を取得し、取得した抵抗値が閾値Ｒ１より大きい場合には（ステップＳ４５０：ＹＥＳ）、抵抗部２５の溶断の恐れが無いとして、発電を継続する（ステップＳ４１０）。一方、制御部７０は、取得した抵抗値が閾値Ｒ１より大きくない場合には（ステップＳ４５０：ＮＯ）、抵抗部２５の抵抗値を閾値Ｒ１以上とした状態で抵抗値の制御を終了する（ステップＳ４６０）。第２実施例では、制御部７０は、抵抗部２５の温度に相関する温度指標値としての抵抗値を取得する指標値取得部として機能する。

本実施例の燃料電池システム２０では、抵抗部２５の抵抗値を所定の範囲（閾値Ｒ１以上）に維持しつつ、セル２１のセル電圧が所定値（０．８５Ｖ）以上の場合には、抵抗値を降下させる制御が実行される。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム２０によれば、制御部７０による燃料電池２２の運転制御の際に、セル２１の電圧値が所定（例えば、０．８５Ｖ）以上となった場合には、抵抗部２５の抵抗値を所定の範囲内（例えば、閾値Ｒ１以上）において、抵抗値を下降させる制御を行うため、燃料電池システムの不具合の発生を抑制することができる。具体的には、抵抗部２５の抵抗値は、抵抗部２５の電流に相関するため、抵抗部２５の温度に相関する。そのため、抵抗部２５の抵抗値を閾値Ｒ１以上となるように制御することにより、抵抗部の溶断などの不具合の発生を効率的に抑制することができる。すなわち、抵抗部２５への電流を制御するためのスイッチなどを新たに設けることなく、溶断などの不具合の発生を抑制することができる。一方、抵抗部２５の抵抗値は、セル２１の電圧値とも相関する。そのため、セル２１の電圧値が所定の値（例えば、０．８５Ｖ）以上となった場合には、抵抗部２５の抵抗値を閾値Ｒ１以上となるように制御しつつ、抵抗値を下降させることにより、セル２１の電圧値を低下させることができる。これにより、燃料電池システムの不具合の発生を抑制することができる。燃料電池システムの不具合とは、例えば、各セル２１の電圧値が高くなることにより生じる白金の溶出などである。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、第２実施例における燃料電池システム２０に、さらに、抵抗部２５を冷却するための冷却部を備えた燃料電池システム２０について説明する。第３実施例における燃料電池システム２０は、冷却部を備えていること、および、制御部７０による燃料電池システムの制御方法の一部が第２実施例と異なるが、それ以外の機能や構成については、第２実施例と同様であるため、ここでは、第２実施例と異なる点について説明する。

Ｃ−１．燃料電池システムの構成：
図８は、本発明の第３実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。本実施例における電気自動車１０は、抵抗部２５を冷却するための冷却部８０を備えている点以外は、第１実施例や第２実施例で示した構成（図１）と同様であるため、冷却部８０以外の構成についての説明は省略する。

冷却部８０は、冷媒循環ポンプ８１と、冷媒循環流路８２と、ラジエータ８３と、水温センサ８４と、を備えている。冷媒循環ポンプ８１は、冷媒循環流路８２を介して、抵抗部２５に冷媒を供給する。抵抗部２５で暖められた冷媒は、ラジエータ８３で冷却され、再び抵抗部２５に供給される。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などを用いることができる。水温センサ８４は、冷媒循環流路８２における冷媒の水温を検出する。本実施例では、冷却部８０は、冷媒として液体を用いているが、冷媒として空気を用いる構成であってもよい。

Ｃ−２．燃料電池システムの制御：
第３実施例における燃料電池システム２０の制御は、第２実施例と比較して、制御部７０による燃料電池２２の運転制御（図６、ステップＳ３４０）のみが異なる。これ以外の制御については第２実施例と同様であるため説明を省略する。

図９は、第３実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。ステップ４１０〜ステップＳ４５０までは、第２実施例（図７）と同様の制御である。本実施例では、ステップＳ４５０において、抵抗部２５の抵抗値が閾値Ｒ１より大きくない場合に（ステップＳ４５０：ＮＯ）、制御部７０は、冷却部８０を制御して、抵抗部２５の冷却をおこなう（ステップＳ４７０）。制御部７０は、抵抗部２５の冷却をおこなった後、所定のタイミングで再度、電圧計２６により測定された各セル２１の電圧値を取得する（ステップＳ４２０）。制御部７０は、セル２１のセル電圧が０．８５Ｖ以上である場合には（ステップＳ４３０：ＹＥＳ）、抵抗部２５の抵抗値を再度、下降させる制御を実行する（ステップＳ４４０）。すなわち、制御部７０は、抵抗部２５を冷却しつつ、抵抗部２５の抵抗値が閾値Ｒ１以下となるように抵抗値を下降させる。

第３実施例の燃料電池システム２０によれば、制御部７０による燃料電池２２の運転制御の際に、抵抗部２５の抵抗値が所定の範囲（例えば、閾値Ｒ１以上）の下限値であり、かつ、セル２１の電圧値が所定（例えば、０．８５Ｖ）以上となった場合には、冷却部８０を制御して抵抗部２５を冷却しつつ、抵抗部２５の抵抗値をさらに下降させる制御を行うため、燃料電池システムの不具合の発生を抑制することができる。具体的には、抵抗部２５の抵抗値を閾値Ｒ１以下となるように制御すると、抵抗部２５の温度が溶断温度Ｔｍ以上となる虞がある。しかし、抵抗部２５を冷却部８０により冷却することで抵抗部２５の温度を溶断温度Ｔｍ以下に低下させることができるため、抵抗部２５の溶断を抑制することができる。一方、抵抗部２５の抵抗値を閾値Ｒ１以下に下降させることにより、セル２１の電圧値を低下させることができる。これにより、セル２１の電圧値が高くなることにより生じる燃料電池システムの不具合の発生をより抑制することができる。ここで、下限値は、必ずしも正確に所定の範囲の下限（閾値Ｒ１）である必要はない。下限値は、冷却部８０による冷却を開始するための条件となる値であり、閾値Ｒ１以上の値であれば任意の値でよい。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
図１０は、変形例における燃料電池２２の外観構成を例示した説明図である。上記実施例では、抵抗部２５を格納する場所については、特に限定していないが、抵抗部２５をセル２１に設けられた開口部Ｍｒの内側に配置する構成としても良い。具体的には、セル２１を構成するセパレータや、セル２１の積層体を両側から挟持するエンドプレートＥＰにそれぞれ開口部Ｍｒを形成し、セル２１およびエンドプレートＥＰを積層することでそれぞれの開口部Ｍｒが連通して形成されるマニホールドの内部に抵抗部２５を配置する構成としても良い。これにより、燃料電池２２の外部からの衝撃等から抵抗部２５を保護することができる。また、第３実施例においては、このマニホールドを利用して冷却した空気や冷却水などを流通させることができる。

Ｄ２．変形例２：
上記各実施例では、抵抗部２５の温度に相関する温度指標値として、セル２１の電圧や抵抗部２５の抵抗値が取得されるとしているが、温度指標値として例えば電流値といった他の指標値が取得されるとしてもよい。また、上記各実施例では、抵抗部２５の温度に影響を与える制御パラメータとしての燃料電池２２の電圧や抵抗値についての制御が行われるとしているが、制御パラメータとして例えば電流といった他の制御パラメータが用いられるとしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記各実施例では、抵抗部２５の抵抗値は、予め設定された値として説明しているが、抵抗値をセル２１の電流や電圧から算出する構成であっても良い。こうすることで、経年等により抵抗部２５の抵抗値が変化しても、制御部７０は、正確な抵抗値を用いて燃料電池２２の制御を行うことができる。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、抵抗部２５の溶断温度Ｔｍが設定され、比重や重量といった抵抗部２５の仕様に基づき、抵抗部２５が溶断温度Ｔｍまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）が算出されるとしているが、必要熱量Ｑは実験により予め設定される構成としてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上記各実施例では、燃料電池システム２０を有する電気自動車１０を例に用いて説明したが、本発明は、電気自動車１０用に限らず他の用途の燃料電池システム２０に適用可能である。また、上記各実施例における電気自動車１０や燃料電池システム２０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。

１０…電気自動車
２０…燃料電池システム
２１…セル
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…抵抗部
２６…電圧計
２８…エアフロメータ
３０…二次電池
３３…駆動モータ
３５…インバータ
３９…車両駆動軸
６０…水素ガス供給路
６１…減圧弁
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６６…開閉弁
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
８０…冷却部
８１…冷媒循環ポンプ
８２…冷媒循環流路
８３…ラジエータ
８４…水温センサ

Claims (12)

1. 電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   各前記セルにそれぞれ接続される抵抗部と、
   前記抵抗部の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、
   前記温度指標値が、前記抵抗部の温度が前記抵抗部の溶断温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記抵抗部の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行う制御部と、を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御パラメータは、前記燃料電池の電圧値である、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外である場合には、前記燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行う、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
   前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ未満である場合には、前記燃料電池の電圧を上昇させる制御を行う、燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
   前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ以上である場合には、前記燃料電池の電圧を下降させる制御を行う、燃料電池システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記抵抗部の抵抗値と、前記抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて前記温度指標値の前記所定の範囲を設定する、燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記抵抗部の抵抗値は可変であり、
   前記制御パラメータは、前記抵抗部の抵抗値である、燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度指標値は前記抵抗部の抵抗値であり、
   前記制御部は、前記セルの電圧値が所定値以上の場合には、前記抵抗部の抵抗値を下降させる制御を行う、燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記抵抗部を冷却するための冷却部を備え、
   前記制御部は、前記抵抗部の抵抗値が前記所定の範囲の下限値であって、かつ、前記セルの電圧値が所定値以上の場合には、前記冷却部を制御して前記抵抗部を冷却しつつ、前記抵抗部の抵抗値を下降させる制御をおこなう、燃料電池システム。
10. 請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記セルの電圧値と、前記抵抗部を溶断するために必要な熱量に基づいて前記温度指標値の前記所定の範囲を設定する、燃料電池システム。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記セルは開口部を備えた略板形状を有し、
    前記抵抗部は、前記開口部の内側に配置されている、燃料電池システム。
12. 電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池の制御方法であって、
    （ａ）前記セルにそれぞれ接続される抵抗部の温度に相関する温度指標値を取得する工程と、
    （ｂ）前記温度指標値が、前記抵抗部の温度が前記抵抗部の溶断温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記抵抗部の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行う工程と、を備える、燃料電池の制御方法。

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