JP4806891B2

JP4806891B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4806891B2
Application number: JP2003396779A
Authority: JP
Inventors: 育宏谷口; 眞一牧野; 弘正酒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005158557A

Description

本発明は、炭素を担体とした電極触媒を有する燃料電池の起動や停止を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位であるセルは、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）と、燃料極側に燃料ガスとしての水素を供給するセパレータと、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するセパレータとを備えて構成されている。これらの電極触媒層は、通常白金等の触媒と、触媒担体としての炭素が使用されている（例えば特許文献１）。

固体高分子型燃料電池において、アノードに水素ガスが、カソードに空気（又は酸素）が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

（化１）
アノード（水素極）：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ →Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料電池の電解質膜には反応触媒としてプラチナ微粒子などが塗られる。プラチナは高価であるため、一般的には炭素を担体として炭素の表面に塗られる。
特開２００２−３７３６７４号公報（第５頁、図１）

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池の電解質膜にあっては、燃料電池システムの停止時、放置時、或いは起動時に、カソードで電解質膜上の炭素と水が反応して炭素被毒が起こり、電解質膜及び電極触媒が劣化するという問題点があった。

この現象を図１を参照して、さらに詳しく説明する。図１（ａ）は、燃料電池の起動／停止時のセル内の様子を説明する模式図である。図１（ｂ）の左側は、起動／停止時に炭素被毒が発生する条件を説明する表である。

燃料電池システムの運転停止時に、カソードとアノードにそれぞれ酸素と水素が残った状態で負荷の接続を切り離して放置したとき、また、起動時にアノードに水素を供給し始めたときには、アノードは水素と酸素が混在した状態となる。

このとき、アノードからカソードへプロトン（Ｈ⁺ ）が移動し、移動したプロトンとカソードの酸素が反応して水が生成される。この反応では電子（ｅ^- ）が必要とされるが、負荷が接続されていないため負荷電流は停止し、アノードからカソードへ電子が負荷を通じて移動できない。そのため、カソードに存在する水と電解質膜上の触媒担持炭素とが反応して、二酸化炭素とプロトンと電子が生成する。こうして生成された電子がカソード水生成反応に使われる。このとき電解質膜上の炭素が奪われて、電解質膜が劣化する。

アノードでは水素が存在する領域と空気が存在する領域とが混在している。アノードの水素が存在する領域では、水素が解離してプロトンと電子が生じる。アノードの空気が存在する領域では、酸素と、カソードから移動したプロトンと、水素のプロトン化で生じた電子とが反応して水が生成される。

燃料電池の開放端電圧が高いと電子の移動が起こりすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜の炭素被毒が激しくなる。

以上を纏めると、燃料電池の停止時及び停止後の放置時には、カソードに空気（酸素）が残っていること、アノードに水素が残っていて外部から空気（酸素）が流入してくること、電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。

また、燃料電池の起動時には、カソードに空気（酸素）が外部から入ってきていること、アノードに水素供給が開始され、空気（酸素）と水素とが混ざっていること、アノードに水素が満たされるまで電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。

電解質膜の触媒担持炭素の被毒は、燃料電池出力のＩ−Ｖ特性に影響を及ぼす。即ち同一出力電流を取り出したときに炭素被毒したものは被毒しないものより出力電圧が低下し、大きな発電電力を得ることができなくなる。

本発明は上記問題点に鑑み、燃料電池の起動時や停止時に、燃料電池の電圧が設定電圧に安定するように、設定電圧と実電圧との差に基づいて、取出電力をフィードバック制御することによって、電圧上昇によるカソード側の電解質膜触媒の炭素腐食、電力取り出し過ぎで電圧降下しすぎることによるアノード側の電解質膜触媒の炭素腐食を緩和させることができ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、上記問題点を解決するため、アノードに供給された水素とカソードに供給された空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の起動時あるいは停止時に、前記カソードの空気供給を停止した状態で前記アノードに水素供給しながら燃料電池から電力を取り出すように制御するとともに、取り出し電力の目標値である目標取出電力値を演算するカソード酸素消費制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記カソード酸素消費制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に応じて前記目標取出電力値を演算する電圧フィードバック制御部を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の起動時あるいは停止時に、カソードへの空気供給を停止した状態でアノードに水素供給を行って燃料電池から電力を取り出すように制御するカソード酸素消費制御手段に、燃料電池の出力電圧に応じて目標取出電力を演算する電圧フィードバック制御部を設けたので、出力電圧が上昇した場合には取出電力が大きくなるように演算され、電圧上昇による電子の移動でカソード側の電解質膜触媒の炭素と水の化学反応が生じて触媒の炭素腐食が起こるのを抑制することができるという効果がある。

また、電力取り出し過ぎで出力電圧がマイナス側にずれるとアノード側で水素欠乏を起こす。水素がないと、アノード側の触媒の炭素と水の化学反応が生じて、プロトン（Ｈ⁺ ）が生成され、このとき炭素が触媒から奪われる。本発明によれば、電圧が低下した場合には取出電力が小さくなるように演算され、燃料電池電圧の低下を抑制し、アノード側の触媒の劣化を抑制することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。以下に説明する各実施例は、燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示すシステム構成図である。燃料電池（本体）１は、アノード１ａとカソード１ｂとが固体高分子の電解質膜１ｃを挟んで対向して設けられている。

また、燃料電池１内部のアノード１ａ、カソード１ｂとそれぞれ多孔質のセパレータ１ｄ、１ｅを介して、純水極１ｆ、１ｇが設けられている。純水極１ｆ、１ｇには、後述するように加湿用の純水が供給され、多孔質のセパレータ１ｄ、１ｅを介してアノードの水素ガス、カソードの空気をそれぞれ加湿できるようになっている。

燃料電池１のアノード１ａに水素ガスが、カソード１ｂに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

（化２）
アノード（水素極）：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（３）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（４）
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４によりさらに所望の水素圧力まで減圧されて燃料電池のアノード１ａへ供給される。エゼクタ５は、アノード１ａで消費されなかった水素（アノードオフガス）を再循環させるために設置される。

アノード１ａの入口付近に設けられた圧力センサ６ａは、アノード圧力を検出し水素圧力制御部２１へ圧力信号を出力する。水素圧力制御部２１は、圧力センサ６ａが検出した圧力を参照して水素供給弁４を駆動することによってアノード１ａの水素圧力を制御する。アノード１ａの水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。パージ弁７は、燃料電池の停止時に水素圧力制御を成立させるために、水素循環系内の水素を排出するのに使われる。

またパージ弁７は、燃料電池の通常運転時に、水素循環系内の水素分圧を回復するために水素循環系内に蓄積した窒素を排出したり、セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水滴を吹き飛ばすという用途（パージ）にも用いられる。燃焼器８は、パージ弁７により水素循環系から排出される水素を燃焼させる。

カソード１ｂへの空気は、コンプレッサ９により供給される。カソード１ｂの空気圧力は空気圧力制御部２０が圧力センサ６ｂで検出した圧力をフィードバックして空気調圧弁１０を駆動することによって制御される。

純水極１ｆ、１ｇへの純水は純水タンク１２、純水ポンプ１１により供給される。空気圧力、水素圧力、純水圧力は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜やセパレータに機械的な歪みを生じないように３者の圧力を所定の差圧以内に管理される。

燃料電池システム全体を制御するコントローラ３０は、カソード１ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御部２０，アノード１ａの水素圧力を制御する水素圧力制御部２１，及び本発明の特徴である、燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、カソード１ｂの空気供給を停止した状態でアノード１ａに水素供給しながら燃料電池１から電力を取り出すように制御するとともに取り出し電力の目標値である目標取出電力値を演算するカソード酸素消費制御部（カソード酸素消費制御手段）２２を備えている。

電圧センサ（電圧検出手段）１６は、燃料電池１の電圧を検出して、カソード酸素消費制御部２２入力する。

カソード酸素消費制御部２２は、電圧センサ１６によって検出された電圧値に応じて目標取出電力値を演算する電圧フィードバック制御部２２ａを備えている。

また特に限定されないが本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭとＩ／Ｏインタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

パワーマネージャー１３は、通常発電時に、燃料電池１から電力を取り出して車両を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給するとともに、カソード酸素消費制御時に、カソード酸素消費制御部２２が演算した目標取出電力に応じて燃料電池１から電力を取り出す負荷制御装置である。

カソード酸素消費制御部２２は、燃料電池システムの起動時にコンプレッサ９からカソード１ｂへの空気供給を停止、かつ空気調圧弁１０を閉じておき、アノード１ａへの水素供給のみとし、燃料電池から電力を取り出して、カソードの酸素を消費させるカソード酸素消費制御を行う。

また、カソード酸素消費制御部２２は、電圧フィードバック制御部２２aを有し、電圧センサ１６で計測された燃料電池１の総電圧と目標設定電圧との差をフィードバックして目標取出電力値を演算し、この目標取出電力値をパワーマネージャー１３に指示して、カソード酸素消費制御中の燃料電池１の総電圧を安定化させる。

図３は、電圧センサ１６の計測電圧(全セルの総電圧)に基づいた目標取出電力値の演算方法を説明する制御ブロック図である。

図３（ａ）は、計測電圧に応じて目標取出電力値を制御する場合の例であり、計測電圧Ｖの二乗を演算する乗算器１０１と、乗算器１０１の出力を１／Ｒ倍する定数乗算器（比例回路）１０２とを備え、式（５）の関係から目標取出電力値を演算する。

（数１）
電力Ｐ＝（電圧Ｖ）² ÷（抵抗Ｒ） …（５）
ここで、Ｒは仮想抵抗であり、目標取出電力値Ｐと計測電圧Ｖの関係に基づいて設定しておく。計測電圧Ｖが高いほど目標取出電力値Ｐが大きくなり燃料電池電圧の上昇を抑制でき、また、計測電圧Ｖが低いほど目標取出電力値Ｐが小さくなり、燃料電池電圧の低下を抑制できる。

図３（ｂ）は、目標設定電圧Ｖｔと計測電圧Ｖとの差をＰＩでフィードバックして、目標取出電力値を制御する例であり、目標設定電圧と計測電圧との差を演算する減算器１１１と、減算器１１１の出力でＰＩ制御を行うＰＩ制御器１１２を備えている。

燃料電池の電圧が高くなると電子の移動が起こり易くなり、電解質膜の触媒の炭素腐食反応が促進されるため、目標設定電圧を低い電圧値（単セルで０．２Ｖ相当）に設定しておく。ＰＩフィードバックにより、電圧を目標設定電圧に安定して追従させることができる。

図３（ｃ）では、図３（ｂ）の方法に対して目標取出電力値を水素流量に応じてフィードフォワードで補正する例を示す。このため、図３（ｂ）の構成に対して、水素流量ＱH から取出電力に変換する定数乗算器１２３と、ＰＩ制御器１２２の出力と定数乗算器１２３の出力とを換算する加算器１２４が追加されている。

水素流量が大きくなると燃料電池電圧が上昇するため目標取出電力値を大きくし、水素流量が小さくなると燃料電池電圧が低下するため目標取出電力値を小さくする。これにより水素流量が可変になった場合にも対処可能である。水素流量は水素流量センサを追加して、これによって検出してもよいが、水素圧力センサ６ａの圧力値によって推定することもできる。

図４は、本実施例の電圧フィードバック制御による各パラメータのタイムチャートを示し、（ａ）水素供給量、（ｂ）燃料電池電圧、（ｃ）取出電力、（ｄ）カソード酸素量である。

コンプレッサ９を停止、空気調圧弁１０を閉止したカソード１ｂに空気を供給しない状態で、水素タンク元弁３及びパージ弁７を開いて、水素供給弁４から圧力調整した水素をアノード１ａに供給開始されると、カソード１ｂを含む空気系内に残留した酸素と、アノード１ａに供給された水素により燃料電池１の電圧（セル電圧の合計値である総電圧）が立ち上がってくる。

この燃料電池電１の圧は、電圧センサ１６で検出され、計測電圧（電圧検出値）が電圧フィードバック制御部２２ａへ入力される。電圧フィードバックによって燃料電池１から取り出す目標取出電力値が制御され、パワーマネージャー１３は、この目標取出電力に応じて燃料電池１から電力を取り出す。これにより、燃料電池１の電圧は、目標設定電圧に追従して劣化防止電圧の範囲内に維持される。起動時間短縮のために、水素流量を途中で増量した場合にも、目標取出電力値が水素流量に応じてフィードフォワードで補正されて増大され、燃料電池電圧が目標設定電圧に安定化される。

図５は、本実施例における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。まず、ステップＳ１０で、水素タンク元弁３が開かれるとともに水素供給弁４に供給圧力が指定されて、燃料電池１のアノード１ａへ所定圧力の水素供給が開始される。このとき水素系に入り込んでいる空気を排出して水素置換をするため、パージ弁７を開いて、希釈ブロア１５を作動させる。

次いで、ステップＳ１２で、電圧センサ１６のより燃料電池１の総電圧が検出され電圧フィードバック制御部２２ａへ入力される。ステップＳ１４では、電圧フィードバック制御部２２ａにより、総電圧に基づいて燃料電池１から取り出すべき目標取出電力値が演算される。ステップＳ１６で、電圧フィードバック制御部２２ａから目標取出電力値をパワーマネージャー１３に指示して、パワーマネージャー１３が燃料電池１から電力を取り出す。

ステップＳ１８で、カソード１ｂの酸素消費が終了したかどうか判断される。例えば、電力取出を実行開始してからの経過時間、あるいは電力取出時の計測電流値を積分した電流積算値から酸素消費量を演算して、カソードの酸素消費が終了したか否かを判断する。

カソード酸素消費が終了したと判断されないときには、ステップＳ１２へ戻り、カソードの酸素消費が終了したと判断されるまでは、ステップＳ１２からステップＳ１８を繰り返す。

ステップＳ１８で、カソードの酸素消費が終了したと判断されると、ステップＳ２０へ進み、カソード酸素消費のための電力取出を終了するように、パワーマネージャー１３に指示する。

次いで、ステップＳ２２で、アノード１ａの水素置換が終了した否かを判断する。例えば、ステップＳ１０で水素供給開始してからの経過時間が所定時間を超えたときに、アノードの水素置換が終了したと判断する。アノードの水素置換が終了するまでは、ステップＳ２２でセルフループして水素置換を続ける。

アノードの水素置換が終了すると、ステップＳ２４で、コンプレッサ９と空気調圧弁１０を駆動して、カソード１ｂへ空気供給を開始し、最後にステップＳ２６で、通常発電を開始して、起動時の制御を終了する。

以上説明した実施例１によれば、燃料電池へ水素と空気を供給して発電する燃料電池システムにおいて、起動あるいは停止時には、空気供給を停止し水素供給のみとし、カソードの酸素を発電消費させるときに、燃料電池の実電圧に応じて目標取出電力値を演算する電圧フィードバック制御部を設けた。

したがって、電圧が上昇した場合には目標取出電力値が大きくなるように演算され、電圧上昇による電子の移動でカソード側の電解質膜触媒の炭素と水の化学反応が生じて触媒の炭素腐食が起こるのを抑制することができる。

また、電力取り出し過ぎで電圧がマイナス側にずれるとアノード側で水素欠乏を起こす。水素がないと、アノード側の触媒の炭素と水の化学反応が生じて、プロトンＨ+が生成され、このとき炭素が触媒から奪われる。本発明によれば、電圧が低下した場合には目標取出電力値が小さくなるように演算され、電圧低下を抑制し、アノード側の触媒の劣化を抑制することができる。

また実施例１によれば、起動あるいは停止時にカソードの酸素を発電消費させるときに、燃料電池の実電圧と目標設定電圧との差に基づいて目標取出電力値を演算する電圧フィードバック制御部を設けた。

したがって、燃料電池の実電圧と目標設定電圧の誤差がゼロに近づくように目標取出電力値が演算され、実電圧が目標設定電圧に安定するようになり、電圧上昇によるカソード側電解質膜の触媒の炭素腐食が抑制され、電力取り出し過ぎで電圧がマイナス側にずれることによる水素欠乏でのアノード側触媒の炭素腐食を抑制させることができる。

また、実施例１によれば、起動あるいは停止時にカソードの酸素を発電消費させるときに、燃料電池の実電圧と設定電圧との差に基づいて目標取出電力値を演算し、供給水素流量に応じて該目標取出電力値を補正する。

例えば起動時間短縮のために、水素流量を途中で増量した場合などには、水素が電解質膜へ多量に流れるので燃料電池電圧が上昇し易くなるが、目標取出電力値が大きくなるように補正する。本実施例によれば、水素流量が変化した場合でも、水素流量に応じて目標取出電力値が調整され、電圧が目標設定電圧に安定化される。

さらに、実施例１によれば、燃料電池の総電圧を検出し、総電圧が所定値になるように、該総電圧に応じて燃料電池の目標取出電力値を制御するようにした。したがって、各セルの平均電圧が所定の電圧値に制御され、おおよそ全セルの電圧が所定の電圧値の近傍に制御され、電解質膜の触媒の炭素腐食による劣化を軽減することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。図６は、実施例２の構成を説明するシステム構成図である。図２に示した実施例１の構成に対して、アノード１ａの出口付近にアノード水素温度を検出するサーミスタなどを用いた温度センサ１７が追加されている。温度センサ１７の検出信号は、電圧フィードバック制御部２２ａへ入力されている。その他の構成は、図２に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

電圧フィードバック制御部２２ａは、電圧センサ１６で計測された燃料電池１の総電圧と目標設定電圧との差をフィードバックして目標取出電力値を制御し、燃料電池１の総電圧を安定化させるが、温度センサ１７によって検出された水素温度と、圧力センサ６ａによって検出された水素圧力に応じて目標取出電力値を補正する。

図７は、本実施例２における目標取出電力値の演算方法を説明する制御ブロック図である。図１において、減算器１３１により、燃料電池の計測電圧Ｖから目標設定電圧Ｖｔを減算して、電圧偏差を求める。この電圧偏差をＰＩ制御器１３２へ入力して、ＰＩ制御により目標取出電力値を算出する。ＰＩ制御器１３２の出力は、加算器１５３で水素圧力補正し、さらに加算器１３６で水素温度により補正して、最終的にパワーマネージャー１３へ出力する目標取出電力値となる。

本実施例では、目標取出電力値を水素圧力と水素温度に応じてフィードフォワードで補正する。水素圧力が大きくなると燃料電池のＩ−Ｖ特性が上がり電圧が上昇しやすくなるため、目標取出電力値を大きくする。また、水素温度が上昇しても燃料電池のＩ−Ｖ特性が上がり電圧が上昇しやすくなるため、目標取出電力値を大きくする。

以上説明した実施例２によれば、燃料電池の目標取出電力値を供給水素圧力に応じて補正するようにした。水素圧力が上昇すると、燃料電池のＩ−Ｖ特性が上がり電圧が上昇しやすくなるが、目標取出電力値が大きくなるように補正することによって電圧の上昇を防止することができる。

また実施例２によれば、燃料電池の目標取出電力値を供給水素温度に応じて補正するようにした。水素温度が上昇すると、燃料電池のＩ−Ｖ特性が上がり電圧が上昇しやすくなるが、目標取出電力値が大きくなるように補正することによって電圧の上昇を防止することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３のシステム構成は、図２に示した実施例１のシステム構成と同様である。ただし、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ１６は、燃料電池１の各セル毎のセル電圧を検出する点が実施例１と異なっている。

図８、図９は、本実施例における電圧センサ１６のセル電圧計測値に基づいた目標取出電力値の演算方法を説明する制御ブロック図である。

図８は、電圧センサ１６が検出した各セルの電圧値の最高値が劣化防止電圧閾値を超えないように制御する場合の例である。電圧センサ１６が検出した各セル毎のセル電圧の計測値（Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖｎ）からセレクトハイ部１４１により、セル電圧の最高電圧Ｖmax が選択される。次いで、予め記憶した制御マップ１４２の検索又は計算式により、最高電圧Ｖmax に対応する単セル当たりの目標設定電圧を求める。定数乗算器１４３は、単セル当たりの目標設定電圧に、セル数ｎを乗じて、燃料電池全体の目標設定電圧Ｖｔを算出する。減算器１４４は、燃料電池の総電圧の計測電圧Ｖから目標設定電圧Ｖｔを減算して、ＰＩ制御器１４５へ入力する。ＰＩ制御器１４５は、ＰＩ制御により目標取出電力を算出する。

本実施例では、制御マップ１４２の記憶パターンにより、各セル電圧の計測値の最高値が劣化防止電圧閾値(0.4V)に近づくと目標設定電圧を低く設定し、全セルの総電圧を下げるように制御する。

これにより、図１０に示すように、セル電圧の最高値が劣化防止電圧閾値１を超えるような場合であっても、本実施例の制御によって、図１１のようにセル電圧の最高値が劣化防止電圧閾値１を超えないように抑えられる。

図９は、セル電圧の最低値が劣化防止電圧閾値２（＜劣化防止電圧閾値１）を下まわらないように制御する場合の例である。図９において、図８のセレクトハイ部１４１に代えて、セレクトロー部１５１，図８の制御マップ１４２に代えて、制御マップ１５２が用いられている。その他の構成は、図８と同様である。

図９の例では、電圧センサ１６による各セルの計測電圧値の最低値が劣化防止電圧閾値２（０Ｖ）に近づくと目標設定電圧を高く設定し、全セルの総電圧を上げるように制御する。

セル電圧の最高値が劣化防止電圧閾値１を超えそうになったと同時に、セル電圧の最低値が劣化防止電圧閾値２を下まわりそうになった場合には、セル電圧の最高値が劣化防止電圧閾値１を超えない方を優先して、目標設定電圧を下げるように制御する。

図１２は、セル電圧の最低値が劣化防止電圧閾値２を下回るよりも、セル電圧の最高値が劣化防止電圧閾値１を超えない方を優先して目標取出電力値を算出する例を示す制御ブロック図である。

図１２において、セル電圧の計測値（Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖｎ）からセレクトハイ部１６１により、セル電圧の最高電圧Ｖmax が選択され、予め記憶した制御マップ１６２の検索又は計算式により、最高電圧Ｖmax に対応する単セル当たりの目標設定電圧（これを（ａ）とする）を求める。

同様に、セル電圧の計測値（Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖｎ）からセレクトロー部１６３により、セル電圧の最低電圧Ｖmin が選択され、予め記憶した制御マップ１６４の検索又は計算式により、最低電圧Ｖmin に対応する単セル当たりの目標設定電圧（これを（ｂ）とする）を求める。

（ａ）または（ｂ）を選択して出力する切換部１６５は、最高電圧Ｖmax が0.3Vを超えているか、否かを判定し、超えていれば（ａ）を選択して出力し、超えていなければ（ｂ）を選択して出力する。切換部１６５で選択された単セル当たりの目標設定電圧は、定数乗算器１６６によりセル数ｎが乗算され、燃料電池全体の目標設定電圧Ｖｔが算出される。減算器１６７は、燃料電池の総電圧の計測電圧Ｖから目標設定電圧Ｖｔを減算して、ＰＩ制御器１６８へ入力する。ＰＩ制御器１６８は、ＰＩ制御により目標取出電力を算出する。

本実施例においては、セル電圧の最高電圧が劣化防止電圧閾値(0.4V)を超えそうになった（最高電圧が0.3Vを超えた）ときには、目標設定電圧を下げた方の電圧が選択される。本制御によって最高セル電圧が劣化防止電圧閾値を超えないように抑えられる。

図１３は、最高セル電圧が劣化防止電圧閾値を超えないように制御する別の例を示す制御ブロック図である。

図１３において、電圧センサ１６が検出した各セル毎のセル電圧の計測値（Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖｎ）からセル電圧の最高電圧Ｖmax を選択するセレクトハイ部１７１と、劣化防止電圧閾値(0.4V)−0.05Vをセル数倍する定数乗算器１７２と、セレクトハイ部１７１が選択したセル電圧の最高電圧Ｖmax をセル数倍する定数乗算器１７３と、定数乗算器１７３の出力から定数乗算器１７２の出力を減算する減算器１７４と、燃料電池の総電圧を計測した計測電圧Ｖと目標設定電圧Ｖｔの差を計算する減算器１７５、減算器１７４の出力または減算器１７５の出力を選択して出力する切換部１７６と、切換部１７６の出力に基づいて目標取出電力値を演算するＰＩ制御器１７７とが設けられている。

各セルの計測電圧の最高電圧Ｖmax が劣化防止電圧閾値(0.4V)に近づくと、切換部１７６により目標設定電圧と総電圧とのフィードバック制御を、最高電圧値と最高電圧閾値とのフィードバック制御に切り換え、最高セル電圧が劣化防止電圧閾値を超えないように抑える。

以上説明した実施例３によれば、燃料電池の各セル毎の電圧を検出し、各セルの最高電圧が所定値を超えないように、該最高電圧に応じて燃料電池の目標取出電力値を制御するようにした。したがって、各セルの電圧ばらつきが考慮され、すべてのセル電圧が最高電圧を超えないようにすることができ、すべてのセルのカソード側触媒の炭素腐食による劣化を防止することができる。

また、実施例３によれば、燃料電池の各セル毎の電圧を検出し、各セルの最低電圧が第２の所定値を下まわらないように、該最低電圧に応じて燃料電池の目標取出電力値を制御するようにした。したがって、各セルの電圧ばらつきが考慮され、すべてのセル電圧が最低電圧を下まわらないようにすることができ、すべてのセルの水素欠乏によるアノード側の触媒の劣化を防止することができる。

さらに、実施例３によれば、燃料電池の各セル毎の電圧を検出し、各セルの最高電圧が所定値を超えそうで、最低電圧が第２の所定値を下まわりそうなときには、該最高電圧に応じて燃料電池の目標取出電力値を制御するようにした。すなわち、各セルの最高電圧が所定値を超えないことを優先した。

セル電圧が高くなるとカソード側で炭素腐食の化学反応が起こりやすくなる。逆にセル電圧が低くなると、水素欠乏を生じているからアノード側で炭素腐食の化学反応が起こりやすくなる。水素がないと、
（化３）
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …（６）
式（６）の反応によってプロトンＨ⁺ が生成され、このとき炭素Ｃが触媒から奪われる。

燃料電池のＩ−Ｖ特性の低下は、アノード側の触媒腐食による低下よりもカソード側の触媒腐食による低下の方が大きい。酸素は水素よりも質量が重く挙動が遅いため、カソード側の炭素腐食の方が触媒と酸素の反応を悪化させ、Ｉ−Ｖ特性の低下に大きく影響を及ぼす。したがって、各セルの最高電圧が所定値を超えないようにして、カソード側の炭素腐食を抑制することの方が重要であり、本発明によれば、すべてのセル電圧が最高電圧を超えないようにしてカソード側の触媒の炭素腐食を抑制し、燃料電池のＩ−Ｖ特性の低下を防止することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４のシステム構成は、図２に示した実施例１のシステム構成と同様である。ただし、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ１６は、燃料電池１の各セル毎のセル電圧を検出する点が実施例１と異なっている。

図１４は、実施例４における電圧センサ１６の計測電圧に基づいた目標取出電力値の演算方法を示す制御ブロック図である。

図１４において、電圧センサ１６が検出した各セルの計測電圧値（Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖｎ）を加算する加算器１８１，加算器１８１の結果をセル数ｎで除算して平均セル電圧Ｖave を算出する除算器１８２，各セルの計測電圧から平均セル電圧Ｖave の上下所定値以内のセル電圧値を抽出する（これらをＷ1 ，Ｗ2 ，…，Ｗj とする）とともにそのセル数ｊを計数する抽出器１８３、抽出器１８３で抽出した値（Ｗ1 ，Ｗ2 ，…，Ｗj ）からセル電圧の最高電圧Ｖmax を選択するセレクトハイ部１８４と、最高電圧Ｖmax に対応する単セル当たりの目標設定電圧を求める制御マップ１８５と、単セル当たりの目標設定電圧に前記セル数ｊを乗算する乗算器１８６と、平均セル電圧Ｖave の上下所定値以内のセル電圧値の合計電圧値を計算する加算器１８７と、加算器１８７の出力から乗算器１８６の出力を減算する減算器１８８と、減算器１８８の出力に基づいてＰＩ制御により目標取出電力値を演算するＰＩ制御器１８９とを備えている。

加算器１８１及び除算器１８２は、各セル電圧の計測値から平均セル電圧Ｖave を算出する。抽出器１８３は、各セル電圧と平均セル電圧Ｖave との差の絶対値と、所定値とを比較して、平均セル電圧Ｖave より所定値以上高いセル、あるいは所定値以下低いセルを除外した各セル電圧（Ｗ1 ，Ｗ2 ，…，Ｗj ）を求める。そして、Ｗ1 ，Ｗ2 ，…，Ｗj の最高値が劣化防止電圧閾値(0.4V)に近づくと目標設定電圧を低く設定し、全セルの総電圧を下げるように目標取出電力値を変更する。

以上説明した実施例４によれば、燃料電池の各セル毎の電圧を検出し、平均セル電圧より著しく高いあるいは低いセル電圧を除外したなかの最高電圧が第１の所定値を超えないように、あるいは最低電圧が第２の所定値を下まわらないように該最高電圧あるいは最低電圧に応じて燃料電池の目標取出電力値を制御するようにした。

したがって、著しくセル電圧の高いセルあるいは低いセルを不良セルと見なしてこれをを除外してカソード酸素消費時のセル電圧制御を実施することができ、正常なセルの電圧制御に支障をきたさないようにすることができる。

（ａ）起動／停止時の燃料電池の模式図である。（ｂ）起動／停止時の炭素被毒条件とその解決手段を示す表である。本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。（ａ）実施例１における算出式Ｐ＝Ｖ² ／Ｒによる目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。（ｂ）実施例１における計測電圧と目標設定電圧との差をＰＩ制御により目標取出電力にフィードバックする演算例を示す制御ブロック図である。（ｃ）実施例１における水素流量による目標取出電力の補正例を示す制御ブロック図である。実施例１における電圧フィードバックによる目標取出電力演算を行った場合の各パラメータを示すタイムチャートであり、（ａ）水素供給量、（ｂ）燃料電池電圧、（ｃ）取出電力、（ｄ）カソード酸素量をそれぞれ示す。実施例１における燃料電池システムの起動時の制御を説明するフローチャートである。実施例２の構成を説明するシステム構成図である。実施例２における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。実施例３における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。実施例３における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。実施例３における各パラメータを示すタイムチャートであり、（ａ）水素供給量、（ｂ）燃料電池電圧、（ｃ）取出電力、（ｄ）カソード酸素量をそれぞれ示す。実施例３における各パラメータを示すタイムチャートであり、（ａ）水素供給量、（ｂ）燃料電池電圧、（ｃ）取出電力、（ｄ）カソード酸素量をそれぞれ示す。実施例３における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。実施例３における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。実施例４における目標取出電力の演算例を示す制御ブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６ａ、６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
９…コンプレッサ
１０…空気調圧弁
１１…純水ポンプ
１２…純水タンク
１３…パワーマネージャー
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…純水回収弁
１５…希釈ブロア
１６…電圧センサ
２０…空気圧力制御部
２１…水素圧力制御部
２２…カソード酸素消費制御部
２２ａ…電圧フィードバック制御部
３０…コントローラ

Claims

アノードに供給された水素とカソードに供給された空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の起動時あるいは停止時に、前記カソードの空気供給を停止した状態で前記アノードに水素供給しながら燃料電池から電力を取り出すように制御するとともに、取り出し電力の目標値である目標取出電力値を演算するカソード酸素消費制御手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記カソード酸素消費制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に応じて前記目標取出電力値を演算する電圧フィードバック制御部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記電圧フィードバック制御部は、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と目標設定電圧値に応じて前記目標取出電力値を演算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。
前記電圧フィードバック制御部は、前記目標取出電力値を、燃料電池の供給水素流量に応じて補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記電圧フィードバック制御部は、前記目標取出電力値を、燃料電池の供給水素圧力に応じて補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記電圧フィードバック制御部は、前記目標取出電力値を、燃料電池の供給水素温度に応じて補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段は、燃料電池全体の電圧値である総電圧値を検出し、
前記電圧フィードバック制御部は、前記総電圧値に応じて前記目標取出電力値を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段は、燃料電池の各セル毎の電圧であるセル電圧値を検出し、
前記電圧フィードバック制御部は、前記セル電圧値の最高値が第１の所定値を超えないように、前記目標取出電力値を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段は、燃料電池の各セル毎の電圧であるセル電圧値を検出し、
前記電圧フィードバック制御部は、前記セル電圧値の最低値が第１の所定値より小さい第２の所定値を下まわらないように、前記目標取出電力値を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段は、燃料電池全体の電圧値である総電圧値と各セル毎の電圧値であるセル電圧値とを検出し、
前記電圧フィードバック制御部は、前記セル電圧値の最高値が第１の所定値を超えそうで、かつ、前記セル電圧値の最低値が第１の所定値より小さい第２の所定値を下まわりそうなときには、前記最低値が第２の所定値を下まわらないことよりも前記最高値が第１の所定値を超えない方を優先して、前記目標取出電力値を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段は、燃料電池の各セル毎の電圧値であるセル電圧値を検出し、
前記電圧フィードバック制御部は、前記セル電圧値の平均値より著しく高いあるいは低いセル電圧を除外したなかの最高値が第１の所定値を超えないように、あるいは最低値が第２の所定値を下まわらないように、前記最高値あるいは前記最低値に応じて前記目標取出電力を演算することを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。