JP5125103B2

JP5125103B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5125103B2
Application number: JP2007003693A
Authority: JP
Inventors: 仁濱田; 加藤　　学; 亮森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP2008171677A

Description

本発明は、燃料電池システム、特にアノード電位を推定可能な燃料電池システムおよびセルの状態に応じて発電を制御可能な燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、図９に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜５２を燃料極５６と空気極５４との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ６０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）５６に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）５４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ₂）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極５６に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ⁺）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極５６から空気極５４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ⁺）は電解質膜５２を通過して空気極５４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ₂Ｏ）になる。水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。

一方、燃料電池システムにおいて、燃料電池の特性劣化の生じないように発電運転を行い、または発電停止を行うことが必要となる。

例えば、特許文献１には、燃料電池の出力電圧が予め定められた零電位以下の負の閾値電圧より低下したときに、燃料電池の発電を制限する燃料電池システムが提案されている。また、特許文献２には、異なる２個のセルの燃料極または酸化剤極の少なくとも一方の電位を測定し、異なる２個のセルの燃料極また酸化剤極のいずれか一方の電位の差を求め、算出された電位の差が予め設定された設定値より大きくなった場合には警報を出力したり、複数セルが積層されてなる燃料電池スタックの運転を停止する装置が提案されている。また、特許文献３には、隣接セル間での電位差が所定値以上の場合、燃料電池のセル内に電流が流れにくい状態になるなど、電極間の電解質膜の劣化が加速される可能性があることから、隣接セル間での電位差が所定値以上であれば異常報知を行う燃料電池システムが提案されている。

特開２００６−４９２５９号公報特開平９−１９９１４７号公報特開２００５−４４６８７号公報

上述した燃料電池システムは、零電位以下の負の閾値電圧より低下したときに、または、異なるセル間における電位差に応じて、燃料電池における劣化や損傷を防止するものである。

しかしながら、上記システムでは、特に燃料電池内の触媒劣化に直接関与する燃料ガス（例えば、水素ガス）不足の状態を把握することはできても、直接そのときのアノード電位を測定することはできず、したがってアノード電位が不明なため、例えば、燃料電池に生じた上記不具合に対してどの程度解消すべきか明確に把握することはできなかった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池における各セルのアノード電位を推定し、燃料電池内の触媒劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは以下の特徴を有する。

（１）電解質膜および前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを有する接合体と、前記接合体に積層されるセパレータとから構成されるセルを複数積層してなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、各セルのセル電圧Ｖcellと基準セル電圧Ｖstanとの差分から、各セルのアノード電位Ｅ_Aを推定するアノード電位推定手段と、接合体劣化電圧Ｖcriと前記セルのアノード電位Ｅ _A を比較する比較手段と、各セルのアノード電位Ｅ _A と接合体劣化電圧Ｖcriとの比較結果に基づいて、燃料電池の発電制御を行う発電制御手段と、を有し、前記発電制御手段は、対象セルのアノード電位Ｅ _A が接合体劣化電圧Ｖcri以上である場合、前記対象セルの燃料極への燃料ガス供給量を増加させ、次いで燃料電池の電流量を下げ、次に、前記対象セルの空気極への酸化剤ガスの供給量を増加させる燃料電池システムである。

通常、正常なセルにおけるアノード電位Ｅ_Aは０ボルト付近にあることから、燃料電池における各セルの電圧はカソード電位Ｅ_Cとほぼ等しくなる。そこで、上記正常なセルにおけるセル電圧等に基づいて、基準セル電圧Ｖstanを設定することにより、実測のセル電圧Ｖcellと基準セル電圧Ｖstanとの差分演算によって、各セルのアノード電位を推定することができる。また、接合体劣化電圧Ｖcriと前記逆電位セルのアノード電位Ｅ _A を比較することによって、例えば、接合体内の触媒劣化が生じるアノード電位Ｅ _A になったか否かを検出することができ、例えば燃料電池の運転条件を変更することができる。また、上記発電制御手段により、各セルが正常なセル電圧Ｖcellであるか否かに応じて燃料電池の劣化を抑制しながら発電させることができる。また、上述のように推定された上記逆電位セルのアノード電位Ｅ _A と接合体劣化電圧Ｖcriとの比較結果に基づいて燃料電池の発電制御を行うことにより、例えば燃料電池の運転を停止させることなく、運転条件を変更させることで、燃料電池の劣化を抑制しつつ発電させることができる。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記基準セル電圧Ｖstanは、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖであって、前記アノード電位推定手段は、アノード電位推定対象セルのセル電圧Ｖcellとセル電圧Ｖとの差分に基づき、アノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する燃料電池システムである。

上記基準セル電圧Ｖstanを、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上の正常セルのセル電圧Ｖとすることによって、実際の燃料電池運転条件に則したアノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。

（３）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記基準セル電圧Ｖstanは、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖの平均セル電圧Ｖavであって、前記アノード電位推定手段は、アノード電位推定対象セルのセル電圧Ｖcellと平均セル電圧Ｖavとの差分に基づき、アノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する燃料電池システムである。

上記基準セル電圧Ｖstanを、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖの平均セル電圧Ｖavとすることによって、実際の燃料電池運転条件に則したより妥当な基準セル電圧Ｖstanを得ることができる。これにより、より精度の高いアノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。

（４）上記（２）または（３）に記載の燃料電池システムにおいて、前記基準セル電圧Ｖstanは、さらにセルの内部抵抗を加味した実質セル電圧または実質平均セル電圧である燃料電池システムである。

一般に、燃料電池内の各セルには内部抵抗が存在し、発電中に燃料電池内に流れる電流量に応じて、その内部抵抗に基づく電圧損失（ＩＲ損分）が生じることを考慮することによって、より正確なアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。これにより、より正確に燃料電池の各セルの状態を把握することができ、燃料電池の運転条件を変更させ、燃料電池の劣化を抑制しつつ発電させることができる。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記アノード電位推定手段は、さらに、負電圧を発生した逆電位セルの逆電位電圧Ｖ_Rと基準セル電圧Ｖstanとの差分に基づき、逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する燃料電池システムである。

逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することにより、例えば、燃料電池の運転を停止させることなく、燃料電池の運転条件を変更して燃料電池内の触媒劣化を抑制させることができる。

本発明によれば、燃料電池の各セルのアノード電位を推定することができ、また、燃料電池の発電を制御して燃料電池の劣化を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

［燃料電池システム］
本実施の形態における燃料電池システムの一例を図１に示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機２２，４２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。なお、モータジェネレータ１１および補機２２，４２は、本発明の電力消費機器に相当する。

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
燃料極側：Ｈ₂→２Ｈ+＋２ｅ-
空気極側：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ

本実施形態において、燃料電池１０は、基本単位となるセル１００が複層積層されて構成され、セル１００は、電解質膜および前記電解質膜を挟持するアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを有する接合体と、前記接合体に積層されるセパレータとから構成されている。

燃料電池システム１０００には、燃料電池１０の空気極側に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の燃料極側に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。送風機２１、電動モータ２２は、後述の制御部５０とともに、本発明の酸化剤ガス供給制御手段に相当している。

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。なお、水素ボンベ３１、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３は、後述の制御部５０とともに、本発明の燃料ガス供給制御手段に相当している。

燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４３が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファンを備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファンによる風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。補機としての電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。

燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。

燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。

燃料電池システムには、各セル１００の電圧を検出するセルモニタ１５と、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ１６と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１７とインピーダンス測定装置２７とが設けられている。さらに燃料電池システム１０００には、燃料電池１０の両電極とＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを結ぶ電流経路上に燃料電池１０と電力消費機器との間を電気的に開閉可能な第１スイッチ１８が設けられ、燃料電池１０の端子間を結ぶ電流経路に燃料電池１０の端子間を電気的に開閉可能な第２スイッチ１９が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、電流センサ１７からの電流信号、およびインピーダンス測定装置２７からの内部抵抗信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４，２３、第１スイッチ１８、第２スイッチ１９、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２４、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン等に制御信号を出力するように構成されている。上記制御部５０は、アノード電位推定手段および発電制御手段として機能する。

また、上記制御部５０には、後述するＩ−Ｖマップも予め格納されている。このＩ−Ｖマップは、燃料電池の発電中の電流量とそのときの電圧との関係を予め測定して関連付けられたマップであり、さらに、電流と電圧の他に、発電中の燃料電池の温度、Ｈ₂ストイキ比（燃料ガスの化学量論比）、Ｈ₂濃度、空気ストイキ比、加湿などの燃料電池の運転条件も併せて関連づけられてマップ化されていても良く、電圧を実測しない場合には、上述した運転条件の少なくとも２つ以上を組み合わせて電圧を推定することもできる。

また、図１に示すセル１００は、例えば、図５に示すように、電解質膜５２、触媒層６２とガス拡散層６４からなる空気極および燃料極に挟まれてなる接合体を、さらにガス供給溝６６および冷却水流通溝６８を有するセパレータ６０によって挟持されて構成され、燃料ガス拡散層−燃料極触媒層−電解質膜−空気極触媒層−酸化剤ガス拡散層の順に並設されている。

上述した燃料電池１０において、反応ガス、特に燃料ガスの供給量が減少すると、燃料電池セル１００に逆電位が生じ、アノード電位が上昇する場合がある。一方、燃料極側において、燃料ガス（水素ガス）が不足すると燃料極触媒層中の触媒が酸化して劣化するなど、燃料電池の劣化が生じるおそれがある。なお、燃料電池における発電効率を低下させる要因として、上記燃料ガスの不足および空気ガスの不足が挙げられるが、空気ガスの不足の場合には負電位まで落ち込むことがないため、上述した触媒劣化のおそれはないため、早急に燃料電池の運転を停止または制御する必要はない。

［アノード電位推定］
本実施の形態では、アノード電位推定手段として制御部５０を用い、以下のようにしてアノード電位を推定している。

図２に示すように、通常、正常なセルにおけるアノード電位Ｅ_Aは０ボルト付近にあることから、図１に示す電圧を検出するセルモニタ１５により得られる燃料電池における各セルの電圧Ｖはカソード電位Ｅ_Cとほぼ等しくなる。この通常のセル電圧Ｖcellを基準セル電圧Ｖstanと予め設定しておくことによって、図１の制御部５０には、演算によりアノード電位Ｅ_Aを求めることができる。
アノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）−（セル電圧Ｖcell）

さらに、上記基準セル電圧Ｖstanとして、図３に示すように、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖとしてもよい。これにより、実際の燃料電池運転条件に則したアノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。

また、上記基準セル電圧Ｖstanとして、図３に示すように、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖの平均セル電圧Ｖavとしてもよく、かかる場合、実際の燃料電池運転条件に則したより妥当な基準セル電圧Ｖstanを得ることができ、その結果、より精度の高いアノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。

また、実測されたセルのセル電圧をセル電圧Ｖcellとして、アノード電位Ｅ_Aを推定する方法について説明したが、制御部５０に格納されたＩ−Ｖマップに基づいて、燃料電池の電流量、温度、Ｈ₂ストイキ比、Ｈ₂濃度、空気ストイキ比、加湿などの燃料電池の運転条件などに基づいて推定されたセル電圧Ｖをセル電圧Ｖcellとして、アノード電位Ｅ_Aを推定してもよい。

一方、燃料ガス不足により逆電位が発生すると、図３に示すように、負電圧Ｖ_Rが発生する。この負電圧Ｖ_Rが発生した逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する場合には、図２に示すように、アノード電位Ｅ_Aが上昇するため、アノード電位Ｅ_Aは以下の式により推定することができる。
逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）−（負電圧Ｖ_R）

また、図４に示すように、上記基準セル電圧Ｖstanは、さらにセルの内部抵抗を加味した実質セル電圧であってもよい。すなわち、燃料電池は、通電にしたがって燃料電池の内部抵抗により電圧損出分（ＩＲ損出分）が生じる。したがって、実測されるセル電圧は、内部抵抗による電圧損出分を含んでいる。ここで、燃料電池全体の内部抵抗Ｒは、図１のインピーダンス測定装置２７により測定される。
損出電圧Ｖ＝Ｉ×（Ｒ／Ｎ）
式中、Ｉ：電流量、Ｒ：内部抵抗、Ｎ：燃料電池のセル数。

したがって、カソード電位Ｅ_Cは、以下のように求められる。
カソード電位Ｅ_C≒（基準セル電圧Ｖstan）＋｛Ｉ×（Ｒ／Ｎ）｝
であり、この内部抵抗を加味した場合のアノード電位Ｅ_Aは、次のように求められる。
逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）＋｛Ｉ×（Ｒ／Ｎ）｝−（負電圧Ｖ_R）

以上のように、内部抵抗に基づく電圧損失（ＩＲ損分）を加味することによって、より正確なアノード電位Ｅ_Aを推定することができる。

さらに、図２，図４に示すように、予め制御部５０（図１）に、接合体劣化電圧Ｖcriを設定しておき、制御部５０を接合体劣化電圧Ｖcriと上述の逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aとを比較する比較手段として用いてもよい。例えば、以下のような条件を満たすように燃料電池の運転を制御してもよい。
アノード電位Ｅ_A＜接合体劣化電圧Ｖcri

接合体劣化電圧Ｖcriと逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aを比較することによって、例えば、接合体内の触媒劣化が生じるアノード電位Ｅ_Aになったか否かを検出することができ、例えば燃料電池の運転条件を変更することができる。

［発電制御］
本実施の形態では、図１に示す制御部５０を発電制御手段として用いる。なお、図１に示す制御部５０の発電制御の一例として、例えば、上述により推定されたカソード電位Ｅ_Aを用いた制御について以下に示す。したがって、これに限るものではない。また、上述した構成と同じ構成には同じ符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態において、発電制御手段は、各セルのセル電圧Ｖcellと基準セル電圧Ｖstanとの演算結果に基づき、燃料電池の発電制御を行う。これにより、各セルが正常なセル電圧Ｖcellであるか否かを判定するとともに、上記演算結果に応じて燃料電池の劣化を抑制しながら発電させることができる。

図６に示すように、図１に示す燃料電池システム１０００の制御部５０からの指令により、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、電流センサ１７からの電流信号、およびインピーダンス測定装置２７からの内部抵抗信号が、制御部５０に入力される（Ｓ２００）。次に、入力された運転条件に基づいて、制御部５０内のＩ−Ｖマップを用いて各セル１００のセル電圧Ｖcellを推定する（Ｓ２０２）。ここで、Ｉ−Ｖマップによるセル電圧Ｖcell推定ではなく、セルモニタ１５における実測のセル電圧Ｖcellを用いてもよい。次に、上述したように、制御部５０において、各セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する（Ｓ２０４）。なお、ここで、アノード電位Ｅ_Aは、アノード電位Ｅ_A＝（セル電圧Ｖcell）−（基準セル電圧Ｖstan）により求め、、または、逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aは、逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）−（負電圧Ｖ_R）、または逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）＋｛Ｉ×（Ｒ／Ｎ）｝−（負電圧Ｖ_R）により求める。

また、他の発電制御の実施の形態について、図７に示す。図１に示す燃料電池システム１０００の制御部５０からの指令により、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、電流センサ１７からの電流信号、およびインピーダンス測定装置２７からの内部抵抗信号が、制御部５０に入力される（Ｓ３００）。次に、入力された運転条件に基づいて、制御部５０内のＩ−Ｖマップを用いて各セル１００のセル電圧Ｖcellを推定する（Ｓ３０２）。ここで、Ｉ−Ｖマップによるセル電圧Ｖcell推定ではなく、セルモニタ１５における実測のセル電圧Ｖcellを用いてもよい。次に、上述したように、制御部５０において、各セルのアノード電位Ｅ_Aを推定する（Ｓ３０４）。ここで、アノード電位Ｅ_Aは、アノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）−（セル電圧Ｖcell）により求め、または、逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aは、逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）−（負電圧Ｖ_R）、または逆電位セルのアノード電位Ｅ_A＝（基準セル電圧Ｖstan）＋｛Ｉ×（Ｒ／Ｎ）｝−（負電圧Ｖ_R）により求める。次に、予め制御部５０（図１）に設定された接合体劣化電圧Ｖcriと、上記の逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aとを比較する（Ｓ３０６）。電位セルのアノード電位Ｅ_Aが接合体劣化電圧Ｖcri未満であれば、Ｓ３００に戻って、各セルのアノード電位の推定動作を繰り返す。一方、電位セルのアノード電位Ｅ_Aが接合体劣化電圧Ｖcri以上である場合、燃料電池の発電制御を行う（Ｓ３０８）。

図１に示す制御部５０により、例えば、燃料電池のフラッティング対策、ガス濃度ムラ抑制のための処理、電力の引き方により燃料電池の発電制御を行うことができる。発電制御の一例を図８を用いて以下に説明する。図８に示す制御は、フラッティング対策およびガス濃度ムラ抑制のための処理の一例である。

まず、以下の動作を行う前に、第１スイッチ１８を開状態にした後、第２のスイッチ１９を閉じる。次に図８に示すように、まず燃料ガス供給量を増加させる（Ｓ４００）。図１に示すように、制御部５０により、水素供給経路３０ａの水素供給経路開閉弁３３を開弁とし、水素ボンベ３１から燃料電池１０に供給される水素の圧力を上昇させるために、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整し、燃料ガスである水素流量を上げ、燃料電池１０内の水素ガス濃度を上げる。また、制御部５０により、水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。

次に、燃料電池１０の電流量を下げる（Ｓ４０２）。図１に示すように、制御部５０により、電動モータ２２を駆動させ空気供給経路２０ａの送風機２１からの燃料電池１０への酸化剤ガスである酸素の供給量を減少させ、空気排出経路２０ｂの空気排出経路開閉弁２４を開弁させ、空気ガス量を低下させる。ここで、制御部５０にて、電流センサ１７からの電流信号に基づいて、燃料電池１０の電流量の低下を監視する。

次に、酸化剤ガスである空気の供給量を増加させる（Ｓ４０４）。図１に示すように、制御部５０により、電動モータ２２を駆動させ空気供給経路２０ａの送風機２１からの燃料電池１０への酸化剤ガスである酸素の供給量を増加させ、空気排出経路２０ｂの空気排出経路開閉弁２４を開弁させ、空気極にて生成する生成水を燃料電池１０の系外に排出してフラッティングを解消させる。次いで、Ｓ３００に戻って、各セルのアノード電位の推定動作を繰り返してもよいし、または、燃料ガス調圧弁３２によって、さらに所望の水素圧力に調整し、燃料ガスである水素流量を上げ、燃料電池１０内の水素ガス濃度を上げて、水素排出経路開閉弁３４を開けて、燃料極の残留水を水素排出経路３０ｂより排出する。次いで、燃料電池１０への冷却水をコントロールして燃料電池温度を上げて、残留水を燃料電池より排出させる。すなわち、制御部５０により温度センサ１６の出力を監視しながら、冷却システムにおけるウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファンを備えたラジエータ４３を駆動させ、冷却水経路４０内を循環する燃料電池１０に冷却水（熱媒体）の循環量をウォータポンプ４１を用いて低下させる。その後、Ｓ３００に戻って、各セルのアノード電位の推定動作を繰り返す。

上記制御により、例えば燃料電池の運転を停止させることなく、運転条件を変更させることで、燃料電池の劣化を抑制しつつ発電を行うことができる。なお、以上、Ｉ−Ｖマップを用いた場合について記載したが、これに限るものではなく、Ｉ−Ｖ特性を推定して得ることによって、同様にアノード電位推定および発電制御を行ってもよい。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、移動体、例えば車両に搭載される燃料電池システムの用途に好適である。

本発明の燃料電池システムの一例の構成を説明する構成図である。本発明のアノード電位推定の一例を説明する図である。本発明における複数セルのセル電圧の測定結果の一例を説明する図である。本発明のアノード電位推定の他の例を説明する図である。本発明の燃料電池におけるセルの一態様の構成を示す模式断面図である。本発明の燃料電池システムにおけるアノード電位推定の一例を説明するフローチャートである。本発明の燃料電池システムにおけるアノード電位推定から発電制御までの一例を説明するフローチャートである。本発明の燃料電池システムにおける発電制御の一例を説明するフローチャートである。燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。

符号の説明

１０燃料電池、１１モータジェネレータ、１２二次電池、１３コンバータ、１４，２３インバータ、１５セルモニタ、１６温度センサ、１７電流センサ、１８，１９スイッチ、２０ａ空気供給経路、２０ｂ空気排出経路、２１送風機、２２電動モータ（補機）、２４空気排出経路開閉弁、２５加湿器、２７インピーダンス測定装置、３０ａ水素供給経路、３０ｂ水素排出経路、３１水素ボンベ、３２水素調圧弁（燃料ガス調圧弁）、３３水素供給経路開閉弁、３４水素排出経路開閉弁、４０冷却水経路、４１ウォータポンプ、４２電動モータ（補機）、４３ラジエータ、５０制御部、５２電解質膜、５４空気極、５６燃料極、６０セパレータ、６２触媒層、６４ガス拡散層、６６ガス供給溝、６８冷却水流通溝、１００セル、１０００燃料電池システム。

Claims

電解質膜および前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを有する接合体と、前記接合体に積層されるセパレータとから構成されるセルを複数積層してなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
各セルのセル電圧Ｖcellと基準セル電圧Ｖstanとの差分から、各セルのアノード電位Ｅ_Aを推定するアノード電位推定手段と、
接合体劣化電圧Ｖcriと前記セルのアノード電位Ｅ _A を比較する比較手段と、
各セルのアノード電位Ｅ _A と接合体劣化電圧Ｖcriとの比較結果に基づいて、燃料電池の発電制御を行う発電制御手段と、
を有し、
前記発電制御手段は、対象セルのアノード電位Ｅ _A が接合体劣化電圧Ｖcri以上である場合、前記対象セルの燃料極への燃料ガス供給量を増加させ、次いで燃料電池の電流量を下げ、次に、前記対象セルの空気極への酸化剤ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準セル電圧Ｖstanは、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖであって、
前記アノード電位推定手段は、アノード電位推定対象セルのセル電圧Ｖcellとセル電圧Ｖとの差分に基づき、アノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準セル電圧Ｖstanは、アノード電位推定対象セルを除く他のセルの０ボルト以上のセル電圧Ｖの平均セル電圧Ｖavであって、
前記アノード電位推定手段は、アノード電位推定対象セルのセル電圧Ｖcellと平均セル電圧Ｖavとの差分に基づき、アノード電位推定対象セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準セル電圧Ｖstanは、さらにセルの内部抵抗を加味した実質セル電圧または実質平均セル電圧であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード電位推定手段は、さらに、負電圧を発生した逆電位セルの逆電位電圧Ｖ_Rと基準セル電圧Ｖstanとの差分に基づき、逆電位セルのアノード電位Ｅ_Aを推定することを特徴とする燃料電池システム。