JP5164461B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することのできる燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、少なくともひとつの燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備えている。燃料電池スタックが複数の燃料電池セルを有する場合には、燃料電池スタック内の複数の燃料電池セルは電気的に直列に接続されており、燃料電池スタック全体でひとつの電池単位を構成する。本明細書では、「燃料電池セル」と「燃料電池スタック」を同義のものとして扱う。また本明細書では、「燃料電池スタック」を単に「スタック」と称する場合がある。
スタック（即ち燃料電池セル）は、燃料（典型的には水素であるが、一酸化炭素など、水素以外の物質が燃料となる場合もある）と酸素を反応させて電流を出力する。供給する燃料の量（特に水素の量）を変化させるとスタックが出力する電流が変化する。従って、燃料電池装置を使用する場合（典型的には燃料電池装置を電源として使用する場合）には、スタックは電流制御されることが多い。本明細書にいう「電流制御」とは、スタックが出力する電流を目標電流に一致させる制御をいう。「電流制御」を実行している間、スタックの電圧はスタックの状態に応じて変化する。通常は、電流レギュレータによってスタックから燃料の量に応じた一定の電流で電力を引き出し、複数のスタックから引き出した電力をインバータ回路などで定電圧に変換して燃料電池装置から出力する。

所定量の燃料を供給している状態でスタックから引き出す電流値を徐々に上げていくと、ある電流値を超えたところで燃料の量に対して反応ができずに電圧が急激に低下する。従って、スタックを電流制御するときの目標電流が大きすぎるとスタックの電圧が異常に低下した状態となる。そのような状態で燃料電池装置を使用し続けるとスタックが劣化することが知られている。
特許文献１には、スタックの電圧の異常な低下を回避するための技術が開示されている。特許文献１に開示された技術は、スタックの電圧を監視し、その電圧が所定の電圧まで低下したら電流制御の目標電流を下げるものである。

特開平１１−１４４７４９号公報

スタックが出力する電流と電圧の関係はＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）と呼ばれる。Ｉ−Ｖ特性は温度依存性が高いことが知られている。スタックの温度が低いほど、電圧が急激に低下するときの電流値が低くなる。従って、一定の目標電流で電流制御を行っている場合、スタックの温度が低いと上述した電圧の異常低下が生じやすくなる。
また、スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動する場合、スタックの温度が低温から所定の温度（定常動作に適する温度範囲の下限温度）まで上昇する間にスタックのＩ−Ｖ特性が急激に変化する。スタックは自己の反応熱によってその温度が急激に変化するため、スタック内の温度にばらつきが生じ、同じ大きさの電流を引き出す場合でも電圧のばらつきが大きくなる。従って、スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動する場合には、電圧の異常低下を回避する目標電流の設定は困難である。低温環境下では、自己の反応熱は利用できず、ヒータ等でスタックを所定の温度（定常動作に適する温度範囲の下限温度）まで昇温してから燃料電池装置を起動する必要があった。なお、定常動作に適した温度範囲の下限温度を「動作下限温度」と称する。
低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することができる燃料電池装置が必要とされている。

前述したように、燃料電池装置を定常動作する場合にはスタックは電流制御される。しかし本発明は、スタックの温度が動作下限温度に上昇するまではスタックをあえて電圧制御する。本明細書にいう電圧制御とは、スタックの電圧を目標電圧に一致させる制御をいう。「電圧制御」を実行している間は、スタックから出力される電流はスタックの温度や燃料の量に応じて変化する。そうすることで、スタックの温度が低いときに電圧が異常に低下してしまう現象を回避することができる。他方、スタックの温度が低温であってもスタックを動作させることで、スタックは自己の反応熱により昇温する。低温時にスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動できる燃料電池装置を実現できる。

本発明は、燃料電池装置に具現化できる。この燃料電池装置は、少なくともひとつの燃料電池セルを有するスタックと、スタックの温度を検出する温度センサと、スタックが出力する電力を制御する出力制御器を備える。出力制御器は、温度センサが検出した温度が閾値より低い場合にスタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行し、検出した温度が閾値より高い場合にスタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を実行する。なお、「閾値」は、前述した動作下限温度に相当する。「目標電圧」は、スタックの特性から予め定められる値であり、スタックの劣化が急激に進行しないレベル以上の値に設定される。「目標電流」は、スタックのＩ−Ｖ特性から定められる値であり、スタックの電圧が少なくともゼロにならない値に設定される。「閾値」、「目標電流」、及び「目標電圧」は、予め設定されており、出力制御器に記憶されている。
出力制御器は、電流制御と電圧制御を切替え可能なひとつの装置であってよい。或いは、出力制御器は、電流制御器と電圧制御器と、スタックに対して２つの制御器を切替えて動作させる切換器を含むシステムであってもよい。電流制御を実行する回路、及び電圧制御を実行する回路は、典型的には夫々電流レギュレータと電圧レギュレータでよい。

この燃料電池装置は、固体酸化物型や高分子電解質型など様々なタイプの燃料電池装置であってよい。本明細書における「低温」とは、燃料電池装置の動作下限温度と比較して温度が低いという意味である。従って本発明は、特に固体酸化物型や溶融炭酸塩型などの動作下限温度の高い燃料電池装置（いわゆる高温作動型燃料電池装置）に適する。

上記の燃料電池装置によれば、スタックの温度が閾値より低い場合には、スタックの電圧を目標電圧に維持する電圧制御が行われる。電圧制御でスタックを動作させるため、スタックは自己の発熱により昇温する。スタックは自己の発熱によりその内部から加熱されるので、自己の発熱をスタックの温度上昇に利用でき、また、スタックの温度をヒータ等で外部から加熱するよりも素早く上昇させることができる。スタックの温度が低い場合に、スタックの電圧が異常に低下してしまうことを回避しながらスタックの温度を素早く上げることができる。
スタックの温度が閾値より高い場合には、スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御に切り換える。燃料電池装置を通常に使用できる状態（典型的には電源として使用できる状態）にすることができる。

上記の燃料電池装置の出力制御器は、電圧制御を実行している間（即ち、スタックの温度が閾値より低い場合）、燃料電池スタックの温度上昇にともなって目標電圧を増加させることが好ましい。
燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性は、同じ大きさの電流を出力する場合は温度が高いほど電圧が高くなる特性を有している。従って、燃料電池スタックを電圧制御する場合、スタックの温度上昇にともなって電圧制御の目標電圧を増加させることによって、スタックが出力する電流を所定範囲内にすることができる。即ち、スタックは実際には電圧制御されているものの、温度上昇にともなって目標電圧を増加させることで擬似的な電流制御を実現できる。さらに、目標電圧を増加させるとスタックが出力する電流が増加する。電流の増加はスタック内の化学反応を促進するため、スタックの温度が早く上昇する。

燃料電池装置は複数のスタックを備えている場合がある。そのような燃料電池装置の場合には、夫々のスタックに温度センサを備え、出力制御器は、夫々のスタックに対して電圧制御と電流制御を独立に実行可能であり、全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは、温度が閾値を超えたスタックの目標電流をゼロに維持することが好ましい。
燃料電池装置が複数のスタックを備える場合には、夫々のスタックで温度がばらつく場合がある。全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは温度が早く閾値を超えてしまったスタックの目標電流をゼロに維持する。全てのスタックを同じ状態（目標電流ゼロの電流制御状態）にしてから通常の使用（電源としての燃料電池装置の使用）を開始できる。

なお、上記の燃料電池装置において、スタックの温度が閾値に等しい場合には、スタックを電流制御と電圧制御のいずれか一方で制御すればよい。

本発明によれば、燃料電池装置において、スタックの温度が低いときにスタックの電圧の異常低下を回避しながら起動することができる。

実施例の主要な特徴を列記する。
（第１の特徴）出力制御器は、スタックの電圧を目標電圧に維持する電圧制御を行っている場合に、燃料電池スタックの温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる。

（第１実施例）本発明の第１実施例に係る燃料電池装置について、図面を参照して説明する。
図１に、本実施例の燃料電池装置１００のブロック図を示す。なお、図１は、本発明を説明するために必要な部品のみを示しており、一般的な燃料電池装置が備える部品（改質器等）については図示を省略している。

本実施例の燃料電池装置１００は、複数のスタック１０ａ、１０ｂと、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂと、統括制御器２０と、電力制御器１６を備える。電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂと統括制御器２０を合わせて出力制御器２０と称する場合がある。
夫々のスタック１０ａ、１０ｂには、複数の燃料電池セル（不図示）が積層されて収容されている。夫々のスタック内において複数の燃料電池セルは直列に連結されている。従って、ひとつのスタックは一対の電極を備える。
スタック１０ａは、電圧・電流制御器１４ａに接続されている。スタック１０ｂは、電圧・電流制御器１４ｂに接続されている。電圧・電流制御器１４ａと１４ｂは、電力制御器１６に接続されている。電圧・電流制御器１４ａは内部にトランス(不図示）を有しおり、スタック１０ａが出力する電力をそのトランスを介して電力制御器１６へ出力する。電圧・電流制御器１４ｂも同様に内部にトランス(不図示）を有しおり、スタック１０ｂが出力する電力をそのトランスを介して電力制御器１６へ出力する。電力制御器１６は、スタック１０ａ、１０ｂが出力する電力を合計し、合計した電力を所定の電圧に保持して燃料電池装置１００の出力端４０へ交流出力する。燃料電池装置１００は、出力端４０を介して所定の電圧の電力を外部に供給することができる。なお、燃料電池装置１００に対して所定の大きさの電流の供給が要求される場合には、電力制御器１６は要求される大きさの電流を外部に供給する回路を有していてもよい。

電圧・電流制御器１４ａは、スタック１０ａの電圧を目標電圧に維持する電圧制御機能と、スタック１０ａから出力される電流を目標電流に維持する電流制御機能を選択的に実行可能な装置である。なお、以下では「電圧制御機能」を単に「電圧制御」と称し、「電流制御機能」を単に「電流制御」と称する。
電圧・電流制御器１４ａは、電圧制御を実行するときにはいわゆる電圧レギュレータとして機能し、電流制御を実行するときにはいわゆる電流レギュレータとして機能する。電圧・電流制御器１４ａがいずれの制御を実行するかは、統括制御器２０からの指令で決定される。また、電圧・電流制御器１４ａの制御目標値（電圧制御のときは目標電圧であり電流制御のときは目標電流である）も統括制御器２０から指令される。電圧・電流制御器１４ａは、具体的には、電圧を目標電圧に維持する制御と電流を目標電流に維持する制御を選択的に実行可能なＤＣ／ＤＣコンバータであってよい。
電圧・電流制御器１４ｂは、スタック１０ｂの電圧を目標電圧に維持する電圧制御と、スタック１０ｂから出力される電流を目標電流に維持する電流制御を選択的に実行可能な装置である。電圧・電流制御器１４ｂの機能は電圧・電流制御器１４ａの機能と同じであるので説明を省略する。
後述するように、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂと統括制御器２０が連携して出力制御器３０として機能し、スタック１０ａ、１０ｂの出力は、出力制御器３０によって制御される。目標電圧と目標電流は統括制御器２０に予め記憶されている。

電圧・電流制御器１４ａは、スタック１０ａの出力電圧を検出する電圧センサ１８ａを備えている。電圧・電流制御器１４ａは、スタック１０ａの出力電流を検出する電流センサ１９ａを備えている。
電圧・電流制御器１４ｂは、スタック１０ｂの出力電圧を検出する電圧センサ１８ｂを備えている。電圧・電流制御器１４ｂは、スタック１０ｂの出力電流を検出する電流センサ１９ｂを備えている。

スタック１０ａ、１０ｂには、夫々温度センサ１２ａ、１２ｂが設置されている。温度センサ１２ａ、１２ｂは、夫々スタック１０ａ、１０ｂの温度を検出する。

温度センサ１２ａ、１２ｂ、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂ、は、信号線５０を介して統括制御器２０に電気的に接続されている。統括制御器２０には夫々のセンサ（電圧センサ１８ａ、１８ｂ、電流センサ１９ａ、１９ｂ、及び温度センサ１２ａ、１２ｂ、）の検出結果が入力される。統括制御器２０は、入力された検出結果に基づいて、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂに対して電流制御又は電圧制御のいずれか実行させる指令と、制御の目標値（電流制御の場合は目標電流であり、電圧制御の場合は目標電圧）を指令する。
電圧・電流制御器１４ａは、電圧センサ１８ａが検出した電圧に基づいて、スタック１０ａの電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行することができる。また、電圧・電流制御器１４ａは、電流センサ１９ａが検出した電流に基づいて、スタック１０ａの出力電流を目標電流に維持する電流制御を実行することができる。
同様に電圧・電流制御器１４ｂは、スタック１０ｂの電圧を目標電圧に維持する電圧制御とスタック１０ｂの出力電流を目標電流に維持する電流制御を行うことができる。

次に、燃料電池装置１００の動作の概要について説明する。なお以下では、スタック１０ａ、１０ｂを総称する場合には「スタック１０」と称し、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂを総称する場合には「電圧・電流制御器１４」と称する。
スタック１０に燃料（水素と酸素）を供給すると、化学反応により電流が発生する。この化学反応を安定して行わせるためには、スタック１０を適切な温度範囲に維持する必要がある。適切な温度範囲の下限値を動作下限温度と称する。燃料電池装置１００は、夫々のスタック１０ａ、１０ｂを動作下限温度以上に昇温してから定常動作（即ち、一定の電力を外部に供給する動作）を開始する。
なお、スタック１０が過熱しないように燃料電池装置１００にはスタック１０を冷却するクーラ（不図示）も備えられている。

上述したように、燃料電池装置１００は、スタック１０の温度が動作下限温度以上に上昇してから通常の動作を行う。ここでいう通常の動作とは、外部の装置から要求される電力を外部へ出力する動作をいう。従って燃料電池装置１００の起動時は、スタック１０を動作下限温度以上に昇温する必要がある。燃料電池装置１００は、スタック１０を動作下限温度以上に昇温してから燃料を供給するのではなく、動作下限温度まで昇温する間にも燃料を供給して電気を生成する化学反応を起こさせる。スタック１０は化学反応の発熱によってその内部から加熱されるため、ヒータ等によって外部から加熱するよりも素早く昇温する。
スタック１０の温度が動作下限温度以下の場合には、スタック１０の出力（化学反応によって生じる電力）を適切に制御する（スタック１０の電圧が異常に低下しないように制御する）必要がある。燃料電池装置１００の起動時において、スタック１０の温度が動作下限温度以上となるまでのスタック１０の出力の制御を起動制御と称する。

次に、燃料電池装置１００の起動制御について説明する。図２は、統括制御器２０が実行する起動制御のフローチャート図である。なお、燃料電池装置１００が起動されると、スタック１０への燃料供給が開始される。図２は、スタック１０の電力の制御についてのフローチャート図であるため、燃料を供給する処理については図示していない。
電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂは、統括制御器２０によって、同じ制御状態（スタック１０ａ、１０ｂが出力する電流を目標電流に維持する電流制御の状態、又は、スタック１０ａ、１０ｂの夫々の電圧を目標電圧に維持する電圧制御の状態）に制御される。
以下の説明に表れる第１温度T0、第２温度T1、動作下限温度Tokの大小関係は、T0＜T1＜Tokである。以下の説明に表れる第１電圧V1、第２電圧V2、最大電圧Vmaxの大小関係は、V1＜V2＜Vmaxである。

燃料電池装置１００が起動されると、統括制御器２０はまず、夫々の電圧・電流制御器１４に対して電圧制御を動作させる指令を出力する（ステップＳ１００）。このとき、スタック１０の目標電圧Vsetは、最大電圧Vmaxに設定される。最大電圧Vmaxは、スタック１０が発生できる最大の電圧値である。燃料電池装置１００の起動時にまず目標電圧Vsetを最大電圧Vmaxに設定する理由は後述する。
なお、燃料電池装置１００の起動前は、当然に電圧・電流制御器１４は停止状態であるので、ステップＳ１００の処理が実行される時点では電圧制御と電流制御はともに停止している。にもかかわらず図２のステップＳ１００には「電流制御 ＯＦＦ」と示してある。これは、統括制御器２０が電圧・電流制御器１４に対して電圧制御と電流制御のいずれかを選択的に実行させることを明示するためである。

スタック１０の温度は、化学反応の熱によって上昇する。統括制御器２０は、スタック１０の温度が第１温度T0を超えるまで、目標電圧VsetをVmaxに設定した状態で電圧・電流制御器１４に電圧制御を維持させる（ステップＳ１０２：ＮＯ）。なお、図２における記号Tx_minは、スタック１０ａの温度とスタック１０ｂの温度の低い方の温度を意味する。従って図２のステップＳ１０２は、スタック１０ａの温度とスタック１０ｂの温度がともに第１温度T0を超える場合にステップＳ１０４に移行することを意味している。
スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに第１温度T0を超える場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、統括制御器２０は、スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに動作下限温度Tokを超えているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに動作下限温度Tokを超えている場合とは、スタック１０ａ、１０ｂがともに定常動作が可能な温度に達していることを意味する。この場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）には、起動制御を終了することができるのでステップＳ１１４へ処理を移行する。ステップＳ１１４の処理については後述する。
ステップＳ１０４がＮＯの場合、即ち、スタック１０ａ、１０ｂの少なくとも一方の温度が動作下限温度Tokに達していない場合には、電圧・電流制御器１４における電圧制御の目標電圧Vsetを第１電圧V１に変更する（ステップＳ１０６)。なお、ステップＳ１０２の処理とステップＳ１０４の処理を合わせて数式で表現すると、T0＜T_min＜Tokの場合にステップＳ１０６を実行すると表現できる。

次に統括制御器２０は、スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに第２温度T1を超えるまで、目標電圧Vsetを第１電圧V1に設定したまま、電圧・電流制御器１４に電圧制御を維持させる（ステップＳ１０８：ＮＯ）。
スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに第２温度T1を超えた場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、統括制御器２０は、電圧・電流制御器１４における電圧制御の目標電圧Vsetを第２電圧V2に変更する（ステップＳ１１０)。
統括制御器２０は、スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに動作下限温度Tokを超えるまで、目標電圧Vsetを第２電圧V2に設定したまま、電圧・電流制御器１４に電圧制御を維持させる（ステップＳ１１２：ＮＯ）。
スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに動作下限温度Tokを超えた場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、統括制御器２０は、電圧・電流制御器１４に対して次の指令を出力する。即ち、電圧・電流制御器１４に対して、電圧制御を停止し、目標電流Isetをゼロに設定して電流制御を開始させる指令を出力する（ステップＳ１１４）。これにより、スタック１０（スタック１０ａ及びスタック１０ｂ）は、その出力電流が目標電流Iset＝ゼロに維持される。

ステップＳ１１４が実行された段階でスタック１０ａ、１０ｂの温度はともに動作下限温度Tokを超えているので、統括制御器２０は起動制御を終了する。なお、起動制御が終了した後は、統括制御器２０は、燃料電池装置１００に対して外部から要求されている電圧を出力端４０から出力するために次の処理を実行する。
統括制御器２０は、起動制御が終了すると、燃料電池装置１００に要求される出力電圧に応じて目標電流Isetを所定の値に設定する。電圧・電流制御器１４は、スタック１０が出力する電流をIsetに維持する電流制御を行う。

統括制御器２０による起動制御の意味を、図３を参照しながら説明する。図３は、スタック１０のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）のグラフである。図３のグラフの縦軸はスタック１０の電圧であり、横軸はスタック１０が出力する電流である。図３には、スタック１０の温度が第１温度T0、第２温度T1、及び動作下限温度TokのときのＩ−Ｖ特性が実線で示してある。また図３には、スタックの温度が（T1−ΔT)のときのＩ−Ｖ特性が破線で示してある。

スタック１０が出力する電流と電圧の関係は、図３に示す通り、出力する電流（スタック１０から引き出す電流）が大きくなるほどスタックの電圧が低下する関係となる。スタック１０が出力する電流の大きい領域では、スタック１０の出力電流が大きくなるにつれてスタック１０の電圧が急激に低下する。
また、スタック１０のＩ−Ｖ特性は、スタック１０の温度に対する依存性が強い。即ち、同じ電流を出力する場合であっても、温度が低いほどスタックの電圧は低くなり、かつ、電圧のばらつきが大きくなる。
スタック１０は、供給する燃料のうちの水素がイオン化するときに発生する電子を電流として出力する。従って、定常状態ではスタックは電流制御される。ここで、目標電流IsetをI１に設定してスタックを電流制御する場合を想定する。図３より、スタックの出力電流がI1のときに、スタックの温度が第２温度T１であればスタック電圧は第１電圧V1となり、スタックの温度が（T1−ΔT)であればスタックの電圧はVeとなる。温度変化に対する電圧の変化率ΔV／ΔTは、目標電流I1及びスタック温度T1の付近で大きい。従って、目標電流IsetをI1に設定してスタックを電流制御すると、スタックの温度が第２温度T1まで上昇する間にスタックの電圧が急激に変化する。このとき、目標電流I1に対してスタックの能力が予定外に低いと、スタックの電圧が異常に低下してしまう（スタックの電圧が所定の電圧より低下してしまう）。スタックの能力が予定外となり得ることが、スタックの電圧がばらつく要因である。燃料電池のスタックは、電圧が異常に低い状態で電流を出力させ続けると劣化することが知られている。スタックの温度が低い状態で燃料電池装置を起動するときにスタックを電流制御する場合は、スタックの温度上昇にともなってＩ−Ｖ特性が変化するため、電圧の異常低下を回避するための目標電流を定めることは困難である。
また、ひとつのスタックの内部でも温度分布が存在する。例えば、スタックの内部で温度がT1の領域と温度が（T１−ΔT）の領域が存在すると、温度が（T１−ΔT）の領域で局所的に電圧がVeまで低下する。スタックの内部にΔTの温度分布がある場合、スタック内部の電気的状態の分布（この場合は電圧の分布）が不均一となる。スタック内部の電気的状態の不均一は、スタックを劣化させる一因となる。

本実施例の燃料電池装置１００では、スタックの温度が動作下限温度Tokより低い場合には、スタックを電圧制御する。具体的には、スタック１０の温度が第２温度T１より低い場合（かつスタック１０の温度が第１温度T0よりも高い場合）には、目標電圧Vsetを第１電圧V1に設定してスタック１０を電圧制御する（図２のステップＳ１０６）。第１電圧V1（目標電圧）は、スタックの特性から予め定められる値であり、スタックの劣化が急激に進行しないレベル以上の値に設定される。スタック１０はその電圧が第１電圧V１に一致するように出力電流が調整されるため、スタック１０の電圧は第１電圧V１より低くなることはない（但し、電圧制御とはいえ多少の電圧変動は起こり得る）。燃料電池装置１００の起動時にスタックの温度が低いためにスタックの電圧が急激に低下することを防止できる。スタックの劣化を低減することができる。
さらに、スタック１０の電圧が目標電圧Vset＝V１となるように電圧制御すると、図３に示すように、スタック１０の温度が第２温度T1まで上昇していればスタック１０が出力する電流はI1となる。スタック１０の温度が（T1−ΔT）の場合にはスタック１０が出力する電流はIeとなる。I1とIeの電流差ΔIは小さい。従って、スタック１０の内部でΔTの温度分布がある場合でも、スタックの内部で電気的状態の分布（ここでは電流の分布）の不均一さは小さくなる。スタック１０を電圧制御すると、スタックの内部の温度分布による電気状態の不均一さを電流制御時の不均一さよりも小さくすることができる。スタック１０を電圧制御すると、スタックの内部の温度分布による劣化を低減することができる。

スタックの温度が動作下限温度Tokより低い場合にスタックを電圧制御することによって次の効果も得ることができる。
図３に示す通り、スタックを電流制御する場合でも、目標電流を小さく設定すればスタックの電圧が極端に低下することはない。しかしながら、スタックからは所定の電流を引き出す（出力させる）方がよい。これは次の理由による。前述した通り、燃料電池装置のスタックは、燃料がイオン化する際に放出する電子を電流として出力する。スタックから出力される電流を小さくすると、イオン化されない燃料がスタック内で局所的に燃焼するため、温度分布の不均一や局所的な劣化が生じる虞がある。そのような事象を生じさせないためにスタックからは所定の電流を引き出す方がよい。さらに、スタックから所定の電流を引き出すことで、化学反応による発熱を増加させることができる。スタック内での発熱を増加させることで、スタックを素早く昇温することができる。燃料電池装置では、スタックの異常な電圧低下を回避しながら所定の電流を出力させることが望まれている。
本実施例の燃料電池装置１００は、温度が動作下限温度Tok以下の場合にスタック１０をあえて電圧制御する。燃料電池装置１００は、スタック１０の温度が動作下限温度Tokまで上昇するまでの過渡期において、スタック１０の目標電圧を適切に選定すれば電圧制御であっても所定の電流をスタック１０から引き出すことができる。これによってスタック１０の異常な電圧低下を回避しながら所定の電流をスタック１０から引き出すことができる。

実施例の燃料電池装置１００では、スタック１０の温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる。スタック１０ａの温度とスタック１０ｂの温度の低い方の温度Tｘ_minがT0＜Tx_min≦T1の場合は、目標電圧Vsetは第１電圧V１に設定される（ステップＳ１０６）。T1＜Tx_min≦Tokの場合は、目標電圧Vsetは第２電圧V2に設定される。
スタック１０の温度が動作下限温度Tokに上昇するまでにスタック１０のＩ−Ｖ曲線上の動作点は次の通り変化する。なお、ここではひとつのスタックのみを考える。即ち、図２では複数のスタック１０ａ、１０ｂの温度のうち低い温度をTx_minで表したが、ここではひとつのスタックの温度Txのみを考える。
スタック１０の温度Txが第１温度T0に達すると、目標電圧Vsetが第１電圧V1に設定される（ステップＳ１０６）。このときスタック１０の動作点は図３の点Ｐ１である。スタック１０の温度が第１温度T0から第２温度T1まで上昇するにつれて、スタック１０の動作点は点Ｐ１から点Ｐ２へ移動する。スタック１０の温度が第２温度T1を超えると目標電圧Vsetが第１電圧V1から第２電圧V2に変更される（ステップＳ１０８：ＹＥＳ、及びステップＳ１１０）。このときスタック１０の動作点は点Ｐ２から点Ｐ３へ移動する。スタック１０の温度が第２温度T1から動作下限温度Tokまで上昇するにつれて、スタック１０の動作点は点Ｐ３から点Ｐ４へ移動する。
起動制御中に電圧制御されているスタック１０が出力する電流は、図３のIminからImaxの範囲となる。スタック１０の温度上昇にともなって段階的に増加させる目標電圧の値（上記の例では第１電圧V1と第２電圧V2）を適宜調整することによって、起動制御中にスタック１０が出力する電流を所定の範囲内とすることができる。このことは即ち、擬似的な電流制御を実現できることを意味する。しかもスタックは実際には電圧制御されているので、スタックの電圧が目標電圧より低くなることはない（但し、電圧制御とはいえ多少の電圧変動は起こり得る）。スタック１０の温度上昇にともなって電圧制御の目標電圧を段階的に増加させることによって、スタック１０の電圧が異常に低くなることを回避しながら（即ち、スタックの劣化を抑制しながら）、擬似的な電流制御を行うことができる。
上記の「所定の範囲」は、スタック１０に供給する燃料（水素）の量に見合った電流の範囲に設定されることが好ましい。電圧制御であっても、スタック１０の出力電流をスタック１０に供給される燃料に見合った範囲内とすることができる。これによって、イオン化されない燃料がスタック内で局所的に燃焼する現象を抑制することができる

実施例の燃料電池装置１００は、複数のスタック（スタック１０ａ、１０ｂ）を備えており、全てのスタックの温度が動作下限温度Tokを超えるまでは全てのスタックが電圧制御される。そして、全てのスタックの温度が動作下限温度Tokを超えた時点で、目標電流をゼロに設定した電流制御に切換える（ステップＳ１１４）。全てのスタックが定常動作可能となって時点で、全てのスタックを同じ状態（出力電流ゼロ）から一斉に定常動作へ移行することができる。また、夫々のスタックの温度が異なっていても、最も低い温度Tx_minに応じて目標電圧Vsetを段階的に増加する（ステップＳ１０８）。即ち、複数のスタックを同一の目標電圧で電圧制御する。これにより、制御指示形態を簡略化できるとともに、複数のスタックの温度が異なっていても最も温度の低いスタックにおける電圧の異常低下を回避することができる。

なお、スタック１０の温度が第１温度T0以下の場合に目標電流Vset＝Vmaxとして電圧制御するのは次の理由による。図３からわかる通り、Vmaxはスタック１０が出力できる最大電圧であり、スタック１０の電圧が最大電圧Vmaxの場合には電流は流れない。目標電圧Vset＝Vmaxとして電圧制御することは、事実上、スタック１０から電流を引き出さないことを意味する。スタック１０の温度が極端に低い場合（スタックの温度が第１温度T0以下の場合）とは、スタック内での化学反応の開始直後を意味する。化学反応の開始直後はスタックの内部の温度分布が大きい。そのような状態でスタックから電流を引き出すとスタック内部の電気状態がひどく不均一となり、スタックが劣化し易いからである。

（第２実施例）次に、本発明の第２実施例の燃料電池装置について説明する。第２実施例の燃料電電池装置は、図１に示した燃料電池１００と基本的に同じ構成を有している。従って、第２実施例の燃料電池装置の構成については説明を省略する。

第２実施例の燃料電池装置は、複数のスタック１０ａ、１０ｂの夫々に対応する電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂを個別に制御する。第２実施例の統括制御器２０は、スタックと電圧・電流制御器の夫々の組（スタック１０ａと電圧・電流制御器１４ａの組、及びスタック１０ｂと電圧・電流制御器１４ｂの組）に対して、個別に図２に示す処理を実行する。統括制御器２０は、スタック１０ａと電圧・電流制御器１４ａの組に対しては、図２のフローチャートにおいてTx_minをスタック１０ａの温度に置き換えた処理を実行する。スタック１０ｂと電圧・電流制御器１４ｂの組に対しては、図２のフローチャートにおいてTx_minをスタック１０ｂの温度に置き換えた処理を実行する。
さらに統括制御器２０は、スタック１０ａ、１０ｂの温度がともに動作下限温度Tokを超えるまでは、先に温度が動作下限温度Tokを超えたスタックに対して目標電流Isetをゼロに維持する。
第２実施例の燃料電池装置によれば、スタックごとに温度がばらついていても、夫々のスタックの温度に対して適切な目標電圧に維持することができる。さらに、複数のスタックのうち、温度が早く動作下限温度を超えたスタックは、全てのスタックが動作下限温度を超えるまで目標電流Isetをゼロとした状態で維持される。これによって、全てのスタックを同じ状態（即ち、目標電流Isetをゼロに設定した電流制御状態）にしてから通常の動作（電源としての燃料電池装置の使用）を開始できる。
なお、第２実施例の燃料電池装置においても、電圧・電流制御器１４ａ、１４ｂと統括制御器２０が連携して、スタック１０ａ、１０ｂの出力を制御する出力制御器３０として機能する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、燃料電池装置は、電圧制御と電流制御を切り換える電圧・電流制御器１４の代わりに、電圧制御器と電流制御器を個別に備えていても良い。
また、上記の実施例では、図２を参照して燃料電池装置の起動制御を説明した。図２の処理は起動時だけでなく、燃料電池装置の動作中に何らかの原因でスタックの温度が動作下限温度より低くなった場合に実行されることも好適である。即ち、本発明は、起動時だけでなく、スタックの温度が動作下限温度以下となった場合にも有効である。
また、上記の実施例では、起動制御中の目標電圧を２段階に変更した（第１電圧V１と第２電圧V２）。スタックの温度上昇にともなって目標電圧を段階的に増加させる場合、３段階以上に細かく増加させてもよい。或いはスタックの温度上昇にともなって目標電圧を連続的に増加させてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は、第１実施例の燃料電池装置のブロック図である。 図２は、燃料電池装置の起動制御のフローチャート図である。 図３は、燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性を示す模式的グラフの図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ：燃料電池スタック
１２ａ、１２ｂ：温度センサ
１４ａ、１４ｂ：電圧・電流制御器
１６：電力制御器
１８ａ、１８ｂ：電圧センサ
２０：統括制御器
３０：出力制御器
４０：出力端
１００：燃料電池装置

Claims (2)

1. 少なくともひとつの燃料電池セルを有する複数のスタックと、
   夫々のスタックに備えられており、スタックの温度を検出する温度センサと、
   温度センサが検出した温度が閾値より低い場合に該スタックが出力する電圧を目標電圧に維持する電圧制御を実行し、検出した温度が閾値より高い場合に該スタックが出力する電流を目標電流に維持する電流制御を夫々のスタックに対して独立に実行する出力制御器と、
   を備えており、
   出力制御器は、全てのスタックの温度が閾値より大きくなるまでは、温度が閾値を超えたスタックの目標電流をゼロに維持することを特徴とする燃料電池装置。
2. 出力制御器は、電圧制御において、
   スタックの起動直後にスタックの温度が第１温度以下の場合は目標電圧をスタックの最大出力電圧に設定し、
   スタックの温度が第１温度を超えたら目標電圧を最大出力電圧よりも低い第１電圧に変更し、その後はスタックの温度上昇にともなって目標電圧を増加させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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