JP5472898B2 - 燃料電池用集電装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は水素を燃料とする燃料電池に係り、より詳しくは、水素を燃料とする燃料電池用集電装置及びその制御方法に関する。
水素を燃料とする燃料電池の一般的な構成例による一部分解概略図を図５に示す。
図５によれば、燃料電池は、外側にエンドプレートを設け内側に集電板を設けた集電装置を、燃料電池（スタック）の両側に設置して構成し、集電板によって燃料電池から電気を出力し、エンドプレートを貫通する配線を通じて負荷に電気を供給する。
図５によれば、燃料電池は、外側にエンドプレートを設け内側に集電板を設けた集電装置を、燃料電池（スタック）の両側に設置して構成し、集電板によって燃料電池から電気を出力し、エンドプレートを貫通する配線を通じて負荷に電気を供給する。
図６は水素を燃料とする燃料電池スタックの一般的な構成例を示す概略断面図である。図６によれば、燃料電池スタックは、単位セルを連続的に配置した集合体である。各々の単位セルの中心部に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１を設置する。膜・電極接合体１１は、水素を電子と水素イオンとに分離する触媒であるアノード（燃料極）１４と、一面がアノード１４に接し水素イオンを移動させる固体高分子電解質膜１０と、固体高分子電解質膜１０の他面に塗布され水素イオンと酸素とを反応させる触媒層であるカソード（空気極）１２と、から構成される。
膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１のカソード１２とアノード１４との夫々の外側面に、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６と、ガスケット１８と、分離板２０と、を内側から外側へこの順に積層し、燃料（水素）を供給すると共に反応により生成した水を排出する流路を形成して単位セル３を構成する。尚、分離板２０は隣接する単位セル３と共有される。複数の単位セル２が直列に積層された燃料電池スタック２の最外側には、各構成要素を支持、固定するためのエンドプレート３０を設置する。
燃料電池スタック２は、アノード１４で水素の酸化反応が行われて水素イオンと電子とが発生し、生成した水素イオンはアノード１４から電解質膜１０を通過してカソード１２に移動し、電子は分離板２０を通過して隣接する単位セルのカソード１２に移動する。
カソード１２では、アノード１４から固体高分子電解質膜１０を通過して移動してきた水素イオンと、隣接する単位セルのアノード１４から分離板２０を通過して移動してきた電子と、空気中の酸素と、が関与する電気化学反応によって水が生成する。
カソード１２では、アノード１４から固体高分子電解質膜１０を通過して移動してきた水素イオンと、隣接する単位セルのアノード１４から分離板２０を通過して移動してきた電子と、空気中の酸素と、が関与する電気化学反応によって水が生成する。
これによって、燃料電池スタック２の両端のアノード１４からカソード１２への電子の流れが生成し、生成された電気エネルギーは、エンドプレート３０の集電板３４を通して電気エネルギーを要する負荷４０に供給される。
電解質膜１０に高分子膜を用いた燃料電池は、作用温度が常温（約３０℃）〜約９０℃である。一個の単位セルが発電する電圧は理論的に１．２３Ｖであるが、電池の内部抵抗等の関係で実際は無負荷運出力電圧は約０．７Ｖ、有負荷出力電圧は約０．４Ｖ程度である。単位セルの出力電圧は小さいが、燃料電池スタックは直列に接続されているため、燃料電池スタック全体として外部負荷を駆動させるのに十分な電圧を生成することができる。
電解質膜１０に高分子膜を用いた燃料電池は、作用温度が常温（約３０℃）〜約９０℃である。一個の単位セルが発電する電圧は理論的に１．２３Ｖであるが、電池の内部抵抗等の関係で実際は無負荷運出力電圧は約０．７Ｖ、有負荷出力電圧は約０．４Ｖ程度である。単位セルの出力電圧は小さいが、燃料電池スタックは直列に接続されているため、燃料電池スタック全体として外部負荷を駆動させるのに十分な電圧を生成することができる。
図８は従来の水素を燃料とする燃料電池の集電装置の一例を示す概略図である。
図８を参照すると、集電装置は燃料電池（スタック）を支持し固定するエンドプレート３０と、燃料電池スタック２の内部で発生した電気が外部に漏れることを防止する絶縁板３２と、燃料電池スタックで発生した電気を集める集電板３４と、電気を外部に送る電極３５と、を含んで構成されていた。
図８を参照すると、集電装置は燃料電池（スタック）を支持し固定するエンドプレート３０と、燃料電池スタック２の内部で発生した電気が外部に漏れることを防止する絶縁板３２と、燃料電池スタックで発生した電気を集める集電板３４と、電気を外部に送る電極３５と、を含んで構成されていた。
従来は、集電装置の集電板は、燃料電池から負荷への電気供給効率を最大にするために電気抵抗が最小である物質を使用していた。燃料電池の温度が正常温度であるときに、集電板に電気抵抗が最小である物質を使用すると燃料電池の電気供給効率を最大にすることができる。
図７は、通常の燃料電池スタックの低温始動時の分離板の温度分布を説明するグラフである。
図７に示すように、例えば低温始動時のように、燃料電池の温度を正常温度まで上昇させる場合は、燃料電池スタックの中央部（Ｂ番の単位セル３中の分離板２０の温度）から両端のエンドプレート寄り（Ａ、Ｃ番の単位セル３中の分離板２０の温度）に行くほど分離板２０の温度が低くなるため、燃料電池スタック２全体の温度を正常温度まで上昇させるのに長い時間がかかることが多かった。
図７に示すように、例えば低温始動時のように、燃料電池の温度を正常温度まで上昇させる場合は、燃料電池スタックの中央部（Ｂ番の単位セル３中の分離板２０の温度）から両端のエンドプレート寄り（Ａ、Ｃ番の単位セル３中の分離板２０の温度）に行くほど分離板２０の温度が低くなるため、燃料電池スタック２全体の温度を正常温度まで上昇させるのに長い時間がかかることが多かった。
また、アイドリング中及び回生制動中に燃料電池と負荷との間の接続を切断し、消耗電力を減少させることによって、燃費の向上を図る技術が開示されている（例えば特許文献１を参照）。しかしこの方法は、頻繁に開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）状態となるため、燃料電池の最も重要な部品である膜・電極接合体の耐久寿命を短縮するという問題を生じることがある。
燃料電池と負荷間の接続を切断することにより膜・電極接合体の寿命が短縮される理由は下記の通りである。
燃料電池は、燃料電池スタックの負荷がかかった状態である有負荷出力電圧と、負荷が除去された無負荷状態の出力電圧である開回路電圧間の差が、他の電池、例えば硫酸亜鉛蓄電池よりも大きい。例えば、有負荷出力電圧が０．４Ｖであり、無負荷出力電圧が０．７Ｖである単位セルを３０枚積層したスタックの場合、有負荷出力電圧が１２Ｖとなり、無負荷出力電圧は２１Ｖとなる。
燃料電池は、燃料電池スタックの負荷がかかった状態である有負荷出力電圧と、負荷が除去された無負荷状態の出力電圧である開回路電圧間の差が、他の電池、例えば硫酸亜鉛蓄電池よりも大きい。例えば、有負荷出力電圧が０．４Ｖであり、無負荷出力電圧が０．７Ｖである単位セルを３０枚積層したスタックの場合、有負荷出力電圧が１２Ｖとなり、無負荷出力電圧は２１Ｖとなる。
燃料電池スタックで生成された電力は、出力回路の一種であるＤＣ／ＤＣコンバータを経由して適切な電圧水準に安定化されて負荷に供給されることが多い。燃料電池スタックと負荷との間の電気的接続が切断されると、燃料電池スタックは無負荷状態で駆動されるため、１２Ｖであった出力電圧が２１Ｖまで増加する。電圧の上昇により膜・電極接合体に過酸化水素が発生し、この過酸化水素により膜・電極接合体の耐久寿命が著しく短縮されるという問題が起きることがあった。
更に、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成素子も無負荷出力時の高電圧に耐えることができるような十分な容量を持たないために損傷を受けることがあった。
米国特許第７，１９６，４９２号
本発明は、例えば低温始動時のように、燃料電池を発熱させて燃料電池の温度を正常温度まで上昇させる低温始動運転の過程が必要な場合に、燃料電池の温度を正常温度まで上昇させる低温始動運転の時間を短縮し、低温始動性を改善することを目的とする。
また本発明は、アイドリング中や回生制動中のような燃料電池の低出力時に、燃費向上のために燃料電池と負荷間の電気的結合を切断する場合に発生する燃料電池の開回路電圧の高電圧に起因する膜・電極接合体の寿命低下を防止することを目的とする。
また本発明は、アイドリング中や回生制動中のような燃料電池の低出力時に、燃費向上のために燃料電池と負荷間の電気的結合を切断する場合に発生する燃料電池の開回路電圧の高電圧に起因する膜・電極接合体の寿命低下を防止することを目的とする。
かかる目的を達成するための本発明の燃料電池用集電装置は、複数の単位電池を積層して構成された燃料電池スタックの、単位電池を積層した方向の最外側に設置された一対のエンドプレートと、エンドプレートの内側に積層された一対の絶縁板と、一対の絶縁板それぞれの内側に、燃料電池スタックと接続し、互に絶縁され、相互に積層されて設置された、膜・電極接合体の損傷を引き起こさない最大電圧と最小電流とに対応する抵抗を有する一対の第１集電板、及び第１集電板の更に内側に絶縁材を間に置いて設置された最小抵抗特性を有する一対の第２集電板と、第１集電板の各々に一体に連結されて設置され、エンドプレートの外側に延伸された一対の第１電極と、第２集電板の各々に一体に連結されて設置され、エンドプレートの外側に延伸された一対の第２電極と、一対の第１電極及び一対の第２電極に連結された一対の選択スイッチと、一対の選択スイッチを切り替える制御装置と、を有し、
制御装置が、一対の選択スイッチを、燃料電池の正常モードでは燃料電池スタックで発電された電流が第２電極から負荷に送電されるよう切り替え、自己放電モードでは第１電極を短絡させて自己放電を行うよう切り替えることを特徴とする。
制御装置が、一対の選択スイッチを、燃料電池の正常モードでは燃料電池スタックで発電された電流が第２電極から負荷に送電されるよう切り替え、自己放電モードでは第１電極を短絡させて自己放電を行うよう切り替えることを特徴とする。
また本発明は、請求項１に記載の燃料電池用集電装置の制御方法であって、
外気温度を検出する段階と、外気温度が低温始動適用温度より低い場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して燃料電池スタックの電流を放電する段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの温度が正常モード時の臨界下限温度以上になった場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを正常モードに転換して、燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、を含むことが好ましい。
外気温度を検出する段階と、外気温度が低温始動適用温度より低い場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して燃料電池スタックの電流を放電する段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの温度が正常モード時の臨界下限温度以上になった場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを正常モードに転換して、燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、を含むことが好ましい。
また本発明は、請求項１に記載の燃料電池用集電装置の制御方法であって、
アイドリングまたは回生制動が行われることを判断する段階と、アイドリングまたは回生制動時、燃料電池スタックの電圧が正常モード時の臨界上限電圧より高い場合、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して、燃料電池スタックの電流を放電する段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧以下の場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを正常モードに転換して、燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、を含むことが好ましい。
アイドリングまたは回生制動が行われることを判断する段階と、アイドリングまたは回生制動時、燃料電池スタックの電圧が正常モード時の臨界上限電圧より高い場合、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して、燃料電池スタックの電流を放電する段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧以下の場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを正常モードに転換して、燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、を含むことが好ましい。
本発明に係る燃料電池用集電装置及びその制御方法は、抵抗を有する第１集電板と接続する第１電極同志を短絡して燃料電池スタックで発電された電気の放電を行わせる自己放電モードと、燃料電池スタックで発電された電気を、抵抗が少ない素材で形成された第２集電板と接続する第２電極から負荷に出力する正常モードと、を切り替える選択スイッチを制御装置に接続する。
制御装置は、外気の温度が低温始動適用温度より低い場合は、選択スイッチを自己放電モードに切り替えて低温始動運転を行い、自己放電モードに於いて燃料電池スタックの温度が臨界下限温度より高くなった場合に選択スイッチを正常モードに切り替えるようにする。これによって低温始動時に燃料電池スタックをより早く正常温度まで上昇させることができ、低温始動時間の短縮により低温始動性を改善することができ、更に、燃料電池スタックの低温始動前後の電圧偏差を縮小して、電力の安定な供給を行うことができる。
また本発明によると、燃費向上のために燃料電池と負荷間の電気的結合を切断する際に、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧より高い場合に選択スイッチを自己放電モードに切り替え、燃料電池スタックの電流（例えば、ＯＣＶ）を大きい抵抗を有する集電板を通して消費することで、燃料電池の無負荷出力電圧によって発生する膜・電極接合体の寿命低下現象を防止することができる。
以下、添付図面を参照し、本発明に係る燃料電池用集電装置及びその制御方法について詳細に説明する。この記載は本発明を説明するためのものであって、この記載によって本発明の技術範囲を限定するものではない。本発明は、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することが可能である。
図１は、本発明による燃料電池用集電装置を示す概略図である。
図５に示すように、燃料電池（スタック）で生成された電気エネルギーは、集電装置１を通して電気を必要とする負荷に供給される。
図５に示すように、燃料電池（スタック）で生成された電気エネルギーは、集電装置１を通して電気を必要とする負荷に供給される。
本発明の燃料電池用集電装置は、燃料電池スタック２の単位電池を積層した方向の両端の夫々に接して設けられ、燃料電池スタック２で発電された電気を出力する一対の集電装置１であって、図１に示すように、最外側に設けられたエンドプレート３０と、エンドプレート３０の内側に積層して設けられた絶縁板３２と、絶縁板３２の内側に、各々が異なった抵抗値を有し各々が燃料電池スタック２と接続し相互に積層され相互に絶縁されて設けられた複数個の集電板３４と、を含んで構成することが好ましい。
更に、各々の集電板３４に接続して形成され、相互に絶縁されてエンドプレートと絶縁板３０とを貫通してエンドプレート３０の外側まで延伸された複数個の電極を設けることが好ましい。
更に、各々の集電板３４に接続して形成され、相互に絶縁されてエンドプレートと絶縁板３０とを貫通してエンドプレート３０の外側まで延伸された複数個の電極を設けることが好ましい。
複数個の集電板は、燃料電池スタック２及びその構成要素の設計によって、相互に異なる抵抗を有する集電板３４の任意の個数を積層して構成することができるが、本発明に係る集電板３４は、互いに異なる抵抗値を有する集電板を積層して設けた点に特徴がある。
本発明の、好ましい燃料電池用集電装置は、絶縁板の内側に積層して形成され、燃料電池スタックの単位セルを構成する膜・電極接合体を損傷することなく使用できる最高電圧と最小電流とに対応する抵抗値を有する第１集電板、及び、第１集電板の内側に積層して形成され、最小抵抗特性を有する第２集電板から成り、複数個の電極は、第１集電板に接続された第１電極、及び、第２集電板に接続された第２電極から成ることが好ましい。
本発明の、好ましい燃料電池用集電装置は、絶縁板の内側に積層して形成され、燃料電池スタックの単位セルを構成する膜・電極接合体を損傷することなく使用できる最高電圧と最小電流とに対応する抵抗値を有する第１集電板、及び、第１集電板の内側に積層して形成され、最小抵抗特性を有する第２集電板から成り、複数個の電極は、第１集電板に接続された第１電極、及び、第２集電板に接続された第２電極から成ることが好ましい。
より詳細には、一対のエンドプレート３０の夫々の内側に積層されて設けられた絶縁板３２に、膜・電極接合体の耐久損傷を引き起こさないような最大電圧（Ｖｍａｘ）と最小電流（Ｉｍｉｎ）とに対応する抵抗（Ｒ／２＝Ｖｍａｘ／Ｉｍｉｎ）を有する第１集電板５２を積層するように設け、第１集電板５２の内側に、第１集電板５２と絶縁して、抵抗が少ない素材で形成された第２集電板５４を積層するように設けることが好ましい。
ここで、膜・電極接合体の耐久損傷を引き起こさないような最大電圧と最小電流とに対応する抵抗とは、換言すれば、燃料電池スタックの単位セルを構成する膜・電極接合体が耐久損傷を引き起こす電圧の最少値の電圧より低いの起電力を燃料電池スタックに生じさせるような抵抗値とそれによって生じる（最大）電流値のことであり、燃料電池スタックを断続を繰り返しても損傷せずに運転できるような抵抗を意味する。
第１集電板５２には、一体に接続した第１電極５６をエンドプレート３０と絶縁板３２とを貫通して外部に延伸し、第２集電板５４には、一体に接続した第２電極５８を、第１集電板５２と絶縁した状態で、第１集電板５２と絶縁板３２とエンドプレート３０とを貫通して外部に延伸することが好ましい。
ここで、膜・電極接合体の耐久損傷を引き起こさないような最大電圧と最小電流とに対応する抵抗とは、換言すれば、燃料電池スタックの単位セルを構成する膜・電極接合体が耐久損傷を引き起こす電圧の最少値の電圧より低いの起電力を燃料電池スタックに生じさせるような抵抗値とそれによって生じる（最大）電流値のことであり、燃料電池スタックを断続を繰り返しても損傷せずに運転できるような抵抗を意味する。
第１集電板５２には、一体に接続した第１電極５６をエンドプレート３０と絶縁板３２とを貫通して外部に延伸し、第２集電板５４には、一体に接続した第２電極５８を、第１集電板５２と絶縁した状態で、第１集電板５２と絶縁板３２とエンドプレート３０とを貫通して外部に延伸することが好ましい。
膜・電極接合体を損傷することなく使用できる最大電圧と最小電流とは、膜・電極接合体の特性値として公表されている場合が多いが、公表されていない場合には実験的に求めることができる。
例えば、燃料電池４と、可変抵抗発生手段と、電流測定手段と、電圧測定手段と、で回路を形成し、可変抵抗発生手段の抵抗値を変化させて電圧と電流を変化させ、燃料電池４が過酸化水素を発生しない状態の最大の電圧と電流とを求めればよい。
例えば、燃料電池４と、可変抵抗発生手段と、電流測定手段と、電圧測定手段と、で回路を形成し、可変抵抗発生手段の抵抗値を変化させて電圧と電流を変化させ、燃料電池４が過酸化水素を発生しない状態の最大の電圧と電流とを求めればよい。
最小抵抗特性を有する集電板とは、燃料電池スタック２で発電した電気エネルギーを最大限に負荷４０に供給できるように配備された集電板である。具体的には、素材として良導体を用いて形成した集電板を含むことが出来る。良導体とは、具体例を挙げれば、白金と金と銀と銅とアルミニウムとを含む金属、合金、炭素、電解質溶液、有機導電体を含むものであるが、これらに限られるものではない。
図２は、本発明による燃料電池用集電装置の正常モード及び自己放電モードのための回路構成図である。
図２に示すように、本発明による燃料電池用集電装置は、第１電極５６と第２電極５８とに、第１電極５６同士を短絡して燃料電池スタック２に自己放電を行わせる自己放電モードと、燃料電池スタック２で発電された電気を第２電極５８から負荷４０に出力する正常モードと、に切り替え可能な選択スイッチ６０を接続し、選択スイッチを制御装置７０に接続することが好ましい。
図２に示すように、本発明による燃料電池用集電装置は、第１電極５６と第２電極５８とに、第１電極５６同士を短絡して燃料電池スタック２に自己放電を行わせる自己放電モードと、燃料電池スタック２で発電された電気を第２電極５８から負荷４０に出力する正常モードと、に切り替え可能な選択スイッチ６０を接続し、選択スイッチを制御装置７０に接続することが好ましい。
即ち、自己放電モードでは、燃料電池スタック２で発電された電流は、膜・電極接合体１１の損傷を引き起こさないような最大電圧（Ｖｍａｘ）と最小電流（Ｉｍｉｎ）とに対応する抵抗（一対の第１集電板５２を含む回路全体の合計抵抗値、Ｒ＝Ｖｍａｘ／Ｉｍｉｎ、以下同じ）を有する第１集電板５２同士が第１電極５６を介して短絡される。これによって、燃料電池スタック２で発電された電流は、膜・電極接合体１１の耐久損傷を引き起こさずに自己放電を行うことができる。
正常モードでは、燃料電池スタック２で発電された電流は、良導体で形成された第２集電板５４と接続された第２電極５８から負荷４０に送電される。
選択スイッチ６０に制御装置７０を接続することが好ましい。制御装置７０は、選択スイッチ６０を正常モードまたは自己放電モードに切り替えることができる。
選択スイッチ６０に制御装置７０を接続することが好ましい。制御装置７０は、選択スイッチ６０を正常モードまたは自己放電モードに切り替えることができる。
以下、集電装置１に対する動作及びその制御方法を説明する。
本発明に係る燃料電池の作動温度は常温〜９０°である。常温（約３０℃）より低いと発電能力が低下し、９０℃より高いと、膜・電極接合体１１が熱による損傷を受ける。このため、燃料電池を好適に運転できる臨界温度を予め設定することが多い。臨界温度は臨界上限温度と臨界下限温度を含むことができる。
特に、燃料電池の始動時には、外気温の低い場合には燃料電池は充分な性能ができないので低温始動運転を行って燃料電池の温度を、例えば前記臨界下限温度まで上げることが好ましい。低温始動運転を行うか行わないかを判断する外気温の判断基準として、低温始動適用温度を予め設定することが多い。
また、本発明に係る燃料電池は、有負荷出力電圧は、燃料電池の内部抵抗によって、出力する電流量と負の相関を有する。このため、燃料電池を好適に運転できる臨界上限電圧と臨海下限電圧とを予め設定することが多い。
本発明に係る燃料電池の作動温度は常温〜９０°である。常温（約３０℃）より低いと発電能力が低下し、９０℃より高いと、膜・電極接合体１１が熱による損傷を受ける。このため、燃料電池を好適に運転できる臨界温度を予め設定することが多い。臨界温度は臨界上限温度と臨界下限温度を含むことができる。
特に、燃料電池の始動時には、外気温の低い場合には燃料電池は充分な性能ができないので低温始動運転を行って燃料電池の温度を、例えば前記臨界下限温度まで上げることが好ましい。低温始動運転を行うか行わないかを判断する外気温の判断基準として、低温始動適用温度を予め設定することが多い。
また、本発明に係る燃料電池は、有負荷出力電圧は、燃料電池の内部抵抗によって、出力する電流量と負の相関を有する。このため、燃料電池を好適に運転できる臨界上限電圧と臨海下限電圧とを予め設定することが多い。
本発明は、前記燃料電池用集電装置を制御する方法であって、制御装置が、外気の温度を測定する段階と、外気の温度と予め設定した低温始動適用温度とを比較する段階と、外気の温度が低温始動適用温度より低い場合は選択スイッチを自己放電モードに切り替える段階と、自己放電モードに於いて燃料電池スタックの温度を測定し、燃料電池スタックの温度を予め定めた正常モード時の臨界下限温度と比較する段階と、燃料電池スタックの温度が臨界下限温度より高くなった場合に選択スイッチを正常モードに切り替える段階と、を含んで燃料電池用集電装置を制御することができる。
燃料電池４の低温始動時の制御過程を、更に詳細に説明すると下記の通りである。
図３は、本発明に１実施例による燃料電池の低温始動時の動作を示フローチャートである。
図３に示すように、燃料電池の始動時に制御装置７０は、外気温度（Ｔａｉｒ）を測定する（Ｓ１０１）。
次いで、制御装置７０は、外気温度と予め設定した低温始動適用温度（Ｔ１）とを比較し、外気温度が低温始動適用温度以上であれば（Ｔａｉｒ≧Ｔ１、Ｓ１０２、Ｎｏ）そのまま燃料電池４を始動する。もし、外気温度が低温始動適用温度より低いと判断すると（Ｔａｉｒ＜Ｔ１、Ｓ１０２、Ｙｅｓ）、制御装置７０は、燃料電池４の低温始動条件が満たされたと判断し、制御装置７０の制御により選択スイッチ６０を自己放電モードに切り替える（Ｓ１０３）。
図３は、本発明に１実施例による燃料電池の低温始動時の動作を示フローチャートである。
図３に示すように、燃料電池の始動時に制御装置７０は、外気温度（Ｔａｉｒ）を測定する（Ｓ１０１）。
次いで、制御装置７０は、外気温度と予め設定した低温始動適用温度（Ｔ１）とを比較し、外気温度が低温始動適用温度以上であれば（Ｔａｉｒ≧Ｔ１、Ｓ１０２、Ｎｏ）そのまま燃料電池４を始動する。もし、外気温度が低温始動適用温度より低いと判断すると（Ｔａｉｒ＜Ｔ１、Ｓ１０２、Ｙｅｓ）、制御装置７０は、燃料電池４の低温始動条件が満たされたと判断し、制御装置７０の制御により選択スイッチ６０を自己放電モードに切り替える（Ｓ１０３）。
これによって、燃料電池スタック２で発電された電流は、図２に太線で示した自己放電モードの電流の流れに沿って、燃料電池スタック２と、抵抗（Ｒ＝Ｖｍａｘ／Ｉｍｉｎ）を有する第１集電板５２と、第１電極５６と、選択スイッチ６０と、で構成された回路に沿って、膜・電極接合体１１の耐久損傷を引き起こさずに自己放電を行うことができ、燃料電池スタック２を加温することができる。
制御装置７０は、自己放電モードに於いて燃料電池スタック２の温度（Ｔｓｔａｃｋ）を測定し、該燃料電池スタック２の温度が予め定めた正常モードの臨界下限温度（Ｔ２）以下であれば（Ｔｓｔａｃｋ≦Ｔ２、Ｓ１０４、Ｎｏ）自己放電モードを継続する。燃料電池スタック２の温度が予め定めた臨界下限温度より高くなれば（Ｔｓｔａｃｋ＞Ｔ２、Ｓ１０４、Ｙｅｓ）、制御装置７０は選択スイッチ６０を正常モードに切り替える（Ｓ１０５）。
これによって、燃料電池スタック２で生成された電気エネルギーは、図２の実線で示した正常モードの電流の流れ、即ち、燃料電池スタック２と、良導体で形成された第２集電板５４と、第２電極５８と、選択スイッチ６０と、で構成される回路に沿って燃料電池４の電流が電気エネルギーを必要とする負荷４０に供給される。
低温始動時のように燃料電池４の自己発熱による加温が必要な場合は、抵抗を有する第１集電板５２を通して燃料電池スタック２の自己電流が放電されるようにすることによって、燃料電池スタック２の温度をより早く正常水準まで回復することができるため、低温始動運転時間を短縮することにより低温始動性を改善することができる。更に、電気は燃料電池スタック２の温度が正常モードの臨界下限温度以上になってから供給されるので、供給される電気の電圧偏差が小さく、安定な電力を供給することができる。
次に、燃料電池４の低パワー動作時の制御過程を説明する。
本発明は、前記燃料電池用集電装置を制御する方法であって、制御装置が、燃料電池４の低パワー動作、例えばアイドリングまたは回生制動が行われているかどうかを判断する段階と、アイドリングまたは回生制動が行われていることを確認した際に、燃料電池スタックの電圧を測定し、燃料電池スタックの電圧を予め定めた正常モード時の臨界上限電圧と比較する段階と、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧より高い場合に選択スイッチを自己放電モードに切り替える段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧より低いか又は同一となった場合に選択スイッチを正常モードに切り替える段階と、を含むことが好ましい。
本発明は、前記燃料電池用集電装置を制御する方法であって、制御装置が、燃料電池４の低パワー動作、例えばアイドリングまたは回生制動が行われているかどうかを判断する段階と、アイドリングまたは回生制動が行われていることを確認した際に、燃料電池スタックの電圧を測定し、燃料電池スタックの電圧を予め定めた正常モード時の臨界上限電圧と比較する段階と、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧より高い場合に選択スイッチを自己放電モードに切り替える段階と、自己放電モードに於いて、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧より低いか又は同一となった場合に選択スイッチを正常モードに切り替える段階と、を含むことが好ましい。
図４は、本発明の１実施例による燃料電池の低パワー作動時の動作を説明するフローチャートである。
第４図によれば、制御装置７０は、アイドリング中または回生制動中などの原因によって燃料電池４が低パワー作動中であるという情報を上位制御装置から受信し確認する（Ｓ２０１）。次いで、制御装置７０は、燃料電池スタック２の出力電圧（Ｖｓｔａｃｋ）を測定する。
第４図によれば、制御装置７０は、アイドリング中または回生制動中などの原因によって燃料電池４が低パワー作動中であるという情報を上位制御装置から受信し確認する（Ｓ２０１）。次いで、制御装置７０は、燃料電池スタック２の出力電圧（Ｖｓｔａｃｋ）を測定する。
制御装置７０は、燃料電池スタック２の出力電圧と予め定めた正常モード時の臨界上限電圧（Ｖ１）とを比較し、燃料電池スタック２の出力電圧が臨界上限電圧以下の場合（Ｖｓｔａｃｋ≦Ｖ１、Ｓ２０２、Ｎｏ）は、情報確認段階（Ｓ２０１）へ戻る。燃料電池スタック２の出力電圧が臨界上限電圧より高いと判断すると（Ｖｓｔａｃｋ＞Ｖ１、Ｓ２０２、Ｙｅｓ）、制御装置７０の制御により選択スイッチ６０を自己放電モードに切り替え、燃料電池スタック２の電流を自己放電する（Ｓ２０３）。
制御装置７０は、自己放電モード中は燃料電池スタック２の電圧を測定し、燃料電池スタック２の電圧が臨界上限電圧より大きい場合（Ｖｓｔａｃｋ＞Ｖ１、Ｓ２０４、Ｎｏ）は、自己放電モードを継続する。
その後、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧以下になると（Ｖｓｔａｃｋ≦Ｖ１、Ｓ２０４、Ｎｏ）、制御装置７０の制御により選択スイッチ６０は正常モードに切り替えられ、燃料電池４が正常モードで運転される（Ｓ２０５）。
その後、燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧以下になると（Ｖｓｔａｃｋ≦Ｖ１、Ｓ２０４、Ｎｏ）、制御装置７０の制御により選択スイッチ６０は正常モードに切り替えられ、燃料電池４が正常モードで運転される（Ｓ２０５）。
これによって、燃料電池スタック２で生成された電気エネルギーは、図２の実線で示した正常モードの電流の流れ、即ち、燃料電池スタック２と、良導体で形成された第２集電板５４と、第２電極５８と、選択スイッチ６０と、で構成された回路に沿って燃料電池４の電流が電気エネルギーを必要とする負荷４０に供給される。
このように、アイドリング時や回生制動時のように、燃料電池４からの低パワーを使用する際、燃料電池４スタックの自己電流（例えば、ＯＣＶによる電流）が、大きい抵抗を有する第１集電板を通して消耗されるようにすることで、燃費向上のために燃料電池４と負荷間の電気的接続を人為的にショートさせるときに、無負荷出力電圧（ＯＣＶによる電流）により膜・電極接合体（ＭＥＡ）に過酸化水素が発生し、この過酸化水素により膜・電極接合体（ＭＥＡ）の耐久寿命が低下するという現象を阻止することができる。
１ 集電装置
２ 燃料電池スタック
３ 単位セル
４ 燃料電池
１０ 電解質膜
１１ 膜・電極接合体
１２ カソード
１４ アノード
１６ ガス拡散層
１８ ガスケット
２０ 分離板
３０ エンドプレート
３２ 絶縁板
３４ 集電板
４０ 負荷
５２ 第１集電板
５４ 第２集電板
５６ 第１電極
５８ 第２電極
６０ 選択スイッチ
７０ 制御装置
２ 燃料電池スタック
３ 単位セル
４ 燃料電池
１０ 電解質膜
１１ 膜・電極接合体
１２ カソード
１４ アノード
１６ ガス拡散層
１８ ガスケット
２０ 分離板
３０ エンドプレート
３２ 絶縁板
３４ 集電板
４０ 負荷
５２ 第１集電板
５４ 第２集電板
５６ 第１電極
５８ 第２電極
６０ 選択スイッチ
７０ 制御装置
Claims (3)
- 複数の単位電池を積層して構成された燃料電池スタックの、単位電池を積層した方向の最外側に設置された一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの内側に積層された一対の絶縁板と、
前記一対の絶縁板それぞれの内側に、前記燃料電池スタックと接続し、互に絶縁され、相互に積層されて設置された、膜・電極接合体の損傷を引き起こさない最大電圧と最小電流とに対応する抵抗を有する一対の第１集電板、及び前記第１集電板の更に内側に絶縁材を間に置いて設置された最小抵抗特性を有する一対の第２集電板と、
前記第１集電板の各々に一体に連結されて設置され、前記エンドプレートの外側に延伸された一対の第１電極と、
前記第２集電板の各々に一体に連結されて設置され、前記エンドプレートの外側に延伸された一対の第２電極と、
前記一対の第１電極及び前記一対の第２電極に連結された一対の選択スイッチと、
前記一対の選択スイッチを切り替える制御装置と、を有し、
前記制御装置が、前記一対の選択スイッチを、燃料電池の正常モードでは燃料電池スタックで発電された電流が前記第２電極から負荷に送電されるよう切り替え、自己放電モードでは前記第１電極を短絡させて自己放電を行うよう切り替えることを特徴とする燃料電池用集電装置。
- 請求項１に記載の燃料電池用集電装置の制御方法であって、
外気温度を検出する段階と、
外気温度が低温始動適用温度より低い場合に、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して燃料電池スタックの電流を放電する段階と、
前記自己放電モードに於いて、前記燃料電池スタックの温度が正常モード時の臨界下限温度以上になった場合に、前記制御装置の制御命令により前記選択スイッチを正常モードに転換して、前記燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池用集電装置制御方法。 - 請求項１に記載の燃料電池用集電装置の制御方法であって、
アイドリングまたは回生制動が行われることを判断する段階と、
アイドリングまたは回生制動時、燃料電池スタックの電圧が正常モード時の臨界上限電圧より高い場合、制御装置の制御命令により選択スイッチを自己放電モードに転換して、前記燃料電池スタックの電流を放電する段階と、
前記自己放電モードに於いて、前記燃料電池スタックの電圧が臨界上限電圧以下の場合に、前記制御装置の制御命令により前記選択スイッチを正常モードに転換して、前記燃料電池スタックを正常モードに転換する段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池用集電装置制御方法。
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