WO2006025254A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006025254A1
WO2006025254A1 PCT/JP2005/015428 JP2005015428W WO2006025254A1 WO 2006025254 A1 WO2006025254 A1 WO 2006025254A1 JP 2005015428 W JP2005015428 W JP 2005015428W WO 2006025254 A1 WO2006025254 A1 WO 2006025254A1
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fuel cell
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Masahiro Takada
Katsumi Kozu
Toshihiko Ichinose
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system suitable as a power source for electronic devices and the like.
  • a fuel cell is generally configured by arranging a fuel electrode and an air electrode on both sides with an electrolyte layer in between. By supplying hydrogen to the fuel electrode and oxygen to the air electrode, an electrochemical reaction occurs and a direct current is generated. Since the electromotive force of the fuel cell, which is the minimum unit for generating this current, is small, it is necessary to connect a plurality of fuel cells in series to obtain the power required by the equipment that uses the fuel cell as a power source. . Large power can be generated by stacking multiple fuel cells to form a fuel cell stack.
  • the desired value of the current that can be taken out of the fuel cell power can be achieved by increasing the reaction area. I can't.
  • operational control such as smoothly feeding fuel to each fuel cell according to the required power of the load equipment.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell operating method and operating device of a first conventional example that can be operated efficiently and safely.
  • reducing the load of the air compressor of the air supply source or reducing the supply of the fuel gas flow rate to an excessively small amount will cause the cell voltage to drop and reverse, causing the fuel cell to May cause damage. Therefore, in the fuel cell operation technique of the first conventional example, for example, the fuel cell voltage of the fuel cell is monitored, and the load current and air pressure are monitored so that the standard deviation does not exceed the predetermined value and follows the predetermined value.
  • Methods have been proposed for controlling supply volume, air pressure, fuel gas supply volume and fuel gas pressure. As a result, the conventional operation method and operation device can operate safely without damaging the fuel cell and increase the efficiency of the fuel cell system. I am trying.
  • Patent Document 2 discloses another conventional fuel cell system.
  • the hydrogen supply amount is changed according to the required power of the load, and voltage control is performed so that each output voltage of the fuel cell constituting the fuel cell becomes a predetermined cell voltage. I do.
  • the maximum generated power can be obtained with the current hydrogen supply amount, and overdischarge due to voltage drop can be prevented even when the voltage characteristics of each fuel cell constituting the fuel cell vary. I intend to do it.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-208161
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-184443
  • a fuel cell operating method and an operating device monitor the voltages of a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, and supply fuel and air to the fuel cell stack.
  • each voltage of a plurality of fuel cells forming the fuel cell stack is measured to control hydrogen supplied to the fuel cell stack and a target voltage of the cells.
  • the total amount of fuel or air to be supplied to the fuel cell stack is determined according to the difference between the generated power amount and the required power, and each fuel cell is maintained while keeping the total amount of fuel or air constant. It was difficult to increase or decrease the fuel supply amount or air supply amount for each fuel cell in order to reduce the voltage variation.
  • a fuel cell system includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are connected in series.
  • a fuel supply device for supplying fuel to each of the plurality of fuel cells based on a target fuel supply amount; and an air supply to each of the plurality of fuel cells based on a target air supply amount.
  • At least one of the amount and the air supply amount is set for each fuel cell, and the fuel supply device sets the plurality of fuel cells based on the fuel supply amount for each fuel cell.
  • Fuel in each of the cells Supplied, and Z or the air supply device supplies air to each of said plurality of fuel cells on the basis of the air supply amount of each of the fuel cells, characterized in that
  • the present invention it is possible to realize a fuel cell system that stabilizes the power generated by the fuel cell stack by reducing variations in the voltage of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack. .
  • the fuel that prevents the voltage of any one of the fuel cells from lowering and deteriorating due to variations in characteristics of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack or variations in characteristics of the fuel supply device is prevented.
  • a battery system can be realized.
  • the fuel cell system prevents the current from being lowered by any one of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, and consequently the generated power of the fuel cell stack is reduced. Can be realized.
  • the controller may calculate each voltage of the plurality of fuel cells and an average value of the voltages of the plurality of fuel cells every predetermined time. A voltage deviation which is a difference is calculated, the fuel supply amount of each of the plurality of fuel cells is increased or decreased according to the voltage deviation while keeping the total amount of the fuel supply constant, and Z or the air supply The air supply amount of each of the plurality of fuel cells may be increased or decreased according to the voltage deviation while keeping the total amount constant.
  • the fuel cell system further includes a temperature measuring device for measuring the temperature of the fuel cell stack, and the controller is configured to include the fuel cell.
  • the controller includes a fuel supply total amount table for calculating the total amount of the fuel supply amount from a stack temperature and the required power of the load device, and an air supply total amount table for calculating the total amount of Z or the air supply amount.
  • the temperature of the fuel cell stack is input from the temperature measuring device, the required power is input from the load device, and the total amount of the fuel supply amount based on the fuel supply total amount table and Z or the air supply total amount table.
  • Z or the total amount of the air supply amount is calculated, and the total amount of the fuel supply amount and Z or the total amount of the air supply amount divided by the total number of the fuel cells is It is a difference between each voltage of the plurality of fuel cells and an average value of the voltage of the plurality of fuel cells as an initial value of the fuel supply amount and Z or the air supply amount of each of the plurality of fuel cells.
  • a voltage deviation is calculated, and the fuel supply amount and Z or the air supply amount of each of the fuel cells is subtracted from a value obtained by multiplying the voltage deviation by a predetermined value, and the target fuel supply amount and Z or The operation of obtaining the air supply amount may be repeated every predetermined time.
  • the controller may calculate each voltage of the plurality of fuel cells and an average value of the voltages of the plurality of fuel cells every predetermined time. A voltage deviation that is a difference is calculated, and when the maximum value of the absolute value of the voltage deviation of the plurality of fuel cells becomes smaller than a predetermined value, the generated power of the fuel cell stack within a certain time is calculated. The total amount of the fuel supply amount or the total amount of the air supply amount may be increased or decreased according to the power difference between the generated power and the required power from the load device.
  • the voltage of any of the fuel cells decreases and deteriorates due to variations in the characteristics of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack and variations in the characteristics of the fuel supply device. It is possible to realize a fuel cell system that prevents this. According to this invention, It is possible to realize a fuel cell system that matches the required power required by the load device with the generated power output from the fuel cell stack as much as possible.
  • a value obtained by multiplying a power difference between the generated power of the fuel cell stack and the required power from the load device by a predetermined value is The total amount of the fuel supply amount or the total amount of the air supply amount may be increased or decreased by adding to the total amount of the fuel supply amount or the total amount of the air supply amount.
  • the fuel cell stack is controlled so that a voltage or a current of the fuel cell stack becomes a target voltage or a target current determined by the controller.
  • the voltage of the fuel cell decreases by V or less due to variations in the characteristics of the fuel cells constituting the fuel cell stack and variations in the characteristics of the fuel supply device.
  • a fuel cell system can be realized.
  • the fuel cell system prevents the current from being reduced by any one of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, and consequently the generated power of the fuel cell stack is reduced. Can be realized.
  • the controller when the minimum voltage value among the voltages of the plurality of fuel cell cells becomes smaller than a predetermined voltage value, the controller is A value obtained by multiplying a voltage difference between the minimum voltage value and the predetermined voltage value by a predetermined value is added to the target voltage. Based on the target voltage, the power converter calculates the voltage of the fuel cell stack. The controller subtracts, from the target current, a value obtained by multiplying a voltage difference between the minimum voltage value and the predetermined voltage value by a predetermined value from the target current. Based on the above, the power change may reduce the current of the fuel cell stack.
  • the voltage of any of the fuel cells decreases and deteriorates due to variations in characteristics of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack and variations in characteristics of the fuel supply device. It is possible to realize a fuel cell system that prevents this.
  • the fuel cell prevents the current from being reduced by any one of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, and consequently the generated power of the fuel cell stack is reduced. A system can be realized.
  • the present invention by varying the fuel supply amount or the air supply amount for each fuel cell, the variation in voltage of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack is reduced, and the fuel cell stack If a fuel cell system that stabilizes the generated power can be realized, an advantageous effect can be obtained.
  • the voltage of any of the fuel cells decreases and deteriorates due to variations in characteristics of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack and variations in characteristics of the fuel supply device. If a fuel cell system that prevents this is realized, an advantageous effect can be obtained.
  • the current is reduced by! / Of any of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, and as a result, the generated power of the fuel cell stack is reduced. If a fuel cell system that prevents this is realized, an advantageous effect can be obtained.
  • FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control algorithm of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 shows the fuel supply amount and the maximum amount of fuel cells in the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. It is a figure which shows the relationship with large output electric power.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the required power of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention and the total amount of fuel supply.
  • FIG. 5 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a control algorithm of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amount of air supplied to the fuel cell of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention and the maximum output power.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the required power and the total air supply amount of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a current-voltage characteristic and a current-power characteristic of a fuel cell with respect to a change in the air supply amount of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention is a fuel cell stack 100 composed of a plurality of fuel cells, and is used to supply fuel to each fuel cell of the fuel cell stack 100.
  • the fuel cell system of the present embodiment supplies power to the load device 109.
  • the fuel cell stack 100 is configured by connecting n (n is an arbitrary positive integer of 2 or more) fuel cell cells 110 (1) to 110 (n) in series.
  • the fuel cells 110 (1) to 110 (n) are configured by disposing a fuel electrode and an air electrode on both sides of the electrolyte layer (not shown). O Hydrogen or hydrogen ions are applied to the fuel electrode.
  • the fuel to be generated for example, methanol
  • oxygen is supplied to the air electrode
  • an electrochemical reaction occurs and direct current electricity is generated.
  • the fuel battery cells 110 (l) to 110 (n) are also supplied with the fuel supply devices 101 (1) to 101 (n) with the fuel supply amount set for each fuel battery cell.
  • Each of the fuel cells 110 (1) to L 10 (n) is supplied with the same air supply amount of air from the air supply device 102.
  • the fuel supply devices 101 (1) to 101 (n) respectively input the fuel supply amount for each fuel cell from the controller 108, and based on the fuel supply amount, the fuel cell 110 (1) to 101 (n) Supply fuel to 11 0 (n) respectively.
  • the air supply device 102 receives an air supply amount from the controller 108, and supplies air to the fuel cells 110 (1) to 110 (n) based on the air supply amount.
  • the air supply amount is a value common to all n fuel cells 110 (1) to: L 10 (n).
  • the power converter 103 is a DC-DC comparator of the constant input voltage type in the first embodiment. Is.
  • the power conversion 103 controls the voltage of the fuel cell stack 100 (the fuel cell 110 connected in series 110 (1) to: the total voltage of L 10 (n)) force to become the target voltage indicated by the controller 108 .
  • the secondary battery 104 is connected to the output terminal of the power converter 103.
  • Secondary battery 104 is a lithium ion secondary battery in the first embodiment.
  • the secondary battery 104 discharges and supplies power to the load device 109 when the generated power required by the fuel cell stack 100 is not sufficient.
  • the target voltage and the total fuel supply amount of the fuel cell stack 100 are set according to the required power so that the required power required by the load device 109 matches the generated power of the fuel cell stack 100. Although it is set, the generated power cannot be tracked immediately according to the required power required by the load device 109 with the fuel cell stack alone, so the secondary battery will compensate for the power that cannot be tracked.
  • the voltage measuring instrument 105 measures each voltage of the n fuel cells 110 (1) to: L 10 (n), and transmits the measured n voltage values to the controller 108.
  • the current measuring device 106 measures the output current of the fuel cell stack 100 and transmits the measured current value to the controller 108 and the power converter 103.
  • the temperature measuring instrument 107 measures the temperature of the fuel cell stack 100 and transmits it to the controller 108.
  • the controller 108 receives the required power requested by the load device 109, determines the target voltage of the fuel cell stack 100 according to the required power, and outputs the target voltage to the power converter 103.
  • the controller 108 has a total fuel supply table 401 (FIG. 4). Figure 4 will be described later.
  • the controller 108 inputs the required power requested by the load device 109 and the temperature measured by the thermometer 107, and supplies the fuel cell 110 (n) to 110 (n) from the total fuel supply table 401. The total amount of fuel to be calculated is calculated.
  • the controller 108 inputs each voltage value of the n fuel cells 110 (1) to 110 (n) output from the voltage measuring device 105, and n fuels based on each voltage value. Determine the amount of fuel supplied to each battery cell. The sum of n fuel supplies equals the total fuel supply To do. Figure 2 shows the details of how to determine the fuel supply. Figure 2 will be discussed later.
  • the controller 108 outputs n fuel supply amounts to the corresponding fuel supply devices 101 (1) to (! 1).
  • the controller 108 outputs a predetermined air supply amount value to the air supply device 102.
  • the load device 109 is connected to both ends of the secondary battery.
  • load device 110 is a notebook computer.
  • the load device 109 outputs the required power to the controller 108.
  • the load device 109 operates by being supplied with power that is a combination of the power output from the fuel cell stack 100 and the power discharged from the secondary battery 104.
  • variations in the voltages of the fuel cells 110 (1) to L10 (n) are caused by variations in the fuel supply amount and fuel cells. This is intended to reduce the variation in the voltage of the fuel cell when it occurs due to the variation in the characteristics of the fuel cell.
  • the purpose is to stabilize the power generated by the fuel cell stack by controlling the fuel supply amount for each fuel cell and reducing the variation in the voltage of the fuel cell, preventing the deterioration of the fuel cell. .
  • FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the amount of fuel supplied to the fuel cell and the maximum output power of the fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the horizontal axis represents the fuel supply amount (ccZmin) and the vertical axis represents the maximum output power (W).
  • the predetermined fuel supply amount (Ri-max) is reached, as the fuel supply amount supplied to the fuel cells 110 (1) to 110 (n) increases, The maximum output power that can be output increases monotonously.
  • the fuel cell system of Embodiment 1 of the present invention supplies fuel to each fuel cell within this monotonically increasing region (Ri—min ⁇ fuel supply amount ⁇ Ri—max).
  • FIG. 4 is a total fuel supply amount table 401 showing the relationship between the required power and the total fuel supply amount in the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the horizontal axis represents the required power required from the load device 109
  • the vertical axis represents the total amount of fuel supplied to the fuel cell stack 100.
  • the relationship between required power and total fuel supply varies with temperature. As shown in Figure 4, the lower the temperature of the fuel cell stack, the greater the total fuel supply required to meet the required power required by the load device.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control algorithm of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the controller 108 inputs the required power (Pr eq) required by the load device 109 and the temperature measurement value (T1) of the fuel cell stack 100 output from the temperature measuring device 107, and from the total fuel supply table 401 Calculate the total fuel supply (Rtotal) (step 200). At this time, the controller 108 determines the target voltage V 0 of the fuel cell stack 100 based on the required power and outputs it to the power variation 103.
  • the air supply device 102 supplies air evenly to each of the fuel cells 110 (1) to 110 (n) according to a constant air supply amount instructed from the controller 108.
  • the fuel cells 110 (l) to 110 (n) are supplied with fuel and air and generate electricity.
  • the power converter 103 inputs the voltage of the fuel cell stack 100 and controls the voltage of the fuel cell stack to be a target voltage.
  • step 202 It is determined whether or not the force has passed a certain time (1 minute in the first embodiment) (step 202). Until the fixed time elapses, the initial fuel supply amount is continuously supplied to each fuel cell.
  • step 203 the average voltage (Vl to Vn) of each fuel cell within the certain time is calculated (step 203).
  • An average voltage (Vave) of n voltages (Vl to Vn) is calculated (step 204).
  • kl is a predetermined positive constant [ccZminZV].
  • the fuel supply amount (Ri) decreases as the fuel cell has a higher voltage, and the fuel supply amount (Ri) increases as the fuel cell has a lower voltage.
  • the total amount of fuel supplied to all fuel cells (Rtotal) remains constant, and the amount of fuel supplied to each fuel cell (Ri) It can be changed according to the fuel cell voltage deviation (ei).
  • the reason why the total amount of fuel supply is constant in step 206 is shown by the following equation.
  • the fuel supply amount (Ri) should be within the monotonically increasing region (the region where the generated power of the fuel cell increases monotonically with the increase in the fuel supply amount to the fuel cell (Fig. 3)). Then, saturation processing of the fuel supply amount (Ri) is performed (step 207). The saturation processing here is set to Ri-min if the fuel supply amount (Ri) is less than the minimum fuel supply amount (Ri-min), and Ri-max if it is greater than the maximum fuel supply amount (Ri-max). Is to set. The reason is that no increase in generated power can be expected even if a larger amount of fuel than the maximum fuel supply (Ri-max) is supplied to the fuel cell.
  • the controller 108 changes the power.
  • the target voltage of the fuel cell stack 100 to be output to 103 is reset (steps 220 to 223).
  • k3 is a predetermined coefficient.
  • the controller 108 increases the target voltage
  • the power converter 103 increases the voltage of the fuel cell stack 100 so as to match the new target voltage set in step 222.
  • the voltage of the fuel cell falls below a predetermined value and overdischarge occurs, and the electrolyte membrane of the fuel cell is damaged. Or preventing deterioration. If the cell minimum voltage deviation is equal to or greater than the predetermined value, the target voltage is returned to the original value VO (step 223).
  • the maximum value is smaller than the predetermined value (step 208). If the maximum absolute value of the n voltage deviations is equal to or greater than the predetermined value, it is determined that the variation in the voltage of the n fuel battery cells is large, and the process returns to step 202. Step 202 Repeat step 223, and wait until the voltage variation of the fuel cell 110 (1) ⁇ : L 10 (n) is reduced.
  • a power difference (ep) between the required power (Preq) required by the load device 109 and the generated power (P) of the fuel cell stack 100 is calculated (step 210). It is determined whether or not the absolute value of the power difference (ep) is smaller than a predetermined value (step 211). If the power difference (ep) is smaller than the predetermined value, the current generated power is considered good, and the process returns to step 202.
  • the absolute value of the power difference (ep) is greater than or equal to a predetermined value, it is determined that there is an excess or deficiency in the total fuel supply, and the total fuel supply is recalculated according to the power difference (Rtotal—Rtotal + k2 X ep) (step 212).
  • k2 is a predetermined positive constant [ccZminZV].
  • saturation processing is performed to prevent the total fuel supply amount (Rtotal) from increasing too much or becoming zero when the generated power of the fuel cell stack 100 is insufficient (step 213).
  • Step 202 the fuel cell system repeats Step 202 and the subsequent steps so that the fuel supply amount ((Ri)) to each fuel cell is reduced so as to reduce the variation in the voltage of the fuel cells 110 (1) to 110 (n).
  • (i l ⁇ ! 1) While adjusting), match the required power (Preq) with the generated power (P) of the fuel cell stack 100.
  • the fuel cell system of the present embodiment is configured so that the fuel supply amount (Ri) to each fuel cell according to the variation in voltage of each fuel cell 110 (1) to 110 (n). To control. Thereby, even if there is some variation in the characteristics of the fuel cell and the characteristics of the fuel supply device, the variation in the voltage of the fuel cell can be reduced or eliminated. Then, V, the voltage of the fuel cell is prevented from decreasing and the fuel cell is prevented from deteriorating. Furthermore, it is possible to prevent the generated power of the fuel cell stack from being reduced due to a decrease in the current of any fuel cell.
  • the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention requires the total amount of fuel supply according to the difference between the required power required by the load device 109 and the generated power of the fuel cell stack 100. Electric power and generated power can be matched as much as possible.
  • power conversion 103 of Embodiment 1 of the present invention is a DC-DC converter that controls the voltage of fuel cell stack 100 to match the target voltage.
  • the power converter 103 may be a DC-DC converter that controls the current of the fuel cell stack to match the target current.
  • the controller 108 reduces the target current of the fuel cell stack instead of increasing the target voltage of the fuel cell stack 100 (target current target current—k4 X em) ( k4 is a predetermined positive constant).
  • the same number of fuel supply devices as fuel cells supply fuel to each fuel cell, but the number of fuel supply devices is not limited to this. Any number of fuel supply devices may be used as long as fuel can be supplied individually based on the fuel supply amount corresponding to each of the plurality of fuel cells. For example, one fuel The fuel supply device may supply fuel to each of a plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell system according to Embodiment 2 includes air supply devices 502 (1) to 502 (n) (n is an arbitrary positive integer equal to or greater than 2) for supplying air to fuel cell cells 101 (1) to 101 (n) Install one fuel supply device 501 that supplies fuel uniformly to each fuel cell.
  • the controller 108 has a total air supply amount table 801 (FIG. 8).
  • the fuel cell system of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the fuel cell system of the second embodiment is configured to reduce the air supply amount when the voltage variation of the fuel cell 1 10 (1) to L 10 (n) occurs due to the variation of the air supply amount.
  • the purpose is to reduce the voltage variation of the fuel cells 101 (1) to 101 (n) by controlling, to stabilize the generated power of the fuel cell stack and to prevent the deterioration of the fuel cells. Details of how to determine the amount of air supplied to each fuel cell 110 (1) to: L 10 (n) is shown in FIG. Figure 6 will be described later.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amount of air supplied to the fuel cell and the maximum output power output from the fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the horizontal axis is the air supply (LZmin), and the vertical axis is the maximum output power (w).
  • the predetermined air supply amount (Ai-max) is reached, as the air supply amount supplied to the fuel cell 110 (1) to 110 (n) increases, the fuel cell The maximum output power that is output increases monotonically.
  • air is supplied to each of the fuel cells 1 01 (1) to 101 (n) within this monotonically increasing region (Ai—min ⁇ air supply amount ⁇ Ai—max). Supply.
  • FIG. 8 is a total air supply amount table 801 showing the relationship between the required power and the total air supply amount in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the horizontal axis indicates the required power required from the load device 109
  • the vertical axis indicates the supply to the fuel cell stack 100.
  • the total air supply amount of air The relationship between required power and total air supply varies with temperature. The lower the temperature of the fuel cell stack 100, the greater the total air supply required to satisfy the required power required by the load device 109.
  • Fig. 9 shows current-voltage characteristics 901 (air supply amount: large), current-voltage characteristics 902 (air supply amount: medium), current- Voltage characteristics 903 (air supply volume: small), current-power characteristics 911 (air supply volume: large), current-power characteristics 912 (air supply volume: medium), current-power characteristics 913 (air supply volume: air supply: FIG.
  • the horizontal axis represents current (A)
  • the left vertical axis represents voltage (V)
  • W current-power characteristics 913
  • FIG. 6 is a flowchart showing a control algorithm of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention determines the air supply amount to be supplied to each fuel cell 110 (1) to 110 (n) using the flowchart shown in FIG.
  • the same steps as those in FIG. 2 are given the same numbers.
  • the controller 108 inputs the required power (Preq) required by the load device 109 and the temperature measurement value (T1) of the fuel cell stack 100 output from the temperature measuring device 107, and the total air supply table The total air supply amount (Atotal) is calculated from 801 (step 600). At this time, the controller 108 determines the target voltage V0 of the fuel cell stack 100 based on the required power, and outputs it to the power variable 103.
  • Air supply devices 502 (1) to (n) are air supply amounts (Ai) instructed by the controller 108.
  • the fuel supply device 601 supplies the fuel cells 110 (1) to L 10 (n) evenly according to a certain amount of fuel supplied from the controller 108.
  • Fuel cell 110 (1) ⁇ 11 0 (n) is supplied with fuel and air to generate electricity.
  • the power change 103 inputs the voltage of the fuel cell stack 100 and controls so that the voltage of the fuel cell stack becomes the target voltage.
  • step 202 It is determined whether or not the force has passed after a certain period of time (1 minute in the second embodiment) (step 202).
  • the initial air supply amount continues to be supplied to each fuel cell until a certain time elapses.
  • the average voltage (Vl to Vn) of each fuel cell within the certain time is calculated (step 203).
  • An average voltage (Vave) of n voltages (Vl to Vn) is calculated (step 204).
  • kl is a predetermined positive constant [LZminZV].
  • the total air supply amount (Atotal) to all fuel cells remains constant, and the air supply amount (Ai) to each fuel cell is changed according to each fuel cell voltage deviation (ei). be able to.
  • the reason why the total air supply amount is constant is shown by the following equation.
  • the air supply amount (Ai) is within a monotonically increasing region (region where the generated power of the fuel cell increases monotonously with the increase in the air supply amount to the fuel cell (Fig. 7)). Then, the air supply amount (Ai) is saturated (step 607).
  • the saturation treatment here is set to Ai-min if the air supply volume (Ai) is less than the minimum air supply volume (Ai-min), and Ai-max if it is greater than the maximum air supply volume (Ai-max). Is to set. The reason is that even if a larger amount of air is supplied to the fuel cell than the maximum air supply amount (Ai-max), the generated power cannot be increased.
  • Air supply device 502 (1) to (n) Based on the air supply amount (Ai) (i l to n), air is supplied to each of the fuel cells 110 (1) to L 10 (n).
  • the controller 108 changes the power.
  • the target voltage of the fuel cell stack 100 to be output to 103 is reset (steps 220 to 223).
  • k3 is a predetermined coefficient.
  • the controller 108 increases the target voltage, and the power converter 103 increases the voltage of the fuel cell stack 100 so as to match the new target voltage set in step 222. This prevents the fuel cell voltage from becoming less than a predetermined value, resulting in overdischarge, and damage or deterioration of the electrolyte membrane of the fuel cell. If the cell minimum voltage deviation is equal to or greater than the predetermined value, the target voltage is returned to the original value V0 (step 223).
  • the maximum value is smaller than the predetermined value (step 208). If the maximum absolute value of the n voltage deviations is equal to or greater than the predetermined value, it is determined that the variation in the voltage of the n fuel battery cells is large, and the process returns to step 202.
  • Step 202 Repeat step 223, and wait until the voltage variation of the fuel cell 110 (1) ⁇ : L 10 (n) is reduced.
  • a power difference (ep) between the required power (Preq) required by the load device 109 and the generated power (P) of the fuel cell stack 100 is calculated (step 210). Absolute value of power difference (ep) is predetermined It is determined whether or not the value is smaller than the value (step 211). If the power difference (ep) is smaller than the predetermined value, the current generated power is considered good, and the process returns to step 202.
  • the total air supply amount is recalculated according to the power difference (Atotal — Atotal + k2 X e P) (step 612).
  • k2 is a predetermined positive constant [LZminZV]. Specifically, when the generated power (P) power of the fuel cell stack 100 is smaller than the required power (Preq), it is determined that the air supply amount is insufficient and the total air supply amount (Atotal) is increased!]. When the generated power (P) is greater than the required power (Preq), it is determined that the air supply is excessive and the total air supply (Atotal) is decreased.
  • saturation processing is performed (step 613).
  • the fuel cell system of the present embodiment is configured so that the amount of air supplied to each fuel cell (in accordance with the variation in voltage of each fuel cell 110 (1) to: L10 (n) ( Control Ai).
  • the variation in the voltage of the fuel cell is eliminated and the voltage of any one of the fuel cells is reduced, thereby reducing the fuel cell.
  • the generated power of the fuel cell stack is reduced due to a decrease in the current of any of the fuel cells.
  • the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention has the required power required by the load device 109.
  • the required power and the generated power can be matched as much as possible.
  • the power converter 103 is a DC-DC converter that controls the voltage of the fuel cell stack so as to match the target voltage.
  • the power converter 103 may be a DC-DC converter that controls the current of the fuel cell stack to match the target current.
  • the controller 108 reduces the target current of the fuel cell stack instead of increasing the target voltage of the fuel cell stack 100 (target current target current—k4 X em) (k4 is a predetermined value). Positive constant).
  • the same number of air supply devices as fuel cells supply air to each fuel cell, but the number of air supply devices is not limited to this.
  • the number of air supply devices is not limited as long as air can be supplied individually based on the air supply amount corresponding to each of the plurality of fuel cells.
  • one air supply device may supply air to each of a plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack.
  • the fuel supply amount is set for each fuel cell, and the air supply amount is a value common to all the fuel cells.
  • the air supply amount was set for each fuel cell, and the fuel supply amount was a value common to all the fuel cells. By combining these, the supply amount of both fuel and air may be set and supplied for each fuel cell.
  • a stable output current can be extracted from a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are connected in series to obtain a desired output voltage.
  • a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked can be miniaturized to realize a small fuel cell system suitable as a power source for portable electronic devices and the like.
  • the fuel cell system of the present invention is useful as a power source for portable electronic devices and the like.

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Abstract

　複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを提供する。本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、燃料供給装置と、空気供給装置と、コントローラと、を備え、コントローラは、複数の燃料電池セルの各電圧のバラツキが最小になるように、複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、燃料供給量と空気供給量の少なくともどちらか一方を燃料電池セル毎に設定し、燃料供給装置は燃料電池セル毎の燃料供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に燃料を供給し、及び／又は空気供給装置は燃料電池セル毎の空気供給量に基づいて複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、電子機器などの電源として好適な燃料電池システムに関する。
背景技術
[0002] 近年、電子機器等の電源として、長時間連続して電力を供給することができる燃料 電池が注目されてきている。燃料電池は、一般に電解質層を間に挟んで、両側に燃 料極と空気極とを配置して構成される。燃料極に水素を送給し、空気極に酸素を送 給することによって、電気化学的反応が起こり、直流電流が発生する。この電流を発 生させる最小単位である燃料電池セルの起電力は小さ ヽので、燃料電池を電源とす る機器が要求する電力を得るためには複数の燃料電池セルを直列接続する必要が ある。複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成することにより、大きな 電力を作ることができる。
[0003] 一方、燃料電池力 取り出すことができる電流の所望の値は反応面積の拡大により 達成できるが、携帯型の電子機器などの電源は小型化が要求されるため、反応面積 を拡大することはできない。限られた反応面積の中で反応を活発且つ多量に起こさ せるために、負荷機器の要求電力に応じて各燃料電池セルに燃料を円滑に送給す るなどの運転制御が求められている。
[0004] 特許文献 1に、効率良ぐかつ安全に運転することができる第 1の従来例の燃料電 池の運転方法及び運転装置が開示されて 、る。燃料電池システムの効率を高めるた めに、空気供給源の空気圧縮機の負荷を低減したり、燃料ガス流量の供給を過度に 小さい量にすると、セル電圧の低下、反転を引き起こして燃料電池に損傷を与えるこ とがある。そのため、第 1の従来例の燃料電池の運転技術には、例えば燃料電池の 燃料電池セル電圧を監視し、その標準偏差が所定値を上回らず、所定値に追随す るように負荷電流、空気供給量、空気圧力、燃料ガス供給量および燃料ガス圧力を 制御する方法が提案されている。これにより、従来例の運転方法及び運転装置は、 燃料電池が損傷することなく安全に運転し、且つ燃料電池システムの効率を上げるこ とを図っている。
[0005] 特許文献 2に、他の従来例の燃料電池システムが開示されて 、る。他の従来例の 燃料電池システムは、負荷の要求電力に応じて、水素供給量を変更し、且つ燃料電 池を構成する燃料電池セルの各出力電圧が所定のセル電圧になるように電圧制御 を行う。これにより、その時々の水素供給量における最大限の発電電力が得られ、且 つ燃料電池を構成する各燃料電池セルの電圧特性がばらつ ヽた場合でも電圧低下 による過放電を防止することができるよう意図して 、る。
特許文献 1：特開 2000— 208161号公報
特許文献 2 :特開 2002— 184443号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 第 1の従来例の燃料電池の運転方法及び運転装置は、燃料電池スタックを形成す る複数の燃料電池セルの各電圧を監視し、燃料電池スタックに供給する燃料及び空 気の量を制御していた。他の従来例の燃料電池システムは、燃料電池スタックを形 成する複数の燃料電池セルの各電圧を測定して、燃料電池スタックに供給する水素 及びセルの目標電圧を制御していた。しかし、従来の技術では、発電電力量と要求 電力の差に応じて燃料電池スタックに供給する燃料または空気のそれぞれの総量を 決定し、燃料又は空気の総量を一定に保ちながら、各燃料電池セルの電圧のばらつ きを低減するために、各燃料電池セル毎に燃料供給量または空気供給量を増減さ せることは困難であった。燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池セルにそれぞ れ均等な濃度の規定量の燃料を精度良く供給するためには、各燃料電池セルに個 別に燃料を供給することが、望ましい燃料供給方式となる。
[0007] 本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを 低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定ィ匕する燃料電池システムを提供するこ とを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 上記課題を解決するため、本発明は下記の構成を有する。本発明の 1つの観点に よる燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと 、目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供 給する燃料供給装置と、目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池 セルの各々に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置が要求した要求電力と前 記複数の燃料電池セルの各電圧とに基づ!ヽて、前記燃料供給量と前記空気供給量 とを決定するコントローラと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記コントローラは 、前記複数の燃料電池セルの各々の電圧のバラツキが最小になるように、前記複数 の燃料電池セルの各電圧に基づ!、て、前記燃料供給量と前記空気供給量の少なく とも!/、ずれか一方を前記燃料電池セル毎に設定し、前記燃料供給装置は前記燃料 電池セル毎の前記燃料供給量に基づ 、て前記複数の燃料電池セルの各々に燃料 を供給し、及び Z又は前記空気供給装置は前記燃料電池セル毎の前記空気供給 量に基づいて前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供給する、ことを特徴とする
[0009] この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のば らっきを低減して、燃料電池スタックの発電電力を安定ィ匕する燃料電池システムを実 現できる。この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特 性のばらつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、いずれかの燃料電池セル の電圧が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。この発明によ れば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの ヽずれかの燃料電池セル によって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ 燃料電池システムを実現できる。
[0010] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムにおいて、前記コントローラが、 所定時間毎に、前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複数の燃料電池セルの電 圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、前記燃料供給量の総量を一定に保ち ながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量を 増減させて、及び Z又は前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差 に応じて前記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を増減させても良 、。
[0011] この発明によれば、燃料電池スタックの動作点を一定に保ちながら、複数の燃料電 池セルの電圧のばらつきを低減する燃料電池システムを実現できる。 [0012] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システ ムが、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測器を更に備え、前記コント口 ーラは、前記燃料電池スタックの温度と前記負荷装置の要求電力とから、前記燃料 供給量の総量を算出する燃料供給総量テーブル及び Z又は前記空気供給量の総 量を算出する空気供給総量テーブルを有し、前記コントローラは、前記温度計測器 から前記燃料電池スタックの温度を入力し、前記負荷装置から要求電力を入力して、 前記燃料供給総量テーブル及び Z又は前記空気供給総量テーブルに基づいて前 記燃料供給量の総量及び Z又は前記空気供給量の総量を算出し、前記燃料供給 量の総量及び Z又は前記空気供給量の総量を前記燃料電池セルの総数で除した 量を前記複数の燃料電池セルの各々の前記燃料供給量及び Z又は前記空気供給 量の初期値とし、前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複数の燃料電池セルの 電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、各々の前記燃料電池セルの前記燃 料供給量及び Z又は前記空気供給量から前記電圧偏差に所定の値を乗算した値 を減算して目標とする燃料供給量及び Z又は空気供給量を得る動作を所定時間毎 に繰り返しても良い。
[0013] この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する 発電電力とをできるだけ一致させながら、複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを 低減する燃料電池システムを実現できる。
[0014] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムにおいて、前記コントローラが、 所定時間毎に、前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複数の燃料電池セルの電 圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、前記複数の燃料電池セルの前記電圧 偏差の絶対値の最大値が所定値よりも小さくなつた場合に、一定時間内の前記燃料 電池スタックの発電電力を算出し、その発電電力と前記負荷装置からの要求電力と の電力差に応じて、前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量を増減させ ても良い。
[0015] この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のば らつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、 ヽずれかの燃料電池セルの電圧 が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。この発明によれば、 負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発電電力とをできるだ け一致させる燃料電池システムを実現できる。
[0016] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタツ クの発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に所定の値を乗じた値をこ れまでの前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量に加算することによつ て前記燃料供給量の総量又は空気供給量の総量を増減させても良い。
[0017] この発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する 発電電力とをできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できる。
[0018] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの電 圧又は電流が、前記コントローラが決定する目標電圧又は目標電流になるように制 御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を前記負荷装置に供給する電力変換 器を更に有し、前記複数の燃料電池セルの各電圧の中の最小電圧値が所定電圧値 よりも小さくなつた際には、前記コントローラが前記目標電圧を増加させることにより、 前記電力変^ ^は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントロー ラが前記目標電流を減少させることにより、前記電力変 は前記燃料電池スタック の電流を減少させても良 、。
[0019] この発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの特性のばらつきや 燃料供給装置の特性のばらつきによって、 Vヽずれかの燃料電池セルの電圧が低下 して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。この発明によれば、燃料電 池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによって電流 が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料電池シス テムを実現できる。
[0020] 本発明の他の観点による上記の燃料電池システムにおいて、前記複数の燃料電池 セルの各電圧の中での最小電圧値が所定電圧値よりも小さくなつた際には、前記コ ントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前 記目標電圧に加算し、前記目標電圧に基づ!ヽて前記電力変換器は前記燃料電池 スタックの電圧を増加させ、ある 、は前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定 電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電流から減算し、前記目標電流 に基づ!/ヽて前記電力変 は前記燃料電池スタックの電流を減少させても良 、。
[0021] この発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のば らつきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、 ヽずれかの燃料電池セルの電圧 が低下して劣化することを防ぐ燃料電池システムを実現できる。この発明によれば、 燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのいずれかの燃料電池セルによつ て電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が低下することを防ぐ燃料 電池システムを実現できる。
発明の効果
[0022] 本発明によれば、燃料電池セル毎に燃料供給量又は空気供給量を増減させること により、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの電圧のばらつきを低減し て、燃料電池スタックの発電電力を安定化する燃料電池システムを実現できると ヽぅ 有利な効果が得られる。
[0023] 本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの特性のばら つきや燃料供給装置の特性のばらつきによって、 ヽずれかの燃料電池セルの電圧 が低下して劣化する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できると 、う有利な効 果が得られる。
[0024] 本発明によれば、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの中の!/、ずれ かの燃料電池セルによって電流が低下し、結果的に燃料電池スタックの発電電力が 低下する、と言うことを防ぐ燃料電池システムを実現できると!、う有利な効果が得られ る。
[0025] 本発明によれば、負荷装置が要求する要求電力と燃料電池スタックが出力する発 電電力をできるだけ一致させる燃料電池システムを実現できるという有利な効果が得 られる。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの概念構成図である。
[図 2]本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの制御アルゴリズムを示すフローチ ヤート図である。
[図 3]本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの燃料電池セルの燃料供給量と最 大出力電力との関係を示す図である。
[図 4]本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの要求電力と燃料供給総量との関 係を示す図である。
[図 5]本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの概念構成図である。
[図 6]本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの制御アルゴリズムを示すフローチ ヤート図である。
[図 7]本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの燃料電池セルの空気供給量と最 大出力電力との関係を示す図である。
[図 8]本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの要求電力と空気供給総量との関 係を示す図である。
[図 9]本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの空気供給量の変化に対する燃料 電池セルの電流一電圧特性と電流一電力特性を示す図である。
符号の説明
[0027] 100 燃料電池スタック
101、 501 燃料供給装置
102、 502 空気供給装置
103 電力変換器
104 2次電池
105 電圧計測器
106 電流計測器
107 温度計測器
108 コントローラ
109 負荷装置
110 燃料電池セル
発明を実施するための最良の形態
[0028] 本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、以 下に図面とともに記載する。
[0029] 《実施の形態 1》 図 1〜4を用いて、本発明の実施の形態 1の燃料電池システムを説明する。図 1は、 本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの構成を示す図である。図 1に示すように 本発明の実施の形態 1の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルで構成される燃 料電池スタック 100、燃料電池スタック 100の各燃料電池セルに燃料を供給するため の燃料供給装置 101 (1)〜： L01 (n) (nは 2以上の任意の正整数）、燃料電池スタック 100の各燃料電池セルに空気を供給するための空気供給装置 102、燃料電池スタ ック 100の電圧を制御するための電力変翻 103、燃料電池スタック 100の発電電 力が負荷装置の要求電力に満たないときに不足分の電力を補うための 2次電池 104 、燃料電池スタック 100の各燃料電池セルの電圧を計測するための電圧計測器 105 、燃料電池スタック 100の電流を計測するための電流計測器 106、燃料電池スタック 100の温度を計測するための温度計測器 107、燃料電池システムを制御するための コントローラ 108を有する。本実施の形態の燃料電池システムは、負荷装置 109に電 力を供給する。
[0030] 燃料電池スタック 100は、 n個（nは 2以上の任意の正整数）の燃料電池セル 110 (1 )〜110 (n)を直列に接続して構成される。燃料電池セル 110 (1)〜110 (n)は、電 解質層の両側に燃料極と空気極とを配置して構成される（図示していない。 ) o燃料 極に水素または水素イオンを発生させる燃料 (例えばメタノール)を送給し、空気極に 酸素を送給することによって、電気化学的反応が起こり、直流電気が発生する。燃料 電池セル 110 (l)〜110 (n)は、燃料供給装置 101 (1)〜101 (n)力もそれぞれ、燃 料電池セル毎に設定された燃料供給量の燃料を供給される。各燃料電池セル 110 ( 1)〜： L 10 (n)は、空気供給装置 102から同一の空気供給量の空気を供給される。
[0031] 燃料供給装置 101 (1)〜101 (n)は、コントローラ 108から燃料電池セル毎の燃料 供給量をそれぞれ入力し、その燃料供給量に基づ ヽて燃料電池セル 110 (1)〜11 0 (n)にそれぞれ燃料を供給する。
[0032] 空気供給装置 102は、コントローラ 108から空気供給量を入力し、その空気供給量 に基づいて燃料電池セル 110 (1)〜110 (n)に、空気を供給する。空気供給量は、 n 個全ての燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)に対して共通の値である。
[0033] 電力変換器 103は、実施の形態 1において入力電圧一定型の DC— DCコンパ一 タである。電力変翻103は、燃料電池スタック 100の電圧（直列に接続した燃料電 池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の総電圧）力 コントローラ 108が指示した目標電圧になる ように制御する。
[0034] 2次電池 104は、電力変翻 103の出力端子に接続される。 2次電池 104は、実施 の形態 1においてリチウムイオン 2次電池である。 2次電池 104は、負荷装置 109の 要求する要求電力力 燃料電池スタック 100の発電電力だけでは足りない場合に、 放電し、負荷装置 109に電力を供給する。本発明の燃料電池システムは、負荷装置 109の要求する要求電力と、燃料電池スタック 100の発電電力とがー致するように、 要求電力に応じて燃料電池スタック 100の目標電圧と燃料供給総量を設定するが、 燃料電池スタックだけでは負荷装置 109の要求する要求電力に合わせて、発電電力 をすぐに追従させることができないため、追従できない分の電力を、 2次電池が放電 することにより補う。 2次電池 104は、負荷装置 109が要求する要求電力よりも、燃料 電池スタック 100の発電電力が多いときに、余った電力（=要求電力 発電電力）で 充電される。
[0035] 電圧計測器 105は、 n個の燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の各電圧を計測して、 計測した n個の電圧値をコントローラ 108に伝送する。電流計測器 106は、燃料電池 スタック 100の出力電流を計測して、計測した電流値をコントローラ 108と電力変換 器 103とに伝送する。温度計測器 107は、燃料電池スタック 100の温度を計測して、 コントローラ 108に伝送する。
[0036] コントローラ 108は、負荷装置 109が要求した要求電力を入力し、その要求電力に 応じて燃料電池スタック 100の目標電圧を決定し、電力変翻103に目標電圧を出 力する。コントローラ 108は、燃料供給総量テーブル 401 (図 4)を有する。図 4につい ては後述する。コントローラ 108は、負荷装置 109が要求してきた要求電力と温度計 測器 107が計測した温度とを入力して、燃料供給総量テーブル 401から、燃料電池 セル 110 (1)〜110 (n)に供給する燃料供給総量を算出する。
[0037] コントローラ 108は、電圧計測器 105が出力する n個の燃料電池セル 110 (1)〜11 0 (n)の各電圧値を入力し、各電圧値に基づ 、て n個の燃料電池セルに供給する燃 料供給量をそれぞれ決定する。 n個の燃料供給量の総和は、燃料供給総量と一致 するようにする。この燃料供給量の求め方の詳細を図 2に示す。図 2については後述 する。コントローラ 108は、 n個の燃料供給量をそれぞれ対応する燃料供給装置 101 (1)〜(！ 1)に出力する。コントローラ 108は、所定の空気供給量の値を空気供給装置 102に出力する。
[0038] 負荷装置 109は、 2次電池の両端に接続される。実施の形態 1において負荷装置 1 09は、ノートパソコンである。負荷装置 109は、コントローラ 108に要求電力を出力す る。負荷装置 109は、燃料電池スタック 100が出力する電力と、 2次電池 104が放電 する電力とを合わせた電力を供給され、動作する。
[0039] 上記のように構成される本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池セル 110 ( 1)〜： L 10 (n)の各電圧のばらつきが、燃料供給量のばらつきや燃料電池セルの特 性のばらつきにより発生するような場合に、燃料電池セルの電圧のばらつきの低減を 図るものである。各燃料電池セル毎に燃料供給量を制御して燃料電池セルの電圧 のばらつきを低減し、燃料電池セルの劣化を防止して、燃料電池スタックの発電電力 の安定化を図ることを目的とする。
[0040] 図 3は、本発明の実施の形態 1の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに供 給する燃料供給量と、燃料電池セルの最大出力電力との関係を示す図である。図 3 において、横軸が燃料供給量 (ccZmin)で、縦軸が最大出力電力 (W)を示す。図 3 に示すように、所定の燃料供給量 (Ri— max)に達するまでは、燃料電池セル 110 (1 )〜110 (n)に供給する燃料供給量の増加に伴って、燃料電池セルの出力する最大 出力電力は単調に増加する。本発明の実施の形態 1の燃料電池システムは、この単 調増加領域内 (Ri— min≤燃料供給量≤Ri— max)で各燃料電池セルに燃料をそ れぞれ供給する。
[0041] 図 4は、本発明の実施の形態 1の燃料電池システムにおいて、要求電力と燃料供 給総量との関係を示す燃料供給総量テーブル 401である。図 4において、横軸は負 荷装置 109から要求される要求電力を示し、縦軸は燃料電池スタック 100に供給す る燃料の燃料供給総量を示す。要求電力と燃料供給総量との関係は、温度に応じて 変化する。図 4に示すように、燃料電池スタックの温度が低いほど、負荷装置が要求 する要求電力を満たすために必要な燃料供給総量は多くなる。 [0042] 図 2は、本発明の実施の形態 1の燃料電池システムの制御アルゴリズムを示すフロ 一チャートである。まず、コントローラ 108は、負荷装置 109が要求する要求電力（Pr eq)と、温度計測器 107が出力する燃料電池スタック 100の温度計測値 (T1)とを入 力し、燃料供給総量テーブル 401から燃料供給総量 (Rtotal)を算出する (ステップ 200)。このとき、コントローラ 108は要求電力に基づいて、燃料電池スタック 100の目 標電圧 V0を決定し、電力変 103に出力する。
[0043] コントローラ 108は、燃料供給総量 (Rtotal)を燃料電池セルの数 (n)で除算した値 を、各燃料電池セルへの燃料供給量 (Ri)の初期値に設定する (Ri^RtotalZn (i = l〜n) ) (ステップ 201)。
[0044] 燃料供給装置 101 (1)〜(n)は、コントローラ 108から指示された燃料供給量 (Ri) ( i= l〜n)に応じて、各燃料電池セル 110 (1)〜 110 (n)にそれぞれ燃料を供給する 。空気供給装置 102は、コントローラ 108から指示された一定の空気供給量に応じて 、各燃料電池セル 110 (1)〜 110 (n)に均等に空気を供給する。燃料電池セル 110 (l)〜110 (n)は、燃料と空気を供給され、発電する。電力変換器 103は、燃料電池 スタック 100の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御 する。
[0045] 一定時間（実施の形態 1にお 、て、 1分)経過した力否かを判断する (ステップ 202) 。一定時間が経過するまで、初期値の燃料供給量を各燃料電池セルに供給し続け る。一定時間が経過すると、一定時間内における各燃料電池セルのそれぞれの平均 電圧（Vl〜Vn)を算出する（ステップ 203)。 n個の電圧（Vl〜Vn)の平均電圧 (Va ve)を算出する (ステップ 204)。燃料電池セル毎に、電圧 (Vl〜Vn)と平均電圧 (Va ve)との差であるセル電圧偏差（ei)を算出する（ei= Vi— Vave (i= l〜n) ) (ステップ 205) o
[0046] 各燃料電池セルへの燃料供給量 (Ri)をセル電圧偏差 (ei)に応じて算出し直す (R i=Ri-kl X ei) (ステップ 206)。ここで、 klは所定の正定数 [ccZminZV]である。 電圧の高い燃料電池セルほど燃料供給量 (Ri)は小さくなり、電圧の低い燃料電池 セルほど燃料供給量 (Ri)は大きくなる。この結果、全ての燃料電池セルへの燃料供 給総量 (Rtotal)は一定のままで、各燃料電池セルへの燃料供給量 (Ri)をそれぞれ の燃料電池セル電圧偏差 (ei)に応じて変えることができる。ステップ 206において、 燃料供給総量が一定となる理由は下記式で示される。
∑Ri=∑Ri-kl∑ei
=∑Ri-kl (∑Vi- nVave)
=∑Ri— kl X O
=∑Ri
=Rtotal
[0047] 燃料供給量 (Ri)が、単調増加領域 (燃料電池セルへの燃料供給量の増加に伴つ て燃料電池セルの発電電力が単調に増加する領域（図 3) )内に収まるように、燃料 供給量 (Ri)の飽和処理を行う（ステップ 207)。ここでの飽和処理とは、燃料供給量（ Ri)が燃料供給量最小値 (Ri— min)未満なら Ri— minに設定し、燃料供給量最大 値 (Ri— max)より大きければ Ri— maxに設定することである。その理由は、燃料供 給量最大値 (Ri— max)より多 ヽ量の燃料を燃料電池セルに供給しても、発電電力 の増加が見込めないからである。燃料供給装置 101 (1)〜(！ 1)は、飽和処理後の燃 料供給量 (Ri) (i= l〜n)に基づいて、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)にそれぞれ 燃料を供給する。
[0048] ここで、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧の最小値が所定値よりも小さくなつ てその燃料電池セルが破損することを防ぐために、コントローラ 108は電力変翻10 3に出力する燃料電池スタック 100の目標電圧を設定し直す (ステップ 220〜223)。
[0049] まず、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧の最小値（min (Vi) = 1〜!1) )と、 所定値 (Vref_min)との差であるセル最小電圧偏差 (em)を算出する（em— min ( Vi) (i= l〜n) -Vref_min) (ステップ 220)。セル最小電圧偏差 (em)が所定値よ り小さいか否カゝ判断する (ステップ 221)。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ 、燃料電池スタック 100の目標電圧を増加させる（目標電圧 目標電圧 +k3 X em) (ステップ 222)。ここで、 k3は所定の係数である。このようにコントローラ 108は目標 電圧を増加させ、電力変換器 103はステップ 222で設定された新たな目標電圧に一 致するように、燃料電池スタック 100の電圧を増カロさせる。これにより、燃料電池セル の電圧が所定値未満になって過放電が起こり、燃料電池セルの電解質膜が破損ま たは劣化することを防いでいる。セル最小電圧偏差が所定値以上であれば、目標電 圧を元の値 VOに戻す (ステップ 223)。
[0050] 次に、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきを示す値である n個の電 圧偏差 (ei (i= 1〜！ i) )の絶対値の最大値が、所定値より小さ!/、か否かを判断する (ス テツプ 208)。 n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値以上であれば、 n個の燃 料電池セルの電圧のばらつきが大きいと判断し、ステップ 202に戻る。ステップ 202 力らステップ 223を繰り返し、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきが 低減するのを待つ。
[0051] 一方、 n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきが小さくなつたと判断し、燃料電池スタック 100 の最新の所定時間（一定時間）内の発電電力（P)を算出する (電力 P =総電圧 (∑Vi ) X電流）（ステップ 209)。
[0052] さらに負荷装置 109が要求する要求電力（Preq)と、燃料電池スタック 100の発電 電力 (P)との電力差 (ep)を算出する (ステップ 210)。電力差 (ep)の絶対値が所定 値より小さいか否かを判断する (ステップ 211)。電力差 (ep)が所定値より小ければ、 現在の発電電力が良好とみなし、ステップ 202に戻る。
[0053] 電力差 (ep)の絶対値が所定値以上であれば、燃料供給総量の過不足が生じて ヽ ると判断し、電力差に応じて燃料供給総量を算出し直す (Rtotal— Rtotal +k2 X ep ) (ステップ 212)。ここで、 k2は所定の正定数 [ccZminZV]である。具体的には、 燃料電池スタック 100の発電電力（P)力 要求電力（Preq)より小さいときには、燃料 供給量不足と判断し、燃料供給総量 (Rtotal)を増加させる。発電電力（P)が要求電 力（Preq)より大き 、ときには、燃料供給量過剰と判断し、燃料供給総量 (Rtotal)を 減少させる。
[0054] このとき、燃料電池スタック 100の発電電力不足の際に燃料供給総量 (Rtotal)が 増えすぎたり、ゼロになることを避けるために飽和処理を行う（ステップ 213)。ここで の飽和処理とは、燃料供給総量 (Rtotal)力 燃料供給総量最小値 (Rtotal— min =n X Ri— min)未満なら Rtotal— minに設定し、燃料供給総量最大値 (Rtotal— max=n XRi max)より大きければ Rtotal maxに設定することである。燃料供給 総量 (Rtotal)を変更することにより、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)への各燃料供 給量 (Ri) (i= l〜n)がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ 202に戻る。
[0055] その後この燃料電池システムはステップ 202以降を繰り返し、燃料電池セル 110 (1 )〜110 (n)の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの燃料供給量（（ Ri) (i= l〜！ 1) )を調整しながら、要求電力（Preq)と燃料電池スタック 100の発電電 力（P)を一致させる。
[0056] 以上述べた通り、本実施の形態の燃料電池システムは、各燃料電池セル 110 (1) 〜110 (n)の電圧のばらつきに応じて各燃料電池セルへの燃料供給量 (Ri)を制御 する。これにより、燃料電池セルの特性や燃料供給装置の特性に多少ばらつきがあ つても、燃料電池セルの電圧のばらつきを低減し、又は無くすことができる。そして、 V、ずれかの燃料電池セルの電圧が低下することを防ぎ、燃料電池セルが劣化するこ とを防ぐ。更に、いずれかの燃料電池セルの電流が低下することにより、燃料電池ス タックの発電電力が低下してしまうことを防ぐことができる。
[0057] 本発明の実施の形態 1の燃料電池システムは、負荷装置 109が要求する要求電力 と燃料電池スタック 100の発電電力との差に応じて燃料供給総量を管理することによ り、要求電力と発電電力をできるだけ一致させることができる。燃料電池セル 110 (1) 〜： L 10 (n)の電圧の最小値が所定値より小さくなつた場合には、燃料電池スタック 10 0の電圧を増カロさせることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
[0058] なお、本発明の実施の形態 1の電力変翻 103は、燃料電池スタック 100の電圧を 目標電圧に一致させるように制御する DC— DCコンバータであった。これに代えて電 力変翻 103は、燃料電池スタックの電流を目標電流に一致させるように制御する D C— DCコンバータであっても良い。この場合、図 2のステップ 222において、コント口 ーラ 108は燃料電池スタック 100の目標電圧の増加に代えて、燃料電池スタックの目 標電流を減少させる（目標電流 目標電流— k4 X em) (k4は所定の正定数)。
[0059] なお、本発明の実施の形態 1において、燃料電池セルと同数の燃料供給装置が各 燃料電池セルにそれぞれ燃料を供給したが、燃料供給装置の数はこれに限定され ない。複数の燃料電池セルのそれぞれに対応する燃料供給量に基づいて個別に燃 料を供給できれば、燃料供給装置の数はいくつであっても良い。例えば、一つの燃 料供給装置が燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルにそれぞれ燃料を 供給しても良い。
[0060] 《実施の形態 2》
図 5〜9を用いて、本発明の実施の形態 2の燃料電池システムを説明する。図 5は、 本発明の実施の形態 2の燃料電池システムの構成を示す図である。図 5において、 図 1と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態 2の燃料電池システムは、空気を供給する空気供給装置 502 (1)〜502 (n) (nは 2 以上の任意の正整数)を燃料電池セル 101 (1)〜101 (n)毎に設置し、各燃料電池 セルに均一に燃料を供給する燃料供給装置 501を一つ設置する。コントローラ 108 は、空気供給総量テーブル 801 (図 8)を有する。それ以外の構成について、実施の 形態 2の燃料電池システムは実施の形態 1と同じである。
[0061] 実施の形態 2の燃料電池システムは、空気供給量のばらつきにより燃料電池セル 1 10 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきが発生するような場合に、空気供給量を制御し て燃料電池セル 101 (1)〜101 (n)の電圧のばらつきを低減し、燃料電池スタックの 発電電力の安定化と燃料電池セルの劣化を防止することを目的とする。各燃料電池 セル 110 (1)〜： L 10 (n)への空気供給量の求め方の詳細は図 6に示す。図 6につい ては後述する。
[0062] 図 7は、本発明の実施の形態 2の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに供 給する空気供給量と、燃料電池セルが出力する最大出力電力の関係を示す図であ る。図 7において、横軸が空気供給量 (LZmin)で、縦軸が最大出力電力 (w)を示 す。図 7に示すように、所定の空気供給量 (Ai— max)に達するまでは、燃料電池セ ル 110 (1)〜 110 (n)に供給する空気供給量の増加に伴って、燃料電池セルの出力 する最大出力電力は単調に増加する。本発明の実施の形態 2の燃料電池システム は、この単調増加領域内 (Ai— min≤空気供給量≤Ai— max)で各燃料電池セル 1 01 (1)〜101 (n)に空気をそれぞれ供給する。
[0063] 図 8は、本発明の実施の形態 2の燃料電池システムにおいて、要求電力と空気供 給総量との関係を示す空気供給総量テーブル 801である。図 8において、横軸は負 荷装置 109から要求される要求電力を示し、縦軸は燃料電池スタック 100に供給す る空気の空気供給総量を示す。要求電力と空気供給総量との関係は、温度に応じて 変化する。燃料電池スタック 100の温度が低いほど、負荷装置 109が要求する要求 電力を満たすために必要な空気供給総量は多くなる。
[0064] 図 9は、パラメータとしての空気供給量の変化に対する燃料電池セルの、電流ー電 圧特性 901 (空気供給量:大)、電流一電圧特性 902 (空気供給量：中）、電流ー電 圧特性 903 (空気供給量:小)と、電流一電力特性 911 (空気供給量:大)、電流ー電 力特性 912 (空気供給量：中）、電流一電力特性 913 (空気供給量:小)を示す図で ある。図 9において、横軸が電流 (A)、左側の縦軸が電圧 (V)、右側の縦軸が電力（ W)を示す。図 9において、燃料電池セルへの燃料供給量は 2ccZminである。図 9 から燃料電池セル 110 (l)〜110 (n)に供給される空気供給量が少ないと、燃料電 池セルの出力する電圧と電力が低下することがわかる。
[0065] 図 6のフローチャートについて説明する。図 6は、本発明の実施の形態 2の燃料電 池システムの制御アルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の実施の形態 2 の燃料電池システムは、図 6に示すフローチャートを用いて、各燃料電池セル 110 (1 )〜110 (n)に供給する空気供給量を決定する。図 6において、図 2と同一ステップに は同一番号を付している。
[0066] まず、コントローラ 108は、負荷装置 109が要求する要求電力（Preq)と、温度計測 器 107が出力する燃料電池スタック 100の温度計測値 (T1)とを入力し、空気供給総 量テーブル 801から空気供給総量 (Atotal)を算出する (ステップ 600)。このとき、コ ントローラ 108は要求電力に基づいて、燃料電池スタック 100の目標電圧 V0を決定 し、電力変 l03に出力する。
[0067] コントローラ 108は、空気供給総量 (Atotal)を燃料電池セルの数 (n)で除算した値 を、各燃料電池セルへの空気供給量 (Ai)の初期値に設定する (Ai^AtotalZn (i = l〜n) ) (ステップ 601)。
[0068] 空気供給装置 502 (1)〜 (n)は、コントローラ 108から指示された空気供給量 (Ai)
(i= l〜n)に応じて、各燃料電池セル 110 (1)〜 110 (n)に空気を供給する。燃料供 給装置 601は、コントローラ 108から指示された一定の燃料供給量に応じて、各燃料 電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)に均等に燃料を供給する。燃料電池セル 110 (1)〜11 0 (n)は、燃料と空気を供給され、発電する。電力変 103は、燃料電池スタック 1 00の電圧を入力し、燃料電池スタックの電圧が目標電圧になるように制御する。
[0069] 一定時間（実施の形態 2にお 、て、 1分)経過した力否かを判断する (ステップ 202) 。一定時間が経過するまで、初期値の空気供給量を各燃料電池セルに供給し続け る。一定時間が経過すると、一定時間内における各燃料電池セルのそれぞれの平均 電圧（Vl〜Vn)を算出する（ステップ 203)。 n個の電圧（Vl〜Vn)の平均電圧 (Va ve)を算出する (ステップ 204)。燃料電池セル毎に、電圧 (Vl〜Vn)と平均電圧 (Va ve)との差であるセル電圧偏差（ei)を算出する（ei= Vi— Vave (i= l〜n) ) (ステップ 205) o
[0070] 各燃料電池セルへの空気供給量 (Ai)をセル電圧偏差 (ei)に応じて算出し直す (A i=Ai-kl X ei) (ステップ 606)。ここで、 klは所定の正定数 [LZminZV]である。 電圧の高い燃料電池セルほど空気供給量 (Ai)は小さくなり、電圧の低い燃料電池 セルほど空気供給量 (Ai)は大きくなる。この結果、全ての燃料電池セルへの空気供 給総量 (Atotal)は一定のままで、各燃料電池セルへの空気供給量 (Ai)をそれぞれ の燃料電池セル電圧偏差 (ei)に応じて変えることができる。ステップ 606において、 空気供給総量が一定となる理由は下記式で示される。
∑Ai=∑Ai-kl∑ei
=∑Ai-kl (∑Vi-nVave)
=∑Ai— kl X O
=∑Ai
= Atotal
[0071] 空気供給量 (Ai)が、単調増加領域 (燃料電池セルへの空気供給量の増加に伴つ て燃料電池セルの発電電力が単調に増加する領域（図 7) )内に収まるように、空気 供給量 (Ai)の飽和処理を行う (ステップ 607)。ここでの飽和処理とは、空気供給量（ Ai)が空気供給量最小値 (Ai— min)未満なら Ai— minに設定し、空気供給量最大 値 (Ai— max)より大きければ Ai— maxに設定することである。その理由は、空気供 給量最大値 (Ai— max)より多 、量の空気を燃料電池セルに供給しても、発電電力 の増加が見込めないからである。空気供給装置 502 (1)〜(n)は、飽和処理後の空 気供給量 (Ai) (i= l〜n)に基づいて、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)にそれぞれ 空気を供給する。
[0072] ここで、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧の最小値が所定値よりも小さくなつ てその燃料電池セルが破損することを防ぐために、コントローラ 108は電力変翻10 3に出力する燃料電池スタック 100の目標電圧を設定し直す (ステップ 220〜223)。
[0073] まず、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧の最小値（min (Vi) = 1〜!1) )と、 所定値 (Vref_min)との差であるセル最小電圧偏差 (em)を算出する（em— min ( Vi) (i= l〜n) -Vref_min) (ステップ 220)。セル最小電圧偏差 (em)が所定値よ り小さいか否カゝ判断する (ステップ 221)。セル最小電圧偏差が所定値より小さければ 、燃料電池スタック 100の目標電圧を増加させる（目標電圧 目標電圧 +k3 X em) (ステップ 222)。ここで、 k3は所定の係数である。このようにコントローラ 108は目標 電圧を増加させ、電力変換器 103はステップ 222で設定された新たな目標電圧に一 致するように、燃料電池スタック 100の電圧を増カロさせる。これにより、燃料電池セル の電圧が所定値未満になって過放電が起こって、燃料電池セルの電解質膜が破損 または劣化する、と言うことを防いでいる。セル最小電圧偏差が所定値以上であれば 、目標電圧を元の値 V0に戻す (ステップ 223)。
[0074] 次に、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきを示す値である n個の電 圧偏差 (ei (i= 1〜！ i) )の絶対値の最大値が、所定値より小さ!/、か否かを判断する (ス テツプ 208)。 n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値以上であれば、 n個の燃 料電池セルの電圧のばらつきが大きいと判断し、ステップ 202に戻る。ステップ 202 力らステップ 223を繰り返し、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきが 低減するのを待つ。
[0075] 一方、 n個の電圧偏差の絶対値の最大値が所定値より小さければ、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)の電圧のばらつきが小さくなつたと判断し、燃料電池スタック 100 の最新の所定時間内の発電電力（P)を算出する (電力 P =総電圧（∑Vi) X電流）（ ステップ 209)。
[0076] さらに負荷装置 109が要求する要求電力（Preq)と、燃料電池スタック 100の発電 電力 (P)との電力差 (ep)を算出する (ステップ 210)。電力差 (ep)の絶対値が所定 値より小さいか否かを判断する (ステップ 211)。電力差 (ep)が所定値より小ければ、 現在の発電電力が良好とみなし、ステップ 202に戻る。
[0077] 電力差 (ep)の絶対値が所定値以上であれば、空気供給総量の過不足が生じて!/、 ると判断し、電力差に応じて空気供給総量を算出し直す ( Atotal— Atotal + k2 X e P) (ステップ 612)。ここで、 k2は所定の正定数 [LZminZV]である。具体的には、 燃料電池スタック 100の発電電力（P)力 要求電力（Preq)より小さいときには、空気 供給量不足と判断し、空気供給総量 (Atotal)を増力!]させる。発電電力（P)が要求電 力（Preq)より大きいときには、空気供給量過剰と判断し、空気供給総量 (Atotal)を 減少させる。
[0078] このとき、燃料電池スタック 100の発電電力不足の際に空気供給総量 (Atotal)が 増えすぎたり、ゼロになることを避けるために飽和処理を行う（ステップ 613)。ここで の飽和処理とは、空気供給総量 (Atotal)が空気供給総量最小値 (Atotal— min= n X Ai— min)未満なら Atotal— minに設定し、空気供給総量最大値 (Atotal— ma x = n X Ai— max)より大きければ Atotal— maxに設定することである。空気供給総 量 (Atotal)を変更することにより、燃料電池セル 110 (1)〜： L 10 (n)への各空気供 給量 (Ai) (i= l〜n)がそれぞれ同じ割合で変更される。ステップ 202に戻る。
[0079] その後この燃料電池システムはステップ 202以降を繰り返し、燃料電池セル 110 (1 )〜 110 (n)の電圧のばらつきを低減するように、各燃料電池セルへの空気供給量（（ Ai) (1= 1〜11) )を調整しながら、要求電力（Preq)と燃料電池スタック 100の発電電 力（P)を一致させる。
[0080] 以上述べた通り、本実施の形態の燃料電池システムは、各燃料電池セル 110 (1) 〜： L 10 (n)の電圧のばらつきに応じて各燃料電池セルへの空気供給量 (Ai)を制御 する。これにより、燃料電池セルの特性や空気供給装置の特性に多少ばらつきがあ つても、燃料電池セルの電圧のばらつきを無くして、いずれかの燃料電池セルの電 圧が低下することにより燃料電池セルが劣化することを防ぐ。更に、いずれかの燃料 電池セルの電流が低下することにより、燃料電池スタックの発電電力が低下してしま うことを防ぐことができる。
[0081] 本発明の実施の形態 2の燃料電池システムは、負荷装置 109が要求する要求電力 と燃料電池スタック 100の発電電力との差に応じて空気供給総量を管理することによ り、要求電力と発電電力をできるだけ一致させることができる。燃料電池セル 110 (1) 〜： L 10 (n)の電圧の最小値が所定値より小さくなつた場合には、燃料電池スタックの 電圧を増加させることにより、燃料電池セルの劣化を未然に防ぐことができる。
[0082] なお、本発明の実施の形態 2の電力変換器 103は、燃料電池スタックの電圧を目 標電圧に一致させるように制御する DC— DCコンバータであった。これに代えて電力 変翻 103は、燃料電池スタックの電流を目標電流に一致させるように制御する DC — DCコンバータであっても良い。この場合、図 6のステップ 222において、コントロー ラ 108は燃料電池スタック 100の目標電圧の増加に代えて、燃料電池スタックの目標 電流を減少させる（目標電流 目標電流— k4 X em) (k4は所定の正定数)。
[0083] なお、本発明の実施の形態 2において、燃料電池セルと同数の空気供給装置が各 燃料電池セルに空気を供給したが、空気供給装置の数はこれに限定されない。複数 の燃料電池セルのそれぞれに対応する空気供給量に基づいて個別に空気を供給で きれば、空気供給装置の数はいくつであっても良い。例えば、一つの空気供給装置 が燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルにそれぞれ空気を供給しても良 い。
[0084] なお、本発明の実施の形態 1の燃料電池システムにお ヽては、燃料供給量を燃料 電池セル毎に設定し、空気供給量は全ての燃料電池セルに共通の値であった。実 施の形態 2の燃料電池システムにお 、ては、空気供給量を燃料電池セル毎に設定し 、燃料供給量は全ての燃料電池セルに共通の値であった。これらを組み合わせて、 燃料と空気の両方の供給量をそれぞれ燃料電池セル毎に設定して供給しても良い。
[0085] 本発明の燃料電池システムによれば、複数の燃料電池セルを直列に接続して所望 の出力電圧を得る燃料電池スタックから、安定した出力電流を取り出すことができる。 それにより複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを小型化して、携帯電子 機器などの電源として好適な小型の燃料電池システムを実現することができる。 産業上の利用可能性
[0086] 本発明の燃料電池システムは、携帯電子機器等の電源として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の燃料電池セルを直列に接続した燃料電池スタックと、
目標とする燃料供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に燃料を供 給する燃料供給装置と、
目標とする空気供給量に基づいて、前記複数の燃料電池セルの各々に空気を供 給する空気供給装置と、
負荷装置が要求した要求電力と前記複数の燃料電池セルの各電圧とに基づいて 、前記燃料供給量と前記空気供給量とを決定するコントローラと、
を備えた燃料電池システムにお 、て、
前記コントローラは、前記複数の燃料電池セルの各々の電圧のバラツキが最小に なるように、前記複数の燃料電池セルの各電圧に基づいて、前記燃料供給量と前記 空気供給量の少なくともいずれか一方を前記燃料電池セル毎に設定し、
前記燃料供給装置は前記燃料電池セル毎の前記燃料供給量に基づいて前記複 数の燃料電池セルの各々〖こ燃料を供給し、及び Z又は前記空気供給装置は前記 燃料電池セル毎の前記空気供給量に基づ!、て前記複数の燃料電池セルの各々に 空気を供給する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
[2] 前記コントローラは、所定時間毎に、前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複 数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記燃料供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前記複数の燃 料電池セルの各々の前記燃料供給量を増減させて、
及び Z又は前記空気供給量の総量を一定に保ちながら前記電圧偏差に応じて前 記複数の燃料電池セルの各々の前記空気供給量を増減させ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。
[3] 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測器を 更に備え、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの温度と前記負荷装置の要求電力とか ら、前記燃料供給量の総量を算出する燃料供給総量テーブル及び Z又は前記空気 供給量の総量を算出する空気供給総量テーブルを有し、
前記コントローラは、前記温度計測器力 前記燃料電池スタックの温度を入力し、 前記負荷装置から要求電力を入力して、前記燃料供給総量テーブル及び Z又は前 記空気供給総量テーブルに基づいて前記燃料供給量の総量及び Z又は前記空気 供給量の総量を算出し、前記燃料供給量の総量及び Z又は前記空気供給量の総 量を前記燃料電池セルの総数で除した量を前記複数の燃料電池セルの各々の前記 燃料供給量及び Z又は前記空気供給量の初期値とし、
前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複数の各燃料電池セルの電圧の平均値 との差である電圧偏差を算出し、各々の前記燃料電池セルの前記燃料供給量及び
Z又は前記空気供給量力 前記電圧偏差に所定の値を乗算した値を減算して目標 とする燃料供給量及び Z又は空気供給量を得る動作を所定時間毎に繰り返す、 ことを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池システム。
[4] 前記コントローラは、所定時間毎に、前記複数の燃料電池セルの各電圧と前記複 数の燃料電池セルの電圧の平均値との差である電圧偏差を算出し、
前記複数の燃料電池セルの前記電圧偏差の絶対値の最大値が所定値よりも小さく なった場合に、一定時間内の前記燃料電池スタックの発電電力を算出し、その発電 電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に応じて、前記燃料供給量の総量 又は前記空気供給量の総量を増減させ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。
[5] 前記燃料電池スタックの発電電力と前記負荷装置からの要求電力との電力差に所 定の値を乗じた値をこれまでの前記燃料供給量の総量又は前記空気供給量の総量 に加算することによって前記燃料供給量の総量又は空気供給量の総量を増減させる ことを特徴とする請求項 4に記載の燃料電池システム。
[6] 前記燃料電池スタックの電圧又は電流が、前記コントローラが決定する目標電圧又 は目標電流になるように制御して、前記燃料電池スタックが出力する電力を前記負 荷装置に供給する電力変換器を更に有し、
前記複数の燃料電池セルの各電圧の中の最小電圧値が所定電圧値よりも小さくな つた際には、前記コントローラが前記目標電圧を増カロさせることにより、前記電力変 は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラが前記目 標電流を減少させることにより、前記電力変^ ^は前記燃料電池スタックの電流を減 少させ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。
前記複数の燃料電池セルの各電圧の中での最小電圧値が所定電圧値よりも小さく なった際には、前記コントローラは前記最小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に 所定値を乗じた値を前記目標電圧に加算し、前記目標電圧に基づ!/ヽて前記電力変 は前記燃料電池スタックの電圧を増加させ、あるいは前記コントローラは前記最 小電圧値と前記所定電圧値との電圧差に所定値を乗じた値を前記目標電流から減 算し、前記目標電流に基づ！/ヽて前記電力変換器は前記燃料電池スタックの電流を 減少させることを特徴とする請求項 6に記載の燃料電池システム。
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