WO2008062807A1 - Système de pile à combustible - Google Patents

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Yasuhiro Nonobe
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a cell voltage recovery process of a fuel cell stack.
  • a fuel cell stack has a stack structure in which a plurality of cells are stacked in series. Each cell has an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side.
  • a membrane-one-electrode assembly By supplying fuel gas and oxidizing gas to the membrane-electrode assembly, an electrochemical reaction occurs, and chemical energy is converted into electrical energy.
  • solid polymer electrolyte fuel cell stacks that use solid polymer membranes as electrolytes are low cost, easy to compact, and have high power density, so they can be used as in-vehicle power sources. Is expected.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4-1 6 5 0 5 8 Disclosure of Invention
  • the voltage drop factor varies depending on the cell location, so if the same cell voltage recovery process is executed for all cells, the cell voltage will be unnecessarily high. Operation efficiency may be reduced by executing recovery processing or limiting output excessively.
  • an object of the present invention is to appropriately execute a cell voltage recovery process in accordance with a cell arrangement location.
  • a fuel cell system has a cell voltage of a fuel cell stack formed by stacking a plurality of cells and a first cell group disposed at an end of the fuel cell stack.
  • the first cell voltage recovery process is executed when the voltage falls below one lower limit voltage threshold, and the cell voltage of the second cell group arranged in the substantially central portion of the fuel cell stack falls below the second lower limit voltage threshold.
  • a cell voltage control device that executes a second cell voltage recovery process that is sometimes different from the first cell voltage recovery process.
  • the first cell group arranged at the cell stack end (the anode pole side end and the force sword pole side end) is more cell-like than the second cell group arranged at the substantially central portion of the cell stack.
  • temperature differences between cells and between electrodes are likely to occur, and cell voltage drop due to insufficient supply of reaction gas due to flooding and the like is likely to occur.
  • the cause of the cell voltage decrease is mainly due to an increase in resistance due to drying of the electrolyte membrane. Since the damage to the cell due to the drying of the electrolyte membrane is less than the damage to the cell due to insufficient fuel gas supply, the cell voltage management of the second cell group is more gradual than the cell voltage management of the first cell group. can do.
  • the cell voltage drop factor varies depending on the cell placement location. It is appropriate to make the cell voltage recovery process different between the case where the cell that caused the cell voltage drop is located at the edge of the cell stack and the case where it is at the approximate center of the cell stack.
  • the cell voltage control apparatus executes a process for eliminating the shortage of fuel gas supply to the first cell group as the first cell voltage recovery process.
  • the first cell group tends to be short of reactive gas supply due to flooding.
  • a shortage of fuel gas supply to the cell has been found to cause more damage to the cell than a shortage of oxidant gas supply. It is preferable to execute a process for eliminating the supply shortage (for example, increase the fuel gas supply pressure, increase the fuel gas supply amount, etc.) and attempt to recover the cell voltage.
  • the cell voltage control apparatus executes a process for resolving the shortage of fuel gas supply to the first cell group as the first cell voltage recovery process, the cell voltage of the first cell group remains the first. If the voltage does not return above the lower limit voltage threshold, a process is performed to eliminate the shortage of oxidizing gas supply to the first cell group. If the cell voltage of the first cell group does not recover even after performing the process to eliminate the fuel gas supply shortage, one of the causes is considered to be an insufficient oxidizing gas supply. Therefore, in such a case, it is preferable to execute a process (for example, an increase in the amount of supply of oxidizing gas) to solve the shortage of oxidizing gas supply and attempt to recover the cell voltage.
  • a process for example, an increase in the amount of supply of oxidizing gas
  • the cell voltage control device increases the wet amount of the electrolyte membrane of the second cell group when the wet amount of the electrolyte membrane of the second cell group is less than a predetermined value as the second cell voltage recovery process.
  • the cause of the cell voltage decrease in the second cell group may be a decrease in proton conductivity due to drying of the electrolyte membrane, rather than a shortage of supply gas due to flooding.
  • the wet amount of the electrolyte membrane of the second cell group is set to Increase It is preferable to try to recover the cell voltage by performing a process for this purpose (for example, reducing the amount of moisture taken away by the oxidizing gas by increasing the oxidizing gas supply pressure).
  • the cell voltage control device eliminates the shortage of fuel gas supply to the second cell group when the amount of electrolyte membrane in the second cell group exceeds a predetermined value as the second cell voltage recovery process. Execute the process for When the wet amount of the electrolyte membrane in the second cell group is greater than or equal to the specified value, the cell voltage drop in the second cell group may be due to insufficient supply of reaction gas due to flooding due to temporary or accidental phenomena. It is done.
  • the second cell voltage recovery process when the wet amount of the electrolyte membrane of the second cell group is greater than or equal to a predetermined value (that is, when the AC impedance of the fuel cell stack is less than the predetermined value), It is preferable to perform a process to resolve the shortage of fuel gas supply to the cell group and attempt to recover the cell voltage.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the fuel cell stack.
  • Fig. 3 is a graph showing the cell voltage distribution of the fuel cell stack.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the cell voltage management table.
  • FIG. 5 is a flowchart showing cell voltage recovery processing according to this embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a system configuration of a fuel cell system 10 that functions as an in-vehicle power supply system for a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system 10 receives supply of reaction gases (oxidation gas and fuel gas).
  • a fuel cell stack 20 that generates electricity
  • a fuel gas piping system 30 that supplies hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 20, and an oxidation that supplies air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 20
  • a gas piping system 40 ; a power system 60 that controls charging / discharging of power; and a controller 70 that controls the entire system.
  • the fuel cell stack 20 is, for example, a solid polymer electrolyte cell stack formed by stacking a large number of cells in series.
  • the cell has a force sword electrode on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an anode electrode on the other surface, and a pair of separators so that the cathode electrode and the anode electrode are sandwiched from both sides.
  • the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell stack 20 generates power by this gas supply.
  • the oxidation reaction of the formula (1) occurs in the anode electrode, and the reduction reaction of the formula (2) occurs in the force sword electrode.
  • the fuel cell stack 20 as a whole undergoes an electromotive reaction of the formula (3).
  • the cell monitor 80 is a cell voltage detection device for detecting each voltage of a plurality of cells constituting the fuel cell stack 20.
  • the fuel gas piping system 30 includes a fuel gas supply source 3 1 and a fuel gas supply channel 3 through which a fuel gas (hydrogen gas) supplied from the fuel gas supply source 31 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows. 5 and a circulation channel 3 6 for returning the fuel off-gas (hydrogen off-gas) discharged from the fuel cell stack 20 to the fuel gas supply channel 3 5, and the fuel off-gas in the circulation channel 3 6 as fuel It has a circulation pump 3 7 that pumps to the gas supply flow path 3 5 and an exhaust flow path 3 9 that is branched to the circulation flow path 3 6. is doing.
  • the fuel gas supply source 31 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores, for example, 35 M Pa or 7 O M Pa of hydrogen gas.
  • the hydrogen gas flows out from the fuel gas supply source 3 1 to the fuel gas supply flow path 3 5.
  • the hydrogen gas is depressurized to, for example, about 20 kPa by the regulator 33 or the injector 34 and supplied to the fuel cell stack 20.
  • the fuel gas supply source 31 includes a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state. You may comprise from these.
  • the injector 34 is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat.
  • the injector 34 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow with respect to the nozzle body). And a valve body that is accommodated and held movably in a direction) to open and close the injection hole.
  • An exhaust passage 39 is connected to the circulation passage 36 via an exhaust valve 38.
  • the exhaust valve 3 8 is operated according to a command from the controller 70 to discharge the fuel off gas and impurities including impurities in the circulation flow path 36 to the outside. By opening the exhaust valve 3 8, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation flow path 3 6 is lowered, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas being circulated is increased.
  • the diluter 50 is supplied with the fuel off-gas discharged through the exhaust valve 38 and the exhaust passage 39 and the oxidizing off-gas flowing through the exhaust passage 45 to dilute the fuel off-gas. Diluted fuel off-gas exhaust sound is silenced by the muffler (silencer) 5 1, flows through the tail pipe 5 2, and is exhausted outside the vehicle.
  • the oxidizing gas piping system 40 is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20.
  • An oxidizing gas supply channel 44 through which oxidizing gas flows, and an exhaust channel 45 through which oxidizing off-gas discharged from the fuel cell stack 20 flows.
  • the oxidizing gas supply flow path 4 4 is provided with a compressor 4 2 that takes in the oxidizing gas via the filter 4 1, and a humidifier 4 3 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 4 2.
  • the exhaust flow path 45 is provided with a back pressure adjusting valve 46 for adjusting the oxidizing gas supply pressure and a humidifier 43.
  • the humidifier 43 contains a hollow fiber membrane bundle composed of a large number of hollow fiber membranes. Inside the hollow fiber membrane, a highly moist oxide gas (wet gas) containing a large amount of moisture generated by the battery reaction flows, while outside the hollow fiber membrane, the low air taken in from the atmosphere. Moist oxidizing gas (dry gas) flows. Moisture exchange is performed by separating the hollow fiber membrane between the oxidizing gas and the oxidizing off gas, whereby the oxidizing gas can be humidified.
  • wet gas highly moist oxide gas
  • Moist oxidizing gas dry gas
  • the power system 60 includes a DCZDC converter 61, a notch 62, a traction inverter 6 3, and a traction motor 64.
  • the DC / DC converter 61 is a DC voltage converter that boosts the DC voltage from the battery 62 and outputs it to the traction inverter 63, and from the fuel cell stack 20 or the traction motor 64. And the function of charging the battery 62 by stepping down the DC voltage of the battery. With these functions of the D C ZD C converter 61, charging / discharging of the battery 62 is controlled.
  • the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by voltage conversion control by the DC / DC converter 6 1.
  • the battery 62 is a power storage device capable of storing and discharging electric power, and functions as a regenerative energy storage source during brake regeneration and as an energy buffer during load changes accompanying acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle.
  • a secondary battery such as a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is suitable.
  • the traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64.
  • Traction motor 64 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a power source for a fuel cell vehicle. .
  • the controller 70 is a computer system having a CPU, ROM, RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system 10. For example, when the controller 70 receives an activation signal output from an ignition switch (not shown), the controller 70 starts operation of the fuel cell system 10 and an accelerator output from an accelerator sensor (not shown). Based on the opening signal and the vehicle speed signal output from the vehicle speed sensor (not shown), the required power of the entire system is obtained. The required power of the entire system is the sum of the vehicle travel power and auxiliary power.
  • Auxiliary power includes, for example, power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air conditioners, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, Power consumed by steering devices, suspension devices, etc.), and power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space.
  • in-vehicle accessories humidity, air conditioners, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.
  • equipment required for vehicle travel transmissions, wheel control devices, Power consumed by steering devices, suspension devices, etc.
  • devices air conditioners, lighting equipment, audio, etc.
  • the controller 70 determines the distribution of the output power of the fuel cell stack 20 and the battery 62, and the rotation speed of the compressor 42 so that the power generation amount of the fuel cell stack 20 matches the target power. Adjust the valve opening of the injector 3 4 to adjust the amount of reactant gas supplied to the fuel cell stack 20 and control the DC ZD C converter 6 1 to adjust the output voltage of the fuel cell stack 20 To control the operating point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20. Further, the controller 70 outputs, for example, each of the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command values to the traction inverter 63 as a switching command so as to obtain the target vehicle speed according to the accelerator opening. Controls the output torque and rotation speed of the traction motor 64.
  • the controller 70 is based on the cell voltage of each cell detected by the cell monitor 80.
  • the fuel cell stack 20 is monitored for power generation abnormality, and if it is determined that power generation abnormality has occurred, cell voltage recovery processing is executed or output restriction is performed. Details of the cell voltage recovery processing will be described later.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the fuel cell stack 20.
  • a pair of terminal plates 2 2 A, 2 for power extraction are provided at both ends of a cell stack formed by stacking N cells (N is an integer of 2 or more).
  • 2 B is arranged.
  • Terminal plate 2 2 A is the anode pole and terminal plate 2 2 B is the force sword pole.
  • the outside of the terminal plates 2 2 A and 2 2 B is sandwiched and fixed by a pair of end plates 2 4 A and 2 4 B via insulating plates 2 3 A and 23 B.
  • Each cell 2 1 is assigned a cell number, and the cell number increases from terminal plate 2 2 A to terminal plate 2 2 B.
  • the cell number of the cell 21 closest to the terminal plate 2 2 A is 1, and the cell number of the cell 21 closest to the terminal plate 2 2 B is N.
  • FIG. 3 is a graph showing the cell voltage distribution of the fuel cell stack 20.
  • the horizontal axis indicates the cell number
  • the vertical axis indicates the cell voltage.
  • the heat is removed from the end plates 2 4 A and 24 B that are in contact with the outside air, so that they are arranged at the cell stack ends (the anode pole side edge and the cathode pole side edge).
  • Cell group (hereinafter referred to as “Group A” for convenience of description) is located in the cell rather than a cell group (hereinafter referred to as “Group B” for convenience of description) arranged in the center of the cell stack. Temperature differences between cells and electrodes are likely to occur. For this reason, in Group A, the cell voltage tends to decrease as it approaches the edge of the cell stack.
  • the cell voltage reduction factor is mainly due to an increase in resistance due to drying of the electrolyte membrane (decrease in conductivity of the plug).
  • the temperature inside the cell, between cells, and between electrodes is low, so all cells have the same cell voltage.
  • the damage to the cell 21 due to the electrolyte membrane drying is less than the damage to the cell 21 due to insufficient fuel gas supply. Therefore, the cell voltage management in group B should be more gradual than the cell voltage management in group A.
  • the lower limit voltage threshold V th2 of the B group can be set to a lower voltage than the lower limit voltage threshold V th1 of the A group.
  • the B group lower limit voltage allowable time threshold T 2 can be set longer than the lower limit voltage allowable time threshold T 1 of Group A.
  • the lower limit voltage threshold is the lowest voltage that can allow the cell voltage to drop from the viewpoint of damage to the cell 21 due to power generation abnormality.
  • the lower limit voltage allowable time threshold is the cell 2 due to power generation abnormality.
  • Figure 4 shows the cell voltage management table 90, which is the maximum time that can be allowed for the cell voltage to fall below the lower voltage threshold from the perspective of damage taken by 1.
  • the cell voltage management table 90 stores a lower limit voltage threshold value and a lower limit voltage allowable time threshold value for each of the A group and the B group.
  • the controller 70 holds a cell voltage management table 90 and functions as a cell voltage control device that manages the cell voltage based on the cell voltage output from the cell monitor 80. Specifically, the controller 70 determines whether the cell voltage of each of the A group and the B group is lower than the lower limit voltage threshold, and if the cell voltage is lower than the lower limit voltage threshold, the time Check if the time threshold is exceeded. The time when the cell voltage falls below the lower voltage threshold exceeds the lower voltage allowable time threshold. If so, execute the cell voltage recovery process or the output current limit process.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the cell voltage recovery process according to the present embodiment.
  • the controller 70 detects a cell whose cell voltage falls below the lower limit voltage threshold (step 50 1), the cell is assigned to the A group. It is determined whether it belongs to group B or not (step 5 0 2).
  • the controller 70 performs a process of increasing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 (step 50). 3).
  • group A adjacent to the end plates 2 4 A and 2 4 B, temperature differences easily occur between cells, between cells, and between electrodes, and cell voltage due to insufficient supply of reaction gas due to flooding, etc. Degradation is likely to occur.
  • the indicator 3 4 should be controlled.
  • the controller 70 checks whether the cell voltage has recovered above the lower limit voltage threshold. It is determined whether or not (Step 5 0 4). If the cell voltage recovers above the lower voltage threshold (step 5 0 4; YES), the controller 70 continues the power generation as it is (step 5 0 8).
  • step 5 0 4 the controller 70 performs processing to increase the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 20 (step 5 0 5 ). If the cell voltage does not recover above the lower limit threshold even after the process to resolve the shortage of fuel gas supply to Group A, the lack of oxidant gas supply is considered as one of the causes.
  • control the rotation speed of the compressor 42 control the rotation speed of the compressor 42, and increase the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 20. However, it is preferable to attempt cell voltage recovery.
  • the controller 70 determines whether or not the cell voltage has recovered above the lower limit voltage threshold (step 5 0 6). If the cell voltage recovers to the lower limit voltage threshold or more (step 5 0 6; Y E S), the controller 70 continues the power generation as it is (step 5 0 8).
  • step 5 0 6 If the cell voltage does not recover above the lower voltage threshold (step 5 0 6; NO), the controller 70 will limit the output current drawn from the fuel cell stack 20 so that the cell voltage will be higher than the lower voltage threshold. (Step 5 0 7), the process returns to Step 5 0 3 again.
  • the output of the fuel cell stack 20 may not meet the system power requirement. In such a case, the battery 62 will be used to compensate for the insufficient power.
  • the controller 70 has an AC impedance of the fuel cell stack 20 of a predetermined value Z. Is checked (step 5 0 9).
  • the AC impedance Z has a correlation with the wet state of the electrolyte membrane, the wet state of the electrolyte membrane can be detected by measuring the AC impedance Z.
  • the DC-DC converter 61 can also function as an AC signal applying device that applies an AC signal to the fuel cell stack 20 for the purpose of measuring the AC impedance of the fuel cell stack 20.
  • the cell monitor 80 measures the response voltage of each cell when an AC signal is applied to the fuel cell stack 20.
  • the controller 70 controls the DC / DC converter 61 and detects the change in the response voltage of each cell by the cell monitor 80 while changing the frequency of the AC signal applied to the fuel cell stack 20, and the fuel cell stack 20 The AC impedance Z is calculated.
  • EQ indicates the amplitude of the response voltage
  • IQ indicates the amplitude of the response current
  • ⁇ indicates the angular frequency
  • ⁇ indicates the initial phase
  • R represents the resistance component (real part)
  • X represents the reactance component (imaginary part)
  • j represents an imaginary unit
  • t represents time.
  • AC impedance Z is a predetermined value Z.
  • the controller 70 is supplied to the fuel cell stack 20 by controlling the back pressure regulating valve 46, for example. Increase the oxidizing gas supply pressure (step 5 1 0) and remove moisture by oxidizing gas. The amount is reduced and water is easily accumulated in the fuel cell stack 20.
  • the controller 70 determines whether or not the cell voltage has recovered to the threshold voltage threshold or higher (step 5 1 1). If the cell voltage recovers above the lower limit voltage threshold (step 51 1; Y E S), the controller 70 continues to generate electricity (step 51 13).
  • step 5 1 1 If the cell voltage does not recover above the lower voltage threshold (step 5 1 1; NO), the controller 70 will limit the output current drawn from the fuel cell stack 20 so that the cell voltage will be above the lower voltage threshold. (Step 5 1 2), the process proceeds to Step 5 03.
  • AC impedance Z is a predetermined value Z. If it does not exceed (step 5 0 9; NO), the cells in group B are moderately wetted, and therefore, it is difficult to consider a decrease in proton conductivity due to drying of the electrolyte membrane as a cause of cell voltage reduction. This may be due to insufficient supply of reaction gas due to flooding due to accidental phenomena. Therefore, the controller 70 proceeds to step 5 0 3 and attempts to recover the cell voltage by executing a process for eliminating the shortage of reactant gas supply.
  • appropriate cell voltage recovery processing can be executed according to the location of the cell that caused the cell voltage drop, and the output limit (current limit) of the fuel cell stack 20 can be minimized. Because it can be suppressed, it can be expected to improve operating efficiency.
  • cell voltage management according to this embodiment is not limited to low temperature start but also during battery operation. It is valid.
  • the group of cells disposed at the anode electrode side end of the fuel cell stack 20 is group A, and approximately at the center of the fuel cell stack 20
  • the group of cells arranged in the section is group B
  • the group of cells arranged at the end of the force sword pole side is group C
  • a different cell voltage recovery process is performed for each of the groups A, B, and C.
  • water tends to easily accumulate at the end of the force sword pole. Therefore, by dividing the fuel cell stack 20 into groups A, B, and C, more Fine cell voltage management can be realized.
  • Another example of cell voltage recovery processing when a cell belonging to group C causes a drop in cell voltage is to first execute processing to eliminate the shortage of fuel gas supply, and still to prevent the cell voltage from recovering. If this is the case, a process for eliminating the shortage of oxidant gas supply is executed, and if the cell voltage still does not recover, a method of limiting the output current extracted from the fuel cell stack 20 can be considered. .
  • the cell voltage recovery process when the cells belonging to the A group and the B group cause a cell voltage drop is the fuel cell stack.
  • cell 20 is divided into A group and B group, cell voltage cycle when cell belonging to A group and B group causes cell voltage drop. This is the same as the recovery process.
  • the usage form in which the fuel cell system 10 is used as the in-vehicle power supply system is illustrated, but the usage form of the fuel cell system 10 is not limited to this example.
  • the fuel cell system 10 may be mounted as a power source for a mobile body (robot, ship, aircraft, etc.) other than the fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system 10 according to this embodiment is installed in a power generation facility such as a house or a building.
  • an appropriate cell voltage recovery process can be executed in accordance with the location of the cell that caused the cell voltage drop, so that the operating efficiency of the fuel cell stack can be increased.

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Description

明細書
燃料電池システム
技術分野
本発明は燃料電池システムに関し、 特に、 燃料電池スタックのセル電圧回 復処理に関するものである。 背景技術
近年、 環境問題に対する取り組みの一環として、 低公害車の開発が進めら れており、 その中の一つに燃料電池スタックを車載電源とする燃料電池車両 がある。 燃料電池スタックは、 複数のセルを直列に積層してなるスタック構 造を有しており、 各セルは、 電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、 他 方の面にカソード極を配置してなる膜一電極接合体を有する。 膜一電極接合 体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、 化学エネ ルギ一が電気エネルギーに変換される。 なかでも、 固体高分子膜を電解質と して用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、 低コス トでコンパク ト 化が容易であり、 しかも高い出力密度を有することから、 車載電力源として の用途が期待されている。
燃料電池システムを運転する際には、 フラッディングによる反応ガス供給 不足や膜一電極接合体の乾燥などに起因する発電異常を検出し、 十分な出力 が取り出せるようにセルの状態を回復させる必要がある。 特開 2 0 0 4— 1 6 5 0 5 8号公報には、 セル電圧低下を監視し、 セル電圧がある一定の下限 電圧閾値を下回ると、 出力制限をしつつ、 セル電圧回復処理を実行する技術 が提案されている。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 4— 1 6 5 0 5 8号公報 発明の開示 しかし、 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいては、 セル の配置場所によって、 電圧低下要因が異なるので、 全てのセルに対して同一 のセル電圧回復処理を実行すると、 必要以上にセル電圧回復処理を実行した り、 或いは過度に出力制限をしたりすることにより運転効率を低下させてし まう虞がある。
そこで、 本発明は、 このような問題に鑑み、 セルの配置場所に応じて、 セ ル電圧回復処理を適切に実行することを課題とする。
上記の課題を解決するため、 本発明に係わる燃料電池システムは、 複数の セルを積層してなる燃料電池スタックと、 燃料電池スタックの端部に配置さ れる第一のセル群のセル電圧が第一の下限電圧閾値を下回ったときに第一の セル電圧回復処理を実行し、 燃料電池スタックの略中央部に配置される第二 のセル群のセル電圧が第二の下限電圧閾値を下回ったときに第一のセル電圧 回復処理とは異なる第二のセル電圧回復処理を実行するセル電圧制御装置と、 を備える。
セルスタック端部 （アノード極側端部、 及び力ソード極側端部） に配置さ れる第一のセル群の方がセルスタック略中央部に配置される第二のセル群よ りも、 セル内、 セル間、 極間での温度差が生じやすく、 フラッデイング等に 起因する反応ガス供給不足によるセル電圧低下が生じやすい。 特に、 低温始 動時では、燃料ガス供給不足によるセルの損傷を回避する必要性が高いので、 第一のセル群のセル電圧管理を厳重に行う必要がある。
一方、 第二のセル群では、 そのようなフラッデイングを起こすことは稀で あり、 セル電圧低下要因は、 主として、 電解質膜の乾燥による抵抗増加によ るものである。 電解質膜の乾燥がセルに与えるダメージは、 燃料ガス供給不 足がセルに与えるダメージよりも小さいので、 第二のセル群のセル電圧管理 は、 第一のセル群のセル電圧管理よりも緩やかにすることができる。
以上の理由から、セルの配置場所によってセル電圧低下要因が異なるので、 セル電圧低下を引き起こしたセルの配置場所がセルスタック端部である場合 と、 セルスタック略中央部である場合とで、 セル電圧回復処理を異なるもの とすることが適切である。
セル電圧制御装置は、 第一のセル電圧回復処理として、 第一のセル群への 燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行する。 上述の如く第一のセル 群は、 フラッデイングによる反応ガス供給不足が生じやすい傾向にある。 と りわけ、 セルへの燃料ガス供給不足は、 酸化ガス供給不足よりも、 セルに重 大なダメージを与えることが判明しているので、 セル電圧低下を検出したな らば、 まず、 燃料ガス供給不足を解消するための処理 （例えば、 燃料ガス供 給圧の昇圧、 燃料ガス供給量の増量など） を実行し、 セル電圧回復を試みる のが好ましい。
セル電圧制御装置は、 第一のセル電圧回復処理として、 第一のセル群への 燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行しても第一のセル群のセル電 圧が第一の下限電圧閾値以上に復帰しないときには、 第一のセル群への酸化 ガス供給不足を解消するための処理を実行する。 燃料ガス供給不足を解消す るための処理を実行してもなお、 第一のセル群のセル電圧が回復しないよう であれば、 酸化ガス供給不足が原因の一つとして考えられる。 そこで、 この ような場合には、 酸化ガス供給不足を解消するための処理 （例えば、 酸化ガ ス供給量の増量など） を実行し、 セル電圧回復を試みるのが好ましい。 セル電圧制御装置は、 第二のセル電圧回復処理として、 第二のセル群の電 解質膜の湿潤量が所定値未満のときに第二のセル群の電解質膜の湿潤量を増 加するための処理を実行する。 上述の如く、 第二のセル群におけるセル電圧 低下要因としては、 フラッデイングよる供給ガス不足よりも、 電解質膜の乾 燥によるプロ トン伝導性低下が考えられる。 そこで、 第二のセル群の電解質 膜の湿潤量が所定値未満のとき （即ち、 燃料電池スタックの交流インピーダ ンスが所定値以上のとき） に、 第二のセル群の電解質膜の湿潤量を增加する ための処理 （例えば、 酸化ガス供給圧を昇圧することにより、 酸化ガスによ る水分の持ち去り量を低減する。） を実行し、セル電圧回復を試みるのが好ま しい。
セル電圧制御装置は、 第二のセル電圧回復処理として、 第二のセル群の電 解質膜の湿潤量が所定値以上のときに、 第二のセル群への燃料ガス供給不足 を解消するための処理を実行する。 第二のセル群の電解質膜の湿潤量が所定 値以上のときには、 第二のセル群におけるセル電圧低下要因として、 一時的 又は偶発的な現象に起因するフラッディングによる反応ガス供給不足による ものが考えられる。 そこで、 第二のセル電圧回復処理として、 第二のセル群 の電解質膜の湿潤量が所定値以上のとき （即ち、 燃料電池スタックの交流ィ ンピーダンスが所定値未満のとき） に、 第二のセル群への燃料ガス供給不足 を解消するための処理を実行し、 セル電圧回復を試みるのが好ましい。一 図面の簡単な説明
図 1は、 本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 図 2は、 燃料電池スタックの構造を示す模式図である。
図 3は、 燃料電池スタックのセル電圧分布を示すグラフである。
図 4は、 セル電圧管理テーブルの説明図である。
図 5は、 本実施形態に係わるセル電圧回復処理を示すフローチヤ一トであ る。 発明を実施するための最良の形態
以下、 各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図 1は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム 1 0のシステム構成を示す。
燃料電池システム 1 0は、 反応ガス （酸化ガス及び燃料ガス） の供給を受 けて発電する燃料電池スタック 2 0と、 燃料ガスとしての水素ガスを燃料電 池スタック 2 0に供給する燃料ガス配管系 3 0と、 酸化ガスとしての空気を 燃料電池スタック 2 0に供給する酸化ガス配管系 4 0と、 電力の充放電を制 御する電力系 6 0と、 システム全体を統括制御するコントローラ 7 0と、 を 備えている。
燃料電池スタック 2 0は、 例えば、 多数のセルを直列に積層してなる固体 高分子電解質型セルスタックである。 セルは、 イオン交換膜からなる電解質 膜の一方の面に力ソード極を有し、 他方の面にアノード極を有し、 更にカソ 一ド極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有して いる。 一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、 他方のセパ レータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、 このガス供給により燃料電池 スタック 2 0は発電する。
燃料電池スタック 2 0では、 アノード極において （1 ) 式の酸化反応が生 じ、 力ソード極において （2 ) 式の還元反応が生じる。 燃料電池スタック 2 0全体としては （3 ) 式の起電反応が生じる。
H2 → 2 H + + 2 e -… ( 1 )
( 1 / 2 ) 02+ 2 H++ 2 e ' → H20 … （2 )
H2+ ( 1 / 2 ) O2 → H20 ··· ( 3 )
セルモニタ 8 0は、 燃料電池スタック 2 0を構成する複数のセルのそれぞ れの電圧を検出するためのセル電圧検出装置である。
燃料ガス配管系 3 0は、 燃料ガス供給源 3 1と、 燃料ガス供給源 3 1から 燃料電池スタック 2 0のアノード極に供給される燃料ガス （水素ガス） が流 れる燃料ガス供給流路 3 5と、 燃料電池スタック 2 0から排出される燃料ォ フガス （水素オフガス） を燃料ガス供給流路 3 5に還流せしめるための循環 流路 3 6と、 循環流路 3 6内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路 3 5に圧送 する循環ポンプ 3 7と、 循環流路 3 6に分岐接続される排気流路 3 9とを有 している。
燃料ガス供給源 3 1は、 例えば、 高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構 成され、 例えば、 3 5 M P a又は 7 O M P aの水素ガスを貯留する。 遮断弁 3 2を開くと、 燃料ガス供給源 3 1から燃料ガス供給流路 3 5に水素ガスが 流出する。 水素ガスは、 レギユレータ 3 3やインジェクタ 3 4により、 例え ば、 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、燃料電池スタック 2 0に供給される。 尚、 燃料ガス供給源 3 1は、 炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガス を生成する改質器と、 この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧 する高圧ガスタンクと、 から構成してもよい。
インジェクタ 3 4は、 弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動 して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能 な電磁駆動式の開閉弁である。 ィンジェクタ 3 4は、 燃料ガス等の気体燃料 を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、 その気体燃料を噴射孔ま で供給案内するノズルボディと、 このノズルボディに対して軸線方向 （気体 流れ方向） に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、 を備えてい る。
循環流路 3 6には、排気弁 3 8を介して、排気流路 3 9が接続されている。 排気弁 3 8は、 コントローラ 7 0からの指令によって作動することにより、 . 循環流路 3 6内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。 排気 弁 3 8の開弁により、 循環流路 3 6内の水素オフガス中の不純物の濃度が下 がり、 循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。
希釈器 5 0には、 排気弁 3 8及び排気流路 3 9を介して排出される燃料ォ フガスと、 排気流路 4 5を流れる酸化オフガスとが流入し、 燃料オフガスを 希釈する。 希釈化された燃料オフガスの排出音は、 マフラー （消音器） 5 1 によって消音され、 テールパイプ 5 2を流れて車外に排気される。
酸化ガス配管系 4 0は、 燃料電池スタック 2 0のカソード極に供給される 酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路 4 4と、 燃料電池スタック 2 0から排出 される酸化オフガスが流れる排気流路 4 5と、 を有している。 酸化ガス供給 流路 4 4には、 フィルタ 4 1を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ 4 2 と、 コンプレッサ 4 2により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器 4 3と、 が設けられている。 排気流路 4 5には、 酸化ガス供給圧を調整するための背 圧調整弁 4 6と、 加湿器 4 3とが設けられている。
加湿器 4 3は、 多数本の中空糸膜から成る中空糸膜束を収容している。 中 空糸膜の内部には、 電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化ォ フガス （ウエットガス） が流れる一方で、 中空糸膜の外部には、 大気から取 り込まれた低湿潤の酸化ガス （ドライガス） が流れる。 酸化ガスと酸化オフ ガスとの間で中空糸膜を隔てて水分交換が行われることにより、 酸化ガスを 加湿することができる。
電力系 6 0は、 D C ZD Cコンバータ 6 1、 ノ ッテリ 6 2、 トラクシヨン インバータ 6 3、 及びトラクシヨンモータ 6 4を備えている。 D C /D Cコ ンバータ 6 1は、 直流の電圧変換器であり、 バッテリ 6 2からの直流電圧を 昇圧してトラクシヨンインバータ 6 3に出力する機能と、 燃料電池スタック 2 0又はトラクションモータ 6 4からの直流電圧を降圧してバッテリ 6 2に 充電する機能と、 を有する。 D C ZD Cコンバータ 6 1のこれらの機能によ り、 バッテリ 6 2の充放電が制御される。 また、 D C /D Cコンバータ 6 1 による電圧変換制御により、 燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電 圧、 出力電流） が制御される。
バッテリ 6 2は、 電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、 ブレーキ 回生時の回生エネルギー貯蔵源、 燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変 動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ 6 2としては、例えば、 ニッケル ·カドミウム蓄電池、 ニッケル ·水素蓄電池、 リチウム二次電池等 の二次電池が好適である。 トラクシヨンインバータ 6 3は、 直流電流を三相交流に変換し、 トラクシ ヨンモータ 6 4に供給する。 トラクシヨンモータ 6 4は、 例えば、 三相交流 モータであり、 燃料電池車両の動力源を構成する。.
コントローラ 7 0は、 C P U、 R OM, R AM、 及び入出力インタフエ一 スを備えるコンピュータシステムであり、 燃料電池システム 1 0の各部を制 御する。 例えば、 コントローラ 7 0は、 ィダニッションスィツチ （図示せず） から出力される起動信号を受信すると、 燃料電池システム 1 0の運転を開始 し、 アクセルセンサ （図示せず） から出力されるアクセル開度信号や、 車速 センサ （図示せず） から出力される車速信号などを基に、 システム全体の要 求電力を求める。 システム全体の要求電力は、 車両走行電力と補機電力との 合計値である。 補機電力には、 例えば、 車載補機類 （加湿器、 エアコンプレ ッサ、 水素ポンプ、 及び冷却水循環ポンプ等） で消費される電力、 車両走行 に必要な装置 （変速機、 車輪制御装置、 操舵装置、 及び懸架装置等） で消費 される電力、 乗員空間内に配設される装置 （空調装置、 照明器具、 及びォー ディォ等） で消費される電力などが含まれる。
そして、 コントローラ 7 0は、 燃料電池スタック 2 0とバッテリ 6 2の出 力電力の配分を決定し、 燃料電池スタック 2 0の発電量が目標電力に一致す るように、コンプレッサ 4 2の回転数ゃィンジェクタ 3 4の弁開度を調整し、 燃料電池スタック 2 0への反応ガス供給量を調整するとともに、 D C ZD C コンバータ 6 1を制御して燃料電池スタック 2 0の出力電圧を調整すること により燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電圧、 出力電流） を制御 する。 更に、 コントローラ 7 0は、 アクセル開度に応じた目標車速が得られ るように例えば、 スイッチング指令として、 U相、 V相、 及び W相の各交流 電圧指令値をトラクションインバータ 6 3に出力し、 トラクションモータ 6 4の出力トルク、 及び回転数を制御する。
コントローラ 7 0は、セルモニタ 8 0が検出する各セルのセル電圧を基に、 燃料電池スタック 2 0の発電異常の有無を監視し、 発電異常が生じていると 判定すると、セル電圧回復処理を実行したり、或いは出力制限をしたりする。 セル電圧回復処理の詳細については後述する。
図 2は燃料電池スタック 2 0の構造を示す模式図である。
同図に示すように、 N個 （Nは 2以上の整数とする。） のセル 2 1を積層し てなるセルスタックの両端には、 電力取り出し用の一対のターミナルプレー ト 2 2 A , 2 2 Bが配置されている。 ターミナルプ ^一ト 2 2 Aはアノード 極であり、 ターミナルプレート 2 2 Bは力ソード極である。 ターミナルプレ ート 2 2 A, 2 2 Bの外側は絶縁プレート 2 3 A , 2 3 Bを介して一対のェ ンドプレート 2 4 A , 2 4 Bによって挟持固定されている。 それぞれのセル 2 1には、 セル番号が割り当てられており、 ターミナルプレート 2 2 Aから ターミナルプレート 2 2 Bへ向かってセル番号が増加している。 例えば、 タ 一ミナルプレート 2 2 Aに一番に近いセル 2 1のセル番号は 1であり、 ター ミナルプレート 2 2 Bに一番に近いセル 2 1のセル番号は Nである。
図 3は燃料電池スタック 2 0のセル電圧分布を示すグラフである。
同図において、 横軸はセル番号を示し、 縦軸はセル電圧を示している。 燃 料電池スタック 2 0では、 外気に接するエンドプレート 2 4 A， 2 4 Bから 熱が奪われることにより、 セルスタック端部 （アノード極側端部、 及びカソ 一ド極側端部） に配置されるセル群 （以下、 説明の便宜上、 A群と称する。） の方がセルスタック略中央部に配置されるセル群 （以下、 説明の便宜上、 B 群と称する。） よりも、 セル内、 セル間、 極間での温度差が生じやすい。 この ため、 A群では、 セルスタック端部に近づく程、 セル電圧が低下する傾向が 見られる。 これは、 セル内の温度の低い部分で水分が凝縮し、 そこを起点と してフラッディングが発生し、セル電圧低下を引き起こしゃすいためである。 特に、 電池運転を停止してから長時間放置された燃料電池スタック 2 0内部 では、 カソード極から電解質膜を介してアノード極に水分が移動するため、 低温始動時では、フラッデイングによる燃料ガス供給不足が生じる虞がある。 燃料ガス供給不足での発電は、 セル 2 1にダメージを与えることが判明して いるため、 A群では、 厳密なセル電圧管理が必要となる。
一方、 B群においては、 上記のようなフラッデイングを起こすことは稀で あり、 セル電圧低下要因は、 主として、 電解質膜の乾燥による抵抗増加 （プ 口トン伝導性低下） によるものである。 B群では、 セル内、 セル間、 極間の 温度が少ないので、 どのセルも同程度のセル電圧を有している。 電解質膜の 乾燥がセル 2 1に与えるダメージは、 燃料ガス供給不足がセル 2 1に与える ダメージよりも小さいので、 B群のセル電圧管理は、 A群のセル電圧管理よ りも緩やかにすることができる。 具体的には、 B群の下限電圧閾値 V t h 2 は、 A群の下限電圧閾値 V t h 1よりも低電圧に設定できる。 また、 B群下 限電圧許容時間閾値 T 2は、 A群の下限電圧許容時間閾値 T 1よりも長時間 に設定できる。 ここで、 下限電圧閾値とは、 発電異常によってセル 2 1が受 けるダメージの観点から、 セル電圧の低下を許容し得る最低電圧をいい、 下 限電圧許容時間閾値とは、 発電異常によってセル 2 1が受けるダメージの観 点から、 セル電圧が下限電圧閾値を下回った状態を許容し得る最長時間をい 図 4はセル電圧管理テーブル 9 0を示す。
セル電圧管理テーブル 9 0は、 A群及び B群それぞれの下限電圧閾値、 及 び下限電圧許容時間閾値を格納するものである。 コントローラ 7 0は、 セル 電圧管理テーブル 9 0を保持しており、 セルモニタ 8 0から出力されるセル 電圧を基にセル電圧を管理するセル電圧制御装置として機能する。 具体的に は、 コントローラ 7 0は、 A群及び B群それぞれのセル電圧が下限電圧閾値 を下回っているか否か、 セル電圧が下限電圧閾値を下回っている場合には、 その時間が下限電圧許容時間閾値を越えているか否かをチェックする。 そし てセル電圧が下限電圧閾値を下回つている時間が下限電圧許容時間閾値を越 えている場合には、 セル電圧回復処理を実行したり、 或いは出力電流制限処 理を実行したりする。
このように、 B群の下限電圧閾値 V t h 2を、 A群の下限電圧閾値 V t h 1よりも低電圧に設定してセル電圧管理を行うことにより、 B群に対して、 必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、 或いは過度に出力制限をしたり することによる運転効率低下を回避できる。
また、 B群の下限電圧許容時間閾値 T 2を、 A群の下限電圧許容時間閾値 T 1よりも長時間に設定してセル電圧管理を行うことにより、 B群に対して、 必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、 或いは過度に出力制限をしたり することによる運転効率低下を回避できる。
図 5は本実施形態に係わるセル電圧回復処理を示すフローチャートである, コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値を下回ったセルを検出する と （ステップ 5 0 1 )、そのセルが A群に属するのか或いは B群に属するのか を判定する （ステップ 5 0 2 )。
セル電圧が下限電圧閾値を下回ったセルが A群に属するものであれば、 コ ントローラ 7 0は、 燃料電池スタック 2 0へ供給される燃料ガス供給量を上 昇させる処理を行う（ステップ 5 0 3 )。上述の如く、ェンドプレート 2 4 A , 2 4 B側に近接している A群では、 セル内、 セル間、 極間での温度差が生じ やすく、 フラッディング等に起因する反応ガス供給不足によるセル電圧低下 が生じやすい。 特に、 低温始動時では、 燃料ガス供給不足によるセル 2 1の 損傷を回避する必要性が高いので、 A群への燃料ガス供給不足を解消するた めの処理として、 インジヱクタ 3 4を制御することにより、 燃料電池スタツ ク 2 0へ供給される燃料ガス供給圧を昇圧したり、 或いは循環ポンプ 3 7の 回転数を制御することにより、 燃料電池スタック 2 0に流入する燃料ガス流 量を増量したりする等の処理を実行し、セル電圧回復を試みるのが好ましレ、。 そして、 コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値以上に回復したか 否かを判定する （ステップ 5 0 4 )。セル電圧が下限電圧閾値以上に回復した ならば （ステップ 5 0 4 ； Y E S )、 コントローラ 7 0は、 そのまま発電を継 続する （ステップ 5 0 8 )。
セル電圧が下限電圧閾値以上に回復しないならば（ステップ 5 0 4； N O ) , コントローラ 7 0は、 燃料電池スタック 2 0へ供給される酸化ガス供給量を 上昇させる処理を行う （ステップ 5 0 5 )。 A群への燃料ガス供給不足を解消 するための処理を実行してもなお、 セル電圧が下限電圧閾値以上に回復しな い場合には、 酸化ガス供給不足が原因の一つとして考えられる。 A群への酸 化ガス供給不足を解消するための処理として、 例えば、 コンプレッサ 4 2の 回転数を制御し、 燃料電池スタック 2 0に流入する酸化ガス供給量を増量す る等の処理を実行し、 セル電圧回復を試みるのが好ましい。
そして、 コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値以上に回復したか 否かを判定する （ステップ 5 0 6 )。セル電圧が下限電圧閾値以上に回復した ならば（ステップ 5 0 6 ； Y E S )、 コントローラ 7 0は、 そのまま発電を継 続する （ステップ 5 0 8 )。
セル電圧が下限電圧閾値以上に回復しないならば（ステップ 5 0 6 ; N O )、 コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値以上になるように、 燃料電池 スタック 2 0から取り出す出力電流を制限し （ステップ 5 0 7 )、 再度、 ステ ップ 5 0 3の処理に戻る。
尚、 燃料電池スタック 2 0の出力を制限することにより、 燃料電池スタツ ク 2 0の出力がシステム要求電力に満たない場合がある。 このような場合に は、 不足電力をバッテリ 6 2から補うものとする。
一方、 セル電圧が下限電圧閾値を下回ったセルが B群に属するものであれ ば、 コントローラ 7 0は、 燃料電池スタック 2 0の交流インピーダンス が 所定値 Z。を超えているか否かをチェックする （ステップ 5 0 9 )。 B群にお けるセル電圧低下要因としては、 フラッディングによる反応ガス供給不足は 考え難く、 主として、 電解質膜の乾燥による抵抗増加によるものと考えられ る。 交流インピーダンス Zは、 電解質膜の湿潤状態と相関関係を有している ので、 交流インピーダンス Zを計測することで、 電解質膜の湿潤状態を検出 することができる。
DCノ DCコンバータ 61は、 燃料電池スタック 20の交流インピーダン スを計測する目的で、 燃料電池スタック 20に交流信号を印加する交流信号 印加装置として機能することもできる。 セルモニタ 80は、 燃料電池スタツ ク 20に交流信号が印加されたときの各セルの応答電圧を計測する。 コント ローラ 70は、 DC/DCコンバータ 6 1を制御し、 燃料電池スタック 20 に印加される交流信号の周波数を変化させながら、 各セルの応答電圧の変化 をセルモニタ 80によって検出し、 燃料電池スタック 20の交流インピーダ ンス Zを算出する。
尚、 燃料電池スタック 20に交流信号を印加したときの燃料電池スタック 20の応答電圧を E、 応答電流を I、 交流インピーダンスを Zとすると、 以 下の関係式が成立することが知られている。
E = E0e X p j (ω.ί +Φ)
I = Ioe x p j w t
Ζ = Ε/ I = (EoZlo) e x p j = R+ j
ここで、 EQは応答電圧の振幅を示し、 I Qは応答電流の振幅を示す。 ωは 角周波数を示し、 Φは初期位相を示す。 Rは抵抗成分 （実数部分） を示し、 Xはリアクタンス成分 （虚数部分） を示す。 jは虚数単位を示し、 tは時間 を示す。
交流インピーダンス Zが所定値 Z。を超えているならば（ステップ 5 0 9 ； YES), B群のセルは乾燥気味であるので、 コントローラ 70は、 例えば、 背圧調整弁 46を制御することにより、 燃料電池スタック 20へ供給される 酸化ガス供給圧を昇圧し（ステップ 5 1 0)、酸化ガスによる水分の持ち去り 量を低減し、 燃料電池スタック 2 0内に水分が蓄積され易くする。
そして、 コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値以上に回復したか 否かを判定する （ステップ 5 1 1 )。セル電圧が下限電圧閾値以上に回復した ならば（ステップ 5 1 1 ； Y E S ) , コントローラ 7 0は、 そのまま発電を継 続する （ステップ 5 1 3 )。
セル電圧が下限電圧閾値以上に回復しないならば（ステップ 5 1 1 ； N O ) , コントローラ 7 0は、 セル電圧が下限電圧閾値以上になるように、 燃料電池 スタック 2 0から取り出す出力電流を制限し（ステップ 5 1 2 )、 ステップ 5 0 3の処理に進む。
交流インピーダンス Zが所定値 Z。を超えていないならば （ステップ 5 0 9； N O )、B群のセルは適度に湿潤しているので、セル電圧低下要因として、 電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性低下は考え難く、 一時的又は偶発的な 現象に起因するフラッディングによる反応ガス供給不足によるものが考えら れる。 そこで、 コントローラ 7 0は、 ステップ 5 0 3に進み、 反応ガス供給 不足を解消するための処理を実行することで、 セル電圧回復を試みる。
本実施形態によれば、 セル電圧低下を引き起こしたセルの配置場所に応じ て、 適切なセル電圧回復処理を実行できる上に、 燃料電池スタック 2 0の出 力制限 （電流制限） を最小限に抑えることができるので、 運転効率の向上を 期待できる。 また、 図 3に示すセル電圧分布は、 低温始動時に限らず、 電池 運転中にも見られるものであるから、 本実施形態に係わるセル電圧管理は、 低温始動時に限らず、 電池運転中にも有効である。
発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、 用途に応じて適宜 に組み合わせて、 又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、 本発明 は上述した実施形態の記載の記載に限定されるものではない。 そのような組 み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ 得ることが特許請求の範囲から明らかであろう。 例えば、 上述の実施形態では、 燃料電池スタック 2 0のァノード極側端部 に配置されるセル群、 及ぴカソ一ド極側端部に配置されるセル群を共に A群 とし、燃料電池スタック 2 0の略中央部に配置されるセル群を B群としたが、 例えば、 燃料電池スタック 2 0のアノード極側端部に配置されるセル群を A 群、 燃料電池スタック 2 0の略中央部に配置されるセル群を B群、 力ソード 極側端部に配置されるセル群を C群とし、 A群、 B群、 及び C群のそれぞれ について、 異なるセル電圧回復処理を実行してもよい。 特に、 電池運転中に おいては、 力ソード極側端部に水分が溜まり易い傾向があるので、 燃料電池 スタック 2 0を A群、 B群、 及び C群のそれぞれに分割することで、 よりき め細かいセル電圧管理を実現できる。
この場合、 C群に属するセルがセル電圧低下を引き起こしたときのセル電 圧回復処理としては、 まず、 酸化ガス供給不足を解消するための処理を実行 し、 それでもなお、 セル電圧が回復しないようであれば、 燃料ガス供給不足 を解消するための処理を実行し、 それでもなお、 セル電圧が回復しないよう であれば、 燃料電池スタック 2 0から取り出す出力電流を制限する方法が考 えられる。
C群に属するセルがセル電圧低下を引き起こしたときのセル電圧回復処理 の他の例としては、まず、燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行し、 それでもなお、 セル電圧が回復しないようであれば、 酸化ガス供給不足を解 消するための処理を実行し、 それでもなお、 セル電圧が回復しないようであ れば、 燃料電池スタック 2 0から取り出す出力電流を制限する方法が考えら れる。
尚、燃料電池スタック 2 0を A群、 B群、及び C群に分けた場合において、 A群及び B群に属するセルがセル電圧低下を引き起こしたときのセル電圧回 復処理は、 燃料電池スタック 2 0を A群、 及び B群に分けた場合において、 A群及び B群に属するセルがセル電圧低下を引き起こしたときのセル電圧回 復処理と同様である。
また上述の実施形態では、 燃料電池システム 1 0を車載電源システムとし て用いる利用形態を例示したが、 燃料電池システム 1 0の利用形態はこの例 に限られるものではない。 例えば、 燃料電池システム 1 0を燃料電池車両以 外の移動体 （ロボット、 船舶、 航空機等） の電力源として搭載してもよい。 また、 本実施形態に係わる燃料電池システム 1 0を住宅やビル等の発電設備
(定置用発電システム） として用いてもよい。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 セル電圧低下を引き起こしたセルの配置場所に応じて適 切なセル電圧回復処理を実行できるので、 燃料電池スタックの運転効率を高 めることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの端部に配置される第一のセル群のセル電圧が第一 の下限電圧閾値を下回ったときに第一のセル電圧回復処理を実行し、 前記燃 料電池スタックの略中央部に配置される第二のセル群のセル電圧が第二の下 限電圧閾値を下回ったときに前記第一のセル電圧回復処理とは異なる第二の セル電圧回復処理を実行するセル電圧制御装置と、
を備える燃料電池システム。
2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御装置は、 前記第一のセル電圧回復処理として、 前記第一 のセル群への燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行する、 燃料電池 システム。
3 . 請求項 2に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御装置は、 前記第一のセル電圧回復処理として、 前記第一の セル群への燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行しても前記第一の セル群のセル電圧が前記第一の下限電圧閾値以上に復帰しないときには、 前 記第一のセル群への酸化ガス供給不足を解消するための処理を実行する、 燃 料電池システム。
4 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御装置は、 前記第二のセル電圧回復処理として、 前記第二 のセル群の電解質膜の湿潤量が所定値未満のときに、 前記第二のセル群の電 解質膜の湿潤量を増加するための処理を実行する、 燃料電池システム。
5 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御装置は、 前記第二のセル電圧回復処理として、 前記第二 のセル群の電解質膜の湿潤量が所定値以上のときに、 前記第二のセル群への 燃料ガス供給不足を解消するための処理を実行する、 燃料電池システム。
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