JP5200414B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の単位電池を直列に接続してなる燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池は、直列に接続された複数の単位電池（以下、セルという）で構成されている。各セルは、アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受け、カソードに酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて発電する。各セルで必要となる反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）の供給量は、要求されている発電電流（負荷電流）によって決まる。燃料電池システムでは、不足が生じないように負荷電流に応じて反応ガスの供給量が制御されている。
しかし、何らかの原因により、一部のセルにおいて反応ガスの供給量が必要量に対して不足する場合がある。例えば、発電に伴って生成された水によってセル内のガス流路が閉塞された場合や、ガス流路内で水分が凍結してガス流路が閉塞されてしまった場合等である。反応ガスの供給量が必要量に対して不足した場合、反応ガスによる発電反応（正常反応）のみでは負荷電流を流すことができない。ところが、各セルは直列に接続されているため、反応ガスが不足したセルでも他の正常なセルと同じだけの電流を流すことが要求される。このため、当該セルでは無理に電流を流そうとする結果、以下のような異常反応が起こってしまう。
まず、燃料ガスの供給量が不足したセルでは、水素が無いにも係らずアノードから電子を取り出す必要が生じる。その結果、水の酸化反応（２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-）の他、カーボンの酸化反応（Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-）やＰｔの溶出反応（Ｐｔ→Ｐｔ2+＋２ｅ-）、さらには電解質成分の酸化反応等が起きてしまう。一方、酸化剤ガスの供給量が不足したセルでは、酸素が無いにも係らずカソードで電子を受け取る必要が生じる。その結果、アノード側から電解質膜を通ってカソード側に移動した水素イオンが電子と再結合する現象、いわゆる水素ポンプ現象が起こることになる。
このような異常反応のうち燃料ガスの供給不足で起こる反応には問題があり、ＭＥＡの劣化や損傷の原因となっている。このため、燃料電池システムの運用上、燃料ガスの供給不足を早期に検知することが重要となるが、それは各セルの電圧を測定することで達成することができる。燃料ガスの供給不足に陥ったセルでは、異常反応に伴って当該セルのアノードの電位が上昇し、アノード電位がカソード電位よりも高くなる現象、いわゆる逆電位現象が起きる。したがって、電圧モニタによりセルの電圧を個別に測定し、逆電位が生じているセルの有無を監視することで、燃料ガスの供給不足を検知することができる。
従来の燃料電池システムでは、何れかのセルのセル電圧が予め設定されている閾値電圧よりも低下したら、所定の電圧回復処理、例えば負荷電流を下げたり発電を一時的に停止したりすることが行われていた。なお、燃料電池の逆電位に関連する従来技術としては、以下に列挙した特許文献が知られている。
特開２００６−１４７１７８号公報 特開平１１−６７２５４号公報 特開２００４−３０９７９号公報 特開２００６−７３５０１号公報 特開２００６−４９２５９号公報 特開２００４−２４１２３６号公報
燃料ガスの供給不足は、低温起動時、特に氷点下からの起動時に起きやすい。その原因となっているのはガス流路を閉塞している氷や水であるが、それらの除去には燃料電池の自己発熱を利用することができる。燃料電池の自己発熱を増大させるには、酸化剤ガスの供給量を不足状態にすることが有効である。負荷電流から決まる必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させることで、カソードの過電圧を増大させ、それにより自己発熱量を増大させることができる。
酸化剤ガスの供給量を不足状態にしたとき、カソードの電位は定常運転時よりも大きく低下する。さらに、低温時にはＭＥＡの抵抗が大きくなるため、その抵抗による電圧損失も顕著になる。その結果、燃料ガスの供給不足の場合と同様、セル電圧が負電圧となってしまう場合がある。ただし、酸化剤ガスの供給不足によるカソード電位の低下は、燃料ガスの供給不足によるアノード電位の上昇とは異なって許容できるものであり、逆に、これを許容しなければ燃料電池の暖機を促進することができず、低温起動時の起動性が低下してしまう。
しかしながら、外部から実測できるのはあくまでもセル電圧であり、特別に参照電極を設ける場合を除き、アノード電位やカソード電位を実測することはできない。このため、従来の燃料電池システムでは、低温起動時に暖機を目的として故意に酸化剤ガスを供給不足にしたとき、発生した負電圧がアノード電位の上昇によるものなのかどうかは判定することはできなかった。それゆえ、ＭＥＡの保護を優先するという観点からは、電圧回復処理の開始判定に係る閾値電圧は高めに設定せざるを得なかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発電を無駄に停止若しくは抑制することなく燃料ガスの供給不足に起因するＭＥＡの劣化を防止できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記の目的は、燃料電池を構成する何れかの単位電池において負電圧が発生したとしても、アノード電位の上昇によるものでない限りはその負電圧を許容することで達成することができる。そこで、本発明の燃料電池システムは、許容できる負電圧と許容できない負電圧との判別を可能にするための手段として、以下のような構成を採った。
まず、第１の発明の燃料電池システムは、
複数の単位電池を直列に接続してなる燃料電池と、
前記単位電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
何れかの単位電池の電圧が所定の閾値電圧よりも低下したときには前記燃料電池の発電を停止若しくは抑制する発電制御手段と、
前記単位電池のＩＲ抵抗を測定するＩＲ抵抗測定手段と、
ＩＲ抵抗と負荷電流とに応じて前記閾値電圧を設定する閾値電圧設定手段と、
を備えることを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記閾値電圧設定手段は、燃料ガスの供給量が不足したときの前記単位電池の電流電圧特性を近似したマップデータを有し、前記マップデータから得られる負荷電流に対応する電圧と、ＩＲ抵抗及び負荷電流から計算されるＩＲ損とに基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴としている。
第３の発明は、第１の発明において、
前記単位電池の温度を測定する電池温度測定手段をさらに備え、
前記閾値電圧設定手段は、燃料ガスの供給量が不足したときの前記単位電池の電流電圧特性を電池温度別に近似したマップデータを有し、前記マップデータから得られる電池温度及び負荷電流に対応する電圧と、ＩＲ抵抗及び負荷電流から計算されるＩＲ損とに基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴としている。
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記燃料電池への酸化剤ガスの供給状態を制御する手段であって、負荷電流から決まる必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させる酸化剤ガス供給制御手段をさらに備えることを特徴としている。
また、第５の発明の燃料電池システムは、
複数の単位電池を直列に接続してなる燃料電池と、
前記単位電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
何れかの単位電池の電圧が所定の閾値電圧よりも低下したときには前記燃料電池の発電を停止若しくは抑制する発電制御手段と、
前記単位電池の温度を測定する電池温度測定手段と、
電池温度に応じて前記閾値電圧を設定する閾値電圧設定手段と、
前記燃料電池への酸化剤ガスの供給状態を制御する手段であって、負荷電流から決まる必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させる酸化剤ガス供給制御手段とを備え、
前記閾値電圧設定手段は、前記単位電池のＩＲ抵抗の温度依存性を予測したマップデータを有し、前記マップデータから得られる電池温度に対応するＩＲ抵抗と負荷電流とから計算されるＩＲ損に基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴としている。
第１の発明によれば、セル電圧に内在するＩＲ損をＩＲ抵抗と負荷電流とから計算し、それに応じて閾値電圧を変えることができる。これによれば、ＩＲ損の増大によってセル電圧が低下した場合に、それとアノード電位の上昇によるものとを混同するのを防止することができる。したがって、第１の発明によれば、閾値電圧を厳しく設定することが可能であり、発電を無駄に停止若しくは抑制することを防止することができる。
第２の発明によれば、燃料ガスの供給量が不足したときの単位電池の電流電圧特性を近似したマップデータから負荷電流に対応する電圧を取得し、それとＩＲ損とに基づいて閾値電圧を決定することで、アノード電位が許容値を超えない範囲の最小値に閾値電圧を設定することができる。また、このように閾値電圧を設定することで、セル電圧から燃料ガスの供給不足を精確に検知することも可能になる。
第３の発明によれば、燃料ガスの供給量が不足したときの単位電池の電流電圧特性を電池温度別に近似したマップデータから電池温度及び負荷電流に対応する電圧を取得し、それとＩＲ損とに基づいて閾値電圧を決定することで、アノード電位が許容値を超えない範囲の最小値に閾値電圧を設定することができる。また、このように閾値電圧を設定することで、セル電圧から燃料ガスの供給不足を精確に検知することも可能になる。
第４の発明によれば、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を負荷電流から決まる必要量よりも少なくすることで、カソードの過電圧を増大させて自己発熱量を増大させることができ、それにより低温起動時の燃料電池の暖機を促進することができる。また、この場合には、カソード電位の低下によって負電圧が生じる可能性があるが、それとアノード電位の上昇によるものとを混同するのを防止することができる。
また、第５の発明によれば、ＩＲ抵抗を左右する電池温度に応じて閾値電圧を設定することで、ＩＲ損の増大によってセル電圧が低下した場合に、それとアノード電位の上昇によるものとを混同するのを防止することができる。したがって、第５の発明によれば、閾値電圧を厳しく設定することが可能であり、発電を無駄に停止若しくは抑制することを防止することができる。
第５の発明によれば、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を負荷電流から決まる必要量よりも少なくすることで、カソードの過電圧を増大させて自己発熱量を増大させることができ、それにより低温起動時の燃料電池の暖機を促進することができる。また、この場合にはカソード電位が極低い電位に抑制されるので、セル電圧に影響を与える因子はアノード電位とＩＲ損とに絞られることになる。これによれば、上述のようにＩＲ抵抗を左右する電池温度に応じて閾値電圧を設定することで、セル電圧からアノード電位の上昇を精確に検知することができる。
なお、酸化剤ガスの供給量を不足状態にしたときには、カソード電位とアノード電位との電位差は極僅かとなるため、セル電圧としてＩＲ損による負電圧が計測されることになる。測定したセル電圧がＩＲ損による負電圧よりも低くなったときには、燃料ガスの供給不足によるアノード電位の上昇が起きている可能性がある。
第５の発明によれば、単位電池のＩＲ抵抗の温度依存性を予測したマップデータから電池温度に対応するＩＲ抵抗を取得し、ＩＲ抵抗と負荷電流とから計算されるＩＲ損に基づいて閾値電圧を決定することで、燃料ガスの供給不足に起因するＭＥＡの劣化を確実に防止することができる。
また、第８の発明によれば、酸化剤ガスの供給状態によって変わるカソード電位に応じて閾値電圧の設定を変えることができる。必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させるモードでは、必要量以上の酸化剤ガスを供給するモードに比較してカソード電位は極低い電位に抑制される。このため、当該モードでは、カソード電位の変動がセル電圧に与える影響は縮小されることになり、その分、閾値電圧の設定を厳しくすることができる。これにより、燃料ガスの供給不足に起因するＭＥＡの劣化の危険性を拡大することなく、少なくとも当該モードでの発電の無駄な停止若しくは抑制を防止することができる。
本発明の実施の形態について説明するに先立ち、本発明の根底にある逆電位についての考え方について図１、図２及び図３を用いて説明する。
［逆電位についての考え方の説明］
図１は、単位電池（以下、セルという）の各電極電位をＯＣＶ時と通常発電時とで比較して示す図である。図１においてアノード電位はＡＮで示し、カソード電位はＣＡで示している。ここでは、ＯＣＶ時のアノード電位を０Ｖとし、カソード電位を１Ｖとしている。この図に示すように、通常発電時、つまり、セルに負荷がかかったときには、アノード電位は僅かに上昇し、且つ、カソード電位は僅かに低下する。さらに、セルのＩＲ抵抗によってＩＲ損が発生するため、見かけのカソード電位（図中に点線で示す）はより低下することになる。見かけのカソード電位とアノード電位との電位差が、発電時のセル電圧となる。なお、発電時のセル電圧とカソード電位、アノード電位及びＩＲ損との間にある関係は次の（１）式によって表すことができる。
セル電圧＝カソード電位−アノード電位−ＩＲ損 ・・・（１）
発電時にカソードガス欠、すなわち、酸化剤ガスの供給不足が生じたときには、セルの各電極電位は図２に示すようになる。図２は、各電極電位を通常発電時とカソードガス欠時とで比較して示す図である。カソードガス欠時には、カソード電位が低下する現象が起きる。その結果、カソード電位とアノード電位との差がなくなり、図に示すようにカソード電位がアノード電位よりも低くなる場合もある。ＩＲ損も含めた見かけのカソード電位（図中に点線で示す）はさらに低くなるため、セル電圧はマイナス値を示すようになる。
一方、発電時にアノードガス欠、すなわち、燃料ガスの供給不足が生じたときには、セルの各電極電位は図３に示すようになる。図３は、各電極電位を通常発電時とアノードガス欠時とで比較して示す図である。図に示すように、アノードガス欠時には、アノード電位が大きく上昇してカソード電位を超えて高くなる現象が起きる。つまり、カソードガス欠時と同様に、負電圧が発生する。電流掃引中は、ＩＲ損が発生するために見かけのカソード電位（図中に点線で示す）が低下し、その結果、セル電圧は大きくマイナス値を示すようになる。
以上のように、アノードガス欠とカソードガス欠の何れの場合でもセル電圧は負電圧となり得るが、問題となるのはアノードガス欠による逆電位現象である。アノード電極が許容値を超えて上昇することによって、カーボンの酸化反応やＰｔの溶出反応など、ＭＥＡの劣化の原因となる反応が起きてしまう。これに対し、カソードガス欠の場合には、いわゆる水素ポンプ現象は起きるものの、低温起動時にカソードガス欠を積極的に利用することによってセルの自己発熱量を増大させることができるという利点がある。
そこで、本発明においては、カソードガス欠による負電圧は許容するが、アノードガス欠による負電圧のみを許容できない逆電位とみなすこととした。つまり、逆電位現象が起きた場合、それがアノードガス欠によるものと推測される場合に限って、所定の電圧回復処理を実施することとした。そうすることで、無駄に電圧回復処理を実施することなく、アノードガス欠に起因するＭＥＡの劣化を防止することが可能になる。
［負電圧の原因の判別方法の説明］
次に、本発明において採っている負電圧の原因の判別方法について説明する。仮に各セルに参照電極を設けてアノード電位やカソード電位を実測するのであれば、負電圧の原因がアノードガス欠なのかカソードガス欠なのか判定することは容易である。しかし、多数のセルからなる燃料電池においてそのような方法を採ることは現実的には難しい。燃料電池において容易に測定できるのは、セル電圧、つまり、見かけのカソード電位とアノード電位との電位差である。以下に説明する２つの判別方法は、何れも実際に測定可能なセル電圧に基づいて負電圧の原因を判別する方法である。
第１の判別方法は、アノードガス欠時の最高セル電圧を計算し、それと実際のセル電圧とを比較する方法である。図３に示すように、アノードガス欠時のセル電圧はＩＲ損によって変化するが、その最高セル電圧はＩＲ損が最小のとき、固体高分子型の燃料電池では電解質膜が最も湿潤しているときである。実際のセル電圧がアノードガス欠時の最高セル電圧よりも高ければ、負電圧の原因にアノードガス欠は含まれないと判断することができる。
なお、上記の最高セル電圧は、次の方法によって求めることができる。まず、アノードガス欠を生じさせた状態でセル（試験用セル）の発電を行い、そのときの負荷電流に対する電位差の変化を測定する。そして、測定により得られたアノードガス欠時のＩＶ特性からマップデータを作成し、このマップデータを燃料電池システムの制御装置に記憶しておく。次に、実際の燃料電池において各セルのＩＲ抵抗を測定し、その測定値と発電時の負荷電流とからＩＲ損を計算する。マップデータにおける電圧値をＩＲ損によって補正することで、アノードガス欠時の最高セル電圧をセル毎に求めることができる。
第２の判別方法は、カソードガス欠のみが生じた場合のセル電圧を推定計算し、それと実際のセル電圧とを比較する方法である。図２に示すように、カソードガス欠時にはカソード電位とアノード電位との電位差は極僅かとなる。このため、アノードガス欠によるアノード電位の上昇がなければ、カソードガス欠時のセル電圧はほぼＩＲ損による負電圧に等しくなる。実際のセル電圧がＩＲ損による負電圧よりも低くなったときには、アノードガス欠によるアノード電位の上昇が起きていると判断することができる。
なお、ＩＲ損を計算するのに必要なＩＲ抵抗は、測定機器を用いて実測することも可能であるが、セルの温度から推定することもできる。ＩＲ抵抗はＭＥＡの温度に対して高い相関を示すからである。ＩＲ抵抗の温度依存性を予測してマップデータを作成し、このマップデータを燃料電池システムの制御装置に記憶しておくことで、温度計の測定値を用いてＩＲ抵抗を求めることができる。
以下に説明する本発明の２つの実施の形態のうち、実施の形態１にかかる燃料電池システムでは、上記の第１の判別方法を利用してシステムの発電制御を行うこととした。そして、実施の形態２にかかる燃料電池システムでは、上記の第２の判別方法を利用してシステムの発電制御を行うこととした。以下、各実施の形態の具体的な内容について図を用いて説明する。
実施の形態１．
図４、図５、図６及び図７を用いて本発明の実施の形態１について説明する。
［燃料電池システムの構成の説明］
図４は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。以下、図４に示す燃料電池システムの構成について説明する。ただし、図４は本発明を適用し得る燃料電池システムの構成の一例を示したものであり、本発明は他の構成の燃料電池システムにも適用することができる。例えば、図４に示すシステムはいわゆるアノードガス循環型のシステムであるが、本発明はアノードガスを循環させない、いわゆるアノードデッドエンド型のシステムにも適用可能である。
図４に示すように、この燃料電池システムは、電力供給手段として燃料電池４を備えている。燃料電池４は、複数のセル（単位電池）２が直列に接続されて構成されている。各セル２は、そのアノードに水素を含む燃料ガス（以下、アノードガスという）の供給を受け、カソードに酸素を含む酸化剤ガス（以下、カソードガスという）の供給を受けて発電する。
燃料電池４のカソード入口には、カソードガスを供給するためのカソードガス通路１０が接続されている。また、燃料電池４のカソード出口には、カソードからのオフガス（カソードオフガス）を排出するためのカソードオフガス通路１２が接続されている。この燃料電池システムではカソードガスとして空気を用いている。カソードガス通路１０の入口にはエアコンプレッサ１４が配置され、エアコンプレッサ１４により大気中の空気が取り込まれてカソードガス通路１０に圧送される。カソードオフガス通路１２には調圧弁１６が設けられている。
燃料電池４のアノード入口には、アノードガスを供給するためのアノードガス通路２０が接続されている。また、燃料電池２のアノード出口には、アノードからのオフガス（アノードオフガス）を再びアノードガス通路２０に戻すためのアノードオフ通路２２が接続されている。この燃料電池システムでは、水素タンクや改質器などのアノードガス供給装置２４からアノードガス通路２０へアノードガスが供給される。アノードガス通路２０には調圧弁２６が配置されている。アノードオフガス通路２２にはアノードオフガスを循環させるためのポンプ２８が配置されている。
この燃料電池システムでは、制御装置３０によって燃料電池４の発電が制御される。制御装置３０の出力側には、エアコンプレッサ１４，調圧弁１６，調圧弁２６，ポンプ２８等のアクチュエータが接続されている。また、制御装置３０の入力側には、セル２毎にセル電圧を測定するための電圧計３２と、セル２毎にＩＲ抵抗を測定するための抵抗計３４と、セル２毎に温度を測定するための温度計３６とが接続されている。制御装置３０は、これら測定機器３２，３４，３６の測定値を判断材料にして燃料電池４の状態を判定し、その判定結果に基づいて各アクチュエータの作動量を調整している。
［実施の形態１の発電制御の説明］
本実施の形態では、制御装置３０は、図５のフローチャートに示すルーチンに従って燃料電池４の発電状態を制御する。図５に示すルーチンは、燃料電池システムの起動時に実行される。
図５に示すルーチンの最初のステップＳ１０では、温度計３６によって各セル２のセル温度が測定される。次のステップＳ１２では、測定されたセル温度に応じたＩＶ特性マップがセル２毎に選択される。ＩＶ特性マップとは、前述の第１の判別方法に関連して説明した「アノードガス欠時のＩＶ特性を近似したマップデータ」のことであり、本実施の形態ではこれを温度別に用意している。アノードガス欠時のセル２のＩＶ特性は、そのセル温度によって変化するためである。
次のステップＳ１４では、抵抗計３４によって各セル２のＩＲ抵抗が測定される。そして、次のステップＳ１６では、ＩＶ特性マップにおける電圧値がＩＲ損の分だけ補正される。これをＩＶ特性のＩＲ補正という。各セル２のＩＲ損は、ＩＲ抵抗の測定値と負荷電流（電流密度）とから計算することができる。図６は、ＩＲ補正後のＩＶ特性、つまり、アノードガス欠時の電流密度とＩＲ補正電圧との関係を示す図である。
次のステップＳ１８では、ＩＲ補正後のＩＶ特性マップを用いて各セル２の最低セル電圧が決定される。具体的には、図６に示すように、発電時の電流密度Ｉ０に対応するＩＲ補正電圧Ｖ０がマップから求められ、それが最低セル電圧として決定される。セル電圧がこの最低セル電圧よりも高ければ、当該セル２でのアノードガス欠の可能性は無く、セル電圧が最低セル電圧よりも低ければ、当該セル２でのアノードガス欠の可能性が有ると判断することができる。この最低セル電圧には実際のＩＲ損が反映されているので、ＩＲ損の増大によってセル電圧が低下した場合であっても、それとアノード電位の上昇によるものとの混同は防止される。
次のステップＳ２０では、燃料電池４の発電が開始される。そして、次のステップＳ２２では、電圧計３２により各セル２のセル電圧が測定され、その測定値がステップＳ１８で決定された最低セル電圧よりも低いか否か判定される。ステップＳ２２の判定は、セル２毎に行われる。
ステップＳ２２の判定の結果、何れかのセル２においてセル電圧が最低セル電圧を下回った場合、ステップＳ２４の処理が選択される。ステップＳ２４では、所定の電圧回復処理が実施される。電圧回復処理は燃料電池４の負荷を下げることで電圧の回復を図る処理であり、その具体例としては、エアコンプレッサ１４の回転速度を変化させてエアストイキ比を下げること（具体例１）、ポンプ２８の回転速度を変化させてアノードガスの循環率を上げること（具体例２）、二次電池による電力供給量を増やしてその分、燃料電池４の発電量を下げること（具体例３）が挙げられる。電圧回復処理は、全てのセル２においてセル電圧が最低セル電圧よりも高くなるまで実施される。
ステップＳ２２の判定の結果、全てのセル２においてセル電圧が最低セル電圧を超えている場合には、ステップＳ２６の処理が選択される。ステップＳ２６では、通常の発電が継続して実施される。
以上説明したルーチンによれば、電圧回復処理にかかる閾値電圧（最低セル電圧）をアノード電位が許容値を超えない範囲の最小値に設定することができる。このように閾値電圧を厳しく設定することで、不必要な電圧回復処理によって発電が無駄に停止若しくは抑制されるのを防止することができる。
また、上述のルーチンは低温起動時の暖機発電に組み合わせて実施するのが好ましい。暖機発電とは、燃料電池４へのカソードガスの供給量を負荷電流から決まる必要量よりも少なくすることで、つまり、能動的にカソードガス欠を生じさせることで、カソードの過電圧を増大させて自己発熱量を増大させ、それにより燃料電池４の暖機を促進する運転方法である。カソードガス欠を生じさせることでカソード電位の低下が起きるが、上述のルーチンを実施することで、それとアノード電位の上昇によるものとの混同は防止される。
なお、本実施の形態では、制御装置３０がステップＳ２２，Ｓ２４の処理を実施することで、第１の発明にかかる「発電制御手段」が実現されている。また、制御装置３０がステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６及びＳ１８の処理を実施することで、第１，第２及び第３の発明にかかる「閾値電圧設定手段」が実現されている。また、制御装置３０が上記の暖機発電を実施すれば、第４の発明にかかる「酸化剤ガス供給制御手段」が実現される。
［実施の形態１の変形例の説明］
実施の形態１の発電制御に関し、図５のフローチャートに示すルーチンは、図７のフローチャートに示すルーチンに代えることもできる。なお、図７に示すルーチンには、図５に示すルーチンと同一内容の処理が含まれている。それらについては、図中に同一のステップ番号を付している。
図７に示すルーチンは、ステップＳ２２の条件が成立した場合にステップＳ３０の判定処を実施することに特徴がある。ステップＳ２２では、電圧計３２により各セル２のセル電圧が測定され、その測定値がステップＳ１８で決定された最低セル電圧よりも低いか否か判定される。その判定の結果、何れかのセル２においてセル電圧が最低セル電圧を下回った場合にステップＳ３０の判定が実施される。
ステップＳ３０は、最低セル電圧を下回ったセル２において、そのセル電圧が負電圧になってからの経過時間が計測される。そして、その経過時間が所定の許容時間Ｘを超えたか否か判定される。許容時間Ｘは、燃料電池システムの耐用年数、或いは、燃料電池システムが搭載される車両の耐用年数から計算される。
ステップＳ３０の判定の結果、セル電圧が負電圧になってからの経過時間が許容時間Ｘを超えた場合、ステップＳ２４の処理が選択されて所定の電圧回復処理が実施される。一方、セル電圧が負電圧になってからの経過時間が許容時間Ｘに達しない場合には、セル電圧が最低セル電圧を下回っている状況であっても、ステップＳ２６の処理が選択されて通常の発電が継続して実施される。
セル電圧が最低セル電圧を下回ったとしても、発電不能となるようなＭＥＡの劣化が直ちに起こるわけではない。この点に関し、図７に示すルーチンによれば、セル電圧が負電圧になっても暫くの間はその状態が許容されるので、その分、通常の発電を継続させることができる。
実施の形態２．
次に、図４、図８及び図９を用いて本発明の実施の形態２について説明する。本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの構成は、実施の形態１と同様、図４を用いて説明することができる。図４に示す構成から抵抗計３４を省略した構成が、本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの構成となる。
［実施の形態２の発電制御の説明］
本実施の形態では、制御装置３０は、図８のフローチャートに示すルーチンに従って燃料電池４の発電状態を制御する。図８に示すルーチンは、燃料電池システムの起動時に実行される。
図８に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、温度計３６によって各セル２のセル温度が測定される。次のステップＳ１０２では、測定されたセル温度に応じた許容負電圧マップがセル２毎に選択される。許容負電圧マップの一例を図９に示す。図９に示すように、許容負電圧マップは、負電圧の許容値と負荷電流（電流密度）との関係を温度別に設定したものである。このマップにおける負電圧の許容値は、ＩＲ抵抗と電流密度とから計算されるＩＲ損に対応する。前述の第２の判別方法に関連して説明したように、制御装置３０には、ＩＲ抵抗の温度依存性を予測したマップデータが記憶されている。制御装置３０は、このマップデータからセル温度に応じたＩＲ抵抗を読み出し、それと電流密度とからＩＲ損（許容負電圧）を算出している。
次のステップＳ１０４では、許容負電圧マップを用いて各セル２の最低セル電圧が決定される。具体的には、図９に示すように、発電時の電流密度Ｉ０に対応する許容負電圧Ｖ０がマップから求められ、それが最低セル電圧として決定される。セル電圧がこの最低セル電圧よりも高ければ、当該セル２でのアノードガス欠の可能性は無く、セル電圧が最低セル電圧よりも低ければ、当該セル２でのアノードガス欠の可能性が有ると判断することができる。この最低セル電圧にはセル温度から推定されるＩＲ損が反映されているので、ＩＲ損の増大によってセル電圧が低下した場合であっても、それとアノード電位の上昇によるものとの混同は防止される。
次のステップＳ１０６では、燃料電池４の暖機発電が開始される。暖機発電では、燃料電池４へのカソードガスの供給量が負荷電流から決まる必要量よりも少なくされる。このように能動的にカソードガス欠を生じさせることで、カソードの過電圧を増大させて自己発熱量を増大させ、それにより燃料電池４の暖機を促進することができる。
そして、次のステップＳ１０８では、電圧計３２により各セル２のセル電圧が測定され、その測定値がステップＳ１０４で決定された最低セル電圧よりも低いか否か判定される。ステップＳ１０８の判定は、セル２毎に行われる。
ステップＳ１０８の判定の結果、何れかのセル２においてセル電圧が最低セル電圧を下回った場合、ステップＳ１１０の処理が選択される。ステップＳ１１０では、所定の電圧回復処理が実施される。電圧回復処理の内容は実施の形態１にて説明した通りである。電圧回復処理は、全てのセル２においてセル電圧が最低セル電圧よりも高くなるまで実施される。
ステップＳ１０８の判定の結果、全てのセル２においてセル電圧が最低セル電圧を超えている場合には、ステップＳ１１２の処理が選択される。ステップＳ１１２では、暖機発電が継続して実施される。
以上説明したルーチンによれば、燃料電池４の暖機発電時において、電圧回復処理にかかる閾値電圧（最低セル電圧）を厳しく設定することができる。これによれば、不必要な電圧回復処理によって発電が無駄に停止若しくは抑制されるのを防止することが可能であり、自己発熱を利用した暖機の促進によって低温起動時の起動性を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、制御装置３０がステップＳ１０８，Ｓ１１０の処理を実施することで、第５の発明にかかる「発電制御手段」が実現されている。また、制御装置３０がステップＳ１００，Ｓ１０２及びＳ１０４の処理を実施することで、第５の発明にかかる「閾値電圧設定手段」が実現されている。また、制御装置３０がステップＳ１０６の処理を実施することで、第５の発明にかかる「酸化剤ガス供給制御手段」が実現されている。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
実施の形態１ではセルのＩＲ抵抗を抵抗計によって実測しているが、他の物理量から間接的に測定することでもよい。例えば、セルの温度やＭＥＡの湿潤状態を測定し、それらの測定値からＩＲ抵抗を計算するようにしてもよい。また、実施の形態１及び２の何れもセル温度の測定はセル毎に行っているが、代表セルについてのみセル温度を測定し、それを全てのセルについて用いてもよい。
また、実施の形態２の発電制御においても、実施の形態１の発電制御と同様の変形例を採ることができる。つまり、セル電圧が最低セル電圧を下回ったとしても直ちに電圧回復処理を実施するのではなく、セル電圧が負電圧になってからの経過時間が許容時間Ｘを超えてから電圧回復処理を実施するようにする。これによれば、電圧回復処理の実施タイミングが遅らされる分、低温起動時の起動性をより向上させることができる。
ところで、図２に示すように、カソードガス欠時には通常発電時に比較してカソード電位は極低い電位に抑制される。したがって、カソードガス欠を利用した暖機発電モードでは、通常発電モードに比較してカソード電位の変動がセル電圧に与える影響は縮小され、その分、閾値電圧（最低セル電圧）の設定を厳しくすることが可能になる。具体的には、通常発電モードではカソード電位の変動を考慮して閾値電圧は高め（正電圧）に設定せざるを得ないとしても、暖機発電モードでは閾値電圧を負電圧に設定することができる。通常発電モードと暖機発電モードとで閾値電圧の設定を切り替えることとすれば、アノードガス欠に起因するＭＥＡの劣化の危険性を拡大することなく、少なくとも暖機発電モードでは発電の無駄な停止若しくは抑制を防止することが可能になる。
なお、通常発電モードと暖機発電モードは、燃料電池４に供給するカソードガスの供給状態を制御することで切り替えることができる。その制御方法は、流量制御でもよく、圧力制御でもよい。負荷電流から決まる必要量（詳しくは、酸素の必要モル量）以上のカソードガスを燃料電池４に供給する場合には通常発電モードとなり、負荷電流から決まる必要量に対してカソードガスの供給量を不足させる場合には暖機発電モードとなる。
セルの各電極電位をＯＣＶ時と通常発電時とで比較して示す図である。 セルの各電極電位を通常発電時とカソードガス欠時とで比較して示す図である。 セルの各電極電位を通常発電時とアノードガス欠時とで比較して示す図である。 本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの概略構成図である。 本発明の実施の形態１において実行される燃料電池の発電制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 図５に示すルーチンにおいて使用されるアノードガス欠時のＩＶ特性マップを示す図である。 本発明の実施の形態１の変形例において実行される燃料電池の発電制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行される燃料電池の発電制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 図８に示すルーチンにおいて使用される許容逆電位の温度マップを示す図である。
符号の説明
２ セル（単位電池）
４ 燃料電池
１０ カソードガス通路
１４ エアコンプレッサ
２０ アノードガス通路
２４ アノードガス供給装置
３０ 制御装置
３２ 電圧計
３４ 抵抗計
３６ 温度計
ＣＡ カソード電位
ＡＮ アノード電位

Claims (5)

  1. 複数の単位電池を直列に接続してなる燃料電池と、
    前記単位電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
    何れかの単位電池の電圧が所定の閾値電圧よりも低下したときには前記燃料電池の発電を停止若しくは抑制する発電制御手段と、
    前記単位電池のＩＲ抵抗を測定するＩＲ抵抗測定手段と、
    ＩＲ抵抗と負荷電流とに応じて前記閾値電圧を設定する閾値電圧設定手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記閾値電圧設定手段は、燃料ガスの供給量が不足したときの前記単位電池の電流電圧特性を近似したマップデータを有し、前記マップデータから得られる負荷電流に対応する電圧と、ＩＲ抵抗及び負荷電流から計算されるＩＲ損とに基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記単位電池の温度を測定する電池温度測定手段をさらに備え、
    前記閾値電圧設定手段は、燃料ガスの供給量が不足したときの前記単位電池の電流電圧特性を電池温度別に近似したマップデータを有し、前記マップデータから得られる電池温度及び負荷電流に対応する電圧と、ＩＲ抵抗及び負荷電流から計算されるＩＲ損とに基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池への酸化剤ガスの供給状態を制御する手段であって、負荷電流から決まる必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させる酸化剤ガス供給制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 複数の単位電池を直列に接続してなる燃料電池と、
    前記単位電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
    何れかの単位電池の電圧が所定の閾値電圧よりも低下したときには前記燃料電池の発電を停止若しくは抑制する発電制御手段と、
    前記単位電池の温度を測定する電池温度測定手段と、
    電池温度に応じて前記閾値電圧を設定する閾値電圧設定手段と、
    前記燃料電池への酸化剤ガスの供給状態を制御する手段であって、負荷電流から決まる必要量に対して酸化剤ガスの供給量を不足させる酸化剤ガス供給制御手段とを備え、
    前記閾値電圧設定手段は、前記単位電池のＩＲ抵抗の温度依存性を予測したマップデータを有し、前記マップデータから得られる電池温度に対応するＩＲ抵抗と負荷電流とから計算されるＩＲ損に基づいて前記閾値電圧を決定することを特徴とする燃料電池システム。
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