(57)【要約】【課題】  燃料電池の耐久性の向上を図りながら、始動性を向上させた燃料電池の制御装置を提供する。【解決手段】  燃料電池を始動させる際に、燃料制御部１０ｃが燃料電池に反応ガスを供給させ、セル電圧検出部１０ａが燃料電池のアノード圧力、カソード圧力が所定値に達したとき、燃料電池を構成する各セルａ、セルｂ、セルｃ、…、セルｎのセル電圧を検出し、不具合推測部１０ｄが、検出されたセル電圧に基づいて、燃料電池を始動させた場合、燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合がある場合には、負荷制御部１０ｂが燃料電池を昇温させて、不具合を解消して燃料電池に負荷をかけて始動させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルを複数積層してなる燃料電池の制御装置であって、
前記燃料電池に反応ガスを供給させる反応ガス供給手段と、
反応ガスの供給によって各セルで発生するセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
検出されたセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測する不具合推測手段と、
前記燃料電池の始動を促進する始動促進手段と、
前記燃料電池に負荷をかけて燃料電池を始動させる始動手段と、を備え、
前記始動手段は、前記燃料電池の発電性能の不具合が推測された場合、前記始動促進手段を起動させてから燃料電池を始動させることを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
前記不具合推測手段は、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力が所定値に達してからのセル電圧に基づいて、前記不具合を推測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
前記始動促進手段は、前記燃料電池を昇温させることによって前記燃料電池の始動を促進することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項４】
セルを複数積層してなる燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池に反応ガスを供給させ、反応ガスを供給した後、各セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があると推測された場合には、前記燃料電池を昇温させ前記燃料電池の始動を促進してから、前記燃料電池に負荷をかけて始動させることを特徴とする燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置およびその制御方法に関し、特に、燃料電池を始動させる際の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定高分子型燃料電池は、高分子電解膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ）をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成される。ここで、膜電極構造体は、例えばスルホン基を有する樹脂で構成される高分子電解質膜の両面に白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層を密着させることで構成されている。また、触媒層への反応ガスの供給および反応生成水の排出を円滑に行うために、触媒層の外側には高いガス拡散性と電子導電性を有するガス拡散層が必要に応じて設けられている。これらの電極層および電解質の接合体を膜電極構造体として機械的に固定するとともに、隣接する接合体を電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配し、セパレータの電極面に対向する面には、電極層に均一に反応ガスを供給するための溝状の流路を設けて構成されている。
【０００３】
このように構成された燃料電池は、セルの個体差により特に低温下で始動するとき発電性能不調を示す不調セルが現れることがある。この不調セルは、セル間の連通穴やガス流路、さらに凍結時の凍結状況の僅かな違いによる反応ガスの分配、拡散性の差で生じるものと考えられる。このような不調セルが存在する燃料電池を、例えば一旦凍結させてしまうと、不調セルにおいては反応ガスの分配、拡散のさらなる悪化が生じ、悪循環の結果、燃料電池の始動性が極端に悪くなるという問題があり、その対策が必要である。すなわち、不調セルの存在を無視して強引に燃料電池を発電させようとすると、反応ガスの不足で不調セル近傍の電極の腐食やセパレータの劣化を招き、燃料電池の耐久性が悪化してしまうことがあるため、燃料電池を始動させる際に特に反応ガスの不足が生じないようにする必要がある。
【０００４】
燃料電池の制御方法としては、例えば特許文献１で開示されたものがある。ここでは、燃料電池に対して負荷を上げる場合、燃料電池に局部的に発生する反応ガス不足状態を早期に検知して、反応ガス不足から燃料電池を保護するようになっている。
【特許文献１】特開平６−２４３８８２号公報（特許請求の範囲、請求項１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法では、実際に負荷を引いて燃料電池の発電状況を観察することによって、反応ガスの不足を検知するようになっているため、燃料電池の始動において実際に始動させてみないと、検出することができないという問題があった。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、燃料電池の耐久性の向上を図りながら、始動性を向上させることのできる燃料電池の制御装置およびその方法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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、セルを複数積層してなる燃料電池の制御装置であって、前記燃料電池に反応ガスを供給させる反応ガス供給手段と、反応ガスの供給によって各セルで発生するセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、検出されたセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測する不具合推測手段と、前記燃料電池の始動を促進する始動促進手段と、前記燃料電池に負荷をかけて燃料電池を始動させる始動手段と、を備え、前記始動手段は、前記燃料電池の発電性能の不具合が推測された場合、前記始動促進手段を起動させてから燃料電池を始動させるものとした。
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を始動させる際に、始動をさせた場合、燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池の始動性を向上させてから始動を行うため、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することを防止できる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記不具合推測手段が、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力が所定値に達してからのセル電圧に基づいて、前記不具合を推測するものとした。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を有するほか、その不具合を正確に推測することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記始動促進手段が、前記燃料電池を昇温させることによって前記燃料電池の始動を促進するものとした。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２と同様の効果を有するほか、不具合が推測された場合でも、迅速に始動させることができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、セルを複数積層してなる燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池に反応ガスを供給させ、反応ガスを供給した後、各セルのセル電圧を検出し、検出したセル電圧に基づいて、前記燃料電池に負荷をかけて始動させたとき、前記燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があると推測された場合には、前記燃料電池を昇温させてから、前記燃料電池に負荷をかけて始動させるものとした。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１と同様に、燃料電池を始動させる際に、始動によって燃料電池の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池の始動性を向上させてから始動を行うため、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することを防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池を始動させる際に、燃料電池の局部で反応ガスが不足のままで始動することはない。これによって、始動のために発電性能がさらなる悪化で始動されるまでの時間が延びるようなことがないので、結果として始動性が向上する。また不具合が推測された場合、始動性を促進するようにすれば、始動性を一層向上させ、性能の劣化を防止し、耐久性も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した一実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、本発明における始動時の不具合の検出原理を説明する。
図５は、燃料電池を凍結した状態で始動させる場合のセル電圧と燃料電池の出力電流を示す図で、図６は図５におけるＡ部分とＢ部分の拡大図である。なお、Ａ部分は燃料電池に反応ガスの圧力が所定値に達してからの各セルの電圧変化で、Ｂ部分は燃料電池を始動したときの各セルの電圧変化である。
燃料電池に反応ガスを供給すると、各セルでセル電圧（開放電圧）が生成される（Ｓｔａｒｔ）。セル電圧は、図５に示すように一旦高い電圧が生成されるが、その後アノードとカソード間のガスのリーク（いわゆるクロスリーク）などにより僅かな下降を示して変化する。このとき、例えば何らか理由によるセル間温度のばらつきや反応ガスの供給が充分でないセルが含まれていると、時間の経つにつれてＡ部分では図６の（ａ）の拡大図で示すように、各セルの電圧間でばらつきの大きいものが生じる。ここでは、他のセルに対して特にセルａ、セルｂの落ち込みが大きい。このような状態の燃料電池に対して通常と同じように負荷をかけて始動させると、図６の（ｂ）の点線で示すように不具合が増幅され、セルａ、セルｂは他のセルよりセル電圧がさらに落ち込む。
【００１２】
このとき、強引に発電をさせると、セルを挟むセパレータが劣化してしまう。本発明は、図６の（ａ）で示すように負荷をかけて始動させる前のセル電圧のばらつきに着目して、不調セルの存在で発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合に燃料電池を昇温させ、不調セルの発電性能すなわち始動性を回復させてから始動を行うようにする。このようにすることによって、例えばセル間のセル電圧のばらつきが大きい状態で燃料電池を始動させても、このように発電性能（始動性能）を回復させることによって、図６の（ｂ）に示すように不調であったセルａ、セルｂを含めた各セルのセル電圧が揃って変化し、図５のように出力電流が落ち込むことなく発電することができる。
【００１３】
図１は、本発明を適用した燃料電池システムを示す図である。なお、この燃料電池システムは自動車に搭載されたものである。
燃料電池１は高分子電解膜１ａをカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ）をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成されるものである。その構造としては、例えばスルホン基を有する樹脂で構成される高分子電解質膜の両面に白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層を密着させたものである。触媒層への反応ガスの供給および反応生成水の排出を円滑に行うために、触媒層の外側には高いガス拡散性と電子導電性を有するガス拡散層が設けられている。これらの電極層および電解質の接合体を膜電極構造体として機械的に固定するとともに、隣接する接合体を電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配し、セパレータの電極面に対向する面には、電極層に均一に反応ガスを供給するための溝状の流路を設けて構成される。
【００１４】
燃料電池１のアノード側にガスライン２ａを介して水素供給源５が接続されている。水素供給源５は例えば高圧の純水素が貯留された燃料タンクである。
ガスライン２ａには電磁弁２ｂが設けられ、電磁弁２ｂの開閉で、燃料電池１のアノードに水素ガスを供給することができる。
【００１５】
燃料電池１のカソードにガスライン３ａを介してコンプレッサ４が接続されている。ガスライン３ａには電磁弁３ｂが設けられ、電磁弁３ｂの開閉で、燃料電池１のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給することができる。
ガスライン２ａ、３ａの燃料電池１近傍に水素ガスと酸化剤ガスが供給されたときのアノード圧、カソード圧を検出する圧力センサＰ２、Ｐ１が設けられている。
燃料電池１のアノードとカソードにそれぞれ反応後ガスを排出するための排出ガスライン２ｃ、３ｃが設けられている。燃料電池１の二つの電極に負荷６が接続されている。負荷６としては例えば車両を駆動するモータおよび他の補機である。
燃料電池１には、燃料電池１を昇温させるため、始動促進手段としてのヒータ７が設けられている。
燃料電池１を制御すべく配置された制御装置１０は、電磁弁２ｂ、３ｂ、コンプレッサ４、ヒータ７および負荷６を制御するようになっている。また、制御を実施するために、圧力センサＰ２、Ｐ１の検出値が制御装置１０に入力される。制御装置１０、コンプレッサ４およびヒータ７は図示しないバッテリから電気供給される。
【００１６】
図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。
ａ、ｂ、ｃ、…、ｎは燃料電池１の各セルである。制御装置１０はセル電圧検出部（セル電圧検出手段）１０ａと、負荷制御部（始動手段）１０ｂと、燃料制御部１０ｃと、不具合推測部（不具合推測手段）１０ｄを有している。
燃料制御部１０ｃは、電磁弁２ｂ、３ｂおよびコンプレッサ４を制御することによって燃料電池１に水素ガスと酸化剤を供給し、または供給を遮断する。
セル電圧検出部１０ａは、各セルのセル電圧を検出している。負荷制御部１０ｂは、燃料電池１の始動に際して、燃料制御部１０ｃに指令を出すことによって燃料電池１に水素ガスと酸化剤ガスを供給させる。不具合推測部１０ｄは、圧力センサＰ２、Ｐ１の検出値に基づいてアノード圧力、カソード圧力が所定値に達したと判断した場合、セル電圧検出部１０ａで検出されたセル電圧に基づいて、燃料電池１を始動させた場合、発電性能の不具合があるか否かを判断する。ある場合には、負荷制御部１０ｂがヒータ７を通電させて燃料電池１を昇温させる。そして昇温によって、不具合がないと判断されたとき、燃料電池１から負荷６に電流が流れるように負荷６を制御する。次に、燃料電池１を始動させるときの流れをフローチャートにしたがって説明する。
【００１７】
図３は、制御装置における燃料電池を始動させるときの流れを示すフローチャートである。
自動車側から、イグニッションスイッチ信号がオン信号であると判断される（Ｓ１）と、燃料制御部１０ｃは、コンプレッサ４を動作させるとともに、電磁弁２ｂ、３ｂを開く。これによってコンプレッサが回転し、燃料電池１に水素ガスと酸化剤ガスがそれぞれ供給される（Ｓ２）。
不具合推測部１０ｄは、圧力センサＰ２、Ｐ１の検出値をそれぞれ入力して、その検出値によって、図４に示すようにアノード圧力とカソード圧力の両極圧力の昇圧が完了したか否かを判断する（Ｓ３）。両極昇圧完了した場合（Ｓ３、Ｙｅｓ）、不具合推測部１０ｄは、セル電圧検出部１０ａによって検出された各セルａ、ｂ、ｃ、…、ｎのセル電圧をそれぞれ入力する。
【００１８】
図４はアノード圧力、カソード圧力とセル電圧の関係を示す図である。これによれば、アノード圧力、カソード圧力の昇圧が完了した（時刻ａ）ときから、不調セルであるセルａ、セルｂのセル電圧が他のセルより落ち込みが大きいため、正常なセルと区別して不調セルを容易に検出できる。なお、セル電圧が降下していくのは、前記した通り高分子電解膜を通しての反応ガスのクロスリークなどの影響によるものである。ちなみに、アノード、カソードとも反応ガスの流れが少ないときや、クロスリークが大きい（例えば電解膜に孔が開いている）ときに、セル電圧の落ち込みは大きくなるものと考えられ、不調セルの検出がさらに容易になる。
【００１９】
入力されたセル電圧に基づいて、不具合推測部１０ｄは、燃料電池１に負荷をかけて発電させた場合に発電性能の不具合を推測する（Ｓ５）。不具合がなかった場合（Ｓ５、Ｎｏ）、燃料電池１から負荷６に電流が流れるように負荷６を制御して燃料電池１を始動させる（Ｓ６）。始動させた後は、自動車側からの発電指令に基づいて通常のように燃料電池１を制御する。
不具合の推測では、例えばセル電圧が所定値以下のセルがあるか否かを判断することによって推測することができる。また、すべてセル電圧の平均値に対して、ばらつきの度合によって推測することもできる。
不具合の推測で、不具合があった場合（Ｓ５、Ｙｅｓ）には、負荷制御部１０ｂがヒータ７を通電させる（Ｓ８）。これによって、燃料電池１が昇温される。これによって、図４に示すように不調セルであったセルａ、セルｂのセル電圧が次第に他のセルのセル電圧に近づき、発電性能すなわち始動性が回復されていく。このとき、燃料電池１からは負荷を引いていない。
【００２０】
その後、セル電圧検出部１０ａが再びセル電圧を検出し、不具合推測部１０ｄが検出されたセル電圧を入力する（Ｓ９）、セル電圧のばらつきをチェックすることによって不具合が解消されたか否かを判断する（Ｓ１０）。不具合が解消されなかった場合（Ｓ１０）、ステップＳ９へ戻り、新たなセル電圧の検出を行う（Ｓ９）。
不具合が解消されたと判断すると（Ｓ１０、Ｙｅｓ）、負荷制御部１０ｂがヒータ７への通電を切断させる（Ｓ１１）。その後、ステップＳ６で、燃料電池１から負荷６に電流が流れるように負荷６を制御して始動させて、通常通りの制御を行う。ここで、不具合が解消されたかの判定は、セル電圧でなくても、例えば燃料電池１の温度で判定することもできる。
【００２１】
実施形態によれば、燃料電池１を始動させる際に、始動させた場合、燃料電池１の発電性能の不具合を推測し、不具合があった場合には、燃料電池を昇温させ発電性能を向上させて始動を行うため、始動性を向上させながら、燃料電池の局部で反応ガスの不足で、電極の腐食やセパレータが劣化することを防止可能である。
また、不具合の推測において、アノード圧力とカソード圧力が所定値に達したときのセル電圧で推測するため、不具合を正確に推測することができる。
なお、前記実施形態では、セルの温度の低下を不具合の要因として、ヒータ７で昇温させることによって解消するものとした。しかし、生成水によって反応ガスの流通が阻害されていることが原因の場合もある。このような場合は、燃料電池１をパージなどして水分を排出することで始動を促進することもできる。あるいは、反応ガスのストイキ値を上げたり、アノード圧力、カソード圧力を上げたりすることも可能である。つまり、促進手段としてはヒータだけに限られるものではない。また、正常なセルのみから負荷を引いて発電によって燃料電池１を昇温させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムを示す図である。
【図２】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置における燃料電池を始動させるときの流れを示すフローチャートである。
【図４】アノード圧力、カソード圧力とセル電圧の関係を示す図である。
【図５】燃料電池を凍結した状態で始動させる場合のセル電圧と燃料電池の出力電流を示す図である。
【図６】図５におけるＡ部分とＢ部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００２３】
１      燃料電池
２ａ    ガスライン
２ｂ    電磁弁
２ｃ    排出ガスライン
３ａ    ガスライン
３ｂ    電磁弁
４      コンプレッサ
５      水素供給源
６      負荷
７      ヒータ
１０    制御装置
１０ａ  セル電圧検出部
１０ｂ  負荷制御部
１０ｃ  燃料制御部
１０ｄ  不具合推測部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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