(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、燃料電池内で生じた接触不良を正確に判断する。【解決手段】  燃料電池スタック１０の開回路電圧を検出し、この検出値に基づいて、燃料電池スタック１０内で、接触不良が生じているか否かを判断する。開回路電圧は、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じていない場合には、理論値を基準とした所定範囲内の値となり、接触不良が生じている場合には、所定範囲外の値となる。【選択図】  図１
2006024377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の開回路電圧を検出する検出部と、
前記検出された開回路電圧に基づいて、前記燃料電池内で接触不良が生じているか否かを判断する判断部と、
前記接触不良が生じていると判断されたときに、所定の制御を行う制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にアノードとカソードとを形成した単セルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有しており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記スタック構造の積層方向に沿った押圧力で、前記燃料電池を押圧する押圧部を備え、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記開回路電圧が所定範囲内となるように、前記押圧力を制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記燃料電池の出力を所定値以下に制限する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池を冷却するための冷却部と、
前記冷却部の温度を検出する温度検出部と、を備え、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記検出された温度に基づいて、前記冷却部の温度が所定温度以下になるように、前記出力を制限する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜のアノード側の少なくとも一部に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層を備える、
燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の開回路電圧を検出する工程と、 
（ｂ）前記検出された開回路電圧に基づいて、前記燃料電池内で接触不良が生じているか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記接触不良が生じていると判断されたときに、所定の制御を行う工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、所定の電解質膜の両面に、ガス拡散性を有するアノードとカソードとを形成した単セルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するタイプのものがある。このスタック構造を有する燃料電池（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）では、スタック構造のいずれかの箇所、例えば、単セル間、あるいは、単セル内の膜間で接触不良が生じ、所望の出力が得られなくなる場合がある。このような不具合を抑制する技術として、例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックの運転時の出力が変動した際に、燃料電池スタックの積層方向の押圧力を調整する技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−７３９１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタックの運転時の出力に基づいて、燃料電池スタック内で接触不良が生じているか否かの判断を行うので、例えば、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系の故障によって、燃料ガスが適切に供給されていないために出力の低下が生じている場合などには、誤判断する場合があった。このような課題は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに限らず、単電池を備える燃料電池システムにおいても、同様に生じ得る。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池内で生じた接触不良を正確に判断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池の開回路電圧を検出する検出部と、
前記検出された開回路電圧に基づいて、前記燃料電池内で接触不良が生じているか否かを判断する判断部と、
前記接触不良が生じていると判断されたときに、所定の制御を行う制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
燃料電池は、単セルを積層させた燃料電池スタックであってもよいし、単電池であってもよい。開回路電圧とは、無負荷状態の燃料電池の電圧である。この開回路電圧の理論値は、燃料電池の温度や、燃料ガスの分圧や、酸化ガスの分圧等によって決まる。開回路電圧は、燃料電池内で接触不良が生じていない場合には、理論値を基準とした所定範囲内の値となり、接触不良が生じている場合には、所定範囲外の値となる。
【０００８】
本発明では、開回路電圧の検出値に基づいて、燃料電池内で接触不良が生じているか否かを判断する。したがって、燃料ガス供給系の故障等の燃料電池の外部の影響を受けることなく、燃料電池内で生じた接触不良を正確に判断することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にアノードとカソードとを形成した単セルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有しており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記スタック構造の積層方向に沿った押圧力で、前記燃料電池を押圧する押圧部を備え、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記開回路電圧が所定範囲内となるように、前記押圧力を制御するようにしてもよい。
【００１０】
こうすることによって、各単セル間で生じた接触不良を改善することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記燃料電池の出力を所定値以下に制限するようにしてもよい。
【００１２】
燃料電池内で接触不良が生じると、抵抗が高くなるため、運転時に、燃料電池の温度が過剰に上昇する。この温度上昇は、燃料電池の出力が高いほど大きい。本発明では、燃料電池内で接触不良が生じているときに、燃料電池の出力を制限するため、燃料電池の温度上昇を抑制することができる。したがって、燃料電池の過剰な温度上昇による燃料電池システムの二次的損傷を抑制することができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を冷却するための冷却部と、
前記冷却部の温度を検出する温度検出部と、を備え、
前記制御部は、前記接触不良が生じていると判断されたときに、前記検出された温度に基づいて、前記冷却部の温度が所定温度以下になるように、前記出力を制限することが好ましい。
【００１４】
所定温度は、冷却部の冷却能力に応じて、任意に設定可能である。本発明によって、燃料電池の過剰な温度上昇による燃料電池システムの二次的損傷を、より確実に抑制することができる。
【００１５】
なお、制御部は、冷却部の温度に基づいて燃料電池の出力を制限する代わりに、開回路電圧の検出値に基づいて、制限するようにしてもよい。こうすることによっても、燃料電池の過剰な温度上昇による燃料電池システムの二次的損傷を、より確実に抑制することができる。
【００１６】
上述した燃料電池システムのうちのいずれかにおいて、
前記燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜のアノード側の少なくとも一部に、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層を備えるようにしてもよい。
【００１７】
水素透過性金属層は、電解質膜の少なくとも一部として備えられていてもよいし、アノードの少なくとも一部として備えられていてもよい。燃料電池が、電解質層、触媒層、ガス拡散層などの他に、さらに、水素透過性金属層を備えるタイプである場合には、燃料電池を構成する膜の層数が増加するため、膜の層数が少ない場合と比較して、各層の界面における剥離による接触不良が生じやすい。したがって、このような燃料電池を備える燃料電池システムに本発明を適用すると効果が高い。
【００１８】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００１９】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．燃料電池スタック：
Ｃ．単セル：
Ｄ．燃料電池システムの制御：
Ｅ．変形例：
【００２１】
Ａ．燃料電池システム：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、図示しないアクセル開度センサによって検出された操作量に応じて、水素の供給が行われて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。なお、実施例の燃料電池システム１０００は、車載用である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
【００２２】
本実施例の燃料電池システム１０００では、後述するように、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているか否か随時判断し、接触不良が生じているときには、これに対処するため、通常運転時とは異なる制御を行う。
【００２３】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。燃料電池スタック１０、および、単セルの詳細については、後述する。
【００２４】
燃料電池スタック１０には、開回路電圧を検出するための電圧計５０が接続されている。開回路電圧とは、無負荷状態の燃料電池スタック１０の電圧である。この開回路電圧の理論値は、燃料電池スタック１０の温度や、燃料ガスの分圧や、酸化ガスの分圧等によって決まる。開回路電圧は、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じていない場合には、理論値を基準とした所定範囲内の値となり、接触不良が生じている場合には、所定範囲外の値となる。
【００２５】
燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１０を、単セルの積層方向に沿った押圧力で押圧するための押圧力発生装置６０を備えている。燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているときに、押圧力を増大させることによって、各単セル間で生じた接触不良を改善することができる。押圧力発生装置６０は、押圧力を検出するための圧力センサ６２を備えている。なお、燃料電池スタック１０を破損させないように、押圧力には、上限値が設定されている。
【００２６】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有した酸化ガスとして空気が供給され、燃料電池スタック１０のアノードには、燃料ガスとして水素が供給される（図示省略）。また、燃料電池スタック１０には、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ７２によって、冷却用の配管７４を流れ、ラジエータ７０で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。配管７４には、冷却水の温度を検出するための温度センサ７６が設置されている。
【００２７】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているか否かの判断、および、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているときの制御について、後に詳細に説明する。図中に、この制御を実現するために、制御ユニット４０に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、電圧計５０や、圧力センサ６２や、温度センサ７６からの検出信号などが挙げられる。出力信号としては、例えば、押圧力発生装置６０の制御信号などが挙げられる。
【００２８】
Ｂ．燃料電池スタックの構成：
図２は、燃料電池スタック１０の外観を示す斜視図である。燃料電池スタック１０は、図示する通り、単セル１００を所定数積層して形成される。単セル１００の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２９】
燃料電池スタック１０は、一端からエンドプレート１２、絶縁板１６、集電板１８、複数の単セル１００、集電板２０、絶縁板２２、エンドプレート１４の順に積層されて構成される。エンドプレート１２、１４は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板１８、２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１６、２２は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１８、２０には、それぞれ出力端子１９、２１が設けられており、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００３０】
一方のエンドプレート１４には、燃料ガス供給口３５や、燃料ガス排出口３６や、酸化ガス供給口３３や、酸化ガス排出口３４や、冷却水供給口３１や、冷却水排出口３２が設けられている。燃料ガス供給口３５から燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配される。各単セル１００に配分された燃料ガスは、図中の上方から下方に単セル１００内の流路を流れた後、エンドプレート１４側に流れ、燃料ガス排出口３６から排出される。酸化ガスも同様に、酸化ガス供給口３３から供給された後、エンドプレート１２に向かって流れながら各単セル１００に分配され、各単セル１００内の流路を流れた後、酸化ガス排出口３４から排出される。燃料電池スタック１０は、このようなガスの流れを実現できるよう内部で各単セル１００のガス流路が形成されている。
【００３１】
Ｃ．単セル：
図３は、単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。この単セル１００は、膜・電極接合体１２０の両面を、セパレータ１１０で挟むことによって構成されている。
【００３２】
セパレータ１１０は、図示するように、凹凸形状を有しており、膜・電極接合体１２０のアノード側、および、カソード側に、それぞれ水素リッチな燃料ガス、および、酸化ガスとしての空気を流すための流路を形成する。セパレータ１１０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００３３】
膜・電極接合体１２０は、水素を選択的に透過する水素透過性金属層１３０と、プロトン伝導性を有する電解質層１４０と、カソード電極１５０とを、この順序で積層することによって構成されている。水素透過性金属層１３０は、アノード電極としての機能も有している。これらの各層は、物理蒸着等、種々の手法によって、形成することができる。
【００３４】
本実施例では、水素透過性金属層１３０として、Ｖ（バナジウム）層１３２の両面に、Ｐｄ（パラジウム）層１３４、１３６を形成した複合金属膜を用いるものとした。水素透過性金属層１３０として、パラジウムや、パラジウム合金など、他の金属膜を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、バナジウム層１３２の膜厚は、５０（μｍ）とし、パラジウム層１３４、１３６の膜厚は、０．１（μｍ）とした。これらの膜厚は、任意に設定可能である。
【００３５】
また、本実施例では、電解質層１４０として、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型の固体電解質を用いるものとした。電解質層１４０として、ナフィオン（登録商標）等、他の電解質を用いるものとしてもよい。電解質層１４０の膜厚は、１（μｍ）とした。また、カソード電極１５０として、電気化学反応を促進する触媒能を有する白金（Ｐｔ）を用いるものとした。カソード電極１５０の膜厚は、０．１（μｍ）とした。これらの材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
【００３６】
Ｄ．燃料電池システムの制御：
図４は、燃料電池システム１０００の制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１０が無負荷状態のときに、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。
【００３７】
まず、ＣＰＵは、電圧計５０によって、開回路電圧を検出し（ステップＳ１００）、その検出値が所定範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。この所定範囲は、任意に設定可能であり、本実施例では、（理論値−５％）以上理論値以下を所定範囲とした。開回路電圧の検出値が所定範囲内である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じていないものと判断し、ステップＳ１００に戻る。開回路電圧の検出値が所定範囲外である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているものと判断し、押圧力発生装置６０の押圧力を制御する押圧力制御処理を実行する（ステップＳ２００）。
【００３８】
図５は、図４のステップＳ２００における押圧力制御処理の流れを示すフローチャートである。
【００３９】
まず、押圧力発生装置６０の押圧力を増大する（ステップＳ２１０）。そして、燃料電池スタック１０の開回路電圧を検出し（ステップＳ２２０）、検出値が所定範囲内に収まったか否かを判断する（ステップＳ２３０）。検出値が所定範囲内に収まった場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１０内で生じていた接触不良は改善されたものと判断し、押圧力制御処理を終了する。検出値が所定範囲外である場合には（ステップＳ２３０：ＮＯ）、依然として燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているものと判断し、以下の処理を実行する。
【００４０】
まず、圧力センサ６２によって、押圧力を検出し（ステップＳ２４０）、検出された押圧力Ｐが、上限値Ｐｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２５０）。押圧力Ｐが所定値Ｐｔｈ未満である場合には（ステップＳ２５０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。押圧力Ｐが上限値Ｐｔｈ以上になった場合には（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、押圧力発生装置６０の押圧力の制御では、燃料電池スタック１０内の接触不良を改善できないものと判断し、ユーザに対して、その旨の警告を出し、燃料電池スタック１０の出力を制限する出力制限処理を実行する（ステップＳ３００）。押圧力による燃料電池スタック１０の破損を防止するためである。
【００４１】
図６は、図５のステップ３００における出力制限処理の流れを示すフローチャートである。上述した押圧力制御処理によって、燃料電池スタック１０で生じている接触不良が改善されない場合には、運転時に、燃料電池スタック１０の温度が過剰に上昇し、燃料電池システム１０００の二次的損傷を招くおそれがある。本処理では、この二次的損傷を抑制する。
【００４２】
まず、温度センサ７６によって、冷却水の温度を検出し（ステップＳ３１０）、冷却水の温度と、燃料電池スタック１０に許容される許容最大出力との関係を記したマップを参照する（ステップＳ３２０）。このマップは、予め制御ユニット４０のＲＯＭ内に記憶されている。そして、検出された冷却水の温度に基づいて、燃料電池スタック１０の出力を制限する（ステップＳ３３０）。こうすることによって、燃料電池スタック１０の温度上昇を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１０の温度上昇による燃料電池システム１０００の二次的損傷を抑制することができる。
【００４３】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１０の開回路電圧の検出値に基づいて、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じているか否かを判断する。したがって、燃料ガス供給系の故障等の燃料電池の外部の影響を受けることなく、燃料電池スタック１０内で生じた接触不良を正確に判断することができる。
【００４４】
Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００４５】
Ｅ．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システム１０００は、複数の単セル１００を積層させた燃料電池スタック１０を備えるものとしたが、単電池を備えるものとしてもよい。また、単セル１００は、水素透過性金属層１３０を備えるタイプとしたが、これを備えないタイプであってもよい。
【００４６】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、制御ユニット４０が実行する処理において、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じていると判断されたときに、押圧力制御処理と、出力制限処理との２段階の処理を実行するものとしたが、これに限られない。例えば、図４のステップＳ２００において、押圧力制御処理を行わずに、出力制限処理を実行するものとしてもよい。
【００４７】
また、押圧制御処理や、出力制限処理を実行せずに、ユーザに対して、燃料電池スタック１０内で接触不良が生じている旨の警報を発する制御を行うようにしてもよい。
【００４８】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、出力制限処理において、冷却水の温度に基づいて、燃料電池スタック１０の出力を制限するものとしたが、燃料電池スタック１０の開回路電圧に基づいて、燃料電池スタック１０の出力を制限するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１０の外観を示す斜視図である。
【図３】単セル１００の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図４】燃料電池システム１０００の制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】押圧力制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】出力制限処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１０００...燃料電池システム
１０...燃料電池スタック
１２、１４...エンドプレート
１６、２２...絶縁板
１８、２０...集電板
１９...出力端子
３１...冷却水供給口
３２...冷却水排出口
３３...酸化ガス供給口
３４...酸化ガス排出口
３５...燃料ガス供給口
３６...燃料ガス排出口
４０...制御ユニット
５０...開回路電圧検出部
６０...押圧力発生装置
６２...押圧力検出部
７０...ラジエータ
７２...ポンプ
７４...配管
１００...単セル
１１０...セパレータ
１２０...膜・電極接合体
１３０...水素透過性金属層
１３２、１３４...バナジウム層
１４０...電解質層
１５０...カソード電極
【図１】
2006024377.tif 000003
【図２】
2006024377.tif 000004
【図３】
2006024377.tif 000005
【図４】
2006024377.tif 000006
【図５】
2006024377.tif 000007
【図６】
2006024377.tif 000008