(57)【要約】【課題】燃料電池の継続的な発電に起因する出力低下が生じた場合に、その出力を回復させることができる、燃料電池の制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池の出力が所定の閾値に低下したときに（ステップＳ１のＹＥＳ）、燃料電池の発電を一定時間にわたって停止させ（ステップＳ２，Ｓ３）、その後、燃料電池の発電を再開させる（ステップＳ４）。【選択図】図２
2015082457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、
前記出力検出手段により検出される出力が所定の閾値に低下した場合、前記燃料電池の発電を一定時間停止させる停止手段とを含む、燃料電池の制御装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、たとえば、電解質膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードにヒドラジンなどの燃料が供給されるとともに、カソードにエアが供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２４５８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池が有する問題点の１つとして、出力の低下の問題が知られている。しかしながら、従来、燃料電池の継続的な発電（連続運転）に起因する出力低下の現象は知られておらず、むろん、その出力低下が生じたときに出力を回復させる手法は開発されていない。
【０００５】
本発明は、本願発明者が燃料電池の継続的な発電に起因する出力低下の現象を新たに発見した結果なされたものであり、その目的は、かかる出力低下が生じたときに、その出力を回復させることができる、燃料電池の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池の制御装置は、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、出力検出手段により検出される出力が所定の閾値に低下した場合、燃料電池の発電を一定時間停止させる停止手段とを含む。
【０００７】
この構成によれば、燃料電池の出力が所定の閾値に低下すると、燃料電池の発電が一定時間停止される。これにより、燃料電池の出力を回復させることができる。その結果、燃料電池から閾値以上の出力を長時間にわたって安定して得ることができる。また、燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【０００８】
燃料電池の発電を停止させる一定時間は、燃料電池の出力に関係するパラメータ、たとえば、環境温度、燃料電池の温度、燃料電池に供給される燃料の流量などに応じて変更されるとよい。
【０００９】
また、制御装置は、燃料電池の発電が一定時間停止された後、燃料電池を試験的に発電させて、出力検出手段により検出される出力が所定の再開閾値以上である場合に、燃料電池を本格的に発電させる発電開始手段をさらに含む構成であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の継続的な発電に起因する出力低下が生じた場合に、その出力を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御装置が備えられる燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池の発電制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池の出力の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置としてのＦＣ−ＥＣＵ１１１が備えられる燃料電池システム１の構成を示す図である。
【００１４】
燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システムであり、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。
【００１５】
燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）１１を備えている。燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。各セルは、電解質膜の両側にアノードおよびカソードを貼り合わせて一体化した膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１は、燃料タンク２１、電解液タンク２２、燃料循環タンク２３および気液分離器２４を備えている。
【００１７】
燃料タンク２１には、液体燃料として、常温の水加ヒドラジンが貯留されている。燃料タンク２１には、燃料補給管３１の一端が接続されている。燃料補給管３１の他端は、燃料循環タンク２３に接続されている。燃料補給管３１の途中部には、燃料供給ポンプ３２が介装されている。
【００１８】
電解液タンク２２には、電解液として、常温の水酸化カリウム水溶液が貯留されている。電解液タンク２２には、電解液補給管３３の一端が接続されている。電解液補給管３３の他端は、燃料循環タンク２３に接続されている。電解液補給管３３の途中部には、電解液供給ポンプ３４が介装されている。
【００１９】
燃料循環タンク２３には、液体燃料が電解液に混合された状態で貯留されている。燃料循環タンク２３には、燃料供給管４１の一端が接続されている。燃料供給管４１の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給管４１の途中部には、燃料循環ポンプ４２およびＦＣ入口燃料遮断弁４３が燃料循環タンク２３側からこの順に介装されている。
【００２０】
なお、以下では、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」といい、電解液と混合されていない液体燃料、つまり燃料タンク２１に貯留されている液体燃料を「原料」という。
【００２１】
気液分離器２４には、燃料排出管４４の一端が接続されている。燃料排出管４４の他端は、燃料電池１１の燃料出口１３に接続されている。燃料排出管４４の途中部には、ＦＣ出口燃料遮断弁４５が介装されている。気液分離器２４の底部には、燃料帰還管４６の一端が接続されている。燃料帰還管４６の他端は、燃料循環タンク２３に接続されている。燃料帰還管４６の途中部には、ストレーナ４７が介装されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管５１の一端が接続されている。パージ管５１の途中部には、パージ電磁弁５２が介装されている。
【００２２】
燃料電池システム１は、エアコンプレッサ６１および気液分離器６２を備えている。
【００２３】
エアコンプレッサ６１の吸込口には、吸気管７１の一端が接続されている。吸気管７１の他端は、エアクリーナ７２に接続されている。エアコンプレッサ６１の吐出口には、エア供給管７３の一端が接続されている。エア供給管７３の他端は、燃料電池１１のエア入口１４に接続されている。エア供給管７３の途中部には、インタクーラ７４およびＦＣ入口エア遮断弁７５がエアコンプレッサ６１側からこの順に介装されている。
【００２４】
気液分離器６２には、エア排出管７６の一端が接続されている。エア排出管７６の他端は、燃料電池１１のエア出口１５に接続されている。気液分離器６２の上部には、パージ管７７の一端が接続されている。パージ管７７の途中部には、エア背圧調整弁７８が介装されている。気液分離器６２の底部には、回収管８１の一端が接続されている。回収管８１の他端は、気液分離器２４に接続されている。回収管８１の途中部には、環流電磁弁８２およびフィルタ８３が気液分離器６２側からこの順に介装されている。
【００２５】
燃料電池システム１は、冷却水供給管９１、冷却水排出管９２およびラジエータ９３を備えている。
【００２６】
冷却水供給管９１の一端は、ラジエータ９３に接続されている。冷却水供給管９１の他端は、燃料電池１１の冷却水入口１６に接続されている。冷却水供給管９１の途中部には、三方流量弁９４およびウォータポンプ９５がラジエータ９３側からこの順に介装されている。
【００２７】
冷却水排出管９２の一端は、燃料電池１１の冷却水出口１７に接続されている。冷却水排出管９２の他端は、ラジエータ９３に接続されている。冷却水排出管９２の途中部には、分岐管９６が分岐して接続されている。分岐管９６の先端は、三方流量弁９４に接続されている。
【００２８】
燃料電池システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１および二次電池１０２を備えている。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、燃料電池１１に接続されており、燃料電池１１の出力電圧を二次電池１０２の充電電圧に昇圧する。
【００３０】
二次電池１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１により昇圧された充電電圧で充電される。
【００３１】
燃料電池システム１は、ＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）１１１を備えている。ＦＣ−ＥＣＵ１１１は、たとえば、ＣＰＵおよびメモリを含む。ＦＣ−ＥＣＵ１１１には、燃料電池システム１に設けられた各種センサが接続されており、各種センサの検出信号が入力される。各種センサには、燃料電池１１から出力される電流値を検出する電流センサ、燃料電池１１から出力される電圧値を検出する電圧センサなどが含まれる。ＦＣ−ＥＣＵ１１１は、各種センサから入力される検出信号に基づいて、燃料循環ポンプ４２およびエアコンプレッサ６１など、燃料電池システム１の各部の動作を制御する。
【００３２】
燃料電池１１の発電時には、ＦＣ入口燃料遮断弁４３およびＦＣ出口燃料遮断弁４５が開かれて、燃料循環ポンプ４２が駆動される。これにより、燃料循環タンク２３から燃料供給管４１に液体燃料が吸い出され、液体燃料が燃料供給管４１を燃料電池１１の燃料入口１２に向けて流通する。そして、液体燃料は、燃料入口１２から燃料電池１１内に供給され、燃料電池１１内の燃料流路を流通して、燃料電池１１の燃料出口１３から燃料排出管４４に流出する。
【００３３】
その一方で、ＦＣ入口エア遮断弁７５およびエア背圧調整弁７８が開かれて、エアコンプレッサ６１が駆動される。エアコンプレッサ６１が駆動されると、エア（大気）がエアクリーナ７２を通して吸気管７１に取り込まれる。吸気管７１に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ６１で圧縮されて、エアコンプレッサ６１からエア供給管７３に送り出される。エアコンプレッサ６１での圧縮に伴って温度が上昇したエアは、エア供給管７３を流通する途中で、インタクーラ７４によって冷却される。そして、冷却後のエアは、燃料電池１１のエア入口１４から燃料電池１１内に供給され、燃料電池１１内のエア流路を流通して、燃料電池１１のエア出口１５からエア排出管７６に流出する。
【００３４】
燃料電池１１内の燃料流路を液体燃料が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応による起電力が発生する。
【００３５】
具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管４４に流出する。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
【００３６】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００３７】
この結果、アノードとカソードとの間に、起電力が発生する。
【００３８】
燃料排出管４４に流出した液体（液体燃料および水）は、燃料排出管４４を流通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管４４から流入する液体からその液体に含まれる気体（窒素ガス）が分離される。
【００３９】
脱気された液体は、気液分離器２４の底部に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管４６に流出する。燃料帰還管４６に流出した液体は、燃料帰還管４６を流通し、その途中でストレーナ４７を通過する。液体がストレーナ４７を通過することにより、液体から異物（固形物）が除去される。その後、燃料帰還管４６を流通する液体は、燃料帰還管４６から燃料循環タンク２３に戻る。こうして、液体燃料は、燃料循環タンク２３、燃料供給管４１、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管４４、気液分離器２４および燃料帰還管４６を含む燃料循環路を循環する。
【００４０】
パージ電磁弁５２は、通常、開かれている。気液分離器２４内で液体から分離された気体は、気液分離器２４からパージ管５１に流出し、パージ管５１を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管５１を流通する気体は、排気処理器１２１を経由して、排気処理器１２１で有害成分が除去された後、大気に放出される。
【００４１】
燃料電池１１では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出管７６に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料および水の蒸気が含まれる。
【００４２】
エア排出管７６に流出したエアは、エア排出管７６を流通して、気液分離器６２に流入する。気液分離器６２では、エア排出管７６から流入するエアとそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。
【００４３】
液体が除去されたエアは、気液分離器６２からパージ管７７に流出し、パージ管７７を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管７７を流通するエアは、排気処理器１２１を経由して、排気処理器１２１で有害成分が除去された後、大気に放出される。
【００４４】
一方、エアから分離した液体は、気液分離器６２の底部に集まる。環流電磁弁８２が閉じられている間、その液体は、気液分離器６２内の底部に溜められる。気液分離器６２内に溜められた液体は、エア背圧調整弁７８の開度が小さくされて、気液分離器６２内の圧力が通常よりも高められた状態で、環流電磁弁８２が開かれることにより、回収管８１を通して、気液分離器２４に送られる。液体が回収管８１を流通する途中でフィルタ８３を通過することにより、液体から異物が除去される。気液分離器２４に流入した液体は、気液分離器２４内の底部に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管４６に流出し、燃料帰還管４６を流通して、燃料帰還管４６から燃料循環タンク２３に戻る。
【００４５】
燃料電池システム１の稼働中に、燃料循環タンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、燃料供給ポンプ３２および／または電解液供給ポンプ３４が駆動される。
【００４６】
燃料供給ポンプ３２が駆動されると、燃料タンク２１から燃料補給管３１に液体燃料が汲み出され、液体燃料が燃料補給管３１を通して燃料循環タンク２３に供給される。
【００４７】
電解液供給ポンプ３４が駆動されると、電解液タンク２２から電解液補給管３３に電解液が汲み出され、電解液が電解液補給管３３を通して燃料循環タンク２３に供給される。
【００４８】
冷却水供給管９１および冷却水排出管９２内には、冷却水が封入されている。
【００４９】
燃料電池１１の発電時には、ウォータポンプ９５が駆動される。ウォータポンプ９５が駆動されると、冷却水が冷却水供給管９１を燃料電池１１の冷却水入口１６に向けて流通する。冷却水供給管９１を流通する冷却水は、冷却水入口１６を通して、燃料電池１１に供給される。
【００５０】
燃料電池１１に供給される冷却水は、冷却水流路を流通し、冷却水出口１７を通して、冷却水排出管９２に流出する。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。
【００５１】
冷却水排出管９２に流出した冷却水は、冷却水排出管９２をラジエータ９３に向けて流通する。三方流量弁９４に設けられた分岐管９６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管９２を流通する冷却水は、ラジエータ９３を通過して、冷却水供給管９１に戻る。ラジエータ９３を通過する冷却水は、走行風および／またはラジエータファン９３Ｆからの送風によって冷却される。一方、分岐管９６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管９２を流通する冷却水は、ラジエータ９３をバイパスして、冷却水供給管９１に戻る。
【００５２】
図２は、燃料電池１１の発電制御の流れを示すフローチャートである。
【００５３】
燃料電池１１の発電開始から発電終了までの間、ＦＣ−ＥＣＵ１１１により、図２に示される発電制御が繰り返し実行される。
【００５４】
発電制御では、燃料電池１１の出力、たとえば、燃料電池１１から出力される電流値と電圧値との積が所定の閾値以下であるか否かが判定される（ステップＳ１）。燃料電池１１の出力が閾値に低下するまでは（ステップＳ１のＮＯ）、以下の処理は行われない。
【００５５】
燃料電池１１の出力が閾値に低下すると、燃料電池１１の発電が停止される（ステップＳ２）。
【００５６】
その後、燃料電池１１の発電停止から一定時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ３）。燃料電池１１の発電停止から一定時間が経過するまでは（ステップＳ３のＮＯ）、燃料電池１１の発電が停止し続けられる。
【００５７】
そして、燃料電池１１の発電停止から一定時間が経過すると（ステップＳ３のＹＥＳ）、燃料電池１１の発電が再開されて（ステップＳ４）、図２に示される発電制御が終了される。
【００５８】
図３は、燃料電池１１の出力の時間変化を示すグラフである。
【００５９】
本願発明者は、度重なる実験の結果、燃料電池１１の発電が継続すると、燃料電池２の出力が低下し、その出力の低下に対して、何らの対策も行わずに、燃料電池１１の発電を継続させると、図３に白抜き点で示されるように、短時間で、燃料電池１１の出力が燃料電池１１に要求される最低出力（最低要求出力）を下回ることを知得した。そして、燃料電池１１の出力の低下に対する対処方法を考え、試行錯誤を繰り返すことにより、燃料電池１１の出力が所定の閾値に低下したときに、燃料電池１１の発電を一定時間、たとえば、５分間にわたって停止させ、その後、燃料電池１１の発電を再開させる発電制御を行うことにより、図３に塗りつぶし点で示されるように、燃料電池１１の出力が発電開始時とほぼ同じ出力まで回復することを見出した。
【００６０】
この発電制御により、燃料電池１１の出力を回復させることができ、燃料電池１１から閾値以上の出力を長時間にわたって安定して得ることができる。また、燃料電池１１の劣化を抑制することができ、燃料電池１１の耐久性を向上させることができる。
【００６１】
なお、燃料電池１１の発電を停止させる一定時間は、燃料電池１１の出力に関係するパラメータ、たとえば、環境温度、燃料電池１１の温度、燃料電池１１に供給される液体燃料の流量などに応じて変更されるとよい。
【００６２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００６３】
たとえば、燃料電池１１の発電が一定時間停止された後、燃料電池１１の発電が直ちに再開されるのではなく、燃料電池１１の発電の停止から一定時間が経過すると、燃料電池１１の試験的な発電が行われて、燃料電池１１の出力が所定の再開閾値以上であることが確認された後、燃料電池１１の本格的な発電が再開されてもよい。燃料電池１１の出力が再開閾値未満である場合には、燃料電池１１の発電がさらに所定時間停止された後、燃料電池１１の出力が所定の再開閾値以上であるか否かが再び確認されるとよい。
【００６４】
また、燃料電池システム１は、必ずしも車両に搭載されなくてもよく、たとえば、家屋などに非常用電源として設置されてもよい。
【００６５】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１１    燃料電池
１１１  ＦＣ−ＥＣＵ（出力検出手段、停止手段、制御装置）
【図１】
2015082457.tif 000003
【図２】
2015082457.tif 000004
【図３】
2015082457.tif 000005