(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）内において液滴が滞留しやすい酸化ガス出口部（１１２）近傍（Ａ）または燃料ガス出口部（１２２）近傍（Ｂ）における局所電流値を測定する局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）と、
前記燃料電池（１０）で発生する電気を集電する集電手段（１３０）と、
前記局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）にて測定した局所電流値が所定の出力制限開始電流値を下回る場合には、前記燃料電池（１０）の出力制限処理を行う出力制限手段（４０）とを備え、
前記集電手段（１３０）は、少なくとも２つに分割されており、
前記局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）は、分割された前記集電手段（１３０）のうち、前記酸化ガス出口部（１１２）近傍（Ａ）に対向する箇所または前記燃料ガス出口部（１２２）近傍（Ｂ）に対向する箇所の局所電流値を測定するようになっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池（１０）の単位面積当たりの電流値である平均電流値を測定する平均電流測定手段（１３）を備え、前記出力制限開始電流値は前記平均電流測定手段により測定した前記平均電流値に対し異常が発生したと判断できる所定割合を乗じた値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記出力制限手段（４０）による前記出力制限処理では、前記燃料電池（１０）の前記平均電流値を前記局所電流値に近づけるように、前記平均電流値を低下させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、燃料電池内の水分が過剰になると電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。特に燃料電池始動後の暖機過程では、燃料電池の温度が低いため、燃料電池内部に水が残留しやすい。
【０００３】
また、燃料電池起動直後の暖機中は、燃料ガスおよび空気の圧力が充分でなかったり、燃料電池本体の反応膜温度が充分上昇していない等の理由により、その発電能力が定格発電能力に達せず、低発電能力状態にある。このような状態で、燃料電池から発電可能電力を越える電力を取り出そうとすると、急激に燃料電池のセル電圧が低下し、燃料電池の性能劣化を招くこととなる。
【０００４】
このため、燃料電池温度に応じて発電電力の上限を制限し、燃料電池が発生可能な出力より大きな出力要求がなされないようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池を構成する各セルの電圧バラツキに応じて供給ガスの流量と圧力を制御する燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−７５２１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３３９７号公報
【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、上記特許文献１に記載の方法では、燃料電池の温度に基づいて発電電力を制限する構成となっているため、燃料電池が低温の場合、通常よりも発電可能な電力が制限され、燃料電池の発熱も抑制されることとなり、燃料電池の暖機時間が長くなってしまうという問題があった。さらに燃料電池温度に基づいて発電電力を制限する場合には、必要以上に発電電力を制限してしまうこともあり得る。
【０００６】
また、上記特許文献２に記載の方法では、セル間の電圧バラツキを検出する際、個々のセルではセル全体の電圧を見ているため、異常が発生したセルのセル電圧が低下してセル間の電圧バラツキが発生したときには、異常が発生したセル全体が異常状態となっていると考えられる。このため、セル間の電圧バラツキが発生してから燃料電池の復帰処理を行っても、復帰に時間がかかり、あるいは復帰できない場合もあり得る。燃料電池が復帰できない場合には、燃料電池車両は路上で停止してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、セル異常を早期に検出して燃料電池を早期に復帰させることが可能な燃料電池システム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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）内において液滴が滞留しやすい酸化ガス出口部（１１２）近傍（Ａ）または燃料ガス出口部（１２２）近傍（Ｂ）における局所電流値を測定する局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）と、燃料電池（１０）で発生する電気を集電する集電手段（１３０）と、局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）にて測定した局所電流値が所定の出力制限開始電流値を下回る場合には、燃料電池（１０）の出力制限処理を行う出力制限手段（４０）とを備え、集電手段（１３０）は、少なくとも２つに分割されており、局所電流測定手段（１５１、１６１、１５２、１６２）は、分割された集電手段（１３０）のうち、酸化ガス出口部（１１２）近傍（Ａ）に対向する箇所または燃料ガス出口部（１２２）近傍（Ｂ）に対向する箇所の局所電流値を測定するようになっていることを特徴としている。
【０００９】
このように、燃料電池（１０）内における水の溜まりやすい箇所の局所電流値を監視することで、燃料電池（１０）内における異常発生を早期に検出することができる。また、局所電流値に基づいて燃料電池（１０）の出力制限を行うことにより、燃料電池（１０）を早期に復帰させることができる。これにより、燃料電池（１０）を車両の動力源として用いた場合には車両が路上で停止することを防止できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、燃料電池（１０）の単位面積当たりの電流値である平均電流値を測定する平均電流測定手段（１３）を備え、所定値は平均電流測定手段により測定した平均電流値に対し異常が発生したと判断できる所定割合を乗じた値であることを特徴としている。これにより、適切に燃料電池（１０）の出力制限を開始することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明では、出力制限手段（４０）による出力制限処理では、燃料電池（１０）の平均電流値を局所電流値に近づけるように、平均電流値を低下させることを特徴としている。これにより、燃料電池（１０）の出力制限を適切に行うことができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図９に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図であり、この燃料電池システムは電気自動車に適用されるものである。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００１７】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１８】
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。また、燃料電池１０の出力側には燃料電池１０の動作電流値を測定する電流センサ１３が設けられており、電流センサ１３で検出した動作電流値がセルモニタ１２を介して後述する制御部４０に入力されるようになっている。また、燃料電池１０には、燃料電池温度を検出する温度センサ１４が設けられており、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号と温度センサ１４で検出した燃料電池温度信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。
【００１９】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２０】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。
【００２１】
水素流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、水素流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２２】
水素流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて水素流路３０が閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。
【００２３】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号や後述する電流センサからの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。本実施形態の制御部４０は、後述の電流センサからの信号に基づいて燃料電池１０の出力を制限する制御を行う出力制御手段を構成している。
【００２４】
図２は燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図であり、燃料電池１０の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１００と、このＭＥＡ１００を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。また、水素側セパレータ１２０に隣接して−極の集電板１３０が配置されている。因みに、空気側セパレータ１１０は＋極の集電板を兼ねている。
【００２５】
図３は図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図であり、空気側セパレータ１１０は、空気流路２０に接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。空気側セパレータ１１０では、空気出口部１１２近傍（図３中のＡで示す領域）が水が滞留しやすい領域となっている。なお、空気側セパレータ１１０は本発明の第１セパレータに相当し、空気流路溝１１３は本発明の酸化ガス流路に相当し、空気入口部１１１は本発明の酸化ガスの入口部に相当し、空気出口部１１２は本発明の酸化ガスの出口部に相当する。
【００２６】
図４は図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図であり、水素側セパレータ１２０は、水素流路３０に接続される水素入口部１２１および水素出口部１２２と、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための水素流路溝１２３とを備えている。水素側セパレータ１２０では、水素出口部１２２近傍（図４中のＢで示す領域）が水が溜まりやすい領域となっている。なお、水素側セパレータ１２０は本発明の第２セパレータに相当し、水素流路溝１２３は本発明の燃料ガス流路に相当し、水素入口部１２１は本発明の燃料ガスの入口部に相当し、水素出口部１２２は本発明の燃料ガスの出口部に相当する。
【００２７】
図５は図２における−極側の要部の拡大図、図６は図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２、図５、図６に示すように、集電板１３０は、主集電板１３１と２つの副集電板１３２、１３３に分割されている。この主集電板１３１および２つの副集電板１３２、１３３は、絶縁材よりなる絶縁枠１４０内に、相互に絶縁された状態で装着されている。
【００２８】
第１副集電板１３２は、空気側セパレータ１１０の空気流路溝１１３における空気入口部１１１よりも空気出口部１１２に近い位置、詳細には、空気出口部１１２近傍（図３に符号Ａを付して示す部位）、より詳細には、空気出口部１１２と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第１副集電板１３２と主集電板１３１との間は、導電性の第１集電線１５１により接続されている。第１集電線１５１には、この第１集電線１５１を流れる電流を検出する第１電流センサ１６１が装着されている。
【００２９】
第２副集電板１３３は、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２３における水素入口部１２１よりも水素出口部１２２に近い位置、詳細には、水素出口部１２２近傍（図４に符号Ｂを付して示す部位）、より詳細には、水素出口部１２２と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第２副集電板１３３と主集電板１３１との間は、導電性の第２集電線１５２により接続されている。第２集電線１５２には、この第２集電線１５２を流れる電流を検出する第２電流センサ１６２が装着されている。
【００３０】
なお、各電流センサ１６１、１６２は、例えばホール素子を用いることができる。
【００３１】
また、第１副集電板１３２と第１集電線１５１と第１電流センサ１６１、第２副集電板１３３と第２集電線１５２と第２電流センサ１６２は、それぞれが本発明の局所電流測定手段を構成している。局所電流測定手段は、燃料電池１０を構成するすべてのセルに設けてもよく、一部のセルのみに設けてもよい。
【００３２】
次に、上記構成の電流センサ１６１、１６２の作動を説明する。
【００３３】
まず、電気負荷１１からの電力要求に応じて、燃料電池１０への空気供給量および水素供給量を制御する。具体的には、空気ポンプ２１の回転数を制御して空気供給量を制御し、水素ポンプ３４の回転数を制御して水素供給量を制御する。この際、空気供給量は、予め電圧ばらつきを発生しない供給量に設定する。そして、空気および水素の供給により、燃料電池１０では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は負荷１１に供給される。
【００３４】
負荷１１を通った電流は−極の主集電板１３１に流れ込む。主集電板１３１に流れ込んだ電流は、そのままＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第１集電線１５１および第１副集電板１３２を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第２集電線１５２および第２副集電板１３３を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流とに分かれる。
【００３５】
そして、第１集電線１５１を流れる電流は、ＭＥＡ１００における空気出口部１１２近い部位を流れる局所電流（以下、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔという）に相当するため、第１電流センサ１６１によって、空気入口側電流Ｉａ・ｏｕｔを検出することができる。
【００３６】
また、第２集電線１５２を流れる電流は、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位を流れる局所電流（以下、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔという）に相当するため、第２電流センサ１６２によって、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを検出することができる。
【００３７】
図７は、燃料電池１０内の水分量と燃料電池の電流の変化を示している。図７に示すように、燃料電池１０内の水分量が過剰になると電流が低下する。このように、燃料電池１０内の水分量と電流とは相関関係がある。
【００３８】
また、特に燃料電池１０内で水分が溜まりやすい特定領域（図３中のＡで示す領域、図４中のＢで示す領域）の局所電流値が低下しやすい。このため、特定領域Ａ、Ｂの局所電流値が燃料電池１０の平均電流値からある程度以上落ち込んだ場合、特定領域Ａ、Ｂにおいて水分が過剰となり、異常が発生していると判断できる。したがって、燃料電池１０の出力制限処理を開始する基準となる所定値（出力制限開始電流値）を燃料電池１０の平均電流値に所定割合（例えば５０％）を乗じた値として設定し、特定領域Ａ、Ｂの局所電流値が所定値を下回った場合に異常発生と判断して燃料電池１０の出力制限を行うことができる。
【００３９】
すなわち、燃料電池１０内で水分が溜まりやすい空気出口部１１２近傍や水素出口部１２２近傍の電流Ｉ、すなわち、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔや水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値を監視することで、燃料電池１０の出力制限を行うか否かを適切に判断することができる。なお、燃料電池１０の出力制限処理を開始する基準となる所定値は、燃料電池１０の平均電流値の所定割合（例えば５０％）であるので、燃料電池１０が出力している電流値によって変化する値である。
【００４０】
次に、本実施形態の燃料電池システムの始動時における燃料電池１０の出力制御について、図８および図９に基づいて説明する。図８は制御部４０が行う出力制限処理の制御内容を示すフローチャートであり、図９は各種制御フラグが変化するタイミングを示すタイミングチャートである。
【００４１】
まず、温度センサ１４にて検出した燃料電池１０の温度が所定温度（例えば６０℃）以上であるか否かを判定する（Ｓ１０）。この結果、燃料電池１０の温度が所定温度を上回っている場合には終了し、燃料電池１０の温度が所定温度を下回っている場合にのみ、以下の処理を行う。
【００４２】
電流センサ１３により燃料電池１０の平均電流値を検出するとともに、電流センサ１６１、１６２により局所電流値を検出する（Ｓ１１）。次に、局所電流値が第１所定値（平均電流値の例えば５０％）以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。複数の電流センサ１６１、１６２を設けている場合には、各電流センサ１６１、１６２により測定した局所電流値のいずれかが所定値以下となったか否かを判定すればよい。
【００４３】
この結果、局所電流値が第１所定値以下でない場合には上記ステップＳ１０に移動し、局所電流値が第１所定値以下である場合には燃料電池１０の出力制限処理を行う（Ｓ１３）。このとき、電流低下フラグがオンになり、出力制限フラグがオンになる（図９）。
【００４４】
出力制限処理では、燃料電池１０の平均電流値が局所電流値に近づくように、平均電流値を低下させる制御を行う。具体的には、燃料電池１０に対する酸化ガス（酸素）の供給量を減少させる、あるいは燃料電池１０に対する負荷１１の要求電力を抑えることで平均電流値を低下させることができる。
【００４５】
また、燃料電池１０の出力制限制御は徐々に行う。例えば燃料電池１０の平均電流値を局所電流値まで直ちに低下させるのではなく、平均電流値を局所電流値に徐々に近づけるよう制御する。図９に示すように、燃料電池１０の出力制限を行っていない場合を制限率０％とし、燃料電池１０の平均電流値を０にした場合を制限率１００％とした場合、制限率を直ちに局所電流の値にするのではなく、制限率を０％から徐々に増加させるように制御を行う。これにより、運転者に違和感を与えることを抑制することができ、ドライバビリティの悪化を防止することができる。
【００４６】
次に、電流センサ１３により燃料電池１０の平均電流値を検出するとともに、電流センサ１６１、１６２により局所電流値を検出する（Ｓ１４）。次に、局所電流値が第２所定値（出力制限終了電流値）以下であるか否かを判定する（Ｓ１５）。第２所定値は、燃料電池１０の出力制限を終了する基準となる値である。本実施形態では、第２所定値の燃料電池１０の平均電流値に対する割合を第１所定値より高く設定し、平均電流値の例えば７５％としている。
【００４７】
この結果、局所電流値が第２所定値以上でない場合には上記ステップＳ１３に移動し、燃料電池１０の出力制限処理を継続する。一方、局所電流値が第２所定値以上である場合には、燃料電池１０の出力制限を保持し（Ｓ１６）、運転条件が変化したか否か、例えば運転者がアクセルをオフにしたか否かを判定する（Ｓ１７）。このとき、電流低下フラグがオフとなり、燃料電池１０の制限率は保持する（図９）。
【００４８】
この結果、運転者がアクセルをオフにしていない場合には上記ステップＳ１６に戻り、燃料電池１０の出力制限処理を継続する。一方、運転者がアクセルをオフにした場合には、燃料電池１０の出力制限を解除する（Ｓ１８）。その後、上記ステップＳ１０に戻る。このとき、出力制限フラグがオフとなり、燃料電池１０の制限率が０％になる。
【００４９】
例えば運転者がアクセルを踏み続けている場合に、燃料電池１０の出力制限を解除すると突然燃料電池１０の出力が上昇することとなり、運転者に違和感を与えドライバビリティが悪化する。これに対し、本実施形態のように運転条件が変化するまで燃料電池１０の出力制限を維持することで、運転者に違和感を与えることを防止でき、ドライバビリティが悪化することを防止できる。
【００５０】
以上のように、燃料電池１０内における水の溜まりやすい箇所の局所電流値を監視することにより、燃料電池１０内における異常発生を早期に検出することができる。また、局所電流値に基づいて燃料電池１０の出力制限を行うことにより、燃料電池１０を早期に復帰させることができ、燃料電池車両が路上で停止することを防止できる。
【００５１】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ステップＳ１７において燃料電池１０の出力制限を解除する条件と運転者によるアクセルオフとしたが、他の運転条件の変化により燃料電池１０の出力制限を解除するように構成してもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、燃料電池セルに２個の電流センサを設けて２箇所の電流を測定したが、これに限らず、１個の電流センサで１箇所の電流を測定するように構成してもよく、さらに３個以上の電流センサで３箇所以上の電流を測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である
【図２】図１の燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図である。
【図３】図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。
【図４】図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。
【図５】図２における−極側の要部の拡大図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図７】燃料電池１０内の水分量と燃料電池の電流の変化を示す特性図である。
【図８】制御部４０が行う出力制限処理の制御内容を示すフローチャートである。
【図９】各種制御フラグが変化するタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池、１３…電流センサ、１４…温度センサ、４０…制御部（出力制御手段）、１６１、１６２…電流測定手段の主要部をなす電流センサ（局所電流測定手段）。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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