(57)【要約】    【課題】  燃料電池に作用させる締結荷重の調整を迅速に行うことにより、発電効率を格段に向上させる。    【解決手段】  複数の単電池１１を積層させた積層体１２を有する燃料電池１０と、この積層体１２に対して締結荷重を作用させる締結手段２０と、燃料電池１０の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係を表す相関関係情報と、所定の目標出力に対応する最適締結荷重を相関関係情報に基づいて決定し、決定した最適締結荷重を積層体１２に作用させるように締結手段２０を制御する制御手段３０と、を備える燃料電池システム１である。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池を積層させた積層体を有する燃料電池と、
前記積層体に締結荷重を作用させる締結手段と、
前記燃料電池の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係を表す相関関係情報と、
所定の目標出力に対応する最適締結荷重を前記相関関係情報に基づいて決定し、決定した最適締結荷重を前記積層体に作用させるように前記締結手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電時に発生する出力を検出する出力検出手段を備え、
前記制御手段は、前記出力検出手段で検出した出力が最大値に到達していない場合に、前記積層体に作用させる締結荷重を所定値だけ変化させるように前記締結手段を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料電池の非発電時における締結荷重が略零になるように前記締結手段を制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記目標出力は、前記燃料電池の発電時に発生する電流密度であり、
前記最適締結荷重は、各電流密度において最大電圧が得られるような締結荷重であって電流密度の増加に従って低減するように対応付けられている請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記目標出力は、前記燃料電池の発電時に発生する電圧であり、
前記最適締結荷重は、各電圧において最大電流密度が得られるような締結荷重であって電圧の増加に従って増加するように対応付けられている請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
複数の単電池を積層させた積層体を有する燃料電池と、この燃料電池の前記積層体に対して締結荷重を作用させる締結手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係に基づいて、所定の目標出力に対応する最適締結荷重を決定する第１の工程と、
前記第１の工程で決定した最適締結荷重を前記積層体に作用させるように前記締結手段を制御する第２の工程と、
を含む燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、複数の単電池を積層した積層体を有する燃料電池が提案されている。燃料電池の積層体を構成する単電池は、固体高分子電解質膜及び電極（アノード極及びカソード極）からなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を挟持するセパレータと、から構成されており、各単電池のアノード極にアノードガスを、カソード極にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。
【０００３】
ところで、燃料電池の単電池の電極は、白金等の触媒を含む触媒層と、ガスが触媒層に到達する前にガスを拡散さる拡散層と、を有しており、これら触媒層と拡散層との間の接触抵抗が増大すると、発電効率が低下してしまう。このため、触媒層と拡散層との間の接触抵抗の増大を抑制する目的で、燃料電池の積層体に対して、積層方向における所定の圧縮力（以下「締結荷重」という）を作用させる技術が種々提案されている。
【０００４】
近年においては、所望の電力を得る目的で、燃料電池の発電時における端子電圧（電流）の変化に基づいて締結荷重を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９−７３９１４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、特許文献１に記載された締結荷重調整技術は、調整後の締結荷重が所定の範囲内にあるか否か、締結荷重の調整により所望の電力が得られたか否か、等の種々の判断を行いながら締結荷重を一定値ずつ変化（増加又は低減）させて調整するものであるため、調整に相当の時間を要するという問題があった。
【０００６】
本発明は、燃料電池に作用させる締結荷重の調整を迅速に行うことにより、発電効率を格段に向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数の単電池を積層させた積層体を有する燃料電池と、この積層体に対して締結荷重を作用させる締結手段と、燃料電池の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係を表す相関関係情報と、所定の目標出力に対応する最適締結荷重を相関関係情報に基づいて決定し、決定した最適締結荷重を積層体に作用させるように締結手段を制御する制御手段と、を備えるものである。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、複数の単電池を積層させた積層体を有する燃料電池と、この燃料電池の積層体に対して締結荷重を作用させる締結手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係に基づいて、所定の目標出力に対応する最適締結荷重を決定する第１の工程と、この第１の工程で決定した最適締結荷重を積層体に作用させるように締結手段を制御する第２の工程と、を含むものである。
【０００９】
かかる構成及び制御方法によれば、燃料電池の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係を設定しているため、所定の目標出力に対応する最適締結荷重をこの相関関係に基づいて速やかに決定し、決定した最適締結荷重を燃料電池の積層体に作用させることができる。従って、締結荷重の調整を迅速に行うことができるので、燃料電池の発電効率を格段に向上させることができる。ここで、「最適締結荷重」とは、燃料電池の発電状態を最適にするための締結荷重をいうものとする。
【００１０】
前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電時に発生する出力を検出する出力検出手段を備え、制御手段は、出力検出手段で検出した出力が最大値に到達していない場合に、積層体に作用させる締結荷重を所定値だけ変化させるように締結手段を制御するもの、とすることができる。かかる構成を採用すると、初期の締結荷重調整によって所定の出力が得られない場合においても、締結荷重の再調整を行うことができる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池の非発電時における締結荷重が略零になるように締結手段を制御することもできる。このようにすることにより、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、目標出力は、燃料電池の発電時に発生する電流密度であり、最適締結荷重は、各電流密度において最大電圧が得られるような締結荷重であって電流密度の増加に従って低減するように対応付けられているもの、とすることができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、目標出力は、燃料電池の発電時に発生する電圧であり、最適締結荷重は、各電圧において最大電流密度が得られるような締結荷重であって電圧の増加に従って増加するように対応付けられているもの、とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池に作用させる締結荷重の調整を迅速に行うことができるので、発電効率を格段に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】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。以下の実施形態に係る燃料電池システム１は、所定の目標出力を実現させるように燃料電池に作用させる締結荷重を迅速に調整することができるものである。
【００１６】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池１０、燃料電池１０のスタック本体１２に対して締結荷重を作用させる電動アクチュエータ２０、燃料電池１０の発電時に発生する電圧を検出する電圧検出器、燃料電池１０の発電時に発生する電流密度を検出する電流検出器、各種電子機器の動作を制御する制御装置３０、等を備えて構成されている。なお、電圧検出器及び電流検出器については、図示を省略している。
【００１７】
燃料電池１０は、図１に示すように、複数の単電池１１を積層したスタック本体（積層体）１２を備えており、スタック本体１２の両端に位置する単電池１１の外側に、導電プレート１３、出力端子付のターミナルプレート１４、インシュレータ１５及びエンドプレート１６がこの順に配置されて構成されている。両エンドプレート１６の間にはロッド１７が配置されており、下方のエンドプレート１６にロッド１７の一端が固定されている。上方のエンドプレート１６には、ロッド１７を挿通させる図示されていない孔が設けられており、ロッド１７に対する上方のエンドプレート１６の上下動が許容されるようになっている。
【００１８】
燃料電池１０を構成する単電池１１は、イオン交換膜からなる電解質膜及びこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜・電極接合体、この膜・電極接合体を外側から挟持する一対のセパレータ、膜・電極接合体とセパレータとの間に配置されるシール部材、等を備えて構成されている。膜・電極接合体の電極は、白金等の触媒を含む触媒層と、ガスが触媒層に到達する前にガスを拡散させる拡散層と、を有している。セパレータは、例えば金属を基材とする導通体であり、各電極に空気等のカソードガス及び水素ガス等のアノードガスを供給するための流体流路を有し、互いに隣接する単電池１１に供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たす。かかる構成により、単電池１１の膜・電極接合体内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒を流すための流体流路が設けられている。
【００１９】
通電プレート１３は、カーボンやメタル等を基材として形成された導電性を有する板状体であり、図１に示すようにスタック本体１２の両端に位置する単電池１１と、ターミナルプレート１５と、の間に設けられている。燃料電池１０の各単電池１１で発生した電気は、通電プレート１３を介してターミナルプレート１４に集電される。ターミナルプレート１４は、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されており、集電機能を有するものである。インシュレータ１５は、ポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されており、ターミナルプレート１４とエンドプレート１６とを絶縁する機能を果たすものである。エンドプレート１６は、ターミナルプレート１４と同様に、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成される。
【００２０】
電動アクチュエータ２０は、図１に示すように、上方のエンドプレート１６の上面に取り付けられている。電動アクチュエータ２０は制御装置３０の制御の下で駆動され、上方のエンドプレート１６を上下方向に移動させることにより、燃料電池１０のスタック本体１２に対して所定の圧縮力（締結荷重）を作用させるものである。すなわち、電動アクチュエータ２０は、本発明における締結手段の一実施例である。電圧検出器及び電流検出器は、燃料電池１０の発電時に発生する電圧及び電流密度を各々検出するものであり、本発明における出力検出手段の一実施例である。これら電圧検出器及び電流検出器で検出された電圧及び電流密度に係る情報は、制御装置３０に伝送され、電動アクチュエータ２０の制御に使用される。
【００２１】
制御装置３０は、燃料電池システム１の各種電子機器の動作を統合制御するものである。制御装置３０は、燃料電池１の発電時に発生する出力（電圧及び電流密度）と、各出力に対応する最適締結荷重と、の相関関係を表す相関関係情報を記録するためのメモリを備えている。そして、制御装置３０は、アクセル開度等に基づいて決定される所定の目標出力に対応する最適締結荷重を、メモリに記録した相関関係情報に基づいて決定し、決定した最適締結荷重を燃料電池１０のスタック本体１２に作用させるように電動アクチュエータ２０を制御する。すなわち、制御装置３０は本発明における制御手段の一実施例である。
【００２２】
図２及び図３を用いて、制御装置３０のメモリに記録される相関関係情報を例示する。図２（ａ）〜（ｃ）は、電圧を変化させた場合における締結荷重と電流密度との関係を示す相関関係情報であり、図２（ｄ）は電圧と最適締結荷重との関係を示す相関関係情報である。図２（ａ）に示すように、燃料電池１０の発電時における電流密度Ｉは、電圧Ｅが一定である場合に、燃料電池１０のスタック本体１２に作用する締結荷重Ｐの大きさによって変化することが知られている。例えば、電圧Ｅが０．４Ｖの場合には、締結荷重Ｐが約２．６ＭＰａのときに電流密度Ｉが最大となる。
【００２３】
このように一定電圧において電流密度が最大となるときの締結荷重を「最適締結荷重ＰOPT」と称することとすると、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、最適締結荷重ＰOPTは電圧の増加に従って増加することが実験上明らかとなっている。これは、最適締結荷重ＰOPTは、接触抵抗とガス拡散性のバランスによって決まるところ、燃料電池１０の発電電圧が下がる、すなわち、燃料電池１０から電流を多く取り出すということは、電気化学反応が多く起こっているということ、すなわち、生成水が多く生成されているということなので、ガス拡散性が悪化する結果、最適締結荷重ＰOPTが低下するからと考えられる。
【００２４】
一方、図３（ａ）〜（ｃ）は電流密度を変化させた場合における締結荷重と電圧との関係を示す相関関係情報であり、図３（ｄ）は電流密度と最適締結荷重との関係を示す相関関係情報である。図３（ａ）に示すように、燃料電池１０の発電時における電圧Ｅは、電流密度Ｉが一定である場合に、燃料電池１０のスタック本体１２に作用する締結荷重Ｐの大きさによって変化することが知られている。例えば、電流密度Ｉが０．１Ａ／ｃｍ2の場合には、締結荷重Ｐが約４．８ＭＰａのときに電圧Ｅが最大となる。
【００２５】
このように一定電流密度において電圧が最大となるときの締結荷重を「最適締結荷重ＰOPT」と称することとすると、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、最適締結荷重ＰOPTは電流密度の増加に従って低減することが実験上明らかとなっている。これは、低電流密度域においては、接触抵抗（単電池１１を構成する電極の触媒層と拡散層との間の抵抗や、隣接する単電池１１のセパレータ間の抵抗）が発電効率に大きな影響を与えるため、締結荷重を大きくして接触抵抗を低減させることにより発電効率が向上するからである。また、高電流密度域においては、発電に使用されるガスの濃度が高くなり、かかる高濃度ガスの拡散が阻害されると発電効率に大きな影響を与えるため、締結荷重を小さくしてガスの拡散を促進させることにより発電効率が向上するからである。
【００２６】
また、制御装置３０は、電圧検出器及び電流検出器から伝送される電圧及び電流密度に係る情報に基づいて電動アクチュエータ２０を制御することにより、スタック本体１２に作用させる締結荷重を再調整する。具体的には、制御装置３０は、出力検出手段（電圧検出器又は電流検出器）で検出した出力（電圧又は電流密度）が最大値に到達していない場合に、締結荷重を所定値だけ変化（増加又は低減）させるように電動アクチュエータ２０を制御する。また、制御装置３０は、燃料電池１０の非発電時における締結荷重が略零になるように電動アクチュエータ２０を制御する。
【００２７】
次に、図２〜図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の締結荷重制御方法について説明する。なお、本実施形態においては、制御装置３０のメモリに、燃料電池１の発電時に発生する出力（電圧及び電流密度）と、各出力に対応する最適締結荷重と、の相関関係を表す相関関係情報を予め記録しておくこととする。
【００２８】
＜目標電圧制御＞
最初に、目標出力として「電圧」を採用した場合における締結荷重制御方法を、図２及び図４を用いて説明する。まず、制御装置３０は、燃料電池１０が発電状態にあるか否かを判定する（発電状態判定工程：Ｓ１）。そして、制御装置３０は、燃料電池１０が非発電状態にあると判定した場合に、スタック本体１２に作用させる締結荷重が略零になるように電動アクチュエータ２０を制御して（荷重抜き制御工程：Ｓ１０）、制御動作を終了する。
【００２９】
一方、制御装置３０は、燃料電池１０が発電状態にあると判定した場合に、アクセル開度等に基づいて燃料電池１０の目標出力（電圧）を設定する（目標出力設定工程：Ｓ２）。そして、制御装置３０は、設定した目標出力に対応する最適締結荷重を、メモリに記録した相関関係情報に基づいて決定する（締結荷重決定工程：Ｓ３）。例えば、目標出力としての電圧が「０．８Ｖ」である場合には、図２（ｃ）、（ｄ）に示した相関関係情報により最適締結荷重は「４．１ＭＰａ」と求められる。そして、制御装置３０は、電動アクチュエータ２０を制御して、決定した最適締結荷重を燃料電池１０のスタック本体１２に作用させる（締結荷重印加工程：Ｓ４）。
【００３０】
次いで、制御装置３０は、電流検出器を介して、燃料電池１０の発電時に発生する電流密度を検出し（出力検出工程：Ｓ５）、検出した電流密度が最大値に到達しているか否かを判定する（出力判定工程：Ｓ６）。例えば、目標出力としての電圧が「０．８Ｖ」である場合には、図２（ｃ）の相関関係情報に示されるように、電流密度の最大値は「０．４Ａ／ｃｍ2」となるため、出力判定工程Ｓ６においては、検出した電流密度が「０．４Ａ／ｃｍ2」に到達しているか否かを判定する。そして、制御装置３０は、検出した電流密度が最大値に到達していると判定した場合には、そのまま制御動作を終了する。
【００３１】
一方、制御装置３０は、出力判定工程Ｓ６において、検出した電流密度が最大値に到達していないと判定した場合には、電動アクチュエータ２０を制御して、燃料電池１０のスタック本体１２に作用させる締結荷重を所定値だけ変化（増加又は低減）させる（締結荷重調整工程：Ｓ７）。目標出力（電圧）に対応する最適締結荷重を作用させると電流密度は最大になるはずであるが、燃料電池１０の経年劣化等に起因して最適締結荷重が変化する場合がある。締結荷重調整工程Ｓ７は、かかる事態に対応するために行うものであり、締結荷重を調整して、最適締結荷重を更新する。その後、制御装置３０は、検出した電流密度が最大値に到達するまで出力検出工程Ｓ５、出力判定工程Ｓ６及び締結荷重調整工程Ｓ７を繰り返して制御動作を終了する。
【００３２】
＜目標電流密度制御＞
最初に、目標出力として「電流密度」を採用した場合における締結荷重制御方法を、図３及び図４を用いて説明する。まず、制御装置３０は、燃料電池１０が発電状態にあるか否かを判定する（発電状態判定工程：Ｓ１）。そして、制御装置３０は、燃料電池１０が非発電状態にあると判定した場合に、スタック本体１２に作用させる締結荷重が略零になるように電動アクチュエータ２０を制御して（荷重抜き制御工程：Ｓ１０）、制御動作を終了する。
【００３３】
一方、制御装置３０は、燃料電池１０が発電状態にあると判定した場合に、アクセル開度等に基づいて、燃料電池１０の目標出力（電流密度）を設定する（目標出力設定工程：Ｓ２）。そして、制御装置３０は、設定した目標出力に対応する最適締結荷重を、メモリに記録した相関関係情報に基づいて決定する（締結荷重決定工程：Ｓ３）。例えば、目標出力としての電流密度が「０．１Ａ／ｃｍ2」である場合には、図３（ｄ）に示したマップにより得られる最適締結荷重は「４．８ＭＰａ」となる。そして、制御装置３０は、電動アクチュエータ２０を制御して、決定した最適締結荷重を燃料電池１０のスタック本体１２に作用させる（締結荷重印加工程：Ｓ４）。
【００３４】
次いで、制御装置３０は、電圧検出器を介して、燃料電池１０の発電時に発生する電圧を検出し（出力検出工程：Ｓ５）、検出した電圧が最大値に到達しているか否かを判定する（出力判定工程：Ｓ６）。例えば、目標出力としての電流密度が「０．１Ａ／ｃｍ2」である場合には、図３（ａ）のマップに示されるように、電圧の最大値は「０．９Ｖ」となるため、出力判定工程Ｓ６においては、検出した電圧が「０．９Ｖ」に到達しているか否かを判定する。そして、制御装置３０は、検出した電圧が最大値に到達していると判定した場合には、そのまま制御動作を終了する。
【００３５】
一方、制御装置３０は、出力判定工程Ｓ６において、検出した電圧が最大値に到達していないと判定した場合には、電動アクチュエータ２０を制御して、燃料電池１０のスタック本体１２に作用させる締結荷重を所定値だけ変化（増加又は低減）させる（締結荷重調整工程：Ｓ７）。目標出力（電流密度）に対応する最適締結荷重を作用させると電圧は最大になるはずであるが、燃料電池１０の経年劣化等に起因して最適締結荷重が変化する場合がある。締結荷重調整工程Ｓ７は、かかる事態に対応するために行うものであり、締結荷重を調整して、最適締結荷重を更新する。その後、制御装置３０は、検出した電圧が最大値に到達するまで出力検出工程Ｓ５、出力判定工程Ｓ６及び締結荷重調整工程Ｓ７を繰り返して制御動作を終了する。
【００３６】
なお、本方法における締結荷重決定工程Ｓ３及び締結荷重印加工程Ｓ４は、各々、本発明における第１の工程及び第２の工程の一実施例に相当する。
【００３７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の発電時に発生する出力と各出力に対応する最適締結荷重との相関関係を設定しているため、所定の目標出力に対応する最適締結荷重をこの相関関係に基づいて速やかに決定し、決定した最適締結荷重を燃料電池１０のスタック本体１２に作用させることができる。従って、締結荷重の調整を迅速に行うことができるので、燃料電池１０の発電効率を格段に向上させることができる。
【００３８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、電流検出器（電圧検出器）で検出した電流密度（電圧）が最大値に到達していない場合に、制御装置３０が締結荷重を所定値だけ変化（増加又は低減）させるように電動アクチュエータ２０を制御するので、燃料電池１０の経年劣化等に起因して最適締結荷重が変化し、初期の最適締結荷重では所定の出力が得られない場合においても、締結荷重の再調整を行うことができる。
【００３９】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、制御装置３０が、燃料電池１０の非発電時における締結荷重が略零になるように電動アクチュエータ２０を制御するので、各単電池１１に含まれるシール部材等のクリープの進行を抑制することができ、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。
【００４０】
なお、以上の実施形態においては、締結手段として電動アクチュエータを採用した例を示したが、燃料電池のスタック本体に締結荷重を作用させることができるものであればこれに限られるものではなく、例えば油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータを締結手段として採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す説明図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は電圧を変化させた場合における締結荷重と電流密度との関係を示す相関関係情報であり、（ｄ）は電圧と最適締結荷重との関係を示す相関関係情報である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は電流密度を変化させた場合における締結荷重と電圧との関係を示す相関関係情報であり、（ｄ）は電流密度と最適締結荷重との関係を示す相関関係情報である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの締結荷重制御方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１２…スタック本体（積層体）、２０…電動アクチュエータ（締結手段）、３０…制御装置（制御手段）
【図１】
2007005229.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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