(57)【要約】【課題】セル電圧測定の時間分解能を向上させて燃料電池起動時の負荷接続タイミングを正確に制御する。【解決手段】電圧モニタ装置２は、ｍ本の電圧測定チャンネルを備え、燃料電池スタック１の全てのセルのセル電圧を測定可能である。電圧モニタ装置２は、燃料電池システムの起動時には、ｍ本の電圧測定チャンネルのうち、一部の電圧測定チャンネルであるｎ本（ｍ＞ｎ）を使用して燃料電池スタック１のｎ個のセルのセル電圧を測定し、ｎ個のセル電圧測定データをシステム制御装置３へ送信する。【選択図】  図１
2007250271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電可能な最小単位であるセルを積層した燃料電池スタックの構成をなす燃料電池に対して、燃料電池の起動時に電圧を測定するセルの個数を測定可能な個数よりも減らすことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
燃料電池に凍結が生じていないと判断される場合に、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が所定値に達したときに負荷を接続することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
燃料電池に凍結が生じていると判断される場合に、燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が所定値に達したときに負荷を接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項４】
燃料電池に凍結が生じていないと判断される場合に、燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値に達したとき、または最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値よりも高い第２の所定値に達したときに負荷を接続することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
【請求項５】
燃料電池に凍結が生じていると判断される場合に、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値に達したとき、または最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値よりも低い第２の所定値に達したときに負荷を接続することを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項６】
反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して同一方向である場合に、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルとみなし、反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して反対方向である場合に、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルとみなすことを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項７】
発電中のセルの電圧に基づいて、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測することを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項８】
燃料電池のセルの温度を測定する温度測定手段を備え、
発電停止後のセルの温度に基づいて、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測することを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項９】
燃料電池のセルの抵抗を測定するセル抵抗測定手段を備え、
発電停止後のセルの抵抗に基づいて、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測することを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の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係り、特に、燃料電池の起動時に、燃料電池から負荷装置への電力供給を早めることが可能な燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、自動車の動力源としても有望な固体高分子型の場合は、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち負極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の正極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
アノード（負極）反応：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-               …（１）
カソード（正極）反応：２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（２）
負極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。正極に供給するガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
上記の電解質膜を電極で挟持する構成はセル（或いは単位電池）と呼ばれ、発電可能な最小構成であるが、実際の燃料電池システムでは、効率向上を目的として高電圧化するために、セルを複数積層してなる燃料電池スタックの形態で利用することが多い。この場合に、経時劣化等に対応した燃料電池の制御のために、各セルごとの発電状態を把握する必要が生じ、全セルの電圧を計測する装置を備える燃料電池システムも多いが、各セルから並列に制御用コンピュータへデータ転送する構成にしてしまうと、制御装置のコストや重量が膨大なものになるという問題点があった。
【０００５】
このような問題点に対しては、バス型配線のデータ通信方式を用いることで、制御装置のコスト、重量の削減を行うことが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−１６８４５９号公報（第５頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池の起動時に負荷が接続されていないと、燃料電池の電圧は理論値に近い値まで上昇し、電極部材の酸化等の劣化が加速される。また、起動前から燃料電池に負荷を接続しておくと、電力を取り出している時間が長くなるため、燃料電池システムの燃費が悪化する。さらに、負荷を接続する際に、電圧が立ち上がり始めていないセルがあると、そのセルの電圧が逆転（転極）し、電気分解が起きることで、電極材料の劣化が生じる。したがって、燃料電池の劣化抑制や燃費改善のために、燃料電池の起動時に負荷の接続タイミングをなるべく遅く、かつ燃料電池の電圧が電極部材の劣化が激しくなる値に達する前に制御することが望ましい。
【０００７】
しかしながら、従来例では全ての装置が単一のデータ転送経路を使用するので、データ転送レートの制限により電圧等の測定の時間分解能が悪くなる。このため、燃料電池起動時の負荷接続タイミングの制御が困難であるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために本発明は、発電可能な最小単位であるセルを積層した燃料電池スタックの構成をなす燃料電池に対して、燃料電池の起動時に電圧を測定するセルの個数を測定可能な個数よりも減らすことを要旨とする燃料電池の制御装置である。
【０００９】
本発明においては、燃料電池の起動時に、測定可能なセル数よりも少ない個数のセルの電圧を測定することにより、セル電圧の測定時間、或いはセル電圧の測定手段から判定手段へのセル電圧測定値の通信時間を短縮し、セル電圧の測定周期を短縮する。これにより、セル電圧測定値の燃料電池スタックにおける空間分解能よりも時間分解能を優先することができ、高い時間分解能を実現することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の電圧測定の時間分解能が向上することにより、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の電圧を低下させることが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができるという効果がある。また、燃料電池の劣化の抑制のために予め負荷を接続しておく必要がなくなり、負荷を取り出している時間を短縮することが可能となるため、燃料電池の燃費を改善することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが以下の各実施例は、電動車両の電源として好適な燃料電池の制御装置である。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例１を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。
【００１３】
図１において、燃料電池システムは、複数（以下セル数ｍ）のセル（単位電池）を積層してなる燃料電池スタック１と、セル数ｍと同数の電圧測定チャンネルを内蔵し、全セルのセル電圧を測定可能な電圧モニタ装置２と、燃料電池システム全体を制御するとともに、電圧モニタ装置２が測定したセル電圧を受信してセル電圧を判定し、セル電圧が条件を満足すれば、燃料電池スタック１と図示しない負荷とを接続して電流取出状態とするシステム制御装置３と、電圧モニタ装置２をバス４に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ１２と、システム制御装置３をバス４に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ１３と、バス４とを備えている。
【００１４】
通信コントローラ１２，１３と、バス４とは、例えば、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）を構成し、自動車用としては、ISO 11 898，ISO 11 519-2に定義されたシリアル通信プロトコルを利用可能であるが、任意に設定したバス通信規格を用いてもよい。通信コントローラ１２，１３は、それぞれ電圧モニタ装置２、システム制御装置３に内蔵、または一体化されてもよい。
【００１５】
また、燃料電池システムには、それぞれ図示しない燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系、冷却液供給系、及び負荷装置が設けられており、これらの供給系及び負荷装置もシステム制御装置３により制御される。
【００１６】
システム制御装置３は、本実施例においては特に限定されないが、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されており、その制御内容はプログラムＲＯＭに格納された制御プログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。
【００１７】
電圧モニタ装置２は、それぞれシステム制御装置３から設定される２つの動作モード、通常モードと、起動モードとを備える。通常モードは、ｍ本の電圧測定チャンネルの全てを使用して燃料電池スタック１の全てのセルのセル電圧を測定し、ｍ個のセル電圧測定データをシステム制御装置３へ送信する動作モードである。
【００１８】
起動モードは、ｍ本の電圧測定チャンネルのうち、一部の電圧測定チャンネルであるｎ本（ｍ＞ｎ）を使用して燃料電池スタック１のｎ個のセルのセル電圧を測定し、ｎ個のセル電圧測定データをシステム制御装置３へ送信する動作モードである。
【００１９】
この起動モードでは、測定するチャンネル数を全チャンネル数より少なくしているので、電圧測定時間、及び／又は電圧モニタ装置２からシステム制御装置３への電圧測定データ送信時間が短縮される。
【００２０】
次に、図２の制御フローチャートを参照して実施例１における制御内容を説明する。図２のフローチャートは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタック１へ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給開始した後に呼び出され、セル電圧を監視して負荷装置の接続タイミングを判定するものである。
【００２１】
まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、システム制御装置３から電圧モニタ装置２へ起動モードに設定する指示を送信する。次いでＳ１２で、この起動モード設定指示を受信した電圧モニタ装置２は、以後、ｍ本の全チャンネル中のｎ（ｍ＞ｎ）本を使用してｎ個のセルのセル電圧を測定する起動モードとなる。次いで、電圧モニタ装置２がｎチャンネルを使用して燃料電池スタック１のｎ個セル電圧を測定する。次いで、Ｓ１６で電圧モニタ装置２は、ｎ個の電圧測定データをシステム制御装置３へ送信する。Ｓ１８では、システム制御装置３がｎ個の電圧測定データを受信する。次いで、Ｓ２０では、システム制御装置３は、セル電圧が負荷装置接続のための条件、言い換えれば燃料電池スタック１から電力取り出しを開始する条件を満足しているか否かを判定する。
【００２２】
Ｓ２０の判定で、セル電圧が条件を満足していなければ、Ｓ１４へ戻って、電圧モニタ装置２が新しいセル電圧の値を測定し、これを送信するのをシステム制御装置３が待つ。
【００２３】
Ｓ２０の判定で、セル電圧が条件を満足していれば、Ｓ２２へ進み、システム制御装置３から電圧モニタ装置２へ通常モードに設定する指示を送信する。次いでＳ２４で、この通常モード設定指示を受信した電圧モニタ装置２は、以後、ｍ本の全チャンネルを使用して全セル（ｍ個）のセル電圧を測定する通常モードとなる。次いで、Ｓ２６で、システム制御装置３は、燃料電池スタック１と負荷装置とを接続する。
【００２４】
次いでＳ２８で、電圧モニタ装置２は、ｍ本の全チャンネルを使用して燃料電池スタック１の全セル電圧を測定し、Ｓ３０で、電圧モニタ装置２は、ｍ個の電圧測定データをシステム制御装置３へ送信する。Ｓ３２で、システム制御装置３がｍ個の電圧測定データを受信する。次いで、Ｓ３４では、システム制御装置３は、例えばセル電圧の最大値、最小値、標準偏差等を算出し、これらの値に基づいてセル電圧が適正が否かを判定する。Ｓ３４の判定でセル電圧が適正であれば、セル電圧監視のためにＳ２８へ戻る。Ｓ３４の判定でセル電圧が適正でなければ、セル電圧回復のために、運転圧力の変更やパージ操作等の周知のセル電圧改善処理を行うために分岐する。
【００２５】
本実施例１では、燃料電池スタック１の起動時に、電圧モニタ装置２の全チャンネル内の一部を使用する。その結果として、従来技術のように電圧モニタ装置３の全チャンネルにて計測を行うと、図３のように低時間分解能なセル電圧しか得られないのに対して、本実施例では図４のような高時間分解能なセル電圧が得られる。
【００２６】
以上説明したように、実施例１によれば、燃料電池の電圧測定の時間分解能が向上することにより、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の電圧を低下させることが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができる。また、燃料電池の劣化の抑制のために予め負荷を接続しておく必要がなくなり、負荷を取り出している時間を短縮することが可能となるため、燃料電池の燃費を改善することができる。
【実施例２】
【００２７】
図５は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例２を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図５に示した実施例２の構成は、図１の実施例１の構成に対して、外気温度を測定する外気温センサ５と、外気温センサ５をバス４に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ１５と、燃料電池スタック１の温度を測定する温度モニタ装置６と、温度モニタ装置６をバス４に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ１６とが追加されたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００２８】
本実施例は、燃料電池スタック１の特性として、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始時期が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となった後となる特性を備えている場合に適用される。
【００２９】
本実施例では、燃料電池スタック１の起動の際に、外気温センサ５や温度モニタ装置６からのデータに基づき、燃料電池スタック１に凍結が発生しているかどうかをシステム制御装置３において判断する。例えば、外気温センサ５が氷点以上を示していれば、常に凍結していないと判断する。外気温センサ５が氷点未満を示していれば、温度モニタ装置６が測定した燃料電池スタック１の複数の温度測定データのいずれかが氷点以下を示していれば、凍結していると判断する。
【００３０】
燃料電池スタック１に凍結が発生していないと判断された場合に、図７のように燃料電池スタックの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が所定値（Ｖ１）に達したとき（ｔ１）に、燃料電池スタック１に負荷装置を接続する。
【００３１】
また、システム制御装置３の凍結判断において、燃料電池スタック１に凍結が発生していると判断された場合に，燃料電池スタックの起動時に最も遅く電圧が立ち上がる単セルの電圧が所定値（Ｖ１）に達したときに、燃料電池スタック１に負荷装置を接続する。
【００３２】
次に、図２、図６のフローチャートを参照して、実施例２における制御内容を説明する。実施例１において図２に関して説明した内容は、実施例２にも適用される。図２のＳ２０におけるセル電圧の判定に関して、実施例２について詳細説明したものが図６である。
【００３３】
図６において、セル電圧の判定が開始されると、まずＳ５０でシステム制御装置３は、外気温センサ５から外気温データ、温度モニタ装置６から燃料電池スタックの温度データを読み込む。
【００３４】
次いでＳ５２で、システム制御装置３は、これらの温度データに基づいて燃料電池スタックに凍結が生じているか否かを判定する。Ｓ５２の判定で、凍結が生じていないと判定されたとき（判定がＮｏ）、Ｓ５４へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｆとする。次いで、Ｓ５８でセル電圧Ｖｆが所定値Ｖ１以上か否かを判定する。Ｓ５８の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖ１以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ５８の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖ１未満であれば、セル電圧の判定結果がＮＯとして、図２のＳ１４セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
【００３５】
Ｓ５２の判定で、凍結が生じていると判定されたとき（判定がＹｅｓ）、Ｓ５６へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｓとする。次いで、Ｓ６０でセル電圧Ｖｓが所定値Ｖ１以上か否かを判定する。Ｓ６０の判定で、セル電圧Ｖｓが所定値Ｖ１以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ６０の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖ１未満であれば、セル電圧の判定結果がＮＯとして、図２のＳ１４セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
【００３６】
尚、所定値Ｖ１は、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックに負荷を接続しても燃料電池スタックの劣化を促進しない電圧値であり、実験的に決定する。
【００３７】
以上説明した実施例２によれば、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となった後である燃料電池において、燃料電池スタックが凍結していない場合に、電圧が早く立ち上がり劣化度合いが大きいセルの電圧が劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出すことが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【００３８】
また、燃料電池スタックが凍結している場合に、いずれのセルにおいても電圧が反転することなく、発電を維持することが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と起動時間の短縮による燃費の改善を図ることができる。
【実施例３】
【００３９】
次に、本発明の実施例３を説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図５に示した実施例２と同様である。本実施例は、燃料電池スタック１の特性として、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始時期が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となる前である場合に適用される。
【００４０】
実施例３では、燃料電池スタックの起動の際に、外気温センサ５や温度モニタ装置６からのデータに基づき、燃料電池スタック１に凍結が発生しているかどうかをシステム制御装置３において判断する。燃料電池スタック１に凍結が発生していないと判断された場合に、図９のように燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値（Ｖ２）に達したとき（ｔ２）、または最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第１の所定値よりも高い第２の所定値（Ｖ３）に達したとき（ｔ３）に負荷装置を接続する。
【００４１】
また燃料電池スタック１の凍結判断において、燃料電池スタック１に凍結が発生していると判断された場合に、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルの電圧が第３の所定値（Ｖａ）に達したとき、または最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧が第３の所定値よりも低い第４の所定値（Ｖｂ）に達したときに負荷装置を接続する。
【００４２】
次に、図２、図８のフローチャートを参照して、実施例３における制御内容を説明する。実施例１において図２に関して説明した内容は、実施例３にも適用される。図２のＳ２０におけるセル電圧の判定に関して、実施例３について詳細説明したものが図８である。
【００４３】
図８において、セル電圧の判定が開始されると、まずＳ７０でシステム制御装置３は、外気温センサ５から外気温データ、温度モニタ装置６から燃料電池スタックの温度データを読み込む。
【００４４】
次いでＳ７２で、システム制御装置３は、これらの温度データに基づいて燃料電池スタックに凍結が生じているか否かを判定する。Ｓ７２の判定で、凍結が生じていないと判定されたとき（判定がＮｏ）、Ｓ７４へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｓとする。次いで、Ｓ７６でセル電圧Ｖｓが所定値Ｖ２以上か否かを判定する。Ｓ７６の判定で、セル電圧Ｖｓが所定値Ｖ２以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ７６の判定で、セル電圧Ｖｓが所定値Ｖ２未満であれば、Ｓ７８へ進む。Ｓ７８では、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｆとする。次いで、Ｓ８０でセル電圧Ｖｆが所定値Ｖ３（Ｖ３＞Ｖ２）以上か否かを判定する。Ｓ８０の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖ３以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ８０の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖ３未満であれば、セル電圧の判定結果がＮＯとして、図２のＳ１４セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
【００４５】
Ｓ７２の判定で、凍結が生じていると判定されたとき（判定がＹｅｓ）、Ｓ８２へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も早く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｆとする。次いで、Ｓ８４でセル電圧Ｖｆが所定値Ｖａ以上か否かを判定する。Ｓ８４の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖａ以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ８４の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖａ未満であれば、Ｓ８６へ進み、既に受信済みのセル電圧データから最も遅く電圧が立ち上がるセルのセル電圧を選択し、このセル電圧をＶｓとする。次いで、Ｓ８８でセル電圧Ｖｓが所定値Ｖｂ（Ｖｂ＜Ｖａ）以上か否かを判定する。Ｓ８８の判定で、セル電圧Ｖｓが所定値Ｖｂ以上であれば、セル電圧の判定結果がＯＫとして、負荷装置を接続するために、図２のＳ２２へ分岐する。Ｓ８８の判定で、セル電圧Ｖｆが所定値Ｖｂ未満であれば、セル電圧の判定結果がＮＯとして、図２のＳ１４セル電圧計測へ分岐し、セル電圧監視を継続する。
【００４６】
尚、所定値Ｖ２，Ｖ３，Ｖａ，Ｖｂは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックに負荷を接続しても燃料電池スタックの劣化を促進しない電圧値であり、実験的に決定する。
【００４７】
以上説明した実施例３によれば、最も遅く電圧が立ち上がるセルの電圧の立ち上がり開始が、最も電圧が早く立ち上がるセルの電圧が一定となる前である燃料電池において、燃料電池スタックの凍結の有無に関わらず、いずれのセルでも電圧が反転することなく、全てのセルの電圧が劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出すことが可能となり、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【００４８】
以上の実施例２、３は、言うまでもなく、同一の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転環境に応じて適用することが可能なものである。したがって、実施例２，３により、燃料電池の凍結可能性によらずに燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図る燃料電池システムを構成することができる。
【実施例４】
【００４９】
次に、本発明の実施例４を説明する。実施例４は、燃料電池システムの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する実施例であり、実施例２または実施例３と組み合わされる。
【００５０】
実施例４の燃料電池システムの構成は、図５に示した実施例２の構成と同様である。実施例４では、燃料電池スタックの起動時の制御において、燃料電池スタックの反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して同一方向である場合に、反応ガスの流量分布を考慮して、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセルとみなすようにする。
【００５１】
また、反応ガスの導入方向と余剰反応ガスの排出方向がセルの積層方向に対して反対方向である場合に、反応ガス導入側端のセルを燃料電池の起動時に最も遅く電圧が立ち上がるセル、かつ反応ガス導入側他端のセルを燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルとみなすようにする。
【００５２】
本実施例によれば、計測装置等を付加することなしに、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの同定が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【実施例５】
【００５３】
次に、本発明の実施例５を説明する。実施例５は、燃料電池システムの起動時に、最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例２または実施例３と組み合わされる。
【００５４】
実施例５の燃料電池システムの構成は、図５に示した実施例２の構成と同様である。実施例５では、図１０のような所定値（ＩＨ）よりも大きな電流で燃料電池を運転することがあった際に、各セルの電圧を測定し拡散分極を推算する。高電流側の電流増加に対する電圧の低下量が大きい領域では、電圧の損失は主に拡散分極によって引き起こされるため、その領域での電圧から拡散分極の推算が可能である。拡散分極が大きいセルでは、反応ガスの導入が阻害され起動時の電圧の立ち上がりは遅くなるため、この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。以上の拡散分極および電圧立ち上がりタイミングの推算においては、理論式を事前の実験結果によって補正した予測式を使用するのが精度上望ましい。
【００５５】
さらに、図１０の所定値（ＩＬ）よりも小さな電流で燃料電池を運転することがあった際に、各セルの電圧を測定し、活性化分極を推算する。低電流側の電流増加に対する電圧の低下量が大きい領域では、電圧の損失は主に活性化分極によって引き起こされるため、その領域での電圧から活性化分極の推算が可能である。活性化分極が大きいセルでは、電流が小さい起動時の電圧上昇が少なくなるので、電圧の立ち上がりが遅いセルとして扱うことが可能である。
【００５６】
以上説明した実施例５によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【実施例６】
【００５７】
次に、本発明の実施例６を説明する。実施例６は、燃料電池システムの起動時に、最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例２または実施例３と組み合わされる。
【００５８】
実施例６の燃料電池システムの構成は、図５に示した実施例２の構成と同様である。実施例６では、発電停止後の燃料電池スタック内の温度を測定し続ける。温度の低いセルでは、電極部分に液水が残留しやすいので、次回の起動の際に反応ガスの導入が阻害され、電圧の立ち上がりが遅れる。この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。
【００５９】
実施例６によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【実施例７】
【００６０】
次に、本発明の実施例７について説明する。実施例７は、燃料電池システムの起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルとを予測する実施例であり、実施例２または実施例３と組み合わされる。
【００６１】
図１１は、本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例７を適用した燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図１１に示した実施例７の構成は、図５の実施例２の構成に加えて、燃料電池スタック１の各セルの抵抗を測定するセル抵抗測定装置７、セル抵抗測定装置７をバス４に接続して他装置との通信を可能とする通信コントローラ１７を備えている。セル抵抗の測定は、微弱な交流電流をセルに印加する機構を電圧モニタ装置２に付加することで実現可能なので、電圧モニタ装置２とセル抵抗測定装置７は一体とし、さらに通信コントローラ１２、１７も一体とすることができる。
【００６２】
実施例７では、燃料電池スタック１の発電停止後に、セル抵抗測定装置７によりセル抵抗を測定し続ける。抵抗が大きいセルは、電解質膜が乾燥しており、膜内の物質移動に影響する膜内水分量の増加に時間を要するため、次回の起動時に電圧の立ち上がりが遅くなる。この遅れを組み込んだ推算式により、次回の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルを予測する。
【００６３】
以上説明した実施例７によれば、燃料電池の劣化や運転履歴の差異による燃料電池起動時のセルの電圧立ち上がりの変化の影響を少なくして、燃料電池の起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルや最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測が可能となり、燃料電池の電圧が燃料電池の劣化が激しくなる値に達する前に負荷を取り出し、燃料電池の劣化の抑制と燃費の改善を図ることができる。
【００６４】
以上の実施例４〜７は、同一の燃料電池システムにおいて、任意に組み合わせて適用することが可能なものであり、それにより起動時に最も早く電圧が立ち上がるセルと最も遅く電圧が立ち上がるセルの予測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例１を説明する構成図である。
【図２】実施例１の動作を説明する制御フローチャートである。
【図３】従来例における起動時のセル電圧モニタ値を説明するタイムチャートである。
【図４】実施例における起動時のセル電圧モニタ値を説明するタイムチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例２を説明する構成図である。
【図６】実施例２の動作を説明する制御フローチャートである。
【図７】実施例２における電圧所定値の説明図である。
【図８】実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。
【図９】実施例３における電圧所定値の説明図である。
【図１０】実施例５における電流所定値の説明図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池の制御装置の実施例７を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１：燃料電池スタック
２：電圧モニタ装置
３：システム制御装置
４：バス
５：外気温センサ
６：温度モニタ装置
７：セル抵抗測定装置
１２，１３，１４，１５，１６，１７：通信コントローラ
【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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【図１０】
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【図１１】
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