この発明は、燃料電池の起動や停止の制御を行う燃料電池の制御装置に関する。

燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、電解質の両側に設けた電極間から、電気エネルギを取り出すしくみとなっている。

燃料電池本体を構成するセルは、電解質で構成された電解質膜の一方の側に、燃料ガスが供給される側の電極である燃料極(アノード)が、他方の側に、酸化剤ガスが供給される側の電極である空気極(カソード)が配置される。さらにその電極のそれぞれ外側に金属製のセパレータが配置される。

セルのアノード側に燃料ガスが、カソード側に酸化剤ガスが供給されて、以下の反応の進行により発電が行われ、セル電圧が発生する。通常、燃料ガスとして水素ガスが、酸化剤ガスとして空気が用いられる(例えば、特許文献1,2参照)。 アノード:H₂→2H⁺+2e⁻ カソード:2H⁺+2e⁻+(1/2)O₂→H₂O

特開2005−158557号公報

特開2002−116402号公報

燃料電池の起動時は、燃料ガスや酸化剤ガスの導入によってセル電圧が上昇し、その後、開回路電圧で安定する。しかし、電圧が開回路電圧で安定する前に、一時的に開回路電圧を超える過電圧状態が発生することがある。

セル電圧が開回路電圧を超える過電圧となって、その電圧がセパレータの過不動態電位を超えた場合、その後のセル電圧の低下に伴い、セパレータの表面に不動態が再生成される。しかし、不動態の生成速度は比較的遅いため、十分な生成時間が確保できない場合は、セパレータが腐食しやすい状態になる場合がある。そこで、特許文献1に示すように、負荷の制御により過電圧を抑制する手法がある。

しかし、負荷により過電圧が抑制されることで電圧が開回路電圧に至った後、直ちに負荷制御を停止すると、電圧が再上昇して再び過電圧が発生する場合がある。このような電圧の再上昇は、不動態生成時間の確保を難しくする。このため、セパレータの腐食につながるので好ましくない。

また、特許文献2に示すように、負荷の制御によりセル電圧が過電圧判定電圧以下まで低下した場合に、負荷と連動して酸化剤ガス(空気)の供給量を制御することで、電圧低下を制御する手法も考えられる。ここで、酸化剤ガスの供給量を制御し、燃料ガスの供給量を制御しないのは、燃料ガスの供給量を増減させることは、増減の指示から実際に供給量が増減するまでの応答性が悪いからであると考えられる。これに対し、酸化剤ガスの供給量の変化に対するセル電圧の応答は比較的速いため、ガス供給量を減じたことにより、電圧低下がオーバーシュートして電圧が必要以上に低下する恐れがある。また、これを防止するために負荷連動の応答性を速くした場合、セル電圧の上昇も速くなるので、逆に過電圧発生のリスクが増大してしまうという問題が生じ得る。

そこで、この発明の課題は、燃料電池の起動時における過電圧の発生によるセパレータの腐食をより確実に防止することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、電解質を挟んで一方側にアノードを他方側にカソードを備えた燃料電池本体と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により前記燃料電池本体に生じた電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出される検出電圧に基づいて前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを調整する燃料ガス供給制御手段と、を備え、前記燃料ガス供給制御手段は、起動時には燃料ガスの供給の指示値を目標供給量に設定し、前記検出電圧が所定判定電圧を超えた場合又は超える見込みである場合は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量よりも小さい第一の指示値に設定する第一の制御を行う燃料電池の制御装置を採用した。

ここで、前記燃料ガス供給制御手段は、前記第一の制御により前記検出電圧が降下して所定移行電圧を下回った後は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量よりも多い第二の指示値に設定する第二の制御を行う構成を採用することができる。

前記第一の制御を行う各構成において、負荷の付与により前記燃料電池本体に生じる電圧を抑制する負荷装置と、前記電圧検出手段によって検出される検出電圧に基づいて前記燃料電池本体に付与される負荷を調整する負荷制御手段と、を備え、前記負荷制御手段は、前記第一の制御において、前記検出電圧が所定判定電圧を超えた場合又は超える見込みである場合に負荷を付与する構成を採用することができる。

ここで、前記第一の制御において、前記検出電圧が降下して所定移行電圧を下回った後は、前記第二の制御において、負荷の減少を一旦停止して前記第一の制御における最大負荷よりも低い負荷を継続して付与する負荷継続期間を設定する構成を採用することができる。

あるいは、前記第一の制御において、前記検出電圧が降下して所定移行電圧を下回った後は、前記第二の制御において、負荷をゼロにする無負荷期間を設定する構成を採用することができる。

また、前記所定移行電圧は、前記所定判定電圧と等しく設定される構成を採用することができる。

また、前記第二の制御の開始後、前記負荷制御手段は付与する負荷を再び増加させる再度の負荷制御を行う構成を採用することができる。

前記再度の負荷制御において付与する負荷は、前記検出電圧の単位時間当たりの上昇量を所定上昇量以下にするように設定されることが望ましい。

この発明は、燃料電池の起動時における過電圧の発生によるセパレータの腐食を、より確実に防止することができる。

この発明の一実施形態を示す燃料電池の制御装置の構成を示す模式図

燃料電池の起動時における制御の例を示すグラフ図

燃料電池の起動時における制御の他の例を示すグラフ図

燃料電池の起動時における制御のさらに他の例を示すグラフ図

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図1は、この実施形態の燃料電池の制御装置の構成を示す模式図である。

燃料電池本体(セル)1は、対のセパレータ4,5間に、アノード2とカソード3とが電解質6を挟んで対向して配置されている。

燃料電池本体1内において、アノード2に供給された水素ガスと、カソード3に供給された空気との間で電気化学反応が進行し、発電が行われる。化学反応式は前述の通りである。

図1に示すように、アノード2に燃料ガスとして水素ガスを供給する燃料ガス供給手段Aが備えられている。燃料ガス供給手段Aは、燃料電池本体1に接続される流入側のアノード側配管21に沿って、上流側から順に、水素タンク7、水素圧力調整弁8、水素インジェクタ9を備える。また、燃料電池本体1から引き出される流出側のアノード側配管22には、パージ弁10を備える。

水素タンク7からアノード2への水素ガスの供給は、水素圧力調整弁8によって調整される。水素タンク7内の水素ガスは高圧であるので、アノード側配管21には、適宜、減圧弁等が介在される。アノード2で消費されずに残った水素ガスは、パージ弁10の上流側でアノード側配管22から分岐する循環通路25を通じて、水素循環ポンプ26によってアノード側配管21へ戻り、燃料電池本体1へ再循環させている。

アノード2に設けられた圧力センサ18によって、アノード内の圧力を検出された圧力を、コントローラ(制御ユニット)30が備える燃料ガス供給制御手段32に伝達する。燃料ガス供給制御手段32は、その情報に基づいて、燃料ガス供給手段Aによる水素ガスの供給を制御する。この制御は、例えば、設定圧力と実圧力の要素に基づくフィードバック制御により行うことができる。

燃料ガス供給手段Aは、アノード2内の水素ガスの圧力が常に一定になるように制御する。すなわち、燃料電池本体1において消費された水素ガスを、自動的に補う制御が行われる。パージ弁10は、燃料電池が停止している際に、アノード2内の水素を排出する。また、パージ弁10は、燃料電池の運転時に、アノード2内の水素の分圧を上昇させるために、アノード2内の窒素等の他の物質を排出し、また、セル電圧を回復させるために、流路内の水滴を排出することもできる。

また、図1に示すように、カソード3に酸化剤ガスとして空気を供給する酸化剤ガス供給手段Bが備えられている。酸化剤ガス供給手段Bは、燃料電池本体1に接続される流入側のカソード側配管23にコンプレッサ11を備える。また、燃料電池本体1から引き出される流出側のカソード側配管24には、空気圧力調整弁12を備える。

カソード3への空気の供給は、コンプレッサ11によって調整される。カソード3に設けられた圧力センサ19によって検出された圧力を、コントローラ30が備える酸化剤ガス供給制御手段33に伝達する。酸化剤ガス供給制御手段33は、その情報に基づいて、酸化剤ガス供給手段Bによる空気の供給を制御する。この制御は、例えば、設定圧力と実圧力の要素に基づくフィードバック制御により行うことができる。

酸化剤ガス供給手段Bは、カソード3内の空気の圧力が常に一定になるように制御する。すなわち、燃料電池本体1において消費された空気(酸素)を、自動的に補う制御が行われる。

燃料電池本体1とコントローラ30との間には、電力の取り出し回路である電源回路Cが設けられている。その電源回路Cには、燃料電池本体1への負荷の付与により、燃料電池本体1に生じる電圧を抑制する負荷装置13が備えられる。負荷装置13としては、例えば、固定抵抗や蓄電池、直流電圧変換器(DC−DCコンバータ)等を採用できる。燃料電池本体1から負荷装置13へ負荷電流が流れることにより、アノード2側の水素ガス、カソード3側の空気中の酸素が消費され、燃料電池本体1の電圧が一時低下する。

また、燃料電池本体1、又は、燃料電池本体1とコントローラ30との間には、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により、燃料電池本体1に生じた電圧を検出する電圧検出手段14が備えられる。この実施形態において、電圧検出手段14は電圧センサである。

負荷装置13によって、燃料電池本体1を含む電源回路Cに付与される負荷は、コントローラ30が備える負荷制御手段31によって制御される。負荷制御手段31は、電圧検出手段14によって検出される検出電圧に基づいて、負荷装置13によって燃料電池本体1に付与される負荷を調整する。負荷の調整は、フィードバック制御等により行われる。この負荷の調整により、燃料電池本体1に生じる電圧は増減する。その増減は、電圧検出手段14が随時検出することができる。なお、負荷を付与した後の電源回路Cにおける電圧値、電流値は、電圧計15や電流計16で確認することもできる。

また、燃料電池本体1には、その燃料電池本体1の温度を検出する温度検出手段17を備える。この実施形態において、温度検出手段17は温度センサである。

この燃料電池の制御装置では、電圧検出手段14によって検出される検出電圧に基づいて、燃料電池本体1に供給される燃料ガスを調整する燃料ガス供給制御手段32を備る。また、その検出電圧に基づいて、燃料電池本体1に供給される酸化剤ガスを調整する酸化剤ガス供給制御手段33を備える。燃料ガス供給制御手段32、酸化剤ガス供給制御手段33は、コントローラ30が備える。

この燃料電池の制御装置が、例えば、車両に搭載される場合、コントローラ30は、燃料電池本体1での発電時に、その燃料電池本体1から電源回路Cを通じて電力を取り出し、コントローラ30を介して、駆動用のモータ等の電力の消費を行う電力消費装置20へ電力を供給する。特に、電力消費装置20を使用する前段の起動時において、負荷装置13が電源回路Cに付与する負荷の値を増減することによって、燃料電池本体1の電圧は調整される。また、電力消費装置20を使用中も、目標電圧に応じて負荷装置13が電源回路Cに付与する負荷の値を増減することによって燃料電池本体1の電圧は調整される。

なお、この燃料電池の制御装置を搭載する車両は、例えば、外部電源との接続により充電が可能なプラグイン方式の充電機構を備えた二次電池と、前述の燃料電池とを、電源として選択的に使用できる構成としている。モータ、インバータに対して、二次電池と燃料電池が並列に配置されている。

以下、この発明の燃料電池の制御を説明する。

(図2の制御の例) まず、図2に示す制御の例を説明する。燃料電池を起動させ、燃料電池本体1に燃料ガス、酸化剤ガスを供給する。燃料電池本体1に生じる電圧は、図中上段のグラフに示すように、徐々に上昇していく。このとき、水素供給量の指示値は、図中下段に示すように、起動時から電圧が安定するまで、また、その安定した後も継続して予め決められた目標値である目標供給量aに設定しておく。

負荷制御手段31は、電圧検出手段14によって検出される検出電圧が、所定判定電圧bを超えた場合、又は、超える見込みである場合に負荷を付与する。図2の中段に示すグラフが、付与する負荷の推移である。

ここでは、負荷の付与を、検出電圧が所定判定電圧bに至るのと同時に開始しているが、負荷の付与は、検出電圧が所定判定電圧bを超えた後、所定判定電圧bに至った後、一定時間経過後のタイミングで開始してもよい。ただし、この場合、負荷の付与は、検出電圧が所定判定電圧bを超えた後、できるだけ速やかに行われることが望ましい。また、現在までの電圧値の推移と、燃料ガス、酸化剤ガスの供給量等の他の要素から、その後の電圧値の推移を予測し、検出電圧が所定判定電圧bを超える見込みであると判断された場合には、実際に検出電圧が所定判定電圧bを超える前であっても、負荷の付与を開始してもよい。

この負荷の付与に伴い、検出電圧は減少するか、一定に維持されるか、あるいは、その上昇度合いが抑制される。図2では、検出電圧は、所定判定電圧bを超えた後、あるいは、所定判定電圧bに至った後、その所定判定電圧bで一定に維持されている。この間、検出電圧の抑制に必要な負荷は、徐々に減少していく。付与する負荷の減少のようすは、図2の中段に示すグラフの通りである。ここでは、検出電圧が所定判定電圧bで一定に維持されるように、付与する負荷を、ピーク値である最大負荷P1を境に徐々に減少させている。これらの負荷の制御を、第一の負荷制御と称する。所定判定電圧bは、燃料電池本体1内のセパレータ保護の観点から、適切な電圧値が決定される。

検出電圧が降下して、検出電圧が所定移行電圧cを下回った後は、負荷の減少を一旦停止する。この負荷の減少の停止までが第一の負荷制御である。ここでは、負荷の減少を一旦停止する際の所定移行電圧cとして、所定判定電圧bと同じ電圧の値を採用しているが、この所定移行電圧cは所定判定電圧bよりも若干大きい値としてもよいし、所定判定電圧bよりも若干小さい値としてもよい。所定移行電圧cは、燃料電池本体1内のセパレータ保護の観点から適切な電圧値が設定されるべきであるのと同時に、その後の電圧変動の挙動の観点から、電圧が降下しすぎないあるいは上昇しすぎないように、適宜設定することができる。

負荷の減少を停止させた後、付与する負荷は、第一の負荷制御における最大負荷P1よりも相対的に低い負荷の値であるP2の値で一定に維持される。この一定の負荷P2を一定の期間継続して付与する。この負荷P2の継続期間を、負荷継続期間と称する。負荷継続期間の終了後は、負荷を減少させてゼロに近づけていく。これにより電圧は、目標値である開回路電圧に安定する。この制御を、第二の負荷制御と称する。

ここでは、負荷継続期間中に付与される負荷は、一定の負荷の値P2に設定したが、必ずしも一定の負荷でなくともよく、電圧の変動の状況に応じて、負荷継続期間中に多少の増減を伴ってもよい。

負荷継続期間の長さは、温度検出手段17によって検出された温度に基づいてその期間の長さが決定される。燃料電池本体1の温度が高いほど負荷継続期間は長く設定され、燃料電池本体1の温度が低いほど負荷継続期間は短く設定される。

ただし、第二の負荷制御の開始後、検出電圧が所定最低電圧を下回った場合は、負荷の付与を停止する。所定最低電圧は、例えば、電圧が目標である開回路電圧に円滑に至る上で、これ以上電圧が下がるのは好ましくないという下限値に設定することができる。また、所定最低電圧は、例えば、異常発生時に対応した電圧に設定することができる。

上記の制御の例において、第一の負荷制御の場面で、燃料ガスである水素ガスの供給量を減少させる制御を併せて行ってもよい。ここで、燃料ガス供給制御手段32は、起動時には燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aに設定し、第一の負荷制御において、検出電圧が所定判定電圧bを超えた場合又は超える見込みである場合は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aよりも小さい第一の指示値d(後述の図3の制御の例参照)に設定する。この燃料ガスの供給の抑制に伴い、負荷の付与との相乗効果により、検出電圧は速やかに減少するか、一定に維持されるか、あるいは、その上昇度合いが速やかに抑制される。

また、上記の制御の例において、第二の負荷制御の場面で、燃料ガスである水素ガスの供給量を増加させる制御を併せて行ってもよい。ここで、燃料ガス供給制御手段32は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aよりも多い第二の指示値e(後述の図3の制御の例参照)に設定する。この指示値の増加に伴い、負荷の付与との相乗効果により、検出電圧は、目標値である開回路電圧に速やかに安定する。

(図3の制御の例) つぎに、図3に示す制御の例を説明する。同じく、燃料電池を起動させ、燃料電池本体1に燃料ガス、酸化剤ガスを供給する。燃料電池本体1に生じる電圧は、図中上段のグラフに示すように、徐々に上昇していく。

負荷制御手段31は、電圧検出手段14によって検出される検出電圧が、所定判定電圧bを超えた場合、又は、超える見込みである場合に負荷を付与する。図3の中段に示すグラフが、付与する負荷の推移である。この負荷の付与に伴い、検出電圧は減少するか、一定に維持されるか、あるいは、その上昇度合いが抑制される。

ここでは、負荷の付与を、検出電圧が所定判定電圧bを超えるのと同時に開始しているが、負荷の付与は、検出電圧が所定判定電圧bを超えた後、一定時間経過後のタイミングで開始してもよい点は、前述の制御の例と同様である。

さらにこの制御の例では、上述の負荷の制御に加え、水素供給量の指示値を、図中下段に示すように、起動時には燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aに設定し、検出電圧が所定判定電圧を超えた場合又は超える見込みである場合は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aよりも小さい第一の指示値dに設定している。第一の制御では、この負荷の制御と燃料ガスの供給量の制御を行う。ここでは、検出電圧が所定判定電圧bで一定に維持されるように、付与する負荷を、ピーク値である最大負荷P1を境に徐々に減少させている。また、燃料ガスの供給量は、指示値の変更に伴って、多少のタイムラグをもってその指示値に近づいていく。この燃料ガスの供給の抑制に伴い、負荷の付与との相乗効果により、検出電圧は速やかに減少するか、一定に維持されるか、あるいは、その上昇度合いが速やかに抑制される。

負荷及び燃料ガスの供給量の制御により検出電圧は所定判定電圧bに維持され、その後、検出電圧が所定判定電圧bを下回った際は、負荷をゼロとする。燃料ガスの供給の第一の指示値dも、その設定が解除される。この負荷の付与の停止、第一の指示値dの解除までが第一の制御である。図3の上段に示すグラフにおいて、一点鎖線は負荷制御と燃料ガスの供給量制御をともに行わない場合に想定される電圧の推移である。破線は、負荷制御は行わず、燃料ガスの供給量制御のみを行った場合に想定される電圧の推移である。

負荷の付与を停止させて第一の制御を終了した後、第二の制御を行う。第二の制御では、燃料ガス供給制御手段32は、燃料ガスの供給の指示値を目標供給量aよりも多い第二の指示値eに設定する。第二の指示値eは、燃料電池本体1の温度、外気温度、外気湿度等に基づいて、これらの各数値のいずれかが高いほど小さく設定することができる。この目標供給量aよりも多い第二の指示値eの設定に伴い、検出電圧は徐々に上昇していく。しかし、そのままでは、図3の上段の細線(再負荷制御なしのライン参照)のように、電圧は、目標値である開回路電圧を上回る挙動を示してしまうことがある。

そこで、第二の制御では、電圧の上昇とともに再負荷制御(再度の負荷制御)を行っている。再負荷制御では、第一の制御における最大負荷P1よりも相対的に低い負荷の値であるP3の値を最大として、電圧が目標値である開回路電圧に近づくように、負荷を増減する制御が行われる。再負荷制御は、検出電圧が所定判定電圧bを超えた場合又は超える見込みである場合に行うように設定してもよいし、検出電圧が所定判定電圧bに至らない場合であって、電圧の早期安定を目的として設定してもよい。電圧が開回路電圧に安定すれば、再負荷制御を終了する。

この再負荷制御において付与する負荷は、検出電圧の単位時間当たりの上昇量を所定上昇量以下にするように設定することができる。すなわち、電圧が、急激に上昇するのを防ぐために、単位時間当たりの上昇量に、所定上昇量という上限を設定している。

ただし、第二の制御の開始後、検出電圧が所定最低電圧を下回った場合は、負荷の付与を停止する点は、前述の制御の例と同様である。

この図3の制御の例において、第一の制御、第二の制御における負荷の制御を省略して、燃料ガスである水素ガスの供給量の指示値を、目標供給量a、第一の指示値d、第二の指示値eと増減させる制御のみで、電圧の早期安定に対応してもよい。

(図4の制御の例) つぎに、図4に示す制御の例を説明する。この図4の制御の例は、図3の制御の例に加えて、第一の制御が終了した後の第二の制御において、前述の負荷継続期間を設定したものである。以下、図3の制御の例との差異点を中心に説明する。

第一の制御において、検出電圧が降下して所定移行電圧cに達した後は、第二の制御において、負荷の減少を一旦停止して第一の制御における最大負荷P1よりも低い負荷である負荷P2を、負荷継続期間として継続して付与している。ここでは、負荷継続期間中に付与される負荷は、一定の負荷の値P2に設定したが、必ずしも一定の負荷でなくともよく、電圧の変動の状況に応じて、負荷継続期間中に多少の増減を伴ってもよい。負荷継続期間の設定により、検出電圧の再上昇を抑制する。

ただし、前述の図3の制御の例のように、第一の制御で検出電圧が降下して所定移行電圧cに達した後、第二の制御では、負荷継続期間を設定せずに負荷をゼロにする無負荷期間を設定するのが好ましい場合もある。この第二の制御では、燃料ガスの供給の指示値を第二の指示値eまで増加させているが、その前段で燃料ガスの供給を減少させており、実際に燃料ガスの供給が増大するまでにはタイムラグがあるので、そのタイムラグの間に電圧が下がってしまうことを抑制するためである。アノード2への燃料ガスの供給は、圧力を減少させるのは比較的応答性が速いが、圧力を増加させるのは応答性が遅いからである。また、燃料ガスの供給量を増減させると、燃料電池本体1に生じる電圧に変動を生じる場合があるので、そのような意図しない変動にも対応して、電圧が下がり過ぎないように負荷をゼロに設定している。

ここでは、負荷の減少を一旦停止する際の所定移行電圧cとして、所定判定電圧bと同じ電圧の値を採用してもよいし、所定移行電圧cとして所定判定電圧bよりも若干大きい値、あるいは、所定判定電圧bよりも若干小さい値としてもよい。

1 燃料電池本体(セル) 2 燃料極(アノード) 3 空気極(カソード) 4,5 セパレータ 6 電解質 7 水素タンク 8 水素圧力調整弁 9 エゼクタ 10 パージ弁 11 コンプレッサ 12 空気圧力調整弁 13 負荷装置 14 電圧センサ(電圧検出手段) 15 電圧計 16 電流計 17 温度検出手段 21,22 アノード側配管 23,24 カソード側配管 30 コントローラ(制御ユニット) 31 負荷制御手段 32 燃料ガス供給制御手段 33 酸化剤ガス供給制御手段