JP4930818B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、無駄な発電停止を回避するための改良技術に関する。

燃料電池システムは燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的反応を利用して電力を発電する発電システムとして利用されており、その燃料の変換効率の高さや環境への安全性などに優れていることから広く注目されている。料電池発電システムにおいては、燃料電池の特性劣化が生じないように発電運転を行い、また発電停止を行うことが必要である。特開平８−２５５６２５号公報においては、燃料電池の特性低下を抑制する燃料電池の発電停止方法が提案されている。更に、特開２００２−３１３３９６号公報には逆電位によるセルの破損を避けるため、セルスタックを構成するセルの中でも最も早期に電圧が低下するセルの電圧が所定の電圧値を下回ったときに発電を停止する方法が提案されている。
特開平８−２５５６２５号公報 特開２００２−３１３３９６号公報

燃料電池システムでは、セル面内のフラッディング等によって生じる水素不足又は空気不足の状態で発電すると、セル電圧が低下する。逆電位での発電はセルにダメージを与えると考えられることから、従来では零電位（０Ｖ）付近の正電位を発電停止の閾値として予め設定しておき、どのような原因であれ燃料電池の出力電圧が低下すると、燃料電池の発電停止が不必要な場合にも一律に発電停止を行っていた。これでは燃料電池の稼働率が低下してしまう。更に、本出願人の実験により、燃料電池の発電特性として、水素不足の場合にはセル電圧はマイナス電位まで落ち込むが、空気不足の場合にはセル電位はマイナス電位まで落ち込まないことが判明している。セル電圧を検出するセルモニタがセル電圧のマイナス電位を検出できない回路構成を採用している場合には、セル電圧の低下が水素不足によるものなのか、又は酸素不足によるものなのかを判別できないという問題が生じる。空気不足の場合には燃料電池にダメージを与える虞がないため、早急に電池運転を停止する必要がない。

本発明の課題は、燃料電池システムにおいて、無駄な燃料電池停止を回避することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスのそれぞれを電解質で隔てられたアノード電極とカソード電極のそれぞれに供給して発電し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値電圧以下に低下したときに燃料電池の発電を制限する燃料電池システムであって、燃料電池の酸化ガス不足状態を判定する酸化ガス不足判定手段と、酸化ガス不足判定手段の判定結果を得て、燃料電池の出力電圧の低下要因が酸化ガス不足の場合には燃料電池の発電停止を禁止する制御手段を備える。燃料電池の電圧低下の原因のうち、酸化ガス不足又はフラッディングによる電圧低下は燃料電池にダメージを与えることが殆どなく、発電停止や負荷軽減の必要がないと考えることができる。酸化ガス不足状態におけるセル電圧は逆電位領域まで落ち込むことがない。他方、燃料ガス不足又はドライアップによる電圧低下は、燃料電池にダメージを与えるため、発電停止や負荷軽減を行なう必要がある。燃料ガス不足状態におけるセル電圧は逆電位領域まで落ち込む。そこで、酸化ガス不足による電圧低下は燃料電池にダメージを与えることが殆どないから、酸化ガス不足判定手段が酸化ガス不足状態を判定したときには、発電停止や負荷軽減を禁止することにより無駄な発電停止や負荷軽減を回避できる。

ここで、酸化ガス不足判定手段としては、例えば、燃料電池への酸化ガス流量に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池の直前で燃料電池への空気不足を測定することにより、空気不足状態を判定できる。

また、酸化ガス不足判定手段として、燃料電池のセル面内電位分布に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池のセル面内にて酸化ガス流路の出口付近の電位低下を測定することにより、酸化ガス不足状態を判定できる。

さらに、酸化ガス不足判定手段として、燃料電池の燃料ガス不足状態又はドライアップ状態に基づいて酸化ガス不足状態を判定する手段として構成してもよい。燃料電池の電圧低下時に、燃料ガス不足状態又はドライアップ状態の判定を行ない、それらのいずれでもなければ酸化ガス不足状態と判定することができる。

燃料電池の発電を制限する基準となる閾値電圧としては、０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲が望ましく、特に、−０．１Ｖが好適である。閾値電圧をこの範囲に設定しておくことにより、わずかな燃料ガス不足発電による燃料電池のダメージを抑制できる。

本発明によれば、無駄な燃料電池停止を回避し、燃料電池の稼動率を高めることができる。

以下、各図を参照して本発明の実施例について説明する。図１は燃料電池システムを示す配管系統図、図２は水素不足による電圧低下状態を示す線図、図３は空気不足状態による電圧低下状態を示す線図、図４は燃料電池システムのデータ取得処理ルーチンを示す流れ図、図５は燃料電池システムの運転状態判定処理ルーチンを示す流れ図、図６はセル電圧を検出するセルモニタの回路構成図、図７は差動増幅器の入出力電圧の対応関係を示す図、図８は燃料電池の運転可否を決定するための電圧領域の説明図である。

図１に示す燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両搭載用の電源システムとして構成されており、アノード電極とカソード電極で電解質を挟んだ単セル（単電池）を複数個積層した燃料電池１１を備え、水素（燃料ガス）供給系と空気（酸化ガス）供給系により供給される水素と空気のそれぞれをアノード電極とカソード電極のそれぞれに接触させることにて発電する。即ち、燃料電池システム１０は、同図に示す如く、酸化ガスとしての空気（外気）が空気供給路７１を介して燃料電池１１の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ２１、空気を加圧するコンプレッサ２２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１、及び空気に所要の水分を加える加湿器２５が設けられている。尚、エアフィルタ２１には空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）２１Ａが設けられる。

燃料電池１１から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁２４及び加湿器２３（水分交換器）が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）２４は燃料電池１１への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０（制御手段）に送られる。制御部５０はコンプレッサ２２及び圧力調整弁２４を調整することによって空気の供給圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素は水素供給源３０から燃料供給路７５を介して燃料電池１１の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、遮断弁３１、燃料電池１１への水素の供給圧力を調整する水素調圧弁３２、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁７５Ａ、遮断弁３３、及び遮断弁３３より下流側の燃料電池１１内の圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料電池１１で消費されなかった水素は水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５のリリーフ弁７５Ａの下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、燃料電池１１の出口に設けられた遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁３８が設けられている。遮断弁３３及び３４は燃料電池のアノード側を閉鎖する閉鎖手段に対応する。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池１１に供給されて再利用される。逆流阻止弁３８は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。

水素循環路７６はパージ弁３９を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３９は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行なうことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

更に、燃料電池１１の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池１１から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）４１、冷却水を加圧して循環させるポンプ４２及び燃料電池１１に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することができる。

以下、燃料電池システム１０の運転状態が発電性能に及ぼす影響、運転状態の判定動作、発電低下時における無駄な燃料電池停止の禁止動作について説明する。

(A)燃料電池システム１０の運転状態と発電性能
燃料電池システム１０において、セル内の温度が低いドライアップと、セル内の生成水量が多いフラッディングと、セル内に供給される水素ガスや空気が所望の発電を得るための規定値より不足する水素不足及び空気不足の各運転状態を強制的に作り出し、負荷電流一定（Ｉｏ）で定常運転したときに燃料電池１１を構成する各単セルの出力電圧Ｖや燃料電池全体のインピーダンスＺを測定した。図２、図３は、各運転状態での時間に対する単セルの電圧Ｖ（セル電圧ともいう）のグラフであり、積層された多数の単セルの出力電圧Ｖの時間変化を重ねて表示したものである。尚、測定は1sec毎に行なった。

水素不足状態は水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して水素が不足するように水素の供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図２はこのときの時間に対する各単セルの出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。燃料ガス不足状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは急激に落ち込み、マイナス領域まで落ち込んだ。この出力電圧Ｖのパターンは後述するドライアップ状態のときと酷似していた。尚、水素不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。

ドライアップ状態は通常よりも加湿量を減らすと共に冷却装置による冷却を抑えて燃料電池全体の温度を上げることにより、強制的に実現させた。ドライアップ状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは急激に落ち込み、逆電位（マイナス領域）まで落ち込むものもあった。また、燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は固体電解質膜が湿潤状態から乾燥状態になりプロトン伝導性が低下することにより、通常の３倍以上の値になった。

空気不足状態は水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して酸素が不足するように空気の供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図３はこのときの時間に対する各単セルの出力電圧の時間変化を示したものである。空気不足状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは経時に伴い一旦落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、落ち込んだときの値で暫く安定しその後増加に転じた。図中、黒く塗り潰されている箇所は多数のセル電圧曲線が重なり合っていることを示している。尚、空気不足状態では燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。

フラッディング状態は通常よりも加湿量を増やすと共に冷却装置による冷却を十分行ない燃料電池全体の温度を下げることにより、強制時に実現させた。フラッディング状態になると、各単セルの出力電圧Ｖは経時に伴い急激に落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、その後直ちに上昇するというシャープな形状のピークが幾つか観察された。これは、単セルのセパレータの流路に水が溜まることで出力電圧Ｖが落ち込んだ後、その水がガスに持ち去られることで出力電圧Ｖが高くなったものと思われる。尚、フラッディング状態では燃料電池全体のインピーダンスＺ（図示せず）は適正な運転状態の場合と差は見られなかった。

以上のことから、ドライアップ状態と水素不足状態とは、時間に対する単セルの出力電圧Ｖの挙動が酷似していて共にマイナス領域又はその近傍まで落ち込むことがあるが、ドライアップ状態では燃料電池全体のインピーダンスの異常上昇が見られるのに対して、水素不足状態ではそのような現象は見られない。一方、フラッディング状態と空気不足状態とは、いずれも単セルの出力電圧Ｖはマイナス領域まで落ち込むことはないが、フラッディング状態では時間に対する単セルの出力電圧Ｖのピークがシャープつまりピーク幅が狭いのに対して、空気不足状態ではピークがブロードつまりピーク幅が広い。従って、これらの知見に基づけば、運転状態が適正でないときに、詳しくはどのような状態なのかを詳しく知ることができる。

(B)燃料電池システム１０の運転状態の判定動作
燃料電池システム１０の動作、特に燃料電池１１の運転状態判定処理と、この判定処理に必要なデータを取得するデータ取得処理について説明する。図４は燃料電池システム１０の制御部５０により実行されるデータ取得処理ルーチンの一例を示す流れ図であり、図５は運転状態判定処理ルーチンの一例を示す流れ図である。

まず、データ取得処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム１０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば1sec）毎に繰り返し実行される。このデータ取得処理ルーチンが実行されると、制御部５０のＣＰＵは、まず各単セルの電圧計から電圧Ｖを取得すると共にインピーダンス検出器から燃料電池全体のインピーダンスＺを取得し、取得した電圧Ｖ及びインピーダンスＺを現在の時刻と対応付けてＲＡＭに記憶する（ステップＳ１００）。続いて、ステップＳ１００で取得した電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定し（ステップＳ１１０）、電圧Ｖが不適正範囲に入らないときにはそのままこのルーチンを終了し、電圧Ｖが不適正範囲に入るときにはフラグＦに値１をセットし（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。ここで、電圧の不適正範囲は、適正な運転状態のときには取り得ないが不適正な運転状態のときには取り得る低電圧範囲（例えば０．３［Ｖ］以下）であり、実験的なデータに基づいて設定されている。また、フラグＦは、運転状態が不適正な状態になったときに値１にセットされ、そのときの運転状態が後述する運転状態判定処理においてドライアップ状態、フラッディング状態、燃料ガス不足状態及び酸化ガス不足状態のいずれであるかが判定されたあと値０にリセットされるフラグである。

続いて、図５の運転状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム１０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば1min）毎に繰り返し実行される。この運転状態判定処理ルーチンが実行されると、制御部５０のＣＰＵは、フラグＦにつき値０から値１への立ち上がりエッジを検出したか否かを判定し（ステップＳ２０２）、立ち上がりエッジを検出したときには、図示しないタイマによる時間計測を開始し（ステップＳ２０４）、このルーチンを終了する。一方、立ち上がりエッジを検出しなかったときには、フラグＦの値を判定し（ステップＳ２０６）、フラグＦの値が０のときには、運転状態は適正であるためそのままこのルーチンを終了する。一方、フラグＦの値が１のときには、以前にフラグＦの立ち上がりエッジが検出され時間計測が開始されているため、その時間計測を開始してから所定の判定所要時間（例えば数秒）が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０８）、判定所要時間が経過していないときにはそのままこのルーチンを終了する。ここで、判定所要時間は、ドライアップ、フラッディング、水素不足及び空気不足のいずれの状態かを判定する上で必要となる時間間隔であり、実験的データに基づいて定められている。尚、判定所要時間が経過するまでの間、図４のデータ取得処理ルーチンが繰り返し実行されるため、電圧ＶとインピーダンスＺとが時間に対応付けられてＲＡＭに蓄積される。

ステップＳ２０８で所定の判定所要時間が経過したときには、その判定所要時間内にデータ取得処理ルーチンで取得したデータ、つまり電圧Ｖ及びインピーダンスＺを読み出し（ステップＳ２１０）、読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。ここで、閾値Ｚｔｈｒは、予め強制的にドライアップ状態を作り出したときのインピーダンスよりも小さく他の運転状態でのインピーダンスよりも大きくなるように設定されている。そして、ステップＳ２１２でインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２１４）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。

一方、ステップＳ２１２で複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１６）。ここで、閾値Ｖｔｈｒは、予め強制的に水素不足状態を作り出したときの電圧Ｖよりも大きく空気不足やフラッディング状態での電圧Ｖよりも小さくなるように設定されている。具体的には、閾値Ｖｔｈｒは0［Ｖ］以下の値、好ましくは−０．２〜０［Ｖ］の範囲内の値に設定され、本実施形態では−０．１［Ｖ］に設定されている。そして、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、現在の運転状態が水素不足状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２１８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。

一方、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した各セルの時間に対する電圧Ｖのピークがシャープかブロードかを判定する（ステップＳ２２０）。例えば、データ取得処理ルーチンにおいて今回取得した単セルの電圧Ｖから前回取得した同じ単セルの電圧Ｖを差し引くことにより差分ΔＶを求め、前回と今回との時間差Δｔで除すことによりΔＶ／Δｔを算出し、このΔＶ／Δｔが予め定められた負の値より小さくなってから予め定められた正の値より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしても良い。このとき、負の値、正の値は経験的データに基づいて定めれば良い。このΔＶ／Δｔは電圧Ｖの時間微分とみなすことができる。或いは、電圧Ｖが予め定められた所定のピーク判定用電圧より小さくなってからこのピーク判定用電圧より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしても良い。このときのピーク判定用電圧は経験的データに基づいて定めれば良い。そして、ピーク幅が予め定められた所定幅より広ければブロード、狭ければシャープと判定しても良い。

そして、ステップＳ２２０でピーク形状がシャープなときには、現在の運転状態がフラッディング状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２２２）、一方、ピーク形状がブロードなときには、現在の運転状態が空気不足状態であることをＲＡＭに記憶し（ステップＳ２２４）、ステップＳ２２２又はステップＳ２２４のあとフラグＦをリセットし（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。

(C)燃料電池システム１０の発電停止の禁止動作
燃料電池システム１０の運転状態よる電圧低下のうち、空気不足又はフラッディングによる電圧低下では、前述した如く、各単セルの出力電圧がマイナス領域まで落ち込むことがなく、電池にダメージを与えることが殆どない。従って、このような場合には、燃料電池システム１０の発電停止や負荷軽減の必要がない。

他方、水素不足又はドライアップによる電圧低下では、前述した如く、各単セルの出力電圧がマイナス領域(逆電位)まで落ち込み、電池にダメージを与える。従って、このような場合には、燃料電池システム１０の発電停止や負荷軽減を行なう必要がある。

そこで、燃料電池システム１０の制御部５０は燃料電池１１の各単セルによるわずかな水素不足発電を許容する零電位以下の閾値電圧を予め定め、燃料電池１１の各単セルの出力電圧が上記閾値電圧より低下したときに燃料電池１１を発電停止するものとした。閾値電圧としては、０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲が望ましく、特に、−０．１Ｖが好適である。閾値電圧をこの範囲に設定しておくことにより、わずかな水素不足発電による燃料電池１１のダメージを抑制できる。

即ち、本実施例の燃料電池システム１０では、わずかな水素不足発電による電池のわずかなダメージは許容すべく、発電停止の閾値をわずかな水素不足発電を許容する零電位以下（逆電位）の閾値電圧とする。これにより、発電停止や負荷軽減の必要がなく、かつ逆電位にまで落ち込むことのない空気不足による運転状態では、全ての発電を続行することにより、無駄な発電停止を回避できるものとした。

そして、燃料電池システム１０の制御部５０（空気不足判定手段）は、前述の運転状態判定処理動作により、燃料電池１１の各単セルの出力電圧の低下要因が空気不足の場合には、燃料電池１１の発電停止を禁止する。即ち、空気不足による電圧低下は電池にダメージを与えることが殆どないから、空気不足判定手段（制御部５０）が空気不足状態を判定したときには、発電停止や負荷軽減を禁止することにより、無駄な発電停止や負荷軽減を回避できる。

尚、空気不足判定手段は燃料電池１１の直前で燃料電池１１への空気流量を測定することにより、空気不足状態を判定できる。

また、空気不足判定手段は燃料電池１１のセル面内にて空気流路の出口付近の電位低下を測定することにより、空気不足状態を判定できる。

また、空気不足判定手段は燃料電池１１の電圧低下時に水素不足状態又はドライアップ状態の判定を行ない、それらの何れでもなければ空気不足状態と判定する。水素不足状態の判定は水素圧力の検知、排出水素中のＣＯ₂、ＣＯ濃度から判定することができる。ドライアップ状態の判定は、スタック温度、内部抵抗から判定することができる。

尚、燃料電池システム１０の制御部５０による燃料電池１１の発電停止動作は、例えば燃料電池１１を外部負荷から遮断し、燃料電池１１のアノード電極及びカソード電極に不活性ガスを供給するとともに、燃料電池に電力消費手段を接続して余剰電力を消費させ、燃料電池１１の電池電圧が予め定めた下限電圧になるときに電力消費手段を開離して燃料電池１１の発電停止を行なうこととする。

本実施例の燃料電池システムの基本的な構成は上述した実施例１と共通する。制御部５０はセル電圧に基づいて電池運転を制御する。

図６はセル電圧を検出するセルモニタ８０の回路構成図である。同図において、１１ａは燃料電池１１を構成する単セル、Ｃは各々の単セル１１ａのセル電圧Ｖ１，Ｖ２をサンプルホールドするフライングキャパシタ、Ｌ１〜Ｌ３はセル電圧Ｖ１，Ｖ２をフライングキャパシタＣにサンプルホールドするための入力側サンプリングスイッチ、Ｌ４〜Ｌ５はフライングキャパシタＣの蓄電電圧を差動増幅器８１へ出力するための出力側サンプリングスイッチ、８２は差動増幅器８１から出力されるアナログ電圧をデジタル電圧に変換するＡ／Ｄ変換器である。セル電圧Ｖ１を測定するには入力側サンプリングスイッチＬ１，Ｌ２を閉じてセル電圧Ｖ１をフライングキャパシタＣにサンプルホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＬ１，Ｌ２を開いて、出力側サンプリングスイッチＬ４，Ｌ５を閉じる。これによりフライングキャパシタＣの蓄電電圧が差動増幅器８１によって差動増幅され、そのアナログ出力電圧がＡ／Ｄ変換器８２でデジタル値に変換されて制御部５０に出力される。セル電圧Ｖ２を測定するには入力側サンプリングスイッチＬ２，Ｌ３を閉じてセル電圧Ｖ２をフライングキャパシタＣにサンプルホールドする。次いで、入力側サンプリングスイッチＬ２，Ｌ３を開いて、出力側サンプリングスイッチＬ４，Ｌ５を閉じればよい。

図７は差動増幅器８１の入出力電圧の対応関係を示している。ここでは、フライングキャパシタＣは±２［Ｖ］の範囲まで蓄電可能である（図６に示すようにＶ１とＶ２は極性が反対であるから、Ｖ１の＋Ｎ［Ｖ］はＶ２の−Ｎ［Ｖ］と同義である。）。差動増幅器８１はＶ１＝＋２［Ｖ］（Ｖ２＝−２［Ｖ］）が入力されたときに＋５［Ｖ］を出力し、Ｖ１＝０［Ｖ］（Ｖ２＝０［Ｖ］）が入力されたときに＋２．５［Ｖ］を出力し、Ｖ１＝−２［Ｖ］（Ｖ２＝＋２［Ｖ］）が入力されたときに０［Ｖ］を出力するように回路パラメータが選定されている。このように、フライングキャパシタ方式でセル電圧を測定することで、正電圧に限らず負電圧をも測定することができる。

図８はセル電圧に基づいて燃料電池１１の運転可否を決定するための電圧領域を示している。第１の閾値電圧Ｖｔｈ１は零電位近傍の正電位として定義されており、Ｖｔｈ１の値としては出来るだけ零電位に近い正電位が望ましい（例えば０．１Ｖ）。一方、第２の閾値電圧Ｖｔｈ２は零電位近傍の負電位として定義されており、Ｖｔｈ２の値としては出来るだけ零電位に近い負電位が望ましい（例えば−０．１Ｖ）。セル電圧がＶｔｈ１より高い高電圧領域にある場合には発電状態は正常と判断できるので、制御部５０は燃料電池１１の運転を許容する。一方、セル電圧がＶｔｈ２より低い低電圧領域にある場合にはセル面内が水素欠乏状態にあると考えられるので、制御部５０は燃料電池１１の運転に出力制限を課す。その上で、セル電圧がＶｔｈ２より低い状態が所定時間（例えば３秒）継続した場合には燃料電池１１の破損を回避するために電池運転を強制的に停止する。セル電圧がＶｔｈ２より高くＶｔｈ１より低い保留電圧領域にある場合には、フラッディングによる水詰まり等が電圧低下の原因と考えられるので、燃料電池１１に与えるダメージは殆どない。このため、セル電圧が保留電圧領域内にある場合には、制御部５０は電池運転に出力制限を課しつつ、発電制限を保留する。これにより、セル電圧が零電位近傍に低下した場合であっても、電圧低下が後に回復する傾向がある場合には、電池運転を強制停止しなくて済むので燃料電池の稼働率が上がる。保留電圧領域は、いわば、発電を停止するか否かを様子見するための電圧領域であるから、その電圧範囲は出来るだけ零電位近傍（例えば−０．１Ｖ〜０．１Ｖ）であることが望ましい。セル電圧が保留電圧領域にある場合には、制御部５０はセル電圧低下を回復するための回復処理を実施し、セル電圧を高電圧領域に復帰させるのが望ましい。このような回復処理としては、例えば、コンプレッサ２２の回転数を制御して燃料電池１１内のガスチャネルに圧力変動を生じさせ、水詰まりを解消する処理等が挙げられる。

本実施例によれば、セル電圧が低下した場合であっても、セル電圧が保留電圧領域内にある場合にはセル電圧の回復が期待できるため、発電停止を様子見することによって不必要な発電停止を抑制し、燃料電池１１の稼働率を向上させることができる。

燃料電池システムを示す配管系統図である。 水素不足による電圧低下状態を示す線図である。 空気不足状態による電圧低下状態を示す線図である。 燃料電池システムのデータ取得処理ルーチンを示す流れ図である。 燃料電池システムの運転状態判定処理ルーチンを示す流れ図である。 セル電圧を検出するセルモニタの回路構成図である。 差動増幅器の入出力電圧の対応関係を示す図である。 燃料電池の運転可否を決定するための電圧領域の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １１…燃料電池 ５０…制御部 ８０…セルモニタ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化ガスのそれぞれを電解質で隔てられたアノード電極とカソード電極のそれぞれに供給して発電し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値電圧以下に低下したときに燃料電池の発電を制限する燃料電池システムであって、
   燃料電池の酸化ガス不足状態を判定する酸化ガス不足判定手段と、
   前記酸化ガス不足判定手段の判定結果を得て燃料電池の出力電圧の低下要因が酸化ガス不足の場合には燃料電池の発電停止を禁止する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池への酸化ガス流量に基づいて酸化ガス不足状態を判定する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池のセル面内電位分布に基づいて酸化ガス不足状態を判定する、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化ガス不足判定手段は、燃料電池の燃料ガス不足状態又はドライアップ状態の判定を行い、それらの何れでもない場合には、酸化ガス不足状態と判定する、燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記閾値電圧は０Ｖ〜−０．３Ｖの範囲である、燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記閾値電圧は−０．１Ｖである、燃料電池システム。

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