JP2004178901A

JP2004178901A - 燃料電池システムの始動方法

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Publication number: JP2004178901A
Application number: JP2002342220A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hayashi; 正規林; Kenichiro Ueda; 健一郎上田; Yoshio Hosono; 芳夫細野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP3934038B2

Abstract

【課題】パージ弁を適性に開閉制御することにより低温始動性を高めることができる燃料電池システムの始動方法を提供する。
【解決手段】水素ガスと空気との電気化学反応により発電を行う燃料電池１と、前記燃料電池１に接続された水素ガス排出流路１６を水素ガス供給流路１２に合流させる水素ガス循環流路１３を備え、前記水素ガス循環流路１３から循環燃料ガスを排出するパージ弁１５を備えた燃料電池システムの始動方法であって、前記燃料電池１へ前記水素ガスと前記空気を供給し、前記燃料電池１から外部電気負荷へ発電電力の供給を開始した後に、前記燃料電池１の温度が所定の温度未満である場合には、前記パージ弁１５の開作動を禁止することで、水素ガス循環流路１３を閉じた状態とし、前記燃料電池１の温度が所定の温度以上であるときは前記パージ弁１５の開作動を許可することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの始動方法、とりわけ低温始動性を高めることができる燃料電池システムの始動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の凍結を防止するために燃料電池の固体高分子電解質膜の少なくとも一部が０°Ｃ以下になる前に燃料電池の反応ガス流路から水を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、燃料電池においては不可避的に生成される水や窒素などの反応に寄与しない成分が反応を阻害し、燃料電池の発電電圧（単位燃料電池である単セルの出力電圧（以下セル電圧）や単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックの総発電電圧）を低下させるため、この発電電圧が低下した場合にあるいは定期的にこれらの阻害物質を排出するパージを行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２０００−５１２０６８号公報
【特許文献２】
特開２００２−９３４３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池を低温時、例えば氷点下で始動するような場合に、固体高分子電解質膜において水素ガスと酸化剤ガスとが反応すれば、燃料電池の自己発熱により燃料電池の温度が上昇するが、一旦外部電気負荷へ燃料電池の発電電力を供給し始めたときは水が大量に生成されている状態となり、新たに低温の反応ガスが供給されると、反応により上昇した燃料電池内部の温度が再度氷点下となり固体高分子電解質膜上に霜が生成され、固体高分子電解質膜の反応面積を減少させ、反応を妨げるという問題がある。
特に、燃料電池の発電電圧が低下した後に燃料ガスのパージを行った場合には、燃料ガスのパージにともない、燃料電池の発電による自己発熱で暖まっていない新たな燃料ガスが燃料電池へ供給されるため、上述した問題が発生する。
そこで、この発明はパージ弁を適性に開閉制御することにより低温始動性を高めることができる燃料電池システムの始動方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、実施形態における空気）との電気化学反応により発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に接続された燃料ガス排出流路（例えば、実施形態における水素ガス排出流路１６）を燃料ガス供給流路（例えば、実施形態における水素ガス供給流路１２）に合流させる燃料ガス循環流路（例えば、実施形態における水素ガス循環流路１３）を備え、前記燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁（例えば、実施形態におけるパージ弁１５）を備えた燃料電池システムの始動方法であって、前記燃料電池へ前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池から外部電気負荷へ発電電力の供給を開始した後に、前記燃料電池の温度が所定の温度未満である場合には、前記パージ弁の開作動を禁止することで、燃料ガス循環流路を閉じた状態とし、前記燃料電池の温度が所定の温度以上であるときは前記パージ弁の開作動を許可することを特徴とする。
このように構成することで、電気化学反応による水の生成が多い通常発電時に、燃料電池の温度が所定温度未満のときはパージ弁の開作動を禁止することで閉じられた燃料ガス循環流路において燃料ガスを循環させるので、反応に使用された量の燃料ガスが供給（補充）され、新たな燃料ガスの供給による温度低下を極力防止しながら燃料電池の温度を高めつつ、燃料電池を始動することが可能となる。
【０００６】
請求項２に記載した発明は、前記パージ弁の開作動を禁止しているときであって、前記燃料電池の発電電圧が、基準電圧を下回った場合に、前記燃料電池から外部電気負荷への発電電力の供給を制限することを特徴とする。
このように構成することで、パージ弁の開作動を禁止しているときは、発電電圧が基準電圧を下回った場合でも発電電流を制限し、かつ燃料ガス循環流路を閉じた状態としているので、新たな燃料ガスの供給による温度低下を防止しながら、発電電圧を回復させることが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すのは燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる反応膜である固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものであり（図１では単セルのみを示す）、アノード３の反応ガス流路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４の反応ガス流路６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【０００８】
空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１のカソード４の反応ガス流路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、排出ガス処理装置１０に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。
【０００９】
一方、水素タンク（Ｈ２）１１から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路１２を通って燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共にアノード側に接続された水素ガス排出流路１６を経て水素ガス循環流路１３に排出され、さらに水素ガス循環流路１３に設けた水素ポンプ１４を介して水素ガス供給流路１２に合流する。つまり、燃料電池１から排出された水素ガスは、水素タンク１１から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。
【００１０】
水素ガス循環流路１３からは、排出弁であるパージ弁１５を備えた水素ガスパージ流路２２が分岐しており、水素ガスパージ流路２２は排出ガス処理装置１０に接続されている。この排出ガス処理装置１０において燃料電池１の空気排出流路９から排出された排出空気と、水素ガスパージ流路２２から排出された水素ガスとが希釈処理されて排出される。尚、１７は水素タンク１１から供給される水素ガスを遮断する遮断弁、１８は燃料電池１の電気エネルギーにより駆動する車両走行用のモータを示している。ここで、パージ弁１５は電気化学反応により生成される燃料電池１内の水を排出するために定期的に開作動したり、燃料電池１の発電電圧（例えばセル電圧）が低下した場合に開作動させる。
【００１１】
前記燃料電池１は、図示しない冷却循環流路及びその循環流路に冷却水を循環させるウォーターポンプ等を備え、電気化学反応に適した温度（例えば７０°Ｃ）に制御されている。
燃料電池１は、コントロールユニットであるＥＣＵ１９により制御され、そのためＥＣＵ１９には、燃料電池１の冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２０からの信号が入力され、コンプレッサ７の回転数、水素ポンプ１４の回転数、遮断弁１７の開閉、パージ弁１５の開閉が行われる。また、アクセルペダル２１から入力される加速要求に応じてモータ１８を制御する。
【００１２】
次に、図２のフローチャートに基づいて燃料電池車両の燃料電池の始動処理を説明する。この処理はイグニッションスイッチがＯＮとなった場合に開始される処理である。尚、説明にあたっては図３のタイムチャート図と共に説明する。
ステップＳ１において、燃料電池１への反応ガス（水素ガス、空気）の供給が開始される。
ステップＳ２において後述する始動時パージ弁処理が終了したか否かを判定する。判定結果が「ＮＯ」で、処理中である場合はステップＳ３に進む。
【００１３】
ステップＳ３においては始動時パージ弁処理が行われ、ステップＳ４において始動時パージ弁処理を終了してステップＳ５に進む。
図３におけるＡの時点でイグニッションスイッチがＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）となった場合に、各種センサ類のチェックを含めたイニシャルチェックが行われ（図３のＡからＢまでの時間ａ）、次に、コンプレッサ７から空気が、水素タンク１１から水素ガスが各々燃料電池１に供給される。そして、これと同時にステップＳ２の始動時パージ弁処理が行われる（図３のＢからＣまでの時間ｂ）。尚、図３においてＢからＤまでの時間ｃでは燃料電池１はモータ１８を含む外部電気負荷に対して電力を供給していない無負荷発電をしており、このとき各セルの負荷電圧チェックがなされる。
【００１４】
上記始動時パージ弁処理は、水素ガスと空気が各々燃料電池１に供給されて無負荷発電が開始されると同時に燃料電池システム内に滞留している窒素ガス及び水等の発電阻害物質を排出して特にアノードを水素ガスで満たすために所定時間（図３のＢからＣまでの時間ｂ）の間パージ弁１５を開く処理である。尚、このパージ弁１５の開作動の時間ｂは冷却水温に応じて設定される。
【００１５】
ここで、このパージ弁１５を開作動させると新たな水素ガスと空気が燃料電池１に供給されるが、燃料電池１はまだ低温であるので、低温の水素ガスと空気が供給されても、内部において霜が発生することはなく、水の生成も少ないのでこの時点でのパージ弁１５の開作動による影響はない。
そして、ステップＳ５における無負荷発電が開始されると、図３に示すようにＢの時点から徐々に冷却水温は上昇し各セル電圧は上昇を始める。尚、ステップＳ５の処理は無負荷発電が終了する段階、すなわち燃料電池１の発電電圧が所定の値に達するまで行われる。ステップＳ５において無負荷発電が終了するとステップＳ２へ戻る。
【００１６】
次に、再度ステップＳ２において始動時パージ弁処理が終了したか否かを判定すると、パージ弁処理は終了しているので、判定結果が「ＹＥＳ」となりステップＳ６に進む。
ステップＳ５では無負荷発電状態が終了しているので、外部発電負荷への電力供給が開始される。外部電気負荷の電力要求があった時点（図３に示すＤの時点）で、外部電気負荷に燃料電池１の発電電力を供給し、その時点から通常発電を行うことになる。
ステップＳ７においては燃料電池１の内部温度、つまり冷却水温が０°Ｃ（所定温度）以上か否かを判定する。判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ９に進み、判定結果が「ＹＥＳ」である場合はステップＳ８に進む。
【００１７】
ステップＳ８ではパージ弁１５の開作動が許可され、発電時パージ弁処理が行われて始動処理を終了する。具体的には燃料電池１の発電電圧を維持するのに最小限必要なパージ弁１５の開閉制御を行う。燃料電池１の冷却水温が０°Ｃ以上の場合には、内部に生成した水が凍結しないので、必要に応じて、この生成水を定期的に排出するパージ処理や、セル電圧が低下した場合に行われるパージ弁処理を行い、水素ガス循環流路１３に溜まっている窒素ガス等の反応に寄与しない成分を掃気する。
【００１８】
ステップＳ９においては、燃料電池１の温度が０°Ｃ以下であるのでパージ弁１５の開作動を禁止する。このようにすることによって水素ガス循環流路１３が閉じた状態となり、燃料電池１の通常発電によって消費された量の水素ガス以上の水素ガスは供給（補充）されないので、新たな水素ガスの供給による温度低下を極力防止することができる。
【００１９】
ステップＳ１０においては、燃料電池１のセル電圧が発電時の基準電圧である所定値未満か否かを判定する。判定結果が「ＮＯ」で、所定値以上である場合はステップＳ７に戻り、判定結果が「ＹＥＳ」で所定値未満である場合はステップＳ１１に進む。図３ではＥからＦまでの時間ｄ（ハッチングで示す）でセル電圧が低下している。
このステップＳ１０の判定は水素ガス循環流路内に窒素や水などの反応に寄与しない成分が溜まっているか否かを判定するものである。
【００２０】
ステップＳ１１においては、大電流の発生を防止すべく図３の発電電流のチャートのハッチング部分に示すように発電電流を制限して発電を行いステップＳ７へ戻る。
この場合には、水素ポンプ１４により昇圧された水素ガスを水素ガス循環流路１３内に供給する。ここで、水素が反応により消費されると、消費された分だけの水素ガスが供給される。つまり新たな低温の水素ガスを供給するのを極力抑えて、消費された量の水ガス素のみを供給することで、固体高分子電解質膜２の再氷結を防止して早期に固体高分子電解質膜２を活性化させるためである。
このような燃料電池１の発電制限により、図３に示すようにセル電圧が回復してゆき、Ｇの時点で燃料電池１の冷却水温が０°Ｃを超えれば燃料電池１は通常の運転に移行することができる。
【００２１】
上記実施形態によれば、通常は発電時パージ処理、つまりセル電圧が低下した場合、あるいは定期的にパージ弁１５を開いて行うパージ（排出）処理を行うようにしているが、始動時においては、燃料電池１の冷却水温度、つまり内部温度が氷点下である場合には、パージ弁１５の開作動を禁止して閉作動させることで閉じられた水素ガス循環流路１３を形成し、反応に使用された量の水素ガスを新たに水素タンク１１から供給（補充）して、新たな水素ガスによる温度低下を防止しながら燃料電池１の温度を高めつつ、燃料電池１を始動することが可能となる。
よって、始動初期に生成される水分が固体高分子電解質膜２に再氷結するのを防止して早期に活性化させることができる。
したがって、パージ弁を適性に開閉制御することにより低温始動性を高めることができるため、様々な温度条件で運転される燃料電池車両用の燃料電池に適用した場合に好適である。
【００２２】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに限られるものではない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池から外部電気負荷に発電電力の供給を開始し、特に電気化学反応による水の生成が多い通常発電時に、閉じられた燃料ガス循環流路において燃料ガスを循環させるので、反応に使用された量の燃料ガスが供給（補充）され、新たな燃料ガスの供給による温度低下を極力防止しながら燃料電池の温度を高めつつ、燃料電池を始動することが可能となるため、始動初期に生成される水分が反応膜に再氷結するのを防止して早期に活性化させることができるという効果がある。
【００２４】
請求項２に記載した発明によれば、パージを禁止しているときであって、発電電圧が基準電圧を下回った場合でも発電電流を制限するので、新たな燃料ガスの供給による温度低下を防止しながら、発電電圧を回復させることが可能となるため、水分が反応膜に再氷結するのを防止して、早期に活性化させることができると共に燃料電池の電圧回復を図ることができるので、燃料電池の温度を早期に上げることができ、燃料電池の低温始動性を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明の実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池の氷点下始動処理を示すフローチャート図である。
【図３】この発明の実施形態のタイムチャート図である。
【符号の説明】
１燃料電池
１２水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）
１３水素ガス循環流路（燃料ガス循環流路）
１５パージ弁
１６水素ガス排出流路（燃料ガス排出流路）

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、前記燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの始動方法であって、前記燃料電池へ前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池から外部電気負荷へ発電電力の供給を開始した後に、前記燃料電池の温度が所定の温度未満である場合には、前記パージ弁の開作動を禁止することで、燃料ガス循環流路を閉じた状態とし、前記燃料電池の温度が所定の温度以上であるときは前記パージ弁の開作動を許可することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
前記パージ弁の開作動を禁止しているときであって、前記燃料電池の発電電圧が、基準電圧を下回った場合に、前記燃料電池から外部電気負荷への発電電力の供給を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの始動方法。