JP2005116402A - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの起動時に、電極触媒の劣化や腐食を防止しつつ、燃料極側から酸化剤極側へリークした水素ガスが系外へ放出される際の濃度を低下させる。
【解決手段】Ｓ１では、燃料極に水素ガスの供給を開始する。水素ガス流量の増加と共に、酸化剤極３に残っている酸素によって、燃料電池の電圧が立ち上がる。Ｓ２では、電圧が触媒の腐食・劣化を促進する第一の所定値になった時に、スイッチを閉じて負荷を接続する。Ｓ３では、電圧が第一の所定値より小さい第二の所定値まで降下してきたら、酸化剤極に空気の供給を開始する。Ｓ４では、燃料電池電圧が第一及び第二の所定値の範囲以内に保たれるように、コンプレッサ及び空気圧力調整弁を制御して空気流量を制御する。Ｓ５では、燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断した場合、通常発電状態の水素量と空気量とを供給するとともに、通常運転時の負荷電流を取り出す。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの起動方法に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。

固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池においては、燃料極及び酸化剤極に設けられた電極触媒の活性度が発電性能に大きく影響する。そして、燃料電池の起動時に無負荷状態となると、負荷電流による酸化剤極への電子供給が無くなり酸化剤極が燃料極に対して高電位に曝されるので、酸化剤極の白金触媒微粒子の粗大化や白金触媒を担持するカーボン材料の酸化が急速に進み、触媒活性の低下や触媒担持体の腐食が生じるという問題点があった。

この問題点に対処するため、特許文献１記載の燃料電池の起動方法においては、システム起動時に、まず燃料極側に燃料ガスのみ供給し、燃料極側が燃料ガスで十分に置換された後、酸化剤極側への酸化剤ガス供給と外部負荷接続を同時に行い、無負荷状態での高電圧状態を避け、酸化剤極側の触媒層の腐食・劣化を抑制するとともに、燃料ガス不足による燃料極側の触媒層の腐食・劣化を抑制しようとしている。しかしながら、このような起動方法では、前回の停止から時間が経ち、拡散等によって酸化剤極側に酸素が存在していた場合、燃料ガスの供給とともに、触媒劣化が発生するような高電圧状態となってしまう。

それに対して、特許文献２記載の燃料電池の起動方法では、起動時における無負荷状態の高電圧を避けるために、供給する燃料ガスと酸化剤ガスの流量を増加方向に制御するとともに、予備的な負荷を用いて電圧を所定値に制御して、触媒層の劣化を抑制する方法が知られている。
特開平９−１２０８３０号公報（第３頁、図１） 特公平７−０６３０２０号公報（第３頁、図３）

先述したように、特許文献１記載の技術では、前回の停止から時間が経ち、拡散等によって酸化剤極側に酸素が存在していた場合、燃料ガスの供給とともに、触媒劣化が発生するような高電圧状態となるという問題点があった。

また、特許文献２記載の技術のように、燃料ガス及び酸化剤ガスを同時に供給し、負荷を接続して、電圧を抑制する方法を取ると、常に電圧が立ち、電流が流れることになる。その場合、外部の蓄電池の容量や抵抗の発熱等により電圧抑制能力が制限されるという問題点があった。

そこで、まず燃料ガスを供給して、酸化剤極側の残酸素によって発生する電圧が触媒の劣化を促進する電圧に達した時点で予備負荷を接続する。そして、酸化剤極側の酸素の消費とともに低下する電圧に合わせて、取り出す負荷を調整し、燃料極側が燃料ガスに置換されるのを待った後、酸化剤ガスを供給するとともに負荷を接続する上記二つを組み合わせた方法を取ることができる。このようにすると、高電圧状態を避けることができるとともに、常に負荷を取る必要がないので、外部の蓄電池や抵抗の発熱等の制限が緩和される。

しかしながら、上記のような起動方法では、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークしてくる水素は、酸素が存在する間は触媒表面上で酸素と反応し消費されるが、酸素が欠乏してきた場合（電圧が低下してきた場合）、クロスリークしてきた水素は酸化剤極側に蓄積してくる。この状態で、起動を続行し酸化剤極側へ酸化剤ガスを供給した場合、システム外部へ酸化剤ガスの排気とともに排出される水素濃度が高くなってしまうという問題点が生じる。

本発明は、上記問題点を解決するため、燃料極に供給された水素と酸化剤極に供給された酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体から電力を負荷へ供給する燃料電池システムの起動方法において、酸化剤極への酸化剤ガス供給を遮断しかつ燃料電池本体と負荷との接続を遮断した状態で、燃料極へ燃料ガスの供給を開始する第１ステップと、燃料電池本体の電圧が第１の所定値以上になった場合に、燃料電池本体と負荷とを接続する第２ステップと、燃料電池本体の電圧が第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスの供給を開始する第３ステップと、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池システムの起動時における燃料極と酸化剤極との電圧を酸化剤極触媒の劣化や腐食に至る電圧以下に制御することができるという効果がある。

また、燃料電池システムの起動時に燃料極側から酸化剤極側へクロスリークする水素を消費することができ、酸化剤ガスの供給開始とともにシステム外部へ排出される水素濃度を許容限度以下に低減することができるという効果がある。

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、燃料電池車両に好適な燃料電池システムの起動方法である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの起動方法の実施例１が適用される燃料電池システム１の構成を説明するシステム構成図である。実施例１は請求項１から請求項４に相当する。この燃料電池システムは、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気を用いる一般的な構成である。

図１において、燃料電池システム１は、酸化剤極３と燃料極４とを有する燃料電池本体２と、酸化剤極３の入口に空気を供給するコンプレッサ５と、酸化剤極３の出口から排出される空気量を調整することにより酸化剤極の圧力を調整する空気圧力調整弁６と、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク７と、高圧水素ガスの圧力を運転状態に応じた圧力に調整する水素圧力調整弁８と、水素圧力調整弁で圧力調整された新規水素ガスと燃料極４から排出されたガスとを混合して燃料極４に供給するエゼクタ９と、燃料極４から外部へ燃料ガスを放出するパージ弁１０と、燃料極４から排出された燃料ガスをエゼクタ９の吸込口へ再循環させる水素循環経路１１と、燃料電池本体２と負荷装置１４との電気的接続を開閉（接続・遮断）するスイッチ１２と、燃料電池本体２から負荷装置１４へ供給される電流を測定する電流計１３と、燃料電池本体２が発電した電力を消費する負荷装置１４と、燃料電池本体２の電圧を測定する電圧計１５と、燃料電池システム１を制御するコントローラ１６とを備えている。

燃料電池車両の場合、燃料電池本体２が発電した電力を消費する負荷装置１４は、車両駆動モータに供給する電力を制御する電力制御装置及び蓄電池等である。

燃料電池本体２と負荷装置１４とを接続するスイッチ１２は、メカニカルなスイッチやリレーでもよいが、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチ、またはメカニカルなスイッチと半導体スイッチとを直列接続した開閉手段でもよい。

また、図示していないが、発電にともなう燃料電池本体２の発熱を冷却する冷却水経路と冷却水圧送ポンプと冷却水放熱装置（ラジエター）を備えている。

コントローラ１６には、電流計１３及び電圧計１５の検出信号が接続され、燃料電池本体２の電圧値を検知するとともに、燃料電池本体２から負荷装置１４へ供給される電流値を検知できるようになっている。

また、コントローラ１６は、コンプレッサ５，空気圧力調整弁６，水素圧力調整弁８，パージ弁１０、及びスイッチ１２に対して制御信号を出力して、燃料電池システム起動時のシーケンスを制御するとともに、通常運転時のシステム制御を行うものである。

さらに、コントローラ１６は、酸化剤極３への酸化剤ガス（空気）供給を遮断しかつ燃料電池本体２と負荷装置１４との接続を遮断した状態で、燃料極４へ燃料ガス（水素）の供給を開始する第１ステップと、燃料電池本体１の電圧が第１の所定値以上になった場合に、燃料電池本体２と負荷装置１４とを接続する第２ステップと、燃料電池本体２の電圧が第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、酸化剤極３に酸化剤ガスの供給を開始する第３ステップとを含む燃料電池システムの起動方法を実行する制御装置である。

尚、特に限定されないが、本実施例におけるコントローラ１６は、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行する制御プログラム及び制御用データを記憶したＲＯＭ、作業用のＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、燃料電池システムの起動時の制御及び通常運転時の制御は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現されている。

次に、上記構成の燃料電池システムの作用を説明する。

通常運転時には、水素タンク７からの高圧水素ガスが水素圧力調整弁１２によって適正な圧力に調圧制御されたのち、燃料電池本体２に供給される。燃料電池本体２へは発電に必要以上の水素ガスを供給する必要があり、燃料電池本体２からは反応に寄与しなかった水素ガスが排出され、燃費向上を計るため、エゼクタ９を用いて、再利用をしている。さらに、水素ガスは閉ループで循環しているため、燃料極４と水素循環経路１１とを含む燃料ガス循環系に窒素等の不純物の蓄積が起こり、燃料電池の性能低下の原因となる。そこで、パージ弁１０を開いて、不純物が蓄積した燃料ガスを外部へ排出する。

また、コンプレッサ５から発電に必要以上の空気を燃料電池本体２に供給し、燃料電池本体２の酸化剤極３の下流にある空気圧力調整弁６によって空気極の圧力を制御する。

次に、図１乃至図３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの起動手順について説明する。

図２は、本発明による図１に記載した燃料電池システムの起動時における水素流量、燃料電池電圧、空気流量、負荷電流、酸化剤極側の水素蓄積量の時間経過を示すタイムチャートである。燃料電池システムの起動開始前の初期状態では、コンプレッサ５は停止し、空気圧力調整弁６，水素圧力調整弁８及びパージ弁１０は、それぞれ閉じた状態にあり（空気圧力調整弁６，パージ弁１０は閉でなくても構わない。）、燃料電池本体２と負荷装置１４との間のスイッチ１２は開（遮断）状態にある。

まず起動の第１ステップ（以下、図２では第ｉステップをＳｉ（ｉ＝１〜５）と略す）では、水素圧力調整弁８を徐々に開くとともにパージ弁１０も開いて、燃料電池本体２の燃料極４に水素ガスの供給を開始する。これにより、図２（ａ）に示すように、水素ガスの供給量が増加し、水素ガス流量の増加に従って酸化剤極３に残っている酸素によって、図２（ｂ）に示すように燃料電池本体２の電圧が立ち上がる。

第２ステップ（Ｓ２）では、燃料電池の電圧が触媒の腐食・劣化を促進する第一の所定値（例えば一セルあたり０．８Ｖ）になった時に、燃料電池本体２と負荷装置１４とを接続するスイッチ１２を閉じることで負荷電流が流れる。この負荷装置は固定抵抗や蓄電池などである。酸化剤極３側の酸素が負荷電流の供給により消費されるに従い、燃料電池電圧が低下していく。また、燃料極４側から酸化剤極３側へクロスリークする水素が酸化剤極３の酸素量の低下とともに、酸化剤極３側へ蓄積し始める。

第３ステップ（Ｓ３）では、燃料電池電圧が第一の所定値より小さい第二の所定値（例えば転極が生じない一セルあたり０．３Ｖ）まで降下してきたら、コンプレッサ５を起動するとともに空気圧力調整弁６を開くことにより、酸化剤極３に空気の供給を開始する。

第４ステップ（Ｓ４）では、空気の供給とともに、再度燃料電池電圧が上昇してくるため、燃料電池電圧が第一及び第二の所定値の範囲以内に保たれるように、コンプレッサ５及び空気圧力調整弁６を制御して空気流量を制御する。

第５ステップ（Ｓ５）では、燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断した場合、パージ弁１０を閉止し、通常発電状態の水素量と空気量とを供給するとともに、負荷装置から通常運転時の負荷電流取り出しを実施する。これで起動シーケンスを終了し、以後通常発電状態となる。

図３は、本実施例におけるコントローラ１６による起動手順を更に詳細に説明するフローチャートである。

まず、Ｓ１０において、起動開始前の初期状態が示されている。初期状態では、コンプレッサ５は停止し、空気圧力調整弁６，水素圧力調整弁８及びパージ弁１０は、それぞれ閉じた状態にあり、燃料電池本体２と負荷装置１４との間を開閉するスイッチ１２は開（遮断）状態にある（空気圧力調整弁６，パージ弁１０は閉でなくても構わない。）。

燃料電池システム起動の最初のステップであるＳ１２では、コントローラ１６から水素圧力調整弁８に対して所定圧力まで水素圧力調整弁８を開く信号を出力するとともに、パージ弁１０を開いて、水素圧力調整弁８から燃料極４へ水素の供給を開始する（図２のＳ１に相当）。これにより、水素ガス流量の増加するに従って、燃料極に供給された水素と酸化剤極３に残っている酸素によって、燃料電池本体２の電圧が立ち上がる。

次いでコントローラ１６は、Ｓ１４において、電圧計１５から燃料電池の電圧値を読み込み、Ｓ１６では、燃料電池の電圧値が触媒の腐食・劣化を始める虞が生じる第一の所定値Ｖ１（例えば一セルあたり０．８Ｖ）を超えたか否かを判定する。

Ｓ１６の判定で、電圧値が第一の所定値Ｖ１を超えていなければ、Ｓ１４へ戻る。

Ｓ１６の判定で、電圧値が第一の所定値Ｖ１を超えていれば、Ｓ１８へ進み、スイッチ１２を閉じて、燃料電池本体２と負荷装置１４を接続する（図２のＳ２に相当）。これにより、燃料電池本体２から負荷装置１４へ負荷電流が流れる。このときの負荷は固定抵抗や蓄電池などである。負荷電流の供給により酸化剤極３側の酸素が消費されるに従い、燃料電池電圧が低下する。また、燃料極４側から酸化剤極３側へクロスリークする水素が酸化剤極３の酸素量の低下とともに、酸化剤極３側へ蓄積し始める。

次いでコントローラ１６は、Ｓ２０において、電圧計１５から燃料電池の電圧値を読み込み、Ｓ２２では、燃料電池の電圧値が第一の所定値Ｖ１より小さい第二の所定値Ｖ２（例えば、転極が生じない一セルあたり０．３Ｖ）未満となったか否かを判定する。

Ｓ２２の判定で、電圧値が第二の所定値Ｖ２以上であれば、Ｓ２０へ戻る。

Ｓ２２の判定で、電圧値が第二の所定値Ｖ２未満であれば、Ｓ２４へ進み、コンプレッサ５を起動するとともに、空気圧力調整弁６の開度制御を始めることにより、酸化剤極３に空気の供給を開始する（図２のＳ３に相当）。この空気の供給とともに、再度燃料電池本体２の電圧が上昇してくる。

次いでコントローラ１６は、Ｓ２６で経過時間の計測を開始する。

次いで、コントローラ１６は、Ｓ２８において、電圧計１５から燃料電池の電圧値を読み込み、Ｓ３０では、燃料電池の電圧値が前記第一の所定値Ｖ１（例えば一セルあたり０．８Ｖ）を超えたか否かを判定する。Ｓ３０の判定で、電圧値が第一の所定値Ｖ１を超えていなければ、Ｓ３４へ進む。Ｓ３０の判定で、電圧値が第一の所定値Ｖ１を超えていれば、Ｓ３２へ進む。Ｓ３２では、コンプレッサ５の回転速度を低下すると共に空気圧力調整弁６を調整する制御を行って、酸化剤極３への空気供給量を減少して、Ｓ３８へ進む。

Ｓ３４では、燃料電池の電圧値が前記第二の所定値Ｖ２（例えば一セルあたり０．３Ｖ）未満となったか否かを判定する。Ｓ３４の判定で、電圧値が第二の所定値Ｖ２以上であれば、Ｓ３８へ進む。Ｓ３４の判定で、電圧値が第二の所定値Ｖ２未満であれば、Ｓ３６へ進む。Ｓ３６では、コンプレッサ５の回転速度を上昇すると共に空気圧力調整弁６を調整する制御を行って、酸化剤極３への空気供給量を増加して、Ｓ３８へ進む。

Ｓ３８では、所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間経過していなければ、Ｓ２８へ戻る。Ｓ３８の判定で用いる所定時間は、予め実験的に求めておいた燃料極４側水素ガス通路及び水素循環経路１１を含む燃料ガス循環路内のガス置換に必要な時間である。

以上のＳ２８からＳ３８までを繰り返すループでは、空気の供給とともに、再度燃料電池電圧が上昇してくるため、燃料電池電圧が第一及び第二の所定値の範囲以内に保たれるように、コンプレッサ５及び空気圧力調整弁６を制御して空気流量を制御する（図２のＳ４に相当）。

Ｓ３８の判定で、所定時間経過していれば、燃料極４及び水素循環経路１１を含む燃料極側の通路が均一に燃料ガスである水素で置換されたとして、パージ弁１０を閉じて、通常発電状態の水素量と空気量とを供給するとともに、負荷装置から通常運転時の負荷電流取り出しを実施する（図２のＳ５に相当）。これで起動シーケンスを終了し、以後通常発電状態となる。

次に、比較例として、従来の起動手順を図４、図５を用いて説明する。以下の各比較例における燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。

図４に示す比較例１では、Ｓ１’において、水素ガス、空気を同時に供給開始する。次いで、Ｓ２’において、燃料電池の電圧が触媒の腐食を促進する所定値になった時に、負荷装置を接続することで電流が流れる。Ｓ２’からＳ５’の間で燃料電池電圧が触媒の腐食を促進する所定値以下になるように負荷電流の取り出しを続ける。次いで、Ｓ５’で燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断した場合、通常発電状態の水素量と空気量の供給と通常運転時の負荷電流取り出しを実施する。Ｓ５’以降では、通常発電を行う。

図５に示す比較例２では、Ｓ１”において、水素ガスのみを供給開始する。次いで、Ｓ２”において、燃料電池の電圧が触媒の劣化や腐食を促進する所定値になった時に、負荷装置を接続することで電流が流れる。次いで、Ｓ２”からＳ５”の間で酸化剤極側の酸素が発電消費されるに従い、電圧が低下していく。また、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークしてくる水素の蓄積量は増加していく。次いで、Ｓ５”において、燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断した場合、通常発電状態の水素量と空気量の供給と負荷電流取り出しを実施する。Ｓ５”以降では、通常発電を行う。

次に、比較例と比較して本実施例の効果を説明する。

図４で説明した比較例１の起動手順では、Ｓ２’〜Ｓ５’において、水素ガスと空気が常に供給されており、燃料電池の電圧を触媒の劣化や腐食が促進されない状態に維持するためには、負荷電流を取り出し続ける必要があり、外部の蓄電池の容量や固定抵抗の発熱を考慮に入れる必要がある。しかし、常に酸化剤極側に空気が供給されているため、酸化剤極側に水素は蓄積しない。

図５で説明した比較例２の起動手順では、Ｓ２”〜Ｓ５”において酸化剤極側に水素蓄積量が大きいため、Ｓ５”での空気供給開始とともにシステム外部へ高水素濃度の排気が排出されるという欠点がある。しかし、Ｓ２”〜Ｓ５”において酸化剤極側の残酸素が消費されてしまうと、負荷電流を取り出す必要がないため、外部蓄電池の容量や固定抵抗の発熱による制限が緩和される。

それに対して、本発明の実施例１では、図２で説明したＳ４にて、燃料電池の電圧を触媒の劣化や腐食が生じない範囲内に収めるように、空気供給量を制御することで、常に負荷電流を取り出し続ける必要がなく、さらに、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークしてくる水素を消費することができるので、外部蓄電池の容量や固定抵抗の発熱による制限が緩和されるだけでなく、Ｓ５の通常の空気流量の供給開始とともに、システム外部へ排出される水素濃度を低減することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの起動方法の実施例２を説明する。実施例２は請求項５に相当する。燃料電池システムの起動方法の実施例２が適用される燃料電池システムの構成及びその起動方法は、図１に示した実施例１とほぼ同様である。

実施例２が実施例１と異なる点は、燃料電池本体２を構成する全ての単セルの燃料極側が燃料ガス（水素）で均一に置換されたと判断する第５ステップのために、例えば、すべての単セルのセル電圧を検出するセル電圧検出装置を設け、各セルの電圧をモニタしてセル電圧の偏差が所定以下となったことで燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断していることである。

また、燃料極出口付近に水素濃度センサを設け、燃料極出口から排出される排水素ガス中の水素濃度を監視することにより、燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断することもできる。

本実施例によれば、燃料極側が燃料ガスで均一に置換された後に、通常運転時の負荷電流を出力させるため、燃料ガスの不足による燃料極側の触媒腐食を避けることができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの起動方法の実施例３を説明する。実施例３は請求項６及び請求項７に相当する。燃料電池システムの起動方法の実施例２が適用される燃料電池システムの構成及びその起動方法は、図１に示した実施例１とほぼ同様である。

図６は、本実施例における酸化剤極の酸素分圧と燃料電池電圧との関係の温度依存性を説明する図である。

酸化剤極中の酸素分圧と電圧は、一般に次に示す（１）式のようになる。

（数１）
Ｅ＝{(ＲＴ)／(２Ｆ)}ln(Ｐ) …（１）
ここで、Ｐ：酸素分圧、Ｔ：燃料電池の運転温度（絶対温度）、Ｅ：燃料電池電圧、Ｆ：ファラデー定数、Ｒ：気体定数である。

つまり、燃料電池の電圧は、運転温度が高いほど、酸素分圧が高いほど高くなる。この式を定性的に示すと図６のようになる。このグラフは３点の異なる温度別（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）に酸素分圧と燃料電池の電圧との関係を示したものである。これからわかるように、電圧をある所定範囲内（図６では、Ｅ１〜Ｅ２の範囲）にするための酸素分圧の範囲は、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３では、それぞれΔＰ１、ΔＰ２、ΔＰ３となる。そして、これらの大小関係は、ΔＰ１＞ΔＰ２＞ΔＰ３となり、温度が高ければ高いほど、一定の電圧範囲を維持する為の酸素分圧の範囲は狭くなる。言い換えると、電圧変化における酸素分圧の感度は高温ほど高くなる。

そこで、本実施例においては、図１には図示しない燃料電池の温度センサを設け、この温度センサで検出した燃料電池の内部温度を使用して、燃料電池システムの起動制御を行う。即ち、温度センサが検出した燃料電池内部温度が高い場合は、実施例１のＳ４における供給空気量の制御量の変化率を小さくすることで、酸素分圧の変化率を小さくすることができるので、燃料電池本体の電圧値を所定範囲内に制御しやすくなる。これとは逆に、燃料電池内部温度が低い場合は、供給空気量の変化率を大きくすることで、酸素分圧の変化率を大きくできるので、燃料電池本体の電圧値を所定範囲内に制御しやすくなる。

また、本発明では通常運転時より少流量の空気量を制御して、燃料電池電圧を所定範囲に収める必要があるため、精密な空気流量制御が必要である。通常発電時に使用するコンプレッサまたはブロア等で空気の小流量の制御が困難であれば、起動用に別途小流量制御可能なポンプを備えたり、オリフィスを通った空気のみを燃料電池本体に供給したりすることで、正確な流量制御が可能である。

本発明に係る燃料電池システムの起動方法が適用される燃料電池システムの構成図である。 実施例１の燃料電池システムの起動方法を説明するタイムチャートである。 実施例１の起動方法の詳細を説明するフローチャートである。 比較例１の燃料電池システムの起動方法を説明するタイムチャートである。 比較例２の燃料電池システムの起動方法を説明するタイムチャートである。 実施例３における酸化剤極の酸素分圧と燃料電池電圧との関係の温度依存性を説明する図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池本体
３…酸化剤極
４…燃料極
５…コンプレッサ
６…空気圧力調整弁
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…水素循環経路
１２…スイッチ
１３…電流計
１４…負荷装置
１５…電圧計
１６…コントローラ

Claims (7)

1. 燃料極に供給された水素と酸化剤極に供給された酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体から電力を負荷装置へ供給する燃料電池システムの起動方法において、
   酸化剤極への酸化剤ガス供給を遮断しかつ燃料電池本体と負荷装置との接続を遮断した状態で、燃料極へ燃料ガスの供給を開始する第１ステップと、
   燃料電池本体の電圧が第１の所定値以上になった場合に、燃料電池本体と負荷装置とを接続する第２ステップと、
   燃料電池本体の電圧が第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスの供給を開始する第３ステップと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 前記第３ステップの後に、燃料電池本体の電圧が所定範囲となるように、酸化剤極に供給する酸化剤ガスの供給量を制御する第４ステップを備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
3. 前記第４ステップにおいて、燃料電池本体の電圧が前記第１の所定値以上になった場合、酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 前記第４ステップにおいて、燃料電池本体の電圧が前記第２の所定値以下になった場合、酸化剤ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの起動方法。
5. すべての単セルの燃料極側が燃料ガスで均一に置換されたと判断した場合に、燃料ガスの供給、酸化剤ガスの供給及び負荷装置を通常運転状態に制御する第５ステップを備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
6. 燃料電池本体の内部温度が所定温度より高い場合には、前記酸化剤ガス供給量を減少または増加させる際の変化率を所定変化率より小さくすることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
7. 燃料電池本体の内部温度が所定温度より低い場合には、前記酸化剤ガス供給量を減少または増加させる際の変化率を所定変化率より大きくすることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。

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