JP2005183354A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料電池システムの起動時に、電解質膜上の触媒担持炭素の被毒を防止しながら起動時間を短縮させる。
【解決手段】 燃料電池システムの起動時に、コントローラ３０は、燃料電池１のアノード１ａへ水素ガスの供給を開始してから、電圧センサ２１が検出する燃料電池１のセル群電圧の最大値または総電圧が所定状態となったときに、カソード１ｂへの空気の供給を停止したまま水素ガスの供給を続けながら燃料電池１から電力を取り出す劣化防止制御を行う。劣化防止制御中に、カソード１ｂの酸素が所定以上消費されたと判断したときに、アノード１ａへ供給する水素を増量する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、炭素を担体とした電極触媒を有する燃料電池システムに係り、特に起動停止時の制御を改善して触媒劣化を防止した燃料電池システムに関する。
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剤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。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位であるセルは、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）と、燃料極側に燃料ガスとしての水素を供給するセパレータと、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するセパレータとを備えて構成されている。これらの電極触媒層は、通常白金等の触媒と、触媒担体としての炭素が使用されている（例えば特許文献１）。
固体高分子型燃料電池において、アノードに水素ガスが、カソードに空気（又は酸素）が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
（化１）
アノード（燃料極） ：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ …（２）
燃料電池の電解質膜には反応触媒としてプラチナ微粒子などが塗られる。プラチナは高価であるため、一般的には炭素を担体として炭素の表面に塗られる。
特開２００２−３７３６７４号公報（第５頁、図１）
しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池の電解質膜にあっては、燃料電池システムの停止時、放置時、或いは起動時に、カソードで電解質膜上の炭素と水が反応して炭素被毒が起こり、電解質膜及び電極触媒が劣化するという問題点があった。
この現象を図１を参照して、さらに詳しく説明する。図１（ａ）は、燃料電池の起動／停止時のセル内の様子を説明する模式図である。図１（ｂ）の左側は、起動／停止時に炭素被毒が発生する条件を説明する表である。
燃料電池システムの運転停止時に、カソードとアノードにそれぞれ酸素と水素が残った状態で負荷の接続を切り離して放置したとき、また、起動時にアノードに水素を供給し始めたときには、アノードは水素と酸素が混在した状態となる。
このとき、アノードからカソードへプロトン（Ｈ+ ）が移動し、移動したプロトンとカソードの酸素が反応して水が生成される。この反応では電子（ｅ- ）が必要とされるが、負荷が接続されていないため負荷電流は停止し、アノードからカソードへ電子が負荷を通じて移動できない。そのため、カソードに存在する水と電解質膜上の触媒担持炭素とが反応して、二酸化炭素とプロトンと電子が生成する。こうして生成された電子がカソード水生成反応に使われる。このとき電解質膜上の炭素が奪われて、電解質膜が劣化する。
アノードでは水素が存在する領域と空気が存在する領域とが混在している。アノードの水素が存在する領域では、水素が解離してプロトンと電子が生じる。アノードの空気が存在する領域では、酸素と、カソードから移動したプロトンと、水素のプロトン化で生じた電子とが反応して水が生成される。
燃料電池の開放端電圧が高いと電子の移動が起こりやすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜の炭素被毒が激しくなる。
以上を纏めると、燃料電池の停止時及び停止後の放置時には、カソードに空気（酸素）が残っていること、アノードに水素が残っていて外部から空気（酸素）が流入してくること、電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。
また、燃料電池の起動時には、カソードに空気（酸素）が外部から入ってきていること、アノードに水素供給が開始され、空気（酸素）と水素とが混ざっていること、アノードに水素が満たされるまで電力取り出しが停止していること、開放端電圧が高いことにより、電解質膜状のプラチナ触媒担体の炭素が被毒を起こす条件が成立する。
電解質膜の触媒担持炭素の被毒は、燃料電池出力のＩ−Ｖ特性に影響を及ぼす。即ち同一出力電流を取り出したときに炭素被毒したものは被毒しないものより出力電圧が低下し、大きな発電電力を得ることができなくなる。
そこでこのような燃料電池において触媒を劣化させない起動方法として、燃料電池の起動時に燃料ガス、酸化剤ガスを供給する際に、抵抗器等の電力（電流）消費のための補助回路を燃料電池値に接続して燃料電池のセル電圧が上昇することを抑制し、補助回路を流れる電流が所定値まで低下した時、あるいは補助回路の電圧が所定値まで低下した後に、本来の負荷回路を接続するという劣化防止制御を行うことが考えられる。
しかし、補助回路の電圧が十分に低下するには時間が掛かるため、それを待っていたのでは燃料電池システムの起動に時間が掛かってしまう、という問題点があった。
また、燃料電池システムの起動時に、燃料極での燃料ガス（水素）濃度が十分に上昇していないと燃料電池を劣化させる虞があるという問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑み、起動時に燃料ガスを供給する際に流量を抑制することで過大電圧が生じて燃料電池の触媒が劣化するのを防止すると同時に、燃料電池を劣化させるような過大電圧が生じない状態となった後は、燃料ガスの供給量を増量させて短時間でアノードガスの置換を済ませることで、燃料電池を劣化させることなく起動時間を短縮化することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムへの燃料ガスの供給開始を判断する燃料ガス供給開始判断手段と、燃料電池システムの運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の出力と、前記燃料ガス供給開始判断手段の出力とに基づいて燃料電池の劣化防止のための制御を行う燃料電池劣化防止制御手段と、前記燃料ガス供給開始判断手段及び前記燃料電池劣化防止制御手段の作動に応じて燃料ガス供給を制御する燃料ガス供給制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動制御中に劣化防止制御を行う場合において、前記燃料ガス供給開始判断手段の出力に基づいて少量での燃料ガス供給制御を開始し、前記燃料電池劣化防止制御手段での制御開始より後に前記燃料ガス供給制御手段による燃料ガス供給量の増量を行うことを要旨とする燃料電池システムである。
本発明によれば、劣化防止制御開始より後に燃料ガス供給量の増量を行う構成であるため、燃料電池を劣化させることなく燃料ガスによるアノード置換を迅速に行う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。以下に説明する各実施例は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
図２は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示す制御ブロック図である。
図中の１０１は、燃料電池システムに燃料ガスの供給開始を判断する燃料ガス供給開始判断手段、１０２は燃料電池システムの運転状態を検出する運転状態検出手段であり、１０３は、１０１と１０２の出力に基づいて燃料電池システムの劣化防止制御を行う燃料電池劣化防止制御手段である。１０４は、１０１と１０３の出力に基づいて燃料ガス供給の制御を行う燃料ガス供給制御手段である。
図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示すシステム構成図である。図２の構成要素と図３との対応は、運転状態検出手段１０２が燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ２１であり、燃料ガス供給開始判断手段１０１，燃料電池劣化防止制御手段１０３，及び燃料ガス供給制御手段１０４は、燃料電池システム全体を制御するコントローラ３０の機能の一部として実現されている。
尚、本実施例では特に限定されないが、コントローラ３０は、ＣＰＵと、プログラム及び制御パラメータを記憶する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として実現されている。
図３において、燃料電池（燃料電池本体）１は、特に限定されないが内部加湿型であり、アノード１ａ、カソード１ｂ、電解質膜１ｃ、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅ、純水により反応ガスを加湿するための純水極１ｆ、１ｇ、純水極１ｇと冷却水流路１ｉを分離するセパレータ１ｈ、冷却水流路１ｉを備えている。
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の中間圧力まで減圧され、水素供給弁４で中間圧力が所望の水素圧まで減圧制御されてアノード１ａへ供給される。
燃料電池システム全体の制御は、システム全体を制御するコントローラ３０により、カソード１ｂの空気圧力制御、アノード１ａの水素圧力制御、低温環境下での燃料電池停止時に純水を純水タンク１３へ回収するように制御する純水回収制御、燃料電池の起動時にカソードの酸素消費を制御するカソード酸素消費制御が行われる。
また、コントローラ３０からの指示により、冷却水温度制御手段２４が、冷却水ポンプ１５，三方弁１６，ラジエタファン１８を制御して、燃料電池１の冷却水出口に設けられた温度センサ１９が検出する燃料電池温度を所望の温度に制御している。
エゼクタ５及び水素循環ポンプ８は、水素供給弁４から供給される新規水素とアノード１ａで消費されなかった水素とを混合してアノード１ａに供給する再循環を行わせるための燃料ガス循環装置として設置されている。水素循環ポンプ８はエゼクタ５が作動しない水素流量の領域で水素循環機能を補うために設置されている。
アノード１ａの水素圧は、コントローラ３０が圧力センサ６ａで検出した圧力をフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。
アノード１ａと希釈ブロア９との間に設けられたパージ弁７は、次の（１）から（３）に示すような場合に開く。（１）水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）燃料電池の劣化を防止するために、起動時にアノード１ａのみガスを供給してカソード１ｂの酸素を電力消費させるカソード酸素消費制御を行いつつ水素系内のガスを水素置換する。また停止時にもカソード酸素消費制御をおこなう。
希釈ブロア９は、パージ弁７から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈してシステム外へ排出する。
カソード１ｂへの空気はコンプレッサ１０から供給される。カソード１ｂの空気圧は、カソード入口に設けられた圧力センサ６ｂで検出される。コントローラ３０は、圧力センサ６ｂが検出した圧力をフィードバック制御して空気調圧弁１１を駆動することによって、カソード空気圧を所望の値に制御する。
純水極１ｆ、１ｇが使用する加湿用の純水は、純水タンク１３から純水ポンプ１２により供給される。空気圧、水素圧、純水圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜１ｃやセパレータ１ｄ，１ｅに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。純水極１ｆ、１ｇに供給された純水の一部は、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅを介してアノードの水素、カソードの空気をそれぞれ加湿する。純水の残部は、純水シャット弁１４ｄを介して純水タンク１３へ戻る。
またコントローラ３０は、純水回収弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び純水シャット弁１４ｄを駆動することによって、燃料電池１の純水極１ｆ、１ｇ及び純水系配管内の純水をコンプレッサ１０がカソード１ｂに供給する空気圧で純水タンク１３へ回収する。純水が純水極１ｆ、１ｇに残ったままの状態で燃料電池システムを停止すると、氷点下においては純水が凍結膨張して燃料電池１が破損する可能性があるため、純水を純水タンク１３へ回収する。尚、純水タンク１３内部で純水が凍結しても、純水タンク１３が破損しないように構造上の工夫がされている。
純水シャット弁１４ｄは、純水配管への水素リークを抑制する開閉弁である。燃料電池システムの起動、停止時に、純水が純水極１ｆ、１ｇに循環していない状態で水素をアノード１ａへ供給する場合に、純水回収弁１４ｂ及び純水シャット弁１４ｄを閉じることによって、純水配管への水素リークを抑制することができる。
燃料電池１内部の冷却水流路１ｉへの冷却水は、冷却水ポンプ１５により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、走行風によるラジエタ１７の冷却が十分でないときに、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、冷却水温度制御手段２４が温度センサ１９で検出した冷却水温度をフィードバックして三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整される。
パワーマネージャー２０は、燃料電池１から電力を取り出して図示しない車両駆動モータなどの負荷装置へ電力を供給する。
コントローラ３０は、燃料電池の劣化防止の制御として、燃料電池システムの起動時、停止時に電圧センサ２１で検出された燃料電池電圧および経過時間に応じて、燃料電池から電力を取り出して、カソードの酸素を消費させる。
次に、図６、図７のフローチャートを参照して、実施例１の燃料電池システムにおける起動時の制御を説明する。図６は、実施例１におけるコントローラ３０による燃料電池システム起動時のゼネラルフローチャートであり、図７は水素供給増量判定のフローチャートである。
図６において、まずステップＳ１０で、水素供給弁４にアイドリング時の水素供給圧力を指定するとともに、水素タンク元弁３を開くことにより、水素タンク２から燃料電池１のアノード１ａへの水素供給を開始する。次いで、ステップＳ１２では、電圧センサ２１により燃料電池１のセル群電圧あるいは総電圧を検出し、シーケンスコントローラ３０へ読み込む。
ステップＳ１４では、ステップＳ１２の電圧検出結果に基づいて、劣化防止制御を開始するかどうかを判断する。この判断には、ステップＳ１２の検出電圧値と所定値Ｖｐとを比較し、検出電圧値が所定値Ｖｐ以上となっていれば、劣化防止制御を開始するために、ステップＳ１６へ移る。この所定値Ｖｐを劣化防止制御開始しきい値と呼ぶ。
ここで、電圧センサ２１が燃料電池１のセル群の電圧を検出するものであれば、検出したセル群電圧の最大値を電圧検出値として、所定値Ｖｐと比較する。
この比較対象の所定値Ｖｐは、予め実験などで求めた燃料電池１の劣化が生じる電圧値である劣化しきい値Ｖｄよりも小さい値を設定する（Ｖｐ＜Ｖｄ）。ステップＳ１４で、検出電圧値が所定値未満の場合には、ステップＳ１２へ戻る。
ステップＳ１６では、燃料電池の劣化防止のために、カソード１ｂの空気供給は停止したまま、アノード１ａへ水素供給を継続し、パワーマネージャー２０にカソード酸素消費のための燃料電池１からの電力取り出しを指示する劣化防止制御を開始する（図２の燃料電池劣化防止制御手段１０３に相当）。
このステップＳ１６での劣化防止制御における燃料電池１からの電力取り出しは、通常発電時の負荷装置であるパワーマネージャ２０で燃料電池１から電力（電流）を取り出す方法でもよいし、別途準備した抵抗器等を接続する方法でもよい。
次いでステップＳ１８で、アノード１ａへ供給する水素の流量を増量するか否かの判定を行い、ステップＳ２０ではステップＳ１８の判定結果を判断する。
このステップＳ１８における水素供給増量判定は、図７を参照して後述する。
ステップＳ２０で水素増量すると判断されなかった場合には、ステップＳ１８に戻る。
ステップＳ２０で、水素増量すると判断された場合には、ステップＳ２２へ進む。
ステップＳ２２では、水素供給弁４に指示する供給水素圧力を上げることによりアノード１ａに対する水素供給量の増量を行う。
ステップＳ２２での水素供給増量は、水素供給弁４から供給する水素の目標圧力値を上げることで水素供給量を増量してもよいし、水素を排出しているパージ弁７の開口面積を増加させることで水素供給量を増量してもよい。
また、少なくとも低流量用と高流量用それぞれの開弁時に流量が異なる複数の弁をアノード出口に備えておいて、低流量用弁から高流量用弁に使用する弁を切り換える方法でもよい。
次いで、ステップＳ２４ではアノード１ａの水素置換状態を判断し、ステップＳ２６でアノードガス置換が終了したかどうかを判断する。
ステップＳ２６でアノード１ａの水素置換がまだ終了していないと判断した場合には、ステップＳ２４に戻り、アノード１ａの水素置換が終了したと判断した場合には、ステップＳ２８へ進んで劣化防止制御を終了し、ステップＳ３０で燃料電池に対する要求電力に応じた空気及び水素ガスを供給する通常の発電を開始して、起動制御シーケンスを終了する。
図７は、図６のステップＳ１８における水素供給増量判定の手続きの内容を示すフローチャートである。本実施例では、劣化防止制御を開始すると同時に水素増量する例（請求項１、２に対応）であり、ステップＳ４０で無条件に水素を増量すると判定し、メインルーチンへリターンする。
次に、図８のフローチャートを参照して、実施例２の燃料電池システムにおける起動時の制御を説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図２，３に示した実施例１の構成と同様である。図６のゼネラルフローチャートは実施例１と同様であるので、図８についてのみ説明する。
図８は、図６のステップＳ１８での手続きの内容を示す。本実施例は、劣化防止制御を開始した後、カソードの酸素が消費されたと判断（カソード酸素消費判断手段）した後に水素供給増量を行う実施例（請求項３に対応）である。
図８のステップＳ５０で、カソード酸素消費判断のための酸素消費パラメータを検出する。ステップＳ５２では、検出された酸素消費パラメータに基づいて、カソードの酸素が消費されたか否かを判断する。
ステップＳ５２でカソードの酸素が消費済みであると判断した場合は、ステップＳ５４で水素を増量する判定を行いメインルーチンへリターンする。
ステップＳ５２でカソード酸素が消費済みでないと判断した場合には、水素を増量する判定を行うことなくメインルーチンへリターンする。
ステップＳ５０で検出する酸素消費パラメータは、電圧センサ２１が検出する燃料電池１の複数のセルからなるセル群の電圧値の最大値でもよいし、燃料電池スタックの総電圧でもよい。
酸素消費パラメータとしてセル群電圧の最大値または燃料電池の総電圧値とした場合には、ステップＳ５２では、セル群電圧の最大値または総電圧値が所定値以下となったときにカソード酸素が所定量以上消費されたと判定する。
また、カソードで空気中の酸素が消費されると、アノードからカソードへ電解質膜１ｃを透過（クロスオーバ）した水素が酸素と反応できなくなるため、パージ弁７の下流等に水素検知センサを設け、この水素検知センサによりパージ弁７等の空気系の経路の一部から水素が排出されたことを検知して、酸素消費パラメータとする方法でもよい。
また、劣化防止制御時に燃料電池１から取り出した出力電流を電流センサで検出し、この電流値の積分値により消費された酸素量を推定してもよい。この場合、空気系の容積と圧力からカソード酸素消費の判定値を算出することができる。
また、劣化防止用電力取り出しを開始してからの経過時間を計測する方法でもよい。さらに、これらの方法は単独でもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
燃料電池のカソードの経路の一部から燃料ガスが排出されたことを検知したときにカソードの酸素が消費されたと判断する構成とする場合、酸素消費を適切に判断することが可能となり、酸素消費を確実に検知してから次のステップに制御を進めることができる。
劣化防止制御の継続時間が所定時間を経過したときに、カソードの酸素が消費されたと判断する構成とする場合、制御ソフトの作成を容易に行うことができる。
図４は、比較例として、アノードの水素置換終了まで水素供給量を低流量とした場合における燃料電池の起動制御を示すタイムチャートである。
燃料電池へ燃料ガス（水素）を所定の流量（あるいは圧力）で供給開始（時刻ｔ０）し、セル電圧あるいは総電圧が劣化防止制御開始しきい値Ｖｐを超えたときに劣化防止制御を開始する（時刻ｔ１）。その結果、発電が行われてカソードの酸素量が減少する。しかし、この場合、燃料電池の電圧が所定の劣化しきい値Ｖｄを超えないようにするため、水素供給量を低流量としているため、そのまま低流量の水素供給を継続してもアノードを水素で置換するには時間が掛かり、アノードの水素置換終了（時刻ｔ３）までには長い時間が必要となってしまうため、つぎのシーケンスになかなか進むことができず起動に時間が掛かってしまうという問題点があった。
そこで本実施例２では、図５に示すように、燃料電池へ燃料ガス（水素）を所定の流量（あるいは圧力）で供給開始（時刻ｔ０）し、燃料電池のセル群電圧あるいは総電圧が劣化防止制御開始しきい値Ｖｐを超えたときに劣化防止制御を開始する（時刻ｔ１）。その後、カソードの酸素量が燃料電池の劣化を起こさない上限値相当となるまで電圧が低下したら（時刻ｔ２）、そこで水素供給量を増量する。これ以後、急速にアノードへ水素が供給され、アノードの水素置換完了（時刻ｔ３’＜時刻ｔ３）までに掛かる時間が短縮され、次のシーケンスに進むまでの時間も短縮できることから、燃料電池を劣化させることなく従来の方法よりも起動時間を短縮化することが可能となる。
次に図面を参照して、実施例３の燃料電池システムにおける起動時の制御を説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図２，３に示した実施例１の構成と同様である。
本実施例では、図３のコントローラ３０が、カソードガスの供給開始を判断するカソードガス供給開始判断手段と、運転状態検出手段の出力に基づいて燃料電池が劣化する可能性の判断を行う劣化可能性判断手段の役目を兼ね備える。
図９は、本実施例における燃料電池システムの起動時の制御を説明するゼネラルフローチャートである。本フローチャートの開始前の状態は、水素タンク元弁３は閉じた状態、コンプレッサ１０は停止した状態で、水素及び空気共に燃料電池１に供給されていない状態である。
図９において、まずステップＳ１０で、水素供給弁４にアイドリング時の水素供給圧力を指定するとともに、水素タンク元弁３を開くことにより、水素タンク２から燃料電池１のアノード１ａへの水素供給を開始する。次いで、ステップＳ１２では、電圧センサ２１により燃料電池１のセル群電圧あるいは総電圧を検出し、シーケンスコントローラ３０へ読み込む。
ステップＳ１４では、ステップＳ１２の電圧検出結果に基づいて、劣化防止制御を開始するかどうかを判断する。この判断には、ステップＳ１２の検出電圧値と所定値Ｖｐとを比較し、検出電圧値が所定値Ｖｐ以上となっていれば、劣化防止制御を開始するために、ステップＳ１６へ移る。この所定値Ｖｐを劣化防止制御開始しきい値と呼ぶ。
ここで、電圧センサ２１が燃料電池１のセル群の電圧を検出するものであれば、検出したセル群電圧の最大値を電圧検出値として、所定値Ｖｐと比較する。
この比較対象の所定値Ｖｐは、予め実験などで求めた燃料電池１の劣化が生じる電圧値である劣化しきい値Ｖｄよりも小さい値を設定する（Ｖｐ＜Ｖｄ）。ステップＳ１４で、検出電圧値が所定値未満の場合には、ステップＳ１２へ戻る。
ステップＳ１６では、燃料電池の劣化防止のために、カソード１ｂの空気供給は停止したまま、アノード１ａへ水素供給を継続し、パワーマネージャー２０にカソード酸素消費のための燃料電池１からの電力取り出しを指示する劣化防止制御を開始する（図２の燃料電池劣化防止制御手段１０３に相当）。
このステップＳ１６での劣化防止制御における燃料電池１からの電力取り出しは、通常発電時の負荷装置であるパワーマネージャ２０で燃料電池１から電力（電流）を取り出す方法でもよいし、別途準備した抵抗器等を接続する方法でもよい。
次いでステップＳ１８で、アノード１ａへ供給する水素の流量を増量するか否かの判定を行い、ステップＳ２０ではステップＳ１８の判定結果を判断する。
このステップＳ１８における水素供給増量判定の詳細は、実施例１において、図７を参照して詳述されている。
ステップＳ２０で水素増量すると判断されなかった場合には、ステップＳ１８に戻る。
ステップＳ２０で、水素増量すると判断された場合には、ステップＳ２２へ進む。
ステップＳ２２では、水素供給弁４に指示する供給水素圧力を上げることによりアノード１ａに対する水素供給量の増量を行う。また、ステップＳ２２では、コンプレッサ１０の駆動を開始して、カソード１ｂへ空気供給を開始する。
本実施例では、ステップＳ１８における水素供給増量判定をもって、燃料電池の劣化の可能性が少ないと判断し、カソード１ｂへ空気供給を許可している。
ステップＳ２２での水素供給増量は、水素供給弁４から供給する水素の目標圧力値を上げることで水素供給量を増量してもよいし、水素を排出しているパージ弁７の開口面積を増加させることで水素供給量を増量してもよい。
また、少なくとも低流量用と高流量用それぞれの開弁時に流量が異なる複数の弁をアノード出口に備えておいて、低流量用弁から高流量用弁に使用する弁を切り換える方法でもよい。
次いで、ステップＳ２４ではアノード１ａの水素置換状態を判断し、ステップＳ２６でアノードガス置換が終了したかどうかを判断する。
ステップＳ２６でアノード１ａの水素置換がまだ終了していないと判断した場合には、ステップＳ２４に戻り、アノード１ａの水素置換が終了したと判断した場合には、ステップＳ２８へ進んで劣化防止制御を終了し、ステップＳ３０で燃料電池に対する要求電力に応じた空気及び水素ガスを供給する通常の発電を開始して、起動制御シーケンスを終了する。
本実施例では、ステップＳ１８における水素供給増量判定をもって、燃料電池の劣化の可能性が少ないと判断し、カソード１ｂへ空気供給を許可しているので、アノード１ａの水素置換が完了する前に、カソード１ｂへ空気供給を開始させることにより燃料電池システムの起動時間の短縮を図ることができる。
なお、カソード１ｂへ空気供給の開始は、水素供給の増量と同時である必要は無く、アノード極内の水素の分布状態が燃料電池の劣化を引き起こさない状況となるような所定時間を予め実験等により求めておき、水素供給開始からの経過時間、あるいは水素供給増量からの経過時間により判定する構成としても良い。
また、カソード１ｂへの空気を純水タンク１３に供給して、純水ポンプ１２への呼び水供給を行うシステムでは、起動準備に時間が掛かるため、本発明のように水素置換が完了する前に早めにコンプレッサを起動させることで、燃料電池システムの起動時間短縮に特に効果的である。
（ａ）起動／停止時の燃料電池の模式図である。（ｂ）起動／停止時の炭素被毒条件とその解決手段を示す表である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１の要部構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。 比較例における燃料電池システム起動時の様子を説明するタイムチャートである。 実施例１における燃料電池システム起動時の様子を説明するタイムチャートである。 実施例１の燃料電池システムにおける起動シーケンスを説明するゼネラルフローチャートである。 実施例１における水素供給増量判定を説明するフローチャートである。 実施例２における水素供給増量判定を説明する詳細フローチャートである。 実施例３における水素供給増量判定を説明する詳細フローチャートである。
符号の説明
１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６ａ、６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
８…水素循環ポンプ
９…希釈ブロア
１０…コンプレッサ
１１…空気調圧弁
１２…純水ポンプ
１３…純水タンク
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…純水回収弁
１４ｄ…純水シャット弁
１５…冷却水ポンプ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
１９…温度センサ
２０…パワーマネージャー
２１…電圧センサ
２４…冷却水温度制御手段
３０…コントローラ

Claims (14)

  1. 燃料電池システムへの燃料ガスの供給開始を判断する燃料ガス供給開始判断手段と、
    燃料電池システムの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
    該運転状態検出手段の出力と、前記燃料ガス供給開始判断手段の出力とに基づいて燃料電池の劣化防止のための制御を行う燃料電池劣化防止制御手段と、
    前記燃料ガス供給開始判断手段及び前記燃料電池劣化防止制御手段の作動に応じて燃料ガス供給を制御する燃料ガス供給制御手段と、
    を備えた燃料電池システムであって、
    燃料電池システムの起動制御中に劣化防止制御を行う場合において、
    前記燃料ガス供給開始判断手段の出力に基づいて少量での燃料ガス供給制御を開始し、
    前記燃料電池劣化防止制御手段での制御開始より後に前記燃料ガス供給制御手段による燃料ガス供給量の増量を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料ガス供給制御手段は、前記燃料ガス供給開始判断手段の出力に基づいて少量での燃料ガス供給制御を開始し、前記燃料電池劣化防止制御手段が劣化防止制御を開始した直後に、燃料ガス供給量を増量することを特徴とする請求項１項に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池劣化防止制御手段は、カソードへの空気供給を停止した状態で燃料電池から電力を取り出すことによりカソードの酸素消費を行うものであり、
    前記運転状態検出手段の出力に基づいてカソード酸素が消費されたか否かの判断を行うカソード酸素消費判断手段を備え、
    前記燃料ガス供給制御手段は、燃料ガス供給開始判断手段の出力に基づいて少量での燃料ガス供給制御を開始し、カソード酸素消費判断手段でカソードの酸素が消費されたと判断された後に、燃料ガス供給量を増量することを特徴とする請求項１項に記載の燃料電池システム。
  4. 前記運転状態検出手段は、燃料電池の複数のセルからなるセル群の電圧を検出するセル群電圧センサであり、
    前記カソード酸素消費判断手段は、前記セル群の電圧の最大値が所定電圧値を下回ったときに、カソードの酸素が消費されたと判断することを特徴とする請求項３項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記運転状態検出手段は、燃料電池の総電圧値を検出する総電圧センサであり、
    前記カソード酸素消費判断手段は、前記総電圧値が所定電圧値を下回ったときに、カソードの酸素が消費されたと判断することを特徴とする請求項３項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記運転状態検出手段は、燃料電池の空気系の経路の一部から燃料ガスが排出されたことを検知する燃料ガス排出検知手段であり、
    前記カソード酸素消費判断手段は、前記燃料ガス排出検知手段が燃料ガスの排出を検知したときに、カソードの酸素が消費されたと判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  7. 前記運転状態検出手段は、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段であり、
    前記カソード酸素消費判断手段は、劣化防止制御中の前記電流検出手段の検出値に基づいて消費された酸素量を推定し、その酸素消費量が空気系の容積および圧力から求まる所定値を超えたときに、カソードの酸素が消費されたと判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  8. 前記カソード酸素消費判断手段は、劣化防止制御の継続時間が所定時間を経過したときに、カソードの酸素が消費されたと判断することを特徴とする請求項３項乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料ガス供給制御手段は、燃料ガスの目標圧力値を変更することで燃料ガス流量を可変に制御することを特徴とする請求項１項乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料ガス供給制御手段は、アノードから燃料ガスを排出する弁の開度を制御することで燃料ガス流量を可変に制御することを特徴とする請求項１項乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  11. アノードから燃料ガスを排出する弁として開弁時の流量が異なる複数の弁を備え、
    前記燃料ガス供給制御手段は、前記複数の弁の中から開弁する弁を切り換えることで燃料ガス流量を可変に制御することを特徴とする請求項１項乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池劣化防止制御手段は、燃料電池システムの起動制御時または停止制御時に、通常発電時に電力が供給される負荷装置によって燃料電池から電力を取り出すことにより、燃料電池の電圧が所定値を超えないように制御することを特徴とする請求項１項乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池劣化防止制御手段は、燃料電池システムの起動制御時または停止制御時に、通常発電時とは異なる補助的な負荷装置によって燃料電池から電力を取り出すことにより、燃料電池の電圧が所定値を超えないように制御することを特徴とする請求項１項乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 燃料電池システムの起動時に、燃料電池システムへカソードガスの供給開始を判断するカソードガス供給開始判断手段と、
    前記運転状態検出手段の出力に基づいて燃料電池が劣化する可能性の判断を行う劣化可能性判断手段とを備え、
    前記カソードガス供給開始判断手段は、前記劣化可能性判断手段により燃料電池の劣化の可能性が少ないと判断された場合に、カソードガスの供給を開始すると判断することを特徴とする請求項１項乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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