JP2005228709A

JP2005228709A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005228709A
Application number: JP2004038787A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】燃料電池の触媒劣化を抑制するために燃料ガスのみを燃料電池に供給している時間を短縮する。
【解決手段】システム起動時に、マイクロコンピュータ２は、カソード極１２に空気を供給させない状態で、アノード極１３に水素ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の発電電力を消費するようにダミー抵抗８１を導通状態に開閉器８２を制御することで、カソード極１２に残存していた酸素と新たに供給開始した水素ガスとにより発電を開始させて、当該発電電力をダミー抵抗８１で消費させる。そして、アノード極１３から電解質膜を介してカソード極１２に通過する水素ガスを増加させ、カソード極１２に空気を供給開始するタイミングであることを判断した場合に、カソード極１２に空気を供給開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックのカソード極に酸素を供給すると共に、アノード極に水素を供給して発電させ、更には固体高分子電解質膜を湿潤状態に保持する燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池スタックを発電させる場合に、アノード極に水素ガスを供給すると共に、カソード極に空気を供給して発電させる燃料電池システムが知られている。

この燃料電池システムは、システム起動時に水素ガスを燃料電池スタックを構成する各燃料電池単セルのアノード側に供給し始めた時に、各燃料電池単セルのアノード内で水素分布勾配が生じる場合がある。すなわち、燃料電池単セルを水素入口から水素出口に向かって配列させた燃料電池スタックを使用した場合、アノード内における水素入口に近い各燃料電池単セルの水素濃度が水素出口に近い各燃料電池単セルの水素濃度に比べて高い水素リッチな状態となる。これは、燃料電池システムの停止時にカソード側から透過膜を透過した空気がアノード極に存在することや、水素系の配管の継ぎ手等から進入した空気がアノード極に存在することによる。

このように各燃料電池単セルのアノード極に水素以外のガスが存在することによる水素分布勾配が発生すると、水素リッチでない水素出口側におけるアノード極でプロトンが不足する。このため、燃料電池スタックの水素出口側においてアノード極からカソード極に到達するプロトンが不足する状態となり、水素出口付近におけるアノード−カソード間の電位が過剰に上昇し、この電位上昇がエネルギとなってカソード電極触媒の腐食を生じるようになる。

すなわち、水素出口付近の（水素リッチでない）領域ではプロトン不足を補うため、カソード電極触媒を担持しているカーボンと、水とが下記のカーボン腐食反応及び水の電気分解反応を起こす。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻（カーボン腐食反応）
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２（水の電気分解反応）
このような腐食劣化を抑制する技術としては、例えば下記の特許文献１に記載されているように、システム起動時に、すべての燃料電池単セルのアノード極に水素ガスが定常的に流れる状態となった後、カソード極のガス通流路に酸化剤ガスを供給すると同時に、負荷を接続して発電電力を取り出すようにしている。
特開平９−１２０８３０号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、燃料電池単セルのアノード極に水素ガスが定常的に流れる状態となったことを、水素ガスの供給開始時刻からの経過時間により判定しているため、上述のカソード電極触媒の腐食を防止するために当該経過時間を長めにして十分な余裕を持たせる必要がある。したがって、従来の技術では、システム起動時間が必要以上に長くなったり、経過時間に流す必要がある水素ガスの無駄が生じてしまう。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の触媒劣化を抑制するために燃料ガスのみを燃料電池に供給している時間を短縮することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックと、燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池スタックで発電した発電電力を消費する電力消費手段と、燃料電池スタックの発電電圧を検出する発電電圧検出手段とを備え、燃料電池スタックを発電開始させる起動時又は停止じにおいて、制御手段により燃料極に燃料ガスの供給を開始する。

このとき、制御手段は、酸化剤極に酸化剤ガスを供給させない状態で、燃料極に燃料ガスを供給するように燃料供給手段を制御すると共に、燃料電池スタックの発電電力を消費するように電力消費手段を制御することで、酸化剤極に残存していた酸素と新たに供給開始した燃料ガスとにより発電を開始させて、当該発電電力を電力消費手段で消費させる。そして、制御手段は、燃料極から電解質膜を介して酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させ、発電電圧に基づいて酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングであることを判断した場合に酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するように酸化剤ガス供給手段を制御することにより、上述の課題を解決する。

本発明を適用した燃料電池システムによれば、燃料ガスの供給開始時に燃料極内で燃料分布勾配がある場合に発生する燃料ガス不足による燃料ガス出口付近の燃料電池単セルでの電位の上昇を消費するので、電極触媒の腐食を抑制し、更には、燃料極から電解質膜を介して酸化剤極に通過する燃料ガス量を増加させるので、酸化剤極内の酸化剤ガス濃度を低くして残留酸化剤ガスが存在することによる燃料電池スタックの発電電圧を短時間で低下させることができ、燃料ガスのみを供給して酸化剤ガスを供給しない期間を短くすることができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、燃料ガスのみを供給している状態で燃料ガスが燃料極から酸化剤極に通過して発電電圧が低下したことから、燃料ガス入口から燃料ガス出口に亘って燃料ガスが均一となったことを判断することができる。

したがって、この燃料電池システムによれば、カソード触媒で腐食劣化反応を起こす時間を短時間にして腐食劣化を最小限にすると共に、システム起動時における燃料ガスの無駄を少なくして燃料使用効率を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜１１を挟んでカソード極１２とアノード極１３とを対設した燃料電池セル構造体を多孔質プレートからなる多孔質セパレータ１４で挟み込み、複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスをアノード極１３に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をカソード極１２に供給する燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明においては、各燃料電池単セルにカソード極１２及びアノード極１３が存在し、全てのカソード極１２及びアノード極１３に空気及び水素ガスを供給する必要があるが、複数のカソード極１２及びアノード極１３を総称するときには、単に「カソード極１２」、「アノード極１３」と呼ぶ。

燃料電池スタック１は、水素ガス及び空気が供給されると、下記の式１に示すような電極反応をアノード極１３で発生させると共に、下記の式２に示すような電極反応をカソード極１２で発生させて、発電電力を生成する。

アノード極：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （式１）
カソード極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ（式２）
また、この燃料電池スタック１は、各多孔質セパレータ１４を純水極１５で挟み込み、一方の純水極１５にソリッドプレートセパレータ１６を介して冷却水流路１７が設けられている。

このような燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させている時に、純水極１５に純水を供給することで、多孔質セパレータ１４を介してカソード極１２及びアノード極１３内のガスに水分を与え、当該ガスに与えられた水分により固体高分子電解質膜１１を湿潤状態に保持する。また、この燃料電池システムは、冷却水流路１７に冷却水を循環させることにより、燃料電池スタック１の温度を発電反応に適した温度に調整する。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に空気を供給して排出する空気系、燃料電池スタック１に水素ガスを循環させる水素ガス系、燃料電池スタック１を加湿する加湿用純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック１の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電を制御するに際して、空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水の各流体の流量及び圧力をマイクロコンピュータ２により制御する。

水素ガス系は、水素供給流路Ｌ１に、水素タンク２１、水素タンク元弁２２、減圧弁２３、水素供給弁２４、エゼクタポンプ２５、水素圧力センサ２６が設けられる。この水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、水素タンク２１に貯蔵した高圧水素を水素ガスとしてアノード極１３に導く。このとき、水素ガス系は、マイクロコンピュータ２により水素タンク元弁２２が開状態とされ、マイクロコンピュータ２の制御により動作する水素圧力制御部２７によって水素供給弁２４の開度が調整される。これにより、水素ガスは、水素タンク２１から減圧弁２３に導かれ、当該減圧弁２３で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁２４で燃料電池スタック１内の水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。

また、この水素ガス系は、アノード極１３の水素排出側に、アノード極１３から排出された水素ガスを再度アノード極１３に戻す水素循環流路Ｌ２が設けられて構成されている。この水素循環流路Ｌ２には、アノード極１３の水素ガス出口から分岐して、エゼクタポンプ２５に接続されている。これにより、水素ガス系は、アノード極１３で消費されなかった水素ガスを再度エゼクタポンプ２５からアノード極１３の水素ガス入口に戻す。

また、この水素循環流路Ｌ２には、エゼクタポンプ２５への接続部より上流側から分岐して、エゼクタポンプ２５の水素ガス下流側に接続されている分岐流路が設けられ、当該分岐流路に水素循環ポンプ２８が設けられている。この水素循環ポンプ２８は、エゼクタポンプ２５が水素タンク２１からの水素ガス流速によって水素循環流路Ｌ２から水素ガスを取り込んでアノード極１３の水素ガス入口に導く構成であるため、当該エゼクタポンプ２５で水素循環流路Ｌ２の水素ガスを取り込めないような作動領域において、駆動する。これにより、水素ガス系は、例えば水素タンク２１からアノード極１３に供給する必要がある水素ガス流量が少ない場合に、水素循環ポンプ２８を駆動して水素循環流路Ｌ２の水素ガスを確実にアノード極１３に循環させることができる。

このような水素ガス系に対し、マイクロコンピュータ２及び水素圧力制御部２７は、水素圧力センサ２６からのセンサ信号を読み込み、燃料電池スタック１内の水素ガス圧力を所望の値、例えば一定圧力とするように水素供給弁２４の開度を調整することで、アノード極１３で消費した分量の水素ガスを自動的に補うようにする。

また、この水素ガス系は、アノード極１３内のガスをパージするためのパージ流路Ｌ３が設けられて構成されている。このパージ流路Ｌ３には、例えばマイクロコンピュータ２の制御に従って開閉するパージ弁２９と、外部に放出するガスの水素ガス濃度を希釈する希釈ブロア３０とが設けられている。

この水素ガス系は、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に流れるガスの水素濃度が低下した場合に水素循環機能を確保するために、パージ弁２９を開状態にして蓄積した窒素等の不純物を排出する。また、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、パージ弁２９を開状態にして水素循環流路Ｌ２等に蓄積した水詰まりを解消させる。また、マイクロコンピュータ２は、パージ弁２９を開状態とするのと略同時に希釈ブロア３０を駆動開始させ、パージ弁２９から排出されるガスの水素濃度が可燃濃度未満となるように空気で希釈させて、システム外に排出する。

このような水素ガス系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、後述の空気系により空気をカソード極１２に供給しない状態で、水素ガスのみをアノード極１３に供給するように制御される。

空気系は、カソード極１２の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４にコンプレッサ４１及び空気圧力センサ４２が設けられ、カソード極１２の空気出口と接続された空気排出流路Ｌ５に空気調圧弁４３が設けられて構成されている。

この空気系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２によりコンプレッサ４１のコンプレッサモータ（図示せず）の回転数が制御され、外気を取り込んで圧縮空気としてカソード極１２の空気入口に導入する。このとき、マイクロコンピュータ２は、空気圧力センサ４２からのセンサ信号を読み込んでカソード極１２内の空気圧力を検出し、当該空気圧力を所望の圧力値とするように空気圧力制御部４４に指令を送り、当該空気圧力制御部４４により空気調圧弁４３の開度を調整する。これにより、カソード極１２は、空気に含まれる酸素を消費して発電反応を行い、消費されなかった空気を排出する。

このような空気系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、空気をカソード極１２に供給しない状態とされる。

加湿用純水系は、純水循環流路Ｌ６に、純水タンク５１、純水ポンプ５２、純水回収弁５３，５４，５５、純水シャット弁５６が設けられて構成されている。この加湿用純水系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２により純水ポンプ５２の回転数及び純水回収弁５３，５４及び純水シャット弁５６が開状態となされることで、純水タンク５１に蓄積した加湿用純水を各純水極１５に送る。これにより、燃料電池スタック１内の空気及び水素ガスを加湿させて、固体高分子電解質膜１１を湿潤状態とする。このとき、マイクロコンピュータ２は、純水ポンプ５２の回転数を制御することにより、各純水極１５への加湿用純水流量を調整し、固体高分子電解質膜１１への加湿量を調整する。

また、この加湿用純水系は、燃料電池システムを停止する場合に、純水循環流路Ｌ６に残存している加湿用純水を回収するための純水回収部５７を備える。この純水回収部５７は、マイクロコンピュータ２からシステムを停止する指令が送られると、純水回収弁５３，５４，５５の開閉動作を制御することにより、純水循環流路Ｌ６にカソード極１２から排出された空気を導入し、純水循環流路Ｌ６及び純水極１５に存在する加湿用純水を空気圧により純水タンク５１に回収する。これは、加湿用純水が各純水極１５に残存したままシステムを停止状態にして放置し、システム周囲が氷点下雰囲気となった場合に、加湿用純水が膨張することによる燃料電池スタック１の劣化を防止するためである。

更に、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、後述の空気系により空気をカソード極１２に供給しない状態で、水素ガスのみがアノード極１３に供給する状態とされるが、この加湿用純水系は、加湿用純水を各純水極１５に供給しない状態とされ、更に、純水回収弁５４及び純水シャット弁５６が閉状態となされる。これにより、加湿用純水系は、アノード極１３から各純水極１５に水素ガスがリークすることを抑制する。また、加湿用純水系は、燃料電池システムの起動時に、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させる場合に、マイクロコンピュータ２により各純水極１５に加湿用純水を循環させる。

なお、この燃料電池システムにおいては、カソード極１２内の空気圧力、アノード極１３内の水素ガス圧力、及び各純水極１５内の加湿用純水圧力が燃料電池スタック１の発電効率や水収支を考慮して設定され、更には、固体高分子電解質膜１１や各多孔質セパレータ１４に歪みを生じないように各圧力間の差圧が管理される。

冷却水系は、冷却水循環流路Ｌ７に、冷却水ポンプ６１、冷却水温度センサ６２、三方弁６３、ラジエタ６４及びラジエタファン６５が設けられて構成されている。また、この冷却水系は、三方弁６３によって冷却水循環流路Ｌ７から分岐して、冷却水ポンプ６１の上流側の冷却水循環流路Ｌ７と接続されたバイパス流路Ｌ８を備える。

この冷却水系は、燃料電池システムの通常運転時において、冷却水温度制御部６６により冷却水ポンプ６１の駆動量、三方弁６３の動作、ラジエタファン６５の駆動量が調整される。これにより、冷却水ポンプ６１から吐出された冷却水は、冷却水温度センサ６２で温度が検出され、燃料電池スタック１の温度を低くする場合にはラジエタファン６５の駆動量が増加され、三方弁６３のラジエタ６４側開口が開状態にされることにより、冷却水流路１７で熱交換された後に、ラジエタ６４で冷却される。また、燃料電池スタック１の温度を高くする場合には、三方弁６３のバイパス流路Ｌ８側開口が開状態とされ、冷却水流路１７で熱交換された冷却水をラジエタ６４からバイパスして再度冷却水流路１７に導入する。

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電電力を取り出すパワーマネージャ７１、燃料電池スタック１の発電電圧を検出する電圧センサ７２及びカソード極１２内の酸素を消費させるための酸素消費部７３を備える。

パワーマネージャ７１は、例えばリレー回路やインバータ等からなり、カソード極１２の電極及びアノード極１３の電極に電気的に接続されている。このパワーマネージャ７１は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２からの指令に従って燃料電池スタック１の発電電力を取り出し、当該発電電力を図示しない車両用駆動モータ等に供給する。

電圧センサ７２は、燃料電池スタック１の発電電圧を検出し、当該発電電圧がセンサ信号としてマイクロコンピュータ２に読み込まれる。このセンサ信号は、マイクロコンピュータ２により燃料電池スタック１の発電量を制御する場合や、燃料電池スタック１を構成する燃料電池単セルの状態を監視するために使用される。

酸素消費部７３は、燃料電池システムの起動時や停止時にカソード極１２内の酸素を消費するために発電した電力を消費する。この酸素消費部７３は、本例において、パワーマネージャ７１と接続されたダミー抵抗８１と開閉器８２とからなる。この酸素消費部７３は、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が開状態（開放状態）とされている場合には、パワーマネージャ７１により取り込んだ発電電力をダミー抵抗８１で消費させず、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が閉状態（導通状態）とされている場合には、パワーマネージャ７１により取り込んだ発電電力をダミー抵抗８１で消費させる。

このような酸素消費部７３は、燃料電池システムの起動時や停止時において、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が閉状態とされ、各燃料電池単セルのアノード極１３の水素分布によって引き起こされるカソード触媒腐食劣化抑制のために使用される。

なお、酸素消費部７３は、ダミー抵抗８１として固定抵抗値のものを使用したが、可変抵抗にしてマイクロコンピュータ２により負荷制御可能としても良く、更には、直流電圧変換回路を備え、負荷電流を任意に制御可能なものであっても良く、更にはパワーマネージャ７１から取り出した電力を二次電池（図示せず）に充電する構成であっても良い。

マイクロコンピュータ２は、後述する燃料電池システムの起動処理等を行う手順を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）や、上述した各部とのインターフェース回路等からなる。このマイクロコンピュータ２は、例えば外部からの燃料電池システムの起動命令や停止命令、更には車両用駆動モータに要求される駆動トルクに従って、上述した各部を制御する。

［燃料電池システムの起動処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおける起動処理について説明する。

この燃料電池システムの起動処理は、マイクロコンピュータ２に例えば燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令が入力されることに応じて、ステップＳ１の処理を開始する。このステップＳ１では、アノード極１３のみに水素ガスを供給開始する。このとき、マイクロコンピュータ２は、水素タンク元弁２２を開状態、パージ弁２９を開状態、希釈ブロア３０を駆動状態、水素循環ポンプ２８を駆動状態とし、水素圧力制御部２７は、水素供給弁２４を開状態とし、更には図示しないエゼクタポンプ２５の水素循環流路Ｌ２側の弁（図示せず）を開状態にする。

ここで、パージ弁２９を開状態とすると共に希釈ブロア３０を駆動状態とするのは、水素タンク２１、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３、パージ流路Ｌ３と通ずる水素ガス流路を確保するためである。また、水素循環ポンプ２８を駆動状態とすると共にエゼクタポンプ２５の水素循環流路Ｌ２側を開状態とするのは、アノード極１３内のガス流速を増加させるためである。これにより、水素ガスの供給開始時に短時間で水素ガス出口付近の燃料電池単セルまで水素ガスを到達させて、燃料電池スタック１内の水素分布を均一にさせるための動作を開始する。また、水素圧力制御部２７は、水素圧力センサ２６からのセンサ信号を参照して、アノード極１３の水素ガス入口における圧力値を目標運転圧力に維持するように水素供給弁２４の開度を調整する。

一方、ステップＳ１においては、コンプレッサ４１を駆動させず、カソード極１２には空気を供給しない状態となっている。

このステップＳ１のように水素ガスをアノード極１３のみに供給する状態となると、カソード極１２に残存していた酸素が使用されて燃料電池スタック１で発電が開始する。そして、ステップＳ２において、マイクロコンピュータ２は、開閉器８２を閉状態とすることにより、燃料電池スタック１の発電電圧をパワーマネージャ７１からダミー抵抗８１に印加する。このとき、カソード極１２にはコンプレッサ４１からの空気が供給されていない状態なので、発電反応によりカソード極１２内の残存酸素が消費されることにより減少し、これに伴って発電電圧も低下し始める。

ところで、ステップＳ１で水素ガスの供給を開始した直後では、燃料電池スタック１の水素ガス入口側のアノード極１３の水素ガス濃度が、水素ガス出口側のアノード極１３の水素ガス濃度よりも高い水素リッチ状態となっており、燃料電池スタック１の全体でみるとアノード極１３内で水素分布勾配を生じている状態となっている。このとき、水素ガス出口側のアノード極１３では、プロトンが不足し、このプロトン不足を補うためカソード極１２側ではカソード触媒を支持しているカーボン材とＨ_２Ｏとが反応する触媒腐食劣化反応が発生する。この触媒腐食劣化反応が進行すると、カソード触媒の有効面積が減少する。また、プロトンが不足している各燃料電池単セルの水素ガス出口側では、水素ガス入口側に比べて電位が上昇し、この電位上昇が腐食劣化反応を引き起こすエネルギとして作用する。

これに対し、この燃料電池システムの起動処理は、ステップＳ２において、ダミー抵抗８１とカソード極１２及びアノード極１３とを電気的に接続したので、ダミー抵抗８１に燃料電池スタック１からの電流を流すことにより燃料電池スタック１の電圧を低下させて、カソード極１２での触媒腐食劣化を引き起こすエネルギを減少させて触媒腐食劣化反応を抑制する。

そして、ステップＳ２以降では、燃料電池スタック１とダミー抵抗８１とを電気的に接続する状態を保持する。

次のステップＳ３においては、アノード極１３から固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達する水素ガスを増加させる動作を行う。すなわち、ダミー抵抗８１を開閉器８２により導通状態としているときに、アノード極１３の水素ガスが固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達しやすくする。これにより、水素ガスがカソード極１２内に滞留するようになると、各燃料電池単セルの水素ガス出口まで水素ガスが行き渡った状態に近づき、次第にアノード極１３内の水素分布の偏りが解消されていく。

このとき、マイクロコンピュータ２は、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させると共に、アノード極１３の水素ガス圧力を増加させる。このとき、マイクロコンピュータ２は、純水ポンプ５２の回転数を増加させると共に、水素圧力制御部２７での目標水素圧力を高く設定して水素供給弁２４の開度を小さくしたり、水素循環ポンプ２８の回転数を増加させる。なお、エゼクタポンプ２５は、ステップＳ１にて水素循環流路Ｌ２側開口が開状態となされているが、ステップＳ３においても継続して開状態に保持しておく。

これにより、固体高分子電解質膜１１の加湿量が増加して、アノード極１３の水素ガスが水分に溶け込んで固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達しやすくすると共に、アノード極１３の水素ガス圧力や水素ガス流量を増加させることでアノード極１３とカソード極１２との水素分圧差を上昇させてアノード極１３の水素を固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達しやすくする。

この結果、アノード極１３内での酸素濃度が低くなって燃料電池スタック１の発電反応を抑制し、燃料電池スタック１の電圧低下速度を速くして、発電電圧が低下することにより腐食劣化反応を引き起こすエネルギを減少させる。

次のステップＳ４においては、アノード極１３に水素ガスを流してダミー抵抗８１を接続している状態を終了し、コンプレッサ４１からカソード極１２に空気を供給開始するタイミングを判断する。このとき、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１の水素ガス入口から水素ガス出口に亘る水素分布が均一となっているか否かを判断する。

具体的には、マイクロコンピュータ２は、図３に示すような処理を行うことにより、水素ガス入口から水素ガス出口に亘る水素分布を判断する。図３によれば、マイクロコンピュータ２は、電圧センサ７２からのセンサ信号を読み込んで、発電電圧の変化率を求め、当該発電電圧の変化率が所定値以下か否か（ステップＳ１１）、発電電圧のピーク回数が所定値を超えたか否か（ステップＳ１２）、水素ガス出口の水素濃度が所定時間以上所定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１３）。

そして、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３の何れかの条件が成立したと判定した場合には、水素ガス入口から水素ガス出口に亘って均一の水素分布となったと判断してアノード極１３のみに水素ガスを供給してダミー抵抗８１を導通させている状態を終了させる（ステップＳ１４）。ここで、各燃料電池単セルの水素ガス出口まで水素ガスが行き渡ってアノード極１３内の水素分布の偏りが解消されている状態では、カソード極触媒の腐食は起きない。

一方、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ１１、ステップＳ１２又はステップＳ１３の条件の何れも成立しないと判定した場合には、水素ガス入口から水素ガス出口に亘って均一の水素分布となっていないと判断してアノード極１３のみに水素ガスを供給してダミー抵抗８１を導通させている状態を継続させる（ステップＳ１５）。

このような図３の動作を更に詳しく説明すると、アノード極１３に水素ガスを流してダミー抵抗８１を接続している状態を継続しているとカソード極１２の残留酸素が発電反応で消費されると共に、アノード極１３からカソード極１２への水素通過量も増加して酸素濃度が低下し、これに伴って発電電圧も低下する。ある程度残留酸素が発電反応で消費されると、カソード極１２内の圧力が低下してアノード極１３から固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達しやすくなり水素ガスがカソード極１２に滞留するようになる。

このようにカソード極１２内で酸素が少なくなることによる発電電圧の低下は、図４の時刻ｔ３以降に示すように緩やかに変化し、図４の時刻ｔ１及びｔ２に示すような発電反応で酸素が消費されることによる変化に比べると小さい。これに対し、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ１１において、カソード極１２内の酸素が緩やかに減少して発電電圧が緩やかに低下する場合、すなわち発電電圧が低下する変化率が低くなった場合には、水素ガス入口から水素ガス出口に亘って均一の水素分布となったと判断する。

なお、ステップＳ１１における発電電圧の変化率の所定値は、発電反応が発生して酸素が減少することによる発電電圧の変化率よりも低く、アノード極１３からカソード極１２に水素ガスが侵入することによる発電電圧の低下を判定するための変化率が設定されている。なお、この変化率の所定値は、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜１１の寸法や燃料電池単セルの数等に応じて実験等により設定されている。

このようにアノード極１３から固体高分子電解質膜１１を通過してカソード極１２に到達した水素ガスが滞留するようになって発電電圧が低下する変化率が小さくなった時には、水素ガス出口まで水素ガスが到達しており各燃料電池単セルのアノード極１３内の水素分布勾配がほとんどない状態である。このように、アノード極１３内に水素分布勾配がほとんどない時にはカソード触媒劣化が起きないため、アノード極１３に水素ガスを流してダミー抵抗８１を接続している状態を継続してカソード触媒劣化抑制を行っても効果が薄いので、ステップＳ５に処理を進める。そして、ステップＳ５において、マイクロコンピュータ２は、開閉器８２を開状態とし、コンプレッサ４１からカソード極１２に空気を供給して発電を開始させることになる。

なお、このステップＳ１１においては、発電電圧のノイズ等の影響により誤判定しないように、発電電圧の変化率が所定値より小さい状態が所定時間以上継続した場合にステップＳ１４の判断を行ってもよい。具体的には、発電電圧の変化率が、例えば発電反応が起こった時の最大変化率の１／５以下になった状態が３秒以上継続した場合にステップＳ１４の判断を行っても良く、更に具体的には、最大変化率の最大値は、予め実験で測定しておいた例えば２０Ｖ／秒、発電電圧の変化率の所定値は、４Ｖ／秒とする。

また、ステップＳ１２における発電電圧のピーク回数とは、図４の時刻ｔ１及びｔ２に示すように、発電反応が発生して発電電圧が上昇した回数に相当する。すなわち、アノード極１３に水素ガスの供給を開始した時、カソード極１２の残留酸素と反応して発電電圧が急峻に増加し、その後、酸素が消費されると共に発電電圧が低下する減少が起こる。このため、発電電圧は、ピーク状に変化するようになる。

このような発電電圧の変化は、図４に示したように、各燃料電池単セル内の水素ガス及び空気が流れるガスチャネルの形状パタンに依存して、ピーク回数が複数になる場合もある。したがって、ステップＳ１２におけるピーク回数の所定値は、燃料電池スタック１の実験等により、ピーク回数と水素分布勾配との相関を調べることにより設定される。この図４によれば、本例では、２つの大きなピークが現れ、２つ目のピーク以降は水素ガス出口まで水素ガスが行き渡り水素分布勾配がなくなった状態になることを示している。

更に、ステップＳ１３における水素濃度の所定値は、ステップＳ１で水素ガスの供給を開始することにより、ステップＳ１の以前にアノード極１３に残存していた水素ガス以外のガスが水素ガスに置換されたことを判定する水素濃度が設定されている。この水素濃度は、図示しない燃料電池スタック１の水素ガス出口付近に設けられた水素濃度センサにより検出されて、マイクロコンピュータ２により判定される。そして、マイクロコンピュータ２は、水素濃度が所定値以上である期間が所定時間を超えた場合に、水素ガス入口から水素ガス出口に亘って水素ガスが行き渡り水素分布勾配がなくなった状態となったと判定してステップＳ１４の判断に処理を進める。これは、燃料電池スタック１内で残留酸素と発電反応して消費される水素ガス量が減少することにより、排水素ガス量が増えて排水素濃度が上昇することによる。

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、水素ガスの供給開始時にアノード極１３内で水素分布勾配がある場合に発生する水素ガス不足による水素ガス出口付近の燃料電池単セルでの電位の上昇をダミー抵抗８１で消費するので、カソード電極触媒の腐食を抑制し、更には、アノード極１３から固体高分子電解質膜１１を介してカソード極１２に通過する水素ガス量を増加させるので、カソード極１２内の酸素濃度を低くして残留酸素が存在することによる燃料電池スタック１の発電電圧を短時間で低下させることができ、水素ガスのみを供給して空気を供給しない期間を短くすることができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、水素ガスのみを供給している状態で水素ガスがアノード極１３からカソード極１２に通過して発電電圧が低下したことから、水素ガス入口から水素ガス出口に亘って水素ガスが均一となったことを判断することができる。

したがって、この燃料電池システムによれば、カソード触媒で腐食劣化反応を起こす時間を短時間にして腐食劣化を最小限にすると共に、システム起動時における水素ガスの無駄を少なくして水素使用効率を高くすることができる。

また、この燃料電池システムによれば、酸素消費部７３を可変抵抗等で構成してマイクロコンピュータ２により酸素消費部７３での消費電流を調整することにより、アノード極１３のみに水素ガスを供給しているときの燃料電池スタック１の発電電圧が所定値を超えないように発電電圧を制御することができるので、更に確実に電圧上昇によるカソード電極触媒の腐食を抑制することができる。

更に、この燃料電池システムによれば、カソード極１２内の酸素が減少することにより水素ガスがカソード極１２に到達して発電電圧の低下の変化率が所定値以下となった場合に、アノード極１３内の水素分布が均一となったと判断することができ、カソード極１２内の水素量が多いほど発電電圧が低下する性質を利用することができ、適切なタイミングでコンプレッサ４１からカソード極１２への空気の供給を開始することができる。また、この燃料電池システムによれば、所定時間以上発電電圧の低下の変化率が所定値以下と判断した場合にアノード極１３内の水素分布が均一となったと判断するので、ノイズ等による誤判断を防止することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、発電電圧のピーク回数が所定回数を超えた場合に水素分布が均一であると判断するので、燃料電池スタック１で発電が行われた回数に応じてカソード極１２内の酸素の減少を判断して、カソード極１２内の酸素が減少することによってアノード極１３からカソード極１２に水素ガスが通過することを判断することができ、適切なタイミングでコンプレッサ４１からカソード極１２への空気の供給を開始することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素出口の水素濃度が所定時間以上所定値を超えた場合に、水素分布が均一であると判断するので、確実に水素分布が均一になっていることを検出して、確実にカソード電極触媒の腐食を抑制すると共に、適切なタイミングでコンプレッサ４１からカソード極１２への空気の供給を開始することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させることにより、アノード極１３から固体高分子電解質膜１１に溶け込む水素を増加させて、アノード極１３からカソード極１２に水素ガスを通過させやすくすることができ、更に短時間で発電電圧を低下させると共に短時間でアノード極１３内の水素分布を均一にすることができ、更に起動時間を短時間とすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、アノード極１３内の水素ガス圧力を増加させることにより、アノード極１３とカソード極１２との水素分圧差によってアノード極１３からカソード極１２に水素ガスを通過させやすくすることができ、更に短時間で発電電圧を低下させると共に短時間でアノード極１３内の水素分布を均一にすることができ、更に起動時間を短時間とすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、水素循環流路Ｌ２から再度アノード極１３に循環させる水素ガス流量を増加させることにより、アノード極１３内の水素ガス圧力を増加させることができ、更に短時間で発電電圧を低下させると共に短時間でアノード極１３内の水素分布を均一にすることができ、更に起動時間を短時間とすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、アノード極１３内の水素分布が均一であると判断した場合に、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させる動作、アノード極１３内の水素ガス圧力を増加させる動作、アノード極１３内の水素ガス流量を増加させる動作を終了するので、加湿用純水や水素ガスの無駄を抑制することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち、上述した実施の形態では、燃料電池システムの起動時おける動作を主として説明したが、システムの停止時に水素のみを燃料電池スタック１に供給した状態で、カソード極１２内の酸素を減少させると共に発電電力を消費させる動作を行っても、停止状態であるときにカソード極１２からアノード極１３に通過する空気量を減少させることができ、次回のシステム起動時間を短くすることができる効果を発揮させることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明を適用した燃料電池システムの起動時の動作手順を示すフローチャートである。本発明を適用した燃料電池システムの起動時の動作において、アノード極の水素分布が均一になったことを判断するときのフローチャートである。本発明を適用した燃料電池システムの起動時の動作を行った場合の発電電圧の時間変化を示す図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
２マイクロコンピュータ
１１固体高分子電解質膜
１２カソード極
１３アノード極
１４多孔質セパレータ
１５純水極
１６ソリッドプレートセパレータ
１７冷却水流路
２１水素タンク
２２水素タンク元弁
２３減圧弁
２４水素供給弁
２５エゼクタポンプ
２６水素圧力センサ
２７水素圧力制御部
２８水素循環ポンプ
２９パージ弁
３０希釈ブロア
４１コンプレッサ
４２空気圧力センサ
４３空気調圧弁
４４空気圧力制御部
５１純水タンク
５２純水ポンプ
５３，５４，５５純水回収弁
５６純水シャット弁
５７純水回収部
６１冷却水ポンプ
６２冷却水温度センサ
６３三方弁
６４ラジエタ
６５ラジエタファン
６６冷却水温度制御部
７１パワーマネージャ
７２電圧センサ
７３酸素消費部
８１ダミー抵抗
８２開閉器

Claims

電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池単セルを複数積層して構成された燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックで発電した発電電力を消費する電力消費手段と、
前記燃料電池スタックの発電電圧を検出する発電電圧検出手段と、
燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給させない状態で、前記燃料極に燃料ガスを供給するように前記燃料供給手段を制御すると共に前記燃料電池スタックの発電電力を消費するように前記電力消費手段を制御し、前記燃料極から前記電解質膜を介して前記酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させ、前記発電電圧検出手段により検出された発電電圧に基づいて、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングを判断する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記発電電圧検出手段により検出された発電電圧の変化率が所定値以下となった場合に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングであることを判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記発電電圧検出手段により検出された発電電圧のピーク回数が所定回数を超えた場合に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングであることを判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの燃料ガス出口付近の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガス濃度が所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングであることを判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記電解質膜を加湿する加湿手段を更に備え、
前記制御手段は、前記電解質膜の加湿量を増加させるように前記加湿手段を制御して、前記燃料極から前記電解質膜を介して前記酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料供給手段は、前記燃料極での燃料ガス圧力を調整する圧力調整手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料極での燃料ガス圧力を増加させるように前記圧力調整手段を制御して、前記燃料極から前記電解質膜を介して前記酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料供給手段は、前記燃料電池スタックから排出されたガスを前記燃料電池スタックの燃料入口に循環させる燃料循環手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料極に供給する燃料ガス流量を増加させるように前記燃料循環手段を制御して、前記燃料極から前記電解質膜を介して前記酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給開始するタイミングであることを判断した場合に、前記燃料極から前記電解質膜を介して前記酸化剤極に通過する燃料ガスを増加させる動作を終了させることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。