JP2005310435A

JP2005310435A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005310435A
Application number: JP2004122883A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】燃料電池の触媒劣化の抑制と、燃料電池システムの起動時間の短縮を同時に実現する。
【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、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で電力消費させ、アノード極１３への水素の供給を開始するよう制御し、さらに、アノード極１３の圧力を所定の目標圧力以下とし、燃料電池スタック１の発電電圧を所定の目標電圧以下とするように、水素供給弁２４によるアノード極１３への供給水素量を調整し、パージ弁２９によるアノード極１３からの排出水素量を調整するよう制御する。
【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ー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、アノード極に水素を供給している間に、電圧値が所定値を超えないようにダミー抵抗を接続するといった劣化抑制方法が考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上述したような、腐食劣化を起こしている箇所のアノード−カソード間においては、腐食劣化がない状態と比較して、電位の上昇が見られる。そして、電位の上昇が、腐食劣化反応を引き起こすエネルギーとして作用することになる。

特許文献１で開示されている技術では、ダミー抵抗を用いて、このダミー抵抗に電流を流すことで上昇した電位を下げるように制御を行っている。つまり、ダミー抵抗に電流が流れることで、電位が下降すると、腐食劣化反応を起こすのに必要なエネルギーが減少するため、腐食劣化反応は抑制されることになる。
特開平９−８３７０２号公報

上述したような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックによる発電を開始して発電電力を取り出せる状態とするまでの起動時間は、出来る限り短い方が好ましい。起動時間を短縮させるには、水素を出来る限り多量に供給して、アノード極内の水素分布勾配を解消し、水素濃度を迅速に高めることで可能である。しかし、このような手法は、以下に示すような問題がある。

すなわち、水素流量を増やすと、アノード極−カソード極差圧制限を超えてしまう場合がある。このように、アノード極−カソード極差圧制限を超えてしまった場合に、アノード極内の圧力を下げて差圧制限内とするには、燃料電池スタックの水素ガス出口側のパージ弁を開くといった手法がある。しかし、システムの起動時にパージ弁を開くと、燃料電池スタックの水素ガス入口側と水素ガス出口側との圧力差が拡大して、アノード極に流入する水素流用が増えてしまうことになる。このように、水素流量が増えると、発電電圧が上昇するため、上述した劣化反応を促進させてしまうといった問題がある。

そこで、本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、燃料電池システムの起動時間を短縮させる場合であっても、発電電圧を劣化抑制管理電圧以下に維持し、且つ、アノード極−カソード極差圧を制限値以下と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、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、前記燃料極のガスを排出するガス排出手段と、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、前記燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段とを備える。

このような燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池システムの起動時において、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すると共に、前記燃料供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を開始するよう制御している時に、前記圧力検出手段によって検出された燃料極のガス圧力を目標圧力以下、且つ、前記発電電圧検出手段によって検出された前記燃料電池スタックの電圧を目標電圧以下とするように、前記燃料供給手段による燃料極への供給ガス流量、及び、前記ガス排出手段による燃料極からの排出ガス流量を調整することにより、上述の課題を解決する。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電開始時に、燃料極の圧力を所定の目標圧力以下、且つ、燃料電池スタックの電圧を所定の目標電圧以下とするように、燃料供給手段による燃料極への供給ガス流量、及び、ガス排出手段による燃料極からの排出ガス流量を調整するよう制御するので、燃料極への燃料供給不足のリスクを回避しつつ、起動時における腐食劣化反応を抑制しながら、供給可能な最大燃料流量を燃料極に供給することができる。したがって、燃料電池システムの起動時間を短縮することを可能とすると共に、圧力過大（差圧過大）による燃料電池スタックへダメージを防止することを可能とする。

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、水素圧力センサ２６からのセンサ信号を読み込み、マイクロコンピュータ２の制御により動作するパージ制御部３１によ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、パージ制御部３１を制御し、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。更に、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］
次に、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、図２に示すフローチャートを用いて説明をする。この、燃料電池システムの起動処理時に、劣化抑制制御が実行されることになる。この劣化抑制制御は、主に、マイクロコンピュータ２の制御によって動作し、水素供給弁２４の開度を制御する水素圧力制御部２７と、同じくマイクロコンピュータ２によって動作し、パージ弁２９の開度を制御するパージ制御部３１とによって実行されることになる。

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。

ステップＳ１において、マイクロコンピュータ２は、電圧センサ７２によって検出されたアノード極１３への水素供給前の燃料電池スタック１の発電電圧Ｖｍを保存する。この発電電圧Ｖｍは、後述するステップＳ４における目標電圧算出の際に用いられる。

ステップＳ２において、マイクロコンピュータ２は、アノード極１３への水素ガス供給の準備をする。具体的には、水素タンク元弁２２を開状態、水素循環ポンプ２８を駆動状態、パージ弁２９を開状態にする。

ステップＳ３において、マイクロコンピュータ２は、起動時の劣化抑制のために、開閉器８２を閉状態とすることで、パワーマネージャ７１を介してダミー抵抗８１と燃料電池スタック１の電極とを接続し、パワーマネージャ７１より燃料電池スタック１から取り込んだ発電電力を、ダミー抵抗８１で消費させる。

ここで、燃料電池システムの起動時には、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３内には水素ガス以外のガスが充満している。このような状態で、水素タンク２１から新鮮な水素ガスをアノード極１３に供給すると、アノード極１３内で水素濃度勾配分布が生じてしまい、アノード極１３の出口側でのプロトン不足が発生する。これにより、アノード極１３の出口側での電位の上昇から腐食劣化反応が起こってしまう。

アノード極１３へ供給された水素ガスは、カソード極１２に残存している残留酸素と発電反応を起こして電圧を増加させるが、ダミー抵抗８１を接続して、電流を消費するようにしたことで、しばらくするとカソード極１２の残存酸素量は、消費されて減少し、これに伴って電圧も低下してくる。電圧が低下すると、腐食劣化反応を引き起こすエネルギーが減少するため腐食劣化反応は抑制されることになる。

ステップＳ４において、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１の目標電圧を算出する。この目標電圧を算出する処理は、図３に示すような処理を行う。

ここで、図３の処理を説明する前提として、目標電圧は、例えば、図４に示すような目標電圧スケールのように、レベル分けされて設定されている。図４に示す、“ＬＬ”、“Ｌ”、“Ｍ”、“Ｈ”は、それぞれマイクロコンピュータ２によって決定される目標電圧であり、最も低い目標電圧が目標電圧ＬＬであり、最も高い目標電圧が目標電圧Ｈとなる。なお、後で説明をするが、Ｈよりも高い目標電圧として目標電圧ＨＨを設けることもできる。図４において、“ＮＯ”と示されているのは、目標電圧を設定しない、すなわち燃料電池システムの起動時に劣化抑制制御を行わないこと示している。なお、目標電圧Ｍは、目標電圧の初期値である。

そして、マイクロコンピュータ２は、目標電圧を算出するに際して、劣化抑制制御を実行するのか、実行しないのかの判断をし、さらに劣化抑制制御をする場合には、目標電圧を、図４に示す目標電圧スケールのどのレベルにするのかを決定することになる。

このような処理は、図３のステップＳ２１において、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ１で保存した発電電圧Ｖｍが所定値Ｖｐ以上か否かを判定をすることで、劣化抑制制御を実行するか否かを決定する。そして、発電電圧Ｖｍが所定値Ｖｐ以上であった場合は、処理をステップＳ２２へと進め、所定値Ｖｐ以下であった場合は、処理をステップＳ２３へと進める。

ステップＳ２２において、マイクロコンピュータ２は、発電電圧Ｖｍが所定値Ｖｐ以上であったことに応じて、目標電圧を“ＮＯ”に設定、つまり劣化抑制制御を実行しないという判定をして、図２のステップＳ５に処理を進める。

このように、水素がアノード極１３に供給される前の発電電圧Ｖｍが、所定値Ｖｐ以上である場合は、前回の燃料電池システムの停止時から、あまり時間が経過していないことを示している。つまり、アノード極１３には、水素がまだ満ちており、この状態で水素を供給しても残留酸素と反応して発電電圧が生じはするが、アノード極１３内の水素分布が既に均一であるため分布勾配を生じることがない。したがって、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行しないという判定をする。劣化抑制制御を実行しないため、起動時間が短縮されることになる。

また、ステップＳ２２では、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行しないと判定したが、図４に示す目標電圧スケールに、目標電圧Ｈよりもさらに高い目標電圧ＨＨが設けられている場合は、目標電圧を目標電圧ＨＨに設定し、劣化抑制制御を実行するようにしてもよい。これは、上述した理由により、燃料電池スタック１の劣化が生じないことから、目標温度が高い分にはなんら支障はないことによる。したがって、水素供給弁２４を開いて水素をアノード極１３に供給することで劣化抑制を行うため、目標電圧を目標電圧ＨＨとすれば、アノード極１３へ多量に水素が供給されるため、水素濃度が高くなり、起動時間の短縮を促進することになる。

ステップＳ２３において、マイクロコンピュータ２は、前回の燃料電池システムが停止してからの経過時間が、所定時間Ｔｐ以内か否かを判定する。経過時間が、所定時間Ｔｐ以内であった場合は、処理をステップＳ２４へと進め、所定時間Ｔｐを超えている場合は、処理をステップＳ２５へと進める。

ステップＳ２４において、マイクロコンピュータ２は、経過時間が所定時間Ｔｐ以内であることに応じて、目標電圧“ＮＯ”に設定、つまり劣化抑制制御を実行しないという判定をする。

このように、前回の燃料電池システム停止からの経過時間が所定時間Ｔｐ以内である場合は、アノード極１３には水素がまだ満ちている状態と判定する。この状態で水素を供給しても残留酸素と反応して発電電圧が生じはするが、アノード極１３内の水素分布が既に均一であるため分布勾配を生じることがない。したがって、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行しないという判定をする。劣化抑制制御を実行しないため、起動時間が短縮されることになる。

ステップＳ２４では、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行しないと判定したが、図４に示す目標電圧スケールに、目標電圧Ｈよりもさらに高い目標電圧ＨＨが、設けられている場合は、目標電圧を目標電圧ＨＨに設定し、劣化抑制制御を実行するようにしてもよい。これは、上述した理由により、劣化が生じないことから、目標温度が高い分には、なんら支障はない。後述するように、本発明における劣化抑制制御では、水素供給弁２４を開いて水素をアノード極１３に供給することで劣化抑制を行うため、目標電圧を目標電圧ＨＨとすれば、アノード極１３の水素濃度が高くなり、起動時間の短縮を促進することになる。

ステップＳ２５において、マイクロコンピュータ２は、電圧センサ７２で検出した現在の発電電圧と、現在設定されている目標電圧との乖離が、正値であって所定値Ｖｋ以上であるか否かを判定する。現在の発電電圧と目標電圧との乖離は、目標電圧から電圧センサ７２で検出された現在の電圧値を減算することで算出される。発電電圧の変化がピーク値を経過後、あるいは所定時間以上経過後、乖離が所定値Ｖｋ以上である場合は、処理をステップＳ２６へと進め、乖離が所定値Ｖｋ以上でない場合は、処理をステップＳ２７へと進める。

ステップＳ２６において、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行すると判定し、目標電圧を目標電圧Ｈに設定する。

ここで、アノード極１３への水素供給が開始されると、残量酸素と反応して電圧が生じ、水素供給量に比例して電圧が高くなる。このとき、カソード極１２へは空気を供給していないため、しばらくすると残留酸素が消費されて減少し、発電電圧も低下してくる。このように、水素供給のみを行い、空気の供給を行わないと、発電電圧の変化がピークを持つようになる。そして、発電電圧のピークを過ぎて低下し始めた時、残量酸素が殆ど消費されているので、劣化反応が起きにくくなっている。この時、水素を供給しても発電電圧が高くならないので、初期値である目標電圧Ｍとの乖離が大きくなる。

また、この乖離が大きくなり始める段階では、カソード極１２から、固体高分子電解質膜１１を通過して、アノード極１３に滞留する空気が少なくなり、アノード極１３内の水素濃度勾配がなくなり均一となる。したがって、アノード極１３への水素供給をしたとしても、劣化しない条件が満たされているため問題がない。

そこで、マイクロコンピュータ２は、目標電圧を、初期値の目標電圧Ｍよりも高い目標電圧Ｈに設定することになる。後述するように、本発明における劣化抑制制御では、水素供給弁２４を開いて水素をアノード極１３に供給することで劣化抑制制御を行うため、劣化抑制制御を実行することで、アノード極１３の水素濃度が高くなり起動時間の短縮を促進することになる。

ここで、目標電圧を最大の目標電圧ＨＨせずに、目標電圧ＨＨよりも低い目標電圧Ｈとしたのは、カソード極１２の残留酸素が完全に消失した状態とはなっていないため、あまりにも高い電圧を目標電圧とすると、劣化反応を促進させてしまう問題があるからである。

ステップＳ２７において、マイクロコンピュータ２は、アノード極１３への水素供給が開始されてから発電電圧が出始めるまでの無駄時間が、所定時間Ｔ１以上か否かを判定をする。無駄時間が、所定時間Ｔ１以上であった場合は、処理をステップＳ２８へと進め、所定時間Ｔ１内であった場合は、処理をステップＳ２９へと進める。

ステップＳ２８において、マイクロコンピュータ２は、無駄時間が、所定時間Ｔ１以上であることに応じて、劣化抑制制御を実行すると判定し、目標電圧を一番低い目標電圧ＬＬに設定する。

ここで、燃料電池システムのシステム停止後、しばらく放置しておくと、アノード極１３及び水素供給流路Ｌ１には、水素以外のガスが満ちるようになる。これは、カソード極１２から固体高分子電解質膜１１を通過した空気が、アノード極１３に滞留してしまうことと、水素パージ配管から空気が進入してしまうことに起因している。

このような、水素以外のガスが満ちている状態で新鮮な水素を供給し始めたとしても、しばらくの間は、発電電圧を生じるような反応を起こすことがなく、水素を供給し始めてから、アノード極１３内に水素が満たされ始めると、急激に発電反応が進み、電圧が急激に上昇するようになる。

後述するように、水素供給弁２４を開いて水素をアノード極１３に多く供給することで、発電電圧をステップＳ４で設定した目標電圧に近づけるように劣化抑制を行うので、例えば目標電圧を高圧側に設定した場合、無駄時間の状態でも、水素供給弁２４を開いて水素を供給してしまう。さらに、無駄時間の経過後には、水素供給弁２４を過剰に開いた状態となっていて、発電電圧の急減な上昇を助長するような制御をしてしまうことになる。このような電圧の急激な上昇が生じると、劣化反応を促進させてしまうことになる。

そこで、ステップＳ２８においては、目標電圧を最も低い目標電圧ＬＬに設定することで、水素供給弁２４が過剰に開くことを防止し、発電電圧な急激な上昇が抑制されるように、劣化抑制制御を実行させる。

また、ステップＳ２８では、発電電圧の変化率が所定範囲内に納まるように、水素供給弁２４を制御するようにしてもよい。これにより、発電反応が急に進んで、燃料電池スタック１の発電電圧が急に立ち上がる時は、発電電圧変化率も大きくなるが、予め所定の小さな発電電圧変化率を設定して、水素供給弁２４の開度を制限して水素量を調整することで、発電電圧の上昇を抑制できる。

ステップＳ２９において、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ２においてアノード極１３への水素供給が開始されてから、発電電圧が出始めるまでの無駄時間が、所定時間Ｔ２以下か否かを判定をする。なお、所定時間Ｔ２は、所定時間Ｔ２＜所定時間Ｔ１となっている。無駄時間が、所定時間Ｔ２以下である場合は、処理をステップＳ３０へと進め、所定時間Ｔ２を超える場合は、処理をステップＳ３１へと進める。

ステップＳ３０において、マイクロコンピュータ２は、無駄時間が、所定時間Ｔ１よりも短い時間である所定時間Ｔ２以内であることに応じて、劣化抑制制御を実行すると判定し、目標電圧を目標電圧Ｈに設定する。所定時間Ｔ２以内で発電電圧が生じる場合は、水素を供給し始めて、直ぐに発電反応が生じる状態であるといえる。このような状態になるのは、アノード極１３内にある程度の水素が満ちている時であり、このような状態で水素を供給すると、残留酸素と反応して発電電圧を発生するが、水素分布勾配をほとんど生じないため、劣化もほとんど起こらない。

そこで、マイクロコンピュータ２は、目標電圧を、比較的高い目標電圧Ｈに設定することになる。後述するように、水素供給弁２４を開いて水素をアノード極１３に供給することで、燃料電池スタック１の発電電圧をステップＳ４で設定した目標電圧に近づけるように劣化抑制を行うが、上述したように水素分布勾配がほとんど生じないため、目標電圧を比較的高い目標電圧に設定しても劣化が起こることはない。むしろ、劣化抑制制御を実行することで、アノード極１３の水素濃度が高くなり起動時間の短縮を促進することになる。

ここで、目標電圧を最大の目標電圧ＨＨとせずに、目標電圧ＨＨよりも低い目標電圧Ｈとしたのは、カソード極１２の残留酸素が完全に消失した状態とはなっていないため、あまりにも高い発電電圧を目標電圧とすると、劣化反応を促進させてしまう問題があるからである。

また、この状態では、アノード極１３の水素分布が均一であり、劣化する要素がないため、ステップＳ２２又はステップＳ２４のように劣化抑制制御を実行しないようにしてもよい。

ステップＳ３１において、マイクロコンピュータ２は、無駄時間が所定時間Ｔ２を超えたことに応じて、つまり、無駄時間が、所定時間Ｔ２≦無駄時間≦所定時間Ｔ１となった場合には、目標電圧を目標電圧Ｍに設定する。

このような図３の処理を行うことにより、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御を実行するのか、実行しないのかを判定し、劣化抑制制御を実行する場合には、状態に応じて目標電圧を設定することになる。

続いて、再び図２に示すフローチャートに戻り、燃料電池システム起動処理のステップＳ４以降の処理について説明をする。

ステップＳ５において、マイクロコンピュータ２は、アノード極１３の目標圧力である目標水素極圧力を算出する。本実施例では、目標水素極圧力を、現在のアノード極１３の圧力から、カソード極１２の圧力上限値を減算して算出する。なお、劣化抑制制御時は、カソード極１２に空気が供給されないため、カソード極１２側は、大気圧となっている。このため、目標水素極圧力は、差圧制限上限値とした。

ステップＳ６において、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ４で算出した目標電圧に基づいて、劣化抑制制御を実行するか否かを判定する。ステップＳ４において、目標電圧がＮＯに設定されている場合には、劣化抑制制御を実行せずにステップＳ９へと処理を進め、それ以外の目標電圧が設定されている場合には、劣化抑制制御を実行するとしてステップＳ７へと処理を進める。

ステップＳ７において、マイクロコンピュータ２は、電圧センサ７２で検出される発電電圧値が、ステップＳ４において設定した目標電圧ＬＬ、目標電圧Ｌ、目標電圧Ｍ、目標電圧Ｈ、又は目標電圧ＨＨ以下となるように、劣化抑制制御を実行する。具体的には、図５に示すような制御ブロックにて、ＰＩフィードバック制御を行うことで、劣化抑制制御が実行されることになる。

まず、マイクロコンピュータ２は、カソード極１２に残留酸素がある場合には発電反応が活発となるため、設定された目標電圧を維持するように制御をする。つまり、最大発電電圧を目標電圧とすることで劣化を抑制する。

この状態がしばらく経過すると、カソード極１２の残留酸素が消費されて減少するため、電圧センサ７２で検出される発電電圧が低下してくる。マイクロコンピュータ２は、目標電圧を維持するため、水素圧力制御部２７を制御して水素供給弁２４の開度を大きくし、供給水素量を増加させる。しかし、カソード極１２の残留酸素が減少しているため、発電電圧は低下し続ける。

このようにして、カソード極１２の残留酸素が消費されて、発電電圧が低下してくると、マイクロコンピュータ２は、水素圧力制御部２７を制御して、水素供給弁２４の開度を大きくし、供給水素量を増加させる。しかし、発電電圧は、上昇することなく、減少していくため、劣化反応の促進もない。一方、アノード極１３には、大量に水素が供給されるため、水素濃度が高くなる。したがって、マイクロコンピュータ２は、燃料電池システムの起動時間を短縮させながら、劣化抑制制御を実行することができる。

このように、燃料電池システムでは、マイクロコンピュータ２によって、アノード極１３への水素流量を制御して、電圧センサ７２で検出した発電電圧を、ステップＳ４で設定した目標電圧となるように発電電圧制御をし、劣化が生じない発電電圧環境にすることで劣化抑制制御を実行している。

ところが、水素流量を調整して発電電圧調整を行うと、アノード極１３の圧力が上昇してしまい、上述したステップＳ５で設定した目標水素圧力を超えてしまう場合がある。このアノード極１３の圧力制御は、水素圧力センサ２６で検出されたアノード極１３の圧力に応じた、パージ制御部３１の制御によりパージ弁２９の開度を調整することで実行される。

なお、起動時の劣化抑制制御では、パージ弁２９によって、水素排出量を調整することで、アノード極１３の圧力制御を行っているが、通常運転時においては、水素供給弁２４によって、水素供給流量を調整することでアノード極１３の圧力制御が実行される。

また、燃料電池システムは、図５に示すように、圧力制御もＰＩフィードバック制御としている。例えば、アノード極１３の圧力制御を、圧力が高い時だけパージ弁２９を開き、圧力を調整するといった手法で実行することも可能ではあるが、パージ弁２９の開閉に合わせて、アノード極１３の圧力が変動してしまう。起動時の劣化抑制制御では、ステップＳ５で算出した目標水素極圧力となるように圧力制御を実行するため、圧力変動が生じると、差圧制限を超えて、燃料電池スタック１にダメージを与えてしまうことになる。したがって、本実施例においては、圧力制御手法として、アノード極１３の圧力を目標水素極圧力に、出来るだけ維持することが可能な、ＰＩフィードバック制御を採用した。

ところで、アノード極１３の水素極圧力を、ＰＩフィードバック制御によって制御する際に、パージ弁２９から排出可能な排出水素量には、最大値がある。これは、濃度の高い極めて反応性の高い水素を大気中に放出しないようにするためであり、本実施例として示す燃料電池システムの場合、希釈ブロア３０の希釈能力によって、排出水素量の最大値が決定されることになる。

排出水素量が、最大値を超えないようにパージ弁２９の開度を調整する場合、水素極圧力の制御は、実質上不可能となってしまうため、通常運転時で行っているように、水素供給弁２４の開度を調整することで、水素極圧力を制御することになる。

このとき、上述した、水素供給弁２４の開度を調整することで、燃料電池スタック１の発電電圧を目標電圧以下とする発電電圧制御を停止することになるが、代わりに、水素循環ポンプ２８の回転数を制御し、水素循環機能によって、電圧センサ７２で検出された燃料電池スタック１の発電電圧を、目標電圧以下とする。

このような、パージ弁２９の最大排出水素量の限界を補うために実行される圧力制御、発電電圧制御の他の機能部での代替制御は、具体的には、図６に示すフローチャートのように実行されることになる。

まず、マイクロコンピュータ２は、排出水素量が、所定値Ｅｍａｘを超えたか否かを判定する（ステップＳ４１）。所定値Ｅｍａｘを超えた場合、マイクロコンピュータ２は、パージ制御部３１を制御して、パージ弁２９の開度を制限させる（ステップＳ４２）。そして、マイクロコンピュータ２は、水素圧力制御部２７を制御して、水素供給弁２４の開度を調整させ、アノード極１３の圧力を制御する処理に変更する（ステップＳ４３）。続いて、マイクロコンピュータ２は、水素循環ポンプ２８の回転数を制御して、燃料電池スタックの電圧を制御する処理に変更する（ステップＳ４４）。なお、ステップＳ４１において、排出水素量が、所定値Ｅｍａｘを超えない場合は、ステップＳ４１〜ステップＳ４４までの処理は、実行されない。

また、上述したように、パージ弁２９によるアノード極１３の水素極圧力の制御が不可能となっている状態には、水素供給弁２４の開度を調整して、燃料電池スタック１の発電電圧を目標電圧以下となるように制御がなされるが、この時に、水素圧力センサ２６で検出されるアノード極１３の圧力と、目標水素極圧力との圧力偏差の絶対値を算出し、この絶対値が、所定値以下になった場合に、水素供給弁２４の開度が、それ以上大きくならないように制御してもよい。

例えば、マイクロコンピュータ２の制御ブロックを、図７に示ような構成とした場合、マイクロコンピュータ２が偏差計算を実行して圧力偏差を算出し、算出された圧力偏差の絶対値が所定値以下となった場合に、水素供給弁２４の開度を、前回の演算によって決定された開度とし、発電電圧制御をするために算出された水素供給弁２４の開度量を使用しないような制御をする。

再び、図２に示すフローチャートに戻り、燃料電池システム起動処理のステップＳ７以降の処理について説明をする。

ステップＳ８において、マイクロコンピュータ２は、ダミー抵抗８１を接続している状態を終了するか否かを判定する。本実施例では、電圧センサ７２で検出された燃料電池スタック１の発電電圧が、所定の発電電圧以下で、所定時間経過した場合に、ダミー抵抗８１の接続を終了、つまりダミー抵抗８１を遮断すると判定することにする。具体的には、電圧センサ７２で検出される発電電圧が１０Ｖ以下で、３０秒経過した場合に、ダミー抵抗８１を遮断するという判定をする。ダミー抵抗８１を遮断する場合は、処理をステップＳ９へと進め、遮断をしない場合は、処理をリターンへと進め、再びステップＳ１からの処理を繰り返すようにする。

ステップＳ９において、マイクロコンピュータ２は、酸素消費部７３の開閉器８２を開き、ダミー抵抗８１を遮断して、燃料電池システムの起動時における劣化抑制制御を終了させる。

ステップＳ１０において、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制制御が終了したことに応じて、燃料電池システムの運転状態を通常運転へと移行させる。具体的には、マイクロコンピュータ２は、水素圧力制御部２７を制御して、水素供給弁２４の開度を調整し、アノード極１３の圧力を、目標水素圧力に維持するための制御を開始する。また、マイクロコンピュータ２は、パージ制御部３１を制御して、パージ弁２９の開度を調整し、アノード極１３のパージ流量を調整する制御を開始する。

ステップＳ１１において、マイクロコンピュータ２は、コンプレッサ４１を制御して、カソード極１２への空気供給を開始させ、燃料電池スタック１による発電を開始させる。ここでは、発電待機状態（発電Ｒｅａｄｙ状態）とし、アノード極１３内の水素濃度が十分な濃度となるまで待つようにし、駆動モータなどの負荷を燃料電池システムに接続した際に、水素不足を起こすことを防止するようにする。

ステップＳ１２において、マイクロコンピュータ２は、起動終了フラグをセットして、燃料電池システムの起動処理を終了する。

［実施の形態の効果］
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、システムの起動時の劣化抑制制御時において、水素供給弁２４を制御して燃料電池スタック１の発電電圧を目標電圧以下、且つ、パージ弁２９を制御してアノード極１３の圧力を目標圧力以下となるようにし、腐食劣化反応を生じない燃料電池スタック１の発電電圧状態、アノード極１３の圧力状態を保つようにする。

これにより、燃料電池スタック１の劣化抑制を実行しながら、最大水素量をアノード極１３へ供給することができるため、アノード極１３内で水素濃度分布がなくなるように作用し、且つ水素濃度が迅速に高くなるように作用するため、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

また、この燃料電池システムによれば、劣化抑制制御時には、ダミー抵抗８１へ燃料電池スタック１を接続し、カソード極１２の残留酸素を消費させることで燃料電池スタック１の電位の上昇を抑制している。この状態で、目標電圧値以下となるように、水素供給弁２４の開度を制御するため、アノード極１３へ供給される水素量は、増加傾向となり、アノード極１３内の水素濃度も迅速に高くなり、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、劣化抑制制御を終了し、通常動作である通常発電状態に移行した際には、水素供給弁２４の開度を調整することで、アノード極１３入口付近の圧力が目標圧力値となるような制御を実行するように切り替え、パージ弁２９の開度を調整することで、アノード極１３に滞留した不純物ガス（窒素ガスなど）を大気に排出するパージ流量を、目標流量となるような制御を実行するように切り替える。

これにより、通常発電時には、水素供給弁２４を発電量に応じた水素流量を供給するための手段として機能させ、パージ弁２９を、不純物ガスをアノード極１３に滞留させないための手段として機能させることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、起動時の劣化抑制制御時において、燃料電池スタック１で発電電圧が発生されるまので時間が所定時間Ｔ１を超える場合には、目標電圧をＬＬに設定したり、発電電圧変化率の増加を所定の範囲内とするように、アノード極１３に供給される水素量を減少させるため、燃料電池スタック１の発電電圧が劣化反応を生ずる上限の発電電圧値を超えることを防ぎ、劣化を抑制することができる。

具体的には、燃料電池システムが長時間放置された後は、水素供給流路Ｌ１内に不純ガス（空気、窒素）が満ちているため、水素供給を開始して、しばらくは発電電圧がでない状態となるが、アノード極１３が水素で満たされ始めると、急激に発電反応が進み、発電電圧が立ち上がるため、燃料電池スタック１にダミー抵抗８１を接続して劣化抑制を行ったとしても、回路の動作遅れなどで、劣化反応上限電圧を超えてしまうことになる。したがって、このような状態が予測される場合は、前もって、供給する水素量を低減させ、発電電圧の急激な立ち上がりによる劣化反応上限電圧の超過を防ぎ、劣化反応を抑制することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、起動時の劣化抑制制御時において、パージ弁２９の開度を水素量の大気中への放出限界に応じて制限した場合には、パージ弁２９の調整によるアノード極１３の圧力制御をすることが不可能となるが、アノード極１３の圧力と目標圧力との偏差の絶対値が所定値以下となった場合に、水素供給弁２４を開度をさらに大きくすることがないように制御することで、水素のさらなる供給による圧力上昇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、アノード極１３への水素供給量が減少しない状態にある場合に、燃料電池スタック１の発電電圧が低下し始め、さらに水素を供給しても発電電圧が低下する場合には、目標電圧をより高い発電電圧値に設定することで、供給する水素量を減少させることなく、増加させることができる。したがって、アノード極１３の水素濃度を迅速に高め、起動時間を短縮させることができる。

具体的には、燃料電池システムの起動時には、ダミー抵抗８１を燃料電池スタック１に接続して発電電圧を下げるようにするので、カソード極１２の残留酸素が消費されて減少するため、発電電圧が低下していく。このため、アノード極１３への水素供給量を増加させても、カソード極１２に酸素が残留していないため、発電電圧が上昇しない。そこで、目標電圧をより高い発電電圧値である目標電圧Ｈに設定すると、これを維持するように、水素供給弁２４の開度が調整されて水素量が増加することになる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池システムを停止させた後、所定時間内に再起動させた場合には、劣化抑制制御を実行しないようにするため、起動時間を短縮することができる。

燃料電池システムの停止時には、ダミー抵抗８１を接続して、カソード極１２の残留酸素を使用して、発電をし、燃料電池スタック１の発電電圧を下げる制御が実行される。したがって、燃料電池システムが停止した直後、カソード極１２に酸素が殆どない。このため、燃料電池システム停止後、所定時間以内に再起動した場合は、アノード極１３へ水素が供給され始めても、カソード極１２の残留酸素が見込めないため、発電電圧が上昇しない。このような状態においては、劣化抑制制御を実行する必要がなく省略でき、起動時間を短縮することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、劣化抑制制御を実行する前に、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値Ｖｐ以上である場合には、劣化抑制制御を実行しないようにするため、起動時間を短縮することができる。

燃料電池システムの停止動作をする際に、ダミー抵抗８１を接続しないで停止させた場合、その直後において燃料電池スタック１の発電電圧は、残ったままであるが、アノード極１３と、カソード極１２のクロスオーバーにより発電電圧は徐々に低下する。この状態で、アノード極１３に水素を供給すると発電電圧を生じるが、アノード極１３内の水素分布は、既に均一であるため劣化反応は生じない。したがって、劣化抑制制御を実行する必要がなく省略でき、起動時間を短縮することができる。

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。

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劣化抑制制御時において、目標電圧を設定する際の動作手順を示すフローチャートである。目標電圧スケールを示した図である。本発明を適用した燃料電池システムの制御ブロックを示した図である。本発明を適用した燃料電池システムの劣化抑制制御において、圧力制御、発電電圧制御を代替制御する際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制御ブロックを示した図である。

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
３１パージ制御部
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

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、
前記燃料極のガスを排出するガス排出手段と、
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、
前記燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段と、
燃料電池システムの起動時において、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すると共に、前記燃料供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を開始するよう制御している時に、前記圧力検出手段によって検出された燃料極のガス圧力を目標圧力以下、且つ、前記発電電圧検出手段によって検出された前記燃料電池スタックの電圧を目標電圧以下とするように、前記燃料供給手段による燃料極への供給ガス流量、及び、前記ガス排出手段による燃料極からの排出ガス流量を調整する制御手段と
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、前記燃料電池スタックの電圧を目標電圧以下とするように前記燃料供給手段による燃料極への供給ガス流量を調整し、前記燃料極の圧力を目標圧力以下となるように前記ガス排出手段による燃料極からの排出ガス流量を調整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、前記電力消費手段による発電電力の消費又は前記ガス排出手段による燃料極からの排出ガス流量を調整する制御の終了時に、前記燃料極の圧力を目標圧力以下とするように前記燃料供給手段による燃料極への供給ガス流量を調整する制御に切り換え、前記燃料極に滞留した燃料ガス以外の不純物を排出させるように前記ガス排出手段を制御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、前記燃料供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を開始した後に、前記発電電圧検出手段によって所定の発電電圧が検出されるまでの時間が、所定の時間以上である場合に、前記燃料電池スタックの電圧変化率を所定の範囲内となるように前記燃料供給手段による前記燃料極への供給ガス流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記ガス排出手段から排出させる排出ガスに含まれる水素の濃度が所定値を超える場合に、前記ガス排出手段の排出ガス流量を制限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、前記ガス排出手段の排出ガス流量を制限している時に、前記圧力検出手段によって検出された燃料極の圧力と目標圧力との偏差を算出し、算出された偏差の絶対値が所定値以下である場合には、前記燃料極へ供給した供給ガス流量の前回値以下の供給ガス流量とすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による前記燃料極への供給ガス流量を増加させている場合であって、前記燃料電池スタックの電圧がピーク電圧経過後である場合又は起動後の所定時間経過後である場合に、前記発電電圧検出手段によって検出された前記燃料電池スタックの電圧が、現在設定されている目標電圧より所定値以上低い場合には、前記目標電圧を、より高い目標電圧に設定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、燃料電池システムの停止後の所定時間内に再起動させた場合には、前記電力消費手段による発電電力の消費又は前記ガス排出手段による前記燃料極からの排出ガス流量を調整する制御を実行しない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、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給開始する前に、前記発電電圧検出手段によって検出された前記燃料電池スタックの電圧が所定値以上である場合には、前記電力消費手段による発電電力の消費又は前記ガス排出手段による前記燃料極からの排出ガス流量を調整する制御を実行しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。