JP2006127860A - 燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供する。
【解決手段】 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法である。燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、各セルの電圧のうち最低のセル電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想セル電圧から減算し、該減算値が第１の所定値以下になるように発電条件を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。

例えば、特許文献１には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
特開２００２−３１３３８８号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとは言え発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。

また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極（アノード、カソード）に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流が過剰に流れると、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応して腐食してしまう（以下、電食、と称す）虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。

従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法である。燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、各セルの電圧のうち最低値である最低セル電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想セル電圧から減算し、この第１の減算値（例えば、実施の形態におけるΔＶ’）が第１の所定値（例えば、実施の形態におけるＡ’）以下になるように発電条件を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の減算値が第１の所定値以下になるように発電条件を制御することで、前記最低セル電圧を前記理想セル電圧に近づけることができ、理想の発電状態に近づけることができる。これにより、前記最低セル電圧となったセルの電極表面で残留水が凍結している場合であっても、電圧値が前記理想セル電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。ここで、発電条件の制御としては、反応ガス（水素、空気）の供給量や圧力を増加したり、各セルに流れる電流値を減少させることにより行う。以下に記載の発電条件の制御も同様である。

請求項２に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、各セルの電圧のうち最低値である最低セル電圧を、各セルの電圧の平均値である平均セル電圧から減算し、この第２の減算値（例えば、実施の形態におけるΔＶ）が第２の所定値（例えば、実施の形態におけるＡ）以下になるように発電条件を制御することを特徴とすることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の減算値が第２の所定値以下になるように発電条件を制御することで、前記最低セル電圧を前記平均セル電圧に近づけることができ、各セルの電圧ばらつきを抑制することができる。これにより、前記最低セル電圧となったセルの電極表面で残留水が凍結している場合であっても、前記最低セル電圧が前記平均セル電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項３に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、各セルの電圧のうち最低値である最低セル電圧を、各セルの電圧のうち最高値である最高セル電圧から減算し、この第３の減算値（例えば、実施の形態におけるΔＶ’’）が第３の所定値（例えば、実施の形態におけるＡ’’）以下になるように発電条件を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記第３の減算値が第３の所定値以下になるように発電条件を制御することで、前記最低セル電圧を前記最高セル電圧に近づけることができ、各セルの電圧ばらつきを抑制することができる。これにより、前記最低セル電圧となったセルの電極表面で残留水が凍結している場合であっても、前記最低セル電圧が前記最高セル電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項４に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
燃料電池スタックの総電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想総電圧から減算し、この第４の減算値（例えば、実施の形態におけるΔＶ’’’’）が第４の所定値（例えば、実施の形態におけるＡ’’’’）以下になるように発電条件を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記第４の減算値が第４の所定値以下になるように発電条件を制御することで、前記総電圧を前記理想総電圧に近づけることができ、理想の発電状態に近づけることができる。これにより、前記燃料電池スタックで残留水が凍結している場合であっても、電圧値が前記理想総電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項１から請求項４に係る発明によれば、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。

同図に示す燃料電池２は、複数のセル３…３を積層してなるスタック４を、一対のプレート５、５で挟持してなる構成を備えている。各セル３は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜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。

水素タンク６から供給される水素は、遮断弁７やレギュレータ（図示せず）を介し、水素供給流路８を通って燃料電池２のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路９に排出され、エゼクタ１０を介して水素供給流路８に合流する。

つまり、燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素タンク６から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路９から分岐した水素オフガス排出流路１１は希釈ボックス（図示せず）に接続される。水素オフガス排出流路１１には水素パージ弁１２が設けられ、水素パージ弁１２を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路１１から希釈ボックスに排出する。

一方、エアはコンプレッサ１３によりエア供給流路１４に圧送され、燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路１５に排出される。

エアオフガス排出流路１５は上述の希釈ボックス（図示せず）に接続され、エアオフガス排出流路１５から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路１１から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。

さらに、燃料電池２は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池２の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池２は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
また、燃料電池２は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１７を介して接続され、燃料電池２の発電で得られた電力を電線１７を介して負荷１６に供給する。

また、本実施の形態においては、燃料電池２の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ１９〜２１を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路１５におけるスタック４の出口付近における温度センサ１９を、水素オフガス排出流路１１におけるスタック４の出口付近における温度センサ２０を、燃料電池２のプレート５に温度センサ２１を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池２を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも１つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池２の電流Ｉを測定するために、負荷１６に接続された電線１７に電流センサ２２を設けている。さらに、燃料電池２の電圧を測定する電圧センサ２３や、各セル３の電圧を検出するための電圧センサ２５…２５も設けられている。

燃料電池システム１には、該システム１の制御を行うためのコントロールユニット（制御部）２４が設けられている。この制御部２４には、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）が接続されている。制御部２４には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９〜２１や電流センサ２２、電圧センサ２３からの検出値が入力される。そして、制御部２４は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁７、コンプレッサ１３、水素パージ弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁７を開弁しまたコンプレッサ１３を駆動して、燃料電池２のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。

次に、ステップＳ１２では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池２の内部温度を把握する。ステップＳ１４では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、電流制限を解除して、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。この場合には燃料電池２内の残留水は凍結していないと判断できるためである。

一方、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、燃料電池２に一定電流を流す処理を行う。この一定電流は、燃料電池２の電極（アノード、カソード）での電食を防止し得る適正な電流値であって、発電により生じた生成水の凍結を防止できる最小電流値以上の値に設定される。

ついで、ステップＳ１８では、各セル３…３に設けられた電圧センサ２５…２５により全てのセル電圧を把握し、把握した全てのセル３の電圧のうち、最も低い電圧（最低セル電圧）を把握する。ステップＳ２０では、最低セル電圧のセル３について、実効電流密度を把握する。ここで、実効電流密度は、前記セル３の電極のうち実際に発電に寄与する部位における単位面積あたりの電流値である。

この実効電流密度の求め方について、図４および図５を用いて説明する。図４は燃料電池スタックを構成するセルにおける理想状態（発電が理想的に行われている状態）でのセル電圧と実効電流密度との関係を温度（ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ）毎に示すグラフ図である。また、図５は所定温度（この場合はラインＬＢの温度）でのセル電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。ここで、図４に示すラインＡ、Ｂ、Ｃの温度は、いずれも氷点下である。そして、ラインＣの温度が一番高く、ラインＣ、ラインＢ、ラインＡの順に温度が低くなっている。ステップＳ２０では、まず、図４を用いて燃料電池２の内部温度に応じたライン（この場合はラインＬＢ）を選定し、図５を用いて最低セル電圧の電圧値（この場合はＶ１）での実効電流密度（この場合はｉ１）を求める。

ステップＳ２２では、燃料電池２の自立暖機が可能か否かを判定する。この判定は、燃料電池２に流すことができる電流密度が上述の実効電流密度より大きい場合には、自立暖機可能と判断できる。この場合には、別の暖機手段を用いなくても発電による発熱で燃料電池２を暖機できるからである。ここで、燃料電池２に流すことができる電流密度は、燃料電池２に供給する反応ガス量により算出される。

ステップＳ２２の判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２４に進んで自立暖機可能な電流密度で発電を継続して行う。一方、ステップＳ２２の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ４４に進んで燃料電池２の発電を停止する。そして、ステップＳ４６では、外部加熱（例えば、外部ヒータ等）による暖機が可能であるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、外部加熱による暖機を行って、上述のステップＳ１２の処理を行う。また、ステップＳ４６の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ４８でシステム１を停止する処理を行う。

上述のステップＳ２４で暖機発電を行った後は、ステップＳ２６でセンサ２５で最低セル電圧、すなわち、各セル３で検出される電圧のうち最低の電圧値を把握する。そして、この最低セル電圧の他のセル電圧に対する電圧低下量ΔＶを確認する。本実施の形態では、電圧低下量ΔＶは、各セル３の電圧の平均値である平均セル電圧を算出して、該平均セル電圧から最低セル電圧を減算することで求めている。ただし、これに限らず、各セル３の電圧の最高値である最高セル電圧から最低セル電圧を減算することで求めてもよい。

そして、ステップＳ３０では、電圧低下量ΔＶが所定値Ａより小さいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ４２に進み、この判定結果がＮＯであればステップＳ３４に進む。なお、最高セル電圧から最低セル電圧を減算することで電圧低下量（ΔＶ’’とする）を求めた場合には、所定値は異なる値となる（Ａ’’とする）。

ステップＳ３０の判定結果がＹＥＳの場合には、各セル３電圧のばらつきが小さいと推定できるので、発電条件を変更することなくステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、燃料電池２の内部温度が０℃より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ５０に進んで通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。ステップＳ４２の判定結果がＮＯの場合には、上述のステップＳ２４の処理に戻って暖機発電を継続する。

ステップＳ３０の判定結果がＮＯの場合には、各セル３電圧のばらつきが大きい推定できるので、発電条件を変更する処理を行う。具体的には、ステップＳ３４で、燃料電池２に供給するアノードガス（水素）を増量できるかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ３６でアノードガスおよびカソードガス（空気）を増量して、ステップＳ４２に進む。なお、ステップＳ３４でアノードガスである水素についてのみ判定を行っているのは、水素はタンク６内に貯留され容量が制限されているのに対し空気はかかる制限はないため、水素よりも増量の容易は空気については判定する必要がないからである。

ステップＳ３４の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ３８でセル３に流す電流値を削減できるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ４０で電流値削減処理を増量して、ステップＳ４２に進む。このように、セル３の電流値を削減することでこのセル３の電圧値を上昇させることができるため、各セル３の電圧バラツキを抑制することができる。一方、ステップＳ３８の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ４４に進んで燃料電池２の発電を停止する処理を行い、上述の処理を行う。

以上のように発電条件を制御することで、各セル３の電圧ばらつきを抑制することができる。これにより、前記最低セル電圧となったセル３の電極表面で残留水が凍結している場合であっても、前記最低セル電圧が前記平均セル電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。

次に、燃料電池システムの起動方法の他の処理内容について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図２に示す処理と同じ処理については、同一の番号を付してその説明を適宜省略する。このフローチャートでは、ステップＳ２６で最低セル電圧を把握した後、ステップＳ５２に進む。そして、ステップＳ５２での電圧低下量ΔＶ’を、理想セル電圧から最低セル電圧を減算することで算出している（図６参照）。図６は燃料電池スタックを構成するセルの所定温度（Ｔｂとする）での電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図である。同図において、ラインＬｂは発電が理想的に行われた場合（セル３の電極全体で発電が行われている場合）を示す。このラインは、図４の場合と同様に、燃料電池２の内部温度に応じて変化する。また、ラインＬｂｍｉｎは、発電を許容しうる下限のラインである。そして、ラインＬｂ’は、実際に検出される電流値や電圧値から得られるラインである。

そして、ステップＳ５４では、電圧低下量ΔＶ’が所定値Ａ’より小さいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ５５に進んで燃料電池２の内部温度を把握し、この判定結果がＮＯであればステップＳ３４に進む。電圧低下量ΔＶ’が所定値Ａ’より小さいときには、最低セル電圧が理想セル電圧に近く、発電を許容できる状態であるので、発電条件を変更しない。一方、電圧低下量ΔＶ’が所定値Ａ’以上のときには、最低セル電圧が理想セル電圧から離れ、このままでは発電を許容できる状態ではないので、上述のようにステップＳ３４、ステップＳ３８で発電条件を変更する処理を行う。そして、ステップＳ３６、ステップＳ４０で発電条件を変更する処理を実行した後、ステップＳ５５に進む。

このように、本フローチャートでは、最低セル電圧を理想セル電圧に近づけることように発電条件を制御することで、理想の発電状態に近づけることができる。これにより、前記最低セル電圧となったセル３の電極表面で残留水が凍結している場合であっても、電圧値が前記理想セル電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。
また、ステップＳ５５の処理の後はステップＳ４２に進む。そして、ステップＳ４２の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ５６で、内部温度に応じた理想ＩＶライン（図６参照）を把握して、ステップＳ２４に進む。

以上説明したように、本発明によれば、氷点下で燃料電池２を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池２の寿命を延ばすことができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。また、ステップＳ１４、ステップＳ４２の閾値については、０℃でなくてもよく、燃料電池２のセル３が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。
また、燃料電池スタックの総電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想総電圧から減算し、この減算値（ΔＶ’’’’とする）が所定値（Ａ’’’’とする）以下になるように発電条件を制御するようにしてもよい。これにより、前記燃料電池スタックで残留水が凍結している場合であっても、電圧値が前記理想総電圧に対して大幅に下降して、過剰な電流が流れることを防止することができる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池システムの起動方法の他の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池スタックを構成するセルにおける理想状態でのセル電圧と実効電流密度との関係を温度毎に示すグラフ図である。 、図５は所定温度でのセル電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。 燃料電池スタックを構成するセルの所定温度での電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…セル
４…スタック
１９〜２１…温度センサ
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
２４…コントロールユニット

Claims (4)

1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   各セルの電圧の最低値である最低セル電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想セル電圧から減算し、この第１の減算値が第１の所定値以下になるように発電条件を制御することを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   各セルの電圧のうち最低値である最低セル電圧を、各セルの電圧の平均値である平均セル電圧から減算し、この第２の減算値が第２の所定値以下になるように発電条件を制御することを特徴とする燃料電池の起動方法。
3. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   各セルの電圧のうち最低値である最低セル電圧を、各セルの電圧のうち最高値である最高セル電圧から減算し、この第３の減算値が第３の所定値以下になるように発電条件を制御することを特徴とする燃料電池の起動方法。
4. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   燃料電池スタックの総電圧を、発電が理想的に行われた場合における理想総電圧から減算し、この第４の減算値が第４の所定値以下になるように発電条件を制御することを特徴とする燃料電池の起動方法。
   
   

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