JP2006172923A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動時にのみ過電圧増加要因物質を低減する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムの起動時に、燃料電池１の温度を温度センサ１６によって検出し、燃料電池システムが低温起動時の場合にだけ、カソード４２の過電圧増加要因物質を低減した状態でコンプレッサ３と水素ボンベ２から空気と水素を供給し、発電を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムに過電圧増大要因物質が存在していると、例えば電解質膜などに担持した触媒の表面に過電圧増大物質が付着し、燃料電池の発電を妨げ、つまり発電効率を低下させる。

従来、燃料電池システムにおいて燃料電池に過電圧増大要因物質を除去するための触媒を設けたものが、特許文献１に開示されている。
特開９−２７３２６号公報

過電圧増大要因物質による燃料電池の発電効率の低下は、燃料電池システムの低温起動時に顕著に表れることが分かっている。

しかし、上記の発明では、燃料電池システムの起動時にも常に過電圧増大物質を除去するための触媒によって過電圧増大物質を除去しているので、過電圧増大物質の影響が少ない通常の燃料電池システムの起動でも、触媒を活性化させるために時間が掛かるために燃料電池システムの起動時間が長くなるといった問題点がある。

また、過電圧増大要因物質の影響が少ない通常の起動時にも過電圧増加要因物質を除去すると、例えば触媒の劣化が進み易く、燃料電池システムのメンテナンスの回数を多く行わなければならないといった問題がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池システムの低温起動時にのみ過電圧増大物質を除去することで通常の燃料電池システムの起動時間を短くし、また燃料電池システムのメンテナンスを低減することを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜の両側に触媒を担持したガス拡散層を有するアノードとカソードから構成される単位セルを積層した燃料電池と、アノードに水素を主成分とする燃料を供給する燃料供給手段と、カソードに酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、カソードの過電圧増加要因物質を低減する過電圧増加要因物質低減手段と、を備える。そして、燃料電池の起動時に燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合にのみ、過電圧増加要因物質を低減した状態で、燃料供給手段と第１酸化剤供給手段によって供給される燃料と酸化剤によって発電を開始する。

本発明によると、燃料電池システムの低温起動時には過電圧増加要因物質低減手段によって過電圧増加要因物質を低減して燃料電池の発電を行うので、過電圧増加要因物質が燃料電池の発電効率に与える影響が大きい低温起動時には燃料電池の発電効率の低下を抑制し、燃料電池システムを素早く起動させることができ、過電圧増加要因物質が燃料電池の発電効率に与える影響が少ない通常起動時には過電圧増加要因物質を低減せずに燃料電池システムを起動させるので起動時間を短くすることができる。また、通常起動時には過電圧増加要因物質を低減しないので、例えば過電圧増加要因物質低減手段の交換などの回数を減らすことができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を図１の概略図を用いて説明する。

この実施形態では水素と空気中の酸素によって発電を行う燃料電池１と、後述する燃料電池１のアノード４１に水素を供給する水素ボンベ２と、燃料電池１の通常の発電時に後述する燃料電池１のカソード４２に空気（酸化剤）を供給するコンプレッサ（第１酸化剤供給手段）３と、燃料電池１の低温起動時に燃料電池１のカソード４２に空気を供給するコンプレッサ（第２酸化剤供給手段）４を備える。

燃料電池１は単位セル４０を積層して構成される。ここで単位セル４０について図２の概略構成図を用いて説明する。単位セル４０は電解質膜３０と、電解質膜３０を挟持し触媒層３１ａ、触媒層３１ｂを担持するガス拡散層３２ａ、ガス拡散層３２ｂを備える。さらにガス拡散層３２ａの外側にガス拡散層３２ａに水素を供給する水素流路３３を有するアノードセパレータ３４ａを備え、ガス拡散層３２ｂの外側にガス拡散層３２ｂに空気を供給する空気流路３５を有するカソードセパレータ３４ｂを備える。ここでは触媒層３１ａとガス拡散層３２ａとアノードセパレータ３４ａをアノード４１とし、触媒層３１ｂとガス拡散層３２ｂとカソードセパレータ３４ｂをカソード４２とする。

アノードセパレータ３４ａとカソードセパレータ３４ｂは水素流路３３または空気流路３５を設けた面の背面に単位セル２を冷却する冷却水が流れる冷却水流路３６を設ける。

また、水素ボンベ２から燃料電池１へ水素を供給する水素供給路５と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出水素を再び燃料電池１に供給する水素循環路６と、排出水素中に例えば窒素などの不純物の濃度が高くなった場合に排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する水素排出路８を備える。また、水素循環路６には排出水素を循環させるための水素循環ポンプ７を備える。さらに、水素供給路５と水素排出路８にはそれぞれバルブ９、１０を設ける。バルブ９、１０の開度を調整することで、水素供給路５、水素循環路６、水素排出路８を流れる水素または排出水素の流量を制御することができる。

また、燃料電池システムの通常運転時にコンプレッサ３から燃料電池１へ空気を供給する第１空気供給路１１と、燃料電池システムの低温起動時にコンプレッサ４から燃料電池１へ空気を供給する第２空気供給路１２と、燃料電池１の発電に使用されなかった排出空気を燃料電池システムの外部へ排出する空気排出路１３を備える。第２空気供給路１２は第１空気供給路１１と連結し、連結箇所よりも上流側の第２空気供給路１２にはコンタミ除去装置１４（過電圧増加要因物質低減手段）と、バルブ１５を備える。

コンタミ除去装置１４は、空気中に含まれる一酸化炭素、硫黄化合物、窒素化合物、または埃や塵などの過電圧増加要因物質（以下、コンタミとする）を除去する。コンタミが燃料電池１中に存在すると、触媒層３１ａ、３１ｂの活性が低下し、水素または空気の拡散性を阻害し、燃料電池１の過電圧の増大が顕著になり、燃料電池１の出力が低下する。すなわち燃料電池１の発電効率が低下する。なお、コンタミによる燃料電池１の発電効率の低下は燃料電池１が低温の場合に顕著に表れる。コンタミ除去装置１４にはゼオライトや活性炭などの吸着材や、ハニカム触媒などの酸化触媒などを使用する。また複数のコンタミ除去装置１４を用いてもよい。

燃料電池１には燃料電池１の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）１６を設ける。温度センサ１６はサーミスタや熱電対などを使用する。温度センサ１６は燃料電池１の内部に配置することが望ましいが、燃料電池１の外部表面に設けても良い。また、燃料電池１の近傍に配置し、温度センサ１６によって検出した燃料電池１近傍の温度から燃料電池１の温度を推定しても良い。

また、燃料電池１の温度によってコンプレッサ３、４やバルブ９、１０、１５などを制御するコントローラ５０を備える。

なお、図示しないが燃料電池１を冷却する冷却装置を備える。

以上の構成によって、燃料電池システムの低温起動時にのみ、コンタミ除去装置１４によって空気中のコンタミを除去することができる。

次に燃料電池システムの起動制御について図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００では、燃料電池システムの起動トリガーがＯＮ、例えば起動スイッチがＯＮとなると温度センサ１６によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。

ステップＳ１０１では、燃料電池１の温度Ｔが０℃以下かどうか判断する。つまり燃料電池システムが低温起動かどうか判断する。そして、温度Ｔが０℃以下である場合には、ステップＳ１０２へ進み、温度Ｔが０度以下ではない場合にはステップＳ１０７へ進む。なお、この実施形態では低温起動かどうかを判断する温度を０℃としたが、この温度に限られることはない。

ステップＳ１０２では、バルブ５を開き、コンプレッサ４を起動し燃料電池１に第２空気供給路１２を介して空気の供給を開始する。コンプレッサ４から供給される空気はコンタミ除去装置１４によって空気中のコンタミが除去されている。空気中のコンタミをコンタミ除去装置１４により除去することで燃料電池１のカソード４２へのコンタミの付着を抑制し、燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができる。

ステップＳ１０３では、バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始し、燃料電池１において水素と空気中の酸素によって発電を開始する。ステップＳ１０２でコンタミ除去装置１４によって空気中のコンタミが除去されているので、燃料電池１の発電効率を良くすることができ、発電に伴う発熱で燃料電池１を暖機することができ、燃料電池システムの低温時の起動時間を短くすることができる。なお、燃料電池１をヒータなどによって暖機しても良い。

ステップＳ１０４では、温度センサ１６によって燃料電池１の温度Ｔを検出し、温度Ｔが０℃以下かどうか判断する。そして温度Ｔが０℃よりも高くなるとステップＳ１０５へ進む。なお、ここでは温度Ｔと比較する温度として０℃としたが、０℃に限られることはない。また、ステップＳ１０１によって判断した温度と同じ温度としても良い。

ステップＳ１０５では、コンプレッサ３を起動し、コンプレッサ３から燃料電池１へ空気の供給を開始する。

ステップＳ１０６では、バルブ５を閉じ、コンプレッサ４を停止し、コンプレッサ４から燃料電池１への空気の供給を停止する。

ステップＳ１０４において燃料電池１の温度Ｔが０℃よりも高くなるとコンプレッサ４からの空気供給の代わりにコンプレッサ３から燃料電池１へ空気を供給する。燃料電池１の温度Ｔが比較的高くなるとコンタミによる燃料電池１の発電効率への影響は少ない、つまりコンタミ除去装置１４によってコンタミを除去しなくても、燃料電池１の発電効率を高く保つことができるので、コンタミ除去装置１４を介さずに空気を供給する。これによりコンタミ除去装置１４によって回収されるコンタミの量を減らすことができ、コンタミ除去装置１４の部品交換の回数を減らすことができる。

一方、ステップＳ１０１において燃料電池１の温度Ｔが０℃よりも高いと判断された場合、すなわち燃料電池システムの起動が低温起動ではないと判断された場合には、ステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７では、コンプレッサ３を起動し、コンプレッサ３から第１空気流路１１を介して燃料電池１へ空気の供給を開始する。

ステップＳ１０８では、バルブ１を開き、水素ボンベ２から燃料電池１へ水素の供給を開始して、燃料電池１の通常の発電を開始する。

以上の制御によって燃料電池システムの低温起動時の場合にのみ、空気中のコンタミをコンタミ除去装置１４によって除去した空気を燃料電池１に供給するので、燃料電池１の発電効率の低下を抑制し、さらにコンタミ除去装置１４の部品交換を少なくすることができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池１の温度が所定温度よりも低い場合、つまり低温起動時の場合にだけ、燃料電池１のカソード４２へ供給する空気をコンタミ除去装置１４を介して供給し、コンタミ除去装置１４によって空気中のコンタミを除去することで、低温起動時の燃料電池１のコンタミによる発電効率の低下を抑制することができ、燃料電池１の発電反応による発熱によって燃料電池１を素早く暖機することができる。

更にコンタミの影響が少なくなる場合、つまり所定温度よりも燃料電池１の温度高くなった場合には、コンタミ除去装置１４を介さずに燃料電池１へ空気を供給することによりコンタミ除去装置１４の使用頻度を減少することができ、コンタミ除去装置１４を小型にすることができる。また、コンタミ除去装置１４の部品交換の頻度を低減、またはコンタミ除去装置１４の故障率を低下することができる。

次に本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成を図４の概略図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。この実施形態は第１実施形態のコンタミ除去装置１４の代わりに窒素ボンベ（不活性ガス供給手段）２０と、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２へ窒素（不活性ガス）を供給する窒素供給路２１を備える。窒素供給路２１は第１空気供給路１１と連結する。また窒素供給路２１にはバルブ２２を備える。

また、燃料電池１に残った水素または空気中の酸素を消費する放電抵抗（電力消費手段）２３と、燃料電池１と放電抵抗２３を電気的に接続するための回路２４を備える。回路２４にはスイッチ（切換手段）２５を設け、スイッチ２５によって放電抵抗２３と燃料電池１との電気的な接続を選択的に切り換える。

以上の構成によって、燃料電池システムの低温起動時に窒素を燃料電池１に供給し、燃料電池１を素早く暖機することができる。

次にこの実施形態の燃料電池システムの起動制御について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムを停止する際にはスイッチ２５をＯＮとして放電抵抗２３を燃料電池１と電気的に接続させ、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素を消費する。

ステップＳ２００では、燃料電池システムの起動トリガーがＯＮ、例えば起動スイッチがＯＮとなると温度センサ１６によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。

ステップＳ２０１では、燃料電池１の温度Ｔが０℃以下かどうか判断する。つまり燃料電池システムが低温起動かどうか判断する。そして、温度Ｔが０℃以下である場合には、ステップＳ２０２へ進み、温度Ｔが０度以下ではない場合にはステップＳ２０９へ進む。なお、ここでは低温起動かどうかを判断する温度を０℃としたが、この温度に限られることはない。

ステップＳ２０２では、バルブ２２を開き、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２へ窒素の供給を開始する。燃料電池１のカソード４２において例えば白金などの触媒は、所定の電位（対水素電極、すなわちアノード４１の電位に対して或る電位）以上となると、触媒の表面に酸化被膜が形成される割合が大きくなるが、燃料電池１のカソード４２に窒素を供給することで、カソード４２の電位を低くすることができる。触媒の表面に酸化被膜が形成されると、触媒の活性度が低下することで、燃料電池１の発電効率が低下し、特に低温起動時にはその影響が大きくなる。そこで窒素を燃料電池１のカソード４２に供給することで、燃料電池１のカソード４２の電位を触媒の表面から酸化被膜が乖離する所定電位まで電位を低下させ、触媒の表面に形成された酸化被膜を乖離させる。これによって低温起動時における燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができる。

ステップＳ２０３では、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２に窒素の供給を開始してから所定時間ｔ１が経過したかどうか判断する。そして所定時間ｔ１が経過するとステップＳ２０４へ進む。ここで所定時間ｔ１は窒素がカソード４２に均一に拡散し、カソード４２の電位を低くし、触媒表面に形成された酸化被膜を乖離させるまでの時間であり、予め実験などにより予め設定する。

ステップＳ２０４では、バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始する。

ステップＳ２０５では、水素を燃料電池１へ供給してから所定時間ｔ２を経過したかどうか判断する。そして、所定時間ｔ２が経過するとステップＳ２０６へ進む。水素を供給することで、燃料電池１のカソード４２に少量の空気が存在していると供給された水素とカソード４２に存在する空気による発電反応によって燃料電池１の電圧が一瞬上昇することがあるが、その後燃料電池１の空気が無くなると電圧は降下する。ここで所定時間ｔ２は燃料電池１の電圧が上昇した場合でも、その後電圧が降下する程度の時間であり、予め設定する。

ステップＳ２０６では、バルブ２２を閉じ、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２への窒素の供給を停止する。

ステップＳ２０７では、スイッチ２５をＯＦＦとして、放電抵抗２３と燃料電池１の電気的な接続を切断する。

ステップＳ２０８では、コンプレッサ３から燃料電池１へ空気の供給を開始する。これによって燃料電池１は水素と空気中の酸素によって発電反応を開始する。低温起動時にはステップＳ２０２で触媒に表面に形成される酸化被膜を乖離させることにより、低温起動時の燃料電池１の発電効率を低下させる原因となる酸化被膜を乖離させることで、燃料電池１の発電効率を低下させずに発電を行うことが可能であり、燃料電池１の発電反応による発熱により燃料電池１を素早く暖機することができる。

一方、ステップＳ２０１において、燃料電池システムの起動が低温起動ではないと判断された場合には、ステップＳ２０９へ進む。ステップＳ２０９では、バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始する。

ステップＳ２１０では、水素を燃料電池１へ供給してから所定時間ｔ２を経過したかどうか判断する。そして、所定時間ｔ２が経過するとステップＳ２０７へ進む。水素を供給することで、燃料電池１のカソード４２に少量の空気が存在していると供給された水素とカソード４２に存在する空気中の酸素による発電反応によって燃料電池１の電圧が一瞬上昇することがあるが、その後燃料電池１の酸素が無くなると電圧は降下する。

燃料電池システムの通常の起動時には、触媒の表面に形成された酸化被膜は燃料電池１の発電効率の低下に影響を与えないので、燃料電池システムの通常の起動時には窒素を燃料電池１のカソード４２に供給せずに起動する。これによって通常起動時の起動時間を短縮することができる。

以上の制御によって燃料電池システムの低温起動時の場合にのみ、窒素を燃料電池１のカソード４２に供給し、低温起動時における燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができ、通常起動時には燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

なお、この実施形態では窒素ボンベ２０を用いて燃料電池１に窒素を供給したが、これに限られることはなく、窒素以外の不活性ガスや二酸化炭素、水素を用いてもよい。

また、この実施形態ではステップＳ２０３、またはステップＳ２０５において所定時間Ｔ１、Ｔ２の経過を判断基準としたが、その代わりに燃料電池１の電圧を検出し、電圧判断基準としても良い。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

低温起動時には燃料電池１のカソード４２に窒素を供給し、触媒の表面に形成された酸化被膜を乖離させて燃料電池１の発電を行うことにより、燃料電池１に発電効率の低下を抑制し、燃料電池１の発電反応による発熱によって燃料電池１を素早く暖機することができる。

また、通常の起動時には窒素ボンベから窒素を供給せずに燃料電池システムを起動させるので、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、低温起動時にのみ窒素を供給するので、窒素ボンベを小さくすることができ、燃料電池システムを小型にすることができる。

更に、窒素をカソードに供給した状態で水素をアノードに導入するため、水素導入時に放電抵抗スイッチＯＮとすること、または微量のクロスオーバーによりカソードに生成する水を限りなくゼロに近づけることができ、生成水の凍結を防止できるので、氷点下起動性に優れる。

次に本発明の第３実施形態の燃料電池システムについて説明する。この実施形態の構成は第２実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。この実施形態は第２実施形態と燃料電池システムの起動制御が異なっており、燃料電池システムの起動制御について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムを停止する際にはスイッチ２５をＯＮとして放電抵抗２３を燃料電池１と電気的に接続させ、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素を消費する。

ステップＳ３００では、燃料電池システムの起動トリガーがＯＮ、例えば起動スイッチがＯＮとなると温度センサ１６によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。

ステップＳ３０１では、燃料電池１の温度Ｔが０℃以下かどうか判断する。つまり燃料電池システムが低温起動かどうか判断する。そして、温度Ｔが０℃以下である場合には、ステップＳ３０２へ進み、温度Ｔが０度以下ではない場合にはステップＳ３１１へ進む。なお、ここでは低温起動かどうかを判断する温度を０℃としたが、この温度に限られることはない。

ステップＳ３０２では、スイッチ２５をＯＦＦとして放電抵抗２３と燃料電池１の電気的な接続を切断する。

ステップＳ３０３ではバルブ２２を開き、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２へ窒素の供給を開始する。燃料電池１のカソード４２において例えば白金などの触媒は、所定の電位以上（対水素電極）となると、触媒の表面に酸化被膜が形成される割合が大きくなるが、燃料電池１のカソード４２に窒素を供給することで、カソード４２の電位を低くすることができる。触媒の表面に酸化被膜が形成されると、触媒の活性度が低下することで、燃料電池１の発電効率が低下し、特に低温起動時にはその影響が大きくなる。そこで窒素を燃料電池１のカソード４２に供給することで、燃料電池１のカソード４２の電位を低下させ、触媒の表面に形成された酸化被膜を乖離させることができる。これによって低温起動時における燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができる。

ステップＳ３０４では、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２に窒素の供給を開始してから所定時間ｔ１が経過したかどうか判断する。そして所定時間ｔ１が経過するとステップＳ３０５へ進む。ここで所定時間ｔ１は窒素がカソード４２に均一に拡散するまでの時間であり、予め実験などにより設定する。

ステップＳ３０５バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始する。

ステップＳ３０６では、スイッチ２５をＯＮとして放電抵抗２３と燃料電池１を電気的に接続する。

ステップＳ３０７では、水素を燃料電池１へ供給してから所定時間ｔ２を経過したかどうか判断する。そして、所定時間ｔ２が経過するとステップＳ２０６へ進む。水素を供給することで、燃料電池１のカソード４２に少量の空気が存在していると供給された水素とカソード４２に存在する空気による発電反応によって燃料電池１の電圧が一瞬上昇することがあるが、その後燃料電池１の空気が無くなると電圧は降下する。ここで所定時間ｔ２は燃料電池１の電圧が上昇した場合でも、その後電圧が降下する程度の時間であり、予め設定する。

燃料電池１に放電抵抗２３を接続すると、燃料電池１のカソード４２は低電位となり、カソード４２の触媒やカーボンなどの触媒担持体の酸化腐食を抑制することができるが、低温起動時には燃料電池１が高電位となることで生じる酸化腐食の影響が少なくなる。これは、酸化腐食現象の酸化剤として機能する水が氷として存在するために低温起動時には酸化腐食現象が抑制されるからである。ステップＳ３０２からステップＳ３０７の制御によってスイッチ２５をＯＦＦとして水素を供給することで一時的に燃料電池１を高電位とすることができ、触媒表面に付着しているコンタミを酸化除去することができる。

ステップＳ３０８では、バルブ２２を閉じ、窒素ボンベ２０から燃料電池１のカソード４２への窒素の供給を停止する。

ステップＳ３０９では、スイッチ２５をＯＦＦとして、放電抵抗２３と燃料電池１の電気的な接続を切断する。

ステップＳ３１０では、コンプレッサ３から燃料電池１へ空気の供給を開始する。これによって燃料電池１は水素と空気中の酸素によって発電反応を開始する。低温起動時にはステップＳ３０３で触媒に表面に形成される酸化被膜を乖離させることにより、低温起動時の燃料電池１の発電効率を低下させる原因となる酸化被膜を乖離させることで、燃料電池１の発電効率を低下させずに発電を行うことが可能であり、燃料電池１の発電反応による発熱により燃料電池１を素早く暖機することができる。

一方、ステップＳ３０１において、燃料電池システムの起動が低温起動ではないと判断された場合には、ステップＳ３１１へ進む。ステップＳ３１１では、バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始する。

ステップＳ３１２では、水素を燃料電池１へ供給してから所定時間ｔ２を経過したかどうか判断する。そして、所定時間ｔ２が経過するとステップＳ３０９へ進む。水素を供給することで、燃料電池１のカソード４２に少量の空気が存在していると供給された水素とカソード４２に存在する空気による発電反応によって燃料電池１の電圧が一瞬上昇することがあるが、その後燃料電池１の空気が無くなると電圧は降下する。

燃料電池システムの通常の起動時には、触媒の表面に形成された酸化被膜は燃料電池１の発電効率の低下に影響を与えないので、燃料電池システムの通常の起動時には窒素を燃料電池１のカソード４２に供給せずに起動する。これによって通常起動時の起動時間を短縮することができる。

以上の制御によって燃料電池システムの低温起動時の場合にのみ、窒素を燃料電池１のカソード４２に供給し、低温起動時における燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができ、通常起動時には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、燃料電池１を高電位とすることで、触媒などに付着したコンタミを酸化除去することができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、第２実施形態の効果に加えて、スイッチ２５をＯＦＦとして一時的に燃料電池１を高電位とすることで、触媒に付着したコンタミを酸化除去することができる。

次に本発明の第４実施形態の燃料電池システムの構成を図７の概略図を用いて説明する。この実施形態は第１実施形態においてコンプレッサ４、第２空気供給路１２を設けずに、コンプレッサ３によって燃料電池１のカソード４２へ空気を供給する。この構成によってカソード４２に付着したコンタミをパージして燃料電池１を起動させることができる。

次に燃料電池システムの起動制御について図８のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ４００では、燃料電池システムの起動トリガーがＯＮ、例えば起動スイッチがＯＮとなると温度センサ１６によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。

ステップＳ４０１では、燃料電池１の温度Ｔが０℃以下かどうか判断する。つまり燃料電池システムが低温起動かどうか判断する。そして、温度Ｔが０℃以下である場合には、ステップＳ４０２へ進み、温度Ｔが０度以下ではない場合にはステップＳ４０５へ進む。なお、この実施形態では低温起動かどうかを判断する温度を０℃としたが、この温度に限られることはない。

ステップＳ４０２では、コンプレッサ３を起動し燃料電池１に第１空気供給路１２を介して空気の供給を開始する。コンプレッサ３から空気を燃料電池１のカソード４２に供給することで、カソード４２に付着したコンタミをパージすることができる。

ステップＳ４０３では、コンプレッサ３から燃料電池１へ空気を供給してから所定時間Ｔ３が経過したかどうか判断する。そして所定時間Ｔ３が経過するとステップＳ４０４へ進む。所定時間Ｔ３は燃料電池１のカソード４２に付着したコンタミを燃料電池１からパージ可能とする時間である。

ステップＳ４０４では、バルブ９を開き、水素ボンベ２から燃料電池１に水素の供給を開始し、燃料電池１において水素と空気中の酸素によって発電を開始する。ステップＳ１０２でコンタミ除去装置１４によって空気中のコンタミが除去されているので、燃料電池１の発電効率を良くすることができ、発電に伴う発熱で燃料電池１を暖機することができ、燃料電池システムの低温時の起動時間を短くすることができる。なお、燃料電池１をヒータなどによって暖機しても良い。

一方、ステップＳ４０１において燃料電池１の温度Ｔが０℃よりも高いと判断された場合、すなわち燃料電池システムの起動が低温起動ではないと判断された場合には、ステップＳ４０５へ進む。ステップＳ４０５では、コンプレッサ３を起動し、コンプレッサ３から第１空気流路１１を介して燃料電池１へ空気の供給を開始する。その後ステップＳ４０４へ進む。

以上の制御によって、簡易な燃料電池システムにおいても、コンタミを燃料電池１からパージした後に発電を開始することで、低温起動時に燃料電池システムの暖機を早めることができる。

次に第４実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、例えばコンタミ除去装置１４などを用いない簡易な燃料電池システムにおいても、低温起動時に燃料電池１にコンプレッサ３から空気を供給し、燃料電池１のカソード４２からコンタミをパージした後に水素を供給し、発電を開始することで、燃料電池１の発電効率を低下させるコンタミの影響を少なくし、低温起動時の燃料電池１のコンタミによる発電効率の低下を抑制することができ、燃料電池１の発電反応による発熱によって燃料電池１を素早く暖機することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

起動、停止を頻繁に行う燃料電池自動車に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成概略図である。 本発明の単位セルの構成概略図である。 本発明の第１実施形態の起動時制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成概略図である。 本発明の第２実施形態の起動時制御を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態の起動時制御を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態の燃料電池システムの構成概略図である。 本発明の第４実施形態の起動時制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素ボンベ（水素供給手段）
３ コンプレッサ（第１酸化剤供給手段）
４ コンプレッサ（第２酸化剤供給手段）
１４ コンタミ除去装置（過電圧増加要因物質低減手段）
１６ 温度センサ（温度検出手段）
２０ 窒素ボンベ（不活性ガス供給手段）
２３ 放電抵抗（電力消費手段）
２５ スイッチ（切換手段）
３０ 電解質膜
３１ａ、３１ｂ 触媒層
３２ａ、３２ｂ ガス拡散層
４０ 単位セル
４１ アノード
４２ カソード

Claims (7)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の両側に触媒を担持したガス拡散層を有するアノードとカソードから構成される単位セルを積層した燃料電池と、
   前記アノードに水素を主成分とする燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記カソードに酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記カソードの過電圧増加要因物質を低減する過電圧増加要因物質低減手段と、を備え、
   前記燃料電池の起動時の温度が所定温度よりも低い場合にのみ、前記過電圧増加要因物質を低減した状態で、前記燃料供給手段と前記第１酸化剤供給手段によって供給される前記燃料と前記酸化剤によって発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記過電圧増加要因物質低減手段を介して前記カソードに酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段を備え、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも低い場合にのみ、前記第２酸化剤供給手段によって前記カソードに前記酸化剤を供給し、前記燃料電池の温度が所定温度よりも高くなった後に、前記第１酸化剤供給手段によって前記カソードに前記酸化剤を供給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。
3. 前記過電圧増加要因物質低減手段は、不活性ガスを前記カソードに供給する不活性ガス供給手段を備え、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも低い場合にのみ、前記不活性ガス供給手段によって前記カソードに前記不活性ガスを供給し、前記カソードの電位を所定電位よりも低くした後に、前記第１酸化剤供給手段によって前記カソードに前記酸化剤を供給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。
4. 前記燃料電池で発電した電力を消費する電力消費手段と、
   前記電力消費手段と前記燃料電池との電気的な接続を選択的に切り換える切換手段と、備え、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも低い場合に、前記不活性ガスを供給し、かつ前記アノードに前記燃料を供給した後に前記電力消費手段を前記燃料電池に接続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。
5. 前記所定電位が前記カソードの前記触媒の表面に形成された酸化被膜を前記触媒の表面から乖離する電位であることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも低い場合に、前記第１酸化剤供給手段によって前記酸化剤を供給し、所定時間経過した後に前記燃料を供給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。
7. 前記所定温度が氷点あることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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