JP2008059977A

JP2008059977A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2008059977A
Application number: JP2006237451A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okuyoshi; 雅宏奥吉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、簡便な構成によって起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減する。
【解決手段】起動過程において、ステップＳ１０４に示すように、制御部６１は、水素系排出弁の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁は凍結状態となって、開閉動作が不能となっていると判断し、ステップＳ１２０に示すように、水素循環ポンプの回転数を増加させて水素側極の循環流量を通常循環流量よりも増加させながら起動する。そして、水素系排出弁の温度が解凍温度以上となったら、ステップＳ１０５に示すように水素循環ポンプの回転数を通常循環流量制御に戻して起動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム関し、特に燃料電池システムの起動時の制御に関する。

燃料電池では、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出されるが、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿器によって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。また、燃料側電極を流れる水素ガスは、流路を流れている水素の一部が反応して消費されるので、水素ポンプによって水素を循環させる循環系統となっており、発電反応で消費された分の水素が外部の水素ガスタンクから水素の循環系統に供給されるようになっている。

このような、電気化学反応に使用されない窒素が含まれている空気を酸化剤として使用する燃料電池システムでは、空気中に含まれる窒素が空気側極の空気流路に滞留すると共に、拡散層及び電解質膜を通して水素側極にクロスリークしてくる。また、発電のための電気化学反応によって空気側極に生成される水分の一部が、拡散層及び電解質膜を通して水素側極にクロスリークしてくる。このように、運転中の燃料電池の水素側極には空気側極から窒素及び水分がクロスリークしてくる状態となっている。

ところが、水素系統は上記のように循環系統となっていることから、運転中に水素系統に入り込んだ窒素や水分は次第に水素循環系統内に蓄積され、水素以外の不純物濃度が増加してくる。このように水素系統中の不純物が多くなってくると水素濃度が低下し、発電量が低下してしまう。そこで、水素系統には水素側電極で反応後の水素ガスを系統外に排出することによって、水素循環系統に滞留してきた窒素や水分等の不純物を系統外に排出する水素系排出弁を備える水素排出系統が設置されている。

この水素排出系統の水素系排出弁は、例えば、燃料電池の起動の際に開弁されて、水素側極の不純物ガスを排出して、水素側極の中の水素濃度を高めつつ発電量を増加していくことにも使用されている。そして、燃料電池の起動後は、この水素系排出弁は、例えば所定のシーケンスによって開閉され、水素側極の不純物を排出して発電量を維持するように動作する(例えば、特許文献１参照)。

一方、燃料電池の水素系統には上記のように、水分が滞留してくる。そして、例えば、低温状態で燃料電池が停止している際には、上記の水素排出系統の中に滞留した水分が凍結して、水素系排出弁の開閉動作ができなくなる場合がある。すると、起動の際に水素側極の水素濃度を上昇させることができなくなるため、燃料電池の発電出力を維持することができなくなったり、短時間に起動できなくなったりするという問題があった。

このため、水素系排出弁による水素循環系統からの不純物の排出を行わず、燃料電池の水素側極の水素圧力を増加して、水素分圧を確保することによって燃料電池の発電量を維持する方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

また、水素循環系統の水素系排出弁に解凍用のヒータを取り付けて、水素系排出弁が凍結している状態であっても燃料電池の起動を許可して燃料電池を起動し、起動後の燃料電池の出力を水素系排出弁のヒータに供給して水素系排出弁を加熱、解凍して起動する方法が提案されている(例えば、特許文献２参照)。

特開２００５−３０２５５５号公報特開２００４−１７２０２５号公報

上記の特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池の水素側極内の水素圧力を高めるために、燃料電池の水素極側流路、連絡配管等の燃料電池を構成する各部品の許容耐圧を高く設計することが必要で、燃料電池全体の重量が増加したり、大型化したりするという問題があった。

また、上記の特許文献２に記載された従来技術では、水素循環系統の水素系排出弁が開動作せず、水素側極内の水素濃度を上昇させられないため燃料電池の出力の増加が遅い状況において、少ない燃料電池出力の一部を水素系排出弁の解凍用の出力として使用することから、起動中の燃料電池から外部装置への電気出力が少なくなってしまうという問題があった。また、水素系排出弁に加熱ヒータを取り付けて、温度コントロールをするので部品が多くなり、燃料電池システムが複雑になってしまうという問題があった。

ところで、車両に搭載される車両駆動用の燃料電池は、起動後できるだけ短時間で所定の出力が出せるようになる短時間起動が要求される。また、起動中であってもできるだけ多くの駆動用出力が出せることが要求される。

本発明は、簡便な構成によって、燃料電池の起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する再循環流路に設けられ、前記燃料ガス排出流路から前記燃料ガス供給流路に反応後の燃料ガスを再循環させる再循環ポンプと、前記燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部を大気に排出する排出弁と、前記再循環ポンプによる再循環流量制御と、前記排出弁の開閉制御と、を行う制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができない場合に、前記再循環ポンプの流量を通常流量よりも大きくして前記燃料電池の起動を行う燃料電池起動手段を有することを特徴とする。前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出が可能になった場合に、前記再循環ポンプによって前記再循環ポンプの流量を通常流量に戻して前記燃料電池の起動を行うこと、としても好適である。また、本発明に係る燃料電池システムは、前記排出弁に取り付けられた温度センサを含み、前記制御部は、前記温度センサからの信号によって前記排出弁の温度が所定の温度以下の場合に、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができないと判断すること、としても好適である。

本発明は、簡便な構成によって、燃料電池の起動時に反応後の水素ガスの排出ができないことによる燃料電池出力の減少量を低減することができるという効果を奏する。

本発明の好適な実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池システム１０に係る実施形態を示す制御系統図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８や空気フィルタを介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１５に吸い込まれ、空気圧縮機１５によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から加湿器３１に供給される。加湿器３１に入った空気は、加湿器３１において燃料電池１１での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路２３から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の酸化剤極である空気側極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１の空気排出管路２４に排出される。空気排出管路２４には空気側極１２の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁２８が設けられている。また、空気圧力調節弁２８と空気側極１２との間の空気排出管路２４には、空気側極１２から排出される反応後の空気の温度、圧力を測定するための温度センサ２６、圧力センサ２７が取り付けられている。燃料電池１１の空気側極１２から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器３１でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路２９によって下流に流れて行く。排気管路２９の途中には、サイレンサ５３が設けられ、サイレンサ５３を通過した反応後の排気空気は、大気放出口５７から大気に排気される。

空気圧力調節弁２８は、燃料電池１１の空気排出管路２４において連続的に反応後の空気圧力を調節することができればよく、クローブ型の調節弁でもよいし、アングル型の調節弁でもよいし、ケージ型の調節弁でもよい。また、調節弁の駆動部は空気駆動式であってもよいし、電動式であってもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０においては、空気圧縮機１５はスクロール型である。スクロール型の空気圧縮機１５は容積型の空気圧縮機の一種であり、主に回転数を調整することによって空気流量を調整することが出来るものである。また、容積形でサージング防止のための抽気などが無いことから、本実施形態では、吸気流量計１８によって測定した吸気流量は吐出流量と略同一である。スクロール形の空気圧縮機１５は吐出空気流量が少ないと吐出圧力は高く、吐出流量が多くなるにしたがって吐出圧力が低下してくる特性を持っている。燃料電池システム１０の運転中は、空気流量は空気圧縮機１５の回転数をモータ１６の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気圧力調節弁２８によって調節している。空気圧縮機１５は必要圧力、流量の空気を燃料電池１１の空気側極１２に供給できれば、スクロール式にかぎらずスクリュー式などでもよいし、遠心式のブロワのようなものであってもよい。

燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク４１に貯留されている。水素は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって燃料電池１１の燃料側極である水素側極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気側極１２に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側極１３の水素排出管路４４から排出された後、水素排出管路４４と水素供給管路４３とを接続する水素循環管路４５に設けられた水素循環ポンプ４６によって水素供給管路４３に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３に補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁４２によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気側極１２からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮されてくる。そこで、このような不純物がある程度濃縮されてきた場合には、水素排出管路４４に接続された水素系大気放出管路４８の水素系排出弁４９を開として所定量の反応後の水素ガスを水素系大気放出管路４８から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、混合器５５によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に放出するようになっている。また、水素系排出弁４９には水素系排出弁４９の温度を計測する温度センサ５０が取り付けられている。温度センサ５０は連続的に水素系排出弁４９の温度信号を制御部６１に入力することができれば、熱電対や熱抵抗式の温度センサであってもよい。

本実施形態では、水素系大気放出管路４８は、燃料電池１１からの水素排出管路４４に接続されているとして説明したが、反応後の水素ガスを大気に放出することができれば、水素循環管路４５の水素循環ポンプ４６の入口側あるいは出口側に接続されていても良い。また、本実施形態では、水素循環ポンプ４６はルーツ式である。ルーツ式ポンプは長円形のポンプケーシングの中で一対のまゆ型のロータを互いに反対方向に回転させて流体を吸い込み圧縮、吐出する容積形のポンプであって、ロータの回転数を変化させることによってポンプの吐出流量を変化させることができるものである。また、水素循環ポンプ４６はその回転数を変更することによって吐出流量を変更することができるものであれば、スクロール形のような容積形のポンプであってもよいし、スクリュー形やターボ形など別の形式のポンプであってもよい。

また、図１の１点鎖線で示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は燃料電池１１及び空気圧力調節弁２８及び、水素循環管路４５、水素循環ポンプ４６を含む水素循環系統及び、水素系排出弁４９等の機器を格納している保温ケーシング７１を有している。保温ケーシング７１は、停止中の燃料電池１１の温度低下を防止すると共に、起動後の燃料電池からの熱放散を防止して、所定の通常温度において燃料電池１１を運転することができるようにしている。

各計器１８，２６，２７，５０、各制御弁２８，４２，４９、燃料電池１１、空気圧縮機１５や水素循環ポンプ４６のモータ１６，４７などは、すべて制御部６１に接続されており、各計器１８，２６，２７，５０からの計測値は制御部６１に入力され、制御部６１は各制御弁２８，４２，４９、の開度指令、各モータ１６，４７の回転数指令を出力して燃料電池システム１０全体の制御を行う。制御部６１はＣＰＵや記憶部を含みソフトウェアによって全体の制御を行うようになっていても良いし、電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていても良い。また、制御部６１には車両の走行状態や必要要求付加など車両からのテータが入力されるようになっていても良い。また、制御部６１には制御動作に必要な制御マップなどの制御データを保持している記憶部６３がデータバス６５によって接続されている。

図２、３を参照しながら本実施形態の燃料電池システム１０の起動について説明する。図２は本実施形態の燃料電池システム１０の起動手段を示すフローチャートであり、図３は起動状態における燃料電池の温度と許容負荷の変化を示すグラフである。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部６１は、水素系統側の水素系排出弁４９が凍結によって開閉可能かどうかに係わらず、起動指令信号によって空気圧縮機１５を起動して空気側極１２を加圧する。また、水素供給調節弁４２によって水素ガスタンク４１から水素を水素循環系統に注入して水素側極１３を加圧する。そして、図２のステップＳ１０２に示すように、空気側極１２、水素側極１３の双方の圧力が初期加圧圧力に達したら、所定時間だけ空気側極の空気圧力は空気圧力調節弁２８によって所定圧力に保持し、水素供給調節弁４２を閉として水素側極１３への水素ガスタンク４１からの水素の注入を停止して水素循環系統の圧力を所定の圧力に保持する。また、水素循環ポンプ４６を起動して、水素側極１３への水素の循環ができるような状態とする。

この初期加圧および所定時間の加圧保持によって、燃料電池１１の空気側極１２及び水素側極１３の中にはそれぞれ発電反応に必要な空気と水素が注入され、燃料電池は起動を開始していく。すると、図３（ａ）に示すように燃料電池１１の温度は上昇を開始し、燃料電池１１から出力することのできる許容負荷Ｐも図３（ｂ）のａ₁からｂ₁に上昇していく。燃料電池１１はこのように所定の圧力に加圧された状態で暖機運転を行い、燃料電池１１の温度を上昇させる。この暖機運転は、燃料電池の発電効率を低下させて発熱を大きくする運転である。この暖機運転の状態では燃料電池からの許容出力負荷は図３（ｂ）のｂ₁からｃ₁のように一定となる。

次に、図２のステップＳ１０３に示すように、制御部６１は水素系排出弁４９に設置された温度センサ５０からの信号によって、水素系排出弁４９の温度信号を取得する。そして、図２のステップＳ１０４に示すように、制御部６１はその水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上となっているかどうかを判断する。この解凍温度は、一般的な氷点温度あるいは、氷点温度にいくらかのマージンを付けたものとしてもよいし、燃料電池システム１０の構造、配置、などによって様々に決めてもよい。

制御部６１は、水素系排出弁４９が解凍温度以上である場合には、開閉動作可能と判断して、図２のステップＳ１０５からＳ１０９に示すような通常の起動動作を行う。まず、制御部６１は、図２のステップＳ１０５に示すように、水素循環ポンプ４６の回転数を通常起動の回転数として、水素循環系統の再循環流量を燃料電池１１の発電量に対する最適循環流量となるような通常制御流量とする。これは、燃料電池の発電量に対して、酸化剤である空気の流量と燃料である水素の流量を最適な比率となるように再循環量を制御するものである。また、理論上必要な最適循環流量と実際に最適となる循環流量とが異なる場合には、上記の最適循環流量は理論上の最適循環流量ではなく、実際上の最適流量である。そして、図２のステップＳ１０６に示すように、水素系排出弁４９を開として水素循環系統から反応後の水素ガスを水素系大気放出管路４８から大気に排出し、水素循環系統内の窒素や水分等の不純物を系統外に排出する。また、水素供給調節弁４２を開として水素循環系統に水素ガスタンク４１からの水素を注入し、水素側極１３の中の水素分圧を上げていく。一方、制御部６１は水素側極１３の中の水素分圧に対して発電に最適な空気流量となるように空気圧縮機１５のモータ１６の回転数を上昇させて空気流量を調整する。この結果、図３（ｂ）のｃ₁からｄ₁に示すように、燃料電池１１の許容負荷Ｐが上昇していく。

制御部６１は、図２のステップＳ１０７に示すように、所定の時間だけ水素系排出弁４９、水素供給調節弁４２を開とした後、図２のステップＳ１０８に示すように、水素系排出弁４９及び水素供給調節弁４２を閉とする。そして、図２のステップＳ１０９に示すように、所定の時間この状態を保持する。このとき燃料電池の許容負荷Ｐは、図３（ｂ）のｄ₁からｅ₁に示すように一定値となる。所定の保持時間をおくのは、燃料電池システム１０の電気化学反応の状態を安定させるためである。

所定の保持時間が経過したら、再び図２のステップＳ１０６に示す様に、水素系排出弁４９を開として水素循環系統内の窒素や水分等の不純物を系統外に排出し、水素供給調節弁４２を開として水素循環系統に水素ガスタンク４１からの水素を注入し、水素側極１３の中の水素分圧を上げると共に空気流量を上昇させる。そして、図２のステップＳ１０７に示すように、所定の時間経過後に、水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２を閉とする。これにより、図３（ｂ）のｅ₁からｆ₁に示すように燃料電池の許容負荷Ｐが上昇していく。そして、図２のステップＳ１０８のように水素系排出弁４９及び水素供給調節弁４２を閉とした後、図２のステップＳ１０９及び図３（ｂ）のｆ₁からｇ₁への様に、再び所定時間だけこの状態を保持して燃料電池の運転状態を安定させる。

以上、述べたように通常の燃料電池１１の起動においては、図３（ｂ）のｃ₁からｊ₁に示すように、起動中に水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉を繰り返して水素循環系統の水素分圧を段階的に上昇させながら燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていく。そして図２のステップＳ１１０に示すように、燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格に達したら、図２のステップＳ１１１に示すように燃料電池１１の起動動作は終了する。また、図３（ａ）に示すように、この起動動作の間、燃料電池１１の温度は次第に上昇していく。

一方、図２のステップＳ１０４に示すように、制御部６１は、水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁４９は凍結状態となって、開閉動作が不能となっていると判断する。この場合、先に示した通常動作を行おうとしても水素系排出弁４９を開とできないことから、水素側極１３の水素分圧を上昇させて燃料電池１１の許容負荷Ｐを増加させていくことはできず、逆に燃料電池１１の許容負荷Ｐが低下してしまう。

そこで、制御部６１は、図２のステップＳ１０４において水素系排出弁４９が凍結して開閉不能と判断した場合には、図２のステップＳ１２０に示すように、水素循環ポンプ４６の回転数を増加させ、水素循環ポンプ４６の流量を増加させることによって、水素側極１３の再循環流量を増加させながら燃料電池１１を起動する。

水素循環ポンプ４６の流量の増加による水素側極１３の再循環流量の増加は、先に述べた通常制御流量から一定の流量を増加するものであってもよいし、燃料電池１１の発電量によって増加流量を変化させるようにしてもよい。水素循環ポンプ４６の回転数制御は、制御部６１から通常制御流量の場合の回転数よりも一定回転数だけ回転数を増加させるようにした信号をモータ４７に出力して水素循環ポンプ４６の回転数を上昇させるようにしてもよいし、予め起動条件によって水素循環ポンプ４６の増加回転数のマップを記憶部６３に格納しておいて、これのデータによって水素循環ポンプ４６の回転数の指令値を出力することとしても良い。

以下、図４、３を参照しながら、水素循環ポンプ４６の流量を増加させながらの起動について説明する。図４に燃料電池の空気側極１２と水素側極１３の窒素分圧と水素分圧の変化を示す。図４（ａ）は起動前の状況のそれぞれの極における窒素分圧の状況を示し、図４（ｂ）は空気側極１２及び水素側極１３それぞれに空気、水素の加圧を行った場合の窒素と水素の分圧の状況を示している。

図４（ａ）に示すように、起動前、すなわち燃料電池１１の停止中には、空気側極１２、水素側極１３の中の窒素分圧は、それぞれＰ_NO，Ｐ’_NOで電解質膜１４を介して略平衡状態となっている。

燃料電池１１を起動して、空気側極１２、及び水素側極１３にそれぞれ空気及び水素の加圧を行うと、図４（ｂ）に示すように、空気側極１２の窒素分圧は空気圧力の上昇によってＰ_NOからＰ_N1に上昇し、水素側極１３には水素が加圧されることによって水素分圧がＰ’_H0に上昇する。しかし、水素側極１３の窒素分圧は加圧前のＰ’_NOのままである。このため、加圧によって空気側極１２の窒素分圧と水素側極１３の窒素分圧との間の窒素分圧の差は起動前の略ゼロの状態から、Ｐ_N1−Ｐ’_NO＝ΔＰ_N1に増加して、窒素のクロスリークが発生する。図４(ｂ)に示すように、このクロスリークによって水素側極１３に入り込んでくる窒素のために水素側極１３の中の窒素の分圧は加圧時のＰ’_NOからＰ’_N1に増加してくる。一方、水素側極１３を循環している燃料流体中の水素分圧は当初のＰ’_H0からＰ’_H1にΔＰ’_Hだけ低下してくる。このため、水素循環ポンプ４６による水素側極１３の再循環流量が同一である場合には、単位時間当たりに水素側極１３に供給される水素量が低下する。これによって水素側極１３の水素ストイキ比が低下し、燃料電池の許容負荷Ｐは、次第に低下してくる。

しかし、水素循環ポンプ４６の流量を増加させて水素側極１３を流れる単位時間当たりの水素量を増加させて、水素ストイキ比の低下を抑えることができる。そして、水素循環ポンプ４６の流量を通常制御流量から増加させることによって、燃料電池１１の許容負荷Ｐの低下量を、水素循環ポンプ４６の流量を通常制御流量としている場合の許容負荷Ｐの低下量に比較して少なくすることができる。特に、水素循環ポンプ４６の回転数を増加させて、水素側極１３の再循環流量を増加させた直後は、水素側極１３の中の水素分圧の低下割合よりも水素循環系統の循環量の増加による水素側極１３への単位時間当たりの水素供給量の方が大きくなることから、図３（ｂ）の１点鎖線、ｃ₁からｋ₁に示すように、燃料電池１１の許容負荷Ｐは一端増加する。その後、水素側極１３への窒素のクロスリークによる水素ストイキ比の低下によって次第に許容負荷Ｐは低下していく。一方、水素循環ポンプ４６の流量を増加させない場合には、図３（ｂ）の２点鎖線、ｃ₁からｋ₁’に示すようにストイキ比の低下に従って次第に燃料電池の許容負荷Ｐも低下してくる。このように、水素循環ポンプ４６の回転数を増加させて水素側極１３の再循環流量を通常制御流量よりも増加させることによって、燃料電池１１の許容負荷Ｐの低減量が少なくなってくる。つまり、より大きな許容負荷Ｐを持って起動することができる。

燃料電池１１は起動過程による運転を続けているので燃料電池１１の温度は次第に上昇していくが、図３（ａ）の１点鎖線に示すように、実線で示した水素系排出弁４９の開閉によって水素分圧を上げながら起動していく通常起動の場合よりも低負荷の状態で起動していくことから、燃料電池１１の温度上昇は遅くなる。しかし、図３（ａ）の２点鎖線に示す水素側極１３の再循環流量を増加しない場合に比較すると、燃料電池１１の温度上昇は早くなっている。

本実施形態の燃料電池システム１０は保温ケーシング７１の中に燃料電池１１及び水素系排出弁４９が収納されていることから、図３(ａ)の１点鎖線に示すように時間ｔ₁には燃料電池の温度は図３(ａ)のＴ₂付近に達する。そして、時間ｔ₁には保温ケーシング７１の中に燃料電池１１と共に格納されている水素系排出弁４９の温度も解凍温度に上昇してくる。

制御部６１は、図２のステップＳ１０４によって水素系排出弁４９の温度が解凍温度に上昇したと判断した場合には、図２のステップＳ１０５によって、水素循環ポンプ４６の流量制御を通常流量制御に戻して起動するようにした後、図２のステップＳ１０６からステップＳ１１０に示すように、起動中に水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉を繰り返して水素循環系統の水素分圧を段階的に上昇させながら燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていく。すると、燃料電池１１の許容負荷Ｐも、図３(ｂ)のｋ₁，ｌ₁，ｍ₁，ｎ₁，ｏ₁，ｐ₁，ｑ₁，ｒ₁，ｓ₁，ｕ₁を結ぶ１点鎖線のように段階的に上昇し、ｕ₁において定格の燃料電池の許容負荷Ｐに到達する。一方、水素循環ポンプ４６の流量の増加を行わない場合には、起動過程における燃料電池１１の温度上昇が水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なった場合よりも遅く、解凍温度Ｔ２に達する時間も水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なって起動した場合よりも遅いｔ２となっている。そして、水素系排出弁４９が解凍温度に達した場合には、燃料電池１１の許容負荷Ｐは、図３(ｂ)のｋ₁’，ｌ₁’，ｍ₁’，ｎ₁’，ｏ₁’，ｐ₁’，ｑ₁’，ｒ₁’，ｓ₁’，ｕ₁’，ｖ₁’，ｗ₁’を結ぶ２点鎖線のように段階的に上昇し、先のｕ₁よりも遅いｗ₁’において定格の燃料電池の許容負荷Ｐに到達する。

本実施形態のように、水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なって起動した場合には、水素循環ポンプ４６の流量の増加を行わない場合に比較して水素系排出弁４９の凍結している間の燃料電池１１の許容出力の減少を少なくすることができ、燃料電池１１の許容負荷Ｐも高い状態で起動することができるという効果を奏する。また、水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なって起動した場合には、水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なわない場合に比較して燃料電池１１の許容負荷Ｐを高い状態で起動できることから、水素系排出弁４９が解凍温度に達する時間が早く、このため、燃料電池１１の許容負荷を定常許容負荷にまで上昇させることのできる時間が短くなり、短期に起動することができるという効果を奏する。更に、水素系排出弁４９は保温ケーシング７１の中に燃料電池１１とともに格納されているので、水素系排出弁４９の解凍のためのヒータ、コントローラなどの機器がない簡便なシステムによって、効果的に水素系排出弁４９の解凍と起動時間の短縮を図ることが出来るという効果を奏する。

以上説明した実施形態は、燃料電池１１の起動の際に燃料電池１１の水素系大気放出管路４８に設けられた水素系排出弁４９が凍結していた場合の起動に対応するものである。しかし、燃料電池１１の起動開始の時点では、水素系排出弁４９が解凍温度以上で開閉可能と判断されて、通常の水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作によって燃料電池１１を起動した後に、水素系排出弁４９の温度が解凍温度以下に低下して、凍結によって開閉動作ができなくなる場合がある。例えば、外気温度が非常に低く、燃料電池１１への低温の空気や水素の流入によって燃料電池１１の温度が低下し、水素系排出弁４９の温度も起動の途中で凍結状態にまで低下してしまうような場合がある。また、水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上であっても水素系排出弁４９を開としたときに水素系排出弁４９を通過する反応後の水素ガスの断熱膨張により水素系排出弁４９の温度が次第に低下して、解凍温度以下となって凍結状態となってしまうような場合が考えられる。

以下、図５〜７を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図５は、起動の途中において、水素系排出弁４９が凍結して開閉できなくなった場合の起動のフローチャートを示し、図６は起動の途中の燃料電池の許容負荷Ｐが定格負荷に達する前に水素系排出弁４９が凍結した場合の燃料電池１１の温度と許容負荷Ｐとの関係を示し、図７は起動途中で燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格負荷に到達後に水素系排出弁４９の凍結が発生した場合の燃料電池１１の温度と許容負荷Ｐとの関係を示している。以下の説明において、先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図５のステップＳ２０１からＳ２０９及びＳ２２０は先に説明した実施形態と同様である。図５のステップＳ２１０に示すように、制御部６１は通常状態で水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉によって水素分圧を上昇させながら許容負荷Ｐの上昇をさせている場合でも水素系排出弁４９の温度を取得し、図５のステップＳ２１１に示すように、水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上であるかどうかを監視し、水素系排出弁４９が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁４９の凍結が発生したと判断する。そして、制御部６１は図５のステップＳ２３０に示すように、水素循環ポンプ４６の回転数を増加させて流量の増加を行ない、燃料電池１１の温度上昇によって、水素系排出弁４９が解凍温度になるまで水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作を行わない。そして、図５のステップＳ２１１によって水素系排出弁４９が解凍温度以上となった場合には、図５のステップＳ２１２に示すように水素循環ポンプ４６の流量の制御を通常流量制御に戻して、水素側極１３の再循環流量の制御流量を通常流量に保って起動する状態に戻す。そして、制御部６１は、図５のステップＳ２１３に示すように、燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格になるまで、再度、水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作によって燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていく。

そして、図５のステップＳ２１３において燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格に達した場合には、図５のステップＳ２１４、Ｓ２１５に示すように、水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上かどうかを監視する。そして制御部６１は水素系排出弁４９の温度が解凍温度以上でない場合には、水素系排出弁４９が凍結によって開閉不能となったものと判断して、図５のステップＳ２２０に戻って、水素系排出弁４９が解凍温度になるまで水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作を行わない。そして、図５のステップＳ２０４によって水素系排出弁４９が解凍温度以上となった場合には、図５のステップＳ２０５以下に示すように、燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格になるまで、再度、水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作によって燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていく。

図５のステップＳ２１６に示すように、制御部６１はこの動作を燃料電池が通常運転温度となるまで継続していく。そして、制御部６１は図５のステップＳ２１６に示すように、燃料電池１１の運転温度が通常運転温度まで上昇した場合には、水素系排出弁４９の凍結は発生しないと判断して起動プログラムを終了する。

上記の実施形態では、制御部６１は燃料電池１１の温度が通常運転温度となるまで水素系排出弁４９の凍結の監視を続けることとしたが、通常運転温度以下の温度において水素系排出弁４９の凍結は発生しないとして、別の温度設定としてもかまわない。

図６は、起動の途中の燃料電池の許容負荷Ｐが定格負荷に達する前に水素系排出弁４９が凍結した場合の燃料電池１１の温度と許容負荷Ｐとの関係を示しており、図中の実線は起動前から水素系排出弁４９の凍結がない場合を示し、図中の１点鎖線は起動の途中において水素系排出弁４９が凍結した際に水素循環ポンプ４６の流量の増加を行なって水素側極１３の再循環流量を増加して起動した場合を示し、２点鎖線は起動途中において水素系排出弁４９が凍結した際に水素側極１３の再循環流量の増加をせずに起動した場合を示す。

図６(ｂ)に示すように、起動中にある程度燃料電池１１の許容負荷Ｐが大きくなっていることから、発電量も多く消費される水素の量も多くなってくるので、図３(ｂ)に示した加圧終了後すぐに許容負荷Ｐが低下していく場合よりも、一端、燃料電池１１の許容負荷Ｐが上昇する割合が少なく、また、許容負荷Ｐの低下の割合も大きくなっている。

時間ｔ₁、ｔ₂においてそれぞれ水素系排出弁４９が解凍温度となった後に、水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作によって燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていくのは、図３(ｂ)において説明したのと同様である。

図７は、起動の途中の燃料電池の許容負荷Ｐが定格負荷に達した後に水素系排出弁４９が凍結した場合の燃料電池１１の温度と許容負荷Ｐとの関係を示しており、図中の実線は起動前から水素系排出弁４９の凍結がない場合を示し、図中の１点鎖線は起動の途中において水素系排出弁４９が凍結した際に水素循環ポンプ４６の循環流量の増加を行なって水素側極１３の再循環流量を増加して起動した場合を示し、２点鎖線は起動途中において水素系排出弁４９が凍結した際に水素側極１３の再循環流量の増加をせずに起動した場合を示す。

図７(ｂ)に示すように、起動中に燃料電池１１の許容負荷Ｐが定格になっていることから、発電量も多く消費される水素の量も多くなり、許容負荷Ｐの低下の割合も大きくなっているので、水素循環ポンプ４６の循環流量の増加後でも燃料電池１１の許容負荷Ｐはほとんどが上昇せず、図６(ｂ)に示した場合よりも更に許容負荷Ｐの低下の割合が大きくなっている。

時間ｔ₁、ｔ₂においてそれぞれ水素系排出弁４９が解凍温度となった後に、水素系排出弁４９と水素供給調節弁４２の開閉動作によって燃料電池１１の許容負荷Ｐを上昇させていくのは、図６(ｂ)において説明したのと同様である。

以上述べたように本実施形態では、先の実施形態と同様の効果に加えて、燃料電池１１の起動過程の途中で水素系排出弁４９の凍結が発生した場合でも、水素循環ポンプ４６の流量を増加させて少ない許容負荷Ｐの低減によって燃料電池１１を起動することができるとともに、起動時間の短縮を図ることが出来るという効果を奏する。

本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す制御系統図である。本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、起動手段を示すフローチャートである。本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、起動する際の燃料電池の温度と燃料電池の許容負荷の変化を示すグラフである。本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、起動する際の空気側極と水素側極の窒素分圧と水素分圧の変化を示す説明図である。本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態において、起動手段を示すフローチャートである。本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態において、起動途中で許容負荷が定格に達する前に水素系排出弁が凍結した際の燃料電池の温度と燃料電池の許容負荷の変化を示すグラフである。本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態において、起動途中で許容負荷が定格に達した後に水素系排出弁が凍結した際の燃料電池の温度と燃料電池の許容負荷の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０燃料電池システム、１１燃料電池、１２空気側極、１３水素側極、１４電解質膜、１５空気圧縮機、１６，４７モータ、１８吸気流量計、１９空気吸込み管路、２０圧縮機吐出管路、２３空気供給管路、２４空気排出管路、２６，５０温度センサ、２７圧力センサ、２８空気圧力調節弁、２９排気管路、３１加湿器、４１水素ガスタンク、４２水素供給調節弁、４３水素供給管路、４４水素排出管路、４５水素循環管路、４６水素循環ポンプ、４８水素系大気放出管路、４９水素系排出弁、５１排出水素希釈管路、５３サイレンサ、５５混合器、５７大気放出口、６１制御部、６３記憶部、６５データバス７１保温ケーシング、Ｐ許容負荷。

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する再循環流路に設けられ、前記燃料ガス排出流路から前記燃料ガス供給流路に反応後の燃料ガスを再循環させる再循環ポンプと、
前記燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部を大気に排出する排出弁と、
前記再循環ポンプによる再循環流量制御と、前記排出弁の開閉制御と、を行う制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができない場合に、前記再循環ポンプの流量を通常流量よりも大きくして前記燃料電池の起動を行う燃料電池起動手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出が可能になった場合に、前記再循環ポンプによって前記再循環ポンプの流量を通常流量に戻して前記燃料電池の起動を行うこと
を特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排出弁に取り付けられた温度センサを含み、
前記制御部は、前記温度センサからの信号によって前記排出弁の温度が所定の温度以下の場合に、前記排出弁による反応後の燃料ガスの排出ができないと判断すること
を特徴とする燃料電池システム。