JP2010044905A - 燃料電池システムおよび燃料電池制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の暖機運転時においてカーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑える。
【解決手段】燃料ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）、燃料電池が所定温度を上回ったと判定されたときに（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、前記水素の供給量の制限を中止し、酸化剤ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し（Ｓ１４０）、前記酸化剤ガスの供給量の制限中に、燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、酸化剤ガスの供給量を制御する（Ｓ１５０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、暖機運転時に燃料電池への反応物の供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池システムと、燃料電池を制御する燃料電池制御方法に関する。

燃料電池は、氷点以下の低温環境で運転を開始すると、カソードやアノード、拡散層に残留する水が凍結してガス流通を阻害したり、高分子電解質膜内部に残留する水が凍結してプロトン伝導性を低下させたりする。このため、低温始動時には、燃料電池の暖機運転を行ってから高効率運転に移行する必要がある。

燃料電池の暖機運転では、発電効率を低下させて自己発熱量を増大させることで暖機を促進することが提案されている（特許文献１）。具体的には、燃料電池に供給される反応物（燃料ガス・酸化剤ガス）を不足状態にし、電極での過電圧を増やすことで自己発熱量を増やしている。

特表２００３−５０４８０７号公報

しかしながら、前記従来の技術では、燃料ガスを不足状態にした場合、カソードのカーボン酸化が生じる可能性がある。一方、酸化剤ガスを不足状態にした場合、水素ポンピング現象が生じた。水素ポンピング現象は、水素極側から電解質膜を透過してきた水素ガスが、酸化剤ガスが不足したために酸化剤ガスと反応することができず、水素ガスが酸化剤ガスの流路に溜まってしまう現象である。水素ポンピング現象が生じると、排ガス中の水素濃度が上昇する問題があった。

本発明は、前記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の暖機運転時においてカーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 暖機運転時に燃料電池への反応物の供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池システムにおいて、
前記反応物の一つである水素の供給量を制限することにより前記低効率運転を実施する第１運転制御手段と、
前記第１運転制御手段による低効率運転の実施中に、前記燃料電池が所定温度を上回ったか否かを判定する電池温度判定手段と、
前記電池温度判定手段により、前記燃料電池が前記所定温度を上回ったと判定されたときに、前記第１運転制御手段による水素の供給量の制限を中止し、前記反応物の一つである酸素を含む酸化剤ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施する第２運転制御手段と
を備え、
前記第２運転制御手段は、
前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する水素濃度抑制手段を備える、燃料電池システム。

通常、水素を不足状態にした場合、カーボン酸化が生じる可能性がある。しかし、カーボン酸化の発生の程度は、温度に依存し、ある温度以下では極めて小さい。前記適用例１に記載の燃料電池システムは、最初に、水素の供給量を制限することにより低効率運転を実施し、カーボン酸化が発生する所定温度まで、この水素の供給量の制限を継続する。これにより、この所定温度までの期間においては、カーボン酸化の発生を起こすことなく、燃料電池は急速に暖機される。

一方、前記燃料電池システムは、燃料電池が所定温度を上回ったときには、水素の供給量の制限から酸化剤ガスの供給量の制限に制御を切り換えて、低効率運転を実施する。さらに、この酸化剤ガス供給量の制限中には、酸化剤ガスの供給量の制限を行いつつ、燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する。従来、酸化剤ガスを不足状態にした場合、水素ポンピング現象が生じ排ガス中の水素濃度が上昇するが、前記酸化剤ガスの供給量の制御により、その水素濃度の上昇を抑えることができる。

したがって、適用例１に記載の燃料電池システムによれば、カーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えつつ、燃料電池の暖機運転を行うことができる。

［適用例２］ 前記所定温度は、氷点以下の温度である、請求項１に記載の燃料電池システム。

適用例２の構成によれば、燃料電池が氷点以下の温度である所定温度以下のときに、水素の供給量を制限して低効率運転を行うことになる。カーボン酸化の発生の度合いは、氷点以下の温度では極めて小さく、温度が氷点下でより低くなると、より一層小さくなる。したがって、この構成によれば、カーボン酸化の発生をより確実に抑えることができる。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記第１運転制御手段は、水素を含む燃料ガスについての前記燃料電池への供給量を制限することにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。

適用例３の構成によれば、燃料ガスの供給量を制限することで水素の供給量の制限を行うことができることから、制御が容易である。

［適用例４］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを再度燃料電池に供給する燃料ガス排出管と、前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスを循環させる循環用ポンプとを備え、前記第１運転制御手段は、前記循環用ポンプを停止したまま燃料ガスの供給を行うことにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。

適用例４の構成によれば、循環用ポンプの駆動が必要ないことから、始動初期に必要な電力を低減することができる。

［適用例５］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを再度燃料電池に供給する燃料ガス排出管と、前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器により得られた水分を希釈器に送る配管と、前記配管を所定のタイミングで開くパージバルブとを備え、前記第１運転制御手段は、前記パージバルブを閉弁状態に固定したまま燃料ガスの供給を行うことにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。

適用例５の構成によれば、燃料ガス排出管からのオフガスが排ガス中に含まれることがない。このために、酸化剤ガスの供給量が小さくても酸化剤ガスで希釈する必要性が小さいことから、排気水素濃度を小さくすることができる。

［適用例６］ 適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えない発電電圧となるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する構成である、燃料電池システム。

適用例６の構成によれば、燃料電池の排ガス中の水素濃度の抑制を簡単な制御にて行うことができる。

［適用例７］ 暖機運転時に燃料電池への反応物の供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池制御方法であって、
前記反応物の一つである水素の供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し、
前記燃料電池が所定温度を上回ったか否かを判定し、
前記燃料電池が所定温度を上回ったと判定されたときに、前記水素の供給量の制限を中止し、前記反応物の一つである酸素を含む酸化剤ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し、
前記酸化剤ガスの供給量の制限中に、前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する、燃料電池制御方法。

前記燃料電池制御方法は、本発明の燃料電池システムと同様に、カーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えつつ、燃料電池の暖機運転を行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて、以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムのハードウェア構成：
Ａ−２．ソフトウェアの構成：
Ａ−３．作用・効果：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．他の実施形態：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムのハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。図示するように、この燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池スタック１０と、燃料ガスをシステム内で流通させるための燃料ガス流路系２０と、酸化剤ガスとしての空気をシステム内で流通させるためのエア流路系３０と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水系４０と、燃料電池スタック１０の運転をコントロールする制御ユニット５０とを備えている。この燃料電池システム１は、車両の駆動モータの供給電源として使用され、燃料電池スタック１０で発生された電力を負荷である駆動モータや補機に与えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガス、空気、冷却水の流路（各単セル内流路）を有するセパレータおよび一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（膜−電極接合体：Membrane Electrode Assembly）から構成される単セルを複数積層したスタック構造となっている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池スタック１０は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極であるアノード側には燃料ガスが供給され、陽極であるカソード側には酸化剤ガスが供給され、これらガス供給により電気化学反応が進行し、起電力が生じる。

燃料ガス流路系２０は、燃料ガス供給源（水素タンク）２１の放出口から燃料電池スタック１０の供給口に至る燃料ガス供給管２２と、燃料電池スタック１０の排出口から燃料ガス供給管２２に至る燃料ガス排出管２４とを備える。燃料電池スタック１０の供給口および排出口は、図示しないマニホルドホールを介して単セル内燃料ガス流路に接続されている。

燃料ガス供給管２２には、水素調圧バルブＶ１と圧力センサＰ１が設けられている。水素タンク２１から放出された燃料ガスは、水素調圧バルブＶ１により所定圧力に調圧されて燃料電池スタック１０へ供給される。

燃料ガス排出管２４には、燃料電池スタック１０の排出口側から、気液分離器２５、循環用水素ポンプ２６および逆止弁２７が備えられている。燃料ガス排出管２４の他端は、燃料ガス供給管２２の水素調圧バルブＶ１および圧力センサＰ１よりも下流側に接続されている。燃料ガス排出管２４により、燃料電池スタック１０において電池反応に寄与しなかった排出燃料ガスを、燃料ガス排出管２４を介して燃料ガス供給管２２に戻すことができる。気液分離器２５は、排出燃料ガスに含まれる余分な水分を除去して、供給用の燃料ガスとしての再生を図っている。

気液分離器２５には、配管２８が接続されており、この配管２８には、パージバルブＶ２が配設されている。上述の排出燃料ガスの再循環の際には、このパージバルブＶ２は、通常、閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、排出燃料ガスを、配管２８を介して後述する希釈器３７に導入し、さらにマフラ３８を介して系外に排出することで、窒素ガスや水蒸気などの不純物がカソード側から電解質膜を透過してアノード側へ移動することにより、アノード側の不純物濃度が上昇することを抑えている。なお、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量は、水素調圧バルブＶ１の開閉状態の制御と、循環用水素ポンプ２６の吐出量の制御との組合せにより調整することができる。

エア流路系３０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口に至るエア供給管３２と、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口に至るエア排出管３４とを備える。前記酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口は、図示しないマニホルドホールを介して単セル内酸化剤ガス流路に接続されている。

エア供給管３２には、エアクリーナ３５とエアコンプレッサ３６とが設けられている。エア排出管３４の途中には、圧力センサＰ２、エア調圧バルブＶ３、希釈器３７、およびマフラ３８が設けられている。エアクリーナ３５から吸入された空気は、エアコンプレッサ３６によって圧縮され、エア供給管３２を介して燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口に酸化剤ガスとして供給される。燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口からの排出酸化剤ガスは、エア排出管３４を介して希釈器３７に導入される。

希釈器３７では、排出酸化剤ガスと、上述の所定のタイミングで希釈器３７に導入される排出燃料ガスとを混合することによって、排出酸化剤ガスに含まれる水素の濃度が希釈される。希釈器３７から排出された排出ガスは、エア排出管３４を介してマフラ３８から燃料電池システム１００の系外へ排出される。なお、燃料電池スタック１０への空気の供給量は、エアコンプレッサ３６の回転数の制御と、エア調圧バルブＶ３の開閉状態の制御との組合せにより調整することができる。

冷却水系４０は、冷却水配管４２とラジエータ４４と循環用冷却水ポンプ４６とによって構成される。冷却水は、冷却水配管４２を介して循環用冷却水ポンプ４６によって燃料電池スタック１０とラジエータ４４との間を循環する。これにより、燃料電池スタック１０で電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ４４で放熱することで、燃料電池スタック１０の温度を適正に保つことができる。なお、冷却水配管４２における燃料電池スタック１０の冷却水排出口付近には、温度センサＴ１が設けられており、冷却水温度、すなわち燃料電池の温度を検出することができる。

制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、圧力センサＰ１、Ｐ２、温度センサＴ１等の各種センサからの信号を受けて、水素調圧バルブＶ１、循環用水素ポンプ２６、パージバルブＶ２、エア調圧バルブＶ３、エアコンプレッサ３６、４６、循環用冷却水ポンプ４６等の各種アクチュエータに駆動信号を出力し、システムの運転全体を制御する。特に、制御ユニット５０は、第１運転制御部５２、電池温度判定部５４、第２運転制御部５６（水素濃度抑制部５６ａを含む）として機能することで暖機運転処理を行っている。この暖機運転処理の詳細については、「Ａ−２．ソフトウェアの構成」で後述する。

Ａ−２．ソフトウェアの構成：
図２は、制御ユニット５０により実行される暖機運転処理を示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット５０における燃料電池スタック１０の運転制御の一部として、低温始動時に実行される。すなわち、始動時において、温度センサＴ１により検出された冷却水温度が氷点（すなわち０℃）以下の低温状態であるときに、この暖機運転処理は実行開始される。

図２に示すように、処理が開始されると、制御ユニット５０のＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量を制限する処理を行う（ステップＳ１１０）。詳細には、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量を、定常運転時（温度センサＴ１により検出された冷却水温度が０℃を上回る時）の燃料ガス供給量よりも減少させることにより、低効率運転を開始する。

図３は、発電電流と燃料ガス供給量の関係を、定常運転時と低温始動時とのそれぞれの場合において示すグラフである。定常運転時には、図中の１点鎖線に示すように、要求される発電電流に応じた燃料ガス供給量が定まる。一方、温度センサＴ１により検出された冷却水温度が０℃以下となる低温始動時には、図中の実線に示すように、要求される発電電流に応じた燃料ガス供給量が定まる。すなわち、低温始動時における燃料ガス供給量は、定常運転時における燃料ガスの供給量よりも所定の量だけ少なくなっている。なお、低温始動時における燃料ガス供給量は、燃料電池スタック１０の特性や燃料ガス供給管２２の径等に合わせて実験的に決定可能であり、低効率運転を実施しうる大きさである。

本実施例では、図３の実線で示す発電電流と燃料ガス供給量との関係を、制御ユニット５０のＲＯＭにマップとして予め用意しておき、ステップＳ１１０では、このマップに対して、燃料電池システム１が要求された発電電流を照らし合わせることで、その発電電流に応じた燃料ガス供給量を読み出して、その燃料ガス供給量となるように、水素調圧バルブＶ１の開度を制御する。この結果、燃料電池スタック１０は、発電効率を低下させて自己発熱量を制御させる。

次いで、制御ユニット５０のＣＰＵは、燃料電池スタック１０の単セルを０．１Ｖで発電する処理を行う（ステップＳ１２０）。燃料電池の発電電力は、発電電圧と発電電流の積となることから、発電電流を一定にした場合は、発電効率の低下とともに発電電圧は低下する、という関係がある。このため、ステップＳ１１０による低効率運転の開始によって発電電圧は低下することになるが、さらに、このステップＳ１２０では、単セルの発電電圧を０．１Ｖとする制御を行っている。定常運転時における単セルの発電電圧は約１．０Ｖであることから、ステップＳ１２０の処理は、定常運転時よりも低下した発電電圧を維持しつつ正確に０．１Ｖとすることである。

ステップＳ１２０では、具体的には、０．１Ｖで発電した場合に、要求される負荷を満たすことができるように燃料ガス供給量を調整する。すなわち、水素調圧バルブＶ１の開閉状態や循環用水素ポンプ２６の吐出量を制御して燃料ガス供給量を調整することにより、発電電圧を０．１Ｖとする制御を行う。

その後、制御ユニット５０のＣＰＵは、温度センサＴ１により検出された冷却水温度が、０℃を上回るか否かを判定する処理を行う（ステップＳ１３０）。ここで、冷却水温度が０℃以下であると判定されたときには、ステップＳ１２０に処理を戻して、単セルの発電電圧を０．１Ｖとする制御を繰り返し実行する。一方、ステップＳ１３０で、冷却水温度が０℃を上回ると判定されたときには、ステップＳ１４０に処理を移行する。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１１０ないしＳ１３０で行われている燃料ガス供給量の制限を中止し、燃料電池スタック１０への酸化剤ガスの供給量を制限する処理を行う。すなわち、燃料電池に供給される反応物を不足状態にする制御を、燃料ガスの供給量を制限する処理から酸化剤ガスの供給量を制限する処理に切り換える。

ステップＳ１４０では、詳細には、燃料電池スタック１０への酸化剤ガスの供給量を、定常運転時の酸化剤ガス供給量よりも減少させる処理を行う。具体的には、燃料ガス供給量の制限の場合と同様に、ＲＯＭに用意したマップに照らし合わせることで、燃料電池が低効率運転となる酸化剤ガス供給量を求めて、その酸化剤ガス供給量となるように、エアコンプレッサ３６の回転数やエア調圧バルブＶ３の開閉状態を制御する。

ステップＳ１４０の実行後、制御ユニット５０のＣＰＵは、排気水素濃度が所定値（例えば４％）を超えない総電圧で暖機運転を継続する処理を行う（ステップＳ１５０）。ここで言う「排気水素濃度」とは、排ガス中の水素濃度であり、この実施例では、希釈器３７から排出されたガス中の水素濃度であるものとしている。

図４は、エアストイキ比に対する総電圧と排気水素濃度との変化を示すグラフである。「エアストイキ比」とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して、供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す値である。「総電圧」とは、燃料電池スタック１０の発電電圧であり、グラフの例は、単セルの数が１００枚であり定常運転時に１０Ｖとなるものとしている。同グラフに示すように、ある発電状態でエアストイキ比を小さくすると、総電圧が下がる。また、エアストイキ比を小さくすると、水素ポンピング現象が発生することから、排気水素濃度が上昇する。本実施例では、図４のグラフに示す関係を温度、電流値の組合せ毎に示す複数のマップをＲＯＭに予め用意しておき、ステップＳ１５０では、現在の温度、電流値の組合せから定まるマップを特定し、そのマップから排気水素濃度が所定値（例えば４％）を超えないような総電圧Ｅ０を求め、その総電圧Ｅ０となるように、酸化剤ガス供給量を増加することによりエアストイキ比を制御する（増大する）処理を行う。図４の例示では、排気水素濃度が４％を超えない総電圧Ｅ０は、１．５Ｖである。なお、前記マップは、燃料電池スタック１０の特性等に合わせて実験的に決定可能である。

ステップＳ１５０の実行後、制御ユニット５０のＣＰＵは、温度センサＴ１により検出された冷却水温度が、６０℃を上回るか否かを判定する処理を行う（ステップＳ１６０）。ここで、冷却水温度が６０℃以下であると判定されたときには、ステップＳ１５０に処理を戻して、前記総電圧Ｅ０で暖機運転を継続する処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ１６０で、冷却水温度が６０℃を上回ると判定されたときには、燃料電池スタック１０の暖機は完了したものとして、この暖機運転処理を終了する。

前記暖機運転処理において、ステップＳ１１０およびＳ１２０の処理により第１運転制御部５２（図１）を、ステップＳ１３０の処理により電池温度判定部５４（図１）を、ステップＳ１４０およびＳ１５０の処理により第２運転制御部５６（図１）をそれぞれ実現している。特にステップＳ１５０の処理は、水素濃度抑制部５６ａを実現している。

Ａ−３．作用・効果：
図５は、電極電位と二酸化炭素濃度（ＣＯ₂濃度）との関係が、燃料電池温度によりどのように変わるかを示すグラフである。ＣＯ₂濃度は、燃料電池スタック１０の排ガス中のもので、カソードのカーボン酸化の発生の程度と比例する。このグラフは実験的に求めたものである。このグラフに示すように、燃料電池温度が−１０℃の場合、０℃の場合には、電極電位のグラフ中の全域に亘ってＣＯ₂濃度は極めて小さい。これに対して、燃料電池温度４０℃の場合には、電極電位によってはＣＯ₂濃度は急激に大きくなる。このことから、カーボン酸化の発生の程度は、温度に依存し、ある温度以下では極めて小さく、グラフの例では、燃料電池温度が氷点（０℃）以下である場合に極めて小さいことがわかる。

この第１実施例の燃料電池システム１では、最初に、ステップＳ１１０およびＳ１２０により、燃料ガス供給量を制限することにより低効率運転を実施し、カーボン酸化が発生する氷点（０℃）まで、この水素の供給量の制限を継続する。これにより、この０℃までの期間においては、カーボン酸化の発生を起こすことなく、燃料電池スタック１０は急速に暖機される。カーボン酸化が発生しないことで、燃料電池スタック１０の耐久性を確保することもできる。

一方、燃料電池システム１は、燃料電池温度が所定温度を上回ったとき（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）には、燃料ガス供給量の制限から空気供給量の制限に制御を切り換えて、低効率運転を実施する（ステップＳ１４０、Ｓ１５０）。さらに、この空気供給量の制限中には、燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えない総電圧Ｅ０でもって暖機運転を継続する。従来、空気を不足状態にした場合、水素ポンピング現象が生じ排ガス中の水素濃度が上昇するが、前記総電圧となるようにエアの供給量を制御することにより、その水素濃度の上昇を抑えることができる。また、燃料電池温度が所定温度を上回ったときは、再凍結の可能性が低い温度まで暖機ができているということなので、発電電圧を上げて暖機の速度を落としても問題はない。

これらのことから、本実施例の燃料電池システム１によれば、カーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えつつ、燃料電池の暖機運転を行うことができる。

また、本実施例によれば、燃料電池温度が十分に上昇する６０℃まで暖機運転を継続していることから、始動の確実性を担保することができる。０℃で暖機運転を終了した場合、直後に運転者により停止されると、暖機運転で生成した水の凍結により次回の始動の確実性を担保することができなくなるが、本実施例ではこの問題を解消することができる。すなわち、本実施例では、次回の始動の確実性を担保するべく燃料電池温度が十分に上昇する暖機運転を継続したにも関わらず、排ガス水素濃度の上昇を抑えることができる。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について次に説明する。この第２実施例は、第１実施例と比較して、制御ユニット５０により実行される暖機運転処理の構成が相違するだけであり、その他のソフトウェアおよびハードウェアの構成は同一である。

図６は、第２実施例における暖機運転処理を示すフローチャートである。この処理は、第１実施例の暖機運転処理と比較して、図中、ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１５０，Ｓ１６０の処理が同一で、相違するのはステップＳ２１０、Ｓ２４０である。

ステップＳ２１０では、制御ユニット５０のＣＰＵは、燃料ガス排出管２４に設けられた循環用水素ポンプ２６を停止したまま燃料ガスを供給する処理を行う。水素調圧バルブＶ１の開度は定常運転のときと同一とする。循環用水素ポンプ２６が停止した状態では、水素ストイキ比が低下するために燃料電池スタック１０への水素の供給量が制限されることになる。

その後、ステップＳ１２０により、０．１Ｖで発電を行う。なお、このステップＳ１２０では、循環用水素ポンプ２６を停止したままで、水素調圧バルブＶ１の開閉状態の制御により０．１Ｖを実現してもよいし、水素調圧バルブＶ１の開閉状態や循環用水素ポンプ２６の吐出量を制御して０．１Ｖを実現してもよい。ステップＳ１３０に続くステップＳ２４０では、ステップＳ２１０による循環用水素ポンプ２６の停止を中止した上で、第１実施例のステップＳ１４０と同様に酸化剤ガス供給量の制限を行う。ステップＳ１５０およびＳ１６０は第１実施例と同じである。

以上のように構成された第２実施例では、第１実施例と同様に、カーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えつつ、燃料電池の暖機運転を行うことができる。また、本実施例では、循環用水素ポンプ２６を停止したまま燃料ガスを供給することにより水素の供給量の制限を図っていることから、始動初期に必要な電力を低減することができる。特に氷点下では、燃料電池の性能が悪い上に、例え２次電池を備えるシステムとしても２次電池の電力を期待することができないことから、必要電力を低減することはより有効である。

Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について次に説明する。この第３実施例は、第１実施例と比較して、制御ユニット５０により実行される暖機運転処理の構成が相違するだけであり、その他のソフトウェアおよびハードウェアの構成は同一である。

図７は、第３実施例における暖機運転処理を示すフローチャートである。この処理は、第１実施例の暖機運転処理と比較して、図中、ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１５０，Ｓ１６０の処理が同一で、相違するのはステップＳ３１０、Ｓ３４０である。

ステップＳ３１０では、制御ユニット５０のＣＰＵは、気液分離器２５に接続される配管２８に設けられたパージバルブＶ２を閉弁状態に固定したまま、燃料ガスを供給する処理を行う。水素調圧バルブＶ１の開度は定常運転のときと同一とする。パージバルブＶ２が閉じられた状態のままでは、アノード側の不純物濃度が上昇するために、燃料電池スタック１０への水素の供給量が制限されることになる。

その後、ステップＳ１２０により、０．１Ｖで発電を行う。なお、このステップＳ１２０では、パージバルブＶ２を閉弁状態に固定したままでもよいし、その固定を中止する構成としてもよい。ステップＳ１３０に続くステップＳ３４０では、ステップＳ３１０によるパージバルブＶ２の閉弁状態への固定を中止した上で、第１実施例のステップＳ１４０と同様に酸化剤ガス供給量の制限を行う。ステップＳ１５０およびＳ１６０は第１実施例と同じである。

以上のように構成された第３実施例では、第１実施例と同様に、カーボン酸化の発生と排ガス水素濃度の上昇との双方を抑えつつ、燃料電池の暖機運転を行うことができる。また、本実施例では、パージバルブＶ２を閉弁状態に固定したまま燃料ガスを供給することにより水素の供給量の制限を図っていることから、燃料ガス排出管２４からのオフガスがない。このために、酸化剤ガスの供給量が小さくても酸化剤ガスで希釈する必要性が小さいことから、排気水素濃度を小さくすることができる。

Ｄ．他の実施形態：
なお、この発明は前記の第１ないし第３実施例や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。

（１）前記各実施例におけるステップＳ１４０では、排気水素濃度が所定値（例えば４％）を超えない総電圧Ｅ０を、温度および電流値からマップを用いて求め、その総電圧Ｅ０で暖機運転を継続するように構成していたが、これに換えて、希釈器３７の出口に水素濃度センサを設置し、その水素濃度センサにより検出された水素濃度値が所定値を超えた場合に、燃料電池スタック１０の総電圧を上げるように構成してもよい。この構成によれば、水素濃度の実測値により排気水素濃度を制御することから、排気水素濃度を高精度に制御することができる。

（２）前記各実施例では、第１運転制御部から第２運転制御部への制御の切り換えを、冷却水温度が０℃を上回ったときとしていたが、この０℃という閾値は、この温度に限る必要はなく、氷点以下の温度であればいずれの温度に換えることもできる。例えば、０℃から−１０℃までの間の所定の温度としてもよい。図５からも、０℃と−１０℃のときには、カーボン酸化の発生の程度が極めて小さいことが判る。

（３）前記各実施例では、暖機運転処理の開始条件を冷却水温度が０℃以下のときとしたが、この０℃という閾値は、この温度に限る必要はなく、氷点付近の温度、あるいは氷点以下の温度等に換えることができる。なお、この開始条件の温度と、前記（２）で述べた、第１運転制御部から第２運転制御部への制御の切り換えのための温度条件とは、同一である必要もない。また、前記各実施例では、暖機運転処理の終了条件を冷却水温度が６０℃を上回ったときとしたが、これに換えて、５０℃、７０℃等、他の値としてもよい。燃料電池の種類に応じた運転温度に応じた温度とすることが好ましい。

（４）前記（３）および（４）で述べた各温度条件は、燃料電池スタック１０の冷却水温度を判定するものであったが、必ずしも冷却水温度に限る必要はなく、燃料電池の温度を捕捉可能な物理量であればいずれの量を判定するものとしてもよい。例えば、外気温センサにより検出される温度であってもよい。

（５）前記各実施例では、圧力センサにより水素ガスの圧力を検出して、この検出圧に従って水素ガス供給圧を制御する構成としていたが、これに換えて、流量センサを備え付けて水素ガスを制御する構成としてもよい。

（６）前記各実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。また、前記各実施例では、燃料電池システムを車両に搭載する場合について説明したが、これに替えて、船舶、航空機などの他の交通手段や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。

本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。 制御ユニット５０により実行される暖機運転処理を示すフローチャートである。 発電電流と燃料ガス供給量の関係を定常運転時と低温始動時とのそれぞれの場合において示すグラフである。 エアストイキ比に対する総電圧と排気水素濃度との変化を示すグラフである。 電極電位とＣＯ₂濃度との関係が燃料電池温度によりどのように変わるかを示すグラフである。 第２実施例における暖機運転処理を示すフローチャートである。 第３実施例における暖機運転処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス流路系
２１…水素タンク
２２…燃料ガス供給管
２４…燃料ガス排出管
２５…気液分離器
２６…循環用水素ポンプ
２７…逆止弁
２８…配管
３０…エア流路系
３２…エア供給管
３４…エア排出管
３５…エアクリーナ
３６…エアコンプレッサ
３７…希釈器
３８…マフラ
４０…冷却水系
４２…冷却水配管
４４…ラジエータ
４６…循環用冷却水ポンプ
５０…制御ユニット
５２…第１運転制御部
５４…電池温度判定部
５６…第２運転制御部
５６ａ…水素濃度抑制部
Ｅ０…総電圧
Ｖ１…水素調圧バルブ
Ｖ２…パージバルブ
Ｖ３…エア調圧バルブ
Ｐ１…圧力センサ
Ｐ２…圧力センサ
Ｔ１…温度センサ

Claims (7)

1. 暖機運転時に燃料電池への反応物の供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池システムにおいて、
   前記反応物の一つである水素の供給量を制限することにより前記低効率運転を実施する第１運転制御手段と、
   前記第１運転制御手段による低効率運転の実施中に、前記燃料電池が所定温度を上回ったか否かを判定する電池温度判定手段と、
   前記電池温度判定手段により、前記燃料電池が前記所定温度を上回ったと判定されたときに、前記第１運転制御手段による水素の供給量の制限を中止し、前記反応物の一つである酸素を含む酸化剤ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施する第２運転制御手段と
   を備え、
   前記第２運転制御手段は、
   前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する水素濃度抑制手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記所定温度は、氷点以下の温度である、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記第１運転制御手段は、
   水素を含む燃料ガスについての前記燃料電池への供給量を制限することにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを再度燃料電池に供給する燃料ガス排出管と、
   前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスを循環させる循環用ポンプと
   を備え、
   前記第１運転制御手段は、
   前記循環用ポンプを停止したまま燃料ガスの供給を行うことにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。
5. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを再度燃料電池に供給する燃料ガス排出管と、
   前記燃料ガス排出管に設けられ、前記排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器により得られた水分を希釈器に送る配管と、
   前記配管を所定のタイミングで開くパージバルブと
   を備え、
   前記第１運転制御手段は、
   前記パージバルブを閉弁状態に固定したまま燃料ガスの供給を行うことにより、前記水素の供給量の制限を行う手段を備える、燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記水素濃度抑制手段は、
   前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えない発電電圧となるように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する構成である、燃料電池システム。
7. 暖機運転時に燃料電池への反応物の供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池制御方法であって、
   前記反応物の一つである水素の供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し、
   前記燃料電池が所定温度を上回ったか否かを判定し、
   前記燃料電池が所定温度を上回ったと判定されたときに、前記水素の供給量の制限を中止し、前記反応物の一つである酸素を含む酸化剤ガスの供給量を制限することにより前記低効率運転を実施し、
   前記酸化剤ガスの供給量の制限中に、前記燃料電池の排ガス中の水素濃度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガスの供給量を制御する、燃料電池制御方法。

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