JP2011216306A - 燃料電池システムの停止方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの停止方法を提供する。
【解決手段】燃料ガスが供給されるアノード3aと酸素含有ガスが供給されるカソード3bとアノード3a及びカソード3bの間に設けられる電解質3cとを有する固体高分子形燃料電池セル3を備える燃料電池システムSの停止方法。システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む停止時加湿状態調節工程と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】燃料ガスが供給されるアノード3aと酸素含有ガスが供給されるカソード3bとアノード3a及びカソード3bの間に設けられる電解質3cとを有する固体高分子形燃料電池セル3を備える燃料電池システムSの停止方法。システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む停止時加湿状態調節工程と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの停止方法に関する。
固体高分子形燃料電池はセルを構成する電解質(固体高分子膜)及び電極部(アノード及びカソード)が湿潤することによって発電が可能となるため、固体高分子形燃料電池セルに供給するガスに水蒸気を混合するなど、電解質及び電極部を加湿して運転している。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と固体高分子形燃料電池セルに供給するガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での運転が一般的である。
これに対して、燃料電池システム内の加湿機能(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)を簡略化又は削除することによって、システムのコスト低減を図ることも行われている。例えば、非特許文献1に記載のように、飽和加湿条件ではない低加湿条件でも電池の劣化が抑制されるような開発が進められている。
このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何に電池の湿潤に効率よく利用できるかが発電性能を引き出す上で重要である。そのため、非特許文献2に記載のように、電池の構成部材の最適化が進められている。
このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何に電池の湿潤に効率よく利用できるかが発電性能を引き出す上で重要である。そのため、非特許文献2に記載のように、電池の構成部材の最適化が進められている。
Eiji Endoh, ECS Transactions, 16(2), 1229 (2008)
西川, 中村, 松山, 柏, 第15回燃料電池シンポジウム講演予稿集, 123 (2008)
しかしながら、低加湿条件(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスの少なくとも一方の露点が固体高分子形燃料電池セルの温度よりも10℃以上低い条件)で、生成水を効率よく利用して電池内部の湿潤を保ちながら燃料電池を運転させているとき、運転する条件や環境の変化により電池内部の湿潤状態が変わる可能性があり得る。湿潤が足りなくなれば電池の劣化は促進され、逆に湿潤が過度であれば結露が生じて水づまりによる性能低下が起こり得る。例えば、固体高分子形燃料電池セルに存在する水が必要量よりも少なくなると(即ち、水不足状態になると)、電解質における水素イオンの伝導性が悪くなる(即ち、抵抗が大きくなる)。或いは、固体高分子形燃料電池セルに存在する水が必要量以上に増えると(即ち、水過多状態になると)、アノード及びカソードを構成するガス拡散層の細孔内が水で塞がれてガスの拡散が阻害される。その結果、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧が低下したり、固体高分子形燃料電池セルが劣化したりするなどの問題が発生する可能性がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの停止方法を提供することを目的とする。
本発明に係る、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの停止方法の特徴構成は、システム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、前記加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム停止時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む停止時加湿状態調節工程と、を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、燃料電池システムが断続運転される場合において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が変化するとしても加湿状態検証工程において加湿状態が検証され、更に、加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降の停止時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向及び加湿減少方向の何れにも調節可能である。つまり、加湿状態検証工程及び停止時加湿状態調節工程によって、システム停止時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セルの性能が継続的に良好に維持される。特に、固体高分子形燃料電池セルに対して水分を供給するための特別な加湿機能(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)が簡略化され、又は備わっておらず、主に固体高分子形燃料電池セルでの発電時に生成される水で固体高分子形燃料電池セルの加湿が行われるような、低加湿条件で運転される燃料電池システムであっても、加湿状態検証工程及び停止時加湿状態調節工程によって、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を適切に調節できる。
従って、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの停止方法を提供することができる。
従って、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの停止方法を提供することができる。
ここで、前記加湿状態検証工程は、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、前記固体高分子形燃料電池セルが水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程であると好適である。
加湿状態検証工程が行われるシステム起動時には、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水不足状態であれば、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧は加湿状態が適正であるときの出力電圧よりも低下するという現象が認められる。また、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水過多状態であれば、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧は加湿状態が適正であるときと比較して不安定化するという現象が認められる。ここで、「不安定化する」とは、出力電圧に変動が現れることを意味する。
この構成によれば、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の変化状態に基づいて、当該固体高分子形燃料電池セルの状態が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証することができる。
この構成によれば、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の変化状態に基づいて、当該固体高分子形燃料電池セルの状態が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証することができる。
そこで、前記加湿状態検証工程では、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧値が前記適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、前記水不足状態と判定され、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の安定性が前記適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、前記水過多状態と判定され、前記水不足状態及び前記水過多状態のいずれでもない場合に、前記適正状態と判定される構成とすると好適である。
この構成によれば、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの状態が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを適切に判定することができる。
また、前記停止時加湿状態調節工程は、前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水不足状態であるという検証結果が得られれば、前記固体高分子形燃料電池セルの温度を、前記適正状態である場合における温度よりも下げてから発電出力を低下させて発電を停止すること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させてから発電出力を低下させて発電を停止すること、を行う工程であると好適である。
加湿状態検証工程において固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合には、当該加湿状態検証工程以降に実行される停止時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルの温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における温度よりも下げてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも減少させてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。従って、システム停止時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を増大させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルの温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における温度よりも下げてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも減少させてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。従って、システム停止時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を増大させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
また、前記停止時加湿状態調節工程は、前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水過多状態であるという検証結果が得られれば、前記固体高分子形燃料電池セルの温度を、前記適正状態である場合における温度よりも上げてから発電出力を低下させて発電を停止すること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも増加させてから発電出力を低下させて発電を停止すること、を行う工程であると好適である。
加湿状態検証工程において固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合には、当該加湿状態検証工程以降に実行される停止時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルの温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における温度よりも上げてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも増加させてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。従って、システム停止時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を減少させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルの温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における温度よりも上げてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも増加させてから発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。従って、システム停止時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を減少させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
1.第一の実施形態
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する加湿状態検証工程V(図2を参照)と、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する起動時加湿状態調節工程Aと、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する停止時加湿状態調節工程Bと、が行われる。起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bは、それぞれ固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。制御部12は、加湿状態検証工程V及び起動時加湿状態調節工程Aを、例えば断続運転される燃料電池システムSの起動時に毎回実行し、停止時加湿状態調節工程Bを、例えば断続運転される燃料電池システムSの停止時に毎回実行する。以下、詳細に説明する。
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する加湿状態検証工程V(図2を参照)と、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する起動時加湿状態調節工程Aと、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する停止時加湿状態調節工程Bと、が行われる。起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bは、それぞれ固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。制御部12は、加湿状態検証工程V及び起動時加湿状態調節工程Aを、例えば断続運転される燃料電池システムSの起動時に毎回実行し、停止時加湿状態調節工程Bを、例えば断続運転される燃料電池システムSの停止時に毎回実行する。以下、詳細に説明する。
1−1.燃料電池システムの全体構成
図1は、燃料電池システムSの構成を説明する図である。燃料電池システムSは、燃料ガスが供給されるアノード3aと、酸素含有ガスが供給されるカソード3bと、アノード3a及びカソード3bの間に設けられる電解質(固体高分子膜)3cと、を有する固体高分子形燃料電池セル3を備える。通常、複数個の固体高分子形燃料電池セル3が直列接続されてセルスタックを構成する。
図1は、燃料電池システムSの構成を説明する図である。燃料電池システムSは、燃料ガスが供給されるアノード3aと、酸素含有ガスが供給されるカソード3bと、アノード3a及びカソード3bの間に設けられる電解質(固体高分子膜)3cと、を有する固体高分子形燃料電池セル3を備える。通常、複数個の固体高分子形燃料電池セル3が直列接続されてセルスタックを構成する。
本実施形態において、アノード3aに供給される燃料ガスは燃料ガス供給部1で生成される。燃料ガス供給部1は、炭化水素(例えばメタン等)やアルコールなどの原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする燃料ガスを生成する装置である。尚、図1には示していないが、水蒸気改質を行うため、原燃料に対して水蒸気が添加される。燃料ガス供給部1からアノード3aに供給される燃料ガスの流量は、燃料ガス供給部1に供給される原燃料の流量に応じて変化する。つまり、アノード3aに供給する燃料ガスの流量は、燃料ガス供給部1に供給する原燃料の流量によって調節できる。本実施形態では、制御部12が、燃料ガス供給部1に供給する原燃料の流量を、ポンプなどの流量調節手段(図示せず)の動作を制御して調節する。
本実施形態において、カソード3bに供給される酸素含有ガスは、空気である。酸素含有ガス供給部2は、空気をカソード3bに送りこむことができるポンプなどである。本実施形態では、制御部12が、カソード3bに供給する酸素含有ガス(空気)の流量を、酸素含有ガス供給部2の動作を制御して調節する。
固体高分子形燃料電池セル3では、通常運転時において、アノード3aに供給される水素(燃料ガス)が水素イオンとなって電解質3cを介してカソード3bに移動し、酸素含有ガス(空気)中の酸素と反応して水を生成する。このとき、アノード3aとカソード3bとを接続する電気回路中の負荷(図1では電力変換部8)に電流が流れる。電解質3cにおける水素イオンの伝導性は、電解質3cに水が存在している方が高くなる。本実施形態の燃料電池システムSには、固体高分子形燃料電池セル3を加湿する(上記の水蒸気改質のための加湿を除く)ための特別な仕組みは設けられていない。具体的には、本実施形態の燃料電池システムSには、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませる特別な装置(例えば、バブラー装置)などは設けられていない。
なお、本実施形態に係る燃料電池システムSでは、水蒸気改質後の燃料ガス(水素)の露点は30〜40℃程度となる。上記のとおり、燃料ガス(水素)はその後特に加湿されることなく固体高分子形燃料電池セル3に供給される。一方、通常運転時には、固体高分子形燃料電池セル3の温度は70〜80℃程度に維持される。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムSは、低加湿条件で通常運転が行われている。本実施形態において、低加湿条件とは、アノード3a及びカソード3bに供給されるガスの少なくとも一方の露点が固体高分子形燃料電池セル3の温度よりも10℃以上低い条件である。このような低加湿条件下では、通常運転時(発電時)においてカソード3bで生成される水(生成水)が、固体高分子形燃料電池セル3を加湿するための主要な水となる。
固体高分子形燃料電池セル3の直流出力は電力変換部8において適当な電力に変換されてから負荷部11に供給される。固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は電圧計9によって計測され、固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は電流計10によって計測される。
制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の温度を調節できる。本実施形態では、燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池セル3を冷却可能な冷却手段Cを備える。
冷却手段Cは、冷却水としての湯水が貯められた貯湯部6と、固体高分子形燃料電池セル3で発生される熱と湯水(冷却水)との熱交換が行われる熱交換部4と、貯湯部6に貯湯されている低温の湯水(冷却水)が熱交換部4を流通して再び貯湯部6に戻るように循環する冷却水循環路13と、冷却水循環路13における湯水の流量を調節するポンプ7と、を備える。冷却水循環路13における湯水の流量が多くなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が促進されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が低下する。逆に、冷却水循環路13における湯水の流量が少なくなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が抑制されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が上昇する。制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、冷却水循環路13における湯水の流量を調節できる。つまり、制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、固体高分子形燃料電池セル3の温度を調節できる。
冷却手段Cは、冷却水としての湯水が貯められた貯湯部6と、固体高分子形燃料電池セル3で発生される熱と湯水(冷却水)との熱交換が行われる熱交換部4と、貯湯部6に貯湯されている低温の湯水(冷却水)が熱交換部4を流通して再び貯湯部6に戻るように循環する冷却水循環路13と、冷却水循環路13における湯水の流量を調節するポンプ7と、を備える。冷却水循環路13における湯水の流量が多くなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が促進されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が低下する。逆に、冷却水循環路13における湯水の流量が少なくなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が抑制されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が上昇する。制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、冷却水循環路13における湯水の流量を調節できる。つまり、制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、固体高分子形燃料電池セル3の温度を調節できる。
また、燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池セル3を加熱可能な加熱手段Hを備えている。加熱手段Hは、固体高分子形燃料電池セル3に対して熱伝達可能に設けられている。加熱手段Hは、例えば抵抗加熱式のヒータ5である。燃料電池システムSのシステム起動時には、制御部12はヒータ5に通電して固体高分子形燃料電池セル3の温度を上昇させる。なお、本実施形態では、加熱手段Hはシステム起動時にのみ使用され、通常運転時には使用されない。
1−2.燃料電池システムの運転制御
燃料電池システムSは、当該燃料電池システムSの各部の動作を制御するための制御部12を備えている。例えば、制御部12は、燃料電池システムS全体の稼働状態を制御する。図2は、燃料電池システムSの稼働状態を模式的に示す図である。この図に示すように、燃料電池システムSは運転状態と停止状態とを断続的に繰り返して行う。そして、燃料電池システムSが運転状態となる場合には、まずシステム起動制御が実行された後に当該システム起動制御から通常運転制御に切り替わる。また、燃料電池システムSが停止状態となる場合には、まず通常運転制御からシステム停止制御に切り替わり、当該システム停止制御が実行された後に燃料電池システムSが完全に停止される。
燃料電池システムSは、当該燃料電池システムSの各部の動作を制御するための制御部12を備えている。例えば、制御部12は、燃料電池システムS全体の稼働状態を制御する。図2は、燃料電池システムSの稼働状態を模式的に示す図である。この図に示すように、燃料電池システムSは運転状態と停止状態とを断続的に繰り返して行う。そして、燃料電池システムSが運転状態となる場合には、まずシステム起動制御が実行された後に当該システム起動制御から通常運転制御に切り替わる。また、燃料電池システムSが停止状態となる場合には、まず通常運転制御からシステム停止制御に切り替わり、当該システム停止制御が実行された後に燃料電池システムSが完全に停止される。
ここで、システム起動制御及びシステム停止制御の内容について簡単に説明する。図3は、標準的な条件下におけるシステム起動制御の説明図である。
この図に示すように、システム起動制御では、まず制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスを予め設定された標準流量Fsにて供給するとともに、ヒータ5への通電量を増大させて固体高分子形燃料電池セル3の温度を徐々に上昇させる。やがて固体高分子形燃料電池セル3の温度が、当該固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件として予め設定された標準発電開始温度Tsに達すると、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出されて負荷部11に供給される出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。やがて出力電流が予め設定された標準出力電流Isに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を標準流量Fsから徐々に増加させる。なお、ここでは「標準流量Fs」は、燃料ガスについての標準流量と酸素含有ガスについての標準流量とを包括的に表す概念として用いている(以下、同様)。
この図に示すように、システム起動制御では、まず制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスを予め設定された標準流量Fsにて供給するとともに、ヒータ5への通電量を増大させて固体高分子形燃料電池セル3の温度を徐々に上昇させる。やがて固体高分子形燃料電池セル3の温度が、当該固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件として予め設定された標準発電開始温度Tsに達すると、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出されて負荷部11に供給される出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。やがて出力電流が予め設定された標準出力電流Isに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を標準流量Fsから徐々に増加させる。なお、ここでは「標準流量Fs」は、燃料ガスについての標準流量と酸素含有ガスについての標準流量とを包括的に表す概念として用いている(以下、同様)。
システム起動制御が終了すると、通常運転制御に切り替わる。本実施形態では、通常運転制御として、エネルギ効率が最大となる状態で発電を行うように燃料電池システムSを制御する定格出力制御が行われる。本例では、このような定格出力制御は、発電出力が最大となる状態で発電を行うように燃料電池システムSを制御する最大出力制御でもある。なお、この通常運転制御時には、固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量は運転時標準流量Frとなっている(図4を参照)。本例のように、定格出力制御が行われる場合には、運転時標準流量Frは定格電力を出力するだけの流量である。また、固体高分子形燃料電池セル3の温度は標準運転温度Trとなっている。なお、ここでは「運転時標準流量Fr」は、燃料ガスについての標準流量と酸素含有ガスについての標準流量とを包括的に表す概念として用いている(以下、同様)。
図4は、標準的な条件下におけるシステム停止制御の説明図である。この図に示すように、システム停止制御では、まず制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を運転時標準流量Frから徐々に減少させるとともに、固体高分子形燃料電池セル3から取り出されて負荷部11に供給される出力電流(発電出力)を徐々に低下させる。この際、固体高分子形燃料電池セル3の温度も徐々に低下させる。やがて出力電流(発電出力)が予め設定された停止時標準電流Irに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を一定に維持させる。更に出力電流(発電出力)がゼロに達して発電が完全に停止すると、制御部12は燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量をゼロとする。
1−3.固体高分子形燃料電池セルの加湿状態
上述のように、燃料電池システムSでは、固体高分子形燃料電池セル3での発電による生成水で、当該固体高分子形燃料電池セル3自身の加湿を行う。そのためには、生成水が固体高分子形燃料電池セル3で有効に利用される必要がある。よって、生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出されないようにすることが好ましい。固体高分子形燃料電池セル3の内部では、カソード3bで生成された生成水が、カソード3bの近傍のみに留まるのではなく、電解質3c及びアノード3aにまで浸透する。そして、燃料電池システムSが運転状態にある場合には、生成水は、アノード3aにおいて燃料ガスと常時接触し、カソード3bにおいて空気と常時接触する。その結果、アノード3aから排出されるガスによって、アノード3aの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出され、カソード3bから排出されるガスによって、カソード3bの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される。
上述のように、燃料電池システムSでは、固体高分子形燃料電池セル3での発電による生成水で、当該固体高分子形燃料電池セル3自身の加湿を行う。そのためには、生成水が固体高分子形燃料電池セル3で有効に利用される必要がある。よって、生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出されないようにすることが好ましい。固体高分子形燃料電池セル3の内部では、カソード3bで生成された生成水が、カソード3bの近傍のみに留まるのではなく、電解質3c及びアノード3aにまで浸透する。そして、燃料電池システムSが運転状態にある場合には、生成水は、アノード3aにおいて燃料ガスと常時接触し、カソード3bにおいて空気と常時接触する。その結果、アノード3aから排出されるガスによって、アノード3aの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出され、カソード3bから排出されるガスによって、カソード3bの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される。
制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態をより加湿減少方向(より乾燥させる方向)へと移行させることができる。例えば、制御部12は、冷却手段Cの動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3の温度を上げることで、生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。或いは、制御部12は、燃料ガス供給部1及び酸素含有ガス供給部2の少なくとも何れか一方の動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を増加させることで、それらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
或いは、制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態をより加湿増大方向(より湿潤させる方向)へと移行させることができる。例えば、制御部12は、冷却手段Cの動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3の温度を下げることで生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。或いは、制御部12は、燃料ガス供給部1及び酸素含有ガス供給部2の少なくとも何れか一方の動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を減少させることで、それらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
1−4.加湿状態検証工程
加湿状態検証工程Vは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程である。例えば固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が増えて水過多状態になっていると、通常運転時等に、アノード3a及びカソード3bを構成するガス拡散層の細孔内が水で塞がれてガスの拡散が阻害される。また、固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が少なくなって水不足状態になっていると、電解質3cにおける水素イオンの伝導性が悪くなる(即ち、抵抗が大きくなる)。その結果、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が低下したり、固体高分子形燃料電池セル3が劣化したりするなどの問題が発生する可能性がある。
加湿状態検証工程Vは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程である。例えば固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が増えて水過多状態になっていると、通常運転時等に、アノード3a及びカソード3bを構成するガス拡散層の細孔内が水で塞がれてガスの拡散が阻害される。また、固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が少なくなって水不足状態になっていると、電解質3cにおける水素イオンの伝導性が悪くなる(即ち、抵抗が大きくなる)。その結果、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が低下したり、固体高分子形燃料電池セル3が劣化したりするなどの問題が発生する可能性がある。
そこで、この加湿状態検証工程Vでは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧を指標として固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証し、当該固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が、適正状態にあるのか、又は、水過多状態にあるのか、又は、水不足状態にあるのか、を判定する。なお、「水過多状態」は固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が必要量以上に増えた状態であり、「水不足状態」は固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が必要量よりも少ない状態である。また、「適正状態」は、水過多状態と水不足状態との間の、固体高分子形燃料電池セル3に必要量の水がほぼ過不足なく存在する状態である。
本実施形態において、加湿状態検証工程Vでは、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の値及び安定性を指標として固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が検証される。本例では、加湿状態検証工程Vでは、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値の、適正状態において期待される出力電圧値に対する低下度合いと、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の安定性の、適正状態において期待される出力電圧の安定性に対する不安定化度合いと、が監視される。そして、図5に示すように、出力電圧値の低下度合いが大きい場合に水不足状態と判定され、出力電圧の不安定化度合いが大きい場合に水過多状態と判定される。すなわち、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値が適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、水不足状態と判定される。より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値が、適正状態において期待される出力電圧値の例えば96%以下まで低下した場合に水不足状態と判定される。一方、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の安定性が適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、水過多状態と判定される。より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値の単位時間当たりの変動幅が、適正状態において期待される出力電圧値の単位時間当たりの変動幅の例えば5倍以上となった場合に水過多状態と判定される。なお、上記の判定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。また、水不足状態及び水過多状態のいずれとも判定されない場合に適正状態と判定される。すなわち、出力電圧値が安定性を維持しており、かつ、ほとんど低下していない場合に適正状態と判定される。
なお、本実施形態においては、固体高分子形燃料電池セル3の劣化を抑制するべく、許容される出力電圧の下限値である第一設定電圧(制限電圧)Rvが予め設定されている。例えば水不足状態にある場合には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が大きく低下し、第一設定電圧Rvに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3の出力電流を一定に維持して出力電圧の上昇を待つ。やがて、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が、第一設定電圧Rvよりも大きい値に設定された第二設定電圧(許可電圧)Pvまで上昇すると出力電流を上昇させることが許可され、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3の出力電流を再度上昇させる。これにより固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は再度低下する。以上の動作が、逐次繰り返して行われる。その結果、図5に示すように、水不足状態ではシステム起動時には固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は段階的に上昇する。一方、例えば適正状態にある場合には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は大きく低下することがないので、システム起動時には固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は直線的(一次関数的)に上昇する。
1−5.起動時加湿状態調節工程
起動時加湿状態調節工程Aは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、起動時加湿状態調節工程Aは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、起動時加湿状態調節工程Aでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A2が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A3が行われる。このような起動時加湿状態調節工程Aは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
起動時加湿状態調節工程Aは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、起動時加湿状態調節工程Aは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、起動時加湿状態調節工程Aでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A2が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A3が行われる。このような起動時加湿状態調節工程Aは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
本実施形態に係る起動時加湿状態調節工程Aでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度が調節される。
加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも低下させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い値に設定された発電開始温度T1(T1<Ts)に達した時点で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも低下させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い値に設定された発電開始温度T1(T1<Ts)に達した時点で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
一方、加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも上昇させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い値に設定された発電開始温度T2(T2>Ts)に達するのを待ってから、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。なお、図6のタイムチャートにおいては、視認性を考慮して発電を開始する時点を揃えて表示している。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも上昇させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い値に設定された発電開始温度T2(T2>Ts)に達するのを待ってから、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。なお、図6のタイムチャートにおいては、視認性を考慮して発電を開始する時点を揃えて表示している。
より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、発電開始温度を標準発電開始温度Tsに対して例えば5〜10℃だけ低下させてT1とする。この場合における低下幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合いに応じて可変とされても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の低下度合いが大きいほど、より低い発電開始温度T1を設定する構成を採用することができる。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、発電開始温度を標準発電開始温度Tsに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT2とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とされても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い発電開始温度T2を設定する構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、発電開始温度を標準発電開始温度Tsに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT2とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とされても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い発電開始温度T2を設定する構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
1−6.停止時加湿状態調節工程
停止時加湿状態調節工程Bは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、停止時加湿状態調節工程Bは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、停止時加湿状態調節工程Bでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B1が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B2が行われ、加湿状態検証工程V3の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B3が行われる。このような停止時加湿状態調節工程Bは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
停止時加湿状態調節工程Bは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、停止時加湿状態調節工程Bは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、停止時加湿状態調節工程Bでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B1が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B2が行われ、加湿状態検証工程V3の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B3が行われる。このような停止時加湿状態調節工程Bは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
本実施形態に係る停止時加湿状態調節工程Bでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム停止時に発電出力を低下させ始める際の固体高分子形燃料電池セル3の温度が調節される。
加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における温度(本例では、標準運転温度Trとなっている)よりも低下させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも低いT3(T3<Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも低い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における温度(本例では、標準運転温度Trとなっている)よりも低下させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも低いT3(T3<Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも低い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
一方、加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における標準運転温度Trよりも上昇させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも高いT4(T4>Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも高い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における標準運転温度Trよりも上昇させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも高いT4(T4>Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも高い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を低下させ始める温度を標準運転温度Trに対して例えば5〜10℃だけ低下させてT3とする。この場合における低下幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合いに応じて可変とする構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の低下度合いが大きいほど、より低い温度T3の状態から出力電流(発電出力)を低下させ始める構成を採用することができる。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を低下させ始める温度を標準運転温度Trに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT4とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とする構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い温度T4の状態から出力電流(発電出力)を低下させ始める構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を低下させ始める温度を標準運転温度Trに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT4とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とする構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い温度T4の状態から出力電流(発電出力)を低下させ始める構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
以上のように、制御部12は、加湿状態検証制御での検証結果に基づいて、システム起動時及びシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む加湿状態調節制御を行う。従って、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、システム起動時及びシステム停止時に固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セル3の性能が継続的に良好に維持される。特に、本実施形態のように固体高分子形燃料電池セル3に対して水分を供給するための特別な加湿機能(例えば、アノード3a及びカソード3bに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)を備えておらず、固体高分子形燃料電池セル3での発電時の生成水で固体高分子形燃料電池セル3の加湿が行われるような、低加湿条件で運転される燃料電池システムSであっても、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を適切に調節できる。
2.第二の実施形態
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第二の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節するための手法が上記第一の実施形態とは相違している。以下では、本実施形態に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法について、上記第一の実施形態との相違点を中心に詳細に説明する。なお、特に明記しない点については、上記第一の実施形態と同様とする。
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第二の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節するための手法が上記第一の実施形態とは相違している。以下では、本実施形態に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法について、上記第一の実施形態との相違点を中心に詳細に説明する。なお、特に明記しない点については、上記第一の実施形態と同様とする。
2−1.起動時加湿状態調節工程
本実施形態に係る起動時加湿状態調節工程Aでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
本実施形態に係る起動時加湿状態調節工程Aでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
加湿状態検証工程Vにおいて水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における流量(本例では、標準流量Fsに設定されている)よりも減少させる。すなわち、図8に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方を、予め設定された標準流量Fsよりも低い流量F1(F1<Fs)にて供給した状態で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が標準流量Fsよりも低い状態で発電を開始することで、システム起動時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
一方、加湿状態検証工程Vにおいて水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における標準流量Fsよりも増加させる。すなわち、図8に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方を、予め設定された標準流量Fsよりも高い流量F2(F2>Fs)にて供給した状態で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が標準流量Fsよりも高い状態で発電を開始することで、システム起動時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Fsに対して例えば5〜15%だけ低下させてF1とする。或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Fsに対して例えば5〜20%だけ上昇させてF2とする。これらの場合における変化幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合い又は不安定化度合いに応じて可変とされても良い。なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
2−2.停止時加湿状態調節工程
本実施形態に係る停止時加湿状態調節工程Bでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム停止時に発電出力を低下させ始める際の燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
本実施形態に係る停止時加湿状態調節工程Bでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム停止時に発電出力を低下させ始める際の燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
加湿状態検証工程Vにおいて水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、システム停止前に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における流量(本例では、運転時標準流量Frとなっている)よりも減少させる。すなわち、図9に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量を、運転時標準流量Frよりも低いF3(F3<Fr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が運転時標準流量Frよりも低い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
一方、加湿状態検証工程Vにおいて水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、システム停止前に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における運転時標準流量Frよりも増加させる。すなわち、図9に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量を、運転時標準流量Frよりも高いF4(F4>Fr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が運転時標準流量Frよりも高い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Frに対して例えば5〜15%だけ低下させてF3とする。或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Frに対して例えば5〜20%だけ上昇させてF4とする。これらの場合における変化幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合い又は不安定化度合いに応じて可変とされても良い。なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
以上のように、本実施形態においても、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、システム起動時及びシステム停止時に固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を適切に調節して、固体高分子形燃料電池セル3の性能を継続的に良好に維持することができる。
〔その他の実施形態〕
(1)上記の各実施形態においては、燃料電池システムSにおいて、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bの双方が実行される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて少なくとも停止時加湿状態調節工程Bが実行されれば良く、起動時加湿状態調節工程Aが実行されることは必須ではない。
(1)上記の各実施形態においては、燃料電池システムSにおいて、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bの双方が実行される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて少なくとも停止時加湿状態調節工程Bが実行されれば良く、起動時加湿状態調節工程Aが実行されることは必須ではない。
(2)上記の各実施形態においては、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、それ以前に行われた複数の加湿状態検証工程Vの検証結果の総合に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される構成としても良い。例えば図2に示した例において、加湿状態検証工程V1及びV2の検証結果の総合に基づいて起動時加湿状態調節工程A3が行われる構成や、加湿状態検証工程V1〜V3の検証結果の総合に基づいて停止時加湿状態調節工程B3が行われる構成等を採用することができる。
(3)上記第一の実施形態においては、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bにおいて、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3の温度に関する運転パラメタを調節し、上記第二の実施形態においては、固体高分子形燃料電池セル3に供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの流量に関する運転パラメタを調節する場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づいて、例えば冷却手段Cに備えられる冷却水循環路13を循環する湯水(冷却水)の流量に関する運転パラメタを調節するように構成しても良い。
例えばシステム起動時には、冷却水の流量を増加させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度の上昇はより緩慢となる。よって、起動時加湿状態調節工程Aにおいて冷却水の流量を増加させてから発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。一方、冷却水の流量を減少させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度はより急速に上昇する。よって、冷却水の流量を減少させてから発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
また例えばシステム停止時には、冷却水の流量を増加させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度はより急速に低下する。よって、停止時加湿状態調節工程Bにおいて冷却水の流量を増加させてから発電出力を低下させ始めて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。一方、冷却水の流量を減少させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度の低下はより緩慢となる。よって、冷却水の流量を減少させてから発電出力を低下させ始めて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
本発明は、低加湿条件において運転されるような燃料電池システムに好適に利用することができる。
S 燃料電池システム
3 固体高分子形燃料電池セル
3a アノード
3b カソード
3c 電解質
V 加湿状態検証工程
A 起動時加湿状態調節工程
B 停止時加湿状態調節工程
3 固体高分子形燃料電池セル
3a アノード
3b カソード
3c 電解質
V 加湿状態検証工程
A 起動時加湿状態調節工程
B 停止時加湿状態調節工程
Claims (5)
- 燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの停止方法であって、
システム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、
前記加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム停止時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む停止時加湿状態調節工程と、を有する燃料電池システムの停止方法。 - 前記加湿状態検証工程は、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、前記固体高分子形燃料電池セルが水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程である請求項1に記載の燃料電池システムの停止方法。
- 前記加湿状態検証工程では、
前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧値が前記適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、前記水不足状態と判定され、
前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の安定性が前記適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、前記水過多状態と判定され、
前記水不足状態及び前記水過多状態のいずれでもない場合に、前記適正状態と判定される請求項2に記載の燃料電池システムの停止方法。 - 前記停止時加湿状態調節工程は、
前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水不足状態であるという検証結果が得られれば、
前記固体高分子形燃料電池セルの温度を、前記適正状態である場合における温度よりも下げてから発電出力を低下させて発電を停止すること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させてから発電出力を低下させて発電を停止すること、を行う工程である請求項2又は3に記載の燃料電池システムの停止方法。 - 前記停止時加湿状態調節工程は、
前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水過多状態であるという検証結果が得られれば、
前記固体高分子形燃料電池セルの温度を、前記適正状態である場合における温度よりも上げてから発電出力を低下させて発電を停止すること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも増加させてから発電出力を低下させて発電を停止すること、を行う工程である請求項2から4のいずれか一項に記載の燃料電池システムの停止方法。
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---|---|---|---|
JP2010082980A JP2011216306A (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 燃料電池システムの停止方法 |
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JP2011216306A true JP2011216306A (ja) | 2011-10-27 |
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JP2010082980A Pending JP2011216306A (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 燃料電池システムの停止方法 |
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2010
- 2010-03-31 JP JP2010082980A patent/JP2011216306A/ja active Pending
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