JP2013254619A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを比較的早期に両立させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、燃料供給手段による燃料ガスの供給開始時に燃料電池を所定の負荷に接続する負荷接続手段と、負荷接続手段による負荷接続後にカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、を備える燃料電池システムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池が実用化されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギを電気エネルギに直接変換する発電システムである。燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アセンブリを有する。一対の電極の各々は、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層と、を有する。

このような膜−電極アセンブリを有する単体の燃料電池（セル）は、複数枚積層された状態で使用に供されるのが一般的であるが、セル電圧が酸化電圧（約０．７Ｖ〜１．０Ｖ）になる運転領域で電池運転を継続すると、触媒層の白金触媒表面への酸化皮膜形成により白金触媒の有効面積が減少し、触媒層の性能ひいては発電性能が低下することがある。かかる事情に鑑み、現在においては、燃料電池の発電開始時にアノード極に燃料ガスを供給し、所定時間後にカソード極に酸化剤ガスを供給するとともに燃料電池に負荷を接続する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、触媒における白金皮膜の除去が可能である、とされている。

特開平０９−１２０８３０号公報

ところが、前記した特許文献１に記載された技術においては、燃料ガス（水素）の供給時に負荷を接続していないことからカソード極側に移動する水素の量が少なく、このため、カソード極の触媒におけるアニオン吸着を除去できるほどの水分を速やかに生成することができない。ここで、カソード極側で水分が生成されるのを待つことも考えられる。しかし、アニオン吸着を除去できるほどの水分を生成しようとすると、相当の時間を要する上に相当量のガスを供給する必要があるため、燃料消費量が増大してしまうとともに良好な運転性能が迅速に確保できないという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを比較的早期に両立させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、燃料供給手段による燃料ガスの供給開始時に燃料電池を所定の負荷に接続する負荷接続手段と、負荷接続手段による負荷接続後にカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、を備えるものである。

本発明に係る制御方法は、アノード極及びカソード極を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給工程と、燃料供給工程による燃料ガスの供給開始時に燃料電池を所定の負荷に接続する負荷接続工程と、負荷接続工程による負荷接続後にカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池のカソード極への酸化剤ガスの供給を開始する前に、アノード極への燃料ガスの供給を開始しかつ燃料電池を負荷に接続するため、酸化剤ガスの供給開始前にカソード極への水素の移動量を増大させるとともにカソード極の電位を低下させることができる。そして、カソード極への水素の移動量を増大させた状態でカソード極への酸化剤ガスの供給を開始することにより、カソード極において水分を比較的多く生成することができる。この結果、比較的早期に、カソード極の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。よって、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両等の各種移動体に搭載した場合には、燃料消費量を低減（燃料消費率を向上）させつつ良好な運転性能を確保することができる。

本発明に係る燃料電池システム（制御方法）において、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始する燃料供給手段（工程）を採用するとともに、所定の負荷要求がなされた時点から酸化剤ガスの供給を開始する酸化剤供給手段（工程）を採用することができる。

かかる構成（方法）を採用すると、所定のシステム始動要求がなされてから所定の負荷要求（例えばアクセル操作）がなされるまでの間に、アノード極への燃料ガスの供給（及び負荷接続）を行うことができる。すなわち、システム始動から負荷運転開始までの時間を有効利用して、カソード極への水素の移動量を増大させることができる。従って、負荷運転開始直後に、白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システム（制御方法）において、所定の負荷要求がなされた時点から所定時間だけ蓄電装置から負荷に電力を供給させる電力制御手段（工程）をさらに備えることができる。かかる場合において、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始する燃料供給手段（工程）を採用するとともに、負荷要求がなされた時点から所定時間が経過した後に酸化剤ガスの供給を開始する酸化剤供給手段（工程）を採用することができる。

かかる構成（方法）を採用すると、負荷要求がなされた時点から所定時間だけ蓄電装置から負荷に電力を供給させることができる。従って、所定のシステム始動要求がなされてから所定の負荷要求がなされるまでの時間と、所定の負荷要求がなされてから所定時間が経過するまでの時間（蓄電装置から負荷に電力が供給される時間）と、を利用して、アノード極への燃料ガスの供給（及び負荷接続）を行うことができる。この結果、カソード極への水素の移動量を増大させるための時間を充分に確保することができるので、カソード極においてより多くの水分を生成することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システム（制御方法）において、燃料電池の前回運転時における最大温度に基づいて、燃料供給手段（工程）による燃料ガスの供給継続時間を設定する燃料供給時間設定手段（工程）をさらに備えることができる。かかる場合において、燃料供給手段（工程）による燃料ガスの供給開始時点から、燃料供給時間設定手段（工程）で設定された供給継続時間が経過した後に、酸化剤ガスの供給を開始する酸化剤供給手段（工程）を採用することができる。

かかる構成（方法）を採用すると、燃料電池の前回運転時における最大温度に基づいて燃料ガスの供給継続時間を設定し、この供給継続時間が経過した後に、カソード極への酸化剤ガスの供給を開始することができる。例えば、高温運転ほどアニオン吸着が発生し易いことを考慮し、燃料電池の前回運転時における最大温度が比較的高い場合には燃料ガスの供給継続時間を比較的長く設定することができる。従って、前回運転時に発生したアニオン吸着を効果的に除去することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを比較的早期に両立させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。 図１に示す燃料電池システムの始動時におけるリフレッシュ処理の手順を示すフローチャートである。 （Ａ）は従来の燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートであり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートである。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの始動時におけるリフレッシュ処理の手順を示すフローチャートである。 （Ａ）は従来の燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートであり、（Ｂ）は本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートである。 本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムの始動時におけるリフレッシュ処理の手順を示すフローチャートである。 （Ａ）は従来の燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートであり、（Ｂ）は本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムの始動時における出力電圧の時間履歴を表すタイムチャートである。

以下、各図を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
まず、図１〜図４を用いて、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０について説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０と、を備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）

図２は、燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。セル２１は、高分子電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７と、から構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、高分子電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。

ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。

リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化剤ガス流路が形成される。

アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂと、を有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。

より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。

高分子電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜２２、アノード極２３及びカソード極２４によって膜−電極アセンブリ２５が形成される。

図１に戻り、燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１と、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２と、が取り付けられている。

酸化剤供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス通路３４と、を有している。酸化剤ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガスの供給を遮断するための遮断弁Ａ１と、が設けられている。

酸化剤オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化剤オフガスの排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガスの供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化剤ガス（ドライガス）と酸化剤オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５と、が設けられている。

燃料供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極２３に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６と、を有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガスの排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６と、が接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出（パージ）する。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化剤オフガス通路３４を流れる酸化剤オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。

バッテリ５２は、本発明における蓄電装置に相当するものであり、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、その残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

なお、本実施形態においては、燃料電池スタック２０及びバッテリ５２の少なくとも一方の電力を受けて作動する機器（トラクションモータ５４や補機類５５）を「負荷」と総称することとする。本実施形態における電力系５０は、コントローラ６０からの制御信号を受けて、燃料電池スタック２０やバッテリ５２を負荷に接続するように機能する。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ（システム始動要求）を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）や、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化剤供給系３０及び燃料供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。

燃料電池スタック２０では、上述の（１）式に示すように、アノード極２３で生成された水素イオンが電解質膜２２を透過してカソード極２４に移動し、カソード極２４に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード極２４に供給されている酸化剤ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせる。その結果、触媒層２４ａの白金触媒表面を酸化皮膜が覆って有効面積が減少し、発電効率（出力特性）が低下する。

そこで、コントローラ６０は、燃料電池システム１０の始動時において、カソード極２４の触媒表面から白金皮膜及びアニオン吸着を除去する「リフレッシュ処理」を実施する。具体的には、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信した（システム始動要求がなされた）場合に、燃料供給系４０を制御してアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に、電力系５０を制御して燃料電池スタック２０を負荷に接続する。その後、コントローラ６０は、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣを受信した（負荷要求がなされた）場合に、酸化剤供給系３０を制御してカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する。これにより、比較的早期に、カソード極２４の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。すなわち、コントローラ６０は、本発明における燃料供給手段、負荷接続手段及び酸化剤供給手段として機能するものである。

次に、図３のフローチャート及び図４のタイムチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システム１０の始動時におけるリフレッシュ処理の手順について説明する。

まず、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ（システム始動要求）を受信したか否かを判定する（始動要求判定工程：Ｓ１）。そして、コントローラ６０は、始動要求判定工程Ｓ１において起動信号ＩＧを受信したものと判定した場合に、その受信した時点（システム始動要求がなされた時点）から、燃料供給系４０を制御することによりアノード極２３への燃料ガスの供給を開始する（燃料供給工程：Ｓ２）。また、コントローラ６０は、燃料ガスの供給開始と同時に、電力系５０を制御することにより燃料電池スタック２０を負荷に接続する（負荷接続工程：Ｓ３）。なお、起動信号ＩＧを受信した時点においては、燃料電池スタック２０での発電は行われていない。

負荷接続工程Ｓ３を経た後、コントローラ６０は、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）を受信したか否かを判定する（負荷要求判定工程：Ｓ４）。そして、コントローラ６０は、負荷要求判定工程Ｓ４においてアクセル開度信号ＡＣＣを受信したものと判定した場合に、その受信した時点（負荷要求がなされた時点）から、酸化剤供給系３０を制御することによりカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する（酸化剤供給工程：Ｓ５）。

燃料供給工程Ｓ２、負荷接続工程Ｓ３及び酸化剤供給工程Ｓ５を順次経ることにより、比較的早期に、カソード極２４の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。なお、燃料供給工程Ｓ２、負荷接続工程Ｓ３及び酸化剤供給工程Ｓ５を順次経ることにより、燃料電池スタック２０での発電が開始されるため、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０から電力を負荷に供給させて負荷運転を実現させる（燃料電池運転工程：Ｓ６）。

従来の燃料電池システムにおいては、図４（Ａ）に示すように、起動信号（システム始動要求）が出力されると、アノード極及びカソード極の双方に反応ガスを供給してアイドル運転を実施していた。アイドル運転とは、燃料電池スタックにおける発電を一時的に休止してバッテリから負荷への電力供給を行い、燃料電池スタックには開放端電圧を維持し得る程度の反応ガスを間欠的に供給する運転モードである。従来は、このアイドル運転の実施中にアクセル開度信号が出力されると、燃料電池スタックを負荷に接続するとともに燃料電池スタックでの発電を開始し、燃料電池スタックからの電力を負荷に供給して負荷運転を実施していた。

これに対し、本実施形態に係る燃料電池システム１０におけるコントローラ６０は、図４（Ｂ）に示すように、起動信号ＩＧ（システム始動要求）が出力されると、まずアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に燃料電池スタック２０に負荷を接続する。その後、コントローラ６０は、アクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）が出力された段階でカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始して燃料電池スタック２０での発電を開始させ、燃料電池スタック２０からの電力を負荷に供給させて負荷運転を実施している。

図４（Ｂ）から明らかなように、本実施形態においては、燃料ガスの供給開始時点（負荷接続時点）から酸化剤ガスの供給開始時点までカソード極２４の電位は低く維持されることとなり、これにより、白金皮膜の除去が達成される。また、カソード極２４に酸化剤ガスを供給する前にアノード極２３に燃料ガスを供給しかつ負荷を接続しているため、酸化剤ガスの供給前にカソード極２４への水素の移動量が増大するので、この状態で酸化剤ガスを供給することによりカソード極２４において比較的多くの水分を生成することができる。これにより、アニオン吸着の除去が達成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池スタック２０のカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する前に、アノード極２３への燃料ガスの供給を開始しかつ燃料電池スタック２０を負荷に接続するため、酸化剤ガスの供給開始前にカソード極２４への水素の移動量を増大させるとともにカソード極２４の電位を低下させることができる。そして、カソード極２４への水素の移動量を増大させた状態でカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始することにより、カソード極２４において水分を比較的多く生成することができる。この結果、比較的早期に、カソード極２４の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。よって、本実施形態に係る燃料電池システム１０が搭載された燃料電池車両において、燃料消費量を低減（燃料消費率を向上）させつつ良好な運転性能を確保することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、起動信号ＩＧ（システム始動要求）が出力されてからアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）が出力されるまでの間に、アノード極２３への燃料ガスの供給及び負荷接続を行うことができる。すなわち、システム始動から負荷運転開始までの時間を有効利用して、カソード極２４への水素の移動量を増大させることができる。従って、負荷運転開始直後に、白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。

＜第二実施形態＞
次に、図５及び図６を用いて、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、第一実施形態に係る燃料電池システム１０のコントローラ６０の制御内容を変更したものであり、その他の構成については第一実施形態と実質的に同一である。従って、第一実施形態と共通する構成については、同一の符合を付して詳細な説明を省略することとする。

本実施形態に係る燃料電池システムのコントローラは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）を受信した場合に、電力系５０を制御することにより、そのアクセル開度信号ＡＣＣを受信した時点（負荷要求がなされた時点）から所定時間だけバッテリ５２から負荷に電力を供給させて、バッテリ電力のみによる負荷運転を実施させる。すなわち、本実施形態におけるコントローラは、本発明における電力制御手段として機能するものである。

また、本実施形態におけるコントローラは、第一実施形態と同様に、始動時におけるリフレッシュ処理を実施する。具体的には、本実施形態におけるコントローラは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信した時点（システム始動要求がなされた時点）からアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に、燃料電池スタック２０を負荷に接続する。そして、コントローラ６０は、負荷接続後においてアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣを受信した時点（負荷要求がなされた時点）から所定時間が経過した後に、カソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する。

次に、図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システムの始動時におけるリフレッシュ処理の手順について説明する。

まず、コントローラは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ（システム始動要求）を受信したか否かを判定する（始動要求判定工程：Ｓ１１）。そして、コントローラは、始動要求判定工程Ｓ１１において起動信号ＩＧを受信したものと判定した場合に、その受信した時点（システム始動要求がなされた時点）から、燃料供給系４０を制御することによりアノード極２３への燃料ガスの供給を開始する（燃料供給工程：Ｓ１２）。また、コントローラは、燃料ガスの供給開始と同時に、電力系５０を制御することにより燃料電池スタック２０を負荷に接続する（負荷接続工程：Ｓ１３）。なお、起動信号ＩＧを受信した時点においては、燃料電池スタック２０での発電は行われていない。

負荷接続工程Ｓ１３を経た後、コントローラは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）を受信したか否かを判定する（負荷要求判定工程：Ｓ１４）。そして、コントローラは、負荷要求判定工程Ｓ１４においてアクセル開度信号ＡＣＣを受信したものと判定した場合に、その受信した時点（負荷要求がなされた時点）から、電力系５０を制御することによりバッテリ５２から負荷に電力を供給させて、バッテリ電力のみによる負荷運転を実施させる（バッテリ運転工程：Ｓ１５）。

その後、コントローラは、アクセル開度信号ＡＣＣを受信した時点（バッテリ運転を開始した時点）から所定時間が経過したか否かを判定する（経時判定工程：Ｓ１６）。そして、コントローラは、経時判定工程Ｓ１６において所定時間が経過したものと判定した場合に、酸化剤供給系３０を制御することによりカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する（酸化剤供給工程：Ｓ１７）。燃料供給工程Ｓ１２、負荷接続工程Ｓ１３及び酸化剤供給工程Ｓ１７を順次経ることにより、燃料電池スタック２０での発電が開始されるため、コントローラは、燃料電池スタック２０から電力を負荷に供給させて負荷運転を実現させる（燃料電池運転工程：Ｓ１８）。

従来の燃料電池システムにおいては、図６（Ａ）に示すように、起動信号が出力されると、アノード極及びカソード極の双方に反応ガスを供給してアイドル運転を実施し、その後アクセル開度信号が出力されると、燃料電池スタックを負荷に接続するとともに燃料電池スタックでの発電を開始し、燃料電池スタックからの電力を負荷に供給して負荷運転を実施していた。

これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムにおけるコントローラは、図６（Ｂ）に示すように、起動信号ＩＧ（システム始動要求）が出力されると、まずアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に燃料電池スタック２０に負荷を接続する。その後、コントローラは、アクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）が出力された段階で所定時間だけバッテリ運転を実施し、所定時間経過後にカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始して燃料電池スタック２０での発電を開始させ、燃料電池スタック２０からの電力を負荷に供給させて負荷運転を実施している。

図６（Ｂ）から明らかなように、本実施形態においても、燃料ガスの供給開始時点（負荷接続時点）から酸化剤ガスの供給開始時点までカソード極２４の電位は低く維持されることとなり、これにより、白金皮膜の除去が達成される。また、カソード極２４に酸化剤ガスを供給する前にアノード極２３に燃料ガスを供給しかつ負荷を接続しているため、酸化剤ガスの供給前にカソード極２４への水素の移動量が増大するので、この状態で酸化剤ガスを供給することによりカソード極２４において比較的多くの水分を生成することができる。これにより、アニオン吸着の除去が達成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック２０のカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する前に、アノード極２３への燃料ガスの供給を開始しかつ燃料電池スタック２０を負荷に接続するため、酸化剤ガスの供給開始前にカソード極２４への水素の移動量を増大させるとともにカソード極２４の電位を低下させることができる。そして、カソード極２４への水素の移動量を増大させた状態でカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始することにより、カソード極２４において水分を比較的多く生成することができる。この結果、比較的早期に、カソード極２４の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。よって、本実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両において、燃料消費量を低減（燃料消費率を向上）させつつ良好な運転性能を確保することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、アクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）が出力されてから所定時間だけバッテリ５２から負荷に電力を供給することができる。従って、起動信号ＩＧ（システム始動要求）が出力されてからアクセル開度信号ＡＣＣが出力されるまでの時間と、アクセル開度信号ＡＣＣが出力されてから所定時間が経過するまでの時間（バッテリ５２から負荷に電力が供給される時間）と、を利用して、アノード極２３への燃料ガスの供給及び負荷接続を行うことができる。この結果、カソード極２４への水素の移動量を増大させるための時間を充分に確保することができるので、カソード極２４においてより多くの水分を生成することが可能となる。

＜第三実施形態＞
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、第一実施形態に係る燃料電池システム１０のコントローラ６０の制御内容を変更したものであり、その他の構成については第一実施形態と実質的に同一である。従って、第一実施形態と共通する構成については、同一の符合を付して詳細な説明を省略することとする。

本実施形態に係る燃料電池システムのコントローラは、燃料電池スタック２０の前回運転時における最大温度に基づいて、今回始動時のリフレッシュ処理における燃料ガスの供給継続時間（始動要求に基づいてアノード極２３への燃料ガスの供給を開始した時点から燃料ガスの供給を継続する時間）を設定する。すなわち、本実施形態におけるコントローラは、本発明における燃料供給時間設定手段として機能するものである。コントローラは、例えば、燃料電池スタック２０の前回運転時における最大温度と、燃料ガスの供給継続時間と、の相関関係を表すマップをメモリに記憶させておき、このマップを用いて、前回運転時における最大温度に対応する燃料ガスの供給継続時間を出力することができる。

また、本実施形態におけるコントローラは、第一実施形態と同様に、始動時におけるリフレッシュ処理を実施する。具体的には、本実施形態におけるコントローラは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信した時点（システム始動要求がなされた時点）からアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に、燃料電池スタック２０を負荷に接続する。そして、コントローラは、燃料ガスの供給開始時点から、設定した供給継続時間が経過した後に、カソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する。

次に、図７のフローチャート及び図８のタイムチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システムの始動時におけるリフレッシュ処理の手順について説明する。

まず、コントローラは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ（システム始動要求）を受信したか否かを判定する（始動要求判定工程：Ｓ２１）。そして、コントローラは、始動要求判定工程Ｓ２１において起動信号ＩＧを受信したものと判定した場合に、燃料電池スタック２０の前回運転時における最大温度に基づいて、今回始動時のリフレッシュ処理における燃料ガスの供給継続時間を設定する（燃料供給時間設定工程：Ｓ２２）。次いで、コントローラは、起動信号ＩＧを受信した時点（システム始動要求がなされた時点）から、燃料供給系４０を制御することによりアノード極２３への燃料ガスの供給を開始する（燃料供給工程：Ｓ２３）と同時に、電力系５０を制御することにより燃料電池スタック２０を負荷に接続する（負荷接続工程：Ｓ２４）。なお、起動信号ＩＧを受信した時点においては、燃料電池スタック２０での発電は行われていない。

負荷接続工程Ｓ２４を経た後、コントローラは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣ（負荷要求）を受信したか否かを判定する（負荷要求判定工程：Ｓ２５）。そして、コントローラは、負荷要求判定工程Ｓ２５においてアクセル開度信号ＡＣＣを受信したものと判定した場合に、燃料ガスの供給開始時点から、燃料供給時間設定工程Ｓ２２で設定した供給継続時間が経過した否かを判定する（経時判定工程：Ｓ２６）。

次いで、コントローラは、経時判定工程Ｓ２６において供給継続時間が経過したものと判定した場合に、酸化剤供給系３０を制御することによりカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する（酸化剤供給工程：Ｓ２７）。燃料供給工程Ｓ２３、負荷接続工程Ｓ２４及び酸化剤供給工程Ｓ２７を順次経ることにより、燃料電池スタック２０での発電が開始されるため、コントローラは、燃料電池スタック２０から電力を負荷に供給させて負荷運転を実現させる（燃料電池運転工程：Ｓ２８）。

一方、コントローラは、経時判定工程Ｓ２６において供給継続時間が経過していないものと判定した場合に、電力系５０を制御することによりバッテリ５２から負荷に電力を供給させて、バッテリ電力による負荷運転を実施させる（バッテリ運転工程：Ｓ２９）。その後、コントローラは、経時判定工程Ｓ２６に戻って供給継続時間が経過した否かを判定し、供給継続時間が経過したものと判定した場合に、既に述べた酸化剤供給工程Ｓ２７及び燃料電池運転工程Ｓ２８を実施する。

従来の燃料電池システムにおいては、図８（Ａ）に示すように、起動信号が出力されると、アノード極及びカソード極の双方に反応ガスを供給してアイドル運転を実施し、その後アクセル開度信号が出力されると、燃料電池スタックを負荷に接続するとともに燃料電池スタックでの発電を開始し、燃料電池スタックからの電力を負荷に供給して負荷運転を実施していた。

これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムにおけるコントローラは、図８（Ｂ）に示すように、起動信号ＩＧ（システム始動要求）が出力されると、まずアノード極２３への燃料ガスの供給を開始すると同時に燃料電池スタック２０に負荷を接続する。その後、コントローラは、燃料ガスの供給開始時点から、設定した供給継続時間が経過した後に、カソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始して燃料電池スタック２０での発電を開始させ、燃料電池スタック２０からの電力を負荷に供給させて負荷運転を実施している。

図８（Ｂ）から明らかなように、本実施形態においても、燃料ガスの供給開始時点（負荷接続時点）から酸化剤ガスの供給開始時点までカソード極２４の電位は低く維持されることとなり、これにより、白金皮膜の除去が達成される。また、カソード極２４に酸化剤ガスを供給する前にアノード極２３に燃料ガスを供給しかつ負荷を接続しているため、酸化剤ガスの供給前にカソード極２４への水素の移動量が増大するので、この状態で酸化剤ガスを供給することによりカソード極２４において比較的多くの水分を生成することができる。これにより、アニオン吸着の除去が達成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック２０のカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始する前に、アノード極２３への燃料ガスの供給を開始しかつ燃料電池スタック２０を負荷に接続するため、酸化剤ガスの供給開始前にカソード極２４への水素の移動量を増大させるとともにカソード極２４の電位を低下させることができる。そして、カソード極２４への水素の移動量を増大させた状態でカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始することにより、カソード極２４において水分を比較的多く生成することができる。この結果、比較的早期に、カソード極２４の触媒における白金皮膜の除去とアニオン吸着の除去とを両立させることができる。よって、本実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両において、燃料消費量を低減（燃料消費率を向上）させつつ良好な運転性能を確保することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック２０の前回運転時における最大温度に基づいて燃料ガスの供給継続時間を設定し、この供給継続時間が経過した後に、カソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始することができる。例えば、高温運転ほどアニオン吸着が発生し易いことを考慮し、燃料電池スタック２０の前回運転時における最大温度が比較的高い場合には燃料ガスの供給継続時間を比較的長く設定することができる。従って、前回運転時に発生したアニオン吸着を効果的に除去することが可能となる。

なお、第三実施形態においては、経時判定工程Ｓ２６よりも前に負荷要求判定工程Ｓ２５を実施した例を示したが、負荷要求判定工程Ｓ２５よりも前に経時判定工程Ｓ２６を実施してもよい。すなわち、アクセル開度信号ＡＣＣを受信したか否かの判定を行う前に、設定した供給継続時間が経過したか否かの判定を行い、供給継続時間が経過した場合にカソード極２４への酸化剤ガスの供給を開始することもできる。このような場合には、供給継続時間が経過するまではバッテリ５２から負荷に電力を供給し、供給継続時間が経過した段階で燃料電池スタック２０での発電を開始させて燃料電池スタック２０から負荷に電力を供給することができる。

また、以上の各実施形態においては、燃料ガスの供給開始と同時に燃料電池スタック２０に負荷を接続した例を示したが、燃料ガスの供給開始後に燃料電池スタック２０に負荷を接続することもできる。また、燃料ガスの供給開始前に燃料電池スタック２０に負荷を接続しておいてもよい。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池ユニットを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池ユニットを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、２３…アノード極、２４…カソード極、２４ａ…触媒層、５２…バッテリ（蓄電装置）、６０…コントローラ（燃料供給手段、負荷接続手段、酸化剤供給手段、電力制御手段、燃料供給時間設定手段）。

Claims (8)

1. アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、
   前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段による燃料ガスの供給開始時に前記燃料電池を所定の負荷に接続する負荷接続手段と、
   前記負荷接続手段による負荷接続後に前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
   を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料供給手段は、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始するものであり、
   前記酸化剤供給手段は、所定の負荷要求がなされた時点から酸化剤ガスの供給を開始するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 所定の負荷要求がなされた時点から所定時間だけ蓄電装置から前記負荷に電力を供給させる電力制御手段をさらに備え、
   前記燃料供給手段は、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始するものであり、
   前記酸化剤供給手段は、前記負荷要求がなされた時点から前記所定時間が経過した後に酸化剤ガスの供給を開始するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の前回運転時における最大温度に基づいて、前記燃料供給手段による燃料ガスの供給継続時間を設定する燃料供給時間設定手段をさらに備え、
   前記酸化剤供給手段は、前記燃料供給手段による燃料ガスの供給開始時点から、前記燃料供給時間設定手段で設定された供給継続時間が経過した後に、酸化剤ガスの供給を開始するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. アノード極及びカソード極を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給工程と、
   前記燃料供給工程による燃料ガスの供給開始時に前記燃料電池を所定の負荷に接続する負荷接続工程と、
   前記負荷接続工程による負荷接続後に前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給工程と、
   を備える、
   燃料電池システムの制御方法。
6. 前記燃料供給工程では、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始し、
   前記酸化剤供給工程では、所定の負荷要求がなされた時点から酸化剤ガスの供給を開始する、
   請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 所定の負荷要求がなされた時点から所定時間だけ蓄電装置から前記負荷に電力を供給させる電力制御工程をさらに備え、
   前記燃料供給工程では、所定のシステム始動要求がなされた時点から燃料ガスの供給を開始し、
   前記酸化剤供給工程では、前記負荷要求がなされた時点から前記所定時間が経過した後に酸化剤ガスの供給を開始する、
   請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料電池の前回運転時における最大温度に基づいて、前記燃料供給工程おける燃料ガスの供給継続時間を設定する燃料供給時間設定工程をさらに備え、
   前記酸化剤供給工程では、前記燃料供給工程による燃料ガスの供給開始時点から、前記燃料供給時間設定工程で設定された供給継続時間が経過した後に、酸化剤ガスの供給を開始する、
   請求項５から７の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。

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