JP2016129155A

JP2016129155A - 燃料電池システムの起動方法および燃料電池システム

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Publication number: JP2016129155A
Application number: JP2016073522A
Authority: JP
Inventors: 年坊万; Nianfeng Wan; 健太奥; Kenta Oku; 祐樹森松; Yuki Morimatsu; 振郭; Shin Kaku
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2016-07-14

Abstract

【課題】システム起動時において短時間で稼働温度に達することができる燃料電池システムの起動方法を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１３１を含む電池スタック１３と、前記電池スタックのアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段１１３と、前記電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段１１７と、前記電池スタックの温度を検出する温度検出手段１２６と、前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段に電力を供給するバッテリ１４と、を備える燃料電池システム１に対し、前記燃料電池システムの起動時に前記電池スタックの温度が所定温度未満である場合には、少なくとも前記電池スタックの温度が前記所定温度に達するまで、前記電池スタックの実発電電圧を定格発電電圧より低い電圧に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムに関するものである。

固体高分子形燃料電池（PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、イオン交換膜を挟んで、カソードに空気などの酸化剤を供給し、アノードに水素ガスなどの還元燃料を供給することにより発電するが、発電停止後に燃料電池内に水素が残留すると凍結が発生するため、発電停止時には、アノード又はカソードの一方又は両方のに窒素ガスを流して水をパージするものが知られている（特許文献１）。

特開２０１１−１５１０４３号公報

ところで、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）などにおいては、燃料電池温度が低いと出力電力も低いことから、燃料電池温度（システム稼働温度）は６０〜８５℃であることが好ましいとされる。しかしながら、燃料電池温度が低いシステム起動時にこの稼働温度まで達していないと、燃料電池の反応廃熱による暖機運転が必要となり、稼働温度に達するまでの時間が長いほど大容量の補助バッテリを要するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システム起動時において短時間で稼働温度に達することができる燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムを提供することである。

本発明は、膜電極接合体を含む電池スタックと、前記電池スタックのアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段に電力を供給するバッテリと、を備える燃料電池システムに対し、
前記燃料電池システムの起動時に前記電池スタックの温度が所定温度未満である場合には、少なくとも前記電池スタックの温度が前記所定温度に達するまで、前記電池スタックの実発電電圧を定格発電電圧より低い電圧に制御することによって、上記課題を解決する。

燃料電池におけるエネルギ変換効率ηは電圧効率η_vと電流効率η_ｊとの積によって表されるが、電圧効率η_vは理論発電電圧Ｖｔに対する実発電電圧Ｖｗの比であるから、実発電電圧が理論発電電圧に近いほどエネルギ変換効率は１００％に近づく。このことは、実発電電圧が低いほど、エネルギ変換効率が低くなり、発電反応による発熱量が増加することを意味する。本発明によれば、燃料電池システムの起動時において電池スタックが低温である場合には、所定温度に昇温するまで電池スタックの実発電電圧を定格発電電圧より低い電圧に維持するので、発電反応の発熱を効率的に電池スタックの昇温に利用することができ、その結果、電池スタックは短時間で稼働温度に達することになる。これにより、起動時に用いられる補助バッテリを最小容量のものとすることができる。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図１の制御装置における処理手順を示すフローチャートである。ダイレクトメタノール形燃料電池の２８℃における電流密度に対する発電電圧及び電力密度の関係を示すグラフである。本発明の実施例１とその比較例１における起動時間と発電電力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１は、メタノールを液体燃料として発電するダイレクトメタノール燃料電池システムであり、図１に示すように、液体燃料を供給する供給装置１１と、制御装置１２と、燃料電池１３、バッテリ１４とを備え、電力負荷２に対して電力を供給するものである。以下、図１を参照して、それぞれの構成について説明する。

燃料電池１３は、膜電極接合体（MEA：Membrane-electrode assembly）１３１と、膜電極接合体１３１を挟む板状のアノードセパレータ１３５およびカソードセパレータ１３６を備える。膜電極接合体１３１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜１３２と、略矩形のアノード触媒層１３３と、カソード触媒層１３４を含み、さらに図示は省略するが、略矩形のアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を含む。アノード触媒層１３３とアノードガス拡散層がアノード（燃料極）を構成し、カソード触媒層１３４とカソードガス拡散層がカソード（空気極）を構成する。

高分子電解質膜１３２としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。

アノード触媒層１３３およびカソード触媒層１３４は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。

アノード触媒層１３３およびカソード触媒層１３４における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。

アノード触媒層１３３およびカソード触媒層１３４における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。

アノード触媒層１３３およびカソード触媒層１３４の外側に配置されるアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層（いずれも図示を省略する）としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施されていてもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。

一対のアノードセパレータ１３５およびカソードセパレータ１３６は、膜電極接合体１３１の外側に配置されて、膜電極接合体１３１を機械的に固定するための部材である。アノードセパレータ１３５のうちの膜電極接合体１３１と接触する面には、アノードに液体燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのアノード流路（不図示）が形成され、同様に、カソードセパレータ１３６のうちの膜電極接合体１３１と接触する面には、カソードに酸化剤となる酸素（空気）を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路（不図示）が形成されている。

こうしたアノード流路およびカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ１３５およびカソードセパレータ１３６の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路およびカソード流路は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。

以上のように構成された燃料電池１３において、上述したアノードセパレータ１３５のアノード供給部１３５Ａに第１流路１１２を介してメタノールを供給し、カソードセパレータ１３６のカソード供給部１３６Ａに第３流路１１６を介して空気を供給すると、アノードにおいては、
［数１］
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
という化学反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
という化学反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。

なお、アノードで生成した二酸化炭素ガスと、反応に寄与しなかった未反応メタノールは、アノード排出部１３５Ｂから第２流路１１４を介して第１タンク１１１に戻される。同様に、カソードで生成した水と、膜電極接合体１３１を透過（クロスオーバ）した未反応メタノールは、カソード排出部１３６Ｂから第４流路１１８及び凝縮器１１９を介して第３タンク１２０へ戻される。

なお、図示する燃料電池１３は、一つの膜電極接合体１３１により構成した例を示すが、電力負荷２に要求される電力やバッテリ１４の定格電力に応じて、複数の膜電極接合体１３１を直列及び／又は並列に積層して電池スタックとしてもよい。以下、一つ又は複数の膜電極接合体１３１を含む燃料電池を電池スタック１３と総称する。

燃料供給手段である燃料供給装置１１は、第１タンク１１１と、第２タンク１２３と、第３タンク１２０とを備え、第１タンク１１１には、燃料電池１３に供給されるメタノール水溶液が貯蔵され、第２タンク１２３には、第１タンクに貯蔵されたメタノール水溶液の濃度よりも濃度が高いメタノール水溶液又はメタノール原液が貯蔵され、第３タンク１２０には、上述したように燃料電池１３のカソードから戻されて液化された水（一部にメタノールを含む）が貯蔵されている。

第１タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液は、配管などの第１流路１１２を介して当該第１流路１１２に設けられた第１ポンプ１１３により燃料電池１３のアノード供給部１３５Ａに供給される。第１ポンプ１１３はバッテリ１４又は燃料電池１３から供給される電力によって作動し、その作動及び停止は、制御装置１２からの制御信号によって制御される。図１の二点鎖線は電力の供給線を示し、点線は制御信号の信号線を示す。なお、後述する第２流路１１４，第３流路１１６，第４流路１１８，第５流路１２１，第６流路１２４を含めて、これらの流路１１２，１１４，１１６，１１８，１２１，１２４は、燃料電池システム１の大きさやレイアウトなどに応じて、配管又は通路などの具体的構造を採用することができる。また、燃料電池１３のアノード排出部１３５Ｂから第２流路１１４を介して未反応メタノールと二酸化炭素ガスが第１タンク１１１へ戻されるが、気相の二酸化炭素ガスは液面に浮上するので、この第１タンク１１１により液相のメタノールと気相の二酸化炭素が概ね分離され、二酸化炭素ガスは図示しない排気流路を介して燃料電池システム１外へ排出される。

第２タンク１２３に貯蔵されたメタノール原液又は高濃度メタノール水溶液（以下、追加メタノールともいう。）は、第２タンク１２３と第１タンク１１１との間に設けられた配管などの第６流路１２４を介して当該第６流路１２４に設けられた第２ポンプ１２５により第１タンク１１１へ供給される。第２ポンプ１２５はバッテリ１４又は燃料電池１３から供給される電力によって作動し（電力供給線の図示は省略）、その作動及び停止は、制御装置１２からの制御信号によって制御される。また、第３タンク１２０に貯蔵された水（一部にメタノールを含む）は、第３タンク１２０と第１タンク１１１との間に設けられた配管などの第５流路１２１を介して当該第５流路１２１に設けられた第３ポンプ１２２により第１タンク１１１へ供給される。第３ポンプ１２２はバッテリ１４又は燃料電池１３から供給される電力によって作動し（電力供給線の図示は省略）、その作動及び停止は、制御装置１２からの制御信号によって制御される。

燃料電池１３のカソード供給部１３６Ａには、配管又は通路などの第３流路１１６が設けられ、当該第３流路１１６を介して当該第３流路１１６に設けられたブロア１１７により外部の空気（酸化剤となる酸素）が吸入される。なお、この第３流路１１６には空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ１１５が設けられている。したがって、ブロア１１７やフィルタ１１５はカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段である。ブロア１１７はバッテリ１４又は燃料電池１３から供給される電力によって作動し、その作動及び停止は、制御装置１２からの制御信号によって制御される。

なお、燃料電池１３のカソード排出部１３６Ｂと第３タンク１２０との間に設けられた第４流路１１８には、カソードで生じた水蒸気を液化して第３タンク１２０へ戻す機能を司る凝縮器１１９が設けられている。

電池スタック１３の各膜電極接合体１３１には温度検出手段として温度センサ１２６が設けられ、各膜電極接合体１３１の温度を検出し、その検出信号を制御装置１２へ出力する。制御装置１２は、読み出した検出信号に基づく各膜電極接合体１３１の温度の平均値又は最低温度を演算する。なお、全ての膜電極接合体１３１に温度センサ１２６を設けずに、主要な膜電極接合体１３１にのみ設けたり、所定間隔で膜電極接合体１３１に設けたりしてもよい。

バッテリ１４は、たとえば二次電池であって、後述するように燃料電池システム１の起動時に第１ポンプ１１３及びブロア１１７に電力を供給するとともに、起動時及び定常稼働時において燃料電池１３からの発電電力では不足する電力を補填する機能を司る。バッテリ１４は第２ポンプ１２５及び第３ポンプ１２２に電力を供給してもよい。バッテリ１４は、燃料電池１３が定常稼働している場合に、余剰電力があるときは、燃料電池１３からの余剰電力が供給されることにより充電される。

電力負荷２は、並列接続された燃料電池１３及びバッテリ１４からの電力により駆動する負荷であり、燃料電池１３を主たる電源としバッテリ１４を従たる電源とするように、電力負荷２への電力供給線に電力切換スイッチを設け、制御装置１２により当該切換スイッチを制御してもよい。

制御装置１２は、入力部として燃料電池１３の起動及び停止スイッチを備え、起動スイッチがＯＮになる（停止スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３及びブロア１１７を作動する制御信号をそれぞれに出力する。また、停止スイッチがＯＮになる（起動スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３及びブロア１１７を停止する制御信号をそれぞれに出力する。なお、制御装置１２は図示しない電池などの電源により作動する。具体的な制御手順は以下のとおりである。

図２は、本例の燃料電池システム１の制御装置１２で実行される制御手順を示すフローチャートであり、予め設定された時間間隔で一連の処理を繰り返す。なお、図示する制御手順は本例の燃料電池システム１の起動時及び停止時の手順のみを示し、定常稼働中の濃度管理その他の制御手順については省略するものとする。

まずステップＳＴ１において、制御装置１２に起動スイッチのＯＮ信号が入力されるとステップＳＴ２へ進み、温度センサ１２６からの検出信号を読み込み、電池スタック１３の検出温度が、稼働温度の下限値である６０℃未満であるか否かを判断する。なお、本例の燃料電池システム１においては、定常稼働温度を６０℃〜８５℃とするが、これに限定される趣旨ではない。ステップＳＴ２において電池スタック１３の検出温度が６０℃以上である場合は、ステップＳＴ３において起動条件による作動を行うことなくステップＳＴ５へ進む。燃料電池システム１を停止してから間もなく再起動した場合など、電池スタック１３の温度降下が大きくなく定常稼働条件を満たす場合はエネルギ変換効率が低い起動条件を適用する意義がないからである。なお、図示は省略するが、検出温度が定常稼働温度の上限値である８５℃を超えている場合は、何らかの異常があると判断して燃料電池システム１の起動を禁止するステップを設けてもよい。

これに対してステップＳＴ２において電池スタック１３の検出温度が６０℃未満である場合は、ステップＳＴ３に進み、第１ポンプ１１３及びブロア１１７へ起動条件による作動信号を出力する。ここで本例の起動条件と定常稼働条件に付いて説明する。

燃料電池におけるエネルギ変換効率ηは、電圧効率η_vと電流効率η_ｊとの積によって表される。
［数３］
η＝η_v×η_ｊ
上記電圧効率η_vは、理論発電電圧Ｖｔに対する実発電電圧Ｖｗの比であるから（η_v＝Ｖｗ／Ｖｔ）、実発電電圧Ｖｗを用いてエネルギ変換効率ηを表すと、
［数４］
η＝（Ｖｗ／Ｖｔ）×η_ｊ

すなわち、実発電電圧Ｖｗが理論発電電圧Ｖｔに近いほどエネルギ変換効率ηは１００％に近づく。このことは、実発電電圧Ｖｗが低いほど、エネルギ変換効率ηが低くなり、上記数１及び数２の発電反応による発熱量が増加することを意味する。すなわち、本例の燃料電池システム１においては、電池スタック１３の温度が６０℃未満である場合には、故意にエネルギ変換効率が低い条件で燃料電池システム１を起動し、発電反応による発熱を電池スタック１３の暖機運転時の昇温エネルギとして有効に活用する。

具体的には、定常稼働運転時（定常稼働条件）の実発電電圧Ｖｗを０．４Ｖ〜０．５Ｖで制御する場合に、暖機運転時の起動条件としての実発電電圧Ｖｗをこれより低い０．２Ｖ〜０．４Ｖ、好ましくは０．２５Ｖ〜０．３５Ｖとする。

図３は、ダイレクトメタノール形燃料電池の２８℃における電流密度（Ａ／ｃｍ^２）に対する発電電圧（Ｖ）及び電力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）の関係を示すグラフ、下記表１は室温における発電電圧（Ｖ）と電力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）との関係例を示す表である。

図３及び表１に示すように、電流密度が増加すると、発電電圧は減少し、電力密度は増加するが、上述した数４の関係式のとおり発電電圧が減少するとエネルギ変換効率も減少するので、燃料電池システム１の定常稼働条件の設定に際しては、エネルギ変換効率と電力密度との均衡を考慮する必要があり、したがって本例の定常稼働条件としては、実発電電圧Ｖｗを上記のとおり０．４Ｖ〜０．５Ｖに設定している。このため、起動条件の実発電電圧Ｖｗとして当該定常稼働条件より低い０．２Ｖ〜０．４Ｖ、好ましくは０．２５Ｖ〜０．３５Ｖとする。０．２Ｖより低いと触媒の劣化が生じるおそれがある一方で、０．４Ｖを超えると暖機速度が遅くなるからである。

実発電電圧Ｖｗを定常稼働条件より低い０．２Ｖ〜０．４Ｖとする起動条件で燃料電池システム１を作動するには、たとえば第１ポンプ１１３によるメタノール水溶液の流量及び／又はブロア１１７による空気の流量を、定常稼働条件のそれらより減少させればよい。これにより、第１タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液が第１流路１１２を介して燃料電池１３のアノードに供給されるとともに、外部の空気が第３流路１１６及びフィルタ１１５を介して燃料電池１３のカソードに供給され、燃料電池１３による発電が開始する。ただし、エネルギ変換効率が低い条件で燃料電池システム１が作動するので、上述したとおり膜電極接合体１３１における発電反応の発熱量が定常稼働時よりも増加し、これにより電池スタック（燃料電池）１３の温度上昇時間を短縮することができる。

図２に戻り、ステップＳＴ４においては、再度温度センサ１２６からの検出信号を読み込み、電池スタック１３の検出温度が、稼働温度の下限値である６０℃未満であるか否かを判断する。そして、電池スタック１３の検出温度が６０℃以上となるまでステップ３の起動条件での作動及びステップＳＴ４の温度確認を繰り返す。なお、図示は省略するが、検出温度が定常稼働温度の上限値である８５℃を超えている場合は、何らかの異常があると判断して燃料電池システム１の起動を禁止するステップを設けてもよい。

ステップＳＴ４において、電池スタック１３の検出温度が６０℃以上に達したらステップＳＴ５へ進み、定常稼働条件での燃料電池システム１の作動に移行する。具体的には、たとえば第１ポンプ１１３によるメタノール水溶液の流量及び／又はブロア１１７による空気の流量を、起動条件のそれらより増加させればよい。これにより、エネルギ変換効率と電力密度がバランスした状態で燃料電池システム１が作動することになる。

燃料電池システム１が作動中のステップＳＴ６において、制御装置１２に停止スイッチのＯＮ信号が入力されるとステップＳＴ７へ進み、第１ポンプ１１３及びブロア１１７へ停止信号を出力する。これにより、アノードへのさらなるメタノール水溶液の供給が停止されるとともに、カソードへのさらなる空気の供給が停止される。

以上のとおり、本例の燃料電池システム１によれば、当該燃料電池システム１の起動時においては、電池スタック１３の実発電電圧Ｖｗが定常稼働時の発電電力より低くなるように作動制御するので、膜電極接合体１３１による発熱量が定常稼働時より増加し、短時間で定常稼働時の温度まで昇温することができる。その結果、電力負荷２に供給すべき総電力を補填するためのバッテリ１４の容量を最小限のものとすることができる。

次に、本発明の燃料電池システム１の起動手順が、燃料電池システム１の起動時間の短縮に寄与することを、さらに具体化した実施例と、当該実施例に対する比較例を挙げて説明する。ただし、以下の実施例の数値や材質などの諸条件は本発明の単なる一例であって本発明を何ら限定するものではない。

《実施例１》
高分子電解質膜１３２として、厚さ１２５μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標））を用い、一方の主面に、白金−ルテニウム触媒（白金・ルテニウム担持量５０重量％）のペーストを印刷し、面積１８０ｃｍ^２，厚さ４０μｍのアノード触媒層１３３を形成した。また、他方の主面には、カソード触媒層１３４として、面積１８０ｃｍ^２，厚さ２０μｍの白金触媒（白金担持量が７０重量％）を用い、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層として、厚さ２３５μｍの黒鉛繊維不織布（ＭＦＣテクノロジー社製カーボンファイバペーパＳＩＧＲＡＣＥＴＧＤＬ２５ＢＣ）を用いた。

この膜電極接合体１３１を７０枚直列に積層したものを用いて電池スタック（燃料電池）１３を組み立て、組み立てられた電池スタック（燃料電池）に、電池スタック（燃料電池）１３の温度が室温の状態から、実発電電圧が０．３Ｖに固定されるように、２．５〜３重量％のメタノール水溶液と空気を供給して、発電電力が１２００Ｗに達するまでの時間を測定したところ、０．３６時間であった。この結果を図４に示す。

《比較例１》
実施例１の比較例として、実施例１と同じ燃料電池システム１を用い、当該燃料電池システム１の起動時において、実発電電圧を０．４５Ｖに固定したこと以外は実施例１と同じ条件で燃料電池システム１を起動し、発電電力が１２００Ｗに達するまでの時間を測定したところ、０．５時間であった。この結果を図４に示す。

《考察》
図４の結果から、比較例１の燃料電池システムの起動方法では、目的とする発電電力１２００Ｗに達するまで０．５時間を要し、この間に不足する電力量としては２７８Ｗｈとなる。これに対して、実施例１の燃料電池システムの起動方法では、目的とする発電電力１２００Ｗに０．３６時間で達し、この間に不足する電力量は１６２Ｗｈと、比較例１に比べて４２％減少することが確認できた。

１…燃料電池システム
１１…燃料供給装置
１１１…第１タンク
１１２…第１流路
１１４…第２流路
１１６…第３流路
１１８…第４流路
１２１…第５流路
１２４…第６流路
１１３…第１ポンプ
１１５…フィルタ
１１７…ブロア
１１９…凝縮器
１２０…第３タンク
１２２…第３ポンプ
１２３…第２タンク
１２５…第２ポンプ
１２６…温度センサ
１２…制御装置
１３…燃料電池（電池スタック）
１３１…膜電極接合体
１３２…高分子電解質膜
１３３…アノード触媒層
１３４…カソード触媒層
１３５…アノードセパレータ
１３５Ａ…アノード供給部
１３５Ｂ…アノード排出部
１３６…カソードセパレータ
１３６Ａ…カソード供給部
１３６Ｂ…カソード排出部
１４…バッテリ
２…電力負荷

Claims

膜電極接合体を含む電池スタックと、
前記電池スタックのアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段に電力を供給するバッテリと、を備える燃料電池システムに対し、
前記燃料電池システムの起動時に前記電池スタックの温度が所定温度未満である場合には、少なくとも前記電池スタックの温度が前記所定温度に達するまで、
前記電池スタックの実発電電圧を定格発電電圧より低い電圧に制御する燃料電池システムの起動方法。
前記電池スタックの温度が前記電池スタックの定常稼働温度の上限値以上である場合、前記燃料電池システムの起動を禁止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
膜電極接合体を含む電池スタックと、
前記電池スタックのアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記電池スタックのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段に電力を供給するバッテリと、
前記燃料電池システムの起動時に前記電池スタックの温度が所定温度未満であるか否かを判断し、前記電池スタックの温度が所定温度未満であると判断される場合には、少なくとも前記電池スタックの温度が前記所定温度に達するまで、前記電池スタックの実発電電圧を定格発電電圧より低い電圧に制御する制御装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御装置は、前記電池スタックの温度が前記電池スタックの定常稼働温度の上限値以上であるか否かを判断し、前記電池スタックの温度が前記定常稼働温度の上限値以上であると判断される場合、前記燃料電池システムの起動を禁止することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。