JP2022015572A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下環境において燃料電池セルの劣化を抑制し、燃料電池システムの始動性を向上させる。
【解決手段】燃料電池セル１１６ｄを有する燃料電池スタック１１６を備える燃料電池ユニット１１０と、燃料電池ユニット１１０を制御する制御部１０１と、燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出部１１６ｓを備え、制御部１０１は、電圧検出部１１６ｓによって検出された燃料電池セル１１６ｄの電圧と、燃料電池セル１１６ｄの電圧に関して予め設定された異常確定前条件とを比較し、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を最初に満たす場合、燃料電池スタック１１６のカソード側の掃気処理を行う第１処理を実行し、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、第１処理、または、燃料電池スタック１１６内の水素を排気する水素排気処理、及び燃料電池スタック１１６に水素を供給する水素供給処理を含む第２処理を実行する。
【選択図】図３

Description

この開示は、燃料電池を搭載する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、酸素を含む空気と水素を供給された燃料電池スタックにおいて酸素と水素を結合させることにより発電を行う。

この燃料電池システムを氷点下環境において始動する際、燃料電池スタックを構成する個々の燃料電池セル内部において、残存する水が凍結し、水素の供給を適切に行えなくなることがある。燃料電池セルでは、水素の新規の供給が行われず、内部に残存する水素が発電に使用されるため、水素の濃度が低下する。このように水素が欠乏する現象（以下、「水素欠乏」という。）が発生すると、燃料電池セルの不可逆劣化が進行する。

この燃料電池システムを氷点下環境において始動する際、燃料電池セル内部における残存水の凍結により、上記の水素欠乏のほか、酸素の供給不足により酸素が欠乏する現象（以下、「酸素欠乏」という。）が発生することもある。特許文献１には、燃料電池の電圧低下の原因を、水素欠乏であるか酸素欠乏であるかを判定し、判定結果に基づいてそれぞれ適切な対策をとることが提案されている。

特開２００８－１４７１０２号公報

特許文献１において、電流値の変化に対する電圧特性から、水素欠乏であるか酸素欠乏であるかを判定することが提案されている。しかしながら、水素欠乏が生じている場合にこのような判定を行うと、燃料電池セルの劣化を更に進行させる恐れがある。そして、水素欠乏か酸素欠乏かを判定するために一定の時間が掛かり、始動性を悪化させる問題がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、氷点下環境において、燃料電池セルの劣化を抑制し、始動性を向上させることができる、燃料電池システムを提供することにある。

本開示に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備える燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを制御する制御部と、を備え、燃料電池ユニットは、燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出部を有し、制御部は、燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定前条件と、電圧検出部によって検出された燃料電池セルの電圧とを比較し、燃料電池セルの電圧が異常確定前条件を最初に満たす場合、燃料電池スタックのカソード側の掃気処理を行う第１処理を実行し、燃料電池セルの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、第１処理、または、燃料電池スタック内に存在する水素を排気する水素排気処理、及び燃料電池スタックに水素を供給する水素供給処理を含む第２処理を実行する。

本開示に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、第１処理を実行した後に、再び燃料電池セルの電圧が異常確定前条件を満たす場合、第２処理を実行してもよい。

本開示に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、第２処理として、水素排気処理と水素供給処理とを含む処理サイクルを複数回繰り返してもよい。

本開示に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池ユニットを氷点下環境において始動する際に、第１処理と第２処理とを実行してもよい。

本開示によれば、氷点下環境において、燃料電池セルの劣化を抑制し、始動性を向上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できる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るセルモニタと燃料電池の接続状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムのセル電圧と制御手順との関係を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係る燃料電池システムの制御手順と水素圧との関係を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係る燃料電池スタックの各燃料電池セル内のアノード側の気体の成分割合を示す説明図である。 実施の形態１に係る水素排気処理と水素供給処理とにより、水素欠乏状態の燃料電池セルの水素濃度が上昇する様子を示す説明図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。

以下、燃料電池システムの実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。

［燃料電池システムの構成］
図１に示される燃料電池システム１００は、主に、制御部１０１と、燃料電池ユニット１１０とを備えている。

燃料電池システム１００は、発電した電力を産業車両等の負荷２００に供給する。燃料電池ユニット１１０には、コンプレッサ１１１と、水素タンク１１２と、水素供給弁１１３ａと、インジェクタ１１３ｂと、圧力センサ１１３ｓと、排気排水弁１１４と、ポンプ１１５と、燃料電池スタック１１６と、セルモニタ１１６ｓと、ラジエータ１１７と、電圧変換部１１８と、蓄電装置１１９とが設けられている。

制御部１０１は、たとえば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インタフェース回路などを備えたコンピュータによって構成される。制御部１０１は、燃料電池ユニット１１０の発電に関連する各種制御を行うと共に、氷点下環境における始動時の制御を行う。制御部１０１と各構成部とは、図１中のＡ～Ｈのように接続されている。

コンプレッサ１１１は、制御部１０１に制御され、酸素を含む空気を燃料電池スタック１１６に供給する。なお、燃料電池スタック１１６で酸素が使用された残りの空気は、カソードオフガスとして燃料電池スタック１１６から排出される。

水素タンク１１２は、水素供給弁１１３ａとインジェクタ１１３ｂとを通して、充填されている水素を燃料電池スタック１１６に供給する。水素供給弁１１３ａとインジェクタ１１３ｂとは、制御部１０１に制御され、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１６に供給する水素ガス量と水素圧を調整する。圧力センサ１１３ｓは、燃料電池スタック１１６における水素圧を検出し、検出結果を制御部１０１に通知する。

排気排水弁１１４は、燃料電池スタック１１６から排出されるアノードオフガスに含まれる水素と水とを分離して水を排出し、水素をポンプ１１５に供給する。ポンプ１１５は、排気排水弁１１４により分離された水素を、水素タンク１１２からの水素配管に合流させ、燃料電池スタック１１６に供給する。

燃料電池スタック１１６は、複数個の発電する燃料電池セルが積層されたスタック構造により構成されている。具体的には、燃料電池スタック１１６は、第１エンドプレート１１６ａと、第１絶縁板１１６ｂと、第１集電板１１６ｃと、スタック構造の複数の燃料電池セル１１６ｄと、第２集電板１１６ｅと、第２絶縁板１１６ｆと、第２エンドプレート１１６ｇとを、順に積層したスタック構造となっている。

燃料電池セル１１６ｄのそれぞれは、図示はしないが、電解質膜の両面を２つのセパレータで挟んだ構造になっている。電解質膜の一方の面にはカソード電極が配置され、電解質膜の他方の面にはアノード電極が配置される。

燃料電池スタック１１６は、制御部１０１の制御に基づいて、水素供給弁１１３ａとインジェクタ１１３ｂとを介した水素タンク１１２からの水素と、コンプレッサ１１１からの空気に含まれる酸素とにより、発電を行う。燃料電池スタック１１６には、セルモニタ１１６ｓが取り付けられている。セルモニタ１１６ｓは、各燃料電池セル１１６ｄの電圧を検出する電圧検出部を構成するものである。

セルモニタ１１６ｓは、図２に示すように、スタック構造をなす複数の燃料電池セル１１６ｄに対して個別に接続されている。この接続状態のもとで、セルモニタ１１６ｓは、各々の燃料電池セル１１６ｄごとに、各燃料電池セル１１６ｄの電圧（以下、「セル電圧」ともいう。）を検出する。セルモニタ１１６ｓは、検出したセル電圧を制御部１０１に通知する。

ラジエータ１１７は、燃料電池スタック１１６内の冷却媒体循環系を循環する冷却媒体により燃料電池スタック１１６で発生する熱を回収する。ラジエータ１１７には、冷却ファンが設けられている。ラジエータ１１７は、回収した熱を、冷却ファンの送風により、燃料電池ユニット１１０の外部に放出する。また、ラジエータ１１７には、温度センサ１１７ｓが設けられている。温度センサ１１７ｓは、冷却媒体の温度を制御部１０１に通知する。制御部１０１は、温度センサ１１７ｓによる冷却媒体温度の検出結果によって、燃料電池ユニット１１０が氷点下環境に存在するか否かを判定する。

電圧変換部１１８は、ＤＣＤＣコンバータなどにより構成されており、燃料電池スタック１１６の発電出力を一定の電圧に変換する。たとえば、電圧変換部１１８は、燃料電池スタック１１６の出力側に取り付けられた電圧変換部であり、たとえば、８０ボルト程度の電圧を４８ボルト又は１２ボルト程度の電圧に変換して出力する。

蓄電装置１１９は、電圧変換部１１８から出力される電力を充電可能に電圧変換部１１８と負荷２００との間に接続されている。蓄電装置１１９は、負荷において瞬間的な大電流が流れる際には充電された電力を放出する。

負荷２００は、電圧変換部１１８から供給される電力により駆動する。この負荷２００は、産業車両の走行モータなどの車両部、または荷役モータなどの荷役部が該当する。

［燃料電池システムの制御］
上記構成からなる燃料電池システム１００においては、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１６に供給された水素と、コンプレッサ１１１によって燃料電池スタック１１６に供給されたエアに含まれる酸素とが、燃料電池スタック１１６内で各々の燃料電池セル１１６ｄに分配して供給される。その際、燃料電池セル１１６ｄのアノード側には水素が供給され、燃料電池セル１１６ｄのカソード側には酸素が供給される。これにより、燃料電池セル１１６ｄは、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。

ここで、何らかの理由により、いずれかの燃料電池セル１１６ｄで酸素欠乏または水素欠乏のいずれか一方または両方が発生すると、この燃料電池セル１１６ｄの電圧が低下する。酸素欠乏と水素欠乏とは、たとえば、氷点下の環境で燃料電池システム１００を起動するときに、燃料電池セル１１６ｄ内の凍結が原因で発生する。

水素欠乏が発生した状態で燃料電池スタック１１６の発電を継続すると、水素欠乏を起こしている燃料電池セル１１６ｄの電圧が徐々に低下する。そして、燃料電池セル１１６ｄの電圧が負電圧となって所定の電圧値を下回ると、カーボンの酸化などによって燃料電池セル１１６ｄが劣化するおそれがある。そこで、本開示実施形態においては、上記構成の燃料電池システム１００を以下のように制御することにより、燃料電池セル１１６ｄの劣化を抑制する。

以下、燃料電池システム１００の異常時の制御方法を説明する。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００のセル電圧と制御手順との関係を示すタイミングチャートである。燃料電池システム１００の制御方法は、制御部１０１の制御のもので以下のように行われる。

［カソード掃気処理と水素欠乏復帰制御処理］
図３の（ａ）は、セル電圧の経時的な変化を示している。図３の（ｂ）～（ｅ）は、制御部１０１による制御処理のタイムチャートを示している。このタイムチャートにおいて、図３の（ｂ）は、燃料電池スタック１１６の発電状態を示している。図３の（ｃ）は、第１の処理として、カソード側の掃気を行うカソード掃気処理を示している。

図３の（ｄ）は、アノード側において燃料電池セル１１６ｄ内に残っている水素を含むガスの排気と水素供給による、第２処理としての水素欠乏復帰制御処理を示している。図３の（ｅ）は、燃料電池スタック１１６におけるエラーフラグの状態を示している。ここで、カソード掃気と水素欠乏復帰制御処理とを実行している場合をＯＮと記載し、実行していない場合をＯＦＦと記載している。エラーフラグは、燃料電池システムを停止させる必要のあるエラーが発生した場合にＯＮ状態となり、それ以外はＯＦＦ状態に保持される。

まず、制御部１０１は、セルモニタ１１６ｓから与えられる検出結果に基づいて、各々の燃料電池セル１１６ｄの電圧を監視する。具体的には、セルモニタ１１６ｓによって検出される燃料電池セル１１６ｄの電圧と、燃料電池セル１１６ｄの電圧に関して予め設定された閾値電圧とを比較する。閾値電圧は、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常であることを確定するために予め設定される条件である。

異常確定条件と異常確定前条件とは、たとえば次のように設定される。まず、水素欠乏の発生によって燃料電池セル１１６ｄの電圧が低下した場合に、カーボンの酸化などによって燃料電池セル１１６ｄが劣化し始める電圧を、異常確定条件の電圧として、異常確定閾値電圧Ｖ１とする。

そして、異常確定に近づいたことを判定する異常確定前条件としての異常確定前閾値電圧Ｖ２が、上記の異常確定閾値電圧Ｖ１よりも高い電圧値で設定される。異常確定前閾値電圧Ｖ２は、セルモニタ１１６ｓによって検出される燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定条件に近づいたかどうかを判断するために制御部１０１に設定される電圧である。

制御部１０１は、セルモニタ１１６ｓによって検出される燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を満たさない場合、すなわちセル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２以上である場合は、以下の制御を実行せずに、燃料電池スタック１１６の発電状態を発電中に維持する。より具体的に記述すると、制御部１０１は、すべての燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２以上であれば、以下の制御を実行せずに燃料電池スタック１１６の発電を継続する。

制御部１０１は、セルモニタ１１６ｓによって検出される燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を満たす場合、すなわちセル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満である場合は、以下の制御を実行する。

なお、氷点下環境下での燃料電池システム１００の始動時は、燃料電池セル１１６ｄ内部の凍結により、水素欠乏状態が発生する危険性がある。水素欠乏状態になるとカーボン酸化により燃料電池セル１１６ｄの不可逆劣化が進行する。この水素欠乏状態はセル電圧が０Ｖ未満になるのに対して、カソードでの酸素欠乏状態においてもセル電圧が０Ｖ未満になる。そのため、セル電圧が０Ｖ未満だからと言って必ず水素欠乏とは限らない。水素欠乏ではなく酸素欠乏で電圧が低下したときに水素欠乏復帰制御処理を実行すると、無駄に水素を排気することになり、燃費の悪化や排気水素濃度の上昇といった懸念が発生する。

そこで、制御部１０１は、以下のようにカソード掃気処理と水素欠乏復帰制御処理とを、以下のように行う。図３の（ａ）における（ａ１）のように、セルモニタ１１６ｓによって検出される燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を最初に満たす場合、すなわちセル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満である場合は、図３の（ｂ）における（ｂ１）のように、燃料電池スタック１１６の発電状態を発電中から発電停止へと切り替える。

制御部１０１は、燃料電池スタック１１６の発電を停止した状態で、図３の（ｃ）における（ｃ１）～（ｃ２）のように、予め決められた時間だけカソード掃気処理を実行する。カソード掃気は、コンプレッサ１１１から燃料電池スタック１１６のカソードに空気を供給し、空気の流れにより各発電セルの内部に残留している水を除去する処理である。

燃料電池スタック１１６の発電停止は、電圧変換部１１８から負荷２００への電力供給を制御部１０１が停止することにより行われる。このとき、制御部１０１は、電圧変換部１１８を制御して燃料電池スタック１１６の出力電流をゼロにするため、図３の（ａ）における（ａ２）のように、セル電圧は開放電圧（ＯＣＶ）レベルまで上昇する。

ここで、図３の（ｂ）における（ｂ２）のように、燃料電池スタック１１６の発電状態を発電停止から発電中へと切り替えた場合、酸素欠乏が解消したとしても水素欠乏が解消していないと、図３の（ａ）における（ａ３）のように、セル電圧は再び異常確定前閾値電圧Ｖ２未満に低下してしまう。

そこで、制御部１０１は、以下に述べる水素欠乏復帰制御を実行することにより、水素欠乏の状態を改善する。図３の（ｂ）における（ｂ３）のように、燃料電池スタック１１６の発電状態を発電中から発電停止へと切り替える。

制御部１０１は、燃料電池スタック１１６の発電を停止した状態で、図３の（ｄ）中の（ｄ１）～（ｄ２）のように、予め決められた時間だけ水素欠乏復帰制御処理として、水素の排気と供給とを実行する。このとき、制御部１０１は、電圧変換部１１８を制御して燃料電池スタック１１６の出力電流をゼロにするため、図３の（ａ）における（ａ４）のように、セル電圧は開放電圧（ＯＣＶ）レベルまで上昇する。

ただし、燃料電池セル１１６ｄの水素欠乏を完全に解消しないまま燃料電池スタック１１６の発電を再開すると、セル電圧は再び異常確定前閾値電圧Ｖ２未満に低下してしまう。そこで、制御部１０１は、以下に詳細に述べる水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、水素欠乏の状態を改善する。

以下、図４を参照して水素欠乏復帰制御処理を詳細に説明する。図４は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の制御手順と水素圧との関係を示すタイミングチャートである。
図４の（ａ）は、各フェーズの処理内容を示している。図４の（ｂ）は、ポンプ１１５によるアノードオフガス中の水素の環流状態を示している。図４の（ｃ）は、排気排水弁１１４の開閉を示している。図４の（ｄ）は、インジェクタ１１３ｂから燃料電池スタック１１６への水素供給を示している。図４の（ｅ）は、燃料電池スタック１１６における水素圧の経時的な変化を示している。この図４の（ｅ）において、縦軸のＰ３は水素供給目標圧であり、Ｐ２は排気目標圧であり、Ｐ１は大気圧である。

図４の（ａ）に示すように、水素欠乏復帰制御処理は、燃料電池スタック１１６内に存在するアノード側の気体を排気する処理（以下、「水素排気処理」ともいう。）と、燃料電池スタック１１６に水素を供給する処理（以下、「水素供給処理」ともいう）と、燃料電池スタック１１６内に存在するアノード側の気体に対して排気および水素の供給のいずれも行うことなく待機する処理（以下、「待機処理」ともいう。）と、を含む処理サイクルを、図３の（ｄ）における（ｄ１）～（ｄ２）の時間内に、複数の処理サイクル繰り返す。

制御部１０１は、図４のタイミングｔ１において、水素欠乏復帰制御処理のうちの水素排気処理を開始する。図４のタイミングｔ１は、既に説明した図３の（ｄ１）に相当する。

タイミングｔ１において、制御部１０１は、図４の（ｂ）に示すようにポンプ１１５の動作を停止させ、図４の（ｃ）に示すように排気排水弁１１４を開状態とし、かつ、図４の（ｄ）に示すようにインジェクタ１１３ｂを停止状態とする。これにより、水素排気処理では、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１６への水素の供給が停止され、かつ、アノードオフガス中の水素の環流動作が停止された状態において、燃料電池スタック１１６内の水素が排気される。

以上の水素排気処理により、図４の（ｅ）中の（ｅ１）のように、燃料電池スタック１１６の水素圧が徐々に低下する。このとき、制御部１０１は、圧力センサ１１３ｓによって検出される燃料電池スタック１１６の水素圧を監視している。そして、燃料電池スタック１１６の水素圧が排気目標圧Ｐ２まで低下した時点で、制御部１０１は、水素排気処理を停止する。

排気目標圧Ｐ２は、燃料電池スタック１１６内に存在する気体を水素排気処理によって排気するときに目標とすべき圧力として、予め設定されるものである。なお、排気目標圧Ｐ２は、大気圧Ｐ１よりも高い圧力に設定されることが望ましい。このように、Ｐ２＞Ｐ１という設定により、水素排気処理で排気排水弁１１４を開状態とした場合に、燃料電池スタック１１６内への大気の流入が抑制される。

次に、制御部１０１は、水素供給処理を行う。水素供給処理に際して、制御部１０１は、図４の（ｂ）に示すようにポンプ１１５の動作を停止させたまま、図４の（ｃ）に示すように排気排水弁１１４を閉止状態とし、かつ、図４の（ｄ）に示すようにインジェクタ１１３ｂを動作状態とする。これにより、水素供給処理では、アノードオフガス中の水素の環流動作が停止され、かつ、燃料電池スタック１１６内の水素が閉じ込められた状態で、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１６へと水素が供給される。

以上の水素供給処理により、図４の（ｅ）中の（ｅ２）のように、燃料電池スタック１１６の水素圧が徐々に上昇する。このとき、制御部１０１は、圧力センサ１１３ｓによって検出される燃料電池スタック１１６の水素圧を監視している。そして、燃料電池スタック１１６の水素圧が水素供給目標圧Ｐ３まで上昇した時点で、制御部１０１は、水素供給処理を停止する。

水素供給目標圧力Ｐ３は、燃料電池スタック１１６に水素を供給するときに目標とすべき圧力として予め設定されるものである。なお、水素供給目標圧力Ｐ３は、たとえば、水素欠乏復帰制御処理を開始する前の水素圧にあわせて設定される。

次に、制御部１０１は、一定時間の待機処理を行う。待機処理に際して、制御部１０１は、図４の（ｂ）に示すようにポンプ１１５の動作を停止させたまま、図４の（ｃ）に示すように排気排水弁１１４を閉止状態とし、かつ、図４の（ｄ）に示すようにインジェクタ１１３ｂを動作停止状態とする。これにより、待機処理では、燃料電池スタック１１６に対して水素の排気および水素の供給のいずれも行われない。この待機処理を一定時間にわたって行うことにより、直前の水素供給処理によって燃料電池スタック１１６に供給された水素が、複数の燃料電池セル１１６ｄ全てに行き渡る。また、この待機処理により、各燃料電池セル１１６ｄ内の水素濃度が均一化される。

そして、以上の一連の水素排気処理、水素供給処理、及び待機処理により、１回の処理サイクルが終了する。その後、制御部１０１は、次の処理サイクルにおいて、水素排気処理、水素供給処理および待機処理を実行する。すなわち、制御部１０１は、図３の（ｄ）における（ｄ１）～（ｄ２）に示す予め決められた時間内に、複数の処理サイクル繰り返す。

そして、水素欠乏復帰制御処理において予め決められた時間が経過し、図３の（ｄ）における（ｄ２）に達すると、制御部１０１は、水素欠乏復帰制御処理を終了し、図３の（ｂ）における（ｂ４）のように、燃料電池スタック１１６の発電状態を発電停止から発電中へと切り替える。

以上の図３と図４に示したように、カソード掃気処理と水素欠乏復帰制御処理の実行によって、酸素欠乏と水素欠乏の両方の状態が解消されているため、セル電圧は水素欠乏が発生する前の電圧レベルに回復する。また、図３の（ａ）における（ａ１）のように、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定条件Ｖ１より高い異常確定前条件を満たす時点において、制御部１０１は、カソード掃気処理と水素欠乏復帰制御処理とを実行するように制御しているため、図４の（ｅ）に示すエラーフラグはＯＦＦ状態を保っている。

［水素欠乏復帰制御処理の詳細］
制御部１０１が上述した水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、燃料電池セル１１６ｄの内部に新しい水素が供給され、不純物濃度が低下し、水素濃度が上昇する理由を、図５および図６を用いて説明する。

図５は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１１６の各燃料電池セル１１６ｄ内のアノード側の気体の成分割合を示す説明図である。図５において、燃料電池セル１１６ｄの各セル＃１～＃ｎについて、アノード側の気体の成分割合を示している。ここで、セル＃２～＃ｎは、内部に蓄積されているアノード側の気体の成分割合として、水素が８０％、その他の不純物が２０％である。一方、セル＃１は、内部に蓄積されているアノード側の気体の成分割合として、水素が５０％、その他の不純物が５０％であり、かつ、水素欠乏が発生している状態である。

ここで、水素欠乏復帰制御処理によって、水素濃度が上昇する様子を説明する。図６は、実施の形態１に係る水素排気処理と水素供給処理とにより、水素欠乏状態の燃料電池セル１１６ｄのセル＃１内の水素濃度が上昇する様子を示す説明図である。図６において、縦方向は圧力を示している。

図６の（ａ）は、水素排気処理を実行する前の、水素が５０％で不純物が５０％のアノード側の気体を示している。すなわち、全圧のうち、水素分圧と不純物の分圧がほぼ等しくなっている。
図６の（ｂ）は、水素排気処理を実行した後の、水素が５０％で不純物が５０％のアノード側の気体について、総量が減少して圧力が低下した様子を示している。図６の（ｂ）において、セル＃１内のアノード側の気体は、水素と不純物の割合が図６の（ａ）から変化せずに一定のまま、総量が減少する。

次に、制御部１０１は、水素欠乏復帰制御処理において、図６の（ｂ）に示す総量が減少したアノード側の気体に対して水素供給処理を行う。図６の（ｃ）は、水素供給処理により、セル＃１内のアノード側の気体における不純物の量は図６の（ｂ）から変化せず、気体の総量が増加することで、水素の割合が増える。すなわち、セル＃１において、セル内の水素分圧が高くなる。

その後、制御部１０１は、再び水素排気処理を行う。これにより、図６（ｄ）に示すように、水素と不純物の割合が図６の（ｃ）と同じ比率のまま、セル＃１内のアノード側の気体の総量が減少する。

次に、制御部１０１は、水素欠乏復帰制御処理において、図６の（ｄ）に示す総量が減少したアノード側の気体に対して水素供給処理を行う。図６の（ｅ）は、水素供給処理により、セル＃１内のアノード側の気体における不純物の量は図６の（ｄ）から変化せず、気体の総量が増加することで、水素の割合が増える。すなわち、セル＃１において、セル内の水素分圧が高くなる。

以上のように、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｅ）のように、水素排気処理と水素供給処理とを繰り返すことで、アノード側の気体中の不純物の割合が減少し、水素の割合が増加する。すなわち、以上の水素欠乏復帰制御処理により、アノード側の気体中の水素の純度が高まる。

ここで、水素欠乏復帰制御処理における水素排気処理と水素供給処理の処理回数Ｍと、水素供給目標圧Ｐ３及び排気目標圧Ｐ２との関係を説明する。水素排気処理と水素供給処理とをＭ処理サイクル実行した後に残る不純物の減少率Ｘは、
Ｘ＝（Ｐ２／Ｐ３）^Ｍ
と表すことができる。

なお、既に説明したように、燃料電池スタック１１６内への大気の流入を抑制するため、大気圧Ｐ１との関係で、Ｐ２＞Ｐ１に設定しておく。
たとえば、Ｐ２／Ｐ３＝０．５、Ｍ＝４とした場合、Ｘ＝０．０６２５となる。これは、アノード側の気体に含まれる不純物を１／１６にすることを意味する。

また、Ｐ２／Ｐ３の値を０．５より小さく設定することにより、水素欠乏復帰制御処理を効率的に実行することができる。たとえば、Ｐ２／Ｐ３＝０．４とした場合、Ｍ＝３において、Ｘ＝０．０６４となる。従って、Ｐ２／Ｐ３の値、Ｍの値を設定することで、所望の処理回数により、アノード側の気体に含まれる不純物を所望の値に減衰させることができる。以上のような水素欠乏復帰制御処理を実行することで、氷点下環境下での燃料電池システム１００の始動時における、燃料電池セル１１６ｄ内部の凍結により発生する水素欠乏状態を解消することができる。

［燃料電池システムの制御手順］
以下、燃料電池システム１００の制御手順をフローチャートに沿って説明する。図７は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の制御手順を示すフローチャートである。ここでは、負荷２００が産業車両の走行モータまたは荷役モータである場合を具体例にして、燃料電池システム１００の制御手順を説明する。

燃料電池システム１００の制御部１０１は、産業車両のキーオン操作が行われることにより起動する。起動時のステップＳ１０１において、制御部１０１は、温度センサ１１７ｓによって検出される冷却媒体の温度が氷点下であるかどうかを確認する。

ステップＳ１０１において、冷却媒体の温度が氷点下でない場合、処理がステップＳ１１２の車両動作可能へと処理が進む。
ステップＳ１１２において、制御部１０１は、燃料電池スタック１１６を発電状態にして、燃料電池ユニット１１０を通常モードで始動する。この結果、産業車両は動作が可能な状態になる。ここで、動作が可能とは、走行モータによる産業車両の走行が可能になること、または、荷役モータによるフォークなどの荷役部の動作が可能になることを意味する。

一方、ステップＳ１０１において、冷却媒体の温度が氷点下であると検出された場合、処理がステップＳ１０２へと進む。

ステップＳ１０２において、制御部１０１は、氷点下始動時に適用される暖機モードで燃料電池スタック１１６に発電を実行させる。暖機モードは、燃料電池スタック１１６を急速に暖機するため、燃料電池ユニット１１０を暖機運転で始動するモードである。暖機運転では、発電状態において、コンプレッサ１１１によって燃料電池スタック１１６に供給されるエアの量を少なくして燃料電池スタック１１６の発熱量を増加させ、燃料電池スタック１１６の発熱を利用して燃料電池スタック１１６を暖機する。この後、処理がステップＳ１０３へと進む。

ステップＳ１０３において、制御部１０１は、セルモニタ１１６ｓを用いて燃料電池セル１１６ｄの各セルのセル電圧を検出する。この後、処理がステップＳ１０４へと進む。

ステップＳ１０４において、制御部１０１は、セルモニタ１１６ｓを用いて検出したセル電圧と、異常確定前条件として予め設定された異常確定前閾値電圧Ｖ２とを比較することにより、セル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満であるかどうかを確認する。燃料電池セル１１６ｄうち１つのセルでも、電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満であれば、処理がステップＳ１０５へと進む。一方、燃料電池セル１１６ｄのすべてのセルの電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２以上であれば、処理がステップＳ１１０へと進む。

ステップＳ１０５において、制御部１０１は、カソード掃気処理または水素欠乏復帰制御処理を実行するため、燃料電池スタック１１６の発電を停止する。この後、処理がステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０６において、制御部１０１は、カソード掃気処理を既に実行したかどうかを確認する。ステップＳ１０６において、カソード掃気処理を未実行であれば、ステップＳ１０７のカソード掃気処理実行へと処理が進む。

ステップＳ１０７において、制御部１０１は、発電を停止した状態において、予め決められた時間だけカソード掃気処理を実行する。すなわち、制御部１０１は、コンプレッサ１１１から燃料電池スタック１１６のカソードに空気を供給し、空気の流れにより各発電セルの内部に残留している水を除去するように制御する。この後、処理がステップＳ１０９へと進む。

一方、ステップＳ１０６において、カソード掃気処理を実行済みであれば、ステップＳ１０８の水素欠乏復帰制御処理へと処理が進む。なお、カソード掃気処理を実行済みとは、ステップＳ１０８の水素欠乏復帰制御処理を実行する直前のカソード掃気処理であってもよいし、このフローチャートの一連の始動時の処理の中で一度でもカソード掃気処理を実行した場合であってもよい。

ステップＳ１０８において、制御部１０１は、発電を停止した状態において、予め決められた時間だけ水素欠乏復帰制御処理として水素排気処理と水素供給処理とを複数サイクル実行する。この水素欠乏復帰制御処理により、燃料電池スタック１１６内のアノード側の気体中の不純物を減少させ、水素の割合を増加させる。この後、処理がステップＳ１０９へと進む。

ステップＳ１０９において、制御部１０１は、燃料電池スタック１１６の発電を再開する。この後、処理がステップＳ１０４へと戻る。

セル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満になる原因が酸素欠乏のみであれば、ステップＳ１０７のカソード掃気処理を実行することにより、ステップＳ１０９の発電再開により、セル電圧は異常確定前閾値電圧Ｖ２以上に上昇する。また、セル電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２未満になる原因に水素欠乏が含まれていれば、ステップＳ１０８の水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、ステップＳ１０９の発電再開により、セル電圧は異常確定前閾値電圧Ｖ２以上に上昇する。

従って、ステップＳ１０７のカソード掃気処理を実行した後、または、ステップＳ１０８の水素欠乏復帰制御処理を実行した後、ステップＳ１０４において、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前閾値電圧Ｖ２以上になっていると制御部１０１により判断されれば、処理がステップＳ１１０へと進む。

ステップＳ１１０において、制御部１０１は、氷点下始動時に適用される暖機モードで燃料電池スタック１１６に発電を実行させる。暖機モードは、ステップＳ１０２と同様に、燃料電池スタック１１６の発電時の発熱を利用して、燃料電池スタック１１６を暖機する。この後、処理がステップＳ１１１へと進む。

ステップＳ１１１において、制御部１０１は、一定時間の暖機運転を実行した後に、暖機運転が完了したかどうかを判断する。具体的には、制御部１０１は、温度センサ１１７ｓによって検出される冷却媒体の温度が、予め設定された暖機運転完了温度以上に上昇したかどうかを確認する。

ステップＳ１１１において、冷却媒体の温度が暖機運転完了温度未満であると制御部１０１により判断された場合、処理はステップＳ１０４に戻る。また、ステップＳ１０４において、制御部１０１により冷却媒体の温度が暖機運転完了温度以上と判断されれば、処理がステップＳ１１２へと進む。

ステップＳ１１２において、制御部１０１は、燃料電池スタック１１６を発電状態にして、燃料電池ユニット１１０を通常モードで始動する。この結果、産業車両は動作が可能な状態になる。ここで、動作が可能とは、走行モータによる産業車両の走行が可能になること、または、荷役モータによるフォークなどの荷役部の動作が可能になることを意味する。

［実施の形態により得られる効果］
上述した本開示の燃料電池システム１００においては、セルモニタ１１６ｓによって検出された燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を満たす場合に、燃料電池スタック１１６のカソード掃気処理を行う第１処理と、燃料電池スタック１１６内に存在する水素を排気する水素排気処理、及び燃料電池スタック１１６に水素を供給する水素供給処理を含む水素欠乏復帰制御処理を行う第２処理と、を実行する構成を採用している。これにより、酸素欠乏と水素欠乏の両方の状態が解消され、燃料電池セル１１６ｄの劣化を抑制し、氷点下環境において、電圧低下に起因するエラーを引き起こすことなく、迅速に燃料電池スタック１１６の発電を再開させ、燃料電池システム１００を始動することができる。

本開示の燃料電池システム１００において、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を最初に満たす場合はカソード掃気処理を行い、カソード掃気処理を実行した後に、燃料電池セルの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合には水素欠乏復帰制御処理を実行する。これにより、水素欠乏か酸素欠乏かを判断するための時間が不要であって迅速に処理を進めることができ、始動性を向上させることができる。また、無駄に水素を使用することがなくなる。

本開示の燃料電池システム１００において、カソード掃気処理を行った直後にセル電圧が異常確定前条件を満たす場合、水素欠乏復帰制御処理を実行する。これにより、水素欠乏か酸素欠乏かを判断するための時間が不要であって、迅速に処理を進めることができ、始動性を向上させることができる。また、必要な場合に水素欠乏復帰制御処理を実行するため、無駄に水素を使用することがなくなる。

本開示の燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１１６内に存在する水素を排気する処理と、燃料電池スタック１１６に水素を供給する処理とを含む処理サイクルを、複数回繰り返すことにより水素欠乏復帰制御処理を実行する。これにより、燃料電池スタック１１６内の水素分圧を効率良く短時間で改善することができる。

本開示の燃料電池システム１００において、氷点下環境において、燃料電池ユニット１１０が発電を開始する際に、カソード掃気処理と水素欠乏復帰制御処理とを実行する。これにより、氷点下環境において凍結により発生しやすい酸素欠乏または水素欠乏に対し、燃料電池セル１１６ｄの劣化を抑制し、電圧低下に起因するエラーを引き起こすことなく、迅速に燃料電池スタック１１６の発電を再開させ、燃料電池システム１００を始動することができる。

[その他の実施の形態]
制御部１０１は、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を最初に満たす場合にカソード掃気処理を行い、カソード掃気処理の実行の後に再び燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、必ずしも水素欠乏復帰制御処理を行わなくてもよい。この場合、制御部１０１は、カソード掃気処理を行う回数を予め記憶しており、カソード掃気処理を行う毎にその回数をカウントし、カソード掃気処理を行う回数が所定回数に達した時点でフラグを立てるようにする。

そして、制御部１０１は、図７中のステップＳ１０７のカソード掃気処理を行った後に再び燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、ステップＳ１０６の確認においてカソード掃気処理を行う回数が所定回数未満であれば、再びステップＳ１０７のカソード掃気処理実行へと処理を進める。

一方、制御部１０１は、図７中のステップＳ１０７のカソード掃気処理を行った後に再び燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、ステップＳ１０６においてカソード掃気処理を行った回数が所定回数に達したことをフラグにより確認すると、ステップＳ１０８の水素欠乏復帰制御処理へと処理を進める。

このような制御によると、燃料電池セル１１６ｄの電圧が異常確定前条件を再び満たす場合、カソード掃気処理を所定回数実行した後に水素欠乏復帰制御処理を行うため、カソード掃気処理によって異常を解消できれば、水素を無駄に使わずに、氷点下環境において燃料電池セルの劣化を抑制し始動性を向上させることができる。

本開示は、たとえば、燃料電池システム１００を搭載したフォークリフト等の産業車両において、氷点下環境で産業車両に電力供給を停止している状態において、第１処理としてのカソード掃気処理と、第２処理としての水素欠乏復帰制御処理を実行し、燃料電池セル１１６ｄの劣化を抑制し、電圧低下に起因するエラーを引き起こすことなく、迅速に燃料電池スタック１１６に発電せることができる。

１００ 燃料電池システム、１０１ 制御部、１１０ 燃料電池ユニット、１１１ コンプレッサ、１１２ 水素タンク、１１３ａ 水素供給弁、１１３ｂ インジェクタ、１１３ｓ 圧力センサ、１１４ 排気排水弁、１１５ ポンプ、１１６ 燃料電池スタック、１１６ｓ セルモニタ（電圧検出部）、１１７ ラジエータ、１１７ｓ 温度センサ、１１８ 電圧変換部、１１９ 蓄電装置、２００ 負荷。

Claims (4)

1. 燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備える燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットを制御する制御部と、
   を備え、
   前記燃料電池ユニットは、前記燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出部を有し、
   前記制御部は、
   前記燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定前条件と、前記電圧検出部によって検出された前記燃料電池セルの電圧とを比較し、
   前記燃料電池セルの電圧が前記異常確定前条件を最初に満たす場合、前記燃料電池スタックのカソード側の掃気処理を行う第１処理を実行し、
   前記燃料電池セルの電圧が前記異常確定前条件を再び満たす場合、前記第１処理、または、前記燃料電池スタック内に存在する水素を排気する水素排気処理、及び前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給処理を含む第２処理を実行する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記第１処理を実行した後に、前記燃料電池セルの電圧が再び前記異常確定前条件を満たす場合、前記第２処理を実行する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記第２処理において、前記水素排気処理と前記水素供給処理とを含む処理サイクルを複数回繰り返す、
   請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記燃料電池ユニットを氷点下環境において始動する際に、前記第１処理と前記第２処理とを実行する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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