JP4180552B2 - 燃料電池の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。

例えば、特許文献１には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
特開２００２−３１３３８８号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとはいえ発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。

また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極（アノード、カソード）に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流が過剰に流れると、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応を起こして腐食してしまう（以下、電食、と称す）虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。

従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、複数のセル（例えば、実施の形態におけるセル３）を積層してなる燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック４）を備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流値を流したときの各セル電圧の標準偏差を算出し、該標準偏差の値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする。

この発明によれば、算出された各セル電圧の標準偏差の値が閾値をこえる場合には、各セルの電圧のばらつきが大きく、各セルのうち低い電圧のセルにおいては十分に発電が行われておらずその電極表面で残留水が凍結していると推定できるため、前記電流値の上限制限を行うことで前記電極の電流密度を減少させることができ、前記電極に過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項２に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最大電圧値と最小電圧値とを求め、該最大電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする。

この発明によれば、前記減算値が閾値をこえる場合には、最小電圧値となったセルにおいて十分に発電が行われておらず、その電極表面で残留水が凍結していると推定できるため、前記電流値の上限制限を行うことで前記電極の電流密度を減少させることができ、前記電極に過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項３に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最小電圧値を求めるとともに各セル電圧の平均電圧値を算出して、該平均電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする。

この発明によれば、前記減算値が閾値をこえる場合には、最小電圧値となったセルにおいて十分に発電が行われておらず、その電極表面で残留水が凍結していると推定できるため、前記電流値の上限制限を行うことで前記電極の電流密度を減少させることができ、前記電極に過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項４に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最小電圧値を求めるとともに各セルにおける上限電圧値を算出して、該上限電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする。

この発明によれば、前記減算値が閾値をこえる場合には、最小電圧値となったセルにおいて十分に発電が行われておらず、その電極表面で残留水が凍結していると推定できるため、前記電流値の上限制限を行うことで前記電極の電流密度を減少させることができ、前記電極に過剰な電流が流れることを防止することができる。従って、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

請求項１から請求項４に係る発明によれば、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。

同図に示す燃料電池２は、複数のセル３…３を積層してなるスタック４を、一対のプレート５、５で挟持してなる構成を備えている。各セル３は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜を介してアノード側に逆拡散するためアノード側にも生成水が存在する。

水素タンク６から供給される水素は、遮断弁７やレギュレータ（図示せず）を介し、水素供給流路８を通って燃料電池２のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路９に排出され、エゼクタ１０を介して水素供給流路８に合流する。

つまり、燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素タンク６から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路９から分岐した水素オフガス排出流路１１は希釈ボックス（図示せず）に接続される。水素オフガス排出流路１１には水素パージ弁１２が設けられ、水素パージ弁１２を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路１１から希釈ボックスに排出する。

一方、エアはコンプレッサ１３によりエア供給流路１４に圧送され、燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路１５に排出される。

エアオフガス排出流路１５は上述の希釈ボックス（図示せず）に接続され、エアオフガス排出流路１５から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路１１から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。

さらに、燃料電池２は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池２の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池２は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
また、燃料電池２は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１７を介して接続され、燃料電池２の発電で得られた電力を電線１７を介して負荷１６に供給する。

また、本実施の形態においては、燃料電池２の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ１９〜２１を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路１５におけるスタック４の出口付近に温度センサ１９を、水素オフガス排出流路１１におけるスタック４の出口付近に温度センサ２０を、燃料電池２のプレート５に温度センサ２１を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池２を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも１つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池２の電流Ｉを測定するために、負荷１６に接続された電線１７に電流センサ２２を設けている。さらに、燃料電池２の電圧を測定する電圧センサ２３や、各セル３の電圧を検出するための電圧センサ（図示せず）も設けられている。

燃料電池システム１には、該システム１の制御を行うためのコントロールユニット（制御部）２４が設けられている。この制御部２４には、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）が接続されている。制御部２４には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９〜２１や電流センサ２２、電圧センサ２３からの検出値が入力される。そして、制御部２４は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁７、コンプレッサ１３、水素パージ弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。同図に示すように、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁７を開弁するとともにコンプレッサ１３を駆動して、燃料電池２のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。

次に、ステップＳ１２では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池２の内部温度を把握する。ステップＳ１４では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ２４に進み、電流制限を解除して本フローチャートの処理を終了し、通常発電の制御に移行する。この場合には燃料電池２内の残留水は凍結していないと判断できるためである。

一方、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、燃料電池２での発電条件を調整する。この調整は、反応ガス（水素、空気）の供給量や圧力を制御することにより行う。ついで、ステップＳ１８で所定電流を流す。この流す電流値は、スタック４の電極表面で残留水の凍結が起こっていない場合に、燃料電池２の電極（アノード、カソード）での電食を防止し得る適正な電流値であって、発電により燃料電池２が自立暖機できる最小電流値以上の値に設定される。

ステップＳ２０では、各セル３の電圧値を電圧センサ２５により検出し、それぞれの検出値に基づいて、各セル３での電圧バラツキを把握する。この電圧バラツキは、各セル３の電圧の標準偏差を算出することにより求めてもよい。また、検出された各セル３の電圧値のうち、最大値から最小値を減算することにより求めてもよい。

そして、ステップＳ２２で、把握した電圧バラツキが閾値以下であるか否かを判定し、この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２６に進む。この閾値はマップ値であり、流れる電流が大きいほど閾値が大きくなるように設定している。

ステップＳ２４では、電流制限を解除して、本フローチャートを終了し、通常発電の制御に移行する。電圧バラツキが閾値以下である場合には、各セル３での発電が略均一に行われ、発電が十分に行われていると推定できるからである。
ステップＳ２６では、各セル３に流す電流を所定の上限値以内の電流に保持する制御を行う。電圧バラツキが閾値を超えている場合には、十分に発電が行われていないセル３が存在し、そのセル３の電極表面で残留水が凍結していると推定できる。このため、ステップＳ２６で電流値の上限制限を行うことで、前記電極の電流密度を減少させることができ、前記電極に過剰な電流が流れることを防止することができる。ステップＳ２６の処理を行った後は、再度、上述のステップＳ２０の処理に戻る。

図３は燃料電池システムの起動方法の他の処理内容を示すフローチャートである。同図において、図２と同様の処理については、同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
同図においては、把握した電圧バラツキが閾値を上回っていた場合（ステップＳ２２の判定結果がＮＯの場合）、ステップＳ３２に進み、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率が０より大きい（ｄＶ／ｄＩ＞０）か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に戻り、判定結果がＮＯであればステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、流す電流を削減する処理を行い、その後ステップＳ２０に戻る。電圧の変化率ｄＶ／ｄＩが０以下の場合には、発電による温度上昇がもたらす電圧の上昇に対して、発電部の電流密度上昇による反応ガスの供給不足がもたらす電圧の下降の方が大きくなっており、発電が不正常と考えられる。従って、この場合に前記流す電流値を減少させる処理を行うことで、発電部の電流密度を低下させることができるため、燃料電池スタック４に過剰な電流が流れることを防止することができる。

ここで、各セル３の電圧バラツキと発電状態との関係について図４、図５を用いて説明する。図４は各セルでの電圧と温度の時間変化を示すグラフ図である。図５は各セルにおける電圧幅（各セル電圧の最大値と最小値との差）と温度の時間変化を示すグラフ図である。これらの図において、ラインＬＶ１は各セル３における電圧の最大値を、ラインＬＶ２は最小値を、ラインＬＴは燃料電池２の内部温度Ｔを、ラインＬΔＶは最大値と最小値の差をそれぞれ示している。

これらの図に示すように、燃料電池２に電流を流し始めたときに、燃料電池２の内部温度が所定温度（この場合は０℃）よりも低い場合には、燃料電池２内部で残留水が凍結しており、各セル３の電圧幅が大きくなっている。発電を継続すると、発電による発熱で燃料電池２の内部温度が上昇していき、有る程度の時間所定温度のまま推移する。これは、発電による発熱が燃料電池２内の氷を融解する融解熱に使用されるためである。

そして、さらに発電を継続すると（時刻ｔ１以降）、燃料電池２の内部温度が上昇していき、セル電圧のバラツキが急激に減少している。これは、燃料電池２内部で凍結していた氷が溶け、発電に実質的に寄与しうる電極有効面積が急激に増加するためである。このように、電圧バラツキに応じて燃料電池２での発電状態を把握することができる。従って、図５に示すように、電圧バラツキ幅が閾値ΔＶ０を上回る場合には流れる電流の増加を禁止し（ＮＧ−Ｚｏｎｅ）、閾値ΔＶ０以下の場合には流れる電流の増加を許可する（ＯＫ−Ｚｏｎｅ）ことで、燃料電池２に過剰な負荷をかけることなく氷点下起動が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態における燃料電池の起動方法によれば、氷点下で燃料電池２を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、燃料電池２の性能低下を抑制することにより、寿命を延ばすことができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。

また、最低セル電圧で差を取る対象として、最高セル電圧に換えて、各セル電圧の平均電圧でもよく、図６で表される上限電圧でもよい。上限電圧とは、同図に示すように、電圧を測るときの温度Ｔ、電流値Ｉにおける、セルの電極全面が発電に寄与するときのセルの電圧を指す（ラインＬ）。ここで、最低セル電圧との差を取る対象を最高セル電圧から平均電圧または上限電圧に換えた場合には、ステップＳ２２の閾値の値を前記対象に応じた値に設定することはもちろんである。

また、ステップＳ１４の値については、０℃でなくてもよく、燃料電池２のセル３が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。
また、セル電圧値については必ずしも全てのセルの電圧値を検出する必要はなく、必要に応じて電圧値を検出するセルの数を設定してもよい。例えば、半数のセルの電圧値を検出してもよい。

また、電圧値を検出する全てのセルを所定数毎にユニットとし、このユニットを構成するセルの電圧値の和や平均値を実施の形態のセル電圧と同様に扱ってもよい。具体的には、ユニットを構成するセルの電圧値の和や平均値を各ユニット毎にそれぞれ求め、それぞれ求めた値のうち最大値や平均値、上限値を求めて最小値との差分をとるようにしてもよい。換言すれば、各ユニット毎に求めた値をセル電圧とみなして扱ってもよい。
また、閾値以下になった直後に制限を解除する場合以外にも、閾値以下になって多少時間が経過した後に制限解除するように制御してもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池システムの起動方法の他の処理内容を示すフローチャートである。 各セルでの電圧と温度の時間変化を示すグラフ図である。 各セルにおける電圧幅と温度の時間変化を示すグラフ図である。 燃料電池スタックを構成するセルの所定温度でセルに流す電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…セル
４…スタック
１９〜２１…温度センサ
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
２４…コントロールユニット

Claims (4)

1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   所定電流値を流したときの各セル電圧の標準偏差を算出し、該標準偏差の値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最大電圧値と最小電圧値とを求め、該最大電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。
3. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最小電圧値を求めるとともに各セル電圧の平均電圧値を算出して、該平均電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。
4. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   所定電流値を流したときの各セル電圧のうち最小電圧値を求めるとともに各セルにおける上限電圧値を算出して、該上限電圧値から該最小電圧値を減算し、該減算値が少なくとも閾値以下になるまで各セルに流す電流値の上限制限を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。
   
   

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