JP4742495B2

JP4742495B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4742495B2
Application number: JP2003406164A
Authority: JP
Inventors: 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005166550A

Description

本発明は、炭素を担体とした電極触媒を有する燃料電池システムに係り、特に起動時の制御を改善して触媒劣化を防止した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位であるセルは、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）と、燃料極側に燃料ガスとしての水素を供給するセパレータと、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するセパレータとを備えて構成されている。これらの電極触媒層は、通常白金等の触媒と、触媒担体としての炭素が使用されている（例えば特許文献１）。

固体高分子型燃料電池において、アノードに水素ガスが、カソードに空気（又は酸素）が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

（化１）
アノード（水素極）：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ →Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料電池の電解質膜には反応触媒としてプラチナ微粒子などが塗られる。プラチナは高価であるため、一般的には炭素を担体として炭素の表面に塗られる。

このような燃料電池システムの起動時に、水素を燃料電池各セルのアノード側に供給し始めた時、各セルのアノード内で水素分布勾配を生じる場合がある。燃料電池各セルのアノード内で水素供給入口に近い側がアノード出口側に比べて水素リッチとなる。

これは、燃料電池システム停止状態の時にカソード側から電解質膜を透過してきた空気が存在すること、あるいは、水素系の配管・継ぎ手などから進入した空気が存在するためである。このように各セルのアノード内に酸素が存在して水素分布勾配生じると各セルのアノード出口側（水素リッチでない）でプロトンが不足する。

このためセル出口側においてアノードからカソード側に到達するプロトンが不足する状態となり、セル出口側のアノード−カソード間の電位が過剰に上昇し、この電位上昇がエネルギとなってカソード電極触媒の腐食反応を生じるようになる。セル出口側（水素リッチでない）領域ではプロトン不足を補うため、カソード電極触媒を担持しているカーボンと水とが反応するようになる。その結果カソード電極触媒の活性領域が低下し劣化を引き起こす。このとき各セル出口側（水素リッチでない）領域のカソード側では以下の反応が起きる。

（化２）
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- (カーホ゛ン腐食反応) …（３）
２Ｈ₂Ｏ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ (水の電気分解反応) …（４）
このような腐食劣化を抑制する方法として、アノードに水素を流している間に燃料電池電圧が所定値を超えないように、ダミー抵抗を接続する技術が公知である（例えば、特許文献１）。

腐食劣化を起こしている部分のアノード−カソード間の電位は、通常よりも上昇しており、この電位上昇が触媒担体のカーボン腐食劣化反応を引き起こすエネルギとして作用する。特許文献１記載の技術では、この時ダミー抵抗により燃料電池出力を消費させて電位を下げるように作用させる。ダミー抵抗に電流が流れて電位が下がると、上記腐食劣化反応を起こすエネルギがなくなるため腐食劣化反応は抑制される。
特開平１０−１４４３３４号公報（第６頁、図１）

しかしながら、燃料電池システムの起動時に、毎回触媒腐食劣化を抑制する制御を行うことは、必要ないときにも行うことなり、その場合には必要以上に起動時間を長く取り、且つ水素を無駄に消費することになり、燃料電池システムの燃費性能の低下を招くという問題点があった。

上記問題点を解決するため、本発明は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノードに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、該燃料電池本体のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池システム起動時に燃料電池の触媒劣化抑制制御を行う燃料電池触媒劣化抑制制御手段を備えた第１の起動制御手段と、燃料電池システム起動時に、前記燃料電池の触媒劣化抑制制御を実行することなしにアノードとカソードに燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ供給して発電を開始する第２の起動制御手段と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する前の起動前の前記燃料電池本体のアノードの出口まで水素が行きわたっている状態を判断する起動前燃料電池状態判断手段と、該起動前燃料電池状態判断手段の出力に基づいて、第１の起動制御手段または第２の起動制御手段の何れにより燃料電池を起動するかを判断する起動制御選択手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池本体に燃料ガスを供給する前の起動前の燃料電池本体のアノードの出口まで水素が行きわたっている状態を判断して、触媒劣化抑制制御が必要な場合に触媒劣化抑制制御を行うので、燃料電池の触媒を劣化させることなく、触媒劣化抑制が不要な場合には、燃料電池の起動時間を短縮するとともに、水素を節約して燃料電池システムの燃費性能を向上させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する実施例は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施例を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池（燃料電池本体）１は、特に限定されないが内部加湿型であり、アノード１ａ、カソード１ｂ、電解質膜１ｃ、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅ、純水により反応ガスを加湿するための純水極１ｆ、１ｇ、純水極１ｇと冷却水流路１ｉを分離するセパレータ１ｈ、冷却水流路１ｉを備えている。

アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の中間圧力まで減圧され、水素供給弁４で中間圧力が所望の水素圧まで減圧制御されてアノード１ａへ供給される。

燃料電池システム全体の制御は、システム全体を制御するコントローラ２８の下に、カソード１ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御手段２２，アノード１ａの水素圧力を制御する水素圧力制御手段２３，冷却水温度を制御する冷却水温度制御手段２４，低温環境下での燃料電池停止時に純水を純水タンク１３へ回収するように制御する純水回収制御手段２５とを備えている。

エゼクタ５及び水素循環ポンプ８は、水素供給弁４から供給される新規水素とアノード１ａで消費されなかった水素とを混合してアノード１ａに供給する再循環を行わせるための燃料ガス循環装置として設置されている。水素循環ポンプ８はエゼクタ５が作動しない水素流量の領域で水素循環機能を補うために設置されている。

アノード１ａの水素圧は、水素圧力制御手段２３が圧力センサ６ａで検出した圧力をフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

アノード１ａと希釈ブロア９との間に設けられたパージ弁７は、次の（１）から（３）に示すような場合に開く。（１）水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）燃料電池の起動時に、アノード１ａのみガスを供給して燃料電池１から電力を取り出してカソード１ｂの酸素を消費させる燃料電池触媒劣化抑制制御を行いつつ水素系内のガスを水素置換する。また停止時にも同様に燃料電池触媒劣化抑制制御をおこなう。

希釈ブロア９は、パージ弁７から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈してシステム外へ排出する。

カソード１ｂへの空気はコンプレッサ１０から供給される。カソード１ｂの空気圧は、カソード入口に設けられた圧力センサ６ｂで検出される。空気圧力制御手段２２は、圧力センサ６ｂが検出した圧力をフィードバック制御して空気調圧弁１１を駆動することによって、カソード空気圧を所望の値に制御する。

純水極１ｆ、１ｇが使用する加湿用の純水は、純水タンク１３から純水ポンプ１２により供給される。空気圧、水素圧、純水圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜１ｃやセパレータ１ｄ，１ｅに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。純水極１ｆ、１ｇに供給された純水の一部は、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅを介してアノードの水素、カソードの空気をそれぞれ加湿する。純水の残部は、純水シャット弁１４ｄを介して純水タンク１３へ戻る。

純水回収制御手段２５は、純水回収弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び純水シャット弁１４ｄを駆動することによって、燃料電池１の純水極１ｆ、１ｇ及び純水系配管内の純水をコンプレッサ１０がカソード１ｂに供給する空気圧で純水タンク１３へ回収する。純水が純水極１ｆ、１ｇに残ったままの状態で燃料電池システムを停止すると、氷点下においては純水が凍結膨張して燃料電池１が破損する可能性があるため、純水を純水タンク１３へ回収する。尚、純水タンク１３内部で純水が凍結しても、純水タンク１３が破損しないように構造上の工夫がされている。

純水シャット弁１４ｄは、純水配管への水素リークを抑制する開閉弁である。燃料電池システムの起動、停止時に、純水が純水極１ｆ、１ｇに循環していない状態で水素をアノード１ａへ供給する場合に、純水回収弁１４ｂ及び純水シャット弁１４ｄを閉じることによって、純水配管への水素リークを抑制することができる。

燃料電池１内部の冷却水流路１ｉへの冷却水は、冷却水ポンプ１５により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、走行風によるラジエタ１７の冷却が十分でないときに、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、冷却水温度制御手段２４が温度センサ１９で検出した冷却水温度をフィードバックして三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整される。

パワーマネージャー２０は、燃料電池１から電力を取り出して図示しない車両駆動モータなどの負荷装置へ電力を供給する。

燃料電池１から電力を取り出すことができる電力消費手段２９は、ダミー抵抗器２６と、これを燃料電池１へ接続・切り離しする開閉器２７とを備えて構成されている。燃料電池の起動時または停止時に、燃料電池１の電圧が上昇して電極触媒を劣化させることがないように、コントローラ２８は、電力消費手段２９の開閉器２７を制御してダミー抵抗器２６を燃料電池１に接続して放電させることにより過電圧を防止する。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示す制御ブロック図であり、図１のコントローラ２８の機能の一部として実現されている。コントローラ２８は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと周辺インターフェースとを備えたマイクロコンピュータで実現されている。

図２において、起動前燃料電池状態判断手段１０１は、燃料電池システム起動前の燃料電池１の状態を判断する。この判断対象の状態は、例えば、電圧センサ２１で検出される燃料電池１の電圧、または電圧センサ２１の検出値の変化率である燃料電池電圧の変化率、或いは前回の燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガスの何れか一方の供給を停止してからの経過時間である。

起動制御選択手段１０２は、起動前燃料電池状態判断手段１０１の判断結果に基づいて、第１の起動制御手段１０３により起動するか、或いは第２の起動制御手段１０４により起動するかを選択する。

第１の起動制御手段１０３は、燃料電池システム起動時に燃料電池の触媒劣化抑制制御を行う燃料電池触媒劣化抑制制御手段１０５を備えた起動制御手段である。
第２の起動制御手段１０４は、燃料電池システム起動時に、燃料電池触媒劣化抑制制御を実行することなしにアノード１ａとカソード１ｂに燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ供給して発電を開始する起動制御手段である。

燃料電池触媒劣化抑制制御手段１０５は、燃料電池の起動時に、燃料電池の各セルのアノードの水素分布勾配によって引き起こされるカソード触媒腐食劣化抑制のために、開閉器２７を閉じて燃料電池１にダミー抵抗器２６を接続する。

また、電力消費手段２９は、ダミー抵抗器２６と、これを燃料電池１に接続・切り離しする開閉器２７の構成以外も可能である。

本実施例では、電力消費手段２９として、固定抵抗器を用いたダミー抵抗器２６としたが、可変抵抗器として放電電流を制御可能にしても良い。またＤＣ／ＤＣコンバータをもつ負荷装置で取り出し負荷（負荷電流）を任意に制御できる装置であっても良い。取り出した負荷はバッテリに充電するような構成であっても良い。さらに、パワーマネージャー２０がダミー抵抗器２６に代わってカソード触媒腐食劣化抑制時にも燃料電池１から電流を取り出して電力消費してもよい。

次に、図３のフローチャートを参照して、燃料電池起動時のコントローラ２８の動作を詳細に説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、燃料電池の起動前（燃料ガス供給前）に燃料電池の状態を判断する（図２の起動前燃料電池状態判断手段１０１に相当）。

本実施例における判断対象の燃料電池状態及び判断基準は、以下に示す（１）乃至（３）の何れを採用しても良い。

（１）電圧センサ２１で検出される燃料電池１の電圧が所定値を超えていること。

（２）電圧センサ２１の検出値の変化率である燃料電池電圧の変化率が所定範囲内であること。

（３）前回の燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガスの何れか一方の供給を停止してからの経過時間が所定時間内であること。

次いで、Ｓ２０で、燃料電池の状態が第２の起動制御手段で起動可能な状態であるか否かを判定する。条件が満足されれば、第２の起動制御手段により燃料電池を起動し、それ以外の場合には、燃料電池触媒劣化抑制制御を行う第１の起動制御手段で起動することとした。

次に、上記判断基準（１）〜（３）のぞれぞれについて、詳細に説明する。
（１）燃料電池電圧（図１の構成図では電圧センサ２１）が所定値以上の場合に第２の起動制御手段で起動可能と判断する場合の説明を以下に示す。本発明の実施例では、燃料電池システムを停止する時、電圧が所定値を下回ったら燃料ガスと酸化ガス供給を停止してシステム停止するようにしている。このため停止時の燃料電池電圧はゼロではなく、またアノード、カソードにもそれぞれガスが残っている状態である。この状態の時、アノードの水素はカソードへ、カソードの酸素はアノードへそれぞれアノードとカソードの間の電解質膜を通過して移動し、これにともなって燃料電池電圧も図６に示すように低下してくる。このような状態の時は各セルのアノードの出口まで水素が行き渡っている状態であるのでカソード触媒腐食劣化が起きない状況である。しばらくするとアノードとカソードのガスが平衡してくるので燃料電池電圧はゼロになる。よって燃料電池起動前に水素供給を開始する前に燃料電池電圧が所定値以上の時は、電圧が低下している最中であり、各セルのアノードの出口まで水素が行き渡っている状態であるため、燃料電池触媒劣化抑制制御を行わない第２の起動制御手段により燃料電池を起動するようにした。

（２）燃料電池の電圧変化率が所定の範囲内である場合に、第２の起動制御手段で起動可能と判断する。本実施例では今回の電圧センサ２１の検出値と前回の電圧センサ２１の検出値との差分を電圧変化率としたが、電圧検出毎にタイマを参照して検出した時刻を求め、電圧値の差分を時間差で除算してより正確な電圧変化率を求めてもよい。

燃料電池の起動前状態として燃料電池の電圧変化率を用いる場合の説明を以下に示す。アノードの水素がカソードへ、カソードの酸素がアノードへそれぞれアノードとカソードの間の電解質膜を通過して移動して電圧が低下してくる最中において、電圧低下の変化率はガスの移動速度に応じた所定の範囲内の変化率で低下する。よって電圧低下の変化率が所定の範囲内の変化率であれば各セルのアノードの出口まで水素が行き渡っている状態であるため第２の起動制御手段により起動するようにした。

また、電解質膜にホールなどの損傷がある場合は、ガスの移動が速くなり電圧の低下速度が所定の範囲の上限を上回って速くなる。このような場合には、異常ありと判断して起動しないようにして運転不可能と判断するようにでき、燃料電池のダメージを防止することができる。

電圧の低下速度が所定の範囲の下限を下回る場合はなんらかの詰まりが考えられ、異物がガスチャネルを塞いだなどが考えられる。このような場合は異常ありと判断して起動しないようにして運転不可能と判断するようにできる。

（３）前回の燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガス供給のどちらか一方を停止してからの経過時間が所定時間以内の場合に、第２の起動制御手段で起動可能と判断する。本実施例では燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガス供給のどちらか一方を停止した時からタイマを動作させておくようにし、起動時にタイマをチェックしてタイマの経過時間が所定時間以内かどうかをチェックするようにした。

燃料電池の起動前状態として前回燃料電池を停止してからの経過時間を用いる場合の説明を以下に示す。本実施例では燃料電池システムを停止する時、電圧が所定値を下回ったら燃料ガスと酸化ガス供給を停止してシステム停止するようにしている。このため停止後の燃料電池電圧はゼロではなく、またアノード、カソードにもそれぞれガスが残っている状態である時、アノードの水素がカソードへ、カソードの酸素がアノードへそれぞれアノードとカソードの間の電解質膜を通過して移動して電圧が低下してくるので、水素と空気の供給を停止後所定時間はアノード側水素がカソード側へ移動している最中である。このような状態の時は、各セルのアノードの出口まで水素が行き渡っている状態であるのでカソード触媒腐食劣化が起きない状況であるため、第２の起動制御手段により起動実行するようにした。

本実施例では停止時に電圧が所定値を下回ったら燃料ガスと酸化ガス供給を同時に止めるようにしているが、どちらか一方が先に停止するようにしても良い。その場合、酸化ガス供給を先にとめて燃料ガスを後から止めるほうが良い。カソード側から電解質膜を通過して移動してくる酸素がアノードに滞留することを抑制する作用がある（アノードには水素が十分あるため）。酸素がアノードに滞留すると次の起動時に水素供給開始時にアノード内で水素分布勾配を生じる原因となるからである。

いずれにしてもどちらか一方のガス供給が停止されて、電圧はゼロではなくアノード、カソードにそれぞれガスが残っている状態である時は、アノードの水素がカソードへ、カソードの酸素がアノードへそれぞれアノードとカソードの間の電解質膜を通過して移動して電圧が低下は始まるので、燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガス供給のどちらか一方が先に停止してからの経過時間が所定時間経過後とした。

図３のフローチャートの説明に戻る。
Ｓ２０で、第１の起動制御手段により燃料電池を起動すると判断した場合には、Ｓ３０からＳ６０までの各ステップに示された第１の起動制御手段を実行する。第１の起動制御手段は、水素供給を開始して各セルのアノードに水素が供給され始めた時に生じる各セルのアノード内の水素分布勾配が原因で引き起こされるカソード触媒腐食劣化抑制を実行後に、カソードに空気を供給して発電を開始させる制御手段である。

Ｓ２０で第２の起動制御手段により起動すると判断した場合には、Ｓ８０のステップにおいて、第２の起動制御手段により燃料電池を起動する。第２の起動制御手段は、アノードに水素、カソードに空気をそれぞれ供給してすぐに発電を開始するように制御する。

Ｓ３０では、アノードに水素の供給を開始する。アノードのみに水素を供給してカソードには空気を供給しない状態とする。

本実施例ではアノード入口圧力を目標運転圧力に維持するように制御しているので、ここで水素圧力制御手段２３によりアノードの水素圧力制御を開始する。

図１の構成図では、水素圧力制御手段２３は、水素タンク元弁３を開き、パージ弁７を開き、希釈ブロワ９の運転を開始し、水素循環ポンプ８の運転を開始し、エゼクタ５の弁を開く。

パージ弁７を開き、希釈ブロワ９の運転を開始するのは、排水素経路を確保するためである。水素循環ポンプ８の運転開始とエゼクタ５の弁を開くのは、水素供給開始時になるべく速く各セルのアノードの出口まで水素が到達して各セルのアノード内で水素分布が速く均一となるようにするために、水素の流速を上げるように作用させるためである。水素供給開始時にアノード内で水素分布勾配を生じるとカソード触媒が腐食劣化反応を引き起こすため、カソード触媒の腐食劣化反応をできる限り短時間にして腐食劣化を最小限にするためである。

Ｓ４０では、開閉器２７を閉じてダミー抵抗器２６を燃料電池１に接続し、ダミー抵抗器２６で燃料電池１が発電した電力を消費させる。Ｓ３０で水素供給を開始して各セルのアノードに水素が供給され始めた時、カソードに残存している酸素と発電反応を起こして電圧が増加する。カソードに空気を供給しない状態なので、しばらくするとカソードの残存酸素は消費されて減少し、これに伴って電圧も低下してくる。各セルのアノードに水素が供給され始めた時入口側のほうが出口側よりも水素リッチな状態であり、アノード内で水素分布勾配を生じる。アノード出口側（水素リッチでない方）ではプロトンが不足し、このプロトン不足を補うためカソード出口側ではカソード触媒をサポートしているカーボン材とＨ2Ｏが反応するようになり、カソード触媒の有効面積が減少するようになり、腐食劣化反応を引き起こす。この結果プロトンが不足している各セルの出口側は入口側に比べて電位が上昇し、この電位上昇が腐食劣化反応を引き起こすエネルギとして作用する。

Ｓ４０ではこの時に、ダミー抵抗器２６を燃料電池１のアノード１ａとカソード１ｂに接続するので、ダミー抵抗器２６に電流が流れ電力が消費される。ダミー抵抗器２６に電流が流れることによって燃料電池１の電圧は低下し、腐食劣化反応を引き起こすエネルギが減少するため腐食劣化反応は抑制される。

本実施例では、電力消費手段２９は、ダミー抵抗器２６とダミー抵抗器２６を燃料電池に接続・切り離しする開閉器２７の構成としたが、このような構成以外も可能である。例えば本実施例は、固定抵抗のダミー抵抗器としたが、可変抵抗として負荷制御するようにしても良い。またＤＣ／ＤＣコンバータをもつ負荷装置で取り出し負荷（負荷電流）を任意に制御できる装置であっても良い。取り出した負荷はバッテリに充電するような構成であっても良い。

次いで、Ｓ５０で、カソードに空気を供給せずにアノードに水素を供給してダミー抵抗器２６により燃料電池１が発電した電力を消費する状態（触媒劣化抑制状態）を終了するタイミングを判断する。

本実施例では電圧センサ２１が検出する燃料電池電圧が所定電圧以下となった後に、所定時間経過した時点で、触媒劣化抑制状態を終了するタイミングとした。電圧が所定電圧以下となった時点で直ちに終了タイミングとしても良いが、本実施例ではアノード内の水素濃度が十分高くなる時間の確保のために燃料電池電圧が所定電圧以下となった後に、さらに所定時間経過した時点で終了タイミングとした。これは以下のＳ６０終了後通常の負荷を接続した時に水素不足とならないようにする効果があるためである。上記所定時間は、起動直後に燃料電池に負荷を接続した時に電圧が異常低下しない値を実験的に求めて、コントローラ２８に記憶させた。

Ｓ６０では、空気を供給開始して発電を開始するとともに、ダミー抵抗器２６を切り離す。図１の構成図ではコンプレッサ１０を起動し、空気圧力制御手段２２によりカソードの空気圧力制御を開始とする。また、開閉器２７を開としてダミー抵抗器２６を切り離すとともに、パワーマネージャー２０による電力取り出しを開始する。ダミー抵抗器２６は起動時の水素供給開始時の水素分布勾配に起因する触媒劣化を抑制するために接続した負荷抵抗なので、アノードの水素分布が均一となっているＳ６０では不要であり、余計な負荷として作用するだけとなるのでここで切り離す。

Ｓ８０では、アノードに水素、カソードに空気をそれぞれ供給してすぐに発電を開始する。このようにして、カソード酸素消費状態に要する時間を省略することで、燃料電池の起動時間の短縮と、燃料である水素ガスの節約に効果がある。

図４は、図３のＳ１０及びＳ２０の起動前の燃料電池状態の判断の変形例を説明するフローチャートである。この変形例では、（１）燃料電池電圧の検出値、（２）燃料電池電圧の変化率、（３）前回の燃料電池の停止時からの経過時間の３条件がともに満足されたとき（アンド条件）に、第２の起動制御手段で起動すると判断する場合である。

まず、Ｓ１１０で電圧センサ２１が検出した燃料電池１の電圧検出値を読み込み、検出値が所定値以上か否かを判断する。所定値以上であれば、アノードの水素濃度が十分にあるので燃料電池触媒劣化抑制制御を省略して起動できる可能性があるとしてＳ１１２へ進む。所定値未満であれば、Ｓ１２６へ進み、燃料電池触媒劣化抑制制御を行う第１の起動制御手段で起動可能と判断する。

Ｓ１１２では、燃料電池電圧の変化率を検出し、この変化率が所定の範囲内か否かを判断する。この変化率が所定上限値と所定下限値との間の所定範囲内にあれば、各セルのアノードの出口まで水素が行き渡っている状態であるため第２の起動制御手段により起動できる可能性があるとして、Ｓ１１４へ進む。

Ｓ１１２の判断で所定範囲内にない場合、Ｓ１１８へ進み、電圧低下の変化率が上限値を超えているか否かを判断する。Ｓ１１８で所定範囲の上限値を超えている場合は、電解質膜１ｃに穴などの損傷がある可能が高いため、Ｓ１２０へ進み、起動不可と判断する。

Ｓ１１８の判断で、電圧変化率が所定範囲の上限値を超えていない場合には、Ｓ１２２へ進み、電圧変化率が所定範囲の下限値を下回っているか否かを判断する。Ｓ１２２の判断で電圧変化率が所定範囲の下限値を下回っている場合には、ガス流路になんらかの詰まりが考えられ、異物等がガスチャネルを塞いだことなどが考えられる。このような場合はガスが供給されないあるいはガスが極端に不足するセルが発生する可能があるので、Ｓ１２４へ進み、起動不可と判断する。

Ｓ１１４では、前回の燃料電池システム停止時に、燃料ガスまたは酸化ガスの何れか一方の供給を停止してからの経過時間が所定時間以内であるか否かを判断する。Ｓ１１４の判断で、経過時間が所定時間以内であれば、燃料電池触媒劣化抑制制御を行わない第２の起動制御手段で燃料電池を起動可能と判断する。Ｓ１１４の判断で、経過時間が所定時間を超えていれば、Ｓ１２６へ進み、燃料電池触媒劣化抑制制御を行う第１の起動制御手段で燃料電池を起動可能と判断する。

図５は、ダミー抵抗器の切離しタイミングの判断の詳細を説明するフローチャートである。まずステップ２１０で、電圧センサ２１が検出した燃料電池１の電圧を読み込み、この検出電圧が所定電圧以下となったか否かを判定する。所定電圧を超えていれば、Ｓ２１０のセルフループで待機する。所定電圧以下になれば、Ｓ２１２へ進んでタイマーを作動させ、その後所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していなければ、Ｓ２１２のセルフループで待機する。Ｓ２１２で所定時間経過すれば、Ｓ２１４へ進み、アノードに水素を流してダミー抵抗器を接続し燃料電池から電力を取り出している状態を終了するタイミングと判断して、リターンする。

本実施例ではアノード内の水素濃度が十分高くなる時間の確保のために燃料電池電圧が所定電圧以下となった後に、さらに所定時間経過した時点で終了タイミングとした。これは以下のＳ６０終了後通常の負荷を接続した時に水素不足とならないようにする効果があるためである。Ｓ２１２で判断に用いる所定時間は、起動直後に燃料電池に負荷を接続した時に電圧が異常低下しない値を実験的に求めて、コントローラ２８に記憶させるようにしている。

本発明に係る燃料電池システムの実施例の構成を説明するシステム構成図である。本発明に係る燃料電池システムの要部構成図である。実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するゼネラルフローチャートである。起動前の燃料電池状態判断を説明する詳細フローチャートである。ダミー抵抗器切り離しタイミングの判断を説明する詳細フローチャートである。燃料電池システム停止後の電圧の変化を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６ａ、６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
８…水素循環ポンプ
９…希釈ブロア
１０…コンプレッサ
１１…空気調圧弁
１２…純水ポンプ
１３…純水タンク
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…純水回収弁
１４ｄ…純水シャット弁
１５…冷却水ポンプ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
１９…温度センサ
２０…パワーマネージャー
２１…電圧センサ
２２…空気圧力制御手段
２３…水素圧力制御手段
２４…冷却水温度制御手段
２５…純水回収制御手段
２６…ダミー抵抗器
２７…開閉器
２８…コントローラ
２９…電力消費手段

Claims

燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
該燃料電池本体のアノードに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
該燃料電池本体のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置とを有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池システム起動時に燃料電池の触媒劣化抑制制御を行う燃料電池触媒劣化抑制制御手段を備えた第１の起動制御手段と、
燃料電池システム起動時に、前記燃料電池の触媒劣化抑制制御を実行することなしにアノードとカソードに燃料ガスと酸化ガスをそれぞれ供給して発電を開始する第２の起動制御手段と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する前の起動前の前記燃料電池本体のアノードの出口まで水素が行きわたっている状態を判断する起動前燃料電池状態判断手段と、
該起動前燃料電池状態判断手段の出力に基づいて、第１の起動制御手段または第２の起動制御手段の何れにより燃料電池を起動するかを判断する起動制御選択手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池状態検出手段として、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記起動前燃料電池状態判断手段は、
アノードに燃料ガスを供給する前の前記電圧検出手段の検出値が所定値以上の場合に、第２の起動制御手段を用いて燃料電池システムを起動可能と判断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。
燃料電池状態検出手段として、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記起動前燃料電池状態判断手段は、
アノードに燃料ガスを供給する前の前記電圧検出手段の検出値の変化率が所定の範囲内である場合に、第２の起動制御手段を用いて燃料電池システムを起動可能と判断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。
前記起動前燃料電池状態判断手段は、
アノードに燃料ガスを供給する前に、前回の燃料電池システム停止時に燃料ガスまたは酸化ガスの何れか一方の供給を停止してからの経過時間が所定時間以内の場合に、第２の起動制御手段を用いて燃料電池システムを起動可能と判断することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池本体から電力を取り出すことができる電力消費手段を備え、
前記燃料電池触媒劣化抑制制御手段は、
燃料電池システム起動時に、アノード側のみに燃料ガスを供給しながら、燃料電池本体の電圧が所定値を超えないように前記電力消費手段による電力取出を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池触媒劣化抑制制御手段は、
燃料電池電圧が所定値以下となった後、所定時間経過した場合に前記電力消費手段による電力消費を停止させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記電力消費手段は、ダミー抵抗器と、該ダミー抵抗器を燃料電池本体に任意に接続・切離できる開閉器とを備えたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。