JP4945968B2

JP4945968B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4945968B2
Application number: JP2005254894A
Authority: JP
Inventors: 英嗣伊豆原; 祐一坂上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007066844A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。

燃料電池システムにおいては、運転終了時に燃料電池内に水分が残存している場合、低温環境下で燃料電池内部の水分が凍結する。このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。

このような問題を解決するために、燃料電池の発電効率を制御して自己発熱量を制御する燃料電池の運転方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、燃料電池の電極間を短絡した状態で燃料電池に供給される反応物（酸化物・還元物）を不足状態にし、電極での過電圧を増やすことで自己発熱量を増やしている。
特表２００３−５０４８０７号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、セル電圧が低くなった場合、燃料電池が濃淡電池として作用することがある。これについて、図８に基づいて説明する。

図８に示すように、燃料電池セル１００は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１００ａをアノード１００ｂとカソード１００ｃとにより挟んでなる基本構成となっているが、水素が供給されるアノード側の水素濃度α１が、カソード側の水素濃度α２よりも大きい場合、この濃度差によってアノードとカソードとの間に起電力が発生する。

そして、この起電力が推進力となって、アノード１００ｂ側の水素が、プロトン状態（Ｈ⁺）にて電解質膜１００ａを通りカソード１００ｃ側へ拡散移動する。そのため、カソード１００ｃ側に水素が発生し、カソード１００ｃ側からの排出空気中に水素が混合するという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池を低電圧で発電させ、燃料電池の自己発熱量を増加させる燃料電池システムにおいて、水素の空気極への移動を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の各手段を採用している。

本発明の第１の特徴は、酸素と水素を電気化学反応させて発電し、電力消費機器（２２、４２）に電力を供給する燃料電池（１０）と、水素供給経路（３０ａ）を介して燃料電池（１０）に供給される水素の供給圧を調整可能な水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）と、燃料電池（１０）の発電効率を調整する発電効率調整手段（１８、１９）と、燃料電池（１０）から未反応水素を含んで排出されるオフガスを水素供給経路（３０ａ）に再循環させるためのオフガス循環経路（３０ｃ）に設けられ、オフガス循環経路（３０ｃ）にオフガスを循環させるオフガス循環ポンプ（３６）とを備え、燃料電池（１０）は、プロトン導電性を有する電解質膜が水素極と酸素極で挟まれて構成された複数の燃料電池セルが積層された固体高分子型燃料電池であり、発電効率調整手段（１８、１９）により燃料電池（１０）の電圧をゼロボルト付近で制御する低電圧制御を行う際に、水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を燃料電池（１０）の通常運転時より低下させ、水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を燃料電池（１０）の通常運転時より低下させる際に、オフガス循環ポンプ（３６）によりオフガス循環量を燃料電池（１０）の通常運転時より増加させることである。

このように、燃料電池（１０）の低電圧制御を行う際に、燃料電池（１０）への水素供
給圧を低くすることで、燃料電池セルのアノードにおける水素分圧を低下させることがで
き、濃淡電池の起電圧を低下させることができる。これにより、燃料電池セルが濃淡電池
として作用することを抑制でき、燃料電池セルのアノードの水素がカソードに移動するこ
とを抑制することができる。
また、水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を燃料電池（１０）の通常運転時より低下させる際に、オフガス循環ポンプ（３６）によりオフガス循環量を燃料電池（１０）の通常運転時より増加させることで、燃料電池（１０）に供給される水素流量を増加させることができ、燃料電池（１０）に供給される水素が低圧状態でも燃料電池（１０）への水素供給量を確保できる。

具体的には、発電効率調整手段（１８、１９）により低電圧制御を行う際に、水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を４０ｋＰａ・Ｇ以下にすることで、濃淡電池の起電圧を効果的に低下させることができる。

また、水素供給圧調整手段として、燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を任意に変更可能な可変レギュレータ（３３）を用いることで、燃料電池（１０）に供給される水素の供給圧を低下させることができる。さらに、水素供給圧調整手段として、水素供給経路（３０ａ）から分岐した後で再合流するように設けられ、通過後の水素の圧力を低下させる低圧用経路（３０ｄ）を用いても、燃料電池（１０）に供給される水素の供給圧を低下させることができる。

本発明の第２の特徴は、発電効率調整手段は、燃料電池と電力消費機器との間を電気的に開閉可能な第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）と、燃料電池の端子間を電気的に開閉可能な第２の開閉器（１９）を含んでおり、第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）を開状態とし、第２の開閉器（１９）を閉状態とすることで燃料電池（１０）の電圧をゼロボルト付近にすることである。これにより、燃料電池の端子間を短絡させることができ、燃料電池の電圧を低下させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。各セル１００は、電解質膜が水素極（アノード）と酸素極（カソード）で挟まれた構成となっている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。

燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。

燃料電池システムには、各セル１００の電圧を検出するセルモニタ１５と、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ１６と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１７が設けられている。さらに燃料電池システムには、燃料電池１０の両電極とＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを結ぶ電流経路上に燃料電池１０と電力消費機器との間を電気的に開閉可能な２つの第１スイッチ１８ａ、１８ｂが設けられ、燃料電池１０の端子間を結ぶ電流経路に燃料電池１０の端子間を電気的に開閉可能な第２スイッチ１９が設けられている。第１スイッチ１８ａ、１８ｂは本発明の第１の開閉器に相当し、第２スイッチ１９は本発明の第２の開閉器に相当している。さらに、第１スイッチ１８ａ、１８ｂ、第２スイッチ１９、制御部５０は、本発明の発電効率調整手段に相当している。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の圧縮機２１が設けられている。この圧縮機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって圧縮機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して燃料電池１０および二次電池１２と接続されている。

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて圧縮機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、水素ボンベ３１を開閉する水素ボンベ開閉弁３２、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整可能な可変レギュレータ３３、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３４が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３５が設けられている。なお、可変レギュレータ３３が本発明の燃料ガス供給圧調整手段に相当している。

燃料電池１０から排出される未反応水素を含むオフガスを燃料電池１０に再循環させるために、水素排出経路３０ｂにおける水素排出経路開閉弁３５の上流側と水素供給経路３０ａとを接続するオフガス循環経路３０ｃが設けられている。水素循環経路３０ｃには、オフガスを循環させるためのオフガス循環ポンプ３６が設けられている。

燃料電池１０に水素を供給する際には、水素ボンベ開閉弁３２と水素供給経路開閉弁３４を開弁するとともに、可変レギュレータ３３によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３５によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４４が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、および電流センサ１７からの電流信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、２３、第１スイッチ１８ａ、１８ｂ、第２スイッチ１９、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素ボンベ開閉弁３２、可変レギュレータ３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。

図２は、燃料電池１０の発電時における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示している。図２において、実線が定常運転時のＩ−Ｖ特性を示し、破線で囲んだ部分が水素の化学エネルギーを示している。図２に示す水素のエネルギーのうち、電気エネルギーに変換できない分は熱エネルギーに変換される。したがって、燃料電池１０の発電をＩ−Ｖ特性上で制御する場合には、水素のエネルギーのうちＩ−Ｖ特性より上側が熱エネルギーに変換され、燃料電池１０の自己発熱となる。

図２より、燃料電池１０の発電効率を低下させると、発生する電気エネルギーが低下する分、発生する熱エネルギーが増大することがわかる。発電効率とは、水素を消費したエネルギーに対する燃料電池１０が発電したエネルギーの比率である。燃料電池１０を定電流制御した場合には、電圧の低下とともに発電効率が低下する。燃料電池１０の発電効率は、反応ガス（水素、酸素）の供給量を減少させたり、燃料電池１０の電極間を短絡させることで調整することができる。

また、反応ガスの供給量を減少させて、燃料電池１０の電圧をゼロボルト付近に制御した場合、燃料電池セル１００に逆電位が生じる場合がある。燃料電池セル１００での逆電位の発生を防ぐためには、燃料電池１０の発電電流を逆電位が発生しない電流値に制御すればよい。逆電位が発生しない電流値は燃料電池１０の温度によって変化するため、逆電位が発生しない電流値を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量は、燃料電池１０の温度によって変化する。このため、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップ化しておき、燃料電池１０の温度に基づいて酸素供給量を決定すればよい。

上記「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、燃料電池セル１００の電圧が低下した場合、燃料電池１０が濃淡電池として作用する。

図３は、燃料電池１０が濃淡電池として作用する場合の理論起電圧を示している。図３に示すように、濃淡電池の起電圧は、温度により変動するが０．１ボルト前後である。このため、燃料電池１０を低電圧に制御し、燃料電池セル１００の起電圧が０．１ボルトを下回った場合、燃料電池セル１００の電気化学反応に関係なく、アノードの水素がプロトンとしてカソードに移動する。このため、燃料電池セル１００が濃淡電池として作用することを防止するためには、濃淡電池の起電圧を低下させる必要がある。

燃料電池１０が濃淡電池として作用した場合の起電圧Ｅｎは、以下の数式１で得ることができる。
（数１）
Ｅｎ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ１／Ｐ２）
ただし、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、Ｆ：ファラデー定数、Ｐ１：アノードの水素分圧、Ｐ２：カソードの水素分圧である。

数式１より、アノードの水素分圧を低下させることで、起電圧Ｅｎを低下させることができることが分かる。そこで、本実施形態では、燃料電池１０の発電効率をゼロ付近で運転するように制御し、水素のエネルギーを熱エネルギーに変換する低電圧制御を行う際に、燃料電池１０への水素供給圧を低下させ、アノードの水素分圧を低下させる制御を行う。なお、燃料電池１０への水素供給量を欠乏気味にしてアノードからカソードへの水素移動を抑制することも考えられるが、燃料電池１０で水素が欠乏すると、電解質膜の劣化を引き起こすため、燃料電池１０への水素供給量は過剰気味する必要がある。

次に、本実施形態の燃料電池システムの発電効率制御について説明する。図４〜図６は、本実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートであり、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う処理を示している。

図４に示すように、温度センサ１６で燃料電池１０の温度を検出し、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ１００）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っている場合には、図５に示す第１発電効率制御を行う（Ｓ１０１）。

第１発電効率制御では、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし（Ｓ２００）、第２スイッチ１９を閉状態にする（Ｓ２０１）。これにより、燃料電池１０が短絡状態となる。そして、燃料電池１０に水素と空気を供給する（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。燃料電池１０への水素供給量は、常に燃料電池１０における反応可能量以上に保つようにする。これにより、水素不足により電解質膜の劣化を抑制できる。また、燃料電池１０の水素と空気を供給開始する前に、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし、第２スイッチ１９を閉状態にすることで、これらのスイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを安全に行うことができる。

そして、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ２０４）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていると判定された場合には（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、燃料電池１０の電流を検出し（Ｓ２０５）、燃料電池１０への空気供給制御を行って空気供給量を減少させる（Ｓ２０６）。空気供給量の制御は、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップを用い、燃料電池１０の温度に基づいて逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させることができる空気供給量を決定する。

このように、燃料電池１０を短絡させ、空気供給量を減少させることにより、外部出力電圧をゼロボルト付近（本実施形態では０．１ボルト）にすることができ、燃料電池１０の発電効率をゼロに近づけることができる。これにより、燃料電池１０の発熱量が増大し、燃料電池１０を昇温させることができる。

次に、可変レギュレータ３３により燃料電池１０への水素供給圧を通常作動時より低下させる（Ｓ２０７）。本実施形態では、燃料電池１０の通常運転時における水素供給圧（１００ｋＰａ・Ｇ程度）の１／２以下の圧力に低下させている。具体的には、燃料電池１０への水素供給圧を４０ｋＰａ・Ｇ以下にすることで、燃料電池セル１００のアノードの水素分圧を低下させることができる。本実施形態では、燃料電池１０への水素供給圧を２０〜３０ｋＰａ・Ｇの範囲内としている。これにより、燃料電池セル１００のアノードの水素分圧を低下させることができるので、燃料電池セル１００が濃淡電池として作用することを抑制し、水素がカソードに移動することを抑制することができる。

次に、オフガス循環ポンプ３６によるオフガス循環量を燃料電池の通常作動時より増加させる（Ｓ２０８）。これにより、燃料電池１０に供給される水素流量を増加させることができ、燃料電池１０に供給される水素が低圧状態でも燃料電池１０への水素供給量を確保できる。

Ｓ２０４で燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていないと判定された場合には（Ｓ２０４：ＮＯ）、空気供給を停止し（Ｓ２０９）、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認し（Ｓ２１０）、水素供給を停止する（Ｓ２１１）。その後、第２スイッチ１９を開状態にし（Ｓ２１２）、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にする（Ｓ２１３）。このように、燃料電池１０の水素と空気の供給停止後、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認してから、第２スイッチ１９を開状態にし、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にすることで、安全にスイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことができる。

以上の第１発電効率制御終了後、図４に戻り、通常運転を行う（Ｓ１０２）。そして、運転停止時に（Ｓ１０３）、燃料電池温度が第２所定温度ｔ１を下回っているか否かを判定する（Ｓ１０４）。この結果、燃料電池温度が第２所定温度ｔ１を下回っていると判定された場合には、図６に示す第２発電効率制御を行う（Ｓ１０５）。

第２発電効率制御では、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを開状態にし（Ｓ３００）、第２スイッチ１９を閉状態にする（Ｓ３０１）。これにより、燃料電池１０が短絡状態となる。そして、燃料電池１０に水素と空気を供給し（Ｓ３０２、Ｓ３０３）、冷却水経路４０を介して燃料電池１０に冷却水を供給する（Ｓ３０４）。燃料電池１０への水素供給量は、常に燃料電池１０における反応可能量以上に保つようにする。これにより、水素不足により電解質膜の劣化を抑制できる。また、燃料電池１０の水素と空気を供給開始する前に、スイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことで、スイッチ切り替えを安全に行うことができる。

そして、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っているか否かを判定する（Ｓ３０５）。この結果、燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていると判定された場合には（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、燃料電池１０の電流を検出し（Ｓ３０６）、空気供給制御を行う（Ｓ３０６）。具体的には、空気供給量を減少させる。空気供給制御は、上記Ｓ２０６と同様、逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池１０の温度とを予め関連づけたマップを用い、燃料電池１０の温度に基づいて逆電位が発生しない電流を燃料電池１０で発電させることができる空気供給量を決定する。

このように、燃料電池１０を短絡させ、空気供給量を減少させることにより、外部出力電圧をゼロボルト付近にすることができ、燃料電池１０の発電効率をゼロに近づけることができる。

次に、可変レギュレータ３３により燃料電池１０への水素供給圧を通常作動時より低下させる（Ｓ３０８）。本実施形態では、燃料電池１０の通常運転時における水素供給圧（１００ｋＰａ・Ｇ程度）の１／２以下の圧力に低下させている。具体的には、燃料電池１０への水素供給圧を４０ｋＰａ・Ｇ以下にすればよく、本実施形態では２０〜３０ｋＰａ・Ｇの範囲内としている。これにより、燃料電池セル１００のアノードの水素分圧を低下させることができるので、燃料電池セル１００が濃淡電池として作用することを抑制し、水素がカソードに移動することを抑制することができる。

次に、オフガス循環ポンプ３６によるオフガス循環量を燃料電池の通常作動時より増加させる（Ｓ３０９）。これにより、燃料電池１０に供給される水素流量を増加させることができ、燃料電池１０に供給される水素が低圧状態でも燃料電池１０への水素供給量を確保できる。

次に、燃料電池１０に供給される冷却水流量を減少させる（Ｓ３１０）。これにより、燃料電池１０を昇温させやすくすることができる。

Ｓ３０５で燃料電池温度が第１所定温度ｔ０を下回っていないと判定された場合には（Ｓ３０５：ＮＯ）、空気供給を停止し（Ｓ３１１）、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認し（Ｓ３１２）、水素供給を停止する（Ｓ３１３）。その後、第２スイッチ１９を開状態にし（Ｓ３１４）、第１スイッチ１８ａ、１８ｂを閉状態にする（Ｓ３１５）。このように、燃料電池１０の水素と空気の供給停止後、燃料電池１０の電圧が所定電圧以下であることを確認してから、スイッチ１８ａ、１８ｂ、１９の切り替えを行うことで、スイッチ切り替えを安全に行うことができる。

以上の第２発電効率制御終了後、図４に戻り、燃料電池１０内部の残留水分を除去する水分パージを行い（Ｓ１０６）、システムを終了させる。このように、燃料電池１０の温度が高くなった状態で水分パージを行うことで、水分パージに要する時間を短くすることができる。

以上の構成により、低温起動時には、発電効率を低下させる低電圧制御を行うことで燃料電池１０を昇温させることができる。これにより、燃料電池１０が起動できなくなることを防止でき、燃料電池起動後においても電気化学反応による生成水が凍結してしまうことを防止できる。

また、低電圧制御を行う際に、燃料電池１０への水素供給圧を燃料電池１０の通常運転時の水素供給圧より低くすることで、燃料電池セル１００のアノードにおける水素分圧を低下させることができ、濃淡電池の起電圧を低下させることができる。これにより、燃料電池セル１００が濃淡電池として作用することを抑制でき、燃料電池セル１００のアノードの水素がカソードに移動することを抑制することができる。本実施形態の構成では、燃料電池１０への水素供給量は減少させないので、電解質膜が劣化することを防止できる。

また、燃料電池システムを停止する際にも、燃料電池１０の温度が低い場合には、低電圧制御を行うことで、燃料電池１０を昇温させることができ、効率的に燃料電池１０内部の残留水を除去することができる。これにより、燃料電池システム停止時に燃料電池１０内部の水が凍結し、燃料電池１０が起動できなくなることを防止できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、本第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。図７に示すように、本第２実施形態では、燃料ガス供給圧調整手段として、可変レギュレータ３３に代えて、低圧用経路３０ｄが設けられている。低圧用経路３０ｄは、水素供給経路３０ａの水素ボンベ開閉弁３２の下流側において、水素供給経路３０ａから分岐し、水素供給経路３０ａに再び合流するように設けられている。低圧用経路３０ｄは水素供給経路３０ａより流路径が小さくなっており、低圧用経路３０ｄに水素を通過させることで、燃料電池１０に供給される水素の圧力を低下させることができる。低圧用経路３０ｄに水素を通過させた場合の水素圧力は、水素を水素供給経路３０ａのみに通過させた場合の水素圧力（１００ｋＰａ・Ｇ）の１／２以下となるようにしている。具体的には、低圧用経路３０ｄに水素を通過させた場合の水素圧力を４０ｋＰａ・Ｇ以下にすればよく、本実施形態では２０〜３０ｋＰａ・Ｇの範囲内としている。

水素供給経路３０ａと低圧用経路３０ｄには、それぞれ圧力調整用開閉弁３７、３８が設けられている。これらの圧力調整用開閉弁３７、３８は、制御部５０の制御信号に基づいて作動する。第１圧力調整用開閉弁３７を開放し、第２圧力調整用開閉弁３８を閉塞することで、水素を水素供給経路３０ａのみに通過させることができ、第１圧力調整用開閉弁３７を閉塞し、第２圧力調整用開閉弁３８を開放することで、水素を低圧用経路３０ｄに通過させることができる。

以上の構成により、燃料電池１０の通常運転時に、水素を水素供給経路３０ａのみに通過させ、燃料電池１０の低電圧制御を行う際に、水素を低圧用経路３０ｄに通過させることで、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、低電圧制御を行う際に、燃料電池１０への水素供給圧を燃料電池１０の通常運転時の水素供給圧より低くすることで、燃料電池セル１００のアノードにおける水素分圧を低下させることができ、濃淡電池の起電圧を低下させることができる。これにより、燃料電池セル１００が濃淡電池として作用することを抑制でき、燃料電池セル１００のアノードの水素がカソードに移動することを抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池１０の発電効率制御を燃料電池１０の起動時と停止時に行ったが、これに限らず、通常運転時において燃料電池１０の温度が所定温度を下回った場合に本発明の発電効率制御を行ってもよい。これにより、燃料電池１０内部からの水分排出を促進でき、燃料電池１０内部の残留水で反応ガスの拡散が阻害されるフラッディングを防止できる。

また、空気排出経路２０ｂに白金等の酸化触媒を担持するように構成してもよい。仮に燃料電池１０の酸素極側に水素が移動した場合には、空気排出経路２０ｂに酸化触媒を設けることで、水素を空気中の酸素と反応させて消費することができ、外部に水素が漏れ出ることを防止できる。

また、空気排出経路２０ｂの内部に外気を導入し、空気排出経路２０ｂ内部のガス濃度を低下させるガス希釈手段を設けてもよい。これにより、燃料電池１０の酸素極側に水素が移動し、空気排出経路２０ｂに水素が存在する場合にも、外気によって水素を希釈して水素濃度を低下させてから外部に排出することができる。例えば空気供給経路２０ａにおける送風機２１の下流側と空気排出経路２０ｂとを接続するバイパス経路を設け、送風機２１から供給される外気を空気排出経路２０ｂに導入するように構成することができる。この場合には、バイパス経路と送風機２１とがガス希釈手段に相当する。

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。燃料電池の発電時における電流Ｉと電圧Vとの関係を示す特性図である。燃料電池が濃淡電池として作用する場合の理論起電圧を示す特性図である。第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。第１実施形態の燃料電池システムの発電効率制御を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。燃料電池が濃淡電池として作用する状態を説明するための説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１５…セルモニタ、１６…温度センサ、１７…電流センサ、１８…第１スイッチ、１９…第２スイッチ、３０ａ…水素供給経路、３０ｂ…水素排出経路、３０ｃ…オフガス循環経路、３０ｄ…低圧用経路、３３…可変レギュレータ、３６…オフガス循環ポンプ、５０…制御部。

Claims

酸素と水素を電気化学反応させて発電し、電力消費機器（２２、４２）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
水素供給経路（３０ａ）を介して前記燃料電池（１０）に供給される水素の供給圧を調整可能な水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）と、
前記燃料電池（１０）の発電効率を調整する発電効率調整手段（１８、１９）と、
前記燃料電池（１０）から未反応水素を含んで排出されるオフガスを前記水素供給経路（３０ａ）に再循環させるためのオフガス循環経路（３０ｃ）に設けられ、前記オフガス循環経路（３０ｃ）にオフガスを循環させるオフガス循環ポンプ（３６）とを備え、
前記燃料電池（１０）は、プロトン導電性を有する電解質膜が水素極と酸素極で挟まれて構成された複数の燃料電池セルが積層された固体高分子型燃料電池であり、
前記発電効率調整手段（１８、１９）により前記燃料電池（１０）の電圧をゼロボルト付近で制御する低電圧制御を行う際に、前記水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により前記燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を前記燃料電池（１０）の通常運転時より低下させ、
前記水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により前記燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を前記燃料電池（１０）の通常運転時より低下させる際に、前記オフガス循環ポンプ（３６）によりオフガス循環量を前記燃料電池（１０）の通常運転時より増加させることを特徴とする燃料電池システム。
前記発電効率調整手段（１８、１９）により前記低電圧制御を行う際に、前記水素供給圧調整手段（３０ｄ、３３）により前記燃料電池（１０）に供給される水素の圧力が４０ｋＰａ・Ｇ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水素供給圧調整手段は、前記燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を任意に変更可能な可変レギュレータ（３３）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水素供給圧調整手段は、前記水素供給経路（３０ａ）から分岐した後で再合流するように設けられ、通過後の水素の圧力を低下させる低圧用経路（３０ｄ）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記発電効率調整手段は、前記燃料電池と前記電力消費機器との間を電気的に開閉可能な第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）と、前記燃料電池の端子間を電気的に開閉可能な第２の開閉器（１９）を含んでおり、前記第１の開閉器（１８ａ、１８ｂ）を開状態とし、前記第２の開閉器（１９）を閉状態とすることで前記燃料電池（１０）の電圧をゼロボルト付近にすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。