JP5050342B2 - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池システム及びその起動方法に関する。
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。
ところで、燃料電池の起動時に、燃料電池の燃料極に水素と酸素が偏在した状態で存在すると、水素が偏在した部分が局部電位を形成し、酸素が偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸化剤極の劣化が早く進行するという問題が知られている。この問題を解決するために、起動時の燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高圧で供給することで、燃料極に残留している酸素を短時間で排出し、電極触媒などの劣化を抑える発明がなされている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１３９９８４号公報（第１２頁、図１４）
しかしながら、特許文献１に記載のような、燃料ガス循環ポンプを最初に回転させるような起動方法では、燃料電池内の燃料極側が空気で、燃料ガス循環経路内が燃料ガスのような系内のガス組成が不均一の場合に、ポンプの過渡応答性次第では燃料ガスが燃料極を通過するのに時間を有してしまい、劣化を促進してしまうという問題点があった。
また、この劣化を抑制するには、ポンプの過渡応答性を上げねばならず、燃料ガス循環ポンプが大型化し車両搭載に不向きであるという問題点があった。
上記問題点を解決するために、本発明は、電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスを供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環ポンプとを備えた燃料電池システムであって、運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路との少なくとも一方の空気置換状態を推定する空気置換状態推定手段と、該空気置換状態推定手段が推定した空気置換状態に応じて、起動時の燃料ガス循環ポンプの作動開始と燃料ガス供給開始のタイミングを変更する起動制御手段と、を備え、前記起動制御手段は、燃料電池システムの起動時に、前記空気置換状態推定手段が推定した空気置換状態が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスで満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始し、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスと空気との混在状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを先にし、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が空気で満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にすることを要旨とする。
また本発明は、電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスを供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環ポンプとを備えた燃料電池システムの起動方法であって、運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路との少なくとも一方の空気置換状態を推定し、推定した空気置換状態が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスで満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始し、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスと空気との混在状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを先にし、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が空気で満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にすることを要旨とする。
本発明によれば、空気の置換状態に応じて、燃料ガス循環ポンプの作動開始と、燃料ガス供給開始のタイミングを変更するので、燃料室内（燃料極及び燃料ガス循環経路、燃料ガス循環手段）の空気置換が不十分の場合に、燃料極内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避できるという効果がある。
また本発明によれば、燃料ガス循環ポンプを大型化することなく、起動時における燃料電池の劣化を回避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。
まず、図１に示す燃料電池システムの概念図と、図２に示す燃料電池の単セルの概念図とを参照して、本発明が適用される燃料電池システム全体の構成について説明する。
［燃料電池本体］
燃料電池単セル１００は、図２に示すように、例えば、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜１０２の両面に燃料極触媒層１０３及び酸化剤極触媒層１０４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１と、ＭＥＡ１０１の両面に配置された燃料ガス拡散層１０５、酸化剤ガス拡散層１０６、セパレータ１０７、１０８を備えている。
セパレータ１０７と燃料ガス拡散層１０５との間には燃料ガス流路１０９、セパレータ１０８と酸化剤ガス拡散層１０６との間には酸化剤ガス流路１１０が設けられる。燃料電池本体は、このような燃料電池単セル１００を複数枚積層したものから成っており、燃料電池本体の外部から供給された燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）が、それぞれ燃料ガス流路１０９と酸化剤ガス流路１１０に供給され、電気化学反応により発電する。
本発明が適用される燃料電池システムは、燃料電池本体１と、空気を供給する空気系と、水素を供給する水素系と、冷却水を供給する冷却水系と、燃料電池本体から電力を取り出す負荷系とから構成されている。
［空気系］
空気系は、空気を取り込んで圧縮する空気コンプレッサ１１と、空気コンプレッサ１１が圧縮した空気を加湿して酸化剤極１ａに供給する空気系加湿装置１３と、酸化剤極１ａに供給する空気圧力を検出する空気圧力計１６と、酸化剤極１ａから排出される空気を絞ることにより酸化剤極１ａの圧力を調整する空気調圧弁１５とを備える。
空気コンプレッサ１１によって圧縮された空気は、空気供給経路１２を介して空気系加湿装置１３に送られ、加湿された後、燃料電池本体１の酸化剤極１ａに送られる。燃料電池本体１内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路１４を通り、空気調圧弁１５で圧力が調整され、システム外へ排気される。酸化剤極１ａに供給される空気の圧力は、酸化剤極１ａの入口に設けられた空気圧力計１６により検出され、この圧力が所望の圧力となるように、空気調圧弁１５が制御される。空気系加湿装置１３は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。
また、空気調圧弁１５の下流には排気空気中の水素を検出するための水素検知器１７を備え、燃料極から酸化剤極へ電解質膜１０２を介して透過してきた水素やシール部から漏れた水素を検出することができる。
［水素系］
水素系は、水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク２１と、水素圧力を調整する水素調圧弁２３と、圧力調整された水素を加湿して燃料極１ｂに供給する水素系加湿装置２５と、燃料極１ｂに供給する水素圧力を検出する水素圧力計２９と、燃料極１ｂの出口から排出された水素を燃料極１ｂの入口へ循環させる水素循環ポンプ２４及び水素循環経路２６と、燃料極１ｂ及び水素循環経路２６に蓄積した不純物を系外へ排出するための水素排気経路２７及び水素排出弁２８とを備えている。
高圧水素タンク２１から供給された水素は、水素供給経路２２を通り、水素調圧弁２３で所望の圧力に調圧され、水素循環装置２４により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置２５で加湿されて、燃料電池本体１の燃料極１ｂに送られる。燃料極１ｂに供給される水素の圧力は、燃料極１ｂの入口に設けられた水素圧力計２９で検出され、この圧力が所望の圧力となるように、水素調圧弁２３が制御される。燃料電池本体１内の電気化学反応で水素が消費された後、余分に供給された水素は、水素循環経路２６を通り、水素循環ポンプ２４により再び発電に利用される。
また、水素系には、運転中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂに透過してくる窒素や高圧水素タンク２１中に含まれる不純物が蓄積してくるため、水素排出弁２８を開き、水素排気経路２７を介して、これらの不純物をシステム外部へ排出する。
［冷却水系］
燃料電池本体１の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体１を適温に保つために、冷却水系が設けられている。冷却水系は、冷却水を循環させる冷却水ポンプ３１と、冷却水循環経路３２と、冷却水の熱を系外へ放熱する熱交換器３３と、燃料電池本体１の冷却水出口付近の冷却水温度を検出する冷却水温度計３４とを備えている。
冷却水ポンプ３１によって圧送された冷却水は、燃料電池本体１を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路３２を通り、熱交換器３３でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ３１で燃料電池本体１へ圧送される。また冷却水温度計３４で冷却水温度をモニタしながら、例えば図示しない送風機が熱交換器３３へ送る風量を制御して、燃料電池本体の発電に適正な温度に温度調整される。
［負荷系］
燃料電池本体１の発電電力を消費する負荷装置４０は、例えば燃料電池車両においては、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体１の発電電圧は、電圧計４１で検出され、燃料電池本体１から負荷装置４０へ供給される電流は、電流計４２により検出される。
［制御系］
コントローラ４３は、燃料電池本体１を含む燃料電池システム全体を制御する。コントローラ４３は、例えば、ＣＰＵと、制御プログラム及び制御パラメータを記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
また、コントローラ４３は、空気圧力計１６，水素圧力計２９，冷却水温度計３４，電圧計４１及び電流計４２の検出信号に基づいて、燃料電池本体１を最適な圧力・温度・流量・負荷にするために、空気コンプレッサ１１、空気調圧弁１５、水素調圧弁２３、水素排出弁２８、冷却水ポンプ３１、負荷装置４０へ制御信号を出力する。
次に、このような燃料電池システムの停止から次の起動時の燃料室（水素供給経路２２、水素循環ポンプ２４、水素系加湿装置２５、燃料極１ｂ、水素循環経路２６）の様子を図３、図４、図５を用いて説明する。尚、図中には水素系加湿装置２５を省略した。
（Ａ）停止直後
停止直後は、燃料室内には、発電停止時の水素で充満している。
（Ｂ）停止後十分時間が経過（または空気置換する場合）
停止から十分な時間が経過した場合、ＭＥＡ１０１を通して、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過して、拡散により、燃料室内は空気で充満している状態となる。空気で充満するまでの時間はＭＥＡの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数時間程度である。
（Ｃ）停止後数分〜数十分経過後
停止からあまり時間が経過していない場合は、状態（Ｂ）に対して、燃料極１ｂは空気が存在しているが、その他の部位（水素循環ポンプ２４や水素系加湿装置２５、水素循環経路２６）には前回の発電中の水素が満ちており、燃料室内に空気と水素が不均一に存在している状態となる。このような状態は、ＭＥＡの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数分から数十分程度である。
＜従来技術及び問題点＞
次に、従来技術及びその問題点を説明する。従来技術では、燃料極１ｂにおいて、水素と空気が偏在した状態で存在すると、水素が偏在した部分が局部電位を形成し、空気が偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸化剤極１ａの劣化が早く進行するという問題を解決するために、起動時の水素を通常運転時の圧力よりも高圧で供給することで、燃料極１ｂに残留している空気を短時間で排出し、水素に置換し、劣化を抑える発明がなされている。
従来技術では、燃料極１ｂに残留している空気を短時間で排出するために、水素排出弁２８を開にし、水素循環ポンプ２４の作動を開始し、燃料極１ｂを負圧にした後、高圧の水素を供給し、負圧による吸引力と高圧の供給力によって素早く燃料極１ｂ内に残留する酸素を排出しているが、先ほどの状態（Ｃ）のように燃料室内に空気と水素が不均一に存在する場合、水素循環ポンプ２４の作動を開始した途端に、燃料極１ｂ内に水素と酸素の偏在が生じる。
水素循環ポンプ２４の過渡応答性が十分な場合、この水素と酸素の偏在の存在時間を短くでき、劣化を抑制することが可能であるが、燃料電池車両のような小型、軽量のシステムを必要とする場合、水素循環ポンプ２４も小型、軽量のものが適しており、この場合、水素循環ポンプ２４の過渡応答性には限界があるため、水素と酸素の偏在の存在時間が長くなり、燃料電池の劣化を進行させるという問題点があった。本発明は、この問題点を解決する燃料電池システムの起動方法を提供する。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する。実施例１の構成は、図１に示した燃料電池システムと同等である。但し、コントローラ４３の内部には、燃料電池システムの停止中の燃料極１ｂと水素循環経路２６（燃料ガス循環経路）の空気置換状態を推定する空気置換状態推定手段を備え、コントローラ４３は、この空気置換状態に応じて、起動時の水素循環ポンプ２４（燃料ガス循環ポンプ）の作動開始と、水素調圧弁２３を開く燃料ガス供給開始とのタイミングを変更するように制御する。
［起動方法］
次に、図６のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）０１において、前回停止からの経過時間が第１の所定時間以内であるか否かをタイマ等（図示しない）を参照して判定する。
Ｓ０１の判定で、第１の所定時間以内の場合（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は前回発電中の水素で満たされ（状態Ａ）、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在は発生せず、劣化は進行しないと判断し、Ｓ０５の通常運転ルーチンへと移行する。
Ｓ０１の判定で、第１の所定時間を超えた場合（Ｎｏの場合）、Ｓ０２へ進み、前回停止からの経過時間が第２の所定時間以降であるか否かをタイマ等（図示しない）を参照して判定する。
Ｓ０２の判定で、第２の所定時間以降の場合（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）と判断し、Ｓ０３へ進む。Ｓ０３では、最初に水素循環ポンプ２４を起動して、燃料極１ｂの出口側に負圧を生成した後、水素供給開始のルーチンを実行して水素ガスの供給を開始することで、燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在の存在時間を短くし、劣化を抑制する。次いでＳ０５の通常運転ルーチンへ移る。
Ｓ０２の判定で、第２の所定時間未満の場合（Ｎｏの場合）、燃料室内は前回発電停止した時の残留水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気とが不均一に存在している（状態Ｃ）と判断し、Ｓ０４へ進む。Ｓ０４では、最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることができ、劣化の進行を抑制する。そして、Ｓ０５の通常運転ルーチンへ移行する。
［実施例１の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合（状態Ａ）に、すぐに通常発電状態に移行できるので起動時間を短くすることができるという効果がある。
（２）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合（状態Ｂ）に、水素循環ポンプ２４で燃料極１ｂ内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在状態を短くでき、燃料電池の劣化を抑制できるという効果がある。
（３）燃料室内が前回発電停止時に残留した水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合（状態Ｃ）に、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることでき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
［停止時間からの燃料室の空気置換状態の推定と温度による補正］
次に、前回停止してから起動するまでの経過時間による燃料室内の空気置換状態を判定するための第１の所定時間、第２の所定時間について説明する。これらの時間は、燃料電池システムの実験機において、あらかじめ燃料室内部の各部に酸素濃度センサまたは水素濃度センサを設置し、停止後の経過時間とセンサによる酸素、または水素の濃度変化を実験的に求める。そして、燃料室内が起動直後に通常運転ルーチンへ移行しても劣化が進行しない酸素濃度以下（水素濃度以上）になるまでの時間を第１の所定時間、燃料室内が最初に水素循環ポンプ２４を作動させても燃料極１ｂの劣化が進行しない酸素濃度以上（水素濃度以下）になるまでの時間を第２の所定時間と設定することができる。
また、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ透過する空気の時間割合は、燃料電池本体１の温度に依存し、温度が高いほうが透過速度は速い。このため、例えば冷却水温度計３４によって計測される燃料電池温度を変化させて、経過時間と燃料室内のガス濃度変化を計測する実験を実施し、図７のような補正値（補正係数）を求め、予めコントローラに記憶させておく。そして基本となる第１及び第２の所定時間に乗ずることで、第１及び第２の所定時間をより正確な判定閾値とすることができる。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。図８は、本実施例の構成を示すシステム構成図である。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図１に対して、水素循環ポンプ２４内部の酸素濃度を計測する酸素濃度計５０を加えたものである以外、図１と同じである。
［起動方法］
次に、図９のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ１１において、酸素濃度計５０の検出値を読み込み、酸素濃度計５０が検出した水素循環ポンプ２４内部の酸素濃度が所定値以上か否かを判定する。Ｓ１１の判定で、所定値以上（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）と判断し、Ｓ１２へ進む。Ｓ１２では、まず最初に水素循環ポンプ２４の作動を開始し、燃料極１ｂ出口側に負圧を生成した後、燃料ガスの供給を開始することで、燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在の存在時間を短くし、劣化を抑制する。そして、Ｓ１４の通常運転ルーチンへ移行する。
Ｓ１１の判定で、所定値未満（Ｎｏの場合）、燃料室内は前回発電停止時の残留水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）か、または前回発電停止時の水素で満たされている（状態Ａ）と判断し、Ｓ１３へ進む。
Ｓ１３では、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次いで水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制する。そして、Ｓ１４の通常運転ルーチンへ移行する。
［実施例２の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合（状態Ｂ）に、水素循環ポンプ２４で燃料極１ｂ内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在状態を短くでき、燃料電池の劣化を抑制できるという効果がある。
（２）燃料室内が前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）、または燃料極１ｂ内が水素で満ちている（状態Ａ）と判断された場合に、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることでき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
また状態Ａと状態Ｃは、実施例１で述べたように停止からの時間で切り分けることができ、状態Ａと判断した場合には、すぐに通常運転ルーチンへ移行することで起動時間を短くできることは言うまでもない。
［酸素濃度の所定値］
Ｓ１１の酸素濃度判定における所定値は、あらかじめ実験的に求められる燃料室内が最初に水素循環ポンプ２４を作動させても燃料極１ｂの劣化が進行しない酸素濃度である。
［酸素濃度計を水素循環ポンプ２４に設置する理由］
水素循環ポンプ２４は、作動中の吐出側から吸込側への内部漏れを抑制するため、ケーシングとロータの隙間が小さく作られており、水素循環ポンプ２４内部は他の部品よりも空気で置換されにくく、水素循環系内部で空気に置換されることが最も遅い部位であるためである。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。図１０は、本実施例の構成を示すシステム構成図である。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図１に対して、水素循環ポンプ２４内部の水素濃度を計測する水素濃度計５１を加えたものである以外、図１と同じである。
［起動方法］
次に、図１１のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ２１において、水素濃度計５１の検出値を読み込み、水素濃度計５１が検出した水素循環ポンプ２４内部の水素濃度が所定値以下か否かを判定する。Ｓ２１の判定で、所定値以下（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）と判断し、Ｓ２２へ進む。Ｓ２２では、まず最初に水素循環ポンプ２４の作動を開始し、燃料極１ｂ出口側に負圧を生成した後、燃料ガスの供給を開始することで、燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在の存在時間を短くし、劣化を抑制する。そして、Ｓ２４の通常運転ルーチンへ移行する。
Ｓ２１の判定で、所定値を超えた（Ｎｏの場合）、燃料室内は前回発電停止時の残留水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）か、または前回発電停止時の水素で満たされている（状態Ａ）と判断し、Ｓ２３へ進む。
Ｓ２３では、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次いで水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制する。そして、Ｓ２４の通常運転ルーチンへ移行する。
［実施例３の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合（状態Ｂ）に、水素循環ポンプ２４で燃料極１ｂ内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在状態を短くでき、燃料電池の劣化を抑制できるという効果がある。
（２）燃料室内が前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）、または燃料極１ｂ内が水素で満ちている（状態Ａ）と判断された場合に、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることでき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
また状態Ａと状態Ｃは、実施例１で述べたように停止からの時間で切り分けることができ、状態Ａと判断した場合には、すぐに通常運転ルーチンへ移行することで起動時間を短くできることは言うまでもない。
［水素濃度の所定値］
Ｓ２１の水素濃度判定における所定値は、あらかじめ実験的に求められる燃料室内が最初に水素循環ポンプ２４を作動させても燃料極１ｂの劣化が進行しない水素濃度である。
［水素濃度計を水素循環ポンプ２４に設置する理由］
水素循環ポンプ２４は、作動中の吐出側から吸込側への内部漏れを抑制するため、ケーシングとロータの隙間が小さく作られており、水素循環ポンプ２４内部は他の部品よりも空気で置換されにくく、水素循環系内部で空気に置換されることが最も遅い部位であるためである。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。図１２は、本実施例の構成を示すシステム構成図である。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図１に対して、燃料電池本体１の燃料極１ｂの出口に、酸素濃度を検出する酸素濃度計５２を加えたものである以外、図１と同じである。
［起動方法］
次に、図１３のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ３１において、酸素濃度計５２の検出値を読み込み、燃料電池本体１出口の酸素濃度が所定値以下か否かを判定する。Ｓ３１の判定で、所定値以下（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は前回発電停止時の水素で満たされ（状態Ａ）、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在は発生せず、燃料電池の劣化は進行しないと判断し、Ｓ３３の通常運転ルーチンへと移行する。
Ｓ３１の判定で、所定値を超えた（Ｎｏの場合）、燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）か、前回発電停止時の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断して、Ｓ３２へ進む。Ｓ３２では、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制する。そして、Ｓ３３の通常運転ルーチンへ移行する。
［実施例４の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合（状態Ａ）に、すぐに通常発電状態に移行できるので起動時間を短くすることができるという効果がある。
（２）燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）か、前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断された場合、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
また状態Ｂと状態Ｃは、実施例１で述べたように停止からの時間で切り分けることができ、状態Ｂと判断した場合には、水素循環ポンプ２４を先に作動させることで、さらなる劣化抑制をすることが可能であることは言うまでもない。
［酸素濃度の所定値］
Ｓ３１の酸素濃度判定における所定値は、あらかじめ実験的に求められる燃料室内が起動直後に通常運転ルーチンへ移行しても燃料極１ｂの劣化が進行しない酸素濃度である。
［酸素濃度計を燃料電池本体１出口に設置する理由］
停止中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過してくるため燃料電池本体１出口に酸素濃度計を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。燃料電池本体１の燃料極１ｂ出口、または入口は、酸素濃度計の設置が困難である燃料電池内部を除き、水素循環系内で空気に置換されることが最も速い部位である。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。図１４は、本実施例の構成を示すシステム構成図である。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図１に対して、燃料電池本体１の燃料極１ｂの出口の水素濃度を計測できる水素濃度計５３を加えたものである以外、図１と同じである。
［起動方法］
次に、図１５のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ４１において、水素濃度計５３の検出値を読み込み、燃料電池本体１出口の水素濃度が所定値以下か否かを判定する。Ｓ４１の判定で、所定値以上（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は前回発電停止時の水素で満たされ（状態Ａ）、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在は発生せず、燃料電池の劣化は進行しないと判断し、Ｓ４３の通常運転ルーチンへと移行する。
Ｓ４１の判定で、所定値未満（Ｎｏの場合）、燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）か、前回発電停止時の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断し、Ｓ４２へ進む。
Ｓ４２では、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制する。そして、Ｓ４３の通常運転ルーチンへ移行する。
［実施例５の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合（状態Ａ）に、すぐに通常発電状態に移行できるので起動時間を短くすることができるという効果がある。
（２）燃料室内は停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）か、前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断された場合、まず最初に水素ガスの供給を開始し、次に水素循環ポンプ２４の作動を開始することで、水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることができ、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
また状態Ｂと状態Ｃは、実施例１で述べたように停止からの時間で切り分けることができ、状態Ｂと判断した場合には、水素循環ポンプ２４を先に作動させることで、さらなる劣化抑制をすることが可能であることは言うまでもない。
［水素濃度の所定値］
Ｓ４１の水素濃度判定における所定値は、あらかじめ実験的に求められる燃料室内が起動直後に通常運転ルーチンへ移行しても燃料極１ｂの劣化が進行しない水素濃度である。
［水素濃度計を燃料電池本体１出口に設置する理由］
停止中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過してくるため、燃料電池本体１出口に水素濃度計を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。燃料電池本体１の燃料極１ｂ出口、または入口は、水素濃度計の設置が困難である燃料電池内部を除き、水素循環系内で空気に置換されることが最も速い部位である。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例６を説明する。図１６は、本実施例の構成を示すシステム構成図である。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図１に対して、水素供給経路２２と水素循環経路２６との合流点と、水素循環ポンプ２４吐出口との間に、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を加えたものである以外、図１と同じである。
［起動方法］
次に、図１７のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ５１において、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を閉にする。次いで、Ｓ５２で水素循環ポンプ２４の作動を開始する。次いで、Ｓ５３において、水素循環ポンプ２４の回転数を検出し、この回転数が所定値以上か否かを判定する。Ｓ５３の判定で、所定値以下の場合（Ｎｏの場合）、Ｓ５３をセルフループして回転数検出と判定を繰り返し、所定回転数以上になるまで待つ。
Ｓ５３の判定で、所定値以上の場合（Ｙｅｓの場合）、燃料極１ｂ内は十分な負圧が生成したと判断し、Ｓ５４へ進む。尚、燃料極１ｂ内の負圧は、水素循環ポンプ２４の回転数ではなく、水素圧力計２９で検知される圧力によって判断しても構わない。
Ｓ５４では、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を開にして、Ｓ５５へ移行する。Ｓ５５では、水素供給を開始し、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在なくした後、Ｓ５６の通常運転ルーチンへと移行する。
［実施例６の効果］
以上説明した本実施例によれば、
水素循環ポンプ下流に設けた遮断弁５４を閉にして、水素ガス循環ポンプの作動を開始するので、燃料室内が前回発電停止時の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合（状態Ｃ）に、水素循環ポンプ２４を作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることでき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができるという効果がある。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例７を説明する。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システム図（図１）、及び実施例６（図１６）に加えて、実施例２から４と同様に、水素循環ポンプ２４内部、及び燃料電池本体１出口に酸素濃度計５０、５２、水素濃度計５１、５３を備えるものであり、図は省略する。
［起動方法］
次に、図１８のフローチャートを参照して、本実施例における燃料電池システムの起動方法を説明する。例えば図示しないキースイッチがオフの状態からオンの状態へ切り替えられたときに、コントローラ４３がこれを検出して、本フローチャートを呼び出して燃料電池システムの起動を実行する。
まず、Ｓ６１において、燃料室内が前回発電停止時の残留水素で満たされているか否かの判定を実施する。Ｓ６１の判定で、水素で満たされていると判断された場合（Ｙｅｓの場合）、燃料室内は前回発電停止時の残留水素で満たされ（状態Ａ）、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在は発生せず、劣化は進行しないと判断し、Ｓ６８の通常運転ルーチンへと移行する。
Ｓ６１の判定で、水素で満たされていないと判定した場合（Ｎｏの場合）、Ｓ６２へ移り、燃料室内が停止中に酸化剤極１ａから透過してきた空気で十分に置換されている（状態Ｂ）か否かを判定する。Ｓ６２の判定で、空気で満たされていると判定された場合（Ｙｅｓの場合）、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を閉じなくても燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在は発生しないため、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を閉にするルーチン（Ｓ６３）をスキップして、Ｓ６４の水素循環ポンプ２４を作動させるルーチンへ移行する。
Ｓ６２の判定で、空気で満たされていないと判定された場合（Ｎｏの場合）、燃料室内は前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断し、Ｓ６３の水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を閉じるルーチンへ移行する。Ｓ６３〜６８は、実施例６のＳ５１〜Ｓ５６と同様であるため説明を省略する。
［実施例７の効果］
以上説明した本実施例によれば、
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合（状態Ａ）に、すぐに通常発電状態に移行できるので起動時間を短くすることができる。
（２）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合（状態Ｂ）に、水素循環ポンプ吐出遮断弁５４を閉じることをしないので起動時間を短くできる。
（３）燃料室内が前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合（状態Ｃ）は、実施例６と同様である。
［燃料室内の空気置換状態の推定］
Ｓ６１とＳ６２における燃料室内の空気置換状態は、実施例１、２、３、４、５と同様に停止からの経過時間、水素循環ポンプ２４内部、及び燃料電池本体１出口に酸素濃度計５０、５２、水素濃度計５１、５３から推定されるものであり、その方法は同様であるため説明は省略する。
一般的な燃料電池システムの構成図である。 一般的な燃料電池の単セルの概念図である。 一般的な燃料電池システムを説明する図である。 一般的な燃料電池システムを説明する図である。 一般的な燃料電池システムを説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例５の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例６を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例７を説明するフローチャートである。
符号の説明
１：燃焼電池本体
１ａ：酸化剤極
１ｂ：燃料極
１１：空気コンプレッサ
１２：空気供給経路
１３：空気系加湿装置
１４：空気排気経路
１５：空気調圧弁
１６：空気圧力計
１７：水素検知器
２１：高圧水素タンク
２２：水素供給経路
２３：水素調圧弁
２４：水素循環ポンプ
２５：水素系加湿装置
２６：水素循環経路
２７：水素排気経路
２８：水素排出弁
２９：水素圧力計
３１：冷却水ポンプ
３２：冷却水循環経路
３３：熱交換器
３４：冷却水温度計
４０：負荷装置
４１：電圧計
４２：電流計
４３：コントローラ
５０：酸素濃度計
５１：水素濃度計
５２：酸素濃度計
５３：水素濃度計
５４：水素循環ポンプ吐出遮断弁

Claims (19)

  1. 電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスを供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環ポンプとを備えた燃料電池システムであって、
    運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路との少なくとも一方の空気置換状態を推定する空気置換状態推定手段と、
    該空気置換状態推定手段が推定した空気置換状態に応じて、起動時の燃料ガス循環ポンプの作動開始と燃料ガス供給開始のタイミングを変更する起動制御手段と、を備え、
    前記起動制御手段は、燃料電池システムの起動時に、前記空気置換状態推定手段が推定した空気置換状態が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスで満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始し、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスと空気との混在状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを先にし、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が空気で満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にすることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記空気置換状態推定手段は、
    前回停止からの経過時間に基づいて前記空気置換状態を推定す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。
  3. 前記空気置換状態推定手段が推定した空気置換状態に、燃料電池本体の温度による補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前回停止からの経過時間が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路を含む燃料室内が燃料ガスで満たされていると判断できる第１の所定時間を超え、且つ前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路を含む燃料室内が空気で満たされていると判断できる第２の所定時間未満の場合、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを先にすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前回停止からの経過時間が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路を含む燃料室内が空気で満たされていると判断できる第２の所定時間以降の場合、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前回停止からの経過時間が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路を含む燃料室内が燃料ガスで満たされていると判断できる第１の所定時間以内の場合、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
  7. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も遅い部位に酸素濃度を検出する酸素濃度濃度センサを備え、
    前記酸素濃度が所定値以上の場合、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にす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。
  8. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も遅い部位に燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度センサを備え、
    前記燃料ガス濃度が所定値以下の場合、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にす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。
  9. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も早い部位に酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、
    前記酸素濃度が所定値以下の場合、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始す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。
  10. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も早い部位に燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度センサを備え、
    前記燃料ガス濃度が所定値以上の場合、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始す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。
  11. 燃料ガス循環ポンプ出口且つ燃料電池本体入口部に遮断弁を更に備え、
    前記遮断弁を閉にした後、燃料ガス循環ポンプの作動を開始し、
    回転数が所定値以上、または燃料極内圧力が所定値以下となった場合に、遮断弁を開き、燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  12. 空気置換状態に応じて、前記遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前回停止からの経過時間が第２の所定時間以降の場合、遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  14. 停止からの経過時間が第１の所定時間以内の場合、遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  15. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も遅い部位に酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、
    前記酸素濃度が所定値以上の場合、遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  16. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も遅い部位に燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度センサを備え、
    前記燃料ガス濃度が所定値以下の場合、遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  17. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部との空気で置換されることが最も早い部位に酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、
    前記酸素濃度が所定値以下の場合、遮断弁を閉にする過程を省略することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  18. 運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路内部の空気で置換されることが最も早い部位に燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度センサを備え、
    前記燃料ガス濃度が所定値以上の場合、遮断弁を閉にする過程を省略する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  19. 電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスを供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環ポンプとを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
    運転停止後の燃料極と燃料ガス循環経路との少なくとも一方の空気置換状態を推定し、推定した空気置換状態が、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスで満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動非作動に関わらず、燃料ガス供給を開始し、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が燃料ガスと空気との混在状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを先にし、前記燃料極及び前記燃料ガス循環経路が空気で満たされている状態であれば、燃料ガス循環ポンプの作動開始タイミングよりも燃料ガス供給開始タイミングを後にすることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
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