JPWO2011021301A1

JPWO2011021301A1 - 燃料電池システム

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Publication number: JPWO2011021301A1
Application number: JP2010542418A
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Inventors: 浩己田中; 良明長沼; 修弓田
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Filing date: 2009-08-21
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Abstract

燃料電池システムであって、氷点下での燃料電池の始動の際に、水素圧力調節弁の開度を調整し、水素を燃料電池の水素入口に導入して水素入口の全圧を第１の圧力とし、水素循環ポンプを始動し、セル電圧計によって取得した各セルのセル電圧の少なくとも１つが所定の電圧よりも低い場合に、燃料電池内部の水素流路に閉塞が発生していると判断する。そして、閉塞が発生していると判断した場合には、圧力調節弁の開度を調整し、水素入口に水素を導入して水素入口の全圧を第１の圧力よりも高圧の第２の圧力とし、水素循環ポンプを停止して燃料電池の暖機を行い、水素流路の閉塞を解消する。これによって、氷点下での始動における燃料電池の劣化を抑制することが出来る。

Description

本発明は、燃料電池システムの起動制御に関する。

燃料電池システムには、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極とを配置し、燃料極に供給される水素と酸化剤極に供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極に水が生成される燃料電池が多く用いられている。

このような燃料電池は通常の運転温度よりも低い温度で運転すると所定の電圧、電流を出力できないほか、停止中に氷点以下の温度になり凍結が発生した場合などに始動の後、通常の運転温度に達するまで暖機運転を行う場合が多い。暖機運転の方法としては、燃料電池に供給する空気の供給量を通常の供給量よりも少なくする低効率運転を行い、増大した熱損失によって燃料電池を暖機することが多い。

このような暖機運転において、燃料電池に供給される水素の量が不足すると、カーボン酸化により触媒が喪失したり発熱で膜が破損する場合がある。このように燃料電池で水素不足が生じている場合には燃料電池のセルの電圧が負電圧となる。そこで、燃料電池の暖機運転時に水素ガスが不足して負電圧となった際には暖機運転を禁止したり、燃料電池の出力を制限したりすることが提案されている（例えば、引用文献１参照）。

また、複数のセルを備えた燃料電池を低温下で始動する際に、各単位セルに所定ガスのセルストイキ比を算出するセルストイキ比算出手段と、セルストイキ比が所定値よりも低下している場合には、所定ガスの供給量を増加するガス量増加手段を備え、凍結によってガス流路が閉塞している場合であってもガス不足による燃料電池の劣化を抑制すると共に、燃料電池の暖機を短時間で行うことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が少なく、アノード側のガス流路がドレンなどによって閉塞された場合には、アノードオフリサイクルラインを通してアノードオフガスの一部をアノード入口に再循環させることでガス流路内のドレンを吹き飛ばす方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、燃料電池への水素ガスの供給圧力が低下すると発電効率が低下することを利用して、燃料電池の起動の際に燃料電池への水素ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させて燃料電池の暖機を行う方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００８−１９８４３９号公報特開２００７−１８４２０２号公報特開２００６−１３４６８０号公報特開２００２−３１３３８８号公報

ところで、燃料電池では、発電に必要な水素量よりも多くの水素を供給して安定した発電ができる様にしている。このため、燃料電池に供給された水素ガスは全量が反応して電気出力となるのではなく、一部の水素ガスは未反応ガスとして系統内の窒素ガスなどと共に燃料電池の水素ガス出口から排出され、水素ガス循環ポンプによって水素ガス入口に再循環される。そして、運転によって水素系統内の窒素ガスなどが濃縮してくると、水素系統から未反応ガスを大気に排出することによって窒素ガスの分圧を下げて発電に必要な水素分圧を確保するよう構成されている場合が多い。このため、燃料電池の水素入口から供給されるガスには水素ガスと窒素ガスとが含まれている。一方、氷点下では燃料電池の停止中に、水素ガス系統内に残留している水分が凍結し、水素ガスの流路の一部を閉塞してしまう場合がある。水素系統が循環系統となっていると、閉塞された流路には水素と窒素との混合ガスが流入する。水素は発電で消費されるが反応しない窒素ガスは閉塞された流路から排出されることが無く、閉塞された流路に蓄積、濃縮されてしまう。このため、閉塞が発生した水素流路の窒素の分圧は急速に上昇し、閉塞が発生したセルの発電電圧が負電圧となってしまうという問題があった。

水素ガス流路の窒素蓄積による負電圧の発生は、燃料電池の発電開始直後に発生することから、特許文献１、２に記載された従来技術では、燃料電池の始動後、各セルが負電圧に陥ったまま暖機運転を行なうこととなり、氷点下での始動の際に燃料電池が劣化する場合があるという問題があった。

本発明は、氷点下での始動における燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料タンクと前記燃料電池の燃料ガス入口との間に設けられ、前記燃料ガス入口のガス圧力を調整する圧力調節弁と、反応後の燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス出口から前記燃料ガス入口に循環させるガス循環ポンプと、各セルの電圧を取得するセル電圧取得手段と、前記ガス循環ポンプの起動停止と前記圧力調節弁の開度の調整とを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の始動の際に、前記圧力調節弁の開度を調整し、前記燃料ガス入口に燃料ガスを導入して前記燃料ガス入口のガス圧力を第１の圧力とし、前記燃料ガス循環ポンプを始動し、前記セル電圧取得手段によって取得した各前記セルの電圧の少なくとも１つが所定の電圧よりも低い場合には、前記燃料電池内部の燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断する閉塞判定手段と、前記閉塞判定手段によって前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断した場合に、前記圧力調節弁の開度を調整し、前記燃料ガス入口に燃料ガスを導入して前記燃料入口のガス圧力を第１の圧力よりも高圧の第２の圧力とし、前記燃料ガス循環ポンプを停止して前記燃料ガス流路の閉塞を解消する閉塞解消手段と、を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記閉塞解消手段は、各前記セルの負電圧が解消されるまで前記燃料電池の出力電流を低減した後、所定の電流に上昇させることとしてもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて各前記セルの電流密度分布を検出するセル電流密度分布取得手段を備え、前記閉塞判定手段は、前記セル電流密度分布取得手段によって取得した各前記セルの電流密度分布に閾値以上の偏りが合った場合に、前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断することとしてもよい。ここで、前記セル電流密度分布取得手段は、燃料ガス上流側と燃料ガス下流側の各前記セルに設けた各部分電流検知板組であり、前記各部分電流検知板組の燃料ガス上流側の部分電流検知板によって検出した電流密度と燃料ガス下流側の部分電流検知板で検出した電流密度との差が閾値以上の場合に前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断することとしてもよい。

本発明は、氷点下での始動における燃料電池の劣化を抑制することが出来るという効果を奏する。

本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す系統図である。本発明の実施形態における燃料電池システムの起動のフローチャートである。本発明の実施形態における燃料電池システムの起動の際のセル電圧、水素入口全圧、燃料電池出力電流、水素循環ポンプの動作を示すタイムチャートである。暖機運転の際の燃料電池の電流、電圧特性である。本発明の実施形態において水素入口全圧を第１の圧力に加圧した際のセル内の水素と窒素の分圧を示す説明図である。本発明の実施形態において水素入口全圧を第１の圧力で運転した後のセル内の水素と窒素の分圧を示す説明図である。本発明の実施形態において水素入口全圧を第２の圧力に加圧した際のセル内の水素と窒素の分圧を示す説明図である。本発明の実施形態において閉塞解消後のセル内の水素と窒素の分圧を示す説明図である。本発明の実施形態における燃料電池システムの起動の際のセルの電流密度の変化を示すグラフである。本発明の参考例における燃料電池システムの起動のフローチャートである。本発明の参考例において水素入口全圧を第４の圧力に加圧した際のセル内の水素と窒素の分圧を示す説明図である。本発明の参考例におい水素ガスの拡散層への浸透を示す説明図である。

１０セル、１１燃料電池、１２空気圧縮機、１３，３０モータ、１４空気流量計、１５空気圧力調節弁、１６空気管路、１７空気供給管路、１８空気排出管路、１９バイパス管路、１９ａバイパス弁、２０排気管路、２１水素ガスタンク、２２水素供給管路、２３水素入口管路、２４水素出口管路、２５水素循環管路、２６水素排出管路、２７水素圧力調節弁、２８水素排出弁、２９水素循環ポンプ、３１大気放出口、３２負荷、３３，３４圧力センサ、３５電流センサ、３６電圧センサ、３７，４０温度センサ、３８セル電圧計、３９部分電流検知板組、３９ａ，３９ｂ部分電流検知板、５０制御部、６１〜６４水素流路、６５，６６混合ガス、７１電解質膜、７２触媒、７３拡散層、７４水素流路、７５氷の粒、７６氷点、１００燃料電池システム。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００の燃料電池１１は、複数のセル１０を積層したもので、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から空気流量計１４を介して空気吸込み管路１６から空気圧縮機１２に吸込まれ、空気圧縮機１２によって加圧された吐出空気は空気供給管路１７から燃料電池１１に供給される。吸い込み空気管路１６には吸い込み空気の温度を取得する温度センサ４０が設けられている。燃料電池１１内に入った空気は、燃料電池１１の内部に設けられた空気流路を通過しながら水素系統から供給された水素と反応し酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気流路中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１内部の空気流路から空気排出管路１８に排出される。空気排出管路１８には、燃料電池１１内部の空気流路の空気圧力を調整する空気圧力調節弁１５が設けられ、空気供給管路１７には空気の圧力を取得する圧力センサ３３が設けられている。また、吸い込んだ空気の内の一部の空気を燃料電池１１に供給せず、空気圧力調節弁１５の下流側の空気排出管路１８に流出させるバイパス管路１９が設けられ、バイパス管路１９にはバイパス空気流量を調整するバイパス弁１９ａが設けられている。空気排出管路１８とバイパス管路１９とは合流して排気管路２０に接続されている。排気管路２０に流入した空気は大気放出口３１から大気に排気される。燃料電池システム１００に流入する空気流量は空気圧縮機１２のモータ１３の回転数を調整することによって調節される。

燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク２１に貯留されている。水素は水素ガスタンク２１から水素供給管路２２、水素入口管路２３を通って燃料電池１１の内部の水素流路に供給される。燃料電池１１の水素流路に流入した水素の一部は発電によって消費されるが、消費されなかった水素は燃料電池１１の内部の水素流路から水素出口管路２４に排出される。水素出口管路２４に排出された反応後の水素ガス等は、水素循環管路２５に設けられた水素循環ポンプ２９によって加圧されて水素入口管路２３に再循環する。水素循環ポンプ２９は、モータ３０によって駆動される。発電によって水素が消費され水素濃度が低下し、窒素などの不純物が増加してくると、水素排出弁２８が開となり、反応後の水素ガスは水素排出管路２６から排気管路２０に排出され、排出空気によって希釈されて大気放出口３１から大気に放出される。水素供給管路２２には燃料電池１１の水素系の圧力を調整する水素圧力調節弁２７が設けられ、水素入口管路２３には燃料電池１１の水素入口のガス全圧力を取得する圧力センサ３４が取り付けられている。燃料電池１１の水素入口の全圧は水素圧力調節弁２７によって調整される。

燃料電池１１には負荷３２が接続され、燃料電池１１から負荷３２への出力電圧を取得する電圧センサ３６と、出力電流を取得する電流センサ３５が設けられている。また、燃料電池１１にはその温度を取得するための温度センサ３７と、各セル１０の水素流路の上流側と下流側にはそれぞれ設けられた部分電流検知板３９ａ，３９ｂと、各セル１０の電圧を取得するセル電圧計３８が取り付けられている。各セル１０の上流側と下流側との各部分電流検知板３９ａ，３９ｂは一組になって１つの部分電流検知板組３９を構成する。空気圧縮機１２のモータ１３、空気圧力調節弁１５、バイパス弁１９ａ、水素圧力調節弁２７、水素循環ポンプ２９のモータ３０、水素排出弁２８、負荷３２は制御部５０に接続され、制御部５０からの指令によって動作するよう構成されている。また、空気流量計１４、圧力センサ３３，３４、電圧センサ３６、電流センサ３５、温度センサ３７，４０、セル電圧計３８、部分電流検知板３９ａ，３９ｂはそれぞれ制御部５０に接続され、取得した各信号を制御部５０に入力することができるよう構成されている。制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵと制御プログラム、制御用データ等を格納するメモリとを含むコンピュータである。なお、図１において、一点鎖線は信号線を示す。

図２から図８を参照しながら本発明の実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。図２のステップＳ１０１に示すように、燃料電池システム１００が起動すると、制御部５０は、温度センサ４０によって大気温度を取得する。そして、図２のステップＳ１０２に示すように、大気温度が氷点下であった場合には、燃料電池１１を暖機運転しながら起動する低温起動を行なう。また、制御部５０は、温度センサ４０によって取得した大気温度が氷点を超えている場合には、図２のステップＳ１１８に示すように、燃料電池１１を暖機運転しないで起動する通常起動を行なう。

図２のステップＳ１０２で大気温度が氷点以下であると判断された場合、図３の時間ｔ₁において、図２のステップＳ１０３に示すように、制御部５０は、空気圧縮機１２のモータ３０を駆動させて空気圧縮機１２を起動し、図２のステップＳ１０４に示すように、水素循環ポンプ２９のモータ３０を駆動させて水素循環ポンプ２９を起動し、図２のステップＳ１０５に示すように、圧力センサ３４によって取得する燃料電池１１の水素入口全圧Ｐ_Tが全圧Ｐ_1Tとなるように水素圧力調節弁２７の開度を調整する。この様に、燃料電池１１に水素と空気とが注入されると、図３に示すように、時間ｔ₁からセル１０のセル電圧Ｖｃが上昇し始める。

燃料電池１１の暖機運転を行なう際には、燃料電池１１に供給する空気の量を通常運転の際の空気の量よりも少なくし、燃料電池１１の発電効率を低い状態として発電し、燃料電池１１から発生する損失熱によって燃料電池１１を暖機する。このように、燃料電池１１に供給する空気流量を通常運転の状態から低減すると、燃料電池１１の電流電圧特性は図４に示すように、通常運転の電流電圧特性を示す点線ａよりも傾きの大きな実線ｂのような特性となり、空気流量を変化させない場合、燃料電池１１の出力電圧と出力電流は線ｂに沿って変化し、電圧をＶ₀とした時には燃料電池１１からの出力電流Ｉはゼロとなる。

時間ｔ₁において、制御部５０は負荷３２の電圧をＶ₀に保持して燃料電池１１を起動し、燃料電池１１の電流電圧特性が図４の線ｂとなるように空気流量を低減するので、燃料電池１１の各セル１０のセル電圧Ｖｃは図３に示すようにＶ_0Cまで上昇し、燃料電池１１からの出力電流Ｉはゼロの状態となっている。制御部５０は、各セル１０のセル電圧Ｖｃが所定の電圧以上となっている事を確認したら、図３に示す時間ｔ₂に負荷３２の電圧を低下させ、燃料電池１１の出力電圧Ｖを低下させる。すると、燃料電池１１の運転状態は図４の線ｂに沿って変化し、燃料電池１１の出力電圧ＶがＶ₀から低下するにつれて燃料電池１１からの出力電流Ｉが増加していく。制御部５０は、図４に示すように、燃料電池１１の出力電流ＩがＩ₁となるようにその出力電圧ＶをＶ₁まで低下させ、図２のステップＳ１０６に示すように、燃料電池１１からの出力電流ＩをＩ₁とする。

図５は、燃料電池１１に水素を充填して、運転を開始した際の水素極の状態を模式的に示したものである。水素が注入される前、各水素流路６１から６４の内部には大気中の窒素の分圧８０ｋＰａよりも少し低い分圧Ｐ_0N、例えば５０ｋＰａ程度の窒素が滞留している。そして、この残留窒素の分圧Ｐ_0Nと略同等の分圧Ｐ_0H、例えば５０ｋＰａ程度となるように水素供給管路２２から水素入口管路２３に水素を充填する。つまり、圧力センサ３４によって検出する燃料電池１１の水素入口全圧Ｐ_T＝Ｐ_0N＋Ｐ_0H＝全圧Ｐ_1Tとなるように水素圧力調節弁２７を調整する。例えば、残留している窒素の分圧Ｐ_0Nが５０ｋＰａ程度で、加圧した水素の分圧Ｐ_0Hが５０ｋＰａ程度の場合、水素入口の全圧Ｐ_1T＝５０＋５０＝１００ｋＰａとなるように水素圧力調節弁２７を調節する。水素入口の全圧Ｐ_1Tは第１の圧力であり、通常の燃料電池１１の起動の際の水素入口の全圧Ｐ_Tの２５０ｋＰａ程度よりも低い圧力である。なお、図５では模式的に水素と窒素とが分かれているように記載しているが、実際には水素と窒素とは交じり合って水素流路６１〜６４の中に存在している。

図５に示すように、水素流路６２に凍結による閉塞が発生しており、水素流路６２からは水素出口管路２４にガスが流出できない状態となっている。水素循環ポンプ２９は水素流路６１，６３，６４から水素と窒素との混合ガス６５を吸い込み、その混合ガス６５を水素入口管路２３に再循環させる。一方、発電によって消費される水素は水素供給管路２２から水素入口管路２３に供給される。そして、各水素流路６１〜６４には水素ガスと窒素ガスとの混合ガス６６が供給される。各水素流路６１〜６４に供給される混合ガス６６は、水素循環ポンプ２９によって再循環する混合ガス６５よりも水素供給管路２２から供給される水素の分だけ水素の割合が多くなっている。

この状態で燃料電池１１から出力電流Ｉが出力されると、各水素流路６１，６３，６４では、発電によって水素が消費され、窒素分圧が高くなった混合ガス６５が排出される。しかし、図６に示すように、閉塞を起こしている水素流路６２は、発電によって消費される水素分だけ入口側から水素と窒素の混合ガス６６が入ってくる。窒素は水素流路６２の中に入ると発電によっては消費されず、しかも水素流路６２が閉塞していることから水素出口管路２４にも流出しないので、発電が開始されると、その窒素分圧が当初の分圧Ｐ_0Nから分圧Ｐ_1N´に急速に増加し、水素分圧が当初の分圧Ｐ_0Hから分圧Ｐ_1H´に急速に低下してくる。これは、水素流路６１，６３，６４に含まれている窒素ガスが閉塞している水素流路６２に蓄積、濃縮されるためである。他の水素流路６１，６３，６４の水素分圧は当初の分圧Ｐ_0Hから分圧Ｐ_1Hに少しだけ低下し、窒素の分圧が当初の分圧Ｐ_0Nから分圧Ｐ_1Nに少しだけ上昇するがほとんど変化はない。また、各水素流路６１〜６４の水素入口全圧Ｐ_Tは当初の水素入口の全圧Ｐ_1Tに保持されている。従って、先に説明した例のように、水素を分圧５０ｋＰａ分だけ充填して水素入口の全圧Ｐ_1Tを１００ｋＰａとした場合には、発電によって閉塞している水素流路６２の水素が全て消費されると、水素流路６２の水素の分圧Ｐ_1H´はゼロとなり、逆に窒素の分圧Ｐ_1N´は全圧Ｐ_1Tと同じ１００ｋＰａとなり、その他の水素流路６１，６３，６４の水素の分圧Ｐ_1Hと窒素の分圧Ｐ_1Nはそれぞれ５０ｋＰａに保持されている。

このように、閉塞が発生している水素流路６２の水素分圧が低下すると、図３の一点鎖線ｄに示すように、その水素流路６２のあるセル１０のセル電圧Ｖｃは次第に低下し、ついには負電圧となってしまう。この負電圧の発生は、燃料電池１１への初期の水素入口全圧Ｐ_Tを通常起動の際の水素入口の全圧の２５０ｋＰａよりも低い１００ｋＰａ程度とし、残留窒素の分圧Ｐ_0Nと水素の分圧Ｐ_0Hとを略同一圧力としていることから、燃料電池１１から電流を出力し始めてから、例えば、１０から２０秒程度の非常に短い時間に発生する。

制御部５０は、図２のステップＳ１０７に示すように、各セル１０に取り付けられているセル電圧計３８によって各セル電圧Ｖｃを取得し、図２のステップＳ１０８に示すように、その電圧Ｖｃを本実施形態での所定の電圧Ｖ₂ｃと比較する。そして、複数のセル電圧Ｖｃの内、所定の電圧Ｖ₂ｃよりも電圧が低くなっているセル１０が１つでもない場合には、図２のステップＳ１１７に示すように所定時間経過したかどうかを判断し、所定時間が経過していなければ図２のステップＳ１０７に戻って再度各セル１０のセル電圧Ｖｃを取得して所定の電圧Ｖ₂ｃと比較する。所定の時間は、負電圧が発生するまでの時間であり、例えば上記の例のように１０から２０秒程度でも良いし、それ以上でもよい。この所定時間は、当初の水素の加圧力によって決まり、水素を加圧する際の水素入口全圧Ｐ_Tが高いほど長くなるように可変としてもよい。

制御部５０は所定の時間の内に、複数のセル電圧Ｖｃの内、１つでも所定の電圧Ｖ₂ｃよりも電圧が低くなっているセル１０がある場合には、図３の時間ｔ₃に、図２のステップＳ１０９に示すように燃料電池１１の出力電流Ｉを減少させる。制御部５０は負荷３２の電圧を上昇させることによって、燃料電池１１からの出力電流Ｉを減少させる。その後、制御部５０は負荷３２の電圧を図４に示すＶ₀まで上昇させて、図３の時間ｔ₄に燃料電池１１からの出力電流Ｉを一旦ゼロとし、セル電圧ＶｃをＶ_0cとする。これによって図３の１点鎖線ｄに示すように、閉塞を起こしているセル１０の電圧も負電圧から正電圧に回復する。なお、燃料電池１１からの出力電流Ｉは閉塞を起こしているセル１０の電圧が負電圧から正電圧に回復できればゼロよりも大きい電流値であってもよい。

また、制御部５０は、燃料電池１１からの出力電流Ｉの減少を開始すると略同時に、図２のステップＳ１１０に示すように、水素圧力調節弁２７を調整して水素流路６１〜６４に水素を充填し、水素入口全圧Ｐ_Tを当初の水素入口の全圧Ｐ_1Tよりも高い全圧Ｐ_2Tに上昇させる。この全圧Ｐ_2Tは、第２の圧力である。図７に示すように、閉塞が発生していない水素流路６１，６３，６４の水素分圧は、加圧前の分圧Ｐ_1HからＰ_2Hに増加し、閉塞が発生している水素流路６２の水素分圧は加圧前の分圧Ｐ_1H´からＰ_2H´に増加するが、各水素流路６１〜６４の各窒素分圧は変化せず、閉塞の発生していない水素流路６１，６３，６４の窒素分圧はＰ_1N、閉塞の発生している水素流路６２の窒素分圧はＰ_1N´である。水素入口の全圧Ｐ_2Tは例えば通常の起動の際の全圧と同様の２５０ｋＰａとしてもよい。この場合、先に説明した例のように、当初、水素を分圧５０ｋＰａ分だけ充填して水素入口の全圧Ｐ_1Tを１００ｋＰａとした後、発電によって閉塞している水素流路６２の水素が全て消費されてその水素の分圧Ｐ_1H´がゼロでその窒素の分圧Ｐ_1N´が１００ｋＰａとなった場合には、加圧後の水素流路６２の水素の分圧Ｐ_2H´は２５０−１００＝１５０ｋＰａとなり、窒素の分圧Ｐ_1Nが５０ｋＰａに保持された水素流路６１，６３，６４の加圧後の水素の分圧Ｐ_2Hは２５０−５０＝２００ｋＰａとなる。このように、水素を充填して水素入口全圧Ｐ_Tを全圧Ｐ_2Tまで上昇させることによって、閉塞によって水素の分圧がほとんどＰ_1H´がほとんどゼロとなっていた水素流路６２の水素の分圧を発電できる程度の水素の分圧まで上昇させる。これによって閉塞によって負電圧となっていた水素流路６２を含むセル１０の発電を再度行なうことが出来るようになる。

制御部５０は、図２のステップＳ１１１に示すように、水素循環ポンプ２９のモータ３０を停止して水素循環ポンプ２９を停止させる。このように水素循環ポンプ２９を停止させることによって、燃料電池１１の発電中に閉塞していない水素流路６１，６３，６４から閉塞している水素流路６２に窒素が持ち込まれることを防止できる。そして、燃料電池１１の発電中は、各水素流路６１〜６４で発電によって消費された水素分だけの水素６７が充填されるので、各水素流路６１〜６４の窒素分圧Ｐ_1N，Ｐ_1N´は燃料電池１１の発電中もあまり増加しないので、燃料電池１１の暖機運転を継続することが出来る。

制御部５０は、図３の時間ｔ₄に、図２のステップＳ１１２に示すように、燃料電池１１からの出力電流Ｉをゼロとした後、負荷３２の電圧を低下させて燃料電池１１の出力電圧Ｖを低下させ、燃料電池１１からの出力電流ＩをＩ₁よりも少ないＩ₂とする。Ｉ₂は燃料電池１₁の暖機運転を継続できる大きさであればよく、燃料電池１１の運転状態によっては、当初の出力電流Ｉ₁と同様の電流でも良い。

制御部５０はこの状態で燃料電池１１の暖機運転を継続し、燃料電池１１の損失熱によって凍結で閉塞している水素流路６２が解凍されるまで運転する。図２のステップＳ１１３に示すように、制御部５０は、燃料電池１１の温度を温度センサ３７によって取得し、図２のステップＳ１１４に示すようにその温度と閉塞解消温度、例えば、３０℃等を比較し、燃料電池１１の温度が閉塞解消温度よりも高い場合には閉塞していた水素流路６２の閉塞は解消されたと判断する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１１５に示すように、水素循環ポンプ２９のモータ３０を始動し、水素循環ポンプ２９を再始動する。

水素循環ポンプ２９が再始動されると、図８に示すように、水素流路６２の閉塞が解消されているので、各水素流路６１〜６４には水素及び窒素が略同一の量だけ流れ、燃料電池１１は安定して運転することができるようになる。そして、制御部５０は図２のステップＳ１１６に示すように、負荷３２の電圧を下げて燃料電池１１からの出力電流を増加させて更に燃料電池１１の暖機運転を継続する。

このように、本実施形態との燃料電池システム１００は、氷点以下で起動する際に燃料電池１１の水素入口全圧を第１の圧力に設定して起動して、短時間に凍結で水素流路が閉塞しているセル１０の有無を検出した後、閉塞がある場合には水素入口全圧を第２の圧力に上昇させると共に水素循環ポンプ２９を停止させて燃料電池１１の暖機を行なうので、水素流路に閉塞が発生した場合でも、水素ガスが不足しない状態で暖機運転を行なうことが出来ることから、水素ガス不足による燃料電池１１の劣化を抑制することが出来るという効果を奏する。

以上説明した本実施形態では、第１の圧力は、通常の起動の際の水素全圧よりも低い圧力として説明したが、第２の圧力との間に凍結によって閉塞している水素流路に暖機運転に必要な程度の水素を充填することが出来る程度の圧力差があれば、通常起動の際の圧力と同等の圧力としてもよい。

次に、図９を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図８を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。先に、図５、図６を参照して説明したように、閉塞が発生した水素流路６２には他の水素流路６１，６３，６４から窒素が流れ込み、その窒素分圧が上昇し、閉塞した水素流路６２のあるセル１０が負電圧となる。この際、水素流路６２の上流側の方が水素の分圧が高く、下流に行くほど水素の分圧が低くなることから、閉塞の発生したセル１０では水素流路６２の上流側にある領域は発電の電流密度ＣＤ（単位面積当たりの電流の大きさ）が大きく、下流側の領域は電流密度ＣＤが低くなってくる。また、本実施形態の燃料電池１１では、水素流路６１〜６４は、重力方向上側から混合ガスが流入し、重力方向下側から反応後のガスが排出される様に構成されている。このため、水素流路６２が閉塞した場合、閉塞した水素流路６２に流入した重い窒素は次第に重力方向下側移動し、上流側に水素分圧が偏り、上流側の電流密度ＣＤが高くなる。

図９の実線ｊに示すように、水素流路の上流側の電流密度ＣＤは燃料電池１１の発電が継続するにつれて次第に大きくなるのに対し、図９の一点鎖線ｋに示すように、水素流路の下流側の電流密度ＣＤは、発電を継続してもある電流密度以上には上昇せず、水素流路の上流側の電流密度と水素流路の下流側の電流密度との電流密度差ΔＣＤは時間と共に大きくなってくる。このことから、各セルの水素流路の上流側と下流側とにそれぞれ部分電流検知板３９ａ，３９ｂを設け、その検出する電流密度ＣＤの差ΔＣＤが所定の閾値以上となった場合に、水素流路に閉塞が発生していると判断する。水素流路の閉塞の判定以外については、先に図１から図８を参照して説明した実施形態と同様である。

本実施形態は先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、以下、参考例について説明する。本参考例の燃料電池システム１００の構成は図１を参照して説明した実施形態と同様の構成であって、起動の際に第１の圧力、第２の圧力というように、水素入口の全圧を段階的に上昇させるのではなく、氷点以下での起動を判断したら、通常の起動の際の水素圧力よりも高い圧力まで水素入口の全圧を上昇させると共に、水素循環ポンプ２９を起動せずに暖機運転を行なうものである。

以下、図１０から図１２を参照しながら本参考例について説明する。図１０のステップＳ２０１に示すように、燃料電池システム１００が起動すると、制御部５０は、温度センサ４０によって大気温度を取得する。そして、図１０のステップＳ２０２に示すように、大気温度が氷点下であった場合には、燃料電池１１を暖機運転しながら起動する低温起動を行なう。また、制御部５０は、温度センサ４０によって取得した大気温度が氷点を超えている場合には、図１０のステップＳ２１１に示すように、燃料電池１１を暖機運転しないで起動する通常起動を行なう。

図１０のステップＳ２０２で大気温度が氷点以下であると判断された場合、図１０のステップＳ２０３に示すように、制御部５０は、空気圧縮機１２のモータ３０を駆動させて空気圧縮機１２を起動し、図１０のステップＳ２０４に示すように、圧力センサ３４によって取得する燃料電池１１の水素入口全圧Ｐ_Tが全圧Ｐ_4Tとなるように水素圧力調節弁２７の開度を調整する。ここで、全圧Ｐ_4Tは、燃料電池１１を常温で起動する際の水素加圧の際の水素入口の全圧よりも高い圧力である。この様に、燃料電池１１に水素と空気とが注入されると、燃料電池１１の発電が開始される。

先に説明した実施形態と同様、水素が注入される前、各水素流路６１から６４の内部には大気中の窒素の分圧８０ｋＰａよりも少し低い分圧Ｐ_0N、例えば５０ｋＰａ程度の窒素が滞留している。そして、圧力センサ３４によって検出する燃料電池１１の水素入口全圧Ｐ_T＝全圧Ｐ_4Tとなるように水素圧力調節弁２７を調整して水素を各水素流路６１〜６４に充填する。例えば、残留している窒素の分圧Ｐ_0Nが５０ｋＰａ程度で、水素入口の全圧Ｐ_4T＝２５０ｋＰａとなるように水素圧力調節弁２７を調節すると、各水素流路６１〜６４の水素分圧Ｐ_4Hは２５０−５０＝２００ｋＰａ程度となる。

水素循環ポンプ２９が停止しているので、先に図５、図６を参照して説明した実施形態のように、燃料電池１１の発電中に閉塞していない水素流路６１，６３，６４から閉塞している水素流路６２に窒素が持ち込まれないので、燃料電池１１の発電中は、各水素流路６１〜６４で発電によって消費された水素分だけの水素が水素供給管路２２から充填され、各水素流路６１〜６４の窒素分圧Ｐ_0N、水素分圧Ｐ_4Hは燃料電池１１の発電中もあまり増加しなので、閉塞の発生している水素流路６２を含むセル１０が水素不足とならない状態としながら燃料電池１１の暖機運転を継続することが出来る。

制御部５０は、水素入口全圧を全圧Ｐ_4Tに上昇させた後、図１０のステップＳ２０５に示すように、燃料電池１１の出力電流ＩがＩ₃となるように負荷の電圧を調整する。そして、出力電流Ｉ₃は通常の起動の際の出力電流と同様の大きさであってもよいし、水素循環ポンプ２９が停止していることを考慮して、通常起動の際の出力電流よりも小さな電流としてもよい。

制御部５０は、この状態で燃料電池１１の暖機運転を継続し、燃料電池１１の損失熱によって凍結で閉塞している水素流路６２が解凍されるまで運転する。図１０のステップＳ２０６に示すように、制御部５０は、燃料電池１１の温度を温度センサ３７によって取得し、図１０のステップＳ２０７に示すようにその温度と閉塞解消温度、例えば、３０℃等を比較し、燃料電池１１の温度が閉塞解消温度よりも高い場合には閉塞していた水素流路６２の閉塞は解消されたと判断する。そして、制御部５０は、図１０のステップＳ２０８に示すように、水素入口の全圧を通常の起動の際の圧力と同じ圧力のＰ_5Tまで減圧した後、図１０のステップＳ２０９に示すように、水素循環ポンプ２９のモータ３０を始動し、水素循環ポンプ２９を始動する。

水素循環ポンプ２９が始動されると、図８を参照して説明したように、水素流路６２の閉塞が解消されているので、各水素流路６１〜６４には水素及び窒素が略同一の量だけ流れ、燃料電池１１は安定して運転することができるようになる。そして、制御部５０は図１０のステップＳ２１０に示すように、負荷３２の電圧を下げて燃料電池１１からの出力電流を増加させて更に燃料電池１１の暖機運転を継続する。

本参考例は、氷点下の始動で、水素流路の閉塞が予想される場合には、燃料電池１１の水素入口の全圧を通常の燃料電池１１の始動の際の水素入口の全圧よりも高い圧力にし、水素循環ポンプ２９を起動せずに燃料電池１１の暖機運転を行なうことによって、凍結によって閉塞を起こしている水素流路の水素分圧をあらかじめ高くし、暖機運転中にセル１０が水素不足で負電圧となることを抑制することが出来るという効果を奏する。また、図１２に示すように、凍結が発生した際には、水素流路７４に接する拡散層７３の表面に氷の粒７５が付着したり、拡散層７３の中に細かな氷の点である、氷点７６が発生したりすることによって、水素流路７４の水素が触媒７２、電解質膜７１に達する際の抵抗が増加してしまい、十分な水素が触媒７２に供給させず、触媒７２の劣化が発生することがある。本参考例では、氷点下の始動の際に水素入口の全圧を通常の起動の際の全圧よりも高めることによって、水素流路７４の水素分圧を高め、水素が触媒７２、電解質膜７１に達しやすくすることで、氷点下起動でも水素ガスの不足による負電圧の発生や燃料電池１１の劣化を効果的に抑制することができる。

なお、本参考例では、燃料電池の始動の際に水素循環ポンプ２９を停止して始動することとして説明したが、水素循環ポンプ２９を起動して燃料電池１１の始動を行なってもよい。

Claims

燃料電池システムであって、
複数のセルが積層され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料タンクと前記燃料電池の燃料ガス入口との間に設けられ、前記燃料ガス入口のガス圧力を調整する圧力調節弁と、
反応後の燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス出口から前記燃料ガス入口に循環させるガス循環ポンプと、
各セルの電圧を取得するセル電圧取得手段と、
前記ガス循環ポンプの起動停止と前記圧力調節弁の開度の調整とを行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の始動の際に、前記圧力調節弁の開度を調整し、前記燃料ガス入口に燃料ガスを導入して前記燃料ガス入口のガス圧力を第１の圧力とし、前記燃料ガス循環ポンプを始動し、前記セル電圧取得手段によって取得した各前記セルの電圧の少なくとも１つが所定の電圧よりも低い場合には、前記燃料電池内部の燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断する閉塞判定手段と、
前記閉塞判定手段によって前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断した場合に、前記圧力調節弁の開度を調整し、前記燃料ガス入口に燃料ガスを導入して前記燃料入口のガス圧力を第１の圧力よりも高圧の第２の圧力とし、前記燃料ガス循環ポンプを停止して前記燃料ガス流路の閉塞を解消する閉塞解消手段と、
を有する燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記閉塞解消手段は、各前記セルの負電圧が解消されるまで前記燃料電池の出力電流を低減した後、所定の電流に上昇させる燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
各前記セルの電流密度分布を検出するセル電流密度分布取得手段を備え、
前記閉塞判定手段は、前記セル電流密度分布取得手段によって取得した各前記セルの電流密度分布に閾値以上の偏りが合った場合に、前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断する燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電流密度分布取得手段は、燃料ガス上流側と燃料ガス下流側の各前記セルに設けた各部分電流検知板組であり、前記各部分電流検知板組の燃料ガス上流側の部分電流検知板によって検出した電流密度と燃料ガス下流側の部分電流検知板で検出した電流密度との差が閾値以上の場合に前記燃料ガス流路に閉塞が発生していると判断する燃料電池システム。