WO2008072483A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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gas
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Shigeto Kajiwara
Yasuhiro Nonobe
Shinji Aso
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack that generates power upon receiving a supply of a reaction gas.
  • the fuel cell stack has a stack structure in which a plurality of cells are stacked in series, and each cell has an anode electrode disposed on one surface of an electrolyte membrane and a force sword electrode disposed on the other surface.
  • a membrane-one-electrode assembly By supplying a reactive gas to the membrane-electrode assembly, an electrochemical reaction proceeds, and chemical energy is converted into electrical energy.
  • solid polymer electrolyte fuel cell stacks that use solid polymer membranes as electrolytes are easy to downsize at low cost and have high output density, and are expected to be used as in-vehicle power sources. Yes.
  • the present invention aims to solve such problems and improve the low-temperature startup performance of the fuel cell stack.
  • a fuel cell system includes a fuel cell stack that generates power upon receiving a reaction gas, a temperature of the fuel cell stack that is equal to or lower than a predetermined threshold temperature, and And a reaction gas supply control device for supplying a reaction gas having a higher pressure than the normal operation pressure to the fuel cell stack on condition that the water content is not more than a predetermined threshold value.
  • the fuel cell stack When the water content of the fuel cell stack is below a specified threshold, the fuel cell stack is started at low temperature while suppressing flooding by supplying a high-pressure reactive gas to the fuel cell stack compared to the normal operating pressure. It can improve performance.
  • the reaction gas supply control device supplies a reaction gas whose pressure is higher than the normal operating pressure on the condition that the required power generation current for the fuel cell stack exceeds the maximum current that can be output from the fuel cell stack. To supply.
  • the reactive gas supply control device supplies a higher pressure reactive gas to the fuel cell stack as the water content of the fuel cell stack decreases.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the low-temperature startup processing routine according to the present embodiment.
  • Figure 3 is a graph showing the relationship between AC impedance and maximum output.
  • Figure 4 shows map data showing the I-V characteristics of the fuel cell stack.
  • Figure 5 shows the map data showing the PI characteristics of the fuel cell stack.
  • Figure 6 is map data showing the relationship between the oxidant gas back pressure command value and the AC impedance.
  • FIG. 1 shows a system configuration of a fuel cell system 10 that functions as an in-vehicle power supply system for a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 20 that generates power by receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and a fuel gas pipe that supplies hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20.
  • System 30, oxidant gas piping system 40 that supplies air as oxidizing gas to the fuel cell stack 20, and charging / discharging of power It has a power system 60 to be controlled and a controller 70 that controls the entire system.
  • the fuel cell stack 20 is, for example, a solid polymer electrolyte cell stack formed by stacking a large number of cells in series.
  • the cell has a force sword electrode on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an anode electrode on the other surface, and a pair of separators so that the cathode electrode and the anode electrode are sandwiched from both sides.
  • the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell stack 20 generates power by supplying this gas.
  • the oxidation reaction of Formula (1) occurs at the anode electrode, and the reduction reaction of Formula (2) occurs at the force sword electrode.
  • the fuel cell stack 20 as a whole undergoes an electromotive reaction of equation (3).
  • the fuel gas piping system 30 includes a fuel gas supply source 31, a fuel gas supply channel 35 through which fuel gas (hydrogen gas) supplied from the fuel gas supply source 31 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows, A circulation flow path 36 for returning the fuel off-gas (hydrogen off-gas) discharged from the fuel cell stack 20 to the fuel gas supply flow path 35, and the fuel off-gas in the circulation flow path 36 to the fuel gas supply flow path 35
  • a circulation pump 37 for pumping and an exhaust passage 39 branched and connected to the circulation passage 36 are provided.
  • the fuel gas supply source 31 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas.
  • hydrogen gas flows out from the fuel gas supply source 31 to the fuel gas supply flow path 35.
  • Hydrogen gas can be compared with regulator 3 3 injector 34, for example.
  • the pressure is reduced to about 20 kPa and supplied to the fuel cell stack 20.
  • the fuel gas supply source 31 includes a reformer that generates a hydrogen rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high pressure state. You may comprise from these.
  • the injector 34 is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat.
  • the injector 34 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow with respect to the nozzle body). And a valve body that is accommodated and held movably in a direction) to open and close the injection hole.
  • An exhaust passage 39 is connected to the circulation passage 36 via an exhaust valve 38.
  • the exhaust valve 3 8 is operated according to a command from the controller 70 to discharge the fuel off-gas and impurities including impurities in the circulation flow path 36 to the outside. By opening the exhaust valve 3 8, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation flow path 3 6 is lowered, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas being circulated is increased.
  • the diluter 50 is supplied with the fuel off-gas discharged through the exhaust valve 38 and the exhaust passage 39 and the oxidizing off-gas flowing through the discharge passage 45 to dilute the fuel off-gas.
  • Diluted fuel off-gas exhaust sound is silenced by the muffler (silencer) 5 1, flows through the tail pipe 5 2, and is exhausted outside the vehicle.
  • the oxidizing gas piping system 40 includes an oxidizing gas supply channel 4 4 through which oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and an exhaust channel 4 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell stack 20 flows. And 5.
  • the oxidant gas supply channel 44 is provided with an air compressor 42 that takes in the oxidant gas through the filter 41 and a humidifier 43 that humidifies the oxidant gas pumped by the air compressor 42.
  • Oxidation gas supply pressure (oxidation gas back pressure) A back pressure regulating valve 46 for regulating the pressure and a humidifier 43 are provided.
  • the humidifier 43 contains a water vapor permeable membrane bundle (hollow fiber membrane bundle) composed of a large number of water vapor permeable membranes (hollow fiber membranes). Inside the water vapor permeable membrane, a highly humid oxidizing off-gas (wet gas) containing a large amount of water generated by the cell reaction flows, while on the outside of the water permeable membrane, the low wet moisture taken in from the atmosphere. Oxidizing gas (dry gas) flows. Oxidizing gas can be humidified by exchanging moisture between the oxidizing gas and the oxidizing off-gas through the water vapor permeable membrane.
  • the power system 60 includes a DC / DC converter 61, a battery 6 2, a traction inverter 6 3, and a traction motor 64.
  • the DC ZD C converter 6 1 is a DC voltage converter that boosts the DC voltage from the battery 6 2 and outputs it to the traction inverter 6 3, and from the fuel cell stack 20 or traction motor 6 4.
  • the battery has the function of charging the battery 62 by stepping down the DC voltage. With these functions of the D CZD C converter 61, charging / discharging of the battery 62 is controlled. Further, the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by voltage conversion control by the DC / DC converter 61.
  • the battery 62 is a power storage device capable of storing and discharging electric power, and functions as a regenerative energy storage source during brake regeneration and as an energy buffer during load changes accompanying acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle.
  • a secondary battery such as a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is preferable.
  • Traction motor 64 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a power source for a fuel cell vehicle.
  • the controller 70 is a computer system having a CPU, ROM, RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system 10. I will do it. For example, when the controller 70 receives an activation signal output from an ignition switch (not shown), the controller 70 starts operation of the fuel cell system 10 and opens an accelerator output output from an accelerator sensor (not shown). The required power of the entire system is obtained based on the speed signal and the vehicle speed signal output from the vehicle speed sensor (not shown). The required power of the entire system is the sum of the vehicle travel power and auxiliary power.
  • Auxiliary power includes, for example, power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air conditioners, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, Power consumed by steering devices, suspension devices, etc.) and power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) installed in the passenger space.
  • in-vehicle accessories humidity, air conditioners, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.
  • equipment required for vehicle travel transmissions, wheel control devices, Power consumed by steering devices, suspension devices, etc.
  • devices air conditioners, lighting equipment, audio, etc.
  • the controller 70 determines the output power distribution of the fuel cell stack 20 and the battery 62, and rotates the air compressor 42 so that the power generation amount of the fuel cell stack 20 matches the target power. Adjust the valve opening of the number injector 3 4 to adjust the amount of reactant gas supplied to the fuel cell stack 20 and control the DC ZD C converter 61 to adjust the output voltage of the fuel cell stack 20 This controls the operating point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20. Further, the controller 70 outputs, for example, the switching voltage command values of the AC voltage command values of the U phase, the V phase, and the W phase to the traction inverter 63 so that the target vehicle speed corresponding to the accelerator opening is obtained. The torque motor 6 4 controls the output torque and rotation speed.
  • the fuel cell system 10 includes a cell monitor 8 1 for detecting the cell voltage, and a temperature sensor 8 2 for detecting the stack temperature.
  • a pressure sensor 83 for detecting the oxidant gas back pressure is arranged.
  • Figure 3 shows the fuel cell stack by increasing the reaction gas supply pressure at low temperature startup.
  • the horizontal axis represents the AC impedance of the fuel cell stack 20, and the vertical axis represents the maximum output of the fuel cell stack 20. Since the proton conductivity of the electrolyte membrane is known to be directly proportional to the amount of water contained in the electrolyte membrane, the AC impedance is used as a physical parameter for evaluating the degree of drying of the membrane-electrode assembly. be able to.
  • Curve A shows the case where the reaction gas supply pressure is high (eg, 200 kPa), and curve B shows that the reaction gas supply pressure is low (eg 140 kPa). Is shown.
  • the higher the AC impedance the higher the degree of drying of the membrane-one electrode assembly
  • the greater the output characteristics can be improved by increasing the reaction gas supply pressure compared to the normal operating pressure.
  • the output characteristics of the fuel cell stack 20 can be greatly improved by increasing the reaction gas supply pressure as compared to the normal operating pressure as the stack temperature is lower.
  • the stack temperature exceeds a predetermined threshold temperature (for example, 10 ° C)
  • a predetermined threshold temperature for example, 10 ° C
  • the difference between the curve A and the curve B is almost eliminated, and the fuel cell stack 20 is increased by increasing the reaction gas supply pressure. There was no improvement in output characteristics. If the reaction gas supply pressure is increased until there is no improvement in the output characteristics of the fuel cell stack 20, the power consumption of auxiliary equipment (such as the air compressor 4 2) will increase, and the fuel cell system This is not preferable because the energy efficiency of the entire 10 is reduced.
  • the stack temperature is not more than a predetermined threshold temperature
  • the water content of the membrane-one-electrode assembly is not more than the predetermined threshold
  • the AC impedance is The reaction gas is supplied to the fuel cell stack 20 at a pressure higher than the normal operating pressure.
  • the reaction gas supply pressure is increased, the amount of water removed by the reaction gas decreases, so the water balance inside the fuel cell stack is such that the water contained in the reaction gas accumulates in the membrane-one electrode assembly. proceed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the low-temperature startup processing routine.
  • the controller 70 calls and executes the low temperature start processing routine.
  • the controller 70 reads the detection value of the temperature sensor 82 and determines whether or not the stack temperature T is equal to or lower than a predetermined threshold temperature T 0 (step 2 0 1).
  • the threshold temperature T 0 is set to the upper limit of the temperature at which the output characteristics can be improved (for example, about 10 ° C) by increasing the reaction gas supply pressure to the fuel cell stack 20 above the normal operating pressure. It is desirable to do.
  • step 2 0 1; NO the controller 70 exits the low temperature start process routine and executes a normal start process routine (not shown).
  • the controller 70 determines whether or not the requested current value I req exceeds the maximum current value I max (step 20 2).
  • the maximum current I max means the smaller one of the lower limit voltage current la and the maximum power current I i.
  • the lower limit voltage current ⁇ ⁇ is the current corresponding to the system lower limit voltage V 0 in the I-V characteristic curve shown in Fig. 4.
  • the maximum power current is the current corresponding to the maximum power P max in the PI characteristic curve shown in Fig. 5.
  • step 2 0 2; NO the controller 70 exits the low temperature start processing routine and performs the normal start processing routine (not shown). Execute. If the required current value I req exceeds the maximum current value I max (Step 2 0
  • the controller 70 performs control for increasing the reaction gas supply pressure to the fuel cell stack 20 (step 20 3).
  • map data as shown in FIG. 6 is used to calculate the oxidation gas back pressure command value (target value) corresponding to the AC impedance of the fuel cell stack 20. While reading the detection value of pressure sensor 8 3 so that the oxidizing gas back pressure of fuel cell stack 20 matches the target value, the rotation speed of air conditioner 4 2 and the valve opening of back pressure adjustment valve 4 6 Adjust.
  • the oxidizing gas back pressure command value matches the normal operating pressure P 0.
  • the oxidant gas back pressure command value increases as the AC impedance increases, and reaches a constant value when it increases to some extent.
  • the threshold value Z it is desirable to use an alternating current impedance when water that is theoretically necessary for battery operation is contained in the membrane-electrode assembly.
  • the DCZDC converter 61 is controlled to change the frequency of the AC signal applied to the fuel cell stack 20, and change the response voltage of each cell. The change may be detected by the cell monitor 81 and the equations (4) to (6) may be calculated.
  • E SEL is the amplitude of the response voltage
  • I SEL is the amplitude of the response current
  • ⁇ is the angular frequency
  • ⁇ is the initial phase
  • R is the resistance component (real part)
  • j represents the imaginary unit
  • t represents time.
  • the operation for increasing the reaction gas supply pressure relative to the normal operation pressure when the required current value I req exceeds the maximum current value I max has been described.
  • the present invention is limited to this. is not.
  • the oxidizing gas back pressure command value (target value) may be calculated from the relationship between the tack temperature and the AC impedance, and the oxidizing gas supply pressure may be controlled.
  • the usage mode in which the fuel cell system 10 is used as an in-vehicle power supply system is illustrated, but the usage mode of the fuel cell system 10 is not limited to this example.
  • the fuel cell system 10 may be mounted as a power source for a mobile body (robot, ship, aircraft, etc.) other than the fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system 10 according to the present embodiment may be used as a power generation facility (stationary power generation system) such as a house or a building.
  • the fuel cell stack is controlled while supplying flooding to the fuel cell stack by supplying a reaction gas having a pressure higher than the normal operation pressure. Can improve the low temperature startup performance.

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Abstract

燃料電池システム１０は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０の温度が所定の閾値温度以下であり且つ燃料電池スタック２０の含水量が所定の閾値以下であることを条件として通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタック２０に供給するコントローラ７０とを備える。反応ガス供給圧を高めると、反応ガスによる水分持ち去り量は低下するので、燃料電池スタック内部における水収支は、反応ガスに含まれている水分が膜−電極接合体に蓄積される方向に進行する。しかし、燃料電池スタック２０の含水量が所定の閾値以下であるので、フラッディングを抑制しつつ、低温起動性能を高めることができる。

Description

明細書
燃料電池システム
技術分野
本発明は反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを有する燃料 電池システムに関する。 背景技術
燃料電池スタックは、 複数のセルを直列に積層してなるスタック構造を有 しており、 各セルは、 電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、 他方の面 に力ソード極を配置してなる膜一電極接合体を有する。 膜一電極接合体に反 応ガスを供給することで電気化学反応が進行し、 化学エネルギーが電気エネ ルギ一に変換される。 なかでも、 固体高分子膜を電解質として用いる固体高 分子電解質型燃料電池スタックは、 低コストでコンパクト化が容易であり、 しかも高い出力密度を有することから、 車載電力源としての用途が期待され ている。
ところで、 燃料電池システムにおける電池反応では、 水分が生成されるた め、 永点下等の低温環境下においては、 水分が電極触媒やガス拡散層等に凍 結している虞がある。 またこのような低温環境下では、 空気の飽和蒸気圧が 低下するので、 膜一電極接合体の含水量が多くなる。 このような状態になる と、 電極反応面積が減少して反応ガスの拡散性能が著しく低下するので、 定 格起電力を出力できない場合がある。 このような問題点に鑑み、 特開 2 0 0 5 - 4 4 7 9 5号公報には、 氷点下起動時に燃料電池スタックに供給される 反応ガスの圧力を通常運転圧力よりも高めに制御することにより、 発電特性 を向上させることが開示されている。 反応ガスの供給圧を高めると、 電気化 学反応が進行する三相界面に反応ガスを強制供給できるので、 触媒活性の低 下や生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を補うことができる。 [特許文献 1 ] 特開 2 0 0 5— 4 4 7 9 5号公報 発明の開示
しかし、 反応ガス供給圧を高めると、 反応ガスによる水分持ち去り量は低 下するので、 燃料電池スタック内部における水収支は、 反応ガスに含まれて いる水分が膜一電極接合体に蓄積される方向に進行する。 低温起動時におい て、 発電に必要なプロトン伝導性を確保するために必要十分な水分が膜ー電 極接合体に含有されているような状態では、 反応ガス供給圧を高めてしまう と、 フラッデイングを惹起していまい、 反応ガス拡散性能低下に起因する濃 度分極の増大により燃料電池スタックの出力特性低下を招く虞がある。 そこで、 本発明はこのような問題を解決し、 燃料電池スタックの低温起動 性能を高めることを課題とする。
上記の課題を解決するため、 本発明に係わる燃料電池システムは、 反応ガ スの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、 燃料電池スタックの温度が 所定の閾値温度以下であり且つ燃料電池スタックの含水量が所定の閾値以下 であることを条件として通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池ス タックに供給する反応ガス供給制御装置とを備える。
燃料電池スタックの含水量が所定の閾値以下であるときに、 通常運転圧力 に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給することにより、 フラッ デイングを抑制しつつ、 燃料電池スタックの低温起動性能を高めることがで さる。
反応ガス供給制御装置は、 燃料電池スタックに対する発電要求電流が、 燃 料電池スタックから出力できる最大電流を超えていることを条件として、 通 常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給する。
燃料電池スタックに対する発電要求電流が、 燃料電池スタックから出力で きる最大電流を超えているときに、 通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを 燃料電池スタックに供給することにより、 燃料電池スタックの最大出力性能 を向上させることができる。
反応ガス供給制御装置は、 燃料電池スタックの含水量が'少ない程、 より高 圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給する。
燃料電池スタックの含水量が少ない程、 通常運転圧力に比して高圧の反応 ガスを燃料電池スタックに供給すると、 燃料電池スタックの出力特性が大き く改善されることが本出願人の実験により確認されている。 図面の簡単な説明
図 1は本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 図 2は本実施形態に係わる低温起動処理ルーチンを示すフローチヤ一トで める。
図 3は交流インピーダンスと最大出力との関係を示すグラフである。 図 4は燃料電池スタックの I一 V特性を示すマップデータである。
図 5は燃料電池スタックの P— I特性を示すマップデータである。
図 6は酸化ガス背圧指令値と交流インピーダンスとの関係を示すマップデ ータである。 発明を実施するための最良の形態
以下、 各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図 1は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム 1 0のシステム構成を示す。
燃料電池システム 1 0は、 反応ガス （酸化ガス及び燃料ガス） の供給を受 けて発電する燃料電池スタック 2 0と、 燃料ガスとしての水素ガスを燃料電 池スタック 2 0に供給する燃料ガス配管系 3 0と、 酸化ガスとしての空気を 燃料電池スタック 2 0に供給する酸化ガス配管系 4 0と、 電力の充放電を制 御する電力系 60と、 システム全体を統括制御するコントローラ 70とを備 えている。
燃料電池スタック 20は、 例えば、 多数のセルを直列に積層してなる固体 高分子電解質型セルスタックである。 セルは、 イオン交換膜からなる電解質 膜の一方の面に力ソード極を有し、 他方の面にアノード極を有し、 更にカソ 一ド極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有して いる。 一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、 他方のセパ レークの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、 このガス供給により燃料電池 スタック 20は発電する。
燃料電池スタック 20では、 アノード極において （1) 式の酸化反応が生 じ、 力ソード極において （2) 式の還元反応が生じる。 燃料電池スタック 2 0全体としては （3) 式の起電反応が生じる。
H2→2H++ 2 e■··· (1)
(1/2) 02+ 2 H++ 2 e -→H20 … (2)
H2+ (1/2) 〇2→Η20··· (3)
燃料ガス配管系 30は、 燃料ガス供給源 3 1と、 燃料ガス供給源 3 1から 燃料電池スタック 20のアノード極に供給される燃料ガス （水素ガス） が流 れる燃料ガス供給流路 35と、 燃料電池スタック 20から排出される燃料ォ フガス （水素オフガス） を燃料ガス供給流路 35に還流せしめるための循環 流路 36と、 循環流路 36内の燃料オフガス.を燃料ガス供給流路 35に圧送 する循環ポンプ 37と、 循環流路 36に分岐接続される排気流路 39とを有 している。
燃料ガス供給源 3 1は、 例えば、 高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構 成され、 例えば、 3 5 MP a又は 70 MP aの水素ガスを貯留する。 遮断弁 32を開くと、 燃料ガス供給源 3 1から燃料ガス供給流路 3 5に水素ガスが 流出する。 水素ガスは、 レギュレータ 3 3ゃィンジェクタ 34により、 例え ば、 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、燃料電池スタック 2 0に供給される。 尚、 燃料ガス供給源 3 1は、 炭化水素系の燃料から水素リツチな改質ガス を生成する改質器と、 この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧 する高圧ガスタンクと、 から構成してもよい。
インジェクタ 3 4は、 弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動 して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能 な電磁駆動式の開閉弁である。 インジェクタ 3 4は、 燃料ガス等の気体燃料 を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、 その気体燃料を噴射孔ま で供給案内するノズルボディと、 このノズルボディに対して軸線方向 （気体 流れ方向） に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、 を備えてい る。
循環流路 3 6には、排気弁 3 8を介して、排気流路 3 9が接続されている。 排気弁 3 8は、 コントローラ 7 0からの指令によって作動することにより、 循環流路 3 6内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。 排気 弁 3 8の開弁により、 循環流路 3 6内の水素オフガス中の不純物の濃度が下 がり、 循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。
希釈器 5 0には、 排気弁 3 8及び排気流路 3 9を介して排出される燃料ォ フガスと、 排出流路 4 5を流れる酸化オフガスとが流入し、 燃料オフガスを 希釈する。 希釈化された燃料オフガスの排出音は、 マフラー （消音器） 5 1 によって消音され、 テールパイプ 5 2を流れて車外に排気される。
酸化ガス配管系 4 0は、 燃料電池スタック 2 0のカソード極に供給される 酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路 4 4と、 燃料電池スタック 2 0から排出 される酸化オフガスが流れる排出流路 4 5とを有している。 酸化ガス供給流 路 4 4には、 フィルタ 4 1を介して酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ 4 2と、 エアコンプレッサ 4 2により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器 4 3とが設けられている。排出流路 4 5には、酸化ガス供給圧 （酸化ガス背圧） を調圧するための背圧調整弁 4 6と、 加湿器 4 3とが設けられている。
加湿器 4 3は、 多数本の水蒸気透過膜 （中空糸膜） から成る水蒸気透過膜 束 （中空糸膜束） を収容している。 水蒸気透過膜の内部には、 電池反応によ り生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガス （ウエットガス） が流れる 一方で、水上透過膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ド ライガス） が流れる。 酸化ガスと酸化オフガスとの間で水蒸気透過膜を隔て て水分交換が行われることにより、 酸化ガスを加湿することができる。
電力系 6 0は、 D C /D Cコンバータ 6 1、 パッテリ 6 2、 トラクシヨン インバータ 6 3、 及びトラクシヨンモータ 6 4を備えている。 D C ZD Cコ ンバータ 6 1は、 直流の電圧変換器であり、 バッテリ 6 2からの直流電圧を 昇圧してトラクシヨンインバータ 6 3に出力する機能と、 燃料電池スタック 2 0又はトラクションモータ 6 4からの直流電圧を降圧してパッテリ 6 2に 充電する機能とを有する。 D CZD Cコンバータ 6 1のこれらの機能により、 バッテリ 6 2の充放電が制御される。 また、 D C /D Cコンバータ 6 1によ る電圧変換制御により、 燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電圧、 出力電流） が制御される。
バッテリ 6 2は、 電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、 ブレーキ 回生時の回生エネルギー貯蔵源、 燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変 動時のエネルギーバッファとして機能する。パッテリ 6 2としては、例えば、 ニッケル'カドミウム蓄電池、 ニッケル ·水素蓄電池、 リチウム二次電池等 の二次電池が好適である。
トラクシヨンインバータ 6 3は、 直流電流を三相交流に変換し、 トラクシ ヨンモータ 6 4に供給する。 トラクシヨンモータ 6 4は、 例えば、 三相交流 モータであり、 燃料電'池車両の動力源を構成する。
コントローラ 7 0は、 C P U、 R OM、 R AM、 及ぴ入出力インタフエ一 スを備えるコンピュータシステムであり、 燃料電池システム 1 0の各部を制 御する。 例えば、 コントローラ 7 0は、 ィグニッシヨンスィッチ （図示せず） から出力される起動信号を受信すると、 燃料電池システム 1 0の運転を開始 し、 アクセルセンサ （図示せず） から出力されるアクセル開度信号や、 車速 センサ （図示せず） から出力される車速信号などを基に、 システム全体の要 求電力を求める。 システム全体の要求電力は、 車両走行電力と補機電力との 合計値である。 補機電力には、 例えば、 車載補機類 （加湿器、 エアコンプレ ッサ、 水素ポンプ、 及び冷却水循環ポンプ等） で消費される電力、 車両走行 に必要な装置 （変速機、 車輪制御装置、 操舵装置、 及び懸架装置等） で消費 される電力、 乗員空間内に配設される装置 （空調装置、 照明器具、 及ぴォー ディォ等） で消費される電力などが含まれる。
そして、 コントローラ 7 0は、 燃料電池スタック 2 0とバッテリ 6 2の出 力電力の配分を決定し、 燃料電池スタック 2 0の発電量が目標電力に一致す るように、 エアコンプレッサ 4 2の回転数ゃィンジェクタ 3 4の弁開度を調 整し、 燃料電池スタック 2 0への反応ガス供給量を調整するとともに、 D C ZD Cコンバータ 6 1を制御して燃料電池スタック 2 0の出力電圧を調整す ることにより燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電圧、 出力電流） を制御する。 更に、 コントローラ 7 0は、 アクセル開度に応じた目標車速が 得られるように例えば、 スイッチング指令として、 U相、 V相、 及ぴ W相の 各交流電圧指令値をトラクシヨンインバータ 6 3に出力し、 トラクシヨンモ —タ 6 4の出力トルク、 及ぴ回転数を制御する。
尚、 燃料電池スタック 2 0の運転状態を検出するためのセンサ類として、 燃料電池システム 1 0には、 セル電圧を検出するためのセルモユタ 8 1、 ス タック温度を検出するための温度センサ 8 2、 酸化ガス背圧を検出するため の圧力センサ 8 3等が配置されている。
次に、 本実施形態に係わる低温起動処理の概要について説明する。
図 3は低温起動時に反応ガス供給圧を昇圧することによる燃料電池スタッ ク 2 0の出力特性の改善を示すグラフであり、 横軸は燃料電池スタック 2 0 の交流インピーダンスを示し、 縦軸は燃料電池スタック 2 0の最大出力を示 している。 電解質膜の陽子伝導度は、 電解質膜に含まれている水分量に直接 比例することが知られているので、 交流インピーダンスは、 膜一電極接合体 の乾燥度合いを評価するための物理パラメータとして用いることができる。 曲線 Aは、 反応ガス供給圧が高圧 （例えば、 2 0 0 k P a ) である場合を示 し、 曲線 Bは、 反応ガス供給圧が低圧 （例えば、 1 4 0 k P a ) であること を示している。 このグラフに示すように、 交流インピーダンスが高い程 （膜 一電極接合体の乾燥度合いが'高い程）、通常運転圧力に比して反応ガス供給圧 を高めることによって、 出力特性を大きく改善できることが分かる。 また、 スタック温度が低い程、 通常運転圧力に比して反応ガス供給圧を高めること によって、 燃料電池スタック 2 0の出力特性を大きく改善できることが確認 できた。
伹し、 スタック温度が所定の閾値温度 （例えば、 1 0 °C) を超えると、 曲 線 Aと曲線 Bとの差は殆どなくなり、 反応ガス供給圧を昇圧することによる 燃料電池スタック 2 0の出力特性の改善は見られなかった。 燃料電池スタツ ク 2 0の出力特性の改善が見られない場合にまで反応ガス供給圧を昇圧させ ると、 補機類 (エアコンプレッサ 4 2など) の消費電力が増加してしまい、 燃料電池システム 1 0全体のエネルギー効率が低下するので、好ましくない。 以上の実験結果より、 本実施形態に係わる低温起動処理においては、 スタ ック温度が所定の閾値温度以下であり、 且つ膜一電極接合体の含水量が所定 の閾値以下である （交流インピーダンスが所定の閾値以上である） ことを条 件として、 通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタック 2 0に 供給する。 反応ガス供給圧を高めると、 反応ガスによる水分持ち去り量は低 下するので、 燃料電池スタック内部における水収支は、 反応ガスに含まれて いる水分が膜一電極接合体に蓄積される方向に進行する。 膜一電極接合体が 乾燥している状態では、 反応ガス供給圧を高めることによって、 膜一電極接 合体に水分が蓄積されたとしても、 フラッディングに起因する濃度分極の増 大により燃料電池スタック 2 0の出力特性の低下を引き起こす虞は生じない。 次に、 図 2乃至図 6を参照しながら本実施形態に係わる低温起動処理の詳 細について説明する。
図 2は低温起動処理ルーチンを示すフローチャートである。
コントローラ 7 0は、 イダエツシヨンスィッチ (図示せず) がオンになる と、 低温起動処理ルーチンを呼び出して実行する。 コントローラ 7 0は、 ま ず、 温度センサ 8 2の検出値を読み取り、 スタック温度 Tが所定の閾値温度 T 0以下であるか否かを判定する（ステップ 2 0 1 )。閾値温度 T 0としては、 燃料電池スタック 2 0への反応ガス供給圧を通常運転圧力よりも高めること により、 出力特性の向上が見込まれる温度の上限値 （例えば、 1 0 °C程度） に設定するのが望ましい。
スタック温度 Tが閾値温度 T 0を超えている場合には (ステップ 2 0 1 ； N O)、 コントローラ 7 0は、低温起動処理ルーチンを抜けて、通常起動処理 ルーチン （図示せず） を実行する。
スタック温度 Tが閾値温度 T 0以下である場合には （ステップ 2 0 1 ； Y
E S )、 コントローラ 7 0は、 要求電流値 I reqが最大電流値 I maxを超えてい るか否かを判定する （ステップ 2 0 2 )。 ここで、 最大電流 I maxとは、 下限 電圧電流 l aと最大電力電流 I iとのうち何れか小さい方を意味する。 下限電 圧電流 Ι οとは、 図 4に示す I一 V特性曲線において、 システム下限電圧 V0 に対応する電流である。 最大電力電流 とは、 図 5に示す P— I特性曲線 において、 最大電力 P maxに対応する電流である。
要求電流値 I reqが最大電流値 I maxを下回っている場合には （ステップ 2 0 2 ; N O)、 コントローラ 7 0は、 低温起動処理ルーチンを抜けて、通常起 動処理ルーチン （図示せず） を実行する。 要求電流値 I reqが最大電流値 I maxを超えている場合には （ステップ 2 0
2 ； Y E S ) コントローラ 7 0は、燃料電池スタック 2 0への反応ガス供給 圧を昇圧させるための制御を実施する （ステップ 2 0 3 )。
反応ガス供給圧を昇圧させるには、 少なくとも酸化ガスの供給圧を昇圧さ せればよく、 燃料ガスについては、 必ずしも昇圧させる必要はない。 酸化ガ スの供給圧を昇圧させるには、 例えば、 図 6に示すようなマップデータを用 いて、 燃料電池スタック 2 0の交流インピーダンスに対応する酸化ガス背圧 指令値 （目標値） を算出し、 燃科電池スタック 2 0の酸化ガス背圧が目標値 に一致するように、 圧力センサ 8 3の検出値を読み取りながら、 エアコンプ レッサ 4 2の回転数や背圧調整弁 4 6の弁開度を調整する。
図 6に示すマップデータにおいては、 交流インピーダンスが所定の閾値 Z 0未満では、 酸化ガス背圧指令値は、 通常運転圧力 P 0に一致する。 交流ィ ンピーダンスが所定の閾値 Z 0以上になると、 酸化ガス背圧指令値は、 交流 インピーダンスの増加に伴って上昇し、 ある程度上昇したところで一定値に なる。 交流インピーダンスがある程度高くなると、 酸化ガス背圧指令値が一 定値となるのは、 エアコンプレッサ 4 2のガス供給能力や消費電力等を考慮 したためである。 ここで、 閾値 Z 0としては、 電池運転を実施する上で理論 上必要な水分が膜一電極接合体に含有されているときの交流インピーダンス を用いるのが望ましい。
尚、 燃料電池スタック 2 0の交流インピーダンスを計測するには、 D C Z D Cコンバータ 6 1を制御して、 燃料電池スタック 2 0に印加される交流信 号の周波数を変化させながら、 各セルの応答電圧の変化をセルモニタ 8 1に よって検出し、 （4 ) 〜 （6 ) 式を計算すればよい。 燃料電池スタック 2 0に 交流信号を印加したときの燃料電池スタック 2 0の応答電圧を E、 応答電流 を I、 交流インピーダンスを Zとすると、 ( 4 ) 〜 ( 6 ) 式が成立する。 E = E SEL e ρ j ( ω t + Φ ) … （4 ) 1 = 1 SEL e x p j co t · · · ( 5 )
Z = E / I = ( ESELZ I SEL) e x p j Φ = Κ + j χ · · · ( 6 )
ここで、 E SELは応答電圧の振幅を示し、 I SELは応答電流の振幅を示し、 ωは角周波数を示し、 Φは初期位相を示し、 Rは抵抗成分 （実数部分） を示 し、 ％はリアクタンス成分 （虚数部分） を示し、 jは虚数単位を示し、 tは 時間を示す。
発明の実施形態を通じて説明された実施例は、 用途に応じて適宜に組み合 わせて、 又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、 本発明は上述し た実施形態の記載の記載に限定されるものではない。
本実施形態では、要求電流値 I reqが最大電流値 I maxを超えている場合に、 通常運転圧力に比して反応ガス供給圧を高める操作について説明したが、 本 発明はこれに限られるものではない。 例えば、 要求電流値 I reqと、 スタック 温度 Tと、 交流インピーダンスとの関係から求まる酸化ガス背圧指令値を予 め実験などによりマップデータとして作成しておき、 要求電流値 I reqと、 ス タック温度丁と、 交流インピーダンスとの関係から酸化ガス背圧指令値 （目 標値） を算出し、 酸化ガス供給圧力を制御してもよい。
上述の実施形態では、 燃料電池システム 1 0を車載電源システムとして用 いる利用形態を例示したが、 燃料電池システム 1 0の利用形態はこの例に限 られるものではない。 例えば、 燃料電池システム 1 0を燃料電池車両以外の 移動体（ロボット、船舶、航空機等） の電力源として搭載してもよい。 また、 本実施形態に係わる燃料電池システム 1 0を住宅やビル等の発電設備 （定置 用発電システム） として用いてもよい。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタツ クに供給することにより、 フラッデイングを抑制しつつ、 燃料電池スタック の低温起動性能を高めることができる。

Claims

13 請求の範囲
1 - 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度が所定の閾値温度以下であり、 且つ前記燃料 電池スタックの含水量が所定の閾値以下であることを条件として、 通常運転 圧力に比して高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する反応ガス供 給制御装置と、
を備える燃料電池システム。
2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給制御装置は、 前記燃料電池スタックに対する発電要求電 流が、 前記燃料電池スタックから出力できる最大電流を超えていることを条 件として、 通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに 供給する、 燃料電池システム。
3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給制御装置は、前記燃料電池スタックの含水量が少ない程、 より高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する、燃料電池システム。
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