JP2005276784A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の効率低下を招くことなく、システム起動運転の際に高濃度の水素が排出される不都合を有効に抑制できるようにする。
【解決手段】システム起動運転を行うときに、燃料電池スタックのカソードに対する空気供給を開始してから所定時間の間は、燃料電池スタックを電力取り出し可能状態（アイドル状態）とするために必要な基準流量よりも多い流量の空気がカソードに供給されるように、空気供給流量を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、システム起動時に高濃度の水素が排出されることを防止するための技術に関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池システムが注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード）に水素等の燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスを供給して電気化学反応を起こし、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。

燃料電池は電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。固体高分子電解質型の燃料電池は、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、自動車の駆動動力源として燃料電池システムを構築する場合、燃料電池には固体高分子型の燃料電池を用いることが主流となっている。

ところで、燃料電池システムを自動車の駆動動力源として用いる場合、燃料電池に燃料ガスとして供給される水素が可燃性であるため、その取り扱いには特別な配慮が要求され、水素を高濃度の状態で車外に排出しないように十分な対策を講じることが求められる。このような観点から、例えば、燃料電池システムの運転中に燃料極側に蓄積した窒素や水分等の不純物を水素と共に排出する水素パージを行う際に、燃料極側から排出される水素を酸化剤極側から排出される空気で十分に希釈した後に車外に排出するといった手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−５５２８７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、システム運転中における水素パージ時に燃料極側から排出される水素については酸化剤極側から排出される空気で十分に希釈できるものの、燃料電池システムの起動運転を行う際に酸化剤極側から水素が排出されることについては考慮されていないため、そのような場合への対策が不十分であると考えられる。

すなわち、固体高分子電解質型の燃料電池では、燃料電池システムの運転を停止している間に、燃料電池の燃料極側に充填されている水素が固体高分子電解質膜を透過して酸化剤極側へとクロスリークする現象が生じることが確認されている。そして、この種の燃料電池システムでは、システムが起動されてから実際に燃料電池からの電力取り出しを行う前に、燃料電池に対して水素及び必要最小限の流量（基準流量）の空気を供給して、燃料電池を電力取り出し可能状態とするためのシステム起動運転を行うのが一般的であるが、このようなシステム起動運転を行うに際して、システム停止時のクロスリークによって酸化剤極側に多量の水素が蓄積されていると、システム起動運転で酸化剤極側に供給される空気量が必要最低限の基準流量であるため、酸化剤極側に高濃度の状態で蓄積されている水素が十分に希釈されずに車外に排出されてしまうといった問題が生じる。

このような問題を回避する手法としては、固体高分子電解質膜の膜厚を十分に厚くして、システム停止時に燃料極側から酸化剤極側への水素のクロスリーク量を抑制することも考えられるが、固体高分子電解質膜の膜厚増加は効率低下に繋がるので望ましくない。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池の効率低下を招くことなく、システム起動運転の際に高濃度の水素が排出される不都合を有効に抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質型の燃料電池を有する燃料電池システムであり、システム起動時に、燃料電池に水素及び基準流量の空気を供給して、燃料電池を電力取り出し可能状態とするシステム起動運転を行うものである。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、システム起動運転中、燃料電池への空気供給開始から所定時間の間は、燃料電池を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量よりも多い流量の空気が燃料電池に供給されるように、空気供給流量を制御するようにしている。

本発明の燃料電池システムによれば、システム起動運転を行うときに燃料電池への空気供給開始から所定時間の間は、基準流量よりも多い流量の空気が燃料電池に供給されるので、システム停止中に燃料電池の燃料極側から酸化剤極側へと水素がクロスリークし、システム起動時に酸化剤極側に多量の水素が存在する状態となった場合であっても、その酸化剤極に存在する水素を流量増加した空気で希釈して、十分に濃度を低下させた状態で外部に排出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明を適用した燃料電池システムの主要部の概略構成を図１に示す。この燃料電池システムは、例えば燃料電池車両用の発電システムとして構成されたものであり、主要な構成要素として、発電を行う燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、冷却液を供給する冷却液供給系とを備えている。

燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極（アノード）１ａと空気が供給される酸化剤極（カソード）１ｂとが電解質１ｃを挟んで重ね合わされて発電単位である単位セルが構成され、この単位セルが多段積層されてスタック構造とされたものである。燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノード１ａ側に燃料ガスである水素が供給されることで、このアノード１ａでの触媒反応により、供給された水素が水素イオンと電子とに解離し、水素イオンは電解質１ｃを通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、カソード１ｂにそれぞれ移動する。また、カソード１ｂ側では、酸化剤ガスである空気が供給されることで、この供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質１ｃとしては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子膜が用いられる。固体高分子膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜であり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素供給系は、例えば、水素供給源である水素タンク２を有しており、この水素タンク２に貯蔵された水素を水素供給配管３を通して燃料電池スタック１のアノード１ａ側へと供給するようになっている。水素供給配管３には水素調圧弁４や水素圧センサ５が設置されており、水素圧センサ５の検出値をフィードバックして水素調圧弁４の開度を制御することで、水素タンク２から燃料電池スタック１へと供給される水素の圧力が調整される。なお、燃料電池スタック１のアノード１ａ側では、供給された水素が全て消費されるわけではなく、余剰分の水素（燃料電池スタック１のアノード１ａから排出される排水素）は水素循環配管６により環流され、エゼクタ７により新たに水素タンク２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池スタック１のアノード１ａ側に供給される。

また、燃料電池スタック１のアノード１ａの出口側には水素排気配管８が接続されており、この水素排気配管８の下流側（水素循環配管５が分岐される部分の下流位置）には、パージ弁９が設けられている。水素を循環利用する燃料電池システムでは、水素の循環によって水素供給系内には窒素やＣＯ等の不純物が蓄積して水素分圧が降下していくため、燃料電池スタック１の効率が低下することが懸念される。そこで、不純物濃度が高くなった場合等に、パージ弁９を開放して水素パージを行うことで、水素供給系内の不純物を水素と共にシステム外部に排出して除去し、以上のような問題を解消するようにしている。なお、この水素パージによって水素供給系から排出される水素は、例えば、希釈ブロア１０によって十分に希釈された後にシステム外部に排出される。

空気供給系は、例えば、空気供給源としてエアコンプレッサ１１を有し、このエアコンプレッサ１１で外気をで吸入して空気供給配管１２を通して燃料電池スタック１のカソード１ｂ側へと供給するようになっている。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂの出口側には空気排気配管１３が接続され、燃料電池スタック１のカソード１ｂで消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、この空気排気排気配管１３から排出される。

空気供給配管１２には空気圧センサ１４、空気排気配管１３には空気調圧弁１５が設置されており、空気圧センサ１４の検出値をフィードバックして空気調圧弁１５の開度を制御することで、エアコンプレッサ１１から燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気の圧力が調整される。また、空気排気配管１３の下流側にはマフラ１６が設置されており、燃料電池スタック１のカソード１ｂから排出される排空気がこのマフラ１６を通過することで消音されて、システム外部に排出されるようになっている。

冷却液供給系は、冷却液ポンプ１７の駆動によって、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を冷却液循環配管１８内で循環させ、燃料電池スタック１に供給する構成となっている。冷却液循環配管１８にはラジエータ１９が設置されており、燃料電池スタック１の熱を吸熱して高温の状態で燃料電池スタック１から排出された冷却液は、このラジエータ１９を通過する過程で放熱し、冷却される。

また、冷却液循環配管１８の燃料電池スタック１出口付近には温度センサ２０が設置されており、燃料電池スタック１出口から排出される冷却液の温度がこの温度センサ２０によって検出される。この温度センサ２０により検出される冷却液の温度は、燃料電池スタック１の温度を反映したものである。

以上のように構成される燃料電池システムの各部の動作は、コントロールユニット２１によって制御される。コントロールユニット２１は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納されている各種制御プログラムを実行することで、燃料電池システム全体の動作を制御するようになっている。具体的には、燃料電池システムが通常運転を行っている間、コントロールユニット２１は、水素圧センサ５や空気圧センサ１４、温度センサ２０等の各種センサ検出値をモニタリングしてシステム全体の動作状態を把握し、システムに要求される電力を燃料電池スタック１で適切に発電できるように、水素タンク２、水素調圧弁４、エアコンプレッサ１１、空気調圧弁１５、冷却液ポンプ１７等の各部の動作を制御する。

また、システム起動時には、実際に燃料電池スタック１からの電力取り出しを行う前に、コントロールユニット２１による制御のもとで、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするためのシステム起動運転が行われるが、特に、本発明を適用した燃料電池システムでは、このシステム起動運転の初期の段階において、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量よりも多い流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、コントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御している。

以下、本発明を適用した燃料電池システムに特徴的なシステム起動運転中の動作制御について、更に詳しく説明する。

例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられる燃料電池システムでは、燃料電池車両のスタータスイッチがオンされることで起動するが、起動操作直後の燃料電池スタック１は安定的な発電が可能な状態とはなっておらず、起動操作直後に高負荷の状態で燃料電池スタック１からの電力取り出しを行おうとすると、燃料電池スタック１にダメージを与える虞れがある。そこで、この種の燃料電池システムでは、システムが起動されてから実際に燃料電池スタック１からの電力取り出しを行う前に、燃料電池スタック１のアノード１ａに水素、カソード１ｂには基準流量の空気を供給して、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするためのシステム起動運転を行うようにしている。そして、システム起動運転が終了した段階で通常運転に移行して、燃料電池スタック１からの電力取り出しを行うようにしている。すなわち、スタータスイッチのオン等によって燃料電池システムが起動されてから、実際に燃料電池スタック１からの電力取り出しを行う通常運転へと移行するまでの間に、システム起動運転を行うようにしている。ここで、システム起動運転において、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするために必要な空気供給の基準流量は、例えば、燃料電池スタック１に最低減の負荷をかけたときに要求される空気流量等に設定される。

ところで、電解質１ｃに固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池スタック１では、燃料電池システムの停止中に、アノード１ａ側に充填されている水素が固体高分子膜よりなる電解質膜１ｃを透過してカソード１ｂ側へとクロスリークする現象が生じることが確認されている。そして、このアノード１ａ側からカソード１ｂ側への水素のクロスリークによって、次の燃料電池システムの起動のタイミングによっては、システム起動時に、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に多量の水素が存在した状態となっている場合があることが分かってきた。

このように、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に多量の水素が存在した状態となっている場合、システム起動時に従来通りのシステム起動運転を行うようにしたのでは、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側には必要最低限の基準流量の空気しか供給されないため、カソード１ｂ側に存在している多量の水素をカソード１ｂに供給される空気で十分に希釈することができず、高濃度の状態でシステム外部に排出してしまうことが懸念される。

そこで、本発明を適用した燃料電池システムでは、スタータスイッチのオンによって当該燃料電池システムが起動されてシステム起動運転を行う際に、燃料電池スタック１への空気供給開始から所定時間の間は、燃料電池スタック１のカソード１ｂに対して基準流量よりも多い流量の空気が供給されるようにコントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御し、この流量を増加した空気の供給によって、カソード１ｂに存在する水素を十分に希釈した後に、外部に排出させるようにしている。

すなわち、燃料電池スタック１への空気供給開始から所定時間の間、流量を増加した空気を燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給することによって、燃料電池スタック１やそれに接続されている空気排気配管１３、マフラ１６といったある程度の容積が確保された部品内部で、供給された大流量の空気とカソード１ｂに存在する水素が混ざり合い、水素濃度が低下した状態でシステム外部に排出されることになる。

システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量は、図２に示すように、主に、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間と、前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度とに依存している。

すなわち、燃料電池スタック１のアノード１ａ側からカソード１ｂ側への水素のクロスリークは時間の経過と共に進行するので、図２（ａ）に示すように、システム停止後のある段階までは、時間の経過と共にカソード１ｂ側に存在する水素量が徐々に増加し、ある段階（例えば１０分程度経過した段階）でピークをとる。そして、その後は、カソード１ｂ側での触媒反応や外部への拡散等によって、カソード１ｂ側に存在する水素量は徐々に減少していくことになる。

また、比較的高温の状態で運転される燃料電池スタック１は、システム停止中の放熱によって徐々に冷却されることになるが、システム停止時における燃料電池スタック１の温度が高いと、その分、電解質１ｃとして用いている固体高分子膜がその後のシステム停止中に高温の状態で放置される時間が長くなる。そして、固体高分子膜の水素透過係数は、当該膜の温度が高いほど高くなる傾向にあり、システム停止中に固体高分子膜の温度が高いほどアノード１ａ側からカソード１ｂ側への水素のクロスリークが増加する。したがって、図２（ｂ）に示すように、システム停止時における燃料電池スタック１の温度が高いほど、次のシステム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量が多くなる。

システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を大、中、小の３段階で分類し、この水素量と、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間及び前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度との関係を簡単なマップで表すと、図２（ｃ）のようになる。

本実施形態では、以上の傾向をふまえて、予め実機を用いた実験やシミュレーション計算等によって、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する可能性のある水素量の最大値を求め、この最大量の水素がカソード１ｂ側に存在する場合であっても、システム起動運転での空気供給によってカソード１ｂ側に存在する水素を所定の許容排出濃度以下にまで希釈できるように、空気供給流量の増加分及び流量増加した空気を供給する時間を予め設定している。そして、当該燃料電池システムが起動されてシステム起動運転を行う際には、燃料電池スタック１への空気供給開始から予め設定した所定時間の間は、基準流量に予め設定した流量増加分を加算した流量の空気がカソード１ｂへ供給されるように、コントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御するようにしている。

図３は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時に実行される空気供給制御の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の燃料電池システムでは、システムが起動されるとシステム起動運転を行うが、このときの空気供給制御として、先ずステップＳ１において、基準流量に予め設定した流量増加分を加算した流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、コントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御する。この流量を増加した空気の供給は、予め設定された所定時間が経過するまで継続される。

そして、ステップＳ２において、予め設定した所定時間が経過したと判断されると、次にステップＳ３において、基準流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、コントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御する。なお、このときのカソード１ｂに供給される空気の圧力は、流量増加した空気を供給していたときと同程度の圧力に保たれる。この基準流量の空気供給は、システム起動運転が終了するまで継続される。そして、ステップＳ４においてシステム起動運転が終了したと判断された段階で、ステップＳ５で通常運転に移行し、システム起動運転での空気供給制御が終了する。

図４は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気流量とシステム外部に排出される水素濃度との関係を、従来例と比較しながら示す図である。なお、図４（ａ）では、本実施形態の燃料電池システムのシステム起動時における供給空気流量の時間的変化を実線で示し、従来例のシステム起動時における供給空気流量の時間的変化を破線で示している。また、図４（ｂ）では、本実施形態の燃料電池システムのシステム起動時における排出水素濃度の時間的変化を実線で示し、従来例のシステム起動時における排出水素濃度の時間的変化を破線で示している。

図４（ａ）に示すように、従来例では、燃料電池スタック１のカソード１ｂに対する空気供給を開始した直後から、基準流量での空気供給を継続的に行っている。これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１のカソード１ｂに対する空気供給を開始した後、予め設定した所定時間の間は、基準流量に予め設定した流量増加分を加算した流量の空気供給を行うようにしている。

その結果、図４（ｂ）に示すように、従来例では、燃料電池スタック１のカソード１ｂに存在する水素が十分に希釈されずにシステム外部に排出されるため、空気供給開始後のある段階で、排出水素濃度が図中一点鎖線で示す許容排出濃度を超えてしまう場合があるのに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１のカソード１ｂに存在する水素を流量増加した空気で十分に希釈して、排出水素濃度のピークを許容排出濃度以下に抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動運転を行うときに、燃料電池スタック１のカソード１ｂに対する空気供給を開始してから所定時間の間は、基準流量よりも多い流量の空気がカソード１ｂに供給されるように、コントロールユニット２１がエアコンプレッサ１１の動作を制御するようにしているので、システム停止中に燃料電池スタック１のアノード１ａからカソード１ｂ側へと水素がクロスリークして、システム起動時にカソード１ｂ側に多量の水素が存在する状態となった場合であっても、そのカソード１ｂ側に存在する水素を流量増加した空気で希釈して、十分に濃度を低下させた状態で外部に排出することができる。

また、燃料電池スタック１の電解質１ｃに用いる固体高分子膜の膜厚を増加させるといった手法によらず、以上のような簡単な空気供給制御によってシステム起動時にカソード１ｂ側に存在する水素が希釈されるので、固体高分子膜の膜厚増加に伴う燃料電池スタック１の効率低下等の問題を招くことなく、システム起動時にカソード１ｂ側から高濃度の水素が排出されるという不都合を有効に抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、システム起動運転を行うときの空気流量の増加分や、流量増加した空気を供給する時間を可変とした点に特徴を有するものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、予め実験等を行ってシステム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する可能性のある水素量の最大値を求め、この最大量の水素を所定の許容排出濃度以下にまで希釈できる十分な流量及び時間として、空気供給流量の増加分及び流量増加した空気を供給する時間を予め設定するようにしていたが、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動操作がなされた直後に、コントロールユニット２１が、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間や、前回のシステム停止時におけるスタック温度に基づいて、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を推定し、それに応じて空気供給流量の増加分や流量増加した空気を供給する時間を随時設定するようにしている。

以下、上述した第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を用いて重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なコントロールユニット２１による処理を中心に説明する。

本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット２１に、システム起動運転中の空気流量を制御するための機能として、図５に示すように、カソード側水素量推定手段２１ａと、空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂと、空気流量制御手段２１ｃとが実現される。

カソード側水素量推定手段２１ａは、例えばスタータスイッチのオン等によって起動信号が入力され、燃料電池システムが起動されたときに、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を推定するものである。システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量は、上述したように、主に、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間と、前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度とに依存している。そこで、カソード側水素量推定手段２１ａでは、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間を算出すると共に、前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度の情報を読み込んで、これらに基づいて、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を推定する。

前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間を算出する方法としては様々な方法が考えられるが、ここでは、燃料電池システム内部或いは外部に時刻情報を出力する時計を設け、システム停止時にこの時計からシステム停止時刻を取得してメモリに記憶させておき、システム起動時に、時計からシステム起動時刻を取得すると共にメモリに記憶させておいたシステム停止時刻を読み出し、これらの差分を求めることで、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間を算出するようにしている。勿論、その他の方法で経過時間を算出するようにしてもよい。

また、燃料電池スタック１の温度を求めるには、燃料電池スタック１自体の温度を直接計測或いは推定する手法も考えられるが、ここでは、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給するための冷却液循環配管１８の燃料電池スタック１出口付近に設置された温度センサ２０の検出値を用いるようにしている。すなわち、この温度センサ２０により検出される冷却液の温度は、上述したように燃料電池スタック１の温度を反映したものであるので、システム停止時にこの温度センサ２０の検出値を取得してシステム停止時のスタック温度としてメモリに記憶させておき、システム起動時に、このメモリに記憶させておいたスタック温度の情報を読み込むようにしている。

空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂは、カソード側水素量推定手段２１ａによって推定された水素量、すなわち、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量に応じて、システム起動運転の初期段階での空気供給流量の増加分や、流量増加した空気を供給する時間を決定するものである。

システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量と、その水素を所定の許容排出濃度以下にまで希釈するために必要な空気流量の増加分との関係を図６（ａ）に示す。この図６（ａ）に示すように、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量が多いほど、システム起動運転の初期段階で要求される空気流量の増加分は多くなる。空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂは、例えば、このようなカソード側水素量と空気流量増加分との関係をマップとして記憶しておき、カソード側水素量推定手段２１ａによってシステム起動時のカソード側水素量が推定されたときに、マップを参照して、そのカソード側水素量に応じた空気流量の増加分を決定する。

システム起動運転の初期段階での空気供給流量の増加分と、流量増加した空気を供給する時間との関係を図６（ｂ）に示す。この図６（ｂ）に示すように、システム起動運転の初期段階で要求される空気流量の増加分が多いほど、流量増加した空気を供給する時間を短くしても、カソード１ｂ側に存在する水素を所定の許容排出濃度以下にまで希釈してシステム外部に排出することができる。すなわち、空気流量の増加分が多いほど瞬時に大流量の空気がカソード１ｂ側に供給されてカソード１ｂに存在する水素との混ざり合いが加速され、空気供給開始後の早い段階で、カソード１ｂに存在する水素を十分に希釈することができる。空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂは、例えば、このような空気流量増加分と増加流量供給時間との関係をマップとして記憶しておき、カソード側水素量に応じた空気流量の増加分を決定した後に、マップを参照して、その空気流量増加分に応じた増加流量供給時間を決定する。

空気供給流量制御手段２１ｃは、エアコンプレッサ１１の動作を制御することで、システム起動運転中に燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気流量を制御するものである。すなわち、空気供給流量制御手段２１ｃは、システム起動運転中、空気供給開始時から空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂで決定した増加流量供給時間が経過するまでの間は、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量に、空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂで決定した空気流量増加分を加算した流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、エアコンプレッサ１１の動作を制御する。そして、空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段２１ｂで決定した増加流量供給時間が経過した後は、システム起動運転が終了するまでの間、燃料電池スタック１のカソード１ｂに基準流量の空気が供給されるように、エアコンプレッサ１１の動作を制御する。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実行される処理の一例を図７に、システム起動時に実行される空気供給制御の一例を図８にそれぞれ示す。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１での発電を終了させてシステムを停止させるときには、図７に示すように、先ずステップＳ１１において、燃料電池スタック１への水素及び空気の供給を停止させた後、ステップＳ１２において、燃料電池システム内部或いは外部に設けられた時計からそのときの時刻情報（システム停止時刻）Ｔ_ＥＮＤを取得する。次に、ステップＳ１３において、温度センサ２０の検出値（システム停止時スタック温度）Ｎを取得する。そして、ステップＳ１４において、ステップＳ１２で取得したシステム停止時刻Ｔ_ＥＮＤとステップＳ１３で取得したシステム停止時スタック温度Ｎとをメモリに書き込み、システム停止時での処理を終了する。

一方、システム起動時には、図８に示すように、先ず、ステップＳ２１において、燃料電池システム内部或いは外部に設けられた時計からそのときの時刻情報（システム起動時刻）Ｔ_{ＳＴＡＲＴ}を取得し、ステップＳ２２において、前回のシステム停止時にメモリに書き込んだシステム停止時刻Ｔ_ＥＮＤをメモリから読み出す。そして、ステップＳ２３において、これらシステム起動時刻Ｔ_{ＳＴＡＲＴ}とシステム停止時刻Ｔ_ＥＮＤとの差分を求め、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間（Ｔ_{ＳＴＡＲＴ}−Ｔ_ＥＮＤ）を算出する。

次に、ステップＳ２４において、前回のシステム停止時にメモリに書き込んだシステム停止時スタック温度Ｎをメモリから読み出す。そして、ステップＳ２５において、ステップＳ２３で算出した経過時間（Ｔ_{ＳＴＡＲＴ}−Ｔ_ＥＮＤ）と、ステップＳ２４でメモリから読み出したシステム停止時スタック温度Ｎとに基づいて、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を推定する。

次に、ステップＳ２６において、ステップＳ２５で推定したカソード側水素量に応じて、システム起動運転の初期段階での空気供給流量の増加分Ｆ１を決定する。また、ステップＳ２７において、ステップＳ２６で決定した空気流量増加分Ｆ１に応じて、流量増加した空気を供給する時間Ｔ１を決定する。そして、ステップＳ２８において、燃料電池スタック１を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量に、ステップＳ２６で決定した空気流量増加分Ｆ１を加算した流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、エアコンプレッサ１１の動作を制御する。この流量を増加した空気の供給は、ステップＳ２７で決定した増加流量供給時間Ｔ１が経過するまで継続される。

そして、ステップＳ２９において、ステップＳ２７で決定した増加流量供給時間Ｔ１が経過したと判断されると、次にステップＳ３０において、基準流量の空気が燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給されるように、エアコンプレッサ１１の動作を制御する。なお、このときのカソード１ｂに供給される空気の圧力は、流量増加した空気を供給していたときと同程度の圧力に保たれる。この基準流量の空気供給は、システム起動運転が終了するまで継続される。そして、ステップＳ３１においてシステム起動運転が終了したと判断された段階で、ステップＳ３２で通常運転に移行し、システム起動運転での空気供給制御が終了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、システム起動運転を行うときに、燃料電池スタック１のカソード１ｂに対する空気供給を開始してから所定時間の間は、基準流量よりも多い流量の空気がカソード１ｂに供給されるようにしているので、システム停止中に燃料電池スタック１のアノード１ａからカソード１ｂ側へと水素がクロスリークして、システム起動時にカソード１ｂ側に多量の水素が存在する状態となった場合であっても、そのカソード１ｂ側に存在する水素を流量増加した空気で希釈して、十分に濃度を低下させた状態で外部に排出することができる。

また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に存在する水素量を推定し、それに応じて空気供給流量の増加分や流量増加した空気を供給する時間を決定するようにしているので、必要以上にエアコンプレッサ１１を駆動させることなく、カソード１ｂ側に存在する水素を適切な流量の空気で効率的に希釈して外部に排出することができる。

なお、以上説明した例では、システム起動時におけるカソード側水素量の推定結果に応じて、空気供給流量増加分Ｆ１と増加流量供給時間Ｔ１との双方を決定するようにしているが、カソード側水素量の推定結果に応じて空気供給流量増加分Ｆ１のみを決定し、増加流量供給時間Ｔ１については上述した第１の実施形態と同様に十分な時間として予め設定した固定値を用いて、この予め設定した増加流量供給時間の間、基準流量に空気供給流量増加分Ｆ１を加算した流量の空気を供給するようにしてもよい。

また、以上説明した例では、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間と、前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度との双方に基づいて、システム起動時におけるカソード側水素量を推定するようにしているが、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間のみに基づいて、或いは前回のシステム停止時における燃料電池スタック１の温度のみに基づいてシステム起動時におけるカソード側水素量を推定するようにしても、カソード側水素量をある程度は正確に推定することができる。したがって、このように推定したカソード側水素量から、多少余裕を持たせて空気供給流量増加分Ｆ１を設定し、システム起動運転の初期段階では基準流量にこの増加分Ｆ１を加算した流量の空気がカソード１ｂに供給されるようにしても、上述した例と同様の効果を得ることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの主要部分の構成を示す図である。 システム起動時に燃料電池スタックのカソード側に存在する水素量を説明する図であり、（ａ）は前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間とカソード側水素量との関係を示す図、（ｂ）は前回のシステム停止時における燃料電池スタックの温度とカソード側水素量との関係を示す図、（ｃ）は前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間及び前回のシステム停止時における燃料電池スタックの温度とカソード側水素量との関係を示す図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時に実行される空気供給制御の一例を示すフローチャートである。 システム起動時に燃料電池スタックのカソードに供給される空気流量と排出水素濃度との関係を説明する図であり、（ａ）はシステム起動時における供給空気流量の時間的変化を示す図、（ｂ）はシステム起動時における排出水素濃度の時間的変化を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動運転中の空気流量を制御するための機能としてコントロールユニットに実現される各手段を示す機能ブロック図である。 システム起動時におけるカソード側水素量の推定結果に応じて空気供給流量増加分や増加流量供給時間を決定する方法を説明する図であり、（ａ）はカソード側水素量とその水素を所定の許容排出濃度以下にまで希釈するために必要な空気流量の増加分との関係を示す図、（ｂ）は空気供給流量増加分と最適な増加流量供給時間との関係を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実行される処理の一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時に実行される空気供給制御の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１ａ アノード
１ｂ カソード
１ｃ 電解質膜
１１ エアコンプレッサ
１２ 空気供給配管
１３ 空気排気配管
１６ マフラ
２０ 温度センサ
２１ コントロールユニット
２１ａ カソード側水素量推定手段
２１ｂ 空気流量増加分／増加流量供給時間決定手段
２１ｃ 空気供給流量制御手段

Claims (6)

1. 燃料極と酸化剤極とで固体高分子膜よりなる電解質を挟み込んだ固体高分子電解質型の燃料電池を有し、システム起動時に、前記燃料電池に水素及び基準流量の空気を供給して当該燃料電池を電力取り出し可能状態とするシステム起動運転を行う燃料電池システムにおいて、
   前記システム起動運転中、前記燃料電池への空気供給開始から所定時間の間は、前記燃料電池を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量よりも多い流量の空気が前記燃料電池の酸化剤極に供給されるように、空気供給流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料極と酸化剤極とで固体高分子膜よりなる電解質を挟み込んだ固体高分子電解質型の燃料電池を有し、システム起動時に、前記燃料電池に水素及び基準流量の空気を供給して当該燃料電池を電力取り出し可能状態とするシステム起動運転を行う燃料電池システムにおいて、
   システム起動時に前記燃料電池の酸化剤極に存在する水素量を推定する水素量推定手段と、
   前記水素量推定手段で推定した水素量に応じて、空気供給流量の増加分を決定する流量増加分決定手段と、
   前記システム起動運転中、前記燃料電池への空気供給開始から所定時間の間は、前記燃料電池を電力取り出し可能状態とするために必要な基準流量に、前記流量増加分決定手段で決定した増加分を加算した流量の空気が前記燃料電池の酸化剤極に供給されるように、空気供給流量を制御する空気供給流量制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記流量増加分決定手段は、決定した空気供給流量の増加分に応じて、前記基準流量に当該増加分を加算した流量の空気を供給する前記所定時間の長さを決定す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。
4. 前記水素量推定手段は、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間に基づいて、システム起動時に前記燃料電池の酸化剤極に存在する水素量を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記水素量推定手段は、前回のシステム停止時における前記燃料電池の温度に基づいて、システム起動時に前記燃料電池の酸化剤極に存在する水素量を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
6. 前記水素量推定手段は、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間と、前回のシステム停止時における前記燃料電池の温度とに基づいて、システム起動時に前記燃料電池の酸化剤極に存在する水素量を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。

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