JP2006100094A - 燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、燃料電池の寿命を延ばすことができるとともに、性能低下を抑制することができる燃料電池の起動方法を提供する。
【解決手段】 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法である。該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流を流したときに得られるセル電圧に基づいて実際の発電に寄与する実効電極面積を算出して、該実効電極面積に基づいて前記セルに流し得る最大電流値を算出し、該最大電流値以下で起動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。

例えば、特許文献１には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
特開２００２−３１３３８８号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとは言え発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。

また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極（アノード、カソード）に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流が過剰に流れると、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応して腐食してしまう（以下、電食、と称す）虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。

従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、所定電流を流したときに得られるセル電圧に基づいて実際の発電に寄与する実効電極面積を算出して、該実効電極面積に基づいて前記セルに流し得る最大電流値を算出し、該最大電流値以下の電流値で起動することを特徴とする。

この発明によれば、前記実効電極面積を求めることにより該面積を求めたセルでの発電状況を把握することができる。そして、前記実効電流密度に基づいて流し得る可能な前記最大電流値を算出し、この最大電流値以下の電流値で起動するため、過大な電流の流れによる電食の発生を防止することができる。そして、前記最大電流値以下の範囲内で、流す電流値を増加させることで、各セルにおける発電やこれに伴う暖機を促進することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出し、前記最大電流値と前記最小電流値との間で前記セルに流す電流値を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が、燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも上回るように算出した最小電流値を流すことで、燃料電池スタック内の昇温を確保することができ、燃料電池スタック外部の暖機手段に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタックの暖機を行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記各セルへの供給ガス量と前記各セルでの発電に必要とされるガス量とを比較して、前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、流す電流を前記最大電流値以下とするか、または、供給ガス量を増大する処理の少なくともいずれかを行うことを特徴とする。

この発明によれば、前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、電極表面における供給ガスが不足し、電食が起こる可能性が高まるため、供給ガス量を増大させたり、また、流す電流を低下させることで過大電流による電食の発生を防止することができる。

請求項１に係る発明によれば、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができるとともに、迅速な起動を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池スタック外部の暖機手段に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタックの暖機を行うことができる。
請求項３に係る発明によれば、発電を促進することができ、電食の発生を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。

同図に示す燃料電池２は、複数のセル３…３を積層してなるスタック４を、一対のプレート５、５で挟持してなる構成を備えている。各セル３は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜を介してアノード側に逆拡散するためアノード側にも生成水が存在する。

水素タンク６から供給される水素は、遮断弁７やレギュレータ（図示せず）を介し、水素供給流路８を通って燃料電池２のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路９に排出され、エゼクタ１０を介して水素供給流路８に合流する。

つまり、燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素タンク６から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路９から分岐した水素オフガス排出流路１１は希釈ボックス（図示せず）に接続される。水素オフガス排出流路１１には水素パージ弁１２が設けられ、水素パージ弁１２を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路１１から希釈ボックスに排出する。

一方、エアはコンプレッサ１３によりエア供給流路１４に圧送され、燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路１５に排出される。

エアオフガス排出流路１５は上述の希釈ボックス（図示せず）に接続され、エアオフガス排出流路１５から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路１１から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。

さらに、燃料電池２は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池２の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池２は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
また、燃料電池２は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１７を介して接続され、燃料電池２の発電で得られた電力を電線１７を介して負荷１６に供給する。

また、本実施の形態においては、燃料電池２の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ１９〜２１を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路１５におけるスタック４の出口付近における温度センサ１９を、水素オフガス排出流路１１におけるスタック４の出口付近における温度センサ２０を、燃料電池２のプレート５に温度センサ２１を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池２を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも１つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池２の電流Ｉを測定するために、負荷１６に接続された電線１７に電流センサ２２を設けている。さらに、燃料電池２の電圧を測定する電圧センサ２３や、各セル３の電圧を検出するための電圧センサ２５…２５も設けられている。

燃料電池システム１には、該システム１の制御を行うためのコントロールユニット（制御部）２４が設けられている。この制御部２４には、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）が接続されている。制御部２４には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９〜２１や電流センサ２２、電圧センサ２３からの検出値が入力される。そして、制御部２４は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁７、コンプレッサ１３、水素パージ弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁７を開弁しまたコンプレッサ１３を駆動して、燃料電池２のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。

次に、ステップＳ１２では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池２の内部温度を把握する。ステップＳ１４では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８では、電流制限を解除して、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。この場合には燃料電池２内の残留水は凍結していないと判断できるためである。

一方、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、燃料電池２に一定電流を流す処理を行う。この一定電流は、燃料電池２の電極（アノード、カソード）での電食を防止し得る適正な電流値であって、発電により生じた生成水の凍結を防止できる最小電流値以上の値に設定される。

ここで、最小電流値の求め方について説明する。本実施の形態においては、前記燃料電池スタック４の外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタック４の発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出している。このように算出した最小電流値を流すことで、燃料電池スタック４内の昇温を確保することができ、燃料電池スタック４外部の暖機手段（ヒータ等）に依存することなく発電による発熱のみによって前記燃料電池スタック４の暖機を行うことができる。なお、燃料電池スタック４の外周への放熱量は、燃料電池スタック４の内部温度と燃料電池スタック４の周囲温度とに基づいて、求めることができる。また、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量は、燃料電池２を流通する冷媒の入口と出口での温度差に、冷媒の比熱と比重、冷媒の流量をそれぞれ乗じることで求めることができる。

ついで、ステップＳ１８では、各セル３…３に設けられた電圧センサ２５…２５により全てのセル電圧を把握する。ステップＳ２０では、把握した全てのセル３の電圧のうち、最も低い電圧（最低セル電圧）を把握する。
ステップＳ２２では、理想セル電圧と最低セル電圧との差が所定値Ａよりも低いか否かを判定する。ここで、理想セル電圧は、流れた電流に対して、セル３の電極全域で発電が行われたときの電圧である。このステップＳ２２の処理について、図３、図４を用いて説明する。

図３は燃料電池スタックを構成するセルに流れる電流と理想電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。同図に示すように、燃料電池２の内部温度（ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ）に応じて、セル３に流れる電流と理想セル電圧との関係を所定のライン（この場合はラインＬＡ〜ＬＣ）で示している。なお、ここで示すラインＡ、Ｂ、Ｃの温度は、いずれも氷点下である。そして、ラインＣの温度が一番高く、ラインＣ、ラインＢ、ラインＡの順に温度が低くなっている。

また、図４は燃料電池スタックを構成するセルの所定温度（この場合はラインＬＢの温度）でセルに流す電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図（マップ）である。ステップＳ２２では、まず、図４を用いてステップＳ１６で流した一定電流の値での理想セル電圧を求め、ついで、ステップＳ２０で把握した最低セル電圧と前記理想セル電圧との差分ΔＶを求めて、所定値Ａと比較する。ステップＳ２２の判定結果がＹＥＳの場合には、実際のセル電圧と理想セル電圧との差が小さく、発電を行える状態と判断できる。これ以降の処理については、後述する。
一方、ステップＳ２２の判定結果がＮＯの場合には、実際のセル電圧と理想セル電圧との差が大きく、このままでは発電が困難な状態（ガス欠状態、または供給ガス量よりも発電に必要とされるガス量が多い状態）と判断できるので、ステップＳ３２に進んで供給ガス量を増加可能か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ３６でガス量の増加処理を実行して、上述したステップＳ１６の処理に戻る。また、ステップＳ３２の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ３４に進んで一旦システム１を停止して、本フローチャートの処理を終了する。

上述のステップＳ２２の判定結果がＹＥＳのときには、ステップＳ２４に進み、実効電極面積を把握する。ここで、実効電極面積とは、セル３の電極において実際の発電に寄与する部位の表面積である。この実効電極面積の求め方について、図５を用いて説明する。
図５は所定電流（この場合はステップＳ１６で流した電流）を流したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。同図を用いて、ステップＳ２０で把握した最低セル電圧から実効電流密度を求める。ここで、実効電流密度は、所定電流における単位面積あたりの電流値である。この実効電流密度で前記所定電流を除算することで、実効電極面積を求めることができる。

そして、ステップＳ２６に進んで、セル３に流し得る電流最大値（最大電流値）を把握する。この最大電流値Ｉmaxは、下式（１）により表される。
Ｉmax＝（Ｓj×Ｒ）／（Ｓ×Ｒａ×α）…（１）
ここで、Ｓjは実効電極面積、Ｓは電極面積（セルの触媒塗布面積）、Ｒは供給ガス流量、Ｒａは１アンペアの発電に必要なガス量、αは安定発電可能な供給ガスかさ上げ量をそれぞれ示している。このようにして、電食の発生を防止して発電を支障なく行える最大電流値Ｉmaxを求めることができる。そして、供給ガス量よりも発電に必要とされるガス量の方が大きいときに、最大電流値Ｉmax以下の範囲で流す電流を制御している。

ステップＳ２８では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを再度判定する。この判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ３８に進んで電流制限を解除し、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。ステップＳ２８の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ３０に進んで、最大電流値の範囲内で流す電流値を変更する制御を行う。そして、上述のステップＳ１８以降の処理を再度行う。

このように、燃料電池２の内部温度が０度以下の場合には最大電流値Ｉmax以下の電流値で起動するため、過大な電流の流れによる電食の発生を防止することができる。そして、前記最大電流値Ｉmax以下の範囲内で、流す電流値を増加させることで、各セル３における発電やこれに伴う暖機を促進することができる。ここで、流す電流値の増加は、所定量ずつ増加させるようにしてもよいし、所定倍ずつ増加させるようにしてもよい。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。また、実施の形態では、ステップＳ２２の処理で供給ガス量が不足していると判定されたときに、供給ガスを増加させるか否かを判定しているが、これに加えまたはこれに換えて、流す電流値を減少（流す電流を低下）するようにしてもよい。こうすると、ガス欠状態での過大電流による電食の発生を防止することができる。なお、ステップＳ１４、ステップＳ２８の閾値については、０℃でなくてもよく、燃料電池２のセル３が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池スタックを構成するセルに流れる電流と理想電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。 燃料電池スタックを構成するセルの所定温度でセルに流す電流に対する理想セル電圧と最低セル電圧との関係を示すグラフ図である。 所定電流を流したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…セル
４…スタック
１９〜２１…温度センサ
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
２４…コントロールユニット

Claims (3)

1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   所定電流を流したときに得られるセル電圧に基づいて実際の発電に寄与する実効電極面積を算出して、該実効電極面積に基づいて前記セルに流し得る最大電流値を算出し、該最大電流値以下の電流値で起動することを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 前記燃料電池スタックの外周への放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタックの発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出し、
   前記最大電流値と前記最小電流値との間で前記セルに流す電流値を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の起動方法。
3. 前記各セルへの供給ガス量と前記各セルでの発電に必要とされるガス量とを比較して、
   前記供給ガス量が前記必要とされるガス量よりも少ない場合には、流す電流を前記最大電流値以下とするか、または、供給ガス量を増大する処理の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の起動方法。
   
   
   

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