JP2007026891A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１と、水素を供給する水素供給系と、空気を供給する空気供給系と、起動時に、水素および空気の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御部と、燃料電池１の電圧パラメータを検出する電圧センサ２１（電圧パラメータ検出手段）と、電圧センサ２１で検出した燃料電池１の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、燃料電池１の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段（出力取出し装置２０およびコントローラ３０の出力制御部）と、を備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。

このような燃料電池システムにおいては、起動時において、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で燃料ガスを供給した場合には、燃料室内で瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生してしまい、該偏在によって電気化学反応が生じて電極が劣化するという問題があった。

このような問題に対処するべく、特開２００４−１３９９８４号公報に開示の「燃料電池システム」では、起動時に、供給する水素圧力を通常の発電時における供給圧より高く設定し、水素ポンプの駆動とともに、水素供給弁を開放し、アノードに残留している酸素を短時間で排出して水素ガスに置換することにより、燃料電池の劣化を抑制している。
特開２００４−１３９９８４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、燃料電池の膜間差圧を抑制するために空気も同時に供給しなければならず、水素と空気を同時に高圧で供給すると過渡的に燃料電池の電圧が上昇し、この電圧上昇が燃料電池の劣化を促進させる方向に働いてしまうといった問題点があるため、過電圧とならないような対策が必要である。

ここで、高圧起動を行った場合、低圧起動の場合と比較して電圧の上昇速度が高く、燃料電池の電気化学的反応の遅れや出力取り出し装置（あるいは抵抗接続のためのリレー）の応答遅れに伴う電圧のオーバーシュートが大きくなるため、従来の低圧起動のように、ガス組成などの違いによらず上限電圧付近の所定の電圧となったら所定の出力を取り出す、というような制御では起動時の過電圧を抑制しきれないという事情があった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、起動時に、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御手段と、前記燃料電池の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段と、前記電圧パラメータ検出手段で検出した前記燃料電池の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、前記燃料電池の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は前記電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、起動時に、燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定する共に、検出した電圧パラメータが上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したら出力を取り出す制御を開始することによって、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御するので、高圧起動を行なう場合に、燃料電池の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、燃料電池の総電圧が過大となって劣化することを防止することができ、また、出力取出し装置の入力電圧が過大となることを防止できる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、〔実施例１〕、〔実施例２〕の順に図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図であり、図２はコントローラ３０の構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池１を備える。

また、水素供給系（燃料ガス供給手段）として、水素タンク２、水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５、圧力センサ６ａ、水素循環装置７、パージ弁８および排水素処理装置９を備え、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）として、コンプレッサ１０、加湿装置１１、圧力センサ６ｂおよび空気調圧弁１２を備え、冷却機構として、冷却水ポンプ１３、三方弁１６、ラジエタ１７、ラジエタファン１８および温度センサ１４，１５を備えている。

また、負荷系として、出力取出し装置（出力制御手段）２０および電圧センサ（電圧パラメータ検出手段）２１を備え、さらに制御系として、水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ３０を備えた構成である。

燃料電池１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

（数１）
アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（数２）
カソード：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
つまり、燃料電池１の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよ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１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、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。

燃料電池スタック３で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極（アノード）や酸化剤極（カソード）に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。

水素供給系において、アノードへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４および水素供給弁５を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。

また水素循環装置（ポンプ等）７は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、コントローラ３０が圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

また、パージ弁８は次のような役割を果たす。第１に、水素循環機能を確保するために、水素供給系内に蓄積した窒素を排出する。水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック３の効率低下に繋がると供に、循環ガスの平均質量が増加するため、エゼクタ１での水素循環流量が低下するので、このような場合には、水素パージ弁４を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路から系外に排出するのである。また第２に、燃料電池１のセル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第３に、起動時に水素系を水素で置換するために、水素系内のガスを排出する。

また、排水素処理装置９は、パージ弁８から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して車外へ排出するか、或いは、水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げる。

一方、空気供給系においては、カソードへの空気はコンプレッサ１０により供給される。加湿装置１１は供給する空気を加湿する。カソードの空気圧は、コントローラ３０が圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１２を駆動することによって制御される。

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１を冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却水循環流路および冷却水ポンプ１３を有し、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水を循環させて燃料電池１を冷却し、これを最適な温度に維持する。

冷却機構の冷却水循環流路中には、ラジエタ１７および該ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やすラジエタファン１８が設けられている。冷却水循環流路の冷却水温度は、温度センサ１４によって燃料電池１入口の温度が、また温度センサ１５によって燃料電池１出口の温度がそれぞれ検出されており、これらの検出結果に基づいてコントローラ１３によるラジエタファン１８の駆動制御により、冷却水温度が所望の温度になるように温度調整される。また、ラジエタ１７と並列にラジエタバイパス流路が設けられると共に、分岐部分に三方弁１６が設けられており、冷却水の温度に応じてこの三方弁１６が動作することで冷却液の流路が切り替えられる。

また、負荷系において、出力取出し装置２０は、燃料電池１から出力（電流或いは電力）を取り出して車両を駆動するモータ（図示せず）へ供給する。ここで、出力取出し装置２０は、可変出力を取り出し可能な構成としても良いし、固定抵抗の接続／非接続により取り出す出力を制御する構成としても良い。

さらに、コントローラ３０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、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、水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各構成要素の制御を行って（各種アクチュエータを駆動して）、燃料電池システムの発電制御を行う。

図２において、コントローラ３０は、本発明の特徴的な構成要素として、起動開始トリガ演算部１０１、ガス供給制御部（ガス供給制御手段）１０２および出力制御部（出力制御手段）１０４を備えているが、これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、起動開始トリガ演算部１０１は、イグニッションキー（ＩＧＮキー）の操作に基づき当該燃料電池システムの起動開始トリガを演算し、ガス供給制御部１０２は、起動開始トリガ演算部１０１の出力に基づいて、起動時に、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定してガス供給制御を行ない、出力制御部１０４は、起動開始トリガ演算部１０１の出力、並びに、燃料電池１の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段１０３（図１における電圧センサ２１）の出力に基づいて、燃料電池１から取り出す出力を制御する。

ここで、電圧パラメータ検出手段１０３（電圧センサ２１）は、燃料電池１を構成する複数のセル群の電圧値について読み取りが可能であり、電圧パラメータとして、燃料電池１の総電圧、燃料電池１を構成する複数のスタック電圧の最大値、或いは、燃料電池１の最大セル電圧を使用する。

また、特許請求の範囲にいう出力制御手段は、出力取出し装置２０およびコントローラ３０の出力制御部１０４で実現されており、電圧パラメータ検出手段１０３で検出した燃料電池１の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、出力取出し装置２０による燃料電池１の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する。

次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時の運転制御について、図３〜図５のフローチャートおよび図６〜図１２の説明図を参照しながら説明する。ここで、図３は燃料電池システムの起動時において通常発電を開始するまでの運転制御を説明するフローチャートであり、図４は電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャートであり、図５は出力制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。

まず、水素（燃料ガス）供給系の制御を開始し（図３のステップＳ１０１）、ガス組成を推定し（ステップＳ１０２）、水素および空気のガス圧力・流量制御を開始する（ステップＳ１０３）。

つまり、ガス供給制御部１０２は、起動開始トリガ演算部１０１の出力に基づいて、起動時に、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定してガス供給制御を行なうが、ここで、ガス組成推定（ステップＳ１０２）は、図６に示す「起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との関係」や、図７に示す「起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池１の温度との関係」や、或いは、図８に示す「起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との関係」を参照して、起動時の燃料電池１の温度に基づき起動時の水素濃度を推定することによってガス組成を推定することができる。

次に、電圧パラメータの判定を行う（ステップＳ１０４）。本実施例の電圧パラメータ判定は図４に示すサブルーチンに従って処理される。すなわち、検出した燃料電池１の電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧Ｖ0maxに到達したか否かを判定するものである。まず、電圧パラメータ検出手段１０３により燃料電池１の電圧パラメータＶ1を検出する（図４のステップＳ２０１）。次に、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxを超えたか否かを判断する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２の判断で、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxを超えた場合は判定フラグを１とし（ステップＳ２０３）、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0max以下である場合は判定フラグ＝０として（ステップＳ２０４）終了する。

ここで、電圧パラメータＶ1は、燃料電池１全体での総電圧でも良いし、燃料電池１が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最大値でも良い。また、すべてのセル電圧或いはセル群電圧の最大値であっても良い。

また、しきい値電圧Ｖ0maxは、図３のガス組成推定（ステップＳ１０２）で推定した起動時の水素濃度に基づいて、図９に示すようなしきい値電圧Ｖ0maxと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。つまり、しきい値電圧Ｖ0maxは、起動時の燃料電池１の燃料極における水素濃度が高い場合は低く、該水素濃度が低い場合は高く設定されることとなる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適なしきい値電圧Ｖ0maxを設定することが可能となり、電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、図９のしきい値電圧Ｖ0maxと水素濃度との関係は、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。

次に、再び図３に戻って、電圧パラメータ判定（ステップＳ１０４）の結果である判定フラグが１であるかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。判定フラグが１である場合は、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxに到達しており、出力取出し装置２０による燃料電池１の出力の取り出しを開始するべく、出力制御（ステップＳ１０６）に進むが、判定フラグが０の場合はステップＳ１０４に戻って、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxに達するまで電圧パラメータ判定を繰り返す。

次に、出力取り出しの制御を行う（ステップＳ１０６）。出力制御は図５に示すサブルーチンに従って処理される。まず、電圧パラメータ検出手段１０３により燃料電池１の電圧パラメータＶ1を検出し（図５のステップＳ３０１）、次に目標電圧Ｖtargを演算し（ステップＳ３０２）、さらに出力指令値ＴPowerを演算して（ステップＳ３０３）、出力信号指令を出力する（ステップＳ３０４）。

ここで、出力指令値ＴPowerの演算（ステップＳ３０３）は、ＰＩ制御等によるフィードバック制御を用いて目標電圧Ｖtargと電圧パラメータＶ1とから出力指令値ＴPowerを演算しても良いし、或いは、電圧パラメータＶ1などに基づいてフィードフォワード的に出力指令値ＴPowerを演算しても良い。

また、出力指令値ＴPowerの初期値は、図３のガス組成推定（ステップＳ１０２）で推定した起動時の水素濃度に基づき、図１０に示す出力初期値Ｐcと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。つまり、出力指令値ＴPowerの初期値は、起動時の燃料電池１の燃料極における水素濃度が高い場合は大きく、該水素濃度が低い場合は小さく設定されることとなる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適な出力指令値ＴPowerを設定することが可能となり、電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、出力指令値ＴPowerは電力であっても電流であっても構わない。

また、出力信号指令（ステップＳ３０４）は、通常、出力取出し装置２０に対して出力され、指令に応じた出力を取り出すよう制御されるが、出力取出し装置２０として固定抵抗を接続する場合は、出力信号として該固定抵抗をＯＮ／ＯＦＦする信号を出力する構成としても良い。

次に、通常発電が可能であるか否かを判断する（ステップＳ３０５）。通常発電が可能である場合は通常発電条件フラグを１とし（ステップＳ３０６）、通常発電が可能でない場合は通常発電条件フラグを０として（ステップＳ３０７）終了する。

ここで、通常発電が可能であるか否の判断（ステップＳ３０５）は、図６に示す起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との特性、或いは、図７に示す起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池１の温度との特性とガス供給開始からの時間で判断する。また、図８に示す起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との特性を参照して、燃料極のガス組成を時々刻々推定して、その結果から判断するようにしても良い。

次に、再び図３に戻って、出力制御（ステップＳ１０６）において設定した通常発電条件フラグが１であるかどうかを判断する（ステップＳ１０７）。通常発電条件フラグが１である場合は、通常発電が可能であると判断されており、通常発電（ステップＳ１０８）に移行するが、通常発電条件フラグが０の場合はステップＳ１０６に戻って、通常発電が可能であると判断されるまで出力制御を繰り返す。

最後に、通常の発電制御を開始し（ステップＳ１０８）、起動を完了する。

図１１には、以上説明した本実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作制御を用いた場合の（ａ）ガス制御系の空気圧力および水素圧力並びに水素循環ポンプ回転数、（ｂ）アノード系（燃料極）水素濃度、（ｃ）燃料電池１の電圧、（ｄ）燃料電池１の電流それぞれの時間変化を示す。また、本実施例と対比するために従来の技術による同様の説明図を図１２に示す。

従来の技術（図１２）においては、起動時に水素循環装置を回した後に水素圧力を上げ、アノード系（燃料極）内の水素濃度を一気に上昇させると同時に、空気圧力も上げることで膜間差圧を守るように運転している。しかしながら、水素と空気を同時に供給していることから、通常発電前の状態であっても燃料電池に開放端電圧が立つとともに、加圧による電圧のオーバーシュートが生じて、図中の時間Ｔ１１〜Ｔ１２のように燃料電池電圧が上限値を超え、燃料電池の劣化を促進してしまう可能性がある。

これに対して、本実施例（図１１）においては、水素と空気を供給して圧力を上げた後に、燃料電池１の電圧が所定のしきい値に到達した時点で、燃料電池１から所定の電流を取り出すことで、燃料電池１の電圧が上昇して上限電圧を超えることを防止する。これにより、燃料電池内を水素フロントが通過している際に、同時に電圧過大が生じて燃料電池１が劣化することを抑制することができる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する水素供給系と、燃料電池１に空気を供給する空気供給系と、起動時に、水素および空気の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御部１０２と、燃料電池１の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段１０３（電圧センサ２１）と、電圧パラメータ検出手段１０３で検出した燃料電池１の電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧Ｖ0maxに到達したときに、燃料電池１の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段（出力取出し装置２０およびコントローラ３０の出力制御部１０４）と、を備えて構成する。

このように、起動開始トリガに基づいてガス供給を制御する際にガス圧力を高い圧力に制御して起動を行なうと共に、検出した電圧パラメータＶ1が上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧Ｖ0maxに到達したら出力を取り出す制御を開始することによって、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧を超えないように制御する構成であるため、高圧起動を行なう場合に、燃料電池１の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置２０の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、燃料電池１の総電圧が過大となって劣化することを防止することができ、また、出力取出し装置２０の入力電圧が過大となることを防止できる。結果として、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、燃料電池１の電圧パラメータＶ1が上限電圧以下の所定の目標電圧となるように、フィードバック制御により燃料電池１から取り出す出力を制御するので、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、フィードフォワード制御により燃料電池１から取り出す出力を制御することとし、通常発電を開始するまではフィードフォワード的に出力を決定するため、より簡単な構成で上限電圧を超えないように制御することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、燃料電池１から取り出す出力を、起動時の燃料電池１の燃料極における燃料ガス（水素）濃度が高い場合は大きく、該燃料ガス（水素）濃度が低い場合は小さく設定するので、起動時の燃料極のガス組成によって電圧上昇速度が異なり、そのため燃料電池１の電気化学的な反応の遅れや出力取出し装置２０の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段に可変出力を取り出し可能な出力取出し装置２０を備えているので、フィードバックによる取り出し制御や、一定の出力を燃料ガス濃度に応じて変更するなど、自由な設定が可能となる。また、取り出した出力を発電システムのバッテリに蓄えることができるため、エネルギを効率的に用いることができる。また、固定抵抗の接続／非接続により取り出す出力を制御する出力取出し装置２０とした場合には、より単純な構成により実現することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、出力制御手段において、しきい値電圧Ｖ0maxを、起動時の燃料電池１の燃料極における燃料ガス（水素）濃度が高い場合は低く、該燃料ガス（水素）濃度が低い場合は高く設定するので、起動時の燃料極のガス組成によって電圧上昇速度が異なり、そのため燃料電池１の電気化学的な反応の遅れや出力取り出し装置の応答遅れなどが電圧のオーバーシュートに与える影響が無視できないとしても、確実に上限電圧を超えないように制御することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１の燃料極における燃料ガス（水素）濃度を、少なくとも当該燃料電池システムの停止していた時間、前回停止時の燃料電池１の温度、起動時の燃料ガス循環装置（水素循環系）の駆動トルク、或いは、起動時の燃料ガス循環装置（水素循環系）の消費電流から推定して求めるので、簡単な演算で精度良く燃料ガス（水素）濃度を推定することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータＶ1として燃料電池１の総電圧を用いた場合には、容易な演算で確実に、電圧過大による燃料電池の劣化を抑制することができる。また、電圧パラメータＶ1として燃料電池１を構成する複数のスタック電圧の最大値或いは燃料電池１の最大セル電圧を用いた場合にも、容易な演算で確実に、電圧過大による燃料電池の劣化を抑制することができる。

次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１および図２）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。

ただし、実施例１では、起動シーケンス中に電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxに到達したら出力を取り出す制御を開始したのに対し、本実施例では、起動シーケンス中に第１の電圧パラメータが所定値に到達し、かつ第２の電圧パラメータが所定の最低値を満たしたら出力を取り出す制御を開始する。

つまり、電圧パラメータ検出手段１０３（電圧センサ２１）が検出する第１の電圧パラメータを、燃料電池１の総電圧、燃料電池１を構成する複数のスタック電圧の最大値、或いは、燃料電池１の最大セル電圧とし、第２の電圧パラメータを、燃料電池１を構成する複数のスタック電圧の最小値、或いは、燃料電池１の最小セル電圧）とし、出力制御手段（出力取出し装置２０およびコントローラ３０の出力制御部１０４）において、第１の電圧パラメータが第１しきい値電圧に達し、かつ第２の電圧パラメータが所定の下限電圧（第２しきい値電圧）を上回ったときに燃料電池１の出力の取り出しを開始する点が実施例１とは異なる。

次に、本実施例の燃料電池システムの起動時の運転制御について、図３、図１３および図５のフローチャートを参照しながら説明する。ここで、図１３は実施例２における電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャートである。

本実施例では、図３のフローチャートにおけるステップＳ１０４の電圧パラメータ判定を、図１３に示すサブルーチンに従って処理することとなる。

実施例１と同様に、まず、水素（燃料ガス）供給系の制御を開始し（図３のステップＳ１０１）、ガス組成を推定し（ステップＳ１０２）、水素および空気のガス圧力・流量制御を開始する（ステップＳ１０３）。

次に、電圧パラメータの判定を行う（ステップＳ１０４）。図１３において、まず、電圧パラメータ検出手段１０３により燃料電池１の第１および第２の電圧パラメータＶ1およびＶ2を検出する（ステップＳ４０１）。次に、第１の電圧パラメータＶ1が第１しきい値電圧Ｖ0maxを超えたか否かを判断する（ステップＳ４０２）。ステップＳ４０２の判断で、第１の電圧パラメータＶ1が第１しきい値電圧Ｖ0maxを超えた場合はステップＳ４０３に進んで、第２の電圧パラメータＶ2が第２しきい値電圧Ｖ0minを超えたか否かを判断する（ステップＳ４０３）。

ステップＳ４０３の判断で、第２の電圧パラメータＶ2が第２しきい値電圧Ｖ0minを超えた場合、即ち、第１の電圧パラメータＶ1が第１しきい値電圧Ｖ0maxを超え、且つ第２の電圧パラメータＶ2が第２しきい値電圧Ｖ0minを超えた場合には、判定フラグを１とし（ステップＳ４０４）、ステップＳ４０２の判断で電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0max以下である場合、または第２の電圧パラメータＶ2が第２しきい値電圧Ｖ0min以下である場合には、判定フラグ＝０として（ステップＳ４０５）終了する。

ここで、第１の電圧パラメータＶ1は、燃料電池１全体での総電圧でも良いし、燃料電池１が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最大値でも良い。また、すべてのセル電圧或いはセル群電圧の最大値であっても良い。また、第２の電圧パラメータＶ2は、燃料電池１が複数のサブスタックから構成されている場合は各サブスタック電圧の最小値でも良いし、すべてのセル電圧あるいはセル群電圧の最小値であっても良い。

また、第１しきい値電圧Ｖ0maxは、第１実施例のしきい値電圧Ｖ0maxと同様に、図３のガス組成推定（ステップＳ１０２）で推定した起動時の水素濃度に基づいて、図９に示すようなしきい値電圧Ｖ0maxと水素濃度との関係を参照して演算することにより求められる。これにより、起動時の水素濃度に対して最適なしきい値電圧Ｖ0maxを設定することが可能となり、電圧パラメータＶ1が所定の上限電圧を超えないようにすることが可能となる。なお、図９のしきい値電圧Ｖ0maxと水素濃度との関係は、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。

また、第２しきい値電圧Ｖ0minは、サブスタックの最小電圧や、セル或いはセル群の最小電圧がこの値を下回ったまま出力を取り出すと燃料電池が劣化する、という電圧値に基づいて決定すればよい。この値も、事前に実験などを行なうことによって設定することができる。

次に、再び図３に戻って、電圧パラメータ判定（ステップＳ１０４）の結果である判定フラグが１であるかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。判定フラグが１である場合は、出力取出し装置２０による燃料電池１の出力の取り出しを開始するべく、出力制御（ステップＳ１０６）に進むが、判定フラグが０の場合はステップＳ１０４に戻って、電圧パラメータＶ1がしきい値電圧Ｖ0maxに達するまで電圧パラメータ判定を繰り返す。

次に、出力取り出しの制御を行う（ステップＳ１０６）。出力制御は、実施例１と同様に図５に示すサブルーチンに従って処理される。

次に、出力制御（ステップＳ１０６）において設定した通常発電条件フラグが１であるかどうかを判断する（ステップＳ１０７）。通常発電条件フラグが１である場合は、通常発電が可能であると判断されており、通常発電（ステップＳ１０８）に移行するが、通常発電条件フラグが０の場合はステップＳ１０６に戻って、通常発電が可能であると判断されるまで出力制御を繰り返す。

最後に、通常の発電制御を開始し（ステップＳ１０８）、起動を完了する。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータとして、燃料電池１を構成する複数のスタック電圧の最大値および最小値を用い、出力制御手段において、最大値が第１しきい値電圧Ｖ0maxに達し、かつ最小値が所定の下限電圧（第２しきい値電圧Ｖ0min）を上回ったときに燃料電池１の出力の取り出しを開始するので、電圧過大による燃料電池１の劣化と、セルの転極に伴う燃料電池１の劣化の両方を同時に抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧パラメータとして、燃料電池１の最大セル電圧および最小セル電圧を用い、出力制御手段において、最大セル電圧が第１しきい値電圧Ｖ0maxに達し、かつ最小セル電圧が所定の下限電圧（第２しきい値電圧Ｖ0min）を上回ったときに燃料電池１の出力の取り出しを開始するので、電圧過大による燃料電池の劣化と、セルの転極に伴う燃料電池の劣化の両方を同時に抑制することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。 コントローラ３０の構成図である。 燃料電池システムの起動時において通常発電を開始するまでの運転制御を説明するフローチャートである。 電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャート（実施例１）である。 出力制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。 起動時における燃料極の水素濃度と停止時間との関係を説明する説明図である。 起動時における燃料極の水素濃度と停止時の燃料電池１の温度との関係を説明する説明図である。 起動時における燃料極の水素濃度以外の成分濃度と水素供給系のトルクまたは電流との関係を説明する説明図である。 しきい値電圧Ｖ0maxと水素濃度との関係を説明する説明図である。 出力初期値Ｐcと水素濃度との関係を説明する説明図である。 実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作制御を用いた場合の（ａ）ガス制御系の空気圧力および水素圧力並びに水素循環ポンプ回転数、（ｂ）アノード系（燃料極）水素濃度、（ｃ）燃料電池１の電圧、（ｄ）燃料電池１の電流それぞれの時間変化を説明する説明図である。 従来の技術による起動時の動作制御を用いた場合の説明図である。 電圧パラメータ判定のサブルーチンを説明するフローチャート（実施例２）である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ 水素タンク元弁
４ 減圧弁
５ 水素供給弁
６ａ，６ｂ 圧力センサ
７ 水素循環装置
８ パージ弁
９ 排水素処理装置
１０ コンプレッサ
１１ 加湿装置
１２ 空気調圧弁
１３ 冷却水ポンプ
１４，１５ 温度センサ
１６ 三方弁
１７ ラジエタ
１８ ラジエタファン
２０ 出力取出し装置（出力制御手段）
２１ 電圧センサ（電圧パラメータ検出手段）
３０ コントローラ
１０１ 起動開始トリガ演算部
１０２ ガス供給制御部（ガス供給制御手段）
１０３ 電圧パラメータ検出手段
１０４ 出力制御部（出力制御手段）

Claims (13)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   起動時に、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御手段と、
   前記燃料電池の電圧パラメータを検出する電圧パラメータ検出手段と、
   前記電圧パラメータ検出手段で検出した前記燃料電池の電圧パラメータが所定の上限電圧よりも低い所定のしきい値電圧に到達したときに、前記燃料電池の出力の取り出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は前記電圧パラメータが所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力制御手段は、前記燃料電池の電圧パラメータが前記上限電圧以下の所定の目標電圧となるように、フィードバック制御により前記燃料電池から取り出す出力を制御する ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記出力制御手段は、フィードフォワード制御により前記燃料電池から取り出す出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記出力制御手段は、前記燃料電池から取り出す出力を、起動時の前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度が高い場合は大きく、該燃料ガス濃度が低い場合は小さく設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記出力制御手段は、可変出力を取り出し可能な出力取出し装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記出力制御手段は、固定抵抗の接続／非接続により取り出す出力を制御する出力取出し装置を備えることを特徴とする請求項１、請求項３または請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記出力制御手段は、前記しきい値電圧を、起動時の前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度が高い場合は低く、該燃料ガス濃度が低い場合は高く設定することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の燃料極における燃料ガス濃度は、少なくとも当該燃料電池システムの停止していた時間、前回停止時の前記燃料電池の温度、起動時の前記燃料ガス循環装置の駆動トルク、或いは、起動時の前記燃料ガス循環装置の消費電流から推定して求めることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池の総電圧であることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池を構成する複数のスタック電圧の最大値であることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池の最大セル電圧であることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池を構成する複数のスタック電圧の最大値および最小値であり、
    前記出力制御手段は、前記最大値が前記しきい値電圧に達し、かつ前記最小値が所定の下限電圧を上回ったときに前記燃料電池の出力の取り出しを開始することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記電圧パラメータは、前記燃料電池の最大セル電圧および最小セル電圧であり、
    前記出力制御手段は、前記最大セル電圧が前記しきい値電圧に達し、かつ前記最小セル電圧が所定の下限電圧を上回ったときに前記燃料電池の出力の取り出しを開始することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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