JP2008277215A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力環境によらず、燃料電池システムの始動時または停止時における極間差圧の低減すること。
【解決手段】燃料電池システム１００に対する始動要求が検出されると制御部４０は、エアコンプレッサ３０を始動させてカソード１０ｃに対する酸化ガスの供給を開始させる。制御部４０は、酸化ガス圧センサ４１からカソード圧力Ｐｃを取得し、カソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref1よりも高い場合には、燃料ガス導入弁５１を開弁し、アノード１０ａに対する燃料ガスの供給を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード側の圧力とカソード側の圧力との差が大きくなると、膜電極接合体（ＭＥＡ）に加わる機械的ストレスが増大し、膜電極接合体の劣化が促進されることが知られている。この問題を解決するために、例えば、極間差圧を低減するように、アノードガス、カソードガスの供給制御を行う技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−２５３２０８号公報

しかしながら、アノードガス供給源として大気圧よりも高圧の高圧供給源が用いられる場合には、アノードにおける圧力上昇速度に比べてカソードにおける圧力上昇速度は低いため、アノードガスおよびカソードガスの供給制御による極間差圧制御は容易でないという問題がある。

また、大気圧よりも低い圧力環境下、例えば、高地では、極間差圧はより顕著となるが、従来の技術では、高地での燃料電池システムの始動時または停止時における極間差圧は考慮されていないという問題がある。

本発明は、上記した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされた発明であり、圧力環境によらず、燃料電池システムの始動時または停止時における極間差圧の低減することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するための本願発明は以下の態様を採る。

本発明の第１の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える燃料電池と、前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、前記燃料電池の始動時、前記カソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記カソード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記高圧燃料ガス源から前記アノードに対する燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給制御部とを備える。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムによれば、カソード側の圧力が所定圧力に達している場合に、高圧燃料ガス源から前記アノードに対する燃料ガスの供給を開始するので、圧力環境によらず、燃料電池システムの始動時における極間差圧を低減することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池のカソード側の圧力を検出するためのカソード圧力検出器を備え、前記燃料ガス供給制御部は、前記カソード圧力検出器によって検出された前記カソード側の圧力を用いて、前記カソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定しても良い。この場合には、カソード側の圧力を実測値に基づいて判定することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、大気圧を検出するための大気圧検出器を備え、前記燃料ガス供給制御部は、前記大気圧検出器によって検出された大気圧が標準大気圧よりも低い場合には、前記所定圧力を標準大気圧に設定し、前記カソード圧力検出器によって検出された前記カソード側の圧力が所定圧力に達している場合には、前記アノードに対する燃料ガスの供給を開始しても良い。この場合には、圧力環境によらず、燃料電池システムの始動時における極間差圧の低減することができるとともに、燃料電池システムを迅速に始動することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記高圧燃料ガス源は、燃料ガス供給管を介して前記燃料電池のアノードと接続されており、
前記燃料ガス供給制御部は、前記燃料ガス供給管に配置され、前記燃料ガス供給管を連通または非連通状態に切り替える切り替え器と、前記燃料電池の始動時には、前記切り替え器を非連通状態に切り替え、前記カソード側の圧力が所定圧力に達した後に、前記切り替え器を非連通状態から連通状態に切り替える切り替え器制御部とを備えても良い。この場合には、切り替え器によってアノードに対する燃料ガスの供給、停止を実行することができる。

本発明の第２の態様は燃料電池システムを提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える燃料電池と、前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、前記燃料電池の停止時、前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記アノード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止する酸化ガス供給制御部とを備える。

本発明の第２の態様に係る燃料電池システムによれば、アノード側の圧力が所定圧力に達している場合に、高圧燃料ガス源からカソードに対する酸化ガスの供給を停止するので、圧力環境によらず、燃料電池システムの停止時における極間差圧を低減することができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池のアノード側の圧力を検出するためのアノード圧力検出器を備え、前記アノード圧力検出器によって検出された前記アノード側の圧力を用いて前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定しても良い。この場合には、アノード側の圧力を実測値に基づいて判定することができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池システムはさらに、大気圧を検出するための大気圧検出器を備え、前記酸化ガス供給制御部は、前記大気圧検出器によって検出された大気圧が標準大気圧よりも低い場合には、前記所定圧力を標準大気圧に設定し、前記アノード圧力検出器によって検出された前記アノード側の圧力が所定圧力に達している場合に、前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止しても良い。この場合には、圧力環境によらず、燃料電池システムの停止時における極間差圧の低減することができるとともに、燃料電池システムを迅速に停止することができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池の停止時に、前記アノード内に残留する燃料ガスを消費する燃料ガス消費処理を実行する燃料ガス消費制御部を備え、前記酸化ガス供給制御部は、前記燃料ガス消費処理が実行された後に、前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定しても良い。この場合には、燃料ガス消費処理によってアノード側の圧力を低減することができる。

本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給器は、エアコンプレッサであっても良い。この場合には、所定圧力の酸化ガスがカソードに供給される。

本発明の第３の態様は、燃料電池システムにおける始動時制御方法を提供する。本発明の第３の態様に係る始動時制御方法は、燃料電池の始動時、前記検出したカソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記カソード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、高圧燃料ガス源から前記燃料電池のアノードに対する燃料ガスの供給を開始することを備える。

本発明の第３の態様に係る停止時制御方法によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第３の態様に係る停止時制御方法は、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムと同様に種々の態様にて実現され得る。

本発明の第４の態様は、燃料電池システムにおける停止時制御方法を提供する。本発明の第４の態様に係る停止時制御方法は、燃料電池の停止時、前記検出したアノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記アノード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止することを備える。

本発明の第４の態様に係る停止時制御方法によれば、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第４の態様に係る停止時制御方法は、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムと同様に種々の態様にて実現され得る。

さらに、本発明の第３の態様に係る始動時制御方法または第４の態様に係る停止時制御方法は、コンピュータによって実行されるコンピュータプログラム、当該コンピュータプログラムを格納した記録媒体としても実現され得る。

本発明の第５の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える燃料電池と、前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、前記燃料電池の始動時または停止時、大気圧に応じて、前記アノードの圧力と前記カソードの圧力との差の増大を抑制する制御部とを備える。

本発明の第５の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の始動時または停止時に、大気圧に応じて、アノードの圧力とカソードの圧力との差の増大を抑制するので、圧力環境によらず、燃料電池システムの始動時または停止時における極間差圧を低減することができる。

本発明の第５の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記大気圧に応じて、前記高圧燃料ガス源から前記アノードに対する燃料ガスの供給および前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給の少なくとも一方を制御して、前記アノードの圧力と前記カソードの圧力との差の増大を抑制しても良い。この場合には、制御部によって、高圧燃料ガス源からアノードに対する燃料ガスの供給および酸化ガス供給器によるカソードに対する酸化ガスの供給の少なくとも一方を制御し、燃料電池システムの始動時または停止時における極間差圧を低減することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

・第１の実施例：
図１および図２を参照して第１の実施例に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。図２は第１の実施例に係る燃料電池システムが備える制御部の内部構成を模式的に示す説明図である。

第１の実施例に係る燃料電池システム１００は、主な構成要件として、燃料電池１０、高圧水素タンク２０、エアコンプレッサ３０、制御部４０を備えている。燃料電池１０と高圧水素タンク２０とは、燃料ガス供給管２１によって接続されている。燃料電池１０とエアコンプレッサ３０とは酸化ガス供給管３１によって接続されている。

燃料電池１０は、アノード１０ａ（アノードセパレータ）とカソード１０ｃ（カソードセパレータ）との間に、例えば、固体電解質型の膜電極接合体を備える燃料電池である。高圧水素タンク２０には、燃料ガス、本実施例では純水素が高い圧力にて保存されている。なお、燃料ガスとしては、純水素ガスの他に、例えば、水素リッチガス（水素含有ガス）を用いることもできる。エアコンプレッサ３０は、大気を圧縮して所定の吐出圧にて排出するポンプであり、例えば、スクロール方式、ロータリ方式といったコンプレッサが用いられる。

燃料電池１０は、カソード１０ｃに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部１１、カソード１０ｃから酸化ガスを排出するための酸化ガス排出部１２、アノード１０ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部１３、およびアノード１０ａから残留燃料ガスである燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出部１４を備えている。なお、本実施例において、アノードとは、電気化学反応を起こす電極のみならず、燃料ガスが供給される流路、空間全般を意味する。同様に、カソードとは、電気化学反応を起こす電極のみならず、酸化ガスが供給される流路、空間全般を意味する。

酸化ガス供給部１１には、酸化ガス供給管３１が接続されている。酸化ガス排出部１２には、酸化ガス排出管３２が接続されている。酸化ガス排出管３２には、上流から下流、すなわち、酸化ガス排出部１２から燃料電池１０外部へ向かう方向へ、酸化ガス圧センサ４１、酸化ガス調圧弁５３が備えられている。

酸化ガス圧センサ４１は、燃料電池１０のカソード出口圧を、カソード圧力Ｐcとして検出する。酸化ガス調圧弁５３は、弁開度を変化させることによって、カソード圧力を所望の圧力値に調整する。

酸化ガス供給管３１と酸化ガス排出管３２における酸化ガス圧センサ４１と酸化ガス調圧弁５３との間には、酸化供給ガスを加湿するための加湿モジュール３５が配置されている。加湿モジュール３５は、起電反応に伴い発生し、酸化排出ガスに含まれる水蒸気を利用して、酸化供給ガスを加湿する。

燃料ガス供給部１３には、燃料ガス供給管２１が接続されている。燃料ガス供給管２１には、上流から下流、すなわち、高圧水素タンク２０から燃料電池１０へ向かう方向へ、燃料ガス調圧弁５０、燃料ガス導入弁５１が備えられている。

燃料ガス調圧弁５０は、高圧水素タンク２０から燃料電池１０に供給される水素の供給圧力を所望の圧力に調整する。高圧水素タンク２０に格納されている水素の圧力は、燃料電池１０に供給されるべき水素供給圧力よりも高いので、燃料ガス調圧弁５０によって水素供給圧力まで減圧される。

燃料ガス導入弁５１は、燃料ガス供給管２１を連通または非連通状態に切り替えることによって、高圧水素タンク２０から燃料電池１０に対する燃料ガスの供給（流動）を許容、停止するための弁装置である。

燃料オフガス排出部１４には燃料オフガス排出管２２が接続されている。燃料オフガス排出管２２には、上流から下流、すなわち、燃料オフガス排出部１４から燃料ガス高圧水素タンク２０から燃料電池１０外部へ向かう方向へ、燃料ガス圧センサ４２、燃料ガスパージ弁５２が備えられている。

燃料ガス圧センサ４２は、燃料電池１０の出口圧を、アノード圧力Ｐaとして検出する。燃料ガスパージ弁５２は、通常時は閉弁されており、アノード１０ａ内の燃料ガスを掃気する際に開弁される。

制御部４０は、コンプレッサ３０、酸化ガス圧センサ４１、燃料ガス圧センサ４２、燃料ガス導入弁５１、酸化ガス調圧弁５３と制御線を介して接続されている。制御部４０は内部に、図２に示すように、中央演算装置（ＣＰＵ）４０１、メモリ４０２、入出力インターフェース４０３、内部バス４０４を備えている。メモリ４０２はＣＰＵ４０１によって実行される燃料電池システムの始動時、停止時制御実行プログラムを記憶し、またＣＰＵ４０１による演算結果を一時的に記憶する。ＣＰＵ４０１は、メモリ４０２に格納されている各種プログラム、モジュールを実行する。入出力インターフェース４０３は、ＣＰＵ４０１およびメモリ４０２と、コンプレッサ３０、酸化ガス圧センサ４１、燃料ガス圧センサ４２、燃料ガス導入弁５１、酸化ガス調圧弁５３とを電気的に接続する。ＣＰＵ４０１、メモリ４０２および入出力インターフェース４０３は内部バス４０４によって相互に接続されている。

メモリ４０２には、ＣＰＵ４０１によって実行され、燃料電池システムの始動時における燃料ガスの供給制御を行うための燃料ガス供給制御モジュールＭ１、燃料電池システムの停止時における酸化ガスの供給制御を行うための酸化ガス供給制御モジュールＭ２が格納されている。

・燃料電池システムの始動時制御
図３および図４を参照して第１の実施例に係る燃料電池システムを始動させる際に実行される始動時制御について説明する。図３は第１の実施例に係る燃料電池システムを始動させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図４は第１の実施例に係る燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化を示す説明図である。

燃料電池システム１００（燃料電池１０）に対する始動要求が検出されると制御部４０は始動時制御処理を開始する。具体的には、ＣＰＵ４０１が燃料ガス供給制御モジュールＭ１を実行することによって以下の各ステップが実行される。なお、本処理ルーチンは燃料電池システム１００の始動時、具体的には、燃料ガスの供給を開始するまで実行される処理ルーチンであり、燃料電池システム１００の始動後は、別の運転処理プログラムが実行される。

ＣＰＵ４０１は、エアコンプレッサ３０を始動させてカソード１０ｃに対する酸化ガスの供給を開始させる（ステップＳ１１０）。ＣＰＵ４０１は、酸化ガス圧センサ４１からカソード圧力Ｐｃを取得し（ステップＳ１２０）、カソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref1よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

ＣＰＵ４０１は、カソード圧力Ｐｃ＞目標圧力Ｐref1であると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、燃料ガス導入弁５１を開弁し、アノード１０ａに対する燃料ガスの供給を開始して本処理ルーチンを終了する。

ＣＰＵ４０１は、カソード圧力Ｐｃ＞目標圧力Ｐref1でない、すなわち、カソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref1以下であると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、カソード圧力Ｐｃ＞目標圧力Ｐref1となるまで待機する。

第１の実施例における始動時燃料ガス供給制御による効果について図４を参照して説明する。図４において、実線Ｌ１はカソード圧力Ｐｃの経時変化、一点鎖線Ｌ２は従来のアノード圧力の経時変化、一点鎖線Ｌ３は本実施例におけるアノード圧力の経時変化を示す。本実施例では、カソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref1を超えた後に燃料ガスの供給を開始するので、カソード−アノード間差圧（極間差圧）は、従来の差圧Ｐｄ１からＰｄ２へと低減される。したがって、極間差圧に起因する膜電極接合体の劣化を抑制または防止することができる。判定値Ｐｂrefとしては、標準大気圧Ｐｂより低い値、例えば、９０ｋＰａａｂｓが用いられ、目標圧力Ｐref1としては、アノード目標制御圧と標準大気圧Ｐｂの間の値、例えば、１５０ｋＰａａｂｓが用いられ、目標圧力Ｐref2としては、カソード目標制御圧と標準大気圧Ｐｂの間の値、例えば、１２０ｋＰａａｂｓが用いられ得る。

・燃料電池システムの停止時制御
図５および図６を参照して第１の実施例に係る燃料電池システムを停止させる際に実行される停止時制御について説明する。図５は第１の実施例に係る燃料電池システムを停止させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図６は第１の実施例に係る燃料電池システムによって得られるカソード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるカソード圧力の変化を示す説明図である。

燃料電池システム１００（燃料電池１０）に対する停止要求が検出されると制御部４０は停止時制御処理を開始する。具体的には、ＣＰＵ４０１が酸化ガス供給制御モジュールＭ２を実行することによって以下の各ステップが実行される。なお、本処理ルーチンは燃料電池システム１００の停止時、具体的には、停止要求が発生した後に実行される処理ルーチンであり、燃料電池システム１００の停止前は、別の運転処理プログラムが実行される。

ＣＰＵ４０１は、燃料電池１０から負荷、例えば、電動機を切り離し（ステップＳ２００）、燃料ガス消費処理を実行する（ステップＳ２０２）。負荷の切り離しは、例えば、燃料電池１０と負荷とを電気的に接続する配線に設けられているスイッチをオフ（遮断）することによって実行される。燃料ガス消費処理は、アノード１０ａに残留している燃料ガスを用いて起電反応を実行し、例えば、二次電池、キャパシタに蓄電することによって、アノード１０ａから燃料ガスを除去する処理である。

ＣＰＵ４０１は、燃料ガス圧センサ４２からアノード圧力Ｐａを取得し（ステップＳ２０４）、アノード圧力Ｐａが目標圧力Ｐref2よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２０６）。

ＣＰＵ４０１は、アノード圧力Ｐａ＜目標圧力Ｐref2であると判定した場合には（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、エアーコンプレッサ３０を停止させて酸化ガスの供給を停止する（ステップＳ２０８）。ここで、目標圧力Ｐref1は燃料電池１０内の圧力を上昇させる場合の目標値であり、燃料電池１０内の圧力を降圧させる場合の目標値としては低いので、目標圧力Ｐref2＝目標圧力Ｐref1＋αであることが好ましい。ＣＰＵ４０１は、酸化ガス調圧弁５３を開弁し、カソード１０ｃを大気に開放して本処理ルーチンを終了する。この結果、カソード１０ｃの圧力であるカソード圧Ｐｃは大気圧となる。

ＣＰＵ４０１は、アノード圧力Ｐａ＜目標圧力Ｐref2でない、すなわち、アノード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref2以上であると判定した場合には（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、アノード圧力Ｐａ＜目標圧力Ｐref2となるまで待機する。

第１の実施例における停止時酸化ガス供給制御による効果について図６を参照して説明する。図６において、実線Ｌ１は従来例におけるカソード圧力Ｐｃの経時変化、実線Ｌ２は本実施例におけるカソード圧力の経時変化、一点鎖線Ｌ３はアノード圧力の経時変化を示す。本実施例では、アノード圧力Ｐａが目標圧力Ｐref2未満となった後に酸化ガスの供給を停止するので、カソード−アノード間差圧（極間差圧）は、従来の差圧Ｐｄ１１からＰｄ２１へと低減される。したがって、極間差圧に起因する膜電極接合体の劣化を抑制または防止することができる。

具体的には、カソード１０ｃにはエアーコンプレッサ３０によって加圧された空気（酸化ガス）が供給されているため、エアーコンプレッサ３０が停止されると、カソード圧力Ｐｃは直ちに大気圧となる。一方、アノード１０ａには高圧源から水素（燃料ガス）が供給されているため、アノード１０ａを大気に開放しない限りアノード圧力Ｐａは低下しない。本実施例では、燃料ガス消費処理を実行することによって、アノード圧力Ｐａを低下させるが、その降圧速度はカソード圧力Ｐｃの降圧速度よりも遅い。

これに対して、本実施例では、アノード圧力Ｐａが目標圧力Ｐref2まで降圧した後にエアーコンプレッサ３０を停止することによって、この問題を解決する。したがって、極間差圧に起因する膜電極接合体の劣化を抑制または防止することができる。

第２の実施例：
第２の実施例について図７〜９を参照して説明する。図７は第２の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。図８は第２の実施例に係る燃料電池システムを始動させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図９は第２の実施例に係る燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化を示す説明図である。

第２の実施例に係る燃料電池システム１００ａでは、燃料電池システムが標準的な大気圧よりも低い環境下、例えば、高地において用いられる場合にも、標準的な大気圧下（平地）において用いられる場合と同様に、始動時、停止時における極間差圧を抑制する。なお、第２の実施例に係る燃料電池システム１００ａの構成は、大気圧センサ４３を備える点を除いて第１の実施例に係る燃料電池システム１００と同様であるから同一の符号を付すことで各構成要件の説明は省略する。

第２の実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいて、大気圧センサ４３は制御部４０と接続されている。制御部４０は、大気圧センサ４３から燃料電池システム１００ａがおかれている圧力環境、すなわち、雰囲気圧力を取得することができる。

図７および図８を参照して、第２の実施例における、燃料電池システムの始動時制御について説明する。燃料電池システム１００ａ（燃料電池１０）に対する始動要求が検出されると制御部４０は始動時制御処理を開始する。具体的には、ＣＰＵ４０１が燃料ガス供給制御モジュールＭ１を実行することによって以下の各ステップが実行される。なお、本処理ルーチンは燃料電池システム１００ａの始動時、具体的には、燃料ガスの供給を開始するまで実行される処理ルーチンであり、燃料電池システム１００ａの始動後は、別の運転処理プログラムが実行される。

ＣＰＵ４０１は、大気圧センサ４３から大気圧Ｐｂを取得し（ステップＳ１００）、計測された大気圧Ｐｂが標準大気圧よりも低い判定圧力Ｐｂref未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。すなわち、燃料電池システム１００ａが標準大気圧よりも低い環境下、例えば、高地におかれているか否かを判定する。

ＣＰＵ４０１は、Ｐｂ＜Ｐｂrefであると判定した場合には（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、標準大気圧Ｐｂstdを目標圧力Ｐref1に設定する（ステップＳ１０４）。極間差圧は発生しないことが望ましいが、膜電極接合体は、一般的に、標準大気圧Ｐｂstdにおいて発生するアノード−カソード間差圧によって劣化しないように設計されている。また、雰囲気圧力がよりも低い場合に、標準大気圧Ｐｂstd以上の圧力までカソード圧力Ｐｃを昇圧させるとすれば時間を要してしまう。そこで、第２の実施例では、燃料ガスの供給を開始するか否かの判定に用いられるカソード圧力Ｐｃの目標圧力Ｐref1として標準大気圧Ｐｂstdを用いる。

ＣＰＵ４０１は、Ｐｂ＜Ｐｂrefでないと判定した場合、すなわち、燃料電池システム１００ａが概ね標準大気圧程度の圧力環境下におかれていると判定した場合には（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、所定の判定目標圧力Ｐtgを目標圧力Ｐref2に設定する（ステップＳ１０６）。判定目標圧力Ｐtgとしては、例えば、第１の実施例において用いた目標圧力Ｐref１と同一の圧力値を用いる。

ＣＰＵ４０１は、以降、第１の実施例おいて説明したステップＳ１１０〜Ｓ１４０を実行する。

第２の実施例における始動時燃料ガス供給制御による効果について図９を参照して説明する。図９において、破線Ｌ１はカソード圧力Ｐｃの経時変化、一点鎖線Ｌ２は従来のアノード圧力の経時変化、一点鎖線Ｌ３は本実施例におけるアノード圧力の経時変化を示す。本実施例では、大気圧Ｐｂが標準大気圧Ｐｂstdよりも低い場合、例えば、高地における大気圧を示す場合には、カソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref2である標準大気圧Ｐｂstdを超えた後に燃料ガスの供給を開始する。したがって、高地においてもカソード−アノード間差圧（極間差圧）を標準大気圧Ｐｂstdにおける極間差圧程度Ｐｄ３とすることが可能となり、燃料電池システム１００ａが高地において用いられる場合に問題となる機械的ストレスに起因する膜電極接合体の劣化を抑制、防止することができる。これに対して従来の燃料電池システムでは、高地における極間差圧Ｐｄ１は考慮されていないため、燃料電池システムが高地において用いられる場合、膜電極接合体には標準大気圧における極間差圧よりも大きな差圧が掛かり、機械的ストレスに起因する膜電極接合体の劣化を回避することができなかった。

さらに、大気圧が標準大気圧でない場合には、標準大気圧Ｐｂstdを基準として定められた目標圧力Ｐref1（Ｐtg）に達するまでに時間を要するが、第２の実施例では、大気圧が標準大気圧でない場合には、目標圧力Ｐref1（Ｐtg）よりも低い標準大気圧Ｐｂstdを目標圧力Ｐref1として用いるので、膜電極接合体の劣化防止と燃料電池システム１００の始動時間の短縮化を図ることができる。

・第２の実施例に係る燃料電池システムの停止時制御
第２の実施例に係る燃料電池システム１００ａでは、燃料電池システム１００ａの停止時処理においても、開始時処理と同様にして、大気圧Ｐｂを取得し、取得した大気圧Ｐｂが判定大気圧Ｐｂref未満の場合には、目標圧力Ｐref2＝Ｐｂstd＋αに設定する。また、取得した大気圧Ｐｂが判定大気圧Ｐｂref以上の場合には、目標圧力Ｐref2＝判定目標圧力Ｐtg＋αに設定する。なお、目標圧力Ｐref2設定後の具体的な処理については、第１の実施例において図５を参照して説明した通りである。

この結果、高地においてもカソード−アノード間差圧（極間差圧）を標準大気圧Ｐｂstdにおける極間差圧程度とすることが可能となり、燃料電池システム１００ａが高地において用いられる場合に問題となる機械的ストレスに起因する膜電極接合体の劣化を抑制、防止することができる。

さらに、大気圧が標準大気圧である場合には、大気圧が標準大気圧でないことを前提に標準大気圧Ｐｂstdを基準として定められた目標圧力Ｐref2に達するまでに時間を要するが、第２の実施例では、大気圧が標準大気圧である場合には、目標圧力Ｐref2よりも高い目標圧力Ｐref2を用いるので、膜電極接合体の劣化防止と燃料電池システム１００の停止時間の短縮化を図ることができる。

・燃料電池システムの基本的な動作：
燃料電池システム１００、１００ａの始動時および停止時の処理については既述の通りであり、以下では、始動後停止までの燃料電池システム１００、１００ａの基本的な動作について簡単に説明する。例えば、燃料電池システム１００、１００ａが車両に搭載される場合には、制御部４０は、運転者によって操作されるアクセルを介して入力される要求出力に応じて、エアーコンプレッサ３０の吐出量を調整する。燃料電池１０からは負荷が必要とする電力が燃料ガスおよび酸化ガスの起電反応によって生成され、燃料電池１０から負荷に対して要求されている電力が出力される。

上記の各実施例における燃料電池システム１００、１００ａは、移動体、例えば、二輪車、四輪車といった車両、船舶に搭載して用いることができる。

・その他の実施例：
（１）上記各実施例では、酸化ガス圧力センサ４３、燃料ガス圧力センサ４２を用いてカソード圧力Ｐｃ、アノード圧力Ｐａをそれぞれ検出し、カソード圧力Ｐｃ＞Ｐref2、アノード圧力Ｐａ＜Ｐref1であるか否かを判定している。ここで、カソード圧力Ｐｃ、アノード圧力Ｐａは、図１０に示すように、時間と共に降圧または昇圧する特性を有している。そこで、時間Ｔに対する圧力変化を予め経験的に求めておき、時間によってカソード圧力Ｐｃ＞Ｐref1、アノード圧力Ｐａ＜Ｐref2であるか否かを判定しても良い。なお、図１０は燃料電池システムの運転開始時におけるアノード圧力Ｐａおよびカソード圧力Ｐｃの経時変化の例を示す説明図である。

例えば、標準的な大気圧下においては、判定時間Ｔ１を経過したか否かによってカソード圧力Ｐｃが目標圧力Ｐref1以上になったか否かを判定しても良い。また、標準大気圧Ｐｂstdよりも低い大気圧環境下、例えば、高地においては、大気圧変化に対する補正係数ｋを予め経験的に求めておき、判定時間Ｔ１を補正した補正判定時間Ｔ１１（＝Ｔ１×ｋ）を用いればよい。補正係数ｋは、例えば、大気圧が低くなるに連れて増大する特性を有する。このように、時間を変数として用いることによって、酸化ガス圧力センサ４３を備えなくとも、上記各実施例において説明した利点を得ることができる。図１０には燃料電池システムの運転開始時におけるアノード圧力Ｐａおよびカソード圧力Ｐｃの経時変化の例を示したが、燃料電池システムの運転停止時においても同様にして判定時間Ｔを用いることによって、燃料ガス圧力センサ４２を備えなくとも、上記各実施例において説明した利点を得ることができる。

（２）上記第２の実施例では、大気圧センサ４３を用いて、大気圧Ｐｂが標準大気圧Ｐｂstdよりも低い判定目標圧力Ｐｂref未満であるか否かによってカソード圧力Ｐｃまたはアノード圧力Ｐａに対する目標圧力Ｐref1、Ｐref2が決定されている。しかしながら、大気圧Ｐｂを検出することなく、大気圧Ｐｂが判定目標圧力Ｐｂref未満である場合に用いられる目標圧力Ｐref1、Ｐref2を用いても良い。この場合には、大気圧センサ４３を備えることなく、大気圧Ｐｂが標準大気圧Ｐｂstdよりも低い環境下における膜電極接合体の損傷を低減または防止することができる。

（３）上記各実施例では、アノード圧力Ｐａまたはカソード圧力Ｐｃを用いて、いわゆる極間差圧の増大を抑制・低減、または、極間差圧の低減を図っているが、大気圧センサ４３を用いて検出された大気圧Ｐｂに応じて燃料ガス導入弁５１、エアーコンプレッサ３０を制御し、極間差圧の増大を抑制しても良い。例えば、燃料電池システムの始動時、大気圧が低くなるに連れて、エアーコンプレッサ３０運転開始後における、燃料ガス導入弁５１の開弁時期を遅らせる制御を行っても良い。あるいは、大気圧が低くなるに連れて、エアーコンプレッサ３０の吐出量を増大させても良い。さらには、両制御を組み合わせても良い。また、燃料電池システムの停止時、大気圧が低くなるに連れてエアーコンプレッサ３０を停止するまでの時間を遅延させても良い。以上の構成を備えることによって、大気圧の変化に伴い、膜電極接合体に加わる極間差圧の増加を抑制または低減することができる。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池システムが備える制御部の内部構成を模式的に示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池システムを始動させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第１の実施例に係る燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化を示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池システムを停止させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第１の実施例に係る燃料電池システムによって得られるカソード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるカソード圧力の変化を示す説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池システムを始動させる際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第２の実施例に係る燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化と従来の燃料電池システムによって得られるアノード圧力の変化を示す説明図である。 アノード圧力およびカソード圧力と時間経過との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１０ａ…アノード
１０ｃ…カソード
１１…酸化ガス供給部
１２…酸化ガス排出部
１３…燃料ガス供給部
１４…燃料オフガス排出部
２０…高圧水素タンク
２１…燃料ガス供給管
３０…エアーコンプレッサ
３１…酸化ガス供給管
３２…酸化ガス排出管
３５…加湿モジュール
４０…制御部
４０１…中央処理装置（ＣＰＵ）
４０２…メモリ
４０３…入出力インターフェース
４０４…内部バス
４１…酸化ガス圧センサ
４２…燃料ガス圧センサ
５０…燃料ガス調圧弁
５１…燃料ガス導入弁
５２…燃料ガスパージ弁
５３…酸化ガス調圧弁

Claims (13)

1. 燃料電池システムであって、
   アノードとカソードとを備える燃料電池と、
   前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、
   前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、
   前記燃料電池の始動時、前記カソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記カソード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記高圧燃料ガス源から前記アノードに対する燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給制御部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はさらに、
   前記燃料電池のカソード側の圧力を検出するためのカソード圧力検出器を備え、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記カソード圧力検出器によって検出された前記カソード側の圧力を用いて、前記カソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定する燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムはさらに、
   大気圧を検出するための大気圧検出器を備え、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記大気圧検出器によって検出された大気圧が標準大気圧よりも低い場合には、前記所定圧力を標準大気圧に設定し、前記カソード圧力検出器によって検出された前記カソード側の圧力が所定圧力に達している場合には、前記アノードに対する燃料ガスの供給を開始する燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記高圧燃料ガス源は、燃料ガス供給管を介して前記燃料電池のアノードと接続されており、
   前記燃料ガス供給制御部は、
   前記燃料ガス供給管に配置され、前記燃料ガス供給管を連通または非連通状態に切り替える切り替え器と、
   前記燃料電池の始動時には、前記切り替え器を非連通状態に切り替え、前記カソード側の圧力が所定圧力に達した後に、前記切り替え器を非連通状態から連通状態に切り替える切り替え器制御部とを備える燃料電池システム。
5. 燃料電池システムであって、
   アノードとカソードとを備える燃料電池と、
   前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、
   前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、
   前記燃料電池の停止時、前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、前記アノード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止する酸化ガス供給制御部とを備える燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池のアノード側の圧力を検出するためのアノード圧力検出器を備え、
   前記アノード圧力検出器によって検出された前記アノード側の圧力を用いて前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定する燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムはさらに、
   大気圧を検出するための大気圧検出器を備え、
   前記酸化ガス供給制御部は、前記大気圧検出器によって検出された大気圧が標準大気圧よりも低い場合には、前記所定圧力を標準大気圧に設定し、前記アノード圧力検出器によって検出された前記アノード側の圧力が所定圧力に達している場合に、前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止する燃料電池システム。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池の停止時に、前記アノード内に残留する燃料ガスを消費する燃料ガス消費処理を実行する燃料ガス消費制御部を備え、
   前記酸化ガス供給制御部は、前記燃料ガス消費処理が実行された後に、前記アノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定する燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化ガス供給器は、エアコンプレッサである燃料電池システム。
10. 燃料電池システムにおける始動時制御方法であって、
    燃料電池の始動時、前記燃料電池のカソード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、
    前記カソード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、高圧燃料ガス源から前記燃料電池のアノードに対する燃料ガスの供給を開始する始動時制御方法。
11. 燃料電池システムにおける停止時制御方法であって、
    燃料電池の停止時、前記燃料電池のアノード側の圧力が所定圧力に達したか否かを判定し、
    前記アノード側の圧力が前記所定圧力に達している場合には、前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給を停止する停止時制御方法。
12. 燃料電池システムであって、
    アノードとカソードとを備える燃料電池と、
    前記アノードへ供給するための燃料ガスを格納する高圧燃料ガス源と、
    前記カソードへ酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、
    前記燃料電池の始動時または停止時、大気圧に応じて、前記アノードの圧力と前記カソードの圧力との差の増大を抑制する制御部とを備える燃料電池システム。
13. 請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記大気圧に応じて、前記高圧燃料ガス源から前記アノードに対する燃料ガスの供給および前記酸化ガス供給器による前記カソードに対する酸化ガスの供給の少なくとも一方を制御して、前記アノードの圧力と前記カソードの圧力との差の増大を抑制する制御部。

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