JP5407132B2 - 燃料電池システムの起動制御装置及び起動制御方法 - Google Patents

燃料電池システムの起動制御装置及び起動制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、燃料電池システムの起動を制御する装置及び方法に関する。
燃料電池は、反応ガス(水素などのアノードガス及び空気などのカソードガス)を電気化学的に反応させることによって、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプに分類される。その一つが、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池である。
固体高分子電解質形燃料電池では、アノード極、カソード極において、以下の触媒電極反応が進行する。
アノード極 ：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・(１)
カソード極 ：４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ・・・(２)
このようにアノード極にアノードガスＨ2が供給されると、式(１)の反応が進行して水素イオンＨ+が生成する。この生成した水素イオンＨ+が水和状態で電解質(固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜)を透過(拡散)してカソード極に至る。そしてカソード極に供給されたカソードガス(たとえば空気)とともに、式(２)の反応が進行する。この式(１)、式(２)の反応が各電極で進行することで、燃料電池は起電力を生じる。燃料電池の起電力は１ボルト程度である。そこで、燃料電池を自動車の動力源にするには、数百枚積層した燃料電池スタックとして使用する。また燃料電池を自動車の動力源にするには、いかなる周囲環境下においてもシステムが迅速に起動することが要求される。
ところで式(２)からも分かるように、燃料電池は、発電と同時にカソード極において水分Ｈ2Ｏを生成する。氷点下環境で運転が停止されて放置された後、氷点下起動しようとすると、生成水が電極触媒やガス拡散層に凍結した状態で存在していることがある。このような状態では電極反応面積が低下して反応ガスの拡散性が著しく低下する。そこで特許文献１では、このようなときには、供給する反応ガスのガス圧力を高めることによって、触媒電極反応の起こる反応部位に反応ガスを確実に供給するようにしている。
特開２００６−１５６１８１号公報
しかしながら、このような従来装置では、起動時間がかかることが本件発明者によって知見された。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、システムの起動時間(十分な出力が得られる状態になるまでの時間)が短く早期起動可能な燃料電池システムの起動制御装置及び起動制御方法を提供することを目的とする。
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
本発明は、電解質膜(１１)の片面に形成されたカソード電極(１２ａ)と、その裏面に形成されたアノード電極(１２ｂ)と、を有する膜電極接合体(１０)を備える燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタック(１００)を含む燃料電池システムを起動する装置であって、積層された各燃料電池セルの電圧バラツキの大小を判定するバラツキ判定手段(Ｓ５，Ｓ６)と、燃料電池起動時に電圧バラツキが小さいあいだは前記燃料電池スタックに供給する供給ガスの供給圧を高めて燃料電池の出力を上昇させ、電圧バラツキが大きくなったら供給圧を低下させることでフラッディング現象の悪化を抑制して、出力上昇しなくなることを防止するガス供給制御手段(Ｓ３，Ｓ７)と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池起動時に電圧バラツキの大小を判定し、バラツキが小さいあいだは燃料電池スタックに供給する供給ガスの供給圧を高めておくので、低温下(極低温下を含む)においても燃料電池を起動できる。そして電圧バラツキが大きくなったら供給圧を低下させるようにした。このようにしたので、触媒反応によって生じる生成水によるフラッディング現象を事前に抑制することができ、燃料電池スタックの出力を高く保ち短時間で起動可能になる。
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
本発明は、上述の通り、燃料電池システムの早期起動を可能にするものである。本件発明者は鋭意研究を重ねることにより、早期起動の阻害要因を明らかにした。そこで本発明の理解を容易にするために、はじめにこの発明者の知見について説明する。
図１は、本件発明者の実験結果を示す図であり、図１(Ａ)は運転圧力(ガスの供給圧力)を変えたときのスタック出力変化を示し、図１(Ｂ)はそのときの燃料電池セルの電圧バラツキを示す。
起動時、特に氷点下起動時は、上述の通り、反応ガスの供給圧を高めるとよい。本件発明者の実験によっても、図１(Ａ)に示したように、起動時に反応ガスの供給圧を高めるほど、起動直後のスタック出力が大きくなるということが確認されている。しかしながら、起動開始から、ある程度の時間が経過すると、スタック出力が上昇しなくなることが本件発明者によって知見された。本件発明者は、これについて鋭意研究を重ね、燃料電池内部に生成された水分によるいわゆるフラッディング現象に起因するものであることを見出した。
この点について、燃料電池セルの構造と併せてさらに詳しく説明する。
図２は、燃料電池セルの構成を説明する図である。図２(Ａ)は構成を示す分解斜視図、図２(Ｂ)は側断面図である。
燃料電池セルは、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１０の表裏両面にカソードセパレータ１３ａ及びアノードセパレータ１３ｂが配置された構成である。
ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、カソード電極１２ａと、アノード電極１２ｂと、を含む。
電解質膜１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１の水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池セルに導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお、電解質膜１１の水分状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セルに供給しては、電解質膜１１に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。
カソード電極１２ａは電解質膜１１の片面(図２(Ｂ)では左側)に設けられ、アノード電極１２ｂは反対面(図２(Ｂ)では右側)に設けられる。
カソード電極１２ａ及びアノード電極１２ｂは、触媒層１２１と、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２２と、で構成される。触媒層１２１は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
ガス拡散層１２２は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
カソードセパレータ１３ａは、カソード電極１２ａの外側に重なる。カソードセパレータ１３ａの片面(カソード電極１２ａへの対向面)には、リブ１３１が凸設され、リブ１３１の間に反応ガス流路１３２が形成される。図２では、４列の反応ガス流路１３２が形成される。カソードセパレータ１３ａは、たとえばカーボン製又は金属製である。
アノードセパレータ１３ｂは、アノード電極１２ｂの外側に重なる。アノードセパレータ１３ｂの片面(アノード電極１２ｂへの対向面)には、リブ１３１が凸設され、リブ１３１の間に反応ガス流路１３２が形成される。図２では、４列の反応ガス流路１３２が形成される。アノードセパレータ１３ｂは、たとえばカーボン製又は金属製である。
以上のような構成の燃料電池セルが数百セル積層されて所定の面圧で保持されたものが燃料電池スタック１００である。
燃料電池セルは、このような構造である。そして上述の触媒電極反応(１)(２)は、ＭＥＡ１０(電解質膜１１、カソード電極１２ａ、アノード電極１２ｂ)で生じ、生成水Ｈ2Ｏが発生する。この生成水Ｈ2Ｏは、通常は、水蒸気になってカソードガスとともに、又は液水のままの状態で、燃料電池外部へ排出される。
しかしながら、周囲環境温度が低いときは飽和水蒸気分圧が低下するので、水蒸気の状態で燃料電池外部へ排出される水分量は極端に低下する。このため、燃料電池内部に生成水Ｈ2Ｏが残留することがある。この生成水Ｈ2Ｏがカソードセパレータ１３ａの反応ガス流路１３２に溜まってしまうと反応ガス(カソードガス)の流れが悪化し触媒反応が低下する(フラッディング)。またこの生成水Ｈ2Ｏが電解質膜１１を介してアノードセパレータ１３ｂの反応ガス流路１３２に浸み出して溜まってしまうことがあり、これによっても反応ガス(アノードガス)の流れが悪化し触媒反応が低下する(フラッディング)。
このような状態では、燃料電池の出力が低下し、システムが起動するまでに(十分な出力が得られる状態になるまでに)、時間がかかる。さらに周囲環境温度が氷点下であるときは、燃料電池内部に残留した生成水Ｈ2Ｏが凍結し、式(２)の反応が阻害され、発電ができなくなるおそれがある。
この触媒反応低下現象の発生時期は、各電極の性能バラツキや反応ガス供給量のバラツキに起因して、各燃料電池セルごとに異なる。そのため、触媒反応低下現象の発生初期には、各燃料電池セルの発電量がバラつくこととなる。このような初期状態を放置しておくと、やがてすべての燃料電池セルの触媒反応が低下しスタック出力が上がらなくなるのである。
すなわち図１に示したように、反応ガスを高圧で供給していると、起動直後のスタック出力は高いものの(図１(Ａ))、図１(Ｂ)のように途中で各燃料電池セルの電圧がバラつき(すなわち平均電圧に対する標準偏差が大きくなる)、この状態で運転を続けると図１(Ａ)のようにスタック出力が上昇しなくなっていた、というのが本件発明者の知見である。
図３は、本発明による燃料電池システムの制御装置の第１実施形態を示す図である。なお図中の実線矢印はガス等の流れ方向を示し、破線は信号線である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００と、アノードガス供給ライン２００と、カソードガス供給ライン３００と、冷却媒体循環ライン４００と、を含む。
燃料電池スタック１００は、各燃料電池セルごとの電圧を検知する電圧センサ５０１と、燃料電池スタックの総電圧を検知する電圧センサ５０２と、燃料電池スタックの温度を検知する温度センサ５０３と、が設けられている。電圧センサ５０１，電圧センサ５０２及び温度センサ５０３の信号はコントローラ５００に入力される。
アノードガス供給ライン２００は、燃料タンク２０１と、アノードガス圧力制御弁２０２と、アノードガス循環ポンプ２０３と、を含む。アノードガス圧力制御弁２０２はコントローラ５００の信号に応じて開度を調整して燃料電池スタック１００に供給するアノードガスの圧力を制御する。
カソードガス供給ライン３００は、カソードガス供給ポンプ３０１と、カソードガス圧力制御弁３０２と、を含む。カソードガス圧力制御弁３０２はコントローラ５００の信号に応じて開度を調整して燃料電池スタック１００に供給するカソードガスの圧力を制御する。
冷却媒体循環ライン４００は、冷媒循環ポンプ４０１と、ラジエータ４０２と、を含む。
以下ではコントローラ５００の具体的な制御ロジックについてフローチャートに沿って説明する。
図４は、本発明による燃料電池システムの起動制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。コントローラ５００は起動信号を検出したら、所定時間(例えば１０ミリ秒)ごとに図４の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１において、コントローラ５００は、供給ガス(アノードガス，カソードガス)が供給されているか否かを判定する。供給されていなければステップＳ２へ処理を移行し、供給されていればステップＳ４へ処理を移行する。
ステップＳ２において、コントローラ５００は、供給ガス(アノードガス，カソードガス)を高圧で運転する状態の終了時期を判定するための判定値を設定する。具体的な設定方法は後述する。
ステップＳ３において、コントローラ５００は、供給ガス(アノードガス，カソードガス)を高圧で供給して起動運転を開始する。なお高圧供給するときの供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧は、起動時のシステム温度などには関係なく、たとえばシステム上実現可能な最高圧にする。
ステップＳ４において、コントローラ５００は、高圧運転が終了したか否かを判定する。高圧運転がまだ終了していなければステップＳ５へ処理を移行し、終了していればステップＳ８へ処理を移行する。
ステップＳ５において、コントローラ５００は、高圧で運転する状態の終了時期であるか否かを判定する。具体的な判定方法は後述する。
ステップＳ６において、コントローラ５００は、高圧運転の終了時期であるか否かを判定する。まだ終了時期になっていなければ一旦処理を抜け、終了時期になったらステップＳ７へ処理を移行する。
ステップＳ７において、コントローラ５００は、高圧運転を終了して供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧を降圧する。なお降圧したときの供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧は、たとえば運転可能なギリギリの最低圧まで下げる。
ステップＳ８において、コントローラ５００は、燃料電池スタック１００の温度Ｔsが通常運転可能温度Ｔs0を超えたか否かを判定する。まだ超えていなければ一旦処理を抜け、超えたらステップＳ９へ処理を移行する。
ステップＳ９において、コントローラ５００は、通常運転に移行して供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧を通常圧に昇圧する。
図５は、サブルーチンのフローチャートであり、図５(Ａ)は高圧運転終了時期判定値設定処理を示し、図５(Ｂ)は高圧運転終了時期判定処理を示す。
本実施形態の高圧運転終了時期判定値設定は以下のように処理される。
ステップＳ２１１において、コントローラ５００は、基準標準偏差σ0を設定する。これはたとえば燃料電池スタック１００の起動時の温度などに基づいて定めればよい。
本実施形態の高圧運転終了時期判定は以下のように処理される。
ステップＳ５１１において、コントローラ５００は、各燃料電池セルの電圧の平均電圧に対する標準偏差σを算出する。
ステップＳ５１２において、コントローラ５００は、求めた標準偏差σが基準標準偏差σ0よりも大きいか否かを判定する。小さいあいだは一旦処理を抜け大きくなったら高圧運転終了時期を判定する(ステップＳ５１３)。
図６は、本発明による燃料電池システムの起動制御装置の動作を示すタイムチャートである。なお以下の説明ではフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号をＳ付けで併記した。
コントローラ５００は、起動信号を検出したら、供給ガス(アノードガス，カソードガス)を高圧で運転する状態の終了時期を判定するための判定値σ0を設定し(Ｓ２；Ｓ２１１)、供給ガス(アノードガス，カソードガス)を高圧で供給して起動運転を開始する(Ｓ３)。すると供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧が大きくなり(図６(Ｃ))、燃料電池スタックの出力が上昇する(図６(Ａ))。
次サイクル以降では、既に供給ガスが供給されているので、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ５と進み、高圧運転の終了時期になったか否かを判定する。具体的には各燃料電池セルの電圧の標準偏差σを算出し(Ｓ５１１)、その標準偏差σが判定値σ0よりも大きくなるまで、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ５１１→Ｓ５１２→Ｓ６を繰り返し処理する。
図６(Ｂ)に示すように時刻ｔ１で標準偏差σが判定値σ0よりも大きくなったら、ステップＳ５１２→Ｓ５１３と進み、さらにステップＳ６→Ｓ７と進んで高圧運転を終了して供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧を降圧する(図６(Ｃ))。
次サイクル以降では、高圧運転が終了しているので、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ８と進み、燃料電池スタック１００の温度Ｔsが通常運転可能温度Ｔs0を超えるまで、運転状態を維持しておく。このようにしておくことでフラッディングが抑えられて標準偏差σが小さくなり(図６(Ｂ))、燃料電池スタックの出力も大きくなる(図６(Ａ))。
時刻ｔ２で燃料電池スタック１００の温度Ｔsが通常運転可能温度Ｔs0を超えたら、ステップＳ８→Ｓ９と進み、通常運転に移行して供給ガスの供給圧を通常圧に昇圧する(図６(Ｃ))。
本実施形態によれば、起動信号を検出したら、まず供給ガス(アノードガス，カソードガス)を高圧で供給するようにした。このため低温下(極低温下を含む)においても燃料電池を起動できる。しかしながらこの高圧状態のままにしておいては触媒反応によって生じる生成水によってフラッディングが発生し起動に時間を要することとなる。そこで本件発明者は、フラッディングの要因である生成水量の過多によって各燃料電池セルの電圧の平均電圧に対する標準偏差σが大きくなるという知見を見出し、標準偏差σに基づいて供給ガスの供給圧を下げるようにした。このようにしたので、触媒反応によって生じる生成水によるフラッディング現象を事前に抑制することができ、燃料電池スタックの出力を高く保ち短時間で起動可能になる。
（第２実施形態）
図７は、本発明による燃料電池システムの制御装置の第２実施形態を示す図である。
第１実施形態では、各燃料電池セルごとの電圧を検知することで、各燃料電池セルの電圧の平均電圧に対する標準偏差σを算出して各燃料電池セルの発電バラツキの大小を求め、バラツキが大きい(標準偏差が大きい)ときには、フラッディングが生じていると判定するようにしていた。
しかしながらこのようにするには多数のセンサが必要でありコストがかかる。そこで本実施形態では、燃料電池スタックの発電電流を検知し、その積算値が大きくなったことに基づいて触媒反応による生成水の量が多くなったと推定するようにした。
本実施形態の燃料電池システム１では、発電電流を検知する電流センサ５０４が設けられている。
図８は、第２実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートであり、図８(Ａ)は高圧運転終了時期判定値設定処理を示し、図８(Ｂ)は高圧運転終了時期判定処理を示す。なお第２実施形態は、メインフローは第１実施形態と同じであり、具体的な判定方法が異なる。
第２実施形態の高圧運転終了時期判定値設定は以下のように処理される。
ステップＳ２２１において、コントローラ５００は、燃料電池スタック１００の起動時の温度Ｔsに基づいて基準電流積算値Ii0を設定する。具体的には図９に基づいて設定する。なお基準電流積算値Ii0は、図９に示されているように、燃料電池スタックの起動時温度Ｔsが高いほど、大きい。
第２実施形態の高圧運転終了時期判定は以下のように処理される。
ステップＳ５２１において、コントローラ５００は、電流値Ｉを検出する。
ステップＳ５２２において、コントローラ５００は、電流値Ｉを電流積算値の前回値Ｉizに加算して、電流積算値の今回値Ｉiを求める。
ステップＳ５２３において、コントローラ５００は、電流積算値(今回値)Ｉiが基準電流積算値Ii0よりも大きいか否かを判定する。小さいあいだは一旦処理を抜け大きくなったら高圧運転終了時期を判定する(ステップＳ５２４)。
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、必要なセンサの数が少なく廉価なシステムとすることができる。
（第３実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池システムの制御装置の第３実施形態を示す図である。
本実施形態では、冷却媒体循環ライン４００の燃料電池スタック出口付近の出口冷媒温度Ｔcが高くなったことに基づいて触媒反応による生成水の量が多くなったと推定するようにした。
本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック出口付近の出口冷媒温度Ｔcを検知する出口冷媒温度センサ５０５が設けられている。
図１１は、第３実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートであり、図１１(Ａ)は高圧運転終了時期判定値設定処理を示し、図１１(Ｂ)は高圧運転終了時期判定処理を示す。なお第３実施形態も、メインフローは第１実施形態と同じであり、具体的な判定方法が異なる。
第３実施形態の高圧運転終了時期判定値設定は以下のように処理される。
ステップＳ２３１において、コントローラ５００は、冷媒温度Ｔcに基づいて基準冷媒温度Ｔc0を設定する。具体的には図１２に基づいて設定する。なお基準冷媒温度Ｔc0は、図１２に示されているように、燃料電池スタックの起動時の冷媒温度Ｔcが高いほど、大きい。
第３実施形態の高圧運転終了時期判定は以下のように処理される。
ステップＳ５３１において、コントローラ５００は、冷媒温度Ｔcが基準冷媒温度Ｔc0よりも大きいか否かを判定する。小さいあいだは一旦処理を抜け大きくなったら高圧運転終了時期を判定する(ステップＳ５３２)。
本実施形態によっても、必要なセンサの数が少なく廉価なシステムとすることができる。
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートであり、図１３(Ａ)は高圧運転終了時期判定値設定処理を示し、図１３(Ｂ)は高圧運転終了時期判定処理を示す。なお第４実施形態も、メインフローは第１実施形態と同じであり、具体的な判定方法が異なる。
第４実施形態の高圧運転終了時期判定値設定は以下のように処理される。
ステップＳ２４１において、コントローラ５００は、燃料電池スタック１００の起動時の温度Ｔsに基づいて基準時間Ｔ0を設定する。具体的には図１４に基づいて設定する。なお基準時間Ｔ0は、図１４に示されているように、燃料電池スタック１００の起動時の温度Ｔsが高いほど、小さい。
第４実施形態の高圧運転終了時期判定は以下のように処理される。
ステップＳ５４１において、コントローラ５００は、経過時間Ｔを積算する。上述のように本ルーチンは一定時間ごとに実行されているので、この積算値によって経過時間が分かる。
ステップＳ５４２において、コントローラ５００は、経過時間Ｔが基準時間Ｔ0よりも大きいか否かを判定する。小さいあいだは一旦処理を抜け大きくなったら高圧運転終了時期を判定する(ステップＳ５４３)。
本実施形態によれば、第２実施形態や第３実施形態に比べても、さらに必要なセンサの数が少なく一層廉価なシステムとすることができる。
（第５実施形態）
図１５は、本発明による燃料電池システムの制御装置の第４実施形態を示す図である。
第１実施形態では、各燃料電池セルごとの電圧を検知することで、各燃料電池セルの電圧の平均電圧に対する標準偏差σを算出して各燃料電池セルの発電バラツキの大小を求め、バラツキが大きい(標準偏差が大きい)ときには、フラッディングが生じていると判定するようにしていた。
しかしながら、フラッディングは特にエンドセルにおいて発生しやすい。そこで本実施形態では、特にエンドセルの電圧Ｖendを検知し、エンドセル電圧Ｖendが燃料電池スタック全体の平均セル電圧Ｖaveから大きく外れたら触媒反応による生成水の量が多くなったと推定するようにした。
本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタックの総電圧を検知する電圧センサ５０２と、燃料電池スタックの温度を検知する温度センサ５０３と、エンドセルの電圧を検知する電圧センサ５０６が設けられている。
図１６は、第５実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートであり、図１６(Ａ)は高圧運転終了時期判定値設定処理を示し、図１６(Ｂ)は高圧運転終了時期判定処理を示す。なお第５実施形態も、メインフローは第１実施形態と同じであり、具体的な判定方法が異なる。
第５実施形態の高圧運転終了時期判定値設定は以下のように処理される。
ステップＳ２５１において、コントローラ５００は、基準電圧差ΔＶ0を設定する。これはたとえば燃料電池スタック１００の起動時の温度などに基づいて定めればよい。
第５実施形態の高圧運転終了時期判定は以下のように処理される。
ステップＳ５５１において、コントローラ５００は、燃料電池スタックの総電圧Ｖallを検出する。
ステップＳ５５２において、コントローラ５００は、燃料電池スタックの総電圧Ｖallをセル数ｎで除して平均電圧Ｖaveを算出する。
ステップＳ５５３において、コントローラ５００は、燃料電池スタックのエンドセルの電圧Ｖendを検出する。
ステップＳ５５４において、コントローラ５００は、平均電圧Ｖaveとエンドセル電圧Ｖendとの電圧差の絶対値が基準電圧差ΔＶ0よりも大きいか否かを判定する。小さいあいだは一旦処理を抜け大きくなったら高圧運転終了時期を判定する(ステップＳ５５５)。
本実施形態によっても、必要なセンサの数が少なく廉価なシステムとすることができる。またフラッディングは特にエンドセルにおいて発生しやすいので、本実施形態の構成によっても、触媒反応による生成水の量が多くなったことを、精度よく推定でき、触媒反応によって生じる生成水によるフラッディング現象を事前に抑制でき、燃料電池スタックを短時間で起動可能できる。
（第６実施形態）
図１７は、第６実施形態の起動制御装置を制御するためのメインルーチンを示すフローチャートである。
この第６実施形態は、基本的には第１実施形態と同じであるが、ステップＳ７２において、コントローラ５００は、高圧運転を終了して供給ガス(アノードガス，カソードガス)の供給圧を降圧するとともに、カソードガスの流量を増量する。
このようにカソードガスの流量を増量すれば、図１８に示すように燃料電池スタックの出力を上げることができる。したがって上記各実施形態に比べてさらに早期に、短時間で、燃料電池スタックを起動することができる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
また上述の発明は、カソード側にもアノード側にも用いることができるが、特に生成水の影響を受けやすいカソード側に適用することが好適である。
本件発明者の実験結果を示す図である。 燃料電池セルの構成を説明する図である。 本発明による燃料電池システムの制御装置の第１実施形態を示す図である。 本発明による燃料電池システムの起動制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。 サブルーチンのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの起動制御装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明による燃料電池システムの制御装置の第２実施形態を示す図である。 第２実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池スタックの起動時の温度と基準電流積算値との関係を示す図である。 本発明による燃料電池システムの制御装置の第３実施形態を示す図である。 第３実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートである。 起動時の冷媒温度と基準冷媒温度との関係を示す図である。 第４実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池スタックの起動時の温度と基準時間との関係を示す図である。 本発明による燃料電池システムの制御装置の第４実施形態を示す図である。 第５実施形態の起動制御装置を制御するためのサブルーチンを示すフローチャートである。 第６実施形態の起動制御装置を制御するためのメインルーチンを示すフローチャートである。 第６実施形態の効果を説明する図である。
符号の説明
１０ 膜電極接合体
１１ 電解質膜
１２ａ カソード電極
１２ｂ アノード電極
１３ａ カソードセパレータ
１３ｂ アノードセパレータ
１３２ 反応ガス流路
１００ 燃料電池スタック
ステップＳ５，Ｓ６ バラツキ判定手段／バラツキ判定工程
ステップＳ３，Ｓ７ ガス供給制御手段／ガス供給制御工程

Claims (12)

  1. 電解質膜の片面に形成されたカソード電極と、その裏面に形成されたアノード電極と、を有する膜電極接合体を備える燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタックを含む燃料電池システムを起動する装置であって、
    積層された各燃料電池セルの電圧バラツキの大小を判定するバラツキ判定手段と、
    燃料電池起動時に電圧バラツキが小さいあいだは前記燃料電池スタックに供給する供給ガスの供給圧を高めて燃料電池の出力を上昇させ、電圧バラツキが大きくなったら供給圧を低下させることでフラッディング現象の悪化を抑制して、出力上昇しなくなることを防止するガス供給制御手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの起動制御装置。
  2. 前記ガス供給制御手段は、燃料電池起動時に電圧バラツキが小さいあいだは実現可能な最高圧で前記供給ガスを供給する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  3. 前記ガス供給制御手段は、電圧バラツキが大きくなったら運転可能な最低圧で前記供給ガスを供給する、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  4. 前記ガス供給制御手段は、電圧バラツキが大きくなったら供給ガスの供給圧を低下させるとともに、カソードガスの供給量を増量する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  5. 前記各燃料電池セルごとに設けられた電圧センサを備え、
    前記バラツキ判定手段は、前記各燃料電池セルごとの電圧センサの出力値に基づいて電圧バラツキの大小を判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  6. 前記燃料電池スタックの発電電流の積算値を算出する積算電流値算出手段を備え、
    前記バラツキ判定手段は、前記燃料電池スタックの発電電流の積算値が基準積算値を超えたら、各燃料電池セルの電圧バラツキが大きいと判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  7. 前記燃料電池スタックの起動時温度を検知する起動時温度検知手段を備え、
    前記基準積算値は、前記燃料電池スタックの起動時温度が高いほど、大きい、
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  8. 前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が流れる冷媒流路のスタック出口付近に設けられた出口冷媒温度検知手段を備え、
    前記バラツキ判定手段は、前記スタック出口付近の冷媒温度が基準温度を超えたら、各燃料電池セルの電圧バラツキが大きいと判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  9. 前記燃料電池スタックの起動時温度を検知する起動時温度検知手段を備え、
    前記基準温度は、前記燃料電池スタックの起動時温度が高いほど、大きい、
    ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  10. 前記バラツキ判定手段は、前記燃料電池スタックの起動開始後の経過時間が、前記燃料電池スタックの起動時温度が高いほど小さくなる基準時間を超えたら、各燃料電池セルの電圧バラツキが大きいと判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  11. 前記燃料電池スタック全体の平均セル電圧を検知する平均電圧検知手段と、
    前記燃料電池スタックの端部のエンドセルの電圧を検知するエンドセル電圧検知手段と、
    を備え、
    前記バラツキ判定手段は、前記エンドセル電圧と前記平均セル電圧との差が所定電圧差を超えたら、各燃料電池セルの電圧バラツキが大きいと判定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動制御装置。
  12. 電解質膜の片面に形成されたカソード電極と、その裏面に形成されたアノード電極と、を有する膜電極接合体を備える燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタックを含む燃料電池システムを起動する方法であって、
    積層された各燃料電池セルの電圧バラツキの大小を判定するバラツキ判定工程と、
    燃料電池起動時に電圧バラツキが小さいあいだは前記燃料電池スタックに供給する供給ガスの供給圧を高めて燃料電池の出力を上昇させ、電圧バラツキが大きくなったら供給圧を低下させることでフラッディング現象の悪化を抑制して、出力上昇しなくなることを防止するガス供給制御工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
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