(57)【要約】【課題】  複数の燃料電池の起動時の電圧降下処理における起動電圧のばらつきを抑制し、性能低下を防止することを課題とする。【解決手段】  酸素濃度センサ１４〜１７で検出された各燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度に基づいて、各燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度の差異を判別し、判別された差異が所定の判別値以上である場合には、システムの起動前に各燃料電池１の酸化剤極３を空気で置換し、酸素濃度の差異が判別値以下になると各燃料電池１に可変抵抗１８，１９の負荷を接続して電圧降下処理を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数備えた燃料電池システムにおいて、
前記各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判別する判別手段と、
前記判別手段で判別された酸素濃度の差異に基づいて、前記燃料電池システムの起動方法を決定して実行する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記各燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、
前記各燃料電池の酸化剤極から酸化剤オフガスを排出する酸化剤排気配管とを備え、
前記検出手段は、前記酸化剤供給配管内の酸素濃度を検出する第１の酸素濃度センサと、前記酸化剤排気配管内の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度センサとで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤供給配管において、前記酸化剤供給配管の分岐部からそれぞれの酸化剤極に分配される間の前記酸化剤供給配管の長さ及び配管径を同一とし、
前記酸化剤排気配管において、それぞれの酸化剤極から合流するまでの間の前記酸化剤排気配管の長さ及び配管径を同一とした
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記各燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、
前記酸化剤供給配管に設けられて、酸化剤極と外気とを選択的に遮断する弁体と、
前記各燃料電池の酸化剤極から酸化剤オフガスを排出する酸化剤排気配管と、
前記酸化剤排気配管に設けられて、前記酸化剤排気配管で酸化剤オフガスが外部に流通する方向が常時開となる逆止弁と、
前記各燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給配管と、
前記燃料供給配管に設けられて、燃料極と外気とを選択的に遮断する弁体と、
前記各燃料電池の燃料極から燃料オフガスを排出する燃料排気配管と、
前記燃料排気配管に設けられて、前記燃料排気配管で燃料オフガスが外部に流通する方向が常時開となる逆止弁と
を有することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の酸素濃度センサで検出された酸素濃度と、前記第２の酸素濃度センサで検出された酸素濃度とに基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を設定し、
前記判別手段は、前記設定された酸素濃度に基づいて各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判定する
ことを特徴とする請求項２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の第１の判定値以上であると判別された場合には、前記燃料電池システムの起動前に各燃料電池の酸化剤極へ空気を供給する手段を備えた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の第１の判定値以上であると判別された場合には、前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動前に、前記検出手段で検出された前記各燃料電池のそれぞれの酸化剤極の酸素濃度に応じた負荷を用いて各燃料電池で電圧降下処理を行う
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記判別手段で各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異が、予め設定された所定の判定値以上であると判別された場合には、前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動前に、前記検出手段で検出された前記各燃料電池のそれぞれの酸化剤極の酸素濃度の内、最も濃度が低い酸素濃度に応じた負荷を用いて各燃料電池で電圧降下処理を行う
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記判別手段は、前記検出手段で検出された各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度と予め設定された所定の第２の判定値とを比較し、
前記制御手段は、前記判別手段の比較結果において、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度のすべてが前記第２の判定値以下となった場合には、前記各燃料電池で電圧降下処理を実施せずに前記燃料電池システムの起動を開始する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池の起動時に、酸化剤極の酸素濃度に基づいて起動制御を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの系統内に残存している可燃ガス、凝縮水を除去する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１）。この文献１に記載された技術では、燃料改質器、燃料電池本体ならびに燃料供給系統にパージ運転を行わせる際に、最初に蒸気によるパージ運転を行わせた後、空気によるパージ運転を行い、系統内に残っている可燃ガス、凝縮水を確実に除去するようにしている。
【０００３】
一方、りん酸型燃料電池における各単電池のマトリックスが保持するりん酸量が発電中に飛散して減少することによって生じるりん酸不足を監視する技術として、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献２）。この文献１に記載された技術では、燃料極、酸化剤極の出口から排出されたオフガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設け、この酸素濃度センサで検出された酸素濃度または濃度の増加率が所定レベルを超えたときにりん酸残量の低下を報知するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２３１２９３
【特許文献２】特開平０３−１０１０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の燃料電池を同時に起動する場合に、それぞれの燃料電池の酸化剤極内の酸素濃度が異なる状態のままで燃料電池を起動すると、起動時の電圧降下処理において、不具合が生じていた。すなわち、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の違いにより、燃料ガスの水素との反応が行われやすい燃料電池と行われにくい燃料電池とが生じ、それぞれの燃料電池の起動電圧に差異が発生して、一部の燃料電池が起動時に負電圧状態となるおそれがあった。起動時にこのような状態を繰り返すことによって、燃料電池の触媒層の劣化を引き起こすという問題があった。
【０００５】
しかし、上記不具合は、上述した従来の技術のように、可燃ガスや凝縮水のパージ、オフガス中の酸素濃度の検出だけでは、解決するに至っていなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の燃料電池の起動時の電圧降下処理における起動電圧のばらつきを抑制し、性能低下を防止した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数備えた燃料電池システムにおいて、前記各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異を判別する判別手段と、前記判別手段で判別された酸素濃度の差異に基づいて、前記燃料電池システムの起動方法を決定して実行する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、各燃料電池の酸化剤極の酸素濃度の差異に基づいて、燃料電池システムの起動方法を決定することで、システム起動時の各燃料電池の起動電圧のばらつきを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
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を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、２つの燃料電池１を備えており、この２つの燃料電池１の燃料極２ならびに酸化剤極３には並列に燃料ガスならびに酸化剤ガスが供給される。すなわち、燃料タンク４に貯蔵された例えば水素ガスの燃料ガスは、各燃料電池１に並列に設けられた燃料供給配管６ならびに燃料の供給を制御するとともに燃料電池１と外気とを選択的に遮断制御する燃料供給弁１０を介して各燃料電池１の燃料極２に供給される。各燃料電池１から排出された燃料オフガスは、各燃料電池１に並列に設けられた燃料排気配管７ならびに燃料排気逆止弁１１を介して希釈された後排気される。
【００１１】
一方、酸化剤ガスとなる空気は、空気を圧縮して供給する酸化剤ブロアー５、各燃料電池１に並列に設けられた酸化剤供給配管８ならびに酸化剤の供給を制御するとともに燃料電池１と外気とを選択的に遮断制御する酸化剤供給弁１２を介して各燃料電池１の酸化剤極３に供給される。各燃料電池１から排出された酸化剤オフガスは、各燃料電池１に並列に設けられた酸化剤排気配管９ならびに酸化剤排気逆止弁１３を介して排気される。
【００１２】
酸化剤供給配管８及び酸化剤排気配管９と酸化剤極３との接合部には、酸素濃度を検出する手段としての酸素濃度センサ１４〜１７が設けられている。すなわち、酸素濃度センサ１４では、一方の燃料電池１の酸化剤極入口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ１５では、一方の燃料電池１の酸化剤極出口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ１６では、他方の燃料電池１の酸化剤極入口側の酸素濃度を検出し、酸素濃度センサ１７では、他方の燃料電池１の酸化剤極出口側の酸素濃度を検出する。
【００１３】
各燃料電池１の酸化剤極３の入口から酸化剤供給配管８が合流する合流部までの酸化剤供給配管８の長さ及び配管径は同一に形成され、各燃料電池１の酸化剤極３の出口から酸化剤排気配管９の合流部２３までの酸化剤排気配管９の長さ及び配管径は同一に形成され、酸化剤排気逆止弁１３により合流部２３の下流の酸化剤排気配管９から燃料電池１に外気が浸入のを防止している。
【００１４】
一方の燃料電池１の発電で得られた電力を取り出す出力端子間には、直列接続された可変抵抗１８とスイッチング素子のリレー２０が接続され、同様に他方の燃料電池１の発電で得られた電力を取り出す出力端子間には、直列接続された可変抵抗１９とスイッチング素子のリレー２１が接続されている。この可変抵抗１８，１９を介して各燃料電池１の出力端子間が選択的に短絡され、起動時に各燃料電池１で電圧降下処理が実施される。可変抵抗１８，１９は、制御部２２の制御の下にその抵抗値が可変される。リレー２０，２１は、制御部２２でスイッチング制御される。
【００１５】
制御部２２は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御部２２は、酸素濃度センサ１４〜１７を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、リレー２０，２１を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００１６】
図２は実施例１における燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システムの起動時に、複数の燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度に差異がある状態で、燃料極２へ燃料ガスが導入されると、酸素濃度が低い酸化剤極３では起動電圧が立たない一方、酸素濃度が高い酸化剤極３では起動電圧が立つことになる。このような場合に、複数の燃料電池１で負荷を介して出力端子間を短絡する電圧降下処理を行うと、それぞれの燃料電池１の起動電圧に差異が発生する。これを防止するために、図２に示す手順で燃料電池システムの起動制御を行う。
【００１７】
図２において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動させる前に、酸素濃度センサ１４〜１７にて各燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極３の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度として設定する。その後、燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度の差異を制御部２２で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する（ステップＳ２１）。
【００１８】
なお、２以上の燃料電池を備えている場合には、すべての組み合わせで燃料電池間での酸素濃度の差異を算出する。
【００１９】
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、酸化剤ブロア−５を作動して各燃料電池１に酸化剤ガスの空気を供給し、全ての燃料電池１の酸化剤極３内を空気で置換し、全ての酸化剤極３内の酸素濃度を同一状態とする（ステップＳ２２）。燃料電池間での酸素濃度の差異が判定値以下となるまで上記ステップＳ２１、Ｓ２２を繰り返し、差異が判定値以下となった場合には、制御部２２によりリレー２０，２１をオンして可変抵抗１８，１９を介して各燃料電池１の出力端子間を短絡し、電圧降下処理を行った後、システムを起動する（ステップＳ２３）。
【００２０】
このように、上記実施例１では、電気化学反応によって発電する燃料電池１を複数備える燃料電池システムにおいて、各燃料電池１内の酸化剤極３の入口側と出口側に設置された酸素濃度センサ１４〜１７で検出された酸素濃度に基づいて、各燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度を略均一化することで、システム起動時の電圧降下処理におけるそれぞれの燃料電池１の起動電圧のばらつきを防止することができる。
【００２１】
酸化剤供給配管８と燃料電池１の酸化剤ガス入口との接合部、及び酸化剤排気配管９と燃料電池１の酸化剤オフガスの出口との接合部に酸素濃度センサ１４〜１７を備えることで、直接に計測が出来ない酸化剤極３内の酸素濃度を高い精度で検出することができる。
【００２２】
複数の燃料電池１の酸化剤供給配管８が分岐し、それぞれの燃料電池１の酸化剤極３に分配されるまでの酸化剤供給配管８の長さ及び配管径を同一とし、また複数の燃料電池１の酸化剤排気配管９において、酸化剤極３から合流するまでの酸化剤排気配管９の長さ及び配管径を同一とすることで、配管を介して各燃料電池１に外気の浸入があった場合でも、それぞれの燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度をほぼ同じ状態に保ちやすくなり、またまた酸化剤供給系を空気でパージした場合に、それぞれの燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度を概ね同一状態とすることが可能となる。
【００２３】
酸化剤供給配管８に酸化剤供給弁１２を設け、酸化剤排気配管９に酸化剤排気逆止弁１３を設置し、同様に燃料供給配管６に燃料供給弁１０を設け、燃料排気配管７に燃料排気逆止弁１１を設置することで、各弁を閉弁することで外部から酸化剤極３内に侵入する外気を遮断し、それぞれの酸化剤極３内の酸素濃度を低い状態に保つことができる。
【００２４】
酸素濃度センサ１４〜１７で複数の燃料電池１の酸化剤供給配管８内及び酸化剤排気配管９内の酸素濃度を検出することにより、複数の燃料電池１間の酸素濃度の差異を的確に把握することができる。
【００２５】
複数の燃料電池１内の酸化剤極３の酸素濃度の差異が所定の判定値以上の場合にのみ燃料電池システム起動前に複数の燃料電池１の酸化剤極３の空気置換を行うことで、それぞれの酸化剤極３内の酸素濃度をほぼ同一状態にすることができる。
【実施例２】
【００２６】
図３はこの実施例２を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図１に示す実施例１と同様である。図３において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ１４〜１７にて各燃料電池１の酸化剤極内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極３の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度とする。その後、各燃料電池１の酸化剤極の酸素濃度の差異を制御部２２で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する（ステップＳ３１）。
【００２７】
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、各燃料電池１の酸素濃度値を認識し（ステップＳ３２）、各酸素濃度値に応じて電圧降下処理を行う（ステップＳ３３）。すなわち、制御部２２では、各燃料電池１に対応した可変抵抗１８，１９を酸素濃度値に応じた抵抗値に調整設定し、調整設定された可変抵抗１８，１９でもって実施例１と同様に電圧降下処理を行う。酸化剤極３の酸素濃度値と負荷（可変抵抗１８，１９の抵抗値）との関係は、実験や机上検討により予め取得し、テーブル化等して制御部２２に記憶される。
【００２８】
一方、先のステップＳ３１で酸素濃度の差異が判定値以下である場合には、予め設定された抵抗値の可変抵抗１８，１９でもって先の実施例１と同様にして電圧降下処理を行った後、システムを起動する（ステップＳ３４）。
【００２９】
このような実施例２においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池システム起動時の複数の燃料電池１の起動電圧を概ね同一状態とすることができる。
【実施例３】
【００３０】
図４はこの実施例３を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図１に示す実施例１と同様である。図４において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ１４〜１７にて各燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極３の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度とする。その後、各燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度の差異を制御部２２で算出し、その差異が予め設定された所定の判定値以上であるか否かを判別する（ステップＳ４１）。
【００３１】
判別の結果、差異が判定値以上である場合には、酸素濃度が最も低い燃料電池１を特定する（ステップＳ４２）。続いて、最も低い酸素濃度値に応じてすべての燃料電池１の電圧降下処理を同様に行う（ステップＳ４３）。すなわち、制御部２２では、各燃料電池１に対応した可変抵抗１８，１９を最も低い酸素濃度値に対応した抵抗値に調整設定し、調整設定された可変抵抗１８，１９でもって実施例１と同様に電圧降下処理を行う。ここで、可変抵抗１８，１９の抵抗値は、最も低い酸素濃度の燃料電池１で電圧降下処理を行っても、燃料電池１の出力電圧が負電圧とならないように選択される。酸化剤極３の酸素濃度値と負荷（可変抵抗１８，１９の抵抗値）との関係は、実験や机上検討により予め取得し、テーブル化等して制御部２２に記憶される。
【００３２】
一方、先のステップＳ４１で酸素濃度の差異が判定値以下である場合には、予め設定された抵抗値の可変抵抗１８，１９でもって先の実施例１と同様にして電圧降下処理を行った後、システムを起動する（ステップＳ４４）。
【００３３】
このような実施例３においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、各燃料電池１の起動電圧が負電圧となることを防止することができる。
【実施例４】
【００３４】
図５はこの実施例４を適用した燃料電池システムの起動制御処理の処理手順を示すフローチャートであり、構成は先の図１に示す実施例１と同様である。図５において、先ず燃料電池システムの起動が指令されると、システムを起動する前に、酸素濃度センサ１４〜１７にて各燃料電池１の酸化剤極３内の酸素濃度を検出する。検出した酸化剤極３の入口側の酸素濃度と出口側の酸素濃度において、双方の酸素濃度に差異がある場合には濃度が高い方の酸素濃度をその燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度とする。続いて、すべての燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度が予め設定された所定の判定値（先の実施例１〜３の判定値とは異なる）以下であるか否かを判別する（ステップＳ５１）。
【００３５】
判別の結果、すべての燃料電池１の酸化剤極３の酸素濃度が判定値以下である場合には、燃料電池システムの起動時に電圧降下処理を実施せずに起動を開始する（ステップＳ５２）。これにより、燃料電池システム起動時の電圧降下処理により、酸素濃度が低い燃料電池１の起動電圧が負電圧になることを防止することができる。
【００３６】
一方、先のステップＳ５１の判別結果において、少なくとも１つの酸素濃度が判定値以上である場合には、燃料電池システムの起動時に予め設定された抵抗値の可変抵抗１８，１９でもって先の実施例１と同様に電圧降下処理を行った後、システムを起動する（ステップＳ５３）。
【００３７】
このような実施例４においては、酸素濃度が少なく起動電圧が立たない状態での電圧降下処理による燃料電池１への負荷を回避することができる。また、システムの起動時に選択的に電圧降下処理を実施しないので、システムの起動制御に掛かる時間を短縮することができる。
【００３８】
なお、上記実施例１〜４では、燃料電池が２つの場合で説明したが、燃料電池が２以上であっても同様に実施して同様の効果を得ることができ、また上記実施例１〜４を適宜組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係るシステムの動作手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係るシステムの動作手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例３に係るシステムの動作手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例４に係るシステムの動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池
２…燃料極
３…酸化剤極
４…燃料タンク
５…酸化剤ブロアー
６…燃料供給配管
７…燃料排気配管
８…酸化剤供給配管
９…酸化剤排気配管
１０…燃料供給弁
１１…燃料排気逆止弁
１２…酸化剤供給弁
１３…酸化剤排気逆止弁
１４〜１７…酸素濃度センサ
１８，１９…可変抵抗
２０，２１…リレー
２２…制御部
２３…合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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