(57)【要約】【課題】  アノードからカソードへリークした水素を運転開始時に反応消費することにより、排出される水素濃度を既定値未満に低下させることができるとともに、燃料電池への酸化剤供給を早めて発電可能となるまでの時間を短縮する。【解決手段】  コンプレッサ１６から空気圧力調整弁２２の上流に至る第１バイパス流路３３と、コンプレッサ１６から空気圧力調整弁２２の下流に至る第２バイパス流路３４を備える。運転開始時に、第１バイパス弁３３を開き、第２バイパス弁３４及び空気圧力調整弁２２を閉じる。次いでコンプレッサ１６を起動し、カソード４の入口及び出口から空気を供給する。運転停止中にアノード３からカソード４へリークした水素は、カソード入口及び出口から供給される空気中の酸素により急速に反応消費される。水素濃度低下後に、第１バイパス弁３５を閉じ、第２バイパス弁３４及び空気圧力調整弁２２を開く。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、
酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、
酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御することにより酸化剤極の圧力を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第一補助流路の開閉または流量を制御する第一補助流路制御手段を備えた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】
燃料電池への酸化剤供給開始時に、前記酸化剤供給路を介して酸化剤極入口へ酸化剤を供給するとともに、前記第一補助流路制御手段を開いて、酸化剤極出口からも酸化剤を供給する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】
前記第二補助流路の開閉または流量を制御する第二補助流路制御手段を備え、
燃料電池への酸化剤供給開始時に、第二補助流路制御手段により前記第二補助流路を閉止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。
【請求項５】
燃料電池への酸化剤供給開始時に、前記酸化剤圧力制御手段を閉止することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池への酸化剤供給開始後に、所定条件が成立すれば、前記第一補助流路制御手段を閉止することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤極の圧力を検出する酸化剤極圧力検出手段を備え、
前記所定条件は、前記酸化剤極圧力検出手段が検出した圧力が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記所定条件は、前記電圧検出手段が検出した電圧が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤極内の燃料濃度を検出する燃料濃度検出手段を備え、
前記所定条件は、前記燃料濃度検出手段が検出した燃料濃度が所定値を下回ったことであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定条件は、前記酸化剤極へ酸化剤の供給開始からの経過時間が所定時間を超えたことであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所定条件は、燃料電池から電流取り出しを開始したことであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記酸化剤供給手段から供給した酸化剤量を検出する酸化剤供給量検出手段を備え、
前記所定条件は、前記酸化剤供給量検出手段が検出した酸化剤量が所定値を超えたことであることを特徴とする請求項６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、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。
【０００３】
すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や水素発生装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
このような燃料電池車両においても、内燃機関車両と同様なアイドルストップが考えられる。燃料電池の発電効率が低い低負荷領域あるいは無負荷領域では、燃料電池の発電を一時停止させ、２次電池から所要電力を供給する。そして、燃料電池に発電余力があるときに２次電池へ充電することにより、総合的な燃費効率が向上する（例えば、特許文献１）。
【０００５】
このようなアイドルストップする燃料電池車両において、アイドルストップ中に燃料極から酸化剤極へ電解質膜を透過した水素（クロスリーク水素）は、運転再開時に規定濃度未満で系外へ排出されなければならない。このため、燃料電池起動時の空気供給流量を低減したり、空気供給コンプレッサを間欠運転することにより、酸化剤極排出ガスの量を低減する技術が知られている（例えば、特許文献２）。
【０００６】
また、燃料電池システムから排出される水素濃度を規定濃度未満とするために、運転再開時に空気供給ポンプを一旦逆回転させて、酸化剤極出口から酸化剤極へ空気を吸い込み、この空気により、酸化剤極電極触媒にトラップされていた水素を酸化させて消費する技術が知られている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５８号公報（第１２頁、図５）
【特許文献２】特開２００４−１７２０２７号公報（第８頁、図３）
【特許文献３】特開２００４−８７３１３公報（第８頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献２または３記載の従来技術においては、運転再開時のクロスリーク水素の放出を抑制するために、空気供給量を抑制したり、一時的にコンプレッサを逆回転していたため、アイドルストップ解除後に燃料電池が発電可能となるまでの時間が長くなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持した燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、酸化剤供給手段と酸化剤極入口とを接続する酸化剤供給路と、酸化剤極出口に接続する酸化剤排出路と、酸化剤排出路から排出する酸化剤の流量を制御する酸化剤圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の上流部とを接続する第一補助流路と、前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路の前記酸化剤圧力制御手段の下流部とを接続する第二補助流路と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、酸化剤供給流路を介して酸化剤極入口に酸化剤を供給するとともに、第一補助流路を介して酸化剤極出口からも酸化剤を供給することができ、供給した酸化剤とクロスリーク水素とを反応消費することにより、排出される水素濃度を既定値未満に低下させることができるとともに、燃料電池への酸化剤供給を早めて発電可能となるまでの時間を短縮することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが本発明を燃料電池車両に適用した実施例である。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の全体構成を示する概略図である。燃料電池システム１は、例えばアノード（燃料極、負極）３とカソード（酸化剤極、正極）４との間に固体高分子電解質を挟持した燃料電池２を備える。
【００１２】
水素供給装置５は、燃料改質装置や水素貯蔵装置等により燃料としての水素をアノード３に供給する。水素遮断弁６は、運転停止時や異常発生時に水素供給を遮断する。水素供給弁７は、水素供給装置５が供給する水素圧力を燃料電池２の運転圧力まで低下させ、水素供給配管８を介してアノード３へ供給する。アノード圧力センサ９は、アノード入口の燃料圧力を検出する。水素循環配管１０は、アノード３の出口から排出された燃料ガスを水素循環ポンプ１１を介してアノード３の入口へ循環させる経路である。
【００１３】
アノード３、水素循環配管１０及び水素循環ポンプ１１で構成される水素循環系内の燃料ガスに不純物が蓄積した場合、パージ弁１２を開いて、水素排出配管１３から排水素処理装置３１へ燃料ガスを排出する。
【００１４】
排水素処理装置３１は、別途供給される空気を用いて、燃料ガス中の水素を希釈したり、燃焼触媒を介して水素と空気中の酸素と反応させて、外部へ排出する水素濃度を規定濃度未満とするものである。
【００１５】
コンプレッサ（酸化剤供給手段）１６は、酸化剤ガスとして空気をカソード４へ供給する。コンプレッサ１６が吸入する外気の不純物は、フィルタ１４で除去され、空気流量が空気流量計１５により計測される。コンプレッサ１６で圧縮された空気は、空気供給配管（酸化剤供給路）１９を介してカソード４の入口へ供給され、その圧力はカソード圧力センサ２０で測定される。
【００１６】
カソード４の出口から排出される余剰の空気は、空気圧力調整弁２２により流量が絞られて空気排出配管（酸化剤排出路）２１から排水素処理装置３１へ排出される。空気圧力調整弁２２は、空気排出配管２１の流量を制御することにより、カソード４の圧力を調整する酸化剤圧力制御手段である。
【００１７】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２の出力電圧をバッテリ２４の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３から充電されるとともに燃料電池２の出力が不足するとき放電するバッテリ２４、バッテリ２４の充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出器２５、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び／又はバッテリ２４からの直流を交流に変換するインバータ２６、インバータ２６の交流で動作する車両駆動用モータ２７、を備えている。
【００１８】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ２８、燃料電池２の各セル電圧または所定数のセルが直列接続された各セル群の電圧を検出するセル電圧センサ２９、燃料電池システム１全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）３０を備えている。
【００１９】
さらに、燃料電池システム１は、本発明の特徴的な構成要素として、空気供給配管１９から分岐して空気圧力調整弁２２の上流の空気排出配管２１に至る第１バイパス流路（第一補助流路）３３と、空気供給配管１９から分岐して空気圧力調整弁２２の下流に至る第２バイパス流路（第二補助流路）３４と、第１バイパス流路３３の開閉または流量制御を行う第１バイパス弁（第一補助流路制御手段）３５と、第２バイパス流路３４の開閉または流量制御を行う第２バイパス弁（第一補助流路制御手段）３６とを備えている。
【００２０】
アノード圧力センサ９、空気流量センサ１５、カソード圧力センサ２０、電圧センサ２８、セル電圧センサ２９、及び水素濃度センサ３２は、それぞれコントローラ３０の入力端子に接続され、各検出信号をコントローラ３０へ入力する。
【００２１】
また、水素遮断弁６、水素供給弁７、水素循環ポンプ１１、パージ弁１２、コンプレッサ１６、空気圧力調整弁２２、第１バイパス弁３５、第２バイパス弁３６は、それぞれコントローラ３０の出力端子に接続され、コントローラ３０が出力する制御信号により制御される。
【００２２】
コントローラ３０は、入力された各センサの信号から燃料電池２の運転状態を判断し、燃料電池システム１全体の運転を制御するとともに、燃料電池システムの運転・停止を制御する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動時に、コンプレッサ１６から空気供給配管１９を介してカソード４の入口へ空気を供給するとともに、第１バイパス弁３５を開いて、カソード４の出口からもカソード４へ空気を供給するように制御する。
【００２３】
さらに、コントローラ３０は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、制御プログラムおよび制御マップ等の制御パラメータを予め記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２４】
図２は、燃料電池システム１の起動時及びアイドルストップからの復帰時（以後運転開始時と呼ぶ）に、コントローラ３０が行う制御内容を説明するフローチャートである。このフローチャートは、燃料電池システムの運転開始時に呼び出されて実行される。
【００２５】
まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、第１バイパス弁３５を開き、Ｓ１２で第２バイパス弁３６を閉じ、Ｓ１４で空気圧力調整弁２２を閉じる。次いで、コンプレッサ１６の運転を開始する。これにより、燃料電池２のカソード４の入口と出口から空気供給が開始される。次いで、Ｓ１８でコントローラ３０が内蔵するタイマの動作を開始し、空気供給開始からの経過時間を計測する。
【００２６】
次いでＳ２０で、水素供給弁７を開いて水素供給を開始し、Ｓ２２で水素循環ポンプ１１の運転を開始する。次いで、燃料電池状態を検出する。この状態検出は、カソード４の圧力を検出するカソード圧力センサ２０、燃料電池２の電圧を検出する電圧センサ２８、カソード４の水素濃度を検出する水素濃度センサ３２、コンプレッサ１６が吸い込む空気流量を検出する空気流量センサ１５等からそれぞれの検出値をコントローラ３０が読み込むこと、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３が燃料電池２からの電流取り出しを開始したことである。
【００２７】
次いでＳ２６で、経過時間を計測するタイマを更新、及び空気流量センサ１５の検出値（単位時間当たりの質量流量）に、Ｓ２４が実行されるサイクルタイム（繰り返し時間）を乗じた値の積算値を更新して、Ｓ１６のコンプレッサ運転開始時からの供給空気量を算出する。
【００２８】
次いでＳ２８で、第１バイパス流路からの空気供給終了条件が成立したか否かを判定する。この条件は、以下の（１）から（６）の６条件の何れかが成立したことである。
【００２９】
（１）カソード圧力センサ２０が検出したカソード４の圧力が所定値を超えたこと。この圧力の所定値は、例えば、燃料電池２のカソード４とアノード３との耐圧値、またはカソード４と燃料電池２の外部とのシール剤の耐圧値未満に設定された値である。
【００３０】
（２）電圧センサ２８が検出した燃料電池２の電圧が所定値を超えたこと。この電圧の所定値は、例えば、カソード４内部の水素濃度が十分低下して、燃料電池２の電圧が立ち上がったと判断できる電圧値であり、実験的に決定される値である。
【００３１】
（３）水素濃度センサ３２が検出したカソード４内の水素濃度が所定値を下回ったこと。この水素濃度の所定値は、以後、カソード４内の水素を含む空気が排水素処理装置３１を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる値であり、コンプレッサ１６から排水素処理装置３１への空気供給特性や、排水素処理装置のタイプ及び特性に従って決定される。
【００３２】
（４）タイマが計時したコンプレッサ１６による空気供給開始後の経過時間が所定時間を超えたこと。この所定時間は、空気供給を開始してからカソード４内の水素を十分に反応消費させて、カソード４内の水素を含む空気が排水素処理装置３１を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる時間であり、実験的に決定される。
【００３３】
（５）ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が燃料電池２から電流取り出しを開始したこと。この電流取り出しは、図１では図示しない信号線によりＤＣ／ＤＣコンバータ２３からコントローラ３０へ通知されるものとする。燃料電池２から電流取り出しを開始すると、以後、カソード４で空気中の酸素が発電のために消費され、酸素濃度が低下するので、カソード４の入口から空気を供給し、余剰の空気をカソード４の出口から排出させて、発電に必要な酸素供給を可能とするため、カソード出口からの空気供給を終了させる。
【００３４】
（６）Ｓ２６において算出した空気流量積算値（空気量）が所定値を超えたこと。この空気量の所定値は、空気供給を開始してからカソード４内の水素を十分に反応消費させて、カソード４内の水素を含む空気が排水素処理装置３１を介して外部へ排出された場合に、規定水素濃度未満となる空気量であり、実験的に決定される。
【００３５】
Ｓ２８の判定で、条件が不成立であれば、Ｓ２４へ戻る。Ｓ２８の判定で、条件が一つでも成立していれば、Ｓ３０以下の処理により、第１バイパス流路３３からカソード出口への空気供給を終了する。Ｓ３０では、第１バイパス弁３５を閉じ、Ｓ３２では、第２バイパス弁３６を適当な開度で開き、コンプレッサ１６から第２バイパス流路３４を介して排水素処理装置３１へ直接空気供給を始める。
【００３６】
次いでＳ３４で、空気圧力調整弁２２で燃料電池２の出力電流に応じたカソード圧力に制御し、Ｓ３６で水素供給弁７の開度を制御することにより、燃料電池２の出力電流に応じたアノード圧力に制御し、以後、燃料電池の通常運転の状態となる。
【実施例２】
【００３７】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の全体構成を示する概略図である。実施例１との相違は、実施例１の第１バイパス弁３５及び第２バイパス弁３６に代えて、三方弁３７を用いていることである。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００３８】
三方弁３７は、（ａ）第１バイパス流路３３及び第２バイパス流路３４をともに閉止した状態、（ｂ）空気供給配管１９と第１バイパス流路３３とを連通した状態、（ｃ）空気供給配管１９と第２バイパス流路３４とを連通した状態、の三状態をとることができる弁である。この三方弁３７により実施例１と同様の第１バイパス流路３３，第２バイパス流路３４の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１における燃料電池運転開始時の制御フローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：アノード（燃料極）
４：カソード（酸化剤極）
５：水素供給装置
６：水素遮断弁
７：水素供給弁
８：水素供給配管
９：アノード圧力センサ
１０：水素循環配管
１１：水素循環ポンプ
１２：パージ弁
１３：水素排出配管
１４：フィルタ
１５：空気流量センサ
１６：コンプレッサ（酸化剤供給手段）
１９：空気供給配管
２０：カソード圧力センサ
２１：空気排出配管
２２：空気圧力調整弁（酸化剤圧力制御手段）
２３：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４：バッテリ
２５：ＳＯＣ検出器
２６：インバータ
２７：車両駆動用モータ
２８：電圧センサ
２９：セル電圧センサ
３０：コントローラ
３１：排水素処理装置
３２：水素濃度センサ
３３：第１バイパス流路（第一補助流路）
３４：第２バイパス流路（第二補助流路）
３５：第１バイパス弁（第一補助流路制御手段）
３６：第２バイパス弁（第二補助流路制御手段）
【図１】
2006324213.tif 000003
【図２】
2006324213.tif 000004
【図３】
2006324213.tif 000005