(57)【要約】【課題】低温時でもフラッディングを発生させることなく、最短の起動時間で燃料電池を起動させることのできる燃料電池起動装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池起動装置３は、燃料電池スタック２から取り出される取り出し電流値に基づいて燃料電池スタック２の温度変化を予測し、この温度変化に基づいて燃料電池スタックに保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測部３１と、取り出し電流値に基づいて燃料電池スタック２で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測部３２と、予測された積算生成水量が予測された生成水保持量を超えることのない取り出し電流値のうちで最大となる取り出し電流値を算出する電流算出部３３とを備えていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の起動を制御する燃料電池起動装置であって、
前記燃料電池から取り出される取り出し電流値に基づいて前記燃料電池の温度変化を予測し、この温度変化に基づいて前記燃料電池に保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測手段と、
前記燃料電池の取り出し電流値に基づいて前記燃料電池で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測手段と、
前記積算生成水量が前記生成水保持量を超えることのない最大の取り出し電流値を算出する電流算出手段と
を備えていることを特徴とする燃料電池起動装置。
【請求項２】
前記電流算出手段で算出された最大の取り出し電流値が所定値以下のときには、加熱手段によって前記燃料電池を加熱させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池起動装置。
【請求項３】
燃料電池の起動を制御するための燃料電池の起動方法であって、
前記燃料電池から取り出される取り出し電流値に基づいて前記燃料電池の温度変化を予測し、この温度変化に基づいて前記燃料電池に保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測ステージと、
前記燃料電池の取り出し電流値に基づいて前記燃料電池で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測ステージと、
前記積算生成水量が前記生成水保持量を超えることのない最大の取り出し電流値を算出する電流算出ステージと
を含むことを特徴とする燃料電池の起動方法。
【請求項４】
前記電流算出ステージで算出された最大の取り出し電流値が所定値以下のときには、加熱手段によって前記燃料電池を加熱させる加熱ステージをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の起動を制御するための燃料電池起動装置に係り、特に低温時でもフラッディングを発生させることなく、最短の起動時間で燃料電池を起動させる燃料電池起動装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するための装置であり、 電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、 他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                      （１）
陰極反応：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  （２）
このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開平８−１０６９１４号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００４】
ここで、陽極に供給される燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、 水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。 水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。一方、陰極に供給される酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
上述した燃料電池において、氷点下で発電を行うと電気化学反応によって生じた生成水が、触媒へ酸化ガスが供給されることを妨げてしまうため、発電が可能なのは生成水がガス供給を遮断するまでの間だけである。
【０００６】
そこで、燃料電池スタックを昇温させるために燃料電池スタックを外部回路、主に電気抵抗体に接続して電力を供給することで、発電による発熱によって燃料電池スタックを昇温させる方法が知られている。このような燃料電池スタックの従来例としてＵＳ特許５７９８１８６号公報（特許文献２）が開示されている。この従来例では、発電による水の生成熱を燃料電池スタックの昇温に利用して熱容量の大きな燃料電池スタックを均一に素早く昇温している。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】米国特許５７９８１８６号公報
【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、上述した従来の燃料電池スタックでは、外気温が氷点下のように低くなると、飽和水蒸気圧が極めて低くなることに加えて水の凍結が起きてしまうので、生成された水が燃料電池内部から適切に除去されずに反応ガス流路やガス拡散層に残留して反応ガスの拡散を阻害してしまう。この現象は一般にフラッディングと呼ばれ、反応ガスが触媒に到達することを妨げてしまうために発電性能の低下を引き起こし、最終的には触媒に反応ガスが供給されなくなって全く発電できなくなってしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池起動装置は、燃料電池の起動を制御する燃料電池起動装置であって、前記燃料電池から取り出される取り出し電流値に基づいて前記燃料電池の温度変化を予測し、この温度変化に基づいて前記燃料電池に保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測手段と、前記燃料電池の取り出し電流値に基づいて前記燃料電池で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測手段と、前記積算生成水量が前記生成水保持量を超えることのない最大の取り出し電流値を算出する電流算出手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の燃料電池の起動方法は、燃料電池の起動を制御するための燃料電池の起動方法であって、前記燃料電池から取り出される取り出し電流値に基づいて前記燃料電池の温度変化を予測し、この温度変化に基づいて前記燃料電池に保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測ステージと、前記燃料電池の取り出し電流値に基づいて前記燃料電池で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測ステージと、前記積算生成水量が前記生成水保持量を超えることのない最大の取り出し電流値を算出する電流算出ステージとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池起動装置及び燃料電池の起動方法では、燃料電池で生成される積算生成水量が燃料電池で保持できる生成水保持量を超えることがない取り出し電流値のうち最大となる取り出し電流値を算出し、この最大の取り出し電流値によって燃料電池を起動するので、氷点下であってもフラッディングを発生させることなく、最短の起動時間で燃料電池を起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池起動装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の起動を制御する燃料電池起動装置３と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ４と、燃料電池スタック２から取り出される取り出し電流値を検出する電流センサ５と、低温時に燃料電池スタック２を加熱する加熱装置６とを備えている。
【００１３】
このように構成された燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電が行われている。
【００１４】
ここで、燃料電池スタック２を構成する燃料電池セルの構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、燃料電池セル２１は、固体高分子電解質膜２２の両面に一対の電極触媒層２３が配置され、さらにその外側に一対のガス拡散層２４がそれぞれ配置されている。そして、その外側には燃料極側に燃料ガス供給用のガス流路が表面に設けられたアノードセパレータ２５が取り付けられ、酸化剤極側には酸化剤ガス供給用のガス流路が表面に設けられたカソードセパレータ２６が取り付けられている。どちらのガス流路ともにガス供給口からガス排出口にかけて流路がほぼ直線状となるストレート流路と一般に呼ばれている形状をしている。このような形状にすることにより、生成水をガスの流れによって液相のまま燃料電池外部に排出することができる。なお、本実施形態では燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気を使用した場合について説明する。また、固体高分子電解質膜２２としてはパーフルオロスルホン酸膜を使用しているので、接合性を考慮してパーフルオロスルホン酸ポリマーを使用している。
【００１５】
燃料電池起動装置３は、燃料電池スタック２の起動を制御しており、燃料電池スタック２に保持することのできる生成水保持量の変化を予測する生成水保持量予測部（生成水保持量予測手段）３１と、燃料電池スタック２で生成される積算生成水量の変化を予測する積算生成水量予測部（積算生成水量予測手段）３２と、積算生成水量が生成水保持量を超えることのない取り出し電流値のうちで最大となる取り出し電流値を算出する電流算出部（電流算出手段）３３とを備えている。
【００１６】
温度センサ４は、燃料電池スタック２の温度を検出し、検出値を燃料電池起動装置３に出力している。
【００１７】
電流センサ５は、燃料電池スタック２から取り出される取り出し電流値を検出し、検出値を燃料電池起動装置３に出力している。
【００１８】
加熱装置６は、ヒータなどの燃料電池スタック２を加熱するための装置であって、低温時に燃料電池起動装置３からの指令に基づいて加熱を行なう。
【００１９】
次に、上述した燃料電池スタック２の低温起動時における性質を図３〜図６に基づいて説明する。
【００２０】
まず、燃料電池スタック２の起動時におけるスタック温度と積算生成水量の時間変化を図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池スタック２を氷点下（例えば−２０℃）から０℃まで発電による発熱によって昇温させた場合を示す図である。図３に示すように、燃料電池スタック２が起動を開始して取り出し電流ｉ０を出力する発電を行なうと、スタック温度は上昇していく。一方、この発電によって燃料電池スタック２では一定の生成水が生成されていき、この生成水を積算した積算生成水量は増加していく。
【００２１】
しかしながら、スタック温度が０℃以上になるまではガス温度が低いため、発電によって生じた生成水のうち水蒸気として燃料電池スタック２の外に排出される量は極めて少なく、また氷点下雰囲気なので液水として排出することもできない。
【００２２】
ところが、電解質膜や電極触媒層、ガス拡散層、ガス流路に生成水を保持するための生成水保持機構を設けることによって、一定の発電を継続して実施できることが分かっている。生成水保持機構は、生成した水をトラップする機構であって、具体的には、１．触媒部, ガス拡散層部の空孔部分、２．高分子材料(アイオノマー)、３．ゼオライト, シリカゲル, 活性アルミナ, 活性炭などの水吸着材が含まれる。
【００２３】
図４は、ある仕様の生成水保持機構における生成水保持量のスタック温度に対する感度を示した図である。図４に示すように、生成水保持量は同一の仕様においてスタック温度に感度があり、スタック温度が高くなるにしたがって生成水保持量は増加する傾向を示していることが分かる。
【００２４】
次に、生成水保持量予測部３１及び積算生成水量予測部３２による燃料電池スタック２の起動後に行われる予測を図５に基づいて説明する。
【００２５】
図５は燃料電池スタック２を低温（例えば−２０℃)から０℃まで発電による発熱で昇温させる場合を予測した図である。図５に示すように、燃料電池スタック２の起動後、時刻ｔ１までの間は取り出し電流ｉが上昇していき、これに伴って積算生成水量、生成水保持量、スタック温度がそれぞれ上昇を始める。そして、時刻ｔ１以後、取り出し電流ｉが一定の場合について生成水保持量予測部３１及び積算生成水量予測部３２がそれぞれ予測を行なう。まず、生成水保持量予測部３１が取り出し電流値ｉに基づいてスタック温度の変化を予測し、このスタック温度の変化に基づいて生成水保持量の変化を予測する。次に、積算生成水量予測部３２が取り出し電流値ｉに基づいて積算生成水量の変化を予測する。こうして図５の破線で示すような生成水保持量及び積算生成水量の予測が算出される。
【００２６】
図５の場合では、積算生成水量が生成水保持量を上回ることがないので、この取り出し電流値ｉで発電を継続していけば、発電によって生じた生成水は保水機構に保持されてフラッディングを発生させることなく発電を継続していくことが可能であることを示している。
【００２７】
一方、図６は図５に示した場合よりも低いスタック温度で燃料電池スタック２の起動を開始した場合を示す図である。図６に示すように、この場合では時刻ｔ２において積算生成水量が生成水保持量を超えてしまっているので、実際に時刻ｔ１以後このまま発電を継続していくと時刻ｔ２に近づくにつれてガスの拡散性などが低下して出力が落ちて発電ができなくなってしまう。そこで、積算生成水量が生成水保持量を超えることがない取り出し電流値のうちで最大となる取り出し電流値を算出するために、燃料電池スタック２の起動制御処理が実施される。
【００２８】
ここで、本実施形態の燃料電池起動装置３による燃料電池スタック２の起動制御処理を図７のフローチャートに基づいて説明する。図７に示すように、まず燃料電池スタック２が起動されて処理が開始されると（Ｓ７０１）、取り出し電流値ｉが設定される（Ｓ７０２）。起動初期の取り出し電流値はｉ０とする。
【００２９】
そして、設定された取り出し電流値ｉで定電流発電を継続して行なった場合の発熱量からスタック温度の変化を予測し（Ｓ７０３）、このスタック温度の変化から生成水保持量の変化を予測して生成水保持量の予測線を算出する（Ｓ７０４）。この生成水保持量の予測では図４で示したスタック温度と生成水保持量との関係をマップ化して保存しておいてもよいし、実験整理式などを用意しておいてもよい。
【００３０】
次に、直前までの処理によって算出され、記憶されている生成水積算量を取得し（Ｓ７０５）、取得した生成水積算量と、取り出し電流ｉで発電した場合の生成水量との和を求めて積算生成水量の変化を予測し、積算生成水量の予測線を算出する（Ｓ７０６）。
【００３１】
こうして積算生成水量の予測線と生成水保持量の予測線とが算出されると、これらの予測線が解をもつか否か、すなわち交点を持つか否かを計算する（Ｓ７０７）。
【００３２】
例えば、図８は、起動初期の取り出し電流値をｉ０とし、この電流値で発電を継続した場合のスタック温度、積算生成水量、生成水保持量の変化を示した図である。図８に示すように、時刻ｔ０以後生成水保持量に対して、積算生成水量が上昇して接線になっている。そして、時刻ｔ１以後の予測では、取り出し電流ｉ０で発電を継続した場合には生成水保持量の予測線Ｌ１と積算生成水量の予測線Ｌ’１は交わることはない。したがって、生成水保持量の予測線Ｌ１と積算生成水量の予測線Ｌ’１とは解を持たない。
【００３３】
そこで、ステージＳ７０７で解を持たないと判断されたときには、時刻ｔ１以後では取り出し電流ｉを上昇させても積算生成水量が生成水保持量を超えて発電できなくなることはないと判断して、取り出し電流ｉを所定の微小電流Δｉだけ増やしてｉ１＝ｉ０＋Δｉとして（Ｓ７０８）ステージＳ７０２に戻って上述した処理を繰り返し行う。
【００３４】
そして、再び生成水保持量の予測線と積算生成水量の予測線とを算出すると、図９に示すように生成水保持量の予測線Ｌ２と積算生成水量の予測線Ｌ’２は少し近づいたもののまだ解を持たないので、再びステージＳ７０８において微小電流Δｉだけ電流を増やして上述した処理を繰り返し行う。
【００３５】
このような処理を繰り返し行っていくことによって、取り出し電流はｉｎ＋１＝ｉｎ＋Δｉとなり、積算生成水量の予測線は生成水保持量の予測線に対して近づいていき、最終的に図１０に示しように積算生成水量の予測線は生成水保持量の予測線の接線となる。
【００３６】
こうしてステージ７０７において積算生成水量と生成水保持量とが解を持つと判断されたら、次に解の数、すなわち交点の数が１つであるか２つであるかを判断する（Ｓ７０９）。
【００３７】
そして、交点の数が１つであれば、積算生成水量が生成水保持量を超えることのない最大の取り出し電流値を算出することができたと判断して処理を終了する（Ｓ７１０）。ここで算出された最大の取り出し電流値によって燃料電池スタック２を起動すれば、積算生成水量が生成水保持量を超えることがないのでフラッディングを発生させることはなく、さらに最大の電流値で起動するので最短時間で燃料電池スタック２を起動することができる。
【００３８】
一方、交点の数が２つある場合には、積算生成水量が生成水保持量を超えてしまい、燃料電池スタック２を起動することができなくなるので、取り出し電流ｉを所定の微小電流Δｉだけ減らしてｉ＝ｉ−Δｉとする（Ｓ７１１）。
【００３９】
そして、この取り出し電流ｉが所定の取り出し電流値ｉmin以下であるか否かを判断してｉminより大きいときには再びステージＳ７０２に戻って上述の処理を繰り返し行う。
【００４０】
一方、減らされた取り出し電流ｉが所定の取り出し電流値ｉmin以下のときには燃料電池スタック２の起動に要する時間が長くなり過ぎて自立起動が困難であると判断し、加熱装置６などによる昇温アシストを要求するフラグをＯＮにして（Ｓ７１３）本実施形態の燃料電池起動装置３による燃料電池スタック２の起動制御処理を終了し（Ｓ７１４）、加熱装置６などの出力を制御する処理に移行する。
【００４１】
また、上述の処理は任意の間隔で再計算及び電流値の再設定が行われ、その間隔は小さくすれば、積算生成水量と生成水保持量とが漸近する理想的な起動を行うことが可能であるが、計算処理が増えるので適度な間隔で行うことが望ましい。
【００４２】
このように、本実施形態の燃料電池起動装置３では、燃料電池スタック２で生成される積算生成水量が燃料電池スタック２で保持できる生成水保持量を超えることがない取り出し電流のうち最大となる取り出し電流値を算出し、この取り出し電流で燃料電池スタック２を起動するので、氷点下であってもフラッディングを発生させることなく、最短の起動時間で燃料電池を起動することができる（請求項１、３の効果）。
【００４３】
また、本実施形態の燃料電池起動装置３では、算出された最大の取り出し電流値が所定値ｉmin以下のときには、加熱装置６によって燃料電池スタック２を加熱させるので、燃料電池スタック２の温度が低すぎるために起動に要する時間が長くなり過ぎて自立起動が困難な場合であっても、加熱装置６による加熱で燃料電池スタック２を起動することが可能になる（請求項２、４の効果）。
【００４４】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
燃料電池の起動を制御するための燃料電池起動装置に係り、特に低温時でもフラッディングを発生させることなく、最短の起動時間で燃料電池を起動させるための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池起動装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池セルの構造を説明するための断面図である。
【図３】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量の時間変化を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの温度と生成水保持量との関係を示す図である。
【図５】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量、生成水保持量の時間変化を示す図である。
【図６】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量、生成水保持量の時間変化を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る燃料電池起動装置による燃料電池スタックの起動制御処理を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量、生成水保持量の時間変化を示す図である。
【図９】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量、生成水保持量の時間変化を示す図である。
【図１０】燃料電池スタックの起動時におけるスタック温度と積算生成水量、生成水保持量の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  燃料電池起動装置
４  温度センサ
５  電流センサ
６  加熱装置
３１  生成水保持量予測部（生成水保持量予測手段）
３２  積算生成水量予測部（積算生成水量予測手段）
３３  電流算出部（電流算出手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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