(57)【要約】【課題】  氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供する。【解決手段】  複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法である。該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、該燃料電池スタックに流す電流値に対する電圧の変化率が０以下である場合には、該電流値を減少させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
該燃料電池スタックに流す電流値に対する電圧の変化率が０以下である場合には、該電流値を減少させることを特徴とする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、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【０００３】
この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとはいえ発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。
【０００６】
また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極（アノード、カソード）に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流が過剰に流れると、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応を起こして腐食してしまう（以下、電食、と称す）虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。
【０００７】
従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、性能低下を抑制することによって、燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、複数のセル（例えば、実施の形態におけるセル３）を積層してなる燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック４）を備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、該燃料電池スタックに流す電流値に対する電圧の変化率が０以下である場合には、該電流値を減少させることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、氷点下環境で燃料電池スタックに流す電流値に対する電圧の変化率が０以下である場合には、燃料電池スタックの電極表面が残留水の凍結によって、電極表面の面積が減少してしまう。このため、電極の電流密度が発電条件に対して、過剰であると推定できるため、前記電流値を減少させることで電極の電流密度を減少させて、燃料電池電極に過剰な電流が流れることを防止し、電極の電食を防止できる。よって、性能低下を抑制し、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、氷点下で燃料電池を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、性能低下を抑制することにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【００１２】
同図に示す燃料電池２は、複数のセル３…３を積層してなるスタック４を、一対のプレート５、５で挟持してなる構成を備えている。各セル３は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜を介してアノード側に逆拡散するためアノード側にも生成水が存在する。
【００１３】
水素タンク６から供給される水素は、遮断弁７やレギュレータ（図示せず）を介し、水素供給流路８を通って燃料電池２のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路９に排出され、エゼクタ１０を介して水素供給流路８に合流する。
【００１４】
つまり、燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素タンク６から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路９から分岐した水素オフガス排出流路１１は希釈ボックス（図示せず）に接続される。水素オフガス排出流路１１には水素パージ弁１２が設けられ、水素パージ弁１２を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路１１から希釈ボックスに排出する。
【００１５】
一方、エアはコンプレッサ１３によりエア供給流路１４に圧送され、燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路１５に排出される。
【００１６】
エアオフガス排出流路１５は上述の希釈ボックス（図示せず）に接続され、エアオフガス排出流路１５から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路１１から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。
【００１７】
さらに、燃料電池２は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池２の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池２は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
また、燃料電池２は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１７を介して接続され、燃料電池２の発電で得られた電力を電線１７を介して負荷１６に供給する。
【００１８】
また、本実施の形態においては、燃料電池２の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ１９〜２１を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路１５におけるスタック４の出口付近に温度センサ１９を、水素オフガス排出流路１１におけるスタック４の出口付近に温度センサ２０を、燃料電池２のプレート５に温度センサ２１を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池２を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも１つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池２の電流Ｉを測定するために、負荷１６に接続された電線１７に電流センサ２２を設けている。さらに、燃料電池２の電圧を測定する電圧センサ２３や、各セル３の電圧を検出するための電圧センサ（図示せず）も設けられている。
【００１９】
燃料電池システム１には、該システム１の制御を行うためのコントロールユニット（制御部）２４が設けられている。この制御部２４には、イグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）が接続されている。制御部２４には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９〜２１や電流センサ２２、電圧センサ２３からの検出値が入力される。そして、制御部２４は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁７、コンプレッサ１３、水素パージ弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。
【００２０】
図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁７を開弁するとともにコンプレッサ１３を駆動して、燃料電池２のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。
【００２１】
次に、ステップＳ１２では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池２の内部温度を把握する。ステップＳ１４では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ３２に進み、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。この場合には燃料電池２内の残留水は凍結していないと判断できるためである。
【００２２】
一方、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、電流センサ２２で検出した電流値から現状の電流値Ｉを把握する。そして、ステップＳ１８で、目標電流を設定する（図５参照）。ここで、目標電流は、スタック４の電極表面で残留水の凍結が起こっていない場合に、燃料電池２の電極（アノード、カソード）での電食を防止し得る適正な電流値であって、発電により燃料電池２が自立暖機できる最低電流値以上の値に設定される。さらに詳細に述べると、最低電流値は前記燃料電池スタック４の外周からの放熱量と、冷媒流路中を循環する冷媒の吸熱量との合計よりも、前記燃料電池スタック４の発電による発熱量が上回るように最小電流値を算出され、残留水が凍結したものを溶かしつつ、発電時に生成した生成水を凍結させない電流値のうち最低のものをいう。
【００２３】
ついで、ステップＳ２０では、現状の電流値よりも目標値が大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２２に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、燃料電池２の電流を削減する制御を行う。その後、ステップＳ１２に戻り、上述の処理を再度行う。
【００２４】
ステップＳ２２では、所定勾配で電流を増加させる処理を行う。図５は本実施の形態における時間に対する電流の増加処理を示すグラフ図である。同図に示すように、時間に比例させて電流値を増加させる制御を行うことで、簡易かつ確実に電流値の増加量に対する電圧値の変化量を把握することができる。なお、電流の増加処理については、上述の正比例に限られるものではなく、例えば２次曲線的に増加してもよく、一部区間においては電流値を一定に維持してもよい。
【００２５】
そして、ステップＳ２４で、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率が０より大きい（ｄＶ／ｄＩ＞０）か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２８に進む。
ステップＳ２６では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ３２に進み、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。
ステップＳ２６の判定結果がＮＯの場合にはステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、現状の電流値が目標値と等しいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１２に戻り、上述の処理を行う。また、ステップＳ３０の判定結果がＮＯであればステップＳ２２に戻り、上述の処理を再度行う。
【００２６】
一方、ステップＳ２４の判定結果がＮＯの場合、すなわち、電流値に対する電圧の変化率が０以下の場合には、ステップＳ２８に進んで電流を削減する制御を行う。このように制御を行うのは、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率が０以下であれば、燃料電池スタック４の発電が正常ではなく凍結している箇所があると推定できるためである。これについて図３、図４を用いて説明する。
【００２７】
図３は氷点下起動時の発電が正常な場合における燃料電池スタックの電流と電圧の関係を示すグラフ図である。同図に示すように、氷点下起動時において、発電が正常な場合には、燃料電池スタック４の電流が増加すると、それに伴い電圧も増加する。すなわち、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率ｄＶ／ｄＩは０より大きくなる。これは、温度上昇による電圧の増加分が、電流の増加による電圧の減少分よりも大きくなるためである。より具体的に説明すると、温度一定の場合に、電流が増加すると電圧は減少するが、氷点下起動時において、発電が正常に行われると、発電により発熱するため温度が上昇し、この温度上昇に伴って電圧が上述の減少分以上に増加する。その結果、氷点下起動時において、発電が正常な場合には、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率は図３のような特性を示す。
【００２８】
図４は氷点下起動時の発電が不正常な場合における燃料電池スタックの電流と電圧の関係を示すグラフ図である。同図に示すように、発電が不正常な場合には、燃料電池スタック４の電流が増加すると、それに伴い電圧は減少する。すなわち、燃料電池スタック４に流す電流値に対する電圧の変化率ｄＶ／ｄＩは０以下になる。これは、温度上昇による電圧の増加分が、電流の増加による電圧の減少分よりも小さくなるためである。より具体的に説明すると、発電が不正常の場合には、発電による発熱が十分でないため温度が殆ど上昇せず、電圧も殆ど増加しない。上述のように、温度一定の場合には電流が増加すると電圧は減少するため、発電が不正常な場合には、発電による温度上昇がもたらす電圧の上昇に対して、発電部の電流密度上昇により、反応物の供給不足が発生する。これがもたらす電圧減少による影響の方が大きいため、電流値に対する電圧の変化率は図４のような特性を示す。
【００２９】
本実施の形態では、ステップＳ２４の判定で発電が不正常と推定できる場合にはステップＳ２８に進み、前記電流値を減少させる処理を行っている。これにより電流値を減少させることで発電部の電流密度を低下させることができるため、燃料電池スタック４に過剰な電流が流れることを防止することができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池の起動方法によれば、氷点下で燃料電池２を起動する際に、電極の電食を防止することができるため、燃料電池２の性能低下を抑制することにより、寿命を延ばすことができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。また、ステップＳ１４の閾値については、０℃でなくてもよく、燃料電池２のセル３が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】発電が正常な場合における燃料電池スタックの電流と電圧の関係を示すグラフ図である。
【図４】発電が不正常な場合における燃料電池スタックの電流と電圧の関係を示すグラフ図である。
【図５】本実施の形態における時間に対する電流の増加処理を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…セル
４…スタック
１９〜２１…温度センサ
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
２４…コントロールユニット
【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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