(57)【要約】【課題】  燃料ガスを無駄に消費することなく、しかも、抵抗器の劣化を促進することのない燃料電池システムおよびその起動方法を提供する。【解決手段】  燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０との間には、抵抗器３１を備える補助回路３０が設けられている。前回の燃料電池ＦＣの発電停止時に、アノード電極４を空気で掃気処理した場合、掃気処理しない場合であっても発電停止後、所定時間経過している場合には、アノード電極４に空気が存在していると判断して、燃料電池ＦＣの起動時に、燃料電池と外部負荷回路５０とを接続する前に、燃料電池ＦＣと補助回路３０とを接続して、放電を行って燃料電池ＦＣ内の各単セルの電位差を解消させる。【選択図】      図１
2006147213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られた電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続され、少なくとも抵抗器を備える補助回路と、前記アノード電極側に前記酸化剤ガスが存在しているか否かを検知するガス検知手段とを有し、
前記ガス検知手段により前記アノード電極側に前記酸化剤ガスが存在していると判断したときに、前記燃料電池と前記外部負荷回路とを接続して前記燃料電池の発電を開始する前に、前記燃料電池と前記補助回路とを接続することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス検知手段では、前回の前記燃料電池の発電停止時において前記酸化剤ガスにより前記アノード電極側を掃気処理したときに、前記アノード電極内に前記酸化剤ガスが存在していると判断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。
【請求項３】
前記ガス検知手段では、前記燃料電池の発電停止時間が所定時間を超えたときに、前記アノード電極に前記酸化剤ガスが存在していると判断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。
【請求項４】
アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られる電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続され、少なくとも抵抗器を備える補助回路とを有する燃料電池システムの起動方法であって、
前記アノード電極内に前記酸化剤ガスが存在していると判断したときに、前記燃料電池と前記外部負荷回路とを接続して前記燃料電池の発電を開始する前に、前記燃料電池と前記補助回路とを接続することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ；Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）の一面側をカソード電極、他面側をアノード電極で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を一対の導電性のセパレータで挟んだ構造の単セル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）が複数積層されて構成されている。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池を搭載したシステムでは、燃料電池の起動時に、アノード電極に水素を、カソード電極に空気（酸素）を供給したときに、燃料電池と外部負荷回路とを接続しないでいると、単セルが高電位に曝されるため、電極などの触媒活性が低下する。このため、特許文献１では、燃料電池の起動時に、燃料電池と外部負荷回路とを接続する前に燃料電池と抵抗器からなる補助回路を接続して、単セルが高電位に曝されて、触媒活性が低下するのを防止している。
【特許文献１】特開平１０−２８４１０４号公報（請求項１，２、段落０００３〜０００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のように、燃料電池の起動時に常に燃料電池と補助回路とを接続すると、燃料を無駄に消費することになり、常に燃料電池と抵抗器とを接続すると抵抗器の劣化が促進する問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料を無駄に消費することなく、しかも抵抗器の劣化を促進させることのない燃料電池システムおよびそ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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られた電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続され、少なくとも抵抗器を備える補助回路と、前記アノード電極側に前記酸化剤ガスが存在しているか否かを検知するガス検知手段とを有し、前記ガス検知手段により前記アノード電極側に前記酸化剤ガスが存在していると判断したときに、前記燃料電池と前記外部負荷回路とを接続して前記燃料電池の発電を開始する前に、前記燃料電池と前記補助回路とを接続することを特徴とする。
【０００７】
前記本発明によれば、燃料電池と補助回路とを接続するか否かの判断を行うガス検知手段を設けて、燃料電池が劣化するおそれがあると判断される場合のみ燃料電池と補助回路とを接続することで、常に燃料電池と補助回路とを接続する必要がなくなる。
【０００８】
例えば、前記ガス検知手段では、前回の前記燃料電池の発電停止時において前記酸化剤ガスにより前記アノード電極側を掃気処理したときに、前記アノード電極内に前記酸化剤ガスが存在していると判断する。
【０００９】
前回の燃料電池の発電停止時にアノード電極を酸化剤ガスで掃気処理したときには、燃料電池の起動時に酸化剤ガスが必ずアノード電極に存在していると考えられるため、このような処理が行われたときに燃料電池と補助回路とを接続することで、燃料電池と補助回路とを常に接続する必要がなくなる。
【００１０】
また、前記ガス検知手段では、前記燃料電池の発電停止時間が所定時間を超えたときに、前記アノード電極に前記酸化剤ガスが存在していると判断するようにしてもよい。
【００１１】
前記燃料電池の発電停止時間が長時間に及ぶときには、カソード電極側の酸化剤ガスが電解質膜を介してアノード電極側に流入するので、アノード電極には必ず酸化剤ガスが存在していると考えられるため、このような状態に燃料電池がおかれたときに燃料電池と補助回路とを接続することで、燃料電池と補助回路とを常に接続する必要がなくなる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られる電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記燃料電池と電気的に接続され、少なくとも抵抗器を備える補助回路とを有する燃料電池システムの起動方法であって、前記アノード電極内に前記酸化剤ガスが存在していると判断したときに、前記燃料電池と前記外部負荷回路とを接続して前記燃料電池の発電を開始する前に、前記燃料電池と前記補助回路とを接続することを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池の起動時に、アノード電極に酸化剤ガスが存在しているか否かを判断した後に、燃料電池と補助回路とを接続するかを決めることで、燃料電池と補助回路とを常に接続する必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、必要時のみ燃料電池と補助回路とを接続するので、燃料ガスを無駄に消費したり、補助回路の抵抗器の劣化が促進することがない。また、抵抗器の使用頻度を減らすことができるので、耐久性の低い抵抗器に切り替えてコストダウンを図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は燃料電池を示す分解斜視図、図３は制御部での処理を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、燃料電池システム１を車両に搭載した場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、空気供給手段１０と、水素供給手段２０と、補助回路３０と、制御部４０とを備えて構成されている。
【００１６】
図２に示すように、前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜（ＰＥＭ）２の一面側を触媒を含むカソード電極３と、他面側を触媒を含むアノード電極４とで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ）７を、導電性のカソードセパレータ５とアノードセパレータ６とで挟んだ構造の単セル（ＳＣ）８が厚み方向に複数枚積層されて構成されている。また、各単セル８は、電気的に直列に接続された状態で互いに積層されている。
【００１７】
前記カソードセパレータ５は、カソード電極３に対向する面に酸化剤ガスとしての空気が流通する複数の流路５ａ，５ａ，５ａ，・・・が互いに平行に直線状に延びて形成されている。このカソードセパレータ５では、各流路５ａに対して、一方に形成された入口５ａ１側から他方に形成された出口５ａ２側に向けて空気が互いに同方向に流れるようになっている。前記アノードセパレータ６は、アノード電極４に対向する面に燃料ガスとしての水素ガスが流通する複数の流路６ａ，６ａ，６ａ，・・・が互いに平行に直線状に延びて形成されている。このアノードセパレータ６についても、各流路６ａに対して、一方の入口６ａ１から他方の出口６ａ２に向けて水素ガスが互いに同方向に向けて流れるようになっている。なお、図示していないが、カソードセパレータ５やアノードセパレータ６には、冷却媒体が流通する流路が形成されて、燃料電池ＦＣを冷却できるようになっている。また、燃料電池ＦＣには、アノード電極４側の水素濃度を検出するための水素濃度センサＣＨ（図１参照）が設けられている。
【００１８】
図１に示すように、前記空気供給手段１０は、前記燃料電池ＦＣのカソード電極３（図２参照）に酸化剤ガスとしての空気を供給するものであり、コンプレッサ１１、冷却器１２、加湿器１３などで構成されている。コンプレッサ１１は、機械式過給器であり、大気圧の空気（外気）を吸引して加圧するものである。冷却器１２は、加圧された高温の空気（圧縮空気）を燃料電池ＦＣでの発電に適した温度に冷却するものである。加湿器１３は、冷却器１２で冷却された空気を燃料電池ＦＣでの発電に適した、特に、電解質膜２（図２参照）のイオン導電性を十分に発揮できる湿度に加湿するものである。
【００１９】
また、前記空気供給手段１０には、コンプレッサ１１で吸引された空気を燃料電池ＦＣのアノード電極４（図２参照）の入口側に送るアノード掃気路１４が設けられている。また、アノード掃気路１４の基端には、切替弁１５が設けられて、燃料電池ＦＣの発電停止時における掃気処理時に、コンプレッサ１１からの空気を掃気ガスとしてアノード掃気路１４を介して燃料電池ＦＣのアノード電極４側に供給できるようになっている。この掃気処理は、例えば、車両を寒冷地で使用する場合であって、燃料電池ＦＣの発電停止時に、燃料電池ＦＣの発電時に生成されて残留する水分を排出して凍結防止を図る場合に行われる。なお、図示していないが、燃料電池ＦＣの発電停止時に、カソード電極３側も掃気処理できるように、コンプレッサ１１からの空気を直接に燃料電池ＦＣのカソード電極３に供給するためのカソード掃気路が設けられている。
【００２０】
前記水素供給手段２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード電極４（図２参照）に供給するものであり、水素タンク２１、遮断弁２２、圧力制御弁２３、エゼクタ２４などで構成されている。水素タンク２１は、金属製の容器に高純度の水素ガスが高圧に充填されて構成されたものであり、遮断弁２２は、燃料電池ＦＣへの水素の供給または供給の遮断を行う弁であり、圧力制御弁２３は、燃料電池ＦＣに供給される水素ガスの供給量を制御する弁である。また、エゼクタ２４は、燃料電池ＦＣから排出された未使用の水素ガスを、循環路２５を介して再循環するものであり、燃料ガス（水素ガス）が無駄に排出されるのを防止するようになっている。
【００２１】
前記燃料電池システム１では、燃料電池ＦＣが導電性のケーブルＣ１，Ｃ２を介して外部負荷回路５０と電気的に接続されている。例えば、ケーブルＣ１は、燃料電池ＦＣのマイナス極と外部負荷回路５０のマイナス極とを接続し、ケーブルＣ２は、燃料電池ＦＣのプラス極と外部負荷回路５０のプラス極とを接続している。外部負荷回路５０は、コンプレッサ１１のモータや図示しない走行モータなどである。ケーブルＣ１，Ｃ２は、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０との接続を閉状態（ＯＮ状態）と開状態（ＯＦＦ状態）とに切替可能な第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２を備えている。
【００２２】
前記補助回路３０は、抵抗器３１と、第３のスイッチＳ３と、導電性のケーブルＣ３，Ｃ４とを備えている。ケーブルＣ３の一端が抵抗器３１に接続され、他端が前記ケーブルＣ１と接続され、また、ケーブルＣ４の一端が抵抗器３１に接続され、他端が前記ケーブルＣ２と接続されている。第３のスイッチＳ３は、ケーブルＣ１と抵抗器３１との接続をＯＮ状態とＯＦＦ状態に切替可能なものであり、ケーブルＣ３上に設けられている。また、ケーブルＣ１とケーブルＣ３との接続点Ｐ１は、第１のスイッチＳ１に対して燃料電池ＦＣ寄りに形成され、ケーブルＣ２とケーブルＣ４との接続点Ｐ２は、第２のスイッチＳ２に対して燃料電池ＦＣ寄りに形成されている。なお、抵抗器３１の抵抗値は、燃料電池ＦＣの各単セル８に腐食が生じない範囲内において適宜設定可能である。
【００２３】
前記制御部４０には、コンプレッサ１１と、切替弁１５と、遮断弁２２と、圧力制御弁２３と、第１〜第３のスイッチＳ１〜Ｓ３とが接続されている。この制御部４０の制御により、コンプレッサ１１のモータの出力が制御され、切替弁１５の切替動作が制御され、遮断弁２２の開閉動作が制御され、圧力制御弁２３の圧力が制御されて水素の供給量が制御され、第１〜第３のスイッチＳ１〜Ｓ３の開閉動作がそれぞれ制御される。また、この制御部４０は、本実施形態におけるガス検知手段を備えている。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システム１では、アノード電極３に水素が、カソード電極４に空気（酸素）がそれぞれ供給されると発電可能となり、燃料電池ＦＣから発電電流(電力)を取り出せるようになる。取り出した発電電流（電力）は、ケーブルＣ１，Ｃ２を介して前記外部負荷回路５０に供給される。また、燃料電池ＦＣのカソード電極３では、空気中の酸素と、電解質膜２を介して移動した水素イオンと、外部負荷回路５０と接続されたケーブルＣ１およびケーブルＣ２を経由してきた電子とが触媒の作用により反応して水が生成される。このときの生成水は、未反応の空気とともに燃料電池ＦＣから加湿器１３に送られて、この加湿器１３においてコンプレッサ１１から供給された空気が加湿される。
【００２５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１での動作について図３を参照（適宜、図１および図２を参照）して説明する。図３は、本実施形態での制御部での処理を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、各ステップを「Ｓ」と略記して説明する。
【００２６】
まず、燃料電池ＦＣの発電停止時には、図１に示すように、第１〜第３のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３がそれぞれ開（ＯＦＦ）に設定されている。そして、図３に示すように、Ｓ１００（ステップ１００）において、車両（図示せず）のイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）がオンに切り替えられると、制御部４０では、前回の燃料電池ＦＣの発電停止時にアノード電極４が掃気処理されたか否かが判断される（Ｓ１０１）。すなわち、燃料電池ＦＣの発電停止時に、切替弁１５がアノード掃気路１４側に切り替えられて、コンプレッサ１１からの空気が燃料電池ＦＣのアノード電極４に供給されたか否かが判断される（図２参照）。燃料電池ＦＣの発電停止時にこの掃気処理が行われた場合には、燃料電池ＦＣのアノード電極４には、必ず空気が存在していると判断できるので、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理を実行する。
【００２７】
Ｓ１０１において掃気処理が行われたと判断された場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ１０２で水素濃度センサＣＨ（図１参照）の暖機完了後、遮断弁２２を開いて、第３のスイッチＳ３を閉じる（ＯＮにする）処理を行う。遮断弁２２を開くことにより、アノード電極４への水素の供給が開始され、第３のスイッチＳ３を閉じることにより、燃料電池ＦＣと補助回路３０に設けられた抵抗器３１とが電気的に接続される。このとき、アノード電極４が空気で掃気処理がされているので、アノード電極４には空気が存在していると考えられる。しかも、アノード電極４の入口側では水素が存在し、出口側では空気（酸素）が存在して、同極に水素と酸素とが共存することとなって、カソード電極３側の空気（酸素）との間において、入口側の水素と酸素とが対向する領域では例えば１Ｖ（ボルト）の電位が生じ、出口側の酸素と酸素とが対向する領域では電位がゼロＶ（ボルト）となって、単セル８内において大きな電位差が生じ、この大きな電位差が生じている状態が長く継続することで、例えば、カソード電極３やカソードセパレータ５が酸化して腐食が生じることとなる。しかし、本実施形態では、燃料電池ＦＣを、外部負荷回路５０と接続する前に、補助回路３０の抵抗器３１と接続することで、放電が行われて高電位の状態が解消されるので、単セル８が長時間高電位に曝されることがなくなり、単セル８のカソード電極３やカソードセパレータ５が腐食するのを防止できるようになる。
【００２８】
そして、Ｓ１０３において、燃料電池ＦＣのカソード電極３への空気の供給を開始すると同時に、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２をそれぞれ閉じて（ＯＮ）、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続する。接続後、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）チェック完了となったか否かを判断する（Ｓ１０４）。ＯＣＶチェック完了とは、アノード電極４に存在している酸素が全部吐き出されたかを判断する処理であり、燃料電池ＦＣの各単セル８の開回路電圧、すなわち、燃料電池ＦＣを外部負荷回路５０と接続しない状態でのすべての単セル８の電圧が、所定値以上になったときに完了と判断する。Ｓ１０４においてＯＣＶチェックが完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、Ｓ１０４の処理を繰り返し、ＯＣＶチェックが完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ１０５において第３のスイッチＳ３を開いて（ＯＦＦ）、燃料電池ＦＣと補助回路３０の抵抗器３１とを切断する。なお、各単セル８が直列に接続されているため、所定電圧値を超えていない単セル８が一部に存在している状態で第３のスイッチＳ３を切断すると、この所定電圧値を超えていない単セル８に過大な負荷が作用して単セル８が劣化することとなるが、前記のように、ＯＣＶチェック完了後に第３のスイッチＳ３を切断することにより単セル８の劣化（電極の腐食）を防止できるようになっている。そして、燃料電池ＦＣから発電電流（電力）を取り出して外部負荷回路５０に供給して、発電を開始する（Ｓ１０６）。
【００２９】
また、Ｓ１０１において、前回の燃料電池ＦＣの発電停止時にアノード電極４を掃気処理しなかった場合には（Ｎｏ）、前回の燃料電池ＦＣの発電停止後所定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ１０７）。ここでの所定時間とは、アノード電極４側の空気濃度が、その濃度の空気中に水素を供給したときに単セル８の劣化を促進させる濃度を超える時間である。例えば、所定時間は、水素濃度センサＣＨ（図１参照）で検出される水素濃度により設定することができる。Ｓ１０７で所定時間が経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、前記したＳ１０２〜Ｓ１０６の処理を実行する。つまり、前回の燃料電池ＦＣの発電停止時にアノード電極４を掃気処理せず、かつ、停止後所定時間が経過したと判断された場合には、いわゆるクロスリーク現象によってカソード電極３側に残留していた空気が電解質膜２を通ってアノード電極４側に移動するので、アノード電極４には空気が残留していると考えられる。よって、燃料電池ＦＣの発電停止後に所定時間が経過している場合にも、燃料電池ＦＣの起動時に、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続する前に、燃料電池ＦＣと補助回路３０とを接続することで、単セル８の劣化を防止できるようになる。
【００３０】
一方、Ｓ１０７で所定時間が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、Ｓ１０８で水素センサの暖機完了後、遮断弁２２を開いてアノード電極４に水素を供給する。そして、燃料電池ＦＣのカソード電極３への空気の供給を開始し、同時に第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２をそれぞれ閉じる（ＯＮ）処理を実行する（Ｓ１０９）。そして、Ｓ１１０において、ＯＣＶチェックが完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、Ｓ１１０の処理を繰り返し、ＯＣＶチェックが完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、発電を開始する（Ｓ１０６）。つまり、所定時間に満たない場合には、カソード電極３に残留していた酸素がアノード電極４に移動せず、燃料電池ＦＣの各単セル８が高電圧に曝されることがないので、燃料電池ＦＣの起動時に、燃料電池ＦＣと補助回路３０とを接続しなくても、単セル８での劣化を防止できる。
【００３１】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池ＦＣと補助回路３０とを常に接続するのではなく、アノード電極４に空気（酸素）が存在していて単セル８に腐食が発生するおそれがあるときのみ、つまり必要時のみ接続するので、燃料ガスとしての水素を無駄に消費することがなく、しかも燃料電池ＦＣと抵抗器３１とを頻繁に接続する必要がなくなるので、抵抗器３１の劣化が促進するのを防止できる。また、抵抗器３１の劣化促進を防止できるので、耐久性に優れた高価な抵抗器を設ける必要がなくなり、安価な抵抗器を搭載することが可能になって、燃料電池システム１のコストダウンを図ることができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、アノード電極４側での空気（酸化剤ガス）の存在について説明したが、これに限定されず、以下の方法で判断するようにしてもよい。つまり、水素分子と酸素分子との分子の大きさを考慮すると、燃料電池ＦＣの発電停止後所定時間が経過した場合には、カソード電極３側の酸素分子が電解質膜２を介してアノード電極４側に移動するよりも、アノード電極４側の水素分子が電解質膜２を介してカソード電極３側に移動する方が容易であるとも考えられる。このような場合には、カソード電極３側でもアノード電極４側と同様に水素と空気との混在が考えられる。したがって、この場合には、カソード電極３側に水素（燃料ガス）が存在しているか否かを検知するガス検知手段を設けて、燃料電池ＦＣをその停止後所定時間を超えて起動するときに、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続する前に、燃料電池ＦＣと補助回路３０とを接続するようにしてもよい。
【００３３】
なお、本実施形態では、車両用の燃料電池システムを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などの乗り物用の燃料電池システムでもよいし、定置式の燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】燃料電池を示す分解斜視図である。
【図３】制御部での処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１      燃料電池システム
２      電解質膜
３      カソード電極
４      アノード電極
５      カソードセパレータ
６      アノードセパレータ
８      単セル
１０    空気供給手段
２０    水素供給手段
３０    補助回路
３１    抵抗器
４０    制御部（ガス検知手段）
５０    外部負荷回路
ＦＣ    燃料電池
Ｓ１〜Ｓ３  第１〜第３のスイッチ
【図１】
2006147213.tif 000003
【図２】
2006147213.tif 000004
【図３】
2006147213.tif 000005