(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、低温起動時の燃料電池の局所的な劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図る。【解決手段】燃料電池システム１００において、制御ユニット５０は、燃料電池１０の温度が０（℃）以下である低温起動時に、一定量の水素をアノード１４に供給しつつ、カソード１６への空気の供給量を、燃料電池１０の濃度過電圧が通常起動処理時よりも高くなる値に制限する。さらに、制御ユニット５０は、カソードオフガス環流配管３６に設けられた環流ポンプ３７、および、シャットバルブ３８を制御して、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給することによって、燃料電池１０のカソード１６の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、
前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う低温起動制御を実行する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、
前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記空気供給配管に環流させるためカソードオフガス環流部を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記カソードオフガス環流部との制御を行う、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、
酸素によって水素を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排気される燃焼排気ガスを前記カソードに供給するための燃焼排気ガス供給部配管と、
前記カソードへの前記燃焼排気ガスの供給量を制御するための燃焼排気ガス制御バルブと、を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行う、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスは、水素であり、
前記酸化剤ガスは、酸素であり、
前記酸化剤ガス供給部は、
前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、を備え、
前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプの制御を行う、
燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムの起動制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、を備え、
前記起動制御方法は、
前記燃料電池の温度が所定温度以下であるか否かを判断する工程と、
前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う工程と、
を備える燃料電池システムの起動制御方法。
【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、燃料電池システムの起動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、発電に適した動作温度範囲が存在するため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、起動時に、燃料電池の温度を上記動作温度範囲まで速やかに昇温することが求められる。
【０００３】
そこで、従来、燃料電池システムにおいて、起動時に、燃料電池の温度を速やかに昇温するための種々の技術が提案されている。例えば、氷点下からの低温起動時に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給量に対するカソードへの酸化剤ガスの供給量を通常の発電時よりも少なくし、カソードへの酸化剤ガスの供給の遅れに起因する電圧降下（濃度過電圧（拡散過電圧））を通常の発電時よりも大きくして低効率発電を行い、発熱量を通常の発電時よりも大きくすることによって、燃料電池の温度を速やかに昇温する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７２４７号公報
【特許文献２】特開平２−１８８６８号公報
【特許文献３】特開２００７−２６５９１０号公報
【特許文献４】特開２００９−５９６６９号公報
【特許文献５】特開２００９−２１０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した燃料電池システムの起動方法では、燃料電池のカソードの表面において、酸化剤ガスが局所的に不足する領域が生じ、この領域において、燃料電池が集中的に劣化する場合がある。そして、このような燃料電池の局所的な劣化が生じた場合には、他の領域が劣化していなくても、燃料電池全体としての発電性能が低下し、燃料電池の寿命が短くなってしまう。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、低温起動時の燃料電池の局所的な劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量に対する前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給量の割合を、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高い場合の起動時よりも、前記燃料電池の濃度過電圧が大きくなるように制限するとともに、前記カソードへの前記酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するように、前記酸化剤ガス供給部の制御を行う低温起動制御を実行する、燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時（例えば、氷点下からの低温起動時）に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給量に対するカソードへの酸化剤ガスの供給量の割合を上述したように制限する。したがって、燃料電池の温度が所定温度よりも高い場合の起動時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池の温度を速やかに昇温することができる。さらに、適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させるので、カソードの表面における酸化剤ガスの濃度分布が経時的に変化する。このため、カソードの表面において、酸化剤ガスが局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池のカソードにおいて、局所的に酸化剤ガス不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池の局所的な劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図ることができる。
【００１０】
なお、適用例１の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時の、燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させる態様として、種々の態様を適用可能であり、このような態様としては、例えば、パルス的な増減や、サイン波的な増減や、ノコギリ波的な増減等が挙げられる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記空気供給配管に環流させるためカソードオフガス環流部を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記カソードオフガス環流部との制御を行う、燃料電池システム。
【００１２】
適用例２の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードに環流されるカソードオフガスの環流量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプと、上記カソードオフガス環流部との制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス（酸素）の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、カソードの表面における酸化剤ガス（酸素）の濃度分布を経時的に変化させることができる。
【００１３】
なお、適用例２の燃料電池システムにおいて、上記空気ポンプから燃料電池のカソードへの空気の供給量は、一定としてもよいし、変動するようにしてもよい。
【００１４】
［適用例３］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、酸素によって水素を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排気される燃焼排気ガスを前記カソードに供給するための燃焼排気ガス供給部配管と、前記カソードへの前記燃焼排気ガスの供給量を制御するための燃焼排気ガス制御バルブと、を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプと、前記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行う、燃料電池システム。
【００１５】
適用例３の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、上記燃焼器から燃料電池のカソードに供給される燃焼排気ガスの供給量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプと、上記燃焼器と、前記燃焼排気ガス制御バルブとの制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス（酸素）の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、カソードの表面における酸化剤ガス（酸素）の濃度分布を経時的に変化させることができる。
【００１６】
なお、適用例３の燃料電池システムにおいて、上記燃焼器に導入される酸素としては、例えば、上記空気ポンプから吐出される空気中の酸素を用いることができる。また、上記燃焼器に導入される水素としては、上記燃料ガスとしての水素を用いることができる。また、上記空気ポンプから燃料電池のカソードへの空気の供給量は、一定としてもよいし、変動するようにしてもよい。
【００１７】
［適用例４］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化剤ガスは、酸素であり、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸素を含む空気を前記カソードに供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に設けられた空気ポンプと、を備え、前記制御部は、前記低温起動制御として、前記空気ポンプの制御を行う、燃料電池システム。
【００１８】
適用例４の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が所定温度以下である場合の起動時に、燃料電池のカソードに供給される空気の供給量が繰り返し増減するように、上記空気ポンプの制御を行うことによって、燃料電池のカソードへの酸化剤ガス（酸素）の単位時間当たりの供給量を繰り返し増減させ、燃料電池のカソードの表面における酸化剤ガス（酸素）の濃度分布を経時的に変化させることができる。
【００１９】
本発明は、上述した種々の特徴を、適宜、組み合わせて構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの起動制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２０】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理（低温起動時）による効果を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】第２実施例の燃料電池システム１００Ａの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図７】第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】変形例の燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図９】変形例の燃料電池システム１００Ｃの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【００２３】
燃料電池１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面に形成されたアノード１４と、電解質膜１２の他方の面に形成されたカソード１６とを備える。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。なお、この燃料電池１０には、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを検出するための温度センサ１８が設けられている。
【００２４】
燃料電池１０のアノード１４には、例えば、高圧水素を貯蔵した水素タンク（図示省略）から、水素供給配管２０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１０のアノード１４から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス用排気管２４を介して、燃料電池１０の外部に排出される。なお、アノードオフガス用排気管２４、および、水素供給配管２０に、アノードオフガスを燃料電池１０のアノード１４に環流させるためのアノードオフガス環流配管を接続するようにし、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を発電に再利用するようにしてもよい。この場合、アノードオフガス環流配管には、アノードオフガスを水素供給配管２０に環流させるためのポンプが設けられる。
【００２５】
燃料電池１０のカソード１６には、空気供給配管３０を介して、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が、空気供給配管３０に設けられたエアコンプレッサ３２によって圧縮されて供給される。エアコンプレッサ３２の回転数を変化させることによって、燃料電池１０のカソード１６への空気の供給量を変化させることができる。燃料電池１０のカソード１６から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス用排気管３４を介して、燃料電池１０の外部に排出される。エアコンプレッサ３２は、［課題を解決するための手段］における空気ポンプに相当する。
【００２６】
また、本実施例の燃料電池システム１００では、カソードオフガス用排気管３４、および、空気供給配管３０に、カソードオフガスを空気供給配管３０に環流させるためのカソードオフガス環流配管３６が接続されている。そして、このカソードオフガス環流配管３６には、環流ポンプ３７と、シャットバルブ３８とが設けられている。環流ポンプ３７のオン／オフ、および、シャットバルブ３８の開閉状態を切り換えることによって、カソードオフガスを燃料電池１０のカソード１６に環流させるか否かを切り換えることができる。また、環流ポンプ３７の回転数を変化させることによって、燃料電池１０のカソード１６へのカソードオフガスの環流量を変化させることができる。カソードオフガス環流配管３６、環流ポンプ３７、シャットバルブ３８は、［課題を解決するための手段］におけるカソードオフガス環流部に相当する。
【００２７】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池１０に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブ、ポンプ、エアコンプレッサ３２の制御等、システムの運転を制御する。制御ユニット５０は、［課題を解決するための手段］における制御部に相当する。以下、燃料電池システム１００の起動制御処理について説明する。
【００２８】
Ａ２．起動制御処理：
図２は、第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の起動時に、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。なお、本実施例では、起動制御処理が開始されると、燃料電池１０のアノード１４には、一定量の水素が供給されるものとする。
【００２９】
ＣＰＵは、環流ポンプ３７の回転数をゼロとし（ステップＳ１００）、カソードオフガス環流配管３６に設けられたシャットバルブ３８を閉弁し（ステップＳ１０２）、空気供給配管３０に設けられたエアコンプレッサ３２の回転数を所定回転数として（ステップＳ１０４）、燃料電池１０のカソード１６に空気を供給する。このときのエアコンプレッサ３２の回転数は、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量が通常の発電時よりも少なくなり、燃料電池１０のカソード１６への酸素の供給の遅れに起因する電圧降下（濃度過電圧）が通常の発電時よりも大きくなるように、通常の発電時よりも低い値が設定されている。なお、ステップＳ１００，Ｓ１０２，Ｓ１０４は、順序を入れ替えてもよい。
【００３０】
そして、ＣＰＵは、温度センサ１８によって検出された燃料電池１０の温度Ｔｆｃを取得して、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、通常起動制御処理を実行し（ステップＳ２００）、その後、起動制御処理を終了する。なお、本実施例において、通常起動制御処理は、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが所望の温度に上昇するまで、燃料電池１０のアノード１４への水素の供給量、および、カソード１６への空気の供給量を一定として発電を行う起動制御である。この通常起動制御処理において、エアコンプレッサ３２の回転数は、濃度過電圧が通常の発電時と同等になる量の空気（酸素）が燃料電池１０のカソード１６に供給されるように設定されている。つまり、ステップＳ１０４におけるエアコンプレッサ３２の回転数は、ステップＳ２００におけるエアコンプレッサ３２の回転数よりも低い。
【００３１】
ステップＳ１１０において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、起動制御処理開始からの経過時間、または、後述するカウンタクリア（ステップＳ１８０）からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１２０）。すなわち、ＣＰＵは、環流ポンプ３７を停止し、シャットバルブ３８を閉弁して、燃料電池１０のカソード１６にカソードオフガスを環流させずに、エアコンプレッサ３２を動作させている時間を累算する。
【００３２】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６にカソードオフガスを環流させずに、エアコンプレッサ３２から吐出された空気をカソード１６に供給している時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【００３３】
一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１４０）、環流ポンプ３７の回転数を所定回転数とし（ステップＳ１５０）、シャットバルブ３８を開弁して（ステップＳ１５２）、カソードオフガスを燃料電池１０のカソード１６に環流させる。つまり、エアコンプレッサ３２から吐出された空気とカソードオフガスとを混合した酸素濃度が比較的低い空気を、燃料電池１０のカソード１６に供給する。なお、ステップＳ１５０，Ｓ１５２は、順序を入れ替えてもよい。
【００３４】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１４０からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１６０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６にカソードオフガスを環流させている時間を累算する。
【００３５】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６にカソードオフガスを環流させている時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１７０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１５０に戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１８０）、処理をステップＳ１００に戻し、燃料電池１０のカソード１６へのカソードオフガスの環流を停止する。
【００３６】
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理では、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気（ステップＳ１００〜Ｓ１３０）と、酸素濃度が比較的低い空気（ステップＳ１５０〜Ｓ１７０）とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給する。このようにすることによって、以下に説明する効果を得ることができる。
【００３７】
図３は、本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理（低温起動時）による効果を説明するための説明図である。図３（ａ）に、酸素濃度が一定の空気を、供給量を一定として燃料電池１０のカソード１６に供給した場合のカソード１６における酸素濃度の分布を模式的に示した。なお、このときの空気の供給量は、本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理のステップＳ１００〜Ｓ１３０における供給量であるものとする。また、図３（ｂ）に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給した場合、すなわち、本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理を適用した場合のカソード１６における酸素濃度の分布を模式的に示した。
【００３８】
図３（ａ）に示したように、酸素濃度が一定の空気を、供給量を一定として燃料電池１０のカソード１６に供給した場合には、空気中に含まれる酸素がカソード１６における空気の入口から出口にかけて消費されるため、カソード１６における空気の出口近傍において、酸素が局所的に不足する領域が生じる場合がある。この場合、この酸素が局所的に不足する領域は、カソード１６への空気の供給量が一定のため、移動しない。このため、酸素不足となる空気の出口近傍の領域において、燃料電池１０が集中的に劣化する。そして、このような燃料電池１０の局所的な劣化が生じた場合には、他の領域が劣化していなくても、燃料電池１０全体としての発電性能が低下し、燃料電池１０の寿命が短くなってしまう。
【００３９】
これに対し、図３（ｂ）に示したように、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給した場合には、カソード１６において、酸素濃度が比較的高い領域と、酸素濃度が比較的低い領域とを、それぞれ、空気の流れ方向に沿って、経時的に順次移動させることができる。これは、先に供給された酸素濃度が比較的低い空気が、後から供給された酸素濃度が比較的高い空気によって掃気され、また、先に供給された酸素濃度が比較的高い空気が、後から供給された酸素濃度が比較的低い空気によって掃気されるからである。こうすることによって、カソード１６において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることを抑制し、燃料電池１０の集中的な劣化を抑制することができる。
【００４０】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量、詳しくは、燃料電池１０のアノード１４への水素の供給量に対するカソード１６への空気（酸素）の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも、燃料電池１０の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給することによって、燃料電池１０のカソード１６の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード１６の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池１０のカソード１６において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池１０の局所的な劣化を抑制し、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【００４２】
第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００におけるカソードオフガス環流配管３６と、環流ポンプ３７と、シャットバルブ３８とを備えていない。その代わりに、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、酸素によって水素を燃焼させる触媒燃焼器４０と、水素供給配管２０から触媒燃焼器４０に水素を導入するための水素導入配管４２と、空気供給配管３０から触媒燃焼器４０に空気を導入するための空気導入配管４４と、触媒燃焼器４０から排気される燃料排気ガスを燃料電池１０のカソード１６に供給するための燃焼排気ガス供給配管４６と、を備えている。水素導入配管４２には、触媒燃焼器４０への水素の導入量を制御するためのインジェクタ４３が設けられている。空気導入配管４４には、触媒燃焼器４０に空気を導入するか否かを切り換えるためのシャットバルブ４５が設けられている。これら以外の燃料電池システム１００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成と同じである。シャットバルブ４５は、［課題を解決するための手段］における燃焼排気ガス制御バルブに相当する。
【００４３】
なお、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット５０の代わりに、制御ユニット５０Ａを備えている。以下、燃料電池システム１００Ａの起動制御処理について説明する。
【００４４】
Ｂ２．起動制御処理：
図５は、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ａの起動時に、制御ユニット５０ＡのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、第１実施例と同様に、起動制御処理が開始されると、燃料電池１０のアノード１４には、一定量の水素が供給されるものとする。第２実施例の燃料電池システム１００Ａの起動制御処理は、第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理と一部が異なっている。
【００４５】
ＣＰＵは、水素導入配管４２に設けられたインジェクタ４３を停止し（ステップＳ１００Ａ）、空気導入配管４４に設けられたシャットバルブ４５を閉弁し（ステップＳ１０２Ａ）、空気供給配管３０に設けられたエアコンプレッサ３２の回転数を所定回転数として（ステップＳ１０４）、燃料電池１０のカソード１６に空気を供給する。なお、ステップＳ１００Ａ，Ｓ０２Ａ，Ｓ１０４は、順序を入れ替えてもよい。
【００４６】
そして、ＣＰＵは、温度センサ１８によって検出された燃料電池１０の温度Ｔｆｃを取得して、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、通常起動制御処理を実行し（ステップＳ２００）、その後、起動制御処理を終了する。一方、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、起動制御処理開始からの経過時間、または、後述するカウンタクリア（ステップＳ１８０）からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１２０）。すなわち、ＣＰＵは、インジェクタ４３を停止し、シャットバルブ４５を閉弁して、燃料電池１０のカソード１６に触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスを供給せずに、エアコンプレッサ３２を動作させている時間を累算する。
【００４７】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６に触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスを供給せずに、エアコンプレッサ３２から吐出された空気をカソード１６に供給している時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【００４８】
一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１４０）、シャットバルブ４５を開弁し（ステップＳ１５０Ａ）、インジェクタ４３を駆動して（ステップＳ１５２Ａ）、触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスを燃料電池１０のカソード１６に供給する。つまり、エアコンプレッサ３２から吐出された空気と触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスとを混合した酸素濃度が比較的低い空気を、燃料電池１０のカソード１６に供給する。なお、ステップＳ１５０Ａ，Ｓ１５２Ａは、順序を入れ替えてもよい。
【００４９】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１４０からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１６０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６に触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスを供給している時間を累算する。
【００５０】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料電池１０のカソード１６に触媒燃焼器４０からの燃焼排気ガスを供給している時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１７０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１５０に戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１８０）、処理をステップＳ１００に戻し、燃料電池１０のカソード１６への燃焼排気ガスの供給を停止する。
【００５１】
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム１００Ａの起動制御処理においても、第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理と同様に、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給する。
【００５２】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量、詳しくは、燃料電池１０のアノード１４への水素の供給量に対するカソード１６への空気（酸素）の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも、燃料電池１０の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム１００Ａでは、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給することによって、燃料電池１０のカソード１６の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード１６の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池１０のカソード１６において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池１０の局所的な劣化を抑制し、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
【００５３】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
図６は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００におけるカソードオフガス環流配管３６と、環流ポンプ３７と、シャットバルブ３８とを省略したものである。なお、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット５０の代わりに、制御ユニット５０Ｂを備えている。以下、燃料電池システム１００Ｂの起動制御処理について説明する。
【００５４】
Ｃ２．起動制御処理：
図７は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ｂの起動時に、制御ユニット５０ＢのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、第１実施例と同様に、起動制御処理が開始されると、燃料電池１０のアノード１４には、一定量の水素が供給されるものとする。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの起動制御処理は、第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理と一部が異なっている。
【００５５】
ＣＰＵは、空気供給配管３０に設けられたエアコンプレッサ３２の回転数を第１の所定回転数Ｎａとして（ステップＳ１００Ｂ）、燃料電池１０のカソード１６に空気を供給する。このときのエアコンプレッサ３２の回転数（第１の所定回転数Ｎａ）は、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量が通常の発電時よりも少なくなり、燃料電池１０のカソード１６への酸素の供給の遅れに起因する電圧降下（濃度過電圧）が通常の発電時よりも大きくなるように、通常の発電時よりも低い値が設定されている。
【００５６】
そして、ＣＰＵは、温度センサ１８によって検出された燃料電池１０の温度Ｔｆｃを取得して、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、通常起動制御処理を実行し（ステップＳ２００）、その後、起動制御処理を終了する。一方、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、起動制御処理開始、または、後述するカウンタクリア（ステップＳ１８０）からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１２０）。すなわち、ＣＰＵは、エアコンプレッサ３２の回転数を第１の所定回転数Ｎａとして動作させている時間を累算する。
【００５７】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。すなわち、ＣＰＵは、第１の所定回転数Ｎａで動作するエアコンプレッサ３２から吐出された空気をカソード１６に供給している時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【００５８】
一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１４０）、エアコンプレッサ３２の回転数を第２の所定回転数Ｎｂとして（ステップＳ１５０Ｂ）、燃料電池１０のカソード１６に空気を供給する。なお、第２の所定回転数Ｎｂは、第１の所定回転数Ｎａよりも低い。
【００５９】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１４０からの経過時間をカウントアップする（ステップＳ１６０）。すなわち、ＣＰＵは、エアコンプレッサ３２の回転数を第２の所定回転数Ｎｂとして動作させている時間を累算する。
【００６０】
そして、ＣＰＵは、カウンタが所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。すなわち、ＣＰＵは、エアコンプレッサ３２の回転数を第２の所定回転数Ｎｂとして動作させている時間が、所定時間（例えば、１秒）以上経過したか否かを判断する。カウンタが所定値未満である場合には（ステップＳ１７０：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１５０Ｂに戻す。一方、カウンタが所定値以上である場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、カウンタをクリアし（ステップＳ１８０）、処理をステップＳ１００に戻し、エアコンプレッサ３２の回転数を第１の所定回転数Ｎａに増大させる。
【００６１】
以上の説明から分かるように、本実施例の燃料電池システム１００の起動制御処理では、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給する。
【００６２】
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量局、詳しくは、燃料電池１０のアノード１４への水素の供給量に対するカソード１６への空気（酸素）の供給量の割合を、通常起動制御処理時よりも燃料電池１０の濃度過電圧が高くなるように制限する。したがって、通常起動制御処理時よりも低効率発電を行い、発熱量を大きくすることによって、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを速やかに昇温することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合の低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給することによって、燃料電池１０のカソード１６の表面における酸素の濃度分布を経時的に変化させることができる。このため、カソード１６の表面において、酸素が局所的に不足する領域が生じても、この領域は経時的に移動する。したがって、燃料電池１０のカソード１６において、局所的に酸素不足となる領域が一部に固定されることによる低温起動時の燃料電池１０の局所的な劣化を抑制し、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
【００６３】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６４】
Ｄ１．変形例１：
図８は、変形例としての燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。図８と図１との比較から分かるように、変形例の燃料電池システム１００Ｃは、第１実施例の燃料電池システム１００におけるシャットバルブ３８の代わりに、カソードオフガス環流配管３６と空気供給配管３０との接続部に、三方弁３９を備える。これ以外の燃料電池システム１００Ｃの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成と同じである。なお、変形例の燃料電池システム１００Ｃは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット５０の代わりに、制御ユニット５０Ｃを備えている。そして、制御ユニット５０ＣのＣＰＵは、燃料電池システム１００Ｃの起動時に、以下の起動制御処理を実行する。
【００６５】
図９は、変形例の燃料電池システム１００Ｃの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。図９と図２との比較から分かるように、変形例の燃料電池システム１００Ｃの起動制御処理では、第１実施例の起動制御処理のステップＳ１０２、および、ステップＳ１５２において、シャットバルブ３８の開閉状態を切り換える代わりに、三方弁３９を切り換える（ステップＳ１０２Ｃ、および、ステップＳ１５２Ｃ）こと以外は、第１実施例と同じである。なお、三方弁３９の切り換えは、燃料電池１０のカソード１６に、エアコンプレッサ３２から吐出された空気を供給するか、カソードオフガスを供給するかを切り換えるようにしてもよいし、エアコンプレッサ３２から吐出された空気を供給するか、エアコンプレッサ３２から吐出された空気とカソードオフガスとを混合させて供給するかを切り換えるようにしてもよい。
【００６６】
変形例の燃料電池システム１００Ｃによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池１０のカソード１６において、酸素が不足する領域が固定されることによる低温起動時の燃料電池１０の局所的な劣化を抑制し、燃料電池１０の長寿命化を図ることができる。
【００６７】
Ｄ２．変形例２：
上記第１，２実施例では、燃料電池システム１００，１００Ａの起動制御処理のステップＳ１０４（図２，５）において、エアコンプレッサ３２の回転数を、燃料電池１０の濃度過電圧が通常の発電時よりも高くなる程度の空気（酸素）が燃料電池１０のカソード１６に供給されるように制限して設定するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池１０のアノード１４への水素の供給量に対するカソード１６への酸素の供給量の割合を、通常起動制御処理時（ステップＳ２００）よりも、燃料電池１０の濃度過電圧が高くなるように制限すればよい。
【００６８】
Ｄ３．変形例３：
上記第１，２実施例では、燃料電池システム１００，１００Ａの起動制御処理において、エアコンプレッサ３２の回転数を一定としたが、本発明は、これに限られない。エアコンプレッサ３２の回転数を、例えば、パルス的に増減させるようにしてもよい。
【００６９】
Ｄ４．変形例４：
上記第１，２実施例では、燃料電池システム１００，１００Ａの起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、酸素濃度が比較的高い空気と、酸素濃度が比較的低い空気とを、燃料電池１０のカソード１６にパルス的に交互に供給するものとしたが、本発明は、これに限られない。また、上記第３実施例では、燃料電池システム１００Ｂの起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６に、空気の供給量をパルス的に増減させて供給するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム１００，１００Ａ，１００Ｂの起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である低温起動時に、燃料電池１０のカソード１６への酸素の単位時間当たりの供給量が繰り返し増減するようにすればよい。
【００７０】
Ｄ５．変形例５：
上記第１，２実施例では、酸素濃度が比較的低い空気として、大気中の空気と、カソードオフガスとを混合した空気を用いたり（第１実施例）、大気中の空気と、触媒燃焼器４０から排気される燃焼排気ガスとを混合した空気を用いたり（第２実施例）するものとしたが、本発明は、これに限られない。酸素濃度が比較的低い空気として、例えば、大気中の空気と、窒素やアルゴン等の不活性ガスとを混合した混合ガスを用いるようにしてもよい。
【００７１】
Ｄ６．変形例６：
上記第１実施例では、燃料電池システム１００の起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合に、環流ポンプ３７をパルス的にオン／オフするとともに、シャットバルブ３８をパルス的に開閉するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、環流ポンプ３７を常時動作させた状態で、シャットバルブ３８の開度をパルス的に増減するようにしてもよい。
【００７２】
また、上記第２実施例では、燃料電池システム１００Ａの起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合に、インジェクタ４３をパルス的にオン／オフするとともに、シャットバルブ４５をパルス的に開閉するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、環流ポンプ３７を常時動作させた状態で、シャットバルブ３８の開度をパルス的に増減するようにしてもよい。
【００７３】
Ｄ７．変形例７：
上記第２実施例では、燃焼排気ガス制御バルブとして、シャットバルブ４５を空気導入配管４４に設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。シャットバルブ４５を、空気導入配管４４の代わりに、燃焼排気ガス供給配管４６に設けるようにしてもよい。また、空気導入配管４４、および、燃焼排気ガス供給配管４６の双方にシャットバルブを設けるようにしてもよい。
【００７４】
Ｄ８．変形例８：
上記実施例では、燃料電池システムの起動制御処理において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合に、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量を制限するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池１０の温度Ｔｆｃが、所定温度、すなわち、予め定められた閾値以下である場合に、燃料電池１０のカソード１６への空気（酸素）の供給量を制限すればよい。この所定温度は、燃料電池１０の速やかな昇温が求められる比較的低温の範囲内で、任意に設定可能である。
【００７５】
Ｄ９．変形例９：
上記実施例では、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを、燃料電池１０に設けられた温度センサ１８によって検出するものとしたが、本発明は、これに限れない。燃料電池１０以外の部位に、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを間接的に検出可能な温度センサを設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池システム
１０…燃料電池
１２…電解質膜
１４…アノード
１６…カソード
１８…温度センサ
２０…水素供給配管
２４…アノードオフガス用排気管
３０…空気供給配管
３２…エアコンプレッサ
３４…カソードオフガス用排気管
３６…カソードオフガス環流配管
３７…環流ポンプ
３８…シャットバルブ
３９…三方弁
４０…触媒燃焼器
４２…水素導入配管
４３…インジェクタ
４４…空気導入配管
４５…シャットバルブ
４６…燃焼排気ガス供給配管
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…制御ユニット
【図１】
2011090912.tif 000003
【図２】
2011090912.tif 000004
【図３】
2011090912.tif 000005
【図４】
2011090912.tif 000006
【図５】
2011090912.tif 000007
【図６】
2011090912.tif 000008
【図７】
2011090912.tif 000009
【図８】
2011090912.tif 000010
【図９】
2011090912.tif 000011