(57)【要約】【課題】氷点下環境において、水素ポンプの効率的な運転を行うとともに、燃料電池の暖機処理を迅速に遂行することを可能にする。【解決手段】氷点下起動方法は、燃料電池１２の環境温度が氷点下であるか否かを判断する工程と、前記燃料電池１２の環境温度が氷点下であると判断された際、前記燃料電池１２に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して起動させる工程と、前記燃料電池１２からの出力電流値が、少なくとも該燃料電池１２の補機類を稼動可能な電流値に至った際、前記燃料電池１２から水素ポンプ４８に出力電流を印加して前記水素ポンプ４８を起動させる工程とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給ラインと、
使用後の前記燃料ガスを前記燃料電池から排出する燃料ガス排出ラインと、
前記燃料ガス排出ラインと前記燃料ガス供給ラインとに接続され、前記燃料ガス排出ラインに排出された前記燃料ガス中の水素を、前記燃料ガス供給ラインに戻す水素ポンプと、
を備える燃料電池システムの氷点下起動方法であって、
前記燃料電池の環境温度が氷点下であるか否かを判断する工程と、
前記燃料電池の環境温度が氷点下であると判断された際、前記燃料電池に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給して起動させる工程と、
前記燃料電池からの出力電流値が、少なくとも該燃料電池の補機を稼動可能な電流値に至った際、前記燃料電池から前記水素ポンプに出力電流を印加して該水素ポンプを起動させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの氷点下起動方法。
【請求項２】
請求項１記載の氷点下起動方法において、前記燃料電池は、前記補機と前記水素ポンプとに前記出力電流を並列に印加することを特徴とする燃料電池システムの氷点下起動方法。
【請求項３】
請求項１記載の氷点下起動方法において、前記燃料電池は、前記補機と前記水素ポンプとに前記出力電流を直列に印加することを特徴とする燃料電池システムの氷点下起動方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷点下起動方法において、前記水素ポンプは、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電気化学的水素ポンプであることを特徴とする燃料電池システムの氷点下起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの氷点下起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、一般的に、要求される発電量に適した流量以上の燃料ガスをアノード側電極に供給することが行われている。従って、燃料電池のアノード側電極から排出される排ガス中には、未反応（未使用）の燃料ガスが含まれている。このため、燃料ガスを含む排ガスを、燃料電池の燃料ガス供給路に戻すことによって、前記燃料ガスの利用率を向上させることが可能な燃料ガス循環方式が採用されている。
【０００５】
上記の燃料ガス循環方式では、燃料電池のアノード側電極から排出される排ガスの循環が繰り返されると、燃料ガス循環路には、カソード側電極からアノード側電極に透過した窒素や燃料ガス中の不純物等が蓄積され、水素分圧が低下してしまう。
【０００６】
そこで、燃料ガス循環路に蓄積された不純物を、この燃料ガス循環路から外部に排出させるために、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図６に示すように、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されるアノード排ガスを、循環経路２によりアノード１ａ入口側に循環させるとともに、前記循環経路２には、電気化学的水素ポンプ３が配置されている。
【０００７】
循環経路２には、電気化学的水素ポンプ３を迂回するバイパス経路４が設けられるとともに、前記循環経路２と水素供給経路５との合流位置には、エゼクタ６が設置されている。電気化学的水素ポンプ３の入口極側には、アノード排ガスを循環経路２の外部に排出するための開閉弁７が接続されている。
【０００８】
これにより、アノード排ガスが流れる循環経路２に蓄積される不純物を、選択的に前記循環経路２の外部に排出させることができ、不純物濃度の上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら、燃費の向上を実現することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１９１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこの種の水素ポンプを用いた燃料電池システムにおいて、特に氷点下環境において水素ポンプの効率的な運転を行うとともに、燃料電池の暖機処理を迅速に遂行することが可能な燃料電池システムの氷点下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】
【００１１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給ラインと、使用後の前記燃料ガスを前記燃料電池から排出する燃料ガス排出ラインと、前記燃料ガス排出ラインと前記燃料ガス供給ラインとに接続され、前記燃料ガス排出ラインに排出された前記燃料ガス中の水素を、前記燃料ガス供給ラインに戻す水素ポンプとを備える燃料電池システムの氷点下起動方法に関するものである。
【００１２】
この氷点下起動方法は、燃料電池の環境温度が氷点下であるか否かを判断する工程と、前記燃料電池の環境温度が氷点下であると判断された際、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して起動させる工程と、前記燃料電池からの出力電流値が、少なくとも該燃料電池の補機を稼動可能な電流値に至った際、前記燃料電池から水素ポンプに出力電流を印加して前記水素ポンプを起動させる工程とを有している。
【００１３】
また、この氷点下起動方法は、燃料電池が、補機と水素ポンプとに出力電流を並列に印加することが好ましい。
【００１４】
さらに、この氷点下起動方法は、燃料電池が、補機と水素ポンプとに出力電流を直列に印加することが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この氷点下起動方法は、水素ポンプが、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電気化学的水素ポンプであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、氷点下起動時に、燃料電池からの出力電流値が、少なくとも前記燃料電池の補機を稼動可能な電流値に至った際、前記燃料電池から水素ポンプに出力電流を印加して前記水素ポンプを起動させている。このため、燃料電池から多くの電流を出力させることができ、前記燃料電池の昇温速度（暖機速度）を速くすることが可能になる。従って、燃料電池は、通常の運転状態に迅速に移行することができ、氷点下起動が効率的に遂行される。
【００１７】
しかも、水素ポンプが起動されるため、特に運転停止中にカソード側からアノード側に移動した窒素を含む不純物を、前記水素ポンプにより良好に除去することが可能になる。これにより、高純度の燃料ガスを確実に得ることができ、燃料電池の発電効率の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る氷点下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。
【図２】前記氷点下起動方法を説明するフローチャートである。
【図３】水素ポンプの有無による出力電流値と時間との関係説明図である。
【図４】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る氷点下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。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る氷点下起動方法が適用される燃料電池システム１０は、酸化剤ガス（以下、単に空気ともいう）及び燃料ガス（以下、単に水素ともいう）の電気化学反応により発電する燃料電池１２と、前記燃料電池１２に空気を供給する空気供給系１４と、前記燃料電池１２に水素を供給する水素供給系１６と、前記燃料電池１２を冷却するための冷却媒体を供給する冷却媒体供給系（図示せず）とを備える。
【００２０】
燃料電池１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８を、カソード側電極２０とアノード側電極２２とで挟持した単位セルを備え、複数の単位セルが積層して構成される。カソード側電極２０及びアノード側電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。
【００２１】
空気供給系１４は、エアポンプ（コンプレッサ又はスーパーチャージャ）２４を備え、前記エアポンプ２４は、空気供給ライン２６を介してカソード側電極２０のカソード入口２０ａに連通する。空気供給系１４は、カソード側電極２０のカソード出口２０ｂに連通する空気排出ライン２８を備え、前記空気排出ライン２８は、保圧バルブ３０を介して希釈器３２に接続される。
【００２２】
水素供給系１６は、水素タンク３４を備え、この水素タンク３４には、水素供給ライン（燃料ガス供給ライン）３６の一端が接続される。水素供給ライン３６は、エゼクタ３８を配設するとともに、前記水素供給ライン３６の他端は、アノード側電極２２のアノード入口２２ａに接続される。水素供給系１６は、アノード側電極２２のアノード出口２２ｂに一端が接続される水素排出ライン（燃料ガス排出ライン）４０を備え、前記水素排出ライン４０は、パージバルブ４２を介装して希釈器３２に接続される。
【００２３】
水素排出ライン４０の途上には、リターンライン４４の一端が接続され、前記リターンライン４４の他端は、エゼクタ３８に接続される。リターンライン４４には、分岐ライン４６が並列に設けられるとともに、前記分岐ライン４６には、電気化学的水素ポンプである水素ポンプ４８が配設される。
【００２４】
水素ポンプ４８は、燃料電池１２と同様に構成されており、固体高分子電解質膜５０の両側に、カソード側電極５２及びアノード側電極５４が設けられる。水素ポンプ４８は、アノード側電極５４側に排出ライン５６の一端が接続され、前記排出ライン５６の他端は、排出バルブ５８及び逆止弁６０を介装して希釈器３２に接続される。水素ポンプ４８には、圧力計６２及び水素濃度計６４が接続される。
【００２５】
燃料電池システム１０は、冷却媒体供給系を流動する冷却媒体温度、前記燃料電池システム１０が搭載される車室内温度、燃料電池１２近傍の温度、空気や水素の排出温度等を計測する温度計（図示せず）を設けており、前記燃料電池システム１０の雰囲気温度（環境温度）が常温か氷点下かの判断を行う。これらの情報は、制御部６８に入力される。
【００２６】
燃料電池１２のプラス極（カソード側電極２０）及びマイナス極（アノード側電極２２）には、電気配線７０が接続される。電気配線７０には、負荷７２と水素ポンプ４８とが、並列に接続される。電気配線７０は、スイッチ７４ａ及びＤＣ／ＤＣコンバータ７６ａを介して水素ポンプ４８に接続される一方、スイッチ７４ｂ及びＤＣ／ＤＣコンバータ７６ｂを介して負荷７２に接続される。
【００２７】
負荷７２は、エアポンプ２４及び図示しない電磁バルブ等を含む補機類であり、この負荷７２には、スイッチ７４ｃを介して直流電源７８が接続される。直流電源７８は、二次電池、キャパシタ又はバッテリ等で構成される。
【００２８】
このように構成される燃料電池システム１０において、本発明の第１の実施形態に係る氷点下起動方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００２９】
先ず、燃料電池システム１０の停止時には、カソード側電極２０側からアノード側電極２２側に窒素が移動し、このアノード側電極２２側の窒素濃度が高くなっている。
【００３０】
そこで、水素タンク３４から燃料電池１２のアノード側電極２２に水素が供給され、この水素がリターンライン４４を介して循環される。このため、アノード流路内が水素に置換される（ステップＳ１）。
【００３１】
その際、カソード側電極２０は、空気供給系１４を介して空気が導入されるため、スイッチ７４ｃを閉じて負荷７２に直流電源７８から電力が供給される。負荷７２は、エアポンプ２４及び図示しない電磁バルブ等の補機類であり、直流電源７８から印加される電力により駆動され、カソード側電極２０に空気の供給が行われる。
【００３２】
従って、アノード側電極２２側が水素に置換されるとともに、カソード側電極２０側が空気により満たされる。なお、アノード側電極２２側が、水素に置換されたか否かは、例えば、アノード出口２２ｂに設けられた図示しない水素センサにより判断することができる。また、燃料電池１２のセル電圧が、所定値に達したか否かで判断することも可能である。
【００３３】
次いで、ステップＳ２に進んで、燃料電池システム１０の運転環境が、氷点下であるか否かが判断される。燃料電池システム１０の運転環境が、氷点下であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、燃料電池１２の発電が開始される。具体的には、空気供給系１４を介して、燃料電池１２のカソード側電極２０に空気が供給される。一方、水素供給系１６を介して、燃料電池１２のアノード側電極２２に水素が供給され、前記燃料電池１２が発電開始状況に維持される。
【００３４】
そして、スイッチ７４ｂが閉じられることにより、燃料電池１２からの出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６ｂを介して負荷７２に印加され、補機類の運転が行われる。なお、燃料電池１２からの出力電流が不足する際には、スイッチ７４ｃを閉じて直流電源７８からの出力で補完することができる。
【００３５】
燃料電池１２の発電が開始されることにより、この燃料電池１２から出力される電流値が上昇する。出力電流値が、設定電流値に至ったと判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、水素ポンプ４８の運転が行われる（図３中、時間ｂ参照）。ここで、設定電流値とは、燃料電池１２のみで少なくとも補機類を可動可能な電流値をいう。
【００３６】
ステップＳ５では、スイッチ７４ａ、７４ｂが閉じられる一方、スイッチ７４ｃが開放される（図４参照）。このため、負荷７２には、燃料電池１２の出力電流が、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６ｂを介して印加されるとともに、水素ポンプ４８には、前記燃料電池１２の出力電流が、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６ａを介して印加される。
【００３７】
水素ポンプ４８では、アノード側にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側にマイナス側の電位が印加された状態で、前記アノード側には、燃料電池１２のアノード出口２２ｂから排出される排ガス（未使用の水素を含む）が導入される。従って、アノード側電極５４では、排ガス中の水素に、Ｈ2→２Ｈ++２ｅ-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ+）が固体高分子電解質膜５０を透過してカソード側電極５２に移動する。このカソード側電極５２では、２Ｈ++２ｅ-→Ｈ2の反応が惹起する。
【００３８】
これにより、水素ポンプ４８では、アノード側電極５４からカソード側電極５２には、プロトンのみが移動し、窒素や不純物等がアノード側に残留される。そして、アノード側では、水素濃度計６４により検出された水素濃度が５０％以下になった際、排出バルブ５８が所定の時間だけ開放され、排出ライン５６を介して希釈器３２に不純物ガスが排出される。この排出処理は、間欠的に行われる。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１２の出力電流は、電気配線７０に並列に接続されている負荷７２及び水素ポンプ４８に印加されて、消費されている。従って、燃料電池１２から多くの電流が取り出されるため、反応が促進されて、電流値を早く上昇させることができ、燃料電池１２の温度が迅速に上昇する。
【００４０】
このため、燃料電池１２から取り出される出力電流値は、水素ポンプ４８を用いない場合に比べて（図３中、時間ｂ〜ｄ参照）、短時間で所望の駆動電流値まで確実に上昇することができる（図３中、時間ｂ〜ｃ参照）。ここで、駆動電流値とは、図示しない走行モータ等の駆動に用いることのできる電流値をいう。
【００４１】
そして、出力電流値が、駆動電流値に至ると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、図示しない走行モータに出力電流値が供給されることにより、車両運転が開始可能になる。
【００４２】
このように、第１の実施形態では、先ず、燃料電池１２の発電が開始された後、この燃料電池１２の出力電流値が、設定電流値に至るまでは、負荷７２にのみ電流が供給されている。燃料電池１２では、特に、氷点下起動時には、設定電流値になるまで発電が不安定となり、必要以上の電流を取り出さないように水素ポンプ４８の起動が制限されている。これにより、燃料電池１２は、起動開始から設定電流値までの間に、不具合が発生することを確実に阻止することができる。
【００４３】
しかも、燃料電池１２の出力電流値が、設定電流値に至った後には、この燃料電池１２から水素ポンプ４８に電流を印加している。このため、運転停止中に、アノード側に移動した窒素を含む不純物は、水素ポンプ４８により良好に除去することが可能になる。その上、水素ポンプ４８は、特に氷点下環境では、膜抵抗が大きく、多くの電力を必要としている。従って、水素ポンプ４８の電力消費量が増大し、燃料電池１２から多くの電流を取り出すことができ、前記燃料電池１２の昇温速度（暖機速度）を早くして、前記燃料電池１２を通常の運転状態に迅速に移行させることが可能になる。
【００４４】
なお、水素ポンプ４８では、環境温度が上昇することによる固体高分子電解質膜５０の解凍と加湿ガスの導入とによって、膜抵抗が小さくなり、電力消費量が少なくなる。これにより、常温環境下では、消費電力が増加することなく、アノード側の排ガスから不純物を効率的に除去することができるという利点がある。
【００４５】
さらにまた、図３に示すように、氷点下起動時には、ガス流路や固体高分子電解質膜１８に凍結が惹起しており、時間ａ〜ｂ間では、直流電源７８及び燃料電池１２により負荷７２のみを駆動している。供給水素中に窒素が混在しているため、濃度過電圧が高くなり、大電流を引くことができないからである。
【００４６】
そして、時間ｂ〜ｃ間で、水素ポンプ４８に燃料電池１２から電流を印加させることにより、前記燃料電池１２は、負荷７２と水素ポンプ４８とに電流が取り出され、該燃料電池１２が自己発熱することにより解凍される。このため、ガス流路や固体高分子電解質膜１８の閉塞を防止し、反応面積が拡大して発電が安定化することになる。
【００４７】
その上、水素ポンプ４８を使用することにより、水素の低減速度が加速され、濃度過電圧を下げて発電の安定化が図られる。従って、燃料電池１２を早期に氷点下以上に昇温させることが可能になる。
【００４８】
また、水素ポンプ４８の運転によって窒素が除去されるため、アノード側の濃度過電圧の低減が図られ、多くの電流を取り出すことができる。
【００４９】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る氷点下起動方法が適用される燃料電池システム８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
燃料電池システム８０では、燃料電池１２の両極に配設される電気配線８２には、負荷７２と水素ポンプ４８とが直列的に接続されている。負荷７２には、直流電源７８がスイッチ８４ａを介して接続自在であるとともに、前記負荷７２は、電気配線８２にスイッチ８４ｂを介して接続可能である。電気配線８２には、水素ポンプ４８をバイパスしてスイッチ８４ｃが介装される分岐配線が設けられている。
【００５１】
このように構成される第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様に、図２に示すフローチャートに沿って、氷点下起動が行われる。
【００５２】
具体的には、アノード側水素置換処理（ステップＳ１）では、スイッチ８４ａが閉じられる一方、スイッチ８４ｂ、８４ｃが開放される。従って、直流電源７８から負荷電流が印加され、燃料電池１２における水素置換処理及び空気充填処理が行われる。
【００５３】
次いで、燃料電池システム８０が、氷点下環境であると判断されて燃料電池１２の発電が開始される際には（ステップＳ３）、スイッチ８４ｂ、８４ｃが閉じられる。このため、燃料電池１２から負荷７２に出力電流が供給されて、前記負荷７２が運転される。なお、燃料電池１２からの出力電流が不足する際には、スイッチ８４ａが閉じられて直流電源７８からの出力の補填を行う。
【００５４】
そして、水素ポンプ運転に移行する際には（ステップＳ５）、スイッチ８４ａ、８４ｃが開放されて燃料電池１２に、負荷７２と水素ポンプ４８とが直列的に接続される。従って、水素ポンプ４８の運転が、燃料電池１２の出力電流を用いて行われるため、負荷７２と前記水素ポンプ４８とに流れる電流が等しくなり、負荷を増加させることによってセル出力電圧が低下する。しかしながら、水素ポンプ４８の運転によって窒素が除去されるため、アノード側の濃度過電圧の低減が図られ、多くの電流を取り出すことができ、燃料電池１２の仕事量が増加して発熱量が増大し、前記燃料電池１２の昇温速度を早くすることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１０、８０…燃料電池システム        １２…燃料電池
１４…空気供給系                    １６…水素供給系
１８、５０…固体高分子電解質膜      ２０、５２…カソード側電極
２２、５４…アノード側電極          ２４…エアポンプ
３４、４８…水素タンク              ３６…水素供給ライン
４０…水素排出ライン                ４４…リターンライン
４８…水素ポンプ                    ５６…排出ライン
６８…制御部                        ７０、８２…電気配線
７２…負荷                          ７８…直流電源
【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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