(57)【要約】【課題】起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池１０の酸化剤極１２に接続された流路２２，２３を開閉する弁２４，２５を備え、燃料電池１０の停止時に弁２４，２５を閉じる燃料電池システム１において、制御装置５０は、燃料電池１０の起動時に、酸化剤極１２に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池１０の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、前記燃料電池の停止時に前記弁を閉じる燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池の起動時に、前記弁が閉じられた状態で前記燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤ガスが存在すると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記酸化剤極に接続された流路を開閉する弁であって、前記燃料電池の停止時に閉じるように制御される弁と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）とを用いて発電する燃料電池システムがある（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池システムの起動時における無負荷状態による酸化剤極の高電位を避ける技術が開示されている。具体的には、特許文献１に記載の技術は、燃料電池システムの起動方法において、酸化剤極への酸化剤ガス供給を遮断しかつ燃料電池本体と負荷装置との接続を遮断した状態で、燃料極へ燃料ガスの供給を開始し、燃料電池本体の電圧が第１の所定値以上になった場合に、燃料電池本体と負荷装置とを接続し、燃料電池本体の電圧が第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスの供給を開始するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１６４０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９０７２号公報
【特許文献３】特開２００６−１７９３３５号公報
【特許文献４】特開２００４−３４２４０６号公報
【特許文献５】特開２００６−１２８０１６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、上記特許文献１に記載の技術では、例えば酸化剤極に接続された流路を開閉する弁が開故障した場合などにおいて、起動時における酸化剤極の高電位状態が発生する恐れがある。
【０００６】
そこで、本発明は、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、前記燃料電池の停止時に前記弁を閉じる燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様では、前記燃料電池の起動時に、前記弁が閉じられた状態で前記燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤ガスが存在すると判定する。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記酸化剤極に接続された流路を開閉する弁であって、前記燃料電池の停止時に閉じるように制御される弁と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う制御装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生をより確実に回避することが可能な燃料電池システムの制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。この燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電するシステムであり、本実施の形態では、燃料電池自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム１は、燃料電池自動車以外に適用されてもよい。
【００１３】
図１において、燃料電池システム１は、燃料電池１０を有する。この燃料電池１０は、電解質膜１１と、この両側に設けられた酸化剤極（カソード）１２および燃料極（アノード）１３とを含む。燃料電池１０は、酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスと燃料極１３に供給される燃料ガスとを用いて発電する。
【００１４】
本実施の形態では、燃料電池１０は、固体高分子電解質型である。また、燃料電池１０は、多数（ここでは４００個）の単セルが積層されてなるスタック構造を有する。また、燃料電池１０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いる。
【００１５】
酸化剤極１２の入口には、コンプレッサ２１から供給される空気を酸化剤極１２に導く酸化剤供給流路２２が接続されており、酸化剤極１２の出口には、当該酸化剤極１２から排出されるガス（カソードオフガスと呼ばれる）を外部に導く酸化剤排出流路２３が接続されている。酸化剤供給流路２２には、当該流路を開閉するための弁（以下、「エアシャットバルブ」と称す）２４が設けられており、酸化剤排出流路２３には、当該流路を開閉するための弁（以下、「エアシャットバルブ」と称す）２５が設けられている。また、酸化剤供給流路２２と酸化剤排出流路２３との間には、コンプレッサ２１からの空気を酸化剤極１２から迂回させるバイパス流路２６が接続されており、このバイパス流路２６には、当該流路を開閉する弁（以下、「エアバイパスバルブ」と称す）２７が設けられている。なお、図１には示されていないが、酸化剤極１２に接続される流路２２，２３には、適宜、流路内のガスの圧力を測定する圧力センサや、流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁などが設けられる。
【００１６】
一方、燃料極１３の入口には、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク３１から供給される水素を燃料極１３に導く燃料供給流路３２が接続されており、燃料極１３の出口には、当該燃料極１３から排出されるガス（アノードオフガスと呼ばれる）を燃料供給流路３２に戻す循環流路３３が接続されている。燃料供給流路３２には、当該流路を開閉する弁（以下、「水素供給シャットバルブ」と称す）３７と、当該流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁（以下、「調圧バルブ」と称す）３４とが設けられている。循環流路３３には、水素を循環させるための水素ポンプ３８が設けられている。また、循環流路３３には、燃料極１３から排出されたガスを外部に導く燃料排出流路３５が接続されており、この燃料排出流路３５には、当該流路を開閉する弁（以下、「パージバルブ」と称す）３６が設けられている。なお、図１には示されていないが、燃料極１３に接続される流路３２，３３には、適宜、流路内の圧力を測定する圧力センサなどが設けられる。
【００１７】
燃料電池１０には、外部負荷４１が電気的に接続される。本実施の形態では、外部負荷４１は、燃料電池１０に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池１０に接続される負荷（例えば、二次電池、キャパシタ、補機、抵抗体など）とを含む。燃料電池１０と外部負荷４１との間には、両者の電気的接続を開閉（遮断／接続）するスイッチ４２が設けられている。
【００１８】
さらに、燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力電圧（ここではスタック電圧）を検出する電圧センサ４３と、燃料電池システム１全体を制御する制御装置５０とを有する。制御装置５０は、具体的には、各種のセンサ（電圧センサ４３など）の出力に基づき、被制御装置（コンプレッサ２１、各種のバルブ、外部負荷４１、スイッチ４２など）を制御する。
【００１９】
制御装置５０は、適宜の構成により実現可能であるが、本実施の形態では、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、メインメモリなどを含んで構成され、その機能は、ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶された制御プログラムがＣＰＵにより実行されることによって実現される。
【００２０】
上記構成において、エアシャットバルブ２４または２５が開故障した場合や、長期放置によりエアシャットバルブ２４または２５の気密状態が維持できなかった場合などにおいては、酸化剤極１２に空気が侵入し、燃料電池１０の停止状態において酸化剤極１２に酸化剤ガスが存在することとなる。この状態が続くと燃料極１３にも酸化剤ガスが存在する状態となる。このまま酸化剤極１２に酸化剤ガスが存在しない場合と同様に燃料電池１０の起動制御を実行すると、酸化剤極１２の電位が通常の起動時よりも高くなる（例えば１．０Ｖ以上となる）現象、すなわちカソード異常電位が発生し、これにより酸化剤極１２の触媒を担持するカーボンが酸化し、酸化剤極１２が劣化する恐れがある。
【００２１】
そこで、上記カソード異常電位による酸化剤極１２の劣化を回避する観点より、制御装置５０は、次のような制御を行う。すなわち、制御装置５０は、燃料電池１０の停止時に、エアシャットバルブ２４および２５を閉じるよう制御し、燃料電池１０の起動時に、酸化剤極１２に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池１０の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。ここで、酸化剤ガスが存在するか否かの判定の条件や、上記所定の上限値および目標値は、カソード異常電位による酸化剤極１２の劣化を回避する観点より設定される。
【００２２】
具体的には、本実施の形態では、制御装置５０は、燃料電池１０の起動時に、エアシャットバルブ２４および２５が閉じられた状態で燃料電池１０の燃料極１３に燃料ガスが供給されるように制御し、燃料電池１０の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤極１２に酸化剤ガスが存在すると判定する。ここで、上記所定の閾値は、カソード異常電位による酸化剤極１２の劣化を回避する観点より設定される。また、制御装置５０は、酸化剤ガスが存在すると判定された場合、燃料電池１０の出力電圧が所定の上限値以下に制限されつつ所定の目標値に低下するように、外部負荷４１を制御する。例えば、制御装置５０は、外部負荷４１の制御として、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御を行う。そして、制御装置５０は、酸化剤極１２の酸化剤ガスが消費された後に、例えば酸化剤極１２および燃料極１３の両極が燃料ガスで満たされた後に、エアシャットバルブ２４および２５を開き、酸化剤極１２への酸化剤ガスの供給を開始する。例えば、制御装置５０は、燃料電池１０の出力電圧が上記所定の目標値に達した後、エアシャットバルブ２４および２５を開く。
【００２３】
以下、上記構成を有する燃料電池システム１の作用について、通常運転時と起動時とに分けて説明する。
【００２４】
（通常運転時）
通常運転時には、水素供給シャットバルブ３７およびエアシャットバルブ２４，２５は開状態とされ、水素タンク３１から燃料供給流路３２を介して水素が燃料極１３に供給され、コンプレッサ２１から酸化剤供給流路２２を介して空気が酸化剤極１２に供給される。燃料電池１０は、酸化剤極１２に供給される空気と燃料極１３に供給される水素とを用いて発電を行う。具体的には、白金の触媒作用などにより、燃料極１３側では下記式（１）に示される反応が起こり、酸化剤極１２側では下記式（２）に示される反応が起こり、全体としては下記式（３）に示される起電反応が起こる。
【００２５】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（３）
【００２６】
燃料極１３からは、反応に寄与しなかった水素を含むアノードオフガスが排出され、当該アノードオフガスは循環流路３３を通って再び燃料極１３に供給される。このとき、アノードオフガスには、水素以外の不純物が含まれているため、循環するうちに当該アノードオフガス中の水素濃度が低下していく。そこで、適宜のタイミングでパージバルブ３６が開かれ、水素濃度が低下したアノードオフガスが燃料排出流路３５を通って外部に排気される。
【００２７】
一方、酸化剤極１２からは、反応に寄与しなかった酸化剤ガスを含むカソードオフガスが排出され、当該カソードオフガスは酸化剤排出流路２３を通って外部に排出される。
【００２８】
（起動時）
図２は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の起動時における動作手順を示すフローチャートである。以下、図２に従って、燃料電池システム１の起動時における動作について説明する。
【００２９】
起動開始前の初期状態では、コンプレッサ２１は停止状態にあり、エアシャットバルブ２４および２５は閉状態にあり、調圧バルブ３４は閉状態にあり、スイッチ４２は開（遮断）状態にある。
【００３０】
まず、制御装置５０は、調圧バルブ３４を開くことにより、燃料極１３への水素の供給を開始する（Ｓ１）。このとき、エアシャットバルブ２４および２５が正常に機能しており、酸化剤極１２に酸素が存在しなければ、燃料電池１０の出力電圧は立ち上がらない。一方、エアシャットバルブ２４または２５が開故障や長期放置により正常に機能しておらず、酸化剤極１２に酸素が存在すると、燃料電池１０の出力電圧が立ち上がる。
【００３１】
そこで、制御装置５０は、水素の供給の開始後、電圧センサ４３の検出信号に基づき、燃料電池１０の出力電圧が所定の閾値（ここでは１００Ｖ）以上であるか否かを判断する（Ｓ２）。
【００３２】
燃料電池１０の出力電圧が所定の閾値以上であると判断された場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、酸化剤極１２に酸素が存在すると考えられるので、制御装置５０は、スイッチ４２を閉じて燃料電池１０に外部負荷４１を接続し、燃料電池１０の出力電圧が所定の上限値（ここでは１００Ｖ）以下に制限されつつ所定の目標値（ここでは４０Ｖ）に低下するように、外部負荷４１を制御する（Ｓ３）。この制御によって、水素ポンピング現象により燃料極１３から酸化剤極１２に水素が移動し、当該水素との反応により酸化剤極１２の酸素量が減少するとともに、水素が酸化剤極１２に充満する。そして、制御装置５０は、酸化剤極１２の酸素量が十分に減少すると（または酸化剤極１２に水素が十分に充満すると）、例えば燃料電池１０の出力電圧が所定の目標値に達すると、処理をステップＳ４に進める。
【００３３】
一方、燃料電池１０の出力電圧が所定の閾値以上でないと判断された場合（Ｓ２：ＮＯ）、酸化剤極１２に酸素は存在しないと考えられるので、制御装置５０は、上記ステップＳ３の制御を行うことなく、処理をステップＳ４に進める。
【００３４】
ステップＳ４では、制御装置５０は、コンプレッサ２１を起動するとともに、エアシャットバルブ２４および２５に開放指令を与え、これにより酸化剤極１２への空気の供給を開始する。この場合、好適な態様では、制御装置５０は、エアバイパスバルブ２７を開状態にしておく。これにより、酸化剤極１２から排出される水素がバイパス流路２６からの空気により希釈され、高濃度の水素が外部に排出されることが回避される。
【００３５】
以上のとおり、本実施の形態では、燃料電池の酸化剤極に接続された流路を開閉する弁を備え、燃料電池の停止時に当該弁を閉じる燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時に、酸化剤極に酸化剤ガスが存在するか否かを判定し、酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限しつつ所定の目標値に低下させる制御を行う。このため、本実施の形態によれば、起動時における酸化剤極の高電位状態の発生を、特許文献１に記載の技術と比較して、より確実に回避することが可能となる。具体的に説明すると、特許文献１に記載の技術では、単純に燃料電池に負荷装置を接続するだけであるので、流路を封止する弁がない場合もしくは当該弁を有し弁が開故障した場合に起動時の酸化剤極の高電位状態が発生する恐れがあるが、本実施の形態では、例えば外部負荷を制御することにより燃料電池の出力電圧を積極的に制御するので、弁が開故障した場合であっても、起動時の酸化剤極の高電位状態をより確実に回避することができる。これにより、本実施の形態によれば、起動時のカソード異常電位による、酸化剤極の触媒を担持するカーボンの酸化をより確実に抑制することが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態では、燃料電池の起動時に、上記弁が閉じられた状態で燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されるように制御し、燃料電池の出力電圧が所定の閾値以上となった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスが存在すると判定する。このため、本実施の形態によれば、酸化剤ガスが存在するか否かを簡易な構成により判定することができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池システムの起動時における動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池システム、１０  燃料電池、１１  電解質膜、１２  酸化剤極、１３  燃料極、２１  コンプレッサ、２２  酸化剤供給流路、２３  酸化剤排出流路、２４，２５  弁（エアシャットバルブ）、２６  バイパス流路、２７  弁（エアバイパスバルブ）、３１  水素タンク、３２  燃料供給流路、３３  循環流路、３４  圧力調整弁（調圧バルブ）、３５  燃料排出流路、３６  弁（パージバルブ）、３７  弁（水素供給シャットバルブ）、３８  水素ポンプ、４１  外部負荷、４２  スイッチ、４３  電圧センサ、５０  制御装置。
【図１】
2008165994.tif 000003
【図２】
2008165994.tif 000004