(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率を向上する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池の起動時において、燃料電池の温度が所定の閾値Ｔｉより低い場合には、燃料電池に反応ガスを供給する前に、二次電池によって燃料電池に１．０Ｖの電圧を印加する（Ｓ３０）。すると、燃料電池は一種のコンデンサのように電極に電荷が蓄積された状態となる。その後、印加電圧を降下させると反応ガスの供給を受けていない状態であっても燃料電池に放電電流（放電電力）が発生する（Ｓ４０）。この放電電力は、燃料電池に電圧を印加するのに用いた電力より大きい。この放電電力を、燃料電池のインピーダンス計測（Ｓ５０）など、燃料電池を起動する際に行われる所定の処理に利用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の起動時に行う燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料ガス及び酸化ガスを供給することなく前記燃料電池を放電させる工程と、
（ｂ）前記放電による放電電流を前記燃料電池の起動の際に行われる所定の処理に用いる工程と、を備える、制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の制御方法であって、
前記工程（ａ）は、
外部電源によって前記燃料電池に電圧を印加する工程と、前記電圧印加の後に、前記燃料電池を放電させる工程と、を含む制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の制御方法であって、
前記電圧は、０．９〜１．１Ｖである、制御方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の制御方法であって、
前記燃料電池の温度を測定するとともに、前記温度が所定の温度より低い場合に、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を行う、制御方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の制御方法であって、
前記所定の処理は、前記燃料電池のインピーダンスを計測する処理を含む、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は一般に、低温（例えば氷点下）の環境下では起動が困難となる。この問題を解決するために、燃料電池の起動の際に燃料電池システム内の補助電源の電力などを利用する種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２１０５
【特許文献２】特開２００３−１９７２４０
【特許文献３】特開２００３−１９７２４１
【０００４】
ところで、燃料電池の膜抵抗は、燃料電池の温度が低いときほど高い値を示す傾向にあることが知られている。従って、燃料電池は、温度が低いときほど発電効率が低下する。また、燃料電池の発電効率が低下した状態にあっても、燃料電池システム内の補機損失は燃料電池が通常温度（例えば８０°Ｃ程度）で運転している時と同様に発生する。従って、低温時には燃料電池の起動時の燃料電池システム全体の出力効率は著しく低下してしまう。しかし、これまでこのような問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率を向上する技術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】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池の起動時に行う燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料ガス及び酸化ガスを供給することなく前記燃料電池を放電させる工程と、
（ｂ）前記放電による放電電流を前記燃料電池の起動の際に行われる所定の処理に用いる工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
この方法によれば、燃料電池が通常の発電を開始していない状態であっても燃料電池の放電により電力を得ることができ、この電力を燃料電池を起動する際に行う所定の処理に用いてシステムの補機損失を低減できる。従って、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率を向上することができる。
【０００８】
前記工程（ａ）は、外部電源によって前記燃料電池に電圧を印加する工程と、前記電圧印加の後に、前記燃料電池を放電させる工程と、を含むものとしても良い。
【０００９】
この方法によれば、燃料電池を一種のコンデンサのように機能させつつ、燃料電池に電圧を印加するのに用いた電力以上の電力を燃料電池の放電電流によって得ることができる。
【００１０】
前記電圧は、０．９〜１．１Ｖであるものとしても良い。
【００１１】
燃料電池に印可する電圧は、過度に低いと燃料電池への充電量が不十分となり、一方、過度に高いと、燃料電池を劣化させる可能性がある。従って、印加電圧を０．９〜１．１Ｖの値とすれば、十分な充電量を確保しつつ、燃料電池の劣化を予防できる。
【００１２】
前記燃料電池の温度を測定するとともに、前記温度が所定の温度より低い場合に、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を行うものとしても良い。
【００１３】
この方法によれば、燃料電池の起動性が悪化するような低温時において燃料電池システムの出力効率の低下を低減できる。
【００１４】
前記所定の処理は、前記燃料電池のインピーダンスを計測する処理を含むものとしても良い。
【００１５】
この方法によれば、インピーダンスの計測値に基づいて燃料電池に対して過負荷がかからないように燃料電池システムの制御を行うことができる。従って、燃料電池システムの出力効率を向上できるとともに、燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実行する燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
図１は本発明の一実施例として燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、二次電池２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４０と、インピーダンス計測部５０とを備えている。この燃料電池システム１００は、制御部６０によって制御され、接続する外部負荷１１０の要求に応じて出力をするシステムである。
【００１８】
燃料電池１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ４０に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ４０は外部負荷１１０に接続されている。二次電池２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。
【００１９】
インピーダンス計測部５０は、インピーダンスを計測する計測メータ５１と電源部５２とを備えている。電源部５２は、直流電源ラインＤＣＬと接続している。即ち、このインピーダンス計測部５０は、抵抗値の計測に必要な電力を燃料電池１０から得ることができる。
【００２０】
直流電源ラインＤＣＬには、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とＤＣ／ＡＣインバータ４０との間に第１のスイッチＳＷ１が設けられている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と燃料電池１０との間には、第２のスイッチＳＷ２が設けられており、燃料電池１０とインピーダンス計測部５０の電源部５２との間には第３のスイッチＳＷ３が設けられている。制御部６０は、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉動作を制御することによって、後述する３種類の燃料電池システム１００の電気的接続態様を実現する。
【００２１】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する複数の発電モジュール（単セル）を備えた固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０としては、複数の単セルを備えた固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。なお、燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を計測するための温度計測部１５が設けられている。
【００２２】
二次電池２０は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、二次電池２０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部６０の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池１０の出力が要求出力に満たない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、その不足分を補償するように二次電池２０に放電させる。
【００２３】
ＤＣ／ＡＣインバータ４０は、燃料電池１０及び二次電池２０から得られた直流電力を交流電力へと変換して外部負荷１１０へ供給する。その際の交流電力の周波数は、制御部６０の指示によって制御される。なお、外部負荷１１０によって回生電力（交流電力）が発生する場合には、回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ４０によって直流電力に変換されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して二次電池２０に充電される。
【００２４】
インピーダンス計測部５０の計測メータ５１は、燃料電池１０の抵抗値を計測するように接続されている。ところで、燃料電池の抵抗値には膜抵抗と反応抵抗とがあることが知られいる。膜抵抗とは、触媒を含む電極層とセパレータと電解質膜などの構成部材の電気的抵抗の合計であり、反応抵抗とは、燃料電池反応の活性化のために消費されるエネルギー損失による抵抗である。本実施例では、これらの抵抗のうち膜抵抗の値を計測する。
【００２５】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、燃料電池システム１００の電気的接続態様を説明するための説明図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）の燃料電池システム１００は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開閉状態が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、温度計測部１５と制御部６０の図示は省略されている。また、直流電源ラインＤＣＬのうち、電気的接続が切断されている部位を便宜的に破線で示してある。
【００２６】
図２（Ａ）は、第１及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２が閉じられ、第３のスイッチＳＷ３が開かれた状態となる第１接続態様を示している。この第１接続態様では、燃料電池１０と二次電池２０とからＤＣ／ＡＣインバータ４０を介して外部負荷１１０に出力電力が供給される。燃料電池システム１００は、通常はこの第１接続態様によって外部負荷１１０に対して電力を供給する。なお、第３のスイッチＳＷ３は閉じられていても良い。
【００２７】
図２（Ｂ）は、第２のスイッチＳＷ２が閉じられ、第１及び第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ３が開かれた状態となる第２接続態様を示している。この第２接続態様では、燃料電池１０と二次電池２０とがＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して電気的に接続しているのみである。従って、この状態であれば、後述するように発電していない燃料電池１０に対して二次電池２０が電圧を印加することが可能である。
【００２８】
図２（Ｃ）は、第１及び第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ３が閉じられ、第２のスイッチＳＷ２が開かれた状態となる第３接続態様を示している。この第３接続態様では、燃料電池１０とインピーダンス計測部５０とが電気的に接続され、二次電池２０と外部負荷１１０とがＤＣ／ＤＣコンバータ３０及びＤＣ／ＡＣインバータ４０を介して電気的に接続している。即ち、この第３接続態様では、インピーダンス計測部５０は、燃料電池１０の電力を利用して燃料電池１０の抵抗値を計測することが可能である。一方、外部負荷１１０は、必要な電力を二次電池２０から得ることができる。
【００２９】
図３は、本発明の一実施例として燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。制御部６０は、燃料電池システム１００に対して起動要求がなされると、ステップＳ１０において、燃料電池１０に設けられた温度計測部１５（図１）によって燃料電池１０の温度を計測する。なお、このときの燃料電池システム１００の接続態様は、第１〜第３の接続態様のいずれの態様でも良く、あるいは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３が全て開放された状態でも良い。
【００３０】
ステップＳ２０において、燃料電池１０の計測温度が所定の温度Ｔｉ以下の場合には、後述するステップＳ３０〜Ｓ５０の処理が実行される。一方、計測温度が所定の温度Ｔｉより高い場合には、ステップＳ６０に移行し、通常どおり燃料電池１０に反応ガスの供給をして発電を開始させる。ここで、所定の温度Ｔｉとしては、一般に燃料電池の起動が困難になると考えられる温度であれば良く、例えば氷点下であるとしても良い。また、所定の温度Ｔｉは、実験等によって得られた燃料電池の起動性が悪化する温度域をもとに設定されているものとしても良い。
【００３１】
ステップＳ３０において制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第２接続態様（図２（Ｂ））へと切り換える。この状態で制御部６０は、二次電池２０によって燃料電池１０に対してその単セルごとに所定の電圧（例えば１．０Ｖ）が印加されるように制御する。このときの印加電圧は、０．９〜１．１Ｖの値とすることが好ましく、１．０Ｖとすることがさらに好ましい。印加電圧が過度に低いと十分な充電量が得られず、一方、印加電圧が過度に高いと燃料電池を劣化させる可能性がある。従って、印加電圧を０．９Ｖ〜１．１Ｖの値にすれば、十分な充電量を確保しつつ、燃料電池１０の劣化を防止することができる。各単セルに１．０Ｖの電圧を印加する場合には、制御部６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを（１．０×燃料電池１０の単セル数）Ｖに維持させる。なお、このとき、燃料電池１０に対しては水素及び酸素などの反応ガスの供給はなされていない。
【００３２】
二次電池２０から燃料電池１０に対して電圧が印加された状態を所定の印加時間（後述）だけ維持した後、制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第３接続態様（図２（Ｃ））へと切り換える。すると、燃料電池１０から直流電源ラインＤＣＬを介して放電電流がインピーダンス計測部５０の電源部５２へと流れる（ステップＳ４０）。
【００３３】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、単セルに対して１．０Ｖの電圧（「事前印加電圧」と呼ぶ）を印加した後に単セルを放電させた実験の結果を示すグラフである。この実験で使用した単セルは、アノード電極側を水素雰囲気とし、カソード電極側を酸素の不足した窒素雰囲気とした。通常、この状態であれば酸素が不足しているため、単セルからは発電による電流は発生しない。しかし、図４（Ａ）、（Ｂ）のグラフに示すように、ガスの供給が無い状態でも単セルからは電流を発生させることが可能である。
【００３４】
図４（Ａ）は、単セルに発生した放電電流とその電圧の関係（ＩＶ特性）を示すグラフである。このグラフでは、単セルに１．０Ｖの事前印加電圧をかけた状態を継続した時間（印加時間）ごとに線種を変えたグラフを示してある。具体的には、印加時間が０秒、１０秒、１００秒、４００秒、９００秒のときのグラフが示してある。特に、印加時間が０秒のときのグラフをグラフＧ０で示し、印加時間が９００秒のときのグラフをグラフＧ９００で示している。これらのグラフから、印加時間が増すと単セルから得られる電力も大きくなることが理解できる（図４（Ａ）の矢印Ｉ）。また、グラフＧ０は、放電の前に電圧を印加しない場合にも燃料電池からある程度の電流が放電されることを示している。従って、燃料電池からの放電量は、事前印加電圧による充電量よりも大きくなることが理解できる。
【００３５】
図４（Ａ）のグラフに示されている放電現象、即ち、反応ガスが供給されていない状態の燃料電池に対して外部電源によって電圧を印加した後、当該印加電圧を降下させると、燃料電池から電流（放電電流）が流れる現象は、本発明の発明者が見出したものである。この放電現象は、以下の原理によるものと推定される。燃料電池に電圧を印加すると、燃料電池の電極層に設けられた触媒層に吸着する吸着種（水や酸素など）の吸着量が増加する。これによって燃料電池は一種のコンデンサのように電極に電荷が蓄えられた状態となる。この状態で印加電圧を低下させると、電極に蓄えられた電荷に加えて、電極層の吸着種の還元反応により生じた電荷が電極間を移動し、これが放電電流となる。この放電電流によって得られる出力電力は、燃料電池に電圧を印加するのに要する電力より大きく、他の電力デバイスの作動に利用することが可能である。
【００３６】
図４（Ｂ）は、単セルに対して１．０Ｖの電圧を印加した印加時間と、放電時の電圧が１．０Ｖから０．４Ｖまで低下する間に電極間を移動した電荷の積算量との関係を示すグラフである。このグラフが示すように、電荷の積算量は、印加時間１００秒までは急激に増加し、その後は比較的緩やかな勾配で増加していくことが解る。これら図４（Ａ）、（Ｂ）のグラフに基づいて、ステップＳ３０（図３）における電圧の印加時間を、後述するステップＳ５０において必要とする電力に応じて設定することができる。
【００３７】
ステップＳ４０で燃料電池１０から得た放電電流（放電電力）を利用して、インピーダンス計測部５０が燃料電池１０の膜抵抗を計測する（ステップＳ５０）。ここで、膜抵抗は一般に温度依存性が高く、燃料電池の温度が低いほど高い値を示す。また、その他、膜の湿潤状態などの諸条件によっても変化する。一方、燃料電池は、その膜抵抗の値に応じて発電効率が変化し、過負荷とならず出力可能な発電量（出力可能発電量）も変化する。そこで本実施例では、制御部６０がステップＳ５０で得られた膜抵抗値を基に燃料電池１０の出力可能発電量を算出する。なお、制御部６０は、膜抵抗値に応じた出力可能発電量のマップを予めメモリ内に格納しているものとしても良い。
【００３８】
ステップＳ６０において制御部６０は、燃料電池システム１００の接続態様を第１接続態様（図２（Ａ））に切り換える。制御部６０は、燃料電池１０に対して反応ガスの供給を開始する指示を出し、燃料電池１０に発電を開始させる。このとき制御部６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、燃料電池１０の出力がステップＳ５０において算出した出力可能量を超えないように制御する。また、制御部６０は、燃料電池１０の出力可能量に応じて燃料電池１０用の補機（ポンプ等）の制御も行う。出力可能量が小さいときには、補機の出力も小さく制限されるので、いわゆる補機損失を低減することができる。
【００３９】
上述しように、燃料電池は膜抵抗の値に応じて発電効率が変化し、一般にその温度が低いほど発電効率は低下する。すると、低温時の燃料電池ほど過負荷がかかりやすい状況にあると言える。従って、上記のように制御することによって、過負荷によって燃料電池１０が劣化することを抑制できる。一方、外部負荷１１０の要求出力に対して不足する出力は、二次電池２０に補償させるように制御する。
【００４０】
なお、制御部６０は、燃料電池１０が運転を継続することによってその温度が所定の温度Ｔｉより高くなったときには、出力可能発電量の制限を解除して出力制御するものとしても良い。あるいは、所定の時間経過後に燃料電池１０に出力可能発電量の制限を解除して出力制御するものとしても良い。
【００４１】
このように、本実施例では、燃料電池１０のインピーダンス計測に必要な電力として燃料電池１０の放電現象による放電電流を利用することによって、燃料電池システム１００の補機損失を低減している。従って、本実施例の構成によれば、燃料電池１０の起動時における燃料電池システム１００全体の出力効率が向上する。
【００４２】
Ｂ．第２実施例：
図５は、本発明の第２実施例として、燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。図５は、図３のステップＳ１０、Ｓ２０が省略されている点以外は図３のフローチャートと同じである。なお、本実施例の燃料電池システム１００の構成は、第１実施例で説明したものと同じである（図２、図３）。但し、温度計測部１５は省略しても良い。
【００４３】
本実施例では、制御部６０は、燃料電池１０の温度に関わらず、燃料電池１０の起動時に常に燃料電池１０に１．０Ｖの電圧を印加した後に放電電流を発生させ、燃料電池１０を起動する際のインピーダンス計測に利用する。即ち、このような処理手順としても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。
【００４４】
Ｃ．第３実施例：
図６は、本発明の第３実施例として、燃料電池システム１００の制御部６０が行う起動時の制御手順を示すフローチャートである。図６は、図５からさらにステップＳ３０を省略したものである。なお、本実施例の燃料電池システム１００の構成は、第２実施例と同じである。
【００４５】
図４（Ａ）のグラフＧ０が示すように、単セルに事前印加電圧を印加しなくとも、単セルからある程度の放電電流が発生する。これは、電圧が印加されなくとも単セルの電極層に設けられた触媒層には常に吸着種が吸着するためであると推定される。
【００４６】
第３実施例では、制御部６０は、燃料電池１０の起動時に、二次電池２０から燃料電池１０に電圧を印加することなく放電電流を発生させて、燃料電池１０を起動する際のインピーダンス計測に利用する。即ち、本実施例の構成であっても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。ただし、燃料電池１０に事前印加電圧を印加した場合の方が、燃料電池１０から大きな放電電力を得ることができる。
【００４７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、ステップＳ５０において燃料電池１０の放電電力を利用して燃料電池１０の膜抵抗値を計測していたが、この放電電力を他の燃料電池１０を起動する際に行われる所定の処理に利用することができる。ここで、「燃料電池を起動する際に行われる所定の処理」としては、発電を開始していない燃料電池に発電を開始させるまでの燃料電池システムが行う各種の処理を適用することができる。
【００４９】
例えば、当該放電電流を燃料電池起動前のシステム内の補機損失の補填に利用するものとしても良い。より具体的には、反応ガスを燃料電池に供給するためのポンプを作動させるために利用するものとしても良い。インピーダンス計測部５０に替えて燃料電池１０を加熱するための加熱器が設けられた燃料電池システムにおいては、ステップＳ５０において放電電流を利用して加熱器を作動させ燃料電池１０の温度を上昇させるものとしても良い。
【００５０】
このように、燃料電池の放電電流を燃料電池を起動する際に行われる所定の処理に利用することにより、燃料電池の起動時における燃料電池システム全体の出力効率の低下を抑制できる。また、燃料電池１０の発電開始前における二次電池２０の負荷の低減にもつながり、二次電池２０の劣化を抑制することもできる。
【００５１】
なお、この放電電流は燃料電池の発電が困難になるような極低温状態（例えば−２０°Ｃ以下）においても発生させることができる。このような温度においては一般に、二次電池は電圧を印加することができても、大きな電流を発生させることが困難である。従って、このような極低温状態において本実施例の構成は、より大きな効果を得ることができる。
【００５２】
Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例においては、燃料電池１０の温度によりステップＳ３０〜Ｓ５０の処理を行うか否かの判断を行っていたが、他の判断を行うものとしても良い。例えば、外部負荷１１０から燃料電池システム１００に要求されている出力が放電電流によって得られる出力より小さい場合に、燃料電池１０に放電電流を発生させて外部負荷１１０に供給するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システムの電気的接続の態様を説明するための説明図である。
【図３】第１実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】単セルの放電電流を説明するためのグラフである。
【図５】第２実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】第３実施例における制御部の制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池
１５…温度計測部
２０…二次電池
３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０…ＤＣ／ＡＣインバータ
５０…インピーダンス計測部
５１…計測メータ
５２…電源部
６０…制御部
１００…燃料電池システム
１１０…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
Ｇ０、Ｇ９００…グラフ
Ｉ…矢印
ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008176940.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008176940.tif 000007
【図６】
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