(57)【要約】【課題】燃料電池の運転を安定させる。【解決手段】燃料電池の始動が指示されたとき、水素ガスと空気とを燃料電池に供給すると共に供給される水素ガス及び空気の加湿を停止し、燃料電池から排出される水素系および空気系排出ガスの排出管路に取り付けられた流量調節弁を閉成する（Ｓ１００）。燃料電池の出力端子間の開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となってから所定時間が経過すると（Ｓ１０２〜Ｓ１０６）。閉成していた流量調節弁を開成し（Ｓ１０８）、燃料電池に供給される水素ガスと空気とを加湿した後に（Ｓ１１０）、燃料電池と負荷とを接続して運転を開始する（Ｓ１１２）。流量調節弁の開閉操作による圧力変動により一旦燃料電池内の水分を排出して一定の水分状態にリセットしてから、燃料電池を加湿して運転を開始するから、始動前の水分状態に拘わらず燃料電池の運転を安定させることができる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の始動が指示されたとき、該燃料電池内に含まれる水分を排出する動作を伴って前記燃料電池を始動する始動手段と、
該始動が完了した後に前記燃料電池の運転を開始する運転制御手段と
を備え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、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備え、
前記始動手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給の制御により前記水分を排出する手段である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給手段と前記酸化ガス供給手段は、前記燃料電池内を調圧可能な手段であり、
前記始動手段は、前記燃料電池内を調圧することより前記水分を排出する手段である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記始動手段は、前記燃料電池内を加圧した後に急減圧させるよう前記燃料ガス供給手段および／または前記酸化ガス供給手段を制御する手段である
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記始動手段は、前記燃料電池の端子間の開放電圧が所定値以上となった後に急減圧させるよう制御する手段である
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段を備え、
前記始動手段は、前記水分を排出する動作の一部として加湿手段による加湿を停止させるよう該加湿手段を制御する手段である
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御手段は、前記燃料電池の端子間の開放電圧が所定値以上となった後に前記始動が完了したとして前記燃料電池の運転を開始する手段である
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池の始動時に燃料電池の温度が所定温度以下であるときに燃料電池のアノード側やカソード側を通じて電解質膜へ加湿水を供給するウォータポンプを間欠的に運転するものが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、ウォータポンプを間欠運転することによる燃料電池内の圧力変動を利用することにより、低温時の燃料電池内の水分の排出性を向上させることができるとされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１５１４０号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池の運転が安定しない場合がある。始動時に燃料電池に含まている水分量は、始動時における環境等によって変動するから、その環境によっては始動時において燃料電池内が水分不足であったり水分過多であったりする。したがって、温度条件のみによりウォータポンプを間欠運転するものでは、燃料電池内の水分状態を適切なものとすることができない場合があり、燃料電池の運転が不安定になる場合がある。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の始動の際における水分状態に拘わらず燃料電池をより安定して運転することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の始動が指示されたとき、該燃料電池内に含まれる水分を排出する動作を伴って前記燃料電池を始動する始動手段と
該始動が完了した後に前記燃料電池の運転を開始する運転制御手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の始動が指示されたとき、燃料電池内に含まれる水分を排出する動作を伴って燃料電池を始動し、燃料電池の始動が完了した後に燃料電池の運転を開始する。燃料電池の始動の際には一旦燃料電池内の水分を排出する処理を行なうことにより、始動前における燃料電池内の水分状態に拘わらず始動完了時には所定範囲内の水分状態とすることができるから、その後の燃料電池内の水分管理が容易となり、燃料電池を運転をより安定させることができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記始動手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給の制御により前記水分を排出する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給手段と前記酸化ガス供給手段は、前記燃料電池内を調圧可能な手段であり、前記始動手段は、前記燃料電池内の調圧により前記水分を排出する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記始動手段は、前記燃料電池内を加圧した後に急減圧させるよう前記燃料ガス供給手段および／または前記酸化ガス供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、効果的に燃料電池内の水分を排出することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記始動手段は、前記燃料電池の端子間の開放電圧が所定値以上となった後に前記急減圧させるよう制御する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
また、燃料ガス供給手段と酸化ガス供給手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段を備え、前記始動手段は、前記水分を排出する動作の一部として加湿手段による加湿を停止させるよう該加湿手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、効果的に燃料電池内の水分を排出することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記運転制御手段は、前記燃料電池の端子間の開放電圧が所定値以上となった後に前記始動が完了したとして前記燃料電池の運転を開始する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０では、図示するように、水素と酸素との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池２２と、水素タンク２４に充填された水素ガスを燃料電池２２に供給するポンプ３４と、酸素含有ガスとしての空気を燃料電池２２に供給するエアポンプ２６と、エアポンプ２６を気化熱を利用して冷却すると共に冷却により生じた水蒸気により燃料電池２２に供給される空気を加湿するための冷却水をエアポンプ２６に供給可能な冷却水供給装置３８と、燃料電池２２から排出される排出ガス（水素系の排出ガスと酸素系の排出ガス）の各排出管路に取り付けられ燃料電池２２から排出される排出ガスの流量を調節可能な流量調節弁３０，３２と、燃料電池２２に接続される負荷２８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット５０とを備える。
【００１３】
燃料電池２２は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する電解質膜とこの電解質膜を狭持するカソード電極およびアノード電極とからなる単セルとセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単電池を複数積層した燃料電池スタックとして構成されており、セパレータと電極とにより形成されるガス流路を通ってアノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される空気中の酸素との電気化学反応により水の生成を伴って発電する。燃料電池２２の出力端子からの電力ラインには、スイッチ４０，４２を介して負荷２８が接続されている。この燃料電池２２に接続される負荷２８としては、例えば、燃料電池２２から取り出された電力を調節するＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを介して供給された電力を用いて回転駆動するモータが挙げられる。また、図示しないが、燃料電池２２には、発電に伴って生じる熱を排出するために冷却媒体（例えば、冷却水）の循環流路が形成されており、燃料電池２２の温度が運転に適した温度（実施例では、６５℃〜８５℃）となるように冷却媒体の流量が電子制御ユニット５０により調節されるようになっている。
【００１４】
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ５４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。電子制御ユニット５０には、燃料電池２２の出力端子間の電圧を検出する電圧センサ４４からの端子間電圧Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、ポンプ３４への駆動信号やエアポンプ２６への駆動信号、流量調節弁３０，３２のアクチュエータへの駆動信号、加湿器３６への制御信号、冷却水供給装置３８への制御信号、燃料電池２２と負荷２８との間の電力ラインを継断するスイッチ４０，４２へのオンオフ信号、負荷２８への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１５】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に、燃料電池２２を始動する際の動作について説明する。図２は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット５０により実行される始動処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池２２の始動の指示がなされたとき、例えば、図示しない始動スイッチがＯＮされたときに実行される。
【００１６】
始動処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、水素ガスおよび空気をそれぞれ燃料電池２２のアノード電極およびカソード電極に供給すると共に燃料電池２２に供給される水素ガスおよび空気の加湿を停止し、流量調節弁３０，３２を閉成する処理を行なう（ステップＳ１００）。この処理は、具体的には、燃料電池２２のアノード電極への水素ガスの供給を指示する駆動信号をポンプ３４に出力すると共に加湿器３６の運転停止を指示する制御信号を加湿器３６に出力し、燃料電池２２のカソード電極への空気の供給を指示する駆動信号をエアポンプ２６に出力すると共にエアポンプ２６への冷却水の供給停止を指示する制御信号を冷却水供給装置３８に出力し、流量調節弁３０，３２の閉成を指示する駆動信号を流量調節弁３０，３２の各アクチュエータに出力することにより行なわれる。燃料電池２２に対して水素ガスと空気が供給されると共に流量調節弁３０，３２の閉成により燃料電池２２から排出ガスが排出されないように制御するから、燃料電池２２内の圧力は徐々に上昇することになる。なお、エアポンプ２６の冷却を行なえなくなるにも拘わらず冷却水供給装置３８を停止するのは、燃料電池２２を始動する際の短時間の停止であり、燃料電池２２の始動の際には通常はエアポンプ２６は低温であると考えられることに基づいている。勿論、エアポンプ２６が高温であるときには、冷却水供給装置３８を停止しないものとしてもよい。
【００１７】
そして、電圧センサ４４により検出された出力端子間の開放電圧ＯＣＶ（スイッチ４０，４２がＯＦＦのときの端子間電圧）を入力し（ステップＳ１０２）、入力された開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上になってから所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０４，Ｓ１０６）。開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ未満と判定されたり、開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となってから未だ所定期間経過していないと判定されたときには、ステップＳ１０２の処理に戻る。
【００１８】
開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となってから所定時間が経過したと判定されたときには、燃料電池２２内に含まれる水分を排出する処理、すなわち流量調節弁３０，３２を開成する処理を行なう（ステップＳ１０８）。この処理は、具体的には、流量調節弁３０，３２の開成を指示する駆動信号を流量調節弁３０，３２の各アクチュエータに出力することにより行なわれる。これにより、ステップＳ１００における流量調節弁３０，３２の閉成処理により上昇した燃料電池２２内の圧力は、流量調節弁３０，３２の開成により急激に下降することになるから、この圧力変動により燃料電池２２に含まれる水分を外部へ効果的に排出することができる。こうした処理は、燃料電池２２の始動前の水分状態に拘わらず行なわれるから、始動前の水分状態に拘わらず燃料電池２２の水分状態を常にほぼ一定の水分状態（所定範囲内の水分状態）にリセットすることができる。
【００１９】
こうして燃料電池２２内の水分を排出する処理が行なわれると、加湿器３６を駆動すると共に冷却水供給装置３８を駆動してポンプ３４から燃料電池２２へ供給される水素ガスを加湿すると共にエアポンプ２６から燃料電池２２へ供給される空気の加湿する処理を行ない（ステップＳ１１０）、燃料電池２２から負荷２８への電力供給が可能であるとして燃料電池２２の運転を開始する処理、すなわちスイッチ４０，４２を閉じて燃料電池２２と負荷２８とを電力ラインを介して接続する処理を行なって（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池２２からの電力が負荷２８に供給を受けて負荷２８を運転制御することになる。
【００２０】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、燃料電池２２を始動させる際には、一旦燃料電池２２内に含まれる水分を排出する処理を行なって燃料電池２２内を一定の水分状態（所定範囲内の水分状態）にリセットしてから、改めて加湿を行なうと共に燃料電池２２の運転を開始するから、燃料電池２２内の水分状態をより適切な状態とすることができ、燃料電池２２の運転をより安定させることができる。しかも、燃料電池２２の水分を排出する処理は、燃料電池２２の出力端子間の開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となってから所定時間経過した後であって燃料電池２２と負荷２８とを接続する前に行なうから、適切なタイミングで燃料電池２２内の水分状態を所定範囲内の状態にリセットすることができる。また、燃料電池２２内の水分の排出するのに流量調節弁３０，３２の開閉操作による燃料電池２２内の圧力変動を利用するから、より簡易に水分排出処理を行なうことができる。
【００２１】
実施例の燃料電池システム２０では、開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となってから所定時間が経過したときに燃料電池２２内の水分を排出する処理を行なうものとしたが、開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となった時点で閉成していた流量調節弁３０，３２を開成して燃料電池２２内の水分を排出する処理を行なうものとしても構わない。また、開放電圧ＯＣＶが閾値Ｖｒｅｆ以上となる前に燃料電池２２内の水分を排出する処理を行なうものとしても差し支えない。
【００２２】
実施例の燃料電池システム２０では、流量調節弁３０，３２の開閉操作により燃料電池２２内の水分を排出するものとしたが、流量調節弁３０，３２の開閉操作に代えて或いは流量調節弁３０，３２の開成操作と共にポンプ３４からの水素ガスの供給量やエアポンプ２６からの空気の供給量を調節、例えば、水素ガスの供給量と空気の供給量を一時的に増加させることにより燃料電池２２内の水分を排出するものとしても構わない。また、この他にも水分を排出する処理として、アノード電極に対して水素タンク２２からの水素ガスとは別のガス（例えば、空気）を供給することにより水分を排出するものとしたり、ヒータなどの熱機器を用いて燃料電池３０を加熱することにより水分を蒸発させて排出するなど種々の方法を採用しうる。
【００２３】
実施例の燃料電池システム２０では、エアポンプ２６を冷却するための冷却水による水蒸気を用いて燃料電池２２に供給される空気を加湿するものとしたが、エアポンプと燃料電池との間に加湿器を別途設けて空気を加湿するものとしても構わない。
【００２４】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池２２内の水分を排出する処理が完了するまで燃料電池２２に供給される水素ガスや空気の加湿を行なわないものとしたが、加湿を行なうものとしても差し支えない。
【００２５】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池２２のアノード電極とカソード電極の両方について水分を排出するための処理を行なうものとしたが、いずれか一方、特に燃料電池２２の発電により水分が生成されるカソード電極側における水分を排出するための処理を行なうものとしても構わない。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット５０により実行される始動処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０　燃料電池システム、２２　燃料電池、２４　水素タンク、２６　エアポンプ、２８　負荷、３０，３２　流量調節弁、３４　ポンプ、３６　加湿器、３８　冷却水供給装置、４０，４２　スイッチ、４４　電圧センサ、５０　電子制御ユニット、５２　ＣＰＵ、５４　ＲＯＭ、５６　ＲＡＭ。
【図１】
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【図２】
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