(57)【要約】【課題】  迅速に燃料電池システムの起動を行うことができる燃料電池システムの起動方法を提供する。【解決手段】  燃料電池３０と、アノード２に水素を供給する水素供給流路５と、カソード３にエアを供給するエア供給流路８と、アノード２から排出される水素オフガスを再び水素供給流路５に供給するための水素オフガス循環流路１７と、水素オフガス循環流路１７とエア供給流路８とを接続する混入用流路２４と、この流路２４に設けられる排出弁２３と、を備えた燃料電池システムの起動時に、燃料電池３０が所定の温度よりも低い場合には、排出弁２３を開弁して水素オフガスをエア供給流路８に流入させ、水素オフガスをエアに混合させて、カソード３に供給する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ触媒を担持したアノードとカソードとの間に電解質を介装してなる燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記アノードから排出される燃料オフガスを再び前記燃料ガス供給流路に供給するための燃料オフガス循環流路と、
前記燃料オフガス循環流路と前記酸化剤ガス供給流路とを接続する接続流路と、
前記接続流路に設けられ、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスを前記酸化剤ガス供給流路に排出可能にする排出弁と、
を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記排出弁を開弁して前記燃料オフガスを前記酸化剤ガス供給流路に流入させ、前記燃料オフガスを前記酸化剤ガスに混合させて、前記カソードに供給することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
前記カソードに供給される燃料オフガスの前記酸化剤ガスに対する割合が所定範囲となるように、前記排出弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項３】
前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスを排出する第２の排出弁をさらに備え、前記アノードに流入する燃料ガスの流量が所定量以下の場合には、前記第２の排出弁を開弁することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料オフガスを再び循環させてアノードに供給する流路を備えた燃料電池システムに適用され、低温始動時における燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【０００３】
この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。
【０００４】
そして、従来の燃料電池システムとしては、アノードに水素を供給する手段とは別に水素タンクを別途備え、該水素タンクからの水素をエアと混合させてカソードに供給して、カソードに設けた触媒で燃焼させることで、燃焼ガスにより暖機する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第６１０３４１０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術においてはカソードに設けた触媒による燃焼ガスにより燃料電池を暖機するため、燃料電池の温度上昇を速やかに行えるものの、燃料電池システムを早期に起動させるためには燃料ガスである水素および酸化剤ガスである空気を十分な量燃料電池に供給しておくことが必要である。すなわち、燃料電池の温度が燃焼熱によって上昇した後に、燃料電池が発電を行うためには、燃料ガスと酸化剤ガスが燃料電池の内部における反応面に十分な量存在することが必要であり、従来の技術においては燃料電池システムを早期に駆動させるという観点の着目がされていなかった。
【０００６】
燃料電池車両においては、水素オフガスをアノードに再度供給するための循環流路を備えている場合が多いが、燃料電池で燃料ガスである水素を消費していない起動時においては、循環流路内では燃料ガスの流通がなく、アノードへ十分燃料ガスが供給されていないことがあった。特に、低温起動時にはアノードへの供給流路が残留水の凍結等により閉塞されていると、アノードへの水素ガスの供給が迅速に行えずに、燃料電池の温度が十分上昇したとしても、燃料電池の発電の安定化に対し障害となってしまうという問題がある。
【０００７】
従って、本発明は、迅速に燃料電池システムの起動を行うことができる燃料電池システムの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】
【０００８】
請求項１に係る発明は、それぞれ触媒を担持したアノードとカソードとの間に電解質を介装してなる燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（例えば、実施の形態における水素供給流路５）と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（例えば、実施の形態におけるエア供給流路８）と、前記アノードから排出される燃料オフガスを再び前記燃料ガス供給流路に供給するための燃料オフガス循環流路（例えば、実施の形態における水素オフガス循環流路１７）と、前記燃料オフガス循環流路と前記酸化剤ガス供給流路とを接続する接続流路（例えば、実施の形態における水素オフガス混入用流路２４）と、前記接続流路に設けられ、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスを前記酸化剤ガス供給流路に排出可能にする排出弁（例えば、実施の形態における排出弁２３）と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記排出弁を開弁して前記燃料オフガスを前記酸化剤ガス供給流路に流入させ（例えば、実施の形態におけるステップＳ１６、ステップＳ１８）、前記燃料オフガスを前記酸化剤ガスに混合させて、前記カソードに供給することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、前記排出弁を開弁して前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを前記酸化剤ガス供給流路に流入させるので、循環流路内での燃料ガスの流通が行えるようになる。これにより、前記燃料ガス供給流路から燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの流量および流速を増大させることができるので、燃料電池による燃料ガスの消費が少ない起動時であっても、前記アノードに速やかに十分な量の燃料ガスを供給することができるので、発電の安定化を促進することができる。
【００１０】
さらに、この発明によれば、酸化剤ガス供給流路に排出された燃料オフガスは、酸化剤ガスに混合されてカソードに供給される。このため、燃料オフガスと酸化剤ガスとがカソードに担持した触媒を介して化学反応して発熱する。これによって、カソードを直接的に加熱することができるので、燃料電池システムの起動時から迅速に温度上昇を行うことができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記カソードに供給される燃料オフガスの前記酸化剤ガスに対する割合が所定範囲となるように、前記排出弁の開度を制御する（例えば、実施の形態におけるステップＳ１８）ことを特徴とする。
この発明によれば、前記排出弁の開度を制御することで、前記カソードに供給される燃料オフガスの濃度が、前記カソードでの化学反応に最適な濃度となるように制御することができるので、より迅速に温度を上昇させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスを排出する第２の排出弁（例えば、実施の形態における水素パージ弁１４）をさらに備え、前記アノードに流入する燃料ガスの流量が所定量以下の場合には、前記第２の排出弁を開弁することを特徴とする。
この発明によれば、前記アノードに流入する燃料ガスの流量が所定量以下の場合には、前記接続流路の排出弁に加えて前記第２の排出弁をさらに開弁して、循環流路内の燃料ガスの流通を大きくする。これにより、アノードに流入する燃料ガスの流量および流速を上昇させることができるので、十分な燃料ガス量を供給することができ、発電の安定化をさらに促進することができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、発電の安定化を促進することができるとともに、燃料電池システムの起動時から迅速に温度上昇を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池の温度をより迅速に上昇させることができる。
請求項３に係る発明によれば、発電の安定化をさらに促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動方法が適用される燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の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。
【００１５】
燃料電池３０は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜１（以下、電解質膜１、と記す）をアノード２とカソード３とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。アノード２に燃料として水素を供給し、カソード３に酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノード２で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１を通過してカソード３まで移動して、カソード３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。燃料電池３０には電圧センサ２１が設けられ、この電圧センサ２１により発電電圧（ＶＦＣ）を検出する。
なお、発電の際にはカソード３側で水が生成されるとともに、カソード３側で生じた生成水の一部が電解質膜１を介してアノード２側に逆拡散してアノード２側にも生成水が存在する。
【００１６】
水素タンク４から供給される水素は、図示しない遮断弁や、レギュレータ１８を介して水素供給流路５を通って燃料電池３０のアノード２に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード２側の生成水等の残留水と共にアノード２から水素オフガス循環流路１７に排出され、循環用ポンプ２０やエゼクタ１６を介して水素供給流路５に合流する。つまり、燃料電池３０から排出された水素オフガスは、水素タンク４から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池３０のアノード２に供給される。また、水素オフガス循環流路１７から分岐した水素オフガス排出流路６は希釈ボックス２２に接続される。水素オフガス排出流路６には水素パージ弁１４が設けられ、水素パージ弁１４を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路６から希釈ボックス２２に排出する。
【００１７】
一方、エアはコンプレッサ７によりエア供給流路８に圧送され、燃料電池３０のカソード３に供給される。エア供給流路８にはインタークーラ（熱交換器）１０が介装されており、該インタークーラ１０により反応ガスを冷却するように構成されている。燃料電池３０のカソード３に供給されたエアは発電に供された後、燃料電池３０からカソード３側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路９に排出される。
【００１８】
エアオフガス排出流路９は希釈ボックス２２に接続され、エアオフガス排出流路９から排出されるエアオフガスは希釈ボックス２２内で水素オフガスと混合される。
これにより、水素オフガス排出流路６から排出された水素オフガスは、希釈ボックス２２により所定濃度以下に希釈される。
また、エアオフガス排出流路９には温度センサ１９が設けられており、排出流路９を流通するエアオフガスの温度を検知できるようにしている。
【００１９】
また、エア供給流路８には、インタークーラ１０をバイパスするバイパス流路１１が三方弁１２を介して接続されている。この三方弁１２を切換動作させることによりバイパス流路１１へのエアの流通や遮断を制御している。
また、燃料電池３０は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池３０の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池３０は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
【００２０】
また、水素オフガス循環流路１７とエア供給流路８とを接続する水素オフガス混入用流路２４が設けられている。この混入用流路２４には排出弁２３が設けられ、この排出弁２３を開弁することで、水素オフガス循環流路１７から水素オフガスをエア供給流路８に排出することができる。
【００２１】
燃料電池システムには、該システムの制御を行うための制御部（ＥＣＵ）１３が設けられている。この制御部１３には、イグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）が接続されている。制御部１３には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９や電圧センサ２１からの検出値が入力される。そして、制御部１３は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、水素タンク４、コンプレッサ７、三方弁１２、水素パージ弁１４を駆動させる信号を出力するようになっている。
【００２２】
図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、水素タンク４やコンプレッサ７を駆動して、燃料電池３０のアノード２やカソード３にそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。
ステップＳ１４では、温度センサ１９で検出した温度Ｔが所定値（この場合は０度）以下か否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯの場合にはこのフローチャートの処理を終了する。
【００２３】
ステップＳ１６では、コンプレッサ７から供給されるエアの流量（暖機要求）に応じてエア供給流路８に混合する水素オフガスの混合流量を決定する。そして、ステップＳ１８では、混入量から排出弁２３の開度を制御して、水素オフガスをエア供給流路８に流入させ、水素オフガスをエアガスに混合させて、カソード３に供給する。なお、コンプレッサ７から供給されるエアがバイパス流路１１に流入するように、三方弁１２を切換制御しておく。
【００２４】
このとき、水素オフガスとエアとがカソード３に設けた触媒を介して化学反応を起こして発熱する。これによって、カソード３を直接的に加熱することができるので、燃料電池システムの起動時から迅速に温度上昇を行うことができる。なお、この電解質膜１の加熱は前記所定の温度より低い低温下で行われるので、電解質膜１の性能は本来のまま維持することができる。
【００２５】
また、排出弁２３の開度を制御することで、カソード３に供給される水素オフガスの濃度が、カソード３での化学反応に最適な濃度となるように制御することができるので、より迅速に温度を上昇させることができる。
【００２６】
また、水素オフガス循環流路１７の水素オフガスをエア供給流路８に流入させるため、水素オフガス循環流路１７に水素ガスの流通が起きることになる。これにより、水素供給流路５から燃料電池３０のアノード２に供給される水素の流量および流速を増大させることができる。従って、燃料電池３０の発電による水素消費が少ない起動時や、燃料電池３０が所定の温度より低い低温起動時であっても、アノード２に速やかに十分な水素を供給することができるので、発電の安定化を促進することができる。
【００２７】
ステップＳ２０では、温度センサ１９で検出した温度Ｔが０度以上か否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ２２に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１６に戻る。ステップＳ２２では、アノード２に供給される水素の流量が十分か否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合にはこのフローチャートの処理を終了し、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、水素パージ弁１４を開いてステップＳ１６の処理に戻る。
【００２８】
このように、排出弁２３に加えて水素パージ弁１４をさらに開弁して、水素オフガス循環流路１７内に水素ガスの流通を大きくする。これにより、アノード２に流入する水素の流量および流速を上昇させることができるので、燃料電池３０に十分な反応ガスを供給することができ、発電の安定化をさらに促進することができる。特に、低温起動時にあっては、燃料電池３０内の反応ガス流路５、８に生成水などの残留水が凍結しているような場合にでも、十分な水素ガスを反応ガス流路５、８に供給することができるので、燃料電池３０の温度が上昇した後に、燃料電池３０の発電の安定化が図れる。
【００２９】
以上説明したように、本発明においては、発電の安定化を促進することができるとともに、燃料電池システムの起動時から迅速に温度上昇を行うことができる。
【００３０】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、加湿器やバイパス流路や開閉弁を水素流路に設けてもよく、エア流路と水素流路のそれぞれに設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの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】燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１…固体高分子電解質膜（電解質）
２…アノード
３…カソード
５…水素供給流路（燃料供給流路）
８…エア供給流路（酸化剤ガス供給流路）
１４…水素パージ弁（第２の排出弁）
１７…水素オフガス循環流路（燃料オフガス循環流路）
２３…排出弁
２４…水素オフガス混入用流路（接続流路）
３０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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