(57)【要約】【課題】低温起動時にコンプレッサを高負荷運転せずに暖機を促進可能にする。【解決手段】燃料電池システムは、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１への反応ガスの供給圧力を制御する供給圧力制御手段と、燃料電池１の温度を検知する温度センサ２３と、温度センサ２３で検知した燃料電池１の温度に基づいて低温起動か否かを判定する低温起動判定手段と、前記低温起動判定手段により低温起動と判定されたときに、燃料電池１への反応ガスの供給圧力を常温下での反応ガスの供給圧力よりも低い圧力に変更する低温起動供給圧力変更手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池への前記反応ガスの供給圧力を制御する供給圧力制御手段と、
前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段と、
前記状態検知手段で検知した燃料電池の状態に基づいて低温起動か否かを判定する低温起動判定手段と、
前記低温起動判定手段により低温起動と判定されたときに、前記燃料電池への前記反応ガスの供給圧力を常温下での前記反応ガスの供給圧力よりも低い圧力に変更する低温起動供給圧力変更手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を制御する供給流量制御手段と、
前記低温起動判定手段により低温起動と判定されたときに、前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を常温下での前記反応ガスの供給流量よりも大きい流量に変更する低温起動供給流量変更手段と、
を備え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。
【請求項３】
反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池を低温起動するときに、常温時に前記燃料電池に前記反応ガスを供給する圧力よりも低い圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムと燃料電池の低温起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池では、燃料電池内部で水が凍結すると有効発電面積が減少するため、常温時と同じ条件で反応ガスを供給すると常温時よりも水素の消費が減少して発電量が低下する。従来は、この発電量の低下を補うために、燃料電池を氷点下起動する際には、反応ガスの供給圧力を常温起動時よりも増大することにより、水素と酸素の電極への接触量を増大させて発電量を増大し、これと同時に、反応ガスの供給流量を常温起動時よりも増大することにより水の排出性を向上させ、燃料電池の迅速な暖機を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−４４７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、反応ガスの増量、増圧には、コンプレッサなどの補機を高負荷で運転しなければならず、その場合にこれら補機の騒音が大きくなるなど、商品性を損なう虞がある。
また、燃料電池の発電状態が定常状態になっていないときにコンプレッサなどの補機を高負荷運転するのは、エネルギーマネージメント上、不利である。
そこで、この発明は、低温起動時に補機を高負荷運転しないでも暖機を促進することができる燃料電池システムと燃料電池の低温起動方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池への前記反応ガスの供給圧力を制御する供給圧力制御手段（例えば、後述する実施例における圧力制御弁１０、レギュレータ１６）と、前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段（例えば、後述する実施例における温度センサ２３）と、前記状態検知手段で検知した燃料電池の状態に基づいて低温起動か否かを判定する低温起動判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１）と、前記低温起動判定手段により低温起動と判定されたときに、前記燃料電池への前記反応ガスの供給圧力を常温下での前記反応ガスの供給圧力よりも低い圧力に変更する低温起動供給圧力変更手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０２）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
燃料電池は、反応ガスの供給圧力を小さくすると過電圧が大きくなるＩＶ特性を有し、燃料電池の発熱量は過電圧にほぼ比例する。したがって、低温起動時に、常温下における燃料電池への反応ガスの供給圧力よりも低い圧力で燃料電池に反応ガスを供給すると、発電に伴う発熱量を増大させることができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を制御する供給流量制御手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７、水素ポンプ２７）と、前記低温起動判定手段により低温起動と判定されたときに、前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を常温下での前記反応ガスの供給流量よりも大きい流量に変更する低温起動供給流量変更手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０２）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、低温起動時に燃料電池内部の水（凍結する前の生成水、および、解凍された水）を確実に吹き飛ばすことができ、水の排出性が向上し、燃料電池内部での再凍結を防止することができる。
【０００６】
また、この発明に係る燃料電池の低温起動方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項３に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）を低温起動するときに、常温時に前記燃料電池に前記反応ガスを供給する圧力よりも低い圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池の低温起動方法である。
燃料電池は、反応ガスの供給圧力を小さくすると過電圧が大きくなるＩＶ特性を有し、燃料電池の発熱量は過電圧にほぼ比例する。したがって、低温起動時に、常温下における燃料電池への反応ガスの供給圧力よりも低い圧力で燃料電池に反応ガスを供給すると、発電に伴う発熱量を増大させることができるので燃料電池の自己発熱を促進することができ、燃料電池を迅速に昇温することができる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、低温起動時に燃料電池の発電に伴う発熱量を増大させることができるので、燃料電池の自己発熱を促進し、燃料電池を迅速に昇温することができる。
請求項２に係る発明によれば、水の排出性が向上し、起動時に燃料電池内部で水が再凍結するのを防止することができる。
請求項３に係る発明によれば、低温起動時に燃料電池の発電に伴う発熱量を増大させることができるので、燃料電池の自己発熱を促進し、燃料電池を迅速に昇温することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の低温起動方法の実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。
初めに、この発明に係る燃料電池システムの概略構成を図１を参照して説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、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をアノードとカソード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ており、アノード側の燃料ガス流通路（反応ガス流通路）５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路（反応ガス流通路）６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【０００９】
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される。燃料電池１に供給される空気の流量はコンプレッサ７によって制御され、コンプレッサ７は電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって回転数制御される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁（供給圧力制御手段）１０を介して図示しない排気処理装置へ排出される。燃料電池１に供給される空気の圧力は圧力制御弁１０によって制御され、圧力制御弁１０はＥＣＵ３０によって開度制御される。圧力制御弁１０よりも上流の空気排出流路９には、燃料電池１から排出される空気の圧力を検出するカソード出口圧力センサ２４が設けられている。
【００１０】
一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１７、遮断弁２０を流通し、レギュレータ（供給圧力制御手段）１６によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１９を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１８を通り、水素ポンプ２７で昇圧された後、エゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。
【００１１】
水素ポンプ２７は流量可変型のポンプであり、燃料電池１に供給される水素ガスの流量は水素ポンプ２７によって制御され、水素ポンプ２７はＥＣＵ３０によって制御される。
また、レギュレータ１６は２次側圧力変更装置を備えており、ＥＣＵ３０からの指令によって２次側圧力を変更可能である。この燃料電池システムでは、レギュレータ１６の２次側圧力を変更することによって、燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を制御することができる。
エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７には、燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を検出するアノード入口圧力センサ２５が設けられている。
【００１２】
アノードオフガス流路１８には燃料電池１から排出されるアノードオフガスの温度を検出する温度センサ（状態検知手段）２３が設けられている。この実施例では、この温度センサ２３で検出されるアノードオフガス温度を燃料電池１の内部温度（システム温度）とみなす。
アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排出弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスは圧力制御弁１０から排出される空気によって希釈される。
温度センサ２３、カソード出口圧力センサ２４、アノード入口圧力センサ２５の出力信号はＥＣＵ３０に入力され、ＥＣＵ３０は、これらセンサ２３〜２５からの入力信号や要求出力などに基づいて、コンプレッサ７、水素ポンプ２７、レギュレータ１６の２次側圧力変更装置、圧力制御弁１０、排出弁２１等を制御する。
【００１３】
ところで、この燃料電池システムでは、低温起動時には、常温下における燃料電池１への反応ガスの供給圧力よりも低い圧力で燃料電池１に反応ガスを供給することによって、燃料電池１の自己発熱を促進し、早期暖機を図っている。
図２に示す燃料電池１のＩＶ特性図を参照してその原理を説明する。
燃料電池１に負荷を接続し電流を流すと、燃料電池１の電圧は開回路電圧から電流の大きさに応じて過電圧分だけ低下し、燃料電池１は発熱する。このときの発熱量は過電圧の大きさにほぼ比例する。
【００１４】
図２に示すＩＶ特性図は、燃料電池１に供給する反応ガスの供給圧力（以下、反応ガス供給圧力と略すこともある）だけを変え、反応ガスの供給流量（以下、反応ガス供給流量と略すこともある）など他の条件を同一にして、実験的に求めた結果である。この図において、実線で示す「供給圧力小」のＩＶ特性は、燃料電池１の発電状態が正常な場合において燃料電池１への反応ガス供給圧力を低くしたときのＩＶ特性であり、破線で示す「供給圧力大」のＩＶ特性は、燃料電池１の発電状態が正常な場合において燃料電池１への反応ガス供給圧力を「供給圧力小」のときよりも高くしたときのＩＶ特性である。この実験結果から、燃料電池１に同じ電流値で負荷をかけたときで比較すると、燃料電池１への反応ガス供給圧力が低い場合の方が反応ガス供給圧力が高い場合よりも、過電圧が大きい。例えば、電流値ｉのとき、「供給圧力小」の場合の過電圧βは「供給圧力大」の場合の過電圧αよりも大きい。
【００１５】
その結果、前述したように燃料電池１の発熱量は過電圧の大きさに比例するので、燃料電池１に同じ電流値で負荷をかけたときで比較すると、燃料電池１への反応ガス供給圧力が低い場合の方が反応ガス供給圧力が高い場合よりも、燃料電池１の発熱量は大きくなる。
したがって、低温起動時における燃料電池１への反応ガス供給圧力を、常温起動時における反応ガス供給圧力よりも低くすることにより、起動時における燃料電池１の自己発熱量を大きくすることができる。
そこで、この燃料電池システムでは、低温起動時には、常温下での燃料電池１への反応ガス供給圧力よりも低い圧力で燃料電池１に反応ガスを供給することによって、燃料電池１の自己発熱を促進し、燃料電池１を迅速に昇温して、早期に通常の運転状態（常温起動、常温運転）に移行することができるようにした。また、これと同時に、低温起動時には、常温下での燃料電池１への反応ガス供給流量よりも大きい流量で燃料電池１に反応ガスを供給することによって、低温起動時に燃料電池１の内部の水（凍結する前の生成水、および、解凍された水）を確実に吹き飛ばすことができるようにし、水の排出性を向上して、燃料電池１内部で水が再凍結するのを防止するようにした。
【００１６】
次に、燃料電池１の起動方法の実施例を図３に示すフローチャートに従って説明する。図３のフローチャートに示す起動制御ルーチンは、イグニッションスイッチ２６のＯＮ信号入力を開始条件として、ＥＣＵ３０によって実行される。
まず、ステップＳ１０１において、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度が０゜Ｃより低い（すなわち、氷点下）か否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃより低い）である場合は、ステップＳ１０２に進み、図４に示す供給圧力マップにおける低温起動用の供給圧力マップ（実線）を参照して要求負荷（要求電流）に応じた反応ガス供給圧力を算出するとともに、図５に示す供給流量マップにおける低温起動用の供給流量マップ（実線）を参照して、要求負荷に応じた反応ガス供給流量を算出する。
【００１７】
なお、燃料電池１に供給する反応ガスには、燃料電池１のアノード側すなわち燃料ガス流通路５に供給する水素ガスと、カソード側すなわち酸化剤ガス流通路６に供給する空気があり、実際には、水素ガス用の供給圧力マップと、水素ガス用の供給流量マップと、空気用の供給圧力マップと、空気用の供給流量マップが存在する。しかしながら、取り出し電流に対する供給圧力の変化の傾向は水素ガス用のマップも空気用のマップも同様であるので、ここでは水素ガス用の供給圧力マップと空気用の供給圧力マップをいずれも図４で示している。また、取り出し電流に対する供給流量の変化の傾向は水素ガス用のマップも空気用のマップも同様であるので、ここでは水素ガス用の供給流量マップと空気用の供給流量マップをいずれも図５で示している。
【００１８】
また、図４の供給圧力マップには、低温起動用の供給圧力マップ（実線）と、常温起動用の供給圧力マップ（破線）と、常温運転用の供給圧力マップ（一点鎖線）が記載されている。いずれの供給圧力マップも取り出し電流が増大するにしたがって反応ガス供給圧力が増大していくが、同じ取り出し電流値の場合で比較すると、常温起動用の供給圧力は常温運転用の供給圧力よりも大きく設定され、低温起動用の供給圧力は常温運転用の供給圧力よりも小さく設定されている。
【００１９】
図５に示す供給流量マップには、低温起動用の供供給流量マップ（実線）と、常温起動用の供給流量力マップ（破線）と、常温運転用の供給流量マップ（一点鎖線）が記載されている。いずれの供給流量マップも取り出し電流が増大するにしたがって反応ガス供給流量が増大していくが、同じ取り出し電流値の場合で比較すると、常温起動用の供給流量は常温運転用の供給流量よりも大きく設定され、低温起動用の供給流量は常温起動用の供給流量よりも大きく設定されている。なお、低温起動用の供給流量マップは、前記許容取り出し電流の範囲において設定されている。
【００２０】
そして、ステップＳ１０２の処理を実行した後、ステップＳ１０３に進み、低温起動運転制御を実行する。低温起動運転制御では、ステップＳ１０２において算出した水素ガスの供給圧力、供給流量を低温起動制御目標値として、この低温起動制御目標値に、燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される水素ガスの供給圧力、供給流量が一致するように、レギュレータ１６と水素ポンプ２７をフィードバック制御するとともに、ステップＳ１０２において算出した空気の供給圧力、供給流量を低温起動制御目標値として、この低温起動制御目標値に、燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される空気の供給圧力、供給流量が一致するように、コンプレッサ７と圧力制御弁１０をフィードバック制御する。
【００２１】
ステップＳ１０３の処理を実行した後、ステップＳ１０４に進み、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度が０゜Ｃより高いか否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃ以下）である場合は、ステップＳ１０３に戻って、低温起動運転制御を継続する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃより高い）である場合は、ステップＳ１０５に進み、図４に示す供給圧力マップにおける常温起動用の供給圧力マップ（破線）を参照して要求負荷（要求電流）に応じた反応ガス供給圧力を算出するとともに、図５に示す供給流量マップにおける常温起動用の供給流量マップ（破線）を参照して、要求負荷に応じた反応ガス供給流量を算出する。なお、ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃ以上）である場合は、低温起動運転制御を実行する必要がないので、この場合もステップＳ１０５に進んで、常温起動時の反応ガス供給圧力および供給流量を算出する。
【００２２】
次に、ステップＳ１０５からステップＳ１０６に進み、常温起動運転制御を実行する。常温起動運転制御では、ステップＳ１０５において算出した水素ガスの供給圧力、供給流量を常温起動制御目標値として、この常温起動制御目標値に、燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される水素ガスの供給圧力、供給流量が一致するように、レギュレータ１６と水素ポンプ２７をフィードバック制御するとともに、ステップＳ１０５において算出した空気の供給圧力、供給流量を常温起動制御目標値として、この常温起動制御目標値に、燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される空気の供給圧力、供給流量が一致するように、コンプレッサ７と圧力制御弁１０をフィードバック制御する。
【００２３】
ステップＳ１０６の処理を実行した後、ステップＳ１０７に進み、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度がＴ゜Ｃより高いか否かを判定する。この温度Ｔは、起動完了を判定する温度であり、予め０゜Ｃよりも高い所定の温度に設定しておく。なお、起動完了か否かの判定は、その時点における燃料電池１のＩＶ特性に基づいて判定してもよく、例えば、燃料電池１の電圧が、反応ガスの供給条件と取り出し電流に応じて予め設定しておいた所定電圧を越えたか否かによって判定することが可能である。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｔ゜Ｃ以下）である場合は、ステップＳ１０６に戻って、常温起動運転制御を継続する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔ゜Ｃより高い）である場合は、ステップＳ１０８に進み、図４に示す供給圧力マップにおける常温運転用の供給圧力マップ（一点鎖線）を参照して要求負荷（要求電流）に応じた反応ガス供給圧力を算出するとともに、図５に示す供給流量マップにおける常温運転用の供給流量マップ（一点鎖線）を参照して、要求負荷に応じた反応ガス供給流量を算出する。
【００２４】
次に、ステップＳ１０８に進み、常温起動運転制御を実行して、本ルーチンの実行を終了する。常温運転制御では、ステップＳ１０８において算出した水素ガスの供給圧力、供給流量を常温運転制御目標値として、この常温運転制御目標値に、燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される水素ガスの供給圧力、供給流量が一致するように、レギュレータ１６と水素ポンプ２７をフィードバック制御するとともに、ステップＳ１０８において算出した空気の供給圧力、供給流量を常温運転制御目標値として、この常温運転制御目標値に、燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される空気の供給圧力、供給流量が一致するように、コンプレッサ７と圧力制御弁１０をフィードバック制御する。
【００２５】
この実施例において、燃料電池１の温度を検出する温度センサ２３は、燃料電池１の状態を検知する状態検知手段を構成する。実施例では、燃料電池の温度としてアノードオフガス温度を代用したが、燃料電池から排出される空気の温度を代用してもよいし、燃料電池の温度を直接検出してもよい。
状態検知手段は燃料電池１の温度を検出する温度センサ２３に限るものではない。例えば、イグニッションスイッチ２６がＯＮされたときに、予め設定したイニシャル流量、イニシャル圧力で反応ガスを燃料電池１に供給して発電を行うとともに燃料電池１に負荷を加え、この負荷に予め設定した電流を流して、そのときに検出された過電圧値（以下、初期過電圧という）に基づいて燃料電池１の状態を検知するようにしてもよく、この場合には、初期過電圧の検出処理によって状態検知手段が構成される。
【００２６】
この実施例において、ＥＣＵ３０がステップＳ１０１の処理を実行することにより低温起動判定手段が実現され、ステップＳ１０２の処理を実行することにより低温起動供給圧力変更手段および低温起動供給流量変更手段が実現される。
また、この実施例では、常温起動用の供給圧力マップと常温運転用の供給圧力マップを別々に用意したが、これらマップを同一にして兼用してもよく、同様に、常温起動用の供給流量マップと常温運転用の供給流量マップを同一にして兼用してもよい。
さらに、燃料電池システムは車両に搭載されるものに限らず、他の移動体に搭載されてもよいし、固定式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池のＩＶ特性である。
【図３】この発明の実施例における燃料電池の起動制御を示すフローチャートである。
【図４】前記実施例の起動制御において使用される反応ガスの供給圧力マップである。
【図５】前記実施例の起動制御において使用される反応ガスの供給流量マップである。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池
７  コンプレッサ（供給流量制御手段）
１０  圧力制御手段（供給圧力制御手段）
１６  レギュレータ（供給圧力制御手段）
２３  温度センサ（状態検知手段）
２７  水素ポンプ（供給流量制御手段）
【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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