(57)【要約】【課題】起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料電池スタック１から電流を取り出す電流制御装置４１と、少なくとも２つ以上の燃料電池スタック１内に配置された電圧センサ３０と、を備え、コントローラ４０により、起動時に、酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置４１を制御し、その後酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および該酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
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剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から電流を取り出す通電手段と、
少なくとも２つ以上の前記燃料電池内に配置された電圧計測手段と、
起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で前記燃料極に燃料ガスを供給した後に、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように前記通電手段を制御し、その後前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料極に燃料ガスを供給した後に、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となってから前記通電手段によって前記燃料電池から電流を取り出す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】
前記制御手段は、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値が所定値以上となってから前記通電手段によって前記燃料電池から電流を取り出すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率を維持できる値であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、供給する燃料ガスから計算される目標燃料利用率以下となるように制御されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記制御手段による起動制御時に前記電圧計測手段で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるように制御されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記制御手段による起動制御時に前記電圧計測手段で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるときの最大電流であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
補助電源として充放電可能な二次電池を有し、
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記二次電池への充電量と当該燃料電池システムの補機類の消費電力との和から定められる最大値であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記電圧計測手段により得られる前記燃料電池の総電圧に応じて制御されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記電圧計測手段により得られる前記燃料電池の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記電圧計測手段で得られる全ての電圧値のばらつきが所定量以下となるように制御されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
補助電源として充放電可能な二次電池を有し、
前記制御手段が前記通電手段に対して指令する目標指令電流は、前記二次電池および当該燃料電池システムの補機類で消費できる最大量以下であることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記通電手段によって前記燃料電池から取り出す電流は、前記二次電池および当該燃料電池システムの補機類で消費できる最大電力量以下となるような値であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを前記燃料ガス供給手段に循環させる燃料ガス循環系を有することを特徴とする請求項１〜請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記電圧計測手段は、前記燃料電池のセル毎に設置されることを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記電圧計測手段は、前記燃料電池の数セルに１つずつ設置されることを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記電圧計測手段は、対で構成され、同一セルまたは複数セルの測定対象について２箇所の電圧を計測することを特徴とする請求項１〜請求項１６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記対の電圧計測手段は、それぞれ同一セルまたは複数セルの測定対象について前記燃料極の燃料ガス供給側と燃料ガス排出側の２箇所の電圧を計測することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【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に係り、特に、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいては、起動時において、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で燃料ガスを供給した場合には、燃料室内で瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生してしまい、該偏在によって電気化学反応が生じて電極が劣化するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対処するべく、特開２００５−１５８５５５号公報に開示の「燃料電池システム」では、起動時または停止時に、カソード空気シャット手段によりカソードへの空気流入を遮断した状態で、水素をアノードに供給し、燃料電池本体の発電によってカソードに残留した酸素を消費させることにより、燃料電池の劣化を抑制している。
【特許文献１】特開２００５−１５８５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、起動時に空気を遮断した状態で水素をアノードに供給し、発電することでカソードに残留した酸素を消費させることにより、起動時の劣化を抑制することはできるが、燃料電池本体の発電時の電流（出力）の取り出し方によっては起動時間が長くなる可能性がある。
【０００７】
また、燃料電池本体の発電時の電流（出力）の取り出し方によっては、電流（出力）を取り出す際に、燃料電池の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることもあり、このような状態で電流（出力）を取り出すと、該セルにおいて燃料不足状態となって触媒層が劣化する事態も起こり得るという事情があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するため、本発明は、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および該酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、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剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す通電手段と、少なくとも２つ以上の前記燃料電池内に配置された電圧計測手段と、起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で前記燃料極に燃料ガスを供給した後に、前記電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように前記通電手段を制御し、その後前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、起動時に燃料ガスのみを供給し、電圧計測手段で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となるように、通電手段によって電流を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することよる劣化を抑制できると共に、取り出し得る最大限の電流を取り出すことが可能となり、また、電流を取り出す際に燃料電池の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることにより発生する劣化をも抑制することができ、結果として、起動時の燃料電池の劣化を最大限抑えつつ、より短い時間で起動可能な燃料電池システムを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】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１３】
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１の電圧を検出する手段として、電圧センサ（電圧計測手段）３０を備えており、燃料電池スタック１のセル毎、或いは数セル毎に設置された構成により、各セル電圧または数セル単位の電圧および燃料電池スタック１の総電圧を検出している。また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタックケース２０内に設置されており、該燃料電池スタックケース２０内または燃料電池スタックケース２０の出口付近に燃料センサ３４が設置されている。
【００１４】
また、燃料ガス供給系として、燃料タンク２、燃料供給弁３、燃料調圧弁（タンク側）４、燃料供給調圧弁５、圧力センサ３２、燃料パージ弁８、燃料供給配管２１および燃料排気配管２４を備え、燃料ガス循環系として燃料循環ポンプ７および燃料循環配管２３を備え、酸化剤ガス供給系として、酸化剤コンプレッサ１１、酸化剤流量測定器３１、圧力センサ３３、酸化剤調圧弁１２、燃料センサ３５、酸化剤供給配管２２および酸化剤排気配管２５を備えている。
【００１５】
また、負荷系として、電流制御装置４１、二次電池４３、補機類４４および負荷部４２を備え、さらに制御系として、燃料電池スタック１、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき、燃料ガス供給系、燃料ガス循環系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ４０を備えた構成である。
【００１６】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発生する。
（数１）
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                               （１）
（数２）
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ                   （２）
つまり、燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび外部回路を通って移動した電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１７】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１８】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極（アノード）や酸化剤極（カソード）に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として燃料ガス供給系、燃料ガス循環系および酸化剤ガス供給系が設けられている。
【００１９】
燃料ガス供給系において、アノードへの燃料供給は、燃料タンク２から燃料供給弁３、燃料調圧弁４、燃料供給調圧弁５および燃料供給配管２１を通じてなされる。燃料タンク２から供給される高圧水素は、燃料供給弁３および燃料調圧弁４で所定の圧力まで減圧され、燃料供給調圧弁５により燃料電池スタック１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。
【００２０】
また、燃料循環ポンプ７および燃料循環配管２３を備える燃料ガス循環系は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、コントローラ４０が圧力センサ３２で検出した水素圧力をフィードバックして燃料供給調圧弁５を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池スタック１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。
【００２１】
また、燃料パージ弁８は次のような役割を果たす。まず第１には、燃料循環機能を確保するために燃料ガス供給系内に蓄積した窒素を排出する。水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の出力低下に繋がると共に、循環ガスの平均質量が増加するため、燃料ガス循環系での水素循環流量が低下するので、このような場合には、燃料パージ弁８を開放して水素循環系内をパージすることで、不純物質を水素と共に燃料排気配管２４から系外に排出するのである。また第２には、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、ガス流路やガス配管中に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。さらに第３には、起動時に燃料ガス供給系を水素で置換するために、燃料ガス供給系内のガスを排出する。
【００２２】
一方、酸化剤ガス供給系においては、カソードへの空気はコンプレッサ１１により供給される。カソードの空気圧は、コントローラ４０が圧力センサ３３で検出した空気圧力をフィードバックして酸化剤調圧弁１２を駆動することによって制御される。
【００２３】
次に、負荷系について説明する。燃料電池スタック１は、電流制御装置４１と電気的に接続され、さらに電流制御装置４１は、補助電源として充放電可能な二次電池４３、当該燃料電池システム内の発電を行うために必要な補機類４４、並びに車両を駆動するモータ等の負荷部４２と電気的に接続されている。
【００２４】
電流制御装置４１は、特許請求の範囲にいう通電手段に該当し、燃料電池スタック１または二次電池４３（放電時）から出力（電流または電力）を取り出して補機類４４および負荷部４２へ供給すると共に、二次電池４３の充放電を管理する。ここで、電流制御装置４１における出力取り出し部の構成は、可変出力を取り出し可能とする構成や、或いは、固定抵抗の接続／非接続により取り出す出力を制御する構成などが考えられる。
【００２５】
さらに、コントローラ４０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、燃料電池スタック１、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各種センサや他の各種計器からの検知信号に基づき、燃料ガス供給系、燃料ガス循環系、酸化剤ガス供給系および負荷系の各構成要素の制御を行って（各種アクチュエータを駆動するなどして）、燃料電池システムの発電制御を行う。
【００２６】
すなわち、コントローラ４０は、特許請求の範囲にいう制御手段に該当し、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。
【００２７】
なお、コントローラ（制御手段）４０においては、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングとして、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すのが望ましい。或いは、より確実なタイミング制御を行うために、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値が所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すのが望ましい。
【００２８】
また、電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように制御されることが望ましい。
【００２９】
また、ここで、コントローラ（制御手段）４０が電流制御装置４１に対して指令する目標指令電流は、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下とするか、或いは、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値とするのが望ましい。
【００３０】
このように、本実施例では、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出す制御を、燃料電池スタック１の電圧に基づいて行っているが、ここで、電圧センサ（電圧計測手段）３０の具体的構成について、図２〜図５を参照して説明する。図２〜図５は、それぞれ燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図である。
【００３１】
まず第１の具体的構成例は、図２に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、電圧センサ３０ａ−１〜３０ａ−Ｎをセル毎に１つずつ設置した構成である。図中、任意のセル１ａ−ｉにおいて、１ｂ−ｉは燃料極、１ｃ−ｉは酸化剤極、１ｄ−ｉは電解質膜である。なお、図２においては、各電圧センサ３０ａ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス供給側に設置しているが、これに限定されることはなく、各セルの最低電位を検出しやすく且つ設置可能な箇所であればよい。
【００３２】
また、第２の具体的構成例は、図３に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、電圧センサ３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍ（図ではＭ＝Ｎ／３）を数セル（図では３セル）毎に１つずつ設置した構成である。
【００３３】
また、第３の具体的構成例は、図４に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、セル毎に１対の電圧センサを設置した構成であり、電圧センサ３０ａ−１〜３０ａ−Ｎおよび電圧センサ３０ｂ−１〜３０ｂ−Ｎをセル毎に１対ずつ設置した構成である。なお、図４においては、電圧センサ３０ａ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス供給側に、電圧センサ３０ｂ−ｉを燃料極１ｂ−ｉの燃料ガス排出側にそれぞれ設置しているが、これに限定されることはなく、燃料電池スタック１およびセル１ａ−ｉの構造により、各セルで電位差を検出しやすく且つ設置可能な箇所であればよい。
【００３４】
さらに、第２の具体的構成例は、図５に示すように、燃料電池スタック１がＮ個のセルで構成される場合に、数セル（図では３セル）毎に１対の電圧センサを設置した構成であり、電圧センサ３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍおよび電圧センサ３０ｄ−１〜３０ｄ−Ｍを数セル毎に１対ずつ設置した構成である。
【００３５】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御について、図６および図７を参照しながら説明する。ここで、図６は本実施例の燃料電池システムにおける起動制御の手順を説明するフローチャートである。また、図７は本実施例の燃料電池システムの起動時における各種パラメータの時間的推移を例示するタイミングチャートであり、（ａ）燃料電池スタック１の燃料極の水素圧力、（ｂ）燃料循環ポンプ（ＨＲＢ）７のモータ回転数、（ｃ）燃料電池スタック１の酸化剤極の空気圧力、（ｄ）空気供給流量、（ｅ）電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出す電流、（ｆ）燃料電池スタック１の各セル電圧または総電圧である。
【００３６】
図６において、コントローラ４０は起動制御を開始すると、まず、燃料電池スタック１の酸化剤極（カソード）に酸化剤ガス（空気）を供給しない状態とするために、酸化剤調圧弁（空気調圧弁）１２を閉じる（ステップＳ１０１）。なお、酸化剤コンプレッサ１１を起動しなければ空気も圧送されないのでこのステップは必ずしも必要としない。次に、起動時に水素パージの必要がないので燃料パージ弁８を閉じる（ステップＳ１０２）。
【００３７】
次に、燃料ガス循環系の燃料循環ポンプ７の駆動を開始して、燃料循環配管２３内のガスの再循環を開始する（ステップＳ１０３；図７のタイミングチャートにおける時刻Ｔ１）。
【００３８】
次に、燃料ガス供給系により燃料電池スタック１のアノードへの水素供給を開始するか否かの判断を行い（ステップＳ１０４）、判断条件を満たす場合に水素供給を開始する  
（ステップＳ１０５；時刻Ｔ４）。
【００３９】
ここで、水素供給を開始するか否かの判断は、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料配管に燃料流量測定器を設置して、燃料ガス循環流量が所定量に達したか否かによって行う。なお、タイマ３９は、コントローラ４０内のＣＰＵが持つソフトウェアタイマによって構成しても良いし、付属のハードウェアタイマによって構成しても良い。
【００４０】
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始するか否かの判断を行い（ステップＳ１０６）、判断条件を満たす場合に電流取り出しを開始する（ステップＳ１０７）。
【００４１】
ここで、電流取り出しを開始するか否かの判断は、広義の起動ＶＬＣ（Voltage Limit Control）制御（特許文献１参照）、即ち、起動時に燃料ガス供給系による水素供給のみを行うと同時に、燃料電池スタック１の電圧が所定値（燃料電池スタック１を劣化させないための上限電圧）以下となるように電流（出力）取り出しを行い、その後酸化剤ガス供給系による空気供給を開始して発電を開始する起動方法においては、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料ガス供給系による水素供給の開始と同時に（待ち時間無しに）行う。
【００４２】
しかしながら、本実施例は、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出す開始タイミングを、燃料電池スタック１の電圧に基づいて行う点に特徴があり、電圧センサ３０の検出結果に基づき、電流取り出しを開始するか否かの判断を行う。すなわち、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０（３０ａ−ｉ、３０ａ−ｉおよび３０ｂ−ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）、３０ｃ−ｊ、或いは、３０ｃ−ｊおよび３０ｄ−ｊ（ｊ＝１〜Ｍ））で得られる電圧の最低値がゼロボルトまたは所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。
【００４３】
したがって、図７のタイミングチャートでは、同図（ｅ）に示すように、燃料ガス循環系による燃料ガス循環開始後にタイマ３９が所定時間を計時した時刻Ｔ３に、コントローラ４０によって電流制御装置４１に指示される目標指令電流量（ＶＬＣ目標指令）が設定されているが、実際に電流制御装置４１による電流取り出しが開始されるのは、燃料電池スタック１のセル電圧（同図（ｆ）参照）の最低値がゼロボルトまたは所定値以上となってからである。
【００４４】
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを終了するか否かの判断を行い（ステップＳ１０８）、判断条件を満たす場合には、酸化剤ガス供給系による燃料電池スタック１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ１０９）。
【００４５】
ここで、電流取り出しを終了するか否かの判断は、電流制御装置４１による電流取り出し開始後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料電池スタック１の電圧（燃料電池スタック１の総電圧）の変化、または電流制御装置４１によって取り出す電流量の変化に基づき行う。
【００４６】
次に、ＶＬＣによる起動制御が完了したか否かの判断を行い（ステップＳ１１０）、判断条件を満たす場合には起動制御を完了して通常運転の制御に移行する。
【００４７】
ここで、起動制御が完了したか否かの判断は、電流制御装置４１による電流取り出し開始後または電流取り出し終了後にタイマ３９が所定時間を計時したか否かによって行うか、或いは、燃料電池スタック１の電圧（燃料電池スタック１の総電圧）の変化に基づき行う。
【００４８】
図７のタイミングチャートでは、同図（ｅ）および（ｆ）に示すように、時刻Ｔ８に電流制御装置４１による電流取り出し終了（ＶＬＣ終了）の判断がなされ、同図（ｃ）および（ｄ）に示すように、所定時間経過後の時刻Ｔ９に酸化剤ガス供給系による空気供給が開始され、その後時刻Ｔ１０で水素の昇圧がなされ（同図（ａ）参照）、時刻Ｔ１１で起動制御完了の判断がなされている。
【００４９】
次に、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（ステップＳ１０７）した後の電流制御について、図８および図９を参照してより具体的に説明する。図８および図９は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。
【００５０】
電流制御装置４１による電流取り出しを開始するに当たり、コントローラ４０は、電流制御装置４１に指示する目標指令電流量を設定するが、この目標指令電流量は、供給した水素から計算される目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように設定される。
【００５１】
ここで、目標燃料利用率は、燃料ガス供給系により燃料電池スタック１のアノードに供給された水素量に対する燃料電池スタック１で消費された水素量をいい、１００％以下の値となる。つまり、燃料電池スタック１から取り出す電流量は燃料電池スタック１で消費される水素量に対応するので、目標指令電流量を、目標燃料利用率を維持できる値とするか、或いは、該目標燃料利用率以下となるように設定することで、燃料電池スタック１において水素不足となることを抑制することができる。
【００５２】
また目標指令電流量は、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下であるか、或いは、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値である。
【００５３】
図８では、燃料ガス供給系による燃料電池スタック１のアノードへの燃料（水素）供給量を実線で表し、目標燃料利用率を６６％としたときの燃料（水素）消費目標値を粗めの破線で表している。このとき、コントローラ４０は、目標指令電流量として目標燃料利用率を維持できる値に設定するので、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出される電流はきめ細かい破線で示すような経過をたどることとなる。
【００５４】
また、図９では、燃料ガス供給系による燃料電池スタック１のアノードへの燃料（水素）供給量（図中の実線）に大きな変動が見られた場合について例示している。この場合には、電流制御装置４１による取り出し電流量をこまめに制御することは困難であるので、コントローラ４０は、目標指令電流量を目標燃料利用率以下を保つように設定している。つまり、目標燃料利用率を６６％としたときの燃料（水素）消費目標値は、粗めの破線で示される変動を持った経過をたどるので、該燃料（水素）消費目標値が極小を迎えるときの値以下となるように目標指令電流量を設定して、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から取り出される電流（図中のきめ細かい破線）を制限している。
【００５５】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および該酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料電池スタック１から電流を取り出す電流制御装置（通電手段）４１と、少なくとも２つ以上の燃料電池スタック１内に配置された電圧センサ（電圧計測手段）３０と、を備え、コントローラ（制御手段）４０により、起動時に、酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。
【００５６】
このように、起動時に燃料ガスのみを供給し、燃料電池スタック１のセル電圧の最低値がゼロボルト以上となるように、電流制御装置（通電手段）４１によって電流を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することよる劣化を抑制できると共に、取り出し得る最大限の電流を取り出すことが可能となり、また、電流を取り出す際に燃料電池スタック１の局所的なセルにおいてセル電圧が負になることにより発生する劣化をも抑制することができる。結果として、起動時の燃料電池スタック１の劣化を最大限抑制することができ、より短い時間で起動が可能で耐久性の高い燃料電池システムを実現することができる。
【００５７】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングとして、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上となってから電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。これにより、燃料電池スタック１の局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、結果として、確実に起動時の劣化を抑制することができる。
【００５８】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、より確実なタイミング制御を行うために、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値が所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出す。これにより、劣化が大きく進行する前で、且つ、燃料供給が確認されてから電流を取り出すことができるので、燃料電池スタック１の局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、結果として、より確実に起動時の劣化を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率を維持できる値とする。このように、供給した燃料ガス量に応じて取り出し電流量を制御することで、燃料供給の過渡時においても燃料不足を防止することができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、より短い時間で起動が可能で耐久性の高い燃料電池システムを実現することができる。
【００６０】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、供給した燃料ガスから計算される目標燃料利用率以下となるように制御する。このように、供給した燃料ガス量に応じて取り出し電流量を制御することで、燃料供給の過渡時においても燃料不足を防止することができ、また、燃料利用率をより低く設定することにより、より燃料不足防止の効果を上げることができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、より短い時間で起動が可能で耐久性のより高い燃料電池システムを実現することができる。
【００６１】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１に対して指令する目標指令電流量を、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大量以下とする。このように、目標指令電流量を燃料電池システムの状態に応じて切り替えることで、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、エラーを生じることがなく、より短い時間で確実に起動し得る燃料電池システムを実現することができる。
【００６２】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、電流制御装置（通電手段）４１に対して指令する目標指令電流量を、二次電池４３および当該燃料電池システムの補機類４４で消費できる最大電力量以下となるような値とする。このように、目標指令電流量を燃料電池システムの状態に応じて切り替えることで電圧変動等にも対応でき、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、さらにエラーを生じることがなくなり、より短い時間で確実に起動し得る燃料電池システムを実現することができる。
【００６３】
また、本実施例では、燃料電池スタック１で消費されなかった燃料ガスを燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系を備えた構成としている。このように、燃料極を閉じきったまま起動することで、起動時に燃料電池システムから燃料ガスの排出を防止することができ、結果として、起動時に燃料ガスが排出されることがない。なお、本実施例では、燃料ガスを循環させる手段として燃料循環ポンプ７を用いたが、エゼクタを用いる構成としても良い。
【００６４】
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、燃料電池スタック１のセル毎に設置して構成する。これにより、より確実に劣化または劣化の可能性を判断することができる。
【００６５】
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、燃料電池スタック１の数セルに１つずつ設置して構成する。これにより、より簡易的構成で劣化または劣化可能性を判断することができ、より低コストで燃料電池システムを実現することができる。
【００６６】
また、本実施例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０を、対で構成し、同一セルまたは複数セルの測定対象について２箇所の電圧を計測する構成とする。これにより、片方が故障した場合でも交換することなく、継続運転が可能であり、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【００６７】
さらに、本実施例では、それぞれ同一セルまたは複数セルの測定対象について燃料極の燃料ガス供給側と燃料ガス排出側の２箇所の電圧を計測する。これにより、燃料ガスがセル内に供給されている状態を確実に判断することができ、さらに起動時の劣化を抑制することができる。
【実施例２】
【００６８】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１〜図５）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００６９】
なお、コントローラ４０は、実施例１と同様に、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始し、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングも実施例１と同様であるが、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、起動制御時に電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるように制御され、起動制御時に電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるときの最大電流である点、また、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、二次電池４３への充電量と当該燃料電池システムの補機類４４の消費電力との和から定められる最大値である点が実施例１とは異なる。
【００７０】
また、燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御についても、実施例１（図６および図７）と同等であるので説明を省略する。
【００７１】
本実施例は、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（図６におけるステップＳ１０７）した後の電流制御について特徴があるので、その点について図１０および図１１を参照して具体的に説明する。図１０および図１１は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。
【００７２】
実施例１では、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングの判断条件として、燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上、または所定値（例えば、１セル当たり数十ミリボルト）以上となってから電流制御装置４１によって燃料電池スタック１から電流を取り出すこととした。図１１に示すように、各セルのセル電圧の推移にバラツキが少ない場合には、実施例１の制御によっても燃料電池スタック１の劣化が起こる可能性はないが、セル間の燃料ガスの配流バラツキが大きい場合には、図１０に示すように、一旦、電圧の最低値がゼロボルト以上（全ての電圧がゼロボルト以上）であるとして電流取り出しを開始した後に、判断時に最低値であったセルとは異なる他のセルの電圧が変動（減少）することがあり、そのままの目標指令電流量で電流制御を続けた場合にゼロボルトまたはマイナス電位となるセルが発生する可能性がある。
【００７３】
そこで、本実施例では、電流取り出しを開始した後も電圧センサ３０で得られる電圧を監視して、電圧の最低値を順次更新していき、該最低セル電圧に応じて目標指令電流量を変化させることとした。すなわち、図１０および図１１に示すように、例えばセル電圧が「電圧１」、「電圧２」および「電圧３」のような時間的推移をたどる場合には、最低値である「電圧３」に応じて目標指令電流量を変化させる。つまり、電圧がゼロボルト付近になったら目標指令電流量をより小さい値にし、また、電圧がゼロボルトより十分大きくなったら目標指令電流量をより大きい値にする。
【００７４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、起動制御時に電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるように制御する。これにより、燃料電池スタック１の計測される範囲で局所的なセルにおいて燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を防止することができ、セル間の燃料配流ばらつきが大きい場合でも確実に起動時の劣化を抑制することができる。
【００７５】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、起動制御時に電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧がゼロボルト以上となるときの最大電流とする。このように、通電手段（電流制御装置）４１によって取り出し得る最大の電流量を取り出すことで、燃料極内に燃料と酸化剤が混在することによる劣化を大幅に抑制することができ、また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、起動時の劣化を大幅に抑制することができると共に、より短い時間で起動が可能である。
【００７６】
さらに、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、二次電池４３への充電量と当該燃料電池システムの補機類４４の消費電力との和から定められる最大値とする。このように、燃料電池システムの構成上の制限から算出される量に応じて電流量を規定することで、燃料電池システムの状態に応じた電流量の設定を行うことができ、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、結果として、燃料電池システムの状態に応じた最適な起動制御を実現することができ、より短い時間で起動が可能である。
【実施例３】
【００７７】
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１〜図５）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００７８】
なお、コントローラ４０は、実施例１と同様に、起動時に、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスを供給しない状態で燃料極に燃料ガスを供給した後に、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる電圧の最低値がゼロボルト以上になるように電流制御装置（通電手段）４１を制御し、その後、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電を開始し、電流制御装置４１により燃料電池スタック１から電流を取り出すタイミングも実施例１と同様であるが、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、電圧センサ（電圧計測手段）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧に応じて制御され、燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御される点、並びに、電流制御装置（通電手段）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流は、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧値のばらつきが所定量以下となるように制御される点が実施例１とは異なる。
【００７９】
また、燃料電池システムの起動時動作に、コントローラ４０が行う全体的な制御についても、実施例１（図６および図７）と同等であるので説明を省略する。
【００８０】
本実施例は、電流制御装置４１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始（図６におけるステップＳ１０７）した後の電流制御について特徴があるので、その点について図１２を参照して具体的に説明する。
【００８１】
図１２は、本実施例の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。図中、粗い破線でスタック総電圧を示し、実線で電圧ばらつき度合いＶdiffを示し、きめの細かい破線で電流制御装置４１による取り出し電流を示している。
【００８２】
本具体例では、電圧センサ（電圧計測手段）３０で得られる全ての電圧値のばらつき度合いＶdiffを求め、該電圧ばらつき度合いＶdiffに応じて目標指令電流量を変化させている。つまり、電圧ばらつき度合いＶdiffが大きくなったら目標指令電流量をより小さく設定し、また、電圧ばらつき度合いＶdiffが小さくなったら目標指令電流量をより大きく設定する。
【００８３】
なお、電圧ばらつき度合いＶdiffの求め方としては、Ｖdiff1＝セル電圧の平均値−セル電圧の最低値、Ｖdiff2＝セル電圧の最大値−セル電圧の最低値、Ｖdiff3＝（セル電圧の平均値−セル電圧の最低値）／セル電圧の平均値、などがある。
【００８４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧に応じて制御し、燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御する。このように、燃料電池スタック総電圧から電流量を設定することで、従来の燃料電池システムの構成に特別な構成要素を加えることなく起動制御を実現することができ、低コストで、より容易に起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。
【００８５】
また、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０により得られる燃料電池スタック１の総電圧が大きくなるほど大きくなるように制御する。このように、燃料電池スタック総電圧によって電流値を制御することで、電圧が高いときは電流を大きく、電圧が低いときは電流を小さくすることができ、燃料極内の燃料と酸化剤が混在することによる劣化と燃料不足による劣化の双方を抑制することができ、さらに起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。
【００８６】
さらに、本実施例では、制御手段（コントローラ）４０において、通電手段（電流制御装置）４１によって燃料電池スタック１から取り出す電流を、電圧計測手段（電圧センサ）３０で得られる全ての電圧値のばらつきが所定量以下となるように制御する。このように、全ての電圧計測値を用いて電圧ばらつきを算出し、ばらつきが小さい場合は電流量を増加させ、ばらつきが大きい場合は電流量を減少させることで、燃料不足状態で電流を引くことによる劣化を抑制することができ、よりさらに起動時の劣化を抑制することができる。また、劣化を抑制しつつ取り出し得る電流を取り出すことが可能となり、より短い時間で起動が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図（その１）である。
【図３】燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図（その２）である。
【図４】燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図（その３）である。
【図５】燃料電池スタック１に設置される電圧センサ３０の具体的構成を例示する構成図（その４）である。
【図６】実施例の燃料電池システムにおける起動制御の手順を説明するフローチャートである。
【図７】実施例の燃料電池システムの起動時における各種パラメータの時間的推移を例示するタイミングチャートである。
【図８】実施例１の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャート（その１）である。
【図９】実施例１の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャート（その２）である。
【図１０】実施例２の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャート（その１）である。
【図１１】実施例２の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャート（その２）である。
【図１２】実施例３の電流制御装置４１における電流制御を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
１  燃料電池スタック
１ａ−ｉ  セル
１ｂ−ｉ  燃料極
１ｃ−ｉ  酸化剤極
１ｄ−ｉ  電解質
２  燃料タンク
３  燃料供給弁
４  燃料調圧弁（タンク側）
５  燃料供給調圧弁
７  燃料循環ポンプ
８  燃料パージ弁
１１  酸化剤コンプレッサ
１２  酸化剤調圧弁
２０  燃料電池スタックケース
２１  燃料供給配管
２２  酸化剤供給配管
２３  燃料循環配管
２４  燃料排気配管
２５  酸化剤排気配管
３０  電圧センサ（電圧計測手段）
３０ａ−１〜３０ａ−Ｎ，３０ｂ−１〜３０ｂ−Ｎ  電圧センサ
３０ｃ−１〜３０ｃ−Ｍ，３０ｄ−１〜３０ｄ−Ｍ  電圧センサ
３１  酸化剤流量測定器
３２，３３  圧力センサ
３４，３５  燃料センサ
３９  タイマ
４０  コントローラ（制御手段）
４１  電流制御装置
４２  負荷部
４３  二次電池
４４  補機類
【図１】
2007179786.tif 000003
【図２】
2007179786.tif 000004
【図３】
2007179786.tif 000005
【図４】
2007179786.tif 000006
【図５】
2007179786.tif 000007
【図６】
2007179786.tif 000008
【図７】
2007179786.tif 000009
【図８】
2007179786.tif 000010
【図９】
2007179786.tif 000011
【図１０】
2007179786.tif 000012
【図１１】
2007179786.tif 000013
【図１２】
2007179786.tif 000014