(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時に、水素供給を開始して電圧制限制御を行う際に、各セルへ均一に水素を供給して、水素供給不足のセルが転極を生じることを防止する。  【解決手段】燃料電池システムの起動時に、コントローラ３０は、パージ弁２０、空気圧調整弁２４を閉じて、アノード４及びカソード５を密閉する。次いで、コントローラ３０は、循環ポンプ１２を起動して、アノード４及び燃料循環路１１に十分な循環ガス流を生じさせる。次いで、コントローラ３０は、水素供給弁９を開いて、水素供給を開始する。【選択図】    図１
2007179964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、
燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、
前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する前に、前記電流取出手段により前記燃料電池スタックから電流を取り出して燃料電池スタックの電圧を制限しながら前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させる際に、
前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料ガスの供給を開始する前に、前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、
燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、
前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段によるガス供給、前記燃料循環手段による燃料循環、前記排出手段によるガス排出、並びに前記電流取出手段による電流取出を制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に、まず前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行わせ、次いで、前記電流取出手段により前記燃料電池スタックから電流を取り出して燃料電池スタックの電圧を制限しながら前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させ、その後、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料ガスの供給を開始する前に、前記燃料循環手段によるガス循環は、前記燃料電池スタックを構成する各セルの燃料極へ燃料ガス循環量が均等に分配されるような前記燃料循環手段の回転速度で行う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】
前記燃料循環手段による各セルの循環量が均等に分配される回転速度を第１所定時間維持した後に、前記燃料供給手段から燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックのセル毎の電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、
燃料極内に水素が残存している場合、前記セル電圧検出手段により検出したセル電圧のバラツキが所定以内となるように、前記燃料循環手段の回転速度を調整することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セル電圧のバラツキが所定以内となってから、第２所定時間経過した後に、前記燃料供給手段から燃料極へ燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料循環手段の回転速度は、前記燃料電池スタックの燃料極入口におけるガス流量と燃料極出口におけるガス流量とが等しくなるような回転速度以上とすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料循環手段の駆動を開始後、前記燃料電池スタックの燃料極入口におけるガス流量と燃料極出口におけるガス流量とが等しくなる時間を経過した後に、前記燃料供給手段から燃料極へ燃料ガスの供給を開始す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】
前記燃料電池スタックのセル毎の電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、
燃料極内に水素が残存している場合、前記燃料電池スタックの燃料ガス入口側のセル電圧と燃料ガス出口側のセル電圧との差が所定値以内となるように、前記燃料循環手段の回転速度を調整す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１０】
前記燃料電池スタックの燃料ガス入口側のセル電圧と、燃料ガス出口側のセル電圧との差が所定値以内となってから、第３所定時間経過後に、前記燃料供給手段から燃料極へ燃料ガスの供給を開始す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。
【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、特に起動停止を繰り返す移動体駆動用電源に好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
しかしながら、燃料電池システムの起動、停止を繰り返すと、連続運転状態に比べて、燃料電池の劣化が促進されることが知られている。例えば、燃料電池システムの起動時にアノードへ水素供給を開始する場合、停止中にアノードへ入り込んだ空気と新規に供給される水素との界面（水素フロント）が形成される。そして水素フロントより後方の水素が供給されている第１領域のアノード電極では水素が電離され、水素イオンが電解質膜を介してカソードに到達する。このとき、未接続の外部回路からはカソードに電子が供給されず、水素フロントより前の第２領域のカソード触媒を担持している炭素と水との反応により二酸化炭素と水素イオンと電子が生成される。この電子は、カソード電極内を第２領域から第１領域側へ移動して水の生成に寄与する。第２領域で電離した水素イオンは、電解質膜を介して対向するアノード領域へ移動する。このような反応により、水素フロントより前のカソード領域の触媒担持体の炭素が二酸化炭素へとガス化して失われてしまい、触媒微粒子が凝集して触媒性能が低下するという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、特許文献１記載の発明では、燃料電池の起動時に、カソードへの空気流入を遮断した状態で、かつ水素循環装置の循環機能を停止した状態で、アノードへ水素供給を開始し、燃料電池からの電流取り出しによりカソードに残存する酸素を消費させる。そしてカソードの酸素が消費された後に、水素循環装置による燃料ガス循環を開始させている。
【特許文献１】特開２００５−１５８５５３号公報（第８頁、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来例にあっては、起動時に水素循環装置を駆動せずに水素を供給していたため、燃料電池スタックを構成する各セルに均等に水素が供給されず、燃料電池電圧を抑制するための電圧制限制御（ＶＬＣ:Voltage Limit Control）のための電流取り出しを行ったときに、水素不足のセルが転極を起こし、スタックが劣化する虞があるという問題点があった。
【０００６】
図７は、この問題点を説明する従来の燃料電池システムにおける起動時のタイムチャートであり、（ａ）アノードの水素圧力、（ｂ）水素循環装置である循環ポンプの回転速度、（ｃ）スタック電流、（ｄ）スタック電圧をそれぞれ示す。例えば、時刻ｔa において、循環ポンプを停止した状態で水素供給弁を開いてアノードへ第１圧力で水素供給を開始したとする。この水素供給の開始によりアノードへ水素が供給され、一部のセルの電圧が上昇し、スタック電圧が立ち上がり始める。しかしながら、循環ポンプを回転駆動させない水素供給だけなので、燃料電池スタックへのガスの流れが十分では無く、燃料電池スタックの燃料供給マニホルドから各セルへの水素分配が均一とはならず、セル間で水素濃度の不均一が生じる。このとき、燃料電池の高電圧の状態による劣化を避けるために、スタック電流を取り出してスタック電圧を抑制するＶＬＣ制御を行うと、水素濃度の低いセルが転極を起こすことがあった。その後、時刻ｔb で循環ポンプを起動し、循環ポンプの回転速度が所定速度まで上昇した時刻ｔc で水素圧力を第１圧力より高い第２圧力（運転圧力）へ上昇させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料極から排出された燃料ガスを再度燃料極へ循環させる燃料循環経路と、燃料循環経路内のガスを圧送する燃料循環手段と、前記燃料循環経路から不純物を含む燃料ガスを系外へ排出する排出手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する前に、前記燃料電池スタックの電圧を制限しながら前記燃料極へ燃料ガスを供給して燃料極内の酸素を消費させる際に、前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料ガスの供給を開始する前に、前記排出手段を閉止した状態で前記燃料循環手段を起動して、前記燃料極と燃料循環経路との間のガス循環を行うことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料循環手段により燃料電池スタックを構成する各セルへの十分なガス循環流量を確保した後に、水素ガスの供給を開始するので、燃料電池スタックを構成する各セルへ均等に水素を供給することができ、水素不足のセルが転極を起こす虞が無くなり、燃料電池スタックの劣化を抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが以下の各実施例は、燃料電池車両用の電源として、好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１の概略構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池スタック（以下、単に燃料電池とも呼ぶ）２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ模式的に図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１１】
アノード（燃料極）  ：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ       …（２）
このときカソード５で生成された水の一部は水蒸気となって、電解質膜３を透過してアノード４へ侵入する。燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ１０ａにより検出され、コントローラ３０に入力される。
【００１２】
アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる燃料循環手段である。循環ポンプ１２は図示しない電動機によって回転駆動され、その回転速度は、回転センサ１３によって検出される。カソード５への空気は酸化剤供給手段であるコンプレッサ１４により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。
【００１３】
パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電流を取り出して、負荷装置１６もしくはバッテリ１７へ電力を供給する電流取出手段である。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）を算出し、ＳＯＣをコントローラ３０へ送信する。セル電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池（セル）毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群（セル群）毎の電圧、及びこれらの電圧の合計値であるスタック電圧を検出して、コントローラ３０へ出力する。
【００１４】
カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード入口圧力センサ１０ｂはアノード入口の圧力を測定するセンサであり、その検出値は、コントローラ３０へ入力される。また、ユーザが燃料電池システム１の運転停止を指示するためのキースイッチ２３に信号がコントローラ３０へ入力されている。
【００１５】
コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールして、酸化剤ガス及び燃料ガスのガス供給、燃料循環路のガス循環、不純物を含んだガスの排出、及び燃料電池２からの電流取り出しを制御する制御手段である。
【００１６】
尚、本実施例においては、コントローラ３０は、ＣＰＵと、制御プログラム及び制御パラメータを記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成され、その制御機能は、制御プログラムの実行により達成される。
【００１７】
次に、図２のフローチャート、及び図６のタイムチャートを参照して、コントローラ３０による燃料電池システムの起動時の動作を説明する。図１のキースイッチ２３がオフからオンの状態へ切り換えられたり、燃料電池システムの低負荷時のアイドルストップ状態から復帰する場合、図２の起動制御が開始される。
【００１８】
起動制御が開始されると、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０１において、空気圧調整弁２４が閉じられ、次いで、Ｓ１０２でパージ弁２０が閉じられる。尚、燃料電池システムの停止状態の仕様によっては、停止中に、空気圧調整弁２４及びパージ弁２０の閉じた状態を保持するものがあり、その場合には、Ｓ１０１及びＳ１０２は省略可能である。
【００１９】
次いで、Ｓ１０３で循環ポンプ１２を回転駆動して、アノード及び燃料循環路内のガスの循環を開始させる。これは、図６の時刻ｔ0 に対応する。このとき、循環ポンプ１２を回転駆動する目標回転速度は、アノード４に供給される循環ガスが燃料電池２を構成する各セルに均一にガスが分配される目標回転速度とする。
【００２０】
次いで、Ｓ１０４で水素供給を開始してもよいか否かを判断し、判断結果がＯＫとなるまで、Ｓ１０４を繰り返す。この判断は、例えば、図６の時刻ｔ1 で循環ポンプの回転速度が目標回転速度まで立ち上がってから、アノード４と燃料循環路１１内のガスがほぼ均一と見なせるまでに循環を繰り返すのに要する所定時間を経過した場合（図６の時刻ｔ2 ）に水素供給開始と判断する。この所定時間は、アノード４内部のガス流路の容積、形状や、燃料循環路１１の容積、形状、及び循環ポンプ１２の循環能力により異なる値であり、実機により予め実験的に求めて、コントローラ３０に記憶させておくものとする。
【００２１】
Ｓ１０４で、水素供給を開始してもよいと判断すると、Ｓ１０５へ進み、水素供給弁９を開いて水素供給を開始する（図６の時刻ｔ2 ）。このとき、既に循環ポンプ１２が動作しているので、燃料電池２のアノード４には、各セルに均一にガスが分配されるガス流が形成されている。このため、水素供給弁９から供給される水素は、燃料電池２を構成する各セルへ均一に分配される。
【００２２】
通常、燃料電池２は、アノード４に燃料ガスを供給するための燃料供給マニホルドと、アノード４で消費されなかった燃料ガスを排出するための燃料排出マニホルドとを備えている。この燃料供給マニホルドから燃料電池２を構成する各セルのアノード入口へ分岐するガス通路の形状、及び各セルのアノード出口から集合して燃料排出マニホルドに至るガス通路の形状に従って、各セルへ均一にガスが分配される循環ポンプ１２の回転速度（或いは回転速度領域）が決まる。
【００２３】
この回転速度（回転速度領域）より低い回転速度及び高い回転速度では、各セルへのガス分配が均一で無くなる。燃料電池システムの通常運転時には、所定のガス過剰率（例えば、１．５程度）に基づいて発電に必要な燃料ガス量より多い燃料ガスが供給されているために、このガス分配の不均一性は殆ど問題とならない。しかしながら、燃料電池システムの起動時における水素供給開始時には、発明が解決しようとする課題の項で説明したように、供給水素が均一に分配されないと、ＶＬＣ制御のために燃料電池から電流を取り出す際に、水素供給不足のセルが転極を起こす起こす虞があった。
【００２４】
本発明では、水素供給開始前に、燃料ガスが各セルに均一に分配される回転速度で、予め循環ポンプ１２を回転駆動しているために、水素供給を開始したときには、水素が各セルへ均一に供給される。これにより、ＶＬＣ制御のために燃料電池２から電流を取り出したときに、水素供給不足のセルが転極を起こす虞がなくなり、転極による劣化を防止することができる。
【００２５】
次いで、Ｓ１０６では、燃料電池２からパワーマネージャー１５によって電流取出を開始するか否かの判断を行う。この判断は無条件に成立するとして、直ちにＳ１０７の電流取出開始へ進んでもよいし、セル電圧センサ１９により検出した各セル（または各セル群）の電圧がそれぞれ所定値（例えば、数十［ｍＶ］）以上となって、各セルへ水素が到達し始めたことを確認してから電流取出を開始すると判断してもよい。
【００２６】
Ｓ１０６で電流取出開始の判断がＯＫとなると、Ｓ１０７へ進み、コントローラ３０からパワーマネージャー１５へ指示して、燃料電池２から電流取出を行わせる。このとき、取り出した電流は、バッテリ１７へ充電してもよいし、パワーマネージャー１５内部で消費させてもよい。この電流取出により、カソード５の内部の空気中の酸素が消費されるとともに、図６（ｄ）に示すように、燃料電池２のスタック電圧の上昇が制限される。
【００２７】
ここで、空気圧調整弁２４は閉じられており、コンプレッサ１４は、回転していないので、カソード５は密閉され、カソード５中の酸素は、電流消費とともに発電反応により水となって消費され、図６（ｃ）に示すように取出電流は、０へ向かって低下する。
【００２８】
次いで、Ｓ１０８で電流取出の終了を判断する。電流取出終了と判断されないと、電流取出を継続しながら、電流取出終了と判断されるまでＳ１０８待機する。電流取出終了の判断条件は、例えば、取出電流が所定電流値以下となったことである。このとき、回転停止しているコンプレッサ１４から漏洩する僅かな空気や、場合によっては、空気圧調整弁２４からの漏洩空気により、取出電流は完全に０とならず、燃料電池２の定格電流（移動体駆動用では、１００［Ａ］のオーダ）に比べて非常に小さい或る電流値に落ち着くことがある。このため、Ｓ１０８における所定電流値は、コンプレッサ１４の回転停止時の気密性能等を考慮して、実験的に決定することとなるが、例えば、数十［ｍＡ］とすることができる。
【００２９】
Ｓ１０８で電流取出終了と判断されると、Ｓ１０９へ進み、コンプレッサ１４を起動して、カソード５へ空気供給を開始するとともに、アノードの水素圧力を運転圧力まで上昇させる（図６の時刻ｔ3 ）。そして、Ｓ１１０では、圧力センサ１０ｂが検出したカソード入口空気圧力が運転圧力に達したら、起動完了と判断する。
【００３０】
次に、図３の詳細フローチャートを参照して、本実施例１における図２のＳ１０４における水素供給判断の詳細を説明する。図３において水素供給判断が開始されると、まずＳ２０１において、回転センサ１３が検出した循環ポンプ１２の回転速度を読み込み、Ｓ２０２で回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であるか否かを判定する。回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上でなければ、Ｓ２０１へ戻る。Ｓ２０２の判定で、回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であれば、Ｓ２０３へ進む。ここで、第１の回転速度ｒ１以上、且つ第２の回転速度ｒ２（ｒ１＜ｒ２）以下の回転速度領域は、燃料電池２の各セルへ均一にガスが分配される循環ポンプ１２の回転速度領域である。
【００３１】
Ｓ２０３では、経過時間の計時を開始する。この計時は、コントローラ３０が内蔵するソフトウェアタイマ、或いはハードウェアタイマを利用する。次いで、Ｓ２０４で経過時間が第１所定時間Ｔ１を経過したか否かを判定する。第１所定時間Ｔ１経過していなければ、Ｓ２０５へ進む。第１所定時間Ｔ１経過していれば、水素供給開始条件が成立したので、メインルーチンへリターンする。
【００３２】
Ｓ２０５では、回転センサ１３が検出した循環ポンプ１２の回転速度を読み込み、Ｓ２０６で回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であるか否かを判定する。回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上でなければ、Ｓ２０７へ進み、循環ポンプ１２の回転速度を増加させて、Ｓ２０４へ戻る。
【００３３】
Ｓ２０６の判定で、回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であれば、Ｓ２０８へ進む。Ｓ２０８では、回転速度が第２の所定回転速度ｒ２以下であるか否かを判定する。回転速度が第２の所定回転速度ｒ２以下であれば、燃料電池２の各セルへ均一にガスが分配される循環ポンプ１２の回転速度領域内であるので、Ｓ２０４へ戻る。
【００３４】
Ｓ２０８の判定で、回転速度が第２の所定回転速度ｒ２以下でなければ、Ｓ２０９へ進み、循環ポンプ１２の回転速度を減少させて、Ｓ２０４へ戻る。こうして、循環ポンプ１２の回転速度を第１の所定回転速度ｒ１から第２の所定回転速度ｒ２の範囲内で、第１所定時間Ｔ１経過すると、水素供給開始条件が成立したとして、メインルーチンへリターンすることができる。
【００３５】
尚、本実施例の第１の回転速度ｒ１以上、第２の回転速度ｒ１以下の回転速度範囲は、燃料電池の各セルに循環ガスが均等に分配される回転速度としたが、燃料電池２のアノード（燃料極）４の燃料ガス入口のガス流量と、アノード４の燃料ガス出口のガス流量と、が等しくなる循環装置の回転速度以上としてもよい。
【００３６】
以上説明した本実施例によれば、アノードと燃料循環路との間にガスを循環させる循環ポンプを動作させて、燃料電池の各セルに十分なガス流がある状態で、燃料電池への水素供給を開始することができ、各セルに均一に水素が供給され、ＶＬＣ時にスタックから電流を取り出しても転極が起きることを防止できるという効果がある。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の概略構成は、図１に示した実施例１の概略構成と同様である。また実施例２のコントローラによる燃料電池システム起動時の概略フローチャートは、図２に示した実施例１と同様である。
【００３８】
本実施例２は、燃料電池システムの起動時に、燃料極内に水素が残存している場合、燃料極に水素を供給開始する前に、循環装置を起動して燃料極と燃料循環路との間のガス循環を行う際に、セル電圧を検出して、セル電圧検出値のバラツキが所定値以内となるように循環装置の回転速度を調整する点に特徴がある。
【００３９】
次に、図４の詳細フローチャートを参照して、本実施例２における図２のＳ１０４における水素供給判断の詳細を説明する。図４において水素供給判断が開始されると、まずＳ３０１において、アノード（燃料極）内に水素が残存してしているか否かを判定する。この判定は、例えば、前回の燃料電池システムの運転停止からの経過時間が所定時間を超えているか否かや、アノード４または燃料循環路１１内に設けた水素濃度センサ（図示せず）の検出値が水素フロントを生じても燃料電池が劣化しない濃度以下であるか否か等により判定することができる。
【００４０】
Ｓ３０１の判定で水素が残存していないと判定されると、実施例１で説明した図３のＳ２０１へ移り、以下、実施例１と同様の処理を行う。Ｓ３０１の判定で水素が残存していると判定されると、Ｓ３０２へ進み、回転センサ１３が検出した循環ポンプ１２の回転速度を読み込み、Ｓ３０３で回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であるか否かを判定する。回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上でなければ、Ｓ３０２へ戻る。Ｓ３０３の判定で、回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であれば、Ｓ３０４へ進む。ここで、第１の回転速度ｒ１は、循環ポンプ１２の回転速度が安定する実験的に求めた回転速度であり、実施例１と同様な、燃料電池２の各セルへ均一にガスが分配される循環ポンプ１２の最低回転速度としてもよい。
【００４１】
Ｓ３０４では、セル電圧センサ１９が検出した燃料電池２のセル電圧（または、セル群電圧）をコントローラへ読み込む。次いで、Ｓ３０５でセル電圧のバラツキを算出する。セル電圧のバラツキの算出としては、標準偏差を計算したり、最大セル電圧と最小セル電圧とをそれぞれ求め、その差を算出する方法等がある。
【００４２】
Ｓ３０６では、セル電圧のバラツキが所定値以内か否かを判定する。所定値以内であれば、Ｓ３０８へ進む。セル電圧のバラツキが所定値以内でなければ、Ｓ３０７へ進み、循環ポンプ１２の回転速度を増加させて、Ｓ３０４へ戻る。Ｓ３０６の判定で、セル電圧のバラツキが所定値以内であれば、Ｓ３０８へ進む。Ｓ３０６の判定に用いる所定値は、セル電圧のバラツキがあってもＶＬＣのために燃料電池２から電流を取り出したときに、転極が生じない値を予め実験的に求めて、コントローラ３０へ記憶させておく。
【００４３】
Ｓ３０８では、経過時間の計時を開始する。この計時は、コントローラ３０が内蔵するソフトウェアタイマ、或いはハードウェアタイマを利用する。次いで、Ｓ３０９で経過時間が第２所定時間Ｔ２を経過したか否かを判定する。第２所定時間Ｔ２経過していなければ、Ｓ３０９で待機する。第２所定時間Ｔ２経過していれば、水素供給開始条件が成立したので、メインルーチンへリターンする。こうして、セル電圧のバラツキが所定値以内の状態で、第２所定時間Ｔ２経過すると、水素供給開始条件が成立したとして、メインルーチンへリターンすることができる。
【００４４】
以上説明した本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、セル電圧値のバラツキに基づいて、循環装置の回転速度を制御しているので、さらに確実に転極を防止することができるという効果がある。
【実施例３】
【００４５】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３の概略構成は、図１に示した実施例１の概略構成と同様である。また実施例３のコントローラによる燃料電池システム起動時の概略フローチャートは、図２に示した実施例１と同様である。
【００４６】
本実施例３は、燃料電池システムの起動時に、燃料極内に水素が残存している場合、燃料極に水素を供給開始する前に、循環装置を起動して燃料極と燃料循環路との間のガス循環を行う際に、燃料電池の燃料ガス入口側のセル電圧と、燃料ガス出口側のセル電圧とを検出して、これらのセル電圧の差が所定値以内となるように循環装置の回転速度を調整する点に特徴がある。
【００４７】
次に、図５の詳細フローチャートを参照して、本実施例３における水素供給判断の詳細について説明する。図５において水素供給判断が開始されると、まずＳ４０１において、アノード（燃料極）内に水素が残存してしているか否かを判定する。この判定は、例えば、前回の燃料電池システムの運転停止からの経過時間が所定時間を超えているか否かや、アノード４または燃料循環路１１内に設けた水素濃度センサ（図示せず）の検出値が水素フロントを生じても燃料電池が劣化しない濃度以下であるか否か等により判定することができる。
【００４８】
Ｓ４０１の判定で水素が残存していないと判定されると、実施例１で説明した図３のＳ２０１へ移り、以下、実施例１と同様の処理を行う。Ｓ４０１の判定で水素が残存していると判定されると、Ｓ４０２へ進み、回転センサ１３が検出した循環ポンプ１２の回転速度を読み込み、Ｓ４０３で回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であるか否かを判定する。回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上でなければ、Ｓ４０２へ戻る。Ｓ４０３の判定で、回転速度が第１の所定回転速度ｒ１以上であれば、Ｓ４０４へ進む。ここで、第１の回転速度ｒ１は、循環ポンプ１２の回転速度が安定する回転速度であり、実施例１と同様な、燃料電池２の各セルへ均一にガスが分配される循環ポンプ１２の最低回転速度としてもよい。
【００４９】
Ｓ４０４では、セル電圧センサ１９が検出した燃料電池２の燃料ガス入口側のセル電圧と、燃料電池２の燃料ガス出口側のセル電圧とをコントローラへ読み込む。次いで、Ｓ４０５で燃料電池２の燃料ガス入口側のセル電圧と出口側のセル電圧との差を算出する。
【００５０】
次いで、Ｓ４０６では、セル電圧の差が所定値以内か否かを判定する。所定値以内であれば、Ｓ４０８へ進む。セル電圧の差が所定値以内でなければ、Ｓ４０７へ進み、循環ポンプ１２の回転速度を増加させて、Ｓ４０４へ戻る。
【００５１】
Ｓ４０６の判定で、セル電圧の差が所定値以内であれば、Ｓ４０８へ進む。Ｓ４０８では、経過時間の計時を開始する。この計時は、コントローラ３０が内蔵するソフトウェアタイマ、或いはハードウェアタイマを利用する。次いで、Ｓ４０９で経過時間が第３所定時間Ｔ３を経過したか否かを判定する。第３所定時間Ｔ３経過していなければ、Ｓ４０９で待機する。第３所定時間Ｔ３経過していれば、水素供給開始条件が成立したので、メインルーチンへリターンする。こうして、燃料電池の燃料ガス入口側のセル電圧と出口側のセル電圧との差が所定値以内の状態で、第３所定時間Ｔ３経過すると、水素供給開始条件が成立したとして、メインルーチンへリターンすることができる。
【００５２】
以上説明した本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、燃料ガス入口側のセル電圧と、燃料ガス出口側のセル電圧との差に基づいて、循環装置の回転速度を制御するので、さらに確実に転極を防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施例１における燃料電池システム起動時の概略フローチャートである。
【図３】実施例１における水素供給判断を説明する詳細フローチャートである。
【図４】実施例２における水素供給判断を説明する詳細フローチャートである。
【図５】実施例３における水素供給判断を説明する詳細フローチャートである。
【図６】実施例１の動作、作用、効果を説明するタイムチャートであり、（ａ）アノード水素圧力、（ｂ）循環ポンプ回転速度、（ｃ）スタック電流、（ｄ）スタック電圧をそれぞれ示す図である。
【図７】従来技術の問題点を説明するタイムチャートであり、（ａ）アノード水素圧力、（ｂ）循環ポンプ回転速度、（ｃ）スタック電流、（ｄ）スタック電圧をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：電解質膜
４：アノード
５：カソード
６：水素タンク
７：水素タンク元弁
８：減圧弁
９：水素供給弁
１０ａ、１０ｂ：圧力センサ
１１：燃料循環路
１２：循環ポンプ
１３：回転センサ
１４：コンプレッサ
１５：パワーマネージャー
１６：負荷装置
１７：バッテリ
１８：バッテリコントローラ
１９：セル電圧センサ
２０：パージ弁
２３：キースイッチ
３０：コントローラ
【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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【図６】
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【図７】
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