(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、起動時間の短縮を図る。【解決手段】アノード電極及びカソード電極を有する燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための供給流路３１と、を備え、起動時において燃料電池１０への燃料ガスの供給圧力を上昇させる燃料電池システム１であって、燃料電池１０のアノード電極側の不純物濃度を検出、検知又は推定する検出検知推定手段（制御装置４）と、この検出検知推定手段で検出、検知又は推定した不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更する上昇度変更手段（制御装置４及びレギュレータ３４）と、を備える。【選択図】図１
2007165103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極及びカソード電極を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、を備え、起動時において前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力を上昇させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノード電極側の不純物濃度を検出、検知又は推定する検出検知推定手段と、
前記検出検知推定手段で検出、検知又は推定した不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更する上昇度変更手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力上昇度は、燃料ガスの供給圧力の目標値である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記上昇度変更手段は、前記検出検知推定手段で検出、検知又は推定した濃度が高いほど前記圧力上昇度を増大させる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から燃料オフガスを外部に排出する流路に形成された排出弁と、
前記圧力上昇度が大きいほど前記排出弁からのガス排出量を増大させるように前記排出弁の開閉動作を制御する排出制御手段と、
を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出制御手段は、前記圧力上昇度が大きいほど前記排出弁の開度を増大させる請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出制御手段は、前記圧力上昇度が大きいほど前記排出弁の一定時間内における開放回数を増加させる請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【請求項８】
アノード電極及びカソード電極を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、を備え、起動時において前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力を上昇させる燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池のアノード電極側の不純物濃度を検出、検知又は推定する第１の工程と、
前記第１の工程で検出、検知又は推定した不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更する第２の工程と、
を含む燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法並びに移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムは、電解質と、この電解質を挟んで配置されたアノード電極及びカソード電極と、を有する燃料電池を備えている。そして、この燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給する一方、カソード電極に酸化ガスを供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。
【０００３】
かかる燃料電池においては、長時間発電を停止するとカソード電極からアノード電極へと窒素等の不純物が電解質を介して透過し、この不純物が、燃料電池のアノード電極側内部空間等に滞留する。そして、この不純物の濃度が増大した状態で燃料電池において大きな出力を行うと、燃料電池の寿命が縮まるおそれがある。このため、近年においては、燃料電池システムの起動時において不純物濃度を推定し、この推定した不純物濃度が高い場合には、燃料電池の出力を制限する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７２０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムを起動する際には、燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力を所定値まで上昇させる工程（以下「圧張り」という）を実施する必要がある。かかる圧張り時における燃料ガスの圧力上昇度（例えば燃料ガスの供給圧力の目標値）が、燃料電池のアノード電極側に滞留した不純物濃度と無関係であると、起動時間が長くなったり、場合によっては起動直後の発電が不安定になったりするという問題が生じていた。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、起動時間の短縮を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、アノード電極及びカソード電極を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、を備え、起動時において燃料電池への燃料ガスの供給圧力を上昇させる燃料電池システムであって、燃料電池のアノード電極側の不純物濃度を検出、検知又は推定する検出検知推定手段と、検出検知推定手段で検出、検知又は推定した不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更する上昇度変更手段と、を備えるものである。
【０００７】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、アノード電極及びカソード電極を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、を備え、起動時において燃料電池への燃料ガスの供給圧力を上昇させる燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池のアノード電極側の不純物濃度を検出、検知又は推定する第１の工程と、この第１の工程で検出、検知又は推定した不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更する第２の工程と、を含むものである。
【０００８】
かかる構成及び方法によれば、燃料電池のアノード電極側に滞留した不純物濃度を検出、検知又は推定し、この不純物濃度の値に基づいて、起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更することができる。例えば、不純物濃度の値が高い場合に燃料ガスの圧力上昇度を増大させることにより、供給燃料量を増大させて起動直後の発電を安定させることができる。また、不純物濃度の値が低い場合に燃料ガスの圧力上昇度を低減させることにより、供給燃料量を抑制することができるとともに起動時間の短縮を図ることができる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、圧力上昇度として、燃料ガスの供給圧力の目標値を採用することができる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムにおいて、上昇度変更手段は、検出検知推定手段で検出、検知又は推定した濃度が高いほど圧力上昇度を増大させるものであることが好ましい。このようにすることにより、不純物濃度の値が高い場合に供給燃料量を増大させて、起動直後の発電状態を安定させることができる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から燃料オフガスを外部に排出する流路に形成された排出弁と、圧力上昇度が大きいほど排出弁からのガス排出量を増大させる（排出弁の開度を増大させる又は排出弁の一定時間内における開放回数を増加させる）ように排出弁の開閉動作を制御する排出制御手段と、を備えることもできる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、圧力上昇度が大きくなった場合（不純物濃度が高くなった場合）に排出弁からのガス排出量を増大させることができるので、不純物を多く排出して発電状態を安定させることができる。また、圧力上昇度が小さい場合（不純物濃度が低い場合）においては、排出弁からのガス排出量を低く抑えることができるので、燃料ガスが排出弁から多量に流出することを抑制して、燃料消費量を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００１４】
かかる構成を採用すると、燃料電池のアノード電極側の不純物濃度の値に基づいて起動時における燃料ガスの圧力上昇度を変更することができる燃料電池システムを備えているため、起動時間の短縮が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、起動時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１７】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、アノード電極とカソード電極とが両面に形成された電解質膜を有する固体高分子電解質型の単電池を備え、この単電池を複数積層したスタック構造を有している。また、燃料電池システム１は、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００１９】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４やエアクリーナ２５が設けられている。また、空気排出流路２２にはレギュレータ２６が設けられている。
【００２０】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
【００２１】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４、燃料電池１０の燃料入口付近における水素ガスの圧力を検出する圧力センサ３５等が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。遮断弁３３及びレギュレータ３４の動作は制御装置４により制御される。
【００２２】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。すなわち、排気排水弁３７は本発明における排出弁の一実施形態である。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排出流路３８内のガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内のガスと合流するようになっている。
【００２３】
制御装置４は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２４】
具体的には、制御装置４は、燃料電池システム１の運転終了時からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間が所定時間を超えた場合に窒素濃度の値が所定の閾値を超えたものと判定する。燃料電池システム１の燃料電池１０の電解質膜を挟んだ濃度差によりカソード電極側からアノード電極側へと窒素が透過するため、アノード電極側に滞留する窒素の濃度は運転終了時からの経過時間が長くなるに従って増大するからである。すなわち、制御装置４は、窒素濃度の値が所定の閾値を超えた旨を検知するものであり、本発明における検出検知推定手段の一実施形態として機能する。
【００２５】
また、制御装置４は、燃料電池システム１の起動時において窒素濃度の値が所定の閾値を超える場合に、圧力センサ３５で検出される水素ガスの圧力値が第１目標値Ｐ1になるようにレギュレータ３４を制御しながら水素ガスの供給圧力を上昇させる。また、制御装置４は、燃料電池システム１の起動時において窒素濃度の値が所定の閾値以下の場合に、圧力センサ３５で検出される水素ガスの圧力値が第２目標値Ｐ2（＜Ｐ1）になるようにレギュレータ３４を制御しながら水素ガスの供給圧力を上昇させる。すなわち、制御装置４及びレギュレータ３４は、窒素濃度の値に基づいて、起動時における水素ガスの圧力上昇度（供給圧力の目標値）を変更するものであり、本発明における上昇度変更手段の一実施形態を構成する。
【００２６】
また、制御装置４は、起動時における水素ガスの圧力上昇度（供給圧力の目標値）が大きいほど、排気排水弁３７からのガス排出量を増大させるように排気排水弁３７の開閉動作を制御する。すなわち、制御装置４は、本発明における排出制御手段の一実施形態としても機能する。本実施形態において、制御装置４は、水素ガスの供給圧力の目標値がＰ1である場合に、ガス排出量がＱ1となるように排気排水弁３７の開度を設定し、水素ガスの供給圧力の目標値がＰ2（＜Ｐ1）である場合に、ガス排出量がＱ2（＜Ｑ1）となるように排気排水弁３７の開度を設定するようにしている。
【００２７】
続いて、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００２８】
まず、燃料電池システム１の制御装置４は、運転終了時からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間が所定時間を超えるか否か、すなわち、燃料電池１０のアノード電極側の窒素濃度が所定の閾値を超えるか否かを判定する（窒素濃度判定工程：Ｓ１）。
【００２９】
そして、制御装置４は、窒素濃度判定工程Ｓ１において窒素濃度が所定の閾値を超えると判定した場合に、レギュレータ３４を制御して第１目標値Ｐ1まで水素ガスの供給圧力を上昇させる（高圧圧張り工程：Ｓ２）。高圧圧張り工程Ｓ２において、制御装置４は、圧力センサ３５で検出される水素ガスの圧力値が第１目標値Ｐ1になるようにレギュレータ３４を制御する。次いで、制御装置４は、高圧圧張り工程Ｓ２を経た後であって発電開始前に、排気排水弁３７を特定の開度で所定時間開放することにより、循環流路３２内の（窒素等の不純物を含む）ガスを排出（パージ）する（多量パージ工程：Ｓ３）。多量パージ工程Ｓ３におけるガス排出量はＱ1に設定される。
【００３０】
一方、制御装置４は、窒素濃度判定工程Ｓ１において窒素濃度が所定の閾値以下であると判定した場合に、レギュレータ３４を制御して第２目標値Ｐ2（＜Ｐ1）まで水素ガスの供給圧力を上昇させる（低圧圧張り工程：Ｓ４）。低圧圧張り工程Ｓ４において、制御装置４は、圧力センサ３５で検出される水素ガスの圧力値が第２目標値Ｐ2になるようにレギュレータ３４を制御する。次いで、制御装置４は、低圧圧張り工程Ｓ４を経た後であって発電開始前に、排気排水弁３７を特定の開度で所定時間開放することにより、循環流路３２内の（窒素等の不純物を含む）ガスを排出（パージ）する（少量パージ工程：Ｓ５）。少量パージ工程Ｓ５におけるガス排出量はＱ2（＜Ｑ1）に設定される。
【００３１】
続いて、制御装置４は、多量パージ工程Ｓ３又は少量パージ工程Ｓ５を経た後、水素供給源３０から水素供給流路３１を介して燃料電池１０のアノード電極に水素ガスを供給するとともに、コンプレッサ２４から空気供給流路２１及び加湿器２０を介して燃料電池１０のカソード電極に加湿調整された空気を供給して、発電を行う（発電工程：Ｓ６）。以上の運転方法における窒素濃度判定工程Ｓ１は、本発明における第１の工程の一実施形態に相当する。また、高圧圧張り工程Ｓ２及び低圧圧張り工程Ｓ４は、本発明における第２の工程の一実施形態を構成する。
【００３２】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０のアノード電極側内部空間等に滞留した窒素濃度を検知し、この窒素濃度の値に基づいて、起動時における水素ガスの圧力上昇度（供給圧力の目標値）を変更することができる。すなわち、窒素濃度の値が高い場合に水素ガスの供給圧力の目標値を増大させることにより、供給水素量を増大させて起動直後の発電を安定させることができる。また、窒素濃度の値が低い場合に水素ガスの供給圧力の目標値を低減させることにより、供給水素量を抑制することができるとともに起動時間の短縮を図ることができる。
【００３３】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０のアノード電極側に滞留した窒素濃度の値に基づいて、起動時における水素ガスの圧力上昇度を変更することができるので、起動時の圧張り圧力を常に高める必要がなくなる。従って、燃料電池１０のアノード電極側とカソード電極側の差圧の増大に起因して電解質膜が劣化・損傷することを抑制することができるため、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００３４】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、水素ガスの圧力上昇度が大きくなった場合（すなわち窒素濃度が高くなった場合）に、排気排水弁３７からのガス排出量を増大させることができるので、窒素等の不純物を多く排出して発電状態を安定させることができる。また、水素ガスの圧力上昇度が小さい場合（すなわち窒素濃度が低い場合）においては、排気排水弁３７からのガス排出量を低く抑えることができるので、水素ガスが排気排水弁３７から多量に流出することを抑制して、燃料消費量を抑制することができる。
【００３５】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）においては、燃料電池１０のアノード電極側の窒素濃度の値に基づいて起動時における水素ガスの圧力上昇度を変更することができ、かつ、水素ガスの圧力上昇度に応じて排気排水弁３７からのガス排出量を変更することができる燃料電池システム１を備えているため、起動時間の短縮と燃料消費量の抑制との双方が可能となる。
【００３６】
なお、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排気弁を制御することもできる。かかる場合における排気弁は、本発明における排出弁の一実施形態として機能する。
【００３７】
また、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図３に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様にレギュレータ３４や排気弁３７Ａを制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。かかる場合における排気弁３７Ａは、本発明における排出弁の一実施形態として機能する。また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、制御装置４が、燃料電池システム１の運転終了時からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間が所定時間を超えた場合に不純物濃度が所定値を超えたものと判定する例（制御装置４が検出検知推定手段として機能する例）を示したが、検出検知推定手段の構成はこれに限られるものではない。例えば、アノード系の窒素濃度を検出する窒素濃度センサを検出検知推定手段として採用することもできる。
【００３９】
また、以上の実施形態においては、制御装置４が、燃料電池システム１の運転終了時からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間が所定時間を超えた場合に不純物濃度が所定値を超えたものと判定する例を示したが、特定のマップを用いて窒素濃度を算出（推定）することもできる。例えば、燃料電池１０の運転終了時における温度と起動時における温度との比（温度比）と、窒素濃度と、の相関関係を表すマップを実験又は解析によって作成し、このマップと、燃料電池１０の温度を計測して算出した温度比と、に基づいて制御装置４が窒素濃度を算出（推定）してもよい。かかる場合における制御装置４及びマップは、本発明における検出検知推定手段の一実施形態を構成する。
【００４０】
また、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の起動時における水素ガスの圧力上昇度を表す物理量として、水素ガスの供給圧力の目標値（圧張りを完了する圧力値）を採用した例を示したが、圧力上昇度を表す物理量はこれに限られるものではない。例えば、水素ガスの供給圧力が所定の目標値に到達するまでに要する時間（圧張り時間）や、水素ガスの供給圧力の増分（圧力増分）等を圧力上昇度として採用することもできる。
【００４１】
また、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の起動時における水素ガスの圧力上昇度（供給圧力の目標値）を、窒素濃度に応じて２段階（第１目標値Ｐ1、第２目標値Ｐ2）に設定した例を示したが、圧力上昇度の変更態様はこれに限られるものではない。例えば、窒素濃度と圧力上昇度との相関関係を表すマップを作成し、このマップと、検出した窒素濃度と、に基づいて圧力上昇度を適宜変更することもできる。
【００４２】
また、以上の実施形態においては、排気排水弁３７の開度を増大させることによりガス排出量を増大させた例を示したが、排気排水弁３７からのガス排出量を増大させる方式はこれに限られるものではない。例えば、排気排水弁３７の一定時間内における開放回数を増加させたり、排気排水弁３７の開放時間を長くしたりすることによりガス排出量を増大させることもできる。
【００４３】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム、４…制御装置（検出検知推定手段、上昇度変更手段の一部、排出制御手段）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路、３４…レギュレータ（上昇度変更手段の一部）、３７…排気排水弁（排出弁）、３７Ａ…排気弁（排出弁）
【図１】
2007165103.tif 000003
【図２】
2007165103.tif 000004
【図３】
2007165103.tif 000005