(57)【要約】【課題】二次電池の電力容量が不足した際に、水素の圧力にかかわらず、燃料電池システムを起動できるようにする。【解決手段】水素と空気に含まれる酸素との反応により発電する燃料電池スタック１と、その燃料電池スタック１に水素を供給するためのアノードラインａと空気を供給するためのカソードラインｃとを備え、前記アノードラインａに水素供給装置１５とそのアノードラインａを開閉する電磁弁１２が接続され、前記カソードラインｃには空気を送り込むためのファン１３が設けられ、前記アノードラインａには前記電磁弁１２を回避するアノードバイパスラインａ’が併設され、そのアノードバイパスラインａ’の途中に開閉弁２２が設けられ、前記電磁弁１２の閉弁状態で前記開閉弁２２を開弁すると、前記アノードバイパスラインａ’を流れる水素が燃料電池スタック１に供給されることで燃料電池スタック１が発電して燃料電池が起動し、負荷８へ電力を供給できるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気に含まれる酸素との反応により発電する燃料電池スタック（１）と、その燃料電池スタック（１）に水素を供給するためのアノードライン（ａ）と空気を供給するためのカソードライン（ｃ）とを備え、前記アノードライン（ａ）に水素供給装置（１５）とそのアノードライン（ａ）を開閉する電磁弁（１２）が接続され、前記カソードライン（ｃ）には空気を送り込むためのファン（１３）が設けられ、前記アノードライン（ａ）には前記電磁弁（１２）を回避するアノードバイパスライン（ａ’）が併設されており、
そのアノードバイパスライン（ａ’）の途中に開閉弁（２２）が設けられ、前記電磁弁（１２）の閉弁状態で前記開閉弁（２２）を開弁すると、前記アノードバイパスライン（ａ’）を流れる水素が燃料電池スタック（１）に供給されることによって燃料電池スタック（１）が発電し、その発電された電力によって燃料電池が起動し、負荷（８）へ電力を供給できることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、例えば、図５に示すタイプのものがある。この燃料電池システム１０は、空冷式燃料電池スタック１（以下、「燃料電池スタック１」と称する。）、二次電池２、燃料電池スタック１の発電量をコントロールする機能を有したＤＣ／ＤＣコンバータ３、二次電池２の充放電コントローラ４、燃料電池スタック１の発電に必要な補機部品６、その補機部品６用のＤＣ／ＤＣコンバータ７、及び、それらの制御用マイコン５等で構成される。
【０００３】
二次電池２の電力は、負荷８の負荷電力、及び、制御用マイコン５、電装系の補機部品６への電源供給に用いられる。また、二次電池２は、負荷８の負荷電力の変動を平滑化し、燃料電池スタック１において安定的に発電させる目的でも用いられている。
【０００４】
燃料電池システム１０は、メイン電源ＳＷ１１を手動操作により「ＯＮ状態」にすることで、制御用マイコン５に信号が入力されることで起動処理が開始される。
なお、制御用マイコン５は、メイン電源ＳＷ１１が「ＯＦＦ状態」の時、又は、メイン電源ＳＷ１１からの「ＯＮ信号」が入力されるまでの間、電力消費量を抑えた「待機モード」でスタンバイする。
【０００５】
ここで、待機モードとは、メイン電源ＳＷ１１からの信号、及び、燃料電池スタック１、二次電池２の状態を常時監視する運転モードを指す。
【０００６】
制御用マイコン５は、メイン電源ＳＷ１１のＯＮ信号を検出すると、制御用マイコン５の内部メモリに記憶した燃料電池スタック１のＩ−Ｖ曲線のテーブル情報、及び、最後に燃料電池スタック１が発電されてからの経過時間を算出し、これらの情報を基に、燃料電池スタック１の発電可否を判定する。
【０００７】
発電可能と判定された場合、例えば、図６に示すように、水素供給装置１５からのアノードラインａに設けた水素ガス供給用の電磁弁（供給弁）１２、燃料電池スタック１から引き出された水素ガスパージラインｐに設けた水素ガスパージ用の電磁弁（パージ弁）１２’、及び、カソードラインｃに設けたカソードガス供給用兼燃料電池スタック冷却用のファン１３等の各種補機部品６をそれぞれ制御し、水素と空気（酸素）を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１の運転を開始させる。
【０００８】
また、判定の結果、発電不可と判定された場合は、システム状態表示部１４にエラーメッセージを表示し、利用者へ、燃料電池スタック１の異常状態を知らせるようになっている。
【０００９】
この種の燃料電池システム１０では、起動時に、前記電磁弁１２，１２’やファン１３、その他補機部品６、制御用マイコン５等を駆動させるための電力容量が足りない場合、燃料電池スタック１に水素と酸素を供給できず、燃料電池システムを起動できないという問題点があった。
【００１０】
そこで、例えば、特許文献１に記載では、水素供給装置と燃料電池スタックとを結ぶアノードラインとは別にアノードバイパスラインを設けている。バッテリの電力容量が不足して燃料電池システムが起動できないときには、そのアノードバイパスラインに設けた弁を手動で開くことにより、アノードバイパスラインを通る水素の圧力でカソードガス供給用のタービンを回転させ、そのタービンの回転により、燃料電池にカソードガス（空気）を供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２４７０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の燃料電池システムでは、上記のように、そのシステムを稼働させずに長期保管するケースや、あるいは、何らかの事象により二次電池（バッテリ）が過放電状態となってしまった場合等において、電力容量が足りなければ、制御用マイコン、補機部品等への電力供給ができず、燃料電池システムを起動できなくなる場合がある。
【００１３】
この点、特許文献１の技術では、手動での弁操作により水素と酸素とを供給できるので、燃料電池システムを起動できないという事態は回避できる。
【００１４】
しかし、この特許文献１の技術では、カソードガス供給用のタービンを駆動させる手段として、高圧水素ガスタンクからの高い水素圧力を利用している。このため、高い水素の圧力が利用できない場合には、燃料電池システムを起動することはできない。
【００１５】
そこで、この発明は、二次電池（バッテリ）の電力容量が不足した際に、水素の圧力にかかわらず、燃料電池システムを起動できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために、この発明は、燃料電池スタックへの水素ガス供給ラインをアノードラインとアノードバイパスラインの２系統に増やし、アノードラインの電磁弁の開閉による水素ガス供給に加えて、アノードバイパスラインに手動操作により開閉する弁を配置した。
さらに、制御用マイコン及び電装系の補機部品の電力供給源を、二次電池ではなく燃料電池スタックから供給する仕様に変更し、アノードバイパスラインの弁が、燃料電池システムの起動ＳＷを兼ねるようにした。
【００１７】
このような構成とすることで、仮に、二次電池が過放電した状態等となって、その電力容量が不足した状態であっても、アノードバイパスラインを通じて供給される水素によって、燃料電池スタックから制御用マイコンに起動用の電力を供給でき、燃料電池システムを起動させることが可能となる。
【００１８】
すなわち、上記特許文献１に記載された技術では、カソードガス供給用のタービンを駆動させる手段として、高圧水素ガスタンクからの高い水素圧力を利用しているが、この発明では、低い圧力の水素供給源で足り、高い圧力の水素供給源は必要ない。
また、この発明では、カソードガス供給用のタービンが不要である。その理由として、この発明では、手動の弁を開いて燃料電池スタックに供給される水素ガスと、燃料電池スタック内部のカソードガス空気供給系路、及び、冷却空気供給系路にある空気（酸素）によって発電が可能である。このため、手動の弁を開くことで、水素ガスを燃料電池スタックに供給することで得られる起電力で、制御用マイコンを起動させるのに十分な起電力を得られるためである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明は、二次電池の電力容量が不足した状態であっても、燃料電池システムを起動することが可能になり、その起動によって、燃料電池スタックが発電した電力を負荷へ供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の一実施形態の燃料電池システムの電気的な構成を説明する図
【図２】同燃料電池システムのシステム構成を説明する図
【図３ａ】同燃料電池システムの起動手順を説明する図
【図３ｂ】同燃料電池システムの起動手順を説明する図
【図４】燃料電池スタックの発電可否を判定するテーブル情報を説明する図
【図５】従来の燃料電池システムの電気的な構成を説明する図
【図６】従来の燃料電池システムのシステム構成を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。燃料電池システム２０の構成は、図１及び図２の通りである。なお、図５及び図６に示す従来例の燃料電池システム１０との比較において、共通する構成には共通の符号を付して、従来例と同様の構成である部分の説明を一部省略する。
【００２２】
燃料電池システム２０の全体構成は、図１に示すように、水素と空気に含まれる酸素との反応により発電する燃料電池スタック１と、その燃料電池スタック１に水素を供給するためのアノードラインａ、燃料電池スタック１に空気を供給するためのカソードラインｃを備える。
【００２３】
アノードラインａは、燃料電池スタック１と水素供給装置１５とを結んでいる。そのカソードラインａの途中に、アノードラインａの流路を開閉する電磁弁（供給弁）１２、及び減圧弁１６が接続されている。
【００２４】
また、カソードラインｃは、燃料電池スタック１から引き出されて、適宜のフィルタ等を介して大気に開放されている。そのカソードラインｃには、燃料電池スタック１に空気を送り込むためのファン１３が設けられている。
【００２５】
二次電池２は、充放電コントローラ４を介して負荷８へ接続されている。また、燃料電池スタック１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を通じて負荷８に接続されている。また、電磁弁１２，１２’、ファン１３等の補機部品６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用）７を通じて燃料電池スタック１に接続されている。
【００２６】
なお、この負荷８としては、例えば、この燃料電池システム２０を搭載する装置が、車輪で路面や床面を走行する車両、車椅子等の移動体である場合は、その車輪を駆動するモータや、その他電力を消費する付属部品に相当する。
【００２７】
補機部品６は、制御用マイコン５で制御可能である。また、制御用マイコン５は、二次電池２及び燃料電池スタック１に設けられた温度計Ｔ、二次電池２と充放電コントローラ４との間に設けられた電圧計Ｖ及び電流計Ａ、燃料電池スタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ３との間に設けらられた電流計Ａ、燃料電池スタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用）７との間に設けられた電圧計Ｖの各情報が取得可能である。
【００２８】
アノードラインａには、電磁弁１２を回避するアノードバイパスラインａ’が併設されている。アノードバイパスラインａ’は、電磁弁１２よりも水素供給装置１５側においてアノードラインａから分岐し、電磁弁１２よりも燃料電池スタック１側においてアノードラインａに合流している。ただし、このアノードバイパスラインａ’は、アノードラインａと並行して、燃料電池スタック１と水素供給装置１５とを直接結ぶことで、アノードラインａの電磁弁１２を回避してもよい。
【００２９】
そのアノードバイパスラインａ’の途中には、開閉弁２２が設けられている。この実施形態では、開閉弁２２として手動操作で流路を開閉できる手動弁を採用している。
【００３０】
電磁弁１２の閉弁状態で、開閉弁２２を開弁すると、アノードバイパスラインａ’を流れる水素が燃料電池スタック１に供給される。
【００３１】
これにより、アノードバイパスラインａ’を通じて燃料電池スタック１に供給される水素ガスと、燃料電池スタック１内部のカソードガス空気供給系路、及び、冷却空気供給系路にある空気（酸素）によって、燃料電池スタック１において発電が可能である。この発電により、制御用マイコン５を起動させるのに十分な起電力を得ることができる。したがって、燃料電池スタック１が発電を開始し、その発電された電力によって燃料電池が起動し、負荷８へ電力を供給できる状態となる。
【００３２】
以上のように、仮に、二次電池２が過放電した状態となっても、アノードバイパスラインａ’を通じて供給される水素によって、燃料電池スタック１から制御用マイコン５に起動用の電力を供給でき、燃料電池システム２０を起動させることが可能となる。すなわち、アノードバイパスラインａ’の開閉弁２２が、燃料電池システム２０の起動ＳＷを兼ねるようになっている。
【００３３】
以下、この構成からなる燃料電池システム２０の立上げ時の制御用マイコン５の動作方法を説明する。
【００３４】
前述のように、特許文献１等に示す従来の技術では、制御用マイコン５に二次電池２から電力が供給された状態で、メイン電源ＳＷ１１からのＯＮ信号が入力されるまで、電力消費量を抑えた待機モードでスタンバイする方式としていた（図５参照）。
【００３５】
それに対し、この発明では、まず、起動ＳＷを兼ねた水素ガス供給用の開閉弁２２を手動で開いて（図３ａに示す工程３１）、燃料電池スタック１に水素ガスを供給することで発電を開始する。そして、燃料電池スタック１で得られる起電力（電圧ＶＦＣ）が、制御用マイコン動作最低電圧を超えれば、その起電力を利用し、制御用マイコン５を起動させる（同工程３２，３３）。なお、起動できない場合は、不良箇所を発見するための別途の対策を講ずることになる（同工程３３’）。
【００３６】
つぎに、燃料電池スタック１が発電可能となる条件を満たしているかどうかを判定するため、その燃料電池スタック１の電圧、電流、温度等の最小限の情報を、制御用マイコン５で収集する（同工程３４）。
【００３７】
この収集された情報に基づいて、制御用マイコン５の内部メモリに記憶された燃料電池スタック１のＩ−Ｖ曲線のテーブル情報（図４参照）や、最後に燃料電池スタック１が発電されてからの経過時間を算出し、これらの情報を基に、燃料電池スタック１の第１ステップの発電可否判定をおこなう（同工程３５，３６）。
【００３８】
この第１ステップで発電可能と判定された場合、アノードラインａの水素ガス供給用の電磁弁１２、及び、水素ガスパージ用の電磁弁１２’の開閉操作、並びに、カソードガス供給用および燃料電池スタック冷却用のファン１３の回転数制御等を行う（同工程３８）。
これにより、燃料電池スタック１から段階的に電力を取り出し、内部メモリに記憶された燃料電池スタック１のＩ−Ｖ曲線のテーブル情報を参照し、第２ステップの発電可否判定をおこなう（図３ｂに示す工程３９，４０）。
【００３９】
第１ステップで発電不可と判定された場合、システム状態表示部１４にエラーメッセージを表示し、利用者へ燃料電池スタック１の異常状態を知らせる（同工程３７）。
【００４０】
第２ステップで発電可能と判定された場合、制御用マイコン５から燃料電池スタック１からの発電量をコントロールする機能を有したＤＣ／ＤＣコンバータ３と、二次電池２の充放電コントローラ４を制御し、負荷８に電力を供給することで燃料電池システム２０を起動させる（同工程４２）。また、システム状態表示部１４に燃料電池システムの運転開始メッセージを表示させる（同工程４３）。
【００４１】
第２ステップで発電不可と判定された場合、システム状態表示部１４にエラーメッセージを表示する（同工程４１）。また、仮に、燃料電池スタック１が完全に故障し、水素ガスを燃料電池スタック１に供給しても燃料電池スタック１から起電力が得られず、制御用マイコン５へ電力を供給できない場合には、システム状態表示部１４には何も表示されない（前述の工程３３’参照）。
【００４２】
また、この実施形態において、手動の開閉弁２２はバネ式開閉機構になっており、操作者が弁の開閉レバーを押している間のみ、水素ガスが供給される仕組みとなっている。ただし、この開閉弁２２の構成は、この実施形態には限定されず、二次電池２の状態に係わらず流路の開閉機能を発揮できる任意の構成からなる弁装置を採用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池スタック
２  二次電池
３  ＤＣ／ＤＣコンバータ
４  充放電コントローラ
５  制御用マイコン
６  補機部品
７  ＤＣ／ＤＣコンバータ（補機用）
８  負荷
１０，２０  燃料電池システム
１１  メイン電源ＳＷ
１２，１２’  電磁弁
１３  ファン
１４  システム状態表示部
２１  停止ＳＷ
２２  開閉弁（手動弁）
ａ  アノードライン
ａ’  アノードバイパスライン
ｃ  カソードライン
ｐ  水素パージライン
【図１】
2013211133.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
2013211133.tif 000007
【図５】
2013211133.tif 000008
【図６】
2013211133.tif 000009