(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
該水素タンクから供給される水素ガスの圧力を調整する可変絞り弁と、
該可変絞り弁で圧力調整された水素ガスを燃料極へ供給する燃料ガス供給通路と、
燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された燃料ガスを一時的に外気に排出するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁の開弁時の開口面積より大きい開弁時の開口面積を有し、燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁と、燃料電池本体の燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記圧力検出手段が検出する燃料極のガス圧力が一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス置換を所定時間経過したら終了させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池本体の燃料極内、または前記燃料ガス供給通路内の燃料ガス濃度に関連する値を検出する濃度関連値検出手段を備え、
該濃度関連値検出手段が検出した値に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス供給流量に関連する値を検出する流量関連値検出手段を備え、
該流量関連値検出手段が検出した値に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池本体の燃料極のガス圧力が略一定となるように前記可変絞り弁を操作するとともに、
前記可変絞り弁の開度に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記可変絞り弁の開度が所定値を超えてから所定時間経過後に前記燃料ガス置換を終了することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記可変絞り弁と燃料電池本体との間の前記燃料ガス供給通路にイジェクタを備え、
燃料電池本体から排出された余剰燃料ガスを、前記イジェクタの吸入口に戻す燃料電池システムであって、
イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する第２圧力検出手段を備え、
該第２圧力検出手段が検出した燃料ガス圧力に基づいて前記燃料ガス置換を終了させ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８】
前記第２圧力検出手段が検出したイジェクタ上流の燃料ガス圧力増加から所定時間経過後に前記燃料ガス置換を終了することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁と、
燃料ガス供給流量を検出する流量検出手段を備え、
燃料電池システムの起動時に、燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記流量検出手段が検出した燃料ガス供給流量が所定値以上となったときに前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁と、
燃料ガス供給通路に可変絞り弁を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記可変絞り弁を操作して燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記可変絞り弁の開度が所定値以上となったときに前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁と、
燃料ガス供給通路に可変絞り弁を備え、
前記可変絞り弁と燃料電池本体との間の燃料通路にイジェクタを備え、
燃料電池本体から排出された余剰燃料ガスを、前記イジェクタの吸入口に戻す燃料電池システムであって、
イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記可変絞り弁を操作して燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記圧力検出手段が検出したイジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値以上となったときに、前記燃料ガス置換を終了させ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池システムの起動方法として、特許第２７３５３９６号に記載されたものがある。
この従来例では、燃料電池システムの起動時は、燃料と空気を供給し、燃料電池の出力電圧を監視し、この出力電圧値が電圧許容下限値を超えた時点で、電力負荷を取り出すようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の出力電圧が上昇した状態であっても、電力負荷を取り出すと問題が起こる場合がある。
例えば、燃料電池システムを長時間運転せずに放置した場合を考える。放置状態では、燃料電池の燃料極及び燃料配管内の燃料ガスは、システム外に徐々に拡散したり、徐々に燃料電池内で空気中の酸素と反応して失われるため、燃料極及び燃料配管内は空気、または窒素が充満した状態となる。
【０００４】
ここで、燃料電池システムを起動するために、燃料極、空気極にそれぞれ燃料ガス、空気を供給すると、燃料極または燃料通路内の空気が燃料ガスに十分置き換わっていなくても、すぐに燃料電池の出力電圧は立ち上がる。しかし、ここですぐに負荷を取り出すと、燃料通路または燃料極内の燃料ガス濃度が不充分なため、急激な電圧降下が発生し、負荷を安定して取り出せないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間放置後であっても確実にかつ短時間で起動できる燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する水素タンクと、該水素タンクから供給される水素ガスの圧力を調整する可変絞り弁と、該可変絞り弁で圧力調整された水素ガスを燃料極へ供給する燃料ガス供給通路と、燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された燃料ガスを一時的に外気に排出するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ弁の開弁時の開口面積より大きい開弁時の開口面積を有し、燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁と、燃料電池本体の燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、燃料電池システムの起動時に、前記圧力検出手段が検出する燃料極のガス圧力が一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを要旨とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス通路および燃料電池の燃料極が確実に燃料ガスで置換され、長時間放置の後であっても確実にかつ短時間で起動できるという効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。同図において、燃料電池本体である燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層したものである。燃料としては水素、酸化剤としては空気を用いる。
【０００９】
水素タンク２（燃料ガス供給手段）の水素ガスは、可変絞り弁３を介して燃料電池スタック１に供給される。可変絞り弁３は、通常運転時は、燃料電池スタック１への水素供給圧が適正になるようにコントローラ１４で制御される。
【００１０】
可変絞り弁３と燃料電池スタック１の間の水素配管４（燃料ガス供給通路）には、イジェクタ５が設けられる。燃料電池スタック１から排出される余剰水素は、水素戻り配管６からイジェクタ５の吸入口に戻され、通常運転時は、イジェクタ５で水素を循環させることにより、燃料電池スタック１の反応効率を上げている。
【００１１】
開閉弁７は、通常運転時に、例えば燃料電池スタック１内の水素通路が水で閉塞された場合等に、一時的に水素ラインをパージするためのパージ弁（パージ手段）である。
【００１２】
開閉弁８は、起動時に水素ラインを水素で置換するための、水素置換バルブ（燃料ガス排出手段）であり、パージ弁７より大きな開口面積に設定する。
【００１３】
圧力センサ９は、燃料電池スタック１に供給される水素圧を検知し、コントローラ１４が可変絞り弁３を制御する際に用いるとともに、後述するように、本発明での水素置換においても用いる。
【００１４】
コンプレッサ１０は、空気を圧縮して燃料電池スタック１の酸化剤極の入口へ供給し、酸化剤極の出口に設けられた空気圧調整弁１２により酸化剤極の空気圧が調整される。燃料電池スタック１への空気の供給及び空気圧の制御は、コントローラ１４がコンプレッサ１０及び空気圧調整弁１２を制御することにより行われる。
【００１５】
次に、上記構成による燃料電池システムの起動時の処理概要を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１１で起動操作を開始すると、燃料ガス通路及び燃料極を燃料ガスで置換する燃料ガス置換開始の指示が出る。
【００１６】
Ｓ１２で水素置換バルブ８を開き、続いてＳ１３でスタック水素極圧力（スタック水素入口圧力）、すなわち圧力センサ９で検知した圧力が略一定（例えば０．２バール程度）となるように、可変絞り弁３の開度を調整しながらシステムに水素を供給して、水素ライン内を新規に供給した水素で置き換える水素置換（燃料ガス置換）を行う。
【００１７】
Ｓ１４で置換時間が所定時間（例えば１０秒程度）となったら、水素ラインが十分置換されたと判定し、水素置換を終了、すなわち可変絞り弁３を閉じて水素の供給を止め、Ｓ１５で水素置換バルブ８を閉じ、Ｓ１６では、水素置換を終了して、通常運転操作に基づき空気、水素を供給し、電力負荷取り出しを開始する。
【００１８】
Ｓ１４での所定時間は、燃料電池システムの水素ラインが、例えば空気で充満されている場合でも十分に置換できる時間を、予め実験的に求めておき設定する。
【００１９】
なお、本実施形態では、パージ弁とは別に、パージ弁より開口面積の大きい水素置換バルブを設けた。バルブを別個に設けたのは、パージ弁は燃料消費率を悪化させないために、必要最小限の大きさとしたいが、そうすると、起動時の水素置換で、大きな流量を流そうとした時に圧損が大きくなってしまうためである。
【００２０】
もちろん、一つの開閉弁をパージ弁兼水素置換バルブとして用いても構わない。この場合、バルブを大きくすると、通常運転中にパージする時にパージ流量が不必要に多くなり、燃料消費が増える。また、バルブを小さくすると、起動時に水素置換流量を大きくしようとすると、バルブの圧損により燃料電池スタック１にかかる圧力が高くなっていまい、燃料電池スタック１にダメージを与えてしまうおそれがあり、水素置換流量を小さくせざるをえなくなり、必要な置換時間が長くなり、起動時間が延びてしまう。
【００２１】
そこで、パージ弁兼水素置換バルブとして用いる開閉弁は、単なる開閉弁ではなくて、２段階の開度を有するバルブとする。そしてパージ弁として動作する場合の第１の開度より、水素置換バルブとして動作する場合の第２の開度の方が大きい開口面積とする。
【００２２】
このように、バルブ一つとすることにより、低コスト化が可能であり、燃料消費率、起動時間、コストのバランスで、バルブを一つにするか二つにするか選択すべきである。
【００２３】
以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料極のガス圧力が略一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを水素置換バルブ（燃料ガス排出手段）から排出することにより、燃料ガス通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うようにしたので、確実に必要十分な水素置換を行うことができ、長期間放置後であっても、短時間で確実な起動が可能となるという効果がある。
【００２４】
また、パージ弁（パージ手段）より開口面積の大きい水素置換バルブ（燃料ガス排出手段）を備えたことにより、迅速な燃料ガス置換と燃費の向上とを両立させることができる。
【００２５】
さらに、燃料極のガス圧力が略一定となるように燃料ガスを供給する燃料ガス置換が所定時間が経過したら終了させるようにしたので、簡単な制御で燃料ガス置換の終了を判定できる。
【００２６】
なお、本実施形態においては、イジェクタで水素を循環させるシステムについて説明してきたが、例えば、外部動力による水素循環ポンプを用いて水素を循環させるシステム、水素を循環させないシステムにおいても本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【００２７】
〔第２実施形態〕
第２実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第１実施形態において、スタック入口の圧力が一定となるように燃料ガス置換を行う場合、図３に示すように、置換開始からの供給水素流量の時間変化は、置換時の水素圧力と水素置換バルブの開口面積で決まる流量まで、時間とともに増加していく。実線が、起動前に水素ラインが完全に空気で充満していた場合、破線は、起動前に水素が一部残存していた場合である。
【００２８】
このように水素濃度が高まるほど水素供給流量が増加するのは、水素より空気（酸素及び窒素）の方が分子量が大きく、等圧力差で水素置換バルブを通過する体積流量は、空気の方が少ないからである。
【００２９】
よって、第２実施形態では、水素供給流量に関連する値を検出する流量関連値検出手段を備え、起動時の水素置換において、流量関連値検出手段が検出した値が所定値以上になったら、置換を終了するようにして、水素ライン中の水素残存の度合い（濃度）に応じて、必要最小限の時間で、十分な置換が行える。尚、流量関連値検出手段として、直接水素ガス流量を検出する流量センサを図１の水素配管４に備えてもよい。
【００３０】
本実施形態の基本的な処理手順を、図４のフローチャートで説明する。Ｓ２１からＳ２３までの流れは、第１実施形態のＳ１１からＳ１３までと同様である。Ｓ２４にて、水素供給量が所定値（例えば１００Ｌ／分程度）以上であるか否かを判定する。Ｓ２４の判定で所定値未満であればＳ２３へ戻る。Ｓ２４の判定で所定値以上であれば、Ｓ２５で可変絞り弁３を閉じ、Ｓ２６で水素置換バルブ８を閉じ、Ｓ２７で置換を終了する。
【００３１】
次に、本実施形態での供給水素流量の検出方法を説明する。
図５に示すように、可変絞り弁３の開度と水素供給流量との間には、一意の関係があるため、流量関連値検出手段として可変絞り弁３の開度を検出することで水素流量が検出できる。
【００３２】
従って、図６のフローチャートのＳ３４にて、可変絞り弁３の開度が所定値以上かどうか判定することにより、水素置換の終了を判定すればよい。
【００３３】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、燃料電池本体の燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガス濃度に関連する値を検出する濃度関連値検出手段を備え、この濃度関連値検出手段が検出した値に基づいて燃料ガス置換を終了させるようにしたので、水素ライン中の水素残存の度合い（濃度）に応じて、水素置換時間を必要最小限にでき、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【００３４】
また、上述した特性を利用することで水素ライン中の水素残存の度合いを燃料ガス供給流量から判断することで水素濃度検出専用のセンサも必要ない。
さらに、流量関連値検出手段として可変絞り弁開度から燃料ガス供給流量を判断するので高精度の流量計を用いることなく燃料ガス置換の終了を検出することができる。
【００３５】
〔第３実施形態〕
第２実施形態において、可変絞り弁の開度の検出精度が十分でない場合、十分な置換がなされていないのに置換が終了したり、実際の水素流量が十分増加しても、弁開度を十分大きいと判断せずに置換が終わらなくなる不具合が予測される。
【００３６】
そこで、本実施形態では、第２実施形態に対し、置換終了判定する水素可変絞り弁開度の敷居値をやや低くする代わりに、開度が敷居値を超えた後も所定時間（例えば３秒程度）置換を継続するようにした。
【００３７】
図７にフローチャートを示す。図６の第２実施形態のフローに対し、Ｓ４５を追加したフローであり、可変絞り弁開度が所定値を超えた後も、所定時間燃料ガス置換を継続するようにした。
【００３８】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、可変絞り弁の開度が所定値を超えてから所定時間経過後に燃料ガス置換を終了するようにしたので、可変絞り弁開度の検出精度が不充分な、安価なバルブを用いても、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【００３９】
〔第４実施形態〕
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を示す構成図である。第１、第２実施形態と構成上の相違は、イジェクタ５の上流で燃料ガス圧力を検出する第２圧力検出手段として圧力センサ１３を追加したことである。その他の構成は、図１に示した第１、２実施形態と同様であるので、同一構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４０】
イジェクタ５は、その入口側のノズルが絞りとして作用し、圧損が発生するため、図９に示すように、その入口圧力と供給水素流量との間には一意の関係がある。
【００４１】
従って、図１０のフローチャートに示すように、Ｓ５４にて、圧力センサ１３が検出したイジェクタ入口圧力が所定値（例えば１バール程度）以上かを判定して、所定値以上の場合置換を終了することにより、第２実施形態と同様な効果が得られるのである。
【００４２】
本実施形態においても、イジェクタ５上流の圧力センサ１３の精度が不足する場合は、前述したような不具合が発生するおそれがある。
【００４３】
このような場合は、図１１のフローチャートに示すように、Ｓ６４で圧力センサ１３が検出したイジェクタ入口圧力が所定値（例えば０．８バール程度）を超えた後、Ｓ６５で所定時間（例えば３秒程度）置換を継続するようにすれば、安価な圧力センサであっても、短時間で確実に燃料電池システムを起動することができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ１３（第２圧力検出手段）を備え、この圧力センサ１３が検出した燃料ガス圧力に基づいて燃料ガス置換を終了させるようにしたので、既存のイジェクタの特性を利用して、簡単、確実かつ短時間での燃料電池システムの起動ができる。
【００４５】
また、圧力センサ１３が検出したイジェクタ入口圧力が所定値を超えてから所定時間経過後に燃料ガス置換を終了するようにしたので、ガス圧力の検出精度が不充分な、安価な圧力センサを用いても、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図３】圧力一定で水素を供給した場合の経過時間に対する水素供給流量を示す図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図５】可変絞り弁開度に対する供給水素流量を示す図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図７】第３実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を説明する構成図である。
【図９】イジェクタ入口圧に対する供給水素流量を示す図である。
【図１０】第４実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図１１】第４実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック（燃料電池本体）
２…水素タンク
３…可変絞り弁
４…水素配管（燃料ガス供給通路）
５…イジェクタ
６…水素戻り配管
７…パージ弁
８…水素置換バルブ（燃料ガス排出手段）
９…圧力センサ（圧力検出手段）
１０…コンプレッサ
１１…空気配管
１２…空気圧調整弁
１３…圧力センサ（第２圧力検出手段）
１４…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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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