JP4828106B2 - 燃料電池の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池を氷点下の温度で起動する際における燃料電池の起動方法に関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装したセルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードにエア（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０゜Ｃが発電に最適な温度域とされているが、使用環境によっては起動してから前記温度に達するまでに長い時間がかかる場合があり、その対策を講じる必要がある。
特に、移動手段としての燃料電池車両の場合には、低温時にも速やかな始動性が必要とされるので、燃料電池の低温起動性は極めて重要である。

例えば、特許文献１には、発電電流を周期的に変化させることにより、発電効率を低下させ発熱量を増やす技術が提案されている。
また、他の方法としては、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法も知られている。
特開２００２−３１３３８８号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、発電電流を周期的に変化させる技術においては、発熱量を増加させるためとは言え発電効率が低下してしまい、燃料電池に非効率的な運転を強いることになるため燃料電池の運転上好ましくない。

また、氷点下で燃料電池を起動する場合には、燃料電池スタック内に残留する残留水が凍結して十分に反応ガスを電極（アノード、カソード）に供給できず、正常に発電が行えない場合がある。そして、従来の技術のいずれにおいても、燃料電池スタックに電流を過剰に流すと、上述のように正常に発電が行えない場合には、電極の触媒成分が電気化学反応して腐食してしまう（以下、電食、と称す）虞があり、性能や寿命を低下させてしまう虞がある。

従って、本発明は、氷点下の温度で起動するときに、電極の電食を防止して、燃料電池の寿命を延ばすことができるとともに、性能低下を抑制することができる燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、複数のセル（例えば、実施の形態におけるセル３）を積層してなる燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック４）を備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、該燃料電池を発電させ、初期電流を流すとともに、該燃料電池スタック温度及び該燃料電池スタックに流れる電流値から、前記セルが示す可能性がある最大の電圧である上限セル電圧と、前記複数のセルのうち最も高い最高セル電圧と、の差が所定値より上のときは、該燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から増加させ、前記差が所定値以下の場合には、自立暖気可能電流以上の範囲で前記燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から減少させることを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、前記電流値での前記上限セル電圧と前記最高セル電圧との差が所定値以下の場合、すなわち、前記最高セル電圧が高い場合には、各セルの抵抗値が低くなっていると推定できる。この場合には、抵抗値を減少させる要因であるセル内に残留する氷が多いと推定できる。よって、前記電流値を減少させる制御を行うことで、発電が不安定な状態で電流が過剰に流れることを防ぎ、各セルの電極の劣化を抑制することができる。なお、上限セル電圧とは、ある内部温度において、前記電流値に応じてセルが発揮できる最大のセル電圧である。換言すれば、上限セル電圧とは、ある内部温度において、前記電流値に応じてセルが示す可能性がある最大のセル電圧である。また、最高セル電圧とは、燃料電池の積層された各セルのうち最も高い電圧値を示すセルについてのセル電圧である。

一方、前記電流値での前記上限セル電圧と前記最高セル電圧との差が所定値より上の場合、すなわち、前記最高セル電圧が低い場合には、各セルの抵抗値が高くなっていると推定できる。この場合には、抵抗値を減少させる要因であるセル内に残留する氷が少ないと推定できる。よって、前記電流値を増加させる制御を行うことで、正常に発電できるとともに発電による発熱で暖機を促進することができ、迅速な起動を行うことができる。

請求項２に係る発明は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、該燃料電池を発電させ、初期電流を流すとともに、該燃料電池スタック温度及び該燃料電池スタックに流れる電流値から前記セルが示す可能性がある最大の電圧である上限セル電圧と、前記複数のセルのうち最も高い最高セル電圧と、の差が所定値より上のときは、該燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から増加させ、前記差が所定値以下のときに、前記電流値を一定時間維持しつつ前記最高セル電圧の時間変化量を測定し、該時間変化量が０以上であるときは前記燃料電池スタックから継続して電流を流し、該時間変化量が負であるときには、前記燃料電池スタックに流れる電流値をゼロにすることを特徴とする。

この発明によれば、前記上限セル電圧と前記最高セル電圧との差が所定値以下のときの前記時間変化量が負であれば、発電により生じた生成水が凍結して十分に発電が行われていないと推定できる。よって、燃料電池スタックに流れる電流値を停止することで、各セルの電極で凍結する氷の増大を防止できるとともに、前記電極の劣化を防止することができる。一方、前記上限セル電圧と前記最高セル電圧との差が所定値以下のときの前記時間変化量がゼロ以上であるときには、セルの電極での触媒反応の活性増大や、発電に伴う生成水の増大により抵抗値が減少していると考えられるため、暖機がなされていると判断できる。

請求項１に係る発明によれば、発電が不安定な状態で電流が過剰に流れることを防ぎ、各セルの電極の劣化を抑制することができる。また、正常に発電できるとともに発電による発熱で暖機を促進することができ、迅速な起動を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、各セルの電極で凍結する氷の増大を防止できるとともに、前記電極の劣化を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の起動方法を図面と共に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合の燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。

同図に示す燃料電池２は、複数のセル３…３を積層してなるスタック４を、一対のプレート５、５で挟持してなる構成を備えている。各セル３は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成される。各セルのアノードに燃料として水素を供給するとともに、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
なお、発電の際にはカソード側で水が生成されるとともに、カソード側で生じた生成水の一部が電解質膜を介してアノード側に逆拡散するためアノード側にも生成水が存在する。

水素タンク６から供給される水素は、遮断弁７やレギュレータ（図示せず）を介し、水素供給流路８を通って燃料電池２のアノードに供給される。そして、発電により消費されなかった未反応の水素オフガスは、アノード側の生成水等の残留水と共に、アノードから水素オフガス循環流路９に排出され、エゼクタ１０を介して水素供給流路８に合流する。

つまり、燃料電池２から排出された水素オフガスは、水素タンク６から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノードに供給される。また、水素オフガス循環流路９から分岐した水素オフガス排出流路１１は希釈ボックス（図示せず）に接続される。水素オフガス排出流路１１には水素パージ弁１２が設けられ、水素パージ弁１２を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素オフガス排出流路１１から希釈ボックスに排出する。

一方、エアはコンプレッサ１３によりエア供給流路１４に圧送され、燃料電池２のカソードに供給される。燃料電池２のカソードに供給されたエアは発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエアオフガス排出流路１５に排出される。

エアオフガス排出流路１５は上述の希釈ボックス（図示せず）に接続され、エアオフガス排出流路１５から排出されるエアオフガスは希釈ボックス内で水素オフガスと混合される。これにより、水素オフガス排出流路１１から排出された水素オフガスは、希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。

さらに、燃料電池２は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池２の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池２は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御される。
また、燃料電池２は車両駆動用モータなどの負荷１６に電線１７を介して接続され、燃料電池２の発電で得られた電力を電線１７を介して負荷１６に供給する。

また、本実施の形態においては、燃料電池２の内部温度を把握するために、複数箇所に温度センサ１９〜２１を設けている。すなわち、エアオフガス排出流路１５におけるスタック４の出口付近に温度センサ１９を、水素オフガス排出流路１１におけるスタック４の出口付近に温度センサ２０を、燃料電池２のプレート５に温度センサ２１を、それぞれ設けている。さらに、燃料電池２を循環する図示しない冷媒通路にも、温度センサを設けている。なお、上述の全ての温度センサを備える構成に限られず、少なくとも１つの温度センサを備える構成であっても良い。
また、燃料電池２の電流Ｉを測定するために、負荷１６に接続された電線１７に電流センサ２２を設けている。さらに、燃料電池２の電圧を測定する電圧センサ２３や、各セル３の電圧を検出するための電圧センサ（図示せず）も設けられている。

燃料電池システム１には、該システム１の制御を行うためのコントロールユニット（制御部）２４が設けられている。この制御部２４には、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）が接続されている。制御部２４には、イグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や、温度センサ１９〜２１や電流センサ２２、電圧センサ２３からの検出値が入力される。そして、制御部２４は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、遮断弁７、コンプレッサ１３、水素パージ弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、遮断弁７を開弁するとともにコンプレッサ１３を駆動して、燃料電池２のアノードやカソードにそれぞれ反応ガス（水素、エア）を供給する制御を行い、始動運転を開始する。

次に、ステップＳ１２では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、燃料電池２の内部温度を把握する。ステップＳ１４では、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には十分暖機がされていると判定できるので、ステップＳ３４に進み、通常発電の制御に移行して本フローチャートの処理を終了する。この場合には燃料電池２内の残留水は凍結していないと判断できるためである。

一方、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合（低温起動時と判断される場合）にはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、燃料電池２に初期電流を流す。ここで、初期電流は、燃料電池２の発電により生じる生成水の凍結を防止できる自立暖機可能な電流値以上の値に設定される。

ついで、ステップＳ１８では、上述した温度センサ１９〜２１や冷媒通路に設けた温度センサで検出した温度に基づいて、初期電流を流した後における燃料電池２の内部温度を把握する。そして、燃料電池２の内部温度が０度より大きいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ３４に進み、通常の制御へ移行して、本フローチャートの処理を終了する。また、ステップＳ２０の判定結果がＮＯであればステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、燃料電池２に流れる電流が自立暖機可能電流以上か否かを判定する。この判定を行うのは、後述する制御で電流値の増減を行うためである。なお、本実施の形態では、燃料電池スタック４の発電によって流れる電流値を負荷１６となるモータの制御部で変化させている。
ステップＳ２２この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、燃料電池２に流れる電流値をゼロにする処理を行う。そして、ステップＳ３０で、別の暖機手段（例えば、外部ヒータ等）に切り替える制御を行って、本フローチャートの処理を終了する。

ステップＳ２４では、各セル３の電圧のうち、最高の電圧（最高セル電圧）を検出して、この最高セル電圧がエリアａよりも小さいか否かを判定する。これについて、図４および図５を用いて説明する。
図４は燃料電池スタックを構成するセルにおける電流と上限セル電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。同図に示すように、燃料電池２の内部温度に応じて、燃料電池２に流れる電流と上限セル電圧との関係を所定のライン（この場合はラインＡ〜Ｃ）で示すことができる。なお、ここで示すラインＡ、Ｂ、Ｃの温度は、いずれも氷点下である。そして、ラインＣの温度が一番高く、ラインＣ、ラインＢ、ラインＡの順に温度が低くなっている。

また、図５は燃料電池スタックを構成するセルの所定温度（この場合はラインＢの温度）での電流と電圧との関係を示すグラフ図（マップ）である。図５において、ラインＢ（図４に示したものと同じ）は、セル３電圧の上限ラインを示し、ラインＰは、セル３内に残留する氷の量の多少を区分するラインである。同図には、ラインＢとラインＰとで仕切られるエリアをエリアａ、ラインＢよりも下のエリアをエリアｂと規定している。なお、図５にはラインＢのときの温度での関係を示しているが、ステップＳ１８で把握した内部温度に応じてマップは持ち替えられる。

そして、ステップＳ２４での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち最高セル電圧がエリアｂの領域にある場合には、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、電流値の増加を許可する処理を行う。最高セル電圧がエリアｂの領域にあるとき、換言すれば、上限セル電圧と最高セル電圧との差が所定値より上のときには、抵抗値を下げる要因であるセル３内の氷の量が少ないと判断できる。つまり、燃料電池２の起動前に行われた掃気処理（残留水除去）が十分になされ、残留水が少ないと判断できるため、この場合には、ステップＳ２６で電流値の増加を許可して、発電およびこれに伴う発熱による暖機を促進させる。そして、ステップＳ１８に戻って再度上述した処理を行う。

一方、ステップＳ２４での判定結果がＮＯの場合、すなわち最高セル電圧がエリアａの領域にある場合には、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、電流値を減少させる処理を行う。ただし、減少後の電流値は、上述した自立暖機可能電流以上の値となるように設定される。

最高セル電圧がエリアａの領域にあるとき、換言すれば、上限セル電圧と最高セル電圧との差が所定値以下のときには、抵抗値を下げる要因であるセル３内の氷の量が多いと判断できる。つまり、燃料電池２の起動前に行われた掃気処理（残留水除去）が十分になされておらず、残留水が多いと判断できるため、この場合には、ステップＳ３２で電流値を減少させて、発電が不安定な状態で電流が過剰に流れることを防ぎ、各セルの電極の劣化を抑制することができる。そして、ステップＳ１８に戻って再度上述した処理を行う。

このように、本フローチャートの制御を行うことで、発電が不安定な状態で電流が過剰に流れることを防ぎ、各セル３の電極の劣化を抑制することができる。また、正常に発電できるとともに発電による発熱で暖機を促進することができ、迅速な起動を行うことができる。

次に、燃料電池システムの起動方法の他の処理内容について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図２に示す処理と同じ処理については、同一の番号を付してその説明を適宜省略する。このフローチャートでは、ステップＳ２４の判定結果がＮＯの場合、すなわち、最高セル電圧がエリアａの領域にあるときには、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、所定時間ｔ１だけ電流値を保持（ホールド）して、前記最高セル電圧の時間変化量ｄＶ／ｄｔを測定する（図６参照）。そして、ステップＳ４４で、最高セル電圧の時間変化量ｄＶ／ｄｔ≧０か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳのとき（ｄＶ／ｄｔ≧０）にはステップＳ１８に進んで電流を流す処理を継続して行い、判定結果がＮＯのときにはステップＳ２８に進んで電流値をゼロにしてステップＳ３０で別の暖機手段に切り替える処理を行う。

このステップＳ４４の処理についてより詳細に説明する。電圧の時間変化量ｄＶ／ｄｔが上昇している場合には、セル３の電極の触媒活性が増大してセル３の含水量が増加している状態、すなわち、セル３で発電が行われて温度が上昇していると推定できる。従って、この場合には、発電やこれに伴う暖機が適正に行われている状態と推定できるので、電流を流す処理を継続して行う。
一方、電圧の時間変化量ｄＶ／ｄｔが下降している場合には、発電により生じた生成水が凍結して十分に発電が行われていないと推定できる。よって、燃料電池スタック４への電流値をゼロにすることで、各セル３の電極で凍結する氷の増大を防止できるとともに、前記電極の劣化を防止することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した場合について説明したが、車両以外の燃料電池システムにも適用してもよい。なお、ステップＳ１４の閾値については、０℃でなくてもよく、燃料電池２のセル３が暖機されているかを判断するための所定値であればよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池システムの起動方法の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池システムの起動方法の他の処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池スタックを構成するセルにおける電流と上限セル電圧との関係を温度毎に示すグラフ図である。 燃料電池スタックを構成するセルの所定温度での電流と電圧との関係を示すグラフ図である。 燃料電池スタックを構成するセルの時間に対する電圧の変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…セル
４…スタック
１９〜２１…温度センサ
２２…電流センサ
２３…電圧センサ
２４…コントロールユニット

Claims (2)

1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   該燃料電池を発電させ、初期電流を流すとともに、
   該燃料電池スタック温度及び該燃料電池スタックに流れる電流値から前記セルが示す可能性がある最大の電圧である上限セル電圧と、前記複数のセルのうち最も高い最高セル電圧と、の差が所定値より上のときは、該燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から増加させ、
   前記差が所定値以下の場合には、自立暖気可能電流以上の範囲で前記燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から減少させることを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池の起動方法であって、
   該燃料電池スタックを少なくとも氷点下の温度で起動するときに、
   該燃料電池を発電させ、初期電流を流すとともに、
   該燃料電池スタック温度及び該燃料電池スタックに流れる電流値から前記セルが示す可能性がある最大の電圧である上限セル電圧と、前記複数のセルのうち最も高い最高セル電圧と、の差が所定値より上のときは、該燃料電池スタックに流れる電流値を前記初期電流から増加させ、
   前記差が所定値以下のときに、前記電流値を一定時間維持しつつ前記最高セル電圧の時間変化量を測定し、
   該時間変化量が０以上であるときは前記燃料電池スタックから継続して電流を流し、
   該時間変化量が負であるときには、前記燃料電池スタックに流れる電流値をゼロにすることを特徴とする燃料電池の起動方法。

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