JP2002343398A - 燃料電池の運転停止方法 - Google Patents
燃料電池の運転停止方法Info
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Abstract
短時間で除去する。 【解決手段】 燃料電池の運転時には、燃料電池1へ供
給される供給反応ガスを水透過型加湿器30の一次側通
路に流し燃料電池1から排出された排出反応ガスを水透
過型加湿器30の二次側通路に流して排出反応ガス中の
水分を回収し供給反応ガスを加湿する水透過型加湿器3
0を備えた燃料電池1の運転停止方法において、燃料電
池1の運転停止時には、燃料電池1から排出される排出
反応ガスを二次側通路をバイパスして排出し、供給反応
ガスを一次側通路に通し、一次側通路を通過した供給反
応ガスの一部を二次側通路に通すことで燃料電池1へ供
給する供給反応ガスの水分を除去し、燃料電池1内の水
分を除去するステップと、燃料電池1内の水分を除去し
た後に、燃料電池1への供給反応ガスの供給を停止する
ステップと、を備えたことを特徴とする。
Description
として使用される燃料電池の運転停止時に燃料電池のガ
ス流路内の水分を除去してから運転を停止する技術に関
する。
をアノード電極とカソード電極とで挟持して、膜・電極
構造体を形成し、この膜・電極構造体を一対のセパレー
タで挟持したものがある。この燃料電池では、アノード
電極の発電面に燃料ガス(例えば、水素ガス)を、カソ
ード電極の発電面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空
気)を各々加湿した状態で供給して化学反応を行い、こ
の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気
エネルギーとして利用される。カソード電極においては
酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)が供給されてい
るため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生
成される。したがって、環境に与える影響が少ないため
車両の駆動源として注目されている。
応によって発生した生成水は燃料電池内の反応ガス流路
の各所にある程度残留することが避けられないが、この
ように生成水が残留した状態で燃料電池を搭載した車両
が運転停止した状態において、例えば、氷点下などの外
気温度が低い場所に長時間放置されると、残留する生成
水が凍結して、始動性能を悪化させてしまうという問題
がある。このような、問題に対処するため、例えば、特
開2000−110727号公報に示されているよう
に、燃料電池の運転停止時に、加湿用に使用されている
吸水路を遮断して反応ガスを加湿しないで燃料電池内に
供給して乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達したら
運転を停止するものがある。
反応ガスによって燃料電池内を乾燥させようとすると、
乾燥までに多くの時間がかかるという問題がある。つま
り、加湿していないとはいえ反応ガスにもある程度の水
分が含まれるため、乾燥にはある程度の時間が必要とな
る。その結果、例えば、燃料電池を運転停止しバッテリ
により反応ガスの供給装置を駆動すると乾燥に費やすエ
ネルギーが無視できないものとなり、エネルギーマネー
ジメントの上で大きな制約となってしまう。そこで、こ
の発明は、運転停止時に短時間で燃料電池内を適度に乾
燥させることができる燃料電池の運転停止方法を提供す
るものである。
に、請求項1に記載した発明は、燃料電池(例えば、後
述する実施の形態における燃料電池1)の運転時には、
前記燃料電池へ供給される供給反応ガスを水透過型加湿
器(例えば、後述する実施の形態における水透過型加湿
器30)の一次側通路(例えば、後述する実施の形態に
おける一次側通路32)に流し前記燃料電池から排出さ
れた排出反応ガスを前記水透過型加湿器の二次側通路
(例えば、後述する実施の形態における二次側通路3
3)に流して前記排出反応ガス中の水分を回収し前記供
給反応ガスを加湿する水透過型加湿器を備えた燃料電池
の運転停止方法において、前記燃料電池の運転停止時に
は、燃料電池から排出される前記排出反応ガスを前記二
次側通路をバイパスして排出し、前記供給反応ガスを前
記一次側通路に通し、前記一次側通路を通過した前記供
給反応ガスの一部を前記二次側通路に通すことで前記燃
料電池へ供給する供給反応ガスの水分を除去し、前記燃
料電池内の水分を除去するステップ(例えば、後述する
実施の形態におけるステップS05)と、前記燃料電池
内の水分を除去した後に、燃料電池への供給反応ガスの
供給を停止するステップ(例えば、後述する実施の形態
におけるステップS07)と、を備えたことを特徴とす
る。
の運転時には供給反応ガスを水透過型加湿器で加湿して
から燃料電池に供給する。一方、燃料電池の運転停止時
には、燃料電池から排出された排出反応ガスを二次側通
路をバイパスして排出し、水透過型加湿器の一次側通路
を通過した供給反応ガスの一部を水透過型加湿器の二次
側通路に流すことで、一次側通路を流れる供給反応ガス
の水蒸気分圧が二次側通路を流れる供給反応ガスの水蒸
気分圧よりも大きくなり、その結果、一次側通路を流れ
る供給反応ガスの水分が二次側通路に透過し、一次側通
路を流れる供給反応ガスは除湿される。この除湿された
供給反応ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池内
の反応ガス流路内の余分な水分を速やかに排出すること
ができる。
載の発明において、前記燃料電池内の水分を除去するス
テップの前に、前記二次側通路の水分を除去するステッ
プ(例えば、後述する実施の形態におけるステップS0
3)を備えたことを特徴とする。このように構成するこ
とにより、水透過型加湿器を前述の如く除湿器として機
能させる前に水透過型加湿器の二次側通路内に残存する
水分を除去するので、この後で水透過型加湿器を除湿器
として機能させたときに最初から高い除湿性能を得るこ
とができる。
は請求項2に記載の発明において、前記燃料電池の入口
側と出口側の露点差が所定値以下になった場合に前記供
給反応ガスの供給を停止することを特徴とする。このよ
うに構成することにより、燃料電池内の余分な水分が排
出されたことを確実に把握した後に供給反応ガスの供給
を停止することができるとともに、供給反応ガスの過剰
供給を防止することができる。また、露点で管理するの
で、大気中の水分量に影響を受けず、燃料電池に良い乾
燥状態で停止でき、燃料電池の電解質膜の過剰乾燥を防
止することができる。
運転停止方法の一実施の形態を図1から図4の図面を参
照して説明する。この実施の形態における燃料電池は車
両に搭載されるいわゆる固体高分子型の燃料電池であ
る。この燃料電池は、アノード電極とカソード電極が固
体高分子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体を
備え、膜・電極構造体はアノード側のセパレータとカソ
ード側のセパレータにより挟持され、これらが複数組積
層されてスタックとしての燃料電池が構成される。尚、
上記各セパレータと膜・電極構造体との間に反応ガス流
路が形成される。
ので、燃料電池1のカソード側のガス供給装置を示した
概略構成図である。よって、アノード側は図示を省略す
る。燃料電池1のカソード側には、酸化剤ガスとしての
空気(供給反応ガス)を供給する反応ガス供給路10
と、反応済みガス(排出反応ガス)を排出する反応ガス
排出路20が接続されている。反応ガス供給路10と反
応ガス排出路20とにはこれらを跨るように水透過型の
加湿器30が設けられている。
下、加湿器と略す)30の概念図である。加湿器30
は、ケース31の内部に多数の中空糸膜Sを備え、中空
糸膜S内が一次側通路32、中空糸膜Sの周囲が二次側
通路33になっていて、一次側通路32に反応ガス供給
路10が接続され、二次側通路33に反応ガス排出路2
0が接続されている。尚、水透過型の加湿器30の形式
はこのような中空糸膜を使用した形式のものに限るもの
ではない。
りも上流側には、燃料電池1に酸化剤ガスである空気を
圧縮して供給するスーパーチャージャーS/Cが設けら
れている。また、反応ガス供給路10においてスーパー
チャージャーS/Cと加湿器30との間には第1三方弁
61が設けられている。第1三方弁61は、スーパーチ
ャージャーS/Cから供給される空気の供給経路を加湿
器30の一次側通路32入口側と第1バイパス路41と
に切り換えるものであり、第1バイパス路41は加湿器
30よりも下流側の反応ガス排出路20に接続されてい
る。
30よりも上流側には、第2三方弁62が設けられてい
る。第2三方弁62は、燃料電池1から排出された反応
済みガスの排出経路を加湿器30の二次側通路33入口
側と外部排出路51とに切り換えるものであり、外部排
出路51は大気開放になっている。
ス供給路10と、第2三方弁62よりも下流側で加湿器
30よりも上流側の反応ガス排出路20は、第1遮断弁
63を備えた第2バイパス路42によって接続されてい
る。また、第2三方弁62よりも下流側で加湿器30よ
りも上流側の反応ガス排出路20は、第2遮断弁64を
備えた排出路52によって外部排出路51に接続されて
いる。一方、反応ガス排出路20において第1バイパス
路41との接続部よりも下流側には、反応済みガスを排
出するとともに燃料電池1へ供給される反応ガスの圧力
を調整する圧力制御弁65が設けられている。
ガス供給路10から燃料電池1に供給される空気の露点
を検出する入口側露点計T1が設けられ、燃料電池1の
反応済みガスの出口側には、燃料電池1から排出される
反応済みガスの露点を検出する出口側露点計T2が設け
られている。尚、ガス内に含まれる水分量を検出できれ
ば露点計T1,T2以外に湿度計を用いることも可能で
ある。
ーチャージャーS/C、二つの三方弁61,62、二つ
の遮断弁63,64、圧力制御弁65が、ECU100
に接続されている。ECU100はこれらから信号を受
けこれらを駆動制御する。
1三方弁61は加湿器30の一次側通路32入口側に接
続して第1バイパス路41を遮断し、第2三方弁62は
加湿器30の二次側通路33入口側に接続して外部排出
路51を遮断し、二つの遮断弁63,64を全閉にし、
圧力制御弁65は燃料電池1の発電電流に応じて開度制
御する。これにより、スーパーチャージャーS/Cによ
り加圧された酸化剤としての空気が加湿器30の一次側
通路32を通って燃料電池1に供給されて、図示しない
水素タンク等の水素供給源から供給される水素と反応し
て発電に供され、その生成物である水を多く含む反応済
みガスが加湿器30の二次側通路33を通って圧力制御
弁65から排出される。そして、このときに加湿器30
において、二次側通路33を流れる反応済みガスに含ま
れる水分が中空糸膜Sを透過し、一次側通路32を流れ
る空気を加湿する。図1において矢印Aは燃料電池1の
運転時の加湿器30内における水分の流れ方向を示して
いる。
この実施の形態における燃料電池の運転停止方法を説明
する。まず、ステップS01においてイグニッションス
イッチがOFFであることを検知すると、ステップS0
2において、図示しない水素ガスタンクからの水素ガス
の供給を停止して発電を停止し、図示しないバッテリや
キャパシタなどの蓄電装置を駆動源としてスーパーチャ
ージャーS/Cを駆動し、所定流量(例えば、1.5m
3/min)で空気を供給する。
弁61を第1バイパス路41側に接続し、圧力制御弁6
5を全閉にし、第2三方弁62を外部排出路51側に接
続し、第1遮断弁63を全閉にし、第2遮断弁64を全
開にする。これにより、スーパーチャージャーS/Cか
ら供給される空気は、第1三方弁61から第1バイパス
路41を通り、反応ガス排出路20を通って、加湿器3
0の二次側通路33に供給され、この二次側通路33を
逆流して反応ガス排出路20に排出され、排出路52お
よび第2遮断弁64を通って外部排出路51に排出され
て、大気に排出される。これにより、加湿器30の二次
側通路33内に残存している水分が速やかに排出され、
二次側通路33内の水分が除去される。これにより、加
湿器30の凍結も防止できる。尚、このときには、スー
パーチャージャーS/Cから供給される空気は加湿器3
0の一次側通路32には流れず、また、燃料電池1にも
供給されないこととなる。
く空気の経路を切り換えてから所定時間(例えば、10
sec)経過したか否か判定する。判定結果が「NO」
(所定時間経過していない)である場合はステップS0
4における判定を繰り返す。判定結果が「YES」(所
定時間経過した)である場合はステップS05に進む。
を加湿器30の一次側通路32入口側に接続し、圧力制
御弁65を全開にし、第2三方弁62を外部排出路51
側に接続し、第1遮断弁63を所定開度で開き、第2遮
断弁64を全閉にする。これにより、スーパーチャージ
ャーS/Cから供給される空気は、第1三方弁61から
加湿器30の一次側通路32に供給され、一次側通路3
2を通過した空気の一部は、第2バイパス路42および
第1遮断弁63を通り、さらに反応ガス排出路20を通
って、加湿器30の二次側通路33に供給され、一方、
一次側通路32を通過した残りの空気は反応ガス供給路
10を通って燃料電池1に供給される。
はスーパーチャージャーS/Cによって加圧されている
ので水蒸気分圧が高く、二次側通路33に供給される空
気は低圧のため水蒸気分圧が低くなる。そのため、一次
側通路32を流れる空気中の水分は中空糸膜Sを透過し
て二次側通路33へと移動し(図1において矢印B)、
二次側通路33を流れる空気とともに、反応ガス排出路
20および圧力制御弁65を通って排出されることとな
る。これにより、一次側通路32を流れる空気は除湿さ
れる。特に、この実施の形態では、ステップS03にお
ける流路切換により二次側通路33内に残存する水分を
排出してから、ステップS05における流路切換をして
いるので、ステップS05における流路切換をした直後
から一次側通路32を流れる空気を除湿することができ
る。さらに、その後は、除湿された空気が加湿器30の
二次側通路33に供給されるようになるので、一次側通
路32を流れる空気の除湿が継続して行われることとな
る。
されるので、燃料電池1内の反応ガス流路の水分および
電解質膜に付着した水分が反応ガス排出路20に排出さ
れ、空気とともに反応ガス排出路20から第2三方弁6
2を通って外部排出路51に排出される。そして、ステ
ップS06において、出口側露点計T2で検出される燃
料電池1の出口側の露点Bと、入口側露点計T1で検出
される燃料電池1の入口側の露点Aとの差が所定値(例
えば、10deg)よりも小さいか否か、あるいは、発
電停止後所定時間(例えば、3min)経過したか否か
を判定する。
口側の露点Aに近づき、露点Bと露点Aとの差が所定値
(10deg)より小さくなったら燃料電池1内から水
分が十分に除去されたと考えられるからであり、また、
除湿空気の過剰供給による燃料電池1の固体高分子電解
質膜の過剰乾燥を防止するためである。また、発電停止
後所定時間(3min)以上、蓄電装置でスーパーチャ
ージャーS/Cを駆動し続けるのはエネルギーマネージ
メントの上で好ましくないからである。
側と出口側の露点を検出することで燃料電池1内の余分
な水分が排出されたことを確実に把握することができ
る。また、露点で管理するので、大気中の水分量に影響
を受けず、燃料電池1に良い乾燥状態で停止でき、燃料
電池1の電解質膜の過剰乾燥を防止することができる。
したがって、最適な状態で燃料電池1の再始動に備える
ことができる。ここで、バッテリやキャパシタなどの蓄
電装置の容量を設定する際には、燃料電池1内の水分が
十分に排出される前に蓄電装置の電圧が低下しないよう
にすることが望ましい。
が「YES」である場合はステップS07に進みスーパ
ーチャージャーS/Cを停止して本制御ルーチンの実行
を終了する。一方、ステップS06における判定結果が
「NO」である場合はステップS06における判定を繰
り返す。
料電池1の発電停止後に空気流路を切り換えることによ
り、加湿器30が除湿器として機能するようになり、ス
ーパーチャージャーS/Cから供給される空気は加湿器
30により水分を除去されて燃料電池1に供給される。
したがって、燃料電池1内の反応ガス流路に残っている
水分を効果的に短時間で除去することができ、エネルギ
ーマネージメントの上からも極めて有利である。
に、例えば、生成水が反応ガス流路を閉塞していたり、
あるいは、低温起動時に生成水が凍結して反応ガスが流
れなかったり、あるいは触媒上での反応の妨げになると
いった不具合を防止することができ、燃料電池1の始動
性能を飛躍的に向上することができる。その結果、車両
用として用いられる燃料電池1のように運転が停止され
る環境が異なるような使用が行われる場合に好適であ
る。
6におけるスーパーチャージャーS/C停止のトリガと
して、燃料電池1の入口側と出口側の露点の差、あるい
は、除湿空気の燃料電池1への供給時間を用いたが、蓄
電装置の電圧低下によってスーパーチャージャーS/C
を停止するようにしてもよい。また、本発明の運転停止
方法はアノード側でも適用できる。これによりアノード
極側でも電解質膜内を透過する水がカソード極側から浸
透してくるが、その水を短期間で除去することが可能に
なる。
発明によれば、燃料電池の運転停止時には水透過型加湿
器が一次側通路を流れる供給反応ガスを除湿する除湿器
として機能し、除湿された供給反応ガスを使用して短時
間で燃料電池内の反応ガス流路内の余分な水分を排出す
ることができるので、エネルギーマネージメントの上で
の制約を与えることなく、燃料電池の始動性を向上させ
ることができるという優れた効果が奏される。
加湿器を前述の如く除湿器として機能させる前に水透過
型加湿器の二次側通路内に残存する水分を除去するの
で、この後で水透過型加湿器を除湿器として機能させた
ときに最初から高い除湿性能を得ることができ、したが
って、燃料電池の反応ガス流路内の水分排出をさらに短
時間で終了することができるという効果がある。
内の余分な水分が排出されたことを確実に把握した後に
供給反応ガスの供給を停止することができるので、最適
な状態で燃料電池の始動に備えることができる。また、
供給反応ガスの過剰供給および燃料電池の過剰乾燥を防
止することができる。
ステムを示すブロック図である。
湿器の概略説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 燃料電池の運転時には、前記燃料電池へ
供給される供給反応ガスを水透過型加湿器の一次側通路
に流し前記燃料電池から排出された排出反応ガスを前記
水透過型加湿器の二次側通路に流して前記排出反応ガス
中の水分を回収し前記供給反応ガスを加湿する水透過型
加湿器を備えた燃料電池の運転停止方法において、 前記燃料電池の運転停止時には、燃料電池から排出され
る前記排出反応ガスを前記二次側通路をバイパスして排
出し、前記供給反応ガスを前記一次側通路に通し、前記
一次側通路を通過した前記供給反応ガスの一部を前記二
次側通路に通すことで前記燃料電池へ供給する供給反応
ガスの水分を除去し、前記燃料電池内の水分を除去する
ステップと、 前記燃料電池内の水分を除去した後に、燃料電池への供
給反応ガスの供給を停止するステップと、 を備えたことを特徴とする燃料電池の運転停止方法。 - 【請求項2】 前記燃料電池内の水分を除去するステッ
プの前に、前記二次側通路の水分を除去するステップを
備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運
転停止方法。 - 【請求項3】 前記燃料電池の入口側と出口側の露点差
が所定値以下になった場合に前記供給反応ガスの供給を
停止することを特徴とする請求項1または請求項2に記
載の燃料電池の運転停止方法。
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