JP2004152600A - 燃料電池の停止方法および停止装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池1と、燃料電池1にガスを供給する供給通路16に設けられ、前記ガスを加湿する加湿器19と、加湿器19をバイパスするバイパス通路20と、加湿器19とバイパス通路20とを切り換える三方弁18とを備えた燃料電池の停止装置である。加湿器19を通過した加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で前記燃料電池1に供給する第1の停止ガス供給手段22と、加湿器19をバイパスした非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で前記燃料電池1に供給する第2の停止ガス供給手段22とを備えている。燃料電池1を停止する時に、前記三方弁18を制御して、前記加湿ガスまたは非加湿ガスを前記燃料電池1に供給可能とした。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の停止方法および停止装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池1には、図3に示したように、固体高分子電解質膜2とその両側の電極(アノード電極とカソード電極)3,4とで構成された膜電極構造体7を、一対のセパレータ5,6で挟持して燃料電池セル8を構成し、この燃料電池セル8を複数積層(スタック)させた構造のものがある。両セパレータ5、6には、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス通路孔9、10や、冷却媒体(例えば冷却水)を供給するための冷却媒体通路孔11が形成してある。なお、符号12は、シール部材を示している。
【0003】
上記のように構成した燃料電池セル8においては、前記ガス通路孔9を通してアノード電極3に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給すると、該アノード電極3で水素がイオン化され、この水素イオンが固体高分子電解質膜2を介してカソード電極4側に移動する。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4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。
【0004】
ところで、この生成された水が燃料電池1のガス通路孔9,10内に残留した状態で発電を停止すると、低温環境下では燃料電池1内に残留した水(残留水)が凍結してしまい、燃料電池1の再始動に支障が出る虞がある。よって、燃料電池1での発電を停止する際には、空気や不活性ガス等のパージ用ガスを前記ガス通路孔9,10に供給して、ガス通路孔9,10内の残留水を除去するパージ処理を行うことが検討されている(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平02−33866号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池1の再始動をスムーズに行うためには、ガス通路孔9,10内の残留水13を除去するのみでは必ずしも十分ではない。この点について図4を用いて説明する。図4は図3に示した燃料電池の拡大説明図である。同図に示したように、発電をした燃料電池1内には、ガス通路孔9(10)の残留水13の他に、電極3(4)内にも残留水14が存在している。したがって、単にガス通路孔9,10にパージ用ガスを供給して残留水13を除去するのみでは、電極3,4内の残留水14が低温環境下において凍結してしまい、燃料電池1の再始動に支障が出る虞があるという問題がある。
【0007】
また、これらの残留水13,14を除去するために大流量の乾燥パージガスをガス通路9,10に長時間供給してパージ処理を行うことが考えられる。
ところが、このようにパージを行うと、固体高分子電解質膜2が含有する水分15も除去されてしまい、固体高分子電解質膜2を劣化させる虞があるという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、固体高分子電解質膜の劣化を防止しつつ、燃料電池の再始動をスムーズに行うことができる燃料電池の停止方法および停止装置を提供することを目的とする。
【0008】
【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になされたものであり、請求項1に係る発明は、燃料電池を停止する時に、加湿ガス(例えば、実施の形態における加湿器19を通過する酸化剤ガス)をアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給し、続いて、非加湿ガス(例えば、実施の形態におけるバイパス通路20を通過する酸化剤ガス)を前記加湿ガスよりも少ない流量で燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池の停止方法である。
【0009】
この発明によれば、燃料電池を停止する時に、まず、加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給することで、燃料電池のガス通路孔の残留水(例えば、実施の形態における残留水13)を吹き飛ばして除去する。このとき、供給しているガスは加湿ガスであるため、燃料電池の電極やその内側に配される固体高分子電解質膜は乾燥せず、該電極内の残留水(例えば、実施の形態における残留水14)や、固体高分子電解質膜が含有する水分(例えば、実施の形態における水分15)はそのまま保持される。そして次に、非加湿ガスを燃料電池に供給することで、電極を乾燥させて電極内の残留水を除去する。このとき、非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で供給するため、前記固体高分子電解質膜が含有する水分はそのまま保持させつつ、電極内の残留水を除去することができる。
【0010】
請求項2に係る発明は、燃料電池と、燃料電池にガスを供給する供給通路に設けられ、前記ガスを加湿する加湿器と、加湿器をバイパスするバイパス通路と、加湿器とバイパス通路とを切り換える切換弁(例えば、実施の形態における三方弁18)とを備えた燃料電池の停止装置において、加湿器を通過した加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で前記燃料電池に供給する第1の停止ガス供給手段(例えば、実施の形態におけるECU22)と、加湿器をバイパスした非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で前記燃料電池に供給する第2の停止ガス供給手段(例えば、実施の形態におけるECU22)とを備え、燃料電池を停止する時に、前記切換弁を制御して、前記加湿ガスまたは非加湿ガスを前記燃料電池に供給可能としたことを特徴とする燃料電池の停止装置である。
【0011】
この発明によれば、燃料電池を停止する時に、前記切換弁を制御して、加湿器を通過した加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給することで、燃料電池のガス通路孔の残留水を除去する。このとき、供給しているガスは加湿ガスであるため、燃料電池の電極内の残留水や、固体高分子電解質膜が含有する水分はそのまま保持される。そして次に、切換弁を制御して、前記加湿器をバイパスした非加湿ガスを燃料電池に供給することで、電極内の残留水を除去する。このとき、非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で供給するため、固体高分子電解質膜が含有する水分をそのまま保持させつつ、電極内の残留水を除去することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、従来技術で説明した部材と同様の部材については、同一の番号を付して適宜その説明を省略する。
図1は本実施の形態の燃料電池の停止装置を示す概略構成図である。燃料電池1は、図3で説明したように、燃料電池セル8を複数積層(スタック)された構造となっており、それぞれの電極3,4に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給することで発電がなされる。
【0013】
以下、酸化剤ガスを燃料電池1に供給、排出する構成について説明する。
前記燃料電池1には、前記カソード電極4に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路16と、前記カソード電極4から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路21とが接続されている。
本実施の形態においては、酸化剤ガス供給通路16に供給するパージ用ガスに、反応ガスである酸化剤ガス(空気)を用いている。
【0014】
前記酸化剤ガス供給通路16には、その上流側にコンプレッサ17が設けられている。前記コンプレッサ17を制御することにより、酸化剤ガスの流量を調整して前記供給通路16に供給することができる。前記コンプレッサ17の下流側には加湿器19が設けられ、該加湿器19を通過する前記供給通路16内の酸化剤ガスが加湿される。
【0015】
そして、前記コンプレッサ17と前記加湿器19の間には、三方弁18が設けられている。この三方弁18は、前記酸化剤ガス供給通路16に加えて、前記加湿器19を迂回するように設けられたバイパス通路20にも接続されている。前記三方弁18を制御することにより、酸化剤ガスの流通路が、加湿器19を通過する供給通路16aと、バイパス通路20との間で切換えられる。したがって、前記供給通路16aを流通する酸化剤ガスは、加湿された状態で燃料電池1に供給され、前記バイパス通路20を流通する酸化剤ガスは、加湿されずに(非加湿で)燃料電池1に供給される。
前記コンプレッサ17と三方弁18とは、ECU(制御装置)22に接続され、該ECU22によりコンプレッサ17や三方弁18が制御される。
【0016】
前記酸化剤ガス排出通路21には前記加湿器19が接続されている。前記加湿器19は、その内部に前記排出通路21と供給通路16とを仕切る水分透過膜(図示せず)を備えており、該透過膜を介して排出通路21と供給経路16をそれぞれ流通する酸化剤ガス間で水分交換を行えるようにしている。
また、前記燃料電池1に燃料ガスを供給・排出する構成については、上述した酸化剤ガスを供給・排出する構成と同様であるため、図示と説明を省略する。
【0017】
図2は本実施の形態における燃料電池1の停止装置のフローチャートである。まず、燃料電池1の発電停止命令がECU22に伝達されると、ステップS02で、ECU22は三方弁18を制御して、加湿器19を通過する供給通路16aに酸化剤ガスの流通路を切り換える。そして、ステップS04で、コンプレッサ17を制御して、酸化剤ガスの流量をアイドル時(発電時)よりも増加させてガス供給通路16aに供給する。この酸化剤ガスは、加湿器19を通過する際に加湿され、燃料電池1のガス通路孔10に供給される。
【0018】
このように、加湿された酸化剤ガス(加湿ガス)をアイドル時よりも多い流量で燃料電池1に供給することで、ガス通路孔10の残留水13(図4参照)を吹き飛ばして除去する。上述したように、ガス通路孔10に供給している酸化剤ガスは加湿されているため、燃料電池1のカソード電極4やその内側に配される固体高分子電解質膜2は乾燥せず、カソード電極4内の残留水14や、固体高分子電解質膜2が含有する水分15はそのまま保持される。そして、カソード電極4を通過した酸化剤ガスは、前記残留水13を含んだ状態でガス排出通路21に排出される。この酸化剤ガスは、前記ガス排出通路21の加湿器19内に流入し、加湿器19内の水分透過膜を介して前記ガス供給通路16aの酸化剤ガスに水分を供給した後、外部に放出される。
【0019】
そして、ステップS06で、ステップS04の制御を、ガス通路孔10内から残留水13を除去するため予め定めた第1の設定時間継続して行う。
次に、ステップS08で、ECU22は三方弁18を制御して、バイパス通路20に酸化剤ガスの流通路を切り換える。ついで、ステップS10で、コンプレッサ17を制御して、酸化剤ガスの流量をステップS04の時よりも減少させる。これにより、コンプレッサ17から酸化剤ガス供給通路16aに供給される酸化剤ガスは前記加湿器19を迂回するバイパス通路20を流通して、加湿されずに燃料電池1に供給される。
【0020】
このように、加湿されていない酸化剤ガス(非加湿ガス)を燃料電池1に供給することで、カソード電極4を乾燥させてカソード電極4内の残留水14を除去する。また、上述したように、この非加湿ガスは前記加湿された酸化剤ガスよりも少ない流量で供給されているため、カソード電極4やその内側に配される固体高分子電解質膜2の急激な乾燥が防止できる。したがって、前記カソード電極4より内側に配される固体高分子電解質膜2が含有する水分15はそのまま保持させつつ、カソード電極4内の残留水14を除去することができる。
そして、ステップS12で、ステップS10の制御を、カソード電極4内の残留水14を除去するために予め定めた第2の設定時間継続して行った後、一連の処理を終了する。
【0021】
以上、カソード電極4側のパージ処理について説明したが、アノード電極3側のパージ処理も図2に示した処理に従って行うことができる。アノード電極3側のパージ用ガスとしては、窒素などの不活性ガスを用いることが好ましい。
【0022】
本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両において好適に用いることができるが、適用対象は燃料電池車両に限られない。また、実施の形態においては、固体高分子電解質型(PEM型)の燃料電池について説明したが、これに限らず、例えば、リン酸型、溶融炭酸塩型、酸化物固体電解質型の燃料電池について適用してもよい。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1または請求項2記載の発明によれば、固体高分子電解質膜が含有する水分をそのまま保持させつつ、ガス通路や電極内の残留水を除去することができるため、固体高分子電解質膜の劣化を防止しつつ、燃料電池の再始動をスムーズに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の燃料電池の停止装置を示す概略構成図である。
【図2】本発明の実施の形態における燃料電池の停止装置のフローチャートである。
【図3】固体電解質型の燃料電池の一例を示す断面図である。
【図4】図3の燃料電池の拡大説明図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
16 ガス供給通路
18 三方弁
19 加湿器
20 バイパス通路
22 ECU
Claims (2)
- 燃料電池を停止する時に、加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給し、
続いて、非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池の停止方法。 - 燃料電池と、燃料電池にガスを供給する供給通路に設けられ、前記ガスを加湿する加湿器と、加湿器をバイパスするバイパス通路と、加湿器とバイパス通路とを切り換える切換弁とを備えた燃料電池の停止装置において、
加湿器を通過した加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で前記燃料電池に供給する第1の停止ガス供給手段と、
加湿器をバイパスした非加湿ガスを前記加湿ガスよりも少ない流量で前記燃料電池に供給する第2の停止ガス供給手段とを備え、
燃料電池を停止する時に、前記切換弁を制御して、前記加湿ガスまたは非加湿ガスを前記燃料電池に供給可能としたことを特徴とする燃料電池の停止装置。
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