【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび移動装置に関し、詳しくは、主として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）で構成され、電気自動車等の車両に搭載可能な燃料電池システム、および搭載された燃料電池システムからの電力供給を受けて移動する移動装置に関する。なお、本発明において、固体高分子形燃料電池には直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）が含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高い出力密度が得られ、作動温度域が低いなどの利点から自動車搭載用や家庭用、可搬用など利用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、一般に、水素イオンを透過するイオン交換性の高分子膜（高分子電解質膜）を電解質とし、この電解質を二枚の拡散電極（カソード、アノード）で狭持した膜電極接合体を備えており、膜電極接合体を更に狭持するセパレータと各拡散電極との間に形成された流路に燃料としての水素ガス（ＤＭＦＣの場合はメタノール溶液）と酸化剤としての空気（酸化ガス）とを供給することで、１００℃以下の低温域で作動するものである。
【０００４】
カソードおよびアノードの両電極を構成する拡散電極は、一般に触媒層と共に拡散層として物質拡散性を有する多孔質カーボンペーパーやカーボンクロス等を用いて構成されるが、アノードでは電解質中の水素イオン導電性を得るために加水（加湿）され、カソードでは空気中の酸素と高分子膜を通過した水素イオンと電子との反応により水が生成されるため、通常は湿潤状態にある。そのため、燃料電池の使用環境が０℃以下となる場合で、かつ燃料電池停止後など負荷への電力供給が行なわれないときには拡散電極、特に拡散層が凍結する問題がある。そして、特にカソード極側で凍結が起こったときには、再起動しようとしても凍結部分では酸化ガスの透過を阻害してシステム停止を招きやすく、停止後に再起動しようとしても良好に起動できないおそれがある。また、拡散電極近傍の温度を０℃以上に常に暖気状態で保つことは困難である。
【０００５】
このような凍結現象に対して、停止後に燃料電池内の水を排出したり、あるいは停止中は加温する等の手段が挙げられている（例えば、特許文献１〜２参照）が、残留水の凍結やエネルギー効率などの別の点で問題があった。また、自動車に広く利用されている不凍液（エチレングリコール等）の使用も考えられるが、燃料電池内部に不凍液が残存すると性能劣化を引き起こす問題がある。
【０００６】
これらとは別に、ＤＭＦＣにおいて燃料であるメタノールをアノードに供給する、あるいは停止直前にメタノールで湿潤させた後に停止する燃料電池システムがある（例えば、特許文献３参照）。これは、水の凝固点を降下させて凍結を防止しようとするものであるが、蒸発し易いメタノールを用いるため、長時間にわたって水の凝固点を降下させておくことは困難である。しかも、カソード極側も反応水で湿潤されるため凝固し易く、特にカソード側で凝固した場合にはシステム停止を引き起こし易いが、カソード側は考慮されておらずカソードにおける凍結を防止することはできない。
【０００７】
また、セパレータ板で形成された流路に希硫酸を注入することが記載されているものもある（例えば、特許文献４参照）。しかし、ここでの希硫酸は運転時に燃料電池内を洗浄する洗浄剤として用いられるものであり、洗浄後には希硫酸を排出すると共にさらに純水洗浄が必要とされている。上記以外にも、硫酸を用いて凍結を防止する記載がある（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
一方、自動車が信号待ちで停車しているときなど、いつでも出力可能な出力待機の状態（ＯＣＶ状態）で保持されている場合には、水素ガス（燃料）のリークに伴なう耐久性の点でも問題がある。すなわち、水素ガスと空気の内部供給が行なわれていないときには両分圧は低いが、ＯＣＶ状態での分圧は高く、水素ガスがカソード極側にリークして空気中の酸素と反応するクロスリークを生じ、膜が劣化してしまうおそれがあり、アノードおよびカソードの電位差を消去する必要がある。燃料電池内で生じるガスのリークについては、そのリーク防止技術が記載されたものがある（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献２】
特開平１１−２１４０２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１８４４３７公報
【特許文献４】
特開２００１−８５０３７公報
【特許文献５】
特開昭６３−１８４２６７号公報
【特許文献６】
特開平５−２６６９０７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気自動車等に搭載して主たる電力供給源としようとする場合には、想定されるあらゆる使用環境に対応した性能を備えている必要があり、氷点下となる低温域での作動性、再始動性の更なる安定化、耐久性の更なる向上が望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑み成されたもので、０℃以下となる低温環境下における拡散電極部の凍結による作動性や再始動性の低下の懸念がなく安定的に電力供給が行なえ、かつ耐久性の高い燃料電池システムを提供することを目的とし、
【００１２】
さらに、前記燃料電池システムを搭載し、０℃以下となる低温環境下で安定した始動性、走行性を発揮し、かつ長期耐久性を具えた移動装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の燃料電池システムは、アノード拡散電極、カソード拡散電極、および前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、外部に電力を供給する燃料電池本体部と、前記燃料流路に燃料を供給する第１供給手段と、前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する第２供給手段と、前記燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに、前記燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給する第３供給手段とで構成したものである。
【００１４】
第１の発明においては、水素ガス（またはメタノール溶液）などの燃料が通過する燃料流路、および前記燃料を酸化する酸化剤としての酸化ガス（空気など）が通過する酸化ガス流路の少なくとも一方において、電力供給を停止するときに希硫酸が供給され、電力供給を行なうときには排出して発電を開始する。
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、０℃以下となる低温環境下で使用された場合において、燃料電池停止後や一時的に発電が行なわれない状態（ＯＣＶ状態など）にあるときの拡散電極部（アノード拡散電極、カソード拡散電極；本明細書中において「拡散電極」ともいう。）、特に拡散電極部を一般に構成する拡散層での凍結が抑制され、拡散電極部での燃料や酸化ガスの透過性が良好となる。
すなわち、燃料への加湿によって湿潤されたアノード側および電池反応に伴なう水が存在するカソード側の少なくとも一方に、燃料流路又は酸化ガス流路を利用して希硫酸を供給することにより凍結が効果的に防止される。その結果、起動中の発電停止のおそれを回避できると共に燃料電池の発電効率が向上し、しかも一旦停止した後の再始動をも良好に行なうことができる。
【００１６】
また、自動車が信号待ちで停車しているときなど、いつでも出力可能なＯＣＶ状態で保持されているときにも、燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給しておくことによって水素ガスのリークが抑えられ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
【００１７】
本発明において、燃料流路または酸化ガス流路、あるいは燃料流路および酸化ガス流路の両流路への希硫酸の供給は、流路内、特に拡散電極に希硫酸が存在する状態が形成される態様であればよく、例えば、流路内が満たされた状態や少なくとも拡散電極の拡散層が希硫酸を含む状態などの態様とすることで、いずれの態様でも拡散電極部の凍結を防止することができる。好ましくは、流路内がほぼ満たされた状態とすることによって、凍結防止と共に燃料電池システムの上記耐久性をも効果的に向上させることができる。
【００１８】
燃料電池本体部は、各セパレータの両面に流路を形成して単セルを複数積層することでスタック構造に構成することができ、スタック構造に構成する際のスタック構造の両端に位置する二枚のセパレータは拡散電極に接する側に流路が形成されるようにすることができる。
【００１９】
燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに供給する希硫酸は、燃料流路と酸化ガス流路のいずれか一方に供給されるように構成されるが、両流路に供給する構成も好適である。特にカソードでの凍結は燃料電池の発電停止を起こし易いことから、カソード側に設けられた酸化ガス流路に希硫酸を供給する構成が望ましい。
【００２０】
第１の発明に係る燃料は、固体高分子形燃料電池に一般に用いられる水素ガス、または直接メタノール形燃料電池に用いられるメタノール溶液である。また、酸化ガスは、アノードから高分子電解質膜を通ってカソード側に到達した水素イオンと外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成するための酸素であり、一般に大気中の空気が供給される。
【００２１】
第１の発明の燃料電池システムは、燃料電池本体部に並列接続された二次電池と、燃料電池本体部および二次電池の少なくとも一方から負荷（モータなど）に電力が供給されるように接続を切換える切換手段とを更に設け、この切換手段によって負荷に二次電池から電力が供給されたときに、燃料電池本体部からの電力供給が停止されるように構成することができる。すなわち、例えば負荷の要求電力が小さいなど、二次電池の残存電力量で賄えるときには燃料電池本体部による発電を停止し、二次電池による方が燃料電池本体部の発電効率との関係で有利なときには、燃料電池本体部から電力を供給せず、二次電池から負荷に電力供給が行なわれる。この場合も、外気温が低いと上記同様に燃料電池本体部内での凍結が起こり易いため、燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸の供給が行なわれるのが望ましい。また、燃料電池本体部から電力供給すると共に二次電池からも電力供給することもできる。
【００２２】
第２の発明の移動装置は、上記の第１の発明に係る燃料電池システムを用いて構成したものであり、これに燃料電池システムから電力供給を受けて車輪を駆動するモータなどの負荷を更に設けて構成することができる。
【００２３】
第２の発明においては、第１の発明に係る燃料電池システムが搭載され、車輪を駆動するモータなどの負荷に電力供給する主たる電力供給源として利用できる。これにより、走行環境が０℃以下となる低温環境下の場合でも、燃料電池システムの停止後や一時的に発電が行なわれない状態（ＯＣＶ状態など）にあるときの、燃料電池本体部における拡散電極部での凍結が効果的に抑制され、燃料電池システムの作動中の発電停止、すなわち走行不能となり易くなるのを防止できると共に発電効率をも向上させ得、また一旦停止した後の再始動性も良化する。しかも、燃料電池システム自体の耐久性向上に伴なって、上記性能を長期間維持することができる。
【００２４】
また、移動装置に上記第１の発明に係る燃料電池システムの燃料電池本体部に並列接続させて二次電池が更に搭載され、車輪を駆動するモータが燃料電池本体部および二次電池の少なくとも一方から電力供給を受け得るように切換手段によって切換えて駆動させることができる。燃料電池システムと二次電池との双方から電力供給を受けることもできるが、特に二次電池から電力供給が行なわれるときには燃料電池本体部は停止され、やはり拡散電極部で凍結が起こり易い状況となるため、上記のように燃料電池本体部を停止するときに燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸が供給される。
【００２５】
上記の第２の発明に係る移動装置は、例えば電気自動車など、電気エネルギーを利用して移動可能となる装置である。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、０℃以下の低温環境下での作動性、再始動性に優れており、発電運転を良好に行なうことが可能であり、電気自動車などに主電力源として搭載した場合の安定した始動性、走行性を確保することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態について説明し、該説明を通じて本発明の移動装置についても詳述する。なお、下記の実施形態において、発電運転に用いる燃料として水素ガスを用いたＰＥＦＣを中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。
【００２８】
（第１実施形態）
本発明の燃料電池システムの第１実施形態を図１を参照して説明する。本実施形態は、電気エネルギーの供給を受けて車輪を駆動するモータで移動可能な電気自動車に本発明の第１実施形態の燃料電池システムを搭載し、燃料電池システムが停止されるときに、燃料電池システムのアノード側に形成された水素ガス流路（燃料流路）を利用して希硫酸を供給し、アノード拡散電極に希硫酸が存在するようにしたものである。
【００２９】
本実施形態では、燃料電池システムと共に更に二次電池を搭載し、燃料電池システムを二次電池と並列に接続させて接続切換によって燃料電池システムおよび前記二次電池の少なくとも一方から電力供給が行なえるようにしたものである。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態は、単セルを複数積層してスタック構造に構成され、外部に電力を供給する燃料電池本体部１０と、燃料電池本体部１０の水素ガス流路に水素ガスを供給する水素供給系（第１供給手段）３０と、燃料電池本体部１０のエア流路に空気を供給するエア供給系（第２供給手段）４０と、燃料電池本体部１０による電力供給が停止されたときに水素ガス流路に希硫酸を供給する希硫酸給排系（第３供給手段）５０とを備えている。本実施形態では、希硫酸給排系５０は燃料電池本体部１０のアノード側に形成されている。
【００３１】
燃料電池本体部１０は、水素供給系３０から燃料である水素ガスが供給されると共にエア供給系４０から空気が供給されることによって発電することができ、発電しないときには希硫酸給排系によって希硫酸を供給し、再度発電するときには排出することができるように構成されている。また更に、燃料電池本体部には冷却系７０が接続されており、内部温度の調整が適宜可能なようになっている。
以下、燃料電池本体部１０について、さらに図２を参照して説明する。図２は、燃料電池本体部を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。
【００３２】
燃料電池本体部１０は、図２に示すように構成された単セル１０ａをセパレータを介在させて複数積層してなるものである。個々の単セル１０ａは、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１１がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１７との間に狭持されてなる膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を更に狭持すると共に、アノード拡散電極１６との間に水素ガスが通過する、即ち供給排出される水素ガス流路（燃料流路）２３と、カソード拡散電極１７との間に空気（エア）が通過する、即ち供給排出されるエア流路（酸化ガス流路）２４とを形成する一対のセパレータ２１、２２とで構成されている。
【００３３】
燃料電池本体部１０は、水素ガス流路２３に水素（Ｈ２）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２４に酸素（Ｏ２）を含む空気が供給され、下記式（１）〜（３）で表される電気化学反応（以下、「電池反応」ともいう。）によって外部に電力を供給する。なお、式（１）はアノード側における反応を示し、式（２）はカソード側での反応を示し、式（３）は燃料電池本体部における全反応を示す。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ …（３）
【００３４】
フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガスに加水（加湿）することによって形成できる。
【００３５】
アノード拡散電極１６およびカソード拡散電極１７は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極１６は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にアノード触媒層１２と拡散層１４とが積層されて構成されており、カソード拡散電極１は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にカソード触媒層１３と拡散層１５とが積層されて構成されている。
【００３６】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、フッ素系イオン交換樹脂膜１１上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートをフッ素系イオン交換樹脂膜１１上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、フッ素系イオン交換樹脂膜１１ではなく、フッ素系イオン交換樹脂膜１１と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。
【００３７】
拡散層１４、１５は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。
【００３８】
セパレータ２１、２２は、膜電極接合体２０を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体２０を構成するアノード拡散電極１６との間には水素ガス流路２３が形成され、カソード拡散電極１７との間にはエア流路２４が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。
【００３９】
セパレータ２１および２２は、図２に示す単セルのときにはそれぞれ片側の面にのみ流路が形成されているが、単セルを複数積層してスタック構造とするときには、一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの各々の両側の面において流路が形成される。すなわち、一つのセパレータの両側の面に凹部（リブ）が形成され、一方の側ではアノード拡散電極１６との間で水素ガス流路２３が形成され、他方の側では隣接する膜電極接合体のカソード拡散電極との間でエア流路２４が形成される。このように、セパレータ２１、２２は、流路を形成すると共に、隣接する単セル間における水素ガスと空気の流れを分離する機能を担っている。
【００４０】
また、隣接する単セルを構成するセパレータの両側の面に形成されたリブは、互いに平行に形成されてもよく、面毎に直行するなど所定の角度をなして形成されてもよい。また、リブ形状は、アノード又はカソード拡散電極に対して水素ガス又は空気の供給が可能であれば制限はなく、例えば平行な溝状に形成できる。
なお、上記のようにスタック構造を形成したときにスタック構造の両端に位置する二枚のセパレータは膜電極接合体と接する側の面にのみリブを形成するようにすればよい。
【００４１】
燃料電池本体部１０を組立てるときには、セパレータ２１、アノード拡散電極１６、フッ素系イオン交換樹脂膜１１、カソード拡散電極１７、セパレータ２２の順に構成された単セル１０ａ（図２参照）を複数組（本実施例では１００組）積層することによってスタック構造に構成される。このとき、セパレータ２１、２２は隣接する単セル間で共有される。
【００４２】
アノード拡散電極またはカソード拡散電極とセパレータとの間に形成された水素ガス流路２３、エア流路２４には、図２に示すように、通常の発電運転中の場合はそれぞれ水素ガス、空気が供給されるが、外部への電力供給が停止されたときには、水素ガス、空気の供給が停止されると共にアノード側の水素ガス流路に希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が供給される。また同時に、カソード側のエア流路に希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を供給するように構成することもできる。具体的には、以下の通りである。
【００４３】
燃料電池本体部１０のアノード側には、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通するように、水素供給系３０を構成するポンプＰ１およびバルブＶ１を備えた水素供給管３１の一端が接続されており、水素貯蔵タンク３２と連通されている。水素貯蔵タンク３２の壁面には、バルブを備えた配管３３の一端が接続されており、この配管３３の他端には水素充填用のコネクタが取り付けられ、水素貯蔵タンク内に水素ガスを高圧充填できるようになっている。
【００４４】
水素供給系３０は、水素貯蔵タンク３２と水素供給管３１とで構成されており、燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、水素ガス流路２３に供給する水素ガスの圧力はバルブＶ１の開閉状態を制御することで容易に調整可能なようになっている。
【００４５】
また、水素貯蔵タンク３２に取り付けられた水素充填用のコネクタを介して、あるいは水素貯蔵タンク３２に代えて、水素を生成する水素生成装置を接続して構成することもできる。例えば、メタノールを貯留するメタノールタンクと、メタノール供給用ポンプと、水を貯留する水タンクと、水供給用ポンプと、供給されたメタノールを水素生成用燃料として水蒸気改質法に基づく改質を行なう改質器とで構成された装置を接続し、改質器にメタノールタンクおよび水タンクからメタノール供給用ポンプ、水供給用ポンプによってメタノールおよび水を供給し、下記式（４）〜（６）による改質を行なうことで、生成された水素リッチガスを供給することができる。
ＣＨ３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ２ …（４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（５）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋３Ｈ２ …（６）
【００４６】
なお、上記のメタノールの改質反応において、式（４）はメタノール分解反応を、式（５）は一酸化炭素の変成反応を示し、式（４）及び（５）は同時に進行する。式（６）は全反応を示す。ここで、式（６）で示される全反応は吸熱反応であるため、外部からの熱の供給が必要である。この改質反応に必要な熱は、例えば、燃料電池本体部のアノード側から排出された排出水素ガスと、後述のようにエア流路供給用に加圧された空気（酸化ガス）の一部とを改質器に導入し、排出水素ガス中に残存する水素と加圧された空気中の酸素とを燃焼させることで得ることができる。
【００４７】
また、水素供給管３１を挿通して水素ガスを供給し電池反応に供しようとするときには、水素供給管３１に加湿器を設け、水素ガスを加湿した後に燃料電池本体部１０に供給することで、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の乾燥を防ぐようにすることもできる。なお、この加湿器は下記の周辺器に含まれる。
【００４８】
燃料電池本体部１０のアノード側には、スタック構造中の水素ガス流路２３の排出口と連通するように、更に希硫酸給排系５０を構成する排出管５１の一端が接続されている。希硫酸給排系５０は、温度センサＴ１およびバルブＶ３を備えた排出管５１と、電池反応により水素密度が低くなった水素ガス（排出水素ガス）を排出するバルブＶ５を備えた配管５４と、希硫酸を貯留する希硫酸貯留部５２と、希硫酸貯留部５２と水素供給管３１とを連通するポンプＰ２およびバルブＶ２を備えた配管５３と、希硫酸貯留部５２と配管５４とを連通するバルブＶ４を備えた配管５５とで構成されている。排出管５１には希硫酸検出センサ５６が取り付けられており、希硫酸の存在、すなわち希硫酸の排出（即ち回収）が完了したか否かを検出できるようになっている。
【００４９】
配管５４は、その一端が排出管５１と接続されると共に他端が排気管４５と接続され、配管５４によって排出管５１と排気管４５とは連通されており、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出水素ガスを排出できるようになっている。
なお、排出管５１の配管５４との接続部より排出方向上流側は排出水素ガスの排出にも利用される。希硫酸貯留部５２の底部には配管５３の一端が接続され、水素ガスの供給を停止し電力供給が停止されたときに水素供給管３１を介して燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に希硫酸を供給できるようになっている。また、希硫酸貯留部５２の上部壁面には、排出管５１の一端と配管５５の一端とが接続されており、水素ガス流路２３に供給された希硫酸を回収し、あるいは排出可能なようになっている。
【００５０】
燃料電池本体部１０のカソード側には、ポンプＰ３を備えたエア供給管４１の一端がスタック構造におけるエア流路２４の供給口と連通するように接続され、更にポンプＰ４およびエア調圧バルブＶ６を備えた排出管４２の一端がエア流路２４の排出口と連通するように接続され、燃料電池本体部１０のエア流路２４へのエアの供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気および生成水の排出が可能なようになっている。
【００５１】
エア供給系４０は、エア供給管４１および排出管４２と、エア流路２４に供給するエアの加湿を行なう加湿モジュール４３と、ポンプＰ５、温度センサＴ２、供給される空気を加圧するためのエアコンプレッサ、およびインタークーラを備えたエア供給管４４と、排気管４５とで構成されている。
【００５２】
加湿モジュール４３には、エア供給管４１の他端と、排出管４２の他端と、外部から空気を供給するエア供給管４４の一端と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気を排気する排気管４５の一端とが接続されている。大気中から吸引され、エア供給管４４の配管途中に設けられたエアコンプレッサによって加圧された空気は、必要によりインタークーラで冷却した後さらに加湿されて燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給されるようになっており、また、電池反応によって生じた生成水は加湿モジュールに貯えられると共に排出空気（水分を含んでもよい）は排気管４５の他端から浄化触媒を介して排気されるようになっている。一般に燃料電池は、供給される水素ガスおよび空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため、上記のように加圧される。
【００５３】
燃料電池本体部１０には、更にポンプＰ６を備えた冷却管７１の一端と冷却管７２の一端とが接続され、冷却系７０が構成されており、冷却水をポンプＰ６によって燃料電池本体部１０に循環しながら供給可能なようになっている。また、冷却管７１には供給前の液温を検知する温度センサＴ３が設けられ、冷却管７２には排出後の液温を検知する温度センサＴ４と冷却後の液温を検知する温度センサＴ５とが設けられている。
【００５４】
冷却管７１の他端は、３方バルブと接続されている。また、冷却管７２は３本に分岐され、３本に分岐された各々の分岐端は冷却管７１と繋がる３方バルブと接続されている。３本に分岐されたうちの２本の分岐管にはそれぞれメインラジエータ、サブラジエータが取り付けられており、他の１本の分岐管にはイオン交換器を備えた配管７３の一端が接続され、冷却管７１と連通されている。また、メインラジエータが取り付けられた分岐管には、更に補充用の水を貯えておくリザーブタンクと接続する配管の一端が接続され、必要に応じて水を補充できるようになっている。
【００５５】
燃料電池本体部１０は、ニッケル−水素蓄電池（二次電池）９と切換スイッチ（切換手段）１２を介して電気的に並列に接続されており、切換スイッチ１２によって燃料電池本体部１０とニッケル−水素蓄電池９との間で接続を切換えて車輪を駆動するモータ１３への電力供給を行なえるように構成されている。
【００５６】
二次電池には、ニッケル−水素蓄電池のほか、ニッケル−カドミウム蓄電池、鉛蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いることもできる。二次電池の容量は、燃料電池システム１を搭載する車両の大きさや走行条件、車両性能（最高速度や走行距離など）等によって適宜選択すればよい。
【００５７】
ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量は、図示しない検出装置によって検出することができるようになっている。検出装置には、充電・放電の電流値と時間とを積算して残存電力量を演算するＳＯＣメータや、電圧値の低下を検出する電圧センサを使用でき、また電解液の比重を測定して検出するように構成することもできる。
【００５８】
モータ１３は、三相同期モータであり、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを介して切換スイッチ１２に電気的に接続されている。モータ１３を駆動するのに必要な電圧は、通常２００〜３００Ｖ程度であり、燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９からはこれに見合う電圧が出力されるが、ポンプ等の補機類やエアコンプレッサ等の周辺器などの負荷を作動させるときの電圧は１２Ｖ程度であり、燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９からの出力電圧をそのまま供給することはできないため、ＤＣ／ＤＣコンバータによって燃料電池本体部等から出力された電気エネルギーの電圧を降下させて供給するようになっている。
【００５９】
また、インバータによって燃料電池本体部１０及び／又はニッケル−水素蓄電池９から供給される直流電流が三相交流に変換され、モータ１３や下記補機類およびエアコンプレッサ等の周辺器等の負荷に供給される。インバータは、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成され、スイッチング素子の各々は制御装置８０に接続されて制御装置８０の制御を受け、各スイッチング素子のスイッチング動作によって供給された直流電流を任意の振幅、周波数の三相交流に変換する。
【００６０】
モータ１３は、上記のように電気エネルギーの供給を受けて回転され、この回転力が車軸に伝えられることによって電気自動車の車輪が駆動されるようになっている。
【００６１】
切換スイッチ１２は、制御装置８０によってオン／オフ制御（出力制御）が行なわれ、モータ１３が接続されたインバータと燃料電池本体部１０及び／又はニッケル−水素蓄電池９とを接続する。すなわち、インバータと燃料電池本体部１０との接続、インバータとニッケル−水素蓄電池９との接続、インバータと燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９との同時接続のいずれもが可能となる。また、燃料電池本体部１０の出力制御（発電運転制御）およびニッケル−水素蓄電池９の出力制御（出力ＯＮ・出力ＯＦＦの制御）は、これらの接続状態の如何に関わらず任意に実行することができる。
【００６２】
燃料電池本体部１０は、接続される負荷の大きさに応じて水素ガスおよび空気の量を調節することによって出力を制御することができ、この制御は制御装置８０によって行なわれる。図３に示すように、上記の燃料電池本体部１０、ニッケル−水素蓄電池９、並びにスタートスイッチ、アクセルスイッチ、切換スイッチ１２、希硫酸検出センサ５６、温度センサＴ１〜Ｔ５、ポンプＰ１〜Ｐ７、バルブＶ１〜Ｖ８、三方バルブ、加湿モジュール４３、各種ラジエータなどの補機類、およびモータ１３や水素ガスを加湿する加湿器、エアコンプレッサなどの周辺器の各々は、マイクロコンピュータ等で構成された制御装置８０に接続されている。
【００６３】
なお、上記の補機類は、燃料電池システム１における燃料電池本体部１０の稼動中に電力を消費する負荷である。補機類の電力消費量は、モータ１３の電力消費量に比べて少ないものの、発電運転している状況下では発電量の大小に関わらず作動し、その消費量は燃料電池本体部の発電量が多くなるほど大きくなる。
【００６４】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムの制御装置８０による制御ルーチンについて図４〜８を参照して説明する。ここでは特に、燃料電池本体部での希硫酸充填排出制御ルーチン並びに燃料電池本体部および二次電池を切換えて電力供給を行なう割り込みルーチンを中心に説明する。
【００６５】
図４は、スタートスイッチＳｓｗのオンで実行される希硫酸充填排出制御ルーチンを示すものであり、まずＳｓｗオンにより燃料電池本体部（ＦＣ）１０が起動されると、まずステップ１００において図７に示すサブルーチン（希硫酸排出ルーチン）を実行し、希硫酸排出処理を行なう。
【００６６】
この希硫酸排出ルーチンが実行されると、ステップ４００においてアノード側のバルブＶ３およびＶ４を開けて希硫酸の排出を開始する。次のステップ４０２で水素供給管３１に設けられたバルブＶ１を開けてポンプＰ１を駆動し、水素ガスの燃料電池本体部１０内への供給を開始して水素ガス流路２３内の希硫酸を追い出し、次のステップ４０４で希硫酸の回収が完了したか否かを判断する。
【００６７】
水素ガス流路２３内に希硫酸がないことを希硫酸検出センサ５６により検出し、希硫酸の回収が完了したと判断した場合には、バルブＶ３およびＶ４を閉じ、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１０２に移行し、水素ガス流路２３内に未だ希硫酸が残っていると判断した場合は回収が完了するまで水素ガスの供給を継続する。これにより、燃料電池本体部の発電運転を行なうにあたり、燃料である水素ガスを供給する水素ガス流路２３内の希硫酸を希硫酸貯留タンク５２に回収する。このとき、回収後のアノード拡散電極１６（特に拡散層１４）には希硫酸が残存するが、希硫酸が残存することによって低温始動時の始動性も良好となる。
【００６８】
これと同時に燃料電池本体部１０のカソード側では、エア供給系４０が制御装置８０の制御を受けて作動し、エア流路２４に空気が供給される。すなわち、エア供給管４４に設けられたポンプＰ５を駆動して吸引された空気は、エアコンプレッサによって加圧されると共に、インタークーラで所定温度に調整され、加湿モジュール４３で加湿された後、ポンプＰ３の駆動によって燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給されている。インタークーラでは、検出した空気温度に応じて、ポンプＰ７およびインタークーラ用ラジエータを作動して冷却水が循環されている。
【００６９】
以上により、燃料電池本体部１０は起動状態にあり、かつ希硫酸の排出が完了し、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素ガス、空気（酸素）の供給が開始されており、発電運転可能な状態にある。
【００７０】
ステップ１０２では、燃料電池本体部１０に対する出力要求があるか否かを判断し、出力要求があった場合には、ステップ１０４において再度希硫酸が排出されているか否かを判断し、排出完了状態であると判断したときにはステップ１０８で燃料電池本体部１０の通常制御を実行し、未排出状態であると判断したときにはステップ１０６で上記同様に図７に示す希硫酸排出処理を実行した後、ステップ１０８において燃料電池本体部１０の通常制御を実行する。
【００７１】
ステップ１０８では、アノード側において、バルブＶ３およびバルブＶ４を閉じると共にバルブＶ１およびバルブＶ５を開け、ポンプＰ１を駆動して水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給し、電池反応後の排出水素ガスは水素ガス流路２３から排出管５１および配管５４を介して排気管４５の他端から排出する。また、カソード側において、エアコンプレッサおよびインタークーラを作動させながら、ポンプＰ３、Ｐ５を駆動して加圧した加湿空気を燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給し、エア調圧バルブＶ６を開閉させて一定の圧力下で電池反応後の排出空気をエア流路から排気管４５の他端から排出する。
【００７２】
ステップ１０２において出力要求がない場合は、ステップ１１０において希硫酸が排出されているかを判断し、排出完了状態であると判断したときには、ステップ１１２において図８に示すサブルーチン（希硫酸充填ルーチン）を実行し、希硫酸充填処理を行ない、未排出状態であると判断したときには、ステップ１１４に移行する。
【００７３】
この希硫酸充填ルーチンが実行されると、ステップ５００においてアノード側のバルブＶ１およびバルブＶ５を閉じて水素ガスの供給を停止する。このとき、カソード側のポンプＰ３およびＰ５をエアコンプレッサやインタークーラ等と共に停止し、空気の供給を停止する。次にステップ５０２において、バルブＶ２、Ｖ３およびＶ４を開けてポンプＰ２を駆動し、希硫酸貯留タンク５２から水素供給管３１を通じて燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に希硫酸を供給し、ステップ５０４で希硫酸の供給を検出して希硫酸の充填を完了する。充填完了後、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１１４に移行する。
【００７４】
ステップ１１４では、スタートスイッチＳｓｗがオフであるか否かを判断し、Ｓｓｗオフであると判断した場合は、ステップ１１６で希硫酸が充填されているか否かが判断され、希硫酸が充填されていると判断したときにはステップ１２０で燃料電池本体部１０の起動を停止し、希硫酸が充填されていないと判断したときにはステップ１１８で上記同様に図８に示す希硫酸充填処理を行なった後にステップ１２０に移行して燃料電池本体部１０の起動を停止する。
【００７５】
以上により、燃料電池本体部１０への出力要求がない場合（ステップ１０２の否定判断）や、燃料電池本体部１０の起動を停止する場合（ステップ１１４の肯定判断）には、常に水素ガス流路２３内に希硫酸が供給されように制御されるため、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し得、安定的な電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークに起因する耐久性の低下をも効果的に解消することができる。
【００７６】
また、ステップ１１４においてＳｓｗオンであると判断された場合には、再びステップ１０２に戻って、燃料電池本体部１０に対する出力要求があるか否かが判断され、上記と同様の制御が繰り返し行なわれる。
【００７７】
図４に示す燃料電池本体部の出力処理および希硫酸の充填／排出処理が実行されている間に、負荷の大きさに応じて、二次電池使用条件が成立しているときには図５に示す割り込みルーチンが適宜実行される。
【００７８】
本ルーチンが実行されると、電気自動車のアクセルスイッチ操作を介して要求される駆動要求パワーの読み込みを行なうと共に、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量を読み込み、残存電力量が所定容量以上であるときには二次電池の使用条件を満たし、ステップ２００において図６に示すサブルーチンを実行して、燃料電池本体部１０を停止させるか否かを判断する。
【００７９】
このサブルーチンが実行されると、まずステップ３００において燃料電池本体部１０を間欠的に運転する間欠運転モードであることを示す間欠フラグｆｋのセット状態を判断する。この間欠フラグｆｋは、後述の処理によりセット／リセットされ、セット状態のときには燃料電池本体部１０を間欠運転させることを、リセット状態のときには燃料電池本体部１０を連続運転させることを表す。
【００８０】
ここで、間欠フラグｆｋ＝０（リセット状態）、すなわち連続運転であると判断した場合は、ステップ３０２において駆動要求パワーが所定の閾値パワーＸｐｗより小さいか否かの判断を行う。閾値パワーＸｐｗは、燃料電池本体部１０の出力が低いためにシステム効率が低くなる値（燃料電池出力）であり、本実施形態では燃料電池本体部１０の発電能力の約１０％に設定してある。
【００８１】
ステップ３０２において駆動要求パワーがＸｐｗより小さい場合は、燃料電池本体部１０を連続運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーがＸｐｗより小さいことになるため、燃料電池本体部１０の運転モードを連続運転モードから間欠運転モードに移行することを示すように、ステップ３０４において間欠フラグｆｋに値１を入れてこれをセットする。次に、ステップ３０６において、ステップ３００で読み込んだ残存電力量と駆動要求パワーとを対比し、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量だけの電力でモータ１３を駆動要求パワー通りに回転させることができるか否かを判断する。すなわち、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量で駆動要求パワーを充足できるかを判断する。
【００８２】
ステップ３０６において、残存電力量で駆動要求パワーを充足できると判断した場合は、ステップ３０８において上記した補機類やエアコンプレッサ等の周辺器と共に低い発電領域での燃料電池本体部１０の運転を停止し、ステップ３１０においてニッケル−水素蓄電池９から電力をモータ１３に供給して本サブルーチンを終了すると共に、図５に示す割りこみルーチンのステップ２０２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９のみからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００８３】
ステップ２０２において、希硫酸が排出されているか否かが判断され、希硫酸が排出されている場合は、ステップ２０４において図８に示す希硫酸充填ルーチンが実行されて希硫酸充填処理が行なわれた後ステップ２１０に移行し、希硫酸が排出されていない場合は、そのままステップ２１０に移行する。希硫酸充填処理は上記同様に行なわれる。ステップ２１０において、二次電池使用条件を再度判断し、未だ条件成立状態であると判断した場合は、ステップ２００に戻って上記制御を繰り返し、燃料電池本体部と二次電池との間で電力供給が効率よく行われるように制御され、条件不成立であると判断した場合は、割り込みルーチンを終了する。
【００８４】
一方、図６に示すサブルーチンのステップ３０６において、残存電力量で駆動要求パワーを充足できないと判断した場合は、ニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０を併用する、すなわち燃料電池本体部１０を連続運転に移行させるために、ステップ３１２において間欠フラグｆｋをリセットし、本サブルーチンを終了すると共に、図５に示す割りこみルーチンのステップ２０６に移行する。
【００８５】
ステップ２０６では、希硫酸が排出されているか否かが判断され、希硫酸が排出されていると判断された場合は、ステップ２０８においてニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とによってモータ１３の回転、並びに駆動要求パワーによる車両駆動が可能となり（ＦＣ共用制御）、希硫酸が排出されていないと判断された場合は、ステップ２１０で図７に示す希硫酸排出ルーチンが実行されて希硫酸排出処理が行なわれた後、ステップ２０８でニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とによってモータ１３の回転、並びに駆動要求パワーによる車両駆動が可能となる（ＦＣ共用制御）。
【００８６】
また、既述のステップ３０２において、駆動要求パワーがＸｐｗ以上であると判断した場合は、駆動要求パワーを得るには燃料電池本体部１０を発電運転する必要があり、駆動要求パワーをニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力で賄うためにステップ３１２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動可能となる（ＦＣ共用制御）。
【００８７】
一方、既述のステップ３００において、間欠フラグｆｋ＝１（セット状態）、すなわち間欠運転であると判断した場合は、ステップ３１４において駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいか否かを判断する。駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいと判断したときには、燃料電池本体部１０を間欠運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーがＸｐｗ＋αより大きいことからニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とで賄うべく、ステップ３１２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動可能となる。
【００８８】
また、ステップ３１４において駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより小さいと判断したときには、駆動要求パワーが小さいことから燃料電池本体部１０および補機類や周辺器を停止した状態でステップ３０６に移行し、既述と同様にそれ以降の処理を実行する。
【００８９】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、アクセルスイッチ操作を介して要求された駆動要求パワーの大きさによって、燃料電池本体部１０とその補機類及び周辺器の運転／停止制御が行なわれる。そして、駆動要求パワーが燃料電池本体部１０に対して高負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップ３０２の否定判断）、燃料電池本体部１０で発電すると共にニッケル−水素蓄電池９の電力でモータ１３を回転し、車両を駆動する。これにより、燃料電池本体部１０を高負荷領域で効率よく発電運転することができる。
【００９０】
一方、駆動要求パワーが低負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップ３０２の肯定判断）、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量でモータ回転を賄うことができることを条件として、燃料電池本体部１０と補機類及び周辺器とを停止させて燃料電池本体部１０の水素ガス流路内に希硫酸を供給すると共に、ニッケル−水素蓄電池９単独での電力供給を行なう。これにより、燃料電池本体部１０を低負荷では発電運転しないようにできるので、燃料電池本体部の無駄な発電が抑えられ、燃料電池システムおよびこれを搭載した電気自動車のシステム効率を向上させることができる。
【００９１】
また本実施形態では、燃料電池本体部が通常に制御されている場合には、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に供給された水素ガスとエア流路２４に供給された空気（酸素）とによって電池反応が進行して発電運転される一方、燃料電池本体部の発電運転が停止状態に移行されると、希硫酸貯留タンクに貯留された希硫酸が水素ガスを供給するための水素供給管を利用して水素ガス流路に供給され、再度起動または出力要求されるまでそのままの状態で保持される。そして、再び起動または出力要求があると、希硫酸を水素ガス流路外に排出し回収すると共に水素ガスを供給して通常の発電運転で制御される。
【００９２】
これにより、停止状態にある場合において、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し、発電効率を高め、かつ安定した電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークを防止して耐久性を向上させることができる。
【００９３】
上記では、燃料電池本体部１０のアノード側にだけ希硫酸給排系を設け、燃料である水素ガスを供給する水素ガス流路に希硫酸を供給する態様を説明したが、本実施形態のように水素ガス流路に希硫酸を供給すると共に更にカソード側にも希硫酸給排系を設けてエア流路にも希硫酸を供給するように構成することも好適である。なお、エア流路に希硫酸を供給する形態の詳細については後述の第２実施形態と同様である。
【００９４】
（第２実施形態）
本発明の燃料電池システムの第２実施形態を図９を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の希硫酸給排系を燃料電池システムのアノード側ではなくカソード側に設け、燃料電池システムが停止されるときに、カソード側に形成されたエア流路（酸化ガス流路）を利用して希硫酸を供給排出し、カソード拡散電極に希硫酸が存在するようにしたものである。なお、燃料および酸化ガスは第１実施形態で使用した燃料および酸化ガスを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９５】
本実施形態では、燃料電池システムが停止されるときに希硫酸を燃料電池本体部１０内に供給する希硫酸給排系が燃料電池本体部１０のカソード側に形成されている。すなわち、発電運転を行なわないときに、酸化ガスとしての空気が供給されるエア流路に希硫酸を供給し、再度発電するときには排出することができるように構成されている。
【００９６】
図９に示すように、燃料電池本体部１０のカソード側において、スタック構造中のエア流路２４の排出口と連通するように希硫酸給排系６０を構成する排出管６１の一端が接続されている。希硫酸給排系６０は、ポンプＰ４およびバルブＶ３を備えた排出管６１と、電池反応により酸素量が少なくなった空気を排出するエア調圧バルブＶ６を備えた配管６４と、希硫酸を貯留する希硫酸貯留部６２と、希硫酸貯留部６２とエア供給管６５とを連通するポンプＰ２およびバルブＶ２を備えた配管６３と、希硫酸貯留部６２と配管６４とを連通するバルブＶ４を備えた配管６６とで構成されている。
【００９７】
配管６４は、その一端が排出管６１と接続されると共に他端が加湿モジュール４３と接続され、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出空気を排出すると共に加湿モジュール４３で電池反応により生じた水を貯え得るようになっている。希硫酸貯留部６２の底部には配管６３の一端が接続され、空気の供給を停止し電力供給が停止されたときにエア供給管６５を介して燃料電池本体部１０のエア流路に希硫酸を供給できるようになっている。エア供給管６５は、発電運転時には加湿された空気を挿通し、電力供給停止時には希硫酸を挿通する。また、希硫酸貯留部６２の上部壁面には、排出管６１の一端と配管６６の一端とが接続されており、エア流路に供給された希硫酸を回収し、あるいは排出可能なようになっている。
【００９８】
燃料電池本体部１０のアノード側には、バルブＶ８を備えた排出管５６の一端が接続され、スタック構造の水素ガス流路２３の排出口と連通されている。排出管５６の他端は、排気管４５に接続されており、電池反応後に水素ガス流路２３から排出された排出水素ガスは排出管５６を挿通し排気管４５の他端から浄化触媒を介して排出されるようになっている。また更に、水素供給系３０を構成する水素供給管３１の一端が接続されて、スタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通されている。
【００９９】
既述したように、Ｓｓｗオンにより燃料電池本体部（ＦＣ）１０が起動されると、まず図４に示す希硫酸充填排出制御ルーチンのステップ１００において、図７に示す希硫酸排出ルーチンが実行され、希硫酸排出処理を行なう。この希硫酸排出ルーチンが実行されると、ステップ４００でカソード側の排出管６１、配管６６に設けられたバルブＶ３およびバルブＶ４を開けて希硫酸の排出を開始する。次のステップ４０２においてエア供給管６５に設けられたバルブＶ７を開けてエアコンプレッサで加圧された加湿空気の燃料電池本体部１０内への供給を始め、エア流路２４内の希硫酸を追い出し、次のステップ４０４で希硫酸の有無を希硫酸検出センサ５６で検出し、希硫酸の回収が完了したか否かを判断する。
【０１００】
エア流路２４内に希硫酸がないことを希硫酸検出センサ５６で検出して希硫酸の回収が完了したと判断した場合は、バルブＶ３およびＶ４を閉じ、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１０２に移行し、エア流路２４内に未だ希硫酸が残っていると判断した場合は、回収が完了するまで加湿空気の供給を継続する。これにより、燃料電池本体部１０の発電運転を行なうにあたり、電池反応に用いる空気を供給するエア流路２４内の希硫酸を希硫酸貯留タンク６２に回収する。このとき、回収後のカソード拡散電極１７（特に拡散層１５）には希硫酸が残存するが、希硫酸が残存することによって低温始動時の始動性も良好となる。
【０１０１】
これと同時に燃用電池本体部１０のアノード側では、水素供給系３０が制御装置８０の制御を受けて作動し、既述のように水素ガス流路２３に水素ガスが供給される。つまり、バルブＶ１およびバルブＶ８を開けてポンプＰ１を駆動し、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給し、電池反応後の排出水素ガスは水素ガス流路２３から排出管５６を介して排気管４５の他端から排出される。
【０１０２】
以上により、燃料電池本体部１０は起動状態にあり、かつ希硫酸の排出が完了し、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素ガス、空気（酸素）の供給が開始されており、発電運転可能な状態となる。
【０１０３】
また、図８に示す希硫酸充填ルーチンが実行された場合には、次のように希硫酸充填処理を行なう。すなわち、希硫酸充填ルーチンが実行されると、ステップ５００においてカソード側のバルブＶ６およびＶ７を閉じて加湿空気の供給を停止する。このとき、アノード側のポンプＰ１を停止し水素ガスの供給を停止する。次にステップ５０２において、バルブＶ２、Ｖ３およびＶ４を開けてポンプＰ２を駆動し、希硫酸貯留タンク６２からエア供給管６５を通じて燃料電池本体部１０のエア流路２４に希硫酸を供給し、ステップ５０４で希硫酸の供給を検出して希硫酸の充填を完了する。充填完了後、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻る。
【０１０４】
本実施形態は、上記した図７〜８に示す希硫酸充填ルーチンおよび希硫酸排出ルーチン以外の制御装置８０による他の制御は、図４〜６に示す流れに基づいて第１実施形態と同様にして実行される。
【０１０５】
本実施形態では、燃料電池本体部が通常に制御されている場合には、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に供給された水素ガスとエア流路２４に供給された空気（酸素）とによって電池反応が進行して発電運転され、燃料電池本体部の発電運転が停止状態に移行されると、希硫酸貯留タンクに貯留された希硫酸が空気を供給するためのエア供給管を利用してエア流路に供給され、再度起動または出力要求されるまでそのままの状態で保持される。そして、再び起動または出力要求があると、希硫酸をエア流路外に排出し回収すると共に加湿された空気を供給して通常の発電運転で制御される。
【０１０６】
これにより、停止状態にある場合において、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し、発電効率を高め、かつ安定した電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークを防止して耐久性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施形態においてもエア流路に希硫酸を供給すると共に、更にアノード側にも希硫酸給排系を設けて水素ガス流路に希硫酸を供給するように構成することも好適である。
【０１０８】
上述した実施形態では、燃料に水素ガスを用いた例を中心に説明したが、既述のメタノール溶液を用いた場合においても同様である。また、燃料電池システムを電気自動車に搭載した例を中心に説明したが、電気自動車以外の他の移動装置や、移動装置以外の電気エネルギーで作動する装置への電力供給源として適用することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明によれば、０℃以下となる低温環境下における拡散電極部の凍結による作動性や再始動性の低下の懸念がなく安定的に電力供給が行なえ、かつ耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。また更に、前記燃料電池システムを搭載し、０℃以下となる低温環境下で安定した始動性、走行性を発揮し、かつ長期耐久性を具えた移動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】燃料電池本体部を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の制御装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態の希硫酸充填排出制御ルーチンを示す流れ図である。
【図５】本発明の第１実施形態の燃料電池本体部および二次電池の接続を切換えて電力供給を行なう割り込みルーチンを示す流れ図である。
【図６】燃料電池本体部を運転制御するサブルーチンを示す流れ図である。
【図７】希硫酸排出処理を実行する希硫酸排出ルーチンを示す流れ図である。
【図８】希硫酸充填処理を実行する希硫酸充填ルーチンを示す流れ図である。
【図９】本発明の第２実施形態の一部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
９…ニッケル−水素蓄電池（二次電池）
１０…燃料電池本体部
１１…フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）
１２…切換スイッチ（切換手段）
１６…アノード拡散電極
１７…カソード拡散電極
２０…膜電極接合体
２１，２２…セパレータ
２３…水素ガス流路（燃料流路）
２４…エア流路（酸化ガス流路）
３０…水素供給系
４０…エア供給系
５０，６０…希硫酸給排系
７０…冷却系[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system and a mobile device, and more particularly to a fuel cell system mainly composed of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which can be mounted on a vehicle such as an electric vehicle, and a mounted fuel cell system. The present invention relates to a mobile device that moves by receiving electric power. In the present invention, the polymer electrolyte fuel cell includes a direct methanol fuel cell (DMFC).
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are expected to expand their application fields, such as those mounted on vehicles, for home use, and for portable use, because of their advantages such as high output density and low operating temperature range.
[0003]
A polymer electrolyte fuel cell generally uses an ion-exchange polymer membrane (polymer electrolyte membrane) that transmits hydrogen ions as an electrolyte, and this electrolyte is sandwiched between two diffusion electrodes (a cathode and an anode). An electrode assembly is provided, and a hydrogen gas (a methanol solution in the case of DMFC) as a fuel and a oxidant as an oxidizing agent are provided in a flow path formed between the separator and each diffusion electrode further sandwiching the membrane electrode assembly. By supplying air (oxidizing gas), it operates in a low temperature range of 100 ° C. or less.
[0004]
The diffusion electrode, which constitutes both the cathode and anode electrodes, is generally composed of a material layer such as porous carbon paper or carbon cloth that has material diffusibility together with the catalyst layer. The cathode is usually in a wet state because water is generated by the reaction between oxygen in the air, hydrogen ions and electrons passing through the polymer membrane, and water at the cathode. Therefore, when the use environment of the fuel cell is 0 ° C. or less and when power supply to the load is not performed, such as after the fuel cell is stopped, there is a problem that the diffusion electrode, particularly the diffusion layer, freezes. In particular, when freezing occurs on the cathode side, even if an attempt is made to restart, the permeation of the oxidizing gas is hindered in the frozen portion, and the system is likely to be stopped. Also, it is difficult to keep the temperature near the diffusion electrode in a warmed state at 0 ° C. or higher.
[0005]
In order to cope with such a freezing phenomenon, a method of discharging water in the fuel cell after stopping, or heating during stopping is mentioned (for example, see Patent Documents 1 and 2). There were other problems, such as freezing and energy efficiency. Although the use of antifreeze (ethylene glycol or the like) widely used in automobiles is also conceivable, there is a problem in that the performance is deteriorated if the antifreeze remains in the fuel cell.
[0006]
Apart from these, there is a fuel cell system in which methanol as a fuel is supplied to the anode in the DMFC, or the fuel cell system is stopped immediately after the fuel is wetted with methanol immediately before the stop (for example, see Patent Document 3). This is intended to prevent freezing by lowering the freezing point of water, but it is difficult to lower the freezing point of water for a long time because methanol which is easily evaporated is used. Moreover, since the cathode side is also wetted with the reaction water, it is easy to coagulate, and particularly when coagulated on the cathode side, it is easy to cause a system stop. .
[0007]
Also, there is a description of injecting dilute sulfuric acid into a flow path formed by a separator plate (for example, see Patent Document 4). However, the diluted sulfuric acid used here is used as a cleaning agent for cleaning the inside of the fuel cell during operation, and after the cleaning, it is necessary to discharge the diluted sulfuric acid and further perform cleaning with pure water. In addition to the above, there is a description of preventing freezing using sulfuric acid (for example, see Patent Document 5).
[0008]
On the other hand, when the vehicle is held in an output standby state (OCV state) that can be output at any time, such as when the vehicle is stopped at a traffic light, the durability of hydrogen gas (fuel) due to leakage is reduced. But there is a problem. That is, when the internal supply of hydrogen gas and air is not performed, both partial pressures are low, but the partial pressure in the OCV state is high, and hydrogen gas leaks to the cathode side and cross-leak reacts with oxygen in the air. And the film may be deteriorated, and it is necessary to eliminate the potential difference between the anode and the cathode. With respect to gas leakage occurring in a fuel cell, there is one that describes a technology for preventing the leakage (for example, see Patent Document 6).
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-11-273704
[Patent Document 2]
JP-A-11-214025
[Patent Document 3]
JP-A-2002-184437
[Patent Document 4]
JP 2001-85037 A
[Patent Document 5]
JP-A-63-184267
[Patent Document 6]
JP-A-5-266907
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, if it is intended to be installed in an electric vehicle or the like and used as a main power supply, it must be capable of handling all possible usage environments, and it must be able to operate and operate in low-temperature regions below freezing. Further stabilization of startability and further improvement of durability have been desired.
[0011]
The present invention has been made in view of the above, and it is possible to stably supply power without fear of deterioration in operability and restartability due to freezing of a diffusion electrode portion in a low-temperature environment of 0 ° C. or lower, and endurance. With the aim of providing a highly efficient fuel cell system,
[0012]
It is still another object of the present invention to provide a mobile device equipped with the fuel cell system, exhibiting stable startability and running performance in a low-temperature environment of 0 ° C. or lower, and having long-term durability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect has an anode diffusion electrode, a cathode diffusion electrode, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode diffusion electrode and the cathode diffusion electrode. A membrane electrode assembly, and an oxidizing gas passage which sandwiches the membrane electrode assembly, and in which an oxidizing gas passes between the fuel passage and the cathode diffusion electrode between the anode diffusion electrode and the fuel passage. A fuel cell main body for supplying electric power to the outside, a first supply unit for supplying fuel to the fuel flow path, and an oxidizing gas flowing to the oxidizing gas flow path. A second supply means for supplying diluted sulfuric acid to at least one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path when power supply by the fuel cell main body is stopped. Those were.
[0014]
In the first invention, at least one of a fuel passage through which a fuel such as hydrogen gas (or methanol solution) passes and an oxidizing gas passage through which an oxidizing gas (air or the like) as an oxidizing agent for oxidizing the fuel passes. In the above, diluted sulfuric acid is supplied when the power supply is stopped, and discharged when power supply is performed to start power generation.
[0015]
According to the fuel cell system of the present invention, when used in a low-temperature environment of 0 ° C. or less, the diffusion electrode when the fuel cell is stopped or in a state where power generation is not performed temporarily (such as an OCV state) Part (anode diffusion electrode, cathode diffusion electrode; also referred to as "diffusion electrode" in this specification), in particular, freezing in a diffusion layer generally constituting the diffusion electrode part is suppressed, and fuel and oxidizing gas in the diffusion electrode part are suppressed. Has good permeability.
That is, by supplying diluted sulfuric acid to at least one of the anode side wetted by humidification of the fuel and the cathode side where water accompanying the cell reaction is present by using a fuel flow path or an oxidizing gas flow path, freezing is performed. Is effectively prevented. As a result, it is possible to avoid the possibility of stopping the power generation during the start-up, improve the power generation efficiency of the fuel cell, and satisfactorily restart the vehicle once it has been stopped.
[0016]
Also, when the vehicle is held in the OCV state where it can be output at any time, for example, when the vehicle is stopped waiting for a traffic light, by supplying diluted sulfuric acid to at least one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path. Hydrogen gas leakage is suppressed, and the durability of the fuel cell system can be improved.
[0017]
In the present invention, the supply of dilute sulfuric acid to the fuel flow path or the oxidizing gas flow path, or to both the fuel flow path and the oxidizing gas flow path, is performed in a state where dilute sulfuric acid is present in the flow path, particularly at the diffusion electrode. In any case, for example, a state in which the inside of the flow path is filled or a state in which at least the diffusion layer of the diffusion electrode contains dilute sulfuric acid can prevent the diffusion electrode portion from freezing. can do. Preferably, by making the inside of the flow path substantially filled, the above-described durability of the fuel cell system can be effectively improved together with the prevention of freezing.
[0018]
The fuel cell main body can be configured in a stack structure by forming a flow path on both surfaces of each separator and stacking a plurality of single cells, and two sheets located at both ends of the stack structure when forming the stack structure The separator described above can have a flow path formed on the side in contact with the diffusion electrode.
[0019]
Dilute sulfuric acid to be supplied when the power supply by the fuel cell main body is stopped is configured to be supplied to one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path. It is suitable. In particular, since freezing at the cathode tends to cause the power generation of the fuel cell to stop, it is desirable to supply dilute sulfuric acid to the oxidizing gas flow path provided on the cathode side.
[0020]
The fuel according to the first invention is hydrogen gas generally used for a polymer electrolyte fuel cell or a methanol solution used for a direct methanol fuel cell. The oxidizing gas is oxygen that reacts with hydrogen ions that have reached the cathode side through the polymer electrolyte membrane from the anode and electrons that have passed through the external circuit to generate water. Supplied.
[0021]
A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a secondary battery connected in parallel to a fuel cell main body, and a power supply connected to a load (such as a motor) from at least one of the fuel cell main body and the secondary battery. And a switching means for switching the power supply from the fuel cell main body when power is supplied from the secondary battery to the load by the switching means. That is, when the remaining power of the secondary battery can be satisfied, for example, when the required power of the load is small, the power generation by the fuel cell main body is stopped, and the use of the secondary battery is more advantageous in relation to the power generation efficiency of the fuel cell main body. Sometimes, power is supplied from the secondary battery to the load without supplying power from the fuel cell body. Also in this case, if the outside air temperature is low, freezing in the fuel cell main body is likely to occur similarly to the above, so it is desirable to supply dilute sulfuric acid to at least one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path. In addition, power can be supplied from the fuel cell main body and also from the secondary battery.
[0022]
A moving device according to a second aspect of the present invention is configured using the fuel cell system according to the first aspect of the present invention, and further includes a load such as a motor that drives wheels by receiving power supply from the fuel cell system. It can be provided and configured.
[0023]
In the second invention, the fuel cell system according to the first invention is mounted and can be used as a main power supply source for supplying power to a load such as a motor for driving wheels. As a result, even in a low-temperature environment in which the driving environment is 0 ° C. or less, the diffusion in the fuel cell main body after the fuel cell system is stopped or in a state where power generation is not performed temporarily (such as an OCV state). Freezing at the electrode section is effectively suppressed, and it is possible to prevent power generation stoppage during the operation of the fuel cell system, that is, to prevent the vehicle from becoming unable to run easily, to improve power generation efficiency, and to improve restartability after stopping once. Also improve. In addition, the above performance can be maintained for a long period of time as the durability of the fuel cell system itself is improved.
[0024]
Further, a secondary battery is further mounted on the moving device in parallel with the fuel cell body of the fuel cell system according to the first aspect of the invention, and a motor for driving wheels is at least one of the fuel cell body and the secondary battery. And can be driven by switching means so as to be able to receive power supply from the power supply. Although it is possible to receive power from both the fuel cell system and the secondary battery, especially when power is supplied from the secondary battery, the fuel cell main body is stopped, and it is also likely that freezing easily occurs at the diffusion electrode part. Therefore, when the fuel cell main body is stopped as described above, dilute sulfuric acid is supplied to at least one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path.
[0025]
The moving device according to the second aspect is a device that can be moved by using electric energy, such as an electric vehicle.
[0026]
The fuel cell system of the present invention is excellent in operability and restartability in a low-temperature environment of 0 ° C. or less, can perform good power generation operation, and is mounted as a main power source in an electric vehicle or the like. In this case, stable startability and running performance can be secured.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings, and the moving device of the present invention will also be described in detail through the description. In the following embodiments, a description will be given mainly of a PEFC using hydrogen gas as a fuel used for a power generation operation. However, the present invention is not limited to these embodiments.
[0028]
(1st Embodiment)
A first embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is mounted on an electric vehicle that can be moved by a motor that drives wheels by receiving supply of electric energy. Dilute sulfuric acid is supplied using a hydrogen gas flow path (fuel flow path) formed on the anode side of the battery system, so that the diluted sulfuric acid exists in the anode diffusion electrode.
[0029]
In the present embodiment, a secondary battery is further mounted together with the fuel cell system, and the fuel cell system is connected in parallel with the secondary battery, and power can be supplied from at least one of the fuel cell system and the secondary battery by connection switching. It is like that.
[0030]
As shown in FIG. 1, the present embodiment has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, and a fuel cell main body 10 for supplying electric power to the outside, and a hydrogen gas flow path of the fuel cell main body 10 has a hydrogen gas flow path. Hydrogen supply system (first supply means) 30 for supplying gas, air supply system (second supply means) 40 for supplying air to the air flow path of fuel cell main body 10, and power supply by fuel cell main body 10 And a dilute sulfuric acid supply / discharge system (third supply means) 50 for supplying dilute sulfuric acid to the hydrogen gas flow path when is stopped. In the present embodiment, the diluted sulfuric acid supply / discharge system 50 is formed on the anode side of the fuel cell main body 10.
[0031]
The fuel cell body 10 can generate power by supplying hydrogen gas as a fuel from the hydrogen supply system 30 and supplying air from the air supply system 40. It is configured such that sulfuric acid can be supplied and discharged when power is generated again. Further, a cooling system 70 is connected to the fuel cell main body, so that the internal temperature can be appropriately adjusted.
Hereinafter, the fuel cell main body 10 will be further described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a single cell constituting the fuel cell main body.
[0032]
The fuel cell body 10 is formed by stacking a plurality of unit cells 10a configured as shown in FIG. 2 with a separator interposed therebetween. Each single cell 10a includes a membrane electrode assembly 20 having a fluorine-based ion exchange resin membrane (polymer electrolyte membrane) 11 sandwiched between an anode diffusion electrode 16 and a cathode diffusion electrode 17, and a membrane electrode assembly. 20 is further sandwiched, and hydrogen gas passes between the anode diffusion electrode 16, that is, the air (air) is interposed between the hydrogen gas flow path (fuel flow path) 23, which is supplied and discharged, and the cathode diffusion electrode 17. ) Passes through, that is, a pair of separators 21 and 22 forming an air flow path (oxidizing gas flow path) 24 to be supplied and discharged.
[0033]
The fuel cell main unit 10 supplies hydrogen (H 2 ) A high-density hydrogen gas is supplied, and oxygen (O 2 ) Is supplied, and electric power is supplied to the outside by an electrochemical reaction (hereinafter, also referred to as “battery reaction”) represented by the following formulas (1) to (3). Equation (1) shows the reaction on the anode side, equation (2) shows the reaction on the cathode side, and equation (3) shows the whole reaction in the fuel cell body.
H 2 → 2H + + 2e − … (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O ... (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O ... (3)
[0034]
The fluorinated ion exchange resin membrane 11 can be made of an electrolyte having ionic conductivity, and a perfluorosulfonic acid membrane or the like is generally used. In the present embodiment, it is composed of a Nafion film (manufactured by DuPont). This membrane is usually in a wet state in order to enhance ionic conductivity, and hydrogen ions on the anode side obtained by supplying hydrogen gas can conduct ions to the membrane satisfactorily and move to the cathode side. This wet state can be formed by adding (humidifying) water to hydrogen gas as a fuel.
[0035]
The anode diffusion electrode 16 and the cathode diffusion electrode 17 are composed of a catalyst layer that performs an electrochemical reaction and a diffusion layer that functions as a current collector. The anode diffusion electrode 16 is configured by stacking an anode catalyst layer 12 and a diffusion layer 14 in order from the fluorine-based ion exchange resin membrane 11 side, and the cathode diffusion electrode 1 is sequentially arranged from the fluorine-based ion exchange resin membrane 11 side. The cathode catalyst layer 13 and the diffusion layer 15 are stacked.
[0036]
The anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 are formed by applying platinum or an alloy of platinum and another metal as a catalyst on the surface of the fluorine-based ion exchange resin membrane 11. The coating is performed by preparing a carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal, dispersing the carbon powder in an appropriate organic solvent, and adding an electrolyte solution (for example, Nadion Solution, Aldrich Chemical Co., Ltd.) thereto. An appropriate amount can be added to form a paste, and screen printing can be performed on the fluorinated ion exchange resin membrane 11. Alternatively, the paste containing the carbon powder may be formed into a sheet by film forming, and the sheet may be pressed on the fluorine-based ion exchange resin membrane 11. Alternatively, platinum or an alloy of platinum and another metal may be applied to the surface of the diffusion layer on the side facing the fluorine-based ion-exchange resin membrane 11 instead of the fluorine-based ion-exchange resin membrane 11.
[0037]
The diffusion layers 14 and 15 are both formed of carbon cloth woven with carbon fiber yarns. It is preferable that the diffusion layer be made of carbon paper, carbon paper, carbon felt, or the like, in addition to carbon cloth.
[0038]
The separators 21 and 22 are provided so as to further sandwich the membrane electrode assembly 20, and a hydrogen gas flow path 23 is formed between the separators 21 and 22 and the anode diffusion electrode 16 constituting the membrane electrode assembly 20, and the cathode diffusion An air passage 24 is formed between the electrode 17 and the electrode 17. The separator can be made of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that is made by compressing carbon and gas-impermeable.
[0039]
In the case of the single cells shown in FIG. 2, the separators 21 and 22 each have a flow path formed only on one surface, but when a plurality of single cells are stacked to form a stack structure, one separator is provided with two membrane electrodes. Channels are formed on both sides of each of the separators, shared between the conjugates. That is, concave portions (ribs) are formed on both sides of one separator, a hydrogen gas flow path 23 is formed on one side between the separator and the anode diffusion electrode 16, and an adjacent membrane electrode assembly is formed on the other side. An air passage 24 is formed between the cathode diffusion electrode and the cathode diffusion electrode. As described above, the separators 21 and 22 have a function of forming the flow path and separating the flow of the hydrogen gas and the air between the adjacent single cells.
[0040]
Further, the ribs formed on both sides of the separator constituting the adjacent single cell may be formed in parallel with each other, or may be formed at a predetermined angle such as perpendicular to each surface. The shape of the rib is not limited as long as hydrogen gas or air can be supplied to the anode or the cathode diffusion electrode. For example, the rib can be formed in a parallel groove shape.
When the stack structure is formed as described above, the two separators located at both ends of the stack structure may have ribs formed only on the surface in contact with the membrane electrode assembly.
[0041]
When assembling the fuel cell body 10, a plurality of sets (see FIG. 2) of a single cell 10a (see FIG. 2) composed of a separator 21, an anode diffusion electrode 16, a fluorine-based ion exchange resin membrane 11, a cathode diffusion electrode 17, and a separator 22 are arranged in this order. A stack structure is formed by stacking (100 sets in the embodiment). At this time, the separators 21 and 22 are shared between adjacent single cells.
[0042]
As shown in FIG. 2, during normal power generation operation, hydrogen gas and air are supplied to the hydrogen gas flow path 23 and the air flow path 24 formed between the anode diffusion electrode or the cathode diffusion electrode and the separator, respectively. When the supply of power to the outside is stopped, the supply of hydrogen gas and air is stopped, and dilute sulfuric acid (H 2 SO 4 ) Is supplied. At the same time, diluted sulfuric acid (H 2 SO 4 ) Can also be provided. Specifically, it is as follows.
[0043]
On the anode side of the fuel cell main body 10, hydrogen provided with a pump P 1 and a valve V 1 constituting a hydrogen supply system 30 so as to communicate with a supply port of a hydrogen gas flow path 23 having a stack structure in which single cells are stacked. One end of the supply pipe 31 is connected and communicates with the hydrogen storage tank 32. One end of a pipe 33 having a valve is connected to the wall surface of the hydrogen storage tank 32, and a connector for filling hydrogen is attached to the other end of the pipe 33, and hydrogen gas is charged into the hydrogen storage tank at a high pressure. I can do it.
[0044]
The hydrogen supply system 30 includes a hydrogen storage tank 32 and a hydrogen supply pipe 31, and can supply hydrogen gas to the hydrogen gas passage 23 of the fuel cell main body 10. At this time, the pressure of the hydrogen gas supplied to the hydrogen gas flow path 23 can be easily adjusted by controlling the open / close state of the valve V1.
[0045]
Further, a hydrogen generation device for generating hydrogen may be connected via a hydrogen filling connector attached to the hydrogen storage tank 32 or in place of the hydrogen storage tank 32. For example, a methanol tank for storing methanol, a pump for supplying methanol, a water tank for storing water, a pump for supplying water, and reforming based on a steam reforming method using the supplied methanol as a fuel for generating hydrogen. A device constituted by a reformer is connected, and methanol and water are supplied to the reformer from a methanol tank and a water tank by a methanol supply pump and a water supply pump. The following formulas (4) to (6) are used. By performing the reforming, the generated hydrogen-rich gas can be supplied.
CH 3 OH → CO + 2H 2 … (4)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 … (5)
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 … (6)
[0046]
In the above methanol reforming reaction, equation (4) represents a methanol decomposition reaction, equation (5) represents a carbon monoxide conversion reaction, and equations (4) and (5) proceed simultaneously. Equation (6) shows the overall reaction. Here, since the entire reaction represented by the formula (6) is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside. The heat required for the reforming reaction is, for example, the hydrogen gas discharged from the anode side of the fuel cell main body and a part of the air (oxidizing gas) pressurized for supplying the air flow path as described later. Is introduced into a reformer, and hydrogen remaining in the discharged hydrogen gas and oxygen in the pressurized air are burned.
[0047]
When the hydrogen gas is supplied through the hydrogen supply pipe 31 to supply the hydrogen gas to the battery reaction, a humidifier is provided in the hydrogen supply pipe 31 to supply the hydrogen gas to the fuel cell main body 10 after humidification. Alternatively, drying of the fluorine-based ion exchange resin membrane 11 can be prevented. This humidifier is included in the following peripheral devices.
[0048]
The anode side of the fuel cell main body 10 is further connected to one end of a discharge pipe 51 constituting the diluted sulfuric acid supply / discharge system 50 so as to communicate with the discharge port of the hydrogen gas flow path 23 in the stack structure. The diluted sulfuric acid supply / discharge system 50 includes a discharge pipe 51 provided with a temperature sensor T1 and a valve V3, a pipe 54 provided with a valve V5 for discharging hydrogen gas (discharged hydrogen gas) having a reduced hydrogen density due to a battery reaction, A dilute sulfuric acid storage part 52 for storing dilute sulfuric acid, a pipe 53 including a pump P2 and a valve V2 for communicating the dilute sulfuric acid storage part 52 with the hydrogen supply pipe 31, and a dilute sulfuric acid storage part 52 and a pipe 54 are connected. And a pipe 55 having a valve V4. A dilute sulfuric acid detection sensor 56 is attached to the discharge pipe 51, and can detect the presence of dilute sulfuric acid, that is, whether or not discharge (that is, recovery) of dilute sulfuric acid is completed.
[0049]
The pipe 54 has one end connected to the exhaust pipe 51 and the other end connected to the exhaust pipe 45, and the exhaust pipe 51 and the exhaust pipe 45 are communicated with each other by the pipe 54, which contributes to the battery reaction during the power generation operation. Undischarged hydrogen gas can be discharged.
Note that the portion of the discharge pipe 51 connected to the pipe 54 on the upstream side in the discharge direction is also used for discharging the discharged hydrogen gas. One end of a pipe 53 is connected to the bottom of the dilute sulfuric acid storage section 52. When the supply of hydrogen gas is stopped and the power supply is stopped, the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell main body 10 is connected via the hydrogen supply pipe 31. Can be supplied with diluted sulfuric acid. One end of a discharge pipe 51 and one end of a pipe 55 are connected to an upper wall surface of the diluted sulfuric acid storage section 52 so that the diluted sulfuric acid supplied to the hydrogen gas flow path 23 can be collected or discharged. It has become.
[0050]
One end of an air supply pipe 41 provided with a pump P3 is connected to the cathode side of the fuel cell main body 10 so as to communicate with the supply port of the air flow path 24 in the stack structure. Further, a pump P4 and an air pressure regulating valve V6 are provided. One end of the discharge pipe 42 provided with is connected so as to communicate with the discharge port of the air flow path 24, and the oxygen density is reduced by the supply of air to the air flow path 24 of the fuel cell main body 10 and the cell reaction. The discharge air and the generated water can be discharged.
[0051]
The air supply system 40 includes an air supply pipe 41 and a discharge pipe 42, a humidification module 43 for humidifying air supplied to the air flow path 24, a pump P5, a temperature sensor T2, and air for pressurizing supplied air. An air supply pipe 44 having a compressor and an intercooler and an exhaust pipe 45 are provided.
[0052]
The humidifying module 43 has the other end of the air supply pipe 41, the other end of the discharge pipe 42, one end of the air supply pipe 44 for supplying air from the outside, and the exhaust air having a reduced oxygen density due to the battery reaction. One end of the exhaust pipe 45 is connected. The air sucked from the atmosphere and pressurized by an air compressor provided in the middle of the air supply pipe 44 is cooled by an intercooler if necessary, and further humidified to the air passage 24 of the fuel cell main body 10. The generated water generated by the battery reaction is stored in the humidification module, and the exhaust air (which may contain moisture) is exhausted from the other end of the exhaust pipe 45 via the purification catalyst. It has become. In general, the fuel cell is pressurized as described above because the reaction speed increases and the power generation efficiency improves as the pressure of the supplied hydrogen gas and air increases.
[0053]
One end of a cooling pipe 71 provided with a pump P6 and one end of a cooling pipe 72 are further connected to the fuel cell main body 10 to form a cooling system 70, and cooling water is supplied to the fuel cell main body 10 by the pump P6. It can be supplied while circulating. The cooling pipe 71 is provided with a temperature sensor T3 for detecting the liquid temperature before supply, and the cooling pipe 72 is provided with a temperature sensor T4 for detecting the liquid temperature after discharge and a temperature sensor T5 for detecting the liquid temperature after cooling. Are provided.
[0054]
The other end of the cooling pipe 71 is connected to a three-way valve. The cooling pipe 72 is branched into three, and each of the branched ends is connected to a three-way valve connected to the cooling pipe 71. A main radiator and a sub radiator are attached to two of the three branch pipes, respectively, and one end of a pipe 73 having an ion exchanger is connected to the other branch pipe, The cooling pipe 71 communicates with the cooling pipe 71. Further, one end of a pipe connected to a reserve tank for storing refilling water is connected to the branch pipe to which the main radiator is attached, so that water can be replenished as necessary.
[0055]
The fuel cell main body 10 is electrically connected in parallel with a nickel-hydrogen storage battery (secondary battery) 9 via a changeover switch (switching means) 12. The power supply to the motor 13 that drives the wheels by switching the connection with the hydrogen storage battery 9 is configured.
[0056]
As the secondary battery, other types of secondary batteries such as a nickel-cadmium storage battery, a lead storage battery, and a lithium secondary battery can be used in addition to the nickel-hydrogen storage battery. The capacity of the secondary battery may be appropriately selected depending on the size and running conditions of the vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted, the vehicle performance (the maximum speed, the running distance, and the like).
[0057]
The remaining power amount of the nickel-hydrogen storage battery 9 can be detected by a detection device (not shown). As the detection device, an SOC meter that calculates the remaining electric energy by integrating the current value and the time of charge / discharge, a voltage sensor that detects a decrease in the voltage value can be used, and the specific gravity of the electrolytic solution can be measured. It can also be configured to detect.
[0058]
The motor 13 is a three-phase synchronous motor, and is electrically connected to the changeover switch 12 via a DC / DC converter (not shown) and an inverter. The voltage required to drive the motor 13 is usually about 200 to 300 V, and a voltage commensurate with the voltage is output from the fuel cell body 10 and the nickel-hydrogen storage battery 9. The voltage when operating a load such as a peripheral device such as an air compressor is about 12 V, and the output voltage from the fuel cell main body 10 and the nickel-hydrogen storage battery 9 cannot be supplied as it is. The voltage of the electric energy output from the fuel cell main body or the like is reduced and supplied.
[0059]
In addition, a DC current supplied from the fuel cell main body 10 and / or the nickel-hydrogen storage battery 9 is converted into a three-phase AC by the inverter, and supplied to loads such as the motor 13 and the following accessories and peripheral devices such as an air compressor. Is done. The inverter includes six switching elements (for example, bipolar MOSFETs (IGBTs)) as main circuit elements, and each of the switching elements is connected to the control device 80 and is controlled by the control device 80. The DC current supplied by the switching operation is converted into a three-phase AC having an arbitrary amplitude and frequency.
[0060]
The motor 13 is rotated by receiving the supply of the electric energy as described above, and the rotational force is transmitted to the axle to drive the wheels of the electric vehicle.
[0061]
On / off control (output control) of the changeover switch 12 is performed by the control device 80, and the changeover switch 12 connects the inverter to which the motor 13 is connected to the fuel cell main body 10 and / or the nickel-hydrogen storage battery 9. That is, connection between the inverter and the fuel cell main body 10, connection between the inverter and the nickel-hydrogen storage battery 9, and simultaneous connection between the inverter and the fuel cell main body 10 and the nickel-hydrogen storage battery 9 are possible. The output control of the fuel cell main unit 10 (power generation operation control) and the output control of the nickel-hydrogen storage battery 9 (output ON / OFF control) can be arbitrarily executed regardless of the connection state. it can.
[0062]
The output of the fuel cell main body 10 can be controlled by adjusting the amounts of hydrogen gas and air in accordance with the magnitude of the connected load. This control is performed by the control device 80. As shown in FIG. 3, the fuel cell main body 10, the nickel-hydrogen storage battery 9, the start switch, the accelerator switch, the changeover switch 12, the dilute sulfuric acid detection sensor 56, the temperature sensors T1 to T5, the pumps P1 to P7, and the valves. V1-V8, three-way valve, humidifying module 43, auxiliary equipment such as various radiators, and peripheral devices such as humidifier for humidifying motor 13 and hydrogen gas and air compressor are each a control device composed of a microcomputer or the like. 80.
[0063]
The above-mentioned accessories are loads that consume power during operation of the fuel cell main unit 10 in the fuel cell system 1. Although the power consumption of the accessories is smaller than the power consumption of the motor 13, it operates regardless of the amount of power generation during the power generation operation, and the power consumption is the power generation of the fuel cell main body. The larger the number, the larger.
[0064]
Hereinafter, a control routine by the control device 80 of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Here, the description will focus on the dilute sulfuric acid charging / discharging control routine in the fuel cell main body and the interrupt routine for switching the fuel cell main body and the secondary battery to supply power.
[0065]
FIG. 4 shows a dilute sulfuric acid charging / discharging control routine executed when the start switch Ssw is turned on. When the fuel cell main body (FC) 10 is first activated by turning on the switch Ssw, first, at step 100, FIG. The subroutine (dilute sulfuric acid discharge routine) shown is executed to perform a dilute sulfuric acid discharge process.
[0066]
When the diluted sulfuric acid discharge routine is executed, in step 400, the valves V3 and V4 on the anode side are opened to start discharging the diluted sulfuric acid. In the next step 402, the valve P1 provided in the hydrogen supply pipe 31 is opened to drive the pump P1, and the supply of hydrogen gas into the fuel cell main body 10 is started to dilute the sulfuric acid in the hydrogen gas flow path 23. In the next step 404, it is determined whether or not the recovery of the diluted sulfuric acid has been completed.
[0067]
The dilute sulfuric acid detection sensor 56 detects that there is no dilute sulfuric acid in the hydrogen gas flow path 23, and when it is determined that the dilute sulfuric acid has been recovered, the valves V3 and V4 are closed, and the dilute sulfuric acid charging and discharging control routine is started. Returning to step 102, if it is determined that the diluted sulfuric acid still remains in the hydrogen gas flow path 23, the supply of the hydrogen gas is continued until the recovery is completed. As a result, when performing the power generation operation of the fuel cell main body, the diluted sulfuric acid in the hydrogen gas flow path 23 that supplies the hydrogen gas as the fuel is recovered in the diluted sulfuric acid storage tank 52. At this time, the diluted sulfuric acid remains in the anode diffusion electrode 16 (particularly, the diffusion layer 14) after the recovery, but the diluted sulfuric acid remains, so that the startability at the time of the low-temperature start is also improved.
[0068]
At the same time, on the cathode side of the fuel cell body 10, the air supply system 40 operates under the control of the control device 80, and air is supplied to the air flow path 24. That is, the air sucked by driving the pump P5 provided in the air supply pipe 44 is pressurized by the air compressor, adjusted to a predetermined temperature by the intercooler, humidified by the humidification module 43, and then pumped. The air is supplied to the air flow path 24 of the fuel cell main body 10 by driving P3. In the intercooler, the cooling water is circulated by operating the pump P7 and the radiator for the intercooler according to the detected air temperature.
[0069]
As described above, the fuel cell main body 10 is in the activated state, the discharge of dilute sulfuric acid is completed, the supply of hydrogen gas and the air (oxygen) to the anode side and the cathode side are started, and power generation operation is possible. In state.
[0070]
In step 102, it is determined whether or not there is an output request to the fuel cell main body unit 10. If there is an output request, it is determined in step 104 whether or not dilute sulfuric acid is discharged again. When it is determined that the state is not satisfied, the normal control of the fuel cell main body 10 is executed in step 108, and when it is determined that the fuel cell is not discharged, the dilute sulfuric acid discharge processing shown in FIG. At 108, normal control of the fuel cell main unit 10 is executed.
[0071]
In step 108, on the anode side, the valves V3 and V4 are closed and the valves V1 and V5 are opened, and the pump P1 is driven to supply hydrogen gas from the hydrogen storage tank 32 to the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell main body 10. The supplied hydrogen gas discharged after the battery reaction is discharged from the other end of the exhaust pipe 45 from the hydrogen gas flow path 23 via the discharge pipe 51 and the pipe 54. On the cathode side, while operating the air compressor and the intercooler, the pumps P3 and P5 are driven to supply pressurized humidified air to the air flow path 24 of the fuel cell main body 10, and the air pressure regulating valve V6 is operated. The air discharged after the battery reaction is discharged from the air flow path from the other end of the exhaust pipe 45 under a certain pressure by opening and closing.
[0072]
If there is no output request in step 102, it is determined in step 110 whether dilute sulfuric acid has been discharged, and if it is determined that the discharge has been completed, a subroutine (dilute sulfuric acid filling routine) shown in FIG. Then, when the dilute sulfuric acid filling process is performed, and it is determined that the state is not discharged, the process proceeds to step 114.
[0073]
When the dilute sulfuric acid filling routine is executed, in step 500, the supply of hydrogen gas is stopped by closing the valves V1 and V5 on the anode side. At this time, the pumps P3 and P5 on the cathode side are stopped together with the air compressor and the intercooler, and the supply of air is stopped. Next, in step 502, the valves V2, V3 and V4 are opened to drive the pump P2, and dilute sulfuric acid is supplied from the dilute sulfuric acid storage tank 52 to the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell body 10 through the hydrogen supply pipe 31; In step 504, the supply of the diluted sulfuric acid is detected, and the filling of the diluted sulfuric acid is completed. After the charging is completed, the routine returns to the dilute sulfuric acid charging / discharging control routine and proceeds to step 114.
[0074]
In step 114, it is determined whether or not the start switch Ssw is off. If it is determined that Ssw is off, it is determined in step 116 whether or not dilute sulfuric acid is charged. When it is determined that the fuel cell main body 10 is started, the fuel cell main body 10 is stopped in step 120, and when it is determined that the diluted sulfuric acid is not charged, the diluted sulfuric acid charging process shown in FIG. Then, the activation of the fuel cell main body 10 is stopped.
[0075]
As described above, when there is no output request to the fuel cell main body 10 (negative determination in step 102) or when the activation of the fuel cell main body 10 is stopped (positive determination in step 114), the hydrogen gas flow path is always Since the diluted sulfuric acid is controlled so as to be supplied to the inside of the fuel cell 23, the operation of the fuel cell main body is deteriorated or the power generation efficiency is reduced due to freezing of the diffusion electrode in a low temperature environment of 0 ° C. or less, A restart failure can be avoided, stable power supply is possible, and a decrease in durability due to hydrogen gas leakage during OCV can be effectively eliminated.
[0076]
If it is determined in step 114 that the switch is turned on, the process returns to step 102 to determine whether there is an output request to the fuel cell main unit 10, and the same control as described above is repeatedly performed. .
[0077]
While the output process of the fuel cell main unit shown in FIG. 4 and the charging / discharging process of dilute sulfuric acid are being executed, when the secondary battery use condition is satisfied according to the magnitude of the load, it is shown in FIG. An interrupt routine is appropriately executed.
[0078]
When this routine is executed, the required driving power is read through the accelerator switch operation of the electric vehicle, and the remaining power of the nickel-hydrogen storage battery 9 is read, and the remaining power is equal to or more than the predetermined capacity. In some cases, the use condition of the secondary battery is satisfied, and the subroutine shown in FIG. 6 is executed in step 200 to determine whether or not to stop the fuel cell main body 10.
[0079]
When this subroutine is executed, first, in step 300, the set state of an intermittent flag fk indicating that the fuel cell main body 10 is in an intermittent operation mode for intermittently operating is determined. The intermittent flag fk is set / reset by a process described later, and indicates that the fuel cell main body 10 is to be operated intermittently in the set state, and is to be continuously operated in the reset state.
[0080]
Here, if it is determined that the intermittent flag fk = 0 (reset state), that is, it is determined that the vehicle is in continuous operation, it is determined in step 302 whether or not the drive request power is smaller than a predetermined threshold power Xpw. The threshold power Xpw is a value (fuel cell output) at which the system efficiency becomes low because the output of the fuel cell main body 10 is low. In the present embodiment, the threshold power Xpw is set to about 10% of the power generation capacity of the fuel cell main body 10. is there.
[0081]
When the required driving power is smaller than Xpw in step 302, the driving mode of the fuel cell main body 10 is set to the continuous operation because the required driving power is smaller than Xpw, although the fuel cell main body 10 is operated continuously. In step 304, a value 1 is set to the intermittent flag fk and set to indicate that the mode is shifted to the intermittent operation mode. Next, in step 306, the remaining power read in step 300 is compared with the required driving power, and the motor 13 can be rotated according to the required driving power with only the remaining power of the nickel-hydrogen storage battery 9. It is determined whether or not. That is, it is determined whether the required driving power can be satisfied by the remaining power of the nickel-hydrogen storage battery 9.
[0082]
If it is determined in step 306 that the required driving power can be satisfied with the remaining power, in step 308, the operation of the fuel cell main unit 10 in the low power generation region together with the peripheral devices such as the above-described auxiliary devices and the air compressor is stopped. Then, in step 310, electric power is supplied from the nickel-hydrogen storage battery 9 to the motor 13 to end the present subroutine, and shift to step 202 of the interrupt routine shown in FIG. At this time, the motor 13 rotates by supplying power only from the nickel-hydrogen storage battery 9, and the vehicle is driven by the required drive power.
[0083]
In step 202, it is determined whether or not dilute sulfuric acid has been discharged. If dilute sulfuric acid has been discharged, the dilute sulfuric acid filling routine shown in FIG. Thereafter, the process proceeds to step 210, and if the diluted sulfuric acid is not discharged, the process directly proceeds to step 210. The dilute sulfuric acid filling process is performed in the same manner as described above. In step 210, the secondary battery use condition is determined again. If it is determined that the condition is still satisfied, the process returns to step 200 and the above control is repeated to supply electric power between the fuel cell main body and the secondary battery. Is controlled to be performed efficiently, and if it is determined that the condition is not satisfied, the interrupt routine is terminated.
[0084]
On the other hand, if it is determined in step 306 of the subroutine shown in FIG. 6 that the required drive power cannot be satisfied with the remaining power, the nickel-hydrogen storage battery 9 and the fuel cell main body 10 are used together, that is, the fuel cell main body 10 is In order to shift to the continuous operation, the intermittent flag fk is reset in step 312, this subroutine is ended, and the flow shifts to step 206 of the interrupt routine shown in FIG.
[0085]
In step 206, it is determined whether or not dilute sulfuric acid has been discharged. If it is determined that dilute sulfuric acid has been discharged, in step 208, the power of the nickel-hydrogen storage battery 9 and the power generated by the fuel cell main body 10 are generated. With this, the rotation of the motor 13 and the vehicle drive with the required drive power become possible (FC shared control), and if it is determined that the dilute sulfuric acid has not been discharged, the dilute sulfuric acid discharge routine shown in FIG. After the dilute sulfuric acid discharge process is performed, in step 208, the rotation of the motor 13 and the vehicle drive by the required drive power are enabled by the electric power of the nickel-hydrogen storage battery 9 and the electric power generated by the fuel cell main body 10 (step 208). FC sharing control).
[0086]
If it is determined in step 302 that the required driving power is equal to or more than Xpw, the fuel cell main body 10 must be operated to generate power in order to obtain the required driving power. The process proceeds to step 312 in order to cover the power of the storage battery 9 and the generated power of the fuel cell main body 10. At this time, the motor 13 is rotated by power supply from the nickel-hydrogen storage battery 9 and the fuel cell main body 10, and the vehicle can be driven with the required drive power (FC shared control).
[0087]
On the other hand, if it is determined in step 300 described above that the intermittent flag fk = 1 (set state), that is, that the operation is intermittent, it is determined in step 314 whether the drive request power is greater than the threshold power Xpw + α. When it is determined that the required driving power is larger than the threshold power Xpw + α, the power of the nickel-hydrogen storage battery 9 and the power of the fuel cell main body 10 are determined because the required driving power is larger than Xpw + α, although the fuel cell main body 10 is operated intermittently. The process proceeds to step 312 in order to cover the generated power. At this time, the motor 13 is rotated by the power supply from the nickel-hydrogen storage battery 9 and the fuel cell main body 10, and the vehicle can be driven with the required drive power.
[0088]
If it is determined in step 314 that the required drive power is smaller than the threshold power Xpw + α, the process proceeds to step 306 with the fuel cell body 10 and the auxiliary equipment and peripherals stopped, because the required drive power is small. The subsequent processing is executed in the same manner as described above.
[0089]
As described above, the fuel cell system 10 according to the present embodiment operates / stops the fuel cell main body 10 and its accessories and peripheral devices according to the magnitude of the drive request power requested through the accelerator switch operation. Control is performed. If the required drive power can be obtained by the power generation operation in the high load region with respect to the fuel cell main body 10 (No in step 302), the fuel cell main body 10 generates power and the nickel-hydrogen storage battery The electric motor 9 rotates the motor 13 to drive the vehicle. As a result, the fuel cell main body 10 can be efficiently operated for power generation in a high load region.
[0090]
On the other hand, when the required drive power is obtained by the power generation operation in the low load region (a positive determination in step 302), the motor rotation can be covered by the remaining power amount of the nickel-hydrogen storage battery 9 under the condition. The fuel cell main body 10 and the auxiliary equipment and peripheral devices are stopped to supply dilute sulfuric acid into the hydrogen gas flow path of the fuel cell main body 10, and power is supplied to the nickel-hydrogen storage battery 9 alone. As a result, the fuel cell main body 10 can be prevented from generating electric power at a low load, so that wasteful power generation of the fuel cell main body can be suppressed, and the system efficiency of the fuel cell system and the electric vehicle equipped with the same can be improved. it can.
[0091]
In this embodiment, when the fuel cell main body is normally controlled, the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage tank 32 to the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell main body 10 and the hydrogen gas supplied to the air flow path 24 are supplied. The battery reaction proceeds with the air (oxygen) thus generated, and the power generation operation is performed. On the other hand, when the power generation operation of the fuel cell main body is shifted to the stop state, the diluted sulfuric acid stored in the diluted sulfuric acid storage tank removes the hydrogen gas. The hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path by using a hydrogen supply pipe for supplying the hydrogen gas, and is maintained as it is until the start or the output is requested again. Then, when there is a start-up or output request again, the diluted sulfuric acid is discharged to the outside of the hydrogen gas flow path and collected, and the hydrogen gas is supplied to control the operation in a normal power generation operation.
[0092]
As a result, in the stop state, the malfunction of the fuel cell main body, the decrease in power generation efficiency, and the restart failure after the fuel cell is temporarily stopped due to the freezing of the diffusion electrode part in a low temperature environment of 0 ° C. or less are avoided. In addition, power generation efficiency can be increased, stable power supply can be performed, and hydrogen gas leakage during OCV or the like can be prevented to improve durability.
[0093]
In the above description, the mode in which the dilute sulfuric acid supply / discharge system is provided only on the anode side of the fuel cell main body 10 and dilute sulfuric acid is supplied to the hydrogen gas flow path that supplies hydrogen gas as a fuel has been described. It is also preferable to supply dilute sulfuric acid to the hydrogen gas flow path and to provide a dilute sulfuric acid supply / discharge system on the cathode side to supply dilute sulfuric acid also to the air flow path. The details of the mode of supplying dilute sulfuric acid to the air flow path are the same as in the second embodiment described later.
[0094]
(2nd Embodiment)
A second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the diluted sulfuric acid supply / discharge system of the first embodiment is provided not on the anode side of the fuel cell system but on the cathode side, and when the fuel cell system is stopped, an air flow path (oxidation) formed on the cathode side is provided. A gas flow path) is used to supply and discharge dilute sulfuric acid so that dilute sulfuric acid is present at the cathode diffusion electrode. Note that the fuel and the oxidizing gas used in the first embodiment can be used as the fuel and the oxidizing gas. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. .
[0095]
In the present embodiment, a diluted sulfuric acid supply / discharge system that supplies diluted sulfuric acid into the fuel cell main body 10 when the fuel cell system is stopped is formed on the cathode side of the fuel cell main body 10. That is, when the power generation operation is not performed, the diluted sulfuric acid is supplied to the air flow path to which the air as the oxidizing gas is supplied, and the diluted sulfuric acid can be discharged when power is generated again.
[0096]
As shown in FIG. 9, one end of a discharge pipe 61 forming a diluted sulfuric acid supply / discharge system 60 is connected to the cathode side of the fuel cell main body 10 so as to communicate with the discharge port of the air flow path 24 in the stack structure. ing. The diluted sulfuric acid supply / discharge system 60 includes a discharge pipe 61 provided with a pump P4 and a valve V3, a pipe 64 provided with an air pressure regulating valve V6 for discharging air having a reduced amount of oxygen due to a battery reaction, and stores diluted sulfuric acid. A dilute sulfuric acid storage part 62, a pipe 63 provided with a pump P2 and a valve V2 for communicating the dilute sulfuric acid storage part 62 with the air supply pipe 65, and a valve V4 for communicating the dilute sulfuric acid storage part 62 and the pipe 64. Pipe 66.
[0097]
The pipe 64 has one end connected to the discharge pipe 61 and the other end connected to the humidification module 43, and discharges exhaust air not contributing to the battery reaction during the power generation operation, and is generated by the battery reaction in the humidification module 43. It can store water. One end of a pipe 63 is connected to the bottom of the diluted sulfuric acid storage section 62, and when the supply of air is stopped and the power supply is stopped, the diluted sulfuric acid is supplied to the air flow path of the fuel cell main body 10 via the air supply pipe 65. Can be supplied. The air supply pipe 65 penetrates humidified air during power generation operation and dilute sulfuric acid when power supply is stopped. One end of a discharge pipe 61 and one end of a pipe 66 are connected to the upper wall surface of the diluted sulfuric acid storage section 62, so that the diluted sulfuric acid supplied to the air flow path can be collected or discharged. ing.
[0098]
One end of a discharge pipe 56 provided with a valve V8 is connected to the anode side of the fuel cell main body 10 and communicates with the discharge port of the hydrogen gas flow path 23 having a stack structure. The other end of the discharge pipe 56 is connected to the exhaust pipe 45, and the discharged hydrogen gas discharged from the hydrogen gas flow path 23 after the battery reaction passes through the discharge pipe 56, and from the other end of the exhaust pipe 45 via the purification catalyst. Is discharged. Further, one end of a hydrogen supply pipe 31 constituting the hydrogen supply system 30 is connected to communicate with a supply port of a hydrogen gas flow path 23 having a stack structure.
[0099]
As described above, when the fuel cell main unit (FC) 10 is started by turning on Ssw, first, in step 100 of the diluted sulfuric acid charging / discharging control routine shown in FIG. 4, the diluted sulfuric acid discharging routine shown in FIG. 7 is executed. And dilute sulfuric acid discharge treatment. When the dilute sulfuric acid discharge routine is executed, in step 400, the discharge pipe 61 on the cathode side and the valves V3 and V4 provided on the pipe 66 are opened to start discharge of dilute sulfuric acid. In the next step 402, the valve V7 provided in the air supply pipe 65 is opened to start supplying the humidified air pressurized by the air compressor into the fuel cell main body 10 to expel the dilute sulfuric acid in the air flow path 24. In the next step 404, the presence or absence of dilute sulfuric acid is detected by the dilute sulfuric acid detection sensor 56, and it is determined whether or not the recovery of dilute sulfuric acid is completed.
[0100]
When the diluted sulfuric acid detection sensor 56 detects that there is no diluted sulfuric acid in the air flow path 24 and determines that the recovery of the diluted sulfuric acid is completed, the valves V3 and V4 are closed, and the process returns to the diluted sulfuric acid charging and discharging control routine. In step 102, if it is determined that the diluted sulfuric acid still remains in the air flow path 24, the supply of the humidified air is continued until the collection is completed. As a result, when performing the power generation operation of the fuel cell main body 10, the diluted sulfuric acid in the air flow path 24 that supplies the air used for the cell reaction is collected in the diluted sulfuric acid storage tank 62. At this time, the diluted sulfuric acid remains in the cathode diffusion electrode 17 (particularly, the diffusion layer 15) after the recovery, but the diluted sulfuric acid remains, so that the startability at the time of the low-temperature start is also improved.
[0101]
At the same time, on the anode side of the fuel cell body 10, the hydrogen supply system 30 operates under the control of the control device 80, and hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path 23 as described above. That is, the valve V1 and the valve V8 are opened, the pump P1 is driven, hydrogen gas is supplied from the hydrogen storage tank 32 to the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell main body 10, and the discharged hydrogen gas after the cell reaction is the hydrogen gas flow. The gas is discharged from the path 23 through the discharge pipe 56 from the other end of the exhaust pipe 45.
[0102]
As described above, the fuel cell main body 10 is in the activated state, the discharge of dilute sulfuric acid is completed, the supply of hydrogen gas and the air (oxygen) to the anode side and the cathode side are started, and power generation operation is possible. State.
[0103]
When the diluted sulfuric acid filling routine shown in FIG. 8 is executed, the diluted sulfuric acid filling process is performed as follows. That is, when the diluted sulfuric acid filling routine is executed, in step 500, the valves V6 and V7 on the cathode side are closed to stop the supply of the humidified air. At this time, the pump P1 on the anode side is stopped, and the supply of hydrogen gas is stopped. Next, in step 502, the valves P2, V3, and V4 are opened to drive the pump P2 to supply dilute sulfuric acid from the dilute sulfuric acid storage tank 62 to the air flow path 24 of the fuel cell body 10 through the air supply pipe 65. At 504, the supply of the diluted sulfuric acid is detected, and the filling of the diluted sulfuric acid is completed. After the filling is completed, the process returns to the dilute sulfuric acid filling discharge control routine.
[0104]
In the present embodiment, other controls by the control device 80 other than the diluted sulfuric acid filling routine and the diluted sulfuric acid discharging routine shown in FIGS. 7 and 8 are the same as those in the first embodiment based on the flow shown in FIGS. Executed.
[0105]
In the present embodiment, when the fuel cell main body is normally controlled, the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage tank 32 to the hydrogen gas flow path 23 of the fuel cell main body 10 and the hydrogen gas supplied to the air flow path 24 are supplied. The battery reaction progresses due to the air (oxygen) and the power generation operation is performed. When the power generation operation of the fuel cell main body is shifted to the stopped state, the diluted sulfuric acid stored in the diluted sulfuric acid storage tank supplies air. The air is supplied to the air flow path using the air supply pipe, and is maintained as it is until the start or the output is requested again. Then, when there is a start-up or output request again, the diluted sulfuric acid is discharged to the outside of the air flow path and collected, and humidified air is supplied to perform control in a normal power generation operation.
[0106]
As a result, in the stop state, the malfunction of the fuel cell main body, the decrease in power generation efficiency, and the restart failure after the fuel cell is temporarily stopped due to the freezing of the diffusion electrode part in a low temperature environment of 0 ° C. or less are avoided. In addition, power generation efficiency can be increased, stable power supply can be performed, and hydrogen gas leakage during OCV or the like can be prevented to improve durability.
[0107]
In this embodiment, it is also preferable to supply dilute sulfuric acid to the air flow path, and further provide a dilute sulfuric acid supply / discharge system on the anode side to supply dilute sulfuric acid to the hydrogen gas flow path. .
[0108]
In the above-described embodiment, an example in which hydrogen gas is used as a fuel has been mainly described, but the same applies to a case where the above-described methanol solution is used. In addition, the example in which the fuel cell system is mounted on an electric vehicle has been mainly described. However, the fuel cell system can be applied as a power supply source to a moving device other than the electric vehicle and a device that operates with electric energy other than the moving device. .
[0109]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a fuel cell system which can stably supply power without concern about deterioration in operability and restartability due to freezing of a diffusion electrode portion in a low-temperature environment of 0 ° C. or lower, and has high durability. Can be provided. Still further, it is possible to provide a mobile device equipped with the fuel cell system and exhibiting stable startability and running performance in a low-temperature environment of 0 ° C. or lower and having long-term durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a single cell constituting a fuel cell main body.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a control device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing a dilute sulfuric acid charging and discharging control routine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing an interrupt routine for switching the connection between the fuel cell main body and the secondary battery and supplying power according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing a subroutine for controlling the operation of the fuel cell main body.
FIG. 7 is a flowchart showing a dilute sulfuric acid discharge routine for executing a dilute sulfuric acid discharge process.
FIG. 8 is a flowchart showing a dilute sulfuric acid charging routine for executing a dilute sulfuric acid charging process.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a part of a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Fuel cell system
9 Nickel-hydrogen storage battery (secondary battery)
10. Fuel cell body
11. Fluorine ion exchange resin membrane (polymer electrolyte membrane)
12. Changeover switch (switching means)
16… Anode diffusion electrode
17 ... Cathode diffusion electrode
20: Membrane electrode assembly
21, 22, ... separator
23 hydrogen gas flow path (fuel flow path)
24 ... Air flow path (oxidizing gas flow path)
30 ... hydrogen supply system
40 ... Air supply system
50,60 ... Dilute sulfuric acid supply and discharge system
70 ... Cooling system
