JP2005203253A - 燃料電池の停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要以上にパージ工程が長期化することを防止して、パージ工程に要するガスを抑制することができる燃料電池の停止方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池の停止時に、燃料電池の残留水を排出するパージ工程Ｓ１８と、燃料電池の荷重を検出し、この検出値に基づいて燃料電池の電解質膜の含水量を推定する含水量推定工程Ｓ１２、Ｓ２０と、前記含水量が所定量と推定される荷重に前記検出した燃料電池の荷重がなったときに前記パージ工程を停止するパージ停止工程Ｓ２２とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池の停止時に、燃料電池の残留水を排出するパージ工程を備える燃料電池の停止方法に関するものである。

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

燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電停止時には燃料電池内には水分が含有されている。燃料電池内に水を残留させた状態で停止すると、例えば低温環境下で燃料電池車両を始動する場合に、残留水が凍結して反応ガス流路が閉塞されてしまい、始動時間が長くなってしまう。このような事態を防止する観点から、例えば、燃料電池の停止時に残留水を排出するパージ工程を行う技術が提案されている（特許文献１、２参照）。

また、燃料電池を構成するセルに加わる荷重を荷重センサより検出して、この検出値に基づいてセルに加わる荷重を適切に制御する技術が提案されている（特許文献３参照）。さらに、燃料電池内部の湿分を検出する湿分検出手段として荷重センサを用いて、燃料電池の内部の乾燥しすぎや濡れすぎを検出する技術が提案されている（特許文献４参照）。
米国特許第５７９８１８６号明細書 米国特許第６４７９１７７号明細書 特開２００３−３３１９０６号公報 特開２００３−１７３８０５号公報

しかしながら、燃料電池内の残留水が十分に排出されたか否かを判断することは困難であるため、始動性を確保する必要性からパージ工程の時間を必要以上に大きく設定せざるを得ない。従って、燃料電池を停止する際に要する時間が長期化してパージ用のガスが多量に消費されてしまう点で問題がある。特に、パージ用のガスに反応ガスを使用する場合には、燃費の低下につながってしまう。

また、燃料電池の運転中には種々の要因で燃料電池の荷重は増減する。さらに、燃料電池の使用される周囲の環境（例えば車両の運転状況）に応じても燃料電池の荷重は増減する。従って、燃料電池の荷重を検出しても、この検出値から直ちに燃料電池内の残留水の量を推定することは困難であり、パージ工程の長期化を有効に防止し得ないという問題がある。
従って、本発明は、必要以上にパージ工程が長期化することを防止して、パージ工程に要するガスを抑制することができる燃料電池の停止方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池の停止方法であって、前記燃料電池の残留水を排出するパージ工程（例えば、実施の形態におけるステップＳ１８）と、前記燃料電池セルを構成する電解質膜に加わる荷重を検出し、この検出値に基づいて燃料電池の電解質膜の含水量を推定する含水量推定工程（例えば、実施の形態におけるステップＳ１２、Ｓ２０）と、前記含水量が所定量と推定される適正荷重に前記検出した燃料電池の荷重がなったときに前記パージ工程を停止するパージ停止工程（例えば、実施の形態におけるステップＳ２２）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池を停止させる際に、前記含水量推定工程を行うことにより、前記燃料電池の運転中に生じる種々の荷重の増減要因を排除して前記含水量の推定をすることができるので、推定される含水量の精度を高めることができる。従って、前記パージ工程に要する時間を適正な時間に設定することができ、必要以上にパージ用のガスが消費されることを抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料電池の起動時における荷重の検出値を、前記適正荷重に設定する（例えば、実施の形態におけるステップＳ１２）ことを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の起動時には、電解質膜の含水量が適正なものであると推定できるため、燃料電池の荷重と電解質膜の含水量との関係を表すマップを保持しなくても、含水量が適正となるように制御を行うことができ、前記含水量推定工程の処理を簡易化することができる。

請求項１に係る発明によれば、前記パージ工程に要する時間を適正な時間に設定することができ、必要以上にパージ用のガスが消費されることを抑制することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記荷重と前記含水量とのマップを保持しなくても、前記含水量推定工程を行うことができ、前記含水量推定工程の処理を簡易化することができる。

以下、本発明の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池を車両に搭載した燃料電池システムに本発明を適用した場合について説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池３０は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜１（以下、電解質膜１、と記す）をアノード２とカソード３とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる（図１には簡略化のため単セルのみを示している）。この燃料電池３０は、セルの積層方向両端にエンドプレート（図示せず）が配置され、該エンドプレートを締め付けボルト（図示せず）により締め付けることによりセルが固定される。
このように構成された燃料電池３０のアノード２に燃料として水素を供給し、カソード３に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード２で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１を通過してカソード３まで移動して、カソード３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。カソード３側で生じた生成水の一部は電解質膜１を介してアノード２側に逆拡散するため、アノード２側にも生成水が存在する。

水素タンク等の水素供給システム４から供給される水素は、遮断弁、レギュレータ（いずれも図示せず）を介して水素供給流路５を通って燃料電池３０のアノード２に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、アノード２側の生成水等の残留水と共にアノード２から水素循環流路１７に排出され、エゼクタ１６を介して水素供給流路５に合流する。つまり、燃料電池３０から排出された水素は、水素供給システム４から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池３０のアノード２に供給される。また、水素循環流路１７から分岐した水素排出流路６にはパージ弁１４が設けられ、パージ弁１４を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素排出流路６から排出する。なお、水素排出流路６から排出された水素オフガスは、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。

一方、空気はコンプレッサ等のエア供給システム７によりエア供給流路８に圧送され、燃料電池３０のカソード３に供給される。エア供給流路８にはカソード加湿器１０が設けられており、電解質膜１の乾燥を防止するよう加湿されたエアを燃料電池３０に供給するように構成されている。燃料電池３０に供給されたエアは発電に供された後、燃料電池３０からカソード３側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエア排出流路９に排出される。また、エア排出流路９はカソード加湿器１０を通過するように構成されている。すなわち、加湿器１０はエア供給流路８とエア排出流路９とにまたがって設けられ、該加湿器１０を介してオフガスの水分をエア供給流路８のエアに供給できるようにしている。

また、エア供給流路８には、加湿器１０をバイパスするバイパス流路１１が設けられている。このバイパス流路１１には開閉弁１２が設けられ、この開閉弁１２を開閉動作させることによりバイパス流路１１へのエアの流通や遮断を制御している。
すなわち、開閉弁１２を閉動作させることにより、エア供給システム７から供給されるエアのバイパス流路１１への流通を遮断して、加湿器１０を介して燃料電池３０のカソード３に供給させる。一方、開閉弁１２を開動作させることにより、前記エアをバイパス流路１１に流通させて、燃料電池３０のカソード３に供給させる。このとき、エア供給システム７から供給されるエアは圧力損失の関係でバイパス流路１１を主に流れるようになり、燃料電池３０のカソード３には乾燥したエアを供給することができる。
また、燃料電池３０は、冷却水を循環させる循環ポンプを備えた冷却水流路（図示せず）などを備えている。燃料電池３０の作動時に冷却水を循環させることにより、燃料電池３０は電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御されている。

燃料電池システムには、開閉弁１２の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１３が設けられている。この制御部１３には、燃料電池３０の荷重を検出する荷重センサ３１やイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）が接続されている。この荷重センサ３１は、燃料電池３０のセルの積層面の少なくとも一箇所に配置される。このように荷重センサ３１をセルの積層面に配置することにより、セルに加わる荷重を直接検出することができ、正確な荷重を知ることができる。ここで、荷重センサ３１は、異なる積層面または同一の積層面の複数箇所に配置することができる。荷重センサ３１の設置個数は、燃料電池３０の形状、大きさ等によって適宜決定することができる。

制御部１３には、荷重センサ３１で検出した荷重の検出値やイグニッションスイッチからのイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号が入力される。そして、制御部１３は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、水素供給システム４、エア供給システム７、開閉弁１２、パージ弁１４を駆動させる信号を出力するようになっている。

図２は燃料電池の停止方法の処理内容を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮになり（ＩＧ−ＯＮ）、車両が始動されたことを検出すると、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、燃料電池３０の起動時の荷重である初期荷重を荷重センサ３１により測定して、この初期荷重を図示しないメモリに記憶しておく。そして、ステップＳ１４で、車両の走行モードに応じた出力が得られるように燃料電池３０の運転を制御する。このとき、図３または図４の説明で後述するように、燃料電池３０の荷重は種々の要因で変動している。

ステップＳ１６で、イグニッションスイッチがＯＦＦになり（ＩＧ−ＯＦＦ）、車両が停止されたことを検出すると、燃料電池３０を停止させるべく、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、燃料電池３０の残留水を排出するパージ処理を行う。本実施の形態では、パージ弁１４を開いて、この状態でアノード２に水素をパージ用ガスとして供給することで、アノード２のパージ処理を行う。一方、バイパス流路１１の開閉弁１２を開いて、この状態でバイパス流路１１からカソード３にエアをパージ用ガスとして供給することで、カソード３のパージ処理を行う。なお、パージ用のガスはこれに限られるものではなく、例えば、パージ用ガスとして不活性ガスを用いてもよいし、またアノード２にもエアをパージ用ガスとして供給してもよい。

そして、パージ処理中の燃料電池３０の荷重を荷重センサ３１により検出し、ステップＳ２０で、この検出された測定荷重が初期荷重以下であるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２２に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１８に戻る。ステップＳ２２では、パージ弁１４や開閉弁１２を閉じると共に、アノード２やカソード３へのパージ用のガスの流入を遮断して、パージ処理を停止する。そして、このフローチャートにおける処理を終了する。尚、本実施の形態では、測定荷重が初期荷重以下となったときにパージ弁１４を閉弁するとしたが、初期荷重に限定されることなく、例えば、初期荷重に対し、若干高い荷重を設定しておくことも可能である。

このように、本実施の形態では、燃料電池３０の停止時に、燃料電池３０の荷重を検出して、この検出値に基づいて、電解質膜１の含水量の推定を行っている。この燃料電池３０の荷重と含水量との関係について図３、図４を用いて説明する。
図３は、電解質膜の含水量の、燃料電池運転時間と燃料電池スタック荷重との関係を示すグラフ図である。同図において、ラインＬ１は所定電力の発電状態における燃料電池３０の荷重を、ラインＬ２は電解質膜１が適正な湿潤状態に保持されているときの燃料電池３０の荷重を、ラインＬ３は電解質膜１が乾燥している状態における燃料電池３０の荷重を、それぞれ示している。

燃料電池３０が始めて使用される場合には、ラインＬ１の状態から燃料電池３０の運転が開始される。そして、燃料電池３０が一旦発電に供されてラインＬ３の状態になった後に、適正なパージ処理が行われた場合にはラインＬ２の状態に移行する。従って、適正なパージ処理が行われた後、燃料電池３０を起動する場合には、ラインＬ２の状態から燃料電池３０の運転が開始されることになる。

また、図３では、所定電力の発電状態における燃料電池３０の荷重をラインＬ１として示したが、燃料電池３０の荷重はその運転状態によりさらに変動しうる。これについて図４を用いて説明する。図４は燃料電池の荷重増加要因の、湿潤度と荷重増加量との関係を示すグラフ図である。

同図において、ゾーンＡ〜ゾーンＦは、燃料電池３０の各荷重増加要因による荷重の増加領域である。具体的には、ゾーンＡは電解質膜１の膨潤による荷重増加、ゾーンＢは電解質膜１の加湿による荷重増加、ゾーンＣは燃料電池３０に供給される反応ガスの圧力による荷重増加、ゾーンＤは燃料電池３０に供給される冷却媒体の圧力による荷重増加、ゾーンＥは燃料電池３０を構成する各セルの温度上昇による荷重増加、ゾーンＦは燃料電池３０の発電による荷重増加を、それぞれ示している。従って、燃料電池３０の運転中や車両の運転中には、これらの要因が加味されて燃料電池３０の荷重が増加するため、燃料電池３０の荷重を検出しても、この検出値に基づいて電解質膜１の湿潤度を推定することが困難である。

しかしながら、本実施の形態においては、燃料電池３０の停止時に検出した荷重に基づいて含水量の推定を行っているので、燃料電池３０の運転中に生じる種々の荷重の増減要因（ゾーンＣ〜ゾーンＦの要因）を排除して含水量の推定をすることができる。
よって、電解質膜１の含水量の推定精度を高めることができるため、パージ処理に要する時間を適正な時間に設定することができ、必要以上にパージ用のガスが消費されることを抑制することができる。

また、上述したように、パージ処理が適正に行われた場合には、燃料電池３０の起動時における電解質膜１の含水量が適正なものとなっていると推定できるため、燃料電池３０の荷重と電解質膜１の含水量との関係を表すマップを保持しなくても、含水量が適正となるように制御を行うことができ、前記含水量推定工程の処理を簡易化することができる。

ここで、パージ処理が適正に行われか否かの判定としては、例えば、燃料電池３０を始めて運転する場合にはパージ時間が所定時間以上されたか否かで判定し、一旦燃料電池３０の運転を行った後は、ステップＳ２０の処理が適正にされたか否かで判定するようにしてもよい。

加えて、車両が停止されたことを検出したときに、電解質膜１の含水量の推定を行うので、車両の運転状況による燃料電池３０の荷重の変動要因を排除して、前記含水量を推定することができる。従って、電解質膜１の含水量の推定精度をさらに向上することができ、よりきめ細やかな制御が可能となる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、本実施の形態では、車両に搭載した燃料電池について適用したが、車両以外に搭載された燃料電池にも適用することが可能である。また、燃料電池は固体電解質型のものに限らず、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
また、本実施の形態では、荷重センサを燃料電池のセルの積層面に配置してセルに加わる荷重を直接検出する構成としたが、燃料電池の締め付けボルトに歪みゲージ等を貼り付けて締め付けボルトの軸力として検出するようにしてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池の停止方法の処理内容を示すフローチャートである。 電解質膜の含水量の、燃料電池運転時間と燃料電池スタック荷重との関係を示すグラフ図である。 燃料電池の荷重増加要因の、湿潤度と荷重増加量との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…固体高分子電解質膜
１２…開閉弁
１３…ＥＣＵ（制御部）
１４…パージ弁
３０…燃料電池
３１…荷重センサ

Claims (2)

1. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池の停止方法であって、
   前記燃料電池の残留水を排出するパージ工程と、
   前記燃料電池セルを構成する電解質膜に加わる荷重を検出し、この検出値に基づいて燃料電池の電解質膜の含水量を推定する含水量推定工程と、
   前記含水量が所定量と推定される適正荷重に前記燃料電池の荷重がなったことを検出したときに前記パージ工程を停止するパージ停止工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の停止方法。
2. 前記燃料電池の起動時における荷重の検出値を、前記適正荷重に設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の停止方法。
   

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