JP2005276529A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて掃気ガスを供給するエアポンプの容量を抑えるようにする。
【解決手段】 コントロールユニット３０は、供給弁１０を閉弁させ燃料電池１と燃料電池２の発電を停止する際に、掃気を行う。このとき、燃料電池２側の遮断弁１４、１５を閉弁させるとともに、流通弁２４を開弁させる。これによってエアポンプ６からの空気は、燃料電池１のカソード極とアノード極に供給され燃料電池１だけが掃気される。これによって、低温下で始動するときの発電性能低下を防止するとともに、エアポンプ６の容量を小さく抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池において製造コストや技術的な問題から発電容量の増加には限界がある。このため、発電容量の大きい燃料電池システムでは、複数の燃料電池を用いて発電容量の増加を図る。この場合、効率よく発電を行わせるために、例えば、特許文献１では、燃料電池の起動に際して暖機が必要な場合、各燃料電池を一度に暖機せず、１基ずつ暖機していき、すべての燃料電池の暖機が終わってから発電を実行する制御方法が提案されている。この方法によれば、暖機するための加熱器は燃料電池１基分相当の加熱容量があればよく、燃料電池システムを小型に構成することが可能である。

また、各燃料電池の仕様発電性能が同じでも個体差により実際の発電能力に差が存在するため、発電時に各燃料電池に均等に反応ガスを供給させた場合、発電能力の高い燃料電池では反応ガス不足でセルが損傷し燃料電池が劣化することがある。このようなことが生じないように特許文献２では、各燃料電池の発電状態を検出し、発電状態に応じた反応ガスの供給を行う制御方法が提案されている。
特開平６−１１１１９７号公報（特許請求の範囲、段落番号００１１、図面１） 特許第２７４５７７６号明細書（特許請求の範囲、図面１）

しかしながら前記いずれの特許文献にも、発電停止時の掃気については何ら記載ないし示唆がなされていない。
燃料電池を低温（氷点）下で使用する場合、燃料電池内の残留水の凍結などによる再起動時の発電性能の低下を防止するため、発電を停止する際には燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うことが知られている。掃気には発電時よりも大量の掃気ガスを短時間で供給する必要があるため、容量の大きいエアポンプが必要となる。したがって例えば、各燃料電池に対して掃気を実施した場合、掃気ガスを供給するエアポンプは燃料電池数相当の容量が必要となり、燃料電池システムの大型化を招く問題があった。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムおいてシステムの大型化を招くことなく掃気できる燃料電池システムを提供することを目的としている。

このため請求項１に記載の発明は、カソード極とアノード極とを有し、前記カソード極に供給される酸化剤ガスと、前記アノード極に供給される燃料ガスとにより発電を行う複数の燃料電池と、前記燃料電池を掃気するための掃気手段とを備える燃料電池システムにおいて、前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記燃料電池の総数より少ない所定数の前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うものとした。

請求項２に記載の発明は、前記掃気手段が、１基の燃料電池のみを掃気するものとした。

請求項３に記載の発明は、発電停止時に掃気が行われた燃料電池にのみ前記酸化剤ガスと燃料ガスを供給して発電させ、発電を行った前記燃料電池の温度が所定値以上に上昇した後、残りの前記燃料電池に前記酸化剤ガスと燃料ガスを供給して発電させる起動手段を有するものとした。

請求項１によれば、燃料電池総数より少ない所定数の燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うため、例えば掃気ガスを供給するエアポンプの容量は所定数の燃料電池に対応させるだけでよく、エアポンプの容量を抑えることができる。これにより、燃料電池システムを大型化にさせずに掃気を行うことが可能になる。

請求項２によれば、掃気する燃料電池を１基に限定することによって、例えば掃気ガスを供給するエアポンプの容量を最も小さく抑えることができる。燃料電池システムの小型化が図られるとともに、掃気完了するまでの時間を短縮できる。

請求項３によれば、起動時には、掃気を行った燃料電池を先に発電させ、その発電熱で他の燃料電池を暖機し、他の燃料電池の暖機が完了したところで、すべての燃料電池を発電させるため、低温下でも早期から発電を行うことが可能になる。また、燃料電池の暖機時間を短縮できる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態について説明する。
図１は燃料電池システムの構成を示す図である。
なお、図１に示す燃料電池システムは動力源として自動車に搭載されるものである。
燃料電池システムは図１に示すように複数の燃料電池として燃料電池１と燃料電池２とを備える。燃料電池１と燃料電池２はそれぞれ高分子電解質膜をカソード極とアノード極で挟んでなる膜電極構造体をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成されるものである。

燃料電池１のカソード吸気口に酸化剤ガス供給通路３が接続され、酸化剤ガス供給通路３はエアポンプ６に連結された通路５と接続されている。
燃料電池２のカソード吸気口にも同様に酸化剤ガス供給通路４が接続され、この酸化剤ガス供給通路４もエアポンプ６に連結された通路５と接続される。この酸化剤ガス供給通路４には酸化剤ガスの供給を遮断できる遮断弁１４が設けられている。これに対して燃料電池１側の酸化剤ガス供給通路３にはそうした遮断弁を設けない構成となっている。
したがって、通路５を介したエアポンプ６から空気が供給された場合、燃料電池１のカソード極に空気が直接に供給されるのに対して、燃料電池２のカソード極へは遮断弁１４によって供給を遮断できるようになっている。

燃料電池１のアノード吸気口に燃料ガス供給通路７が接続され、燃料ガス供給通路７は水素タンク１１に連結された通路９と接続されている。
燃料電池２のアノード吸気口にも同様に燃料ガス供給通路８が接続され、燃料ガス供給通路８も水素タンク１１と連結された通路９に接続されている。通路９には供給弁１０が設けられ、また燃料ガス供給通路８には燃料ガスの供給を遮断できる遮断弁１５が設けられている。これに対して燃料ガス供給通路７にはそうした遮断弁が設けられていない。

したがって、供給弁１０を開弁すると、燃料ガスが通路９から燃料電池１のアノード極に直接に供給されるのに対して、燃料電池２のアノード極へは遮断弁１５の制御で供給を遮断できるようになっている。
酸化剤ガス供給通路３と燃料ガス供給通路７の燃料電池１側には燃料電池１のカソード圧力とアノード圧力を検出する圧力センサＰｃ、Ｐａがそれぞれ設けられている。

通路５と燃料ガス供給通路７の間には、エアポンプ６からの空気が燃料電池１のアノード極に供給できるように連通路２３が設けられ、この連通路２３には流通弁２４を設けるようになっている。
燃料電池１のカソードオフガス排出通路に背圧弁１２、アノードオフガス排出通路には背圧弁１３がそれぞれ設けられている。
燃料電池２のカソードオフガス排出通路に背圧弁１６、アノードオフガス排出通路には背圧弁１７がそれぞれ設けられている。

燃料電池１の冷媒入口に冷媒供給通路１８、燃料電池２の冷媒入口には冷媒供給通路１９がそれぞれ設けられ、冷媒供給通路１８および冷媒供給通路１９は、冷媒ポンプ２２の排出口に連結された通路２１と接続されている。冷媒供給通路１８の燃料電池１側に冷媒温度を検出する冷媒温度計Ｔが設けられている。
燃料電池１の冷媒出口に冷媒排出通路２５、燃料電池２の冷媒出口には冷媒排出通路２６が設けられ、冷媒排出通路２５、２６は冷媒ポンプ２２の吸入口に接続される。燃料電池２側の冷媒供給通路１９には冷媒の供給を遮断できる冷媒供給弁２０が設けられている。これに対して燃料電池１側の冷媒供給通路１８にはそうした冷媒供給弁を設けない構成となっている。
したがって、冷媒ポンプ２２を起動した場合、燃料電池１に冷媒が直接に供給されるのに対して、燃料電池２へは冷媒供給弁２０によって供給を遮断できるようになっている。
前記供給弁１０、背圧弁（１２、１３、１６、１７）、遮断弁（１４、１５）冷媒供給弁２０、流通弁２４、エアポンプ６および冷媒ポンプ２２はコントロールユニット３０によって制御される。

図２は燃料電池システムの電気回路図である。
燃料電池１の一端がコンタクタＣ１を介して負荷Ｌの一端と電気接続される。燃料電池１の他端がコンタクタＣ３を介して燃料電池２の一端と電気接続され、燃料電池２の他端はコンタクタＣ４を介して負荷Ｌの他端と電気接続される。燃料電池１の他端と負荷Ｌの他端とは、コンタクタＣ２を介して電気接続されている。

したがって、各コンタクタの切換で、例えばコンタクタＣ１、Ｃ３、Ｃ４をオンにさせた場合、燃料電池１と燃料電池２が直列に接続された状態で負荷Ｌに電力供給を行うことができる。
また、コンタクタＣ３、Ｃ４をオフにさせ、コンタクタＣ１、Ｃ２をオンにさせた場合、燃料電池２を切外して、燃料電池１だけが負荷Ｌに電力供給を行うことができる。
負荷Ｌとしては、車両駆動用のモータ以外にエアポンプ６、冷媒ポンプ２２および図示しない車載バッテリなどが含まれる。
コンタクタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、コントロールユニット３０に制御される。

コントロールユニット３０は、各コンタクタおよび前記遮断弁、供給弁、エアポンプなどの制御を通じて燃料電池１および燃料電池２の制御を行う。燃料電池１と燃料電池２による発電を行っている場合、例えば、背圧弁１２、１３、１６、１７による背圧の制御を通じて、燃料電池１と燃料電池２にそれぞれの発電能力に応じた空気と燃料ガスの供給が行われるように制御する。

また、自動車側からのイグニッションスイッチ信号によって、発電停止と始動時には、発電停止時の制御と始動時の制御を実施する。コントロールユニット３０には制御情報として複数の制御用マップを記憶した記憶手段を備えている。

次に、フローチャートにしたがって、発電停止時の制御と始動時の制御について説明する。
図３は発電停止時の制御の流れを示すフローチャートである。
自動車のイグニッションスイッチがオフにされると、そのオフ信号がコントロールユニット３０に出力される（Ｓ１）。イグニッションスイッチのオフ信号を受けてコントロールユニット３０は、燃料ガスを供給するための供給弁１０を閉弁させるとともに、冷媒ポンプ２２を停止させる。これによって、燃料電池１と燃料電池２に燃料ガスの供給が停止され、また燃料電池１、２への冷媒供給が停止される（Ｓ２）。このとき、エアポンプ６は、車載バッテリからの電力供給で作動し続ける。

発電を停止すると、低温（氷点）下の起動に備えて起動時の発電性能が低下しないように、コントロールユニット３０は、燃料電池１に対して残留水を排出するための掃気を行う。これにはまず、掃気が行われる燃料電池１および燃料電池２に対してアノード極に溜まった残留燃料ガスを利用するように、背圧弁１３、背圧弁１７を閉弁させ燃料電池１、燃料電池２のアノード極を封じ込める（Ｓ３）。これによって、燃料ガスが外部に漏れることがなくなる。

次に、コンタクタＣ１、コンタクタＣ３、コンタクタＣ４をオンにし、燃料電池１、燃料電池２を負荷Ｌに接続することによって、燃料電池１、燃料電池２は残存燃料ガスによる発電を行う（Ｓ４）。発電された電力は例えばエアポンプ６または車載バッテリに供給される。

残存燃料ガスによる発電を行った後、燃料電池１に掃気ガスを供給して掃気を行うが、この場合、掃気ガスが燃料電池２に供給されないように、コントロールユニット３０は、遮断弁１４、１５、背圧弁１６を閉弁させ、燃料電池２の両極を封じ込める（Ｓ５）。
燃料電池２の両極を封じ込めた状態で、コントロールユニット３０は、流通弁２４を開弁させ（Ｓ６）、さらに背圧弁１２、１３を全開させる（Ｓ７）。これによって燃料電池１のカソード極だけでなく、燃料ガス供給通路７を通じてアノード極にも大量の空気が流入され、燃料電池１の両極に対して掃気が開始される（Ｓ８）。

掃気を開始した後、掃気完了を判断するため、コントロールユニット３０は、酸化剤ガス供給通路３と燃料ガス供給通路７に設けられている圧力センサＰｃ、Ｐｃ’、Ｐａ、Ｐａ’の検出値を入力し、カソード極とアノード極の出入口の差圧をチェックする。差圧が所定値以上の場合は、掃気完了していないとして、圧力センサＰｃ、Ｐｃ’、Ｐａ、Ｐａ’から新たな検出値を入力し同判断を行う（Ｓ９、Ｎｏ）。差圧が所定値より小さいと、両極に残留水が排出されたとして掃気完了と判断する（Ｓ９、Ｙｅｓ）。掃気完了の判断については、このほかに所定量のガス供給や所定時間の掃気で判断することもできる。

掃気完了したと判断した場合には、コントロールユニット３０はエアポンプ６を停止させる。これによって燃料電池１への空気供給が停止される（Ｓ１０）。その後、次の発電に備えてコントロールユニット３０は、燃料電池１のカソード極とアノード極の背圧弁１２、１３の状態をチェックし、閉弁していれば大気に開放するように開弁させる（Ｓ１１）と、掃気が終了し燃料電池システムが停止状態になる。
なお、掃気終了後の背圧弁１２、１３の状態としては、開弁状態でなく、閉弁状態にさせておくこともできる。

次に、燃料電池を始動する際の動作について説明する。
図４は、燃料電池始動時の動作の流れを示すフローチャートである。この始動は、特に低温（氷点）下起動するときの発電性能の低下を防止するようにしたものである。
イグニッションスイッチがオンにされると、そのオン信号がコントロールユニット３０に出力される（Ｓ２０）。このオン信号を受けてコントロールユニット３０は、まず停止時に掃気を行った燃料電池１だけを起動するように、遮断弁１４、１５、背圧弁１６、１７、冷媒供給弁２０および流通弁２４の状態をチェックし閉弁させる（Ｓ２１）。遮断弁１４、１５、背圧弁１６、１７の閉弁によって燃料電池２のカソード極とアノード極の両極を封じ込めた。

燃料電池２の両極を封じ込めた状態で、コントロールユニット３０はエアポンプ６を始動させて、燃料電池１のカソード極に空気供給を行う（Ｓ２２）。これと同時に、コントロールユニット３０はさらに供給弁１０を開弁させ、冷媒ポンプ２２を起動させる（Ｓ２３）。これによって燃料電池１のアノード極に燃料ガスが供給されるとともに、冷媒が循環されることになる。冷媒には不凍液が添加され、氷点下でも流動性を確保したものである。このとき、燃料電池２には空気、燃料ガスおよび冷媒の流入はない。

コントロールユニット３０は起動に必要な発電電力を得るためのカソード圧力とアノード圧力を発電条件として記憶してあるマップに基づいて決定する（Ｓ２４）。すなわち、コントロールユニット３０の記憶手段にはアノード圧力、カソード圧力と発電電力の関係を示したマップが記憶され、コントロールユニット３０が必要な発電電力に基づいて、マップから発電条件としてのアノード圧力、カソード圧力を検出し決定する。

その後、コントロールユニット３０は背圧弁１２、１３の制御を通じて、アノード圧力、カソード圧力の制御を行う。
そして、コントロールユニット３０は、燃料電池１のカソード圧力とアノード圧力を検出する圧力センサＰｃ、Ｐａの検出値を入力し発電条件が満たされたか否かを判断する（Ｓ２５）。
満たされていない場合（Ｓ２５、Ｎｏ）、圧力センサＰｃ、Ｐａから新たな検出値を入力し、同判断を行う。
発電条件が満たされた場合には、コントロールユニット３０は、発電を行うようにコンタクタの接続切換を行う。この接続切換によって、コンタクタＣ１、Ｃ２がオン状態になり、コンタクタＣ３、Ｃ４がオフ状態になり、燃料電池１による発電が開始される（Ｓ２７）。

燃料電池１の発電に伴って、燃料電池１の温度が上昇し冷媒温度も上昇する。さらに燃料電池１の温度上昇によって、雰囲気温度の上昇や熱放射で燃料電池２の温度も上昇し暖機が行われる。
コントロールユニット３０は、燃料電池２を始動可能か否かを判断するために、冷媒供給通路１８に設けられた冷媒温度計Ｔの検出値を入力することによって、冷媒入口温度を計測（Ｓ２８）し、冷媒入口温度が閾値Ａに達したか否かを判断する（Ｓ２９）。

閾値Ａは、冷媒供給弁２０を開弁させ、燃料電池を循環している冷媒に燃料電池２内の冷媒が投入されても、例えば冷媒温度が０℃以上に保てるように決定されるものである。すなわち、コントロールユニット３０の記憶手段には冷媒入口温度と閾値Ａの関係を示したマップが記憶され、コントロールユニット３０はイグニッションスイッチがオンにされた時の冷媒入口温度に基づいてこのマップから閾値Ａを決定するようになっている。
冷媒入口温度が閾値Ａ以下の場合（Ｓ２９、Ｎｏ）、燃料電池２内の冷媒が投入されることによって、冷媒全体の温度が０℃以下になるため、ステップＳ２８に戻り、再び燃料電池１の冷媒入口温度計測を行って、同判断を行う。

冷媒入口温度が閾値Ａを超えた場合（Ｓ２９、Ｙｅｓ）、燃料電池２内の冷媒が投入されても冷媒全体の温度が０℃以下になることはないため、燃料電池２を発電させることが可能になる。ここで、コンタクタの接続切換を行うため、一旦、燃料電池１の発電を停止させる（Ｓ３０）。
燃料電池１の発電を停止した後、コントロールユニット３０は、遮断弁１４、１５、背圧弁１６、１７、冷媒供給弁２０を開弁させることによって、燃料電池２の両極を開放させるとともに、冷媒供給を行う。
これによって、燃料電池２内の冷媒が投入されるが、前記のように、燃料電池１内の冷媒温度が閾値Ａ以上となっているため、冷媒全体の温度が０℃以下になることはない。

コントロールユニット３０は必要な発電量に応じて二基の燃料電池１、２で発電するときの各燃料電池の発電条件として燃料電池１、２のカソード圧力とアノード圧力をマップによって決定する（Ｓ３２）。
発電条件を決定すると、コントロールユニット３０は、酸化剤ガス供給通路３と燃料ガス供給通路７内の圧力センサＰｃ、Ｐａの検出値を入力して、発電条件が満たされたか否かを判断する（Ｓ３３）。

発電条件が満たされていなければ（Ｓ３３、Ｎｏ）、圧力センサＰｃ、Ｐａから新たに圧力検出値を入力し同判断を行う。
発電条件が満たされた場合には、コントロールユニット３０は、燃料電池１と燃料電池２が発電するようにコンタクタの接続切換を行う（Ｓ３４）。これによってコンタクタＣ１、コンタクタＣ３、コンタクタＣ４がオン状態、コンタクタＣ２だけがオフ状態となり、燃料電池１と燃料電池２によって発電が再開されることになる（Ｓ３５）。これで、始動制御が終了する。

以上のように、低温下で始動する際の発電性能の低下を防止するため、燃料電池の発電を停止する際に掃気を実施する。この場合、二基ある燃料電池１、２のうち所定の一基のみを掃気するようにしたため、掃気ガスを供給するエアポンプ６は、１基の燃料電池の掃気に対応した容量があれば済み、燃料電池システムとしては大型にならずに構成することができる。

また、掃気を行う際には、燃料電池１内の残留燃料ガスを発電させるようにしたので、燃料ガスが無駄になることもない。
始動時には、掃気を行った燃料電池１をまず発電させ、燃料電池１の温度上昇で、冷媒温度が閾値Ａ以上に上昇したとき、燃料電池１に加えて燃料電池２を発電させるため、常温より大量の反応ガスが必要な低温下の発電でも、エアポンプ６の容量を抑えることができるとともに、暖機を早め早期に発電をさせることができる。

以上のことにより、燃料電池システムは、低温下の始動に備え、掃気を行うことによって発電性能の低下を有効に防止できるとともに、エアポンプの容量を抑えることができ、燃料電池システムとしては、小型化することができると同時に、車載バッテリも小容量なものに抑えることが可能である。自動車としては、自重を減らし低コストで構成できるとともに、始動時の性能を向上させることが可能である。
なお、前記実施形態では、燃料電池１について掃気および始動制御について説明したが、燃料電池１に固定する必要はなく、例えば燃料電池２と交互に行うこともできる。

また、２基以上の燃料電池を備える燃料電池システムの場合は、必要に応じて、所定数の燃料電池を掃気および始動の対象にすることもできる。つまり総数より少ない所定数の燃料電池に対して実施すれば、前記実施形態と同様な効果が得られる。当然、２基以上の燃料電池を備える燃料電池システムでも、１基の燃料電池にのみ実施した場合、エアポンプの容量を最も小さく抑えることができる。
なお、燃料電池のアノード極から排出される燃料ガスを実施形態のように外部に排出するのでなく循環させるようにしてもよい。

燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムの電気回路図である。 発電停止時の制御の流れを示すフローチャートである。 燃料電池始動時の動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１、２ 燃料電池
３、４ 酸化剤ガス供給通路
５、９ 通路
６ エアポンプ
７、８ 燃料ガス供給通路
１０ 供給弁
１１ 水素タンク
１２、１３ 背圧弁
１４、１５ 遮断弁
１６、１７ 背圧弁
１８、１９ 冷媒供給通路
２０ 冷媒供給弁
２１ 通路
２２ 冷媒ポンプ
２３ 連通路
２４ 流通弁
２５、１６ 冷媒排出通路
３０ コントロールユニット
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンタクタ
Ｌ 負荷
Ｐｃ、Ｐａ 圧力センサ
Ｔ 温度計

Claims (3)

1. カソード極とアノード極とを有し、前記カソード極に供給される酸化剤ガスと、前記アノード極に供給される燃料ガスとにより発電を行う複数の燃料電池と、
   前記燃料電池を掃気するための掃気手段とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記燃料電池の総数より少ない所定数の前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気手段は、１基の燃料電池のみを掃気することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 発電停止時に掃気が行われた燃料電池にのみ前記酸化剤ガスと燃料ガスを供給して発電させ、発電を行った前記燃料電池の温度が所定値以上に上昇した後、残りの前記燃料電池に前記酸化剤ガスと燃料ガスを供給して発電させる起動手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。

Images