JP2005317211A

JP2005317211A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005317211A
Application number: JP2004130321A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Tanaka; 浩己田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP4582392B2

Abstract

【課題】低温環境下における燃料電池の凍結を防止しつつ、燃料電池の運転効率の悪化を最小限に抑えることのできる燃料電池システムを提案する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池の運転時に発生する熱で燃料電池を保温する保温制御モードと、燃料電池のアノードガス系統とカソードガス系統に乾燥ガスを流してシステム内部の水分を除去する乾燥制御モードのそれぞれについて予め定められた条件が成立した場合に当該制御モードを実行する燃料電池システムであって、保温制御モードを実行できるか否かを判定する判定手段と、保温制御モードを実行できなと判定されたことを条件として乾燥制御モードを実行する乾燥手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、低温環境下における燃料電池の凍結を防止しつつ、運転効率の悪化を最小限に抑えるための改良技術に関する。

特開２００２−２０８４２１号公報には燃料電池の運転停止後にスタック内部の湿潤状態に応じてアノード極に乾燥水素を供給するとともにカソード極に乾燥酸素を供給することにより低温環境下で凍結する水分を予め燃料電池から除去し、低温始動性を向上させる技術が開示されている（乾燥制御）。また、特開平１１−２１４０２５号公報には凍結防止モードが設定された状態で燃料電池を循環する冷却水温度が所定の閾値温度以下の場合に燃料電池の発電量を制御することにより、低温環境下に置かれた燃料電池の冷却水の凍結を抑制し、冷却水凍結による膨張圧で燃料電池が破損しないようにする技術が開示されている（保温制御）。
特開２００２−２０８４２１号公報特開平１１−２１４０２５号公報

ところで、燃料電池の固体高分子電解質膜はその膜中を水素イオンＨ⁺が水和状態でアノード側からカソード側に透過する都合上、適度に加湿されている必要がある。システム凍結防止のために上述した乾燥制御を頻繁に行うと、固体高分子電解質膜が過度に乾燥して燃料電池の劣化を早めたり、又は、次回始動時の運転効率が悪化したりする虞がある。また、上述した保温制御では燃料ガスが尽きると燃料電池を保温することができなくなるだけでなく、電池反応で生じた水がスタック本体又は周辺の補機内に残留して凍結し、スタック本体又は補機を破壊する虞がある。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、低温環境下における燃料電池の凍結を防止しつつ、燃料電池の運転効率の悪化を最小限に抑えることのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の運転時に発生する熱で燃料電池を保温する保温制御モードと、燃料電池のアノードガス系統とカソードガス系統に乾燥ガスを流してシステム内部の水分を除去する乾燥制御モードとのそれぞれについて予め定められた条件が成立した場合に当該制御モードを実行する燃料電池システムであって、保温制御モードを実行できるか否かを判定する判定手段と、保温制御モードを実行できなと判定されたことを条件として乾燥制御モードを実行する乾燥手段とを備える。保温制御モードを実行できない場合とは、例えば、燃料ガスの残量が少ない場合などをいう。乾燥手段とは、システムのアノードガス系統及びカソードガス系統を乾燥させる手段をいい、例えば、エアコンプレッサ、水素循環ポンプ、各種バルブ（例えば、水素排気弁、スタック入口弁、カソード出口側の調圧弁など）などをいう。保温制御モードが実行できない場合に乾燥制御モードを実行することで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。

本発明の燃料電池システムは、乾燥制御モードの実行を手動指示するための指示手段を更に備え、乾燥手段は乾燥制御モードが手動指示されたことを条件として乾燥制御モードを実行する。長期間の間、低温環境下における場合などに手動指示で乾燥制御モードを実行するように設定しておくことで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。

本発明によれば、保温制御モードが実行できない場合に乾燥制御モードを実行することで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。また、長期間の間、低温環境下における場合などに手動指示で乾燥制御モードを実行するように設定しておくことで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムの構成を示している。同図に示すように燃料電池システム１０は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に燃料ガス（水素）を供給する水素タンク３０と、燃料電池２０に酸化ガス（エア）を供給するエアコンプレッサ４０と、燃料電池２０に供給される酸化ガスを加湿する加湿器４３と、システム全体を制御する制御部５０を備えて構成されている。

燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜電極接合体２４（ＭＥＡ）を備えている。膜電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。

アノード極２２には水素タンク３０からアノードガス流路３１を通じて燃料ガスが供給される。アノード入口にはスタック入口弁３４が配設されており、通常運転時には開弁して燃料ガスをアノード極２２に導入する。アノード極２２から排出される水素オフガスはアノードオフガス流路３２を流れて水素循環ポンプ３５によって圧送され、アノードガス流路３１に還流する。アノードオフガス流路３２には水素オフガスをシステム外に排気するための排気流路３３が分岐配管されており、水素排気弁３６を開弁することで水素オフガスを排出する。一方、大気中から取り込まれた酸化ガスはエアコンプレッサ４０によって加圧され、加湿器４３で加湿された後にカソードガス流路４１を通じてカソード極２３に供給される。カソード極２３から排出される酸素オフガス（湿潤ガス）はカソードオフガス流路４２を流れて加湿器４３に流入し、カソードガス流路４１を流れる酸化ガス（乾燥ガス）との間で水分交換を行って酸化ガスを加湿した後にシステム外に排出される。燃料電池２０のカソード出口と加湿器４３の間には調圧弁４４が配設されており、カソード出口圧力をほぼ一定圧に調圧している。

燃料電池システム１０にはセンサ類６０として、外気温度（環境温度）を検出する外気温度センサ６１、システムの構成部品（セルスタック、補機類など）の温度を検出する装置温度センサ６２、水素タンク３０の水素残量を検出する水素残量検出手段６３が設置されている。センサ類６０によって検出されたこれらの情報（温度、水素残量等）は制御部５０に送信される。

制御部５０は、燃料電池２０の運転時に発生する熱で燃料電池２０を保温する保温制御モードと、燃料電池２０のアノードガス系統（アノードガス流路３１、アノードオフガス流路３２、排気流路３３等）とカソードガス系統（カソードガス流路４１、カソードオフガス流路４２、加湿器４３等）のそれぞれに乾燥ガス（例えば、乾燥エア）を流してシステム内部の水分を除去する乾燥制御モードを必要に応じて実行する。保温制御モードと乾燥制御モードのそれぞれは予め定められた条件が成立した場合に自動的に又は手動指示により実行されるように設定されている。保温制御モードは自動的に起動して燃料電池２０を発電させるため、自動起動モードと称することもできる。燃料電池システム１０には運転者の意図により乾燥制御モードの実行を手動指示するための指示スイッチ７０が設置されており、予め定められた所定の条件が成立した場合に自動的に乾燥制御モードを実行するだけでなく、手動指示によっても乾燥制御モードを実行できるように構成されている。

図２は手動指示によって乾燥制御モードを実行する処理を示している。例えば、長時間の間、低温環境に放置されてシステムが凍結する虞がある場合に運転者の意図で指示スイッチ７０が入力されると（Ｓ１０１）、乾燥制御モードの準備段階に入り、制御部５０は外気温度ＴＡが閾値温度Ｔ１未満であるか又は装置温度ＴＢが閾値温度Ｔ２未満であるか否かをチェックする（Ｓ１０２）。閾値温度Ｔ１，Ｔ２としては、システム内に残留する水分が凍結してシステムを破壊する虞がある温度範囲に設定するのが好ましい。外気温度ＴＡが閾値温度Ｔ１未満であるか又は装置温度ＴＢが閾値温度Ｔ２未満である場合には（Ｓ１０２；ＹＥＳ）、乾燥制御モードを実行する（Ｓ１０３）。乾燥制御モードの具体的な処理については後述する。

図３は自動的に乾燥制御モードを実行する処理を示している。この処理では、まず、制御部５０は外気温度ＴＡが閾値温度Ｔ３未満であるか又は装置温度ＴＢが閾値温度Ｔ４未満であるか否かをチェックする（Ｓ２０１）。閾値温度Ｔ３，Ｔ４としては、システム内に残留する水分が凍結してシステムを破壊する虞がある温度範囲に設定するのが好ましい。外気温度ＴＡが閾値温度Ｔ３未満であるか又は装置温度ＴＢが閾値温度Ｔ４未満である場合には（Ｓ２０１；ＹＥＳ）、システムの凍結を防止するため、保温制御モードを自動的に実行する（Ｓ２０２）。そして、水素タンク３０の水素残量Ｍが所定の閾値量Ｍ１未満であるか否かをチェックする（Ｓ２０３）。閾値量Ｍ１としては、例えば、システムを保温するために必要最小限の水素量に設定するのがよい。水素残量Ｍが所定の閾値量Ｍ１以上である場合には（Ｓ２０３；ＮＯ）、保温制御モードを継続的に実行する（Ｓ２０２）。水素残量Ｍが所定の閾値量Ｍ１未満である場合には（Ｓ２０３；ＹＥＳ）、乾燥制御モードを実行する（Ｓ２０４）。

図４は乾燥制御モードの処理を示している。乾燥制御モードにおいては、２次電池の電力を利用して水素循環ポンプ３５、エアコンプレッサ４０を駆動してアノードガス系統、及びカソードガス系統に乾燥エアを流して水分を飛ばし、乾燥させる。この乾燥制御モードにおいては、制御部５０はカソードガス系統の乾燥処理（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）とアノードガス系統の乾燥処理（Ｓ３０５〜Ｓ３０７）を並列的に実行する。カソードガス系統の乾燥処理においては、エアコンプレッサ４０を駆動してカソードガス系統に乾燥エアを流す（Ｓ３０１）。このとき、調圧弁４４の弁開度を調整して乾燥エアの流量をＦＡ１、エア圧をＰＡ１に設定する。そして、カソードガス系統が適度に乾燥したか否かを判定する（Ｓ３０２）。カソードガス系統を乾燥させた場合、加湿器４３も乾燥するため、加湿器４３でのクロスリーク量が増大し、調圧弁４４の弁開度が小さくなる。そこで、エア流量がＦＡ２以上で且つ調圧弁４４の弁開度が所定の閾値ｓ１未満であるかを判定する（Ｓ３０２）。エア流量がＦＡ２以上で且つ調圧弁４４の弁開度が所定の閾値ｓ１未満である場合には（Ｓ３０２；ＹＥＳ）、カソードガス系統を十分に乾燥できたので、乾燥処理を終了する（Ｓ３０３）。一方、エア流量がＦＡ２未満又は調圧弁４４の弁開度が所定の閾値ｓ１以上である場合には（Ｓ３０２；ＮＯ）、２次電池の充電残量が所定の閾値ｃ１未満であるか否かを判定する（Ｓ３０４）。充電残量が閾値ｃ１以上である場合には（Ｓ３０４；ＮＯ）、乾燥処理を継続するためステップＳ３０１に戻る。充電残量が閾値ｃ１未満である場合には（Ｓ３０４；ＹＥＳ）、乾燥処理モードが正常に行われなかったことを示すランプ８２を点灯させて終了する（Ｓ３０９）。

一方、アノードガス系統の乾燥処理においては、エアコンプレッサ４０を駆動させるとともに水素排気弁３６を開弁させた状態でスタック入口弁３４の開閉タイミングと水素循環ポンプ３５の駆動タイミングを調整してアノードガス系統に負圧を生じさせ、水分を排除する（Ｓ３０５）。例えば、スタック入口弁３４を閉弁した状態で水素循環ポンプ３５を駆動してアノードガス系統に負圧を生じさせ、次に水素循環ポンプを停止させた状態でスタック入口弁を開弁することで水素排気弁３６から外気を導入し、アノードガス系統に吸引された乾燥エアのエア圧によって水分を飛ばす。この操作を繰り返し行うことでアノードガス系統を乾燥させることができる。次いで、アノードガス系統の乾燥処理時間ｔが所定の時間ｔ１未満であってカソードガス系統の乾燥処理が未だ終了してない場合には（Ｓ３０６；ＮＯ）、ステップＳ３０５を繰り返し実行する。アノードガス系統の乾燥処理時間ｔが所定の時間ｔ１以上となるか又はカソードガス系統の乾燥処理が終了した場合には（Ｓ３０６；ＹＥＳ）、アノードガス系統の乾燥処理を終了する（Ｓ３０７）。カソードガス系統の乾燥処理とアノードガス系統の乾燥処理が共に終了した段階で乾燥制御モードが正常に終了したことを示すランプ８１を点灯させて終了する（Ｓ３０８）。

本実施形態によれば保温制御モードが正常に実行できない場合に乾燥制御モードを実行することで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池２０が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。また、長期間の間、低温環境下における場合などに手動指示で乾燥制御モードを実行するように設定しておくことで、低温環境下におけるシステムの凍結を防止しつつ、燃料電池２０が乾燥しすぎることによる運転効率の悪化を最小限に抑えることができる。

本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。手動指示で乾燥制御モードを実行する処理ルーチンである。自動的に乾燥制御モードを実行する処理ルーチンである。乾燥制御モードの処理ルーチンである。

符号の説明

１０…燃料電池システム２０…燃料電池３０…水素タンク４０…エアコンプレッサ４３…加湿器５０…制御部７０…指示スイッチ

Claims

燃料電池の運転時に発生する熱で燃料電池を保温する保温制御モードと、燃料電池のアノードガス系統とカソードガス系統に乾燥ガスを流してシステム内部の水分を除去する乾燥制御モードとのそれぞれについて予め定められた条件が成立した場合に当該制御モードを実行する燃料電池システムであって、前記保温制御モードを実行できるか否かを判定する判定手段と、前記保温制御モードを実行できなと判定されたことを条件として前記乾燥制御モードを実行する乾燥手段とを備える、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記乾燥制御モードの実行を手動指示するための指示手段を更に備え、前記乾燥手段は前記乾燥制御モードが手動指示されたことを条件として前記乾燥制御モードを実行する、燃料電池システム。