JP2006019184A

JP2006019184A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006019184A
Application number: JP2004197100A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inai; 滋稲井; Katsumi Hayashi; 勝美林; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Akira Jinba; 亮神馬; Nobuyuki Matsumoto; 伸之松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】運転停止時の掃気を適切に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０は、一対のブラケット６１，６２により車両のフロアパネルに固定されている。両ブラケット６１，６２には歪ゲージ６３ａ，６３ｂがそれぞれ貼着されており、燃料電池１０の重量に応じた信号がこれら歪ゲージ６３ａ，６３ｂから制御装置５０に出力される。制御装置５０は、掃気開始後に歪ゲージ６３ａ，６３ｂの検出信号から得た重量検出値Ｗが掃気停止目標値Ｗｔｇｔ以下となった場合、コンプレッサ３１を停止させた後、掃気電磁弁３２とパージ弁２４とを閉鎖させることにより掃気を停止する。これにより、空気供給システム３０から燃料電池１０への空気の供給が断たれ、燃料電池１０からの水分の除去が停止されて、燃料電池１０内に最適な量の水分が残される。
【選択図】図２

Description

本発明は、運転停止時の掃気を適切に行うことのできる燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ₂）と空気中の酸素（Ｏ₂）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。

ＦＣＥＶ用の燃料電池としては、小型軽量で高効率かつ高出力であることから、例えば、固体高分子を電解質として用いるＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型が一般に採用されている。ＰＥＭ型の燃料電池を搭載した燃料電池自動車では、運転停止後に低温環境下に放置されると、運転中にアノード極およびカソード極に生成された水分が凍結し、反応ガスの拡散が阻害されたり、電解質の伝導率が低下したりする等の虞がある。そこで、この種の燃料電池自動車では、燃料電池の水分を除去すべく、乾燥空気等の掃気ガスを両極に圧送する掃気が運転停止時に行われる。

掃気にあたっては、燃料電池内の残留水分量を最適な値に制御する必要がある。すなわち、残留水分が過剰であれば、当然のことながら、前記の不具合を完全には防止できないし、残留水分が過少であると、電解質のプロトン導電性が低下するだけでなく電解質と電極との間の接触不良も発生しやすく、再起動時における発電効率が著しく低下する虞がある。そこで、燃料電池の残留水分量を検出し、その検出結果に基づいて掃気を行う方法が種々提案されている。残留水分量は、両極の出口にそれぞれ湿度センサを設置し、これら湿度センサの検出結果に基づいて推定する方法（特許文献１参照）と、インピーダンスに基づいて判定する方法（特許文献２参照）とが知られている。
特開２００２−２４６０５３号公報（段落００２６，００３６、図１）特許第３５０９１６８号公報（段落００９７、図２０）

特許文献１の推定方法は、燃料電池内の水分が全て水蒸気となっていれば有効であるが、湿度センサに検出されない凝縮水の比率が多い場合には、残留水分量の正確な推定を行えないという問題を有している。一方、特許文献２の判定方法では、インピーダンスを検出すべく燃料電池を運転する必要があるため、掃気時にも拘わらず燃料電池内で水分が生成される他、燃料が無駄に消費される問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、運転停止時の掃気を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、この燃料電池の運転停止時に前記アノード極と前記カソード極との少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、前記燃料電池の重量を検出する重量検出手段と、この重量検出手段の検出値が所定の掃気停止目標値に達すると前記掃気手段を停止させる掃気制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池自動車に搭載されるとともに、前記燃料電池自動車が運転停止した際の状況を検出する停止状況検出手段と、この停止状況検出手段の検出結果に基づき、前記掃気停止目標値を設定する掃気停止目標値設定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１の燃料電池システムによれば、燃料電池内での水分の相状態等に拘わらず、残留水分量を正確かつ迅速に検出することが可能となり、高い精度での掃気制御を実現できる。また、請求項２の燃料電池システムによれば、例えば、燃料電池自動車が坂道等で駐車させられ、重量検出手段が実際の重量と異なる検出結果を出力したような場合にも、燃料電池の傾斜に応じた掃気停止目標値が設定されることで、残留水分量の検出が正確に行われる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

≪実施形態≫
図１は実施形態の燃料電池システムが搭載された車両の一部透視側面図であり、図２は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図３は実施形態に係る燃料電池の設置形態を示した模式図であり、図４は掃気制御における処理の流れを示すフローチャートであり、図５は掃気時間と燃料電池内の残留水分量との関係を示すグラフであり、図６は重量検出値と燃料電池内の残留水分量との関係を示すグラフである。

≪実施形態の構成≫
＜車両の構成＞
まず、車両を説明する。図１に示す車両Ｖでは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、ＦＣボックスＦＣＢの中には燃料電池１０（図２参照）が収納されている。また、走行モータＭが車体前部に搭載され、高圧水素タンクＣＨＴが後輪の上方に横置きで搭載されている。また、車両Ｖには、停止状況検出手段として車体傾斜を検出する傾斜センサ８１が設置されている。

燃料電池１０は空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電し、発電された電力は走行モータＭに供給されて車両Ｖを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。

＜燃料電池システムの構成＞
次に、図２を参照して、燃料電池システムを説明する。実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、水素供給システム２０、空気供給システム３０、希釈ボックス４０、制御装置５０を含んで構成される。

燃料電池１０は、前記のようにアノード極１１、カソード極１２、および電解質１３を有するＰＥＭ型の燃料電池であり、アノード極１１に水素供給システム２０から燃料ガスである水素（アノードガス）が供給され、カソード極１２に空気供給システム３０から酸化剤ガスである空気（カソードガス）が供給され、アノードガスとカソードガスとが電気化学反応することによって発電が行われる。燃料電池１０が発電した電力は、走行モータＭ（図１参照）や補機等の負荷に供給される。カソード極１２では電気化学反応により水が盛んに生成されるため、本実施形態では、後記の歪ゲージ６３ａ，６３ｂの出力に基づき残量水分量を監視しつつ掃気を行うことにより、燃料電池１０から余分な水分を排除する。

水素供給システム２０は、燃料電池１０のアノード極１１にアノードガスとしての水素を供給するもので、高圧水素タンク２１や遮断弁２２、図示しない減圧弁等から構成されている。

空気供給システム３０は、燃料電池１０にカソードガスとしての空気を供給するもので、図示しないエアクリーナや電動のコンプレッサ３１等から構成されている。

希釈ボックス４０は、燃料電池システムから高濃度の水素が排出されることを防ぐべく、アノードオフガスをカソードオフガスによって希釈する装置である。

制御装置５０は、図示しないマイクロコンピュータやＲＯＭ，ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、車両Ｖの運転時には、図示しないセンサによって検出された各種の運転情報等に基づき、水素供給システム２０や空気供給システム３０等を駆動制御するとともに、車両Ｖの運転停止時には、後記の歪ゲージ６３ａ，６３ｂと傾斜センサ８１との検出信号に基づき、燃料電池１０の残留水分量が最適な値となるように掃気制御を行う。

水素供給システム２０と燃料電池１０のアノード極１１とは水素供給配管２５ａ〜２５ｄにより接続されている。そして、水素供給配管２５ｂ，２５ｃの間にはエゼクタ２３が介装されており、燃料電池１０のアノード極１１から排出された水素が水素供給配管２５ｄおよびエゼクタ２３を経由して燃料電池１０に再び導入される。また、空気供給システム３０と燃料電池１０のカソード極１２とは、空気供給配管３５により接続されている。

燃料電池１０のアノード極１１と希釈ボックス４０とはパージ配管２６ａ，２６ｂにより接続されている。そして、パージ配管２６ａ，２６ｂの間には制御装置５０に駆動されるパージ弁２４が介装されており、制御装置５０によりパージ弁２４が開放されるとアノード極１１の水素が希釈ボックス４０に導入される。また、燃料電池１０のカソード極１２と希釈ボックス４０とは空気排出管３６により接続されており、カソード極１２から排出された空気の全量が希釈ボックス４０に流入する。

本実施形態の場合、空気供給配管３５と水素供給配管２５ｂとは掃気配管３７ａ，３７ｂにより接続されている。そして、掃気配管３７ａ，３７ｂの間には制御装置５０に駆動される掃気電磁弁３２が介装されており、水素供給システム２０の遮断弁２２の閉鎖時に制御装置５０により掃気電磁弁３２が開放されると、空気供給配管３５から水素供給配管２５ｂに空気が流入する。

＜重量検出手段＞
図３に示したように、燃料電池１０は、一対のブラケット６１，６２により車両Ｖ（図１参照）のフロアパネルＶ１に固定されている。フロアパネルＶ１には燃料電池１０の下部が所定の空隙をもって収まる凹部Ｖ２が形成され、これにより、燃料電池１０の重量が両ブラケット６１，６２に全て印可される。両ブラケット６１，６２には歪ゲージ６３ａ，６３ｂがそれぞれ貼着されており、燃料電池１０の重量に応じた信号がこれら歪ゲージ６３ａ，６３ｂから制御装置５０に出力される。

＜実施形態の作用＞
車両Ｖが停車して、運転者がイグニッションをＯＦＦにすると、図４のフローチャートにその手順を示す掃気制御を制御装置５０が実行する。

掃気制御を開始すると、制御装置５０は、先ずステップＳ１で水素供給システム２０の遮断弁２２を閉鎖駆動し、燃料電池１０への水素供給を停止する。次に、制御装置５０は、ステップＳ２で空気供給システム３０のコンプレッサ３１を増速し、カソード極１２の掃気を開始する。これにより、カソード極１２には空気供給システム３０から大量の空気が供給され、カソード極１２の水分が除去されるとともに、希釈ボックス４０に大量の空気が投入される。

次に、制御装置５０は、ステップＳ３で傾斜センサ８１によって車体傾斜θを検出した後、ステップＳ４でこの車体傾斜θに基づき演算式やマップを用いて掃気停止目標値Ｗｔｇｔを設定する。これは、両ブラケット６１，６２への貼着形態によっては、燃料電池１０の重量に応じた検出信号が歪ゲージ６３ａ，６３ｂから出力されないためである。例えば、歪ゲージ６３ａ，６３ｂがフロアパネルＶ１に対して鉛直方向の荷重を検出する場合、荷重の鉛直方向の成分（すなわち、実際の燃料電池１０の重量にｃｏｓθを乗じた検出信号）が歪ゲージ６３ａ，６３ｂから出力される。そこで、車体傾斜が無い場合の掃気停止目標値Ｗｔｇｔ（適性な量の水分を含んだ燃料電池１０の重量）にｃｏｓθを乗じることにより、後記のステップＳ６の判定を正しく行えることになる。また、歪ゲージ６３ａ，６３ｂの貼着部位によっては、歪ゲージ６３ａ，６３ｂの検出信号が車体傾斜θに対して非線形的に変化することがあり、この場合には実験等により得たマップを用いることが望ましい。

掃気停止目標値Ｗｔｇｔを設定すると、制御装置５０は、次にステップＳ５で掃気電磁弁３２とパージ弁２４とを開放することにより両極掃気を開始する。これにより、空気供給システム３０からの空気は、前記のカソード極１２だけでなく、掃気配管３７ａ，３７ｂと水素供給配管２５ｂ〜２５ｃとを経由して燃料電池１０のアノード極１１にも導入されるようになる。アノード極１１に導入された空気は、カソード極１２から水素と水分とを奪った後、水素供給配管２５ｄとパージ配管２６ａ，２６ｂとを経由して希釈ボックス４０に流入する。その結果、図５のグラフに示すように、掃気時間の進行に伴って燃料電池１０の残留水分量が減少し始める。この際、ステップＳ２の説明で述べたように、希釈ボックス４０には大量の空気が投入されているため、両極掃気によって水素が流入しても、希釈ボックス４０内の水素濃度が問題となるレベルまで高まることがない。

次に、制御装置５０は、ステップＳ６で両歪ゲージ６３ａ，６３ｂの検出信号から得た重量検出値Ｗが掃気停止目標値Ｗｔｇｔ以下となったか否かを判定し、この判定がＮｏである間はステップＳ６の判定を繰り返す。なお、重量検出値Ｗと残留水分量とは、図６のグラフに示すように、リニアな関係となっている。

両極掃気による燃料電池１０からの水分の除去が進むと、燃料電池１０の残留水分量が図５のグラフに示す残留水分過剰領域から最適領域に移行し、ステップＳ６の判定がＹｅｓになる。すると、制御装置５０は、ステップＳ７で、コンプレッサ３１を停止させた後、掃気電磁弁３２とパージ弁２４とを閉鎖させることにより掃気を停止する。これにより、空気供給システム３０から燃料電池１０への空気の供給が断たれ、燃料電池１０からの水分の除去が停止されて、燃料電池１０内に最適な量の水分が残される。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池の重量に基づいて残留水分量を直接的に計測するため、残留水分中の水蒸気と凝縮水との比率が種々に変化しても、高い精度で掃気制御を行うことができるようになり、燃料電池の次回の起動時に効率のよい発電を行うことが可能となる。また、車体傾斜に応じて掃気停止目標値を設定するようにしたため、車両を坂道等に駐車された場合にも残留水分量の計測を正確に行うことができる。

≪一部変形例≫
以下、図７，図８を参照して、前記実施形態の一部変更例を説明する。一部変形例は、重量検出手段に係るものであり、他の構成や掃気制御の手順は実施形態と同一であるため、重量検出手段についてのみ説明する。図７は一部変形例に係る燃料電池の設置形態を示した模式図であり、図８は図７中のＡ−Ａ断面図である。

図７，図８に示すように、一部変形例では、燃料電池１０が４本のマウント７１により車両Ｖ（図１参照）のフロアパネルＶ１に固定されている。フロアパネルＶ１には燃料電池１０の下部が所定の空隙をもって収まる凹部Ｖ２が形成され、これにより、燃料電池１０の重量が各マウント７１に全て印可される。マウント７１は上下分割式のものであり、その内部にロードセル７２ａ〜７２ｄがそれぞれ収納されている。ロードセル７２ａ〜７２ｄからは、燃料電池１０の重量に応じた信号が制御装置５０に出力される。

本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態は本発明を燃料電池自動車の燃料電池システムに適用したものであるが、本発明は、船舶等の燃料電池システムにも適用可能であるし、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。また、重量検出手段として歪ゲージやロードセル以外のものを用いてもよいし、停止状況検出手段が停止状況として外気温や大気圧等を検出するようにしてもよい。また、前記実施形態では、各ブラケットや各マウントに歪ゲージまたはロードセルをそれぞれ設けるようにしたが、検出信号と燃料電池の重量と関係をマップ等により正確に得ることが可能であれば、歪ゲージやロードセルの個数をブラケットやマウントの個数より少なくしてもよい。また、燃料電池システムの全体構成や掃気方法、掃気手順等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態の燃料電池システムが搭載された車両の一部透視側面図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。実施形態に係る燃料電池の設置形態を示した模式図である。掃気制御における処理の流れを示すフローチャートである。掃気時間と燃料電池内の残留水分量との関係を示すグラフである。重量検出値と燃料電池内の残留水分量との関係を示すグラフである。一部変形例に係る燃料電池の設置形態を示した模式図である。図７中のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１０燃料電池
１１アノード極
１２カソード極
２４パージ弁（掃気手段）
３２掃気電磁弁（掃気手段）
３５空気供給配管
３６空気排出管
３７ａ掃気配管（掃気手段）
４０希釈ボックス
５０制御装置（掃気制御手段、掃気停止目標値設定手段）
６３ａ，６３ｂ歪ゲージ（重量検出手段）
７２ａ〜７２ｄロードセル（重量検出手段）
８１傾斜センサ（停止状況検出手段）
Ｖ車両（燃料電池自動車）

Claims

アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池の運転停止時に前記アノード極と前記カソード極との少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の重量を検出する重量検出手段と、
この重量検出手段の検出値が所定の掃気停止目標値に達すると前記掃気手段を停止させる掃気制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池自動車に搭載されるとともに、
前記燃料電池自動車が運転停止した際の状況を検出する停止状況検出手段と、
この停止状況検出手段の検出結果に基づき、前記掃気停止目標値を設定する掃気停止目標値設定手段と
を備えたことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。