JP2006079864A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 掃気のためのエネルギー消費を抑えることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１の発電を停止する際に、制御装置１１は、外気温センサ１０によって検出された外気温が例えばマイナス５度以下であるか否かを判断し、以下の場合、掃気を行う。それ以外は掃気を行わない。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に発電を停止する際の掃気の制御に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池を始動する際の発電性能の低下を防止するため、発電を停止する際に燃料電池に掃気ガスを供給して残留水の排出が行われている。
その方法として、例えば特許文献１では、燃料電池の発電の停止時に、乾燥した燃料ガスを燃料電池のアノードに、乾燥した酸化剤ガスをカソードにそれぞれ供給して、残留水を排出する技術が開示されている。
特開２００４−１１１１９６号公報（特許請求の範囲、請求項１）

しかしながら、燃料電池においては、始動時の発電性能の低下は主に残留水が凍結することに起因するもので、凍結しない環境ではある程度の残留水を残しても、始動時の発電性能に大きな影響を与えないことが分かってきた。このため、前記従来のように、燃料電池の使用状態を問わないで、発電を停止するたびに掃気を行ってしまうと、掃気ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスが必要以上に消費され、発電コストを上げる要因となる。

燃料電池のアノードへの掃気ガスとしては、燃料ガスではなく空気なども利用されているが、この場合、コンプレッサの作動によって空気を送り込むため、コンプレッサを作動させるためのエネルギーが消費され、前記同様に発電コストが上がる要因となる。
また、掃気するには、一定の時間がかかるため、燃料電池の発電を停止してから、周辺装置を含めた燃料電池システム全体が停止するまでの時間が長くなり、その管理が面倒であるという問題があった。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、掃気するためのエネルギー消費を抑制し、発電を停止してからシステム全体が停止するまでの時間を短縮可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、前記燃料電池の状態を検知して、前記燃料電池の発電停止時に掃気の必要性を判断して、掃気が必要と判断したときに前記掃気手段により掃気を行う制御手段と、を備えるものとした。
これによって必要に応じて掃気手段を動作させて掃気を行うことが可能になる。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段が、環境温度を入力して前記燃料電池の内部の凍結を予測し、凍結が予測されたときに掃気が必要と判断するものとした。
これによって、温度センサといった簡単な構成で予測することができる。

請求項３に記載の発明は、前記制御手段が、前記燃料電池の使用パターンを記憶し、記憶した使用パターンを参照して前記燃料電池の凍結を予測するものとした。
これによって、使用状況に即して掃気の必要性を判断することができ、判断精度が高くなる。

請求項４に記載の発明は、前記制御手段が、手動のスイッチからの入力に基づいて前記掃気を行うものとした。
これによって、利用者の判断で必要に応じて選択的に掃気を行うことができる。

本発明によれば、必要に応じて掃気を行うことができるため、発電停止後の無用な掃気を省くことができ、従来に比べて掃気するためのエネルギー消費を抑えることができる。またその結果、掃気を行わない場合、発電を停止してから、従来に比べて燃料電池システム全体が停止するまでの時間が短くなる効果が得られる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。なお、ここでは自動車搭載の燃料電池システムについて説明を行う。
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
燃料電池１は高分子電解質膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ）をさらにセパレータで挟んだ単セルを積層して構成されるものである。そのアノード側にガスライン４を介して燃料タンク２が接続されている。燃料タンク２には例えば高圧の純水素が貯留されている。
ガスライン４には電磁弁４１が設けられ、電磁弁４１の上流側と下流側が電磁弁５１と加湿器５２とを備えた加湿ガスライン５によって連結されている。つまり、加湿ガスライン５は電磁弁４１をバイパスする流路の役割を有している。
したがって、電磁弁５１を閉じた状態で、電磁弁４１を開くと、燃料タンク２からの水素ガスが乾燥したままで、燃料電池１のアノードに供給されるのに対して、電磁弁４１を閉じた状態で、電磁弁５１を開くと、燃料タンク２からの水素ガスが加湿器５２で加湿されて燃料電池１のアノードに供給される。

燃料電池１のカソードにガスライン６を介してコンプレッサ３が接続されている。コンプレッサ３は、酸化剤ガス供給元としての大気と連結されている。ガスライン６には電磁弁６１が設けられ、電磁弁６１の上流側と下流側が加湿器７２と電磁弁７１とを備えた加湿ガスライン７によって連結されている。つまり、加湿ガスライン７は電磁弁６１をバイパスする流路の役割を有している。
したがって、アノード側と同様に、電磁弁７１を閉じた状態で、電磁弁６１を開くと、コンプレッサ３によって酸化剤ガスとしての空気が加圧されて乾燥したままで燃料電池１のカソードに供給される。
一方、電磁弁６１を閉じた状態で、電磁弁７１を開くと、空気が加湿器７２で加湿されてカソードに供給される。
燃料電池１に供給された水素ガスと酸化剤ガス（空気）は、燃料電池１内部で電気化学反応を起こし、その反応後ガスがそれぞれの排出ライン４ａ、６ａから排出される。

反応ガスとしての水素ガス、酸化剤ガスは、掃気する際の掃気ガスとしても利用される。掃気のとき、水素ガス、酸化剤ガスは未反応のままで、排出ライン４ａ、６ａから排出されるが、それに伴って燃料電池１内部の余分な残留水も排出される。

燃料電池１を制御すべく配置された制御装置１１は、電磁弁５１、電磁弁４１、電磁弁６１、電磁弁７１、コンプレッサ３とそれぞれ接続され、それらを制御するようになっている。また、制御を行うために制御装置１１には自動車が位置する場所の外気温を検出する外気温センサ１０が接続されているとともに自動車側からイグニッションスイッチ信号が出力されるようになっている。

発電するとき、制御装置１１は、各電磁弁（４１、５１、６１、７１）およびコンプレッサ３への制御を通じて燃料電池１を制御する。発電制御に関しては従来と同様で、ここでその詳細な説明を省略する。イグニッションスイッチをオフにして停車するとき、そのオフ信号が制御装置１１に入力され、制御装置１１は燃料電池１からの電流の取り出しをやめて発電を停止させるが、制御装置１１の掃気機能により、次の始動に備えて燃料電池１に対して掃気を行う。このとき、始動時の燃料電池１の状態を予測して掃気の必要性を判断し、必要性がないときは掃気を行わない。次に、フローチャートに基づいて、制御装置１１における掃気の流れについて説明する。

図２は、制御装置における掃気の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１において、自動車側から入力されたイグニッションスイッチ信号がオフ（ＯＦＦ）信号か否かを判断し、オフ信号である場合、ステップＳ２へ進む。
ステップＳ２では、外気温センサ１０の検出値を入力する。
ステップＳ３において、外気温センサ１０の検出値によって外気温がマイナス５度以下か否かを判断する。外気温がマイナス５度以下の場合、ステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、発電を停止し、次に始動するとき、燃料電池１内部が凍結する恐れがあるとして掃気を行う。すなわち、制御装置１１は、負荷としてのモータ８への電力供給を遮断するとともに各電磁弁の状態をチェックして、チェックの結果を踏まえて、電磁弁４１、電磁弁６１を閉じ、電磁弁５１、電磁弁７１を開く。またコンプレッサ３は最大出力で作動させるようにする。これによって、発電が停止されるとともに、燃料電池１のアノード、カソードにそれぞれ加湿した水素ガスと酸化剤ガスが供給され、掃気が行われる。

なお、加湿した水素ガスと加湿した酸化剤ガスで掃気するのは、掃気によって燃料電池１内部の電解質膜が乾燥するのを防ぐためである。必要に応じて乾燥ガスで掃気を行うことも可能である。この場合、より短時間で掃気を完了することができる。
制御装置１１には、タイマが設けられており、タイマの設定時間で掃気を行った後、ステップＳ５において、制御装置１１は電磁弁５１、電磁弁７１を含めてすべての電磁弁を閉じ、コンプレッサ３の作動を停止させる。これにより燃料電池システム全体が停止される。

第１の実施形態は、以上のように構成され、外気温センサ１０を設け、自動車が位置する場所の外気温が所定温度以下であった場合に、掃気を行うようにしたので、外気温が高く、燃料電池１が凍結する恐れのないときは、掃気が行われない効果が得られる。したがって、外気温の高い場所では、掃気のための水素ガスや酸化剤ガスの消費を抑えることができる。またその結果、発電を停止してから、燃料電池システム全体が停止するまでの時間が短くなる効果が得られる。
また、掃気を行うか否かの判断に外気温センサ１０が用いられているので、部品が安価に加えて掃気を行うための判断が容易で、燃料電池システムを安価に構築することができる。
第１の実施形態では、掃気ガスとして反応ガスである水素ガス、酸化剤ガスを利用しているが、他のガスを利用して掃気を行った場合も同様の効果が得られる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図３は第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
第２の実施形態は、第１の実施形態における制御装置１１の代わりに制御装置１２を用いている点で異なるが、その他は第１の実施形態と同様である。次に、制御装置１２における掃気機能について説明する。
制御装置１２は、図３に示すように温度予測部１２ａ、使用パターン記憶部１２ｂ、制御部１２ｃを備えている。
使用パターン記憶部１２ｂには、自動車の使用パターンが記憶されている。すなわち、自動車を使用する日にち、時刻データ、つまり燃料電池１をいつ使用するかのデータが使用パターンとして記憶されている。
温度予測部１２ａは、自動車の使用パターンによって、停車してから次に始動するときの時間間隔を演算し、演算された時間間隔と外気温センサ１０で検出された外気温とに基づいて、始動時の燃料電池１の内部温度を予測する。
制御部１２ｃは、予測された内部温度に基づいて、発電を停止する際に掃気の実施を判断して掃気を行う。次に、フローチャートに基づいて制御装置１２における掃気の流れについて説明する。

図４は、制御装置における掃気の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、制御部１２ｃが自動車側から入力されたイグニッションスイッチ信号がオフ信号か否かを判断する。オフ信号であると判断されると、ステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１２では、温度予測部１２ａが外気温センサ１０の検出値を入力する。
ステップＳ１３において、温度予測部１２ａが使用パターン記憶部１２ｂから、自動車の使用パターンを読み出して入力する。

ステップＳ１４において、温度予測部１２ａは、外気温センサ１０の検出値と自動車の使用パターンに基づいて、次に自動車を使用して燃料電池１を始動するときの燃料電池１の内部温度を予測する。
ステップＳ１５において、制御部１２ｃは燃料電池１の内部温度の予測値と所定値とを比較する。比較の結果、予測値が所定値以下の場合、ステップＳ１６へ進む。
ステップＳ１６では、次に燃料電池１を始動するとき、燃料電池１内部が凍結する恐れがあるとして、モータ８への電力供給を遮断するとともに、電磁弁４１、電磁弁６１を閉じ、電磁弁５１、電磁弁７１を開く。コンプレッサ３は最大出力で作動させる。これによって、発電が停止されるとともに、燃料電池１のアノード、カソードにそれぞれ加湿した水素ガスと酸化剤ガスが供給され、掃気が行われる。

タイマの設定時間で掃気をした後、ステップＳ１７において、制御部１２ｃは電磁弁５１、電磁弁７１を含むすべての電磁弁を閉じ、コンプレッサ３の作動を停止させる。これにより燃料電池システム全体が停止される。
一方、ステップＳ１５で燃料電池１の内部温度の予測値が所定値より高いと判断された場合は、ステップＳ１７へ進み、掃気を行わずに、すべての電磁弁（４１、５１、６１、７１）を閉じ、コンプレッサ３を停止させる。これによって掃気が行われずに燃料電池システム全体が停止される。

第２の実施形態は、以上のように構成され、本実施形態によっても、外気温が高く、燃料電池１が凍結する恐れのないときは、掃気が行われない。したがって、外気温の高い場所では、掃気のための水素ガスや酸化剤ガスの消費を抑えることができ、発電を停止してから燃料電池システム全体が停止するまでの時間が短くなる効果が得られる。
また外気温が低くても、停車時間が短く燃料電池１が凍結する恐れがないときも、同様に掃気が行われないため、掃気のための水素ガス、酸化剤ガスの消費を抑えることができる。すなわち第２の実施形態によれば自動車の使用状況に即して効率的に掃気を行うことができる。
なお、実施形態では、自動車の使用パターンを利用したが、自動車が位置する場所を測定できるナビゲーションシステムを利用して自動車の停車場所とその場所の気象データで始動時の燃料電池の内部温度を予測して掃気を行うか否かを判断することもできる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
第３の実施形態は、第１の実施形態における制御装置１１と外気温センサ１０の代わりに制御装置１３と掃気スイッチ９を用いている点で異なるが、その他は第１の実施形態と同様である。掃気スイッチ９を設けることによって利用者が、必要に応じて掃気が必要と判断したときに、掃気スイッチ９を操作して掃気を行うことができる。次に、制御装置１３における掃気機能について説明する。

イグニッションスイッチをオフにして停車するとき、そのオフ信号が制御装置１３に入力される。このとき、制御装置１３は燃料電池１の発電を停止させるが、掃気スイッチ９の操作状態をチェックして、掃気する状態に操作された場合、前記と同様に、電磁弁（４１、５１、６１、７１）とコンプレッサ３を制御して、加湿した水素ガスと酸化剤ガスを燃料電池１に供給して掃気を行う。
掃気スイッチ９が掃気しない状態になっている場合は、掃気を行わずにすべての電磁弁（４１、５１、６１、７１）とコンプレッサ３を停止させて燃料電池システム全体を停止させる。
第３の実施形態によれば、利用者が自分の都合で選択的に掃気を行うことができるので、掃気のための水素ガス、酸化剤ガスの消費を抑えることができるとともに、例えば長期的に自動車を使用しないと判明した場合、掃気スイッチ９を操作して掃気を行っておくことができる。これによって、外気温に影響されず、自動車がいつでも使用可能な状態になる。

また、第３の実施形態のように掃気スイッチ９を独立に設定するのでなく、第１の実施形態および第２の実施形態の燃料電池システムに設けてもよい。この場合、制御装置１１、１２は、外気温に基づいて掃気を行わないと判断した場合、さらに掃気スイッチ９の操作状態をチェックするようにし、掃気スイッチ９が掃気する状態に操作された場合、掃気を行うようにすることができる。これによって、制御装置１３による判断に利用者の判断を介入させることができるので、より幅広く対応することが可能になり、一層効果的な掃気を行うことができる。
前記各実施形態では、掃気ガスとしてアノードに水素ガス、カソードに酸化剤ガスとしての空気を利用したが、両方ともコンプレッサ３からの空気で掃気するようにしてもよい。

第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 制御装置における掃気の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 制御装置における掃気の流れを示すフローチャートである。 第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料タンク
３ コンプレッサ
４ ガスライン
４ａ 排出ライン
５ 加湿ガスライン
６ ガスライン
７ 加湿ガスライン
８ モータ
９ 掃気スイッチ
１０ 外気温センサ
１１ 制御装置
１２ 制御装置
１２ａ 温度予測部
１２ｂ 使用パターン記憶部
１２ｃ 制御部
１３ 制御装置
４１ 電磁弁
５１ 電磁弁
５２ 加湿器
６１ 電磁弁
７１ 電磁弁
７２ 加湿器

Claims (4)

1. アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を掃気する掃気手段と、
   前記燃料電池の状態を検知して、前記燃料電池の発電停止時に掃気の必要性を判断して、掃気が必要と判断したときに前記掃気手段により掃気を行う制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、環境温度を入力して前記燃料電池の内部の凍結を予測し、凍結が予測されたときに掃気が必要と判断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. 前記制御手段は、前記燃料電池の使用パターンを記憶し、記憶した使用パターンを参照して前記燃料電池の凍結を予測することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、手動のスイッチからの入力に基づいて前記掃気を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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