JP2006114335A

JP2006114335A - 燃料電池の停止方法及び燃料電池システム

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Publication number: JP2006114335A
Application number: JP2004300303A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inai; 滋稲井; Minoru Koshinuma; 実越沼; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Akira Jinba; 亮神馬; Naoki Mitsuda; 直樹満田; Katsumi Hayashi; 勝美林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: US7871731B2; JP4823502B2; US20060083968A1

Abstract

【課題】簡易な構成により、氷点下環境での起動時に燃料電池の発電能力が低下することを抑制した燃料電池の運転方法及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】コントロールユニットは、ＳＴＥＰ１でＩＧスイッチのＯＦＦ操作があったときに、ＳＴＥＰ３で燃料電池の温度（ＦＣ内部温度）が発電に伴う生成水が凍結する温度よりも高い所定温度よりも低いか否かを判断する。そして、ＦＣ内部温度が該所定温度以上であったときには、ＳＴＥＰ４に進んでＦＣ内部温度が上昇するように発電条件を調整し、ＳＴＥＰ５で報知手段を作動させて、ＳＴＥＰ７でＦＣ内部温度が該所定温度以上となるまで発電を継続した後にＳＴＥＰ８で発電を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、氷点下環境における発電に対応した燃料電池の停止方法に関する。

図３に示したように、固体高分子型の燃料電池セル１００には、固体高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極１０２及び酸素電極１０３と、各電極１０２，１０３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とが備えられている。

そして、セパレータ１０４により形成された供給路１０６に供給された水素ガスＨ₂は、水素電極１０２で電子ｅ^-を放出して水素イオンＨ⁺となり、該水素イオンＨ⁺が固体高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、セパレータ１０５により形成された供給路１０７に供給された空気中の酸素ガスＯ₂と酸素電極１０３から供給される電子ｅ^-と水素イオンＨ⁺とにより、以下の式（１）の反応が生じて水Ｈ₂Ｏが生成される。

１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・・・（１）
ここで、氷点下環境で燃料電池セル１００を起動するときに、前回の発電時に上記式（１）で生成された水が燃料電池セル１００内に残存していると、該残存した水が酸素電極１０３で凍結して、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ⁺の伝導率が低下し、燃料電池セル１００の発電能力が低下するという不都合がある。

そこで、かかる不都合を解消するべく、氷点下環境で燃料電池を起動する際に燃料電池スタックを昇温させて燃料電池セル内の氷を解凍する方法として、例えば、燃料電池スタックに供給される空気をヒータにより加熱して燃料電池スタックを昇温させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−９３４４５

しかし、上述した空気を加熱するヒータを備えた場合、燃料電池システムの構成が複雑になると共に、部品点数の増加を招くという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消し、簡易な構成により、氷点下環境での起動時に燃料電池の発電能力が低下することを抑制した燃料電池の運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池の停止方法であって、燃料電池の発電動作中に所定の発電停止条件が成立したときに、燃料電池の温度が発電に伴う生成水の凍結温度を超える値に設定された所定温度よりも低いか否かを判断する第１の工程と、燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いときに、燃料電池の温度が前記所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作を継続させた後に、燃料電池の発電を停止する第２の工程からなることを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池の発電動作中に前記発電停止条件が成立したときに、前記第１の工程により、燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いか否かが判断される。そして、燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いときに、直ちに燃料電池の発電を停止すると、発電に伴う生成水が燃料電池セル内部で凍結する。そこで、燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いときには、前記第２の工程により、燃料電池の温度が前記所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作を継続させてから、燃料電池の発電を停止する。この場合、燃料電池の発電に伴う生成水は気体若しくは液体であるため、大部分の生成水は燃料電池セルの外に排出され、燃料電池セル内に残留する生成水は極めて少なくなる。そのため、その後、氷点下環境で燃料電池を再起動させるときに、燃料電池セル内に残留した生成水の凍結により燃料電池の発電能力が低下することを抑制することができる。

また、前記第２の工程において、燃料電池の発電動作を継続させている間に報知手段による報知を行うことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記発電停止条件が成立したにも拘らず燃料電池の発電が停止せず、前記第２の工程により燃料電池の発電動作が継続されていることにより、使用者が違和感や不安感を抱かないようにすることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池と、該燃料電池の作動を制御する発電制御手段と、該燃料電池の温度を把握する燃料電池温度把握手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記発電制御手段は、燃料電池の発電動作中に所定の発電停止条件が成立したときに、燃料電池の温度が燃料電池の発電に伴う生成水の凍結温度を超える値に設定された所定温度よりも低いか否かを判断し、燃料電池の温度が該所定温度よりも低いときには、燃料電池の温度が該所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作を継続させた後に、燃料電池の発電を停止することを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池の発電動作中に前記発電停止条件が成立したときに、前記燃料電池温度把握手段により把握される燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いときには、前記発電制御手段により、燃料電池の温度が前記所定温度以上となるまで発電動作が継続された後に、燃料電池の発電が停止される。これにより、発電に伴う生成水の大部分が気体若しくは液体の状態で燃料電池セルから排出され、燃料電池セル内に残留する生成水は極めて少なくなる。そのため、その後、氷点下環境で燃料電池を再起動させるときに、燃料電池セル内に残留した生成水の凍結により燃料電池の発電能力が低下することを抑制することができる。

また、前記発電停止手段により、前記温度検出手段の検出温度が前記所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作が継続されている間、報知を行う報知手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記発電停止条件が成立したにも拘らず燃料電池の発電が停止せず、前記発電制御手段により燃料電池の発電動作が継続されることにより、使用者が違和感や不安感を抱かないようにすることができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図２を参照して説明する。図１は燃料電池システムの全体構成図、図２は燃料電池の発電停止時の制御フローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態の燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池セル２を複数個接続して構成された燃料電池（燃料電池スタック）１、空気供給管３を介して燃料電池１に空気を供給するエアコンプレッサ４、水素供給管５を介して燃料電池１に水素を供給する水素タンク６、循環通路７内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却するポンプ８、水素の供給量を調節する水素バルブ１０、水素供給管５からの排気量を調節する排出バルブ１１、水素供給管５からの排気に含まれる水素を回収して燃料電池１の上流側の水素供給管５に混入させるエゼクタ１２、各燃料電池セル２の出力電圧等を検出する各種センサ１５，１６、循環通路７の燃料電池１への入口付近の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度センサ２０、循環通路７の燃料電池１からの出口付近の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度センサ２１、報知手段１３、及び燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントロールユニット３０（本発明の発電制御手段の機能を含む）が備えられている。

そして、各種センサ１５，１６、冷媒入口温度センサ２０、及び冷媒出口温度センサ２１の検出信号がコントロールユニット３０に入力され、コントロールユニット３０から出力される制御信号により、エアコンプレッサ４、ポンプ８、水素バルブ１０、排出バルブ１１、及び報知手段１３の作動が制御される。

次に、図２に示したフローチャートに従って、燃料電池１の発電を停止するときのコントロールユニット３０による燃料電池１の制御手順について説明する。

燃料電池１の発電動作中に、車両の運転者によりＩＧ（イグニッション）スイッチがＯＦＦ操作されると（本発明の発電停止条件に相当する）、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に進み、コントロールユニット３０は、冷媒入口温度センサ２０の検出温度Ｔ_inと、冷媒出口温度センサ２１の検出温度Ｔ_outとの温度差から、燃料電池１の温度（以下、ＦＣ内部温度という）を把握する。

なお、このように、冷媒入口温度センサ２０と冷媒出口温度センサ２１とを備えて、冷媒入口温度センサ２０の検出温度Ｔ_inと冷媒出口温度センサ２１の検出温度Ｔ_outとの温度差から、コントロールユニット３０がＦＣ内部温度を把握する構成が、本発明の燃料電池温度把握手段に相当する。

そして、続くＳＴＥＰ３で、コントロールユニット３０は、ＦＣ内部温度が燃料電池１の発電に伴って生成される水が凍結する温度よりも高い温度に設定された所定温度以上であるか否かを判断する。

ＳＴＥＰ３でＦＣ内部温度が所定温度以上であったときは、発電に伴う生成水は気体若しくは液体の状態であるので該生成水の大部分は各燃料電池セル２から排出され、各燃料電池セル２内に残留する生成水の量は極めて少なくなる。そのため、この場合には、燃料電池１の発電を停止した後に燃料電池１の内部温度が氷点下となっても、燃料電池セル２内で凍結する生成水は微量であり、再起動時における燃料電池１の発電能力の低下の影響は少ない。

そこで、ＳＴＥＰ３からＳＴＥＰ２０に分岐して、コントロールユニット３０は直ちに燃料電池１の発電を停止し、ＳＴＥＰ１１に進んで「システム停止処理」を行う。「システム停止処理」により、コントロールユニット３０自身を含む各種の電装部品の作動が停止する。

一方、ＳＴＥＰ３でＦＣ内部温度が所定温度よりも低かったときには、ＳＴＥＰ４に進む。ここで、燃料電池１の発電がある程度継続されれば、発電に伴う発熱によりＦＣ内部温度は所定温度以上となる。そのため、ＳＴＥＰ３でＦＣ内部温度が所定温度よりも低くなるのは、氷点下環境において、使用者がＩＧスイッチをＯＮ操作して燃料電池１の発電動作が開始された後、直ちにＩＧスイッチをＯＦＦ操作したような場合である。

そして、このように、ＦＣ内部温度が所定温度よりも低い状態で燃料電池の発電動作をさせた場合、発電に伴う生成水は燃料電池セル２から排出されずに直ちに燃料電池セル２内の酸素電極で凍結する。その結果、燃料電池セル２の高分子電解質膜における水素イオンの伝導率が低下する。そのため、このように燃料電池セル２内部で生成水が凍結した状態で燃料電池１を再起動したときには、燃料電池１の発電能力が低下する。

そこで、コントロールユニット３０は、ＳＴＥＰ４で燃料電池１の発電条件をＦＣ内部温度が上昇するように調整し、ＳＴＥＰ５で報知手段１３をＯＮ（作動開始）する。そして、続くＳＴＥＰ６とＳＴＥＰ７からなるループにより、ＳＴＥＰ６で上述したＳＴＥＰ２と同様にＦＣ内部温度を把握してＳＴＥＰ７でＦＣ内部温度が所定温度以上となったか否かを判断する。なお、報知手段１３としては、燃料電池自動車の計器パネルに備えられたＬＥＤ表示やブザーが使用される。

ＳＴＥＰ７でＦＣ内部温度が所定温度以上となったときにＳＴＥＰ８に進み、コントロールユニット３０は、燃料電池１の発電を停止する。そして、このとき、各燃料電池セル２内に残留した生成水は気体若しくは液体であるため、続くＳＴＥＰ９で両極（水素極及び酸素極）に反応ガスを供給して掃気することで、燃料電池セル２内部に滞留した生成水の排出を促進することができる。

これにより、その後、燃料電池１の内部温度が氷点下となったときに、燃料電池セル２内部に残留した生成水が凍結し、その状態で燃料電池１を起動したときに燃料電池１の発電能力が低下することを防止することができる。そして、次のＳＴＥＰ１０で、コントロールユニット３０は報知手段１３をＯＦＦし、ＳＴＥＰ１１で「システム停止処理」を行う。

なお、ＳＴＥＰ２でＦＣ内部温度を把握して、ＳＴＥＰ３でＦＣ内部温度が所定温度よりも低いか否かを判断する処理が、本発明の第１の工程に相当する。また、ＳＴＥＰ３でＦＣ内部温度が所定温度よりも低かったときに、ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ８で、ＦＣ内部温度が所定温度以上となるまで燃料電池１の発電動作を継続する処理が、本発明の第２の工程に相当する。

また、本実施の形態では、車両に搭載された燃料電池システムを示したが、氷点下環境で燃料電池を使用するシステムであれば本発明の適用が可能である。

また、本実施の形態において、コントロールユニット３０は、冷媒入口温度センサ２０の検出温度Ｔ_inと冷媒出口温度センサ２１の検出温度Ｔ_outとの温度差から、燃料電池１の内部温度（ＦＣ内部温度）を把握したが、図１に示したように、空気供給管３の燃料電池１からの出口付近に設けた温度センサ４０や、水素供給管５の燃料電池１からの出口付近に設けた温度センサ４１の検出温度から、燃料電池１の内部温度を把握するようにしてもよく、或いは燃料電池セル２内に温度センサを設けて直接的に燃料電池１の内部温度を検出するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図２０のＳＴＥＰ２０において発電を停止した後、ＳＴＥＰ１１に進んで直ちにシステム停止処理を行っているが、ＳＴＥＰ２０で発電を停止した後、両極掃気を行ってからシステム停止処理を行うようにしてもよい。このように両極掃気を行なうことにより、燃料電池セル２内に残留する生成水の量を更に微量として、燃料電池１の発電能力の低下を減少させることができる。

燃料電池システムの全体構成図。燃料電池の発電停止時の制御フローチャート。燃料電池の内部構成図。

符号の説明

１…燃料電池（スタック）、２…燃料電池セル、３…空気供給管、４…エアコンプレッサ、５…水素供給管、６…水素タンク、７…循環通路、８…ポンプ、１３…報知手段、２０…冷媒入口温度センサ、２１…冷媒出口温度センサ、３０…コントロールユニット

Claims

固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池の運転方法であって、
燃料電池の発電動作中に所定の発電停止条件が成立したときに、燃料電池の温度が発電に伴う生成水の凍結温度を超える値に設定された所定温度よりも低いか否かを判断する第１の工程と、
燃料電池の温度が前記所定温度よりも低いときに、燃料電池の温度が前記所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作を継続させた後に、燃料電池の発電を停止する第２の工程からなることを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記第２の工程において、燃料電池の発電動作を継続させている間、報知手段による報知を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池と、該燃料電池の作動を制御する発電制御手段と、該燃料電池の温度を把握する燃料電池温度把握手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記発電制御手段は、燃料電池の発電動作中に所定の発電停止条件が成立したときに、燃料電池の温度が燃料電池の発電に伴う生成水の凍結温度を超える値に設定された所定温度よりも低いか否かを判断し、燃料電池の温度が該所定温度よりも低いときには、燃料電池の温度が該所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作を継続させた後に、燃料電池の発電を停止することを特徴とする燃料電池システム。
前記発電制御手段により、燃料電池の内部温度が前記所定温度以上となるまで燃料電池の発電動作が継続されている間、報知を行う報知手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。