JP2006252881A

JP2006252881A - 燃料電池システムおよびその停止方法

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Publication number: JP2006252881A
Application number: JP2005065894A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Miyata; 幸一郎宮田; Kenichiro Ueda; 健一郎上田; Kazuhiro Wake; 千大和氣; Junpei Ogawa; 純平小河
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP4938987B2

Abstract

【課題】燃料電池システムの停止時におけるエア掃気を実施しても、燃料電池の構成部材の腐食を防止するとともに、エネルギマネジメントの側面からも有効といえる燃料電池システム及びその停止方法を提供する。
【解決手段】電力を外部負荷回路５０に供給する燃料電池ＦＣと、外部負荷回路５０及び燃料電池ＦＣを電気的に接続／切断状態にするスイッチ部材Ｓ１，Ｓ２と、酸化剤ガスをアノード電極に供給するアノード掃気手段１４と、酸化剤ガスの供給をアノード電極又はカソード電極に切り替える切替手段１５と、酸化剤ガスがアノード電極に供給されるように切替手段１５を動作させる場合、その直前にスイッチ部材Ｓ１，Ｓ２を電気的な接続状態にする制御部４０と、を備えること特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。

一般に、燃料電池は、複数の単セル（Single Cell）が、電気的に直列となるように積層して構成されている。この単セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を一対の導電性のセパレータを挟んで形成されたものである。そして、この膜電極構造体は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ；Polymer Exchange Membrane）の一面側をカソード電極、他面側をアノード電極で挟んで形成されている。

ところで、発電中の燃料電池には、アノード電極に燃料ガスである水素が、カソード電極には酸化剤ガスである空気（酸素）が、セパレータに形成される流路を通じて隣接するそれぞれの電極に供給されている。
そして、この発電中の燃料電池を停止させる際は、接続されている外部負荷回路への電力供給を切断してから、アノード電極側の流路（以下、アノード系内という）に対し圧縮空気によるエア掃気を実行する。これは、アノード系内には、常時、水素ガスが循環的に流動するとともに、電極反応により生成した水分もこのアノード系内に滞留していることによる。もし、この滞留している水分をこのままの状態にして燃料電池を停止させ、氷点下の気温にそのまま放置したとすれば、しばらくすると、この水分は凝結してアノード系内を閉塞し、燃料ガスの供給を阻害して次回から燃料電池が起動できなくなってしまうからである。
特開平１０−２８４１０４号公報（請求項１，２、段落０００３〜０００５）

しかし、前記したようにアノード系内に滞留している水分を排出するためにエア掃気を繰り返していると、膜電極構造体及びセパレータ等の燃料電池の構成部材が腐食してしまうといった問題が発生する。これは、アノード系内にもともと充填されている水素含有気相と、掃気により新たに導入された空気層との境界がこのアノード系内に形成されると、この境界がアノード系内の内壁に接する部位において局所的な電位差が発生することに起因すると考えられている。

そこで本発明は、前記した課題を解決することを目的とし、燃料電池システムの停止時におけるエア掃気を実施しても、燃料電池の構成部材の腐食を防止するとともに、エネルギマネジメントの側面からも有効といえる燃料電池システム及びその停止方法を提供することを目的とする。

以上説明した課題を解決するために本発明の燃料電池システムは、アノード電極に供給される燃料ガス、及びカソード電極に供給される酸化剤ガスの反応により得られた電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記燃料電池に電気的な接続が可能な少なくとも抵抗器を含む補助回路と、前記外部負荷回路及び前記燃料電池を電気的に接続／切断状態にするスイッチ部材と、前記酸化剤ガスを前記アノード電極に供給するアノード掃気手段と、前記酸化剤ガスの供給を前記アノード電極又は前記カソード電極に切り替える切替手段と、前記酸化剤ガスが前記アノード電極に供給されるように前記切替手段を動作させる場合、その前に前記スイッチ部材を電気的な接続状態にする制御部と、を備えること特徴とする。

このような構成を有することにより、エア掃気に伴いアノード系内に局所的に発生した電位差は、燃料電池に電気的に接続されている外部負荷回路を電子が導電することにより解消されることになる。

また、本発明は、前記外部負荷回路は、少なくとも充電可能な蓄電装置を含むことを特徴とする。

このような構成を有することにより、エア掃気に伴いアノード系内に局所的に発生した電位差に基づくエネルギは、燃料電池の外部に接続されている蓄積装置に蓄積されることとなり、次回の起動時にそのエネルギは有効利用されることとなる。

本発明によれば、エア掃気時にアノード系内で発生する局所的な電位を外部負荷回路を利用した電子循環により解消させることができるので、燃料電池の構成部材の腐食を防止するとともに、その解消に要する時間を短縮できる。さらに、エネルギの有効利用の観点からも優れた効果が発揮される。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は燃料電池を示す分解斜視図、図３は制御部における処理を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、燃料電池システム１を車両に搭載した場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、空気供給手段１０と、水素供給手段２０と、補助回路３０と、制御部４０を備えて構成されている。

燃料電池ＦＣは、図２に示すように、導電性のカソードセパレータ５及びアノードセパレータ６に膜電極構造体（ＭＥＡ）７が挟まれてなる単セル（ＳＣ）８が、さらに厚み方向に複数枚積層されて構成される。また、この膜電極構造体（ＭＥＡ）７は、電解質膜（ＰＥＭ）２の一面側が触媒を含むカソード電極３、他面側が触媒を含むアノード電極４により挟まれて構成されている。なお、各単セル８，８…は、電気的に直列となるように互いに積層されている。

カソードセパレータ５には、カソード電極３に対向する面に酸化剤ガスとしての空気が流通する複数の流路５ａ，５ａ，５ａ…が互いに平行に直線状に延びて形成されている。このカソードセパレータ５では、各流路５ａに対して、一方に形成された入口５ａ１側から他方に形成された出口５ａ２側に向けて空気が互いに同方向に流れるようになっている。なお、この入口５ａ１は、エア導入路１６（図１参照）につながることとなり、出口５ａ２はエア排気路１７につながることとなる。

アノードセパレータ６には、アノード電極４に対向する面に燃料ガスとしての水素ガスが流通する複数の流路６ａ，６ａ，６ａ…が互いに平行に直線状に延びて形成されている。このアノードセパレータ６についても、各流路６ａに対して、一方の入口６ａ１から他方の出口６ａ２に向けて水素ガスが互いに同方向に向けて流れるようになっている。なお、この入口６ａ１は、水素供給路２６（図１参照）につながることとなり、出口６ａ２は循環路２５につながることとなる。

図１に示すように、空気供給手段１０は、エア導入路１６を介して燃料電池ＦＣのカソード電極３（図２参照）に酸化剤ガスとしての空気を供給するものであり、コンプレッサ１１、冷却器１２、加湿器１３などで構成されている。
コンプレッサ１１は、機械式過給器であり、大気圧の空気（外気）を吸引して加圧するものである。冷却器１２は、加圧された高温の空気（圧縮空気）を燃料電池ＦＣでの発電に適した温度に冷却するものである。加湿器１３は、冷却器１２で冷却された空気を燃料電池ＦＣでの発電に適した、特に、電解質膜２（図２参照）のイオン導電性を十分に発揮できる湿度に加湿するものである。

また、空気供給手段１０には、コンプレッサ１１で吸引された空気を水素供給路２６に導入し燃料電池ＦＣのアノード電極４（図２参照）にエア掃気するアノード掃気路（アノード掃気手段）１４が設けられている。また、アノード掃気路１４の基端には、切替弁（切替手段）１５が設けられて、制御部４０からの指示により空気の供給をアノード電極４又はカソード電極３に切り替えを実行するようになっている。そして、空気がカソード電極３に供給されることになれば、この空気（酸化性ガス）は、流路５ａ，５ａ…を介して通流して燃料電池ＦＣの発電反応に寄与することとなる。また空気がアノード電極４に供給されることになれば、アノード系内に滞留している水分を後記する排出側遮断弁２７からその風圧により排出させる、エア掃気を実行することになる。

水素供給手段２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード電極４（図２参照）に供給するものであり、水素タンク２１、供給側遮断弁２２、圧力制御弁２３、エゼクタ２４、循環路２５、水素供給路２６及び排出側遮断弁２７から構成されている。
水素タンク２１は、金属製の容器に高純度の水素ガスが高圧に充填されて構成されたものであり、供給側遮断弁２２は、燃料電池ＦＣへの水素の供給または供給の遮断を行う弁であり、圧力制御弁２３は、燃料電池ＦＣに供給される水素ガスの供給量を制御する弁である。また、エゼクタ２４は、燃料電池ＦＣから排出された未使用の水素ガスを、循環路２５を介して再循環するものであり、燃料ガス（水素ガス）が無駄に排出されるのを防止するようになっている。

そして、排出側遮断弁２７は、循環路２５の燃料電池ＦＣ側の途中経路に設けられているものであって、燃料電池ＦＣの通常発電時は遮断されている。そして、排出側遮断弁２７は、エア掃気時に切替弁１５の動作に同期して開放され、圧縮空気とともに水素供給路２６、アノード電極側の流路６ａに滞留する水分が外部に排出される部位である。

燃料電池システム１では、燃料電池ＦＣが導電性のケーブルＣ１，Ｃ２を介して外部負荷回路５０と電気的に接続されている。例えば、ケーブルＣ１は、燃料電池ＦＣのマイナス極と外部負荷回路５０のマイナス極とを接続し、ケーブルＣ２は、燃料電池ＦＣのプラス極と外部負荷回路５０のプラス極とを接続している。
外部負荷回路５０は、コンプレッサ１１のモータや図示しない走行モータの他、電気エネルギを充電することができるキャパシタ等のエネルギストレージシステム（蓄電装置）が考えられる。ケーブルＣ１，Ｃ２は、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０との接続を閉状態（ＯＮ状態）と開状態（ＯＦＦ状態）とに切替可能な第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２（スイッチ部材）を備えている。

補助回路３０は、抵抗器３１と、第３スイッチＳ３と、導電性のケーブルＣ３，Ｃ４とを備えている。ケーブルＣ３の一端が抵抗器３１に接続され、他端がケーブルＣ１と接続され、また、ケーブルＣ４の一端が抵抗器３１に接続され、他端がケーブルＣ２と接続されている。第３スイッチＳ３は、ケーブルＣ１と抵抗器３１との接続をＯＮ状態とＯＦＦ状態に切替可能なものであり、ケーブルＣ３上に設けられている。
また、ケーブルＣ１とケーブルＣ３との接続点Ｐ１は、第１スイッチＳ１に対して燃料電池ＦＣ寄りに形成され、ケーブルＣ２とケーブルＣ４との接続点Ｐ２は、第２スイッチＳ２に対して燃料電池ＦＣ寄りに形成されている。

制御部４０には、コンプレッサ１１と、切替弁１５と、供給側遮断弁２２と、圧力制御弁２３と、排出側遮断弁２７と、第１〜第３スイッチＳ１〜Ｓ３とが接続されている。この制御部４０の制御により、コンプレッサ１１のモータの出力が制御され、切替弁１５の切替動作及び排出側遮断弁２７が同期して制御され、供給側遮断弁２２の開閉動作が制御され、圧力制御弁２３の圧力が制御されて水素の供給量が制御され、第１〜第３スイッチＳ１〜Ｓ３の開閉動作がそれぞれ制御される。
制御データ記憶部４１は、制御部４０が実行した情報を逐一記憶するとともに、これらの情報を制御部４０にフィードバックして制御部４０が実行する制御に反映させるものである。

次に、本実施形態の燃料電池システム１での動作について図３を参照（適宜、図１および図２を参照）して説明する。図３は、本実施形態での制御部での処理を示すフローチャートである。

まず、アノード電極４に水素が、カソード電極３に空気（酸素）がそれぞれ供給されており、燃料電池ＦＣからの発電電力がケーブルＣ１，Ｃ２を介して外部負荷回路５０に供給されており、燃料電池システム１は稼動状態にある（Ｓ１１）。このとき図１に示される第１、第２スイッチＳ１，Ｓ２は閉（ＯＮ）で設定されており、第３スイッチＳ３は開（ＯＦＦ）に設定されている。

次に、燃料電池システム１を停止するために、燃料電池ＦＣの外部負荷回路５０への供給を遮断させてイグニッションオフ（IG-OFF）状態にする（Ｓ１２）。このとき、第１〜第３スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はいずれも開（ＯＦＦ）に設定される。
そして、制御部４０においてアノードエア掃気が必要か否かが判断され、不要と判断されれば以降の動作フローは実行されずにジョブは終了する（Ｓ１３：Ｎｏ）。アノードエア掃気が必要と判断された場合は（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、スイッチＳ１，Ｓ２を閉（ＯＮ）に設定し直して、外部負荷回路５０と燃料電池ＦＣとを電気的に接続する（Ｓ１４）。さらに、第３スイッチＳ３を閉（ＯＮ）に設定して、抵抗器３１と燃料電池ＦＣとを電気的に接続する（Ｓ１５）。

次に、切替弁１５を切り替えて、コンプレッサ１１から供給される空気がアノード電極４に供給されるように、エア導入路１６からアノード掃気路１４に流路を切り替えるとともに、排出側遮断弁２７を開放しアノード系内のエア掃気を開始する（Ｓ１６）。そして、所定時間が経過するまでエア掃気を続行する（Ｓ１７）。これにより、アノード電極側の流路６ａの内部は水素含有気相から空気相へ完全に置換されることとなるが、このように両気相が完全に入れ替わるまでは、両気相の界面と流路６ａの内壁面とが接する部位において局部的な電位差が発生するが、電子がケーブルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を導電して外部負荷回路５０及び抵抗器３１により、この電位差を打ち消すように働くために、燃料電池ＦＣの構成部材を腐食させることはない。

また、補助回路３０の抵抗器３１だけに電流を流す場合と異なり、外部負荷回路５０にも電流が流れるので抵抗３１の小容量化、寿命の向上につながる。ちなみに、イグニッションスイッチが短い時間間隔でＯＮ・ＯＦＦを繰り返すと抵抗器３１が発熱により寿命が低下しやすいが、このような場合であっても抵抗器３１と外部負荷回路５０で発生した電流を分担して消費するので、小容量の抵抗器３１を用いても寿命低下が回避できる。

アノード系内のエア掃気が終了後（Ｓ１８）、アノード系内が水素含有気相から空気相で完全に置換されている事実を記録として残すために、データ記憶部６０に対してエア掃気の実施履歴を記録する（Ｓ１９）。この記録された実施履歴は、次回、燃料電池ＦＣを起動させる際の情報として利用される。

その後、抵抗器３１と燃料電池ＦＣとを電気的に切断し（Ｓ２０）、続いて外部負荷回路５０と燃料電池ＦＣとを電気的に切断して（Ｓ２１）、一連の動作フローが終了し、燃料電池システム１は完全に停止状態となる。このとき、第１〜第３スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はいずれも開（ＯＦＦ）に設定されている。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、その停止時にアノード系内をエア掃気する前に、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを電気的に接続するものである。これにより、エア掃気に伴い発生するアノード系内の局所的な電位は、接続されている外部負荷回路５０に電子が導電することにより、解消されることとなる。また外部負荷回路５０を導電する電子によりエネルギが外部負荷の駆動に消費されたり、外部負荷回路５０としてキャパシタ等のエネルギーストレージデバイス（蓄電装置）が接続されていればこれらを充電させたりして、エネルギマネジメントの面からも優れたものとなる。

また、エア掃気時に発生する起電力による燃料電池ＦＣの腐食を回避するために、通常用いられる抵抗器３１の負荷を低減させることにもつながり、この抵抗器３１の耐久性の向上並びに処理時間を短縮させるといった利点も導き出される。

なお、本実施形態では、車両用の燃料電池システムを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などの乗り物用の燃料電池システムでもよいし、定置式の燃料電池システムでもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。燃料電池を示す分解斜視図である。制御部での処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
３カソード電極
４アノード電極
１０空気供給手段
１４アノード掃気路（アノード掃気手段）
１５切替弁（切替手段）
２０水素供給手段
３０補助回路
３１抵抗器
４０制御部
５０外部負荷回路（蓄電装置）
ＦＣ燃料電池
Ｓ１第１スイッチ（スイッチ部材）
Ｓ２第２スイッチ（スイッチ部材）
Ｓ３第３スイッチ

Claims

アノード電極に供給される燃料ガス、及びカソード電極に供給される酸化剤ガスの反応により得られた電力を外部負荷回路に供給する燃料電池と、
前記燃料電池に電気的な接続が可能な、少なくとも抵抗器を含む補助回路と、
前記外部負荷回路及び前記燃料電池を電気的に接続／切断状態にするスイッチ部材と、
前記酸化剤ガスを前記アノード電極に供給するアノード掃気手段と、
前記酸化剤ガスの供給を前記アノード電極又は前記カソード電極に切り替える切替手段と、
前記酸化剤ガスが前記アノード電極に供給されるように前記切替手段を動作させる場合、その前に前記スイッチ部材を電気的な接続状態にする制御部と、を備えること特徴とする燃料電池システム。
前記外部負荷回路は、少なくとも充電可能な蓄電装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
アノード電極に燃料ガスが供給されるとともにカソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより燃料電池が発電した電力を外部負荷回路に供給する発電ステップと、
前記外部負荷回路への電力の供給を切断する電力供給停止ステップと、
前記酸化剤ガスをアノード電極に供給する前に前記外部負荷回路及び前記燃料電池を電気的に接続するアノード掃気ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。