JP2007012562A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム構成を複雑にすることなく燃料電池内部に残留している水分を速やかに除去する。
【解決手段】運転停止した段階において燃料電池スタック１の出口側の冷媒温度が所定温度以上である場合、コントローラ１２が、冷媒の循環を停止することにより、ラジエータ９を通過した冷媒が燃料電池スタック１に供給されないように制御する。これにより、燃料電池スタック１内部に滞留する所定温度以上の冷媒の熱容量によって燃料電池スタック１を保温することができるので、水分の蒸発潜熱によって燃料電池スタック１の温度が低下する前に内部に残留している水分を速やかに除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、システム停止時に燃料電池内部に残留している水分を除去するパージ処理を行う燃料電池システムに関する。

一般に、自動車の駆動動力源用や寒冷地での定置電源用として燃料電池を使用する場合、氷点温度以下の低温環境下であっても燃料電池が通常通り発電できることが望まれる。しかしながら、一般に低温環境では、燃料電池内部に残留している水分が凍結することにより反応ガス流路が氷によって閉塞されたり、電極近傍に残留している水分が凍結することによって電解質膜への反応ガスの拡散が阻害されたりすることにより、燃料電池は通常通り発電できなくなる。

このような背景から、従来の燃料電池システムは、運転停止時、燃料電池内部に乾燥した反応ガスを供給することにより燃料電池内部に残留している水分を蒸発させ、燃料電池内部の湿度が所定湿度以下になった段階で運転を停止するようにしている（特許文献１を参照）。しかしながら、乾燥した反応ガスを供給することにより燃料電池内部に残留している水分を蒸発させる場合、水の蒸発潜熱によって燃料電池から熱が奪われるために、燃料電池の温度が低下し、水分の蒸発量が低下する。このため、燃料電池内部の湿度が所定湿度以下になるまでに多くの時間を要する。

そこで、従来の燃料電池システムは、運転停止時、反応ガス流路に乾燥空気を供給するのと同時に、加熱された冷媒を燃料電池に供給して燃料電池を所定温度に昇温することにより、水分の蒸発量が低下することを防ぎ、燃料電池内部の水分を短時間で除去できるようにしている（特許文献２を参照）。
特開２０００−１１０７２７号公報 特開２００２−２４６０５４号公報

しかしながら、加熱された冷媒を燃料電池に供給する場合には、電気式ヒータ，燃焼式ヒータ，触媒ヒータ等の加熱手段が必要になるために、燃料電池システムの構成が複雑になる。また、冷媒を加熱するために多くの電力が必要になるために、燃料電池システムの燃費が低下してしまう。また、加熱手段が所定温度に達するまでに時間を要するために、燃料電池システムの運転が完全に停止するまでに多くの時間を要する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム構成を複雑にすることなく燃料電池内部に残留している水分を速やかに除去することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の運転停止が指示された段階において燃料電池から排出される冷媒の温度が所定温度以上である場合、ラジエータにより冷却された冷媒が燃料電池に供給されないようにした状態で燃料電池内部に残留している水分をパージする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内部に滞留する所定温度以上の冷媒の熱容量によって燃料電池を保温することができるので、システム構成を複雑にすることなく燃料電池内部に残留している水分を速やかに除去することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図１に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は、アノードとカソードにより挟持された電解質膜を備え、電解質膜は、高エネルギー密度化，低コスト化，及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素供給流路２を備え、水素供給流路２を介して燃料電池スタック１のアノードに水素を供給する。なお、水素供給流路２へは、高圧ガスタンク，液化水素タンク，水素吸蔵合金タンク等の図示しない水素貯蔵装置から直接水素を供給してもよいし、天然ガス，メタノール，ガソリン等の水素を含有する水素含有ガスを改質した後に水素を供給するようにしてもよい。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、コンプレッサ３を備え、コンプレッサ３は、空気供給流路４を介して燃料電池スタック１のカソードに空気を供給する。また、空気供給流路４には、水素供給流路２との間のガスの流通を制御する遮断弁５が設けられ、遮断弁５を開くことにより空気供給流路４から水素供給流路２に空気を供給することができるように構成されている。

〔冷却系の構成〕
上記燃料電池システムは、冷媒循環流路６を介して燃料電池スタック１に冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ７と、ラジエータファン８から供給される外気を利用して燃料電池スタック１に供給する冷媒を冷却するラジエータ９とを備える。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、燃料電池スタック１出口側の冷媒温度を検出する温度センサ１０と、燃料電池システム全体の動作を制御し、燃料電池スタック１が発電した電力を負荷１１に供給するコントローラ１２とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ１２は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成され、ＣＰＵがプログラムＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを実行することにより各種機能を実現する。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、運転停止時、コントローラ１２が以下に示す停止制御処理を実行することにより、燃料電池スタック１内部に残留している水分を速やかに除去する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この停止制御処理を実行する際のコントローラ１２の動作について説明する。

〔停止制御処理〕
図２に示すフローチャートは、コントローラ１２に運転停止指令が入力されるのに応じて開始となり、停止制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、コントローラ１２が、運転停止指令が入力されてから所定時間経過したか否かを判別する。そして、所定時間経過した段階において、コントローラ１２は停止制御処理をステップＳ２の処理に進める。

ステップＳ２の処理では、コントローラ１２が、燃料電池スタック１からの出力（負荷）の取り出しを停止する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、停止制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、コントローラ１２が、燃料電池スタック１のアノード側への水素（燃料）の供給を停止する。なお、この時、燃料電池スタック１のカソード側への空気の供給は継続され、発電により水分が発生しやすいカソード側に残留している水分は除去される。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、停止制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ１２が、温度センサ１０を利用して燃料電池スタック１の出口側の冷媒温度を検出する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、停止制御処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、コントローラ１２が、ステップＳ４の処理により検出された冷媒温度が所定温度以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、冷媒温度が所定温度以上である場合、コントローラ１２は、ステップＳ６の処理として冷媒循環ポンプ７の動作を停止することにより冷媒の循環を停止した後に、停止制御処理をステップＳ７の処理に進める。一方、冷媒温度が所定温度以上でない場合、コントローラ１２は、冷媒の循環を停止させずに停止制御処理をステップＳ７の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、コントローラ１２が、遮断弁５を開放することにより燃料電池スタック１のアノード側に空気を供給し、アノード側に残留している水分を除去する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、停止制御処理はステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、コントローラ１２が、遮断弁５を開放してから所定時間経過したか否かを判別する。そして、所定時間経過した段階において、コントローラ１２は停止制御処理をステップＳ９の処理に進める。

ステップＳ９の処理では、コントローラ１２が、燃料電池スタック１のアノード側及びカソード側への空気の供給を停止する。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、一連の停止制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、運転停止した段階において燃料電池スタック１の出口側の冷媒温度が所定温度以上である場合、コントローラ１２が、冷媒の循環を停止することにより、ラジエータ９を通過した冷媒が燃料電池スタック１に供給されないように制御する。

このような構成によれば、燃料電池スタック１内部に滞留する所定温度以上の冷媒の熱容量によって燃料電池スタック１を保温することができるので、水分の蒸発潜熱によって燃料電池スタック１の温度が低下する前に内部に残留している水分を速やかに除去することができる。また、燃料電池スタック１を加熱するヒータ等の加熱手段が用いることなく水分の飽和蒸気圧を高く保つことができるので、システム構成を複雑にすることなく燃料電池スタック１内部に残留している水分を速やかに除去することができる。

なお、水分を除去している際に燃料電池スタック１が奪われる熱量は、燃料電池スタック１内部から除去すべき水分の量と水の蒸発潜熱から算出することができる。そこで、この実施形態では、熱量を奪われた後の燃料電池スタック１の温度が水分を除去するのに適した温度、好ましくは４０［℃］以上になるように上記所定温度の値を設定するものとする。

また、冷媒温度が所定温度以上でない場合、コントローラ１２は、冷媒の循環方向を通常時とは逆方向に制御することが望ましい。このような処理によれば、燃料電池スタック１から排出されラジエータ９により冷却されていない高温の冷媒が燃料電池スタック１に供給されるようになるので、水分を除去している間、燃料電池スタック１の温度は高温に保たれ、燃料電池スタック１内部の水分を速やかに除去することができる。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図３に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、ラジエータ９を迂回して冷媒を燃料電池スタック１に供給するバイパス流路２１と、ラジエータ９を経由する冷媒流路とバイパス流路２１との間で冷媒の流路を切り替える三方弁２２とを備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ１２が、運転停止指令が入力されるのに応じて冷媒の流路をバイパス流路２１側に切り替えることにより、ラジエータ９を経由した冷媒が供給されることによって燃料電池スタック１の温度が低下することを防止する。これにより、燃料電池スタック１内部に残留している水分を速やかに除去することができる。

なお、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムにおいて、コントローラ１２は、通常発電時、冷媒の流路を連続的又は間欠的にバイパス流路側２１に切り替えることが望ましい。このような処理によれば、バイパス流路２１中に滞留する冷媒の温度を常に所定温度以上に保つことができるので、冷媒の流路をバイパス流路側２１に切り替えた際に、低温の冷媒が供給されることにより燃料電池スタック１の温度が低下することを防止できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態となる停止制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：水素供給流路
３：コンプレッサ
４：空気供給流路
５：遮断弁
６：冷媒循環流路
７：冷媒循環ポンプ
８：ラジエータファン
９：ラジエータ
１０：温度センサ
１１：負荷
１２：コントローラ

Claims (5)

1. 燃料ガス流路から供給される燃料ガスと酸化剤ガス流路から供給される酸化剤ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に冷媒を循環させることにより燃料電池を冷却する冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路に設けられ、外気を利用して前記冷媒を冷却するラジエータと、
   前記燃料電池から排出される冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の運転停止が指示されるのに応じて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路にガスを導入することにより燃料電池内部に残留している水分をパージするパージ手段とを備え、
   前記パージ手段は、前記燃料電池の運転停止が指示された段階において前記温度検出手段により検出された冷媒の温度が所定温度以上である場合、前記ラジエータにより冷却された冷媒が燃料電池に供給されないように制御すること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ手段は、前記燃料電池の運転停止が指示された段階において前記温度検出手段により検出された冷媒の温度が所定温度以上である場合、冷媒の循環を停止した状態で燃料電池内部に残留している水分をパージすることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ手段は、前記燃料電池の運転停止が指示された段階において前記温度検出手段により検出された冷媒の温度が所定温度以下である場合、前記冷媒の循環方向を通常時とは逆方向に制御することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷媒循環流路は、前記ラジエータを経由して燃料電池に冷媒を供給するラジエータ側流路と、前記ラジエータを迂回して燃料電池に冷媒を供給するバイパス流路とを備え、前記パージ手段は、燃料電池内部に残留している水分をパージする際、冷媒の流路をバイパス流路側に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、燃料電池が発電している際、冷媒の流路を連続的又は間欠的にバイパス流路側に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。

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