JP2007035464A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
凍結が予測されるような低温下においては、事前にセル内の水分量を調整する。
【解決手段】
セルスタックを含む燃料電池本体１と、前記セルスタックから排出されるオフガスの排出通路Ｌ２を吸引することにより前記セルスタック内のガス流路に負圧を発生する吸引手段１２と、外気温または前記セルスタックの温度を測定する温度測定手段３と、前記温度が所定の範囲にある場合に、前記吸引手段１２を稼働させる吸引制御手段５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである空気中の酸素が反応することで発電する。この反応は、水素をプロトンと電子に分離する水素極側の反応と、プロトンの水素極側からを酸素極側への高分子膜中での拡散と、酸素極側に存在する酸素、拡散により酸素極に到達したプロトン、および外部回路を通じて流れる電子による酸素極側の反応を含む。そして、この酸素極側の反応では、生成水と呼ばれる水が生成される。

本来、上記プロトンの拡散のためには高分子膜中に水分が必要である。しかしながら、生成水が大量に電極中に滞留すると、電極（水素極および酸素極）への水素および酸素の供給が妨げられ、発電が阻害される。

このため、燃料電池に供給されるガスを吸引する吸引ポンプにより生成水を吸い出すための負圧を発生させるとともに、セル電圧が低下すると、負圧を大きくして生成水の排水を促す技術が提案されている（下記特許文献１参照）。

しかしながら、負圧による排水にはある程度時間を要する。このため、燃料電池の凍結が予測されるような低温下では、セル電圧の低下を待って生成水を排水したのでは、セル内が凍結してしまうおそれがある。例えば、低温下で、始動した後、燃料電池の温度が上昇する前に、発電に伴い発生する生成水が凍結することが予測される。
特開２００２−３３１１０号公報 特開２００２−３１３３９５号公報 特開平８−１２４５８８号公報 特開平９−３１２１６８号公報 特開２００４−１４６３７１号公報 特開２００２−２４６０５３号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、凍結が予測されるような低温下においては、事前にセル内の水分量を調整することができる技術を提供することである。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、セルスタックを含む燃料電池本体と、前記セルスタックから排出されるオフガスの排出通路を吸引することにより前記セルスタック内のガス流路に負圧を発生する吸引手段と、外気温または前記セルスタックの温度を測定する温度測定手段と、前記温度が所定の範囲にある場合に、前記吸引手段を稼働させる吸引制御手段と、を備える燃料電池システムである。

本燃料電池システムによれば、外気温または前記セルスタックの温度を測定し、前記温度が所定の範囲にある場合に、前記吸引手段を稼働させる。そして、吸引手段が稼働することにより、前記セルスタック内のガス流路に負圧が発生する。その結果、セルスタック内のガス流路から過剰の水分が排出されるとともに、ガス流路に接する電極等のセル部分
から過剰の水分の蒸発が促進される。したがって、外気温が所定値より低い場合、あるいはセルスタックの温度が所定値より低い場合等、凍結が生じやすい場合に、セル内から過剰の水分を排出させ、凍結の可能性を低減できる。

また、前記吸引制御手段は、前記燃料電池本体の始動時に、前記吸引手段を稼働させるようにしてもよい。このようにすることにより、燃料電池本体の始動により発生する生成水を吸引し、燃料電池始動直後の凍結の可能性を低減できる。

また、前記吸引制御手段は、前記燃料電池本体の停止時に、前記吸引手段を稼働させるようにしてもよい。このようにすることにより、燃料電池本体の停止後により残存する生成水を吸引し、燃料電池停止後の凍結の可能性を低減できる。

また、前記セルスタックの内部抵抗値を計測する手段をさらに備え、前記吸引制御手段は、前記内部抵抗値が所定の範囲の値となったときに、前記吸引手段を停止させるようにしてもよい。このような構成により、前記負圧によって、セル内の水分が極度に排出され、セル内が過剰に乾燥することにより、内部抵抗値が異常となる可能性を低減できる。

また、前記セルスタック内のガス流路を介して前記排出通路に接続され、前記セルスタックの上流側で前記セルスタックに反応ガスを供給する供給通路と、前記供給通路上で前記負圧の強度を制御する圧力調整手段と、をさらに備えるようにしてもよい。圧力調整手段を設けることで、負圧の強度の調整精度が向上する。

凍結が予測されるような低温下において、事前にセル内の水分量を調整することができる。その結果、燃料電池本体の凍結の可能性を低減できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜燃料電池システムの構成＞
図１は、本燃料電池システムのシステム構成図である。図１のように、この燃料電池システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１の空気極に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給通路Ｌ１（本発明の供給通路に相当）と、燃料電池本体１の空気極からオフガスを排出するオフガス排出通路Ｌ２（本発明の排出通路に相当）とを有している。

燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と１対のセパレータ（空気極側と水素極側）とを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層したセルスタックを含む。それぞれのセパレータ内には、反応ガスをセル内の膜−電極接合体に導入する流路が設けられている。空気供給通路Ｌ１は、空気極側のセパレータにおいて、上記流路の上流側入口に接続される。また、オフガス排出通路Ｌ２は、上記流路の下流側入口に接続される。

空気供給通路Ｌ１には、マスフローコントローラ４、三方弁５、遮断弁１１、保圧弁６、および圧力センサ７が設けられている。一方、オフガス排出通路Ｌ２には、圧力センサ８、三方弁９、遮断弁１０、および吸引ポンプ１２（本発明の吸引手段に相当）が設けられている。

燃料電池本体１には、燃料電池本体１に含まれるセルの温度を測定する温度センサ３（
本発明の温度測定手段に相当）が設けられている。また、燃料電池本体１の電力出力端子には、負荷に直列に電流センサ１３が、そして、負荷に並列に電圧センサ１４が設けられている。

さらに、この燃料電池システムには、ＥＣＵ５（Electronic Control Unit）が設けら
れ、温度センサ３、圧力センサ７、８、電流センサ１３、電圧センサ１４等の測定値を監視するともに、マスフローコントローラ４、三方弁６、９、遮断弁１０、１１、保圧弁６、吸引ポンプ１２の状態を制御している。圧力センサ７、８、温度センサ３、電流センサ１３、および電圧センサ１４については周知であるのでその説明を省略する。ただし、本発明の実施において、これらのセンサに特に限定はない。また、本発明の実施において、マスフローコントローラ４、三方弁６、９、遮断弁１０、１１、保圧弁６についても、その構成に特に限定はない。吸引ポンプは、例えば、真空ポンプでよい。また、単に、排出方向にガスを流出させるブロア、あるいは、アスピレータでもよい。また、ベンチェリー効果を利用した負圧発生デバイスであってもよい。

このような構成において、通常の運転状態では、燃料電池本体１の空気極には、マスフローコントローラ４、三方弁５および保圧弁６を通じて、外気（加湿器による加湿がなされていない空気）が流入する。このときの空気供給通路Ｌ１内の圧力は、圧力センサ７により測定される。また、燃料電池本体１の空気極にて反応した後のオフガスは、三方弁９を通じて吸引ポンプ１２により吸引される。

すなわち、通常の運転状態では、三方弁５は、マスフローコントローラ４と保圧弁６とを接続する方向に開口している。また、三方弁９は、燃料電池本体１と吸引ポンプ１２とを接続する方向に開口している。さらに、遮断弁１０および１１は、遮断状態にある。

保圧弁６（本発明の負圧制御手段に相当）は、空気が通過する通路の開口寸法をＥＣＵ５から調整可能に構成されており、吸引ポンプ１２による負圧を目標値に調整するために制御される。このとき、空気供給通路Ｌ１内の圧力は圧力センサ７により測定される。一方、オフガス排出通路Ｌ２内の圧力は圧力センサ８により測定される。

ＥＣＵ５は、これらの運転状態を監視し、制御する。特に、本燃料電池システムにおいては、ＥＣＵ５（本発明の吸引制御手段に相当）は、燃料電池本体１の始動時、温度センサ３の測定温度を読み取り、その温度が所定の範囲（例えば、摂氏０度以下）の場合、燃料電池本体１の運転開始とともに、吸引ポンプによりオフガス排出通路Ｌ２内のガスを吸引し、燃料電池本体１内に負圧を発生させるとともに、保圧弁６を制御して、負圧を所定の範囲に制御する。

すなわち、燃料電池システムの運転開始時、燃料電池本体１が凍結しやすい温度範囲にある場合に、燃料電池本体１内に所定の値の負圧を発生させる。これより、発電時に燃料電池本体１に含まれるセルに発生する生成水を吸引し、セル内の過剰な水分を排出する。その結果、膜−電極接合体の水分量が適正な状態に保たれる。

また、ＥＣＵ５は、燃料電池本体１の停止時、電流センサ１３および電圧センサ１４の測定値から燃料電池本体１の内部抵抗を測定する。燃料電池本体１の内部抵抗は、例えば、異なる出力電流値に対する出力電圧値を測定して求めることができる。すなわち、燃料電池本体１の出力電流と出力電圧の関係を示す電流・電圧特性の傾きから求めればよい。また、例えば、燃料電池本体１に所定の周波数の交流信号を導入し、その周波数での交流インピーダンスから燃料電池本体１の内部抵抗を求める技術も周知である。ＥＣＵ５は、このような手順により、内部抵抗値を監視すればよい。

そして、その内部抵抗が所定の範囲になるまで、吸引ポンプによりオフガス排出通路Ｌ２内のガスを吸引し、燃料電池本体１内に負圧を発生させるとともに、保圧弁６を制御して、負圧を所定の範囲に制御する。

負圧により、燃料電池本体１内の生成水が吸引され、セル内の水分量が減少すると、燃料電池本体１の内部抵抗が増加する。この内部抵抗値が所定の範囲になると、ＥＣＵ５は、吸引ポンプ１２の吸引を停止する。このようにして、ＥＣＵ５は、燃料電池本体１の水分量を適正値にした上で燃料電池システムの運転を停止する。

＜制御フロー＞
図２は、燃料電池本体１始動時のＥＣＵ５の制御手順を示すフローチャートである。始動時には、ＥＣＵ５は、まず、温度センサ３により、燃料電池本体１の温度を測定する（Ｓ１）。次ぎに、ＥＣＵ５は、温度が所定の範囲かどうか、例えば、基準値以下かどうかを判定する（Ｓ２）。

そして、燃料電池本体１の温度が基準値以下の場合、ＥＣＵ５は、負圧を発生させ、負圧の値を所定の範囲に制御する（Ｓ３）。すなわち、ＥＣＵ５は、吸引ポンプ１２を起動するとともに、保圧弁６を所定の開口値に設定する。

次ぎに、ＥＣＵ５は、発電量が所定の基準値を超えたか否かを判定する（Ｓ４）。発電量は、例えば、図１に示した負荷に直列に接続される電流センサ１３および負荷に並列に接続される電圧センサ１４により測定できる。また、不図示の水素極に供給される水素ガスの供給量から発電量を推定してもよい。

発電流が所定の基準値に達しない場合、ＥＣＵ５は、制御をＳ１に戻す。一方、発電流が所定の基準値に達した場合、ＥＣＵ５は、始動時の負圧制御処理を終了する。なお、Ｓ２の判定で、温度が基準値以上の場合には、ＥＣＵ５は、始動時の負圧制御処理を終了する。

以上の制御により、燃料電池本体１の温度が基準値以下で凍結する可能性がある場合に、オフガス排出通路Ｌ２内のガスを吸引し、燃料電池本体１内に負圧を発生させ、負圧の値を所定の範囲に制御する。これにより、燃料電池本体１の始動にともにない発生する生成水が吸引され、燃料電池本体１の水分量が適正値に維持される。

図３は、燃料電池本体１停止時のＥＣＵ５の制御手順を示すフローチャートである。停止時には、ＥＣＵ５は、まず、負圧を発生させ、負圧の値を所定の範囲に制御する（Ｓ１１）。すなわち、ＥＣＵ５は、吸引ポンプ１２を起動するとともに、保圧弁６を所定の開口値に設定する。

次ぎに、ＥＣＵ５は、電流センサ１３および電圧センサ１４の測定値から燃料電池本体１に含まれるセルの内部抵抗を検知する（Ｓ１２、この処理を実行するＥＣＵ５が本発明の内部抵抗値を測定する手段に相当する）。内部抵抗は、例えば、現在時点の燃料電池本体１の電流・電圧特性を監視しておき、その電流・電圧特性から算出すればよい。また、燃料電池本体１の出力端子に交流信号を導入してそのインピーダンスから内部抵抗を求めてもてよい。そして、ＥＣＵ５は、セルの内部抵抗値が所定の範囲にあるかどうか、例えば、所定の基準値を超えたかどうかを判定する（Ｓ１３）。

セルの内部抵抗が所定の基準値を超えていない場合、ＥＣＵ５は、制御をＳ１１に戻し、停止時の負圧制御処理を続行する。一方、セルの内部抵抗が所定の基準値を超えた場合、ＥＣＵ５は、停止時の負圧制御処理を停止する。

以上のように、燃料電池本体１の停止時、セルの内部抵抗を所定の範囲に維持することで、燃料電池本体１の水分量を適正値にすることができる。したがって、燃料電体本体１が凍結しやすい時期には、次ぎの始動に必要な水分量以上の水分量を排出しておき、凍結する可能性を低減できる。したがって、図３に示した処理を冬季、例えば、燃料電池本体１の温度が所定値以下のとき、あるいは、外気温が所定値以下の場合に、起動させるように設定してもよい。

常時空気極に負圧を加えると、セル内の水分の極度に吸引され、セル内（高分子膜）が乾いた状態になってしまう。一方、本実施形態の燃料電池システムでは、始動時に、温度センサ３により燃料電池本体１の温度を測定し、低温起動時にだけ負圧を発生させるように制御する。このため、セル内が乾燥しすぎるというとはない。特に、燃料電池本体１が摂氏０度以下の場合、セル内の飽和蒸気圧が低く、吸引しても電極内の水分が奪われることは少ない。

また、低温起動時の負荷は小さいため、反応ガスの流入量が少ない。このため、オフガス排出通路Ｌ２の吸引量は少なく、吸引ポンプ１２としては、小型簡易なものを使用できる。

一方、始動時の負圧により、生成水の排出ができるため、生成水の凍結を回避でき、連続運転を阻害される可能性を低減できる。さらに、本燃料電池システムでは、始動時の暖機運転をなくし、あるいは、短時間とすることができる。

また、本燃料電池システムは、停止時に所定の内部抵抗となるまで負圧を加えることにより、生成水を除去し、停止後の凍結の可能性を低減できる。また、本燃料電池システムは、内部抵抗値を検知して負圧を制御するため、高分子膜および電極の含水量は、適正値に維持され、次ぎの始動時にセル抵抗が増加することを低減できる。さらに、燃料電池システムでは、燃料電池の停止後、昇温のための暖機運転を省略し、あるいは、暖機運転時間を低減できる。

＜変形例＞
上記実施形態では、始動時の凍結の可能性を判断するため、燃料電池本体１の温度を測定する温度センサ３を使用した。しかし、これに代えて、外気温を測定する温度センサを用い、外気温によって凍結の可能性を判断してもよい。また、燃料電池本体１の温度を測定する温度センサ３と、外気温を測定する温度センサの両方を用いて、始動時の凍結の可能性を判断してもよい。

上記実施形態では、発電流が所定の基準値に達した場合、ＥＣＵ５は、始動時の負圧制御処理を終了した。これに代えて、ＥＣＵ５が、負圧制御の後（図２のＳ３の後）、ＥＣＵ５が燃料電池本体１の温度を読み取り、その温度が基準値を超えた場合に、始動時の負圧制御処理を終了するようにしてもよい。また、図３に示した停止時の負圧制御と同様、燃料電池本体１の内部抵抗を監視し、その内部抵抗値が所定の範囲の値となったときに、始動時の負圧制御処理を終了するようにしてもよい。

上記実施形態では、燃料電池システムの停止時に、セルの内部抵抗値が所定の範囲にあるかどうかにしたがって、停止時の負圧制御処理を停止するかどうかを決定した。このような手順に代えて、単純に所定時間所定の負圧を発生するように制御してもよい。例えば、外気温に対して、負圧の値とその発生期間とを設定したマップを設けておき、そのマップにしたがって、所定の負圧を所定の時間だけ発生するように制御してもよい。

以上のように、上記実施形態では、始動時あるいは停止時の負圧制御処理を終了させるときの判断基準として、燃料電池本体１の温度、外気の温度、燃料電池本体１の発電量、燃料電池本体１の内部抵抗等を用い、これらが所定の範囲の値か否かに基づいて処理を終了するか否かを判定した。しかし、本発明の実施は、このような判断基準以外に、他の様々な測定値を用いることができる。基本的には、吸引ポンプ１２の起動後に、燃料電池本体１のセルの状態が乾燥過剰か否を基準に、負圧制御処理の停止時点を判断すればよい。

上記実施形態では、負圧を空気極側に加える燃料電池システムを説明した。しかし、本発明の実施は、このような構成には限定されない。すなわち、燃料極のオフガス排出通路にも、燃料電池システムの始動時、あるいは停止時に、負圧を加えて、生成水を吸引するようにしてもよい。

本燃料電池システムのシステム構成図である。 燃料電池本体始動時のＥＣＵの制御手順を示すフローチャートである。 燃料電池本体停止時のＥＣＵの制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池本体
３ 温度センサ
４ マスフローコントローラ
５、９ 三方弁
６ 保圧弁
７、８ 圧力センサ
１０，１１ 遮断弁
１２ 吸引ポンプ
１３ 電流センサ
１４ 電圧センサ
２０ ＥＣＵ
Ｌ１ 空気供給通路
Ｌ２ オフガス排出通路

Claims (6)

1. セルスタックを含む燃料電池本体と、
   前記セルスタックから排出されるオフガスの排出通路を吸引することにより前記セルスタック内のガス流路に負圧を発生する吸引手段と、
   外気温または前記セルスタックの温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度が所定の範囲にある場合に、前記吸引手段を稼働させる吸引制御手段と、を備える燃料電池システム。
2. 前記吸引制御手段は、前記燃料電池本体の始動時に、前記吸引手段を稼働させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記吸引制御手段は、前記燃料電池本体の停止時に、前記吸引手段を稼働させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記セルスタックの内部抵抗値を計測する手段をさらに備え、
   前記吸引制御手段は、前記内部抵抗値が所定の範囲の値となったときに、前記吸引手段を停止させる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記セルスタック内のガス流路を介して前記排出通路に接続され、前記セルスタックの上流側で前記セルスタックに反応ガスを供給する供給通路と、
   前記供給通路上で前記負圧の強度を制御する圧力調整手段と、をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. セルスタックを含む燃料電池本体と、
   前記セルスタックから排出されるオフガスの排出通路を吸引することにより前記セルスタック内のガス流路に負圧を発生する吸引手段と、
   前記セルスタックの内部抵抗値を計測する手段と、
   前記内部抵抗値が所定の範囲の値となったときに、前記吸引手段を停止させる吸引制御手段と、を備える燃料電池システム。

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