JP2007073278A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な機構で燃料の逆流などを防止することができ、また、燃料電池に過大な負荷をかけることのない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 アイドル停止時などに、パージ時の水素が希釈装置４１に残留した状態で発電が停止したときに、圧力調整弁１４を閉じることにより、希釈装置４１の下流側からの風の流入による希釈装置４１内の水素の逆流を防止できる。また、圧力調整弁１４は、空気排出配管１２を密閉不能な弁で構成されているので、燃料電池ＦＣの上流側からの風の流入による希釈装置４１内の水素の下流への移動を防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アイドル停止などの機能を備えた燃料電池システムに関する。

近年、ガソリンや軽油などを燃料とした車両では、二酸化炭素など地球温暖化の原因となる物質や大気汚染物質の排出を削減するため、また騒音やエネルギーの無駄使いなどを防止するために、車両が一時停止したときにエンジンを停止させること（いわゆる、アイドル停止）が推奨され、またそのような専用の機能を備えた車両も利用されている。そこで、燃料電池自動車などにおいても、エネルギーの無駄な利用などを防止するために、一時的な停車時に発電を停止してアイドル停止させることが提案されている。

このようなアイドル停止の機能を備えた燃料電池システムでは、燃料電池の下流側に燃料電池から排出された水素を、空気で混合して希釈するための希釈装置が設けられているものがある。しかし、希釈装置内などに水素が残留した状態でアイドル停止が行われると、希釈装置内などに残留している水素が排気口側からの外乱（例えば、風）の影響を受けて逆流するという問題がある。そこで、このような水素の逆流を防止するために、アイドル停止時に空気極の流路を遮断するための新たな空気遮断機構を燃料電池の上流側や下流側に設けることが提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。
特開２００４−１２９４３３号公報（段落００２５、図２） 特開２００４−１４６１４７号公報（段落００３５、図２）

しかしながら、前記した特許文献１の技術では、燃料電池の発電に必要なデバイスに対して空気を遮断するための新たなデバイスを追加する必要があり、コスト増や重量増になるという問題がある。

また、前記した特許文献２の技術では、燃料電池の空気極の下流側を完全に遮断してしまうため、発電停止時に燃料電池の上流の吸入口側からの風や走行風などの外乱により空気が流れ込み、燃料電池内部の圧力が高まって燃料電池に過大な負荷をかけるおそれがある。

また、燃料電池システムの小型化や軽量化を図るために、希釈装置の容量を小さくすると、燃料の逆流などの流動性が高まることも知られている。

本発明は、前記した問題を解決するものであり、簡単な機構で燃料の逆流などを防止することができ、また、燃料電池に過大な負荷をかけることのない燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、燃料ガスを、燃料極に連通する燃料ガス流通路に供給し、酸化剤ガスを、酸化剤極に連通する酸化剤ガス流通路に供給して発電を行う燃料電池と、前記酸化剤ガス流通路の前記燃料電池の下流側に設けられた圧力調整弁と、前記圧力調整弁より下流側に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合することにより前記燃料ガスを希釈する希釈装置と、を備え、前記希釈装置に前記燃料ガスが残留した状態で発電を停止する燃料電池システムであって、前記発電の停止時に、前記圧力調整弁を閉じることを特徴とする。

本発明によれば、既設の圧力調整弁を閉じるという簡単な機構によって、発電停止時に希釈装置内に残留している燃料ガスの逆流を防止できる。また、希釈装置内に残留している燃料ガスが下流に流れ出るのを防止できる。

また、前記圧力調整弁は、密閉不能な弁であることが好ましい。これにより、仮に燃料電池の空気極の上流側から酸化剤ガス流通路を介して風などが侵入してきたとしても、燃料電池内の圧力が過度に高まるのを防止することができる。

本発明によれば、特別なデバイスを設けることなく簡単な機構で燃料ガスの逆流などを防止することができる。また、圧力調整弁を密閉不能な弁とすることにより、燃料電池に過大な圧力負荷がかかるのを防止できる。

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は発電停止以降の処理を示すフローチャート、図３は発電停止処理を示すサブフローチャート、図４は希釈装置内の水素の動きを示す模式図であり、（Ａ）は発電停止前の状態、（Ｂ）は本実施形態の制御におけるアイドル停止後の状態、（Ｃ）は従来の制御におけるアイドル停止後の状態である。なお、以下では、燃料電池システムを車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などに適用することもできる。

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、カソード系１０、アノード系２０、高電圧系３０、水素希釈系４０、制御装置５０などを備えて構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜２の一面側に触媒を含む空気極（酸化剤極）３が設けられ、他面側に触媒を含む水素極（燃料極）４が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面をさらに導電性のセパレータ（図示せず）で挟んだ単セルが厚み方向に複数枚積層されて構成されている。

前記カソード系１０は、前記燃料電池ＦＣの空気極３に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給し且つ空気極３から空気（酸素）を排出するものであり、空気供給配管１１、空気排出配管１２、エアコンプレッサ１３、圧力調整弁１４、水素センサ１５などを備えて構成されている。

前記空気供給配管１１は、その一端が燃料電池ＦＣの空気極３の入口側に接続され、他端がエアコンプレッサ１３に接続されている。また、空気排出配管１２は、その一端が空気極３の出口側に接続され、他端が希釈装置４１に接続されている。なお、空気供給配管１１と空気排出配管１２とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。

前記エアコンプレッサ１３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどであり、圧縮した空気（外気）を、空気供給配管１１を介して燃料電池ＦＣに供給するものである。なお、図示していないが、空気供給配管１１には、燃料電池ＦＣの空気極３に供給する空気を加湿するための加湿器などが設けられている。

前記圧力調整弁１４は、空気排出配管１２に設けられて燃料電池ＦＣの空気極３の圧力を調整するものである。なお、この圧力調整弁１４は、スロットル弁のように、その弁開度を全閉とする信号を送っても、機構として空気排出配管１２の流路を完全に密閉できない弁により構成されている。

前記水素センサ１５は、水素極４から固体高分子電解質膜２を介して空気極３に透過（いわゆる、クロスリーク）した水素の濃度を検出するものであり、燃料電池ＦＣの空気極３の出口側近傍に設けられている。

前記アノード系２０は、燃料電池ＦＣの水素極４に燃料ガスとしての水素を供給し且つ水素極４から水素を排出するものであり、水素供給配管２１、水素排出配管２２、水素タンク２３、遮断弁２４、エゼクタ２５、水素循環配管２６、水素パージ弁２７などで構成されている。なお、水素供給配管２１と水素排出配管２２と水素循環配管２６とで本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。

前記水素供給配管２１は、その一端が燃料電池ＦＣの水素極４の入口側に接続され、他端が水素タンク２３と接続されている。前記水素排出配管２２は、その一端が水素極４の出口側に接続され、他端が希釈装置４１と接続されている。

前記水素タンク２３は、高純度の水素を非常に高い圧力（例えば、３５ＭＰａ≒３５０気圧）で充填可能な容器を備えており、水素を燃料電池ＦＣの水素極４に供給するためのものである。遮断弁２４は、水素供給配管２１に設けられ、水素タンク２３の近傍に設けられたものであってもよく、水素タンク２３と一体に設けられたもの（インタンク式のもの）であってもよい。

前記エゼクタ２５および水素循環配管２６は、燃料電池ＦＣの水素極４の出口側から排出された水素を水素極４の入口側に戻して再循環させて、燃料ガスとしての水素の使用効率を高めるためのものである。エゼクタ２５は水素供給配管２１に設けられており、水素循環配管２６の一端がエゼクタ２５に接続され、他端が水素排出配管２２に接続されている。

前記水素パージ弁２７は、水素排出配管２２の流路を遮断可能な弁である。前記水素循環配管２６により水素を循環利用していることから、燃料電池ＦＣの発電中に、空気極３に供給された空気に含まれる窒素や、空気極３で生成された水などが固体高分子電解質膜２を介して水素極４に透過することにより、水素極４の水素濃度が低下して発電性能が損なわれる。このため、必要に応じて水素パージ弁２７を開弁して窒素などの不純物を排出するとともに純度の高い水素を燃料電池ＦＣに導入（パージ処理）することにより、水素極４の水素濃度が低下するのを防止している。

前記高電圧系３０は、燃料電池ＦＣが発電した電流（電力）を蓄電装置３１、走行モータ３２などの負荷に供給するものであり、電力線３３、電流センサ（電流計）３４、電圧センサ（電圧計）３５などを備えて構成されている。

前記蓄電装置３１は、燃料電池ＦＣが発電した電気を蓄えておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタなどで構成されている。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などから選択され、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどから選択される。

前記走行モータ３２は、例えば永久磁石式の３相交流同期モータであり、燃料電池ＦＣおよび／または蓄電装置３１から供給される電力により車両に設けられた駆動輪を回転駆動させる。

前記電流センサ３４は、燃料電池ＦＣから蓄電装置３１や走行モータ３２などに出力される電流値を検出するものであり、前記電圧センサ３５は、燃料電池ＦＣの電圧値を検出するものである。

前記水素希釈系４０は、希釈装置４１、水素センサ４２などを備えて構成されている。希釈装置４１は、圧力調整弁１４の下流側に設けられ、燃料電池ＦＣの水素極４から排出された水素を希釈するものである。水素センサ４２は、希釈装置４１の下流側に設けられ、希釈装置４１から排出される水素の濃度を検出するものである。

前記制御装置５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、エアコンプレッサ１３のモータの回転出力、圧力調整弁１４の開度、遮断弁２４および水素パージ弁２７の開閉が制御され、また、水素センサ１５，４２から水素濃度情報、また車両に設けられた、アクセル開度センサ６０からアクセル開度情報、さらに車速センサ７０から車速情報を取得する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について図２ないし図４を参照（適宜図１を参照）しながら説明する。
まず、車両に設けられたイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮにされると、制御装置５０は、遮断弁２４を開くとともに、エアコンプレッサ１３を駆動する。これにより、水素タンク２３内の水素が、水素供給配管２１を介して燃料電池ＦＣの水素極４に供給され、エアコンプレッサ１３の運転により、空気供給配管１１を介して図示しない加湿器によって加湿された空気が燃料電池ＦＣの空気極３に供給される。これにより、燃料電池ＦＣ内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応することにより発電が行われ、車両の走行モータ３２などの負荷に電力（発電電流）が供給される。

また、発電中は、必要に応じて水素パージ弁２７を開いて、クロスリークによる窒素などと一緒に水素が水素排出配管２２を介して希釈装置４１に向けて排出されるとともに水素タンク２３から燃料電池ＦＣに向けて純度の高い水素が新たに供給される。希釈装置４１内に導入された水素は、燃料電池ＦＣの空気極３から空気排出配管１２を介して排出されたオフガス（空気＋生成水など）で混合されることによって所定の水素濃度以下に希釈され、その後に大気中へと排出される。

ところで、本実施形態の燃料電池システム１では、アイドル停止などの機能を備えているため、希釈装置４１内にパージ時に排出された水素が残留した状態で発電が停止されることがある。そこで、本実施形態では、図２のフローチャートに示すように、まずステップＳ１０において、制御装置５０では、燃料電池システム１がＦＣ発電カットの状態またはアイドル停止の状態であるか否かを判断する。なお、このＦＣ発電カットとは、ガソリン車でいうところのフューエルカット(燃料カット)に相当するものであり（ただし、水素の供給カットは行わない）、走行モータ３２の駆動力が負（モータ駆動力＜０）、つまり、減速時などの回生状態であるとき、または、アクセル開度センサ６０のアクセル開度情報に基づいてアクセル開度が零（アクセル開度＝０）かつ車速センサ７０の車速情報に基づいて車速が正（車速＞０）のときに、ＦＣ発電カットであると判断することができる。ちなみに、ＦＣ発電カットのときは、燃料電池ＦＣに水素が供給されていても水素は消費されない。一方、アイドル停止については、アクセル開度＝０かつ車速＝０のとき、または、モータ駆動力＝０のときに、アイドル停止であると判断することができる。

ステップＳ１０で、制御装置５０が、ＦＣ発電カットでもアイドル停止でもないと判断した場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０ないしステップＳ５０の処理を飛ばしてリターンする。また、ステップＳ１０で、ＦＣ発電カットまたはアイドル停止であると判断した場合には（ＹＥＳ）、発電停止処理を実行する（ステップＳ２０）。この発電停止処理は、図３のサブフローに示すように、ステップＳ２１でエアコンプレッサ１３のモータへの電力の供給を停止してエアコンプレッサ１３を停止し、ステップＳ２２で圧力調整弁１４を全閉にし、さらにステップＳ２３で燃料電池ＦＣが発電する目標発電電力を零（目標発電電力＝０）とする。そして、図２のフローに戻り、ステップＳ３０で発電が復帰したか否かを判断する。発電が復帰したか否かの判断基準としては、例えば、アクセル開度センサ６０のアクセル開度情報に基づいてアクセルの踏み込みを検知したとき（アクセル開度＞０）、または電圧センサ３５の電圧情報に基づいて蓄電装置３１の電圧（蓄電量）が低下したとき（つまり蓄電量が低下すると発電をせざるをえないため）、あるいは走行モータ３２の駆動力が正（モータ駆動力＞０）、かつ、電流センサ３４の電流情報に基づいて蓄電装置３１から走行モータ３２への電流（電力）供給が検知されたときに、発電復帰と判断することができる。

ステップＳ３０で、発電復帰と判断されない場合には（ＮＯ）、ステップＳ３０の処理を繰り返し、発電復帰と判断された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ４０で圧力調整弁１４を通常制御、つまり開状態に戻して、ステップＳ５０でエアコンプレッサ１３のモータに電力を供給してエアコンプレッサ１３の運転を再開する。このとき、エアコンプレッサ１３を運転する前に圧力調整弁１４を通常制御に戻すことにより、燃料電池ＦＣの空気極３に過度の圧力が作用するのを防止できる。

ところで、図４の（Ａ）に示すように、ＦＣ発電カットやアイドル停止の前においては、希釈装置４１内に、パージ時に排出された水素が残留していることがある。図４の（Ａ）の状態でアイドル停止などによって発電が停止すると、（Ｃ）に示す従来の制御では、圧力調整弁１４が全開状態（または開状態）であったため、希釈装置４１の下流側（例えば、排気口）から風Ｗ１が流入することにより、希釈装置４１内に残留していた水素が圧力調整弁１４を通って燃料電池ＦＣに向けて逆流する。このため、逆流した希釈されずに残留している高濃度の水素が水素センサ１５で検知されることにより、制御装置５０は、クロスリークによって水素が空気極３に漏れ出ていると誤った判断をすることになる。その結果、燃料電池ＦＣの発電をこれ以上継続させないという処理へ移行せざるをえなくなる。また、逆流した水素が燃料電池ＦＣの空気極３（図１参照）まで至ることにより、同極側に水素と酸素が存在することで、空気極３の触媒上で水素と酸素とが反応して電極の劣化が起きるおそれがある。また、燃料電池ＦＣの上流側のエアコンプレッサ１３側から風（走行風）Ｗ２が流入して、希釈装置４１内に希釈されずに残留している高濃度の水素が下流側に移動して水素センサ４２で検知されることによって、燃料電池ＦＣの発電をこれ以上継続させないという処理へ移行せざるをえなくなる。

これに対して、図４の（Ｂ）に示す本実施形態の制御では、ＦＣ発電カット時やアイドル停止時に圧力調整弁１４が全閉に制御されるので、希釈装置４１の下流側（例えば、排気口）から風Ｗ１が流入したとしても、希釈装置４１から水素センサ１５や燃料電池ＦＣに向けて水素が逆流することがないので、前記した発電継続不能や電極劣化といった不都合を防止できる。また、燃料電池ＦＣの上流側から風Ｗ２が流入して、希釈装置４１内に希釈されずに残留している高濃度の水素が水素センサ４２で検知されるのを防止して、発電継続不能となることを回避できる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、圧力調整弁１４が空気排出配管１２を密閉不能な弁、つまり圧力調整弁１４の開度を最小にしたとしてもガスの流れを完全に遮断できない弁で構成されているので、ＦＣ発電カット時やアイドル停止時に圧力調整弁１４を全閉にしたとしても、エアコンプレッサ１３側からの空気（風Ｗ２）の流入により燃料電池ＦＣ内の圧力が過度に高まるのを防止できるので、燃料電池ＦＣを破損するといった不具合を防止することができる。

また、本実施形態では、希釈装置４１を小型化したとしても、水素の逆流などを防止できるので、燃料電池システム１の小型化や軽量化を図ることができる。

なお、ＦＣ発電カット、アイドル停止、発電復帰の条件は、一例であり、前記した条件に限定されるものではない。また、前記した希釈装置４１の構造は一例であり、本実施形態に限定されるものではない。また、希釈装置４１に水素が残留した状態で発電を停止する場合の条件としては、ＦＣ発電カットやアイドル停止に限定されるものではなく、例えば、イグニッションスイッチをオフした後に希釈装置４１に水素が残留する燃料電池システムも含むものとする。

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。 発電停止以降の処理を示すフローチャートである。 発電停止処理を示すサブフローチャートである。 希釈装置内の水素の動きを示す模式図であり、（Ａ）は発電停止前の状態、（Ｂ）は本実施形態の制御におけるアイドル停止後の状態、（Ｃ）は従来の制御におけるアイドル停止後の状態である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３ 空気極（酸化剤極）
４ 水素極（燃料極）
１１ 空気供給配管
１２ 空気排出配管
１４ 圧力調整弁
１５ 水素センサ
２１ 水素供給配管
２２ 水素排出配管
２６ 水素循環配管
４１ 希釈装置
４２ 水素センサ
５０ 制御装置
ＦＣ 燃料電池

Claims (2)

1. 燃料ガスを、燃料極に連通する燃料ガス流通路に供給し、酸化剤ガスを、酸化剤極に連通する酸化剤ガス流通路に供給して発電を行う燃料電池と、
   前記酸化剤ガス流通路の前記燃料電池の下流側に設けられた圧力調整弁と、
   前記圧力調整弁より下流側に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合することにより前記燃料ガスを希釈する希釈装置と、を備え、前記希釈装置に前記燃料ガスが残留した状態で発電を停止する燃料電池システムであって、
   前記発電の停止時に、前記圧力調整弁を閉じることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記圧力調整弁は、密閉不能な弁であ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。

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