JP2007172884A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止操作に要する時間を短縮する。
【解決手段】燃料電池の発電停止プロセスを行う前の通常発電時において、燃料電池の出力電流または出力電力が所定値よりも小さくなる場合、燃料電池からの排水量が生成水量と供給水量との和よりも多くなるように制御する排水モード発電を行う。排水モード発電では、反応ガス湿度制御手段１８は、三方弁１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂをそれぞれバイパス路２１，２２側へ切り替えて、燃料ガス加湿器１１及び酸化剤ガス加湿器１２で加湿されない燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池１１へ供給するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池システム及びこれを用いた燃料電池車両に係り、特に、迅速な発電停止動作を行うことができる燃料電池システム及びこれを用いた燃料電池車両に関する。

燃料電池は電解質を燃料極と酸化剤極によって挟む構造を有し、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。自動車用途においては電解質として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こり、外部へ直流電流を供給することができる。

燃料極： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- …（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ …（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しない利点がある。

生成された水が燃料電池内部から適切に除去されない場合、反応ガス流路やガス拡散層に残留し反応ガスの拡散の阻害を引き起こしてしまう。一般にフラッディングと呼ばれる前記現象は、反応ガスが触媒に到達することを妨げるため発電性能の低下を引き起こす要因となる。特に氷点下においては、残留した水の凍結により発電ができないことがあった。

この対策として、一般に行われているガスによる配管中の水の排出など、燃料電池内部の水を排出する操作は、通常発電を終了した後の発電停止プロセスにおいて行っている。このため水の排出が完了するまで発電停止プロセスを終了させることができず、停止操作時間が長くなる問題がある。

例えば特許文献１においては、運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿の空気を所定時間（例えば、３分間）供給した後に、燃料電池発電装置の運転を停止する方法により、発電装置停止時において電池内部の合理的な乾燥状態が得られると記載されている。
特開２００１−３３２２８１号公報（第４頁、図１）

しかしながら上記従来技術では、燃料電池の所望の乾燥状態を得るまでに、無加湿のガスを流し続ける時間が必要であるという問題点があった。特に自動車用途において、内燃機関を搭載した車両と同程度の停止操作時間を実現しようとすると、燃料電池システムの停止プロセスに利用できる時間は極めて短く、従来技術では実現することができない。

上記問題点を解決するために本発明は、燃料電池の発電停止プロセスを行う前の通常発電時において、燃料電池の出力電流または出力電力が所定値よりも小さくなる場合、前記燃料電池からの排水量が生成水量と供給水量との和よりも多くなるように制御する排水モード発電を行うことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池の発電停止プロセスを行う前の通常発電時において、燃料電池の出力電流または出力電力が所定値よりも小さくなる場合、前記燃料電池からの排水量が生成水量と供給水量との和よりも多くなるように制御する排水モード発電を行うため、発電停止操作時に燃料電池内の水を排出する制御を行うことなく、予め燃料電池内の水を減らすことができる。燃料電池を停止する前には負荷を小さくするため、負荷が小さいときには常に排水モード発電を行うことにより、発電停止プロセスにおける燃料電池内の排水操作の時間を短縮することができるという効果がある。

また高負荷発電時に比べ加湿必要量が少ない低負荷時のみ排水モード発電を行うため、加湿不足による燃料電池の性能低下を回避することができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する燃料電池システムの各実施例は、燃料電池車両に好適な実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示すシステム概略構成図である。同図において、燃料電池１０は、アノード（燃料極）１ａとカソード（酸化剤極）１ｂとの間に固体高分子電解質を挟持した固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０のアノード１ａ、カソード１ｂの上流側には、それぞれ燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器１１と酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器１２が設けられている。

また燃料ガス加湿器１１をバイパスして加湿しない燃料ガスをアノード１ａに供給するためのバイパス路２１と、燃料ガス加湿器１１とバイパス路２１との切り替えを行うための三方弁１３ａ，１３ｂが設けられている。同様に、酸化剤ガス加湿器１２をバイパスして加湿しない酸化剤ガスをカソード１ｂへ供給するためのバイパス路２２と、酸化剤ガス加湿器１２とバイパス路２２との切り替えを行うための三方弁１４ａ、１４ｂが設けられている。

燃料ガスとしては、例えば、図外の水素貯臓装置たは水素発生装置から水素ガスが供給され、酸化剤ガスとしては、例えば、図外の空気コンプレッサにより空気が供給される。

燃料電池１０から取り出して負荷装置１９へ供給する電流は、負荷制御装置１５によって制御され、取り出し電流の値は直流電流計１６によって計測され、その時の電圧は直流電圧計１７によって計測される。計測された電流、および電圧は反応ガス湿度制御手段１８に入力される。反応ガス湿度制御手段１８は、電流および電圧から燃料電池１０の発電状態を監視し、発電状態に応じて燃料ガス加湿器１１用のバイパスバルブである三方弁１３ａ，１３ｂ、酸化剤ガス加湿器１２用のバイパスバルブである三方弁１４ａ，１４ｂを制御して、反応ガスの湿度を制御する。

尚、以下の説明では、燃料電池１０のアノード１ａ及びカソード１ｂへ供給される反応ガスが含む水分量を供給水量と呼び、アノード１ａ及びカソード１ｂから排出されるガスが含む水分量を排水量と呼ぶ。本発明における排水モード発電においては、排水量が供給水量と背景技術の式（１）の反応式による生成水量との和よりも多くなる状態で燃料電池を運転する。

図２は、本実施例における反応ガス湿度制御手段１８の制御内容を説明する制御フローチャートである。まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、直流電流計１６により燃料電池１０からの取り出し電流を測定する。次いでＳ１２で、測定した電流が所定値よりも小さいか否かを判定する。電流が所定値よりも小さくなった低負荷状態の場合、排水モード発電が禁止されていなければ、Ｓ１４へ進む。電流が所定値以上の場合、或いは排水モード発電が禁止されていれば、何もせずにメインルーチンへリターンする。さらに外気温度センサを参照して凍結の虞が無ければ、何もせずリターンしてもよい。

Ｓ１２において、燃料電池電流を判定する所定値は、例えば、燃料電池システムのアイドリング状態における消費電流値であり、燃料電池システムの実機による測定値に基づいて設定されているものとする。

尚、Ｓ１２では、燃料電池電流に基づいて、燃料電池の低負荷状態を判定したが、燃料電池電流のみではなく、Ｓ１０において直流電圧計１７で燃料電池電圧も検出し、Ｓ１２で、電流と電圧との積である燃料電池の出力電力に基づいて、低負荷状態を判定してもよい。

Ｓ１４では、三方弁１３ａ，１３ｂ，三方弁１４ａ，１４ｂをそれぞれバイパス路２１，２２側へ切り替える。これにより、燃料ガス加湿器１１、酸化剤ガス加湿器１２をバイパスした燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池１０へ供給し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度を低下させて発電を行うように制御する（Ｓ１６）。

次いで、Ｓ１８で直流電圧計１７により燃料電池電圧を測定し、Ｓ２０で燃料電池電圧が所定値を超えているか否かを判定する。Ｓ２０の判定で、燃料電池電圧が所定値を超えていた場合には、Ｓ１６へ戻り、低湿度ガスによる発電を継続する。Ｓ２０の判定で、燃料電池電圧が所定値以下となった場合、燃料電池内部でドライアウトが発生する可能性があるため、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２０において、燃料電池電圧を判定する所定値は、Ｓ１２における燃料電池電流の所定値において、固体高分子電解質の水素イオン伝導可能な加湿状態が維持され、乾燥しないときの燃料電池電圧であり、例えば燃料電池システムの実機による測定値に基づいて設定されているものとする。

また、Ｓ２０における燃料電池電圧の判定として、排水モード発電を開始したときの燃料電池電圧を記憶しておき、この電圧から、現在の燃料電池電圧（Ｓ１８で検出した電圧）を差し引いた電圧差が所定値よりも大きくなった場合、Ｓ２２へ制御を移して排水モードを中止してもよい。

Ｓ２２では、三方弁１３ａ，１３ｂ，三方弁１４ａ，１４ｂをそれぞれ燃料ガス加湿器１１、酸化剤ガス加湿器１２側へ切り替えることにより加湿器バイパスを中止する。これにより、燃料ガス加湿器１１、酸化剤ガス加湿器１２を経由して加湿された燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池１０へ供給する。

次いで、Ｓ２４において、燃料電池内部の含水状態が回復する前に再度排水モード発電を行って燃料電池の劣化が起こることを回避するため、排水モード発電を禁止するように制御する。その後、Ｓ２６で加湿ガスで発電を継続し、Ｓ２８で燃料電池１０の電圧を直流電圧計１７で検出し、Ｓ３０で電圧が所定値を超えているか否かを判定する。電圧が所定値を超えていなければ、Ｓ２６へ戻る。Ｓ３０の判定で使用する所定値は、Ｓ２０の判定で使用した所定値と同じ値である。こうして、Ｓ２６からＳ３０までを繰り返し、燃料電池の電圧が所定値を超えるまで、加湿ガスによる発電を行う。

Ｓ３０の判定で、燃料電池の電圧が所定値を上回ったと判定した場合、Ｓ３２へ進み、排水モード発電の禁止を解除し、燃料電池の取り出し電流に応じて排水モード発電を行うことを許可して、メインルーチンへリターンする。

以上説明した本実施例によれば、燃料電池の発電停止プロセスを行う前の通常発電時において、燃料電池の出力電流または出力電力が所定値よりも小さくなる場合、燃料電池からの排水量が生成水量と供給水量との和よりも多くなるように制御する排水モード発電を行うため、発電停止操作中に燃料電池内の水を排出する制御を行うことなく、予め燃料電池内の水を減らすことができ、停止操作時間を短縮することができるという効果がある。

また、本実施例によれば、高負荷発電時に比べ加湿必要量が少ない低負荷時のみ排水モード発電を行うため、加湿不足による燃料電池性能の低下を回避することができる。

また、本実施例によれば、排水モード発電において、燃料電池の電圧が所定値を下回る場合、排水モード発電を中止し、通常発電に移行するように制御するため、燃料電池内の水が過剰に排出されることを避けることができるという効果がある。

また、本実施例によれば、排水モード発電を中止し、通常発電に移行に移行した後、燃料電池の電圧が所定値を超えるまでの間、再度排水モード発電を行わないように制御するため、通常発電に復帰した後で燃料電池内の加湿不足による性能低下から速やかに回復させることができる。

さらに、本実施例によれば、外気温を計測する手段を備え、外気温が所定の温度よりも高い場合、排水モード発電を行わないため、凍結の恐れがない場合には排水モード発電を行わず、燃費性能を向上させることができるという効果がある。

尚、本実施例における排水モード発電は、燃料電池に供給する反応ガスの相対湿度を通常発電時よりも下げる例であるが、排水モード発電として、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の反応ガス流量を増加させて反応ガス利用率を通常発電持より低下させることにより、燃料電池からの排水量を生成水量と供給水量との和より多くなるように制御することもできる。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を示すシステム概略構成図である。同図において、燃料電池１０のアノード１ａ、カソード１ｂの上流側には、それぞれ反応ガスの相対湿度を制御することが可能な燃料ガス加湿器３０と、酸化剤ガス加湿器３１が設けられている。

燃料電池１０から取り出す電流は、負荷制御装置１５によって制御され、取り出し電流の値は直流電流計１６によって計測される。計測された電流は反応ガス湿度制御手段３２に入力される。反応ガス湿度制御手段３２は、直流電流計１６からの信号を受け燃料電池１０の発電状態を把握する。

次に、反応ガス湿度制御手段３２の制御動作を説明する。まず、反応ガス湿度制御手段３２は、燃料電池の取り出し電流が所定値を下回った場合、燃料ガス加湿器３０及び酸化剤ガス加湿器３１に対して反応ガスの相対湿度を低下させた排水モード発電するように指令する。同時にタイマー３３にカウントの開始を指示する。タイマー３３が所定の時間に達した場合、タイマー３３は反応ガス湿度制御手段３２に対して所定時間到達の信号を出力する。反応ガス湿度制御手段３２は、燃料ガス加湿器３０と、酸化剤ガス加湿器３１に対して、反応ガスの相対湿度を通常値に戻すことを指示して排水モード発電を停止する。これにより燃料電池内部のドライアウトを避けることができる。

以上説明した本実施例によれば、排水モード発電が所定時間経過した場合、排水モード発電を中止し、通常発電に移行するように制御するため、燃料電池内の水が過剰に排出されることを避けることができるという効果がある。

図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を搭載した燃料電池車両の実施例を示すシステム概略構成図である。

同図において、燃料電池１０は、内部に図示しない冷却液循環経路を備えている。また燃料電池システムは、冷却系として、冷却液循環経路４３と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ４５と、燃料電池１０とラジエータ４５との間で冷却液を循環させる冷却液ポンプ４７と、ラジエータ４６をバイパスするバイパス経路４６と、ラジエータ４５とバイパス経路４６との分流比を制御する冷却液三方弁４４とを備えている。

冷却液三方弁４４は、冷却液温度制御手段４０によって燃料電池１０の温度制御のために分流比が制御される。冷却液温度制御手段４０からバイパス経路４６側への分流比が大きくなるように制御されると、冷却液のラジエータにおける放熱量が低下し、冷却液温度が上昇し、従って燃料電池１０の温度も上昇する。

これとは逆に、ラジエータ４５側への分流比が大きくなるように制御されると、冷却液のラジエータにおける放熱量が増加し、冷却液温度が降下し、従って燃料電池１０の温度も下がる。

また、燃料電池車両は、ＧＰＳ等を用いた車両位置情報システム４１と、車速検出装置４２と、経過時間を計測するタイマー３３とを備え、車両位置情報システム４１からの自車の位置、およびあらかじめ入力された目的地の位置に関する情報が冷却液温度制御手段４０に伝達される。また車速検出装置４２は自車の速度情報を冷却液温度制御手段４０に伝える。

自車が目的地に到達した場合、車両位置情報システム４１は目的地に到着したことを冷却液温度制御手段４０に伝える。さらに車速検出装置４２が検出した車速に基づいて自車が停止状態にあると判断された場合、冷却液温度制御手段４０は、冷却液三方弁４４に対してバイパス経路４６側への冷却液の分流比増加を指示するとともに、タイマー３３に対してカウントの開始を指令する。

ここで、冷却液温度制御手段４０は、車速検出装置４２が検出した車速が０であり、さらに図示しない変速装置のレバーが「パーキング」位置に設定されている場合、自車は停止していると判断してもよい。その後、燃料電池システムの停止が指示されず、かつタイマー３３が所定時間に達した場合、冷却液温度制御手段４０は冷却液三方弁４４に対して冷却液のバイバス経路４６への分流を停止するように指示する。これにより燃料電池内部のドライアウトを避けることができる。

尚、冷却液の温度を調節するために、図４に示したバイパス経路４６と冷却液三方弁４４に代えて、冷却液循環経路４３上に図示しない冷却液加熱装置を設けて、排水モード運転時に、冷却液温度制御手段４０により冷却液加熱装置を制御して冷却液を加熱することにより、燃料電池１０の温度を上昇させることもできる。

以上説明した実施例３によれば、排水モード発電において、燃料電池温度を通常発電時よりも上昇するように制御するため、燃料電池の排気中の水蒸気圧を高めて、発電停止操作において燃料電池内の水を排出する制御を行うことなく、燃料電池内の水を減らすことができるという効果がある。

また、実施例３によれば、燃料電池システムを電源とする燃料電池車両において、車両走行状態を監視する走行状態監視手段が燃料電池車両が停止したと判断したとき、排水モード発電を行うように制御するため、発電停止操作中に燃料電池内の水を排出する制御を行うことなく、予め燃料電池内の水を減らすことができ、停止操作の時間を短縮することができるという効果がある。

さらに、実施例３によれば、車両位置情報システムが、燃料電池車両が目的地へ到着したと判断した場合、排水モード発電を行うため、発電停止操作中に燃料電池内の水を排出する制御を行うことなく、予め燃料電池内の水を減らすことができ、停止操作の時間を短縮することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の概要を示すシステム構成図である。 実施例１の制御フローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の概要を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の概要を示すシステム構成図である。

符号の説明

１０：燃料電池
１１：燃料ガス加湿器
１２：酸化剤ガス加湿器
１３ａ，１３ｂ：三方弁
１４ａ，１４ｂ：三方弁
１５：負荷制御装置
１６：直流電流計
１７：直流電圧計
１８：反応ガス湿度制御手段
１９：負荷装置
２１：バイパス路
２２：バイパス路

Claims (13)

1. 燃料電池の発電停止プロセスを行う前の通常発電時において、
   燃料電池の出力電流または出力電力が所定値よりも小さくなる場合、前記燃料電池からの排水量が生成水量と供給水量との和よりも多くなるように制御する排水モード発電を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排水モード発電において、
   前記燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の相対湿度を通常発電時よりも下げるように制御す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。
3. 前記排水モード発電において、
   前記燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方の利用率を通常発電時よりも下げるようにガス流量を増加させ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。
4. 前記排水モード発電において、
   前記燃料電池温度を通常発電時よりも上昇するように制御す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。
5. 前記排水モード発電が所定時間経過した場合、
   前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記排水モード発電において、前記燃料電池の電圧が所定値を下回る場合、
   前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記排水モード発電において、前記排水モード発電を開始した時の燃料電池の電圧から現在の燃料電池電圧を差し引いた電圧差が所定値よりも大きくなった場合、
   前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行した時から所定時間の間、
   再度前記排水モード発電を行わないように制御することを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行した後、前記燃料電池の電圧が所定値を超えるまでの間、
   再度前記排水モード発電を行わないように制御することを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記排水モード発電を中止し、通常発電に移行した後において、
    前記燃料電池の電圧と、通常発電に移行した直後の前記燃料電池の電圧との差が所定値を超えるまでの間、
    再度前記排水モード発電を行わないように制御することを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 外気温を検出する外気温度検出手段を備え、
    該外気温度検出手段により検出された外気温が所定温度よりも高い場合、前記排水モード発電を行わないことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システムを電源とする燃料電池車両であって、
    前記燃料電池車両の走行状態を監視する走行状態監視手段を備え、
    前記走行状態監視手段が、前記燃料電池車両が停止したと判断したとき、前記排水モード発電を行うように制御することを特徴とする燃料電池車両。
13. 請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システムを電源とする燃料電池車両であって、
    前記燃料電池車両の目的地の設定を受け入れると共に車両位置を検出することができる車両位置情報システムを備え、
    前記車両位置情報システムが、前記燃料電池車両が目的地に到着したと判断した場合、前記排水モード発電を行うことを特徴とする燃料電池車両。

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