JP2007200625A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスを供給しなくても掃気処理を十分に実施でき、かつ、バッテリを小型化できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池、供給装置、および制御装置３０を備える。流路は、燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含む。制御装置３０は、循環流路内の水素圧を検出する圧力センサ３１と、燃料電池の停止が要求されると、圧力センサ３１で検出された水素圧が所定値以上であるか否かを判定する判定手段４１と、当該判定手段４１で水素圧が前記所定値未満であると判定した場合には、圧力調整弁２５２により循環流路内の水素圧を前記所定値以上になるまで増加させた後に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止する停止手段４２と、燃料電池の発電電力の少なくとも一部を利用して、流路を掃気する掃気手段４３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

以上の燃料電池システムは、例えば、イグニッションスイッチがオフされて燃料電池の停止が要求されると、直ちに水素ガスの供給を停止して、燃料電池システムを停止する。その後、燃料電池に残留する反応ガスの反応により、ガス循環ポンプを作動させて、掃気処理を行う（特許文献１参照）。
この特許文献１の燃料電池システムによれば、残留する反応ガスを反応させて電力を生成することで、反応ガスの有効利用を図ることができる。
特開平６−２２３８５９号公報

しかしながら、特許文献１に示された燃料電池システムでは、イグニッションスイッチをオフするタイミング次第で、燃料電池システムが保有する残留反応ガス量が異なるため、掃気処理を十分に実施できない場合があった。また、残留反応ガスによる発電でまかなえなかった電力は、バッテリから取り出す必要があり、バッテリの小型化が困難となる。

本発明は、反応ガスを供給しなくても掃気処理を十分に実施でき、かつ、バッテリを小型化できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

（１）燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記燃料電池に流路（例えば、実施の形態における流路５０）を通して供給する供給手段（例えば、実施の形態における供給装置２０）と、前記供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態における制御装置３０）と、を備える燃料電池システムであって、前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路（例えば、実施の形態における循環流路５１）を含み、前記供給手段は、前記循環流路内のガス量を増加させるガス量増加手段（例えば、実施の形態における圧力調整弁２５２）を備え、前記制御手段は、前記循環流路内のガス量を検出するガス量検出手段（例えば、実施の形態における圧力センサ３１）と、前記燃料電池の停止が要求されると、前記ガス量検出手段で検出されたガス量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段（例えば、実施の形態における判定手段４１）と、当該判定手段で前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記ガス量増加手段により前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止する停止手段（例えば、実施の形態における停止手段４２）と、前記燃料電池の発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気する掃気手段（例えば、実施の形態における掃気手段４３）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。

ここで、燃料ガスは、例えば、水素ガスであり、酸化剤ガスは、例えば、酸素を含む空気である。

（１）の発明によれば、制御手段に判定手段および停止手段を設けたので、燃料電池の停止が要求されると、循環流路内のガス量を所定値以上確保してからガスの供給を停止する。よって、循環流路内に残留したガスを利用することで、燃料ガスや酸化剤ガスを供給しなくても、燃料電池で発電できる。
したがって、掃気手段を駆動するエネルギを確保でき、掃気処理を十分に実施できる。さらには、燃料電池システムを停止した際に、掃気不足になって次回の起動性が低下するのを防止できる。
そのうえ、掃気手段をバッテリおよび燃料電池からの電力により駆動する構成とすれば、バッテリからの持ち出す電力を低減できるから、バッテリを小型化できる。また、燃料電池システムを停止する前に、掃気処理や次回起動のための電力をバッテリに充電する必要があるが、バッテリからの持ち出す電力を低減できるので、燃料電池システム停止前の充電時間を短縮できる。

（２）前記所定値は、前記掃気手段で前記流路内の水を排出するのに必要な電力を前記燃料電池により発電可能となるガス量であることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（２）の発明によれば、所定値を、掃気手段で流路内の水を排出するのに必要な電力を燃料電池により発電可能となるガス量とした。よって、燃料電池システムを停止しても、掃気処理を確実に行うことができるとともに、掃気処理に必要な電力をバッテリから持ち出すことがないため、バッテリの小型化や停止時間の短縮をより効果的に実現できる。

（３）燃料ガスおよび酸化剤ガスが流路を通して供給され、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含み、前記燃料電池の停止が要求されると、前記循環流路内のガス量が所定値以上であるか否かを判定し、前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止し、前記循環流路内のガスを利用して前記燃料電池を発電させ、この発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気することを特徴とする燃料電池の制御方法。

（３）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。

本発明によれば、燃料電池の停止が要求されると、循環流路内のガス量を所定値以上確保してからガスの供給を停止する。よって、循環流路内に残留したガスを利用することで、ガスを供給しなくても、燃料電池で発電できる。したがって、掃気手段を駆動するエネルギを確保でき、掃気処理を十分に実施できる。さらには、燃料電池システムを停止した際に、掃気不足になって次回の起動性が低下するのを防止できる。そのうえ、掃気手段をバッテリおよび燃料電池からの電力により駆動する構成とすれば、バッテリからの持ち出す電力を低減できるから、バッテリを小型化できる。また、燃料電池システムを停止する前に、掃気処理や次回起動のための電力をバッテリに充電する必要があるが、バッテリからの持ち出す電力を低減できるので、燃料電池システム停止前の充電時間を短縮できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に流路５０を通して燃料ガスとしての水素ガスや酸化剤ガスとしての空気を供給する反応ガス供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０と、燃料電池１０および供給装置２０に電力を供給するバッテリ４０と、を有する。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。

コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４には、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５において、水素タンク２２近傍には遮断弁２５１が設けられ、この遮断弁２５１とエゼクタ２８との間にはガス量増加手段としての圧力調整弁２５２が設けられている。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、ガス量検出手段としての圧力センサ３１が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側には、分岐路２６２が接続されている。この分岐路２６２は、上述のエゼクタ２８まで延びている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路２６２を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

ここで、エア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、水素排出路２６、および分岐路２６２は、流路５０を構成する。
また、水素排出路２６のうち燃料電池１０からパージ弁２６１までの部分、分岐路２６２、および、水素供給路のうち遮断弁２５１からエゼクタを通って燃料電池１０までの部分は、燃料電池１０から排出されたガスを再び燃料電池１０に供給する循環流路５１（図１中流路５０のうちの太線部分）である。

バッテリ４０は、燃料電池１０に接続され、燃料電池１０で生成された電力が蓄えられる。また、バッテリ４０は、コンプレッサ２１に接続され、蓄えた電力をコンプレッサ２１に供給可能となっている。
なお、コンプレッサ２１は、燃料電池１０に接続されており、バッテリ４０からの電力に限らず、燃料電池１０で生成された電力によっても駆動するようになっている。

上述のコンプレッサ２１、遮断弁２５１、圧力調整弁２５２、背圧弁２４１、およびパージ弁２６１は、後述の制御装置３０により制御される。
また、この制御装置３０には、上述の圧力センサ３１のほか、イグニッションスイッチ３２が接続されている。イグニッションスイッチ３２は、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。

図２は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、判定手段４１、停止手段４２、および掃気手段４３を備える。

圧力センサ３１は、循環流路５１内の水素ガスの圧力を測定して、制御装置３０に送信する。

判定手段４１は、イグニッションスイッチ３２がオフされて燃料電池１０の停止が要求されると、圧力センサ３１で検出されたガス圧が所定値以上であるか否かを判定する。

停止手段４２は、判定手段４１でガス圧が所定値未満であると判定した場合には、圧力調整弁２５２の開度を制御して、循環流路５１内のガス圧を所定値以上になるまで増加させて、その後、遮断弁２５１を閉じて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止する。一方、判定手段４１でガス量が所定値を超えると判定した場合には、圧力調整弁２５２を作動することなく、遮断弁２５１を閉じて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止する。

掃気手段４３は、背圧弁２４１、およびコンプレッサ２１を制御して、燃料電池１０の掃気処理を行う。
具体的には、背圧弁２４１を開いて、コンプレッサ２１を駆動する。すると、コンプレッサ２１から送られた掃気ガスとしての空気は、エア供給路２３、燃料電池１０のカソード側、およびエア排出路２４を介して、外部に排出される。

以上の制御装置３０の判定手段４１および停止手段４２の具体的な動作について説明する。
図３は、循環流路５１内の水素圧とこの水素による発電量との関係を示す図である。
遮断弁２５１が閉じた状態では、燃料電池１０の発電量は、循環流路５１内の水素量により決定される。循環流路５１内の水素量は水素圧に比例するから、発電量は、循環流路５１内の水素圧に比例することになる。
なお、図３中破線は、掃気手段４３を駆動させるために必要な水素圧の下限であり、具体的には、掃気手段４３で流路５０内の水を排出するのに必要な電力を燃料電池１０により発電可能となる水素圧である。

判定手段４１は、イグニッションスイッチがオフされると、圧力センサ３１で検出した水素ガスの圧力値が、上述の必要な水素圧の下限以上であるか否かを判定する。
停止手段４２は、図３中左側に示すように、水素ガスの圧力値が必要な水素圧の下限未満であると判定した場合には、圧力調整弁２５２を制御して、この水素ガスの圧力値を下限値以上になるまで増加させる。一方、図３中右側に示すように、水素ガスの圧力値が必要な水素圧の下限以上であると判定した場合には、水素ガスの圧力を増加させることはない。

以上の燃料電池システム１の動作について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、イグニッションスイッチ３２（ＩＧ）がオフされると（ＳＴ１）、判定手段４１は、圧力センサ３１で検出された循環流路５１内の水素圧を確認し（ＳＴ２）、この水素圧が必要水素圧の下限値以上であるか否かを判定する（ＳＴ３）。
この判定が“ＮＯ”のときは、水素圧が不足しているため、圧力調整弁２５２を作動させて、循環流路５１内に水素を供給して水素量を増加させ（ＳＴ４）、ＳＴ２に戻る。一方、この判定が“ＹＥＳ”のときは、十分な水素圧を循環流路５１内に確保できているため、遮断弁２５１を閉じて水素を遮断する（ＳＴ５）。

その後、循環流路５１内の残留水素により燃料電池１０で発電させ（ＳＴ６）、掃気手段４３を駆動し、燃料電池システム１の掃気処理を行う（ＳＴ７）。掃気処理が完了すると、燃料電池システム１を停止させる（ＳＴ８）。
なお、燃料電池システム１の掃気処理では、コンプレッサ２１を駆動する必要があるが、このコンプレッサ２１は、循環流路５１内の残留水素を利用して燃料電池１０で生成した電力により駆動され、掃気処理を行う。燃料電池１０で生成した電力では掃気処理を行うのに不足する場合には、コンプレッサ２１は、バッテリ４０からの電力も利用して駆動される（図１参照）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）制御装置３０に判定手段４１および停止手段４２を設けたので、イグニッションスイッチ３２がオフされることにより燃料電池１０の停止が要求されると、循環流路５１内の水素圧を必要水素圧の下限値以上確保してから、水素の供給を停止する。よって、循環流路５１内に残留した残留水素を利用することで、水素を供給しなくても、燃料電池１０で発電できる。
したがって、掃気手段４３を駆動するエネルギを確保でき、掃気処理を十分に実施できる。さらには、燃料電池システム１を停止した際に、掃気不足になって次回の起動性が低下するのを防止できる。
そのうえ、掃気手段４３をバッテリ４０および燃料電池１０からの電力により駆動する構成としたので、バッテリ４０からの持ち出す電力を低減できるから、バッテリ４０を小型化できる。また、燃料電池システム１を停止する前に、掃気処理や次回起動のための電力をバッテリに充電する必要があるが、バッテリ４０から持ち出す電力を低減できるため、燃料電池システム１を停止する前の充電時間を短縮できる。

（２）所定値を、循環流路５１内の水素を利用して燃料電池を発電させ、この発電した電力で掃気手段４３を駆動して流路５０内の水分を排出できるだけの値とした。よって、燃料電池システム１を停止しても、掃気処理を確実に行うことができるとともに、掃気処理に必要な電力をバッテリ４０から持ち出すことがないため、バッテリ４０の小型化や停止時間の短縮をより効果的に実現できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、掃気手段４３によりカソード側のみを掃気したが、これに限らず、掃気手段によりカソード側に加えてアノード側も掃気してもよい。
すなわち、エア供給路２３と水素供給路２５とをバイパスで接続し、このバイパスにエア導入弁を設ける。そして、コンプレッサを駆動する際に、エア導入弁を開くことで、コンプレッサ２１から送られた掃気ガスとしての空気は、バイパスを介して、水素供給路２５に導入され、燃料電池１０のアノード側および水素排出路２６を通って、外部に排出される。
ただし、アノード側も掃気する場合には、バッテリを十分に充電してから掃気を行う。

また、本実施形態では、圧力調整弁２５２で循環流路内の水素ガスの圧力を調整したが、これに限らず、ポンプを用いて圧力を調整してもよい。
また、本実施形態では、アノード側のみの水素量を増加して、循環流路５１に密閉したが、これに限らず、例えば、カソード側のエア供給路２３やエア排出路２４内の酸素量を増加して密閉してもよい。このとき、酸素量を、アノード側の水素量よりも多くする必要がある。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの循環流路内の水素圧とこの水素による発電量との関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…供給装置（供給手段）
２３…エア供給路（流路）
２４…エア排出路（流路）
２５…水素供給路（流路）
２６…水素排出路（流路）
３０…制御装置（制御手段）
３１…圧力センサ（ガス量検出手段）
４１…判定手段
４２…停止手段
４３…掃気手段
２５２…圧力調整弁（ガス量増加手段）
２６２…分岐路（流路）

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記燃料電池に流路を通して供給する供給手段と、前記供給手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含み、
   前記供給手段は、前記循環流路内のガス量を増加させるガス量増加手段を備え、
   前記制御手段は、前記循環流路内のガス量を検出するガス量検出手段と、
   前記燃料電池の停止が要求されると、前記ガス量検出手段で検出されたガス量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段と、
   当該判定手段で前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記ガス量増加手段により前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止する停止手段と、
   前記燃料電池の発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気する掃気手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記所定値は、前記掃気手段で前記流路内の水を排出するのに必要な電力を前記燃料電池により発電可能となるガス量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。
3. 燃料ガスおよび酸化剤ガスが流路を通して供給され、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、
   前記流路は、前記燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給する循環流路を含み、
   前記燃料電池の停止が要求されると、前記循環流路内のガス量が所定値以上であるか否かを判定し、
   前記ガス量が前記所定値未満であると判定した場合には、前記循環流路内のガス量を前記所定値以上になるまで増加させた後に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガスの供給を停止し、
   前記循環流路内のガスを利用して前記燃料電池を発電させ、この発電電力の少なくとも一部を利用して、前記流路を掃気することを特徴とする燃料電池の制御方法。

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