JP2007234554A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】共通燃料源方式の車両において燃料電池を極力稼働させずに暖機する際に燃料電池の性能劣化を防止できる燃料電池システムおよび燃料電池制御方法を提供する。
【解決手段】本燃料電池システム１は、アノード極、カソード極およびこれら両極に挟まれた膜を備え、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１０と、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて触媒燃焼させ、燃料電池の暖機に用いる燃焼ヒータ５６とを備え、燃料電池１０の暖機中に燃料電池にも燃料ガスと酸化剤ガスが供給され、暖機後に発電を行う。燃焼ヒータ５６による暖機が終わるまでの間の所定期間は、両極間の電圧が前記膜の耐電圧性を考慮した所定電圧以下となるような制限電流を燃料電池から出力するようにする。これにより、燃料電池が高電圧状態になって劣化するのを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を暖機する技術に関する。
燃料電池は、エネルギー変換効率が高いため損失熱で自らを暖機する能力が小さく、規定温度より低いと発電効率が極端に低くなるという特性を有する。このため、始動直後に十分な発電電力を得るのが困難である。さらに、セルの電解質膜の一部が凍結するほどの低温下では、発電効率がいっそう低下する。このような低温状態における始動に対処するため、これまで、燃料電池の暖機システムがいろいろ提案されている。例えば、燃料電池を加温または冷却する冷却水循環系に燃焼式ヒータ（単に、燃焼ヒータという）を設け、この燃焼ヒータに燃料電池と共通の燃料源から燃料を供給する燃料電池の暖機システムがある（特許文献１参照）。
ところで、このような暖機システムによる暖機後に発電を行う燃料電池システムの場合、燃料電池を経由して燃料が燃焼ヒータに供給されたり、燃焼ヒータへの燃料の供給にあわせて燃料電池にも燃料が供給されたり、その他、暖機中に燃料電池に燃料が供給されたりすると、例えば、暖機後、直ちに発電可能となり都合がよい。また、その他の理由により、暖機中に燃料電池に燃料が供給されることがある。
特開平７−９４２０２号公報（段落００７３、図１１）
しかしながら、暖機中に燃料電池に燃料（燃料ガス、酸化剤ガス）が供給されると、発電により燃料が消費されることはないものの、燃料電池内の電極が高電位になる。この高電位の状態が長く続いたり、暖機のたびに高電位の状態になることが繰り返されたりすると、燃料電池の性能劣化を招くこととなる。
そこで、本発明は、暖機の際の燃料電池の性能劣化を防止可能とした燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを課題とする。
上記の課題を果たすため、請求項１記載の発明は、次のような燃料電池システムを提供する。すなわち、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて燃焼させる燃焼ヒータと、アノード極とカソード極の間に膜を挟んで、前記アノード極に燃料ガスを供給し、前記カソード極に酸化剤ガスを供給することにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池および前記燃焼ヒータに燃料ガスと酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃焼ヒータによる暖機が終わるまでの間の所定期間は、両電極の電圧が前記膜の耐電圧性を考慮した所定電圧以下となるような制限電流を前記燃料電池から出力するディスチャージ手段とを備えることを特徴とする。
この構成の燃料電池システムによれば、暖機中に両極間の電圧が前記膜の劣化防止を考慮した所定の閾電圧を超えないように燃料電池から電力を出力させるので、燃料電池が高電圧状態になって劣化するのを防止することができる。
請求項２記載の燃料電池システムは、燃料電池から出力された電力を電装補機に供給する手段をさらに含むことを特徴とする。
この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池から出力された電力を補機に供給するので、エネルギーの無駄を省き、エネルギー効率を高めることができる。
また、請求項３記載の発明は、アノード極、カソード極およびこれら両極に挟まれた膜を備え、前記アノード極に供給される燃料ガスと前記カソード極に供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを反応させて燃焼させる燃焼ヒータとを備え、前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池にも燃料ガスと酸化剤ガスが供給される燃料電池システムにおいて、所定の条件に応じて、前記燃焼ヒータを動作させる暖機ステップと、前記暖機ステップの実行が終わるまでの間の所定期間は、両極間の電圧が前記膜の耐電圧性を考慮した所定電圧を超えないように前記燃料電池から電力を出力させるステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
この燃料電池システム運転方法は、請求項１の燃料電池システムと同様の効果を発揮する。
本発明によれば、燃料電池の劣化を招くことなく燃料電池を極力稼働させずに燃料電池を暖機することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態と添付図面により本発明を詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による並列方式の燃料電池システムの構成例を概念的に示す概略ブロック図である。以下において、本発明の燃料電池システムは、車両に搭載されているものとして説明するが、必ずしも車載のものである必要はない。
図１において、本実施形態に係る燃料電池システム１は、周知のようにアノード極（図示せず）、カソード極（図示せず）およびこれら両極に挟まれた電解質膜（図示せず）を備え、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１０、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給および排出するアノード系（後記）、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給および排出するカソード系（後記）、燃料電池１０の暖機を行う暖機系（後記）、燃料電池システム１の起動スイッチであるイグニッションスイッチ（ＩＧ）８０、およびこれらを電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）９０を主に備えている。
燃料電池（燃料電池スタック）１０は、単セルを複数積層することによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟んで構成したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）と、このＭＥＡを挟む一対のセパレータとにより構成されている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素または酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒（Ｐｔなど）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差（いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧））が発生する。このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、例えば図示しない走行モータなどの外部負荷４１が接続されると、燃料電池１０は継続的に発電する。また、前記セパレータには、燃料電池１０を加熱するための熱交換流体が流通する熱交換流体流路１３が形成されている。
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、水素タンク２１からの水素ガスの流路を断続または開閉する遮断弁２２と、を主に備えている。そして、水素タンク２１から下流側に向かって、配管２１ａと、遮断弁２２と、配管２２ａと、アノード流路１１とが順に接続されており、後記の燃料電池（ＦＣ）制御部９１によって遮断弁２２が開かれると、アノード流路１１に水素が供給されるようになっている。また、配管２２ａには減圧弁（図示せず）が設けられており、水素が適宜に減圧されるようになっている。
アノード流路１１の下流側には、配管２２ｂが接続され、アノードから排出されたアノードオフガスが、配管２２ｂを介して外部に排出されるようになっている。
カソード系は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給源）を主に備えている。コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２に接続され、ＦＣ制御部９１の指令により動作すると、酸素を含む空気がカソード流路１２に供給される。また、配管３１ａには、加湿器（図示せず）が設けられ、カソードに送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
カソード流路１２の下流側には、配管３１ｂが接続され、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管３１ｂを介して外部に排出されるようになっている。
燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧Ｖを測定するための電圧センサ１６が接続され、さらに燃料電池１０の出力電流Ｉを測定するための電流センサ１５と燃料電池１０の電力で稼働する負荷４１と負荷４１への供給電力の断続を行うスイッチ４２との直列回路が接続されている。図１では、簡単のために負荷４１とスイッチ４２を１組しか示していないが、実際には負荷４１とスイッチ４２の組は多数並列に接続されている。勿論、負荷４１には、車両の駆動輪を駆動する図示しない走行モータの他、コンプレッサ３１やポンプ６１のモータも含まれる。
暖機系は、燃料電池１０の熱交換流体流路１３を流れる熱交換流体を適宜に加熱する系である。暖機系は、コンプレッサ３１からの配管３１ａの分岐路に挿入されたバイパス用遮断弁５０、上記の遮断弁２２下流の配管２２ａの分岐路に挿入された遮断弁５１、バイパス用遮断弁５０からの空気流に遮断弁５１からの水素ガスを注入させるインジェクタ５２、インジェクタ５２を通った空気と水素ガスとを混合して燃焼混合ガスを生成する混合器５３、Ｐｔなどの触媒を内蔵し、その触媒下で混合器５３からの燃焼混合ガスに燃焼反応を起こさせ、高温の排気ガスを発生する触媒燃焼器５４、触媒燃焼器５４から送られた高温の排気ガスと熱交換流体との間で熱交換することにより熱交換流体を加熱する熱交換器５５、熱交換器５５で加熱された熱交換流体を燃料電池１０の熱交換流体流路１３に通して循環させるポンプ６１および熱交換流体循環用の配管６１ａ〜６１ｃを備える。
触媒燃焼器５４と熱交換器５５は、燃焼ヒータ燃焼ヒータ５６として一体化して実現することも可能である。熱交換後の排気ガスは、配管を介して外部に排出される。配管６１ａには、温度センサ６２が取り付けられ、その内部を流れる熱交換流体の温度Ｔを検出するようになっている。燃料電池１０から排出された直後の熱交換流体が配管６１ａを流れるため（図１参照）、温度センサ６２で検出される温度Ｔは、燃料電池１０の温度にほぼ等しいと考えられる。なお、熱交換流体は、いわゆるラジエータ液（不凍液、冷媒）であり、例えば、エチレングリコールなどを主成分とするものである。
ＥＣＵ９０は、本実施形態による燃料電池システム１を搭載する図示しない車両を電子制御する装置であり、燃料電池制御部（ＦＣ制御部）９１などの種々の図示しないコントローラ（制御部）を含む。ＦＣ制御部９１などの各コントローラは、周知のようにＣＰＵ（図示せず）、不揮発性メモリ９２、ＲＡＭ（図示せず）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成される。ＥＣＵ９０のコントローラどうしは必要な情報を交換できるように相互に接続され、上記の図示しない車両の電子制御を行う。
以下において詳細に説明するように、ＦＣ制御部９１は、不揮発性メモリ９２に格納されている燃料電池制御プログラム（図示せず）を上記のＣＰＵで実行することにより、電流センサ１５、電圧センサ１６、温度センサ６１およびイグニッションスイッチ（ＩＧ）８０などからの信号に応じて、遮断弁２２、コンプレッサ３１、遮断弁５０および５１、スイッチ４２、およびポンプ６１をそれぞれ制御する制御信号Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ５０，Ｃ５１、Ｃ４２およびＣ６１を適宜出力することで、燃料電池システム１の制御を行う。
図２は、ＩＧ８０がＯＦＦからＯＮに切り替えられた際に、ＦＣ制御部９１が不揮発性メモリ９２から読み出して実行する本発明の一実施形態によるＦＣ制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。このＦＣ制御プログラムは、所定の条件の場合、運転を許さず専ら暖機を行う機能（暖機オンリーモード）を有するものである。なお、初期状態として、ＩＧ８０がＯＦＦの場合、すべての遮断弁２２、５０および５１が遮断状態であり、ＩＧ８０のＯＮ直後は、スイッチ４２はＯＦＦ（すなわち、開状態）であり、コンプレッサ３１およびポンプ６１はＯＦＦであるとする。ＩＧ８０がＯＮになると、図２において、ＦＣ制御部９１は、まずステップＳ１において、コンプレッサ３１と遮断弁２２のみを動作させて、燃料電池１０に空気と水素ガスを所定量だけ供給することにより、燃料電池１０の運転を開始する。続いて、ステップＳ３において、燃料電池１０の出力電極を解放した状態で燃料電池１０の温度（以下、「システム温度」と称する）Ｔを測定する。
判断ステップＳ５において、ステップＳ３で測定したシステム温度Ｔを基に、暖機オンリーにするか否かを判断する。すなわち、システム温度Ｔが所定の温度Ｔ０より低いか否かを判断する。判断ステップＳ５において、Ｔ＞Ｔ０で暖機オンリーにする必要がないと判断した場合（Ｎｏの場合）、通常の要領で燃料電池１０の通常運転を行ってもよいし、燃料電池１０と燃焼ヒータ５６の平行運転を必要なだけ行ってから燃料電池の通常運転を行ってもよい。
判断ステップＳ５において、Ｔ≦Ｔ０で暖機オンリーにすべきであると判断した場合（Ｙｅｓの場合）、Ｙｅｓ燃料電池１０の運転を極力控え専ら暖機を行うことにより、燃料電池１０を速やかに昇温し、短期間で燃料電池１０の運転ができるようにする。このため、ステップＳ７において、図１の遮断弁２２、５０、５１およびポンプ６１を動作させることにより、燃焼ヒータ５６の運転を開始する。このとき、暖機効率を高めるために、燃料電池１０ではなく燃焼ヒータ５６の方に反応ガスを多く供給するように制御することが好ましい。しかし、燃料電池１０にも反応ガスが供給されるので、燃料電池１０は発電する（電気化学反応により電位差が生じる）。図３は、暖機オンリーモードの暖機が必要な条件下における燃料電池１０のＩＶ特性曲線の一例を示すグラフである。図３のグラフから分かるように、燃料電池１０に負荷を接続していないと（Ｉ＝０の場合）、燃料電池１０の出力電圧Ｖは、高い解放端電圧Ｖｏとなる。燃料電池１０は、このような高電圧状態に曝されると、燃料電池１０を構成するＭＥＡが劣化する。したがって、燃料電池１０の出力電圧Ｖを長時間曝してもＭＥＡ（図示せず）の劣化が問題にならない閾電圧Ｖｔｈより低い状態に維持することが重要である。このためには、各ＭＥＡの両極間の電圧がＭＥＡの電解質膜の耐圧を超えないようにする必要がある。したがって、閾電圧Ｖｔｈは、例えば、電解質膜の耐圧に基づいて決定してもよい。
したがって、ステップＳ９において、燃料電池１０の出力電圧Ｖが閾電圧Ｖｔｈ以下になるような抵抗値を有する負荷４１を接続するようにスイッチ４２を制御する。この場合、図３の電流Ｉ＝０付近のＩＶ曲線から分かるように、低負荷領域での電圧低下割合が大きいので比較的小さな電流を取り出すだけで燃料電池１０の出力電圧Ｖを閾電圧Ｖｔｈまで下げることができる。なお、負荷４１として、この目的に当てる専用の負荷を用意する必要はなく、適切な抵抗値を有する電装補機（図示しない走行モータ以外の任意の電気稼働要素）を用いることができる。このステップＳ９で負荷として使用できるよう、実際の解放端電圧Ｖｏと閾電圧Ｖｔｈとの差と、この差を解消するのに必要な抵抗値を有する電装補機とを関係付けて記憶しておき、この記憶したデータから適切な電装補機を選択して、負荷４１として使用するようにしてもよい。勿論、このとき、複数の電装補機を適宜組み合わせて使用してもよいことは、当業者には明らかである。
なお、暖機が十分に行われていない状態で燃料電池１０から無理に電流を引き出そうとすると、高電位状態に長くおかれるのとは別の理由から不具合を生じることがある。したがって、このためにも、暖機効率を高めるためにも、ステップＳ９において、燃料電池１０の出力電圧Ｖは閾電圧Ｖｔｈを超えない程度に高く設定することが好ましい。換言すれば、燃料電池１０の出力電圧Ｖの測定と接続する抵抗値（すなわち、電装補機）の切替とを繰り返すことにより、（Ｖｔｈ−Ｖ）がなるべく小さな正の数となるように制御することが好ましいと言える。
また、電装補機などの負荷４１を接続して電力を消費する代わりに図示しない蓄電池を充電するようにしてもよい。このようにすることにより、エネルギー効率を高めることが可能となる。
次に、判断ステップＳ１１において、暖機が完了したか否かを判断する。暖機が完了したか否かの判断は、例えば、システム温度Ｔが前記所定の温度Ｔ０を超えているか否かによる。例えば、Ｔ≦Ｔ０であれば、暖機は完了していないと判断し（Ｎｏの場合）、ステップＳ９に戻る。Ｔ＞Ｔ０であれば、（Ｙｅｓの場合）、暖機が完了したと判断して、燃料電池１０の通常運転を行ってもよいし、燃料電池１０と燃焼ヒータ５６の平行運転を必要なだけ行ってから燃料電池１０の通常運転を行ってもよい。
以上述べたように、本発明の実施形態によれば、燃料電池１０の使用を極力抑えて暖機を行う場合（暖機完了後に発電を行うシステムの場合）も、燃料電池１０の出力電圧を性能劣化を防止できる閾電圧以下に維持することにより、燃料電池１０の性能劣化を防止することができる。さらに、燃料電池１０の出力電圧を低下させるために引き出した電流を電装補機や蓄電池に供給することにより、エネルギー効率を高めることができる。また、燃料電池には暖機オンリーモードにおいても常に燃料ガスと酸化剤ガスが供給されているので、暖機終了後直ちに発電可能である。
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態においては、並列方式の燃料電池システムを例にとって説明したが、本発明は直列方式の燃料電池システムにも適用可能である。
図４は、本発明の第２の実施形態による直列方式の燃料電池システムの構成例を概念的に示す略ブロック図である。図４の燃料電池システム２は、遮断弁５１が燃料電池１０のアノード流路１１下流の配管２２ｂに接続され、かつ遮断弁５０とインジェクタ５２とが燃料電池１０のカソード流路１２下流の配管３１ｂに接続されたことにより、燃料電池１０と燃焼ヒータ５６とが直列に接続されたことを除けば、図１の燃料電池システム１と同じである。
ＩＧ８０をＯＮにした際に実行される燃料電池制御プログラムも、図１の燃料電池システム１の場合と同じであるから、説明を省略する。また、図４の燃料電池システム２においても、前記の変形例が適用できることは言うまでもない。
＜変形例＞
以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って前記の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
例えば、図１および４に示した実施形態においては、システム温度を、燃料電池１０の熱交換流体流路１３下流の配管６１ａで測定しているが、燃料電池１０のアノード流路１１から排出されるアノードオフガスの温度を測定するようにしてもよい。
図１および図４においては、本発明の説明に直接関係のない要素を省略したが、好ましい実施形態では、図示した以外に種々の要素が用いられる。例えば、アノード系について、燃料電池１０から排出された水素ガスを燃料電池１０の水素ガス供給路に戻す循環経路と、循環経路から水素ガスを排出するパージ弁とを設けた構成としてもよい。なお、図４の第２の実施形態では、パージ弁から排出された水素ガスは燃焼ヒータ５６に供給する。
また、前記の実施形態においては、本発明を車両に適用した例を用いたが、本発明は、燃料電池と燃焼ヒータに共通の燃料源を用いるシステムであれば、車両に限らず船舶でも何でも適用可能である。
本発明の第１の実施形態による並列方式の燃料電池システムの構成例を示す略ブロック図である。 図１の燃料電池（ＦＣ）制御部９１が実行する燃料電池制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 暖機オンリーモードの暖機が必要な条件下における燃料電池１０のＩＶ特性曲線の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態による直列方式の燃料電池システムの構成例を示す略ブロック図である。
符号の説明
１、２ 本発明の燃料電池システム
１０ 燃料電池
１５ 電流センサ
１６ 電圧センサ
２１ 水素タンク
３１ コンプレッサ
５６ 燃焼ヒータ
４１ 負荷
４２ スイッチ
９１ 燃料電池制御部

Claims (3)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて燃焼させる燃焼ヒータと、
    アノード極とカソード極の間に膜を挟んで、前記アノード極に燃料ガスを供給し、前記カソード極に酸化剤ガスを供給することにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池および前記燃焼ヒータに燃料ガスと酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、
    前記燃焼ヒータによる暖機が終わるまでの間の所定期間は、両電極の電圧が前記膜の耐電圧性を考慮した所定電圧以下となるような制限電流を前記燃料電池から出力するディスチャージ手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記ディスチャージ手段により前記燃料電池から出力された電力は、電装補機へ供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. アノード極、カソード極およびこれら両極に挟まれた膜を備え、前記アノード極に供給される燃料ガスと前記カソード極に供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを反応させて燃焼させる燃焼ヒータとを備え、前記燃料電池の暖機中に前記燃料電池にも燃料ガスと酸化剤ガスが供給される燃料電池システムにおいて、
    所定の条件に応じて、前記燃焼ヒータを動作させる暖機ステップと、
    前記暖機ステップの実行が終わるまでの間の所定期間は、両電極の電圧が前記膜の耐電圧性を考慮した所定電圧を超えないように前記燃料電池から電力を出力させるステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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