JP2007305334A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】停止時における水の凍結を防ぐとともに、無駄なエネルギーの消費を抑えて効率を向上させた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムの運転停止時において、燃料電池の温度Ｔを第１の基準温度Ｔ_１と比較する。温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下である場合には、燃料電池の放熱速度ｖを取得する。放熱速度ｖが所定値ｘ以上である場合には、燃料電池を発電させる保温運転実行手段を作動させる。放熱速度ｖが所定値ｘより小さい場合には、燃料電池を外部から加熱する加熱手段を作動させる。保温運転実行手段の作動中に、反応ガスの流路における圧損が所定値ｙ以上となったときには、燃料電池の出力を大きくすることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、複数の凍結防止手段を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素が接触し、カソードに酸素が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

一般に、燃料電池は、起電力を生じる際に水を生成する。また、燃料電池システムでは、上記の電気化学反応を円滑に進めるために、電解質膜を加湿することが行われる。

このように、燃料電池システム内には水分が存在しているが、外気温が低温である場合に燃料電池の発電を停止させると、この水が凍結することによって、燃料電池に供給するガスの流路が閉塞されてしまうという問題があった。

水の凍結によってガスの流路が塞がれると、燃料電池システムを起動した際に、燃料電池に必要量の反応ガスを供給することが困難となり、所望の発電量を得るのに十分な電気化学反応を起こすことができなくなる。このため、負荷が上げられなくなって、起動に時間を要したり、また、反応ガスの供給量が少なくなりすぎた場合には、発電そのものができなくなったりしてしまう。さらに、燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えた複数のセルを有するが、水の凍結によって、この膜―電極アッセンブリが損傷を受けるおそれもある。

こうした問題に対して、燃料電池システムの停止時に内部の温度が低下したときには、保温運転を行うことによって水が凍結するのを防ぐようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。また、この燃料電池システムでは、燃料電池の内部の温度を検出する温度検出部が異常であると判断されるときには、警告を発することにより、誤った温度判断に基づいて保温運転が開始されてしまうのを防いでいる。

特開２００４−３４２４３０号公報 特開２００４−３９５２７号公報 特開２００５−１０８８３２号公報 特開２００４−１６５１３８号公報 特開２００４−２４１３０３号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、まず、燃料電池スタック内の温度が基準温度以下であるか否かが判断される。そして、基準温度以下である場合には、燃料電池スタック内が十分に昇温するまで保温運転が行われる。この場合、凍結防止手段は保温運転のみであり、燃料電池スタック内の温度が基準温度以下であれば、一律に保温運転が行われることになる。それ故、この燃料電池システムでは、保温の際に無駄なエネルギーを消費する場合があり、燃料電池システムの効率を低下させるおそれがあった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、停止時における水の凍結を防ぐとともに、従来より無駄なエネルギーの消費を抑えて効率を向上させた燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、反応ガスを供給されて起電力を生じる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止時であって、前記燃料電池の内部で水の凍結が予測または検出される場合に、前記燃料電池の放熱速度を検出する放熱速度検出手段と、
前記放熱速度の値に応じて作動する複数の凍結防止手段とを有することを特徴とするものである。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の凍結防止手段は、前記放熱速度が所定値以上である場合に作動して前記燃料電池を発電させる保温運転実行手段と、
前記放熱速度が前記所定値より小さい場合に作動して前記燃料電池を外部から加熱する加熱手段とすることができる。
また、燃料電池システムは、前記燃料電池での発電によって発生した熱を除去する冷却媒体が流通する流路を有することができる。この場合、前記加熱手段は、前記冷却媒体を加熱する手段とすることができる。
また、前記加熱手段は、ヒータおよび蓄熱装置の少なくとも一方とすることができる。
さらに、前記保温運転実行手段の作動中において、前記反応ガスの流路で水の凍結が予測または検出される場合には、前記燃料電池の出力を大きくすることが好ましい。この場合、前記反応ガスの流路における圧損に基づいて、該流路での水の凍結を検出することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、放熱速度の値に応じて作動する複数の凍結防止手段を有するので、停止時における水の凍結を防ぐとともに、従来より無駄なエネルギーの消費を抑えて効率を向上させた燃料電池システムとすることができる。

燃料電池の放熱速度は、外気温などによって変化する。すなわち、外気温と燃料電池との温度差が大きい場合には放熱速度は速くなるが、温度差が小さい場合には放熱速度は遅くなるので、温度は低下し難くなる。したがって、無駄なエネルギーの消費を抑えて、燃料電池システムの効率を向上させるには、放熱速度の違いによって水の凍結防止手段を変えることが好ましい。

そこで、本実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池の内部で水の凍結が予測または検出される場合に、放熱速度の値に応じて異なる凍結防止手段を作動させることを特徴とする。具体的には、放熱速度が所定値ｘ以上である場合には、燃料電池を発電させる保温運転実行手段が作動し、放熱速度が所定値ｘより小さい場合には、燃料電池を外部から加熱する加熱手段が作動する。

図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。図において、矢印はガスの流れる方向を示している。尚、この燃料電池システムは、車載用を想定しているが、据え置き型などの種々の用途に適用することも可能である。

本実施の形態では、カソードガスとして空気を、アノードガスとして水素をそれぞれ用いる。但し、必ずしもこれらに限られるものではない。

図１において、燃料電池システム１は、反応ガスである水素と酸素を供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に空気を供給する空気供給系３と、燃料電池２に水素を供給する水素供給系４と、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池２に供給する水素循環系５と、燃料電池２で発生した熱を除去する冷却水循環系２４と、保温運転実行手段および加熱手段の作動を制御する制御部２３とを備える。

燃料電池２は、複数のセルが積層された燃料電池スタック（図示せず）を有する。ここで、セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられた触媒層からなるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられた触媒層からなるカソードとからなる。そして、膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれに、拡散層を介してセパレータが設けられる。アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されており、カソード側のセパレータには、酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成されている。

空気供給系３は、燃料電池２のカソードに空気を供給するコンプレッサ６と、燃料電池２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器８とを有する。燃料電池２と加湿器８を接続する流路には、空気調圧弁７が設けられている。

水素供給系４は、燃料電池２のアノード（図示せず）に供給する水素が貯蔵された水素タンク９を有する。燃料電池２と水素タンク９を接続する流路には、水素調圧弁１０が設けられている。

水素循環系５は、燃料電池２から排出されたアノードオフガス中の水を分離する気液分離器１１と、気液分離器１１から排出されたアノードオフガスを循環して燃料電池２に供給する循環ポンプ１２とを有する。

循環ポンプ１２から排出されたアノードオフガスは、逆止弁１３を通って、水素タンク９から排出された水素と合流した後に、再び燃料電池２に供給される。このようにすることによって、アノードオフガス中に含まれる残留水素を有効に活用することができる。一方、定期的に排出バルブ１４を開いて、アノードオフガスを排出すれば、カソード側からアノードオフガス中に流入する不純物を除去することができる。

冷却水循環系２４は、燃料電池２に冷却水を送る冷却水ポンプ１５と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ１６と、冷却水を加熱するヒータ１７および蓄熱装置１８とを有する。本実施の形態においては、冷却水の配管を多重構造とすることが好ましい。より詳しくは、空気などのガスの流路が、冷却水の流路を取り巻くようにして設けられた構造とすることが好ましい。これにより、冷却水の流路に対する断熱効果を高めることができるので、燃料電池システム１の温度が低下した場合であっても、冷却水が凍結するのを防ぐことができる。また、後述する加熱手段による水の凍結防止を効果的に行えるようにもなる。

本実施の形態においては、ヒータ１７および蓄熱装置１８のいずれか一方のみが設けられていてもよい。また、ラジエータ１６以外の他の熱交換器を用いてもよい。さらに、燃料電池２での発電によって発生した熱を除去できるものであれば、冷却水以外の他の冷却媒体を流通させてもよい。他の冷却媒体としては、例えば、不凍液であるＬＬＣ（ロングライフクーラント）などを挙げることができる。この場合、ＬＬＣとしては、例えば、エチレングリコールと水との混合液を用いることができる。

図２は、図１の燃料電池システム１の動作を表すフローチャートである。図２では、まず、燃料電池２の発電が停止される（ステップＳ１００）。具体的には、図１の酸素供給系３、水素供給系４および水素循環系５の作動を停止させることによって、燃料電池２の発電が停止される。

次に、燃料電池システム１内に残存する水をパージする（ステップＳ１０１）。例えば、加湿器８を経由しないバイパス路（図示せず）から空気を導入することによって、カソード側の水を排出させることができる。一方、アノード側については、循環ポンプ１２を一定時間作動させた後に停止し、次いで、気液分離器１１の排水バルブ（図示せず）を開くことによって水を排出させることができる。

次に、燃料電池システム１が保温運転を行うのに必要な燃料が車両に搭載されているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。十分な燃料が搭載されていない場合には、警告ランプ（図示せず）を点灯させて運転者に知らせる（ステップＳ１０３）。

燃料が十分である場合には、燃料電池２の温度Ｔを取得する（ステップＳ１０４）。具体的には、燃料電池２に、温度センサ２２を設けることによって温度Ｔを測定することができる。また、外気温を測定し、この値から温度Ｔを予測するようにしてもよい。この場合、外気温は、気象データを受信することによって取得することもできる。

次に、制御部２３において、取得した温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、第１の基準温度Ｔ_１は、水が凍結する温度またはそのおそれがある温度に対応する。例えば、第１の基準温度Ｔ_１を氷点とした場合において、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下である場合には、燃料電池２の内部で水の凍結が起きていると判断できる。また、第１の基準温度Ｔ_１を氷点より高い温度とした場合において、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下である場合には、燃料電池２の内部で水の凍結が起こることを予測できる。

本実施の形態においては、第１の基準温度Ｔ_１を氷点より高い温度（例えば、２℃）に設定する。そして、ステップＳ１０５において、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下でない場合には、水が凍結するおそれはないと判断してステップＳ１０４に戻る。次いで、ステップＳ１０５において、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下であるか否かを判定する動作を繰り返す。

一方、ステップＳ１０５で、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下である場合には、燃料電池２の内部で水の凍結が起こることを予測して、制御部２３における放熱速度検出手段で、燃料電池２の放熱速度ｖを取得する（ステップＳ１０６）。放熱速度ｖは、燃料電池２の温度と外気温との差が大きいほど速くなる。

本実施の形態は、放熱速度ｖの値に応じて、複数の異なる凍結防止手段を作動させることを特徴としている。ここで、本実施の形態における凍結防止手段は、放熱速度ｖが所定値ｘ以上である場合に作動して燃料電池２を発電させる保温運転実行手段と、放熱速度ｖが所定値ｘより小さい場合に作動して冷却水を加熱する加熱手段である。但し、加熱手段は、燃料電池２を外部から加熱する手段であればよく、冷却水を加熱する手段に限られるものではない。

次いで、制御部２３において、ステップＳ１０６で取得した放熱速度ｖが、所定値ｘより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。

放熱速度ｖが所定値ｘより小さい場合には、温度低下の度合いが小さいと判断して、加熱手段を作動させる。すなわち、燃料電池２での発電による暖機は行わずに、補機としてのヒータ１７および蓄熱装置１８を用いて冷却水を加熱する（ステップＳ１０８）。具体的には、ラジエータ１６に向かう流路に接続する三方弁１９の口を閉じて、ラジエータ１６を作動させない状態で冷却水ポンプ１５を動かす。そして、冷却水を介して、ヒータ１７および蓄熱装置１８と燃料電池２との間で熱交換を行う。

ヒータ１７および蓄熱装置１８のいずれか一方のみが設けられている場合には、それを用いて冷却水を加熱する。本実施の形態においては、両者を併用するのが最も好ましく、ヒータ１７のみを用いるのが次に好ましい。尚、ステップＳ１０８では、燃料電池２による発電を行わないので、補機の作動は、燃料電池システム１に備えられた２次電池（図示せず）によって行う。

一方、放熱速度ｖが所定値ｘ以上である場合には、温度低下の度合いが大きいと判断して、制御部２３により保温運転実行手段を作動させる（ステップＳ１０９）。具体的には、酸素供給系３、水素供給系４および水素循環系５を作動させて、燃料電池２で発電が行われるようにする。また、冷却水ポンプ１５を駆動して、冷却水を循環させる。但し、この運転は、燃料電池システム１内における温度の低下を抑制するためのものであるから、ステップＳ１０８と同様に、ラジエータ１６は作動させないようにする。

上述したように、ステップ１０９における燃料電池２の運転は、燃料電池システム１内における温度低下を防ぐためのものであるから、その発電量は、通常運転時に比較して低いレベルに保たれる。但し、酸素供給系２、水素供給系３、水素循環系４および冷却水ポンプ１５を作動させるのに必要な発電量であることに加えて、燃料電池システム１内での温度低下を防ぐことのできる発熱量に見合った値となるように調整する。

具体的には、燃料電池２の熱容量、燃料電池２の温度Ｔおよび外気温から、所定時間ｔにおける放熱量を算出する。ここで、放熱量は、燃料電池２の温度と外気温との差が大きいほど大きくなる。得られた放熱量と、外気の温度変化とを考慮して、燃料電池システム１の温度低下を抑制するに足る熱量を求める。次いで、この熱量を供給可能な発電量となるように、酸素供給系２および水素供給系３を調整して、燃料電池２に必要な量の酸素および水素を供給する。

ステップ１０９において、適当な発電量となる条件で燃料電池２を運転すると、燃料電池２の内部で発生した熱により、燃料電池２の温度低下は抑制されて、温度は上昇するようになる。また、燃料電池２からは、高温のアノードオフガスやカソードオフガスが排出されるので、これらのガスが通過する配管の温度低下も抑制されて、温度が上昇するようになる。

一方、燃料電池２を起動させると、発電に伴って水が生成する。このとき、配管が十分に昇温していないと、生成した水が配管内で凍結を起こすおそれがある。凍結によって配管が閉塞されてしまうと、水素と酸素の反応が阻害されて、燃料電池の出力電圧が低下してしまう。

そこで、本実施の形態においては、反応ガスの流路における圧損に基づいて、この流路での水の凍結を検出する。具体的には、制御部２３において、配管の圧損を取得する（ステップＳ１１０）。図１の例では、加湿器８の上流側と下流側にそれぞれ圧力センサ２０，２１を設け、これらの差圧からカソードオフガスの流路における圧損を求めている。尚、圧損の取得は、反応ガスの流路であればよく、図１の例に限られるものではない。

次に、制御部２３において、得られた圧損が所定値ｙ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。所定値ｙは、配管内での水の凍結を間接的に検出できる値に設定する。そして、取得した圧損が所定値ｙ以上である場合には、配管内で水が凍結していると判断して、燃料電池２の出力を上昇させる（ステップＳ１１２）。これにより、燃料電池２から排出されるガスの温度が上昇するので、配管内で凍結した水を融かすことができる。

一方、ステップＳ１１０で得られた圧損が所定値ｙより小さい場合には、燃料電池２の温度Ｔを取得する（ステップＳ１１３）。また、ステップＳ１０８で加熱手段を作動させている場合にも、所定時間経過後にステップＳ１１３に進み、燃料電池２の温度Ｔを取得する。

次いで、制御部２３において、取得した温度Ｔが第２の基準温度Ｔ_２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。ここで、第２の基準温度Ｔ_２は、燃料電池２の温度が十分に昇温したことを示す基準となる温度である。

温度Ｔが第２の基準温度Ｔ_２以上である場合には、加熱手段または保温運転実行手段を停止する（ステップＳ１１５）。その後は、燃料電池２が本格的に起動されるまで、ステップＳ１０２〜ステップＳ１１５を繰り返す。

一方、温度Ｔが第２の基準温度Ｔ_２より低い場合には、ステップＳ１０６に戻った後、加熱手段または保温運転実行手段を作動させる。

図３は、本実施の形態において、燃料電池２の温度の経時変化を示した一例である。この図に示すように、外気温が氷点下である場合に、燃料電池２の運転（通常運転）を停止すると、燃料電池２の温度Ｔは急激に低下する。そこで、第１の基準温度Ｔ_１を氷点より高い温度に設定し、温度Ｔが第１の基準温度Ｔ_１以下となった場合に、本発明による凍結防止手段を作動させると、燃料電池２の温度低下を抑制することができる。この場合、放熱速度が所定値ｘより小さい場合には加熱手段を作動させ、放熱速度が所定値ｘ以上である場合には保温運転実行手段を作動させる。このようにすることによって、無駄なエネルギーの消費を抑えながら、燃料電池２の内部で水の凍結が起こるのを防ぐことができるようになる。そして、燃料電池２の温度Ｔが第２の基準温度Ｔ_２以上となった後は、これらの凍結防止手段を一旦停止する。その後は、外気温が氷点を越えるまで、加熱手段または保温運転実行手段を作動させるようにすればよい。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、燃料電池の温度Ｔを取得し、この値を第１の基準温度Ｔ_１と比較することによって、燃料電池の内部で水の凍結が起こるか否かを予測した。そして、凍結が予測される場合には、放熱速度ｖに応じて、異なる凍結防止手段が作動するようにした。しかし、本発明においては、燃料電池の内部で水の凍結が検出された場合に、凍結防止手段が作動するようにしてもよい。例えば、第１の基準温度Ｔ_１を氷点とし、燃料電池の温度Ｔが氷点下であるか否かを判定する。温度Ｔが氷点下であれば、燃料電池の内部における水の凍結が間接的に検出されるので、放熱速度ｖに応じて、保温運転実行手段または加熱手段が作動するようにする。このようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、冷却媒体を加熱する手段を加熱手段として用いた。しかし、加熱手段は燃料電池を外部から加熱する手段であればよく、上記例に限られるものではない。例えば、冷却媒体を介して燃料電池を間接的に加熱するのではなく、ヒータまたは蓄熱装置によって、燃料電池を直接的に加熱してもよい。

さらに、上記実施の形態では、燃料電池の発電に伴って生成した水の配管内での凍結の有無を、配管の圧損に基づいて検出した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、配管に温度センサを設け、得られた温度データに基づいて、水の凍結を検出または予測するようにしてもよい。

具体的には、得られた温度Ｔ′を第３の基準温度Ｔ_３と比較する。ここで、第３の基準温度Ｔ_３は、水が凍結する温度またはそのおそれがある温度に対応する。例えば、第３の基準温度Ｔ_３を氷点とした場合において、温度Ｔ′が第３の基準温度Ｔ_３以下である場合には、燃料電池の内部で水の凍結が起きていることを間接的に検出できる。したがって、燃料電池の出力を上昇させることにより、燃料電池から排出されるガスの温度を上昇させて、配管内で凍結した水を融かすことができる。一方、第３の基準温度Ｔ_３を氷点より高い温度とした場合において、温度Ｔ′が第３の基準温度Ｔ_３以下である場合には、燃料電池の内部で水の凍結が起こることを予測できる。そして、この場合にも、燃料電池の出力を上昇させることにより、配管内で水が凍結するのを防ぐことができる。

本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。 図１の燃料電池システムの動作を表すフローチャートである。 本実施の形態における燃料電池の温度の経時変化を示した一例である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 空気供給系
４ 水素供給系
５ 水素循環系
６ コンプレッサ
７ 空気調圧弁
８ 加湿器
９ 水素タンク
１０ 水素調圧弁
１１ 気液分離器
１２ 循環ポンプ
１３ 逆止弁
１４ 排出バルブ
１５ 冷却水ポンプ
１６ ラジエータ
１７ ヒータ
１８ 蓄熱装置
１９ 三方弁
２０，２１ 圧力センサ
２２ 温度センサ
２３ 制御部
２４ 冷却水循環系

Claims (6)

1. 反応ガスを供給されて起電力を生じる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの運転停止時であって、前記燃料電池の内部で水の凍結が予測または検出される場合に、前記燃料電池の放熱速度を検出する放熱速度検出手段と、
   前記放熱速度の値に応じて作動する複数の凍結防止手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記複数の凍結防止手段は、前記放熱速度が所定値以上である場合に作動して前記燃料電池を発電させる保温運転実行手段と、
   前記放熱速度が前記所定値より小さい場合に作動して前記燃料電池を外部から加熱する加熱手段と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. 前記燃料電池での発電によって発生した熱を除去する冷却媒体が流通する流路を有し、
   前記加熱手段は、前記冷却媒体を加熱する手段であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記加熱手段は、ヒータおよび蓄熱装置の少なくとも一方であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記保温運転実行手段の作動中において、前記反応ガスの流路で水の凍結が予測または検出される場合には、前記燃料電池の出力を大きくすることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記反応ガスの流路における圧損に基づいて、該流路での水の凍結を検出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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