JP2009252478A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜等の劣化を防止する。
【解決手段】燃料電池２の停止時に、制御部５は、カソード極側の処理として、コンプレッサ３１を制御して酸化ガスの流量を所定の流量にし、背圧調整弁３４を制御してカソード極側の酸化ガスの圧力を圧力Ｐａにする。一方、アノード極側の処理として、主止弁４３を制御して水素ガスの供給を停止させ、燃料電池２に発電させてアノード極側の水素ガスの圧力を圧力Ｐｂに低下させる。そして、オフガス供給弁６１を開弁させ、アノード極側の水素ガスの圧力が大気圧よりも高くなった時点で排気排水弁４７を開弁させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される酸素との電気化学反応により電力を発生するとともに水も生成する。この生成された水が燃料電池内に残留すると、水詰まりの要因になるとともに、低温下では凍結するおそれがある。下記特許文献１〜４には、発電停止時に、燃料電池にガスを供給して燃料電池内の残留水をパージする技術が開示されている。
特開２００５−３１０５６７号公報 特開２００７−１２３０４０号公報 特開２００７−１９３９８３号公報 特開２００６−１８５９０４号公報

ところで、燃料電池を停止させた後に、燃料電池に酸化ガスを供給してパージすると、アノード極に残留している水素とパージ用に供給される酸化ガスに含まれる酸素との反応温度によって、電解質膜等が劣化してしまうおそれがある。上記特許文献１では、酸素の少ない酸化オフガスを用いてパージしているが、酸化オフガスにも酸素が含まれているため、その酸素とアノード極に残留している水素との反応温度により電解質膜等が劣化してしまうおそれがある。また、上記特許文献２および３では、燃料電池停止後に発電させることでアノード極の残留水素を低減させているが、発電後もアノード極には少量の残留水素が存在するため、その残留水素とパージ用に供給される酸化ガスに含まれる酸素との反応温度により電解質膜等が劣化してしまうおそれがある。さらに、上記特許文献４では、燃料電池停止後に発電させることでアノード極の残留水素とカソード極の残留酸素を低減させたうえで、カソード極の残留ガスを用いてパージしているが、発電後もアノード極には少量の残留水素が存在し、カソード極の残留ガスにも少量の酸素が存在するため、その残留水素と残留酸素との反応温度により電解質膜等が劣化してしまうおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、電解質膜等の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、酸化ガスを燃料電池のカソードに供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、酸化オフガス排出流路に設けられ、燃料電池内の酸化ガスの圧力を調整するための第一弁と、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するための燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路に設けられ、燃料供給源からの燃料ガスの供給を遮断または許容する第二弁と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路に戻すための燃料循環流路と、燃料循環流路に設けられ、燃料オフガスおよび水分を外部に排出するための第三弁と、酸化オフガス排出流路のうちの第一弁よりも燃料電池側と、燃料ガス供給流路のうちの第二弁よりも燃料電池側とを連通する連通流路と、連通流路に設けられ、酸化オフガス排出流路から燃料ガス供給流路への酸化オフガスの供給を遮断または許容する第四弁と、燃料電池の停止時に、コンプレッサを制御して酸化ガスの供給量を所定の供給量にし、第一弁を制御してカソード側の酸化ガスの圧力を所定の第一圧力にし、第二弁を閉弁させ、燃料電池に発電させてアノード側の燃料ガスの圧力を第一圧力との間で所定の圧力差を生じさせる所定の第二圧力に低下させた後に、第四弁を開弁させ、その後、第三弁を開弁させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の停止時に、カソード側では、所定供給量の酸化ガスを燃料電池に供給させながら燃料電池内の酸化ガスの圧力を所定の第一圧力にすることができ、アノード側では、燃料電池への燃料ガスの供給を停止させ、燃料電池を発電させながら燃料電池内の燃料ガスの圧力を上記第一圧力よりも低い所定の第二圧力に低下させることができる。これにより、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電により消費させることができるとともに、アノード側の圧力をカソード側の圧力よりも低くして所定の圧力差を生じさせることができる。また、このような状態に移行した後に、連通流路に設けられた第四弁を開弁させることで、両極間に生じた所定の圧力差を利用してアノードに供給される酸化オフガスの流量を増加させることができ、酸化オフガスを燃料電池内に勢いよく流入させることが可能となるため、燃料電池内に残留した燃料ガスや水分等を燃料電池外に排出させる時間を短縮させることが可能となる。したがって、燃料電池内に残留した燃料ガスと燃料電池内に供給された酸化オフガスに含まれる酸化ガスとが接触して反応する時間を与えることなく、燃料電池内に残留した燃料ガスを燃料オフガスとして燃料循環流路に排出させることが可能となる。これにより、燃料ガスと酸化ガスとの反応温度によって燃料電池の電解質膜等が劣化してしまう事態を回避させることができる。また、燃料循環流路に設けられた第三弁を開弁させることにより、燃料オフガスや水分等を燃料電池システム外に排出させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、第四弁を開弁させた後であって、アノード側の燃料ガスの圧力が大気圧よりも高くなったときに第三弁を開弁させることができる。

これにより、第三弁から水分や燃料オフガス等が燃料循環流路に逆流する事態を防止することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の供給量は、燃料電池内の残留水分を除去可能な供給量にすることができる。

これにより、燃料電池の停止時に、所定供給量供給される酸化ガスによって燃料電池内の残留水分を除去させることができる。

本発明によれば、電解質膜等の劣化を防止することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３（酸化オフガス排出流路）とを有する。空気排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧調整弁３４（第一弁）が設けられている。空気排出流路３３のうち、燃料電池２の出口側には、カソード極側の酸化ガスの圧力を検出するための圧力センサＰ１が設けられている。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いてコンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを加湿する加湿器３５が設けられている。この加湿器３５で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路４１（燃料ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２（燃料循環流路）とを有する。水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３（第二弁）と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。水素供給流路４１のうち、燃料電池２の入口側には、アノード極側の水素ガスの圧力を検出するための圧力センサＰ２が設けられている。

水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７（第三弁）を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部５からの指令に従って閉弁状態から開弁状態に移行すると、気液分離器４６で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、希釈器４９によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

酸化ガス配管系３および水素ガス配管系４には、空気排出流路３３のうちの背圧調整弁３４よりも燃料電池２側と、水素供給流路４１のうちの水素循環流路４２との合流点よりも燃料電池２側とを連通する連通流路６０が設けられている。連通流路６０には、空気排出流路３３から水素供給流路４１への酸化オフガスの供給を遮断または許容するオフガス供給弁６１（第四弁）が設けられている。

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４５のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部５（制御手段）は、燃料電池２の停止時に停止制御処理を実行する。この停止制御処理に含まれる処理内容について以下に具体的に説明する。なお、燃料電池２の停止時には、燃料電池を停止させるときおよび燃料電池を停止させているときが含まれる。

制御部５は、コンプレッサ３１を制御して酸化ガスの流量（供給量）を所定の流量にする。所定の流量としては、例えば、燃料電池２内に残留する水分等を除去することができる流量が該当する。燃料電池の停止時に所定流量の酸化ガスを供給することで、燃料電池２内に残留している水分等を空気排出流路３３に排出させることができる。

制御部５は、カソード極側の酸化ガスの圧力を所定の圧力Ｐａ（第一圧力）にし、アノード極側の水素ガスの圧力を所定の圧力Ｐｂ（第二圧力）にする。圧力Ｐａは、圧力Ｐｂよりも高い圧力になる。圧力Ｐａと圧力Ｐｂとの圧力差を制御することで、オフガス供給弁６１を開弁させたときに連通流路６０を流れる酸化オフガスの流量を調整することができる。

ここで、圧力Ｐａおよび圧力Ｐｂは、燃料電池内２に残留する水素ガスおよび水分等を除去することができる酸化オフガスの流量を確保可能な圧力差が生じるように設定する。このような圧力差が生じた後にオフガス供給弁６１を開弁させることで、酸素の少ない酸化オフガスを燃料電池２内に一気に供給することができ、この酸化オフガスで燃料電池内２に残留している水素ガスおよび水分等を水素循環流路４２に排出させることができる。そして、圧力差が大きいほど、酸化オフガスの流量を増加させることができ、酸化オフガスを燃料電池２内に勢いよく流入させることが可能となり、残留している水素ガスおよび水分等を排出する時間を短縮することができる。

したがって、圧力差によっては、残留水素ガスに含まれる水素と酸化オフガスに含まれる酸素とが接触して反応する前に残留水素ガスを水素循環流路４２に排出させることが可能となる。これにより、水素と酸素との反応温度によって燃料電池２の電解質膜等が劣化してしまう事態を回避させることが可能となる。

制御部５は、背圧調整弁３４を制御することで、カソード極側の酸化ガスの圧力を圧力Ｐａにする。制御部５は、主止弁４３を閉弁させて水素ガスの供給を停止させ、燃料電池２に発電させることで、アノード極側の水素ガスの圧力を圧力Ｐｂに低下させる。具体的には、例えば、コンプレッサ３１等の電力消費装置を作動させて燃料電池２内に残留する水素ガスに含まれる水素を消費させることで、アノード極側の水素ガスの圧力を圧力Ｐｂに低下させる。これにより、燃料電池２内に残留する水素ガスに含まれる水素の量を減少させることができる。

制御部５は、カソード極側の酸化ガスの圧力が圧力Ｐａになり、アノード極側の水素ガスの圧力が圧力Ｐｂになった状態で、オフガス供給弁６１を開弁させる。これにより、酸素の少ない酸化オフガスを燃料電池内に勢いよく供給することができ、燃料電池内２に残留している水素ガスや水分等を短時間で水素循環流路４２に排出させることができる。

制御部５は、オフガス供給弁６１を開弁させた後であって、アノード極側の水素ガスの圧力が大気圧よりも高くなったときに排気排水弁４７を開弁させる。これにより、排気排水弁４７から水素オフガスや水分が逆流する事態を防止することができる。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１、Ｐ２等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、背圧調整弁３４、主止弁４３、水素ポンプ４５、排気排水弁４７およびオフガス供給弁６１等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムの停止制御処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムの停止制御処理について説明する。

まず、燃料電池２の停止時に、制御部５は、カソード極側の処理として、コンプレッサ３１を制御して酸化ガスの流量を所定の流量にし、背圧調整弁３４を制御してカソード極側の酸化ガスの圧力を圧力Ｐａにする（ステップＳ１０１）。

一方、制御部５は、アノード極側の処理として、主止弁４３を制御して水素ガスの供給を停止させ、燃料電池２に発電させてアノード極側の水素ガスの圧力を圧力Ｐｂに低下させる（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部５は、閉弁状態のオフガス供給弁６１を開弁させ（ステップＳ１０３）、アノード極側の水素ガスの圧力が大気圧よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）に、制御部５は、閉弁状態の排気排水弁４７を開弁させる（ステップＳ１０５）。これにより、水素オフガスや水分がシステム外の大気中にパージされる（ステップＳ１０６）。

続いて、制御部５は、酸化ガスの供給を停止させ、オフガス供給弁６１および排気排水弁４７を閉弁させる（ステップＳ１０７）。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の停止時に、カソード極側では、所定流量の酸化ガスを燃料電池２に供給させながらカソード極側の酸化ガスの圧力を所定の圧力Ｐａにすることができ、アノード極側では、燃料電池２への水素ガスの供給を停止させ、燃料電池２を発電させながらアノード極側の水素ガスの圧力を圧力Ｐａよりも低い所定の圧力Ｐｂに低下させることができる。これにより、燃料電池２内に残留した水素ガスを発電により消費させることができるとともに、アノード極側の圧力をカソード極側の圧力よりも低くして所定の圧力差を生じさせることができる。

また、このような状態に移行した後に、連通流路６０に設けられたオフガス供給弁６１を開弁させることで、両極間に生じた所定の圧力差を利用してアノード極に供給される酸化オフガスの流量を増加させることができ、酸化オフガスを燃料電池２内に勢いよく流入させることが可能となるため、燃料電池２内に残留した水素ガスや水分等を燃料電池２外に排出させる時間を短縮させることが可能となる。したがって、燃料電池内に残留した水素ガスに含まれる水素と燃料電池内に供給された酸化オフガスに含まれる酸素とが接触して反応する時間を与えることなく、燃料電池内に残留した水素ガスを水素オフガスとして水素循環流路４２に排出させることが可能となる。

これにより、水素ガスに含まれる水素と酸化ガスに含まれる酸素との反応温度によって燃料電池の電解質膜等が劣化してしまう事態を回避させることができる。また、水素循環流路４２に設けられた排気排水弁４７を開弁させることにより、水素オフガスや水分等を燃料電池システム１外に排出させることができる。

なお、上述した実施形態では、水素循環流路４２に水素ポンプ４５を設けた燃料電池システムを用いて説明しているが、水素ポンプの代わりにエゼクタを設けた燃料電池システム、または水素ポンプとエゼクタの両方を設けた燃料電池システムにも、上述した水素ポンプ４５を設けた燃料電池システムと同様に本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、連通流路６０の出口が、水素供給流路４１のうちの水素循環流路４２との合流点よりも燃料電池２側に接続されているが、連通流路６０の出口の接続先はこれに限定されない。例えば、上記合流点よりも主止弁４３側に接続することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、水素ガスの供給を停止させるときに、主止弁４３を閉弁させているが、閉弁の対象は主止弁に限定されない。例えば、インジェクタ等の圧力調整弁を閉弁させることで水素ガスの供給を停止させることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 燃料電池システムの停止制御処理を説明するため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、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…背圧調整弁、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…水素循環流路、４３…主止弁、４５…水素ポンプ、４７…排気排水弁、６０…連通流路、６１…オフガス供給弁。

Claims (3)

1. 反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記酸化ガスを前記燃料電池のカソードに供給するための酸化ガス供給流路と、
   前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
   前記酸化オフガス排出流路に設けられ、前記燃料電池内の酸化ガスの圧力を調整するための第一弁と、
   前記燃料ガスを前記燃料電池のアノードに供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料供給源からの前記燃料ガスの供給を遮断または許容する第二弁と、
   前記燃料電池から排出される前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻すための燃料循環流路と、
   前記燃料循環流路に設けられ、前記燃料オフガスおよび水分を外部に排出するための第三弁と、
   前記酸化オフガス排出流路のうちの前記第一弁よりも前記燃料電池側と、前記燃料ガス供給流路のうちの前記第二弁よりも前記燃料電池側とを連通する連通流路と、
   前記連通流路に設けられ、前記酸化オフガス排出流路から前記燃料ガス供給流路への前記酸化オフガスの供給を遮断または許容する第四弁と、
   前記燃料電池の停止時に、前記コンプレッサを制御して前記酸化ガスの供給量を所定の供給量にし、前記第一弁を制御して前記カソード側の前記酸化ガスの圧力を所定の第一圧力にし、前記第二弁を閉弁させ、前記燃料電池に発電させて前記アノード側の前記燃料ガスの圧力を前記第一圧力との間で所定の圧力差を生じさせる所定の第二圧力に低下させた後に、前記第四弁を開弁させ、その後、前記第三弁を開弁させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記第四弁を開弁させた後であって、前記アノード側の前記燃料ガスの圧力が大気圧よりも高くなったときに前記第三弁を開弁させ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. 前記所定の供給量は、燃料電池内の残留水分を除去可能な供給量であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。

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