JP2009301897A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスの無駄な排出を防止しつつ、次回起動時における燃料ガスの置換を短縮可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】アノード流路１２及びカソード流路１３を有し、アノード流路１２に水素が、カソード流路１３に空気が、それぞれ供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、システムの起動要求を検知する起動要求検知手段と、起動要求検知手段が起動要求を検知した場合、アノード流路１２内を水素に置換する水素置換手段と、システムの停止要求を検知する停止要求検知手段と、水素置換手段による置換が完了したか否かを判定する置換完了判定手段と、を備え、水素置換手段による水素の置換中に、停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、水素置換手段は、置換完了判定手段によって水素の置換が完了したと判定されるまで、水素の置換を継続する燃料電池システム１である。
【選択図】図１
【解決手段】アノード流路１２及びカソード流路１３を有し、アノード流路１２に水素が、カソード流路１３に空気が、それぞれ供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、システムの起動要求を検知する起動要求検知手段と、起動要求検知手段が起動要求を検知した場合、アノード流路１２内を水素に置換する水素置換手段と、システムの停止要求を検知する停止要求検知手段と、水素置換手段による置換が完了したか否かを判定する置換完了判定手段と、を備え、水素置換手段による水素の置換中に、停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、水素置換手段は、置換完了判定手段によって水素の置換が完了したと判定されるまで、水素の置換を継続する燃料電池システム１である。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、システムの起動要求があった場合、燃料電池のアノード流路（燃料ガス流路）を燃料ガスに置換し、置換が完了した後、燃料電池の発電を開始させる技術が提案されている（特許文献１、２参照）。
ところが、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの置換中に、システムの停止要求があった場合、燃料ガスの置換、つまり、燃料電池への燃料ガスの供給を直ちに停止していた。すなわち、アノード流路が燃料ガスで置換される前に、燃料ガスの供給が停止されていた。このため、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、再び起動要求があった場合、アノード流路内の燃料ガスの大部分を排出しつつ、新規な燃料ガスをアノード流路に供給し、燃料ガスに置換しなければならず、燃料ガスが無駄に排出されると共に、置換に時間を要していた。
そこで、本発明は、燃料ガスの無駄な排出を防止しつつ、次回起動時における燃料ガスの置換を短縮可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、システムの起動要求を検知する起動要求検知手段と、前記起動要求検知手段が起動要求を検知した場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する燃料ガス置換手段と、システムの停止要求を検知する停止要求検知手段と、前記燃料ガス置換手段による置換が完了したか否かを判定する置換完了判定手段と、を備え、前記燃料ガス置換手段による燃料ガスの置換中に、前記停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、当該燃料ガス置換手段は、前記置換完了判定手段によって燃料ガスの置換が完了したと判定されるまで、燃料ガスの置換を継続することを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、燃料ガス置換手段による燃料ガスの置換中に、停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、燃料ガス置換手段が、置換完了判定手段によって燃料ガスの置換が完了したと判定されるまで、燃料ガスの置換を継続する。すなわち、燃料ガスの置換中にシステムの停止要求を検知しても、燃料ガスの置換を継続し、燃料ガスの置換が完了したと判定された場合、燃料ガスの置換を終了する。これにより、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で、システムが停止することになる。
したがって、その後、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、システムの起動要求を検知した場合（次回起動時）、燃料ガス置換手段が燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
したがって、その後、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、システムの起動要求を検知した場合（次回起動時）、燃料ガス置換手段が燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
また、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段を備え、前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、燃料ガスの置換を継続する場合、燃料ガス圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を上昇させるので、燃料ガス流路内を燃料ガスに速やかに置換できる。また、後記する実施形態のように、燃料ガスの置換を実行する場合、コンプレッサを作動させつつ、その吐出空気の圧力を信号圧として、水素（燃料ガス）の圧力を制御する燃料電池システムである場合、燃料ガスに速やかに置換されることにより、コンプレッサを早期に停止でき、その消費電力を低減できる。
また、前記燃料電池の酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段を備え、前記燃料ガス圧力制御手段は、前記燃料ガス流路の上流に設けられると共に、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスの圧力が信号圧として入力され、当該入力された信号圧に基づいて、燃料ガスの圧力を制御するレギュレータを含んでおり、前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記酸化剤ガス圧力制御手段が酸化剤ガスの圧力を高めることにより、前記信号圧が高められ、前記レギュレータによって燃料ガスの圧力が高められることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、燃料ガスの置換を継続する場合、酸化剤ガス圧力制御手段が酸化剤ガスの圧力を高めるので、燃料電池の酸化剤ガス流路内に残留する水分を、好適に排出できる。これにより、次回起動時において、酸化剤ガス流路内の水分による燃料電池の発電性能の低下を防止できる。
また、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記置換完了判定手段は、前記燃料電池の電圧が置換完了電圧以上である場合、置換が完了したと判定すると共に、前記温度検出手段が検出する前記燃料電池の温度が低くなるほど、前記置換完了電圧を低くすることを特徴とする燃料電池システムである。
ここで、燃料電池の燃料ガス流路内の燃料ガス濃度が同一であったとしても、燃料電池の温度が低くなると、そのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を構成する電極（アノード、カソード）に含まれる触媒の活性が低下するため、燃料電池の出力する電圧が低下する。逆に、燃料電池の温度が高くなると、前記触媒の活性が高まるため、燃料電池の出力する電圧が高くなる。
そこで、このような燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするので、燃料ガスの置換完了を適切に判定することができる。これにより、置換に要する燃料ガスの量を適切にできる。
そこで、このような燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするので、燃料ガスの置換完了を適切に判定することができる。これにより、置換に要する燃料ガスの量を適切にできる。
また、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、システムの起動要求があった場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換するステップと、燃料ガスの置換中にシステムの停止要求があっても、置換が完了するまで、燃料ガスの置換を継続するステップと、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。
このような燃料電池システムの運転方法によれば、システムの起動要求があった場合、燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する。次いで、燃料ガスの置換中にシステムの停止要求があっても、置換が完了するまで、燃料ガスの置換を継続する。これにより、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で、システムが停止することになる。
したがって、その後、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、システムの起動要求があった場合（次回起動時）、燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
したがって、その後、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、システムの起動要求があった場合（次回起動時）、燃料ガス流路を燃料ガスに置換するが、燃料ガス流路が燃料ガスで置換された状態で略維持されているので、燃料ガスの置換に要する時間を短縮しつつ、燃料ガスの置換量を少なくすると共に、燃料ガスの無駄な排出を防止できる。
本発明によれば、燃料ガスの無駄な排出を防止しつつ、次回起動時における燃料ガスの置換を短縮可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１４と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック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）を給排するカソード系と、ＩＧ５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１４と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック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）を給排するカソード系と、ＩＧ５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ（図示しない）等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１４は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧や、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１４）は、算出した平均セル電圧、最低セル電圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
セル電圧モニタ１４は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧や、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１４）は、算出した平均セル電圧、最低セル電圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
＜アノード系＞
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク２１（燃料ガス源）と、常閉型の遮断弁２２と、レギュレータ２３（減圧弁）と、エゼクタ２６と、常閉型のパージ弁２７（燃料ガス排出弁）とを備えている。
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク２１（燃料ガス源）と、常閉型の遮断弁２２と、レギュレータ２３（減圧弁）と、エゼクタ２６と、常閉型のパージ弁２７（燃料ガス排出弁）とを備えている。
水素タンク２１は、水素が高圧で封入されたタンクであり、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、レギュレータ２３、配管２３ａ、エゼクタ２６、配管２６ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２２ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。
また、レギュレータ２３には、コンプレッサ３１からカソード流路１３に向かう空気の圧力が、オリフィス２４が設けられた配管２４ａを介して、パイロット圧（信号圧）として入力されるようになっている。そして、レギュレータ２３は、入力された空気の圧力に基づいて、水素の圧力を制御する構成となっている。
さらに、配管２４ａは、配管２５ａを介して、常閉型のインジェクタ２５に接続されている。インジェクタ２５は、リリーフ弁（調圧弁）として機能し、ＥＣＵ６０からの開指令に従って開くと、配管２５ａ及び配管２４ａの圧力、つまり、レギュレータ２３に入力されるパイロット圧が下がるようになっている。すなわち、ＥＣＵ６０が、インジェクタ２５を制御することで、レギュレータ２３に入力されるパイロット圧が変化し、これにより、レギュレータ２３の二次側圧力、つまり、アノード流路１２における水素の圧力が制御されるようになっている。
アノード流路１２の出口は、配管２６ｂ（燃料ガス循環ライン）を介して、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２６の吸込口に接続されている。これにより、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスは、エゼクタ２６に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
なお、配管２６ｂには気液分離器（図示しない）が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。
なお、配管２６ｂには気液分離器（図示しない）が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。
配管２６ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、希釈器３４に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２６ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合や、システム起動時において、アノード流路１２を水素で置換する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、セル電圧モニタ１４から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、セル電圧モニタ１４から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。
したがって、本実施形態において、システム起動時に、アノード流路１２内を水素に置換する水素置換手段は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、パージ弁２７と、これらを制御するＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、背圧弁３３と、希釈器３４と、温度センサ３５（温度検出手段）とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１３の入口に接続されており、ＥＣＵ６０（コンプレッサ制御手段）からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。なお、コンプレッサ３１や、遮断弁２２、インジェクタ２５、パージ弁２７、背圧弁３３は、燃料電池スタック１０や、燃料電池スタック１０の発電電力を充電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
カソード系は、コンプレッサ３１と、背圧弁３３と、希釈器３４と、温度センサ３５（温度検出手段）とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１３の入口に接続されており、ＥＣＵ６０（コンプレッサ制御手段）からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。なお、コンプレッサ３１や、遮断弁２２、インジェクタ２５、パージ弁２７、背圧弁３３は、燃料電池スタック１０や、燃料電池スタック１０の発電電力を充電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
配管３１ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させるようになっている。
カソード流路１３の出口は、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３３ａ等を介して希釈器３４に排出され、希釈器３４は、カソードオフガスによって、配管２７ｂから導入されるアノードオフガス中の水素を希釈した後、配管３４ａを介して、車外に排出するようになっている。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。
温度センサ３５は、燃料電池スタック１０の温度を検出するためのものであり、配管３３ａの上流側に取り付けられている。そして、温度センサ３５は、配管３３ａ内の温度を、燃料電池スタック１０の温度として検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。ただし、温度センサ３５の位置は、これに限定されず、温度センサ３５が、配管２６ｂや、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が通る配管や、燃料電池スタック１０自体に取り付けられた構成でもよい。
＜ＩＧ＞
ＩＧ５１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ５１は、そのＯＮ信号（システムの起動要求）、ＯＦＦ信号（システムの停止要求）を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
ＩＧ５１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ５１は、そのＯＮ信号（システムの起動要求）、ＯＦＦ信号（システムの停止要求）を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
また、ＥＣＵ６０（起動要求検知手段、停止要求検知手段）は、ＩＧ５１のＯＮ信号（システムの起動要求）、ＯＦＦ信号（システムの停止要求）を検知する機能を備えている。
さらに、ＥＣＵ６０（置換完了手段）は、セル電圧モニタ１４から入力される平均セル電圧等に基づいて、アノード流路１２の水素置換が完了したか否か判定する機能を備えている。
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
また、ＥＣＵ６０（起動要求検知手段、停止要求検知手段）は、ＩＧ５１のＯＮ信号（システムの起動要求）、ＯＦＦ信号（システムの停止要求）を検知する機能を備えている。
さらに、ＥＣＵ６０（置換完了手段）は、セル電圧モニタ１４から入力される平均セル電圧等に基づいて、アノード流路１２の水素置換が完了したか否か判定する機能を備えている。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作と共に、その運転方法について、図２を主に参照して説明する。燃料電池システム１の運転方法は、システムの起動要求（ＩＧ５１のＯＮ）があった場合、アノード流路１２内を水素に置換するステップと、水素の置換中にシステムの停止要求（ＩＧ５１のＯＦＦ）があっても、置換が完了するまで、水素の置換を継続するステップと、を含んでいる。
なお、初期状態において、ＩＧ５１はＯＦＦされており、燃料電池システム１は停止している。また、ＩＧ５１がＯＮされると、そのＯＮ信号（起動要求）を検知したＥＣＵ６０（起動要求検知手段）により、図２に示す各処理が開始される。
次に、燃料電池システム１の動作と共に、その運転方法について、図２を主に参照して説明する。燃料電池システム１の運転方法は、システムの起動要求（ＩＧ５１のＯＮ）があった場合、アノード流路１２内を水素に置換するステップと、水素の置換中にシステムの停止要求（ＩＧ５１のＯＦＦ）があっても、置換が完了するまで、水素の置換を継続するステップと、を含んでいる。
なお、初期状態において、ＩＧ５１はＯＦＦされており、燃料電池システム１は停止している。また、ＩＧ５１がＯＮされると、そのＯＮ信号（起動要求）を検知したＥＣＵ６０（起動要求検知手段）により、図２に示す各処理が開始される。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、水素置換を開始、つまり、アノード流路１２の水素への置換を開始する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開いた後、パージ弁２７を適宜に開閉し、水素タンク２１の水素をアノード流路１２に押し込み、水素置換を開始する。これに並行して、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１を作動させ、カソード流路１３に空気を押し込み、空気置換を開始する。次いで、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２に押し込まれる水素が所定の置換圧力となるように、インジェクタ２５を適宜に開き、レギュレータ２３に入力されるパイロット圧を制御する。
このように水素置換、空気置換が開始すると、燃料電池スタック１０における電極反応が進み、セル電圧モニタ１４が検出する平均セル電圧、最低セル電圧が上昇し始める。
具体的には、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開いた後、パージ弁２７を適宜に開閉し、水素タンク２１の水素をアノード流路１２に押し込み、水素置換を開始する。これに並行して、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１を作動させ、カソード流路１３に空気を押し込み、空気置換を開始する。次いで、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２に押し込まれる水素が所定の置換圧力となるように、インジェクタ２５を適宜に開き、レギュレータ２３に入力されるパイロット圧を制御する。
このように水素置換、空気置換が開始すると、燃料電池スタック１０における電極反応が進み、セル電圧モニタ１４が検出する平均セル電圧、最低セル電圧が上昇し始める。
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０（停止要求検知手段）は、ＩＧ５１がＯＦＦされたか否か、つまり、システムの停止要求があったか否か判定する。ＩＧ５１はＯＦＦされたと判定した場合、つまり、システムの停止要求があったと判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、ＩＧ５１はＯＦＦされていないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２の水素置換が完了したか否か判定する。そして、水素置換は完了したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、水素置換は完了していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。
なお、水素置換が完了したか否かの具体的判定方法は、例えば、後記するステップＳ１０５、Ｓ１０６と同様であるので、ここでの説明は省略する。
なお、水素置換が完了したか否かの具体的判定方法は、例えば、後記するステップＳ１０５、Ｓ１０６と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。具体的には、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０と外部負荷（走行モータ等）とを電気的に接続し、アクセルペダル等からの踏み込み量に対応して、燃料電池スタック１０から電流を取り出し、燃料電池スタック１０を発電させる。
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、セル電圧モニタ１４から入力される平均セル電圧が、水素置換が完了したか否かの判定基準となる置換完了電圧以上であるか否か判定する。そして、平均セル電圧が置換完了電圧以上であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、水素置換は完了したと判定し、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、平均セル電圧が置換完了電圧以上でない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、水素置換中であると判定し、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。
このようにステップＳ１０５で判定する場合において、ＥＣＵ６０は、温度センサ３５から入力される現在の燃料電池スタック１０の温度と、置換完了濃度と、図３とのマップとに基づいて、置換が完了したか否かの判定基準となる置換完了電圧を算出する。図３に示すように、アノード流路１２の水素濃度が高くなると、平均セル電圧が高くなる傾向を有し、アノード流路１２の水素濃度が置換完了濃度以上となると、置換が完了したと判断される。すなわち、置換完了濃度は、アノード流路１２が水素で置換されたと判断される濃度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
また、燃料電池スタック１０の温度が高くなるとＭＥＡに含まれる触媒の活性が高まって、平均セル電圧が高くなり、逆に、燃料電池スタック１０の温度が低くなると触媒の活性が低くなって、平均セル電圧が低くなるので、例えば、燃料電池スタック１０の温度が低くなると、置換完了電圧が低くなるように補正される（矢印Ａ１参照）。
このように、燃料電池スタック１０の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするように補正して、置換完了判定を実行するので、適切に置換完了判定できると共に、無駄な水素の排出を防止し、燃費を高めることができる。
このように、燃料電池スタック１０の温度が低くなるほど、置換完了電圧を低くするように補正して、置換完了判定を実行するので、適切に置換完了判定できると共に、無駄な水素の排出を防止し、燃費を高めることができる。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、内部クロックを利用して、ステップＳ１０１で水素置換を開始した後、所定時間が経過したか否か判定する。所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、水素置換は完了したと判定し、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、水素置換中であると判定し、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０７に進む。所定時間は、この時間が経過したならば、現在の平均セル電圧が置換完了電圧に到達していないが（Ｓ１０５・Ｎｏ）、水素置換が完了していると判断される時間に設定される。
なお、このように所定時間経過しているにも関わらず、平均セル電圧が置換完了電圧未満となる場合は、例えば、使用により燃料電池スタック１０及びこれを構成するＭＥＡ（電解質膜、触媒）等が劣化した場合等に生じる。また、所定時間は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２における水素圧力（水素の供給圧力）を上昇させる。具体的には、レギュレータ２３に入力されるパイロット圧を高め、レギュレータ２３の二次側圧力（アノード流路１２の圧力）を高めるべく、（１）インジェクタ２５の開時間を短く、又は閉じたままとする方法、（２）配管３１ａ内の圧力を高める方法、の少なくとも一方を採用できる。このようにアノード流路１２における水素圧力を上昇させることにより、水素の置換に要する時間を短縮すると共に、コンプレッサ３１やインジェクタ２５の作動時間を短くし、コンプレッサ３１等の消費電力を低減可能となる。
なお、前記（２）配管３１ａ内の圧力を高める具体的方法としては、（Ａ）コンプレッサ３１の回転速度を上昇させる方法、（Ｂ）背圧弁３３の開度を小さくする方法、の少なくとも一方を採用できる。また、（２）配管３１ａ内の圧力を高める方法を採用する場合、カソード流路１３に残留する水分（水蒸気、結露水）を、カソード流路１３から押し出し、排出できるので、システム停止中における凍結を防止しつつ、次回起動時において残留する水分によって、燃料電池スタック１０の発電性能が低下することを防止可能となる。
したがって、本実施形態において、アノード流路１２における水素の圧力を制御する水素圧力制御手段は、レギュレータ２３と、インジェクタ２５と、これらを制御するＥＣＵ６０とを備えて構成されている。また、カソード流路１３を通流する空気の圧力を制御する空気圧力制御手段は、コンプレッサ３１と、背圧弁３３と、これらを制御するＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２の水素置換を継続するため、パージ弁２７の開閉を継続する。この場合において、速やかに水素置換するべく、パージ弁２７の開時間を長くしたり、開間隔を短くする構成としてもよい。
その後、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。
その後、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。
次に、ステップＳ１０５の判定結果がＮｏ、ステップＳ１０６の判定結果がＹｅｓとなって進むステップＳ１０９を説明する。ステップＳ１０９において、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を閉じて水素供給を停止すると共に、コンプレッサ３１を停止し、燃料電池システム１を停止させる。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、ＥＮＤに進み、水素置換に係る一連の制御処理を終了する。
この場合において、遮断弁２２及びパージ弁２７は閉じているので、アノード流路１２は外気から閉じている。これにより、アノード流路１２は水素で置換された状態で略維持される。その結果、アノード流路１２に封止維持された水素、カソード流路１３内の空気が、アノード、カソードで、それぞれ電極反応し、電極反応による発熱のため、燃料電池スタック１０が保温される。
この場合において、遮断弁２２及びパージ弁２７は閉じているので、アノード流路１２は外気から閉じている。これにより、アノード流路１２は水素で置換された状態で略維持される。その結果、アノード流路１２に封止維持された水素、カソード流路１３内の空気が、アノード、カソードで、それぞれ電極反応し、電極反応による発熱のため、燃料電池スタック１０が保温される。
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
ＩＧ５１のＯＮ信号（起動要求）を検知したことより、水素置換を開始した後において、ＩＧ５１のＯＦＦ信号（停止要求）を検知したとしても、水素の置換中である場合（Ｓ１０５・Ｎｏ、Ｓ１０６・Ｎｏ）、置換が完了するまで（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、水素置換を継続するので（Ｓ１０８）、アノード流路１２が水素置換された状態で、燃料電池システム１が停止される。
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
ＩＧ５１のＯＮ信号（起動要求）を検知したことより、水素置換を開始した後において、ＩＧ５１のＯＦＦ信号（停止要求）を検知したとしても、水素の置換中である場合（Ｓ１０５・Ｎｏ、Ｓ１０６・Ｎｏ）、置換が完了するまで（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、水素置換を継続するので（Ｓ１０８）、アノード流路１２が水素置換された状態で、燃料電池システム１が停止される。
これにより、その後、短時間（例えば３分〜３０分）経過後に、再び、ＩＧ５１がＯＮされた場合（次回起動時）、再び水素置換が開始されるが（Ｓ１０１）、アノード流路１２が水素で置換された状態で略維持され、さらに、燃料電池スタック１０が保温されているので、早期に水素置換が完了（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、つまり、水素置換に要する時間を短縮しつつ、水素の置換量を少なくすると共に、水素の無駄な排出を防止できる。そして、燃料電池スタック１０を速やかに発電開始できる（Ｓ１０４）。
また、水素置換を継続する場合、水素の圧力を上昇させるので（Ｓ１０７）、置換に要する時間を短縮できる。さらに、コンプレッサ３１の回転速度を高める等によって、空気の圧力を高める場合、カソード流路１３内の水分を排出できる。さらにまた、燃料電池スタック１０の温度に基づいて、置換完了温度を補正するので、置換完了判定を適切に行うことができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の劣化を考慮して、平均セル電圧が置換完了電圧未満であっても（Ｓ１０５・Ｎｏ）、水素置換の開始から所定時間経過した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、水素置換は完了したと判定する構成としたが、その他に例えば、ステップＳ１０６の処理を省略する構成でもよい。
また、このように省略する場合、燃料電池スタック１０の総発電時間が長くなると劣化が進むので、総発電時間が長くなるほど、ステップＳ１０５における置換完了電圧を小さく補正する構成としてもよい。
また、このように省略する場合、燃料電池スタック１０の総発電時間が長くなると劣化が進むので、総発電時間が長くなるほど、ステップＳ１０５における置換完了電圧を小さく補正する構成としてもよい。
前記した実施形態では、ステップＳ１０５において、平均セル電圧に基づいて水素置換が完了したか否か判定する構成としたが、その他に例えば、最低セル電圧に基づいて判定する構成としてもよい。また、配管２６ｂに水素濃度を検出する水素センサを設け、この水素センサが検出する水素濃度が、置換完了濃度以上となった場合、水素置換が完了したと判定する構成としてもよい。
前記した実施形態では、空気の圧力が信号圧に基づいて水素の圧力を制御するレギュレータ２３を備える構成を例示したが、その他に例えば、配管２６ｂ（燃料ガス循環ライン）に循環ポンプを備える場合、水素の圧力を上げるとき、この循環ポンプの回転速度を高める構成としてもよい。
また、ソレノイド等によって電磁的に二次側圧力（アノード流路１２における水素圧力）を制御可能なレギュレータを備える場合、このレギュレータによって二次側圧力を制御する構成としてもよい。
また、ソレノイド等によって電磁的に二次側圧力（アノード流路１２における水素圧力）を制御可能なレギュレータを備える場合、このレギュレータによって二次側圧力を制御する構成としてもよい。
前記した実施形態では、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に、本発明を適用した場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システム、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに適用してもよい。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ 単セル（燃料電池）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１４ セル電圧モニタ
２１ 水素タンク（燃料ガス置換手段）
２２ 遮断弁（燃料ガス置換手段）
２３ レギュレータ（燃料ガス圧力制御手段）
２５ インジェクタ（燃料ガス圧力制御手段）
２７ パージ弁（燃料ガス置換手段）
３１ コンプレッサ（酸化剤ガス圧力制御手段）
３３ 背圧弁（酸化剤ガス圧力制御手段）
３５ 温度センサ（温度検出手段）
６０ ＥＣＵ（燃料ガス置換手段、燃料ガス圧力制御手段、酸化剤ガス圧力制御手段、起動要求検知手段、停止要求検知手段、置換完了判定手段）
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ 単セル（燃料電池）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１４ セル電圧モニタ
２１ 水素タンク（燃料ガス置換手段）
２２ 遮断弁（燃料ガス置換手段）
２３ レギュレータ（燃料ガス圧力制御手段）
２５ インジェクタ（燃料ガス圧力制御手段）
２７ パージ弁（燃料ガス置換手段）
３１ コンプレッサ（酸化剤ガス圧力制御手段）
３３ 背圧弁（酸化剤ガス圧力制御手段）
３５ 温度センサ（温度検出手段）
６０ ＥＣＵ（燃料ガス置換手段、燃料ガス圧力制御手段、酸化剤ガス圧力制御手段、起動要求検知手段、停止要求検知手段、置換完了判定手段）
Claims (5)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
システムの起動要求を検知する起動要求検知手段と、
前記起動要求検知手段が起動要求を検知した場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する燃料ガス置換手段と、
システムの停止要求を検知する停止要求検知手段と、
前記燃料ガス置換手段による置換が完了したか否かを判定する置換完了判定手段と、
を備え、
前記燃料ガス置換手段による燃料ガスの置換中に、前記停止要求検知手段が停止要求を検知した場合、当該燃料ガス置換手段は、前記置換完了判定手段によって燃料ガスの置換が完了したと判定されるまで、燃料ガスの置換を継続する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段を備え、
前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を上昇させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段を備え、
前記燃料ガス圧力制御手段は、前記燃料ガス流路の上流に設けられると共に、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスの圧力が信号圧として入力され、当該入力された信号圧に基づいて、燃料ガスの圧力を制御するレギュレータを含んでおり、
前記燃料ガス置換手段が燃料ガスの置換を継続する場合、前記酸化剤ガス圧力制御手段が酸化剤ガスの圧力を高めることにより、前記信号圧が高められ、前記レギュレータによって燃料ガスの圧力が高められる
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記置換完了判定手段は、前記燃料電池の電圧が置換完了電圧以上である場合、置換が完了したと判定すると共に、前記温度検出手段が検出する前記燃料電池の温度が低くなるほど、前記置換完了電圧を低くする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
システムの起動要求があった場合、前記燃料ガス流路内を燃料ガスに置換するステップと、
燃料ガスの置換中にシステムの停止要求があっても、置換が完了するまで、燃料ガスの置換を継続するステップと、
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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