JP2012182091A - 車両用燃料電池システムのアイドル停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、ＭＥＡの劣化を可及的に抑制することができ、燃料電池スタック全体の耐久性を向上させるとともに、異音の発生を低減させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池３０が積層された燃料電池スタック１２を備える。燃料電池システム１０のアイドル停止方法では、燃料電池３０が発電中で且つ走行用モータ２４の電気的負荷が所定時間所定値以下であることが検出された際、アイドル状態であると判断する第１の工程と、前記アイドル状態であると判断された際、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の酸化剤ガスをカソード側に供給して発電するとともに、発電電流をディスチャージする第２の工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池を備え、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、発電電力を走行用モータに供給して走行する車両用燃料電池システムのアイドル停止方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。

燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

この種の車載用燃料電池システムでは、起動から停止までの間において、すなわち、イグニッションスイッチがオンされた状態において、アイドル状態に移行する場合がある。アイドル状態とは、例えば、走行用モータの電気的負荷が所定時間所定値以下である状態をいう。

そして、アイドル状態からアイドル停止に移行する際には、燃料電池の劣化を防止するために、燃料電池スタックの起電力を劣化電位以下に抑える必要がある。このため、アイドル停止時に、燃料電池スタックから電流を取り出してディスチャージを行うことが知られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われ、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池スタックから電流を取り出し、前記燃料電池スタックのカソード電極に残留する酸化剤ガスを消費して前記燃料電池スタックのスタック電圧を低下された後、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから電流を取り出す際に、電流の取り出し開始時から取り出し終了時にかけて取り出し電流の電流値を低下させることを特徴としている。

これにより、電流の取り出しを終了するタイミングをより精度よく判定することが可能となり、燃料電池スタックの劣化や酸化剤ガスの過剰消費を抑制することに加えて、発電停止に移行するまでの時間を短縮することができ、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる、としている。

特開２００６−２９４３０４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタックのディスチャージ時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止されているため、燃料電池のＭＥＡに劣化が惹起されるという問題がある。具体的には、図８に示すように、燃料電池１において、ＭＥＡ２を挟んでカソード流路３及びアノード流路４が設けられており、前記カソード流路３には、酸素が存在する一方、前記アノード流路４には、水素が存在している。

このため、アノード流路４に残留している水素が、ＭＥＡ２を透過してカソード流路３に移動した際に、前記ＭＥＡ２の触媒表面上で残存酸素と反応し、前記ＭＥＡ２に劣化が発生するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、ＭＥＡの劣化を可及的に抑制することができ、燃料電池スタック全体の耐久性を向上させるとともに、例えば、燃料電池に空気を供給するポンプが加速時に発する騒音及び水素供給遮断弁の切り換え時の異音の発生を低減させることが可能な車両用燃料電池システムのアイドル停止方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池を備え、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、発電電力を走行用モータに供給して走行する車両用燃料電池システムのアイドル停止方法に関するものである。

このアイドル停止方法では、燃料電池が発電中で且つ走行用モータの電気的負荷が所定時間所定値以下であることが検出された際、アイドル状態であると判断する第１の工程と、前記アイドル状態であると判断された際、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の酸化剤ガスをカソード側に供給して発電するとともに、発電電流をディスチャージする第２の工程とを有している。

ここで、アイドル状態とは、走行用モータの電気的負荷が所定時間所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータの回転数がゼロを含む所定の低速回転数である状態（「停止又は低速走行状態」という。）、燃料電池車両の減速時に回生制御力を発生させている状態（「回生走行状態」という。）、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態（「クルーズ走行状態」という。）等が該当する。

そして、アイドル停止状態とは、上記のアイドル状態（第１の工程）から第２の工程に移行された状態をいい、通常の発電停止期間とは異なる。すなわち、アイドル停止状態は、例えば、アクセル操作により通常発電工程（通常走行）に移行することができる状態をいう。

また、このアイドル停止方法では、第１の工程で、アイドル状態であると判断された際、燃料電池の要求電力が所定値以下か否かを判断する工程を有し、前記要求電力が前記所定値以下であると判断された際、第２の工程を行う一方、前記要求電力が前記所定値を超えると判断された際、通常発電工程に移行することが好ましい。

本発明では、燃料電池スタックが、アイドル状態であると判断された際、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の酸化剤ガスをカソード側に供給している。

従って、カソード側では、酸化剤ガスが流通しているため、アノード側から前記カソード側にＭＥＡを透過した燃料ガス中の水素は、前記酸化剤ガス中の酸素と反応する前に前記ＭＥＡから排出されている。これにより、簡単な工程で、ＭＥＡが劣化することを可及的に抑制することができ、燃料電池スタック全体の耐久性を向上させることが可能になる。

しかも、アイドル停止中、アノード側に燃料ガスが流通されており、前記燃料ガスの供給及び供給停止を行うための遮断弁の切り換え操作が不要になる。このため、遮断弁の切り換え時の異音の発生を良好に低減することができるとともに、前記遮断弁の耐久性が有効に向上する。

本発明の第１の実施形態に係るアイドル停止方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。 前記アイドル停止方法を説明するフローチャートである。 前記アイドル停止方法を説明するタイミングチャートである。 カソード側の供給エア量とＭＥＡの性能劣化量との関係説明図である。 前記ＭＥＡの触媒表面上での反応説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るアイドル停止方法を説明するフローチャートである。 従来例におけるＭＥＡの触媒表面上での反応説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るアイドル停止方法が実施される車載用燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、蓄電装置、例えば、バッテリ２０と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２２とを備える。

燃料電池スタック１２及びバッテリ２０は、走行用モータ２４を含む負荷に電力を供給することができる。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。なお、蓄電装置としては、バッテリ２０の他、キャパシタ等を採用してもよい。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を積層して構成される。各燃料電池３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２をカソード電極３４とアノード電極３６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３８を備える。

カソード電極３４及びアノード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体３８は、カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２で挟持される。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ４０と電解質膜・電極構造体３８との間には、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、アノード側セパレータ４２と前記電解質膜・電極構造体３８との間には、燃料ガス流路４６が設けられる。カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２との間には、冷却媒体流路４８が設けられる。

燃料電池スタック１２には、各燃料電池３０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔５４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔５２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５６を備え、前記エアポンプ５６が空気供給流路５８に配設される。空気供給流路５８には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器６０が配設されるとともに、前記空気供給流路５８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに連通する空気排出流路６６を備える。空気排出流路６６は、加湿器６０の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路６６には、エアポンプ５６から空気供給流路５８を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁６８が設けられる。背圧制御弁６８は、ノーマルオープン型（通電されない時に開放される）背圧弁により構成される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ₂タンク）７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに連通する。この水素供給流路７２には、レギュレータ７３、遮断弁７４及びエゼクタ７６が設けられる。レギュレータ７３は、酸化剤ガス供給装置１４における酸化剤ガスの供給量に対応して圧力調整される。

エゼクタ７６は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔５２ｂには、オフガス流路８０が連通する。オフガス流路８０の途上には、水素循環路７８が連通するとともに、前記オフガス流路８０には、パージ弁８２が接続される。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４には、ラジエータ８６及び冷媒ポンプ８８が接続される。

図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン１００の一端が接続されるとともに、前記バスライン１００の他端がインバータ１０２に接続される。直流を三相交流に変換するインバータ１０２には、三相の車両走行用の走行用モータ２４が接続される。

バスライン１００には、ＦＣコンタクタ１０４が配設されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５を介装してエアポンプ５６及び冷媒ポンプ８８等が接続される。バスライン１００には、電力線１０６の一端が接続され、前記電力線１０６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８及びバッテリコンダクタ１１０を介装してバッテリ２０が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図示しないイグニッションスイッチ等により燃料電池システム１０が起動されると、例えば、バッテリ２０から補機類に電力が供給される。このため、燃料電池スタック１２による発電が開始される。

通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６を介して、空気供給流路５８に空気が送られる。この空気は、加湿器６０を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池３０に設けられている酸化剤ガス流路４４に沿って移動することにより、カソード電極３４に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂから空気排出流路６６に排出され、加湿器６０に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁６８を介して外部に排出される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４が開放されることにより、水素タンク７０からレギュレータ７３により減圧された水素ガスが、水素供給流路７２に供給される。この水素ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池３０の燃料ガス流路４６に沿って移動することにより、アノード電極３６に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂから水素循環路７８を介してエゼクタ７６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極３４に供給される空気とアノード電極３６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。

一方、水素循環路７８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁８２が開放されることによって排出される。

また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔５４ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路４８に沿って移動することにより、燃料電池３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔５４ｂから冷却媒体循環路８４に排出される。

次いで、第１の実施形態に係るアイドル停止方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイミングチャートに沿って説明する。

先ず、燃料電池スタック１２が、アイドル状態か否かが判断される（第１の工程）。アイドル状態とは、例えば、イグニッションスイッチがＯＮされた状態で、走行用モータ２４の電気的負荷が所定時間所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータ２４の回転数がゼロを含む所定の低速回転数である状態（「停止又は低速走行状態」という。）、燃料電池車両の減速時に回生制御力を発生させている状態（「回生走行状態」という。）、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態（「クルーズ走行状態」という。）等が該当する。

走行用モータ２４の電気的負荷が、所定時間所定値以下であると検出されると、燃料電池スタック１２がアイドル状態であると判断される（ステップＳ１中、ＹＥＳ）。なお、燃料電池スタック１２は、アイドル状態において、排出される水素濃度を低減させるため、例えば、希釈器（図示せず）に、常時、希釈用空気を供給することが好ましい。

そして、ステップＳ２に進んで、アイドル停止処理が行われる（第２の工程）。このステップＳ２では、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の酸化剤ガスをカソード側に供給して発電するとともに、発電電流をディスチャージする。

具体的には、アイドル停止処理時に、酸化剤ガス流路４４に供給される空気量（カソード供給エア量）と電解質膜・電極構造体３８の性能劣化量（ＭＥＡ劣化量）とは、図５に示す関係を有する。この性能劣化量は、図８に示すように、触媒表面上で透過水素と残存酸素とが反応して発生する劣化の程度をいう。

そこで、酸化剤ガス流路４４に空気が流通されると、図６に示すように、燃料ガス流路４６から酸化剤ガス流路４４に電解質膜・電極構造体３８を透過した水素ガスは、前記空気中の酸素と反応する前に前記電解質膜・電極構造体３８から排出されている。従って、電解質膜・電極構造体３８に発生する劣化が、実際上、問題にならない程度である供給空気量を、所定量に設定し、この所定量に対応してエアポンプ５６の回転数が設定される。所定量としては、例えば、５０〜１５０ＮＬ／ｍｉｎに設定される。

なお、上記の所定量以上であれば、電解質膜・電極構造体３８（特に、電解質膜３２）の劣化が抑制されるものの、必要以上に多量の空気を供給するため、エアポンプ５６の負荷が大きくなって不経済になる。このため、実質的には、空気量は、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される空気量未満の最低量に設定されることが好ましい。

また、アイドル停止時に燃料電池３０を流通した空気が、後流の希釈器に供給し続けられるため、通常のアイドル停止に入る前に大量の空気を流通させて排出される水素濃度を予め低下させる処理が不要になる。

図４に示すように、エアポンプ５６の回転数が設定されるとともに、背圧制御弁６８への通電が停止される。従って、ノーマルオープン型の背圧制御弁６８は、全開状態に維持される。そして、燃料電池スタック１２は、設定されたエアポンプ５６の回転数に応じて、すなわち、供給エア量に応じて、ディスチャージを行う。このディスチャージでは、例えば、エアポンプ５６やバッテリ２０に電流を供給することにより、無駄な放電を回避することができる。

なお、エアポンプ５６の低回転作動中には、燃料電池スタック１２のアノード系から水素ガスの排出を規制することが好ましい。排気水素濃度の上昇を防止することが可能となるからである。

一方、ステップＳ１において、燃料電池スタック１２が、アイドル状態でないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、燃料電池スタック１２は、上記の通常運転制御に移行され、走行可能な状態に維持される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２が、アイドル状態であると判断された際、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の酸化剤ガスをカソード側に供給している。

従って、図６に示すように、カソード側では、酸化剤ガスが流通しているため、アノード側から前記カソード側に電解質膜・電極構造体３８を透過した燃料ガス中の水素は、前記酸化剤ガス中の酸素と反応する前に前記電解質膜・電極構造体３８から排出されている。これにより、簡単な工程で、電解質膜・電極構造体３８が劣化することを可及的に抑制することができ、燃料電池スタック１２全体の耐久性を向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、アイドル停止中、アノード側に燃料ガスが流通されており、前記燃料ガスの供給及び供給停止を行うための遮断弁７４の切り換え操作が不要になる。遮断弁７４は、常時、開放しておくことができるからである。このため、アイドル停止時に、遮断弁７４を閉塞側に操作する必要がなく、前記遮断弁７４の切り換え時の異音の発生を良好に低減することが可能になるとともに、前記遮断弁７４の耐久性が有効に向上するという利点がある。

さらに、アイドル停止時には、背圧制御弁６８への通電が停止されており、省電力を図るとともに、前記背圧制御弁６８は、全開状態に維持されている。従って、背圧制御弁６８では、通電時に発生する異音が、アイドル停止時に惹起することがない。これにより、アイドル停止時に、所望の静粛性を確保することができる。

さらにまた、アイドル停止時には、エアポンプ５６が停止されることがなく、所定の回転数で駆動されている。このため、アイドル停止状態から通常運転状態に移行する際、エアポンプ５６は、停止状態から急激に高回転数に上げる必要がない。従って、急加速によりエアポンプ５６から騒音が発生することを有効に抑制することが可能になる。

次いで、本発明の第２の実施形態に係るアイドル停止方法について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、図３に示す第１の実施形態と同様の工程については、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、燃料電池スタック１２が、アイドル状態であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、前記燃料電池スタック１２の要求電力が所定値以下であるか否かを判断する。このステップＳ１２では、燃料電池スタック１２から所定値以上の電流を取り出す必要がある際には（ステップＳ１２中、ＮＯ）、アイドル停止制御を行わずに、通常運転制御に移行する（ステップＳ１４）。

燃料電池スタック１２から所定値以上の電流を取り出す必要がある場合とは、例えば、エアコン等の補機消費電力が大きい場合、バッテリ２０の残量が減少して充電が必要な場合、極低温環境下等で、凍結防止のために発電（発熱）が必要な場合等である。

これにより、第２の実施形態では、燃料電池スタック１２の要求電力に応じて、アイドル停止制御と通常運転制御とが切り換えられるため、良好な運転制御が遂行されるとともに、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…コントローラ ２４…走行用モータ
３０…燃料電池 ３２…固体高分子電解質膜
３４…カソード電極 ３６…アノード電極
４０…カソード側セパレータ ４２…アノード側セパレータ
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５６…エアポンプ
６０…加湿器 ６６…空気排出流路
６８…背圧制御弁 ７０…水素タンク
７３…レギュレータ ７４…遮断弁
７６…エゼクタ ７８…水素循環路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池を備え、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、発電電力を走行用モータに供給して走行する車両用燃料電池システムのアイドル停止方法であって、
   前記燃料電池が発電中で且つ前記走行用モータの電気的負荷が所定時間所定値以下であることが検出された際、アイドル状態であると判断する第１の工程と、
   前記アイドル状態であると判断された際、前記アノード側に前記燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の前記酸化剤ガスを前記カソード側に供給して発電するとともに、発電電流をディスチャージする第２の工程と、
   を有することを特徴とする車両用燃料電池システムのアイドル停止方法。
2. 請求項１記載のアイドル停止方法において、前記第１の工程で、前記アイドル状態であると判断された際、前記燃料電池の要求電力が所定値以下か否かを判断する工程を有し、
   前記要求電力が前記所定値以下であると判断された際、前記第２の工程を行う一方、前記要求電力が前記所定値を超えると判断された際、通常発電工程に移行することを特徴とする車両用燃料電池システムのアイドル停止方法。

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