JP2017157273A - 燃料電池システムの発電停止方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低温状態で停止されても、簡単な制御で、燃料電池の劣化を防止するとともに、次回の起動の安定性を良好に確保することを目的とする。
【解決手段】燃料電池システムの発電停止方法では、イグニッションスイッチがオンなされた後、燃料電池スタックの発電を所定の時間だけ継続させている。その際、燃料電池スタックの温度が所定温度になるまでの間、前記燃料電池スタックに供給される冷却媒体の流量を第１冷却媒体流量に制御する工程を有する。さらに、燃料電池スタックが所定温度に到達した際、前記燃料電池スタックに供給される冷却媒体の流量を、第１冷却媒体流量よりも多い第２冷却媒体流量に制御する工程を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置、及び冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置を備える燃料電池システムの発電停止方法に関する。
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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
この燃料電池では、水素ガス（燃料ガス）と酸素ガス（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電（運転）を行うため、カソード側には、生成水が発生している。一方、アノード側には、生成水が電解質膜を透過（逆拡散）して水分が存在している。このため、燃料電池スタックが、適切に昇温される前に低温状態で停止されると、次回の起動時に、起動性が低下するとともに、前記燃料電池スタック内の水や補機内の水が凍結してしまうおそれがある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの停止方法が知られている。この停止方法では、システムを停止する際、燃料電池の冷却手段の冷却性能を低下させるとともに、前記燃料電池を継続運転させ、電気化学反応による発熱を利用して前記燃料電池の温度を上昇させている。そして、燃料電池の温度が上昇した後に、前記燃料電池の運転を停止させている。
特開２００３−１５１６０１号公報
しかしながら、上記のように、燃料電池の冷却性能を低下させると、前記燃料電池を構成する複数個の発電セルでは、積層方向の配置位置、例えば、中央位置の発電セルと端部位置の発電セルとの間に温度分布が発生し易い。このため、全ての発電セルにおいて、次回の起動を安定して行うことが困難になるおそれがある。さらに、燃料電池に接続されている補機が凍結している場合があり、所望の停止処理が遂行されずに前記燃料電池の劣化が惹起され易いという問題がある。
本発明は、この種の課題を解決するものであり、低温状態で停止されても、簡単な制御で、燃料電池の劣化を防止するとともに、次回の起動の安定性を良好に確保することが可能な燃料電池システムの発電停止方法を提供することを目的とする。
本発明に係る発電停止方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、を備えている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電する。
この発電停止方法では、システム停止要求がなされた後、燃料電池の発電を所定の時間だけ継続させる停止後発電処理を有している。そして、この停止後発電処理は、燃料電池の温度が所定温度になるまでの間、前記燃料電池に供給される冷却媒体の流量を第１冷却媒体流量に制御する工程を有している。さらに、この停止後発電処理は、燃料電池が所定温度に到達した際、前記燃料電池に供給される冷却媒体の流量を、第１冷却媒体流量よりも多い第２冷却媒体流量に制御する工程を有している。
また、この発電停止方法では、冷却媒体供給装置は、燃料電池の冷却媒体出口から排出される冷却媒体を、酸化剤ガス供給装置を構成し、凍結の可能性がある設備に流通させることが好ましい。
本発明によれば、まず、燃料電池には、低流量である第１冷却媒体流量に設定された冷却媒体が供給されている。このため、燃料電池の電極面内には、温度差が発生し易くなり、ガス出口側の温度が上昇して結露の発生を抑制するとともに、前記燃料電池が円滑に昇温される。
次いで、燃料電池が所定温度に到達した際、前記燃料電池には、高流量である第２冷却媒体流量に設定された冷却媒体が供給されている。従って、燃料電池は、積層方向に均一な温度に昇温されるとともに、凍結の可能性がある設備を良好に解凍することができる。これにより、低温状態で停止されても、簡単な制御で、燃料電池の劣化を防止するとともに、次回の起動の安定性を良好に確保することが可能になる。
本発明の実施形態に係る発電停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記発電停止方法を説明するタイムチャートである。 水ポンプの回転数の大小によるスタック温度とカソード湿度との関係図である。 水温、インピーダンス及び冷却媒体流量の関係を示すタイムチャートである。 解凍時間と冷却媒体流量との関係説明図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る発電停止方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。
燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部（ＥＣＵ）２２と、インピーダンス測定部２３とを備える。インピーダンス測定部２３は、後述する電解質膜・電極構造体２６から測定されたインピーダンス値に基づいて湿度又は抵抗値を推定し、制御部２２は、その推定値に基づいて前記電解質膜・電極構造体２６の含水量を測定する。燃料電池スタック１２には、発電電流値を検出する電流センサ２５が取り付けられ、検出された電流値が制御部２２に送られる。
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。
空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。
冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。
燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられる。
燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。
水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。
空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、前記バイパス供給路８６を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁８８（バイパス弁）が配設される。
燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。
空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。
空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。空気排出路９０には、燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂから排出された排出空気の温度（スタック温度）を検出する空気温度センサ１０１が配設される。
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４及びタンク１０５が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。冷却媒体排出路１０８には、冷却媒体出口温度を検出するための冷媒温度センサ１１０が配設される。
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口４８ｂから排出される冷却媒体を、酸化剤ガス供給装置１６を構成し、凍結の可能性がある設備、例えば、循環ポンプ１００及び排出側開閉弁８２ｂに流通させる冷却媒体循環路１１２を備える。冷却媒体循環路１１２の入口側は、冷却媒体排出路１０８に連通するとともに、前記冷却媒体循環路１１２の出口側は、タンク１０５に接続される。なお、冷却媒体循環路１１２は、供給側開閉弁８２ａにも冷却媒体を流通させてもよい。
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。
燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。
酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、加湿器８４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、前記空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。
次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガス（水素排気ガス）は、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。
同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気（排出空気）は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。排出空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。
次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の発電停止方法について、図２に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。
図２において、縦軸の上部には、制御部２２に起動開始信号を入力するための、例えば、イグニッションスイッチのオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）切り替えタイミングが示されている。さらに、縦軸に沿って、エアポンプ７８の回転数、冷媒温度センサ１１０により検出される水温、水ポンプ１０４の回転数、電流センサ２５の検出電流値、バッテリ２０のＳＯＣ（充電率）、燃料電池スタック１２の含水量及びインピーダンス値が示されている。なお、冷媒温度センサ１１０により検出される水温に代えて、空気温度センサ１０１により検出される空気温度でもよい。
そこで、燃料電池システム１０が通常発電を行った後、イグニッションスイッチがオフされてシステム停止要求がなされると、前記燃料電池システム１０は、停止後発電処理に移行する。このため、エアポンプ７８の回転数が上昇されるとともに、水ポンプ１０４の回転数が、最小回転数に設定され、燃料電池スタック１２に供給される冷却媒体の流量が第１冷却媒体流量に制御される。
第１冷却媒体流量は、燃料電池スタック１２内のカソード湿度（カソード電極３６側の湿度）を低下できる流量である。図３に示すように、水ポンプ１０４の回転数が大きくなると、冷却媒体流量が増量されてカソード湿度が高くなり、前記カソード湿度を低下させることができるスタック温度Ｔ１も高くなる。一方、水ポンプ１０４の回転数が小さくなると、冷却媒体流量が減量されてカソード湿度が低くなり、前記カソード湿度を低下させることができるスタック温度Ｔ２も低くなる。
従って、第１冷却媒体流量は、水ポンプ１０４の回転数が最小回転数（例えば、１０００ｒｐｍ程度）に制御されることにより設定される。すなわち、燃料電池スタック１２の昇温処理は、カソード湿度が過加湿状態から乾燥状態側に移行し易い冷却媒体流量に選択される。
第１冷却媒体流量が設定されると、図４に示すように、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口４８ｂで検出された水温が上昇するとともに、インピーダンス値が低下、すなわち、含水量が増加する。なお、検出された水温は、上昇の途上で一旦下降しているが、これは、冷却媒体系の管路内に残存する低温の冷却媒体が検出されたからである。
図２に示すように、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口４８ｂの水温が、所定温度（例えば、４０℃）程度に昇温されると、水ポンプ１０４の回転数が最小回転数（例えば、１０００ｒｐｍ程度）から最大回転数（例えば、４０００ｒｐｍ程度）に切り替えられる。
これにより、燃料電池スタック１２に供給される第１冷却媒体流量が、第２冷却媒体流量に増量制御され、解凍処理及び温度分布均一処理に移行する（図４参照）。なお、燃料電池スタック１２の水温が、所定温度に昇温される前に電流値を上げると、水が多量に生成されてしまい、インピーダンス値が上昇するまでに時間がかかり過ぎるおそれがある。
ここで、図５に示すように、解凍時間は、冷却媒体流量に依存しており、該冷却媒体流量を増量させることが好ましい。一方、解凍時間は、冷却媒体の温度にも依存している。このため、低温度では、冷却媒体流量を絞るとともに、温度上昇後には、該冷却媒体流量を最大限に増加させることが望ましい。
図１に示すように、冷却媒体供給装置１８では、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される増量された冷却媒体（温水）の一部が、冷却媒体循環路１１２に供給されている。冷却媒体は、冷却媒体循環路１１２を通って循環ポンプ１００及び排出側開閉弁８２ｂを流通することにより、前記循環ポンプ１００及び前記排出側開閉弁８２ｂが解凍される。
また、燃料電池スタック１２に供給される冷却媒体の流量は、第１冷却媒体流量よりも多い第２冷却媒体流量に制御されている。従って、燃料電池スタック１２内には、増量された温水である冷却媒体が供給されている。
上記の停止後発電処理が、所定の時間だけ行われた後、例えば、Ｏ2リーン処理に移行する。Ｏ2リーン処理は、図１に示すように、例えば、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂが封止された状態で、循環ポンプ１００の回転作用下に循環供給される空気を用いて、燃料電池スタック１２による発電が行われる。これにより、燃料電池スタック１２内に残存する空気中の酸素が水素ガスと反応して消費され、前記燃料電池スタック１２内のカソード流路には、窒素濃度が高い、すなわち、酸素濃度が低い（Ｏ2リーン）環境が得られ、停止制御が完了する。
この場合、本実施形態では、まず、燃料電池スタック１２には、低流量である第１冷却媒体流量に設定された冷却媒体が供給されている。このため、各発電セル２４の電極面内には、温度差が発生し易くなり、燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂ側の温度が上昇する。従って、カソード電極３６側では、結露の発生が抑制されるとともに、発電セル２４が円滑に昇温される。しかも、乾燥効果を高めることにより、電流を引いていても、生成水が多くなることを抑制することが可能になる。
次いで、燃料電池スタック１２が所定温度に到達した際、前記燃料電池スタック１２には、高流量である第２冷却媒体流量に設定された冷却媒体（温水）が供給されている。これにより、冷却媒体循環路１１２に接続されている循環ポンプ１００及び排出側開閉弁８２ｂに冷却媒体（温水）を流通させることができる。しかも、燃料電池スタック１２には、高流量の冷却媒体（温水）が供給されている。このため、発電セル２４は、積層方向に対する温度分布が均一化される。
従って、特に燃料電池システム１０が低温起動直後に停止された場合であっても、簡単な制御で、発電セル２４の劣化を防止するとともに、次回の起動の安定性を良好に確保することが可能になるという効果が得られる。
また、本実施形態では、冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口４８ｂから排出される冷却媒体を、酸化剤ガス供給装置１６を構成し、凍結の可能性がある設備に流通させている。凍結の可能性がある設備は、例えば、Ｏ2リーン処理に係わる循環ポンプ１００及び排出側開閉弁８２ｂ（必要であれば、供給側開閉弁８２ａや背圧弁９２も含む）である。
これにより、燃料電池スタック１２を流通して昇温された冷却媒体が、循環ポンプ１００及び排出側開閉弁８２ｂに供給されるため、前記循環ポンプ１００及び前記排出側開閉弁８２ｂを迅速に解凍することができる。このため、燃料電池システム１０の停止制御（例えば、Ｏ2リーン処理）が適切に遂行されるという利点がある。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…制御部 ２３…インピーダンス測定部
２４…発電セル ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード電極 ３６…カソード電極
３８…水素ガス流路 ４０…空気流路
５０…水素タンク ５２…水素ガス供給路
７８…エアポンプ ８０…空気供給路
８２ａ…供給側開閉弁 ８２ｂ…排出側開閉弁
８４…加湿器 ８８、９６…ＢＰ流量調整弁
９０…空気排出路 ９２…背圧弁
９４…バイパス流路 ９８…空気循環流路
１００…循環ポンプ １０１…空気温度センサ
１０２…冷却媒体供給路 １０４…水ポンプ
１０５…タンク １０８…冷却媒体排出路
１１０…冷媒温度センサ １１２…冷却媒体循環路

Claims (2)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池内に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、
    を備える燃料電池システムの発電停止方法であって、
    システム停止要求がなされた後、前記燃料電池の発電を所定の時間だけ継続させる停止後発電処理を有し、
    前記停止後発電処理は、前記燃料電池の温度が所定温度になるまでの間、該燃料電池に供給される前記冷却媒体の流量を第１冷却媒体流量に制御する工程と、
    前記燃料電池の温度が前記所定温度に到達した際、前記燃料電池に供給される前記冷却媒体の流量を、前記第１冷却媒体流量よりも多い第２冷却媒体流量に制御する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
  2. 請求項１記載の発電停止方法であって、前記冷却媒体供給装置は、前記燃料電池の冷却媒体出口から排出される前記冷却媒体を、前記酸化剤ガス供給装置を構成し、凍結の可能性がある設備に流通させることを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
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