JP4447489B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、低温始動に対応可能な燃料電池システムに関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素を、カソードに空気（酸素）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。燃料電池の運転中において、生成水は主にカソードにて生成されるものの、カソードとアノードとの間に介装した電解質膜を介して、カソード中の水分がアノードに移動する場合がある。

燃料電池の発電を停止する際には燃料電池のガス流路内には前述した生成水や加湿水が残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温時に残留水が凍結してしまい反応ガス（水素、空気）の供給排出の妨げとなるため、低温始動性が低下してしまう。

これに対し、特許文献１には、燃料電池の発電停止時において、アノードやカソードの一方または両方の掃気処理（パージ処理）を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２０３６６５号公報

しかしながら、燃料電池の発電を停止してから再度始動されるまでに、氷点下またはそれに近い低温環境下に晒されると、燃料電池システムに滞留する水蒸気が凝結してしまい、この状態で燃料電池の発電を行うと、発電効率が低下して、発電が不安定になるという問題がある。

従って、本発明は、燃料電池が低温環境下に晒されたときであっても、発電を安定化させ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。

請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記反応ガスが流通する反応ガス流通路（例えば、実施の形態における水素供給流路３、エア供給流路６）と、前記反応ガス流通路を掃気ガスにより掃気を行う掃気手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５、開閉弁１０、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８）と、前記燃料電池および前記反応ガス流通路の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度センサ（例えば、実施の形態における温度センサ１３）と、前記燃料電池を停止してからの時間を検出するタイマー（例えば、実施の形態におけるタイマー１６）と、前記燃料電池から発電された電力を蓄電する蓄電手段（例えば、実施の形態におけるエネルギーストレージ２２）と、前記燃料電池の発電制御を行う制御部（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２）と、を備え、該制御部は、前記掃気手段による掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段を有し、該掃気判断手段は、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電停止が継続した状態で前記制御部が次回起動されるまでに前記反応ガス流通路内で水分が凍結する虞があるという見地で予め設定した第１の所定温度よりも低下したときに、前記掃気手段により前記反応ガス流通路を掃気する燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記タイマーおよび前記蓄電手段の少なくともいずれか一方の不具合を検知する不具合検知手段をさらに備え、該不具合検知手段により前記タイマーおよび前記蓄電手段の少なくともいずれか一方の不具合を検知して、前記制御部の次回起動を規定することができないと判断するとともに、前記温度センサの検出温度が、前記第１の所定温度よりも高く、環境情報を考慮して予め設定した第２の所定温度以下になったときには、前記燃料電池を停止する際に前記掃気手段により掃気することを特徴とする。

この発明によれば、前記不具合検知手段により前記タイマーおよび前記蓄電手段の少なくともいずれか一方の不具合を検知するとともに、前記温度センサの検出温度が前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度以下になったときには、前記燃料電池を停止する際に前記掃気手段により掃気することで、反応ガス流通路内の残留水分を排出できるので、前記燃料電池の発電停止中に反応ガス流通路内での残留水分の凍結を抑制することができる。従って、前記掃気判断手段の掃気判断に不具合が生じて前記燃料電池の発電停止時の掃気処理が不確実になったとしても、前記燃料電池の発電停止中の残留水分の凍結が抑制されるので、前記燃料電池の次回の起動を安定して行うことが可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記制御部は、前記蓄電手段の残容量が前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の起動に必要な電力以上を蓄電している場合に掃気可能と判断し、前記掃気手段による掃気を行うことを特徴とする。
この発明によれば、前記蓄電手段の残容量に応じて掃気の必要性を判定することで、前記燃料電池が停止してその後の起動に必要な電力を確保した状態で掃気を行うことができるので、前記燃料電池を発電停止後に確実に起動することができる。

請求項１に係る発明によれば、前記掃気判断手段の掃気判断に不具合が生じて前記燃料電池の発電停止時の掃気処理が不確実になったとしても、前記燃料電池の発電停止中の残留水分の凍結が抑制されるので、前記燃料電池の次回の起動を安定して行うことが可能となる。

請求項２に係る発明によれば、前記燃料電池の発電停止後に確実に起動することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。本実施の形態では、燃料電池システムが、燃料電池１を駆動源として搭載した燃料電池車両である場合について説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。

このように構成された燃料電池１のアノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給する。これにより、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード側で生じた生成水の一部は電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

水素タンク等の水素供給源２から供給される水素は、遮断弁４を介して水素供給流路３を通って燃料電池１のアノードに供給される。
一方、空気はエアコンプレッサ５によりエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソードに供給される。

また、水素供給流路３とエア供給流路６とは、合流流路９を介して接続されている。合流流路９には開閉弁１０が設けられ、開閉弁１０を開閉制御することにより、互いの流路３、６にそれぞれ流通する反応ガス（水素、エア）の合流を許容または防止することができる。
燃料電池１に供給された水素、エアは、発電に供された後、燃料電池１からアノード側の生成水等の残留水と共に水素排出流路７、エア排出流路８にそれぞれオフガスとして排出される。

水素排出流路７、エア排出流路８には、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８がそれぞれ設けられている。パージ弁１７、１８が開かれると、反応済のオフガスである水素やエア、残留水が水素排出流路７、エア排出流路８から排出させる。なお、水素排出流路７から排出された水素は、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。

また、燃料電池１には、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段であるエネルギーストレージ（Ｅ／Ｓ）２２が接続されている。このエネルギーストレージ２２は、燃料電池１で発電した電力を充電するとともに、燃料電池１の停止時において燃料電池１の作動に必要な機器（例えばＥＣＵ１２、エアコンプレッサ５等）に電力を供給する。

燃料電池システムには、各種機器の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１２が設けられている。
ＥＣＵ１２には、イグニッションスイッチ１５やタイマー１６、エネルギーストレージ２２が接続され、これらからイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や計測時刻、エネルギー残量の信号が入力される。
また、燃料電池システムは、燃料電池１に接続された温度センサ１３と、外部温度を測定するための温度センサ２１とを備えている。そして、温度センサ１３、２１で検出されたそれぞれの温度Ｔ、Ｔ’が、燃料電池１の温度Ｔ、外気温Ｔ’としてＥＣＵ１２にそれぞれ入力される。
そして、ＥＣＵ１２は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、エアコンプレッサ５、遮断弁４、開閉弁１０、パージ弁１７，１８を駆動させる信号を出力する。

上述のように構成された燃料電池システムの作用について図２、図３を用いて説明する。図２は図１に示す燃料電池の掃気制御処理を示すメインフローチャートである。図３は図２に示す発電停止時制御の処理内容を示すサブフローチャートである。
まず、イグニッションスイッチ１５がＯＮにされると、ステップＳ１０で、燃料電池１の発電処理が開始される。具体的には、遮断弁４を開弁して水素供給源２から水素供給流路３を介して燃料電池１のアノードに水素を供給するとともに、エアコンプレッサ５を作動させてエア供給流路６を介して燃料電池１のカソードにエアを供給する。

次に、ステップＳ１２で、ＥＣＵ１２の次回起動を規定するデバイスが異常かどうかを判定する。このデバイスとしては、ＥＣＵ１２の起動に必要となる機器であり、タイマー１６やエネルギーストレージ２２等がある。この判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、エア掃気要求に関するバックアップデータに異常があるか否かを判定する。このバックアップデータとしては、ＥＣＵ１２内に記憶され、温度センサ１３、２１により検出された燃料電池１の温度Ｔや外気温等の温度Ｔ’に関するデータがある。このステップＳ１４の判定は、ＥＣＵ１２内に検知信号を送ったときの応答により行うことができる。ステップＳ１４の判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、ステップＳ１４の判定結果がＮＯであればステップＳ１８に進む。

ステップＳ１６では、燃料電池システムが発電停止後に十分に冷却されると予想できるか否か、換言すれば発電停止後に反応ガス流路３，６内で水分が凍結する虞があるか否かを判定する。本実施の形態では、温度センサ１３、２１の検出値が第２の所定温度（例えば１５℃）以下になったか否かにより判定を行う。なお、この第２の所定温度の値は、ステップＳ１６の判定を行ったときの時期や天候、場所等の環境情報を考慮して設定すると、より判定の信頼性が高まる点で好ましい。このステップＳ１６での判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、「停止時アノード系内エア掃気要求なし」のフラグを設定する。また、ステップＳ２０では、「停止時アノード系内エア掃気要求あり」のフラグを設定する。ステップＳ１８、ステップＳ２０の後は、ステップＳ２２で、イグニッションスイッチ１５がＯＦＦにされたか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１２に戻る。すなわち、発電が継続中のときには、上述したステップＳ１２以降の処理を繰り返す。

ステップＳ２２の判定結果がＹＥＳのときには、燃料電池１の発電を停止させるべく、ステップＳ２４で遮断弁４を閉弁して燃料電池１のアノードへの水素供給を遮断する。ついで、ステップＳ２６で、「停止時アノード系内エア掃気要求あり」のフラグが設定されているか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ３２に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ２８に進む。ステップＳ３２では、エネルギーストレージ（Ｅ／Ｓ）２２の充電量が所定電力量以上か否かを判定する。この所定電力量の値は、アノード系エア掃気を行ったときに次回の起動時に必要な電力を確保できるか否かという見地から設定される。ステップＳ３２の判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ３４に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ３８に進む。

ステップＳ３４では、アノード系エア掃気を実施する。すなわち、エアコンプレッサ５の作動を継続しつつ開閉弁１０を開弁して、エアコンプレッサ５により圧送されるエアを合流流路９を介して水素供給流路３や燃料電池１のアノードに供給する。このとき、水素パージ弁１７も併せて開弁し、燃料電池１のアノードから排出されたエアを水素排出流路７から排出する。

そして、ステップＳ３６で、掃気処理が完了したか否かを判定する。この判定は、タイマー１６により行ってもよいし、水素供給流路３と水素排出流路７との差圧により行ってもよい。すなわち、水素供給流路３と水素排出流路７との差圧が一定値以内になったときには、燃料電池１内の流路閉塞の原因となる残留水が排出されていると推定することができる。

このステップＳ３６での判定結果がＹＥＳであればステップＳ３８に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ３４の処理に戻る。すなわち、掃気処理が完了するまでステップＳ３４の処理を継続して行う。ステップＳ３８では、開閉弁１０、水素パージ弁１７をそれぞれ閉弁し、エアコンプレッサ５を停止して、発電停止時制御を行う。そして、ＥＣＵ１２を停止して、本フローチャートの処理を終了する。
一方、ステップＳ２８では、エアコンプレッサ５の作動を停止して、この時ＥＣＵ１２も併せて停止する。そして、ステップＳ４０の発電停止時制御に移行する。この発電停止時制御の処理内容について図３を用いて説明する。

まず、ステップＳ４０で発電停止時制御が開始されると、ステップＳ４２では、タイマー１６により所定時間が経過したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ４４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ４２に戻る。すなわち、所定時間が経過するまでステップＳ４２の処理を繰り返す。

ステップＳ４４では、ＥＣＵ１２を起動する。そして、ステップＳ４６で、ステップＳ１２と同様に、ＥＣＵ１２の次回起動を規定するデバイスが異常かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ５８に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ４８に進む。ステップＳ４８では、ステップＳ１４と同様に、エア掃気要求に関するバックアップデータに異常があるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ５８に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、温度センサ１３を起動して燃料電池１の温度Ｔを測定し、この温度Ｔが第１の所定温度（例えば５度）よりも低下したか否かを判定する。この第１の所定温度は、ステップＳ１６で説明したものとは異なり、燃料電池１の発電停止が継続した状態でＥＣＵ１２が次回起動されるまで（ステップＳ４２の所定時間が再度経過するまで）に、反応ガス流路３，６内で水分が凍結する虞があるか否かという見地から設定される。ここで、この第１の所定温度Ｔとしては、氷点下の温度より上であって、かつ、その近傍の温度であることが好ましい（例えば０〜５度の範囲）。このように第１の所定温度Ｔを設定すれば、残留水の凍結を防止しつつ燃料電池システム内に滞留する水蒸気の大部分を凝結した状態で掃気処理を行えるので、掃気効率を高めることができる。このステップＳ５０の判定結果がＹＥＳであればステップＳ５６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ５２に進む。

ステップＳ５２では、「アノード系内エア掃気要求なし」のフラグを設定する。また、ステップＳ５６では、「アノード系内エア掃気要求あり」のフラグを設定する。ステップＳ５２、ステップＳ５６の後は、ステップＳ５４で、「アノード系内エア掃気要求あり」のフラグが設定されているか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ６４に進む。また、この判定結果がＮＯであればステップＳ５５でＥＣＵ１２を停止して、その後、ステップＳ４０に戻って発電停止時制御の処理を繰り返す。

ステップＳ６４では、ステップＳ３２と同様に、エネルギーストレージ（Ｅ／Ｓ）２２の充電量が所定電力量以上か否かを判定する。ステップＳ６４の判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ６８に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ６６に進む。ステップＳ６６では、ＥＣＵ１２を停止して、本フローチャートの処理を終了する。

ステップＳ６８では、エアコンプレッサ５を作動して、ステップＳ３４と同様に、アノード系エア掃気を実施する。そして、ステップＳ７０で、ステップＳ３６と同様に、掃気処理が完了したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ７２に進み、この判定結果がＮＯであればステップＳ７０の処理を繰り返す。ステップＳ７２では、燃料電池システムを停止して、本フローチャートの処理を終了する。

一方、ステップＳ５８では、ステップＳ１６と同様に、燃料電池システムが発電停止後に十分に冷却されると予想できるか否か、換言すれば発電停止後に反応ガス流路３，６内で水分が凍結する虞があるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ６０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ６２に進む。ステップＳ６０では、「アノード系内エア掃気要求あり」のフラグを設定して、ステップＳ５４に進んで上述した一連の処理を行う。また、ステップＳ６２では、「アノード系内エア掃気要求なし」のフラグを設定して、ステップＳ６６に進んで上述した一連の処理を行う。

このように、ＥＣＵ１２の次回起動を規定するデバイスの異常を検知したときには、燃料電池１を停止する際に掃気することで、反応ガス流路３、６内の残留水分を排出できるので、前記燃料電池１の発電停止中に反応ガス流路３、６内での残留水分の凍結を抑制することができる。従って、前記デバイスの掃気判断に不具合が生じて前記燃料電池１の発電停止時の掃気処理が不確実になったとしても、前記燃料電池１の発電停止中の残留水分の凍結が抑制されるので、前記燃料電池１の次回の起動を安定して行うことが可能となる。

以上、本発明の内容を実施の形態に基づいて説明したが、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、燃料電池システムは車両であってもよいし、定置型の発電機であってもよい。また、本発明の掃気手段は、アノード若しくはカソードのいずれか一方を掃気するものであればよい。なお、上述の実施の形態では、燃料電池１に温度センサ１３を直接接続しているが、燃料電池１に温度センサ１３を内蔵してもよい。また、反応ガス流路（水素排出流路７、エア排出流路８等）に温度センサ１３を接続してもよく、さらに、燃料電池１を冷却する冷却媒体流路に温度センサ１３を接続してもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示す燃料電池の掃気制御処理を示すメインフローチャートである。 図２に示す掃気フローの処理内容を示すサブフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
３…水素供給流路（反応ガス流通路）
５…エアコンプレッサ（掃気手段）
６…エア供給流路（反応ガス流通路）
１０…開閉弁（掃気手段）
１２…ＥＣＵ（制御部）
１３…温度センサ
１６…タイマー
１７…水素パージ弁（掃気手段）
１８…エアパージ弁（掃気手段）
２２…エネルギーストレージ（蓄電手段）

Claims (2)

1. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   前記反応ガスが流通する反応ガス流通路と、
   前記反応ガス流通路を掃気ガスにより掃気を行う掃気手段と、
   前記燃料電池および前記反応ガス流通路の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池を停止してからの時間を検出するタイマーと、
   前記燃料電池から発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記燃料電池の発電制御を行う制御部と、を備え、
   該制御部は、前記掃気手段による掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段を有し、
   該掃気判断手段は、
   前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電停止が継続した状態で前記制御部が次回起動されるまでに前記反応ガス流通路内で水分が凍結する虞があるという見地で予め設定した第１の所定温度よりも低下したときに、前記掃気手段により前記反応ガス流通路を掃気する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記タイマーおよび前記蓄電手段の少なくともいずれか一方の不具合を検知する不具合検知手段をさらに備え、
   該不具合検知手段により前記タイマーおよび前記蓄電手段の少なくともいずれか一方の不具合を検知して、前記制御部の次回起動を規定することができないと判断するとともに、前記温度センサの検出温度が、前記第１の所定温度よりも高く、環境情報を考慮して予め設定した第２の所定温度以下になったときには、前記燃料電池を停止する際に前記掃気手段により掃気することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記蓄電手段の残容量が前記燃料電池の起動時に前記燃料電池の起動に必要な電力以上を蓄電している場合に掃気可能と判断し、前記掃気手段による掃気を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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