JP4559754B2

JP4559754B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4559754B2
Application number: JP2004061935A
Authority: JP
Inventors: 健一郎上田; 洋介藤井; 義一村上; 裕嗣松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: US7482079B2; US20050196655A1; JP2005251613A

Description

本発明は、燃料電池の起動時に燃料ガスの経路内に残留する不純物を除去して発電を開始する燃料電池システムに関する。

固体高分子型の燃料電池は、電解質膜の一面側に水素極、もう一面側に酸素極で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の両面を導電性のセパレータで挟んで構成された単セルが厚み方向に数十から数百枚積層された構造をしている。この種の燃料電池を備えたシステムでは、発電停止時に水素ガス（燃料ガス）の供給が停止され、水素ガスの経路出口の排出弁が閉じられる。発電の停止時間が長時間に及んだ場合には、酸素極側の空気（カソードガス）が前記電解質膜を通して燃料電池の水素極側に滞留することがある。また、発電停止時に窒素などの不活性ガスで燃料電池内のガスを置き換える処理が行われることもある。このため、燃料電池の起動時には、燃料電池内に残留している窒素などの不純物を外部に排出させる処理が必要となる（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の発明では、水素制御弁を開けた後に燃料電池に空気を供給し、水素排出バルブを開けることで残留していた不活性ガスを排出する。また、燃料電池の出力電圧をモニタしておき前記出力電圧が所定値以上になったとき、または水素ガス（アノードガス）が所定体積分排出されたときに、水素排出バルブを閉じて発電を開始するように制御している。
特開平１１−９７０４７号公報（段落００１７と図２、段落００２３と図４）

しかしながら、前記特許文献１に記載のように、燃料電池の出力電圧が所定値以上になったときに水素排出バルブを閉じて発電を開始するものでは、例えば電圧の上昇率が高い状態のもので、水素ガスによる排出処理が不十分な状態で電圧が所定値に達した場合には、まだ水素ガスの経路に不純物が多く残留しているおそれがあり、安定した発電を行うことが困難になる。つまり、水素極においては、不純物は燃料電池に消費されず残留することから、安定した発電を行うことが困難となる。また、電圧の上昇率が低い状態のもので、既に排出処理が完了しているにも拘わらず電圧が所定値になかなか達することができない場合には、電圧が所定値に達するまで水素ガスを排出し続けることとなり、水素ガスを浪費することになる。

また、所定体積分の水素ガスの排出処理が完了したときに発電を開始するものでは、電圧が既に充分に発電可能な状態まで上昇しているにも拘わらず発電を開始しないため、燃料電池の起動に時間がかかる問題があった。

本発明は前記課題を解決するものであり、燃料電池の起動時の起動時間を短縮でき、しかも安定して発電することができ、さらに燃料を無駄に消費することがない燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明の燃料電池システムは、単セルを複数積層してなる燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池に供給された燃料ガスを外部に排出するガス排出弁と、前記燃料電池内での所定の出力電圧を検出する電圧検出手段を有し、前記燃料電池に起動要求が発せられたときに、前記燃料供給手段から燃料ガスを所定の経路内に導入し、前記ガス排出弁を開いて、前記経路内の残留物を前記外部に排出させる排出処理を行う制御部が設けられた燃料電池システムにおいて、
前記制御部では、前記燃料電池の起動要求の際、前記排出処理を開始後、所定時間が経過した場合に前記ガス排出弁を閉じることで前記排出処理が完了する前、または前記ガス排出弁から排出されるガスが所定の流量に至ったと判断された場合に前記ガス排出弁を閉じることで前記排出処理が完了する前に前記出力電圧として最低セル電圧が第１の所定値に至ったと判断したときに、前記排出処理の完了前であっても前記燃料電池の発電を開始し、かつ、発電開始後前記所定時間が経過するまでまたは前記所定の流量に至るまで前記ガス排出弁の開弁を継続することを特徴とするものである。

前記本発明では、燃料電池の起動の際、電圧で判断することで燃料ガスによる排出処理が完了する前に発電を開始するとしたため、燃料電池の起動時間を短縮化できる。しかも、発電開始後も燃料ガスの排出処理は継続するため、不純物を確実に排出することができ、純度の高い燃料ガスで発電を安定して行うことができる。

前記排出処理が完了の際に、前記出力電圧が前記第１の所定値に至らなかったと判断したときに、前記第１の所定値をそれよりも低い電圧の第２の所定値に置き換えて、前記出力電圧が前記第２の所定値に至るのを待って発電を開始する構成にすることが好ましい。

これにより、電圧の上がりが遅い場合に、いつまでも発電を開始しないという不具合を防止することができる。しかも、長時間燃料ガスを排出し続けることがないので、燃料ガスを無駄に消費することがなく、燃費性能を向上できる。

本発明は、燃料電池システムの起動の際、燃料ガスの排出処理が完了する前であっても発電を開始できるので、燃料電池の起動時間を短縮化でき、また発電開始後も排出処理を継続するので安定した発電が可能となる。また、出力電圧の閾値をより低い閾値に変更することにより、いつまでも発電が開始しないという不具合を防止でき、燃料ガスを浪費することもない。

以下、本発明の燃料電池システムについて図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は、排出処理を示すフローチャート、図３は、水素排出弁の開閉と所定値の切替タイミングを示すタイムチャートである。本実施形態の燃料電池システムは、車両（図示せず）を例に挙げて説明するが、これに限られるものではない。

この燃料電池システム１には、水素ガスの経路３０上に燃料電池１０が設けられ、この燃料電池１０の入口側に水素ガス（燃料ガス）を供給する水素供給装置（燃料供給手段）１１が設けられ、出口側に水素ガスを前記経路３０の外部へ排出する水素排出弁（ガス排出弁）１３が設けられている。また、前記燃料電池システム１には、燃料電池１０内での所定の出力電圧を検出する電圧検出器（電圧検出手段）２４と、前記水素排出弁１３から排出されるガスの流量を検出する流量計２６と、燃料電池１０に空気（酸素）を供給するエア供給装置１２が設けられている。また、経路３０上には、水素供給装置１１から供給される水素ガスの制御弁１４が設けられている。

前記燃料電池１０は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質膜２１の一面側に触媒を含むアノード極（水素極）２２、他面側に触媒を含むカソード極（酸素極）２３で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ）の両面を図示しない導電性のセパレータで挟んだ単セルが、膜の厚み方向に複数積層された構造である。セパレータには、水素ガスの通路、空気（酸素）の通路、冷却水の通路が形成されており、前記水素供給装置１１、エア供給装置１２、及び図示しない冷却水循環装置から、水素、空気及び冷却水が互いに混じり合わないように供給される。

前記燃料電池１０のアノード極２２に、水素供給装置１１から水素ガスが供給され、カソード極２３に、エア供給装置１２から空気が供給されると、水素と酸素の電気化学反応により燃料電池１０のセル電圧が上昇する。この状態で燃料電池１０から電流を取り出すと発電が開始される。取り出した発電電流は負荷２５に供給される。この負荷２５は、例えば、走行モータ、エアコンプレッサなどである。

前記水素供給装置１１と水素排出弁１３との間には循環路１５が設けられ、またこの循環路１５に水素ガスを供給させるためのエゼクタ１６が設けられている。したがって、前記燃料電池１０で消費されずに排出された水素ガスを再循環して使用できるようになっている。すなわち、燃料電池１０から発電電流を取り出さない場合には、供給された水素ガスは消費されないのでそのまま燃料電池１０から排Ｈ₂ガスとして排出される。しかし、水素の場合には、水素供給装置１１から純度の高い水素を供給するため、水素ガスが無駄に排出されるのを防止するため、水素ガスを再循環して使用する。このような循環系をとることから、不純物が存在した場合系内に留まることになる。なお、図示していないが、エア供給装置１２から燃料電池１０に供給されて使用されなかった空気や、水素と空気（酸素）との電気化学反応により生成された水は、所定の図示しない排出口から排出されるようになっている。

本実施形態の燃料電池システム１には、制御部２０が設けられている。この制御部２０は、ＣＰＵ、メモリ及び各種入出力手段などで構成されており、この制御部２０から制御弁１４に所定の電気信号が与えられると、水素供給装置１１から燃料電池１０に水素が供給され、またエア供給装置１２に所定の電気信号が与えられると、エア供給装置１２から燃料電池１０に供給される空気の供給量が制御される。また、制御部２０では、水素排出弁１３の開閉動作、負荷２５に供給される電流量を制御する。また、制御部２０にはタイマー２７が接続されており、このタイマー２７による計測によって所定時間が制御部２０に通知される。

また、前記制御部２０では、前記電圧検出器２４から取得される所定の出力電圧と、流量計２６から取得される水素排出弁１３を通って外部に排出される排出流量を監視する。

前記電圧検出器２４から得られる所定の出力電圧とは、本実施形態では、燃料電池１０を構成する全単セルの電圧のうちの最低値（最低セル電圧）を選択する。このように最低セル電圧を基準として制御することで、出力低下した単セルに無理な負荷が作用するのが防止される。なお、燃料電池１０の単セルの全枚数は特定の値に限定されるものではない。また、最低セル電圧ではなく平均セル電圧や最高セル電圧を選択してもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２を参照して説明する。なお、図２では各処理ステップを「Ｓ」と略記して表示している。
図２に示すように、燃料電池１０に対する起動要求が発せられたときには、制御部２０からの電気信号に基づいて制御弁１４を開いて、水素供給装置１１から水素ガスの供給を開始する（Ｓ１０１）。そして、制御部２０からの電気信号に基づいてエア供給装置１２から空気の供給を開始する（Ｓ１０２）。その後、水素排出弁１３を開いて（ＯＮ，Ｓ１０３）、燃料電池１０の停止期間時に経路３０内に残留していた残留物を排出させる。この残留物は、燃料電池１０の停止期間中に、カソード極２３側から固体高分子電解質膜２１を通してアノード極２２側に侵入してきた空気、または燃料電池１０の停止要求時に、経路３０内を窒素などの不活性ガスで置換したときの残留ガスなどである。

次に、ステップ１０４で、所定量の水素ガス（アノードガス）の排出が完了したか否かが制御部２０で判断される。所定量の水素ガスの排出が完了したか否かの判断は、燃料電池１０内のアノード極２２側の体積または燃料電池１０を含む経路３０内の体積を排出するのにかかる時間を算出して所定時間として、制御部２０に設けられたタイマー２７（図１参照）に設定しておき、この所定時間が経過したときに所定量の水素ガスが排出されたと判断して、前記水素排出弁１３を閉じて排出処理を完了する。または、水素排出弁１３から排出されるガスを流量計２６で監視して、流量計２６の値が所定の流量に至ったと判断されたときに水素排出弁１３を閉じて排出処理を完了してもよい。

ステップ１０４で、まだ水素ガスによる排出処理が完了していないと判断されたときには（ＮＯ）、ステップ１０５に移行して、燃料電池１０の最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に至ったか否かを判断する。ステップ１０５で、最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１にまだ達していないと判断したときには、ステップ１０４の処理に戻る。またステップ１０５で、最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に達したと判断したときには（ＹＥＳ）、燃料電池１０から電流を取り出して発電を開始する（Ｓ１０６）。電流を取り出すことで、水素と酸素の反応が促進される。

このように、水素ガスによる排出処理が完了していない状態で、最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に至ったと判断されたときには、発電を早期に開始することができるため、燃料電池システム１の起動時間を短くできる。また、寒冷地においては、発電を早く開始することで、発電に伴うセルの自己発熱により暖機が促される。

ステップ１０４において、所定時間が経過して所定量の水素ガスが排出されたと判断されたときには、水素排出弁１３を閉じて（Ｓ１０７）、排出処理を終了する。そして、ステップ１０８において、既に発電が開始されているか否かを判断する。これは、水素ガスによる排出完了前に最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に達していて発電が既に開始されている場合には（ＹＥＳ）、処理を終了して（ＥＮＤ）、その後の発電処理を継続する。

また、ステップ１０８において、まだ最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に至らずに発電が開始されていないと判断された場合には（ＮＯ）、燃料電池１０に設定した第１の所定値Ｖ１を、それよりも低い電圧の第２の所定値Ｖ２に置き換えて、最低セル電圧が第２の所定値Ｖ２に至るか否かを監視する（Ｓ１０９）。最低セル電圧が第２の所定値Ｖ２に至った場合には（ＹＥＳ）、発電を開始して（Ｓ１１０）、排出処理を終了する（ＥＮＤ）。このように、水素ガスによる排出処理が完了してもなお最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１になかなか至らないときには、より低い電圧の第２の所定値Ｖ２に設定し直すことで、発電開始状態に移行させ易くして、なかなか発電が開始されないといった不具合を防止できる。しかも、発電が開始されるまで、水素排出弁１３を開き続けて水素がスを経路３０の外部に排出し続けることがないので、不純物の排出が完了しているにもかかわらず、水素を水素排出弁１３から排出し続けるといったことがなくなる。これにより水素ガスが無駄に消費されることがなく、燃費が悪化することもない。さらに、燃料電池１０の水素側の経路３０内は既に水素ガスの純度が高い状態に設定されているので発電が不安定になることもない。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について、図３のタイムチャートを参照して説明する。ここで、図３（ａ）は、水素排出弁の開閉状態、図３（ｂ）は、最低セル電圧の時間変化を示し、丸数字１で示す線は電圧の上昇率が高いとき、丸数字２で示す線は電圧の上昇率が低いとき、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の各電圧変化についての発電電流の時間変化を示している。適宜、図１と図２を参照して説明する。

まず、図３（ｂ）において丸数字１で示す実線のように、燃料電池１０の最低セル電圧の上昇率が高い場合について説明する。燃料電池システム１に対して時間Ｔ０（＝０）の時点で起動要求が発せられると、図３には示されないが水素ガスと空気（エア）が供給される（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）。この時点では、水素排出弁１３は開いていないので経路３０内の圧力が上昇するだけで、残留物が外部に向けて押し出されることがなく、最低セル電圧（ｂ）と発電電流（ｃ）はともにほぼゼロである。前記起動要求から時間Ｔ１が経過して水素排出弁１３が開かれると（Ｓ１０３）、経路３０内の残留物が水素排出弁１３から外部へ押し出されるようになり、時間Ｔ１経過後から最低セル電圧が上昇する。電圧の上昇は、残留物が排出されＨ₂濃度が高くなるからである。そして、起動要求から時間Ｔ２が経過すると、最低セル電圧は、第１の所定値Ｖ１に至る。この時点では排気完了前であるが（Ｓ１０４）、Ｓ１０５の判断により発電許可し（Ｓ１０６）、発電が開始され、電流の取り出しが開始される。発電が開始されて、図３（ｃ）に示すように発電電流の取り出しが開始される（Ｓ１０６）。発電電流の取り出しが開始されると、ＩＶ特性の関係から最低セル電圧は若干低下するものの（Ｔ２）、その後はアイドル状態で一定の発電電流が取り出されているため、最低セル電圧は一定水準を維持しながら推移する（Ｔ２以降）。

このように、水素排出弁１３が閉じられておらず排出処理が未だ完了していないときに、最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１に至ったと判断されたときには、直ちに発電を開始する。しかも、排出処理の途中で発電が開始されたとしても、残りの時間ｔ１（Ｔ３−Ｔ２）分の排出処理を行ってから排出処理を完了するので、燃料電池１０に残留する不純物の排出処理が不十分な状態で終了することがなく、起動の初期から安定な発電が可能となる。また、寒冷地では、自己発電による暖機が促進される。

一方、丸数字２で示すように、燃料電池１０の最低セル電圧の上昇率が低い場合には、水素及び空気が排出されて、水素排出弁１３が開かれたとしても（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）、最低セル電圧が第１の所定値Ｖ１よりも低い値を維持する場合がある。この場合には、起動要求から時間Ｔ３が経過して、水素排出弁１３が閉じられて排出処理が終了したときに、発電を開始するための判断基準となる第１の所定値Ｖ１を第２の所定値Ｖ２に変更する。このように、より低い電圧の第２の所定値Ｖ２に置き換えることで、最低セル電圧の上がりが遅い場合であっても、発電を早期に開始させることができる。例えば、図３（ｂ）の丸数字２において一点鎖線で示すように、第２の所定値に変更しなかった場合に排出処理完了（Ｔ３）から時間ｔ３を要していたものが、第２の所定値に置き換えることで、排出処理完了（Ｔ３）からの時間をｔ２に短縮化できる。したがって、発電状態が低下して最低セル電圧の上がりが遅い場合に、発電がなかなか開始されないといった不具合を防止することができる。また発電が開始されるまで、水素排出弁１３を開き続ける必要がないので燃費の悪化を防止できる。また、寒冷地では、自己発電による暖機が促進される。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、前記特許文献１に記載したように水素ガスが所定体積（所定量）排出されたときに発電を開始する機構のものではないため、例えば最低セル電圧の上がりが早く、最低セル電圧がすでに発電可能な状態に達している場合でも発電を開始することができずに起動時間が遅延するといった不都合を防止できる。

最低セル電圧が第２の所定値Ｖ２に到達すると、図３（ｃ）に示すように発電電流の取り出しが開始される。その後は、前記と同様に一定の発電電流が取り出されて、最低セル電圧が一定状態で推移する。

なお、第１の所定値Ｖ１を第２の所定値Ｖ２に置き換えるタイミングは、水素排出弁１３が閉じられて排出処理が完了したとき（Ｔ３）と同時である必要はなく、水素排出弁１３が閉じられて排出処理完了となる時間（Ｔ３）より前で設定してもよい。

以上説明した本発明は、前記した実施の形態に限定されることなく、その思想の及ぶ範囲でさまざまに変更実施することができる。例えば、車両を例に説明したが、船舶や航空機などの乗り物用の燃料電池システムでもよいし、定置式の燃料電池システムでもよい。

なお、燃料電池は、一般の電池と同様に、所定のＩＶ特性を有しており、取り出す電流が多くなると電圧が低下し、取り出す電流が少なくなると電圧が上昇する。このため、前記したとおり燃料電池の発電開始により電圧が低下するが（図３（ｂ）参照）、電圧が大きく低下する場合等は、制御手段の判断により、取り出す電流の量を少なくしたり、電流の取出しを停止したりしてもよい。これにより電圧が回復する。また、このＩＶ特性を利用し、例えば、正常な状態でのＩＶ特性のテーブル（マップ）を記憶手段に予め記憶しておき、燃料電池から取り出す電流と燃料電池の電圧を検出し、制御部において、その検出値と記憶手段に記憶されたテーブルの値とを比較して、燃料電池の発電状態の不安定さを判定するようにし、その判定結果に基づいて、一旦開始した発電を途中で取り止めるようにしたり、取り出し量を少なくしたりしてもよい（例えば、取出し制限を行うチョッパを制御）。つまり、起動の際の電流と電圧の値を、正常な状態でのＩＶ特性のパターンと比較して、乖離が大きい場合は、発電を取り止めるようにしたり、取出し量を少なくしたりしてもよい。もちろん、停止したり低減した発電は、電圧が回復するのを待ち、再開するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。排出処理を示すフローチャートである。水素排出弁の開閉と所定値の切替タイミングを示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
１１水素供給装置（燃料供給手段）
１２エア供給装置
１３水素排出弁（ガス排出弁）
２０制御部
２４電圧検出器（電圧検出手段）
２５負荷
３０経路（アノード極側）

Claims

単セルを複数積層してなる燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池に供給された燃料ガスを外部に排出するガス排出弁と、前記燃料電池内での所定の出力電圧を検出する電圧検出手段を有し、前記燃料電池に起動要求が発せられたときに、前記燃料供給手段から燃料ガスを所定の経路内に導入し、前記ガス排出弁を開いて、前記経路内の残留物を前記外部に排出させる排出処理を行う制御部が設けられた燃料電池システムにおいて、
前記制御部では、前記燃料電池の起動要求の際、前記排出処理を開始後、所定時間が経過した場合に前記ガス排出弁を閉じることで前記排出処理が完了する前、または前記ガス排出弁から排出されるガスが所定の流量に至ったと判断された場合に前記ガス排出弁を閉じることで前記排出処理が完了する前に前記出力電圧として最低セル電圧が第１の所定値に至ったと判断したときに、前記排出処理の完了前であっても前記燃料電池の発電を開始し、かつ、発電開始後前記所定時間が経過するまでまたは前記所定の流量に至るまで前記ガス排出弁の開弁を継続することを特徴とする燃料電池システム。
前記排出処理が完了の際に、前記出力電圧が前記第１の所定値に至らなかったと判断したときに、前記第１の所定値をそれよりも低い電圧の第２の所定値に置き換えて、前記出力電圧が前記第２の所定値に至るのを待って発電を開始する請求項１に記載の燃料電池システム。