JP4660927B2

JP4660927B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4660927B2
Application number: JP2001001533A
Authority: JP
Inventors: 博邦佐々木; 直人堀田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: JP2002208421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下するという問題がある。
【０００３】
このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。さらに、反応ガス経路内で結露した水分の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。
【０００４】
燃料電池を車両用として用いる場合には、あらゆる環境下における始動性が重要となる。このため、従来においては、燃焼式ヒータ等により流体を加熱し、その加熱された流体（温水）を燃料電池に供給することにより、燃料電池を加熱昇温（暖機）して燃料電池を起動するシステムが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような起動方法では、燃料電池の熱容量が大きいため昇温に多大な時間を要することとなり、燃料電池を短時間で起動させることが難しい。また、暖機用加熱源としてヒータ等が必要となるため、燃料電池システムを搭載スペースに制約のある車両用として用いる場合には体格の面でも問題となる。
【０００６】
従って、燃料電池内部での凍結を防止して低温起動性を向上させるためには、低温環境下に凍結する水分を予め燃料電池内部から除去しておくことが望まれる。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止後、燃料電池内部の水分を除去できることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素極に供給される水素と酸素極に供給される酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、酸素極に供給される酸素が通過する空気経路（２０）と、水素極に供給される水素が通過する水素経路（３０）と、燃料電池（１０）内の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、空気経路（２０）に対する酸素の供給制御と水素経路（３０）に対する水素の供給制御を行う制御部（５０）とを備え、制御部（５０）は、燃料電池（１０）の通常運転停止後、空気経路（２０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができる乾燥酸素を空気経路（２０）に供給するとともに水素経路（３０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができる乾燥水素を水素経路（３０）に供給し、湿潤状態検出手段により検出した燃料電池（１０）内の湿潤状態に基づいて、少なくとも乾燥水素の供給を停止し、乾燥水素の供給停止後、空気経路（２０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができるとともに燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱された乾燥空気または乾燥窒素からなる乾燥ガスを空気経路（２０）に供給することを特徴としている。
【０００９】
このように、燃料電池（１０）に乾燥空気および乾燥水素を供給して、仮の運転を行うことで、水素極側に残留する水分は、電解質膜中を水素イオンとともに酸素極側に随伴移動する。これにより、低温環境下における凍結を防止するために、燃料電池（１０）の水素極側の残留水分を除去することができる。なお、乾燥空気および乾燥水素は、燃料電池（１０）に供給される空気および水素に加湿を行わないことで得ることができ、構成部品を増加させることなく水素極側の水分除去を達成できる。なお、本明細書中における「酸素」には、空気中に含まれた状態の酸素を含む。
【００１０】
また、燃料電池（１０）内の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を備え、湿潤状態検出手段により検出した燃料電池（１０）内の湿潤状態に基づいて、少なくとも乾燥水素の供給を停止することで、必要以上に水素極側の水分除去制御を行うことがない。
また、乾燥水素の供給停止後、空気経路（２０）に燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱された乾燥ガスを供給することで、酸素極側の水分を除去することができ、燃料電池内部を完全に乾燥させることができる。従って、低温環境下においても燃料電池内部の凍結を回避することができ、低温起動性の優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明では、湿潤状態検出手段は、燃料電池（１０）を構成する複数のセルの各出力電圧を検出するセルモニタ（１３）であり、燃料電池（１０）内の湿潤状態は、セルモニタ（１３）にて検出したセル出力電圧に基づいて間接的に検出されることを特徴としている。
【００１２】
燃料電池（１０）内部の湿潤状態とセル出力電圧との間には相関関係があるため、このようにセルモニタ（１３）にてセル出力電圧を検出することで、精度よく水素極側の湿潤状態を間接的に検出することができる。また、燃料電池（１０）を構成する各セルの出力電圧を検出するセルモニタ（１３）は、燃料電池システムに通常備えられているものであり、構成部品を増加させることなく燃料電池（１０）内部の湿潤状態を検出することができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１６】
図１は、実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。このＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や２次電池１２等の電気機器に電力を供給するものである。
【００１７】
ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０を構成する各セルの出力電圧を検出するセルモニタ（湿度検出手段）１３が設けられている。後述のように、セルモニタ１３にてセル出力電圧を検出することで、ＦＣスタック１０内部の湿潤状態（あるいは乾燥状態）を間接的に検出することができる。
【００１８】
燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０には空気供給用の空気圧送用コンプレッサ（ガス圧縮機）２１が設けられている。水素経路３０には水素供給用の水素ポンプ３１が設けられている。
【００１９】
発電時における電気化学反応のために、ＦＣスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、燃料電池システムには水が蓄えられた加湿装置２３が設けられており、通常運転時には、加湿装置２３により空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。また、酸素極側では上記電気化学反応により水分が生成する。
【００２０】
また、後述の水分除去運転時には、ＦＣスタック１０には、加湿されない乾燥空気と加湿されない乾燥水素が供給される。これらの乾燥ガスは、ＦＣスタック１０内に残留する水分を除去するために、できるだけ低湿度であることが望ましく、少なくともＦＣスタック１０内の湿度より低湿度である必要がある。
【００２１】
ところで、ＦＣスタック１０の電解質膜の乾燥が進行すると、ＦＣスタック１０の発電効率が悪くなって、ＦＣスタック１０を構成する各セルの出力電圧が低下する。従って、ＦＣスタック１０内部の乾燥状態（湿潤状態）とセル出力電圧との間には相関関係があり、上記セルモニタ１３にてセル出力電圧を検出することで、精度よくＦＣスタック１０内部の湿潤状態を間接的に検出することができる。
【００２２】
ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム４０〜４４が設けられている。
【００２３】
冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラジエータ４２が設けられている。ＦＣスタック１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排出される。冷却水経路４０におけるＦＣスタック１０の下流側には、ＦＣスタック１０の発熱量（温度）を検出するための温度センサ４４が設けられている。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御で冷却温調を行うことができる。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信号、セルモニタ１３からのセル出力電圧、外気温センサ１４からの外気温信号、湿度・温度センサ２２からの湿度・温度信号、温度センサ４４からの温度信号等が入力される。また、制御部５０は、２次電池１２、空気圧送コンプレッサ２１、加湿装置２３、水素ポンプ３１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。
【００２５】
以下、上記構成の燃料電池システムの作動を図２、図３に基づいて説明する。図２は燃料電池システムの通常運転停止後における水分除去運転時の作動を示すフローチャートであり、図３は水分除去運転時におけるＦＣスタック１０内部での水分移動状態を示している。
【００２６】
まず、燃料電池システムの通常運転における作動について説明する。負荷１１からの電力要求に応じて、ＦＣスタック１０への空気（酸素）および水素の供給が行われる。ＦＣスタック１０では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は負荷１１に供給される。
【００２７】
また、ＦＣスタック１０では発電に伴う発熱が起こる。ＦＣスタック１０では、作動時に安定出力を得るためにＦＣスタック１０本体を定温（８０℃程度）に維持する必要があるため、冷却水経路４０を流れる冷却水によりＦＣスタック１０の冷却が行われる。
【００２８】
燃料電池システムでは、電気化学反応の進行に際してＦＣスタック１０の電解質膜を湿潤状態に保つため、空気経路２０を流れる空気および水素経路３０を流れる水素を加湿した上で、ＦＣスタック１０に供給している。加湿は、加湿装置２３に貯蔵されている水を用いる。反応後のガスは、ＦＣスタック１０での電気化学反応による生成水を吸収した湿潤ガスとなり、外部に放出される。
【００２９】
このように、通常運転時には、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動しているため、ＦＣスタック１０の運転停止後、ＦＣスタック１０内部には水分が残留することになる。
【００３０】
次に、通常運転停止後に行うＦＣスタック１０の水分除去制御を図２に基づいて説明する。本実施形態では、ＦＣスタック１０の酸素極側の水分除去に先立ち、ＦＣスタック１０の水素極側の水分除去を行うように構成されている。
【００３１】
まず、通常運転停止後にＦＣスタック１０内の水分パージ（水分除去）が必要か否かを判定する（ステップＳ１０）。水分パージを行うか否かの判定は、運転停止時の環境温度（外気温）や季節情報等を考慮して行う。すなわち、環境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季等であり気温の低下が予測されるいった条件に基づいて水分パージの必要性についての判定を行う。当然のことながら、夏場などの条件では凍結のおそれがないため、水分パージは必要とならない。
【００３２】
また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣスタック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)の停止時間内であれば、運転停止時の残留水パージを行う必要がない。
【００３３】
水分パージを行う必要があると判定された場合には、空気圧送コンプレッサ２１および水素ポンプ３１を作動させる（ステップＳ１１）。このとき、ＦＣスタック１０は停止しているため、２次電池１２からの電力供給によりポンプ２１、３１を作動させる。また、加湿装置２３による供給空気および供給水素への加湿は行わない。これにより、空気経路２０から加湿されない乾燥空気がＦＣスタック１０の酸素極側に供給され、水素経路３０から加湿されない乾燥水素がＦＣスタック１０の水素極側に供給される（ステップＳ１２）。
【００３４】
ＦＣスタック１０に乾燥空気および乾燥水素が供給されることにより、ＦＣスタック１０では電気化学反応が起こり発電する。これにより、ＦＣスタック１０の水素極側の水分除去が行われる（ステップＳ１３）。
【００３５】
すなわち、図３に示すように、ＦＣスタック１０の水素極１０ａ側に残留する水分は、電解質膜１０ｂ中を水素イオンとともに酸素極１０ｃ側に随伴移動する。これにより水素極１０ａ側に残留した水分は失われ、水素極１０ａ側は乾燥に向かうこととなる。また、水素極１０ａに供給された乾燥水素は水素極１０ａに残留する水分を含んで湿潤ガスとなって系外に排出されるため、これによっても水素極１０ａの水分除去および乾燥を進行させることができる。
【００３６】
但し、ＦＣスタック１０の酸素極１０ｃ側には、電気化学反応により生成した水分と水素極１０ａ側より移動した水分とが存在することとなる。水素極の水分除去時において、酸素極側に乾燥空気を供給しているので、酸素極１０ｃ側においても乾燥空気は水分を含んで湿潤ガスとなり系外に排出される。
【００３７】
このように、ＦＣスタック１０に乾燥空気および乾燥水素を供給して、ＦＣスタック１０の仮の運転を行うことで、ＦＣスタック１０の水素極側の水分を除去して乾燥させることができる。なお、ＦＣスタック１０は仮の運転により発電するが、自動車としての駆動動力としては必要ないため、電力は本水分除去制御を行うための空気圧送コンプレッサ２１や水素ポンプ３１等の補機動力として用いられる。
【００３８】
次に、セルモニタ１３によりＦＣスタック１０を構成する各セルの出力電圧を検出し（ステップＳ１４）、ＦＣスタック１０内の残留水分が除去できたか否かを判定する（ステップＳ１５）。上述のようにＦＣスタック１０内の湿潤状態とセル出力電圧とは相関関係があるので、セルモニタ１３にて検出したセル出力電圧が所定電圧より低い場合には、水素極が充分乾燥していると判定することができる。
【００３９】
この結果、ＦＣスタック１０内に残留水分が存在している場合には、上記ステップＳ１１〜Ｓ１４の水分除去制御を繰り返し行う。一方、ＦＣスタック１０の水素極側に残留水分が存在していない場合には、ＦＣスタック１０の酸素極側に存在する残留水分の水分除去制御を行う（ステップＳ１６）。
【００４０】
ＦＣスタック１０の酸素極側における残留水分の除去は、例えば空気経路２０より乾燥した温風空気を酸素極に供給することで行うことができる。このように、酸素極に乾燥温風を供給することで、酸素極の水分を蒸発させて除去することができる。温風は、空気圧送コンプレッサ２１の断熱圧縮により生じる発熱で得ることができる。
【００４１】
酸素極側に供給する水分パージ用の温風温度は、最低限ＦＣスタック１０本体の温度より高くする必要がある。さらに、水分を蒸発させるために、温風温度はできるだけ高温であることが望ましいが、ＦＣスタック１０の耐熱温度(約１００℃)の関係から、１５０℃程度以下であることが望ましい。
【００４２】
以上、本実施形態によれば、ＦＣスタック１０の運転停止後、ＦＣスタック１０内の水分を乾燥除去することができるため、低温環境下においても内部凍結を回避することができる。従って、ガス経路２０、３０およびＦＣスタック１０内での目詰まりを起こすことがないため、低温起動性の優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、通常運転停止後、水素および空気を加湿しないでＦＣスタック１０に供給し、ＦＣスタック１０の仮の運転を行うだけで、水素極側の水分除去を行うことができる。このため、水素側の水分除去は、新たな構成部品を必要とせず、簡単な制御により実現できる。
【００４４】
また、温風によりＦＣスタック１０内の水分パージを行う場合に、水素極側の温風パージの必要はなくなり、酸素極側に残留する水分の温風パージのみでＦＣスタック１０内の完全乾燥を実現することができる。このため、システムの簡素化を図ることができる。
【００４５】
以上のように、水素極側の水分除去に際して温風パージを行わない利点は、以下の２点である。第１に、水素極側の温風パージを空気により行う場合には、水素極側に残留する水素と供給されたパージ用温風（空気）とが電解質膜上に坦持された触媒上にて触媒燃焼することにより局所的な燃焼が起こり、触媒を損傷する可能性がある。第２に、水素極側の温風パージに水素を用いる場合には、酸素極側の空気パージとの同時進行により電気化学反応が起こり、新たな生成水が発生することとなって、水分除去の目的が達成できない。従って、ＦＣスタック１０の水素極側の水分除去は、本実施形態のように温風パージによらない水分除去方法が望ましい。
【００４６】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ステップＳ１６において、コンプレッサ２１の断熱圧縮により供給空気を加熱したが、これに限らず、空気加熱用のヒータを設け、これにより空気を加熱して温風を得るように構成してもよい。
【００４７】
また、上記ステップＳ１６の酸素極側の水分除去では、加熱された乾燥空気を酸素極に供給したが、これに限らず、例えば窒素等の空気以外の乾燥ガスを酸素極に供給するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の燃料電池システムの水分除去制御時の作動を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池内部の水分移動状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１３…セルモニタ（湿度検出手段）、２０…空気経路、２１…空気圧送コンプレッサ、３０…水素経路、５０…制御部。

Claims

水素極に供給される水素と酸素極に供給される酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記酸素極に供給される酸素が通過する空気経路（２０）と、
前記水素極に供給される水素が通過する水素経路（３０）と、
燃料電池（１０）内の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、
前記空気経路（２０）に対する酸素の供給制御と前記水素経路（３０）に対する水素の供給制御を行う制御部（５０）とを備え、
前記制御部（５０）は、
前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、前記空気経路（２０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができる乾燥酸素を前記空気経路（２０）に供給するとともに前記水素経路（３０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができる乾燥水素を前記水素経路（３０）に供給し、
前記湿潤状態検出手段により検出した前記燃料電池（１０）内の湿潤状態に基づいて、少なくとも前記乾燥水素の供給を停止し、
前記乾燥水素の供給停止後、前記空気経路（２０）にて水分を含んで湿潤ガスとなることができるとともに前記燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱された乾燥空気または乾燥窒素からなる乾燥ガスを前記空気経路（２０）に供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記湿潤状態検出手段は、前記燃料電池（１０）を構成する複数のセルの各出力電圧を検出するセルモニタ（１３）であり、
前記燃料電池（１０）内の湿潤状態は、前記セルモニタ（１３）にて検出したセル出力電圧に基づいて間接的に検出され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。