JP4689544B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法 - Google Patents
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Description
そこで本発明は、燃料電池の残留水を確実に除去することが可能な、燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法の提供を課題とする。
請求項3に係る発明は、燃料電池の次回起動が、膜電極構造体が凍結するような低温起動になるか否かを予測する低温起動予測手段を備え、前記低温起動予測手段は、前記低温起動になると予測した場合には、残留水の除去が必要か否かを判断する残留水分量の閾値として、通常起動用の閾値よりも小さい低温起動用の閾値を出力し、前記残留水除去必要性判断手段は、前記残留水分量推定手段により推定された水分量と、前記低温起動予測手段から出力された前記低温起動用の閾値とを比較して、前記燃料電池内部の残留水の除去が必要か否かを判断することを特徴とする。
請求項3に係る発明によれば、低温起動用の閾値を使用することにより、残留水を十分に除去することができる。これにより、膜電極構造体の凍結を防止して、低温起動時の発電性能の低下を抑制することができる。逆に、低温起動が予測されない場合には長時間の掃気を行わないので、エネルギー消費量の増加を防止することができる。
(燃料電池)
図1は燃料電池セルの展開図であり、図1(b)は膜電極構造体50の側面図であり、図1(a)および図1(c)は膜電極構造体50の両側に配置されたセパレータ30,40を左右に開いた状態の正面図である。本実施形態の燃料電池は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのものである。図1(b)に示すように、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2を、アノード電極3およびカソード電極4で両側から挟み込んで、膜電極構造体(MEA)50が形成されている。なおアノード電極3およびカソード電極4の外側に反応ガス拡散層(不図示)を設けることが望ましい。その膜電極構造体50のアノード電極3に面してアノード側セパレータ30が配置され、カソード電極4に面してカソード側セパレータ40が配置されて、燃料電池セル52が形成されている。この燃料電池セル52が複数積層されて、燃料電池スタックが形成される。
図2は、第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム100における燃料電池1は、上述した燃料電池スタックで構成されている。
燃料電池システム100は、空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャーなどのコンプレッサ7を備えている。このコンプレッサ7は、空気供給流路8を介して、燃料電池1の酸化ガス流路6の入口に接続されている。なお空気供給流路8には、空気の冷却装置や加湿器等(いずれも不図示)を設けることが望ましい。また燃料電池1の酸化ガス流路6の出口には、背圧弁10を備えたカソードオフガス排出流路9が接続されている。燃料電池1において発電に供された空気は、カソード電極側の生成水と共に、カソードオフガス排出流路9を通って排気処理装置(不図示)に供給される。
また、カソードオフガス排出流路9の上流端部と、循環流路18の上流端部とが、第2接続弁25を備えた第2接続流路26によって接続されている。なお第2接続流路26は、空気供給流路8における背圧弁10の下流側に接続されていてもよい。また第2接続流路26は、循環流路18から分岐されたアノードオフガス排出流路22の上流端部に接続されていてもよい。
残留水分量推定手段64は、燃料電池1の内部に残留する水分量を予測するものである。具体的には、以下の(1)ないし(4)のうちいずれか一つの方法を用いて、または複数の方法を併用して、残留水分量を推定する。
(1)燃料電池1の運転履歴から残留水分量を推定する。燃料電池1の高負荷(高出力)運転時には、多量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されるので、生成水の排出が促進されると考えられる。逆に、低負荷(低出力)運転時には、燃料ガスおよび酸化ガスの供給量が少なくなるので、生成水が溜まり易いと考えられる。そこで、燃料電池1の運転履歴における負荷量を積分することにより、残留水分量を推定することができる。
(4)燃料電池1の全体重量により残留水分量を推定する。残留水分量に比例して、燃料電池1の全体重量が増加するからである。
残留水除去必要性判断手段66は、残留水分量の予測結果に基づいて、残留水の除去が必要か否かを判断するものである。一般に、燃料電池内部の残留水分量に比例して、発電能力が低下する傾向にある。そこで、事前のテスト等により両者間の関係マップを求めておき、予測された残留水分量をそのマップに当てはめることで、燃料電池1の発電能力を推定する。ここで推定した発電能力が、車両運行のために必要とされる発電能力の閾値を下回った場合に、残留水分量の除去が必要であると判断する。
掃気手段70は、残留水の除去が必要であると判断された場合に、反応ガス流路5,6を掃気して残留水を除去するものである。具体的には、まず遮断弁20および循環遮断弁18aを閉鎖するとともに、第1接続弁23および第2接続弁25を開放する。次にコンプレッサ7を作動させ、酸化ガスを反応ガス流路5,6に供給する。この酸化ガスの掃気により、反応ガス流路5,6に存在する残留水が押し出されて排出される。
そして掃気手段70は、掃気終了後に、次述する待機時間タイマ63に対して掃気終了信号を出力するようになっている。
ECU60は、反応ガス流路5,6を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマ63を有している。待機時間タイマ63は、運転停止検出手段62から燃料電池1の運転停止の検出信号が入力された後に所定時間の経過をカウントし、その所定時間の経過後に残留水分量推定手段64に対して動作信号を出力する。また待機時間タイマ63は、掃気手段70から掃気終了信号が入力された後に所定時間の経過をカウントし、その所定時間の経過後に残留水分量推定手段64に対して動作信号を出力する。このように待機時間タイマ63は、反応ガス流路5,6を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる機能を備えている。
次に、第1実施形態に係る燃料電池の掃気方法について説明する。
図3は、第1実施形態に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。
まず、ECU60はイグニッションスイッチ61がOFFされたか判断し(S10)、判断がYesの場合は燃料電池1による発電を停止する。次に運転停止検出手段62が、燃料電池1の運転停止を検出して、検出信号を待機時間タイマ63に出力する。次に待機時間タイマ63が、検出信号が入力されてから所定時間の経過をカウントする(待機モード;S12)。なお燃料電池1の運転停止後、1回目の待機時間は、例えば数10秒間とする。
このように、待機および掃気を繰り返すことにより、ガス流路の残留水が十分に排出される。そしてS16において、もはや残留水の除去が必要ないと判断された場合には、全ての掃気を完了して燃料電池システムの運転を終了する。
次に、第2実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法について説明する。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
残留水除去必要性判断手段は、残留水分量が閾値を上回った場合に、残留水分量の除去が必要であると判断する。第1実施形態では、その閾値が一定であったが、第2実施形態では、その閾値を変化させる。
そこで第2実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池の次回起動が低温起動になるか否かを予測する低温起動予測手段を備えている。この低温起動予測手段は、外気温度や天気予報、カレンダー等を用いて、燃料電池の次回起動が、膜電極構造体が凍結するような低温起動になるか否かを予測する。そして、低温起動になると予測した場合には低温起動用の閾値を出力し、それ以外の場合には通常起動用の閾値を出力する。低温起動用の閾値は、通常起動用の閾値より小さくなっている。
S16において、残留水除去必要性判断手段は、S14で推定された残留水分量と、低温起動予測手段から出力された閾値とを比較する。そして、残留水分量が閾値を上回っている間は掃気を繰り返して残留水分量を減少させ、残留水分量が閾値を下回った時点で掃気を完了する。そのため、低温起動用の閾値を使用することにより、残留水を十分に除去することができる。これにより、膜電極構造体の凍結を防止して、低温起動時の発電性能の低下を抑制することができる。逆に、低温起動が予測されない場合には長時間の掃気を行わないので、エネルギー消費量の増加を防止することができる。
次に、第3実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法について説明する。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
第1実施形態では、図4(d)に示すように掃気量が一定であったが、第3実施形態では、掃気ガス圧力を変化させることにより掃気量を変化させる。
図8(b)は、残留水分量と掃気ガス圧力との関係を示すグラフである。このグラフでは残留水分量に比例して掃気ガス圧力が高くなっている。そのため、残留水分量が多い場合には掃気ガス圧力が高く設定され、残留水分量が少ない場合には掃気ガス圧力が低く設定される。
例えば、上述した実施形態では燃料ガス流路および酸化ガス流路の両方を掃気したが、いずれか一方のみを掃気することも可能である。例えば、常温時には、残留水が多く存在する酸化ガス流路のみを掃気し、低温時には、凍結を防止するため両方のガス流路を掃気することも可能である。また、燃料ガス流路のみの掃気と、酸化ガス流路のみの掃気とを、短時間で切り替えることも可能である。この場合、一方のガス流路を掃気するのと同じエネルギー消費量で、両方のガス流路を掃気した場合と同様の効果を得ることができる。
Claims (4)
- 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持した膜電極構造体と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路とを有し、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転停止を検出する運転停止検出手段と、
前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定手段と、
少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断手段と、
前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気手段と、
前記反応ガス流路を掃気する前に、前記反応ガス流路に付着していた水滴が重力により落下する時間として、または掃気による排出が不可能な大きさの水滴が張力により凝集して掃気による排出が可能な大きさの水滴となる時間として、予め定められた所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマと、を有し、
前記運転停止検出手段により前記燃料電池の運転停止が検出されてから、前記残留水除去必要性判断手段により残留水の除去が必要でないと判断されるまで、所定時間の待機と掃気とを繰り返すことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記残留水除去必要性判断手段は、前記残留水分量推定手段により推定された残留水分量が閾値以下である場合に、残留水の除去が必要でないと判断す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。
- 燃料電池の次回起動が、膜電極構造体が凍結するような低温起動になるか否かを予測する低温起動予測手段を備え、
前記低温起動予測手段は、前記低温起動になると予測した場合には、残留水の除去が必要か否かを判断する残留水分量の閾値として、通常起動用の閾値よりも小さい低温起動用の閾値を出力し、
前記残留水除去必要性判断手段は、前記残留水分量推定手段により推定された水分量と、前記低温起動予測手段から出力された前記低温起動用の閾値とを比較して、前記燃料電池内部の残留水の除去が必要か否かを判断することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持した膜電極構造体と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路とを有し、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池の掃気方法であって、
前記燃料電池の運転停止を検出する運転停止検出工程と、
前記反応ガス流路を掃気する前に、前記反応ガス流路に付着していた水滴が重力により落下する時間として、または掃気による排出が不可能な大きさの水滴が張力により凝集して掃気による排出が可能な大きさの水滴となる時間として、予め定められた所定時間だけ掃気を待機する待機工程と、
前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定工程と、
少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断工程と、
前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気工程と、を有し、
前記運転停止検出工程において前記燃料電池の運転停止が検出されてから、前記残留水除去必要性判断工程において残留水の除去が必要でないと判断されるまで、前記待機工程から前記掃気工程までを繰り返すことを特徴とする燃料電池の掃気方法。
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