JP4764111B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、発電効率の悪化を防止する燃料電池システムに関するものである。

近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極（アノード、カソード）で挟み込んだセルを積層して構成される。この燃料電池を備えた燃料電池システムでは、アノードに供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソードに向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソードに移動し、カソードに供給される酸素（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。

このような燃料電池システムを搭載した自動車において、アイドル状態等のように、車両を駆動するための電力がゼロの場合に燃料電池から電力供給を行うと、車両の燃費が悪化してしまうという問題がある。そこで、アイドル状態を検出した場合は燃料電池駆動用補機の作動を停止し、燃料電池自動車の燃費を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。具体的には、アイドル状態を検出したときは、燃料電池駆動用補機のエアコンプレッサ（以下、単に、「コンプレッサ」という。）の作動を停止して、空気の供給を停止することで、燃料電池の発電を停止（アイドル停止）する。ここで、水素ガスの供給を停止しないのは、アノード系内の圧力を維持することで、カソード側からアノード側への不純物の混入を抑え、アイドル停止解除後の発電安定性を保つためである。
特開２００４−５６８６８号公報（段落００１８、図２） 特開２００１−３５９２０４号公報（段落００３４，００３５、図５）

ところで、アイドル停止状態が長時間継続すると、水素が固体高分子電解質膜を介してカソード側に透過してくる。このため、アイドル停止状態を解除し、カソード側に空気の供給が再開されると、高濃度の水素がそのまま排出されてしまい、排出水素濃度を所定値以下に制御できないという問題があった。また、アイドル停止中も微量な空気の流れにより、高濃度水素が排出されているという問題があった。
そして、このような問題は、車両のアイドル中に限らず、燃料電池の負荷が低い状態（燃料電池のアイドル中）で燃費改善のために水素ガスの供給を継続させたまま空気の供給のみを停止させる場合（燃料電池のアイドル停止中）は常に発生する。

そこで、本発明は前記した問題を解決し、燃料電池のアイドル停止中に、発電安定性を確保するとともに水素排出量を低減する燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、カソード側に酸化剤ガスおよびアノード側に燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給通路を開閉する遮断弁と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の状態がアイドル中であるときに、前記カソード側を外部に開放したまま前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池のアイドル停止中に前記遮断弁を閉弁するタイミングを決定するタイミング決定手段と、前記タイミング決定手段が決定した前記タイミングで前記遮断弁を閉弁する閉弁手段を有し、前記タイミングは、前記アイドル停止手段によりアイドル停止が開始されてから所定時間経過時であり、前記所定時間は、前記燃料電池のアノード側からカソード側へのクロスリークによる高濃度の前記燃料ガスの排出を防止するための時間であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池のアイドル中に酸化剤ガス供給手段を停止して燃料電池の発電を停止する（アイドル停止）。これにより、燃料電池の燃費改善が図られる。そして、燃料電池のアイドル停止中の所定時間経過後に、遮断弁を閉弁して、燃料電池に対する燃料ガスの供給を遮断する。燃料電池のアイドル停止中の所定時間経過後に遮断弁を閉弁し、アイドル停止になった後、所定時間経過前は閉弁しないことで、燃料ガスの通路（アノード系）内への窒素混入、つまり、アノード系内の水素濃度の低下を防止し、復帰時の発電安定性を確保する。さらに、遮断弁を閉弁することで、酸化剤ガスの通路（カソード系）側への水素透過量を低減し、水素排出量を低減する。
ここで、‘燃料電池のアイドル中’とは、電気負荷（例えば、駆動用モータ、補機等）の消費電力が所定値以下である状態を意味し、例えば、車両搭載用では、車両がアイドル中であるときや、一定速度で走行するクルーズ走行中等を含むものとする。

請求項２に記載の発明は、カソード側に酸化剤ガスおよびアノード側に燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給通路を開閉する遮断弁と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の状態がアイドル中であるときに、前記カソード側を外部に開放したまま前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池のアイドル停止中に前記遮断弁を閉弁するタイミングを決定するタイミング決定手段と、前記タイミング決定手段が決定した前記タイミングで前記遮断弁を閉弁する閉弁手段を有し、前記タイミングは、前記燃料電池のアイドル停止中に、前記燃料電池のアノード側からカソード側への前記燃料ガスのクロスリーク量の積算量が所定量以上であると判定された時であり、前記所定量は、前記燃料電池の酸化剤ガスの流路から高濃度の前記燃料ガスの排出を防止するための量であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記燃料ガス供給手段と前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給通路にガス圧センサを備え、前記タイミング決定手段が、前記ガス圧センサによって検出された前記燃料ガス供給通路内のガス圧と、前記ガス圧が低くなると前記クロスリーク量が増加する関係と、に基づいて、前記クロスリーク量を決定することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出通路に燃料ガス濃度センサを備え、前記タイミング決定手段が、前記燃料ガス濃度センサによって検出された燃料ガス濃度と、前記燃料ガス濃度が高くなると前記クロスリーク量が増加する関係と、に基づいて、前記クロスリーク量を決定することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池駆動復帰時の、発電安定性の確保と水素排出量の低減とを両立することができる。

［第１の実施形態］
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示す燃料電池システムＳは、電気自動車（燃料電池自動車）の動力源として利用されるものであり、この燃料電池システムＳから取り出された電力は、車両のパワードライブユニット１と走行用モータ２に供給される。

パワードライブユニット１は、走行用モータ２の入力側に設けられ、走行用モータ２に供給する電力量を制御する。パワードライブユニット１は、スイッチング素子から構成されたＰＷＭインバータを備えており、このスイッチング素子が図示しない制御部によってオン、オフされることで、後記する燃料電池システムＳの燃料電池３または蓄電装置４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、走行用モータ２に供給するようになっている。

走行用モータ２は、例えば永久磁石式の三相交流同期モータであり、パワードライブユニット１から供給される三相交流電力により駆動制御される。このように制御される走行用モータ２の駆動力はトランスミッションを介して車輪Ｗに伝達される。

（燃料電池システム）
本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池３、蓄電装置４、燃料電池３に酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ５（酸化剤ガス供給手段）、燃料電池３に水素ガス（燃料ガス）を供給する水素タンク６（燃料ガス供給手段）、燃料電池３から排出された水素ガスを希釈して大気中に放出する希釈器７、コントロールユニットであるＥＣＵ８を主に備えて構成される。

燃料電池３は、アノードとカソードの間に電解質である固体高分子電解質膜を挟んでなるセルを複数積層して構成される。この燃料電池３のアノード側のガス通路に水素ガスを供給し、カソード側のガス通路に空気を供給すると、アノードの触媒層で発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を介してカソードに移動し、カソードの触媒層で酸素と結びついて水が生成されるとともに、単セルで発電が行われる。なお、以下、水素ガスのガス通路を適宜アノード系といい、空気のガス通路を適宜カソード系という。

蓄電装置４は、例えば、キャパシタ、または、バッテリ等からなるもので、燃料電池３および走行用モータ２と並列に接続されている。蓄電装置４は、燃料電池３の発電により充電されるとともに、この蓄電装置４が蓄えた電力を走行用モータ２に供給して燃料電池３の発電を補助する機能も備えている。

以下、燃料電池３に供給される空気または水素ガスの流れに沿って、燃料電池システムＳの他の各構成について説明する。
コンプレッサ５は、空気を圧縮する機械であり、コンプレッサ５で圧縮された空気は、空気供給通路５１を通じて、燃料電池３のカソード側のガス通路に供給される。また、燃料電池３内に供給された空気のうち化学反応しきれなかった余りの酸素を含む空気（以下、「空気オフガス」という。）は、空気排出通路５２を介して、後記する希釈器７に排出される。

水素タンク６は、例えば、３５ＭＰａの高圧状態の水素を貯蔵するタンクであり、水素タンク６内から放出される水素ガスは、水素ガス供給通路６１を通じて、燃料電池３のアノード側のガス通路に供給される。水素ガス供給通路６１には、遮断弁６１ａが配設されている。遮断弁６１ａは、開弁されることで水素タンク６内から水素ガスを放出し、閉弁されることで水素ガスの通流を遮断する。そして、燃料電池３内に供給された水素ガスのうち化学反応しきれなかった余りの水素を含む水素ガス（以下、「水素オフガス」という。）は、水素ガス排出通路６２を介して、後記する希釈器７に排出される。なお、遮断弁６１ａは、［特許請求の範囲］の「遮断弁」に相当する。

希釈器７は、空気排出通路５２と水素ガス排出通路６２の下流側に接続されている。希釈器７では、水素ガス排出通路６２から導入された水素オフガスを、空気排出通路５２から導入された空気オフガスで希釈して外部に排出する。

ＥＣＵ８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力回路を備えており、燃料電池３がアイドル停止中であるとき、そのアイドル停止時間をカウントするカウンタ９から入力される信号に基づき、遮断弁６１ａの開閉作動を制御する。なお、アイドル停止とは、燃料電池３がアイドル中と判断されたときに、燃費改善を目的として、コンプレッサ５の駆動を停止し、燃料電池３の発電を停止させた状態をいう。また、アイドル中とは、燃料電池３の電気負荷（例えば、走行用モータ２、補機等の消費電力）が低い状態、またはゼロの状態を意味し、例えば、搭載される車両において、車速ゼロ、フットブレーキオン、アクセルペダルオフである場合、または、クルーズ走行中である場合等が挙げられる。なお、このＥＣＵ８は、［特許請求の範囲］の「タイミング決定手段」および「閉弁手段」に相当する。

ここで、図２を参照しながら、ＥＣＵ８における遮断弁６１ａの開閉制御方法（燃料電池システムの制御方法）について説明する。図２は、第１の実施形態における遮断弁の開閉制御方法を示すフローチャートである。

図２に示すように、ＥＣＵ８は、燃料電池３がアイドル停止中であるか否かを判断する（ステップＳ１）。そして、アイドル停止中でないと判断された場合（ステップＳ１でＮｏ）は、アイドル停止時間のカウンタ９をリセットし（ステップＳ２）、遮断弁６１ａを開状態のままにして（ステップＳ３）、この一連の処理を繰り返す。一方、燃料電池３がアイドル停止中であると判断された場合（ステップＳ１でＹｅｓ）は、アイドル停止時間のカウンタ９が加算される（ステップＳ４）。そして、アイドル停止時間のカウンタ９が所定時間経過したか否かを判断する（ステップＳ５）。所定時間経過していない場合（ステップＳ５でＮｏ）は、遮断弁６１ａを開状態のままにして（ステップＳ３）、前記同様、一連の処理を繰り返す。一方、所定時間経過した場合（ステップＳ５でＹｅｓ）は、遮断弁６１ａを閉弁するように制御する（ステップＳ６）。そして、その後、同様の処理を繰り返す。なお、本実施形態では、アイドル停止時間のカウンタ９が所定時間経過した時点が、［特許請求の範囲］の「タイミング」に相当する。

ちなみに、踏み込まれていたブレーキペダルが開弁されるとか、スロットルペダルが踏み込まれたりすることにより、アイドル停止の条件が崩れると、アイドル停止は解除されるが、この場合、ステップＳ１がＮｏになり、ステップＳ２でカウンタが‘０’にされ、ステップＳ３で遮断弁６１ａが開弁される。そして、この図２のフローチャートとは別のＥＣＵ８の処理によりコンプレッサ５が起動され、燃料電池システムＳが起動する。

以上によれば、第１の実施の形態において以下の効果を得ることができる。
第１の実施形態では、燃料電池３がアイドル停止になった直後は、遮断弁６１ａを閉弁しないので、アイドル停止中におけるアノード系内の圧力を維持し、アノード系内への窒素混入を可及的に防止することができる。これにより、アイドル停止解除後の発電安定性を維持することができる。

また、アイドル停止になってから所定時間が経過した後は、遮断弁６１ａを閉弁し、水素ガスの供給を停止するので、燃料電池３の固体高分子電解質膜を介してカソード系内に透過するスタッククロスリーク量（水素透過量）を低減することができる。これにより、アイドル停止中やアイドル停止解除時にカソード系内から排出される水素排出量を従来よりも低減させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３に、第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図を示す。第２の実施形態は、図１に示す第１の実施の形態の燃料電池システムＳの構成を一部変形したものなので、同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態に係る燃料電池システムでは、第１の実施形態に係る燃料電池システムＳに、以下の構成を追加したものである。
本実施形態に係る燃料電池システムＳでは、水素ガス供給通路６１における遮断弁６１ａの下流側に、順に、レギュレータ６１ｂ、エゼクタ６１ｃ、ガス圧センサ６１ｄが設けられている。レギュレータ６１ｂは、ＥＣＵ８からの指令により、水素ガス供給通路６１内のガス圧を調整する弁である。また、エゼクタ６１ｃは、水素ガス供給通路６１と水素ガス循環通路６３とを接続し、水素タンク６からの水素と燃料電池３から排出されて戻ってきた水素を混合させて燃料電池３に供給するものである。また、ガス圧センサ６１ｄは、水素ガス供給通路６１において、遮断弁６１ａと燃料電池３の間のガス圧を検出する。

水素ガス排出通路６２には、前記した水素ガス循環通路６３の一端が接続されるとともに、その下流側にパージ弁６２ａが設けられている。水素ガス循環通路６３は、燃料電池３からの水素オフガスを、水素ガス供給通路６１に戻して再利用するために設けられる。また、パージ弁６２ａが、ＥＣＵ８からの指令により間欠的に開かれることによって、水素オフガスの循環使用により溜まっていく窒素等の不純物を排出することができる。

このような第２の実施形態の燃料電池システムＳでは、ＥＣＵ８は、ガス圧センサ６１ｄで水素ガス供給通路６１内のガス圧を検出し、このガス圧に基づいて、アノード系内からカソード系へのスタッククロスリーク量を内部のデータテーブルで検索する。このデータテーブルでは、水素ガス供給通路６１内の圧力が低くなると、スタッククロスリーク量が増加するようになっている。そして、このスタッククロスリーク量に基づき、遮断弁６１ａの開閉を制御する。

以下、図４を参照して、ＥＣＵ８における遮断弁６１ａの制御方法について説明する。図４は、第２の実施形態における遮断弁の開閉制御方法を示すフローチャートである。

図４に示すように、ＥＣＵ８は、燃料電池３がアイドル停止中であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、アイドル停止中でないと判断された場合（ステップＳ１１でＮｏ）は、内部に記憶されるスタッククロスリーク量をリセットし（ステップＳ１２）、遮断弁６１ａを開状態のままにして（ステップＳ１３）、この一連の処理を繰り返す。一方、燃料電池３がアイドル停止中であると判断された場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）は、その際の前記ガス圧からスタッククロスリーク量をテーブル検索する（ステップＳ１４）。そして、スタッククロスリーク積算量が所定量以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。所定量を超えていない場合（ステップＳ１５でＮｏ）は、遮断弁６１ａを開状態のままにして（ステップＳ１３）、前記同様、一連の処理を繰り返す。一方、所定量を超えている場合（ステップＳ１５でＹｅｓ）は、遮断弁６１ａを閉弁するように制御する（ステップＳ１６）。そして、その後、同様の処理を繰り返す。

以上によれば、第２の実施形態において以下の効果を得ることができる。
第２の実施形態では、燃料電池３がアイドル停止になった直後は、遮断弁６１ａを閉弁しないので、アイドル停止中におけるアノード系内の圧力を維持し、アノード系内への窒素混入を可及的に防止することができる。これにより、アイドル停止解除後の発電安定性を維持することができる。

また、アイドル停止になってから、燃料電池３の固体高分子電解質膜を介してカソード系内に透過するスタッククロスリーク量が所定量を超えた場合は、遮断弁６１ａを閉弁し、水素ガスの供給を停止するので、それ以上の透過を防止することができる。これにより、アイドル停止中やアイドル停止解除時にカソード系内から排出される水素排出量を従来よりも低減させることができる。

以上、第２の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。
例えば、第２の実施形態では、ガス圧に基づいてスタッククロスリーク量をテーブル検索するものとしたが、本発明はこれに限定されず、水素ガス供給通路６１内のガス圧とスタッククロスリーク量の関係を表す所定の関係式で算出するものであってもよい。

例えば、第２の実施形態では、ガス圧センサ６１ｄが検出するガス圧に基づいて、スタッククロスリーク量を把握するものとしたが、本発明はこれに限定されず、カソード系内に設けた水素濃度センサが検出する検出値に基づいてスタッククロスリーク量を把握するものとしてもよい。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施形態における遮断弁の開閉制御方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図を示す。 第２の実施形態における遮断弁の開閉制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ パワードライブユニット
２ 走行用モータ
３ 燃料電池
４ 蓄電装置
５ コンプレッサ
６ 水素タンク
８ ＥＣＵ
５１ 空気供給通路
５２ 空気排出通路
６１ 水素ガス供給通路
６１ａ 遮断弁
６１ｄ ガス圧センサ
６２ 水素ガス排出通路
Ｓ 燃料電池システム

Claims (4)

1. カソード側に酸化剤ガスおよびアノード側に燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガスの供給通路を開閉する遮断弁と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池の状態がアイドル中であるときに、前記カソード側を外部に開放したまま前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のアイドル停止中に前記遮断弁を閉弁するタイミングを決定するタイミング決定手段と、
   前記タイミング決定手段が決定した前記タイミングで前記遮断弁を閉弁する閉弁手段を有し、
   前記タイミングは、前記アイドル停止手段によりアイドル停止が開始されてから所定時間経過時であり、
   前記所定時間は、前記燃料電池のアノード側からカソード側へのクロスリークによる高濃度の前記燃料ガスの排出を防止するための時間であることを特徴とする燃料電池システム。
2. カソード側に酸化剤ガスおよびアノード側に燃料ガスを供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガスの供給通路を開閉する遮断弁と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池の状態がアイドル中であるときに、前記カソード側を外部に開放したまま前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のアイドル停止中に前記遮断弁を閉弁するタイミングを決定するタイミング決定手段と、
   前記タイミング決定手段が決定した前記タイミングで前記遮断弁を閉弁する閉弁手段を有し、
   前記タイミングは、前記燃料電池のアイドル停止中に、前記燃料電池のアノード側からカソード側への前記燃料ガスのクロスリーク量の積算量が所定量以上であると判定された時であり、
   前記所定量は、前記燃料電池の酸化剤ガスの流路から高濃度の前記燃料ガスの排出を防止するための量であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス供給手段と前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給通路にガス圧センサを備え、
   前記タイミング決定手段が、前記ガス圧センサによって検出された前記燃料ガス供給通路内のガス圧と、前記ガス圧が低くなると前記クロスリーク量が増加する関係と、に基づいて、前記クロスリーク量を決定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。
4. 前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出通路に燃料ガス濃度センサを備え、
   前記タイミング決定手段が、前記燃料ガス濃度センサによって検出された燃料ガス濃度と、前記燃料ガス濃度が高くなると前記クロスリーク量が増加する関係と、に基づいて、前記クロスリーク量を決定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。

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