JP4814493B2 - 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、特に低温下で燃料電池を起動させる際の発電性能の低下を防止可能な燃料電池システムに関する。

低温（氷点）下で燃料電池を使用する場合、燃料電池の再起動を容易にするために、また、燃料電池を水分の凍結による破損・劣化などから保護するために、発電停止時に燃料電池内に掃気ガスを供給して掃気を行うことが実施されている。
その掃気方法については、酸化剤ガスや燃料ガスを掃気ガスとして燃料電池に供給した場合、ガス通路中に設置された加湿器で加湿されるため、掃気ガスの湿度を乾燥側にシフトさせるように加湿器をバイパスさせたガスを燃料電池に供給させる手法が提案されている（特許文献１）。
特開２００３−３３１８９３号公報（段落番号００２２、図１参照）

しかしながら、この掃気方法では、掃気ガスが乾燥ガスであるため、掃気ガスが燃料電池に流れる際には、セル内のガス吸気口近傍を集中的に除湿してしまい、セル内全般の掃気が完了した時には、発電を司る電極内に湿度のムラができてしまい、結果として低温下で起動するときの発電性能を低下させてしまう問題があった。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、燃料電池の発電を停止する際に、低温下で再起動する時の発電性能を低下させることなく掃気できる燃料電池システムを提供することを目的としている。

このため請求項１に記載の発明は、カソード極とアノード極とを有し、前記カソード極に供給される酸化剤ガスと、前記アノード極に供給される燃料ガスとにより発電を行う燃料電池と、前記カソード極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、前記カソード極のカソードオフガスを系外に排出するカソードオフガス排出通路と、前記アノード極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記アノード極のアノードオフガスを前記アノード極に供給する循環通路と、前記アノードオフガスを系外に排出するアノードオフガス排出通路と、前記燃料ガス供給通路に前記燃料ガスの供給を遮断する燃料ガス遮断弁とを有し、前記燃料電池を掃気するための掃気ガスを前記アノード極及び前記カソード極へ供給する掃気ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられた加湿器と、前記燃料電池の停止時に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給を遮断し、前記アノード極へは前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを供給するとともに、前記カソード極へは前記加湿器を介して前記掃気ガスを供給するように、前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段とを備えるものとした。
これによって、燃料電池のカソード極に加湿したガスを、アノード極に乾燥ガスを供給し、電極によって異なる状態のガスで掃気を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、前記酸化剤ガス供給通路における前記加湿器の上流側と、前記燃料ガス供給通路における前記燃料ガス遮断弁の下流側とを連通する連通路と、前記連通路に設けられた連通路遮断弁とを、さらに備え、前記掃気ガスは、前記酸化剤ガスである酸素を含む空気とし、前記制御手段は、前記連通路遮断弁を開弁させることによって、前記アノード極に前記掃気ガスを供給させるものとした。
これによって、連通路の連通・遮断を制御することで、酸化剤ガスとしての空気を加湿せずにアノード極に供給させることができる。

請求項１に記載の発明によれば、発電停止時に、アノード極に乾燥ガスを供給し、カソードには加湿器で加湿したガスを供給して掃気を行うため、発電中に水が溜まりやすいアノード極側の掃気がすばやく行え、水の溜まりにくいカソード極へは加湿したガスの供給によって、電極内の湿度を維持し電解質膜を保護して、低温下の発電性能の低下を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、酸化剤ガスとしての空気を掃気ガスとすることにより、燃料電池システムの構成を複雑化させずに請求項１の効果を達成することができる。

次に、本発明の実施形態について説明する。
実施形態の説明に入る前に、まず、燃料電池システムが発電する際における電極の状態について説明する。
燃料電池を掃気する場合、掃気時間を短くすることが望ましい。このため、前記のように加湿器をバイパスさせた乾燥ガスを用いて排水効果を上げる手法が考えられるが、課題で提示したように、電極内の湿度を過度に除去することによる発電性能の低下が問題となる。

自動車の駆動源として有望視された燃料電池の発電では、アノード極に純水素を供給し、カソード極に空気を供給することが多い。この場合、燃費、発電性能を考慮して、アノード極に供給される水素のストイキ（Stoich）は、極力低めに設定されるため、結果としてアノード極に供給されるガスの量が少なくなる。それに対し、カソード極では、元々空気を用いるために、発電に対し必要な酸素量を確保するため、空気が大量にカソード極に供給され、その結果、発電に寄与しない窒素も同時にカソード極に大量に流れる。

また、カソード極での反応では、空気のストイキと発電性能との因果関係が大きいため、アノード極側の水素のストイキに対し大きめに設定される。このことからも、アノード極とカソード極とでは、供給されるガス量に大きな差が存在する。また、水素と空気とのガス粘度は、２倍以上の違いがある。さらに、水素は、燃費を良好なものとするため循環して再使用される。一方、空気は循環されることなく、常に外気から取り込まれて燃料電池に供給させる。このような違いを総合すると、アノード極は発電中に生成された水が蓄積されやすい環境にあり、それとは逆に、カソード極は水が蓄積されにくい環境にある。
したがって、燃料電池の低温下での起動に備え、発電停止時に掃気を行う場合、水が残留しやすいアノード極と残留しにくいカソード極とでは、掃気に求められる要件が異なる。
本実施形態は、このような電極の状況を踏まえて、アノード極に乾燥空気を供給し、カソード極には加湿した空気を供給し、電極によって異なる湿度のガスで掃気を行うことにより、掃気時間を短縮でき、しかも低温下で起動時の発電性能の低下を防止できる燃料電池システムを実現させる。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、実施形態では、電気自動車用の燃料電池システムについて述べることにする。
図１は、電気自動車搭載の燃料電池システムの構成を示す図である。
燃料電池１は高分子電解質膜をカソード極とアノード極で挟んでなるセルを積層して構成される。
燃料電池１のカソード極の吸気口Ｃ１に空気供給通路２（酸化剤ガス供給通路）が接続され、空気供給通路２を介して過給器３がカソード極に空気を供給できるようになっている。空気供給通路２には、空気の供給・遮断を制御する遮断弁６と供給される空気を加湿する加湿器５が設けられている。過給器３および遮断弁６はコントロールユニット１７に制御されている。

カソード極の排気口Ｃ２には酸化剤オフガス排出通路（カソードオフガス排出通路）８が接続され、この酸化剤オフガス排出通路８は前記加湿器５を介して希釈ボックス７に接続されている。
過給器３からの空気は、加湿器５によって加湿されてカソード極に供給される。発電時において空気は、アノード極に供給される水素ガスと電気化学反応を起こして、排ガスとなって酸化剤オフガス排出通路８を経由して希釈ボックス７から排出される。排ガスが加湿器５を通過する際には、排ガス中の水分は加湿器５に回収されて、再び空気の加湿に供される。また、掃気時には、同じように加湿器５で加湿された空気がカソード極に供給される。

燃料電池１のアノード極の吸気口Ａ１に水素ガス供給通路（燃料ガス供給通路）９が接続され、この水素ガス供給通路９を介して水素タンク１０からアノード極に水素ガスの供給が可能である。水素タンク１０には、例えば３５ＭＰａの高圧水素が貯留されている。水素ガス供給通路９には燃料電池１側にエジェクタ１１、水素タンク１０側には遮断弁（燃料ガス遮断弁）１２が設けられている。この遮断弁１２はアノード極に水素ガスの供給・遮断を制御する。
エジェクタ１１は、水素ガス循環通路１５からの水素ガスを加圧してアノード極に循環させる。
燃料電池１のアノード極の排気口Ａ２に燃料オフガス排出通路（アノードオフガス排出通路）１３が接続され、この燃料オフガス排出通路に三方弁１４が設けられている。この三方弁１４の切り替えでアノード極内の未反応水素ガスなどを、水素ガス循環通路１５と希釈ボックス７のいずれかを選択して排出することができる。
三方弁１４はコントロールユニット１７に制御されている。

発電するとき、コントロールユニット１７の制御で遮断弁１２が開弁状態となり、水素タンク１０内に貯留された高圧水素ガスは、図示しない減圧弁によって減圧された状態で燃料電池１のアノード極に供給され、ここでカソード極に供給された空気と電気化学反応を起こして発電が行われる。未反応の水素ガスは、排ガスとして三方弁１４から水素ガス循環通路１５を介してエジェクタ１１によって燃料電池１に循環される。
発電するとき、カソード極側には、過給器３からの空気が加湿器５で加湿されて燃料電池１のカソード極に供給されるため、発電に伴って電極内の湿度が低下することなく、良好な発電状態を維持することができる。
なお、安定した発電を行うために、供給される空気のストイキが水素ガスのストイキより大きく設定されている。

過給器３からの空気供給で、アノード極を掃気できるように、空気供給通路２における遮断弁６の上流側と水素ガス供給通路９における遮断弁１２の下流側とが連通路１８によって接続されている。この連通路１８には、空気の供給・遮断を制御する遮断弁１６が設けられる。遮断弁１６はコントロールユニット１７に制御される。
このように、過給器３からの空気は、加湿器５を通さずにアノード極に供給することができる。すなわち、掃気時にはカソード極に加湿した空気を供給するのに対して、アノード極には乾燥空気を供給できる。

次に、燃料電池１を低温下で起動させる場合に備えて、燃料電池システムによって行われる発電停止時の停止方法について説明する。
図２は、発電停止時の動作の流れを示すフローチャートである。
車両側のイグニッションスイッチがオフされると、そのオフ信号がコントロールユニット１７に入力される（Ｓ１）。このオフ信号を受けてコントロールユニット１７は、遮断弁１２を閉弁させる（Ｓ２）。これによって、燃料電池１に水素ガスの供給が遮断され燃料電池１の発電が停止される。過給器３は車載バッテリによって駆動されるため、イグニッションスイッチのオフによってその動作が停止される。

発電を停止後、低温下で起動させるときの発電性能低下を防止するために、起動を容易にするために、燃料電池１を保護するために、カソード極に掃気ガスを供給するように、コントロールユニット１７は過給器３を始動させる（Ｓ３）とともに、遮断弁６を開弁させる（Ｓ４）。これによって、燃料電池１のカソード極に加湿器５によって加湿された空気が供給され、カソード極の掃気が開始される（Ｓ５）。

その後、アノード極に対する掃気を行うため、コントロールユニット１７は三方弁１４を切り替える（Ｓ６）。三方弁１４の切り替えで、アノード極内の未反応水素ガスが希釈ボックス７に排出されるようになる。なお、この場合、急激な減圧を防止するために、三方弁１４を全開としない。
コントロールユニット１７は、燃料オフガス排出通路１３に設けられた圧力センサの検出値に基づいて、アノード極の圧力が所定値より小さくなったか否かを判断する（Ｓ７）。
アノード極の圧力が所定値以上の場合（Ｓ７、Ｎｏ）、この判断が繰り返される。
アノード極の圧力が所定値より小さくなったと判断する（Ｓ７、Ｙｅｓ）と、三方弁１４を全開させる（Ｓ８）。これによって、アノード極に掃気ガスを供給することができるようになる。

その後、過給器３からの空気が燃料電池１のアノード極に供給されるように、コントロールユニット１７は遮断弁１６を開弁させる（Ｓ９）。これによって、アノード極に空気が供給され（Ｓ１０）、アノード極に対する掃気が開始される。ここで、掃気ガスが加湿されないため、カソード極と異なりアノード極は、乾燥ガスで掃気されることになる。
このように、カソード極に加湿した空気、アノード極には乾燥空気がそれぞれ流れて両極の掃気処理が進行される（Ｓ１１）。

掃気の完了は、カソード極およびアノード極の吸排気口の圧力差によって判断される。このため、コントロールユニット１７は、カソード極の吸気口Ｃ１と排気口Ｃ２に備えられている圧力センサの検出値を入力し、入力した検出値に基づいてカソード極の吸排気口の圧力差が所定値１より小さいか否かを判断する（Ｓ１２）。圧力差が所定値１以上の場合（Ｓ１２、Ｎｏ）は、圧力センサから新たな検出値を入力し、同判断を行う。
カソード極吸排気口の圧力差が所定値１より小さいと判断される（Ｓ１２、Ｙｅｓ）と、ＥＣＵ１は、アノード極の吸気口Ａ１と排気口Ａ２に設けられている圧力センサの検出値を入力し、入力した検出値に基づいてアノード極吸排気口の圧力差が所定値２より小さいか否かを判断する（Ｓ１３）。
アノード極吸排気口の圧力差が所定値２以上である場合（Ｓ１３、Ｎｏ）は、掃気が完了していないとしてステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２の判断を経て、圧力センサから新たな検出値を入力し、アノード極吸排気口の圧力差について判断を行う。
アノード極吸排気口の圧力差が所定値２より小さいと判断されると（Ｓ１３、Ｙｅｓ）、掃気が完了したとして、コントロールユニット１７は、遮断弁６を閉弁させる（Ｓ１４）とともに、遮断弁１６を閉弁させる（Ｓ１５）。これによってカソード極への空気とアノード極への空気供給がともに停止され掃気が完了する。
その後、過給器３を停止させ（Ｓ１６）、アノード極内の水素ガスが水素ガス循環通路１５にくるように三方弁１４を切り替える（Ｓ１７）と燃料電池１が停止状態になる。

以上のように、燃料電池１の発電を停止する際に、カソード極およびアノード極にそれぞれ空気を供給し掃気を行うが、水の溜まりにくいカソード極に加湿器５によって加湿した空気を供給し、水の溜まりやすいアノード極には乾燥空気を供給するため、各々の電極状態に応じた掃気を行うことができる。
図３で示すように、カソード極とアノード極の両極とも乾燥ガスで掃気するドライ（Ｄｒｙ）掃気および両極とも加湿したガスで掃気するウェト（Ｗｅｔ）掃気に比べると、電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用する本実施形態は、図４に示すように電極内を過度な除湿を防止することができるので、良好な発電性能を得ることができ、かつ加湿したガスで掃気するウェト掃気よりも掃気量が良好になっている。また掃気時間も短い。掃気量が良好とは発電性能を確保するために必要な掃気エネルギーが少ないとのことである。

次に、両極ともドライ掃気を行った場合の発電性能と電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合の発電特性とを比較する。
起動時の外気温度は両方とも、同じ温度で、同じ電流を発電させる場合である。なお、起動する燃料電池システムは発電停止後に十分時間を経過したものである。
図５は、カソード極とアノード極の両極ともドライ掃気を行った場合で、燃料電池に反応ガスを供給して発電を開始させてからの電流および各セル電圧の変化を示す図である。
図６は、カソード極とアノード極の両極ともドライ掃気を行った場合で、ある瞬間の各セル電圧の分布を示す図である。
図７は、電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合で、燃料電池に反応ガスを供給して発電を開始させてからの電流および各セル電圧の変化を示す図である。
図８は、電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合で、ある瞬間の各セル電圧の分布を示す図である。

カソード極とアノード極の両極ともドライ掃気を行った場合は、図５に示すように、発電開始後に発電電流が緩やかな上昇を示して最大電流になるため、最大電流になるまでの時間が長い。発電している間には、セル電圧は概ねある一定の電圧付近に集中してはいるが、セル電圧が低く大きく離散しているセルも存在する。
また、ある瞬間のセル電圧の分布は図６に示すようにある一定の電圧付近に収束してはいるが、その分布から大きく離れて電圧が低下したセルが存在する。
これに対して、本実施形態の場合、電極に応じた掃気を行うため、図７に示すように最大電流値に到達するまでの時間が短いので、図５に比べると発電性能が良好であることが分かる。また発電の進行に伴ってセル電圧が変化はするが、ほぼ均一に変化し、しかも極めて小範囲内に収束している。このセル電圧の分布からも、発電性能が良好であることが分かる。

ある瞬間の各セル電圧の分布については、上記の結果を裏付けるように、セル電圧が離散している図６に対して、本実施形態の場合は、図８に示すように例外なくほぼ均一に収束している。
したがって、本実施形態で示すように、電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した場合、低温下で起動させる場合の発電性能低下を防止することができるとともに、発電停止時における掃気時間の短縮も可能であり、これにより自動車としては、低温下での始動性能の向上だけでなく、停車時には素早く電源系統の切断が可能になる。
以上で、実施形態についての説明を終えるが、本発明は自動車用の燃料電池に適用できるだけでなく、低温下で起動させる必要のある燃料電池について有効であることはいうまでもない。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 発電を停止する時の動作の流れを示すフローチャートである。 アノード極とカソード極の両極がそれぞれドライ掃気またはウェト掃気を行った場合の特性を示す図である。 電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合の特性を示す図である。 カソード極とアノード極の両極ともドライ掃気を行った場合で、燃料電池に反応ガスを供給して発電を開始させてからの電流および各セル電圧の変化を示す図である。 カソード極とアノード極の両極ともドライ掃気を行った場合で、ある瞬間の各セル電圧の分布を示す図である。 電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合で、燃料電池に反応ガスを供給して発電を開始させてからの電流および各セル電圧の変化を示す図である。 電極に応じてドライ掃気とウェト掃気を併用した本実施形態の場合で、ある瞬間の各セル電圧の分布を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 空気供給通路
３ 過給器
５ 加湿器
６ 遮断弁
７ 希釈ボックス
８ 酸化剤オフガス排出通路
９ 水素ガス供給通路
１０ 水素タンク
１１ エジェクタ
１２ 遮断弁
１３ 燃料オフガス排出通路
１４ 三方弁
１５ 水素ガス循環通路
１６ 遮断弁
１７ コントロールユニット
１８ 連通路
Ａ１ 吸気口
Ａ２ 排気口
Ｃ１ 吸気口
Ｃ２ 排気口

Claims (5)

1. カソード極とアノード極とを有し、前記カソード極に供給される酸化剤ガスと、前記アノード極に供給される燃料ガスとにより発電を行う燃料電池と、
   前記カソード極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、
   前記カソード極のカソードオフガスを系外に排出するカソードオフガス排出通路と、
   前記アノード極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
   前記アノード極のアノードオフガスを前記アノード極に供給する循環通路と、
   前記アノードオフガスを系外に排出するアノードオフガス排出通路と、
   前記燃料ガス供給通路に前記燃料ガスの供給を遮断する燃料ガス遮断弁とを有し、
   前記燃料電池を掃気するための掃気ガスを前記アノード極及び前記カソード極へ供給する掃気ガス供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給通路に設けられた加湿器と、
   前記燃料電池の停止時に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給を遮断し、前記アノード極へは前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを供給するとともに、前記カソード極へは前記加湿器を介して前記掃気ガスを供給するように、前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤ガス供給通路における前記加湿器の上流側と、前記燃料ガス供給通路における前記燃料ガス遮断弁の下流側とを連通する連通路と、
   前記連通路に設けられた連通路遮断弁とを、さらに備え、
   前記掃気ガスは、前記酸化剤ガスである酸素を含む空気とし、
   前記制御手段は、前記連通路遮断弁を開弁させることによって、前記アノード極に前記掃気ガスを供給させ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。
3. 前記アノードオフガス排出通路は、前記カソードオフガス排出通路に合流しており、
   前記制御手段は、前記カソード極に前記掃気ガスを供給した後、前記連通路遮断弁を開弁して、前記アノード極に前記掃気ガスを供給することを特徴する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環通路の前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出通路に排出する排出弁と、
   前記循環通路の第１圧力を検出する第１圧力センサと、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記カソード極に前記掃気ガスを供給した後、前記第１圧力が、その後に前記排出弁を全開としても前記循環経路の圧力が急激に減圧しないと判断される閾値よりも小さくなるまで、前記排出弁の開度を、前記循環通路の圧力が急激に減圧しない開度とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１圧力センサは、前記アノード極の排気口の第１圧力を検出するセンサであって、
   前記アノード極の吸気口の第２圧力を検出する第２圧力センサと、
   前記カソード極の排気口の第３圧力を検出する第３圧力センサと、
   前記カソード極の吸気口の第４圧力を検出する第４圧力センサと、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記第３圧力と前記第４圧力との第１圧力差が第１所定値よりも小さく、かつ、前記第１圧力と前記第２圧力との第２圧力差が第２所定値よりも小さい場合、前記アノード極及び前記カソード極への前記掃気ガスの供給を停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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