JP4825125B2 - 燃料電池システムの起動時の水素パージ方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車の動力源となる燃料電池に水素を供給する燃料電池システムの起動時の水素パージ方法に関する。

電気自動車（以下、車両という）の動力源となる燃料電池システムの起動に際しては、水素タンクからの水素を燃料電池の水素極空間に供給し、水素の圧力を所定の圧力まで到達させた後、発電を開始させる方法が知られている。即ち、燃料電池システムは、燃料電池の水素極の上流側に水素遮断弁（水素供給口）、下流側に水素パージ弁（水素排出口）を設ける構成となっており、燃料電池システムの起動時には、水素パージ弁を閉弁して水素遮断弁を開弁し、この状態で燃料電池システムの水素極空間に水素を供給し、水素の圧力が予め決められた所定の圧力まで到達した後に発電を開始させ、発電効率を高めるようにしている。

また、このような水素を燃料とする場合、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックへの水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために循環系を採用している（例えば、特許文献１参照）。循環方式としては、水素を加圧するブロア、負圧を発生させて水素を吸引するエジェクタ、水素ポンプ等を利用する。これにより、燃料電池での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池に循環させ、燃費の向上を図っている。
特開平６−２７５３００号公報（第４頁、図１）

ところで、前記従来技術では、燃料電池システムを長時間（例えば一晩停止しておくような場合）停止した後は、停止後の時間の経過に伴って水素極側に空気等の不純ガスが徐々に侵入し、水素極の水素濃度が低下する事態が生じる。

このような不具合を解消するために、発電開始前に予め水素パージ弁を開弁して水素と一緒に不純物を外部に排出しておく方法が考えられる。しかし、燃料電池システムの停止後の経過時間と大気圧の変動の如何によっては、逆に水素極内の圧力が大気圧以下となる場合も考えられ、この場合には、不純ガスの排出どころか水素極側に不純物が逆流してしまうこともあり、燃料電池システムの信頼性が低下するという問題がある。即ち、燃料電池の発電を停止したときに、燃料電池のガス通路内に水素が残留するが、クロスリークにより固体高分子膜を通して水素極から空気極へと水素が透過し、空気極の電極上で反応するため、水素極内に残留する水素ガスが消費されていき、水素極のガス圧が低下する。水素極には水素しか存在しないため、反応消費が進むと、場合によっては大気圧より低下することがあり、この状態で燃料電池を再始動したときに水素パージ弁を開くと、大気を吸い込む（逆流する）虞れがあった。つまり、従来技術はこのような問題点に対する配慮がなされていなかった。

そこで、本発明は、燃料電池システムでの発電開始前において、システム放置中に内部（水素極空間）に滞留している不純ガス（空気）を効率的に排除し、高濃度な水素に置換することで、燃料電池システムの起動（発電開始）を円滑に行えるようにした燃料電池システムの起動時の水素パージ方法を提供することを目的とする。

本発明は、水素と空気とが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を蓄える水素タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池との間を流通および遮断のいずれかに設定する水素遮断弁と、前記燃料電池での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池に循環させる水素循環路と、前記水素遮断弁の下流側に位置し前記水素循環路内の水素をパージする水素パージ弁とを有してなる燃料電池システムの起動時の水素パージ方法であって、燃料電池の起動信号を検出するステップと、前記燃料電池の起動信号を検出後、前記水素タンクから前記燃料電池の水素極に供給される前の水素極の圧力を検出するステップと、前記水素タンクと前記燃料電池の水素極との間に配置された水素遮断弁の開弁後から水素パージ弁が開弁するまでの開弁開始時間を、検出された前記水素極の圧力が小さいほど長くなるように設定するステップと、前記水素遮断弁を開弁するステップと、前記水素遮断弁の開弁後、前記開弁開始時間を経過したか否かを判断するステップと、前記開弁開始時間を経過したと判断された後に前記水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップと、を有することを特徴とする。

これによれば、水素遮断弁の開弁時に燃料電池の水素極の圧力を検出できるので、この検出値に応じて水素パージ弁の開弁開始時間を設定することができる。これにより、水素循環路内への空気等の不純ガスの逆流を防止でき、水素循環路内の水素のパージを円滑に行うことができる。

また本発明は、水素と空気とが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を蓄える水素タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池との間を流通および遮断のいずれかに設定する水素遮断弁と、前記燃料電池での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池に循環させる水素循環路と、前記水素遮断弁の下流側に位置し前記水素循環路内の水素をパージする水素パージ弁とを有してなる燃料電池システムの起動時の水素パージ方法であって、燃料電池の起動信号を検出するステップと、前記燃料電池の起動信号を検出後、前記水素遮断弁を開弁するステップと、水素極の圧力を検出するステップと、検出された前記水素極の圧力が所定値以上であるか否かを判定するステップと、検出された前記水素極の圧力が所定値以上であると判定された後に前記水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップと、を有することを特徴とする。

これによれば、水素遮断弁の開弁時に燃料電池の水素極の圧力を検出できるので、この圧力の検出値が所定値以上か否かを判定することができる。そして、圧力の検出値が所定値以上のときには、水素パージ弁の開弁を行うことができ、水素循環路内の水素のパージを円滑に行うことができる。従って、水素循環路内への空気等の不純ガスの逆流を阻止することができる。

また、前記水素極の圧力が、所定値以上でない場合には所定値以上となるまで前記水素極の圧力の検出を繰り返すことが好ましい。

請求項１の発明によれば、燃料電池の発電開始前に、水素遮断弁の開弁時における水素極の圧力に応じて水素パージ弁の開弁開始時間を設定する構成としたので、水素循環路内への空気等の不純ガスの逆流等を防止でき、水素循環路内の水素のパージを円滑に行うことができる。従って、燃料電池による発電開始前において、燃料電池の水素極空間に滞留している不純ガスを、効率的に排除でき、水素循環路内を高濃度な水素に置換することができ、燃料電池の起動（発電開始）を円滑に行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、圧力の検出値が所定値以上のときには、水素パージ弁の開弁を行う構成としたので、水素循環路内の水素のパージを円滑に行うことができ、請求項１の発明とほぼ同様に、燃料電池による発電開始前において、水素循環路内への空気等の不純ガスの逆流等を阻止することができ、燃料電池の水素極空間に滞留している不純ガスを効率的に排除できる。そして、水素循環路内を高濃度な水素に置換することができ、燃料電池の起動（発電開始）を円滑に行うことができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態による燃料電池システムの起動時のパージ方法について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本実施の形態による燃料電池システムを示す構成図であり、図２は本発明の第１の実施の形態によるＥＣＵの制御を示すフローチャートである。また、図３は水素極入口圧力と水素パージ弁開弁開始時間との関係を示す特性線図であり、図４は水素極入口圧力、水素遮断弁及び水素パージ弁の関係を示すタイムチャートである。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２に供給する燃料である水素を蓄える水素タンク３と、この水素タンク３と燃料電池２の水素極２Ａとの間を接続する水素供給路４と、空気を燃料電池２の空気極２Ｂに供給する空気供給路５とを備えている。

ここで、水素供給路４の上流側には水素遮断弁６が設けられ、この水素遮断弁６は、常時は閉弁状態におかれ、燃料電池２の水素極２Ａと水素タンク３との間を遮断している。そして、水素遮断弁６に対して後記するＥＣＵ１３からの信号が入力されたときに、水素遮断弁６は開弁し、図示しないレギュレータを介して燃料電池２と水素タンク３との間を流通させる。

また、水素供給路４は水素循環路４Ａを有し、この水素循環路４Ａは、燃料電池２での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池２に循環させて再利用するものである。そして、水素循環路４Ａには、水素循環路４Ａ内の水素を図１中の矢印方向へと加圧する水素ポンプ７と、水素供給路４内に負圧を発生させて水素タンク３から水素を吸引するエジェクタ８と、水素タンク３から燃料電池２に流入する水素の圧力を水素極２Ａの入口側で検出する圧力センサ９とが設けられている。なお、水素ポンプ７またはエジェクタ８のいずれか一方を省略する構成としてもよい。また、水素ポンプ７とエジェクタ８を水素循環路４Ａに直列に設けたが、並列に設けるようにしてもよい。

さらに、この水素供給路４には、水素遮断弁６の下流側に位置して水素循環路４Ａ内の水素をパージする水素パージ弁１０が設けられている。この水素パージ弁１０は、常時は閉弁状態におかれると共に、ＥＣＵ１３からの信号が入力されたときには開弁し、水素循環路４内の水素をパージするものである。

一方、空気供給路５には空気を燃料電池２の空気極２Ｂに向けて送風するスーパチャージャ１１と、空気供給路５内を流通する空気等の圧力を調整する圧力調整弁１２とが設けられている。この圧力調整弁１２は常時は閉弁状態におかれ、ＥＣＵ１３からの信号が入力されたときには開弁するものである。

次に、燃料電池システム１の制御を行う制御装置となるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１３の制御について、図２、図３を参照して説明する。

まず、図２のステップ１でイグニッションスイッチ１４（図１参照）がＯＮであるか否かを判定し、ＯＮである場合（Ｙｅｓ）にはステップ２に進み、ＯＦＦである場合（Ｎｏ）にはステップ１に戻り、処理を繰り返す。

次に、ステップ２では、水素遮断弁６を開弁させると共に水素ポンプ７を作動させ、水素タンク３からの水素を水素供給路４を介して燃料電池２の水素極２Ａに供給する。また、スーパチャージャ１１を作動させると共に、圧力調整弁１２を開弁させ、空気を空気供給路５を介して燃料電池２の空気極２Ｂに供給し、ステップ３に移る。

ステップ３では、圧力センサ９により水素極２Ａの入口側における水素の圧力Ｐ１を検出する。つまり、圧力センサ９は、イグニッションスイッチ１４をＯＮとし、反応ガスが燃料電池２の水素極２Ａ内に供給される前の圧力、即ち発電停止時の水素極２Ａの圧力を検出する。ここで、ＥＣＵ１３は、図３に示す特性線図を有し、この特性線図に基づいて、水素の圧力Ｐ１に応じた所定時間（開弁開始時間）Ｔ１を算出する。この特性線図では、後記するように水素循環路４Ａ内への不純ガスの逆流等を防止するため、水素の圧力Ｐ１が小さい程、水素遮断弁６の開弁開始時間が長くなるように設定してある。そして、ＥＣＵ１３は、圧力センサ９による検出値（圧力Ｐ１）に応じて、水素遮断弁６の開弁開始時刻から水素パージ弁１０の開弁開始時刻までの時間Ｔ１（図４参照）を設定する開弁開始時間設定手段を有している。

次に、ステップ４では、水素遮断弁６を開弁してから所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔ１が経過したときには（Ｙｅｓ）、水素の圧力Ｐ１が「大気圧＋数ｋＰａ」まで上昇しているものとみなし（図４参照）、ステップ５に移る。所定時間Ｔ１が経過していないときには（Ｎｏ）、水素の圧力Ｐ１が「大気圧＋数ｋＰａ」まで到達していないものとみなし、ステップ４の処理を繰り返す。

そして、最後にステップ５では、水素パージ弁１０をタイマ（図示せず）等を用いて予め決められた所定時間Ｔ２（図４参照）だけ開弁状態に保持し、この間に、水素循環路４Ａ内の水素をパージし、処理を終了する。

このように、本実施の形態では、図４に示すように、燃料電池２による発電開始前において、水素極入口圧力（Ｐ１）が予め「大気圧＋数ｋＰａ」となった状態で、水素パージ弁１０による水素循環路４Ａ内の水素パージを行うことができ、水素循環路４Ａ内への空気等の不純ガスの逆流等を防止でき、水素循環路４Ａ内の水素のパージを円滑に行うことができる。

従って、発電開始前において、燃料電池２の水素極２Ａ空間に滞留している不純ガス（空気）を、効率的に排除でき、これにより水素循環路４Ａ内を高濃度な水素に置換することができ、燃料電池２の起動（発電開始）を円滑に行うことができる。なお、「大気圧＋数ｋＰａ」における「数ｋＰａ」は不純ガスの逆流等を防止する観点から定められる。

（第２の実施の形態）
次に、図５は本発明の第２の実施の形態によるＥＣＵの制御を示すフローチャートである。そこで、本実施の形態による燃料電池システムの制御装置となるＥＣＵの制御について、図５を参照して説明する。

まず、ステップ１１でイグニッションスイッチ１４がＯＮであるか否かを判定し、ＯＮである場合（Ｙｅｓ）にはステップ１２に進み、ＯＦＦである場合（Ｎｏ）にはステップ１１に戻り、処理を繰り返す。

次に、ステップ１２では、水素遮断弁６を開弁させると共に水素ポンプ７を作動させ、水素タンク３からの水素を水素供給路４を介して燃料電池２の水素極２Ａに供給する。また、スーパチャージャ１１を作動させると共に、圧力調整弁１２を開弁させ、空気を空気供給路５を介して燃料電池２の空気極２Ｂに供給し、ステップ１３に移る。

ステップ１３では、圧力センサ９により水素極２Ａの入口側における水素の圧力Ｐ１を検出し、この水素の圧力Ｐ１が予め決められた所定値（大気圧＋数ｋＰａ）よりも大きいか否かを判定する。この圧力センサ９についても、前記第１の実施の形態と同様に、イグニッションスイッチ１４をＯＮとし、反応ガスが燃料電池２の水素極２Ａ内に供給される前の圧力、即ち発電停止時の水素極２Ａの圧力を検出する。そして、本実施の形態によるＥＣＵ１３は圧力センサ９の検出値が所定値以上か否かを判定する判定手段を有している。

そして、ステップ１３において水素の圧力Ｐ１が所定値（大気圧＋数ｋＰａ）よりも大きい場合（Ｙｅｓ）には、ステップ１４に移り、小さい場合（Ｎｏ）にはステップ１３に戻って処理を繰り返す。

ステップ１４では、水素パージ弁１０を一定時間だけ開弁状態に保持し、この間、水素循環路４Ａ内の水素をパージし、処理を終了する。即ち、本実施の形態によるＥＣＵ１３は、圧力センサ９が検出した水素の圧力Ｐ１が所定値以上のときに水素パージ弁１０を開弁状態に保持する水素パージ弁開弁手段を有している。

このように構成される本実施の形態でも、燃料電池２による発電開始前において、水素極入口圧力（Ｐ１）が予め「大気圧＋数ｋＰａ」となった状態で、水素パージ弁１０による水素循環路４Ａ内の水素パージを行うことができ、水素循環路４Ａ内への空気等の不純ガスの逆流を防止でき、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

最後に、本発明は、前記した各実施の形態による燃料電池システムの起動時のパージ方法に限定されるものではなく、発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、各実施の形態では燃料として水素を燃料電池に供給したが、燃料は、圧縮空気中の酸素と反応するものであれば何でも良く、例えば有機系の含水素化合物を改質器で改質することにより生成した改質水素なども供給することができる。

本実施の形態による燃料電池システムを示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態によるＥＣＵの制御を示すフローチャートである。 第１の実施の形態による水素極入口圧力と水素パージ弁開弁開始時間との関係を示す特性線図である。 第１の実施の形態による水素極入口圧力、水素遮断弁及び水素パージ弁の関係を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態によるＥＣＵの制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２Ａ 水素極
２Ｂ 空気極
３ 水素タンク
４ 水素供給路
６ 水素遮断弁
９ 圧力センサ
１０ 水素パージ弁
１３ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 水素と空気とが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を蓄える水素タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池との間を流通および遮断のいずれかに設定する水素遮断弁と、前記燃料電池での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池に循環させる水素循環路と、前記水素遮断弁の下流側に位置し前記水素循環路内の水素をパージする水素パージ弁とを有してなる燃料電池システムの起動時の水素パージ方法であって、
   燃料電池の起動信号を検出するステップと、
   前記燃料電池の起動信号を検出後、前記水素タンクから前記燃料電池の水素極に供給される前の水素極の圧力を検出するステップと、
   前記水素タンクと前記燃料電池の水素極との間に配置された水素遮断弁の開弁後から水素パージ弁が開弁するまでの開弁開始時間を、検出された前記水素極の圧力が小さいほど長くなるように設定するステップと、
   前記水素遮断弁を開弁するステップと、
   前記水素遮断弁の開弁後、前記開弁開始時間を経過したか否かを判断するステップと、
   前記開弁開始時間を経過したと判断された後に前記水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの起動時の水素パージ方法。
2. 水素と空気とが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を蓄える水素タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池との間を流通および遮断のいずれかに設定する水素遮断弁と、前記燃料電池での発電に寄与しなかった未利用の水素を燃料電池に循環させる水素循環路と、前記水素遮断弁の下流側に位置し前記水素循環路内の水素をパージする水素パージ弁とを有してなる燃料電池システムの起動時の水素パージ方法であって、
   燃料電池の起動信号を検出するステップと、
   前記燃料電池の起動信号を検出後、前記水素遮断弁を開弁するステップと、
   水素極の圧力を検出するステップと、
   検出された前記水素極の圧力が所定値以上であるか否かを判定するステップと、
   検出された前記水素極の圧力が所定値以上であると判定された後に前記水素パージ弁を所定時間だけ開弁状態に保持するステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの起動時の水素パージ方法。
3. 前記水素極の圧力が、所定値以上でない場合には所定値以上となるまで前記水素極の圧力の検出を繰り返すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの起動時の水素パージ方法。

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