JP5003073B2

JP5003073B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5003073B2
Application number: JP2006255522A
Authority: JP
Inventors: 良明長沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008077959A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料ガス系循環経路に設けられ、高電圧電源により駆動される燃料ガス系循環ポンプと、燃料ガス系循環経路から分岐された燃料ガス系排出流路に設けられ、低電圧電源により駆動されるパージ弁とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板、エンドプレート等で狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。

このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極側では、水が生成される。

また、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するために酸化ガス供給流路を設けるとともに、酸化ガス供給流路の上流側に酸化ガス供給手段であるエアコンプレッサを設けている。また、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出された燃料ガス系ガスを再度燃料電池スタックに供給するための燃料ガス系循環経路と、燃料ガス系ガスを排出するための、燃料ガス系循環経路から分岐された燃料ガス系排出流路とを設けている。このような燃料電池システムでは、低温環境下で発電を停止して放置した場合に燃料電池スタック内やガス流路内に存在している水分が凍結する可能性がある。また、この場合に、燃料電池を低温環境下で再度起動する際に、燃料電池スタック内や、燃料ガス系排出流路の途中に設けたパージ弁、燃料ガス系循環経路に設けた燃料ガス系循環ポンプ等の部品が凍結すると、低温環境下で燃料電池の再起動を円滑に行えない可能性がある。

これに対して、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車において、燃料電池の発電を停止する毎に、エアコンプレッサにより乾燥空気を燃料電池スタックや酸化ガス流路に流したり、乾燥水素を燃料電池スタックや燃料ガス流路に流すようにして、内部から水分を除去し、水分の凍結を防止することにより、低温環境下でも燃料電池の再起動を円滑に行えるようにすることも考えられている。

また、特許文献１には、外気温検出手段と、外気温の推移を予測する外気温予測手段と、外気温予測手段による予測外気温が水分が凍結する所定凍結温度を下回るか否かを判定する凍結判定手段と、凍結判定手段により所定凍結温度を下回ると判定された場合に燃料電池の内部で水分が凍結するのを防止する凍結防止処理手段とを備える燃料電池システムが記載されている。また、凍結防止処理手段として、燃料ガス系循環ポンプを駆動して、燃料ガス系ガスであるオフガスに含まれる水分を気液分離器で除去するようにすることが記載されている。

特開２００４−２２１９８号公報

上記のように、燃料電池の発電を停止する毎に、エアコンプレッサにより乾燥空気を燃料電池スタックや酸化ガス流路に流したり、乾燥水素を燃料電池スタックや燃料ガス流路に流す場合、水分を除去するのにある程度の時間を要するとともに、エネルギを過度に消費する可能性がある。また、次に再起動する際に燃料電池が凍結環境にない場合でも、水分除去を停止の度に行うため、エネルギの無駄が生じやすい。

また、特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、低温環境下で発電を停止し、放置した場合でも、予測外気温が水分が凍結する所定凍結温度を下回ると判定された場合に凍結防止処理手段を実行することにより、オフガスが通過する部品が凍結するのを防止できる可能性はある。ただし、特許文献１に記載の燃料電池システムの場合、凍結する可能性がある部品の温度に応じて低電圧電源または高電圧電源により駆動する部品を変えることは考慮されていない。

例えば、燃料電池システムを搭載した燃料電池車の場合、二次電池として、車両の走行用モータ、補機用モータ等の比較的大きな電力を必要とする部品に電力を供給する高電圧二次電池と、照明部品（ランプ等）やバルブ等の比較的小さい電力を必要とする部品に電力を供給する低電圧二次電池との、２種類の二次電池がある。また、燃料電池の各種部品は、発電停止時に熱容量が小さい、すなわち小型なものほど、温度が外気温と等しくなるまでの温度低下の時間が短い。このため、燃料電池の発電停止後の同時点でも部品の種類により凍結温度以下に達するものと、凍結温度以下に達していないものとが混在する場合がある。これに対して、特許文献１に記載の燃料電池システムの場合には、部品の温度の違いにより低電圧電源または高電圧電源により駆動する部品を変えることは何ら考慮されていない。単に外気温により一律に将来の外気温を予測し、これに基づいて凍結防止処理を行うか否かを判定しているだけである。このため、エネルギの効率的利用を図る面から改良の余地がある。

また、燃料ガス流路から水素ガス系ガスを排出する際には、排出ガス中の水素濃度を保安基準の規定値以下に抑える必要もある。

本発明は、燃料電池システムにおいて、排出ガス中の水素濃度を所定値以下に抑えて、しかも、燃料電池の発電を停止し低温環境下で放置する場合でも円滑に再起動を行うことができ、かつ、エネルギの効率的利用を図れるようにすることを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給し、燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを再度燃料電池に供給するための燃料ガス系循環経路と、燃料ガス系循環経路に設けられ、燃料電池に燃料ガス系ガスを供給するために高電圧電源により駆動される燃料ガス系循環ポンプと、燃料ガス系循環経路から分岐された燃料ガス系排出流路に設けられ、低電圧電源により駆動されるパージ弁と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度未満であると判定された場合に、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみを駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧電源を含む回路を制御することを特徴とする燃料電池システムである。

また、好ましくは、制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、燃料ガス系循環ポンプが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度未満であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧電源を含む回路を制御するとともに、燃料ガス系循環ポンプを駆動するように高電圧電源を含む回路を制御する。

また、より好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給し燃料電池から酸化ガス系の排出ガスを排出するための酸化ガス系流路と、酸化ガス系流路の上流側に設けられ、燃料電池に酸化ガスを供給するために高電圧電源により駆動される酸化ガス供給手段と、酸化ガス系流路の下流側と燃料ガス系排出流路との合流部に設けられ、燃料ガス系排出流路内の燃料ガス系ガス中に含まれる水素濃度を低下させる希釈器と、を備え、制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧系電源を含む回路を制御するとともに、酸化ガス供給手段を駆動するように高電圧電源を含む回路を制御する。

また、より好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給し燃料電池から酸化ガス系の排出ガスを排出するための酸化ガス系流路と、酸化ガス系流路の上流側に設けられ、燃料電池に酸化ガスを供給するために高電圧電源により駆動される酸化ガス供給手段と、酸化ガス系流路の下流側と燃料ガス系排出流路との合流部に設けられ、燃料ガス系排出流路内の燃料ガス系ガス中に含まれる水素濃度を低下させる希釈器と、を備え、制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、燃料ガス系循環ポンプが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧系電源を含む回路を制御するとともに、酸化ガス供給手段および燃料ガス系循環ポンプを駆動するように高電圧電源を含む回路を制御する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧電源を含む回路を制御するので、凍結する可能性がある部品の温度に応じて、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみを電源により駆動することができる。すなわち、本発明の場合、所定の条件を満たす場合に、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちで、パージ弁のみを低電圧電源により駆動すればよく、燃料ガス系循環ポンプを高電圧電源により駆動する必要がない。このため、エネルギの効率的利用を図れる。

また、この場合に、燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるので、パージ弁に水分が付着している場合でもこの水分を除去できる。このため、パージ弁が所定凍結温度以下に達した場合でも、パージ弁の凍結を防止できる。この結果、燃料電池の発電を停止し低温環境下で放置する場合でも燃料電池を円滑に再起動させることができる。また、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度未満であるので、排出ガス中に含まれる水素濃度を所定値以下に抑えることができる。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図５は、本発明の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。この燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ図示しない外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。

また、燃料電池スタック１２の内部で、セパレータの近くには、図示しない内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック１２の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。

また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けている。また、酸化ガス供給流路１４のガスの上流部に、酸化ガス供給手段であるエアコンプレッサ（ＡＣＰ）１６を設けている。外気からエアコンプレッサ１６に取り入れた空気は、エアコンプレッサ１６で加圧した後、加湿器１８で加湿するようにしている。エアコンプレッサ１６はエアコンプレッサ駆動用モータ２０により駆動させる。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給するようにしている。

加湿器１８は、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出ガス流路２２に排出される空気系の排出ガス（以下、「空気オフガス」とする。）に含まれる水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、空気を加湿する役目を果たす。例えば、加湿器１８は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過するようにして、水分含有量の少ないガスに水分を与える。

また、燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出ガス流路２２を通じて排出され、加湿器１８を通過した後、希釈器２４に送り込まれ、希釈器２４に送り込まれる後述の水素ガス系排出ガス中の水素濃度を低下させてから、大気に放出される。酸化ガス系排出ガス流路２２の途中で加湿器１８よりもガスの上流側に図示しない圧力調整弁を設けており、燃料電池スタック１２に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。このために圧力調整弁による圧力の検出値を、後述する制御部である電子制御装置（ＥＣＵ）２６に入力している。

一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路２８を設けている。燃料ガス供給装置である高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の、図示しない水素ガス供給装置から燃料ガス供給流路２８に供給された水素ガスは、圧力調整弁である減圧弁３０、燃料ガス系循環経路３２の一部を介して燃料電池スタック１２に供給される。燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガス系の排出ガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系循環経路３２を通じて、再度燃料電池スタック１２に戻される。燃料ガス系循環経路３２に、電動コンプレッサである水素ガス系循環ポンプ（Ｈ_２Ｐ）３４を設けており、水素ガス系循環ポンプ３４で水素ガス系排出ガスを昇圧した後、水素ガス供給装置から送られた水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック１２に再度送り込む。水素ガス系循環ポンプ３４は、ポンプ駆動用モータ３５により駆動される。

また、燃料ガス系循環経路３２に気液分離器３６を設けており、気液分離器３６に燃料ガス系排出流路３８の上流端を接続している。すなわち、燃料ガス系循環経路３２から燃料ガス系排出流路３８を分岐させている。気液分離器３６に送られた水素ガス系排出ガスの一部は、気液分離器３６で分離された水分とともに、燃料ガス系排出流路３８を通じて希釈器２４に送り込み、酸化ガス系排出ガス流路２２を通じて送られた空気オフガスと合流させる。

燃料ガス系排出流路３８の途中に電磁弁であり、かつ、排気排水弁であるパージ弁４０を設けており、パージ弁４０の駆動が、制御部である電子制御装置（ＥＣＵ）２６により制御される。また、エアコンプレッサ１６および水素ガス系循環ポンプ３４の駆動も、電子制御装置２６により制御される。また、燃料電池スタック１２の近傍に、少なくとも燃料電池の発電停止中に燃料電池スタック１２の近傍の外気温を検出するための外気温センサ４２を設けるとともに、燃料ガス系循環経路３２において、燃料電池スタック１２と気液分離器３６との間の内部を通過するガス中に含まれる水素濃度を検出するための水素濃度検出センサ４４を設けている。外気温センサ４２による外気温と、水素濃度検出センサ４４による水素濃度とを表す検出信号は、電子制御装置２６に入力される。

なお、図１に図示する構成の場合と異なり、燃料ガス系循環経路３２の途中で、燃料電池スタック１２と気液分離器３６との間等、気液分離器３６とは別の部分から燃料ガス系排出流路３８を分岐させ、燃料ガス系排出流路３８に送られた水素ガス系排出ガスをパージ弁４０を介して希釈器２４に送り込むこともできる。

図２は、燃料電池車の複数の部品を駆動するための構成図を示している。図２に示すように、電子制御装置２６と、パージ弁４０とは、低電圧電源である１２Ｖ等の電圧の低電圧二次電池（例えば鉛電池）４６により駆動するようにしている。低電圧二次電池４６は、車両の照明部品４８も駆動する。このため、低電圧二次電池４６に対し、電子制御装置２６と、照明部品４８と、パージ弁４０とを互いに並列に接続して、低電圧電力供給回路５０を構成している。パージ弁４０と低電圧二次電池４６との接続部（図２の点Ａ位置）には図示しないリレーを設けて、リレーの電磁石に電流を流すことにより、接点が導通状態になるようにしている。このようなリレーの接点の導通は電子制御装置２６により制御する。すなわち、パージ弁４０の駆動は、電子制御装置２６により制御する。パージ弁４０のソレノイドに通電し、パージ弁４０が駆動することで、パージ弁４０が開放される一方、パージ弁４０のソレノイドへの通電が遮断されることでパージ弁４０がばねの弾力により閉鎖される。

また、水素ガス系循環ポンプ３４とエアコンプレッサ１６とは、高電圧電源である２８８Ｖ等の電圧の高電圧二次電池（例えば、ニッケル水素系の二次電池）５２により駆動するようにしている。このために、高電圧二次電池５２に接続した第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４と、水素ガス系循環ポンプ３４を駆動するポンプ駆動用モータ３５に接続したポンプ駆動用インバータ５６と、エアコンプレッサ１６を駆動するエアコンプレッサ駆動用モータ２０に接続したエアコンプレッサ駆動用インバータ５８とを並列に接続して、高電圧電力供給回路６０を構成している。また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４に並列に、車両の走行用モータ６２を駆動するための走行モータ駆動用インバータ６４と、燃料電池スタック１２と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６６とを接続している。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６６は、低電圧電力供給回路５０の低電圧二次電池４６に接続している。ポンプ駆動用インバータ５６とエアコンプレッサ駆動用インバータ５８と走行モータ駆動用インバータ６４とは、それぞれ入力された直流電力を交流電力に変換してから、ポンプ駆動用モータ３５とエアコンプレッサ駆動用モータ２０と走行用モータ６２とにそれぞれ供給する。

燃料電池スタック１２で発電された電力は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６６を介して、低電圧二次電池４６に充電される。また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６６と、走行モータ駆動用インバータ６４と、ポンプ駆動用インバータ５６と、エアコンプレッサ駆動用インバータ５８とは、電子制御装置２６により制御される。例えば、燃料電池の発電停止後に、電子制御装置２６により、高電圧二次電池５２から第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４を介して取り出す電力を制御するとともに、ポンプ駆動用インバータ５６とエアコンプレッサ駆動用インバータ５８との一方、または両方を制御して、水素ガス系循環ポンプ３４とエアコンプレッサ１６との一方または両方が駆動されるか、または駆動が停止されるようにする。また、発電時に走行用モータ６２を駆動する場合には、走行モータ駆動用インバータ６４を電子制御装置２６により制御して、走行用モータ６２がアクセル開度等から算出される要求トルク指令値に応じたトルクで駆動されるようにする。

また、本実施の形態の場合、部品の温度と、水素ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度に応じて、二次電池４６，５２により駆動する部品を変えるようにしている。すなわち、図３に示すように、例えば外気温が−２０℃である環境において、時間ｔ_１で燃料電池の発電を停止しそのまま放置すると、燃料電池スタック１２と水素ガス系循環ポンプ３４とパージ弁４０との温度が、いずれも時間の経過に従って６０℃等の所定の高温の温度から低下するが、熱容量が最も小さいパージ弁４０が最も早く温度低下し、最も早く外気温に近くなる。これに続いて、燃料電池スタック１２と水素ガス系循環ポンプ３４とでは、熱容量が小さい、水素ガス系循環ポンプ３４、燃料電池スタック１２の順に早く温度低下し、外気温に近くなる。したがって、燃料電池スタック１２と水素ガス系循環ポンプ３４とパージ弁４０とのうちで、パージ弁４０のみが所定凍結温度である、０℃以下になる場合がある。

本実施の形態は、このように部品により温度が異なる場合があることを考慮して発明したもので、０℃以下に達する部品の種類に応じて、二次電池４６，５２（図２）により駆動する部品を変えて、エネルギの有効利用を図る。このために、電子制御装置２６は、部品温度推定手段と、駆動部品選択手段と、電力供給制御手段とを備える。部品温度推定手段は、燃料電池の発電停止後において、外気温センサ４２（図１）で検出した検出温度と発電停止後の時間経過とから、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４との温度を、それぞれ推定する。例えば、図３に１例を示す時間経過と部品の温度と外気温との関係を表すマップのデータを、予めメモリに記憶させておくことで、外気温からマップを用いて、発電停止後の経過時間に応じて、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４との温度を推定できる。

そして、駆動部品選択手段は、図４に示すように４個の条件に応じて駆動する部品、すなわち駆動部品を選択する。例えば、駆動部品選択手段は、条件１として、燃料電池の発電を停止し、パージ弁４０を閉鎖している場合において、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４（図１，２）とのうちでパージ弁４０のみが０℃以下であると判定され、かつ、水素濃度検出センサ４４により検出された燃料ガス系循環経路３２（図１）内の水素濃度（これとともに、またはこれに代えて水素ガス系ガスが通過する部品の内部の水素濃度を検出し、その場合の水素濃度を使用してもよい。水素濃度について以下同じ。）が保安基準の規定値である所定濃度（α％）未満であると判定された場合に、駆動部品としてパージ弁４０を選択する。そして、電力供給制御手段は、この選択結果に応じて、低電圧二次電池４６を含む低電圧電力供給回路５０（図２）を制御する。すなわち、パージ弁４０と低電圧二次電池４６との間に設けたリレーを導通状態とすることにより、パージ弁４０を低電圧二次電池４６により駆動して、燃料ガス系循環経路３２（図１）内から水素ガス系排出ガスがパージ弁４０、希釈器２４を介して排出されるようにする。

これに対して、駆動部品選択手段は、図４の条件２として、燃料電池の発電を停止し、パージ弁４０を閉鎖している場合において、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４（図１，２）との両方が０℃以下であると判定され、かつ、燃料ガス系循環経路３２（図１）内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度（α％）未満であると判定された場合に、駆動部品としてパージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とを選択する。そして、電力供給制御手段は、この選択結果に応じて、低電圧二次電池４６を含む低電圧電力供給回路５０（図２）と、高電圧二次電池５２を含む高電圧電力供給回路６０とを制御する。すなわち、パージ弁４０と低電圧二次電池４６との間に設けたリレーを導通状態とするように制御するとともに、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４およびポンプ駆動用インバータ５６を制御して、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とを、それぞれ低電圧二次電池４６と高電圧二次電池５２により駆動する。

また、駆動部品選択手段は、図４の条件３として、燃料電池の発電を停止し、パージ弁４０を閉鎖している場合において、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４（図１，２）とのうちでパージ弁４０のみが０℃以下であると判定され、かつ、燃料ガス系循環経路３２（図１）内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度（α％）以上であると判定された場合に、駆動部品としてパージ弁４０とエアコンプレッサ１６（図１，２）とを選択する。そして、電力供給制御手段は、この選択結果に応じて、低電圧二次電池４６を含む低電圧電力供給回路５０（図２）と、高電圧二次電池５２を含む高電圧電力供給回路６０とを制御する。すなわち、パージ弁４０と低電圧二次電池４６との間に設けたリレーを導通状態とするように制御するとともに、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４およびエアコンプレッサ駆動用インバータ５８を制御して、パージ弁４０とエアコンプレッサ１６とを、それぞれ低電圧二次電池４６と高電圧二次電池５２により駆動する。

また、駆動部品選択手段は、図４の条件４として、燃料電池の発電を停止し、パージ弁４０を閉鎖している場合において、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４（図１，２）との両方が０℃以下であると判定され、かつ、燃料ガス系循環経路３２（図１）内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度（α％）以上であると判定された場合に、駆動部品としてパージ弁４０とエアコンプレッサ１６と水素ガス系循環ポンプ３４（図１，２）とのすべてを選択する。そして、電力供給制御手段は、この選択結果に応じて、低電圧二次電池４６を含む低電圧電力供給回路５０と、高電圧二次電池５２を含む高電圧電力供給回路６０とを制御する。すなわち、パージ弁４０と低電圧二次電池４６との間に設けたリレーを導通状態とするように制御するとともに、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５４およびエアコンプレッサ駆動用インバータ５８およびポンプ駆動用インバータ５６を制御して、パージ弁４０を低電圧二次電池４６により、エアコンプレッサ１６と水素ガス系循環ポンプ３４と高電圧二次電池５２により、それぞれ駆動する。

図５は、本実施の形態により、燃料電池の発電停止後に、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４との温度等に応じて駆動部品を変えて、凍結防止制御を行う方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１において、燃料電池の発電を停止した後、ステップＳ２として外気温センサ４２（図１）により外気温を所定時間経過ごとに（例えば数分おきに）検出する。そして、ステップＳ３において、電子制御装置２６の部品温度推定手段により、検出した外気温と、時間経過とから、上記で説明したようにパージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４との温度を推定する。なお、検出した外気温と前回以前の検出した外気温の検出値とから所定時間経過後の将来の外気温を推定し、将来のパージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４との温度を推定することもできる。

次いで、ステップＳ４で、駆動部品選択手段により、パージ弁４０の温度が凍結温度である０℃以下か否かを判定する。パージ弁４０の温度が０℃以下であると判定された場合には、次のステップＳ５に進む。これに対して、パージ弁４０の温度が０℃以下ではないと判定された場合には、ステップＳ２に戻り、所定時間経過毎に外気温センサ４２（図１）により外気温を検出する。図５のステップＳ５では、駆動部品選択手段により、水素ガス系循環ポンプ３４（図１）の温度が０℃を超えているか否かを判定する。水素ガス系循環ポンプ３４の温度が０℃を超えている、すなわち、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とのうちでパージ弁４０のみが０℃以下であると判定された場合には、ステップＳ６で、燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度α％未満か否かを判定する。もし水素濃度がα％未満であると判定された場合には、図４の条件１を満たしていることになる。そして、ステップＳ７において、電力供給制御手段により、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とエアコンプレッサ１６とのうちで、パージ弁４０のみを低電圧二次電池４６により駆動し、燃料ガス系循環経路３２（図１）内から水素ガス系排出ガスがパージ弁４０、希釈器２４を介して排出されるようにする。

これにより、燃料電池の発電停止後にパージ弁４０に水分が付着している場合でも、この水分を水素ガス系排出ガスの排出により除去できる。すなわち、燃料ガス系循環経路３２内の圧力は大気圧よりも高くなっているので、パージ弁４０を開放することにより、パージ弁４０に付着した水分を、排出される燃料ガス系排出ガスにより除去できる。このため、発電停止後にパージ弁４０が０℃以下に達した場合でも、パージ弁４０の凍結を防止できる。この結果、燃料電池の発電を停止し低温環境下で放置する場合でも燃料電池を円滑に再起動させることができる。また、燃料ガス系循環経路３２（図１）内において、水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度α％未満であるので、排出されるガス中に含まれる水素濃度を所定濃度α％以下に抑えることができる。

これに対して、図５のステップＳ６で、燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度α％未満ではない、すなわちα％以上であると判定された場合には、水素濃度を低下させる必要がある、図４の条件３を満たしていることになる。この場合、ステップＳ８において、電力供給制御手段により、パージ弁４０を低電圧二次電池４６により駆動し、エアコンプレッサ１６を高電圧二次電池５２により駆動するようにする。そして、燃料ガス系循環経路３２内から水素ガス系排出ガスがパージ弁４０を介して希釈器２４に向け排出されるようにするとともに、エアコンプレッサ１６により空気を希釈器２４に送り込む。希釈器２４では、燃料ガス系循環経路３２内から送られた水素ガス系排出ガス中に含まれる水素濃度を、エアコンプレッサ１６から送られた空気により低下させ、所定濃度α％未満にした状態で、大気中に排出する。

これにより、水素ガス系ガスが通過する燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が所定濃度α％を超えている場合でも、希釈器２４を通過後のガス中の水素濃度を所定濃度α％以下に抑えることができるとともに、パージ弁４０に水分が付着している場合でも、この水分を除去できる。このため、パージ弁４０が０℃以下に達した場合でも、パージ弁４０の凍結を防止できる。

また、図５のステップＳ５において、パージ弁４０とともに、水素ガス系循環ポンプ３４の温度が０℃を超えていない、すなわち、パージ弁４０、水素ガス系循環ポンプ３４の両方が０℃以下であると判定された場合には、次にステップＳ９で、燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度α％未満か否かを判定する。もし水素濃度がα％未満であると判定された場合には、図４の条件２を満たしていることになる。そして、ステップＳ１０において、電力供給制御手段により、パージ弁４０を低電圧二次電池４６により駆動し、水素ガス系循環ポンプ３４を高電圧二次電池５２により駆動するようにする。そして、水素ガス系循環ポンプ３４を駆動させつつ、燃料ガス系循環経路３２内から水素ガス系排出ガスがパージ弁４０を介して希釈器２４に向け排出されるようにする。

これにより、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とに水分が付着している場合でもこの水分を水素ガス系ガスによりいずれも除去できる。このため、パージ弁４０および水素ガス系循環ポンプ３４が０℃以下に達した場合でも、パージ弁４０および水素ガス系循環ポンプ３４の凍結を防止できる。

これに対して、図５のステップＳ９において、燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が保安基準の規定値である所定濃度α％未満ではない、すなわち水素濃度がα％以上であると判定された場合には、水素濃度を低下させる必要がある、図４の条件４を満たしていることになる。この場合には、ステップＳ１１において、電力供給制御手段により、パージ弁４０を低電圧二次電池４６により駆動し、エアコンプレッサ１６と水素ガス系循環ポンプ３４とを高電圧二次電池５２により駆動するようにする。そして、水素ガス系循環ポンプ３４を駆動させつつ、燃料ガス系循環経路３２内から水素ガス系排出ガスがパージ弁４０を介して希釈器２４に向け排出されるようにするとともに、エアコンプレッサ１６により空気を希釈器２４に送り込む。希釈器２４では、燃料ガス系循環経路３２内から送られた水素ガス系排出ガスに含まれる水素濃度を、エアコンプレッサ１６から送られた空気により低下させ、所定濃度α％未満にした状態で、大気中に排出する。

これにより、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とに水分が付着している場合でも、この水分を水素ガス系ガスによりいずれも除去できる。このため、水素ガス系循環ポンプ３４およびパージ弁４０が０℃以下に達した場合でも、水素ガス系循環ポンプ３４およびパージ弁４０の凍結を防止できる。しかも燃料ガス系循環経路３２内の水素濃度が所定濃度α％を超えている場合でも、希釈器２４を通過後のガス中の水素濃度を所定値α％以下に抑えることができる。

このように本実施の形態によれば、排出ガス中の水素濃度を所定値α％以下に抑えることができ、しかも、燃料電池の発電を停止し低温環境下で放置する場合でも燃料電池を円滑に再起動させることができ、かつ、エネルギの効率的利用を図れる。また、消費エネルギは、図４の条件１，２，３，４のうちで、条件１のパージ弁４０のみを駆動する場合で最も小さくでき、次に、条件２，３，４の順に消費エネルギが小さくなる。すなわち、条件４のパージ弁４０とエアコンプレッサ１６と水素ガス系循環ポンプ３４とのすべてを駆動する場合に消費エネルギが最大となるが、本実施の形態によれば、燃料電池の発電停止後において、これらすべての部品を同時に駆動するのは、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とが０℃以下で、かつ、検出された水素濃度が所定濃度α％以上であると判定される一定の条件４の場合に限定される。このため、燃料電池システム１０で消費されるエネルギを全体として少なくできる。

なお、本実施の形態の場合で、外気温センサ４２の代わりに温度センサにより、燃料電池スタック１２、パージ弁４０、水素ガス系循環ポンプ３４の少なくとも１個以上の部品の温度を直接検出することにより、これらすべての部品の温度を直接検出したり、少なくとも１個以上の部品の検出温度から残りの部品の温度を推定し、直接検出した温度または推定温度を利用することもできる。例えば、パージ弁４０と水素ガス系循環ポンプ３４とのそれぞれに直接温度を検出する温度センサを１個ずつ設けて、それぞれの温度センサにより検出した温度を検出信号として電子制御装置２６に入力することもできる。

また、本実施の形態の場合、凍結温度を０℃としているが、凍結温度は圧力により変動する可能性があるので、例えば燃料ガス系循環経路３２内の圧力を圧力センサにより検出し、検出された圧力を用いて凍結温度を補正して求め、その凍結温度を図５のステップＳ４、Ｓ５の駆動部品の選択判定の０℃の代わりに使用することもできる。

本発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。本発明の実施の形態において、燃料電池車の複数の部品を駆動するための構成図である。外気温が−２０度である環境において、燃料電池の発電停止後の経過時間と、燃料電池スタックと水素ガス系循環ポンプとパージ弁との温度との関係の１例を示す図である。本発明の実施の形態において、４個の条件とそれに応じた駆動部品とを説明するための図である。本発明の実施の形態において、燃料電池の発電停止後に、パージ弁と循環ポンプとの温度等に応じて駆動部品を変えて、凍結防止制御を行う方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム、１２燃料電池スタック、１４酸化ガス供給流路、１６エアコンプレッサ（ＡＣＰ）、１８加湿器、２０エアコンプレッサ駆動用モータ、２２酸化ガス系排出ガス流路、２４希釈器、２６電子制御装置（ＥＣＵ）、２８燃料ガス供給流路、３０減圧弁、３２燃料ガス系循環経路、３４水素ガス系循環ポンプ（Ｈ_２Ｐ）、３５ポンプ駆動用モータ、３６気液分離器、３８燃料ガス系排出流路、４０パージ弁、４２外気温センサ、４４水素濃度検出センサ、４６低電圧二次電池、４８照明部品、５０低電圧電力供給回路、５２高電圧二次電池、５４第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、５６ポンプ駆動用インバータ、５８エアコンプレッサ駆動用インバータ、６０高電圧電力供給回路、６２走行用モータ、６４走行モータ駆動用インバータ、６６第２のＤＣ／ＤＣコンバータ。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に燃料ガスを供給し、燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを再度燃料電池に供給するための燃料ガス系循環経路と、
燃料ガス系循環経路に設けられ、燃料電池に燃料ガス系ガスを供給するために高電圧電源により駆動される燃料ガス系循環ポンプと、
燃料ガス系循環経路から分岐された燃料ガス系排出流路に設けられ、低電圧電源により駆動されるパージ弁と、
制御部と、を備え、
制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度未満であると判定された場合に、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみを駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧電源を含む回路を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、燃料ガス系循環ポンプが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度未満であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧電源を含む回路を制御するとともに、燃料ガス系循環ポンプを駆動するように高電圧電源を含む回路を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池に酸化ガスを供給し燃料電池から酸化ガス系の排出ガスを排出するための酸化ガス系流路と、
酸化ガス系流路の上流側に設けられ、燃料電池に酸化ガスを供給するために高電圧電源により駆動される酸化ガス供給手段と、
酸化ガス系流路の下流側と燃料ガス系排出流路との合流部に設けられ、燃料ガス系排出流路内の燃料ガス系ガス中に含まれる水素濃度を低下させる希釈器と、を備え、
制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、パージ弁と燃料ガス系循環ポンプとのうちでパージ弁のみが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧系電源を含む回路を制御するとともに、酸化ガス供給手段を駆動するように高電圧電源を含む回路を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池に酸化ガスを供給し燃料電池から酸化ガス系の排出ガスを排出するための酸化ガス系流路と、
酸化ガス系流路の上流側に設けられ、燃料電池に酸化ガスを供給するために高電圧電源により駆動される酸化ガス供給手段と、
酸化ガス系流路の下流側と燃料ガス系排出流路との合流部に設けられ、燃料ガス系排出流路内の燃料ガス系ガス中に含まれる水素濃度を低下させる希釈器と、を備え、
制御部は、燃料電池の発電を停止し、パージ弁を閉鎖している場合において、燃料ガス系循環ポンプが所定凍結温度以下であると判定され、かつ、燃料ガス系ガスが通過する部品または流路内の水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合に、パージ弁を駆動して燃料ガス系ガスがパージ弁を介して排出されるように低電圧系電源を含む回路を制御するとともに、酸化ガス供給手段および燃料ガス系循環ポンプを駆動するように高電圧電源を含む回路を制御することを特徴とする燃料電池システム。