JP5262216B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池のタイプによってはその運転停止後に燃料電池内に酸素が残存していると、電解質膜が残存酸素により劣化し易くなるものがある。この問題に対処するため、燃料電池の運転停止時に燃料電池の燃料極及び酸化剤極に大気圧以上の窒素を封入する技術が知られている（特許文献１）。

特開２００７−１２３０１３号公報

しかし、従来技術では、窒素を封入するための付加装置が必要となる。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、窒素封入用の付加装置を設けることなく燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の形態又は態様をとる。
本発明の第１の形態は、燃料電池システムである。この形態の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部と、前記燃料電池システムの運転終了時に、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気部の容積と、前記燃料電池システムの運転終了時に供給される通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤の供給量とを用いて、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転時間を算出し、前記燃料電池システムの運転終了後、算出された前記運転時間が経過するまで、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転を実行し、前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで前記排気部の容積が満たされるようにする。この形態の燃料電池システムによれば、通常運転時よりも酸化剤濃度が低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤を用いて、燃料電池の運転をして前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで前記排気部の容積が満たされるようにすることが可能となる。したがって、窒素封入用の付加装置を設けることなく、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。
本発明の第２の形態は、燃料電池システムの制御方法である。この形態の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池の運転停止指示を検知する工程と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部の容積と、前記燃料電池システムの運転終了時に供給される通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤の供給量とを用いて、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転時間を算出する工程と、前記燃料電池システムの運転終了後、算出された前記運転時間が経過するまで、通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤を用いて、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行い、前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで、前記燃料電池からの前記酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部の容積が満たされるようにする工程と、前記低酸化剤状態での運転後に燃料電池の運転を停止する工程と、を備える。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、通常運転時よりも酸化剤濃度が低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤を用いて、燃料電池の運転をして前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで前記排気部の容積が満たされるようにすることが可能となる。したがって、窒素封入用の付加装置を設けることなく、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の第１の態様は、燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池システムの運転終了時に、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行う制御部とを備える。この態様によれば、通常運転時よりも酸化剤濃度が低い状態で、燃料電池の運転をするので、酸化剤の濃度をさらに低下させることが可能となる。したがって、窒素封入用の付加装置を設けることなく、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記制御部は、前記燃料電池システムの運転終了時に通常運転時よりも低い酸化剤ストイキ比で燃料電池の運転を行ってもよい。酸化剤ストイキ比が小さければ、消費される酸化剤の割合が高いので、燃料電池システムに酸化剤が残り難くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記酸化剤ストイキ比は、１以下であってもよい。この態様によれば、酸化剤ストイキ比が１以下の運転では、酸化剤はほぼ全量消費されるので、酸化剤排ガスに未反応の酸化剤が含まれ難くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、さらに、予め容積が分かっている排気部を備え、前記制御部は、前記排気部の容積が前記低酸化剤運転による酸化剤排ガスで満たされるように前記燃料電池の低酸酸化剤運転を実行してもよい。この態様によれば、排気部の酸化剤の量を少なくすることが可能となり、排気部から燃料電池への酸化剤の拡散による燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の第２の態様は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の運転停止指示を検知する工程と、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行う工程と、前記低酸化剤状態での運転後に燃料電池の運転を停止する工程とを備える。この態様によれば、窒素封入用の付加装置を設けることなく、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムの制御プログラム等、様々な形態で実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガスタンク２００と、空気取り入れ部３００とを備える。燃料電池１００は、発電ユニット１１０と、エンドプレート１１５を備える。本実施例では、発電ユニット１１０は複数積層されているが、発電ユニット１１０は１個であってもよい。エンドプレート１１５は、発電ユニット１１０の積層方向の両端に配置されている。燃料電池１００には、発電ユニット１１０に燃料ガスと酸化ガスとを供給排出するための燃料ガスマニホールド１２０と酸化ガスマニホールド１３０とが、積層方向に貫通している。

燃料ガスタンク２００は、燃料ガスとして、水素を貯蔵する。燃料ガスタンクは、燃料電池１００の燃料ガスマニホールド１２０と、配管２１０により接続されている。配管２１０上にはバルブ２２０が配置され、燃料電池１００への燃料ガスの供給量を調整している。また、燃料電池１００は、未反応の燃料ガスを排出するための排気管２３０を備えている。

本実施例では、酸化剤（酸化ガス）として、空気中の酸素を用いる。空気取り入れ部３００と燃料電池１００の酸化ガスマニホールド１３０とは、配管３１０により接続されている。配管３１０上には、圧縮ポンプ３２０が配置され、空気取り入れ部３００で取り入れられた空気を圧縮して燃料電池に送っている。また、配管３１０上の、圧縮ポンプ３２０と酸化ガスマニホールド１３０の間には、バルブ３３０が配置されている。バルブ３３０は、圧縮ポンプ３２０の動作停止時に閉じられ、空気取り入れ部３００側から燃料電池１００に空気が侵入することを抑制する。また、燃料電池１００は、未反応の酸化ガスを排出するための排気管３４０を備えている。

燃料電池１００のエンドプレート１１５には、負荷４００が接続されている。負荷４００の動作は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）５００により制御される。なお、バルブ２２０、３３０、及び圧縮ポンプ３２０の動作についても、ＥＣＵ５００により制御される。また、ＥＣＵ５００には、運転スイッチ６００が接続されている。

図２は、運転スイッチ６００が切られたときの燃料電池システム１０の動作を示すフローチャートである。図３は、燃料電池システム１０の通常運転時から終了時における、燃料電池１００に供給される燃料ガスの量と、酸化ガスの量と、酸化剤ストイキ比の時間変化を示すグラフである。ここで酸化剤ストイキ比とは、酸素余剰率（＝酸素の供給量／供給された燃料ガス全部をちょうど消費するのに必要な酸素の量）を意味している。

図３に示すように、一般的に、燃料電池システム１０は、通常運転時には、酸化剤ストイキ比が１より大きな値である状態で運転されている。なお、酸化剤ストイキ比の値を大きな値にしすぎると、燃料ガスとの反応に用いられない酸化ガスを圧縮するためのエネルギーが無駄になり、却って燃料電池の効率を悪くする。

図２に示すように、ＥＣＵ５００は、運転スイッチ６００が切られたことを検知すると（ステップＳ２００）、燃料電池システム１０を低酸素状態（低酸化剤状態）で運転させる（ステップＳ２１０）。ここで、本実施例において低酸素状態での運転とは、酸化剤ストイキ比が約１の状態での運転をいう。ＥＣＵ５００は、燃料電池システム１０を酸化剤ストイキ比が約１の状態で運転させるために、燃料ガスの供給量、酸化ガスの供給量、負荷４００の値を調整する。具体的には、ＥＣＵ５００は、燃料ガスの供給量はバルブ２２０の開度を変えて調整し、酸化ガスの供給量は圧縮ポンプ３２０の回転数を変えて調整する。図３に示すように、この状態では、酸化ガスの供給量は、通常運転時の供給量よりも少なく、酸化剤ストイキ比も通常運転時よりも小さくなっている。

図２に示すように、ＥＣＵ５００は、低酸素状態の運転時間を計算する（ステップＳ２２０）。ここで、ＥＣＵ５００は、排気管３４０中の酸素がほぼ無くなるまでの時間、低酸素状態での運転を実行させる。当該時間は、酸化ガスの単位時間当たりの供給量と、排気管３４０の容積Ｖ１から求める事が可能である。すなわち、例えば酸化剤ストイキ比の値が１の場合、供給された空気中の酸素（約２１％）は燃料電池１００でほぼ消費され、窒素（約７８％）及び他のガス（約１％）が排気管３４０に排気される。したがって、ＥＣＵ５００は、排気管３４０の容積Ｖ１を、排気管３４０に排気される窒素及び他のガスの量の合計で割ることにより、低酸素状態の運転時間を計算することが可能である。ここで、排気管３４０に排気される窒素及び他のガスの量は、圧縮ポンプ３２０により燃料電池１００に供給される空気の量の約７９％であり、圧縮ポンプ３２０により燃料電池に供給される空気の量は、圧縮ポンプの回転数から容易に求めることが可能である。

ＥＣＵ５００は、求めた時間が経過するまで低酸素状態の運転を継続させ（ステップＳ２３０、Ｎｏ）、求めた時間が経過したときには（ステップＳ２３０、Ｙｅｓ）、燃料電池の運転を終了させる（ステップＳ２４０）。具体的には、ＥＣＵ５００は、バルブ２２０を閉じ、圧縮ポンプ３２０の回転を停止する。この状態では、図３に示すように、燃料ガス、酸化ガスの供給量はいずれもゼロである。なお、ＥＣＵ５００は、バルブ３３０を閉じるのが好ましい。圧縮ポンプ３２０の隙間を通って空気が燃料電池１００に侵入する恐れがあるからである。

以上、本実施例によれば、燃料電池システムの運転終了時に、通常運転時よりも低酸素状態の運転を行うことにより燃料電池１００内の酸素を消費して酸素濃度を下げるため、酸素による燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。また、そのときに、特別な付加機器は不要である。

低酸素状態の運転における酸化剤ストイキ比は、通常運転時の酸化剤ストイキ比よりも小さければ良いが、約１以下とすることが好ましい。こうすれば、燃料電池内で酸素はほぼ消費され、排気管３４０に排気される排ガス中の酸素濃度を低く抑えることが可能となる。その結果、排気管３４０からの酸素の拡散による燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

変形例：
上記実施例では、低酸素状態での運転時間について、ＥＣＵ５００は、排気管３４０の容積と、酸化ガスの供給量から求めているが、外気温、外気圧、排ガスの温度を用いて、運転時間を補正するようにしてもよい。気体の体積は、温度、圧力により変わるからである。また、低酸素状態の運転時間は、予め定められた一定期間としてもよい。

上記実施例では、酸化剤ストイキ比が１の状態で、低酸素運転を行っているが、酸化剤ストイキ比は１より小さくてもよい。こうすれば、排ガス中の残存酸素の量をより少なくすることが可能となる。

上記実施例では、燃料として水素を用い、酸化剤として空気を用いていたが、本発明は、他の種類の燃料や酸化剤を用いる燃料電池にも適用可能である。

また、上記実施例では、配管３１０上にバルブ３３０を備えているが、備えていない構成であってもよい。一般的に、排気管３４０の断面積の大きさは、圧縮ポンプ３２０の隙間の大きさよりも大きい。そのため、燃料電池１００内には、主として排気管３４０側から酸素が拡散し、配管３１０側からは酸素が拡散し難いからである。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本発明の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 運転スイッチ６００が切られたときの燃料電池システム１０の動作を示すフローチャートである。 燃料電池システム１０の通常運転時から終了時における燃料電池１００に供給される燃料ガス及び酸化ガスの量並びに酸化剤ストイキ比の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…発電ユニット
１１５…エンドプレート
１２０…燃料ガスマニホールド
１３０…酸化ガスマニホールド
２００…燃料ガスタンク
２１０…配管
２２０…バルブ
２３０…排気管
３００…部
３１０…配管
３２０…圧縮ポンプ
３３０…バルブ
３４０…排気管
４００…負荷
６００…運転スイッチ

Claims (2)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部と、
   前記燃料電池システムの運転終了時に、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記排気部の容積と、前記燃料電池システムの運転終了時に供給される通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤の供給量とを用いて、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転時間を算出し、
   前記燃料電池システムの運転終了後、算出された前記運転時間が経過するまで、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転を実行し、前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで前記排気部の容積が満たされるようにする、燃料電池システム。
2. 燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池の運転停止指示を検知する工程と、
   前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部の容積と、前記燃料電池システムの運転終了時に供給される通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤の供給量とを用いて、前記燃料電池の低酸化剤状態での運転時間を算出する工程と、
   前記燃料電池システムの運転終了後、算出された前記運転時間が経過するまで、通常運転時よりも低い１以下の酸化剤ストイキ比の酸化剤を用いて、通常運転時の酸化剤濃度よりも小さい酸化剤濃度を有する低酸化剤状態で前記燃料電池の運転を行い、前記酸化剤が消費されて前記酸化剤を含まなくなった酸化剤排ガスで、前記燃料電池からの前記酸化剤排ガスを排出する予め容積が分かっている排気部の容積が満たされるようにする工程と、
   前記低酸化剤状態での運転後に燃料電池の運転を停止する工程と、
   を備える燃料電池システムの制御方法。

Images