JP4722409B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、低温始動に対応可能な燃料電池システムに関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素を、カソードに空気（酸素）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。燃料電池の運転中において、生成水は主にカソードにて生成されるものの、カソードとアノードとの間に介装した電解質膜を介して、カソード中の水分がアノードに移動する場合がある。

燃料電池の発電を停止する際には燃料電池のガス流路内には前述した生成水や加湿水が残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温時に残留水が凍結してしまい反応ガス（水素、空気）の供給排出の妨げとなるため、低温始動性が低下してしまう。

これに対し、特許文献１には、燃料電池の発電停止時において、アノードやカソードの一方または両方の掃気処理（パージ処理）を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２０３６６５号公報

しかしながら、燃料電池が発電を停止してから短時間で再始動される場合や、夏場などの気温が比較的高いとき等には、燃料電池の温度もさほど低下しないため、燃料電池の発電を停止しても必ずしも掃気処理を必要としない場合もある。このような場合にも一々掃気処理を行うと、燃料電池の膜の耐久性が損なわれ、燃料電池の寿命を低下させてしまうという問題がある。
また、燃料電池の発電を停止したときに一々掃気処理を行うと、燃料電池車両が停止した状態になっても、燃料電池のシステムが掃気処理のために稼働され続けるので、搭乗者に違和感を与える虞があり、商品性の点で問題がある。

従って、本発明は、膜の耐久性の低下を抑えて燃料電池の寿命低下を防止することができるとともに、商品性を向上することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜を挟んで、供給される２種類の反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段（例えば、実施の形態における温度センサ１３、１４）と、を備え、前記燃料電池の発電が停止してから所定時間の経過後であって、なおかつ前記燃料電池が所定の状態になったことを前記状態検知手段により検知したときに、前記燃料電池の前記反応ガス流路（例えば、実施の形態における水素排出流路７、エア排出流路８）を掃気し、前記所定時間の長さは、前記燃料電池の温度および外気温のうち少なくとも一つに基づいて設定され、前記所定の状態は、前記燃料電池の温度が前記反応ガス流路内に結露水を生成する所定温度以下になったことであることを特徴とする。

この発明によれば、発電停止後の前記燃料電池の状態を前記状態検知手段により検知して、前記燃料電池の状態が掃気処理を必要とする状態と判断されるときに掃気処理を行うことができるので、不必要に掃気処理を行うことが無くなり、燃料電池の膜を過度な圧力変動から保護することができる。また、燃料電池の発電停止後に直ちに掃気処理を行う事態を避けることができるので、搭乗者に違和感を与えることを防止できる。
また、前記燃料電池の温度が所定温度以下になったときには前記反応ガス流路内に滞留しているガス中の水分が結露して結露水が生成されているので、この状態で掃気処理を行うことにより、掃気処理を行ったガス中に水分が過度に混入することを防止することができ、掃気処理を効率的に行うことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記状態検知手段は、前記燃料電池の発電停止後に、所定のタイミングで起動されて、前記燃料電池の状態を検知することを特徴とする。
この発明によれば、前記状態検知手段を所定のタイミングで起動することで、前記燃料電池の状態を検知するために必要な消費電力を低減することができ、燃費の向上に寄与することができる。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の膜を過度な圧力変動から保護することができるので、燃料電池の寿命低下を防止することができ、搭乗者に違和感を与えることを防止できるので、商品性を向上することができる。また、掃気処理を効率的に行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、必要な消費電力を低減することができ、燃費の向上に寄与することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。

このように構成された燃料電池１のアノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給する。これにより、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード側で生じた生成水の一部は電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

水素タンク等の水素供給源２から供給される水素は、遮断弁４を介して水素供給流路３を通って燃料電池１のアノードに供給される。
一方、空気はエアコンプレッサ５によりエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソードに供給される。
また、水素供給流路３とエア供給流路６とは、合流流路９を介して接続されている。合流流路９には開閉弁１０が設けられ、開閉弁１０を開閉制御することにより、互いの流路３、６にそれぞれ流通する反応ガス（水素、エア）の合流を許容または防止することができる。

燃料電池１に供給された水素、エアは、発電に供された後、燃料電池１からアノード側の生成水等の残留水と共に水素排出流路７、エア排出流路８にそれぞれオフガスとして排出される。

水素排出流路７、エア排出流路８には、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８がそれぞれ設けられている。パージ弁１７、１８が開かれると、反応済のオフガスである水素やエア、残留水が水素排出流路７、エア排出流路８から排出させる。なお、水素排出流路７から排出された水素は、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。

燃料電池システムには、各種機器の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１２が設けられている。
制御部１３には、イグニッションスイッチ１５やタイマー１６が接続され、これらからイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や計測時刻の信号が入力される。
また、燃料電池１やこれに搭載される補機１１（例えば、配管やバルブ）には、それぞれ温度センサ１３、１４が接続されている。そして、これらの温度センサ１３、１４で検出された温度Ｔａ、ＴｂがＥＣＵ１２に入力される。
そして、制御部１３は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、エアコンプレッサ５、遮断弁４、開閉弁１０、パージ弁１７，１８を駆動させる信号を出力する。

上述のように構成された燃料電池システムの作用について図２、図３を用いて説明する。
図２はタイマー掃気制御処理を示すフローチャートである。図３はイグニッションスイッチ、燃料電池の内部温度、エア流量、ＥＣＵ起動フラグについての時間変化を示すグラフ図である。

まず、イグニッションスイッチ１５がＯＮからＯＦＦに切り換わったときに、燃料電池１の発電が停止され、エアコンプレッサ５の駆動が停止されるとともに、水素供給流路３の遮断弁４が閉じられる。そして、ステップＳ１０のタイマー掃気制御が開始される。このとき、タイマー１６がセットされ、時間の計測を開始する。そして、燃料電池１が停止してから所定時間が経過すると、ステップＳ１２で、タイマー１６からＥＣＵ１２にリアルタイムクロックのフラグ１（ＯＮ信号）が入力され、この信号によりＥＣＵ１２が起動される。この所定時間の長さについては、外気温や燃料電池１の温度等により適宜調整することが可能である。

そして、ステップＳ１４で、ＩＧスイッチ１５から入力される信号に基づいてＩＧ−ＯＦＦか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯであれば本フローチャートの処理を終了する。このように、燃料電池１の発電を停止してから短時間でＩＧ−ＯＮになった場合には、燃料電池１の温度は比較的高く維持されているので、低温始動のための掃気処理を行う必要はないからである。

ステップＳ１６では、掃気完了フラグが「０」か否かを判定する。掃気完了フラグは、後述するように、燃料電池１の発電停止後における掃気処理の有無を示すフラグであり、フラグが「１」のときには掃気処理の完了を、「０」のときには掃気処理の未完了をそれぞれ示している。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１８に進み、判定結果がＮＯであれば後述するステップＳ２６に進む。

ステップＳ１８で、温度センサ１３で検出される燃料電池１の内部温度が設定温度以下か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２６に進む。前記温度は、燃料電池１の温度が反応ガス流路である水素排出流路７やエア排出流路８内に結露水を生成する温度以下に設定することが好ましい。また、このとき、温度センサ１４で燃料電池１の補機１１の温度についても併せて同様の判定を行う。

ステップＳ１８の判定結果がＹＥＳの場合には、燃料電池１の内部温度が低下している状態であるので、ステップＳ２０で、パージ弁１７、１８を開くとともに、エアコンプレッサ５を駆動して掃気処理を開始する。このとき、合流流路９の開閉弁１０を開いて水素供給流路３にもエアを供給することで、カソード側のみならずアノード側の掃気処理も併せて行うことができる。従って、水素を消費することなく、掃気処理を行うことができる。

そして、掃気処理を行った後は、ステップＳ２２で、パージ弁１７、１８を掃気処理を終了する。この掃気処理の終了の判定は、予め掃気時間を設定しておくことで行ってもよいし、湿度計等により燃料電池１や補機１１の湿度を計測することで行ってもよい。ステップＳ２４で、掃気処理を行ったことを示す掃気完了フラグを「１」にする。ステップＳ２６で、ＥＣＵ１２の電源を「ＯＦＦ」にして、一連の処理を一旦終了する。

このように、本実施の形態においては、必要と判断されるときに掃気処理を行うことができるので、不必要に掃気処理を行うことが無くなり、燃料電池１の膜を過度な圧力変動から保護することができる。また、燃料電池１の発電停止後に直ちに掃気処理を行う事態を避けることができるので、搭乗者に違和感を与えることを防止できる。

また、ＥＣＵ１２を所定のタイミングで起動することで、前記燃料電池１の状態を検知するために必要な消費電力を低減することができ、燃費の向上に寄与することができる。
また、掃気処理の判定条件の設定温度を、燃料電池１の温度が反応ガス流路である水素排出流路７やエア排出流路８内に結露水を生成する温度以下に設定すると、燃料電池１の温度が所定温度以下になったときには排出流路７、８内に滞留しているガス中の水分が結露して結露水が生成されている。従って、この状態で掃気処理を行うことにより、掃気処理を行ったガス中に水分が過度に混入することを防止することができ、掃気処理を効率的に行うことができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、燃料電池１の状態を検知する手段としては、温度以外にも圧力を検出することで行ってもよい。また、ＥＣＵ１２の外部にタイマーを設けずに、内蔵させてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示す燃料電池システムのタイマー掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。 イグニッションスイッチ、燃料電池の内部温度、エア流量、ＥＣＵ起動フラグについての時間変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池
７…水素排出流路（反応ガス流路）
８…エア排出流路（反応ガス流路）
１２…ＥＣＵ（状態検知手段）
１３…温度センサ（状態検知手段）
１４…温度センサ（状態検知手段）

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜を挟んで、供給される２種類の反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段と、を備え、
   前記燃料電池の発電が停止してから所定時間の経過後であって、なおかつ前記燃料電池が所定の状態になったことを前記状態検知手段により検知したときに、前記燃料電池の前記反応ガス流路を掃気し、
   前記所定時間の長さは、前記燃料電池の温度および外気温のうち少なくとも一つに基づいて設定され、
   前記所定の状態は、前記燃料電池の温度が前記反応ガス流路内に結露水を生成する所定温度以下になったことであることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記状態検知手段は、前記燃料電池の発電停止後に、所定のタイミングで起動されて、前記燃料電池の状態を検知す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. 前記燃料電池に前記反応ガスとして酸化剤ガスを供給するコンプレッサを備え、
   前記掃気は、前記コンプレッサから前記酸化剤ガスを前記反応ガス流路に供給して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池への前記２種類の反応ガスの供給流路は、合流流路を介して接続され、
   前記合流流路には開閉弁が設けられ、
   前記掃気は、前記開閉弁を開くことにより、前記コンプレッサから前記酸化剤ガスを前記反応ガス流路に供給して行う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. 前記所定時間の経過後に、前記燃料電池の発電が再始動されている場合は、前記掃気を行わないことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記所定時間の経過後に、前記掃気が完了している場合は、前記掃気を行わないことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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