(57)【要約】【課題】燃料電池の再起動時に、電解質膜を適切な湿潤状態に制御することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１の各セル内の電圧を電圧センサー１５で検出し、一部のセルの電圧のみが低下するときには燃料電池１内が通常よりも過加湿状態にあると判定し、全部のセルの電圧が同様に低下するときには燃料電池１内が通常よりも乾燥状態にあると判定する。燃料電池１の停止時には、燃料ガスの供給停止に先立ち、アノード極３の燃料ガス圧力を燃料電池１内の湿潤状態に応じた値に調整する。燃料電池１の停止時にはアノード極３内の燃料ガス圧力に応じて生成水が作られ、湿潤状態が調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極とカソード極が電解質膜を挟んで設けられたセルを複数積層した燃料電池と、
水素を含む燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給手段と、
酸素を含む酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
前記燃料ガス供給手段からアノード極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料圧力調整手段と、を設け、
燃料電池の停止時に、前記燃料ガスの供給停止に先立ち、前記燃料圧力調整手段によって前記アノード極の燃料ガス圧力を前記湿潤状態判定手段の判定結果に応じた値に調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて湿潤状態を判定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。
【請求項３】
前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ前記燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記湿潤状態判定手段が通常よりも過加湿状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池システムで用いられる燃料電池では、アノード極とカソード極の間に固体電解質膜を挟んだものが知られている。この燃料電池システムにおいては、出力を効率良く取り出すために電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要となる。即ち、電解質膜の含水量が低すぎる場合には電解質膜の導電率が低下して抵抗の増大を招き、逆に、電解質膜の周囲が過剰な水分によって覆われている場合には電極表面での電気化学反応が阻害されてしまう。
【０００３】
このため、これに対処するシステムとして、電解質膜の湿潤状態を検出する検出手段と、システムの作動中に、検出手段の検出結果に応じて水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスの分圧差を制御する制御手段を設けたものが案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。
この燃料電池システムは、運転されている最中に、燃料ガスと酸化剤ガスの分圧差を制御することにより、電極上での生成水の発生量を増減調整する。
【特許文献１】特開２００４−１２７９１４号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この従来の燃料電池システムは、システムが運転されている最中に電解質膜の湿潤状態を検出し、その検出状態に応じて現在の燃料ガスと酸化剤ガスの分圧差を制御するものであるため、燃料電池を停止後に再起動する際には電解質膜を迅速に適切な湿潤状態にすることが難しい。
即ち、燃料電池を再起動する際には、ガス圧力が適正圧力に調整されるまでにタイムラグを生じ易いうえ、電極の周囲に生じた生成水がシステム作動に伴うガスの流れによって電解質膜の周囲から離散し易く、充分な加湿を効率良く得ることが難しい。
【０００５】
そこで、この発明は、燃料電池の再起動時に、電解質膜を適切な湿潤状態に制御することのできる燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、アノード極（例えば、後述の実施形態におけるアノード極３）とカソード極（例えば、後述の実施形態におけるカソード極４）が電解質膜（例えば、後述の実施形態における電解質膜２）を挟んで設けられたセルを複数積層した燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池１）と、水素を含む燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述の実施形態における水素タンク７）と、酸素を含む酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述の実施形態におけるエアコンプレッサ５）と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段（例えば、後述の実施形態における電圧センサー１５及び制御装置１２）と、前記燃料ガス供給手段からアノード極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料圧力調整手段（例えば、後述の実施形態における圧力制御弁９）と、を設け、燃料電池の停止時に、燃料ガスの供給停止に先立ち、前記燃料圧力調整手段によって前記アノード極の燃料ガス圧力を前記湿潤状態判定手段の判定結果に応じた値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池を停止する場合には、最初に、燃料圧力調整手段によってアノード極内の燃料圧力が燃料電池内の湿潤状態に応じた値に調整され、その後に、アノード極に対する燃料供給が停止される。この結果、燃料電池が停止した後には、アノード極の燃料ガス圧力が湿潤状態に応じた値となり、ガスの流れのない状態において適量の生成水が生じることになる。燃料電池が再起動されるときには、電解質膜が生成水によって最適な湿潤状態に維持され、その状態においてアノード極とカソード極の間で電気化学反応が行われる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて湿潤状態を判定することを特徴とする。
燃料電池内が乾燥状態にあるときには、総てのセルの導電抵抗が増加するために全セルの電圧が同様に低下し、逆に電解質膜が通常よりも過加湿状態にあるときには、一部のセルの電極の周囲が生成水によって覆われ、そのセルの電圧のみが低下する。このため、湿潤状態判定手段は、総てのセルの電圧が低下しているときには燃料電池内が乾燥状態であるものと判定し、一部のセルの電圧だけが低下しているときには燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるものと判定することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整した後に、燃料ガスのガス供給が停止される。したがって、燃料電池の停止後には、アノード極の燃料ガス圧力が高く維持され、電解質膜を通してアノード極からカソード極側に移動する水素量が増大して燃料電池の停止中に生じる生成水の量が増大する。この結果、燃料電池の再起動時には内部が生成水によって適度な湿潤状態に維持される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ前記燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池の停止時には、アノード極の燃料ガス圧力が高くなるように調整されるが、このときのガス圧力は燃料電池内の極間差圧が制限値を超えないように制限される。したがって、アノード極とカソード極の極間差圧に起因する電解質膜の劣化を招くことがなくなる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも過加湿状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるときには、アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整した後に、燃料ガスのガス供給が停止される。したがって、燃料電池の停止後には、アノード極の燃料ガス圧力が低く維持され、電解質膜を通してアノード極からカソード極側に移動する水素量が減少し、燃料電池の停止中に生じる生成水の量が減少する。この結果、燃料電池の再起動時には生成水による加湿が抑制され、適切な湿潤状態に維持される。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を停止する場合に、アノード極の燃料圧力を燃料電池内の湿潤状態に応じた値に調整した後に、アノード極に対する燃料供給を停止するため、ガスの流れのない燃料電池の停止中に適量の生成水を効率良く作り、燃料電池の再起動時における内部の湿潤状態を適切に維持することができる。したがって、この発明によれば、燃料電池の再起動時に効率良く発電出力を得ることができる
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて燃料電池内の湿潤状態を判定するため、専用のセンサーを設けることなく燃料電池内の湿潤状態を正確に判定することができる。したがって、この発明によれば、製品コストの低減を図ることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整するため、燃料電池の停止中に作られる生成水を増大させ、再起動時における燃料電池内の湿潤状態を適切に調整することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整するため、電解質膜の劣化を招かない範囲で、燃料電池の停止中に作られる生成水量を増大させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整するため、燃料電池の停止中における生成水の発生を抑制し、再起動時における燃料電池内の湿潤状態を適切に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、複数の電池セル（以下「セル」と呼ぶ）が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜２（以下、「電解質膜２」と呼ぶ）の両側にアノード極３とカソード極４が設けられ、アノード極３とカソード極４の外側に反応ガスを供給するためのガス通路（図示せず）が設けられている。なお、図１においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。
【００１７】
燃料電池１は、アノード極３に水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるとともに、カソード極４に酸素を含む空気が供給される。燃料電池１のアノード極３では、触媒反応によって水素イオンが発生し、その水素イオンが電解質膜２を透過してカソード極４まで移動する。カソード極４では、水素イオンが酸素と電気化学反応を起こすことで電力を発生する。
【００１８】
空気は、酸化剤ガス供給手段であるエアコンプレッサ５からエア供給路６を通して燃料電池１のカソード極４に供給される。カソード極４に供給された空気は、該空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出される。
【００１９】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給手段である水素タンク７から燃料ガス供給路８を通して燃料電池１のアノード極３に供給される。燃料ガス供給路８には、水素タンク７から吐出された水素ガスを任意のガス圧に調整する電磁式の圧力制御弁９（燃料圧力調整手段）と、燃料ガスの供給を遮断する電磁式の遮断弁１０と、アノードカオフガスを燃料ガス供給路８に合流させるエゼクタ１１と、が設けられている。圧力制御弁９と遮断弁１０は、エアコンプレッサ５や他の弁類とともに制御装置１２によって制御される。
【００２０】
また、エア供給路６と燃料ガス供給路８の燃料電池１の近傍部分には、アノード極３とカソード極４の各内部の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサー１３，１４が設けられている。圧力センサー１３，１４の検出信号は制御装置１２に入力される。
【００２１】
また、燃料電池１の各セル（若しくは、任意の組のセル）には、各セル内の電圧を検出するための電圧センサー１５が接続されている。この各電圧センサー１５の検出信号は制御装置１２に入力される。
【００２２】
制御装置１２では、各電圧センサー１５で検出されるセル電圧を予め設定した閾値電圧（通常運転時の平均的な電圧に対してある幅をもたせた値）と比較し、セル電圧が閾値電圧を下回っている場合には、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られるのか、全セルに見られるのかを調べる。制御装置１２は、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られる場合には、燃料電池１内が通常よりも加湿状態であるものと判定し、セル電圧の低下が全セルに同様に見られる場合には、燃料電池１内が通常よりも乾燥状態にあるものと判定する。この実施形態においては、電圧センサー１５と制御装置１２が湿潤状態判定手段を構成している。
【００２３】
なお、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られる場合に燃料電池１内が通常よりも過加湿状態であるものと判定するのは、燃料電池１内の水分が過多になると、一部のセルの電極の周囲が生成水によって覆われ、生成水によって覆われたセルの電圧のみが低下するためである。
また、セル電圧の低下が全セルに同様に見られる場合に燃料電池１内が通常よりも乾燥状態にあるものと判定するのは、燃料電池１内が乾燥すると、総てのセルの電解質膜２の導電率が低下して全セルの電圧が同様に低下するためである。
【００２４】
また、制御装置１２は、圧力センサー１３，１４によって検出されるアノード極極３とカソード極４のガス圧力を基にしてアノード極極３とカソード極４の極間差圧、つまり、燃料電池１内の電解質膜２に作用する燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を求める。そして、制御装置１２は、極間差圧が、電解質膜２の材質や膜圧によって決まる制限値（保護閾値）の範囲内にあるか否かを判定し、制限値の範囲を超える場合には、それ以上の燃料ガスの供給量の増大を制限する。
【００２５】
ところで、制御装置１２は、イグニッションスイッチをＯＦＦしたり、アイドル停止をするとき（燃料電池１を停止するとき）には、燃料電池１へのガス供給を完全に停止する前に、圧力制御弁９を制御してアノード極極３の燃料ガス圧力を燃料電池１内の湿潤状態に応じた値に調整する。このときの制御装置１２の水素圧指令値（圧力制御弁９の開弁指令値）は、図２に示すように、燃料電池１内が乾燥状態である程大きく、過加湿状態である程小さくなるように設定されている。したがって、アノード極極３の燃料ガス圧力は、燃料電池１内が乾燥状態の場合には通所よりも高く調整され、逆に過加湿状態の場合には通常よりも低く調整される。
【００２６】
つづいて、この燃料電池システムの制御を図３のフローチャートに沿って説明する。
ステップＳ１０１においては、イグニッションスイッチがＯＦＦであるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２においては、グニッションスイッチをＯＮのままアイドル停止をするか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０３に進んで通常通りの発電を継続する。
即ち、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作やアイドル停止によって燃料電池１を停止する場合には、ステップＳ１０４へと進み、その他の場合には、ステップＳ１０３に進んで通常通りの発電を継続する。
【００２７】
ステップＳ１０４においては、燃料電池１内の各セルの電圧を電圧センサー１５によって検出し、各電圧センサー１５の検出値に基づいて燃料電池１内の湿潤状態を判定するとともに、例えば、図２に示すような関係マップを参照して燃料電池１内の湿潤状態に応じた水素指令値（圧力制御弁９の開弁指令値）を求める。
【００２８】
次のステップＳ１０５においては、燃料電池１内の極間差圧による制限値（電解質膜２の保護閾値）を上限値として、水素指令値を制限する。つづくステップＳ１０６においては、ステップＳ１０５，Ｓ１０６で演算され、若しくは，制限された水素指令値にすべく圧力制御弁９によって燃料ガス圧力を制御する。
【００２９】
ステップＳ１０７においては、水素圧指令値と、圧力センサー１５によって検出される実際の検出値との差が所定の許容範囲内にあるか否かを判定し、ここでＹＥＳの場合には、ステップＳ１０８に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０６に戻って燃料ガス圧力の制御を継続する。
ステップＳ１０８においては、遮断弁１０を閉じるとともにコンプレッサ５を停止し、燃料電池１に対する燃料ガスと空気の供給を停止する。
【００３０】
図４は、アイドル停止によって燃料電池１を停止するときに、燃料電池１の内部が乾燥状態であった場合のアノード極極３とカソード極４の内圧の変化の様子を示すタイミングチャートである。
同図に示すようにアイドル停止指令が入ると、極間差圧による制限値（保護閾値）を上限値としてアノード極極３の燃料ガス圧力が増加方向に制御され、実際の燃料ガス圧力が制限値に達すると、その時点で燃料ガスと空気の供給が停止してアイドル停止状態となる。
【００３１】
こうして、燃料電池１が停止すると、アノード極極３内の燃料ガスの流動が停止して、前段で昇圧された燃料ガス中の水素が電解質膜２を透過してカソード極４に移動し、そこで酸素と反応して生成水が作られる。この反応によりアノード極極内の燃料ガス圧力は図４に示すように漸減する。
【００３２】
以上のように、この燃料電池システムにおいては、燃料電池１を停止する際に、燃料電池１内の湿潤状態に応じてアノード極極３の燃料ガス圧力を調整し、調整後に燃料ガスの供給を停止するため、燃料電池１を停止した後には、電解質膜２を通したアノード極極３内の水素の移動によってガス圧力に応じた生成水を作ることができる。
【００３３】
即ち、燃料電池１内が乾燥状態の場合には、アノード極３内の燃料ガスの圧力を上昇させることによって停止時における生成水の発生量を増大させ、逆に、過加湿過多の状態の場合には、アノード極３内の燃料ガスの圧力を低下させることによって停止時における生成水の発生量を抑制することができる。
【００３４】
したがって、燃料電池１の再起動時には即時に高効率の発電出力を得ることができる。つまり、この燃料電池システムにおいては、再起動の直後に燃料電池１内の湿潤状態を調整するのではなく、燃料電池１の停止時に次の再起動に備えて湿潤状態の調整に移行するため、再起動時に適切な湿潤状態が得られるまでに大きなタイムラグが生じることがない。また、この燃料電池システムでは、燃料電池１が停止して内部のガス流動がない状態で水素と酸素の反応によって生成水が作られるため、燃料電池１の運転中に比較して効率良く高い湿潤状態を得ることができる。このため、特に、停止時に燃料電池１の内部が乾燥状態の場合には、効率良く性能を回復することができる。
【００３５】
また、この燃料電池システムにおいては、燃料電池１の内部の湿潤状態を判定するのに、専用のセンサーを設けるのではなく、電池１内のセル電圧をチェックするための電圧センサー１５を利用し、各電圧センサー１５の検出電圧の低下状態（ばらつきの有無）から判定するようにしているため、部品点数の削減によって製品コストの低減を図ることができる。
【００３６】
さらに、この燃料電池システムの場合、燃料電池１が乾燥状態で停止するときには、電解質膜２が劣化しない極間差圧に制限されるように燃料ガスの供給圧力を制御するため、電解質膜２の劣化を招くことなく、燃料電池１の停止中に作られる生成水量を増大させることができる。
【００３７】
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施形態の燃料電池システムの概略構成図。
【図２】この発明の一実施形態の燃料電池システムで採用する水素圧指令値―加湿度合いの関係マップ。
【図３】この発明の一実施形態の燃料電池システムの制御を示すフローチャート。
【図４】この発明の一実施形態の燃料電池システムの制御を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池
２…電解質膜
３…アノード極
４…カソード極
５…エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
７…水素タンク（燃料ガス供給手段）
９…圧力制御弁（燃料圧力調整手段）
１２…制御装置（湿潤状態判定手段）
１５…電圧センサー（湿潤状態判定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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