(57)【要約】【課題】燃料電池の電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合でも燃料電池の発電を継続でき、これによりドライアップ状態を常に正常な状態に回復させることができる技術の提供を課題とする。【解決手段】燃料電池１１と、蓄電手段１２と、燃料電池１１の発電電力を蓄電手段１２側又は商用電力系１３側に切り替えて流す切替手段１４と、電解質膜がドライアップ状態にあると判断し、且つ蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していると判断した場合には、切替手段１４を商用電力系１３側に切り替える制御手段１５と、を備える。【選択図】図１
2010021000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電電力を蓄積する蓄電手段と、
前記燃料電池の発電電力を前記蓄電手段側又は商用電力系側に切り替えて流す切替手段と、
前記燃料電池の電解質膜がドライアップ状態か否かを判断すると共に、前記蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達しているか否かを判断し、前記電解質膜がドライアップ状態であると判断し、且つ前記蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達していると判断した場合は、前記切替手段を前記商用電力系側に切り替え、前記蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達していないと判断した場合は、前記切替手段を前記蓄電手段側に切り替える制御手段と、
を備える燃料電池のドライアップ回復装置。
【請求項２】
前記切替手段を前記商用電力系側に切り替えた際に、前記燃料電池に供給する燃料及び酸化剤ガスを通常時に比べて増加させる燃料等供給増加手段を、更に備える請求項１に記載の燃料電池のドライアップ回復装置。
【請求項３】
燃料電池と、
請求項１または２に記載の燃料電池のドライアップ回復装置と、
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のドライアップ回復装置、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、内部の電解質膜の含水量が不足した場合（ドライアップ状態）には、電解質膜の導電率が低下して電気抵抗が増大し出力が低下する。従来、電解質膜がドライアップ状態の場合には、燃料電池の発電量を増加して電解質の水分を内部から増加させることにより、ドライアップ状態を正常な状態に回復させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２６５８６２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７３１９号公報
【特許文献３】特開２００６−３４５６２１号公報
【特許文献４】特開２００７−２２８６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の技術では、燃料電池の発電電力を蓄電手段に蓄電し蓄電手段の蓄電電力によってモータを駆動する車両等では、燃料電池の電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合には燃料電池の運転を継続できず、電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができないという問題があった。これは、電解質膜の含水量は燃料電池の発電によって内部から増加させる必要があり、蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合には、燃料電池の発電を継続できないからである。なお、電解質膜のドライアップ状態は、燃料電池の温度が低下しても回復しない。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、燃料電池の発電電力を蓄電する蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合でも、燃料電池の発電を継続でき、これにより電解質膜のドライアップ状態を常に正常な状態に回復させることができる技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の燃料電池のドライアップ回復装置は、燃料電池の発電電力を蓄積する蓄電手段と、前記燃料電池の発電電力を前記蓄電手段側又は商用電力系側に切り替えて流す切替手段と、前記燃料電池の電解質膜がドライアップ状態か否かを判断すると共に、前記蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達しているか否かを判断し、前記電解質膜がドライアップ状態であると判断し、且つ前記蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達していると判断した場合には、前記切替手段を前記商用電力系側に切り替え、前記蓄電手段が最大蓄電容量量に達していないと判断した場合には、前記切替手段を前記蓄電手段側に切り替える制御手段と、を備える。
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の起動時に燃料電池の電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合には、制御手段は切替手段を商用電力系側に切り替える。これにより、燃料電池の発電を継続できるので、電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【０００７】
また、燃料電池の起動時に、燃料電池の電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電
手段の蓄電量が最大蓄電容量に達していない場合には、制御手段は切替手段を蓄電手段側に切り替える。この場合も、燃料電池の発電を継続できるので、電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。なお、燃料電池の運転中に、電解質膜のドライアップ状態が回復する前に蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達した場合は、制御手段は切替手段を商用電力系側に切り替える。これにより、燃料電池の発電を継続できるので、ドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、上記燃料電池のドライアップ回復装置と、を備える
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の起動時に電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合でも、燃料電池の発電を継続できるので、燃料電池における電解質膜のドライアップ状態を常に正常な状態に回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を適用した車両１を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、燃料電池のドライアップ回復装置２０と、を備える。
【００１２】
ドライアップ回復装置２０は、燃料電池１１の発電電力を蓄電する蓄電手段１２と、燃料電池１１の発電電力を蓄電手段１２側又は商用電力系１３側に切り替えて流す切替手段１４と、を備えている。
【００１３】
また、このドライアップ回復装置２０は、燃料電池１１の電解質膜がドライアップ状態か否かを判断すると共に、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達しているか否かを判断し、電解質膜がドライアップ状態であると判断し、且つ蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していると判断した場合は、切替手段１４を商用電力系１３側に切り替え、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していないと判断した場合は、切替手段１４を蓄電手段１２側に切り替える制御手段１５を備えている。
【００１４】
更に、このドライアップ回復装置２０は、切替手段１４と商用電力系１３との間に配置され、燃料電池１１の発電電力を直流から交流に変換する直流／交流変換手段１６と、燃料電池１１の発電電圧を計測する電圧計１７と、蓄電手段１２の蓄電量を検出する蓄電計１８とを備える。なお、図１中の符号１９は、蓄電手段１２から出力される電力によって駆動される車両駆動用モータである。
【００１５】
次に、上記各構成要素について説明する。燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)を例示できる。この燃料電池１１は、一般的な構成を使用できるので、ここではその概略について説明する。
【００１６】
燃料電池１１は、少なくとも１つのセルから構成されている。セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、これらの燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとから構成されている。
【００１７】
燃料極は、拡散層と触媒層とを有している。水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が、燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。
【００１８】
一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有する。空気等の酸化剤ガスが、酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応を通じて水が生成される。
【００１９】
燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１１の両端子間に接続される負荷に対する電力として使用される。また、燃料電池１１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。なお、図１においては、燃料供給／排出系、酸化剤供給／排出系の構成を省略したが、これらの構成は一般的なものを使用できる。
【００２０】
蓄電手段１２は、燃料電池１１の発電電力を蓄電する。この蓄電手段１２の放充電は制御手段１５によって制御される。蓄電手段１２としては、二次電池（バッテリー）、キャパシタ等を例示できる。
【００２１】
商用電力系１３は、電力会社から電力の供給を受け、又は電力会社に電力を供給するための経路である。直流／交流変換手段１６は、例えば家庭用の太陽発電装置などに付属している一般的なコンバータ等を例示できる。蓄電計１８は、蓄電手段１２への電力の出入りを計測して積算する等の一般的な構成を使用できる。また、切替手段１４は一般的な電源切替器等を使用でき、電圧計１７も一般的なものを使用できる。
【００２２】
次に、この燃料電池システム１の作用を説明する。燃料電池１１を起動する際に、燃料電池１１の固定高分子電解質膜がドライアップ状態にある場合は、そのままでは燃料電池１１の発電量が低下するので、ドライアップ状態を正常な状態に回復させる必要がある。
【００２３】
固定高分子電解質膜のドライアップによって、燃料電池１１内のプロトンの移動が抑制され、燃料電池１１の内部抵抗が増加する。従って、ドライアップの程度は、燃料電池１１の電流と電圧の特性（いわゆるＩＶ特性）から推定できる。なお、燃料電池１１の内部抵抗の測定方法としては、他に、燃料電池１１の出力端子に、交流電圧を加えそのときに流れる交流電流から測定する方法が知られている。
【００２４】
燃料電池１１の固体高分子電解質膜がドライアップ状態にある場合は、制御手段１５は、まず蓄電手段１２の蓄電量を検出し、当該蓄電量が蓄電手段１２の最大蓄電容量に達しているか否かを判断する。ここで、制御手段１５が蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していないと判断した場合には、制御手段１５は切替手段１４を蓄電手段１２側に切り替え、燃料電池１１の発電電力を蓄電手段１２に蓄電する。これにより、燃料電池１１の発電が継続され、燃料電池１１における固体高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００２５】
燃料電池１１の発電電力を蓄電手段１２に蓄電している最中に、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達し、且つ固体高分子電解質膜のドライアップ状態が正常な状態に回復していない場合は、制御手段１５は切替手段１４を商用電力系１３側に切り替える。これ
により、燃料電池１１の発電電力が商用電力系１３に供給されるので、燃料電池１１の発電が継続される。そして、燃料電池１１の発電電力（直流）が直流／交流変換手段１６によって交流に変換されて、商用電力系１３に流される。これによって、燃料電池１１の発電を継続できるので、固体高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００２６】
また、燃料電池１１の起動時に、燃料電池１１の固体高分子電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合には、制御手段１５は切替手段１４を商用電力系１３側に切り替える。これにより、燃料電池１１の発電電力は直流／交流変換手段１６を介して商用電力系１３に流される。この場合は、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していても、燃料電池１１の発電を継続できるので、固定高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００２７】
なお、ドライアップ状態を正常な状態に回復するのに必要な燃料電池１１の発電継続時間は、ドライアップ状態の時における固体高分子電解質膜の含水量によって変わる。すなわち、固体高分子電解質膜の含水量が非常に少ない場合は燃料電池１１の発電継続時間を比較的長くし、含水量が比較的多い場合には発電継続時間を比較的短くできる。従って、制御手段１５は、電圧計１７が示す電圧に基づいて、電解質膜のドライアップ状態が正常な状態に回復したと判断した場合に、燃料電池１１の発電を停止させることができる。
【００２８】
なお、上記実施形態では、蓄電手段１２の蓄電電力を車両駆動用モータ１９に供給する構成としたが、車両１の移動中には燃料電池１１の発電電力を車両駆動用モータ１９に直接供給し、余剰の発電電力を蓄電手段１２に供給するようにできる。
【００２９】
図２は、燃料電池システム1０の起動処理を示すフローチャートである。ここでは、まず、燃料電池１１を起動する（Ｓ１）。次に、制御手段１５は、燃料電池１１の固定高分子電解質膜がドライアップ状態にあるか否かを判断する（Ｓ2）。
【００３０】
ステップ（Ｓ2）で、制御手段１５が固体高分子電解質膜はドライアップ状態であると判断した場合は、次に、制御手段１５は、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達しているか否かを判断する（Ｓ3）。ステップ（Ｓ3）で、制御手段１５が蓄電手段１２の蓄電量は最大蓄電容量に達していると判断した場合は、次に、制御手段１５は切り替え手段１４を商用電力系１３側に切り替える（Ｓ4）。
【００３１】
次に、制御手段１５は、燃料電池１１の発電を継続させる（Ｓ5）。これにより、燃料電池１１における固定高分子電解質膜のドライアップ状態が正常な状態に回復する（Ｓ6）。
【００３２】
また、ステップ（Ｓ2）で、制御手段１５が燃料電池１１の固体高分子電解質幕はドライアップ状態ではないと判断した場合は、この処理を終了する。ステップ（Ｓ3）で、制御手段１５が蓄電手段１２の蓄電量は最大蓄電容量に達していないと判断した場合は、次に、制御手段は１５切替手段１４を蓄電手段１２側に切り替える（Ｓ7）。次に、ステップ（Ｓ5）以降の処理を行う。
【００３３】
本発明によれば、燃料電池１１の起動時に固定高分子電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合は、燃料電池１１の発電電力を商用電力系１３に流すので、燃料電池１１の発電を継続できる。従って、燃料電池１１の固体高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００３４】
また、燃料電池１１の起動時に固体高分子電解質膜がドライアップ状態にあり、且つ蓄
電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達していない場合は、燃料電池１１の発電電力を蓄電手段１２で蓄電することにより、燃料電池１１の発電を継続でき、燃料電池１１の固体高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００３５】
このように、本発明によれば、蓄電手段１２の蓄電量が最大蓄電容量に達している場合でも、常に燃料電池１１の固体高分子電解質膜のドライアップ状態を正常な状態に回復させることができる。
【００３６】
なお、従来、商用電力系側に車両の燃料電池を管理する管理手段を備え、車両の燃料電池を商用電力系に接続して、管理手段が車両から供給された車両情報に基づいて燃料電池の発電電力を商用電力系に流すように要求することにより、燃料電池の発電電力を商用電力系に供給する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００３７】
しかし、この技術では、商用電力系側の管理手段の要求がない場合には、燃料電池がドライアップ゜状態にある場合であっても、燃料電池による発電が行われないためドライアップ状態を回復できない。
【００３８】
これに対して、本発明では、燃料電池１１がドライアップ状態にある場合は、燃料電池システム１のドライアップ状態回復装置２０によって常にドライアップ状態を回復できる。なお、車両一台程度の燃料電池の発電電力（１００ｋＷ程度）を商用電力系１３に流したとしても商用電力系１３側には殆ど影響がないので、燃料電池１１の発電電力を任意のタイミングで商用電力系１３に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムを適用した車両を示す図である。
【図２】実施形態の燃料電池の起動処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１  車両
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  蓄電手段
１３  商用電力系
１４  切替手段
１５  制御手段
１６  直流/交流交換手段
１７  電圧計
１８  蓄電残量計
１９  車両駆動モータ
２０  ドライアップ状態回復装置
【図１】
2010021000.tif 000003
【図２】
2010021000.tif 000004