(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池につながるガス流路へ燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池を冷却する冷却部と、
前記燃料電池による発電停止後に、前記燃料電池が氷点下となると判定した場合に、前記ガス流路へ燃料ガス及び酸化ガスを送り込んで掃気する掃気処理とともに前記冷却部によって前記燃料電池のガス流路内の水蒸気が液化する温度に冷却する冷却処理を行う制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池が外気温度よりも５〜１０℃高い温度となった時点にて前記冷却処理を停止させる燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却処理の停止後、所定時間経過した時点にて前記掃気処理を停止させる燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷却処理の停止後、燃料電池のインピーダンス値が所定値以上となった時点にて前記掃気処理を停止させる燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却部は、前記燃料電池につながる冷却路に冷却媒体を循環させるポンプと、前記冷却媒体を外気と熱交換させる冷却ファンを備えたラジエータとを有する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の内部温度及び予め記憶されている前記燃料電池の温度変化のマップから前記燃料電池が前記冷却完了温度となる冷却完了タイミングを割り出し、前記冷却完了タイミングにて前記ポンプ及び前記冷却ファンが完全に停止する完全停止タイミングが、前記冷却完了タイミングに一致するように、前記ポンプ及び冷却ファンを制御する燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却路には、前記冷却媒体が貯留された冷却媒体タンクが接続され、前記冷却処理時における前記ポンプの駆動により、前記冷却媒体タンク内の前記冷却媒体が前記冷却路内へ循環され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、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。
この種の燃料電池システムには、運転停止時に、燃料電池を通常の運転時よりも急速に冷却し、燃料電池に残留したガスによってもたらされるカーボン酸化による燃料電池の劣化反応を遅らせるものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、発電停止後、燃料電池の温度が冷却水の循環停止の判断基準となる冷却水循環停止温度を下回るまで、燃料電池に冷却水を循環させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２８９７２号公報
【特許文献２】特開２００７−１６４９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、氷点下において、運転停止時間が長時間に及ぶと、燃料電池が外気によって外周側から冷やされる。すると、燃料電池の中心側と外周側との温度差が大きくなり、運転停止後にガス流路内を掃気したとしても、燃料電池のガス流路内に残留した水蒸気が結露して凍結することがある。特に、燃料電池の外周側に配置されたコモンレール等の狭隘なガス流路部分では、凍結によってガスの流れが低下し、その後の始動性の低下を引き起こすおそれがある。【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、運転停止後における氷点下での燃料電池の部位間の温度差拡大を抑制して結露による凍結を抑え、その後の良好な始動を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池につながるガス流路へ燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池を冷却する冷却部と、前記燃料電池による発電停止後に、前記燃料電池が氷点下となると判定した場合に、前記ガス流路へ燃料ガス及び酸化ガスを送り込んで掃気する掃気処理とともに前記冷却部によって前記燃料電池のガス流路内の水蒸気が液化する温度に冷却する冷却処理を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池が外気温度よりも５〜１０℃高い温度となった時点にて前記冷却処理を停止させる。
【０００７】
かかる構成の燃料電池システムによれば、制御部が、燃料電池による発電停止後に燃料電池が氷点下となると判定した場合に、燃料ガス及び酸化ガスをガス流路に送り込んで掃気するとともに燃料電池を冷却するので、燃料電池を迅速に冷却してガス流路内の水蒸気を液化して排出させることができる。【０００８】
これにより、氷点下において、運転停止時間が長時間に及ぶことにより燃料電池が外気によって外周側から冷やされて中心側と外周側との温度差が大きくなり、燃料電池のガス流路内に残留した水蒸気が結露して凍結するような不具合を抑制することができる。したがって、燃料電池の外周側に配置されたコモンレール等の狭隘なガス流路部分においても凍結を抑制し、その後の始動時におけるガスの流れを確保し、良好に始動させることができる。【００１０】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記冷却処理の停止後、所定時間経過した時点にて前記掃気処理を停止させるものでも良い。【００１１】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記冷却処理の停止後、燃料電池のインピーダンス値が所定値以上となった時点にて前記掃気処理を停止させるものでも良い。【００１２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記冷却部は、前記燃料電池につながる冷却路に冷却媒体を循環させるポンプと、前記冷却媒体を外気と熱交換させる冷却ファンを備えたラジエータとを有するものでも良い。【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の温度及び予め記憶されている前記燃料電池の温度変化のマップから前記燃料電池が前記冷却完了温度となる冷却完了タイミングを割り出し、前記冷却完了タイミングにて前記ポンプ及び前記冷却ファンが完全に停止する完全停止タイミングが、前記冷却完了タイミングに一致するように、前記ポンプ及び冷却ファンを制御するものでも良い。【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記冷却路には、前記冷却媒体が貯留された冷却媒体タンクが接続され、前記冷却処理時における前記ポンプの駆動により、前記冷却媒体タンク内の前記冷却媒体が前記冷却路内へ循環されるものでも良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、運転停止後における低温環境下での燃料電池の温度変化を抑制し、結露による凍結を抑え、その後の良好な始動を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】制御部による燃料電池システムの停止時の制御を説明するフローチャートである。
【図３】氷点下時停止制御における温度変化、制御のタイミング及びガス流路内の残水量を示すグラフ図である。
【図４】氷点下時停止制御の他の例を示すグラフ図である。
【図５】燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  燃料電池システム
２０  燃料電池
５０  制御部
７１  空気供給路（ガス流路）
７３  冷却路
７４  燃料供給路（ガス流路）
７５  水素循環路（ガス流路）
Ａ３  コンプレッサ（ガス供給部）
Ｃ１  ポンプ（冷却部）
Ｃ２  ラジエータ（冷却部）
Ｃ１３  冷却ファン（冷却部）
Ｃ１６  冷却媒体タンク（冷却部）
Ｈ５０  水素ポンプ（ガス供給部）
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１９】
図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、制御部５０によって駆動制御される。
【００２０】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
【００２１】
圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２２】
燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。
【００２３】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００２４】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２５】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２６】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２７】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度（出口温度）を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度（入口温度）を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２８】
また、冷却路７３には、ラジエータＣ２と並列に、バイパス路Ｃ１４が設けられている。このバイパス路Ｃ１４の一端と冷却路７３との接続箇所には、制御部５０によって制御される三方弁Ｃ１５が設けられており、この三方弁Ｃ１５の切り替えによって冷却路７３の流路が、ラジエータＣ２あるいはバイパス路Ｃ１４のいずれかに連通される。
【００２９】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３０】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３１】
次に、燃料電池システム１の運転停止（発電停止）時における制御部５０による制御について説明する。
【００３２】
図２は制御部５０による燃料電池システム１の停止時の制御を示すフローチャートである。
【００３３】
イグニッションスイッチがＯＦＦされてシステムの停止命令が出されると（ステップＳ０１）、氷点下判定処理が行われる（ステップＳ０２）。
この氷点下判定処理では、外気温度、ユーザーによる氷点下スイッチの押下、ＧＰＳによる位置情報、季節情報、あるいは日時情報などに基づき、燃料電池２０が氷点下となる可能性があるかを判定する。例えば、外気温度が１０℃以下である場合などである。
【００３４】
この結果、氷点下となる可能性があると判定とされなければ（ステップＳ０２で「Ｎｏ」）、制御部５０は、通常に燃料電池システム１を停止させる。つまり、燃料電池２０が氷点下とならなければ、燃料電池２０のガス流路内の水蒸気がたとえ結露したとしても結露水が凍結することはない。よって、この場合は、ステップＳ０３以降の氷点下時停止制御を行なうことなく、通常通りに停止する。
【００３５】
これに対し、氷点下となる可能性があると判定とされれば（ステップＳ０２で「Ｙｅｓ」）、制御部５０は、ステップＳ０３以降の氷点下時停止制御を行う。
図３は、氷点下時停止制御における温度変化、制御のタイミング及びガス流路内の残水量を示すグラフ図である。
【００３６】
氷点下となる可能性があると判定とされて氷点下時停止制御を行なうことになると（図３中ｔ１時）、掃気処理を開始し（ステップＳ０３）、さらに、冷却処理を開始する（ステップＳ０４）。
掃気処理では、圧力調整弁Ａ４を全開としてコンプレッサＡ３を最大回転数にて駆動させ（図３（Ｅ）参照）、さらに、気液分離器Ｈ４２の排水弁Ｈ４１を常時開放あるいは開閉頻度を高めた状態にて水素ポンプＨ５０を最大回転数にて駆動させる（図３（Ｅ）参照）。
【００３７】
これにより、燃料電池２０につながる空気及び水素ガスのガス流路の掃気を行う。なお、排水弁Ｈ４１が開くことにより、気液分離器Ｈ４２から水とともに水素循環路７５内の水素も放出されて圧力が減少し、掃気の効果が低減する。このため、制御部５０では、圧力センサＰ５，Ｐ９，Ｐ２１の圧力値に基づいて、水素循環路７５内が所定圧以上となるように、水素調圧弁Ｈ９を制御して水素循環路７５内へ水素供給源３０から水素ガスを供給する。
【００３８】
冷却処理では、三方弁Ｃ１５を制御してバイパス路Ｃ１４側を全閉とするとともにラジエータＣ２側を全開として冷却路７３をラジエータＣ２に連通させ（図３（Ｃ）参照）、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３を最大回転数にて駆動させる（図３（Ｂ）（Ｄ）参照）。これにより、燃料電池２０に冷却水を循環させて燃料電池２０を冷却する。
【００３９】
上記の掃気処理に伴い、燃料電池２０のガス流路内の液体状及び蒸気状の水が排出され、全体の残水量が減少する（図３（Ｆ）参照）。このとき、冷却処理により、燃料電池２０の温度が次第に低下して、燃料電池２０における冷却水の入口温度及び出口温度も低下する（図３（Ａ）参照）。これにより、燃料電池２０内では、水蒸気として存在している水が次第に液体となり、全体の残水量における水蒸気の割合が減少する（図３（Ｆ）参照）。
【００４０】
次に、制御部５０は、冷却処理の完了判定を行う（ステップＳ０５）。冷却処理の完了判定では、制御部５０が、温度センサＴ１，Ｔ２の検出結果に基づいて燃料電池２０の内部温度を推定し、燃料電池２０が冷却完了温度となったか否かで判定する。この冷却完了温度としては、燃料電池２０を冷却し過ぎて凍結させることがない温度であり、例えば、外気温度＋５〜１０℃程度の外気温度よりも僅かに高い所定温度に設定する。
【００４１】
冷却処理の完了判定の結果、冷却処理が完了したと判定すると（図３中ｔ２時）、三方弁Ｃ１５を制御してラジエータＣ２側を全閉とするとともにバイパス路Ｃ１４側を全開として冷却路７３をバイパス路Ｃ１４に連通させ（図３（Ｃ）参照）、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３の駆動を停止させ（図３（Ｂ）（Ｄ）参照）、冷却水による燃料電池２０の冷却処理を停止させる（ステップＳ０６）。
【００４２】
次に、制御部５０は、冷却処理の停止後、掃気処理の完了判定を行う（ステップＳ０７）。掃気処理の完了判定では、燃料電池２０が冷却処理の停止後から掃気処理の停止タイミングとなったか否かで判定する。この停止タイミングとしては、燃料電池２０のガス流路中の液体となっている水の残量がほぼなくなった時点であり、例えば、冷却処理停止後所定の時間（例えば１０秒程度）経過した時点、あるいは燃料電池２０内の残水量によって増加する燃料電池２０のインピーダンス値が所定値以上となった時点に設定する。
【００４３】
掃気処理の完了判定の結果、掃気処理が完了したと判定すると（図３ｔ３時）、圧力調整弁Ａ４を閉じてコンプレッサＡ３の駆動を停止させ（図３（Ｅ）参照）、さらに、気液分離器Ｈ４２の排水弁Ｈ４１を閉じて水素ポンプＨ５０の駆動を停止させ（図３（Ｅ）参照）、燃料電池２０のガス流路の掃気を停止させる（ステップＳ０８）。これにより、燃料電池２０のガス流路中の液体となっている水はほぼ完全に排出された状態となる（図３（Ｆ）参照）。
【００４４】
以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システム１によれば、制御部５０が、燃料電池２０による発電停止後に燃料電池２０が氷点下となると判定した場合に、燃料電池２０につながる空気及び水素ガスのガス流路を掃気するとともに燃料電池２０を冷却するので、燃料電池２０を迅速に冷却してガス流路内の水蒸気を液化して排出させることができる。
【００４５】
つまり、燃料電池２０を強制的に冷却して外気温度に近づけることにより、氷点下において、運転停止時間が長時間に及ぶことにより燃料電池２０が外気によって外周側から冷やされて中心側と外周側との温度差が大きくなり、燃料電池２０のガス流路内に残留した水蒸気が結露して凍結するような不具合を抑制することができる。
【００４６】
したがって、燃料電池２０の外周側に配置されたコモンレール等の狭隘なガス流路部分においても凍結を抑制し、その後の始動時におけるガスの流れを確保し、良好に始動させることができる。
【００４７】
また、制御部５０が、燃料電池２０が冷却完了温度となった時点にて冷却処理を停止させるので、冷却完了温度として、例えば、外気温度＋５〜１０℃程度の外気温度よりも僅かに高い所定温度とすれば、燃料電池２０を冷却し過ぎて凍結させるような不具合をなくすことができる。
【００４８】
また、制御部５０は、冷却処理の停止後、所定時間が経過した時点あるいは燃料電池のインピーダンス値が所定値以上となった時点にて掃気処理を停止させるので、冷却処理後に燃料電池２０内に残留している水を良好に排出させることができる。
【００４９】
なお、上記実施形態では、制御部５０が、冷却完了温度となったと判定した時点（図３中ｔ２時）にて、三方弁Ｃ１５を制御し（図３（Ｃ）参照）、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３の駆動を停止させ（図３（Ｂ）（Ｄ）参照）、冷却水による燃料電池２０の冷却処理を停止させたが、冷却処理完了判定後に三方弁Ｃ１５が駆動して流路が切り替わるまで及び冷却処理完了判定後にポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３が完全に停止するまで、燃料電池２０が冷却されてしまう。
【００５０】
図４は、上記の三方弁Ｃ１５、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３の応答遅れによる燃料電池２０の過度の冷却を抑制するための冷却処理停止制御を示すものである。
この制御では、燃料電池２０における冷却水の温度センサＴ１，Ｔ２から推定した燃料電池２０の内部温度、及び予め記憶されている燃料電池２０の温度変化のマップから目標温度である冷却完了温度（０〜５℃程度が好ましい）となる冷却完了タイミング（図４ｔ２時）を割り出す。
【００５１】
そして、三方弁Ｃ１５、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３が完全に停止する完全停止タイミングが、割り出した冷却完了タイミングに一致するように、三方弁Ｃ１５、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３を制御している（図４（Ｂ）（Ｃ）参照）。
また、この制御では、冷却完了タイミングに向かって徐々に三方弁Ｃ１５の切り替えを行わせるとともに、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３を徐々に停止させることにより、割り出した冷却完了タイミングに対して、三方弁Ｃ１５、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３が完全に停止する完全停止タイミングを高精度に一致させ、燃料電池２０をより精度良く目標温度である冷却完了温度となるようにしている。
【００５２】
したがって、この制御によれば、三方弁Ｃ１５、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３の応答遅れによる、前述した燃料電池２０の過度の冷却を抑制して凍結を抑えることができる。
【００５３】
また、図５に示すものは、ラジエータＣ２と並列に、冷却水が貯留された冷却水タンク（冷却媒体タンク）Ｃ１６を設けた燃料電池システム１であり、この冷却水タンクＣ１６は、ラジエータＣ２よりも大きな熱容量とされている。
【００５４】
そして、この燃料電池システム１では、冷却処理時に、ポンプＣ１によってラジエータＣ２だけでなく冷却水タンクＣ１６にストックされている冷却水も燃料電池２０へ大量に循環させることができ、よって、燃料電池２０の冷却処理時間を短くし、氷点下時停止制御の制御時間を大幅に短縮させることができる。
【００５５】
なお、掃気処理時及び冷却処理時では、処理時間短縮の観点から、コンプレッサＡ３、水素ポンプＨ５０、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３を最大回転数にて駆動させるのが好ましいが、掃気処理時及び冷却処理時におけるコンプレッサＡ３、水素ポンプＨ５０、ポンプＣ１及び冷却ファンＣ１３の駆動は、掃気処理及び冷却処理が適切に行われることを条件として、必ずしも最大回転数でなくても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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