(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両と、
該車両に搭載され、燃料ガスを生成する改質器と、
該車両に搭載され、触媒を備えた電極への前記燃料ガスの供給を受けて起電力を発生する燃料電池と
を備えた車両の燃料電池制御装置であって、
前記燃料電池の電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス中に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入手段と、
前記車両の運転者により操作されて、該車両の運転・停止を制御する運転スイッチと、
前記運転スイッチが運転状態から停止状態に切り換えられたとき直ちに前記酸素含有ガス導入手段を作動させるガス導入作動手段と
を備えた車両の燃料電池制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両の燃料電池制御装置であって、
前記運転スイッチが運転状態から停止状態に切り換えられたときから所定時間後に、前記酸素含有ガス導入手段の作動を停止させるガス導入停止手段をさらに備える車両の燃料電池制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の車両の燃料電池制御装置であって、
前記酸素含有ガス導入手段は、
前記酸素含有ガスを蓄積するアキュムレータを備える車両の燃料電池制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電極に燃料ガスを供給することにより起電力を発生する燃料電池を搭載する車両の燃料電池制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池を車載用の内燃機関に換えて作動するモータの電源として利用する車両が実用化されつつある。この燃料電池は、通常、電解質膜の両側に触媒を含む一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
この燃料電池に供給する燃料ガスは、一般に改質器により生成される。改質器により行なわれるメタノールの水蒸気改質によれば、化学反応により一酸化炭素（ＣＯ）が生じ、このＣＯが燃料極側の電極触媒である白金または白金を含む合金に吸着して、白金の触媒としての機能を停止させる、いわゆる触媒の被毒状態を発生させる。このため、この種の燃料電池では、改質器からのガス中のＣＯを低減できる構成とする必要があり、これが大きな課題となっている。
【０００４】
この課題を解決する方法として、改質器からの燃料ガス中に空気もしくは酸素を導入することにより、ＣＯを酸化してＣＯ2 に変化させる技術が提案されている（特開平５−２１０８０号公報）。この技術によれば、水素極の触媒のＣＯ被毒が防止され、良好な発電が持続される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした従来技術は、あくまで定置型のシステムにおけるもので、実際に、この技術を電気自動車等の車両に応用しようとすると、車両の運転状態に悪影響を与えないように、車両の停止時に上記制御、即ち、燃料ガス中に空気または酸素を導入する制御を行なう必要があった。そのためには、車両の停止を検知する特別な構成が必要となり、部品点数の増加といった問題を招いた。
【０００６】
この発明の車両の燃料電池制御装置は、こうした問題に鑑みてなされたもので、燃料電池の電極被毒の対策を車両搭載のシステムにおいて実現可能とした上で、部品点数の増加を抑えることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【０００８】
即ち、本発明の車両の燃料電池制御装置は、
車両と、
該車両に搭載され、燃料ガスを生成する改質器と、
該車両に搭載され、触媒を備えた電極への前記燃料ガスの供給を受けて起電力を発生する燃料電池と
を備えた車両の燃料電池制御装置であって、
前記燃料電池の電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス中に酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入手段と、
前記車両の運転者により操作されて、該車両の運転・停止を制御する運転スイッチと、
前記運転スイッチが運転状態から停止状態に切り換えられたとき直ちに前記酸素含有ガス導入手段を作動させるガス導入作動手段と
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
【作用】
以上のように構成された車両の燃料電池制御装置によれば、運転スイッチが運転状態から停止状態に切り換えられたとき直ちに、ガス導入作動手段により、酸素含有ガス導入手段を作動させる。その結果、燃料ガス中に酸素含有ガスが導入されることになり、電極に付着した一酸化炭素はその酸素含有ガスにより酸化されて二酸化炭素に変化して、電極表面から剥離される。従って、電極の触媒が再活性化され被毒が解消される。しかも、その酸素含有ガス導入手段の作動の時期は、運転スイッチが運転状態から停止状態に切り換えられたとき直ちにであることから、車両の停止を検知する特別な構成を、新たに車両に設ける必要がない。
【００１０】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施例としての車両の燃料電池制御システム１の概略構成図であり、図２は、燃料電池１０の単一セルを示す構造図である。ここでは、車両の燃料電池制御システム１の全体を説明する前に、まずそれに使用される燃料電池１０の構成について説明する。
【００１２】
燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、図２に示すように、単一のセルとして、電解質膜１１と、この電解質膜１１を両側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのカソード１２およびアノード１３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつカソード１２およびアノード１３とで酸素含有ガスおよび水素含有ガスの流路を形成する流路形成部材としての集電体１５とにより構成されている。
【００１３】
電解質膜１１は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成された厚さ５０［μｍ］ないし２００［μｍ］のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。ここでは、米国Ｅ.Ｉ.デュポン社製の商標名ナフィオン（Nafion）１１５を使用する。カソード１２およびアノード１３は、表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていない炭素繊維とを１対１の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。カソード１２およびアノード１３は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するから、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害することはない。このカーボンクロスの電解質膜１１側の表面および隙間には、白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉が練り込まれて触媒反応層が形成されている。
【００１４】
詳しくは、白金を担持したカーボン粉として、カーボン粉の重量に対して白金の重量が４０［％］（重量％）となるものが用いられており、この白金担持カーボン粉を白金０．４［ｍｇ／ｃｍ2 ］となる量に対して、フッ素系陽イオン交換樹脂溶液（ナフィオンの固形分５［％］）を樹脂固形分が５０［％］相当となる量を添加混合することにより触媒反応層が形成されている。
【００１５】
電解質膜１１とカソード１２およびアノード１３とは、両電極１２，１３が電解質膜１１を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００℃ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の温度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし２０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝好ましくは５ＭＰａ｛５１kgf／cm2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝の圧力を作用させて接合するホットプレス法により接合されている。
【００１６】
集電体１５は、ち密質のカーボンプレートにより形成されている。集電体１５には、複数のリブが形成されており、このリブとガス拡散電極との表面とで断面矩形でストレートのガス流路１７を形成する。カソード１２に接触する側の集電体１５は、カソード１２の表面とで酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２で生成する水の集水路をなす酸素含有ガス流路１７ａを形成し、一方、アノード１３に接触する側の集電体１５は、アノード１３の表面とで水素含有ガスである水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素含有ガス流路１７ｂを形成する。
【００１７】
以上説明した電解質膜１１、カソード１２、アノード１３および集電体１５が燃料電池１０の単一セルの構成であり、実際には、集電体１５、カソード１２、電解質膜１１、アノード１３、集電体１５をこの順に複数組、積層して、その外側に集電極（図示せず）を配置することにより、燃料電池１０は構成されている。
【００１８】
こうして構成された燃料電池１０は、次式（１）および（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００１９】
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                   …（２）
【００２０】
図１に移り、こうした構成の燃料電池１０を搭載する車両の燃料電池制御システム１について、次に説明する。この車両の燃料電池制御システム１は、自動車に搭載されており、燃料電池１０と、メタノールタンク２０に貯留されたメタノールと水タンク２２に貯留された水とから水素含有ガス（燃料ガス）を製造する改質器２４と、改質器２４と燃料電池１０の水素含有ガス流路１７ｂとの間を結び、水素含有ガスを燃料電池１０のアノード１３極側に送る燃料ガス供給通路２６と、燃料電池１０の水素含有ガス流路１７ｂから排出されたガスを外部に送るガス排出通路２８と、燃料ガス供給通路２６に接続され、燃料ガス供給通路２６を流れる燃料ガス中に空気を導入する空気供給通路３０とを備える。さらに、この車両の燃料電池制御システム１は、電気的な制御系４０を備える。
【００２１】
空気供給通路３０には、エアポンプ３２が設けられており、このエアポンプ３２により空気が燃料ガス供給通路２６内に圧送される。なお、エアポンプ３２は、外部からの制御信号を受けて動作（オン状態）・停止（オフ状態）する。また、ガス排出通路２８には、電磁式の開閉バルブ（以下、電磁バルブと呼ぶ）３６が設けられ、この電磁バルブ３６により大気側へのガスの排出が制御される。
【００２２】
制御系４０は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット４２を備えており、この電子制御ユニット４２には、車載用のバッテリ４４に接続されるイグニッションスイッチ４６と、前述したエアポンプ３２および電磁バルブ３６とが接続される。イグニッションスイッチ４６は、運転席前部に設けられた、車両の運転・停止を制御するためのスイッチであり、この実施例では、ＯＦＦ，ＯＮ，ＳＴＡＲＴの３段の切替位置を有している。
【００２３】
電子制御ユニット４２は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ４２ａ、ＣＰＵ４２ａで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ４２ｂ、同じくＣＰＵ４２ａで各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ４２ｃ、イグニッションスイッチ４６からの電気信号を入力する入力処理回路４２ｄ、ＣＰＵ４２ａでの演算結果に応じてエアポンプ３２および電磁バルブ３６を制御する出力処理回路４２ｅ等を備える。
【００２４】
こうした構成の電子制御ユニット４２のＣＰＵ４２ａによって、エアポンプ３２および電磁バルブ３６を制御することにより、燃料ガス供給通路２６への空気の導入が図られる。この空気導入制御処理について、図３のフローチャートに沿って詳しく次に説明する。この空気導入制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。
【００２５】
図３に示すように、ＣＰＵ４２ａは、処理が開始されると、まず、イグニッションスイッチ４６がオン状態（ＯＮの切替位置）からオフ状態（ＯＦＦの切替位置）に切り替えられたときか否かを判別する（ステップＳ１００）。ここで、その切換時であると判別されると、以下の処理を行なう。
【００２６】
ＣＰＵ４２ａは、まず、電子制御ユニット４２に内蔵されるタイマ（図示せず）をスタートさせる処理を行なう（ステップＳ１１０）。このタイマは、電子制御ユニット４２の内部にあって経過時間に応じたクロック信号を供給する自動刻時装置である。
【００２７】
続いて、そのタイマで計測された、イグニッションスイッチ４６のオフ切換時からの経過時間ｔが予め定められた所定時間ｔ０に達したか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ１２０）。なお、所定時間ｔ０は、数十秒である。ここで、経過時間ｔが所定時間ｔ０に達していないと判別されると、エアポンプ３２をオン状態に切り換える（ステップＳ１３０）とともに、電磁バルブ３６を開状態に切り換える処理を行なう（ステップＳ１４０）。その後、ステップＳ１２０に戻って、ステップＳ１２０ないしステップＳ１４０を繰り返し実行する。なお、ここでは、ステップＳ１３０およびＳ１４０の処理を繰り返し実行するように構成していたが、既に、エアポンプ３２がオン状態、電磁バルブ３６が開状態にあるときには、ステップＳ１３０およびＳ１４０の処理は改めて行なわず省略した構成としてもよい。
【００２８】
その後、ＣＰＵ４２ａは、ステップＳ１２０で経過時間ｔが所定時間ｔ０に達したと判別されると、エアポンプ３２をオフ状態に切り換える（ステップＳ１５０）とともに、電磁バルブ３６を閉状態に切り換える処理を行ない（ステップＳ１６０）、さらに、ステップＳ１１０でスタートさせたタイマをリセットする処理を行なう（ステップＳ１７０）。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００２９】
一方、ステップＳ１００で、イグニッションスイッチ４６がオン状態からオフ状態への切換時でないと判別されたときには、そのまま「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００３０】
以上のように構成された、この第１実施例の車両の燃料電池制御システム１によれば、イグニッションスイッチ４６がオン状態からオフ状態へ切り換えられたときから、所定の期間、燃料ガス供給通路２６に空気が導入される。燃料ガス供給通路２６を流れる燃料ガスは改質器２４から燃料電池１０のアノード１３に供給されるもので、この燃料ガス中に空気が導入されると、アノード１３に付着した一酸化炭素はその空気により酸化されて二酸化炭素に変化して、アノード表面から剥離される。従って、アノード１３の触媒被毒が解消される。また、燃料ガス中への空気の導入時期は、車両の運転状態に悪影響を与えないように、車両の停止時とすることがよいが、この車両の燃料電池制御システム１では、その車両の停止時期が、従来から車両に備えられたイグニッションスイッチ４６を用いて検知する構成となっていることから、上記触媒被毒の防止を図りつつも、部品点数の増加を抑えることができる。
【００３１】
本発明の第２実施例について、次に説明する。この第２実施例は、第１実施例の燃料電池１０とほぼ同じ構成の車両の燃料電池制御システムに関するもので、第１実施例と比較して、酸素含有ガス導入手段の構成が相違する。以下、この相違点を中心に第２実施例の車両の燃料電池制御システム２０１について詳述する。
【００３２】
図４は、第２実施例としての車両の燃料電池制御システム２０１の概略構成図である。図４に示すように、この車両の燃料電池制御システム２０１は、第１実施例と同じ燃料電池１０、改質器２４、燃料ガス供給通路２６、ガス排出通路２８、バッテリ４４およびイグニッションスイッチ４６を備える（第１実施例と同じ部分には同一の番号を付けた）。さらに、車両の燃料電池制御システム２０１は、燃料ガス供給通路２６に接続され、燃料ガス供給通路２６を流れる燃料ガスに空気を導入する空気供給通路２３０を備え、また、電気的な制御系２４０を備える。
【００３３】
空気供給通路２３０には、アキュムレータ２３２が設けられており、そのアキュムレータ２３２の脇には、改質器２４の廃熱により加熱されるヒータ２３３が設けられている。また、アキュムレータ２３２の両端には、第２の電磁バルブ２３４および第３の電磁バルブ２３５が設けられている。なお、第２の電磁バルブ２３４は空気供給通路２３０のアキュムレータ２３２より上流側に、第３の電磁バルブ２３５はそれよりも下流側にそれぞれ設けられている（ガス排出通路２８に設けられた電磁バルブ３６は、以下、第１の電磁バルブ３６と呼ぶ）。
【００３４】
第２および第３の電磁バルブ２３４，２３５の開閉を制御して、アキュムレータ２３２に一旦空気を蓄積し、ヒータ２３３によりその蓄積された空気を加熱し、その後、第３の電磁バルブ２３５を開状態にして、空気を燃料ガス供給通路２６に導入する。このアキュムレータ２３２に空気を蓄積する処理（空気蓄積制御処理）と、燃料ガス供給通路２６へ空気を導入する処理（空気導入制御処理）とは、制御系２４０の電子制御ユニット２４２の制御を受けて実行される。両制御処理について図５および図６のフローチャートに沿って、次に詳述する。
【００３５】
空気蓄積制御処理について先に説明する。この空気蓄積制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。図５に示すように、ＣＰＵ２４２ａは、処理が開始されると、まず、イグニッションスイッチ４６がオフ状態からオン状態に切り替えられたときか否かを判別する（ステップＳ３００）。ここで、その切換時であると判別されると、以下の処理を行なう。
【００３６】
ＣＰＵ２４２ａは、まず、第３電磁バルブ２３５を閉状態に切り換えて、アキュムレータ２３２の下流側を閉塞させ（ステップＳ３１０）、次いで、電子制御ユニット２４２に内蔵されるタイマ（図示せず）をスタートさせる（ステップＳ３２０）。
【００３７】
続いて、そのタイマで計測された、イグニッションスイッチ４６のオン切換時からの経過時間ｔが予め定められた所定時間ｔ１に達したか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ３３０）。なお、この所定時間ｔ１は、アキュムレータ２３２の容量等により定まる時間で、ここでは数十秒とした。ステップＳ３３０で、経過時間ｔが所定時間ｔ１に達していないと判別された場合には、第２電磁バルブ２３４を開状態に切り換えて、アキュムレータ２３２の上流側を開ける処理を行なう（ステップＳ３４０）。その後、ステップＳ３３０に戻って、ステップＳ３３０およびステップＳ３４０を繰り返し実行する。
【００３８】
一方、ステップＳ３３０で経過時間ｔが所定時間ｔ１に達したと判別されると、第２電磁バルブ２３４を閉状態に切り換える（ステップＳ３５０）。この結果、所定時間ｔ１にわたってアキュムレータ２３２に空気の蓄積がなされることになる。次いで、ステップＳ３２０でスタートさせたタイマをリセットする処理を行なう（ステップＳ３６０）。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００３９】
一方、ステップＳ３００で、イグニッションスイッチ４６がオフ状態からオン状態への切換時でないと判別されたときには、そのまま「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００４０】
空気導入制御処理について次に説明する。この空気導入制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。図６に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ２４２ａは、まず、イグニッションスイッチ４６がオン状態からオフ状態に切り替えられたときか否かを判別し（ステップＳ４００）、その切換時であると判別されると、以下の処理を行なう。
【００４１】
ＣＰＵ２４２ａは、まず、第３電磁バルブ２３５を開状態に制御して（ステップＳ４１０）、アキュムレータ２３２に蓄積された空気を燃料ガス供給通路２６中に導入する。次いで、電子制御ユニット２４２に内蔵されたタイマをスタートさせて（ステップＳ４２０）、そのタイマで計測された経過時間ｔが予め定められた所定時間ｔ０に達したか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ４３０）。なお、この所定時間ｔ０は、第１実施例と同じ時間とした。
【００４２】
ステップＳ４３０で、経過時間ｔが所定時間ｔ０に達していないと判別されると、第１電磁バルブ３６を開状態に切り換えて（ステップＳ４４０）、その後、ステップＳ４３０に戻って、ステップＳ４３０およびステップＳ４４０を繰り返し実行する。
【００４３】
その後、ＣＰＵ２４２ａは、ステップＳ４３０で経過時間ｔが所定時間ｔ０に達したと判別されると、第１電磁バルブ３６を閉状態に切り換える処理を行ない（ステップＳ４５０）、さらに、ステップＳ４２０でスタートさせたタイマをリセットする処理を行なう（ステップＳ４６０）。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００４４】
一方、ステップＳ４００で、イグニッションスイッチ４６がオン状態からオフ状態への切換時でないと判別されたときには、そのまま「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００４５】
以上のように構成された、この第２実施例の車両の燃料電池制御システム２０１によれば、イグニッションスイッチ４６がオフ状態からオン状態へ切り換えられたときに、所定時間ｔ１だけアキュムレータ２３２に空気を蓄積し、その後、イグニッションスイッチ４６がオン状態からオフ状態へ切り換えられたときに、所定時間ｔ０だけ、燃料電池１０へ供給される燃料ガス中に空気を導入する。この結果、第１実施例と同様に、アノード１３の触媒被毒を解消することができる。また、燃料ガス中への空気の導入時期を、従来から車両に備えられたイグニッションスイッチ４６を用いて検知された車両の停止時を基に定めていることから、第１実施例と同様に、上記触媒被毒の防止を図りつつも部品点数の増加を抑えることができる。
【００４６】
さらに、この第２実施例の車両の燃料電池制御システム２０１によれば、燃料ガス中への空気の導入をポンプ等の動力を使わずに、アキュムレータ２３２に蓄積した空気を開放することで行なっていることから、省エネルギ化を図ることができる。
【００４７】
なお、この第２実施例におけるアキュムレータ２３２の容量を調節することで、燃料ガス中へ導入したい空気量を変更して、触媒被毒の防止の程度を管理することができる。
【００４９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の車両の燃料電池制御装置によれば、燃料ガス中に酸素含有ガスを導入して電極被毒を解消することを車両搭載のシステムにおいて実現することができる。しかも、その酸素含有ガスの導入に適した車両の停止時期を従来から車両に備えられた運転スイッチを用いて定めていることから、部品点数の増加を抑えることができると言った優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての車両の燃料電池制御システム１の概略構成図である。
【図２】燃料電池１０の単一セルを示す構造図である。
【図３】電子制御ユニット４２のＣＰＵ４２ａによって実行される空気導入制御処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施例としての車両の燃料電池制御システム２０１の概略構成図である。
【図５】電子制御ユニット２４２のＣＰＵ２４２ａによって実行される空気蓄積制御処理を示すフローチャートである。
【図６】同じくＣＰＵ２４２ａによって実行される空気導入制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…車両の燃料電池制御システム
１０…燃料電池
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１５…集電体
１７ａ…酸素含有ガス流路
１７ｂ…水素含有ガス流路
２０…メタノールタンク
２２…水タンク
２４…改質器
２６…燃料ガス供給通路
２８…ガス排出通路
３０…空気供給通路
３２…エアポンプ
３６…電磁バルブ（第１電磁バルブ）
４０…制御系
４２…電子制御ユニット
４２ａ…ＣＰＵ
４４…バッテリ
４６…イグニッションスイッチ
２０１…車両の燃料電池制御システム
２３０…空気供給通路
２３２…アキュムレータ
２３３…ヒータ
２３４…第２電磁バルブ
２３５…第３電磁バルブ
２４０…制御系
２４２…電子制御ユニット
２４２ａ…ＣＰＵ
【図１】
0003721596.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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