(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池を冷却する冷却媒体を該燃料電池に循環供給する冷却媒体供給装置と、
を備える車両用燃料電池システムの始動方法であって、
前記燃料電池の起動信号が入力されたか否かを判断する工程と、
前記起動信号が入力されたと判断された際、前記冷却媒体供給装置を構成する冷却媒体循環用ポンプを作動させ、前記冷却媒体を不純物除去機構に供給して該冷却媒体の導電率を低下させる工程と、
前記燃料電池の停止からの経過時間又は前記冷却媒体の絶縁抵抗値に基づいて、該冷却媒体の導電率が規定値以下に低下されたか否かを判断する工程と、
前記冷却媒体の導電率が前記規定値以下であると判断された際、前記酸化剤ガス供給装置及び前記燃料ガス供給装置を駆動して前記燃料電池の起動を開始する工程と、
を有し、
前記燃料電池の起動信号が入力されてから前記燃料電池の起動を開始するまでの間、前記酸化剤ガス供給装置及び前記燃料ガス供給装置を駆動することなく、前記冷却媒体循環用ポンプを作動させながら、前記冷却媒体の導電率が前記規定値以下に低下するまで、バッテリにより走行を行うことを特徴とする車両用燃料電池システムの始動方法。                                                                        
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池を備える車両用燃料電池システムの始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成しており、例えば、車載用燃料電池システムに組み込まれている。
【０００３】
燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、互いに隣接するセパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路が形成されている。
【０００４】
冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置では、前記冷却媒体を循環させるポンプ、及び該冷却媒体の温度を外気により低下させるラジエータを備えるとともに、イオン除去装置（不純物除去装置）を備えている。イオン除去装置は、ラジエータ、燃料電池スタック、通路形成用壁部及びポンプ等から冷却媒体に溶出した金属等の導電性イオンを除去する機能を有している。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池システムでは、運転停止時にポンプが停止されるため、冷却媒体は、イオン除去装置に送られない。従って、燃料電池システムの運転停止期間中、冷却媒体中に導電性イオンが溶出し、前記冷却媒体中の導電性イオン濃度が増加してしまう。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の冷却システムでは、冷却液によって冷却される燃料電池と、前記冷却液の温度を低下させる熱交換器と、前記燃料電池と前記熱交換器の相互間を前記冷却液が循環し得るように接続する冷却液通路と、前記冷却液通路の前記冷却液中の不純物を除去する除去装置と、前記冷却液通路の冷却液を前記燃料電池及び前記除去装置に循環させるポンプと、前記燃料電池の運転停止を継続している状態において前記冷却液通路内の冷却液を前記除去装置に流通させる流通手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０６６３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の運転停止継続中に、間欠的にポンプが駆動されるため、燃料電池車両が停止した状態で、不意に前記ポンプの駆動音が発生してしまう。これにより、ユーザにとって不快な状態が発生するとともに、ポンプに電力を供給する蓄電池のエネルギが減少する。従って、停止期間が長くなれば、複数回のポンプ駆動をすることになるため、始動のための蓄電池のエネルギが不足し、次回の燃料電池の起動ができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、冷却媒体の絶縁抵抗の低下を確実に抑制するとともに、燃料電池車両の停止中に不快な駆動音が発生することがなく、良好な始動を行うことが可能な車両用燃料電池システムの始動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体を該燃料電池に循環供給する冷却媒体供給装置とを備える車両用燃料電池システムの始動方法に関するものである。
【００１１】
この始動方法は、燃料電池の起動信号が入力されたか否かを判断する工程と、前記起動信号が入力されたと判断された際、冷却媒体供給装置を構成する冷却媒体循環用ポンプを作動させ、冷却媒体を不純物除去機構に供給して前記冷却媒体の導電率を低下させる工程と、前記燃料電池の停止からの経過時間又は前記冷却媒体の絶縁抵抗値に基づいて、該冷却媒体の導電率が規定値以下に低下されたか否かを判断する工程と、前記冷却媒体の導電率が前記規定値以下であると判断された際、酸化剤ガス供給装置及び燃料ガス供給装置を駆動して前記燃料電池の起動を開始する工程とを有し、前記燃料電池の起動信号が入力されてから前記燃料電池の起動を開始するまでの間、前記酸化剤ガス供給装置及び前記燃料ガス供給装置を駆動することなく、前記冷却媒体循環用ポンプを作動させながら、前記冷却媒体の導電率が前記規定値以下に低下するまで、バッテリにより走行を行っている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、燃料電池の起動時において、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を開始する前に、冷却媒体循環用ポンプを作動させて冷却媒体中の導電成分を除去することにより、前記冷却媒体の導電率を低下させている。
【００１４】
このため、簡単な工程で、冷却媒体の絶縁抵抗の低下を確実に抑制するとともに、燃料電池車両の停止中に不快な駆動音が発生することを阻止することが可能になる。しかも、燃料電池車両の起動時にのみ冷却媒体循環用ポンプが作動されるため、エネルギを無駄に消費させることがなく、経済的である。これにより、燃料電池システムを良好に始動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に関連する始動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記始動方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】停止からの経過時間と冷媒ポンプの作動時間との関係説明図である。
【図５】本発明に関連する始動方法を説明するフローチャートである。
【図６】前記始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図８】本発明に関連する始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る始動方法が適用される別の燃料電池システムの概略構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る始動方法が適用される車両用燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。
【００１７】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、蓄電装置、例えば、リチウムイオン等のバッテリ２０と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２２とを備える。
【００１８】
燃料電池スタック１２及びバッテリ２０は、走行用モータ２４を含む負荷に電力を供給するとともに、前記バッテリ２０は、回生電力を貯蔵することができる。なお、蓄電装置としては、バッテリ２０の他、キャパシタ等を採用してもよい。
【００１９】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を水平方向又は重力方向に積層して構成される。各燃料電池３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２をカソード電極３４とアノード電極３６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３８を備える。
【００２０】
カソード電極３４及びアノード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。
【００２１】
電解質膜・電極構造体３８は、カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２で挟持される。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２２】
カソード側セパレータ４０と電解質膜・電極構造体３８との間には、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、アノード側セパレータ４２と前記電解質膜・電極構造体３８との間には、燃料ガス流路４６が設けられる。互いに隣接するカソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２との間には、冷却媒体流路４８が設けられる。
【００２３】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池３０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔５４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔５２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。
【００２４】
酸化剤ガス供給装置１４は、例えば、コンプレッサ（図示せず）を介して大気からの空気を圧縮して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに供給する。燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（図示せず）を備え、この水素タンクから燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに水素ガスを供給する。
【００２５】
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路５６を備える。
【００２６】
冷却媒体循環路５６には、ラジエータ５８及び冷媒ポンプ（冷却媒体循環用ポンプ）６０が接続されるとともに、前記ラジエータ５８を迂回するバイパス路６２が設けられる。バイパス路６２には、冷却媒体中の導電成分を除去するための不純物除去機構（例えば、イオン交換樹脂）６４が配設される。なお、ラジエータ５８は、燃料電池車両に接地されている。
【００２７】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００２８】
先ず、図示しないイグニッションスイッチがＯＮされると、コントローラ２２は、燃料電池スタック１２の起動信号が入力されたと判断する（ステップＳ１中、ＹＥＳ）。そして、ステップＳ２に進んで、バッテリ２０からの電力により冷却媒体供給装置１８を構成する冷媒ポンプ６０が作動される。
【００２９】
このため、冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体循環路５６を強制的に循環するとともに、一部がバイパス路６２に沿って流通し、不純物除去機構６４に供給される。不純物除去機構６４では、冷却媒体中の導電成分が除去されるため、前記冷却媒体中の金属イオンを含む導電成分の濃度（導電率）が低下する。
【００３０】
コントローラ２２は、例えば、図４に示すように、燃料電池スタック１２の停止からの経過時間に対する導電成分除去時間（設定時間）Ｔが設定されている。この導電成分除去時間Ｔは、冷却媒体の導電率が所望の値（規定値）まで低下するのに要する冷媒ポンプ６０の作動時間であり、停止時間が長くなる程、前記導電成分除去時間Ｔが長く設定される。
【００３１】
導電成分除去時間Ｔが経過したと判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、燃料電池スタック１２が起動される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１４が駆動され、酸化剤ガスである空気が燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに供給される。一方、燃料ガス供給装置１６が駆動され、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに燃料ガスである水素ガスが供給される。
【００３２】
図１に示すように、空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池３０に設けられている酸化剤ガス流路４４に沿って移動することにより、カソード電極３４に供給される。一方、水素ガスは、燃料電池スタック１２の各燃料電池３０に設けられている燃料ガス流路４６に沿って移動することにより、アノード電極３６に供給される。
【００３３】
従って、カソード電極３４に供給される空気とアノード電極３６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われ、燃料電池車両が始動される。この発電により得られる電力は、走行用モータ２４を含む負荷に電力を供給され、燃料電池車両が走行可能になる。
【００３４】
また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ６０の作用下に、冷却媒体循環路５６から冷却媒体入口連通孔５４ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路４８に沿って移動することにより、燃料電池３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔５４ｂから冷却媒体循環路５６に排出される。
【００３５】
この場合、燃料電池スタック１２の起動時において、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を開始する前に、冷媒ポンプ６０を作動させている。このため、冷却媒体は、不純物除去機構６４に強制的に送られ、前記冷却媒体中の導電成分が除去されることにより、前記冷却媒体の導電率が低下されている。図３に示すように、冷却媒体の導電率は、徐々に低下して所定値以下になる。
【００３６】
これにより、簡単な工程で、冷却媒体の絶縁抵抗の低下を確実に抑制するとともに、燃料電池車両の停止中に不快な駆動音が発生することを阻止することが可能になる。しかも、燃料電池車両の始動時にのみ冷媒ポンプ６０が作動されるため、エネルギを無駄に消費させることがなく、経済的であるという効果が得られる。従って、燃料電池システム１０を良好に始動させることができる。
【００３７】
次いで、燃料電池システム１０による他の始動方法について、図５に示すフローチャート及び図６に示すタイミングチャートに沿って説明する。なお、上述した工程と同一の工程は、その詳細な説明を省略する。以下に説明する本実施形態においても、同様である。
【００３８】
コントローラ２２は、燃料電池スタック１２の起動信号が入力された際（ステップＳ１０１）、冷媒ポンプ６０を作動させて冷却媒体を不純物除去機構６４に供給する（ステップＳ１０２）。そして、コントローラ２２は、燃料電池出力とグラウンドとの間の抵抗値を計測する地絡検出センサ（図示せず）から得られる絶縁抵抗値に基づいて、冷却媒体の導電率が所望の値（規定値）まで低下したか否かを判断する（ステップＳ１０３）。
【００３９】
コントローラ２２は、冷却媒体の導電率が所望の値（燃料電池スタック１２を運転する際、安全上の問題がない値）まで低下したと、すなわち、絶縁抵抗値が規定値まで上昇したと判断すると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進んで、燃料電池スタック１２の発電（起動）を開始する。
【００４０】
従って、簡単な工程で、冷却媒体の絶縁抵抗の低下を確実に抑制するとともに、燃料電池車両の停止中に不快な駆動音が発生することを阻止することが可能になる等、の効果が得られる。
【００４１】
図７は、燃料電池システム１０による本発明の実施形態に係る始動方法を説明するタイミングチャートである。
【００４２】
本実施形態では、燃料電池スタック１２の起動信号が入力されてから燃料電池スタック１２が起動されるまでの間、燃料電池車両は、バッテリ２０からの電力で走行することができる。
【００４３】
このため、冷媒ポンプ６０を作動させて冷却媒体中の導電成分を除去している間でも、燃料電池車両による走行が可能になる。これにより、イグニッションスイッチがＯＮされてから実際に走行できるまでの待機時間を、可及的に短尺化することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
図８は、燃料電池システム１０による本発明に関連する始動方法を説明するタイミングチャートである。
【００４５】
この始動方法では、外部無線操作手段、例えば、キーレスエントリーやスマートエントリー等からの無線信号がコントローラ２２に入力された際、冷媒ポンプ６０の作動を開始する。このため、実際にイグニッションスイッチがＯＮされてから、燃料電池車両が発電走行可能になるまでの待機時間を、良好に短縮させることができるという効果が得られる。
【００４６】
図９は、本発明の実施形態に係る始動方法が適用される別の車両用燃料電池システム８０の概略構成説明図である。なお、燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
燃料電池システム８０は、冷却媒体供給装置８２を備えるとともに、前記冷却媒体供給装置８２は、冷却媒体循環路５６を設ける。冷却媒体循環路５６には、流量調節機能を有する、例えば、ロータリ型電磁三方弁８４が配設され、前記電磁三方弁８４の２つの出口側には、冷却媒体循環路５６と分岐路８６とが接続される。分岐路８６は、ラジエータ５８の上流側で冷却媒体循環路５６に合流するとともに、不純物除去機構６４を配置する。
【００４８】
このように構成される燃料電池システム８０では、通常走行時に分岐路８６側への冷却媒体の流量を減少させている。このため、不純物除去機構６４による冷却媒体の圧力損失を抑制し、冷媒ポンプ６０の負荷を低減することができ、効率の向上が図られる。
【００４９】
一方、起動時には、分岐路８６への冷却媒体の流量を増加させている。従って、冷却媒体の導電率を迅速に低減させることが可能になり、燃料電池システム８０の始動が短時間で有効に遂行されるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５０】
１０、８０…燃料電池システム        １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８、８２…冷却媒体供給装置        ２０…バッテリ
２２…コントローラ                  ２４…走行用モータ
３０…燃料電池                      ３２…固体高分子電解質膜
３４…カソード電極                  ３６…アノード電極
３８…電解質膜・電極構造体          ４０…カソード側セパレータ
４２…アノード側セパレータ          ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路                  ４８…冷却媒体流路
５６…冷却媒体循環路                ５８…ラジエータ
６０…冷媒ポンプ                    ６２…バイパス路
６４…不純物除去機構                ８４…電磁三方弁
８６…分岐路
【図１】
0006001830.tif 000002
【図２】
0006001830.tif 000003
【図３】
0006001830.tif 000004
【図４】
0006001830.tif 000005
【図５】
0006001830.tif 000006
【図６】
0006001830.tif 000007
【図７】
0006001830.tif 000008
【図８】
0006001830.tif 000009
【図９】
0006001830.tif 000010