(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池が低温環境下に晒されたときであっても、発電を安定化させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの反応により発電を行う燃料電池１と、前記反応ガスの流通する反応ガス流路の少なくともいずれか一方を掃気する掃気手段５と、前記燃料電池１の温度を検知する温度検知手段１３と、前記燃料電池１の温度が所定値以下のときに前記燃料電池を低温と判断する低温判断手段１２と、前記燃料電池の発電停止信号が入力された以後に、前記低温判断手段により燃料電池の温度が低温になったと判断された場合に、前記燃料電池の掃気を行う掃気制御手段１０，１７，１８と、を備えた。【選択図】図１
2006185862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記反応ガスの流通する反応ガス流路の少なくともいずれか一方を掃気する掃気手段と、
前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
前記燃料電池の温度が所定値以下のときに前記燃料電池を低温と判断する低温判断手段と、
前記燃料電池の発電停止信号が入力された以後に、前記低温判断手段により燃料電池の温度が低温になったと判断された場合に、前記燃料電池の掃気を行う掃気制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記掃気制御手段は、前記燃料電池の発電停止信号が入力された所定時間後に掃気を行う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】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の発電停止信号が入力された以後に、前記燃料電池の温度が所定値以下になったと判断された場合に、前記燃料電池の掃気を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温始動に対応可能な燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素を、カソードに空気（酸素）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。燃料電池の運転中において、生成水は主にカソードにて生成されるものの、カソードとアノードとの間に介装した電解質膜を介して、カソード中の水分がアノードに移動する場合がある。
【０００３】
燃料電池の発電を停止する際には燃料電池のガス流路内には前述した生成水や加湿水が残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温時に残留水が凍結してしまい反応ガス（水素、空気）の供給排出の妨げとなるため、低温始動性が低下してしまう。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、燃料電池の発電停止時において、アノードやカソードの一方または両方の掃気処理（パージ処理）を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０３６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池の発電を停止してから再度始動されるまでに、氷点下またはそれに近い低温環境下に晒されると、燃料電池システムに滞留する水蒸気が凝結してしまい、この状態で燃料電池の発電を行うと、発電効率が低下して、発電が不安定になるという問題がある。
また、燃料電池の発電を停止したときに一々掃気処理を行うと、燃料電池システムが停止した状態になっても、燃料電池のシステムが掃気処理のために稼働され続けるので、燃料電池システムが車両である場合には搭乗者に、燃料電池システムが定置型のシステムである場合には作業者に、違和感を与える虞があり、商品性の点で問題がある。
【０００６】
従って、本発明は、燃料電池が低温環境下に晒されたときであっても、発電を安定化させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。加えて、搭乗者や作業者に違和感を与えることを防止して商品性を向上することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記反応ガスの流通する反応ガス流路（例えば、実施の形態における水素排出流路７、エア排出流路８）の少なくともいずれか一方を掃気する掃気手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５、開閉弁１０、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８）と、前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段（例えば、実施の形態における温度センサ１３）と、前記燃料電池の温度が所定値以下のときに前記燃料電池を低温と判断する低温判断手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２）と、前記燃料電池の発電停止信号が入力された以後に、前記低温判断手段により燃料電池の温度が低温になったと判断された場合に、前記燃料電池の掃気を行う掃気制御手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５、開閉弁１０、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８）と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記低温判断手段により燃料電池の温度が前記低温になったと判断された場合に、前記掃気制御手段により掃気を行うことで、発電の安定化を図ることができる。すなわち、燃料電池の温度が低下すると、燃料電池システム内に滞留する水蒸気が凝結するため、この状態で燃料電池の発電を行うと発電効率が低下してしまう。従って、前記掃気制御手段により凝結した水を掃気することで、発電を安定化させて発電効率を向上させることができる。ここで、燃料電池を低温と判断する所定値としては、氷点下の温度より上であって、かつ、その近傍の温度であることが好ましい（例えば０〜５度の範囲）。このように所定値を設定すれば、残留水の凍結を防止しつつ燃料電池システム内に滞留する水蒸気の大部分を凝結した状態で掃気処理を行えるので、掃気効率を高めることができる。また、前記低温判断手段は所定時間（例えば、実施の形態における第１所定時間）毎に間欠的に起動されるように制御することで、消費電力を低減することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記掃気制御手段は、前記燃料電池の発電停止信号が入力された所定時間（例えば、実施の形態における第２所定時間）後に掃気を行うことを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池の発電停止後に直ちに掃気処理を行う事態を避けることができるので、搭乗者や作業者に違和感を与えることを防止できる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の発電停止信号が入力された以後に、前記燃料電池の温度が所定値以下になったと判断された場合に、前記燃料電池の掃気を行うことを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池の温度が所定値以下になったと判断された場合に、燃料電池の掃気を行うことで、燃料電池の温度低下により凝結した水を掃気することができるので、発電を安定化させて発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池が低温環境下に晒されたときであっても、発電を安定化させて発電効率を向上させることができる。
請求項２に係る発明によれば、搭乗者や作業者に違和感を与えることを防止できる。
請求項３に係る発明によれば、発電を安定化させて発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。
【００１３】
このように構成された燃料電池１のアノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給する。これにより、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード側で生じた生成水の一部は電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１４】
水素タンク等の水素供給源２から供給される水素は、遮断弁４を介して水素供給流路３を通って燃料電池１のアノードに供給される。
一方、空気はエアコンプレッサ５によりエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソードに供給される。
また、水素供給流路３とエア供給流路６とは、合流流路９を介して接続されている。合流流路９には開閉弁１０が設けられ、開閉弁１０を開閉制御することにより、互いの流路３、６にそれぞれ流通する反応ガス（水素、エア）の合流を許容または防止することができる。
【００１５】
燃料電池１に供給された水素、エアは、発電に供された後、燃料電池１からアノード側の生成水等の残留水と共に水素排出流路７、エア排出流路８にそれぞれオフガスとして排出される。
【００１６】
水素排出流路７、エア排出流路８には、水素パージ弁１７、エアパージ弁１８がそれぞれ設けられている。パージ弁１７、１８が開かれると、反応済のオフガスである水素やエア、残留水が水素排出流路７、エア排出流路８から排出させる。なお、水素排出流路７から排出された水素は、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。
【００１７】
燃料電池システムには、各種機器の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１２が設けられている。
ＥＣＵ１２には、イグニッションスイッチ１５やタイマー１６が接続され、これらからイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号や計測時刻の信号が入力される。
また、燃料電池１には、温度センサ１３が接続されている。そして、この温度センサ１３で検出された温度ＴがＥＣＵ１２に入力される。
そして、制御部１２は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、エアコンプレッサ５、遮断弁４、開閉弁１０、パージ弁１７，１８を駆動させる信号を出力する。
【００１８】
上述のように構成された燃料電池システムの作用について図２〜図５を用いて説明する。図２は図１に示す燃料電池の掃気制御処理を示すメインフローチャートである。図３は図２に示す掃気フローの処理内容を示すサブフローチャートである。図４は図３に示すアノード掃気（低温アノード掃気、Ｉ−Ｖアノード掃気）の処理内容を示すサブフローチャートである。図５はＥＣＵ、燃料電池温度、発電の有無、アノード掃気の有無、低温経験の有無、についての時間変化を示すグラフ図である。
【００１９】
まず、図２に示すように、イグニッションスイッチ１５がＯＦＦに設定されたことをＥＣＵ１２で検知すると、ステップＳ２で、燃料電池１の発電が停止される。すなわち、水素供給流路３の遮断弁４が閉じられて、燃料電池１への反応ガスの供給が停止される。そして、ステップＳ３でカソード掃気が開始される。この処理は、エアコンプレッサ５が駆動されるとともに、エアパージ弁１８が開弁されることで、燃料電池１のカソード系（燃料電池１のカソードやエア供給流路６、エア排出流路８）の掃気が行われる。このようにシステム停止後にカソード掃気を行うのは、燃料電池１の発電反応の性質上、生成水が主にカソードで生成されるからである。ついで、ステップＳ１０で、掃気フローの処理を行う。これについて、図３を用いて説明する。
【００２０】
まず、ステップＳ１２で、「低温経験有り」のフラグが設定されているか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２８に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１４に進む。なお、燃料電池１の初期状態（すなわち、「低温経験有り」のフラグが後述するステップＳ２２でセットされる前）においては、「低温経験無し」のフラグが設定されているので、この場合にはステップＳ１４に進むことになる。
【００２１】
ステップＳ１４では、所定時間（後述するステップＳ３０の所定時間と区別するために、便宜上「第１所定時間」と称す）が経過したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１４に戻る。すなわち、第１所定時間が経過するまでステップＳ１４の処理を繰り返す。
【００２２】
・
ステップＳ１６では、温度センサ１３を起動して、燃料電池１の温度を測定する。なお、本実施の形態では、燃料電池１に温度センサ１３を直接接続しているが、燃料電池１に温度センサ１３を内蔵してもよい。また、反応ガス流路（水素排出流路７、エア排出流路８等）に温度センサ１３を接続してもよく、さらに、燃料電池１を冷却する冷却媒体流路に温度センサ１３を接続してもよい。
【００２３】
ステップＳ１８では、燃料電池システムの温度が低下したか否かを判定する。この判定は、温度センサ１３で検出した温度が所定値（例えば５度）よりも低下したか否かにより行う。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２６に進む。
【００２４】
ステップＳ２０では、燃料電池システムの温度低下によるアノード掃気処理（「低温アノード掃気」と称す）を行う。このアノード掃気処理の詳細については、図４を用いて後述する。このとき、上述したように、ステップＳ１８の所定値を氷点下よりも若干高い温度に設定することで、残留水の凍結を防止しつつ燃料電池システム内に滞留する水蒸気の大部分を凝結した状態で掃気処理を行える。そして、ステップＳ２２で、「低温経験有り」のフラグを設定する。その後、ステップＳ２４で温度センサ１３を停止して、本フローチャートの処理である掃気フローを終了する。すなわち、図２の処理を終了する。
【００２５】
一方、ステップＳ１８の判定結果がＮＯの場合、すなわち、システム温度が所定値よりも高い場合には、ステップＳ２６に進み、温度センサ１３の作動を停止して、本フローチャートの最初の処理（ステップＳ１０）に戻る。
また、一旦「低温経験有り」のフラグがセットされた後に、図３の掃気フローが開始されると、ステップＳ１２の判定結果がＹＥＳとなり、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、Ｉ−Ｖアノード掃気を実行済みか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ３４に進み、この判定結果がＮＯであればステップＳ３０に進む。ここで、Ｉ−Ｖアノード掃気とは、後述するステップＳ３２で行う発電安定化のために行う掃気処理のことである。従って、燃料電池１の初期状態においては、ステップＳ２８の判定結果はＮＯになりステップＳ３０に進むことになる。
【００２６】
ステップＳ３０では、所定時間（ステップＳ１４の所定時間と区別するために、「第２所定時間」と称す）が経過したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ３２に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ３０に戻る。すなわち、第２所定時間が経過するまでステップＳ３０の処理を繰り返す。なお、上述の第１所定時間は、燃料電池１のシステム温度に応じて設定される時間であり、第２所定時間は作業者または搭乗者が燃料電池システム１から離れたとみなせる時間である。
【００２７】
ステップＳ３２では、燃料電池システムの発電安定化のためのアノード掃気処理（「Ｉ−Ｖアノード掃気処理」と称す）を行う。このＩ−Ｖアノード掃気処理を行うことで、燃料電池１の発電を安定化させて発電効率を向上することができる。すなわち、燃料電池システムが一旦上述の低温環境下に晒されると、燃料電池システム内に残留する水分が凝結してしまい、発電の安定化の障害となり発電効率を低下させてしまうため、Ｉ−Ｖアノード掃気処理を行うことで、凝縮した水を掃気することで発電の安定化や発電効率を向上することができる。このステップＳ３２の処理を行った後は、本フローチャートの最初の処理（ステップＳ１０）に戻る。
【００２８】
このアノード掃気処理について図４を用いて説明する。まず、ステップＳ５２で、エアコンプレッサ５を駆動する。次ぎに、ステップＳ５４で、開閉弁１０を開弁し、エアコンプレッサ５により圧送されるエアを、合流流路９を介して水素供給流路３から燃料電池１のアノードに供給する。このとき、水素パージ弁１７も併せて開弁し、燃料電池１のアノードから排出されたエアを水素排出流路７から排出する。そして、ステップＳ５６で、掃気完了したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳである場合はステップＳ５８に進み、判定結果がＮＯである場合はステップＳ５６の処理に戻る。この掃気完了の判定は、タイマにより行ってもよいし、水素供給流路３と水素排出流路７との差圧により行ってもよい。すなわち、水素供給流路３と水素排出流路７との差圧が一定値以内になったときには、燃料電池１内の流路閉塞の原因となる残留水が排出されていると推定することができる。その後、ステップＳ５８で、開閉弁１０、水素パージ弁１７をそれぞれ閉弁し、ステップＳ６０で、エアコンプレッサ５を停止させることで、アノード掃気処理を終了する。なお、上述したステップＳ２０の低温アノード掃気も同様にして行う。
【００２９】
また、ステップＳ２８の判定結果がＹＥＳのとき、すなわち、Ｉ−Ｖ掃気が実行済みと判定されたときには、ステップＳ３４で、第１所定時間が経過したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ３６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ３４に戻る。
【００３０】
ステップＳ３６では、温度センサ１３を起動して、燃料電池１の温度を測定する。ついで、ステップＳ３８では、ステップＳ１８と同様に、燃料電池システムの温度が低下したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２２に進み上述した処理を行う。また、この判定結果がＮＯであればステップＳ４０に進み、「低温経験無し」のフラグを設定する。このとき、「低温経験有り」のフラグはリセットされる。その後、ステップＳ４２で温度センサ１３を停止して、本フローチャートの処理である掃気フローを終了する。すなわち、図２の処理を終了する。ここで、図２、図３の停止処理中に、ＩＧ−ＯＮとなった場合には、Ｉ−Ｖアノード掃気実行済みのフラグをリセットする。つまり、このフラグがリセットされた後、Ｉ−Ｖアノード掃気が再度実行されるまで、ステップＳ２８の判定結果はＮＯとなる。
【００３１】
これらの制御について、図５を用いて説明する。なお、この図に示す処理内容は一例であり、この内容に限定されるものではない。まず、ＩＧ−ＯＦＦの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ０）、ＥＣＵ１２はステップＳ３に示すカソード掃気処理を行って発電を停止し、ＥＣＵ１２やタイマーを除く各種機器の作動を停止する（時刻ｔ１）。そして、第１所定時間経過後にＥＣＵ１２が立ち上がり、温度センサ１３を作動させる。このとき検出した燃料電池システムの温度が所定値より高ければそのまま温度センサ１３を停止させてＥＣＵ１２も停止する（時刻ｔ２〜ｔ５）。
【００３２】
そして、温度センサ１３により検出した燃料電池システムの温度が所定値以下のときには（時刻ｔ６）、ステップＳ２０の低温アノード掃気が行われ、この掃気処理の終了後に「低温経験有り」フラグがセットされる（時刻ｔ７）。
その後、ＩＧ−ＯＮの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ８）、掃気処理は中断されて、ＥＣＵ１２は各種機器を作動させて発電起動処理を開始する。このときの発電起動は、低温モードで行われる。この、低温モードは、後述する通常モードに比べて、例えば、アノード圧の増圧、カソード作動圧の増圧、カソード流量の増大という点で異なっている。ついで、ＩＧ−ＯＦＦの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ９）、ＥＣＵ１２はステップＳ３に示すカソード掃気処理を行って発電を停止し、ＥＣＵ１２やタイマーを除く各種機器の作動を停止する（時刻ｔ１０）。
【００３３】
そして、第２所定時間経過後（時刻ｔ１１）、ＥＣＵ１２が立ち上がり、ステップＳ３２のＩ−Ｖ復帰アノード掃気が行われる（時刻ｔ１２）。そして、第１所定時間経過後に再度ＥＣＵ１２が立ち上がり、温度センサ１３を起動する（時刻ｔ１３、１４）。このとき、燃料電池システムの温度は所定値以下であるので、「低温経験有り」のフラグはそのまま維持されている。
【００３４】
ＩＧ−ＯＮの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ１５）、掃気処理は中断されて、ＥＣＵ１２は各種機器を作動させて発電処理を開始する。この発電は、低温モードで行われる。その後、ＩＧ−ＯＦＦの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ１６）、ＥＣＵ１２はステップＳ３に示すカソード掃気処理を行って発電を停止し、ＥＣＵ１２やタイマーを除く各種機器の作動を停止する（時刻ｔ１７）。その後、第１所定時間経過前にＩＧ−ＯＮの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ１８）、掃気処理が中断されて発電起動処理が開始される。この発電は、発電起動処理時点でシステム温度が所定温度より高いため、通常モードで行われる。逆に、システム温度が所定温度よりも低い場合には低温モードで行われる。ついで、ＩＧ−ＯＦＦの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ１９）、ＥＣＵ１２はステップＳ３に示すカソード掃気処理を行って発電を停止し、ＥＣＵ１２やタイマーを除く各種機器の作動を停止する（時刻ｔ２０）。
【００３５】
そして、第２所定時間経過後（時刻ｔ２１）、ＥＣＵ１２が立ち上がり、ステップＳ３２のＩ−Ｖ復帰アノード掃気が行われる（時刻ｔ２２）。そして、第１所定時間経過後に再度ＥＣＵ１２が立ち上がり、温度センサ１３を起動する（時刻ｔ２３、２４）。このとき、燃料電池システムの温度は所定値を超えているので、「低温経験無し」のフラグがセットされる。
【００３６】
その後、ＩＧ−ＯＮの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ２５）、掃気処理は中断されて、ＥＣＵ１２は各種機器を作動させて発電処理を開始する。このときの発電は、通常モードで行われる。ついで、ＩＧ−ＯＦＦの信号がＥＣＵ１２に入力されると（時刻ｔ２６）、ＥＣＵ１２はステップＳ３に示すカソード掃気処理を行って発電を停止し、ＥＣＵ１２やタイマーを除く各種機器の作動を停止する（時刻ｔ２７）。そして、第１所定時間経過後にＥＣＵ１２が立ち上がり、温度センサ１３を作動させて、燃料電池システムの温度を検出する（時刻ｔ２８、２９）。
【００３７】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、燃料電池システムは車両であってもよいし、定置型の発電機であってもよい。また、ステップＳ３０に示したように所定時間経過後に掃気処理を行うと、作業者や搭乗者の違和感を無くして商品性を向上できる点で好ましいが、所定時間を設けずに（換言すれば第２所定時間をゼロにして）直ちにステップＳ３２の掃気制御を行うようにしてもよい。また、本実施の形態では、燃料電池１のＩＧ−ＯＦＦの信号が入ると、カソード掃気を必ず行っているが、アノード掃気と同じタイミングで行ってもよい。また、本発明の掃気手段は、アノード若しくはカソードのいずれか一方を掃気するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池の掃気制御処理を示すメインフローチャートである。
【図３】図２に示す掃気フローの処理内容を示すサブフローチャートである。
【図４】図３に示すアノード掃気（低温アノード掃気、Ｉ−Ｖアノード掃気）の処理内容を示すサブフローチャートである。
【図５】ＥＣＵ、燃料電池温度、発電の有無、アノード掃気の有無、低温経験の有無、についての時間変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池
５…エアコンプレッサ（掃気手段、掃気制御手段）
７…水素排出流路（反応ガス流路）
８…エア排出流路（反応ガス流路）
１０…開閉弁（掃気手段）
１２…ＥＣＵ（低温判断手段）
１３…温度センサ（温度検知手段）
１７…水素パージ弁（掃気手段、掃気制御手段）
１８…エアパージ弁（掃気手段、掃気制御手段）
【図１】
2006185862.tif 000003
【図２】
2006185862.tif 000004
【図３】
2006185862.tif 000005
【図４】
2006185862.tif 000006
【図５】
2006185862.tif 000007