(57)【要約】【課題】  停止時間が長期化しても燃料電池の機能を維持することができるとともに、始動時に速やかに暖機を行うことができ、自動車等の移動体に適した燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】  燃料電池スタック２と、該燃料電池スタック２のアノード極４へアノードガスを供給するアノードガス供給路６と、該燃料電池スタック２のカソード極５へカソードガスを供給するカソードガス供給路７と、該燃料電池スタック２のアノード極４およびカソード極５の双方に、燃焼済ガスを供給する燃焼ガス供給路６とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックのアノード極へアノードガスを供給するアノードガス供給路と、
該燃料電池スタックのカソード極へカソードガスを供給するカソードガス供給路と、
該燃料電池スタックのアノード極およびカソード極の双方に、燃焼済ガスを供給する燃焼ガス供給路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼ガス供給路は前記カソードガス供給路から分岐した流路であり、該流路に前記カソードガスを燃焼させる燃料ヒータを設けている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】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止前または始動時の少なくともいずれかにおいて、前記燃焼済ガスを前記アノード極および前記カソード極に供給する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、燃料電池スタックに燃焼済ガスを供給する構成を有する燃料電池システムおよびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下、燃料電池とよぶ）を備えている。アノード極に燃料として水素が供給され、カソード極に酸化剤として空気が供給されると、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされているが、低温時においては発電効率が低下する。このため、燃料電池を低温環境下で始動する際には、早期に暖機を行って上述の作動温度まで上昇させることが望まれる。
例えば、特許文献１には、起動用過熱器の熱源として使用される高温ガスの有効利用を図るものであり、停止時にカソード極またはその流路に窒素ガスを充満させておき、起動開始時に前記窒素ガスを循環させつつ昇温させて、カソード極側の温度を高温に保持する技術が提案されている。
また、特許文献２には、発電に用いられる燃料ガスを水素バーナで不完全燃焼させて還元性ガスを生成し、前記燃料ガスを燃焼して得られる燃焼熱を利用して燃料極側の温度を上昇させる技術が提案されている。
【特許文献１】特開平５−１４４４５７号公報
【特許文献２】特開平１１−１６２４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、窒素ガスを用いて燃料電池の暖機を行う技術においては、起動時や停止時の時のみに使用する窒素ガス等の不活性ガスを貯蔵するために不活性ガスボンベを別途設ける必要がある。このため、システム全体の重量や容積が増大してしまい、また不活性ガスボンベを適宜補充する必要があるため、自動車などの移動体に搭載する場合には適さないという問題がある。
【０００５】
また、燃料ガスを不完全燃焼させて還元性ガスを生成する技術においては、停止時に還元性ガスが電解質膜を透過してアノード極からカソード極側へ混入してしまい、カソード極側の酸素が電解質膜を透過してアノード極側へ混入してしまう。その結果、それぞれの電極の表面で燃焼反応が発生してしまい、これにより反応膜が熱で劣化して、それぞれの電極を傷める虞がある。また、触媒層としてカーボンが用いられている場合、カーボンがエア中の酸素と結合して二酸化炭素に変化してしまい、触媒層からカーボンが消失してしまうことで、触媒層の機能が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
従って、本発明は、停止時間が長期化しても燃料電池の機能を維持することができるとともに、始動時に速やかに暖機を行うことができ、自動車等の移動体に適した燃料電池システムおよびその制御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】
【０００７】
請求項１に係る発明は、燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック２）と、該燃料電池スタックのアノード極（例えば、実施の形態における燃料極４）へアノードガスを供給するアノードガス供給路（例えば、実施の形態における水素供給流路６）と、該燃料電池スタックのカソード極（例えば、実施の形態における空気極５）へカソードガスを供給するカソードガス供給路（例えば、実施の形態における空気供給流路７）と、該燃料電池スタックのアノード極およびカソード極の双方に、燃焼済ガスを供給する燃焼ガス供給路（例えば、実施の形態における合流流路１５ａ、１５ｂ）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記燃料電池スタックの発電停止時に、前記燃焼済ガスを前記燃焼ガス供給路から前記アノード極および前記カソード極へ導入して、それぞれの電極を前記燃焼済ガスで満たしておく。前記燃焼済ガスは不活性な状態になっているので、前記発電停止時に前記燃焼済ガスが前記アノード極と前記カソード極との間を流通しても、再起同時にそれぞれの電極表面上での発電燃焼反応を抑えることができ、それぞれの電極の劣化を防止することができる。従って、前記発電停止時間が長期化しても燃料電池の機能を維持することができる。
【０００９】
また、前記燃料電池スタックの起動時には、前記燃焼済ガスを前記アノード極および前記カソード極に導入することで、前記燃焼済ガスの燃焼熱をそれぞれの電極に速やかに伝えて加熱することができるので、始動時に速やかに暖機を行うことができる。また、前記アノードガスやカソードガスを燃焼させることで前記燃焼済ガスを生成することができるので、燃焼済ガスを搭載する容器等を別途設ける必要はなく、システム全体の重量や容積の増大を抑えることができる。従って、自動車などの移動体に搭載する場合にも好適なシステム構成とすることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃焼ガス供給路は前記カソードガス供給路から分岐した流路であり、該流路に前記カソードガスを燃焼させる燃料ヒータ（例えば、実施の形態における燃焼ヒータ９）を設けていることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記カソードガスを燃焼させる燃焼ヒータにカソードガスを供給する過給器を、前記カソードガス供給流路に用いられる過給器と併用することができる。従って、システム全体の部品点数を削減できるとともに必要スペースを減少させることができ、レイアウトの自由度を高めることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムの停止前または始動時の少なくともいずれかにおいて、前記燃焼済ガスを前記アノード極および前記カソード極に供給することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記停止前においては、燃焼済ガスをアノード極、カソード極へ導入することで、それぞれの電極での燃焼反応を抑制することができるため、それぞれの電極の反応面の劣化を防止することができる。また、前記起動時においては、上述の効果に加え、前記燃焼済ガスの燃焼熱を前記燃料電池スタックに伝えることができるため、起動時の燃料電池スタックの暖機を促進することができる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、前記発電停止時間が長期化しても燃料電池の機能を維持することができ、始動時に速やかに暖機を行うことができ、自動車などの移動体に搭載する場合にも好適なシステム構成とすることができる。
請求項２に係る発明によれば、システム全体の部品点数を削減できるとともに必要スペースを減少させることができ、レイアウトの自由度を高めることができる。
請求項３に係る発明によれば、前記停止前においては、それぞれの電極の反応面の劣化を防止することができる。また、前記起動時においては、上述の効果に加え、起動時の燃料電池スタックの暖機を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムおよびその制御方法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の概略構成図である。同図に示すように、燃料電池２は、スルフォン酸系電解質材料からなる固体高分子電解質膜３を燃料極（アノード）４と空気極（カソード）５とで両側から挟み込んで形成されたセルを所定数積層したスタックとなっている。なお、図１では説明を簡略化するために単セルのみを示している。
【００１６】
燃料極４に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極５に酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、燃料極４で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜３を通過して空気極５まで移動して、空気極５で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１７】
燃料電池システム１は、高圧燃料タンク等の水素供給源（図示せず）を備え、水素供給流路６を介して燃料電池２を構成する各セルの燃料極４に燃料ガスを供給する。
また、燃料電池システム１は、空気供給装置である過給器１６を備え、過給器１６により圧縮された空気を、空気供給流路７を介して燃料電池２を構成する各セルの空気極５に供給する。
【００１８】
空気供給流路７には、前記過給器１６の下流側に分岐流路８が接続されている。これにより、前記過給器１６で圧縮された空気が空気供給流路７のみならず分岐流路８にも供給される。分岐流路８の下流側には燃焼ヒータ９が配設されている。燃焼ヒータ９には、水素供給流路６から分岐した分岐流路１４が接続されている。そして、燃焼ヒータ９内部で、分岐流路８を介して供給される空気を分岐流路１４を介して供給される水素と燃焼反応させて燃焼済ガス（この場合は窒素を主成分とする不活性ガス）を生成することができる。なお、燃焼ヒータ９の構造としては、内部に燃焼反応を促進する触媒を備える構造とすることが好ましいが、特に限定されるものではない。
【００１９】
燃焼ヒータ９の下流側には、水素供給流路６、空気供給流路７のそれぞれに合流する合流流路１５ａ（１５）、１５ｂ（１５）が接続されている。これにより、燃焼ヒータ９で燃焼済ガスは、合流流路１５ａ、１５ｂを介して水素供給流路６、空気供給流路７のそれぞれに供給される。
【００２０】
空気供給流路７において、分岐流路８の下流側かつ合流流路１５ｂの上流側の位置に、切換弁１０が設けられている。この切換弁１０を開弁または閉弁する制御を行うことで、空気供給流路７の開放または遮断が行われる。また、合流流路１５ａ、１５ｂ、分岐流路１４には、それぞれ切換弁１１〜１３が設けられている。それぞれの切換弁１１〜１３の開弁または閉弁制御を行うことで、それぞれの流路の開放または遮断が行われる。
【００２１】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２の温度を測定する温度センサや、燃料電池２の発電停止時からの時間を測定するタイマ（いずれも図示せず）を備え、温度センサで検出した温度Ｔやタイマで測定した停止時間ｔに基づいて、以下に示すように制御を行う。
【００２２】
図２は図１に示す燃料電池システムの起動時における暖機運転判定制御の内容を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１０に示すように、起動時の処理が開始されると、ステップＳ１２で燃料電池２の温度Ｔを温度センサにより検出する。そして、ステップＳ１４で、検出した温度Ｔが所定温度Ｔ１よりも小さいか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２０に進み、暖機運転が開始される。この場合には燃料電池２の温度が低いと判断できるため、燃料電池２の温度を発電に適した温度まで上昇させる必要があるからである。
【００２３】
また、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１６に進み、燃料電池２の停止経過時間、すなわち燃料電池２の発電を停止してからの経過時間ｔをタイマより検出する。そして、ステップＳ１８で、検出した経過時間ｔが所定時間ｔ１より大きいか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進んで暖機運転を行う。このように停止経過時間が長い場合には、アノード極４とカソード極５との間で互いのガスが透過している場合があり、このような場合に反応ガスを供給するのは好ましくないからである。また、ステップＳ１８の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ１９に進み、暖機処理を終了する。そして、水素供給流路６、空気供給流路７を介して水素、空気をアノード極４、カソード極５に供給して、燃料電池２の発電を開始する。
【００２４】
図３は図２に示す暖機運転制御の内容を示すフローチャートである。同図のステップＳ２２に示すように、弁１０を“閉”にするとともに、弁１１を“開”にする。これにより、空気供給流路７の燃焼ヒータ９をバイパスする部位を遮断するとともに、燃焼ヒータ９下流側の合流流路１５ｂを開放する。従って、過給器１６で圧送された空気は分岐流路８を介して燃焼ヒータ９に供給される。
【００２５】
そして、ステップＳ２４に示すように、燃焼ヒータ９を作動させる。このとき、水素側の分岐流路１４の切換弁１３を“開”にして、水素供給流路６から分岐流路１４を介して水素を燃焼ヒータ９に流入させる。これにより、燃焼ヒータ９に供給されたガス（この場合は空気）を燃焼させて、燃焼済ガスを生成させる。なお、燃焼済ガス中の酸化剤ガス（O２など）の濃度が０に近づくように、水素供給量や燃焼条件を制御する。生成された燃焼済ガスは、空気側合流流路１５ｂを介して空気極５に導入される。
【００２６】
ステップＳ２６で、弁１２を“開”にして、水素側合流流路１５ａを開放する。これにより、燃焼済ガスが、水素側合流流路１５ａを介して燃料極４に導入される。
そして、ステップＳ２８で、燃焼済ガスを燃料電池２に導入してからの経過時間ｔａが所定時間ｔ２以上になったか、又は、燃料電池２の温度ＴがＴ２以上になったかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ３０に進み、ＮＯであればステップＳ２８の処理に戻る。ステップＳ３０では、弁１２を“閉”にして、水素側合流流路１５ａを遮断して、燃焼済ガスの燃料極４への流入を停止する。ステップＳ３２では、燃焼ヒータ９を停止して、燃焼ヒータ９に供給されたガスの燃焼を停止する。そして、ステップＳ３４で、弁１０を“開”にして空気供給流路７を開放するとともに、弁１１を“閉”にして空気側合流流路１５ｂを遮断する。これにより、過給器１６から供給される空気は燃焼ヒータを通らずに、空気供給流路７を介して空気極５に供給される。そして、燃料極４に燃料ガスを供給して、最初の処理に戻る。
【００２７】
図４は図１に示す燃料電池システムの停止時における暖機運転判定制御の内容を示すフローチャートである。同図の処理において、図３に示す処理内容と同様のものについては同一の番号を付してその説明を省略する。
同図に示すように、ステップＳ４０で、燃料電池２の停止時の処理が開始されると、上述したステップＳ２２〜２６の処理を行った後、ステップＳ４２で燃焼済ガスを燃料電池２に導入してからの経過時間Ｔａが所定時間ｔ３以上になっ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Ｓ３０に進み、ＮＯであればステップＳ４２の処理に戻る。ステップＳ３０に進んだ後は、上述したステップＳ３２、３４の処理を行って、本フローチャートの処理を終了する。
【００２８】
このように、前記燃料電池２の発電停止時に、不活性な状態の前記燃焼済ガスでそれぞれの電極４、５を満たしておくことで、前記発電停止時に前記燃焼済ガスが前記燃料極４と前記水素極５との間を流通しても、それぞれの電極４、５表面上での発電反応の発生を抑えることができ、それぞれの電極４，５の劣化を防止することができる。従って、前記発電停止時間が長期化しても燃料電池２の機能を維持することができる。
【００２９】
また、前記燃料電池２の起動時には、前記燃焼済ガスを前記水素極３および前記空気極４に導入することで、前記燃焼済ガスの燃焼熱をそれぞれの電極３、４に速やかに伝えて加熱することができるので、始動時に速やかに暖機を行うことができる。また、前記水素や空気を燃焼させることで前記燃焼済ガスを生成することができるので、燃焼済ガスを搭載する容器等を別途設ける必要はなく、システム全体の重量や容積の増大を抑えることができる。従って、自動車などの移動体に搭載する場合にも好適なシステム構成とすることができる。
【００３０】
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、実施の形態では、空気を燃焼させるガスとして水素を用いたが、これに限らず、可燃性ガスを用いてもよい。また、実施の形態では燃焼ガス供給路をカソードガス供給路、アノードガス供給路に合流させたのちアノード極、カソード極に接続されているが、合流させずに独立にアノード極、カソード極に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの起動時における暖機運転判定制御の内容を示すフローチャートである。
【図３】図２に示す暖機運転制御の内容を示すフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの停止時における暖機運転判定制御の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム
２…燃料電池（燃料電池スタック）
４…燃料極（アノード極）
５…空気極（カソード極）
７…空気供給流路（カソードガス供給路）
９…燃焼ヒータ
１５（１５ａ、１５ｂ）…合流流路（燃焼ガス供給路）
１６…過給器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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