(57)【要約】【課題】  燃料電池システム内の水が不足したり、固体電解質が乾燥して燃料電池出力電圧が低下することを防止する。【解決手段】  コントローラ２３は、燃料電池運転圧と燃料電池スタック１に供給する空気流量に基づいて、出力電流毎に水収支管理温度を演算し、この水収支管理温度に対してカソード出口温度計２２が検出したカソード出口温度が高温になる場合、且つ電流計２６が検出した出力電流値が所定値以下の場合に、空気供給装置２から燃料電池スタック１への空気供給を一時停止する。【選択図】    図１
2006092801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料ガス及び空気を用いて発電する燃料電池本体と、
燃料電池本体のカソード出口温度を検出する温度計と、
燃料電池本体の出力電流を検出する電流計と、
燃料電池運転圧と燃料電池本体に供給する空気流量に基づいて、出力電流毎に水収支管理温度を演算する水収支演算手段と、
該水収支演算手段が演算した水収支管理温度に対して前記温度計が検出したカソード出口温度が高温になる場合、且つ前記電流センサが検出した出力電流値が所定値以下の場合に、前記空気供給手段から燃料電池本体への空気供給を一時停止する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池本体のアノードから排出される未使用燃料ガスをアノード入口へ循環させる水素循環装置を備え、
前記制御手段により空気供給を一時停止した時に、前記水素循環装置の稼働を継続させ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】
前記制御手段により空気供給を一時停止した時に、燃料電池本体の全セルまたは部分的なセルのセル電圧が所定電圧以下になるように、燃料電池本体から電流出力を継続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池本体の出力電力を補う電力補助装置を備え、
前記空気供給を一時停止する所定電流値は、前記電力補助装置が供給可能な電流以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムへの要求出力が増加し、この要求出力で発電した場合に、冷却水温度から演算されるカソード出口温度が、前記水収支管理温度以下になることが推定できた場合に、停止していた空気供給手段を稼働させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段により空気供給を一時停止した後に、冷却水温度が低下し、冷却水温度から演算されるカソード出口温度が、前記水収支管理温度以下になることが推定できた場合に、停止していた空気供給手段を稼動させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
燃料電池システムの低出力時には、発電出力に比べて補機消費電力が相対的に大きくなり、発電効率が低下することが知られている。特に燃料電池車両等においては、アイドル状態から全負荷まで負荷範囲が広いので、アイドル時に燃料電池の発電を停止させて、二次電池やコンデンサから電力供給すると、燃費性能を向上させることができる。
【０００４】
従来のアイドル停止を行う燃料電池システムとしては、モータ回転数、ブレーキ作動状態、蓄電装置の残容量に基いて、発電停止可能なアイドル状態と判断したときに、アイドル停止する燃料電池車両がある（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−３５９２０４号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の技術においては、単にアイドル運転時に燃料電池の運転を停止するという構成になっていたため、カソードに供給する空気過剰率（ＳＲ）が大となる低負荷領域では、水収支がマイナスとなり、燃料電池システム内の水が不足したり、固体電解質が乾燥して燃料電池の出力電圧が低下するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来の問題点を解決するために、本発明は、水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池のカソード出口温度を検出する温度計と、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池運転圧と燃料電池に供給する空気流量に基づいて、出力電流毎に水収支管理温度を演算する水収支演算手段と、該水収支演算手段が演算した水収支管理温度に対して前記温度計が検出したカソード出口温度が高温になる場合、且つ前記電流センサが検出した出力電流値が所定値以下の場合に、前記空気供給手段から燃料電池への空気供給を一時停止する制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、水収支管理温度よりカソード出口温度が高温になる場合に、空気供給を停止するため、燃料電池からカソード排気により水分が持ち出されることを防止し、固体電解質膜が乾燥して燃料電池の出力電圧が低下することを防止できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。図１において、高圧水素タンク等の水素供給装置３より燃料ガスとしての水素が供給され、水素遮断弁１２を経て、水素供給配管１４に備える水素調圧弁１３で燃料電池システムが運転できる範囲で定められる所定の圧に調整された後、燃料電池スタック（燃料電池本体）１のアノード入口１ａへ流入する。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１のアノード出口１ｂから排出される水素をアノード入口１ａに循環させる水素循環配管１６を備え、水素循環配管１６にポンプ、エゼクタ等の水素循環装置１５を備えている。燃料電池スタック１のアノード入口１ａに供給する水素流量を出力電流に相当する反応水素流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタックの各セルに、不足なく燃料水素が供給できるように構成される。
【００１１】
コンプレッサ等の空気供給装置２により、空気は圧縮されて昇温するが、図示しない冷却液配管、例えば燃料電池スタック１と共通の冷却液を用いて冷却する冷却器４により、冷却される。この冷却器４の下流で、燃料電池スタック１の上流には、加湿装置５を設け、燃料電池スタック１に供給する空気を加湿する。
【００１２】
加湿装置５には、例えば、燃料電池スタック１のカソード出口１ｄから排出される排空気中の水分をポリイミドのような水分透過性が高い材料で出来た膜を介してカソード入口１ｃに供給する空気に移動させる水蒸気交換機能を有する加湿装置を用いる。
【００１３】
加湿装置５の排空気側流路の下流には、空気圧力調整弁６を備え、燃料電池の運転できる範囲に、燃料電池スタック１のカソード圧力が保たれるように調整される。
【００１４】
また燃料電池システムの運転状態を検出するために、カソード入口１ｃには、カソード入口の空気流量を検出するカソード流量計２４，カソード出口１ｄにはカソード出口のガス温度を検出するカソード出口温度計２２、カソード出口のガス圧力を検出するカソード圧力計２５がそれぞれ設けられている。
【００１５】
また燃料電池システムには、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流計２６と、燃料電池スタック１の出力電力の不足分を補う電力補助装置である２次電池２８と、２次電池２８の充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出器２７と、燃料電池スタック１及び／または２次電池２８から電力供給される負荷装置２９とを備えている。
【００１６】
このような燃料電池システムを車輌の動力源等の負荷範囲の広い機器に用いる場合、燃料電池スタック内にある複数のセルが有する複数の流路全てに反応ガスを分配するため、また反応によって発生する水分を電解質膜表面より速やかに排除するために、反応に必要な空気流量に対して、燃料電池スタックに流す必要がある流量の比（以降ＳＲと記述）を図２に示すように、低負荷領域では大きくする必要がある。
【００１７】
燃料電池システムの水収支が成立する条件は、下記の式（１）で表せるため、この空気側ＳＲを大きくする低負荷では、水収支は難しくなり、水収支を維持できる燃料電池スタックのカソード出口温度が低くなる。
【００１８】
〔数１〕    
（コンプレッサ吸入空気中に含まれる水分量）＋（加湿水分量）＋（反応に伴う生成水）≧（カソード排出空気中に含まれる水分量−加湿装置で回収される水分量）    …(1)
よって、
（コンプレッサ吸入空気中に含まれる水分量）＋（加湿水分量）＋（反応に伴う生成水）≧（加湿装置出口から排出される水分量）                                  …(2)
この中で、
加湿装置出口から排出される水分量∝  カソード排空気流量∝  空気側ＳＲ  …(3)
また、高負荷側では、空気流路の圧損が大きくなることから、加湿装置出口の圧力が低くなり、この結果、加湿装置出口から系外へ排出される水分量が大きくなるため、水収支温度は次第に低くなる。
【００１９】
よって、水収支が均衡するカソード出口温度は、図３のグラフの実線で示すような温度特性となり、この実線より高温側では水収支が成立せず、この実線以下の温度で水収支が成立し、水の補給がなくても燃料電池の運転が継続可能となる。
【００２０】
図４は、実施例１においてコントローラが行う制御手順を示すフローチャートである。
【００２１】
まず、ステップ２において、電流計２６から燃料電池出力電流値、カソード流量計２４から燃料電池カソードガス流量値、カソード圧力計２５から燃料電池カソード出口圧力値、ＳＯＣ検出器２７から２次電池ＳＯＣ値をコントローラ２３に読み込む操作を行う。
【００２２】
ステップ３において、燃料電池出力電流値、燃料電池カソードガス流量値、燃料電池カソード出口圧力値に基づいて、水収支が成立するカソード出口のガス温度の上限温度値（以下、単に水収支管理温度とも呼ぶ）の演算を実施する。この演算は、例えば、燃料電池出力電流値、燃料電池カソードガス流量値、及び燃料電池カソード出口圧力値をパラメータとして、予め実験的に求めた燃料電池システム内で水収支が均衡するカソード出口温度のマップを検索して、水収支管理温度を求めることができる。
【００２３】
ステップ４において、ステップ３の演算と並列して、燃料電池カソード出口温度値をコントローラに読み込む。
【００２４】
ステップ５において、ステップ３において導出された水収支管理温度値と、ステップ４において読み込まれた燃料電池カソード出口温度値とを比較する。
【００２５】
ステップ５において、燃料電池カソード出口温度値＞水収支管理温度値であるとき、コントローラにて水収支成立と判断して、ステップ７にすすむ。
【００２６】
ステップ５において、燃料電池カソード出口温度値≦水収支管理温度値であるとき、ステップ６へ進み、システム運転継続判断を行い、ステップ２にもどる。
【００２７】
ステップ７において、燃料電池出力電流値が所定値未満であるか否かを判定する。この所定値は、燃料電池発電を許可する最低電流管理しきい値であり、２次電池が供給可能な電流上限値であらかじめコントローラに記録しておく。
【００２８】
ステップ７の判定で、燃料電池出力電流値が所定値未満であるとき、ステップ９へ進む。ステップ７の判定で、燃料電池出力電流値が所定値以上であるとき、ステップ８へ進み、システム運転継続判断を行う。
【００２９】
ステップ９において、ステップ２にて読み込んだ２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えているか否かを判定する。
【００３０】
ステップ９の判定で、２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えている場合、ステップ１２以下のアイドルストップを行う。
【００３１】
ステップ９の判定で、２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えていない場合、ステップ１０に進み、燃料電池システムの運転を継続すると判断し、ステップ１１において、燃料電池スタックの発電電力に２次電池充電分を上積みして２次電池を充電する。
【００３２】
ステップ１２以降では、アイドルストップ中に燃料電池スタックの開放端電圧をおさえることを目的とする操作を実施する。
【００３３】
まず、ステップ１２において、水素循環ポンプの作動を継続または開始させ、水素循環を行う。循環流量を確保できる時間まで待機してから、ステップ１３において、空気供給装置を停止して燃料電池スタックへの空気供給を停止する。
【００３４】
ステップ１４において、水素遮断弁１２を閉じて水素供給を停止させる。アノード、カソードともにガス供給を停止できる時間まで待機してから、ステップ１５において、燃料電池スタックから電力取り出しを行って、燃料電池電圧を所定の電圧まで降下させるスタック出力電圧制御を行う。ステップ１６にてアイドルストップ制御からぬける。
【００３５】
尚、アイドルストップ状態から燃料電池システムの運転状態への復帰は、次に示す（１）または（２）の条件が成立したときに、停止していた空気供給装置を稼働させる。
【００３６】
（１）燃料電池システムへの要求出力が増加し、この要求出力で発電した場合に、冷却水温度から演算されるカソード出口温度が、水収支管理温度以下になることが推定できた場合。
【００３７】
（２）冷却水温度が低下し、冷却水温度から演算されるカソード出口温度が、水収支管理温度以下になることが推定できた場合。
【００３８】
次に、実施例１の効果について説明する。図２を用いて、運転条件の変化に伴ってアイドルストップへ移行することを確認する。
【００３９】
まずＢ点のような定格出力電流の運転状態より燃料電池スタックの出力電流を低下させていくと、点Ｃに到達する。点Ｃが水収支管理温度と一致する条件であり、ここよりアイドルストップへ向けて、図５に示す制御がはじまる。
【００４０】
アイドル点Ｄでは、カソード出口温度が水収支温度より高く水収支不成立のため、図５に示す制御において、ステップ５よりステップ７へ進む。ステップ７における電流チェック、ステップ９における２次電池ＳＯＣチェックを経て、ステップ１６に達したのが点Ｅである。発電停止することにより、スタックの発熱がなくなるので、システム全体の温度が低下することができる。
【００４１】
また発電停止により、システムの温度が低下して点Ｆに達したとき、燃料電池のアイドル運転に復帰する。アイドル運転に復帰して点Ｇに達するとき、水収支管理温度以内にあるので、水収支がプラスとすることができる。
【００４２】
次に、図４のフローチャートを参照して、本実施例の効果を説明する。
【００４３】
ステップ５において、燃料電池スタックのカソード出口温度と水収支管理温度値とを比較して、水収支成立、不成立の判定を行うことで、そのときのスタックの水収支を判定することができる。
【００４４】
次にステップ７において、出力電流値と所定電流値とを比較して、高負荷での水収支不成立か、アイドルもしくは低負荷時の水収支不成立かを判断することができる。
【００４５】
ステップ８では、高負荷での水収支不成立判断をうけて出力制限を行うことによりスタックの発熱を低下させることができる。
【００４６】
ステップ９では、アイドルもしくは低負荷時の水収支不成立判断をうけて、スタック代替電源である２次電池のＳＯＣ値が、アイドル停止中の補機電力を十分にまかなうことができるか判断して、アイドル停止中に電力不足になることを防ぐことができる。
【００４７】
ステップ１６では、高負荷での水収支不成立判断をうけてアイドルストップを行うことによりスタックの発熱を低下させることができる。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の実施例２について説明する。図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。第１実施例と同様の構成については、説明を省略する。
【００４９】
本実施例と実施例１との相違は、本実施例の燃料電池スタックが内部加湿型の燃料電池スタック１で構成され、これに純水を循環させるために、水貯蔵タンク７、水圧送ポンプ８、純水供給配管９、純水回収配管１０、水位センサ１１が追加されていることである。燃料電池スタック１へ燃料ガス、酸化剤ガスを供給し、負荷取り出しによって発電を行うことに伴って、水圧送ポンプ８を駆動させて循環を開始させる。
【００５０】
実施例２で示される燃料電池システムの水収支は、下記の式（４）で表せるため、この空気側ＳＲを大きくする低負荷では、水収支は難しくなり、水収支を維持できる燃料電池スタック出口温度が低くなる。
【００５１】
〔数２〕  
（コンプレッサ吸入空気中に含まれる水分量）＋（加湿水分量）＋（反応に伴う生成水）
＋  （循環水量）  ≧（カソード排出空気中に含まれる水分量）              …(4)
この中で、
加湿装置出口から排出される水分量∝  カソード排空気流量∝  空気側ＳＲ  …(5)
したがって、水収支がプラスであるとき、水貯蔵タンク７へ生成水が循環されてくるので、水位センサ１１の指示値は増加する。
【００５２】
一方で、水収支がマイナスであるとき、水貯蔵タンク７からの水の持ち出し量が、水貯蔵タンク７へ回収される量に対して多くなり、水位センサ１１の指示値は低下する。
【００５３】
そこで、水貯蔵タンク７の容量を大きくし、水位の上下限値の間の容量及び水収支がマイナスであることを許容する時間を増加することができる。
【００５４】
また、実施例２で示される燃料電池システムでは、水収支を直接的に水位センサ１１の検出値の変化で判断することができるので、より精度よく水収支を管理することができる。
【００５５】
図６は、実施例２におけるコントローラによる制御手順を示すフローチャートである。
【００５６】
まず、ステップ２２において、電流計２６から燃料電池出力電流値、カソード流量計２４から燃料電池カソードガス流量値、カソード圧力計２５から燃料電池カソード出口圧力値、ＳＯＣ検出器２７から２次電池ＳＯＣ値をコントローラ２３に読み込む操作を行う。
【００５７】
ステップ２３において、燃料電池出力電流値、燃料電池カソードガス流量値、燃料電池カソード出口圧力値に基づいて、水収支管理温度値の演算を実施する。この演算は、例えば、燃料電池出力電流値、燃料電池カソードガス流量値、及び燃料電池カソード出口圧力値をパラメータとして、予め実験的に求めた燃料電池システム内で水収支が均衡するカソード出口温度のマップを検索して、水収支管理温度を求めることができる。
【００５８】
ステップ２４において、ステップ２３の演算と並列して、燃料電池カソード出口温度値をコントローラに読み込む。
【００５９】
ステップ２５において、ステップ２３において導出された水収支管理温度値と、ステップ２４において読み込まれた燃料電池カソード出口温度値とを比較する。
【００６０】
ステップ２５において、燃料電池カソード出口温度値＞水収支管理温度値であるとき、コントローラにて水収支成立と判断して、ステップ２７にすすむ。
【００６１】
ステップ２５において、燃料電池カソード出口温度値≦水収支管理温度値であるとき、ステップ２６へ進み、システム運転継続判断を行い、ステップ２２にもどる。
【００６２】
ステップ２６において、水貯蔵タンク７の水位を検知する水位センサ１１の検出値をコントローラに読込み、あらかじめ決めてある水貯蔵タンク７の水位下限値と比較して、センサ検出値が水位下限値未満である場合、アイドル停止制御を継続し、ステップ２８へすすむ。
【００６３】
ステップ２８において、燃料電池出力電流値が所定値未満であるか否かを判定する。この所定値は、燃料電池発電を許可する最低電流管理しきい値であり、２次電池が供給可能な電流上限値であらかじめコントローラに記録しておく。
【００６４】
ステップ２８の判定で、燃料電池出力電流値が所定値未満であるとき、ステップ３０へ進む。ステップ２８の判定で、燃料電池出力電流値が所定値以上であるとき、ステップ２９へ進み、システム運転継続判断を行う。
【００６５】
ステップ３０において、ステップ２２にて読み込んだ２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えているか否かを判定する。
【００６６】
ステップ３０の判定で、２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えている場合、ステップ３３以下のアイドルストップを行う。
【００６７】
ステップ３０の判定で、２次電池ＳＯＣ値がＳＯＣ管理下限値を超えていない場合、ステップ３１に進み、燃料電池システムの運転を継続すると判断し、ステップ３２において、燃料電池スタックの発電電力に２次電池充電分を上積みして２次電池を充電する。
【００６８】
ステップ３３以降では、アイドルストップ中に燃料電池スタックの開放端電圧をおさえることを目的とする操作を実施する。
【００６９】
まず、ステップ３３において、水素循環ポンプの作動を継続または開始させ、水素循環を行う。循環流量を確保できる時間まで待機してから、ステップ３４において、空気供給装置を停止して燃料電池スタックへの空気供給を停止する。
【００７０】
ステップ３５において、水素遮断弁１２を閉じて水素供給を停止させる。アノード、カソードともにガス供給を停止できる時間まで待機してから、ステップ３６において、燃料電池スタックから電力取り出しを行って、燃料電池電圧を所定の電圧まで降下させるスタック出力電圧制御を行う。ステップ３７にてアイドルストップ制御からぬける。
【００７１】
図６のフローチャートについて、その効果を説明する。
【００７２】
実施例２によれば、水位管理温度より低温であると判断した場合でも、水位が下限以下であれば、アイドル停止制御を進めることを特徴とする。
【００７３】
スタック発電時間経過により、Ｉ−Ｖ特性等の燃料電池特性が変化していく。これにより、水収支も変化していき、あらかじめコントローラに内蔵した水収支管理温度曲線と実際にそのときのスタックで水収支が成立する条件とに偏奇が生じて、水収支がマイナスになることも想定される。
【００７４】
本実施例によれば、水位センサ値による水位の直接計測により、水収支がマイナスになることがなく、より精度よく水収支を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】燃料電池出力電流とカソードＳＲの関係を示す図である。
【図３】燃料電池出力電流とカソード出口温度における水収支管理曲線を示す図である。
【図４】実施例１におけるアイドル停止の許可判定、およびアイドル停止へ移行するシステム制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】実施例２におけるアイドル停止の許可判定、およびアイドル停止へ移行するシステム制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１：燃料電池スタック
２：空気供給装置
３：水素供給装置
４：冷却器
５：加湿装置
６：空気圧力調整弁
７：水貯蔵タンク
８：水圧送ポンプ
９：純水供給配管
１０：純水回収配管
１１：水位センサ
１２：水素遮断弁
１３：水素圧力調整弁
１４：水素供給配管
１５：水素循環装置
１６：水素循環配管
１７：パージ弁
２０：ラジエータ
２１：冷却水ポンプ
２２：カソード出口温度計
２３：コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006092801.tif 000005
【図４】
2006092801.tif 000006
【図５】
2006092801.tif 000007
【図６】
2006092801.tif 000008