(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池システムに関し、燃料電池内での水の凍結を防止して低温環境下においても速やかに起動できるようにする。【解決手段】  燃料電池２を断熱構造１０によって保温する。そして、燃料電池２の発電停止後、測定手段２２によって測定される外気の温度或いは露点温度が所定の基準値を下回ったら、外気供給手段８を作動させて燃料電池２のガス流路に外気を導入する。これにより、外気の露点温度と燃料電池２の温度との温度差によって燃料電池２内の水は蒸発を促され、燃料電池２の内部は効率良く乾燥していく。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱構造を有する燃料電池と、
前記燃料電池のガス流路に外気を供給する外気供給手段と、
外気の温度或いは露点温度を測定する測定手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記測定手段の測定値が所定の基準値を下回ったときに、前記外気供給手段を作動させて前記ガス流路に外気を導入し、前記燃料電池の内部を乾燥させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、時刻、カレンダ情報、ナビゲーション情報、各地の気温・湿度等の統計情報の少なくとも二つの組み合わせから外気の露点温度の低下状況を予測し、予測される露点温度の低下状況に基づいて前記基準値を設定することを特徴とする請求項２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し、特に、燃料電池の内部に存在する水の凍結を防止するのに有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の内部には、発電に伴う電気化学反応によって生成された水や電解質膜の加湿用に供給された水が存在している。システムの停止後、内部に水が存在する状態で燃料電池が放置される場合、外気温の低下によって燃料電池が冷却されると、やがて燃料電池の内部に存在する水は凍結を始める。このような状態でシステムを再起動する場合、凍結によってできた氷により反応ガスの電極への供給が阻害されるため、燃料電池の電圧の上昇が遅れてシステムが完全に起動するまでに長時間を要してしまう。
【０００３】
燃料電池システムにおける水の凍結対策としては、例えば、特許文献１乃至３に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムでは、外気温から凍結可能性を予測し、凍結が予測される場合には、改質器から得た高温ガスを用いて排ガス路内に残留する水を乾燥させるようになっている。特許文献２に記載された燃料電池システムでは、平均気温、外気温、日時、ナビゲーション情報等から凍結可能性を予測し、凍結が予測される場合には、エアポンプにより圧送される空気によって配管内の水をパージするようになっている。また、特許文献３に記載された燃料電池システムでは、燃料電池を断熱材層で覆うことで燃料電池を保温し、内部の水が凍結することを防止している。
【特許文献１】特開平１０−２２３２４９号公報
【特許文献２】特開２００４−３９５２７号公報
【特許文献３】特開２００３−１５１５９５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、特許文献１に記載の従来技術は、改質器を有しない燃料電池システムでは高い効果を得ることは難しい。改質器から得られる高温ガスは数百℃に達するのに対し、改質器を有しない燃料電池システムでは燃料電池スタックの温度が最高であり、そこで得られるガスの温度は高々１００℃前後でしかないからである。また、改質器を有する燃料電池システムであっても、燃料電池の内部を乾燥する場合には、電解質膜の劣化を防止する必要から、燃料電池に供給するガスの温度をあまりに高くすることはできない。一方、特許文献２に記載の従来技術のように常温の空気によって水をパージする場合には、高温ガスに比較して水の蒸発量は少ないために乾燥が不十分になってしまうおそれがある。乾燥を十分に行うためには大量の空気を供給する必要があり、多くのエネルギを消費することになってしまう。
【０００５】
また、特許文献３に記載の従来技術は、システムの停止時間が長期間に及ぶ場合には効果が期待できない。断熱材層で覆われているとしても、ゆっくりとではあるが燃料電池からの放熱はある。このため、外気温が氷点下にあるときに停止時間が長期間に及ぶと、やがては燃料電池の温度も氷点下まで低下し、内部の水は凍結してしまう。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内での水の凍結を防止して低温環境下においても速やかに起動できるようにした燃料電池システム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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、断熱構造を有する燃料電池と、
前記燃料電池のガス流路に外気を供給する外気供給手段と、
外気の温度或いは露点温度を測定する測定手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記測定手段の測定値が所定の基準値を下回ったときに、前記外気供給手段を作動させて前記ガス流路に外気を導入し、前記燃料電池の内部を乾燥させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、上記の第１の発明において、前記制御手段は、時刻、カレンダ情報、ナビゲーション情報、各地の気温・湿度等の統計情報の少なくとも二つの組み合わせから外気の露点温度の低下状況を予測し、予測される露点温度の低下状況に基づいて前記基準値を設定することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明において、燃料電池の発電停止後、外気温度の低下によって測定手段の測定値が基準値を下回ると、外気供給手段が作動して燃料電池のガス流路に外気が導入される。外気は温度低下に伴い露点温度が低下しているので、導入される外気が含有する水分量は極めて少ない。一方、燃料電池は断熱構造によって保温されているため、外気温度が低下した場合でも燃料電池の温度低下は抑制されている。このため、導入される外気と燃料電池との間には大きな温度差が生じるが、空気の熱容量は極めて低いため、燃料電池内に導入された途端、空気の温度は燃料電池の温度付近まで上昇する。温度上昇に伴って空気が含有できる水分量は上昇し、燃料電池内の水の蒸発が促されて燃料電池内の乾燥が進んでいく。このように、第１の発明によれば、少ないエネルギで燃料電池の内部を効率良く乾燥させることができる。
【００１０】
また、第２の発明によれば、各種情報から事前に予測した外気の露点温度の低下状況に基づいて乾燥処理の開始時期が決定されるので、より効率的に乾燥処理を実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、例えば、電気自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして構成することができる。
【００１２】
電気自動車はモータを原動機として搭載しており、モータの駆動用電源として燃料電池２が搭載されている。燃料電池２は、単セルが複数枚積層されたスタックとして構成されている。単セルは、図示は省略するが、電解質膜の両側を触媒電極であるアノード及びカソードで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。各単セルにおいて、アノードとセパレータとの間には水素を含む燃料ガスが流通するアノードガス流路が形成され、カソードとセパレータとの間には酸素を含む酸化ガスが流通するカソードガス流路が形成されている。また、隣接するセルのセパレータ間には、冷却剤としての冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。
【００１３】
燃料電池２への酸化ガスの供給は、ガス供給管４を介して行われる。エア供給管４は燃料電池２のカソードガス流路の入口に接続され、エア供給管４の途中にはエアポンプ８が配置されている。エアポンプ８の作動によって空気（外気）がエア供給管４に取り込まれ、取り込まれた空気が酸化ガスとしてカソードガス流路に供給される。燃料電池２のカソードガス流路の出口にはエア排出管６が接続され、燃料電池２内を流通した空気は、エア排出管６から再び大気中に放出される。
【００１４】
エアポンプ８の作動は燃料電池システム全体を統合制御する制御装置２０によって制御されている。制御装置２０には外気の露点温度を測定するための露点計２２が接続されている。制御装置２０は、後述するように、露点計２２からの測定情報に基づいてエアポンプ８の作動を制御できるようになっている。
【００１５】
本実施形態では、燃料電池２はその周囲を断熱材１０によって覆われている。図２はシステム停止後の外気温度及び露点温度の変化と、燃料電池２の温度（燃料電池温度）の変化とを比較して示す図である。断熱材１０によって覆われることで、外気温度が低下した場合でも燃料電池温度の低下は抑制され、システムの停止後ある程度の期間は、システム停止直後の高い温度に維持されている。しかし、外気温が氷点下になっている環境下でシステムの停止期間が長期間に及ぶと、やがては燃料電池温度も氷点下まで低下してしまう。このとき、燃料電池２の内部に残留している水が凍結してしまうと、システムの再起動時において燃料電池の発電が阻害され、起動性が悪化してしまうという問題が生じる。
【００１６】
上記問題に関し、本実施形態では、システム停止後にエアポンプ８を作動させて空気を導入することによって、燃料電池２の内部を乾燥させるようにしている。ただし、単に空気をそのまま導入しただけでは効率良く乾燥させることはできない。空気による乾燥を前提とする場合、少ない空気流量で効率良く乾燥するためには、空気温度を上げて蒸発可能な水の量を増やす方法と、空気の露点温度を下げて蒸発可能な水の量を増やす方法とが考えられる。しかし、前者の方法は、高温の熱源の必要性や電解質膜の耐久性等の問題から採用することが難しい。そこで、本実施形態では、後者の方法、つまり、露点温度を下げた空気を導入することによって燃料電池２の内部を乾燥させる方法を採った。以下、本実施形態において実行されるシステム停止時の凍結防止策について具体的に説明する。
【００１７】
燃料電池システムにおいて凍結防止策が必要となるのは、次回の起動が氷点下での起動となる場合である。このような環境下では、露点温度は気温よりも必ず低いことから、外気の露点温度は氷点下まで低下している。一方、図２に示すように、外気の露点温度が氷点下まで低下した場合でも、燃料電池温度は直ぐには低下せず外気の露点温度よりも高い温度に維持されている。本実施形態では、このように燃料電池温度と外気の露点温度との温度差が大きい状況においてエアポンプ８を作動させ、燃料電池２内に外気を導入する。空気の熱容量は極めて低いため、燃料電池２内に導入された途端、空気の温度は燃料電池２の温度付近まで上昇する。温度上昇に伴って空気が含有できる水分量は上昇するので、燃料電池２内の水の蒸発は促進される。これにより、少ない空気流量で燃料電池２の内部を効率良く乾燥させることが可能になり、エアポンプ８を作動させるためのエネルギ消費を抑制することができる。
【００１８】
図３は、本実施形態において制御装置２０により実行される凍結防止制御のルーチンを示すフローチャートである。図３に示すように、最初のステップ１００では燃料電池２の発電が停止したか否か判定される。システムの停止に伴って燃料電池２の発電が停止すると、以後はステップ１０２乃至１０６の処理が実施される。
【００１９】
ステップ１０２では、露点計２２によって外気の露点温度が測定される。測定された外気の露点温度は、次のステップ１０４において所定の基準値と比較される。基準値は０℃よりも小さい温度に設定されている。比較の結果、露点温度が基準値を下回ったときには、エアポンプ８の作動による燃料電池２内の乾燥処理が実施される。エアポンプ８の作動により露点温度が低下した空気が燃料電池２内に導入され、燃料電池２内に残留する水の蒸発が促される。
【００２０】
なお、ステップ１０４の判定で用いる基準値を低く設定するほど、燃料電池２内に導入される空気は露点温度の低いものとなる。露天温度が低いほど水分の含有量は少なくなるため、空気の導入による乾燥効果は大きくなる。しかし、その一方で、露点温度の低下状況によっては露点温度が基準値を容易には下回らないことも予想される。露点温度が基準値を下回るのに時間を要すると、そのうちに燃料電池２の温度が低下してしまい、空気導入時の乾燥効果が低下してしまうおそれがある。したがって、基準値は、燃料電池システムの使用環境における露点温度の変化の状況を考慮して設定するのが望ましい。
【００２１】
上記ルーチンが制御装置２０により実行されることで、システム停止時に燃料電池２の内部で水が凍結してしまうことは防止され、低温環境下での速やかなシステムの起動が実現される。また、上記ルーチンによれば、燃料電池２の乾燥処理はシステム停止後に直ぐに実行されるのではなく、外気の露点温度が下がるまで待ってから実行される。したがって、システムの停止後に直ぐに再起動されるような場合、つまり、凍結のおそれがないような場合に、不要な乾燥処理が行われて無駄にエネルギが消費されることもない。
【００２２】
実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態は、乾燥処理を実施するか否かの判定基準となる露点温度の基準値の設定方法に特徴がある。上述の実施の形態１では基準値を固定値としているが、本実施形態では以下に説明するように基準値を可変設定できるようにしている。
【００２３】
図４には、地域による露点温度の変化の違いが例示されている。図４に示す例では、地域Ａよりも地域Ｂの方がより低い温度まで露点温度が低下している。このような場合、地域Ｂでは、基準値を地域Ａよりも低く設定することで、より露点温度が下がった空気を燃料電池２内に導入して乾燥処理を実施することが可能になる。逆に、地域Ａでは、基準値を地域Ｂよりも高く設定することで、露点温度があまり下がらない場合でも確実に乾燥処理を実施することができる。
【００２４】
本実施形態では、図４に示すような地域毎の露点温度の低下状況を、時刻、カレンダ情報、ナビゲーション情報、各地の気温・湿度等の統計情報の組み合わせから予測するようになっている。例えば、ナビゲーション情報により現在地が地域Ａであると判断されるときには、地域Ａにおける気温・湿度等の統計情報をデータベースから読み出す。データベースは制御装置２０が有していてもよく、インターネット等の情報通信手段によって外部のデータベースにアクセスするようにしてもよい。そして、現在の日時を統計情報に照らし合わせることで、今後期待できる外気の露点温度の低下状況、具体的には、露点温度の期待値（図４中の帯の中心値）とばらつき（図４中の帯の幅）を算出する。
【００２５】
制御装置２０は、算出した露点温度の期待値とばらつきに基づいて乾燥処理を実施するか否かの判定基準となる露点温度の基準値を設定する。例えば、図４に示すように、露点温度のばらつきの上限値を基準値として設定してもよい。このような方法により基準値を設定することで、より効率的に乾燥処理を実行することが可能になる。
【００２６】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００２７】
上記実施の形態では、燃料電池２の全体を断熱材１０で覆っているが、少なくとも、燃料電池２内の水が存在する部分を保温できればよい。例えば、燃料電池２の放熱が大きい部位に限定して断熱層を設けるようにしてもよい。
【００２８】
また、上記実施の形態では、露点計２２によって外気の露点温度を測定しているが、温度計によって外気温度を測定し、外気温度に基づいて乾燥処理を実行するか否か判定してもよい。露点温度は外気温度よりも必ず低くなるので、外気温度が基準値（例えば氷点）を下回ったときに乾燥処理を実行する場合でも、燃料電池２の内部を効率良く乾燥させることができる。
【００２９】
また、上記実施の形態では、時刻、カレンダ情報、ナビゲーション情報、各地の気温・湿度等の統計情報を組み合わせて露点温度の低下状況を予測しているが、それら情報の全てを予測に用いなくてもよい。例えば、システムが使用される地域が固定されている場合には、時刻、カレンダ情報、その地域の気温・湿度等の統計情報から露点温度の低下状況を予測することができる。また、システムが使用される季節が決まっている場合には、ナビゲーション情報と各地の気温・湿度等の統計情報から露点温度の低下状況を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】システム停止後の外気温度、露点温度、及び燃料電池温度の変化を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行される凍結防止制御ルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２における露点温度の基準値の設定方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２  燃料電池
４  エア供給管
６  エア排出管
８  エアポンプ
１０  断熱材
２０  制御装置
２２  露点計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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