(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池内に含まれる水分が凍結した場合であっても、氷の結晶の成長によって触媒層やガス拡散層、電解質膜、あるいはこれらを一体的に接合したＭＥＡが損傷、劣化してしまうことを抑制する。【解決手段】  制御ユニット３０は、燃料電池１０内の水分が凍結することを予測すると、ラジエータ２１もしくは強制冷却器２２を用いて燃料電池１０を−１０℃程度まで急速に冷却する。こうすることで、氷の成長がもっとも促進される最大氷結晶生成温度帯を短時間で通過させることができるため、ＭＥＡを構成する触媒層やガス拡散層、電解質膜あるいはこれらの界面構造が氷の成長によって劣化、損傷することを抑制することができる。【選択図】図１
2006147452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測する凍結予測手段と、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する冷却手段と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却手段は、外気温が、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも低いときに、外気と熱交換する冷却媒体を前記燃料電池内に循環させることにより冷却を行う手段である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、更に、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測され、かつ、氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも外気温が高い場合に、前記燃料電池の発電停止後に、前記冷却媒体を強制的に０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで冷却する第２の冷却手段
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、外部に対して断熱構造を有するものである
燃料電池システム。
【請求項５】
固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測し、
前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池内の水分が凍結した場合の弊害を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車用の電力源として固体高分子型燃料電池が多く用いられている。固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで触媒層やガス拡散層、セパレータが配設された構造を採っている。このような固体高分子型燃料電池において発電を行う際には、プロトン伝導性を向上させるため、電解質膜を加湿することが必要である。下記特許文献１には、燃料電池システムを短期間に起動させるために、システムの停止時において電解質膜に微量の水分を残存させる技術が開示されている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池システムが低温環境下に放置され、燃料電池内の温度が０℃以下になると、電解質膜や触媒層、ガス拡散層に含まれる水分が凍結してしまうおそれがあった。特に、外気温が図５に示す最大氷結晶生成温度帯（概ね０℃から−５℃の範囲内）にある場合には、この温度帯にさらされる時間が長いほど氷の結晶が大きくなり、電解質膜や触媒層、ガス拡散層の内部構造や界面構造が損傷、劣化してしまう可能性が高くなる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５９５号公報
【特許文献３】特開２００３−２８８９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような課題に考慮してなされたものであり、燃料電池内に含まれる水分が凍結した場合であっても、氷の結晶の成長によって触媒層やガス拡散層、電解質膜、あるいはこれらを一体的に接合したＭＥＡ（膜電極接合体）が損傷、劣化してしまうことを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を踏まえ、本発明の燃料電池システムは、
固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測する凍結予測手段と、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する冷却手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
このような構成の燃料電池システムによれば、氷の結晶の成長が促進される最大氷結晶生成温度帯よりもさらに低温まで燃料電池を冷却することができるので、氷の結晶の成長によって触媒層やガス拡散層、電解質膜、ＭＥＡ、あるいは、これらの界面構造等が損傷、劣化してしまうことを抑制することができる。氷の結晶成長が抑制可能な温度としては、−５℃よりも低い温度であればよく、例えば、−１０℃と設定することができる。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記冷却手段は、外気温が、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも低いときに、外気と熱交換する冷却媒体を前記燃料電池内に循環させることにより冷却を行う手段であるものとしてもよい。
【０００９】
燃料電池システムには、通常、燃料電池の運転温度の上昇を抑制するために、冷却媒体を燃料電池内に循環させて外気と熱交換を行うラジエータ等の冷却装置が備えられている。そのため、外気温が−５℃よりも低い温度まで低下すれば、かかる冷却装置を利用することにより、簡易な構成で、燃料電池の温度を氷の結晶成長が抑制可能な温度まで冷却することができる。
【００１０】
また、上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測され、かつ、氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも外気温が高い場合に、前記燃料電池の発電停止後に、前記冷却媒体を強制的に０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで冷却する第２の冷却手段を備えるものとしてもよい。
【００１１】
このような構成であれば、外気温が十分に低くなくても、燃料電池を最大氷結晶生成温度帯以下まで積極的に冷却することができる。第２の冷却手段としては、例えば、ヒートポンプやペルチェ素子を用いた冷却装置を用いることができる。
【００１２】
また、上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、外部に対して断熱構造を有するものであるものとしてもよい。
【００１３】
このような構成であれば、低温環境下でシステムが停止されても燃料電池の温度は徐々に低下することになるため、次回の運転再開までに燃料電池内の水分が凍結してしまうことを抑制することができる。また、このような構成であれば、燃料電池内の温度が０℃になる時点では、外気と熱交換を行う冷却媒体は既にそれ以下の温度になっていることが多く、この温度差を利用することで、燃料電池の温度を急速に低下させることができる。
【００１４】
また、本発明は、燃料電池システムとしての構成以外にも、例えば、燃料電池システムの制御方法などとしても構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以上説明した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．燃料電池を構成する単セルの構造：
Ｃ．冷却処理：
Ｄ．変形例：
【００１６】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム１００の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１００は、電気自動車の電力源として用いられるシステムである。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０や冷却システム２０、制御ユニット３０等を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、水素タンク１１から供給される水素と、ブロア１２から供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、単セルが複数積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０には、モータ４０と二次電池５０とが接続されている。モータ４０は車軸を駆動する動力源として用いられ、二次電池５０は、後述する冷却システム２０や制御ユニット３０を作動させる電力源として用いられる。燃料電池１０は、低温環境下にさらされても急激に温度が低下しないように断熱容器１３によって外部から真空断熱されている。
【００１８】
冷却システム２０は、不凍液などの冷却媒体を燃料電池１０内に循環させて燃料電池１０の冷却を行うシステムである。この冷却システム２０は、ラジエータ２１と、強制冷却器２２と、ポンプ２３と、シャットバルブ２４，２５と、三方弁２６，２７と、冷却媒体循環路２８とによって構成されている。ラジエータ２１は、外気との熱交換によって冷却媒体を冷却する装置である。強制冷却器２２は、外気温に関わらず冷却媒体を強制的に−１０℃以下まで冷却するための装置である。強制冷却器２２としては、例えば、ヒートポンプやペルチェ素子を用いた冷却装置等を適用することができる。シャットバルブ２４，２５は、冷却媒体を循環させるか否かを切り換えるための開閉弁である。シャットバルブ２４，２５は、閉弁時に断熱容器１３内の熱を外部に逃さないように、断熱可能な構造となっている。
【００１９】
ポンプ２３によって冷却媒体循環路２８内を圧送された冷却媒体は、燃料電池１０内を通ることで燃料電池１０の熱を吸収し、ラジエータ２１もしくは強制冷却器２２によって冷却される。冷却媒体の冷却をラジエータ２１および強制冷却器２２のいずれによって行うかは、三方弁２６，２７によって切り換えることができる。
【００２０】
制御ユニット３０は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを備えている。ＣＰＵはＲＡＭを作業領域として用いつつＲＯＭに記録された制御プログラムを実行することで燃料電池システム１００の運転制御を行う。この制御ユニット３０には、燃料電池１０の温度Ｔ１を検出するためのＦＣ温度センサ３１や、冷却媒体の温度Ｔ２を検出するための冷媒温度センサ３２、システムの起動や停止を行うための起動スイッチ３３などが接続されている。制御ユニット３０は、これらのセンサ等から入力した信号に基づき、強制冷却器２２やポンプ２３、シャットバルブ２４，２５、三方弁２６，２７の作動を制御する。
【００２１】
Ｂ．燃料電池を構成する単セルの構造：
図２は、燃料電池１０を構成する単セルの概略構造を示す説明図である。図示するように、各単セルは、電解質膜７０の両面に触媒層７１ａ，７１ｂとガス拡散層７２ａ，７２ｂとが積層されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）７３を、２枚のセパレータ７４ａ，７４ｂによって狭持する構造を採っている。２枚のセパレータ７４ａ，７４ｂには、それぞれ、水素流路７５と酸素流路７６とが形成されている。水素流路７５側の触媒層７１ａとガス拡散層７２ａとをアノードといい、酸素流路７６側の触媒層７１ｂとガス拡散層７２ｂとをカソードという。水素流路７５に水素タンク１１から供給される水素を流すと、触媒層７１ａにおいて下記式（１）の反応が生じ、プロトン（Ｈ+）と電子（ｅ−）とが生成される。
【００２２】
Ｈ２→ ２Ｈ+＋２ｅ− ...（１）
【００２３】
かかる反応によって生成されたプロトンは電解質膜７０中を移動し、電子は、モータ４０や二次電池５０等の外部回路を通ってカソード側に移動する。カソードでは、こうしてアノード側から移動してきたプロトンおよび電子と、ブロア１２から酸素流路７６に供給された空気中の酸素とによって、下記式（２）に示す反応が起き、水が生成されることになる。生成された水の一部は、カソードオフガスと共にシステム外部に排出され、一部は、ＭＥＡ７３内に保持されてプロトンの伝導に供されることになる。
【００２４】
２Ｈ+＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ...（２）
【００２５】
Ｃ．冷却処理：
次に、図３および図４を参照しつつ、制御ユニット３０が実行する冷却処理について説明する。図３は、燃料電池システムの運転中に実行される運転中冷却処理のフローチャートである。かかる運転中冷却処理は、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制するために実行される処理である。一方、図４は、燃料電池システムの停止後に実行される停止中冷却処理のフローチャートである。かかる停止中冷却処理は、システム停止後に、燃料電池１０内の水分が凍結して氷の結晶が成長することを抑制するために実行される処理である。なお、本実施例において「システムが停止」とは、起動スイッチ３３がオフにされ、燃料電池１０による発電が停止された状態を言うものとする。
【００２６】
Ｃ−１．運転中冷却処理：
最初に、図３に示した運転中冷却処理について説明する。まず、制御ユニット３０は、ＦＣ温度センサ３１を用いて燃料電池１０の温度Ｔ１を測定する（ステップＳ１００）。そして、測定した温度Ｔ１が４０℃以上であれば（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、シャットバルブ２４，２５を開弁し、三方弁２６，２７をラジエータ２１側に切り換え、ポンプ２３を作動させることでラジエータ２１を用いて燃料電池１０の冷却を行う（ステップＳ１２０）。なお、このとき、燃料電池１０の運転温度に応じて燃料電池１０内に循環させる冷却媒体の流量を調整することにより、運転温度に応じた冷却を行うものとしてもよい。
【００２７】
上記ステップＳ１００において測定した温度Ｔ１が４０℃未満であれば（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、十分に運転温度は低く、燃料電池１０の冷却を行う必要がないため、上述したステップＳ１２０の処理は行わない。
【００２８】
次に、制御ユニット３０は、起動スイッチ３３から受信した信号に基づき、燃料電池システム１００が停止されたか否かを判断する（ステップＳ１３０）。燃料電池システム１００が停止されていない場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ１００に処理を戻し、引き続き、燃料電池１０の運転温度の制御を行う。一方、燃料電池システム１００が停止された場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、次に説明する停止中冷却処理に処理を移行する。
【００２９】
Ｃ−２．停止中冷却処理：
次に、図４に示した停止中冷却処理について説明する。制御ユニット３０は、システムの停止後、まず、シャットバルブ２４，２５を閉じ、ポンプ２３を停止することで、燃料電池１０を断熱状態にする（ステップＳ２００）。こうすることで、システムを低温環境下で停止させた場合であっても、燃料電池１０の温度が急激に低下して凍結してしまうことを抑制することができる。
【００３０】
次に、制御ユニット３０は、燃料電池１０の温度Ｔ１を測定する（ステップＳ２１０）。そして、この測定温度Ｔ１に基づき、燃料電池１０内の水分が凍結するか否かを予測する（ステップＳ２２０）。例えば、測定した温度Ｔ１が、０℃を超える温度から０℃に到達した場合に、凍結すると予測することができる。この時、冷却媒体の温度や、外気温の変化などを総合的に考慮して凍結するか否かを判断するものとしてもよい。
【００３１】
上記ステップＳ２２０における予測の結果、燃料電池１０内の水分が凍結すると予測されなかった場合には（ステップＳ２３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ２１０に処理を戻し、引き続き、燃料電池１０内の水分が凍結するか否かの予測を継続して行う。一方、凍結すると予測された場合には（ステップＳ２３０：Ｙｅｓ）、制御ユニット３０は、更に、燃料電池１０の温度Ｔ１が、−１０℃以下であるかを判断する（ステップＳ２４０）。かかる判断の結果、温度Ｔ１が−１０℃以下であれば（ステップＳ２４０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０の温度は既に最大氷結晶生成温度帯を下回る温度であり、以降で説明する処理によって燃料電池１０を強制的に冷却する必要がないため、停止中冷却処理を終了する。
【００３２】
上記ステップＳ２４０における判断の結果、燃料電池１０の温度Ｔ１が−１０℃よりも高ければ（ステップＳ２４０：Ｎｏ）、制御ユニット３０は、冷媒温度センサ３２を用いて、冷却媒体の温度Ｔ２を測定する（ステップＳ２５０）。そして、この温度Ｔ２が−１０℃以下であるか否かを判断する（ステップＳ２６０）。温度Ｔ２が−１０℃以下であれば（ステップＳ２６０：Ｙｅｓ）、外気温が十分低いと判断できるため、三方弁２６，２７をラジエータ２１側に切り換え、シャットバルブ２４，２５を開弁し、ポンプ２３を作動させることにより（ステップＳ２７０）、ラジエータ２１によって燃料電池１０を−１０℃程度まで冷却する（ステップＳ２８０）。こうすることで、燃料電池１０は急速に冷却されることになる。一方、冷却媒体の温度が、−１０℃よりも高ければ（ステップＳ２６０：Ｎｏ）、三方弁２６，２７を強制冷却器２２側に切り換え、シャットバルブ２４，２５を開弁し、ポンプ２３および強制冷却器２２を作動させることで（ステップＳ２９０）、強制冷却器２２によって燃料電池１０を−１０℃程度まで冷却する（ステップＳ３００）。こうすることにより、外気温が十分に低くない場合（−１０℃〜０℃）であっても、燃料電池１０を急速に冷却することができる。なお、上記ステップＳ２６０では、冷媒温度センサ３２を用いるものとしたが、これに替えて、外気温を測定するセンサを用いるものとしてもよい。
【００３３】
上記ステップＳ２８０もしくはステップＳ３００によって、燃料電池１０を冷却した後には、制御ユニット３０は、ポンプ２３を停止させ、シャットバルブ２４，２５を閉じ、燃料電池１０を断熱状態にする（ステップＳ３１０）。以上の処理により停止中冷却処理は終了する。なお、この停止中冷却処理の実行中において、起動スイッチ３３によってシステムが起動された場合には、制御ユニット３０は、停止中冷却処理を速やかに終了し、図３で示した運転中冷却処理に処理を移行する。また、この停止中冷却処理は、システムの停止中常時実行されるものとしてもよいが、例えば、数秒あるいは数分に一度ＣＰＵを起動させることにより、間欠的に実行するものとすれば、二次電池に蓄えられた電力の消費を低減することができる。
【００３４】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１００では、システム停止後に低温環境に放置された場合であっても、断熱容器１３による断熱効果によって燃料電池１０内の温度は、徐々に低下することになる。そのため、一晩（１０時間）程度放置されたとしても、燃料電池１０内の水分が凍結する可能性は低い。
【００３５】
また、それ以上の時間放置されたとしても、断熱状態の燃料電池１０の温度が０℃に到達するような状況においては、外気温は−１０℃程度以下の極めて低温まで低下していると考えられる。そうすると、ラジエータ２１および冷却媒体は、ほぼ外気温と同程度となっており、この低温の冷却媒体を燃料電池１０に循環させることで、燃料電池１０を急速に冷却することができる。また、外気温が−１０℃まで到達していなくても、強制冷却器２２によって積極的に燃料電池１０を冷却することもできる。このように、燃料電池１０を急速に冷却すれば、燃料電池１０の温度は、最大氷結晶成長温度帯を短時間で通過することになり、ＭＥＡ７３内に含まれる水分が凍結したとしても、その氷の結晶が成長することを抑制することが可能となる。この結果、ＭＥＡ７３を構成する電解質膜７０や触媒層７１ａ，７１ｂ、ガス拡散層７２ａ，７２ｂおよびこれらの界面構造が損傷、劣化することが抑制される。
【００３６】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、断熱容器１３の内部にヒータを設け、システムの起動時に所定時間、このヒータを作動させるものとすれば、氷を速やかに溶かすことができ、−１０℃以下に冷却した燃料電池１０の起動性を向上させることができる。
【００３７】
また、例えば、上述した実施例では、燃料電池システム１００は、ラジエータ２１と強制冷却器２２との両者を備えるものとしたが、これらのうち一方のみを備えるものとしてもよい。例えば、ラジエータ２１のみを備える構成であっても、断熱構造をとる燃料電池１０が０℃以下になる場合というのは、多くの場合、外気温が−１０℃以下の低温環境であると考えることができるため、強制冷却器２２を用いなくとも、ラジエータ２１によって燃料電池１０を急速に冷却することができる。また、ラジエータ２１のみの構成であれば、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制するために設けられた既存のラジエータを利用することができるため、システムの簡略化、および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池システム１００の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】単セルの概略構造を示す説明図である。
【図３】運転中冷却処理のフローチャートである。
【図４】停止中冷却処理のフローチャートである。
【図５】最大氷結晶生成温度帯を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００...燃料電池システム
１０...燃料電池
１１...水素タンク
１２...ブロア
１３...断熱容器
２０...冷却システム
２１...ラジエータ
２２...強制冷却器
２３...ポンプ
２４，２５...シャットバルブ
２６，２７...三方弁
２８...冷却媒体循環路
３０...制御ユニット
３１...ＦＣ温度センサ
３２...冷媒温度センサ
３３...起動スイッチ
４０...モータ
５０...二次電池
７０...電解質膜
７１ａ，７１ｂ...触媒層
７２ａ，７２ｂ...ガス拡散層
７３...ＭＥＡ
７４ａ，７４ｂ...セパレータ
７５...水素流路
７６...酸素流路
【図１】
2006147452.tif 000003
【図２】
2006147452.tif 000004
【図３】
2006147452.tif 000005
【図４】
2006147452.tif 000006
【図５】
2006147452.tif 000007