(57)【要約】【課題】簡単な構成及び工程で、燃料ガス流路内の流体を燃料電池の外部に排出する排出弁機構が凍結することを確実に阻止することができ、次回の氷点下起動時に燃料電池スタックが損傷することを可及的に阻止することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、空気及び水素ガスの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１２と、水素流路２２内の流体を、前記燃料電池スタック１２の外部に排出するパージ弁４４と、コントローラ１８とを備える。コントローラ１８は、燃料電池スタック１２の停止後に定期的に制御されるパージ弁４４を含むパージライン４０が、凍結する状態にあるか否かを予め判定する凍結判定部５８を備える。そして、燃料電池スタック１２の停止指令後に、凍結判定部５８による凍結判定がなされた際、前記凍結判定部５８による非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池スタック１２の稼動を継続させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路内の流体を、前記燃料電池の外部に排出する排出弁機構と、
前記燃料電池の停止後に、前記排出弁機構を定期的に制御する制御機構と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御機構は、前記燃料電池の停止後に定期的に制御される前記排出弁機構が、制御時に凍結する状態にあるか否かを予め判定する凍結判定部を備え、
前記燃料電池の停止指令後に前記凍結判定部による凍結判定がなされた際、該凍結判定部による非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池の稼動を継続させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定部は、前記燃料電池の起動温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池の発電関連値を検出する発電関連値検出部と、
を備え、
検出された前記起動温度と検出された前記発電関連値とに基づいて、前記排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記凍結判定部は、検出された前記発電関連値が、検出された前記起動温度に応じて設定された発電関連値範囲内にあるか否かにより、前記排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記発電関連値は、少なくとも電流積算値、電力積算値又は発電時間のいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路内の流体を、前記燃料電池の外部に排出する排出弁機構と、
前記燃料電池の停止後に、前記排出弁機構を定期的に制御する制御機構と、
を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池の停止指令がなされたか否かを判定する工程と、
前記燃料電池の停止指令がなされた後に定期的に制御される前記排出弁機構が、制御時に凍結する状態にあるか否かを予め判定する工程と、
前記燃料電池の停止指令後に凍結判定がなされた際、非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池の稼動を継続させる工程と、
前記非凍結判定がなされた際、システム停止を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項６】
請求項５記載の運転停止方法において、前記燃料電池の起動温度を検出する工程と、
前記燃料電池の発電関連値を検出する工程と、
検出された前記起動温度と検出された前記発電関連値とに基づいて、前記排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項７】
請求項６記載の運転停止方法において、検出された前記発電関連値が、検出された前記起動温度に応じて設定された発電関連値範囲内にあるか否かにより、前記排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載の運転停止方法において、前記発電関連値は、少なくとも電流積算値、電力積算値又は発電時間のいずれかであることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路内の流体を、前記燃料電池の外部に排出する排出弁機構と、前記燃料電池の停止後に、前記排出弁機構を定期的に制御する制御機構とを備える燃料電池システム及びその運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして構成されるとともに、例えば、車載用に使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池スタックでは、通常、低温起動時に暖機処理が行われている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度が第１の所定温度以上で、且つ前記燃料電池スタックの温度上昇速度が所定閾値より小さいときには暖機発電を継続し、この後に該燃料電池スタックの温度上昇速度が所定閾値よりも大きくなったことを検知したときに暖機発電を終了している。
【０００５】
これにより、起動時に燃料電池スタックの暖機発電を実施し、前記燃料電池スタックの温度上昇速度の変化に基づいて、該燃料電池スタックの内部に部分的な凍結が残っていることのないタイミングで暖機発電を終了させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２２９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、燃料電池スタックでは、発電中に生成される水が、前記燃料電池スタックからパージライン（掃気ライン）やドレインラインに排出されるため、前記パージラインや前記ドレインラインに前記水が残存し易い。
【０００８】
従って、上記の特許文献１では、特に氷点下において、燃料電池スタックがソーク（放置）されると、このソーク中に定期的に行われるＲＴＣ（Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｃｌｏｃｋ）掃気の開始時に、パージラインやドレインラインが凍結するおそれがある。
【０００９】
その際、パージラインが凍結すると、次回の氷点下起動時に、ＯＣＶ（開回路電圧）チェックに伴って行われるパージ処理不足が惹起し、発電が停止するという問題がある。しかも、ソーク中のＲＴＣ掃気処理が不十分になり、次回の氷点下起動時に燃料電池スタックが損傷するおそれがある。
【００１０】
一方、ドレインラインが凍結すると、次回の氷点下起動時に、発電安定性が低下して発電が停止するという問題がある。しかも、ソーク中のＲＴＣ掃気処理が不十分になり、次回の氷点下起動時に燃料電池スタックが損傷するおそれがある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、燃料ガス流路内の流体を燃料電池の外部に排出する排出弁機構が、ＲＴＣ掃気時に凍結することを確実に阻止することができ、次回の氷点下起動時に燃料電池スタックが損傷することを可及的に阻止することが可能な燃料電池システム及びその運転停止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】
【００１２】
本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路内の流体を、前記燃料電池の外部に排出する排出弁機構と、前記燃料電池の停止後に、前記排出弁機構を定期的に制御する制御機構とを備える燃料電池システム及びその運転停止方法に関するものである。
【００１３】
燃料電池システムでは、制御機構は、燃料電池の停止後に定期的に制御される排出弁機構が、制御時に凍結する状態にあるか否かを予め判定する凍結判定部を備え、前記燃料電池の停止指令後に前記凍結判定部による凍結判定がなされた際、該凍結判定部による非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池の稼動を継続させている。
【００１４】
また、凍結判定部は、燃料電池の起動温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の発電関連値を検出する発電関連値検出部とを備え、検出された前記起動温度と検出された前記発電関連値とに基づいて、排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することが好ましい。
【００１５】
さらに、凍結判定部は、検出された発電関連値が、検出された起動温度に応じて設定された発電関連値範囲内にあるか否かにより、排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、発電関連値は、少なくとも電流積算値、電力積算値又は発電時間のいずれかであることが好ましい。
【００１７】
また、運転停止方法は、燃料電池の停止指令がなされたか否かを判定する工程と、前記燃料電池の停止指令がなされた後に定期的に制御される排出弁機構が、制御時に凍結する状態にあるか否かを予め判定する工程と、前記燃料電池の停止指令後に凍結判定がなされた際、非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池の稼動を継続させる工程と、前記非凍結判定がなされた際、システム停止を行う工程とを有している。
【００１８】
さらに、運転停止方法は、燃料電池の起動温度を検出する工程と、前記燃料電池の発電関連値を検出する工程と、検出された前記起動温度と検出された前記発電関連値とに基づいて、排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定する工程とを有することが好ましい。
【００１９】
さらにまた、運転停止方法は、検出された発電関連値が、検出された起動温度に応じて設定された発電関連値範囲内にあるか否かにより、排出弁機構が凍結する状態にあるか否かを判定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、燃料電池の停止指令後に凍結判定がなされた際、非凍結判定がなされるまで、燃料電池の稼動を継続させている。このため、燃料電池の停止後に、定期的に制御される排出弁機構が凍結することがない。従って、低温環境下であっても、燃料電池の停止後に、排出弁機構を定期的に確実に制御することができ、燃料ガス流路内の流体を前記燃料電池の外部に良好に排出することが可能になる。
【００２１】
これにより、簡単な構成及び工程で、燃料ガス流路内の流体を燃料電池の外部に排出する排出弁機構がＲＴＣ掃気時に凍結することを確実に阻止することができ、次回の氷点下起動時に燃料電池スタックが損傷することを可及的に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る運転停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図３】パージライン温度と電流積算値との関係説明図である。
【図４】前記電流積算値及び起動温度と凍結発生有無条件との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１に示すように、本発明に係る運転停止方法が適用される燃料電池システム１０は、酸化剤ガス（以下、単に空気ともいう）及び燃料ガス（以下、単に水素ガスともいう）の電気化学反応により発電する燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する水素供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷媒体を供給する冷媒体供給装置（図示せず）と、コントローラ（制御機構）１８とを備える。
【００２４】
燃料電池スタック１２は、図示しないが、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜を、カソード電極とアノード電極とで挟持する燃料電池を備え、所定数の前記燃料電池が積層されて構成される。燃料電池スタック１２内には、各燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気流路（酸化剤ガス流路）２０と、各燃料電池のアノード電極に水素を供給する水素流路（燃料ガス流路）２２とが設けられる。
【００２５】
空気供給装置１４は、エアポンプ（又はスーパチャージャ）２４を備え、このエアポンプ２４から出力される圧縮空気は、空気供給通路２６を介して燃料電池スタック１２の空気流路２０に供給される。空気流路２０の出口側には、空気排出通路２８の一端が接続されるとともに、前記空気排出通路２８の他端は、希釈器３０に連通する。
【００２６】
水素供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク３２を備える。燃料電池スタック１２の水素流路２２には、水素タンク３２から水素供給通路３４を介して水素ガスが供給される。水素供給通路３４の途上には、エゼクタ３６が配設される。
【００２７】
水素流路２２の出口側には、水素排出通路３８の一端が接続されるとともに、前記水素排出通路３８の他端は、エゼクタ３６に接続される。エゼクタ３６は、水素タンク３２から供給される水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、前記燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素排出通路３８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に水素ガスとして供給する。
【００２８】
水素排出通路３８からは、パージライン４０及びドレインライン４２がそれぞれ分岐される。パージライン４０は、パージ弁４４を介装して希釈器３０に連通する一方、ドレインライン４２は、ドレイン弁４６を介装して前記希釈器３０に連通する。パージ弁４４を含むパージライン４０と、ドレイン弁４６を含むドレインライン４２とは、排出弁機構を構成する。
【００２９】
燃料電池スタック１２には、前記燃料電池スタック１２の起動温度を検出するための温度センサ４８と、前記燃料電池スタック１２の出力電流を測定するための電流センサ５０とが設けられる。
【００３０】
コントローラ１８は、パージ弁４４及びドレイン弁４６を制御する弁制御部５２と、温度センサ４８からの温度情報が入力される温度検出部５４と、電流センサ５０からの測定出力電流を積算する電流積算部５６と、燃料電池スタック１２の停止後に定期的に制御されるパージ弁４４及びドレイン弁４６が、凍結する状態にあるか否かを、発電関連値（後述する）に基づいて予め判定する凍結判定部５８と、前記燃料電池スタック１２の停止後に、前記パージ弁４４及び前記ドレイン弁４６を一定時間毎（定期的）に制御するＲＴＣ（Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｃｌｏｃｋ）制御部６０とを有する。
【００３１】
コントローラ１８には、操作者によって操作されることにより、燃料電池システム１０の起動及び停止を行うイグニッションスイッチ６２が接続される。コントローラ１８には、イグニッションスイッチ６２を介して、停止指令が入力される。
【００３２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る運転停止方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３３】
先ず、イグニッションスイッチ６２がオンされると（ステップＳ１）、コントローラ１８には、燃料電池システム１０の起動信号が入力される。コントローラ１８では、温度センサ４８から温度検出部５４に入力される燃料電池スタック１２の起動温度が検出される（ステップＳ２）。次いで、この検出された起動温度に基づいて、必要電流積算値及び凍結発生電流積算値が算出される（ステップＳ３）。
【００３４】
ここで、図１に示すように、パージライン４０及びドレインライン４２では、パージ弁４４と希釈器３０との間及びドレイン弁４６と前記希釈器３０との間に、低温時に凍結し易い凍結部６４が存在している。そして、例えば、パージライン４０の温度と燃料電池スタック１２の出力電流値の電流積算値とは、図３に示す関係を有している。
【００３５】
図３中、範囲Ｈ１は、燃料電池スタック１２のソーク（放置）中に、一定時間毎にパージ処理（掃気処理）を行う際、パージライン４０が凍結しない範囲を示す一方、範囲Ｈ２は、前記パージ処理時に前記パージライン４０が凍結する範囲を示す。
【００３６】
電流積算値が小さい時には、生成水量も少なく、パージライン４０の温度が低くなっても凍結が発生しない。一方、電流積算値が大きくなれば、パージライン４０の温度も高温になり、熱量が必要な個所に十分に供給されて凍結することがない。
【００３７】
このように、パージライン４０の温度と電流積算値とは、一定の関係を維持している。従って、パージライン４０の温度を観測する代わりに、電流積算値を監視し、前記電流積算値によってパージ処理時の前記パージライン４０における凍結の有無を判断することができる。
【００３８】
そこで、図４に示すように、燃料電池スタック１２の起動温度と、イグニッションスイッチ６２のオフ時における電流積算値とにおいて、パージライン４０の凍結発生有無の関係が設定される。ここで、範囲Ｈ１ａは、パージライン４０に凍結が発生しない範囲であり、範囲Ｈ２ａは、前記パージライン４０に凍結が発生する範囲を示している。
【００３９】
範囲Ｈ１ａと範囲Ｈ２ａとは、凍結発生電流積算値Ｌａと必要電流積算値Ｌｄとによって仕切られている。凍結発生電流積算値Ｌａは、パージライン４０に凍結が発生し始める電流積算値であり、この凍結発生電流積算値Ｌａ未満であれば、前記パージライン４０に凍結が発生することはない。一方、必要電流積算値Ｌｂは、パージライン４０に凍結が発生する最大電流積算値であり、前記必要電流積算値Ｌｂを超えると、前記パージライン４０の凍結が回避される。
【００４０】
凍結発生電流積算値Ｌａ及び必要電流積算値Ｌｂは、起動温度に応じて設定されている。この起動温度が比較的低温である場合には、電流積算値が比較的小さくなれば、生成水量も少なくなってパージライン４０の凍結が阻止される。電流積算値が比較的大きくなれば、起動温度に関わらず、所望の熱量が十分に供給されるため、パージライン４０に凍結が発生することはない。
【００４１】
また、起動温度が比較的高温である場合には、電流積算値が大きくなって生成水量が増加しても、燃料電池スタック１２の暖気が迅速に行われて凍結し難くなる。従って、ステップＳ３では、検出された起動温度に応じて、必要電流積算値及び凍結発生電流積算値が算出される。
【００４２】
さらに、ステップＳ４及びステップＳ５に進んで、イグニッションスイッチ６２がオフされるまで、燃料電池スタック１２による発電が行われる。具体的には、空気供給装置１４を構成するエアポンプ２４の駆動作用下に、空気供給通路２６に導出された圧縮空気は、燃料電池スタック１２の各燃料電池に設けられている空気流路２０を通って、カソード電極に供給される。一方、水素供給装置１６を構成する水素タンク３２から水素供給通路３４に導出された水素ガスは、燃料電池スタック１２の各燃料電池の水素流路２２からアノード電極に供給される。
【００４３】
これにより、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される水素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。カソード電極に供給された空気は、空気流路２０から空気排出通路２８に排出され、希釈器３０に送られる。また、アノード電極で使用された水素ガスは、水素流路２２から水素排出通路３８に排出され、エゼクタ３６の吸引作用下に、新たな水素ガスに混在して水素供給通路３４から燃料電池スタック１２に供給される。
【００４４】
水素ガスは、エゼクタ３６を介して水素供給通路３４に循環されており、定期的にパージ弁４４が開放されることにより、パージライン４０を介して希釈器３０に排出される。水素ガス中に混在する窒素ガス等の不純物が、増加するからである。また、循環する水素ガスに混在する水分は、ドレイン弁４６の開放作用下に、ドレイン弁４６を介して希釈器３０に排出される。
【００４５】
上記の燃料電池スタック１２の運転時に出力される電流は、電流センサ５０を介して検出され、コントローラ１８の電流積算部５６では、電流積算値が算出される。そこで、イグニッションスイッチ６２がオフされると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、電流積算部５６により積算された電流積算値が、予め算出されている凍結発生電流積算値と必要電流積算値との間にあるか否かが判断される。
【００４６】
電流積算値が、範囲Ｈ２ａ内にあると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、前記電流積算値が必要電流積算値を超えるまで、燃料電池スタック１２による発電が持続される（ステップＳ７及びステップＳ８）。
【００４７】
電流積算値が、必要電流積算値を超えると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の発電を停止させる（ステップＳ９）。
【００４８】
コントローラ１８では、ＲＴＣ制御部６０の作用下に、燃料電池スタック１２の停止後のソーク（放置）中に、主に所定の時間毎に定期的にパージ処理を行う。このパージ処理では、エアポンプ２４が駆動されることにより、空気流路２０及び水素流路２２に圧縮空気が供給される。水素流路２２に残存する水素ガス及び導入された空気は、弁制御部５２の作用下にパージ弁４４が開放されることにより、パージライン４０を通って希釈器３０に排出される。空気流路２０に残存する空気及び圧縮空気は、空気排出通路２８を介して希釈器３０に排出される。
【００４９】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１２の停止指令後に、始動温度と電流積算部５６による算出電流積算値とに基づいて、凍結判定部５８によりＲＴＣ処理時のパージライン４０の凍結有無の判定がなされている。そして、パージライン４０が凍結されると判定された際には、燃料電池スタック１２の停止指令にも関わらず、非凍結判定がなされるまで、前記燃料電池スタック１２の運転（稼動）を継続させている。
【００５０】
従って、燃料電池スタックが停止された後、ＲＴＣ制御部６０を介して定期的にパージ処理が施される際、特に、パージライン４０の凍結部６４に凍結が発生することを可及的に阻止することができる。これにより、低温環境下であっても、燃料電池スタック１２の停止後にパージ弁４４を定期的に制御することができ、水素流路２２内の残存流体を、前記燃料電池スタック１２から希釈器３０に良好に排出することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
このため、簡単な構成及び工程で、水素流路２２内の流体を燃料電池スタック１２の外部に排出する排出弁機構、例えば、パージ弁４４が凍結することを確実に阻止することができ、次回の氷点下起動時に燃料電池スタック１２が損傷することを可及的に阻止することが可能になる。
【００５２】
例えば、氷点下の起動時にパージライン４０が凍結することがなく、次回の氷点下起動時にＯＣＶ（開回路電圧）チェックに伴って行われるパージ処理不足が回避されるとともに、ソーク中の掃気処理が十分に遂行されるという利点が得られる。
【００５３】
一方、氷点下のソーク中に、ドレイン弁４６が操作されて水素流路２２のドレイン処理が行われる際には、前記ドレインライン４２の凍結が回避される。従って、次回の氷点下起動時に、発電安定性が低下して発電が停止するという不具合を確実に回避することが可能になる。しかも、ソーク中の掃気処理が十分になされ、次回の氷点下起動時に燃料電池スタック１２が損傷することを良好に阻止することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、凍結判定部５８は、発電関連値として電流センサ５０から得られる電流積算値を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック１２の出力電力を積算した電力積算値や、前記燃料電池スタック１２の発電時間を発電関連値として用いてもよい。また、電流積算値、電力積算値又は発電時間の少なくとも二つを併用して、発電関連値として用いてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…空気供給装置                  １６…水素供給装置
１８…コントローラ                  ２０…空気流路
２２…水素流路                      ２４…エアポンプ
２８…空気排出通路                  ３０…希釈器
３２…水素タンク                    ３４…水素供給通路
３６…エゼクタ                      ３８…水素排出通路
４０…パージライン                  ４２…ドレインライン
４４…パージ弁                      ４６…ドレイン弁
４８…温度センサ                    ５０…電流センサ
５２…弁制御部                      ５４…温度検出部
５６…電流積算部                    ５８…凍結判定部
６０…ＲＴＣ制御部                  ６２…イグニッションスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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