(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止中に触媒の酸化を抑制する技術を提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、燃料電池への要求出力がゼロとなると、第１の弁と第２の弁とを閉め、インジェクタによって燃料電池にアノードガスを充填し、その後、圧力値を複数回取得することにより、単位時間あたりの圧力値の減少量を導出し、減少量が減少量閾値よりも大きい場合に、インジェクタによって燃料電池にアノードガスを再充填するアノードガス再充填制御を実行するように構成されている。【選択図】図２
2019160474.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、
アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記カソードガスを供給するカソードガス供給流路と、
前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出流路と、
前記カソードガス供給流路に設けられた第１の弁と、
前記カソードガス排出流路に設けられた第２の弁と、
前記燃料電池に前記アノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
前記アノードガス供給流路に設けられたインジェクタと、
前記燃料電池のアノード側の圧力値を取得する圧力計と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池への要求出力がゼロとなると、前記第１の弁と前記第２の弁とを閉め、前記インジェクタによって前記燃料電池に前記アノードガスを充填し、
その後、前記圧力値を複数回取得することにより、単位時間あたりの前記圧力値の減少量を導出し、
前記減少量が減少量閾値よりも大きい場合に、前記インジェクタによって前記燃料電池に前記アノードガスを再充填するアノードガス再充填制御を実行するように構成されている、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】
特許文献１では、燃料電池内の触媒が酸化することを防止するための方法が二つ記載されている。一つ目は、燃料電池の発電停止中において、カソードガスの燃料電池への侵入を抑制するために燃料電池を封止する方法である。二つ目は、この封止中においてカソードガスが燃料電池へ侵入した場合に、燃料電池へアノードガスを供給することにより、カソード極でアノードガスとカソードガスとを反応させて、アノードガスを減少させる方法である。特許文献１では、アノード極に対するカソード極の電位差が閾値よりも大きい場合に、燃料電池へアノードガスが供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−４９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、アノード極に対するカソード極の電位差が閾値よりも大きい場合には、すでに燃料電池内のカソードガスが触媒を酸化させている虞があった。このため、燃料電池の発電停止中に触媒の酸化を抑制する他の技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記カソードガスを供給するカソードガス供給流路と、前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出流路と、前記カソードガス供給流路に設けられた第１の弁と、前記カソードガス排出流路に設けられた第２の弁と、前記燃料電池に前記アノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記アノードガス供給流路に設けられたインジェクタと、前記燃料電池のアノード側の圧力値を取得する圧力計と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池への要求出力がゼロとなると、前記第１の弁と前記第２の弁とを閉め、前記インジェクタによって前記燃料電池に前記アノードガスを充填し、その後、前記圧力値を複数回取得することにより、単位時間あたりの前記圧力値の減少量を導出し、前記減少量が減少量閾値よりも大きい場合に、前記インジェクタによって前記燃料電池に前記アノードガスを再充填するアノードガス再充填制御を実行するように構成されている。この形態の燃料電池システムによれば、アノードガス再充填制御を実行することにより、第１の弁と第２の弁とを閉めた後に燃料電池へカソードガスが入り込んでいる場合においても、燃料電池内のアノードガスが存在するうちに燃料電池へアノードガスが充填されるため、燃料電池内の触媒が劣化することを抑制できる。
【０００７】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】アノードガス再充填制御を説明するためのフローチャートである。
【図３】アノード側の圧力値とアノードガス再充填制御との関係を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるアノードガス再充填制御を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態の燃料電池システム１１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１１０は、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）１０と、カソードガス流路２０と、アノードガス流路３０と、制御部８０と、を備える。本実施形態では、燃料電池システム１１０は、車両に搭載されているが、これに限られず、例えば、その他の移動体に搭載されていてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。
【００１０】
燃料電池１０は、例えば、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成されている。燃料電池１０は、アノードガスタンク６０から供給されるアノードガスとしての水素ガスとカソードガスとしての大気中の酸素との電気化学反応によって発電する。なお、アノードガスとして水素ガスの変わりに、例えば、アルコールや、炭化水素を用いてもよい。
【００１１】
カソードガス流路２０は、燃料電池１０に対してカソードガスの供給及び排出を行う流路である。カソードガス流路２０は、燃料電池１０へカソードガスを供給するカソードガス供給流路２２と、燃料電池１０からカソードガスを排出するカソードガス排出流路２４と、カソードガス供給流路２２とカソードガス排出流路２４とを連通するバイパス流路２６と、を備える。
【００１２】
カソードガス供給流路２２には、上流側から順に、外気圧計４１と、流量計４０と、コンプレッサ４２と、第１の弁４４と、が設けられている。外気圧計４１は、外気圧を測定する機器である。流量計４０は、燃料電池システム１１０に取り込まれたカソードガスの流量を測定する機器である。コンプレッサ４２は、燃料電池１０の出力電力を利用して動作可能な機器であるとともに、燃料電池１０に外気を送り込む機器である。本実施形態では、コンプレッサ４２としてターボコンプレッサを用いるが、これに限られず、例えば、ルーツ型コンプレッサを用いてもよい。第１の弁４４は、コンプレッサ４２から燃料電池１０へのカソードガスの流入の有無を制御する弁であり、バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス供給流路２２の下流側に設けられている。
【００１３】
バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス排出流路２４の上流側には、燃料電池１０のカソード出口側のカソードガスの圧力を調整する第２の弁４６が設けられている。バイパス流路２６には、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を調節するバイパス弁４８が設けられている。本実施形態では、バイパス流路２６は、カソードガス供給流路２２におけるコンプレッサ４２と第１の弁４４との間と、カソードガス排出流路２４における第２の弁４６よりも下流側と、を結ぶ流路である。
【００１４】
アノードガス流路３０は、燃料電池１０に対してアノードガスの供給及び排出を行う流路である。アノードガス流路３０は、燃料電池１０へアノードガスを供給するアノードガス供給流路３２と、燃料電池１０からアノードガスを排出するアノードガス排出流路３４と、アノードガス供給流路３２とアノードガス排出流路３４とを連通するアノードガス循環流路３６と、を備える。
【００１５】
アノードガス供給流路３２は、アノードガスタンク６０に接続されている。アノードガス供給流路３２には、上流側から順に、開閉弁５２と、レギュレータ５４と、インジェクタ５６と、圧力計３３とが設けられている。開閉弁５２は、アノードガスタンク６０からインジェクタ５６の上流側へのアノードガスの流入の有無を制御する弁である。レギュレータ５４は、インジェクタ５６の上流側におけるアノードガスの圧力を調整するための弁である。インジェクタ５６は、燃料電池１０へのアノードガスの流入を制御する弁である。本実施形態では、インジェクタ５６は、アノードガス循環流路３６と連通する部分よりもアノードガス供給流路３２の上流側に設けられている。圧力計３３は、燃料電池１０のアノード側の圧力値を取得する機器である。本実施形態では、圧力計３３は、アノードガス循環流路３６との接合部よりもアノードガス供給流路３２の下流側に設けられている。
【００１６】
アノードガス排出流路３４は、気液分離器５８に接続されている。アノードガス排出流路３４は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応ガス（アノードガスや窒素ガスなど）や燃料電池１０内で生成された水を気液分離器５８へ誘導する。
【００１７】
気液分離器５８は、燃料電池１０のアノードから排出された気体と液体とを分離する。気液分離器５８は、アノードガス循環流路３６と排出管３８とに接続されている。気液分離器５８は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応のアノードガスについてはアノードガス循環流路３６へと誘導し、燃料電池１０内で生成された水や窒素ガスについては排出管３８へと誘導する。
【００１８】
アノードガス循環流路３６には、ポンプ５０が設けられている。ポンプ５０は、気液分離器５８において分離されたアノードガスを含む気体を、アノードガス供給流路３２へ送り出す。燃料電池システム１１０では、アノードガスを循環させて再び燃料電池１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
【００１９】
排出管３８は、気液分離器５８において分離された液体およびガスを燃料電池システム１１０の系外へと排出するための配管である。排出管３８には、上流側から順に、排気排水を行う排気排水弁５７と、排気排水を行う際の音を低減するサイレンサ５９とが設けられている。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９４は、燃料電池１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ９５に供給するとともに、二次電池（図示省略）にも接続されている。燃料電池１０の発電電力は、ＰＣＵ９５を含む電源回路を介して、車輪を駆動する駆動用モータ等の負荷や、上述したコンプレッサ４２、ポンプ５０及び各種弁に供給される。ＰＣＵ９５は、制御部８０の制御により燃料電池１０の電流を制限する。なお、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ９４との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流測定部９１と、燃料電池１０の電圧を測定する電圧測定部９２が設けられている。
【００２１】
制御部８０は、ＣＰＵとメモリと、上述した圧力計３３等のセンサやコンプレッサ４２等のアクチュエータ等の部品が接続される入出力インタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部８０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）８２の指示に応じて、燃料電池システム１１０内の構成部品の起動及び停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ８２は、燃料電池システム１１０を含む車両全体の制御を行う制御部である。例えば、アクセルペダルの踏み込み量やブレーキペダルの踏み込み量、車速等に応じてＥＣＵ８２が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ８２は、制御部８０の機能の一部に含まれていてもよい。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１１０による発電の制御を行う。本実施形態では、制御部８０は、予め定められた条件を満たす場合に、アノードガス再充填制御を実行するように構成されている。
【００２２】
図２は、制御部８０によって実行されるアノードガス再充填制御を説明するためのフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ８２から燃料電池１０への要求出力がゼロとなった場合に実行される。このような場合としては、例えば、車両のスタートスイッチがオフになった場合が挙げられる。
【００２３】
燃料電池１０への要求出力がゼロとなると、制御部８０は、カソードガス供給流路２２に設けられた第１の弁４４と、カソードガス排出流路２４に設けられた第２の弁４６とを閉める（工程Ｐ１００）。このようにすることにより、燃料電池１０の発電停止中において、燃料電池１０内にカソードガスが入り込むことを抑制できるため、カソードガスにより燃料電池１０内の触媒が酸化して劣化することを抑制できる。なお、燃料電池１０内の触媒の劣化防止のため、第１の弁４４と第２の弁４６の閉弁後、制御部８０は、燃料電池１０の発電を実施することにより、燃料電池１０内のカソードガスを減少させることが好ましい。
【００２４】
工程Ｐ１００の後、制御部８０は、インジェクタ５６によって燃料電池１０にアノードガスを充填する（工程Ｐ１１０）。このようにすることにより、仮に、燃料電池１０内にカソードガスが入り込んだとしても、アノードガスが電解質膜を透過してカソード側に移動する結果、移動したアノードガスとカソードガスとが反応して水が生成される。この結果として、カソードガスが減少して、触媒の劣化を抑制できる。なお、本実施形態では、工程Ｐ１００の後に工程Ｐ１１０を行うが、これに限られず、工程Ｐ１１０の後に工程Ｐ１００を行ってもよく、工程Ｐ１００と工程Ｐ１１０とを同時に行ってもよい。
【００２５】
次に、制御部８０は、圧力計３３によって燃料電池１０のアノード側の圧力値を複数回取得することにより、単位時間あたりの圧力値の減少量Ｐｄを導出する（工程Ｐ１２０）。本実施形態では、制御部８０は、アノードガスの圧力値を１２時間あけて２回取得することにより、その圧力値の差から、単位時間あたりの圧力値の減少量Ｐｄを導出する。しかし、これに限られず、例えば、アノードガスの圧力値を６時間あけて取得してもよく、２４時間あけて取得してもよい。一般に、６時間以上の間隔をあけて圧力値を取得することにより、正確な減少量Ｐｄの値を得ることができる。
【００２６】
減少量Ｐｄを導出した後（工程Ｐ１２０）、制御部８０は、減少量Ｐｄが予め定められた減少量閾値Ｐｔよりも大きいか否かを判定する（工程Ｐ１３０）。本実施形態では、減少量閾値Ｐｔとして、第１の弁４４と第２の弁４６とが正常に閉まっている場合における単位時間あたりのアノード側の圧力値の減少量を用いるが、これに限られず、例えば、上述の減少量を１割増した値を用いてもよい。
【００２７】
減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔよりも大きいと制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１３０：ＹＥＳ）、制御部８０は、インジェクタ５６によって燃料電池１０にアノードガスを再充填するアノードガス再充填制御を行い（工程Ｐ１４０）、フローを終了する。一方、減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔ以下と制御部８０が判定した場合（工程Ｐ１３０：ＮＯ）、制御部８０は、アノードガス再充填制御を行わず、フローを終了する。
【００２８】
図３は、アノードガス再充填制御を説明するための図である。図３では、縦軸がアノード側の圧力値であり、横軸が時間である。図３において、圧力計３３によって１回目のアノード側の圧力値を測定した時間をｔ０とし、単位時間をｔＡとする。
【００２９】
図３において、単位時間あたりの減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔの場合におけるアノード側の圧力値を線ＬＴで示す。一方、単位時間あたりの減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔよりも大きい場合であって、（ｉ）アノードガス再充填制御を行わない場合におけるアノード側の圧力値を線Ｌ１で示し、（ｉｉ）時間ｔ１１から時間ｔ１２においてアノードガス再充填制御を行った場合におけるアノード側の圧力を線Ｌ２で示す。なお、各線は、理解を容易とするために直線で記載されているが、厳密には、圧力値が大気圧に近づくにつれて単位時間あたりの減少量が小さくなっていく。
【００３０】
本実施形態では、燃料電池１０へ充填されるアノードガス量は、燃料電池１０へ充填可能な最大量とするが、これに限られない。例えば、燃料電池１０へ充填されるアノードガス量は、一般的な生活習慣から想定される車両の最長停止期間（例えば、２週間）内において、燃料電池１０に入り込むカソードガスと十分に反応できる程度の量としてもよい。また、燃料電池システム１１０を燃料電池１０の停止期間においても定期的にアノード側の圧力値を測定する構成としてもよく、この場合、燃料電池１０へ充填されるアノードガス量は、次回の圧力値測定時までアノードガス圧力が大気圧よりも高く維持できる程度の量としてもよい。
【００３１】
本実施形態では、制御部８０は、単位時間あたりの減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔよりも大きい場合に、インジェクタ５６によって燃料電池１０にアノードガスを充填するアノードガス再充填制御を実行する。この結果、本実施形態によれば、仮に、第１の弁４４や第２の弁４６が正常に閉まらず、燃料電池１０へカソードガスが入り込んでいる場合においても、燃料電池１０内のアノードガスが残存するうちに燃料電池１０へアノードガスが充填される。このため、本実施形態によれば、燃料電池１０内の触媒が劣化することを抑制できる。
【００３２】
Ｂ．第２実施形態
図４は、第２実施形態におけるアノードガス再充填制御を説明するための図である。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、アノードガス再充填制御を行う時期が異なる。図４において、単位時間あたりの減少量Ｐｄが減少量閾値Ｐｔよりも大きい場合であって、時間ｔ２１から時間ｔ２２においてアノードガス再充填制御を行った場合におけるアノード側の圧力を線Ｌ３で示す。その他の線は、図３と同じである。
【００３３】
本実施形態では、制御部８０は、アノード側の圧力値が圧力閾値Ｔｈ未満となる前に、アノードガス再充填制御を実行する。具体的には、第２実施形態では、制御部８０は、測定されたアノード側の圧力値と、単位時間あたりのアノード側の圧力値の減少量Ｐｄとを用いて、アノード側の圧力値が予め定められた圧力閾値Ｔｈとなるまでの期間を導出する。ここで、本実施形態では、圧力閾値Ｔｈは、燃料電池１０内の触媒劣化が開始すると想定されるアノード側の圧力値をいう。第２実施形態では、制御部８０は、測定された圧力値と、単位時間あたりの圧力値の減少量Ｐｄとを用いて、この期間を算出する。そして、制御部８０は、この期間が経過する直前に、燃料電池１０にアノードガスを充填するアノードガス再充填制御を実行する。本実施形態では、この期間が経過する１時間前に制御部８０はアノードガス再充填制御を実行する。
【００３４】
第２実施形態によれば、アノードガス再充填制御が行われるタイミングがアノード側の圧力値の減少量Ｐｄにより異なる。つまり、第２実施形態によれば、アノード側の圧力値の減少量Ｐｄが小さいほど、燃料電池１０へのアノードガスの充填から再充填までの期間が長くなる。このようにすることにより、アノードガスを再充填する前に燃料電池１０の停止が解除された場合、アノードガスの再充填が行われずに済むため、不要なアノードガス消費を抑制でき、燃費が向上する。なお、アノードガスを再充填する回数は、１回に限らず、複数回行ってもよい。複数回行う場合としては、例えば、減少量Ｐｄが大きいため、アノード側の圧力値が圧力閾値Ｔｈとなるまでの期間が短い場合が挙げられる。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池
２０…カソードガス流路
２２…カソードガス供給流路
２４…カソードガス排出流路
２６…バイパス流路
３０…アノードガス流路
３２…アノードガス供給流路
３３…圧力計
３４…アノードガス排出流路
３６…アノードガス循環流路
３８…排出管
４０…流量計
４１…外気圧計
４２…コンプレッサ
４４…第１の弁
４６…第２の弁
４８…バイパス弁
５０…ポンプ
５２…開閉弁
５４…レギュレータ
５６…インジェクタ
５７…排気排水弁
５８…気液分離器
５９…サイレンサ
６０…アノードガスタンク
８０…制御部
８２…ＥＣＵ
９１…電流測定部
９２…電圧測定部
９４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９５…ＰＣＵ
１１０…燃料電池システム
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ＬＴ…線
Ｐｄ…減少量
Ｐｔ…減少量閾値
Ｔｈ…圧力閾値
【図１】
2019160474.tif 000003
【図２】
2019160474.tif 000004
【図３】
2019160474.tif 000005
【図４】
2019160474.tif 000006