(57)【要約】【課題】発電を停止した後に円滑に再起動することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池３を備える燃料電池システム２において、燃料電池３における発電を停止する場合に、まず、空気を燃料電池３に送る送気ポンプ４３を停止させて燃料電池３における発電を停止させ、その後、燃料電池３内に液体燃料が残存している状態で液体燃料を燃料電池３に送る送液ポンプ２６を停止させる。そして、燃料電池３における発電を再開させるときに、燃料電池３内に残存する液体燃料を使用して円滑に発電を再開させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料成分を含む液体燃料を貯留する燃料タンクと、
前記液体燃料中の燃料成分を消費して発電する燃料電池と、
酸素を前記燃料電池に供給する酸素供給ラインと、
前記酸素供給ラインの途中に介在され、酸素を前記燃料電池へ送る送気手段と、
前記燃料タンク内の液体燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインの途中に介在され、前記燃料タンク内の液体燃料を前記燃料電池へ送る送液手段と、
前記燃料タンクから前記燃料電池への液体燃料の供給方向において、前記送液手段よりも下流側における前記燃料供給ラインの途中に介在され、液体燃料の通過を許容する開状態と、液体燃料の通過を許容しない閉状態とに変位する開閉弁と、
前記燃料電池における発電を停止させるか否かを判断し、前記送気手段、前記送液手段および前記開閉弁の動作を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合に、前記送気手段を停止させ、前記燃料電池内に液体燃料が残存している状態で前記送液手段を停止させるとともに前記開閉弁を閉状態に変位させ、その後、前記燃料電池における発電を再開しない状態で所定の時間が経過した場合に、前記開閉弁を開状態に変位させる
ことを特徴とする、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、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
【０００３】
例えば、アニオン膜を通して空気と液体燃料とを反応させることにより発電する燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、液体燃料を貯留する循環タンクとを備え、イグニッションスイッチのオフなど、所定の発電停止条件の成立時に、燃料電池内の残存液体燃料を循環タンクへ排出する燃料電池システムが知られている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−８５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、所定の発電停止条件によって燃料電池システムの発電を停止した後に燃料電池システムの発電を再開する場合に、一旦残存液体燃料を排出した燃料電池に再度液体燃料を充填する必要があり、燃料電池システムの再起動にかかる時間を短縮することが困難である。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、発電を停止した後に円滑に再起動することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料成分を含む液体燃料を貯留する燃料タンクと、前記液体燃料中の燃料成分を消費して発電する燃料電池と、酸素を前記燃料電池に供給する酸素供給ラインと、前記酸素供給ラインの途中に介在され、酸素を前記燃料電池へ送る送気手段と、前記燃料タンク内の液体燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインの途中に介在され、前記燃料タンク内の液体燃料を前記燃料電池へ送る送液手段と、前記燃料タンクから前記燃料電池への液体燃料の供給方向において、前記送液手段よりも下流側における前記燃料供給ラインの途中に介在され、液体燃料の通過を許容する開状態と、液体燃料の通過を許容しない閉状態とに変位する開閉弁と、前記燃料電池における発電を停止させるか否かを判断し、前記送気手段、前記送液手段および前記開閉弁の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合に、前記送気手段を停止させ、前記燃料電池内に液体燃料が残存している状態で前記送液手段を停止させるとともに前記開閉弁を閉状態に変位させ、その後、前記燃料電池における発電を再開しない状態で所定の時間が経過した場合に、前記開閉弁を開状態に変位させることを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、制御手段は、燃料電池における発電を停止すると判断した場合、送気手段を停止させて燃料電池の発電を停止させる。このとき、制御手段は、燃料電池内に液体燃料が残存している状態で、送液手段を停止させるとともに、開閉弁を閉状態に変位させる。
【０００９】
これにより、燃料電池における発電を再開するときには、液体燃料を燃料電池内に再充填する作業を実施することなく、燃料電池内に残存する液体燃料を利用して、すぐに発電を再開することができる。
【００１０】
その結果、発電を停止した後に円滑に燃料電池を再起動することができる。
【００１１】
さらに、制御手段は、燃料電池における発電を停止した後、燃料電池における発電を再開しない状態で所定の時間が経過した場合に、開閉弁を開状態に変位させる。
【００１２】
これにより、発電を停止した後に、長期にわたって発電を再開する見込みがない場合には、燃料電池内に残存する液体燃料を排出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電を停止した後に円滑に再起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．電動車両の全体構成
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【００１６】
図１において、電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。
【００１７】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給されるアニオン交換形燃料電池である。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。燃料電池３は、複数の単位セル１１と、１対のエンドプレート１２とを備えている。
【００１８】
各単位セル１１は、略平板形状に形成されている。各単位セル１１は、その厚み方向（図１の紙面左右方向）において互いに積層され、セルスタック１０を構成している。以下、燃料電池３の説明において、単位セル１１の積層方向を、積層方向と記載する。各単位セル１１は、図１中の拡大図に示すように、膜電極接合体１３と、アノード側セパレータ１４と、カソード側セパレータ１５とを備えている。
【００１９】
膜電極接合体１３は、略平板形状に形成されており、電解質膜１６と、アノード電極１７と、カソード電極１８とを備えている。
【００２０】
電解質膜１６は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。
【００２１】
アノード電極１７は、電解質膜１６の積層方向一方側（図１の紙面右側）の表面に、薄層として積層されている。アノード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００２２】
カソード電極１８は、電解質膜１６の積層方向他方側（図１の紙面左側）の表面に、薄層として積層されている。カソード電極１８は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１８は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００２３】
アノード側セパレータ１４は、膜電極接合体１３の積層方向一方側に配置されている。アノード側セパレータ１４は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面には、積層方向一方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面は、アノード電極１７に接触している。アノード側セパレータ１４の凹溝は、アノード電極１７の積層方向一方面とともに、燃料流路１９を形成する。燃料流路１９は、エンドプレート１２の後述する燃料供給口１２Ａおよび燃料排出口１２Ｂに連続している。
【００２４】
カソード側セパレータ１５は、膜電極接合体１３の積層方向他方側に配置されている。カソード側セパレータ１５は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面には、積層方向他方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面は、カソード電極１８に接触している。カソード側セパレータ１５の凹溝は、カソード電極１８の積層方向他方面とともに、空気流路２０を形成する。空気流路２０は、エンドプレート１２の後述する空気供給口１２Ｃおよび空気排出口１２Ｄに連続している。
【００２５】
各エンドプレート１２は、絶縁性の樹脂などから略平板形状に形成されている。各エンドプレート１２は、セルスタック１０を挟むように、燃料電池３の積層方向両側に配置されている。積層方向一方側のエンドプレート１２には、その下端部に貫通形成される燃料供給口１２Ａと、その上端部に貫通形成される燃料排出口１２Ｂとが形成されている。積層方向他方側のエンドプレート１２には、その上端部に貫通形成される空気供給口１２Ｃと、その下端部に貫通形成される空気排出口１２Ｄとが形成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。
【００２６】
燃料タンク２１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。なお、燃料タンク２１内の液体燃料の水位は、燃料電池３よりも下側に位置している。
【００２７】
燃料成分としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）などのヒドラジン類が挙げられる。これらの燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。これらの燃料成分のうち、好ましくは、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。
【００２８】
燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給口１２Ａに接続されている。燃料供給ライン２３は、送液手段の一例としての送液ポンプ２６と、開閉弁の一例としてのバルブ２８とを備えている。
【００２９】
送液ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。送液ポンプ２６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなどが挙げられる。送液ポンプ２６は、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。送液ポンプ２６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。
【００３０】
バルブ２８は、送液ポンプ２６と燃料電池３との間に配置されている。すなわち、送液ポンプ２６の供給方向下流側において、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。バルブ２８は、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。バルブ２８は、液体燃料の通過を許容する開状態と、液体燃料の通過を許容しない閉状態とに変位する。
【００３１】
燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出口１２Ｂに接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。
【００３２】
気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。
【００３３】
排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、酸素供給ラインの一例としての空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００３４】
空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給口１２Ｃに接続されている。空気供給ライン４１は、送気手段の一例としての送気ポンプ４３を備えている。
【００３５】
送気ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。送気ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどが挙げられる。
【００３６】
空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出口１２Ｄに接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ５１と、速度計５０とを備えている。
【００３７】
ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
【００３８】
速度計５０は、ＥＣＵ５１に電気的に接続されている。速度計５０は、電動車両１の速度を計測し、計測した速度をＥＣＵ５１に送信する。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。
【００３９】
モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ５２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００４０】
バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
２．燃料電池システムの発電動作
次いで、燃料電池システム２の発電動作について説明する。
【００４１】
電動車両１が作動されると、ＥＣＵ５１の制御により、バルブ２８が開状態に変位され、燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６、および、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動される。
【００４２】
燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６が駆動すると、燃料タンク２１内の液体燃料は、燃料供給ライン２３を介して燃料電池３の燃料供給口１２Ａに供給される。燃料供給口１２Ａに供給された液体燃料は、アノード電極１７の積層方向一方面と接触しながら燃料流路１９内を流れ、燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４へ排出される。
【００４３】
また、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動すると、電動車両１の外部から空気が取り込まれ、空気供給ライン４１を介して燃料電池３の空気供給口１２Ｃに供給される。空気供給口１２Ｃに供給された空気は、カソード電極１８の積層方向他方面と接触しながら空気流路２０内を流れ、空気排出口１２Ｄから空気排出ライン４２へ排出される。
【００４４】
このとき、各単位セル１１では、燃料成分が、例えば、ヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される反応が生じ、燃料電池３の発電が行なわれる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１７での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極１８での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （単位セル１１全体での反応）
これらの反応により、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）および窒素ガス（Ｎ２）が生成され、起電力（４ｅ−）が発生される。発生した起電力は、図示しないインバータにより三相交流電力に変換された後、モータ５２に供給され、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリー５３に蓄電される。
【００４５】
燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４に排出された液体燃料は、気液分離器２７において、ガス（上記式（１）の反応において生成する窒素ガス（Ｎ２）や、副生するアンモニア（ＮＨ３）など）と分離されて、燃料タンク２１に還流される。
３．燃料電池システムの停止
図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。
【００４６】
図２を参照しながら、燃料電池システム２の停止について説明する。この燃料電池システム２の停止は、ＥＣＵのメモリに記憶されている発電停止制御処理に基づいて実施される。
【００４７】
電動車両１が走行しているときには、上記した発電動作により発電される。そして、電動車両１が停車すると、すなわち、速度計５０の計測に基づいて、ＥＣＵ５１が、電動車両１の速度が０ｋｍ／時であると判断したときには、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を停止すると判断する（Ｓ１：ＹＥＳ）。
【００４８】
すると、ＥＣＵ５１は、送液ポンプ２６を駆動させた状態で、送気ポンプ４３を停止させる（Ｓ２）。
【００４９】
そして、燃料電池３では、カソード電極１８に対する酸素の供給が停止することにより、発電反応が停止する。なお、送気ポンプ４３が停止した後にも、空気供給ライン４１内に残存する酸素が燃料電池３のカソード電極１８に供給されることにより、しばらくの間、発電反応が継続している。そこで、発電反応の停止は、開放電圧（ＯＣＶ）を測定することにより、判断する。具体的には、ＥＣＵ５１は、開放電圧（ＯＣＶ）が所定の閾値以下となったときに、発電反応が停止したと判断する（Ｓ３：ＹＥＳ）。
【００５０】
また、送気ポンプ４３が停止した後、発電反応が停止するまでの間においても、アノード電極１７では、上記したように、窒素ガス（Ｎ２）やアンモニア（ＮＨ３）などのガスが発生する。ここで、送気ポンプ４３が停止した後において発生した窒素ガス（Ｎ２）やアンモニア（ＮＨ３）などのガスは、送液ポンプ２６によって燃料電池３に液体燃料が供給され続けることにより、液体燃料とともに燃料電池３から排出される。
【００５１】
そして、ＥＣＵ５１は、発電反応が停止したと判断すると、送液ポンプ２６を停止するとともにバルブ２８を閉状態に切り替える（Ｓ４）。
【００５２】
すると、燃料電池３内の液体燃料は、バルブ２８によって、燃料タンク２１への排出が規制され、燃料電池３内に残存する。
【００５３】
そして、電動車両１が再度走行するときには、ＥＣＵ５１は、例えば、アクセルオンの信号などに基づいて、燃料電池３における発電を再開すると判断する（Ｓ５：ＹＥＳ）。
【００５４】
すると、ＥＣＵ５１は、バルブ２８を開状態に切り替えて、再度、送液ポンプ２６および送気ポンプ４３を駆動させる（Ｓ６）。
【００５５】
そして、燃料電池３内部に残存する液体燃料と、送気ポンプ４３によって供給される酸素とによって、すぐに、燃料電池３における発電反応が再開される。
【００５６】
一方、ＥＣＵ５１において、燃料電池３における発電反応が停止したと判断した後、例えば、イグニッションスイッチのオフなどにより、所定の時間（例えば、１０分）が経過しても燃料電池３における発電を再開すると判断しない場合（Ｓ５：ＮＯ、Ｓ７：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を再開しないと判断する。
【００５７】
すると、ＥＣＵ５１は、送液ポンプ２６および送気ポンプ４３を停止させた状態で、バルブ２８を開状態に切り替える（Ｓ８）。
【００５８】
すると、燃料電池３内に残存する液体燃料は、燃料供給ライン２３を介して重力により燃料タンク２１内に排出される。
４．作用効果
この燃料電池システム２によれば、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を停止すると判断した場合、送気ポンプ４３を停止させて燃料電池３の発電を停止させる。このとき、制御手段３は、燃料電池３内に液体燃料が残存している状態で、送液ポンプ２６を停止させるとともに、バルブ２８を閉状態に変位させる。
【００５９】
これにより、燃料電池３における発電を再開するときには、液体燃料を燃料電池３内に再充填する作業を実施することなく、燃料電池３内に残存する液体燃料を利用して、すぐに発電を再開することができる。
【００６０】
とりわけ、上記した燃料電池３のように、電解質膜１６が高分子電解質膜である場合には、電解質膜１６が乾燥していると、発電するときに、電解質膜１６を湿潤させるための時間が必要となる。
【００６１】
しかし、この燃料電池システム２によれば、燃料電池３内に液体燃料が残存しているので、電解質膜１６の湿潤状態が維持することができ、電解質膜１６を湿潤させることなく発電を再開することができる。
【００６２】
その結果、発電を停止した後に円滑に燃料電池３を再起動することができる。
【００６３】
さらに、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を停止した後、所定の時間が経過した場合に、バルブ２８を開状態に変位させる。
【００６４】
これにより、発電を停止した後に、長期にわたって発電を再開する見込みがない場合には、燃料電池３内に残存する液体燃料を排出することができる。
【００６５】
とりわけ、燃料成分がヒドラジンなどである場合、すなわち、液体燃料がアルカリ性である場合には、燃料電池３内に液体燃料を長期にわたって残存させることは、セルスタック１０の保護の観点から好ましくない。
【００６６】
しかし、この燃料電池システム２によれば、長期にわたって発電を再開する見込みがない場合には、燃料電池３内に残存する液体燃料を排出する。そのため、セルスタック１０を保護することもできる。
【符号の説明】
【００６７】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
２２    第２燃料タンク
２３    燃料供給ライン
２６    送液ポンプ
２８    バルブ
４１    空気供給ライン
４３    送気ポンプ
５１    ＥＣＵ
【図１】
2015032348.tif 000003
【図２】
2015032348.tif 000004