(57)【要約】      （修正有）【課題】残留ガスの排気制御を適切に行う燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１であって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、燃料ガス供給手段３が燃料ガスの供給を開始する前に、膜電極接合体のアノード側にある残留ガスを減圧する減圧手段１０と、膜電極接合体の温度が、膜電極接合体に残留する生成水が凍結する所定温度以下の場合に、残留ガスを減圧しないように減圧手段１０を制御する制御手段５と、を備える。【選択図】図１
2008270008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段が前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記膜電極接合体のアノード側にある残留ガスを減圧する減圧手段と、
前記膜電極接合体の温度が、該膜電極接合体に残留する生成水が凍結する所定温度以下の場合に、前記残留ガスを減圧しないように前記減圧手段を制御する制御手段と、を備える
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記膜電極接合体が前記所定温度より高い場合は、前記減圧手段を制御して前記残留ガスを減圧し、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスを供給し、
前記膜電極接合体が前記所定温度以下の場合は、前記残留ガスを減圧しないように前記減圧手段を制御し、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスを供給する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記残留ガスの圧力が該残留ガスの減圧を停止すべき所定圧力の場合に、前記減圧手段を制御して該残留ガスの減圧を停止する、
請求項１または２に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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電を行う。水素と酸素との電気化学反応は、膜電極接合体やガス拡散層を担持した燃料電池セルで行われる。
【０００３】
燃料電池は、発電停止後、アノード触媒電極側のガス流路に燃料ガスが残留し、カソード触媒電極側のガス流路に酸化剤ガスが残留する。燃料電池は、発電停止期間中、膜電極接合体を介してアノード触媒電極側の燃料ガスとカソード触媒電極側の酸化剤ガスとがクロスリークする。アノード触媒電極側の残留ガスにカソード触媒電極側のガスがクロスリークすると窒素が多く滞留し、起動時に燃料ガスが行き渡らない燃料電池セルが発生する。また、燃料ガスの通路には圧損があるため、例えば、マニホールドから遠い位置にある燃料電池セルでは、残留ガスの燃料ガスへの置換が遅くなる。このような部分水素欠が発生している状態で燃料電池を起動すると、燃料電池の起動時間が長くなったり、補機類の運転に消費する電力が増加したり、電圧が負になる燃料電池セルが発生する。また、部分水素欠が発生している状態で酸化剤ガスを送気すると、カソード触媒電極の電位が上がり、電極のカーボンが酸化する。また、部分水素欠が発生している状態で燃料電池を起動すると、プロトンを補償するため、以下のようなアノード触媒電極のカーボン酸化が生じる。
【０００４】
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+
【０００５】
燃料電池は、このようなカーボン酸化を抑制するため、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを供給する前に残留ガスを減圧し、ガス置換を行っている。例えば、特許文献１には、燃料電池の起動前に残留ガスを排気処理する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−２０３２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アノード触媒電極側のガス流路を減圧すると、カソード触媒電極側のガス流路との圧力差によって燃料電池セルに力が加わる。膜厚の薄い膜電極接合体等にこのような力が加わることは好ましくない。
【０００７】
本発明は、上記した問題に鑑み、残留ガスの排気制御を適切に行う燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、膜電極接合体の温度に応じて残留ガスを排気する。
【０００９】
詳細には、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段が前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記膜電極接合体のアノード側にある残留ガスを減圧する減圧手段と、前記膜電極接合体の温度が、該膜電極接合体に残留する生成水が凍結する所定温度以下の場合に、前記残留ガスを減圧
しないように前記減圧手段を制御する制御手段と、を備える。
【００１０】
本発明は、膜電極接合体の温度が所定温度以下の場合、触媒電極に付着している生成水が凍結し、電極のカーボン酸化が進行しないことに着目した。すなわち、本発明は、膜電極接合体の温度が、生成水が凍結する所定温度以下の場合に、残留ガスを減圧しないように制御手段が減圧手段を制御する。これにより、減圧処理が必要な場合にのみ行われ、膜電極接合体への影響が緩和される。なお、所定温度とは、膜電極接合体の温度であり、例えば、該膜電極接合体に付着している生成水が凍結し始める温度である。
【００１１】
ここで、前記制御手段は、前記膜電極接合体が前記所定温度より高い場合は、前記減圧手段を制御して前記残留ガスを減圧し、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスを供給し、前記膜電極接合体が前記所定温度以下の場合は、前記残留ガスを減圧しないように前記減圧手段を制御し、前記燃料ガス供給手段を制御して前記燃料ガスを供給するようにしてもよい。
【００１２】
電極に付着している生成水が凍結していない場合に、減圧手段で残留ガスを減圧し、燃料ガスを供給することで、アノード側の残留ガスから燃料ガスへの置換を円滑に実行することが可能となる。これにより、減圧処理による膜電極接合体への影響を緩和しつつ、カーボン酸化を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記制御手段は、前記残留ガスの圧力が該残留ガスの減圧を停止すべき所定圧力の場合に、前記減圧手段を制御して該残留ガスの減圧を停止するようにしてもよい。
【００１４】
残留ガスの圧力を監視し、この圧力が所定圧力の場合に減圧手段による残留ガスの減圧を停止することで、膜電極接合体に加わる力を制限することが可能になる。また、残留ガスを所定圧力まで減圧することにより、部分水素欠を確実に解消することが可能になる。ここで、所定圧力とは、膜電極接合体のアノード側にある残留ガスの圧力であり、例えば、膜電極接合体が座屈し始める圧力よりも低い圧力である。
【発明の効果】
【００１５】
残留ガスの排気制御を適切に行う燃料電池システムを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１７】
＜構成＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。図１において示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、燃料電池スタック２に燃料ガスである水素を供給する水素貯蔵タンク３、及び燃料電池スタック２に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給する空気圧縮機４を備えている。また、燃料電池システム１は、各機器を制御する制御装置５（ＥＣＵ）を備えている。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、電気モータで走行する燃料電池自動車に搭載されることを前提としている。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明に係る燃料電池システムは、地上に設置したり、自動車以外の移動媒体に搭載したりしてもよい。
【００１８】
燃料電池システム１は、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２に水素を供給する通路の途中に、減圧弁６と水素入口弁７（バルブ１）とを備えている。減圧弁６は、水素貯蔵タンク３から流れる水素を発電に適する圧力まで減圧する。また、水素入口弁７は、電磁弁であり、制御装置５からの電気信号で開閉し、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタッ
ク２に流れる水素の通路を開いたり閉じたりする。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の下流側に、未反応の水素等のガスを流す通路を備えている。この通路は、途中で、ガスを大気に放出する排気通路と、ガスを水素入口弁７と燃料電池スタック２との間の通路に戻す循環通路と、に分岐している。循環通路は、電磁弁で構成される循環弁８（バルブ２）を備えている。また、排気通路は、電磁弁で構成される排気弁９（バルブ３）を備えている。よって、循環弁８を開くと未反応の水素を燃料電池スタック２に戻すことが可能となり、排気弁９を開くと未反応の水素や残留ガスを大気に排気することが可能となる。
【００２０】
なお、燃料電池スタック２と循環通路および排気通路の分岐点との間を繋ぐ通路の途中には、水素ポンプ１０が設けられている。よって、水素ポンプ１０を起動することで、燃料電池スタック２から排出されるガスを循環したり、排気したりすることが可能になる。
【００２１】
また、燃料電池システム１は、空気圧縮機４から燃料電池スタック２に空気を供給する通路の途中に、電磁弁で構成される空気入口弁１１（バルブ４）を備えている。空気入口弁１１は、制御装置５からの電気信号で開閉し、空気圧縮機４から燃料電池スタック２に流れる空気の通路を開いたり閉じたりする。
【００２２】
なお、空気圧縮機４は、制御装置５によって制御される。また、空気圧縮機４の吸込口側には図示しないエアフィルタが取り付けられており、大気中の粉塵が除去された空気が空気圧縮機４に吸込まれるように構成されている。
【００２３】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２から排出される空気が流れる通路を備えている。この通路の途中には電磁弁で構成される空気排気弁１２（バルブ５）が設けられており、燃料電池スタック２から排出される空気の通路を開いたり閉じたりする。
【００２４】
燃料電池スタック２は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、水素と酸素の供給を受けて発電する。図２は、燃料電池スタック２の構造図である。図２において示すように、燃料電池スタック２は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電する膜電極接合体１３（ＭＥＡ）を有する燃料電池セル１４を多数備えている。燃料電池スタック２は、膜電極接合体１３が多数配列されることで、所望の電圧を出力するように構成されている。
【００２５】
膜電極接合体１３は、高分子電解質膜、カソード触媒電極、およびアノード触媒電極で構成される。高分子電解質膜は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。カソード触媒電極やアノード触媒電極は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックで構成される。膜電極接合体は、アノード触媒電極に水素が供給され、カソード触媒電極に酸素が供給されることで電気化学反応を発生し、両極間に電位差を発生させて発電する。
【００２６】
燃料電池スタック２は、内部に、水素ガスが流れる水素通路１５と、酸化剤ガスである酸素を含む空気が流れる空気通路１６と、を備えている。膜電極接合体１３は、水素通路１５から流れる水素をアノード触媒電極で受け取り、空気通路１６から流れる酸素をカソード触媒電極で受け取ることで、発電する。
【００２７】
また、燃料電池スタック２は、水素通路１５の圧力を検出する圧力センサ１７と燃料電池セル１４の温度を検出する温度センサ１８とを備えている。圧力センサ１７は、ゲージ圧力ではなく、絶対圧力を測定する。圧力センサ１７は、検出した水素通路１５の圧力を
電気信号として制御装置５に送る。温度センサ１８は、検出した燃料電池セル１４の温度を電気信号にして制御装置５に送る。なお、圧力センサ１７は、絶対圧力を測定するものに限定されるものでなく、ゲージ圧力を測定するもの、あるいは空気通路１６との差圧を測定するものであってもよい。
【００２８】
＜制御フロー＞
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転制御について説明する。図３は、燃料電池システム１の制御フローを示す図である。以下、図３の制御フローを参照しながら、燃料電池システム１の運転制御を説明する。
【００２９】
（ステップＳ１０１）制御装置５は、燃料電池自動車のイグニッションキースイッチがオフになると、水素入口弁７、循環弁８、排気弁９、空気入口弁１１、及び空気排気弁１２を閉じ、発電を停止する。
【００３０】
（ステップＳ１０２）制御装置５は、燃料電池自動車のイグニッションキースイッチがオンになると、次のステップＳ１０３の処理を実行する。
【００３１】
（ステップＳ１０３）制御装置５は、温度センサ１８で燃料電池セル１４の温度を測定する。制御装置５は、燃料電池セル１４の温度が０℃（本発明でいう、所定温度に相当する。）より高いことを検知すると、以下の処理（ステップＳ１０４〜１０９）を実行し、水素通路１５内に滞留しているガスを水素貯蔵タンク３の水素ガスに置換する。
【００３２】
なお、制御装置５は、燃料電池セル１４の温度が０℃以下であることを検知すると、減圧処理を行わずにステップＳ１０８以降の処理を実行する。これにより、膜電極接合体１３に減圧による力を与えることがなくなり、水素ポンプ１０の駆動等による無用な電力消費も抑制される。
【００３３】
（ステップＳ１０４）制御装置５は、燃料電池セル１４の温度が０℃より高いことを検知すると、排気弁９を開ける。これにより、水素通路１５内のガスを系外に排出する経路が確保される。
【００３４】
（ステップＳ１０５）制御装置５は、水素ポンプ１０を起動する。これにより、水素通路１５内のガスが系外に排出される。なお、このとき、水素入口弁７と循環弁８は閉まっている。よって、水素通路１５内のガスの圧力が徐々に低下する。
【００３５】
（ステップＳ１０６）制御装置５は、水素ポンプ１０を起動したのち、水素通路１５内の圧力を圧力センサ１７で監視する。制御装置５は、水素通路１５内の圧力が１０ｋＰａ（ａｂｓ）より高ければ、ガスの排気を継続する。また、制御装置５は、水素通路１５内の圧力が１０ｋＰａ（ａｂｓ）（本発明でいう、所定圧力に相当する。）以下であれば、次のステップＳ１０７の処理を実行する。なお、本発明は、水素通路の圧力を監視することで残留ガスの減圧処理を停止するものに限定されるものでなく、例えば、タイマ等によって減圧処理を停止するようにしてもよい。また、本発明は、減圧処理の停止条件が１０ｋＰａ（ａｂｓ）に限定されるものでなく、膜電極接合体の機械的な強度によって決定される任意の圧力であればよい。
【００３６】
（ステップＳ１０７）制御装置５は、水素通路１５内の圧力が１０ｋＰａ（ａｂｓ）以下になったら水素通路１５内の残留ガスの除去が完了したと判断し、排気弁９を閉じる。
【００３７】
（ステップＳ１０８）制御装置５は、排気弁９を閉じたら、水素入口弁７と循環弁８を開ける。これにより、水素通路１５内に水素が充満し、アノード触媒電極の表面に水素が
供給されて部分水素欠が解消される。
【００３８】
（ステップＳ１０９）制御装置５は、空気入口弁１１および空気排気弁１２を開き、空気圧縮機４を起動する。これにより、空気通路１６を空気が通過し、カソード触媒電極に酸素が供給される。これにより、燃料電池スタック２による発電の準備が完了する。
【００３９】
＜効果＞
以上、本実施形態によれば、水素通路内の残留ガスが積極的に排出されるので、燃料ガスへのガス置換が積極的に行われ、燃料電池の起動時間を短縮することが可能となる。また、水素通路内の残留ガスを減圧したのちに水素を供給して部分水素欠を解消しているので、水素ポンプで燃料ガスを循環させて部分水素欠を解消する方法に比べ、電力消費量を抑制することが可能となる。また、燃料電池の起動に際してガス置換を行っているので、起動直後に膜電極接合体が高電位になりにくく、カーボンの腐食が抑制される。また、部分水素欠による燃料電池の出力電圧の低下が抑制される。
【００４０】
ここで、燃料電池セルの温度とカーボンの酸化現象との関係について説明する。図４は、燃料電池セルの両極間の電位と燃料電池スタックから排出される空気中の二酸化炭素濃度との関係について、燃料電池セルの温度ごとにプロットしたグラフである。図４のグラフが示すように、燃料電池セルの温度が生成水の氷点（すなわち、０℃。）よりも高い場合、電位の上昇によって触媒電極のカーボン酸化が進行し、二酸化炭素が多量に排出される。一方、燃料電池セルの温度が生成水の氷点以下の場合、電位が高くなっても触媒電極のカーボン酸化が進行せず、二酸化炭素がほとんど排出されない。よって、カーボン酸化の抑制を目的とする残留ガスの減圧制御は、燃料電池セルの温度が生成水の氷点よりも高い場合に行うことが有効であることが判る。
【００４１】
＜変形例＞
以下、上記実施形態に係る燃料電池システムの変形例について説明する。上記実施形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスが循環する通路が設けられていた。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、以下のように変形することが可能である。なお、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システムと同一の構成要素および処理フローについては同一の符号を付し、その説明を省略する。よって、以下、上記実施形態に係る燃料電池システムとの相違点を中心に説明する。
【００４２】
図５は、変形例に係る燃料電池システム１９の構成図である。図５において示すように、燃料電池システム１９は、燃料電池システム１と同様、燃料電池スタック２、水素貯蔵タンク３、及び空気圧縮機４を備えている。また、燃料電池システム１９は、各機器を制御する制御装置２０（ＥＣＵ）を備えている。
【００４３】
燃料電池システム１９は、燃料電池システム１と同様、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２に水素を供給する通路の途中に、減圧弁６と水素入口弁７（バルブ１）とを備えている。なお、上記実施形態に係る燃料電池システム１は、水素入口弁７と燃料電池スタック２との間に、燃料ガスの循環通路が接続されていた。しかし、本変形例に係る燃料電池システム１９は、このような循環通路を備えていない。
【００４４】
燃料電池システム１９は、燃料電池システム１と同様、燃料電池スタック２の下流側に、未反応の水素を流す通路を備えている。この通路は、燃料電池システム１のように途中で循環通路に分岐していない。この通路は、途中に、電磁弁で構成される排気弁９（バルブ２）を備えている。よって、排気弁９を開くことで未反応の水素や残留ガスを大気に排気することが可能となる。
【００４５】
なお、排気弁９の下流側には、水素ポンプ１０が設けられている。よって、水素ポンプ１０を起動することで、燃料電池スタック２から排出されるガスを強制的に排気することが可能になる。
【００４６】
その他の構成については、上述した実施形態に係る燃料電池システム１と同様である。
【００４７】
次に、本変形例に係る燃料電池システム１９の運転制御について説明する。図６は、燃料電池システム１９の制御フローを示す図である。以下、図６の制御フローを参照しながら、燃料電池システム１９の運転制御を説明する。
【００４８】
（ステップＳ２０１）制御装置２０は、燃料電池自動車のイグニッションキースイッチがオフになると、水素入口弁７、排気弁９、空気入口弁１１、及び空気排気弁１２を閉じ、発電を停止する。
【００４９】
（ステップＳ２０３）制御装置２０は、ステップＳ１０３の処理と同様、温度センサ１８で燃料電池セル１４の温度を測定する。制御装置２０は、燃料電池セル１４の温度が０℃より高いことを検知すると、以下の処理を実行し、水素通路１５内に滞留しているガスを水素貯蔵タンク３の水素ガスに置換する。
【００５０】
一方、制御装置２０は、燃料電池セル１４の温度が０℃以下であることを検知すると、減圧処理を行わずにステップＳ２０８以降の処理を実行し、発電を開始する。
【００５１】
（ステップＳ２０４）制御装置２０は、イグニッションキースイッチがオンになり、燃料電池セル１４の温度が０℃より高いことを検知すると、排気弁９を開ける。これにより、水素通路１５内のガスを系外に排出する経路が確保される。
【００５２】
（ステップＳ２０５）制御装置２０は、水素ポンプ１０を起動する。これにより、水素通路１５内のガスが系外に排出される。これにより、水素通路１５内のガスの圧力が徐々に低下する。
【００５３】
（ステップＳ２０７）制御装置２０は、水素通路１５内の圧力が１０ｋＰａ（ａｂｓ）以下になったら水素通路１５内の残留ガスの除去が完了したと判断し、排気弁９を閉じて水素ポンプ１０を停止する。
【００５４】
（ステップＳ２０８）制御装置２０は、排気弁９を閉じて水素ポンプ１０を停止したら、水素入口弁７を開ける。これにより、水素通路１５内に水素貯蔵タンクの水素が充填され、アノード触媒電極の表面に水素が供給される。その後、ステップＳ１０９の処理を実行し、発電を開始する。
【００５５】
以上、本変形例によれば、上記実施形態に係る燃料電池システムの効果の他、次のような効果を奏する。すなわち、循環通路や循環弁が省略されているため、燃料電池システムの構成を簡略化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図。
【図２】燃料電池スタックの構造を示す図。
【図３】燃料電池システムの制御フローを示す図。
【図４】燃料電池スタックから排出される二酸化炭素濃度のグラフ。
【図５】変形例に係る燃料電池システムの構成を示す図。
【図６】変形例に係る燃料電池システムの制御フローを示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１，１９・・・・・・・・・燃料電池システム
２・・・・・・・・・・・・燃料電池スタック
３・・・・・・・・・・・・水素貯蔵タンク
４・・・・・・・・・・・・空気圧縮機
５，２０・・・・・・・・・制御装置
６・・・・・・・・・・・・減圧弁
７・・・・・・・・・・・・水素入口弁
８・・・・・・・・・・・・循環弁
９・・・・・・・・・・・・排気弁
１０・・・・・・・・・・・水素ポンプ
１１・・・・・・・・・・・空気入口弁
１２・・・・・・・・・・・空気排気弁
１３・・・・・・・・・・・膜電極接合体
１４・・・・・・・・・・・燃料電池セル
１５・・・・・・・・・・・水素通路
１６・・・・・・・・・・・空気通路
１７・・・・・・・・・・・圧力センサ
１８・・・・・・・・・・・温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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