(57)【要約】【課題】  必要がある場合にのみ系内の水を排水することで、反応ガス流路の凍結を防止でき排水に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる燃料電池運転方法を提供する。【解決手段】  各々の反応ガス流路５，６に反応ガスとしての水素ガスと空気とを供給し電気化学反応によって発電を行う燃料電池１の運転方法であって、燃料電池１からの電力の供給を遮断し、外気温度を検出し、前記外気温度に応じて前記反応ガス流路５，６に前記反応ガスを供給することで反応ガス流路５，６内の水を排出し、燃料電池１を運転停止することを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の反応ガス流路に反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し電気化学反応によって発電を行う燃料電池の運転方法であって、
燃料電池からの電力の供給を遮断し、外気温度を検出し、前記外気温度に応じて前記反応ガス流路内に前記反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出し、燃料電池を運転停止することを特徴とする燃料電池運転方法。
【請求項２】
前記外気温度が所定の温度以上のときは水の排出を行わないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池運転方法。
【請求項３】
水を排出する処理時間を、前記外気温度が低いほど長くすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池運転方法。
【請求項４】
水を排出する処理時間を、前記外気温度が所定温度より低いときは一定にすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池運転方法。
【請求項５】
前記外気温度に応じて前記反応ガスの供給量を設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池運転方法。
【請求項６】
前記外気温度が低いほど前記反応ガスの供給量を多くすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池運転方法。
【請求項７】
各々の反応ガス流路に反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
外気温度を検出する外気温検出手段と、
前記反応ガスの供給を制御するガス供給制御手段と、を備えた燃料電池運転装置において、
前記燃料電池からの電力の供給を遮断し、前記外気温検出手段の検出値に応じて前記ガス供給制御手段を制御して、前記燃料電池を運転停止することを特徴とする燃料電池運転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の運転方法と燃料電池運転装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の凍結を防止するために燃料電池の固体高分子電解質膜の少なくとも一部が０°Ｃ以下になる前に燃料電池の反応ガス流路から水を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特表２０００−５１２０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては具体的な排水のための手法が開示されておらず、また、このような燃料電池を燃料電池車両に適用した場合には、固体高分子電解質膜が常に０°Ｃ以下になるわけではないのに常に水を排出するために無駄なエネルギーを消費してしまうという問題がある。
そこで、この発明は必要がある場合にのみ系内の水を排水することで、反応ガス流路の凍結を防止でき排水に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる燃料電池運転方法と燃料電池運転装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、各々の反応ガス流路（例えば、実施形態における反応ガス流路５，６）に反応ガスとしての燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、実施形態における空気）とを供給し電気化学反応によって発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）の運転方法であって、燃料電池からの電力の供給を遮断し、外気温度を検出し、前記外気温度に応じて前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出し、燃料電池を運転停止することを特徴とする。
このように構成することで、外気温度に応じて反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出し、燃料電池を運転停止するので、その後、燃料電池が氷点下となったとしても水が排出されているため反応ガス流路が凍結することを防止できる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、前記外気温度が所定の温度以上のときは水の排出を行わないことを特徴とする。
このように構成することで、反応ガス流路が凍結する心配がない場合に排水処理をなくすことができる。
【０００６】
請求項３に係る発明は、水を排出する処理時間を、前記外気温度が低いほど長くすることを特徴とする。
このように構成することで、外気温度が低いほど反応ガス流路の凍結可能性が高くなることに着目して、水を排出する処理時間を長くする。
【０００７】
請求項４に係る発明は、水を排出する処理時間を、前記外気温度が所定温度より低いときは一定にすることを特徴とする。
このように構成することで、外気温度が所定温度より低いときは水を排出する時間を一定にして、反応ガス流路内の水を排出する。
【０００８】
請求項５に係る発明は、前記外気温度に応じて前記反応ガスの供給量を設定することを特徴とする。
このように構成することで、外気温度に応じて反応ガスの供給量を設定することにより、燃料電池の運転停止時に必要な時間を常に同等にすることが可能となる。
【０００９】
請求項６に係る発明は、前記外気温度が低いほど前記反応ガスの供給量を多くすることを特徴とする。
このように構成することで、外気温度が低いほど念入りに排水を行う必要があるため、反応ガスの供給量を多くすることにより、常温状態と同等の時間で排水を完了させることが可能となる。
【００１０】
請求項７に係る発明は、各々の反応ガス流路（例えば、実施形態における反応ガス流路５，６）に反応ガスとしての燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、実施形態における空気）とを供給し電気化学反応によって発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、外気温度を検出する外気温検出手段（例えば、実施形態における外気温センサ２０）と、前記反応ガスの供給を制御するガス供給制御手段（例えば、実施形態におけるコンプレッサ７、水素ポンプ１４）と、を備えた燃料電池運転装置において、前記燃料電池からの電力の供給を遮断し、前記外気温検出手段の検出値に応じて前記ガス供給制御手段を制御して、前記燃料電池を運転停止することを特徴とする。
このように構成することで、外気温度に応じて反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出し、燃料電池を運転停止するので、その後、燃料電池が氷点下となったとしても水が排出されているため反応ガス流路が凍結することを防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、外気温度に応じて反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出して燃料電池を運転停止し、その後、燃料電池が氷点下となったとしても水が排出されているため反応ガス流路が凍結することを防止できる。また、運転停止時に常に水を排出する場合に比較して排水に必要なエネルギーを最小限に抑えて、燃料電池への負荷を抑えることができると共に氷点下での燃料電池の再始動性を向上できる効果がある。
更に、必要がある場合にのみ系内の水を排水することで、排水に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる効果がある。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池の運転停止時の外気温度が所定温度よりも高いときは排水処理を行わないので、燃料電池の反応ガス流路が凍結する可能性が十分に低いときは排水処理に必要なコンプレッサなどの電力消費をなくすことが可能になり、燃料電池にかかる負荷を最小限に抑えることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の運転停止時の外気温度が低いほど反応ガス流路が凍結する可能性が高いので、排出処理の時間を長く設定することで確実に水を排出しておくことができ、反応ガス流路の凍結を確実に防止することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、外気温度が所定温度よりも低いときは一定の処理時間、排水処理を行うことができるので、処理時間の過不足なく排水処理を行うことができ、確実に水を排出しておくことができ、反応ガス流路の凍結を防止することができる。
【００１５】
請求項５に係る発明によれば、外気温度に応じて反応ガスの供給量を設定することにより、燃料電池の運転停止時に必要な時間を常に同等にすることが可能となるので、商品性が向上する。特に、燃料電池車両に搭載した場合には、燃料電池の運転停止時に運転者に違和感を与えないようにすることができる。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、外気温度が低いほど念入りに排水を行う必要があるため、外気温度が低いほど反応ガスの供給量を多くすることにより、常温状態と同等の時間で排水を完了させることが可能となる。
【００１７】
請求項７に係る発明によれば、外気温度に応じて反応ガスを供給することで反応ガス流路内の水を排出し、燃料電池を運転停止するので、その後、燃料電池が氷点下となったとしても水が排出されているため反応ガス流路が凍結することを防止できる。また、運転停止時に常に水を排出する場合に比較して排水に必要なエネルギーを最小限に抑えて、燃料電池への負荷を抑えることができると共に氷点下での燃料電池の再始動性を向上できる効果がある。
更に、必要がある場合にのみ系内の水を排水することで、排水に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すのは燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものであり（図１では単セルのみを示す）、アノード３の反応ガス流路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４の反応ガス流路６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１９】
空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１のカソード４の反応ガス流路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、排出ガス処理装置１０に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。
【００２０】
一方、水素タンク（Ｈ２）１１から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）１２を通って燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共にアノード側から水素ガス排出流路（燃料ガス排出流路）１６を経て水素ガス循環流路（燃料ガス循環流路）１３に排出され、更に、水素ガス循環流路１３に設けた水素ポンプ１４を介して水素ガス供給流路１２に合流する。つまり、燃料電池１から排出された水素ガスは、水素タンク１１から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。
【００２１】
水素ガス循環流路１３からは、パージ弁１５を備えた水素ガスパージ流路２２が分岐しており、水素ガスパージ流路２２は排出ガス処理装置１０に接続されている。この排出ガス処理装置１０において燃料電池１の空気排出流路９から排出された排出空気と、水素ガスパージ流路２２から排出された水素ガスとが希釈処理されて排出される。尚、１７は水素タンク１１から供給される水素ガスを遮断する遮断弁、１８は燃料電池１の電気エネルギーにより駆動する車両走行用のモータを示している。
【００２２】
前記燃料電池１は、コントロールユニットであるＥＣＵ１９により制御され、そのためＥＣＵ１９には外気温度センサ２０からの信号が入力され、コンプレッサ７の回転数、水素ポンプ１４の回転数、遮断弁１７の開閉、パージ弁１５の開閉が行われる。また、アクセルペダル２１から入力される加速要求に応じて、モータ１８を制御する。
【００２３】
次に、図２のフローチャートに基づいて燃料電池車両の燃料電池の運転停止処理を説明する。尚、説明にあたっては図３のタイムチャート図、図４及び図６のグラフ図と共に説明する。
ステップＳ１において、燃料電池車両が停止してイグニッションスイッチがＯＦＦ（ＩＧ−ＯＦＦ）となり、燃料電池１からの電力の供給が遮断される（図３においてＸの時点）。このとき水素ガス供給流路１２に設けられた遮断弁１７を遮断し、水素タンク１１からの水素の供給は停止される。
次のステップＳ２において、外気温度が１５°Ｃ（所定温度）以上か否かを判定し、判定結果が「ＮＯ」で１５°Ｃ未満の場合はステップＳ３に進み、判定結果が「ＹＥＳ」で１５°Ｃ以上である場合はステップＳ５に進む。
【００２４】
ここで、図３に示すように、イグニッションスイッチがＯＦＦ（ＩＧＳＷＯＦＦ）の時点に至るまでは、発電電流はアイドル発電電流ｉ（Ｘ以降は０）となっており、これに応じて、水素ポンプ１４、コンプレッサ７は、各々アイドル回転数ａ，ｂとなっている。尚、パージ弁１５は閉となっている。
【００２５】
ステップＳ３においては、外気温度に応じて停止処理に用いるコンプレッサ７の回転数（図３において回転数ｄ（ｄ＞ｂ））の設定、水素ポンプ１４の回転数（図３において回転数ｅ（ｅ＝ａ））の設定、処理時間タイマ（図３中ｔ１で示す時間）のセットが行われステップＳ４に進む。ここで、この処理時間タイマの設定値は、図４（ａ）に横軸を外気温度、縦軸を処理時間として示すように１５°Ｃまでは徐々に低下する特性となり、１５°Ｃ以上の場合は処理時間は０に設定されている。
【００２６】
つまり、燃料電池車両の停止時の外気温度が低いほど燃料電池１の温度が下がり反応ガス流路が凍結する可能性が高いので、外気温度が低いほど長い処理時間をかけて確実に水を排出する。また、１５°Ｃ以上の場合は燃料電池１の反応ガス流路が凍結する可能性が十分に低いので、処理時間を０にして排水処理に必要なコンプレッサ７等の電力消費をなくすことが可能となり、燃料電池１にかかる負荷を最小限に抑えることができる。
【００２７】
なお、処理時間タイマの設定値は、図４（ａ）に示される例に限るものではなく、以下の変形例としてもよい。
第１の変形例として、例えば図４（ｂ）に示すように、１５°Ｃ以上の場合は水を排出する処理時間を第１の処理時間に設定し、１５°Ｃよりも低い場合は第１の処理時間よりも長い第２の処理時間に設定することもできる。つまり、燃料電池車両の停止時の外気温度が低いほど燃料電池１の反応ガス流路が凍結する可能性があるので、より長い時間をかけて水排出処理を確実に行っておく。また、外気温度が所定の温度（１５°Ｃ）よりも低いときは、一定の処理時間に設定しているので、処理時間の過不足なく水排出処理を行うことができる。
【００２８】
第２の変形例として、例えば図４（ｃ）に示すように、１５°Ｃ以上の場合は水を排出する処理時間を第１の処理時間に設定し、０°Ｃよりも低い場合は第１の処理時間よりも長い第２の処理時間に設定することもできる。このようにすることによって、燃料電池車両の停止時の外気温度が低いほど燃料電池１の反応ガス流路が凍結する可能性が高いので、排水処理の時間を長く設定することで確実に水を排出しておくことができ、反応ガス流路の凍結を確実に防止できる。また、外気温度が第１の所定温度（１５°Ｃ）よりも低い第２の所定温度（０°Ｃ）よりも低いときは、第１の所定時間よりも長い第２の所定時間に排水処理時間を設定するので、排水処理に必要な時間を最小限に設定することができ、排水処理時間を長くとり過ぎることなく、コンプレッサ７などの電力消費を最小限に抑えることが可能となる。
【００２９】
なお、上記第１、第２の変形例の場合には、運転停止処理におけるステップＳ１〜Ｓ３は、図５に示すようになる。すなわち、ステップＳ１でイグニッションスイッチがＯＦＦとなった後、ステップＳ２において外気温度を読み込み、ステップＳ３において、外気温度に応じて停止処理に用いるコンプレッサ７の回転数の設定、水素ポンプ１４の回転数の設定、処理時間タイマのセットが行われ、ステップＳ４に進む。ステップＳ４以降は図２のフローチャートと同じであるので、図示および説明を省略する。
【００３０】
また、外気温度に応じたコンプレッサ７の回転数と水素ポンプ１４の回転数の設定値は、図６に示すように設定することができる。図６において横軸は外気温度、縦軸はコンプレッサ７あるいは水素ポンプ１４の回転数を示している。
図６（ａ）の例では、１５°Ｃ以上の場合は回転数をアイドル時回転数よりも高い第１の回転数に設定し、０゜Ｃよりも低い場合は第１の回転数よりも高い第２の回転数に設定し、０°Ｃ〜１５°Ｃの間の場合は外気温度が低くなるにしたがって徐々に連続的に高くなるように設定する。
図６（ｂ）の例では、１５°Ｃ以上の場合は回転数をアイドル時回転数よりも高い第１の回転数に設定し、１５゜Ｃよりも低い場合は温度が低くなるにしたがって徐々に高くなるように設定する。
図６（ｃ）の例では、１５°Ｃ以上の場合は回転数をアイドル時回転数よりも高い第１の回転数に設定し、１５゜Ｃよりも低い場合は、第１の回転数よりも高い回転数で、且つ、所定の温度間隔ごとに段階的に回転数を上げていく。
ただし、処理時間タイマの設定を図４（ａ）に示すように外気温度が１５゜Ｃ以上のとき処理時間タイマを０に設定した場合には、水素ポンプ１４については外気温度が１５゜Ｃ以上のときに前記第１の回転数を０に設定する。
【００３１】
燃料電池車両の停止時の外気温度が低いほど燃料電池１の反応ガス流路が凍結する可能性が高いので念入りに排水を行う必要があるため、このように外気温度が低くなるほどコンプレッサ７や水素ポンプ１４の回転数を高くして圧縮空気や水素ガスの供給量を増やすことにより、確実に水を排出しておくことができ、反応ガス流路の凍結を確実に防止することができる。また、圧縮空気や水素ガスの供給量を増やすことで水の排出に必要な時間を短くすることが可能となるので、外気温度にかかわらず供給量を一定とする場合に比べて、外気温度が低いときに設定される前述した処理時間タイマの設定値を短くすることができる。
また、外気温度が低くなるほどコンプレッサ７や水素ポンプ１４の回転数を高くし、圧縮空気や水素ガスの供給量を増やすことで、外気温度が低い場合にも常温状態と同等の時間で排水を完了させることが可能となるので、外気温度が１５゜Ｃ以下のときの処理時間タイマの設定値を一定にすることも可能となり、燃料電池１の運転停止時に必要な時間を常に同等にすることが可能となる。
【００３２】
ステップＳ４においては上記ステップＳ３で設定された回転数でコンプレッサ７、水素ポンプ１４が駆動され、処理時間タイマが０になるまで（時間ｔ１経過まで）運転されて（ステップＳ５）、ステップＳ６に進む。これにより反応ガス流路６には空気が圧縮された状態で供給され、流速が確保された圧縮空気によって反応ガス流路６内の水は排出される。また、水素ガス循環流路１３内は遮断弁１７を閉じていることで水素タンク１１からの水素供給はないものの、水素ガス循環流路１３内に残留した水素ガスを循環させ、燃料電池１へ燃料電池１から排出された水素ガスを再供給することで、水素ガス循環流路１３内の水をパージ弁１５近傍に収集する。
【００３３】
ここで、燃料電池１の運転停止以降は反応ガス流路５，６に反応ガスを供給するため、コンプレッサ７、水素ポンプ１４の運転は図示しないキャパシタ、バッテリなどの補助電源からの電気エネルギーにより行われる。
燃料電池１へ供給する反応ガス（水素ガス、酸化剤ガス）によってそれぞれの反応ガス流路５，６内に残留した水を排出できるので、新たに排水のための補機を設ける必要がない。
【００３４】
ステップＳ６では水素ポンプ１４が停止され（図３においてＹの時点で水素ポンプの回転数＝０）、ステップＳ７ではパージ弁１５による排出処理（図３におけるパージ弁１５開作動）が行われる。これにより水素ガスパージ流路２２から排出ガス処理装置１０へ水素ガスが送られる。このとき、コンプレッサ７は回転数ｄのままで運転している。
【００３５】
そして、ステップＳ８においてコンプレッサ７を図３中Ｙの時点からコンプレッサ駆動時間タイマが０になるまで運転する。これにより排出ガス処理装置１０に排出される水素量に応じた量の排出空気を排出ガス処理装置１０に供給して排出ガス処理を行うことができる。尚、コンプレッサ駆動時間タイマの設定値ｔ２は排出ガス処理装置１０に排出される水素量に応じて決定される。このとき、水素ガス循環流路１３内の水はパージ弁１５近傍に収集してあるので、水を早期に排出することが可能となるとともに、排出される水素の量を少量で抑えることができるので、その後の希釈処理時におけるコンプレッサ７の駆動時間を短くすることができる。
そして、ステップＳ９においてコンプレッサ７を停止して（図３中Ｚの時点）運転停止処理を終了する。
【００３６】
上記実施形態によれば、外気温度に応じて反応ガス流路５，６に反応ガスを供給することで、反応ガス流路５，６内の水を排出し、燃料電池１を運転停止することで、その後、燃料電池１が氷点下となったとしても水が排出されているため反応ガス流路５，６が凍結することはない。よって、運転停止時に常に水を排出する場合に比較して排水に必要なエネルギーを最小限に抑えて、燃料電池１への負荷を抑えることができると共に氷点下での燃料電池１の再始動性を向上できる。また、必要がある場合に必要な時間をかけて系内の水を排水することで、排水に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる。
【００３７】
ここで、前記反応ガスのうち酸化剤ガスは圧縮した空気であり、圧縮した空気を供給するようにしたため、圧縮された空気により十分に流速を確保した状態で反応ガス流路６の排水が可能となり、したがって、確実に酸化剤ガスの反応ガス流路６内部の水を排出できる。
【００３８】
また、この水素ガス循環流路１３に設けられた水素ポンプ１４を所定時間ｔ１運転して、水素ポンプ１４により水素ガス循環流路１３内に水素ガスを循環させ、水素ガス循環流路１３内に残留した水を収集した後に燃料電池１の反応ガス流路５の排水が可能となるため、確実に水素ガスの反応ガス流路５内部の水を排出でき、水を収集したことによって排水にかかるる時間を短縮することができる。
【００３９】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、所定温度である外気温度は１５°Ｃは、一例であって、使用される地方によって変更することができる。また、この発明は外気温度に応じて排水処理を行えばよく、図４（ａ）〜（ｃ）に示した一例の他にも様々な変更が可能である。例えば、図４（ｂ）、（ｃ）において所定温度（１５°Ｃ）以上のときは排水処理を行わないことも可能であり、また、外気温度が低いほど処理時間が長くなるように段階的に処理時間を長くしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明の実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池の運転停止処理を示すフローチャート図である。
【図３】この発明の実施形態のタイムチャート図である。
【図４】この発明の実施形態のグラフ図であり、（ａ）は処理時間と停止時の外気温度との関係を示し、（ｂ）、（ｃ）は変形例を示す。
【図５】燃料電池の運転停止処理を示すフローチャート図の別の例である。
【図６】この発明の実施形態のグラフ図であり、（ａ）はコンプレッサあるいは水素ポンプの回転数と停止時の外気温度との関係を示し、（ｂ）、（ｃ）は変形例を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池
５，６  反応ガス流路
７  コンプレッサ（ガス供給制御手段）
１４  水素ポンプ（ガス供給制御手段）
１８  モータ
２０  外気温センサ（外気温検出手段）
【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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