(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）の出力電流を制御する出力電流制御手段（１３）と、
前記燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量検出手段（２４、３４）と、
前記燃料電池（１０）内の水分除去制御を行う制御手段（５０）とを備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の通常運転が終了する際に、前記水分量検出手段（２４、３４）により検出した前記燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて目標電流値を設定し、前記出力電流制御手段（１３）を前記燃料電池（１０）の出力電流が前記目標電流値となるように制御させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段（５０）は、前記目標電流値を前記燃料電池（１０）内の残留水分量の減少に応じて低下するように設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）に酸素を供給する酸素供給手段（２１）を備え、
前記制御手段（５０）は、前記酸素供給手段（２１）に前記燃料電池（１０）が前記目標電流値を出力するのに必要とされる酸素量に対して過剰な酸素量を含んだ空気を供給させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池（１０）と並列的に接続された２次電池（１２）と、
前記燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補機（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４５）とを備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）を前記目標電流値にて発電させた際に、前記燃料電池（１０）の出力電力が前記補機の作動に必要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電力を前記２次電池に充電し、前記燃料電池（１０）の出力電力が前記補機の作動に必要な電力に対して不足する場合には、不足電力を前記２次電池から前記補機に供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池（１０）の温度を制御する温度制御手段（４０〜４５）を備え、
前記温度制御手段（４０〜４５）は、前記燃料電池（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所定下限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記出力電力制御手段はＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）であり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）にて前記燃料電池（１０）の出力電圧を制御することによって、前記燃料電池（１０）の前記出力電流を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下するという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。さらに、反応ガス経路内で結露した水分の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止の際、短時間で燃料電池内部の水分を除去できることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）の出力電流を制御する出力電流制御手段（１３）と、燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量検出手段（２４、３４）と、燃料電池（１０）内の水分除去制御を行う制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の通常運転が終了する際に、水分量検出手段（２４、３４）により検出した燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて目標電流値を設定し、出力電流制御手段（１３）を燃料電池（１０）の出力電流が目標電流値となるように制御させることを特徴としている。
【０００６】
このように、燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて燃料電池（１０）の出力電流を制御することで、電流を一定に制御した場合に比較して、残留水分量と蒸発速度の向上を両立させることができる。これにより、短時間で効率よく燃料電池（１０）内の残留水分を除去することが可能となる。
【０００７】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、制御部（５０）が目標電流値を燃料電池（１０）内の残留水分量の減少に応じて低下するように設定することで、水分除去制御開始時には燃料電池（１０）の出力電流を大きくして水分蒸発速度を向上させ、残留水分量の減少に応じて出力電流を小さくして効果的に残留水分量を減少させることができる。
【０００８】
なお、出力電流制御手段（１３）による燃料電池（１０）の出力電流の制御は、燃料電池内の残留水分量が減少し、低温環境下にて凍結を生じる範囲以下となるまで行う。
【０００９】
このとき、燃料電池（１０）を構成する各セルにおける全ての部分について残留水分量を凍結範囲以下とする必要はなく、少なくとも各セルにおける一部分の残留水分量が凍結範囲以下となればよい。各セルの一部分が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行うことができるようになる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）に酸素を供給する酸素供給手段（２１）を備え、制御手段（５０）は、酸素供給手段（２１）に燃料電池（１０）が目標電流値を出力するのに必要とされる酸素量に対して過剰な酸素量を含んだ空気を供給させることを特徴としている。これにより、空気流によって燃料電池（１０）内に液滴の状態で存在する水分を、燃料電池（１０）内から押し出す（吹き飛ばす）ことができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、燃料電池（１０）と並列的に接続された２次電池（１２）と、燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補機（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４５）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）を目標電流値にて発電させた際に、燃料電池（１０）の出力電力が補機の作動に必要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電力を２次電池に充電し、燃料電池（１０）の出力電力が補機の作動に必要な電力に対して不足する場合には、不足電力を２次電池から補機に供給することを特徴としている。
【００１２】
これにより、送風機（２１）等の補機の負荷に関わらず、燃料電池（１０）の出力電流を燃料電池（１０）内の水分除去に最適な値に制御することができ、効率よく水分除去を行うことができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明では、燃料電池（１０）の温度を制御する温度制御手段（４０〜４５）を備え、温度制御手段（４０〜４５）は、燃料電池（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所定下限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行うことを特徴としている。
【００１４】
これにより、燃料電池温度が上限温度Ｔｍａｘ以上となって燃料電池内部の電解質膜等が破壊されるのを防ぐことができ、また、燃料電池温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下となって残留水分の蒸発量が低下することを防止することができる。
【００１５】
また、出力電力制御手段は、請求項６に記載の発明のようにＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）とすることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）にて燃料電池（１０）の出力電圧を制御することによって、燃料電池（１０）の出力電流を制御することができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１８】
図１は、実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や２次電池１２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１９】
ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００２０】
ＦＣスタック１０と２次電池１２との間にはＦＣスタック１０の出力電圧値を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ（出力電流制御手段）１３が設けられている。図２はＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との関係を示している。図２に示すようにＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との間には相関関係があり、ＦＣスタック１０は出力電流の増加とともに出力電圧が低下し、出力電流の低下とともに出力電圧が増加するという特性を持っている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することにより、ＦＣスタック１０の出力電流を任意に制御することが可能となる。
【００２１】
また、ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック本体の温度を検出するための温度センサ１４が設けられている。さらに、燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ１５が設けられている。
【００２２】
燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正極）１０ａ側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）１０ｂ側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０には空気供給用の空気圧送用の送風機（ガス圧縮機）２１が設けられている。水素経路３０には水素供給装置３１より水素が供給される。
【００２３】
発電時における電気化学反応のために、ＦＣスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、通常運転時には、図示しない加湿装置により空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。また、酸素極１０ａ側では上記電気化学反応により水分が生成する。
【００２４】
また、後述の水分除去運転時には、ＦＣスタック１０には、加湿されない乾燥空気と加湿されない乾燥水素が供給される。これらの乾燥ガスは、ＦＣスタック１０内に残留する水分を除去するために、できるだけ低湿度であることが望ましく、少なくともＦＣスタック１０内の湿度より低湿度である必要がある。
【００２５】
空気経路２０における両端部には、空気経路２０を遮断するためのシャットバルブ２２、２３が設けられている。これらのシャットバルブ２２、２３を閉じることで、ＦＣスタック１０内部および空気経路２０内部を外気から遮断することができる。水素経路３０の両端部にも、同様のシャットバルブ３２、３３が設けられている。
【００２６】
ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０内部の酸素極１０ａおよび水素極１０ｂに存在する残留水分を検出するための水分センサ２４、３４が設けられている。本実施形態では、水分センサ２４、３４として湿度センサを用いている。湿度センサ２４、３４は、ＦＣスタック１０内部の湿度を適切に検出するために、酸素極１０ａおよび水素極１０ｂにおけるＦＣスタック１０出口付近に設けることが望ましい。
【００２７】
ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム４０〜４５が設けられている。
【００２８】
冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラジエータ４２が設けられている。ラジエータ４２およびファン４３で冷却部を構成している。ＦＣスタック１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排出される。
【００２９】
また、冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路４４がラジエータ４４と並列的に設けられている。冷却水の流路は、冷却水切替弁４５によってラジエータ４３側とバイパス通路４４側に切り替えられる。
【００３０】
このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による循環流量制御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御、冷却水切替弁４５によるバイパス流量制御でＦＣスタック１０の冷却量制御を行うことができる。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信号、温度センサ１２からの温度信号、外気温センサ１５からの外気温信号、水分センサ２４、３４からの残留水分量信号等が入力される。また、制御部５０は、２次電池１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、送風機２１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４３、冷却水切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。
【００３２】
次に、上記構成の燃料電池システムの水分除去制御を図３〜６に基づいて説明する。図３は本実施形態の水分除去制御を示すフローチャートである。
【００３３】
まず、ＦＣスタック１０の運転を停止するか否かを判定する（ステップＳ１０）。運転停止判定は、運転者によるキーオフ信号を検出することにより行う。キーオフ信号が検出されない場合には、通常運転を継続する（ステップＳ１１）。キーオフ信号が検出された場合には、ＦＣスタック１０内の水分除去（水分パージ）が必要か否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００３４】
水分除去を行うか否かの判定は、運転停止時の環境温度（外気温）や季節情報等を考慮して行う。すなわち、環境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季等であり気温の低下が予測されるいった条件に基づいて水分除去運転の必要性についての判定を行う。当然のことながら、夏場などの条件では凍結のおそれがないため、水分運転は必要とならない。
【００３５】
また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣスタック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)の停止時間内であれば、運転停止時の残留水除去を行う必要がない。
【００３６】
水分除去が必要と判定された場合には、水分センサ２４、３４によりＦＣスタック１０内の残留水量を検出し（ステップＳ１３）、残留水量が低温環境下において凍結する範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。その結果、残留水分量が凍結範囲を超えている場合には、残留水分量に基づいてＦＣスタック１０の出力電流値（目標電流値）を決定する（ステップＳ１５）。
【００３７】
ここで、ＦＣスタック１０内の残留水分を除去するのに必要なＦＣスタック出力電流値の決定方法を図４〜図６に基づいて説明する。
【００３８】
図４はＦＣスタック１０の出力電流、発熱量、生成水量の関係を示している。図４に示すように、ＦＣスタック１０の出力電流が増大すると発熱量が増大するため、ＦＣスタック１０内の残留水分の除去を促進できる。一方、電気化学反応により水分が生成されるため、ＦＣスタック１０出力電流が増大すると生成水が増大する。
【００３９】
図５はＦＣスタック１０の出力電流と残留水分量との関係を示している。縦軸は残留水分量であり、横軸は時間を示している。Ｉ0〜Ｉ3は、ＦＣスタック１０の出力電流を一定にした場合の残留水分量を示しており、Ｉ0が最も電流値が大きく、Ｉ3が最も電流値が小さい。Ｗ0〜Ｗ3は特定の電流値においてそれ以下に減らすことにできない飽和残留水分量であり、Ｗ0〜Ｗ3はそれぞれＩ0〜Ｉ3に対応している。
【００４０】
図５に示すように、出力電流が大きい場合には残留水分の除去速度が速い一方、生成水量が多いため残留水分量が高い値で飽和し、出力電流が小さい場合には残留水分の除去速度が遅い一方、生成水量が少ないため残留水分量の飽和値が小さくなる。従って、ＦＣスタック１０内の残留水分量が多い段階ではＦＣスタック１０の出力電流値を大きくして残留水分を速やかに除去し、残留水分量の減少に伴って出力電流値を小さくし、残留水分をできるだけ少なくすることで、効率よく残留水分を除去できる。
【００４１】
図６は、ＦＣスタック１０内の残留水分量とＦＣスタック１０の目標電流値との関係を示している。本実施形態では、図６に示すように、残留水分量がＷ0になるまでは出力電流をＩ0、残留水分量がＷ1になるまでは出力電流をＩ1、残留水分量がＷ2になるまでは出力電流をＩ2、残留水分量がＷ3になるまでは出力電流をＩ3としている。
【００４２】
このようにＦＣスタック１０内の残留水分量に基づいてＦＣスタック１０の出力電流値を最適値に制御することで、図５中のＩｖに示すように、ＦＣスタック１０内の残留水分を速やかに、かつ、効果的に減少させることができる。
【００４３】
次に、以上のように決定された目標電流値を発電するのに必要な水素量および酸素量を算出し、ＦＣスタック１０に送風機２１および水素供給装置３１により空気（酸素）および水素を供給する（ステップ１６）。このとき、空気および水素に加湿は行われず、ＦＣスタック１０の酸素極１０ａには乾燥空気が供給され、水素極１０ｂには乾燥水素が供給される。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣスタック１０には目標制御電流値の発電に必要な空気量に対して過剰な空気量を供給するように構成されている。これにより、空気流によってＦＣスタック１０内に液滴の状態で存在する水分をＦＣスタック１０内から押し出す（吹き飛ばす）ことができる。
【００４５】
次に、ＦＣスタック１０の出力電流値が目標制御電流となるように出力電流の制御を行う（ステップＳ１７）。具体的には、上記図２に基づいて説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することにより出力電流を制御する。
【００４６】
このとき、ＦＣスタック１０の出力電流はＦＣスタック１０内部の水分除去に最適な値となるように制御される。従って、ＦＣスタック１０で発電する電力は、送風機２１やウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の補機類を作動させるために必要な電力に対して大きい場合と小さい場合があり得る。このため、ＦＣスタック１０の電力が補機作動電力より大きい場合には余剰電力を２次電池１２に充電し、逆にＦＣスタック１０の発電量が補機作動電力より小さい場合には不足する電力を２次電池１２より補機に供給する。これにより、補機の負荷の大小に関わらず、ＦＣスタック１０の出力電流をＦＣスタック１０内の水分除去に最適な値に制御することができ、効率よく水分除去を行うことができる。
【００４７】
次に、ＦＣスタック１０の温度制御を行う。ＦＣスタック１０は発電により発熱を生ずる。ＦＣスタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以上となった場合には、ＦＣスタック１０内部の電解質膜等が破壊される。また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下となった場合には、ＦＣスタック１０内の残留水分の蒸発量が低下する。このため、冷却システム４０〜４５によりＦＣスタック１０の温度が所定温度範囲に収まるようにＦＣスタック１０の温度制御を行う。なお、本実施形態では、ＦＣスタック１０の上限温度Ｔｍａｘを１２０℃程度、下限温度Ｔｍｉｎを６０℃程度に設定している。
【００４８】
まず、温度センサ１４によりＦＣスタック１０の温度を検出し（ステップＳ１８）、ＦＣスタック温度が冷却が必要か否かを判定する（ステップＳ１９）。その結果、ＦＣスタック温度が上限温度Ｔｍａｘを上回っていれば、冷却水をラジエータ４２側に循環させてＦＣスタック１０の冷却を行う（ステップＳ２０）。また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎを下回っていれば、冷却水をバイパス経路４４側に循環させるか、あるいはウォータポンプ４１を停止させてＦＣスタック１０の冷却を一時中止する（ステップＳ２１）。これにより、ＦＣスタック温度を上限温度Ｔｍａｘと下限温度Ｔｍｉｎの範囲内に制御することができる。
【００４９】
次に、ステップＳ１３に戻り、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出し、残留水分量が凍結範囲であるか否かを判定する。その結果、残留水分量が凍結範囲を下回っていれば、空気経路２０および水素経路３０の両端部に設けられているシャットバルブ２２、２３、３２、３３を閉じる（ステップＳ２１）。これにより、ＦＣスタック１０内部、空気経路２０内部、水素経路３０内部が外気から遮断され、外部環境からの水分侵入を防ぐことができる。その後、ＦＣスタック１０への燃料供給を停止して、ＦＣスタック１０を完全に停止させる。
【００５０】
残留水分量が凍結範囲を上回っている場合には、上記ステップＳ１５〜Ｓ２１を繰り返し行う。
【００５１】
以上、本実施形態のように、ＦＣスタック１０内の残留水分量に基づいて、制御開始時にはＦＣスタック１０の出力電流を大きくして水分蒸発速度を向上させ、残留水量に応じて出力電流を小さくすることで、電流を一定に制御した場合に比較して、残留水分量と蒸発速度の向上を両立させることができる。これにより、短時間で効率よくＦＣスタック１０内の残留水分を除去することが可能となる。
【００５２】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出する水分センサ２４、３４として湿度センサを用いたが、これに限らず、例えば水分センサとしてＦＣスタック１０内部における電解質膜の電気抵抗の変化を測定することによっても、ＦＣスタック１０内部の残留水分量を検出することができる。
【００５３】
また、ＦＣスタック１０を構成する個々のセルにおいて、少なくとも一部が水分除去されていればよい。セルの一部が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す特性図である。
【図３】上記実施形態の燃料電池システムの水分除去制御を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の出力電流、発熱量、生成水量の関係を示す特性図である。
【図５】燃料電池の出力電流と残留水分量との関係を示す特性図である。
【図６】本実施形態の燃料電池の残留水量と制御電流値との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１２…２次電池、１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流制御手段）、２０…空気通路、２２、２３…シャットバルブ、２４…湿度センサ（水分センサ）、３０…水素通路、３２、３３…シャットバルブ、３４…湿度センサ（水分センサ）、５０…制御部。
【図１】
0004759815.tif 000002
【図２】
0004759815.tif 000003
【図３】
0004759815.tif 000004
【図４】
0004759815.tif 000005
【図５】
0004759815.tif 000006
【図６】
0004759815.tif 000007