(57)【要約】【課題】  燃料電池システム停止時に、過渡的にアノードの水素圧力が上昇することを防止する。【解決手段】  燃料電池システム全体を制御するコントローラ３０は、空気圧力制御部２０，水素圧力制御部２１，水素供給元弁制御部２２，停止時パージ弁制御部２３を備えている。燃料電池システムの停止時に、コントローラ３０は、燃焼器８へ供給する空気を増量し、パージ弁７を開く。パージ弁７を開いた後に、燃料電池１からの電力取り出しを停止し、その後水素タンク元弁３を閉じる。水素タンク元弁３を閉じた後に、コンプレッサ９を停止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ供給する水素を貯蔵する水素タンクと、該水素タンクから燃料電池までの配管途中に水素圧力や水素流量を調整する水素供給弁とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するパージ弁と、
前記燃料電池から負荷装置への通常電力供給の停止前に前記パージ弁を開けるように制御する停止時パージ弁制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池から前記負荷装置への通常電力供給の停止後も所定の期間、燃料電池へ供給する水素圧力を制御する水素圧力制御手段を備え、
前記停止時パージ弁制御手段は、前記通常電力供給の停止前にパージ弁を開け、少なくとも前記所定の期間の水素圧力制御開始までパージ弁の開状態を保持することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定の期間に燃料電池へ供給する水素の圧力は、前記負荷装置への通常電力供給中の水素圧力よりも低い圧力であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池電解質膜の加湿用の水を回収するための水タンクと、
カソードの空気圧力を用いて燃料電池から前記加湿用水を前記水タンクへ回収する水回収制御手段とを備え、
前記水素圧力制御手段による前記所定の期間の水素圧力制御は、前記水回収制御手段による水回収時に行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池から負荷装置への通常電力供給の停止後に、燃料電池へ水素ガス供給を継続しながら空気供給を停止した状態で燃料電池から電力を取り出してカソード酸素を消費させる制御を行うカソード酸素消費制御手段を備え、
前記水素圧力制御手段による前記所定の期間の水素圧力制御は、前記カソード酸素消費制御手段によるカソード酸素消費制御時に行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素供給弁とは別に水素タンク元弁を備え、
前記所定の期間の水素圧力制御が終了した後に水素タンク元弁を閉じることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記パージ弁の下流に、アノードオフガスを空気で希釈する水素希釈ブロア、アノードオフガスを燃焼する燃焼器の少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか１項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、固体高分子型電解質を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
高圧水素タンクを備えた燃料電池車両における水素供給方法としては、水素タンクの最高充填圧力（例えば、３５〔ＭＰａ〕）と燃料電池への供給圧力との差が非常に大きいので、２段減圧方式が用いられることが多い。この方式によれば、水素タンクから燃料電池への配管途中に一次減圧弁を設け、水素タンクから供給される高圧水素を所定の中圧に減圧している。さらに一次減圧弁の下流には、中圧から燃料電池の運転圧力である所望の水素圧力（低圧）まで減圧する二次減圧弁（以下、水素供給弁とする）が設けられる。
【０００４】
燃料電池が発電して消費した水素を補うために、例えば燃料電池のアノード（燃料極）の水素圧力を水素供給弁により一定値に制御すれば、水素が発電によって消費されて圧力が下がる分だけ、すなわち消費された分だけ水素タンクから水素が供給される（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３７３６９１号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の水素供給システムにあっては、燃料電池の発電停止時において、水素供給停止よりも先に発電停止をすると、水素供給弁から燃料電池側の水素系内の水素が反応で消費されなくなり、水素圧力の減圧ができないので、水素圧力制御が成り立たなくなることがある。
【０００６】
一般に水素供給弁は、開閉機能のための水素タンクの元弁とは違って、通常運転時の流量及び圧力で感度よく制御できるよう設計される。このため水素供給弁は、微小流量や閉じきり付近の感度が低く、また完全に水素を遮断できるまでの応答速度が遅いという欠点がある。このような水素供給弁を使用したシステムにおいて、水素タンク元弁閉止よりも先に発電停止すると、水素供給弁での減圧が不十分となり、水素圧力が上昇して燃料電池のアノードに高い圧力が掛かり燃料電池が劣化する虞があるという問題点があった。
【０００７】
一方、先に水素供給を停止してから発電を停止すると、燃料電池が水素欠乏を起こした状態で発電させることになり、燃料電池の劣化や故障を招く虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点を解決するため、燃料電池へ供給する水素を貯蔵する水素タンクと、該水素タンクから燃料電池までの配管途中に水素圧力や水素流量を調整する水素供給弁とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するパージ弁と、前記燃料電池から負荷装置への通常電力供給の停止前に前記パージ弁を開けるように制御する停止時パージ弁制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池から負荷装置への通常電力供給停止前にパージ弁を開けるようにしたので、通常電力供給による水素消費がなくなった後もパージ弁からの水素排出によって水素流量を確保することができ、水素供給弁による水素圧力制御を成立させ、水素圧力が上昇することを防止できるという効果がある。
【００１０】
また本発明によれば、燃料電池から負荷装置への通常電力供給停止前に、予めパージ弁を開けておくことにより、通常電力供給停止と水素供給弁を閉じるタイミングのずれが生じても水素圧力の急上昇を防止することができるという効果がある。
【００１１】
さらに本発明によれば、燃料電池から負荷装置への通常電力供給停止まで水素を燃料電池へ供給することができるので、燃料電池の水素欠乏を防止し、燃料電池劣化の原因をなくすことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下に説明する各実施例は、燃料電池車両やオンサイト用コジェネレーションシステムに好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示すシステム構成図である。燃料電池（本体）１は、アノード１ａとカソード１ｂとが固体高分子の電解質膜１ｃを挟んで対向して設けられている。
【００１４】
また、燃料電池１内部のアノード１ａ、カソード１ｂとそれぞれ多孔質のセパレータ１ｄ、１ｅを介して、純水極１ｆ、１ｇが設けられている。純水極１ｆ、１ｇには、後述するように加湿用の純水が供給され、多孔質のセパレータ１ｄ、１ｅを介してアノードの水素ガス、カソードの空気をそれぞれ加湿できるようになっている。
【００１５】
燃料電池システム全体を制御するコントローラ３０は、カソード１ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御部２０，アノード１ａの水素圧力を制御する水素圧力制御部２１，後述する水素タンク元弁３を制御する水素供給元弁制御部２２、及び本発明の特徴である、燃料電池から負荷装置への通常電力供給の停止前に後述するパージ弁７を開けるように制御する停止時パージ弁制御部２３を備えている。
【００１６】
ここで負荷装置への通常電力供給とは、負荷装置が燃料電池を電源として通常に動作する際の電力供給であり、例えば、本燃料電池システムを燃料電池車両に用いた場合、通常電力供給とは、燃料電池車両が走行状態及び直ちに走行可能な状態（アイドル運転状態）における電力供給のことである。
【００１７】
また特に限定されないが本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭとＩ／Ｏインタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００１８】
燃料電池１のアノード１ａに水素ガスが、カソード１ｂに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１９】
（化１）
アノード（水素極）：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-                      …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ          …（２）
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４によりさらに所望の水素圧力まで減圧されて燃料電池のアノード１ａへ供給される。エゼクタ５は、アノード１ａで消費されなかった水素（アノードオフガス）を再循環させるために設置される。
【００２０】
アノード１ａの入口付近に設けられた圧力センサ６ａは、アノード圧力を検出し水素圧力制御部２１へ圧力信号を出力する。水素圧力制御部２１は、圧力センサ６ａが検出した圧力を参照して水素供給弁４を駆動することによってアノード１ａの水素圧力を制御する。アノード１ａの水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。７はパージ弁であり、燃料電池の停止時に水素圧力制御を成立させるために、水素循環系内の水素を排出するのに使われる。
【００２１】
またパージ弁７は、燃料電池の通常運転時に、水素循環系内の水素分圧を回復するために水素循環系内に蓄積した窒素を排出したり、セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水滴を吹き飛ばすという用途（パージ）にも用いられる。燃焼器８は、パージ弁７により水素循環系から排出される水素を燃焼させる。
【００２２】
カソード１ｂへの空気は、コンプレッサ９により供給される。カソード１ｂの空気圧力は空気圧力制御部２０が圧力センサ６ｂで検出した圧力をフィードバックして空気調圧弁１０を駆動することによって制御される。
【００２３】
純水極１ｆ、１ｇへの純水は純水タンク１２、純水ポンプ１１により供給される。空気圧力、水素圧力、純水圧力は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜やセパレータに機械的な歪みを生じないように３者の圧力を所定の差圧以内に管理される。
【００２４】
パワーマネージャ１３は、燃料電池１から電力を取り出して、例えば図示しない車両を駆動するモータへ電力を供給する。水素供給元弁制御部２２、停止時パージ弁制御部２３は、それぞれ燃料電池システムの停止シーケンスに基づいて、水素タンク元弁３とパージ弁７を開閉制御する。
【００２５】
次に、図３に示す状態遷移図に基づいて、実施例１におけるコントローラ３０が制御する燃料電池システムの停止シーケンスを詳細に説明する。
【００２６】
燃料電池システムの通常運転状態（状態Ａ）から、燃料電池システムの運転／停止を指示するキーＳＷがオフ（停止指示）されると、コントローラ３０は、水素供給弁４，コンプレッサ９及び空気調圧弁１０を制御して、カソード１ｂとアノード１ａの圧力がそれぞれ通常運転状態より低いアイドル運転状態（状態Ｂ）へシステムを遷移させる。
【００２７】
アイドル運転状態（状態Ｂ）において、カソード１ｂとアノード１ａの圧力がアイドル時の設定圧力になると、状態Ｃへ遷移する。
【００２８】
状態Ｃでは、コンプレッサ９の回転速度の増速、空気調圧弁１０の開度増大の少なくとも一方をコントローラ３０から指示することにより、空気流量の増量がなされて燃焼器８の着火準備がなされる。空気流量の増量後、状態Ｄへ遷移する。状態Ｄではパージ弁７が開かれ、パージ弁７から排出されたアノードオフガス（水素）が燃焼器８で空気と混合されて燃やされる。
【００２９】
この状態Ｄでは、パージ弁７を開いているので、水素供給弁４からは、圧力制御に必要な水素流量が燃料電池１のアノードａへ流れている。このため、水素供給弁４の流量不足により、水素供給弁４による圧力制御が不能となって、その下流であるアノード１ａの水素圧力が異常に上昇するなどの不具合を回避することができる。
【００３０】
状態Ｅではパワーマネージャ１３への電力取出指令を絶つことで燃料電池１の電力取出が停止される。状態Ｆでは水素タンク元弁３が閉じられて、水素供給が停止される。状態Ｇではコンプレッサ９が停止されて空気供給が停止され、状態Ｈで燃料電池パワープラントシステムの停止が完了する。
【実施例２】
【００３１】
次に実施例２について説明する。図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を示すシステム構成図である。
【００３２】
実施例２と図１に示した実施例１との構成上の相違は、パージ弁７の下流に燃焼器８ではなく希釈ブロア１５が設けられていること、純水ポンプ１１と燃料電池１との間に純水回収弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃが追加されていること、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ１６，コントローラ３０の内部に純水回収制御部２４及びカソード酸素消費制御部２５が追加されていることである。
【００３３】
希釈ブロア１５は、パージ弁７から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して車外へ排出する。
【００３４】
電圧センサ１６は、燃料電池のセル毎、または一定数のセルからなるセル群毎の電圧、あるいは燃料電池１の総電圧を検出して、コントローラ３０へ出力するものである。
【００３５】
燃料電池システム全体を制御するコントローラ３０は、カソード１ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御部２０，アノード１ａの水素圧力を制御する水素圧力制御部２１，後述する水素タンク元弁３を制御する水素供給元弁制御部２２、及び本発明の特徴である、燃料電池から負荷装置への通常電力供給の停止前に後述するパージ弁７を開けるように制御する停止時パージ弁制御部２３、燃料電池死すテク停止時に純水を純水タンク１２へ回収する制御をおこなう純水回収制御部２４，停止時のカソード酸素消費を制御するカソード酸素消費制御部２５を備えている。
【００３６】
純水回収制御部２４は、純水回収弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃを駆動することによって、燃料電池１の純水極１ｆ、１ｇ及び純水系配管内の純水を空気圧力で純水タンク１２へ回収する。純水が純水極１ｆ、１ｇに残ったままの状態で燃料電池の運転を停止すると、発電の電気化学反応が停止し反応熱が発生しなくなるので、氷点下においては純水が凍結膨張して燃料電池１が劣化する虞がある。このため、純水を純水タンク１２へ回収する。尚、純水タンク１２は、内部で純水が凍結膨張しても破損しない構造としているとともに、燃料電池起動時に速やかに氷を融かすことができるようになっている。
【００３７】
カソード酸素消費制御部２５は、燃料電池システムの起動、停止時に電圧センサ１６で検出された燃料電池電圧および経過時間に応じて、燃料電池１から電力を取り出して、カソード１ｂの酸素を消費させる制御を行うものである。
【００３８】
尚、本実施例における通常発電時の動作は、パージ時に希釈ブロア１５で希釈したアノードオフガスを排出する以外は、実施例１と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００３９】
次に、図４に示す状態遷移図に基づいて、実施例２におけるコントローラ３０が制御する燃料電池システムの停止シーケンスを詳細に説明する。
【００４０】
燃料電池システムの通常運転状態（状態Ａ）から、燃料電池システムの運転／停止を指示するキーＳＷがオフ（停止指示）されると、コントローラ３０は、水素供給弁４，コンプレッサ９及び空気調圧弁１０を制御して、カソード１ｂとアノード１ａの圧力がそれぞれ通常運転状態より低いアイドル運転状態（状態Ｂ）へシステムを遷移させる。
【００４１】
アイドル運転状態（状態Ｂ）において、カソード１ｂとアノード１ａの圧力がアイドル時の設定圧力になると、状態Ｃへ遷移する。状態Ｃでは、アノードオフガス（水素）を希釈する希釈ブロア１５が起動される。希釈ブロア１５の回転が立ち上がった後に状態Ｄへ遷移する。状態Ｄではパージ弁７が開かれ、パージ弁７から排出されたアノードオフガス（水素）が希釈ブロア１５で希釈されてから車外へ排出される。この状態Ｄでは、パージ弁７を開いているので、水素供給弁４からは、圧力制御に必要な水素流量が燃料電池１のアノードａへ流れている。このため、水素供給弁４の流量不足により、水素供給弁４による圧力制御が不能となって、その下流であるアノード１ａの水素圧力が異常に上昇するなどの不具合を回避することができる。
【００４２】
状態Ｄでパージ弁７を開いた後に、状態Ｅへ遷移する。状態Ｅではパワーマネージャ１３への電力取出指令を絶つことで燃料電池１から負荷装置への通常電力供給が停止される。
【００４３】
次いで状態Ｆへ遷移し、状態Ｆでは、純水ポンプ１１を停止させる。純水ポンプ１１停止後、状態Ｇへ遷移する。状態Ｇでは、カソード１ｂの空気圧力を純水回収に必要な圧力に設定する。このときアノード１ａの水素圧力もカソード空気圧力と同様の圧力に設定して、電解質膜１ｃの両側で圧力差が所定以内となるように制御にする。状態Ｇでカソード圧力がほぼ純水回収圧力になったら状態Ｈへ遷移する。
【００４４】
状態Ｈでは、純水回収弁１４ａと１４ｂを開くことによって、純水回収弁１４ａから燃料電池１側の純水を空気圧力で純水タンク１２へ回収する。状態Ｈにおいて、純水回収に必要な時間が経過後に状態Ｉへ遷移する。この純水回収に必要な時間は、予め実験等により決定しておき、制御パラメータとしてコントローラ３０に記憶させたものである。
【００４５】
次いで、状態Ｉで純水回収弁１４ｂを閉じて、純水回収弁１４ｃを開けることによって純水回収弁１４ａから純水タンク１１側の純水を回収する。この回収に必要な時間が経過後に、状態Ｊへ遷移する。状態Ｊでは、純水回収弁１４ａが閉じられて純水回収が終了する。状態Ｊにおいて、純水回収弁１４ａを閉じた後に状態Ｋへ遷移する。
【００４６】
次いで状態Ｋでは、コンプレッサ９が停止され、空気調圧弁１０が全閉にされる。コンプレッサ９が停止し、空気調圧弁１０が全閉となると状態Ｌへ遷移する。状態Ｌでは、コントローラ３０からパワーマネージャ１３へ電力取り出し指令を発し、再び燃料電池１から電力が取り出され、カソード１ｂの酸素が消費される。このときに取り出す電力の大きさは、通常発電状態の電力（または電流）と同等としても良いが、これよりも少ない電力（または電流）とする方が好ましく、カソード酸素消費の制御を正確に行うことができる。燃料電池システムの停止時にカソードの酸素を消費させることによって、電解質膜表面の触媒担体として使われる炭素の被毒を抑制することができる。
【００４７】
状態Ｌでカソード１ｂの酸素が完全に消費されると、状態Ｍへ遷移する。このときの遷移条件としては、状態Ｌでカソード酸素消費に必要な時間が経過するか、或いは電圧センサ１６が検出した燃料電池１の電圧が所定値以下に下がったときに、カソード１ｂの酸素が完全に消費されたと判断して状態Ｍへ遷移する。
【００４８】
次いで状態Ｍでは、パワーマネージャ１３への電力取出指令を絶つことで、カソード酸素消費のための電力取り出しを停止する。このようにアノード１ａの水素供給を続けがらカソード１ｂの空気供給を停止して燃料電池１から電力を取り出すことによりカソード１ｂ及びその前後の配管内の酸素を消費することによって、燃料電池停止時に、燃料電池開放端電圧を立てないようにできる。これにより、燃料電池の劣化を防止することができる。次いで状態Ｎで水素タンク元弁３を閉じて水素供給を停止する。
【００４９】
状態Ｎにおいて、水素系内の水素がパージ弁７から排出されて圧力センサ６ａが検出するアノード水素圧力が大気圧程度まで下がったら、状態Ｏへ遷移する。状態Ｏでは、水素希釈ブロア１５を停止させ、状態Ｐで燃料電池システムの停止が完了する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムにおける運転停止動作時の状態遷移図である。
【図４】実施例２の燃料電池システムにおける運転停止動作時の状態遷移図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６a、６b…圧力センサ
７…パージ弁
８…燃焼器
９…コンプレッサ
１０…空気調圧弁
１１…純水ポンプ
１２…純水タンク
１３…パワーマネージャー
１４a、１４b、１４c…純水回収弁
１５…希釈ブロア
１６…電圧センサ
２０…空気圧力制御部
２１…水素圧力制御部
２２…水素供給元弁制御部
２３…停止時パージ弁制御部
２４…純水回収制御部
２５…カソード酸素消費制御部
３０…コントローラ
【図１】
2005158556.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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