(57)【要約】【課題】  燃料電池を掃気する際のエネルギー消費を抑えることのできる燃料電池システムを提供する【解決手段】  動力電源として自動車に搭載された燃料電池１が発電するとき、コントロールユニット４０は自動車の運転状態をチェックしアイドリング運転状態の場合、冷媒温度調整バルブ１９の動作温度を制御し、燃料電池１の負荷が小さいほど燃料電池１に供給される冷媒の入口温度を高く昇温させる。これによって、燃料電池１の発電が停止した際には、燃料電池１の温度を高めておくことができる。掃気ガスが燃料電池１の内部で温められることにより、残留水を効果的に除去することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の負荷が低負荷であることを検知する低負荷検知手段と、
前記低負荷検知手段により前記燃料電池の負荷が低負荷であると検知された場合、前記燃料電池を昇温させる昇温手段と、
前記燃料電池の発電が停止した際に前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行う掃気手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記昇温手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段から前記燃料電池に供給される冷媒の温度を上げることによって前記燃料電池を昇温させ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】
動力電源として自動車に搭載され、
前記低負荷検知手段は、前記自動車がアイドリング運転状態のとき、前記燃料電池の負荷が低負荷であると検知す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】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの掃気方法であって、
前記燃料電池の負荷が低負荷であることを検知するとともに、前記燃料電池の負荷が低負荷である場合に前記燃料電池を昇温させ、
前記燃料電池の発電が停止した際に前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うことを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。
【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およびその掃気方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、特に低温（氷点）下で始動する際の発電性能を向上させるため、発電が停止する際に燃料電池に掃気ガスを供給して燃料電池内の残留水を排出するいわゆる掃気が行われている。
その方法としては、例えば特許文献１では燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料通路に切換弁を設け、カソードに対して酸化剤ガスとして酸素を含んだ空気を供給するコンプレッサが切換弁を介してアノードに非加湿空気を供給できるようにしている。燃料ガスの供給を停止して発電を停止させる際には切換弁を切り換えて、アノードとカソードの双方にコンプレッサからの空気を供給して、燃料電池を掃気する技術が開示されている。これによれば、掃気ガスとして外気を利用することができ、また短時間で燃料電池内部の残留水量を適切な量にすることができるため低温下で燃料電池を安定して始動させることができる。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（段落番号００１５、００１６、００１８、図１）
【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、前記従来の技術において燃料電池を掃気するには、多大なエネルギーを必要とし、エネルギー消費が大きいという問題があった。燃料電池システムにおいては、始動時に例えば弁の開閉制御や酸化剤ガスとしての空気供給のため、バッテリなどのエネルギーストレージに一定量のエネルギーを蓄える必要があるが、前記のように掃気に多大なエネルギーが消費されてしまうと、燃料電池を始動できなくなる恐れがある。その対策として例えばバッテリなどの容量を大きくし、始動用のエネルギーを確保することが考えられるが、燃料電池システム全体の重量・容積が増大してしまう問題が生じ適切な方法ではない。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、掃気時のエネルギー消費を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の負荷が低負荷であることを検知する低負荷検知手段と、前記低負荷検知手段により前記燃料電池の負荷が低負荷であると検知された場合、前記燃料電池を昇温させる昇温手段と、前記燃料電池の発電が停止した際に前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行う掃気手段とを有するものとした。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、前記昇温手段が、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段から前記燃料電池に供給される冷媒の温度を上げることによって前記燃料電池を昇温させるものとした。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、動力電源として自動車に搭載され、前記低負荷検知手段は、前記自動車がアイドリング運転状態のとき、前記燃料電池の負荷が低負荷であると検知するものとした。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの掃気方法であって、前記燃料電池の負荷が低負荷であることを検知するとともに、前記燃料電池の負荷が低負荷である場合に前記燃料電池を昇温させ、前記燃料電池の発電が停止した際に前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気を行うものとした。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の負荷が低負荷であるとき、燃料電池を昇温させるようにしたため、燃料電池の発電が停止したときには、燃料電池の温度を高めておくことができる。したがって、掃気を行う際に、燃料電池１に供給された掃気ガスが燃料電池内部で温められ、掃気ガスの体積流量と飽和水蒸気量の増大により、掃気に必要なガス量が減少し、掃気に費やされるエネルギーを抑えることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池を冷却するための冷媒温度を上げることにより、燃料電池を昇温させるようにしたため、例えば冷却手段で行われる冷媒の放熱に関してその能力を制限することによって燃料電池を昇温させることができる。したがって、ヒータといった温度を上げるための手段が必要なくなり、請求項１の効果に加えて、燃料電池システムを小型に構成することができる。
【００１０】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムが動力電源として自動車に搭載された場合、自動車がアイドリング運転中に、燃料電池を昇温させるようにしたため、単純に燃料電池の負荷を検知して燃料電池を昇温させるより、特に掃気を必要とする燃料電池を昇温させることができ、発電停止時に掃気を行う確実性が高くなり、請求項１および請求項２の効果に加えて、必要のない昇温を防ぎ、燃料電池の劣化防止にも役立つ。
【００１１】
請求項４に記載の燃料電池システムの掃気方法では、請求項１の発明と同様に燃料電池の負荷が所定値より小さいとき、燃料電池を昇温させるようにしたため、燃料電池の発電が停止したときには、燃料電池の温度を高めておくことができる。したがって、請求項１の発明と同様に掃気に必要なガス量を減らすことができ、掃気に費やされるエネルギーを抑えることが可能になる。燃料電池システムによっては十分な掃気を行っても、始動用のエネルギーが不足になることはないといった効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。なお、ここでは動力電源として自動車に搭載される燃料電池システムについて説明を行う。
図１は燃料電池システムの構成を示す図である。
燃料電池１は高分子電解質膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体をさらにセパレータで挟んだ単セルを積層して構成されるもので、そのアノード側入口ａ1にアノードガス流入路２が接続され、アノード側出口ａ2にはアノードオフガス流出路８が接続されている。
アノードガス流入路２にはその端部に接続された水素ボンベ７側から遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３が順次に設けられ、また、アノードオフガス流出路８にはパージバルブ９が設けられている。
【００１３】
遮断弁６は水素ボンベ７から燃料電池１に供給される水素ガスに対して制御を行うもので、開弁時に燃料電池１に水素ガスが供給され、閉弁時には水素ガスの供給が遮断される。
レギュレータ５は燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を調整するものである。
イジェクタ３はアノードオフガス流出路８におけるパージバルブ９の上流側から分岐された循環路１０と接続され、アノードオフガス流出路８に排出されたアノードオフガスを燃料電池１に循環させるものである。このイジェクタ３によって、アノードオフガスとして排出された未反応の水素ガスを再利用可能で、水素ガスの利用率が向上する。
パージバルブ９はアノードオフガスの流れを制御するもので、閉弁時にアノードオフガス流出路８が封止され、アノードオフガスが循環路１０から燃料電池１に循環され、開弁時にはアノードオフガスが外部へ排出される。
遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３およびパージバルブ９はそれぞれコントロールユニット４０に制御される。
【００１４】
燃料電池１のカソード側入口ｃ1にカソードガス流入路１２が接続され、カソード側出口ｃ2にはカソードオフガス流出路１４が接続される。
カソードガス流入路１２の端部に酸化剤ガスとしてまたは掃気ガスとしての空気を供給するコンプレッサ１３が接続され、コンプレッサ１３によって燃料電池１に供給された空気のカソードオフガスがカソードオフガス流出路１４から外部へ排出される。
アノードガス流入路２におけるレギュレータ５の下流側とカソードガス流入路１２とは連通路２６によって連通され、連通路２６には遮断弁２７が設けられている。
この連通路２６によって、遮断弁２７が開弁するときコンプレッサ１３からの空気を燃料電池１のアノードに供給してアノードを掃気することができる。
遮断弁２７およびコンプレッサ１３はコントロールユニット４０に制御される。
【００１５】
燃料電池１の冷媒入口Ｌ1に冷媒流入路１６、冷媒出口Ｌ2には冷媒流出路１７がそれぞれ接続されている。冷媒流出路１７には燃料電池１からの順で冷媒温度調整バルブ１９とラジエータ２２が設けられ、冷媒温度調整バルブ１９はラジエータ２２の下流側から分岐された連通路２０と接続されている。冷媒流入路１６と冷媒流出路１７の間に冷媒ポンプ１５が接続され、この冷媒ポンプ１５によって燃料電池１に冷媒を循環可能になっている。冷媒温度調整バルブ１９は燃料電池１を循環する冷媒の温度に応じて動作し冷媒温度を制御する。
【００１６】
すなわち、燃料電池１から排出される冷媒の温度（出口温度）が冷媒温度調整バルブ１９の動作温度以上の場合、冷媒温度調整バルブ１９はラジエータ２２側に切り換えるように動作し、このとき冷媒はラジエータ２２を経由し外部へ熱を放出して燃料電池１に循環される。
排出される冷媒の温度が冷媒温度調整バルブ１９の動作温度未満の場合には、冷媒温度調整バルブ１９は連通路２０側に切り換えるように動作し、このとき冷媒は連通路２０を経由し熱をもったまま燃料電池１に循環される。このように冷媒温度調整バルブ１９の動作で冷媒の温度が制御され、燃料電池１に供給される冷媒の温度（入口温度）が一定になるとともに、冷媒温度調整バルブ１９の動作温度を制御することで、入口温度を変化させることができる。
冷媒ポンプ１５および冷媒温度調整バルブ１９はコントロールユニット４０に制御されている。
燃料電池１は自動車の駆動モータを含め補機や燃料電池１が発電しないときに電力供給を行うバッテリなどからなる電気機器４と接続されている。
【００１７】
本実施形態では、自動車が停車し燃料電池１の発電が停止した際に、再始動に備えて掃気を行うようになっている。その際、掃気効率を上げるように燃料電池１を昇温させるようにしている。すなわち、燃料電池１を昇温させることによって、掃気に際して、掃気ガスが燃料電池１の内部で温められ、体積流量の増大により残留水の除去能力を向上させることができる。また、掃気ガスが温められることによって飽和水蒸気量が増大する、換言すると掃気ガスの相対湿度が低下するため、同じ体積流量でも残留水を持ち去る量が多くなる。この結果、掃気に必要なガス量が減少し、掃気に費やされるエネルギーを抑えることが可能になる。燃料電池システムによってはバッテリを変えずに、掃気と始動用のエネルギーを同時に確保することができる。
【００１８】
次に、燃料電池１の制御についてフローチャートに基づいて説明する。図２は燃料電池制御の流れを示すフローチャートである。
コントロールユニット４０は自動車側からイグニッションスイッチのオン信号（IGN  ON）を入力すると（Ｓ１）、遮断弁６を開弁させるとともに、コンプレッサ１３を起動させる。これによって燃料電池１に水素ガスと空気がそれぞれ供給され、燃料電池１の発電が開始される。なお、このとき、アノードとカソードを連通する連通路２６内の遮断弁２７が閉弁状態にあり、水素ガスと酸化剤ガスとしての空気が相手側に流れることはない。燃料電池１が発電している間に、コントロールユニット４０は燃料電池１の負荷すなわち電気機器４に供給する電力に応じてレギュレータ５、パージバルブ９などの制御を通じて燃料電池１の発電制御を行う。燃料電池１の発電によって自動車が動力を得て走行可能になる。
発電に伴って燃料電池１の温度が上昇し、コントロールユニット４０はカソードオフガス流出路１４に設けられている温度センサＴの検出値を入力して燃料電池１の温度を確認する。燃料電池１の温度が所定温度に達したとき、暖機が終了したとしてコントロールユニット４０は冷媒ポンプ１５を起動する（Ｓ２）。これによって燃料電池１に冷媒が供給され、燃料電池１に対する冷却が開始される。
【００１９】
コントロールユニット４０は燃料電池１への冷媒流量を制御するように燃料電池１の負荷を検出（Ｓ３）し、負荷に基づいて冷媒ポンプ１５を制御する（Ｓ４）。
すなわち、燃料電池１に負荷に応じた流量の冷媒が供給されるように、コントロールユニット４０は図３のライン３で示す負荷と対応させた冷媒流量をマップとして備え、検出された負荷に応じてマップから読み出した冷媒流量を目標値として、冷媒ポンプ１５を制御することによって燃料電池１に供給される冷媒の流量を制御する。図３のライン３では負荷が大きいほど冷媒流量が大きくなっている。このため、発熱の大きい高負荷領域ｃでは冷却能力が増し、また発熱の比較的に低い中負荷領域ｂ、低負荷領域ａでは冷媒ポンプ１５を駆動するための電力消費を抑えることができる。
【００２０】
コントロールユニット４０は自動車がアイドリング運転状態であるか否かをチェックする（Ｓ５）。これは例えばシフトポジションがパーキングまたはニュートラルにあるか否かをチェックすることによって行うことができる。あるいはアクセル開度がゼロのとき、車速がゼロであるか否かをチェックすることによって行うこともできる。
アイドリング運転状態でない場合（Ｓ５、ＮＯ）、自動車が走行中であるとして、コントロールユニット４０は燃料電池１に供給される冷媒の温度すなわち冷媒の入口温度を制御する。
すなわち、コントロールユニット４０は、図３のライン１で示す負荷と対応させた入口温度をマップとして備え、前記検出された負荷に応じてマップから読み出した入口温度を、燃料電池１に供給される冷媒の入口温度の目標値として冷媒温度調整バルブ１９の動作温度を制御する。
燃料電池では、冷媒の出口温度を燃料電池の耐久要件に準じた耐熱温度以下に抑える必要がある。このため、入口温度の設定に当たり、図３のライン４で示すように発熱量の大きい高負荷領域ｃで燃料電池１の耐熱温度以下に抑えた出口温度を想定し、この出口温度が得られるようにライン１で示す入口温度を設定する。
したがって、走行時の冷媒の入口温度を制御することによって燃料電池１が高負荷領域ｃに入っても燃料電池１の出口温度を耐熱温度以下に抑えることができ、過度な温度上昇によって燃料電池１が劣化することはない。
【００２１】
コントロールユニット４０は自動車側からのイグニッションスイッチ信号がオフ信号になったか否かをチェックし（Ｓ８）、オフ信号でない場合（Ｓ８、ＮＯ）、走行中であるため、ステップＳ３へ戻り、新たに燃料電池１の負荷を検出し、前記のように冷媒流量と入口温度の制御が繰り返される。
そして、自動車がアイドリング運転状態であるとチェックされると（Ｓ５、ＹＥＳ）、コントロールユニット４０は燃料電池の入口温度を上げる制御を行う。
すなわち、コントロールユニット４０は図３のライン２で示す負荷と対応させた入口温度をマップとして備え、前記検出された負荷に応じてマップから読み出した入口温度を、燃料電池１に供給される冷媒の入口温度の目標値として、冷媒温度調整バルブ１９の動作温度を制御する。
自動車がアイドリング運転状態では、走行時に比べて燃料電池１を昇温させるため、図３のライン２で示す入口温度は負荷に応じて負荷が低いほど高くなるように設定されている。
入口温度の設定に当たり、図３のライン５で示すようにアイドリング運転時（低負荷領域ａ）の出口温度が走行時の中負荷領域ｂの出口温度と同一であることを想定し、この出口温度が得られるようにライン２で示す入口温度を設定する。したがって、自動車がアイドリング運転状態に入ると、コントロールユニット４０は負荷に応じて負荷が小さいほど冷媒の入口温度が高くなるように冷媒温度調整バルブ１９の動作温度を制御し、その結果、走行時に比べて冷媒の出口温度が上げられ、燃料電池１が昇温されることになる。
【００２２】
コントロールユニット４０は、イグニッションスイッチ信号がオフ信号になったか否かをチェックし（Ｓ８）、なっていない場合（Ｓ８、ＮＯ）、ステップＳ３に戻り、前記制御が繰り返される。そしてイグニッションスイッチ信号がオフ信号になったとチェックされると（Ｓ８、ＹＥＳ）、コントロールユニット４０は遮断弁６を閉弁させて燃料電池１への水素ガスの供給を遮断して発電を停止させるとともに、冷媒ポンプ１５を停止される。これによって発電停止とともに燃料電池１への冷媒供給が停止される（Ｓ９）。
その後、コントロールユニット４０は、パージバルブ９を全開させるとともに、遮断弁２７を開弁させて掃気を実施する（Ｓ１０）。
【００２３】
なお、掃気に関しては、再始動時に燃料電池が凍結することを予想する自動凍結予想モードを設け、凍結と予想されたときのみ、掃気を行うことが可能である。
コントロールユニット４０は、掃気によって燃料電池１内の残留水が排出された結果、掃気時に圧力損失が低下することを利用して、アノードガス流入路２の燃料電池１側に設けられた圧力センサＰａの検出値を入力して掃気が完了したか否かを判断して、掃気が完了した場合にはコンプレッサ１３を停止させ、遮断弁２７を閉弁させ、パージバルブ９を閉弁させる。これによって燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ１１）。
【００２４】
燃料電池システムは以上のように構成され、自動車がアイドリング運転状態になると、燃料電池１の負荷に応じて負荷が小さいほど燃料電池１に供給される冷媒の入口温度を上げ、燃料電池１を昇温させるため、自動車が停車し燃料電池１の発電が停止したときには燃料電池１の温度を高めておくことができる。したがって、掃気する際に、掃気ガスが燃料電池１の内部で温められ、体積流量と飽和水蒸気量の増大により残留水を効果的に除去することができる。この結果、掃気に必要なガス量を減少することができ、掃気に費やされるエネルギーを抑えることが可能になる。
燃料電池１の昇温については、冷媒の入口温度を上げる以外に、例えばヒータを設けて燃料電池１を外部から加熱して昇温させることもできる。
【００２５】
なお、本実施形態では、自動車がアイドリング運転状態時に、燃料電池１を昇温させるようにしたが、例えば、直接に燃料電池１の負荷を検知し、負荷が所定値以下（例えば図３の低負荷領域ａ）になった場合に、燃料電池１を昇温させることもできる。しかしこの場合、例えば下り路を走行中に、負荷が所定値以下になったことによって、必要がないのに燃料電池を昇温させることがある。これに対して本実施形態は、アイドリング運転状態時に燃料電池１を昇温させるため、昇温後に掃気の確実性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】冷媒温度、冷媒流量と負荷の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      燃料電池
２      アノードガス流入路
３      イジェクタ
４      電気機器
５      レギュレータ
６      遮断弁
７      水素ボンベ
８      アノードオフガス流出路
９      パージバルブ
１０    循環路
１２    カソードガス流入路
１３    コンプレッサ
１４    カソードオフガス流出路
１５    冷媒ポンプ
１６    冷媒流入路
１７    冷媒流出路
１９    冷媒温度調整バルブ
２０    連通路
２２    ラジエータ
２６    連通路
２７    遮断弁
４０    コントロールユニット
【図１】
2005317224.tif 000003
【図２】
2005317224.tif 000004
【図３】
2005317224.tif 000005