(57)【要約】【課題】再起動時の燃焼器の触媒活性を高めるとともに、多大な設置スペースを必要としない燃料電池システムの停止制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池５のカソード排ガス及びアノード排ガスを燃焼処理する燃焼器９と、燃料電池にカソードガスを供給するカソードライン２と、カソードラインの途中に設けられ、カソードガスの通流を切り替えるカソード切替弁４）と、カソード切替弁で切り替えられたカソードガスを燃焼器に供給するカソードバイパスライン６と、燃料電池を停止するときにカソード切替弁をカソードバイパスラインに切り替えて、カソードガスを燃焼器に通流するように制御するコントローラ２０とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード排ガス及びアノード排ガスを燃焼処理する燃焼器と、
燃料電池にカソードガスを供給するカソードラインと、
前記カソードラインの途中に設けられ、カソードガスの通流を切り替えるカソード切替弁と、
前記カソード切替弁で切り替えられたカソードガスを前記燃焼器に供給するカソードバイパスラインと、
燃料電池を停止するときに前記カソード切替弁を前記カソードバイパスラインに切り替えて、前記カソードガスを前記燃焼器に通流するように制御するコントローラと、
を備えた燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項２】
前記カソードバイパスラインに設けられ、カソードガスを昇温可能な加熱器を備え、
前記コントローラは、燃料電池を停止するときに前記加熱器を運転してカソードガスを加熱し、その加熱したカソードガスを前記燃焼器に供給するように制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項３】
前記加熱器は通電加熱式加熱器である、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項４】
燃料電池にアノードガスを供給するアノードラインの途中に設けられ、アノードガスの通流を切り替えるアノード切替弁と、
前記アノード切替弁で切り替えられたアノードガスを前記燃焼器に供給するアノードバイパスラインと、
を備え、
前記コントローラは、燃料電池を停止するときに前記アノード切替弁を前記アノードバイパスラインに切り替えて、アノードガスを前記燃焼器に通流して、そのアノードガスが前記燃焼器で燃焼するように制御する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項５】
前記燃焼器は貴金属触媒を用いた触媒燃焼器である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項６】
前記燃焼器から排出される排ガスの温度を検出する排気温度センサを備え、
前記コントローラは、前記排ガスの温度が基準温度を超えたら燃料電池を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項７】
前記燃焼器から排出される排ガスの温度を検出する排気温度センサと、
前記カソードバイパスラインを通流するカソードガスの温度を検出するカソードガス温度センサと、
を備え、
前記コントローラは、前記排ガスと前記カソードガスとの温度差が基準温度差以内になったら燃料電池を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項８】
前記コントローラは、前記アノードバイパスラインから供給されたアノードガスの前記燃焼器での燃焼時間に基づいて燃料電池を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前記カソード切替弁を切り替えてからの経過時間に基づいて燃料電池を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムの停止制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは水素と酸素との反応によって電力を得るエネルギーシステムである。反応生成物は水だけであり、近年のエネルギー機関が与える環境影響低減の動向と相俟って、次世代エネルギーシステムの最有力候補とされている。
【０００３】
燃料電池にはリン酸型や固体酸化物型など数種類のタイプが開発されているが、その中でも固体高分子型燃料電池は、作動温度が常温から８０℃程度であってそれほど高温にならないことや、エネルギー転換効率もよいことから実用化に向けての開発が進んでいる。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、片面に水素流路を形成し、反対面に空気流路を形成した板状の良導体のセパレータと水素伝導性のある樹脂膜とを交互に重ね合わせた層状構造になっている。この水素導電性の樹脂膜は加湿状態でないと効率よく作動しないので、水素と酸素とを反応させるには、ほぼ飽和水蒸気雰囲気の環境が必要である。
【０００５】
空気はカソード側に、水素はアノード側に導入するが、導入した全水素を反応させることはできない。水素の常温常圧空気条件下での反応（燃焼）下限界濃度は約４％であり、４％未満の水素は燃焼しないからである。そのため未燃焼水素はアノード排ガスとして放出され、アノード排ガスの排出口付近では燃焼下限界を上回る可能性がある。したがって、このときに放出される水素濃度が可燃範囲になることを防止する必要がある。
【０００６】
そこで、特許文献１では、例えば燃料電池アノード排ガスラインに排水素を燃焼可能な触媒燃焼器を設置し、この触媒燃焼器でアノード排ガス中の水素を燃焼することによって、水素の大気への放出を防止している。
【０００７】
触媒燃焼器は、貴金属などの触媒粒子をセラミック粒子とともに無機溶剤に混合し、ハニカム状の担体に塗布して形成している。このセラミック粒子は多孔質体であり吸湿性（保水性）があるので、水素燃焼時の燃焼器の温度上昇を妨げる可能性がある。また、一部の貴金属は活性種に水分子を吸着するので水素燃焼の触媒作用を妨げるおそれがある。そのため、水分の存在条件下では十分な燃焼特性を発揮することができない。ところが、燃料電池は、上述の通り、水素と酸素とを反応させるために、ほぼ飽和水蒸気雰囲気の環境となっており、その水蒸気が触媒燃焼器にも流入する。
【０００８】
そこで、特許文献１では、触媒燃焼器に備えたブロアから外部空気を吸気して、アノード排ガス中の水素の燃焼を促進している。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３４３３９１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来装置では、外気が乾燥しているときは水素を燃焼できるが、たとえば、雨天の場合や高湿の場合には、吸気した空気に水蒸気が含まれるので、触媒燃焼器が作用しない可能性ある。そして、触媒燃焼器に加湿空気が充満した状態で停止して温度が下がった場合には、触媒燃焼器内の水蒸気が過飽和となり触媒表面に液水として凝縮してしまうことがある。このように触媒表面に液体の水分が付着すると、触媒種と水素及び酸素との反応する確率が著しく低下するので、水素を燃焼することができなくなる。したがって、再起動時の触媒活性を考慮すると、停止時に燃焼器内の水蒸気量を可能な限り低減することが望ましい。
【００１１】
また、自動車等では設置スペースに制限があるので、前述した従来装置のように、燃料電池に空気を供給するコンプレッサーと燃焼器用ブロアとの両方を必要とするシステムは望ましくない。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、再起動時の燃焼器の触媒活性を高めるとともに、多大な設置スペースを必要としない燃料電池システムの停止制御装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【００１４】
本発明は、燃料電池（５）のカソード排ガス及びアノード排ガスを燃焼処理する燃焼器（９）と、燃料電池にカソードガスを供給するカソードライン（２）と、前記カソードラインの途中に設けられ、カソードガスの通流を切り替えるカソード切替弁（４）と、前記カソード切替弁で切り替えられたカソードガスを前記燃焼器に供給するカソードバイパスライン（６）と、燃料電池を停止するときに前記カソード切替弁を前記カソードバイパスラインに切り替えて、前記カソードガスを前記燃焼器に通流するように制御するコントローラ（２０）とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【作用・効果】
本発明によれば、燃料電池を停止するときにカソード切替弁をカソードバイパスラインに切り替えて、カソードガスを燃焼器に通流するようにしたので、停止時に、燃焼器内の水蒸気をカソードガスで置換することができ、燃焼器内の水蒸気量を可能な限り低減できるので、再起動時の触媒活性が向上する。また、燃焼器専用に特別な空気供給源を付帯する必要がなく、燃料電池システムをシンプルな構成とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第１実施形態を示す図である。
【００１７】
燃料電池５には、コンプレッサー１から圧送された酸素（カソードガス）がカソードライン２から供給されるとともに、水素（アノードガス）がアノードライン３から供給される。それらの酸素及び水素は、燃料電池５での反応後に、それぞれカソード排ガスライン７及びアノード排ガスライン８で触媒燃焼器９に送られる。触媒燃焼器９は、アノード排ガスライン８で送られた水素をカソード排ガスライン７の酸素で燃焼し、排ガスを排出する。触媒燃焼器９の出口付近には排ガスの温度を測定する排気温度センサ１０が設けられている。なお、触媒燃焼器９の触媒活性種としては一般的な貴金属を使用すればよい。すなわち触媒燃焼器９は一般的な貴金属触媒燃焼器である。
【００１８】
カソードライン２の途中にはカソード切替弁４が設けられている。このカソード切替弁４は、酸素の通流をカソードライン２又はカソードバイパスライン６に切り替える。カソードバイパスライン６の他端はカソード排ガスライン７に接続している。カソード切替弁４の制御はコントローラ２０で行う。
【００１９】
アノード排ガス用触媒燃焼器９で特に問題となるのは、触媒燃焼器９に加湿空気が充満した状態で停止し温度が下がった場合に、燃焼器内の水蒸気が過飽和となり触媒表面に液水として凝縮してしまうことである。触媒表面に液体の水分が付着すると、触媒種と水素及び酸素との反応する確率が著しく低下するので、水素を燃焼することができなくなる。したがって、再起動時の触媒活性を考慮すると、停止時に燃焼器内の水蒸気量を可能な限り低減することが必要である。そこで本実施形態では、燃料電池システムを停止するときに、コンプレッサー１の空気を触媒燃焼器９に供給することで、燃焼器内の水蒸気量をできる限り低減しようとするものである。コントローラ２０はこのようにするための制御を行う。以下ではコントローラ２０の具体的な制御ロジックについて図２に示すフローチャートに沿って説明する。
【００２０】
燃料電池システムの停止制御は以下のようにして行う。
【００２１】
最初に、ステップＳ１１において、燃料電池５への水素の供給を停止する。
【００２２】
ステップＳ１２において、カソード切替弁４をカソードバイパスライン６に切り替える。この操作によって触媒燃焼器９に燃料電池５を経由しない空気、すなわち未飽和状態の空気を供給する。
【００２３】
ステップＳ１３において、排ガスの温度が基準温度（本実施形態では５０℃）以上まで上昇したか否かを判定し、上昇するまでは現状を維持し（ステップＳ１４）、上昇したらステップＳ１５以降に進む。このように排ガスの温度が基準温度以上に上昇したか否かを判定する理由は以下である。すなわち、触媒燃焼器９にはセラミック粒子が塗布されており、セラミック粒子は多孔質体であるので保水性がある。したがって、湿潤している場合にカソードバイパスライン６から空気を流すと多孔質体中の水分が蒸発する。すなわち、多孔質体が保水していた場合には、多孔質体を流通したあとの気体温度は気化熱によって下がり、排ガスの温度が低下する。さらにそのまま空気の流通を続けることで、燃焼器内の水分が蒸発し、やがて温度が上昇し始めるので、排ガスの温度の上昇を検出することで、多孔質体の保水量が減少したと判断することが可能である。そこで、燃焼器内の水分が十分に蒸発したときの温度を基準温度とし、その温度に達したか否かで燃焼器内の水分が蒸発したか否かを判定する。本実施形態ではこの基準温度を５０℃に設定している。
【００２４】
ステップＳ１５においてコンプレッサーや他の補機の運転を停止し、ステップＳ１６においてカソード切替弁４をカソードライン２に戻して終了する。
【００２５】
本実施形態によれば、カソードライン２の途中にカソード切替弁４を設け、燃料電池システムを停止するときにコンプレッサー１の空気を、燃料電池５に経由させることなく触媒燃焼器９に供給するようにした。この空気は未飽和状態である。燃料電池の定常運転時には触媒燃焼器９にほぼ飽和水蒸気のカソード排ガスが流通しているのであるが、燃料電池５を経由することなく供給される未飽和空気によって、触媒燃焼器９内を乾燥空気で置換することができる。したがって、停止時に燃焼器内の水蒸気量を可能な限り低減でき、再起動時の触媒活性が向上する。
【００２６】
また、本実施形態の構成であれば、燃料器に専用の特別な空気供給源を付帯する必要がないので、燃料電池システムをシンプルな構成とすることができ、車載性にも優れるのである。
【００２７】
さらに、本実施形態では、排ガスの温度（排気温度センサ１０の測定温度）が基準温度以上に上昇したら燃料電池システムを停止するようにしている。このようにすることで、燃焼器内の水分が十分に蒸発したか否かを正確に判定することができる。そのため、コンプレッサー１等の作動時間を過不足なく適切に制御することができる。
【００２８】
さらにまた、触媒燃焼器９は一般的な貴金属触媒燃焼器であるので、コスト的も安価に抑えることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
図３は、本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第２実施形態を示す図である。
【００３０】
なお以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３１】
本実施形態では、上記第１実施形態に対して、カソードバイパスライン６の途中に加熱器１２を設けた。なお、この加熱器１２としては通常用いられるあらゆる加熱器を使用可能であるが、通電抵抗加熱などの電気ヒーターを使用すればエネルギー効率もよく、また省スペース化を図ることもできるので特に好適である。カソードバイパスライン６の下流端付近にはカソードガス温度センサ１１が設けられており、このカソードガス温度センサ１１でカソードバイパスライン６を流れる空気（カソードガス）の温度を測定する。
【００３２】
次に、図４を参照して第２実施形態の停止制御について説明する。
【００３３】
ステップＳ２１において、燃料電池５への水素供給を停止する。
【００３４】
ステップＳ２２において、カソード切替弁４をカソードバイパスライン６に切り替える。この操作によって、触媒燃焼器９には燃料電池５を経由しない空気、すなわち未飽和状態の空気を供給する。
【００３５】
ステップＳ２３において、カソードバイパスライン６を流れる空気の温度をカソードガス温度センサ１１で測定し、その温度が基準温度（本実施形態では８０℃）に満たなければ加熱器１２を運転して（ステップＳ２４）、空気を昇温する。なおこの基準温度は、触媒燃焼器９内の水分を蒸発させるために十分な温度であり、本実施形態では８０℃にしている。
【００３６】
ステップＳ２５において、空気の温度（カソードガス温度センサ１１の測定値）と排ガスの温度（排気温度センサ１０の測定値）との温度差が基準温度差（本実施形態では１０℃）以内であるか否かを判定し、基準温度差以内になるまでは現状を維持し（ステップＳ２６）、基準温度差以内になったらステップＳ２７以降に進む。このように温度差が基準温度差以内であるか否かを判定する理由は以下である。すなわち、触媒燃焼器９が湿潤している場合は、カソードバイパスライン６から空気を流したときに気化熱によって排ガスの温度が低下するが、さらにそのまま空気の流通を続けることで、燃焼器内の水分が蒸発し、やがて温度が上昇し始め、空気の温度（カソードガス温度センサ１１の測定値）と排ガスの温度（排気温度センサ１０の測定値）との温度差がなくなっていく。燃焼器内の水分が十分に蒸発したときの温度差をあらかじめ設定しておき、そのときの温度差を基準温度差にする。本実施形態では、この基準温度差を１０℃に設定している。
【００３７】
ステップＳ２７において加熱器の運転を停止し、ステップＳ２８においてコンプレッサーや他の補機の運転を停止し、ステップＳ２９においてカソード切替弁４をカソードライン２に戻して終了する。
【００３８】
本実施形態によれば、カソードバイパスライン６に加熱器１２を設置したので、カソードバイパスライン６を通流する空気の温度を上げることで、触媒燃焼器内の水分の蒸発を一層促進し、燃料電池システムの停止時間を短縮することができる。
【００３９】
また、カソードバイパスライン６にカソードガス温度センサ１１を設けて、排ガスとの温度差が基準温度差以内になったら燃料電池システムを停止するようにしたので、たとえば、カソードバイパスライン６を通流する空気の温度が変動した場合であっても、多孔質体の気化熱をより正確に検知することができる。
【００４０】
さらに、加熱器１２に通電抵抗加熱などの電気ヒーターを使用すれば、エネルギー効率もよく、省スペース化を図ることもできる。
【００４１】
（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第３実施形態を示す図である。
【００４２】
本実施形態では、上記第１実施形態に対して、アノードライン３の途中にアノード切替弁１３を設けた。このアノード切替弁１３は、水素の通流をアノードライン３又はアノードバイパスライン１４に切り替える。アノードバイパスライン１４の他端はアノード排ガスライン８に接続されている。
【００４３】
次に、図６を参照して第３実施形態の停止制御について説明する。
【００４４】
ステップＳ３１において、カソード切替弁４をカソードバイパスライン６に切り替える。この操作によって、触媒燃焼器９には燃料電池５を経由しない空気、すなわち未飽和状態の空気を供給する。
【００４５】
ステップＳ３２において、アノード切替弁１３をアノードバイパスライン１４に切り替える。この操作によって、触媒燃焼器９には燃料電池５を経由しない水素、すなわち未燃水素を供給する。
【００４６】
ステップＳ３３において、触媒燃焼器９に供給した水素と空気とを反応させて燃焼させる。このとき、燃焼温度が所定温度になるような水素と空気との流量と、そのときの温度で触媒燃焼器９内の水分を除去可能な燃焼時間とをあらかじめ求めておき、その時間だけ水素を燃焼させる。本実施形態では、燃焼時間を６０秒に設定し、ステップＳ３３を６０秒持続した後に、ステップＳ３４以降を実行する。
【００４７】
ステップＳ３４において、燃料電池５への水素供給を停止する。
【００４８】
ステップＳ３５においてアノード切替弁１３をアノードライン３に戻し、ステップＳ３６においてコンプレッサーや他の補機の運転を停止し、ステップＳ３７においてカソード切替弁４をカソードライン２に戻して終了する。
【００４９】
本実施形態によれば、アノードライン３の途中にアノード切替弁１３を設け、燃料電池システムを停止するときに、水素がアノードバイパスライン１４を通って触媒燃焼器９に通流するように切り替えるようにした。このようにしたので、燃料電池システムの停止前に、触媒燃焼器９で水素が燃焼して触媒燃焼器９の温度が上昇するので、触媒燃焼器９内の水分の蒸発を一層促進し、燃料電池システムの停止時間を短縮することができる。
【００５０】
また、アノードバイパスライン１４の水素を先に停止して（ステップＳ３４）、カソードバイパスライン６から空気を送った後にコンプレッサー１等を停止し（ステップＳ３６）、カソード切替弁４をカソードライン２に切り替えるようにした（ステップＳ３７）。したがって、水素燃焼後の触媒燃焼器９内を空気でパージでき、反応水の再凝縮を一層抑制することができる。
【００５１】
さらに、触媒燃焼器９内の水分を除去可能な燃焼時間をあらかじめ求めておき、その時間だけ水素を燃焼させるようにしたので（ステップＳ３３）、第１実施形態では必要であった排気温度センサ１０が不要となり、システムのコストを安価に抑えることができる。
【００５２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００５３】
例えば、第１、第２実施形態においては、制御の終了判断を温度に基づいて行っているが、第３実施形態のように時間に基づいて行ってもよい。そのようにすれば、温度センサが不要になるのでコストを安価に抑えることができる。また、逆に、第３実施形態において、第１、第２実施形態のように温度に基づいて行ってもよい。そのようにすれば正確な判断を行うことができる。
【００５４】
また、第３実施形態において、第２実施形態と同様にカソードバイパスライン６の途中に加熱器１２を設けてもよい。そのようにすれば、触媒燃焼器９内の水分の蒸発をさらに一層促進し、燃料電池システムの停止時間をさらに短縮することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】第１実施形態の停止制御処理を説明するフローチャートである。
【図３】本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第２実施形態を示す図である。
【図４】第２実施形態の停止制御処理を説明するフローチャートである。
【図５】本発明による燃料電池システムの停止制御装置の第３実施形態を示す図である。
【図６】第３実施形態の停止制御処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１  コンプレッサー
２  カソードライン
３  アノードライン
４  カソード切替弁
５  燃料電池
６  カソードバイパスライン
７  カソード排ガスライン
８  アノード排ガスライン
９  触媒燃焼器
１０  排気温度センサ
１１  カソードガス温度センサ
１２  加熱器
１３  アノード切替弁
１４  アノードバイパスライン
２０  コントローラ
【図１】
2005071636.tif 000003
【図２】
2005071636.tif 000004
【図３】
2005071636.tif 000005
【図４】
2005071636.tif 000006
【図５】
2005071636.tif 000007
【図６】
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