(57)【要約】      （修正有）【課題】生成水中に含まれるフッ素イオンを確実に低減することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】フッ素系の固体高分子膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、カソードで生成される水分に含まれるフッ素の濃度を検出するフッ素イオン濃度検出器４６と、フッ素の濃度が所定のしきい値を超え、燃料電池１２による発電が停止状態にある場合は、発電の停止状態を解除して、燃料電池１２による発電を行う発電停止解除手段と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素系の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記カソードで生成される水分に含まれるフッ素の濃度を検出するフッ素濃度検出手段と、
前記フッ素の濃度が所定のしきい値を超え、かつ前記燃料電池による発電が停止状態にある場合は、発電の停止状態を解除して、前記燃料電池による発電を行う発電停止解除手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の電力により駆動されるモーターと、
前記燃料電池との併用により前記モーターを駆動する二次電池と、を更に備え、
前記発電の停止状態とは、前記燃料電池から前記モーターへの電力供給が停止され、前記二次電池のみで前記モーターが駆動された状態であ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】
前記燃料電池の電力により駆動されるモーターと、
前記燃料電池との併用により前記モーターを駆動する二次電池と、を更に備え、
前記発電の停止状態とは、前記モーターの回生動作により前記二次電池が充電されている状態であることを特徴とする請求項１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、燃料電池システムに関し、特に、フッ素系の固体高分子膜を用いた燃料電池を備えたシステムに適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、フッ素系の固体高分子膜を用いた燃料電池が用いられている。このような燃料電池において、特開２００２−３１３４０４号公報には、反応により生成された水分に含まれるフッ素イオンを除去するため、イオン交換樹脂を配設し、大気中に排出されるフッ素イオンを低減する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０７７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開２００２−３１３４０４号公報に開示された方法では、イオン交換樹脂に経時変化が生じた場合、またはイオン交換樹脂に捕獲されたイオン量が増大した場合等には、イオン交換樹脂がその機能を十分に果たさなくなる。この場合、生成水中に含まれるフッ素イオンを低減することは困難である。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、生成水中に含まれるフッ素イオンを確実に低減することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、フッ素系の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記カソードで生成される水分に含まれるフッ素の濃度を検出するフッ素濃度検出手段と、前記フッ素の濃度が所定のしきい値を超え、かつ前記燃料電池による発電が停止状態にある場合は、発電の停止状態を解除して、前記燃料電池による発電を行う発電停止解除手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の電力により駆動されるモーターと、前記燃料電池との併用により前記モーターを駆動する二次電池と、を更に備え、前記発電の停止状態とは、前記燃料電池から前記モーターへの電力供給が停止され、前記二次電池のみで前記モーターが駆動された状態であることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の電力により駆動されるモーターと、前記燃料電池との併用により前記モーターを駆動する二次電池と、を更に備え、前記発電の停止状態とは、前記モーターの回生動作により前記二次電池が充電されている状態であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、フッ素の濃度が所定のしきい値を超え、かつ燃料電池による発電が停止状態にある場合は、発電の停止状態を解除して燃料電池による発電を行うようにしたため、発電が停止している状態において、電解質膜中のフッ素が溶け出してしまうことを抑止できる。従って、カソードでの生成水中に含まれるフッ素の濃度を低減することが可能となる。
【００１０】
第２の発明によれば、燃料電池と二次電池を併用してモーターを駆動するシステムにおいて、二次電池のみでモーターが駆動されている状態を解除することで、燃料電池による発電を行うことができる。これにより、発電停止状態において電解質膜中のフッ素が溶け出してしまうことを回避できる。
【００１１】
第３の発明によれば、燃料電池と二次電池を併用してモーターを駆動するシステムにおいて、モーターの回生動作により二次電池が充電されている状態を解除することで、燃料電池による発電を行うことができる。これにより、発電停止状態において電解質膜中のフッ素が溶け出してしまうことを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、主として燃料電池１２、バッテリー１４、モーター１６、補機１８を備えており、燃料電池１２とバッテリー１４を併用して用いるハイブリッド型燃料電池自動車に用いられる。モーター１６は自動車を駆動するために用いられ、また補機１８は燃料電池１２へガスを供給するためのポンプを含むものである。燃料電池１２とバッテリー１４の間には、燃料電池１２およびバッテリー１４による電力供給を制御するためのコンバータ２０が接続されている。
【００１４】
本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池１２、バッテリー１４の一方または双方から電力を供給することでモーター１６、補機１８を駆動する。また、所定の場合には、燃料電池１２またはモーター１６で発電した電力をバッテリー１４に充電する。具体的には、発進時、加速時など比較的大きなトルクを必要とする場合は、燃料電池１２とバッテリー１４を適宜併用してモーター１６を駆動する。一方、アイドリング運転、低速運転など、要求電力の少ない低負荷運転時は、燃料電池１２による発電を停止し、バッテリー１４からの電力のみでモーター１６を駆動する。このように、運転状態に応じて燃料電池１２を間欠運転することで、燃料電池１４を運転するためのポンプ等の駆動を最小限に抑えることができ、システム全体の効率を高めることができる。更に、車両の減速時には、燃料電池１２による発電を停止し、モーター１６の回転による回生動作により発電を行い、得られた電力をバッテリー１４に充電する（回生制御）。
【００１５】
図２は、燃料電池１２とその周辺の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２はフッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００１６】
燃料電池１２には、アノードガス流路２２及びカソードガス流路２４が導入されている。アノードガス流路２２は水素タンク２６と接続されており、水素タンク２６からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路２４にはポンプ２８、エアフィルタ３０が設けられており、ポンプ２８の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。
【００１７】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００１８】
アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路３２を通って再びアノードガス流路２２へ戻される。アノードオフガス流路３２にはアノードオフガスをアノードガス流路２２へ送るためのポンプ３４、アノードオフガス中の水分を捕集して排出する気液分離器３６、およびアノードオフガスの逆流を抑える逆止弁３８が設けられている。アノードオフガスがアノードガス流路２２に戻されると、水素タンク２６から水素が補充され、アノードガスとして再度アノードへ送られる。
【００１９】
一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路４０を通り、最終的にはマフラ４２から排出される。カソードオフガス流路４０には、加湿器４２、気液分離器４４が設けられている。加湿器４２にはカソードガス流路２４も導入されている。加湿器４２は、カソードオフガス中の水分の一部を吸収し、カソードガスへ供給することでカソードガスを加湿する。
【００２０】
気液分離器４４では、カソードオフガス中の水分が捕集される。気液分離器４４にはフッ素イオン濃度検出器４６が接続されている。フッ素イオン濃度検出器４６は気液分離器４４で捕集された水分中に含まれるフッ素イオンの濃度を検出する。
【００２１】
マフラ４２と平行して排気水素希釈器４８が設けられている。排気水素希釈器４８は、流路５０によってアノードオフガス流路３２と接続されている。流路５０にはバルブ５２が設けられており、アノードオフガス流路３２→アノードガス流路２２→燃料電池１２を循環するガス中に窒素（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の成分が多く含まれる場合は、バルブ５２を開くことでこれらの成分を排出する。排気水素希釈器４８にはマフラ４２の手前で分岐したカソードオフガスが流れており、窒素等とともに流路５０から排出されたアノードオフガス中の水素は、排気水素希釈器４８で希釈されて排出される。
【００２２】
フッ素系の固体高分子分離膜を備えた燃料電池では、カソードで生成された水分中に分離膜中のフッ素が溶け出す場合がある。本実施形態のシステムでは、カソードで生成された水分中のフッ素イオン濃度は、フッ素イオン濃度検出器３４によって検出されている。そして、検出されたフッ素イオン濃度が所定のしきい値よりも高い場合は、フッ素イオン濃度を低減するため、燃料電池１２の運転停止状態を解除する制御、すなわち燃料電池１２の運転を継続する制御を実施する。
【００２３】
すなわち、アイドリング運転、低速運転などの低負荷運転時にフッ素イオン濃度が所定のしきい値よりも高いことが検出された場合は、低負荷運転時に燃料電池１２の運転を停止する本来の制御を行わずに、低負荷運転時であっても燃料電池１２を運転するようにシステムを制御する。
【００２４】
また、モーター１６の回転によりバッテリー１４を充電する回生制御時にフッ素イオン濃度が所定のしきい値よりも高いことが検出された場合は、回生制御を停止し、燃料電池１２を運転するようにシステムを制御する。
【００２５】
また、燃料電池１２による発電が行われている間にフッ素濃度が所定のしきい値を超えた場合は、燃料電池１２による発電が停止状態とされることが禁止されるようにシステムが制御される。
【００２６】
これらの制御によって生成水中に含まれるフッ素イオン濃度を低減できる理由を以下に説明する。カソードオフガス中の生成水にフッ素が含まれる現象は、燃料電池１２のアノード、カソードにそれぞれガスが供給され、かつ燃料電池１２による発電を停止させている状態に起因して発生している。すなわち、フッ素は、この状態が維持されている間に固体高分子分離膜から溶け出し、次に燃料電池１２を運転した際に生成水とともに排出される。換言すれば、アノード、カソードにガスが供給されて燃料電池１２が発電を行っている状態では、フッ素の溶け出す量は極めて微量である。
【００２７】
従って、燃料電池１２の発電を停止させている状態を回避することで、フッ素系固体高分子膜中のフッ素が溶け出すことを抑止でき、生成水中にフッ素が含まれることを抑えることができる。本実施形態のようなハイブリッド型燃料電池自動車に用いられる燃料電池システム１０において、燃料電池１２の発電を停止させている状態は、上述した低負荷運転時、または回生制御時である。従って、これらの状態において燃料電池１２の運転を行うことで、フッ素の溶け出しを抑止できる。また、燃料電池１２による発電が行われている間にフッ素濃度が所定のしきい値を超えた場合は、燃料電池１２による発電が停止状態とされることを禁止することで、フッ素の溶け出しを抑止できる。
【００２８】
上述した低負荷運転時には、通常、ポンプロスを抑えるためアノードおよびカソードへのガス供給を停止し、コンバータ２０の電位を燃料電池１２の電位よりも高くすることで燃料電池１２からの発電を停止させている。この場合、アノード、カソードには供給されたガスが残留しているため、発電を停止するとフッ素が溶け出す場合があるが、燃料電池１２の運転を継続して発電を行うことで、フッ素の溶け出しを抑止することができる。なお、低負荷運転時に燃料電池１２の運転を継続するためには、アノード、カソードにそれぞれガスを供給し、コンバータ２０の電位を燃料電池１２の電位よりも低くすることで実施する。
【００２９】
また、回生制御の場合は、通常、アノードおよびカソードへのガス供給は継続されているが、発電時のモーター１６の電位が燃料電池１２の電位より高くなるため、燃料電池１２の発電が停止される。この場合も、アノード、カソードにはガスが供給されているため、燃料電池１２の発電停止によりフッ素が溶け出す場合があるが、回生制御を停止し、燃料電池１２を運転して発電を行うことで、フッ素の溶け出しを抑止することができる。回生制御が行われている場合に燃料電池１２を運転するためには、先ず、モーター１６による発電を停止して回生制御を停止する。そして、アノード、カソードには既にガスが供給されているため、コンバータ２０の電位を燃料電池１２の電位よりも低くして燃料電池１２を運転する。
【００３０】
次に、図３のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、燃料電池システム１０が始動しているか否か、すなわち、ＳＴ＝ＯＮであるか否かを判定する。ＳＴ＝ＯＮの場合は、燃料電池システム１０が始動しているため、ステップＳ２へ進む。一方、燃料電池システム１０が始動していない場合は終了する(END)。
【００３１】
ステップＳ２では、フッ素イオン濃度検出器４６によって検出したフッ素イオン濃度が所定のしきい値を超えているか否かを判定する。すなわち、ここでは、（フッ素イオン濃度）＞（所定のしきい値）であるか否かを判定する。（フッ素イオン濃度）＞（所定のしきい値）の場合は、フッ素イオン濃度を低減させる必要があるため、ステップＳ３以降の処理を行う。一方、（フッ素イオン濃度）≦（所定のしきい値）の場合は終了する(END)。
【００３２】
ステップＳ３以降では、燃料電池１２の運転が停止している場合は、運転を行い、生成中のフッ素イオン濃度を低減させる制御を行う。具体的には、ステップＳ３でアイドリング運転などの低負荷運転時であるか否かを判定する。低負荷運転時の場合は燃料電池１２の運転が停止されているため、ステップＳ４へ進み、燃料電池１２を運転して発電を行う。
【００３３】
ステップＳ３で低負荷運転時でない場合はステップＳ５へ進み、回生制御が行われているか否かを判定する。回生制御が行われている場合は、燃料電池１２の運転が停止されているため、ステップＳ６へ進み、回生制御を停止し、燃料電池１２を運転して発電を行う。ステップＳ５で回生制御が行われていない場合は、低負荷運転も行われていないため（ステップＳ３）、燃料電池１２は運転されている状態にある。従って、この場合は処理を終了する(END)。
【００３４】
図３の処理によれば、フッ素イオン濃度が所定のしきい値より高く、かつ燃料電池１２の運転が停止している場合は、燃料電池１２を運転させて発電を行うようにシステムが制御されるため、以後の生成水中のフッ素イオン濃度を低減することができる。
【００３５】
なお、通常、回生制御は車両の減速時に行われ、減速により車両が低速になった場合、または車両が停止した場合に低負荷運転が行われる。図３の処理によれば、ステップＳ３とステップＳ５において、低負荷運転、回生制御のいずれの状態にあるかを判定するため、低負荷運転と回生制御の間で制御が切り換わる場合においても、確実に燃料電池１２の運転停止状態を解除することができる。
【００３６】
以上説明したように本実施形態によれば、固体高分子分離膜に含まれるフッ素が燃料電池１２の運転停止時に溶け出すことに着目し、生成水中のフッ素イオン濃度が基準値を超えている場合は、燃料電池１２の運転停止状態を解除し、運転を継続するようにしたため、生成水中のフッ素イオン濃度を低減することが可能となる。
【００３７】
なお、本発明は、燃料電池の内部に冷却水流路を備え、冷却水により内部加湿を行う内部加湿型の燃料電池に適用しても良い。これにより、冷却水にフッ素が含まれてしまうことを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる燃料電池とその周辺の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１４  バッテリー
１６  モーター
４６  フッ素イオン濃度検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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