(57)【要約】【課題】パージによって除水された生成水保持容量を最大限確保することができ、これによって良好な氷点下起動を実現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】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の発電停止時にパージ制御を実施し、所定時間パージを実施した後に、冷却水を循環させて燃料電池スタック２の温度をパージガスの温度よりも低い所定温度Ｔ１まで急速に冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を用いた燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの発電停止時にパージ制御が実施される燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックへパージを実施した後に、前記燃料電池スタックの温度をパージガスの温度よりも低い所定温度まで急速に冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定温度は、略３０℃であ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】
前記燃料電池スタックへパージを実施するときに前記燃料電池スタックに冷却水を循環させながら第１のパージを実施し、この第１のパージを実施した後に、冷却水を循環させない状態での第２のパージを実施し、以って、この第２のパージの実施により、前記燃料電池スタックの温度をパージガスの温度よりも低い所定温度まで急速に冷却することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２のパージは冷却水の循環を停止してパージすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２のパージは冷却水を前記燃料電池スタックから抜いてパージすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックから冷却水を抜くときには、空気を冷却水流路へ導入することによって行うことを特徴とする請求項５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、燃料電池スタックの発電停止時にパージ制御を実施する燃料電池システムに係り、特にパージの効果を最大限に発揮させて常に良好な氷点下起動を実現させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
陽極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
陽極に供給される燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。
【０００４】
一方、陰極に供給される酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常どおりに発電できることが望まれている。
【０００６】
しかしながら、０℃以下の低温状態では、燃料電池の発電に伴う生成水が凍結して反応ガスの拡散を阻害することにより、発電ができなくなってしまうという問題点がある。したがって、燃料電池を０℃以下から起動させるためには、通常温度における運転時のように生成水が排出できなくても、ある一定時間発電が継続できるようにする必要がある。
【０００７】
そこで、従来では燃料電池の運転停止時にガス流路を乾燥ガスでパージし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を乾燥させることによって、ＭＥＡ中に生成水を保持できる部位を確保し、氷点下でも一定時間発電を継続できるようにするという技術が公知となっている（特許文献２及び特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２２８１号公報
【特許文献３】特開２００２−２０８４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムのように高温の乾燥ガスで乾燥パージを実施したとしても、乾燥パージを実施した後に数時間放置してから燃料電池スタックの冷却を開始すると、氷点下起動時におけるＭＥＡの生成水保持容量が極めて少なくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
例えば、車両に搭載された燃料電池の実際の状況を考えると、たとえ外気温度が氷点下であったとしても、パージを実施した後に燃料電池スタックが急激に冷却されるような状況は考えにくく、燃料電池スタックが持っているヒートマス分や断熱材等の影響によって、ある程度の時間燃料電池スタックは高温を保ってから徐々に冷えていくという状況が通常である。したがって、乾燥パージによって確保することができた生成水保持容量を１００％活用することができずに、氷点下起動性を悪化させているという問題点があった。
【００１０】
これに対して、乾燥パージを実施した後すぐに冷却を開始した場合には、乾燥パージによって除水された生成水保持容量をＭＥＡに最大限確保したままにできるので、乾燥パージを実施した後には積極的に燃料電池スタックを冷却することが必要であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、固体高分子膜を用いた燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックの発電停止時にパージ制御が実施される燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックへパージを実施した後に、燃料電池スタックの温度をパージガスの温度よりも低い所定温度まで急速に冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックへパージを実施した後に、燃料電池スタックの温度をパージガスの温度よりも低い所定温度まで急速に冷却するので、パージによって除水された生成水保持容量を最大限確保することができ、これによって良好な氷点下起動を常に実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸素剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御する制御部３と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、酸素剤ガスである空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ５と、燃料電池スタック２へ冷却水を循環させる冷却水ポンプ６と、冷却水を放熱させて冷却するラジエータ７と、ラジエータ７に冷却風を送風する冷却ファン８と、燃料電池スタック２と冷却水ポンプ６及びラジエータ７を接続して冷却水を循環させる冷却水流路９と、ラジエータ７側への冷却水流路とバイパス側への冷却水流路とを切り替える三方弁１０と、燃料電池スタック２へ流入する冷却水の温度を検出する冷却水入口温度センサ１１と、燃料電池スタック２から流出する冷却水の温度を検出する冷却水出口温度センサ１２とを備えている。
【００１５】
ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２は固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設けた固体高分子膜型の燃料電池であり、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸素剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電を行っている。
【００１６】
また、燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給系では、水素タンク４から図示しない減圧弁や水素供給弁を通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給されている。水素タンク４から供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。
【００１７】
一方、酸素剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ５によって外部から吸入した空気を加圧して送出し、燃料電池スタック２のカソードに供給している。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値が制御部３にフィードバックされ、この検出値に基づいて制御部３がコンプレッサ５の回転数及び図示しない空気調圧弁の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。
【００１８】
また、制御部３は、図示しない各種センサによる検出値に基づいて、アノードに供給される水素ガスの圧力及び流量を制御するとともに、カソードに供給される空気の圧力及び流量を制御している。さらに、冷却水入口温度センサ１１及び冷却水出口温度センサ１２の検出値に基づいて、冷却水ポンプ６及び冷却ファン８の回転数や三方弁１０の切り替えを制御して冷却水の温度をコントロールしている。
【００１９】
尚、図１に示した本実施形態の燃料電池システム１は、本発明に関わる部位のみを図示したものであり、システムを成立させるためのその他の一般的な機器は省略してある。
【００２０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１によるパージ制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、例えば車両のイグニッションキーがＯＦＦされるなどによって燃料電池システム１の停止トリガーがＯＮされると（Ｓ２０１）、制御部３によってパージ要求が必要であるか否かの判断が行われる（Ｓ２０２）。このパージ要求の判断については、外気温、天気予報データ、次回の発進予定時間、燃料電池システム１の場所（緯度・経度）などに基づいて次回の発進時に氷点下起動になるか否かを予測し、パージ要求が必要になるか否かを制御部３が判断する。
【００２１】
このパージ要求の判断によってパージが必要無いと判断された場合には、通常の停止モードへ移行し、その一方でパージが必要であると判断された場合には、コンプレッサ５を駆動してパージガスを燃料電池スタック２のカソードに供給してパージを開始する（Ｓ２０３）。
【００２２】
そして、パージを開始してから所定時間が経過すると、パージが完了したと判断してコンプレッサ５を停止し（Ｓ２０４）、同時に冷却水ポンプ６を稼動して冷却水の循環を開始する（Ｓ２０５）。
【００２３】
このとき、三方弁１０はラジエータ７側に切り替えられており、冷却水はラジエータ７を経由してから燃料電池スタック２に供給される。ここで、外気温が高いときには、車両が走行していないとラジエータ７による冷却能力が極めて減少することが考えられるが、氷点下起動が必要となる時期には、日中に気温が高くなったとしても外気温は１０℃以下程度であり、冷却ファン８を駆動することによって容易に冷却水の温度を所定の温度まで低下させることができるので問題はない。
【００２４】
次に、冷却水の循環が開始されると、冷却水出口温度センサ１２で測定された冷却水の温度が、予め設定された所定温度Ｔ１よりも低くなったか否かを判定する（Ｓ２０６）。
【００２５】
ここで、図３に基づいてパージ後の放置温度と燃料電池スタック２の生成水保持量との関係を説明する。図３はパージに最適な温度Ｔ２（例えば５０℃）でパージした後に燃料電池スタック２を放置した温度と、氷点下起動時における生成水保持容量との関係を示した図である。図３に示すように、温度Ｔ２でパージした後に、温度Ｔ２のまま燃料電池スタック２を放置すると氷点下起動時における生成水保持容量は少なくなってしまうことが分かる。
【００２６】
一方、温度Ｔ２でパージした後に、少なくとも温度Ｔ１（例えば約３０℃）までできるだけ早く冷却してから放置すると、氷点下起動時における生成水保持容量はより多く確保できることが分かる。
【００２７】
したがって、予め実験などにより温度Ｔ１を求めておき、所定温度として設定することによって、氷点下起動時における生成水保持容量を最大限に確保することが可能となる。
【００２８】
また、温度Ｔ１以下まで冷却したとしても氷点下起動時における生成水保持容量はほとんど変わらないので、所定温度として温度Ｔ１よりも低い温度を設定すると、パージ後の冷却に要する時間が長くなってしまう。そこで、パージ後の冷却を迅速に完了させるために所定温度を温度Ｔ１に設定することが好ましい。
【００２９】
このようにして設定された所定温度Ｔ１に対して、冷却水の温度が所定温度Ｔ１よりも低くなったか否かを判定し、所定温度Ｔ１以上の場合には冷却水の循環を継続して行い、冷却水の温度が所定温度Ｔ１よりも低くなると、冷却水の循環を停止して（Ｓ２０７）燃料電池システム１を完全に停止し、本実施形態の燃料電池システム１によるパージ制御処理を終了する。
【００３０】
ただし、本実施形態では、冷却水出口温度を測定することによって燃料電池スタック２の温度が所定温度Ｔ１まで低下したことを確認するような方式を採用しているが、燃料電池スタック２の内部温度を直接測定する方法やその他の方法を採用してもよい。
【００３１】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２へパージを実施するときに、燃料電池スタック２の温度をパージガスの温度よりも低い所定温度Ｔ１まで急速に冷却するので、パージによって除水された生成水保持容量を最大限確保することができ、これによって良好な氷点下起動を常に実現することが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、所定温度Ｔ１を略３０℃としたので、パージによって除水された生成水保持容量を最大限確保できるとともに、パージ後の冷却を迅速に完了することができる。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理は、例えば車両のイグニッションキーのＯＦＦなどによって燃料電池システムの停止トリガーがＯＮされると（Ｓ４０１）、制御部３によってパージ要求が必要であるか否かの判断が行われる（Ｓ４０２）。このパージ要求の判断については、外気温、天気予報データ、次回の発進予定時間、燃料電池システム１の場所（緯度・経度）などに基づいて次回の発進時に氷点下起動になるか否かを予測し、パージ要求が必要になるか否かを制御部３が判断する。
【００３５】
このパージ要求の判断によってパージが必要無いと判断された場合には、通常の停止モードへ移行し、その一方でパージが必要であると判断された場合には、冷却水ポンプ６を駆動させて冷却水を所定流量で循環させる（Ｓ４０３）。これと同時にコンプレッサ５を駆動してパージガスを燃料電池スタック２のカソードに供給してパージを実施し（Ｓ４０４）、このパージを第１パージとして所定時間継続して行う。この第１パージによってパージ時の蒸発潜熱が発生するが、循環している冷却水がこの潜熱の大部分を奪っていくため、燃料電池スタック２の温度が下がることはなく、氷点下起動時に必要となる生成水保持容量を作り出すことができる。
【００３６】
そして、所定時間が経過すると、冷却水ポンプ６を停止して冷却水の循環を停止させるが（Ｓ４０５）、パージガスの供給は継続して行い（Ｓ４０６）、このパージを第２パージとして所定時間継続して行う。この第２パージでは冷却水を止めているので、パージ時の蒸発潜熱の大部分を冷却水が奪っていくことはなく、この潜熱により、急速に燃料電池スタック２を冷却することができる。また、第１パージで乾燥させた後に燃料電池スタック２の温度を急速に下げることにより、氷点下起動時における生成水保持容量を最大限確保することができ、良好な氷点下起動を実現することができる。
【００３７】
こうして所定時間が経過すると、コンプレッサ５を停止してパージを完了し（Ｓ４０７）、燃料電池システム１を完全に停止して本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理を終了する。
【００３８】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２へパージを実施するときに冷却水を循環させるので、より早く燃料電池スタック２を冷却することができる。
【００３９】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２へ冷却水を循環させるときに、全パージ時間のうちパージ初期の所定時間だけ冷却水を循環させ、残りのパージ後期の時間は冷却水の循環を停止してパージするので、パージ後期には水の蒸発時に生じる潜熱冷却によって急速に燃料電池スタック２を冷却することができる。また、パージ初期には、冷却水を循環させているので、循環している冷却水が潜熱の大部分を奪っていくため、燃料電池スタック２の温度が下がらず、氷点下起動時に必要となる生成水保持容量を効率的に作り出すことができる。
【００４０】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム５１は、カソードへ供給される空気を冷却水流路９へ導入する空気導入バルブ５２と、冷却水流路９を循環している冷却水を流入させるタンク５３と、タンク５３へ冷却水を排出する排水バルブ５４とをさらに備えたことが第２の実施形態と異なっており、その他の構成については第２の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４１】
本実施形態の燃料電池システム５１では、上述した第２の実施形態のパージ制御処理において、第２パージを実施するときに冷却水をタンク５３へ抜き取るようにしたことが第２の実施形態のパージ制御処理と異なっている。
【００４２】
次に、本実施形態の燃料電池システム５１によるパージ制御処理を図６に基づいて説明する。図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム５１によるパージ制御処理は、例えば車両のイグニッションキーのＯＦＦなどによって燃料電池システム１の停止トリガーがＯＮされると（Ｓ６０１）、制御部３によってパージ要求が必要であるか否かの判断が行われる（Ｓ６０２）。このパージ要求の判断については、外気温、天気予報データ、次回の発進予定時間、燃料電池システム５１の場所（緯度・経度）などに基づいて次回の発進時に氷点下起動になるか否かを予測し、パージ要求が必要になるか否かを制御部３が判断する。
【００４３】
このパージ要求の判断によってパージが必要無いと判断された場合には、通常の停止モードへ移行し、その一方でパージが必要であると判断された場合には、冷却水ポンプ６を駆動させて冷却水を所定流量で循環させる（Ｓ６０３）。これと同時にコンプレッサ５を駆動してパージガスを燃料電池スタック２のカソードに供給してパージを実施し（Ｓ６０４）、このパージを第１パージとして所定時間継続して行う。この第１パージによってパージ時の蒸発潜熱が発生するが、循環している冷却水がこの潜熱の大部分を奪っていくため、燃料電池スタック２の温度が下がることはなく、氷点下起動時に必要となる生成水保持容量を作り出すことができる。
【００４４】
そして、所定時間が経過すると、冷却水ポンプ６を停止して冷却水の循環を停止し、燃料電池スタック２から冷却水の抜き取りを行う（Ｓ６０５）。この抜き取り方法としては、空気導入バルブ５２と排水バルブ５４を開放し、コンプレッサ５からカソードへ供給されているパージガスを冷却水流路９へ導入することによって冷却水をタンク５３に排水して抜き取るようにする。
【００４５】
この冷却水の抜き取り後もパージガスの供給は継続して行い（Ｓ６０６）、このパージを第２パージとして所定時間継続して行う。この第２パージでは冷却水が抜き取られているので、蒸発潜熱を冷却水が奪っていくことはなく、また、燃料電池スタック２の熱容量が小さくなり、より早く所定温度Ｔ１まで冷却させることができる。
【００４６】
こうして所定時間が経過すると、コンプレッサ５を停止してパージを完了し（Ｓ６０７）、燃料電池システム５１を完全に停止して本実施形態の燃料電池システム５１によるパージ制御処理を終了する。
【００４７】
ただし、本実施形態では冷却水流路９に空気を導入して冷却水を抜き取るようにしているが、その他の方法で冷却水を抜き取るようにしてもよい。例えば、重力を利用して燃料電池スタック２から冷却水を抜き取るようにしても良い。また、図６のフローチャートでは、第２パージの前に冷却水を抜き取るようにしているが、第２パージを実施しながら冷却水を燃料電池スタック２から抜き取るようにしても良い。
【００４８】
このように、本実施形態の燃料電池システム５１では、燃料電池スタック２へ冷却水を循環させるときに、全パージ時間のうち所定時間だけ行い、残りのパージ時間は冷却水を燃料電池スタック２から抜き取ってパージするようにしたので、潜熱冷却時における燃料電池スタック２の熱容量を小さくすることができ、これによってより短時間で急速に燃料電池スタック２を冷却することができる。
【００４９】
また、本実施形態の燃料電池システム５１では、燃料電池スタック２から冷却水を抜くときに空気を冷却水流路９へ導入して冷却水を抜くので、カソードに供給されているパージガスを利用して冷却水を抜くことができ、より簡単な方法で効率的に冷却水を抜くことができる。
【００５０】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。
【図３】パージ後に燃料電池スタックを放置した温度と氷点下起動時における生成水保持容量との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１、５１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  制御部
４  水素タンク
５  コンプレッサ
６  冷却水ポンプ
７  ラジエータ
８  冷却ファン
９  冷却水流路
１０  三方弁
１１  冷却水入口温度センサ
１２  冷却水出口温度センサ
５２  空気導入バルブ
５３  タンク
５４  排水バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007242337.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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