(57)【要約】【課題】低負荷状態においても燃料電池を必要十分に暖機することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池を暖機する場合には、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の運転停止指示があった場合、通常運転よりも電力損失の大きな低効率運転を行った後に該運転を停止する運転制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、アノード及びカソードに供給される反応ガスを利用して発電を行い、
前記運転制御手段は、前記反応ガスの少なくとも一方のストイキ比を前記通常運転時よりも低く設定することで、前記低効率運転を実現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。
【請求項３】
前記運転を停止した後、前記カソードに反応ガスを供給することにより掃気する掃気制御手段をさらに具備す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。
【請求項４】
前記運転制御手段は、前記カソードに供給される反応ガスのストイキ比を前記通常運転時よりも低く設定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
カソードガス供給通路と、カソードガス排出通路と、該カソードガス供給通路を流れるカソードガスの一部を前記燃料電池をバイパスしてカソードガス排出通路へ導くバイパス手段と、前記低効率運転する際、前記バイパス手段によってカソードガスのバイパス量を調整する調整手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は他の電源に比べて始動性が悪い。かかる燃料電池の発電効率は、内部温度の低下などに起因して減少し、所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない場合も生じる。
【０００３】
例えば高分子電解質膜を用いた燃料電池などでは、０℃以下の低温域で保持されると高分子電解質の内部や電極近傍に存在する水分子が停止中に凍結し、供給される反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）のガス拡散を阻害するなどして燃料電池停止後に起動できない場合もある。
【０００４】
かかる事情に鑑み、燃料電池の運転（発電）を停止する際に、高負荷状態で発電処理を行うことにより燃料電池を発熱（暖機）させ、電池内部に存在する水分を効果的に除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３１２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記方法によって燃料電池を暖機するには、高負荷状態（例えば電熱ヒータへの電力供給や高トルク状態での車両モータ駆動）で運転する必要がある。別言すれば、暖機運転時に生じる電力の供給先を確保できない場合には、燃料電池を所望の温度まで昇温することができず、燃料電池を必要十分に暖機することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、低負荷状態においても燃料電池を必要十分に暖機することが可能な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】
【０００８】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の運転停止指示があった場合、通常運転よりも電力損失の大きな低効率運転を行った後に該運転を停止する運転制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、通常運転よりも電力損失の大きな低効率運転を行った後に、燃料電池の運転を停止する。低効率運転を行うことで、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、低負荷状態であっても燃料電池を十分に暖機することが可能となる。ここで、「停止指示があった場合」とは、ユーザによるボタン操作によって停止を示す信号が直接入力される場合のほか、制御装置が時間（タイマ運転）や発電量などの所定のパラメータに応じて停止すべきか否かを判断し、肯定的な判断結果が得られた場合なども含む趣旨である。
【００１０】
また、上記構成にあっては、前記燃料電池は、アノード及びカソードに供給される反応ガスを利用して発電を行い、前記運転制御手段は、前記反応ガスの少なくとも一方のストイキ比を前記通常運転時よりも低く設定することで、前記低効率運転を実現しても良い。
【００１１】
また、前記運転を停止した後、前記カソードに反応ガスを供給することにより掃気する掃気制御手段をさらに具備する態様が好ましい。また、前記運転制御手段は、前記カソードに供給される反応ガスのストイキ比を前記通常運転時よりも低く設定する態様が好ましい。さらに、カソードガス供給通路と、カソードガス排出通路と、該カソードガス供給通路を流れるカソードガスの一部を前記燃料電池をバイパスしてカソードガス排出通路へ導くバイパス手段と、前記低効率運転する際、前記バイパス手段によってカソードガスのバイパス量を調整する調整手段とをさらに備える態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、低負荷状態においても燃料電池を必要十分に暖機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】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１５】
燃料電池システム１００は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路２１、燃料電池４０、燃料ガス循環路２２、及びアノードオフガス流路２３を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ６０、酸化ガス供給路１１、及びカソードオフガス流路１２を含んで構成されている。
【００１６】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
【００１７】
燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、各ガス流路２１〜２３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００１８】
燃料ガス循環路２２は、未反応燃料ガスを燃料電池４０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ１４、水素ポンプ５０、逆止弁５１が各々配設されている。燃料電池４０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ５０によって適度に加圧され、燃料ガス供給路２１へ導かれる。なお、燃料ガス供給路２１から燃料ガス循環路２２への燃料ガスの逆流は、逆止弁５１によって抑制される。
アノードオフガス流路２３は、燃料電池４０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００１９】
エアコンプレッサ６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２０】
加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ１によって調圧される。
【００２１】
ここで、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１と、加湿モジュール７０から希釈器８０に至るカソードオフガス流路１２との間は、バイパス弁Ｂ１によって接続されている。バイパス弁（バイパス手段）Ｂ１は、エアコンプレッサ６０から出力される酸化ガスの一部を燃料電池４０に供給することなく（すなわち燃料電池４０をバイパスして）カソードオフガス流路１２へ導く手段であり、制御装置（調整手段）１６０によってバイパスされる酸化ガス量が調整される。なお、以下の説明では、バイパスされる酸化ガスを希釈用酸化ガスと呼ぶ。
【００２２】
希釈器８０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器８０にはカソードオフガス流路１２の下流及びアノードオフガス流路２３の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、希釈用酸化ガスを混合希釈してシステム外に排気する。
【００２３】
燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ（蓄電器）１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
【００２４】
トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４は水素循環ポンプ５０を駆動するモータＭ１やエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２等を総称している。
【００２５】
制御装置（運転制御手段、掃気制御手段）１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサｓ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサｓ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサｓ３、燃料電池４０の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ４、電流センサｓ５、温度センサｓ６などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。また、制御装置１６０は、イグニッションキーがＯＦＦされるなどして操作スイッチから運転停止指示を受け取ると、燃料電池４０を暖機（すなわち燃料電池４０の温度を昇温）すべく、カソードに供給する酸化ガスを絞って発電効率の低い運転を行う。
【００２６】
図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、発電効率の高い運転（通常運転）を行った場合を実線で示し、発電効率の低い運転（低効率運転）を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
【００２７】
通常、燃料電池４０を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
【００２８】
これに対し、燃料電池４０を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池４０の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができ、さらに該カソードにはポンピング水素が発生する。
【００２９】
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図３Ａは通常運転時の電池反応を示す図、図３Ｂは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ2）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ2）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（１）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
【００３０】
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図３Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図３Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード：  Ｈ2  →２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                              ・・・（１）
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ       ・・・（２）
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                      →  Ｈ2        ・・・（３）
【００３１】
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、本実施形態では、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じて希釈用酸化ガスの流量を調整することで外部へ排出される水素濃度を制御する。以下、低効率運転時の燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００３２】
図４は、低効率運転時の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
制御装置１４０は、操作スイッチから運転停止指示を受け取ると、低効率運転によって燃料電池４０を暖機すべく、メモリに格納されているエアストイキ比マップ（図示略）を参照し、低効率運転用のエアストイキ比（＜１．０）を決定する（ステップＳ１→ステップＳ２）。ここで、低効率運転時に設定するエアストイキ比は一定としても良いが、システム要求電力に応じて適宜変更しても良い。
【００３３】
エアストイキ比を決定すると、制御装置１４０は、圧力調整弁Ａ１及びバイパスバルブＢ１の開度などを制御する（ステップＳ３）。前述したように、低効率運転を行うとカソード側にポンピング水素が生じるため、このポンピング水素を考慮して排出水素濃度を抑制する必要がある。そこで、本実施形態では、バイパスバルブＢ１の開度などを制御し、酸化ガス供給路１１からカソードオフガス流路１２へ流れる希釈用酸化ガス流量を調整する。なお、カソードオフガス流路１２へ流す希釈用酸化ガス流量は、ポンピング水素の発生量と希釈用酸化ガス流量とを対応付けたマップなどを用いて決定すれば良い。また、ポンピング水素の発生量については、水素濃度計などを用いて実測しても良いが、下記理論式（４）など用いて推定しても良く、いずれの方法を採用するかは任意である。
Ｖｔ＝（１−Ｓｔ）＊Ｉｆｃ＊[ｎ／（２＊Ｆ）]＊２２．４＊６０    ・・・（４）
Ｖｔ  ；  ポンピング水素の理論発生量
Ｓｔ  ；  エアストイキ比
Ｉｆｃ；  ＦＣ電流（発電特性）
Ｆ    ；  ファラデー定数
ｎ    ；  セル枚数
【００３４】
その後、制御装置１４０は、温度センサｓ６によって検出される燃料電池４０の内部温度を参照し、低効率運転を終了すべきか否か（すなわち燃料電池４０の暖機運転を終了すべきか否か）を判断する（ステップＳ４）。例えば、燃料電池４０の内部温度が予め設定された基準温度を上回っていれば、低効率運転を終了すべきと判断する。もちろん、これに限ることなく、発熱量や低効率運転の運転時間などに基づいて低効率運転を終了すべきか否かを判断しても良い。かかる暖機運転を行うことで、各オフガスの持ち去り水量は上昇し、燃料電池４０の含水量を効率良く低減することが可能となる。
【００３５】
制御装置１４０は、上記判断に基づき暖機運転を終了すると、掃気処理を実行する（ステップＳ５）。具体的には、燃料電池４０への反応ガスの供給を停止した後、燃料電池４０の内部温度が高い状態でエアコンプレッサ６０を駆動し、燃料電池４０へ酸化ガスを送り込むことで掃気し、システム運転を終了する。かかる掃気処理を行うことで、燃料電池４０の含水量をより効率よく短時間で低減することが可能となる。なお、掃気処理を実行することなく暖機運転のみを実行しても良いのはもちろんである。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池の運転を停止する際、発電効率の低い低効率運転を行うことで急速暖機し、システム運転を終了するため、負荷によらず燃料電池内部に存在する水分を十分に除去することが可能となる。
【００３７】
ここで、カソードへ供給する酸化ガスが十分な状態で燃料電池を発電させた場合には、上記式（３）に示す反応が進んで水が生成される。この生成水により、アノード電極では下記式（５）などに示す反応が進み、カソード電極の触媒成分であるＰｔの溶出やカーボン担体の腐食が進行することで触媒性能の低下や電池性能の低下を招いてしまう。
カソード：  Ｃ  ＋  ２Ｈ2Ｏ         →    ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-    ・・・（５）
【００３８】
これに対し、本実施形態では、カソードへ供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させることにより、上記式（２）に示す反応が進んでポンピング水素を発生させる。ポンピング水素の発生により、カソード電極の電極電位は低くなるため、触媒活性の低下や電池性能の低下を抑えることが可能となる。
なお、上記例では、カソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させる場合について説明したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）アノードに供給する燃料ガスを通常よりも少なくした状態で電圧低下させて燃料電池を発電させても良い。
【００３９】
Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、カソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させることで低効率運転を実現したが、本実施形態では、燃料電池の出力電力を制御することで低効率運転を実現する。
図５は、運転動作点をシフトしたときの出力電力の変化を示した図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧及び出力電力を示す。なお、図５では、説明の便宜上、燃料電池のＩＶ特性を直線（以下、ＩＶライン）であらわす。図５に示すように、燃料電池４０の出力電力Ｐｆｃは、最大出力電力Ｐｆｃｍａｘが得られる最大出力運転動作点（Ｉｆｃｍａｘ、Ｖｆｃｍａｘ）を中心に、図示左側に示すＩＶラインｌ１上の運転動作点（例えば（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１））ではＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃは増大する一方、図示右側に示すＩＶラインｌ１上の運転動作点（例えば（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２））ではＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃは減少する。ここで、電力損失は、最大出力運転動作点の右側に示すＩＶラインｌ１上の運転動作点で運転する方が、最大出力運転動作点の左側に示すＩＶラインｌ１上の運転動作点で運転するよりも大きい。よって、以下の説明では、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃが増大する電力損失の小さな運転を通常運転と呼び、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃが減少する電力損失の大きな運転を低効率運転と呼ぶ。
【００４０】
本実施形態では、燃料電池４０の運転を停止する際、出力電力を制御することによって通常運転動作点から低効率運転動作点へとシフトして低効率運転を実現する。ここで、燃料電池４０の出力電力はバッテリ１４０に蓄積するが、該出力電力はＩＶラインｌ１の運転動作点のシフトに応じて大きく変動するため（パワーラインｐｌ１参照）、バッテリ１４０の残容量が出力電力を蓄積できるだけの余裕があることが必要となる。なお、低効率運転によって急速暖機した後は、掃気処理を行ってからシステム運転を停止すれば良い。また、掃気処理を行った後に（又は掃気処理を行うことなく）酸化ガス欠乏状態でポンピング水素を発生させ、カソード電極の電極電位を低くしてからシステム運転を停止するようにしても良い。このように、燃料電池の出力電力を制御することで低効率運転を実現しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。
【図３Ａ】同実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。
【図３Ｂ】同実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。
【図４】同実施形態に係る低効率運転時の動作を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係る運転動作点をシフトしたときの出力電力の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・水素循環ポンプ、６０・・・エアコンプレッサ、７０・・・加湿モジュール、８０・・・希釈器、１１０・・・トラクションインバータ、１２０・・・補機インバータ、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・バッテリ、１５０Ｌ、１５０Ｒ・・・車輪、１６０・・・制御装置、Ｈ１・・・タンクバルブ、Ｈ２・・・水素供給バルブ、Ｈ３・・・ＦＣ入口バルブ、Ｈ４・・・ＦＣ出口バルブ、Ｈ５・・・パージバルブ、５１・・・逆止弁、Ａ１・・・圧力調整弁、Ｂ１・・・バイパスバルブ、１１・・・酸化ガス供給路、１２・・・カソードオフガス流路、ｓ１・・・アクセルペダルセンサ、ｓ２・・・ＳＯＣセンサ、ｓ３・・・Ｔ／Ｃモータ回転数検出センサ、ｓ４・・・電圧センサ、ｓ５・・・電流センサ、ｓ６・・・温度センサ、１００・・・燃料電池システム。
【図１】
2007141744.tif 000003
【図２】
2007141744.tif 000004
【図３Ａ】
2007141744.tif 000005
【図３Ｂ】
2007141744.tif 000006
【図４】
2007141744.tif 000007
【図５】
2007141744.tif 000008