(57)【要約】【課題】燃料電池の停止時に操作者に違和感を与えることなく、次回の燃料電池の起動性を確保する。【解決手段】反応ガスの反応により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１の停止中に燃料電池１の少なくとも一部が氷点下になるか否かを予測する氷点下予測手段と、前記氷点下予測手段により氷点下になると予測されたときに該予測を燃料電池の運転管理者に通知する氷点下通知手段と、燃料電池１が氷点下になる前に燃料電池１に対して氷点下対応運転を行う氷点下対応運転手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の停止中に該燃料電池の少なくとも一部が氷点下になるか否かを予測する氷点下予測手段と、
前記氷点下予測手段により氷点下になると予測されたときに該予測を前記燃料電池の運転管理者に通知する氷点下通知手段と、
前記燃料電池が氷点下になる前に該燃料電池に対して所定の氷点下対応運転を行う氷点下対応運転手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記氷点下対応運転手段は複数の氷点下対応運転が可能であり、
前記複数の氷点下対応運転の中から一つを指示する対応運転指示手段を備え、
前記氷点下対応運転手段は、前記対応運転指示手段の指示に応じた氷点下対応運転を行う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】
前記氷点下対応運転は、前記燃料電池の再始動による暖機運転と前記燃料電池の反応ガス流通路を掃気する掃気運転の少なくともいずれか一方の運転を含む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】
燃料電池の停止中に該燃料電池の少なくとも一部が氷点下になると予測されたときに、該予測を前記燃料電池の運転管理者に通知し、前記燃料電池が氷点下になる前に該燃料電池に対して所定の氷点下対応運転を行うことを特徴とする燃料電池の管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の管理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池では、低温環境下での停止期間中に燃料電池内で水が凍結して次の発電時の発電性能が低下するのを防止するために、凍結の可能性がある場合には燃料電池内の反応ガス流通路に掃気ガスを流通して掃気し、これらガス流通路内に残留する水分を排出している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池を停止させた時に外気温センサにより検出された外気温に基づき推定される２４時間以内の最低気温により凍結の可能性があるときには、燃料電池スタックや空気排出系などに取り付けた霧化器を作動して、燃料電池スタック内部に残留する水を霧化するとともに、反応ガス流通路に空気を流通させて掃気する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−２５１５７６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、燃料電池を停止させたにもかかわらず、停止時に掃気のためにコンプレッサ等の補機がいつまでも作動していると操作者に違和感を与えてしまう。
そこで、この発明は、燃料電池の停止時に操作者に違和感を与えることなく、次回の燃料電池の起動性を確保することができる燃料電池システムと燃料電池の管理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の管理方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池の停止中に該燃料電池の少なくとも一部が氷点下になるか否かを予測する氷点下予測手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ２００，Ｓ３００）と、前記氷点下予測手段により氷点下になると予測されたときに該予測を前記燃料電池の運転管理者に通知する氷点下通知手段（例えば、後述する実施例におけるＳ１０２）と、前記燃料電池が氷点下になる前に該燃料電池に対して所定の氷点下対応運転を行う氷点下対応運転手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０４，Ｓ１０５）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
このように構成することにより、運転管理者に氷点下になることを通知した上で氷点下対応運転をするので、燃料電池の次回の起動性を確保することができるとともに、運転管理者に対して次回起動する際の違和感を低減することができる。また、氷点下対応運転は運転管理者が燃料電池の近くにいなくても可能になる。なお、この発明において、「燃料電池の停止中」には「燃料電池を停止した時」も含まれる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記氷点下対応運転手段は複数の氷点下対応運転が可能であり、前記複数の氷点下対応運転の中から一つを指示する対応運転指示手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）を備え、前記氷点下対応運転手段は、前記対応運転指示手段の指示に応じた氷点下対応運転を行うことを特徴とする。
このように構成することにより、運転管理者の指示に応じた氷点下対応運転を行うことができるので、運転管理者に対して燃料電池を次回起動する際の違和感をさらに低減することができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記氷点下対応運転は、前記燃料電池の再始動による暖機運転と前記燃料電池の反応ガス流通路（例えば、後述する実施例における燃料ガス流通路５，酸化剤ガス流通路６）を掃気する掃気運転の少なくともいずれか一方の運転を含むことを特徴とする。
暖機運転を行うことにより、燃料電池が氷点下まで低下することがなくなり、燃料電池の起動性を悪化させる要因を取り除くことができるので、次回の起動性を確保することができる。
掃気運転を行うことにより、氷点下になる前に燃料電池内の水分を除去することができるので、次回の起動性は若干低下するものの、起動不能な事態に陥るのを回避することができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、燃料電池の停止中に該燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）の少なくとも一部が氷点下になると予測されたときに、該予測を前記燃料電池の運転管理者に通知し、前記燃料電池が氷点下になる前に該燃料電池に対して所定の氷点下対応運転を行うことを特徴とする燃料電池の管理方法である。
このように構成することにより、運転管理者に氷点下になることを通知した上で氷点下対応運転をするので、燃料電池の次回の起動性を確保することができるとともに、運転管理者に対して次回起動する際の違和感を低減することができる。なお、この発明において、「燃料電池の停止中」には「燃料電池を停止した時」も含まれる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池の次回の起動性を確保することができるとともに、運転管理者に対して次回起動する際の違和感を低減することができる。
請求項２に係る発明によれば、運転管理者に対して燃料電池を次回起動する際の違和感をさらに低減することができる。
請求項３に係る発明によれば、暖機運転を行うことにより次回の起動性を確保することができ、掃気運転を行うことにより次回起動時に燃料電池が起動不能な事態に陥るのを回避することができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の次回の起動性を確保することができるとともに、運転管理者に対して次回起動する際の違和感を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の管理方法の実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。
初めに、この発明に係る燃料電池システムの概略構成を図１を参照して説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料ガス流通路（反応ガス流通路）５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路（反応ガス流通路）６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１１】
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して図示しない排気処理装置へ排出される。
【００１２】
一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１７、遮断弁２０を流通し、レギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１９を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。
空気供給流路８とエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７は、掃気弁２５を備えた掃気流路２４によって接続されている。
【００１３】
アノードオフガス流路１８には燃料電池１から排出されるアノードオフガスの温度を検出する温度センサ２３が設けられている。この実施例では、この温度センサ２３で検出されるアノードオフガス温度を燃料電池１の内部温度（システム温度）とみなす。
アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排気弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスはカソードオフガスによって希釈される。
【００１４】
この燃料電池システムでは、燃料電池１の停止中に燃料電池１の内部温度が氷点下になると予測されたときに氷点下対応運転をするように制御する。なお、「燃料電池の停止中」には「燃料電池を停止した時」も含まれる。氷点下対応運転としては暖機運転と掃気運転が可能で、ユーザー（燃料電池の運転管理者）はいずれの運転にするかを選択する。
暖機運転は、燃料電池１に反応ガス（水素ガスと空気）を供給して再始動し、発電（暖機発電）を行って自立暖機する運転である。
掃気運転は、圧力制御弁１０と排気弁２１と掃気弁２５を開き、コンプレッサ７を運転することにより、燃料電池１の燃料ガス流通路５および酸化剤ガス流通路６に掃気ガスとして空気を流通し、これらガス流通路５，６内に残留する水分を排出する運転である。
【００１５】
ユーザーが燃料電池１の停止時間を短く予定している場合には、暖機運転を選択するのが好ましい。暖機運転によって燃料電池１の温度が氷点下まで低下することがなくなり、燃料電池の起動性を悪化させる要因を取り除くことができ、次回の起動性を確保することができるからである。
一方、ユーザーが燃料電池１の停止時間を長く予定している場合には、掃気運転が好ましい。掃気運転を行うことにより、氷点下になる前に燃料電池１内の水分を除去することができるので、次回の起動性は若干低下するものの、起動不能な事態に陥るのを回避することができるからである。
【００１６】
ところで、燃料電池１の停止中はユーザーが車両に搭乗しているとは限らないので、ユーザーが車両に搭乗していないときにも氷点下対応運転の運転方法を選択することができるように、この車両Ｖは、図２に示すように、インターネット４０を介してユーザーの携帯電話４１等と通信可能な送受信器（図示せず）を備えており、該送受信器は燃料電池システムのＥＣＵ３０に接続されていて、ユーザーからの指示に応じて燃料電池システムを制御することができるように構成されている。
【００１７】
燃料電池の管理方法の実施例１を図３に示すフローチャートに従って説明する。図３のフローチャートに示す氷点下対応運転制御ルーチンは、イグニッションスイッチ３１のＯＦＦ信号の入力を開始条件として、電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって一定時間毎に実行される。また、温度センサ２３による温度検出は、イグニッションスイッチ３１がＯＦＦの間も一定時間毎に実行される。
【００１８】
ステップＳ１０１において温度センサ２３により検出した燃料電池１の温度（システム温度）が所定値ｔ１より低いか否かを判定する。なお、所定値ｔ１は０゜Ｃより若干高い温度（例えば７゜Ｃ）に設定する
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ１より低い）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１の少なくとも一部が氷点下になる可能性があると予測されるので、ステップＳ１０２に進み、（１）氷点下になるという予測結果と、（２）温度センサ２３で検出された燃料電池１の温度と、（３）水素タンク１５の残燃料（残量）、をこの車両のユーザーに電話あるいは電子メールにより通知する。
通知を受けたユーザーは、残燃料を考慮した上で、燃料電池１に対する氷点下対応運転を暖機運転にするか掃気運転にするか選択し、電話あるいは電子メールによりＥＣＵ３０に指令を送る。
【００１９】
次に、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ３０はユーザーからの指示が暖機運転か否かを判定する。
ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」である場合、すなわちユーザーから暖機運転の指示があった場合は、ステップＳ１０４に進み暖機運転を行う。
一方、ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」である場合、すなわち掃気運転の指示があった場合あるいはユーザーからいずれの指示もなかった場合は、ステップＳ１０５に進み掃気運転を行う。
ステップＳ１０４，Ｓ１０５の処理を実行した後、ユーザーに電話あるいは電子メールによって氷点下への対処が完了したことを通知して、本ルーチンの実行を終了する。
なお、ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（ｔ１Ｃ以上）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１が氷点下になることはないと予測され、氷点下対応運転は必要ないので本ルーチンの実行を終了する。
【００２０】
この実施例１の氷点下対応運転制御によれば、ユーザーに氷点下になることを通知した上で氷点下対応運転をするので、燃料電池の次回の起動性を確保することができるとともに、ユーザーに対して次回起動する際の違和感を低減することができる。特に、ユーザーが氷点下対応運転を暖機運転で行うか掃気運転で行うか選択することができ、ユーザーの判断に応じた氷点下対応運転を行うことができるので、ユーザーが燃料電池１を次回起動する際の違和感をさらに低減することができる。また、氷点下対応運転はユーザーが燃料電池１の近くにいなくても可能になる。
【００２１】
次に、燃料電池の管理方法の実施例２を図４に示すフローチャートに従って説明する。
実施例２における氷点下対応運転制御では、初めにステップＳ２００において氷点下予測フラグ処理を実行する。
氷点下予測フラグ処理を図５に示すフローチャートに従って説明する。図５に示すフローチャートは氷点下予測フラグ処理を示すサブルーチンであり、氷点下予測フラグ処理はイグニッションスイッチ３１がＯＦＦの間、一定時間毎に実行される。
【００２２】
まず、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ３０は、前述した車両の送受信器をインターネットを介して気象情報サーバに接続し、受信した気象データから現在の外気温が氷点下か否かを判定する。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＹＥＳ」（現在の外気温が氷点下）である場合は、ステップＳ２０２に進み、受信した気象データから１時間後の予測外気温が氷点下か否かを判定する。
ステップＳ２０２における判定結果が「ＹＥＳ」（１時間後の予測外気温も氷点下）である場合は、ステップＳ２０３に進み、氷点下予測フラグＦ１を「１」として本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ２０２における判定結果が「ＮＯ」である場合（１時間後の予測外気温は氷点下でない）は、ステップＳ２０４に進み、氷点下予測フラグＦ１を「０」として本ルーチンの実行を終了する。
【００２３】
図４の氷点下対応運転制御に戻って、ステップＳ２００の処理を実行した後、ステップＳ１０１に進み、温度センサ２３により検出した燃料電池１の温度（システム温度）が所定値ｔ１より低いか否かを判定する。なお、実施例１の場合と同様、所定値ｔ１は０゜Ｃより若干高い温度（例えば７゜Ｃ）に設定する
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ１より低い）である場合は、ステップＳ１０７に進み、氷点下予測フラグＦ１が「１」か否かを判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｆ１＝１）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１の少なくとも一部が氷点下になると予測されるので、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理は実施例１における処理と同じであるので説明を省略する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（ｔ１以上）である場合、および、ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｆ１＝０）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１が氷点下になることはないと予測され、氷点下対応運転は必要ないので、本ルーチンの実行を終了する。
【００２４】
この実施例２の氷点下対応運転制御の場合には、気象データから得た現在の外気温と１時間後の予測外気温に基づいて、燃料電池１の少なくとも一部が氷点下になるか否かを予測しているので、氷点下予測の信頼性が高い。
【００２５】
次に、燃料電池の管理方法の実施例３を図６に示すフローチャートに従って説明する。
実施例３における氷点下対応運転制御では、初めにステップＳ３００において氷点下予測フラグ処理を実行する。
氷点下予測フラグ処理を図７に示すフローチャートに従って説明する。図７に示すフローチャートは氷点下予測フラグ処理を示すサブルーチンであり、氷点下予測フラグ処理はイグニッションスイッチ３１がＯＦＦの間、一定時間毎に実行される。
【００２６】
まず、ステップＳ３０１において、温度センサ２３により検出した燃料電池１の温度（システム温度）に基づいて、燃料電池温度の低下勾配が所定値αよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ３０１における判定結果が「ＹＥＳ」（温度勾配＞α）である場合は、ステップＳ３０２に進んで、氷点下予測フラグＦ２を「１」として、本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ３０１における判定結果が「ＮＯ」（温度勾配≦α）である場合は、ステップＳ３０３に進んで、氷点下予測フラグＦ２を「０」として、本ルーチンの実行を終了する。
【００２７】
図６の氷点下対応運転制御に戻って、ステップＳ１０９の処理を実行した後、ステップＳ１０１に進み、温度センサ２３により検出した燃料電池１の温度（システム温度）が所定値ｔ１より低いか否かを判定する。なお、実施例１の場合と同様、所定値ｔ１は０゜Ｃより若干高い温度（例えば７゜Ｃ）に設定する
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ１より低い）である場合は、ステップＳ１０８に進み、氷点下予測フラグＦ２が「１」か否かを判定する。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｆ２＝１）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１の少なくとも一部が氷点下になると予測されるので、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（Ｆ２＝０）である場合は、ステップＳ１０９に進み、温度センサ２３により検出した燃料電池１の温度（システム温度）が所定値ｔ２より低いか否かを判定する。所定値ｔ２は、所定値ｔ１より低く、且つ、０゜Ｃより若干高い温度（例えば３゜Ｃ）に設定する
ステップＳ１０９における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ２より低い）である場合は、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理は実施例１における処理と同じであるので説明を省略する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（ｔ１以上）である場合、および、ステップＳ１０９における判定結果が「ＮＯ」（ｔ２以上）である場合は、燃料電池１の停止中に燃料電池１が氷点下になることはないと予測され、氷点下対応運転は必要ないので、本ルーチンの実行を終了する。
【００２８】
この実施例３の氷点下対応運転制御の場合には、燃料電池１の温度低下勾配に基づいて、燃料電池１に対する第１段階の氷点下予測を行い、この第１段階の氷点下予測で氷点下が予測されなかったときには、燃料電池１の温度に基づいて燃料電池１に対する第２段階の氷点下予測を行っているので（ステップＳ１０９）、氷点下予測の信頼性が実施例１の場合よりも高い。
【００２９】
なお、前述した実施例１〜３においては、ＥＣＵ３０がステップＳ１０１，Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ２００，Ｓ３００の処理を実行することにより氷点下予測手段が実現され、ステップＳ１０２の処理を実行することにより氷点下通知手段が実現され、ステップＳ１０３の処理を実行することにより対応運転指示手段が実現され、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５を実行することにより氷点下対応運転手段が実現される。
前述した実施例では、燃料電池１の温度としてアノードオフガス温度を代用したが、燃料電池１から排出される空気の温度を代用してもよいし、燃料電池１の温度を直接検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池の運転管理者と燃料電池システムとの通信を模式的に示した図である。
【図３】燃料電池に対する氷点下対応運転制御を示すフローチャート（実施例１）である。
【図４】燃料電池に対する氷点下対応運転制御を示すフローチャート（実施例２）である。
【図５】実施例２における氷点下予測フラグ処理を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池に対する氷点下対応運転制御を示すフローチャート（実施例３）である。
【図７】実施例３における氷点下予測フラグ処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池
５  燃料ガス流通路（反応ガス流通路）
６  酸化剤ガス流通路（反応ガス流通路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007226986.tif 000007
【図６】
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【図７】
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