(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムの停止時に燃料電池への燃料供給をカットすると共に、燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費するようにした燃料電池システムにおいて、
複数の放電抵抗を備え、当該システムの停止時には、大電流を消費することが可能な放電抵抗を選択して接続し、燃料電池出力がある一定値以下になったときには、微少電流しか流れないような放電抵抗を選択して接続する切替機構を備えると共に、
燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費する際に、燃料電池スタック周りの圧力低下に応じて、燃料を排出するためのシャットオフバルブを開くバルブ制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記放電抵抗は、燃料電池に供給される水素を加湿するための加湿水タンク中に設けられてい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】
当該システムの停止後も燃料電池出力に前記放電抵抗を接続した状態を維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を燃料とする燃料電池システムに関し、特にシステム停止時の残留水素処理に特徴を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素を燃料とする車両用燃料電池システムにおいて、システム停止時の残留水素の処理技術として、例えば、特開平１１−２６００３号公報に記載されたようなものが知られている。この従来の燃料電池システムでは、システム停止時に最初に放電抵抗によって残留水素を消費して燃料電池スタックの電圧を下げ、ある出力電圧以下になれば窒素などの不活性ガスでパージして出力電圧を０Ｖにするようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムの場合、残留水素処理のために燃料電池スタックを不活性ガスでパージするため、システム内に不活性ガスを所持しておかなければならないが、燃料電池発電に直接寄与することのない不活性ガスを所持することは、特に車両用燃料電池システムのように小形・軽量化が必要なシステムに適用する場合に、重量面、コスト面、レイアウト面及び補給の面などから好ましくない。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、不活性ガスのような燃料電池発電に直接関係しない物質を所持しなくても出力電圧が０Ｖになるまで残量水素を消費できるようにし、システムの小形・軽量化が図れる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、システム停止時に燃料電池スタックを放電抵抗につないで残留水素を消費し、出力電圧がある一定値以下になれば放電抵抗を切り替えて放電電流を制限することによって出力電圧が０Ｖになるまで残量水素を消費することを特徴とするものである。
【０００６】
請求項１の発明は、システムの停止時に燃料電池への燃料供給をカットすると共に、燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費するようにした燃料電池システムにおいて、複数の放電抵抗を備え、当該システムの停止時には、大電流を消費することが可能な放電抵抗を選択して接続し、燃料電池出力がある一定値以下になったときには、微少電流しか流れないような放電抵抗を選択して接続する切替機構を備えると共に、燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費する際に、燃料電池スタック周りの圧力低下に応じて、燃料を排出するためのシャットオフバルブを開くバルブ制御手段を備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記放電抵抗は、燃料電池に供給される水素を加湿するための加湿水タンク中に設けられているものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は２の燃料電池システムにおいて、当該システムの停止後も燃料電池出力に前記放電抵抗を接続した状態を維持するようにしたものである。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１の発明の燃料電池システムでは、システムの停止時に燃料電池への燃料供給をカットすると共に、燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費するために、システムの停止直後には、大電流を消費することが可能な放電抵抗を選択して接続し、燃料電池出力がある一定値以下になったときに微少電流しか流れないような放電抵抗を選択して接続するので、燃料電池にダメージを与えずに出力電圧が０Ｖになるまで放電し、残留水素を消費することができる。また、燃料電池出力を放電抵抗に接続して燃料電池スタック内の残留水素を消費する際に、燃料電池スタック周りの圧力低下に応じて、燃料を排出するためのシャットオフバルブを開くので、燃料電池スタック周りの圧力が過剰に低下して燃料消費が妨げられるといった不都合を有効に防止できる。
【００１０】
請求項２の発明の燃料電池システムでは、請求項１の発明の効果に加えて、放電抵抗による熱エネルギの放出を水タンク内の水中に行えるので、放電抵抗が通電によって赤熱することがなく、燃料水素に対する悪影響を防止できる。
【００１１】
請求項３の発明の燃料電池システムでは、請求項１又は２の発明の効果に加えて、当該システムの停止後も燃料電池出力に放電抵抗を接続した状態を維持するので、システム停止中に燃料電池へ水素が漏れ出し、燃料電池発電がわずかに起こるような場合でも放電抵抗によってその水素を消費することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の燃料電池システムの全体的な構成を示している。燃料電池スタック１には、燃料として水素が水素タンク２よりシャットオフバルブ（ＳＯＶ）３、レギュレータ４、ＳＯＶ５を介して供給される。燃料電池スタック１で消費しきれなかった水素はそのまま大気へ開放することも可能であるが、通常はシステム効率を高めるために循環ポンプ６で燃料電池スタック１の入口へ返される。燃料電池スタック１で発電するために、さらに圧縮機など（図示せず）で酸化性ガスとして空気を供給する。
【００１３】
燃料電池スタック１へ供給する空気及び水素は十分に加湿されている必要があり、そのため水素供給ラインへは水タンク７から水噴射機構８を介して水を噴射する。水タンク７へ収容しているのは純水であり、この純水には燃料電池スタック１の出口の空気からコンデンサ（図示せず）によって回収された水が利用される。
【００１４】
燃料電池スタック１の出力は、通常、電力切替器９を介して負荷（図示せず）につながれるが、電力切替器９により放電抵抗１０，１１へ切り替えてつなぐようにもしてある。
【００１５】
放電抵抗１０は、大電力を消費することが可能な固定抵抗で構成されている。また放電抵抗１１は、切替時点の燃料電池スタック１の電圧がＶ０で１Ａ程度の電流しか流れない抵抗で構成されている。そしてこれらの放電抵抗１０，１１は共に水タンク７の中に、加湿水で常時覆われるようにセットされている。
【００１６】
ＳＯＶ３，５、レギュレータ４、循環ポンプ６、水噴射機構８、電力切替器９は制御装置１３によって制御される。電圧センサ１２は燃料電池スタック１の出力電圧を検出し、制御装置１３へ信号を送る。ＳＯＶ３，５は閉じると燃料電池スタック１への水素の供給を遮断する。
【００１７】
なお、図１では水タンク７は、その中の水や水素の加湿にのみ使用するかのように示されているが、通常、燃料電池スタック１の冷却水として、また空気側の加湿のための純水としても共用される。
【００１８】
循環系路内のＳＯＶ１４は、特に燃料電池スタック１内にたまった生成水を吹き飛ばして（パージして）性能を回復させるもので、通常は閉じた状態であるが、燃料電池スタック１の状態に応じて随時開放される。
【００１９】
次に、上記の構成の燃料電池システムの動作を説明する。図２にシステム停止時の残留水素処理のフローチャートを示してある。まずステップ１００でシステム停止処理が開始される。停止信号としては、例えば、キーオフ信号を使い、制御装置１３でそれを検知してシステム停止処理を開始する。そしてまず、燃料電池スタック１の作動圧を空気、水素とも最低レベル（アイドル状態）にし（ステップ１０１）、続いてＳＯＶ３，５を閉じて燃料電池スタック１への水素供給を停止し（ステップ１０２）、さらに循環ポンプ６を停止する（ステップ１０３）。
【００２０】
ステップ１０１の処理で燃料電池スタック１の作動圧が空気、水素共に最低レベルにセットされているため、空気側の圧力が先に抜けても水素側との差圧により燃料電池スタック１がダメージを受けることはない。
【００２１】
続くステップ１０５では、燃料電池スタック１の出力を電力切替器９によって切り替え、放電抵抗１０に接続する。放電抵抗１０は燃料電池スタック１の出力を熱に変換して消費する。接続した当初は燃料電池スタック１の出力電圧が高いため、放電抵抗１０が発生する熱量は大きいが、水タンク７の加湿水中に放出されるため放電抵抗１０が赤熱することはない。このため、放電抵抗１０で大電力を消費しても漏れ出た水素に引火する恐れはない。
【００２２】
放電抵抗１０で燃料電池スタック１の出力を消費すると、ＳＯＶ５で閉じられた燃料電池スタック１周りの水素配管中に封じ込められた残留水素濃度が低下し、燃料電池スタック１の出力電圧が低下する。そこで出力電圧値がある値Ｖ０を下回った場合、放電抵抗１０で大電力を消費し続けると燃料電池スタック１に局所的な電流の逆流が発生してダメージが残る。この電圧は、燃料電池スタック１を構成する単セル電圧でいうと、０．４Ｖ程度である。
【００２３】
そこで、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖを電圧計１２により監視し、出力電圧Ｖが予め設定した一定値Ｖ０を下回っていないか判断する（ステップ１０６，１０７）。この一定値Ｖ０は、例えば、０．４Ｖ×（燃料電池スタック１の単セル数）で決めるが、この値に多少の余裕を持たせて若干高めに設定している。
【００２４】
ステップ１０７での判断がＮＯである場合、ΔＴ時間だけ待って（ステップ１０８）、ステップ１０６に戻り、ステップ１０６，１０７を繰り返す。なお、待機時間ΔＴは、燃料電池スタック１の電圧低下速度との兼ね合いで実験的に決める。また、電圧低下速度は、放電抵抗１０の抵抗値、ＳＯＶ５で閉じられた燃料電池スタック１周りの水素配管の体積などから決まる。
【００２５】
ステップ１０７での判断がＹＥＳになれば、放電抵抗を放電抵抗１０から放電抵抗１１に切り替える。放電抵抗１１は、燃料電池スタック１の出力電圧＝Ｖ０の時点で、燃料電池スタック１にダメージを与えないくらい小さな電流しか流れない抵抗値の抵抗で構成する。この小さな電流値の目安は１Ａ程度であり、この程度の電流値であれば、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖ＝約０Ｖとなるまで放電しても燃料電池スタック１にダメージは残らない。また、燃料電池スタック１の出力電圧＝約０Ｖの状態で、残留水素濃度はほぼ０％となる。
【００２６】
放電抵抗１１は、システム停止後も燃料電池スタック１へ接続したままにされる。これは次の理由による。水素タンク２が高圧であるため、ＳＯＶ３，５の能力にもよるが、長時間放置すると内部漏れで水素が燃料電池スタック１周りに漏れ出て、燃料電池スタック１内で燃料電池反応を起こし、出力電圧が発生する可能性がある。そのような場合でも、放電抵抗１１を燃料電池スタック１の接続したままにしておくと、漏れ出た水素を消費することができ、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖ＝約０Ｖの状態にすることができる。なお、放電抵抗１１が放出する熱エネルギは水タンク７内の加湿水に加えられるので、寒冷地では純水が凍結しにくくなる効果も期待できる。
【００２７】
なお、放電抵抗１０，１１で電力を消費（言い換えると、水素を消費）すると、燃料電池スタック周りの圧力が低下する。圧力があるレベル以下になると、通常はＳＯＶ１４を閉じていても、外気＝空気を吸引して燃料電池スタック周りの圧力は下がらず、水素の消費が阻害されることはない。しかしながら、ＳＯＶ１４の気密性が真空バルブのように高い場合には、水素消費の途中で積極的にＳＯＶ１４を開く必要がある。
【００２８】
これにより、第１の実施の形態の燃料電池システムによれば、システム停止時に燃料電池スタック１へ電力切替器９を介して放電抵抗１０を接続し、水素を熱に換えて消費して燃料電池スタック１の出力電圧を下げ、さらに出力電圧がある値Ｖ０を下回った時点で放電抵抗１１へ切り替えて１Ａ程度の微少電流で放電し続けるようにし、さらに放電抵抗１０，１１を水タンク７内の加湿水の中に熱を放出するようにしたので、システム停止時に窒素パージすることなく、燃料電池スタック１周りの残留水素濃度をほぼ０％とし、出力電圧をほぼ０Ｖとすることができる。また、放電抵抗１０で大電力を消費しても、放電抵抗１０が赤熱することがなく、仮に水素が漏れたとしても水素を発火させることはなく、安全である。また放電抵抗１１を燃料電池スタック１へ接続したままにすることにより、水素タンク２及びＳＯＶ３，５からの内部漏れで燃料電池スタック１周りに水素が存在して、燃料電池スタック１に出力電圧が立つという事態も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の構成を示す系統図。
【図２】  第１の実施形態のシステム停止時の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  水素タンク
３  ＳＯＶ
５  ＳＯＶ
７  水タンク
８  水噴射機構
９  電力切替器
１０  放電抵抗
１１  放電抵抗
１２  電圧センサ
１３  制御装置
【図１】
0003870665.tif 000002
【図２】
0003870665.tif 000003