(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記電気化学反応による発熱を冷却する冷却手段と、
システムを停止する際、前記冷却手段の冷却性能を低下させるとともに前記燃料電池を継続運転させ、前記電気化学反応による発熱を利用して前記燃料電池の温度を上昇させる昇温処理手段と、
前記燃料電池の温度が上昇した後に前記燃料電池の運転を停止させる停止手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の温度を検出する手段を備え、
前記停止手段は、前記燃料電池の温度が所定の高温度に達したときに前記昇温処理を停止させ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】
前記停止手段は、前記昇温処理の継続時間から前記燃料電池の温度が所定の高温度に達したと判断されるときに前記昇温処理を停止させ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４】
前記燃料電池の外気温度を検出する手段を備え、
前記所定の高温度は外気温度が低くなるほど高く設定され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】
前記昇温処理手段は、燃料残量を全て使用しても前記燃料電池の温度を前記所定の高温度まで高めることができないときは前記昇温処理を行わないことを特徴とする請求項２から４のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
次に起動されるまでの停止時間を入力する手段と、
燃料電池温度と外気温度とに基づき入力時点から前記燃料電池が凍結するまでの時間を予測する手段と、
を備え、
前記昇温処理手段は、前記停止時間が予測された凍結までの時間よりも短いときは前記昇温処理を行わないことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
充電機能を持った２次電池を備え、
前記昇温処理によって前記燃料電池が発電する電力を前記２次電池に充電することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池セルあるいはリン酸型燃料電池セルで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの停止方法において、
システムを停止する際、前記燃料電池の冷却手段の冷却性能を低下させるとともに前記燃料電池を継続運転させ、前記電気化学反応による発熱を利用して前記燃料電池の温度を上昇させ、
前記燃料電池の温度が上昇した後に前記燃料電池の運転を停止させる、ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池システム及びその停止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の化学反応から生じるエネルギーを利用して発電を行う燃料電池の中には固体高分子型燃料電池のように、燃料電池を機能させるために燃料電池の加湿が必要なものがある。また、燃料電池自体が発電時に発熱を伴うことから、燃料電池を冷却水等によって冷却する冷却システムが必要となる。
【０００３】
このような燃料電池を備えた燃料電池システムは、停止状態で氷点下で放置すると電池内の水分や冷却水が凍結してしまい、故障の原因となったり、再起動させる際の支障となったりするため、燃料電池の凍結を防止する方法が種々提案されている（特開平7-169475号、特開平11-214025号等）。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、従来の方法はいずれも燃料電池温度が低下した場合や外気温度が低下した場合に、燃料電池をバーナー等で外部から加熱したり、燃料電池を自動的に再起動したりするものであり、システム停止中にこれらの処理が運転者の意思と無関係に自動的に行われるのは安全性等の観点からあまり好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、上記システム停止中に燃料電池の加熱や再起動を行うことなく燃料電池の凍結を防止することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池システムにおいて、電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記電気化学反応による発熱を冷却する冷却手段と、システムを停止する際、前記冷却手段の冷却性能を低下させるとともに前記燃料電池を継続運転させ、前記電気化学反応による発熱を利用して前記燃料電池の温度を上昇させる昇温処理手段と、前記燃料電池の温度が上昇した後に前記燃料電池の運転を停止させる停止手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の温度を検出する手段を備え、前記停止手段が、前記燃料電池の温度が所定の高温度に達したときに前記昇温処理を停止させることを特徴とするものである。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明における停止手段が、前記昇温処理の継続時間から前記燃料電池の温度が所定の高温度に達したと判断されるときに前記昇温処理を停止させることを特徴とするものである。
【０００９】
第４の発明は、第２または第３の発明において、前記燃料電池の外気温度を検出する手段を備え、前記所定の高温度は外気温度が低くなるほど高く設定されることを特徴とするものである。
【００１０】
第５の発明は、第２から第４の発明における昇温処理手段が、燃料残量を全て使用しても前記燃料電池の温度を前記所定の高温度まで高めることができないときは前記昇温処理を行わないことを特徴とするものである。
【００１１】
第６の発明は、第１から第５の発明において、システムの停止後次に起動されるまでの停止時間を入力する手段と、燃料電池温度と外気温度とに基づきシステム停止後前記燃料電池が凍結するまでの時間を予測する手段とを備え、前記昇温処理手段が、前記停止時間が予測された凍結までの時間よりも短いときは前記昇温処理を行わないことを特徴とするものである。
【００１２】
第７の発明は、第１から第６の発明において、充電機能を持った２次電池を備え、前記昇温処理によって前記燃料電池が発電する電力を前記２次電池に充電することを特徴とするものである。
【００１３】
第８の発明は、第１から第７の発明における燃料電池が、固体高分子型燃料電池セルあるいはリン酸型燃料電池セルで構成されることを特徴とするものである。
【００１４】
第９の発明は、電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの停止方法において、システムを停止する際、前記燃料電池の冷却手段の冷却性能を低下させるとともに前記燃料電池を継続運転させ、前記電気化学反応による発熱を利用して前記燃料電池の温度を上昇させ、前記燃料電池の温度が上昇した後に前記燃料電池の運転を停止させることを特徴とするものである。
【００１５】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る燃料電池システムにおいては、システムを停止させる際に、燃料電池の冷却性能を低下させるとともに燃料電池の継続運転させ、燃料電池内で行われる電気化学反応の反応熱を利用して燃料電池の温度が高められる。そして燃料電池を昇温させた後にシステムが停止される（第１、第９の発明）。このように、システム停止時に燃料電池の温度を予め上昇させておくことで、システム停止時に燃料電池が凍結を起こすまでの時間を延ばすことができ、再起動時までに凍結を起こす温度まで冷却されないようにして燃料電池の凍結を防止することができる。
【００１６】
燃料電池の昇温は電池自体の発熱によって行われるため、少ない燃料消費量で効率的に燃料電池の温度を高めることができ、また、燃料電池のみが加熱されることから燃料電池以外の部分、特に、熱を加えることが好ましくない部位が加熱されるのを避けることができる。また、システム停止中に加熱装置が自動的に作動したり、燃料電池システムが自動的に再起動することがないので、システム停止中にこれらの動作が運転者の意思とは無関係に行われるといった事態を回避することができる。
【００１７】
ここで、昇温処理は、燃料電池の温度をモニタし、燃料電池の温度が所定の高温度に達するまで行うようにすれば、燃料電池の昇温を確実に行うことができる（第２の発明）。燃料電池の温度をモニタする代わりに昇温処理の継続時間から燃料電池の温度が所定の高温度に達したか判断するようにしてもよく（第３の発明）、これによれば燃料電池の温度を検出するセンサが不要になるという利点がある。
【００１８】
このとき、外気温度が低いほど燃料電池の温度の降下度合いも強いことから、外気温度が低いほど上記所定の高温度を高めに設定するようにすれば、より凍結防止効果を高めることができる（第４の発明）。このことは、外気温度が比較的高い場合において必要以上に昇温処理が継続されるのを防止することにもなり、余計な燃料消費を抑えて昇温処理をより効率的に行うことができる。
【００１９】
また、電池温度を上記所定の高温度まで高めるのに必要な燃料が残っていないときは、たとえ昇温処理を行っても凍結防止に必要な温度まで電池温度を高めることができないので、このような場合は昇温処理を行わないようにする（第５の発明）。これによって無駄な昇温処理が行われるのを防止し、燃料消費量を抑えることができる。ただし、この場合、燃料電池の凍結が起こりうるので、燃料電池が凍結した場合にはバーナー、ヒーター等で燃料電池を外部から加熱する必要が生じる。
【００２０】
また、システムの停止時間が短ければ上記昇温処理を行わなくても燃料電池の温度が凍結温度まで降下しない場合があり、このような場合は上記昇温処理を行わないようにすることで燃料の消費量をさらに抑えることができる（第６の発明）。
【００２１】
また、上記昇温処理によって発電された電力をバッテリに蓄えるようにすれば、昇温処理に要したエネルギーの一部を回収することができ、エネルギーの有効利用を図ることができる（第７の発明）。
【００２２】
これらの発明は、特に、燃料電池が固体高分子型燃料電池セルあるいはリン酸型燃料電池セルで構成される場合等、燃料電池が加湿を必要し、水分の凍結が起こると燃料電池の故障や再起動不良の原因となる場合に有効である（第８の発明）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る燃料電池システムの概略図である。燃料電池システムは、燃料電池１、その制御を行うコントローラ３、昇温運転時に発電された電力を充電するバッテリ２、スイッチ５、６を主な構成要素としており、この燃料電池システムには負荷装置４が接続されている。
【００２５】
燃料電池１は固体高分子型燃料電池セル（あるいはリン酸型燃料電池セル）で構成され、動作中に加湿が必要な燃料電池である。コントローラ３はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート等で構成され、以下に説明するシステム停止時の燃料電池１の昇温処理等を行う。
【００２６】
負荷装置４は燃料電池１からの電力を受け駆動力を発生するモータである。モータの駆動力は、例えば燃料電池を搭載する車両における車軸を介して車両の前輪および／または後輪に伝えられ、車両を走行させる駆動力となる。
【００２７】
燃料電池１はスイッチ５、６を介して負荷装置４およびバッテリ２に接続することができる。システム稼動中は燃料電池１と負荷装置４が接続され、システムを停止させる際に行われる昇温処理中は、燃料電池１とバッテリ２が接続される。バッテリ２は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、リチウム電池、ニッケル水素電池等の充電可能な２次電池である。
【００２８】
図２は燃料電池１の概略構成を示す。燃料電池１の電池本体１１は構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。この電池本体１１は負極側に水素等の燃料ガスが供給され、正極側には酸素等の酸化剤ガスが供給され、以下の化学反応によって起電力を得る。
【００２９】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                    ・・・  （１）
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ       ・・・  （２）
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ                ・・・  （３）
式（１）はアノード電極反応、式（２）はカソード電極反応である。式（３）は電池全体で起こる化学反応を示している。
【００３０】
燃料電池１はその他、燃料ガスを供給する配管１２、酸化剤ガスを供給する配管１３、冷却剤（冷却水）を供給する配管１４、冷却剤と外気との間で熱交換を行う熱交換器１６、冷却剤タンク１７、冷却剤の流量を調節するバルブ１５、および冷却剤を循環させるポンプ１８、電池本体１１の温度を検出する温度センサ１９、配管選択部２０を備える。
【００３１】
上記燃料電池システムを停止させる際には、電池本体１１の冷却機能を低下させるとともに上記電気化学反応を継続させ、電池本体１１自身の発熱によって電池本体１１を昇温させる。固体高分子型燃料電池で現在用いられているスタックの構成要素のうち、一部のガスシール材質を除いては電解質膜、ガス拡散層、セパレータ等ある程度の温度までの耐熱性を有しているので、電池本体１１は所定の耐熱温度まで加熱することができる。
【００３２】
熱交換器１６は冷却剤主配管１４を通過してきた冷却剤の温度を下げる機能を有しているが、電池本体１１を昇温させる場合には冷却剤の循環速度を低下させることで逆に冷却機能を低下させることができる。更に、配管選択部２０により冷却剤を熱交換器１６に通さない状態にすることもでき、この場合さらに冷却機能が低下し、電池本体１１の昇温降下が高められる。なお、昇温温度が高くなると電池本体１１内で水蒸気が溜まることを考慮し、電池本体１１には適度なガスパージ口を取り付けるようにしてもよい。
【００３３】
次に、上記燃料電池システムの停止時に行われる燃料電池１の昇温処理について図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。このフローはシステムを停止させる際にコントローラ３において実行される。
【００３４】
システムを停止させる際には、まず、温度センサ１９によって検出された電池本体１１のセル温度（以下、「電池温度」）Tcell、温度センサ２２により検出された外気温度Toutが読み込まれる（ステップＳ１）。そして、コントローラ３に接続された入力装置２１を介して入力された運転者が予測する停止時間teが読み込まれ（ステップＳ２）、これと外気温度Toutとに基づき、燃料電池１の昇温動作を行うか否かが判断される。
【００３５】
具体的には、外気温度Toutと電池温度Tcellとに基づき、燃料電池１が自然放熱によって所定の低温度Tlow（例えば、０℃）まで冷却されるまでの時間（以下、「冷却時間」）tcが予測され（ステップＳ３）、この冷却時間tcよりシステムの停止時間teが長いか否かにより昇温動作の必要の有無が判断される（ステップＳ４）。
【００３６】
システムの停止時間teが電池の冷却までの時間tcよりも短い場合は、昇温処理を行わなくても次回起動時の電池温度Tcellが上記所定の低温度Tlowまで低下しないので、昇温処理を行うことなく燃料電池が停止される（ステップＳ４→ステップＳ１２）。これにより不必要な昇温処理が行われるのを防止し、燃料消費量を抑えることができる。但し、この場合であっても外気温度Toutの温度変化履歴等を参照して適度な昇温を行うようにしてもよい。例えば、外気温度Toutが低下傾向にあり、電池温度Tcellが上記所定の低温度Tlowまで低下しうると判断して昇温処理を行うようにしても良い。
【００３７】
一方、停止時間teが冷却時間tcよりも長い場合は、停止時に燃料電池１を所定の高温度T*まで昇温させ、再起動時までに燃料電池１の温度が凍結を起こす所定の低温度Tlowまで低下しないようにする。
【００３８】
ここで、所定の高温度T*は、外気温度Toutが低いほど、またシステム停止時間teが長くなるほど電池温度Tcellの降下度合いが大きくなることから、外気温度Toutが低くなるほど、システム停止時間teが長くなるほど高い温度に設定される。また、所定の高温度T*は外気温度Toutが氷点下以下になるかならないかで適宜変えるようにしてもよい。
【００３９】
ただし、システムの停止時間teが長い場合であっても、停止時間teが冷却時間tcと比べて長すぎるため、燃料残量F1を全て使っても凍結を防止するのに必要な温度T*まで昇温できない場合、すなわち電池温度Tcellを所定の高温度T*まで昇温させるのに必要な燃料量F2が燃料残量F1よりも多い場合は、昇温処理を行っても結局その昇温処理は無駄になるので、昇温処理を僅かにするかもしくは全く行わないようにする。必要燃料量F2は温度T*、現在の電池温度Tcell等に基づき演算することができる。
【００４０】
さらに、所定の高温度T*が電池構成部材に影響を与えるほど高温度（T*＞Tuplim）に設定された場合も、燃料電池１の機能劣化を引き起こす原因となることから、昇温動作を僅かにするかもしくは全く行わないようにする（ステップＳ５からＳ８→ステップＳ１２）。上限温度Tuplimは制御プログラムにあらかじめ組み込むことができ、これは燃料電池１の構成部材の劣化に影響を及ぼさない範囲で任意に設定することができる。
【００４１】
燃料残量F1は、貯蔵されている水素を燃料電池に直接供給するダイレクト水素型燃料電池システムでは水素の貯蔵量、メタノール等の炭化水素燃料を改質して得られる水素を燃料電池に供給する改質型燃料電池システムでは炭化水素燃料の残量であり、燃料タンク等に取り付けられている燃料残量センサ２３によって検出される。燃料残量F1は満タン時からの燃料消費量を求め、燃料タンク等の最大容量から燃料消費量を減じることによって求めるようにしてもよい。
【００４２】
システムの停止時間teが冷却時間tcよりも長く、かつ燃料量F1で可能な範囲の昇温処理が必要とされる場合（F1＞F2）は、燃料電池１の温度が所定温度T*まで上昇するまで昇温処理が行われる（ステップＳ９からＳ１１）。昇温処理はバルブ１５を絞って燃料電池１への冷却剤の流量を減少あるいはポンプ１８を停止して燃料電池１への冷却剤の供給を停止させるとともに、燃料電池１を継続して運転（燃料を供給）することで行われる。
【００４３】
さらに、所定温度T*が高く昇温効果を高める必要があるときは、配管選択部２０により熱交換器１６に冷却剤が流通しないようにし、また、冷却剤の沸点温度以上に電池温度Tcellを昇温させる必要があるときは燃料電池１内から冷却剤を排出した上で燃料電池１を作動させ、燃料電池１の昇温を行うようにしてもよい。
【００４４】
このような昇温処理は温度センサ１９によって検出される電池温度Tcellが所定の高温度T*に達するまで継続され、所定温度T*に達すると燃料電池１への燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止されて燃料電池１の運転が停止される（ステップＳ１２）。
【００４５】
なお、ここでは電池温度Tcellが所定温度T*に達するまで昇温処理を継続するとしているが、コントローラ３のメモリ内にあらかじめ燃料電池１をある温度から所定の高温度T*まで加熱するのに要する時間を例えばテーブルやマップといった形で記憶しておき、昇温処理開始時からの経過時間がこれらテーブルやマップを参照して得られる所定時間に達したときに電池温度Tcellが所定温度T*に達したと判断するようにしても良い。
【００４６】
また、昇温処理に伴い燃料電池１が発電した電力はバッテリ２に蓄えられるので、エネルギーロスの少ない燃料電池１の昇温が実現される。バッテリ２に蓄えられた電力は、その後必要に応じて、例えば、システム再起動時に必要な電力やシステム停止時に必要な電力として利用することができる。
【００４７】
図４は本発明による上記昇温処理の効果を確認するために行った燃料電池の温度降下実験の結果を示したものである。実験は、温度を一定にした恒温室内（−１０℃）で、周囲を断熱材にて断熱した燃料電池１０セルを準備し、また、できるだけ放熱を避けるために各種配管にも断熱を施して行った。
【００４８】
図中実線は、本発明を適用しない場合に対応し、電流密度１Ａ／ｃｍ2にてセル温度、循環する冷却剤温度が一定（３３３Ｋ）になるまで連続的に作動させた後、燃料電池を停止させ、その後そのまま放置した場合の電池温度の変化を示す。一方、図中破線は、本発明を適用した場合に対応し、冷却剤の循環速度を制御して燃料電池を昇温させ、セル温度が３６８Ｋに達した時点で燃料電池を停止し、放置したときの電池温度の変化を示す。なお、いずれの場合も放置開始時を時間０としている。
【００４９】
これに示されるように、燃料電池を停止する際の電池温度を高くしておけば停止後の燃料電池の温度も高く維持され、燃料電池の凍結が起こるまでの時間を図中矢印Ａで示すように遅らせることができる。本発明では、外気温度等に応じて燃料電池が停止時に十分昇温されることから、燃料電池が凍結する前に燃料電池を再起動することができ、燃料電池の凍結を防止することができる。
【００５０】
なお、本実施例の様に燃料電池と外気との間に適宜断熱処理を施すことで凍結温度に到達する迄の時間をさらに延長させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池の構成概略図である。
【図３】燃料電池の昇温処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】システム停止後の電池温度変化を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  バッテリ
３  コントローラ
４  負荷装置
５、６  スイッチ
１１  電池本体
１２  燃料ガス配管
１３  酸化剤ガス配管
１４  冷却剤配管
１５  バルブ
１６  熱交換器
１７  冷却剤タンク
１８  ポンプ
１９  温度センサ
２０  配管選択部
２１  入力装置
２２  温度センサ
２３  燃料残量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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