(57)【要約】【課題】発電停止時の燃料電池内部の水分状態は一定にしつつ、掃気処理に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えることのないようにする。【解決手段】燃料電池スタック２の発電停止時、エアコンプレッサ２２を運転して燃料電池スタック２に掃気ガスを供給する。掃気を行いながら燃料電池スタック２のインピーダンス値を計測し、インピーダンス値と所定の閾値との比較によって掃気の完了を判定する。掃気の開始から完了までに要した時間が予め設定された掃気予定時間よりも短い場合には、バイパス弁４２をバイパス路４０側に切り替えて掃気ガスの送風経路から燃料電池スタック２をバイパスさせる。その状態にて掃気予定時間が経過するまでエアコンプレッサ２２の運転を継続する。【選択図】図１
2009266426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池に向けて掃気ガスを送風する掃気ガス送風手段と、
掃気ガスの送風経路から前記燃料電池をバイパスさせるバイパス手段と、
前記燃料電池の水分状態に関連する所定の物理量に基づいて掃気の完了を判定する判定手段と、
掃気の開始から完了までに要した時間が予め設定された掃気予定時間よりも短い場合には、前記バイパス手段によって前記燃料電池をバイパスさせ、その状態で前記掃気予定時間が経過するまで前記掃気ガス送風手段による送風を継続させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
掃気の開始から完了までの所要時間を学習する学習手段と、
前記学習手段によって学習された最長所要時間に基づいて前記掃気予定時間を設定する掃気予定時間設定手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１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、燃料電池を有する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の発電停止時に掃気ガスによって燃料電池内部を掃気する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電時には、酸化剤ガスと燃料ガスとが膜電極接合体を介して反応することによってカソード側に水が生成される。この水が燃料電池の発電停止後も燃料電池の内部に残留していると、外気温が氷点下まで低下したときにはその残留水が凍結して反応ガスの流路を閉塞してしまう。このような状態では、十分な反応ガスを膜電極接合体に供給することができないために燃料電池の始動に長時間を要することになる。
【０００３】
燃料電池の氷点下での始動性を良好に保つためには、発電反応に必要な水分のみを残し、他の不要な水分は発電停止時に予め除去しておけばよい。燃料電池内から水分を除去する方法としては、例えば、以下に列挙している特許文献１乃至３にも記載されているように、燃料電池内に乾燥ガスを流すことによる掃気が効果的である。その手段としては、もともとシステムに搭載されているエアコンプレッサを用いるのがシステムの簡素化という意味でも都合がよい。
【０００４】
ここで、掃気による水分除去が完了したか否かは、燃料電池のインピーダンス値によって判断することができる。特許文献２や特許文献３に記載されている従来技術では、燃料電池のインピーダンス値が所定値になるまでエアコンプレッサによる掃気を継続している。こうすることで、発電停止時の燃料電池の水分状態を一定の状態にすることができ、氷点下でも安定した始動性を確保することが可能になる。
【０００５】
しかしながら、発電停止時に燃料電池内に残留している水の量は、発電停止に至るまでの運転条件の履歴によって変化する。掃気開始後、インピーダンス値が所定値になるまでに要する時間は残留水量によって変わるため、掃気処理のためのエアコンプレッサの運転時間も毎回変わることになる。エアコンプレッサの運転時間が毎回異なることは、事情を知らないユーザにとっては不思議な現象であって違和感を覚える可能性がある。特に、運転時間がたまに長くなるような場合には、ユーザにシステムの故障と勘違いされてしまうおそれがある。そうかといって、単にエアコンプレッサの運転時間を固定してしまうと、燃料電池内部の水分状態が毎回ばらついてしまい、今度は始動時間のばらつきや始動不能といった問題につながってしまう。
【０００６】
上記の問題に関し、特許文献１及び特許文献２にはエアコンプレッサの掃気運転がユーザに与える違和感を軽減させるための技術が記載されている。特許文献１に記載された技術では、まず、大流量で掃気を行った後、暫く掃気を停止し、その後に小流量で掃気を行うようにしている。つまり、この技術では、掃気処理を２段階に分けてその間に待機時間を設けることで、掃気が継続されることによって生じるユーザの違和感の軽減をはかっている。
【０００７】
これに対し、特許文献２に記載された技術では、掃気処理中であること、掃気が完了したことを文字メッセージや音声メッセージ等でユーザに伝えるようにしている。つまり、この技術では、掃気に関する情報をユーザに積極的に公開することによってユーザの違和感の軽減をはかっている。
【特許文献１】特開２００７−７３３２８号公報
【特許文献２】特開２００７−３０５３４６号公報
【特許文献３】特開２００７−１４９５７２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、特許文献１，２に記載の各技術で得られる効果は、何れも、ある前提条件が成立した場合にのみ得られる限定的な効果である。特許文献１に記載のものでは、掃気を停止している待機時間中にユーザがシステムから離れることが効果の前提条件になっている。特許文献２に記載のものでは、システムが発するメッセージをユーザが認識することが効果の前提条件になっている。これらの前提条件が成立しない場合には、エアコンプレッサの掃気運転時間のばらつきに対し、ユーザはやはり違和感を覚えてしまうことになる。
【０００９】
以上のように、特許文献１，２に記載の各技術は、適切な時間での掃気処理によって燃料電池内部の水分状態を一定にできるものの、エアコンプレッサの掃気運転時間のばらつきと、それによってユーザが覚える違和感という問題に対しては十分な解決策であるとは言えなかった。
【００１０】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、発電停止時の燃料電池内部の水分状態は一定にしつつ、掃気処理に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えることのないようにした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】
【００１１】
上記の目的を達成するため、第１の発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池に向けて掃気ガスを送風する掃気ガス送風手段と、
掃気ガスの送風経路から前記燃料電池をバイパスさせるバイパス手段と、
前記燃料電池の水分状態に関連する所定の物理量に基づいて掃気の完了を判定する判定手段と、
掃気の開始から完了までに要した時間が予定掃気時間よりも短い場合には、前記バイパス手段によって前記燃料電池をバイパスさせ、その状態で前記予定掃気時間が経過するまで前記掃気ガス送風手段による送風を継続させる制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、第２の発明の燃料電池システムは、第１の発明において、
掃気の開始から完了までの所要時間を学習する学習手段と、
前記学習手段によって学習された最長所要時間に基づいて前記掃気予定時間を設定する掃気予定時間設定手段と、
を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、掃気の開始から完了までに要する時間が毎回変化する場合であっても、掃気ガス送風手段による送風時間は一定にすることができる。したがって、適正な時間での掃気処理によって燃料電池内部の水分状態のばらつきを防止しつつ、掃気に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えてしまうことも防止することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、掃気完了までの所要時間のうち最長所要時間に基づいて掃気予定時間を設定することにより、ユーザに違和感を与えない範囲内で必要最低限の時間まで送風時間を短縮することができる。これによれば、送風にかかるエネルギの無駄を抑えてシステムの燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。まず、図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。通常、燃料電池は、図１に示すように、複数の単位電池３０を積層してなる燃料電池スタック２として使用される。各単位電池３０は、図示は省略するが、膜電極接合体の両側をセパレータで挟んで構成されている。各単位電池３０は、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２には、燃料電池スタック全体としてのインピーダンス値を計測するためのインピーダンス計測器３２が取り付けられている。
【００１６】
燃料電池スタック２には、燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給路６が接続されている。水素供給路６の上流端は高圧水素タンク等の水素供給源４に繋がっている。水素供給路６の途中には、調圧弁８とシャット弁１０とが配置されている。水素は調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された水素は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のアノードに分配される。各単位電池３０のアノードの出口側は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに接続されている。この排出マニホールドは、燃料電池スタック２の外部に配置されたパージ弁１４に接続されている。パージ弁１４は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。
【００１７】
また、燃料電池スタック２には、酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給路２０が接続されている。空気供給路２０にはエアコンプレッサ２２が配置されている。エアコンプレッサ２２の回転によって空気供給路２０に空気が取り込まれ燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された空気は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のカソードに分配される。各単位電池３０のカソードを通過した空気は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに集められて空気排出路２４に排出される。空気排出路２４には調圧弁２６が配置されている。
【００１８】
さらに、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック２をバイパスして空気供給路２０を空気排出路２４に接続するバイパス路４０と、空気の供給先を燃料電池スタック２からバイパス路４０に切り替えるバイパス弁４２とを備えている。
【００１９】
バイパス弁４２の切替動作は制御装置１６によって制御されている。制御装置１６はシステム全体の運転を制御する装置であって、エアコンプレッサ２２の運転も制御している。また、制御装置１６には前述のインピーダンス計測器３２からの信号の他、種々のセンサや計測器から信号が入力されている。制御装置１６がバイパス弁４２の切り替えを行うのは燃料電池スタック２の発電停止時であり、制御装置１６は、切り替えのタイミングを計るための指標として、インピーダンス計測器３２により計測されるインピーダンス値を参照している。
【００２０】
図２のフローチャートは、燃料電池スタック２の発電停止時に制御装置１６によって実行されるルーチンを示している。このルーチンの最初のステップＳ２では、システムの運転スイッチがオフ（或いはシステムの停止スイッチがオン）にされたか否か判定される。ステップＳ２の判定処理はシステムの運転スイッチがオフにされるまで繰り返し実行される。
【００２１】
システムの運転スイッチがオフにされたら、ステップＳ４以降の処理が実施される。まず、ステップＳ４では、エアコンプレッサ２２の回転数が所定の掃気用回転数に設定される。この回転数でエアコンプレッサ２２の運転が継続されることで、燃料電池スタック２の内部は空気によって掃気される。
【００２２】
次のステップＳ６では、インピーダンス計測器３２によって計測された燃料電池スタック２のインピーダンス値が取り込まれる。そして、ステップＳ８では、ステップＳ６で取り込まれたインピーダンス値が所定の閾値以上か否か判定される。この閾値は燃料電池スタック２の掃気が完了したときに現れるインピーダンス値であって、予め実験によって求めた値が使用される。インピーダンス値は燃料電池スタック２の水分状態に関連する物理量の一つである。ステップＳ６及びＳ８の処理はインピーダンス値が閾値以上の値になるまで繰り返し実行される。
【００２３】
インピーダンス値が閾値以上になったことは掃気の完了を意味する。その場合、次のステップＳ１０では、掃気開始からの経過時間が所定の掃気予定時間以上になっているか否か判定される。掃気予定時間は固定値であって、例えば、実験で求めた必要掃気時間にある程度の余裕時間を加えた時間に設定されている。
【００２４】
掃気開始からの経過時間が掃気予定時間に達していない場合には、ステップＳ１２の処理が実行される。ステップＳ１２では、バイパス弁４２が操作されて空気の供給先が燃料電池スタック２からバイパス路４０に切り替えられる。これにより、燃料電池スタック２の内部への掃気ガスの供給は停止される。しかし、エアコンプレッサ２２は前述の掃気用回転数を維持したまま運転が継続される。ステップＳ１０の判定処理は掃気予定時間が経過するまで繰り返し実行される。
【００２５】
そして、掃気開始からの経過時間が掃気予定時間以上になったら、ステップＳ１４の処理が実行される。ステップＳ１４では、エアコンプレッサ２２の運転が停止される。また、バイパス弁４２が操作されて空気の供給先がバイパス路４０から燃料電池スタック２に再び切り替えられる。これにより、次回のシステムの始動時には燃料電池スタック２の内部に空気を供給できるようになる。
【００２６】
以上説明したルーチンを燃料電池スタック２の発電停止時に実行することで、掃気の開始から完了までに要する時間が毎回変化したとしても、エアコンプレッサ２２の運転時間は一定にすることができる。したがって、本実施の形態の燃料電池システムによれば、適正な時間での掃気処理によって燃料電池スタック２の内部の水分状態のばらつきを防止しつつ、掃気に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えてしまうことも防止することができる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、上述の通りエアコンプレッサ２２が本発明にかかる「掃気ガス送風手段」として機能し、空気が掃気ガスとして使用されている。また、バイパス路４０及びバイパス弁４２によって本発明にかかる「バイパス手段」が構成されている。また、制御装置１６は本発明の「判定手段」及び「制御手段」として機能している。詳しくは、図２に示すルーチンのステップＳ６及びＳ８の処理が「判定手段」としての機能に相当し、ステップＳ１０，Ｓ１２及びＳ１４の処理が「制御手段」としての機能に相当している。
【００２８】
ところで、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、掃気ガス送風手段はエアコンプレッサと別に専用のものを設けてもよい。また、掃気ガスとして使用するガスは、乾燥したガスであるならば必ずしも空気でなくてもよい。
【００２９】
上述の実施の形態ではインピーダンス計測器を備えているが、代わりに電流計と電圧計とを備えてもよい。インピーダンス値は電流計からの信号と電圧計からの信号とから計算することができる。また、掃気の完了判定のために取得する燃料電池の水分状態に関連する物理量としては、燃料電池スタックから空気排出路に排出されるガスの湿度を用いることもできる。
【００３０】
また、上述の実施の形態では掃気予定時間を固定値としているが、掃気の完了に要する時間を毎回学習し、その最長時間或いは最長時間よりも少し長い時間を掃気予定時間として設定するようにしてもよい。これによれば、ユーザに違和感を与えない範囲内で必要最低限の時間までコンプレッサの運転時間を短縮することができる。つまり、コンプレッサの無駄な運転を抑えてシステムの燃費を向上させることができる。
【００３１】
最後に、本発明の創案過程において案出された、上記実施の形態のものとは技術的特徴の異なる燃料電池システム（本発明とは別発明の燃料電池システム）についても述べておく。
【００３２】
まず、第１の別発明は、
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池に向けて掃気ガスを送風する掃気ガス送風手段と、
前記掃気ガス送風手段による送風流量を調整する流量調整手段と、
前記燃料電池の水分状態に関連する所定の物理量に基づいて掃気の完了を判定する判定手段と、
掃気の開始から完了までに要した時間が予め設定された掃気予定時間よりも短い場合には、前記流量調整手段によって掃気ガスの流量を減少させ、その状態で前記掃気予定時間が経過するまで前記掃気ガス送風手段による送風を継続させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００３３】
このような燃料電池システムは図１に示す構成を用いて実現することができる。その場合、エアコンプレッサ２２が「掃気ガス送風手段」となり、エアコンプレッサ２２の回転数を制御する制御装置１６が「流量調整手段」として機能する。また、制御装置１６は「判定手段」及び「制御手段」としても機能させることができる。なお、第１の別発明の燃料電池システムでは、バイパス弁４２とバイパス路４０は設けなくてよい。
【００３４】
第１の別発明によれば、掃気の開始から完了までに要する時間が毎回変化する場合であっても、掃気ガス送風手段による送風時間は一定にすることができる。また、掃気ガスの流量を減少させることで燃料電池内部のそれ以上の乾燥は抑えることができる。したがって、燃料電池内部の水分状態のばらつきを防止しつつ、掃気に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えてしまうことも防止することができる。
【００３５】
また、第２の別発明は、
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池に向けて掃気ガスを送風する掃気ガス送風手段と、
前記燃料電池から排出される掃気ガスの背圧を調整する背圧調整手段と、
前記燃料電池の水分状態に関連する所定の物理量に基づいて掃気の完了を判定する判定手段と、
掃気の開始から完了までに要した時間が予め設定された掃気予定時間よりも短い場合には、前記背圧調整手段によって掃気ガスの背圧を上昇させ、その状態で前記掃気予定時間が経過するまで前記掃気ガス送風手段による送風を継続させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００３６】
このような燃料電池システムも図１に示す構成を用いて実現することができる。その場合、エアコンプレッサ２２が「掃気ガス送風手段」となり、調圧弁２６が「背圧調整手段」となる。また、制御装置１６は「判定手段」及び「制御手段」として機能させることができる。なお、第２の別発明の燃料電池システムでは、バイパス弁４２とバイパス路４０は設けなくてよい。
【００３７】
第２の別発明によれば、掃気の開始から完了までに要する時間が毎回変化する場合であっても、掃気ガス送風手段による送風時間は一定にすることができる。また、掃気ガスの背圧を上昇させることで燃料電池内部のそれ以上の乾燥は抑えることができる。したがって、燃料電池内部の水分状態のばらつきを防止しつつ、掃気に要する時間のばらつきによってユーザに違和感を与えてしまうことも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池スタックの発電停止時に制御装置によって実行されるルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
２  燃料電池スタック
４  水素供給源
６  水素供給路
８  調圧弁
１０  シャット弁
１４  パージ弁
１６  制御装置
２０  空気供給路
２２  エアコンプレッサ
２４  空気排出路
２６  調圧弁
３０  単位電池
３２  インピーダンス計測器
４０  バイパス路
４２  バイパス弁
【図１】
2009266426.tif 000003
【図２】
2009266426.tif 000004