(57)【要約】【課題】  燃料電池搭載車両の大型化を抑制しつつ発電生成水を発電停止時にパージすることができる、車両搭載用の燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）のガス流路からの排気ガスを排出する排気管（１２）と、燃料電池（１０）の発電停止時に燃料電池（１０）のガス流路を掃気する掃気手段（４０）と、発電停止時に排気管（１２）の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向を変更する変更手段（６０，７０）と、を備える。【選択図】        図１
2009187717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のガス流路からの排気ガスを排出する排気管と、
前記燃料電池の発電停止時に前記燃料電池のガス流路を掃気する掃気手段と、
前記発電停止時に前記排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向を変更する変更手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記変更手段は、前記排気口を覆うことによって前記排気ガスの排気方向を変更するカバーであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記変更手段は、前記排気口の向きを変更することによって前記排気ガスの排気方向を変更する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記変更手段は、伸縮可能な排気管であって、伸縮することによって前記排気口の位置を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記変更手段は、前記掃気手段による掃気が開始されてから所定の時間が経過した後に、前記排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段をさらに備え、
前記変更手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記乾燥状態検出手段は、前記燃料電池のインピーダンスを検出することによって前記燃料電池の乾燥状態を検出することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記乾燥状態検出手段は、前記燃料電池のセル抵抗を検出することによって前記燃料電池の乾燥状態を検出することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池のガス流路を掃気する掃気ステップと、
前記発電停止時に、前記燃料電池のガス流路から排気ガスを排出する排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向を変更する変更ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
前記変更ステップは、前記排気口を覆うことによって前記排気ガスの排気方向を変更するステップであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記変更ステップは、前記排気口の向きを変更することによって前記排気ガスの排気方向を変更するステップであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
前記変更ステップは、前記排気管を伸縮することによって前記排気口の位置を変更するステップであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
前記掃気ステップが開始されてから所定の時間が経過した後に、前記排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止する停止ステップをさらに含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
前記燃料電池の乾燥状態を検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける検出結果に基づいて、前記排気管の排気口の位置または前記排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止する停止ステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
前記検出ステップは、前記燃料電池のインピーダンスを検出することによって前記燃料電池の乾燥状態を検出するステップであることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
前記検出ステップは、前記燃料電池のセル抵抗を検出することによって前記燃料電池の乾燥状態を検出するステップであることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池においては、起動性を向上させるために、発電に伴って生成された水が滞留するガス流路を発電停止時に掃気する必要がある。この場合、生成水は、例えば反応ガスのオフガスを排気するための排気管を介して排出される。
【０００３】
ところで、燃料電池を搭載する車両においては、排気管を介して排出される水が路肩の人や構造物にかかるおそれがある。そこで、生成水をタンク等の貯留手段に貯留しておき、その貯留水を車両の走行状態に応じて放出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００５−１５３８５３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、特許文献１の技術では、貯留手段を設けておく必要がある。したがって、燃料電池搭載車両が大型化してしまう。
【０００５】
本発明は、燃料電池搭載車両の大型化を抑制しつつガス流路を発電停止時に掃気することができる、車両搭載用の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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のガス流路からの排気ガスを排出する排気管と、燃料電池の発電停止時に燃料電池のガス流路を掃気する掃気手段と、発電停止時に排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向を変更する変更手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、ガス流路を掃気する際に、排気管からの水飛びが抑制されて歩行者の被水が抑制される。この場合、発電生成水を貯留する手段を設ける必要がない。したがって、装置の大型化を抑制することができる。以上のことから、燃料電池搭載車両の大型化を抑制しつつガス流路を発電停止時に掃気することができる。
【０００７】
変更手段は、排気口を覆うことによって排気ガスの排気方向を変更するカバーであってもよい。この場合、排出水はカバーに衝突して落下する。それにより、排出水の飛散距離を短くすることができる。その結果、歩行者の被水が抑制される。
【０００８】
変更手段は、排気口の向きを変更することによって排気ガスの排気方向を変更する手段であってもよい。また、変更手段は、伸縮可能な排気管であって、伸縮することによって排気口の位置を変更してもよい。これらの場合、排出水の飛散距離を短くすることができる。
【０００９】
変更手段は、掃気手段による掃気が開始されてから所定の時間が経過した後に、排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止してもよい。
【００１０】
燃料電池の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段をさらに備え、変更手段は、検出手段の検出結果に基づいて、排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止してもよい。乾燥状態検出手段は、燃料電池のインピーダンスを検出することによって燃料電池の乾燥状態を検出してもよい。また、乾燥状態検出手段は、燃料電池のセル抵抗を検出することによって燃料電池の乾燥状態を検出してもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池の発電停止時に燃料電池のガス流路を掃気する掃気ステップと、燃料電池のガス流路から排気ガスを排出する排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向を発電停止時に変更する変更ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の運転方法においては、ガス流路を掃気する際に、排気管からの水飛びが抑制されて歩行者の被水が抑制される。この場合、発電生成水を貯留する手段を設ける必要がない。したがって、装置の大型化を抑制することができる。以上のことから、燃料電池搭載車両の大型化を抑制しつつガス流路を発電停止時に掃気することができる。
【００１２】
変更ステップは、排気口を覆うことによって排気ガスの排気方向を変更するステップであってもよい。この場合、排出水は排気口から落下する。それにより、排出水の飛散距離を短くすることができる。その結果、歩行者の被水が抑制される。
【００１３】
変更ステップは、排気口の向きを変更することによって排気ガスの排気方向を変更するステップであってもよい。また、変更ステップは、排気管を伸縮することによって排気口の位置を変更するステップであってもよい。これらの場合、排出水の飛散距離を短くすることができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、掃気ステップが開始されてから所定の時間が経過した後に、排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止する停止ステップをさらに含んでいてもよい。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池の乾燥状態を検出する検出ステップと、検出ステップにおける検出結果に基づいて、排気管の排気口の位置または排気口からの排気ガスの排気方向の変更を停止する停止ステップと、をさらに含んでいてもよい。検出ステップは、燃料電池のインピーダンスを検出することによって燃料電池の乾燥状態を検出するステップであってもよい。また、検出ステップは、燃料電池のセル抵抗を検出することによって燃料電池の乾燥状態を検出するステップであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池搭載車両の大型化を抑制しつつガス流路を発電停止時に掃気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例に係る車両搭載用の燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００が搭載された車両２００の概略図である。図１（ｂ）は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、車両２００に搭載されている。車両２００は、燃料電池システム１００において発生する電力を動力に変換して走行する移動体である。図１（ｂ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料ガス供給手段２０、酸化剤ガス供給手段３０、掃気手段４０、インピーダンス検出手段５０、スライドカバー６０および制御手段７０を備える。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。本実施例においては、セル１１は、固体高分子型の燃料電池である。セル１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜の一面にアノード触媒層およびガス拡散層が順に設けられ、他面にカソード触媒層およびガス拡散層が順に設けられた構造を有する。
【００２１】
燃料ガス供給手段２０は、水素を含む燃料ガスをセル１１のアノード触媒層に供給する手段であり、例えば水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段３０は、酸素を含む酸化剤ガスをセル１１のカソード触媒層に供給する手段であり、例えばエアポンプ等からなる。掃気手段４０は、燃料電池スタック１０が発電を停止した場合にエア等の掃気ガスを燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路に供給する手段であり、例えばエアポンプからなる。本実施例においては酸化剤ガス供給手段３０と掃気手段４０とが別個に設けられているが、一つのエアポンプを酸化剤ガス供給手段３０および掃気手段４０として用いてもよい。
【００２２】
インピーダンス検出手段５０は、セル１１の積層方向の燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出する手段である。スライドカバー６０は、排気管１２の出口付近に設けられたスライド可能な可動式カバーである。スライドカバー６０は、一方にスライドすることによって、排気管１２の出口を覆うことができる。ただし、スライドカバー６０は排気管１２の出口を塞ぐわけではなく、排気管１２の出口とスライドカバー６０との間には空間が介在する。また、スライドカバー６０は、他方にスライドすることによって、排気管１２の出口を開放する。
【００２３】
制御手段７０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御手段７０は、インピーダンス検出手段５０の検出結果等に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。
【００２４】
続いて、燃料電池システム１００の動作について説明する。セル１１の発電時においては、制御手段７０は、アノード触媒層に燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段２０を制御する。それにより、アノード触媒層においては水素がプロトンと電子とに解離し、プロトンは電解質膜を伝導してカソード触媒層に到達する。
【００２５】
また、制御手段７０は、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給されるように酸化剤ガス供給手段３０を制御する。それにより、カソード触媒層においては、プロトンと酸素と電子とが発電反応を起こして、電力が発生するとともに水が発生する。発電反応に用いられた後の燃料ガスおよび酸化剤ガスは、希釈器等において処理された後に排気管１２を介して外気に排出される。
【００２６】
車両２００のイグニションキー等がオフにされた場合、制御手段７０は、セル１１の発電停止制御を行う。まず、制御手段７０は、燃料ガス供給手段２０および酸化剤ガス供給手段３０を制御して、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止する。次に、制御手段７０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路に掃気ガスが供給されるように掃気手段４０を制御して掃気処理を行う。それにより、燃料電池スタック１０に滞留する水分が排出される。その結果、氷点下における燃料電池スタック１０の起動性が向上する。
【００２７】
この掃気処理においては、発電時に比較して多量のガスが燃料電池スタック１０に供給されることから、発電によって生成された水分が排気管１２の出口から多量に排出される。それにより、歩行者に被水させるおそれがある。また、排気ガスと排出水とが混合されたまま排気管１２の出口から排出されるため、車両２００の見栄えが悪くなることがあり、不快な排水音が発生するおそれがある。
【００２８】
そこで、本実施例においては、掃気処理時には、制御手段７０は、排気管１２の出口がスライドカバー６０によって覆われるように、スライドカバー６０を制御する。この場合、排気管１２からの水飛びが抑制されて歩行者の被水が抑制される。また、排出水がスライドカバーに衝突して下方に落下することによって、車両２００の見栄えが悪くなることを抑制することができるとともに不快な排水音の発生を抑制することができる。
【００２９】
インピーダンス検出手段５０は、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出することによって、燃料電池スタック１０の乾燥状態を検出することができる。したがって、制御手段７０は、インピーダンス検出手段５０の検出インピーダンスが所定値以上になった場合に、掃気手段４０による掃気ガスの供給を停止する。それにより、燃料電池スタック１０の過度の乾燥を抑制することができるとともに、不必要な掃気処理を省略することができる。
【００３０】
制御手段７０は、掃気処理を停止する場合には、排気管１２の出口が開放されるようにスライドカバー６０を制御する。この場合、燃料電池スタック１０の発電時に、燃料ガスに含まれる水素が車両２００の床下において滞留することが抑制される。その結果、車両２００の安全性が向上する。なお、掃気処理の際には、燃料ガス供給手段２０からの燃料ガスの供給が停止されていることから、排気管１２から水素はほとんど排出されない。したがって、スライドカバー６０によって排気管１２の出口が覆われていても、問題にはならない。
【００３１】
図２は、燃料電池スタック１０の発電停止時における制御の一例を示したフローチャートである。図２に示すように、まず、制御手段７０は、車両２００のイグニションキーがオフされたか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１においてイグニションキーがオフされたと判定されなかった場合、制御手段７０は待機する。
【００３２】
ステップＳ１においてイグニションキーがオフされたと判定された場合、制御手段７０は、排気管１２の出口を覆うようにスライドカバー６０を制御する（ステップＳ２）。次に、制御手段７０は、ガス流路に掃気ガスが供給されるように、掃気手段４０を制御する（ステップＳ３）。次いで、制御手段７０は、インピーダンス検出手段５０の検出インピーダンスが所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００３３】
ステップＳ４において検出インピーダンスが所定値以上であると判定されなかった場合、制御手段７０は、待機する。ステップＳ４において検出インピーダンスが所定値以上であると判定された場合、制御手段７０は、掃気ガスの供給が停止されるように掃気手段４０を制御する（ステップＳ５）。次に、制御手段７０は、排気管１２の出口が開放されるように、スライドカバー６０を制御する（ステップＳ６）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００３４】
図２のフローチャートに従うことによって、排気管１２からの水飛びおよび不快な排出音を抑制しつつ、燃料電池スタック１０の生成水を排出することができる。また、燃料電池スタック１０の過度の乾燥を抑制することができるとともに、不必要な掃気処理を省略することができる。
【００３５】
本実施例においては、スライドカバー６０および制御手段７０が変更手段に相当し、インピーダンス検出手段５０が乾燥状態検出手段に相当する。
【００３６】
なお、本実施例においては乾燥状態検出手段としてインピーダンス検出手段５０を用いているが、それに限られない。燃料電池スタック１０の乾燥状態を検出することができるものなら、乾燥状態検出手段として用いることができる。例えば、セル１１のセル抵抗を検出する抵抗計を乾燥状態検出手段として用いることができる。セル１１の電解質膜は、湿潤度に応じて電気抵抗が変化するからである。
【００３７】
（変更手段の他の例）
図３は、変更手段の他の例を示す図である。例えば、図３（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、スライドカバー６０の代わりに、伸縮可能な排気管１２ａを備えていてもよい。排気管１２ａは、制御手段７０の指示に従って、伸縮を行う。それにより、排気管１２ａの出口の位置が変化する。制御手段７０は、掃気処理を行う際には、排気管長が短くなるように排気管１２ａを制御する。この場合、車両２００からの水の飛散距離を短くすることができる。それにより、排出水の飛び散りを抑制することができる。その結果、歩行者の被水を抑制することができる。なお、制御手段７０は、掃気処理が終了する際には、排気管長が長くなるように排気管１２ａを制御してもよい。この場合、次回の発電時に、燃料ガスに含まれる水素が車両２００の床下に滞留することが抑制される。
【００３８】
また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池システム１００は、スライドカバー６０の代わりに、出口の方向を変更することが可能な排気管１２ｂを備えていてもよい。制御手段７０は、掃気処理を行う際には、出口が下方を向くように排気管１２ｂを制御する。この場合、車両２００からの排出水の飛散距離を短くすることができる。なお、制御手段７０は、掃気処理が終了する際には、排気管１２ｂの出口を元に戻してもよい。この場合、次回の発電時に、燃料ガスに含まれる水素が車両２００床下に滞留することが抑制される。
【００３９】
また、図３（ｂ）に示すように、制御手段７０は、掃気処理を行う際には、出口が車両２００のアンダーカバー方向に向くように排気管１２ｂを制御してもよい。この場合、排出水は、アンダーカバーに衝突して落下する。それにより、車両２００からの排出水の飛散距離を短くすることができる。なお、制御手段７０は、掃気処理が終了する際には、排気管１２ｂの出口を元に戻してもよい。この場合、次回の発電時に、燃料ガスに含まれる水素が車両２００床下に滞留することが抑制される。
【００４０】
図３においては、排気管１２ａおよび排気管１２ｂが、変更手段に相当する。
【実施例２】
【００４１】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図４は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、インピーダンス検出手段５０が設けられていない点である。本実施例においては、制御手段７０は、燃料電池スタック１０を乾燥させる掃気処理時間を記憶しておき、掃気処理開始後に掃気処理時間が経過した際に掃気処理を停止する。それにより、燃料電池スタック１０の過度の乾燥を抑制することができるとともに、不必要な掃気処理を省略することができる。
【００４２】
図５は、燃料電池スタック１０の発電停止時における制御の一例を示したフローチャートである。図５のフローチャートが図２のフローチャートと異なる点は、ステップＳ４の代わりにステップＳ１４が含まれている点である。したがって、ステップＳ１４以外のステップについては、説明を省略する。
【００４３】
ステップＳ３の実行を終えた制御手段７０は、掃気処理時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において掃気処理時間を経過したと判定されなかった場合、制御手段７０は、待機する。ステップＳ１４において掃気処理時間を経過したと判定された場合、制御手段７０は、ステップＳ５を実行する。
【００４４】
図５のフローチャートに従った制御によって、排気管１２からの水飛びおよび不快な排出音を抑制しつつ、燃料電池スタック１０の生成水を排出することができる。また、燃料電池スタック１０の過度の乾燥を抑制することができるとともに、不必要な掃気処理を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例に係る車両搭載用の燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】燃料電池スタックの発電停止時における制御の一例を示したフローチャートである。
【図３】変更手段の他の例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る車両搭載用の燃料電池システムを説明するための図である。
【図５】燃料電池スタックの発電停止時における制御の一例を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池スタック
２０  燃料ガス供給手段
３０  酸化剤ガス供給手段
４０  掃気手段
５０  インピーダンス検出手段
６０  スライドカバー
７０  制御手段
１００  燃料電池システム
２００  車両
【図１】
2009187717.tif 000003
【図２】
2009187717.tif 000004
【図３】
2009187717.tif 000005
【図４】
2009187717.tif 000006
【図５】
2009187717.tif 000007