(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、長期間放置後のアノードフラッディングに対応可能とすることである。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池本体２０と、制御部６０とを含んで構成される。制御部６０は、燃料電池システム１０が長期間放置された後のアノードフラッディングに対応するための始動時所定発電を制御する機能を有し、燃料電池システム１０が長期間運転されないで放置されたか否かを判断する長期間放置判断モジュール６２、長期間放置されていると判断されるときに、予め定められた所定の始動時所定発電を行い、始動時所定発電の発電電流に関する積算値に応じて出力電流制限処理を行うための発電電流上限処理モジュール６４、所定発電処理モジュール６６、始動時所定発電の後に通常の発電制御を行って燃料電池システム１０を運転制御する通常発電制御モジュール６８を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムが長期間運転されないで放置されたか否かを判断する放置判断手段と、
放置判断手段が長期間放置されていないと判断するときは通常の発電制御処理を行い、長期間放置されていると判断されるときは、予め定められた所定の始動時所定発電を行い、始動時所定発電の発電電流に関する積算値に応じて出力電流制限処理を行う発電制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
発電制御手段は、
発電電流に関する積算値として、始動時所定発電の発電電流が予め定めた所定の閾値電流値を超える発電時間を積算した値を用いることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
発電制御手段は、
発電電流に関する積算値として、始動時所定発電の単位発電時間ごとに発電電流を積算した値を用いることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
発電制御手段は、
燃料電池システムが放置された放置期間に応じて出力電流制限処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り、特に発電制御手段を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガス、例えば適当に加圧された空気を供給し、電解質膜を含むＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を通しての反応によって必要な電力を取り出す。このときに、電気化学反応の結果として水が生成される。
【０００３】
この反応生成物である水は、ＭＥＡに水分として滞留し、酸化ガス、燃料ガスが十分に反応に用いられないことが生じえる。また、燃料電池システムが低温のもとで放置されると凍結することもある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、燃料電池システムにおいて、氷点下から起動する場合に、燃料電池冷却液配管の温度の測定では燃料電池スタックの内部で氷が十分に解凍されたかが正確に判断できないことを指摘している。そこで、冷却液の温度と粘度の関係、粘度と冷却液ポンプの圧損との関係に基き、冷却液ポンプのポンプトルクまたは回転数から、燃料電池スタック内の温度を推定し、その推定温度に応じて発電量を制限することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３４９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池スタックを長期間放置すると、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの一部についてそのセル電圧が低下することがある。その原因を調べてみると、アノード側に水分が過剰であるアノードフラッディングであることが分かった。
【０００７】
アノードフラッディングに対応するために、始動直後に燃料ガスを強制掃気するアノードパージを行うこと、あるいは水素ポンプを用いて燃料ガスである水素の循環を増加すること等が知られているが、これらによっては十分な対応ができていないのが現状である。
【０００８】
本発明の目的は、長期間放置後のアノードフラッディングに対応可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、アノードフラッディングの対策を種々実験する中で、１つの知見を得たことに基く。それは、長期間放置後において、燃料電池システムの始動を行う際に、始動直後に、一定の発電時間を確保することで、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの一部についてそのセル電圧が低下することを抑制できることに気づいたことである。始動直後とは、始動の立ち上げのときに、と言う意味で、この一定の発電時間における発電を、始動時発電と呼んでもよく、あるいは通常の発電制御の前という意味合いで始動前発電と呼ぶこともできる。そして、この一定の発電時間を確保するまでは発電電流を制限することが好ましい。かかる知見を実現するために、以下の手段を用いる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムが長期間運転されないで放置されたか否かを判断する放置判断手段と、放置判断手段が長期間放置されていないと判断するときは通常の発電制御処理を行い、長期間放置されていると判断されるときは、予め定められた所定の始動時所定発電を行い、始動時所定発電の発電電流に関する積算値に応じて出力電流制限処理を行う発電制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、発電制御手段は、発電電流に関する積算値として、始動時所定発電の発電電流が予め定めた所定の閾値電流値を超える発電時間を積算した値を用いることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、発電制御手段は、発電電流に関する積算値として、始動時所定発電の単位発電時間ごとに発電電流を積算した値を用いることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、発電制御手段は、燃料電池システムが放置された放置期間に応じて出力電流制限処理を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、燃料電池システムは、長期間放置後において、予め定められた所定の始動時所定発電を行う。これにより、上記のようにアノードフラッディングに対応が可能となる。また、その所定の始動時発電の発電電流に関する積算値に応じて出力電流制限を行うこととしたので、上記知見のアノードフラッディングの対応と、発電電流の供給とのバランスを取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池システムがハイブリッド車両に搭載されるものとして説明するが、ハイブリッド車両以外の車両、例えばエンジンを搭載しない電気自動車であってもよい。また、燃料電池システムは、車両に搭載されるもの以外、例えば、定置型の燃料電池システムであってもよい。また、以下では、燃料電池システムとして、燃料電池スタック、発電電流検出器、燃料ガスタンク、レギュレータ、水素循環ポンプ、分流器、排気バルブ、酸化ガス源としての大気、エアコンプレッサ、加湿モジュール、調圧弁、希釈器、冷却用流路、温度計を備えるものとして説明するが、これは説明のための例示であって、これらの要素の一部を省略し、あるいはこれら以外の要素を追加することができる。
【００１６】
図１は、ハイブリッド車両に搭載された燃料電池システム１０の構成を説明する図である。燃料電池システム１０は、燃料電池本体２０と、燃料電池本体２０の運転制御を行う制御部６０とを含んで構成される。
【００１７】
燃料電池本体２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。
【００１８】
燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡの両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、燃料電池スタック２２は、ＦＣスタックと呼ばれることもある。
【００１９】
燃料電池スタック２２から負荷への出力取出線に直列に配置される発電電流検出器２３は、発電電流を計測する装置である。検出されたデータは、適当な信号線で制御部６０に伝送される。
【００２０】
アノード側の燃料ガスタンク２６は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源である燃料ガスタンク２６に接続されるレギュレータ４６は、水素ガス源である燃料ガスタンク２６からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ４６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
【００２１】
燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器４７は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ４８を通して希釈器２８に流すためのものである。また、分流器４７の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器４９は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００２２】
カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）４２に供給される。ＡＣＰ４２は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４２は、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。
【００２３】
加湿モジュール２４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するもので、加湿器とも呼ばれる。加湿モジュール２４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿モジュール２４に戻されて、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿モジュール２４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。
【００２４】
ここで、上記の酸化ガス源４０と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことをＩＮ側流路、あるいは入口側流路、あるいは供給側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路をＯＵＴ側流路、あるいは出口側流路、あるいは排気側流路と呼ぶことができる。
【００２５】
したがって、酸化ガスの経路である酸化ガス経路は、酸化ガス源４０から加湿モジュール２４を経由してＩＮ側流路より燃料電池スタック２２の内部に入り、燃料電池スタック２２の内部からＯＵＴ側流路に出て、加湿モジュール２４を経由して外気へと延びる。
【００２６】
また、ＯＵＴ側流路に設けられる調圧弁４５は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。調圧弁４５の出力口は、上記の加湿モジュール２４に接続されるので、調圧弁４５を出たガスは加湿モジュール２４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器２８に入り、その後外部に排出される。
【００２７】
希釈器２８は、アノード側の排気バルブ４８からの排水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度に希釈して外部に排出するためのバッファ容器である。希釈用のガスとしては、ＡＣＰ４２から供給される酸化ガス、つまり大気が用いられる。
【００２８】
なお、燃料電池スタック２２には、冷却用の冷媒を流すための冷却用流路５４が設けられる。冷却用流路５４において、燃料電池スタック２２の出口側に設けられる温度計５６は、冷媒温度を検出する機能を有する温度検出手段である。
【００２９】
図１において、制御部６０は、燃料電池本体２０の各要素の作動を全体として制御し、燃料電池スタック２２を所望の出力で発電運転する機能を有する。そして、ここでは特に、燃料電池システム１０が長期間放置された後のアノードフラッディングに対応するための始動時所定発電を制御する機能を有する。そのために、制御部６０は、燃料電池システム１０が長期間運転されないで放置されたか否かを判断する長期間放置判断モジュール６２、長期間放置されていると判断されるときに、予め定められた所定の始動時所定発電を行い、始動時所定発電の発電電流に関する積算値に応じて出力電流制限処理を行うための発電電流上限処理モジュール６４、所定発電処理モジュール６６、始動時所定発電の後に通常の発電制御を行って燃料電池システム１０を運転制御する通常発電制御モジュール６８を有する。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、燃料電池運転プログラムの中の始動時処理プログラムの実行によって実現できる。
【００３０】
上記構成の作用、特に制御部６０の機能について、図２、図３を用いて以下に詳細に説明する。図２は、始動時所定発電の手順を示すフローチャートであり、図３は、始動時所定発電における出力電流上限制限の様子を説明する図である。以下では図１の符号を用いて説明する。
【００３１】
図２において、燃料電池運転プログラムの始動時処理プログラムを立ち上げると、まず、燃料電池システムが長期間運転されないで放置されたか否かが判断される（Ｓ１０）。この処理は、制御部６０の長期間放置判断モジュール６２の機能により実行される。具体的には、燃料電池システム１０の運転キーのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられた時刻データからその間隔の長さを非運転時間、すなわち放置時間として、予め定められた閾値間隔と比較する方法、あるいは、長期間非運転が連続すると冷却用流路５４の冷媒温度が低下することを利用して、温度計５６の指示値を予め定められた閾値温度と比較する方法等で、長期間放置か否かを判断できる。長期間放置か否かの基準となる閾値間隔、閾値温度は、再始動の際にアノードフラッディングが生じるか否かの観点から設定される。たとえば、閾値間隔を１２時間あるいは２４時間に設定することができる。閾値温度としては、例えば外気温度と同じに設定することができる。また、アノードフラッディングが生じるか否かは、例えば、燃料電池スタック２２を構成する各単電池のセル電圧に低下閾値以上の低下があるか否かで判断することができる。
【００３２】
Ｓ１０において、長期間放置されていないと判断されるときは、通常の発電制御処理が行われる（Ｓ２０）。すなわち、Ｓ１０の判断は、アノードフラッディングの発生の観点から行われるので、ここでは、アノードフラッディングが発生しないとして、通常の発電制御を行うことができる。この処理は、制御部６０の通常発電制御モジュール６８の機能によって実行される。
【００３３】
Ｓ１０において、長期間放置されている、と判断されると、発電電流の上限制限処理（Ｓ１２）が行われ、それと共に、始動時の所定発電が行われる（Ｓ１４）。この始動時所定発電は、上記の知見に基くもので、実験等の結果から予め定めた所定の閾値電流値以上の発電電流を、その閾値電流値を超える発電期間が所定の閾値期間を超えるように実行されることが好ましい。つまり、閾値電流値をＩ０とすると、Ｉ０を超える発電電流となる時間ｔ０を加算累積したΣｔ０が、閾値期間Ｔ０を超えるまで、始動時所定発電を継続する。そして、この始動時所定発電が終わるまで、負荷に供給する発電電流の上限値を制限する。これによって、アノードフラッディングを早期に解消し、また、通常発電制御に早期に入ることができる。
【００３４】
始動時所定発電の期間において、発電電流の上限制限処理は、始動時所定発電の発電電流に関する積分値に応じて行われる。つまり、始動時所定発電の最初においては、発電電流の上限値が低く押さえられ、始動時所定発電が進むにつれて、発電電流の上限値が引き上げられる。すなわち、上記の例で、Σｔ０が大きくなるにつれ、発電電流の上限値が大きくなるように設定される。そして、Σｔ０が閾値期間Ｔ０となるときに、発電電流の上限制限が通常発電制御における上限値となる。これにより、始動時所定発電が終了し、通常発電制御に入ることになる（Ｓ２０）。
【００３５】
始動時所定発電を継続する期間は、上記のように始動時所定発電の発電電流が予め定めた所定の閾値電流値Ｉ０を超える発電時間ｔ０を積算した値Σｔ０がＴ０を超えるまでとするほかに、始動時所定発電の単位発電時間ごとに発電電流を積算した値を用いるものとすることもできる。すなわち、発電の単位時間をｄｔとして、そのときの発電電流をＩとすれば、Ｉが上記のＩ０を超えていなくても、Ｉｄｔを始動時発電の期間の間積算し、その値が実験等の結果から予め定めた閾値を超えるようにする。この方法は、発電電流Ｉをｄｔで始動時所定発電の全期間に渡って積分するものが、閾値を超えるようにするものに相当する。実験によれば、この方法でも、効果的にアノードフラッディングに適切に対応できることが分かっている。
【００３６】
図３は、始動時所定発電における発電電流上限制限の様子を模式的に説明する図である。ここでは、横軸にΣｔ０、あるいはＩｄｔの積分値をとり、縦軸に制限電流の大きさをとってある。数本の線は、放置時間が異なる場合についての発電電流上限制限値を示すものである。たとえば、放置時間がゼロまたは非常に短いときは、制限電流の上限は通常発電制御のときに用いられる最大制限電流ＩＭＡＸとなり、このときはΣｔ０、あるいはＩｄｔの積分値が小さくても大きくても同じである。放置時間が非常に長くなると、図３の実線曲線の状態となり、始動時所定発電の初期ではΣｔ０、あるいはＩｄｔの積分値が小さく、十分にアノードフラッディングに対応しきれていないので、制限電流の上限値が小さく押さえられる。そして、始動時所定発電が進み、Σｔ０、あるいはＩｄｔの積分値が大きくなるに従って、制限電流の上限値が引き上げられる。
【００３７】
このように、Σｔ０、あるいはＩｄｔの積分値に応じて、制限電流の上限値を次第に変化させることで、アノードフラッディングに対する対応の進行に応じ、負荷への発電電流を増加させることができる。この増加率を適当にすることで、車両のドライバビリティを向上させることができる。
【００３８】
また、図３に示すように、放置時間の長さに応じて、制限電流の上限値を変化させる。具体的には、放置時間が長いほど、制限電流の上限値を低く押さえる。これにより、アノードフラッディングに十分な対応を図ることができる。なお、放置時間に応じて制限電流の上限値を変化させるには、予め図３のデータをマップ化して記憶し、Ｓ１０において放置時間を取得し、取得された放置時間を検索キーとして記憶装置に記憶されているマップから制限電流の上限値を読み出すものとできる。
【００３９】
なお、始動時所定発電を行うことでアノードフラッディングが解消する理由については、現在のところまだ明らかでない。ここでは、始動時所定発電を行うことで、確かに、再現性を有して、燃料電池スタック２２を構成する各単電池のセル電圧に低下閾値以上の低下が生じることが抑制できる、という事実だけが明らかにされている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、始動時所定発電の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態において、始動時所定発電における出力電流上限制限の様子を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池本体、２２  燃料電池スタック、２３  発電電流検出器、２４  加湿モジュール、２６  燃料ガスタンク、２８  希釈器、４０  酸化ガス源、４５  調圧弁、４６  レギュレータ、４７  分流器、４８  排気バルブ、４９  循環昇圧器、５４  冷却用流路、５６  温度計、６０  制御部、６２  長期間放置判断モジュール、６４  発電電流上限処理モジュール、６６  所定発電処理モジュール、６８  通常発電制御モジュール。
【図１】
2009158336.tif 000003
【図２】
2009158336.tif 000004
【図３】
2009158336.tif 000005