JP2005302539A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＯＣＶチェック中に停止要求があった場合であっても、排出される燃料ガスの量を最小限に抑えることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池１３、高圧水素タンク１１、水素ガスの供給量を調整する圧力調整弁１５、アノード系内のガスを外部に排出させるパージ弁１６、燃料電池１３の停止要求があったときにパージ弁１６を開放させる制御部１７を備えている。さらに、制御部１７は、燃料電池１３の起動要求があったときに、その起動要求を受けてから前記燃料電池１３が通常発電可能な状態になったと判断するまでの間におけるアノード系内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように、圧力調整弁１５を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の停止時に燃料ガスをパージすることでアノード側の残留水を排出させる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に関するものである。

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、発電停止から長い時間が経過すると、カソード側から空気が高分子電解質膜を介してアノード側へ侵入することでアノード側に発電に関与しないガス（主に窒素ガス）が溜まることがあり、このような場合は次の燃料電池の起動時にアノード側の水素の分圧が下がった状態となっているため、発電の再開までに時間がかかるという問題があった。

このような問題に対する技術としては、従来、燃料電池の起動時にアノード側の圧力を高めることで、アノード側の流路に残留する窒素ガスを排出させる技術が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この技術では、燃料電池の起動時にアノード側の流路に設けたパージ弁を閉じた状態で燃料電池へ水素ガス（燃料ガス）を供給することで、一旦アノード側の圧力を高め、その後パージ弁を開放させて窒素ガスを排出（パージ）させている。また、その窒素ガスのパージ中においては、常時燃料電池の出力電圧が所定値以上になったか否かを判断し、出力電圧が所定値以上になったときにパージ弁を閉じて通常発電を行っている（以下、前記した一連の動作を「ＯＣＶチェック」という）。なお、この技術においては、ＯＣＶチェックにかかる時間を短縮するために、アノード側の圧力を通常発電時よりも高くすることで、アノード側に残留する窒素ガスを早くパージすることが望ましいと考えられている（以下、「第一の技術」という）。

また、前記したような燃料電池システムでは、水素と酸素との電気化学反応によって水が生成されているので、この水がシステム内に溜まったままの状態で燃料電池を停止させ、その後長い時間が経過すると、冬季や寒冷地ではその水が凍結してしまうおそれがあった。

このような問題に対する技術としては、従来、燃料電池の停止時に、水素ガスの供給を停止させずにアノード側のパージ弁を閉じることで一旦アノード側の圧力を高め、その後パージ弁を開放させることでアノード側に残留する水をパージする技術が知られている（特許文献２参照）。なお、この技術においては、燃料の無駄を防止すべく、圧力を高めずに通常発電時の圧力を利用して水をパージする、すなわち、停止要求があったときに圧力を高めずにそのままパージ弁を開放することが望ましいと考えられている（以下、「第二の技術」という）。

特開平１１−９７０４７号公報（段落００１３〜００１７、図２） 特開２００２−３０５０１７号公報（段落０００９〜００１７、図２）

しかしながら、第一の技術と第二の技術を組み合わせた場合を想定すると、起動時におけるＯＣＶチェック中（具体的にはアノード側の圧力が高められた後）に停止要求があったときは、そのままパージ弁が開放されるため、比較的多量の水素を排出しなければならず、燃料が無駄になるという問題が発生する。

そこで、本発明では、ＯＣＶチェック中に停止要求があった場合であっても、排出される燃料ガスの量を抑えることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給量を調整する供給量調整手段と、前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、前記燃料ガス流通路内のガスを外部に排出させるパージ弁と、
前記燃料電池の停止要求があったときに、前記パージ弁を開放させる制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池の起動要求があったときに、その起動要求を受けてから前記燃料電池が通常発電可能な状態になったと判断するまでの間における前記燃料ガス流通路内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように、前記供給量調整手段を制御することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、燃料電池の起動要求を受けると、その起動要求を受けてから燃料電池が通常発電可能な状態になったと判断するまでの間における燃料ガス流通路内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように、供給量調整手段を制御する。そのため、この制御手段によって燃料電池が通常発電可能な状態になったか否かを判断している最中（いわゆるＯＣＶチェック中）に、燃料電池の停止要求がなされてパージ弁が開放されたとしても、ＯＣＶチェック中における燃料ガス流通路内の圧力が前記した小さな圧力に保たれているので、燃料電池の停止時において排出される燃料ガスの量を抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、燃料電池の起動要求があったときに、燃料ガスを前記燃料電池に供給する第一ステップと、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内の圧力が所定値となるように、前記燃料ガス流通路内の圧力を調整する第二ステップと、前記第二ステップで調整された圧力によって前記燃料ガス流通路内のガスを外部に排出させる第三ステップと、を有する燃料電池システムの起動方法であって、前記第二ステップにおける所定値を、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように設定したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の起動要求が出力されると、第一ステップにおいて燃料ガスが燃料電池に供給された後、第二ステップにおいて燃料ガス流通路内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように調整され、その後、第三ステップにおいて燃料ガス流通路内のガスが外部に排出される。そのため、例えば第二ステップから第三ステップまでの間に停止要求が出力されて燃料ガス流通路内のガスが排出される場合であっても、第二ステップにおいて燃料ガス流通路内の圧力が前記した所定の小さな圧力に調整されているため、燃料電池の停止時において排出される燃料ガスの量を抑えることができる。また、第三ステップ（ＯＣＶチェック中）において排出する燃料ガスの量も抑えることができる。

請求項１に記載の発明によれば、ＯＣＶチェック中に燃料電池の停止要求が出力された場合であっても、ＯＣＶチェック中における燃料ガス流通路内の圧力が所定の小さな圧力に保たれているので、燃料電池の停止時において排出される燃料ガスの量を抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、第二ステップにおいて燃料ガス流通路内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように調整されるので、例えば第二ステップから第三ステップまでの間に停止要求が出力されて燃料ガス流通路内のガスが排出される場合であっても、排出される燃料ガスの量を抑えることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）１１、コンプレッサ１２、燃料電池１３、遮断弁１４、圧力調整弁（供給量調整手段）１５、パージ弁１６および制御部（制御手段）１７を主に備えている。

高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開放されることで燃料電池１３へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路（燃料ガス流通路）２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、圧力調整弁１５、圧力センサ２１Ａが設けられている。なお、圧力センサ２１Ａは、常時燃料ガス供給路２１内の圧力を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部１７に出力している。

コンプレッサ１２は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池１３に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路２２が設けられている。

燃料電池１３は、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給される空気とを電気化学反応させることにより発電するものである。また、燃料電池１３には、この燃料電池１３で発電した電力を消費するモータなどの負荷３１が接続されており、この負荷３１を制御部１７でＯＮ・ＯＦＦすることにより、燃料電池１３が稼動・停止される、すなわち燃料電池１３からの電流の取り出しがＯＮ・ＯＦＦ（実行・停止）されるようになっている。

遮断弁１４は、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替える弁であり、制御部１７から起動電流（ＯＮ信号）が供給されることで図示せぬソレノイドコイルが励磁し、その磁力によって常時ばねで閉方向に付勢されている図示せぬ可動子が強い力で吸引されることによって開放されるようになっている。

圧力調整弁１５は、燃料電池１３へ供給する水素ガスの圧力を調整する弁であり、遮断弁１４と燃料電池１３の間に設けられている。すなわち、この圧力調整弁１５の開度が制御部１７によって適宜調整されることで、水素ガスの供給量が調整されるようになっている。

パージ弁１６は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料電池１３のアノード側の出口に接続される燃料ガス排出路（燃料ガス流通路）２４に設けられている。すなわち、このパージ弁１６が制御部１７によって開放されることで、燃料ガス供給路２１、燃料電池１３に形成される図示せぬ通路および燃料ガス排出路２４（以下、これらを単に「アノード系」ともいう）内のガスが外部に排出されるようになっている。

制御部１７は、例えば運転者がイグニッションスイッチをＯＮにすることなどによって出力される燃料電池１３の起動要求を受けたときに、その起動要求を受けてから燃料電池１３が通常発電可能な状態になったと判断するまでの間におけるアノード系内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように、圧力調整弁１５を制御する機能を有している。具体的には、燃料電池１３の起動時において、この制御部１７は、後記するフロー（図２参照）に基づいて動作する。

また、制御部１７は、例えば運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどによって出力される燃料電池１３の停止要求を受けたときに、この停止要求がＯＣＶチェック中に出力されたものかどうかを判断する機能を有するとともに、その判断結果に応じた二つのフロー（図３，４参照）のどちらか一方に基づいて動作するようになっている。ここで、停止要求がＯＣＶチェック中に出力されたものかどうかを判断する手法としては、例えば起動要求から所定時間が経過したか否かを判断する手法や、発電電流が通常発電時における最小値以上であるか否かを判断する手法などを採用することができる。なお、制御部１７は、前記した機能の他、遮断弁１４を開閉させる機能、負荷３１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能、コンプレッサ１２の回転速度を変更させる機能などのような従来と同様の機能も備えている。

以下に、制御部１７の起動時における動作（燃料電池システム１の起動方法）について図１〜図３を参照して説明する。参照する図面において、図２は制御部の起動時における動作を示すフローチャートであり、図３は図２のフローにおいて参照するテーブルを示す図である。

図２に示すように、制御部１７（図１参照）は、起動要求を受けると、遮断弁１４を開放させることで水素ガスの供給を開始させるとともに（ステップＳ１）、コンプレッサ１２の駆動を開始させることで空気の供給を開始させる（ステップＳ２）。そして、アノード系内の圧力の目標値ＰＨＲＥＱを、図３に示すような通常発電時における最小圧Ｐ２よりも小さく、かつ、大気圧Ｐ３よりも大きな値となる所定値Ｐ１に設定し（ステップＳ３）、アノード系内の圧力が、前記のように設定した目標値ＰＨＲＥＱ（所定値Ｐ１）となるように、圧力調整弁１５の開度を制御する（ステップＳ４）。ここで、ステップＳ１が、特許請求の範囲にいう「第一ステップ」に相当し、ステップＳ３，Ｓ４が、特許請求の範囲にいう「第二ステップ」に相当する。

その後は、パージ弁１６を開放させることで（ステップＳ５）、アノード系内の残留ガス（窒素ガス等）を外部に排出させるとともに、燃料電池１３の開放セル電圧（負荷３１をＯＮにしていないときに発生する電圧）が所定値以上であるか否かを図示せぬ電圧計などによって監視することで、燃料電池１３の通常発電を許可してもよいか否か（燃料電池１３が通常発電可能な状態であるか否か）を判断する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ６において通常発電を許可できないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ６の処理を繰り返す。ここで、ステップＳ５は、特許請求の範囲にいう「第三ステップ」に相当する。

また、ステップＳ６において通常発電を許可してもよいと判断された場合は（Ｙｅｓ）、パージ弁１６を閉じることで（ステップＳ７）、ＯＣＶチェックの処理を終了させる。その後は、図３に示すテーブル（実線で示す部分）を参照して目標発電電流ＩＣＭＤの値からアノード系内の圧力の目標値ＰＨＲＥＱを算出し（ステップＳ８）、アノード系内の圧力が、ステップＳ８で設定した圧力値となるように、圧力調整弁１５の開度を制御することで（ステップＳ９）、ＯＣＶチェックから通常発電に移行することとなる。ここで、目標発電電流ＩＣＭＤとは、例えば運転者によってアクセルが踏み込まれることによって要求される電流量をいい、アクセルの踏み込み量の増減に伴って増減する値である。

続いて、制御部１７の通常の停止時（ＯＣＶチェック中ではないときに停止要求がされた場合）における動作について図１および図４を参照して説明する。参照する図面において、図４は制御部の通常の停止時における動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、制御部１７（図１参照）は、停止要求を受けると、遮断弁１４を閉塞させることで水素ガスの供給を停止させるとともに（ステップＳ１１）、所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する（ステップＳ１２）。ここで、所定時間Ｔ１は、遮断弁１４を閉塞させてからアノード系内の圧力が所定値Ｐ１に低下するまでに必要な時間である（図６参照）。なお、このステップＳ１２におけるアノード系内の圧力は、燃料電池１３によってアノード系内の水素ガスが消費されることによって、低下する。

ステップＳ１２において、所定時間Ｔ１が経過していないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１２の処理を繰り返し、所定時間Ｔ１が経過したと判断された場合は（Ｙｅｓ）、負荷３１をＯＦＦにすることで、燃料電池１３からの電流の取り出しを停止させる（ステップＳ１３）。ステップＳ１３の後は、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判断する（ステップＳ１４）。ここで、所定時間Ｔ２は、発電により生成された凝縮水をカソード系（空気供給路２２や燃料電池１３に形成される図示せぬ通路）内から外部へパージするために必要な時間である。

ステップＳ１４において、所定時間Ｔ２が経過していないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１４の処理を繰り返し、所定時間Ｔ２が経過したと判断された場合は（Ｙｅｓ）、パージ弁１６を開放させて（ステップＳ１５）、大気圧より高い圧力である所定値Ｐ１の圧力によってアノード系内に残留する凝縮水をパージさせる。ステップＳ１５の後は、所定時間Ｔ３が経過したか否かを判断する（ステップＳ１６）。ここで、所定時間Ｔ３は、パージ弁１６を開放させてからアノード系内の圧力が所定値Ｐ４に低下するまでに要する時間（図６参照）である。

ステップＳ１６において、所定時間Ｔ３が経過していないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１６の処理を繰り返し、所定時間Ｔ３が経過したと判断された場合は（Ｙｅｓ）、パージ弁１６を閉塞させて（ステップＳ１７）、アノード系内のパージ処理を完了させる。ステップＳ１７の後は、所定時間Ｔ４が経過したか否かを判断する（ステップＳ１８）。ここで、所定時間Ｔ４は、パージされた水素ガスと空気とを混合させることで水素を希釈して外部に排出する際に、水素濃度を所定値まで低下させるために必要な時間である。

ステップＳ１８において、所定時間Ｔ４が経過していないと判断された場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１８の処理を繰り返し、所定時間Ｔ４が経過したと判断された場合は（Ｙｅｓ）、コンプレッサ１２を停止させることで、燃料電池１３への空気の供給を停止させて（ステップＳ１９）、このフローによる停止処理を終了させる。

続いて、ＯＣＶチェック中に停止要求がされた場合における制御部１７の動作について図５を参照して説明する。参照する図面において、図５はＯＣＶチェック中に停止要求がされた場合における制御部の動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、このフローは、図４に示すフローからステップＳ１２，Ｓ１３の処理を取り除いた構成となっている。すなわち、ＯＣＶチェック中においてはアノード系内の圧力が所定値Ｐ１に保持されており、かつ、燃料電池１３が稼動されていない状態であるため（図２参照）、このフローでは、ステップＳ１２のような燃料電池１３の稼動によってアノード系内の圧力を所定値Ｐ１まで低下させる処理や、ステップＳ１３のような燃料電池１３の稼動を停止させる処理が不要となっている。

次に、通常の停止処理とＯＣＶチェック中の停止処理を図６，７に示すタイムチャートを参照して説明するとともに、各停止処理において排出される水素ガスの量（排出水素量）について説明する。参照する図面において、図６は通常の停止処理を示すタイムチャートであり、図７はＯＣＶチェック中の停止処理を示すタイムチャートである。

通常の停止処理では、図６に示すように、停止要求が出力されると、水素供給が止められ、その後アノード系内の圧力が燃料電池１３の稼動によって徐々に下がっていく。その後、アノード系内の圧力が所定値Ｐ１になると、発電が止められる。そして、発電を停止してから所定時間Ｔ２が経過するとパージ弁１６が開放されるが、このときのアノード系内の圧力は所定値Ｐ１まで下げられているため、その排出水素量は比較的少量となる。

また、ＯＣＶチェック中の停止処理では、図７に示すように、起動開始直後（例えば、図２のステップＳ４とステップＳ５の間）に停止要求が出力されると、水素供給が止められる。そして、水素供給を止めてから所定時間Ｔ２が経過するとパージ弁１６が開放されるが、このときのアノード系内の圧力はＯＣＶチェック中における制御（図２のステップＳ４）によって所定値Ｐ１に保持されているため、その排出水素量は通常の停止処理（図６）のときと略同様に比較的少量となる。ここで、図７において太字の点線で示す対策後の結果（本実施形態で得られる結果）と、太字の実線で示す対策前の結果（ＯＣＶチェック中におけるアノード系内の圧力を通常発電時の最小圧Ｐ２よりも高くする場合に得られる結果）とを比較すると、本実施形態の方が対策前よりも排出水素量が少なくなることが分かる。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ＯＣＶチェック中に燃料電池１３の停止要求が出力された場合であっても、ＯＣＶチェック中におけるアノード系内の圧力が所定値Ｐ１（小さな値）に保たれているので、燃料電池１３の停止時において排出される水素ガスの量を最小限に抑えることができる。
ＯＣＶチェック中に停止要求がされた場合の停止処理では、通常の停止処理を示すフロー（図４参照）からステップＳ１２，Ｓ１３を取り除いたフロー（図５参照）を参照するので、通常の停止処理よりも所定時間Ｔ１分だけ早く、停止処理を完了させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、図３に示すように所定値Ｐ１の値を通常発電時における最小圧Ｐ２に近い値としたが、本発明はこれに限定されず、最小圧Ｐ２から大気圧Ｐ３までの範囲内であればどのような値にしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 制御部の起動時における動作を示すフローチャートである。 図２のフローにおいて参照するテーブルを示す図である。 制御部の通常の停止時における動作を示すフローチャートである。 ＯＣＶチェック中に停止要求がされた場合における制御部の動作を示すフローチャートである。 通常の停止処理を示すタイムチャートである。 ＯＣＶチェック中の停止処理を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 高圧水素タンク
１２ コンプレッサ
１３ 燃料電池
１４ 遮断弁
１５ 圧力調整弁
１６ パージ弁
１７ 制御部
２１ 燃料ガス供給路
２１Ａ 圧力センサ
２２ 空気供給路
２４ 燃料ガス排出路
３１ 負荷
Ｐ１ 所定値
Ｐ２ 最小圧
Ｐ３ 大気圧

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガスの供給量を調整する供給量調整手段と、
   前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、
   前記燃料ガス流通路内のガスを外部に排出させるパージ弁と、
   前記燃料電池の停止要求があったときに、前記パージ弁を開放させる制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、
   前記燃料電池の起動要求があったときに、その起動要求を受けてから前記燃料電池が通常発電可能な状態になったと判断するまでの間における前記燃料ガス流通路内の圧力が、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように、前記供給量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池の起動要求があったときに、燃料ガスを前記燃料電池に供給する第一ステップと、
   前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内の圧力が所定値となるように、前記燃料ガス流通路内の圧力を調整する第二ステップと、
   前記第二ステップで調整された圧力によって前記燃料ガス流通路内のガスを外部に排出させる第三ステップと、を有する燃料電池システムの起動方法であって、
   前記第二ステップにおける所定値を、通常発電時における最小圧よりも小さく、かつ、大気圧よりも大きくなるように設定したことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

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