JP2008034309A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電停止時の二次電池の出力性能に応じて燃料電池内部を十分に掃気する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック３０と、発電停止時に燃料電池スタック３０に掃気ガスを供給するエアコンプレッサと、エアコンプレッサに作動電力を供給する二次電池７６と、二次電池の温度を検出する温度センサ９３を備える。コントローラ２０は、発電停止時に燃料電池スタック３０に掃気ガスを供給するときの掃気時間を二次電池７６の温度に基づいて推定し、その掃気時間以内に燃料電池スタック３０内部の残留水分を掃気するときの掃気開始温度を推定する。冷却装置６０は、掃気開始温度に達するまで燃料電池スタック３０の温度を昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は発電停止時に燃料電池に掃気ガスを供給し、燃料電池内部の水分を排水する燃料電池システムに関する。

近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池システムを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池システムは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体に反応ガスを供給することで電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池システムは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

燃料電池のガス流路内部には、反応ガスの電気化学反応で生じた生成水や反応ガスを加湿するための加湿水などが残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温環境下では、残留水が凍結してしまい、膜−電極接合体への反応ガスの拡散が妨げられ、低温始動性が低下する。

このような問題点に鑑み、特開２００５−３１７２２４号公報には、燃料電池内部を循環する冷媒の温度を発電停止時に昇温させ、燃料電池を暖機させながらエアコンプレッサを駆動させて燃料電池内部に掃気ガスを供給し、ガス流路内部に残留する水分を排水するように構成された燃料電池システムが提案されている。
特開２００５−３１７２２４号公報

しかし、同公報に記載の技術では、エアコンプレッサに作動電力を供給する二次電池の残容量や、二次電池の温度低下による出力性能低下を考慮してないので、エアコンプレッサへの作動電力の供給が不足し、燃料電池内部の排水が十分に行われない可能性がある。特に、寒冷地においては、二次電池の温度低下による出力性能低下が生じやすいので、二次電池の出力性能を考慮した上で、燃料電池内部を十分に掃気できるよう対策を講じる必要がある。

そこで、本発明は発電停止時の二次電池の出力性能に応じて燃料電池内部を十分に掃気できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、発電停止時に燃料電池に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、掃気ガス供給手段に作動電力を供給する二次電池と、二次電池の温度又は残容量を検出する検出手段と、発電停止時に燃料電池に掃気ガスを供給するときの掃気時間を二次電池の温度又は残容量に基づいて推定する掃気時間推定手段と、掃気時間推定手段が推定した掃気時間以内に燃料電池内部の残留水分を掃気するときの掃気開始温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段が推定した掃気開始温度に達するまで燃料電池の温度を昇温させる温度調整手段と、を備える。

二次電池の温度又は残容量に基づいて掃気時間を推定し、掃気時間以内に掃気処理が完了するように、燃料電池を暖機して掃気ガスの掃気能力を高めることにより、二次電池から掃気手段に供給できる作動電力が限られる場合であっても、燃料電池内部を十分に掃気することができる。

ここで、温度推定手段は、燃料電池内部の水分量、温度、又は運転条件のうち何れかに基づいて掃気開始温度を補正するのが好ましい。これらのパラメータを基に燃料電池内部の残留水分量をより精度よく推定することにより、燃料電池を暖機するために要するエネルギーの無駄を抑制できる。

温度調整手段は、発電停止時における二次電池の温度又は残容量が所定値未満であることを条件として、燃料電池の温度を掃気開始温度まで昇温させるのが好ましい。二次電池の温度又は残容量が所定値以上のときは、掃気処理に必要な十分な電力を二次電池から供給できるので、掃気処理の際に燃料電池を暖機する必要はないためである。

本発明によれば、二次電池の温度又は残容量に基づいて掃気時間を推定し、掃気時間以内に掃気処理が完了するように、燃料電池を暖機して掃気ガスの掃気能力を高めることにより、二次電池から掃気手段に供給できる作動電力が限られる場合であっても、燃料電池内部を十分に掃気することができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載用電力発電システムであり、化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電する燃料電池スタック３０を有する。燃料電池スタック３０は、複数のセルを直列に積層してなるものである。セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体と、膜−電極接合体に反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流すためのガス流路（アノードガス流路、カソードガス流路）や冷媒を流すための冷媒流路が形成されたセパレータとから成る。燃料電池スタック３０は、例えば、固体高分子型燃料電池スタックであり、水素タンク８０からアノード極に燃料ガス（水素ガス）の供給を受けるとともに、エアコンプレッサ５０からカソード極に酸化ガス（エア）の供給を受けて発電する。

燃料ガス供給系統には、燃料ガス供給路４２上に水素タンク８０、遮断弁８１、レギュレータ８２などが配設されている。遮断弁８１が開弁すると、水素タンク８０に貯蔵されている高圧水素ガスは、レギュレータ８２にて所定の圧力に調圧された後、燃料電池スタック３０のアノード極に供給される。

酸化ガス供給系統には、酸化ガス供給路４１上にエアコンプレッサ５０、加湿器５１などが配設されている。エアコンプレッサ５０によって大気から取り込まれたエアは、所定のガス圧に加圧され、加湿器５１にて適度に加湿された後、燃料電池スタック３０のカソード極に供給される。

燃料電池スタック３０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック３０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

連絡通路４３は、酸化ガス供給路４１から分岐して燃料ガス供給路４２に合流するガス流路である。連絡通路４３上には、遮断弁８３が配設されており、通常運転時には、遮断弁８３は閉弁している。燃料電池スタック３０内部のガス流路には、（２）式に示す還元反応で生じた生成水や反応ガスに含まれている加湿水などの水分が残留している。システム停止時（発電停止時）には、エアコンプレッサ５０から供給される加圧エア（掃気ガス）を燃料電池スタック３０のカソード極に導入し、燃料電池スタック３０内のカソードガス流路に残留している水分を燃料電池スタック３０外に排水するとともに、更に遮断弁８３を開弁し、酸化ガス供給路４１を流れる加圧エアの一部を連絡通路４３経由で燃料電池スタック３０のアノード極に導入し、燃料電池スタック３０内のアノードガス流路に残留している水分を燃料電池スタック３０外に排水する。このとき、エアコンプレッサ５０は、残留水分を掃気するための掃気手段として機能する。

冷却装置６０は、燃料電池スタック３０の運転温度を調整する温度調整手段として機能する。冷却装置６０は、冷媒通路６１に沿って燃料電池スタック３０内部に冷媒を循環させるためのポンプ６２、冷媒温度を調整するためのラジエータ６３及びヒータ６４を備える。冷媒通路６１には、三方弁６５，６６が配設されており、冷媒の流れを制御できるように構成されている。通常運転時には、三方弁６５のポートＰ１，Ｐ３は開弁し、ポートＰ２は閉弁する。同様に、三方弁６６のポートＰ４，Ｐ６は開弁し、ポートＰ５は閉弁する。すると、燃料電池スタック３０の発熱を吸収し、昇温した冷媒は、ラジエータ６３の冷却作用により降温され、再び燃料電池スタック３０の発熱を吸収するというサイクルを繰り返しながら、冷媒通路６１上を循環する。

燃料電池スタック３０の出力端子には、電力ライン７７，７８を介して複数のインバータ７１，７３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５とが各々並列に接続されている。インバータ７１，７３は、例えば、６個のパワートランジスタにより構成される３相ブリッジ回路を備えており、燃料電池スタック３０又は二次電池７６から供給される直流電力をパワートランジスタのスイッチング動作によって交流電力（三相交流）に変換する。インバータ７１は、車両走行推進力を得るためのトラクションモータ７２に交流電力を供給する。トラクションモータ７２は、例えば、三相動機モータ等の電動モータである。インバータ７３は、エアコンプレッサ５０を駆動させるためのコンプレッサモータ７４に交流電力を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７５には、燃料電池スタック３０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電するための二次電池７６が接続されている。二次電池７６は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池７６としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、燃料電池車両がトラクションモータ７２により力行走行するときには、二次電池７６の出力電圧を昇圧してインバータ７１に直流電力を供給する一方、燃料電池車両がトラクションモータ７２により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧して二次電池７６を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、燃料電池スタック３０の余剰発電力を蓄電するために、燃料電池スタック３０の出力電圧を降圧して二次電池７５を充電することもできる。

コントローラ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御ユニット（ＥＣＵ）である。コントローラ２０は、メモリ２１に格納された各種制御プログラムやデータ（例えば、二次電池温度−出力可能時間マップデータ１０１、掃気開始温度−掃気時間マップデータ１０２等）に基づいて燃料電池システム１０を制御する（マップデータ１０１，１０２の詳細については後述する。）。

例えば、コントローラ２０は、イグニッションスイッチ２２から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ２４から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ２３から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求める。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿装置、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などがある。

そして、コントローラ２０は、燃料電池スタック３０と二次電池７６の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック３０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ５０の回転数やレギュレータ８２の弁開度を調整し、燃料電池スタック３０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５を制御して燃料電池スタック３０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック３０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ２０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をインバータ７１に出力し、トラクションモータ７２の出力トルク及び回転数を制御する。

コントローラ２０は、燃料電池システム１０に配設されている各種センサ類からの信号を受信し、発電運転を制御する。各種センサ類として、例えば、燃料電池スタック３０の温度（例えば、冷媒温度）を検出する温度センサ９１、燃料電池スタック３０の内部抵抗を検出するための内部抵抗計測器９２、二次電池７６の温度を検出する温度センサ９３、二次電池７６の残容量を検出するＳＯＣセンサ９４がある。

内部抵抗計測器９２は、例えば、燃料電池スタック３０に高周波電流を印加し、その電圧応答を検出することにより、燃料電池スタック３０の内部抵抗を求めることのできる高周波インピーダンス計測器である。燃料電池スタック３０の内部抵抗は、燃料電池スタック３０内部に残留している水分量と相関性を有しているので、内部抵抗を検出することにより残留水分量をある程度推定することができる。

ここで、システム停止時における、燃料電池スタック３０内部の水分を掃気するための制御処理について概説する。図２は、二次電池温度−出力可能時間マップデータ１０１を示している。横軸は二次電池７６の温度を示し、縦軸は二次電池７６から電力を放電できる時間（出力可能時間）を示している。燃料電池スタック３０内部の水分を掃気するために必要な単位時間あたりの補機電力（エアコンプレッサ５０、ヒータ６４などの補機類の作動電力）は、残留水分量や温度などによって多少のばらつきがあるが、ここでは便宜上一定値と考えて、ある温度Ｔにおいて二次電池７６から出力可能な電力を単位時間あたりの補機電力で割ることにより、温度Ｔにおける出力可能時間を求めることができる。二次電池７６からの電力供給不足による掃気不足を回避するには、残留水分量が多量にある場合を想定した上での単位時間あたりの補機電力に基づいて出力可能時間を求めるのが好適である。

様々な温度Ｔにおける二次電池７６の出力可能時間を実験により求めると、図２に示すような二次電池温度−出力可能時間マップデータ１０１を得ることができる。図２を参照すると、ある一定の温度Ｔ０以下では、二次電池７６の温度が低下する程、出力可能時間が漸減することが分かる。特に寒冷地においては、二次電池７６の温度低下による出力特性低下が原因でコンプレッサモータ７４に十分な電力を供給できず、燃料電池スタック３０内の水分を十分に掃気できない可能性がある。

そこで、本実施形態では、低温環境下で出力特性が低下した二次電池７６から供給できる電力が限られる場合であっても、燃料電池スタック３０内部の水分を十分に掃気できるように、燃料電池スタック３０を暖機する。燃料電池スタック３０を暖機すると、燃料電池スタック３０内部を流れる掃気ガスは、熱を吸収して膨張するので低温の同一質量流量の掃気ガスに比べて体積流量が増大し、残留水の除去能力を高めることができる。また、掃気ガスが温められることによって、飽和水蒸気量が増大し（換言すると、掃気ガスの相対湿度が低下し）、同一の体積流量でも残留水の持ち去り量を増大できる。故に、掃気処理に必要な掃気ガス量を減らすことができ、掃気に費やされるエネルギーを抑えることができる。この結果、低温環境下で出力特性が低下した二次電池７６から供給できる電力が限られる場合であっても、十分な掃気処理が可能になる。

燃料電池スタック３０を暖機する方法として、例えば、三方弁６５のポートＰ１，Ｐ２を開弁し、ポートＰ３を閉弁する。同様に、三方弁６６のポートＰ４，Ｐ５を開弁し、ポートＰ４を閉弁する。すると、燃料電池スタック３０内部を循環する冷媒は、ヒータ６４の発熱作用により昇温し、燃料電池スタック３０を暖機することができる。他の暖機方法として、例えば、冷却装置６０の冷却能力を低下させた状態（具体的には、ポンプ６２を停止させるか、又は回転数を低下させる）で、燃料電池スタック３０に反応ガスを供給して、低効率発電を実施してもよい。このとき、低効率発電によって昇温した燃料電池スタック３０内部の温度が高分子電解質膜の耐熱温度を上回らないように反応ガス供給量を調整する。

図３は、掃気開始温度−掃気時間マップデータ１０２を示している。横軸は掃気処理を開始する温度（掃気開始温度）を示し、縦軸は掃気処理に要する時間（掃気時間）を示している。ここで、図２に示す出力可能時間と図３に示す掃気時間とが同一であるという前提に立ち、掃気時間内に掃気処理が完了する上で必要な掃気開始温度を実験により求めると、図３に示すような掃気開始温度−掃気時間マップデータ１０２を得ることができる。例えば、掃気時間ｔ０以内に掃気処理を完了させるには、掃気開始温度をＴ１〜Ｔ２の範囲内に設定する必要があることがわかる。ここで、掃気時間をｔ０に設定したとき、掃気開始温度をＴ１〜Ｔ２の範囲内において、具体的にどの温度に設定したらよいかは、燃料電池スタック３０内の残留水分量に依存する。燃料電池スタック３０内部の水分量は、内部抵抗計測器９２によって求められた内部抵抗値によって、ある程度推定することができるが、水分量が多くなると、内部抵抗値のみでは、正しい水分量を推測することができない。

そこで、内部抵抗計測器９２によって求められた内部抵抗値の他に、温度や運転条件などを基に燃料電池スタック３０内部の残留水分量を推定し、掃気開始温度を補正する。運転条件とは、どの程度の温度環境下においてどの程度のパワーをどの程度の時間にわたり出力したのかを示す運転履歴をいう。例えば、低温環境下において長時間の高出力運転を実施すると、残留水分量は極めて多くなる。内部抵抗値に加えて温度や運転条件などを加味することで、掃気開始温度をＴ１〜Ｔ２の範囲内の最適値に補正できる。

尚、上記の説明においては、二次電池７６の温度に基づいて出力可能時間を求め、その出力可能時間（＝掃気時間）以内に掃気処理を完了できる掃気開始温度を求める構成について例示したが、二次電池７６の残容量に基づいて出力可能時間を求め、その出力可能時間（＝掃気時間）以内に掃気処理を完了できる掃気開始温度を求める構成を採用してもよい。二次電池７６の残容量は、ＳＯＣセンサ９４の出力値に基づいて検出できる。

また、二次電池７６の温度がＴ０以上のとき、又は残容量が所定値（例えば、残容量３０％程度）以上のときは、二次電池７６からの電力供給が不足することはないので、上述した燃料電池スタック３０の暖機処理は、二次電池７６の温度がＴ０未満、又は残容量が所定値未満のときに実施すればよい。

次に、図４を参照しながらシステム停止時の掃気制御について説明する。
コントローラ２０は、イグニッションスイッチ２２がオンからオフに切り替えられたことを検出すると（ステップ４０１；ＹＥＳ）、温度センサ９３の出力値に基づいて二次電池７６の温度を計測し（ステップ４０２）、二次電池７６の温度が所定値Ｔ０未満であるか否かを判定する（ステップ４０３）。

二次電池７６の温度が所定値Ｔ０未満であるならば（ステップ４０３；ＹＥＳ）、コントローラ２０は、二次電池温度−出力可能時間マップデータ１０１を参照して二次電池７６の出力可能時間を推定する（ステップ４０４）。

次に、コントローラ２０は、掃気開始温度−掃気時間マップデータ１０２を参照して掃気開始温度を推定する（ステップ４０５）。このとき、燃料電池スタック３０の内部抵抗、温度、運転条件などを基に残留水分量を推定し、掃気開始温度を適正値に補正する。

次に、コントローラ２０は、冷却装置６０等を制御して燃料電池スタック３０の温度が掃気開始温度に達するように調整し（ステップ４０６）、燃料電池スタック３０の温度が掃気開始温度に達した時点で掃気処理を開始する（ステップ４０７）。このとき、遮断弁４３は開弁され、エアコンプレッサ５０から供給される加圧エアが燃料電池スタック３０内部のアノードガス流路及びカソードガス流路に流れ込み、残留水分を掃気する。

掃気処理を開始してから掃気時間が経過すると（ステップ４０８；ＹＥＳ）、掃気処理は終了する。

一方、二次電池７６の温度が所定値Ｔ０以上であるならば（ステップ４０３；ＮＯ）、コントローラ２０は、掃気処理を所定時間実行する（ステップ４０９）。このとき、二次電池７６からは、掃気処理に必要な十分な電力を供給できるので、燃料電池スタック３０を暖機する必要はなく、また掃気処理に要する時間も十分に確保できる。

本実施形態によれば、二次電池７６の温度又は残容量に基づいて掃気時間を推定し、掃気時間以内に掃気処理が完了するように、燃料電池スタック３０を暖機して掃気ガスの掃気能力を高めることにより、二次電池７６からエアコンプレッサ５０に供給できる作動電力が限られる場合であっても、燃料電池スタック３０内部を十分に掃気することが可能となる。

本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 二次電池温度−出力可能時間マップデータの説明図である。 掃気開始温度−掃気時間マップデータの説明図である。 システム停止時の掃気制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…コントローラ ３０…燃料電池スタック ５０…エアコンプレッサ ６０…冷却装置 １０１…二次電池温度−出力可能時間マップデータ １０２…掃気開始温度−掃気時間マップデータ

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
   発電停止時に前記燃料電池に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
   前記掃気ガス供給手段に作動電力を供給する二次電池と、
   前記二次電池の温度又は残容量を検出する検出手段と、
   発電停止時に前記燃料電池に掃気ガスを供給するときの掃気時間を前記二次電池の温度又は残容量に基づいて推定する掃気時間推定手段と、
   前記掃気時間推定手段が推定した掃気時間以内に前記燃料電池内部の残留水分を掃気するときの掃気開始温度を推定する温度推定手段と、
   前記温度推定手段が推定した掃気開始温度に達するまで前記燃料電池の温度を昇温させる温度調整手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内部の水分量、温度、又は運転条件のうち何れかに基づいて前記掃気開始温度を補正する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度調整手段は、発電停止時における前記二次電池の温度又は残容量が所定値未満であることを条件として、前記燃料電池の温度を前記掃気開始温度まで昇温させる、燃料電池システム。

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