JP2012038618A - 燃料電池システムの始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に小型且つ経済的なシステムにより、始動時のガス置換処理を短時間で遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０の始動方法は、携帯装置２３を所持する運転者が、外部から車両に近接したことをコントローラ２１により検出する工程と、前記コントローラ２１が前記運転者の前記車両への近接信号を検出した際、前記車両を走行可能にするイグニッションスイッチ８６がオンされる前に、燃料電池スタック１２内における酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理を開始する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を車両に搭載した燃料電池システムの始動方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。燃料電池スタックは、一般的に、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載されている。

この種の燃料電池スタックでは、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池スタックへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池スタックを長時間にわたって停止させていると、カソード側から電解質膜を透過した空気がアノード側に移動し、カソード側電極及びアノード側電極に空気が存在する状態になってしまう。

この状態で、燃料電池スタックを起動させると、アノード側電極に燃料ガスの供給を開始する際、水素と空気とが混在するため、カソード側電極が高電位となり易い。これにより、前記カソード側電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が惹起されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの起動方法が知られている。この起動方法は、少なくとも燃料ガス流路に残存する酸化剤ガスを吸引して前記燃料ガス流路を減圧する工程と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給するとともに、酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる工程とを有している。

これにより、カソード側電極が高電位になることがなく、燃料電池の起動処理が効率的に遂行される。

特開２００９−１６３９１９号公報

ところで、特に車載用燃料電池システムでは、燃料電池の起動を迅速に行うことが望まれており、短時間で減圧処理を完了させる必要がある。このため、減圧ポンプの容量を大きく設定することが考えられるが、前記減圧ポンプが大型化してしまう。これにより、車両内に減圧ポンプの設置スペースを確保することができず、しかも、エネルギの消費量が増大するという問題がある。

さらに、大型の減圧ポンプをモータルーム（所謂、エンジンルーム）に設定し、燃料電池を床下に配置した場合、接続配管が長くなり、減圧空間が拡大してしまう。その際、減圧空間の拡大を抑制するためには、燃料電池スタック直近に大型の専用バルブを設ける必要がある。

さらにまた、車両の停止中に、燃料ガス流路側のアノード系に残存する水素を排出させるため、減圧ポンプからの排気ラインを希釈器まで取り回す必要がある。従って、システム全体のレイアウトが相当に煩雑化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に小型且つ経済的なシステムにより、始動時のガス置換処理を短時間で遂行することが可能な燃料電池システムの始動方法を提供することを目的とする。

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を車両に搭載した燃料電池システムの始動方法に関するものである。

この始動方法は、搭乗者が外部から車両に近接したか否かを検出する工程と、前記搭乗者の前記車両への近接信号を検出した際、前記車両を走行可能にする起動スイッチがオンされる前に、燃料電池内におけるガス置換処理を開始する工程とを有している。

また、この始動方法では、ガス置換処理は、燃料ガス流路に残存する酸化剤ガスを、減圧ポンプにより吸引して前記燃料ガス流路を減圧する工程を有することが好ましい。

本発明では、搭乗者が外部から車両に近接した際に、燃料電池内におけるガス置換処理が開始されている。このため、搭乗者が、座席に着いて起動スイッチ（所謂、イグニッションスイッチ）をオンするまでの間、ガス置換処理が行われている。

従って、燃料電池システムの起動時間を有効に短尺化させることができ、迅速且つ安定的に所望の発電状態を確保することが可能になる。しかも、ポンプ類は、有効に小型化、省スペース化及び軽量化することができるとともに、消費電力を良好に抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る始動方法を説明するフローチャートである。 前記始動方法におけるタイミングチャートである。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧停止時の説明図である。 前記燃料電池システムの発電時の説明図である。 前記燃料電池システムの発電停止時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムの空気投入時の説明図である。 従来の減圧処理を開始するタイミングチャートである。 本発明の減圧処理を開始するタイミングチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係る始動方法が適用される燃料電池システム１０の概略構成図である。燃料電池システム１０は、図示しないが、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、後述する酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６を吸引する減圧装置１８と、燃料ガスを空気により希釈する希釈装置２０と、前記燃料電池システム１０全体を制御するコントローラ２１と、無線通信により前記コントローラ２１と通信接続され、搭乗者（例えば、運転者）が外部から車両に近接したか否かを検出する携帯装置２３とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２を積層して構成される。各燃料電池２２は、固体高分子電解質膜２４をカソード側電極２６とアノード側電極２８とで挟持した電解質膜・電極構造体３０を備え、前記電解質膜・電極構造体３０を一対のセパレータ３２ａ、３２ｂで挟持する。電解質膜・電極構造体３０とセパレータ３２ａとの間には、カソード側電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３４が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体３０とセパレータ３２ｂとの間には、アノード側電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３６が形成される。

燃料電池スタック１２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３４に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３８ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路３６に供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａとが形成される。燃料電池スタック１２の積層方向他端部には、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３４から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと、燃料ガスを燃料ガス流路３６から排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂとが形成される。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ４２を備え、前記エアポンプ４２が空気供給流路４４に配設される。空気供給流路４４には、エアポンプ４２の上流側にエアフィルタ４６が配置される。空気供給流路４４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通するとともに、エアポンプ４２の下流側から希釈流路４８が分岐され、この希釈流路４８が希釈装置２０に接続される。空気供給流路４４の途上には、図示しないが、加湿器が配設される。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５０を備える。この空気排出流路５０は、希釈装置２０に接続される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク（Ｈ_２タンク）５２を備え、この水素タンク５２は、水素供給流路５４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。水素供給流路５４には、レギュレータ５６及びエゼクタ５８が設けられるとともに、前記エゼクタ５８の下流と空気供給流路４４とは、分岐流路５９を介して連通可能である。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路６０が連通するとともに、前記オフガス流路６０に水素循環路６２が連通する。オフガス流路６０は、希釈装置２０に接続される一方、水素循環路６２は、エゼクタ５８に接続される。

エゼクタ５８は、水素タンク５２から供給される水素ガスを、水素供給流路５４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６２から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

減圧装置１８は、酸化剤ガス流路３４を吸引する第１減圧ポンプ６６ａと、燃料ガス流路３６を吸引する第２減圧ポンプ６６ｂとを個別に備える。第１減圧ポンプ６６ａは、第１減圧流路６８ａに配設されるとともに、この第１減圧流路６８ａは、空気排出流路５０と希釈装置２０とに接続される。第２減圧ポンプ６６ｂは、第２減圧流路６８ｂに配置されるとともに、この第２減圧流路６８ｂは、オフガス流路６０と希釈装置２０とに接続される。

燃料電池システム１０には、第１開閉バルブ７０ａ〜第１０開閉バルブ７０ｊが配設される。具体的には、第１開閉バルブ７０ａは、分岐流路５９に配置され、第２開閉バルブ７０ｂは、空気供給流路４４に前記分岐流路５９の下流に位置して配置される。第３開閉バルブ７０ｃは、水素供給流路５４にレギュレータ５６とエゼクタ５８との間に位置して配置される。

第４開閉バルブ７０ｄは、オフガス流路６０に燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に位置して配置される一方、第５開閉バルブ７０ｅは、前記オフガス流路６０に希釈装置２０の近傍に位置して配置される。第６開閉バルブ７０ｆは、空気排出流路５０に酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に位置して配置されるとともに、第７開閉バルブ７０ｇは、前記空気排出流路５０に希釈装置２０の近傍（第１減圧流路６８ａの下流）に位置して配置される。

第８開閉バルブ７０ｈは、第１減圧流路６８ａに第１減圧ポンプ６６ａの上流に位置して配置される一方、第９開閉バルブ７０ｉは、第２減圧流路６８ｂに第２減圧ポンプ６６ｂの上流に位置して配置される。第１０開閉バルブ７０ｊは、希釈流路４８に配置される。

空気供給流路４４には、第２開閉バルブ７０ｂと酸化剤ガス入口連通孔３８ａとの間に位置して第１圧力センサ７２ａが配置される。水素供給流路５４には、燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍に位置して第２圧力センサ７２ｂが配置される。第１圧力センサ７２ａは、酸化剤ガス流路３４の減圧状態を検出し、第２圧力センサ７２ｂは、燃料ガス流路３６の減圧状態を検出する。

燃料電池スタック１２には、例えば、車両駆動モータ、エアポンプ駆動モータ等の負荷７４が、スイッチ７６を介して電気的に切断及び接続可能に設けられる。

コントローラ２１は、アンテナ７８に接続される通信回路８０を備える一方、携帯装置２３は、アンテナ８２に接続される通信回路８４を備える。コントローラ２１では、通信回路８０及びアンテナ７８を介して車両（図示せず）を含む所定範囲内に所定周期毎に呼び出し信号を発信するとともに、この呼び出し信号に応じて携帯装置２３から返信される応答信号を受信する。

コントローラ２１は、受信した応答信号に基づいて、携帯装置２３が車両に接近中であるか否かを判定する。さらに、コントローラ２１は、受信した応答信号に含まれる情報に基づいて、車両ドアの開錠を行うとともに、燃料電池スタック１２内におけるガス置換処理（後述する）を開始する。

コントローラ２１には、停止状態の車両を走行可能な状態に移行させる起動スイッチとして、例えば、イグニッションスイッチ８６が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の実施形態に係る始動方法との関連で、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム１０では、後述するように、運転停止された状態で、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４及び各燃料ガス流路３６が酸化剤ガスで満たされている。

そこで、運転者（搭乗者）が、携帯装置２３を所持して車両に接近すると、コントローラ２１は、通信回路８０及びアンテナ７８を介して前記携帯装置２３から返信される応答信号を受信する。このため、コントローラ２１は、携帯装置２３が車両に接近中であるか否かを判定し、前記携帯装置２３からの車両への接近信号を受信すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。

このステップＳ２では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理（少なくとも燃料ガス流路３６の減圧処理）が行われる。具体的には、図３及び図４に示すように、第１開閉バルブ７０ａ〜第３開閉バルブ７０ｃ、第５開閉バルブ７０ｅ、第７開閉バルブ７０ｇ及び第１０開閉バルブ７０ｊが閉じられる一方、第４開閉バルブ７０ｄ、第６開閉バルブ７０ｆ、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが開放される。この状態で、減圧装置１８を構成する第１減圧ポンプ６６ａ及び第２減圧ポンプ６６ｂが駆動される。

第１減圧ポンプ６６ａは、酸化剤ガス流路３４に連通しており、この酸化剤ガス流路３４が吸引される。従って、酸化剤ガス流路３４に残存する酸化剤ガスは、第１減圧ポンプ６６ａにより吸引されて希釈装置２０に排出されるため、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。この酸化剤ガス流路３４の減圧状態は、第１圧力センサ７２ａにより検出される。

一方、第２減圧ポンプ６６ｂは、燃料ガス流路３６に残存する酸化剤ガスを吸引し、この燃料ガスを希釈装置２０に排出する。これにより、燃料ガス流路３６が減圧される。この燃料ガス流路３６の減圧状態は、第２圧力センサ７２ｂにより検出される。

酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至った後、減圧が停止され（ステップＳ３）、所定の時間だけ保持される。この減圧停止状態は、図３及び図５に示すように、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが閉塞されることにより維持される。

次に、イグニッションスイッチ８６がオンされると（ステップＳ４）、ステップＳ５に進んで、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給される。そして、この燃料ガスの供給が開始されて所定の時間だけ経過した後、各酸化剤ガス流路３４への酸化剤ガスの供給が開始される（ステップＳ６）。

具体的には、図３及び図６に示すように、第３開閉バルブ７０ｃが開放された後、時間Ｔが経過すると、第２開閉バルブ７０ｂ及び第７開閉バルブ７０ｇが開放されるとともに、第５開閉バルブ７０ｅが断続的に（又は所定の開度だけ）開放される。

従って、先ず、水素タンク５２から水素供給流路５４に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、レギュレータ５６で減圧された後、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に供給される。燃料ガス流路３６から排出される燃料ガスは、水素循環路６２を通ってエゼクタ５８に吸引され、水素供給流路５４から再度、前記燃料ガス流路３６に供給される。

その後、エアポンプ４２が駆動されるため、空気（酸化剤ガス）は、空気供給流路４４から燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４に供給される。酸化剤ガス流路３４から排出される空気は、希釈装置２０に送られる。

そこで、スイッチ７６が閉じられて、負荷７４が燃料電池スタック１２に電気的に接続される。これにより、燃料電池スタック１２による発電が開始される（ステップＳ７）。

この発電時には、酸化剤ガスは、各燃料電池２２の酸化剤ガス流路３４に送られ、各カソード側電極２６に沿って供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池２２の各燃料ガス流路３６に供給され、各アノード側電極２８に沿って供給される。このため、カソード側電極２６に供給される空気と、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応することにより、発電が行われる。

そして、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には（ステップＳ８）、スイッチ７６が開放されることにより、燃料電池スタック１２が負荷７４から電気的に切断される。このため、燃料電池スタック１２から外部への電力供給が停止される。一方、図３及び図７に示すように、第２開閉バルブ７０ｂ及び第３開閉バルブ７０ｃが閉塞されて、燃料電池スタック１２への空気及び燃料ガスの供給が停止される。

さらに、ステップＳ９に進んで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。この減圧処理時には、図３及び図８に示すように、第５開閉バルブ７０ｅ及び第７開閉バルブ７０ｇが閉じられる一方、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが開放される。

従って、第１減圧ポンプ６６ａの作用下に、酸化剤ガス流路３４が吸引され、この酸化剤ガス流路３４に残存する酸化剤ガスが希釈装置２０に排出されることにより、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。また、第２減圧ポンプ６６ｂの作用下に、燃料ガス流路３６が吸引され、この燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスが希釈装置２０に排出されることにより、前記燃料ガス流路３６が減圧される。

その際、希釈装置２０には、酸化剤ガス流路３４に残存する空気が導入されるため、燃料ガス流路３６から排出される燃料ガスを良好に希釈することができる。なお、第１０開閉バルブ７０ｊを開放し、エアポンプ４２を駆動して希釈用空気を希釈装置２０に供給してもよい。

酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、所定の減圧状態に至った際に、減圧処理が停止される（ステップＳ１０）。このステップＳ１０では、図３及び図５に示すように、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが閉塞される。これにより、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、所定の減圧状態に維持されており、所定時間経過後に、空気投入処理が行われる。

具体的には、図３及び図９に示すように、第４開閉バルブ７０ｄ及び第６開閉バルブ７０ｆが閉じられる一方、第１開閉バルブ７０ａ及び第２開閉バルブ７０ｂが開放され、エアポンプ４２が駆動される。従って、エアポンプ４２を介して空気供給流路４４に空気が供給される。この空気は、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４に供給されるとともに、分岐流路５９を介して水素供給流路５４に送られ、前記燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に供給される（ステップＳ１１）。

そして、燃料ガス流路３６及び酸化剤ガス流路３４に充填される酸化剤ガス圧が、大気圧に至った後、第１開閉バルブ７０ａ及び第２開閉バルブ７０ｂが閉塞されることにより、燃料電池システム１０全体の運転停止（全停止）がなされる（ステップＳ１２）。

この場合、本実施形態では、運転者が、携帯装置２３を所持して車両に接近すると、コントローラ２１を介して酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が開始されている。このため、運転者が、車内の座席に着いてイグニッションスイッチ８６をオンするまでの間、ガス置換処理が行われている。

すなわち、従来では、図１０に示すように、運転者は、車両ドアを解錠した後、ドライバシートに着座してからイグニッションスイッチ８６をオンすることにより、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が開始されている。これに対して、本実施形態では、図１１に示すように、車両ドアが解錠されると同時に、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が開始されている。

従って、本実施形態では、燃料電池システム１０の起動時間を有効に短尺化させることができ、迅速且つ安定的に所望の発電状態を確保することが可能になる。しかも、第１減圧ポンプ６６ａ及び第２減圧ポンプ６６ｂは、短時間で減圧処理を遂行するために容量を大きく設定する必要がない。これにより、第１減圧ポンプ６６ａ及び第２減圧ポンプ６６ｂは、有効に小型化、省スペース化及び軽量化することができるとともに、消費電力を抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、コントローラ２１は、携帯装置２３から返信される応答信号を受信することにより、前記携帯装置２３が車両に接近中であるか否かを判断し、燃料電池スタック１２内におけるガス置換処理を開始しているが、これに限定されるものではない。例えば、運転者が、携帯装置２３に設けられている解錠スイッチ（図示せず）等をオンすることにより、燃料電池スタック１２内におけるガス置換処理を開始してもよい。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…減圧装置 ２０…希釈装置
２１…コントローラ ２２…燃料電池
２３…携帯装置 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード側電極 ２８…アノード側電極
３０…電解質膜・電極構造体 ３２ａ、３２ｂ…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２…エアポンプ ４４…空気供給流路
４８…希釈流路 ５０…空気排出流路
５２…水素タンク ５４…水素供給流路
６０…オフガス流路 ６２…水素循環路
６６ａ、６６ｂ…減圧ポンプ ６８ａ、６８ｂ…減圧流路
７０ａ〜７０ｊ…開閉バルブ ７２ａ、７２ｂ…圧力センサ
７８、８２…アンテナ ８０、８４…通信回路
８６…イグニッションスイッチ

Claims (2)

1. カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を車両に搭載した燃料電池システムの始動方法であって、
   搭乗者が外部から前記車両に近接したか否かを検出する工程と、
   前記搭乗者の前記車両への近接信号を検出した際、前記車両を走行可能にする起動スイッチがオンされる前に、前記燃料電池内におけるガス置換処理を開始する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
2. 請求項１記載の始動方法において、前記ガス置換処理は、前記燃料ガス流路に残存する前記酸化剤ガスを、減圧ポンプにより吸引して前記燃料ガス流路を減圧する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。

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