JP2018060688A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電極に付着した不純物をより確実に除去することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】カソード及びアノードを備え、二次電池１０２に電力を供給する燃料電池１０と、ブロア２０と、燃料ガスタンク３０と、第１入口側弁５１と、第２入口側弁５２と、第１出口側弁６１と、第２出口側弁６２と、ＥＣＵ１００とを備え、ＥＣＵ１００は、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放し、燃料電池１０を二次電池１０２に電気的に接続する充電制御、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を閉鎖し、燃料電池１０を二次電池１０２から電気的に切断する放電制御、及び第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放するパージ制御を一回以上実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの燃料電池としては、アノードとカソードとで固体高分子電解質膜を挟んだ接合体を形成し、その接合体の外側を一対のセパレータで挟持して形成したセルを複数積層して構成したスタックを備えたものがある。そして、アノードに燃料ガスとして水素、カソードに酸化ガスとして空気を供給することで燃料電池に発電させている。

燃料電池では、外部から空気を取り込むため、空気中の硫黄化合物などの不純物が燃料電池内に入り込む虞がある。また、アノード及びカソードの劣化に伴い不純物が生じる虞もある。このような不純物は、アノード及びカソードの電極やセパレータを腐食させる原因となる。

このような問題に対し、燃料電池の二次電池を高めたり、燃料電池の温度を下げたり、酸化ガスを加湿するなどの手段により、燃料電池の電極から排出される水の量を増大させ、その水で不純物を除去することで、電極の触媒の劣化を防止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に係る燃料電池システムでは、水が燃料電池内に残ると、水分だけが蒸発して燃料電池の外部に排出され、水の溶け込んでいた不純物が電極の触媒に付着してしまう。

特開２００８−７７９１１号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の電極に付着した不純物をより確実に除去することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、カソード及びアノードを備え、二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化ガス供給手段と前記カソードの入口とを接続する配管、及び前記燃料ガス供給手段と前記アノードの入口とを接続する配管のそれぞれに設けられた第１入口側弁及び第２入口側弁と、前記カソードの出口と外部とを接続する配管、及び前記アノードの出口と外部とを接続する配管のそれぞれに設けられた第１出口側弁及び第２出口側弁と、前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁の開閉を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池への停止指令又は起動指令があったとき、前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放し、前記燃料電池を前記二次電池に電気的に接続する充電制御と、前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を閉鎖し、前記燃料電池を前記二次電池から電気的に切断する放電制御と、前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放するパージ制御と、を一回以上実行することを特徴とする燃料電池システムにある。

第１の態様では、充電制御を実行することで酸化ガス及び燃料ガスを電気化学反応させ、燃料電池内での水量を増量させる。そして、放電制御を実行することで、セル電圧を低下させ、電極やセパレータに付着した不純物を還元除去し、水に溶解させる。その後、パージ制御を実行することで、不純物が溶解した水を燃料電池の外部へ排出することができる。このように燃料電池の電極やセパレータに付着した不純物を水に溶解させて外部へより確実に除去することができる。これにより、燃料電池の電極やセパレータが腐食することを抑制し、発電性能を回復することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充電制御、前記放電制御、及び前記パージ制御を複数回実行することを特徴とする燃料電池システムにある。

第２の態様では、燃料電池の不純物をより確実に除去することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充電制御を実行しているときの前記燃料電池のセル電圧と、前回の前記充電制御を実行したときの前記燃料電池のセル電圧との差が所定の閾値以下であることを条件に、前記充電制御、前記放電制御及び前記パージ制御の実行を停止することを特徴とする燃料電池システムにある。

第３の態様では、燃料電池に生じていた不純物をより確実に除去することができる。

本発明の第４の態様は、第１から第３の何れか一つの態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記パージ制御では、前記第１入口側弁及び前記第２入口側弁を開放した後、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放することを特徴とする燃料電池システムにある。

第４の態様では、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、不純物が溶解した水をより確実に燃料電池から外部に排出することができる。

本発明の第５の態様は、第１から第４の何れか一つの態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスを加湿する加湿手段を備えることを特徴とする燃料電池システムにある。

第５の態様では、燃料ガスが加湿され、水分を多く含む燃料ガスとなる。これにより、燃料電池において充電制御及び放電制御をする際に発生する水量を増大させることができる。このように燃料電池で発生する水量を増大させるので、より多くの不純物を水に溶解させて燃料電池から除去することができる。

本発明によれば、燃料電池の電極に付着した不純物をより確実に除去することができる燃料電池システムが提供される。

実施形態１に係る燃料電池システムの概略図である。 放電制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。 パージ制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。 充電制御、放電制御及びパージ制御を実行しているときにおける、燃料電池のセル電圧及び燃料電池内に発生する水量を示したグラフである。 燃料電池システムの停止時の動作を示すフロー図である。 燃料電池システムの不純物の除去処理の動作を示すフロー図である。 実施形態２に係る燃料電池システムの概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施形態の燃料電池システム１は、電動車両（図示せず）に搭載されており、運転者の要求に応じて、主に電動車両の駆動力として用いられる電力を出力する。

燃料電池システム１は、燃料電池１０（図ではＦＣと略記している）と、ブロア２０と、燃料ガスタンク３０と、第１入口側弁５１と、第２入口側弁５２と、第１出口側弁６１と、第２出口側弁６２と、制御手段の一例であるＥＣＵ１００と、を備えている。さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、駆動モータ１０１と、二次電池１０２と、放電装置１０３とを備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスとして水素と、酸化ガスとして空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０の具体的な構成は特に限定はないが、ここでは、複数のセル（図示せず）が積層されたスタック構造を有する。各セルは、固体高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとを配置した膜電極接合体と、膜電極接合体の外側に設けられたガス拡散層とを備えている。また、各セルのアノード及びカソードには、触媒として白金が含まれている。

カソード側のセパレータには、カソードに酸化ガスを供給する流路が設けられている。また、カソード側のセパレータの流路の入口には、酸化ガス配管２１が接続され、当該流路の出口には第１排気管８０が接続されている。酸化ガス配管２１は、請求項に記載する酸化ガス供給手段とカソードの入口とを接続する配管の一例である。第１排気管８０は、請求項に記載するカソードの出口と外部とを接続する配管の一例である。

アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する流路が設けられている。また、アノード側のセパレータの流路の入口には、燃料ガス配管３１が接続され、当該流路の出口には第２排気管９０が接続されている。燃料ガス配管３１は、請求項に記載する燃料ガス供給手段とアノードの入口とを接続する配管の一例である。第２排気管９０は、請求項に記載するアノードの出口と外部とを接続する配管の一例である。

このようなセルがセパレータを介して複数積層されることでスタック構造の燃料電池１０が形成されている。なお、特に図示しないが、一本の酸化ガス配管２１がセル数に応じて複数に分岐し、各セルのセパレータに酸化ガスを供給している。燃料ガス配管３１についても同様である。また、一本の第１排気管８０がセル数に応じて複数に分岐し、各セルのセパレータから排出された排ガス及び水を第１貯留部４１へ導く。第２排気管９０についても同様に各セルのセパレータから排出された排ガス及び水を第２貯留部４２へ導く。

ブロア２０は、酸化ガス供給手段の一例であり、酸化ガスとして外気を取り込んで圧縮した空気を燃料電池１０のカソードに供給する装置である。ブロア２０と、カソードとを接続する酸化ガス配管２１には、第１入口側弁５１が設けられている。

第１入口側弁５１は、通常、閉じた状態であり、ブロア２０から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管２１に供給されたときに開く。このような構成により、ブロア２０から燃料電池１０のカソードに、酸化ガスが一定圧力で供給される。第１入口側弁５１は、ＥＣＵ１００によって開閉制御が可能となっている。

燃料ガスタンク３０は、燃料ガス供給手段の一例であり、燃料ガスとして高圧で貯蔵した水素を燃料電池１０のアノードに供給する装置である。燃料ガスタンク３０と、アノードとを接続する燃料ガス配管３１には、第２入口側弁５２が設けられている。

第２入口側弁５２は、燃料ガスタンク３０に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させ、一定圧力にするための弁である。このような構成により、燃料ガスタンク３０から燃料電池１０のアノードに、燃料ガスが一定圧力で供給される。もちろん、燃料ガス配管３１を閉じて水素の供給を停止することも可能である。第２入口側弁５２は、ＥＣＵ１００によって開閉制御が可能となっている。

第１排気管８０には、第１出口側弁６１が設けられている。第１出口側弁６１は、ＥＣＵ１００により開閉制御が可能となっている。また、第１排気管８０から分岐した第１循環用配管８１がブロア２０の上流側の一部分に接続されている。さらに、第１排気管８０には第１出口側弁６１よりも下流側（燃料電池１０とは反対側）に、第１貯留部４１が設けられている。

第１貯留部４１は、燃料電池１０のカソードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池１０のカソードは、第１排気管８０を介して外部に接続されている。カソードが外部に接続されているとは、カソードから排出された排ガス及び水を外部に排出できることをいう。本実施形態のように、カソードから排出された水を第１貯留部４１に一度貯留し、第１貯留部４１から外部へ排出する構成であってもよい。

燃料電池１０のカソードから排出された排ガス及び水は、図示しない気液分離機により気液分離され、排ガス中の水分が水として第１貯留部４１に貯留され、排ガスは第１循環用配管８１を介してブロア２０の上流側へ導かれる。

第２排気管９０には、第２出口側弁６２が設けられている。第２出口側弁６２は、ＥＣＵ１００により開閉制御が可能となっている。また、第２排気管９０から分岐した第２循環用配管９１が燃料ガスタンク３０の下流側の一部分に接続されている。さらに、第２排気管９０には第２出口側弁６２よりも下流側（燃料電池１０とは反対側）に、第２貯留部４２が設けられている。

第２貯留部４２は、燃料電池１０のアノードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池１０のアノードは、第２排気管９０を介して外部に接続されている。アノードが外部に接続されているとは、アノードから排出された排ガス及び水を外部に排出できることをいう。本実施形態のように、アノードから排出された水を第２貯留部４２に一度貯留し、第２貯留部４２から外部へ排出する構成であってもよい。

燃料電池１０のアノードから排出された排ガス及び水は、図示しない気液分離機により気液分離され、排ガス中の水分が水として第２貯留部４２に貯留され、排ガス（未燃の水素）は第２循環用配管９１を介して燃料ガスタンク３０の下流側へ循環用ポンプ９５により昇圧されて導かれる。

駆動モータ１０１は、燃料電池１０及び二次電池１０２からの電力によって、電動車両の駆動輪（図示せず）を駆動するためのプラス側の駆動力（トルク）を発生する。また、駆動モータ１０１は、減速時等には発電機として作動しマイナス側の回生力（トルク）を発生する。駆動モータ１０１は、インバータ（図示せず）を介して燃料電池１０及び二次電池１０２に接続されている。インバータは、燃料電池１０で発電された直流電力や、二次電池１０２に充電された直流電力を交流電力に変換して駆動モータ１０１に供給する。また、駆動モータ１０１で発電された回生電力は、インバータにより直流電力に変換され二次電池１０２に充電されるようになっている。

二次電池１０２は、例えばリチウムイオン電池であり、燃料電池１０で発電された電力や駆動モータ１０１で発電された回生電力を充電する。この二次電池１０２により充電された電力は、主として駆動モータ１０１の駆動に用いられる。ＥＣＵ１００により、二次電池１０２は燃料電池１０に電気的に接続され、又は燃料電池１０から電気的に切断される。

放電装置１０３は、燃料電池１０が発電した電力を放電する装置であり、例えば、アノードとカソードとに電気的に接続する放電抵抗である。ＥＣＵ１００により、放電装置１０３は燃料電池１０に電気的に接続され、又は燃料電池１０から電気的に切断される。

ＥＣＵ１００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成されている。ＥＣＵ１００は、各種センサから読み込んだ検知信号、出力要求、及び主記憶装置上のプログラムに基づいて、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２の開閉を制御したり、ブロア２０から供給される空気の流量を調整することに燃料電池１０による発電を制御する。

燃料電池１０の通常運転させるときの制御について説明する。図１の燃料電池システム１は通常運転時の状態を表しており、白塗りで表された第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２は開放した状態を示している。以後の図においても、これらの弁が白塗りで表された場合は開放した状態をしめし、また、黒塗りで表された場合は閉鎖した状態を示す。

通常運転時においては、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０へ燃料ガス及び酸化ガスを供給し、燃料電池１０を駆動モータ１０１や二次電池１０２に接続する制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１００は、アクセルの踏み込み量に応じて、二次電池１０２に電力を駆動モータ１０１に供給させ、駆動モータ１０１を駆動させる。

ＥＣＵ１００は、出力要求に対して、二次電池１０２の電力だけでは足りない場合、第１入口側弁５１や第２入口側弁５２を開放し、ブロア２０から供給される空気の流量を制御して、燃料電池１０を運転状態とし発電させる。また、第１出口側弁６１や第２出口側弁６２も開放し、燃料電池１０からの排ガス及び水を循環させ、又は第１貯留部４１及び第２貯留部４２に排出させる。

そして、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０が発電した電力を駆動モータ１０１に供給させる。ＥＣＵ１００が二次電池１０２のＳＯＣが所定値以下であることを検知したとき、燃料電池１０が発電した電力を二次電池１０２へ電力を供給させる。

さらに、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０の停止指令又は起動指令が与えられたとき、充電制御、放電制御、及びパージ制御からなる一連の制御を一回以上実行する。以後、この一連の制御を除去処理と称する。燃料電池１０の停止指令としては、例えば、電動車両のイグニションスイッチがオフにされたことが挙げられる。また、燃料電池１０の起動指令としては、例えば、電動車両のイグニションスイッチがオンにされたことが挙げられる。

充電制御は、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放し、燃料電池１０を二次電池１０２に電気的に接続する制御である。ＥＣＵ１００は、図１に示すように第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放する制御を行う。通常運転時とは異なるのは、燃料電池１０で発電した電力を駆動モータ１０１へ供給せず、二次電池１０２に供給して充電させる点が異なる。

通常運転をしているときは、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放させているので、イグニションスイッチがオフにされたときは、実質的には、燃料電池１０の電力を二次電池１０２のみに供給する制御を行うことになる。

燃料電池１０が停止しているときは、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２は閉鎖している。したがって、イグニションスイッチがオンにされたときは、これらの弁を開放し、燃料電池１０の電力を二次電池１０２のみに供給させる制御を行うことになる。

図２は、放電制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。
放電制御は、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を閉鎖し、燃料電池１０を駆動モータ１０１、二次電池１０２、放電装置１０３から電気的に切断する制御である。

第１入口側弁５１から燃料電池１０のカソード、カソードから第１出口側弁６１までの流路は閉空間（以後、カソード側閉空間と称する）となる。このカソード側閉空間は、外部から遮断された密閉空間となり、それらの弁を閉じた後では、酸化ガスが残留している。

同様に、第２入口側弁５２から燃料電池１０のアノード、アノードから第２出口側弁６２までの流路は閉空間（以後、アノード側閉空間と称する）となる。このアノード側閉空間は、外部から遮断された密閉空間となり、それらの弁を閉じた後では、燃料ガスが残留している。

燃料電池１０は、二次電池１０２とは電気的に接続されていないが、カソード側閉空間及びアノード側閉空間に残留した酸化ガス及び燃料ガスが電気化学反応する。このため、次第に酸化ガス及び燃料ガスは減少し、これに伴いセル電圧も減少する。

このような放電制御を行うと、カソード側閉空間及びアノード側閉空間は、酸化ガス及び燃料ガスが減少するので、負圧となる。さらに閉空間内の温度が低下するので、閉空間内に存在していた水蒸気は凝縮して水となる。この凝縮水がセルのセパレータに設けられた流路や電極を満たすので、それらの流路や電極に付着していた不純物が凝縮水に溶解する。

図３は、パージ制御を実行しているときの燃料電池システムを示す概略図である。
パージ制御は、第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放する制御である。放電制御で燃料電池１０を二次電池１０２から電気的に切断したが、そのままの状態で、上記弁の開放を行う。

具体的には、図３（ａ）に示すように、ＥＣＵ１００は、まず、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２を開放する。カソード側閉空間及びアノード側閉空間は負圧であるので、予め稼動させていたブロア２０からの空気、及び燃料ガスタンク３０からの燃料ガスが、カソード及びアノードに流入する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＥＣＵ１００は、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放する。これにより、図３（ａ）で、負圧により加勢されてカソード及びアノードに流入した酸化ガス及び燃料ガスは、その勢いで、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２へ流出しやすくなっている。このため、これらの酸化ガス及び燃料ガスがカソード及びアノードにある凝縮水を押し出す力が強くなり、凝縮水はカソード及びアノードから排出され、第１貯留部４１及び第２貯留部４２側へ導かれる。

このようなパージ制御によれば、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、カソード及びアノードに溜まった凝縮水を外部に排出することができる。上述したように、凝縮水には、燃料電池１０内の不純物が溶解しているので、燃料電池１０の流路や電極に付着していた不純物を燃料電池１０の外部へ排出することができる。

なお、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２を開放してから、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放するまでの時間は、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２に流入した酸化ガス及び燃料ガスが第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２に到達するのに要する時間とすることが好ましい。このような時間は、酸化ガス及び燃料ガスの流速や燃料電池１０に設けられた流路の形状、長さ等に基づいて定めることができる。

次に充電制御を行う際には、パージ制御において第１入口側弁５１、第２入口側弁５２、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２が開放されているので、実質的には、燃料電池１０を二次電池１０２に電気的に接続する制御を行えばよい。

ＥＣＵ１００は、上述した充電制御、放電制御及びパージ制御からなる一連の制御を一回以上実行する。

図４は、充電制御、放電制御及びパージ制御を実行しているときにおける、燃料電池のセル電圧及び燃料電池内に発生する水量を示したグラフである。横軸は時間であり、縦軸は、それぞれ燃料電池１０のセル電圧、燃料電池１０内で発生する水量である。

同図に示すように、１回目の充電制御（図では充電と表記してある）の前の時点Ａにおいて、イグニションスイッチがオフにされたとする。充電制御を行っている間は、燃料電池１０に酸化ガス及び燃料ガスが供給され、発電を行っているので、水量が増加している。また、燃料電池１０は、二次電池１０２に充電を行っているので、セル電圧は開回路電圧（例えば１．０Ｖ）よりも低い電圧（例えば０．８Ｖ）となっている。

次に１回目の充電制御後、放電制御（図では放電と表記してある）を行う。放電制御を行うタイミングについては特に限定はないが、例えば、充電制御を所定時間行ったときに、充電制御から放電制御に切り替えてもよい。他にも、充電制御を行っている際のセル電圧の変動が所定値以下となったときに、充電制御から放電制御に切り替えてもよい。セル電圧の変動は、過去の所定の時間内におけるセル電圧の最大値と最小値との差として求めることができる。

放電制御を行っている間は、カソード閉空間及びアノード閉空間に残留した酸化ガス及び燃料ガスが消費されているのでセル電圧は減少し、水量は増加している。放電制御では、残留した酸化ガス及び燃料ガスの分だけしか水が増量しない。しかしながら、放電制御の前に、充電制御を行うことで、ブロア２０及び燃料ガスタンク３０から供給される酸化ガス及び燃料ガスにより、水量を増量させる。これにより、放電制御時に生じる水量に加えて、充電制御時に生じる水量の水で、燃料電池１０の電極やセパレータに付着した不純物を溶解することができる。つまり、放電制御の前に充電制御を行う本実施形態の燃料電池システム１は、放電制御のみを行って水に不純物を溶解させるよりも、より多くの不純物を水に溶解させることができる。

次に、放電制御後に、パージ制御（図ではパージと表記してある）を行う。パージ制御を行うタイミングについては特に限定はない。例えば、放電制御によりセル電圧が降下して閾値以下（例えば０．６Ｖ以下）となったときに、放電制御からパージ制御に切り替えてもよい。セル電圧が低いと、電極の触媒（白金）に付着した不純物や酸化物が還元除去される。したがって、このような還元除去が生じるような電圧を閾値として設定することが好ましい。

パージ制御により、不純物等が溶解した水を燃料電池１０内から外部へ排出することができる。

なお、通常運転時にイグニションスイッチがオフになったときは、放電制御から開始してもよい。同図に示す時点Ｂにおいてイグニションスイッチがオフになったとする。このようなときは、イグニションスイッチがオフになる前は、通常運転において燃料電池１０が二次電池１０２を充電しているので、これを充電制御とみなす。したがって、イグニションスイッチがオフになったときに放電制御から開始しても、イグニションスイッチをオフにする前後では、充電制御から放電制御を行っていることになる。

上述した一連の充電制御、放電制御及びパージ制御をＥＣＵ１００は一回以上実行する。同図に示した例では、３回行っており、４回目の放電を行った後には、これらの制御を行わず、燃料電池１０を完全停止させている。完全停止とは、酸化ガス及び燃料ガスの供給を停止した状態である。このような制御を複数回実行することで、燃料電池１０の不純物をより確実に除去することができる。

また、充電時のセル電圧に基づいて充電制御、放電制御及びパージ制御を終了させてもよい。例えば、一回目の充電制御を行っているときのセル電圧は０．８Ｖである。そして、二回目の充電制御を行っているときのセル電圧はそれよりも高い０．８５Ｖである。これは、充電制御、放電制御及びパージ制御により電極やセパレータから不純物が相当量除去されたため、燃料電池の発電性能が回復したためである。

このように、二回目とその前回である一回目のセル電圧の差が同一でない、もしくは一定以上の差が開いているときは、除去処理を終了せずに、もう一回実行する。

次に、三回目の充電制御を行っているときのセル電圧は、二回目のセル電圧と同じ０．８５Ｖである。不純物を除去するための除去処理を実行したにも関わらず、セル電圧に変化がないということは、燃料電池１０からほぼ不純物を除去しきったといえる。

このように、三回目（今回）と二回目（前回）のセル電圧の差は同一又は差が所定の閾値以下であるときは、除去処理を終了する。すなわち、四回目の除去処理は実行せず、放電制御を実行した後、燃料電池１０を完全停止させる。

このように、除去処理を終了する条件として、充電制御時のセル電圧に変化がなくなったことを適用するので、燃料電池１０に生じていた不純物等をより確実に除去することができる。

図５は、本実施形態の燃料電池システム１の停止時の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ＥＣＵ１００により実行される。
まず、燃料電池（図ではＦＣと略記）の停止指示があったかを判定する（ステップＳ１）。停止指示がない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、ＲＥＴＵＲＮする（例えば一定時間経過後にＳＴＡＲＴから実行する）。

停止指示があった場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、二次電池１０２のＳＯＣ検出を行う（ステップＳ２）。次に、運転時間が閾値ａ以上であるかを判定する（ステップＳ３）。運転時間は、例えば、前回に、充電制御、放電制御、及びパージ制御からなる一連の制御を実行して燃料電池１０から不純物を除去したときからの積算時間である。閾値ａに特に限定はないが、例えば、数百時間を設定する。運転時間が閾値ａ未満の場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、ＲＥＴＵＲＮする。すなわち、前回に不純物を除去してから、あまり時間が経過していないので、不純物の除去を必要としない、と判断する。

次に、運転時間が閾値ａ以上であるならば（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ＳＯＣが閾値ｂ以下であるかを判定する（ステップＳ４）。閾値ｂは、充電制御で二次電池１０２に充電を行うが、このときに充電した電力を受け入れるのに十分な空きがあるかを判定するための閾値である。例えば、閾値ｂを５０％とする。

ＳＯＣが閾値ｂより大きい場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、すなわち二次電池１０２が電力を十分に受け入れられない場合は、ＲＥＴＵＲＮする。ＳＯＣが閾値ｂ以下である場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、上述した充電制御、放電制御及びパージ制御からなる一連の制御により不純物の除去処理を実行する（ステップＳ５）。

なお、運転時間として、不純物の除去を実行した頻度としてもよい。例えば、閾値ａとして半年に１回など適宜設定し、それよりも頻度が大きい場合には、不純物の除去処理を実行しない。さらに、運転時間に限らず、所定の電流密度におけるセル電圧が所定値より低下したことを条件に、不純物の除去処理を実行してもよい。他にも、定期的に不純物の除去処理を実行してもよい。

また、特に図示しないが、イグニションスイッチをオンにするなどにより燃料電池１０の起動指示があったときのフローとしては、例えば次のように行うことができる。

まず、ＥＣＵ１００は、燃料電池の起動指示があったときに、燃料電池１０を起動する。具体的には、図１に示したように、各弁を開放し、酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池１０に供給する。
その後、図５に示したステップＳ２からステップＳ４と同じ処理を実行する。そして、燃料電池１０に対する出力要求がない時間が一定時間（例えば１０分）経過したかを判定する。一定時間経過しているならば、しばらくは発進しないと推定できる。そして、電動車両の車内の表示装置に、除去処理を行うか否かを確認する画面を表示し、運転者が除去処理をしてよいという入力をしたとき、不純物の除去処理を実行してもよい。

図６は、本実施形態の燃料電池システム１の不純物の除去処理の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ＥＣＵ１００により実行される。

ＥＣＵ１００は、燃料電池１０のセル電圧を検出する（ステップＳ１０）。次に、ＥＣＵ１００は、充電制御を行い（ステップＳ１１）、放電制御を行う（ステップＳ１２）。充電制御から放電制御へ切り替える条件は、上述したように、一定時間経過後でもよいし、セル電圧の変動が閾値以下であるなどの条件を採用することができる。

次に、燃料電池１０のセル電圧が閾値ｅ以下であるかを判定する（ステップＳ１３）。閾値ｅは、電極の触媒（白金）に付着した不純物や酸化物が還元除去されるのに十分に低い電圧とする。例えば、０．６Ｖとする。

セル電圧が閾値ｅより大きいならば（ステップＳ１３：Ｎｏ）、まだ不純物が十分に還元除去されていないと推定されるので、放電制御を継続する（ステップＳ１２）。

セル電圧が閾値ｅ以下であるならば（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、不純物が十分に還元除去されたと推定されるので、放電制御を終了し、パージ制御を実行する（ステップＳ１４）。

次に、ＥＣＵ１００は、終了条件を判定する。ここでは、前回の除去処理において充電制御をしているときのセル電圧をｆとし、今回の除去処理において充電制御をしているときのセル電圧をｇとする。そして、セル電圧ｆとセル電圧ｇとが等しい又は、負圧パージを実行した回数が閾値ｈ以上であることを終了条件とする。

例えば、図４の一回目と二回目の充電制御を行っているときのセル電圧は異なっている。すなわち、セル電圧ｆとセル電圧ｇとが異なるので（ステップＳ１５：Ｎｏ）、除去処理を終了せず、ステップＳ１０に戻って次の除去処理を実行する。

図４の二回目と三回目の充電制御を行っているときのセル電圧は同じである。すなわち、セル電圧ｆとセル電圧ｇとが等しいので（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、除去処理を終了する。または、セル電圧ｆとセル電圧ｇとが異なっていても、パージ制御を実行した回数が閾値ｈ以上であるならば（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、除去処理を終了する。

以上に説明した本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、充電制御を実行することで酸化ガス及び燃料ガスを電気化学反応させ、燃料電池１０内での水量を増量させる。そして、放電制御を実行することで、セル電圧を低下させ、電極やセパレータに付着した不純物を還元除去し、水に溶解させる。その後、パージ制御を実行することで、不純物が溶解した水を燃料電池１０の外部へ排出することができる。このように燃料電池１０の電極やセパレータに付着した不純物を外部へより確実に除去することができる。これにより、燃料電池１０の電極やセパレータが腐食することを抑制し、発電性能を回復することができる。

また、放電制御時に生じる水量に加えて、充電制御時に生じる水量の水で、燃料電池１０の電極やセパレータに付着した不純物を溶解することができる。つまり、放電制御の前に充電制御を行う本実施形態の燃料電池システム１は、放電制御のみを行って水に不純物を溶解させるよりも、より多くの不純物を水に溶解させることができる。これにより、より多くの不純物を燃料電池１０の外部へ除去することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、充電制御、放電制御及びパージ制御からなる除去処理を複数回実行する。これにより、燃料電池１０の不純物をより確実に除去することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、前回と今回の除去処理における充電制御時のセル電圧との差が所定の閾値以内であることを条件として、除去処理を終了する。このような条件が成立するときは、燃料電池１０からほぼ不純物を除去しきった場合である。したがって、そのような条件によって除去処理を終了するので、燃料電池１０に生じていた不純物等をより確実に除去することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、パージ制御を行う際に、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２を先に開放し、その後、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放する。このようなパージ制御によれば、負圧を利用して加勢した酸化ガス及び燃料ガスによって、カソード及びアノードに溜まった凝縮水をより確実に外部に排出することができる。

〈実施形態２〉
本実施形態では、加湿手段を備えた燃料電池システム１Ａについて説明する。図７は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システム１Ａは、加湿装置１１０を備えている。加湿装置１１０は、加湿手段の一例であり、燃料ガスを加湿する装置である。具体的には、加湿装置１１０は、内部の空間を二つに仕切る膜１１１が設けられている。この膜１１１は、気体を透過せず、水は透過させる。

このような膜に仕切られた一方の空間１１２には、第２排気管９０から排ガスに含まれる水が流入する。空間１１２に流入した水は、第２貯留部４２へ送られるようになっている。また、膜１１１に仕切られた他方の空間１１３には、燃料ガス配管３１から分岐した加湿用配管１１４ａ及び加湿用配管１１４ｂが接続されている。

燃料ガス配管３１を流れる燃料ガスは、加湿用配管１１４ａを通って空間１１３に流入する。そして、燃料ガスは膜１１１を透過した水と接し、水分を含む燃料ガスとなり、加湿用配管１１４ｂを通って燃料ガス配管３１に戻される。

このような加湿装置１１０によれば、燃料ガスが加湿され、水分を多く含む燃料ガスとなる。これにより、燃料電池１０において充電制御及び放電制御をする際に発生する水量を増大させることができる。このように加湿装置１１０を設けた燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池１０で発生する水量を増大させるので、より多くの不純物を水に溶解させて燃料電池１０から除去することができる。

なお、加湿手段はこのような態様に限定されず、燃料ガスを加湿できる構成であればよい。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

例えば、燃料ガスタンク３０の出口部とブロア２０の入口部には、負圧発生制御の実行時にガスの流入を防止する弁を有してもよい。

実施形態１に係る燃料電池システム１では、除去処理を三回実行する例を説明したが、回数はこれに限定されず、一回以上であれば何回であってもよい。

実施形態１に係る燃料電池システム１では、カソード及びアノードの両方について、第１貯留部４１及び第２貯留部４２がそれぞれ接続されていたが、このような態様に限定されない。例えば、カソード及びアノードの双方に共通の貯留部を設けてもよい。

実施形態１に係る燃料電池システム１では、パージ制御の際に、第１入口側弁５１及び第２入口側弁５２を先に開放し、その後、第１出口側弁６１及び第２出口側弁６２を開放したが、このような態様に限定されず、順序が逆でもよいし、それらの弁をほぼ同時に開放してもよい。

実施形態１に係る燃料電池システム１では、電動車両に搭載されていたが、このような態様に限定されず、電源として任意の用途に適用することができる。

１、１Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ ブロア（酸化ガス供給手段）
３０ 燃料ガスタンク（燃料ガス供給手段）
５１ 第１入口側弁
５２ 第２入口側弁
６１ 第１出口側弁
６２ 第２出口側弁
１０１ 駆動モータ
１０２ 二次電池
１０３ 放電装置
１１０ 加湿装置（加湿手段）

Claims (5)

1. カソード及びアノードを備え、二次電池に電力を供給する燃料電池と、
   前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記酸化ガス供給手段と前記カソードの入口とを接続する配管、及び前記燃料ガス供給手段と前記アノードの入口とを接続する配管のそれぞれに設けられた第１入口側弁及び第２入口側弁と、
   前記カソードの出口と外部とを接続する配管、及び前記アノードの出口と外部とを接続する配管のそれぞれに設けられた第１出口側弁及び第２出口側弁と、
   前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池への停止指令又は起動指令があったとき、
   前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放し、前記燃料電池を前記二次電池に電気的に接続する充電制御と、
   前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を閉鎖し、前記燃料電池を前記二次電池から電気的に切断する放電制御と、
   前記第１入口側弁、前記第２入口側弁、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放するパージ制御と、を一回以上実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、
   前記充電制御、前記放電制御、及び前記パージ制御を複数回実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、
   前記充電制御を実行しているときの前記燃料電池のセル電圧と、前回の前記充電制御を実行したときの前記燃料電池のセル電圧との差が所定の閾値以下であることを条件に、前記充電制御、前記放電制御及び前記パージ制御の実行を停止する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記パージ制御では、前記第１入口側弁及び前記第２入口側弁を開放した後、前記第１出口側弁及び前記第２出口側弁を開放する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガスを加湿する加湿手段を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
   
   
   
   

Images