JP4857472B2

JP4857472B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4857472B2
Application number: JP2001035935A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 博邦佐々木; 晴彦加藤; 邦夫岡本; 直人堀田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002246054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下するという問題がある。
【０００３】
このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。さらに、反応ガス経路内で結露した水分の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。
【０００４】
燃料電池内部での凍結を防止して低温起動性を向上させるためには、低温環境下に凍結する水分を予め燃料電池内部から除去しておくことが望まれる。このために、燃料電池内に空気を供給することで、空気流によって燃料電池内の水分を除去することが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、空気流によって燃料電池内の水分を除去する場合には、水分蒸発の際に蒸発潜熱によって熱が奪われ、燃料電池内部の温度が低下してしまうこととなる。これにより、水分の蒸発量が低下して燃料電池内の水分除去に時間がかかるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止の際、短時間で燃料電池内部の水分を除去できることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）に供給される酸素が通過する空気経路（２０）と、燃料電池（１０）に供給される水素が通過する水素経路（３０）と、燃料電池（１０）を加熱する加熱手段（４４）と、燃料電池（１０）の温度を検出する温度センサ（１２）と、燃料電池（１０）の水素極および酸素極の水分量を検出する水分センサ（２４、３４）と、空気経路（２０）および水素経路（３０）へのガス供給制御および加熱手段（４４）による加熱制御を行う制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の通常運転停止後、空気経路（２０）および水素経路（３０）に所定の乾燥ガスを供給し、水分センサによって検出した水分量が所定量より少なく凍結範囲を下回っているか否かを判定し、凍結範囲を超えていると判定された場合には、温度センサ（１２）により検出した温度に基づいて加熱手段（４４）による燃料電池（１０）の加熱温度を制御することを特徴としている。
【０００８】
このようにガス供給と同時に燃料電池（１０）を加熱することで、水分除去運転時において、水分蒸発に伴い燃料電池温度が低下してしまうことを防止できる。これにより、燃料電池（１０）内部の残留水分の蒸発を促進することができ、短時間で燃料電池（１０）内部の水分除去を行い、燃料電池の凍結を回避して低温下での燃料電池（１０）の起動性を向上させることができる。
また、温度センサ（１２）により検出した温度に基づいて加熱手段（４４）による燃料電池（１０）の加熱温度を制御することで、燃料電池温度を燃料電池（１０）の電解質膜等を破壊しない範囲で効率よく残留水を蒸発させることができる温度に保つことができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、乾燥ガスは空気であることを特徴としている。このように空気を用いることで、特別なガス供給装置を設けることなく水分除去を行うことができる。また、乾燥した空気は、通常運転時に行っている空気に対する加湿を行わないことにより提供することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）に冷却水を循環させる冷却水経路（４０）と、冷却水経路（４０）に設けられ、燃料電池（１０）の通常運転時に冷却水を冷却する冷却部（４２、４３）とを備え、加熱手段は、冷却水経路（４０）において冷却部（４２、４３）と並列的あるいは直列的に設けられ、冷却水を加熱するように構成されており、制御手段（５０）によって、冷却水の流路は冷却部（４２、４３）側あるいは加熱手段（４４）側に切り替え可能に構成されており、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の通常運転終了後、燃料電池（１０）を加熱する際に、冷却水の流路を加熱手段（４４）側に切り替えることを特徴としている。
【００１１】
このような構成により、既存の燃料電池冷却システムを利用し、これに冷却水の加熱部（４４）を追加するだけの簡易な構成で燃料電池（１０）を加熱することができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１、図２に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１５】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や図示しない２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１６】
ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。また、ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック本体の温度を検出するための温度センサ１２が設けられている。
【００１７】
燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正極）１０ａ側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）１０ｂ側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０には空気供給用の空気圧送用の送風機（ガス圧縮機）２１が設けられている。水素経路３０には水素供給装置３１より水素が供給される。
【００１８】
発電時における電気化学反応のために、ＦＣスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、通常運転時には、図示しない加湿装置により空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。また、酸素極１０ａ側では上記電気化学反応により水分が生成する。
【００１９】
また、後述の水分除去運転時には、ＦＣスタック１０には、加湿されない乾燥空気と加湿されない乾燥水素が供給される。これらの乾燥ガスは、ＦＣスタック１０内に残留する水分を除去するために、できるだけ低湿度であることが望ましく、少なくともＦＣスタック１０内の湿度より低湿度である必要がある。
【００２０】
空気経路２０における両端部には、空気経路２０を遮断するためのシャットバルブ２２、２３が設けられている。これらのシャットバルブ２２、２３を閉じることで、ＦＣスタック１０内部および空気経路２０内部を外気から遮断することができる。水素経路３０の両端部にも、同様のシャットバルブ３２、３３が設けられている。
【００２１】
また、空気経路２０と水素経路３０は、ＦＣスタック１０の上流側において接続されている。水素経路３０における接続部には、水素経路切替弁３５が設けられている。水素経路切替弁３５を切り替えることにより、通常運転時には水素経路３０に水素供給装置３１からの水素を流し、水分除去運転時には水素経路３０に空気経路２０からの空気を流すことができる。
【００２２】
ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０内部の酸素極１０ａおよび水素極１０ｂに存在する残留水分を検出するための水分センサ２４、３４が設けられている。本実施形態では、水分センサ２４、３４として湿度センサを用いている。湿度センサ２４、３４は、ＦＣスタック１０内部の湿度を適切に検出するために、酸素極１０ａおよび水素極１０ｂにおけるＦＣスタック１０出口付近に設けることが望ましい。
【００２３】
ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム４０〜４５が設けられている。
【００２４】
冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラジエータ４２が設けられている。ラジエータ４２およびファン４３で冷却部を構成している。
【００２５】
ＦＣスタック１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御でＦＣスタック１０の冷却量制御を行うことができる。
【００２６】
また、本実施形態の冷却システムには、冷却水を加熱するための加熱部（加熱手段）４４がラジエータ４３と並列的に設けられている。加熱部４３としては、例えば電気式ヒータ、燃焼式ヒータ、触媒ヒータ等を用いることができる。このような構成により、加熱部４４による冷却水の加熱量制御、ウォータポンプ４１による流量制御によって、ＦＣスタック１０の加熱量制御を行うことができる。
【００２７】
冷却水の流路は、冷却水切替弁４５によってラジエータ４３側と加熱部４４側に切り替えられる。ＦＣスタック１０の通常運転時には、冷却水切替弁４５はラジエータ４３側に切り替えられ、ＦＣスタック１０は冷却される。一方、本実施形態におけるＦＣスタック１０の水分除去運転時には、冷却水切替弁４５は加熱部４４側に切り替えられ、ＦＣスタック１０は加熱される。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信号、温度センサ１２からの温度信号、水分センサ２４、３４からの残留水分量信号等が入力される。また、制御部５０は、２次電池、送風機２１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４３、加熱部４４、冷却水切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。
【００２９】
次に、上記構成の燃料電池システムにおける水分除去制御を図２に基づいて説明する。図２は燃料電池システムの水分除去制御を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、通常運転停止後にＦＣスタック１０内の水分除去（水分パージ）が必要か否かを判定する（ステップＳ１０）。水分除去を行うか否かの判定は、運転停止時の環境温度（外気温）や季節情報等を考慮して行う。すなわち、環境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季等であり気温の低下が予測されるいった条件に基づいて水分除去運転の必要性についての判定を行う。当然のことながら、夏場などの条件では凍結のおそれがないため、水分運転は必要とならない。
【００３１】
また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣスタック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)の停止時間内であれば、運転停止時の残留水除去を行う必要がない。
【００３２】
上記ステップＳ１０で水分除去運転が必要と判定された場合には、冷却水切替弁４５を加熱部４４側に切り替える（ステップＳ１１）。これにより、冷却水が加熱部４４により加熱されることとなる。なお、ＦＣスタック１０は既に発電を停止しているので、冷却水切替弁４５等は２次電池からの電力供給により作動する。
【００３３】
次に、水素経路切替弁３５を空気経路２０側に切り替え（ステップＳ１２）、送風機２１による送風制御を行う（ステップＳ１３）。これにより、空気経路２０および水素経路３０に空気が供給される。このとき空気に加湿は行われず、ＦＣスタック１０の酸素極１０ａおよび水素極１０ｂには乾燥空気が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内に液滴として存在している水分は、空気流によってＦＣスタック１０外に吹き飛ばされる。
【００３４】
次に、水分センサ２４、３４にてＦＣスタック１０内の残留水分量を検出し（ステップＳ１４）、残留水分量が所定量より少なく凍結範囲を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１５）。
【００３５】
ＦＣスタック１０内の残留水分量が凍結範囲を下回っている場合には、空気経路２０および水素経路３０の両端部に設けられたシャットバルブ２２、２３、３２、３３を閉じる（ステップＳ１６）。これにより、ＦＣスタック１０内部、空気経路２０内部、水素経路３０内部が外気から遮断され、外部環境からの水分侵入を防ぐことができる。
【００３６】
この結果、ＦＣスタック１０内の残留水分量が凍結範囲を超えている場合には、以下のステップＳ１７〜Ｓ２１のＦＣスタック温度制御を行い、ＦＣスタック１０を加熱して残留水分を蒸発除去する。
【００３７】
まず、温度センサ１２によりＦＣスタック１０本体の温度Ｔを検出し（ステップＳ１７）、ＦＣスタック温度Ｔが目標温度Ｔｒを上回っているか否かを判定する（ステップＳ１８）。目標温度Ｔｒは、ＦＣスタック１０内の水分を蒸発させるためにできるだけ高い方が好ましい。しかしながら、目標温度Ｔｒをあまり高温に設定すると加熱部４４の体格増大を招くとともに、ＦＣスタック１０内部の電解質膜が破壊される。従ってこれらの不具合を防止するために、目標温度Ｔｒは８０〜１００℃に設定される。
【００３８】
ＦＣスタック温度Ｔが目標温度Ｔｒを上回っている場合には、加熱部４４による冷却水加熱量をゼロに設定し（ステップＳ１９）、ＦＣスタック温度Ｔが目標温度を下回っている場合には、加熱部４４による冷却水加熱量をＫ（Ｔｒ−Ｔ）［Ｋ：比例定数］に設定する（ステップＳ２０）。次に、ウォータポンプ４１により冷却水の循環量を制御する（ステップＳ２１）。これにより、ＦＣスタック温度Ｔが目標温度Ｔｒとなるように温度制御される。以上の温度制御の後、上記ステップＳ１４に戻る。
【００３９】
以上のステップＳ１７〜Ｓ２１のＦＣスタック温度制御を行うことにより、水分蒸発に伴って温度低下することなく、ＦＣスタック１０内部を高温に保つことができる。これにより、ＦＣスタック１０内部において残留水の蒸発が促進される。蒸発した残留水は、空気経路２０および水素経路３０より供給される空気に含まれた状態でＦＣスタック１０の外部に排出される。このとき、空気経路２０および水素経路３０より乾燥空気を供給しているので、ＦＣスタック１０内を効率よく乾燥させることができる。
【００４０】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出する水分センサ２４、３４として湿度センサを用いたが、これに限らず、例えば水分センサとしてＦＣスタック１０内部における電解質膜の電気抵抗の変化を測定することによっても、ＦＣスタック１０内部の残留水分量を検出することができる。
【００４１】
また、ＦＣスタック１０を構成する個々のセルにおいて、少なくとも一部が水分除去されていればよい。セルの一部が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行うことができるようになる。
【００４２】
また、上記実施形態では、水分除去運転時に空気経路２０および水素経路３０から乾燥空気を供給したが、これに限らず、例えば窒素といった任意のガスを供給するように構成してもよい。
【００４３】
また、上記ステップＳ１６で検出したＦＣスタック温度Ｔが電解質膜を破壊する温度（例えば１５０℃）以上である場合には、冷却水切替弁４５をラジエータ側に切り替え、冷却水を積極的に冷却してＦＣスタック１０を冷却するように構成してもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、冷却水を加熱する加熱部４４をラジエータ４３と並列的に設けたが、これに限らず、冷却水経路４０において加熱部４４をラジエータ４３と直列的に設けてもよい。この場合には、図１の燃料電池システムの構成において、加熱部４４側とラジエータ側との分岐点の上流側であってウォータポンプ４１の下流側に加熱部４４を移動させればよい。このような構成の場合、加熱部４４が設けられていた経路は、冷却水をラジエータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路となる。このような構成により、通常運転終了後の水分除去制御を行う際、加熱部４４を通過して加熱された冷却水は、バイパス通路を通過してラジエータ４２をバイパスする。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。
【図２】図１の燃料電池システムの水分除去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（ＦＣスタック）、１０ａ…酸素極、１０ｂ…水素極、１２…温度センサ、２０…空気経路、２２、２３…シャットバルブ、３０…水素経路、３２、３３…シャットバルブ、３５…水素経路切替弁、４２、４３…冷却部、４４…加熱部（加熱手段）、５０…制御部（ＥＣＵ）。

Claims

水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に供給される酸素が通過する空気経路（２０）と、
前記燃料電池（１０）に供給される水素が通過する水素経路（３０）と、
前記燃料電池（１０）を加熱する加熱手段（４４）と、
前記燃料電池（１０）の温度を検出する温度センサ（１２）と、
前記燃料電池（１０）の水素極および酸素極の水分量を検出する水分センサ（２４、３４）と、
前記空気経路（２０）および前記水素経路（３０）へのガス供給制御および前記加熱手段（４４）による加熱制御を行う制御手段（５０）とを備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、前記空気経路（２０）および前記水素経路（３０）に所定の乾燥ガスを供給し、前記水分センサによって検出した水分量が所定量より少なく凍結範囲を下回っているか否かを判定し、前記凍結範囲を超えていると判定された場合には、前記温度センサ（１２）により検出した温度に基づいて前記加熱手段（４４）による前記燃料電池（１０）の加熱温度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記乾燥ガスは空気であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）に冷却水を循環させる冷却水経路（４０）と、
前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記燃料電池（１０）の通常運転時に前記冷却水を冷却する冷却部（４２、４３）とを備え、
前記加熱手段は、前記冷却水経路（４０）において前記冷却部（４２、４３）と並列的あるいは直列的に設けられ、前記冷却水を加熱するように構成されており、
前記冷却水の流路を前記冷却部（４２、４３）側あるいは前記加熱手段（４４）側に切り替える冷却水切替手段（４５）を備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の通常運転終了後、前記燃料電池（１０）を加熱する際に、前記冷却水切替手段（４５）によって前記冷却水の流路を前記加熱手段（４４）側に切り替えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。