JP2005100820A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を高電位無負荷状態で放置することによる劣化を防止し、且つ無駄に排出する水素の量を抑え燃費の低下を防止する。
【解決手段】通常停止運転を終了した後、燃料電池１に水素のみを供給し、燃料電池１内の空気極側に残存する酸素を消費させて燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行う。この停止時電圧低下運転を行う際、電圧計１５により燃料電池１の電圧の低下を検知し、制御装置１７が燃料電池１の電圧低下に伴って水素調圧弁３の開度を低下させることで、燃料電池１への水素供給量を電圧低下に応じて減少させる。また、電圧が所定の値まで低下したら燃料電池１への水素供給を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、停止時の運転制御の改良に関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素及び空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ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た固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。

ところで、前述のような燃料電池の運転を停止する場合には、通常、各流体（水素及び空気）の圧力を低下させる停止運転を行うが、このような通常の停止運転が終了した直後の燃料電池は、高電位無負荷状態にある。燃料電池は、高電位無負荷状態で放置すると劣化するため、通常停止運転終了後、電位を低下させなければならない。

このような観点から、通常の停止運転を終了した後、燃料電池の電圧が所定の電圧に低下した時点で、燃料電池への水素の供給を停止する燃料電池の停止方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の燃料電池の停止方法では、外部負荷との遮断を行い、燃料ガス（水素）を供給した状態で空気の供給を停止し、内部負荷をかける第一のステップ（停止時電圧低下運転）と、電池電圧が所定の電圧に低下した時点で水素の供給を停止し、内部電圧と遮断する第二のステップとを行うようにしている。
特開平６−３３３５８６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される方法では、停止時電圧低下運転において、電池電圧が所定の値に低下するまで一定量の水素を燃料電池の水素流路に供給するようにしているため、電池電圧がある程度低下した段階では余分に水素が供給されて、その余剰分の水素がそのまま燃料電池システムの外部に排出されることになるため、燃費の低下につながるという大きな問題点がある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池を高電位無負荷状態で放置することによる劣化を防止することが可能で、無駄に排出する水素の量を極力抑え、燃費の低下を防止す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している。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に水素及び空気を供給して発電を行うものであり、通常の停止運転を終了した後に、停止時電圧低下運転を行うようにしている。通常の停止運転は、システム内における各流体の圧力を低下させるものであり、停止時電圧低下運転は、燃料電池に水素のみを供給し、燃料電池内の空気極側に残存する酸素を消費させて燃料電池の電圧を低下させるものである。そして、本発明の燃料電池システムでは、通常停止運転終了後の停止時電圧低下運転を行う際に、燃料電池の電圧の低下に応じて水素の供給量を減少させる制御を行うことを特徴としている。

本発明の燃料電池システムにおいては、通常停止運転を終了した後に、燃料電池に水素のみを供給し、燃料電池内の空気極側に残存する酸素を消費させて燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行っているので、燃料電池が高電位無負荷状態に放置されることによる劣化が抑えられる。また、この停止時電圧低下運転に際して、燃料電池の電圧の低下に応じて水素の供給量を減少させるようにしているので、電圧が所定の値に低下するまで一定量の水素を燃料電池の水素流路に供給する場合に比べて、無駄に排出される水素量が抑えられ、燃費の低下も最小限に抑えられる。

本発明の燃料電池システムによれば、運転停止直後の燃料電池に発電時と同等の電圧が残っている状態で燃料電池内水素供給流路へ空気が混入することによって起こる触媒劣化反応を防止することができ、運転停止時の燃料電池の劣化を防止することが可能である。また、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧の低下とともに水素の供給量を減少させるように制御することで、燃料電池システムの外部に排出する水素量を減少させて余分な水素排出を抑制できるので、燃費の低下を防止することが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要部分の構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料である水素を供給する水素供給系、酸化剤である酸素（空気）を供給する空気供給系からなる。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１の燃料として水素を直接供給するダイレクト水素方式の燃料電池システムである。

燃料電池１は、水素が供給される燃料極（アノード極）と酸素（空気）が供給される空気極（カソード極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素供給系は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンク２、当該高圧水素タンク２から供給される水素の圧力を所望圧力まで減圧する水素調圧弁３、圧力調整された水素を燃料電池１に導く水素ガス通路４、燃料電池１の水素極から排出される排水素を外部に排出する水素排気管５、水素排気管５を開閉する開閉弁６、排出される水素を希釈して排気する水素希釈装置７から構成される。そして、水素供給源である高圧水素タンク２から供給される水素ガスが、水素調圧弁３で所定の圧力に減圧された後、水素ガス通路４を通って、燃料電池１の水素極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池１からの排水素は水素排気管５に導かれ、開閉弁６が開状態とされたときに、水素希釈装置７で希釈された後に外部に排気されるようになっている。

また、空気供給系は、燃料電池１の空気極に空気を送り込むためのコンプレッサ等の空気供給装置８と、空気供給通路９、及び燃料電池１の空気極からの排ガスを排出するための空気排気管１０とから構成されている。そして、空気を吸入、圧送する空気供給装置８により配管内に圧送された空気は、必要に応じて、図示しないフィルタにより、マイクロダストや硫黄分、オイル等がトラップされ、また、空気供給通路９の経路中に設けられた図示しない加湿手段等により加湿されて、燃料電池１の空気極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池１からの排空気は、空気排気管１０に導かれてここから外部に排気されるようになっている。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池１での発電時に燃料電池１から取り出される電力は、変圧器１１を介して各電力駆動装置に供給されるとともに、一部はバッテリ１２に供給され、その充電に供される。

また、前記水素供給系においては、燃料電池１の上流側に配置される水素調圧弁３の前後に圧力センサ１３、１４が設置され、さらに、燃料電池１から電力を取り出す配線には、電圧計１５及び電流計１６が設置されている。これら圧力センサ１３、１４、電圧計１５、電流計１６からの検出信号は制御装置１７に入力されるようになっている。そして、制御装置１７が、これら圧力センサ１３、１４、電圧計１５、電流計１６からの検出信号に基づいて、水素調圧弁３や開閉弁６の開閉、変圧器１１の動作等を制御する。

以上のような構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料電池１に水素及び空気を供給することで発電が行われ、電力が取り出される。そして、運転停止の際には、各流体、すなわち水素及び空気の圧力を低下させる通常停止運転を行い、発電を終了する。

ただし、高圧水素タンク２から供給される水素と、空気供給装置８から供給される空気を用いて発電を行う燃料電池１において、各流体の圧力を低下させる等の通常停止運転を終了した後には、燃料電池１は、高電位無負荷状態にある。燃料電池１は、高電位無負荷状態で放置すると劣化するため、通常停止運転終了後、電位を低下させなければならない。

そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、通常停止運転を終了した後に、停止時電圧低下運転を行うようにしている。この停止時電圧低下運転は、燃料電池１に水素のみを供給して、空気は供給しない運転を行うことで燃料電池１内部の空気流路の残酸素を消費して電流を流し電位を低下させるものである。なお、このような停止時電圧低下運転において、燃料電池１で発電に使用されなかった水素は、開閉弁６を通過後、水素希釈装置７で希釈されて燃料電池システム外部に排出されることになる。

ここで、停止時電圧低下運転の方法としては、燃料電池１の電位を低下させるのに十分な時間として予め定められた所定時間に亘って、一定量の水素を燃料電池１に供給し続ける方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、残酸素の消費が進行して燃料電池１の電位がある程度低下した段階でも一定量の水素供給が継続されるので、水素供給量が過剰となって、その余剰分の水素がそのまま燃料電池システムの外部に排出され、燃費の低下につながるという問題が生じる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、特に、停止時電圧低下運転を行う際に、電圧計１５により燃料電池１の電圧の低下を検知し、制御装置１７が、燃料電池１の電圧低下と共に水素調圧弁３の開度を低下させることで、図２に示すように、燃料電池１への水素供給量を電圧の低下に応じて減少させる制御を行うようにしている。また、制御装置１７は、電圧が所定の値まで低下した時点で、燃料電池１への水素供給を停止させるようにしている。

ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいて、停止時電圧低下運転の際に制御装置１７により実行される制御の一例について、図３を参照して具体的に説明する。

本実施形態の燃料電池システムでは、停止時電圧低下運転が開始されると、先ず、制御装置１７が水素調圧弁３を一定速度（例えば、全開までの時間を１秒。）で開にし（ステップＳ１）、高圧水素タンク２から燃料電池１に燃料ガスである水素を供給させる（ステップＳ２）。

次いで、制御装置１７は、水素調圧弁３の開度調整を開始して（ステップＳ３）、燃料電池入口水素圧力と大気圧状態にある空気圧力との差圧が、許容差圧上限値（例えば、１５ｋＰａ）を超えないように、且つ、燃料電池入口水素圧力が許容範囲上限値（例えば、１０１．３＋１５＝１１６．３ｋＰａ）となるように、水素調圧弁開度を調整する（ステップＳ４）。

その後、燃料電池１での発電が開始され（ステップＳ５）、変圧器１１により燃料電池１からの電力取り出しが開始される（ステップＳ６）。このときの電圧及び燃料電池入口水素圧力は、最大値（例えば、３５０Ｖ、１１５ｋＰａ）である。

次に、制御装置１７は、電圧計１５により検出される燃料電池１の電圧が３００（Ｖ）まで低下したか否かを確認し（ステップＳ７）、低下した場合には、水素調圧弁３の開度を調整して燃料電池入口水素圧力を１１５（ｋＰａ）から１１０（ｋＰａ）へ下げることで、水素流量を減少させる（ステップＳ８）。

次いで、制御装置１７は、燃料電池１の電圧が１５０（Ｖ）まで低下したか否かを確認し（ステップＳ９）、低下した場合には、水素調圧弁３の開度を調整して燃料電池入口水素圧力を１１０（ｋＰａ）から１０５（ｋＰａ）まで下げることで、水素流量をさらに減少させる（ステップＳ１０）。続いて、制御装置１７は、燃料電池１の電圧が１５（Ｖ）まで低下したか否かを確認し（ステップＳ１１）、低下した場合には、水素調圧弁３を一定速で閉じる（例えば、全閉までの時間を１秒）（ステップＳ１２）。

そして、制御装置１７は、燃料電池入口水素圧力が大気圧（例えば、１０１．３ｋＰａ）にまで低下したことを確認すると（ステップＳ１３）、一連の制御フローを終了して、停止時電圧低下運転を終了させる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、停止時電圧低下運転を行う際に以上のような水素供給制御が行われることにより、外部への排出水素を減少させることができ、燃費の低下を有効に防止することが可能となる。また、予め決められた所定時間に亘って停止時電圧低下運転を継続させるのではなく、電圧低下に応じて必要な時間だけ停止時電圧低下運転を行うようにしているので、システムの停止時間を短縮することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、ここではその説明は省略する。また、本実施形態においても、通常停止運転を終了した後に停止時電圧低下運転を行って、燃料電池１内部に水素のみを供給し、燃料電池１内部空気流路の残酸素を消費して電流を流し電位を低下させる。このとき、停止時電圧低下運転の際の燃料電池１への水素供給量は、上述した第１の実施形態と同様、電圧計１５で検知した燃料電池１の電圧の低下に伴い制御装置１７が水素調圧弁３の開度を低下させることで、電圧の低下に応じて減少させるように制御する。

また、停止時電圧低下運転で発生した電流は、電流計１６で検知後、変圧器１１に流し、各電力駆動の機器及びバッテリ１２に供給される。ただし、この停止時電圧低下運転において、変圧器１１に取り出される電力が、供給されている水素で発電可能な電力を上回ると、燃料電池１内は水素不足の状態になり水素流路の圧力が負圧になるため、水素流路と空気流路の許容差圧を越えて燃料電池１内部にある電解質膜にダメージを与えるおそれがある。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、停止時電圧低下運転の際に取り出す電力に制限を加えることとする。すなわち、停止時電圧低下運転で、水素供給量を減少させる過程で発電した電力を燃料電池１の外部に取り出す際、制御装置１７が、水素調圧弁３の開度及び圧力センサ１３の読み値から燃料電池１への水素供給量を算出し、燃料電池１に供給されている水素量で発電できる電力を算出する。この水素供給量から算出された電力値が、電圧計１５と電流計１６の測定値から制御装置１７で算出した電力値より小さくならないように、制御装置１７が、変圧器１１での取り出し電力に制限を加える制御を行う。

また、図４に示すように、燃料電池１の電圧低下に応じて水素流量を低下する過程で、燃料電池１の水素極入口に設けた圧力センサ１４の測定値が大気圧（１０１．３ｋＰａ＿ａ）に達した場合には、制御装置１７は、所定の時間、水素調圧弁３の開度を所定の値まで上げて、燃料電池１内の水素流路の圧力を、当該水素流路と空気流路との差圧が許容差圧を超えない範囲で高める。なお、図３中実線のグラフが水素調圧弁３の開度を示し、破線のグラフが燃料電池入口水素圧力を示している。

本実施形態の燃料電池システムでは、制御装置１７が以上のような制御を行う結果、燃料電池１内部の水素流路の圧力を負圧にすることがなくなるので、燃料電池１の劣化を確実に防止することができる。

燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおける燃料電池の電圧低下量と水素供給量との関係を示す特性図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、停止時電圧低下運転の際に制御装置により実行される制御の流れを示すフローチャートである。 燃料電池の電圧低下量と水素調圧弁の開度との関係及び燃料電池の電圧低下量と燃料電池入口水素圧力との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 高圧水素タンク
３ 水素調圧弁
８ 空気供給装置
１３，１４ 圧力センサ
１５ 電圧計
１６ 電流計
１７ 制御装置

Claims (5)

1. 燃料電池に水素及び空気を供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、
   システム内における各流体の圧力を低下させる通常停止運転を終了した後に、前記燃料電池に水素のみを供給し、前記燃料電池内の空気極側に残存する酸素を消費させて前記燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行い、
   前記停止時電圧低下運転の際に、前記燃料電池の電圧の低下に応じて前記水素の供給量を減少させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の上流側に水素調圧弁を配し、当該水素調圧弁の開度制御により前記水素の供給量を減少させ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。
3. 前記燃料電池の水素極入口に水素圧力センサを配し、当該水素圧力センサにより検出される水素圧力が大気圧に達した場合、前記水素調圧弁の開度を所定の値まで上げて、前記燃料電池の水素流路圧力と空気流路圧力との差圧が許容差圧を超えない範囲で、前記水素流路圧力を高めることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の電圧が所定の値まで低下した時点で前記燃料電池への水素の供給を停止させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記停止時電圧低下運転の際に、供給される水素により発電可能な電力を越えて前記燃料電池から電力を取り出さないように、前記燃料電池からの電力取り出しを制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。

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