JP2007149574A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流の発生を抑制しつつ、燃料電池の暖気が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御装置９０は、燃料電池４０と短絡回路８０との接続／非接続を短絡リレー８１によって切り換える。制御装置９０は、低温起動の際、短絡リレー８１を非接続から接続に切り換える前に、補機類を駆動するなどして燃料電池４０のカソードに残存する酸化ガスを消費し、酸化ガス欠乏状態を生成する。その後、制御装置９０は、ＦＣリレー６１をＯＮからＯＦＦに切り換えるとともに短絡リレー８１をＯＦＦからＯＮに切り換えることで、短絡電流を流す準備を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は他の電源に比べて低温下における起動性が悪い。かかる燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない場合も生じる。

このような事情に鑑み、システム負荷と接続される燃料電池の入力端子及び出力端子（入出力端子）の間に短絡回路を構成し、低温起動の際にはリレー等を用いて燃料電池と短絡回路とを接続し、燃料電池本体に短絡電流を流すことにより、自己発熱させて暖気を行う技術が開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００５−９３１４３号公報

しかしながら、低温起動時といえども燃料電池に発電に寄与するガス（酸化ガスや燃料ガス；以下、「反応ガス」と総称）が残存している場合には、燃料電池と短絡回路との接続時に突入電流が発生し、燃料電池本体に流れることで当該燃料電池が破損してしまう等の問題があった。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、突入電流の発生を抑制しつつ、燃料電池の暖気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。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続された負荷と、前記燃料電池から前記負荷への入出力端子間に設けられた短絡回路と、前記燃料電池に残存する反応ガスを減少させた後、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続する制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池に残存する反応ガスを減少させた後に、燃料電池と短絡回路とを接続するため、燃料電池に反応ガスが残存したまま接続した場合に生じる問題、すなわち突入電流が発生して燃料電池が破損してしまう等の問題を抑制することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記制御手段は、前記燃料電池を発電して当該燃料電池に残存する反応ガスを消費することにより、該反応ガスを減少させる態様が好ましい。また、前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記燃料電池の発電を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続する態様が好ましい。また、前記反応ガスには、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスが含まれ、前記制御手段は、少なくとも前記酸化ガスを減少させる態様がさらに好ましい。

また、上記構成にあっては、前記燃料電池に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、前記制御手段は、前記不活性ガスを前記燃料電池に供給することにより、当該燃料電池に残存する反応ガスを減少させる態様が好ましい。また、前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記不活性ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記反応ガスには、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスが含まれ、前記制御手段は、前記アノードへ燃料ガスを供給してアノードからカソードへの燃料ガスのクロスリークを生じさせることにより、前記酸化ガスを減少させる態様が好ましい。また、前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続する態様が好ましい。また、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続した後、目標とする短絡電流に応じて前記酸化ガスの供給を調整する調整手段をさらに具備する態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、突入電流の発生を抑制しつつ、燃料電池を暖気することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有しており、燃料電池４０には各セル電圧を検出するためのセル電圧モニタ（センサ）５０が設置されている。
燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

システム負荷６０は、燃料電池や種々のタイプの二次電池(例えばニッケル水素バッテリなど；図示略）から供給される電力によって駆動される車両補機やＦＣ補機を含んで構成される。システム負荷６０は、燃料電池４０の入力端子４１と出力端子４２の間にＦＣリレー６１を介して接続されている。ＦＣリレー６１は、制御装置９０による制御のもと、燃料電池４０とシステム負荷６０の接続／非接続の切り換えを行う。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

短絡回路８０は、燃料電池４０に短絡電流を流すための回路であり、燃料電池４０の入力端子４１と出力端子４２との間（入出力端子間）に設けられている。短絡回路８０は、短絡リレー８１とヒューズ８２と電流センサ８３が直列接続されて構成されている。短絡リレー８１は、制御装置９０による制御のもと、燃料電池４０と短絡回路８０との接続／非接続の切り換えを行う。ヒューズ８２は、短絡リレー８１の故障時などにフェールセーフを実現し、突入電流の発生などにより短絡回路８０に流れる電流（短絡電流）が過大となった際、自身が溶融して当該電流を遮断することにより、燃料電池４０を保護する。電流センサ８３は、短絡回路８０に流れる電流を検出し、検出結果を制御装置９０に出力する。

制御装置（制御手段）９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。また、制御装置９０は、例えば当該システムの起動指示が入力されたとき、温度センサ５５５により測定された温度が基準温度より低い場合には、後述する前処理を行った後に短絡リレー８１を接続して燃料電池４０に短絡電流を流すことにより、燃料電池４０内の温度を上昇させる制御を行う。

図２は、従来における短絡リレーの接続方法を説明するための図、図３は、本発明における短絡リレーの接続方法を説明するための図である。各図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ酸化ガスの残存量、短絡リレーの接続／非接続の切り換えタイミング、燃料電池４０に流れる電流（ＦＣ電流）を示す図である。
図２に示すように、燃料電池４０のカソードに酸化ガスが残存した状態で、短絡リレーを非接続から接続（ＯＦＦからＯＮ）に切り換えた場合には、リレー接続時に突入電流Ｃｒが発生し、該電流が燃料電池４０を流れることで破損等してしまう。

そこで、本発明では、図３に示すように、短絡リレーを非接続から接続に切り換える前に補機類を駆動するなどして燃料電池４０のカソードに残存する酸化ガスを消費し、酸化ガス欠乏状態を生成（以下、前処理）する。このように、酸化ガス欠乏状態を生成してから短絡リレーを接続し、燃料電池４０に短絡電流を流すことで、突入電流の発生を抑制しつつ、燃料電池を暖気することが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明に係る前処理について詳細に説明する。

図４は、前処理を示すフローチャートである。
制御装置９０は、操作スイッチ（図示略）から当該システムの起動指示を受け取ると、温度センサ５５によって測定される燃料電池４０の温度（以下、ＦＣ温度）が設定された基準温度を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１→ステップＳ２）。ＦＣ温度が基準温度を越えている場合には（ステップＳ２；ＮＯ）、制御装置９０は各ステップを実行することなく処理を終了する。一方、ＦＣ温度が基準温度を下回っている場合には（ステップＳ２；ＹＥＳ）、制御装置９０は燃料電池４０のカソードに残存する酸化ガスを消費（減少）するべく、燃料電池４０を発電して補機類の駆動を開始する（ステップＳ３）。具体的には、燃料電池４０のカソードへの酸化ガスの供給を停止する一方、燃料電池４０のアノードには十分な燃料ガスを供給し、燃料電池４０を発電して補機類の駆動を開始する。もちろん、補機類を駆動する代わりに、バッテリなどの２次電池やキャパシタ（いずれも図示略）などに発電電力を蓄積しても良い。

制御装置９０は、ステップＳ４に進むと、酸化ガス欠乏状態が生成されたか否かを判断する。具体的には、セル電圧モニタ（センサ）５０によって検知される各セル電圧が所定値（例えば０Ｖ付近）まで低下したかを検知し、各セル電圧が所定値まで低下していれば、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断する一方、各セル電圧が所定値まで低下していなければ酸化ガス欠乏状態は生成されていないと判断する。

制御装置９０は、酸化ガス欠乏状態が生成されていないと判断すると（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ３に戻り、補機類の駆動を継続する。一方、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断すると（ステップＳ４；ＹＥＳ）、制御装置９０は補機類の駆動を停止し、ＦＣリレー６１をＯＮからＯＦＦに切り換えることにより、燃料電池４０とシステム負荷６０とを電気的に切断する（ステップＳ５→ステップＳ６）。さらに、制御装置９０は、短絡リレー８１をＯＦＦからＯＮに切り換えることにより、燃料電池４０と短絡回路８０を電気的に接続し（ステップＳ７）、短絡電流を流す準備をすることで処理を終了する。

かかる前処理を行うと、制御装置９０は燃料ガス及び酸化ガスを供給し、燃料電池４０による発電を開始する。この結果、燃料電池４０に短絡電流が流れて自己発熱が起こり、燃料電池４０が暖気される。なお、短絡電流の電流値や短絡電流を流す時間などについては、燃料電池４０の暖気温度などに応じて適宜設定すれば良い。また、短絡電流の電流値は、電流センサ８３によって検知される電流値が所定値（目標とする電流値など；以下、目標短絡電流値）となるように制御すれば良い。具体的には、制御装置（調整手段）９０は、電流センサ８３によって検知される電流値と目標短絡電流値から必要な酸化ガス量を求め、求めた酸化ガス量が燃料電池４０に供給されるようにエアコンプレッサ等の駆動を制御すれば良い。
さらに、短絡回路８０には、ヒューズ８２が設けられているため、電流センサ８３などに異常が生じて短絡回路８０に流れる電流が過大になっても、当該電流が燃料電池４０に流れるのを防止することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池のカソードに残存する酸化ガスを消費し、酸化ガス欠乏状態を生成してから短絡リレーを接続し、燃料電池に短絡電流を流すことで、突入電流の発生を抑制しつつ、燃料電池を暖気することが可能となる。

上記例では、酸化ガス欠乏状態を生成してから燃料電池に短絡電流を流す場合について説明したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）燃料ガス欠乏状態を生成してから燃料電池に短絡電流を流すようにしても良い。ただし、燃料ガス欠乏状態で燃料電池４０の発電を行うと、燃料電池４０のＭＥＡなどにダメージを与えてしまう。これに対し、酸化ガス欠乏状態で燃料電池４０の発電を行う場合には、ＭＥＡなどにダメージを与えないことが実験的に確認されているため、酸化ガス欠乏状態を生成してから燃料電池に短絡電流を流すのが望ましい。

Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、カソードに残存する酸化ガスを消費することで酸化ガス欠乏状態を生成する場合について説明したが、第２実施形態では、不活性ガスを供給してカソードに残存する酸化ガスを押し出すことで酸化ガス欠乏状態を生成する場合について説明する。

図５は、第２実施形態に係る燃料電池システム１００’の構成を示す図である。
燃料電池システム１００’は、図１に示す燃料電池システム１００に不活性ガス供給源１１０と三方弁１２０とを設けたものである。よって、図１と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

不活性ガス供給源（不活性ガス供給手段）１１０は、例えばＮ₂ガスなどの不活性ガスを供給する手段であり、不活性ガスが充填された高圧タンクやポンプなどにより構成されている。
三方弁１２０は、酸化ガス供給路に設けられ、制御装置９０による制御のもと、燃料電池４０に供給するガスの切り換えを行う。具体的には、三方弁１２０を制御することにより、燃料電池４０のアノードに酸化ガスを供給するか、不活性ガスを供給するかの切り換えを行う。

図６は、第二実施形態に係る前処理を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローは、図４に示すステップＳ３、Ｓ５の代わりに、ステップＳ１３、Ｓ１５を設けたものである。よって、他のステップについては同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

制御装置９０は、ＦＣ温度が基準温度を下回っていると判断すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、燃料電池４０のカソードに残存する酸化ガスを押し出す（減少させる）べく、三方弁１２０を切り換えて燃料電池４０のカソードに不活性ガスの供給を開始する（ステップＳ１３）。

制御装置９０は、ステップＳ４に進むと、燃料電池４０のカソードに残存していた酸化ガスが供給された不活性ガスによって押し出されることにより、酸化ガス欠乏状態が生成されたか否かを判断する。具体的には、セル電圧モニタ５０によって検知される各セル電圧が所定値（例えば０Ｖ付近）まで低下したかを検知し、各セル電圧が所定値まで低下していれば、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断する一方、各セル電圧が適切に低下していなければ酸化ガス欠乏状態は生成されていないと判断する。

制御装置９０は、酸化ガス欠乏状態が生成されていないと判断すると（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ１３に戻り、不活性ガスの供給を継続する。一方、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断すると（ステップＳ４；ＹＥＳ）、制御装置９０は不活性ガスの供給を停止し、ＦＣリレー６１をＯＮからＯＦＦに切り換えることにより、燃料電池４０とシステム負荷６０とを電気的に切断する（ステップＳ１５→ステップＳ６）。なお、この後の動作については第１実施形態と同様であるため、これ以上の説明は割愛する。

このように、燃料電池のカソードに不活性ガスを供給することによって酸化ガスを減らし、酸化ガス欠乏状態を生成しても良い。
なお、上記例では燃料電池のカソードに不活性ガスを供給することで酸化ガス欠乏状態を生成したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）燃料電池のアノードに不活性ガスを供給することで燃料ガス欠乏状態を生成しても良い。
このように、燃料電池を発電することなく、アノードに残存する燃料ガスを減らす場合には、燃料電池のＭＥＡなどにダメージを与えてしまうといった問題も生じないため（第１実施形態参照）、アノードもしくはカソードのいずれに不活性ガスを供給しても良い。

Ｃ．第３実施形態
上述した第１実施形態では、カソードに残存する酸化ガスを消費することで酸化ガス欠乏状態を生成したが、第３実施形態では、アノードからカソードへ燃料ガスをクロスリークさせることで酸化ガス欠乏状態を生成する。
図７は、第３実施形態に係る前処理を示すフローチャートである。なお、図７に示すフローは、図４に示すステップＳ３、Ｓ５の代わりに、ステップＳ２３、Ｓ２５を設けたものである。よって、他のステップについては同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

制御装置９０は、ＦＣ温度が基準温度を下回っていると判断すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、カソードへの酸化ガスの供給を停止する一方、燃料電池４０のアノードには十分な燃料ガスを供給する。周知のとおり、アノードに供給される燃料ガス（例えば水素ガス）の分子径は、カソードに供給される酸化ガスの分子径よりも小さいため、アノードからカソードへ燃料ガスのクロスリークが開始される（ステップＳ２３）。

制御装置９０は、ステップＳ４に進むと、燃料電池４０のカソードに残存していた酸化ガスがクロスリークによって生じた燃料ガスによって押し出されることにより、酸化ガス欠乏状態が生成されたか否かを判断する。具体的には、セル電圧モニタ５０によって検知される各セル電圧が所定値（例えば０Ｖ付近）まで低下したかを検知し、各セル電圧が所定値まで低下していれば、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断する一方、各セル電圧が適切に低下していなければ酸化ガス欠乏状態は生成されていないと判断する。

制御装置９０は、酸化ガス欠乏状態が生成されていない場合には（ステップＳ４；ＮＯ）、ステップＳ２３に戻り、燃料ガスのクロスリークを継続（例えば３０秒など）させる。一方、酸化ガス欠乏状態が生成されたと判断すると（ステップＳ４；ＹＥＳ）、制御装置９０はアノードへの燃料ガスの供給を停止し、ＦＣリレー６１をＯＮからＯＦＦに切り換えることにより、燃料電池４０とシステム負荷６０とを電気的に切断する（ステップＳ２５→ステップＳ６）。なお、この後の動作については第１実施形態と同様であるため、これ以上の説明は割愛する。

このように、アノードからカソードへ燃料ガスのクロスリークを生じさせ、カソードに残存する酸化ガスをクロスリークによって生じた燃料ガスで押し出すことによって酸化ガスを減らし、酸化ガス欠乏状態を生成しても良い。

Ｄ．変形例
上述した各実施形態では低温起動時における暖気を想定したが、例えばシステム運転停止前に急速暖気を行う場合など、暖気が必要なあらゆる場合に適用可能である。
また、上述した各実施形態では燃料電池４０と短絡回路８０との接続／非接続を切り換える手段として短絡リレー８１を例示したが、ＩＧＢＴやＦＥＴ等からなる半導体スイッチを利用しても良い。なお、短絡回路８０には短絡時の電流制限用にＬＣＲ負荷などを設置しても良い。また、短絡回路８０にヒューズ８２や電流センサ８３を設けない構成としても良い。

第１実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 従来における短絡リレーの接続方法を説明するための図である。 本発明における短絡リレーの接続方法を説明するための図である。 第１実施形態に係る前処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第２実施形態に係る前処理を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る前処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・セル電圧モニタ、５５・・・温度センサ、６０・・・システム負荷、６１・・・ＦＣリレー、７０・・・酸化ガス供給源、８０・・・短絡回路、８１・・・短絡リレー、８２・・・ヒューズ、８３・・・電流センサ、１１０・・・不活性ガス供給源、１２０・・・三方弁、１００、１００’・・・燃料電池システム。

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に接続された負荷と、
   前記燃料電池から前記負荷への入出力端子間に設けられた短絡回路と、
   前記燃料電池に残存する反応ガスを減少させた後、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池を発電して当該燃料電池に残存する反応ガスを消費することにより、該反応ガス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. 前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記燃料電池の発電を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続す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. 前記反応ガスには、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスが含まれ、
   前記制御手段は、少なくとも前記酸化ガスを減少させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記不活性ガスを前記燃料電池に供給することにより、当該燃料電池に残存する反応ガス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。
6. 前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記不活性ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記反応ガスには、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスが含まれ、
   前記制御手段は、前記アノードへ燃料ガスを供給してアノードからカソードへのクロスリークを生じさせることにより、前記酸化ガス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。
8. 前記燃料電池の出力電圧を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づき前記燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池と前記短絡回路とを接続することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池と前記短絡回路とを接続した後、目標とする短絡電流に応じて前記酸化ガスの供給を調整する調整手段をさらに具備することを特徴とする請求項４、７、８のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
   
   

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