JP2010262808A - 燃料電池システム、および、その制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システムの停止時に、発電停止後の燃料電池15における電圧上昇を抑制するための電位抑制動作を行なう停止時電位抑制部と、停止時電位抑制部における不具合を検知する不具合検知部と、不具合検知部が不具合を検知した場合には、燃料電池システム10の次回以降の起動後に、燃料電池15が備える電極の酸化を抑制する酸化抑制動作を行なう電極酸化抑制部と、を備える燃料電池システム10。
【選択図】図1
Description
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止時に、発電停止後の前記燃料電池における電圧上昇を抑制するための電位抑制動作を行なう停止時電位抑制部と、
前記停止時電位抑制部における不具合を検知する不具合検知部と、
前記不具合検知部が前記不具合を検知した場合には、前記燃料電池システムの次回以降の起動後に、前記燃料電池が備える電極の酸化を抑制する酸化抑制動作を行なう電極酸化抑制部と
を備える燃料電池システム。
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記電極酸化抑制部は、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において、前記酸化抑制動作を行なう燃料電池システム。適用例2に記載の燃料電池システムによれば、酸化抑制動作を、次回以降の起動後の再停止時に行なうため、停止時電位抑制部に不具合が発生した場合であっても、酸化抑制動作を行なうことによって発電中の燃料電池が影響を受けることがない。
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記電極酸化抑制部は、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の発電中において、前記酸化抑制動作を行なう燃料電池システム。適用例3に記載の燃料電池システムによれば、酸化抑制動作を、停止時電位抑制部の不具合を検出した後の発電中に行なうため、酸化抑制動作を行なうことによって、停止時電位抑制部における不具合の発生前の燃料電池が影響を受けることがない。
適用例1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、前記電極酸化抑制部は、前記酸化抑制動作として、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なう燃料電池システム。適用例4に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の冷却効率を向上させることにより、停止時電位抑制部に不具合が発生して発電停止後の燃料電池において望ましくない程度に電圧が上昇する場合であっても、電極の酸化反応の進行を抑制することができる。
適用例4記載の燃料電池システムであって、前記電極酸化抑制部は、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なうことにより、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において前記不具合に起因する電圧上昇が起こる際に、前記燃料電池の温度をより低くすることが可能であると判断される場合には、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行ない、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なうことにより、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において前記不具合に起因する電圧上昇が起こる際に、前記燃料電池の温度をより低くすることができないと判断される場合には、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なわない燃料電池システム。適用例5に記載の燃料電池システムによれば、不具合に起因する電圧上昇時における燃料電池の温度を低下させる効果が得られないと判断されるときには、燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なわないため、燃料電池の冷却効率を向上させる動作に起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
適用例4または5記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池システムが停止している停止時間を実測することによって学習する停止時間学習部を備え、前記電極酸化抑制部は、前記停止時間学習部における学習結果に基づいて、停止時間内において不具合に起因する電圧上昇が起こると判断される場合に、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なう燃料電池システム。適用例6に記載の燃料電池システムによれば、不具合に起因する電圧上昇が停止時間内に起こらない場合に、燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なうことを抑制することができるため、燃料電池の冷却効率を向上させる動作に起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
適用例4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、前記燃料電池は、各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入した状態で、前記カソード側流路に対する空気の流出入を抑制した流出入抑制状態とする動作を行なう燃料電池システム。適用例7に記載の燃料電池システムによれば、カソード側流路に対する空気の流出入を抑制することにより、アノード側流路内に燃料ガスが封入されていても、発電体において内部電池が形成されることを抑制し、カソードが高電位となって燃料電池の電圧が望ましくない程度に上昇するのを抑制することができる。
適用例4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、前記燃料電池は、各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内を、前記燃料ガスに代えて、前記アノード上における反応性が水素に比べて低い不活性ガスで置き換える動作を行なう燃料電池システム。適用例8に記載の燃料電池システムによれば、アノード側流路内を不活性ガスによって置き換えることにより、発電体において内部電池が形成されることを抑制し、カソードが高電位となって燃料電池の電圧が望ましくない程度に上昇するのを抑制することができる。
適用例4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記燃料電池に対する水素を含有する燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池を短絡させる動作を行なう燃料電池システム。適用例9に記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスの供給を停止した後に燃料電池を短絡させることにより、燃料電池内部で水素を消費させて、燃料電池内に残留する水素量を低減することができる。これにより、発電体において内部電池が形成されることを抑制し、カソードが高電位となって燃料電池の電圧が望ましくない程度に上昇するのを抑制することができる。
適用例2記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、前記燃料電池は、各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、前記燃料電池システムは、システム停止に伴って前記燃料電池の発電を停止する際には、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する動作を行ない、前記電極酸化抑制部は、前記酸化抑制動作として、酸化抑制動作を行なわない通常のシステム停止時において前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する際の封入圧よりも高い圧力で、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する動作を行なう燃料電池システム。適用例10に記載の燃料電池システムによれば、システム停止時におけるアノード側流路への燃料ガスの封入圧を高めることにより、停止時電位抑制部に不具合が発生している場合であっても、燃料電池の電圧上昇のタイミングを遅らせることができる。これにより、燃料電池システムの停止中に実際に電圧上昇が起こる頻度を低下させることができ、これにより、燃料電池が備える電極の酸化を抑制することができる。
適用例10記載の燃料電池システムであって、前記電極酸化抑制部は、前記通常のシステム停止時における前記封入圧よりも高い圧力で、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入したときには、前記燃料電池システムについて設定した基準の停止時間内に、前記不具合に起因する電圧上昇が起こらなくなると判断される場合に、前記封入圧を高める動作を行なう燃料電池システム。適用例11記載の燃料電池システムによれば、アノード側流路内に燃料ガスを封入する封入圧を高めても電圧上昇が起こると判断される場合には、燃料ガスの封入圧を高めないため、不具合に起因する電圧上昇が起きるときに、電圧上昇している時間を抑制することができる。
適用例10または11記載の燃料電池システムであって、前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入した状態で、前記カソード側流路に対する空気の流出入を抑制した流出入抑制状態とする動作を行なう燃料電池システム。適用例12に記載の燃料電池システムによれば、カソード側流路に対する空気の流出入を抑制することにより、アノード側流路内に燃料ガスが封入されていても、発電体において内部電池が形成されることを抑制し、カソードが高電位となって燃料電池の電圧が望ましくない程度に上昇するのを抑制することができる。
適用例10または11記載の燃料電池システムであって、前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記燃料電池に対する水素を含有する燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池を短絡させる動作を行なう燃料電池システム。適用例13に記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスの供給を停止した後に燃料電池を短絡させることにより、燃料電池内部で水素を消費させて、燃料電池内に残留する水素量を低減することができる。これにより、発電体において内部電池が形成されることを抑制し、カソードが高電位となって燃料電池の電圧が望ましくない程度に上昇するのを抑制することができる。
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム10の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム10は、燃料電池15と、水素タンク20と、コンプレッサ30と、水素遮断弁40と、可変調圧弁42と、水素循環ポンプ44と、パージ弁46と、第1のカソード封止弁48と、負荷接続部51と、電圧センサ52と、報知装置54と、環境温度センサ55と、冷媒循環ポンプ60と、ラジエータ61と、冷媒温度センサ63と、制御部50と、を備えている。
燃料電池システム10では、その起動時に燃料電池15の発電を開始する際には、制御部50が、発電のための駆動信号を各部に出力する。具体的には、制御部50は、外部から燃料電池システム10の起動の指示を受信すると、負荷接続部51を制御して燃料電池15と負荷57とを接続させる。また、制御部50は、水素遮断弁40を開弁させると共に、可変調圧弁42を調整し、入力した負荷要求に基づいてコンプレッサ30を駆動制御すると共に、水素循環ポンプ44および冷媒循環ポンプ60を駆動させ、第1のカソード封止弁48を開弁制御する。そして、例えば負荷57がモータである場合には、負荷57に対しても、負荷要求に応じた駆動信号を出力する。なお、燃料電池15の発電時には、パージ弁46については、所定のタイミングで適宜開弁制御を行なう。
本実施例の燃料電池システム10は、その停止時に、既述した電位抑制動作を行なうと共に、電位抑制動作における不具合の発生の有無を検出し、不具合の発生を検出したときには、電圧上昇に起因する電極の酸化を抑制する処理を行なうことを特徴としている。図4は、燃料電池システム10の制御部50において、システム停止時に実行されるシステム停止時制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム10に対して発電停止の指示が入力された際に起動される。
以下に、ステップS120における不具合検出処理について説明する。本実施例では、電圧センサ52が検出した燃料電池電圧Vfに基づいて、電位抑制動作の不具合を検出している。燃料電池電圧Vfに基づいた電位抑制動作の不具合検出の方法として、以下に、3つの方法を例示して説明する。
図5は、ステップS120の工程の一例として、第1の不具合検出処理を表わすフローチャートである。本ルーチンは、ステップS110において通常の停止時制御が行なわれた後に起動される。本ルーチンが起動されると、制御部50は、タイマをリセットし、停止処理を行なってからの経過時間Tpを0に設定する(ステップS200)。その後、制御部50は、電圧センサ52から、燃料電池電圧Vfを取得する(ステップS210)。そして、電圧変化量ΔVfを算出する(ステップS220)。ここで、ステップS210では、短い時間間隔で燃料電池電圧Vfを2度取得しており、ステップS220では、取得した2つの燃料電池電圧Vf間の変化量を、測定の時間間隔で除することによって、単位時間当たりの電圧変化量ΔVfを求めている。
図6は、ステップS120の工程の一例として、第2の不具合検出処理を表わすフローチャートである。第2の不具合検出処理は、第1の不具合検出処理に代えて実行可能な処理であり、第1の不具合検出処理と共通する工程については工程番号を200番台から300番台に変更し、詳しい説明を省略する。以下では、第1の不具合検出処理と異なる部分について説明する。
図7は、ステップS120の工程の一例として、第3の不具合検出処理を表わすフローチャートである。第3の不具合検出処理は、第1の不具合検出処理に代えて実行可能な処理であり、第1の不具合検出処理と共通する工程については工程番号を200番台から400番台に変更し、詳しい説明を省略する。以下では、第1の不具合検出処理と異なる部分について説明する。
以下に、ステップS150における不具合検出後停止時処理について説明する。本実施例では、不具合を検知した後の次回以降のシステム起動後の再停止時には、電極酸化を抑制する酸化抑制動作として、燃料電池15内を循環させる冷媒である冷却水の循環量を増加させる処理を行ない、燃料電池15の冷却効率を向上させている。固体高分子型燃料電池である燃料電池15は、運転温度が65〜100℃程度であり、発電中は環境温度よりも高温となっている。そして、燃料電池15が発電を停止した後には、燃料電池15の温度は徐々に低下して環境温度に近づく。燃料電池システム10の停止時には、通常は、既述したように冷媒循環ポンプ60の駆動を停止させているため、燃料電池15の発電停止後の温度低下は、主として大気中への放熱によって徐々に進行する。これに対して、燃料電池15の発電停止後にも冷媒循環ポンプ60を駆動して冷媒を循環させる場合には、燃料電池15から冷媒への放熱が積極的に行なわれることによって、燃料電池15の冷却の効率を高めることができる。本実施例では、電位抑制動作としての流出入抑制状態の形成における不具合発生時には、冷媒循環ポンプ60を駆動して燃料電池15を積極的に冷却することによって、化学反応である触媒担持カーボンの酸化反応を抑制し、電極の形態変化を抑えている。
第1実施例では、電位抑制動作としての流出入抑制状態の形成における不具合が発生したときには、不具合検出後停止時処理において必ず冷媒の冷媒循環ポンプ60の駆動を実行しているが、異なる構成としても良い。以下に、第2実施例として、システムにおける発電停止から電圧再上昇までの経過時間に基づいて、冷媒循環ポンプ60の駆動を実行するか否かを判断する構成について説明する。
G−1.第1の変形例:
第2実施例では、経過時間Tp1における予測された冷媒温度Rtに基づいて、停止時に冷媒循環ポンプ60を駆動することによって経過時間Tp1における燃料電池温度をさらに低下させることができる場合には、停止時には必ず冷媒循環ポンプ60を駆動しているが、異なる構成としても良い。例えば、第2実施例におけるステップS530の判断に代えて、あるいはステップS530の判断に加えて、燃料電池システム10が停止する毎に、停止時間中に電圧再上昇が起こるか否かを判断してもよい。そして、停止時間中に電圧再上昇が起こる場合にのみ、停止時に冷媒循環ポンプ60を駆動することとしても良い。
第2実施例では、経過時間Tp1における予測された冷媒温度Rtに基づいて、停止時に冷媒循環ポンプ60を駆動するか否かだけを判断しているが、停止時における冷媒循環ポンプ60の駆動量を、さらに変更させることとしても良い。例えば、経過時間Tp1における予測された冷媒温度Rtと、検出した環境温度との差に基づいて、冷媒循環ポンプ60の駆動量を調節しても良い。具体的には、経過時間Tp1における予測された冷媒温度Rtと、検出した環境温度との差が大きいほど、冷媒循環ポンプ60の駆動量を多くすればよい。予測された冷媒温度Rtと環境温度との差が大きいほど、冷媒循環ポンプ60の駆動量を増加させることによる冷却効率向上の効果が得やすいため、冷媒循環ポンプ60を駆動することによる効果を高めることができる。また、予測された冷媒温度Rtと環境温度との差が小さく、冷媒循環ポンプ60を駆動することによる冷却の効果が小さい場合には、冷媒循環ポンプ60を駆動することで消費するエネルギ量を抑えて、システム効率の低下を抑制することができる。
また、第2実施例では、発電停止時に冷媒循環ポンプ60を駆動するか否かの判断を、発電停止の度に行なっているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池システム10の設置環境から、システム停止時の温度条件の変動が充分に小さいと判断される場合には、不具合の検出を行なったシステム停止時に、次回以降のシステム停止時における冷媒循環ポンプ60の駆動の要否を判断しても良い。この場合には、ステップS120の不具合検出処理と共に、燃料電池15の温度を実測して、不具合に起因する電圧上昇が生じるとき(経過時間Tp1)に、冷媒温度が下がりきったか否かを判断すればよい。そして、電圧上昇時に冷媒温度が下がりきっていないと判断されたときには、それ以降、燃料電池システム10を起動の後に再停止するたびに、冷媒循環ポンプ60を駆動することとすればよい。また、電圧上昇時に冷媒温度が下がりきっていると判断されたときには、それ以降、燃料電池システム10を起動の後に再停止する際、冷媒循環ポンプ60を駆動しないこととすればよい。なお、不具合検出時に燃料電池15の内部温度を実測するためには、例えば、燃料電池15の内部温度を直接検出するための温度センサ(例えば熱電対)を、燃料電池15に設ければよい。
第2実施例では、電位抑制動作の不具合が検出された後は、システム停止時に冷媒循環ポンプ60を駆動することによって、システム停止後の燃料電池15の温度を積極的に低下させているが、異なる構成としても良い。例えば、上記不具合が検出された後は、カソードの酸化抑制動作として、発電中の燃料電池15の温度を正常時に比べてより低くする処理を行なっても良い。
H−1.水素封入圧と電圧再上昇のタイミングとの関係:
第1および第2実施例では、電極酸化を抑制するための酸化抑制動作として、不具合が検出された後、次回以降のシステム起動後に、冷媒循環ポンプ60を駆動する処理を行なって、燃料電池の冷却効率を向上させることによって、電極酸化を抑制しているが、異なる構成としても良い。以下に、電極酸化を抑制するための酸化抑制動作の変形例として、発電停止時に、アノード側流路内に封入する水素の圧力を変更する制御を行なう構成について説明する。まず、アノード側流路内に封入する水素圧と、発電停止後に電圧が再上昇するタイミングとの関係について説明する。
酸化抑制動作の変形例の第1の態様を以下に説明する。ここでは、発電の停止時には、図4に示したシステム停止時制御処理ルーチンを実行する。その際に、ステップS100で不具合判定フラグが1に設定されていると判断されたときには、ステップS150の不具合検出後停止時処理において、アノード側流路における水素の封入圧を、通常の停止時制御における水素の封入圧よりも高い値として予め設定した不具合時封入圧に設定する処理を行なう。すなわち、通常の停止時制御と同様に、燃料電池15と負荷57との接続を遮断して、冷媒の循環を停止させると共に、アノード側流路およびカソード側流路を流出入抑制状態とする際に、可変調圧弁42の駆動制御によって、水素の封入圧を上記不具合時封入圧に設定する。
図11は、酸化抑制動作の第2の変形例を実行すると共に実施例と同様のシステム構成を有する燃料電池システム10において、システムの停止時に、図4のシステム停止時制御処理ルーチンに代えて制御部50で実行されるシステム停止時制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンにおいて、図4に示す各工程に対応する工程には、工程番号を100番台から600番台に変更して付して詳しい説明を省略し、図4とは異なる処理を行なう部分についてのみ説明する。図11に示す処理では、不具合検出処理(ステップS620)によって不具合が検出されて(ステップS630)、不具合判定フラグを1に設定(ステップS640)した後に、酸化抑制動作要否判定処理(ステップS645)を実行する点が、図4の処理とは異なっている。
上記した酸化抑制動作の変形例の第2の態様では、水素封入圧を不具合時封入圧に高めたときに電圧再上昇が起こる経過時間Tp2と、停止時間として予め定めた基準時間Xt3とを比較したが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池システム10を停止して起動する毎に停止時間を求め、実際の停止時間に基づいて学習を行なって基準時間Xt3を設定しても良い。学習の方法としては、例えば、それまでの停止時間の平均値を求めて基準時間Xt3とすることができる。あるいは、それまでの停止時間のうちの、最も頻度が高い停止時間を、基準時間Xt3としても良い。このような構成とすれば、水素封入圧を不具合時封入圧へと上昇させたときに、停止中に電圧再上昇が生じるか否かを、より精度良く判定することが可能になる。
I−1.電位抑制動作の変形例の第1の態様:
第1および第2実施例では、システム停止後の電圧再上昇を抑制するための電位抑制動作として、アノード側流路内に水素を封入した状態で、カソード側流路も封止して流出入抑制状態にする動作を行っているが、異なる構成としても良い。以下に、電位抑制動作の変形例の第1の態様として、アノード側流路内を不活性ガス(具体的には空気)でパージする構成について説明する。
以下に、電位抑制動作の変形例の第2の態様として、発電停止後に、燃料電池15においてアノードとカソードを短絡させる構成について説明する。図14は、電位抑制動作の変形例の第2の態様における燃料電池システム210の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム210において、実施例の燃料電池システム10と共通する構成要素には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略し、実施例とは異なる部分についてのみ説明する。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
既述した説明では、電位抑制動作に不具合が生じたときには、図3に示すように電圧再上昇が起こると共に、電圧が再上昇するタイミングが正常時に比べて遅くなるものとしていたが、異なるパターンで電圧が変化する場合もある。例えば、電位抑制動作として、アノード側流路内に水素を封入した状態で、カソード側流路を封止したり燃料電池を短絡させたりする動作を行なう場合には、アノード側流路内に封入する水素圧をより低くすると、カソード側流路における封止に不具合が発生したときの電圧変化のパターンが、図3(B)とは異なるパターンを示す。システム停止時にアノード側流路内に封入する水素圧を比較的低くした場合に、カソード側流路における封止や短絡に不具合が発生したときの電圧変化のパターンを、図15に示す。
既述した説明では、電位抑制動作としてのガスの流出入抑制状態の形成や、アノード側流路のパージや、短絡における不具合発生の有無を、電圧の再上昇(電圧変化量ΔVfが基準値を超えること)を検出することによって判断していたが、異なる構成としても良い。例えば、システム停止後の電圧変化量をモニタすることによって、電圧が上昇を始める電圧変化量ΔVfを検出することに代えて、電圧が再上昇した後の再下降を検出しても良い。この場合には、例えば、システム停止時から電圧再下降までの経過時間が、基準値以下の場合には、電位抑制動作に不具合が発生したと判断することができる。システム停止時から電圧再下降までの経過時間に基づく場合には、電圧再上昇までの経過時間Tp1に基づく場合に比べて、ノイズの検出を低減して精度良く不具合発生を検出することが可能になる。また、電極酸化が最も進行するのは、再上昇した電圧がピークを示す前後であるため、システム停止時から電圧再下降までの経過時間に基づく場合には、実際に電極酸化が進行するタイミングに基づいて判断を行なうこととなり、電極酸化を抑制するための動作としての精度を向上させることができる。このような不具合発生の検出方法は、不具合に起因する電圧再上昇に付随する変化を検出可能であればよく、検出した電圧値に基づいて判断を行なうならば、不具合検出のためのシステムの複雑化を抑制することができる。
既述した説明では、電圧センサ52は、燃料電池15全体の電圧を検出することとしたが、異なる構成としても良い。すなわち、燃料電池15を構成するスタックを、複数の単セルから成るブロックに分割し、ブロックごとに電圧を検出しても良い。また、各単セル毎に電圧を検出しても良い。
既述した説明では、電極を、触媒担持カーボン粒子と高分子電解質によって構成しているため、カソードが高電位になると、カーボン粒子が酸化することによりカソードが形態変化しているが、異なる構成としても良い。カソードは、例えば、触媒を担持する担体として、カーボン製の担体に代えてチタン酸化物製の担体を用いて形成しても良い。あるいは、担体を用いることなく、白金等の触媒金属のみによってカソードを形成しても良い。カソードの構成材料によって、カソードの酸化が起こる電位の大きさが異なるため、用いるカソードの種類に応じて、電位抑制動作における不具合を検出する際に用いる基準値を、適宜設定すればよい。このような場合であっても、酸化に起因するカソードの形態変化を抑制することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。
既述した説明では、電位抑制動作として、カソード封止弁48,49の封止を伴うガスの流出入抑制状態の形成と、アノード側流路のパージと、アノードとカソードとの短絡とのいずれかを行なったが、これらを組み合わせても良い。電位抑制動作として複数の動作を組み合わせるならば、いずれかの動作に不具合が発生した場合であっても、他の動作が正常であれば、電圧再上昇を抑制することができる。この場合にも、すべての電位抑制動作において不具合が発生して電圧再上昇が検出されたときには、既述した酸化抑制動作を実行することにより、電極の酸化を抑制することが可能になる。
既述した説明では、電位抑制動作に不具合が発生したときには、以後は、電極酸化抑制動作を繰り返すこととしたが、異なる構成としても良い。すなわち、電位抑制動作が正常に復帰したと判断される場合には、酸化抑制動作を行なわない通常の制御に戻すこととしても良い。例えば、上記変形例2で説明したように、カソード封止弁48,49に不具合検出センサを設ける場合において、封止弁で異物のかみ込みが起こって不具合が検出されたときには、かみ込み不良から回復したときには、これを容易に検出することができる。
既述した説明では、燃料電池15は、固体高分子型燃料電池としたが、他種の燃料電池を備える燃料電池システムにおいても、本願発明を同様に適用することができる。発電停止後に、電解質膜を介したガスの拡散が生じやすいのは固体高分子型燃料電池である。しかしながら、他種の燃料電池であっても、電解質膜におけるピンホール等に起因する電解質膜を介したガスの移動(内部リーク)や、マニホールド周囲に配置したシール部材を介したガスの移動(外部リーク)により、発電停止後に電圧再上昇が起こる場合がある。本願を適用することにより、このような電圧再上昇に起因する電極の形態変化を抑制することが可能になる。
15…燃料電池
20…水素タンク
22…水素供給流路
24…水素排出流路
25…接続流路
30…コンプレッサ
32…空気供給流路
34…空気排出流路
38…パージガス流路
39…切替弁
40…水素遮断弁
42…可変調圧弁
44…水素循環ポンプ
46…パージ弁
48…第1のカソード封止弁
49…第2のカソード封止弁
50…制御部
51…負荷接続部
52…電圧センサ
54…報知装置
55…環境温度センサ
56…配線
57…負荷
60…冷媒循環ポンプ
61…ラジエータ
62…冷媒流路
63…冷媒温度センサ
70…単セル
71…MEA
72,73…ガス拡散層
74,75…ガスセパレータ
76…エンドプレート
78…集電板
80…冷媒循環ポンプ
81,82,83,84,85,86…孔部
87…凹部
88,89…溝
251…負荷切り替え部
253…短絡回路
Claims (14)
- 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止時に、発電停止後の前記燃料電池における電圧上昇を抑制するための電位抑制動作を行なう停止時電位抑制部と、
前記停止時電位抑制部における不具合を検知する不具合検知部と、
前記不具合検知部が前記不具合を検知した場合には、前記燃料電池システムの次回以降の起動後に、前記燃料電池が備える電極の酸化を抑制する酸化抑制動作を行なう電極酸化抑制部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記電極酸化抑制部は、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において、前記酸化抑制動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記電極酸化抑制部は、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の発電中において、前記酸化抑制動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記電極酸化抑制部は、前記酸化抑制動作として、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項4記載の燃料電池システムであって、
前記電極酸化抑制部は、
前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なうことにより、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において前記不具合に起因する電圧上昇が起こる際に、前記燃料電池の温度をより低くすることが可能であると判断される場合には、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行ない、
前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なうことにより、前記燃料電池システムの次回以降の起動後の再停止時において前記不具合に起因する電圧上昇が起こる際に、前記燃料電池の温度をより低くすることができないと判断される場合には、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なわない
燃料電池システム。 - 請求項4または5記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池システムが停止している停止時間を実測することによって学習する停止時間学習部を備え、
前記電極酸化抑制部は、前記停止時間学習部における学習結果に基づいて、停止時間内において不具合に起因する電圧上昇が起こると判断される場合に、前記燃料電池の冷却効率を向上させる動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、
前記燃料電池は、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、
前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入した状態で、前記カソード側流路に対する空気の流出入を抑制した流出入抑制状態とする動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、
前記燃料電池は、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、
前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内を、前記燃料ガスに代えて、前記アノード上における反応性が水素に比べて低い不活性ガスで置き換える動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項4ないし6いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記燃料電池に対する水素を含有する燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池を短絡させる動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、電解質膜と一対の電極とを備える発電体を複数積層して成り、
前記燃料電池は、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるアノード上に形成されて、水素を含有する燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路と、各々の前記セル内燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを給排する燃料ガスマニホールドと、を備えるアノード側流路と、
各々の前記発電体が備える一方の電極であるカソード上に形成されて、酸素を含有する酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路と、各々の前記セル内酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを給排する酸化ガスマニホールドと、を備えるカソード側流路と、を備え、
前記燃料電池システムは、システム停止に伴って前記燃料電池の発電を停止する際には、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する動作を行ない、
前記電極酸化抑制部は、前記酸化抑制動作として、酸化抑制動作を行なわない通常のシステム停止時において前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する際の封入圧よりも高い圧力で、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入する動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項10記載の燃料電池システムであって、
前記電極酸化抑制部は、前記通常のシステム停止時における前記封入圧よりも高い圧力で、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入したときには、前記燃料電池システムについて設定した基準の停止時間内に、前記不具合に起因する電圧上昇が起こらなくなると判断される場合に、前記封入圧を高める動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項10または11記載の燃料電池システムであって、
前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記アノード側流路内に前記燃料ガスを封入した状態で、前記カソード側流路に対する空気の流出入を抑制した流出入抑制状態とする動作を行なう
燃料電池システム。 - 請求項10または11記載の燃料電池システムであって、
前記停止時電位抑制部は、前記電位抑制動作として、前記燃料電池に対する水素を含有する燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池を短絡させる動作を行なう
燃料電池システム。 - 燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止時に、発電停止後の前記燃料電池における電圧上昇を抑制するための電位抑制動作を行なう第1の工程と、
前記第1の工程において実行された前記電位抑制動作における不具合を検知する第2の工程と、
前記第2の工程において前記不具合が検知されたときに、前記燃料電池システムの次回以降の起動後に、前記燃料電池が備える電極の酸化を抑制する酸化抑制動作を行なう第3の工程と
を備える燃料電池システムの制御方法。
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