JP3656613B2

JP3656613B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3656613B2
Application number: JP2002100229A
Authority: JP
Inventors: 陽三奥山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP2003297399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に固体高分子型燃料電池等の加湿した水素ガスを燃料ガスとする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、運転温度が低く、発電効率が高いために、電動車両の電源として鋭意研究開発されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質が湿潤状態でなければ良好な水素イオン伝導性を発揮せず、また燃料極（アノード）で水素分子から解離した水素イオンは周囲に水を伴って空気極（カソード）へ移動するので、この点からも燃料極に供給する水素ガスの加湿が必要となる。
【０００４】
ところが燃料電池システムの運転を停止すると、燃料電池の温度が下がり、高温多湿の状態にあった燃料電池内部の水分が凝結して結露を生じる。この結露は、次回の起動時に燃料極側ガス通路を閉塞して、起動時間を長引かせるという問題を生じる。
【０００５】
この問題に対処する従来技術として、特開平８−３１５８４３号公報記載の燃料電池の起動方法が知られている。この従来技術では、燃料電池の起動時に発電電圧が設定負荷電圧以上になるまで、燃料ガスへの水の添加を停止させることで、燃料電池内部の水分の除去を行い、起動時間を短縮しようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の燃料電池の起動方法にあっては、水による閉塞の発生そのものを防止する対策でないため、これ以上の起動時間の短縮は望めないという問題点があった。
【０００７】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、起動時の水による閉塞の発生そのものを防止することで、起動時間をより短縮することができる燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、水素ガスに対する加湿量を変更可能な加湿手段を備え、運転停止時に通常運転時より加湿量を低減した水素ガスにより燃料極通路をパージする燃料電池システムであって、凝縮水量に相関のある運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて凝縮水量を算出し、該凝縮水量に基づいて前記パージを行う時間であるパージ時間の長さを決定するパージ時間決定手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記パージ時間中に、発電電圧が規定値以下になったら、前記パージ中であってもパージを停止することを要旨とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、前記ラジエータへ送る風量を調整する風量調整手段とを備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記風量調整手段によりラジエータの風量を低下させることを要旨とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、前記冷却水の流量を調整する冷却水流量調整手段とを備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記冷却水流量調整手段により冷却水の流量を低下させることを要旨とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水素ガスに対する加湿量を変更可能な加湿手段を備え、運転停止時に通常運転時より加湿量を低減した水素ガスにより燃料極通路をパージする燃料電池システムであって、凝縮水量に相関のある運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて凝縮水量を算出し、該凝縮水量に基づいて前記パージを行う時間であるパージ時間の長さを決定するパージ時間決定手段と、を備えたので、燃料極通路の不要な水分を除去した状態で燃料電池を停止させることができるようになり、次回起動時の水による閉塞の発生そのものを抑制でき、起動時間を短縮することができるとともに、燃料電池の運転状態に応じたパージ時間の長さでパージできるようになり、水分除去を過不足なく行い、電極及び電解質の乾燥を防止することができるという効果がある。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記パージ時間中に、発電電圧が規定値以下になったら、前記パージ中であってもパージを停止するようにしたので、燃料電池内部が適正な湿度となったときに、パージを停止することができるという効果がある。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、前記ラジエータへ送る風量を調整する風量調整手段とを備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記風量調整手段によりラジエータの風量を低下させるようにしたので、燃料電池本体の温度を速やかに上昇させ、結露を防止しながら暖機することができるという効果がある。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、前記冷却水の流量を調整する冷却水流量調整手段とを備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記冷却水流量調整手段により冷却水の流量を低下させるようにしたので、燃料電池本体の温度を速やかに上昇させ、結露を防止しながら暖機することができるという効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態のシステム構成を説明する構成図であり、燃料電池車両に好適な燃料電池システムを示している。
【００１９】
同図において燃料電池システムは、コンプレッサなどの空気供給装置１と、高圧水素タンク等から減圧した水素を供給する水素供給装置３と、空気及び水素をそれぞれ加湿する加湿器５と、水素供給装置３から供給される水素が加湿器５をバイパスするバイパスライン７と、バイパスライン７を開閉する加湿器バイパスバルブ９と、通常運転時に加湿器５で加湿した空気及び水素により発電する燃料電池スタック１１（燃料電池本体とも呼ばれる）と、燃料電池スタック１１に供給する水素温度を検出する温度計１３と、同水素圧力を検出する圧力計１５と、同水素の相対湿度を検出する湿度計１７と、同水素流量を検出する流量計１９と、燃料電池スタック１１の水素出口側の水素温度を検出する温度計２３と、同水素圧力を検出する圧力計２５と、同水素の相対湿度を検出する湿度計２７と、同水素流量を検出する流量計２９と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却水の熱を外部へ放熱するラジエータ３１と、ラジエータ３１及び燃料電池スタック１１間に冷却水を循環させる冷却水ポンプ３３と、冷却水圧力を検出する圧力計３５と、冷却水温度を検出する温度計３７と、冷却水の流量を調整する流量調整弁３９と、冷却水流量を検出して流量調整弁３９を制御する流量計４１と、ラジエータ入口を開閉するラジエータ入口開閉窓４３と、ラジエータ３１へ送風するラジエータファン４５と、燃料電池スタック１１の出力電流を計測する電流計４７と、燃料電池スタック１１の出力電圧を計測する電圧計４９と、空気極圧力を調整するスロットル５１と、燃料極の水素を外部へ放出するパージ弁５３と、燃料電池システム全体を制御する制御装置５５とを備えている。
【００２０】
図１において、本実施形態における冷却装置は、以下のように構成されている。燃料電池スタック１１内部の冷却水通路とラジエータ３１と両者の間の冷却水通路は冷却水で満たされ、冷却水ポンプ３３が冷却水を循環させることにより、燃料電池スタック１１の発熱を外部へ放熱する。またラジエータ３１の前面にはラジエータ入口開閉窓４３とラジエータファン４５が設けられ、制御装置５５がラジエータ入口開閉窓４３の開閉制御、及びラジエータファン４５の回転速度制御を行うことにより、ラジエータ３１へ送る風量を調整可能となっている。
【００２１】
また、水素ガスに対する加湿量を変更可能な加湿手段は、加湿器５と、バイパスライン７と、加湿器バイパスバルブ９とで構成されている。
【００２２】
ここで、凝縮水量に相関のある運転状態は、燃料電池スタック１１の入口及び出口における水素の流量、同水素の温度、同水素の圧力、同水素の相対湿度、及び燃料電池の発電出力である。従って、凝縮水量に相関のある運転状態を検出する運転状態検出手段は、燃料電池スタック１１の入口及び出口における水素の流量計１９，２９，同水素の温度計１３，２３，同水素の圧力計１５，２５，同水素の湿度計１７，２７，電流計４７，及び電圧計４９である。
【００２３】
また、ラジエータ３１へ送る風量を調整する風量調整手段は、ラジエータ入口開閉窓４３及びラジエータファン４５である。
【００２４】
また、冷却水の流量を調整する冷却水流量調整手段は、冷却水ポンプ３３及び冷却水の流量調整弁３９である。
【００２５】
制御装置５５は、温度計１３，２３，３７，圧力計１５，２５，３５，湿度計１７，２７，流量計１９，２９，４１、電流計４７，及び電圧計４９の各検出結果を入力して、空気供給装置１と、水素供給装置３と、加湿器バイパスバルブ９と、冷却水ポンプ３３と、流量調整弁３９と、ラジエータ入口開閉窓４３と、ラジエータファン４５と、スロットル５１と、パージ弁５３とを制御する。
【００２６】
制御装置５５は、電流計４７が検出した図示しない負荷に供給する電流値と、電圧計４９が検出した総電圧との積を計算し、燃料電池の発電出力（以下、単に出力とも呼ぶ）を求めて制御に使用する。
【００２７】
上記構成による燃料電池システムの通常運転時には、制御装置５５は、加湿器バイパスバルブ９を閉じるように制御している。このため、空気供給装置１からの空気は、加湿器５で加湿されて燃料電池スタック１１の空気極へ供給され、水素供給装置３からの水素は、加湿器５で加湿されて燃料電池スタック１１の燃料極へ供給される。
【００２８】
燃料電池システムの起動時は、制御装置５５は、加湿器バイパスバルブ９を開くように制御している。このため、水素供給装置３から加湿器５を介さずにバイパスライン７を経由して燃料電池スタック１１へ水素を供給することができ、通常運転時よりも加湿量を低下させた水素（以下、ドライ水素と呼ぶ）を燃料電池スタック１１の燃料極に供給できるようになっている。
【００２９】
次に、図２（ａ）に燃料電池システムの停止シーケンス、図２（ｂ）に燃料電池システムの起動シーケンスの各フローチャートを示す。
【００３０】
図２（ａ）において、燃料電池システムの停止シーケンスが開始すると、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池スタックの水素出口における総凝縮水量を計算する。このスタック水素出口総凝縮水量の計算は、各センサから制御装置５５が入力した燃料電池スタック入口及び出口における水素の流量、温度、圧力、相対湿度、及び発電量（または出力）といった凝縮水量に関連のある運転状態を検出し、これらの運転状態に基づいて、起動から停止までのスタック水素出口総凝縮水量を計算する。
【００３１】
図３は、燃料電池出力と単位時間あたりの凝縮水量の関係の一例を示すグラフである。図３に示すように、燃料電池出力と単位時間当たりの凝縮水量は、ほぼ比例する関係にあるが、出力の大きい領域で出力当たりの凝縮水増加量を示す傾きは、小さくなる傾向にある。
【００３２】
凝縮水量の計算として具体的には、図４のように、運転中の出力、および単位時間あたりの凝縮水量の変化を計測した値を記憶させておき、燃料電池システムの起動時から運転停止時までの単位時間あたりの凝縮水量を時間積分することで、スタック水素出口総凝縮水量を求める。
なお、スタック入口・出口水素流量、温度、圧力、相関湿度などから図３の特性を補正するとより正確な値が求まる。
【００３３】
次いで、Ｓ１２でスタック水素出口に総凝縮水量から、図５に示すようなマップを参照して、ドライ水素によるパージ時間を選定する。
【００３４】
図５は、スタック水素出口総凝縮水量とドライ水素によるパージ時間との関係を示す図である。
なお、パージ時間はドライ水素流量により変わるため、同流量はあらかじめ設定しておく。
【００３５】
次いで、Ｓ１４で加湿器バイパスバルブ９を開くと共に、パージ弁５３を開いて、ドライ水素で燃料極をパージし、凝縮水及び加湿水素を燃料電池スタック１１から外部へ放出して除去する。尚、水素を放出経路には、図示しない燃焼器を備えて、水素を空気と共に燃焼させて、無害な水又は水蒸気として放出する。
【００３６】
次いで、Ｓ１６で電圧計４９が検出する燃料電池の総電圧を読み込み、総電圧が既定値以下（例えば定格電圧の７０％以下）か否かを判定する。Ｓ１６の判定がＹｅｓ、即ち、燃料電池の総電圧が規定値以下になった場合には、Ｓ１８へ移り、ドライ水素の供給を停止し、過度の電極及び電解質膜の渇きを防止してパージを終了する。
【００３７】
Ｓ１６の判定がＮｏ、即ち、燃料電池の総電圧が規定値を超えていれば、Ｓ２０へ移り、ドライ水素の供給を継続する。次いで、Ｓ２２で設定時間後、ドライ水素の供給を停止して終了する。
【００３８】
次に、燃料電池システムの起動時の制御を説明する。図２（ｂ）に示すように、起動シーケンスが始まると、まずＳ３０で冷却水温度計３７の検出値を読み込み、冷却水温度が既定値以上か否かを判定する。この既定値は、冷却水温度が定格運転温度（Ｔ１）に達した後に、一定時間（例えば５分間）燃料電池の発電を停止した場合に冷却水温度が低下する温度幅をΔＴとすれば、〔Ｔ１−ΔＴ〕とする。
【００３９】
Ｓ３０の判定でＹｅｓ、即ち起動時の冷却水温度が既定値〔Ｔ１−ΔＴ〕以上であれば、アイドリングストップ後や短時間（例えば５分間未満）の停車後の再起動、即ちホットスタートであるとして、Ｓ３２へ移り、同条件で運転を継続するか、或いは、ラジエータファン４５の運転を開始する。このとき、ラジエータ入口開閉窓４３は開いている。
【００４０】
Ｓ３０の判定でＮｏ、即ち起動時の冷却水温度が〔Ｔ１−ΔＴ〕未満であれば、コールドスタートとして燃料電池温度の昇温を早める処理を行うために、Ｓ３４へ移り、ラジエータ入口開閉窓４３を全閉としてラジエータ３１に風が入らないようにするとともに、冷却水流量調整弁３９及び又は冷却水ポンプ３３の回転数を調整することにより、冷却水圧力を保ちながら冷却水流量をできるだけ小さくなるように制御する。これにより、停止時のドライ水素でのパージだけでは取り切れない凝縮水を、スタック温度を上げることにより除去する。
【００４１】
次いで、Ｓ３６で冷却水温度計３７の検出値を読み込み、冷却水温度が既定値〔Ｔ１−ΔＴ〕以上か否かを判定する。Ｓ３６の判定でＹｅｓであれば、Ｓ３８へ移り、ラジエータ入口開閉窓４３を全開へ戻すとともに、冷却水流量調整弁３９により冷却水流量を上げて通常運転時に戻して、運転条件を戻す。Ｓ３６の判定でＮｏであれば、同条件で運転を継続する。
【００４２】
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、以下に示す効果がある。燃料電池システム停止時に、ドライ水素ガスで燃料極通路をパージするために、停止時に予め燃料極内をドライ状態とすることができ、次回の起動時に水つまりが発生することを抑制できる。従って、起動時の水の除去に要する時間が無くなるか、又は水除去時間を短縮できるので燃料電池システムの起動時間が短縮されるという効果がある。
【００４３】
従来技術によれば、燃料電池システムの高負荷での連続運転後には、凝縮水が多い上に、長時間放置後には、加湿水素内水分の凝縮が加わるため、起動時にこの凝縮水を除去するのには長時間を要していたが、本実施形態によれば、停止時の凝縮水の少ない時点で、ドライ水素でパージするため、起動時のパージに比べパージに要する時間が短くなり、パージによる水素の消費量を抑制することができる。
【００４４】
また、パージガスとしてドライ水素を用いるので、停止時には水素が充満した状態になる。再起動時に水素置換（燃料極通路に水素を充填すること）に要する時間が短縮され、例えばパージガスに不活性ガスを用いた場合などに比べて起動時間を短縮できる。
【００４５】
また、凝縮水量に相関のある運転状態を検出し、検出された運転状態に基づきパージ時間を決定しているので、パージに用いる水素ガスを必要最小限とすることができ、燃費悪化を抑制できる。
【００４６】
水詰まり状況は、停止前の運転状態（燃料電池入口・出口の水素流量、温度、圧力、相対湿度、及び発電量など）によって異なるため、本実施形態の様に、それぞれの運転状況に合わせて、ドライ水素によるパージ時間を決めることが有効となる。又、これにより、無駄な水素の消費も最小限に抑えられる。
【００４７】
また、パージ中の燃料電池総電圧が規定値以下になったらパージ停止するようにしたので、燃料電池内、特に燃料電池の電解質膜が乾燥しすぎることによる性能悪化を防止できる。
【００４８】
乾きの兆候である、燃料電池総電圧に規定値を設けておくことにより、ドライ水素の流しすぎによる、過度の電極及び電解質の乾燥を防止できる。
【００４９】
また、起動時に燃料電池温度が既定値より低温であればラジエータ風量を低下させて、燃料電池の温度を上昇させることで、凝縮水の除去を補助する。
【００５０】
通常、起動時に燃料電池スタックの温度（冷却水温度）を上げるために長時間を要するのに対して、ラジエータ前部の空気取入れ口を開閉可能なラジエータ入口開閉窓として、冷却水温度が低いときには、ラジエータ入口開閉窓を全閉として風が内部に入らない様にできるため、冷却水温度を上げるのに効果的である。この操作により、ドライ水素でのパージだけでは取り切れなかった燃料電池内部凝縮水を除去する。
【００５１】
さらに、起動時に燃料電池温度が既定値より低温であれば冷却水流量を低下させているので、燃料電池の温度が迅速に上昇し、凝縮水の除去を効果的に早めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】（ａ）実施形態における燃料電池システムの停止シーケンスを説明するフローチャートである。（ｂ）実施形態における燃料電池システムの起動シーケンスを説明するフローチャートである。
【図３】燃料電池出力とスタック水素出口凝縮水量の関係を説明する図である。
【図４】時間に対する燃料電池出力及びスタック水素出口凝縮水量の変化の例を説明する図である。
【図５】スタック水素出口総凝縮水量とパージ時間の関係例を説明する図である。
【符号の説明】
１…空気供給装置
３…水素供給装置
５…加湿器
７…バイパスライン
９…加湿器バイパスバルブ
１１…燃料電池スタック
１３，２３，３７…温度計
１５，２５，３５…圧力計
１７，２７…湿度計
１９，２９，４１…流量計
３３…冷却水ポンプ
３９…流量調整弁
４３…ラジエータ入口開閉窓
４５…ラジエータファン
４７…電流計
４９…電圧計
５１…スロットル
５３…パージ弁
５５…制御装置

Claims

水素ガスに対する加湿量を変更可能な加湿手段を備え、運転停止時に通常運転時より加湿量を低減した水素ガスにより燃料極通路をパージする燃料電池システムであって、
凝縮水量に相関のある運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて凝縮水量を算出し、該凝縮水量に基づいて前記パージを行う時間であるパージ時間の長さを決定するパージ時間決定手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記パージ時間中に、発電電圧が規定値以下になったら、前記パージ中であってもパージを停止す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。
燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、
前記ラジエータへ送る風量を調整する風量調整手段と、を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記風量調整手段によりラジエータの風量を低下させ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。
燃料電池本体とラジエータとの間で冷却水を循環させて燃料電池本体を冷却する冷却装置と、
前記冷却水の流量を調整する冷却水流量調整手段とを備え、
燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池本体が所定温度より低温であれば前記冷却水流量調整手段により冷却水の流量を低下させ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。