JP4515362B2 - 燃料電池自動車及び燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、反応ガスの反応によって発電を行う燃料電池を搭載した燃料電池自動車と燃料電池の制御方法に関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池自動車が提案されている。ここで用いられている燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解室膜を介装した単位セルを所定数積層した構造をとるものが知られている。この燃料電池の場合、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）を夫々導入し、水素と酸素の電気化学反応によって発電するようになっている。

燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電停止時には燃料電池内に水分が残留し易い。そして、燃料電池内に水分が残留した状態で発電が停止すると、例えば、低温環境下で車両を始動する場合に、燃料電池内の残留水が凍結して反応ガス流路が閉塞されてしまい、始動時間が長くなってしまう。このような事態を防止する観点から、燃料電池の停止時に電池内部の残留水を除去する技術が提案されている。

この技術は、例えば、燃料電池の停止時に電池の内部（反応ガス流路内）に、乾燥した反応ガスを一定流量で流し、その反応ガスによって電池内の水分を掃気するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２６５６８４号公報

しかし、この燃料電池のシステムは、発電の停止時に反応ガスを電池内に一定流量で流し続けるものであるため、反応ガス流路内の残留水を確実に排出し得るように反応ガスの流量を増大させると、掃気のためのエネルギー消費が大きくなり、さらに電解質膜内の残存水分や反応ガス流路の表面上の水分までも完全に除去しようとすると、掃気運転時間が長くなり、一層エネルギー消費が大きくなってしまう。

また、このような燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車においては、運転スイッチをオフにして燃料電池による発電を停止した後にしばらくの間掃気運転が続けられるため、車両から降りようとする運転者に違和感を与えることが懸念される。

そこで、この発明は、燃料電池の始動性の向上と省エネルギ化の両立が可能であり、しかも、発電停止後に車両から離れる運転者に掃気運転の継続による違和感を与えることのない燃料電池自動車及び燃料電池の制御方法を提供しようとするものである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池１）を搭載した自動車において、前記反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、後述の実施形態における水素供給流路３、エア供給流路６）と、この反応ガス通路内を掃気ガスにより掃気する掃気手段（例えば、後述の実施形態におけるエアコンプレッサ５）と、前記燃料電池の発電停止時に、前記反応ガス流路内の液化した水分を除去するための大流量の掃気を行わせる第１の掃気処理と、この第１の掃気処理の後に所定時間掃気を停止する待機処理と、この待機処理の後に前記反応ガス流路内の掃気を行う第２の掃気処理を行わせる制御手段（例えば、後述の実施形態におけるコントロールユニット１２）と、を備え、前記所定時間を、運転者がイグニッションスイッチをオフにし、車両を降りて車両から充分に離れるまでの平均的な時間よりも充分に長い時間に設定し、前記掃気手段を、エアコンプレッサで構成し、前記制御手段は、前記待機処理中に前記エアコンプレッサを停止させる構成とした。

この発明の場合、運転者によって燃料電池の発電が停止操作されると、最初に、第１の掃気処理により反応ガス流路内に大流量の反応ガスを流すことによって、電池の内部に液滴の形で残存している残留水を排出した後に、所定時間掃気を停止する停止処理が行われる。運転者はこのタイミングで車両から降り、燃料電池において運転者がいなくなった後に第２の掃気処理が行われる。電解質膜内の残存水分や反応ガス流路の表面上の水分はこの第２の掃気処理によって蒸発し除去される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の掃気処理を、燃料電池内の除湿性能の低下する設定下限温度を超える温度で行うようにした。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料電池を加熱する加熱手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の温度が前記設定下限温度以下になる場合に、前記第１の掃気処理を行わせた後に、前記加熱手段による加熱処理を行わせ、その後に前記燃料電池の温度が前記設定下限温度を超えた後に、前記掃気手段による第２の掃気処理を行わせるようにした。
この場合、燃料電池の発電停止時に、燃料電池の温度が設定下限温度以下になるときには、第１の掃気処理によって電池内部の残留水を排出した後に、燃料電池の温度が設定下限温度を超えるまで加熱手段による加熱が行われ、その後に第２の掃気処理が行われる。したがって、第２の掃気処理は常に設定下限温度を超える温度で行われることとなる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第２の掃気処理は、前記第１の掃気処理の際の流量よりも少ない流量で行うようにした。

また、請求項５に記載の発明は、車両に搭載され、供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池の制御方法において、前記燃料電池の発電停止時には、反応ガス流路内の液化した水分を除去するための大流量の掃気をエアコンプレッサで行い、その後に前記エアコンプレッサを停止して所定時間掃気を停止した後に、前記反応ガス流路内を再度掃気し、前記所定時間を、運転者がイグニッションスイッチをオフにし、車両を降りて車両から充分に離れるまでの平均的な時間よりも充分に長い時間に設定した。

この発明によれば、発電停止時に、最初に大流量の第１の掃気処理によって電池内の残留水を外部に排出し、その後に停止処理によって所定時間掃気を停止してから小流量の第２の掃気処理を行うため、掃気運転時間の長期化を招くことなく、電池内の残留水や残存水分を確実に除去することが可能になるとともに、停止処理のタイミングで運転者が車両から降り離れることで、掃気運転の継続による違和感を運転者に与えることが無くなる。
したがって、この発明によれば、冷寒時における燃料電池の始動性の向上と、省エネルギ化を図ることができるとともに、運転者が車両から降りる際の違和感を無くして商品性を高めることができる。

特に、請求項２記載の発明によれば、第２の掃気処理を、燃料電池内の除湿性能の低下する設定下限温度を超える温度で行うため、第２の掃気処理の際に燃料電池内の温度が設定下限温度以下の温度になって燃料電池内の水分の蒸発が阻害されるのを防止することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、燃料電池の温度が設定下限温度以下のときに加熱手段によって積極的に燃料電池の温度を高めるため、第２の掃気処理の際に燃料電池内の残存水分の充分な除去を確実に行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、最初の掃気処理を大流量で行うことによって電池内の残留水を効率良く外部に排出することができるとともに、後の掃気処理を小流量で行うことによって掃気ガス内に水蒸気をより効率良く取り込み、かつ、エネルギー消費をも少なく抑えることが可能になる。

以下、この発明にかかる燃料電池自動車と燃料電池の制御方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
最初に、図１〜図４に示す第１の実施形態について説明する。

図１は、この実施形態の燃料電池自動車で用いる燃料電池システムの機能ブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１ａをアノード１ｂとカソード１ｃで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。なお、図１には単セルを模式的に記載している。

このように構成された燃料電池１のアノード１ｂには燃料として水素が供給され、カソード１ｃには酸化剤として酸素を含む空気が供給される。これにより、アノード１ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１ａを通過してカソード１ｃまで移動してカソード１ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード１ｃ側で生じた生成水の一部は電解質膜１ａを介してアノード１ｂ側に逆拡散するため、アノード１ｂ側にも生成水が存在する。

水素タンク２から供給される水素は、遮断弁４と水素供給流路３を通って燃料電池１のアノード１ｂに供給される。
一方、空気は、蓄電器２０を電源として作動するエアコンプレッサ５からエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソード１ｃへと供給される。

また、水素供給流路３とエア供給流路６は合流流路９を介して接続されている。合流流路９には掃気弁１０が設けられ、この掃気弁１０を解放することにより、エアコンプレッサ５の供給エアを掃気ガスとして水素供給路３内に流入させるようになっている。

そして、水素供給路３を通ってアノード１ｂに供給され、燃料電池１で消費されなかった未反応の水素は、アノード１ｂ側の生成水等の残留水とともにアノード１ｂから循環流路１３に排出され、エゼクタ１４を介して水素供給流路３に合流するようになっている。つまり、燃料電池１から排出された水素は、水素タンク２から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池１のアノード１ｂに供給される。

また、循環流路１３から分岐した水素排出流路７にはアノード圧力調整弁１７が設けられ、このアノード圧力調整弁１７を開弁することにより利用済みの水素オフガスを水素排出流路７から排出する。なお、水素排出流路７から排出された水素ガスは、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈される。

一方、エア排出流路８には、カソード圧力調整弁１８が設けられている。カソード圧力調整弁１８を開くことにより、反応済みのエアオフガスをエア排出流路８から排出する。また、カソード圧力調整弁１８の開度を調整することにより、燃料電池１のカソード１ｃに供給されるエア圧力（カソード圧力）を調整することができる。また、水素供給流路３やエア供給流路６には、アノード圧力やカソード圧力を測定するための図示しない圧力センサが夫々設けられ、これらの圧力センサの信号が制御手段であるコントロールユニット１２に入力されるようになっている。

コントロールユニット１２は、イグニッションスイッチ１５が接続されるとともに、電圧やガス圧、温度等を検出するための燃料電池１上の各種のセンサ２１，２２の信号と、燃料電池１の冷却や加熱のための温度調整回路２３のサーモスタット２４の水温信号、さらに蓄電池２０の残容量信号が入力され、これらの信号に基づいて遮断弁４や掃気弁１０、圧力調整弁１７，１８とともにエアコンプレッサ５を制御するようになっている。

なお、温度調整回路２３は、燃料電池１に導入される冷却水が循環する２経路の流路を有し、ラジエータ２５を通過する正規流路２６と、ラジエータ２５を通過しないバイパス流路２７がサーモスタット２４によって切り換えられるようになっている。サーモスタット２４は、常温時には燃料電池１を正規流路２６に接続しており、冷却水の温度が設定下限温度以下になる温度になると流路の接続をバイパス流路２７側に切り換える。また、冷却水を循環供給するための温度調整回路２３内の冷媒ポンプ２８は後述する掃気処理の間、運転を続ける。

以上の構成の燃料電池システムの作用について、図２のフローチャートに沿って説明する。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチ１５がＯＮからＯＦＦに切り換わって、コントロールユニット１２に運転停止信号が入力されると、ステップＳ１２で、水素供給流路３の遮断弁４を閉じ、アノード１ｂへの水素の供給を停止することによって燃料電池１の発電を停止する。

次に、ステップＳ１４で、コンプレッサ５の回転数を通常の発電時よりも上昇させて、第１の掃気処理である大流量掃気を開始する。このときには、アノード圧力調整弁１７とカソード圧力調整弁１８を全開状態にし、アノード１ｂとカソード１ｃに供給されるエア圧力を低下させる。また、このときの大流量のエアの供給により、燃料電池１のアノード１ｂやカソード１ｃにおける残留水蓄積部位と、排出通路７，８の差圧を増大させ、燃料電池１内に液滴で残留している残留水（凝結水）の排出を促進することができる。なお、この大流量掃気は、例えば、流路の出入口の差圧が設定値以下になったときにコントロールユニット１２による指令によって停止する。

この後、ステップＳ１６において、サーモスタット部分からの水温信号に基づいて燃料電池内の温度を検出し、つづく、ステップＳ１８において、燃料電池１内の温度が設定下限温度よりも高いかどうかを判断し、設定下限温度よりも高と判断した場合には、ステップＳ２０で所定時間の経過を待った後にステップＳ２２に進み、燃料電池１内の温度が設定下限温度以下であると判断した場合には、所定時間の経過を待たずにステップＳ２２に進む。

ここで、設定下限温度とは、その温度以下の環境で次の第２の掃気処理を行った場合に、燃料電池１内の除湿性能が低下して、再起動時における電池出力が低下する温度のことを言う。掃気開始時の温度と再起動時の電池出力は、図４に示すような関係にあり、同図に示すように掃気開始時の温度がある温度以下になると、再起動時の電池出力が急激に低下する。この電池出力が急激に低下し始める温度を設定下限温度としている。
また、ステップＳ２０の所定時間は、運転者がイグニッションスイッチ１５をＯＦＦにし、車両から降りて車両から充分に離れるまでの平均的な時間よりも充分に長い時間であり、例えば２０分から３０分程度に設定される。

ステップＳ２２では、つづく小流量掃気の継続可能な時間を決定する。この継続可能な時間は、蓄電器２０の残容量を求め、以下の小流量掃気で最適量のエアを供給するのに必要なコンプレッサ５の消費エネルギーで蓄電器２０の残量を割ることによって求められる。

つづく、ステップＳ２４では、コンプレッサ５の回転を下降させることにより、第２の掃気処理である小流量掃気を行う。このとき、コンプレッサ５の回転数は、通常の発電時の回転数よりも低くなっている。ここで、このように小流量掃気を行うことにより、残留水分を水蒸気として掃気ガスに取り込ませる（飽和させる）効率を高めることができる。

次の、ステップＳ２６では、小流量掃気の開始後にステップＳ２２で決定した掃気可能時間が経過したかどうかを判断し、掃気可能時間が経過したと判断されたところでステップ２７に進み、システムを停止する。

なお、ステップＳ１８において、燃料電池１内の温度が設定下限温度以下であると判断した場合に、所定時間の経過を待たずにステップＳ２２以下の処理に進むのは、外気温の低下等によって待ち時間の経過によって燃料電池１内の温度がさらに低下するのを防止するためである。つまり、燃料電池１内の温度は、設定下限温度よりも低くなればなるほど掃気ガス中に水分が蒸発しにくくなり、第２の掃気処理の際の電池内の水分の除去効率が低下してしまうため、この不具合を無くすために待機処理（所定時間の待ち）を行わないようにしている。

以上のようにこの実施形態の燃料電池自動車によれば、燃料電池１の発電停止直後に第１段の大流量の掃気によって短時間で燃料電池１内の多く残留水を排出し、その後に燃料電池１の温度が設定下限温度以下でなければ、運転者が車両から離れるのに充分な所定時間の経過を待った後に、第２段の小流量の掃気によって電解質膜１ａ内の残存水分や流路表面に付着した水分の除去を行うようにしているため、燃料電池１の発電停止時に充分に、かつ効率良く電池内の水分除去を行うことができるとともに、運転者が車両から離れる際に燃料電池１の掃気処理を一時的に停止することで、掃気ノイズによる違和感を運転者に与える不具合を無くすことができる。
したがって、この燃料電池自動車においては、発電停止時に電池内部の水分を充分に除去することで冷寒時における燃料電池の始動性の向上を図り、かつ大流量掃気と小流量掃気を段階的に行うことで省エネルギ化を図ることができるとともに、運転者が車両から離れる際の掃気ノイズを無くすことで車両の商品性を高めることができる。

図３は、この実施形態の燃料電池システムと、掃気を行わない対策前の燃料電池システムの再起動時の出力の変化の様子を示す特性図（この実施形態の特性は、「対策後」と記載）であり、この図から明らかなようにこの実施形態の燃料電池システムを採用した場合には、再起動後に即時に充分な出力を得ることができる。

つづいて、図５に示す第２の実施形態について説明する。
この実施形態の燃料電池システムの構成は、第１の実施形態とほぼ同様であるが、燃料電池の内部温度が設定下限温度よりも低い場合に、さらに別の処理を行う点が異なっている。
具体的には、この実施形態の場合、燃料電池１の作動による反応熱を、燃料電池１を加熱するための手段として用い、燃料電池１の温度が設定下限温度以下の場合に、その設定下限温度を超えるまで再度燃料電池１の発電を継続するようにしている。

図５のフローチャートのステップＳ１８とステップＳ２０の間の介在するステップＳ３１，ステップＳ３２がここで説明した制御に相当する部分である。なお、図２のフローチャートと同一処理部分には同一ステップ名を付してある。
以下、ステップＳ１８とステップ２０の間の処理について説明する。
ステップＳ１８では、燃料電池１内の温度が設定下限温度よりも高い場合には、第１の実施形態と同様にステップＳ２０に進んで所定時間の経過を待ち、電池１内の温度が設定下限温度以下の場合には、ステップＳ３１に進んで燃料電池１の発電を開始して電池１内の温度を高める。この昇温のための燃料電池１の発電は、次のステップＳ３２で電池１内温度が設定下限温度を超えたと判断されるまで続け、ステップＳ３２で設定下限温度を超えたと判断されると、ステップＳ２０に進んで所定時間が経過したかどうかを判断する。

したがって、この実施形態の制御においては、冷寒地等で燃料電池１の温度が設定下限温度以下になることがあっても、燃料電池１の再発電によって燃料電池１の温度を積極的に高め、それによって後の小流量掃気において掃気ガス中に効率良く水分を蒸発させることができる。

また、図６，図７は、第３の実施形態を示すものである。
この実施形態の燃料電池システムは第１の実施形態とほぼ同様であるが、図６に示すように温度調整回路２３中に水素を用いる触媒燃焼ヒータや電気ヒータ等の外部ヒータ４０を介装した点が異なっている。したがって、図６では、図１の構成と同一部分に同一符号を付し、重複する説明を省略するものとする。

また、図７は、この実施形態の燃料電池システムの制御を示すフローチャートであるが、図５に示す第２の実施形態のフローチャートに対してステップＳ１３１の部分だけが異なり、他の部分は同様の処理を行っている。即ち、この実施形態では、第２の実施形態ではステップＳ３１で、燃料電池の再発電を行っていたのを、ステップＳ１３１で外部ヒータ４０によって加熱するようにしている。

この実施形態の場合、燃料電池１の発電を再開しないために新たな水分の生成が生じず、そのために、より効率良く残留水分の除去を行うことができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、燃料電池の内部温度の検出は温度調整回路の水温に限らず、反応ガス流路の入口側に温度センサを設け、そのセンサによって温度を検出するようにしても良い。

この発明の第１の実施形態における燃料電池システムのブロック図。 同実施形態の制御を示すフローチャート。 同実施形態と比較例の再起動時の出力特性図。 同実施形態を説明するための掃気開始温度と再起動出力の関係特性図。 この発明の第２の実施形態の制御を示すフローチャート。 この発明の第３の実施形態における燃料電池システムのブロック図。 同実施形態の制御を示すフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池
３…水素供給流路（反応ガス流路）
５…エアコンプレッサ
６…エア供給流路（反応ガス流路）
７…水素排出流路（反応ガス流路）
８…エア排出流路（反応ガス流路）
１２…コントロールユニット（制御手段）

Claims (5)

1. 供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池を搭載した自動車において、
   前記反応ガスが流通する反応ガス流路と、
   この反応ガス通路内を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記反応ガス流路内の液化した水分を除去するための大流量の掃気を行わせる第１の掃気処理と、この第１の掃気処理の後に所定時間掃気を停止する待機処理と、この待機処理の後に前記反応ガス流路内の掃気を行う第２の掃気処理を行わせる制御手段と、を備え、
   前記所定時間を、運転者がイグニッションスイッチをオフにし、車両を降りて車両から充分に離れるまでの平均的な時間よりも充分に長い時間に設定し、
   前記掃気手段を、エアコンプレッサで構成し、
   前記制御手段は、前記待機処理中に前記エアコンプレッサを停止させることを特徴とする燃料電池自動車。
2. 前記第２の掃気処理は、燃料電池内の除湿性能の低下する設定下限温度を超える温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。
3. 前記燃料電池を加熱する加熱手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の温度が前記設定下限温度以下になる場合に、前記第１の掃気処理を行わせた後に、前記加熱手段による加熱処理を行わせ、その後に前記燃料電池の温度が前記設定下限温度を超えた後に、前記掃気手段による第２の掃気処理を行わせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池自動車。
4. 前記第２の掃気処理は、前記第１の掃気処理の際の流量よりも少ない流量で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池自動車。
5. 車両に搭載され、供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池の制御方法において、
   前記燃料電池の発電停止時には、反応ガス流路内の液化した水分を除去するための大流量の掃気をエアコンプレッサで行い、その後に前記エアコンプレッサを停止して所定時間掃気を停止した後に、前記反応ガス流路内を再度掃気し、前記所定時間を、運転者がイグニッションスイッチをオフにし、車両を降りて車両から充分に離れるまでの平均的な時間よりも充分に長い時間に設定したことを特徴とする燃料電池の制御方法。

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