JP5066358B2 - 燃料電池システム及びその掃気方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システム及びその掃気方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟持して構成されている。燃料電池では、アノード側電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード側電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、燃料ガス流路に燃料ガス、例えば、水素含有ガスが供給される一方、酸化剤ガス流路に酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されている。このため、カソード側電極には、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成されるとともに、アノード側電極には、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因として水分が存在している。

上記のように、酸化剤ガス流路や燃料ガス流路に水分が残存していると、特に氷点下等の低温時に燃料電池システムが起動される際、前記水分の凍結が惹起し易い。このため、酸化剤ガスや燃料ガスの拡散が阻害されたり、電解質膜の電気伝導性が低下したりするおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１４に示すように、燃料電池１を備えており、この燃料電池１には、酸素極側に空気を供給するための空気経路２と、水素極側に水素を供給するための水素経路３と、冷却水を循環させるための冷却水経路４とが設けられている。

空気経路２の上流側には、空気供給用の空気ポンプ５が設けられるとともに、この空気経路２の排出側には、気液分離器６ａを介してバルブ７ａが接続されている。水素経路３の上流側には、水素供給用の水素ポンプ５ｂが設けられるとともに、前記水素経路３の排出側には、気液分離器６ｂを介してバルブ７ｂが配設されている。

そして、燃料電池１の運転停止後に、水分パージを行う必要があると判定された場合には、空気ポンプ５ａ及び水素ポンプ５ｂを作動させている。このため、空気経路２から燃料電池１の酸素極側に乾燥空気が供給されるとともに、水素経路３から前記燃料電池１の水素極側に乾燥空気が供給されている。さらに、燃料電池１に供給された各乾燥空気は、この燃料電池１内の残留水分を含んで前記燃料電池１から排出され、気液分離器６ａ、６ｂで空気と水とに分離された後、空気がバルブ７ａ、７ｂから排出されている。

特開２００２−２０８４２２号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、バルブ７ａやバルブ７ｂに故障や凍結等に起因して弁開閉動作がなされない弁開閉異常が惹起する場合がある。その際、例えば、バルブ７ｂが閉じられた状態で、燃料電池１の酸素極側及び水素極側の水分パージを行うと、水素経路３内の空気圧力が上昇してしまう。これにより、燃料電池１内の水素流路と空気流路との間に相当に大きな圧力差が発生し、電解質膜・電極構造体が破損するという問題がある。

この発明はこの種の問題を解決するものであり、掃気ガス圧が異常に上昇することを確実に阻止して良好な掃気処理が遂行されるとともに、燃料電池の損傷を可及的に防止することが可能な燃料電池システム及びその掃気方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置と、前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁と、前記排気ガス排出弁に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置と、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記掃気装置による前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する制御装置と備えている。

また、燃料電池システムでは、掃気装置は、酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給する第１掃気ガス供給路と、燃料ガス流路に前記掃気ガスを供給する第２掃気ガス供給路とを備え、制御装置は、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記第２掃気ガス供給路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスを供給することが好ましい。

さらに、燃料電池システムでは、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されて第２掃気ガス供給路への掃気ガスの供給を停止する際、第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量よりも増加されることが好ましい。

さらにまた、燃料電池システムでは、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されて第２掃気ガス供給路への掃気ガスの供給を停止する際、第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間よりも長く設定されることが好ましい。

また、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の上流側に配置される上流側圧力検出手段と、前記排気ガス排出弁の下流側に配置される下流側圧力検出手段とを備え、前記上流側圧力検出手段と前記下流側圧力検出手段とにより検出される圧力差に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。

さらに、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段とにより検出される温度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。

さらにまた、燃料電池システムでは、排出弁異常検出装置は、排気ガス排出弁の弁開度を検出する弁開度検出手段を備え、前記弁開度検出手段とにより検出される弁開度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することが好ましい。

また、本発明は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システムの掃気方法に関するものである。

この掃気方法では、燃料ガス流路を掃気した掃気ガスを燃料電池から排出する排気ガス排出弁に、弁開閉異常が存在しているか否かを検出する工程と、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する工程とを有している。

さらに、掃気方法では、燃料電池の発電停止時に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を掃気ガスにより掃気処理するとともに、排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給することが好ましい。

本発明では、燃料ガス流路を掃気した掃気ガスを燃料電池から排出する排気ガス排出弁に弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理が規制されるため、前記燃料ガス流路内の掃気ガス圧力が上昇することを有効に抑制することができる。

これにより、燃料電池内において、燃料ガス流路内で掃気ガス圧が異常に上昇することによって前記燃料ガス流路と酸剤ガス流路との間で大きな圧力差が発生することを確実に阻止することが可能になり、前記燃料電池の損傷を良好に防止することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る車載用の燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池スタック１２の発電停止時に、後述する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路（少なくとも燃料ガス流路）を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置２０とを備える。

燃料電池スタック１２には、この燃料電池スタック１２の出力を補助するとともに、前記燃料電池スタック１２の発電電流により充電される蓄電装置（エネルギストレージ）２２と、走行用の駆動モータ２４とが、ＶＣＵ２６を介して接続される。蓄電装置２２しては、例えば、電気二重層コンデンサ等のキャパシタやバッテリが用いられる。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を積層して構成される。図２に示すように、燃料電池３０は、電解質膜・電極構造体３２が第１及び第２セパレータ３４、３６に挟持される。第１及び第２セパレータ３４、３６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータ等により構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード側電極４０及びアノード側電極４２とを備える。

カソード側電極４０及びアノード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成される。

燃料電池３０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池３０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４６ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、発電部に対応して酸化剤ガス流路５０が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路５０は、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとに連通する。第１セパレータ３４の面３４ａとは反対の面３４ｂには、冷却媒体入口連通孔４６ａと冷却媒体出口連通孔４６ｂとに連通する冷却媒体流路５２が形成される。

第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、発電部に対応して燃料ガス入口連通孔４８ａと燃料ガス出口連通孔４８ｂとに連通する燃料ガス流路５４が形成される。第２セパレータ３６の面３６ｂには、第１セパレータ３４の面３４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体流路５２が設けられる。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、図示しないがシール部材が一体成形又は積層される。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気（酸素含有ガス及び掃気ガス）を圧縮して供給するエアコンプレッサ６０を備え、前記エアコンプレッサ６０が空気供給流路（第１掃気ガス供給路）６２に配設される。空気供給流路６２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに連通するとともに、前記空気供給流路６２の途上には、エアコンプレッサ６０から吐出される圧縮空気に水分を与えて加湿空気とする加湿器６４が配設される。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに連通する空気排出流路６６を備える。この空気排出流路６６には、エアコンプレッサ６０から空気供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁６８が設けられる。空気排出流路６６は、後述する希釈器９０に連通する。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに連通する。この水素供給流路７２には、エゼクタ７４が設けられる。エゼクタ７４は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス出口連通孔４８ｂに連通する水素循環流路７６から吸引して燃料電池スタック１２に再度供給する。

水素循環流路７６には、排出流路７８、ドレン流路８０及びパージ流路８２が連通する。排出流路７８には、比較的大流量のエア排出弁（排気ガス排出弁）８４が配設され、ドレン流路８０には、比較的中流量のドレン弁（排気ガス排出弁）８６が配設され、パージ流路８２には、比較的小流量のパージ弁（排気ガス排出弁）８８が配設される。排出流路７８、ドレン流路８０及びパージ流路８２は、希釈器９０の入口側に接続されるとともに、前記希釈器９０の出口側は、外部（外気・大気）に開放される。

燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂの近傍に位置して前記酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ内のガス温度を検出する温度センサ９１ａと、燃料ガス出口連通孔４８ｂの近傍に位置して前記燃料ガス出口連通孔４８ｂ内のガス温度を検出する温度センサ９１ｂとが設けられる。燃料電池スタック１２の外部には、図示しないが、外気温度を検出する温度センサが配設される。

掃気装置１８は、第１掃気ガス供給路として機能する空気供給流路６２から分岐し、水素供給流路７２に接続される掃気ガス供給路（第２掃気ガス供給路）９２を備える。この掃気ガス供給路９２には、前記掃気ガス供給路９２の開閉を行うための掃気ガス導入弁９４が配設される。

燃料電池システム１０は、排気ガス排出弁であるエア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置９６を備える。排出弁異常検出装置９６は、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の上流側、例えば、燃料ガス入口連通孔４８ａに近接して水素供給流路７２の途上に配置される第１圧力センサ（上流側圧力検出手段）９８ａと、前記エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の下流側に配置される第２圧力センサ（下流側圧力検出手段）９８ｂとを備える。

制御装置２０は、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差に基づいて、弁開閉異常が存在するか否かを推定する弁異常推定部１００として機能する。制御装置２０は、さらに後述する３種類の掃気処理から適切な手法を選択する掃気手法選択部１０２と、選択された掃気処理の制御を行う掃気制御部１０４として機能する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。なお、燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置２０による弁制御によって、エア排出弁８４、ドレン弁８６、パージ弁８８及び掃気ガス導入弁９４は、閉じた状態に維持されている。

この通常発電運転時において、エアコンプレッサ６０から供給される圧縮空気は、加湿器６４を通って加湿された後、空気供給流路６２を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給される。一方、水素タンク７０から供給される水素ガスは、エゼクタ７４を介し水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに供給される。

燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池３０では、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入され、カソード側電極４０の電極面に沿って移動した後、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに排出される。

一方、燃料ガス入口連通孔４８ａに供給された水素ガス（燃料ガス）は、第２セパレータ３６の燃料ガス流路５４に供給され、アノード側電極４２の電極面に沿って移動した後、燃料ガス出口連通孔４８ｂに排出される。従って、各燃料電池３０では、カソード側電極４０に供給される空気中の酸素と、アノード側電極４２に供給される水素とが反応して発電が行われる。

図１に示すように、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔４８ｂには、水素循環流路７６が連通している。このため、この水素循環流路７６に排出された排ガス（未使用水素を含む排出燃料ガス）は、エゼクタ７４の吸引作用下に水素供給流路７２の途上に戻された後、再度、燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。

上記のように、各燃料電池３０で発電が行われると、カソード側電極４０側に生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガス流路５０に貯留される。さらに、カソード側電極４０側の生成水は、固体高分子電解質膜３８、アノード側電極４２を透過して燃料ガス流路５４に伝達され、この燃料ガス流路５４内にも貯留される。

次いで、燃料電池システム１０の掃気処理に係る動作について説明する。

燃料電池システム１０の掃気処理としては、通常掃気処理、２段階掃気処理及び３段階掃気処理の３種類が採用される。具体的には、酸化剤ガス流路５０に残存する液滴を排出するために、前記酸化剤ガス流路５０に大流量の掃気ガス（空気）を供給する第１処理、燃料ガス流路５４に残存する液滴を排出するために、前記燃料ガス流路５４に大流量の掃気ガス（空気）を供給する第２処理、及び電解質膜・電極構造体３２の内部を乾燥させるために、前記酸化剤ガス流路５０に小流量の掃気ガス（空気）を供給する第３処理を組み合わせている。

すなわち、通常掃気処理は、第１処理及び第２処理の組合せであり、２段階掃気処理は、第１処理及び第３処理の組合せであり、３段階掃気処理は、第１処理、第２処理及び第３処理の組合せである。

そこで、エア排出弁８４、ドレン弁８６又はパージ弁８８のいずれかが排気ガスを排気可能な開状態を維持し得ると判断された際には、通常掃気処理又は３段階掃気処理が行われる。一方、排出弁異常検出装置９６により、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８全てに弁開閉異常が存在していることが検出された際には、２段階掃気処理が行われる。

通常掃気処理は、図３に示すように、燃料電池スタック１２の発電が終了（イグニッションがオフ）された後、この燃料電池スタック１２が氷点下起動（イグニッションがオン）されるまでのソーク中に実施される。

この通常掃気処理では、図４に示すように、先ず、酸化剤ガス流路５０の液滴の排出が行われる（第１処理）。具体的には、図１に示すように、水素タンク７０から水素供給流路７２への水素の供給が停止されるとともに、掃気ガス導入弁９４が閉塞されている。そして、ソーク中の任意の時点でエアコンプレッサ６０が駆動され、大流量に設定された空気が、燃料ガスとして燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａから各酸化剤ガス流路５０に導入される。

各酸化剤ガス流路５０に残存する生成水は、導入された大流量の空気によって酸化剤ガス出口連通孔４４ｂから空気ガス排出流路６６に排出され、前記酸化剤ガス流路５０の掃気処理が行われる。酸化剤ガス流路５０の掃気処理が所定時間（短時間）だけ行われた後、掃気ガス導入弁９４が開放される。

このため、エアコンプレッサ６０から供給される大流量の空気は、空気供給流路６２から掃気ガス供給路９２に送られた後、水素供給流路７２から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに導入される。従って、各燃料ガス流路５４には、大流量の空気が掃気ガスとして導入されるため、前記燃料ガス流路５４に残留する水分（液滴）が燃料ガス出口連通孔４８ｂから水素循環流路７６に排出される。

その際、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の中、例えば、前記エア排出弁８４が開放されている。このため、水素循環流路７６に排出された水分を含む排ガスは、希釈器９０に導入された後、十分に希釈されて外方に排出される。これにより、燃料ガス流路５４の液滴の排出が行われる（図４中、第２処理参照）。なお、燃料ガス流路５４の掃気処理を行う直前に、燃料ガス供給系に残存する水素を少量排出させておくことが望ましい。

次いで、３段階掃気処理は、図５に示すタイムチャートに沿って行われる。この３段階掃気処理では、先ず、イグニッションがオフされた直後に酸化剤ガス流路５０の液滴が大流量の掃気ガスで排出され（第１処理）、さらに燃料ガス流路５４の液滴が大流量の掃気ガスによって排出される（第２処理）。そして、掃気ガス導入弁９４が閉塞される一方、エアコンプレッサ６０から小流量の空気が第１掃気ガス供給路である空気供給流路６２に供給される。従って、酸化剤ガス流路５０には、小流量の空気が長時間Ｔ１にわたって流されるため、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード側電極４０の乾燥が一層促進され、前記電解質膜・電極構造体３２の内部が乾燥処理される。

また、３段階掃気処理は、図３に示すように、分割して実施してもよい。この場合、イグニッションがオフされた直後に、第１処理と第２処理とが連続して行われる。さらに、所定時間経過後に、第３処理が行われることによって、３段階掃気処理が遂行される。

一方、２段階掃気処理は、図６に示すように、酸化剤ガス流路５０の液滴の排出処理（第１処理）が短時間だけ行われた後、前記酸化剤ガス流路５０に少量流量の掃気ガスが長時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）にわたって供給されることにより、電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理が行われる（第３処理）。

次に、燃料電池システム１０の通常運転時における掃気処理を、図７及び図８に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、制御装置２０が燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションのオン信号を検出すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップ２に進んで、燃料電池スタック１２による発電が開始される。制御装置２０では、燃料電池スタック１２の発電による積算発電量が計測される（ステップＳ３）。

そして、制御装置２０は、イグニッションのオフ信号を検出すると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、燃料電池スタック１２の温度が温度センサ９１ｂ（及び／又は９１ａ）により検出される。さらに、ステップＳ６において、計測された積算発電量から燃料電池スタック１２内に生成される生成水量（水分量）が推定される。

なお、制御装置２０では、予め積算発電量と水分量との関係を求めてメモリに格納しておく。また、積算発電量に代えて、発電経過時間と水分量との関係を予めメモリに格納しておき、燃料電池スタック１２の発電時間を計測して水分量を測定してもよい。

ステップＳ７では、燃料電池スタック１２の発電により水分が発生したか否かが判定され、水分が発生していないと判定されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、掃気処理が行われずに、作業が終了する。一方、水分が発生していると判定されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、外気温度が検出される。

この外気温度に基づいて、次の始動時に氷点下となると推定されて掃気処理が必要であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、排出弁異常検出装置９６により第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとによる圧力差が検出される。

ここで、第１圧力センサ９８ａは、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４８ａに近接して水素供給流路７２に配置される一方、第２圧力センサ９８ｂは、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の下流側に配置されている。従って、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値以上であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８が全て凍結又は故障により閉塞されていると判断される（ステップＳ１２）。

このため、制御装置２０では、弁異常推定部１００が弁開閉異常が存在すると推定し、掃気手法選択部１０２を介して燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ１４に進んで、掃気制御部１０４では、３種類の掃気手法の中、２段階掃気処理が選択され、上記のように、この２段階掃気処理が行われる。

一方、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値未満であると判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、通常掃気処理、又は、３段階掃気処理が選択され、選択された掃気処理が実施される（ステップＳ１４）。

また、ステップＳ９において、掃気処理が必要でないと判断されると、ステップＳ１６に進んで、通常掃気処理が選択され、燃料電池スタック１２の温度が検出される（ステップＳ１７）。燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上であると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進んで、イグニッションのオン信号の入力の有無が判断される。一方、燃料電池スタック１２の温度が、所定温度未満であると判定されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進む。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の掃気処理が必要であると判定された後、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８に凍結や故障による弁開閉異常があるか否かが検出され、前記弁開閉異常が検出された際に、燃料ガス流路５４の掃気処理が規制されている。

このため、出口側が閉塞された燃料ガス流路５４に掃気ガスが導入されて前記燃料ガス流路５４に相当に大きな圧力上昇が発生することを、有効に抑制することができる。これにより、各燃料電池３０では、燃料ガス流路５４内で掃気ガス圧が異常に上昇することを確実に阻止することが可能になり、前記燃料ガス流路５４と酸化剤ガス流路５０との間で大きな圧力差が発生することを阻止することができる。従って、特に電解質膜・電極構造体３２の損傷を良好に阻止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第１圧力センサ９８ａ及び第２圧力センサ９８ｂは、例えば、燃料電池スタック１２内における燃料消費量を計測するために用いられている圧力検出装置を兼用することができ、経済的であるという利点がある。

さらに、第１の実施形態では、燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される際に、酸化剤ガス流路５０の掃気処理が行われている。このため、酸化剤ガス流路５０の掃気処理とともに、カソード側電極４０側から電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理を行うことが可能になり、氷点下での起動性の向上を図るとともに、発電性能の低下を抑制することができるという効果がある。

さらに、燃料ガス流路５４の掃気処理が禁止される際には、３種類の掃気手法の中、２段階掃気処理が選択されている。ここで、２段階掃気処理は、３段階掃気処理に比べて第３処理の時間が長く設定されている（Ｔ２＞Ｔ１）。これにより、酸化剤ガス流路５０側からのみ行われる電解質膜・電極構造体３２の乾燥処理が、確実に遂行されるという利点がある。

なお、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、２段階掃気処理における第３処理の時間Ｔ２を、３段階掃気処理における第３処理Ｔ１の時間よりも長く設定しているが、これに限定されるものではない。例えば、２段階掃気処理の第３処理における排気ガスの総流量を、３段階掃気処理における第３処理の掃気ガスの総流量よりも増加させてもよい。

次に、低温短時間の運転時における掃気処理について、図９及び図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、図７及び図８に示すフローチャートと同一の処理については、その詳細な説明は省略する。

イグニッションがオンされて発電が開始された後、この発電開始時における温度が検出される（ステップＳ２１〜Ｓ２３）。そして、ステップＳ２４〜ステップＳ３５の処理が、前述のステップＳ３〜Ｓ１４に準じて行われる。ここで、ステップＳ３２において、第１圧力センサ９８ａと第２圧力センサ９８ｂとにより検出される圧力差が、所定値以上であると判断されると、ステップＳ３６に進む。このステップＳ３６では、イグニッションがオンされてからオフされるまでの時間が短時間、例えば、１分〜２分以下であると判定されると（ステップＳ３６中、ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進んで、マップ検索によって掃気処理が決定される。

図１１には、検索される掃気処理決定マップ１０６が示されている。発電開始時温度及び発電終了時温度が比較的高い領域では、通常掃気処理領域に決定される一方、発電終了時温度が最も低い温度である領域では、２段階掃気処理領域に決定される。その中間では、３段階掃気処理領域１０８に決定される。

そして、ステップＳ３８では、検索された掃気処理決定マップ１０６に従って掃気処理が行われるため、特に、氷点下等の低温時に、起動が行われて短時間で発電が停止された場合に、発電性能の悪化や再起動不能を未然に回避することができるという効果が得られる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１１０は、排出弁異常検出装置１１２を備える。この排出弁異常検出装置１１２は、水素循環流路７６に配置される温度センサ（温度検出手段）１１４を備え、前記温度センサ１１４による温度に基づいて、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の凍結による弁開閉異常を検出する。

従って、第２の実施形態では、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の凍結による弁開閉異常が検出されるため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、構成が有効に簡素化されるという利点がある。また、温度センサ１１４を用いずに、燃料電池スタック１２に配置されている温度センサ９１ｂを排出弁異常検出装置１１２として用いることも可能である。

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。

燃料電池システム１２０は、排出弁異常検出装置１２２を備える。この排出弁異常検出装置１２２は、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の弁開度を検出する弁開度センサ（弁開度検出手段）１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｃを備える。弁開度センサ１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｃは、検出された弁開度に基づいて、エア排出弁８４、ドレン弁８６及びパージ弁８８の弁開度異常を検出するものであり、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。 通常掃気処理及び３段階掃気処理の概略的説明図である。 前記通常掃気処理に係るタイムチャートである。 前記３段階掃気処理に係るタイムチャートである。 ２段階掃気処理に係るタイムチャートである。 通常運転時の掃気処理を説明するフローチャートの前段部分である。 前記フローチャートの後段部分である。 低温短時間運転時の掃気処理を説明するフローチャートの前段部分である。 前記フローチャートの後段部分である。 掃気処理決定マップの説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る車載用の燃料電池システムの概略構成図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略的説明図である。

符号の説明

１０、１１０、１２０…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック １４…酸化剤ガス供給装置
１６…燃料ガス供給装置 １８…掃気装置
２０…制御装置 ２２…蓄電装置
３０…燃料電池 ３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード側電極 ４２…アノード側電極
５０…酸化剤ガス流路 ５２…冷却媒体流路
５４…燃料ガス流路 ６０…エアコンプレッサ
６２…空気供給流路 ６６…空気排出流路
７０…水素タンク ７２…水素供給流路
７４…エゼクタ ７６…水素循環流路
８４…エア排出弁 ８６…ドレン弁
８８…パージ弁 ９０…希釈器
９１ａ、９１ｂ、１１４…温度センサ ９２…掃気ガス供給路
９４…掃気ガス導入弁
９６、１１２、１２２…排出弁異常検出装置
９８ａ、９８ｂ…圧力センサ １００…弁異常推定部
１０２…掃気手法選択部 １０４…掃気制御部
１０６…掃気処理決定マップ
１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ…弁開度センサ

Claims (7)

1. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置と、
   前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁と、
   前記排気ガス排出弁に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置と、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記掃気装置による前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する制御装置と、
   を備え、
   さらに、前記掃気装置は、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給する第１掃気ガス供給路と、
   前記燃料ガス流路に前記掃気ガスを供給する第２掃気ガス供給路と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記第２掃気ガス供給路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスを供給すると共に、前記掃気ガスの供給を停止する際、前記第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に供給される前記掃気ガスの総流量よりも増加されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する掃気装置と、
   前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁と、
   前記排気ガス排出弁に弁開閉異常が存在しているか否かを検出する排出弁異常検出装置と、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記掃気装置による前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する制御装置と、
   を備え、
   さらに、前記掃気装置は、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給する第１掃気ガス供給路と、
   前記燃料ガス流路に前記掃気ガスを供給する第２掃気ガス供給路と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記第２掃気ガス供給路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスを供給すると共に、前記掃気ガスの供給を停止する際、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記第２掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される際、前記第１掃気ガス供給路に前記掃気ガスが供給される掃気時間よりも長く設定されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記排出弁異常検出装置は、前記排気ガス排出弁の上流側に配置される上流側圧力検出手段と、
   前記排気ガス排出弁の下流側に配置される下流側圧力検出手段と、
   を備え、
   前記上流側圧力検出手段と前記下流側圧力検出手段とにより検出される圧力差に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記排出弁異常検出装置は、前記排気ガス排出弁の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記温度検出手段とにより検出される温度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記排出弁異常検出装置は、前記排気ガス排出弁の弁開度を検出する弁開度検出手段を備え、
   前記弁開度検出手段とにより検出される弁開度に基づいて、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常を検出することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システムの掃気方法であって、
   前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁に、弁開閉異常が存在しているか否かを検出する工程と、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する工程と、
   を有し、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスにより掃気処理すると共に、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給し、
   さらに、前記掃気ガスの供給を停止する際、前記酸化剤ガス流路に供給される前記掃気ガスの総流量を、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記燃料ガス流路に前記掃気ガスが供給される際、前記酸化剤ガス流路に供給される前記掃気ガスの総流量よりも増加させることを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。
7. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路を掃気ガスにより掃気処理する燃料電池システムの掃気方法であって、
   前記燃料ガス流路を掃気した前記掃気ガスを前記燃料電池から排出する排気ガス排出弁に、弁開閉異常が存在しているか否かを検出する工程と、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路の掃気処理を規制する工程と、
   を有し、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスにより掃気処理すると共に、
   前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出された際、前記燃料ガス流路への前記掃気ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスを供給し、
   さらに、前記掃気ガスの供給を停止する際、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスが供給される掃気時間は、前記排気ガス排出弁の弁開閉異常が検出されず前記燃料ガス流路に前記掃気ガスが供給される際、前記酸化剤ガス流路に前記掃気ガスが供給される掃気時間よりも長く設定されることを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。

Images