JP4982938B2

JP4982938B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4982938B2
Application number: JP2003283729A
Authority: JP
Inventors: 正志中村; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005050749A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１及び特許文献２に燃料電池システムが開示されている。これらの燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じる燃料電池と、燃料電池と接続され、電力によって駆動される負荷とを備えている。より具体的には、燃料電池は最小発電単位であるセルが多数積層されてなる。セルは、電解質膜の両面に水素極（アノード）と空気極（カソード）とが形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）がセパレータで挟まれて構成される。このセルの水素極に水素が供給されると、水素が電極の触媒作用により水素イオンになり、この水素イオンは電解質膜中を空気極側に移動する。そして、水素イオンは供給された空気中の酸素と反応して水となる。この際の反応エネルギーが電気として取り出され、起電力を生じる。

この燃料電池は、負荷等とともに燃料電池システムを構成する。負荷は、例えば燃料電池システムが電気自動車に用いられた場合、車両駆動用モータである。

特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池停止時に補助電源により無加湿空気を流通させている。また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池停止時に補助電源により減圧乾燥処理を行っている。このため、これら従来の燃料電池システムでは、氷点下の状態から燃料電池を始動する場合、燃料電池に残留する水を予め除去することができ、所望の出力を得ることができると考えられる。

特開２００１−３３２２８１号公報特開２００１−１８５１７９号公報

しかし、上記従来の燃料電池システムでは、極寒環境において燃料電池を始動する場合、発電に伴う生成水が凍結してしまい、出力電圧が低下し起動することができないことがあり得る。この場合の時間と燃料電池の出力電圧及び温度との関係を図８に示す。図８において、Ｇ９１が時間と燃料電池の出力電圧（１セル当りの電圧）との関係を表すグラフであり、Ｇ９２が時間と燃料電池の温度との関係を表すグラフである。また、ｔ９１が燃料電池の起動が開始された時刻であり、ｔ９２が負荷が接続されて発電が開始された時刻である。この燃料電池では、時刻ｔ９１において燃料電池の起動が開始されると、１セル当り約１Ｖの出力電圧（開回路電圧）が発生する。そして、時刻ｔ９２において負荷が接続されて発電が開始されると、水素イオンと酸素との反応は発熱反応であるため、燃料電池の温度はわずかに上昇する。しかし、発電に伴い生成水が発生し、この生成水が極寒環境下で凍結する。これにより、新たな水素イオンと酸素との反応が阻害され、急激に出力電圧が低下して発電不能になる。また、発熱反応である水素イオンと酸素との反応が維持されないため、燃料電池の温度はほとんど上昇することがない。このため、この燃料電池では、連続した反応が遮断され、燃料電池を起動することができなくなる。

本発明は、低温環境下にあっても確実に起動させることのできる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じる燃料電池（１００）と、該燃料電池（１００）と接続され、電力によって駆動される負荷（７５）とを備え、
該燃料電池（１００）及び該負荷（７５）は給電手段と接続され、
該給電手段は、起電力を蓄電する補助電源（７３）と、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）への給電を行う回路を開閉可能な第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）と、該補助電源（７３）と該燃料電池（１００）との間で給電を行う回路を開閉可能な第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）とを有し、
該第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び該第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）は、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）に生成水を電気分解可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）に該負荷（７５）を駆動可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、かつ、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電を行っている間、該補助電源（７３）から該負荷（７５）への給電を行う該制御手段（１１０）に接続されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、生成水を電気分解可能な電力を燃料電池に供給可能な給電手段が備えられているため、発電に伴う生成水を電気分解によりガス化して除去することができる。このため、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。こうして、水素イオンと酸素との反応による発熱により、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池の温度が上昇し、生成水が除去されるため連続した反応が維持される。また、給電手段は、燃料電池から負荷への給電を行う回路を開閉可能な第１スイッチと、補助電源から燃料電池への給電を行う回路を開閉可能な第２スイッチと、第１スイッチ及び第２スイッチを切り替える制御手段とを有する。これにより、燃料電池から負荷への給電と補助電源から燃料電池への給電とを容易に切り替えることができる。さらに、制御手段によりスイッチを切り替えることができるため、制御が容易となる。

したがって、本発明の燃料電池システムによれば、低温環境下にあっても確実に起動させることが可能である。

前記給電手段は前記補助電源が前記燃料電池へ印加する電圧を昇圧する変圧回路を有することが好ましい。これにより、生成水を確実に電気分解することができる。

前記制御手段は、前記燃料電池から前記負荷への給電と該補助電源から該燃料電池への給電とを交互に行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることが好ましい。これにより、発電により生成水がある程度生成された後、その生成水が電気分解されるという過程が連続して行われ、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池の温度を上昇させることができる。この際、前記燃料電池の温度を検知可能な温度センサを備え、該温度センサの出力信号に基づいて該燃料電池の温度が所定温度以下となった場合、前記制御手段が前記補助電源から該燃料電池への給電を行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることができる。また、前記燃料電池の起電力を検知可能な電力センサを備え、該電力センサの出力信号に基づいて該燃料電池の能力が所定値以下となった場合、前記制御手段が前記補助電源から該燃料電池への給電を行うように前記第１スイッチ及び第２スイッチを切り替えることもできる。

前記燃料電池に供給される電力量は、前記燃料電池が生じた生成水を電気分解可能な値以上であることが好ましい。これにより、生成水を電気分解により確実に除去できるからである。

前記燃料電池に水を供給可能な給水手段を備え、該給水手段は該燃料電池に電力を供給している間は該燃料電池への水の供給を行わないことが好ましい。給水手段は燃料電池の空気極の乾燥を防止するために必要である。しかし、始動時においては、燃料電池内への水の蓄積を防止する必要があることから、給水手段は燃料電池への水の供給を行わないことが望ましい。

以下、本発明の燃料電池システムを具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池スタック１００が用いられる。この燃料電池スタック１００は、２枚のエンドプレート２２０ａ、２２０ｂ間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体２１０が挟持されたものである。積層体２１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２１１をセパレータ２１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ２１１は、イオン交換樹脂（「Nafion」（登録商標）デュポン（株）製）からなる電解質膜２１１ａと、この電界質膜２１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる水素極（アノード）２１１ｂと、電界質膜２１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極（カソード）２１１ｃとからなる。水素極２１１ｂ及び空気極２１１ｃは電解質膜２１１ａと一体の反応層を有し、各反応層には触媒としての白金が担持されている。全ての水素極２１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極２１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図１に示すように、両集電板の各端子２０１ａ、２０１ｂは燃料電池スタック１００から突出されている。

図２に示すように、各セパレータ２１２の水素極２１１ｂ側には燃料室２１２ａが形成されており、燃料室２１２ａによって燃料ガスが水素極２１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ２１２の空気極２１１ｃ側には空気室２１２ｂが形成されており、空気室２１２ｂによって空気が空気極２１１ｃに供給されるようになっている。燃料室２１２ａは水平方向に開口されており、空気室２１２ｂは燃料室２１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体２１０の両端のセパレータ２１２には燃料室２１２ａ又は空気室２１２ｂだけが形成されている。こうして、一枚のＭＥＡ２１１と一対のセパレータ２１２とによって個々の燃料電池であるセル２１０ａが構成されている。各セル２１０ａの全ての燃料室２１２ａは、図１に示すように、一方のエンドプレート２２０ａに形成された燃料ガス導入口２２１及び他方のエンドプレート２２０ｂに形成された図示しない燃料ガス導出口に連通している。燃料ガス導入口２２１及び燃料ガス導出口は燃料供給手段の一部である。また、各セル２１０ａの全ての空気室２１２ｂは上下に連通している。

この燃料電池スタック１００では、代表セル２１０ａの空気極２１１ｃの面内の温度を測定可能な温度センサ１０１が取付けられている。

そして、この燃料電池スタック１００を図３に示すように構成し、燃料電池システムを組付ける。この燃料電池システムは、電気自動車等に搭載されるものであり、ＥＣＵ（燃料電池システム制御装置）１１０、燃料電池スタック１００、水素供給系３０、空気供給系１０、冷却系５０及び電源・負荷系７０により構成される。

ＥＣＵ１１０は、燃料電池スタック１００、空気供給系１０、水素供給系３０、冷却系５０及び電源・負荷系７０の電子部品に電気的に接続され、燃料電池システム全体が最適に動作するよう各電子部品を制御する。なお、ＥＣＵ１１０と各電子部品との接続は省略する。このＥＣＵ１１０が制御手段である。また、燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じ、バッテリ７３とともに駆動モータ７５の電源を構成している。

空気供給系１０は、燃料電池スタック１００に接続され、酸化剤として酸素を含有する空気を燃料電池スタック１００に供給する空気供給路１と、燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００より排出された空気を外気に排出する空気排出路１１とを有している。空気供給路１には、外気から粉塵などの不純物を除去するフィルタ２、外気温を検出する外気温度センサ３、空気の供給量を調整する空気供給ポンプ４、空気極２１１ｃの湿潤を保つために空気を加湿する加湿器５、空気入口温度センサ７の検出値に基づいて空気を加熱するヒータ６、空気入口温度センサ７及び圧力センサ２５が配設されている。空気排出路１１には、燃料電池スタック１００の代表セル２１０ａの温度を測るための空気出口温度センサ８、空気出口圧力を測るための圧力センサ２６、空気圧力を調節するための空気圧力調節バルブ２７、空気流によって電極から持ち去った水を回収する凝縮器９、外気から不純物が逆流して燃料電池スタック１００に進入するのを防止するフィルタ１０ａが配設されている。また、加湿器５には、加湿水供給路１２を介して加湿水タンク１６が接続されている。加湿水供給路１２には、不純物を除去するフィルタ１５、加湿水を加湿器５に送り出す加湿水ポンプ１４及び加湿水を供給又は遮断する加湿水供給電磁弁１３が配設されている。さらに、凝縮器９には、水回収路２１を介して加湿水タンク１６が接続されている。水回収路２１には、凝縮器９で回収された水を加湿水タンク１６に送り込む凝縮水回収ポンプ２０及び不純物を濾過するフィルタ１９が配設されている。また、加湿水タンク１６には、加湿水温度センサ２２、加湿水水位センサ２３及びヒータ１７が設けられ、加湿水の温度や水位を検出している。検出された加湿水の温度が氷点下であり、加湿水が凍結している場合、加湿水タンク１６内に埋設されたヒータ１７により、凍結した加湿水を加熱・解凍することができる。また、検出された水位により、凝縮器９による水回収量を調節して、加湿水タンク１６の加湿水貯蔵量を調節することができる。これらのうち、加湿水供給路１２、加湿水供給電磁弁１３、加湿水ポンプ１４、フィルタ１５、加湿水タンク１６が給水手段である。

水素供給系３０は、燃料電池スタック１００と水素供給源としての水素貯蔵タンク３２とに接続され、水素を燃料電池スタック１００内に供給する水素供給路３１と、燃料電池スタック１００に接続され、燃料電池スタック１００から排出された水素を外気に放出する水素排出路４１とを有している。水素供給路３１には、外部の水素源から水素を水素貯蔵タンク３２に充填するための水素充填口３３、水素貯蔵タンク３２内の水素圧力を測るための水素１次圧センサ３４、燃料電池スタック１００に供給する水素の量を調節するための水素調圧弁３５、水素を供給又は遮断する水素供給電磁弁３６及び燃料電池スタック１００にかかる水素圧力を測定する水素２次圧センサ３７が配設されている。水素排出路４１には、排出された水素の逆流を防止する逆止弁４２及び水素の排出を調節する水素排気電磁弁４３が配設されている。なお、水素貯蔵タンク３２は高圧タンクであっても水素吸蔵合金タンクであってもよい。

冷却系５０は、燃料電池スタック１００とラジエータ５４とに接続され、燃料電池スタック１００が発電に伴う発熱によって高温になりすぎるのを防止し、燃料電池スタック１００を適度な運転温度に調節する冷却水循環路５７と、ラジエータ５４と並列に設けられたバイパス路５８とを有している。冷却水循環路５７には、冷却水を燃料電池スタック１００に送り込む冷却水循環ポンプ５１、メイン切り替えバルブ５２、冷却水の温度を検出する冷却水入口温度センサ５５、冷却水出口温度センサ５６が配設されている。バイパス路５８には、バイパス切り替えバルブ５３が配設されている。これらメイン切り替えバルブ５２及びバイパス切り替えバルブ５３を切り替えることにより、ラジエータ５４に冷却水を通過させたり、通過させなかったりすることができる。また、冷却系５０は、燃料電池スタック１００の発熱が小さい場合や、始動時において燃料電池スタック１００が冷えている場合、燃料電池スタック１００を暖める目的にも用いられる。その場合、冷却水循環路５７に配設された図示しないヒータによって冷却水温度を高くして供給することもできる。すなわち、この冷却系５０では、冷却水入口温度センサ５５及び冷却水出口温度センサ５６の検出値に基づいて、冷却水循環量、循環経路の切り替え、冷却量、加熱量を調節することができる。

電源・負荷系７０は、バッテリ７３、インバータ７４、車両駆動用モータ７５、出力制御回路７７、整流器８４、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ等を有している。電源・負荷系７０は、二系統の回路で構成されている。一つの回路は、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂが、電流の逆流を防止する整流器８４、回路を開閉可能なスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、直流電流を交流電流に変換するインバータ７４を介して、車両を駆動するモータ７５と接続されるものである。この回路には、インバータ７４とバッテリ７３とが出力制御回路７７を介して接続されている。また、別の回路は、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂが、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ、昇圧回路８０を介して、バッテリ７３に接続されるものである。そして、燃料電池スタック１００には、電圧センサ７８及び電流センサ７９が接続されている。ここで、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂが閉じ、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが開いている場合、燃料電池スタック１００からモータ７５に電力が供給される。この際、バッテリ７３は、車両減速時に回生電力を貯蔵したり、加速時や高負荷時に電力を供給して、燃料電池システムを効率良く運転できるようにしている。また、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂが開き、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが閉じている場合、バッテリ７３からモータ７５に電力が供給されるとともに、燃料電池スタック１００の端子２０１ａ、２０１ｂに高電圧が印加される。これにより、燃料電池スタック１００内に余剰水が蓄積した場合や、寒冷地で凍結の心配がある場合などに、電気分解により水を除去（水素と酸素に分解）することができる。ここで、モータ７５が負荷であり、バッテリ７３が補助電源である。また、バッテリ７３、昇圧回路８０、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂが給電手段であり、昇圧回路８０が変圧回路である。なお、本実施形態において、補助電源としてバッテリ７３を用いたが、これ以外にキヤパシタなどの蓄電装置を用いることもできる。また、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂはリレーの接点で実現することができる。

以上の構成をした燃料電池システムにおいて、寒冷地での動作の概要を図４を参照しつつ説明する。図４において、Ｇ１が時間と燃料電池スタック１００の出力電圧（１セル当りの電圧）との関係を表すグラフであり、Ｇ２が時間と燃料電池スタック１００の温度との関係を表すグラフである。まず、時刻ｔ１において燃料電池システムの起動が開始されると、グラフＧ１に示すように、燃料電池スタック１００のセル２１０ａ当り約１Ｖの出力電圧（開回路電圧）が発生する。なお、図３に示すように、燃料電池システムの出力電圧は電圧センサ７８で検出され、温度は温度センサ１０１で検出される。

次に、図４の時刻ｔ２において負荷が接続されて発電が開始される。具体的には、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続され、車両を駆動するモータ７５が回転する。そうすると、発電に伴い生成水が発生し、この生成水が低温環境下で凍結してしまう。そのため、時間ＴＷ１において、燃料電池スタック１００とインバータ７４とを切り離すとともに、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に高電圧を供給して、生成水を電気分解して除去する。これにより、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。この際、インバータ７４はバッテリ７３により駆動される。生成水が除去された後、時間ＴＷ２において、再度、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続される。以下、時間ＴＷ３〜ＴＷ７において、同様の動作が繰り返される。そして、その間にグラフＧ２で示すように、燃料電池スタック１００の温度は発電に伴う生成水が凍結しない温度にまで上昇する。その後は、連続した反応が維持されるため、インバータ７４は燃料電池スタック１００により駆動される。こうして、この燃料電池システムでは、低温環境下にあっても確実に起動させることができる。

次に、この燃料電池システムにおける寒冷地での動作を図５に示したフローチャートを参考にしつつ説明する。燃料電池システムの起動が開始されると、ＥＣＵ１１０により図５に示すプログラムが実行される。

このプログラムが実行されると、まずステップＳ１において、燃料電池スタック１００に水素及び空気の供給が開始される。具体的には、水素調圧弁３５及び水素供給電磁弁３６が開かれ、水素貯蔵タンク３２の水素が水素供給路３１から燃料電池スタック１００の燃料室２１２ａに供給される。また、空気供給ポンプ４が駆動され、酸素を含む外気が空気供給路１から燃料電池スタック１００の空気室２１２ｂに供給される。ステップＳ１実行後、ステップＳ２が実行される。

ステップＳ２においては、まず燃料電池スタック１００の温度センサ１０１により代表セル２１０ａの空気極２１１ｃの面内の温度を入力し、これを燃料電池温度Ｔｓとする。そして、燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａより小さいか否かをチェックする。ここで、設定温度Ｔａは、凍結のおそれのある温度であり、予め記憶されている。燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａより小さい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ３を実行する。また、燃料電池温度Ｔｓが設定温度Ｔａ以上である場合（ＮＯ）、このプログラムの実行を終了し、通常運転のプログラムを実行する。この場合は、燃料電池スタック１００の温度が発電に伴う生成水の凍結しない温度にまで上昇しており、連続した反応が維持されるため、燃料電池システムの起動が終了している。

ステップＳ３においては、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを開き、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂを閉じる。これにより、図６に示すように、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが接続され、車両を駆動するモータ７５が回転する。この際、燃料電池スタック１００と昇圧回路８０とは切り離されている。そして、ステップＳ４において、発電に伴い発生する生成水を計算する生成水量Ｗ１をクリアする。ステップＳ４実行後、ステップＳ５を実行する。

ステップＳ５においては、電流センサ７９により、燃料電池スタック１００からインバータ７４に流れる電流Ｉ１を測定する。そして、ステップＳ６において、数１に示す式により、発電に伴い発生する生成水量Ｗ１を計算して推測する。ステップＳ６実行後、ステップＳ７が実行される。ここで、ｋ１は換算係数であり、Ｉ１は上記電流センサ７９による測定値である。また、ｔ１はステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７のループが実行される周期である。

ステップＳ７においては、計算された生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａより大きいか否かをチェックする。ここで、設定水量Ｗａは、発電に伴い燃料電池スタック１００に発生する水量であり、電気分解により取り除く必要がある水量であり、予め記憶されている。生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａより大きい場合（ＹＥＳ）、生成水を電気分解により取り除く必要があると判断し、ステップＳ８を実行する。また、生成水量Ｗ１が設定水量Ｗａ以下である場合（ＮＯ）、ステップＳ５に戻り、さらに生成水量Ｗ１を計算する。なお、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７のループは周期ｔ１毎に１回実行される。

ステップＳ８においては、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂを開き、スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを閉じる。これにより、図７に示すように、燃料電池スタック１００とインバータ７４とが切り離され、燃料電池スタック１００と昇圧回路８０とが接続される。そのため、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に高電圧が供給され、生成水が電気分解される。この際、インバータ７４はバッテリ７３により駆動される。そして、ステップＳ９において、電気分解に伴い消滅する水を計算する電気分解水量Ｗ２をクリアする。ステップＳ９実行後、ステップＳ１０を実行する。

ステップＳ１０においては、電流センサ７９により、昇圧回路８０から燃料電池スタック１００に流れる電流Ｉ２を測定する。そして、ステップＳ１１において、数２に示す式により、電気分解に伴い消滅する電気分解水量Ｗ２を計算して推測する。ステップＳ１１実行後、ステップＳ１２が実行される。ここで、ｋ２は換算係数であり、Ｉ２は上記電流センサ７９による測定値である。また、ｔ２はステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２のループが実行される周期である。

ステップＳ１２においては、計算された電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂより大きいか否かをチェックする。ここで、設定水量Ｗｂは、電気分解により取り除く必要のある水量であり、予め記憶されている。電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂより大きい場合（ＹＥＳ）、生成水を電気分解により取り除いたと判断し、ステップＳ２を実行する。また、電気分解水量Ｗ２が設定水量Ｗｂ以下である場合（ＮＯ）、ステップＳ１０に戻り、さらに電気分解水量Ｗ２を計算する。なお、ステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２のループは周期ｔ２毎に１回実行される。

この燃料電池システムでは、生成水を電気分解可能な電力を燃料電池スタック１００に供給可能な昇圧回路８０が備えられているため、発電に伴う生成水が凍結しても、電気分解により生成水を除去することができる。このため、新たな水素イオンと酸素との反応が可能となる。こうして、水素イオンと酸素との反応による発熱により、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池スタック１００の温度が上昇し、生成水が除去されるため連続した反応が維持される。

また、この燃料電池システムでは、バッテリ７３、昇圧回路８０、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂにより、燃料電池スタック１００からモータ７５への給電とバッテリ７３から燃料電池スタック１００への給電とを容易に切り替えることができる。この昇圧回路８０はバッテリ７３が燃料電池スタック１００へ印加する電圧を昇圧するため、生成水を確実に電気分解することができる。

さらに、この燃料電池システムでは、電流センサ７９が昇圧回路８０から燃料電池スタック１００に流れる電流Ｉ２を測定し、この出力信号に基づいて燃料電池スタック１００の能力が所定値以下となった場合、ＥＣＵ１１０がバッテリ７３から燃料電池スタック１００への給電を行うようにスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂを切り替える。そのため、発電により生成水がある程度生成された後、その生成水が電気分解されるという過程が連続して行われ、生成水が凍結することのない温度にまで燃料電池スタック１００の温度を上昇させることができる。また、バッテリ７３から燃料電池スタック１００に給電される電力量は生成水を電気分解可能な値以上であるため、生成水を電気分解により確実に除去できる。

したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、低温環境下にあっても確実に起動させることが可能である。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００の空気極２１１ｃの乾燥を防止するため給水手段１２、１３、１４、１５、１６を備えているが、バッテリ７３が燃料電池スタック１００に給電している間は燃料電池スタック１００への水の供給を行わない。これにより、電気分解により除去しなければならない水を増加させないようにしている。

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。

実施形態の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの分解斜視図である。実施形態の燃料電池システムに係る積層体の模式断面図である。実施形態の燃料電池システムに係る模式構成図である。実施形態の燃料電池システムに係り、時間と燃料電池スタックの出力電圧及び温度との関係を表すグラフである。実施形態の燃料電池システムに係り、起動時の処理プログラムのフローチャートである。実施形態の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックとインバータとが接続された回路図である。実施形態の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックと昇圧回路とが接続された回路図である。従来の燃料電池システムに係り、時間と燃料電池スタックの出力電圧及び温度との関係を表すグラフである。

符号の説明

１００…燃料電池（燃料電池スタック）
７５…負荷（モータ）
７３…補助電源（バッテリ）
７３、８０、ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ…給電手段
８０…、変圧回路（昇圧回路）
ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ…スイッチ
１１０…制御手段（ＥＣＵ）
１０１…温度センサ
７９…電力センサ（電流センサ）
１２、１３、１４、１５、１６…給水手段（１２…加湿水供給路、１３…加湿水供給電磁弁、１４…加湿水ポンプ、１５…フィルタ、１６…加湿水タンク）

Claims

水素と酸素との電気化学反応により起電力を生じる燃料電池（１００）と、該燃料電池（１００）と接続され、電力によって駆動される負荷（７５）とを備え、
該燃料電池（１００）及び該負荷（７５）は給電手段と接続され、
該給電手段は、起電力を蓄電する補助電源（７３）と、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）への給電を行う回路を開閉可能な第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）と、該補助電源（７３）と該燃料電池（１００）との間で給電を行う回路を開閉可能な第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）とを有し、
該第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び該第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）は、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）に生成水を電気分解可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、該燃料電池（１００）から該負荷（７５）に該負荷（７５）を駆動可能な電力を供給するか否かを切り替え可能であり、かつ、該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電を行っている間、該補助電源（７３）から該負荷（７５）への給電を行う該制御手段（１１０）に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記給電手段は前記補助電源（７３）が前記燃料電池（１００）へ印加する電圧を昇圧する変圧回路（８０）を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御手段（１１０）は、前記燃料電池（１００）から前記負荷（７５）への給電と該補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電とを交互に行うように前記第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び前記第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）を切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１００）の温度を検知可能な温度センサ（１０１）を備え、該温度センサ（１０１）の出力信号に基づいて該燃料電池（１００）の温度が所定温度以下となった場合、前記制御手段（１１０）が前記補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電を行うように前記第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び前記第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）を切り替えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１００）の起電力を検知可能な電力センサ（７９）を備え、該電力センサ（７９）の出力信号に基づいて該燃料電池（１００）の能力が所定値以下となった場合、前記制御手段（１１０）が前記補助電源（７３）から該燃料電池（１００）への給電を行うように前記第１スイッチ（ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ）及び前記第２スイッチ（ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ）を切り替えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１００）に供給される電力量は、前記燃料電池（１００）が生じた生成水を電気分解可能な値以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記制御手段（１１０）には、発電に伴い前記燃料電池（１００）に発生する水量であり、電気分解により取り除く必要がある水量である設定水量Ｗａが予め記憶されており、
前記電力センサ（７９）が検知した前記起電力としての電流値をＩ１、換算係数をｋ１、前記制御手段（１１０）が前記設定水量Ｗａよりも前記生成水量が小さいと判断する周期をｔ１とした時、該生成水量は、計算式ｋ１×Ｉ１×ｔ１によって求められることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
前記制御手段（１１０）には、前記燃料電池（１００）が電気分解により取り除く必要のある設定水量Ｗｂが予め記憶されており、
前記電力センサ（７９）が検知した前記起電力としての電流値をＩ２、換算係数をｋ２、前記制御手段（１１０）が前記設定水量Ｗｂよりも電気分解に伴い消滅する電気分解水量が小さいと判断する周期をｔ２とした時、該電気分解水量は、計算式ｋ２×Ｉ２×ｔ２によって求められることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１００）に水を供給可能な給水手段（１２、１３、１４、１５、１６）を備え、該給水手段（１２、１３、１４、１５、１６）は該燃料電池（１００）に電力を供給している間は該燃料電池（１００）への水の供給を行わないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池システム。