(57)【要約】【課題】  消費電力の増大、構成の大型化、複雑化を極力抑えて、残留する水分を除去する処理時間を短縮することを課題とする。【解決手段】  燃料電池システムの運転停止が指令されると、燃料電池スタック１への冷却水の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後燃料電池スタック１の空気ガス流路にカソード反応ガス供給手段４で空気ガスを導入し、空気ガス流路に残留する水分をパージして構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池の発電ならびに前記燃料電池への冷媒の供給を停止した後、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、その後発電を開始して所定時間発電を行った後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度が第１の設定温度以上である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージし、
前記温度計測手段で計測された温度が第１の設定温度以下でかつ第２の設定温度以上である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージし、
前記温度計測手段で計測された温度が第２の設定温度以下である場合に、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、所定時間発電を行った後停止し、前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、発電を継続しながら前記燃料電池への冷媒の供給を停止した後、前記燃料電池に残留する冷媒を前記燃料電池から抜き取り、その後所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池内を流通する酸化剤ガスの流通方向とは逆方向に前記燃料電池から冷媒を抜き取る
ことを特徴とする請求項２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度に基づいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電の負荷の大きさが設定される
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記温度計測手段で計測された温度に基づいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電の時間が設定される
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの運転停止が指令された後に行われる発電で得られた電力を蓄電する二次電池を備え、
前記二次電池に蓄えられた電力を使用して、前記燃料電池システムの運転停止が指令された後の動作を行う
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムの運転停止後に、次回の運転、特に氷点下の低温環境下での運転に備えて、燃料電池に残留する水分を除去する技術を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
（化１）
陽極（アノード極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− 
陰極（カソード極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極に供給する燃料ガスの水素は、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して得られた水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。一方、カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかしながら、０℃以下の低温状態では、燃料電池を構成するセルの中に前回の発電後残留した水分が凍結して、水素ガスや空気ガスが流通する反応ガス流路が閉塞してしまったり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害してしまい、発電ができなくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、燃料電池を０℃以下から起動させるためには、あらかじめ燃料電池内部から水分を除去しておくことが必要となる。このため、例えば特許文献２に記載されているように、燃料電池システムの運転停止時に、加湿しない反応ガスを燃料電池内に供給して燃料電池を乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達した後運転を停止するという技術が知られている。
【０００６】
しかし、この技術では、単に加湿しない反応ガスによって燃料電池内を乾燥させようとすると、反応ガス自身にも水分が含まれているため、乾燥までに多くの時間がかかるという問題がある。
【０００７】
この問題に対処するために、燃料電池システムの運転停止時に、反応ガスを除湿して反応ガスから水分を取り除く除湿器を設け、この除湿器で乾燥された反応ガスでもって燃料電池を乾燥させる技術が、例えば特許文献３に記載されている。さらに、同様の技術として、例えば特許文献４には、高温に加熱された乾燥空気を燃料電池に供給して燃料電池を乾燥させる技術が提案されている。
【０００８】
また、例えば特許文献５には、燃料電池の運転停止時に、運転時に燃料電池を冷却する冷却水を加熱し、この加熱した冷却水で燃料電池を所定温度に加熱して乾燥させる技術が記載されている。これらの技術は、反応ガスの温度や燃料電池の温度を高くすることで、燃料電池内部の水分を蒸発させて除去するようにしている。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０７２７
【特許文献３】特開２００２−３１３３９４
【特許文献４】特開２００２−２０８４２１
【特許文献５】特開２００２−２４６０５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、高温に加熱された乾燥空気で燃料電池を乾燥させる技術において、乾燥空気ガスの熱容量は、各燃料電池セルに対して反応ガスを分配又は収集するマニホールド部材や、燃料電池セルを構成するセパレータ部材の熱容量に比較して非常に小さい。このため、いくら反応ガスを高温に加熱して燃料電池に供給したとしても、高温の反応ガスが本来乾燥させたい流路や電極付近に到達するころには、反応ガスの温度はかなり低下してしまい、残留水分を蒸発させて除去するという効果は著しく低減してしまう。
【００１０】
一方、冷却水を加熱して燃料電池に送り込んで燃料電池を加熱する技術では、上記のような不具合は起こらずに残留水分を蒸発させて除去する効果が得られる。しかしその反面、冷却水を加熱するための加熱器が必要となる。このため、システムが大型化、複雑化してしまう。その上、冷却水を加熱するための時間と電力が必要となり、消費電力の増大ならびに水分除去処理に多大な時間を要するといった問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、消費電力の増大、構成の大型化、複雑化を極力抑えて、残留する水分を除去する処理時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池に冷媒を流通させて発電で生じた熱を除去する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの運転停止が指令されると、前記燃料電池への冷媒の供給を停止し、かつ所定時間発電を継続した後発電を停止し、その後前記燃料電池の燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路にガスを導入して水分をパージすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、システムの運転停止が指令された後、燃料電池の発電で発生した熱により燃料電池を迅速に昇温させることができので、燃料電池内部に残留した水分を除去する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１、負荷２、制御装置３、カソード反応ガス供給手段４、冷却水循環手段５、冷却水タンク６を備えて構成されている。
【００１６】
燃料電池スタック１は、単位燃料電池セルが複数積層されて形成され、燃料ガスの水素ガスと酸化剤ガスの空気ガスとを化学反応させて発電する。水素ガスは水素タンク（図示せず）から燃料電池スタック１に供給され、空気ガスはカソード反応ガス供給手段４から燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の発電で得られた電力は、燃料電池スタック１から取り出されて、負荷２や図示しない２次電池、補機等に供給される。
【００１７】
負荷２は、燃料電池スタック１から与えられた電力を消費し、この燃料電池システムが例えば車両に搭載された場合には例えば電動モータ等で構成される。
【００１８】
カソード反応ガス供給手段４は、カソード反応ガスとなる空気を圧縮して加圧し、加圧した空気ガスを燃料電池スタック１に供給し、空気を圧縮するコンプレッサ等で構成される。
【００１９】
冷却水循環手段５は、燃料電池スタック１、冷却水循環手段５ならびに冷却水タンク６を連結する冷却水流路１３を介して、冷却水タンク６に貯水される冷却水を燃料電池スタック１に循環供給して、燃料電池スタック１の発電で生じた熱を除去し、冷却水を流路を流通駆動させるポンプ等で構成される。
【００２０】
制御装置３は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御装置３は、本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池スタック１、負荷２、カソード反応ガス供給手段４、冷却水循環手段５を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する残留水分の除去処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２１】
このような構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されると、先ずこれと同時に制御装置３によって冷却水循環手段５を停止する。この時点では、水素ガスと空気ガスとの反応ガスは燃料電池スタック１に供給されて、燃料電池スタック１では発電が継続されている。
【００２２】
続いて、冷却水循環手段５を停止して所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止し、これと同時に燃料電池スタック１への水素の供給を停止する。水素の供給停止後予め設定された所定時間の間、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され続け、燃料電池スタック１内の残留水分が空気ガスでパージされる。
【００２３】
このような動作により、システムの運転停止が指令された後であっても燃料電池スタック１の発電は継続されているが、その時には冷却水の循環が停止されているため、燃料電池スタック１の温度は上昇していく。その後、発電が停止し昇温されて高温になった燃料電池スタック１に空気ガスを供給するため、燃料電池スタック１内の空気ガス流路やカソード電極近傍に残留した水分を急速に蒸発させて除去することが可能となる。
【００２４】
例えば車両にこの燃料電池システムを搭載した場合には、低温雰囲気下でイグニッションキーをオンにして僅かな時間のみ燃料電池スタック１を発電させた後、直ちにイグニッションキーをオフにするような運転も十分に想定され、燃料電池スタック１の温度が０℃でシステムの運転停止が指令されてしまう可能性もある。
【００２５】
このような場合であっても、燃料電池セルの内部に発電によって生成した水分が残留しており、この水分が凍結して次回に氷点下からの起動が困難になるおそれがあるため、水分除去は必要になる。しかしながら、燃料電池スタック１の温度が０℃で空気ガスにより残留水分をパージしても、空気ガスの温度が低く飽和水蒸気圧が低いため、電極付近に残留した水分を蒸発させて除去することは困難となる。
【００２６】
そこで、燃料電池を一度昇温させた後、残留水分をパージする必要がある。ここで、燃料電池スタック１を例えば０℃程度から６０℃程度に昇温させるため、運転停止指令後燃料電池スタック１で発電を継続する時間は、本発明者の試算によると２０〜３０秒程度で済む。
【００２７】
したがって、燃料電池スタック１の発電によって生じた電気化学反応熱で燃料電池スタック１を昇温させることができ、ヒータで加熱した冷却水で燃料電池スタックを昇温する従来例に比べて、消費電力の増大、構成の大型化ならびに複雑化を極力抑えて、迅速に燃料電池スタック１を昇温させることができる。これにより、空気ガスの飽和水蒸気圧が上昇するため、燃料電池スタック１内部に残留した水分を蒸発させて除去するスピードが上がり、システム運転停止が指令された後水分除去の処理が完了するまでの時間を短縮することができる。
【実施例２】
【００２８】
図２は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示す実施例２の特徴とするところは、先の図１に示す実施例１に比べて、カソード反応ガス供給流路１４の燃料電池スタック１のカソード反応ガス入口に開閉バルブ７を設け、この開閉バルブ７の上流のカソード反応ガス供給流路１４と、燃料電池スタック１の上流の冷却水流路１３との間に、両者を連結する連結流路１５を設け、この連結流路１５に開閉バルブ８を設け、冷却水流路１３と連結流路１５との連結点の冷却水流路１３の上流に逆支弁９を設けたことにあり、他は実施例１と同様である。
【００２９】
このような構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されると、制御装置３によって冷却水循環手段５を停止して冷却水の燃料電池スタック１への供給を止め、制御装置３から与えられる指令に基づいて開閉バルブ７を閉じ、開閉バルブ８を開き、カソード反応ガス供給手段４によって連結流路１５を介して冷却水流路１３に空気ガスが送り込まれる。送り込まれた空気ガスは、冷却水流路１３を介して冷却水入口から燃料電池スタック１に導入される。これにより、燃料電池スタック１内の冷却水流路に溜まっている冷却水が導入された空気ガスよって燃料電池スタック１外へと押し出されて排出され、冷却水流路１３を介して冷却水タンク６に流れ込んで溜まる。
【００３０】
その後、開閉バルブ８を閉じ、開閉バルブ７を開き、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給されると、燃料電池スタック１の発電が継続され、所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止するのと同時に水素ガスの供給を停止する。水素ガスの供給を停止した後、所定時間の間はカソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され、空気ガスで残留水分がパージされる。
【００３１】
上記実施例２の動作では、燃料電池スタック１内の冷却水を抜くことによって、先の実施例１に比べて、燃料電池スタック１全体としての熱容量を下げることができる。これにより、燃料電池スタック１の温度上昇のスピードが速くなり、より短時間で所定の温度に燃料電池スタック１を昇温させることができる。
【００３２】
図３に冷却水が燃料電池スタック１内に存在している場合と、冷却水を抜き取った場合との、発電負荷と燃料電池スタック１の温度をＴ１上昇させるのにかかる時間との関係を示す。例えば図３（ａ）に示すように、同じ発電負荷で発電した場合でも、燃料電池スタック１の温度をＴ１上昇させるのにかかる時間は、冷却水がある場合に比べて冷却水がない場合の方が極めて短時間になることがわかる。これにより、残留水分をより一層短時間で除去することができる。また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の温度をＴ１だけ昇温する時間を同じにした場合には、冷却水を抜いた場合の方が発電負荷を小さくすることができ、昇温にかけるエネルギーをより少なく抑えることができる。
【実施例３】
【００３３】
図４は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例３の特徴とするところは、先の図２に示す実施例２に比べて、燃料電池スタック１に燃料電池スタック１を代表する温度を計測する温度計測手段１０を備え、この温度計測手段１０で計測された代表温度に基づいて、燃料電池スタック１を昇温する手順を設定するようにしたことにあり、他は実施例２と同様である。温度計測手段１０によって計測される燃料電池スタック１の代表温度は、燃料電池スタック１の単位燃料電池セルを構成するセパレータの温度や、冷却水の出口側の温度、もしくは空気ガスの出口側の温度などが挙げられる。
【００３４】
このような構成において、残留水分の除去処理は図５のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。図５において、システムの運転停止が指令されると（ステップＳ５０）、先ず温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が制御装置３に読み込まれ、代表温度Ｔが予め設定された温度Ｔ１ならびに温度Ｔ２と比較される（ステップＳ５１）。
【００３５】
比較結果において、温度Ｔ１＞代表温度Ｔ＞温度Ｔ２である場合は、制御装置３によって冷却水循環手段５が停止されるが（ステップＳ５２）、水素ガスならびに空気ガスは供給されてそのまま燃料電池スタック１の発電は継続される（ステップＳ５３）。冷却水の供給が停止されて所定時間発電が継続された後、開閉バルブ７は開いたまま、開閉バルブ８は閉じたまま、制御装置３によって燃料電池スタック１と負荷２との接続が遮断されて負荷２への電力の供給を停止するとともに水素ガスの供給も停止する。これと同時に、カソード反応ガス供給手段４によって燃料電池スタック１に供給されている空気ガスで残留水分をパージし、所定時間後空気ガスの供給を停止し、残留水分の除去処理が終了する（ステップＳ５４）。
【００３６】
一方、ステップＳ５１の比較結果において、代表温度Ｔ＜温度Ｔ２である場合には、制御装置３によって燃料電池スタック１と負荷２との接続を遮断し、冷却水循環手段５を停止し、開閉バルブ７を閉じ、開閉バルブ８を開き、カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１の冷却水流路１３に供給される。これにより、燃料電池スタック１内から冷却水を押し出し、燃料電池スタック１から冷却水を抜き取る（ステップＳ５５）。その後、先のステップＳ５４に示す処理を実行して、残留水分の除去処理を終了する。ステップＳ５１の比較結果において、代表温度Ｔ＞温度Ｔ１である場合には、先のステップＳ５４に示す処理を実行して、残留水分の除去処理を終了する。
【００３７】
このように、この実施例３では、残留水分の除去処理を行う際の燃料電池スタック１の温度に基づいて燃料電池スタック１の昇温方法を変更し、最適な昇温方法を選択できるようにしている。これにより、無駄な動作を省略でき、無駄なエネルギーを消費することなく、最短の時間で水分を除去することができる。
【実施例４】
【００３８】
図６は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図６に示す実施例４の特徴とするところは、先の図２に示す実施例２に比べて、図２に示す開閉バルブ８に代えて流量可変バルブ１１を設け、空気ガスを冷却水流路１３に導入することで燃料電池スタック１から冷却水を抜き取る動作と発電とを並行して行えるようにしたことにあり、他は先の実施例２と同様である。
【００３９】
このような構成において、システムの運転停止が指令されると、制御装置３によって冷却水循環手段５を停止し、制御装置３の指令に基づいて流量可変バルブ１１が空気ガスの流量を調整しながら開く。このとき、開閉バルブ７は開いたままであり、燃料電池スタック１のカソード反応ガス供給流路１４ならびに冷却水流路１３に空気ガスが分配供給される。
【００４０】
流量可変バルブ１１で流量が調整された空気ガスによって、燃料電池スタック１内の冷却水が空気ガスに押し出されて抜け、冷却水タンク６に溜められる。冷却水が燃料電池スタック１から抜けきったところで、流量可変バルブ１１を完全に閉じる。
【００４１】
この冷却水を抜いている間も並行して空気ガスは燃料電池スタック１に供給されているので、燃料電池スタック１の発電は継続され、運転停止が指令されて所定時間後、制御装置３によって負荷を取るのを停止し、同時に水素ガスの供給も停止する。その後、所定時間カソード反応ガス供給手段４によって空気ガスが燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１から残留水分がパージされる。
【００４２】
この実施例４では、冷却水を抜いている間も発電により燃料電池スタック１を昇温しているので、先の実施例２に比べてより一層短時間で水分除去を完了させることができる。
【００４３】
なお、上記実施例４では、燃料電池スタック１から冷却水を抜く方法として、カソード反応ガス供給手段４を利用しているが、方法はその限りではなく、例えば重力方向下方に冷却水タンク６を配置し、重力で抜くなどの方法を採用しても同様の効果が得られる。
【００４４】
また、この実施例４を図４に示す先の実施例３に適用しても、同様の効果を得ることができる。
【実施例５】
【００４５】
次に、３通りの各負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を示す図７を参照して、本発明の実施例５を説明する。
【００４６】
先の図４に示す実施例３の構成、あるいは実施例１，２又は４のいずれかの実施例に図４に示す温度計測手段１０を備えた構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されたときに、温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が温度Ａの場合は、図７に示すように、制御装置３の指令に基づいて燃料電池スタック１は負荷Ａを選択する。また、代表温度が温度Ｂ（＞温度Ａ）の場合には、図７に示すように負荷Ｂ（＜負荷Ａ）を選択し、代表温度が温度Ｃ（＞温度Ｂ）の場合には、同図に示すように負荷Ｃ（＜負荷Ｂ）を選択する。
【００４７】
したがって、燃料電池スタック１の代表温度に応じて負荷の大きさを選択することで、いずれを選択した場合であっても、図７に示すように、予め設定された燃料電池スタック１の目標温度に到達するまでの到達時間（発電時間）、すなわち温度Ａと負荷Ａのパターンの到達時間Ｔａ、温度Ｂと負荷Ｂのパターンの到達時間Ｔｂ、ならびに温度Ｃと負荷Ｃのパターンの到達時間Ｔｃは同じとなる。
【００４８】
このように、発電時に負荷の大きさを制御する手法を採用することで、残留水分の除去処理に費やされる時間に制約がある場合に、燃料電池システムの運転停止が指令された時の燃料電池スタック１の温度が低い場合は、高い場合に比べて負荷を大きくとることで温度が高い場合と同等の時間で燃料電池スタック１を同じ温度にまで昇温することができる。一方、燃料電池システムの運転停止が指令された時の燃料電池スタック１の温度が高い場合には、低い場合に比べて負荷を小さくとることで、燃料電池スタック１が所定の目標温度にまで昇温される昇温時間を長くすることなく発電量を抑えて燃料ガスの消費量を低減することができる。
【００４９】
なお、この実施例５では、図７に各負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を３通りのパターンで示したが、一定の発電時間で代表温度に対して連続的に負荷を求め、その関係を用いるようにしてもよい。
【実施例６】
【００５０】
次に、一定の負荷に対して燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を示す図８を参照して、本発明の実施例６を説明する。
【００５１】
先の図４に示す実施例３の構成、あるいは実施例１，２，４又は５のいずれかの実施例に図４に示す温度計測手段１０を備えた構成において、燃料電池システムの運転停止が指令されたときに、温度計測手段１０で計測された燃料電池スタック１の代表温度が温度Ａの場合は、図８に示すように、制御装置３の指令により燃料電池スタック１は発電時間Ｔａを選択する。代表温度が温度Ｂ（＞温度Ａ）の場合には、図８に示すように発電時間Ｔｂを選択し、温度Ｃ（＞温度Ｂ）の場合には、同図に示すように発電時間Ｔｃ（Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ）を選択する。
【００５２】
このように、燃料電池スタック１の代表温度に応じて発電時間を制御する機能を備えることで、燃料電池スタック１が目標温度に到達するまでの昇温時間を選択することが可能となる。これにより、昇温時間に制約がない場合には、最適な負荷で発電を行って燃料電池スタック１を昇温することで、燃料ガスの消費量を低減することができる。
【００５３】
なお、この実施例６では、図８に燃料電池スタック１の代表温度と発電時間との関係を３点示したが、代表温度に対して連続的に発電時間を設定し、その関係を用いるようにしてもよい。
【実施例７】
【００５４】
図９は本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例７の特徴とするところは、先の図６に示す実施例４に比べて、燃料電池スタック１に二次電池１２を接続し、前述した燃料電池スタック１を昇温する際の発電で得られた電力を、制御装置３の制御の下にこの二次電池１２に蓄電するようにしたことにあり、他は実施例４と同様である。
【００５５】
このような構成を採用することで、システム停止時には二次電池１２が常に充電された状態にしておけるので、この二次電池１２から補機に電力を供給でき、次回システムの起動時に補機の電源を確保しておくことができ、また、残留水分の除去処理で必要となる電力の少なくとも一部を二次電池１２から供給することも可能となる。
【００５６】
なお、この実施例７は、前述した実施例１，２，３，５，６のいずれの実施例に適用することも可能である。
【実施例８】
【００５７】
次に、燃料電池スタック１のカソード流路に対する発熱分布、又は温度分布の様子を示す図１０、ならびに燃料電池スタック１における反応ガスと冷却水の流路方向を示す図１１を参照して、本発明の実施例８を説明する。
【００５８】
通常、燃料電池スタック１の発電は、図１０（ａ）に示すように、酸素濃度が高いカソード側上流が下流側に比べて発電量が多く、下流に行くにしたがって少なくなる。したがって、カソード電極面内の熱容量分布が均一でるとすると、カソードの入口側と出口側とで発電量の違いに応じて発熱量に差異が生じ、温度の上がり方が不均一になってしまう。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、経過時間（Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３））とともにカソード入口の温度と出口側の温度との間に大きな差が生じることになる。
【００５９】
このため、単位燃料電池セルの電解質膜やシール部材等の耐熱を考慮すると、カソードの入口側の温度が許容温度に達する前に残留水分の除去処理を行わなければならない。しかし、カソードの入口側の温度が許容温度に達する前では、カソードの出口側の温度は、上述したように入口側温度よりも低くなっているので、カソードの出口側の温度が十分に上がりきらない状態で水分の除去処理が行われることになる。このため、水分を十分に除去できなくなるおそれがある。
【００６０】
そこで、この実施例８では、先の実施例１〜実施例７に対して、図１１に示すように、燃料電池スタック１のカソード入口と冷却水の入口とが同じ側に設けられ、発電時にカソード反応ガスの空気ガスと冷却水とが燃料電池スタック１に同方向に流通するに対して、システム停止指令後燃料電池スタック１を発電させて昇温する際に、冷却水の出口側から空気ガスを導入することで、冷却水をカソードの出口側から入口側に抜きながら燃料電池スタック１を発電して昇温させる。
【００６１】
これにより、燃料電池スタック１の発電分布の高い入口領域ほど熱容量が高くなる一方、発電分布の低い出口領域ほど熱容量が低くなり、図１０（ｃ）に示すように、カソード電極面内で均一に温度が上昇していく。したがって、前述した温度不均一の不具合は解消され、電解質膜やシール部材の劣化を招くことなく、カソード流路のすべての領域を水分除去に十分な温度に概ね均一に昇温させることができる。
【００６２】
燃料電池スタック１の冷却水出口側から空気ガスを導入する構成としては、例えば水素ガスや空気ガスの反応ガスを燃料電池スタックの反応ガス出口側から入口側に導入する周知の技術を冷却水流路１３に適用し、カソード反応ガス供給手段４から空気ガスを冷却水流路１３に供給することで実現することが可能である。
【００６３】
なお、上記各実施例１〜８では、燃料電池スタック１で水分が生成しやすいカソード側の空気ガス流路をパージしているが、アノード側であっても構わず、この場合には、システムの運転停止が指令されて、燃料電池スタック１への水素ガスの供給を停止した後、燃料電池スタック１の水素ガス流路に空気ガスを選択的に供給制御する構成を設け、発電が停止し昇温されて高温になった燃料電池スタック１の水素ガス流路に空気ガスを供給するようにしてもよい。これにより、アノード側の水素ガス流路やアノード電極近傍に残留した水分を迅速に蒸発させて除去することが可能となる。また勿論、燃料電池スタック１のカソード側の空気ガス流路ならびにアノード側の水素ガス流路の双方に空気ガスを供給して両流路に残留する水分を除去するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】燃料電池スタック内の冷却水の有無に対する燃料電池スタックの発電負荷と昇温温度との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】実施例３の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例５に係る、負荷の大きさに対する燃料電池スタックの発電時間と温度との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例６に係る、一定の負荷に対する燃料電池スタックの発電時間と温度との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例８に係る、燃料電池スタックの空気ガス流路における発熱分布もしくは温度分布を示す図である。
【図１１】燃料電池スタックにおける空気ガスの流通方向と、冷却水の抜き取り方向を示図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…燃料電池スタック
２…負荷
３…制御装置
４…カソード反応ガス供給手段
５…冷却水循環手段
６…冷却水タンク
７…開閉バルブ
８…開閉バルブ
９…逆支弁
１０…温度計測手段
１１…流量可変バルブ
１２…二次電池
１３…冷却水流路
１４…カソード反応ガス供給流路
１５…連結流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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