(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トリガーがオンされると、加湿手段３で加湿される空気の加湿量を通常運転時よりも低加湿で空気を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１の内部で生成された水分の持ち出し量を増大させて燃料電池スタック１の発電を所定時間継続し、その後発電を停止して、燃料電池スタック１のカソード極側を空気で所定時間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】
燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガス流路を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料電池を備えた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、前記燃料電池内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて前記燃料電池の発電を所定時間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の酸化剤ガス流路、又は酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を所定時間パージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備え、
前記燃料電池内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件は、通常運転時よりも低加湿の酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件は、前記燃料電池システムの運転停止が指令される直前の負荷よりも大きな負荷で発電する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件は、通常発電時よりも前記燃料電池の利用率を低くして発電する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムの運転停止が指令された後、前記加湿手段で加湿せずに前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿手段で加湿されない酸化剤ガスでパージする
ことを特徴とする請求項２又は５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モニターする温度モニター手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令され時に、前記温度モニター手段でモニターされた温度が予め設定された所定温度以上の場合は、直ちに前記燃料電池の酸化剤ガス流路、又は酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を所定時間パージし、前記温度モニター手段でモニターされた温度が前記所定温度以下の場合には、前記燃料電池の発電を所定時間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の酸化剤ガス流路、又は酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を所定時間パージする
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の温度をモニターする温度モニター手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令され時に、前記温度モニター手段でモニターされた温度に基づいて、前記燃料電池の発電を継続させる時間を設定する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の温度をモニターする温度モニター手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令され時に、前記温度モニター手段でモニターされた温度に基づいて、前記燃料電池の酸化剤ガス流路、又は酸化剤ガス流路と燃料ガス流路をパージする時間を設定する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
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冷却手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令された後、前記冷却手段による前記冷媒の流通を停止する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の発電で得られた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令された後、前記燃料電池で所定時間継続される発電によって得られた電力を前記電力貯蔵手段に貯蔵し、その後前記電力貯蔵手段に貯蔵された電力を用いてパージする
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池の発電で得られた電力を貯蔵する電力貯蔵手段を備え、
前記燃料電池システムの運転停止が指令された後、パージを実行する際に消費される電力と次回のシステム起動時に消費される電力とを合わせた電力を前記電力貯蔵手段に貯蔵するまで前記燃料電池の発電を継続する
ことを特徴とする請求項１〜１１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、氷点下から発電するのに十分な乾燥を完了するまでに多くの時間がかかるという問題がある。特に、燃料電池を車両の動力源として使用する場合には、運転者がイグニッションキーをオフにしてからシステムが停止するまでに長い時間がかかってしまうことになり、実用上好ましくない。
【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２００１−３３２２８１
【特許文献３】特開２００２−２０８４２１
【特許文献４】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、燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガス流路を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料電池を備えた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、前記燃料電池内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて前記燃料電池の発電を所定時間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の酸化剤ガス流路、又は酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を所定時間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、燃料電池の水分の持ち出し量を増大させる発電条件に切替えて発電を継続することで、アノード極側からカソード極側に水分が移動し、カソード極側に水分が偏った状態にすることができる。その後所定時間して発電を停止し、少なくとも酸化剤ガス流路をパージすることにより、カソード極側に偏った水分を一気に除去することができるので、従来に比べて燃料電池に残留する水分を除去する処理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、カソード反応ガス供給手段２、加湿手段３、冷却水循環手段４、冷却水タンク５、制御装置６、負荷７、パワーマネージャー（ＰＭ）８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、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電する。水素は水素タンク（図示せず）から燃料電池スタック１に供給され、空気はカソード反応ガス供給手段２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７や後述する二次電池、補機等に供給される。
【００１７】
カソード反応ガス供給手段２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。
【００１８】
加湿手段３は、カソード反応ガス供給手段２から燃料電池スタック１に供給される空気を加湿し、例えばＷＲＤ（Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）で構成される。
【００１９】
冷却水循環手段４は、燃料電池スタック１、冷却水循環手段４ならびに冷却水タンク５を連結する冷却水流路を介して、冷却水タンク５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】
負荷７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。
【００２１】
パワーマネージャー（ＰＭ）８は、燃料電池スタック１の発電で得られた電力の燃料電池スタック１からの取り出しを制御し、燃料電池スタック１と負荷７との接続を制御する。
【００２２】
制御装置６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６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、カソード反応ガス供給手段２、加湿手段３、冷却水循環手段４、負荷７ならびにパワーマネージャー（ＰＭ）８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。
【００２３】
このような構成において、燃料電池システムの運転停止トリガーがオンされてシステムの運転停止が指令されると、それまでの燃料電池スタック１の発電を、燃料電池スタック１の内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて、すなわち制御装置６は加湿手段３を制御して空気の加湿量を低下させ、なお燃料電池スタック１の発電は継続させる。その後所定時間が経過すると、制御装置６はパワーマネージャー８を制御して燃料電池スタック１から負荷７を切り離す。これにより、燃料電池スタック１の発電を停止させるとともに、カソード反応ガス供給手段２を所定時間稼動させ、燃料電池スタック１に空気を供給する。所定時間後、制御装置６によってカソード反応ガス供給手段２を停止して、燃料電池スタック１への空気の供給を停止する。
【００２４】
図２は上記実施例１（同図（ａ））と本発明の技術を採用していない従来例（同図（ｂ））とにおける、負荷、空気の加湿量、燃料電池スタック１の水分の持ち出し量、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。図２を参照して、この実施例１によれば、システムの運転停止トリガーがオンされると、通常の発電時に発電が円滑に行われるように最適に設定された値よりも加湿量が減った空気が燃料電池スタック１に供給されるため、燃料電池スタック１からの水の持ち出し量が増加し膜抵抗が増加する。加えて、一般に燃料電池スタック１の発電では１つのプロトンが電解質膜の高分子膜を移動する際に、１〜２．５分子の水をドラッグしていくことが知られている（プロトンドラッグ）。
【００２５】
これにより、空気が低加湿で発電が継続されると、アノード極側からカソード極側に水が移動し、カソード極側に水分が集められる。したがって、低加湿での燃料電池スタック１の発電を停止した後、さらにカソード極側を空気でパージすることで、より多くの水を持ち出すことができ、かつ図２に示すように膜抵抗を急激に増加させることができる。
【００２６】
これによって、電解質膜の乾燥度を零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに比較的短時間で到達させることができる。燃料電池スタック１を例えば車両の動力源として使用する場合には、運転者が車両のイグニッションキーをオフにしてからできるだけ短時間でシステムが停止することが望まれており、この実施例１の技術はこの要望に寄与することができる。
【００２７】
このように、上記実施例１においては、システム停止のトリガーがオンされた後、空気の加湿量を低下させるという、燃料電池スタック１からの水の持ち出し量を増大させる発電条件に切替えて発電を継続させることにより、アノード極側からカソード極側に水分が移動し（電気浸透水）、カソード極側に水分が偏った状態にすることができる。その後所定時間が経過して、負荷を切り離して発電を停止するとともに、カソード極側を空気でパージすることにより、カソード極側に偏った水分を一気に除去することができるので、従来の方法と比較して燃料電池スタック１の乾燥時間を短縮することができる。
【実施例２】
【００２８】
次に、図３を参照して、本発明の実施例２を説明する。図３はこの実施例２（同図（ａ））と従来例（同図（ｂ））とにおける、負荷、燃料電池の温度、燃料電池スタック１の水分の持ち出し量、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００２９】
この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、システム運転停止のトリガーがオンされた後に、空気の加湿量を減らすことに代えて、それまでの燃料電池スタック１の発電を、燃料電池スタック１の内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件として、負荷を上げて発電を継続させるようにしたことにあり、他は実施例１と同様である。このような制御は、図１に示す制御装置６がパワーマネージャー８を制御することにより実施することができる。
【００３０】
このような制御により、図３に示すように、システム運転停止トリガーがＯＮされた後の負荷運転で、燃料電池を構成する触媒層での発熱が大きくなり、触媒層近傍での飽和蒸気圧が増加する。このため、この後負荷７を切り離して発電を停止し、カソード極を空気でパージすることにより、より多くの水分を蒸発によって除去することができる。したがって、図３に示すように、システム停止のトリガーがオンされた後の負荷運転で水分の持ち出し量が増加し、かつ負荷を切り離した後のパージでより多くの水分が排出され、膜抵抗が急激に増加する。これにより、先の実施例１と同様に零下起動に必要な乾燥度合いに比較的短時間で到達させることができる。
【００３１】
このように、上記実施例２においては、システム停止のトリガーがオンされた後、発電停止される直前の負荷よりも大きな負荷で発電を継続させることで、負荷が小さい場合と比較して触媒層での発熱量を多くすることが可能となる。これにより、パージ時に触媒層近傍での飽和蒸気圧が増加し、水分をより多く短時間に除去することができる。
【実施例３】
【００３２】
次に、図４を参照して、本発明の実施例３を説明する。図４はこの実施例３（同図（ａ））と従来例（同図（ｂ））とにおける、負荷、空気の流量、燃料電池スタック１の水分の持ち出し量、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００３３】
この実施例３の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、システム運転停止のトリガーがオンされた後に、空気の加湿量を減らすことに代えて、それまでの燃料電池スタック１の発電を、燃料電池スタック１の内部で生成された水分の持ち出し量を増大させる発電条件として、空気流量を上げて発電を継続させる、すなわち発電効率を低下させて燃料電池スタック１の発電を行うようにしたことにあり、他は実施例１と同様である。この制御は、図１の制御装置６がカソード反応ガス供給手段２を制御することにより実施できる。
【００３４】
このような制御により、システム運転停止トリガーがオンされた後、燃料電池スタック１では低利用率で負荷運転が行われ、水の持ち出し量を増加することができる。これにより、前述したプロトンドラッグ現象により電解質膜内の水分をカソード極側に集めることができる。
【００３５】
ただし、低利用率運転で水の持ち出し量を増加させるためには、空気の相対湿度が同等かそれ以下であることが必要である。しかしながら、同じ加湿手段において空気の流量を増大させた場合には低加湿になるのが一般的であるので、この条件は容易に達成することができる。したがって、先の実施例１と同様にカソード極側に集められた水分は、発電停止後のパージで一気に排出されるため、比較的短時間で零下起動に必要な乾燥度合いに到達させることができる。
【００３６】
このように、上記実施例３においては、システム停止のトリガーがオンされた後、通常発電時よりも利用率を低い条件で発電を継続させることで、通常の利用率と比較して水の持ち出し量が多くなり、より効率的にカソード極側に水が偏った状態にすることができる。これにより、実施例３においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３７】
図５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り、図５に示す実施例４のシステムは、図１に示す先の実施例１に比べて、燃料電池スタック１の代表温度をモニターするスタック代表温度モニター手段１１を燃料電池スタック１に設け、このスタック代表温度モニター手段１１でモニターされた温度に基づいて、先の実施例１〜３のいずれか１つの処理を行って水分を除去するようにしたことにあり、他は実施例１〜３と同様である。
【００３８】
次に、図６のフローチャートを参照して、この実施例４の制御手順を説明する。図６において、先ずシステム停止トリガーがオンされると（ステップＳ６０）、その時のスタック代表温度をスタック代表温度モニター手段１１でモニターする。続いて、モニターしたスタック代表温度Ｔが予め設定された所定温度Ｔ１以上であるか否かを判別する（ステップＳ６１）。
【００３９】
判別の結果、Ｔ＞Ｔ１である場合には、前述した実施例１〜３の燃料電池スタック１の発電を継続させる処理をスキップし、所定時間燃料電池スタック１内を空気でパージする処理を行う（ステップＳ６３）。このように、燃料電池スタック１の温度が高い場合には、従来例のように単純に燃料電池スタック１内をパージするだけで、蒸発によって多くの水分を短時間で除去することができる。
【００４０】
しかしながら、燃料電池スタック１の温度が低い場合には、従来例の方法ではパージに時間がかかってしまうので、短時間で水分を除去することが困難となる。そこで、スタック代表温度Ｔ＜Ｔ１である場合には、前述した実施例１〜３のいずれか１つの方法で燃料電池スタック１の発電を所定時間継続させ、所定時間後燃料電池スタック内を空気でパージする。これによって、燃料電池スタック１が予め設定された温度以下の低温状態であっても比較的短時間で零下起動に必要な乾燥度合いに到達することができる。
【００４１】
このように、上記実施例４においては、スタック代表温度に基づいて、先の実施例１〜３のいずれか１つの処理手順を実施するか、もしくはいずれも実施しないかを選択することで、無駄なエネルギーを消費することなく、最適な乾燥パージを実施することができる。
【実施例５】
【００４２】
次に、図７を参照して、本発明の実施例５を説明する。図７は負荷、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００４３】
先の実施例４では、スタック代表温度モニター手段１１によってモニターした温度が低い場合には、前述した実施例１〜３の制御方法で燃料電池スタック１の発電を継続しても、なかなか電解質膜の抵抗が上がってこないことが予想される。そこで、この実施例５の特徴とするところは、先の実施例４に比べて、図７に示すように、温度が低い場合には膜抵抗が予め設定された所定の値に上昇するまで長い時間発電を継続し、その後に先の実施例１〜３と同じように負荷を切り離してカソード極側をパージして、零下起動に必要な乾燥度合いに到達させるようにしたことにある。
【００４４】
このように、上記実施例５においては、スタック代表温度に基づいて燃料電池スタック１の発電を継続させる時間を制御するので、比較的低温でシステムを停止した場合には、長い時間発電させて温度を上昇させ、水分をより多く除去することができる。また、高温で停止した場合には、短い時間の発電にすることにより無駄なエネルギーを消費することなく最適な乾燥パージを実施することができる。
【実施例６】
【００４５】
次に、図８を参照して、本発明の実施例６を説明する。図８は負荷、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００４６】
先の実施例４では、スタック代表温度モニター手段１１によってモニターした温度が低い場合には、前述した実施例１〜３の制御方法で燃料電池スタック１の発電を継続しても、なかなか電解質膜の抵抗が上がってこないことが予想される。そこで、この実施例６の特徴とするところは、先の実施例４に比べて、図８に示すように、温度が低い場合には燃料電池スタック１から負荷を切り離した後、カソード電極をパージする時間を先の実施例４に比べて長く設定し、零下起動に必要な乾燥度合いに到達させるようにしたことにある。
【００４７】
このように、上記実施例６においては、スタック代表温度に基づいて負荷を切り離した後のパージ時間を制御するので、水分の蒸発が少ない比較的低温でシステムを停止した場合には、より長い時間パージして水分を除去する一方、高温で停止した場合には、短い時間のパージにすることにより、無駄なエネルギーを消費することなく最適な乾燥パージを実施することができる。
【実施例７】
【００４８】
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り、図９に示す実施例７のシステムは、図５に示す先の実施例４に比べて、カソード反応ガス供給手段２から排出された空気が加湿手段３をバイパスするバイパスライン１２を加湿手段３と並行に設け、加湿手段３の上流側ならびに下流側に三方弁９を設け、制御装置６の制御の下に三方弁９を切り替え制御して、加湿手段３側又はバイパスライン１２側に選択的に空気流路を設定するようにしたことにあり、他は図５と同様である。
【００４９】
前述した実施例１では、システム停止トリガーがオンされた後に、加湿手段３を制御して空気の加湿量を減らして燃料電池スタック１の発電を継続しているが、この実施例７では、システム停止トリガーがオンされた後、三方弁９をバイパスライン１２側に切り替え、加湿手段３をバイパスして空気を燃料電池スタック１に供給する。
【００５０】
これにより、実施例１よりもさらに燃料電池スタック１からの水の持ち出し量が多くなり、より速く零下起動に必要な膜の乾燥度合いに到達することができる。また、この実施例７では、システム停止トリガーがオンされ、先の実施例１〜３のいずれかの制御方法で発電した後に、加湿手段３をバイパスした空気でカソード極側をパージするので、加湿手段３を通過した空気でパージする場合に比べて、より速く零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに到達することができる。
【００５１】
このように、上記実施例７においては、システム停止のトリガーがオンされた後供給する空気は、加湿手段３を通さずに加湿されていない乾燥した空気となるので、発電を継続している間も、電解質膜と触媒層の乾燥が促進され、全体としての乾燥時間をより短縮することができる。
【実施例８】
【００５２】
次に、図１０を参照して、本発明の実施例８を説明する。図１０はこの実施例８（同図（ａ））と従来例（同図（ｂ））とにおける、冷却水循環量、燃料電池スタック温度、燃料電池スタック１の水分の持ち出し量、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００５３】
この実施例１０の特徴とするところは、先の図１、図５又は図９に示す構成において、システム停止トリガーがオンされると、冷却水循環手段４を停止して冷却水の循環を停止する。その後、前述した実施例１〜３のいずれかの制御方法で燃料電池スタック１の発電を継続するようにしたことにある。これにより、冷却水の循環を停止することで、図１０（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の温度が上昇して水の持ち出し量が増加し、迅速に零下起動に必要な膜の乾燥度合いにすることができる。
【００５４】
このように、上記実施例８においては、システム停止のトリガーがオンされた後は、冷却媒体の循環を停止して、燃料電池スタック１の発電を継続するので、燃料電池スタック１の温度を上昇させ、乾燥時間をより短くすることができる。
【実施例９】
【００５５】
図１１は本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図であり、図１１に示す実施例９のシステムは、図９に示す先の実施例７に比べて、燃料電池スタック１での発電により得られた電力を蓄電する二次電池１０を備えたことにあり、他は図９と同様である。
【００５６】
このよな構成において、システム停止のトリガーがオンされると、それまでの負荷で燃料電池スタック１の発電が継続され、この発電で得られた電力は二次電池１０に充電される。通常、二次電池１０の充電状態（ＳＯＣ）は、次回のシステム起動時に必要な電力分を確保するように蓄電制御されるため、システム停止トリガーがオンされた後に継続される発電電力を充電することによって、図１２に示すように、二次電池１０のＳＯＣは起動時に必要なＳＯＣよりも多くすることが可能となる。
【００５７】
所定時間後、燃料電池スタック１の発電が停止し、それまでの発電で二次電池１０に充電された電力を用いてカソード反応ガス供給手段２を動作させ、燃料電池スタック１のカソード極側を空気でパージする。これにより、乾燥処理が完了してシステムが完全停止した時には、図１２に示すように二次電池１０のＳＯＣは再び所定のＳＯＣとなり、次回の起動時に二次電池１０の充電量が不足して起動できなくなるといった不具合を防止することができる。
【００５８】
このように、上記実施例９においては、システム停止のトリガーがオンされた後、所定時間継続される発電によって得られた電力は二次電池１０に充電され、その後二次電池１０に蓄電された電力を用いてカソード極のガス流路を空気でパージすることで、最終的にシステムが停止した時にも二次電池１０を常に所定の充電状態を保つことが可能となり、次回起動時に補機の動力源を常に確保しておくことができる。
【実施例１０】
【００５９】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例１０を説明する。図１３は負荷、二次電池のＳＯＣ、燃料電池スタック１の電解質膜の膜抵抗の時間変化を表したものである。
【００６０】
この実施例１０の特徴とするところは、先の実施例９に比べて、システム停止トリガーがオンされた時に、二次電池１０のＳＯＣが、負荷を切り離した後カソード極側を所定時間パージするのに必要な電力と、次回システム起動時の補機の動力源に必要な電力とを合計した電力に相当するＳＯＣに達していない場合に適用するようにしたことを特徴とし、他は実施例９と同様である。なお、負荷を切り離した後カソード極側を所定時間パージするのに必要な電力、ならびに次回起動時の補機の動力源に必要な電力は、実験や机上検討等により予め算出されているものする。また、二次電池１０のＳＯＣは、制御装置６で把握、管理される。
【００６１】
制御装置６で測定される二次電池１０のＳＯＣが、システム停止トリガーがオンされる前に起動に必要な予め設定された所定のＳＯＣに満たないと制御装置６が判断した場合には、例えば図１３（ａ）に示すように、システム停止トリガーがオンされた後、負荷を増大させることで、先の実施例９の図１２に示すよりも多くの電力を二次電池１０に蓄電し、システム停止時に所定のＳＯＣになるように制御する。もしくは、図１３（ｂ）に示すように、負荷を増大させることに代えて、発電時間を長くして蓄電量を増やして二次電池１０のＳＯＣを上げ、システム停止時に所定のＳＯＣになるように制御する。
【００６２】
いずれの場合でも、先の実施例９と同様に、乾燥処理が完了してシステムが完全停止した時には、図１３に示すように二次電池１０のＳＯＣは再び所定のＳＯＣとなり、次回の起動時に二次電池１０の充電量が不足して起動できなくなるといった不具合を防止することができる。
【００６３】
このように、上記実施例１０においては、システム停止のトリガーがオンされた後実施される燃料電池スタック１の発電は、負荷を切り離した後カソード極側を所定時間パージするのに必要な電力と、次回起動時の補機の動力源に必要な電力とを合計した電力を、二次電池１０に充電するまで継続することで、最終的にシステムが停止した時にも二次電池１０を常に所定の充電状態に保つことが可能となり、次回起動時の補機の動力源を常に確保することができる。
【００６４】
なお、上記実施例１〜１０では、すべてカソード極側のみをパージする実施例を説明したが、カソード極側に加えて、燃料ガスの流通流路を含む燃料電池スタック１のアノード極側も空気でパージするようにしてもよく、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【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１と従来例との動作特性を示す図である。
【図３】本発明の実施例２と従来例との動作特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例３と従来例との動作特性を示す図である。
【図５】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】本発明の実施例４の動作手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例５と従来例との動作特性を示す図である。
【図８】本発明の実施例６と従来例との動作特性を示す図である。
【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と従来例との動作特性を示す図である。
【図１１】本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例９と従来例との動作特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１０と従来例との動作特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…燃料電池スタック
２…カソード反応ガス供給手段
３…加湿手段
４…冷却水循環手段
５…冷却水タンク
６…制御装置
７…負荷
８…パワーマネージャー
９…三方弁
１０…二次電池
１１…スタック代表温度モニター手段
１２…バイパスライン
【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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【図１２】
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【図１３】
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