(57)【要約】【課題】固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池内部のガス流路内の水を排除する。【解決手段】コントローラ１５が、燃料電池１の発電停止後、水素加湿手段４及び空気加湿手段１０を制御することにより、燃料電池１内部の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を高湿度ガスによりパージする第１パージ処理を実行し、第１パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を低湿度ガスによりパージする第２パージ処理を実行する。また、コントローラ１５は、第２パージ処理実行時、低湿度ガスにより燃料電池１から取り出される水の量が第１パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池１に持ち込まれる水の量以上になるように水素加湿手段４及び空気加湿手段１０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを加湿し、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ前記燃料極及び前記酸化剤極に供給する反応ガス加湿手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記反応ガス加湿手段を制御することにより、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方の反応ガス流路を高湿度ガスによりパージする第１パージ処理を実行し、第１パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた反応ガス流路を低湿度ガスによりパージする第２パージ処理を実行するパージ手段とを備え、
前記パージ手段は、前記第２パージ処理実行時、前記低湿度ガスにより前記燃料電池から持ち出される水の量が前記第１パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように前記反応ガス加湿手段を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第２パージ処理における低湿度ガスの流量が前記第１パージ処理における高湿度ガスの流量以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第１パージ処理実行時、前記高湿度ガスにより前記燃料電池に持ち込まれる水の量が燃料電池から排出される水の量以上になるように、燃料電池の反応ガス入口側における高湿度ガスの相対湿度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記燃料電池の内部温度の低下速度が自然放冷による内部温度の低下速度以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第１パージ処理を第１の所定時間実行した後、前記第２パージ処理を第２の所定時間実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ手段は、前記第２の所定時間が前記第１の所定時間以上になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電に伴い生成された水が燃料電池内部から適切に除去されない場合、ガス流路や燃料電池内部のガス拡散層に水が残留することによって、燃料電池内部における反応ガスの拡散が阻害されてしまう。このような現象は一般にフラッディング現象と呼ばれ、このフラッディング現象が発生した場合、反応ガスが拡散により触媒に到達することが妨げられることによって、燃料電池の発電性能が低下してしまう。このため、従来の燃料電池システムは、反応ガスの温度を上げたり、反応ガスの流量を増やす等、運転条件を変更することによって燃料電池からの水の除去性能を向上させることにより、フラッディング現象の発生を抑制している。
【０００３】
しかしながら、反応ガスの昇温や流量の増加のためには多くのエネルギーが必要となることから、上記のようにしてフラッディング現象の発生を抑制する場合には、システム効率が低下してしまう。また、燃料電池の反応ガス入口側から反応ガス出口側に向かって反応ガスの温度が低下したり、燃料電池内部に反応ガスの流量が少ない箇所があると、結果として水が凝縮，生成してしまう。また、システムの外気温度が氷点下温度のように低い場合には、飽和水蒸気圧が極めて低くなると共に水の凍結が生じるために、反応ガスによって水を除去することが困難になる。
【０００４】
このような背景から、近年、燃料電池の発電を停止する際、アイドル時よりも多い流量で燃料電池に加湿された反応ガス（加湿ガス）を供給することによりガス流路内の残留水を除去し、その後、加湿された反応ガスよりも少ない流量で燃料電池に加湿されていない乾燥した反応ガス（非加湿ガス）を供給することにより電極内の残留水を除去する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。そして、このような燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する固体電解質膜の劣化を抑制しつつ燃料電池内部の残留水を除去すると共に、燃料電池を速やかに再起動することができる。
【特許文献１】特開２００４−１５２６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の燃料電池システムによれば、非加湿ガスの供給量が少ないために、燃料電池内部の水を十分に除去することができず、氷点下温度等の低温時に、燃料電池内部に残留した水が凍結することによって燃料電池の再起動が困難になることがある。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池内部のガス流路内の水を排除することが可能な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】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後、反応ガス流路を高湿度ガスによりパージする第１パージ処理を実行し、第１パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた反応ガス流路を低湿度ガスによりパージする第２パージ処理を実行し、第２パージ処理実行時に低湿度ガスにより燃料電池から持ち出される水の量が第１パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、第２パージ処理実行時に低湿度ガスにより燃料電池から持ち出される水の量が第１パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池に持ち込まれる水の量以上になるように制御するので、固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池内部のガス流路内の水を排除することができる。またこの結果、低温時に水が凍結することによって、燃料電池の再起動が困難になることを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
【実施例１】
【００１０】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池１は、燃料極１ａと酸化剤極１ｂにより水素イオン伝導性を有する高分子固体電解質膜を挟持する固体電解質型燃料電池により構成されている。また、燃料極１ａ及び酸化剤１ｂにおける電気化学反応及び燃料電池１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
【００１１】
〔燃料極〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔酸化剤極〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、図示しない水素供給装置から供給された水素の流量を調整する水素流量制御手段２と、水素流量制御手段２から供給された水素を加湿して水素供給流路３を介して燃料電池１の燃料極１ａに供給する水素加湿手段４を備える。燃料極１ａで未使用の水素は、水素排出流路５を介して系外に排出される。また、水素加湿手段４の上流側及び下流側には、バルブ６ａ，６ｂが設けられ、バルブ６ａ，６ｂの開度を調整することにより、水素流量制御手段２から供給された水素を水素加湿手段４を経由せずに（加湿せずに）バイパス流路７を介して直接燃料極１ａに供給可能なように構成されている。
【００１２】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、図示しない空気供給装置から供給された空気の流量を調整する空気流量制御手段８と、空気流量制御手段８から供給された空気を加湿し空気供給流路９を介して燃料電池１の酸化剤極１ｂに供給する空気加湿手段１０を備える。酸化剤極１ｂで未使用の空気は、空気排出流路１１を介して系外に排出される。また、空気加湿手段１０の上流側及び下流側には、バルブ１２ａ，１２ｂが設けられ、バルブ１２ａ，１２ｂの開度を調整することにより、空気流量制御手段８から供給された空気を空気加湿手段１０を経由せずに（加湿せずに）バイパス流路１３を介して直接酸化剤極１ｂに供給可能なように構成されている。
【００１３】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、時間を計測するためのタイマー１４と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ１５を備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムは、燃料電池１が発電を停止した際、以下に示すパージ処理を実行することにより、燃料電池１を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池１内部のガス流路内の水を排除する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、パージ処理を実行する際の燃料電池システムの動作について説明する。
【００１４】
〔パージ処理〕
図２に示すフローチャートは、燃料電池１の発電電流の取り出しが停止するのに応じて開始となり、パージ処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１５】
ステップＳ１の処理では、コントローラ１５が、バルブ６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂ、水素加湿手段４、及び空気加湿手段１０を制御することにより、相対湿度１００［％］（高湿度）の水素及び空気をそれぞれ燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂに供給する（第１パージ処理）。より具体的には、コントローラ１５は、燃料電池１に供給される水の量が燃料電池１から排出される水の量よりも多くなるように、燃料電池１の入口側における水素及び空気の相対湿度を制御する。また、高湿度の水素及び空気の供給と同時に、コントローラ１５は、タイマー１４をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池１の内部に残留する水の量は、図３に示すように時間Ｔの経過に伴い増加する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、パージ処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ２の処理では、コントローラ１５が、タイマー１４の計時時間を参照して、上記ステップＳ１の処理の実行を開始してから所定時間Ｔ１経過したか否かを判別する。そして、ステップＳ１の処理の実行を開始してから所定時間Ｔ１経過するのに応じて、コントローラ１５は、タイマー１４をオフにした後、パージ処理をステップＳ３の処理に進める。なお、この所定時間Ｔ１は、高湿度の水素及び空気の供給を開始してから燃料電池１内部の水の量が所定量に達するまでの時間であり、この時間は燃料電池１の内部に水分センサを設ける等して予め実験により求められる値である。
【００１７】
ステップＳ３の処理では、コントローラ１５が、バルブ６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂの開度を調整し、水素加湿手段４及び空気加湿手段１０を経由させずに水素及び空気をそれぞれ燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂに供給することにより、乾燥した（低湿度の）水素及び空気をそれぞれ燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂに供給する（第２パージ処理）。また、コントローラ１５は、水素流量制御手段２及び空気流量制御手段８を制御することにより、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂに供給される水素及び空気の流量を第１パージ処理時よりも増加させると共に、乾燥した水素及び空気の供給と同時にタイマー１４をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池１内部に残留する水の量は、図３に示すように時間Ｔの経過に伴い低下する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、パージ処理はステップＳ４の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ４の処理では、コントローラ１５が、タイマー１４の計時時間を参照して、上記ステップＳ３の処理の実行を開始してから所定時間Ｔ２経過したか否かを判別する。ここで、この所定時間Ｔ２は、乾燥した水素及び空気の供給を開始してから燃料電池１内部に残留する水の量がマイナスになる時間であり、所定時間Ｔ１よりも長く、燃料電池１の内部に水分センサを設ける等して予め実験により求められる値である。なお、乾燥した水素及び空気の供給を開始してから燃料電池１内部に残留する水の量がマイナスになる時間に所定時間Ｔ２を設定することにより、高分子固体電解質膜の水の一部が燃料電池１の外部に排出され、第２パージ処理後に燃料電池１内に残留する水の量は第１パージ処理を実行する前よりも少なくなる。そして、ステップＳ３の処理の実行を開始してから所定時間Ｔ２経過するのに応じて、コントローラ１５は一連のパージ処理を終了し、燃料電池システムは運転停止状態となる。
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１５が、燃料電池１の発電停止後、水素加湿手段４及び空気加湿手段１０を制御することにより、燃料電池１内部の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を高湿度ガスによりパージする第１パージ処理を実行し、第１パージ処理実行後、高湿度ガスによりパージされた燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を低湿度ガスによりパージする第２パージ処理を実行する。また、コントローラ１５は、第２パージ処理実行時、低湿度ガスにより燃料電池１から取り出される水の量が第１パージ処理において高湿度ガスにより燃料電池１に持ち込まれる水の量以上になるように水素加湿手段４及び空気加湿手段１０を制御する。
【００２０】
このような構成によれば、燃料電池１を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、ガス流路に残留している水を排除することができるので、低温時にガス流路に残留していた水が凍結し、燃料電池１の発電が阻害されることを抑制できる。なお、この実施形態では、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の双方に高湿度ガス及び低湿度ガスを供給したが、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の一方にのみ高湿度ガス及び低湿度ガスを供給するようにしてもよい。
【００２１】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１５が、第２パージ処理における低湿度ガスの流量が第１パージ処理における高湿度ガスの流量以上になるように制御するので、第１パージ処理において燃料電池１内部に持ち込まれた水が残留した場合であっても、第２パージ処理において燃料電池１内部に残留している水を排出し、残留している水によってガス流路が凍結することを回避できる。
【００２２】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１５が、第１パージ処理実行時、高湿度ガスにより燃料電池１に供給される水の量が燃料電池１から排出される水の量以上になるように、燃料電池１の反応ガス入口側における高湿度ガスの相対湿度を制御するので、燃料電池１の停止時の状態が乾燥傾向であったとしても、高分子固体電解質膜を十分に加湿することができる。
【００２３】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１５が、第１パージ処理を所定時間Ｔ１実行した後、第２パージ処理を所定時間Ｔ２実行する。すなわち、コントローラ１５は、時間によって実行するパージ処理を制御するので、燃料電池１内部の加湿状態を検出する装置を用いることなく、第１パージ処理及び第２パージ処理を実行することができる。
【００２４】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、所定時間Ｔ２は所定時間Ｔ１よりも長く設定されているので、第１パージ処理によって燃料電池１の内部に過剰な水が残留している場合であっても、第２パージ処理によって燃料電池１内部に残留している水を排出し、残留している水によってガス流路が凍結することを回避できる。
【実施例２】
【００２５】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図４に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、冷却液タンク２１内に蓄えられた燃料電池１を冷却するための冷却液を冷却液循環流路２２を介して燃料電池１に圧送する冷却液ポンプ２３と、燃料電池１内部の冷却液流路２４から排出された冷却液を冷却するラジエータ２５と、ラジエータ２５に風を送ることによってラジエータ２５の冷却能力を調整するラジエータファン２６とを備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムは、燃料電池１の発電電流の取り出しが停止した際、以下に示すパージ処理を実行することにより、燃料電池１を構成する高分子固体電解質膜の含水率を保ちつつ、燃料電池１内部のガス流路内の水を排除する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、パージ処理を実行する際の燃料電池システムの動作について説明する。
【００２６】
〔パージ処理〕
図５に示すフローチャートは、燃料電池１の発電電流の取り出しが停止するのに応じて開始となり、パージ処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００２７】
ステップＳ１１の処理では、コントローラ１５が、バルブ６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂ、水素加湿手段４、及び空気加湿手段１０を制御することにより、相対湿度１００［％］（高湿度）の水素及び空気をそれぞれ燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂに供給する（第１パージ処理）。また、コントローラ１５は、冷却水ポンプ２３の回転数を増加させることにより冷却液流路２４を流れる冷却液の流量を増加させると共に、ラジエータファン２６の回転数を増加させることによりラジエータ２５の冷却能力を増加させる。また、高湿度の水素及び空気の供給と同時に、コントローラ１５は、タイマー１４をオンにすることにより、時間計測を開始する。このような処理によれば、燃料電池１の内部に残留する水の量は時間Ｔの経過に伴い増加する。また、燃料電池１の内部温度は冷却液によって自然放冷させた場合よりも速く低下し、燃料電池１内部において水が残留しやすくなる。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、パージ処理はステップＳ１２の処理に進む。なお、ステップＳ１２以後の処理内容は上記ステップＳ２以後の処理内容と同じであるので、以下ではその説明を省略する。
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１５が、燃料電池１の内部温度の低下速度が自然放冷による内部温度の低下速度以上になるように制御するので、燃料電池１の内部に残留する水の量を増やし、高分子固体電解質膜をより加湿することができる。
【００２９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となるパージ処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】本発明の第１の実施形態となるパージ処理の実行に伴う燃料電池内部に残留する水の量の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態となるパージ処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：燃料電池
１ａ：燃料極
１ｂ：酸化剤極
２：水素流量制御手段
３：水素供給流路
４：水素加湿手段
５：水素排出流路
６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂ：バルブ
７，１３：バイパス流路
８：空気流量制御手段
９：空気供給流路
１０：空気加湿手段
１１：空気排出流路
１４：タイマー
１５：コントローラ
【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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