(57)【要約】【課題】本発明は、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去との両立を容易に実現する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池２０による発電を停止した後、アノード流路２１１５に純水を導入し（ステップＳ１２０）、電解質膜２１２４の吸水状態を判断し（ステップＳ１３０）、吸水状態に基づいてアノード流路２１１５から純水を排除する（ステップＳ１４０）。【選択図】図３
2008027834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
アノード電極とカソード電極との間に挟持した電解質膜と、
前記反応ガスをアノード電極およびカソード電極に誘導するガス流路と
を有する燃料電池と、
前記燃料電池による発電を停止した後、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する吸水判断手段と、
前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であると判断された後、パージガスを前記ガス流路に導入するパージ手段と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
更に、前記燃料電池による発電を停止した後、前記ガス流路に水を導入する導水手段を備える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスとして燃料ガスを前記アノード電極に誘導するアノード流路と、
前記反応ガスとして酸化ガスを前記カソード電極に誘導するカソード流路と
を含み、
前記導水手段は、前記燃料電池による発電を停止した後、前記アノード流路に水を導入する手段である燃料電池システム。
【請求項４】
更に、前記アノード流路に水を導入する際、パージガスを前記カソード流路に導入するカソードパージ手段を備える請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記吸水判断手段は、
前記燃料電池による発電を停止してからの経過時間を計測するタイマ部と、
前記計測した経過時間に基づいて、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する経時吸水判断部と
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記吸水判断手段は、
前記電解質膜の水分量を検知する水分量検知部と、
前記検知した水分量に基づいて、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する水分量判断部と
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
反応ガスを誘導するガス流路が設けられ電解質膜をアノード電極とカソード電極との間に挟持した燃料電池を管理する管理方法であって、
前記燃料電池による発電を停止した後、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する工程と、
前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であると判断された後、パージガスを前記ガス流路に導入する工程と
を備える管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特に、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」という）が燃料電池内に構成された燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜は、乾燥に伴いプロトン導電性が急激に低下する。また、電解質膜を挟持する電極の表面に付着した水滴は、燃料電池の運転停止中に凍結してしまうと、燃料電池の再起動時に電極表面と反応ガスとの接触を阻害する。そのため、燃料電池の再起動時における発電性能を向上させるためには、燃料電池の運転を停止した後、電解質膜を湿潤状態に保ちつつ、電極の表面に付着した水滴を除去する必要がある。
【０００３】
従来、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去とを両立させるために、燃料電池の運転を停止した後、湿度を調整した湿潤ガスを反応ガス流路に導入する燃料電池システムが提案されていた。次の特許文献１には、従来の燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９９９８８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、従来の燃料電池システムでは、反応ガス流路に導入される湿潤ガスの湿度を厳密に調整する必要があり、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去とを両立させることは困難であった。例えば、湿潤ガスの湿度が低過ぎる場合には、電解質膜が乾燥してしまう虞があり、湿潤ガスの湿度が高過ぎる場合には、電極表面に結露が発生してしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去との両立を容易に実現することができる燃料電池システムおよび管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、アノード電極とカソード電極との間に挟持した電解質膜と、前記反応ガスをアノード電極およびカソード電極に誘導するガス流路とを有する燃料電池と、前記燃料電池による発電を停止した後、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する吸水判断手段と、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であると判断された後、パージガスを前記ガス流路に導入するパージ手段とを備えることを特徴とする。上述の燃料電池システムによれば、電解質膜が十分な水分を吸収した状態で、電極表面の水をパージガスで除去することによって、電解質膜に吸水分布のむらや過度の乾燥が発生してしまうことを抑制することができる。その結果、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去との両立を容易に実現することができる。
【０００８】
上述の燃料電池システムは、次の形態を採ることもできる。例えば、更に、前記燃料電池による発電を停止した後、前記ガス流路に水を導入する導水手段を備えても良い。これによって、電解質膜に十分な水分を吸収させることができる。
【０００９】
また、前記ガス流路は、前記反応ガスとして燃料ガスを前記アノード電極に誘導するアノード流路と、前記反応ガスとして酸化ガスを前記カソード電極に誘導するカソード流路とを含み、前記導水手段は、前記燃料電池による発電を停止した後、前記アノード流路に水を導入する手段であっても良い。これによって、残留水の凍結による発電性能低下の影響がより小さなアノード電極側から電解質膜に水が吸収されるため、残留水の凍結による発電性能低下の影響がより大きなカソード電極における水滴の残留を抑制することができる。
【００１０】
また、更に、前記アノード流路に水を導入する際、水蒸気を含有可能なパージガスを前記カソード流路に導入するカソードパージ手段を備えても良い。これによって、カソード電極における水滴の残留をより一層抑制することができる。
【００１１】
また、前記吸水判断手段は、前記燃料電池による発電を停止してからの経過時間を計測するタイマ部と、前記計測した経過時間に基づいて、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する経時吸水判断部とを備えても良い。これによって、試験によって予め求められた電解質膜の吸水量と経過時間との関係に基づいて、燃料電池の状態をセンサで監視することなく、電解質膜の吸水状態を判断することができるため、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００１２】
また、前記吸水判断手段は、前記電解質膜の水分量を検知する水分量検知部と、前記検知した水分量に基づいて、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する水分量判断部とを備えても良い。これによって、電解質膜から直接的に検知した水分量に基づいて吸水状態を判断することができるため、反応ガス流路から導入水を排除するタイミングをより正確に判断することができる。
【００１３】
また、前記カソードパージ手段は、前記カソード電極の乾燥状態を判断する乾燥判断手段と、前記判断した乾燥状態に基づいて、前記カソード流路へのパージガスの導入を終了するパージ終了手段とを備えても良い。これによって、カソード電極を十分に乾燥させることができる。
【００１４】
また、前記乾燥判断手段は、前記パージガスが前記カソード流路に導入されてからの経過時間を示すパージ時間を計測するパージタイマ部と、前記計測したカソードパージ時間に基づいて前記乾燥状態を判断する経時乾燥判断部とを備えても良い。これによって、試験によって予め求められたカソード電極の乾燥状態と経過時間との関係に基づいて、カソード電極の状態をセンサで監視することなく、カソード電極の乾燥状態を判断することができるため、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００１５】
また、前記乾燥判断手段は、前記カソード電極の交流インピーダンスを検知するインピーダンス検知部と、前記検知した交流インピーダンスに基づいて前記乾燥状態を判断するインピーダンス判断部とを備えても良い。これによって、カソード電極から直接的に検知した交流インピーダンスの値に基づいてカソード電極の乾燥状態を判断することができるため、カソード電極の乾燥状態をより正確に判断することができる。
【００１６】
また、前記乾燥判断手段は、前記カソード流路の出口における露点を検知する露点検知部と、前記検知した露点に基づいて前記乾燥状態を判断する露点判断部とを備えても良い。これによって、カソード流路の出口における露点に基づいてカソード電極の乾燥状態を判断することができるため、カソード電極の乾燥状態をより正確に判断することができる。
【００１７】
また、本発明の管理方法は、反応ガスを誘導するガス流路が設けられ電解質膜をアノード電極とカソード電極との間に挟持した燃料電池を管理する管理方法であって、前記燃料電池による発電を停止した後、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であるか否かを判断する工程と、前記電解質膜が所定量の水分を吸収した状態であると判断された後、パージガスを前記ガス流路に導入する工程とを備えることを特徴とする。上述の燃料電池システムによれば、電解質膜が十分な水分を吸収した状態で、電極表面に残留した水をパージガスで除去することによって、電解質膜に吸水分布の斑や過度の乾燥が発生してしまうことを抑制することができる。その結果、電解質膜の湿潤保持と、電極表面の水滴除去との両立を容易に実現することができる。
【００１８】
また、本発明の形態は、燃料電池システムや管理方法の形態に限るものではなく、例えば、燃料電池システムを制御する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムや、そのプログラムをコンピュータ読み取り可能に記録した記録媒体などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。
【００２０】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．燃料電池システム１０の構成：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、電気化学反応によって電力を生成する燃料電池２０を備える。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０によって生成された電力を利用して走行する自動車に搭載されたシステムを含む。
【００２１】
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料ガス導入口２３０と、発電に用いられた燃料ガスをアノードオフガスとして排気するアノードオフガス排気口２４０と、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸化ガス導入口２５０と、発電に用いられた酸化ガスをカソードオフガスとして排気するカソードオフガス排気口２６０とを備える。
【００２２】
燃料電池２０は、燃料ガス導入口２３０から導入された燃料ガスに含まれる水素と、酸化ガス導入口２５０から導入された酸化ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって電力を生成する。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って、水素濃度が低下すると共に、窒素ガスや水蒸気などの不純物の濃度が上昇し、アノードオフガスとしてアノードオフガス排気口２４０から燃料電池２０の外部に排気される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとしてカソードオフガス排気口２６０から燃料電池２０の外部に排気される。燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。
【００２３】
本実施例では、燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池を含み、複数の単セル２１０を積層したスタック構造を有する。図２は、燃料電池２０における単セル２１０の詳細構造を示す説明図である。燃料電池２０における単セル２１０の各々は、電解質膜２１２４をアノード電極２１２２とカソード電極２１２６との間に挟み一体化したＭＥＡ２１２０と、ＭＥＡ２１２０におけるアノード電極２１２２側の表面に燃料ガスを誘導するアノード流路２１１５を形成するアノードセパレータ２１１０と、ＭＥＡ２１２０におけるカソード電極２１２６側の表面に酸化ガスを誘導するカソード流路２１３５を形成するカソードセパレータ２１３０とを備える。単セル２１０のＭＥＡ２１２０は、アノードセパレータ２１１０とカソードセパレータ２１３０との間に挟持されている。
【００２４】
本実施例では、ＭＥＡ２１２０の電解質膜２１２４は、プロトン導電性を有するプロトン伝動体を含み、例えば、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜を含む。本実施例では、ＭＥＡ２１２０のアノード電極２１２２は、ガス透過性と導電性とを有する物質から成り、例えば、その物質は、白金や白金合金を担持したカーボンブラック担体を含む。本実施例では、ＭＥＡ２１２０のカソード電極２１２６は、ガス透過性と導電性とを有する物質から成り、例えば、その物質は、白金を担持したカーボンブラック担体を含む。本実施例では、アノードセパレータ２１１０およびカソードセパレータ２１３０は、反応ガスを流す上で十分な強度および耐熱性を有しガス不透過であって導電性を有する物質から成り、例えば、その物質は、ステンレス，カーボン樹脂，導電性セラミックスを含む。
【００２５】
図１の説明に戻り、燃料電池システム１０は、いわゆるデッドエンド方式の燃料電池システムであり、水素ガスを燃料電池２０に供給するアノード供給部３０と、水素ガスをアノード供給部３０から燃料電池２０に導入する流路を形成する燃料ガス導管３００と、アノードオフガスを燃料電池２０から導出する流路を形成するアノードオフガス導管４００と、酸化ガスを燃料電池２０に供給するカソード供給部５０と、酸化ガスをカソード供給部５０から燃料電池２０に導入する流路を形成する酸化ガス導管５００と、カソードオフガスを燃料電池２０から導出する流路を形成するカソードオフガス導管６００とを備える。本実施例では、燃料電池システム１０のアノード供給部３０は、高圧水素が貯蔵された水素タンクを含む。本実施例では、燃料電池システム１０のカソード供給部５０は、外気から空気を取り込むエアポンプを含む。
【００２６】
燃料電池システム１０は、発電停止後の燃料電池２０において、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去とを実現するため、本実施例では、酸化ガス導管５００および燃料ガス導管３００に連通し両導管を接続する流路を形成するドライ分岐導管５１０と、純水を燃料電池２０に供給する純水供給部７０と、燃料ガス導管３００に連通し純水を純水供給部７０から燃料電池２０に導入する流路を形成する純水導管７２０と、アノードオフガス導管４００および純水導管７２０に連通し両導管を接続する流路を形成する循環純水導管７３０とを備える。本実施例では、純水供給部７０は、純度の高い水を予め貯留する純水タンクを含み、純水供給部７０の純水は、燃料電池２０に供給された後、純水供給部７０に回収される。本実施例では、純水供給部７０に回収された純水は、イオン交換樹脂を用いて精製された後、純水供給部７０に再び貯留される。
【００２７】
本実施例では、燃料電池システム１０の燃料ガス導管３００には、ドライ分岐導管５１０および純水導管７２０との接続部よりもアノード供給部３０側に位置する部位に、バルブ３０２が設けられている。燃料ガス導管３００に設けられたバルブ３０２は、アノード供給部３０から燃料電池２０に供給される水素ガスの供給量を、弁の開閉によって調節する。本実施例では、燃料電池システム１０のアノードオフガス導管４００には、循環純水導管７３０との接続部を燃料電池２０との間に置く位置に、バルブ４０２が設けられている。アノードオフガス導管４００に設けられたバルブ４０２は、燃料電池２０から排気されるガスの放出量を、弁の開閉によって調節する。
【００２８】
本実施例では、燃料電池システム１０のドライ分岐導管５１０には、酸化ガス導管５００と燃料ガス導管３００との間における連通および非連通の状態を、弁の開閉によって切り替えるバルブ５１２が設けられている。本実施例では、燃料電池システム１０の純水導管７２０には、燃料電池２０に供給される純水の供給量を、弁の開閉によって調整するバルブ７２２が設けられている。本実施例では、燃料電池システム１０の循環純水導管７３０には、バルブ７３２と純水ポンプ７３４とが設けられている。循環純水導管７３０に設けられたバルブ７３２は、アノードオフガス導管４００と純水導管７２０との間における連通および非連通の状態を、弁の開閉によって切り替える。循環純水導管７３０に設けられた純水ポンプ７３４は、燃料電池２０から排出された純水を純水導管７２０に送り出す。
【００２９】
なお、本実施例では、燃料電池システム１０の各導管には、燃料電池２０に対する各種ガスや純水についての供給および排出を適切に行うために、実施の形態に応じて適宜、各種のバルブ，センサ，加湿器，除湿器，熱交換器，気液分離器，不純物ガス分離器などの補器が設けられているが、図１では、これらの補器の図示は、説明の簡略化のため省略されている。
【００３０】
なお、燃料電池システム１０の燃料電池２０は、発電停止後の燃料電池２０において、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去とを実現するために、アノード電極２１２２の交流インピーダンスを検知する交流インピーダンスセンサ８２２と、電解質膜２１２４に含まれる含水量を検知する水分量センサ８２４と、カソード電極２１２６の交流インピーダンスを検知する交流インピーダンスセンサ８２６と、単セル２１０の温度を検知する温度センサ８２８と、燃料電池２０のカソードオフガス排気口２６０におけるガスの露点を検知する露点センサ８３６とを備えても良い。燃料電池２０の水分量センサ８２４は、赤外線やマイクロ波などの電磁波を用いて電解質膜２１２４の含水量を非接触で検知しても良いし、含水量に応じた電気抵抗値の変化に基づいて電解質膜２１２４の含水量を直接的に検知しても良い。
【００３１】
燃料電池システム１０は、発電停止後の燃料電池２０において、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去とを実現するために、発電停止時の燃料電池２０に対する純水およびパージガスについての供給および排出を制御する停止時制御部９０を備える。本実施例では、燃料電池システム１０の停止時制御部９０は、バルブ３０２，５１２，４０２，７２２，７３２および純水ポンプ７３４などの各種補器と電気的に接続され、これらの補器を制御信号によって制御する。本実施例では、停止時制御部９０は、ワンチップマイクロコンピュータであり、発電停止時の燃料電池２０に対する純水およびパージガスについての供給および排出を制御するための演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）９１０と、ＣＰＵ９１０の演算処理を規定したプログラムを予め記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）９２０と、ＣＰＵ９１０によって取り扱われるデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）９３０と、各種補器や各種センサと電気的に接続するインタフェース９４０と、ＣＰＵ９１０の演算処理に協働して経過時間を測定するタイマ９５０とを備える。なお、本実施例では、停止時制御部９０は、ソフトウェアに基づいて動作するものとしたが、他の実施形態として、ハードウェア構成に基づいて動作するものとしても良い。
【００３２】
Ａ−２．燃料電池システム１０の動作：
図３は、燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。図３の停止時管理処理は、燃料電池２０における発電を停止した際に停止時制御部９０によって実行される処理である。本実施例では、停止時制御部９０のＣＰＵ９１０が、ソフトウェアに基づいて動作することによって、図３の停止時管理処理が実現される。
【００３３】
停止時制御部９０は、図３の停止時管理処理を開始すると、燃料電池２０における発電を停止してから所定期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１１０）。これによって、燃料電池２０の発電停止が、一時的な発電停止ではなく、凍結の可能性があるような継続的な発電停止であるか否かが判断される。本実施例では、継続的な発電停止であることを判断するための所定期間は、燃料電池２０の運転履歴，燃料電池システム１０の外部環境，季節，時間帯など燃料電池２０の運転環境に応じて適宜設定される。
【００３４】
発電停止から所定期間が経過すると（ステップＳ１１０）、停止時制御部９０は、燃料電池２０のアノード流路２１１５に純水を導入すると共に、燃料電池２０のカソード流路２１３５にパージガスを導入する（ステップＳ１２０）。この際には、停止時制御部９０からの制御信号に基づいて、バルブ３０２，４０２，５１２は「閉弁」状態になり、バルブ７２２，７３２は「開弁」状態になり、純水ポンプ７３４は「稼動」状態になる。これによって、純水供給部７０から供給された純水は、純水導管７２０および循環純水導管７３０を通じてアノード流路２１１５を循環すると共に、カソード供給部５０から供給されたパージガスは、酸化ガス導管５００を通じてカソード流路２１３５に導入された後、カソード流路２１３５からカソードオフガス導管６００を通じて排気される。その結果、燃料電池２０の電解質膜２１２４は、アノード流路２１１５からアノード電極２１２２を透過した純水を吸水すると共に、カソード電極２１２６の表面に残留した水滴は、カソード流路２１３５に導入されたパージガスによって取り除かれる。なお、燃料電池２０に導入されるパージガスは、水蒸気を含有可能なガス、すなわち、含有水蒸気量が飽和水蒸気量に満たない気体であり、本実施例では、パージガスは、カソード供給部５０から供給される酸化ガスを含む。
【００３５】
アノード流路２１１５に純水が導入されている際（ステップＳ１２０）、停止時制御部９０は、アノード流路２１１５への純水の導入開始からの経過時間Ｔｗが、予め設定された設定時間Ｔｘを経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。本実施例では、設定時間Ｔｘは、燃料電池２０の電解質膜２１２４が飽和状態になるまで吸水するのに要する期間として、予め試験によって求められた実験値に基づく値を含む。本実施例では、単セル２１０の温度に応じて予め設定された複数の設定時間Ｔｘが、停止時制御部９０のＲＡＭ９３０に記憶されており、停止時制御部９０は、温度センサ８２８で検知された単セル２１０の温度に基づいて、経過時間Ｔｗの判断に用いる設定時間Ｔｘを選択する。
【００３６】
図４は、電解質膜２１２４の含水状態と経過時間との関係、およびカソード電極２１２６の乾燥状態と経過時間との関係の概要を示す説明図である。図４には、経過時間が横軸に表され、電解質膜２１２４の含水量が左側の縦軸に表され、カソード電極２１２６の交流インピーダンス値が右側の縦軸に表されている。図４に示す例では、単セル２１０が所定の温度状態にある燃料電池２０に対して、アノード流路２１１５に純水を導入し続けた際における電解質膜２１２４の含水量の推移を示す曲線ＬＭと、カソード流路２１３５にパージガスを導入し続けた際におけるカソード電極２１２６の交流インピーダンスの推移を示す曲線ＬＺｃとが表されている。
【００３７】
図４の曲線ＬＭに示すように、純水の導入を開始したタイミングＴ０の時点で初期値Ｍ０であった電解質膜２１２４の含水量は、時間の経過に伴い徐々に増加し、吸水可能な上限である飽和含水量Ｍｘに達する。本実施例では、経過時間Ｔｗの判断（ステップＳ１３０）に用いられる設定時間Ｔｘは、純水の導入から飽和含水量Ｍｘに達するまでの期間に予め設定されている。なお、設定時間は、パージガスの導入によって吸水分布のむらや過度の乾燥が発生しない程度の水分量を電解質膜２１２４が吸水するのに要する時間であれば良い。他の実施形態として、設定時間は、飽和含水量Ｍｘの７〜９割に達するのに要する期間であっても良いし、飽和含水量Ｍｘの９割以上に達するのに要する期間であればより好ましく、飽和含水量Ｍｘに達するまでの期間を超えても良い。
【００３８】
図３の説明に戻り、アノード流路２１１５に純水が導入されてから設定時間Ｔｘが経過すると（ステップＳ１３０）、停止時制御部９０は、カソード流路２１３５にパージガスを導入し続けたまま、アノード流路２１１５を循環している純水を純水供給部７０に回収する（ステップＳ１４０）。この際には、停止時制御部９０からの制御信号に基づいて、バルブ３０２，４０２は「閉弁」状態を維持し、バルブ５１２は「閉弁」状態から「開弁」状態に切り替わり、バルブ７２２は「開弁」状態から「閉弁」状態に切り替わり、バルブ７３２は「開弁」状態を維持し、純水ポンプ７３４は「稼動」状態を維持する。これによって、カソード供給部５０から供給されたパージガスの一部は、ドライ分岐導管５１０および燃料ガス導管３００を通じてアノード流路２１１５に導入される。アノード流路２１１５を循環していた純水は、アノード流路２１１５に導入されたパージガスによってアノード流路２１１５から押し出され、循環純水導管７３０および純水導管７２０を通じて純水供給部７０に回収される。
【００３９】
アノード流路２１１５から純水が回収されている際（ステップＳ１４０）、停止時制御部９０は、アノード流路２１１５からの純水の回収が完了したか否かを判断する（ステップＳ１５０）。本実施例では、純水回収の完了は、燃料電池２０から純水供給部７０に回収された純水の量に基づいて判断される。
【００４０】
アノード流路２１１５からの純水の回収が完了すると（ステップＳ１５０）、停止時制御部９０は、カソード流路２１３５にパージガスを導入し続けたまま、アノード流路２１１５にもパージガスを導入する（ステップＳ１６０）。この際には、停止時制御部９０からの制御信号に基づいて、バルブ３０２は「閉弁」状態を維持し、バルブ４０２は「閉弁」状態から「開弁」状態に切り替わり、バルブ５１２は「開弁」状態を維持し、バルブ７２２は「閉弁」状態を維持し、バルブ７３２は「開弁」状態から「閉弁」状態に切り替わり、純水ポンプ７３４は「稼動」状態から「停止」状態に切り替わる。これによって、カソード供給部５０から供給されたパージガスの一部は、ドライ分岐導管５１０および燃料ガス導管３００を通じてアノード流路２１１５に導入された後、アノード流路２１１５からアノードオフガス導管４００を通じて排気される。
【００４１】
アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５にパージガスが導入されている際（ステップＳ１６０）、停止時制御部９０は、カソード流路２１３５へのパージガスの導入開始からの経過時間Ｔｄが、予め設定された設定時間Ｔｙを経過したか否かを判断する（ステップＳ１７０）。本実施例では、設定時間Ｔｙは、カソード電極２１２６の表面が乾燥するのに要する期間として、予め試験によって求められた実験値に基づく値を含む。本実施例では、単セル２１０の温度に応じて予め設定された複数の設定時間Ｔｙが、停止時制御部９０のＲＡＭ９３０に記憶されており、停止時制御部９０は、温度センサ８２８で検知された単セル２１０の温度に基づいて、経過時間Ｔｄの判断に用いる設定時間Ｔｙを選択する。
【００４２】
ここで、図４の曲線ＬＺｃに示すように、パージガスの導入を開始したタイミングＴ０の時点で交流インピーダンスＺｃ０であったカソード電極２１２６の交流インピーダンスは、カソード電極２１２６の表面が乾燥し始めると徐々に増加する。本実施例では、経過時間Ｔｄの判断（ステップＳ１７０）に用いられる設定時間Ｔｙは、パージガスの導入から、カソード電極２１２６の表面が十分に乾燥したと判別可能な交流インピーダンスＺｃｙに達するまでの期間に予め設定されている。
【００４３】
図３の説明に戻り、カソード流路２１３５にパージガスが導入されてから設定時間Ｔｙが経過すると（ステップＳ１７０）、停止時制御部９０は、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５へのパージガスの導入を終えた後（ステップＳ１８０）、図３の停止時管理処理を終了する。この際には、停止時制御部９０からの制御信号に基づいて、バルブ３０２は「閉弁」状態から「開弁」状態に切り替わり、バルブ４０２は「開弁」状態を維持し、バルブ５１２は「開弁」状態から「閉弁」状態に切り替わり、バルブ７２２，７３２は「閉弁」状態を維持し、純水ポンプ７３４は「停止」状態を維持する。これによって、燃料電池２０の再起動に備えるために、燃料ガスがアノード流路２１１５に導入される。
【００４４】
図５は、アノード電極２１２２の乾燥状態と経過時間との関係の概要を示す説明図である。図５には、経過時間が横軸に表され、アノード電極２１２２の交流インピーダンス値が右側の縦軸に表されている。図５に示す例では、単セル２１０が所定の温度状態にある燃料電池２０に対して、アノード流路２１１５にパージガスを導入し続けた際におけるアノード電極２１２２の交流インピーダンスの推移を示す曲線ＬＺａが表されている。
【００４５】
図５の曲線ＬＺａに示すように、パージガスの導入を開始したタイミングＴｘの時点で交流インピーダンスＺｃｘであったアノード電極２１２２の交流インピーダンスは、アノード電極２１２２の表面が乾燥し始めると徐々に増加する。本実施例では、アノード流路２１１５へのパージガスの導入は、パージガスを導入してから、アノード電極２１２２の交流インピーダンスが増加し始めるタイミングＴｚよりも前に終了するように停止時制御部９０によって制御される。本実施例では、カソード流路２１３５へのパージガスの導入終了を判断する設定時間Ｔｙを経過する前に、アノード電極２１２２の交流インピーダンスが増加し始めるタイミングＴｚに至る場合には、停止時制御部９０は、バルブ５１２を「閉弁」状態に切り替えることによって、アノード流路２１１５へのパージガスの流入を遮断する。
【００４６】
以上説明した第１の実施例における燃料電池システム１０によれば、電解質膜２１２４が十分な水分を吸収した状態で、カソード電極２１２６の表面に残留する水をパージガスで除去することによって、電解質膜２１２４に吸水分布のむらや過度の乾燥が発生してしまうことを抑制することができる。その結果、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去との両立を容易に実現することができる。また、残留水の凍結による発電性能低下の影響がより小さなアノード電極２１２２側から電解質膜２１２４に水が吸収されるため、残留水の凍結による発電性能低下の影響がより大きなカソード電極２１２６における水滴の残留を抑制することができる。また、試験によって予め求められた電解質膜２１２４の吸水量と経過時間Ｔｗとの関係に基づいて、電解質膜２１２４の吸水状態を判断することができるため、システム構成の簡素化を図ることができる。また、試験によって予め求められたカソード電極２１２６の乾燥状態と経過時間Ｔｄとの関係に基づいて、カソード電極２１２６の乾燥状態を判断することができるため、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００４７】
Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例における燃料電池システム１０は、カソード流路２１３５へのパージガス導入の終了判断を、パージガスの導入開示から経過した経過時間Ｔｄに基づいて行うのではなく、燃料電池２０のカソードオフガス排気口２６０におけるガスの露点に基づいて行う点を除き、第１の実施例と同様である。
【００４８】
図６は、第２の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。図６の停止時管理処理は、燃料電池２０における発電を停止した際に停止時制御部９０によって実行される処理である。本実施例では、停止時制御部９０のＣＰＵ９１０が、ソフトウェアに基づいて動作することによって、図６の停止時管理処理が実現される。
【００４９】
第２の実施例では、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５にパージガスが導入されている際（ステップＳ１６０）、停止時制御部９０は、露点センサ８３６によって検知された露点Ｄｐが、予め設定された設定露点Ｄｐｙ以下であるか否かを判断する（ステップＳ２７０）。本実施例では、設定露点Ｄｐｙは、カソード電極２１２６の表面が乾燥した状態における露点として、予め試験によって求められた実験値に基づく値を含む。本実施例では、単セル２１０の温度に応じて予め設定された複数の設定露点Ｄｐｙが、停止時制御部９０のＲＡＭ９３０に記憶されており、停止時制御部９０は、温度センサ８２８で検知された単セル２１０の温度に基づいて、露点Ｄｐの判断に用いる設定露点Ｄｐｙを選択する。露点Ｄｐが設定露点Ｄｐｙ以下になると（ステップＳ２７０）、停止時制御部９０は、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５へのパージガスの導入を終了する（ステップＳ１８０）。
【００５０】
以上説明した第２の実施例における燃料電池システム１０によれば、第１の実施例と同様に、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去との両立を容易に実現することができる。また、カソード流路２１３５の出口における露点Ｄｐに基づいてカソード電極２１２６の乾燥状態を判断することができるため、カソード電極２１２６の乾燥状態を正確に判断することができる。
【００５１】
Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例における燃料電池システム１０は、カソード流路２１３５へのパージガス導入の終了判断を、パージガスの導入開示から経過した経過時間Ｔｄに基づいて行うのではなく、カソード電極２１２６の交流インピーダンスに基づいて行う点を除き、第１の実施例と同様である。
【００５２】
図７は、第３の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。図７の停止時管理処理は、燃料電池２０における発電を停止した際に停止時制御部９０によって実行される処理である。本実施例では、停止時制御部９０のＣＰＵ９１０が、ソフトウェアに基づいて動作することによって、図７の停止時管理処理が実現される。
【００５３】
第３の実施例では、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５にパージガスが導入されている際（ステップＳ１６０）、停止時制御部９０は、交流インピーダンスセンサ８２６によって検知された交流インピーダンスＺｃが、予め設定された設定インピーダンスＺｃｙ以下であるか否かを判断する（ステップＳ３７０）。本実施例では、設定インピーダンスＺｃｙは、図４に示したように、カソード電極２１２６の表面が十分に乾燥したと判別可能な交流インピーダンスとして、予め試験によって求められた実験値に基づく値を含む。本実施例では、単セル２１０の温度に応じて予め設定された複数の設定インピーダンスＺｃｙが、停止時制御部９０のＲＡＭ９３０に記憶されており、停止時制御部９０は、温度センサ８２８で検知された単セル２１０の温度に基づいて、交流インピーダンスＺｃの判断に用いる設定インピーダンスＺｃｙを選択する。交流インピーダンスＺｃが設定インピーダンスＺｃｙ以下になると（ステップＳ３７０）、停止時制御部９０は、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５へのパージガスの導入を終了する（ステップＳ１８０）。
【００５４】
以上説明した第３の実施例における燃料電池システム１０によれば、第１の実施例と同様に、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去との両立を容易に実現することができる。また、カソード電極２１２６から直接的に検知した交流インピーダンスＺｃの値に基づいてカソード電極２１２６の乾燥状態を判断することができるため、カソード電極２１２６の乾燥状態をより正確に判断することができる。
【００５５】
Ｄ．第４の実施例：
第４の実施例における燃料電池システム１０は、アノード流路２１１５への純水導入の終了判断を、純水の導入開示から経過した経過時間Ｔｗに基づいて行うのではなく、電解質膜２１２４の含水量に基づいて行う点を除き、第１の実施例と同様である。
【００５６】
図８は、第４の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。図８の停止時管理処理は、燃料電池２０における発電を停止した際に停止時制御部９０によって実行される処理である。本実施例では、停止時制御部９０のＣＰＵ９１０が、ソフトウェアに基づいて動作することによって、図８の停止時管理処理が実現される。
【００５７】
第４の実施例では、アノード流路２１１５に純水が導入されている際（ステップＳ１２０）、停止時制御部９０は、水分量センサ８２４によって検知された含水量Ｍｃが、予め設定された設定含水量Ｍｘ以上であるか否かを判断する（ステップＳ４３０）。本実施例では、設定含水量Ｍｘは、図４に示したように、電解質膜２１２４にとって吸水可能な上限である飽和含水量として、予め試験によって求められた実験値に基づく値を含む。本実施例では、単セル２１０の温度に応じて予め設定された複数の設定含水量Ｍｘが、停止時制御部９０のＲＡＭ９３０に記憶されており、停止時制御部９０は、温度センサ８２８で検知された単セル２１０の温度に基づいて、含水量Ｍｃの判断に用いる設定含水量Ｍｘを選択する。含水量Ｍｃが設定含水量Ｍｘ以上になると（ステップＳ１３０）、停止時制御部９０は、カソード流路２１３５にパージガスを導入し続けたまま、アノード流路２１１５に供給された純水を純水供給部７０に回収する（ステップＳ１４０）。なお、設定含水量は、パージガスの導入によって電解質膜２１２４に吸水分布のむらや過度の乾燥が発生しない程度の水分量であれば良い。他の実施形態として、設定含水量は、飽和含水量Ｍｘの７〜９割であっても良いし、飽和含水量Ｍｘの９割以上であればより好ましい。
【００５８】
以上説明した第４の実施例における燃料電池システム１０によれば、第１の実施例と同様に、電解質膜２１２４の湿潤保持と、カソード電極２１２６の水滴除去との両立を容易に実現することができる。また、電解質膜２１２４から直接的に検知した含水量Ｍｃに基づいて吸水状態を判断することができるため、アノード流路２１１５から純水を排除するタイミングをより正確に判断することができる。
【００５９】
Ｅ．第５の実施例：
図９は、第５の実施例における燃料電池システム１２の概略構成を示す説明図である。第５の実施例における燃料電池システム１２は、燃料電池２０で生成された生成水を含有するカソードオフガスから分離された水を、アノード流路２１１５に供給される純水として利用する点を除き、第１の実施例と同様である。燃料電池システム１２の構成は、カソードオフガス導管６００に設けられカソードオフガスから水を分離する気液分離器６０２と、気液分離器６０２で分離された水を純水供給部７０に誘導する流路を形成する生成水回収導管６１０とを更に備える点を除き、第１の実施例における燃料電池システム１０の構成と同様である。本実施例では、カソードオフガスに含まれる生成水は、気液分離器６０２によってカソードオフガスから分離され、生成水回収導管６１０を介して純水供給部７０に蓄えられる。純水供給部７０に蓄えられた生成水は、アノード流路２１１５に導入する純水として利用される。これによって、純水供給部７０にシステム外部から純水を補給することなく、純水供給部７０に純水を十分に準備することができる。
【００６０】
Ｆ．その他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、アノード流路２１１５のみに純水を導入したが、他の実施形態として、カソード流路２１３５のみに純水を導入しても良いし、アノード流路２１１５およびカソード流路２１３５の両方に純水を導入しても良い。また、本実施例では、アノード流路２１１５から純水を回収した後（ステップＳ１５０）、カソード流路２１３５へのパージガスの導入終了を判断したが（ステップＳ１７０）、他の実施形態として、カソード流路２１３５へのパージガスの導入を終了した後、アノード流路２１１５から純水を回収しても良い。また、本実施例では、カソード電極２１２６が乾燥するよりも早く電解質膜２１２４が飽和状態まで吸水する特性を有するＭＥＡ２１２０を示したが（図４）、電解質膜２１２４が飽和状態まで吸水するよりも早くカソード電極２１２６が乾燥する特性を有するＭＥＡを備える燃料電池に本発明を適用しても良い。また、本実施例では、いわゆるデッドエンド方式の燃料電池システムについて説明したが、他の実施形態として、アノードオフガスを燃料電池２０に再び導入して燃料ガスを循環させる循環方式の燃料電池システムに本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池２０における単セル２１０の詳細構造を示す説明図である。
【図３】燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。
【図４】電解質膜２１２４の含水状態と経過時間との関係およびカソード電極２１２６の乾燥状態と経過時間との関係の概要を示す説明図である。
【図５】アノード電極２１２２の乾燥状態と経過時間との関係の概要を示す説明図である。
【図６】第２の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施例における燃料電池システム１０の停止時制御部９０によって実行される停止時管理処理を示すフローチャートである。
【図９】第５の実施例における燃料電池システム１２の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０，１２…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…アノード供給部
５０…カソード供給部
７０…純水供給部
９０…停止時制御部
２１０…単セル
２３０…燃料ガス導入口
２４０…アノードオフガス排気口
２５０…酸化ガス導入口
２６０…カソードオフガス排気口
３００…燃料ガス導管
３０２…バルブ
４００…アノードオフガス導管
４０２…バルブ
５００…酸化ガス導管
５１０…ドライ分岐導管
５１２…バルブ
６００…カソードオフガス導管
６０２…気液分離器
６１０…生成水回収導管
７２０…純水導管
７２２…バルブ
７３０…循環純水導管
７３２…バルブ
７３４…純水ポンプ
８２２…交流インピーダンスセンサ
８２４…水分量センサ
８２６…交流インピーダンスセンサ
８２８…温度センサ
８３６…露点センサ
９１０…ＣＰＵ
９２０…ＲＯＭ
９３０…ＲＡＭ
９４０…インタフェース
９５０…タイマ
２１１０…アノードセパレータ
２１１５…アノード流路
２１２２…アノード電極
２１２４…電解質膜
２１２６…カソード電極
２１３０…カソードセパレータ
２１３５…カソード流路
【図１】
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【図２】
2008027834.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008027834.tif 000007
【図６】
2008027834.tif 000008
【図７】
2008027834.tif 000009
【図８】
2008027834.tif 000010
【図９】
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