(57)【要約】【課題】  燃料電池の停止時に燃料電池のガス流路内の残留水を排出して始動性を向上するとともに、ガス流路内の残留水を排出するのに必要な水素消費量を少なくすることができる燃料電池の停止方法を提供する。【解決手段】  水素をアノード極へ、空気をカソード極へ導入することで水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池１を備えた燃料電池の停止方法である。前記アノード極へ空気を導入して該アノード極の残留水を排出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素をアノード極へ、空気をカソード極へ導入することで水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池の停止方法において、
前記アノード極への水素供給を停止した状態で前記アノード極へ空気を導入して該アノード極の残留水を排出することを特徴とする燃料電池の停止方法。
【請求項２】
水素をアノード極へ、空気をカソード極へ導入することで水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池と、未利用の水素を循環利用することが可能な水素循環流路を備えた燃料電池の停止方法において、
前記水素循環流路への水素供給を停止し、
前記水素循環流路内のガス圧力が所定の圧力よりも下回ったときに前記水素循環流路へ空気を導入し、前記アノード極の残留水を排出することを特徴とする燃料電池の停止方法。
【請求項３】
前記カソード極へ供給している空気の一部を分岐して前記アノード極へ導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の停止方法。
【請求項４】
前記アノード極の入口側圧力と出口側圧力とを検知して、該入口側圧力と該出口側圧力の差分が基準値以内になったときに、前記残留水の排出完了を検知することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池の停止方法。
【請求項５】
前記燃料電池への水素供給を停止したときには、前記アノード極の入口側に残留する水素を燃焼させて不活性化させた後に、前記アノード極へ導入することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の停止方法。
【請求項６】
前記アノード極から排出される反応済水素を前記カソード極から排出される空気とを混合させる希釈器を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温起動に対応可能な燃料電池の停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノード極とカソード極との間に電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノード極に水素を、カソード極に空気（酸素）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。燃料電池の運転中において、生成水は主にカソード極にて生成されるものの、カソード極とアノード極との間に介装した電解質膜を介して、カソード極中の水分がアノード極に移動する場合がある。また、反応ガス（水素と酸素）は前述した電解質膜中の乾燥を防止するため、加湿されている。
燃料電池の発電を停止する際には燃料電池のガス流路内には前述した生成水や加湿水が残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温時に残留水が凍結してしまい反応ガス（水素、空気）の供給排出の妨げとなるため、低温始動性が低下してしまう。
これに対し、特許文献１には、低温始動時の方法として、燃料電池から外部電気回路に電流を供給することで発熱させることにより、燃料電池を加熱する技術が提案されている。さらに、低温始動性を向上させるために本従来技術では、燃料電池の停止時において、燃料電池内のガス流路に残留している生成水を窒素ガスなどによって排出することで、停止期間中にガス流路内の水が凍結しないような技術が開示されている。
【特許文献１】特表２０００−５１２０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の技術においては、燃料電池のガス流路内の残留水を排出することで低温始動性を向上させているものの、窒素ガスによって燃料電池のガス流路内の残留水を排出していることから、専用の窒素ボンベなどのタンクを備えておく必要があり、燃料電池車両の車両搭載性の関係から適していないという課題があった。
さらに、燃料電池へ供給する反応ガス（水素および空気などの酸化剤）を停止時に供給する別手法も検討されているが、アノード極の残留水を排出する際には、発電に寄与しない大量の反応ガス（この場合水素）をアノード極に投入する必要があり、水素の消費量増大が懸念されていた。
従って本発明は、燃料電池の停止時に燃料電池のガス流路内、特にアノード極のガス流路に残留している残留水を排出して始動性を向上するとともに、アノード極のガス流路に残留している残留水を排出するために必要な水素の消費量を低く抑えることができる燃料電池の停止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】
【０００４】
請求項１に係る発明は、水素をアノード極へ、空気をカソード極へ導入することで水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）を備えた燃料電池の停止方法において、前記アノード極への水素供給を停止した状態で前記アノード極へ空気を導入して該アノード極の残留水を排出することを特徴とする。
【０００５】
この発明によれば、前記アノード極を停止する際に水素の供給を停止した状態で空気をアノード極に導入することで、水素の消費を抑えつつアノード極から残留水を排出することができ、これにより、燃料電池の停止時に燃料電池のガス流路内の残留水を排出して始動性を向上することができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、水素をアノード極へ、空気をカソード極へ導入することで水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池と、未利用の水素を循環利用することが可能な水素循環流路（例えば、実施の形態における水素循環流路３４）を備えた燃料電池の停止方法において、前記水素循環流路への水素供給を停止し、前記水素循環流路内のガス圧力が所定の圧力よりも下回ったときに前記水素循環流路へ空気を導入し、前記アノード極の残留水を排出することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記水素循環流路への水素供給を停止した状態で前記水素循環流路のガス圧力が所定の圧力よりも下回ったときには、前記水素循環流路内に残存する水素が十分に排出されていると判定できるので、その後に前記水素循環流路に空気を導入することにより、前記アノード極の残留水の排出効果を十分に得ることができ、水素の消費量を減らすことができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記カソード極へ供給している空気の一部を分岐して（例えば、実施の形態における切換流路５４）前記アノード極へ導入することを特徴とする。
この発明によれば、前記カソード極に反応ガスである空気を供給する供給器を用いて空アノード極の残留水排出処理を行うことができるので、部品点数を低減でき車両搭載性を向上することができる。また、カソード極の残留水排出処理とアノード極の残留水排出処理とを並行して行うことができるので、作業効率を高めることができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記アノード極の入口側圧力と出口側圧力とを検知して（例えば、実施の形態における圧力センサ４１、６１）、該入口側圧力と該出口側圧力の差分が基準値以内になったときに、前記残留水の排出完了を検知することを特徴とする。
この発明によれば、前記アノード極に残留水が残存している場合には、残留水が圧力損失の原因となるため該入口側圧力と該出口側圧力の差分が基準値よりも大きくなるが、残留水が排出されたときには圧力損失の原因が除去されている。従って、前記圧力の差分が基準値以内になった場合には、前記残留水の排出が完了したと判定することができるので、検出精度を向上することができる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものであって、前記燃料電池への水素供給を停止したときには、前記アノード極の入口側に残留する水素を燃焼（例えば、実施の形態における燃焼ボックス７１）させて不活性化させた後に、前記アノード極へ導入することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記燃料電池を停止させる際に、前記アノード極の入口側に残留する水素が前記燃焼により不活性化された状態で前記アノード極へ導入されるので、前記アノード極で水素と空気中の酸素が反応することを防止でき、その後の前記空気による残留水排出処理に速やかに移行させることができ、作業時間の短縮化を図ることができる。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のものであって、前記アノード極から排出される反応済水素を前記カソード極から排出される空気と混合させる希釈器を有することを特徴とする。
この発明によれば、前記アノード極から排出される反応済水素を前記希釈器にて前記カソード極から排出される空気と混合させることで希釈することができるので、アノード極から排出される水素濃度を低く保つことができ、作業効率をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載した発明によれば、燃料電池の停止時に燃料電池内の残留水を排出して始動性を向上するとともに、燃費を低く抑えることができる。
請求項２に記載した発明によれば、前記アノード極の残留水の排出効果を十分に得ることができ、水素の消費量を減らすことができる。
請求項３に記載した発明によれば、部品点数を低減でき車両搭載性を向上することができるとともに、作業効率を高めることができる。
請求項４に記載した発明によれば、前記残留水の排出完了を簡易な処理で確実に検出できるので、検出精度を向上することができる。
請求項５に記載した発明によれば、前記アノード極で水素と空気中の酸素が反応するのを防止でき、その後の前記空気による残留水排出処理に速やかに移行させることができ、作業時間の短縮化を図ることができる。
請求項６に記載した発明によれば、アノード極から排出される水素濃度を低く保つことができ、作業効率をさらに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池の停止方法の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の停止方法の態様である。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノード極に燃料として水素を供給し、カソード極に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード極側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード極側に逆拡散するため、アノード極側にも生成水が存在する。
【００１６】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に加圧され、空気供給流路３１を通って燃料電池１のカソード極に供給される。空気供給流路３１には図示しない加湿器などが設けられており、固体ポリマーイオン交換膜の乾燥を防止するよう加湿された空気を燃料電池に供給するように構成されている。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード極側の生成水と共に空気排出流路３２に排出され、パージ水素希釈器１０に導入される。また、カソード極には空気排出流路３２とは別に、ドレン弁５７を有したドレン流路５８も接続されている。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。
【００１７】
一方、水素タンク４から供給される水素は、遮断弁５１、レギュレータ５２を介して水素供給流路３３を通って燃料電池１のアノード極に供給される。水素も前述した空気と同様に図示しない加湿器などによって加湿されており、加湿された水素が燃料電池に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、アノード極側の生成水と共にアノード極から水素循環流路３４に排出され、さらにエゼクタ５を介して水素供給流路３３に合流せしめられる。つまり、燃料電池１から排出された水素は、水素タンク４から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池１のアノード極に供給される。なお、エゼクタ５の代わりに水素ポンプを用いることも可能である。
水素循環流路３４からは、パージ弁６を備えた水素排出流路３５が分岐しており、水素排出流路３５はパージ水素希釈器１０に接続されている。
【００１８】
パージ水素希釈器１０は、隔壁１３によって内部が滞留室（滞留領域）１１と希釈室（希釈領域）１２に区画された容器であり、滞留室１１と希釈室１２は通流部１４によって連通されている。通流部１４は、例えば小さな孔が多数設けられた金属板（いわゆる、パンチングメタル）や、多孔質セラミックスなどで構成されている。
滞留室１１への入口１１ａには前述した水素排出流路３５が接続されており、パージ弁６が開かれると、燃料電池１から排出された水素が、水素循環流路３４および水素排出流路３５を通って滞留室１１に流入し、滞留する。
希釈室１２の入口１２ａには前述した空気排出流路３２が接続されており、燃料電池１から排出された排出空気が、空気排出流路３２を通って希釈室１２に流入する。希釈室１２内の流体は入口１２ａと反対の側に設けられた出口１２ｂから排気管３６を介して排出される。したがって、燃料電池１から排出空気が排出されている時には、希釈室１２には常に排出空気が通流している。
【００１９】
また、空気供給流路３１には空気供給流路３１を通流する供給空気の流量を検出する流量センサ４２が設けられ、空気排出流路３２には空気排出流路３２を通流する排出空気の温度を検出する温度センサ４３が設けられている。また、エゼクタ５よりも下流側の水素供給流路３３には水素供給流路３３を通流する水素の圧力（すなわち、供給水素圧力）を検出する圧力センサ４１が設けられ、水素排出流路３５には水素排出流路３５を通流する反応済水素の圧力（すなわち、排出水素圧力）を検出する圧力センサ６１が設けられている。さらに、燃料電池１には燃料電池１を構成する各セルのセル電圧を検出するセル電圧センサ４４が設けられ、排気管３６には排気管３６を通流する水素の濃度を検出する水素濃度センサ５９が設けられている。これらセンサ４１〜４４、６１、５９の出力信号や、イグニッションスイッチ６０のＯＮ−ＯＦＦ信号がＥＣＵ４０に入力される。また、カソード極と同様に、アノード極にも水素排出流路３２とは別に、ドレン弁５６を有したドレン流路５５も接続されている。
また、上述の空気供給流路３１からは、切換弁５３を有した切換流路５４が分岐していて、水素供給流路３３にエゼクタ５の下流側で合流している。これにより、切換弁５３を開くことで、水素供給流路３３に空気を供給できるようにしている。
【００２０】
このように構成された燃料電池システムにおいて、この実施の形態では、燃料電池１の発電状態が不調になった時に、アノード側の水分除去および窒素除去を目的として、パージ弁６を所定時間だけ開いてパージを行う。
このパージ時に、パージ弁６が開かれている間に燃料電池１から排出された水素が滞留室１１に流入し、滞留室１１内全体に広がっていき、パージ弁６が閉じられると水素の滞留室１１への流入が停止する。一方、パージ弁６の開閉にかかわらず希釈室１２には排出空気が通流しているので、滞留室１１に滞留している水素は通流部１４を介して希釈室１２へと徐々に吸い込まれていき、希釈室１２において排出空気と混合され希釈される。これにより、希釈室１２の出口１２ｂから排出されるガスの水素濃度を所定濃度よりも低くすることができ、この水素濃度の低いガスを排気管３６から排出することができる。
【００２１】
図３は本実施の形態における燃料電池の停止処理を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチ６０の停止（ＩＧ−ＯＦＦ）信号がＥＣＵ４０に入力されると、ステップＳ１２で遮断弁５１が閉じられて、アノード極への水素の供給が停止される。
次に、ステップＳ１４でカソード極の残留水の排出処理を開始する。このとき、パージ水素希釈器１０には十分な量の空気を供給しておくことで、水素希釈器１０内の水素濃度を一定以内に抑えることができる。
【００２２】
ついで、ステップＳ１６でアノード極の減圧処理を行う。
ステップＳ１８で、圧力センサ４１で検出されたアノード極入口側の水素圧力が所定の基準圧よりも大きくなっているかの判定を行い、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１６に戻り、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ２０に進む。
このように、前記水素循環流路３４への水素供給を停止した状態で前記水素循環流路３４のガス圧力が所定の圧力よりも下回ったときには、前記水素循環流路３４内に残存する水素が十分に排出されていると判定できる。従って、その後に前記水素循環流路３４に空気を導入することにより、前記アノード極の残留水の排出効果を十分に得ることができ、水素の消費量を減らすことができる。
この過程においては、パージ弁６を定期的に開弁することによって水素循環流路３４内の水素を排出する。このとき、水素循環流路３４から排出される水素はパージ水素希釈器１０の滞留室１１内に導入される。滞留室１１内の水素は希釈室１２において排出空気と混合することで希釈され、出口１２ｂより排出される。ここで、出口１２ｂに設けた図示しない水素濃度センサなどによって排出空気中の水素濃度が管理され、この水素濃度が所定濃度未満になるようにパージ弁６を開弁することが好ましい。
【００２３】
ステップＳ２４では、切換弁５３を開いて空気供給流路３１に通流する空気を切換流路５４を介して水素供給流路３３に通流させて、アノード極に空気の供給を開始する。
ステップＳ２６で、カソード極側の処理と同様に、まずドレン弁５６を開いてドレン流路５５からパージ処理を行う。ついで、パージ弁６を開いて水素排出流路３５のパージ処理を行う。ステップＳ２８で所定時間を経過したことを検知すると、ステップＳ３０でコンプレッサ２を停止させる。そして、切換弁５３を閉じて切換流路５４から水素供給流路空気供給ラインを３３への空気を供給を停止させて、発電停止処理開始前の状態に戻す。ステップＳ３２で、パージ弁６を遮断してアノード極と外部とのガスの流通を遮断した状態で、処理を終了する。
【００２４】
このようにして、前記アノード極を停止する際に水素の供給を停止した状態で空気をアノード極に導入することで、水素の消費を抑えつつアノード極から残留水を排出することができるので、燃料電池１の停止時に燃料電池１内の残留水を排出して始動性を向上するとともに、燃費を低く抑えることができる。
【００２５】
また、ステップＳ２８の処理に替えて、アノード極入口側圧力と出口側圧力をそれぞれ圧力センサ４１、６１で検知して、両者の差分が基準値以内となったときに残留水の排出完了を検知するようにしてもよい。このようにすると、前記水素循環流路３４への水素供給を停止した状態で前記水素循環流路のガス圧力が所定の圧力よりも下回ったときには、前記水素循環流路３４内に残存する水素が十分に排出されていると判定できるので、その後に前記水素循環流路３４に空気を導入することにより、前記アノード極の残留水の排出効果を十分に得ることができ、水素の消費量を減らすことができる。
【００２６】
図３は本発明の第２の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。この場合には、水素供給流路３３における、切換流路５４との合流点に燃焼ボックス７１が介装されている点が第１の実施の形態と異なっている。このようにすると、上述の実施の形態の作用効果に加えて、前記燃料電池１を停止させる際に、前記アノード極の入口側に残留する水素を前記燃焼ボックス７１で燃焼させることで不活性化させることができ、この不活性化させた状態で前記アノード極へ導入することができる。従って、前記アノード極とカソード極とで発電の発生を防止することができ、その後の残留水排出処理に速やかに移行させることができるため、作業時間の短縮化を図ることができる。さらに、不活性ガスを保持しておくために専用の窒素ボンベなどを準備する必要がなく、燃料電池車両の搭載の自由度が向上する。
【００２７】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、燃料電池システムに加湿器を用いない構成としてもよい。また、燃料電池へ水素の供給が遮断されている状態において、アノード極中の圧力が減少するが、その減少に併せてカソード極に供給される空気の圧力を減少させてもよい。このように構成することによって、固体ポリマーイオン交換膜に対する両極の極間差圧を維持することができる。また、カソード極に供給される空気の圧力は、アノード極の圧力に応じて、且つ極間差圧が所定圧力値以内に収まるように減少させることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本実施の形態における燃料電池の停止処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における燃料電池の停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  燃料電池
２  コンプレッサ
４  水素タンク
６  パージ弁
３４  水素循環流路
４１  圧力センサ
６１  圧力センサ
７１  燃焼ボックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005116269.tif 000005