(57)【要約】【課題】燃料電池システムを停止するときに固体高分子電解質膜の湿潤状態を保ったまま残留水を排出することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池４に供給される水と生成水の合計量から燃料電池４によって排出される水の量を差し引いた単位時間あたりの残留水量が通常の発電時よりも多くなるように停止前発電を行い、予め設定した時間が経過した後に停止前発電を停止して、切替バルブ８、９、１３，１４をバイパス側に切り替えて燃料電池４を通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極との間に固体高分子電解質膜を挟持した構造の燃料電池に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給される水と生成水の合計量から前記燃料電池によって排出される水の量を差し引いた単位時間あたりの残留水量が通常の発電時よりも多くなるように停止前発電を行い、予め設定した時間が経過した後に前記停止前発電を停止して前記燃料電池を通常の運転時よりも低湿度のガスによって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】
前記停止前発電のときには、前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力が、通常の発電時よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記停止前発電のときには、前記燃料ガスあるいは酸化剤ガスの利用率が通常の発電時における利用率よりも大きくなるように、前記燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記停止前発電のときには、前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの相対湿度が、通常の発電時よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記停止前発電のときには、前記燃料電池の内部温度を通常の発電時よりも低くなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力が所定の圧力より大きくなったときには、前記燃料電池の発電を停止して通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージ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１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料極と酸化剤極との間に固体高分子電解質膜を挟持した構造の燃料電池に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池システムの発電停止方法であって、
前記燃料電池に供給される水と生成水の合計量から前記燃料電池によって排出される水の量を差し引いた単位時間あたりの残留水量が通常の発電時よりも多くなるように停止前発電を行い、
予め設定した時間が経過した後に前記停止前発電を停止して前記燃料電池を通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージする
ことを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項８】
前記停止前発電を行う際に、前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力を、通常の発電時よりも大きくすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項９】
前記停止前発電を行う際に、前記燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流量を制御して、前記燃料ガスあるいは酸化剤ガスの利用率を通常の発電時における利用率よりも大きくすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項１０】
前記停止前発電を行う際に、前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの相対湿度を、通常の発電時よりも大きくすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項１１】
前記停止前発電を行う際に、前記燃料電池の内部温度を通常の発電時よりも低くすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項１２】
前記燃料電池の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力が所定の圧力より大きくなったときには、前記燃料電池の発電を停止して通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージすることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの発電停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムを停止するときに固体高分子電解質膜の湿潤状態を保ったまま残留水を排出するように制御する燃料電池システム及びその発電停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を燃料極と酸化剤極とによって挟む構造を有し、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行っている。自動車を用途とする場合においては、電解質として一般的に水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。そして、燃料ガスとしては水素を供給し、酸化剤ガスとしては空気を燃料電池に供給すると、水素と酸素との電気化学的反応により電力を発電する。この際に燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しない利点がある。
【０００３】
ところが、生成された水を燃料電池内部から適切に除去しないと、反応ガス流路やガス拡散層に残留して反応ガスの拡散を阻害してしまう。一般に、この現象はフラッディングと呼ばれ、反応ガスが触媒に到達することを妨げるため発電性能の低下を引き起こす要因となっている。この対策としては、反応ガスの温度を上げたり、あるいは反応ガスの流量を増やしたりといった運転条件の変更によって純水の除去性能を向上させる方法が用いられることが多い。
【０００４】
しかし、このような方法では、反応ガスの昇温や流量の増加のために多くのエネルギーを消費しなければならず、システムとしての効率が低下してしまう。また、燃料電池内部の反応ガス入口から出口に向かって反応ガスの温度が低下したり、あるいは反応ガスの流量が少なくなったりする個所があると、結果として水の凝縮が起こることになる。さらに、外気温度が氷点下のように低い場合、飽和水蒸気圧が極めて低くなることに加えて水の凍結が起きてしまう。この結果、反応ガスによる水の除去がほとんど不可能になってしまう場合があった。
【０００５】
そこで、この対策として、例えば特開２００４−１１１１９６号公報（特許文献１）に開示された燃料電池システムでは、運転停止時においてアノードに乾燥した燃料ガスを供給し、カソードに乾燥した酸化剤ガスを供給しながら、通常の出力電流よりも小さい出力電流の取り出しを行った後に、運転を停止させるようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、出力電流が小さいので、燃料電池内が湿潤状態に達するまでに時間がかかってしまうという問題点があった。
【０００７】
また、ドライガス発電であるためにセル内部の水分布が不均一になり、局所的にドライアウトする場所が発生してしまうという問題点もあった。
【０００８】
さらに、発電後そのまま停止するため、氷点下の環境ではガス流路にとどまっている生成水が凍結して再起動を妨げるという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の特徴は、燃料極と酸化剤極との間に固体高分子電解質膜を挟持した構造の燃料電池に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される水と生成水の合計量から燃料電池によって排出される水の量を差し引いた単位時間あたりの残留水量が通常の発電時よりも多くなるように停止前発電を行い、予め設定した時間が経過した後に停止前発電を停止して燃料電池を通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージすることである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも多くなるように制御した停止前発電を実施した後に発電を停止し、その後に燃料電池を通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージするので、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保ったまま、ガス流路の水のみを外部に排出して残留しないようにすることができる。これによってフラッディングを発生させることなく、燃料電池システムが氷点下の環境にあってもガス流路の閉塞を防いで再起動を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料極２と酸化剤極３とを備えた燃料電池４と、燃料電池システム１を制御する制御装置５と、燃料極２に供給される燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置６と、燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置７と、燃料ガスの流路を燃料ガス加湿装置７側とバイパス側のいずれかに切り替える燃料ガス切替バルブ８、９と、燃料極２の反応ガス出口に設置された燃料ガス出口バルブ１０と、酸化剤極３に供給される酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御装置１１と、酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置１２と、酸化剤ガスの流路を酸化剤ガス加湿装置１２側とバイパス側のいずれかに切り替える酸化剤ガス切替バルブ１３、１４と、酸化剤極３の反応ガス出口に設置された酸化剤ガス出口バルブ１５とを備えている。
【００１４】
ここで、燃料電池４は燃料極２に燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極３に酸化剤ガスである空気ガスが供給されて以下に示す電気化学反応によって発電を行っている。
【００１５】
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                       （１）
酸化剤極：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
制御装置５は、図示していないが、圧力センサや温度センサなどの各種センサからの情報に基づいて燃料電池システム１を制御し、通常の発電を行わせるとともに、燃料電池システム１を停止させるときには燃料電池４の停止処理を実施する。このとき、燃料ガス切替バルブ８、９を制御することによって燃料ガスの湿度をコントロールし、酸化剤ガス切替バルブ１３、１４を制御することによって酸化剤ガスの湿度をコントロールしている。また、燃料ガス出口バルブ１０、酸化剤ガス出口バルブ１５を制御することによって燃料電池４の入口における燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御し、燃料ガス流量制御装置６及び酸化剤ガス流量制御装置１１を制御することによって燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御している。
【００１６】
燃料ガス切替バルブ８、９及び酸化剤ガス切替バルブ１３、１４は、加湿装置側とバイパス流路側とに流路を切り替える三方弁であって、制御装置５の制御に基づいて流路を切り替えている。
【００１７】
燃料ガス出口バルブ１０及び酸化剤ガス出口バルブ１５は、制御装置５の制御に基づいて、バルブの開閉及びその開度が調節されている。
【００１８】
このように構成された燃料電池システム１において、燃料ガス供給系では、燃料タンクから供給された高圧の燃料ガスを燃料ガス流量制御装置６が流量を調節する。そして、通常の発電時には燃料ガス切替バルブ８、９が燃料ガス加湿装置７側に切り替えられて、燃料ガスが燃料ガス加湿装置７に送られ、ここで加湿されて燃料電池４の燃料極２に供給される。このとき、燃料ガス出口バルブ１０の開度を制御することによって燃料電池４の入口における燃料ガスの圧力が調節されている。
【００１９】
一方、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系では、外部から取り入れられて加圧された酸化剤ガスを酸化剤ガス流量制御装置１１が流量を調節する。そして、通常の発電時には酸化剤ガス切替バルブ１３、１４が酸化剤ガス加湿装置１２側に切り替えられて、酸化剤ガスが酸化剤ガス加湿装置１２に送られ、ここで加湿されて燃料電池４の酸化剤極３に供給される。このとき、酸化剤ガス出口バルブ１５の開度を制御することによって燃料電池４の入口における酸化剤ガスの圧力が調節されている。
【００２０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１による燃料電池停止処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず燃料電池システム１を停止させる指令が入力されると（Ｓ２０１）、制御装置５は燃料ガス出口バルブ１０及び酸化剤ガス出口バルブ１５を閉じて燃料電池４の内部における燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力を上昇させる（Ｓ２０２）。このとき同時に燃料ガス流量制御装置６及び酸化剤ガス流量制御装置１１を制御して燃料電池４に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を、反応ガス欠乏状態が避けることができる限界まで少なくなるようにしながら停止前発電を実施する（Ｓ２０３）。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率を通常の発電時よりも大きくすることができる。
【００２１】
そして、予め設定した時間が経過するまで停止前発電を行った後（Ｓ２０４）、燃料電池４の発電を停止する（Ｓ２０５）。その後、燃料ガス切替バルブ８、９及び酸化剤ガス切替バルブ１３、１４をバイパス側へ切り替え（Ｓ２０６）、燃料ガス加湿装置７及び酸化剤ガス加湿装置１２をバイパスするように流路を切り替えて燃料電池４に乾燥した燃料ガス及び酸化剤ガスを供給してパージを実施する（Ｓ２０７）。
【００２２】
そして、予め設定した時間が経過するまで乾燥したガスを供給した後（Ｓ２０８）、燃料電池システム１を停止して（Ｓ２０９）本実施形態の燃料電池システム１による燃料電池停止処理を終了する。
【００２３】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１による作用を図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態の燃料電池システム１における燃料電池４の内部に残留している残留水量の変化を示す図である。ここで示す残留水の水量とは、燃料電池４に供給される水と生成水の合計量から燃料電池４によって排出される水の量を差し引いた単位時間あたりの残留水量のことである。
【００２４】
図３に示すように、燃料電池システム１を停止する際、まずステップＳ２０３で示した停止前発電を実施することによって、残留水量が燃料電池停止処理を実施する前、すなわち通常の発電時よりも増加していく。そして、予め設定した時間停止前発電を実施することによって、燃料電池４には通常の発電時よりも多くの残留水が残留することになる。
【００２５】
この後、停止前発電を停止してステップＳ２０７で示した乾燥ガスによるガス流路のパージを行うと、燃料電池４の内部に残留した水が排出され、残留水量が減少していく。このとき、パージ条件を最適に設定すると、固体高分子電解質膜の湿潤状態を保ったままガス流路の水のみを外部に排出することができる。この最適なパージ条件は燃料電池の仕様によって異なるが、パージガスの流量やパージ時間、パージガスの温度、相対湿度などのパラメータを最適化するための一般的な方法を利用することによって、最適なパージ条件を設定することが可能である。
【００２６】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも多くなるように制御した停止前発電を実施した後に発電を停止し、その後に燃料電池４を通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージするので、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保ったまま、ガス流路の水のみを外部に排出して残留しないようにすることができる。これによってフラッディングを発生させることなく、燃料電池システム１が氷点下の環境にあってもガス流路の閉塞を防いで再起動を可能にすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、停止前発電のときに燃料電池４の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力を、通常の発電時よりも大きくなるように制御するので、停止前発電のときにおける単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも増加するように制御することができる。
【００２８】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、停止前発電のときに燃料ガスあるいは酸化剤ガスの利用率が通常の発電時における利用率よりも大きくなるように燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流量を制御するので、停止前発電のときにおける単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも増加するように制御することができる。
【００２９】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図４は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム４１は、燃料極２の入口と出口との間の差圧を計測する燃料極差圧計４２と、酸化剤極３の入口と出口との間の差圧を計測する酸化剤極差圧計４３と、燃料電池４を冷却するための冷却系とをさらに備えたことが第１の実施形態と異なっている。
【００３１】
ここで、冷却系は、冷却液を循環させる冷却液ポンプ４４と、冷却液を貯蔵する冷却液タンク４５と、燃料電池４の内部に設けられた冷却液流路４６と、ラジエータファン４７からの冷却風によって冷却水を放熱させるラジエータ４８とを備えている。
【００３２】
次に、本実施形態の燃料電池システム４１による燃料電池停止処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５に示すように、まず燃料電池システム４１を停止させる指令が入力されると（Ｓ５０１）、制御装置５は燃料ガス加湿装置７及び酸化剤ガス加湿装置１２を制御して燃料電池４の入口における燃料ガスおよび酸化剤ガスの相対湿度を通常の発電時よりも高くなるように上昇させる（Ｓ５０２）。このとき同時に冷却液ポンプ４４の回転数を上昇させて、燃料電池４内部の冷却液流路４６を流れる冷却液温度を低下させて燃料電池４の温度を低下させる（Ｓ５０３）。
【００３３】
そして、この状態で燃料ガス流量制御装置６及び酸化剤ガス流量制御装置１１を制御して燃料電池４に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を、反応ガス欠乏状態が避けることができる限界まで少なくなるようにしながら停止前発電を実施する（Ｓ５０４）。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率を通常の発電時よりも大きくすることができる。
【００３４】
ここで、この停止前発電中には燃料極差圧計４２あるいは酸化剤極差圧計４３によって検出される差圧が予め設定した値を超えるか否かを監視し（Ｓ５０５）、差圧が設定値を超えない場合には予め設定した時間が経過するまで停止前発電を行った後に（Ｓ５０６）、燃料電池４の発電を停止する（Ｓ５０７）。また、ステップＳ５０５において、燃料極差圧計４２あるいは酸化剤極差圧計４３によって検出される差圧が設定値を上回った場合には、直ちに発電を停止してフラッディングの発生を防止する（Ｓ５０７）。
【００３５】
こうして停止前発電を停止したら、次に燃料ガス切替バルブ８、９及び酸化剤ガス切替バルブ１３、１４をバイパス側へ切り替え（Ｓ５０８）、燃料ガス加湿装置７及び酸化剤ガス加湿装置１２をバイパスするように流路を切り替えて燃料電池４に乾燥した燃料ガス及び酸化剤ガスを供給してパージを実施する（Ｓ５０９）。
【００３６】
そして、予め設定した時間が経過するまで乾燥したガスを供給した後（Ｓ５１０）、燃料電池システム１を停止して（Ｓ５１１）本実施形態の燃料電池システム４１による燃料電池停止処理を終了する。
【００３７】
このように、本実施形態の燃料電池システム４１では、停止前発電のときに燃料電池４の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの相対湿度が通常の発電時よりも大きくなるように制御するので、停止前発電のときにおける単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも増加するように制御することができる。
【００３８】
また、本実施形態の燃料電池システム４１では、停止前発電のときに燃料電池４の内部温度を通常の発電時よりも低くなるように制御するので、停止前発電のときにおける単位時間あたりの残留水量を通常の発電時よりも増加するように制御することができる。
【００３９】
さらに、本実施形態の燃料電池システム４１では、燃料電池４の入口における燃料ガスあるいは酸化剤ガスの圧力が所定の圧力より大きくなったときには、燃料電池４の発電を停止して通常の運転時よりも低湿度のガスによってパージするので、フラッディングによる発電停止を起こすことなく、燃料電池システム４１を停止することができる。
【００４０】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムを停止するときに固体高分子電解質膜の湿潤状態を保ったまま残留水を排出するように制御して、氷点下の環境であっても再起動を可能にするための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係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の実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池停止処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムにおける燃料電池内部の残留水量の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係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の実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池停止処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１、４１  燃料電池システム
２  燃料極
３  酸化剤極
４  燃料電池
５  制御装置
６  燃料ガス流量制御装置
７  燃料ガス加湿装置
８、９  燃料ガス切替バルブ
１０  燃料ガス出口バルブ
１１  酸化剤ガス流量制御装置
１２  酸化剤ガス加湿装置
１３、１４  酸化剤ガス切替バルブ
１５  酸化剤ガス出口バルブ
４２  燃料極差圧計
４３  酸化剤極差圧計
４４  冷却液ポンプ
４５  冷却液タンク
４６  冷却液流路
４７  ラジエータファン
４８  ラジエータ
【図１】
2007042445.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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