(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の運転時には、前記燃料電池のカソードへ供給される供給反応ガスを水透過型加湿器の一次側通路に流し、前記燃料電池の前記カソードから排出された排出反応ガスを前記水透過型加湿器の二次側通路に流して前記排出反応ガス中の水分を回収し前記供給反応ガスを加湿する水透過型加湿器を備えた燃料電池の運転停止方法において、
前記燃料電池の運転停止時には、前記供給反応ガスを前記一次側通路に通し、前記一次側通路を通過した前記供給反応ガスの一部を前記燃料電池の前記カソードへ供給し、該燃料電池の前記カソードから排出される前記排出反応ガスを前記二次側通路をバイパスして排出し、前記一次側通路を通過した前記供給反応ガスの残りを前記燃料電池をバイパスさせて前記二次側通路に通すことで前記燃料電池の前記カソードへ供給する供給反応ガスの水分を除去し、前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去するステップと、
前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去した後に、前記燃料電池の前記カソードへの供給反応ガスの供給を停止するステップと、
を備えたことを特徴とする燃料電池の運転停止方法。
【請求項２】
前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去する前記ステップの前に、前記供給反応ガスを前記一次側通路および前記燃料電池をバイパスさせて前記二次側通路に流し、該二次側通路を通過した前記供給反応ガスを排出することで前記二次側通路の水分を除去するステップを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転停止方法。
【請求項３】
前記燃料電池の前記カソードへの供給反応ガスの供給を停止する前記ステップは、前記燃料電池の入口側と出口側の露点差が所定値以下になった場合に前記供給反応ガスの供給を停止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運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、車両用として使用される燃料電池の運転停止時に燃料電池のガス流路内の水分を除去してから運転を停止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して、膜・電極構造体を形成し、この膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持したものがある。この燃料電池では、アノード電極の発電面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、カソード電極の発電面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を各々加湿した状態で供給して化学反応を行い、この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。したがって、環境に与える影響が少ないため車両の駆動源として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した反応によって発生した生成水は燃料電池内の反応ガス流路の各所にある程度残留することが避けられないが、このように生成水が残留した状態で燃料電池を搭載した車両が運転停止した状態において、例えば、氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留する生成水が凍結して、始動性能を悪化させてしまうという問題がある。
このような、問題に対処するため、例えば、特開２０００−１１０７２７号公報に示されているように、燃料電池の運転停止時に、加湿用に使用されている吸水路を遮断して反応ガスを加湿しないで燃料電池内に供給して乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達したら運転を停止するものがある。
【０００４】
ところが、上述したように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、乾燥までに多くの時間がかかるという問題がある。つまり、加湿していないとはいえ反応ガスにもある程度の水分が含まれるため、乾燥にはある程度の時間が必要となる。
その結果、例えば、燃料電池を運転停止しバッテリにより反応ガスの供給装置を駆動すると乾燥に費やすエネルギーが無視できないものとなり、エネルギーマネージメントの上で大きな制約となってしまう。
そこで、この発明は、運転停止時に短時間で燃料電池内を適度に乾燥させることができる燃料電池の運転停止方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の運転時には、前記燃料電池のカソードへ供給される供給反応ガスを水透過型加湿器（例えば、後述する実施の形態における水透過型加湿器３０）の一次側通路（例えば、後述する実施の形態における一次側通路３２）に流し、前記燃料電池の前記カソードから排出された排出反応ガスを前記水透過型加湿器の二次側通路（例えば、後述する実施の形態における二次側通路３３）に流して前記排出反応ガス中の水分を回収し前記供給反応ガスを加湿する水透過型加湿器を備えた燃料電池の運転停止方法において、前記燃料電池の運転停止時には、前記供給反応ガスを前記一次側通路に通し、前記一次側通路を通過した前記供給反応ガスの一部を前記燃料電池の前記カソードへ供給し、該燃料電池の前記カソードから排出される前記排出反応ガスを前記二次側通路をバイパスして排出し、前記一次側通路を通過した前記供給反応ガスの残りを前記燃料電池をバイパスさせて前記二次側通路に通すことで前記燃料電池の前記カソードへ供給する供給反応ガスの水分を除去し、前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去するステップ（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０５）と、前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去した後に、前記燃料電池の前記カソードへの供給反応ガスの供給を停止するステップ（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０７）と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
このように構成することにより、燃料電池の運転時には供給反応ガスを水透過型加湿器で加湿してから燃料電池のカソードに供給する。一方、燃料電池の運転停止時には、供給反応ガスを一次側通路に通し、一次側通路を通過した供給反応ガスの一部を燃料電池のカソードへ供給し、燃料電池のカソードから排出された排出反応ガスを二次側通路をバイパスして排出し、水透過型加湿器の一次側通路を通過した供給反応ガスの残りを燃料電池をバイパスさせて水透過型加湿器の二次側通路に流すことで、一次側通路を流れる供給反応ガスの水蒸気分圧が二次側通路を流れる供給反応ガスの水蒸気分圧よりも大きくなり、その結果、一次側通路を流れる供給反応ガスの水分が二次側通路に透過し、一次側通路を流れる供給反応ガスは除湿される。この除湿された供給反応ガスが燃料電池のカソードに供給されるので、燃料電池内のカソード側の反応ガス流路内の余分な水分を速やかに排出することができる。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池内の前記カソード側の水分を除去する前記ステップの前に、前記供給反応ガスを前記一次側通路および前記燃料電池をバイパスさせて前記二次側通路に流し、該二次側通路を通過した前記供給反応ガスを排出することで前記二次側通路の水分を除去するステップ（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０３）を備えたことを特徴とする。
このように構成することにより、水透過型加湿器を前述の如く除湿器として機能させる前に水透過型加湿器の二次側通路内に残存する水分を除去するので、この後で水透過型加湿器を除湿器として機能させたときに最初から高い除湿性能を得ることができる。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記燃料電池の前記カソードへの供給反応ガスの供給を停止する前記ステップは、前記燃料電池の入口側と出口側の露点差が所定値以下になった場合に前記供給反応ガスの供給を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池内のカソード側の余分な水分が排出されたことを確実に把握した後に供給反応ガスの供給を停止することができるとともに、供給反応ガスの過剰供給を防止することができる。また、露点で管理するので、大気中の水分量に影響を受けず、燃料電池に良い乾燥状態で停止でき、燃料電池の電解質膜の過剰乾燥を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の運転停止方法の一実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。
この実施の形態における燃料電池は車両に搭載されるいわゆる固体高分子型の燃料電池である。この燃料電池は、アノード電極とカソード電極が固体高分子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体を備え、膜・電極構造体はアノード側のセパレータとカソード側のセパレータにより挟持され、これらが複数組積層されてスタックとしての燃料電池が構成される。尚、上記各セパレータと膜・電極構造体との間に反応ガス流路が形成される。
【００１０】
図１はこの発明の第１実施の形態を示すもので、燃料電池１のカソード側のガス供給装置を示した概略構成図である。よって、アノード側は図示を省略する。
燃料電池１のカソード側には、酸化剤ガスとしての空気（供給反応ガス）を供給する反応ガス供給路１０と、反応済みガス（排出反応ガス）を排出する反応ガス排出路２０が接続されている。反応ガス供給路１０と反応ガス排出路２０とにはこれらを跨るように水透過型の加湿器３０が設けられている。
【００１１】
図３および図４は、水透過型加湿器（以下、加湿器と略す）３０の概念図である。加湿器３０は、ケース３１の内部に多数の中空糸膜Ｓを備え、中空糸膜Ｓ内が一次側通路３２、中空糸膜Ｓの周囲が二次側通路３３になっていて、一次側通路３２に反応ガス供給路１０が接続され、二次側通路３３に反応ガス排出路２０が接続されている。尚、水透過型の加湿器３０の形式はこのような中空糸膜を使用した形式のものに限るものではない。
【００１２】
反応ガス供給路１０において加湿器３０よりも上流側には、燃料電池１に酸化剤ガスである空気を圧縮して供給するスーパーチャージャーＳ／Ｃが設けられている。また、反応ガス供給路１０においてスーパーチャージャーＳ／Ｃと加湿器３０との間には第１三方弁６１が設けられている。第１三方弁６１は、スーパーチャージャーＳ／Ｃから供給される空気の供給経路を加湿器３０の一次側通路３２入口側と第１バイパス路４１とに切り換えるものであり、第１バイパス路４１は加湿器３０よりも下流側の反応ガス排出路２０に接続されている。
【００１３】
一方、反応ガス排出路２０において加湿器３０よりも上流側には、第２三方弁６２が設けられている。第２三方弁６２は、燃料電池１から排出された反応済みガスの排出経路を加湿器３０の二次側通路３３入口側と外部排出路５１とに切り換えるものであり、外部排出路５１は大気開放になっている。
【００１４】
さらに、加湿器３０よりも下流側の反応ガス供給路１０と、第２三方弁６２よりも下流側で加湿器３０よりも上流側の反応ガス排出路２０は、第１遮断弁６３を備えた第２バイパス路４２によって接続されている。また、第２三方弁６２よりも下流側で加湿器３０よりも上流側の反応ガス排出路２０は、第２遮断弁６４を備えた排出路５２によって外部排出路５１に接続されている。
一方、反応ガス排出路２０において第１バイパス路４１との接続部よりも下流側には、反応済みガスを排出するとともに燃料電池１へ供給される反応ガスの圧力を調整する圧力制御弁６５が設けられている。
【００１５】
燃料電池１の反応ガスの入口側には、反応ガス供給路１０から燃料電池１に供給される空気の露点を検出する入口側露点計Ｔ１が設けられ、燃料電池１の反応済みガスの出口側には、燃料電池１から排出される反応済みガスの露点を検出する出口側露点計Ｔ２が設けられている。尚、ガス内に含まれる水分量を検出できれば露点計Ｔ１，Ｔ２以外に湿度計を用いることも可能である。
【００１６】
そして、二つの露点計Ｔ１，Ｔ２、スーパーチャージャーＳ／Ｃ、二つの三方弁６１，６２、二つの遮断弁６３，６４、圧力制御弁６５が、ＥＣＵ１００に接続されている。ＥＣＵ１００はこれらから信号を受けこれらを駆動制御する。
【００１７】
そして、この燃料電池１の運転時には、第１三方弁６１は加湿器３０の一次側通路３２入口側に接続して第１バイパス路４１を遮断し、第２三方弁６２は加湿器３０の二次側通路３３入口側に接続して外部排出路５１を遮断し、二つの遮断弁６３，６４を全閉にし、圧力制御弁６５は燃料電池１の発電電流に応じて開度制御する。これにより、スーパーチャージャーＳ／Ｃにより加圧された酸化剤としての空気が加湿器３０の一次側通路３２を通って燃料電池１に供給されて、図示しない水素タンク等の水素供給源から供給される水素と反応して発電に供され、その生成物である水を多く含む反応済みガスが加湿器３０の二次側通路３３を通って圧力制御弁６５から排出される。そして、このときに加湿器３０において、二次側通路３３を流れる反応済みガスに含まれる水分が中空糸膜Ｓを透過し、一次側通路３２を流れる空気を加湿する。図１において矢印Ａは燃料電池１の運転時の加湿器３０内における水分の流れ方向を示している。
【００１８】
次に、図２のフローチャートを参照して、この実施の形態における燃料電池の運転停止方法を説明する。
まず、ステップＳ０１においてイグニッションスイッチがＯＦＦであることを検知すると、ステップＳ０２において、図示しない水素ガスタンクからの水素ガスの供給を停止して発電を停止し、図示しないバッテリやキャパシタなどの蓄電装置を駆動源としてスーパーチャージャーＳ／Ｃを駆動し、所定流量（例えば、１．５ｍ3／ｍｉｎ）で空気を供給する。
【００１９】
次に、ステップＳ０３において、第１三方弁６１を第１バイパス路４１側に接続し、圧力制御弁６５を全閉にし、第２三方弁６２を外部排出路５１側に接続し、第１遮断弁６３を全閉にし、第２遮断弁６４を全開にする。これにより、スーパーチャージャーＳ／Ｃから供給される空気は、第１三方弁６１から第１バイパス路４１を通り、反応ガス排出路２０を通って、加湿器３０の二次側通路３３に供給され、この二次側通路３３を逆流して反応ガス排出路２０に排出され、排出路５２および第２遮断弁６４を通って外部排出路５１に排出されて、大気に排出される。これにより、加湿器３０の二次側通路３３内に残存している水分が速やかに排出され、二次側通路３３内の水分が除去される。これにより、加湿器３０の凍結も防止できる。
尚、このときには、スーパーチャージャーＳ／Ｃから供給される空気は加湿器３０の一次側通路３２には流れず、また、燃料電池１にも供給されないこととなる。
【００２０】
次に、ステップＳ０４において、前述の如く空気の経路を切り換えてから所定時間（例えば、１０ｓｅｃ）経過したか否か判定する。判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過していない）である場合はステップＳ０４における判定を繰り返す。判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過した）である場合はステップＳ０５に進む。
【００２１】
ステップＳ０５において、第１三方弁６１を加湿器３０の一次側通路３２入口側に接続し、圧力制御弁６５を全開にし、第２三方弁６２を外部排出路５１側に接続し、第１遮断弁６３を所定開度で開き、第２遮断弁６４を全閉にする。これにより、スーパーチャージャーＳ／Ｃから供給される空気は、第１三方弁６１から加湿器３０の一次側通路３２に供給され、一次側通路３２を通過した空気の一部は、第２バイパス路４２および第１遮断弁６３を通り、さらに反応ガス排出路２０を通って、加湿器３０の二次側通路３３に供給され、一方、一次側通路３２を通過した残りの空気は反応ガス供給路１０を通って燃料電池１に供給される。
【００２２】
ここで、一次側通路３２に供給される空気はスーパーチャージャーＳ／Ｃによって加圧されているので水蒸気分圧が高く、二次側通路３３に供給される空気は低圧のため水蒸気分圧が低くなる。そのため、一次側通路３２を流れる空気中の水分は中空糸膜Ｓを透過して二次側通路３３へと移動し（図１において矢印Ｂ）、二次側通路３３を流れる空気とともに、反応ガス排出路２０および圧力制御弁６５を通って排出されることとなる。これにより、一次側通路３２を流れる空気は除湿される。特に、この実施の形態では、ステップＳ０３における流路切換により二次側通路３３内に残存する水分を排出してから、ステップＳ０５における流路切換をしているので、ステップＳ０５における流路切換をした直後から一次側通路３２を流れる空気を除湿することができる。さらに、その後は、除湿された空気が加湿器３０の二次側通路３３に供給されるようになるので、一次側通路３２を流れる空気の除湿が継続して行われることとなる。
【００２３】
また、除湿された空気が燃料電池１に供給されるので、燃料電池１内の反応ガス流路の水分および電解質膜に付着した水分が反応ガス排出路２０に排出され、空気とともに反応ガス排出路２０から第２三方弁６２を通って外部排出路５１に排出される。
そして、ステップＳ０６において、出口側露点計Ｔ２で検出される燃料電池１の出口側の露点Ｂと、入口側露点計Ｔ１で検出される燃料電池１の入口側の露点Ａとの差が所定値（例えば、１０ｄｅｇ）よりも小さいか否か、あるいは、発電停止後所定時間（例えば、３ｍｉｎ）経過したか否かを判定する。
【００２４】
つまり、燃料電池１の出口側の露点Ｂが入口側の露点Ａに近づき、露点Ｂと露点Ａとの差が所定値（１０ｄｅｇ）より小さくなったら燃料電池１内から水分が十分に除去されたと考えられるからであり、また、除湿空気の過剰供給による燃料電池１の固体高分子電解質膜の過剰乾燥を防止するためである。また、発電停止後所定時間（３ｍｉｎ）以上、蓄電装置でスーパーチャージャーＳ／Ｃを駆動し続けるのはエネルギーマネージメントの上で好ましくないからである。
【００２５】
このように、燃料電池１の反応ガスの入口側と出口側の露点を検出することで燃料電池１内の余分な水分が排出されたことを確実に把握することができる。また、露点で管理するので、大気中の水分量に影響を受けず、燃料電池１に良い乾燥状態で停止でき、燃料電池１の電解質膜の過剰乾燥を防止することができる。したがって、最適な状態で燃料電池１の再始動に備えることができる。ここで、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置の容量を設定する際には、燃料電池１内の水分が十分に排出される前に蓄電装置の電圧が低下しないようにすることが望ましい。
【００２６】
そして  ステップＳ０６における判定結果が「ＹＥＳ」である場合はステップＳ０７に進みスーパーチャージャーＳ／Ｃを停止して本制御ルーチンの実行を終了する。一方、ステップＳ０６における判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ０６における判定を繰り返す。
【００２７】
したがって、この実施の形態によれば、燃料電池１の発電停止後に空気流路を切り換えることにより、加湿器３０が除湿器として機能するようになり、スーパーチャージャーＳ／Ｃから供給される空気は加湿器３０により水分を除去されて燃料電池１に供給される。したがって、燃料電池１内の反応ガス流路に残っている水分を効果的に短時間で除去することができ、エネルギーマネージメントの上からも極めて有利である。
【００２８】
よって、次に燃料電池１を運転する場合に、例えば、生成水が反応ガス流路を閉塞していたり、あるいは、低温起動時に生成水が凍結して反応ガスが流れなかったり、あるいは触媒上での反応の妨げになるといった不具合を防止することができ、燃料電池１の始動性能を飛躍的に向上することができる。その結果、車両用として用いられる燃料電池１のように運転が停止される環境が異なるような使用が行われる場合に好適である。
【００２９】
尚、この実施の形態は図２のステップＳ０６におけるスーパーチャージャーＳ／Ｃ停止のトリガとして、燃料電池１の入口側と出口側の露点の差、あるいは、除湿空気の燃料電池１への供給時間を用いたが、蓄電装置の電圧低下によってスーパーチャージャーＳ／Ｃを停止するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の運転停止時には水透過型加湿器が一次側通路を流れる供給反応ガスを除湿する除湿器として機能し、除湿された供給反応ガスを使用して短時間で燃料電池内のカソード側の反応ガス流路内の余分な水分を排出することができるので、エネルギーマネージメントの上での制約を与えることなく、燃料電池の始動性を向上させることができるという優れた効果が奏される。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、水透過型加湿器を前述の如く除湿器として機能させる前に水透過型加湿器の二次側通路内に残存する水分を除去するので、この後で水透過型加湿器を除湿器として機能させたときに最初から高い除湿性能を得ることができ、したがって、燃料電池のカソード側の反応ガス流路内の水分排出をさらに短時間で終了することができるという効果がある。
【００３２】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池内のカソード側の余分な水分が排出されたことを確実に把握した後に供給反応ガスの供給を停止することができるので、最適な状態で燃料電池の始動に備えることができる。また、供給反応ガスの過剰供給および燃料電池の過剰乾燥を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】  前記実施の形態のフローチャート図である。
【図３】  前記実施の形態において使用する水透過型加湿器の概略説明図である。
【図４】  図３のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
３０  水透過型加湿器
３２  一次側通路
３３  二次側通路
【図１】
0004864228.tif 000002
【図２】
0004864228.tif 000003
【図３】
0004864228.tif 000004
【図４】
0004864228.tif 000005