(57)【要約】【課題】燃料電池の発電運転停止後に、電解質膜の湿潤状態を保ちつつ、掃気運転を行うことで、氷点下における起動時の発電性能を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１０の制御ユニット７０は、発電運転を停止させると、掃気運転制御を開始する。掃気運転制御では、燃料電池スタック２０の温度Ｔが所定値Ｔｈ１以下になると、乾燥空気を用いて、燃料電池スタック２０、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０への掃気運転を開始する。そして、燃料電池スタック２０の面抵抗値Ｒｓが、所定値ＴＨ２以上になると、掃気運転を停止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記燃料電池の温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転工程と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了工程と
を備えた燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記パラメータは、前記燃料電池の内部抵抗値である請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、非加湿状態のガスである請求項１または請求項２記載の運転方法。
【請求項４】
前記不活性ガスは、空気である請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池の運転方法。
【請求項５】
水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を把握する手段と、
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記把握した温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転手段と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータを取得する取得手段と、
該取得したパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項６】
前記パラメータは、前記燃料電池の内部抵抗値である請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記不活性ガスは、非加湿状態のガスである請求項５または請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記不活性ガスは、空気である請求項５ないし請求項７のいずれか記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固形高分子形燃料電池では、電気化学反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は、発電停止後にも燃料電池内部に残留する。このような残留水が残留した状態で、氷点下のような低温環境下で燃料電池を起動する場合には、残留水が触媒表面やガス流路等で凍結して、反応ガスの電極への供給を阻害する要因となるため、残留水を除去することが必要となる。一方で、固形高分子形燃料電池を構成する電解質膜は、水を介してプロトンを伝導するために、一定以上に湿潤した状態を保っておく必要がある。かかる課題は、固形高分子形燃料電池に限らず、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に共通した課題であった。このような課題に対して、例えば、下記の技術が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２００７７９号公報
【特許文献２】特開２００４−１９９９８８号公報
【０００４】
特許文献１では、掃気運転において、電解質膜の湿潤の状態と相関のある燃料電池のインピーダンスを測定し、インピーダンスが所定値以上になった場合に、掃気運転を停止することで、電解質膜の過剰な乾燥を防止できる掃気運転の停止制御技術を開示している。しかしながら、燃料電池のインピーダンスは、電解質膜の状態が湿潤状態からある程度乾燥した状態に移行する際には、急激に変化するため、インピーダンスが所定の値に達するポイントをねらって、タイミング良く掃気運転を停止する制御を行うことは、実際上、困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の発電運転停止後に、電解質膜の湿潤状態を保ちつつ、掃気運転を行うことで、氷点下における起動時の発電性能を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記燃料電池の温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転工程と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了工程と
を備えた燃料電池の運転方法。
【０００８】
かかる燃料電池の運転方法は、燃料電池の温度が低下してから掃気運転を行うことで、温度の低下前に掃気運転を行う場合と比べて、飽和蒸気圧が低下するので、電解質膜から掃気ガス中へ蒸発する水分量を抑制することができ、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。また、これにより、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅くなるので、すなわち、電解質膜の湿潤の状態の変化速度が遅くなるので、電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、電解質膜が過剰に乾燥しないタイミングで精度良く、掃気運転を停止することができる。
【０００９】
［適用例２］パラメータは、燃料電池の内部抵抗値である適用例１記載の燃料電池の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、燃料電池の内部抵抗値が電解質膜の湿潤の状態によって大きく変化することを利用して、燃料電池の内部抵抗値に基づいて、掃気運転を終了させるので、電解質膜が過剰に乾燥する前に、確実に掃気運転を停止することができる。
【００１０】
［適用例３］不活性ガスは、非加湿状態のガスである適用例１または適用例２記載の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、非加湿状態のガスで掃気運転を行うので、水分の除去効率が良く、効率的である。
【００１１】
［適用例４］不活性ガスは、空気である適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、掃気運転に用いる空気を、外気から取り込めばよく、掃気ガスの貯留設備等を必要としないので、設備構成を簡略化することができる。また、掃気ガスを用意したり、生成したりする必要がないので、ランニングコストを削減することができる。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池の運転方法のほか、燃料電池システム、コンピュータプログラム等としても実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム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、電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック２０、燃料電池スタック２０に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器３０、燃料電池スタック２０に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器４０、燃料電池スタック２０を冷却する冷却系機器５０、燃料電池システム１０を制御する制御ユニット７０を備えている。
【００１４】
燃料電池スタック２０は、アノード、カソード、電解質膜、セパレータ等からなる積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池である。本実施例においては、燃料電池スタック２０は、固形高分子形燃料電池であり、電解質膜には、ポリテトラフルオロエチレンを用いている。
【００１５】
また、燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の運転温度を把握するための温度センサ２２と、燃料電池スタック２０のインピーダンスを計測するインピーダンス計２４とが取り付けられている。本実施例においては、温度センサ２２にはサーミスタを用いたが、方式は特に限定するものではなく、熱電対など種々の公知の方式を用いることができる。同様に、インピーダンス計２４には、高周波インピーダンス式を用いたが、方式は特に限定するものではなく、電流遮断式種々の公知の方式を用いることができる。
【００１６】
燃料ガス系機器３０は、水素タンク３１、シャットバルブ３２、レギュレータ３３、気液分離器３６、循環ポンプ３７、パージ弁３９と配管３４，３５，３８によって構成される。水素タンク３１に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ３２、レギュレータ３３によって圧力及び供給量が調整されて、配管３４を介して燃料電池スタック２０のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３５を介して気液分離器３６に導かれ、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった残留水素とを分離する。気液分離器３６によって分離された水素は、循環ポンプ３７及び配管３８を介して燃料電池スタック２０に再循環される。
【００１７】
また、気液分離器３６と循環ポンプ３７との間の配管３８は、分岐しており、この分岐先には、パージ弁３９が配設されている。上述のアノードオフガスの再循環の際には、このパージ弁３９は、通常、閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、アノードオフガスを、配管３８を介して後述する希釈器４６に導入し、さらに系外に排出することで、不純物濃度の上昇を抑えている。
【００１８】
酸化ガス系機器４０は、エアクリーナ４１、エアコンプレッサ４２、希釈器４６、配管４３，４５，４７、仕切弁４４によって構成される。エアクリーナ４１から吸入された空気は、エアコンプレッサ４２によって圧縮され、配管４３を介して燃料電池スタック２０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管４５を介して希釈器４６に導入される。
【００１９】
この希釈器４６では、カソードオフガスと、上述の所定のタイミングで希釈器４６に導入されるアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度が希釈される。希釈器４６から排出された排出ガスは、配管４７を介して、燃料電池システム１０の系外へ排出される。
【００２０】
また、配管４３は、エアコンプレッサ４２と燃料電池スタック２０との間で分岐しており、この分岐先は、仕切弁４４を介して、燃料ガス系機器３０の配管３４に接続されている。通常、仕切弁４４は、閉じられているが、後述する掃気運転時において、仕切弁４４は開放され、空気を燃料ガス系機器３０にも供給する。
【００２１】
冷却系機器５０は、ラジエータ５１、循環ポンプ５２、配管５４によって構成される。冷却水は、配管５４を介して循環ポンプ５２によって燃料電池スタック２０とラジエータ５１との間を循環する。これにより、燃料電池スタック２０で電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ５１で放熱することで、燃料電池スタック２０の温度を適正に保つことができる。
【００２２】
上述の装置は、制御ユニット７０により制御される。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求７６と各種センサ７８からの信号を受けて、レギュレータ３３、エアコンプレッサ４２や燃料電池システム１０の各種アクチュエータ７７に駆動信号を出力し、燃料電池システム１０の運転全体を制御する。また、制御ユニット７０は、掃気運転部７２や掃気運転終了部７４としても機能する。この掃気運転部７２や掃気運転終了部７４の詳細については、「Ａ−２．掃気運転制御」で後述する。
【００２３】
Ａ−２．掃気運転制御：
燃料電池システム１０における掃気運転制御について、図２を用いて説明する。掃気運転とは、燃料電池システム１０の発電運転の停止後に、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０に不活性ガスを送り込むことにより、燃料電池スタック２０、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０に残留する残留水を除去する運転である。本実施例における掃気運転制御は、制御ユニット７０が、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０を停止させ、燃料電池スタック２０の発電運転を停止することで開始される。
【００２４】
排気運転制御が開始されると、制御ユニット７０は、温度センサ２２を用いて、燃料電池スタック２０の温度Ｔを検知し、温度Ｔが所定値Ｔｈ１以下まで低下したか否かを判断している（ステップＳ１１０）。その結果、温度Ｔが所定値Ｔｈ１より大きければ（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御ユニット７０は、温度Ｔが所定値Ｔｈ１以下となるまで待機する。本実施例では、所定値Ｔｈ１＝３０℃とした。
【００２５】
なお、本実施例では、燃料電池スタック２０の温度Ｔは、温度センサ２２により直接的に検知する構成としたが、他の方法により間接的に把握する構成としてもよい。例えば、制御ユニット７０は、冷却系機器５０を稼働させて、循環する冷却水の温度を検知することで、燃料電池スタック２０の温度を把握してもよい。
【００２６】
一方、温度Ｔが所定値Ｔｈ１まで低下すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、掃気運転部７２の処理として、掃気運転を開始する（ステップＳ１２０）。具体的には、制御ユニット７０は、レギュレータ３３を閉じた状態で仕切弁４４を開き、エアコンプレッサ４２を駆動させて、空気による掃気を行うのである。このように、掃気を行うことで、燃料電池スタック２０、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０に残留する残留水を除去することができる。
【００２７】
本実施例において、掃気に用いられる空気は、外気から取り入れたそのままの空気を用いた。また、含まれる水分（水蒸気）を低減した乾燥空気を用いてもよい。乾燥空気を用いることで、残留水の除去効率を向上させることができる。また、空気は、外気から得ることができ、燃料電池スタック２０への供給ルートには、酸化ガス系機器４０を活用できることから、掃気用ガスの貯留設備などを設ける必要が無く、設備構成を簡略化することができる。
【００２８】
なお、掃気用ガスは、乾燥空気に限るものではなく、非加湿状態の不活性ガス、例えば、窒素などであってもよい。また、乾燥空気の供給ルートは、燃料ガス系機器３０と酸化ガス系機器４０とで独立して別々に設けてもよいし、天候などの影響により、外気から得る空気の湿度が高い場合に、好適な湿度の乾燥空気を得るために、除湿フィルタなどの除湿装置を設けてもよい。
【００２９】
掃気運転を開始すると、制御ユニット７０は、インピーダンス計２４を用いて、燃料電池スタック２０に高周波の交流電圧を印加して、燃料電池スタック２０のインピーダンスを測定し、インピーダンスＺから算出した面抵抗値Ｒｓ（ｍΩ・ｃｍ2）が所定値Ｔｈ２まで増加したか否かを判断している（ステップＳ１３０）。ここでの判断に用いるインピーダンスＺは、瞬間値である。このように、インピーダンスＺをモニタリングするのは、燃料電池スタック２０の抵抗値から、電解質膜の湿潤の状態を推定できるからである。例えば、燃料電池スタック２０を構成する電解質膜の湿潤状態が乾燥側へ変化すると、電解質膜のプロトン伝導能力が低下し、その結果、燃料電池スタック２０の抵抗値が増加するのである。
【００３０】
その結果、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以よりも小さければ（ステップＳ１３０：ＮＯ）、電解質膜は、まだ、十分に湿潤状態にあるということであり、制御ユニット７０は、ステップＳ１２０で開始した掃気運転を継続しながら、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以上となるまで待機する。
【００３１】
一方、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２よりも大きければ（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、電解質膜は、湿潤状態から乾燥状態に移行しつつあるということであり、制御ユニット７０は、掃気運転終了部７４の処理として、掃気運転を停止し（ステップＳ１４０）、掃気運転制御を終了する。
【００３２】
なお、本実施例においては、上記ステップＳ１３０の判断において、インピーダンスＺの瞬間値を用いて、面抵抗値Ｒｓを算出したが、これに限るものではなく、所定時間内における平均値などの統計値であってもよい。こうすれば、より精度良く、電解質膜の湿潤の状態を判断することができる。
【００３３】
Ａ−３．掃気運転制御の効果：
かかる構成の燃料電池システム１０は、非加湿状態の不活性ガスで掃気運転を行うので、加湿状態の不活性ガスで掃気運転を行う場合と比べて、残留水の除去効率を高めることができる。また、燃料電池スタック２０の温度が低下してから掃気運転を行うことで、温度の低下前に掃気運転を行う場合と比べて、飽和蒸気圧が低下するので、電解質膜から掃気ガス中へ蒸発する水分量を抑制することができ、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。また、電解質膜の湿潤の状態と相関のある、燃料電池スタック２０の面抵抗値Ｒｓに基づいて、掃気運転の停止を制御するので、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。以上のことから、燃料電池システム１０は、電解質膜の過剰な乾燥を抑制しながら、効率的に掃気運転を行うことにより、燃料電池スタック２０、燃料ガス系機器３０及び酸化ガス系機器４０の残留水を効率的に除去できるので、氷点下における起動時の発電性能を向上させることができる。
【００３４】
かかる効果の具体例について、図３を用いて説明する。図３は、掃気条件と氷点下発電時の限界電流値との関係についての実験結果の一例を示す説明図である。ここで、氷点下発電時とは、燃料電池システム１０の発電運転の停止後に掃気運転を行って燃料電池システム１０を停止させた後に、燃料電池システム１０を氷点下条件下でコールドスタートさせて、発電を行う時をいう。また、ここでの限界電流値とは、気温が−２０℃の条件下でコールドスタートさせた燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性において電圧が０．２Ｖであるときの電流値をいう。
【００３５】
図示するように、条件１（燃料電池スタック２０の温度Ｔ＝８０℃、掃気ガス＝加湿ガス、掃気時間＝１２分）の掃気条件では、限界電流値は約０．１８Ａ／ｃｍ2である。一方、条件４（温度Ｔ＝２０℃、掃気ガス＝非加湿ガス、掃気時間＝１２分）では、限界電流値は条件１と同程度となる。これは、条件４では、掃気ガスに非加湿ガスを用いたことにより、残留水の除去効果が条件１よりも向上したと共に、低温で掃気を行ったことにより、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜の乾燥が抑制されたプラス要因と、低温で掃気を行ったことにより、飽和蒸気圧が低下し、同一掃気時間における残留水の除去効果が低下したマイナス要因とがバランスしたことに起因している。条件４に対して、より低温条件下である条件２及び条件３では、上述のマイナス要因が勝り、残留水除去効果がさらに低下するので、限界電流値もさらに低下している。
【００３６】
これに対して、条件５（燃料電池スタック２０の温度Ｔ＝３０℃、掃気ガス＝非加湿ガス、掃気時間＝面抵抗値Ｒｓが２６ｍΩ・ｃｍ2上昇するまで）では、上述のプラス要因が勝っていることに加え、面抵抗値Ｒｓにより掃気停止を制御することで、電解質膜の乾燥を絶妙のタイミングで抑えられるので、限界電流値は約０．２４Ａ／ｃｍ2となり、氷点下発電時の発電性能を飛躍的に向上させることができた。
【００３７】
なお、掃気運転時の燃料電池スタック２０の温度Ｔが３０℃である場合、本実施例での掃気を停止させる最適なタイミングは、面抵抗値Ｒｓが２６ｍΩ・ｃｍ2上昇した時点である（通常、電解質膜が湿潤状態である時の面抵抗値Ｒｓは、１００ｍΩ・ｃｍ2程度。これを適用すれば、所定値Ｔｈ２＝１２６ｍΩ・ｃｍ2程度）が、所定値Ｔｈ２＝４００ｍΩ・ｃｍ2程度までであれば、掃気運転を実施しても、電解質膜の湿潤性は、ある程度確保することができる。また、掃気を停止させるタイミングは、面抵抗値Ｒｓが定格運転時の１／３〜１／５程度上昇した時点、好ましくは、１／４程度上昇した時点として制御してもよい。
【００３８】
また、かかる構成の燃料電池システム１０は、温度が低下してから掃気運転を行うことで、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅くなる、すなわち、電解質膜の乾燥に伴う面抵抗値Ｒｓの上昇速度が遅くなる。この現象について、図４を用いて詳しく説明する。図４は、掃気運転における掃気時間と燃料電池スタック２０の面抵抗値Ｒｓとの関係を示している。高温条件下で掃気運転を行った場合には、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が速いために、曲線Ｃ１に示すように、掃気時間の経過と共に、面抵抗値Ｒｓが急激に上昇する。このため、掃気時間が時間Ｔ１となるタイミングにおいて、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以上となるが、制御ユニット７０がこれを検知して掃気運転を停止した時には、面抵抗値Ｒｓはさらに大きな値になっている、すなわち、電解質膜の乾燥が相当程度進行していることとなる。
【００３９】
一方、低温条件下で掃気運転を行った場合には、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅いために、曲線Ｃ２に示すように、掃気時間の経過と共に、面抵抗値Ｒｓは緩やかに上昇する。このため、掃気時間が時間Ｔ２となるタイミングにおいて、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以上となるが、制御ユニット７０は、面抵抗値Ｒｓが概ね所定値Ｔｈ２となるポイントで掃気運転を停止することができる。すなわち、電解質膜の湿潤の状態を精度良く制御可能である。このように、低温条件下での掃気運転において、面抵抗値Ｒｓに基づいて掃気運転の停止制御を行うことにより、停止制御の精度を高めることができ、上述した氷点下起動時の発電性能の向上に寄与することができるのである。
【００４０】
なお、本実施例においては、所定値Ｔｈ１を３０℃としたが、所定値Ｔｈ１は、掃気運転時における電解質膜の乾燥速度を所望の速度に緩和するために予め定められた温度であり、燃料電池スタック２０の運転温度よりも低い温度であればよい。温度が低下すれば、発電直後に掃気運転を開始する場合と比べて、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度を遅くすることができ、その結果、電解質膜の過剰な乾燥を抑制できるからである。ただし、飽和蒸気圧曲線は、低温側に向かうほど飽和蒸気圧の低下率が減少し、徐々に、飽和蒸気圧の低下効果が小さくなること、飽和蒸気圧が低下しすぎると、掃気による燃料ガス系機器３０や酸化ガス系機器４０の残留水の除去効果も減少することから、所定値Ｔｈ１は、２０〜４０℃程度とすることが好適である。
【００４１】
Ｂ．変形例：
上述した実施例の変形例について説明する。
Ｂ−１．変形例１：
実施例の掃気運転制御においては、掃気運転の停止時期の判断を行うパラメータとして、燃料電池スタック２０の面抵抗値Ｒｓを用い、面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以上となったときに、掃気運転を停止するものとしたが、このような例に限られるものではない。上述のパラメータは、電解質膜の湿潤の状態を推定し得るものであればよく、例えば、掃気時間などであってもよい。
【００４２】
例えば、事前に、掃気運転条件と面抵抗値Ｒｓと掃気時間との関係を把握して、掃気運転条件と面抵抗値Ｒｓが所定値Ｔｈ２以上になる掃気時間との関係を、制御ユニット７０のメモリにテーブルとして記憶しておき、制御ユニット７０が、該当するテーブルを参照して、実施している掃気運転の条件に応じた掃気時間だけ、掃気を行い、その後、掃気を停止する構成としてもよい。例えば、実施例に示したように、燃料電池スタック２０の温度Ｔが３０℃であるときに掃気を行う場合、面抵抗値Ｒｓが２６ｍΩ・ｃｍ２上昇するタイミングに相当する最適な掃気時間として１０分間と設定することができる。こうすれば、より簡単な構成で、掃気運転制御を行うことができる。
【００４３】
Ｂ−２．変形例２：
実施例では、掃気運転制御において、燃料電池スタック２０に対する強制冷却処理は、特に行わない構成とした。すなわち、燃料電池スタック２０の発電運転が停止し、掃気運転制御が開始されると、制御ユニット７０は、上記ステップＳ１１０では、自然冷却により燃料電池スタック２０の温度Ｔが所定値Ｔｈ１以下に低下したか否かを判断している。しかし、このような構成に限るものではなく、上記Ｓ１１０の前段に、燃料電池スタック２０を強制冷却する処理を付加してもよい。例えば、冷却系機器５０に冷却水を循環させることで、燃料電池スタック２０を強制冷却させてもよい。こうすれば、燃料電池スタック２０の温度Ｔが低下するまでの時間を短縮することができるので、発電運転を終了させてから、燃料電池システム１０が完全に運転停止するまでの時間を短縮することができる。
【００４４】
Ｂ−３．変形例３：
実施例においては、上記Ｓ１３０の判断に用いる面抵抗値Ｒｓは、燃料電池スタック２０全体の面抵抗値Ｒｓとしたが、燃料電池スタック２０を構成する単一の燃料電池セルの面抵抗値Ｒｓであってもよい。このような場合、インピーダンスを計測する燃料電池セルは、電解質膜が乾燥しやすいセル、例えば、掃気の上流側のセルを選定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック２０を構成する各々の燃料電池セルの電解質膜のいずれもが過剰に乾燥しない状態で掃気運転を停止することができる。
【００４５】
また、インピーダンスの測定箇所は、１箇所に限るものではなく、複数の燃料電池セルのインピーダンスを計測し、その平均値、最大値、最小値などの統計値に基づいて、掃気運転停止の判断を行ってもよい。こうすれば、電解質膜が過剰に乾燥しない状態で、より精度良く、掃気運転を停止することができる。
【００４６】
また、燃料電池スタック２０などのインピーダンスには、温度依存性があるので、掃気運転時の燃料電池スタック２０の温度Ｔにより所定値Ｔｈ２を変化させる構成としてもよい。こうすれば、電解質膜が過剰に乾燥しない状態で、より精度良く、掃気運転を停止することができる。
【００４７】
Ｂ−４．変形例４：
実施例においては、非加湿状態の不活性ガスを用いて、燃料電池スタック２０の運転温度よりも低温の状態で、掃気運転を行ったが、掃気運転は、このような形態に限られるものではなく、掃気運転時における電解質膜の乾燥速度を緩和することができる掃気条件を設定して、掃気運転を行えばよい。例えば、非加湿状態の不活性ガスに代えて、加湿状態の不活性ガスを用いてもよい。あるいは、時間当たりの掃気量を少なくしてもよい。こうしても、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度を遅くすることができ、停止制御の精度を高めることができる。
【００４８】
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例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した水素ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池など、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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】掃気運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】掃気運転の条件と、次回立ち上げ時の燃料電池の発電性能との関係の具体例を示す説明図である。
【図４】掃気運転の条件と、燃料電池スタック２０の面抵抗値Ｒｓの上昇速度との関係の具体例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２２…温度センサ
２４…インピーダンス計
３０…燃料ガス系機器
３１…水素タンク
３２…シャットバルブ
３３…レギュレータ
３４，３５，３８…配管
３６…気液分離器
３７…循環ポンプ
３９…パージ弁
４０…酸化ガス系機器
４１…エアクリーナ
４２…エアコンプレッサ
４３，４５，４７…配管
４４…仕切弁
４６…希釈器
５０…冷却系機器
５１…ラジエータ
５２…循環ポンプ
５４…配管
７０…制御ユニット
７２…掃気運転部
７４…掃気停止部
７６…出力要求
７７…各種アクチュエータ
７８…各種センサ
【図１】
2009266689.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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