(57)【要約】【課題】既存の燃料電池システムよりも、氷点下での再始動が容易に行える（氷点下始動時における燃料電池の電極間抵抗値が小さくなる）燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１を、燃料電池１０の発電動作の停止時に、燃料電池１０内の電解質膜の１ｃｍ2当たりの水分量が、電解質膜の１ｃｍ2当たりの不凍水量に１ｍｇ／ｃｍ2以下の値を加算した目標量となるまで、燃料電池１０内の水分量を低減するための機構（気液分離器２２、水素ポンプ２５、ガス流路２８等からなる機構）が動作するシステムとして構成しておく。【選択図】図１
2009206040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池内の水分量を低減するための水分量低減機構と、
前記燃料電池の発電動作の停止時に、前記燃料電池内の電解質膜の１ｃｍ2当たりの水
分量が、当該電解質膜の１ｃｍ2当たりの不凍水量に１ｍｇ／ｃｍ2以下の値を加算した目標量となるように、前記水分量低減機構を作動させる制御ユニットと
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御ユニットが、
発電動作の停止時点における前記燃料電池の状況から、前記燃料電池内の前記電解質膜の１ｃｍ2当たりの水分量を前記目標量とするのに必要な前記水分量低減機構の作動時間
を求め、求めた作動時間だけ前記水分量低減機構を作動させるユニットである
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水分量低減機構が、
前記燃料電池の発電動作中は、発電により前記燃料電池内に生じた水分を除去するために使用される機構である。
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池、及び、前記燃料電池内の水分量を低減するための水分量低減機構を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電動作の停止時に、前記燃料電池内の電解質膜の１ｃｍ2当たりの水
分量が、当該電解質膜の１ｃｍ2当たりの不凍水量に１ｍｇ／ｃｍ2以下の値を加算した目標量となるように、前記水分量低減機構を作動させる
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムと燃料電池システムの制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、その動作原理上、単純に停止させると、システム内（燃料電池内や配管内）に比較的に多量の水が残ってしまうシステムとなっている。そして、燃料電池システムの再始動時にシステム内の水が凍っていると、燃料電池に発電動作を開始させることが不可能或いは困難になる。
【０００３】
このため、氷点下で再始動できるようにするために、システム内の水分量を減少させるための処理が発電停止時（システムの完全停止前）に行われるようにした燃料電池システム（例えば、特許文献１〜３参照。）が開発されている。そして、そのような既存の燃料電池システムは、燃料電池内の各電解質膜の単位面積当たりの水分量が、電解質膜の単位面積当たりの飽和含水量、或いは、それ以上の規定量となるまで、システム内の水分量を減少させるものとなっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２００７２５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７９８３３号公報
【特許文献３】特開２００７−２５８０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の第１の課題は、上記のような水分量の制御が行われる燃料電池システムよりも、氷点下での再始動が効率的に行える燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の第２の課題は、上記のような水分量の制御では氷点下始動時に問題が生ずる燃料電池システムに対しても使用できる燃料電池システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した第１の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内の水分量を低減するための水分量低減機構と、前記燃料電池の発電動作の停止時に、前記燃料電池内の電解質膜の１ｃｍ2当たりの水分量が、当該電解質膜の１ｃｍ2当たりの不凍水量に１ｍｇ／ｃｍ2以下の値を加算した目標量となるように前記水分量低
減機構を作動させる制御ユニットとを、備える。
【０００８】
この燃料電池システムは、以下のような知見に基き完成するに到ったものである。なお、以下の説明では、“電解質膜の１ｃｍ2当たりの〜量”のことを、“電解質膜の〜量”
（或いは、単に“〜量”）と表記することにする。
【０００９】
本発明者は、氷点下での再始動が容易に行える燃料電池システムを開発すべく、鋭意、研究を行ったところ、或る種の燃料電池を燃料電池システムに用いた場合には、発電停止後に電解質膜の水分量を飽和含水量まで下げておいても、氷点下始動時における燃料電池の電極間の抵抗値（以下、氷点下抵抗値と表記する）が大きくなってしまい、その結果として、氷点下始動が出来なくなることを見出した。また、そのような現象が生ずる燃料電池は、“飽和含水量−不凍水量”の値が比較的に大きな電解質膜を有するものであることも見出した。さらに、そのような現象が生ずる燃料電池を用いた燃料電池システムであっ
ても、発電停止後に電解質膜の水分量を“不凍水量＋１”（ｍｇ／ｃｍ2）以下まで下げ
ておけば、氷点下抵抗値がさほど高くならないため、氷点下始動が可能であることも見出した。
【００１０】
また、本発明者は、燃料電池用の各種電解質膜について、“飽和含水量＞不凍水量＋１”が成立することや、“飽和含水量−不凍水量”の値が比較的に小さな電解質膜を有する燃料電池も、発電停止後に電解質膜の水分量を、“不凍水量＋１”まで下げておけば、氷点下抵抗値がより小さくなる結果として、氷点下始動が効率的に（ｉＲ損が少ない形で）行えることも見出した。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、以上のような知見に基き想到された、上記構成を有するものとなっている。従って、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の水分量が飽和含水量（或いは、それ以上の量）までしか低減されない既存の燃料電池システムよりも、氷点下での再始動が効率的に行えるシステムであることになる。また、本発明の燃料電池システムは、そのような水分量制御では氷点下抵抗値の上昇により再始動出来なくなってしまう燃料電池（“飽和含水量−不凍水量”の値が比較的に大きな電解質膜を有する燃料電池）を用いて実現できるシステムであることにもなる。
【００１２】
そして、本発明の、燃料電池、及び、前記燃料電池内の水分量を低減するための水分量低減機構を備えた燃料電池システムの制御方法は、『前記燃料電池の発電動作の停止時に、前記燃料電池内の電解質膜の１ｃｍ2当たりの水分量が、当該電解質膜の１ｃｍ2当たりの不凍水量に１ｍｇ／ｃｍ2以下の値を加算した目標量となるように、前記水分量低減機
構を作動させる』ものとなっている。従って、この制御方法は、従来の水分量の制御では氷点下始動時に問題が生ずる燃料電池システムに対しても使用できるものとなっていることになる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムの制御ユニットとしては、具体的な処理手順が異なるさまざまなものを採用することが出来る。例えば、制御ユニットとして、『発電動作の停止時点における前記燃料電池の状況から、前記燃料電池内の前記電解質膜の１ｃｍ2当たりの水
分量を前記目標量とするのに必要な前記水分量低減機構の作動時間を求め、求めた作動時間だけ前記水分量低減機構を作動させるユニット』を採用することが出来る。
【００１４】
また、水分量低減機構としても、さまざまなものを採用可能である。例えば、水分量低減機構を、『燃料電池の発電動作中には、機能しない機構』としておくことも、『前記燃料電池の発電動作中は、発電により前記燃料電池内に生じた水分を除去するために使用される機構』としておくことも可能である。ただし、前者の機構を採用した燃料電池システムの製造コストよりも、後者の機構を採用した燃料電池システムの製造コストの方が低くなるため、製造コストの観点からは後者の機構を採用しておくことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１〜３記載の発明によれば、既存の燃料電池システムよりも、氷点下での再始動が効率的に行える燃料電池システムを実現できる。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、従来の水分量の制御では氷点下始動時に問題が生ずる燃料電池システムを、氷点下始動時に問題が生じないように制御できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す。なお、本実施形
態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車の電源として使用することを想定して設計・製造されたものである。
【００１９】
図示してあるように、燃料電池システム１は、燃料電池１０、フィルタ１１、エアーコンプレッサ１２、加湿器１３、調圧弁１４、カソードガス通路１５及びカソードオフガス通路１６を備えている。さらに、燃料電池システム１は、水素タンク２０、調圧弁２１、気液分離器２２、ドレインタンク２３、排水弁２４、水素ポンプ２５、パージ弁２６、アノードガス通路２７、アノードオフガス通路２８及び制御ユニット３０を備えている。また、図示は省略してあるが、燃料電池システム１は、エアーコンプレッサ１２、水素ポンプ２５、制御ユニット３０等の電源として機能するバッテリも備えている。
【００２０】
本燃料電池システム１に用いられている燃料電池１０は、電解質膜、アノード（燃料極）及びカソード（空気極）からなる複数のセルをセパレータを介して積層した電池（燃料電池セルスタック）である。この燃料電池１０は、飽和含水量、不凍水量が、それぞれ、およそ、５．６ｍｇ／ｃｍ2、３．１ｍｇ／ｃｍ2である電解質膜が用いられたものとなっている。なお、飽和含水量とは、電解質膜の湿潤重量と乾燥重量の差（ｍｇ／ｃｍ2単位
の値）のことである。また、不凍水とは、電解質膜中の他の水が凍る温度でも凍らない、電解質膜中の水のことであり、不凍水量とは、単位面積（１ｃｍ2）の電解質膜に含まれ
る、そのような水の重量のことである。
【００２１】
カソードガス通路１５は、燃料電池１０のカソードにカソードガス（本実施形態では、空気）を供給するための通路である。フィルタ１１は、カソードガス通路１５内に取り込む空気を浄化するため（空気中の塵埃を取り除くため）のフィルタである。エアーコンプレッサ１２は、燃料電池システム１外の空気をフィルタ１１を介して取り込み、取り込んだ空気をカソードガスとして燃料電池１０のカソードに供給するための装置（ポンプ）である。加湿器１３は、燃料電池１０に供給されるカソードガス（空気）を加湿するための装置である。
【００２２】
カソードオフガス通路１６は、燃料電池１０内での利用が終了したカソードガス（酸素濃度が減少したカソードガス；以下、カソードオフガスと表記する）を、燃料電池１０から取り出すための通路である。調圧弁１４は、燃料電池１０内に流すカソードガスの圧力を調整するための弁である。
【００２３】
水素タンク２０は、その内部に水素を貯蔵したタンクである。この水素タンク２０は、外部装置（制御ユニット３０）による開閉制御が可能なシャット弁（図示略）を備えている。
【００２４】
アノードガス通路２７は、水素タンク２０内の水素を、アノードガスとして燃料電池１０（燃料電池１０のアノード）へ供給するための通路である。このアノード通路２６には、水素タンク２０から燃料電池１０へ供給するアノードガスの圧力を調整するための調圧弁２１が、設けられている。また、アノードガス通路２７には、アノードオフガス通路２８が接続されている。
【００２５】
アノードオフガス通路２８は、燃料電池１０のアノードオフガス出口とアノードガス通路２７とを接続する通路である。ここで、燃料電池１０のアノードオフガス出口とは、燃料電池１０に設けられている、未反応のアノードガス、水分、電解質膜を透過した窒素等からなるガス（以下、アノードオフガスと表記する）の排出口のことである。
【００２６】
このアノードオフガス通路２８には、アノードオフガスを気体成分と液体成分とに分けるための気液分離器２２が設けられている。また、アノードオフガス通路２８には、気液
分離器２２によって分離されたアノードオフガスの気体成分を、アノードガス通路２７側へ送出するための水素ポンプ２５が設けられている。さらに、アノードオフガス通路２８には、水素ポンプ２５からのガスを、アノードガス通路２７内に導入することなく（アノードガスとして再利用することなく）、システム外へ排出するためのパージ弁２６も設けられている。
【００２７】
気液分離器２２と接続されているドレインタンク２３は、気液分離器２２により分離された、アノードオフガスの液体成分（つまり、水）を貯留しておくためのタンクである。排水弁２４は、ドレインタンク２３の排水を行うために、適宜、開閉される弁である。
【００２８】
制御ユニット３０は、燃料電池システム１内の各部（エアーコンプレッサ１２、水素ポンプ２５等）を統合的に制御するための、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されたユニットである。
【００２９】
この制御ユニット３０は、発電停止が指示された場合、図２に示した手順の停止用処理を開始するユニットとして構成（プログラミング）されている。なお、発電停止が指示された場合とは、燃料電池１０の発電動作を停止すべきイベントの発生を検出した場合（イグニッションスイッチがＯＦＦにされたことを検出した場合等）のことである。
【００３０】
すなわち、発電停止が指示された場合、制御ユニット３０は、まず、エアーコンプレッサ１２の動作を停止させると共に水素タンク２０のシャット弁を閉じる処理（ステップＳ１０１）を行う。換言すれば、制御ユニット３０は、このステップＳ１０１において、アノードオフガス通路２８、気液分離器２２、水素ポンプ２５等からなる機構（本発明の水分量低減機構に相当；以下、ガス循環機構と表記する）の動作を停止させることなく、燃料電池１０の発電動作を停止させる処理を行う。
【００３１】
次いで、制御ユニット３０は、水素ポンプ２５の回転数を、予め定められている掃気用回転数（本実施形態では、水素ポンプ２５の最高回転数）に変更する（ステップＳ１０２）。
【００３２】
その後、制御ユニット３０は、発電停止時水分量を求める処理（ステップＳ１０３）を行う。ここで、発電停止時水分量とは、停止用処理（図２の処理）の開始時点において、燃料電池１０内の単位面積（１ｃｍ2）の電解質膜に含まれていた水分量（水分重量）の
ことである。
【００３３】
このステップＳ１０３の処理は、停止用処理の開始時点までの燃料電池１０の運転時間及び負荷積算値（出力電流の積算値）から、発電停止時水分量を求める処理となっている。より具体的には、制御ユニット３０内のＲＯＭ上には、燃料電池１０の運転時間及び負荷積算値と発電停止時水分量との間の対応関係を示す情報が設定されている。そして、制御ユニット３０が実行するステップＳ１０３の処理は、停止用処理の開始時点までの燃料電池１０の運転時間及び負荷積算値（制御ユニット３０が管理している情報）から、ＲＯＭ上の当該情報を利用して発電停止時水分量を求める処理となっている。
【００３４】
発電停止時水分量を求めた制御ユニット３０は、当該発電停止時水分量に応じた適正掃気時間を求める処理（ステップＳ１０４）を行う。詳細については後述するが、このステップＳ１０４の処理は、停止用処理（図２の処理）の完了時に、燃料電池１０内の電解質膜１ｃｍ2当たりの水分量が、“電解質膜１ｃｍ2当たりの不凍水量＋１．０ｍｇ／ｃｍ2
”となるように、その内容が定められた処理となっている。
【００３５】
ステップＳ１０４の処理を終えた制御ユニット３０は、停止用処理開始後の経過時間が
、ステップＳ１０４の処理で求めた適正掃気時間以上となるのを待機する状態（ステップＳ１０５の処理を行っている状態）となる。そして、制御ユニット３０は、経過時間が適正掃気時間以上となった場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）には、水素ポンプ２５の動作を停止させて（ステップＳ１０６）から、この停止用処理を終了する。
【００３６】
以下、停止用処理を上記のような内容の処理としている理由を説明する。なお、以下の説明では、“電解質膜の１ｃｍ2当たりの〜量”（不凍水量等のｍｇ／ｃｍ2単位の値）のことを、単に“〜量”と表記する。
【００３７】
本燃料電池システム１の開発時には、燃料電池１０に用いられている電解質膜の飽和含水量を、電解質膜の湿潤重量及び乾燥重量の測定値から求めることが行われている。また、電解質膜の不凍水量を、電解質膜の示差走査熱量分析結果から求めることも行われている。
【００３８】
さらに、水素ポンプ２５を掃気用回転数で回転させると、燃料電池１０内の各電解質膜の水分量がどのように減少していくかを明らかにするための実験も行われている。そして、その結果として、図３に示した関係が、燃料電池１０内の各電解質膜の水分量（図では、“電解質膜水分量（ｍｇ／ｃｍ2）”）と、掃気時間（水素ポンプ２５の運転時間）と
の間にあることが判明している。なお、この図に示してある電解質膜水分量は、各種状態に制御した燃料電池１０内の電解質膜の湿潤重量を実測することにより求めた値（電解質膜以外の部分の水分量を含まない値）である。
【００３９】
また、燃料電池システム１の開発時には、図３の関係を利用して燃料電池１０内の各電解質膜の水分量をさまざまな量に調整した後、システムを氷点下まで冷却し、氷点下における燃料電池１０の電極間の抵抗値（以下、氷点下抵抗値と表記する）を測定すると共に、システムの氷点下始動を試みるといった実験も行われている。
【００４０】
そして、その結果として、燃料電池１０に関しては、発電停止時（システムの完全停止前）に、電解質膜の水分量を飽和含水量まで下げておいても、氷点下抵抗値が大きくなってしまうため氷点下始動が行えない（困難である）ことが判明している。また、発電停止時に、電解質膜の水分量を“不凍水量＋１．０”以下まで下げておけば、氷点下抵抗値がより小さくなるため、氷点下始動が容易に行えるようになることも判明している。
【００４１】
さらに、電解質膜の水分量を、過度に減少させると、氷点下始動時における電解質膜のプロトン伝導性が悪くなる結果として氷点下始動が効率的に行えなくなることや、およそ“不凍水量＋０．９”までであれば、電解質膜の水分量を減少させても、氷点下始動の容易性は殆ど変わらないことも、判明している。
【００４２】
燃料電池システム１（燃料電池１０）に関しては、このようなことが判明している。そして、電解質膜の水分量を“不凍水量＋１．０”よりも減少させる場合には、より多くの時間及び消費電力が必要とされることになる。このため、停止用処理（図２）を、燃料電池１０内の水分量（ｍｇ／ｃｍ2）を“電解質膜の不凍水量＋１．０”（ｍｇ／ｃｍ2）まで下げる処理としてあるのである。
【００４３】
最後に、ステップＳ１０４（図２）の処理内容を説明しておくことにする。
【００４４】
ステップＳ１０４の処理は、燃料電池１０内の水分量と掃気時間との間の対応関係（図３）を利用して、発電停止時水分量に応じた適正掃気時間を求める処理となっている。
【００４５】
より具体的には、制御ユニット３０のＲＯＭには、水分量・適正掃気時間変換用情報が
設定されている。ここで、水分量・適正掃気時間変換用情報とは、燃料電池１０内の水分量と掃気時間との間の対応関係を示す情報（図３）を加工することによって用意された、水分量Ｗと適正掃気時間（図３におけるＴe−Ｔ）との間の対応関係を示す情報のことで
ある。そして、ステップＳ１０４の処理は、ＲＯＭ上の水分量・適正掃気時間変換用情報から、ステップＳ１０３の処理で求めた発電停止時水分量（と同じ水分量）に対応づけられている適正掃気時間を読み出す処理となっている。
【００４６】
《変形形態》
上記した燃料電池システム１は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、燃料電池１０の水分量は、燃料電池１０の電極間の抵抗値等からも求めることが可能な情報である。このため、燃料電池システム１の制御ユニット３０を、ステップＳ１０３にて、燃料電池１０の電極間の抵抗値等を測定し、その測定結果から発電停止時水分量を求める処理を行うユニットに変形することが出来る。また、制御ユニット３０を、ステップＳ１０４及びＳ１０５の処理の代わりに、燃料電池１０の電極間の抵抗値等をモニターすることにより、燃料電池１０の水分量が“電解質膜の不凍水量＋１”となるのを待機する処理を行うユニットに変形することが出来る。
【００４７】
制御ユニット３０を、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理を行うユニットと、他の処理（燃料電池１０に所望電圧を出力させるための制御処理等）を行うユニットとに分けておくことも出来る。また、燃料電池システム１は、アノードガスを循環させることにより燃料電池１０内を乾燥させるシステムであったが、燃料電池システム１を、カソードガスを循環させることにより燃料電池１０内を乾燥させるシステムに変形することも出来る。
【００４８】
燃料電池システム１を、発電停止時に燃料電池１０内の水分量を低減させるためだけに使用される機構を備えたシステムに変形しておくことも出来る。ただし、そのような機構を設ける場合には、燃料電池システムの製造コストが上昇してしまうことになる。このため、製造コストの観点からは、上記したような構成（発電中にも機能するガス循環機構が、発電停止時における燃料電池１０内の水分量の低減にも利用される構成）を採用しておくことが好ましい。
【００４９】
また、燃料電池システム１を、燃料電池１０とは異なる燃料電池を備えたシステムに変形することも出来る。
【００５０】
具体的には、燃料電池システム１の開発時には、用いられている電解質が燃料電池１０とは異なる各種燃料電池についても、上記したような実験が行われている。そして、その結果として、図４に例示したように、燃料電池用の各種電解質膜について、“飽和含水量＞不凍水量＋１．０”が成立することが分かっている。なお、図４における“不凍水”量と“凍水”量との和が、飽和含水量である。
【００５１】
また、いずれの燃料電池を組み込んだ燃料電池システムにおいても、発電停止後に、電解質膜の水分量を“不凍水量＋１．０”まで下げておけば、飽和含水量まで下げた場合に比して氷点下抵抗値が小さくなり、その結果として、氷点下始動が可能となる、或いは、氷点下始動がより効率的に（ｉＲ損が少ない形で）行えることになることも、確認されている。従って、燃料電池システム１を、燃料電池１０とは異なる燃料電池を備えたシステムに変形しても、既存の燃料電池システムよりも、氷点下での再始動が容易に行える（氷点下始動時における燃料電池の電極間抵抗値が小さくなる）システムを実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システム内の制御ユニットが実行する停止用処理の流れ図である。
【図３】掃気時間と電解質膜水分量との対応関係を示す図である。
【図４】各種電解質膜の飽和含水量と不凍水量の測定結果を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・燃料電池システム
１０・・・燃料電池
１１・・・フィルタ
１２・・・エアーコンプレッサ
１３・・・加湿器
１４、２１・・・調圧弁
１５・・・カソードガス通路
１６・・・カソードオフガス通路
２６・・・パージ弁
２０・・・水素タンク
２２・・・気液分離器
２３・・・ドレインタンク
２４・・・排水弁
２５・・・水素ポンプ
２７・・・アノードガス通路
２８・・・アノードオフガス通路
３０・・・制御ユニット
【図１】
2009206040.tif 000003
【図２】
2009206040.tif 000004
【図３】
2009206040.tif 000005
【図４】
2009206040.tif 000006