JP2002208422A

JP2002208422A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002208422A
Application number: JP2001001531A
Authority: JP
Inventors: Hirokuni Sasaki; 佐々木　　博邦; Naoto Hotta; 直人堀田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2002-07-26

Abstract

(57)【要約】【課題】低温環境下で使用される燃料電池システムに
おいて、運転停止後、燃料電池内部の水分を除去できる
ことが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０の通常運転停止後、空気経
路２０、６０あるいは水素経路３０の少なくとも一方に
乾燥ガスを供給し、乾燥ガスに燃料電池１０内の水分を
含有させて湿潤ガスとして、燃料電池１０から排出す
る。空気通路６０には、燃料電池１０の下流側と燃料電
池１０の上流側とを接続する循環経路６４を設け、燃料
電池１０から排出された湿潤ガスを循環経路６４を介し
て空気経路６０に循環させることで、燃料電池１０の余
熱を回収する。空気経路６０おける燃料電池１０の上流
側であって循環経路６４との接続部の下流側には、ガス
圧縮機６１が配置されている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からな
る燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポ
ータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素と酸素（空気）との電気
化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電
池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源と
して考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃
以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍
結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝
導率が低下するという問題がある。

【０００３】このような低温環境下で燃料電池を起動す
る際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解
質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻
害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せ
ず、燃料電池を起動できないという問題がある。さら
に、反応ガス経路内で結露した水分の凍結によるガス経
路の閉塞も生ずる。

【０００４】燃料電池を車両用として用いる場合には、
あらゆる環境下における始動性が重要となる。このた
め、従来においては、燃焼式ヒータ等により流体を加熱
し、その加熱された流体（温水）を燃料電池に供給する
ことにより、燃料電池を加熱昇温（暖機）して燃料電池
を起動するシステムが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
起動方法では、燃料電池の熱容量が大きいため昇温に多
大な時間を要することとなり、燃料電池を短時間で起動
させることが難しい。また、暖機用加熱源としてヒータ
等が必要となるため、燃料電池システムを搭載スペース
に制約のある車両用として用いる場合には体格の面でも
問題となる。

【０００６】従って、燃料電池内部での凍結を防止して
低温起動性を向上させるためには、低温環境下に凍結す
る水分を予め燃料電池内部から除去しておくことが望ま
れる。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下
で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止後、
燃料電池内部の水分を除去できることが可能な燃料電池
システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素経路（３０）より
供給される水素と空気経路（２０、６０）より供給され
る酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１
０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１
０）の通常運転停止後、空気経路（２０、６０）あるい
は水素経路（３０）の少なくとも一方に乾燥ガスが供給
されるとともに、乾燥ガスは燃料電池（１０）内の水分
を含有して湿潤ガスとなり、燃料電池（１０）から排出
されることを特徴としている。

【０００９】これにより、燃料電池（１０）の運転停止
後、燃料電池（１０）内の水分を乾燥除去することがで
き、低温環境下においても燃料電池（１０）の内部凍結
を回避することができる。従って、ガス経路（２０、３
０）および燃料電池（１０）内で目詰まりを起こすこと
がなく、低温環境下においても速やかに起動することが
でき、低温起動性の優れた燃料電池システムを提供する
ことができる。

【００１０】なお、乾燥ガスは、燃料電池（１０）内に
残留する水分を除去するために、できるだけ低湿度であ
ることが望ましく、少なくとも燃料電池（１０）内の湿
度より低湿度である必要がある。具体的には、請求項２
に記載の発明のように、乾燥ガスとして乾燥空気を用い
ることができる。

【００１１】また、請求項３に記載の発明では、空気経
路（２０）あるいは水素経路（３０）の少なくとも一方
における燃料電池（１０）の下流側に、湿潤ガスから水
分を分離貯蔵する水分分離貯蔵手段（２５、３５）を備
えていることを特徴としている。

【００１２】また、請求項４に記載の発明では、空気通
路（６０）には、燃料電池（１０）の下流側と燃料電池
（１０）の上流側とを接続する循環経路（６４）が設け
られ、燃料電池（１０）の通常運転停止後、少なくとも
空気経路（６０）に乾燥ガスが供給され、燃料電池（１
０）から排出された湿潤ガスを循環経路（６４）を介し
て空気経路（６０）に循環させることで、燃料電池（１
０）の余熱を回収するように構成されていることを特徴
としている。

【００１３】燃料電池（１０）は通常運転時において、
約８０℃の定温に維持されており、運転停止時において
も燃料電池（１０）本体の熱容量が大きいため、運転停
止後もしばらくの間は余熱として残る。従って、このよ
うに燃料電池（１０）から排出されたガスを循環させる
ことで、燃料電池（１０）から余熱を回収することがで
き、燃料電池（１０）と等温の８０℃のパージ用温風を
得ることができる。

【００１４】また、請求項５に記載の発明では、空気経
路（６０）おける燃料電池（１０）の上流側であって循
環経路（６４）との接続部の下流側には、ガス圧縮機
（６１）が配置されていることを特徴としている。

【００１５】これにより、ガス圧縮機（６１）の断熱圧
縮による加熱で乾燥ガスを昇温させることができ、燃料
電池内の水分除去に適した温風を燃料電池（１０）に再
度供給することができる。また、燃料電池（１０）から
の回収蒸気を多く含んだ湿潤ガスは、ガス圧縮機（６
１）を通過する際に空気容積が圧縮されることで相対的
に水分濃度が高くなる。このため、大気圧下での通常の
露点温度より高い温度でも、湿潤ガス中からの水分分離
が容易となる。

【００１６】また、請求項６に記載の発明では、空気経
路（６０）あるいは循環経路（６４）の少なくとも一方
に、湿潤ガスから水分を分離貯蔵する水分分離貯蔵手段
が設けられていることを特徴としている。

【００１７】また、請求項７に記載の発明では、水分分
離貯蔵手段は、空気経路（６０）におけるガス圧縮機
（６１）と燃料電池（１０）との間に設けられ、水分分
離貯蔵手段に貯蔵された水分は、燃料電池（１０）の通
常運転時において燃料電池（１０）に供給される空気あ
るいは水素の少なくとも一方の加湿に用いられることを
特徴としている。

【００１８】これにより、湿潤空気から分離した水分
を、燃料電池（１０）内の電解質膜を電気化学反応のた
めに水分を含んだ状態にするために利用できる。従っ
て、別個に加湿装置を設ける必要が無くなり、システム
の小型化を図ることができる。

【００１９】また、水分分離貯蔵手段は、請求項８に記
載の発明にように水分貯蔵タンク（６８）とすることが
でき、また、請求項９に記載の発明のように水分吸着剤
（７０）あるいは水分吸収材（７１）とすることができ
る。

【００２０】また、請求項１０に記載の発明では、水分
分離貯蔵手段には、熱媒体が循環するように構成されて
おり、湿潤ガスと熱媒体との間での熱交換により湿潤ガ
スが冷却されることを特徴としている。これにより、湿
潤ガスから効率的に水分を分離することが可能となる。

【００２１】また、請求項１１に記載の発明では、空気
経路（２０、６０）および水素経路（３０）の両端部に
は、空気経路（２０、６０）および水素経路（３０）を
遮断する開閉弁（２２、２３、３２、３３、６２、６
３）が設けられており、燃料電池（１０）の通常運転停
止後における燃料電池（１０）内部の水分除去が終了し
た後であって、燃料電池（１０）の運転停止中におい
て、開閉弁（２２、２３、３２、３３、６２、６３）に
より空気経路（２０、６０）あるいは水素経路（３０）
の両端部を遮断することを特徴としている。

【００２２】これにより、燃料電池（１０）内部の水分
除去終了後、燃料電池（１０）の運転停止中において、
外部環境から燃料電池（１０）内部への水蒸気混入を防
止することができる。

【００２３】また、請求項１２に記載の発明では、燃料
電池（１０）に供給される乾燥ガスを加熱する加熱用ヒ
ータ（６９）を備えることを特徴としている。これによ
り、燃料電池（１０）に温風を供給でき、燃料電池（１
０）内の水分除去を促進できる。

【００２４】また、請求項１３に記載の発明では、電気
自動車に搭載され、燃料電池（１０）は電気自動車の走
行用モータに電力を供給するものであることを特徴とし
ている。これにより、燃料電池（１０）を駆動用動力源
とする電気自動車を低温環境下で使用した場合でも、燃
料電池（１０）内部の凍結を防止することができ、速や
かに燃料電池（１０）を起動させることができる。

【００２５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本第１
実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として
走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したもので
ある。図１は、第１実施形態の燃料電池システムの全体
構成を示している。

【００２７】図１に示すように、本実施形態の燃料電池
システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電
力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えてい
る。このＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ
（負荷）１１や２次電池（図１中では図示せず）等の電
気機器に電力を供給するものである。本実施形態ではＦ
Ｃスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用
いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成さ
れている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた
構成となっている。ＦＣスタック１０では、以下の水素
と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生す
る。（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正
極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０
と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）側に水素を供給
するための水素経路３０が設けられている。空気経路２
０には空気供給用の空気ポンプ２１が設けられており、
ＦＣスタック１０の通常運転時には空気が導入される。
水素経路３０には水素供給用の水素ポンプ３１が設けら
れており、通常運転時には図示しない水素供給装置より
水素が供給される。発電時の電気化学反応のためにＦＣ
スタック１０内の電解質膜を水分を含んだ状態にしてお
く必要がある。このため、通常運転時においてＦＣスタ
ック１０には加湿された空気および水素が供給される。
これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動す
ることとなる。また、酸素極側では上記電気化学反応に
より水分が生成する。

【００２８】また、通常運転停止後の水分除去制御時に
は、空気経路２０および水素経路３０には乾燥ガスが供
給される。この乾燥ガスは、ＦＣスタック１０内に残留
する水分を除去するために、できるだけ低湿度であるこ
とが望ましく、少なくともＦＣスタック１０内の湿度よ
り低湿度である必要がある。

【００２９】空気経路２０および水素経路３０に供給す
る乾燥ガスは、空気と水素の組み合わせ以外であればよ
い。すなわち、ＦＣスタック１０に空気と水素を供給す
ると発電するとともに水分が生成するため水分除去の観
点から好ましくない。本第１実施形態では、乾燥ガスと
して空気経路２０および水素経路３０の双方に加湿され
ていない空気が供給される。

【００３０】なお、空気経路２０および水素経路３０の
双方に乾燥ガスとして乾燥水素を供給するように構成し
てもよい。また、空気経路２０および水素経路３０のい
ずれか一方あるいは双方に窒素のような不活性ガスを供
給してもよい。

【００３１】空気経路２０の両端部には、空気経路２０
内部を外気から遮断するためのシャットバルブ（開閉
弁）２２、２３が設けられている。水素経路３０の両端
部にも、同様のシャットバルブ３２、３３が設けられて
いる。

【００３２】空気経路２０および水素経路３０における
ＦＣスタック１０の下流側には、ＦＣスタック１０を通
過したガスの湿度および温度を検出する湿度・温度セン
サ２４、３４がそれぞれ設けられている。空気経路２０
および水素経路３０における湿度・温度センサ２４、３
４の下流側には、気液分離器２５、３５がそれぞれ設け
られている。これらの気液分離器２５、３５では、空気
経路２０あるいは水素経路３０におけるＦＣスタック１
０通過後の水分を含んだ湿潤ガスと、後述する冷却水経
路４０の冷却水との間で熱交換を行うように構成されて
いる。気液分離器２５、３５では、冷却により凝縮した
ガス中の水分を貯蔵するように構成されている。気液分
離器２５、３５にて分離貯蔵された水分は、ＦＣスタッ
ク１０の通常運転時において、ＦＣスタック１０に供給
される空気および水素の加湿に用いられる。

【００３３】ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じ
る。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１
０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程
度）となるよう冷却システム４０〜４７が設けられてい
る。

【００３４】冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷
却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を
循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラ
ジエータ４２が設けられている。ＦＣスタック１０で発
生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排
出される。

【００３５】冷却水経路４０におけるＦＣスタック１０
の下流側には、ＦＣスタック１０の発熱量（温度）を検
出するための温度センサ４４が設けられている。

【００３６】また、冷却水経路４０には、冷却水をラジ
エータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路４５
と、冷却水を上記気液分離器２５、３５に循環させるた
めのガス冷却経路４６とが分岐しており、流路切替バル
ブ４７により冷却水の流路が切り替えられる。

【００３７】このような冷却系により、ウォータポンプ
４１により流量制御、ラジエータ４２およびファン４３
による風量制御、流路切替バルブ４７による冷却水経路
およびバイパス経路との流量配分により冷却温調を行う
ことができる。

【００３８】図２は、本実施形態の燃料電池システムの
制御系を示している。図２に示すように、燃料電池シス
テムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けら
れている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信
号、外気温センサ１２からの外気温信号、湿度・温度セ
ンサ２４、３４からの湿度・温度信号、温度センサ４４
からの温度信号が入力される。また、制御部５０は、２
次電池１３、空気ポンプ２１、水素ポンプ３１、ウォー
タポンプ４１、シャットバルブ２５、２６、３５、３
６、流路切替バルブ４６等に制御信号を出力するように
構成されている。

【００３９】以下、上記構成の燃料電池システムの作動
を図３に基づいて説明する。図３は燃料電池システムの
通常運転停止後における水分除去制御時の作動を示すフ
ローチャートである。

【００４０】燃料電池システムの通常運転における作動
について説明する。負荷１１からの電力要求に応じて、
ＦＣスタック１０への空気（酸素）および水素の供給が
行われる。ＦＣスタック１０では電気化学反応により発
電が起こり、発電した電力は負荷１１に供給される。

【００４１】また、ＦＣスタック１０では発電に伴う発
熱が起こる。ＦＣスタック１０では、作動時に安定出力
を得るためにＦＣスタック１０本体を定温（８０℃程
度）に維持する必要があるため、冷却水経路４０を流れ
る冷却水によりＦＣスタック１０の冷却が行われる。

【００４２】燃料電池システムでは、電気化学反応の進
行に際してＦＣスタック１０の電解質膜を湿潤状態に保
つため、空気経路２０を流れる空気および水素経路３０
を流れる水素を加湿した上で、ＦＣスタック１０に供給
している。加湿は、気液分離器２４、３４に貯蔵されて
いる水を用いる。反応後のガスは、ＦＣスタック１０で
の電気化学反応による生成水を吸収した湿潤ガスとな
り、外部に放出される。

【００４３】このように、通常運転時には、ＦＣスタッ
ク１０内部は湿潤状態で作動しているため、ＦＣスタッ
ク１０の運転停止後、ＦＣスタック１０内部には水分が
残留することになる。

【００４４】次に、通常運転停止後におけるＦＣスタッ
ク１０の水分除去制御について説明する。まず、通常運
転停止後にＦＣスタック１０内の水分パージ（水分除
去）が必要か否かを判定する（ステップＳ１０）。水分
パージを行うか否かの判定は、運転停止時の環境温度
（外気温）や季節情報等を考慮して行う。すなわち、環
境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季等であり気温
の低下が予測されるいった条件に基づいて水分パージの
必要性についての判定を行う。当然のことながら、夏場
などの条件では凍結のおそれがないため、水分パージは
必要とならない。

【００４５】また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、
運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入
力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１
０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、
ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣス
タック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が
維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)
の停止時間内であれば、運転停止時の残留水パージを行
う必要がない。

【００４６】水分パージを行う必要があると判定された
場合には、空気ポンプ２１および水素ポンプ３１を作動
させる（ステップＳ１１）。このとき、ＦＣスタック１
０は停止しているため、２次電池１３からの電力供給に
よりポンプ２１、３１を作動させる。これにより、空気
経路２０から加湿されない乾燥空気がＦＣスタック１０
の酸素極側に供給され、水素経路３０から加湿されない
乾燥空気がＦＣスタック１０の水素極側に供給される
（ステップＳ１２）。

【００４７】空気経路２０および水素経路３０よりＦＣ
スタック１０に供給された乾燥空気は、ＦＣスタック１
０内の残留水分を含んで湿潤空気となり、ＦＣスタック
１０より流出する。このように、ＦＣスタック１０内に
乾燥空気を流し続けることで、ＦＣスタック１０内に残
留する水分をＦＣスタック１０内から排出することがで
きる。ＦＣスタック１０より流出した湿潤空気は、気液
分離器２５、３５にて冷却されて空気と水に分離され、
水は気液分離器２５、３５内に貯蔵される（ステップＳ
１３）。

【００４８】次に、湿度・温度センサ２４、３４により
ＦＣスタック１０より流出する空気の湿度を検出し、Ｆ
Ｃスタック１０内の残留水分が除去できたか否かを判定
する（ステップＳ１４）。この結果、ＦＣスタック１０
内に残留水分が存在している場合には、上記ステップＳ
１１〜Ｓ１３の水分除去制御を繰り返し行う。

【００４９】一方、ＦＣスタック１０内に残留水分が存
在していない場合には、ポンプ２１、３１を停止してＦ
Ｃスタック１０への乾燥空気の供給を停止する（ステッ
プＳ１５）。その後、空気経路２０および水素経路３０
におけるそれぞれの両端部に設けられたシャットバルブ
２２、２３、３２、３３を閉じる（ステップＳ１６）。
これにより、空気経路２０および水素経路３０の内部は
外気から遮断される。従って、車両を低温環境下に長時
間放置しても外部環境からの水蒸気混入を防止すること
ができ、ＦＣスタック１０内は乾燥状態を保つことがで
きる。なお、シャットバルブ２２、２３、３２、３３に
よる遮断の際、ＦＣスタック１０内を若干正圧に保つこ
とができれば、ＦＣスタック１０内の気密性をより高く
することができる。

【００５０】以上、本第１実施形態によれば、ＦＣスタ
ック１０の運転停止後、ＦＣスタック１０内の水分を乾
燥除去することができるため、低温環境下においても内
部凍結を回避することができる。従って、ガス経路２
０、３０およびＦＣスタック１０内での目詰まりを起こ
すことがないため、低温起動性の優れた燃料電池システ
ムを提供することができる。

【００５１】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を図４、図５に基づいて説明する。本第２実施形態
の燃料電池システムは、上記第１実施形態と比較して、
運転停止後の水分除去制御において、ＦＣスタックに空
気を循環させることができるように構成されている点が
異なる。また、本第２実施形態の水分除去制御では、Ｆ
Ｃスタックの水素極側の水分除去は行っていない。な
お、上記第１実施形態と同様の部分については同一の符
号を付して説明を省略する。

【００５２】図４に示すように、ＦＣスタック１０に供
給される空気が通過する空気経路６０には、圧縮式送風
機であるガス圧縮機（コンプレッサ）６１が設けられて
いる。また、空気経路６０には、ＦＣスタック１０の下
流側と上流側とを接続する循環経路６４が設けられてい
る。コンプレッサ６１は、ＦＣスタック１０の上流側に
おける空気経路６０と循環経路６４との接続部の下流側
に配置されている。ＦＣスタック１０の下流側における
空気経路６０と循環経路６４との接合部には流路切替バ
ルブ６５が設けられている。

【００５３】空気経路６０には、ＦＣスタック１０の上
流側および下流側に空気経路６０を通過するガスの湿度
および温度を検出する湿度・温度センサ６６、６７が設
けられている。水分パージ用の乾燥ガス（パージ温風）
は、最低限ＦＣスタック１０本体の温度より高くする必
要があり、さらに水分を蒸発させるためにできるだけ高
温であることが望ましいが、ＦＣスタック１０の耐熱温
度(約１００℃)の関係から、乾燥ガスの所定上限温度Ｔ
ｍａｘ（例えば１５０℃程度）が設定されている。

【００５４】また、空気経路６０におけるコンプレッサ
６１とＦＣスタック１０の間には、空気経路６０にて空
気と分離した水を回収する水回収タンク６８が設けられ
ている。水回収タンク６８で回収された水は、ＦＣスタ
ック１０の通常運転時に、ＦＣスタック１０に供給され
る空気および水素の加湿に利用される。

【００５５】また、水回収タンク６８には、低温下での
凍結防止用として、保温機能(断熱構造)を持たせるよう
に構成してもよく、あるいは電気式ヒータ等の加熱手段
を設けて、低温による凍結を防止するように構成するこ
ともできる。また、回収水にメタノールなどのアルコー
ル系の凍結防止剤を混合して、不凍液を生成してもよ
い。

【００５６】以下、本第２実施形態の燃料電池システム
における通常運転停止後の水分除去制御を図５のフロー
チャートに基づいて説明する。

【００５７】まず、ＦＣスタック１０の通常運転停止
後、ＦＣスタック１０内の水分パージ（水分除去）が必
要か否かを判定する（ステップＳ２０）。この結果、水
分パージが必要であると判定された場合には、本第２実
施形態におけるＦＣスタック１０の酸素極側の水分除去
制御に先立ち、ＦＣスタック１０の水素極側の水分除去
を行う（ステップＳ２１）。例えば、水素極に除湿しな
い乾燥水素を供給し酸素極に除湿しない乾燥空気を供給
して、仮のＦＣスタック運転を行うことにより、水素極
側の水分除去を行うことができる。すなわち、水素極側
に残留する水分は、電気化学反応に伴い電解質膜中を水
素イオンとともに酸素極側に随伴移動するため、水素極
側に残留していた水分は失われ、水素極側は乾燥に向か
う。

【００５８】次に、本第２実施形態の酸素極側の水分除
去制御を行う。まず、コンプレッサ６１を作動させる
（ステップＳ２２）。このとき、ＦＣスタック１０は停
止しているため、２次電池１３からの電力供給によりコ
ンプレッサ６１を作動させる。これにより、空気経路６
０から加湿されない乾燥空気がＦＣスタック１０の酸素
極側に供給される。この乾燥空気は酸素極における残留
水分を含んで湿潤空気となり、ＦＣスタック１０より流
出する。これにより、ＦＣスタック１０内に残留する水
分をＦＣスタック１０内から排出することができる。

【００５９】次に、ＦＣスタック１０の下流側の湿度・
温度センサ６６によりＦＣスタック１０に流入する空気
温度Ｔを検出し、空気温度Ｔが所定上限温度Ｔｍａｘよ
り低いか否かを判定する（ステップＳ２３）。この結
果、空気温度Ｔが所定上限温度Ｔｍａｘを超えている場
合には、流路切替バルブ６５を排出側に切り替えて、高
温となった空気を外部に排出する（ステップＳ２４）。

【００６０】一方、空気温度Ｔが所定上限温度Ｔｍａｘ
を超えていない場合には、流路切替バルブ６５を循環経
路６４側に切り替える（ステップＳ２５）。これによ
り、ＦＣスタック１０を通過した空気は循環経路６４を
介して空気経路６０のＦＣスタック１０上流側に戻り、
コンプレッサ６１に再供給される。

【００６１】ここで、ＦＣスタック１０は通常運転時に
おいて、約８０℃の定温に維持されており、運転停止時
においてもＦＣスタック１０本体の熱容量が大きいた
め、運転停止後もしばらくの間は余熱として残る。従っ
て、ＦＣスタック１０を通過したパージ用ガスを循環さ
せることで、ＦＣスタック１０から余熱を回収すること
ができ、ＦＣスタック１０と等温の８０℃のパージ用温
風が得られる。

【００６２】さらに、ＦＣスタック１０より排出された
パージ用温風を、再度コンプレッサ６１に戻すことで、
コンプレッサ６１の断熱圧縮による加熱でさらに温度上
昇し、水分パージに適した温風をＦＣスタック１０に再
度供給することができる。

【００６３】なお、コンプレッサ６１から圧送される空
気の温度を制御するには、燃料電池システムの運転とし
ては必ずしも最高効率点ではない状態でコンプレッサ６
１の運転を行う必要がある。このため、コンプレッサ６
１をより高圧側にシフトさせた作動点で意図的に運転
し、これによって高い圧送空気温度を得ることができ
る。

【００６４】また、ＦＣスタック１０からの回収蒸気を
多く含んだ湿潤空気は、コンプレッサ６１を通過する際
に空気容積が圧縮されることで相対的に水分濃度が高く
なる。このため、大気圧下での通常の露点温度より高い
温度でも、空気中からの水分分離が容易となる。従っ
て、ＦＣスタック１０より排出された湿潤空気を、コン
プレッサ６１に通過させることで乾燥高温空気にするこ
とができる。コンプレッサ６１によるガス圧縮にて空気
から分離した水分は、水回収タンク６８にて回収される
（ステップＳ２６）。

【００６５】次に、湿度・温度センサ６７によりＦＣス
タック１０より流出する空気の湿度を検出し、ＦＣスタ
ック１０内の残留水分が除去できたか否かを判定する
（ステップＳ２７）。この結果、ＦＣスタック１０内に
残留水分が存在している場合には、上記ステップＳ２２
〜Ｓ２６の水分除去制御を繰り返し行う。

【００６６】一方、ＦＣスタック１０内に残留水分が存
在していない場合には、コンプレッサ６１を停止してＦ
Ｃスタック１０への乾燥空気の供給を停止する（ステッ
プＳ２８）。その後、空気経路２０および水素経路３０
におけるそれぞれの両端部に設けられたシャットバルブ
６２、６３を閉じる（ステップＳ２９）。これにより、
空気経路６０の内部は外気から遮断され、外気からの水
蒸気混入を防止することができ、ＦＣスタック１０内は
乾燥状態を保つことができる。

【００６７】以上、本第２実施形態のように、ＦＣスタ
ック１０の運転停止後、温風循環を繰り返すことで、Ｆ
Ｃスタック１０における酸素極側の残留水分を完全に乾
燥し、除去することができる。これにより、低温時にも
ＦＣスタック１０内で凍結を生じることがなく、低温機
動性に優れた燃料電池システムを提供することができ
る。

【００６８】また、空気経路６０に設けた循環経路６４
によりＦＣスタック１０より排出された空気を循環させ
ることで、ＦＣスタック１０の余熱を回収することがで
き、パージ用温風の加熱に利用できる。

【００６９】また、パージ用温風に燃焼ヒータの排ガス
を利用する場合を考えると、排ガス温度が数百℃と高す
ぎるため、そのままの温度では、ＦＣスタック１０には
供給できない。そのために排ガスの冷却が必要となり、
エネルギーの利用は効率的ではない。さらには、排ガス
量においても、燃焼の条件(燃焼量)に左右されるため、
大きな流量を確保することは、燃焼量の増大につながる
ため、燃焼器の体格上、搭載は難しい。

【００７０】これに対して、本第２実施形態の燃料電池
システムでは、空気経路６０に空気を圧送するガス圧縮
機６１を設けるだけで、断熱圧縮によるパージ用温風の
加熱およびＦＣスタック１０から排出された湿潤空気か
らの水分分離を行うことができる。従って、ＦＣスタッ
ク１０を破壊しない適当な高温、低湿度、大流量のパー
ジ用温風を得ることができる。

【００７１】また、低温起動時には、ＦＣスタック１０
の発電に伴う発熱により、ＦＣスタック１０の温度は自
己加熱的に上昇し、作動の最適温度の８０℃まで到達す
る。この過程でのＦＣスタック１０の温度が低い状態で
は、ＦＣスタック１の発電効率が悪いため、殆どが発電
ロス、すなわち廃熱に変わる。このため、ＦＣスタック
１０の自己加熱に適している。この際、ＦＣスタック１
０温度が０℃以下であることに起因する、ＦＣスタック
１０内部での電気化学反応による生成水の再凍結は、こ
の廃熱により回避することができる。

【００７２】（他の実施形態）なお、上記第１実施形態
では、空気経路２０および水素経路３０の双方に乾燥ガ
スを供給し、ＦＣスタック１０の酸素極側および水素極
側の双方の水分パージを行うよう構成しているが、空気
経路２０あるいは水素経路３０のいずれか一方のみに上
記第１実施形態の水分除去制御を行い、他方は他の手段
により水分除去を行うように構成してもよい。

【００７３】また、上記第２実施形態では、ガス圧縮機
６１の断熱圧縮によりパージ温風の加熱を行ったが、図
６に示すように、空気経路６０におけるＦＣスタック１
０の上流側に、パージ温風の補助加熱用として例えば電
気式加熱ヒータ（加熱手段）６９を設けてもよい。

【００７４】このような構成により、ガス圧縮機６１の
断熱圧縮のみでは充分なパージ温風温度が得られない場
合にも、有効にパージ温風を昇温させることができる。
さらに、ＦＣスタック１０の低温起動時において、加熱
ヒータ６９により供給ガスを加熱することでＦＣスタッ
ク１０本体の加熱を行うことができる。

【００７５】また、上記第１実施形態における燃料電池
システムの構成においても、空気経路２０あるいは水素
経路３０におけるＦＣスタック１０の上流側に加熱ヒー
タ等の加熱手段を設け、ＦＣスタック１０に供給される
乾燥ガスを加熱するように構成してもよい。このような
構成により、ＦＣスタック１０内に残留する水分の蒸発
を促進できる。

【００７６】また、上記第１実施形態における燃料電池
システムの構成において、ＦＣスタック１０に冷却され
た乾燥ガスを供給するように構成してもよい。冷却され
た乾燥ガスをＦＣスタック１０に供給することにより、
ＦＣスタック１０内の水分が結露して水滴となり、水滴
はガス流によりＦＣスタック１０の出口側に押し出され
る。この結果、ＦＣスタック１０内の水分は水滴となっ
てＦＣスタック１０内から排出される。この際、空気経
路２０あるいは水素経路３０におけるＦＣスタック１０
出口側に弁を設け、背圧を調整するようにしてもよい。
このような構成により、弁を開放することで、ＦＣスタ
ック１０内の水滴が飛び出し易くなる。

【００７７】また、上記第２実施形態では水回収タンク
６８にてＦＣスタック１０から排出される湿潤空気の水
分を回収したが、これに限らず、水分吸着剤や水分吸収
剤といった水分貯蔵材を空気経路６０に配置して水分を
回収するように構成してもよい。

【００７８】具体的には、図７に示すように、空気経路
６０にシリカゲル等の水分吸着剤７０を設けるように構
成してもよい。これによっても、ＦＣスタック１０から
排出された湿潤空気から水分を回収することができる。
このように水分吸着剤７０を用いた場合には、水分吸着
によって乾燥空気が得られるとともに、吸着に伴う発熱
によってパージ温風を昇温させることができる。

【００７９】水分貯蔵材７０は、空気経路６０あるいは
循環経路６４のいずれの箇所に設けてもいいが、図７に
示すように、空気経路６０におけるガス圧縮機６１とＦ
Ｃスタック１０との間であれば、ガス圧縮機６１により
圧縮された空気からの水分を回収しやすく、また、水分
吸着剤７０に吸着された水分を、ＦＣスタック１０の通
常運転時に、ＦＣスタック１０に供給される空気および
水素の加湿に利用することができる。

【００８０】さらに、図８に示すように、空気経路６０
あるいは循環経路６４のいずれかの部位の配管内壁に、
ウィックのような水分吸収材７１を設けてもよい。これ
によっても、ＦＣスタック１０から排出された湿潤空気
から水分を回収することができる。水分吸収材７１も、
空気経路６０あるいは循環経路６４のいずれの箇所に設
けてもいいが、空気経路６０におけるガス圧縮機６１と
ＦＣスタック１０との間であれば、ガス圧縮機６１によ
り圧縮された空気からの水分を回収しやすく、また、水
分吸着剤７０に吸着された水分を、ＦＣスタック１０の
通常運転時に、ＦＣスタック１０に供給される空気およ
び水素の加湿に利用することができる。

【００８１】また、上記第２実施形態において、循環経
路６４を金属配管とすることで、循環経路６４における
冷却効率を向上させることができる。これにより、ＦＣ
スタック１０から排出された湿潤温風の温度を低下さ
せ、温風中に含まれる水分を液化させて分離することが
できる。また、金属配管の表面に空冷用のフィンを形成
してもよい。

【００８２】また、上記第２実施形態においても、上記
第１実施形態と同様に空気経路６０に熱交換構造を備え
る気液分離器を設け、ＦＣスタック１０通過後の水分を
含んだ湿潤ガスと冷却水経路４０の冷却水との間で熱交
換できるように構成してもよい。これにより、湿潤ガス
を効果的に冷却することができ、湿潤ガス中の水分を分
離しやすくなる。

【００８３】また、上記各実施形態では、水分パージの
終了は、ＦＣスタック１０から排出されたガスの湿度を
検出することで行ったが、これに限らず、水分パージを
行う時間を予め設定しておき、タイマーにより水分パー
ジの終了を判断してもよい。水分パージを行う時間は、
ＦＣスタック１０の運転時間や運転時のＦＣスタックの
出力等の情報によりＦＣスタック内の残留水分量を推測
し、パージ温風の温度、流量、湿度等の条件に基づい
て、ＦＣスタック１０内の乾燥が完全に終了するのに必
要な所要時間を演算して求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの全体構
成を示す概略図である。

【図２】図１の燃料電池システムの制御系の説明図であ
る。

【図３】図１の燃料電池システムの水分除去制御時の作
動を示すフローチャートである。

【図４】上記第２実施形態の燃料電池システムの全体構
成を示す概略図である。

【図５】図４の燃料電池システムの水分除去制御時の作
動を示すフローチャートである。

【図６】上記第３実施形態の燃料電池システムの全体構
成を示す概略図である。

【図７】燃料電池システムの変形例を示す概略図であ
る。

【図８】燃料電池システムの変形例における空気経路あ
るいは循環経路を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１１…負荷、２０、
６０…空気経路、２２、２３、３２、３３、６２、６３
…シャットバルブ、３０…水素経路、６１…ガス圧縮
機、６４…循環経路、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素経路（３０）より供給される水素と
空気経路（２０、６０）より供給される酸素とを電気化
学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料
電池システムであって、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、前記空気経路
（２０、６０）あるいは前記水素経路（３０）の少なく
とも一方に乾燥ガスを供給するとともに、前記乾燥ガス
に前記燃料電池（１０）内の水分を含有させて湿潤ガス
として、前記燃料電池（１０）から排出させることを特
徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記乾燥ガスは乾燥空気であることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記空気経路（２０）あるいは前記水素
経路（３０）の少なくとも一方における前記燃料電池
（１０）の下流側に、前記湿潤ガスから水分を分離貯蔵
する水分分離貯蔵手段（２５、３５）を備えていること
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
システム。
【請求項４】前記空気通路（６０）には、前記燃料電
池（１０）の下流側と前記燃料電池（１０）の上流側と
を接続する循環経路（６４）が設けられ、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、少なくとも前
記空気経路（６０）に前記乾燥ガスが供給され、前記燃料電池（１０）から排出された前記湿潤ガスを前
記循環経路（６４）を介して前記空気経路（６０）に循
環させることで、前記燃料電池（１０）の余熱を回収す
るように構成されていることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記空気経路（６０）おける前記燃料電
池（１０）の上流側であって前記循環経路（６４）との
接続部の下流側には、ガス圧縮機（６１）が配置されて
いることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項６】前記空気経路（６０）あるいは前記循環
経路（６４）の少なくとも一方に、前記湿潤ガスから水
分を分離貯蔵する水分分離貯蔵手段が設けられているこ
とを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電
池システム。
【請求項７】前記水分分離貯蔵手段は、前記空気経路
（６０）における前記ガス圧縮機（６１）と前記燃料電
池（１０）との間に設けられ、前記水分分離貯蔵手段に貯蔵された水分は、前記燃料電
池（１０）の通常運転時において前記燃料電池（１０）
に供給される前記空気あるいは前記水素の少なくとも一
方の加湿に用いられることを特徴とする請求項６に記載
の燃料電池システム。
【請求項８】前記水分分離貯蔵手段は、水分貯蔵タン
ク（６８）であることを特徴とする請求項６または請求
項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】前記水分分離貯蔵手段は、水分吸着剤
（７０）あるいは水分吸収材（７１）であることを特徴
とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項１０】前記水分分離貯蔵手段には、熱媒体が
循環するように構成されており、前記湿潤ガスと前記熱
媒体との間での熱交換により前記湿潤ガスが冷却される
ことを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１つに記
載の燃料電池システム。
【請求項１１】前記空気経路（２０、６０）および前
記水素経路（３０）の両端部には、前記空気経路（２
０、６０）および前記水素経路（３０）を遮断する開閉
弁（２２、２３、３２、３３、６２、６３）が設けられ
ており、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後における前記燃
料電池（１０）内部の水分除去が終了した後であって、
前記燃料電池（１０）の運転停止中において、前記開閉弁（２２、２３、３２、３３、６２、６３）に
より前記空気経路（２０、６０）および前記水素経路
（３０）の両端部を遮断することを特徴とする請求項１
ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】前記燃料電池（１０）に供給される前
記乾燥ガスを加熱する加熱用ヒータ（６９）を備えるこ
とを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記
載の燃料電池システム。
【請求項１３】電気自動車に搭載され、前記燃料電池
（１０）は前記電気自動車の走行用モータに電力を供給
するものであることを特徴とする請求項１ないし１２の
いずれか１つに記載の燃料電池システム。