JP2002208429A

JP2002208429A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002208429A
Application number: JP2001001532A
Authority: JP
Inventors: Hirokuni Sasaki; 佐々木　　博邦; Yuichi Sakagami; 祐一坂上; 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】酸素が通過する空気経路２０あるいは水
素が通過する水素経路３０の少なくとも一方に吸着剤を
備えた水分吸着部２４、３４を設け、燃料電池１０の通
常運転停止後、水分吸着部２４、３４により燃料電池１
０内部の水分を吸着させる。空気経路２０および水素経
路３０の両端部に、開閉弁２２、２３、３２、３３が設
け、水分吸着部２４、３４により燃料電池１０内部の水
分吸着を行う際に、開閉弁２２、２３、３２、３３によ
り空気経路２０、６０および水素経路３０の両端部を遮
断する。

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、水素極に供給される水
素と酸素極に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、酸素極に供給される酸素が通過する空気経路
（２０）と、水素極に供給される水素が通過する水素経
路（３０）と、空気経路（２０）あるいは水素経路（３
０）の少なくとも一方に設けられるとともに、吸着剤を
備えた水分吸着部（２４、３４）とを備え、燃料電池
（１０）の通常運転停止後、水分吸着部（２４、３４）
により燃料電池（１０）内部の水分を吸着させることを
特徴としている。

【０００９】これにより、燃料電池（１０）の通常運転
停止後、燃料電池（１０）内部の残留水分を除去し乾燥
させることができる。このとき、吸着剤による吸着によ
れば自然放置により燃料電池（１０）内部の水分を除去
することができるため、残留水分除去のために特別の制
御や動力を必要とせず、簡易で安全な手段であり信頼性
も確保される。また、吸着剤は吸着反応に伴って発熱を
生じるが、吸着剤に対する水分吸着を自然放置にて行う
ため、吸着速度は遅くなり吸着反応に伴う発熱も少なく
なる。

【００１０】従って、水分吸着部（２４、３４）は外気
による自然冷却で冷却可能となり、積極的な冷却系を設
ける必要がない。また、吸着速度が遅いため、燃料電池
（１０）の停止時間が短時間であった場合には電解質膜
は湿潤状態を保っており、その温度から瞬時にＦＣスタ
ック１０を起動することができる。

【００１１】また、請求項２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
には、水分吸着部（２４、３４）をバイパスさせるバイ
パス経路（２０ａ、３０ａ）と、空気経路（２０）ある
いは水素流路（３０）を水分吸着部（２４、３４）側あ
るいはバイパス経路（２０ａ、３０ａ）側に切替可能な
流路切替弁（２５、３５）とが設けられていることを特
徴としている。

【００１２】これにより、必要に応じて流路切替弁（２
５、３５）を切り替えることで、通常運転時には加湿さ
れた空気あるいは水素が水分吸着部（２４、３４）に流
れないようにして吸着剤の乾燥を保つことができ、水分
除去時には燃料電池内部の水分を吸着剤に吸着させるこ
とができる。さらに、吸着剤に吸着された水分を、通常
運転時において燃料電池に供給される空気あるいは水素
の加湿に用いるように構成することもできる。

【００１３】また、請求項３に記載の発明では、水分吸
着部（２４、３４）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（１
０）の上流側に設けられていることを特徴としている。
これにより、水分吸着部（２４、３４）に吸着させた水
分を、次回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加湿に利用することがで
きる。また、これにより吸着剤から水分を脱離して吸着
剤を再生することができ、次回運転停止時の水分吸着に
備えることができる。

【００１４】また、請求項４に記載の発明では、空気経
路（２０）および水素経路（３０）の両端部には、空気
経路（２０）および水素経路（３０）を遮断する開閉弁
（２２、２３、３２、３３）が設けられており、燃料電
池（１０）の通常運転停止後において、少なくとも水分
吸着部（２４、３４）により燃料電池（１０）内部の水
分吸着を行う際に、開閉弁（２２、２３、３２、３３）
により空気経路（２０、６０）および水素経路（３０）
の両端部を遮断することを特徴としている。

【００１５】これにより、燃料電池（１０）と水分吸着
部（２４、３４）との閉ループを形成でき、閉ループ内
の水分をすべて水分吸着部（２４、３４）に吸着させる
ことができる。空気経路（２０）および水素経路（３
０）は外気と遮断されてため、水分の蒸気圧は外気での
蒸気圧とならず、閉ループ内の系圧となる。このため、
吸着剤との蒸気圧を常に確保することができ、吸着剤に
よる水分の吸着を進行させることができる。また、空気
経路（２０）および水素経路（３０）を遮断すること
で、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、外環境
からのガス経路（２０、３０）および燃料電池（１０）
内への水蒸気侵入を防止することができる。

【００１６】また、請求項５に記載の発明では、燃料電
池（１０）の通常運転停止後、水分吸着部（２４、３
４）により燃料電池（１０）内部の水分吸着を行う前
に、空気経路（２０）あるいは水素経路（３０）のうち
少なくとも水分吸着部（２４、３４）が設けられている
経路に、燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱さ
れた乾燥ガスを所定時間供給することを特徴としてい
る。

【００１７】これにより、吸着剤による水分吸着に先立
ち、燃料電池（１０）内の水分をある程度除去しておく
ことができるため、吸着剤にて吸着すべき水分量を減少
させることができ、吸着剤の容量を少なくすることがで
きる。

【００１８】また、請求項６に記載の発明では、水分吸
着部（２４）は空気経路（２０）に設けられており、燃
料電池（１０）の通常運転停止後、酸素経路（２０）に
乾燥酸素を供給するとともに水素経路（３０）に乾燥水
素を所定時間供給して燃料電池（１０）内部における水
素極側の水分除去を行った後、水分吸着部（２４、３
４）により燃料電池（１０）内部における酸素極側の水
分を吸着させることを特徴としている。

【００１９】これにより、燃料電池（１０）の水素極側
は、乾燥水素及び乾燥空気の供給による燃料電池（１
０）の仮の運転により水分を除去でき、酸素極側は吸着
剤による吸着により水分を除去できる。

【００２０】また、請求項７に記載の発明では、酸素経
路（２０）に乾燥酸素を供給するとともに水素経路（３
０）に乾燥水素を所定時間供給して燃料電池（１０）内
部における水素極側の水分除去を行った後であって、水
分吸着部（２４、３４）により燃料電池（１０）内部に
おける酸素極側の水分を吸着させる前に、空気通路（２
０）に燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱され
た乾燥ガスを所定時間供給することを特徴としている。

【００２１】また、請求項８に記載の発明では、燃料電
池（１０）を構成する複数のセルのうち一部のセルにつ
いて水分除去を行うことを特徴としている。このように
水分除去を行ったセルを起動用セルとして用い、起動用
セルを先に起動させることで、その排熱を利用して残り
のセルを昇温し起動させることができる。このような構
成によれば、すべてのセルについて水分除去を行う必要
が無く効率的である。

【００２２】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。

【００２３】

【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。

【００２４】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。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圧送用コンプレッサ（ガス圧縮
機）２１が設けられている。水素経路３０には水素供給
用の水素ポンプ３１が設けられている。

【００２５】空気経路２０の両端部には、空気経路２０
３０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。

【００２６】また、空気経路２０および水素経路３０に
は、シリカゲルや活性炭等の吸着剤が充填された水分吸
着部２４、３４が設けられている。本第１実施形態にお
いては、水分吸着部２４、３４は、ＦＣスタック１０の
上流側に設けられている。水分吸着部２４、３４は、空
気経路２０等に並列的に配置されている。空気経路２０
等では、水分吸着部２４、３４をバイパスするバイパス
経路２０ａ、３０ａが設けられている。

【００２７】水分吸着部２４、３４の上流側における水
分吸着部２４、３４側とバイパス経路２０ａ、３０ａ側
との分岐点には、流路切替弁２５、３５が設けられてい
る。この流路切替弁２５、３５によって、空気経路２０
を流れる空気あるいは水素経路３０を流れる水素を水分
吸着部２４、３４側に流すか、あるいはバイパス経路２
０ａ、３０ａ側に流すかを切り替えることができる。

【００２８】また、ＦＣスタック１０では、発電時にお
ける電気化学反応のためにＦＣスタック１０内の電解質
膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。この
ため、燃料電池システムには水が蓄えられた加湿装置２
６が設けられており、通常運転時には、加湿装置２３に
より空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加
湿が行われ、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。

【００２９】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４０〜４４が設けられてい
る。

【００３０】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。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。このよう
な冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制
御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御で
冷却温調を行うことができる。

【００３１】本実施形態の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１３からの外気温信号、温度センサ４４からの温度信
号等が入力される。また、制御部５０は、２次電池１
２、加湿装置２６、空気圧送コンプレッサ２１、水素ポ
ンプ３１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４
４、シャットバルブ２２、２３、３２、３３、流路切替
弁２５、３５等に制御信号を出力するように構成されて
いる。

【００３２】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運転時の作動を示すフ
ローチャートである。

【００３３】まず、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。このとき、空気経路２０および水素経
路３０において、流路切替弁２５、３５はバイパス通路
２０ａ、３０ａ側に切り替えられており、ＦＣスタック
１０に供給される空気および水素は水分吸着部２４、３
４をバイパスする。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。

【００３４】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。

【００３５】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、加湿装置２３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。

【００３６】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。

【００３７】次に、通常運転停止後に行うＦＣスタック
１０の水分除去制御を図２に基づいて説明する。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】水分パージを行う必要があると判定された
場合には、シャットバルブ２２、２３、３２、３３によ
り空気経路２０および水素経路３０を遮断し（ステップ
Ｓ１１）、流路切替弁２５、３５により空気経路２０お
よび水素経路３０を水分吸着部２４、３４側に切り替え
る（ステップＳ１２）。このとき、ＦＣスタック１０は
停止しているため、２次電池１２からの電力供給により
シャットバルブ２２、２３、３２、３３および流路切替
弁２５、３５を作動させる。

【００４１】その後、自然放置して水分吸着部２４、３
４に充填された吸着剤にＦＣスタック１０内部の水分を
吸着させる（ステップＳ１３）。これにより、ＦＣスタ
ック１０内部の残留水分を除去し、ＦＣスタック１０内
部を乾燥させることができる。

【００４２】このとき、シャットバルブ２２、２３、３
２、３３により空気経路２０および水素経路３０を遮断
して、ＦＣスタック１０と水分吸着部２４、３４との閉
ループを形成しているので、閉ループ内の水分をすべて
水分吸着部２４、３４にて吸着させることができる。空
気経路２０および水素経路３０は外気と遮断されてた
め、水分の蒸気圧は外気での蒸気圧とならず、閉ループ
内の系圧となる。このため、吸着剤との蒸気圧を常に確
保することができ、吸着剤による水分の吸着を進行させ
ることができる。

【００４３】このように、ＦＣスタック１０内に残留し
た水分の飽和蒸気圧の変化により、吸着剤への水分の吸
着が可能となる。このため、自然放置によりＦＣスタッ
ク１０内部の除去することができる。従って、残留水分
除去のために特別の制御や動力を必要とせず、簡易で安
全な手段であるため信頼性も確保される。さらに、シャ
ットバルブ２２、２３、３２、３３により空気経路２０
および水素経路３０を遮断することで、外環境からのガ
ス経路２０、３０およびＦＣスタック１０内への水蒸気
侵入を防止することができる。

【００４４】また、吸着剤は吸着反応に伴って発熱を生
じるが、吸着剤に対する水分吸着を自然放置にて行うた
め、吸着速度は遅くなり吸着反応に伴う発熱も少なくな
る。従って、水分吸着部２４、３４は外気による自然冷
却で冷却可能となり、積極的な冷却系を設ける必要がな
い。すなわち、水分吸着部２４、３４による吸着速度
は、外気による自然冷却とバランスした吸熱量の吸着速
度となる。

【００４５】ところで、ＦＣスタック１０は定常運転時
には８０℃程度で運転されており、例えば−３０℃の外
気温環境においてＦＣスタック１０が０℃に到達するの
に運転停止後数時間程度要するほどの余熱を有してい
る。このようにＦＣスタック１０は、運転停止後も余熱
のため放熱に時間を要するので、瞬時にＦＣスタック１
０内部から水分を除去させる必要はない。このため、Ｆ
Ｃスタック１０が凍結温度以下となるまでにＦＣスタッ
ク１０の残留水を除去することができればよく、吸着剤
による水分吸着でＦＣスタック１０内の水分を充分除去
できる。

【００４６】また、逆にＦＣスタック１０の停止時間が
短時間であった場合には、ＦＣスタック１０内の水分が
残留してしまうが、ＦＣスタック１０内部では余熱によ
り凍結が生じないため、電解質膜は湿潤状態を保ってい
る。このため、その温度から瞬時にＦＣスタック１０を
起動することができる。このように、ＦＣスタック１０
が停止する度に完全乾燥するわけではないので、効率的
であり、適用範囲が広い。

【００４７】また、水分吸着部２４、３４はＦＣスタッ
ク１０の上流側に配置されているので、水分吸着部２
４、３４に吸着させた水分は、次回の通常運転時におい
て、ＦＣスタック１０に供給される空気あるいは水素の
加湿に利用することができ、加湿装置２６の代替手段と
することができる。

【００４８】具体的には、空気経路２０において、流路
切替弁２５にて空気の流路を水分吸着部２４側に切り替
えることで、ＦＣスタック１０に供給される空気を加湿
することができる。水素経路３０においても、同様に流
路切替弁３５にて水素の流路を水分吸着部３４側に切り
替えることで、ＦＣスタック１０に供給される水素を加
湿することができる。

【００４９】また、これにより吸着剤から水分を脱離し
て吸着剤を再生することができ、次回運転停止時の水分
吸着に備えることができる。

【００５０】なお、本第１実施形態では、空気経路２０
および水素経路３０の双方において吸着剤により水分を
吸着除去するように構成しているが、空気経路２０ある
いは水素経路３０のいずれか一方で吸着剤による水分の
吸着除去を行い、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。

【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
は、上記第１実施形態に比較してＦＣスタック１０の水
素極側の水分除去を吸着剤による吸着以外の方法により
行う点が異なる。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は、本第２実施形態の燃料電池システ
ムの全体構成を示している。図４に示すように、本第２
実施形態では水分吸着部２５は空気経路２０にのみ設け
られており、水素経路３０には設けられていない。

【００５３】また、本第２実施形態では、ＦＣスタック
１０には、ＦＣスタック１０を構成する各セルの出力電
圧を検出するセルモニタ（図示せず）が設けられてい
る。ＦＣスタック１０の電解質膜の乾燥が進行すると、
ＦＣスタック１０の発電効率が悪くなって、ＦＣスタッ
ク１０を構成する各セルの出力電圧が低下する。従っ
て、ＦＣスタック１０内部の乾燥状態（湿潤状態）とセ
ル出力電圧との間には相関関係があり、セルモニタにて
セル出力電圧を検出することで、精度よくＦＣスタック
１０内部の湿潤状態を間接的に検出することができる。
このようにセルモニタはＦＣスタック１０内部の湿潤状
態を検出する湿潤状態検出手段として用いられる。

【００５４】次に、本第２実施形態の燃料電池システム
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。なお、燃料電池システムの通常運転における作動
は上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

【００５５】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Ｓ２０）。この結果、水分パージが必要と判
定された場合には、空気圧送コンプレッサ２１および水
素ポンプ３１を作動させ、空気経路２０に乾燥空気を供
給し、水素経路３０に乾燥水素を供給する（ステップＳ
２１）。このとき、ＦＣスタック１０は停止しているた
め、２次電池１２からの電力供給によりポンプ２１、３
１を作動させる。また、加湿装置２３による供給空気お
よび供給水素への加湿は行わない。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
燥水素がＦＣスタック１０の水素極側に供給される。

【００５６】ＦＣスタック１０に乾燥空気および乾燥水
素が供給されることにより、ＦＣスタック１０では電気
化学反応が起こり発電する。これにより、ＦＣスタック
１０の水素極側の水分除去が行われる（ステップＳ２
２）。

【００５７】すなわち、ＦＣスタック１０の水素極側に
残留する水分は、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。これにより水素極側に残留した水
分は失われ、水素極側は乾燥に向かうこととなる。ま
た、水素極に供給された乾燥水素は水素極に残留する水
分を含んで湿潤ガスとなって系外に排出されるため、こ
れによっても水素極の水分除去および乾燥を進行させる
ことができる。

【００５８】但し、ＦＣスタック１０の酸素極側には、
電気化学反応により生成した水分と水素極側より移動し
た水分とが存在することとなる。水素極の水分除去時に
おいて、酸素極側に乾燥空気を供給しているので、酸素
極側においても乾燥空気は水分を含んで湿潤ガスとなり
系外に排出される。

【００５９】このように、ＦＣスタック１０に乾燥空気
および乾燥水素を供給して、ＦＣスタック１０の仮の運
転を行うことで、ＦＣスタック１０の水素極側の水分を
除去して乾燥させることができる。なお、ＦＣスタック
１０は仮の運転により発電するが、自動車としての駆動
動力としては必要ないため、電力は本水分除去制御を行
うための空気圧送コンプレッサ２１、水素ポンプ３１、
シャットバルブ２２、２３、３２、３３、流路切替弁２
５等の補機動力として用いられる。

【００６０】次に、セルモニタによりＦＣスタック１０
を構成する各セルの出力電圧を検出し、ＦＣスタック１
０内の残留水分が除去できたか否かを判定する（ステッ
プＳ２３）。上述のようにＦＣスタック１０内の湿潤状
態とセル出力電圧とは相関関係があるので、セルモニタ
１３にて検出したセル出力電圧が所定電圧より低い場合
には、水素極が充分乾燥していると判定することができ
る。

【００６１】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Ｓ２１、Ｓ２２
の水分除去制御を繰り返し行う。一方、ＦＣスタック１
０の水素極側に残留水分が存在していない場合には、酸
素極側の水分除去を行う。

【００６２】まず、シャットバルブ２２、２３、３２、
３３により空気経路２０および水素経路３０を遮断する
（ステップＳ２４）。次に、流路切替弁２５により空気
経路２０を水分吸着部２４側に切り替える（ステップＳ
２５）。その後、自然放置して水分吸着部２４に充填さ
れた吸着剤にＦＣスタック１０内部における酸素極側の
水分を吸着させる（ステップＳ２６）。これにより、Ｆ
Ｃスタック１０内部の水素極側および酸素極側を乾燥さ
せることができる。

【００６３】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態を図６に基づいて説明する。本第３実施形態の燃料
電池システムは、上記第１実施形態に比較してＦＣスタ
ック１０内部の水分除去・乾燥を部分的に行う点が異な
るものである。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。

【００６４】図６はＦＣスタック１０単体の概略図であ
り、ＦＣスタック１０は例えば４００個のセルから構成
されているとする。本第３実施形態では、ＦＣスタック
１０構成するセルのうち１００個のセルを起動用セル１
０ａとして水分除去を行う。

【００６５】通常、ＦＣスタック１０はすべてのセルに
分割されており、それぞれに並列的に燃料ガス（水素お
よび空気）と冷却水とが供給されるように構成されてい
る。ＦＣスタック１０に燃料ガスを供給するガス経路２
０、３０には、ガス経路２０、３０を起動用セル１０ａ
のみ連通させる切替弁２７が設けられている。また、冷
却水経路４０には、冷却水経路４０を起動用セル１０ａ
のみ連通させる冷却水切替弁４５が設けられている。

【００６６】このような構成により、ＦＣスタック１０
の通常運転停止後、ＦＣスタック１０内部の水分除去を
行う際に、切替弁２７によりガス経路２０、３０を起動
用セル１０ａのみ開くことで、ＦＣスタック１０を構成
するセルのうち起動用セル１０ａのみを水分除去し乾燥
させることができる。これにより、低温環境下におい
て、起動用セル１０ａのみが凍結しない。

【００６７】次に、ＦＣスタック１０の低温起動すると
きには、乾燥している起動用セル１０ａに燃料ガスを供
給して発電を開始する。発電に伴い起動用セル１０ａで
は発熱を生ずる。このとき、冷却水切替弁４５を起動用
セル１０ａ側にのみ流れるように切り替える。冷却水は
起動用セル１０ａを循環し、起動用セル１０ａの排熱に
より昇温する。そして、冷却水切替弁４５を凍結してい
る残りの３００セル側に切り替えることで、起動用セル
１０ａの発電に伴う排熱を残りのセルに伝えることがで
き、ＦＣスタック１０全体を昇温させることができる。

【００６８】このように、ＦＣスタック１０を構成する
一部の起動用セル１０ａを乾燥させることで、残りのセ
ルは凍結して瞬時に起動することができないが、最初に
起動用セル１０ａを起動させ、起動用セル１０ａの発電
に伴う排熱を残りのスタックに供給することで、ＦＣス
タック１０全体を起動させることができる。

【００６９】本第３実施形態によれば、低温起動性を向
上させるためにＦＣスタック１０を構成するセルのすべ
てについて水分除去を行う必要はなく、システム全体の
効率を向上させることができる。

【００７０】（他の実施形態）また、上記各実施形態に
おいて、吸着剤による水分吸着除去の前に、空気経路２
０あるいは水素経路３０のうち少なくとも水分吸着部２
４、３４が設けられている経路に加熱された乾燥ガスを
供給して、温風による水分パージを行うように構成して
もよい。上記第２実施形態の燃料電池システムでは、乾
燥ガス供給によるＦＣスタック１０の仮運転の後であっ
て、吸着剤による水分吸着除去の前に、空気経路２０に
乾燥ガスを供給して温風パージを行えばよい。吸着剤に
よる水分除去に先立ち温風パージを行うことで、吸着剤
によって除去すべき水分量が減少するため、吸着剤の容
量を少なくすることができる。

【００７１】乾燥ガスの種類は問わないが、加湿されな
い空気を用いることができる。温風パージに用いる乾燥
ガスはＦＣスタック１０内部の温度より高温である必要
があり、例えば空気圧送コンプレッサ２１による断熱圧
縮による加熱でもよく、乾燥ガス加熱用のヒータを設け
てもよい。

【００７２】また、上記各実施形態では、吸着剤による
水分吸着除去は自然放置により行ったが、吸着の際、空
気経路２０および水素経路３０に両端部に設けられたシ
ャットバルブ２２、２３、３２、３３によりＦＣスタッ
ク１０の内圧を調整するようにしてもよい。具体的に
は、ＦＣスタック１０内部の圧力を低下させることで、
ＦＣスタック１０内部の水分が蒸発しやすくする。これ
により、ＦＣスタック１０内部の残留水分が吸着剤に吸
着されやすくなる。

【００７３】また、上記各実施形態では、吸着剤による
水分吸着の際、自然冷却したが、これに限らず、例えば
水分吸着部に冷却水を循環させて吸着剤を積極的に冷却
するように構成してもよい。さらに、吸着剤に吸着した
水分を、次回の通常運転時にＦＣスタック１０に供給さ
れる空気や水素の加湿に用いる際、吸着剤を積極的に加
熱するように構成して、空気の加湿を促進させるように
構成してもよい。

【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を示す説明図
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燃料電
池の構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２０…空気経路、３
０…水素経路、２２、２３、３２、３３…開閉弁（シャ
ットバルブ）、２４、３４…水分吸着部、２５、３５…
流路切替弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者堀田直人愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX10 5H027 AA06 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素極に供給される水素と酸素極に供給
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、前記酸素極に供給される酸素が通過する空気経路（２
０）と、前記水素極に供給される水素が通過する水素経路（３
０）と、前記空気経路（２０）あるいは前記水素経路（３０）の
少なくとも一方に設けられるとともに、吸着剤を備えた
水分吸着部（２４、３４）とを備え、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、前記水分吸着
部（２４、３４）により前記燃料電池（１０）内部の水
分を吸着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は、前記水分吸着部（２４、３４）をバイパスさせるバイパ
ス経路（２０ａ、３０ａ）と、前記空気経路（２０）あるいは前記水素流路（３０）を
前記水分吸着部（２４、３４）側あるいは前記バイパス
経路（２０ａ、３０ａ）側に切替可能な流路切替弁（２
５、３５）とが設けられてい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】前記水分吸着部（２４、３４）は、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）の上流側に設
けら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４】前記空気経路（２０）および前記水素経
路（３０）の両端部には、前記空気経路（２０）および
前記水素経路（３０）を遮断する開閉弁（２２、２３、
３２、３３）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いて、少な
くとも前記水分吸着部（２４、３４）により前記燃料電
池（１０）内部の水分吸着を行う際に、前記開閉弁（２
２、２３、３２、３３）により前記空気経路（２０、６
０）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】前記燃料電池（１０）の通常運転停止
後、前記水分吸着部（２４、３４）により前記燃料電池
（１０）内部の水分吸着を行う前に、前記空気経路（２０）あるいは前記水素経路（３０）の
うち少なくとも前記水分吸着部（２４、３４）が設けら
れている経路に、前記燃料電池（１０）内部の温度より
高温に加熱された乾燥ガスを所定時間供給することを特
徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料
電池システム。
【請求項６】前記水分吸着部（２４）は前記空気経路
（２０）に設けられており、前記燃料電池（１０）の通常運転停止後、前記酸素経路
（２０）に乾燥酸素を供給するとともに前記水素経路
（３０）に乾燥水素を所定時間供給して前記燃料電池
（１０）内部における水素極側の水分除去を行った後、
前記水分吸着部（２４、３４）により前記燃料電池（１
０）内部における酸素極側の水分を吸着させることを特
徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに燃料
電池システム。
【請求項７】前記燃料電池（１０）の通常運転停止
後、前記酸素経路（２０）に乾燥酸素を供給するととも
に前記水素経路（３０）に乾燥水素を所定時間供給して
前記燃料電池（１０）内部における水素極側の水分除去
を行った後であって、前記水分吸着部（２４、３４）に
より前記燃料電池（１０）内部における酸素極側の水分
を吸着させる前に、少なくとも前記空気通路（２０）に
前記燃料電池（１０）内部の温度より高温に加熱された
乾燥ガスを所定時間供給す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】前記燃料電池（１０）を構成する複数の
セルのうち一部のセルについて水分除去を行うことを特
徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料
電池システム。