JP2004192852A

JP2004192852A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004192852A
Application number: JP2002356755A
Authority: JP
Inventors: 英彦 ▲高▼瀬; Hidehiko Takase; Yoichi Asano; 洋一浅野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP4141819B2

Abstract

【課題】低温状態であっても燃料電池の発電を適切に継続させる。
【解決手段】燃料電池１１の酸素極近傍に水を吸着および脱離可能な吸着材を配置した。燃料電池システム１０の制御装置１８は、燃料電池１１への燃料供給を停止した作動停止時において、次回の始動時に備え、所定時間に亘ってエアーコンプレッサー１２から供給される空気を、カソード加湿器１３を迂回させて、燃料電池１１のカソード２３に供給し、相対的に乾燥した空気によって吸着材に吸着された水の所定量を脱離させる。制御装置１８は、少なくとも、エアーコンプレッサー１２に取り込まれる空気の温度を検出する吸気温度検出器１９ａと燃料電池１１の温度を検出する機関温度検出器１９ｂと燃料電池１１を冷却する冷却媒体の温度を検出する媒体温度検出器１９ｃとのうちの何れかの検出結果に基づき、空気の供給を継続する所定時間を設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
ところで、このような燃料電池を具備する燃料電池システムでは、外気温度が低い状態、例えば氷点下（−５℃以下等）において燃料電池の発電動作を開始させると、発電により生成される生成水が凝固することによって反応ガスのガス流路や拡散層が閉塞され、発電を継続することが困難になる場合がある。
このような問題に対して、従来、例えば電気ヒータ等により燃料電池を加熱したり、例えば加熱した冷却液を燃料電池に供給したり、例えばカソード触媒上あるいはアノード触媒上で水素と酸素を発熱反応させる方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８９１６４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係る燃料電池システムのように、燃料電池の発電部周辺の温度を氷点下等の低温状態から、凍結状態が解消される０°Ｃ以上の状態になるまで昇温させる場合には、この昇温に要する熱量が燃料電池の熱容量に応じて増大することから、この昇温に要する時間が相対的に長くなる場合がある。
ここで、例えば、燃料電池システムが燃料電池車両等の車両の駆動用電源として搭載されている場合には、車両のイグニッションスイッチがオンとされてから燃料電池が発電可能となるまでに要する時間、つまり車両が始動可能となるのに要する時間が長くなることで利便性が悪化する虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば氷点下等の低温状態であっても燃料電池の発電動作を継続させ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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極（例えば、本実施形態でのアノード２２）と酸素極（例えば、本実施形態でのカソード２３）を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の内部に配置され、水を吸着および脱離可能な吸着材と、少なくとも、前記燃料電池周辺の温度に係る環境温度と前記燃料電池本体の温度と前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度とのうちの何れかを検出する温度検出手段（例えば、本実施形態での吸気温度検出器１９ａ、機関温度検出器１９ｂ、媒体温度検出器１９ｃ）と、前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記吸着材から水を脱離させるか否かを判定する脱離判定手段（例えば、本実施形態でのステップＳ１３）と、前記脱離判定手段による判定結果に応じて、前記吸着材から水を脱離させる脱離実行手段（例えば、本実施形態でのステップＳ１７）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池システムによれば、脱離判定手段は、温度検出手段による検出結果に基づき、例えば、燃料電池の次回の始動が氷点下にて実行される場合に生成される水の量や、この水の量を吸着可能である吸着材の状態や、この時点での吸着材の状態等に応じて、吸着材から水を脱離させる脱離実行手段の実行が必要か否かを判定する。これにより、氷点下において燃料電池が始動される場合であっても、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができ、例えば生成される水の凍結によって反応ガスのガス流路や拡散層が閉塞されてしまうことを防止して、燃料電池の発電を適切に継続させることができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の始動時に前記温度検出手段により検出される温度が氷点下の所定温度から氷点まで変化する期間に亘って前記燃料電池の発電により生成される水の量を算出する生成水量算出手段（例えば、本実施形態での数式（２））と、前記生成水量算出手段により算出される前記水の量と、前記脱離判定手段による判定処理の実行時に前記温度検出手段により検出される温度とに基づき、前記脱離実行手段の実行を継続する時間を設定する継続時間設定手段（例えば、本実施形態でのステップＳ０６、ステップＳ１１）とを備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、継続時間設定手段は、例えば、脱離判定手段による判定処理の実行時に温度検出手段により検出される温度に基づき、この時点での吸着材の状態を検出すると共に、生成水量算出手段により算出される水の量を吸着可能である吸着材の状態を設定し、この設定された状態に到達するために要する脱離実行手段の実行を継続する時間を設定する。
これにより、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができ、生成される水の凍結を防止して、燃料電池の発電を適切に継続させることができる。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムは、前記所定温度として前記燃料電池の次回の始動時に前記温度検出手段により検出される温度を推定する温度推定手段（例えば、本実施形態でのステップＳ０６が兼ねる）を備えることを特徴としている。
【００１０】
上記構成の燃料電池システムによれば、温度推定手段は、例えば前回の始動時や過去の始動時において温度検出手段により検出された温度のデータや、今回の燃料電池システムの作動時において温度検出手段により検出された温度の時間変化のデータや、今回の始動時における季節や地域等のデータに基づいて、燃料電池の次回の始動時に温度検出手段により検出される温度を推定する。
これにより、氷点下において燃料電池を始動させる際の生成水量算出手段の算出精度を向上させることができ、脱離実行手段を効率よく実行させることができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記脱離実行手段は、水蒸気分圧が所定分圧以下の気体（例えば、本実施形態での空気）を前記酸素極に供給することを特徴としている。
【００１２】
上記構成の燃料電池システムによれば、脱離実行手段は、水蒸気分圧が所定分圧以下であって、吸着材に比べて相対的に乾燥した気体を酸素極に供給することによって、吸着材に吸着された水を容易に脱離させることができる。
【００１３】
さらに、請求項５に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記吸着材は、少なくとも、前記酸素極と前記固体高分子電解質膜の酸素極近傍と前記酸素の流路とのうちの何れかに配置されてなることを特徴としている。
【００１４】
上記構成の燃料電池システムによれば、酸素極を構成する触媒の近傍に吸着材を配置することによって、燃料電池の発電により生成される水を効率よく吸着させることができる。ここで、酸素極を構成する触媒の近傍は、例えば、固体高分子電解質膜の酸素極側や、酸素極を構成するガス拡散層や、酸素極側の反応ガスのガス流路等とされている。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記吸着材は、少なくとも、ゼオライトとシリカゲルと活性アルミナと活性炭とのうちの何れかからなることを特徴としている。
【００１６】
上記構成の燃料電池システムによれば、吸着材を、少なくともゼオライトとシリカゲルと活性アルミナと活性炭とのうちの何れかから構成することによって、燃料電池の発電により生成した水の吸着および脱離を効率よく行うことができると共に、燃料電池の始動時等において所定温度（例えば、燃料電池の定格運転温度等）まで燃料電池の温度を上昇させる際の温度上昇率を、吸着材による水の吸着によって発生する熱により向上させることができる。
【００１７】
さらに、請求項７に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記吸着材の量は、少なくとも前記生成水量算出手段により算出される前記水の量を吸着可能な量であることを特徴としている。
【００１８】
上記構成の燃料電池システムによれば、少なくとも生成水量算出手段により算出される水の量を吸着可能な量の吸着材を燃料電池の内部に配置することによって、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができると共に、燃料電池の大きさや重量が過剰に増大することを抑制することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車両に駆動用電源として搭載されており、図１に示すように、燃料電池１１と、エアーコンプレッサー１２と、カソード加湿器１３と、加湿器バイパス切替弁１４と、燃料供給装置１５と、エゼクタ１６と、冷却器１７と、制御装置１８と、吸気温度検出器１９ａと、機関温度検出器１９ｂと、媒体温度検出器１９ｃとを備えて構成されている。
【００２０】
燃料電池１１は、例えば図２に示すように、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜（膜）２１を、アノード触媒２２ａおよびガス拡散層２２ｂからなる燃料極（アノード）２２と、カソード触媒２３ａおよびガス拡散層２３ｂからなる酸素極（カソード）２３とで挟持してなる電解質電極構造体２４を、更に一対のセパレータ２５，２６で挟持してなる燃料電池セル２７を多数組積層して構成されている。
そして、電解質電極構造体２４と対向する各セパレータ２５，２６の表面上には凹溝が形成されており、各凹溝と電解質電極構造体２４とによってアノード流路２５ａおよびカソード流路２６ａが形成されている。
【００２１】
さらに、燃料電池１１は、水を吸着および脱離可能な吸着材２８を備えており、例えば固体高分子電解質膜２１のカソード側の表面部に複数の粒子状の吸着材２８，…，２８が分散配置されている。
なお、吸着材２８は、例えば、ゼオライトや、シリカゲルや、活性アルミナや、活性炭等のうち、少なくとも何れかを備えて構成されており、例えばゼオライトとされている。
また、吸着材２８，…，２８の総量は、少なくとも、氷点下における燃料電池１１の始動時に、例えば、燃料電池１１周辺の温度に係る環境温度（例えば、外気温度等）や、燃料電池１１の温度（機関温度）や、燃料電池１１の冷却媒体の温度や、吸着材２８，…，２８の温度等が、氷点下の所定温度から氷点まで変化する期間に亘って燃料電池１１の発電により生成される水の量を吸着可能な量とされている。
【００２２】
燃料電池１１のアノード２２には、アノード流路２５ａに接続された入口側配管３１から水素等の燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノード２２のアノード触媒２２ａ上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜２１を介してカソード２３へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路（図示略）に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード２３には、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がカソード流路２６ａに接続された入口側配管３２から供給され、このカソード２３において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、アノード流路２５ａに接続された出口側配管３３およびカソード流路２６ａに接続された出口側配管３４から未反応の反応ガスを含む排出ガスが燃料電池１１の外部に排出される。
【００２３】
エアーコンプレッサー１２は、例えば車両の外部から空気を取り込んで断熱圧縮し、この空気を反応ガスとして、カソード加湿器１３を介して燃料電池１１のカソード２３に供給する。
カソード加湿器１３は、燃料電池１１のカソード２３に供給される空気を加湿することによって燃料電池１１の固体分子電解質膜２１のイオン導電性を所定の状態に確保する。
エアーコンプレッサー１２とカソード加湿器１３とカソード２３側の入口側配管３２とを接続する流路には、カソード加湿器１３を迂回する加湿器バイパス流路３５が加湿器バイパス切替弁１４を介して設けられている。
すなわち、エアーコンプレッサー１２にて圧縮昇温された空気は、例えば燃料電池１１の運転状態に応じた加湿器バイパス切替弁１４での流路の切り替えによって、カソード加湿器１３を介して、あるいは、カソード加湿器１３を介さずに燃料電池１１のカソード２３に供給されるようにされている。
【００２４】
燃料供給装置１５は、例えば高圧の水素タンクと、エアーコンプレッサー１２から供給される空気の圧力を信号圧として所定圧力の水素を排出する空気式の比例圧力制御弁等とを備えて構成され、この燃料供給装置１５から供給される水素は、エゼクタ１６を介して燃料電池１１のアノード２２側の入口側配管３１へと流通させられる。
エゼクタ１６は、燃料供給装置１５から供給され、内部を流通する高速の水素ガス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１のアノード側の出口側配管３３からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスを燃料供給装置１５から供給される水素と混合して燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出される排出ガスを循環させる。
【００２５】
さらに、燃料電池１１の内部には、外部から供給される冷却媒体が循環する媒体流路（図示略）が設けられており、この媒体流路に冷却媒体を循環させる循環ポンプ１７ａおよび熱交換器１７ｂを備えて冷却器１７が構成されている。すなわち、循環ポンプ１７ａを介して燃料電池１１の媒体流路に供給された冷却媒体は、熱交換器１７ｂを流通する過程で熱交換を行った後に、再び循環ポンプ１７ａに戻るようにされている。
【００２６】
制御装置１８は、例えば、車両の運転状態に応じてエアーコンプレッサー１２の回転数に対する指令値を算出し、この指令値に応じてエアーコンプレッサー１２の動作を制御することによって、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置１８は、例えば燃料供給装置１５に具備される燃料供給遮断弁１５ａによって燃料電池１１への燃料供給を停止した作動停止時等において、後述する所定時間に亘って、エアーコンプレッサー１２から供給される空気が加湿器バイパス流路３５を流通し、カソード加湿器１３を介さずに燃料電池１１のカソード２３に供給されるように加湿器バイパス切替弁１４およびエアーコンプレッサー１２を制御する。これにより、カソード加湿器１３を迂回して相対的に乾燥した空気が燃料電池１１のカソード２３に供給されることによって、吸着材２８に吸着された水の所定量が脱離され、吸着材２８の吸着率が所定値に設定される。
【００２７】
ここで、制御装置１８は、相対的に乾燥した空気を燃料電池１１のカソード２３に供給する所定時間を、例えば、燃料電池１１周辺の温度に係る環境温度（例えば、外気温度等）や、燃料電池１１の温度（機関温度）や、燃料電池１１の冷却媒体の温度等に基づいて設定する。
このため、制御装置１８には、例えば、エアーコンプレッサー１２に取り込まれる空気の温度（吸気温度）を検出する吸気温度検出器１９ａから出力される検出信号と、燃料電池１１の温度を検出する機関温度検出器１９ｂから出力される検出信号と、燃料電池１１の媒体流路から排出された冷却媒体の温度を検出する媒体温度検出器１９ｃから出力される検出信号とが入力されている。
【００２８】
本実施の形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の動作、特に、例えば燃料電池１１の作動停止時等において、吸着材２８に吸着された水を脱離させる処理（パージ処理）について添付図面を参照しながら説明する。
【００２９】
以下に、パージ処理の実行を継続する時間を設定する処理について説明する。
燃料電池１１の発電時にカソード２３において生成される水の生成水量ｎｗ（ｍｏｌ／ｓ）は、発電によって外部回路（図示略）に取り出される電流Ｉ（Ａ）とファラデー定数Ｆとにより、例えば下記数式（１）に示すように記述される。
【００３０】
【数１】

【００３１】
外気温度が低い状態、例えば氷点下（−５℃以下等）において燃料電池１１を運転時間ｔ（ｓ）に亘って作動させた際に生成される生成水総量ｍｗ（ｇ）は、水の分子量Ｍｗと、燃料電池１１を構成する電解質電極構造体２４の数（セル数）ｃｅｌｌとにより、例えば下記数式（２）に示すように記述される。
【００３２】
【数２】

【００３３】
ここで、生成水総量ｍｗの水を吸着するために必要とされる吸着材２８の吸着材量ｍａ（ｇ）は、吸着前の吸着率つまりパージ処理実行後における脱離後吸着率θｓと、吸着後における吸着後吸着率θｅと、吸着能γ（＝被吸着物質の飽和重量／吸着材２８の乾燥重量）とにより、例えば下記数式（３）に示すように記述される。
【００３４】
【数３】

【００３５】
例えば、ゼオライトからなる吸着材２８において、ｔ＝２０ｓとし、∫Ｉ・ｄｔ＝５００Ｃとし、ｃｅｌｌ＝４００とし、θｅ＝０．９とし、θｓ＝０．８とし、γ＝０．２とすると、ｍｗ≒２０ｇ、ｍａ≒１ｋｇとなり、燃料電池１１に搭載可能な吸着材２８の量であると判断することができる。
【００３６】
ここで、吸着材２８の吸着率θは、例えば下記数式（４）および図３に示すように、吸着材２８の温度Ｔおよび雰囲気の水蒸気分圧Ｐｗの関数とされる吸着等温曲線により記述される。
なお、図３に示すように、吸着材２８は、温度Ｔが低くなるほど被吸着物質（水）を吸着して水蒸気分圧Ｐｗを低下させ、温度Ｔが高くなるほど被吸着物質（水）を脱離して水蒸気分圧Ｐｗを増大させる。ここで、例えば氷点下（−５℃以下等）等の低温状態において、被吸着物質が吸着されることで吸着材２８の吸着率θが脱離後吸着率θｓから吸着後吸着率θｅへと変化した（例えば、図３に示す矢印Ａ）後に、温度Ｔが燃料電池１１の定格運転温度（例えば、７０〜８０℃程度）まで上昇すると、燃料電池１１のカソード２３は飽和水蒸気圧の状態もしくは飽和水蒸気圧近傍の状態であるため、例えば吸着率θの値は吸着後吸着率θｅに維持される（例えば、図３に示す矢印Ｂ）。そして、燃料電池１１の運転停止後に、温度Ｔが定格運転温度近傍の状態で、相対的に乾燥した空気が燃料電池１１のカソード２３に供給されると、吸着材２８に吸着された水が脱離され、吸着率θの値は脱離後吸着率θｓへと変化する（例えば、図３に示す矢印Ｃ）。
なお、低温状態において、吸着率θが脱離後吸着率θｓから吸着後吸着率θｅへと変化した（例えば、図３に示す矢印Ａ）後に、飽和水蒸気圧未満の状態で温度Ｔが上昇すると、吸着材２８に吸着された水が脱離されることで水蒸気分圧Ｐｗが増大し、吸着率θの値は脱離後吸着率θｓへと変化する（例えば、図３に示す矢印Ｄ）。
【００３７】
【数４】

【００３８】
燃料電池１１のカソード２３は飽和水蒸気圧の状態もしくは飽和水蒸気圧近傍の状態であり、飽和水蒸気圧は温度のみの関数で記述可能であることから、燃料電池１１の運転停止時における停止時水蒸気分圧Ｐｗｅは、例えば下記数式（５）に示すように、燃料電池１１の運転停止以前における運転温度Ｔｅのみにより記述される。
【００３９】
【数５】

【００４０】
上記数式（４），（５）により、燃料電池１１の運転停止時における吸着率θである吸着後吸着率θｅは、例えば下記数式（６）に示すように、燃料電池１１の運転停止以前における運転温度Ｔｅのみの関数となる。
【００４１】
【数６】

【００４２】
ここで、燃料電池１１の運転時におけるカソード２３の全圧力Ｐｔ（ｋＰａ）に対し、水蒸気モル分率Ｘｗは、例えば下記数式（７）に示すように記述され、水蒸気濃度Ｃ（ｐｐｍ）は、例えば下記数式（８）に示すように記述される。
【００４３】
【数７】

【００４４】
【数８】

【００４５】
例えば、燃料電池１１の運転停止時において、Ｔｅ＝９０℃とし、θｅ＝０．８とし、Ｐｔ＝１２０ｋＰａとし、パージ処理においてカソード２３に供給される空気の露点Ｔｄ＝１０℃とすれば、吸着等温曲線を示す適宜の理論式に基づく上記数式（５）により、Ｐｗｅ＝ｆ（９０）≒７０．１ｋＰａとなり、
水蒸気分圧収束値Ｐｗｐ＝ｆ（１０）≒１．２ｋＰａとなる。
さらに、上記数式（７），（８）により、燃料電池１１の運転停止以前における水蒸気濃度Ｃｅ＝１０^６・Ｘｗｅ＝１０^６・Ｐｗｅ／Ｐｔ
＝１０^６×７０．１／１２０＝５．８４×１０^５ｐｐｍとなり、水蒸気濃度収束値Ｃｐ＝１０^６×１．２／１２０＝１０^４ｐｐｍとなる。
【００４６】
パージ処理の実行時には、飽和状態近傍の水蒸気濃度Ｃｅによって燃料電池１１から水蒸気が排出され、水蒸気濃度（例えば、図５におけるカソード流路２６ａの出口水分濃度）および吸着率θは、例えば図５に示すように、吸着等温曲線に沿って低下し、水蒸気濃度収束値Ｃｐに収束するように変化する。この変化の過程における各時刻での水蒸気濃度Ｃｔに対し、（Ｃｔ−Ｃｐ）に相当する水の量が燃料電池１１から除去される。従って、燃料電池１１から除去される水分量ｍｗ’は、パージ処理にて供給される供給空気流量ｎａｉｒ（ｍｏｌ／ｓ）とパージ処理の実行を継続する時間ｔｐとに基づき、例えば下記数式（９）および図４に示すように記述される。
【００４７】
【数９】

【００４８】
これにより、例えば、吸着材２８の吸着材量ｍａ＝１ｋｇかつ供給空気流量ｎａｉｒ＝５ｍ^３／ｍｉｎの場合に、約２０ｇの水を燃料電池１１から除去するためにパージ処理の実行を継続する時間は約６ｓとなる。
【００４９】
一方、燃料電池１１の始動時にカソード２３において生成される生成水総量ｍｗは始動時の温度Ｔに応じて変化する。
このため、吸着材２８により吸着すべき水の必要吸着量は、適宜の熱収支シミュレーションによって理論的に算出可能であると共に、予め測定した始動時の温度Ｔと電流Ｉの時系列データに基づいて実験的に算出可能である。すなわち、複数の異なる始動時の温度Ｔ毎に対して、例えば図６に示すような温度Ｔと電流Ｉの経時変化を検出し、温度Ｔが摂氏０度になるまでの電流積算値（例えば、図６に示す斜線部Ｅ）を算出する。そして、例えば図７に示すような始動時の温度Ｔと電流積算値（∫Ｉ・ｄｔ）との関係を示すマップを作成し、このマップに対するマップ検索により電流積算値を算出し、上記数式（２）により生成水総量ｍｗを算出する。
【００５０】
さらに、パージ処理の実行を継続する時間は実験的に算出可能である。この場合には、先ず、例えば図８に示すような燃料電池１１の始動時の温度に応じた必要とされる吸着材２８の吸着率θ（脱離後吸着率θｓと同等）の変化を示すマップ等に基づき、必要とされる吸着率θを算出する。
次に、例えば図９に示すような燃料電池１１の運転停止以前における運転温度Ｔｅに対する吸着等温線図の水蒸気分圧を露点に変換して得たマップ等に基づき、必要とされる吸着率θに応じた露点を算出する。
そして、複数の異なる運転温度Ｔｅ毎に対し、パージ処理を実行した際のカソード流路２６ａの出口位置での露点の時間変化を検出し、例えば図１０に示すような露点の時間変化のマップ等を作成し、必要とされる露点に対応する時間をパージ処理の実行を継続する時間（パージ時間）とする。
これにより、例えば図１１に示すような燃料電池１１の始動時の温度に応じて変化するパージ時間の運転温度Ｔｅに対する依存性のマップ等に基づきパージ時間を設定することができる。
【００５１】
なお、燃料電池１１の次回の始動時における温度Ｔを推定する際には、例えば、前回の始動時における外気温度のデータや、過去の始動時における外気温度のデータや、今回の走行時における外気温度の時間変化および今回の始動時刻のデータや、今回の始動時における季節のデータや、例えば燃料電池１１を搭載した車両の仕向地やこの車両のナビゲーション装置等において算出される現在位置のデータ等に基づいて推定される温度のうち、最も低い温度を選択する。
さらに、前回の始動時から所定時間以上経過した時点においては、今回の始動時における燃料電池１１の温度（機関温度）を参照して、次回の始動時の温度Ｔを推定してもよい。
【００５２】
例えば、所望の地域の月別の最低気温のデータを記憶装置（図示略）に記憶し、今回の始動時における外気温度および始動時刻を検出し、この始動時刻における最低気温のデータと外気温度の検出値との偏差を算出する。
そして、今月に対して所定期間だけ前後の月における最低気温のデータのうち、最も低い最低気温を抽出し、この抽出した最低気温から偏差を減算して得た値を次回の始動時の温度Ｔとして設定する。
【００５３】
また、今回の始動時における燃料電池１１の温度が、前回の停止時に推定した温度Ｔよりも低く、氷点下である場合には、例えば燃料電池１１の始動時に、少なくとも生成される水を結露させずに水蒸気の状態で外部に排出することができる程度の空気量をカソード２３に供給するセーフモード処理を実行する。
【００５４】
以下に、燃料電池システム１０の始動（起動）時および停止時の動作について説明する。
先ず、図１２に示すステップＳ０１においては、燃料電池１１の運転モードが起動モードか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０２に進む。
【００５５】
ステップＳ０２においては、今回の起動モードにおいて検出される温度Ｔ１（例えば、外気温度や、燃料電池１１の冷却水の温度や、燃料電池１１本体の温度等に応じた温度）が所定値＃Ｔ１（例えば、−５℃等）未満か否かを判定する。この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
ステップＳ０３においては、パージ処理の実行を指示するパージフラグのフラグ値に「１」を設定する。
【００５６】
次に、ステップＳ０４においては、燃料電池１１の今回の起動後の起動モードにおいて検出される温度Ｔ１の最小値を最小温度Ｔ１’に設定する。
次に、ステップＳ０５においては、最小温度Ｔ１’と、後述するように燃料電池システム１０の前回の作動停止時に設定されて不揮発性メモリ（図示略）に格納された前回温度Ｔ１Ｂとのうち、何れか小さい方の値を、パージ時間算出用の温度Ｔ１”として設定する。
次に、ステップＳ０６においては、パージ時間算出用の温度Ｔ１”に応じて、例えば次回の始動時において検出される温度Ｔ１を推定し、吸着材２８の温度Ｔが、推定した温度Ｔ１から氷点下まで変化する期間中に燃料電池１１の発電により生成される水の量が、吸着材２８にて吸着可能となるまでに要するパージ時間ｔ１を算出し、一連の処理を終了する。
【００５７】
一方、ステップＳ０７においては、燃料電池１１の今回の起動後において運転時に検出される温度Ｔ２（例えば、外気温度や、燃料電池１１の冷却水の温度や、燃料電池１１本体の温度等に応じた温度）が所定値＃Ｔ２（例えば、−５℃等）未満か否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１２に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０８に進む。
ステップＳ０８においては、パージ処理の実行を指示するパージフラグのフラグ値に「１」を設定する。
【００５８】
次に、ステップＳ０９においては、燃料電池１１の今回の起動後において運転時に検出される温度Ｔ２の最小値を最小温度Ｔ２’に設定する。
次に、ステップＳ１０においては、最小温度Ｔ２’と、後述するように燃料電池システム１０の前回の作動停止時に設定されて不揮発性メモリ（図示略）に格納された前回温度Ｔ２Ｂとのうち、何れか小さい方の値を、パージ時間算出用の温度Ｔ２”として設定する。
次に、ステップＳ１１においては、パージ時間算出用の温度Ｔ２”に応じて、例えば吸着材２８の温度Ｔが上述したステップＳ０５にて推定した温度Ｔ１から氷点下まで変化する期間中に燃料電池１１の発電により生成される水の量が、吸着材２８にて吸着可能となるまでに要するパージ時間ｔ２を、例えば上述した図１１等に基づいて算出する。
【００５９】
そして、ステップＳ１２においては、燃料電池１１の運転モードが停止モードか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
【００６０】
ステップＳ１３においては、パージフラグのフラグ値に「１」が設定されているか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ１６に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４においては、燃料電池１１の今回の起動後において検出される温度Ｔ１を、燃料電池１１の次回の起動時に利用する前回温度Ｔ１Ｂとして設定し、燃料電池１１の今回の起動後において運転時に検出される温度Ｔ２を、燃料電池１１の次回の起動後において利用する前回温度Ｔ２Ｂとして設定し、各前回温度Ｔ１Ｂ，Ｔ２Ｂを不揮発性メモリ（図示略）に格納し、ステップＳ１５に進む。
そして、ステップＳ１５においては、燃料電池システム１０の作動を停止して、一連の処理を終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ１６においては、パージ時間ｔ１と、パージ時間ｔ２とのうち、何れか大きい方の値を、所定時間ｔ３として設定する。
そして、ステップＳ１７においては、所定時間ｔ３に亘ってパージ処理を実行する。
次に、ステップＳ１８においては、燃料電池１１の今回の起動後において設定された最小温度Ｔ１’を、燃料電池１１の次回の起動時に利用する前回温度Ｔ１Ｂとして設定し、燃料電池１１の今回の起動後において運転時に設定された最小温度Ｔ２’を、燃料電池１１の次回の起動後において利用する前回温度Ｔ２Ｂとして設定し、各前回温度Ｔ１Ｂ，Ｔ２Ｂを不揮発性メモリ（図示略）に格納する。
そして、ステップＳ１９においては、パージフラグのフラグ値に「０」を設定し、上述したステップＳ１５に進む。
【００６２】
すなわち、燃料電池システム１０の運転停止時には、次回の始動時に備えて、吸着材２８の吸着率θが所定の値となるようにパージ処理を実行する。ここで、パージ処理を実行する時間は、例えば、外気温度や燃料電池１１の冷却水の温度や燃料電池１１本体の温度等に応じた起動モードの最小温度Ｔ１’および運転時の最小温度Ｔ２’に応じて設定される各パージ時間ｔ１，ｔ２のうち、何れか大きい方の値を設定する。
【００６３】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０によれば、低温状態、例えば氷点下（−５℃以下等）における燃料電池１１の始動時であっても、発電により生成される生成水を吸着材２８により確実に吸着させることができ、例えばカソード流路２６ａやガス拡散層２３ｂで生成水が凍結してしまうことを防止し、燃料電池１１の発電を適切に継続させることができる。
さらに、燃料電池１１の次回の始動時に備えて吸着材２８の吸着率θを所定の値に設定するパージ処理において、予め低温状態での始動時に吸着すべき水の必要吸着量とパージ時間との関係を示す演算式やテーブル等をシミュレーションや実験に基づき設定することにより、効率良くパージ処理を実行することができる。
しかも、燃料電池１１の内部に配置された吸着材２８が水を吸着する際に吸着熱を発生することによって、低温状態の燃料電池１１の温度を所定温度（例えば、定格運転温度）まで上昇させるのに要する時間を短縮することができる。
【００６４】
なお、上述した本実施の形態においては、複数の粒子状の吸着材２８，…，２８が固体高分子電解質膜２１のカソード側の表面部に分散配置されているとしたが、これに限定されず、例えば図１３に示す本実施形態の第１変形例に係る燃料電池セル２７のように、複数の粒子状の吸着材２８，…，２８をカソード側のガス拡散層２３ｂ内に分散配置させてもよい。
また、例えば図１４に示す本実施形態の第２変形例に係る燃料電池セル２７のように、複数の粒子状の吸着材２８，…，２８をカソード流路２６ａ内に分散配置させてもよい。
さらに、例えば図１５に示す本実施形態の第３変形例に係る燃料電池セル２７のように、複数の粒子状の吸着材２８，…，２８をカソード側のガス拡散層２３ｂの表面部に分散配置させ、各吸着材２８，…，２８の表面上の適宜の領域がカソード流路２６ａ内に露出するようにしてもよい。
【００６５】
なお、本実施の形態においては、複数の粒子状の吸着材２８，…，２８を燃料電池１１内に配置するとしたが、これに限定されず、例えば、ゼオライトや、シリカゲルや、活性アルミナや、活性炭等からなり、反応ガスが流通可能な複数の気孔を有するシート状や板状等の吸着層を燃料電池セル２７のカソード側に設けてもよい。
【００６６】
なお、本実施の形態においては、燃料電池システム１０の作動停止時において、燃料電池１１の次回の始動時における温度Ｔを推定してパージ処理を実行するとしたが、これに限定されず、例えば車両停止時に各温度検出器１９ａ，１９ｂ，１９ｃから出力される検出信号に基づいて、適宜のタイミングでパージ処理を実行してもよい。
【００６７】
なお、本実施の形態においては、カソード加湿器１３および加湿器バイパス流路３５を省略してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、氷点下において燃料電池が始動される場合であっても、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができ、例えば生成される水の凍結によって反応ガスのガス流路や拡散層が閉塞されてしまうことを防止して、燃料電池の発電を適切に継続させることができる。
さらに、請求項３に記載の燃料電池システムによれば、氷点下において燃料電池を始動させる際の生成水量算出手段の算出精度を向上させることができ、脱離実行手段を効率よく実行させることができる。
【００６９】
さらに、請求項４に記載の燃料電池システムによれば、吸着材に比べて相対的に乾燥した気体を酸素極に供給することによって、吸着材に吸着された水を容易に脱離させることができる。
さらに、請求項５に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電により生成される水を効率よく吸着させることができる。
【００７０】
さらに、請求項６に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電により生成した水の吸着および脱離を効率よく行うことができると共に、燃料電池の温度を上昇させる際の温度上昇率を、吸着材による水の吸着によって発生する熱により向上させることができる。
さらに、請求項７に記載の燃料電池システムによれば、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができると共に、燃料電池の大きさや重量が過剰に増大することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【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】図１に示す燃料電池の構成を示す断面図である。
【図３】吸着材の吸着率と吸着材の雰囲気における水蒸気分圧との関係を示す吸着等温線のグラフ図である。
【図４】パージ処理の実行を継続する時間に応じた水蒸気濃度の変化を示すグラフ図である。
【図５】パージ処理の実行前後における水蒸気濃度および吸着率の各計算値の時間変化を示すグラフ図である。
【図６】燃料電池の発電時における電流と温度の変化を示すグラフ図である。
【図７】燃料電池の始動時の温度に応じて変化する電流積算値の変化を示すグラフ図である。
【図８】燃料電池の始動時の温度に応じて変化する必要とされる吸着材の吸着率の変化を示すグラフ図である。
【図９】吸着材の吸着率と吸着材の雰囲気の露点との関係を示す吸着等温線のグラフ図である。
【図１０】パージ処理の実行を継続する時間に応じた露点の変化を示すグラフ図である。
【図１１】燃料電池の始動時の温度に応じて変化するパージ時間の燃料電池の運転温度に対する依存性を示すグラフ図である。
【図１２】燃料電池システムの始動時および停止時の動作を示すフローチャートである。
【図１３】本実施形態の第１変形例に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【図１４】本実施形態の第２変形例に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【図１５】本実施形態の第３変形例に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池システム
２２アノード（燃料極）
２３カソード（酸素極）
１９ａ吸気温度検出器（温度検出手段）
１９ｂ機関温度検出器（温度検出手段）
１９ｃ媒体温度検出器（温度検出手段）
ステップＳ０６温度推定手段
ステップＳ０６、ステップＳ１１継続時間設定手段
ステップＳ１３脱離判定手段
ステップＳ１７脱離実行手段

Claims

固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極と酸素極を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の内部に配置され、水を吸着および脱離可能な吸着材と、
少なくとも、前記燃料電池周辺の温度に係る環境温度と前記燃料電池本体の温度と前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度とのうちの何れかを検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記吸着材から水を脱離させるか否かを判定する脱離判定手段と、
前記脱離判定手段による判定結果に応じて、前記吸着材から水を脱離させる脱離実行手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の始動時に前記温度検出手段により検出される温度が氷点下の所定温度から氷点まで変化する期間に亘って前記燃料電池の発電により生成される水の量を算出する生成水量算出手段と、
前記生成水量算出手段により算出される前記水の量と、前記脱離判定手段による判定処理の実行時に前記温度検出手段により検出される温度とに基づき、前記脱離実行手段の実行を継続する時間を設定する継続時間設定手段と
を備え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。
前記所定温度として前記燃料電池の次回の始動時に前記温度検出手段により検出される温度を推定する温度推定手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記脱離実行手段は、水蒸気分圧が所定分圧以下の気体を前記酸素極に供給することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
前記吸着材は、少なくとも、前記酸素極と前記固体高分子電解質膜の酸素極近傍と前記酸素の流路とのうちの何れかに配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
前記吸着材は、少なくとも、ゼオライトとシリカゲルと活性アルミナと活性炭とのうちの何れかからなることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
前記吸着材の量は、少なくとも前記生成水量算出手段により算出される前記水の量を吸着可能な量であることを特徴とする請求項２または請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。