JP2004311277A

JP2004311277A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004311277A
Application number: JP2003104957A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Sugano; 善仁菅野; Shuji Hirakata; 修二平形
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04
Also published as: CN1778007A; WO2004091029A1; US20060073367A1; EP1614176A1

Abstract

【課題】低温環境下での水分の内部凍結が解消され、低温起動性に優れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電運転停止時に、前記燃料電池の所定部の温度を所定値以上にするための発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なう。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に電気自動車等の車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。例えば高分子電解質を用いた燃料電池などでは、０℃以下の低温域で保持されると高分子電解質の内部や電極近傍に存在する水分が停止中に凍結して、供給される燃料ガス（水素ガスや空気）のガス拡散を阻害したり、高分子電解質でのイオン伝導率が低下する問題がある。そのため、このような低温域では、燃料電池停止後に再起動できなかったり、起動できても発電効率が著しく損なわれてしまう。
【０００３】
上記に対応して従来は、燃焼式ヒータ等により水等の流体を加熱し、加熱された流体（温水）を燃料電池に供給して暖機する等の処置を行なっていたが、燃料電池の熱容量が大きいために、昇温に長時間を要して燃料電池を短時間で起動させることは困難であった。
【０００４】
また、０℃以下の低温域でも安定した起動性（低温起動性）を確保するためには、起動前に燃料電池内を乾燥状態としておくことが有効であることが判っている。燃料電池内部の凍結を予め防止することで低温起動性を向上させる方法については既に提案されている技術がある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、燃料電池の運転停止中に燃料電池内部が凍結しないように、燃料電池の運転停止時にアノード側、カソード側にそれぞれ加湿されない乾燥水素、乾燥空気を導入して乾燥させたうえで停止するものである。しかしながら、乾燥水素および乾燥空気の導入によって配管内やガス流路内の水分の排出は可能であるものの、高分子電解質膜やこれを用いた電極接合体等中に存在する水分まで除去することは困難であった。そのため、凍結等による破損は防止できても低温起動性を高めることはできなかった。また乾燥空気等を昇温しても、昇温した乾燥空気等を単に導入するだけでは燃料電池自体の熱容量が大きいためにその熱は乾燥に寄与し得ず、内部の高分子電解質膜等まで充分に乾燥させることはできず、低温起動性を確保することはできなかった。一方、充分に乾燥させようとすると乾燥に多くの時間を要してしまう。
【０００５】
上記以外の技術については既に開示されている文献がある（例えば、特許文献２〜３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２０８４２１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献３】
特開２００１−１０２０７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特に内部に高分子電解質膜を用いた電極接合体が備えられた燃料電池などでは、燃料電池を良好に運転させるには電極部の触媒に充分に燃料ガスを供給する必要があるが、上記のような現況のもとでは、電池内部の残存水分を充分に除去できない場合には停止時の凍結によって起動時に燃料ガスが触媒まで達し得ず発電不能となってしまう。電気自動車等に搭載して主たる電力供給源としようとする場合には、想定されるあらゆる使用環境に対応した性能を備えている必要があり、氷点下となる低温域での作動性、再起動性の更なる安定化が望まれていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑み成されたものであり、低温環境下での水分の内部凍結が解消され、低温起動性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の発電運転停止時に、前記燃料電池の所定部の温度を所定値以上にするための発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なう発電停止制御手段とで構成したものである。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の通常の発電運転を停止する際に、燃料電池の所定部の温度が所定値以上となるように（例えば高負荷状態で）発電処理を行ない、その後通常の発電運転を停止する。すなわち、燃料電池の内部が乾燥に必要な温度に達していないときには更に発電処理を行なうことによって燃料電池自体を所定値以上に発熱させ、その熱を利用して電池内部に存在する水分を水蒸気として効果的に除去する。これにより、電池自体の吸熱による熱消費がなく、熱効率よく電池内部の残存水分が水蒸気に換えられ移動容易な状態となり、配管や流路内のみならず、高分子電解質膜を含めた燃料電池内部に存在する水分を、氷点下まで冷却されても凍結しない水分量にまで充分にかつ迅速に乾燥させることができる。
【００１１】
例えば、燃料ガスとして水素極（アノード）側に水素ガス、酸素極（カソード）側に空気（酸素）が供給されて発電を行なう燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池など）では、アノード側、カソード側から各々排出ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）が排気されるが、これらオフガス中に発電時の熱で水蒸気となった水分を含めて外部に除去することができる。
【００１２】
発電停止制御における発電処理では、所定値に満たない燃料電池の所定部の温度を所定値以上にまで暖機できるような発電運転が行なわれればよく、要求される処理の程度は負荷の大きさや運転時間などに影響されるもので、例えば、多くの電力供給が要求される高負荷状態での発電（例えば電熱ヒータへの電力供給や高トルク状態での車両モータ駆動）や、燃料電池の冷却を行なう冷却循環系を停止した状態での発電、等が行なわれる。このような発電処理によって燃料電池の温度を短時間で高めることができる。
【００１３】
燃料電池の所定部の温度は、温度上昇によって乾燥効果が得られる部位の温度を検知する必要があり、例えば、各スタック構造単位を構成する高分子電解質膜やセパレータなどの高分子電解質膜近傍の温度、あるいはスタック構造単位に供給された循環水（冷却水）が排出される排出口近傍の水温を利用することができる。該所定部の温度としては、乾燥効率の点で６０〜８０℃以上であるのが望ましい。
【００１４】
発電運転停止時とは、発電を担う電気化学反応（以下、電池反応ともいう）の終了時、例えば水素ガスおよび空気（酸素）の供給を止めて発電を止めるときであり、具体的には、通常の発電運転を停止する時や一時的に発電を停止する時（例えば自動車が信号待ちで停車しているときなど、いつでも出力可能な出力待機の状態時）、その他不具合発生の際の強制停止時などである。
【００１５】
燃料電池には、複数のスタック構造単位からなるスタック部を設けることができ、分割された複数のスタック構造単位の少なくとも一部において発電停止制御を行なうことができる。発電運転制御をスタック部の一部において行なうので、電池内部に存在する水分量の一部を除去すればよく、より迅速に充分な乾燥状態を得ることができる。
【００１６】
また、発電停止制御をスタック部の一部のスタック構造単位において行なった場合には、再起動に際して発電停止制御を行なったスタック構造単位を用いることで好適に発電運転を開始することができる。すなわち、発電停止制御はスタック部の一部でしか行なわれないので、該一部を除く発電停止制御が行なわれない他のスタック構造単位は停止中に凍結するおそれがあるが、起動時において発電停止制御を行なったスタック部の一部のスタック構造単位は凍結状態にないため、該一部のスタック構成単位を運転させることによってその熱を利用して凍結したスタック部を解凍しつつシステム全体を運転可能な状態とすることができる。
【００１７】
上記の発電停止制御は、外気温度（例えば車両外の温度）が所定値以下であるときに行なうように構成することができる。例えば、停止時に外気温度が所定値以下であることを認識したときに自動的に発電停止制御を行なうようにしてもよいし、燃料電池の発電運転停止後に外気温度が所定値以下となったような場合など、車両内に設けられた切換スイッチを手動でＯＮすることで発電停止制御を行なうようにしてもよい。
【００１８】
本発明の燃料電池システムには、燃料電池を構成するスタック部の内部が乾燥状態か否かを判定する乾燥判定手段を設けることができ、前記乾燥判定手段によって前記内部が乾燥状態でないと判定したときに発電停止制御を行なうように構成することができる。燃料電池を構成するスタック部の内部が乾燥状態か否かを判定する乾燥判定手段を設けることによって、特に燃料電池の通常の発電運転が低負荷状態、すなわち燃料電池の所定部の温度が所定値以上にまで達しない状態から燃料電池の通常の発電運転を停止する場合、例えば、電池反応による発熱量が低い発電状態から停止する場合や起動後短時間で発電運転を停止するような場合などには、電池内部に水分が残存する場合を認識して、燃料電池の内部が乾燥状態でないと判定したときに選択的に発電停止制御を行なうことができる。これにより、不要な発電処理を行なう必要がなく、発電のための燃料消費の軽減、および停止までの時間短縮を図ることができる。
【００１９】
乾燥状態か否かの判定は、例えば、スタック内部の高分子電解質膜の抵抗値を検知して該抵抗値が所定値以上であるときに乾燥状態とする方法や、発電運転起動時の初期値から、運転状態（例えば、スタック部温度、水素ガス及び空気への加湿量、電流値（生成水量）、オフガスによる持ち去り水蒸気量など）をもとに運転時間を積算して高分子電解質膜中に残存する水分量（水収支）を概算して初期値と比較判定する方法、発電運転時の電力負荷および発電時間に対して運転停止時の燃料電池の所定部の温度から発電処理時間を決定し該処理時間終了により乾燥状態と判定する方法（燃料電池の所定部の温度が所定値を超えた時間が所定時間以上である等）、などによって行なうことができる。
【００２０】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子形燃料電池に構成することができる。例えば、アノード拡散電極、カソード拡散電極、および前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、所望によりこの単セルを複数積層したスタック構造に構成することができる。前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池システムの実施形態を図１を参照して説明する。本実施形態は、電気エネルギーの供給を受けて車輪を駆動するモータで移動可能な電気自動車に本発明の第１実施形態の燃料電池システムを搭載し、燃料電池システムが停止される際、燃料電池の内部が乾燥状態でないと判定したときに発電停止制御を行なうようにしたものである。
【００２２】
本実施形態では、燃料電池に設けられたスタック部が二つのスタック単位で構成され、発電運転停止時には二つのスタック単位の一方において発電停止制御を行なうと共に、起動時には発電停止制御を行なった一方のスタック単位をはじめに起動して発電運転を行なうようになっている。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態は、単セルを複数積層してスタック構造に構成され、外部に電力を供給する燃料電池１０と、燃料電池１０の発電停止時に発電停止制御を行う制御部２０とを備えている。
【００２４】
燃料電池１０は、図２に示すように、第１スタック（ＦＣ１）１１と第２スタック（ＦＣ２）１２とで構成されており、このＦＣ１とＦＣ２とは、３方弁１８およびＦＣ２から排出された循環水の温度を測定するための温度センサ１５を備えた配管２２によって連通されている。
【００２５】
第１スタック１１には、さらにウォーターポンプＰ１を備えた配管２３の一端が接続されており、配管２３の他端は配管２５を介在させて電熱ヒータ２１と連通されると共に、配管２４を介在させてラジエータ１６と連通されている。また、配管２３の第１スタック１１との接続部近傍には、ＦＣ１から排出された循環水の温度を測定するための温度センサ１４が設けられており、第１スタック１１の壁面にはスタック内部の図示しない高分子電解質膜における電気抵抗値を測定するための電極端子１３が取付けられている。第２スタック１２には、さらに配管２９の一端が接続されており、配管２９の他端は３方弁１９を介して接続された配管２７、２８によって各々電熱ヒータ２１、ラジエータ１６と連通されている。また、配管２８と配管２２とは、各々の配管途中に設けられた３方弁１７、１８と接続する配管２６によって連通されている。このようにして、燃料電池１０の温度をコントロールするための循環水を循環する循環系が構築されている。
【００２６】
第１スタック１１、第２スタック１２、ウォーターポンプＰ１、ラジエータ１６、電熱ヒータ２１、および３方弁１７〜１９、外気温測定センサ４１、並びに電極端子１３および温度センサ１４、１５は、制御部２０と電気的に接続されており、制御部２０によって動作タイミングが制御されるようになっている。なお、外気温測定センサ４１は外気温度の測定が可能なように設けられている。制御部２０は、燃料電池１０に接続される負荷の大きさに応じて水素ガスおよび空気の量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御を担うほか、燃料電池の発電運転停止時における発電停止制御を行なう発電停止制御手段として機能するものである。発電停止制御については後述する。
【００２７】
燃料電池１０を構成する第１スタック１１および第２スタック１２は、それぞれ単セルを複数積層してスタック構造に構成されている。個々の単セルは、フッ素系イオン交換樹脂膜などの高分子電解質膜がアノード拡散電極とカソード拡散電極との間に狭持されてなる膜電極接合体と、膜電極接合体を更に狭持すると共に、アノード拡散電極との間に水素ガスが通過する、即ち給排される水素ガス流路と、カソード拡散電極との間に空気（エア）が通過する、即ち給排されるエア流路とを形成する一対のセパレータとで構成されている。燃料電池１０は、水素ガス流路に水素密度の高い水素ガスが供給され、エア流路に酸素を含む空気が供給されて電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給する。この燃料電池１０は固体高分子形燃料電池である。
【００２８】
高分子電解質膜は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガスに加水（加湿）することによって形成でき、また、カソード側の酸素を含む空気に加水（加湿）するようにすることもできる。
【００２９】
アノード拡散電極およびカソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にアノード触媒層と拡散層とが積層され、カソード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にカソード触媒層と拡散層とが積層されて構成されている。
【００３０】
アノード触媒層およびカソード触媒層は、高分子電解質膜の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートを高分子電解質膜上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、高分子電解質膜ではなく、高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。
【００３１】
各拡散層は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。
【００３２】
セパレータは、膜電極接合体を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体を構成するアノード拡散電極との間に水素ガス流路が形成され、カソード拡散電極との間にエア流路が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの両側の面において流路が形成されるようになっている。
【００３３】
燃料電池１０のアノード側には、第１スタック１１および第２スタック１２の各水素ガス流路の供給口と連通するように、シャットバルブＶ１と高圧レギュレータＶ２と低圧レギュレータＶ３とシャットバルブＶ４とを備えた水素供給管３１の一端が接続されており、水素タンク３０と連通されている。水素タンク３０の壁面には、他端に充填用コネクタが取り付けられた配管（不図示）の一端が接続されて水素ガスを高圧充填できるようになっている。このとき、各スタックの水素ガス流路に供給する水素ガスの圧力および供給量は、シャットバルブＶ１、高圧レギュレータＶ２、低圧レギュレータＶ３、およびシャットバルブＶ４の開閉状態を制御することで容易に調整可能なようになっている。なお、シャットバルブＶ４は水素を閉じ込める必要がある場合（例えば緊急時など）等に特に使用される。また、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側に供給するようにすることもできる。
【００３４】
また、アノード側にはさらに、排出ガス（アノードオフガス）を排気するための、バルブＶ７とアノードオフガスを加圧するための水素ポンプＰ２とを備えた配管３２の一端が接続されている。なお、バルブＶ７は水素を閉じ込める必要がある場合（例えば緊急時など）等に特に使用される。配管３２は、途中で二つに分岐されており、一方はアノードオフガスを外部に排気するための排気管３３に接続され、他方は逆止弁Ｖ６を介して水素供給管３１に接続されている。
【００３５】
排気管３３には、バルブＶ５が設けられており、その他端で希釈機３５と接続されている。排気管３３に設けられたバルブＶ５が閉じられている間は、アノードオフガスは水素供給管３１を介して再び燃料電池１０内に循環供給されるようになっている。アノードオフガスには、発電運転で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより水素を有効活用することができる。一方、アノードオフガスの循環中は水素以外の不純物、例えばカソードからの高分子電解質膜を透過してきた窒素などが消費されずに残留していき不純物濃度が徐々に増大する。この状態でバルブＶ５が開くことによって、アノードオフガスは排気管３３を通じて希釈機３５で空気によって希釈されて外部に排気され、不純物の循環量が低減される。しかし、この場合には水素も同時に排気されるため、バルブＶ５開度を極力抑えることが燃費向上の点で好ましい。
【００３６】
燃料電池１０のカソード側には、コンプレッサ３８と加湿器３９とを備えたエア供給管３７の一端が第１スタック１１および第２スタック１２の各エア流路供給口と連通するように接続され、更に調圧バルブＶ８を備えた排気管３４の一端が各エア流路排気口と連通するように接続され、燃料電池１０のエア流路へのエアの供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気（カソードオフガス）および生成水の排出が可能なようになっている。空気の供給圧は、調圧バルブＶ８の開度によって制御される。また、エア供給管３７の他端にはフィルタ４０が取り付けられており、排気管３４の他端はマフラー３６と接続されている。
【００３７】
燃料電池１０の発電運転は、第１スタック１１および第２スタック１２のアノード側において水素ガスが水素タンク３０から水素供給管３１を挿通して所定の水素圧で水素ガス流路に供給されると共に、カソード側においてフィルタ４０を介して吸入され、コンプレッサ３８で圧縮され、さらに加湿器３９で加湿された空気（酸素）がエア供給管３７を挿通して所定の供給圧でエア流路に供給されることで行なわれる。燃料電池においては、一般に供給される水素ガスおよび空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため上記のように加圧される。そして、アノードオフガスは配管３２および排気管３３を挿通して外部に排気され、また、カソードオフガス（水分を含んでもよい）は排気管３４の他端からマフラー３６を介して排気される。
【００３８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部２０による制御ルーチンについて、特に燃料電池の発電運転停止時に行なう発電停止制御ルーチン、並びに発電停止制御を行なって停止した後の再起動を行なう発電開始制御ルーチンを中心に図２〜図７を参照して説明する。
【００３９】
上記したように燃料電池１０に水素ガスおよび空気を供給して通常の発電運転を行なった後に発電運転を停止する場合、０℃以下となるような低温域での燃料電池の内部凍結を回避するために、燃料電池の第１スタック１１および第２スタック１２による発電運転停止時に、燃料電池１０の温度を所定値（例えば７０℃）以上とするための発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なう。本実施形態において、発電停止制御における燃料電池の温度は第１スタック１１の温度（Ｔ_ＦＣ１）を基準とし、温度Ｔ_ＦＣ１は第１スタックに接続する配管２３の接続部近傍に設けられた温度センサ１４で検知できるようになっている。
【００４０】
図３は、発電停止制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ１００において燃料電池１０の停止要求フラグがＯＮであるか否かが判断され、ＯＮであると判断した場合は、燃料電池システムの停止要求があった場合、例えばスタートスイッチＳｓｗに連動してＳｓｗがオフされたか、不具合の発生などで強制停止しようとする場合などであるため、次のステップ１１０に移行し、ＯＮでないと判断した場合は、停止要求フラグがＯＮになるまで、即ち燃料電池システムの停止要求があるまで燃料電池の通常の発電運転で制御される。
【００４１】
ステップ１１０において、外気温度が所定値Ｔ（例えば０℃）未満であるか否かが判断され、外気温度が所定値Ｔ未満であると判断した場合は、停止後に凍結するおそれがあるため、次のステップ１２０に進んで第１スタック１１に取り付けられた電極端子１３より得た抵抗値に基づいて第１スタックの内部が乾燥状態か否か、すなわち抵抗値が所定値Ｒ以上であるか否かが判断される。また、外気温度が所定値Ｔを超えていると判断した場合は、内部に残存する水分が凍結するおそれはないため、ステップ１５０においてそのまま第１スタック１１および第２スタック１２の双方（燃料電池１０）を停止して燃料電池システムを停止する。
【００４２】
ステップ１２０において、抵抗値が所定値Ｒ以上であると判断した場合は、第１スタックの内部は既に乾燥状態であると判定され、停止後に氷点下まで冷やされても起動可能であるので、ステップ１５０においてそのまま第１および第２スタックの双方（燃料電池１０）を停止して燃料電池システムを停止し、抵抗値が所定値Ｒ未満であると判断した場合は、第１スタック１１の内部が乾燥状態でないと判定され、次のステップ１３０において第１スタック（ＦＣ１）１１の温度（Ｔ_ＦＣ１）が充分に乾燥状態が得られる温度α（例えば７０℃）に到達しているか否か、すなわちＴ_ＦＣ１＞αを満たすか否か（停止後に０℃以下に達した場合でも起動可能か否か）が判断される。
【００４３】
ここで、抵抗値をみることで乾燥状態を判断することが可能である場合は、ステップ１３０におけるＴ_ＦＣ１＞αを満たすか否かの判断を必ずしも行なう必要はない。
【００４４】
ステップ１３０において、Ｔ_ＦＣ１＞αを満たすと判断した場合は、ステップ１５０においてそのまま第１および第２スタックの双方を停止して燃料電池システムを停止し、Ｔ_ＦＣ１＞αを満たさないと判断した場合には、ステップ１４０において３方弁１７、１８の開閉状態を切換え、図２に示すように構成された循環系を図５に示す循環経路（ａ）として矢印方向に循環水を循環すると共に、第１スタック１１のみに水素ガスおよび空気を供給して更に発電し、発電された電力で電熱ヒータ２１をオンして高負荷状態のもと循環水を加熱し、加熱された循環水の熱と発電時の電池反応での発熱によって第１スタック１１の温度Ｔ_ＦＣ１が温度αを超える（Ｔ_ＦＣ１＞αを満たす）まで継続して行なう。そして、Ｔ_ＦＣ１＞αを満たしたときには、上記と同様にステップ１５０において第１および第２スタックの双方（燃料電池１０）を停止して燃料電池システムを停止する。
【００４５】
また、上記の発電停止制御は、一旦燃料電池システムを停止した後において、例えば車両内に設けられた補助スイッチのオンによって適宜行なえるようにすることができる。この場合、補助スイッチをオンしたときに、ステップ１１０に移行して外気温度が所定値Ｔ（例えば０℃）未満であるか否かが判断され、外気温度が所定値Ｔ未満であると判断した場合は、凍結するおそれがあるため上記のステップ１２０に移行して、まず第１スタックの内部が乾燥状態か否かを判定するための抵抗値の測定を行なった以降上記と同様の処理が行なわれ、Ｔ_ＦＣ１＞αを満たしたときに再度燃料電池システムを停止する。なお、この場合にも不要なときにはステップ１３０における判断は行なわなくてもよい。
【００４６】
また更に、発電停止制御は基本的には常時行なわれるようにし、適宜補助スイッチ等により制御オフにできるように構成することもできる。これにより、夏季等の発電停止制御を行なう必要のないときにまで処理が行なわれ、水素ガスを不用に消費するのを回避することができる。
【００４７】
なお、上記では、外気温度が所定値Ｔ未満でかつスタック内部が乾燥状態にないときに発電停止制御を行なう例について説明したが、外気温度が所定値Ｔ未満であるとき、または、スタック内部が乾燥状態にないときに発電停止制御を行うようにしてもよい。
【００４８】
上記のように発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なうことによって、停止中において第１スタックおよび第２スタックが氷点下まで冷やされた場合でも、少なくとも第１スタックの水分凍結は回避され、燃料電池システム全体が再起動不能となるのを防止することができる。すなわち、後述するように燃料電池１０を短時間で起動することができる。
【００４９】
上記のように第１スタック１１において発電停止制御を行なって燃料電池システムを停止した場合には、図４に示すスタートスイッチＳｓｗのオンで実行される発電開始制御ルーチンが実行され、発電停止制御を行なった第１スタック１１をはじめに起動させて発電運転を行なうことで燃料電池１０全体を再始動する。
【００５０】
スタートスイッチＳｓｗがオンされると、ステップ２００において第１スタック（ＦＣ１）１１のみを起動すると共に、３方弁１７、１８の開閉状態の切換えによって図２に示す循環系を図５に示す循環経路（ａ）として矢印方向に循環水を循環する。このとき、循環水は、第１スタック１１の電池反応による発熱で加熱されると共に、第１スタック１１で発電された電力が電熱ヒータ２１を用いて熱に変換されて暖められる。これにより、燃料電池の第１スタック１１の暖機に要する時間を短縮することができる。
【００５１】
ステップ２００において第１スタック１１の暖機が開始された後、次のステップ２２０において第１スタック１１の温度Ｔ_ＦＣ１が安定して出力可能な状態となる温度β（例えば０℃）に到達しているか否か、すなわちＴ_ＦＣ１＞βを満たすか否かが判断され、Ｔ_ＦＣ１＞βを満たすと判断した場合は、ステップ２４０において、３方弁１７、１８、及び１９の開閉状態を切換えて図２に示す循環系を図６に示す循環経路（ｂ）として矢印方向に循環水を循環して第２スタック（ＦＣ２）１２を暖機すると共に、第２スタック１２を起動する。第２スタック１２は、停止時に内部に残存していた水分量によって発電可能な状態に復帰するまでに要する時間が変化するが、上記のように第１スタックの発電を行ないながら循環水を循環することで少なくとも０℃を超えたときには発電可能になると考えられる。そして、第２スタックの発電運転が可能となった以降は、第１および第２スタックの双方の発電運転により最も発電効率の良い運転温度にまで暖機される。
【００５２】
上記のように第２スタック（ＦＣ２）１２の発電運転を開始した後、ステップ２６０において、第２スタック１２の温度（Ｔ_ＦＣ２）が高くなり過ぎることにより温度Ｔ_ＦＣ２が許容運転温度γ（例えば８０℃）を超えているか否か、すなわちＴ_ＦＣ２＞γを満たすか否かが判断される。温度Ｔ_ＦＣ２は、第２スタックに接続する配管２２の接続部近傍に設けた温度センサ１５で検知できるようになっている。
【００５３】
ステップ２６０において、Ｔ_ＦＣ２＞γを満たすと判断した場合は、次のステップ２８０において３方弁１７、１８、及び１９の開閉状態を切換えて図２に示す循環系を図７に示す循環経路（ｃ）として循環水をラジエータ１６を通して冷却循環し、第１スタック（ＦＣ１）１１および第２スタック（ＦＣ２）１２を冷却しながら発電運転する通常の発電運転制御に移行する。これにより、第１スタック１１および第２スタック１２における過度の温度上昇に起因するドライアップによる出力低下を防止することができる。またステップ２８０において、Ｔ_ＦＣ２＞γを満たさないと判断した場合は、循環経路（ｂ）の状態で循環水を循環しながら第１スタック１１および第２スタック１２の発電運転を継続して行ない、ステップ２６０においてＴ_ＦＣ２＞γを満たすと判断したときにステップ２８０に進んで上記同様に冷却しながら発電運転する通常の発電運転で制御される。
【００５４】
以上のようにして、燃料電池の停止中に０℃以下となる低温域で保持された場合でも、燃料電池を構成するスタック部の少なくとも一部の内部凍結を効果的に解消することができ、かつ再起動しようとする際の起動性を効果的に向上させることができる。その結果、０℃以下となる低温環境下でも負荷への電力供給を安定的に行なうことができ、しかも停止後の再起動を迅速に行なうことができる。
【００５５】
上述した実施形態では、燃料に水素ガスを用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を中心に説明したが、メタノール溶液を用いた直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合においても同様である。
【００５６】
また、燃料電池システムを電気自動車に搭載した例を中心に説明したが、電気自動車以外の他の移動装置や、移動装置以外の電気エネルギーで作動する装置への電力供給源として適用することもできる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、低温環境下での水分の内部凍結が解消され、低温起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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池および循環系の具体的構成例を示す概略図である。
【図３】燃料電池システムの発電運転停止時に発電停止制御を行なう発電停止制御ルーチンを示す流れ図である。
【図４】燃料電池システムの起動時に実行される発電開始制御ルーチンを示す流れ図である。
【図５】第１スタックの起動時または停止の際の暖機時における循環経路の一例（循環経路（ａ））を示す図である。
【図６】第２スタックの起動時における循環経路の一例（循環経路（ｂ））を示す図である。
【図７】燃料電池を通常の発電運転で制御する際の循環経路（循環経路（ｃ））の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池
１１…第１スタック（ＦＣ１）
１２…第２スタック（ＦＣ２）
１３…抵抗値測定用の電極端子
２０…制御部

Claims

燃料電池の発電運転停止時に、前記燃料電池の所定部の温度を所定値以上にするための発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なう発電停止制御手段を備えた燃料電池システム。
前記発電停止制御手段は、燃料電池の発電運転停止時に、所定の高負荷状態で発電処理を行なった後に発電運転を停止する発電停止制御を行なう請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池が、複数のスタック構造単位からなるスタック部を備え、前記複数のスタック構造単位の少なくとも一部において前記発電停止制御を行なう請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
起動時には前記発電停止制御が行なわれたスタック構造単位によって発電運転を行なう請求項３に記載の燃料電池システム。
前記発電停止制御は、外気温度が所定値以下であるときに行なうようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記スタック部の内部が乾燥状態か否かを判定する乾燥判定手段が設けられ、前記発電停止制御は前記乾燥判定手段によって前記内部が乾燥状態でないと判定したときに行なう請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池が固体高分子形燃料電池である請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。