JP2006059719A

JP2006059719A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006059719A
Application number: JP2004241399A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mitsuda; 直樹満田; Katsumi Hayashi; 勝美林; Akira Jinba; 亮神馬; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Shigeru Inai; 滋稲井; Minoru Koshinuma; 実越沼
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】燃料電池を安定に始動させるように掃気を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード極に供給される燃料ガスおよびカソード極に供給される酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池１３と、燃料ガスが流通する燃料ガス流通路２１と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路２２と、燃料電池１３を掃気ガスにより掃気する掃気手段とを備えた燃料電池システム１であって、掃気ガスの湿度を調整する湿度調整手段１６を設け、燃料電池運転停止時に、燃料電池１３の掃気として、燃料ガス流通路２１およびアノード極と、酸化剤ガス流通路２２およびカソード極との少なくとも一方に供給する掃気ガスを、湿度調整手段１６により湿度が調整された絶対湿度０．０２８〜０．２９ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）の調湿ガスとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温においても燃料電池を安定に始動できる燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムにおいては、特に低温（氷点）下で始動する際の発電性能を向上させるため、発電が停止する際に燃料電池に掃気ガスを供給して燃料電池内の残留水を排出するいわゆる掃気が行われている（例えば、特許文献１参照）。
例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料流通路に水素加湿器と、三方弁を介して水素加湿器をバイパスするバイパス通路とを設けている。また、燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスとして酸素を含んだ空気を供給する空気流通路に空気加湿器と、三方弁を介して空気加湿器をバイパスするバイパス通路とを設けている。そして、燃料電池の運転時に、それぞれの加湿器を介して加湿された水素ガスと空気（酸素）とが電気化学反応することにより発電が行われている。一方、燃料電池の停止時には、それぞれのバイパス通路を介して乾燥した水素ガスおよび乾燥した空気を燃料電池に供給して過剰な水分をパージしている。このとき、燃料電池の運転時よりも小さい出力電流を燃料電池から取り出して、微量の生成水により燃料電池の電解質膜を湿らせている。これによれば、燃料電池内部の残留水量を適切な量にすることができるため低温下で燃料電池を安定して始動させることができる。
特開２００４−１１１１９６号公報（段落００２７〜００３６、図１）

しかしながら、前記従来の技術において燃料電池を掃気するには、乾燥した空気と共に乾燥した水素ガスを大気に放出することを必要とし、水素ガスの無駄な消費が大きいという問題があった。そこで、乾燥した空気を燃料電池のカソード側だけではなくアノード側にも供給する方法が考えられる。この場合、乾燥した空気による掃気によって燃料電池の電解質膜が過度に乾燥されるため燃料電池の始動性が不良となってしまう。

そこで、本発明では、前記した従来の問題を解決し、燃料電池を安定に始動させるように掃気を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本願発明者が鋭意検討を重ねた結果、燃料電池の停止時の水分状態が燃料電池の始動性に大きく関与することが明らかとなった。さらに種々の実験を実施した結果、燃料電池の停止時の水分状態を制御するために用いる掃気ガスの湿度が特定の範囲のものである場合に、低温時の始動性が良好、すなわち、各セルの電圧値のバラツキが小さくなることを見出した。これにより、各セルが安定して発電できるようになったため特定セルに負荷が偏ることがなく、燃料電池の性能、耐久性が向上した。

そこで、本発明のうち請求項１に記載の発明は、アノード極に供給される燃料ガスおよびカソード極に供給される酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、前記燃料電池を掃気ガスにより掃気する掃気手段とを備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記掃気ガスの湿度を調整する湿度調整手段を備え、燃料電池運転停止時に、前記燃料電池の掃気として、前記燃料ガス流通路および前記アノード極と、前記酸化剤ガス流通路および前記カソード極との少なくとも一方に供給する掃気ガスを、前記湿度調整手段により湿度が調整された絶対湿度０．０２８〜０．２９ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）の調湿ガスとしたことを特徴とする。

ここで「掃気ガス」とは、主として燃料ガス以外のガスをいい、例えば空気や窒素等のガスをいう。また、「燃料電池運転停止時」とは、負荷が全くない場合だけではなく、微小電流を出力している場合も含んでいる。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の運転停止時に掃気に用いられる掃気ガスが湿度調整手段により所定の絶対湿度を有する調湿ガスとされる。そして、掃気手段は、この調湿ガスを、燃料ガス流通路および前記アノード極と、前記酸化剤ガス流通路および前記カソード極との少なくとも一方に供給する。この場合、いずれか一方に供給する掃気ガスを乾燥したガスとしてもよい。掃気に用いられる調湿ガスは、燃料電池の残留水をパージすると共に、燃料電池内の電解質膜を適切に湿らせることができる。これにより燃料電池の始動性を向上させ、起動時に安定した電圧特性を実現することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記掃気手段は、前記湿度調整手段により湿度が調整されていない乾燥した掃気ガスにより掃気を行った後に、前記湿度調整手段により湿度が調整された前記調湿ガスを用いて掃気を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、まず初めに乾燥した掃気ガスにより、燃料電池内の残留ガスを効果的にパージした後、調湿ガスにより燃料電池内の電解質膜を効果的に湿らせることができる。また、乾燥したガスと調湿ガスとを併用することで、燃料電池の停止時の掃気時間を短縮することができる。なお、乾燥したガスと調湿ガスとを用いる掃気は、燃料電池の両極に対して同等に行うことが効果的である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記調湿ガスの水蒸気量は、前記燃料電池の温度に対して飽和水蒸気量以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、調湿ガスが絶対湿度の条件を満たしていても調湿ガスの水蒸気量が、燃料電池の温度に対して飽和水蒸気量を超えると燃料電池内に凝縮水が発生して燃料電池内の電解質膜を過度に湿らせることを防止することができる。

請求項１に記載の発明によれば、掃気に用いられる掃気ガスが所定の絶対湿度を有する調湿ガスとされるので、掃気により、燃料電池内の残留水をパージできると共に、燃料電池内の電解質膜を適切に湿らせることができるので、低温時の始動性を向上させ、優れた電圧特性を実現できる。

請求項２に記載の発明によれば、まず初めに乾燥した掃気ガスにより、燃料電池内の残留ガスを効果的にパージした後、調湿ガスにより燃料電池内の電解質膜を効果的に湿らせることができる。また、乾燥したガスと調湿ガスとを併用することで、燃料電池の停止時の掃気時間を短縮することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。この燃料電池システム１は例えば自動車に設けられる。
図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク１１、コンプレッサ１２、燃料電池１３、遮断弁１４、切替弁１５、流量調節弁１６、パージ弁１７、加湿器１８および制御部（湿度調整手段）１９を主に備えている。

高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開放されることで燃料電池１３へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路（燃料ガス流通路）２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、減圧弁Ｒ、圧力センサ２１Ａが設けられている。なお、圧力センサ２１Ａは、常時燃料ガス供給路２１内の圧力を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部１９に出力している。

コンプレッサ１２は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池１３に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路（酸化剤ガス流通路）２２が設けられている。この空気供給路２２には、コンプレッサ１２側から燃料電池１３側に向けて順に、加湿器１８、湿度センサ２２Ａが設けられている。なお、湿度センサ２２Ａは、常時空気供給路２２内の湿度を検出しており、その湿度値を示す信号を制御部１９に出力している。

燃料電池１３は、複数（例えば数百）のセル（単セル）から構成された固体高分子型燃料電池であり、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給される空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電するものである。また、燃料電池１３には、この燃料電池１３で発電した電力を消費するモータ等の負荷３１が接続されている。
遮断弁１４は、制御部１９によって適宜開閉されることによって、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替えている。減圧弁Ｒは高圧の水素ガスを減圧している。

切替弁１５は、制御部１９によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路２１における減圧弁Ｒの下流側部分と空気供給路２２とに跨るように接続される掃気用流路２３に設けられている。そして、この切替弁１５が閉塞した状態では、コンプレッサ１２からの空気は空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極側のみに供給され、切替弁１５が開放した状態では、コンプレッサ１２からの空気は、燃料電池１３のカソード極側に供給される他、掃気用流路２３および燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３のアノード極側にも供給されるようになっている。

流量調節弁（湿度調整手段）１６は、制御部１９によって適宜開閉される弁であり、空気供給路２２におけるコンプレッサ１２と掃気用流路２３の上流側とに跨るように接続されるバイパス流路２４に設けられている。そして、この流量調節弁１６が閉塞した状態では、コンプレッサ１２からの空気は加湿器１８により加湿されて空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極に供給され、流量調節弁１６が所定の開度で開放した状態では、コンプレッサ１２からの空気は、バイパス流路２４を流れる空気と加湿器１８により加湿された空気とが混合されて空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極に供給されるようになっている。
なお、流量調節弁１６が全開のときは、加湿器１８での圧力損失の関係から、コンプレッサ１２から供給される空気のほとんどは、バイパス流路２４を通流するようになっている。つまり、流量調節弁１６が全開のときは、ほとんど加湿されない空気が燃料電池１３に供給されるようになる。ちなみに、３０℃で相対湿度１００％のときの絶対湿度は０．０２７ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）である。つまり、単純に外気を取り込んだだけでは０．０２８ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）以上の加湿空気とすることはできない。なお、単位ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）は、乾燥空気１ｋｇ当たりの水蒸気量［ｋｇ］を示している。

パージ弁１７は、制御部１９によって適宜開閉される弁であり、燃料電池１３のアノード極側の出口に接続される燃料ガス排出路（燃料ガス流通路）２５に設けられている。そして、このパージ弁１７と前記した切替弁１５をともに開放させることによって、アノード極側の掃気が行われるようになっている。
この燃料ガス排出路２５におけるパージ弁１７の上流側部分と、燃料ガス供給路２１における圧力センサ２１Ａの上流側部分とに跨るように接続される循環流路２６が設けられており、パージ弁１７が閉塞した状態では、燃料電池１３のアノード極側の出口から排出された燃料ガスはアノード極側の入り口に供給されるようになっている。これによって、アノードオフガスとして排出された未反応の燃料ガスを再利用可能で、燃料ガスの利用率が向上する。

加湿器１８は、燃料電池１３のカソード極側の出口に接続される空気排出路（酸化剤ガス流通路）２７を流れる排ガスに含まれる生成水を利用し、水透過膜（中空糸膜）を介してコンプレッサ１２からの空気を加湿するものである。
なお、本実施形態では、前記したコンプレッサ１２、空気供給路２２、掃気用流路２３、切替弁１５およびパージ弁１７が、特許請求の範囲にいう「掃気手段」に相当することとなる。

制御部１９は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ・ＲＡＭ）、入出力インタフェイス、各種電子回路等を含んで構成され、コンプレッサ１２の駆動・停止またはその回転速度を変更させる機能、遮断弁１４、切替弁１５、流量調節弁１６およびパージ弁１７の開閉またはその開度を調整する機能、負荷３１への電流の供給を停止・継続する機能といった機能を備えている。また、この制御部１９は、前記した機能の他にも、本発明に特有の機能を含めて様々な機能を備えている。

制御部１９は、例えば運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすること等によって出力されるシステムの停止要求を受けたときに、燃料ガス供給路２１、燃料電池１３に形成される図示しない通路および燃料ガス排出路２５（以下、これらを含めて単に「アノード極」という）内の掃気を行うか否かを判断する機能を備えている。なお、掃気を行うか否かの判断は、具体的には、例えば図示しない外気温センサで検出する外気温が所定値以下であるか否か（流路内に残存する水が凍る可能性があるか否か）を判断することにより行うことができる。また、ネットワークを通じて外部から気象予報データを取得して、このデータに基づいて掃気を行うか否かの判断を行うことができる。

制御部１９は、掃気時に、湿度センサ２２Ａが検出する空気供給路２２内の湿度に基づいて、空気供給路２２内を流れる掃気ガス（空気）が例えば絶対湿度０．１５ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）の調湿ガス（加湿ガス）となるように流量調節弁１６の開度を調整する。さらに、例えば空気排出路２７の燃料電池１３近傍に設けられた図示しない温度センサが検出する燃料電池１３の温度に基づいて、０．１５ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）の調湿ガスの水蒸気量が、燃料電池１３の温度に対して飽和水蒸気量以下となるように流量調節弁１６の開度を調整する。

以上のように構成された燃料電池システム１は、燃料電池１３の起動時に次のように動作する。制御部１９は、自動車側からイグニッションスイッチのオン信号を入力すると、遮断弁１４を開弁させるとともに、コンプレッサ１２を起動させる。これによって燃料電池１３に水素ガスと空気がそれぞれ供給され、燃料電池１３の発電が開始される。なお、このとき、アノードとカソードを連通する掃気用流路２３内の切替弁１５は閉弁状態にあり、水素ガスと酸化剤ガスとしての空気が燃料電池１３の手前で混合されることはない。

本実施形態では、自動車が停止し燃料電池１３の発電が停止した際に、再始動に備えて以下のように掃気を行うようになっている。なお、燃料電池１３の運転停止時とは、負荷３１が取り出す出力電流の電流密度が０〜０．３Ａ／ｃｍ²となる場合を含む。
以下に、燃料電池１３の停止時における制御部１９の動作について図２に示すフローチャートを参照して（適宜図１参照）説明する。参照する図面において、図２は燃料電池の停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。

制御部１９は、イグニッションスイッチ信号がオフ信号になったとき、すなわち、システムの停止要求を受けると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、遮断弁１４を閉弁（ＯＦＦ）させて燃料電池１３への燃料ガスの供給を遮断して発電を停止させる（ステップＳ２）。例えば外気温センサで得られる外気温を判断して燃料電池１３のアノード極内の掃気を行うか否かを判断する（ステップＳ３）。

制御部１９は、掃気を行わないと判断すると（ステップＳ３：Ｎｏ）、アノード極内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１になるまで燃料電池１３による発電を続行させる（ステップＳ４）。これにより、アノード極内に残された水素が発電により消費されるので、アノード極内の圧力が低下する。アノード極内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１になったら負荷３１への電流の供給をＯＦＦにすることで（ステップＳ５）、燃料電池１３による発電を停止させる。これにより、燃料電池１３における水素と酸素の消費が停止されるので、アノード極内の圧力の低下は停止する。

続いて、制御部１９は、湿度調整処理を実行する（ステップＳ６）。この湿度調整処理では、制御部１９は、空気供給路２２内を流れる空気を、所定の絶対湿度および相対湿度の調湿ガスとするように流量調節弁１６の開度を調整することにより、加湿器１８により加湿された空気とバイパス流路２４を流れる空気とを混合する。このときの混合ガス（調湿ガス）の絶対湿度は例えば０．１５ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）であり、かつ、相対湿度は燃料電池１３の温度に対して例えば７０％とする。つまり、ステップＳ５までは、コンプレッサ１２からの空気は全量が加湿器１８を通流して加湿されていたが、ステップＳ６では所定量をバイパスさせる。

ステップＳ６の後において、制御部１９は、所定時間Ｔ１（例えば５分間）が経過したと判断すると（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、コンプレッサ１２によるカソード側の掃気が完了したと判断して、パージ弁１７を開放（ＯＮ）させる（ステップＳ８）。アノード極内の水素ガスの残圧（所定値Ｐ１）が大気圧以上であることから、このステップＳ８により、アノード極内の水素がクロスリークによる不純ガス等とともに系外に排出される。
なお、ステップＳ８で開始されるアノード極のパージは、後記するように、アノード極内の圧力ＰＨが所定値ＰＨ３になるまで行われる（ステップＳ１５、Ｓ１６）。

ところで、前記したステップＳ３において、制御部１９は、アノード極内の掃気を行うと判断すると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、アノード極内の圧力ＰＨが前記所定値Ｐ１よりも低い圧力となる所定値Ｐ２になるまで燃料電池１３による発電を続行させ（ステップＳ９）、所定値Ｐ２になったら負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ１０）、燃料電池１３による発電を停止させる。これにより、燃料電池１３における水素と酸素の消費が停止されるので、アノード極内の圧力の低下は停止する。ちなみに、アノード極内の掃気を行わない場合の所定値Ｐ１（ステップＳ４参照）よりもアノード極内の掃気を行う場合の所定値Ｐ２（ステップＳ９参照）の方が小さな値になっているのは、アノード極内の掃気を行うことにより系外に排出される水素の量を少なくするためである。なお、負荷３１がバッテリの場合は、発電した電力はバッテリにより蓄電されることになる。

ステップＳ１０の後、制御部１９は、切替弁１５およびパージ弁１７をともに開放（ＯＮ）させることで（ステップＳ１１）、コンプレッサ１２からの空気をアノード極側およびカソード極側の両方に供給させる。これにより、これらの系内がともに掃気されることとなる。もちろん、コンプレッサ１２から供給される空気の全量がアノード極内の掃気に使われるように、カソード極の手前に遮断弁を設けるようにしてもよい。

続いて、制御部１９は、湿度調整処理を実行する（ステップＳ１２）。この湿度調整処理は、ステップＳ６の処理と同一のものである。すなわち、制御部１９は、空気供給路２２内を流れる空気を、所定の絶対湿度および相対湿度の調湿ガスとするように流量調節弁１６の開度を調整することにより、加湿器１８により加湿された空気とバイパス流路２４を流れる空気とを混合する。このときの混合ガス（調湿ガス）の絶対湿度は例えば０．１５ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）であり、かつ、相対湿度は燃料電池１３の温度に対して例えば７０％とする。ちなみに、所定の絶対湿度の空気に関する相対湿度を目標値にしたければ、温度を調節することになる。温度は、例えばコンプレッサ１２の吐出圧を高めることで高温にすることができ、吐出圧を低くするとコンプレッサ１２の入りと出との温度差を小さくできる（低温にできる）。

ステップＳ１２の後において、制御部１９は、所定時間Ｔ２（例えば５分間）が経過したと判断すると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、アノード極側およびカソード側の掃気が完了したと判断して、切替弁１５を閉じる（ステップＳ１４）。これにより、コンプレッサ１２からアノード極側への空気の供給が止められることとなる。

そして、ステップＳ１４の後や、前記したステップＳ８の後、制御部１９は、アノード極内の圧力ＰＨが前記した所定値Ｐ１，Ｐ２より低く大気圧より高い値となる所定値Ｐ３以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。アノード極内の圧力ＰＨが所定値Ｐ３以下であると判断されると（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、制御部１９はパージ弁１７を閉じた後（ステップＳ１６）、コンプレッサ１２による空気の供給を停止させて（ステップＳ１７）、このフローチャートによる動作を終了させる。ちなみに、図１のシステム構成の燃料電池システム１では、このフローチャートの動作を実行しても、アノード極内の圧力ＰＨが大気圧以下になることはないといえる。

次に、掃気ガス（空気）の掃気方法と燃料電池１３の始動性との関係を調べる実験から得られた掃気方法の種々のバリエーションを説明する。ここで、燃料電池１３の始動性を評価する指標として後記する「電圧バラツキ」を導入した。このために、掃気ガスを所定時間流してから、低温（−１０℃）で燃料電池１３を始動させ、負荷に電流を印加してから一定時間経ったときに燃料電池１３の各セルの電圧値（セル電圧値）を計測した。そして、各セル電圧値のうちの最大電圧値Ｖ_max、最小電圧値Ｖ_min、および全セルの平均電圧値Ｖ_aveを求め、次式（１）により定義される「電圧バラツキＸ」を求めた。この電圧バラツキＸは０．２以下の場合に燃料電池１３の始動性が良好となり、０．２を超えると燃料電池１３の始動性が不良となった。なお、電圧バラツキＸの値は、０．１５以下であることがより好ましい。

Ｘ＝（Ｖ_max−Ｖ_min）／Ｖ_ave…（１）

[掃気ガスの絶対湿度の範囲]
掃気ガスの絶対湿度を変化させたときの電圧バラツキＸを調べた結果を表１に示す。このときは掃気ガスを燃料電池１３のアノード側およびカソード側に５分間流した。この表１における単位ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）は単位ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）と同等である。このときの判定基準は、次の通りである。すなわち、「○（非常に良好）」は電圧バラツキＸが０．１５以下のものであり、「△（概ね良好）」は電圧バラツキＸが０．１５〜０．２以下のものであり、「×（不良）」は電圧バラツキＸが０．２を超えるものである。また、表１に示す電圧バラツキＸは図３および図４にグラフにより表示されている。

図３は掃気ガスの絶対湿度と電圧バラツキとの関係を示すグラフであり、図４は掃気ガスの絶対湿度の対数と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。図３および図４に示すように、絶対湿度が上昇すると、電圧バラツキＸは一旦低下してから上昇する。すなわち、絶対湿度が所定範囲内のときにだけ、電圧バラツキＸは低くなる。
始動性が良好であるときの電圧バラツキＸは０．２以下のとき（判定が○および△のとき）であり、これを実現する絶対湿度の範囲は、図３に示すグラフより、０．０２８〜０．２９ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）となる。なお、絶対湿度が０．０２８ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）で相対湿度が１００％となる温度は３１℃、絶対湿度が０．２９ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）で相対湿度が１００％となる温度は７１℃である。
絶対湿度が０．０２８ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）未満のときには、乾燥の効果が大きく、燃料電池１３内の電解質膜を適度に湿潤させることができずに、始動性が不良となる。一方、絶対湿度が０．２９ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）を超えると、膜電極構造体（ＭＥＡ）内に水が過剰に残留するため、始動性が不良となる。なお、図４に示すグラフから求めた絶対湿度の対数で表すと、−１．５５〜−０．５４の範囲において始動性が良好となる。

[掃気ガスの相対湿度の範囲]
掃気ガス（調湿ガス）の絶対湿度を固定して相対湿度を変化させたときの電圧バラツキＸを調べた結果を表２に示す。このときは掃気ガスを燃料電池１３のアノード側およびカソード側に流した。掃気ガスの絶対湿度は始動性が良好となる範囲の値である０．２ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）とした。このときの判定基準（○、△、×）は、表１に示すものと同じである。また、表２に示す電圧バラツキＸは図５にグラフにより表示されている。

図５は掃気ガスの相対湿度と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。電圧バラツキＸは、図５に示すように、絶対湿度が同一でも相対湿度が上昇するにしたがって大きくなった。絶対湿度が０．２ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）の掃気ガスは、図５に示すように、掃気ガスの相対湿度が９０％以下の場合に、電圧バラツキＸが０．２以下となり、始動性が良好となる。掃気ガス（調湿ガス）の絶対湿度を、始動性が良好となる様々な値に変更した場合を想定すると、凝縮水の発生を防止するため、調湿ガスの相対湿度は燃料電池１３の温度に対して１００％以下であることが必要となる。したがって、調湿ガスの水蒸気量は、燃料電池１３の温度に対して飽和水蒸気量以下とする。なお、調湿ガス中の水蒸気が途中で結露することを完全に防止するため、調湿ガスの相対湿度は８５％以下であることが好ましい。

[掃気開始タイミング]
燃料電池１３の運転停止後に掃気を開始するタイミングを変化させたときの電圧バラツキＸを調べた結果を表３に示す。このとき、掃気を開始する前に、燃料電池１３の温度が７０℃で、かつ、負荷３１が電流密度０．７５Ａ／ｃｍ²の出力電流を取り出すものであるときに、１時間連続発電を行った。そして、負荷３１を脱離したときの時刻を０（０：００）として掃気開始時刻を計測した。また、掃気時には、絶対湿度が０．１５ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）、かつ、相対湿度が７０％の掃気ガスを燃料電池１３のアノード側およびカソード側に５分間流した。具体的には、掃気開始時刻を、３秒、１分、２分、１０分および６０分としたときの電圧バラツキＸを測定した。なお、図２に示すフローチャートのステップＳ５またはステップＳ１０では、負荷３１を脱離して燃料ガスの供給を停止し、例えば１分おいて掃気ガスの供給を開始する。

表３に示す電圧バラツキＸは図６にグラフにより表示されている。図６は掃気開始時刻と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。図６に示すように、測定した範囲では掃気開始時刻によらず、どのタイミングでも電圧バラツキＸは０．２以下、すなわち始動性が良好であった。なお、掃気開始時刻が１０分より前では、掃気にかかるエネルギー損失が大きいので１０分より後に掃気を開始することが好ましい。

[加湿ガスとドライガスの併用]
順に流す２種類の掃気ガスの組合せを変化させたときの電圧バラツキＸを調べた結果を表４に示す。加湿ガス（調湿ガス）とドライガス（加湿器１８により加湿していないそのままの外気）とを順に、燃料電池１３のアノード側およびカソード側に流した。掃気を開始する前に、燃料電池１３の温度が７０℃で、かつ、負荷３１が電流密度０．７５Ａ／ｃｍ²の出力電流を取り出すものであるときに、１時間連続発電を行った。掃気に用いる加湿ガスは、絶対湿度が０．１５ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）、相対湿度が７０％、温度が６８℃であるものとした。なお、このときの判定基準（○、×）は、表１に示すものと同じである。

表４に示すように、ドライガスを５分間流したときには（比較例１）、電圧バラツキＸは０．８２となり、始動性は不良となった。また、加湿ガスを５分間流したときには（比較例２）、電圧バラツキＸは０．０３となり、始動性は良好であった。
ドライガスを４分間、続けて加湿ガスを１分間、合計５分間流したときには（実施例１）、電圧バラツキＸは０．０５となり、始動性は良好であった。
ドライガスを１分間、続けて加湿ガスを４分間、合計５分間流したときには（実施例２）、電圧バラツキＸは０．０２となり、始動性は良好であった。
ドライガスを２分間、続けて加湿ガスを１分間、合計３分間流したときには（実施例３）、電圧バラツキＸは０．０４となり、始動性は良好であった。なお、加湿ガスの掃気時間は例えば１秒以上であればもっと短縮してもよい。
一方、加湿ガスを３分間、続けてドライガスを２分間、合計５分間流したときには（比較例３）、電圧バラツキＸは、０．６３であり、始動性は不良であった。
以上の結果、ドライガスを流した後で加湿ガスを流すことにより、始動性を改善することができると共に、掃気時間を短縮することが可能となる。

[掃気時の負荷]
掃気時に負荷３１が取り出す出力電流の電流密度を変化させたときの電圧バラツキＸを調べた結果を表５に示す。掃気を開始する前に、燃料電池１３の温度が７０℃で、かつ、負荷３１が電流密度０．７５Ａ／ｃｍ²の出力電流を取り出すものであるときに、１時間連続発電を行った。掃気時には、絶対湿度が０．１５ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）、かつ、相対湿度が７０％である掃気ガスを燃料電池１３のアノード側およびカソード側に５分間流した。また、掃気時には、電流密度を０〜０．５Ａ／ｃｍ²の範囲で変化させたが掃気終了時には電流密度を０Ａ／ｃｍ²とした。なお、このときの判定基準（○、×）は、表１に示すものと同じである。表５に示す電圧バラツキＸは図７にグラフにより表示されている。図７は電流密度と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。図７に示すように、掃気時に負荷３１が取り出す出力電流の電流密度は、０．３９Ａ／ｃｍ²以下の場合に電圧バラツキＸが０．２以下となり、始動性が良好であった。電流密度が０．３９Ａ／ｃｍ²以上の場合には、電気化学反応による生成水が掃気の障害となると考えられる。なお、この電流密度は０．３Ａ／ｃｍ²以下であることが好ましい。

[アノード／カソードいずれかの加湿ガス掃気]
アノード／カソードいずれか一方に加湿ガス（調湿ガス）を流し、他方にドライガス（加湿器１８により加湿していないそのままの外気）Dryを流したときの電圧バラツキＸを調べた結果を表６に示す。掃気を開始する前に、燃料電池１３の温度が７０℃で、かつ、負荷３１が電流密度０．７５Ａ／ｃｍ²の出力電流を取り出すものであるときに、１時間連続発電を行った。掃気時間は５分間である。なお、このときの判定基準（○、△、×）は、表１に示すものと同じである。

アノード側、カソード側共に、加湿ガス（絶対湿度０．２ｋｇ／ｋｇ）を流したときには（比較例１）、電圧バラツキＸは０．０４であり始動性は良好であった。
アノード側、カソード側共に、ドライガスDryを流したときには（比較例２）、電圧バラツキＸは０．８２となり、始動性は不良であった。
アノード側にドライガスDryを流すと共に、カソード側に絶対湿度が０．２ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）である加湿ガスを流したときには（実施例１）、電圧バラツキＸは０．０６であり、始動性は良好であった。
アノード側に絶対湿度が０．２ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）である加湿ガスを流すと共に、カソード側にドライガスDryを流したときには（実施例２）、電圧バラツキＸは０．１９であり、始動性は概ね良好であった。
以上の結果、加湿ガスは、いずれの極に流しても始動性の改善効果があった。なお、アノード側とカソード側に、それぞれ絶対湿度の異なる加湿ガスを流したときには（比較例３）、電圧バラツキＸは０．０４であり始動性は良好であった。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池の停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。掃気ガスの絶対湿度と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。掃気ガスの絶対湿度の対数と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。掃気ガスの相対湿度と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。掃気開始時刻と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。掃気時の負荷と電圧バラツキとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池システム
１１高圧水素タンク
１２コンプレッサ
１３燃料電池
１４遮断弁
１５切替弁
１６流量調節弁（湿度調整手段）
１７パージ弁
１８加湿器
１９制御部
２１燃料ガス供給路（燃料ガス流通路）
２１Ａ圧力センサ
２２空気供給路（酸化剤ガス流通路）
２２Ａ湿度センサ
３１負荷
２３掃気用流路
２４バイパス流路
２５燃料ガス排出路（燃料ガス流通路）
２６循環流路
２７空気排出路（酸化剤ガス流通路）
Ｒ減圧弁

Claims

アノード極に供給される燃料ガスおよびカソード極に供給される酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
前記燃料電池を掃気ガスにより掃気する掃気手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記掃気ガスの湿度を調整する湿度調整手段を備え、
燃料電池運転停止時に、前記燃料電池の掃気として、前記燃料ガス流通路および前記アノード極と、前記酸化剤ガス流通路および前記カソード極との少なくとも一方に供給する掃気ガスを、前記湿度調整手段により湿度が調整された絶対湿度０．０２８〜０．２９ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）の調湿ガスとしたことを特徴とする燃料電池システム。
前記掃気手段は、前記湿度調整手段により湿度が調整されていない乾燥した掃気ガスにより掃気を行った後に、前記湿度調整手段により湿度が調整された前記調湿ガスを用いて掃気を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記調湿ガスの水蒸気量は、前記燃料電池の温度に対して飽和水蒸気量以下であ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。