JP2006066116A - 燃料電池システム制御装置及び燃料電池システム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の差圧制限を守りながら、高い圧力で水パージを行う燃料電池システム制御装置及び燃料電池システム制御方法を提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管５０、５１と、純水を貯蔵する純水タンク２とを備える燃料電池システムを制御する装置２０であって、燃料電池システムが停止する際、燃料ガスが流通する水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させる反応／希釈部３１と、水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２に戻す純水パージ部３２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム制御装置及び燃料電池システム制御方法に関し、特に、純水系ラインに残留する水をパージする制御装置及び制御方法に関する。

従来から、水素極に供給される燃料ガス中の水素と空気極に供給される酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池システムにおいて、燃料ガスが流通する水素配管と酸化剤ガスが流通する空気配管とを連通させて、水素配管内の水をパージする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）のガス流量を増大させ、その後、反応ガスの圧力を増大させた後に圧力を開放して（低下させて）反応ガスの流速を上げることにより、ガス流量の増大のみでは除去しきれない残留水を外部に排出する燃料電池の残留水排出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３３１８９３号公報 特開２００２−３０５０１７号公報

しかし、従来の燃料電池システムの制御装置では、純水配管内に残留する水をパージするための空気を燃料電池の空気配管から導入していたために、水パージ用の空気圧を高い設定にすると燃料電池内の反応膜に加わる水素極と空気極間の差圧が大きくなり、反応膜を破損するおそれがあった。

また、反応膜に加わる水素極と空気極間の差圧を低く抑えながら圧力を上昇させるためには、空気のみならず水素配管内に燃料ガス（水素ガス）をも流す必要が生じ燃費が低下してしまう。

本発明の第１の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、純水を貯蔵する純水タンクとを備える燃料電池システムを制御する装置であって、燃料電池システムが停止する際、燃料ガスが流通する水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させる反応／希釈部と、水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻す純水パージ部とを備えることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、純水を貯蔵する純水タンクとを備える燃料電池システムを制御する方法であって、燃料電池システムが停止する際、燃料ガスが流通する水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させ、水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管内に残留する純水を純水タンクに戻すことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の差圧制限を守りながら、高い圧力で水パージを行う燃料電池システム制御装置及び燃料電池システム制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる制御装置の制御対象となる燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により直接発電を行う燃料電池スタック１（以後、「燃料電池」と略す）と、燃料電池１を加湿或いは冷却する純水を貯蔵する純水タンク２と、燃料電池１と純水タンク２の間を循環する純水が流通する純水配管５０、５１と、純水を純水配管５０、５１内に循環させる純水ポンプ３と、純水配管５０、５１内の純水中の異物を取り除く異物フィルタ４と、純水の導電率を測定するイオンフィルタ５と、燃料電池１出口付近の純水配管５１内の圧力を検知する圧力センサP_Wと、酸化剤ガスの一例である空気が流通する空気配管５２と、空気を取込み、圧縮して燃料電池１へ吐出するコンプレッサ６と、コンプレッサ６と燃料電池１との間の空気配管５２内の圧力を検知する圧力センサP_Aと、燃料電池１より下流の空気配管５２上に配置された空気調整弁１６と、コンプレッサ６と燃料電池１との間の空気配管５２上に配置された空気遮断弁１７と、燃料ガスが流通する水素配管５３と、燃料ガスを高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンク８と、水素貯蔵タンク８と燃料電池１との間の水素配管５３内の圧力を検知する圧力センサP_Hと、燃料電池１より下流の水素配管５３上に配置された水素遮断弁１５と、水素貯蔵タンク８と燃料電池１との間の水素配管５３上に配置された水素調整弁９と、燃料電池１よりも上流において空気配管５２と水素配管５３とを接続する連通配管５８と、連通配管５８上に配置された連通遮断弁１３と、空気配管５２と純水配管５１とを接続する水パージ用空気導入配管５７と、水パージ用空気導入配管５７上に配置された水パージ弁１２とを備える。

燃料電池１は、燃料ガスが供給される水素極と酸化剤ガスが供給される空気極と、水素極と空気極が挟持する電解質膜と、燃料ガス、酸化剤ガス及び純水の流路を形成するセパレータとを備えるセルが複数積層されてなるスタック構造を有する。空気配管５２は空気極に接続され、水素配管５３は水素極に接続されている。

純水タンク２には、純水タンク２の内部を大気へ開放するための大気開放配管５５と、純水タンク２に空気を圧送するための空気配管５６とが接続されている。純水配管５０、５１は、純水タンク２から燃料電池１へ向かって純水が流れる純水配管５０と、燃料電池１から純水タンク２へ向かって純水が流れる純水配管５１とからなる。純水配管５１上には、純水配管５１内の純水の流通を遮断する流路遮断弁１１が配置されている。純水ポンプ３と異物フィルタ４間の純水配管５０には、開放配管５４が接続され、開放配管５４上にポンプアシスト弁１０が配置されている。純水タンク２は、凍結した内部の純水を解凍する解凍装置を備える。イオンフィルタ５は、純水の導電度を操作して、純水の導電度を維持する。

コンプレッサ６から圧送された空気は、空気調整弁１６によってその流量及び圧力が調整される。同様に、水素貯蔵タンク８から供給される燃料ガスは、水素調整弁９によってその流量及び圧力が調整される。水素遮断弁１５は、燃料電池１の下流において、水素配管内の燃料ガスの流れを遮断し、燃料ガスの圧力を調整する。連通配管５８は、水素調整弁９と燃料電池１間の水素配管５３と、コンプレッサ６と空気遮断弁１７間の空気配管５２との間を接続している。即ち、水素配管５３と空気配管５２とを連通状態にする位置は、燃料電池１より上流である。連通遮断弁１３は、連通配管５８内のガスの流れを遮断する。水パージ用空気導入配管５７は、燃料電池１と空気調整弁１６間の空気配管５２と純水配管５１とを接続している。水パージ弁１２は、水パージ用空気導入配管５７内のガスの流れを遮断する。

このような燃料電池システムを制御する、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム制御装置の一例として、燃料電池システムの各電磁バルブ、純水ポンプ３、燃料電池１を制御するコントローラ２０について説明する。なおここでは、燃料電池システムの停止時の水パージにかかわるコントローラ２０の構成について説明する。

コントローラ２０は、燃料電池システムが停止する際、水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させる反応／希釈部３１と、燃料電池システムの水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２に戻す純水パージ部３２とを備える。

反応／希釈部３１は、燃料電池１と燃料電池に接続される空気配管５２及び水素配管５３の上下流側を閉鎖し、水素及び空気を外部へ流出しない状態にした後、燃料電池１の発電を開始する。この発電により、水素配管５３内に残留する燃料ガスが反応して、水素極側では水素が減少し、空気極側では酸素が減少する。

純水パージ部３２は、連通遮断弁１３を開くことで遮断されていた水素配管５３と空気配管５２とを連通状態にした後に、コンプレッサ６を動作させて水素配管５３及び空気配管５２内に空気を導入して、水パージ弁１２を開くことにより空気の圧力をもって純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２に戻す。

コントローラ２０による通常運転時の燃料電池１の圧力制御は、燃料電池１の上流側に位置する圧力センサＰ_Hで検知される水素配管５３内の圧力と、燃料電池１の上流側に位置する圧力センサＰ_Aで検知される空気配管５２内の圧力と、燃料電池１の下流側に位置する圧力センサＰ_Wで検知される純水配管５１内の圧力との差圧が、燃料電池１内の反応膜（固体高分子膜）を保護する為に守るべき範囲に入るように行われる。コントローラ２０は、燃料電池１での発電に必要な各ガス流量を、発電量から決定される各ガスの反応量に基づいて求める。そして、コントローラ２０は、必要な水素流量を水素調整弁９を制御して調整し、必要な空気流量を空気調整弁１６を制御して調整し、必要な純水流量を純水ポンプ３を制御して調整する。

次に、図１の燃料電池システムの動作及び燃料電池システム制御装置としてのコントローラ２０の制御手順を説明する。特に、純水系システムの起動時、及び燃料電池システムの停止時の処理手順について説明する。

＜純水系システムの起動＞
先ず、燃料電池システムが起動し、コンプレッサ６を駆動して空気の供給を開始する。このとき、水パージ弁１２を開くことにより水パージ用空気導入配管５７を介して純水タンク２にも空気が流れ、純水タンク２内に微小な圧力が発生する。この状態で、ポンプアシスト弁１０を開放すると純水ポンプ３の下流の純水配管５０内がほぼ大気圧となり、純水タンク２内には圧力がかかっているために、純水が純水ポンプ３に供給される。この時、流路遮断弁１１は閉じている。数秒間程度の時間が経過した後に、純水ポンプ３の電源を入れ、純水ポンプ３の駆動を開始する。純水ポンプ３駆動後にポンプアシスト弁１０を閉じ、流路遮断弁１１を開ける。この後、通常運転に入り燃料電池１の発電状況により純水の循環流量を純水ポンプ３で調整する。

＜燃料電池システムの停止＞
燃料電池システムの停止は、残水素の処理と水パージとの２つの段階に分かれる。

（イ）図２に示すように、先ず、Ｓ０１段階において燃料電池１の発電を停止し、Ｓ０２段階において純水ポンプ３の動作を停止する。Ｓ０３段階において、燃料電池システム内、或いは、その週辺の温度又は例えば燃料電池システムが搭載されている車両等の温度が所定温度より低いか否かを判断する。ここでは、外気温について説明を続ける。この場合、所定温度純水系システム（５０、５１、２など）内の純水が凍結するおそれがあるかどうかを推測できる温度であれば良いので、特に温度計の設置位置は限定されない。

（ロ）外気温が所定温度以上であると判断された場合（Ｓ０３段階においてＮＯ）、水パージ処理を行わず、燃料電池システムは停止される。一方、外気温が所定温度未満であると判断された場合（Ｓ０３段階においてＹＥＳ）、Ｓ０４段階に進み、コンプレッサ６を停止し、水素調整弁９を閉じる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の燃料電池１への供給が停止される。

（ハ）その後、Ｓ０５段階において、速やかに水素配管５３の燃料電池１よりも下流側を遮断し、空気配管５２の燃料電池１の上下流側を遮断する。具体的には、水素遮断弁１５、空気遮断弁１７及び空気調整弁１６を閉じる。こうして、燃料電池１と燃料電池に接続される空気配管５２及び水素配管５３の上下流側を閉鎖し、水素と空気を燃料電池１から外部へ流出しない状態にする。

（ニ）その後、Ｓ０６段階において、空気極の酸素を削減する目的で、燃料電池１による発電を開始する。この発電により、水素極側では水素が減少し、空気極側では酸素が減少する。Ｓ０７段階において、燃料電池１からの取出し電力が所定電力未満になることを監視する。取出し電力が所定電力未満になった場合（Ｓ０７段階においてＹＥＳ）、Ｓ０８段階に進み、燃料電池１による発電を停止する。この時、水素極側には微小の水素ガスがあり、空気極側はほぼ窒素ガスで満たされた状態となる。

（ホ）Ｓ０９段階において、コンプレッサ６を始動して、燃料電池１への空気供給を再開する。Ｓ１０段階において、水素遮断弁１５と連通遮断弁１３を開ける。これにより、通常の発電時における空気の流れとは異なり、水素配管５３内に空気を供給して、残っている燃料ガスを希釈しながら排出する。Ｓ１１段階において、燃料ガスを希釈している時間（水素希釈時間）を計測し始め、Ｓ１２段階において、水素希釈時間が所定時間となることを監視する。水素希釈時間が所定時間となった場合（Ｓ１２段階においてＹＥＳ）、Ｓ１３段階に進み、コンプレッサ６を停止する。以上のＳ０１〜Ｓ１３段階によって残水素の処理が完了する。なお、残水素の処理の終了時には、水素配管５３内は大気に開放されている。

（ヘ）次に、Ｓ１４段階において、水パージを高い空気圧で行うために空気配管５２内も大気に開放する。具体的には、空気遮断弁１７及び空気調整弁１６を開く。Ｓ１５段階において、水パージ弁１２も開ける。

（ト）Ｓ１６段階において、再び、コンプレッサ６を始動し、燃料電池１に空気を供給する。Ｓ１７段階において、水素配管５３及び空気配管５２の燃料電池１より下流側の水素遮断弁１５及び空気調整弁１６を低開度にして、燃料電池１内の水素ライン及び空気ラインの圧力を高めて、設定圧力になるようにコンプレッサ６の出力を調整する。

（チ）Ｓ１８段階において、上記の状態において水パージが行われている時間（水パージ時間）の計測を開始し、Ｓ１９段階において、水パージ時間が所定時間となることを監視する。水パージ時間が所定時間となった場合（Ｓ１９段階においてＹＥＳ）、Ｓ２０段階において、コンプレッサ６を停止する。Ｓ２１段階において、連通遮断弁１３を閉じて水素配管５３と空気配管５２を遮断し、次回の燃料電池システムの起動時に水素ガスが空気配管５２内へ流れないようにする。Ｓ２２段階において、水パージ弁１２も閉じて、空気配管５２と純水配管５１とを遮断する。

図３を参照して、燃料電池システムの停止手順における空気配管５２（空気ライン）、水素配管５３（水素ライン）及び純水配管５０、５１内の圧力の変化を説明する。

空気、水素、純水の各圧力は、発電停止（Ｓ０１段階）により低下し、燃料ガス及び空気の供給を停止する（Ｓ０４段階）ことにより更に低下する。このとき、空気、水素、純水の間の差圧は、所定の範囲内に収まっている。水素ラインの希釈（Ｓ０６〜Ｓ０８段階）及びコンプレッサの始動（Ｓ１６段階）そして水パージ開始（Ｓ１７段階）により空気、水素、純水の圧力は一時的に上昇するが、差圧は所定の範囲内に収まっている。

このように、燃料電池システムが停止した後に排水素の処理を行い、純水ポンプ３が停止した後に連通遮断弁１３を開けて燃料電池１内の水素ライン及び空気ラインに空気を供給し、燃料電池１内のガス圧を上昇させる。これに伴い純水配管５０、５１内にも圧力が加わり、燃料電池１の差圧制限を守りながら、高い圧力で水パージを行うことができる。

本発明の第１の実施の形態によれば、純水パージ部３２は、水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２へ水パージするため、連通遮断弁１３を開いて水素ラインと空気ラインとを連通した状態で水パージできる。よって、反応膜に加わる水素極と空気極間の差圧を気にすることなく、可能な限り高い圧力を用いて燃料電池システムの停止時の純水系の純水を純水タンク２に戻すことができる。したがって、凍結対応のために行う停止時の水パージで導入する空気圧を高く設定することで、残水を低減させ、氷点下時等の燃料電池システムの起動を確実に行うことができる。また、水パージ時間を短縮できる。

換言すれば、燃料電池システムが停止した際に、発電による消費、触媒等による反応、希釈等で排水素を処理し、水素ラインと空気ラインを連通させて、両ラインに空気を流すことで燃料電池１の両ガスラインの差圧制限を守りつつ、高い圧力で純水ラインの水パージが可能となり、水抜きをより確実に行うことができ、低温時の再起動をスムーズに行うことができる。

また、燃料電池１内のガス圧と純水圧の差圧制御の制限から水パージ圧力が低くする必要がなくなり、十分大きな圧力で水パージすることができる。

（第２の実施の形態）
図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システム制御装置は、図１の燃料電池システム制御装置に比べて、水パージ時の空気圧の調整を燃料電池１より下流側の空気配管５２及び水素配管５３に設置されている空気調整弁１６及び水素遮断弁１５により行うのではなく、固定オリフィス径路に切り替えることで行う。

第２の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料電池１の下流側において水素配管５３と空気配管５２とを合流させる圧損調整配管５９と、圧損調整配管５９上に配置された圧損調整弁１８及び固定オリフィス１９とを更に有する。即ち、水素配管５３及び空気配管５２のそれぞれの燃料電池１より下流に、固定圧損要素としての圧損調整弁１８及び固定オリフィス１９を設置する。固定オリフィスの径は、燃料電池システムの水パージ時の空気流量や水素配管５３及び空気配管５２等の圧損により決定される。

純水パージ部３２は、連通遮断弁１３を開くことで遮断されていた水素配管５３と空気配管５２とを連通状態にした後に、コンプレッサ６を動作させて水素配管５３及び空気配管５２内に空気を導入して、水パージ弁１２を開くことにより空気の圧力をもって純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２に戻す。このときの空気の圧力は、圧損調整弁１８及び固定オリフィス１９により調整される。

純水系システムの起動については、第１の実施の形態と同様なので、説明を省略する。また、燃料電池システムの停止については、図２のＳ１７段階を除く他の段階は同じであるため説明を省略する。

第２の実施の形態では、図２のＳ１７段階において、水素配管５３及び空気配管５２の燃料電池１より下流側の圧損調整弁１８及び固定オリフィス１９と用いて、燃料電池１内の水素ライン及び空気ラインの圧力を高めて、設定圧力になるようにコンプレッサ６の出力を調整する。

本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。即ち、純水パージ部３２は、水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２へ水パージするため、連通遮断弁１３を開いて水素ラインと空気ラインとを連通した状態で水パージできる。よって、反応膜に加わる水素極と空気極間の差圧を気にすることなく、可能な限り高い圧力を用いて燃料電池システムの停止時の純水系の純水を純水タンク２に戻すことができる。したがって、凍結対応のために行う停止時の水パージで導入する空気圧を高く設定することで、残水を低減させ、氷点下時等の燃料電池システムの起動を確実に行うことができる。また、水パージ時間を短縮できる。

換言すれば、燃料電池システムが停止した際に、燃焼、発電等による消費、触媒等による反応、希釈等で排水素を処理し、水素ラインと空気ラインを連通させて、両ラインに空気を流すことで燃料電池１の両ガスラインの差圧制限を守りつつ、高い圧力で純水ラインの水パージが可能となり、水抜きをより確実に行うことができ、低温時の再起動をスムーズに行うことができる。

また、燃料電池１内のガス圧と純水圧の差圧制御の制限から水パージ圧力が低くする必要がなくなり、十分大きな圧力で水パージすることができる。

なおここでは、固定圧損要素の一例として固定オリフィス１９について説明したが、この代わりに、可変圧損要素を用いても構わない。例えば、オリフィス径を自由に調整することができる可変オリフィスを固定オリフィス１９の代わりに用いても構わない。

（第３の実施の形態）
図５に示すように、本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システム制御装置は、図１の燃料電池システム制御装置に比べて、燃料電池システムの停止時における残水素の処理を燃料電池１による発電及び希釈により行う代わりに、水素燃焼器７による残水素の燃焼により行う。

第３の実施の形態に係わる燃料電池システムは、図１の燃料電池システムと比べて、燃料電池１の下流側において水素配管５３と空気配管５２に接続された水素燃焼器７と、水素燃焼器７内の燃焼温度を測定する温度センサＴとを更に有する。水素燃焼器７は、燃料電池１からの排水素を燃焼する。燃料電池システムの通常運転時や停止時に燃料電池１で利用できなくなった排水素を水素燃焼器７で反応させ、極力、燃料ガス中の水素をそのまま大気中に放出することは避けている。温度センサＴは、水素燃焼器７の反応状況を推測することを目的とする。その他の構成は図１と同じであり、説明を省略する。

反応／希釈部３１は、燃料電池１での発電が停止されると、燃料ガスの供給を止めるため水素調整弁９を閉じて、純水ポンプ３を停止する。そして、水素燃焼器７を動作させて、水素ラインに残留している排水素を、コンプレッサ６からの空気と共に反応させ、大気へ放出する。これにより、水素配管５３内に残留する燃料ガスが燃焼して、水素極側では水素が減少し、空気極側では酸素が減少する。

純水系システムの起動については、第１の実施の形態と同様なので、説明を省略する。

燃料電池システムの停止は、残水素の処理と水パージとの２つの段階に分かれる。

（イ）図６に示すように、先ず、Ｓ３１段階において燃料電池１の発電を停止し、Ｓ３２段階において水素調整弁９を閉じて燃料ガスの供給を止めるる。Ｓ３３段階において純水ポンプ３の動作を停止する。Ｓ３４段階において、水素ラインに残留している排水素の処理を開始する。具体的には、水素燃焼器７を動作させて、コンプレッサ６からの空気と共に反応させ、大気へ放出される。

（ロ）Ｓ３５段階において、水素燃焼器７に取り付けられた温度センサＴを用いて、燃焼温度が所定温度未満になることを監視する。燃焼温度が所定温度未満になった時（Ｓ３５段階においてＹＥＳ）Ｓ３６段階に進み、排水素がほとんど処理されたと判断して、コンプレッサ６の出力を下げて、空気流量を待機所定流量にする。以上のＳ３１〜Ｓ３６段階によって残水素の処理が完了する。

（ハ）次に水パージの処理を行う。Ｓ３７段階において、連通遮断弁１３を開き、水素ラインと空気ラインを連通させる。なお、Ｓ３６段階で空気流量を抑えているので、燃料電池１内のガス圧とほぼ大気圧である純水圧とに差圧は発生しても制限内に収まる。Ｓ３８段階において、燃料電池システム内、或いは、その週辺の温度又は例えば燃料電池システムが搭載されている車両等の温度が所定温度より低いか否かを判断する。ここでは、外気温について説明を続ける。この場合、所定温度純水系システム（５０、５１、２など）内の純水が凍結するおそれがあるかどうかを推測できる温度であれば良いので、特に温度計の設置位置は限定されない。

（ニ）外気温が所定温度以上であると判断された場合（Ｓ３８段階においてＮＯ）、水パージ処理を行わず、燃料電池システムは停止される。一方、外気温が所定温度未満であると判断された場合（Ｓ３８段階においてＹＥＳ）、Ｓ３９段階に進み、水パージ弁１２を開ける。Ｓ４０段階において、コンプレッサ６の出力を調整し、燃料電池１に供給する空気の圧力を設定圧に調整する。

（ホ）Ｓ４１段階において、上記の状態において水パージが行われている時間（水パージ時間）の計測を開始し、Ｓ４２段階において、水パージ時間が所定時間となることを監視する。水パージ時間が所定時間となった場合（Ｓ４２段階においてＹＥＳ）、Ｓ４３段階において、コンプレッサ６を停止する。Ｓ４４段階において、連通遮断弁１３を閉じて水素配管５３と空気配管５２を遮断し、次回の燃料電池システムの起動時に水素ガスが空気配管５２内へ流れないようにする。Ｓ４５段階において、水パージ弁１２も閉じて、空気配管５２と純水配管５１とを遮断する。

このように、燃料電池システムが停止した後に排水素の処理を行い、純水ポンプ３が停止した後に連通遮断弁１３を開けて燃料電池１内の水素ライン及び空気ラインに空気を供給し、燃料電池１内のガス圧を上昇させる。これに伴い純水配管５０、５１内にも圧力が加わり、燃料電池１の差圧制限を守りながら、高い圧力で水パージを行うことができる。

本発明の第３の実施の形態によれば、純水パージ部３２は、水素配管５３内に残留する燃料ガスを燃焼させた後に、純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２へ水パージするため、連通遮断弁１３を開いて水素ラインと空気ラインとを連通した状態で水パージできる。よって、反応膜に加わる水素極と空気極間の差圧を気にすることなく、可能な限り高い圧力を用いて燃料電池システムの停止時の純水系の純水を純水タンク２に戻すことができる。したがって、凍結対応のために行う停止時の水パージで導入する空気圧を高く設定することで、残水を低減させ、氷点下時等の燃料電池システムの起動を確実に行うことができる。また、水パージ時間を短縮できる。

換言すれば、燃料電池システムが停止した際に、燃焼による消費で排水素を処理し、水素ラインと空気ラインを連通させて、両ラインに空気を流すことで燃料電池１の両ガスラインの差圧制限を守りつつ、高い圧力で純水ラインの水パージが可能となり、水抜きをより確実に行うことができ、低温時の再起動をスムーズに行うことができる。

また、燃料電池１内のガス圧と純水圧の差圧制御の制限から水パージ圧力が低くする必要がなくなり、十分大きな圧力で水パージすることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム制御方法、即ち、図１の燃料電池システム制御装置としてのコントローラの制御手順を示すフローチャートである。 図２に示した燃料電池システムの停止手順における空気配管（空気ライン）、水素配管（水素ライン）及び純水配管内の圧力の変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システム制御方法、即ち、図５の燃料電池システム制御装置としてのコントローラの制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池（燃料電池スタック）
２…純水タンク
３…純水ポンプ
４…異物フィルタ
５…イオンフィルタ
６…コンプレッサ
７…水素燃焼器
８…水素貯蔵タンク
９…水素調整弁
１０…ポンプアシスト弁
１１…流路遮断弁
１２…水パージ弁
１３…連通遮断弁
１５…水素遮断弁
１６…空気調整弁
１７…空気遮断弁
１８…圧損調整弁
１９…固定オリフィス
２０…コントローラ
３１…反応／希釈部
３２…純水パージ部
５０、５１…純水配管
５２…空気配管
５３…水素配管
５４…開放配管
５５…大気開放配管
５６…空気配管
５７…水パージ用空気導入配管
５８…連通配管
５９…圧損調整配管
P_A…圧力センサ
P_H…圧力センサ
P_W…圧力センサ
Ｔ…温度センサ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、前記純水を貯蔵する純水タンクとを備える燃料電池システムを制御する装置であって、
   前記燃料電池システムが停止する際、燃料ガスが流通する水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させる反応／希釈部と、
   前記水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、前記純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻す純水パージ部
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム制御装置。
2. 前記純水パージ部は、前記水素配管と酸化剤ガスが流通する空気配管とを連通状態にした後に、前記水素配管及び前記空気配管内に空気を導入して、前記空気の圧力をもって前記純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻すことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
3. 前記水素配管及び前記空気配管のそれぞれの前記燃料電池より下流に、固定或いは可変圧損要素を設置することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム制御装置。
4. 前記水素配管と前記空気配管とを連通状態にする位置は、前記燃料電池より上流であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム制御装置。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、前記純水を貯蔵する純水タンクとを備える燃料電池システムを制御する方法であって、
   前記燃料電池システムが停止する際、燃料ガスが流通する水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させ、
   前記水素配管内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させた後に、前記純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻す
   ことを特徴とする燃料電池システム制御方法。
6. 前記純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻すことは、前記水素配管と酸化剤ガスが流通する空気配管とを連通状態にした後に、前記水素配管及び前記空気配管内に空気を導入して、前記空気の圧力をもって前記純水配管内に残留する純水を前記純水タンクに戻すことであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム制御方法。

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