JP2006147313A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料電池に残留する水分を効果的に排出することを課題とする。
【解決手段】 ガス供給配管5、6に停止弁7、8を設け、ガス排出配管9、10に停止弁11、12を設け、燃料電池システムの運転停止後に、コントロールユニット4の制御の下に停止弁11、12を閉じ、パージガスを燃料電池スタック1内に流入させた後、停止弁7、8を閉じてパージガスの供給を停止し、その後停止弁7、8、11、12を開放し、ガス供給配管5、6ならびにガス排出配管9、10を介して燃料電池スタック1内に残留する水分を排出して構成される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池内の残留水分を外部に排出する機能を備えた燃料電池システムに関する。
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
燃料極となるアノード極、酸化剤極となるカソード極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
(化1)
アノード極:H→2H+2e (1)
カソード極:2H+2e+(1/2)O→HO (2)
そして、燃料極に燃料が供給されると、燃料極では上記(1)の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質(固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜)を透過(拡散)して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では上記(2)の反応式が進行する。この(1)、(2)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池では、運転停止時に上記反応により生成した水分が燃料電池内部に残留し、氷点下の環境において凍結することで、セパレータにおける燃料、酸化剤流路の閉塞や電極が劣化するおそれがある。
そこで、燃料電池に残留する水分を外部に排出する従来の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。この文献では、氷点下での残留水の凍結による、ガス流路の閉塞および燃料電池スタックの破壊を防止するために、運転停止時に反応ガスを大量に燃料電池スタックに流入させた後、ガス圧力制御手段を用いてガス圧力を増大させ、増大させた圧力を開放することにより、反応ガスの流速を増大させ、燃料電池スタック内部に残留する水分を外部に排出していた。
特開2002−305017
しかし、上記の従来技術では、燃料電池スタックのガス出口からのみ、反応ガスの圧力で残留水分を燃料電池スタック外に排出していた。このため、燃料電池スタックのガス入口に近い燃料電池セルに残留する水分は排出され難くなり、残留水分を完全に排出しきれず、水分が燃料電池スタック内に残ってしまうという不具合を招いていた。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池に残留する水分を効果的に排出することができる燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給配管を介して供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給配管を介して供給された酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、燃料ガス排出配管を介して前記燃料電池スタックのアノード極側に流通するガスを前記燃料電池スタック外に排出し、酸化剤ガス排出配管を介して前記燃料電池スタックのカソード極側に流通するガスを前記燃料電池スタック外に排出する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給配管と前記燃料ガス排出配管の燃料ガス系配管、及び前記酸化剤ガス供給配管と前記酸化剤ガス排出配管の酸化剤ガス系配管のいずれか一方又は双方のガス系配管に、前記燃料電池スタックのガス入口側とガス出口側に設けられた開閉弁と、前記燃料電池システムの運転停止後に、前記ガス出口側の開閉弁を閉じ、パージガスを前記燃料電池スタック内に流入させた後、前記入口側の開閉弁を閉じてパージガスの供給を停止し、その後前記入口側および出口側の開閉弁を開放制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、パージガスを燃料電池スタックに流入した後、開閉弁を開放することで、燃料電池スタックのガス入出口の圧力が低下し、燃料電池スタックにおけるガス入口近くに残留する水分はガス供給配管側に排出され、ガス出口近くに残留する水分はガス排出配管側に排出することができる。これにより、従来に比べて効果的に燃料電池スタック内部の残留水分を排出することができる。
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1の燃料電池システムは、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との化学反応により発電を行う燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1の入口と出口の反応ガスの例えば水素の圧力差を検出する第1の圧力検出手段2と、燃料電池スタック1の入口と出口の反応ガスの例えば空気の圧力差を検出する第2の圧力検出手段3と、コントロールユニット4、ならびに燃料電池スタック1の周囲の温度を検出する温度センサ13を備えて構成されている。
燃料電池スタック1は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、図2の断面図に示すように構成されている。図2において、燃料電池スタックの一単位となるセルは、固体高分子膜からなる電解質膜20と、この電解質膜20を挟持するように電解質膜20の両面に配設される二つの電極21,22及びガス流路27,28が形成されたセパレータ23,24で構成される。電解質膜20は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。
この膜の両面に配設される二つの電極21,22は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層(図示せず)とガス拡散層25,26からなり、触媒の存在する面が電解質膜20と接触するように形成されている。ガス流路27,28は、ガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
図1に戻って、燃料電池システムは、燃料電池スタック1に燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との反応ガスを供給するガス供給配管5、6、ならびに燃料電池スタック1で未使用の反応ガスを燃料電池スタック1の外に排出するガス排出配管9、10に停止弁7、8、11、12を備えている。この停止弁7、8、11、12は、コントロールユニット4の制御の下に配管を開放/閉止制御することで、反応ガスの流通/停止を制御する。
この停止弁8よりも燃料電池スタック1に近い位置のガス供給配管6を流通する反応ガスの圧力と、停止弁12よりも燃料電池スタック1に近い位置のガス排出配管10を流通する反応ガスの圧力との圧力差は、第1の圧力検出手段2で検出される。停止弁7よりも燃料電池スタック1に近い位置のガス供給配管5を流通する反応ガスの圧力と、停止弁11よりも燃料電池スタック1に近い位置のガス排出配管9を流通する反応ガスの圧力との圧力差は、第2の圧力検出手段3で検出される。
コントロールユニット4は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニット4は、制御手段として機能し、第1の圧力検出手段2、第2の圧力検出手段3を含む本システムにおける各センサ(図示せず)からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、停止弁7、8、11、12を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する残留水分の排出動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
コントロールユニット4は、第1の圧力検出手段2ならびに第2の圧力検出手段3で検出された圧力差に基づいて、燃料電池スタック1内の残留水分量を検出し、温度センサ13で計測された燃料電池スタック1の周囲の温度に基づいて、停止弁7、8、11、12の開閉を制御する制御手段として機能する。
次に、図3のフローチャートを参照して、コントロールユニット4の制御の下に行われる燃料電池スタック1の残留水分の排出動作を説明する。図3において、先ず燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック1の周囲の温度を検出し、周囲の温度が予め設定された第1所定温度Ts1、例えば0℃以上であるか否かを判別し(ステップS1)、第1所定温度Ts1以上である場合には水分排出操作を実施せず、第1所定温度Ts1以下であればパージガス、例えば空気を燃料極および酸化剤極に供給する(ステップS2)。
次に、燃料電池スタック1のガス入出口の圧力差を検出し(ステップS3)、圧力差に基づいて燃料電池スタック1内部に残留する水分量を検出する。続いて、検出された水分量に基づいて第1所定圧力P1を設定する(ステップS4)。引き続いて、ガス排出配管9,10の停止弁11、12を閉じ(ステップS5)、燃料電池スタック1内部の圧力を上昇させる。その後、燃料電池スタック1内部の圧力Psが第1所定圧力P1を越えたか否かを判別し(ステップS6)、越えた場合にはガス供給配管5、6の停止弁7、8を閉じ(ステップS7)、パージガスの供給を停止した後(ステップS8)、ガス供給配管5、6およびガス排出配管9、10の停止弁7、8、11、12を開く(ステップS9)。
このような操作により、パージガス封入後に停止弁を開くと、燃料電池スタック1のガス入出口の圧力が低下する。したがって、図4に示すように、燃料電池スタック1のガス入出口の圧力が低下するため、燃料電池スタック1におけるガス入口に近いセル内に残留する水分は、ガス供給配管5、6に排出され、ガス出口に近いセル内に残留する水分は、ガス排出配管9、10に排出される。これにより、従来に比べて効果的に燃料電池スタック1内部の残留水分を排出することができる。
燃料電池システムは、燃料電池スタック1内部の圧力を検出する第1の圧力検出手段2、第2の圧力検出手段3を備え、燃料電池スタック1内部の圧力Psが第1所定圧力P1を越えた場合に停止弁7、8、11、12を開放することで、パージガスを必要以上に封入することがなくなるため、パージガス封入のために必要となるエネルギーを節約することができる。
燃料電池システムは、燃料電池スタック1の周囲の温度を検出する温度センサ13を備え、燃料電池システム運転停止時に、燃料電池スタック1の周囲の温度が第1所定温度Ts1以下である場合に、水分排出操作を実施することで、燃料電池スタック1内での水分凍結のおそれがない場合は運転停止操作を実施しないため、運転停止操作を実施するためのエネルギーを節約することができる。
燃料電池システムは、燃料電池スタック1内部の残留水分量を検出するコントロールユニット4を備え、残留水分量に応じて第1所定圧力P1を設定することで、必要以上にパージガスを封入することがなくなるため、より効果的に燃料電池スタック1内部に残留する水分を排除することができ、パージガス封入に必要となるエネルギーを節約することができる。
燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給、排出配管における燃料電池スタック1の入出口の差圧を検出し、検出した差圧に基づいて残留水分量を検出する機構を備えることで、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給、排出配管における燃料電池スタック1の入出口の差圧に基づいて残留水分量を容易に検出することができ、残留水分量を検出する機構を簡素化することができる。
図5は本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例2の燃料電池システムの特徴とするところは、図1に示すシステムに比べて、第1の圧力検出手段2と第2の圧力検出手段3を削除し、燃料電池スタック1の抵抗値を検出し、検出された抵抗値に基づいて燃料電池スタック1内に残留する水分量を算出する機能をコントロールユニット4に備えたことにあり、他は図1と同様である。
次に、図6に示すフローチャートを参照して、コントロールユニット4の制御の下に行われる燃料電池スタック1の残留水分の排出動作を説明する。図6において、先ず燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック1の周囲の温度を検出し、周囲の温度が予め設定された第1所定温度Ts1、例えば0℃以上であるか否かを判別し(ステップS21)、第1所定温度Ts1以上である場合には水分排出操作を実施せず、第1所定温度Ts1以下であればパージガス、例えば空気を燃料極および酸化剤極に供給する(ステップS22)。
次に、燃料電池スタック1の抵抗を検出し、検出した抵抗に基づいて燃料電池スタック1内部に残留する水分量を検出する(ステップS23)。続いて、燃料電池スタック1内部に残留する水分量に基づいて第1所定時間T1を設定する(ステップS24)。引き続いて、ガス排出配管9,10の停止弁11、12を閉じ(ステップS25)、燃料電池スタック1内部の圧力を上昇させる。その後、ガス排出配管9、10の停止弁11、12を閉じてから後のガス供給時間が予め設定された第1所定時間T1を越えたか否かを判別する(ステップS26)。越えた場合にはガス供給配管5、6の停止弁7、8を閉じ(ステップS27)、パージガスの供給を停止した後(ステップS28)、ガス供給配管5、6およびガス排出配管9、10の停止弁7、8、11、12を開く(ステップS29)。
このような実施例2では、上記実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、ガス供給、排出配管に圧力を制御する機構を設ける必要がなくなり、水分排出操作に必要となる補機類の構成を最小限に抑えることができる。
また、パージガスを燃料電池スタック1に流入した後、パージガス流入時間が第1所定時間T1を越えた場合には、停止弁7、8を閉じることで、パージガスを必要以上に封入することがなくなるため、パージガス封入のために必要となるエネルギーを節約することができる。
燃料電池システムは、燃料電池スタック1の抵抗を検出する機構を備え、燃料電池スタック1の抵抗に基づいて残留水分量を検出することで、燃料電池スタック1の抵抗に基づいて残留水分量を容易に検出することができ、残留水分量を検出する機構を簡素化することができる。
図7は本発明の実施例3に係る燃料電池システムにおけるの残留水分の排出動作の処理手順を示すフローチャートである。この実施例3の特徴とするところは、図1に示す構成において、第2所定圧力P2(>第1所定圧力P1)を予め実験や机上検討により設定し、コントロールユニット4で実行される第2所定圧力P2と第1所定圧力P1との比較結果に基づいて、停止弁の開閉制御を行うようにしたことにあり、他は図1のシステムと同様である。
次に、図7に示すフローチャートを参照して、コントロールユニット4の制御の下に行われる燃料電池スタック1の残留水分の排出動作を説明する。図7において、先ず燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック1の周囲の温度を検出し、周囲の温度が予め設定された第1所定温度Ts1、例えば0℃以上であるか否かを判別し(ステップS41)、第1所定温度Ts1以上である場合には水分排出操作を実施せず、第1所定温度Ts1以下であればパージガス、例えば空気を燃料極および酸化剤極に供給する(ステップS42)。
次に、燃料電池スタック1のガス入出口の圧力差を検出し(ステップS43)、圧力差に基づいて燃料電池スタック1内部に残留する水分量を検出する。続いて、検出された水分量に基づいて第1所定圧力P1を設定する(ステップS44)。その後、第1所定圧力と第2所定圧力とを比較し(ステップS45)、第1所定圧力P1>第2所定圧力P2である場合には、第2所定圧力P2を第1所定圧力P1とする(ステップS46)。
次に、ガス排出配管9,10の停止弁11、12を閉じ(ステップS47)、燃料電池スタック1内部の圧力を上昇させる。その後、燃料電池スタック1内部の圧力Psが第1所定圧力P1を越えたか否かを判別し(ステップS48)、越えた場合にはガス供給配管5、6の停止弁7、8を閉じ(ステップS49)、パージガスの供給を停止した後(ステップS50)、ガス供給配管5、6およびガス排出配管9、10の停止弁7、8、11、12を開く(ステップS51)。
このようにして残留水分を排出した後、第1所定圧力P1と第2所定圧力P2とが等しいか否かを判別し(ステップS52)、等しい場合にはパージガス供給を再開し(ステップS53)、先のステップS43へ移行する一方、等しくない場合には水分の排出操作を終了する。
この実施例3では、先の実施例1と同様な効果を得ることができることに加えて、燃料電池スタック1内部へのパージガス封入による過剰な圧力増大を防止することができる。これにより、圧力増大による燃料電池システムの損傷を防止することができる。また、複数回の排出操作を行うことで、一度の残留水分排出操作により排出できなかった残留水分を確実に燃料電池スタック1外部に排出することができる。
残留水分量により設定された第1所定圧力P1が、第1所定圧力P1より大きい第2所定圧力P2を上回る場合は、第2所定圧力P2に基づいて停止弁の開放を実施することで、燃料電池スタック1の内部の過剰な圧力増大を防止することができる。
図8は本発明の実施例4に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図8に示す実施例4の燃料電池システムの特徴とするところは、図1に示すシステムに比べて、ガス供給配管5、6の停止弁7、8に代えて、コントロールユニット4で開閉制御される三方弁からなる切換え弁14、16を設け、この切換え弁14,16に水分排出配管15,17を接続したことにあり、他は図1と同様である。なお、切換え弁は、いずれか一方だけであってもよい。
次に、図9に示すフローチャートを参照して、コントロールユニット4の制御の下に行われる燃料電池スタック1の残留水分の排出動作を説明する。図9において、先ず燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック1の周囲の温度を検出し、周囲の温度が予め設定された第1所定温度Ts1、例えば0℃以上であるか否かを判別し(ステップS61)、第1所定温度Ts1以上である場合には水分排出操作を実施せず、第1所定温度Ts1以下であればパージガス、例えば空気を燃料極および酸化剤極に供給する(ステップS62)。
次に、燃料電池スタック1のガス入出口の圧力差を検出し(ステップS63)、圧力差に基づいて燃料電池スタック1内部に残留する水分量を検出する。続いて、検出された水分量に基づいて第1所定圧力P1を設定する(ステップS64)。引き続いて、ガス排出配管9,10の停止弁11、12を閉じ(ステップS65)、燃料電池スタック1内部の圧力を上昇させる。その後、燃料電池スタック1内部の圧力Psが第1所定圧力P1を越えたか否かを判別し(ステップS66)、越えた場合にはガス供給配管5、6の切換え弁14、16を水分排出配管15、17側に切り換えた後、パージガスの供給を停止し、ガス排出配管9、10の停止弁11、12を開き(ステップS67)、燃料電池スタック1の残留水分は水分排出配管15、17を介して排出される。
この実施例4では、先の実施例1と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池スタック1から排出された水分が、ガス配管内に残留することを防止することができる。これにより、ガス配管内での残留水分の凍結を防止することができる。また通常運転時における燃料電池スタック1への残留水分の流入を防止することができる。
この実施例4は、先の実施例2もしくは実施例3と組み合わせて実施するようにしてもよい。
なお、上記実施例1〜4においては、燃料電池スタック1に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するガス供給配管5、6の双方に停止弁7、8又は切換え弁14、16を設け、燃料ガス、酸化剤ガスを排出するガス排出配管9、10の双方に停止弁11、12を設けたが、燃料ガスの供給、排出配管系にのみ停止弁、切換え弁を設けてもよく、もしくは酸化剤ガスの供給、排出配管系にのみ停止弁、切換え弁を設けるようにしてもよい。
本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の実施例1に係る残留水分排出動作の手順を示すフローチャートである。 残留水分の排出の様子を示す図である。 本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例2に係る残留水分排出動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例3に係る残留水分排出動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例4に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例4に係る残留水分排出動作の手順を示すフローチャートである。
符号の説明
1…燃料電池スタック
2…第1の圧力検出手段
3…第2の圧力検出手段
4…コントロールユニット
5,6…ガス供給配管
7、8,11,12…停止弁
9,10…ガス排出配管
13…温度センサ
14,16…切換え弁
15,17…水分排出配管
20…電解質膜
21,22…電極
23,24…セパレータ
25、26…ガス拡散層
27,28…ガス流路

Claims (10)

  1. 燃料ガス供給配管を介して供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給配管を介して供給された酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、燃料ガス排出配管を介して前記燃料電池スタックのアノード極側に流通するガスを前記燃料電池スタック外に排出し、酸化剤ガス排出配管を介して前記燃料電池スタックのカソード極側に流通するガスを前記燃料電池スタック外に排出する燃料電池システムにおいて、
    前記燃料ガス供給配管と前記燃料ガス排出配管の燃料ガス系配管、及び前記酸化剤ガス供給配管と前記酸化剤ガス排出配管の酸化剤ガス系配管のいずれか一方又は双方のガス系配管に、前記燃料電池スタックのガス入口側とガス出口側に設けられた開閉弁と、
    前記燃料電池システムの運転停止後に、前記ガス出口側の開閉弁を閉じ、パージガスを前記燃料電池スタック内に流入させた後、前記入口側の開閉弁を閉じてパージガスの供給を停止し、その後前記入口側および出口側の開閉弁を開放制御する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックへのパージガスの供給、開閉弁の開閉制御を少なくとも1回以上実施する
    ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池スタック内部のガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記圧力検出手段で検出された前記燃料電池スタック内部の圧力が第1所定圧力を越えた場合には、前記開閉弁を開放する
    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。
  4. 前記制御手段は、パージガスの流入時間が、第1所定時間を越えた場合には、前記開閉弁を開放する
    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。
  5. 前記燃料電池スタックの周囲の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池システム運転停止時に、前記温度検出手段で検出された燃料電池スタックの周囲の温度が所定温度以下である場合には、開閉弁の開閉制御を実施する
    ことを特徴とする請求項1、2,3及び4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池スタック内部の残留水分量を検出する水分量検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記水分量検出手段で検出された残留水分量に基づいて、前記第1所定圧力または第1所定時間を設定する
    ことを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料ガス供給配管と前記燃料ガス排出配管の燃料ガス系配管、及び前記酸化剤ガス供給配管と前記酸化剤ガス排出配管の酸化剤ガス系配管のいずれか一方又は双方のガス系の前記燃料電池スタックの入出力のガスの差圧を検出する差圧検出手段を備え、
    前記水分量検出手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧に基づいて残留水分量を検出する
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックの抵抗を検出する抵抗検出手段を備え、
    前記水分量検出手段は、前記抵抗検出手段で検出された抵抗に基づいて残留水分量を検出する
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記第1所定圧力または前記第1所定時間が、前記第1所定圧力より大きい第2所定圧力または前記第1所定時間より大きい第2所定時間を上回る場合には、前記開閉弁を開放する
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料ガス供給配管及び/又は前記酸化剤ガス供給配管に設けられた開閉弁には、水分排出配管が接続され、前記水分排出配管を介して前記燃料電池スタックから導出された残留水分を排出する
    ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7,8及び9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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