JP2006172889A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの停止時に、短時間で燃料電池電圧を０〔Ｖ〕まで降下させ、また停止中に残存水素の水生成反応による零下起動性悪化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水素ガス供給ライン６と燃料電池本体２の燃料極とを遮断する第１遮断弁７と、水素排出ライン９と燃料電池本体２の燃料極とを遮断する第２遮断弁８とを有し、燃料電池システム停止時に、燃料電池本体２への水素ガス供給を停止した後に、第１遮断弁７，第２遮断弁８により、燃料電池本体２への水素ガスの出入りを遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に低温始動性を改善した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質は、十分な水素イオン伝導性を発揮するために加湿を要するものがある。このような固体高分子電解質を用いた燃料電池において、運転停止中に固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持する為に、運転停止時に、燃料電池スタックの燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路に加湿用液体を満たす技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

また、燃料電池の運転停止時に、燃料電池に放電抵抗を接続して電流を取り出すことにより、燃料極に残留した水素を消費させて燃料電池電圧を０〔Ｖ〕まで低下させる技術が知られている（特許文献３）。

停止時に放電抵抗を用いて停止する。
特開平９−１７４３９号公報（第３頁、図１） 特開平９−２７３３４号公報（第７頁、図１１） 特開２００１−３４５１１４号公報（第３頁、図１）

上記従来例を組み合わせた燃料電池の運転を停止する場合、カソード側に残留した酸素が律速して燃料電池電圧が０〔Ｖ〕になり、燃料電池スタック内部のアノード側の水素が残った状態で停止する可能性が高い。燃料電池システムの停止状態を長時間継続するとアノード側に水素が残留した場合、停止中に電解質膜を介してカソード側にクロスオーバーしてカソード側に水が生成される。

また、停止中に燃料電池スタックのアノード側とカソード側を電気的に接続しておくと、上記のアノード側に残存する水素とカソード側に混入してきた空気が反応してカソード側に水が生成される。その結果、上記のようにカソード側に水が凍結し零下起動性が悪化するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、電解質膜の両側に燃料極及び酸化剤極を配置する膜電極複合体を含む燃料電池本体と、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、燃料電池本体の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインとを備え、燃料電池本体から電力を取り出す燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給ラインと前記燃料極とを遮断する第１のガス遮断手段と、前記燃料ガス排出ラインと前記燃料極とを遮断する第２のガス遮断手段とを有し、燃料電池システム停止時に、燃料電池本体への燃料ガス供給を停止した後に、第１及び第２のガス遮断手段により、前記燃料極への燃料ガスの出入りを遮断することを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池本体の燃料ガス入出口をガス遮断手段により遮断することで、燃料ガス供給ラインや燃料ガス排出ラインに残存する水素が燃料電池本体内部に進入することを防止し、燃料電池本体内部に残存する燃料ガス中の水素を消費して燃料電池本体の電圧を０〔Ｖ〕程度まで速やかに低下させることができるという効果がある。

また、ガス遮断手段により停止中に燃料電池本体内部に残存または進入してくる水素が微量であるため、停止中の水素酸化による水の生成が抑えられ、凍結水の量を抑制し、零下起動性が向上した燃料電池システムを提供することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

〔構成〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極を配置した膜電極複合体と、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）をそれぞれ燃料極と酸化剤極に供給するセパレータからなる単位電池（何れも図示せず）の繰り返し積層構造を有する燃料電池本体２を備える。

燃料電池本体２には、燃料ガスである水素を供給するための水素供給ライン６と燃料電池本体２からの未反応水素を排出するための水素排出ライン９が接続されており、更に水素排出ライン９から排出された未反応水素を水素供給ライン６に再循環させるための水素循環ライン１１が設けてある。水素循環ライン１１には再循環の動力源である水素循環ポンプ１２が配置される。水素供給ライン６の上流側には、図示しない高圧水素タンク等から供給される水素の圧力を調整する開度及び開閉可能な水素調圧弁５が設けてあり、更に水素循環ライン１１との合流点と燃料電池本体２との間には、第１遮断弁（第１の遮断手段）７が備えてある。また、水素排出ライン９から水素循環ライン１１への分岐点と燃料電池本体２との間には第２遮断弁（第２の遮断手段）８が設けてあり、更に水素排出ライン９の下流にはパージ弁１０が存在する。

また、また図示しないコンプレッサ等から酸化剤ガスである空気を燃料電池本体２に供給するための空気供給ライン３と、既反応空気を排出するための空気排出ライン４がそれぞれ設けてある。また、空気供給ライン３からは、水素循環ライン１１を空気パージするためのパージライン１３がパージ空気供給弁１４を介して分岐しており、水素供給ライン６に合流している。

コントローラ１５は、図示しない各種のセンサの検出信号及びキースイッチ等の操作信号を入力して、燃料電池システムの運転状態を制御するとともに、燃料電池システムの運転停止時の制御を行う。水素調圧弁５，パージ弁１０，水素循環ポンプ１２等は、通常運転時に制御される。第１遮断弁７，第２遮断弁８は、通常運転時には開いており、運転停止の操作時に、コントローラ１５の制御により閉じられる。パージ空気供給弁１４は、通常運転時には閉じられており、運転停止の操作時に、コントローラ１５に制御により、水素循環ライン１１をパージするときに開かれる。

この他、図示していないが、燃料電池本体２から取り出す電力を制御するための電力制御システム、燃料電池本体２を冷却するための冷媒循環路を有する冷却システム等が燃料電池システム１に存在する。

〔停止方法〕
図２は、実施例１のコントローラ１５による燃料電池システムの停止方法を説明するフローチャートである。このフローチャートが起動されるのは、燃料電池システムの停止トリガーがオンされたときである。燃料電池システムの停止トリガーのオンとは、例えば、据置型燃料電池であれば、運転停止スイッチが操作されたとき、或いは、自動停止タイマーが作動した時等である。また、燃料電池車両であれば、キースイッチがオフされたときである。

燃料電池システム１の停止トリガーがオンされる直前の状態としては、ネット発電出力（燃料電池の総発電電力から補機消費電力を除いた正味発電出力）がゼロのアイドル状態であることが殆どであり、補機動力分を賄う程度の発電を実施している。そのため、パージライン１３のパージ空気供給弁１４は閉となっており、また発電量も小さいために水素循環ライン１１内部に存在する水素を循環している状態であり、水素調圧弁５を開とした高圧水素タンクからの水素供給やパージ弁１０を開とした水素の排出は行っておらず、水素調圧弁５、パージ弁１０共に閉である。また、酸化剤ガスである空気は、燃料電池本体２に供給されている。尚、水素調圧弁５は開でもよい。

このような状態で発電中、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）２０１で燃料電池システムの停止トリガーがオンされたら、Ｓ２０２で、コントローラ１５は、水素循環ポンプ１２を停止する。続いて、Ｓ２０３でコントローラ１５は、第１遮断弁７、第２遮断弁８を閉じる。次いで、Ｓ２０４で、図示しない電圧センサにより燃料電池電圧を検出し、燃料電池本体２の電圧が０〔Ｖ〕となったかどうか判断する。０〔Ｖ〕となっていなければ、Ｓ２０４で燃料電池電圧検出、及び０〔Ｖ〕判定を繰り返す。燃料電池本体２における膜電極複合体では、膜を水素や酸素が透過するといったクロスリーク現象により、時間が経過すると水素が完全に酸素と反応して消費され電圧は低下して０〔Ｖ〕となる。上記で電圧が０〔Ｖ〕となる時を判断基準としたが、予め決めた任意の電圧としてよい。

Ｓ２０４の判断で、０〔Ｖ〕となった場合には、Ｓ２０５へ進み、パージ空気供給弁１４、パージ弁１０を開とする。パージ空気供給弁１４、パージ弁１０を開くことで、空気により、水素供給ライン６および水素循環ライン１１に残留する水素をパージし、パージ弁１０を介して水素排出ライン９より排出する。

Ｓ２０６では、パージ空気供給弁１４を介して供給する空気流量と、水素循環ライン１１の配管容積等を考慮して予め決められた所定時間が経過するまで待機する。所定時間が経過したら、Ｓ２０７へ進み、パージ空気供給弁１４を閉とし、空気供給を停止する。次いで、Ｓ２０８で、空気供給ライン３或いはパージライン１３に空気を供給するコンプレッサ等を停止し、燃料電池システムの停止が完了する。尚、水素調圧弁５が開の状態で停止トリガーがオンとなった場合は、Ｓ２０１で最初に水素調圧弁５を閉とする。

〔作用〕
第１遮断弁７、第２遮断弁８のガス遮断手段により燃料ガスの遮断後に、燃料電池本体２への空気供給を停止することで、燃料電池本体２の酸化剤極に十分な酸素を供給でき、燃料電池本体２内部の燃料極を含む燃料系に存在する水素を短時間で速やかにかつ確実に消費することができる。また、空気供給の停止を遅らすことで、酸化剤極近傍に存在する水をより多く排出することができるので、凍結による零下起動性の悪化を抑制することができる。

また、水素供給ライン６や水素循環ライン１１に存在し、上流側から燃料電池本体２内部に進入してくる水素が残存する容積を最小限にすることができる。そのため、水素消費時間をより短くすることができる。

更に、水素排出ライン９や水素循環ライン１１に存在し、下流側から燃料電池本体２内部に進入してくる水素が残存する容積を最小限にすることができる。そのため、水素消費時間をより短くすることができる。

加えて、水素循環ライン１１内部を空気雰囲気に置換することで、水素循環ライン１１に残存する水素を除去できるため、第１遮断弁７、第２遮断弁８のガス遮断手段を介して燃料電池本体２内部の水素系に漏れこんでくる水素をなくすことができる。

〔効果〕
本実施例によれば、ガス遮断手段により燃料ガスの遮断後に、燃料電池本体への空気の供給を停止することで、燃料電池本体の酸化剤極に十分な酸素を供給でき、燃料電池本体内部の燃料極を含む燃料系に存在する水素を短時間で速やかにかつ確実に消費することができる。また、空気供給の停止を遅らすことで、酸化剤極近傍に存在する水をより多く排出することができるので、凍結による零下起動性の悪化を更に抑制することができるという効果がある。

また、燃料電池システムの運転停止に要する時間を大幅に短縮し、零下起動性の高い燃料電池システムを提供することができる。

更に、停止中に燃料電池本体内部に進入する水素から水が生成することを確実に回避でき、零下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。

なお、本実施例に放電抵抗や電力消費手段などを追加し、第１、第２遮断弁を閉じた後に放電抵抗や電力消費手段によりアノード側の水素を消費させる様にしても良い。

〔構成〕
図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。図３において、燃料電池システム１は、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極を配置した膜電極複合体と、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）をそれぞれ燃料極と酸化剤極に供給するセパレータからなる単位電池（何れも図示せず）の繰り返し積層構造を有する燃料電池本体２を備える。

燃料電池本体２には、水素を主成分とし炭化水素系燃料を改質システム（図示せず）により改質した改質ガスを供給するための改質ガス供給ライン２１と、燃料電池本体２から未反応であった改質ガスを排出するための改質ガス排出ライン２４が接続されている。

改質ガス供給ライン２１には、図外の改質システムから供給される水素を主成分とする改質ガスを遮断し、改質ガス排出ライン２４へ接続する改質ガスバイパスライン２３に切り換える三方弁２２が設けてあり、改質ガス排出ライン２４には第２遮断弁（第２のガス遮断手段）８が設けてある。

また、酸化剤ガスである空気を燃料電池本体２にコンプレッサ等（図示せず）で供給するための空気供給ライン３と、既反応空気を排出するための空気排出ライン４がそれぞれ設けている。

コントローラ１５は、図示しない各種のセンサの検出信号及びキースイッチ等の操作信号を入力して、燃料電池システムの運転状態を制御するとともに、燃料電池システムの運転停止時の制御を行う。

三方弁２２は、通常運転時には、改質ガスを燃料電池本体２へ供給するように切り換えられ、運転停止時には、コントローラ１５により、燃料電池本体２への改質ガスを遮断し、改質ガスを改質ガスバイパスライン２３へ流すように切り換えられる。この三方弁２２は、本実施例では、運転停止時に、燃料ガス供給ラインである改質ガス供給ライン２１と燃料電池本体２とを遮断する第１のガス遮断手段である。第２遮断弁８は、通常運転時には開いており、運転停止の操作時に、コントローラ１５の制御により閉じられる。

更に、燃料電池本体２から電流を取り出して電力を消費するための放電抵抗３１がスイッチ３２を介して燃料電池本体２の両極（正極と負極）にそれぞれ接続され、スイッチ３２は、燃料電池の運転停止時にコントローラ１５の制御により閉じられる。

この他、図示していないが、燃料電池本体２から取り出す電力を制御するための電力制御システム、燃料電池本体２を冷却するための冷媒循環路を有する冷却システム等が本燃料電池システムに存在する。

〔停止方法〕
図４は、実施例２のコントローラ１５による燃料電池システムの停止方法を説明するフローチャートである。このフローチャートが起動されるのは、燃料電池システムの停止トリガーがオンされたときである。

燃料電池システムの停止トリガーがオンされる直前の状態としては、正味発電出力がゼロのアイドル状態であることが殆どであり、補機動力分を賄う程度の発電を実施している。そのため、三方弁２２は燃料電池本体２に改質ガスが供給される状態に、また第２遮断弁８は開となっている。また、酸化剤ガスである空気は、燃料電池本体２に供給されている。

このような状態で発電中、Ｓ４０１で燃料電池システムの停止トリガーがオン（例えばキースイッチ・オフ等）されたら、Ｓ４０２で空気供給を停止する。続いて、Ｓ４０３で三方弁２２により改質ガスの供給先を燃料電池本体２から改質ガスバイパスライン２３に切り換える。次いで、Ｓ４０４で、スイッチ３２をオンとして、燃料電池本体２に放電抵抗３１を接続する。最後にＳ４０５で、第２遮断弁８を閉として燃料電池システムの停止が完了する。

燃料電池システムの停止中、放電抵抗３１はスイッチ３２を介して燃料電池本体２の両極に接続された状態を維持する。

また、空気排出ライン４は外気と繋がっているため、停止中に空気排出ライン４より燃料電池本体２の酸化剤極側には空気が進入してくる。そのため、燃料電池本体２における膜電極複合体では、膜を水素や酸素が透過するといったクロスリーク現象により、時間が経過すると改質ガス中の水素が完全に酸素と反応して消費され、燃料電池本体２の中に存在しなくなる。

〔作用〕
燃料電池システムの運転停止時、燃料電池本体２の改質ガス入出口を三方弁２２及び第２遮断弁８といったガス遮断手段により遮断することで、燃料電池本体２内部において放電抵抗等で水素が消費されて負圧となることにより改質ガス供給ライン２１や改質ガス排出ライン２４に残存する水素が燃料電池本体２内部に進入してくることを防ぐことができる。

そのため、燃料電池本体２内部に残存する燃料ガス中の水素を速やかに消費して燃料電池本体２の電圧を０〔Ｖ〕程度に低くすることができる。また、遮断手段により停止中に燃料電池本体２内部に残存または進入してくる水素が微量であるため、停止中の水素酸化による水の生成が抑えられ、凍結水による零下起動性の悪化を抑制することができる。

また、三方弁２２を先に遮断することで、より水素濃度の高い上流側の改質ガスが燃料電池本体２に進入することを防ぐことができる。

更に、放電抵抗３１により、燃料電池本体２内部に残存吸着する水素を確実にかつ短時間で速やかに消費することができる。

〔効果〕
本実施例によれば、燃料電池システムの運転停止に要する時間を大幅に短縮し、零下起動性の高い燃料電池システムを提供することができる。

更に、停止中に燃料電池本体内部に進入する水素から水が生成することを確実に回避でき、零下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。

〔構成〕
図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。図５において、燃料電池システム１は、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極を配置した膜電極複合体と、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）をそれぞれ燃料極と酸化剤極に供給するセパレータからなる単位電池（何れも図示せず）の繰り返し積層構造を有する燃料電池本体２を備える。

燃料電池本体２には、燃料ガスである水素を供給するための水素供給ライン６と燃料電池本体２からの未反応水素を排出するための水素排出ライン９が接続されており、更に水素排出ライン９からの未反応水素を水素供給ライン６に再循環させるための水素循環ライン１１が設けてある。

水素循環ライン１１と水素供給ライン６の合流点には流体ポンプであるイジェクタ４５が配置されている。水素供給ライン６からイジェクタ４５のノズルに供給される新規水素が駆動流となり、イジェクタ４５の吸込口の圧力が低くなることで水素ガス圧力差により水素循環ライン１１の水素ガスが再循環される。

水素供給ライン６の上流側には、図示しない高圧水素タンクから供給される水素圧力を調整する水素調圧弁５が設けてあり、更に水素循環ライン１１のイジェクタ４５と燃料電池本体２との間には、第１遮断弁（第１のガス遮断手段）７が備えてある。

また、水素排出ライン９から水素循環ライン１１への分岐点と燃料電池本体２との間には第２遮断弁（第２のガス遮断手段）８が設けてあり、更に水素排出ライン９の下流にはパージ弁１０が存在する。

また、図外のコンプレッサ等により供給される酸化剤ガスである空気は、加湿器４１を介して、空気供給ライン３により燃料電池本体２に供給される。加湿器４１の上流側には三方弁４３が設けてあり、加湿器４１をバイパスする加湿器バイパスライン４２に切り換えることができる。また、生成水の蒸気を含む既反応空気を排出するための空気排出ライン４が燃料電池本体２に接続されている。

空気排出ライン４は、加湿器４１を通り、加湿器４１の内部では、高温多湿の既反応空気と新規に供給される空気との間で、湿度交換が行われる。加湿器において、既反応空気の湿分が未反応空気に移動し、加湿された未反応空気が燃料電池本体２に供給される。更に、燃料電池本体２から取り出す電力を制御するための電力制御手段４４が燃料電池本体２の両極（正極と負極）にそれぞれ接続されている。

コントローラ１５は、図示しない各種のセンサの検出信号及びキースイッチ等の操作信号を入力して、燃料電池システムの運転状態を制御するとともに、燃料電池システムの運転停止時の制御を行う。水素調圧弁５，パージ弁１０等は、通常運転時に制御される。

第１遮断弁７，第２遮断弁８は、通常運転時には開いており、運転停止の操作時に、コントローラ１５の制御により閉じられる。三方弁４３は、通常運転時には加湿器４１へ空気を供給し、運転停止時に加湿しない空気を燃料電池本体２に供給するときには、加湿器バイパスライン４２へ空気を供給するように、コントローラ１５により制御される。

この他、図示していないが、燃料電池本体２を冷却するための冷媒循環路を有する冷却システム等が本燃料電池システムに存在する。

〔停止方法〕
図６は、実施例３のコントローラ１５による燃料電池システムの停止方法を説明するフローチャートである。このフローチャートが起動されるのは、燃料電池システムの停止トリガーがオンされたときである。

燃料電池システムの停止トリガーがオンされる直前の状態としては、正味発電出力がゼロのアイドル状態であることが殆どであり、補機動力分を賄う程度の発電を実施している。そのため発電量も小さく、水素循環ライン１１内部に存在する水素を循環している状態であり、水素調圧弁５を開とし高圧水素タンクからの水素供給が行われている。また、パージ弁１０は閉である。更に、酸化剤ガスである空気は、加湿器４１を介して加湿された状態で燃料電池本体２に供給されている。パージ弁１０の開度は僅かに開でも構わない。

このような状態で発電中、Ｓ６０１で燃料電池システムの停止トリガーがオン（例えばキースイッチ・オフ等）されたら、Ｓ６０２で水素調圧弁５を閉じる。続いてＳ６０３で、三方弁４３を加湿器バイパスライン４２へ切り換え、加湿器４１をバイパスした空気を燃料電池本体２へ供給する。次いでＳ６０４で、第１遮断弁７を閉とした後、Ｓ６０５で電力制御手段４４により燃料電池本体２から電力を取り出して消費することにより残存水素を消費する。この制御は、電力制御手段４４による消費電力を一定に制御するのではなく、固定抵抗のような電力消費の仕方で制御することが望ましい。次いで、Ｓ６０６で、図示しない電圧センサで燃料電池本体の電圧を検出し、燃料電池本体２の電圧が０〔Ｖ〕となったか否かを判断し、０〔Ｖ〕となっていなければ、Ｓ６０６を繰り返す。Ｓ６０６で、燃料電池の電圧が０〔Ｖ〕となれば、Ｓ６０７へ進み、第２遮断弁８を閉じ、パージ弁１０を開く（あるいはパージ弁１０の開度を増す）。

次いで、Ｓ６０８で所定時間が経過するまで待機する。燃料電池本体２における膜電極複合体では、膜を水素や酸素が透過するといったクロスリーク現象により、時間が経過すると水素が完全に酸素と反応して消費される。水素ラインの配管容積とクロスリークによる水素消費時間等を考慮して決定された予め決められた所定時間を経過したら、Ｓ６０９へ進み、図外のコンプレッサ等からの空気供給を停止する。これで、燃料電池システムの停止が完了する。

〔作用〕
第１遮断弁７、第２遮断弁８といったガス遮断手段によりガスの遮断後に燃料電池本体２への空気の供給を停止することで、燃料電池本体２の酸化剤極に十分な酸素を供給でき、燃料電池本体２内部の燃料極を含む燃料系に存在する水素を短時間で速やかにかつ確実に消費することができる。また、空気の停止を遅らすことで、酸化剤極近傍に存在する水をより多く排出することができるので、凍結による零下起動性の悪化を更に抑制することができる。

また、ガス遮断手段によりガスの遮断後に、燃料電池本体２へより低湿度の空気を供給することで、燃料電池本体２の酸化剤極近傍に存在する水分をより多く効果的に排出することができる。

また、第１遮断弁７を先に遮断することで、より水素濃度の高い上流側の燃料ガスが燃料電池本体２に進入することを先に防ぐことができる。

また、電力制御手段により、燃料電池本体２内部に残存吸着する水素を確実にかつ短時間で速やかに消費することができる。

また、水素供給ライン６及び水素循環ライン１１に存在し、上流側から燃料電池本体２内部に進入してくる水素が残存する容積を最小限にすることができる。そのため、水素消費時間をより短くすることができる。

更に、水素排出ライン９や水素循環ライン１１に存在し、下流側から燃料電池本体２内部に進入してくる水素が残存する容積を最小限にすることができる。そのため、水素消費時間をより短くすることができる。

加えて、パージ弁１０を開とし、自然置換により水素循環ライン１１内部を空気雰囲気に置換することで、水素循環系に残存する水素を除去できるため、ガス遮断手段を介して燃料電池本体２内部の燃料系に漏れこんでくる水素をなくすことができる。

〔効果〕
本実施例によれば、ガス遮断手段によりガスの遮断後に燃料電池本体への酸化剤ガスの供給を停止することで、燃料電池本体の酸化剤極に十分な酸素を供給でき、燃料電池本体２内部の燃料極を含む燃料系に存在する水素を短時間で速やかにかつ確実に消費することができる。また、空気の停止を遅らすことで、酸化剤極近傍に存在する水をより多く排出することができるので、凍結による零下起動性の悪化を更に抑制することができる。

また、より短時間で残存水素を消費できる燃料電池システムを提供することができる。更に、停止中に燃料電池本体内部に進入する水素による反応で水を生成することを確実に回避でき、零下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。

〔構成〕
図７は、本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。図７において、燃料電池システム１は、電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極を配置した膜電極複合体と、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）をそれぞれ燃料極と酸化剤極に供給するセパレータからなる単位電池（何れも図示せず）の繰り返し積層構造を有する燃料電池本体２を備える。

燃料電池本体２には、燃料ガスである水素を供給するための水素供給ライン６と燃料電池本体２からの未反応水素を排出するための水素排出ライン９が接続されており、更に水素排出ライン９からの未反応水素を水素供給ライン６に再循環させるための水素循環ライン１１が設けてある。水素循環ライン１１には再循環の動力源である水素循環ポンプ１２が配置されている。水素供給ライン６の上流側には、高圧水素タンク（図示せず）から供給される水素圧力を調整する水素調圧弁５が設けてあり、更に水素循環ライン１１と水素循環ライン１１との合流点と燃料電池本体２との間には、第１遮断弁（第１のガス遮断手段）７が備えてある。

また、水素排出ライン９から水素循環ライン１１への分岐点と燃料電池本体２との間には第２遮断弁８（第２のガス遮断手段）が設けてあり、更に水素排出ライン９の下流にはパージ弁１０が存在する。

また、図外のコンプレッサ等により供給される酸化剤ガスである空気は、加湿器４１を介して、空気供給ライン３により燃料電池本体２に供給される。加湿器４１の上流側には三方弁４３が設けてあり、加湿器４１をバイパスする加湿器バイパスライン４２に切り換えることができる。また、生成水の蒸気を含む既反応空気を排出するための空気排出ライン４が燃料電池本体２に接続されている。

空気排出ライン４は、加湿器４１を通り、加湿器４１の内部では、高温多湿の既反応空気と新規に供給される空気との間で、湿度交換が行われる。加湿器において、既反応空気の湿分が未反応空気に移動し、加湿された未反応空気が燃料電池本体２に供給される。

また、水素循環ライン１１を空気でパージするための空気ブロア５４とパージ空気供給ライン５５がパージ空気供給弁５６を介して水素供給ライン６に接続されている。更に、燃料電池本体２から電力を取り出して残存水素を消費させるための放電抵抗５２がスイッチ５１を介して燃料電池本体２の両極（正極と負極）にそれぞれ接続されている。

更に、単位電池の交流抵抗を測定し、膜電極複合体内部に存在する含水量を推定することができる交流抵抗計５３が、燃料電池本体２における特定の単位電池の正極と負極に接続されている。この交流抵抗計５３は、特定の単位電池に接続したが、複数の単位電池あるいは燃料電池本体２の両端に接続しても構わない。また、このような交流抵抗計に限らず、湿度計など膜電極複合体内部に存在する含水量を推定する手段であれば構わない。

コントローラ１５は、交流抵抗計５３及び図示しない各種のセンサの検出信号、並びにキースイッチ等の操作信号を入力して、燃料電池システムの運転状態を制御するとともに、燃料電池システムの運転停止時の制御を行う。水素調圧弁５，パージ弁１０，水素循環ポンプ１２等は、通常運転時に制御される。第１遮断弁７，第２遮断弁８は、通常運転時には開いており、運転停止の操作時に、コントローラ１５の制御により閉じられる。パージ空気供給弁５６は、通常運転時には閉じられており、運転停止の操作時に、コントローラ１５に制御により、水素循環ライン１１をパージするときに開かれる。

三方弁４３は、通常運転時には加湿器４１へ空気を供給し、運転停止時に加湿しない空気を燃料電池本体２に供給するときには、加湿器バイパスライン４２へ空気を供給するように、コントローラ１５により制御される。

この他、図示していないが、燃料電池本体２から取り出す電力を制御するための電力制御システム、燃料電池本体２を冷却するための冷媒循環路を有する冷却システム等が本燃料電池システムに存在する。

〔停止方法〕
図８は、実施例４のコントローラ１５による燃料電池システムの停止方法を説明するフローチャートである。このフローチャートが起動されるのは、燃料電池システムの停止トリガーがオンされたときである。

燃料電池システムの停止トリガーがオンされる直前の状態としては、正味発電出力がゼロのアイドル状態であることが殆どであり、補機動力分を賄う程度の発電を実施している。そのため、パージ空気供給ライン５５のパージ空気供給弁１６は閉となっており、また発電量も小さいために水素循環ライン１１内部に存在する水素を循環している状態であり、水素調圧弁５を開とした高圧水素タンクからの水素供給やパージ弁１０を開とした水素の排出は行っておらず、水素調圧弁５、パージ弁１０共に閉である。また、酸化剤ガスである空気は、加湿器４１を介して燃料電池本体２に供給されている。尚、水素調圧弁５は開でもよい。

このような状態で発電中、Ｓ８０１で燃料電池システムの停止トリガーがオン（例えばキースイッチ・オフ等）されたら、Ｓ８０２で三方弁４３を加湿器バイパスライン４２側へ切り換え、加湿器４１をバイパスした空気を燃料電池本体２の酸化剤極へ供給する。ここで、もし水素調圧弁５が予め開であった場合は、水素調圧弁５を閉とする。続いてＳ８−３で第１遮断弁７を閉とした後、Ｓ８０４でスイッチ５１をオンとして放電抵抗により燃料電池本体２から電力を取り出して残存水素を消費する。

次いで、Ｓ８０５で、図示しない電圧センサで検出した燃料電池本体２の電圧が０〔Ｖ〕となったかどうか判断し、０〔Ｖ〕となっていない場合には、Ｓ８０５を繰り返して０〔Ｖ〕となるまで待つ。Ｓ８０５で燃料電池電圧が０〔Ｖ〕となった場合には、Ｓ８０６へ進み、第２遮断弁８を閉とする。

次いで、Ｓ８０７で、交流抵抗計５３の検出値が予め想定した所定値以上となったか否かを判断し、所定値以上でなければ、交流抵抗計５３による交流抵抗値の検出および検出値の判断を繰り返す。Ｓ８０７の判断で、交流抵抗値が所定以上となった場合は、Ｓ８０８へ進み、図外のコンプレッサ等から酸化剤極への空気の供給を停止する。

次いで、Ｓ８０９で、パージ空気供給弁５６及びパージ弁１０を開とし、Ｓ８１０で水素循環ライン１１パージ用の空気ブロア５４を作動させる。次いで、Ｓ８１１では、空気ブロア５４が供給する空気流量と水素循環ライン１１の配管容積等を考慮して予め決められた所定時間が経過するまで待機する。Ｓ８１１で所定時間が経過したら、Ｓ８１２へ進み、第２遮断弁８を閉じて、Ｓ８１３で空気ブロア５４を停止させて、Ｓ８１４でパージ空気供給弁５６を閉とし、燃料電池システムが完全に停止する。

〔作用〕
本実施例によれば、実施例３に記載の作用に加え、含水量検出手段（交流抵抗計）により膜電極複合体に残存する水分を測定または推定しているので、零下起動が可能であると判断できる含水量を予め決定し、その含水量となった場合に空気の供給を停止することができる。

〔効果〕
本実施例によれば、実施例３に記載の効果に加え、より確実な零下起動性能を有し、運転停止時に必要以上の空気供給を抑えエネルギーロスの少ない燃料電池システムを提供することができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。 実施例１におけるコントローラの内部構成を説明するブロック構成図である。 実施例１のメインフローチャートである。 冷却系燃料電池圧損−冷却水流量特性を示すマップの例である。 電流制限量−目標冷却水流量補正量特性示すマップの例である。 実施例１における出力制限値演算のフローチャートである。 劣化率−劣化による電流制限値補正量特性を示すマップの例である。 燃料電池入口冷却水温度−燃料電池入口冷却水温度による電流制限値特性を示すマップの例である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池本体
３：空気供給ライン
４：空気排出ライン
５：水素調圧弁
６：水素供給ライン
７：第１遮断弁
８：第８遮断弁
９：水素排出ライン
１０：パージ弁
１１：水素循環ライン
１２：水素循環ポンプ
１３：パージライン
１４：パージ空気供給弁
１５：コントローラ

Claims (9)

1. 電解質膜の両側に燃料極及び酸化剤極を配置する膜電極複合体を含む燃料電池本体と、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、燃料電池本体の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインとを備え、燃料電池本体から電力を取り出す燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給ラインと前記燃料極とを遮断する第１のガス遮断手段と、
   前記燃料ガス排出ラインと前記燃料極とを遮断する第２のガス遮断手段とを有し、
   燃料電池システム停止時に、燃料電池本体への燃料ガス供給を停止した後に、第１及び第２のガス遮断手段により、前記燃料極への燃料ガスの出入りを遮断することを特徴とする燃料電池システム。
2. 第１及び第２のガス遮断手段により燃料ガスの遮断後、燃料電池本体への酸化剤ガスの供給を停止す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。
3. 第１及び第２のガス遮断手段により燃料ガスを遮断後、燃料電池本体に供給する酸化剤ガスの湿度を下げ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。
4. 前記膜電極複合体に含まれる水分量を測定または推定する含水量検出手段を更に備え、該含水量検出手段が検出した含水量が所定値以下となった後に、前記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 第２のガス遮断手段よりも第１のガス遮断手段を先に遮断することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池本体が発電する電力を消費する電力消費手段を更に備え、
   第１及び第２のガス遮断手段のうち少なくとも一方を遮断した後に、前記電力消費手段により燃料電池本体の電力を消費して燃料電池の電圧を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料ガス排出ラインから前記燃料ガス供給ラインに燃料ガスを再循環させるための燃料ガス循環ラインを備え、
   第１のガス遮断手段は、前記燃料ガス循環ラインが前記燃料ガス供給ラインに合流する合流点と燃料電池本体の間に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ガス排出ラインから前記燃料ガス供給ラインに燃料ガスを再循環させるための燃料ガス循環ラインを備え、
   第２のガス遮断手段は、前記燃料ガス循環ラインが前記燃料ガス排出ラインから分岐する分岐点と燃料電池本体の間に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 第１及び第２のガス遮断手段により燃料ガスを遮断後、前記燃料ガス循環ライン内部を空気に置換することを特徴とする請求項７または請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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