JP2007164998A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電停止時に、燃料電池の端セルに水分が偏在することを抑制する。
【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電するセル１００を複数枚積層した燃料電池１と、燃料電池１から電力供給を受けて充電可能な二次電池３と、燃料電池の温度を検出する温度センサ４７と、燃料電池１に循環する冷却水が通過する冷却水経路４０と、冷却水経路４０に設けられ、燃料電池１に冷却水を循環させるための冷却水循環手段４１、４２と、冷却水循環手段４１、４２の作動を制御する制御手段５０とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池１の発電停止後、燃料電池１の温度が冷却水の循環停止を判断する基準となる冷却水循環停止温度を下回るまで、燃料電池１に冷却水を循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。

燃料電池は発電反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は発電停止後にも燃料電池内部に残留する。残留水が多い場合には、氷点下のような低温環境下での燃料電池始動時に触媒表面やガス流路等で残留水が凍結して、反応ガスが触媒まで到達できず、燃料電池での発電が継続できないという問題があった。また、氷点下にならずともガス流路や拡散層、触媒層に残留した水が存在し、触媒に反応ガスが到達するのを阻害し、燃料電池での発電が継続できないという問題があった。そこで、従来の技術として、燃料電池に接続した凝縮器を設け、凝縮器内部で生成水を凝縮させることで、燃料電池内部の残留水を低減させる方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１４２１３６号公報

しかしながら、燃料電池セルが複数枚積層されたスタック構造の燃料電池では、端に位置するセルが相対的に低温になりやすいため、燃料電池の発電停止後、セル間の温度差により端セルに水分が多く凝縮する。このため、燃料電池の再始動時に端セルの発電性能が極端に悪化し、燃料電池が始動できない場合がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の発電停止時に、燃料電池の端セルに水分が偏在することを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル（１００）を複数枚積層した燃料電池（１）と、燃料電池の温度を検出する温度センサ（４７）と、燃料電池（１）に循環する冷却水が通過する冷却水経路（４０）と、冷却水経路（４０）に設けられ、燃料電池（１）に冷却水を循環させるための冷却水循環手段（４１、４２）と、冷却水循環手段（４１、４２）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１）の発電停止後、燃料電池（１）の温度が、冷却水の循環停止を判断する基準となる冷却水循環停止温度を下回るまで、冷却水循環手段（４１、４２）により燃料電池（１）に冷却水を循環させることを第１の特徴としている。

このように、燃料電池（１）の発電停止後、燃料電池（１）内に冷却水を循環させることで、各セル（１００）の温度を均一化することができ、端セル（１００）に水分が偏在することを抑制できる。これにより、燃料電池（１）の再始動時に端セル（１００）の発電性能が悪化することを回避でき、燃料電池（１）の始動性を向上させることができる。

冷却水循環手段（４１、４２）は、燃料電池（１）の発電停止後、燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（３）からの電力供給により作動するように構成することができる。

また、本発明は、制御手段（５０）は、冷却水循環手段（４１、４２）を間欠的に作動させることを第２の特徴としている。これにより、冷却水循環手段（４１、４２）の消費電力を低減することができる。

また、本発明の第２の特徴において、燃料電池（１）の温度が低くなるにしたがって、冷却水循環手段（４１、４２）の作動停止時間を短くすることで、燃料電池温度に応じて適切に冷却水循環手段（４１、４２）の消費電力を低減することができる。

また、冷却水循環停止温度は、燃料電池（１）内での水分の蒸発量が減少し、燃料電池（１）内における水分の移動が起こりにくくなる温度として設定することができる。冷却水循環停止温度は、飽和蒸気圧が充分低くなる５０℃とすることが望ましく、冷却水循環停止温度を２０℃とすることがより望ましい。

また、本発明は、冷却水を放熱する放熱器（４４）と、放熱器（４４）に送風するファン（４３）と、放熱器（４４）をバイパスさせるバイパス経路（４５）と、冷却水の流路を放熱器（４４）とバイパス経路（４５）とに切り替える流路切替弁（４６）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１）の発電停止時に、燃料電池（１）の温度が燃料電池（１）を急速に冷却する必要があるか否かを判定する基準となる強制冷却停止温度を上回っている場合に、流路切替弁（４６）により冷却水の流路を放熱器（４４）側に切り替えるとともに、ファン（４３）を作動させることを第３の特徴としている。

このように、放熱器（４４）に冷却水を通過させ、ファン（４３）を作動させることで、燃料電池（１）を急速に冷却して水の飽和蒸気圧を迅速に低くすることができる。このため、燃料電池（１）内で水分が移動することを抑制でき、端セル（１００）に水分が偏ることを抑制できる。これにより、燃料電池（１）の再始動時に端セル（１００）の発電性能が悪化することを回避でき、燃料電池（１）の始動性を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した実施例である。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。本実施形態では燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数積層されて構成されている。

燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。

アノード（水素極）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード（酸素極）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体 Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
図２は燃料電池１の断面図である。図２に示すように、各セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４、電極板１０５、絶縁板１０６、締結板１０７を備えている。電解質膜１０１の両外側には一対の触媒層１０２は配置され、触媒層１０２の外側には一対の拡散層１０３が配置されている。触媒層１０２と拡散層１０３は電極（水素極と酸素極）を構成している。

拡散層１０３には、セパレータ１０４が配置されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、水素が通過する溝状の水素経路１０４ａが形成されており、空気極側に配置されたセパレータ１０４には、酸素（空気）が通過する溝状の空気経路１０４ｂが形成されている。さらにセパレータ１０４には、冷却水が通過する冷却水経路１０４ｃが形成されている。そして、上記電気化学反応によって酸素極側で生成した水分は空気経路１０４ｂに滞留することとなる。

図１に戻り、燃料電池１と二次電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３あるいは二次電池３から燃料電池１への電力の流れをコントロールする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇降圧チョッパ回路で、燃料電池１で発生した電力を二次電池３に充電したり、二次電池３に蓄えられた電力を燃料電池１や走行用インバータ４に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。

二次電池３は、燃料電池１から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものであり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いることができる。二次電池３は、充電量に関する信号を後述の制御部５０に出力するように構成されている。二次電池３は、充電量に関する信号を後述の制御部５０に出力するように構成されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２と二次電池３の間に走行用インバータ４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した燃料電池１からの電力あるいは二次電池３からの電力が走行用インバータ４へ供給される。なお、走行用インバータ４は燃料電池１とＤＣ−ＤＣコンバータ２の間に接続してもよい。

走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させたりあるいは電力を回生させるためのインバータである。本実施形態の走行用インバータ４は３相インバータであり、３相の交流電力を走行用モータ５に供給し、走行用モータ５を回転させることで燃料電池車両を走行させる。

また、燃料電池１の発電時に余った電力を二次電池３に蓄えることができる。二次電池３は回生ブレーキなどによって回生された電力を蓄えることができるため、効率的な車両システムとすることができる。通常、二次電池３は最適な充電状態に充電されている。本実施形態では、二次電池３から走行用インバータ４に電力供給できるように構成されており、例えば急加速時などに急激に大きな電力が必要な場合に、燃料電池１からだけでなく二次電池３からも電力を引き出して走行用インバータ４に供給することで対応することができる。

さらにＤＣ−ＤＣコンバータ２と二次電池３との間には、後述のＷ／Ｐ用モータ４２を作動させるためのＷ／Ｐ用インバータ６と圧縮機用モータ２３を作動させるための圧縮機用インバータ７が接続されている。さらに、燃料電池システムには、燃料電池１の端子間電圧を検出するための電圧センサ８と、燃料電池１からの出力電流を検出するための電流センサ９が設けられている。

燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極に供給される酸素ガス（空気）が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の酸素極から排出される空気極側排ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータ２３と機械的に接続されてている。圧縮機用モータ２３は、圧縮機用インバータ７により電力供給されるとともに、回転数制御される。

空気供給経路２０における空気供給装置２２の上流側には、燃料電池１に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段としてのエアフロセンサ２４が設けられている。また、空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力（燃料電池１の背圧）を調整する調圧装置２６が設けられている。

また、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側には、燃料電池１に供給される空気に加湿するための加湿装置２５が設けられている。加湿装置２５は、燃料電池１から排出され湿った排気空気に含まれる水分を用いて、空気供給装置２２の吐出後の空気を加湿する。

燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路３０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路３１が設けられている。水素供給経路３０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置３２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。

水素供給経路３０には、上流側から順に第１シャット弁３３、調圧装置３４、第２シャット弁３５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁３３と第２シャット弁３５を開き、調圧装置３４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全の為第１シャット弁３３、第２シャット弁３５は閉められる。

水素排出配管３１には、第３シャット弁３６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁３６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出配管３１を介して、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜１０１を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。

燃料電池１は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却して作動温度が効率の良い温度（８０℃前後）となるよう冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４１、ウォータポンプ４１を駆動するＷ／Ｐ用モータ４２、ファン４３を備えたラジエータ（放熱器）４４が設けられている。

ウォータポンプ４１はＷ／Ｐ用モータ４２と機械的に接続されており、Ｗ／Ｐ用モータ４２を回転させることによりウォータポンプ４１を回転させて燃料電池１に冷却液を循環させる。Ｗ／Ｐ用モータ４２は、Ｗ／Ｐ用インバータ６により電力供給されるとともに、回転数制御される。なお、ウォータポンプ４１とＷ／Ｐ用モータ４２が本発明の冷却水循環手段に相当している。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４４をバイパスさせるためのバイパス経路４５が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４５との合流点には、バイパス経路４５に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４６が設けられている。流路切替弁４６は、電動制御弁を好適に用いることができるが、サーモスタットのような機械式弁を用いてもよい。

また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４７が設けられている。この温度センサ４７により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度Ｔ_FCを間接的に検出することができる。温度センサ４７を燃料電池１本体に直接設置し、燃料電池温度Ｔ_FCを直接的に検出してもよい。

燃料電池１で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４４で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、ファン４３による風量制御、流路切替弁４６によるバイパス流量制御で、燃料電池１の冷却量制御を行うことができる。本実施形態では、Ｗ／Ｐ用モータ４２、ファン４３、流路切替弁４６は、燃料電池１の運転停止時（発電停止時）に二次電池３から電力供給を受けて作動するように構成されている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、２次電池３からの充電量の関する信号、電圧センサ８からの電圧信号、電流センサ９からの電流信号、エアフロセンサ２４からの空気流量信号、温度センサ４７からの温度信号等が入力される。また、制御部５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、インバータ４、６、７、モータ２３、４２、調圧装置２６、シャット弁３３、３５、３６、調圧装置３４、ファン４３、流路切替弁４６等に制御信号を出力するように構成されている。

次に、本実施形態の燃料電池１の発電停止時における燃料電池１の冷却制御について図３〜図５に基づいて説明する。図３は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う燃料電池１の冷却制御を示すフローチャートである。

上記「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、セル１００を積層したスタック構造の燃料電池１では、端に位置するセル１００が他のセル１００より熱損失が多く低温になりやすい。このため、燃料電池１の温度が高い状態では、燃料電池１内で蒸気となった水分が燃料電池１の両端のセル１００で凝縮し、燃料電池１内の水分が端セル１００に偏在することとなる。そこで、本実施形態では、燃料電池１の発電停止後、燃料電池１の温度が高い場合に、燃料電池１に冷却水を循環させる冷却制御を行うことで、各セル１００の温度を均一化し、燃料電池１内の水分が端セル１００に偏在することを抑制する。

本制御は、キースイッチがオフになり、燃料電池１の発電が停止することで開始する。まず、温度センサ４７で燃料電池１の温度Ｔ_FCを検出する（Ｓ１０）。次に、燃料電池温度Ｔ_FCが冷却水循環停止温度Ｔ１を上回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。冷却水循環停止温度Ｔ１は、燃料電池１内での水分の蒸発量が減少し、燃料電池１内における水分の移動が起こりにくくなる温度として設定することができ、飽和蒸気圧に基づいて設定することができる。

ここで、冷却水循環停止温度Ｔ１の設定について説明する。図４は、飽和蒸気圧曲線を示している。図４に示すように、水の飽和蒸気圧は温度の上昇にともなって急激に上昇する。具体的には、燃料電池温度Ｔ_FCが５０℃を境にして水の飽和蒸気圧が急激に上昇している。このため、燃料電池温度Ｔ_FCが５０℃を下回る範囲で水の飽和蒸気圧が充分小さくなり、蒸気として燃料電池１内で移動する水分量が充分に減少する。そして、燃料電池温度Ｔ_FCが３０℃を下回る範囲で水の飽和蒸気圧がより充分小さくなり、燃料電池温度Ｔ_FCが２０℃を下回る範囲で水の飽和蒸気圧がさらにより充分小さくなる。したがって、冷却水循環停止温度Ｔ１を５０℃に設定することが望ましく、冷却水循環停止温度Ｔ１を３０℃に設定することがより望ましく、冷却水循環停止温度Ｔ１を２０℃に設定することがさらにより望ましい。本実施形態では、冷却水循環停止温度Ｔ１を２０℃に設定している。

Ｓ１１の判定処理の結果、燃料電池温度Ｔ_FCが冷却水循環停止温度Ｔ１を上回っていないと判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、燃料電池温度Ｔ_FCが充分低く、蒸気として燃料電池１内で移動する水分量が充分に少ないと判断できるので、そのまま冷却制御を終了する。一方、燃料電池温度Ｔ_FCが冷却水循環停止温度Ｔ１を上回っていると判定された場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、燃料電池温度Ｔ_FCが高く、燃料電池１内で蒸気として移動する水分量が多いと判断できる。

次に、二次電池３の残存容量Ｑ_Bを検出する（Ｓ１２）。この結果、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っているか否かを判定する（Ｓ１３）。基準容量Ｑ_Rは、燃料電池１の次回始動時に必要とされる残存容量であり、本実施形態では二次電池３の充電率（ＳＯＣ）が４０％を下回らない容量に設定している。

Ｓ１３による判定処理の結果、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、本実施形態の冷却制御を終了する。一方、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていると判定された場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、二次電池３の残存容量Ｑ_Bに余裕があるので、ウォータポンプ４１を作動させる（Ｓ１４）。これにより、冷却水経路４０を介して燃料電池１に冷却水が循環し、燃料１を構成する各セル１００の温度が均一化し、燃料電池１を構成する各セル１００の温度分布を小さくすることができる。これにより、燃料電池１の両端に位置するセル１００が他のセル１００より低温となって、端セル１００に水分が偏在することを抑制することができる。このとき、燃料電池１の各セル１００の温度が均一になる程度に冷却水を循環させることができればいいので、ウォータポンプ４１の回転数は燃料電池１の発電時における回転数より小さくてよい。

次に、ウォータポンプ４１を所定停止時間だけ停止させる（Ｓ１５）。この所定停止時間は、燃料電池温度Ｔ_FCによって設定される。図５は、燃料電池温度Ｔ_FCとウォータポンプ４１のオンオフ時間との関係を示している。本実施形態では、ウォータポンプ４１のオンオフを繰り返し行い、ウォータポンプ４１を間欠的に作動させている。

図５に示すように、本実施形態ではウォータポンプ４１の作動時間を一定とし、ウォータポンプ４１の作動停止時間を、燃料電池温度Ｔ_FCが高いほど短くし、燃料電池温度Ｔ_FCが低くなるほど長くしている。つまり、上述のように燃料電池温度Ｔ_FCが高いほど飽和蒸気圧が高く、燃料電池１内部の水分が蒸気として移動しやすいため、ウォータポンプ４１の作動停止時間を短くしている。一方、燃料電池温度Ｔ_FCが低いほど飽和蒸気圧が低く、燃料電池１内部の水分が移動しにくくなるため、ウォータポンプ４１の作動停止時間を長くしている。これにより、ウォータポンプ４１を作動させるモータ４２の消費電力を燃料電池温度Ｔ_FCに応じて低減することができる。

燃料電池温度Ｔ_FCとウォータポンプ４１の作動停止時間との関係は、燃料電池温度Ｔ_FCに対するウォータポンプ４１の適切な作動停止時間を予めマップ化しておけばよい。

次に、ウォータポンプ４１の作動停止時間の経過後、上記Ｓ１０に戻り、Ｓ１１で燃料電池温度Ｔ_FCが冷却水循環停止温度Ｔ１を上回っていないと判定されるか、あるいはＳ１３で二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていないと判定されるまで、Ｓ１０〜Ｓ１５の処理を繰り返し行う。

以上のように、燃料電池１の発電停止後、燃料電池温度Ｔ_FCが燃料電池１内部での水分移動が起こりにくくなる温度となるまで、燃料電池１内に冷却水を循環させることで、各セル１００の温度を均一化することができ、端セル１００に水分が偏在することを抑制できる。これにより、燃料電池１の再始動時に端セル１００の発電性能が悪化することを回避でき、燃料電池１の始動性を向上させることができる。

また、燃料電池温度Ｔ_FCに応じてウォータポンプ４１を間欠的に作動させることで、ウォータポンプ４１を作動させるための消費電力を低減することができる。さらに、本実施形態では、従来から燃料電池システムに備えられている冷却系を用いるので、システムを複雑化させることなく、端セル１００に水分が偏在することを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本第２実施形態の燃料電池１の発電停止時における燃料電池１の冷却制御について図６に基づいて説明する。図６は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理を示すフローチャートである。

本制御は、キースイッチがオフになり、燃料電池１の発電が停止することで開始する。まず、温度センサ４７で燃料電池１の温度Ｔ_FCを検出する（Ｓ２０）。次に、燃料電池温度Ｔ_FCが強制冷却停止温度Ｔ２を上回っているか否かを判定する（Ｓ２１）。強制冷却停止温度Ｔ２は、燃料電池１内での水分の蒸発量が減少し、燃料電池１内における水分の移動が起こりにくくなる温度として設定することができる。本第２実施形態の強制冷却停止温度Ｔ２は、上記第１実施形態の冷却水循環停止温度Ｔ１と同一温度としてもよく、異なる温度としてもよい。

Ｓ２１の判定処理の結果、燃料電池温度Ｔ_FCが強制冷却停止温度Ｔ２を上回っていないと判定された場合には（Ｓ２１：ＮＯ）、燃料電池温度Ｔ_FCが充分低く、蒸気として燃料電池１内で移動する水分量が充分に少ないと判断できるので、そのまま冷却制御を終了する。一方、燃料電池温度Ｔ_FCが強制冷却停止温度Ｔ２を上回っていると判定された場合には（Ｓ２１：ＹＥＳ）、燃料電池温度Ｔ_FCが高く、燃料電池１内の水分が蒸気として移動すると判断できる。

次に、二次電池３の残存容量Ｑ_Bを検出する（Ｓ２２）。この結果、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っているか否かを判定する（Ｓ２３）。基準容量Ｑ_Rは、燃料電池１の次回始動時に必要とされる残存容量であり、本実施形態では二次電池３の充電率（ＳＯＣ）が４０％を下回らない容量に設定している。

Ｓ２３による判定処理の結果、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていないと判定された場合には（Ｓ２３：ＮＯ）、本実施形態の冷却制御を終了する。一方、二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていると判定された場合には（Ｓ２３：ＹＥＳ）、二次電池３の残存容量Ｑ_Bに余裕があるので、流路切替弁４１により冷却水の流路をラジエータ４４側に切り替え（Ｓ２４）、ウォータポンプ４１とファン４３を作動させる（Ｓ２５）。

次に、Ｓ２０に戻り、Ｓ２１で燃料電池温度Ｔ_FCが強制冷却停止温度Ｔ２を上回っていないと判定されるか、あるいはＳ２３で二次電池３の残存容量Ｑ_Bが基準容量Ｑ_Rを上回っていないと判定されるまで、Ｓ２０〜Ｓ２５の処理を繰り返し行う。本制御を終了する際に、ウォータポンプ４１およびファン４３が作動している場合には、これらの作動を停止させる（Ｓ２６、２７）。

以上のように、上記第１実施形態と同様、ウォータポンプ４１を作動させることで、燃料電池１を構成する各セル１００の温度分布を小さくすることができ、端セル１００に水分が偏在することを抑制することができる。また、本実施形態では、ラジエータ４４に冷却水を通過させ、ファン４３を作動させているので、燃料電池１を急速に冷却することができる。

これにより、水の飽和蒸気圧を迅速に低くすることができるので、燃料電池１内で水分が移動することを抑制でき、端セル１００に水分が偏ることを抑制でき、燃料電池１の再始動時に端セル１００の発電性能が悪化することを回避でき、燃料電池１の始動性を向上させることができる。さらに、本実施形態では、従来より燃料電池システムに備えられている冷却系を用いるので、システムを複雑化させることなく、端セル１００に水分が偏在することを抑制できる。

また、燃料電池１の発電停止時に燃料電池１の開放電圧が高いと、燃料電池１が劣化しやすいことが知られている（例えば特開２００５−１５８５５５号公報参照）。燃料電池１の劣化反応は化学反応であるため、燃料電池温度Ｔ_FCを低下させることで劣化反応を大幅に抑制できる。このため、本実施形態のように、燃料電池１の発電停止後、燃料電池１を強制的に冷却することで、燃料電池１の耐久性を向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態でのウォータポンプ４１の間欠的に作動させる制御と、上記第２実施形態での流路切替弁４６による冷却水流路のラジエータ４４側への切り替えとファン４３を作動させる強制冷却制御を同時に行ってもよい。

各実施形態の燃料電池システムの構成図である。 図１の燃料電池の断面図である。 第１実施形態の燃料電池の冷却制御を示すフローチャートである。 水の飽和蒸気圧曲線を示すグラフである。 第１実施形態の燃料電池温度とウォータポンプのオンオフ制御との関係を示す図である。 第２実施形態の燃料電池の冷却制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池、２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、３…二次電池、４…走行用インバータ、５…走行用モータ、６…Ｗ／Ｐ用インバータ、７…圧縮機用インバータ、８…電圧センサ、９…電流センサ、２０…空気供給配管、２１…空気放出配管、２２…空気供給装置、圧縮機用モータ、２４…エアフロセンサ、２５…加湿装置、２６…調圧装置、３０…水素供給経路、３１…水素排出経路、３２…水素供給装置、３３、３５、３６…シャット弁、３４…調圧装置、４０…冷却水経路、４１…ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）、４２…Ｗ／Ｐ用モータ、４４…ラジエータ、４７…温度センサ、５０…制御部（ＥＣＵ）。

Claims (6)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル（１００）を複数枚積層した燃料電池（１）と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度センサ（４７）と、
   前記燃料電池（１）に循環する冷却水が通過する冷却水経路（４０）と、
   前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記燃料電池（１）に冷却水を循環させるための冷却水循環手段（４１、４２）と、
   前記冷却水循環手段（４１、４２）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の発電停止後、前記前記燃料電池（１）の温度が、冷却水の循環停止を判断する基準となる冷却水循環停止温度を下回るまで、前記冷却水循環手段（４１、４２）により前記燃料電池（１）に冷却水を循環させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段（５０）は、前記冷却水循環手段（４１、４２）を間欠的に作動させ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. 前記燃料電池（１）の温度が低くなるにしたがって、前記冷却水循環手段（４１、４２）の作動停止時間を短くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却水循環停止温度が５０℃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記冷却水循環停止温度が２０℃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却水を放熱する放熱器（４４）と、前記放熱器（４４）に送風するファン（４３）と、前記放熱器（４４）をバイパスさせるバイパス経路（４５）と、冷却水の流路を前記放熱器（４４）と前記バイパス経路（４５）とに切り替える流路切替弁（４６）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の発電停止時に、前記燃料電池（１）の温度が前記燃料電池（１）を急速に冷却する必要があるか否かを判定する基準となる強制冷却停止温度を上回っている場合に、前記流路切替弁（４６）により冷却水の流路を前記放熱器（４４）側に切り替えるとともに、前記ファン（４３）を作動させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
   

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