JP2007200779A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内部及び燃料電池システム経路内の残水を掃気できる適切な掃気時間を個別に求めることにより燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する。
【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜の表裏面にそれぞれ電極を形成した単セルを積層して構成される燃料電池本体と、燃料電池本体の電極にガスを供給するガス供給通路と、燃料電池本体の電極からガスを排出するガス排出通路と、ガス排出通路をガス供給通路に接続させるガス循環通路と、ガス循環経路を通じてガス排出通路のガスをガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、電解質膜内の内部残水量を算出する手段と、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む電極に通じる経路内の外部残水量を算出する手段と、内部残水量及び外部残水量に基づいた作動時間の終了までガス駆動手段を駆動させる制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池ともいう）システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ（これを掃気という）、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。

また、燃料電池における電解質膜内のプロトン（水素イオン）は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。なお、下記の特許文献４は、燃料電池の発電運転の継続中に、電解質膜が過湿潤の場合は掃気処理を行い、電解質膜が乾燥状態の場合は加湿処理を行う技術を開示している。
特開２００３−２９７３９９号公報 特開２００４−３２７１６４号公報 特開２００５−１４１９４３号公報 特開２００５−２０９６３５号公報

燃料電池内部の残水量と燃料電池システムの経路内の残水量とは、燃料電池システムの運転履歴や使用環境によって異なる。そのため、燃料電池内部の残水を掃気する時間と燃料電池システムの経路内の残水を掃気する時間は、一般的に異なるものとなる。しかし、上記従来の技術は、燃料電池内部の残水量及び燃料電池システム経路内の残水量を個別に求めていない。その結果、燃料電池内部及び燃料電池システム経路内の残水を掃気できる適切な掃気時間を個別に求めることができない。本発明の目的は、燃料電池内部及び燃料電池システム経路内の残水を掃気できる適切な掃気時間を個別に求めることにより燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する技術を提供することにある。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、電解質膜の表裏面にそれぞれ電極を形成した、そのような単セルを積層して構成される燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記電極にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体の前記電極からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記電解質膜内の内部残水量を算出する内部残水算出手段と、前記
ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む前記電極に通じる経路内の外部残水量を算出する外部残水量算出手段と、前記内部残水量および前記外部残水量に基づいた作動時間の終了まで前記ガス駆動手段を駆動させる制御手段とを備える燃料電池システムである。

本発明では、本体の残水量を求め、その残水量から適正な残水量の掃気時間を求める。ガスの通過する経路の残水量を求め、その残水量から、凍結を回避できる適正な残水量までの掃気時間を求める。本体内と経路では、残水量および掃気による排水速度が異なる。したがって、本体内と経路とで、個別に掃気時間を算出することで、本体と経路とをまとめて掃気時間を求め、精度よく掃気時間を求めることができる。

また、上記燃料電池システムは、前記内部残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる第１の作動時間を算出する手段と、前記外部残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を算出する手段とをさらに備え、前記制御手段が、前記ガス駆動手段を前記第１の作動時間又は前記第２の作動時間のうち長い作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明によれば、燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な掃気時間を求めることができる。そのため、燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。

また、上記燃料電池システムは、前記内部残水量算出手段が、前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗を基に前記電解質膜内の内部残水量を算出し、前記外部残水量算出手段が、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記経路内の残水量を算出してもよい。本発明によれば、燃料電池本体の電極間の電気抵抗、燃料電池本体の運転状態および燃料電池本体が運転される環境の状態に基づいて、精度よく燃料電池システム内の残水量を求めることができる。その結果、燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な掃気時間を求めることができる。そのため、燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。

また、上記燃料電池システムは、前記ガス駆動手段作動中の前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗を測定する測定手段を更に備え、前記制御手段が、前記ガス駆動手段作動中の前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗が所定の閾値以下になるまで前記ガス駆動手段を作動させてもよい。本発明では、燃料電池システム内の残水の掃気中における燃料電池本体の電極間の電気抵抗を求める。その電気抵抗から、掃気中における燃料電池内部の残水の凍結を回避する適切な掃気時間を算出することができる。これにより、本発明によれば、燃料電池内部の残水を適切な量に制御できる。

本発明によれば、燃料電池内部及び燃料電池システム経路内の残水を掃気できる適切な掃気時間を個別に求めることにより燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。

以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図１及び図２の図面に基いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、カソードガス通路５、カソードオフガス通路６、水素タンク７、水素ポンプ８、ポンプ９、調圧弁１０、１１、フィルタ１２、加湿
器１３、気液分離器１４、ドレンタンク１５、排水弁１６、制御部１７、残水量算出部１８、パージ弁１９及びインピーダンス検出部２０を有する。

燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード（燃料極）、カソード（空気極）、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。

アノードガス通路２は、燃料電池スタック１のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路５は、燃料電池スタック１のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。

水素タンク７は、アノードガス通路２にアノードガスを供給する。水素タンク７から供給されるアノードガスは、調圧弁１０により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路２から燃料電池スタック１のアノードに供給されている。

ポンプ９（エアーコンプレッサともいう）が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック１のカソードに供給される。

燃料電池スタック１のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック１のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック１では、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。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。

加湿器１３は、燃料電池スタック１に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック１内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。

アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路３に送出される。

また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス（以下、カソードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路６に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路６を通り、燃料電池システム外に排出される。

燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路３及びアノードオフガス循環通路４を通り、水素タンク７からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック１のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路３は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器１４に供給する。

気液分離器１４は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器１４で水分を分離された水素は水素ポンプ８によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路４を通り、アノードガス通路２に供給される。アノードオフガス循環通路４は、水素ポンプ８から送出されるアノードガスをアノードガス通路２に供給するための通路である。アノードオフガス循環通路４により、
アノード側の循環経路が構成されている。

ドレンタンク１５は、気液分離器１４が分離した水分を貯留する。排水弁１６の開閉を行うことにより、ドレンタンク１５に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁１６は、ドレンタンク１５に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。

また、制御部１７は、水素ポンプ８及び排水弁１６と電気的に接続されており、水素ポンプ８及び排水弁１６の駆動を制御する。残水量算出部１８は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、水素ポンプ８、気液分離器１４及びドレンタンク１５内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。

パージ弁１９は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス（および水素ポンプ８で循環されるアノードガス）を循環経路外に排出する。インピーダンス検出部２０は、燃料電池スタック１の電極間（カソードとアノードとの間）のインピーダンスを測定する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図２の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図２の処理が行われる。

まず、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われる（Ｓ０１）。具体的には、水素タンク７に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク７からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ８の駆動により掃気される。具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、アノードガス経路２及び燃料電池スタック１内にアノードガスを供給する。

そして、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器１４により分離される。つぎに、制御部１７は、排水弁１６の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック１の発電停止後の燃料電池システム内の残水の掃気を掃気・循環処理という。

さらに、残水量算出部１８は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する（Ｓ０２）。例えば、残水量算出部１８は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、Ｑｉｎｉ‐ｉ及びＱｉｎｉ‐ｏを算出する。

Ｑｉｎｉ‐ｉは、状態量から求まる燃料電池スタック１内の残水量の推定値である。具体的には、残水量算出部１８は状態量のうちインピーダンスを用いてＱｉｎｉ‐ｉを算出する。本実施形態では、発電停止の処理が行われた直前の状態量を用いてＱｉｎｉ‐ｉを算出している。

Ｑｉｎｉ‐ｏは、状態量から求まる燃料電池スタック１以外の燃料電池システム内の残
水量の推定値である。具体的には、残水量算出部１８は、状態量を用いて燃料電池システム内の残水量を推定し、その燃料電池システム内の残水量からＱｉｎｉ‐ｉを引いた値をＱｉｎｉ‐ｏとして算出する。本実施形態では、発電停止の処理が行われた直前の状態量を用いて燃料電池システム内の残水量を算出している。

また、状態量には、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。

燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック１の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。

負荷積算値（電流積算値）は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。

冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相対的な変化量が重要となる。燃料電池スタック１内の温度が高い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック１内の温度が低い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内に留まりやすい。燃料電池スタック１からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、湿度も冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響を及ぼす。

上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。

図３及び図４は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図３において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図４において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。

このような、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。また、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ（テーブル）を参照することにより求めてもよい。残水量算出部１８は、この実験式又はマップにしたがって、Ｑｉｎｉ−ｉ及びＱｉｎｉ‐ｏを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履
歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。

そして、制御部１７は、Ｑｉｎｉ‐ｉを用いて必要掃気時間Ｔ‐ｉを算出し、Ｑｉｎｉ‐ｏを用いて必要掃気時間Ｔ‐ｏを算出する（Ｓ０３）。具体的には、予め、Ｑ‐ｉｎｉ‐ｉと燃料電池システム内の残水を適正量（Ｑｒｅｑ‐ｉ）まで掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間との関係をマップ化しておく。そして、Ｑｉｎｉ‐ｉの値に対応する必要掃気時間Ｔ‐ｉをマップより求める。また、予め、Ｑｉｎｉ‐ｏと燃料電池システム内の残水を適正量（Ｑｒｅｑ‐ｏ）まで掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間との関係をマップ化しておく。そして、Ｑｉｎｉ‐ｏの値に対応する必要掃気時間Ｔ−ｏをマップより求める。

必要掃気時間Ｔ‐ｉは、燃料電池スタック１内の残水を掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間である。必要掃気時間Ｔ‐ｉとしては、燃料電池スタック１の電解質膜が適度な湿潤状態となり、燃料電池スタック１内の残水の凍結を回避するために適切な値が求められる。必要掃気時間Ｔ‐ｉは秒で求めてもよい。必要掃気時間Ｔ‐ｉは、本発明における第１の作動時間に相当する。

必要掃気時間Ｔ‐ｏは、燃料電池スタック１以外の燃料電池システム内の残水を掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間である。必要掃気時間Ｔ‐ｏとしては、燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な値が求められる。必要掃気時間Ｔ‐ｏは秒で求めてもよい。必要掃気時間Ｔ‐ｏは、本発明における第２の作動時間に相当する。

必要掃気時間Ｔ‐ｉ及び必要掃気時間Ｔ‐ｏは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）や構成部品に依存する。さらに、必要掃気時間Ｔ‐ｉ及び必要掃気時間Ｔ‐ｏの値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。

図５は、必要掃気時間Ｔ‐ｉ及び必要掃気時間Ｔ‐ｏと燃料電池システム内の残水量との関係を示した図である。図５の曲線Ｘは、Ｑｉｎｉ‐ｉに対する必要掃気時間Ｔ‐ｉの変化を示したものである。図５の曲線Ｙは、Ｑｉｎｉ‐ｏに対する必要掃気時間Ｔ‐ｏの変化を示したものである。

図５におけるＴ‐ｉは、燃料電池スタック１内の残水を掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間を示しており、Ｑｉｎｉ‐ｉの値に対応している。すなわち、Ｑｉｎｉ‐ｉの値が大きくなれば、必要掃気時間Ｔ‐ｉの値も大きくなる。

図５におけるＴ‐ｏは、燃料電池スタック１以外の燃料電池システム内の残水を掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間を示しており、Ｑｉｎｉ‐ｏの値に対応している。すなわち、Ｑｉｎｉ‐ｏの値が大きくなれば、必要掃気時間Ｔ‐ｏの値も大きくなる。運転履歴により必要掃気時間Ｔ‐ｉの値と必要掃気時間Ｔ‐ｏの値とは異なってくる。

つぎに、制御部１７は、必要掃気時間Ｔ‐ｉが必要掃気時間Ｔ‐ｏと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する（Ｓ０４）。

必要掃気時間Ｔ‐ｉが必要掃気時間Ｔ‐ｏと同じ値、あるいはそれ以上の値である場合、制御部１７は、必要掃気時間Ｔ‐ｉを必要掃気時間Ｔとして決定する（Ｓ０５）。必要掃気時間Ｔは、掃気・循環処理を行うための時間である。

一方、必要掃気時間Ｔ‐ｉが必要掃気時間Ｔ‐ｏと同じ値、あるいはそれ以上の値では
ない場合、制御部１７は、必要掃気時間Ｔ‐ｏを必要掃気時間Ｔとして決定する（Ｓ０６）。

そして、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したか否かを判定する（Ｓ０７）。具体的には、制御部１７は、掃気・循環処理の時間をカウントするタイマー（図示せず）から掃気・循環処理の経過時間を取得し、必要掃気時間Ｔと比較する。そして、制御部１７は、取得した掃気・循環処理の経過時間が必要掃気時間Ｔと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。

制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達していないと判定した場合、掃気・循環処理を続行する。一方、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したと判定した場合、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御する（Ｓ０８）。

そして、制御部１７が、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。

本実施形態によれば、Ｑｉｎｉ‐ｉから必要掃気時間Ｔ‐ｉを求め、Ｑｉｎｉ‐ｏから必要掃気時間Ｔ‐ｏを求める。そして、必要掃気時間Ｔ‐ｉ又は必要掃気時間Ｔ‐ｏのうち大きい方の値を必要掃気時間Ｔとして決定する。さらに、必要掃気時間Ｔに基づいて、燃料電池システム内の残水の掃気・循環処理を実行する。そのため、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。その結果、燃料電池システム内の残水の凍結を回避する確立を高めることができる。また、適切な掃気時間を算出することができるので、掃気が不足することによる水の残留を抑制することができる。
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを図６及び図７の図面に基いて説明する。本実施形態においては、燃料電池システム内の掃気・循環処理の実行中のインピーダンスを判定する処理について説明する。他の構成及び作用は第１実施形態と同様である。そこで、同一の構成については、第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態においては、必要掃気時間Ｔ‐ｉ又は必要掃気時間Ｔ‐ｏで燃料電池システム内を掃気・循環処理した後に、燃料電池スタック１内の残水量が燃料電池スタック１内の残水の凍結を回避できる量を動的に算出する。

すなわち、必要掃気時間Ｔ‐ｉ又は必要掃気時間Ｔ‐ｏの経過後に燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定する。そして、燃料電池スタック１内の残水が燃料電池スタック１内の残水の凍結を回避できる量まで掃気されているかを、測定したインピーダンスから判断する。

燃料電池スタック１内の残水量が多い場合、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスは小さい値を示す。燃料電池スタック１内の残水量が少ない場合、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスは大きい値を示す。本実施形態では、燃料電池スタック１内の残水量と燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスとの関係を利用する。

図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。図６の処理において、Ｓ０７Ａ以外の処理は、図２の場合と同様である。そこで、同一の処理については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム内の掃気・循環処理の実行中のインピーダンスを判定する処理は、図６のＳ０１からＳ０７の処理を行った後に実行する。図６のＳ０７の処理を
行った後、制御部１７は、Ｉｍｐが所定の閾値Ａ以上であるかを判定する（Ｓ０７Ａ）。Ｉｍｐとは、燃料電池システム内の掃気・循環処理の実行中のインピーダンスの値である。また、所定の閾値Ａは、燃料電池スタック１内の残水が凍結を回避できる残水量である場合に要求されるインピーダンスの値である。

具体的には、掃気・循環処理の実行中において、インピーダンス検出部２０は燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定している。そこで、制御部１７は、インピーダンス検出部２０が測定したＩｍｐのうち最新の値をインピーダンス検出部２０から取得する。そして、制御部１７は、インピーダンス検出部２０から取得したＩｍｐと所定の閾値Ａとを比較し、そのＩｍｐが所定の閾値Ａと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。

Ｉｍｐが所定の閾値Ａ以上である場合、Ｓ０８の処理を実行する。一方、Ｉｍｐが所定の閾値Ａ以上でない場合、Ｉｍｐが所定の閾値Ａ以上になるまで掃気・循環処理の実行を続ける。

図７は、Ｑｉｎｉ‐ｉとＩｍｐとの関係を示した図である。図７の曲線Ｚは燃料電池システム内の掃気・循環処理実行中のＩｍｐに対するＱｉｎｉ‐ｉの変化を示したものである。図７では、Ｉｍｐが大きいときＱｉｎｉ‐ｉは少ないことを示しており、Ｉｍｐが小さいときＱｉｎｉ‐ｉは多いことを示している。

例えば、インピーダンス検出部２０から取得したＩｍｐがＩｍｐＢの値である場合、図７において、Ｑｉｎｉ‐ｉは図７のＱｉｎｉ‐ｉＣの値を示す。図７では、ＩｍｐＢの値は所定の閾値Ａ（図７のＡ）の値より小さい。これは、インピーダンス検出部２０から取得したＩｍｐＢの値が、燃料電池スタック１内の残水が凍結を回避できる残水量である場合に要求されるインピーダンスの値に達していないことになる。

そこで、必要掃気時間Ｔ‐ｉ又は必要掃気時間Ｔ‐ｏを経過した後も、燃料電池システム内の掃気・循環処理を継続することにより、Ｉｍｐの値が所定の閾値Ａ（図７のＡ）の値を達するようにする。すなわち、インピーダンス検出部２０から取得する最新のＩｍｐが所定の閾値Ａと同じ値あるいはそれ以上の値となるまで、燃料電池システム内の掃気・循環処理を行う。そして、Ｓ０８の処理を行った後に燃料電池システムの動作を停止する。

本実施形態によれば、燃料電池システム内の掃気・循環処理が必要掃気時間Ｔ‐ｉ又は必要掃気時間Ｔ‐ｏを経過した後、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定する。そして、測定したインピーダンスが所定の閾値Ａ以上となるまで燃料電池システム内の掃気・循環処理を行う。このように、燃料電池システム内の残水の掃気・循環処理実行中にインピーダンスを測定することにより、燃料電池システム内の残水の掃気・循環処理実行中に燃料電池スタック１内の残水の凍結を回避するために適切な掃気時間を算出することができる。この結果、燃料電池システム内の残水の凍結を回避する確立を更に高めることができる。
〈変形例〉
第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ８及び気液分離器１４を有している。例えば、カソード側のポンプ９を水素ポンプ８のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路３の気液分離器１４をカソードオフガス通路６に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器１４にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気が
カソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ９及び気液分離器１４の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。

また、例えば、アノードガス通路２に水素ポンプ８及び気液分離器１４を備えた状態で、ポンプ９を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路６にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。

また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ８、ポンプ９、気液分離器１４及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。 状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。 必要掃気時間Ｔ‐ｉ及び必要掃気時間Ｔ‐ｏと燃料電池システム内の残水量との関係を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。 Ｑｉｎｉ‐ｉとＩｍｐとの関係を示した図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ アノードガス通路
３ アノードオフガス通路
４ アノードオフガス循環通路
５ カソードガス通路
６ カソードオフガス通路
７ 水素タンク
８ 水素ポンプ
９ ポンプ
１０、１１ 調圧弁
１２ フィルタ
１３ 加湿器
１４ 気液分離器
１５ ドレンタンク
１６ 排水弁
１７ 制御部
１８ 残水量算出部
１９ パージ弁
２０ インピーダンス検出部

Claims (4)

1. 電解質膜の表裏面にそれぞれ電極を形成した燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の前記電極にガスを供給するガス供給通路と、
   前記燃料電池本体の前記電極からガスを排出するガス排出通路と、
   前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
   前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
   前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
   前記電解質膜内の内部残水量を算出する内部残水量算出手段と、
   前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む前記電極に通じる経路内の外部残水量を算出する外部残水量算出手段と、
   前記内部残水量および前記外部残水量に基づいた作動時間の終了まで前記ガス駆動手段を駆動させる制御手段とを備える燃料電池システム。
2. 前記内部残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる第１の作動時間を算出する手段と、
   前記外部残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を算出する手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記ガス駆動手段を前記第１の作動時間又は前記第２の作動時間のうち長い作動時間の終了まで作動させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記内部残水量算出手段は、前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗を基に前記電解質膜内の内部残水量を算出し、前記外部残水量算出手段は、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記経路内の外部残水量を算出する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス駆動手段作動中の前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗を測定する測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記ガス駆動手段作動中の前記燃料電池本体の電極間の電気抵抗が所定の閾値以下になるまで前記ガス駆動手段を作動させる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。

Images