JP2007324071A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム２８において、二次電池４４の劣化を抑えつつ、燃料電池スタック３０内における残留水を効率よく除去することである。
【解決手段】燃料電池スタック３０に空気を供給するエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２に電力を供給する二次電池４４と、二次電池４４の温度を検出する温度センサ４６と、制御部４８とを設ける。制御部４８は、二次電池４４の充電量を検出する充電量監視手段５０と、エアコンプレッサ３２の作動状態を制御する掃気エア供給制御手段と有する。掃気エア供給制御手段は、残留水量推定手段により推定された燃料電池スタック３０内の残留水量と、検出された温度および充電量とにより空気の供給流量を含む掃気状態を決定し、エアコンプレッサ３２の供給流量を含む作動状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、この燃料電池内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。

このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。

従来から、特許文献１、特許文献２に記載されているように、燃料電池においては、カソード側電極に水が存在するため、燃料電池を氷点下で始動しようとした場合に、燃料電池内の水分が凍結しやすく、燃料電池内で電気化学反応が行われにくいといった問題があることが知られている。すなわち、燃料電池内に残留する水分が凍結してしまうと、燃料電池セル内で酸化ガス不足や水素不足が生じ、燃料電池が発電不能となり能力を発揮できない。また、水分の凍結により流路の一部で体積膨張が生じて、水分の存在箇所を破壊し、耐久性を著しく悪化させる可能性もある。

これに対して、特許文献１、２に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の内部のカソード側電極側の酸化ガス流路中の水分を掃気する掃気ガス供給手段を設けている。また、燃料電池の発電停止時において、燃料電池内の残留水分が過剰である場合に、ガス流路内の残留水分を、加湿されていない空気により外部に排出するようにしている。

また、特許文献３に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の停止時に、加湿ガスをアイドル時よりも多い流量で燃料電池に供給した後、非加湿ガスを加湿ガスよりも少ない流量で燃料電池に供給している。また、特許文献４に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の運転停止時の周囲の温度および湿度、燃料電池自体の温度、運転停止直前の燃料電池の運転条件等により、燃料電池内の残留水量と電解質膜に保持可能な水分量との差である、余剰水分量を推定し、燃料電池内を掃気する掃気ガスの流量および掃気時間を決定している。

特許文献３、４に記載された燃料電池システムの場合、このような構成により、燃料電池の電解質膜が含有する水分を保持させつつ、燃料電池内の余剰な残留水を除去できるとされている。

一方、特許文献５に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池内の残留水量を推定するための抵抗測定電極を燃料電池セルに設けている。図８から図９に示すように、この抵抗測定電極１０は、セパレータ１２の両端寄り部分にそれぞれ設けており、セパレータ１２と抵抗測定電極１０との間に絶縁体１４を設けている。また、セパレータ１２の表裏両面に、酸化ガス流路と燃料ガス流路とのいずれかとして機能するガス流路１６を設けると共に、ガス流路１６の両端部にマニホールド１８を設けている。また、抵抗測定電極１０にリード２０を接続している。

図９に示すように、セパレータ１２と膜−電極接合体２２とを配置した状態で、２個の抵抗測定電極１０間で電気抵抗を測定することにより、ガス拡散電極２４の発電平面方向の電気抵抗を測定できるとされている。また、２個の抵抗測定電極１０間に交流電流を印加する等により、電解質膜２６に含まれる水分量と、ガス拡散電極２４に含まれる水分量とのそれぞれを推定できるとされている。そして、特許文献５に記載された燃料電池システムは、このようにして推定した燃料電池内の水分量に基づいて燃料電池内から排出する水分量を決定し、その排出に要するガス量を決定している。このような構成により、燃料電池内の残留水を排出するためのガス量を最適化できるとされている。

特開２００５−２０９６３４号公報 特開２００５−２０９６３５号公報 特開２００４−１５２６００号公報 特開２００４−１１１１９６号公報 特開２００４−２０７１３９号公報

上記のような特許文献１から特許文献４に記載された燃料電池システムで、自動車用のように、外部からエネルギを供給されない自立型において、燃料電池の発電停止後は、二次電池の電力により掃気ガス供給手段を作動し、燃料電池内に掃気ガスを供給することにより、残留水分を除去することが考えられる。ただし、燃料電池の発電停止後に、二次電池の温度が所定温度よりも低いか、または充電量が所定充電量よりも低い場合には、二次電池の使用可能なエネルギが通常時よりも極度に低下してしまう可能性がある。例えば、氷点下では、通常の数分の１から数十分の１程度まで、二次電池の使用可能なエネルギが減少する可能性がある。このように二次電池の使用可能なエネルギが低下した場合、燃料電池内の残留水量を推定できても、掃気ガスの供給流量等の掃気状態を適切にすることができない可能性がある。例えば、二次電池の充電量が少ない状態で掃気ガスの供給流量を過度に多くすると、二次電池が早期に劣化したり、残留水を必要分まで除去できていない状態で、掃気ガス供給手段が停止してしまう可能性がある。

また、従来から二次電池の代わりに電気二重層キャパシタを使用することも考えられているが、この場合もキャパシタの温度が所定温度よりも低いか、または充電量が所定充電量よりも低い場合に、掃気ガスの供給流量を過度に多くすると、上記のように二次電池を使用した場合と同様の不都合が生じる可能性がある。

本発明の目的は、蓄電部の劣化を抑えつつ、燃料電池内における残留水を効率よく除去できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、掃気ガス供給部に電力を供給する蓄電部と、蓄電部の温度を検出する温度検出部と、制御部とを備え、前記制御部は、蓄電部の充電量を検出する充電量監視手段と、燃料電池内の残留水量を推定する残留水量推定手段と、掃気ガス供給制御手段とを有し、掃気ガス供給制御手段は、燃料電池内の残留水量と蓄電部の温度および充電量とにより掃気ガスの供給流量を含む掃気状態を決定し、掃気ガス供給部の供給流量を含む作動状態を制御する燃料電池システムである。なお、蓄電部は、二次電池の他、電気二重層キャパシタも含む。

また、好ましくは、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度および充電量により蓄電部の放出可能なエネルギを求め、このエネルギに対応する供給流量上限以下に掃気ガス供給部の供給流量を制御する。

また、好ましくは、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度が所定温度以下で、かつ、蓄電部の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気ガス供給部の供給流量を他の場合よりも少なくする。

また、好ましくは、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度が所定温度以下で、かつ、蓄電部の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気ガス供給部の供給流量を他の場合よりも少なくする構成において、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度が所定温度以下で、かつ、蓄電部の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気開始から所定時間経過後における、燃料電池の掃気ガス出口部分での湿度が所定値以上になるように掃気ガス供給部の供給流量を制御する。

また、好ましくは、掃気ガス供給制御手段は、燃料電池の燃料供給停止直後に、アイドル運転時の供給流量よりも多い供給流量で掃気ガスを燃料電池に供給した後、掃気開始から所定時間経過後の燃料電池において、燃料電池の掃気ガス出口部分での湿度が所定値以上となるように掃気ガス供給部の供給流量を制御する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、蓄電部の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、蓄電部の劣化を抑えつつ、掃気ガス供給部の掃気ガスの供給量を十分に多くすることが可能となる。このため、蓄電部の劣化を抑えつつ、燃料電池内における残留水を効率よく除去して、低温時でも燃料電池の発電停止後の再起動を行いやすくできる。

［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る第１の実施の形態につき詳細に説明する。図１から図６は、第１の実施の形態を示している。燃料電池システム２８は、燃料電池スタック３０を有する。この燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック３０の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電池化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック３０は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。

また、燃料電池スタック３０の内部で、セパレータの一部またはセパレータの近くに、図示しない冷媒流路を設けている。この冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック３０の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。

また、酸化ガスである空気は、掃気ガス供給部でもあるエアコンプレッサ３２により加圧され、加湿器３４で加湿された後、燃料電池スタック３０のカソード側電極側の酸化ガス流路に供給される。また、空気を加湿器３４に通過させてから燃料電池スタック３０に供給する本経路３６とは別に、この本経路３６と並行にバイパス経路３８を設けている。このバイパス経路３８を通過する空気は、加湿器３４を通過せずに、燃料電池スタック３０に供給される。バイパス経路３８の途中には加湿器バイパス弁４０を設けている。なお、この加湿器バイパス弁４０と共に、図１に一点鎖線４１ａまたは４１ｂで示す位置に弁を設け、加湿器バイパス弁４０と弁４１ａ（または４１ｂ）との開度を制御することもできる。また、加湿器バイパス弁４０を設けずに、図１に点イまたは点ロで示す位置に三方弁を設け、この三方弁により、互いに通じさせる流路を選択するようにすることもできる。

燃料電池スタック３０に供給され、各燃料電池セルで電池化学反応に供された後の空気は、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２から排出された後、エア排出経路５４の途中の圧力制御弁４２を介して加湿器３４を通過してから大気に放出される。圧力制御弁４２は、燃料電池スタック３０に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック３０の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。

また、エアコンプレッサ３２に、蓄電部である二次電池４４が接続されており、エアコンプレッサ３２は二次電池４４から電力を供給されている。二次電池４４はニッケル水素電池またはリチウムイオン二次電池である。ただし、二次電池４４としては、ニッケルカドミウム電池等、すべての充電可能な電池を使用できる。また、二次電池４４に燃料電池スタック３０が接続されており、燃料電池スタック３０で発電した電力の少なくとも一部を二次電池４４で充電できるようにしている。

一方、加湿器３４は、燃料電池スタック３０から排出された後の空気から得た水分を、燃料電池スタック３０に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。例えば、加湿器３４は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過して、水分含有量の少ないガスに水分を与える。

また、燃料ガスである水素ガスは、燃料ガス供給装置である高圧水素タンク等の図示しない水素ガス供給装置から図示しない燃料制御弁を介して燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０のアノード側電極側の燃料ガス流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガスは、燃料電池スタック３０から排出された後、図示しない気液分離機で水分を除去されてから、水素ガス供給装置から供給された水素ガスと合流して、再び燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０に供給される水素ガスは、図示しない水素ポンプにより昇圧される。

また、燃料電池スタック３０を冷却するための冷媒である冷却水は、図示しない冷却水経路を流れて、燃料電池スタック３０の冷却水入口に送られる。冷却水は、燃料電池スタック３０内の冷媒流路を流れた後、冷却水出口から再び冷却水経路に送られる。このように冷却水を冷却水経路に循環させるために、吐出流量を変化させることができる図示しない冷却水ポンプを設けている。

また、二次電池４４には温度検出部である、温度センサ４６を接続して、二次電池４４の温度を検出できるようにしている。二次電池４４の温度の検出値を表す信号は、制御部（ＥＣＵ）４８に送られる。この制御部４８には、二次電池４４の充電量を検出する充電量監視手段（ＳＯＣ監視手段）５０を設けている。充電量は、二次電池４４の放電電流および充電電流から求めたり、二次電池４４の電圧を測定する等により求められる。

また、制御部４８は、燃料電池スタック３０内の残留水量を推定する残留水量推定手段と、エアコンプレッサ３２の回転数および回転時間である作動状態を制御するエアコンプレッサ制御手段、すなわち掃気エア供給制御手段とを有する。また、制御部４８には、燃料電池システム２８のイグニッションスイッチとして機能する図示しない起動スイッチが接続されており、起動スイッチからＯＮ状態に対応する発電開始信号を受け取ることを条件に、発電開始処理がされ、ＯＦＦ状態に対応する発電停止信号を受け取ることを条件に、発電停止処理がされる。

制御部４８は、起動スイッチからの信号や、二次電池４４の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０により検出された二次電池４４の充電量を表すデータ等に対応して、エアコンプレッサ３２の作動状態、加湿器バイパス弁４０、圧力制御弁４２等の制御を行う。

制御部４８は、上記のように残留水量推定手段を有するが、これは、上記の図８から図９に示した特許文献５に記載された燃料電池システムの場合と同様に、燃料電池セルに設けた抵抗測定電極１０により、燃料電池セルを構成するカソード側電極またはアノード側電極の発電平面方向の電気抵抗を測定し、さらに、２個の抵抗測定電極１０間に交流電流を印加する等により、電解質膜に含まれる水分量と、カソード側電極またはアノード側電極に含まれる水分量とのそれぞれを推定する。すなわち、電解質膜と電極とに含まれる水分量が多いと電気抵抗は小さくなり、水分量が少ないと電気抵抗は大きくなるので、残留水量推定手段は、抵抗測定電極１０により測定した抵抗値により燃料電池スタック３０内の残留水量を推定できる。

また、本実施の形態においては、図２のタイムチャートで示すように、制御部４８は、燃料電池の発電停止後である燃料電池スタック３０への燃料供給停止直後に、アイドル運転時のエアコンプレッサ３２の供給流量よりも多い供給流量（流量Ａ）で、掃気ガスである空気（エア）を燃料電池スタック３０に供給した後、掃気開始から所定時間（時間ａ）経過後に、流量Ａよりも少ない流量（流量Ｂ）で所定時間（時間ｂ）、燃料電池スタック３０に空気を供給するように、エアコンプレッサ３２の供給流量を制御している。

ここで、流量Ａ、Ｂ、時間ａ、ｂは、次のようにして決定する。まず、流量Ａおよび時間ａを決定するために、図３に示すように、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量と、燃料電池スタック３０内から液体としての水の排出完了に要する時間である、液体水の排水完了時間との関係を求めた。図３から明らかなように、空気の供給流量が多くなるにしたがって、液体水の排水完了時間は短くなる。ただし、空気の供給流量を多くしても、ある点を境に、液体水の排水完了時間が短くなる度合いが急激に減少する。このような結果から、本実施の形態では、液体水の排水完了時間が短くなる度合いが急激に減少する点をＰとし、この点Ｐにおける空気の供給流量Ａと、液体水の排水完了時間ａとを決定している。

また、流量Ｂを決定するために、図４に示すように、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量と、単位時間当たりにおける燃料電池スタック３０からの水蒸気の排出量との関係を求めた。図４から明らかなように、空気の供給流量が多くなるに従って、単位時間当たりにおける燃料電池スタック３０からの水蒸気の排出量は多くなる。ただし、空気の供給流量を多くしても、ある点を境に、単位時間あたりにおける水蒸気の排出量の増大する程度が急激に減少する。このような結果から、本実施の形態では、単位時間当たりにおける水蒸気の排出量の増大する程度が急激に減少する点をＱとし、この点Ｑにおける空気の供給流量により流量Ｂを決定している。また、流量Ｂは、流量Ａよりも少ない。

また、図５に示すように、空気の供給流量が少なくなるほど、所定時間掃気後の燃料電池スタック３０における掃気エア出口５２（図１）の湿度は高くなり、供給流量Ａの場合よりも流量が少ない供給流量Ｂの場合で、掃気エア出口５２の湿度は高くなる。

このような結果から、本発明者は、燃料電池スタック３０内から液体水を排出するためには、空気の供給流量を多くする、すなわち単位時間当たりに消費するエネルギを大きくすることが有効であり、水蒸気を排出するためには空気の供給流量を少なくする、すなわち単位時間当たりに消費するエネルギを小さくすることが有効であると知見した。これは、空気の供給流量を多くすると、燃料電池スタック３０内からの水蒸気の持ち去り効率が低下するためであると考えられる。

本実施の形態は、このような知見に基づいて発明したものであり、制御部４８が有する掃気エア供給制御手段は、エアコンプレッサ３２の作動状態を制御して、上記の図２に示したように、燃料電池の発電停止後である燃料電池スタック３０への燃料供給停止直後に、アイドル運転時のエアコンプレッサ３２の供給流量よりも多い供給流量（流量Ａ）で、燃料電池スタック３０に空気を供給した後、掃気開始から所定時間（時間ａ）経過後に、流量Ａよりも少ない流量（流量Ｂ）で、燃料電池スタック３０に空気を供給するように制御する。また、図２では、一点鎖線ｃにより、燃料電池スタック３０内から排出される総排水量を表している。そして、燃料電池スタック３０内からの総排水量を積算して、積算した総排水量が目標総排水量に達した時点である、時間ａ経過後からの時間ｂの経過時点で、エアコンプレッサ３２の作動を停止させる。

次に、図６に示すフローチャートを用いて、発電運転停止後の燃料電池スタック３０内の残留水の掃気方法を説明する。まず、ステップＳ１で、起動スイッチが停止される（ＯＦＦになる）と、制御部４８の掃気エア供給制御手段が燃料供給停止の指令を表す信号を受けて、発電停止処理が実行される。この場合、水素ガス供給装置からの水素ガスの供給を制御する燃料制御弁が閉じられ、水素ガスの新たな供給が停止される。また、燃料供給停止前に予め、抵抗測定電極１０を使用した抵抗測定により、燃料電池スタック３０内の残留水量を推定し、目標となる燃料電池スタック３０内からの総排水量を決定する。

次に、ステップＳ２で、掃気エア供給制御手段が、エアコンプレッサ３２により燃料電池スタック３０内に供給する空気の供給流量が、アイドル運転時の供給流量よりも多い、液体水の排出に有効な所定流量Ａになるように、エアコンプレッサ３２を制御する。この場合、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２に接続したエア排出経路５４（図１）の途中に設けた圧力制御弁４２を開放する。そして、燃料電池スタック３０内の酸化ガス流路中に空気を供給して、掃気、すなわちパージする。この場合、エアコンプレッサ３２から送り出された空気は、加湿器３４を設けていないバイパス経路３８を通過させても、本経路３６を通過させてもよい。ただし、加湿器３４内の水分を排出する面からは、本経路３６に空気を通過させるのがより好ましい。

次に、ステップＳ３で、空気を供給流量Ａで供給する時間がａに達するまでＳ３の処理を繰り返す、いわゆるカウントアップを行う。そして、時間ａに達したならば、次にステップＳ４で、エアコンプレッサ３２の供給流量が所定流量Ｂになるようにエアコンプレッサ３２を制御する。供給流量を流量Ｂにすることにより、例えば部品の隅や電解質膜内の水分等の、液体水として排出するのが困難な水分を、水蒸気として有効に排出できる。また、この場合、バイパス経路３８の途中に設けた加湿器バイパス弁４０を開放して、エアコンプレッサ３２から送り出された空気をバイパス経路３８に通過させる。この結果、燃料電池スタック３０の掃気エア出口５２から排出された水が加湿器３４を介して再び燃料電池スタック３０内に送られるのを抑えるか、または回避でき、燃料電池スタック３０内からの水蒸気の排出量を大きく増大させて、排出に要するエネルギを低減できる。なお、上記の図５に示した関係から明らかなように、空気の供給流量を流量Ａから流量Ｂに少なくすると、所定時間掃気後の燃料電池スタック３０における掃気エア出口５２（図１）の湿度は、流量Ａに対応する湿度ｈ１から湿度ｈ２に上昇する。このため、流量Ａから流量Ｂに空気の供給流量を少なくするために、掃気エア出口５２の湿度が所定値以上の湿度となることを条件に、供給流量を制御することもできる。

また、本実施の形態の場合には、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０により求められた二次電池４４の充電量を表すデータに対応して、上記所定流量Ｂの調整を行う。すなわち、燃料供給停止前の二次電池４４の充電量（ＳＯＣ）と、二次電池４４の温度とにより二次電池４４の放出可能なエネルギを算出し、このエネルギに対応する、二次電池４４の劣化を抑えることができる範囲での、エアコンプレッサ３２の上限供給流量を求める。そして、この上限供給流量と上記流量Ｂとを比較し、流量Ｂが上限供給流量よりも少なければ、流量Ｂをそのままの大きさとし、流量Ｂが上限供給流量よりも多いならば、流量Ｂを上限供給流量に合わせるように調整する。言い換えれば、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の放出可能なエネルギに対応する供給流量上限以下にエアコンプレッサ３２の供給流量を制御する。

次に、ステップＳ５およびＳ６で、燃料電池スタック３０からの排水量を積算すると共に、排水量積算値が目標となる総排水量に達するまで、Ｓ５およびＳ６の処理を繰り返す。そして、排水量積算値が目標となる総排水量に達した場合に、エアコンプレッサ３２の作動を停止させ、酸化ガス流路への空気の供給を停止し、掃気、すなわちパージを停止する。

なお、排水量の積算値の計算には、流量Ａで空気を供給した場合の排水量を加味したものとする。ただし、流量Ａで空気を供給する時間ａの経過後に、抵抗測定電極１０による抵抗測定を行うことにより、残留水量を推定し、目標となる総排水量を決定する場合には、流量Ａでの排水量を加味せず、流量Ｂでの排水量のみを積算すればよい。

このように本実施の形態の場合、発電運転停止後に、燃料電池スタック３０内の残留水を掃気する際に、制御部４８の掃気エア供給制御手段が、残留水量推定手段により推定された燃料電池スタック３０内の残留水量と、検出された温度および充電量とにより空気の供給流量を含む掃気状態を決定し、エアコンプレッサ３２の供給流量を含む作動状態を制御している。このため、二次電池４４の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、二次電池４４の劣化を抑えつつ、エアコンプレッサ３２の空気の供給量を十分に多くすることが可能となる。この結果、二次電池４４の劣化を抑えつつ、燃料電池スタック３０内における残留水を効率よく除去して、低温時でも燃料電池スタック３０の発電停止後の再起動を行いやすくできる。

また、本実施の形態によれば、燃料供給停止直後に空気の供給流量を流量Ａとすることにより、液体水を効率よく排出できる。すなわち、液体水の排出量に対する必要エネルギの割合｛＝（必要エネルギ）／（液体水の排出量）｝を十分に小さくできる。また、流量Ａで空気を所定時間ａだけ燃料電池スタック３０に供給した後、流量Ａよりも少ない流量Ｂで空気を供給することにより、液体水として排出可能な水分を水蒸気で排出する必要がなくなり、排出効率を向上させることができる。この結果、残留水の排出処理に要する時間の短縮が可能となる。また、目標となる総排水量に達した時点でエアコンプレッサ３２の作動を停止するので、無駄なエネルギを消費せずに済み、しかも、燃料電池スタック３０内の排水過多を防止して、再起動時に必要な能力を発揮しやすくなる。

さらに、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量を可変とし、エアコンプレッサ３２から送り出した空気をバイパス経路３８に通過させたり、空気の供給時間、すなわちエアコンプレッサ３２の作動時間を適切に制御することにより、必要なエネルギを大幅に低減できる。そして、掃気処理に必要な二次電池４４のエネルギを低くすることにより、二次電池のエネルギが低くなる氷点下でも排水処理を行うことが可能となる。

また、本実施の形態の場合、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度および充電量により二次電池４４の放出可能なエネルギを求め、このエネルギに対応する上限供給流量以下にエアコンプレッサ３２の供給流量を制御している。このため、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。なお、本実施の形態において、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度が所定温度以下で、かつ、二次電池４４の充電量が所定充電量以下の場合に、エアコンプレッサ３２の供給流量を他の場合よりも少なくするように制御することもできる。このように構成した場合も、本実施の形態の場合と同様に、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。

さらに、本実施の形態において、掃気エア供給制御手段は、二次電池４４の温度が所定温度以下で、かつ、二次電池４４の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気開始から所定時間経過後における、掃気エア出口５２部分での湿度が所定値以上になるようにエアコンプレッサ３２の供給流量を制御することもできる。この場合も、二次電池４４の出力性能が低下している場合に、消費エネルギを少なくして、二次電池４４の劣化を抑えることができる。

［第２の発明の実施の形態］
次に、図７は、第２の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図６に示した第１の発明の実施の形態のステップＳ４からＳ６において、燃料電池スタック３０（図１参照）に流量Ｂで供給する空気の供給時間ｂを予め決定している。すなわち、ステップＳ４で、エアコンプレッサ３２（図１参照）の空気の供給流量を所定流量Ｂに制御する。また、上記の第１の実施の形態の場合と同様に、燃料供給停止前の、二次電池４４（図１参照）の温度の検出値を表す信号および充電量監視手段５０（図１参照）により求められた二次電池４４の充電量を表すデータに対応して、上記所定流量Ｂの調整を行う。これと共に、エアコンプレッサ３２の空気の供給流量を、調整した所定流量Ｂとした場合において、燃料電池スタック３０からの排水量が目標排水量に達するまでの排水完了時間を計算により求める。この排水完了時間は、燃料供給停止からエアコンプレッサ３２の空気の供給流量をＡとする供給時間ａの経過後の時間とする。

次に、ステップＳ５で、空気を供給流量Ｂで時間ｂだけ供給した時点で、エアコンプレッサ３２の作動を停止させ、酸化ガス流路への空気の供給を停止し、掃気、すなわちパージを停止する。

このような本実施の形態の場合も、発電運転停止後に、燃料電池スタック３０内の残留水を掃気する際に、制御部４８（図１参照）が有する掃気エア供給制御手段が、残留水量推定手段により推定された燃料電池スタック３０内の残留水量と、検出された温度および充電量とにより空気の供給流量を含む掃気状態を決定し、エアコンプレッサ３２の供給流量を含む作動状態を制御している。このため、二次電池４４の温度および充電量が低い場合に、エネルギ消費量を低減して、二次電池４４の劣化を抑えつつ、エアコンプレッサ３２の空気の供給量を十分に多くすることが可能となる。
その他の構成および残留水の掃気方法は、上記の第１の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。

なお、上記の各実施の形態においては、蓄電部として二次電池４４を使用しているが、本発明は蓄電部として、電気二重層キャパシタ等、二次電池４４以外の蓄電部を使用することもできる。例えば電気二重層キャパシタを使用する場合でも、二次電池４４を使用する場合と同様に、出力性能に充電量と温度とが影響するため、本発明を採用することにより上記の各実施の形態と同様の効果を得られる。

また、上記の各実施の形態においては、抵抗測定電極１０を使用した抵抗測定により燃料電池スタック３０内の残留水量を推定しているが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、他の構成により残留水量を推定することもできる。例えば、従来から知られているいわゆる交流インピーダンス法により燃料電池スタック３０や燃料電池セルのインピーダンスを測定することにより、内部の残留水量を推定することもできる。交流インピーダンス法は、例えば、燃料電池スタック３０の両端に負荷であるモータを接続した状態で、波形の交流電流を重畳させ、その際の電池電圧を観測して、得られた応答から内部インピーダンスを求めることにより、内部の残留水量を推定する。また、この際、合わせて、１個の燃料電池セルの電圧を観測して、得られた応答から１個の燃料電池セルでの内部インピーダンスを求めることにより、内部の残留水量を推定することもできる。

また、本発明は、燃料電池の構造を限定するものではなく、従来から知られている構造等、いろいろな構造を採用できる。また、本発明においては、掃気ガスとして、窒素等の不活性ガスを使用して、燃料電池内にこの不活性ガスを供給し、残留水を掃気することもできる。

第１の発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。 同じく燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する場合の、燃料電池スタックへの空気（エア）の供給流量と、燃料電池スタック内からの総排水量とを示すタイムチャートである。 エアコンプレッサの空気の供給流量Ａを求めるための、供給流量と、液体水の排水完了時間との関係を示す図である。 エアコンプレッサの空気の供給流量Ｂを求めるための、供給流量と、単位時間当たりの燃料電池スタックからの水蒸気の排出量との関係を示す図である。 エアコンプレッサの空気の供給流量と、所定時間掃気後の燃料電池スタックにおける掃気エア出口の湿度との関係を示す図である。 第１の発明の実施の形態における、燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する方法を説明するためのフローチャートである。 第２の発明の実施の形態における、燃料供給停止後、燃料電池スタック内の残留水を掃気する方法を説明するためのフローチャートである。 従来構造の１例において、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルを示す、（Ａ）は構成図であり、（Ｂ）は断面図である。 同じく燃料電池セルに膜−電極接合体を配置して示す断面図である。

符号の説明

１０ 抵抗測定電極、１２ セパレータ、１４ 絶縁体、１６ ガス流路、１８ マニホールド、２０ リード、２２ 膜−電極接合体、２４ ガス拡散電極、２６ 電解質膜、２８ 燃料電池システム、３０ 燃料電池スタック、３２ エアコンプレッサ、３４ 加湿器、３６ 本経路、３８ バイパス経路、４０ 加湿器バイパス弁、４１ａ、４１ｂ 弁、４２ 圧力制御弁、４４ 二次電池、４６ 温度センサ、４８ 制御部、５０ 充電量監視手段、５２ 掃気エア出口、５４ エア排出経路。

Claims (5)

1. 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   燃料電池内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、
   掃気ガス供給部に電力を供給する蓄電部と、
   蓄電部の温度を検出する温度検出部と、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、蓄電部の充電量を検出する充電量監視手段と、燃料電池内の残留水量を推定する残留水量推定手段と、掃気ガス供給制御手段とを有し、
   掃気ガス供給制御手段は、燃料電池内の残留水量と蓄電部の温度および充電量とにより掃気ガスの供給流量を含む掃気状態を決定し、掃気ガス供給部の供給流量を含む作動状態を制御する燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度および充電量により蓄電部の放出可能なエネルギを求め、このエネルギに対応する供給流量上限以下に掃気ガス供給部の供給流量を制御する燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度が所定温度以下で、かつ、蓄電部の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気ガス供給部の供給流量を他の場合よりも少なくする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、掃気ガス供給制御手段は、蓄電部の温度が所定温度以下で、かつ、蓄電部の充電量が所定充電量以下の場合に、掃気開始から所定時間経過後における、燃料電池の掃気ガス出口部分での湿度が所定値以上になるように掃気ガス供給部の供給流量を制御する燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、掃気ガス供給制御手段は、燃料電池の燃料供給停止直後に、アイドル運転時の供給流量よりも多い供給流量で掃気ガスを燃料電池に供給した後、掃気開始から所定時間経過後の燃料電池において、燃料電池の掃気ガス出口部分での湿度が所定値以上となるように掃気ガス供給部の供給流量を制御する燃料電池システム。
   
   

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