JP2008010347A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池１の残留水を確実に除去することが可能な燃料電池システム１００を提供する。
【解決手段】燃料電池の内部に残留する水分量を予測する残留水分量予測手段６４と、残留水分量の予測結果に基づいて、残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断手段６６と、酸化ガス流路６および燃料ガス流路５を加減圧する掃気手段７０と、残留水分量の予測結果に基づいて、加減圧の回数を決定する圧力変動回数決定手段６８とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持して膜電極構造体（ＭＥＡ）を構成し、その両側をセパレータで挟持してセルを形成し、そのセルを所定数積層してスタックを形成したものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に燃料ガス流路が形成され、カソード電極とカソード側セパレータとの間に酸化ガス流路が形成されている。この燃料ガス流路に燃料ガス（水素ガス）を供給し酸化ガス流路に酸化ガス（空気）を供給すれば、水素と酸素との電気化学反応によって発電が行われる。また、この発電に伴って水が生成される（以下、生成水という。）。

この種の燃料電池において、燃料ガス流路および酸化ガス流路に残った生成水（以下、残留水という。）は、ＭＥＡに対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給の妨げになり、発電性能を低下させることになる。また、氷点下で燃料電池を駆動する場合には、残留水の凍結により、ＭＥＡにおける発電面積が低下して、発電性能を低下させることになる。

そこで、例えば特許文献１には、燃料電池の通常運転停止後、空気経路あるいは水素経路の少なくとも一方に乾燥ガスを供給し、乾燥ガスに燃料電池内の水分を含有させて湿潤ガスとして、燃料電池から排出する技術が提案されている。
特開２００２−２０８４２２号公報

特許文献１以外にも、残留水を除去するためさまざまな掃気方法が提案されているが、残留水を完全に除去することは困難である。
そこで本発明は、残留水を確実に除去することが可能な、燃料電池システムの提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、酸化ガス（例えば、実施形態における空気）と燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）を供給し電気化学反応により発電する酸化ガス流路（例えば、実施形態における酸化ガス流路６）と燃料ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路５）を備えた燃料電池セル（例えば、実施形態における燃料電池セル５２）を複数枚した燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１）と、前記酸化ガスを流通する前記燃料電池スタックに接続された酸化ガス経路（例えば、実施形態における空気供給流路８およびカソードオフガス排出流路９）と、前記燃料ガスを流通する前記燃料電池スタックに接続された燃料ガス経路（例えば、実施形態における水素ガス供給流路１７およびアノードオフガス排出流路２２）と、を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）であって、前記各ガス流路に送り込まれる酸化ガスの圧力を調整する圧力調整手段（例えば、実施形態におけるコンプレッサ７や背圧弁１０、パージ弁２１等）と、前記燃料電池スタックの運転停止を検出する運転停止検出手段（例えば、実施形態における運転停止検出手段６２）と、前記燃料電池スタックの運転停止後に、前記燃料電池スタックの内部に残留する水分量を予測する残留水分量予測手段（例えば、実施形態における残留水分量予測手段６４）と、前記残留水分量の予測結果に基づいて、残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断手段（例えば、実施形態における残留水除去必要性判断手段６６）と、前記残留水の除去が必要であると判断された際、前記圧力調整手段を制御して、前記酸化ガス流路および前記燃料ガス流路のうち少なくとも一方に圧力変動を発生させることにより、前記燃料電池スタックの内部の前記残留水を排出させる掃気手段（例えば、実施形態における掃気手段７０）と、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記掃気手段は、前記圧力変動を複数回繰り返すことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記残留水分量の予測結果に基づいて、前記圧力変動の回数を決定する圧力変動回数決定手段（例えば、実施形態における圧力変動回数決定手段６８）を有し、前記掃気手段は、前記圧力変動回数決定手段により求められた回数だけ前記圧力変動を繰り返すことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記掃気手段は、前記残留水除去必要性判断手段により残留水の除去が必要ないと判断されるまで、前記圧力変動を繰り返すことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記残留水分量の予測結果に基づいて、前記圧力変動の変動幅を決定する圧力変動幅決定手段（例えば、実施形態における圧力変動幅決定手段）を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池スタックのガス流路を加減圧するので、減圧時に燃料電池スタックから排出される酸化ガスに吸引されて、燃料電池スタックの内部の残留水が除去される。これにより、残留水を確実に除去することができる。

請求項２に係る発明によれば、加減圧を複数回繰り返すので、残留水をより確実に除去することができる。

請求項３に係る発明によれば、残留水分量の予測結果に基づいて求められた回数だけ加減圧を繰り返すので、残留水をより確実に除去することができる。また、燃料電池スタックの過乾燥を防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、残留水の除去が必要ないと判断されるまで加減圧を繰り返すので、残留水をより確実に除去することができる。また、加減圧に消費するエネルギーを節約することができる。

請求項５に係る発明によれば、残留水分量の予測結果に基づいて加減圧の変動幅を決定するので、過度の圧力変動による燃料電池スタックへの負担を防止することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池）
図１は燃料電池セルの展開図であり、図１（ｂ）は膜電極構造体の側面図であり、図１（ａ）および図１（ｃ）は膜電極構造体の両側に配置されたセパレータを左右に開いた状態の正面図である。本実施形態の燃料電池は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのものである。図１（ｂ）に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２を、アノード電極３およびカソード電極４で両側から挟み込んで、膜電極構造体（ＭＥＡ）５０が形成されている。なおアノード電極３およびカソード電極４の外側に反応ガス拡散層（不図示）を設けることが望ましい。その膜電極構造体５０のアノード電極３に面してアノード側セパレータ３０が配置され、カソード電極４に面してカソード側セパレータ４０が配置されて、燃料電池セル５２が形成されている。この燃料電池セル５２が複数積層されて、燃料電池スタックが形成される。

図１（ａ）に示すアノード側セパレータ３０の左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口３１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口３２が設けられている。またアノード側セパレータ３０の中央部には、燃料ガス供給口３１とアノードオフガス排出口３２とを結ぶように、燃料ガス流路５が設けられている。この燃料ガス流路５は、並列配置された複数の溝部で構成されている。

同様に、図１（ｃ）に示すカソード側セパレータ４０には、使役前の酸化ガス（例えば、空気）が流通する酸化ガス供給口４１と、使役後の酸化ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口４２とが設けられている。これら酸化ガス供給口４１とカソードオフガス排出口４２とを結ぶように、酸化ガス流路６が設けられている。この酸化ガス流路６は、並列配置された複数の溝部で構成されている。

図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、燃料ガス流路５および酸化ガス流路６を構成する溝部は、重力方向（上下方向）に沿って延設されている。これにより、ガス流路５，６に付着した水滴を重力により落下させることができる。また掃気ガスを供給することで、ガス流路５，６の残留水を円滑に排出することができる。この溝部は波状等に形成されていてもよいが、重力方向に平行な直線状に形成されていることが望ましい。これにより、ガス流路５，６に付着した水滴を、重力により反応ガス流路５，６の下端部まで落下させることができる。

そして、図１（ｂ）に示すアノード側セパレータ３０の燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス等を供給し、カソード側セパレータ４０の酸化ガス流路に酸化ガスとして酸素を含む空気等を供給すると、アノード電極３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード電極４まで移動する。この水素イオンがカソード電極４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード電極４側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード電極３側に拡散するため、アノード電極３側にも生成水が存在する。

（燃料電池システム）
図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム１００における燃料電池１は、上述した燃料電池スタックで構成されている。
燃料電池システム１００は、空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７を備えている。このコンプレッサ７は、空気供給流路８を介して、燃料電池１の酸化ガス流路６の入口に接続されている。なお空気供給流路８には、空気の冷却装置や加湿器等（いずれも不図示）を設けることが望ましい。また燃料電池１の酸化ガス流路６の出口には、背圧弁１０を備えたカソードオフガス排出流路９が接続されている。燃料電池１において発電に供された空気は、カソード電極側の生成水と共に、カソードオフガス排出流路９を通って排気処理装置（不図示）に供給される。

一方、燃料電池システム１００は、水素ガスが貯留された水素タンク１５を備えている。この水素タンク１５は、水素ガス供給流路１７を介して、燃料電池１の燃料ガス流路５の入口に接続されている。水素ガス供給流路１７には、水素ガスの遮断弁２０と、水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁（レギュレータ）１６と、エゼクタ１９とが設けられている。

また燃料電池１の燃料ガス流路５の出口には、循環遮断弁１８ａを備えた循環流路１８が接続されている。燃料電池１において消費されなかった未反応の水素ガスは、循環流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、再び燃料電池１の燃料ガス流路５に供給される。また循環流路１８からは、パージ弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐されている。パージ弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開き、アノードオフガスを排出するものである。排出されたアノードオフガスは、上述した排気処理装置へ供給され、カソードオフガスによって希釈される。

一方、空気供給流路８の下流端部と、水素ガス供給流路１７の下流端部とが、第１接続弁２３を備えた第１接続流路２４によって接続されている。
また、カソードオフガス排出流路９の上流端部と、循環流路１８の上流端部とが、第２接続弁２５を備えた第２接続流路２６によって接続されている。なお第２接続流路２６は、空気供給流路８における背圧弁１０の上流側に接続されていてもよい。また第２接続流路２６は、循環流路１８から分岐されたアノードオフガス排出流路２２の上流端部に接続されていてもよい。

また燃料電池システムは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという。）６０を備えている。このＥＣＵ６０は、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）６１のＯＦＦ信号により燃料電池１の運転停止を検出する運転停止検出手段６２を備えている。またＥＣＵ６０は、燃料電池１の運転停止後に燃料電池１の内部に残留する水分量を予測する残留水分量予測手段６４と、残留水分量の予測結果に基づいて残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断手段６６とを備えている。さらにＥＣＵ６０は、残留水の除去が必要であると判断された場合に、燃料電池１の内部を掃気して残留水を除去する掃気手段７０を備えている。

（残留水分量予測手段）
残留水分量予測手段６４は、運転停止後の燃料電池１の内部に残留する水分量を予測するものである。具体的には、以下の（１）ないし（４）のうちいずれか一つの方法を用いて、または複数の方法を併用して、残留水分量を推定する。
（１）燃料電池１の運転履歴から残留水分量を推定する。燃料電池１の高負荷（高出力）運転時には、多量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されるので、生成水の排出が促進されると考えられる。逆に、低負荷（低出力）運転時には、燃料ガスおよび酸化ガスの供給量が少なくなるので、生成水が溜まり易いと考えられる。そこで、燃料電池１の運転履歴における負荷量を積分することにより、残留水分量を推定することができる。

（２）燃料電池１におけるガス流路５，６の出入口の差圧から残留水分量を推定する。この方法では、燃料電池１のガス流路５，６に酸化ガス等を流通させて、入口と出口との差圧を検出する。多くの残留水が存在する場合には、酸化ガスの流通が妨げられて、差圧が大きくなると考えられる。逆に、残留水が少ない場合には、酸化ガスの流通は妨げられず、差圧が小さくなると考えられる。そこで、ガス流路５，６の出入口の差圧を検出することにより、残留水分量を推定することができる。

（３）燃料電池１の膜抵抗から残留水分量を推定する。この方法では、燃料電池１の停止時に、外部電源（バッテリなど）から燃料電池１に電圧を印加して、燃料電池１の膜抵抗を測定する。なお事前のテスト等により、膜電極構造体に付着した残留水分量と膜抵抗値との関係マップを求めておく。そして、測定した膜抵抗値をそのマップに当てはめることにより、残留水分量を推定することができる。
（４）燃料電池１の全体重量により残留水分量を推定する。残留水分量に比例して、燃料電池１の全体重量が増加するからである。

（残留水除去必要性判断手段）
残留水除去必要性判断手段６６は、残留水分量の予測結果に基づいて、残留水の除去が必要か否かを判断するものである。一般に、燃料電池内部の残留水分量に比例して、発電能力が低下する傾向にある。そこで、事前のテスト等により両者間の関係マップを求めておき、予測された残留水分量をそのマップに当てはめることで、燃料電池１の発電能力を推定する。ここで推定した発電能力が、車両運行のために必要とされる発電能力の閾値を下回った場合に、残留水分量の除去が必要であると判断する。

（掃気手段）
掃気手段７０は、残留水の除去が必要であると判断された場合に、燃料電池１の内部を掃気して残留水を除去するものである。この掃気手段７０は、加圧手段（コンプレッサ７）ならびに減圧手段（背圧弁１０およびパージ弁２１）からなる圧力制御手段を制御して、燃料電池１のガス流路５，６に掃気ガスとして酸化ガスを供給し、圧力変動（加圧および減圧）を発生させる。その減圧時に、燃料電池１から排出される酸化ガスに吸引されて、燃料電池１の内部の残留水が除去される。その具体的な手順については後述する。

（圧力変動回数決定手段）
またＥＣＵ６０は、残留水分量の予測結果に基づいて、上述した圧力変動の回数を決定する圧力変動回数決定手段６８を備えている。本実施形態では、ガス流路５，６において圧力変動を複数回繰り返すことにより、残留水を確実に排出する。
図３は、ガス流路の圧力変動と残留水分量との関係を示すグラフである。上述したように、ガス流路を加圧してから急減圧することにより、ガス流路の残留水が吸引されて酸化ガスとともに排出される。なおガス流路の圧力変動の変動幅Ｐ_０は、従来の掃気時の圧力Ｐ_ｉより大きくすることが望ましい。この圧力変動を繰り返すことにより、ガス流路の残留水分量を徐々に減少させることができる。

図４は、残留水分量と圧力変動回数との関係を示すグラフである。圧力変動回数決定手段は、予測された残留水分量をこのグラフに当てはめて、圧力変動の回数を決定する。このグラフでは、残留水分量の増加に伴って、圧力変動の回数が増加している。なお、ここで決定された回数だけ圧力変動を実施すれば、残留水の除去の必要性が消滅するように、あらかじめグラフが作成されている。

（燃料電池の掃気方法）
次に、本実施形態に係る燃料電池の掃気方法につき、図２、図５および図６を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。
まず、イグニッションスイッチ６１がＯＦＦされると（Ｓ１０）、ＥＣＵ６０が燃料電池１による発電を停止する（Ｓ１２）。運転停止検出手段６２が燃料電池１の運転停止を検出したら、残留水分量予測手段６４が燃料電池１の内部に残留する水分量を推定する（Ｓ１４）。

その残留水分量の推定結果に基づいて、残留水除去必要性判断手段６６は、残留水の除去が必要か否かを判断する（Ｓ１６）。判断がＮｏの場合（残留水の除去が必要でない場合）は、燃料電池システムを停止する（Ｓ２２）。ここでは、酸化ガス経路および燃料ガス経路の再構築を行うことが望ましい。具体的には、パージ弁２１および背圧弁１０を閉鎖するとともに、第１接続弁２３および第２接続弁２５を閉鎖する。
また、Ｓ１６における判断がＹｅｓの場合（残留水の除去が必要である場合）は、圧力変動回数決定手段６８が、残留水を除去するために必要な圧力変動の繰り返し回数を決定する（Ｓ１８）。次に掃気手段７０は、現在までの圧力変動の繰り返し回数が、Ｓ１８で決定された繰り返し回数未満であるか判断する（Ｓ２０）。判断がＹｅｓの場合は、圧力変動モードによる掃気処理を実行する（Ｓ３０）。

図６は、圧力変動モードのサブルーチンのフローチャートである。圧力変動モードでは、まず酸化ガス流路６および燃料ガス流路５に酸化ガスを供給して加圧するため、酸化ガス経路（空気供給流路８およびカソードオフガス排出流路９）ならびに燃料ガス経路（水素ガス供給流路１７およびアノードオフガス排出流路２２）の準備を行う（Ｓ３２）。具体的には、遮断弁２０、循環遮断弁１８ａ、パージ弁２１、背圧弁１０および第２接続弁２５を閉鎖するとともに、第１接続弁２３を開放する。

次にコンプレッサ７を作動させ、ガス流路５，６を所定圧力まで加圧する（Ｓ３４）。次に、ガス流路５，６を急減圧する（Ｓ３６）。具体的には、パージ弁２１、背圧弁１０および第２接続弁２５を開放するとともに、コンプレッサ７の運転を停止する。この急減圧により、ガス流路５，６の残留水が吸引されて酸化ガスとともに排出される。
以上により、ガス流路の排水操作が終了する（Ｓ３８）。

次に、図５のＳ２０に戻り、現在までの圧力変動の繰り返し回数が、Ｓ１８で決定された繰り返し回数未満であるか判断する。判断がＹｅｓの場合には、掃気手段７０が圧力変動モードを繰り返し実行する（Ｓ３０）。また判断がＮｏの場合には、掃気処理は終了であり、燃料電池システムを停止する（Ｓ２２）。

以上に詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、空気供給流路８に設けたコンプレッサ７により酸化ガス流路６および水素ガス流路５に酸化ガスを供給して加圧し、その後、背圧弁１０、パージ弁２１および第２接続弁２５によりガス流路５，６を開放して急減圧することにより、酸化ガスが排出される勢いによって残留水の排出を行う。この加減圧を繰り返すことにより、燃料電池内部の残留水に脈動を与えて除去する。これにより、通常の掃気では排出できない残留水でも確実に除去することができる。これに伴って、燃料電池の始動時のガス拡散性を阻害する要因を取り除くことが可能になり、始動時の発電性能を向上させることができる。また、残留水の凍結による発電性能の低下を防止することができる。
加えて、燃料ガス流路を酸化ガスで掃気するので、燃料ガスで掃気する場合に比べて燃料ガス消費量が減少し、燃費を向上させることができる。また、大量の掃気ガスを供給する必要がないので、エネルギー消費量を低減することができる。

また、燃料電池内部に残留する水分量を予測する残留水分量予測手段と、残留水分量に基づいて圧力変動の回数を決定する圧力変動回数決定手段とを備える構成としたので、残留水をより確実に除去することができる。また、残留水の除去に必要な回数だけ圧力変動を実施するので、エネルギー消費量を低減することができる。また、燃料電池の固体高分子膜の過乾燥を防止することが可能になり、膜抵抗の増加および膜の劣化を防止することができる。

（第１変形例）
図７は、第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。図６に示す第１実施形態では、残留水分量を推定し（Ｓ１４）、残留水の除去が必要な場合に（Ｓ１６）、残留水の除去に必要な圧力変動の繰り返し回数を決定し（Ｓ１８）、その繰り返し回数に到達するまで（Ｓ２０）、圧力変動モードを繰り返し実行した（Ｓ３０）。これに対して、図７に示す第１変形例では、残留水分量予測手段６４が残留水分量を推定し（Ｓ４４）、残留水除去必要性判断手段６６が残留水の除去は必要ないと判断するまで（Ｓ４６）、掃気手段７０が圧力変動モードを繰り返し実行する（Ｓ３０）。この場合、図２に示す圧力変動回数決定手段６８は不要である。

この第１変形例でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。加えて、残留水除去の必要性がなくなるまで必要最少回数の圧力変動を実施するので、残留水をより確実に除去することが可能になり、またエネルギー消費量をより低減することができる。

（第２変形例）
図８は、第１実施形態の第２変形例におけるガス流路の圧力変動と残留水分量との関係を示すグラフである。図３に示す第１実施形態では、複数回の圧力変動（加減圧）につき変動幅Ｐ_０を同じに設定した。これに対して、図８に示す第２変形例では、複数回の圧力変動につき変動幅Ｐ_１，Ｐ_２…を変化させる。この場合、図２に示す圧力変動回数決定手段６８に代えて、圧力変動幅決定手段を設ける。

図９は、残留水分量と圧力変動幅との関係を示すグラフである。圧力変動幅決定手段は、予測された残留水分量をこのグラフに当てはめて、圧力変動幅を決定する。このグラフでは、残留水分量の増加に伴って、圧力変動幅が減少している。そのため、図８に示すように、残留水分量が多い１回目の圧力変動では変動幅Ｐ_１が小さくなり、残留水分量が低下する２回目以降の圧力変動では変動幅Ｐ_２…が大きくなっている。

図１０は、第１実施形態の第２変形例に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。まず残留水分量予測手段６４が残留水分量を推定する（Ｓ５４）。推定された残留水分量に基づいて、残留水除去必要性判断手段６６が、残留水除去の必要性について判断する（Ｓ５６）。判断がＹｅｓの場合（残留水の除去が必要な場合）は、圧力変動幅決定手段が、図９のグラフに基づいて圧力変動幅を決定する（Ｓ５８）。次に、決定された圧力変動幅に基づいて、掃気手段７０が圧力変動モードを実行する（Ｓ３０）。圧力変動モードの終了後、再び残留水分量を推定し（Ｓ５４）、再び残留水除去の必要性を判断して（Ｓ５６）、残留水除去の必要性がないと判断されるまで圧力変動モードを繰り返す。このように、残留水除去の必要性がなくなるまで必要最少回数の圧力変動を実施するので、残留水をより確実に除去することが可能になり、またエネルギー消費量をより低減することができる。

図８に戻り、第２変形例では、圧力変動の回数とともに変動幅が大きくなる。１回目の圧力変動では、除去しやすい残留水が多く存在するため、変動幅Ｐ_１が小さくても多くの残留水を除去することができる。２回目以降の圧力変動では、変動幅Ｐ_２…が大きくなるので、除去しにくい残留水も確実に除去することができる。このように、第２変形例では、必要最小限度の圧力変動により、効率的に残留水を除去することができる。
ところで、燃料ガス流路５または酸化ガス流路６のいずれか一方のみに圧力変動を発生させる場合には、圧力変動幅が大きいと膜電極構造体の負担が大きくなる。これに対して第２変形例では、変動幅の小さい圧力変動（例えば１回目の圧力変動）で残留水が除去できれば、変動幅の大きい圧力変動（例えば２回目以降の圧力変動）を行う必要がない。したがって、膜電極構造体への負担を低減することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図１１は、第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム２００は、加圧手段として機能する空気タンク８０を備えている。この空気タンク８０は、コンプレッサ７から供給される圧縮空気を蓄積するものであり、空気供給流路８から分岐されたタンク流路８２に接続されている。なおタンク流路８２より上流側の空気供給流路８には供給遮断弁８４が設けられている。またタンク流路８２にはタンク弁８６が設けられている。

第２実施形態に係る燃料電池システムでは、コンプレッサ７を運転することなく、各弁の開閉のみを制御することにより、燃料電池１のガス流路５，６に圧力変動を生じさせる。具体的には、図６に示す圧力変動モードにおいて、まずガス流路５，６に空気を供給して加圧するため、酸化ガス経路および燃料ガス経路の準備を行う（Ｓ３２）。ここでは、遮断弁２０、循環遮断弁１８ａ、パージ弁２１、背圧弁１０および第２接続弁２５に加えて供給遮断弁８４を閉鎖し、第１接続弁２３を開放する。次に、タンク弁８６を開放して空気タンク８０から圧縮空気を供給し、ガス流路５，６を所定圧力まで加圧する（Ｓ３４）。次に、タンク弁８６を閉鎖した後、パージ弁２１、背圧弁１０および第２接続弁２５を開放して、ガス流路５，６を急減圧する（Ｓ３６）。この急減圧により、ガス流路５，６の残留水が吸引されて空気とともに排出される。

この第２実施形態に係る燃料電池システムでは、コンプレッサ７を運転することなく、各弁の開閉のみを制御して圧力変動モードを実行することができるので、コンプレッサ７の運転に伴う騒音の発生を防止することができる。また、燃料電池１の運転時に空気タンク８０に蓄積した圧縮空気を利用して圧力変動モードを実行することができるので、エネルギー消費量を低減することができる。

なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、上述した実施形態では燃料ガス流路および酸化ガス流路の両方に圧力変動を生じさせたが、いずれか一方のみに圧力変動を生じさせることも可能である。例えば、常温時には、残留水が多く存在する酸化ガス流路のみに圧力変動を生じさせ、低温時には、凍結を防止するため両方のガス流路に圧力変動を生じさせることも可能である。また、燃料ガス流路のみでの圧力変動と、酸化ガス流路のみでの圧力変動とを、短時間で切り替えることも可能である。この場合、一方のガス流路に圧力変動を生じさせるのと同じエネルギー消費量で、両方のガス流路に圧力変動を生じさせた場合と同様の効果を奏することができる。

燃料電池セルの展開図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態におけるガス流路の圧力変動と残留水分量との関係を示すグラフである。 残留水分量と圧力変動回数との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。 圧力変動モードのサブルーチンのフローチャートである。 第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。 第１実施形態の第２変形例におけるガス流路の圧力変動と残留水分量との関係を示すグラフである。 残留水分量と圧力変動幅との関係を示すグラフである。 第１実施形態の第２変形例に係る燃料電池の掃気方法のフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池（燃料電池スタック） ５…燃料ガス流路 ６…酸化ガス流路 ７…コンプレッサ（圧力調整手段） ８…空気供給流路（酸化ガス経路） ９…カソードオフガス排出流路（酸化ガス経路） １０…背圧弁（圧力調整手段） １７…水素ガス供給流路（燃料ガス経路） ２１…パージ弁（圧力調整手段） ２２…アノードオフガス排出流路（燃料ガス経路） ５２…燃料電池セル ６２…運転停止検出手段 ６４…残留水分量予測手段 ６６…残留水除去必要性判断手段 ６８…圧力変動回数決定手段 ７０…掃気手段 １００…燃料電池システム

Claims (5)

1. 酸化ガスと燃料ガスを供給し電気化学反応により発電する酸化ガス流路と燃料ガス流路を備えた燃料電池セルを複数枚した燃料電池スタックと、
   前記酸化ガスを流通する前記燃料電池スタックに接続された酸化ガス経路と、
   前記燃料ガスを流通する前記燃料電池スタックに接続された燃料ガス経路と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記各ガス流路に送り込まれる酸化ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
   前記燃料電池スタックの運転停止を検出する運転停止検出手段と、
   前記燃料電池スタックの運転停止後に、前記燃料電池スタックの内部に残留する水分量を予測する残留水分量予測手段と、
   前記残留水分量の予測結果に基づいて、残留水の除去が必要か否かを判断する残留水除去必要性判断手段と、
   前記残留水の除去が必要であると判断された際、前記圧力調整手段を制御して、前記酸化ガス流路および前記燃料ガス流路のうち少なくとも一方を加減圧することにより、前記燃料電池スタックの内部の前記残留水を除去する掃気手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気手段は、前記加減圧を複数回繰り返す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. 前記残留水分量の予測結果に基づいて、前記加減圧の回数を決定する圧力変動回数決定手段を有し、
   前記掃気手段は、前記圧力変動回数決定手段により求められた回数だけ前記加減圧を繰り返す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. 前記掃気手段は、前記残留水除去必要性判断手段により残留水の除去が必要ないと判断されるまで、前記加減圧を繰り返すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記残留水分量の予測結果に基づいて、前記加減圧の変動幅を決定する圧力変動幅決定手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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