JP2008010348A - 燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法 - 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１の内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定手段６４と、推定された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、反応ガス流路５，６を掃気する前に所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマ６３と、燃料電池１の内部の反応ガス流路５，６を掃気する掃気手段７０とを有し、残留水の除去が必要でないと判断されるまで、所定時間の待機と掃気とを繰り返す構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法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、反応ガス流路（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

図９は従来技術における残留水分量の経時変化のグラフであり、図１０は従来技術における残留水の状態変化の説明図である。図１０（ａ）に示すように、反応ガス流路９５を掃気すると大きな水滴が排出され、図９に示すように残留水分量が低下する。ただし図１０（ｂ）に示すように、反応ガス流路９５の内面（セパレータ９２の表面および膜電極構造体９０の表面）には掃気による排出が不可能な小さな水滴が残り、また膜電極構造体９０中にも水分が残っている。掃気終了後の時間経過により、図１０（ｃ）に示すように、膜電極構造体９０中の水分が反応ガス流路９５に析出し、また反応ガス流路９５の小さな水滴が凝集して落下する。そのため、図９（ａ）に示す反応ガス流路上端部では残留水分量が漸減し、図９（ｂ）に示す反応ガス流路下端部では残留水分量が漸増する。これにより、図９（ｃ）に示すように、反応ガス流路全体の残留水分量は漸増することになる。すなわち、反応ガス流路の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、燃料電池の残留水を確実に除去することが可能な、燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法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、電解質膜（例えば、実施形態における電解質膜２）をアノード電極（例えば、実施形態におけるアノード電極３）およびカソード電極（例えば、実施形態におけるカソード電極４）で挟持した膜電極構造体（例えば、実施形態における膜電極構造体５０）と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路５および酸化ガス流路６）とを有し、前記反応ガス流路に反応ガス（例えば、実施形態における水素ガスおよび空気）を供給することで発電を行う燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）であって、前記燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）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、前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定手段（例えば、実施形態における残留水分量推定手段６４）と、少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の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、前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気手段（例えば、実施形態における掃気手段７０）と、前記反応ガス流路を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマ（例えば、実施形態における待機時間タイマ６３）と、を有し、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でないと判断されるまで、所定時間の待機と掃気とを繰り返すことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記残留水除去必要性判断手段は、前記残留水分量推定手段により推定された残留水分量が閾値以下である場合に、残留水の除去が必要でないと判断することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持した膜電極構造体と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路とを有し、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池の掃気方法であって、前記燃料電池の運転停止を検出する運転停止検出工程（例えば、実施形態における運転停止検出工程Ｓ１０）と、前記反応ガス流路を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機する待機工程（例えば、実施形態における待機モードＳ１２）と、前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定工程（例えば、実施形態における残留水分量推定工程Ｓ１４）と、少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の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工程（例えば、実施形態における残留水除去必要性判断工程Ｓ１６）と、前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気工程（例えば、実施形態における掃気工程Ｓ１８）と、を有し、前記残留水除去必要性判断工程において残留水の除去が必要でないと判断されるまで、前記待機工程から前記掃気工程までを繰り返すことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、所定時間の待機により、反応ガス流路に付着していた水滴が重力により落下し、また掃気による排出が不可能な小さな水滴が互いの張力により凝集して掃気による排出が可能な大きさの水滴になり、また膜電極構造体に含まれていた水分が反応ガス流路に析出する。したがって、所定時間の待機と掃気とを繰り返す間欠掃気により、燃料電池の残留水を確実に排出することができる。

請求項２に係る発明によれば、残留水除去の必要性を正確に判断することができる。また電解質膜の過乾燥による劣化を防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、待機工程から掃気工程までを繰り返すことにより、燃料電池の残留水を確実に排出することができる。

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５０の側面図であり、図１（ａ）および図１（ｃ）は膜電極構造体５０の両側に配置されたセパレータ３０，４０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、反応ガス流路（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、反応ガス流路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、反応ガス流路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、反応ガス流路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の下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推定手段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。

（残留水分量推定手段）
残留水分量推定手段６４は、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における反応ガス流路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の反応ガス流路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、反応ガス流路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、反応ガス流路５，６を掃気して残留水を除去するものである。具体的には、まず遮断弁２０および循環遮断弁１８ａを閉鎖するとともに、第１接続弁２３および第２接続弁２５を開放する。次にコンプレッサ７を作動させ、酸化ガスを反応ガス流路５，６に供給する。この酸化ガスの掃気により、反応ガス流路５，６に存在する残留水が押し出されて排出される。
そして掃気手段７０は、掃気終了後に、次述する待機時間タイマ６３に対して掃気終了信号を出力するようになっている。

（待機時間タイマ）
ＥＣＵ６０は、反応ガス流路５，６を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマ６３を有している。待機時間タイマ６３は、運転停止検出手段６２から燃料電池１の運転停止の検出信号が入力された後に所定時間の経過をカウントし、その所定時間の経過後に残留水分量推定手段６４に対して動作信号を出力する。また待機時間タイマ６３は、掃気手段７０から掃気終了信号が入力された後に所定時間の経過をカウントし、その所定時間の経過後に残留水分量推定手段６４に対して動作信号を出力する。このように待機時間タイマ６３は、反応ガス流路５，６を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる機能を備えている。

以上のように構成されたＥＣＵ６０は、残留水除去必要性判断手段６６により残留水の除去が必要でないと判断されるまで、所定時間の待機と掃気とを繰り返すように、燃料電池システム１００を制御するようになっている。

（燃料電池の掃気方法）
次に、第１実施形態に係る燃料電池の掃気方法について説明する。
図３は、第１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、ＥＣＵ６０はイグニッションスイッチ６１がＯＦＦされたか判断し（Ｓ１０）、判断がＹｅｓの場合は燃料電池１による発電を停止する。次に運転停止検出手段６２が、燃料電池１の運転停止を検出して、検出信号を待機時間タイマ６３に出力する。次に待機時間タイマ６３が、検出信号が入力されてから所定時間の経過をカウントする（待機モード；Ｓ１２）。なお燃料電池１の運転停止後、１回目の待機時間は、例えば数１０秒間とする。

次に残留水分量推定手段６４は、燃料電池１の内部に残留する水分量を推定する（残留水分量推定工程；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（残留水除去必要性判断工程；Ｓ１６）。判断がＮｏの場合（残留水の除去が必要でない場合）は、燃料電池システムの運転を終了する。また判断がＹｅｓの場合（残留水の除去が必要である場合）は、掃気手段７０が掃気を開始する（掃気工程；Ｓ１８）。その後、掃気手段７０は、所定の掃気時間が経過したか判断する（Ｓ２０）。その所定の掃気時間は、例えば約１０秒とする。判断がＮｏの場合は、Ｓ１４〜Ｓ１８の処理を繰り返す。判断がＹｅｓの場合は、掃気手段７０は１回目の掃気を停止する（Ｓ２２）。

図５は、第１実施形態における残留水の状態変化の第１説明図である。燃料電池の運転停止直後には、図５（ａ）に示すように、反応ガス流路９５の内面（セパレータ９２の表面および膜電極構造体９０の表面）に水滴が付着し、膜電極構造体９０の内部にも水分が含まれている。１回目の待機時間の経過により、反応ガス流路９５に付着した水滴が重力により落下し、図５（ｂ）に示すように、反応ガス流路９５の下端部に堆積して大きな水滴が形成される。ここで１回目の掃気を行うと、図５（ｃ）に示すように、掃気ガス９８により大きな水滴が押し出されて排出される。そして１回目の掃気終了後には、図５（ｄ）に示すように、反応ガス流路９５の内面に大きな水滴がほとんど存在しない状態となる。

図４は、第１実施形態における残留水分量の経時変化のグラフである。１回目の待機時間の経過により、図４（ａ）に示すガス流路上端部では、水滴が落下するので残留水分量は漸減する。図４（ｂ）に示すガス流路下端部では、落下した水滴が堆積するので残留水分量は漸増する。なお図４（ｃ）に示すように、ガス流露全体の残留水分量は略一定である。次に１回目の掃気を行うと、ガス流路下端部に形成された大きな水滴が排出されるので、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、残留水分量は急減することになる。

図３のフローチャートに戻り、Ｓ２２において１回目の掃気を停止したら、掃気手段７０は掃気終了信号を待機時間タイマ６３に出力する。次に待機時間タイマ６３は、掃気終了信号が入力されてから所定時間の経過をカウントする（待機モード；Ｓ１２）。なお２回目以降の待機時間は、例えば数分間とする。その後、１回目と同様にＳ１４からＳ２２までの処理を行う。なお図４（ｄ）に示すように、２回目以降の掃気における掃気量および掃気時間は、１回目の掃気と同等である。
このように、待機および掃気を繰り返すことにより、ガス流路の残留水が十分に排出される。そしてＳ１６において、もはや残留水の除去が必要ないと判断された場合には、全ての掃気を完了して燃料電池システムの運転を終了する。

図６は、第１実施形態における残留水の状態変化の第２説明図である。図６（ａ）に示すように、１回目の掃気終了後の反応ガス流路９５の内面（セパレータ９２の表面および膜電極構造体９０の表面）には、掃気による排出が不可能な小さな水滴や、膜状の水分が付着している。２回目の待機時間の経過により、これらが互いの張力により凝集して、掃気による排出が可能な大きさの水滴になる。また図６（ｂ）に示すように、１回目の掃気により反応ガス流路９５の水分濃度が小さくなっているので、２回目の待機時間の経過により、膜電極構造体９０に含まれていた水分が反応ガス流路９５に析出する。ここで２回目の掃気を行うと、図６（ｃ）に示すように、反応ガス流路９５において凝集した水滴が掃気ガス９８により排出される。そして２回目以降の掃気終了後には、図６（ｄ）に示すように、反応ガス流路９５および膜電極構造体９０に水分がほとんど存在しない状態となる。

図４のグラフにおいて、２回目以降の待機時間中には、膜電極構造体に含まれていた水分がガス流路に析出する。そのため、図４（ｂ）に示すガス流路下端部の残留水分量は漸増する。そして、２回目以降の掃気を行うと、ガス流路において凝集した水滴が排出されるので、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように残留水分量は急減する。そして図４（ｃ）に示すように、残留水分量の推定値が所定の閾値を下回り、残留水の除去が必要ないと判断された時点で、全ての掃気を完了する。

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、所定時間の待機と掃気とを繰り返す構成とした。その所定時間の待機により、反応ガス流路に付着していた水滴が重力により落下し、また掃気による排出が不可能な小さな水滴が互いの張力により凝集して掃気による排出が可能な大きさの水滴になり、また膜電極構造体に含まれていた水分が反応ガス流路に析出する。したがって、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、重力および残留水の張力を利用することにより、大量の掃気ガスを供給する必要がなくなり、掃気エネルギーを節約することができる。具体的には、従来の掃気量の時間積分値（図９（ｄ）のＡ_０の面積）より、本実施形態の掃気量の時間積分値（図４（ｄ）のＡ_１＋Ａ_２＋Ａ_３の面積）を小さくすることで、エネルギー消費量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および燃料電池の掃気方法について説明する。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
残留水除去必要性判断手段は、残留水分量が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。第１実施形態では、その閾値が一定であったが、第２実施形態では、その閾値を変化させる。

上述したように、燃料電池の残留水が凍結すると発電性能が低下する。そのため、低温雰囲気における燃料電池の再起動（以下、低温起動という。）が予想される場合には、燃料電池の残留水を十分に除去しておく必要がある。
そこで第２実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池の次回起動が低温起動になるか否かを予測する低温起動予測手段を備えている。この低温起動予測手段は、外気温度や天気予報、カレンダー等を用いて、燃料電池の次回起動が、膜電極構造体が凍結するような低温起動になるか否かを予測する。そして、低温起動になると予測した場合には低温起動用の閾値を出力し、それ以外の場合には通常起動用の閾値を出力する。低温起動用の閾値は、通常起動用の閾値より小さくなっている。

図７は、第２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。Ｓ１１において、低温起動予測手段は、燃料電池の次回起動が低温起動か否かを判断する。判断がＹｅｓの場合はＳ１１ａに進み、通常起動用の閾値より小さい低温起動用の閾値を出力する。
Ｓ１６において、残留水除去必要性判断手段は、Ｓ１４で推定された残留水分量と、低温起動予測手段から出力された閾値とを比較する。そして、残留水分量が閾値を上回っている間は掃気を繰り返して残留水分量を減少させ、残留水分量が閾値を下回った時点で掃気を完了する。そのため、低温起動用の閾値を使用することにより、残留水を十分に除去することができる。これにより、膜電極構造体の凍結を防止して、低温起動時の発電性能の低下を抑制することができる。逆に、低温起動が予測されない場合には長時間の掃気を行わないので、エネルギー消費量の増加を防止することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の掃気方法について説明する。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
第１実施形態では、図４（ｄ）に示すように掃気量が一定であったが、第３実施形態では、掃気ガス圧力を変化させることにより掃気量を変化させる。

第３実施形態に係る燃料電池システムは、掃気ガスの圧力を決定する掃気ガス圧力決定手段を備えている。この掃気ガス圧力決定手段は、推定された残留水分量を図８（ｂ）のグラフに当てはめて、掃気ガス圧力を決定する。
図８（ｂ）は、残留水分量と掃気ガス圧力との関係を示すグラフである。このグラフでは残留水分量に比例して掃気ガス圧力が高くなっている。そのため、残留水分量が多い場合には掃気ガス圧力が高く設定され、残留水分量が少ない場合には掃気ガス圧力が低く設定される。

図８（ａ）は、第３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。Ｓ１４において残留水分量が推定され、Ｓ１６において残留水の除去が必要であると判断された場合に、上述した掃気ガス圧力決定手段は、推定された残留水分量を図８（ｂ）のグラフに当てはめて掃気ガス圧力を決定する（Ｓ１７）。掃気手段は、コンプレッサの出力や、背圧弁およびパージ弁の開度を制御して、掃気ガスである酸化ガスの圧力が、決定された掃気ガス圧力となるように調整する。

第３実施形態に係る燃料電池の掃気方法によれば、燃料電池の運転停止直後の残留水分量が多い状態では掃気量を多くし、残留水分量の減少とともに掃気量を少なくすることが可能になる。これにより、効率的に残留水を除去することが可能になり、エネルギー消費量を低減することができる。また、コンプレッサの運転に伴う騒音を抑制することも可能である。さらに、電解質膜の過乾燥による劣化を防止することも可能である。

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を掃気したが、いずれか一方のみを掃気す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を掃気し、低温時には、凍結を防止するため両方のガス流路を掃気することも可能である。また、燃料ガス流路のみの掃気と、酸化ガス流路のみの掃気とを、短時間で切り替えることも可能である。この場合、一方のガス流路を掃気するのと同じエネルギー消費量で、両方のガス流路を掃気した場合と同様の効果を得ることができる。

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実施形態における残留水分量の経時変化のグラフである。 第１実施形態における残留水の状態変化の第１説明図である。 第１実施形態における残留水の状態変化の第２説明図である。 第２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。 第３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。 従来技術における残留水分量の経時変化のグラフである。 従来技術における残留水の状態変化の説明図である。

符号の説明

１…燃料電池 ２…電解質膜 ３…アノード電極 ４…カソード電極 ５…燃料ガス流路（反応ガス流路） ６…酸化ガス流路（反応ガス流路） ７…コンプレッサ ５０…膜電極構造体 ６２…運転停止検出手段 ６３…待機時間タイマ ６４…残留水分量推定手段 ６６…残留水除去必要性判断手段 ７０…掃気手段 １００…燃料電池システム

Claims (3)

1. 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持した膜電極構造体と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路とを有し、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の運転停止を検出する運転停止検出手段と、
   前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定手段と、
   少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の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、
   前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気手段と、
   前記反応ガス流路を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機させる待機時間タイマと、を有し、
   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でないと判断されるまで、所定時間の待機と掃気とを繰り返すことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記残留水除去必要性判断手段は、前記残留水分量推定手段により推定された残留水分量が閾値以下である場合に、残留水の除去が必要でないと判断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. 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持した膜電極構造体と、前記膜電極構造体の両面に重力方向に沿って延設された反応ガス流路とを有し、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池の掃気方法であって、
   前記燃料電池の運転停止を検出する運転停止検出工程と、
   前記反応ガス流路を掃気する前に、所定時間だけ掃気を待機する待機工程と、
   前記燃料電池内部に残留する水分量を推定する残留水分量推定工程と、
   少なくとも前記残留水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記燃料電池内部の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工程と、
   前記燃料電池内部の前記反応ガス流路を掃気する掃気工程と、を有し、
   前記残留水除去必要性判断工程において残留水の除去が必要でないと判断されるまで、前記待機工程から前記掃気工程までを繰り返すことを特徴とする燃料電池の掃気方法。

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