JP2008047391A

JP2008047391A - 燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法

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Publication number: JP2008047391A
Application number: JP2006221027A
Authority: JP
Inventors: Keigo Ikezoe; 圭吾池添; Yukihiro Yoshizawa; 幸大吉澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-14
Also published as: JP5332089B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックを零下起動にとって最適な湿潤状態とする。
【解決手段】本発明の燃料電池システムの停止方法は、燃料電池システムを停止する停止トリガーを検出し、この停止トリガーを検出した場合に燃料電池スタックの代表温度を測定し、この代表温度に基づいて、代表温度が高いほどパージ時間が短くなるようにパージ時間を定め、燃料電池スタックにガスを流してパージを開始し、パージを開始してからパージ時間経過後にパージを停止して燃料電池システムを停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの零下起動を目的としたパージ制御を実施する燃料電池システム及びその停止方法に係り、特に燃料電池セルの温度又は湿潤度合からパージ時間及び流量を制御するパージ制御技術に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

陽極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ （１）
陰極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋(１／２)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（２）
陽極に供給される燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。

一方、陰極に供給される酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、燃料電池を氷点下から起動させるためには、予め燃料電池内部から水分を除去しておくことが必要である。なぜなら、氷点下雰囲気では、燃料電池内部に残留した水が凍ってしまい、反応ガスの拡散を妨げ、発電不能に陥ってしまうからである。そこで、燃料電池の停止時に水分をパージする技術に関する文献が多く開示されており、その中にはパージを停止する条件について様々な方法が提案されている。

例えば、特開２００１−３３２２８１号公報（特許文献１）や特開２００２−２０８４２１号公報（特許文献２）に開示されているように、燃料電池の運転停止時に、ガスを加湿しないで燃料電池内に供給して電解質膜を乾燥させ、この電解質膜の乾燥によって低下する燃料電池本体の出力電圧が、所定値以下に低下した時点を所定の湿潤状態と見なして運転を停止するという技術が公知となっている。

また、特開２００２−２４６０５３号公報（特許文献３）に開示されているように、パージガスの出口に湿度計のような水分センサや、あるいは抵抗計を用いて電解質膜の湿潤状態を把握し、その湿潤状態に基づいて水分除去制御を実施する技術が公知となっている。
特開２００１−３３２２８１号公報特開２００２−２０８４２１号公報特開２００２−２４６０５３号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２で開示された従来の燃料電池システムでは、燃料電池の電圧の低下で電解質膜の湿潤状態を判断しているので、パージ時に必ず燃料電池の発電を行なわなければならず、バッテリーなどを使用してパージする場合にはこの方法は使用できないという問題点があった。また、湿度に対するロバスト性の高い電解質膜、つまり乾燥に強い電解質膜を使用した場合には、セル電圧だけでは必ずしも電解質膜の湿潤状態を把握することはできないという問題点もあった。

さらに、特許文献３に開示された従来の燃料電池システムでは、湿度計、露点計を用いているので、応答性が悪い、コストが高い、計測器の耐久性が低いなどの問題点があった。また、抵抗計を用いたとしても、コストが高く、フルスタックレベルの交流インピーダンスを測定できる抵抗計は技術的な難易度が高いので車両に搭載するには好ましくない。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックにより発電を行なう燃料電池システムであって、燃料電池システムを停止する停止トリガーを検出するトリガー検出手段と、燃料電池スタックの代表温度を測定する代表温度計測手段と、停止トリガーを検出した場合に、代表温度計測手段によって測定された代表温度に基づいて、代表温度が高いほどパージ時間が短くなるように、パージ時間を定めるパージ時間決定手段と、燃料電池スタックにガスを流してパージを行なうパージ手段と、パージを開始してからパージ時間経過後にパージを停止して燃料電池システムを停止するシステム停止手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムの停止方法は、燃料電池スタックにより発電を行なう燃料電池システムの停止方法であって、燃料電池システムを停止する停止トリガーを検出し、この停止トリガーを検出した場合に燃料電池スタックの代表温度を測定し、この代表温度に基づいて、代表温度が高いほどパージ時間が短くなるようにパージ時間を定め、燃料電池スタックにガスを流してパージを開始し、パージを開始してからパージ時間経過後にパージを停止して燃料電池システムを停止することを特徴とする。

本発明の燃料電池システム及びその停止方法によれば、燃料電池システムを停止する際に燃料電池スタックの代表温度を測定し、代表温度が高いほどパージ時間が短くなるようにパージ時間を定めることにより、燃料電池スタックを零下起動にとって最適な湿潤状態とすることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料ガスと酸素剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、各種センサからの検出値に基づいて燃料電池システムを制御する制御部３と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、酸素剤ガスである空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ５と、燃料電池スタック２へ冷却水を循環させる冷却水ポンプ６と、冷却水を放熱させて冷却するラジエータ７と、燃料電池スタック２と冷却水ポンプ６及びラジエータ７を接続して冷却水を循環させる冷却水流路８と、ラジエータ７側への流路とラジエータ７を迂回するショートサーキット側への流路とを切り替える三方弁９と、燃料電池スタック２を構成する複数の単位セルのうちの少なくとも１つの単位セルに設置されたスタック温度センサ１０と、燃料電池スタック２から流出する冷却水の温度を検出する冷却水出口温度センサ１１とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２は固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設けた固体高分子膜型の燃料電池であり、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸素剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電を行なっている。

また、燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給系では、水素タンク４から図示しない減圧弁や水素供給弁を通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給されている。水素タンク４から供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。

一方、酸素剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ５によって外部から吸入した空気を加圧して送出し、燃料電池スタック２のカソードに供給している。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値が制御部３にフィードバックされ、この検出値に基づいて制御部３がコンプレッサ５の回転数及び図示しない空気調圧弁の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。

また、制御部３は、図示しない各種センサによる検出値に基づいて、アノードに供給される水素ガスの圧力及び流量を制御するとともに、カソードに供給される空気の圧力及び流量を制御している。さらに、冷却水出口温度センサ１１の検出値に基づいて、冷却水ポンプ６の回転数や三方弁９の切り替えを制御して冷却水の温度をコントロールしている。

冷却水流路８には、燃料電池スタック２と冷却水ポンプ６及びラジエータ７を接続して冷却水を循環させる流路（ラジエータ側流路）と、ラジエータ７を迂回して燃料電池スタック２及び冷却水ポンプ６を接続して冷却水を循環させる流路（ショートサーキット）とが含まれる。三方弁９は、ラジエータ側流路とショートサーキットとで冷却水の流れを切り替える。冷却水は、ラジエータ７を迂回して燃料電池スタック２を循環するショートサーキットを流れている場合、冷却されずに燃料電池スタック２の発熱により温度は上昇していくことになる。

なお、図１に示した本実施形態の燃料電池システムは、本発明に関わる部位のみを図示したものであり、システムを成立させるためのその他の一般的な機器は省略してある。

燃料電池スタック２は、膜電極接合体の両面にカソードセパレータとアノードセパレータとを配置して単位セルを構成し、この単位セルを複数積層させることによって構成されている。そして、このように積層された単位セルのうちの少なくとも１つにスタック温度センサ１０を設置している。スタック温度センサ１０及び冷却水出口温度センサ１１としては、例えば熱電対や測温抵抗体、サーミスタなどを用いればよい。

次に、図１の燃料電池システムの零下起動に最適なパージ制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。

（イ）ステップ１０１（Ｓ１０１）において、制御部３内のトリガー検出手段は、燃料電池システムを停止するための停止トリガーがオン（ＯＮ）されたか否かを判断する。停止トリガーがＯＮされた場合（ステップ１０１における肯定判定）、ステップ１０２（Ｓ１０２）に進み、燃料電池スタックの代表温度を測定する。ここで「燃料電池スタックの代表温度」は、図１のスタック温度センサ１０を用いて測定したスタック温度であってもよいし、スタック温度センサ１０を設けられない場合は、冷却水出口温度センサ１１を用いて測定した冷却水温度であっても構わない。即ち、スタック温度センサ１０或いは冷却水出口温度センサ１１を代表温度計測手段として用いることができる。

（ロ）ステップ１０３（Ｓ１０３）に進み、制御部３内のパージ時間決定手段は、代表温度計測手段によって測定された燃料電池スタック２の代表温度に基づいてパージ時間t1を定める。このとき、図３のマップＡが示すスタック代表温度とパージ時間t1との関係にしたがって、燃料電池スタック２の代表温度が高いほどパージ時間t1が短くなるようにパージ時間t1を定める。なお、図３のマップＡは燃料電池スタック２の仕様や運転条件、補機類の構成などで異なるため、事前に実験により零下起動に最適なパージ時間t1とスタック代表温度の関係を測定してマップＡを作成することになる。

（ハ）ステップ１０４（Ｓ１０４）に進み、コンプレッサ５（パージ手段）により燃料電池スタック２にガス（空気）を供給してパージを開始する。パージを開始してからパージ時間ｔ1後に（ステップ１０５（Ｓ１０５）における肯定判定）、制御部３内のシステム停止手段は、ガス供給を停止して燃料電池システムを停止する（ステップ１０６（Ｓ１０６））。

図４は単位セルから蒸発した水の量と零下起動時の燃料電池の出力との関係を実験した結果を示したグラフである。単位セルから蒸発する水の量が少ないと、零下起動時に触媒層が氷で閉塞されるためにガスの拡散が妨げられて出力が得られない。逆に、単位セルから蒸発する水の量が多すぎると、高分子膜が乾燥しすぎてしまい、起動したときのプロトン導電性が確保できず、出力が取れなくなる。したがって、単位セルから蒸発させるべき水の量の最適値があることがわかる。また、図５は、単位セルからの水の蒸発量の時間変化を表すグラフであり、最適蒸発量に到達するまでの時間（パージ時間t1）がスタックの代表温度Ｔにより異なる様子を示す。同図に示すようにスタックの代表温度Ｔにより前述した最適蒸発量に到達するまでの時間（パージ時間t1）が異なるので、スタック代表温度Ｔによって最適な蒸発量を達成するパージ時間t1だけ燃料電池スタック２をパージすることにより、燃料電池スタック２内を零下起動にとって最適な湿潤状態にすることができる。

燃料電池システムの零下からの起動のために、運転停止時にパージを実施する燃料電池システムにおいて、パージ時に燃料電池スタック２の代表温度Ｔをモニターし、その温度Ｔによってパージ時間t1を決定する。これにより、例えば、スタック温度が通常より高い時に通常の時間パージを実施することによって、膜が乾燥しすぎて次回起動時に発電ができないという不具合を防止することができる。また、膜の乾燥のし過ぎによる劣化も防止することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。

第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成は図１に示す構成と同じであり、説明を省略する。

燃料電池システムの零下起動に最適なパージ制御処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。

（イ）ステップ２０１（Ｓ２０１）において、制御部３（トリガー検出手段）は、燃料電池システムを停止するための停止トリガーがオン（ＯＮ）されたか否かを判断する。停止トリガーがＯＮされた場合（ステップ２０１における肯定判定）、ステップ２０２（Ｓ２０２）に進み、コンプレッサ５により燃料電池スタック２にガス（空気）を供給してパージを開始する。これと同時に、冷却水ポンプ６によって微少流量の冷却水を燃料電池スタック２に供給する。この時、三方弁９をショートサーキット側に切り替え、ラジエータ７で冷却されていない比較的温度の高い冷却水を供給することが望ましい。

（ロ）ステップ２０３（Ｓ２０３）に進み、冷却水出口温度センサ１１を用いて冷却水温度を測定する。カウンタＣが所定値Ｃｘまでカウントされるまで（ステップ２０４（Ｓ２０４）における肯定判定）、一定間隔をおいて繰り返し冷却水温度を測定する。これにより、冷却水温度の温度変化率を求めることができる。その後、ステップ２０６（Ｓ２０６）に進み、冷却水温度の温度変化率から燃料電池スタック２内部の湿潤状態を求める。このとき、燃料電池スタック２にはガスが供給されているため、制御部３（湿潤度合検出手段）は、燃料電池スタック２にガスを流しながら冷却水出口温度センサ１１（冷却水温度計測手段）によって測定された冷却水温度の時間変化率に基づいて、燃料電池スタック２内における湿潤度合を検出することができる。

（ハ）ステップ２０７（Ｓ２０７）に進み、制御部３（パージ時間決定手段）は、燃料電池スタック２内における湿潤度合及び燃料電池スタック２の代表温度に基づいて、パージ時間t1を定める。このとき、図９に示すパージ時間t1と湿潤度合との関係にしたがって、湿潤度合が高いほどパージ時間が長くなるように、パージ時間t1を定める。図９において、スタック代表温度Ｔが異なると、傾斜角度が異なり、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３である。

（ニ）ステップ２０８（Ｓ２０８）に進み、ステップ２０２においてパージを開始してからパージ時間ｔ1後に（ステップ２０８における肯定判定）、制御部３（システム停止手段）は、ガス供給を停止して燃料電池システムを停止する（ステップ２０９（Ｓ２０９））。

図７は燃料電池スタック２中のスタック温度の時系列変化を示したものである。燃料電池スタック２内部が比較的湿潤（Ｗｅｔ）である場合には、燃料電池スタック２内部が蒸発潜熱により冷却されるので、図中「湿潤」に示すように単位時間ｄｔ当たりの温度変化率ｄＴ／ｄｔが大きくなる。また、燃料電池スタック２内部が比較的乾燥（Ｄｒｙ）である場合には、蒸発量が少ないので、図中「乾燥」に示すように温度変化率が小さい。したがって、単位時間当たりの温度変化率ｄＴ／ｄｔを求めることにより、図８に示すような燃料電池スタック２内部の湿潤状態を把握することができる。図８において、パージ開始温度ＴＳにより、温度の時間変化率と湿潤状態の関係は変化する。ここでは、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３である。

燃料電池スタック２内部の湿潤状態を予測し、パージ時にこの湿潤状態と燃料電池スタック２の代表温度をもとに、パージ時間t1を決定する。これにより、たとえば同じ温度でも電解質膜が乾燥気味の時には、パージ時間t1を短くし、電解質膜が湿潤気味の時にはパージ時間t1を長くするなどして、パージ後により精度よく電解質膜を所定の乾燥状態にすることができる。

パージ時に燃料電池スタック２の冷却水を微量流し、燃料電池スタック２の冷却水出口温度の温度変化率から燃料電池スタック２内部の湿潤状態を予測するので、精度の高い湿潤状態予測を具現化できる。

（第１の変形例）
第２実施の形態では、冷却水出口温度センサ１１を用いて冷却水温度を測定し、冷却水温度の温度変化率から燃料電池スタック２内部の湿潤状態を求める例を説明した。燃料電池スタック２内部の湿潤状態を予測する手段として、冷却水温度の温度変化率に限らず、スタック温度センサ１０が測定する燃料電池スタック２内部の温度変化率であっても構わない。即ち、制御部３（湿潤度合検出手段）は、燃料電池スタック２にガスを流しながらスタック温度センサ１０によって測定されたスタック温度の時間変化率に基づいて、燃料電池セル２内における湿潤度合を検出しても構わない。この場合も、第２の実施の形態と同様に、燃料電池スタック２内部が湿潤である場合には、その蒸発によって潜熱冷却が行なわれ燃料電池スタック２内部の温度変化率が大きくなるが、燃料電池スタック２内部の水が少ない場合は、蒸発する量が少ないために温度変化率が小さくなる。したがって、燃料電池スタック２内部の温度変化率を測定することにより、燃料電池スタック２内部の湿潤状態を把握することができる。

（第２の変形例）
また、図６のフローチャートでは、冷却水温度の時間変化率から湿潤度合を求め（ステップ２０６）、湿潤度合からパージ時間t1を求める（ステップ２０７）例を示した。しかし、あらかじめパージ時間t1を求めなくても、図１０に示すように、冷却水温度の時間変化率が所定値以下になった時点でパージを停止するようにしても構わない。

図１０を参照して、第２の変形例に係わるパージ制御処理を説明する。

ステップ３０１（Ｓ３０１）〜ステップ３０３（Ｓ３０３）では、図６のステップ２０１〜ステップ２０３段階と同様にして、停止トリガーがＯＮされた場合に、ガス供給を開始すると同時に冷却水を微量流し、冷却水出口温度センサ１１を用いて冷却水温度を測定する。これにより、燃料電池スタック２内部の湿潤状態を把握する。その後、ステップ３０４（Ｓ３０４）において、冷却水温度の時間変化率が所定値以下になるか否かを監視し、その間、繰り返し冷却水温度を測定する。そして、冷却水温度の時間変化率が所定値以下になった場合（ステップ３０４における肯定判定）、つまり燃料電池スタック２内部の湿潤状態が所定値以下になった場合に、ガス供給（パージ）を停止してシステムを停止する（ステップ３０５（Ｓ３０５））。これにより、燃料電池スタック２内部を零下起動に最適な湿潤状態でパージを停止することができる。即ち、電解質膜が乾燥しすぎて次回起動時に発電ができないという不具合を防止することができ、また、電解質膜の乾燥のし過ぎによる劣化も防止することができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態を図面に基づいて説明する。

第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成は図１に示す構成と同じであり、説明を省略する。

次に、燃料電池システムの零下起動に最適なパージ制御処理を図１１のフローチャートに基づいて説明する。図１１のフローチャートは、図２のフローチャートに対してステップ４０３（Ｓ４０３）を追加した構成であり、ステップ４０１（Ｓ４０１）、ステップ４０２（Ｓ４０２）、ステップ４０４（Ｓ４０４）〜ステップ４０７（Ｓ４０７）は、図２のステップ１０１〜ステップ１０６と同じ処理内容である。

（イ）ステップ４０１において、制御部３（トリガー検出手段）は、燃料電池システムを停止するための停止トリガーがオン（ＯＮ）されたか否かを判断する。停止トリガーがＯＮされた場合（ステップ４０１における肯定判定）、ステップ４０２に進み、燃料電池スタック２の代表温度を測定する。

（ロ）ステップ４０３（Ｓ４０３）に進み、制御部３（パージ流量決定手段）は、燃料電池スタック２の代表温度から図１３のマップＢにしたがって最適なパージ流量を求める。

（ハ）ステップ４０４に進み、制御部３（パージ時間決定手段）は、燃料電池スタック２の代表温度に基づいてパージ時間t1を定める。このとき、図３のマップＡが示すスタック代表温度とパージ時間t1との関係にしたがって、燃料電池スタック２の代表温度が高いほどパージ時間t1が短くなるようにパージ時間t1を定める。

（ニ）ステップ４０５（Ｓ４０５）に進み、コンプレッサ５により燃料電池スタック２に最適なパージ流量のガスを供給してパージを開始する。パージを開始してからパージ時間ｔ1後に（ステップ４０６（Ｓ４０６）における肯定判定）、制御部３（システム停止手段）は、ガス供給を停止して燃料電池システムを停止する（ステップ４０７）。

図１２は各温度における、パージ流量とパージ時の燃料電池スタック２出口ガスの相対湿度の関係を示したグラフである。温度が比較的高いＴ１の場合には、蒸発速度が速いため、パージ流量をある程度上げても出口ガスは相対湿度１００％で出てくる。しかし、温度が低いＴ３の場合には、蒸発速度が遅いため、パージ流量を上げても燃料電池スタック２内部の水の蒸発が間に合わず、不飽和で出てくることになる。したがって、パージ流量を多くしても乾燥できる能力は小さく、その能力は流量が少ない場合と同じであり、流量を多くしたとしても無駄となってしまう。図１３は図１２から各温度による最も効率の良いパージ流量を求めて作成したマップＢであり、このマップＢを用いてパージ流量を決定する。このように、パージ時に燃料電池スタック２の代表温度をモニターし、その温度によってパージ流量を決定する。これにより、蒸発速度が間に合わないような低温の時に、無駄に大量のガスを流すことがなく、少ない消費電力や音振で燃料電池スタック２内部を零下起動に適した湿潤状態にすることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態を図面に基づいて説明する。

第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成は図１に示す構成と同じであり、説明を省略する。

次に、燃料電池システムの零下起動に最適なパージ制御処理を図１４のフローチャートに基づいて説明する。図１４のフローチャートは、図１１のフローチャートに対してステップ５０７（Ｓ５０７）を追加した構成であり、ステップ５０１（Ｓ５０１）〜ステップ５０６（Ｓ５０６）、ステップ５０８（Ｓ５０８）は、図１１のステップ４０１〜ステップ４０７と同じ処理内容である。

（イ）ステップ５０１において、制御部３内のトリガー検出手段は、燃料電池システムを停止するための停止トリガーがオン（ＯＮ）されたか否かを判断する。停止トリガーがＯＮされた場合（ステップ５０１における肯定判定）、ステップ５０２（Ｓ５０２）に進み、燃料電池スタック２の代表温度を測定する。

（ロ）ステップ５０３（Ｓ５０３）に進み、燃料電池スタック２の代表温度から図１３のマップＢにしたがって最適なパージ流量を求める。ステップ５０４（Ｓ５０４）に進み、燃料電池スタック２の代表温度から図３のマップＡにしたがってパージ時間t1を定める。

（ハ）ステップ５０５（Ｓ５０５）に進み、コンプレッサ５により燃料電池スタック２に最適なパージ流量のガスを供給してパージを開始する。ステップ５０７において、パージを開始してからパージ時間ｔ1までの間、図１５のマップＣにしたがって、時間が経過すると共にパージ流量を減少させる。パージを開始してからパージ時間ｔ1後に（ステップ５０６における肯定判定）、制御部３（システム停止手段）は、ガス供給を停止して燃料電池システムを停止する（ステップ５０８）。

図１６（ａ）は、パージ流量を一定とした場合におけるパージ開始からの経過時間と出口ガス相対湿度との関係を示すグラフであり、図１６（ｂ）は、パージ流量を時間と共に減少させた場合におけるパージ開始からの経過時間と出口ガス相対湿度との関係を示すグラフである。パージにより燃料電池スタック２内部の乾燥が進んでいくと、燃料電池スタック２内部から蒸発する水の量が少なくなっていく。このため、パージ初期と同じ一定の流量を流し続けた場合、図１６（ａ）に示すようにパージ開始からの時間とともに出口ガス相対湿度が低下してくる。つまり、パージ後半では無駄なガスを流していることになる。そこで、パージ後半ではパージ時間とともに流量を下げていくことにより、図１６（ｂ）に示すように常に出口ガス相対湿度を１００％に維持することができ、パージの後半で蒸発に必要な量以上のガスを流すことがなくなり、少ない消費電力や音振で燃料電池スタック２内部を零下起動に適した湿潤状態にすることができる。

以上、本発明の燃料電池システム及びその停止方法について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図図１の燃料電池システムの零下起動に最適なパージ制御処理を示すフローチャートスタック代表温度とパージ時間t1との関係を示すグラフ（マップＡ）単位セルから蒸発した水の量と零下起動時の燃料電池の出力との関係を実験した結果を示したグラフ単位セルからの水の蒸発量の時間変化を表すグラフ第２の実施の形態に係わる燃料電池システムのパージ制御処理を示すフローチャート燃料電池スタック２中のスタック温度の時系列変化を示したグラフ温度の時間変化率と湿潤状態の関係を示すグラフパージ時間t1と燃料電池スタック２内における湿潤度合との関係を示すグラフ第２の変形例に係わる燃料電池システムのパージ制御処理を示すフローチャート第３の実施の形態に係わる燃料電池システムのパージ制御処理を示すフローチャートパージ流量とパージ時の燃料電池スタック出口ガスの相対湿度の関係を示したグラフ燃料電池スタック２の代表温度と零下起動に最適なパージ流量との関係を示すグラフ（マップＢ）第４の実施の形態に係わる燃料電池システムのパージ制御処理を示すフローチャートパージ開始からの経過時間とパージ流量との関係を示すグラフ（マップＣ）パージ開始からの経過時間と出口ガス相対湿度との関係を示すグラフ

符号の説明

２燃料電池スタック
３制御部
４水素タンク
５コンプレッサ
６冷却水ポンプ
７ラジエータ
８冷却水流路
９三方弁
１０スタック温度センサ
１１冷却水出口温度センサ

Claims

燃料電池スタックにより発電を行なう燃料電池システムであって、
燃料電池システムを停止する停止トリガーを検出するトリガー検出手段と、
前記燃料電池スタックの代表温度を測定する代表温度計測手段と、
前記トリガー検出手段が前記停止トリガーを検出した場合に、前記代表温度計測手段によって測定された前記代表温度に基づいて、前記代表温度が高いほどパージ時間が短くなるように、パージ時間を定めるパージ時間決定手段と、
前記燃料電池スタックにガスを流してパージを行なうパージ手段と、
前記パージを開始してから前記パージ時間経過後に前記パージを停止して燃料電池システムを停止するシステム停止手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池スタック内における湿潤度合を検出する湿潤度合検出手段を更に有し、
前記パージ時間決定手段は、前記湿潤度合検出手段によって検出された前記湿潤度合に基づいて、前記湿潤度合が高いほどパージ時間が長くなるように、前記パージ時間を定めることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記代表温度計測手段は、前記燃料電池スタックから流出する冷却水の温度を測定する冷却水温度計測手段であり、
前記湿潤度合検出手段は、前記燃料電池スタックにガスを流しながら前記冷却水温度計測手段によって測定された冷却水温度の時間変化率に基づいて、前記燃料電池スタック内における湿潤度合を検出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記代表温度計測手段は、前記燃料電池スタック内部の温度を測定するスタック温度計測手段であり、
前記湿潤度合検出手段は、前記燃料電池スタックにガスを流しながら前記スタック温度計測手段によって測定されたスタック温度の時間変化率に基づいて、前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記代表温度計測手段によって測定された前記代表温度に基づいて、前記代表温度が高いほどパージ流量が多くなるように、パージ流量を定めるパージ流量決定手段を更に有し、
前記パージ手段は、前記パージ流量決定手段によって定められたパージ流量のガスを前記燃料電池スタックに流してパージを行なうことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記パージ手段は、前記パージを開始してから時間が経過すると共に前記パージ流量を減少させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記システム停止手段は、前記湿潤度合検出手段によって検出された湿潤度合が所定値以下になった時、前記パージを停止して燃料電池システムを停止することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出する時、前記冷却水は、当該冷却水を冷却するラジエータを迂回して前記燃料電池スタックを循環していることを特徴とする請求項３又は７記載の燃料電池システム。
燃料電池スタックにより発電を行なう燃料電池システムの停止方法であって、
前記燃料電池システムを停止する停止トリガーを検出する第１のステップと、
前記停止トリガーを検出した場合に、前記燃料電池スタックの代表温度を測定する第２のステップと、
前記代表温度に基づいて、前記代表温度が高いほどパージ時間が短くなるように当該パージ時間を定める第３のステップと、
前記燃料電池スタックにガスを流してパージを開始する第４のステップと、
前記パージを開始してから前記パージ時間経過後に前記パージを停止して燃料電池システムを停止する第５のステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
前記燃料電池スタック内における湿潤度合を検出する第６のステップを更に有し、
前記第３のステップは、さらに前記湿潤度合に基づいて、前記湿潤度合が高いほどパージ時間が長くなるように前記パージ時間を定めることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの停止方法。
前記第２のステップは、前記燃料電池スタックから流出する冷却水の温度を測定しており、
前記第６のステップは、前記燃料電池スタックにガスを流しながら測定された冷却水の温度の時間変化率に基づいて、前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システムの停止方法。
前記第２のステップは、前記燃料電池スタック内部の温度を測定しており、
前記第６のステップは、前記燃料電池スタックにガスを流しながら測定されたスタック内部の温度の時間変化率に基づいて、前記燃料電池スタック内における湿潤度合を検出することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システムの停止方法。
前記代表温度に基づいて、前記代表温度が高いほどパージ流量が多くなるように当該パージ流量を定める第７のステップを更に有し、
前記第４のステップは、当該パージ流量のガスを前記燃料電池スタックに流してパージを開始することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの停止方法。
前記第４のステップは、前記パージを開始してから時間が経過すると共に前記パージ流量を減少させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システムの停止方法。
前記第５のステップは、前記湿潤度合が所定値以下になった時、前記パージを停止して燃料電池システムを停止することを特徴とする請求項１０又は１１記載の燃料電池システムの停止方法。
前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出する時、前記冷却水を、当該冷却水を冷却するラジエータを迂回して前記燃料電池スタックを循環させる第８のステップをさらに有することを特徴とする請求項１１又は１５記載の燃料電池システムの停止方法。