JP3867503B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の運転を停止するに際して燃料電池の冷却媒体の圧力に基づいて燃料ガスの排出をする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特開平７−２７２７４０号公報で開示されているように、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに水素を燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境の悪化防止に対しても優れているという利点がある。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料ガスの消費量を低減すると共に、燃料ガス量に対する発電量を多くすることが望ましい。そこで、燃料電池システムでは、燃料電池の燃料極からの排出燃料ガスを再循環することにより、排出燃料ガスと新たな水素の濃い燃料ガスとを混合させて燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く提案されている。
【０００４】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止した後に、酸化剤極及び燃料極にガスをいつまでも残留させておくと、残留ガスにより効率の悪い発電をさせてしまうことを防ぐことが望ましい。そこで、従来の燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを通過させる燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に、燃料ガス及び酸化剤ガスを大気に排出するためのパージ弁を設け、燃料電池の運転停止時にはこれらのパージ弁を開放する。
【０００５】
例えば、特開平７−６７７９号公報では、燃料電池内に残留するガスによる効率の悪い発電が生じるような場合を、燃料電池の発電電圧を監視することで検出し、発電電圧が小さくなったらパージ弁を開放して燃料電池システムの動作を終了させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は発電に伴って熱を発生するが、発電効率が高い作動温度範囲が限られている。従来の燃料電池システムでは、燃料電池にとって発電効率の高い作動温度で燃料電池を運転するために、燃料電池内に冷却水を流し、燃料電池本体を所定温度に保つ。従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池に冷却水を流すときには、燃料電池内ではガスの温度上昇が最も大きく、ガス温度を下げるために、ガスのできるだけ近くに冷却水を流す必要がある。
【０００７】
したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスと冷却水とを多孔質の膜を隔壁として構成し冷却水を流す燃料電池を使用することが多い。このような燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力が冷却水の圧力よりも大きいときには、気体より液体の方が圧力に対する体積弾性率が大きいので、隔壁で隔てられたガスが冷却水側に侵入することは少ない。
【０００８】
しかし、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力が冷却水の圧力よりも小さいと、隔壁で隔てられた冷却水がガス側に侵入してしまい、燃料電池内の固体高分子膜のガス側表面に液滴が付着してしまうことがある。
【０００９】
上述の特開平７−６７７９号公報に開示された燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止後に冷却水の流れ慣性の影響により冷却水の圧力が充分に小さくなっていない状態で、燃料ガスのパージを行うと、燃料電池内部のガス圧力が急激に低下して、冷却水圧力より遙かに低い圧力となる可能性がある。このような状態になると、燃料電池内のガス流路に大量の冷却水が漏れてしまい、固体高分子膜のガス側表面に液滴が付着する可能性がある。
【００１０】
このように、燃料電池の運転停止時に固体高分子膜に液滴が付着すると、再度燃料電池の運転を開始するときの発電効率の低下、電極の劣化、固体高分子膜の劣化を早める、という問題点が更に発生する。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の運転を停止した後に燃料電池内のガス流路に冷却媒体が漏れることを確実に防止することができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出弁と、冷却媒体を冷却流路に循環させて上記燃料電池内を冷却する燃料電池冷却手段と、上記冷却媒体の圧力を検出する冷却媒体圧力検出手段と、上記燃料電池の運転停止を検出した後に、上記冷却媒体圧力検出手段で検出された上記冷却媒体の圧力が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定圧力値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する排出弁制御手段とを備える。
【００１３】
請求項２に係る発明では、外気圧を検出する外気圧検出手段と、上記冷却媒体の圧力と上記外気圧検出手段で検出された外気圧との差圧を演算する差圧演算手段とを更に備え、上記排出弁制御手段は、上記差圧演算手段で演算された差圧が、上記冷却媒体が上記酸化剤極又は上記燃料極に流入しない所定差圧値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１４】
請求項３に係る発明では、上記排出弁制御手段は、上記冷却媒体の圧力が外気圧以上であって、上記冷却媒体の圧力と外気圧との差圧が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない外気圧の値の所定割合以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１５】
請求項４に係る発明では、上記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記排出弁制御手段は、上記電圧検出手段で検出された発電電圧値が、上記燃料電池を発電中止させる所定値以下となった場合に、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１６】
請求項５に係る発明では、上記燃料電池の運転停止を検出した時刻からの経過時間を計測する経過時間計測手段を更に備え、上記排出弁制御手段は、上記経過時間計測手段で計測された経過時間が、上記燃料電池の運転停止検出時の冷却水圧力に応じて定められた上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定時間を経過したと判定したら、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池の運転停止を検出した後に、冷却媒体の圧力と、所定圧力値とを比較した比較結果に基づいて、燃料ガスの排出を禁止するので、燃料ガス排出弁を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力と同じとなることを防止し、冷却水圧力との差圧が急激に大きくなることを防止することができ、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、冷却媒体の圧力と外気圧との差圧と、所定差圧値とを比較した比較結果に基づいて、燃料ガスの排出を禁止するので、請求項１に係る発明と同様に、燃料ガス排出弁を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力と同じとなることを防止し、冷却水圧力との差圧が急激に大きくなることを防止し、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、冷却媒体の圧力が外気圧以上であって、冷却媒体の圧力と外気圧との差圧が外気圧の値の所定割合以下となるまで、燃料ガスの排出を禁止するので、請求項１及び請求項２に係る発明と比較して、更に、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、発電電圧値が所定値以下となったと判定することにより燃料電池からの発電中止を判定し、燃料ガスを排出するので、燃料電池の運転停止後に燃料ガスを排出させないで、発電を続けて燃料ガス濃度が薄くなると共に、生成水が高分子膜に付着する量が増え、燃料電池の発電効率が悪くなり、この状態で発電を続けることにより燃料電池の劣化を早めることを防止することができる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の運転停止を検出した時刻からの経過時間が燃料電池の運転停止検出時の冷却水圧力に基いた所定時間を経過したと判定したら、燃料ガスを排出するので、冷却水系に異常が発生したときに冷却水圧力が下がらず、燃料電池内の冷却水流路の流量が小さくなった場合には燃料電池の冷却能力が下がり、この状態で燃料電池の発電を続けることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、冷却水系の異常により冷却能力が下がったまま発電を続けることにより、燃料電池の温度が上昇して高分子膜の劣化を早めることを防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明は、例えば図１及び図３に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００２６】
［燃料電池システムの機能的な構成］
図１に、燃料電池システムの機能的な構成を示す。この燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路、冷却水を通過させる冷却水流路が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。
【００２７】
この燃料電池システムは、各部の動作を制御する制御部（図１には図示せず。）２９が備えられている。制御部２９としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられており、この制御部２９によって各部が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。
【００２８】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の燃料極で消費されずに排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出弁２と、燃料電池スタック１を所定温度に保つために燃料電池スタック１内に冷却水を循環させる冷却水循環手段（図１には図示せず。）と、冷却水の圧力を検出すると共に外気の圧力を検出して冷却水圧力と外気圧力との差圧を検出する差圧検出手段３と、外部からの停止命令などの入力に従って燃料電池スタック１の運転停止を判定する燃料電池運転停止判断手段４と、差圧検出手段３で検出された差圧と判断停止信号に従って燃料ガス排出弁２を制御する燃料ガス排出制御手段５とを備えて構成されている。
【００２９】
このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を開始するに際して、制御部２９の制御に従って、燃料電池スタック１の酸素極１ａに酸素を含む酸化剤ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の燃料極１ｂに水素を含む燃料ガスを供給する。また、この燃料電池スタック１では、燃料電池スタック１を駆動している時において、燃料電池スタック１を高発電効率で駆動するために所定温度に燃料電池スタック１をするために冷却水を循環させる。
【００３０】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池運転停止判断手段４により燃料電池スタック１の運転停止が検出されて、燃料電池スタック１の運転を停止するに際して、差圧検出手段３により差圧を演算し、燃料ガス排出制御手段５により差圧に基づいた燃料ガス排出弁２の開放禁止又は開放許可を制御する。
【００３１】
このような燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料電池運転停止判断手段４により燃料電池スタック１の運転が停止したことを時刻ｔ１で判断すると、制御部により冷却水を循環させる手段を停止させて時刻ｔ１以降から冷却水圧力を低下させる（特性Ａ）。
【００３２】
このとき、差圧検出手段３は常時冷却水圧力と外気圧力との差圧を求めて燃料ガス排出制御手段５に送出しており、燃料ガス排出制御手段５は、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧を示す所定値P_tlevと、燃料電池運転停止判断手段４で検出した差圧との比較をしている。
【００３３】
そして、冷却水圧力が徐々に減少して時刻ｔ２において、差圧が所定値P_tlevとなることにより、図２（ｂ）の特性Ｂに示すように燃料電池運転停止判断手段４により燃料ガス排出弁２の開度を大きくし、図２（ａ）の特性Ｃに示すように燃料ガス圧力を下げるために燃料ガス排出弁２を開放する。
【００３４】
［燃料電池システムの具体的な構成］
図３に、燃料電池システムの具体的な構成を示す。
【００３５】
この燃料電池システムは、燃料ガスとなる水素を貯蔵している燃料ガス供給装置１１、シャット弁１２、燃料ガス圧力調整弁１３及び燃料ガス循環装置１４が燃料ガス供給流路Ｌ１で挿通され、凝縮水回収装置１５及び凝縮水回収装置１６が燃料ガス循環流路Ｌ２で挿通され、更に燃料ガス排出流路Ｌ３に燃料ガス排出弁１７が挿通されてなる燃料ガス系を備える。
【００３６】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を運転するに際して、制御部２９によりシャット弁１２を全開状態にし、燃料ガス供給装置１１に高圧状態で貯蔵された水素を燃料ガス圧力調整弁１３により減圧し、燃料ガス供給流路Ｌ１を介して燃料ガス循環装置１４に供給する。
【００３７】
燃料ガス循環装置１４は、燃料ガス圧力調整弁１３からの燃料ガスと、燃料電池スタック１の燃料極１ｂを通過した燃料ガスとを混合させて凝縮水回収装置１５に供給する。
【００３８】
凝縮水回収装置１５は、凝縮水回収装置１５からの燃料ガスからガス中の水分を分離して、燃料電池スタック１に供給する。燃料ガス排出弁１７は、燃料ガス循環装置１４から供給されるまでに燃料ガス循環流路Ｌ２内での放熱冷却などにより燃料ガス中の水蒸気が凝縮したことによる水分を除去する。
【００３９】
これにより、燃料電池システムでは、燃料ガス圧力調整弁１３で調整した圧力で燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する。
【００４０】
凝縮水回収装置１６は、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスから水分を分離して回収して燃料ガスを燃料ガス循環装置１４に供給する。
【００４１】
燃料ガス排出弁１７は、制御部２９からの制御信号に従って開閉制御される。この燃料ガス排出弁１７は、開状態にされることで、燃料ガス循環流路Ｌ２中及び燃料電池スタック１内の燃料ガスを燃料ガス排出流路Ｌ３に導いて、外部に排出する。この燃料ガス排出弁１７は、制御部２９により、燃料電池スタック１の発電電力出力要求が急に小さくなったときや、燃料電池スタック１の運転を停止するときに、燃料ガス循環流路Ｌ２中の燃料ガスが燃料電池スタック１で消費しきれなくなる場合に開状態にされる。
【００４２】
また、この燃料電池システムは、燃料ガス循環流路Ｌ２上であって燃料電池スタック１の燃料ガス入口に配設され、燃料電池スタック１に供給される燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力センサ１８を備える。この燃料ガス圧力センサ１８は、検出した燃料ガス圧力値をセンサ信号として制御部２９に送出する。
【００４３】
更に、この燃料電池システムは、空気圧縮機１９及び空気冷却機２０が空気供給流路Ｌ４に挿通され、凝縮水回収装置２１及び空気ガス圧力調整弁２２が空気調圧流路Ｌ５に挿通され、更に空気ガスパージ弁２３が空気ガスパージ流路Ｌ６に挿通されてなる酸化剤ガス系を備える。
【００４４】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を運転するに際して、制御部２９により空気圧縮機１９を駆動し、空気圧縮機１９により圧縮したことで高温となった空気を燃料電池スタック１で効率良く使用するために空気冷却機２０で冷却して燃料電池スタック１に供給する。このとき、燃料電池スタック１では、制御部２９により空気ガス圧力調整弁２２の開度を調整することで、空気供給流路Ｌ４及び空気調圧流路Ｌ５での空気圧力の調整をする。
【００４５】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の酸化剤極１ａで使用されずに余った空気ガスを燃料電池スタック１から排出し、凝縮水回収装置２１により排出した空気ガスから水分を回収して空気ガス圧力調整弁２２を介して外部に排出する。
【００４６】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を停止するに際して、空気調圧流路Ｌ５及び燃料電池スタック１中の空気ガスを外部に排出するために、空気ガスパージ弁２３を開状態にすることで空気ガスパージ流路Ｌ６に空気ガスを導く。
【００４７】
更にまた、この燃料電池システムは、空気圧縮機１９により取り込まれる外気の圧力を検出する外気圧センサ２４を備える。この外気圧センサ２４は、外気圧力を検出して制御部２９にセンサ信号として送出する。
【００４８】
更にまた、この燃料電池システムは、冷却水ポンプ２５、温調器２６及びリザーバタンク２７が冷却水循環流路Ｌ７に挿通されてなる冷却水系を備える。この冷却水系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体として沸点濃度を高くしたエチレングリコールなどの冷却水が使用可能である。
【００４９】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転をするに際して、制御部２９により冷却水ポンプ２５が駆動されると共に、ファンなどを駆動して冷却水ポンプ２５からの冷却水を所定温度にし、燃料電池スタック１の冷却水入口での冷却水温度を一定とする。そして、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内を通過して排出した冷却水を再度リザーバタンク２７に蓄積する。このとき、制御部２９は、冷却水ポンプ２５から流出する冷却水の流量を調整することで、冷却水圧力を調整する。
【００５０】
更にまた、この燃料電池システムは、温調器２６から燃料電池スタック１に冷却水を供給する冷却水循環流路Ｌ７上に、冷却水の圧力を検出する冷却水圧力センサ２８を備える。この冷却水圧力センサ２８は、燃料電池スタック１の冷却水入口近傍に設けられることで、燃料電池スタック１内での冷却水圧力に近い冷却水圧力値をセンサ信号として制御部２９に送出する。
【００５１】
制御部２９は、外部からの燃料電池スタック１を駆動開始する命令が入力されると、シャット弁１２及び燃料ガス圧力調整弁１３に制御信号を出力して燃料電池スタック１に燃料ガスを供給すると共に、空気圧縮機１９及び空気ガス圧力調整弁２２に制御信号を出力して燃料電池スタック１に空気ガスを供給し、更に、冷却水ポンプ２５に制御信号を出力して燃料電池スタック１中に冷却水を循環させる。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１を発電開始させる。
【００５２】
また、制御部２９は、外部からアクセル開度などを示す信号に従った燃料電池スタック１の発電電力量を認識し、燃料ガス圧力調整弁１３に制御信号を出力することによる燃料ガス流量（圧力）の調整、空気圧縮機１９及び空気ガス圧力調整弁２２に制御信号を出力することによる空気ガス流量及び圧力の調整、冷却水ポンプ２５及び温調器２６に制御信号を出力することによる燃料電池スタック１の温度調整をする。ここで、制御部２９は、燃料ガス圧力センサ１８及び冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号を参照することで、燃料ガス圧力と、冷却水圧力とをほぼ同じ圧力値とする。
【００５３】
更に、制御部２９は、外部からの信号や燃料電池システムの異常により燃料電池スタック１を運転停止することを判断したときには、冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号に基づく冷却水圧力、外気圧センサ２４からのセンサ信号に基づく外気圧力と、予め内部に格納しておいた所定値とを用いて、燃料ガス排出弁１７を開放して燃料電池スタック１内の燃料ガスを外部に排出するパージ動作のタイミングを制御する燃料ガス排出弁制御処理をする。
【００５４】
［燃料電池システムの燃料ガス排出弁制御処理］
「第１燃料ガス排出弁制御処理」
図４に、第１燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。図４に示す第１燃料ガス排出弁制御処理を行うに際して、制御部２９は、内部に予め記憶しておいた排出弁制御プログラムを所定時間間隔で実行することで、ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を繰り返して行う。
【００５５】
先ず、ステップＳ１において、制御部２９は、外部からの命令に応じて、燃料電池スタック１の運転を停止するか否かを検出し、運転停止モードであると判定したときにはステップＳ２に処理を進め、運転停止モードではないと判定したときには今回の処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ２において、制御部２９は、冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号を入力して冷却水圧力P_LLCを検出すると共に、外気圧センサ２４からのセンサ信号を入力して外気圧力P_ambを検出して、ステップＳ３に処理を進める。
【００５７】
ステップＳ３において、制御部２９は、ステップＳ２で検出した冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰを演算して、ステップＳ４に処理を進める。
【００５８】
ステップＳ４において、制御部２９は、ステップＳ３で演算して得た差圧ΔＰと、予め内部に格納しておいた所定値P_tlevとを比較して、差圧ΔＰより所定値P_tlevが小さいと判定したときにはステップＳ５に処理を進め、小さくないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００５９】
ステップＳ５において、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７の開放を許可して、処理を終了する。すなわち、制御部２９は、全開状態にする制御信号を燃料ガス排出弁１７に出力して、燃料電池スタック１の運転停止後に燃料電池スタック１中に残留する燃料ガスを燃料ガス排出流路Ｌ３を介して排出するパージ動作をさせる。
【００６０】
一方、ステップＳ６において、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止して、処理を終了する。すなわち、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７を全開状態にする制御信号を出力せずに、燃料電池スタック１の運転停止後でもパージ動作をまだ行わないとする。
【００６１】
このような第１燃料ガス排出弁制御処理を行う制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転停止を判定した後、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが所定値P_tlev以下となるまでは、ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を繰り返し行い、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止するので、燃料ガス排出弁１７を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力P_ambと同じとなるようなことが無く、冷却水圧力P_LLCとの差圧ΔＰが急激に大きくなるようなことが無い。
【００６２】
したがって、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池スタック１を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００６３】
図２を用いて説明すると、時刻ｔ１で燃料電池スタック１の運転停止をすると共に、冷却水ポンプ２５の駆動停止をし、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが所定値P_tlevより小さくなる冷却水圧力P_LLCとなった時刻ｔ２以降で燃料ガス排出弁１７を開放する。
【００６４】
これにより、例えば時刻ｔ１１において、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが大きく、冷却水圧力P_LLCが充分に下がっていない状態で燃料ガス排出弁１７を開放してしまい（特性Ｄ）、時刻ｔ１２以降で冷却水圧力P_LLCが燃料ガス圧力よりも高くなってしまって（特性Ｅ）、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に冷却水が流れ込むようなことを防止することができる。
【００６５】
「第２燃料ガス排出弁制御処理」
図５に、第２燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００６６】
第２燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ３の次のステップＳ１１において、制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_amb以上で、且つ差圧ΔＰが外気圧力P_ambの所定割合以下（本例では一割以下）であるか否かを判定する。
【００６７】
制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_amb以上で、且つ差圧ΔＰが外気圧力P_ambの一割以下であると判定したときにはステップＳ５に処理を進めて、燃料ガス排出弁１７を全開状態にして処理を終了する。
一方、制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_ambより小さいと判定した場合、又は差圧ΔＰが外気圧力P_ambの一割以下でないと判定した場合には、パージ動作をしたときに冷却水が燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に漏れる可能性があるとし、ステップＳ６に処理を進め、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止した状態で処理を終了する。
【００６８】
このような処理をする制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理よりも更に、燃料電池スタック１内のガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池スタック１を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００６９】
「第３燃料ガス排出弁制御処理」
図６に、第３燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７０】
第３燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ３の次のステップＳ２１において、制御部２９は、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ（図示せず。）からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の電圧Vstkを検出して、ステップＳ２２に処理を進める。
【００７１】
ステップＳ２２において、制御部２９は、ステップＳ２１で検出した燃料電池スタック１の電圧Vstkが、予め内部に格納しておいた電圧所定値V_tlevよりも小さいか否かの判定をする。ここで、電圧所定値V_tlevは、ステップＳ１で燃料電池スタック１の運転停止を検出した後に、燃料電池スタック１内の燃料ガス濃度が薄くなって燃料電池スタック１の発電効率が低くなるのを検出するため値である。制御部２９は、燃料電池スタック１の電圧Vstkが電圧所定値V_tlevよりも小さいと判定したときにはステップＳ２３に処理を進め、小さくないと判定したときにはステップＳ４に処理を進める。
【００７２】
ステップＳ２３において、制御部２９は、全閉状態にするようにシャット弁１２に制御信号を出力し、燃料ガス供給装置１１から燃料電池スタック１への燃料ガスの供給を停止させる。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１から電流を取り出すのを禁止してステップＳ５に処理を進め、全開状態とする制御信号を燃料ガス排出弁１７に出力してパージ動作をする。
【００７３】
このような処理をする燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の電圧Vstkが電圧所定値V_tlev以下となったら、燃料電池スタック１での発電を中止して燃料ガス排出弁１７を開放することができる。
【００７４】
したがって、この燃料電池システムによれば、上述した効果に加え、燃料電池スタック１の運転停止後に燃料ガスを排出させないで、燃料ガス循環流路Ｌ２内に加圧したまま、高分子膜で水素及び酸素の反応を続けて燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガス濃度が薄くなると共に、生成水が高分子膜に付着する量が増え、燃料電池スタック１の発電効率が悪くなり、この状態で発電を続けることによる燃料電池スタック１の劣化を早めることを防止することができる。
【００７５】
なお、第３燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ２２の次にステップＳ４を行う一例について説明したが、第２燃料ガス排出弁制御処理におけるステップＳ１１を行っても、同様の効果を得ることができる。
【００７６】
「第４燃料ガス排出弁制御処理」
図７に、第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７７】
第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ１において燃料電池スタック１の運転停止を検出しなかったときにステップＳ３１の処理を行う。ステップＳ３１において、制御部２９は、次回以降のステップＳ１で燃料電池スタック１の運転停止が検出されたときの準備のために、燃料電池スタック１の運転停止の直後であるか否かを判定するために参照される停止直後判定フラグafterSTOPの値を「１」にして、内部メモリに格納しておいて、処理を終了する。
【００７８】
一方、ステップＳ１において燃料電池スタック１の運転停止を検出したときにはステップＳ３２に処理を進める。ステップＳ３２において、制御部２９は、内部メモリに格納された停止直後判定フラグafterSTOPの値を参照して、燃料電池スタック１が運転停止直後か否かの判定をする。制御部２９は、停止直後判定フラグafterSTOPの値が「１」であるときには運転停止直後であると判定してステップＳ３３に処理を進め、停止直後判定フラグafterSTOPの値が「０」であるときには運転停止直後でないと判定してステップＳ３４に処理を進める。
【００７９】
ステップＳ３３において、制御部２９は、停止直後判定フラグafterSTOPの値を「０」にクリアすると共に、図示しない減算タイマ回路のカウンタ値decTIMを初期値initTIMに設定して、ステップＳ２に処理を進める。
【００８０】
ここで、初期値initTIMは、図８に示すように、冷却水系が正常動作するときに冷却水圧力が低下するのに要する標準的な時間を示し、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが大きくなることに応じて長く設定される。制御部２９は、図８に示すような冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰに対する初期値initTIMをテーブルとして保持している。
【００８１】
これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１が運転停止とされる時の冷却水圧力の高いときと低いときとで、冷却水ポンプ２５を停止させてから冷却水圧力が所定値P_tlevまで低下するまでの経過時間が異なることに対応させる。
【００８２】
一方、ステップＳ３４において、制御部２９は、減算タイマ回路によりカウンタ値decTIMの値をデクリメントする制御をして（decTIM＝decTIM−１）、ステップＳ２に処理を進める。
【００８３】
ここで、ステップＳ１で運転停止と判断されなかった場合にはステップＳ３１において停止直後判定フラグafterSTOPの値が「１」に設定され、ステップＳ１で運転停止と判断された場合にはステップＳ３３で停止直後判定フラグafterSTOPの値が「０」に設定されるので、次回に第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときにはステップＳ３２では運転停止直後とは判断されない。
【００８４】
これにより、制御部２９は、所定時間ごとに第４燃料ガス排出弁制御処理を行う度にカウンタ値decTIMを減算して燃料電池スタック１の運転停止を判断した時からの経過時間を計測する。
【００８５】
ステップＳ３３又はステップＳ３４の次には、制御部２９は、上述と同様にステップＳ２〜ステップＳ４までの処理をし、ステップＳ４において差圧ΔＰが所定値P_tlev以下であると判定したときにはステップＳ３５に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ３５において、制御部２９は、減算タイマ回路のカウンタ値decTIMが「０」であるか否かの判定をする。制御部２９は、カウンタ値decTIMが「０」であると判定したときにはステップＳ５に処理を進め、カウンタ値decTIMが「０」でないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００８７】
すなわち、制御部２９は、カウンタ値decTIMが「０」となっているのにも拘わらず差圧ΔＰが所定値P_tlev以下となっていないときには、冷却水ポンプ２５を駆動停止してから冷却水圧力P_LLCが低下する経過時間が長すぎ、冷却水系に異常が発生したと判断して燃料ガス排出弁１７の開放禁止を解除して燃料ガス排出弁１７を開放する制御をする。ここで、冷却水系に異常が発生する場合としては、例えば冷却水循環流路Ｌ７中に異物が詰まったり、冷却水循環流路Ｌ７の配管が外力により潰れたりする場合が挙げられる。
【００８８】
このような処理をする燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転停止から冷却水圧力P_LLCが所定値P_tlevまで低下するまでの経過時間と、冷却水系が正常に動作するときに冷却水圧力が低下するまでの時間とを比較することにより、冷却水系の異常が発生したことを検出することができる。
【００８９】
したがって、この燃料電池システムによれば、上述した効果に加え、冷却水系に異常が発生したときに冷却水圧力が下がらず、燃料電池スタック１内の冷却水流路の流量が小さくなった場合には燃料電池スタック１の冷却能力が下がり、この状態で燃料電池スタック１の発電を続けることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、冷却水系の異常により冷却能力が下がったまま発電を続けることにより、燃料電池スタック１の温度が上昇して高分子膜の劣化を早めることを防止することができる。
【００９０】
なお、第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ２２の次にステップＳ４を行う一例について説明したが、第２燃料ガス排出弁制御処理におけるステップＳ１１を行っても良く、更には第３燃料ガス排出弁制御処理でのステップＳ２２及びステップＳ２３を併せて行っても、上述と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
「第５燃料ガス排出弁制御処理」
図９に、第５燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００９２】
第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ１の前に、ステップＳ４１において、制御部２９は、燃料電池スタック１の停止が燃料電池システムの異常が発生したことによるのか否かの判定をする。制御部２９は、燃料電池システムの異常が発生したことにより燃料電池スタック１の運転停止を検出したときにはステップＳ４２に処理を進め、燃料電池システムの異常が発生したことによらない場合にはステップＳ１に処理を進める。ここで、燃料電池システムの異常による場合とは、例えば冷却水の対流や、管亀裂等による燃料ガス漏れ等であって、燃料ガスの圧力制御が不能になるときである。
【００９３】
ステップＳ４２において、制御部２９は、燃料電池システムに異常が発生しているので、全開状態にするように燃料ガス排出弁１７に制御信号を出力し、燃料ガス循環流路Ｌ２や燃料電池スタック１中に残留している燃料ガスを強制的に外部に放出する。
【００９４】
このような処理をする制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、燃料電池システムが異常を起こして燃料電池スタック１の運転を停止する時には、冷却水ポンプ２５の動作を停止しても、流れ慣性により直ぐには冷却水圧力が下がらない場合でも、燃料ガスを外気に排出することができるので、続けて燃料電池スタック１に燃料ガスを供給して発電させることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、上述のように固体高分子膜に不要な水を付着させることを防止することができる。
【００９５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９６】
また、上述の実施の形態では、冷却水圧力を検出すると共に、外気圧力を検出して、冷却水圧力及び外気圧力に基づいて燃料ガスを外部に排出する制御をする場合について説明したが、これに限らず、冷却水圧力と所定値とを比較して、冷却水圧力が所定値以下となったら燃料ガスを外部に排出する制御をしても、上述と同様の効果を得ることができる。ここで、冷却水圧力と比較される所定値は、燃料ガスを外部に排出したときに燃料電池スタック１の損傷などが発生しない程度の冷却水圧力に相当する値として予め制御部２９に格納しておく。これにより、上述した第１燃料ガス排出弁制御処理と比較しても、簡単な処理で上述と同様の効果を得ることができる。
【００９７】
更にまた、上述の実施の形態では、冷却水ポンプ２５の吹き出し流量を制御することにより冷却水圧力を制御する構成について説明したが、これに限らず、冷却水循環流路Ｌ７にオリフィス弁などを設け、冷却水圧力の制御を行っても良い。
【００９８】
更にまた、上述の実施の形態では、燃料ガスについてのパージ動作を行う排出弁として、全開又は全閉に制御される燃料ガス排出弁１７を使用した一例について説明したが、これに限らず、開度が制御可能な流量圧力制御弁を使用しても良い。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１の運転中に、冷却水圧力の変化に応じて燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガス圧力を変化させて、燃料ガス圧力と冷却水圧力とがほぼ同じとする制御をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの機能的な構成を示すブロック図である。
【図２】制御部による燃料ガス排出弁の開放タイミングを説明する図であり、（ａ）は時間経過に伴う燃料ガス圧力及び冷却水圧力の変化を示し、（ｂ）は時間経過に伴う燃料ガス排出弁の開度の変化を示す。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムの具体的な構成を示す図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムによる第１燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムによる第２燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムによる第３燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムによる第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】減算タイマ回路の初期値initTIMを決定するときのテーブルについて説明するための図である。
【図９】本発明を適用した燃料電池システムによる第５燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料ガス排出弁
３ 差圧検出手段
４ 燃料電池運転停止判断手段
５ 燃料ガス排出制御手段
１１ 燃料ガス供給装置
１２ シャット弁
１７ 燃料ガス排出弁
１８ 燃料ガス圧力センサ
１９ 空気圧縮機
２４ 外気圧センサ
２５ 冷却水ポンプ
Ｌ１ 燃料ガス供給流路
Ｌ２ 燃料ガス循環流路
Ｌ３ 燃料ガス排出流路
Ｌ４ 空気供給流路
Ｌ５ 空気調圧流路
Ｌ６ 空気ガスパージ流路
Ｌ７ 冷却水循環流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の運転を停止するに際して燃料電池の冷却媒体の圧力に基づいて燃料ガスの排出をする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特開平７−２７２７４０号公報で開示されているように、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに水素を燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境の悪化防止に対しても優れているという利点がある。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料ガスの消費量を低減すると共に、燃料ガス量に対する発電量を多くすることが望ましい。そこで、燃料電池システムでは、燃料電池の燃料極からの排出燃料ガスを再循環することにより、排出燃料ガスと新たな水素の濃い燃料ガスとを混合させて燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く提案されている。
【０００４】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止した後に、酸化剤極及び燃料極にガスをいつまでも残留させておくと、残留ガスにより効率の悪い発電をさせてしまうことを防ぐことが望ましい。そこで、従来の燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを通過させる燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に、燃料ガス及び酸化剤ガスを大気に排出するためのパージ弁を設け、燃料電池の運転停止時にはこれらのパージ弁を開放する。
【０００５】
例えば、特開平７−６７７９号公報では、燃料電池内に残留するガスによる効率の悪い発電が生じるような場合を、燃料電池の発電電圧を監視することで検出し、発電電圧が小さくなったらパージ弁を開放して燃料電池システムの動作を終了させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は発電に伴って熱を発生するが、発電効率が高い作動温度範囲が限られている。従来の燃料電池システムでは、燃料電池にとって発電効率の高い作動温度で燃料電池を運転するために、燃料電池内に冷却水を流し、燃料電池本体を所定温度に保つ。従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池に冷却水を流すときには、燃料電池内ではガスの温度上昇が最も大きく、ガス温度を下げるために、ガスのできるだけ近くに冷却水を流す必要がある。
【０００７】
したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスと冷却水とを多孔質の膜を隔壁として構成し冷却水を流す燃料電池を使用することが多い。このような燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力が冷却水の圧力よりも大きいときには、気体より液体の方が圧力に対する体積弾性率が大きいので、隔壁で隔てられたガスが冷却水側に侵入することは少ない。
【０００８】
しかし、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力が冷却水の圧力よりも小さいと、隔壁で隔てられた冷却水がガス側に侵入してしまい、燃料電池内の固体高分子膜のガス側表面に液滴が付着してしまうことがある。
【０００９】
上述の特開平７−６７７９号公報に開示された燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止後に冷却水の流れ慣性の影響により冷却水の圧力が充分に小さくなっていない状態で、燃料ガスのパージを行うと、燃料電池内部のガス圧力が急激に低下して、冷却水圧力より遙かに低い圧力となる可能性がある。このような状態になると、燃料電池内のガス流路に大量の冷却水が漏れてしまい、固体高分子膜のガス側表面に液滴が付着する可能性がある。
【００１０】
このように、燃料電池の運転停止時に固体高分子膜に液滴が付着すると、再度燃料電池の運転を開始するときの発電効率の低下、電極の劣化、固体高分子膜の劣化を早める、という問題点が更に発生する。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の運転を停止した後に燃料電池内のガス流路に冷却媒体が漏れることを確実に防止することができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出弁と、冷却媒体を冷却流路に循環させて上記燃料電池内を冷却する燃料電池冷却手段と、上記冷却媒体の圧力を検出する冷却媒体圧力検出手段と、上記燃料電池の運転停止を検出した後に、上記冷却媒体圧力検出手段で検出された上記冷却媒体の圧力が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定圧力値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する排出弁制御手段とを備える。
【００１３】
請求項２に係る発明では、外気圧を検出する外気圧検出手段と、上記冷却媒体の圧力と上記外気圧検出手段で検出された外気圧との差圧を演算する差圧演算手段とを更に備え、上記排出弁制御手段は、上記差圧演算手段で演算された差圧が、上記冷却媒体が上記酸化剤極又は上記燃料極に流入しない所定差圧値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１４】
請求項３に係る発明では、上記排出弁制御手段は、上記冷却媒体の圧力が外気圧以上であって、上記冷却媒体の圧力と外気圧との差圧が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない外気圧の値の所定割合以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１５】
請求項４に係る発明では、上記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記排出弁制御手段は、上記電圧検出手段で検出された発電電圧値が、上記燃料電池を発電中止させる所定値以下となった場合に、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１６】
請求項５に係る発明では、上記燃料電池の運転停止を検出した時刻からの経過時間を計測する経過時間計測手段を更に備え、上記排出弁制御手段は、上記経過時間計測手段で計測された経過時間が、上記燃料電池の運転停止検出時の冷却水圧力に応じて定められた上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定時間を経過したと判定したら、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御する。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池の運転停止を検出した後に、冷却媒体の圧力と、所定圧力値とを比較した比較結果に基づいて、燃料ガスの排出を禁止するので、燃料ガス排出弁を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力と同じとなることを防止し、冷却水圧力との差圧が急激に大きくなることを防止することができ、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、冷却媒体の圧力と外気圧との差圧と、所定差圧値とを比較した比較結果に基づいて、燃料ガスの排出を禁止するので、請求項１に係る発明と同様に、燃料ガス排出弁を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力と同じとなることを防止し、冷却水圧力との差圧が急激に大きくなることを防止し、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、冷却媒体の圧力が外気圧以上であって、冷却媒体の圧力と外気圧との差圧が外気圧の値の所定割合以下となるまで、燃料ガスの排出を禁止するので、請求項１及び請求項２に係る発明と比較して、更に、燃料電池内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、発電電圧値が所定値以下となったと判定することにより燃料電池からの発電中止を判定し、燃料ガスを排出するので、燃料電池の運転停止後に燃料ガスを排出させないで、発電を続けて燃料ガス濃度が薄くなると共に、生成水が高分子膜に付着する量が増え、燃料電池の発電効率が悪くなり、この状態で発電を続けることにより燃料電池の劣化を早めることを防止することができる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の運転停止を検出した時刻からの経過時間が燃料電池の運転停止検出時の冷却水圧力に基いた所定時間を経過したと判定したら、燃料ガスを排出するので、冷却水系に異常が発生したときに冷却水圧力が下がらず、燃料電池内の冷却水流路の流量が小さくなった場合には燃料電池の冷却能力が下がり、この状態で燃料電池の発電を続けることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、冷却水系の異常により冷却能力が下がったまま発電を続けることにより、燃料電池の温度が上昇して高分子膜の劣化を早めることを防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明は、例えば図１及び図３に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００２６】
［燃料電池システムの機能的な構成］
図１に、燃料電池システムの機能的な構成を示す。この燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路、冷却水を通過させる冷却水流路が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。
【００２７】
この燃料電池システムは、各部の動作を制御する制御部（図１には図示せず。）２９が備えられている。制御部２９としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられており、この制御部２９によって各部が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。
【００２８】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の燃料極で消費されずに排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出弁２と、燃料電池スタック１を所定温度に保つために燃料電池スタック１内に冷却水を循環させる冷却水循環手段（図１には図示せず。）と、冷却水の圧力を検出すると共に外気の圧力を検出して冷却水圧力と外気圧力との差圧を検出する差圧検出手段３と、外部からの停止命令などの入力に従って燃料電池スタック１の運転停止を判定する燃料電池運転停止判断手段４と、差圧検出手段３で検出された差圧と判断停止信号に従って燃料ガス排出弁２を制御する燃料ガス排出制御手段５とを備えて構成されている。
【００２９】
このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を開始するに際して、制御部２９の制御に従って、燃料電池スタック１の酸素極１ａに酸素を含む酸化剤ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の燃料極１ｂに水素を含む燃料ガスを供給する。また、この燃料電池スタック１では、燃料電池スタック１を駆動している時において、燃料電池スタック１を高発電効率で駆動するために所定温度に燃料電池スタック１をするために冷却水を循環させる。
【００３０】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池運転停止判断手段４により燃料電池スタック１の運転停止が検出されて、燃料電池スタック１の運転を停止するに際して、差圧検出手段３により差圧を演算し、燃料ガス排出制御手段５により差圧に基づいた燃料ガス排出弁２の開放禁止又は開放許可を制御する。
【００３１】
このような燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料電池運転停止判断手段４により燃料電池スタック１の運転が停止したことを時刻ｔ１で判断すると、制御部により冷却水を循環させる手段を停止させて時刻ｔ１以降から冷却水圧力を低下させる（特性Ａ）。
【００３２】
このとき、差圧検出手段３は常時冷却水圧力と外気圧力との差圧を求めて燃料ガス排出制御手段５に送出しており、燃料ガス排出制御手段５は、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧を示す所定値P_tlevと、燃料電池運転停止判断手段４で検出した差圧との比較をしている。
【００３３】
そして、冷却水圧力が徐々に減少して時刻ｔ２において、差圧が所定値P_tlevとなることにより、図２（ｂ）の特性Ｂに示すように燃料電池運転停止判断手段４により燃料ガス排出弁２の開度を大きくし、図２（ａ）の特性Ｃに示すように燃料ガス圧力を下げるために燃料ガス排出弁２を開放する。
【００３４】
［燃料電池システムの具体的な構成］
図３に、燃料電池システムの具体的な構成を示す。
【００３５】
この燃料電池システムは、燃料ガスとなる水素を貯蔵している燃料ガス供給装置１１、シャット弁１２、燃料ガス圧力調整弁１３及び燃料ガス循環装置１４が燃料ガス供給流路Ｌ１で挿通され、凝縮水回収装置１５及び凝縮水回収装置１６が燃料ガス循環流路Ｌ２で挿通され、更に燃料ガス排出流路Ｌ３に燃料ガス排出弁１７が挿通されてなる燃料ガス系を備える。
【００３６】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を運転するに際して、制御部２９によりシャット弁１２を全開状態にし、燃料ガス供給装置１１に高圧状態で貯蔵された水素を燃料ガス圧力調整弁１３により減圧し、燃料ガス供給流路Ｌ１を介して燃料ガス循環装置１４に供給する。
【００３７】
燃料ガス循環装置１４は、燃料ガス圧力調整弁１３からの燃料ガスと、燃料電池スタック１の燃料極１ｂを通過した燃料ガスとを混合させて凝縮水回収装置１５に供給する。
【００３８】
凝縮水回収装置１５は、凝縮水回収装置１５からの燃料ガスからガス中の水分を分離して、燃料電池スタック１に供給する。燃料ガス排出弁１７は、燃料ガス循環装置１４から供給されるまでに燃料ガス循環流路Ｌ２内での放熱冷却などにより燃料ガス中の水蒸気が凝縮したことによる水分を除去する。
【００３９】
これにより、燃料電池システムでは、燃料ガス圧力調整弁１３で調整した圧力で燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する。
【００４０】
凝縮水回収装置１６は、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスから水分を分離して回収して燃料ガスを燃料ガス循環装置１４に供給する。
【００４１】
燃料ガス排出弁１７は、制御部２９からの制御信号に従って開閉制御される。この燃料ガス排出弁１７は、開状態にされることで、燃料ガス循環流路Ｌ２中及び燃料電池スタック１内の燃料ガスを燃料ガス排出流路Ｌ３に導いて、外部に排出する。この燃料ガス排出弁１７は、制御部２９により、燃料電池スタック１の発電電力出力要求が急に小さくなったときや、燃料電池スタック１の運転を停止するときに、燃料ガス循環流路Ｌ２中の燃料ガスが燃料電池スタック１で消費しきれなくなる場合に開状態にされる。
【００４２】
また、この燃料電池システムは、燃料ガス循環流路Ｌ２上であって燃料電池スタック１の燃料ガス入口に配設され、燃料電池スタック１に供給される燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力センサ１８を備える。この燃料ガス圧力センサ１８は、検出した燃料ガス圧力値をセンサ信号として制御部２９に送出する。
【００４３】
更に、この燃料電池システムは、空気圧縮機１９及び空気冷却機２０が空気供給流路Ｌ４に挿通され、凝縮水回収装置２１及び空気ガス圧力調整弁２２が空気調圧流路Ｌ５に挿通され、更に空気ガスパージ弁２３が空気ガスパージ流路Ｌ６に挿通されてなる酸化剤ガス系を備える。
【００４４】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を運転するに際して、制御部２９により空気圧縮機１９を駆動し、空気圧縮機１９により圧縮したことで高温となった空気を燃料電池スタック１で効率良く使用するために空気冷却機２０で冷却して燃料電池スタック１に供給する。このとき、燃料電池スタック１では、制御部２９により空気ガス圧力調整弁２２の開度を調整することで、空気供給流路Ｌ４及び空気調圧流路Ｌ５での空気圧力の調整をする。
【００４５】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の酸化剤極１ａで使用されずに余った空気ガスを燃料電池スタック１から排出し、凝縮水回収装置２１により排出した空気ガスから水分を回収して空気ガス圧力調整弁２２を介して外部に排出する。
【００４６】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を停止するに際して、空気調圧流路Ｌ５及び燃料電池スタック１中の空気ガスを外部に排出するために、空気ガスパージ弁２３を開状態にすることで空気ガスパージ流路Ｌ６に空気ガスを導く。
【００４７】
更にまた、この燃料電池システムは、空気圧縮機１９により取り込まれる外気の圧力を検出する外気圧センサ２４を備える。この外気圧センサ２４は、外気圧力を検出して制御部２９にセンサ信号として送出する。
【００４８】
更にまた、この燃料電池システムは、冷却水ポンプ２５、温調器２６及びリザーバタンク２７が冷却水循環流路Ｌ７に挿通されてなる冷却水系を備える。この冷却水系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体として沸点濃度を高くしたエチレングリコールなどの冷却水が使用可能である。
【００４９】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転をするに際して、制御部２９により冷却水ポンプ２５が駆動されると共に、ファンなどを駆動して冷却水ポンプ２５からの冷却水を所定温度にし、燃料電池スタック１の冷却水入口での冷却水温度を一定とする。そして、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内を通過して排出した冷却水を再度リザーバタンク２７に蓄積する。このとき、制御部２９は、冷却水ポンプ２５から流出する冷却水の流量を調整することで、冷却水圧力を調整する。
【００５０】
更にまた、この燃料電池システムは、温調器２６から燃料電池スタック１に冷却水を供給する冷却水循環流路Ｌ７上に、冷却水の圧力を検出する冷却水圧力センサ２８を備える。この冷却水圧力センサ２８は、燃料電池スタック１の冷却水入口近傍に設けられることで、燃料電池スタック１内での冷却水圧力に近い冷却水圧力値をセンサ信号として制御部２９に送出する。
【００５１】
制御部２９は、外部からの燃料電池スタック１を駆動開始する命令が入力されると、シャット弁１２及び燃料ガス圧力調整弁１３に制御信号を出力して燃料電池スタック１に燃料ガスを供給すると共に、空気圧縮機１９及び空気ガス圧力調整弁２２に制御信号を出力して燃料電池スタック１に空気ガスを供給し、更に、冷却水ポンプ２５に制御信号を出力して燃料電池スタック１中に冷却水を循環させる。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１を発電開始させる。
【００５２】
また、制御部２９は、外部からアクセル開度などを示す信号に従った燃料電池スタック１の発電電力量を認識し、燃料ガス圧力調整弁１３に制御信号を出力することによる燃料ガス流量（圧力）の調整、空気圧縮機１９及び空気ガス圧力調整弁２２に制御信号を出力することによる空気ガス流量及び圧力の調整、冷却水ポンプ２５及び温調器２６に制御信号を出力することによる燃料電池スタック１の温度調整をする。ここで、制御部２９は、燃料ガス圧力センサ１８及び冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号を参照することで、燃料ガス圧力と、冷却水圧力とをほぼ同じ圧力値とする。
【００５３】
更に、制御部２９は、外部からの信号や燃料電池システムの異常により燃料電池スタック１を運転停止することを判断したときには、冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号に基づく冷却水圧力、外気圧センサ２４からのセンサ信号に基づく外気圧力と、予め内部に格納しておいた所定値とを用いて、燃料ガス排出弁１７を開放して燃料電池スタック１内の燃料ガスを外部に排出するパージ動作のタイミングを制御する燃料ガス排出弁制御処理をする。
【００５４】
［燃料電池システムの燃料ガス排出弁制御処理］
「第１燃料ガス排出弁制御処理」
図４に、第１燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。図４に示す第１燃料ガス排出弁制御処理を行うに際して、制御部２９は、内部に予め記憶しておいた排出弁制御プログラムを所定時間間隔で実行することで、ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を繰り返して行う。
【００５５】
先ず、ステップＳ１において、制御部２９は、外部からの命令に応じて、燃料電池スタック１の運転を停止するか否かを検出し、運転停止モードであると判定したときにはステップＳ２に処理を進め、運転停止モードではないと判定したときには今回の処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ２において、制御部２９は、冷却水圧力センサ２８からのセンサ信号を入力して冷却水圧力P_LLCを検出すると共に、外気圧センサ２４からのセンサ信号を入力して外気圧力P_ambを検出して、ステップＳ３に処理を進める。
【００５７】
ステップＳ３において、制御部２９は、ステップＳ２で検出した冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰを演算して、ステップＳ４に処理を進める。
【００５８】
ステップＳ４において、制御部２９は、ステップＳ３で演算して得た差圧ΔＰと、予め内部に格納しておいた所定値P_tlevとを比較して、差圧ΔＰより所定値P_tlevが小さいと判定したときにはステップＳ５に処理を進め、小さくないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００５９】
ステップＳ５において、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７の開放を許可して、処理を終了する。すなわち、制御部２９は、全開状態にする制御信号を燃料ガス排出弁１７に出力して、燃料電池スタック１の運転停止後に燃料電池スタック１中に残留する燃料ガスを燃料ガス排出流路Ｌ３を介して排出するパージ動作をさせる。
【００６０】
一方、ステップＳ６において、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止して、処理を終了する。すなわち、制御部２９は、燃料ガス排出弁１７を全開状態にする制御信号を出力せずに、燃料電池スタック１の運転停止後でもパージ動作をまだ行わないとする。
【００６１】
このような第１燃料ガス排出弁制御処理を行う制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転停止を判定した後、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが所定値P_tlev以下となるまでは、ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を繰り返し行い、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止するので、燃料ガス排出弁１７を開放したときに燃料ガス圧力が急激に外気圧力P_ambと同じとなるようなことが無く、冷却水圧力P_LLCとの差圧ΔＰが急激に大きくなるようなことが無い。
【００６２】
したがって、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池スタック１を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００６３】
図２を用いて説明すると、時刻ｔ１で燃料電池スタック１の運転停止をすると共に、冷却水ポンプ２５の駆動停止をし、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが所定値P_tlevより小さくなる冷却水圧力P_LLCとなった時刻ｔ２以降で燃料ガス排出弁１７を開放する。
【００６４】
これにより、例えば時刻ｔ１１において、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが大きく、冷却水圧力P_LLCが充分に下がっていない状態で燃料ガス排出弁１７を開放してしまい（特性Ｄ）、時刻ｔ１２以降で冷却水圧力P_LLCが燃料ガス圧力よりも高くなってしまって（特性Ｅ）、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に冷却水が流れ込むようなことを防止することができる。
【００６５】
「第２燃料ガス排出弁制御処理」
図５に、第２燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００６６】
第２燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ３の次のステップＳ１１において、制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_amb以上で、且つ差圧ΔＰが外気圧力P_ambの所定割合以下（本例では一割以下）であるか否かを判定する。
【００６７】
制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_amb以上で、且つ差圧ΔＰが外気圧力P_ambの一割以下であると判定したときにはステップＳ５に処理を進めて、燃料ガス排出弁１７を全開状態にして処理を終了する。
一方、制御部２９は、冷却水圧力P_LLCが外気圧力P_ambより小さいと判定した場合、又は差圧ΔＰが外気圧力P_ambの一割以下でないと判定した場合には、パージ動作をしたときに冷却水が燃料電池スタック１内の燃料ガス流路に漏れる可能性があるとし、ステップＳ６に処理を進め、燃料ガス排出弁１７の開放を禁止した状態で処理を終了する。
【００６８】
このような処理をする制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理よりも更に、燃料電池スタック１内のガス流路に冷却水が漏れることを確実に防止することができ、燃料電池スタック１を構成する部品の劣化を最小限とすることができる。
【００６９】
「第３燃料ガス排出弁制御処理」
図６に、第３燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７０】
第３燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ３の次のステップＳ２１において、制御部２９は、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ（図示せず。）からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の電圧Vstkを検出して、ステップＳ２２に処理を進める。
【００７１】
ステップＳ２２において、制御部２９は、ステップＳ２１で検出した燃料電池スタック１の電圧Vstkが、予め内部に格納しておいた電圧所定値V_tlevよりも小さいか否かの判定をする。ここで、電圧所定値V_tlevは、ステップＳ１で燃料電池スタック１の運転停止を検出した後に、燃料電池スタック１内の燃料ガス濃度が薄くなって燃料電池スタック１の発電効率が低くなるのを検出するため値である。制御部２９は、燃料電池スタック１の電圧Vstkが電圧所定値V_tlevよりも小さいと判定したときにはステップＳ２３に処理を進め、小さくないと判定したときにはステップＳ４に処理を進める。
【００７２】
ステップＳ２３において、制御部２９は、全閉状態にするようにシャット弁１２に制御信号を出力し、燃料ガス供給装置１１から燃料電池スタック１への燃料ガスの供給を停止させる。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１から電流を取り出すのを禁止してステップＳ５に処理を進め、全開状態とする制御信号を燃料ガス排出弁１７に出力してパージ動作をする。
【００７３】
このような処理をする燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の電圧Vstkが電圧所定値V_tlev以下となったら、燃料電池スタック１での発電を中止して燃料ガス排出弁１７を開放することができる。
【００７４】
したがって、この燃料電池システムによれば、上述した効果に加え、燃料電池スタック１の運転停止後に燃料ガスを排出させないで、燃料ガス循環流路Ｌ２内に加圧したまま、高分子膜で水素及び酸素の反応を続けて燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガス濃度が薄くなると共に、生成水が高分子膜に付着する量が増え、燃料電池スタック１の発電効率が悪くなり、この状態で発電を続けることによる燃料電池スタック１の劣化を早めることを防止することができる。
【００７５】
なお、第３燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ２２の次にステップＳ４を行う一例について説明したが、第２燃料ガス排出弁制御処理におけるステップＳ１１を行っても、同様の効果を得ることができる。
【００７６】
「第４燃料ガス排出弁制御処理」
図７に、第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７７】
第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ１において燃料電池スタック１の運転停止を検出しなかったときにステップＳ３１の処理を行う。ステップＳ３１において、制御部２９は、次回以降のステップＳ１で燃料電池スタック１の運転停止が検出されたときの準備のために、燃料電池スタック１の運転停止の直後であるか否かを判定するために参照される停止直後判定フラグafterSTOPの値を「１」にして、内部メモリに格納しておいて、処理を終了する。
【００７８】
一方、ステップＳ１において燃料電池スタック１の運転停止を検出したときにはステップＳ３２に処理を進める。ステップＳ３２において、制御部２９は、内部メモリに格納された停止直後判定フラグafterSTOPの値を参照して、燃料電池スタック１が運転停止直後か否かの判定をする。制御部２９は、停止直後判定フラグafterSTOPの値が「１」であるときには運転停止直後であると判定してステップＳ３３に処理を進め、停止直後判定フラグafterSTOPの値が「０」であるときには運転停止直後でないと判定してステップＳ３４に処理を進める。
【００７９】
ステップＳ３３において、制御部２９は、停止直後判定フラグafterSTOPの値を「０」にクリアすると共に、図示しない減算タイマ回路のカウンタ値decTIMを初期値initTIMに設定して、ステップＳ２に処理を進める。
【００８０】
ここで、初期値initTIMは、図８に示すように、冷却水系が正常動作するときに冷却水圧力が低下するのに要する標準的な時間を示し、冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰが大きくなることに応じて長く設定される。制御部２９は、図８に示すような冷却水圧力P_LLCと外気圧力P_ambとの差圧ΔＰに対する初期値initTIMをテーブルとして保持している。
【００８１】
これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１が運転停止とされる時の冷却水圧力の高いときと低いときとで、冷却水ポンプ２５を停止させてから冷却水圧力が所定値P_tlevまで低下するまでの経過時間が異なることに対応させる。
【００８２】
一方、ステップＳ３４において、制御部２９は、減算タイマ回路によりカウンタ値decTIMの値をデクリメントする制御をして（decTIM＝decTIM−１）、ステップＳ２に処理を進める。
【００８３】
ここで、ステップＳ１で運転停止と判断されなかった場合にはステップＳ３１において停止直後判定フラグafterSTOPの値が「１」に設定され、ステップＳ１で運転停止と判断された場合にはステップＳ３３で停止直後判定フラグafterSTOPの値が「０」に設定されるので、次回に第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときにはステップＳ３２では運転停止直後とは判断されない。
【００８４】
これにより、制御部２９は、所定時間ごとに第４燃料ガス排出弁制御処理を行う度にカウンタ値decTIMを減算して燃料電池スタック１の運転停止を判断した時からの経過時間を計測する。
【００８５】
ステップＳ３３又はステップＳ３４の次には、制御部２９は、上述と同様にステップＳ２〜ステップＳ４までの処理をし、ステップＳ４において差圧ΔＰが所定値P_tlev以下であると判定したときにはステップＳ３５に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ３５において、制御部２９は、減算タイマ回路のカウンタ値decTIMが「０」であるか否かの判定をする。制御部２９は、カウンタ値decTIMが「０」であると判定したときにはステップＳ５に処理を進め、カウンタ値decTIMが「０」でないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００８７】
すなわち、制御部２９は、カウンタ値decTIMが「０」となっているのにも拘わらず差圧ΔＰが所定値P_tlev以下となっていないときには、冷却水ポンプ２５を駆動停止してから冷却水圧力P_LLCが低下する経過時間が長すぎ、冷却水系に異常が発生したと判断して燃料ガス排出弁１７の開放禁止を解除して燃料ガス排出弁１７を開放する制御をする。ここで、冷却水系に異常が発生する場合としては、例えば冷却水循環流路Ｌ７中に異物が詰まったり、冷却水循環流路Ｌ７の配管が外力により潰れたりする場合が挙げられる。
【００８８】
このような処理をする燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転停止から冷却水圧力P_LLCが所定値P_tlevまで低下するまでの経過時間と、冷却水系が正常に動作するときに冷却水圧力が低下するまでの時間とを比較することにより、冷却水系の異常が発生したことを検出することができる。
【００８９】
したがって、この燃料電池システムによれば、上述した効果に加え、冷却水系に異常が発生したときに冷却水圧力が下がらず、燃料電池スタック１内の冷却水流路の流量が小さくなった場合には燃料電池スタック１の冷却能力が下がり、この状態で燃料電池スタック１の発電を続けることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、冷却水系の異常により冷却能力が下がったまま発電を続けることにより、燃料電池スタック１の温度が上昇して高分子膜の劣化を早めることを防止することができる。
【００９０】
なお、第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ２２の次にステップＳ４を行う一例について説明したが、第２燃料ガス排出弁制御処理におけるステップＳ１１を行っても良く、更には第３燃料ガス排出弁制御処理でのステップＳ２２及びステップＳ２３を併せて行っても、上述と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
「第５燃料ガス排出弁制御処理」
図９に、第５燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部２９の処理手順のフローチャートを示す。なお、上述の第１燃料ガス排出弁制御処理と同様の処理について同じステップ番号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００９２】
第４燃料ガス排出弁制御処理では、ステップＳ１の前に、ステップＳ４１において、制御部２９は、燃料電池スタック１の停止が燃料電池システムの異常が発生したことによるのか否かの判定をする。制御部２９は、燃料電池システムの異常が発生したことにより燃料電池スタック１の運転停止を検出したときにはステップＳ４２に処理を進め、燃料電池システムの異常が発生したことによらない場合にはステップＳ１に処理を進める。ここで、燃料電池システムの異常による場合とは、例えば冷却水の対流や、管亀裂等による燃料ガス漏れ等であって、燃料ガスの圧力制御が不能になるときである。
【００９３】
ステップＳ４２において、制御部２９は、燃料電池システムに異常が発生しているので、全開状態にするように燃料ガス排出弁１７に制御信号を出力し、燃料ガス循環流路Ｌ２や燃料電池スタック１中に残留している燃料ガスを強制的に外部に放出する。
【００９４】
このような処理をする制御部２９を備えた燃料電池システムによれば、燃料電池システムが異常を起こして燃料電池スタック１の運転を停止する時には、冷却水ポンプ２５の動作を停止しても、流れ慣性により直ぐには冷却水圧力が下がらない場合でも、燃料ガスを外気に排出することができるので、続けて燃料電池スタック１に燃料ガスを供給して発電させることを防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、上述のように固体高分子膜に不要な水を付着させることを防止することができる。
【００９５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９６】
また、上述の実施の形態では、冷却水圧力を検出すると共に、外気圧力を検出して、冷却水圧力及び外気圧力に基づいて燃料ガスを外部に排出する制御をする場合について説明したが、これに限らず、冷却水圧力と所定値とを比較して、冷却水圧力が所定値以下となったら燃料ガスを外部に排出する制御をしても、上述と同様の効果を得ることができる。ここで、冷却水圧力と比較される所定値は、燃料ガスを外部に排出したときに燃料電池スタック１の損傷などが発生しない程度の冷却水圧力に相当する値として予め制御部２９に格納しておく。これにより、上述した第１燃料ガス排出弁制御処理と比較しても、簡単な処理で上述と同様の効果を得ることができる。
【００９７】
更にまた、上述の実施の形態では、冷却水ポンプ２５の吹き出し流量を制御することにより冷却水圧力を制御する構成について説明したが、これに限らず、冷却水循環流路Ｌ７にオリフィス弁などを設け、冷却水圧力の制御を行っても良い。
【００９８】
更にまた、上述の実施の形態では、燃料ガスについてのパージ動作を行う排出弁として、全開又は全閉に制御される燃料ガス排出弁１７を使用した一例について説明したが、これに限らず、開度が制御可能な流量圧力制御弁を使用しても良い。これにより、制御部２９は、燃料電池スタック１の運転中に、冷却水圧力の変化に応じて燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガス圧力を変化させて、燃料ガス圧力と冷却水圧力とがほぼ同じとする制御をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの機能的な構成を示すブロック図である。
【図２】制御部による燃料ガス排出弁の開放タイミングを説明する図であり、（ａ）は時間経過に伴う燃料ガス圧力及び冷却水圧力の変化を示し、（ｂ）は時間経過に伴う燃料ガス排出弁の開度の変化を示す。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムの具体的な構成を示す図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムによる第１燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムによる第２燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムによる第３燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムによる第４燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】減算タイマ回路の初期値initTIMを決定するときのテーブルについて説明するための図である。
【図９】本発明を適用した燃料電池システムによる第５燃料ガス排出弁制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料ガス排出弁
３ 差圧検出手段
４ 燃料電池運転停止判断手段
５ 燃料ガス排出制御手段
１１ 燃料ガス供給装置
１２ シャット弁
１７ 燃料ガス排出弁
１８ 燃料ガス圧力センサ
１９ 空気圧縮機
２４ 外気圧センサ
２５ 冷却水ポンプ
Ｌ１ 燃料ガス供給流路
Ｌ２ 燃料ガス循環流路
Ｌ３ 燃料ガス排出流路
Ｌ４ 空気供給流路
Ｌ５ 空気調圧流路
Ｌ６ 空気ガスパージ流路
Ｌ７ 冷却水循環流路
Claims (5)
- 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、
上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出弁と、
冷却媒体を冷却流路に循環させて上記燃料電池内を冷却する燃料電池冷却手段と、
上記冷却媒体の圧力を検出する冷却媒体圧力検出手段と、
上記燃料電池の運転停止を検出した後に、上記冷却媒体圧力検出手段で検出された上記冷却媒体の圧力が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定圧力値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御する排出弁制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 外気圧を検出する外気圧検出手段と、
上記冷却媒体の圧力と上記外気圧検出手段で検出された外気圧との差圧を演算する差圧演算手段とを更に備え、
上記排出弁制御手段は、上記差圧演算手段で演算された差圧が、上記冷却媒体が上記酸化剤極又は上記燃料極に流入しない所定差圧値以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 上記排出弁制御手段は、上記冷却媒体の圧力が外気圧以上であって、上記冷却媒体の圧力と外気圧との差圧が、上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない外気圧の値の所定割合以下となった場合に、燃料ガスを排出させるように上記燃料ガス排出弁を制御すること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記排出弁制御手段は、上記電圧検出手段で検出された発電電圧値が、上記燃料電池を発電中止させる所定値以下となった場合に、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御すること
を特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池の運転停止を検出した時刻からの経過時間を計測する経過時間計測手段を更に備え、
上記排出弁制御手段は、上記経過時間計測手段で計測された経過時間が、上記燃料電池の運転停止検出時の冷却水圧力に応じて定められた上記冷却媒体が上記燃料極に流入しない所定時間を経過したと判定したら、燃料ガスを排出するように上記燃料ガス排出弁を制御すること
を特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の燃料電池システム。
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