JP4967381B2 - 燃料電池システム、燃料電池の湿潤度合計測方法、燃料電池のパージ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの発電停止時にパージ制御を実施する燃料電池システムに係り、特に燃料電池セルの湿潤度合を計測しながらパージを実施することで効率的なパージを行う燃料電池システム、そのパージ制御方法及び燃料電池の湿潤度合計測方法に関する。

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（例えば、特許文献１参照）。

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２）や特開２００２−２０８４２１号公報（特許文献３）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４）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。

さらに、特開２００２−３１３３９４号公報（特許文献５）のように、燃料電池の入口と出口のガスの露点差をモニターすることによって電解質膜の湿潤状態を把握し、所定値以下の乾燥状態となったらパージを停止するという技術が公知となっている。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００１−３３２２８１号公報 特開２００２−２０８４２１号公報 特開２００２−２４６０５３号公報 特開２００２−３１３３９４号公報

しかしながら、特許文献２及び特許文献３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４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、燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックにより発電する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セル内に設置された温度計測手段と、前記燃料電池スタックに所定時間ガスを流し、前記温度計測手段によって測定された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制御手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池の湿潤度合計測方法は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの湿潤度合を計測する燃料電池の湿潤度合計測方法において、前記燃料電池セル内に温度計測手段を設置し、前記燃料電池スタックに所定時間ガスを流し、前記温度計測手段によって測定された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。

さらに、本発明の燃料電池のパージ制御方法は、燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックの運転停止時に実施されるパージを制御する燃料電池のパージ制御方法において、前記燃料電池セル内に温度計測手段を設置し、前記燃料電池スタックに所定時間ガスを流し、前記温度計測手段によって測定された温度の時間変化率が所定値より小さくなったときにパージを停止することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システム及び湿潤度合計測方法では、温度計測手段を燃料電池セル内に設置し、温度計測手段によって測定された温度の時間変化率に基づいて、燃料電池セル内における湿潤度合を検出するので、燃料電池セルの電解質膜や触媒層、ＧＤＬ（ガス拡散層）の湿潤度合を正確に把握することができる。

また、本発明に係る燃料電池のパージ制御方法では、燃料電池セル内における温度の時間変化率を検出し、この温度の時間変化率が所定値より小さくなったときにパージを停止するので、従来の燃料電池システムのように燃料電池セルの湿潤度合が不明確なことにより冗長なパージをすることがなくなり、パージ時間を短縮してパージのためのエネルギーを節約することが可能となる。

＜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１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１を制御する制御部（制御手段）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側への冷却水流路とバイパス側への冷却水流路とを切り替える三方弁９と、複数の温度センサが設置された温度測定セル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１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。

尚、図１に示した本実施形態の燃料電池システム１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。

次に、燃料電池スタック２の構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、燃料電池スタック２は、膜電極接合体２１の両面にカソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とを配置して燃料電池セルを構成し、この燃料電池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燃料電池セルのうちの少なくとも１つに温度センサ（温度計測手段）を設置して温度測定セル１０として積層している。

この温度測定セル１０では、膜電極接合体２１に複数の温度センサ（温度計測手段）２５、２６、２７が近接して設置されている。この温度センサ２５、２６、２７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。

ここで、図２のＡ−Ａ線断面図を図３に示す。図３に示すように、温度センサ２５は膜電極接合体２１に近接して設置され、カソードセパレータ２２側に配置されている。

このように膜電極接合体２１に近接して温度センサ２５、２６、２７を設けたことによって、電解質膜、触媒層、ＧＤＬ（ガス拡散層）の乾燥状態を最も応答性良く把握することができ、より精度の高い湿潤度合の測定を実現することが可能となる。

次に、温度センサ２５、２６、２７のカソードガス流路に対する位置関係を図４に基づいて説明する。図４に示すように、カソードセパレータ２２は、カソード入口マニホールド４１と、カソード出口マニホールド４２と、アノード入口マニホールド４３と、アノード出口マニホールド４４と、冷却水入口マニホールド４５と、冷却水出口マニホールド４６と、カソードガス流路４７とから構成されており、カソードガス流路４７はサーペンタイン流路をしている。

このような構成のカソードセパレータ２２において、温度センサ２５、２６、２７のカソードガス流路４７における位置は、温度センサ２５がカソードガス流路４７の上流に位置し、温度センサ２６が中流、温度センサ２７が下流にそれぞれ位置している。

このように、複数箇所に温度センサ２５、２６、２７を設置したので、異なる２箇所以上の湿潤度合を把握することができ、特にガスの流れ方向の上流、中流、下流にそれぞれ温度センサを設置したので、上流、中流、下流の各位置における湿潤度合をそれぞれ個別に把握することが可能となる。

また、図４では、カソードガス流路４７がサーペンタイン流路の場合を示したが、ストレート流路の場合には温度センサ２５、２６、２７の配置を図５に示すように配置すればよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による湿潤度合計測処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６に示すように、湿潤度合測定トリガーがＯＮされたら（Ｓ１０１）、コンプレッサ５によってカソード流路にガスの供給を開始してパージ処理を行い（Ｓ１０２）、これと同時に温度センサ２５、２６、２７によってセル温度の計測を開始する（Ｓ１０３）。

そして、カウンターＣが所定値Ｃｘに到達したか否かを判定し（Ｓ１０４）、所定値Ｃｘに到達していなければ、カウンターＣをＣ＋１に設定して（Ｓ１０５）ステップＳ１０３へ戻る。

その後、カウンターＣが所定値Ｃｘに到達するまでセル温度の計測を続け、カウンターＣが所定値Ｃｘに到達したら、次にコンプレッサ５を停止してカソードガスの供給を停止する（Ｓ１０６）。

そして、計測したセル温度から温度の時間変化率を算出して図７に示すマップに基づいて燃料電池セル（電解質膜・触媒層・ＧＤＬ）の湿潤度合を算出する（Ｓ１０７）。

ここで、図７に示すマップは、温度センサ２５、２６、２７で測定された温度の時間変化率ｄＴ／ｄｔと燃料電池セルの湿潤度合とを関連づけてマップ化したものであり、パージ開始温度Ｔｓに応じて異なる曲線を使用して燃料電池セルの湿潤度合を求めるようにしたものである。図７では、一例としてパージ開始温度Ｔｓとして、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）の３つの曲線を示している。

このようにパージ開始温度に応じて異なる曲線を使用するのは、パージ開始温度に応じて温度の時間変化率が変化するためである。

ここで、パージ開始後における温度センサ２５、２６、２７で測定された温度の時間変化を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。図８（ａ）はパージ開始温度が高い場合の温度の時間変化を示しており、図８（ｂ）はパージ開始温度が低い場合の温度の時間変化を示している。図８（ａ）、図８（ｂ）では、燃料電池セルの湿潤度合が乾燥(Dry)、中間、湿潤(Wet)のそれぞれの場合における温度変化を示しており、湿潤(Wet)の場合には温度の時間変化率は大きくなり、乾燥(Dry)になるにつれて時間変化率は小さくなっている。したがって、この時間変化率に基づいてセルの湿潤度合を測定することが可能となる。

しかし、図８（ａ）と図８（ｂ）を比較すると分かるように、パージ開始温度が高い場合と低い場合では同じ湿潤度合であっても温度の時間変化率が異なっている。例えば、パージ開始温度が高い場合にはパージ開始温度が低い場合よりも温度の時間変化率は大きくなっており、同じ時間変化率ｄＴ／ｄｔであってもパージ開始温度が高い場合にはセルの湿潤度合はＤｒｙになっていることになる。

したがって、パージ開始温度に応じて図７に示す曲線をそれぞれ設定してセルの湿潤度合を測定する必要がある。

こうして燃料電池セルの湿潤度合を算出したら、算出した湿潤度合を出力して（Ｓ１０８）本実施形態の燃料電池システム１による湿潤度合計測処理を終了する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１によるパージ制御処理を図９のフローチャートに基づいて説明する。図９に示すように、燃料電池システム１において停止トリガーがＯＮされると（Ｓ２０１）、コンプレッサ５によってカソード流路にガスの供給が開始されてパージを行い（Ｓ２０２）、これと同時に温度センサ２５、２６、２７によってセル温度の計測が開始される（Ｓ２０３）。

そして、計測したセル温度に基づいてセル温度の時間変化率を求め、この時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったか否かを判定する（Ｓ２０４）。ただし、この所定値Ｘ（Ｔｓ）は、氷点下起動するために必要となるセル（電解質膜・触媒層・ＧＤＬ）の乾燥状態を実験などで明確にしておき、その乾燥状態を実現する値を図７のマップから求めておいたものである。また、所定値Ｘ（Ｔｓ）はパージ開始温度に応じて変化する。

そして、温度の時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）以上であるときにはステップＳ２０３に戻ってセル温度の計測を継続して行い、温度の時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったらコンプレッサ５を停止してガスの供給を停止し（Ｓ２０５）、燃料電池システム１を停止して本実施形態の燃料電池システム１によるパージ制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、温度センサ２５、２６、２７を燃料電池セル内のガスの流れ方向に沿って複数箇所に設置し、温度センサ２５、２６、２７によって測定された温度の時間変化率に基づいて、燃料電池セル内のガスの流れ方向の各位置における湿潤度合を検出するので、燃料電池セルの電解質膜や触媒層、ＧＤＬ（ガス拡散層）の湿潤度合を正確に把握することができる。

特に、複数箇所に温度センサ２５、２６、２７を設置したので、異なる２箇所以上の湿潤度合を把握することができ、これによって例えばガスの流れ方向上流側と下流側に温度センサを設置すれば、上流側と下流側の湿潤度合をそれぞれ個別に把握することが可能となる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の運転停止時にパージを実施し、燃料電池セル内の温度の時間変化率が所定値より小さくなったときにパージを停止するので、従来の燃料電池システムのように燃料電池セルの湿潤度合が不明確なことにより冗長なパージをすることがなくなり、パージ時間を短縮してパージのためのエネルギーを節約することが可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、温度センサ２５、２６、２７を燃料電池セルの膜電極接合体に近接して設置したので、電解質膜、触媒層、ＧＤＬの乾燥状態を最も応答性良く把握することができ、より精度の高い湿潤度合の測定を実現することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理は、燃料電池システムにおいて停止トリガーがＯＮされると（Ｓ３０１）、コンプレッサ５によってカソード流路にガスの供給が開始されてパージを行い（Ｓ３０２）、これと同時に温度センサ２５、２６、２７によってセル温度の計測が開始される（Ｓ３０３）。

そして、ガスの流れ方向上流側に設置された温度センサ２５で計測されたセル温度Ｔｕに基づいてセル温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔを求め、さらにガスの流れ方向下流側に設置された温度センサ２７で計測されたセル温度Ｔｄに基づいてセル温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔを求める。

そして、上流側の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘｕ（Ｔｓ）より小さくなったか、あるいは下流側の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘｄ（Ｔｓ）より小さくなったか否かを判定する（Ｓ３０４）。ただし、この所定値Ｘｕ（Ｔｓ）、Ｘｄ（Ｔｓ）は、氷点下起動するために必要となるセル（電解質膜・触媒層・ＧＤＬ）の乾燥状態を実験などで明確にしておき、その乾燥状態を実現する値を図７のマップから求めるようにする。また、所定値Ｘｕ（Ｔｓ）、Ｘｄ（Ｔｓ）はパージ開始温度に応じて変化する。

このように、上流側と下流側で別々の所定値を設定したことにより、短時間で効率良くパージできるとともに、セルの乾燥させ過ぎを確実に防止することができる。例えば、図１１に示すように、異なる初期状態Ａ、Ｂを考えると、初期状態Ａの場合には下流側がＷｅｔ側の閾値を超えた時点でパージを停止することによって、より短時間でパージを完了することができる。

一方、初期状態Ｂの場合には上流側が劣化を引き起こすＤｒｙ側の閾値に達した時点でパージを停止することによって、乾燥させ過ぎによる劣化を防止することができる。

そして、ステップＳ３０４における判定によって、上流側の温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘｕ（Ｔｓ）以上で、尚且つ下流側の温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘｄ（Ｔｓ）以上であるときにはステップＳ３０３に戻ってセル温度の計測を継続して行い、上流側の温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘｕ（Ｔｓ）より小さくなるか、あるいは下流側の温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘｄ（Ｔｓ）より小さくなったらコンプレッサ５を停止してガスの供給を停止し（Ｓ３０５）、燃料電池システムを停止して本実施形態の燃料電池システムによるパージ制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側の温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔと下流側の温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔとを検出し、上流側の温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘｕ（Ｔｓ）より小さくなるか、あるいは下流側の温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘｄ（Ｔｓ）より小さくなったときにパージを停止するので、いかなる初期条件であっても、上流側については膜の劣化を引き起こす恐れがある乾燥度合（乾燥させすぎ）をモニターし、下流側については氷点下起動性に影響を与える乾燥度合（乾燥が不十分）をモニターできるので、どちらか一方の閾値に基づいてパージを停止することにより、最適な状態でパージを停止することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図１２に基づいて説明する。図１２に示すように、本実施形態の燃料電池システム５１は、燃料電池スタック２が次回起動するときの温度を予測して起動温度予測値を算出する起動温度予測部（起動温度予測手段）５２をさらに備えたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、起動温度予測部５２は、ＧＰＳにより燃料電池システム５１の位置する緯度、経度情報を取得し、その地域の天気予報の気温情報を取得することによって、起動時の温度を予測している。そして、起動温度を予測する際には、ユーザーが次回の起動時間を入力することができ、その時間の温度情報を起動温度予測値としてもよいし、ユーザーが次回の起動時間を入力しない場合には、その地域のその時期の最低気温を参考にして起動温度予測値を算出するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システム５１では、起動温度予測値に基づいて燃料電池セルに要求される乾燥状態を算出し、算出した乾燥状態に基づいてパージを停止するようにしたことが第１の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システム５１によるパージ制御処理を図１３に基づいて説明する。図１３に示すように、燃料電池システム１において停止トリガーがＯＮされると（Ｓ４０１）、起動温度予測部５２によってＧＰＳや天気情報などの次回の起動時における起動温度予測値を算出するための情報が取得され（Ｓ４０２）、この情報に基づいて起動温度予測値が算出される。

そして、この起動温度予測値が所定値以下となるか否かが判定され（Ｓ４０３）、起動温度予測値が所定値より高い場合には通常の停止運転へ移行する（Ｓ４０４）。

一方、起動温度予測値が所定値以下となる場合には、氷点下からの起動に対応させて図１４に示すマップに基づいて起動温度予測値から燃料電池セルに要求される乾燥状態を求め（Ｓ４０５）、次にこの乾燥状態から図７のマップを利用して温度の時間変化率の所定値Ｘ（Ｔｓ）を求める（Ｓ４０６）。

こうして所定値Ｘ（Ｔｓ）を求めたら、コンプレッサ５によってカソード流路にガスの供給を開始してパージを行い（Ｓ４０７）、これと同時に温度センサ２５、２６、２７によってセル温度の計測を開始する（Ｓ４０８）。

そして、計測したセル温度に基づいてセル温度の時間変化率を求め、この時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったか否かを判定する（Ｓ４０９）。

そして、温度の時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）以上であるときにはステップＳ４０８に戻ってセル温度の計測を継続して行い、温度の時間変化率ｄＴ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったらコンプレッサ５を停止してガスの供給を停止し（Ｓ４１０）、燃料電池システム５１を停止して本実施形態の燃料電池システム５１によるパージ制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム５１では、燃料電池スタック２の次回起動時における温度を予測して起動温度予測値を算出する起動温度予測部５２を備え、起動温度予測値に基づいて燃料電池セルに要求される乾燥状態を算出し、算出した乾燥状態に基づいてパージを停止するので、不必要なパージ時間を短縮してパージのためのエネルギーを節約することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図１５に基づいて説明する。図１５に示すように、本実施形態の燃料電池システム６１は、燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側に冷却水を流す上流側冷却水流路６２と、ガスの流れ方向下流側に冷却水を流す下流側冷却水流路６３と、上流側冷却水流路６２に流れる冷却水の流量をコントロールする上流側バルブ６４と、下流側冷却水流路６３に流れる冷却水の流量をコントロールする下流側バルブ６５と、上流側冷却水流路６２から流出する冷却水の温度を検出する上流側冷却水出口温度センサ６６と、下流側冷却水流路６３から流出する冷却水の温度を検出する下流側冷却水出口温度センサ６７とをさらに備えたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、本実施形態の燃料電池スタック２を構成するカソードセパレータの構造を図１６に基づいて説明する。図１６に示すように、カソードセパレータ７１は、上流側冷却水入口マニホールド７２と、上流側冷却水出口マニホールド７３と、下流側冷却水入口マニホールド７４と、下流側冷却水出口マニホールド７５と、カソード入口マニホールド７６と、カソード出口マニホールド７７と、アノード入口マニホールド７８と、アノード出口マニホールド７９とを備えており、上流側バルブ６４を通じて供給された冷却水は上流側冷却水入口マニホールド７２から流入してカソードガスの上流側を冷却して上流側冷却水出口マニホールド７３へ排出される。一方、下流側バルブ６５を通じて供給された冷却水は下流側冷却水入口マニホールド７４から流入してカソードガスの下流側を冷却して下流側冷却水出口マニホールド７５へ排出される。

このように構成された本実施形態の燃料電池システム６１では、上流側のセル温度の時間変化率が所定値より小さくなると、上流側冷却水流路６２のみに冷却水を供給してセル温度を低下させ、カソードガスの上流側が乾燥し過ぎることがないようにしたことが第１の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システム６１によるパージ制御処理を図１７のフローチャートに基づいて説明する。図１７に示すように、燃料電池システム６１において停止トリガーがＯＮされると（Ｓ５０１）、コンプレッサ５によってカソード流路にガスの供給が開始されてパージを行い（Ｓ５０２）、これと同時に温度センサ２５、２６、２７によってセル温度の計測が開始される（Ｓ５０３）。

そして、温度センサ２５で計測した上流側のセル温度Ｔｕに基づいて上流側のセル温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔを求め、この時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったか否かを判定する（Ｓ５０４）。ただし、この所定値Ｘ（Ｔｓ）は、氷点下起動するために必要となるセル（電解質膜・触媒層・ＧＤＬ）の乾燥状態を実験などで明確にしておき、その乾燥状態を実現する値を図７のマップから求めておいたものである。また、所定値Ｘ（Ｔｓ）はパージ開始温度に応じて変化する。

そして、セル温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）以上であるときにはステップＳ５０３に戻ってセル温度の計測を継続して行い、セル温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったら、上流側バルブ６４を開放して上流側冷却水流路６２に冷却水を供給してカソードの上流側の温度を下げる（Ｓ５０５）。このときパージを継続して行うとともにセル温度の計測も継続して行うようにする（Ｓ５０６）。

次に、温度センサ２７で計測した下流側のセル温度Ｔｄに基づいて下流側のセル温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔを求め、この時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったか否かを判定する（Ｓ５０７）。そして、温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）以上であるときにはステップＳ５０６に戻ってセル温度の計測を継続して行い、温度の時間変化率ｄＴｄ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなったら、コンプレッサ５を停止してガスの供給を停止し（Ｓ５０８）、燃料電池システム６１を停止して本実施形態の燃料電池システム６１によるパージ制御処理を終了する。

このように本実施形態の燃料電池システム６１では、上流側冷却水流路６２と下流側冷却水流路６３とを備え、上流側の温度の時間変化率ｄＴｕ／ｄｔが所定値Ｘ（Ｔｓ）より小さくなると、上流側冷却水流路６２のみに冷却水を供給するようにしたので、パージを継続させても燃料電池セルの上流側の温度を下げることができ、これにより上流側の乾燥させ過ぎを防止できるとともに、下流側を所定値まで乾燥させることが可能となる。また、上流側の乾燥させ過ぎによる電解質膜の劣化を防止することも可能となる。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を図１８に基づいて説明する。図１８に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、発電に寄与しないダミーセル８１を設置し、このダミーセル８１に温度センサ２５、２６、２７を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、本実施形態の燃料電池スタック２は、膜電極接合体２１の両面にカソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とを配置して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルの間にダミーセル８１を挟んで積層させることによって構成されている。ただし、ダミーセル８１に隣接するアノードセパレータはアノードガスの流路のみが形成された異形アノードセパレータ８２が設置されている。

ここで、図１８のＢ−Ｂ線断面図を図１９に示す。図１９に示すように、ダミーセル８１はカソードセパレータ２２と異形アノードセパレータ８２との間に配置されている。

このように本実施形態の燃料電池システムでは、発電に寄与しないダミーセル８１を備え、このダミーセル８１に温度センサ２５、２６、２７を設置したので、燃料電池スタック２への取り付けが容易でコストを低く抑えることができる。また、ダミーセル８１は発電に寄与しないので、ガスが流れることがなく、これによって酸に触れることも無くなるので、高度な信頼性と耐久性を実現することが可能となる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、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である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る温度測定セルの構造を説明するための断面図である。 サーペンタイン流路のカソードセパレータの構造と温度センサの配置を説明するための図である。 ストレート流路のカソードセパレータの構造と温度センサの配置を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる湿潤度合計測処理を示すフローチャートである。 セル温度の時間変化率とセルの湿潤状態との関係を示す図である。 パージ開始温度が高い場合と低い場合のセル温度の時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。 ガスの流れる方向の上流側と下流側に所定値を設定した場合における処理を説明するための図である。 本発明の第３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である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。 起動温度予測値と氷点下起動時に必要となるセルの乾燥状態との関係を示す図である。 本発明の第４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である。 本発明の第４の実施形態に係るカソードセパレータの構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの構造を説明するための図である。 本発明の第５の実施形態に係るダミーセルの配置を説明するための断面図である。

符号の説明

１、５１、６１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 制御部（制御手段）
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 温度測定セル
１１ 冷却水出口温度センサ
２１ 膜電極接合体
２２、７１ カソードセパレータ
２３ アノードセパレータ
２５、２６、２７ 温度センサ（温度計測手段）
４１、７６ カソード入口マニホールド
４２、７７ カソード出口マニホールド
４３、７８ アノード入口マニホールド
４４、７９ アノード出口マニホールド
４５ 冷却水入口マニホールド
４６ 冷却水出口マニホールド
４７ カソードガス流路
５２ 起動温度予測部（起動温度予測手段）
６２ 上流側冷却水流路
６３ 下流側冷却水流路
６４ 上流側バルブ
６５ 下流側バルブ
６６ 上流側冷却水出口温度センサ
６７ 下流側冷却水出口温度センサ
７２ 上流側冷却水入口マニホールド
７３ 上流側冷却水出口マニホールド
７４ 下流側冷却水入口マニホールド
７５ 下流側冷却水出口マニホールド
８１ ダミーセル
８２ 異形アノードセパレータ

Claims (14)

1. 燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックにより発電する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池セル内に設置された温度計測手段と、
   前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサを所定時間稼動させてパージを実施し、パージ開始時点において前記温度計測手段によって測定されたパージ開始温度と前記温度計測手段によって測定された温度の時間変化率とに基づいて、前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出する制御手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックにより発電する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池セル内に設置された温度計測手段と、
   前記燃料電池スタックの運転停止時に前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサを稼動させてパージを実施し、前記温度計測手段によって測定された温度の時間変化率が所定値より小さくなったときにパージを停止する制御手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記温度計測手段は、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向に沿って複数箇所に設置され、
   前記制御手段は、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側の温度の時間変化率と下流側の温度の時間変化率とを検出し、前記上流側の温度の時間変化率が第１の所定値より小さくなるか、あるいは前記下流側の温度の時間変化率が第２の所定値より小さくなったときにパージを停止する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. 前記燃料電池スタックの次回起動時における温度を予測して起動温度予測値を算出する起動温度予測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記起動温度予測値に基づいて前記燃料電池セルに要求される乾燥状態を算出し、算出した乾燥状態に基づいて前記所定値を定める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. 前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側に冷却水を流す上流側冷却水流路と下流側に冷却水を流す下流側冷却水流路とを備え、
   前記温度計測手段は、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向に沿って複数箇所に設置され、
   前記制御手段は、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側の温度の時間変化率と下流側の温度の時間変化率とを検出し、前記上流側の温度の時間変化率が前記所定値より小さくなると、前記上流側冷却水流路のみに冷却水を供給し、前記下流側の温度の時間変化率が前記所定値より小さくなると、パージを停止する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記温度計測手段は、前記燃料電池セルの膜電極接合体に近接して設置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックは、発電に寄与しないダミーセルを備え、前記温度計測手段は前記ダミーセルに設置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの湿潤度合を計測する燃料電池の湿潤度合計測方法において、
   前記燃料電池セル内に温度計測手段を設置し、
   前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサを所定時間稼動させてパージを実施し、パージ開始時点において前記温度計測手段によって測定されたパージ開始温度と前記温度計測手段によって測定された温度の時間変化率とに基づいて、前記燃料電池セル内における湿潤度合を検出する
   ことを特徴とする燃料電池の湿潤度合計測方法。
9. 燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックの運転停止時に実施されるパージを制御する燃料電池のパージ制御方法において、
   前記燃料電池セル内に温度計測手段を設置し、
   前記燃料電池スタックの運転停止時に前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサを稼動させてパージを実施し、前記温度計測手段によって測定された温度の時間変化率が所定値より小さくなったときにパージを停止する
   ことを特徴とする燃料電池のパージ制御方法。
10. 前記温度計測手段は、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向に沿って複数箇所に設置され、
    前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側の温度の時間変化率と下流側の温度の時間変化率とを検出し、前記上流側の温度の時間変化率が第１の所定値より小さくなるか、あるいは前記下流側の温度の時間変化率が第２の所定値より小さくなったときにパージを停止することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池のパージ制御方法。
11. 前記燃料電池スタックが次回起動するときの温度を予測して起動温度予測値を算出し、この起動温度予測値に基づいて前記燃料電池セルに要求される乾燥状態を算出し、算出した乾燥状態に基づいて前記所定値を定める
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池のパージ制御方法。
12. 前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側に冷却水を流す上流側冷却水流路と、ガスの流れ方向下流側に冷却水を流す下流側冷却水流路とを前記燃料電池スタックに設置し、
    前記温度計測手段を、前記燃料電池セル内のガスの流れ方向に沿って複数箇所に設置し、
    前記燃料電池セル内のガスの流れ方向上流側の温度の時間変化率と下流側の温度の時間変化率とを検出し、
    前記上流側の温度の時間変化率が前記所定値より小さくなると、前記上流側冷却水流路のみに冷却水を供給し、前記下流側の温度の時間変化率が前記所定値より小さくなると、パージを停止する
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池のパージ制御方法。
13. 前記温度計測手段を前記燃料電池セルの膜電極接合体に近接して設置したことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池のパージ制御方法。
14. 前記燃料電池スタックに発電に寄与しないダミーセルを設置し、前記温度計測手段を前記ダミーセルに設置したことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池のパージ制御方法。

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