JP5102448B2

JP5102448B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法

Info

Publication number: JP5102448B2
Application number: JP2006008954A
Authority: JP
Inventors: 千大和氣; 稔魚嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: JP2007193984A

Description

本発明は、燃料電池の発電停止時に掃気を行う燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

例えば、車両などに搭載される燃料電池では、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んで構成された単セルが複数積層され、アノード極に水素、カソード極に酸素がそれぞれ供給されることで電気化学反応による発電によりカソード極で水が生成される。ところで、車両が氷点下に至るような低温環境下で使用されると残留水が凍結するおそれがあるため、燃料電池の発電停止時に残留水を、掃気ガス（例えば、空気）を用いて排出する処理（カソード掃気）が行われる。また、残留水は、カソード極から固体高分子電解質膜を介してアノード極にも透過するため、アノード極についても残留水を排出する処理（アノード掃気）が行われる。例えば、特許文献１では、燃料電池の発電停止後に、燃料電池の温度が所定温度（例えば、０℃）以下になったときにアノード掃気することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３０２５１５号公報（図２）

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にアノード極を含む流路が密閉されるものにおいて、アノード掃気する際のアノード系内の湿度が１００％（飽和状態）となっているため、アノード掃気の際に冷えた燃料電池に掃気ガスが流れ込むと燃料電池内で結露水が発生していた。これにより、アノード系内の結露水を除去するために掃気流量や掃気時間が多くかかり、アノード掃気時に必要なエネルギーが増大するという問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、エネルギー消費量を低減しながらアノード掃気を行うことができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、システム温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を密閉する燃料ガス流通路密閉手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う燃料ガス流通路掃気手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を非密閉状態とし、前記燃料ガス流通路に前記酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う酸化剤ガス流通路掃気手段と、前記燃料ガス流通路掃気手段、前記燃料ガス排出手段および前記酸化剤ガス流通路掃気手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記システム温度が所定温度以下になったときに、前記酸化剤ガス流通路掃気手段により前記酸化剤ガス流通路を掃気し、かつ、前記燃料ガス排出手段により前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出さない圧力に設定された微量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して前記燃料ガス流通路内の湿度を低下させ、さらに前記燃料ガス流通路から排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流させ、前記酸化剤ガス流通路の掃気が完了し、かつ、前記燃料ガス流通路内の湿度低下が完了した後に、前記燃料ガス流通路掃気手段により前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出す圧力に設定された大流量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して、前記燃料ガス流通路を掃気し、前記燃料ガス流通路の掃気が完了した後に、システムを停止させることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料ガス流通路を密閉して発電停止している燃料電池が所定温度まで低下したら燃料ガス流通路を掃気するものにおいては、燃料ガス流通路内の掃気をする前に燃料ガスを排出つまり燃料ガス流通路内の湿度を前もって低下させることができ、その湿度低下分の水量を排出するための掃気が必要なくなるので、掃気流量や掃気時間を低減することが可能になる。
請求項１に係る発明によれば、酸化剤ガス流通路を掃気する際に、アノード極に微量の掃気ガスを導入して燃料ガスを燃料ガス流通路から押し出し、カソード極から排出されるガスと合流させることで、短時間でアノード極の燃料ガスを排出できるとともに、燃料ガスの濃度低減が可能となる。

請求項２に係る発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を密閉するステップと、前記燃料電池の発電停止時に、システム温度が所定温度以下になったときに前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気するステップと、前記酸化剤ガス流通路を掃気するステップにおいて、前記燃料ガス流通路を非密閉状態として前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出さない圧力に設定された微量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出させることで前記燃料ガス流通路内の湿度を低下させ、前記燃料ガス流通路から排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流させるステップと、前記酸化剤ガス流通路の掃気が完了し、かつ、前記燃料ガス流通路内の湿度低下が完了した後に、前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出す圧力に設定された大流量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して、前記燃料ガス流通路を掃気するステップと、前記燃料ガス流通路の掃気が完了した後に、システムを停止するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料ガス流通路を密閉して発電停止している燃料電池が所定温度まで低下したら燃料ガス流通路を掃気するものにおいては、燃料ガス流通路内の掃気をする前に燃料ガスを排出つまり燃料ガス流通路内の湿度を前もって低下させることができ、その湿度低下分の水量を排出するための掃気が必要なくなるので、掃気流量や掃気時間を低減することが可能になる。

本発明の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、エネルギー消費量を低減しながらアノード掃気を行うことができる。

図１は、本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、制御部４などを含んで構成されている。なお、本実施形態では、車両を例を挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、航空機や船舶などの乗り物用の燃料電池システム、定置式の燃料電池システムなどであってもよい。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜５の一面側を触媒を含むアノード極６、他面側を触媒を含むカソード極７で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成された単セル（ＳｉｎｇｌｅＣｅｌｌ）が厚み方向に複数枚積層された構造を有している。また、燃料電池ＦＣには、冷却媒体が流通する流路（図示せず）が形成されており、この流路の出口近傍に温度センサ８が設けられている。この温度センサ８から得られる温度情報が、システム温度に相当する。なお、システム温度の検出手段としては、これに限定されるものではなく、アノード極６やカソード極７から排出されるオフガスの温度で行ってもよい。

前記アノード系２は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード極６に供給し、且つ、アノード極６から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２１、アノードオフガス配管２２、水素タンク２３、水素遮断弁２４、エゼクタ２５、循環配管２６、パージ弁２７、水素濃度センサ２８、湿度センサ２９などで構成されている。

前記アノードガス供給配管２１は、一端が燃料電池ＦＣのアノード極６の入口に接続され、他端が水素タンク２３に接続されている。前記アノードオフガス配管２２は、一端がアノード極６の出口に接続され、他端が後記するカソードオフガス配管３２に接続されている。

前記水素タンク２３は、高純度の水素ガスが例えば３５ＭＰａ（約３５０気圧）の高圧に充填されたものである。水素遮断弁２４は、例えば、電磁作動式のもので、水素タンク２３の下流近傍に設けられている。

前記エゼクタ２５は、アノード極６から排出される未反応の水素を再び燃料電池ＦＣアノード極６に戻して循環させるための真空ポンプの一種であり、循環配管２６の一端が接続されている。循環配管２６の他端は、アノードオフガス配管２２のパージ弁２７の上流において接続されている。このように、燃料電池ＦＣから排出された未反応の水素を循環させることにより、燃料としての水素を有効に活用することが可能になる。

前記パージ弁２７は、本実施形態の排出弁に相当するものであり、開度を自由に制御できる弁によって構成され、発電中においてはアノード極６に蓄積された空気に含まれる窒素、水などの不純物を例えば定期的に排出して発電性能が低下するのを防止する役割を備えている。また、パージ弁２７は、その下流が外気と連通するように構成されている。

前記水素濃度センサ２８は、パージ弁２７の下流に設けられ、燃料電池ＦＣのアノード極６から排出されるアノードオフガスに含まれる水素濃度を検出する機能を有している。

前記湿度センサ２９は、パージ弁２７の下流に設けられ、アノード系２内、すなわちアノード極６を含む燃料ガス流通路（後記する）内の水分量を検出する機能を有している。

なお、前記したアノードガス供給配管２１により形成される流路と、アノードオフガス配管２２により形成される流路と、循環配管２６により形成される流路と、アノード極６により形成される流路とで、本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。また、前記水素遮断弁２４とパージ弁２７とで、本実施形態の燃料ガス流通路密閉手段が構成されている。

前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極７に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給し、且つ、カソード極７から空気（酸素）などを排出するものであり、カソードガス供給配管３１、カソードオフガス配管３２、コンプレッサ３３、加湿器３４、背圧制御弁３５、エア導入配管３６、エア導入弁３７などを備えている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスとしての空気は、前記燃料ガス流通路を掃気する際の掃気する際の掃気ガスとしても使用される。

前記カソードガス供給配管３１は、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極７の入口に接続され、他端がコンプレッサ３３に接続されている。前記カソードオフガス配管３２は、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極７の出口に接続されている。

なお、前記したカソードガス供給配管３１により形成される流路と、カソードオフガス配管３２により形成される流路と、カソード極７により形成される流路とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。

前記コンプレッサ３３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード極７に供給する。なお、このコンプレッサ３３により、本実施形態の酸化剤ガス流通路掃気手段が構成されている。また、コンプレッサ３３から取り込まれる空気が、前記燃料ガス流通路を掃気する際の掃気ガスとして酸化剤ガス流通路を掃気する際の掃気ガスと兼用されている。

前記加湿器３４は、カソードガス供給配管３１の途中に設けられ、カソード極７に供給される空気を、電解質膜５のイオン導電性を十分に発揮できる湿度に加湿するためのものである。

前記背圧制御弁３５は、カソードオフガス配管３２の燃料電池ＦＣの下流に設けられ、カソード極７内の圧力を調整するものである。

前記エア導入配管３６は、アノード系２に掃気ガスとして空気を導入するためのものであり、その一端がカソードガス供給配管３１の加湿器３４の上流に接続され、他端がアノードガス供給配管２１に接続されている。なお、このエア導入配管３６により、本実施形態の燃料ガス流通路掃気手段が構成されている。

前記エア導入弁３７は、遮断弁であり、エア導入配管３６に設けられている。このエア導入弁３７を開弁することにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気がアノード極６に供給されるようになっている。

前記制御部４は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、温度センサ８、水素遮断弁２４、パージ弁２７、水素濃度センサ２８、湿度センサ２９、コンプレッサ３３、背圧制御弁３５、エア導入弁３７と電気的に接続されている。これにより、制御部４では、温度センサ８からシステム温度情報、水素濃度センサ２８からアノード系２内の水素濃度情報、湿度センサ２９からアノード系２内の湿度情報がそれぞれ取得され、水素遮断弁２４の開閉動作、パージ弁２７の開度調整動作、コンプレッサ３３の回転速度、背圧制御弁３５の弁開度を制御できるようになっている。

また、制御部４は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）９、タイマ１０と接続されている。イグニッションスイッチ９は、燃料電池ＦＣに対して発電停止信号を出力して燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）させ、また発電開始信号を出力して燃料電池システム１の運転を始動させるものである。タイマ１０は、システム停止からの時間を計測するものである。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態の燃料電池システムの動作について図２および図３を参照しながら説明する。図２は発電停止時の第１実施形態の処理を示すフローチャート、図３はＣａ重点掃気時にアノード系内の湿度を下げる場合のタイミングチャートである。なお、第１実施形態では、エア導入弁３７とパージ弁２７とで、燃料ガス排出手段が構成されている。

図２に示すように、ステップＳ１において、運転者がイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）９をオフにした場合には（図３の時刻ｔ０）、燃料電池の発電を停止させる信号が制御部４に出力され、この信号を受けた制御部４は、水素遮断弁２４を閉じて水素の供給を遮断し(ステップＳ２)、これによりアノード極６を含む燃料ガス流通路が密閉される。そして、ステップＳ３に進み、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続し、さらに背圧制御弁３５を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソードガス供給配管３１、カソード極７およびカソードオフガス配管３２（以下、酸化剤ガス流通路とする）に流して、カソード掃気（以下、Ｃａ掃気と略記する）を実行する。これにより、発電停止時点で酸化剤ガス流通路に残留している水が大気中（車外）に排出される。このＣａ掃気では、例えば予め決められた時間（図３の時刻ｔ０〜ｔ１）が経過したら、コンプレッサ３３をＯＦＦにして、システムを停止する（ステップＳ４）。

そして、制御部４は、ステップＳ５に進み、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１経過したか否かを判断する。ステップＳ５で、所定時間Ｔｍ１が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５の処理に戻り、所定時間Ｔｍ１が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動し（ステップＳ５ａ）、ステップＳ６に進み、システム温度Ｔが閾値ａ以下であるか否かを判断する。なお、この閾値ａは、本実施形態の所定温度に相当し、例えば３０℃に設定される。ステップＳ６でシステム温度が閾値ａ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７に進み、タイマ１０をリセットするとともにタイマ１０を再スタートさせる。なお、ステップＳ６の判断は、温度に限定されるものではなく、イグニッションスイッチ９をオフ後の所定時間経過により判断してもよく、このときの所定時間は、例えばシステム温度Ｔと外気温度によって決定される。

図３に示すように、時刻ｔ０〜ｔ４では、アノード（Ａｎ）系内湿度Ｈすなわち燃料ガス流通路の湿度は、燃料ガス流通路が水素遮断弁２４とパージ弁２７とがそれぞれ閉じられて密閉されているので、発電中にカソード極７から電解質膜５を介して透過した水などによって１００％に維持されている。また、システム停止後の時刻ｔ１〜ｔ４では、温度センサ８から得られるシステム温度Ｔが徐々に低下し、Ａｎ系内湿度Ｈが１００％のままなので、アノード（Ａｎ）系内結露水量は、システム温度Ｔの低下に応じて結露水量が増加する。また、時刻ｔ１〜ｔ４でのＭＥＡ表面液滴量（Ａｎ側）も同様に、システム温度Ｔの低下に応じて増加するとともに、ＭＥＡ内部の水分はカソード極７を含む酸化剤ガス流通路に水分として析出することとなる。

ステップＳ６において、システム温度Ｔが閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８に進み、カソード重点掃気（以下、Ｃａ重点掃気と略記する）を実行する（図３の時刻ｔ４〜ｔ５）。このＣａ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにし、このコンプレッサ３３で取り込まれた空気によってカソード極７を含む酸化剤ガス流通路を掃気（カソード掃気）する。

また、ステップＳ８のＣａ重点掃気では、同時に、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度小で開くことで、エア導入配管３６を介して燃料ガス流通路に微量（所定量）の空気を導入する。このとき、それまで密閉された燃料ガス流通路に残留している水素が燃料ガス流通路から押し出されるので、燃料ガス流通路のＡｎ系内水素濃度Ｃが低下する（図３参照）。また、押し出された水素は、カソード極７から排出されるガス（空気や水などを含むオフガス）と合流して希釈された後に大気中へと排出されるので、短時間でアノード極６の水素を排出できるとともに、水素濃度の低減が可能となる。なお、押し出される水素は、オフガスと混合させるものに限定されず、コンプレッサ３３から加湿器３４の上流において導入された乾燥した空気（ガス）と混合させるようにしてもよい。

また、Ｃａ重点掃気では、パージ弁２７の開弁による水素の排出に応じて、Ａｎ系内湿度Ｈが低下する（図３参照）。なお、このＣａ重点掃気と同時に燃料ガス流通路に導入される空気は微量であり、結露水を吹き飛ばす程の圧力の高いものではないので、Ａｎ系内結露水量およびＭＥＡ表面液滴量は、いずれも高い一定状態を維持する。なお、微量（所定量）の空気とは、アノード極６を含む燃料ガス流通路に残留する水素の体積を排出することができ、アノード極６の残留水を押し出さない程度の圧力で流れる量を意味する。

そして、制御部４は、ステップＳ９に進み、湿度センサ２９から得られる湿度情報に基づいて燃料ガス流通路内の湿度（Ｈ）低下が完了したか否かを判断する。ステップＳ９で、湿度低下が完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ９に戻り、湿度低下が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に進み、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ５）。

そして、制御部４は、ステップＳ１１に進み、ステップＳ１０のシステム停止から所定時間Ｔｍ２が経過したか否かが判断される。なお、所定時間Ｔｍ２は、ステップＳ１０のシステム停止からタイマ１０を作動させて判断される。ステップＳ１１で、所定時間Ｔｍ２が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１の処理に戻り、所定時間Ｔｍ２が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進み、システムを起動してアノード重点掃気（以下、Ａｎ重点掃気と略記する）を所定時間（時刻ｔ６〜ｔ７）実行する。このＡｎ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにし、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大（全開）で開く。これにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気が、エア導入配管３６から燃料ガス流通路に導入される。このとき、パージ弁２７が全開であるので、大流量の空気が燃料ガス流通路に導入され、燃料ガス流通路に残留している結露水が吹き飛ばされながら排出される。したがって、Ａｎ重点掃気では、Ａｎ系内結露水量およびＭＥＡ表面液滴量がともに減少する。なお、このＡｎ重点掃気では、前記Ｃａ重点掃気時に残留水素が排出されてＡｎ系内湿度Ｈが低く保たれているので、たとえ冷えた燃料電池ＦＣに掃気ガスとしての空気が流れ込んだとしても結露することはない。

このように、Ａｎ重点掃気の直前に、燃料ガス流通路の湿度（Ａｎ系内湿度Ｈ）を低下させる処理を行っているので、Ａｎ重点掃気時に燃料ガス流通路に掃気ガスとしての空気が導入されたとしても、それ以上結露水が発生することがなく、Ａｎ重点掃気の掃気時間を短くし、掃気流量を少なくすることができる。その結果、アノード掃気に必要な消費エネルギーを少なくすることが可能になる。

また、前記したＣａ重点掃気は、Ａｎ重点掃気の直前のシステム温度Ｔの低い状態で実行されるので、ＭＥＡ内部の水分をカソード極７側へ十分に析出させることができ、水分の除去が容易になる。

そして、Ａｎ重点掃気終了後、ステップＳ１３に進み、タイマ１０をリセットするとともに、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ７）。

なお、第１実施形態では、Ｃａ重点掃気から所定時間Ｔｍ２経過後にＡｎ重点掃気を行っているが、Ｃａ重点掃気とＡｎ重点掃気との間に所定時間Ｔｍ２を設けずに（Ｔｍ２＝０）、Ｃａ重点掃気とＡｎ重点掃気とを連続的に行うようにしてもよい。

（参考例）
次に、参考例としての燃料電池システムの動作について図４および図５を参照しながら説明する。図４は発電停止時の参考例としての処理を示すフローチャート、図５は自然拡散によりアノード系内の湿度を下げる場合のタイミングチャートである。なお、参考例では、パージ弁２７により、燃料ガス排出手段が構成されている。また、図４のステップＳ１〜ステップＳ７は、第１実施形態と同じであるので、同一のステップを示し、ステップ１４以下のステップについて説明する。

図４に示すように、ステップＳ６でシステム温度Ｔが閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４に進み、パージ弁２７を開度大で開く（図５の時刻ｔ２）。このようにパージ弁２７のみを開くことによって、燃料ガス流通路内に残留する水素が自然拡散しながら大気中へと排出される。このように水素が排出されることで、燃料ガス流通路のＡｎ系内水素濃度Ｃが低下する（図５参照）。なお、このときの水素は、自然拡散により排出されるので、高濃度の水素が大気中に排出されることはない。

また、自然拡散による水素排出処理では、水素の排出に応じてＡｎ系内湿度Ｈが低下する（図５参照）。なお、自然拡散により水素を排出しているので、結露水が燃料ガス流通路から排出されることはなく、Ａｎ系内結露水量およびＭＥＡ表面液滴量は、いずれも高い一定状態を維持する。さらに、この高い一定状態は、後記するＡｎ重点掃気が開始されるまで維持される。

そして、制御部４は、ステップＳ１５で、燃料ガス流通路内の湿度（Ｈ）低下が完了したか否かを判断する。ステップＳ１５で湿度低下が完了したと判断されなかった場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１５に戻り、湿度低下が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６に進み、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する。そして、ステップＳ１７に進み、タイマ１０によって、自然拡散による水素排出処理終了時（時刻ｔ３）から所定時間Ｔｍ３が経過したか否かが判断される。ステップＳ１７で、所定時間Ｔｍ３が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７に戻り、所定時間Ｔｍ３が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８に進み、システムを再起動して、Ｃａ重点掃気を所定時間（時刻ｔ４〜ｔ５）実行する。なお、この所定時間Ｔｍ３は、パージ弁２７が閉じて（時刻ｔ３）からＣａ重点掃気が開始される（時刻ｔ４）までの時間であり、できるだけ短い時間に設定されることが好ましい。例えば、Ｔｍ３＝０であってもよい。このＣａ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにして、コンプレッサ３３から取り込まれた空気で酸化剤ガス流通路を掃気する。なお、このＣａ重点掃気が終了するまでは、Ａｎ系内結露水量およびＭＥＡ表面液滴量はいずれも高い一定状態を維持する。

そして、前記Ｃａ重点掃気に続けてステップＳ１９のＡｎ重点掃気を所定時間（ｔ５〜ｔ７）実行する（図５参照）。このＡｎ重点掃気では、コンプレッサ３３を継続して運転し、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大（全開）で開く。これにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気が、エア導入配管３６から燃料ガス流通路に導入される。このとき、パージ弁２７が全開であるので、大流量の空気が燃料ガス流通路に導入され、燃料ガス流通路に残留している結露水が吹き飛ばされながら排出される。したがって、Ａｎ重点掃気では、Ａｎ系内結露水量およびＭＥＡ表面液滴量がともに減少する。なお、このＡｎ重点掃気では、前記Ｃａ重点掃気時に残留水素が排出されてＡｎ系内湿度Ｈが低く保たれているので、たとえ冷えた燃料電池ＦＣに空気が流れ込んだとしても結露することはない。

Ａｎ重点掃気終了後、ステップＳ２０に進み、タイマ１０をリセットするとともに、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する。

このように参考例においても、第１実施形態と同様に、燃料ガス流通路の湿度（Ａｎ系内湿度Ｈ）を低下させた後にＡｎ重点掃気を行っているので、Ａｎ重点掃気時に燃料ガス流通路に掃気ガスとしての空気が導入されたとしても、それ以上結露水が発生することがなく、Ａｎ重点掃気の掃気時間を短くし、掃気流量を少なくすることができる。その結果、アノード掃気に必要な消費エネルギーを少なくすることが可能になる。

また、Ｃａ重点掃気は、Ａｎ重点掃気の直前のシステム温度Ｔの低い状態で実行されるので、ＭＥＡ内部の水分をカソード極７側へ十分に析出させることができ、水分を容易に除去できるようになる。

また、参考例では、自然拡散により水素を排出しているので、パージ弁２７の開閉制御だけで済み、構成を簡略化することが可能になり、且つ、コンプレッサ３３を駆動させる必要がないので余分なエネルギーを使う必要がない。なお、ステップＳ６の条件に替えて、イグニッションスイッチ９オフ後の経過時間により判断してもよい。

本実施形態の燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。発電停止時の第１実施形態の処理を示すフローチャートである。Ｃａ重点掃気時にアノード系内の湿度を下げる場合のタイミングチャートである。発電停止時の参考例としての処理を示すフローチャートである。自然拡散によりアノード系内の湿度を下げる場合のタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
６アノード極（燃料ガス流通路）
７カソード極（酸化剤ガス流通路）
８温度センサ
２１アノードガス供給配管（燃料ガス流通路）
２２アノードオフガス配管（燃料ガス流通路）
２６循環配管（燃料ガス流通路）
２７パージ弁（排出弁）
２８水素濃度センサ
２９湿度センサ
３１カソードガス供給配管（酸化剤ガス流通路）
３２カソードオフガス配管（酸化剤ガス流通路）
３３コンプレッサ（酸化剤ガス流通路掃気手段）
３６エア導入配管（燃料ガス流通路掃気手段）
３７エア導入弁
ＦＣ燃料電池

Claims

アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
システム温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を密閉する燃料ガス流通路密閉手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う燃料ガス流通路掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を非密閉状態とし、前記燃料ガス流通路に前記酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う酸化剤ガス流通路掃気手段と、
前記燃料ガス流通路掃気手段、前記燃料ガス排出手段および前記酸化剤ガス流通路掃気手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記システム温度が所定温度以下になったときに、前記酸化剤ガス流通路掃気手段により前記酸化剤ガス流通路を掃気し、かつ、前記燃料ガス排出手段により前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出さない圧力に設定された微量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して前記燃料ガス流通路内の湿度を低下させ、さらに前記燃料ガス流通路から排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流させ、
前記酸化剤ガス流通路の掃気が完了し、かつ、前記燃料ガス流通路内の湿度低下が完了した後に、前記燃料ガス流通路掃気手段により前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出す圧力に設定された大流量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して、前記燃料ガス流通路を掃気し、
前記燃料ガス流通路の掃気が完了した後に、システムを停止させることを特徴とする燃料電池システム。
アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガス流通路を密閉するステップと、
前記燃料電池の発電停止時に、システム温度が所定温度以下になったときに前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気するステップと、
前記酸化剤ガス流通路を掃気するステップにおいて、前記燃料ガス流通路を非密閉状態として前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出さない圧力に設定された微量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出させることで前記燃料ガス流通路内の湿度を低下させ、前記燃料ガス流通路から排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流させるステップと、
前記酸化剤ガス流通路の掃気が完了し、かつ、前記燃料ガス流通路内の湿度低下が完了した後に、前記燃料ガス流通路内の残留水を押し出す圧力に設定された大流量の前記酸化剤ガスを前記燃料ガス流通路に導入して、前記燃料ガス流通路を掃気するステップと、
前記燃料ガス流通路の掃気が完了した後に、システムを停止するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。