JPWO2013132536A1 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、カソードガス供給系３０と、供給バルブ３４と、排出バルブ４３と、制御部２０とを備える。燃料電池１０は、供給用マニホールドＭ１と、排出用マニホールドＭ２と、それらのマニホールドＭ１，Ｍ２に接続された発電部ＧＡと、を有する。カソードガス供給系３０は、供給用マニホールドＭ１にガスを流入させる。供給バルブ３４は、供給用マニホールドＭ１を封止することができ、排出バルブ４３は、排出用マニホールドＭ２を封止することができる。制御部２０は、燃料電池１０の運転停止後に、供給バルブ３４および排出バルブ４３を閉じて、所定の圧力を有する状態で燃料電池１０を封止し、所定の時間待機する。そして、供給バルブ３４を開き、そのときのガスの流れによって、発電部ＧＡに残留している水分を、発電部ＧＡの外部へと移動させる。
Description
この発明は、燃料電池に関する。
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）は、電解質膜におけるプロトンの移動を利用して発電を行う。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すため、燃料電池の運転中には、電解質膜が適切な湿潤状態となるように、燃料電池内部が湿潤状態に保持されることが好ましい。
これに対し、燃料電池の運転停止後には、燃料電池の内部やその接続配管に存在する水分は、氷点下などの低温環境下において凍結して、燃料電池の起動性を低下させる原因となる可能性がある。そこで、従来では、燃料電池の運転終了時に、燃料電池内部やその接続配管を掃気（「パージ」とも呼ぶ）することにより、それらに残留する水分量を低減させていた（下記特許文献１等）。
しかし、従来のパージの方法では、燃料電池内部（特に、発電部に配置されたガス流路）における水分を十分に排出することができない場合があった。また、運転停止後のパージはシステム効率の低下の原因となるため、その実行は最小限度に抑制されることが要求されてきた。
本発明は、従来とは異なる方法により、運転終了後の燃料電池における発電部や、その発電部に配置されたガス流路に残留する水分量を、効率的に低減させることができる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
燃料電池システムであって、供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池と、前記供給ガスマニホールドにガスを流入させるガス供給部と、前記供給ガスマニホールドを封止可能な供給バルブと、前記排出ガスマニホールドを封止可能な排出バルブと、前記燃料電池の運転停止後に、前記供給バルブおよび前記排出バルブを閉じ、前記ガス供給部からのガスを前記燃料電池内に所定の圧力で封止して、所定の時間待機した後に、前記供給バルブまたは前記排出バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる、残留水分排出処理を実行する制御部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、発電部のガス流路に滞留している水分を、燃料電池からの圧力放出を利用して、その外部へと移動させることができる。従って、燃料電池の発電部のガス流路における残留水分を、簡易な方法で、効率的に低減することができ、低温環境下における残留水分の凍結による燃料電池の起動性の低下を抑制できる。
燃料電池システムであって、供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池と、前記供給ガスマニホールドにガスを流入させるガス供給部と、前記供給ガスマニホールドを封止可能な供給バルブと、前記排出ガスマニホールドを封止可能な排出バルブと、前記燃料電池の運転停止後に、前記供給バルブおよび前記排出バルブを閉じ、前記ガス供給部からのガスを前記燃料電池内に所定の圧力で封止して、所定の時間待機した後に、前記供給バルブまたは前記排出バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる、残留水分排出処理を実行する制御部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、発電部のガス流路に滞留している水分を、燃料電池からの圧力放出を利用して、その外部へと移動させることができる。従って、燃料電池の発電部のガス流路における残留水分を、簡易な方法で、効率的に低減することができ、低温環境下における残留水分の凍結による燃料電池の起動性の低下を抑制できる。
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記ガス流路の上流側が重力方向下側となり、前記ガス流路の下流側が重力方向上側となるように、前記供給ガスマニホールドを重力方向下側とし、前記排出ガスマニホールドを重力方向上側として配置されており、前記残留水分排出処理は、前記供給バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドに移動させる処理である、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、残留水分排出処理において、水分に対する重力の作用を利用して、水分を、発電部のガス流路から外部へと、より確実に移動させることができる。
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記ガス流路の上流側が重力方向下側となり、前記ガス流路の下流側が重力方向上側となるように、前記供給ガスマニホールドを重力方向下側とし、前記排出ガスマニホールドを重力方向上側として配置されており、前記残留水分排出処理は、前記供給バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドに移動させる処理である、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、残留水分排出処理において、水分に対する重力の作用を利用して、水分を、発電部のガス流路から外部へと、より確実に移動させることができる。
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の運転停止後に、前記ガス供給部からのガスによって、前記燃料電池内部を掃気する掃気処理を実行し、前記掃気処理を実行した後に、前記残留水分排出処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、掃気処理によって排出しきれなかった発電部のガス流路に残留する水分を、残留水分排出処理によって、外部へと移動させることができ、発電部のガス経路が水分の凍結により閉塞されてしまうことを抑制できる。
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の運転停止後に、前記ガス供給部からのガスによって、前記燃料電池内部を掃気する掃気処理を実行し、前記掃気処理を実行した後に、前記残留水分排出処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、掃気処理によって排出しきれなかった発電部のガス流路に残留する水分を、残留水分排出処理によって、外部へと移動させることができ、発電部のガス経路が水分の凍結により閉塞されてしまうことを抑制できる。
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、運転停止時に前記燃料電池内部に残留している水分量を検出する水分量検出部を備え、前記制御部は、前記水分量に応じて、（ｉ）前記掃気処理と、前記残留水分排出処理の両方を実行するか、または、（ｉｉ）前記掃気処理を実行することなく前記残留水分排出処理を実行するか、を決定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池内部に残留している水分量に応じて、適切な処理が選択されるため、無駄に掃気処理が実行されることが抑制され、システム効率が向上する。
適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、運転停止時に前記燃料電池内部に残留している水分量を検出する水分量検出部を備え、前記制御部は、前記水分量に応じて、（ｉ）前記掃気処理と、前記残留水分排出処理の両方を実行するか、または、（ｉｉ）前記掃気処理を実行することなく前記残留水分排出処理を実行するか、を決定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池内部に残留している水分量に応じて、適切な処理が選択されるため、無駄に掃気処理が実行されることが抑制され、システム効率が向上する。
［適用例５］
適用例１から４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記残留水分排出処理を複数回繰り返して実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、発電部のガス流路に残留している水分を、残留水分排出処理によって、より確実に低減させることができる。
適用例１から４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記残留水分排出処理を複数回繰り返して実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、発電部のガス流路に残留している水分を、残留水分排出処理によって、より確実に低減させることができる。
［適用例６］
供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転停止後に、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとを封止し、前記燃料電池内を所定の圧力に保持して、所定の時間待機する工程と、
（ｂ）前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドを開放し、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる工程と、
を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法であれば、エネルギー消費量の比較的少ない方法によって、燃料電池の発電部のガス流路に残留している水分を、確実に低減させることができる。
供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転停止後に、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとを封止し、前記燃料電池内を所定の圧力に保持して、所定の時間待機する工程と、
（ｂ）前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドを開放し、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる工程と、
を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法であれば、エネルギー消費量の比較的少ない方法によって、燃料電池の発電部のガス流路に残留している水分を、確実に低減させることができる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムおよびその燃料電池システムを搭載した車両、それらのシステムや車両で実行される燃料電池の掃気方法、それらのシステムや車両の制御方法、制御装置、それらの掃気方法や、制御方法、制御装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環排出系６０と、冷媒循環供給系７０とを備える。
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環排出系６０と、冷媒循環供給系７０とを備える。
燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、発電体である複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。燃料電池１０は、各単セル１１に接続された、燃料電池１０の積層方向に沿った流路である、反応ガスや冷媒のためのマニホールド（図示せず）を有する。燃料電池１０の構成については後述する。
制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、以下に説明する各構成部を制御して、燃料電池１０に出力要求に応じた電力を発電させる発電制御部としての機能を備える。また、制御部２０は、パージ処理実行部２１としての機能を備える。
パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の運転停止後に、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池１０に残留する水分や、燃料電池システム１００の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理（パージ処理）を実行する。パージ処理実行部２１によるパージ処理の実行手順については後述する。
カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、供給バルブ３４とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドと接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。
エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。
供給バルブ３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。供給バルブ３４は、制御部２０の指令に応じて開閉し、燃料電池１０への空気の流れを制御する。なお、カソードガス供給系３０には、燃料電池１０に供給される空気を加湿するための加湿部が設けられるものとしても良い。
カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、排出バルブ４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出することができる。
排出バルブ４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整するための調圧弁である。排出バルブ４３は、制御部２０によって、その開度が調整される。圧力計測部４４は、排出バルブ４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。
アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールドと接続されている。これにより、水素タンク５２に充填された水素が、アノードガスとして燃料電池１０に供給される。
開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。
水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。
アノードガス循環排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドと気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。
気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転中には、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。
アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中には、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。
アノードガス循環排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０の送信する。
冷媒循環供給系７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、第１と第２の冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。
上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。
ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。
第１と第２の冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出し、その運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。
燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池車両外部の気温（外気温）を計測可能な外気温センサ８０を備える。外気温センサ８０は、検出結果を制御部２０に送信する。なお、パージ処理実行部２１は、外気温センサ８０の検出温度を、パージ処理の実行可否の判定に用いる（後述）。
また、燃料電池システム１００は、図示や詳細な説明は省略するが、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。二次電池は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池１０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池１０の出力電圧を制御することができる。なお、上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池１０の運転停止後においても駆動することが可能である。
図２は、燃料電池システム１００が備える燃料電池１０の構成を説明するための概略図である。図２では、便宜上、燃料電池１０の任意の一つの単セル１１のみを図示してあり、他の単セル１１の図示は省略してある。また、図２には、燃料電池１０に接続された各ガス配管３１，４１，５１，６１を図示してある。さらに、図２には、燃料電池１０が燃料電池車両に搭載されたときの重力方向を示す矢印Ｇと、発電中の単セル１１におけるガスの流れを示す破線の矢印と、水分の移動経路を示す実線矢印と、を図示してある。
燃料電池１０の単セル１１は、電解質膜１の両面に第１と第２の電極２，３が配置された膜電極接合体５を備える。電解質膜１は、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成することができ、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。第１と第２の電極２，３は、白金などの触媒が担持された導電性粒子と、電解質膜１と同種または類似の電解質とを混合して分散させた溶液である触媒インクの塗布膜として形成することができる。
膜電極接合体５の両側にはそれぞれ、導電性を有する板状基材であるセパレータ（図示せず）が配置される。膜電極接合体５の第１と第２の電極２，３とセパレータとの間には、反応ガスが流通する第１と第２のガス流路１２，１３が形成される。具体的に、第１と第２のガス流路１２，１３は、セパレータ表面に形成された流路溝や、セパレータと電極２，３との間に配置されたエキスパンドメタルなどの流路部材、電極２，３の表面に配置されたカーボン繊維などの多孔質部材によって構成されるものとしても良い。
ここで、燃料電池１０は、各発電体１１に反応ガスを供給するための供給用マニホールドＭ１，Ｍ３と、各単セル１１の排ガスを排出するための排出用マニホールドＭ２，Ｍ４とを有している。供給用マニホールドＭ１，Ｍ３と、排出用マニホールドＭ２，Ｍ４とは、各単セル１１において、膜電極接合体５が配置された領域を挟んで対向するように配置され、それぞれが連通路１４を介して、第１と第２のガス流路１２，１３の入口または出口に接続されている。具体的には、以下のとおりである。
供給用マニホールドＭ１は、第１のガス流路１２の入口に接続されるとともに、カソードガス配管３１に接続されている。排出用マニホールドＭ２は、第１のガス流路１２の出口に接続されるとともに、カソード排ガス配管４１に接続されている。供給用マニホールドＭ３は、第２のガス流路１３の入口に接続されるとともに、アノードガス配管５１に接続されている。排出用マニホールドＭ４は、第２のガス流路１３の出口に接続されるとともに、アノード排ガス配管６１に接続されている。
以後、本明細書では、第１の電極２を「カソード２」とも呼び、第１のガス流路１２を「カソードガス流路１２」とも呼ぶ。また、第２の電極３を「アノード３」とも呼び、第２のガス流路１３を「アノードガス流路１３」とも呼ぶ。さらに、各単セル１１において、膜電極接合体５が配置され、供給用マニホールドＭ１，Ｍ３と、排出用マニホールドＭ２，Ｍ４とに挟まれた、第１と第２のガス流路１２，１３を含む領域を「発電部ＧＡ」と呼ぶ。
ここで、燃料電池１０では、カソード２用の供給用マニホールドＭ１および排出用マニホールドＭ２の配列と、アノード３用の供給用マニホールドＭ３および排出用マニホールドＭ４の配列とが逆になるように構成されている。そして、燃料電池システム１００では、燃料電池１０は、供給用マニホールドＭ１が接続される発電部ＧＡのカソード２側の入口が重力方向下側となり、排出用マニホールドＭ２が接続される発電部ＧＡのカソード２側の出口が重力方向上側となるように配置される。
このような構成によって、各単セル１１の発電部ＧＡでは、カソード２側において空気が重力方向とは反対の方向に流れるとともに、アノード３側において、水素が、それに対向するように、重力方向に沿って流れる（破線矢印）。また、カソード２で生じた生成水分は、以下のように移動する。
カソード２で生じた水分は、カソードガス流路１２における空気の流れによって、供給用マニホールドＭ１側（上流側）から排出用マニホールドＭ２側（下流側）へと移動する。そのため、カソード２側では、カソードガス流路１２の上流側より下流側の方が、水分量が多くなる。ただし、カソードガス流路１２の入口側が重力方向下側に配置されているため、カソードガス流路１２の下流側への水分移動が重力によって抑制される分だけ、カソードガス流路１２の上流側が過度に乾燥しすぎてしまうことが抑制される。
また、カソード２で生じた水分は、電解質膜１を介してアノード３側へと移動する。特に、カソード２側ではカソードガス流路１２の下流側の水分量が多いため、カソード２側からアノード３側へと移動する水分量は、アノードガス流路１３の上流側ほど多くなる。これに対して、カソードガス流路１２の上流側では、水分量が少なくなる傾向にあるため、アノードガス流路１３の下流側では、逆に、アノード３側からカソード２側へと移動する水分量が多くなる。
このように、燃料電池１０の運転中には、カソード２側とアノード３側とで、それぞれのガス流路１２，１３の下流側の水分量が多くなる水分量の勾配が形成され、発電領域ＧＡの全体にわたる水分の循環経路が形成される。従って、燃料電池１０の運転中における膜電極接合体５の湿潤状態が良好に保持される。
ところで、燃料電池１０の運転終了後には、燃料電池１０の内部や、その接続されたガス配管３１，４１，５１，６１の内部に多量の水分が残留してしまう場合がある。氷点下などの低温環境下では、そうした残留水分が凍結し、燃料電池１０の内部やガス配管３１，４１，５１，６１における反応ガスの流路の閉塞を引き起こし、燃料電池１０の起動性を低下させる原因となる。
そのため、燃料電池１０の運転終了後には、そうした残留水分を除去・低減するための掃気（パージ）が実行されることが望ましい。なお、本明細書において、「燃料電池１０の運転終了後」とは、運転者が、車両の運転を停止させた後の状態（いわゆるイグニションオフの状態）を意味しており、燃料電池１０が運転者からの要求に応じた電力の出力を停止している状態を意味する。
しかし、本発明の発明者は、燃料電池１０に対して、十分な時間のパージを実行した場合でも、燃料電池１０の内部には排出しきれない水分が残留してしまうことを見出した。そして、そうした残留水分の凍結が、氷点下における燃料電池１０の起動性を低下させる原因になる可能性があることを見出した。
図３は、本発明の発明者の実験により得られたグラフであり、運転停止後の燃料電池１０において、パージを実行したときのカソードガス流路１２における圧力損失の時間変化を示すグラフである。本発明の発明者は、燃料電池１０に発電させた後、その燃料電池１０のカソード側のパージを、間隔をあけて２回実行し、カソードガス流路１２の圧力損失の時間変化を計測した。
なお、この実験においても、燃料電池１０は、カソード側の供給用マニホールドＭ１が重力方向下側となり、排出用マニホールドＭ２が重力方向上側となるように配置した。また、この実験では、パージの実行前後における燃料電池１０の重量変化を計測することにより、燃料電池１０からの水分の排出を確認した。
実線グラフＧ1は、供給用マニホールドＭ１からパージガスを供給したとき（即ち、発電部ＧＡにおいて、パージガスを重力方向とは逆の方向に流したとき）の圧力損失の時間変化を示している。また、破線グラフＧ2は、排出用マニホールドＭ２からパージガスを供給したとき（即ち、発電部ＧＡにおいて、パージガスを重力方向に沿って流したとき）の圧力損失の時間変化を示している。実験では、時刻ｔ0において、パージを開始し、時刻ｔ1において、一旦、パージを停止した。そして、時刻ｔ2においてパージを再開した。
１回目のパージを開始したときには、いずれのグラフにおいても、圧力損失は、初期の段階で一時的にピーク値Ｐ1まで増大し、その後、急激に低下して、ある値Ｐｃに収束した。この１回目のパージにおける、ピーク値Ｐ1の一時的な圧力損失の増大は、カソード側の水分がパージガスによって一時に押し出されたことにより生じたものである。また、その後の圧力損失の収束値Ｐｃへの収束は、パー比ガスの流れを阻害するような水分がほとんど排出されたことを示している。
実線グラフＧ1の示す圧力損失は、２回目のパージを開始したときには、初期の段階で、１回目のピーク値Ｐ1よりも小さいピーク値Ｐ2（Ｐ2＜Ｐ1）まで一時的に増大した後に、再び収束値Ｐｃに収束した。ただし、２回目のパージのときには、１回目のパージのときのような、燃料電池１０の外部への水分の排出は検出されることはなかった。
なお、２回目のパージの実行後にも、複数回のパージを繰り返したところ、燃料電池１０からの水分の排出は確認されず、２回目のパージと同様なピーク値Ｐ2を示す圧力損失の一時的増大が観測された。一方、破線グラフＧ2の示す圧力損失は、２回目のパージを実行した場合でも、一時的な増大を示すことなく、再び収束値Ｐｃに収束した。
以上のように、燃料電池１０の発電部ＧＡにおいて、パージガスを重力方向と反対の方向に流したときには、重力方向に沿って流したときとは異なり、２回目のパージにおいて圧力損失の一時的な増大が生じた。この２回目のパージにおける圧力損失の一時的な増大は、燃料電池１０の内部における、以下のような水分移動が原因となって生じたものである。
図４（Ａ），（Ｂ）は、供給用マニホールドＭ１からパージガスを流したときの燃料電池１０の内部の様子を模式的に示した概略図である。図４（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、図２と同様な燃料電池１０の模式図に、水分Ｍの移動の様子を追加して示してある。図４（Ａ）は、１回目のパージを完了した直後の燃料電池１０の内部状態を示しており、図４（Ｂ）は、２回目のパージ実行を開始時の燃料電池１０の内部の状態を示している。
運転停止後の燃料電池１０に、供給用マニホールドＭ１からパージガスを流した場合には、燃料電池１０の外部にある程度の量の水分が排出された後、発電部ＧＡの下流側（重力方向上側）には排出されないまま滞留してしまう水分Ｍが生じる（図４（Ａ））。その後、２回目のパージを開始するときには、発電部ＧＡの下流側に滞留していた水分Ｍは、重力によって上流側へと移動してきており、カソードガス流路１２の入口側の圧力損失が高い状態となる（図４（Ｂ））。
そのため、２回目のパージ実行時には、図３の実線グラフＧ1が示すような、圧力損失の一時的な増大が発生する。そして、この２回目のパージでは、その上流側に滞留していた水分Ｍは、再び下流側へと押し戻され、図４（Ａ）の状態に戻る。このように、重力方向とは逆のパージを繰り返した場合には、重力の作用により、水分Ｍを発電部ＧＡの内部で移動させることはできても、外部へと移動させることは困難である。
なお、パージガスを、排出用マニホールドＭ２から流入させ、発電部ＧＡにおいて、重力方向に沿ってパージガスを流した場合には、図４（Ａ）のような重力の作用による水分Ｍの滞留が生じない。そのため、図３の破線グラフＧ2が示すように、２回目のパージにおける一時的な圧力損失は生じない。
本実施例の燃料電池システム１００において、カソードガスをパージガスとして、運転停止後の燃料電池１０の掃気を実行した場合には、図４（Ｂ）のように、発電部ＧＡの上流側に水分が滞留してしまう可能性がある。この水分が凍結すると、空気の流れが阻害されるため、燃料電池１０の起動が困難となる可能性がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転終了後に、パージ処理実行部２１が、以下に説明するパージ処理を実行することにより、そうした残留水分を、比較的少ないエネルギー消費量で、確実に低減する。
図５は、燃料電池１０の運転終了後に実行されるパージ処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、パージ処理実行部２１は、パージの必要性があるか否かを判定するための外気温判定を実行する。具体的には、パージ処理実行部２１は、外気温センサ８０によって検出された外気温が、所定の温度（例えば１０℃）以下のときに、外気温が氷点下に到達し、燃料電池１０内の水分が凍結する可能性があるものとして、パージが必要であると判定する。
パージ処理実行部２１は、ステップＳ１０において、外気温が高く、パージの必要性が低いと判定した場合には、パージを開始することなく、このパージ処理を終了する。これによって、外気温が高く、燃料電池１０の内部における凍結の可能性が低いときに、無駄にパージが実行されることが抑制されるため、システム効率の低下が抑制される。
パージ処理実行部２１は、ステップＳ１０において、パージの必要性が高いと判定した場合には、ステップＳ２０において、燃料電池１０のカソード側の流路のパージを開始する。具体的には、パージ処理実行部２１は、供給バルブ３４と排出バルブ４３とを開くとともに、エアコンプレッサ３２を駆動させて、パージガスとしての圧縮空気を、カソードガス配管３１から燃料電池１０に流通させる。
パージ処理実行部２１は、所定の時間（例えば、数秒〜数十秒程度）が経過するまで、ステップＳ２０のパージを継続する（ステップＳ３０）。なお、ステップＳ２０，Ｓ３０では、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０のアノード側のパージも同時に実行するものとしても良い。具体的には、水素タンク５２からの水素の供給を停止した状態で、水素循環用ポンプ６４を駆動することにより、システム内に残留している水素と不活性ガスとを循環させて、燃料電池１０のアノード側をパージするものとしても良い。
ステップＳ４０〜Ｓ６０では、パージ処理実行部２１は、ステップＳ２０，Ｓ３０のパージによっても排出されずに、燃料電池１０内部に残留している水分を排出するための残水排出処理を実行する。具体的には、以下の通りである。
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、ステップＳ６０〜Ｓ６０の残水排出処理を説明するための模式図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）には、残水排出処理の実行時における燃料電池１０の内部状態を模式図を工程順に図示してある。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）にはそれぞれ、燃料電池１０を、図２と同様な模式図により示してある。また、図６（Ａ）〜（Ｃ）では、供給バルブ３４および排出バルブ４３の図示を追加してある。
ステップＳ２０，３０の直後の燃料電池１０では、図４（Ａ）で説明したように、燃料電池１０の内部では、カソードガス流路１２の下流側（重力方向上側）に、水分Ｍが滞留している状態である（図６（Ａ））。ステップＳ４０では、燃料電池１０の内部に所定の圧力を残しつつ、燃料電池１０を封止する。具体的には、カソード排ガス配管４１の排出バルブ４３を閉じた後に、パージのために駆動していたエアコンプレッサ３２を停止させ、カソードガス配管３１の供給バルブ３４を閉じる。
ステップＳ５０では、所定の時間だけ、燃料電池１０の内圧が高い状態のまま、カソードガス流路１２の下流側に移動していた水分Ｍが、上流側（重力方向下側）に移動してくるのを待機する（図６（Ｂ））。なお、このステップＳ５０における待機時間としては、水分Ｍがカソードガス流路１２の上流側に移動するのに十分な時間であることが好ましく、具体的には、例えば、数秒〜数分程度であるものとしても良い。
ステップＳ６０では、カソードガス配管３１の供給バルブ３４を開き、燃料電池１０のカソードガス流路１２内の圧縮空気をカソードガス配管３１へと流出させる（図６（Ｃ））。この圧力の開放に伴うカソードガス配管３１への空気の流れによって、カソードガス流路１２の上流側に滞留していた水分Ｍを、発電部ＧＡの外部の連通路１４を通過させて、少なくとも供給用マニホールドＭ１まで移動させる。なお、供給バルブ３４の凍結を防止するため、水分Ｍは、最大でも供給バルブ３４の手前までの移動に制限することが好ましい。
パージ処理実行部２１は、ステップＳ７０において、残留水分が発電部ＧＡの外部に排出されるまで、所定の時間（例えば、１〜数秒程度）だけ、供給バルブ３４を開いたまま待機する。そして、ステップＳ８０において、供給バルブ３４を閉じて、パージ処理を終了する。
なお、このパージ処理の実行後においては、残水排出処理によって発電部ＧＡから排出された水分が、供給用マニホールドＭ１やカソードガス配管３１に残留したままである。しかし、本実施例では、残水排出処理の前には、ステップＳ２０，Ｓ３０において、パージが実行されているため、残水排出処理によって排出される水分量は、供給用マニホールドＭ１やカソードガス配管３１の閉塞を引き起こすほどの量ではない。
図７は、本発明の発明者の実験により得られたグラフであり、残水排出処理による水分の排出量を示すグラフである。本発明の発明者は、運転停止後の燃料電池１０に対してパージを実行した後に、上述した残水排出処理を実行し、その残水排出処理において、発電部ＧＡから排出された排水量を計測した（棒グラフＡ）。
なお、残水排出処理の前段のパージは、発電部ＧＡにおいてパージガスが重力方向とは逆の方向へと流れるように、供給用マニホールドＭ１からパージガスを供給し、水分の排出が検出されなくなる程度まで行った。そして、残水排出処理では、燃料電池１０の内圧を２００ｋＰａ（ａｂｓ）に保持して６０秒待機した後、圧力を開放して、燃料電池１０の内圧を１００ｋＰａ（ａｂｓ）まで低下とした。
また、本発明の発明者は、比較例として、上記のパージ後の燃料電池１０に対して、パージガスの流れを逆にして、二度目のパージを、６０秒実行したときの排水量を計測した（棒グラフＢ）。さらに、本発明の発明者は、残水排出処理として、カソード排ガス配管４１の排出バルブ４３を開き、重力方向上側へと圧力を開放したときの排水量を計測した（棒グラフＣ）。なお、この棒グラフＣの残水排出処理は、排出バルブ４３を開いた点以外は、棒グラフＡの残水排出処理と同様な条件で行った。
棒グラフＡが示すように、１回目のパージで排出されなかった発電部ＧＡの水分を、残水排出処理を１回実行することにより、発電部ＧＡの外部へと排出させることが可能である。また、その棒グラフＡが示す排水量は、発電部ＧＡにおいて重力方向に沿ってパージガスを流したときの排水量（棒グラフＢ）の半分程度ではあったが、カソードガス流路１２の閉塞を抑制するのには十分な量であった。さらに、棒グラフＡが示す排水量は、重力方向とは逆に圧力を開放して残留水分を排出させたときの排水量（棒グラフＣ）の倍以上の量が排出された。
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転終了後に、パージとともに、エネルギー消費量の小さい残水排出処理を１回実行することにより、燃料電池１０の発電部ＧＡに残留していた水分を、外部へと確実に移動させる。従って、そうした残留水分の凍結により燃料電池１０の起動性が低下してしまうことが、効率的に抑制される。
B．第２実施例：
図８は本発明の第２実施例としてのパージ処理の処理手順を示すフローチャートである。図８はステップＳ６０に換えて、ステップＳ６０Ａが設けられている点と、ステップＳ８５が追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。
図８は本発明の第２実施例としてのパージ処理の処理手順を示すフローチャートである。図８はステップＳ６０に換えて、ステップＳ６０Ａが設けられている点と、ステップＳ８５が追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。
第２実施例の燃料電池システムでは、パージ後の残水排出処理として、カソード排ガス配管４１の排出バルブ４３を開き（ステップＳ６０Ａ）、カソード排ガス配管４１へと燃料電池１０内の圧力を開放して、重力方向上側へと排水する処理を実行する。そして、この残水処理を所定の回数だけ繰り返した後に、パージ処理を終了する（ステップＳ８５）。
図７で説明したように、残水排出処理として、排出バルブ４３を開いて、重力方向上側のカソード排ガス配管４１へと燃料電池１０の圧力を開放した場合であっても、発電部ＧＡから残留水分を排出することが可能である（棒グラフＣ）。ただし、この場合の排水量は、供給バルブ３４を開いて、重力方向下側のカソードガス配管３１へと燃料電池１０の圧力を開放した場合の排水量（棒グラフＡ）よりも少ない。そこで、第２実施例の燃料電池システムでは、残水排出処理を複数回繰り返して実行することにより、燃料電池１０の内部の滞留水分を確実に低減する。
以上のように、第２実施例の燃料電池システムであれば、第１実施例と同様に、燃料電池１０の内部の滞留水分を確実に低減させることができる。また、第２実施例の燃料電池システムの場合には、残水排出処理によって、発電部ＧＡの出口側へと水分が排出されるため、燃料電池１０の再起同時に、その水分が、そのままカソード排ガス配管４１から排出され、効率的である。
C．第３実施例：
図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図である。図９は、燃料電池１０にインピーダンス計測部８１が接続されている点と、制御部２０に残水量検出部２２としての機能と、凍結防止処理実行部２３としての機能が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。
図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図である。図９は、燃料電池１０にインピーダンス計測部８１が接続されている点と、制御部２０に残水量検出部２２としての機能と、凍結防止処理実行部２３としての機能が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。
インピーダンス計測部８１は、交流インピーダンス法によって、運転停止後の燃料電池１０における各単セル１１の抵抗を検出し、制御部２０に出力する。残水量検出部２２は、予め準備された各単セル１１の抵抗と各単セル１１内部に存在する水分量との関係と、を用いて、インピーダンス計測部８１の計測結果と、を用いて、各単セル１１の内部に存在する水分量を検出する。凍結防止処理実行部２３は、燃料電池１０の凍結を防止するための凍結防止処理（後述）を実行する。
図１０は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂにおいて、燃料電池１０の運転終了時に実行されるパージ処理の処理手順を示すフローチャートである。図１０は、ステップＳ１５の判定処理と、ステップＳ９０の凍結防止処理とが追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。
ステップＳ１０では、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０に対するパージの実行の可否を判定する第１の判定処理としての外気温判定を実行する。具体的には、第１実施例で説明したように、現在の外気温に基づいて、外気温が氷点に到達する可能性があるか否かを判定する。パージ処理実行部２１は、ステップＳ１０において、外気温が所定の温度よりも高く、氷点に到達する可能性が低いと判定した場合には、燃料電池１０に対するパージを実行することなく、このパージ処理を終了する。
ステップＳ１０において、外気温が所定の温度以下であり、氷点に到達する可能性が高いと判定された場合には、パージ処理実行部２１は、ステップＳ１５において、パージの実行の可否を判定する第２の判定処理を実行する。ここで、燃料電池１０の内部の水分量が少ない場合には、燃料電池１０のパージを実行しても、排出される水分がほとんどなく、パージの実行が非効率的となる。そこで、第３実施例の燃料電池システム１００では、ステップＳ１５において、燃料電池１０の内部に残留している水分量に基づいてパージの実行の可否を判定する。
パージ処理実行部２１は、残水量検出部２２が検出した各単セル１１の内部の水分量を用いて、各単セル１１に所定量より多い水分量が存在するか否か、即ち、パージにより排出可能な水分量が存在するか否かを判定する。具体的には、パージ処理実行部２１は、例えば、少なくとも１つの単セル１１において、所定量以上の水分量が検出された場合には、パージの必要性が高いと判定するものとしても良い。
パージ処理実行部２１は、ステップＳ１５において、燃料電池１０に、パージにより排出可能な水分量が存在すると判定した場合には、ステップＳ２０，Ｓ３０において、燃料電池１０のパージを実行する。そして、ステップＳ２０，Ｓ３０のパージの実行後に、第１実施例で説明したのと同様な残水排出処理を実行して、パージ処理の実行を終了する（ステップＳ４０〜Ｓ８０）。
一方、パージ処理実行部２１は、ステップＳ１５において、パージにより排出可能な水分量の存在が検出されなかった場合には、パージを実行することなく、凍結防止処理実行部２３に、ステップＳ９０の凍結防止処理の実行を開始させる。ステップＳ９０の凍結防止処理は、燃料電池１０の運転停止中に外気温が氷点に到達して、燃料電池１０の内部において、燃料電池１０の起動性を低下させる凍結が生じてしまうことを抑制するための処理である。
図１１は、凍結防止処理の処理手順を示すフローチャートである。パージ処理（図１０）のステップＳ１５において、パージにより排出されるような水分量が燃料電池１０の内部に存在しない判定された場合であっても、発電部ＧＡには、凍結によりガスの拡散経路を閉塞できる程度の水分が存在する可能性がある。この凍結防止処理では、パージ処理のにおいて実行されていたのと同様な残水排出処理を実行することにより、そうした発電部ＧＡにおけるガスの拡散経路を閉塞する可能性のある水分を、発電部ＧＡの外部へと移動させ、発電部ＧＡにおける凍結の発生を抑制する。
凍結防止処理実行部２３は、燃料電池１０の運転が再開されるまでの間、外気温センサ８０によって、外気温を定期的に検出する（ステップＳ１００，Ｓ１１０）。そして、外気温が氷点下に到達した場合、あるいは、氷点より数℃程度高い温度まで低下した場合には、ステップＳ１２０以降の処理を実行し、燃料電池１０の起動要求が検出された場合には、凍結防止処理を終了する。
ステップＳ１２０では、凍結防止処理実行部２３は、燃料電池１０への圧縮空気の封入を開始する。具体的には、凍結防止処理実行部２３は、カソード排ガス配管４１の排出バルブ４３を閉じたまま、カソードガス配管３１の供給バルブ３４を開き、エアコンプレッサ３２を駆動させる。ステップＳ１３０において、燃料電池１０の内部の圧力が所定の圧力まで到達したことが検出されたときには、凍結防止処理実行部２３は、ステップＳ１４０〜Ｓ１６０の残水排出処理を実行する。
ステップＳ１４０では、凍結防止処理実行部２３は、エアコンプレッサ３２の駆動を停止するとともに、供給バルブ３４を閉じて、燃料電池１０を封止する。なお、ステップＳ１２０〜Ｓ１４０では、パージを実行するときのエネルギーよりも小さいエネルギーでエアコンプレッサ３２を駆動することが望ましい。
ステップＳ１５０では、燃料電池１０の内圧を保持したまま所定の時間だけ待機する。ステップＳ１６０では、供給バルブ３４を開き、カソードガス配管３１へと圧力を開放し、発電部ＧＡの水分を、供給用マニホールドＭ１へと移動させる。凍結防止処理実行部２３は、ステップＳ１６０の圧力の開放から所定の時間（例えば数秒程度）経過したときに、供給バルブ３４を閉じ（ステップＳ１７０，Ｓ１８０）、凍結防止処理を終了する。
以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０の内部に所定量以上の水分が存在する場合には、パージと残水排出処理とを実行し、所定量より少ない水分しか存在しない場合には、残水排出処理のみが実行される。従って、無駄なパージの実行によってシステム効率が低下してしまうことを抑制しつつ、運転停止後の燃料電池１０の内部に存在する水分量を確実に低減させることができ、燃料電池１０の起動性が低下することを、効率的に抑制することができる。
D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D1．変形例１：
上記実施例では、燃料電池１０は、カソード側の供給用マニホールドＭ１を重力方向下側とし、排出用マニホールドＭ２を重力方向上側として配置されていた。しかし、燃料電池１０は、この配置方向に限定されることなく、他の配置方向で配置されるものとしても良い。
上記実施例では、燃料電池１０は、カソード側の供給用マニホールドＭ１を重力方向下側とし、排出用マニホールドＭ２を重力方向上側として配置されていた。しかし、燃料電池１０は、この配置方向に限定されることなく、他の配置方向で配置されるものとしても良い。
D2．変形例２：
上記実施例では、残水排出処理の前のパージでは、パージガスである圧縮空気を、発電部ＧＡにおいて重力方向とは逆の方向に流してしていた。しかし、残水排出処理の前のパージでは、パージガスを、発電部ＧＡにおいて重力方向に沿って流すものとしても良い。この場合でも、パージの実行後に、残水排出処理を実行することにより、パージにより排出されなかった水分を、発電部ＧＡの外部へと移動させることが可能である。
上記実施例では、残水排出処理の前のパージでは、パージガスである圧縮空気を、発電部ＧＡにおいて重力方向とは逆の方向に流してしていた。しかし、残水排出処理の前のパージでは、パージガスを、発電部ＧＡにおいて重力方向に沿って流すものとしても良い。この場合でも、パージの実行後に、残水排出処理を実行することにより、パージにより排出されなかった水分を、発電部ＧＡの外部へと移動させることが可能である。
D3．変形例３：
上記実施例では、燃料電池１０のカソード側に対して残水排出処理を実行していた。しかし、残水排出処理は、燃料電池１０のアノード側に対して実行されるものとしても良い。
上記実施例では、燃料電池１０のカソード側に対して残水排出処理を実行していた。しかし、残水排出処理は、燃料電池１０のアノード側に対して実行されるものとしても良い。
D4．変形例４：
上記第１実施例では、ステップＳ１０において、パージの実行可否を外気温に基づいて判定していた。しかし、パージの実行可否は、他の判定基準によって実行されるものとしても良い。例えば、運転停止後の燃料電池１０の内部に残留している水分量を基準として判定するものとしても良いし、燃料電池１０の運転中における発電量など、燃料電池１０の運転状態の履歴によって判定するものとしても良い。
上記第１実施例では、ステップＳ１０において、パージの実行可否を外気温に基づいて判定していた。しかし、パージの実行可否は、他の判定基準によって実行されるものとしても良い。例えば、運転停止後の燃料電池１０の内部に残留している水分量を基準として判定するものとしても良いし、燃料電池１０の運転中における発電量など、燃料電池１０の運転状態の履歴によって判定するものとしても良い。
D5．変形例５：
上記第２実施例では、排出バルブ４３を開いてカソード排ガス配管４１へと燃料電池１０の圧力を開放する残水排出処理を複数回繰り返して実行していた。しかし、上記第２実施例では、供給バルブ３４を開いてカソードガス配管３１へと燃料電池１０の圧力を開放する、第１実施例と同様な残水排出処理を複数回繰り返して実行するものとしても良い。
上記第２実施例では、排出バルブ４３を開いてカソード排ガス配管４１へと燃料電池１０の圧力を開放する残水排出処理を複数回繰り返して実行していた。しかし、上記第２実施例では、供給バルブ３４を開いてカソードガス配管３１へと燃料電池１０の圧力を開放する、第１実施例と同様な残水排出処理を複数回繰り返して実行するものとしても良い。
D6．変形例６：
上記第３実施例では、パージ処理実行部２１は、インピーダンス計測部１０の計測値に基づいて、燃料電池１０の内部に残留している水分量を検出していた。しかし、パージ処理実行部２１は、他の方法によって燃料電池１０の内部に残留している水分量を検出するものとしても良い。例えば、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の発電量に基づく生成水量と、燃料電池１０からの液水の排出量とに基づいて、燃料電池１０の内部の水分量を算出するものとしても良い。
上記第３実施例では、パージ処理実行部２１は、インピーダンス計測部１０の計測値に基づいて、燃料電池１０の内部に残留している水分量を検出していた。しかし、パージ処理実行部２１は、他の方法によって燃料電池１０の内部に残留している水分量を検出するものとしても良い。例えば、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の発電量に基づく生成水量と、燃料電池１０からの液水の排出量とに基づいて、燃料電池１０の内部の水分量を算出するものとしても良い。
D7．変形例７：
上記第３実施例では、供給バルブ３４を開き、供給用マニホールドＭ１へと圧力を開放する残水排出処理を実行していた。しかし、第３実施例の残水排出処理では、第２実施例のように、排出バルブ４３を開き、排出用マニホールドＭ２へと圧力を開放するものとしても良い。また、上記第３実施例では、第２実施例のように、残水排出処理を複数回繰り返して実行するものとしても良い。
上記第３実施例では、供給バルブ３４を開き、供給用マニホールドＭ１へと圧力を開放する残水排出処理を実行していた。しかし、第３実施例の残水排出処理では、第２実施例のように、排出バルブ４３を開き、排出用マニホールドＭ２へと圧力を開放するものとしても良い。また、上記第３実施例では、第２実施例のように、残水排出処理を複数回繰り返して実行するものとしても良い。
１…電解質膜
２…カソード（第１の電極）
３…アノード（第２の電極）
５…膜電極接合体
１０…インピーダンス計測部
１０…燃料電池
１１…単セル
１２…カソードガス流路
１３…アノードガス流路
１４…連通路
２０…制御部
２１…パージ処理実行部
２２…残水量検出部
２３…凍結防止処理実行部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…供給バルブ
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…排出バルブ
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出系
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒循環供給系
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…冷媒温度計測部
８０…外気温センサ
８１…インピーダンス計測部
１００，１００Ｂ…燃料電池システム
ＧＡ…発電部
Ｍ…水分
Ｍ１…供給用マニホールド
Ｍ２…排出用マニホールド
Ｍ３…供給用マニホールド
Ｍ４…排出用マニホールド
２…カソード（第１の電極）
３…アノード（第２の電極）
５…膜電極接合体
１０…インピーダンス計測部
１０…燃料電池
１１…単セル
１２…カソードガス流路
１３…アノードガス流路
１４…連通路
２０…制御部
２１…パージ処理実行部
２２…残水量検出部
２３…凍結防止処理実行部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…供給バルブ
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…排出バルブ
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出系
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒循環供給系
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…冷媒温度計測部
８０…外気温センサ
８１…インピーダンス計測部
１００，１００Ｂ…燃料電池システム
ＧＡ…発電部
Ｍ…水分
Ｍ１…供給用マニホールド
Ｍ２…排出用マニホールド
Ｍ３…供給用マニホールド
Ｍ４…排出用マニホールド
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の第一形態は、燃料電池システムであって、供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有し、前記ガス流路の上流側が重力方向下側となり、前記ガス流路の下流側が重力方向上側となるように、前記供給ガスマニホールドを重力方向下側とし、前記排出ガスマニホールドを重力方向上側として配置されている燃料電池と、前記供給ガスマニホールドにガスを流入させるガス供給部と、前記供給ガスマニホールドを封止可能な供給バルブと、前記排出ガスマニホールドを封止可能な排出バルブと、前記燃料電池の運転停止後に、前記供給バルブおよび前記排出バルブを閉じ、前記ガス供給部からのガスを前記燃料電池内に所定の圧力で封止して、所定の時間待機した後に、前記供給バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドへと移動させる、残留水分排出処理を実行する制御部と、を備える、燃料電池システムとして提供される。本発明の第二形態は、供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有し、前記ガス流路の上流側が重力方向下側となり、前記ガス流路の下流側が重力方向上側となるように、前記供給ガスマニホールドを重力方向下側とし、前記排出ガスマニホールドを重力方向上側として配置されている燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記燃料電池の運転停止後に、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとを封止し、前記燃料電池内を所定の圧力に保持して、所定の時間待機する工程と、（ｂ）前記供給ガスマニホールドを開放し、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドへと移動させる工程と、を備える、制御方法として提供される。
Claims (6)
- 燃料電池システムであって、
供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池と、
前記供給ガスマニホールドにガスを流入させるガス供給部と、
前記供給ガスマニホールドを封止可能な供給バルブと、
前記排出ガスマニホールドを封止可能な排出バルブと、
前記燃料電池の運転停止後に、前記供給バルブおよび前記排出バルブを閉じ、前記ガス供給部からのガスを前記燃料電池内に所定の圧力で封止して、所定の時間待機した後に、前記供給バルブまたは前記排出バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる、残留水分排出処理を実行する制御部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記ガス流路の上流側が重力方向下側となり、前記ガス流路の下流側が重力方向上側となるように、前記供給ガスマニホールドを重力方向下側とし、前記排出ガスマニホールドを重力方向上側として配置されており、
前記残留水分排出処理は、前記供給バルブを開き、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドに移動させる処理である、燃料電池システム。 - 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の運転停止後に、前記ガス供給部からのガスによって、前記燃料電池内部を掃気する掃気処理を実行し、
前記掃気処理を実行した後に、前記残留水分排出処理を実行する、燃料電池システム。 - 請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
運転停止時に前記燃料電池内部に残留している水分量を検出する水分量検出部を備え、
前記制御部は、前記水分量に応じて、（ｉ）前記掃気処理と、前記残留水分排出処理の両方を実行するか、または、（ｉｉ）前記掃気処理を実行することなく前記残留水分排出処理を実行するか、を決定する、燃料電池システム。 - 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記残留水分排出処理を複数回繰り返して実行する、燃料電池システム。 - 供給ガスマニホールドと、排出ガスマニホールドと、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとに接続されたガス流路が配置された発電部と、を有する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転停止後に、前記供給ガスマニホールドと前記排出ガスマニホールドとを封止し、前記燃料電池内を所定の圧力に保持して、所定の時間待機する工程と、
（ｂ）前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドを開放し、前記発電部の前記ガス流路に残留している水分を、前記供給ガスマニホールドまたは前記排出ガスマニホールドへと移動させる工程と、
を備える、制御方法。
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