WO2005109559A1

WO2005109559A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2005109559A1
Application number: PCT/JP2005/009013
Authority: WO
Inventors: Kazunori Shibata; Masaaki Kondo
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2005-11-17
Also published as: DE112005001063B4; US20070231637A1; JP2005327492A; US20130095404A1; CN101257125A; CN1950966A; JP4645937B2; DE112005001063T5; CN101257125B; CN100547841C

Abstract

　本発明による燃料電池システムは、燃料電池の発電停止期間中に、燃料電池へ酸化ガスが供給されるものである。これにより、発電自体が停止していても残留している燃料ガスとの反応を継続するに足りるだけの酸化ガス量が維持されるので、酸欠が原因で生じる損傷から電解質膜を保護することが可能である。また、本発明による燃料電池システムは、間欠運転のみならずその他の事情に応じた燃料電池の発電停止や燃料電池システムの完全運転停止時における措置としても適用可能である。

Description

明細書燃料電池システム技術分野

本発明は、燃料電池システムに関する。背景技術

燃料電池においては、その発電停止時に、燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが電解質膜を透過して力ソード側へ移動し、また、力ソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが電解質膜を透過してァノード側へ移動するようないわゆるクロスリークが生じる。クロスリークが生じると電解質膜が損傷することがあるため、それを防止すべく、例えば特許文献 1には、発電停止時に燃料電池の力ソードから排出される排出ガスを再循環させて力ソードへ供給し、排出ガス中の残留酸素により発電を継続し、発電電圧が所定値以下になった時に発電を停止するという燃料電池停止方法が開示されている。

〈特許文献 1〉特開 2 0 0 3— 1 1 5 3 1 7号公報発明の開示

し力しながら、上記公知技術によれば、残留酸素の濃度が徐々に少なくなつていくため、酸素ガスを循環させるコンプレッサを一定の回転数で駆動させなければならず、燃費のよレ、運転停止方法とは言えなかった。

また、上記公知技術は、燃料電池システムの完全運転停止時の運転方法に関するものであり、燃料電池の発電と発電停止とを繰り返す間欠運転の発電停止期間における燃料電池の電解質膜劣化を抑制するものではなかった。

出願人の経験によれば、間欠運転の発電停止期間において、燃料電池の電解質膜表面で酸欠状態が断続的に生じると燃料電池の耐久性が低下することが観測されている。また、残留水素ガスがある状態で酸化ガスの供給量が少なくなると、電解質膜内で両者の電気化学反応が生じ、電解質膜が熱（反応熱）により劣化することがあった。すなわち、上記公知技術に開示されているような燃料電池停止方法による残留酸素の消費方法では、通発電と発電停止とが頻繁に繰り返される間欠運転の発電停止期間における電解質膜劣化抑制には適さなかった。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃費を悪化させることなく、電解質膜の損傷や熱劣化を抑制しながら燃料電池システムを発電停止させることができる制御方法及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池を備えており、その燃料電池は、発電停止期間中に酸化ガスが供給されるものである。上述の如く、従来の燃料電池システムでは、システム全体が運転中であるにもかかわらず発電停止期間となったことを理由に燃料電池への酸化ガス供給を停止すると、電解質膜の損傷や熱劣化が生じる可能性がある。これに対し、本発明によれば、燃料電池が発電停止期間であっても酸化ガスが供給されるので、酸化ガスの欠如によって発生し得る従来の不都合を回避することが可能である。

なお、「燃料電池の発電停止期間」とは、燃料電池システムが運転中であるが、燃料電池そのものの発電を停止するような場合であり、例えば間欠運転における発電停止期間が挙げられる。ただし、本発明は、間欠運転のみならずその他の事情に応じた燃料電池の発電停止や燃料電池システムの完全運転停止時における措置としても適用可能である。

また、燃料電池の発電停止期間における燃料電池への酸化ガスの供給が断続的に行われると好ましい。このような構成によれば、酸化ガスの単位時間当たりの供給量を変化させることなく、供給ありと供給無しの運転操作（供給と非供給）を繰り返すことにより、発電停止期間において適量の酸化ガスを供給することが可能である。

或いは、燃料電池の発電停止期間における燃料電池への酸化ガスの供給が継続的に行われても好ましい。このような構成によれば、例えば酸化ガスの供給量を変化させて酸化ガスを連続供給すれば、発電停止期間において適量の酸化ガスを供給することが可能である。

さらに、発電停止期間における前記燃料電池への前記酸化ガス供給量が、燃料電池の酸欠を防止する最低酸素供給量以上とされるものであると好ましい。こうすれば、酸欠を生じない酸化ガスの供給量が予め設定されれば、その供給量以上の酸化ガスが発電停止期間中に供給されるので、発電自体が停止していても残留している燃料ガスとの反応を継続するに足りるだけの酸化ガス量が維持される。よって、酸欠が原因で生じ得る損傷や熱劣化から電解質膜を保護することが可能

(、ある。

ここで、酸化ガスの流れが燃料電池内（例えばセパレータ表面）で均一となるように酸化ガスの供給量が確保されることが好ましい。このようにすれば、酸欠状態が局所的に生じたり熱劣化が生じたりすることを一層防止するこどが可能である。

またさらに、燃料電池の発電停止期間における酸化ガスの供給量が、燃料電池の過乾燥領域の下限に応じた供給量以下に維持されても好適である。

また、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、その燃料電池へ酸化ガスを供給する駆動手段とを備えており、駆動手段は、燃料電池の発電停止期間中に、燃料電池の発電期間中よりも少ない供給量の酸化ガスを外部から取り入れるものである。なお、かかる構成としても、間欠運転のみならずその他の事情に応じた燃料電池の発電停止や燃料電池システムの完全運転停止時における措置として有用である。

このように構成すれば、燃料電池の発電停止期間中に発電期間中よりも少ない供給量で酸化ガスが供給されるので、駆動手段によつて消費される電力を極力抑えることができる。一方、この少ない供給量で供給される酸化ガスは外部から取り入れられるものであって酸素ガス濃度が十分に確保されるので、燃料電池に酸欠状態となる部分が発生することをも抑制可能である。

より具体的には、燃料電池の発電停止期間における酸化ガスの供給量が、駆動手段における消費電力が所定値以下となるような供給量に維持されると好適である。

さらに、燃料電池が発電期間から発電停止期間へ移行する際に、燃料電池への酸化ガスの単位時間当たりの平均供給量が順次減じられると好ましい。

通常、発電期間には十分な酸化ガスが供給され、発電停止期間には発電期間において供給された酸化ガスが残留する傾向にある。そして、当該構成によれば、残留する酸化ガスの量を考慮して徐々に酸化ガスの供給量を減少させ得るので、急激な停止で局所的な酸欠状態を発生させることなく、安定的に且つ速やかに燃料電池を停止させることができる。

さらに、酸化ガスを継続的（連続的）に供給する場合、その酸化ガスの燃料電池への供給量が、線形的又は漸近線的（一次的又は漸近線的）に減じられると好適である。

この場合、酸化ガスを順次減少させる有効なより具体的な手順としては、酸欠が起こらないインターバル（時間間隔）で酸化ガスの供給 '非供給を繰り返す断続供給を実施して供給期間における単位時間当たりの供給量を一定にしながらそのインターパル或いは供給期間を長くしていく方法、インターバルを一定にしながら酸化ガスの断続供給の供給期間における単位時間あたりの供給量を徐々に落としていく方法、それらの混合（それらを組み合わせて実施する方法）等が挙げられる。

換言すれば、本発明による燃料電池システムは、酸化ガスが、所定の時間間隔毎に、所定期間、単位時間当たり所定の供給量で前記燃料電池へ供給されるものであり、所定の時間間隔が徐々に長くされ、 '若じく'は所定期間が徐々に短くされ、又は、単位時間当たりの所定の供給量が徐々に減じられるもの、或いは、それらの一部或いは全部の組み合わせにより、酸化ガスの供給量が順次減少していくものであると好適である。

また、別の観点より、本発明は、燃料電池システムであって、燃料電池の発電停止期間中に、燃料電池へ酸化ガスを供給することを特徴とする。

また、燃料電池の発電停止期間中における燃料電池への前記酸化ガスの供給を断続的に行うと好ましい。

さらに、燃料電池の発電停止期間中における燃料電池への酸化ガスの供給を継続的に行っても好ましい。

またさらに、燃料電池の発電停止期間中における酸化ガスの供給量は、燃料電池の酸欠を防止する最低酸素供給量以上であると好適である。

或いは、本発明は、酸化ガスを供給する駆動手段を備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電停止期間中に、駆動手段によって燃料電池の発電期間中より少ない供給量の酸化ガスを外部から取り入れることを特徴とする。

また、燃料電池が発電期間から発電停止期間に移行する際に、酸化ガスの単位時間当たりの平均供給量を順次減少させていくと好ましい。

以上、本発明によれば、燃料電池の発電停止期間においても燃料電池へ酸化ガスが供給されるので、燃費を悪化させることなく、電解質膜の損傷や熱劣化を抑制しながら燃料電池の発電停止が可能である。図面の簡単な説明

図 1は、本発明による燃料電池システムの実施形態 1の構成を示す全体図である。

図 2は、実施形態 1の燃料電池システムの動作（運転方法の手順）の一例を示すフローチャートである。

図 3は、燃料電池に対する空気（酸化ガス）供給量と酸欠に起因する電解質膜の耐久性との関係を模式的に示す図である。

図 4は、燃料電池に対する空気（酸化ガス）供給量と消費電力との関係を模式的に示す図である。

図 5は、間欠運転モードの発電期間と発電停止期間とにおける電流密度変化を模式的に示す図である。

. 図 6は、間欠運転モードの発電期間と発電停止期間とにおける本発明の空気供給量を模式的に示す図である。

図 7は、実施形態 2の運転方法における発電停止期間の空気供給量制御を模式的に示す図である。

図 8は、実施形態 2の運転方法（変形例）における発電停止期間の空気供給量制御を模式的に示す図である。

図 9は、実施形態 3の運転方法における発電停止期間の空気供給量制御を模式的に示す図である。

図 1 0は、実施形態 3の運転方法（変形例 1 ) における発電停止期間の空気供給量制御を模式的に示す図である。：

図 1 1は、実施形態 3の運転方法（変形例 2 ) における発電停止期間の空気供給量制御を模式的に示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。また、各実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

(実施形態 1 )

本実施形態 1は、電気自動車等の車両、船舶、ロボット、及び携帯移動端末といった移動体に搭載される燃料電池システムとして好適なものであり、本発明に特有な発電停止制御（特に間欠運転の発電停止期間における発電停止制御）を適用したものである。

図 1は、本燃料電池システムの構成を示す全体図である。図 1に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック 1に燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス系統 10、酸化ガスとしての空気を供給するための酸化ガス系統 20、燃料電池スタック 1を冷却するための冷却系統 30、及び電力系統 4 0を備える。

燃料電池スタック 1は、水素ガス、空気、冷却液の流路を有するセパレータと. 一対のセハ。レータで挟み込まれた ME A (Membrane Electrode Assembly) と力ら構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。

ME Aは高分子電解質膜をァノード極及び力ソード極の二つの電極で挟み込んだ（挟持した）構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられたものであり、カソード極は力ソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられたものである。燃料電池は水の電気分解の逆反応を生起するものであり、アノード極（陰極）側には燃料ガスである水素ガスが供給され、力ノ、ード極（陽極）側には酸化ガス（空気）が供給される。これらにより、アノード極側では下記式（1) で表される反応が生じ、且つ、力ソード極側では式（2) で表される反応が生じて電子が循環し、電流が流れる。

H₂ → 2H++ 2 e— ··· (1)

2H++2 e- + (1/2) 0₂ → H₂0 … (2)

燃料ガス系統 10は、水素ガス供給源としての水素タンク 1 1、元弁 S V 1、調圧弁 RG、燃料電池入口遮断弁 SV2、燃料電池スタック 1を経て燃料電池出口遮断弁 SV3、気液分離器 1 2及び遮断弁 SV4、水素ポンプ 1 3、並びに逆止弁 RVを備えている。

水素タンク 1 1には高圧水素ガスが充填されている。なお、水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。元弁 S V 1は水素ガスの供給を制御する。調圧弁 R Gは下流の循環経路の圧力を調整する。燃料電池入口遮断弁 S V 2及び出口遮断弁 S V 3は、燃料電池の発電停止時等に閉鎖される。気液分離器 1 2は、通常運転時において燃料電池スタック 1の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁 S V 4を通じて外部に放出する。水素ポンプ 1 3は、循環経路中の水素ガスを強制循環させる。逆止弁 R Vの手前には排出経路が分岐接続されており、排出経路上にはパージ弁 S V 5が設けられている。

酸化ガス系統 2 0は、エアクリーナ 2 1、コンプレッサ 2 2、及び加湿器 2 3 を備えている。エアクリーナ 2 1は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ 2 2 (駆動手段）は、制御部 2によつて指定された回転数で取り入れられた外気（酸化ガスである空気）を圧縮して燃料電池スタック 1に供給するようにされている。このコンプレッサ 2 2の回転数制御によって間欠運転における発電停止期間や燃料電池システムの完全運転停止時において燃料電池スタック 1への空気の供給量が決定される。加湿器 2 3は圧縮された空気と空気オフガスと間で水分の交換を行って圧縮された空気に適度な湿度を加える。

なお、燃料電池スタック 1から排出された空気オフガスは図示しない希釈器によって、パージ弁 S V 5から排出された水素オフガスと混合され希釈されて排出されるようになっている。

また、冷却系統 3 0は、ラジェタ 3 1、ファン 3 2、及び冷却水ポンプ 3 3を備え、冷却液が燃料電池スタック 1内部に循環供給されるようになっている。さらに、電力系統 4 0は、バッテリ 4 1、高圧コンバータ 4 2、トラクシヨンインバータ 4 3、トラクシヨンモータ 4 4、高圧補機 4 5、電流センサ 4 6、及ぴ電圧センサ 4 7を備える。

燃料電池スタック 1には単セルが直列あるいは並列接続されており、それにより、アノード極 Aと力ソード極 Cとの間に所定の高電圧（例えば約 5 0 0 V) を発生させる。高圧コンバータ 4 2は電圧の異なる燃料電池スタック 1とノッテリ 4 1との間で電圧変換を行い、燃料電池スタック 1の補助電源としてバッテリ 4 1の電力を利用したり、または、燃料電池スタック 1からの余剰電力をバッテリ 4 1に充電したりする。トラクシヨンインバータ 4 3は直流電流を三相交流に変. 換し、トラクシヨンモータ 4 4に供給する。トラクシヨンモータ 4 4は例えば移動体が車両であるような場合にその車輪を回転させるといった動力を発生する。高圧補機 4 5としては、コンプレッサ 2 2、水素ポンプ 1 3、ファン 3 2の駆動モータ、冷却水ポンプ 3 3等のモータ類が挙げられる。電流センサ 4 6は燃料電池スタック 1による発電電流に対応する検出信号 S aを出力し、電圧センサ 4 7は燃料電池スタック 1の端子電圧に対応する検出信号 S Vを出力する。

制御部 2は、例えば自動車の制御に用いられる公知のコンピュータシステムであり、図示しない R OM等に格納されているソフトウェアプログラムを、図示しない C P U (中央処理装置）が順次実行することにより、図 2に示すような手順に従って燃料電池システムが作動するようになっている。

なお、この制御部 2はひとつのマイクロプロセッサによって構成されるものではなく、複数のマイクロプロセッサがそれぞれ異なるプログラムモジュールを実行することによつて実現されるそれぞれの機能が、協働作用することによって、本発明に適用される方法を含む多種多様な機能が実現されるものである。

次に、本実施形態 1の燃料電池システムにおける動作について説明する。

本実施形態に係る間欠運転モードは、軽負荷時に燃費を向上させる運転方法であって、一定期間の燃料電池による発電と一定期間の発電停止とが繰り返される運転モードである。本実施形態 1の燃料電池システムにおける運転制御（停止制御）は、この間欠運転モードの発電停止期間に適用される。具体的には、間欠運転時の燃料電池スタック 1の発電停止期間において、燃料電池スタック 1が酸欠や熱劣化を生じない最低酸素供給量以上の空気（酸化ガス）の供給量が維持される。

ここで、図 3に、燃料電池に対する空気供給量と酸欠に起因する電解質膜の.耐 0

久性との関係を示す。耐久性とは、 ME Aの高分子電解質膜が損傷を受ける程度を相対的に示すもの（指標）であり、耐久性が低いほど損傷を受けやすくなつて寿命が短くなり、耐久性が高いほど損傷が少なくなつて寿命が長くなる。

図 3から判るように、酸素量が所定の最低酸素供給量より少なくなる酸素不足領域に入ると高分子電解質膜の耐久性が格段に落ちてしまう傾向にある。この最低酸素供給量に相当する酸素量を確保できる空気供給量を最低空気供給量 Vmin とすると、燃料電池へ供給される空気量がこの最低空気供給量 Vmin以上であれば燃料電池の耐久性を維持できる。この最低空気供給量 Vminが本発明の燃料電池スタ.ックの発電停止期間におけるコンプレツサ駆動の制御領域における空気供給量の下限値となる。

また本実施形態では、高分子電解質膜の耐久性のみならず、電力面からの要求も配慮して制御領域を定める。すなわち、燃料電池スタック 1の発電停止期間における空気の供給量が、コンプレッサ 2 2における消費電力が所定値以下となる範囲の供給量に維持される。

図 4に、燃料電池に対する空気供給量と消費電力との関係を示す。コンプレツサ 2 2等の駆動手段は消費電力の上昇とともに回転数が上がり出力可能な空気供給量が増大する。空気供給量は、ある程度までは消費電力にほぼ対応して増大するが、消費電力は、空気供給量の増大につれて次第に頭打ちになってくる（飽和してくる）。

燃料電池システムにおいては、燃料電池に要求される要求出力電力値に応じて、式（2 ) で定まる必要酸素量（式（2 ) の反応に必要となる酸素量）が変動する 1 空気供給量が余りに多いと、 ME Aの高分子電解質膜表面から持ち去られる水分量が大きくなり過ぎて発電効率が低下してしまう。このような領域が同図に示す過乾燥領域である。燃料電池スタック 1の発電期間中では、この過乾燥領域の下限である最大空気供給量 Vmax以下の空気供給量となるようコンプレッサ 2 2の回転数が制御される。 ' ノ ' · 空気供給量が比較的少ない領域では、コンプレッサ 2 2による消費電力は、その回転数が大きいほど、また、空気供給量が多いほど増大する。消費電力を抑えるためには、コンプレッサ 2 2の回転数は、必要な空気供給量が確保できる範囲内でできるだけ低く抑えられる方が好ましい。そこで上記した最低空気供給量 V minを超える範囲で、制御上支障のない値として燃料電池スタック 1の発電停止期間における消費電力上限値 P limを定め、その消費電力でコンプレッサ 2 2を駆動したときの空気供給量を消費電力抑制空気供給上限値 Vlimとする。これが発電停止期間におけるコンプレッサ駆動の制御領域の上限値とされる。

さらに、本実施形態では、燃料電池スタック 1の各単セルにおける均一な酸素 (酸化ガス）供給が維持可能なように供給量を設定する。すなわち、図 3で示す制御領域でコンプレッサ 2 2を駆動する場合、発電期間に比べて空気の供給量が相対的に少なくなるため、 M E Aを囲むセパレータに流れる空気の量も少なくなる。

ところがセパレータには、空気と電解質膜との接触面積を確保し、且つ、通過時間を確保するための流路が複雑な形状で設けられている。このような流路形状がセパレータ表面を流れる空気の抵抗となり、燃料電池全体としては空気が流れていても、局所的に空気が滞留して酸欠状態となる部分が生じうる。

そこで、本実施形態では、燃料電池特有の下限値として、大凡単セルのどの部分でも空気が流れ酸欠状態が生じない空気供給量を、均一空気供給下限値として設定する。この均一空気供給下限値は、単セルのセパレータ形状に影響を受ける要素であるため、実験等によりセパレータ形状ごとに設定される。この均一空気供給下限値が、上記した酸欠防止のための最低空気供給量 Vminより大きければ、この均一空気供給下限値が、発電停止期間における空気供給の制御領域の下限値として設定される。

以上、高分子電解質膜の酸欠状態を防止する最低空気供給量（最低酸素供給量)、消費電力を抑制するための消費電力抑制空気供給上限値、局所的な酸欠を 2

防止する均一空気供給下限値（最低酸素供給量）によって定められる空気供給の制御領域において、コンプレッサ 22が駆動される。

このような制限領域の空気供給量の範囲は、例えば四百枚の単セルをスタック' する燃料電池スタック 1では、総量が 20〜 5 ONL/minとなり、一セル当たりにすれば、 0. 05〜0. 1 25NL/minとなる。

図 2に、本実施形態 1の燃料電池システムの動作（運転方法の手順）の一例として、この空気供給の制限領域においてコンプレッサ 22を駆動するときのフロ一チャートを示す。このフローチャートに示す処理ルーチンは、本燃料電池システムの実行時（運転時）に定期的にあるいは不定期に実行されるものである。なお、本フローチャートにおける各処理項目は、本発明の目的が達成される限りその順番が前後してもよい。

図 2において、燃料電池の間欠運転モード（間欠運転状態）において燃料電池スタック 1の発電期間であれば（S 1 ： NO), 制御部 2は、燃料電池に対する要求出力電力に基づく演算によって定められる回転数でコンプレッサ 22を駆動する（S 10)。

間欠運転の発電停止期間に入った場合（S 1 ： YE S)、制御部 2は、図 3に示す制御領域に入るような予め設定された回転数でコンプレッサ 22を駆動させる（S 2)。この設定された回転数としては、例えば制御領域の中心付近に対応する空気供給量になると想定される回転数を例示できる。

そして、発電停止期間における空気供給量が制御領域の範囲内に維持されるように、制御部 2は以下の制御を行う。

すなわち、圧力センサ p _Sの検出信号を参照する等して、制御部 2は空気の供給量を測定し、この空気供給量が、制御領域の下限値 Vmin (上記の如く、最低空気供給量または均一空気供給下限値）以下であるか否かが検査される（S 3)。空気供給量が下限値 Vmin以下の場合（S 3 ： YES), 燃料電池が局所的な酸欠状態と'なる:酸素不足領域（図 3) に入ると考えられるため、制御部 2はコンプレッサ 2 2の回転数を若干上げるような駆動信号を出力する（S 4 )。

一方、空気供給量が制御領域の上限値 V lim以上になっていると（S 5 ： Y E S ) コンプレッサ 2 2による消費電力が過多となるので、制御部 2はコンプレツサ 2 2の回転数を若干減少させるような駆動信号を出力する（S 6 )。

さらに当該発電停止期間における空気供給処理が、燃料電池システムの完全運転停止時に実行される場合もある。このような場合には、燃料ガスである水素ガスの供給が停止され、燃料電池の発電電力が低下していく。完全運転停止時には、高分子電解質膜の劣化が無い限り、空気供給をする必要が無くなる。

そこで、制御部 2は電流センサ 4 6と電圧センサ 4 7とから把握される発電電力が所定値 P min以下となった場合には（S 8 ： Y E S ) , 残留水素ガスが消費され、 ME Aの高分子電解質膜表面で発生する酸欠や水素ガスがアノード側から力ソード側に浸透して生じる熱劣化が生じなくなつたと判断し、コンプレッサ 2 2 の駆動を停止させる（S 9 )。

図 5に、当該実施形態 1の間欠動作（間欠運転）モードに対応して各燃料電池の単セルの電流密度がどのように変化するかを示す。また、図 6には、当該間欠モードに対応して燃料電池スタック 1に対する空気供給量がどのように変化するカゝを示す。

間欠運転モードでは、燃料電池スタック 1の発電期間と発電停止期間とが交互に所定のインターバルで実施される。発電期間中は、システム全体で電力が消費されるため各単セルにおいても図 5に示すように電流が流れ、図 6に示すようにそれに応じて定まる空気供給量が維持される。

一方、燃料電池スタック 1の発電停止期間中では、電力消費が無くなるため図

5に示すように実質的に電流が流れない。し力し、発電停止期間中であっても空気の供給量は制御領域に維持され、例えば平均空気供給量 V pが維持される。従来のシステムでは、発電停止期間中の空気供給量は実質ゼロであったので、本発明による燃料電池システムは、この点において従来のシステムと大いに異なる。 4

なお、本実施形態においては、燃料電池スタック 1の発電停止期間に空気供給を行うが、図 2のフローチャートに示す運転手順は、燃料電池システムの運転を完全に停止させる場合の電解質膜劣化防止対策としてもそのまま利用可能である。以上、本実施形態 1の燃料電池システムによれば、 M E Aの高分子電解質膜表面における酸欠による損傷と、残留している水素ガスによって進行する電気化学反応による熱劣化とを抑制できる程度の空気量が、燃料電池の発電停止期間においても供給され続けるので、酸欠や熱劣化が原因で生じる損傷から燃料電池を保護し、耐久性■信頼性を向上させることが可能である。

また、コンプレッサ 2 2による消費電力を極力抑える空気供給量を上限としているので、高分子電解質膜の酸欠及び熱劣化が抑制される範囲で消費電力を可能な限り抑えることができる。 · さらに、セパレータ表面における空気の流れが均一となる範囲に酸素の供給量が確保されるので、局所的に酸欠状態が生じることを防止可能である。

またさらに、燃料電池スタック 1へ供給される空気が外部から取り入れられるので、比較的高い酸素濃度の空気が提供され、燃料電池で部分的に酸欠が発生することも抑制可能である。

(実施形態 2 )

上記実施形態 1では、燃料電池が発電期間から発電停止期間に入る際に、発電期間の空気供給量から制限された空気供給量へと急に変化させていたが、本実施形態 2では、空気供給量を徐々に変化させるものである。なお、当該実施形態において用いる燃料電池システムとしては、実施形態 1で用いたものと同様の構造、すなわち図 1に示す燃料電池システムを例示できる。

図 7に、本実施形態 2における燃料電池の発電期間から運転停止期間にかけての空気供給量の制御特性を示す。この図は、図 6で示される発電期間と発電停止期間との空気供給量変化を拡大して示すものである。

図 7においては、時刻 t 0までが発電期間中で、 '時刻 f 0から発電停止期間に 5

移行する。制御部 2は、発電期間終了時（時刻 t O ) から線形的に空気供給量が減少するようコンプレッサ 2 2の回転数を制御する。そして、時刻 t 1において、制御量（空気供給量） 1 上記実施形態 1で説明した平均空気供給量 V pとなり、さらに、それ以降の空気供給量を図 2のフローチャートに示す手順に従って安定させる。

空気供給量を急に変動させると供給量変動による気流の乱れから、場合によつては、局所的な酸欠状態が発生する可能性がある。これに対し、本実施形態 2においては、空気供給量を順次（徐々に）変化させるように制御するので、燃料電池の発電停止期間直前の残留酸素量を徐々に変化させていくことができ、これにより局所的な酸欠状態がより生じにくくなる。

なお、線形的（一次曲線的）に空気供給量を変化させる代わりに、図 8に示すように漸近線的（多数次曲線的）に空気供給量を変化させても無論よい。

(実施形態 3 )

上記実施形態 1では、燃料電池が発電停止期間における制限された空気供給量を一定としていたが、本実施形態 3では、空気供給量を断続的に変化させる例について説明する。なお、当該実施形態において用いる燃料電池システムとしても、実施形態 1で用いたものと同様の構造、すなわち図 1に示す燃料電池システムを例示できる。

図 9に、本実施形態 3における燃料電池の発電期間から発電停止期間にかけての空気供給量の制御特性を示す。この図は、図 6で示される発電期間と発電停止期間との空気供給量変化を拡大して示すものである。

図 9に示すように、発電期間終了時（時亥 U t O ) から、一定のインターバル T をおいて一定期間 tだけ同一量の空気が供給され続ける。これら断続的な空気供給による平均値が図 6に示す V pである。インターバル Tは、空気供給が全くされなくても燃料電池における残留酸素によって酸欠が生じないような期間に設定される。制御部 2は、発電期間終了時（時亥 U t O ) からインターバル Tごとに同 6

一の回転数で期間 tだけコンプレッサ 2 2を駆動するように制御する。

コンプレッサの形態によっては制御領域における抑制された空気供給量で安定的に空気を供給することが難しい場合がある。例えば最低駆動回転数がある程度高いような場合である。このような場合でも、本実施形態 3によれば、コンプレッサを断続的に駆動することによって平均空気供給量を僅かなものに制御することができる。

なお、断続運転の回転数を発電停止期間中一定にする代わりに、図 1 0に示すように、駆動するインターバル τごとに回転数を変化させ、これによりインターバル T毎の各期間 tにおける空気供給量を変化させていってもよい。また、図 1 1に示すように、コンプレッサ駆動期間 T 1〜T 5を変化させ、これによりインターバル Τ毎の各期間 Τ 1〜Τ 5における空気供給量を変化させていってもよい。さらに、回転数とコンプレッサ駆動期間の双方を変化させてもよい。いずれも場合でも、平均的な空気供給量は、実質的に、実施形態 2に示すような漸近線的 (多数次曲線的）なものとなる。

(その他の実施形態）

本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、その要旨を変更しない限りにおいて種々変更して利用することができる。例えば、燃料電池の発電停止期間における空気供給量を、上記制限領域に維持する制御方法には種々の方法が考えられ、そのために検出すべき物理量も適宜変更可能である。また、コンプレッサ 2 2の制御タイミングゃ制御量も上記各実施形態のものには限定されない。産業上の利用可能性

本発明による燃料電池システムは、燃料電池の発電停止期間中においても燃料電池へ酸化ガスが供給されるものであり、これにより、燃費を悪化させることなく、電解質膜の損傷や熱劣化を抑制しつつ燃料電池の発電停止が可能なので、燃料電池を備える移動体等の機器、電動機、設備等に広く利用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池を備えており、

前記燃料電池は、発電停止期間中に酸化ガスが供給されるものである、燃料電池システム。

2 . 前記発電停止期間における前記燃料電池への前記酸化ガスの供給が断続的に行われる、

請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 前記発電停止期間における前記燃料電池への前記酸化ガスの供給が継続的に行われる、

請求項 1に記載の燃料電池システム。 '

4 . 前記発電停止期間における前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量が、該燃料電池の酸欠を防止する最低酸素供給量以上とされるものである、

請求項 1〜 3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

5 . 燃料電池と、該燃料電池へ酸化ガスを供給する駆動手段とを備えており、前記駆動手段は、前記燃料電池の発電停止期間中に、該燃料電池の発電期間中よりも少ない供給量の酸化ガスを外部から取り入れるものである、

燃料電池システム。

6 . 前記燃料電池が発電期間から発電停止期間へ移行する際に、前記燃料電池への前記酸化ガスの単位時間当たりの平均供給量が順次減じられる、

請求項 1〜 5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

7 . 前記燃料電池の発電停止期間における前記酸化ガスの供給量が、前記駆動手段における消費電力が所定値以下となるような供給量に維持される、請求項 5又は 6に記載の燃料電池システム。

8 . 前記燃料電池の発電停止期間における前記酸化ガスの供給量が、該燃料電池の過乾燥領域の下限に応じた供給量以下に維持される、 ' 'ノ請求項 1 7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

9 . 前記燃料電池が複数のセルから構成されており、

前記酸化ガスが空気であり、

前記燃料電池の発電停止期間における前記空気の供給量が、単一のセルあたり 0 . 0 5— 0 . 1 2 5 NL/minとされる、

請求項 1 8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

1 0 . 前記酸化ガスの前記燃料電池への供給量が、線形的又は漸近線的に減じられる、

請求項 3に記載の燃料電池システム。

1 1 . 前記酸化ガスが、所定の時間間隔毎に、所定期間、単位時間当たり所定の供給量で前記燃料電池へ供給されるものであり、

前記所定時間間隔が徐々に長くされる、

請求項 2に記載の燃料電池システム。

1 2 . 前記酸化ガスが、所定の時間間隔毎に、所定期間、単位時間当たり所定の供給量で前記燃料電池へ供給されるものであり、 .

前記所定期間が徐々に短くされる、

請求項 2に記載の燃料電池システム。

1 3 . 前記酸化ガスが、所定の時間間隔毎に、所定期間、単位時間当たり所定の供給量で前記燃料電池へ供給されるものであり、

前記単位時間当たりの所定の供給量が徐々に減じられる、

請求項 2に記載の燃料電池システム。

1 4 . 前記発電停止期間は、当該燃料電池システムが運転中であるが前記燃料電池の発電を停止する期間である、

請求項 1 1 3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

1 5 . 前記 ¾電停止期間が、前記燃料電池の間欠運転における発電停止期間である、請求項 1〜 1 4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。