WO2006057134A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006057134A1
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Keigo Ikezoe
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Nissan Motor Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system in which a technique for removing residual moisture in a fuel cell is improved in preparation for the next operation, particularly in a low-temperature environment below freezing after the system is stopped.
  • a fuel cell system is a device that directly converts chemical energy contained in fuel into electric energy.
  • a fuel gas containing hydrogen is used as an anode (anode electrode).
  • an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other negative electrode (force sword electrode), and the electrode is used by utilizing the following electrochemical reaction generated on the surface of the electrolyte membrane side of the pair of electrodes.
  • the electric energy is taken out from (see JP-A-8-106914).
  • the hydrogen of the fuel gas supplied to the anode electrode a method of supplying directly from a hydrogen storage device, a method of supplying a hydrogen-containing gas obtained by reforming a fuel containing hydrogen, and the like are known.
  • hydrogen storage devices include high-pressure gas tanks, liquid hydrogen tanks, and hydrogen storage alloy tanks. Natural gas, methanol, gasoline, etc. are conceivable as fuels containing hydrogen.
  • air is generally used as the oxidant gas supplied to the power sword electrode.
  • the fuel cell when a fuel cell is used as a power source for an automobile or used for stationary use in a cold region, the fuel cell may be exposed to an atmosphere of 0 ° C or lower. Under such circumstances, it is desirable that the fuel cell can be started and the fuel cell can generate electricity normally.
  • the reaction gas in which hydrogen gas and air gas circulate in the cells constituting the fuel cell freezes the residual moisture after the previous power generation. There is a problem that the gas flow path is blocked or the residual moisture near the electrode freezes to prevent the diffusion of the reaction gas!
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-208421 proposes a technique for drying a fuel cell by supplying dry air heated to a high temperature to the fuel cell.
  • cooling water for cooling a fuel cell during operation is heated when the fuel cell is stopped, and the fuel cell is heated to a predetermined temperature with the heated cooling water and dried. The technology is described.
  • the present invention has been made in view of the above, and the object of the present invention is to remove residual moisture while minimizing the increase in power consumption and the increase in size of the configuration.
  • the object is to provide a fuel cell system with reduced time.
  • a fuel cell system includes a control device, a fuel gas connected to the control device, and supplied via a fuel gas flow path.
  • a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting with an oxidant gas supplied through an agent gas flow path, when the fuel cell system is instructed to stop, Switching to a power generation condition that increases the amount of moisture taken out inside the fuel cell and continuing the power generation of the fuel cell for a predetermined time, and then stopping the power generation, the oxidant gas flow path of the fuel cell, Alternatively, the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path of the fuel cell are purged for a predetermined time.
  • the power generation condition is switched from the anode side to the power sword side by switching to the power generation condition for increasing the amount of moisture taken out of the fuel cell. Moisture is moved to the force sword pole side, and the moisture is biased. After that, the power generation is stopped at a predetermined time, and at least the oxidant gas flow path is purged, so that moisture that is biased toward the cathode electrode can be removed at once. Can be shortened.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 1 (a) of the present invention and a conventional example (b).
  • FIG. 3 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 2 (a) of the present invention and a conventional example (b).
  • FIG. 4 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 3 (a) of the present invention and a conventional example (b).
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an operation procedure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing operating characteristics of the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing operating characteristics of the embodiment 8 (a) of the present invention and a conventional example (b).
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 9 of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing operating characteristics of Embodiment 10 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 of Embodiment 1 shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1, a power sword reaction gas supply 2, a humidifier 3, a cooling water circulator 4, a cooling water tank 5, a control device 6, a load 7, and a power supply. Consists of Manager 8.
  • the fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of unit fuel cells, and generates electricity by chemically reacting hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas. Hydrogen is supplied from the hydrogen tank 13 to the fuel cell stack 1, and air is supplied from the power sword reaction gas supplier 2 to the fuel cell stack 1. The electric power obtained by the power generation of the fuel cell stack 1 is taken out from the fuel cell stack 1 and supplied to the load 7, the secondary battery 10, which will be described later, and auxiliary equipment.
  • the force sword reaction gas supply unit 2 is configured by a compressor or the like that compresses and pressurizes air to be the force sword reaction gas and supplies the pressurized air to the fuel cell stack 1.
  • the humidifier 3 humidifies the air supplied from the power sword reaction gas supply device 2 to the fuel cell stack 1.
  • the cooling water circulator 4 is configured so that the cooling water stored in the cooling water tank 5 is supplied to the fuel cell stack 1 via the cooling water passage 14 connecting the fuel cell stack 1, the cooling water circulator 4 and the cooling water tank 5.
  • the pump is configured to circulate and supply heat to the fuel cell stack 1 to remove heat generated by the power generation.
  • the load 7 consumes electric power supplied from the fuel cell stack 1, and when the fuel cell system 100 is mounted on a vehicle, the load 7 is configured by, for example, an electric motor.
  • the power manager 8 controls the extraction of the electric power obtained by the power generation of the fuel cell stack 1 from the fuel cell stack 1 and controls the connection between the fuel cell stack 1 and the load 7.
  • the control device 6 functions as a control center for the operation of the fuel cell system 100, and includes resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operations based on a program. For example, it is constituted by a microcomputer or the like.
  • the control device 6 reads signals from each sensor (not shown) in the fuel cell system 100, and controls the fuel cell stack 1, the power based on the read various signals and the control logic (program) stored in advance. Sends commands to each component of the fuel cell system 100 including the Sword Reactor 2, Humidifier 3, Cooling Water Circulator 4, Load 7 and Power Manager 8, and includes the removal of residual moisture as described below. Operation of fuel cell system 100 Controls all operations necessary for Z stop.
  • the control device 6 controls the humidifier 3 to reduce the air humidification amount, and continues the power generation of the fuel cell stack 1 for a predetermined time Pg. Thereafter, when the predetermined time Pg elapses, the control device 6 controls the power manager 8 to disconnect the load 7 from the fuel cell stack 1.
  • the control device 6 stops the power sword reaction gas supply device 2 and stops the air supply to the fuel cell stack 1.
  • FIG. 2 (a) and Fig. 2 (b) show the change over time, the amount of water taken out from the fuel cell stack 1, Qm, and the change in the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1, respectively.
  • Fig. 2 (a) and Fig. 2 (b) show the change over time, the amount of water taken out from the fuel cell stack 1, Qm, and the change in the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1, respectively.
  • the degree of drying of the electrolyte membrane necessary for starting below zero can be reached in a relatively short time.
  • the fuel cell stack 1 is used as a power source of a vehicle, for example, it is required that the fuel cell system 100 be stopped in a time as short as possible by the driver turning off the ignition key of the vehicle.
  • Form 1 technology can contribute to this demand.
  • Embodiment 1 after the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (after the stop command), the amount of moisture taken out from the fuel cell stack 1 that reduces the air humidification amount Qm By switching to a power generation condition that increases the pressure, water is transferred from the anode side to the cathode side (electroosmotic water), and moisture is biased to the force sword side. . After that, when Pg elapses, the load 7 is disconnected and power generation is stopped, and the power sword pole side is purged with Pp for a predetermined time with air, so moisture that is biased toward the force sword pole side can be removed at once. The drying time of the fuel cell stack 1 can be shortened compared to the conventional method.
  • Embodiment 2 of the present invention will be described.
  • Load and fuel in Embodiment 2 and the conventional example Fig. 3 (a) and Fig. 3 (b) show the changes over time in the temperature of the fuel cell, the amount of water taken out from the fuel cell stack 1 Qm, and the resistance of the electrolyte membrane in the fuel cell stack 1, respectively.
  • the feature of the second embodiment is that, compared to the first embodiment, after the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (after the stop command), instead of reducing the air humidification amount, As a power generation condition to increase the amount of moisture taken out Qm generated in the fuel cell stack 1 from the previous power generation of the fuel cell stack 1, the load 7 was increased and the power generation was continued for Pg for a predetermined time. Others are the same as in the first embodiment. Such control can be implemented by controlling the power manager 8 by the control device 6 shown in FIG.
  • the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (after the stop command)
  • power generation is performed for a predetermined time with the load 7 larger than the load 7 immediately before the stop command is issued.
  • the amount of heat generated in the catalyst layer can be increased compared to when the load is small.
  • the saturated vapor pressure in the vicinity of the catalyst layer increases at the time of purging for Pp for a predetermined time, and more moisture can be removed in a shorter time.
  • Embodiment 3 of the present invention will be described.
  • the time variation of the load, the air flow rate, the moisture carry-out amount Qm of the fuel cell stack 1, and the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1 in Embodiment 3 and the conventional example are shown in FIGS. 4 (a) and 4 respectively. (b).
  • the feature of the third embodiment is that the fuel cell system 100 is different from the first embodiment.
  • the stop trigger is turned on (after the stop command)
  • the power generation of the fuel cell stack 1 up to that time is the amount of moisture taken out in the fuel cell stack 1 Qm
  • the power generation condition is to increase the air flow rate and continue power generation for Pg for a predetermined time, that is, to reduce the power generation efficiency and perform power generation of the fuel cell stack 1 for a predetermined time Pg. Same as 1.
  • This control can be performed by the control device 6 of FIG.
  • the relative humidity of the air needs to be equal or lower.
  • the air flow rate is increased in the same humidifier 3, it is common to achieve low humidity, so this condition can be easily achieved. Therefore, the water collected on the side of the force sword as in the first embodiment is discharged at once by the purge performed for a predetermined time Pp after the power generation is stopped, so that the degree of drying of the electrolyte membrane required for subzero startup is relatively short. Can be reached.
  • the power generation is continued for Pg for a predetermined time under the condition that the utilization rate is lower than that during normal power generation.
  • the amount of water taken out Qm increases compared to the normal utilization rate, and it is possible to make the water more biased toward the force sword pole side and more efficiently.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 of Embodiment 4 shown in FIG. 5 is more fuel-efficient than Embodiment 1 shown in FIG.
  • a stack representative temperature monitor 11 for monitoring the representative temperature of the battery stack 1 is provided in the fuel cell stack 1, and based on the monitor temperature T by the stack representative temperature monitor 11, any one of the embodiments 1 to 3 is selected.
  • the treatment is performed to remove moisture, and the others are the same as in the first to third embodiments.
  • the control procedure of the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. In FIG.
  • step S60 stop command
  • step S61 determines whether or not the monitored stack representative temperature T is equal to or higher than a predetermined temperature T1 (step S61).
  • step S63 If T ⁇ T1 as a result of the determination, the process of continuing the power generation of the fuel cell stack 1 of Embodiments 1 to 3 is skipped, and the inside of the fuel cell stack 1 is immediately purged with air. For a predetermined time (step S63). In this way, when the temperature of the fuel cell stack 1 is high (T ⁇ T1), simply purging the inside of the fuel cell stack 1 as in the conventional example, and removing a large amount of water by evaporation in a short time it can.
  • the conventional method requires time for purging, so that it is difficult to remove moisture in a short time. Become . Therefore, if the stack representative temperature ⁇ ⁇ 1, the power generation of the fuel cell stack 1 is continued for Pg for a predetermined time by one method of Embodiments 1 to 3, and after the predetermined time Pg, the fuel cell stack Pp purge the inside with air for a specified time. As a result, even when the fuel cell stack 1 is in a low temperature state below the predetermined temperature (T ⁇ T1), the degree of dryness of the electrolyte membrane required for starting below zero can be reached in a relatively short time.
  • one of the steps of the first to third embodiments is performed based on the stack representative temperature T, or the shift is also performed. By selecting “No!”, The optimum dry purge can be implemented without wasting energy.
  • FIG. Figure 7 shows the change over time in the resistance of the electrolyte membrane of load 7 and fuel cell stack 1.
  • the temperature monitored by the stack representative temperature monitor 11 is low! In this case (T ⁇ T1), it is expected that the resistance of the electrolyte membrane does not easily increase even if the power generation of the fuel cell stack 1 is continued by the control method of the first to third embodiments. Therefore, the feature of the fifth embodiment is that the temperature is lower than that of the fourth embodiment as shown in FIG.
  • T Tl
  • PgL power generation is continued for a long predetermined time until the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1 rises to a predetermined value.
  • the force sword pole side was purged by Pp for a predetermined time to reach the degree of dryness of the electrolyte membrane necessary for starting below zero.
  • Temperature rise is low T (T) T1), so resistance rises small.
  • Note B in Figure 7 Resistance increases in the second half due to PgL power generation for a long period of time.
  • the time Pg for continuing the power generation of the fuel cell stack 1 is controlled based on the stack representative temperature T, so that the fuel cell system is kept at a relatively low temperature (T ⁇ T1).
  • T stack representative temperature
  • PgL power generation can be performed for a long predetermined time to raise the temperature and remove more water.
  • T ⁇ T1 high temperature
  • the optimum dry purge can be performed without consuming wasteful energy by generating Pg S for a short predetermined time.
  • FIG. Figure 8 shows the change over time in the resistance of the electrolyte membrane of the load and fuel cell stack 1.
  • Embodiment 4 the temperature monitored by the stack representative temperature monitor 11 is low! In this case (T ⁇ T1), it is expected that the resistance of the electrolyte membrane does not easily increase even if the power generation of the fuel cell stack 1 is continued by the control method of the first to third embodiments. Therefore, the feature of Embodiment 6 is that, as shown in FIG. 8, when the temperature is low (T1), the time for purging the force sword pole after disconnecting the load 7 from the fuel cell stack 1 Pp Is set to PpL, which is longer than that in Embodiment 4, so as to reach the degree of dryness of the electrolyte membrane necessary for starting below zero.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 of Embodiment 7 shown in FIG. 9 is more powerful than the embodiment 4 shown in FIG.
  • a bypass line 12 for bypassing the humidifier 3 with the air exhausted from the reaction gas supply unit 2 is installed in parallel with the humidifier 3, and a three-way valve 9 is installed upstream and downstream of the humidifier 3, and the controller 6
  • the valve 9 is switched and controlled, and the air flow path (oxidant gas flow path 16) is selectively set on the humidifier 3 side or bypass line 12 side. .
  • the humidifier 3 is controlled to reduce the air humidification amount to continue the power generation of the fuel cell stack 1.
  • the three-way valve 9 is switched to the bypass line 12 side, the humidifier 3 is bypassed, and air is supplied to the fuel cell stack. Supply to 1.
  • the amount Qm of water taken out from the fuel cell stack 1 is further increased than in the first embodiment, and can be reached more quickly according to the degree of drying of the electrolyte membrane required for starting below zero.
  • the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (stop command), and after generating power by any one of the control methods of the first to third embodiments, the air that bypasses the humidifier 3 is used. Since the force sword pole side is purged, the degree of dryness of the electrolyte membrane required for starting below zero can be reached faster than when purging with air that has passed through the humidifier 3.
  • the supplied air is not humidified without passing through the humidifier 3 and dried. Since it becomes air, drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer is promoted during the time Pg during which power generation is continued, and the drying time as a whole can be further shortened.
  • Figure 8 shows the changes over time in the cooling water circulation rate, fuel cell stack representative temperature T, fuel cell stack 1 moisture removal amount Qm, and fuel cell stack 1 electrolyte membrane resistance in the eighth embodiment and the conventional example. 10 (a) and Fig. 10 (b) Expressed in
  • Embodiment 8 is that, in the configuration shown in Fig. 1, Fig. 5, or Fig. 9, when the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (stop command), the cooling water circulator 4 is stopped. Then stop circulating the cooling water. Thereafter, the power generation of the fuel cell stack 1 is continued for Pg for a predetermined time by the control method of any one of the first to third embodiments.
  • the temperature of the fuel cell stack 1 rises and the amount of water taken out Qm increases, and the degree of dryness of the electrolyte membrane necessary for starting below zero is increased. It can be reached quickly.
  • the circulation of the cooling water is stopped and the power generation of the fuel cell stack 1 is performed. Since Pg continues for a certain time, the temperature of the fuel cell stack 1 can be raised and the drying time can be shortened.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to Embodiment 9 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 of Embodiment 9 shown in FIG. 11 is a fuel cell as compared with Embodiment 7 shown in FIG.
  • the secondary battery 10 for storing the electric power obtained by the power generation in the stack 1 is provided, and the others are the same as those in FIG.
  • the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, and the power sword reaction gas supply unit 2 is operated using the power charged in the secondary battery 10 by the power generation up to that time.
  • Pp purge the power sword pole side of K1 with air for a specified time. This completes drying and burns
  • the charge amount SOC of the secondary battery 10 again becomes the predetermined charge amount SOC1, and the charge amount S OC of the secondary battery 10 is insufficient at the next start-up. Problems such as being unable to start can be prevented.
  • the power obtained by the power generation that continues for Pg for a predetermined time is the secondary battery 10
  • the oxidant gas flow path 16 is purged with air for a predetermined time by using the power stored in
  • the battery 10 can always be kept at the specified charge level SOC1, and the power source of the auxiliary machine can always be secured at the next start-up.
  • FIG. Fig. 13 shows the changes over time in the load, the amount of charge SOC of the secondary battery 10, and the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1.
  • the feature of the tenth embodiment is that, compared to the ninth embodiment, after the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (after the stop command), the charge amount SOC of the secondary battery 10 is the load After disconnecting 7, the power required to purge the power sword pole for a specified time Pp and the power required for the power source of the auxiliary machine at the next start of the fuel cell system 100 (predetermined charge SOC1) were combined. It is characterized in that it is applied to the case where the amount of charge SOC2 corresponding to the electric power is reached, and the others are the same as in the case of the ninth embodiment.
  • the power required to purge the power sword pole after the load 7 is Pp purged for a specified period of time and the power required for the auxiliary power source at the next start-up (predetermined charge SOC1) are studied and examined on the desk It is assumed that it has been calculated in advance. Further, the charge amount SOC of the secondary battery 10 is controlled by the control device 6. If the charge amount SOC of the secondary battery 10 measured by the control device 6 does not reach the predetermined charge amount SOC1 required for starting, control is performed before the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (before the stop command). When the device 6 determines, for example, as shown in FIG.
  • the load is increased to increase the load of the embodiment 9. More power is stored in the secondary battery 10 than shown in FIG. 12, and the fuel cell system 100 is controlled to reach the predetermined charge amount SOC1 when stopped. Or increase the load Instead, as shown in Fig. 13 (b), the power generation time Pg is increased to increase the amount of electricity stored to increase the charge amount SOC of the secondary battery 10, and when the fuel cell system 100 stops, the fuel cell system 100 reaches the predetermined charge amount SOC1. Control to be.
  • the power generation of the fuel cell stack 1 that is performed after the stop trigger of the fuel cell system 100 is turned on (after the stop command) is the rear power sword after the load 7 is disconnected.
  • the fuel cell stack 1 including the fuel gas flow path 15 is arranged on the force sword pole side. The same effect can be obtained by purging the anode side with air.
  • the power generation is continued from the anode electrode side by switching to the power generation condition for increasing the amount of moisture taken out of the fuel cell and continuing the power generation for a predetermined time. Moisture moves to the pole side and moisture is biased to the force sword pole side. After that, the power generation is stopped for a predetermined time, and at least the oxidant gas flow path is purged for a predetermined time, so that moisture that is biased toward the power sword pole can be removed at a stretch. Can be shortened compared to the conventional case.

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Abstract

　燃料電池システム１００の停止トリガーがオンされると、加湿器３で加湿される空気加湿量を通常の運転時よりも低い加湿で空気を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１の内部で生成された水分持ち出し量Ｑｍを増大させて燃料電池スタック１の発電を所定時間Ｐｇ継続し、その後発電を停止して、燃料電池スタック１のカソード極側を空気で所定時間Ｐｐパージして構成される。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、システムの停止後に、次回の運転、特に氷点下の低温環境下での運転 に備えて、燃料電池の残留水分を除去する技術を改善した燃料電池システムに関 する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを電気工ネルギに直接変換する 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、水素を含有する燃料 ガスを陽極 (アノード極）に供給するとともに、酸素を含有する酸化剤ガスを他方の陰 極 (力ソード極）に供給し、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工ネルギを取り出すものである（特開平 8— 106 914号参照)。
[0003] (化 1)
陽極（アノード極）： H→2H+ + 2e"
2
陰極（カソード極）：211+ + 26_+ (172) 0→H O
2 2
アノード極に供給する燃料ガスの水素に関しては、水素貯蔵装置から直接供給す る方法、水素を含有する燃料を改質して得られた水素含有ガスを供給する方法等が 知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液ィ匕水素タンク、水素吸蔵合 金タンク等がある。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、力ソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用 されている。
[0004] ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での 定置用として使用する場合には、燃料電池が 0°C以下の雰囲気にさらされることがあ り、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、燃料電池が通常に発電できることが 望まれている。しかしながら、 0°C以下の低温状態では、燃料電池を構成するセルの 中に前回の発電後の残留水分が凍結して、水素ガスや空気ガスが流通する反応ガ ス流路が閉塞してしまったり、電極近傍の残留水分が凍結して反応ガスの拡散を阻 害してしま!/、、発電ができなくなると!、う問題があった。
[0005] そこで、燃料電池を 0°C以下力 起動させるためには、燃料電池の内部から水分を あらかじめ除去しておくことが必要となる。このため、特開 2001— 332281に記載さ れているように、無加湿の空気を燃料電池内に供給して燃料電池を乾燥させ、燃料 電池内が一定の湿度に達した後に燃料電池システムを停止するという技術が知られ ている。
[0006] し力し、特開 2001— 332281の技術では、単に加湿しない反応ガスによって燃料 電池内を乾燥させようとすると、氷点下力 発電するのに十分な乾燥を完了するまで に多くの時間が力かるという問題がある。特に、燃料電池を車両の動力源として使用 する場合には、運転者力 Sイグニッションキーをオフにしてから燃料電池システムが停 止するまでに長い時間が力かってしまうことになり、実用上好ましくない。
[0007] この問題に対処するために、燃料電池システムの停止時に、反応ガスを除湿して反 応ガスから水分を取り除く除湿器を設け、この除湿器で乾燥された反応ガスでもって 燃料電池を乾燥させる技術が、特開 2002— 313394に記載されている。
[0008] さらに、同様の技術として、特開 2002— 208421には、高温に加熱された乾燥空 気を燃料電池に供給して燃料電池を乾燥させる技術が提案されている。
[0009] また、特開 2002— 246054には、運転時に燃料電池を冷却する冷却水を燃料電 池の停止時に加熱し、この加熱した冷却水で燃料電池を所定温度に加熱して乾燥さ せる技術が記載されている。
[0010] これらの技術は、反応ガスの温度や燃料電池の温度を高くすることで、燃料電池の 内部の水分を蒸発させて除去するようにして 、る。
発明の開示
[0011] しカゝしながら、高温に加熱された乾燥空気で燃料電池を乾燥させる特開 2002— 2 08421のような技術において、乾燥空気の熱容量は、各燃料電池セルに対して反応 ガスを分配又は収集するマ-ホールド部材や、燃料電池セルを構成するセパレータ 部材の熱容量に比較して非常に小さい。このため、いくら乾燥空気を高温に加熱し て燃料電池に供給したとしても、高温の乾燥空気が本来乾燥させた 、流路や電極付 近に到達するころには、乾燥空気の温度はかなり低下してしまい、残留水分を蒸発さ せて除去すると!/、う効果は著しく低減してしまう。
[0012] 一方、冷却水を加熱して燃料電池に送り込んで燃料電池を加熱する特開 2002— 246054のような技術では、上記のような不具合は起こらずに残留水分を蒸発させて 除去する効果が得られる。し力しその反面、冷却水を加熱するための加熱器が必要 となる。このため、燃料電池システムが大型化'複雑ィ匕してしまう。その上、冷却水を 加熱するための時間と電力が必要となり、消費電力の増大ならびに水分除去に多大 な時間を要すると 、つた問題点がある。
[0013] そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、消 費電力の増大、構成の大型化'複雑ィ匕を極力抑えて、残留水分を除去する時間を短 縮した燃料電池システムを提供することにある。
[0014] 上記目的を達成するために、本発明の態様に力かる燃料電池システムは、制御装 置と、前記制御装置に接続しかつ燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸ィ匕 剤ガス流路を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料 電池とを備えた燃料電池システムにお 、て、前記燃料電池システムの停止が指令さ れると、前記燃料電池の内部で生成された水分持ち出し量を増大させる発電条件に 切り替えて前記燃料電池の発電を所定時間継続し、その後発電を停止して、前記燃 料電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路と前記燃 料ガス流路とを所定時間パージすることを特徴とする。
[0015] 本発明によれば、燃料電池システムの停止が指令された後、燃料電池の水分持ち 出し量を増大させる発電条件に切替えて発電を継続することで、アノード極側から力 ソード極側に水分を移動させ、力ソード極側に水分が偏った状態にできる。その後所 定時間して発電を停止し、少なくとも酸化剤ガス流路をパージすることにより、カソー ド極側に偏った水分を一気に除去できるので、従来に比べて燃料電池の残留水分を 除去する時間を短縮できる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]図 1は、本発明の実施形態 1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
[図 2]図 2は、本発明の実施形態 1 (a)と従来例 (b)との動作特性を示す図である。 [図 3]図 3は、本発明の実施形態 2 (a)と従来例 (b)との動作特性を示す図である。
[図 4]図 4は、本発明の実施形態 3 (a)と従来例 (b)との動作特性を示す図である。
[図 5]図 5は、本発明の実施形態 4に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
[図 6]図 6は、本発明の実施形態 4の動作手順を示すフローチャートである。
[図 7]図 7は、本発明の実施形態 5の動作特性を示す図である。
[図 8]図 8は、本発明の実施形態 6の動作特性を示す図である。
[図 9]図 9は、本発明の実施形態 7に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
[図 10]図 10は、本発明の実施形態 8 (a)と従来例 (b)との動作特性を示す図である。
[図 11]図 11は、本発明の実施形態 9に係る燃料電池システムの構成を示す図である
[図 12]図 12は、本発明の実施形態 9の動作特性を示す図である。
[図 13]図 13は、本発明の実施形態 10の動作特性を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施形態を説明する。
[0018] (実施形態 1)
図 1は本発明の実施形態 1に係る燃料電池システム 100の構成を示す図である。 図 1に示す実施形態 1の燃料電池システム 100は、燃料電池スタック 1、力ソード反応 ガス供給器 2、加湿器 3、冷却水循環器 4、冷却水タンク 5、制御装置 6、負荷 7、パヮ 一マネージャー 8により構成されている。
[0019] 燃料電池スタック 1は、単位燃料電池セルが複数積層されて形成され、燃料ガスの 水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電する。水素は水素タンク 13から燃 料電池スタック 1に供給され、空気は力ソード反応ガス供給器 2から燃料電池スタック 1に供給される。燃料電池スタック 1の発電で得られた電力は、燃料電池スタック 1か ら取り出されて、負荷 7や後述する二次電池 10、補機等に供給される。
[0020] 力ソード反応ガス供給器 2は、力ソード反応ガスとなる空気を圧縮して加圧し、加圧 した空気を燃料電池スタック 1に供給するコンプレッサ等で構成される。
[0021] 加湿器 3は、力ソード反応ガス供給器 2から燃料電池スタック 1に供給される空気を 加湿する。 [0022] 冷却水循環器 4は、燃料電池スタック 1、冷却水循環器 4ならびに冷却水タンク 5を 連結する冷却水流路 14を介して、冷却水タンク 5に貯水される冷却水を燃料電池ス タック 1に循環供給し、これにより、燃料電池スタック 1の発電で生じた熱を除去するポ ンプ等で構成される。
[0023] 負荷 7は、燃料電池スタック 1から与えられた電力を消費し、この燃料電池システム 100が車両に搭載された場合には、例えば電動モータ等で構成される。
[0024] パワーマネージャー 8は、燃料電池スタック 1の発電で得られた電力の燃料電池ス タック 1からの取り出しを制御し、燃料電池スタック 1と負荷 7との接続を制御する。
[0025] 制御装置 6は、本燃料電池システム 100の運転の制御中枢として機能し、プロダラ ムに基づいて各種動作を制御するコンピュータに必要な、 CPU、記憶装置、入出力 装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により構成される。制御装置 6 は、本燃料電池システム 100における各センサ（図示せず)からの信号を読み込み、 読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック (プログラム）に基づ いて、燃料電池スタック 1、力ソード反応ガス供給器 2、加湿器 3、冷却水循環器 4、負 荷 7ならびにパワーマネージャー 8を含む本燃料電池システム 100の各構成要素に 指令を送り、以下に説明する残留水分の除去を含む本燃料電池システム 100の運 転 Z停止に必要なすべての動作を統括制御する。
[0026] このような構成において、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされて燃料電 池システム 100の停止が指令されると、それまでの燃料電池スタック 1の発電を、燃料 電池スタック 1の内部で生成された水分持ち出し量 Qmを増大させる発電条件に切り 替える。すなわち制御装置 6は加湿器 3を制御して空気加湿量を低下させ、なお燃 料電池スタック 1の発電を所定時間 Pg継続させる。その後所定時間 Pgが経過すると 、制御装置 6はパワーマネージャー 8を制御して燃料電池スタック 1から負荷 7を切り 離す。これにより、燃料電池スタック 1の発電を停止させるとともに、力ソード反応ガス 供給器 2を所定時間 Pp稼動させパージし、燃料電池スタック 1に空気を供給する。所 定時間 Pp後、制御装置 6によって力ソード反応ガス供給器 2を停止して、燃料電池ス タック 1への空気供給を停止する。
[0027] 実施形態 1と、本発明の技術を採用していない従来例とにおける、負荷、空気加湿 量、燃料電池スタック 1の水分持ち出し量 Qm、燃料電池スタック 1の電解質膜の抵 抗の時間変化を、それぞれ、図 2 (a)と図 2 (b)とに表す。図 2 (a)を参照して、実施形 態 1によれば、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされると (停止指令）、通 常の発電が円滑に行われるように最適に設定された加湿量よりも低い加湿量の空気 が燃料電池スタック 1に供給されるため、燃料電池スタック 1の水分の持ち出し量 Qm が増加し燃料電池スタック 1の電解質膜の抵抗が増加する。力 tlえて、一般に、燃料電 池スタック 1の発電では 1つのプロトンが電解質膜の高分子膜を移動する際に、 1〜2 . 5分子の水をドラッグして 、くことが知られて 、る（プロトンドラッグ)。
[0028] これにより、空気が低加湿で発電が継続されると、アノード極側から力ソード極側に 水が移動し、力ソード極側に水分が集められる。したがって、低加湿での燃料電池ス タック 1の発電を停止した後、さらに力ソード極側を空気で所定時間 Ppパージするこ とで、より多くの水を持ち出すことができ、かつ図 2 (a)に示すように燃料電池スタック 1の電解質膜の抵抗を急激に増加できる。
[0029] これによつて、零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに比較的短時間で到達さ せることができる。燃料電池スタック 1を例えば車両の動力源として使用する場合には 、運転者が車両のイグニッションキーをオフにして力 できるだけ短 、時間で燃料電 池システム 100が停止することが要望されており、実施形態 1の技術はこの要望に寄 与できる。
[0030] このように、実施形態 1においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後）、空気加湿量を低下させるという、燃料電池スタック 1の水分の 持ち出し量 Qmを増大させる発電条件に切替えて発電を継続させることにより、ァノ 一ド極側力ゝらカソード極側に水分が移動し (電気浸透水）、力ソード極側に水分が偏 つた状態にできる。その後所定時間 Pgが経過して、負荷 7を切り離して発電を停止す るとともに、力ソード極側を空気で所定時間 Ppパージすることにより、力ソード極側に 偏った水分を一気に除去できるので、従来の方法よりも燃料電池スタック 1の乾燥時 間を短縮できる。
[0031] (実施形態 2)
次に、本発明の実施形態 2を説明する。実施形態 2と、従来例とにおける、負荷、燃 料電池の温度、燃料電池スタック 1の水分持ち出し量 Qm、燃料電池スタック 1の電 解質膜の抵抗の時間変化を、それぞれ、図 3 (a)と図 3 (b)とに表す。
[0032] 実施形態 2の特徴とするところは、実施形態 1に比べて、燃料電池システム 100の 停止トリガーがオンされた後 (停止指令後）に、空気加湿量を減らすことに代えて、そ れまでの燃料電池スタック 1の発電を、燃料電池スタック 1の内部で生成された水分 持ち出し量 Qmを増大させる発電条件として、負荷 7を上げて発電を所定時間 Pg継 続させるようにしたことにあり、他は実施形態 1と同様である。このような制御は、図 1に 示す制御装置 6がパワーマネージャー 8を制御することにより実施できる。
[0033] このような制御により、図 3 (a)に示すように、燃料電池システム 100停止トリガーが ONされた後 (停止指令後)の負荷運転で、燃料電池を構成する触媒層での発熱が 大きくなり、触媒層近傍での飽和蒸気圧が増加する。このため、この後負荷 7を切り 離して発電を停止し、力ソード極を空気で所定時間 Ppパージすることにより、より多く の水分を蒸発によって除去できる。したがって、図 3 (a)に示すように、燃料電池シス テム 100の停止トリガーがオンされた後 (停止指令後）の負荷運転で水分持ち出し量 Qmが増加し、かつ負荷 7を切り離した後のパージでより多くの水分が排出され、燃 料電池スタック 1の電解質膜の抵抗が急激に増加する。これにより、実施形態 1と同 様に零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに比較的短時間で到達させることが できる。
[0034] このように、実施形態 2においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後）、停止指令される直前の負荷 7よりも大きな負荷 7で発電を所定 時間 Pg継続させることで、負荷が小さ ヽ場合と比較して触媒層での発熱量を多くで きる。これにより、所定時間 Pp行うパージ時に触媒層近傍での飽和蒸気圧が増加し 、水分をより多く短時間に除去できる。
[0035] (実施形態 3)
次に、本発明の実施形態 3を説明する。実施形態 3と、従来例とにおける、負荷、空 気流量、燃料電池スタック 1の水分持ち出し量 Qm、燃料電池スタック 1の電解質膜 の抵抗の時間変化を、それぞれ、図 4 (a)と図 4 (b)とに表す。
[0036] 実施形態 3の特徴とするところは、実施形態 1に比べて、燃料電池システム 100の 停止トリガーがオンされた後 (停止指令後）に、空気加湿量を減らすことに代えて、そ れまでの燃料電池スタック 1の発電を、燃料電池スタック 1の内部で生成された水分 持ち出し量 Qmを増大させる発電条件として、空気流量を上げて発電を所定時間 Pg 継続させる、すなわち発電効率を低下させて燃料電池スタック 1の発電を所定時間 P g行うようにしたことにあり、他は実施形態 1と同様である。この制御は、図 1の制御装 置 6が力ソード反応ガス供給器 2を制御することにより実施できる。
[0037] このような制御により、燃料電池システム 100停止トリガーがオンされた後（停止指 令後）、燃料電池スタック 1では低利用率で負荷運転が行われ、水分の持ち出し量 Q mを増加できる。これにより、前述したプロトンドラッグ現象により電解質膜内の水分を 力ソード極側に集めることができる。
[0038] ただし、低利用率運転で水分の持ち出し量 Qmを増加させるためには、空気の相 対湿度が同等かそれ以下であることが必要である。し力しながら、同じ加湿器 3にお いて空気流量を増大させた場合には低加湿になるのが一般的であるので、この条件 は容易に達成できる。したがって、実施形態 1と同様に力ソード極側に集められた水 分は、発電停止後に所定時間 Pp行うパージで一気に排出されるため、零下起動に 必要な電解質膜の乾燥度合いに比較的短時間で到達させることができる。
[0039] このように、実施形態 3においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後）、通常発電時よりも利用率を低い条件で発電を所定時間 Pg継 続させることで、通常の利用率と比較して水分の持ち出し量 Qmが多くなり、力ソード 極側に水が偏った状態に、より効率的にすることができる。これにより、実施形態 3に おいても、実施形態 1と同様の効果を得ることができる。
[0040] (実施形態 4)
図 5は本発明の実施形態 4に係る燃料電池システム 100の構成を示す図であり、図 5に示す実施形態 4の燃料電池システム 100は、図 1に示す実施形態 1に比べて、燃 料電池スタック 1の代表温度をモニターするスタック代表温度モニター 11を燃料電池 スタック 1に設け、このスタック代表温度モニター 11によるモニター温度 Tに基づ 、て 、実施形態 1〜実施形態 3のいずれか 1つの処理を行って水分を除去するようにした ことにあり、他は実施形態 1〜実施形態 3と同様である。 [0041] 次に、図 6のフローチャートを参照して、実施形態 4の制御手順を説明する。図 6に おいて、先ず燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされると (ステップ S60 :停 止指令）、その時のスタック代表温度 Tをスタック代表温度モニター 11でモニターす る。続いて、モニターしたスタック代表温度 Tが所定温度 T1以上である力否かを判別 する（ステップ S61)。
[0042] 判別の結果、 T≥T1である場合には、実施形態 1〜実施形態 3の燃料電池スタック 1の発電を継続させる処理をスキップし、燃料電池スタック 1内を空気でパージを直ち に所定時間 Ρρ行う (ステップ S63)。このように、燃料電池スタック 1の温度が高い場 合 (T≥T1)には、従来例のように単純に燃料電池スタック 1内をパージするだけで、 蒸発によって多くの水分を短時間で除去できる。
[0043] し力しながら、燃料電池スタック 1の温度が低い (Τく T1)場合には、従来例の方法 ではパージに時間が力かってしまうので、短時間で水分を除去することが困難となる 。そこで、スタック代表温度 Τ<Τ1である場合には、実施形態 1〜実施形態 3のいず れカ 1つの方法で燃料電池スタック 1の発電を所定時間 Pg継続させ、所定時間 Pg後 燃料電池スタック内を空気で所定時間 Ppパージする。これによつて、燃料電池スタツ ク 1が所定温度未満 (Tく T1)の低温状態であっても、零下起動に必要な電解質膜 の乾燥度合 ヽに比較的短時間で到達できる。
[0044] このように、実施形態 4にお ヽては、スタック代表温度 Tに基づ 、て、実施形態 1〜 実施形態 3の 、ずれか 1つの手順を実施するか、もしくは 、ずれも実施しな!、かを選 択することで、無駄なエネルギーを消費することなぐ最適な乾燥パージを実施でき る。
[0045] (実施形態 5)
次に、図 7を参照して、本発明の実施形態 5を説明する。図 7は負荷 7、燃料電池ス タック 1の電解質膜の抵抗の時間変化を表したものである。
[0046] 実施形態 4では、スタック代表温度モニター 11によってモニターした温度が低！、場 合 (T<T1)には、実施形態 1〜実施形態 3の制御方法で燃料電池スタック 1の発電 を継続しても、電解質膜の抵抗がなかなか上がってこないことが予想される。そこで、 実施形態 5の特徴とするところは、実施形態 4に比べて、図 7に示すように、温度が低 い場合 (Tく Tl)には燃料電池スタック 1の電解質膜の抵抗が所定値に上昇するま で長い所定時間 PgL発電を継続し、その後に実施形態 1〜実施形態 3と同じように 負荷 7を切り離して力ソード極側を所定時間 Ppパージして、零下起動に必要な電解 質膜の乾燥度合いに到達させるようにしたことにある。図 7の注釈 A:温度が低 ヽ (T く T1)ので抵抗の上がり方が小。図 7の注釈 B :長い所定時間 PgL発電することによ り、後半に抵抗が上がる。
[0047] このように、実施形態 5においては、燃料電池スタック 1の発電を継続させる時間 Pg をスタック代表温度 Tに基づ 、て制御するので、比較的低温 (T<T1)で燃料電池シ ステム 100を停止した場合には、長い所定時間 PgL発電させて温度を上昇させ、水 分をより多く除去できる。また、高温 (T≥T1)で停止した場合には、短い所定時間 Pg Sの発電にすることにより、無駄なエネルギーを消費することなく最適な乾燥パージを 実施できる。
[0048] (実施形態 6)
次に、図 8を参照して、本発明の実施形態 6を説明する。図 8は負荷、燃料電池スタ ック 1の電解質膜の抵抗の時間変化を表したものである。
[0049] 実施形態 4では、スタック代表温度モニター 11によってモニターした温度が低！、場 合 (T<T1)には、実施形態 1〜実施形態 3の制御方法で燃料電池スタック 1の発電 を継続しても、電解質膜の抵抗がなかなか上がってこないことが予想される。そこで、 実施形態 6の特徴とするところは、図 8に示すように、温度が低い場合 (Τく T1)には 燃料電池スタック 1から負荷 7を切り離した後、力ソード極をパージする時間 Ppを実施 形態 4に比べて長い所定時間 PpLとし、零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合い に到達させるようにしたことにある。
[0050] このように、実施形態 6においては、負荷 7を切り離した後のパージ時間 Ppをスタツ ク代表温度 Tに基づ 、て制御するので、水分の蒸発が少な!/、比較的低温 (T<T1) で燃料電池システム 100を停止した場合には、より長 、所定時間 PpLパージして水 分を除去する一方、高温 (T≥T1)で停止した場合には、短い所定時間 PpSのパー ジにすることにより、無駄なエネルギーを消費することなく最適な乾燥パージを実施 できる。図 8の注釈 A:温度が低い（Tく T1)ので抵抗の上がり方が小。図 8の注釈 B : 長い所定時間 PpLパージすることにより、後半に抵抗が上がる。
[0051] (実施形態 7)
図 9は本発明の実施形態 7に係る燃料電池システム 100の構成を示す図であり、図 9に示す実施形態 7の燃料電池システム 100は、図 5に示す実施形態 4に比べて、力 ソード反応ガス供給器 2から排出された空気が加湿器 3をバイパスするバイパスライン 12を加湿器 3と並行に設け、加湿器 3の上流側ならびに下流側に三方弁 9を設け、 制御装置 6により三方弁 9を切り替え制御して、加湿器 3側又はバイパスライン 12側 に選択的に空気流路 (酸化剤ガス流路 16)を設定するようにしたことにあり、他は図 5 と同様である。
[0052] 実施形態 1では、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされた後（停止指令 後）に、加湿器 3を制御して空気加湿量を減らして燃料電池スタック 1の発電を継続し ているが、実施形態 7では、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされた後（停 止指令後）、三方弁 9をバイパスライン 12側に切り替え、加湿器 3をバイパスして空気 を燃料電池スタック 1に供給する。
[0053] これにより、実施形態 1よりもさらに燃料電池スタック 1の水分の持ち出し量 Qmが多 くなり、零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いにより速く到達できる。また、実施 形態 7では、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされ (停止指令）、実施形態 1〜実施形態 3の ヽずれかの制御方法で発電した後に、加湿器 3をバイパスした空 気で力ソード極側をパージするので、加湿器 3を通過した空気でパージする場合に 比べて、零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに、より速く到達できる。
[0054] このように、実施形態 7においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後)供給する空気は、加湿器 3を通さずに加湿されていない乾燥し た空気となるので、発電を継続している時間 Pgにも、電解質膜と触媒層の乾燥が促 進され、全体としての乾燥時間をより短縮できる。
[0055] (実施形態 8)
次に、本発明の実施形態 8を説明する。実施形態 8と、従来例とにおける、冷却水 循環量、燃料電池スタック代表温度 T、燃料電池スタック 1の水分持ち出し量 Qm、燃 料電池スタック 1の電解質膜の抵抗の時間変化を、それぞれ、図 10 (a)と図 10 (b)と に表す。
[0056] 実施形態 8の特徴とするところは、図 1、図 5又は図 9に示す構成において、燃料電 池システム 100の停止トリガーがオンされると (停止指令）、冷却水循環器 4を停止し て冷却水の循環を停止する。その後、実施形態 1〜実施形態 3のいずれかの制御方 法で燃料電池スタック 1の発電を所定時間 Pg継続するようにしたことにある。冷却水 の循環を停止することで、図 10 (a)に示すように、燃料電池スタック 1の温度が上昇し て水分の持ち出し量 Qmが増加し、零下起動に必要な電解質膜の乾燥度合いに迅 速に到達させることができる。
[0057] このように、実施形態 8においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後）は、冷却水の循環を停止して、燃料電池スタック 1の発電を所 定時間 Pg継続するので、燃料電池スタック 1の温度を上昇させ、乾燥時間をより短く できる。
[0058] (実施形態 9)
図 11は本発明の実施形態 9に係る燃料電池システム 100の構成を示す図であり、 図 11に示す実施形態 9の燃料電池システム 100は、図 9に示す実施形態 7に比べて 、燃料電池スタック 1での発電により得られた電力を蓄電する二次電池 10を備えたこ とにあり、他は図 9と同様である。
[0059] このような構成において、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされると (停 止指令）、それまでの負荷 7で燃料電池スタック 1の発電が所定時間 Pg継続され、こ の発電で得られた電力は二次電池 10に充電される。通常、二次電池 10の充電量 S OC (充電状態）は、次回の燃料電池システム 100の起動時に補機の動力源に必要 な電力を確保するように蓄電制御される。従って、燃料電池システム 100の停止トリガ 一がオンされた後 (停止指令後）に所定時間 Pg継続される発電による電力を充電す ることによって、図 12に示すように、二次電池 10の充電量 SOCは起動時に必要な所 定充電量 SOC1よりも多くできる。
[0060] 所定時間 Pg後、燃料電池スタック 1の発電が停止し、それまでの発電で二次電池 1 0に充電された電力を用いて力ソード反応ガス供給器 2を動作させ、燃料電池スタツ ク 1の力ソード極側を空気で所定時間 Ppパージする。これにより、乾燥が完了して燃 料電池システム 100が完全に停止した時には、図 12に示すように二次電池 10の充 電量 SOCは再び所定充電量 SOC1となり、次回の起動時に二次電池 10の充電量 S OCが不足して起動できなくなるといった不具合を防止できる。
[0061] このように、実施形態 9においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンさ れた後 (停止指令後）、所定時間 Pg継続される発電によって得られた電力は二次電 池 10に充電され、その後二次電池 10に蓄電された電力を用いて酸化剤ガス流路 1 6を空気で所定時間 Ppパージすることで、最終的に燃料電池システム 100が停止し た時にも二次電池 10を所定充電量 SOC1に常に保つことができ、次回起動時に補 機の動力源を常に確保できる。
[0062] (実施形態 10)
次に、図 13を参照して、本発明の実施形態 10を説明する。図 13は負荷、二次電 池 10の充電量 SOC、燃料電池スタック 1の電解質膜の抵抗の時間変化を表したもの である。
[0063] 実施形態 10の特徴とするところは、実施形態 9に比べて、燃料電池システム 100の 停止トリガーがオンされた後（停止指令後）に、二次電池 10の充電量 SOCが、負荷 7 を切り離した後力ソード極側を所定時間 Ppパージするのに必要な電力と、次回燃料 電池システム 100起動時の補機の動力源に必要な電力（所定充電量 SOC1)とを合 計した電力に相当する充電量 SOC2に達して 、な 、場合に適用するようにしたことを 特徴とし、他は実施形態 9の場合と同様である。なお、負荷 7を切り離した後力ソード 極側を所定時間 Ppパージするのに必要な電力、ならびに次回起動時の補機の動力 源に必要な電力（所定充電量 SOC1)は、実験や机上検討等により予め算出されて いるものする。また、二次電池 10の充電量 SOCは、制御装置 6で制御される。 制御 装置 6で測定される二次電池 10の充電量 SOCが、起動に必要な所定充電量 SOC1 に満たないと、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされる前 (停止指令前）に 、制御装置 6が判断した場合には、例えば図 13 (a)に示すように、燃料電池システム 100の停止トリガーがオンされた後 (停止指令後）、負荷を増大させることで、実施形 態 9の図 12に示すよりも多くの電力を二次電池 10に蓄電し、燃料電池システム 100 が停止時に所定充電量 SOC1になるように制御する。もしくは、負荷を増大させること に代えて、図 13 (b)に示すように、発電時間 Pgを長くして蓄電量を増やして二次電 池 10の充電量 SOCを上げ、燃料電池システム 100が停止時に所定充電量 SOC1 になるように制御する。
[0064] 図 13 (a)または図 13 (b)のいずれの場合でも、実施形態 9と同様に、乾燥が完了し て燃料電池システム 100が完全に停止した時には、図 13 (a)または図 13 (b)に示す ように二次電池 10の充電量 SOCは再び所定充電量 SOC1となるので、次回の起動 時に二次電池 10の充電量 SOCが不足して起動できなくなるといった不具合を防止 できる。
[0065] このように、実施形態 10においては、燃料電池システム 100の停止トリガーがオン された後 (停止指令後）に実施される燃料電池スタック 1の発電は、負荷 7を切り離し た後力ソード極側を所定時間 Ppパージするのに必要な電力と、次回起動時の補機 の動力源に必要な電力とを合計した電力を、二次電池 10に充電するまで継続するこ とで、最終的に燃料電池システム 100が停止した時にも二次電池 10を所定充電量 S OC1に常に保つことが可能となり、次回起動時の補機の動力源を常に確保できる。
[0066] なお、実施形態 1〜実施形態 10では、すべて力ソード極側のみをパージする実施 形態であるが、力ソード極側にカ卩えて、燃料ガス流路 15を含む燃料電池スタック 1の アノード極側も空気でパージするようにしてもよぐ同様の効果を得ることができる。
[0067] 特願 2004— 343780 (出願日： 2004年 11月 29日）の全内容はここに援用される。
[0068] 以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限 定されるものではなぐ種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明で ある。
産業上の利用の可能性
[0069] 本発明によれば、燃料電池システムの停止が指令された後、燃料電池の水分持ち 出し量を増大させる発電条件に切替えて発電を所定時間継続することで、アノード極 側から力ソード極側に水分が移動し、力ソード極側に水分が偏った状態にできる。そ の後所定時間して発電を停止し、少なくとも酸化剤ガス流路を所定時間パージするこ とにより、力ソード極側に偏った水分を一気に除去できるので、燃料電池の残留水分 を除去する時間を、従来に比べて短縮できる。

Claims

請求の範囲
[1] 制御装置と、前記制御装置に接続しかつ燃料ガス流路を介して供給される燃料ガ スと酸化剤ガス流路を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を 行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの停止が指令されると、前記燃料電池の内部で生成された 水分持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて前記燃料電池の発電を所定時 間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記 燃料電池の前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とを、所定時間パージする ことを特徴とする燃料電池システム。
[2] 前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、
前記燃料電池の内部で生成された前記水分持ち出し量を増大させる前記発電条 件は、前記加湿器による加湿量が通常の運転時よりも低！ヽ酸化剤ガスを前記燃料電 池に供給する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[3] 前記燃料電池の内部で生成された前記水分持ち出し量を増大させる前記発電条 件は、前記燃料電池システムの停止が指令される直前の負荷よりも大きな負荷で発 電する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[4] 前記燃料電池の内部で生成された前記水分持ち出し量を増大させる前記発電条 件は、通常発電時よりも前記燃料電池の利用率を低くして発電する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[5] 前記燃料電池システムの停止が指令された後、前記加湿器で加湿せずに前記燃 料電池に酸化剤ガスを供給する
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] 前記加湿器で加湿されな!ヽ酸化剤ガスでパージする
ことを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池システム。
[7] 前記燃料電池の温度をモニターする温度モニターを備え、
前記燃料電池システムの停止が指令された時に、前記温度モニターによる前記モ 二ター温度が所定温度以上の場合は、前記燃料電池の発電を継続せず前記燃料 電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路と燃料ガス 流路とを直ちに所定時間パージし、一方、前記温度モニターによる前記モニター温 度が前記所定温度未満の場合は、前記燃料電池の発電を前記所定時間継続し、そ の後発電を停止して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記燃料電池の 前記酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを前記所定時間パージする
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[8] 前記燃料電池の温度をモニターする温度モニターを備え、
前記燃料電池システムの停止が指令された時に、前記温度モニターによる前記モ 二ター温度に基づ 、て、前記燃料電池の発電を継続させる前記所定時間の長さを 設定する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[9] 前記燃料電池の温度をモニターする温度モニターを備え、
前記燃料電池システムの停止が指令された時に、前記温度モニターによる前記モ 二ター温度に基づいて、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記燃料電池 の前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とをパージする前記所定時間の長さを設 定する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[10] 前記燃料電池に冷媒を流通させて、発電で生じた熱を除去する冷却器を備え、 前記燃料電池システムの停止が指令された後、前記冷却器による前記冷媒の流通 を停止する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[11] 前記燃料電池の発電で得られた電力を貯蔵する電力貯蔵器を備え、
前記燃料電池システムの停止が指令された後、前記燃料電池で前記所定時間継 続される発電によって得られた電力を前記電力貯蔵器に貯蔵し、その後、前記電力 貯蔵器に貯蔵された前記電力を用いてパージする
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[12] 前記燃料電池の発電で得られた電力を貯蔵する電力貯蔵器を備え、 前記燃料電池システムの停止が指令された後、パージを前記所定時間実行するの に必要な電力と燃料電池システムを次回起動時に必要な電力とを合わせた電力を 前記電力貯蔵器に貯蔵するまで前記燃料電池の発電を継続する
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[13] 前記燃料電池システムの停止が指令された後、三方弁とバイパスラインにより、前 記燃料電池に酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする請求項 5に記載の燃料電池システム。
[14] 制御装置と、前記制御装置に接続しかつ燃料ガス流路を介して供給される燃料ガ スと酸化剤ガス流路を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を 行う燃料電池とを備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池システムの停止が指令されると、前記燃料電池の内部で生成された 水分持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて前記燃料電池の発電を所定時 間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路、又は前記 燃料電池の前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路とを、所定時間パージする ことを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
[15] 制御手段と、前記制御手段に接続しかつ燃料ガス流通手段を介して供給される燃 料ガスと酸化剤ガス流通手段を介して供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させ て発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの停止が指令されると、前記燃料電池の内部で生成された 水分持ち出し量を増大させる発電条件に切り替えて前記燃料電池の発電を所定時 間継続し、その後発電を停止して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流通手段、又は 前記燃料電池の前記酸化剤ガス流通手段と前記燃料ガス流通手段とを、所定時間 パージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
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