JP5338489B2

JP5338489B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5338489B2
Application number: JP2009134880A
Authority: JP
Inventors: 良明長沼; 浩己田中; 修弓田; 重仁鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: JP2010282821A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、水素循環流路内の水素ガスを送流させる水素ポンプを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素を電気化学反応させて発電する高効率でクリーンな発電装置であって、燃料電池を搭載した車両が盛んに開発されている。車両に搭載される燃料電池は、複数の膜電極接合体とそれを分離する複数のセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックとして使用されている。なお、燃料電池では、電気化学反応により水が生成し、また、空気は加湿されてスタックに供給されるため、水素極側にも水分が存在している。

図４（ａ）に、水素極側のセパレータ５０の模式平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の丸で囲んだ部分（水素流路出口５２）の拡大図である。図４（ａ）に示すように、セパレータ５０は、平板の一方の面に水素ガスを流通させる水素流路５１が、他方の面に図示しない冷却水流路が、それぞれ形成されたものである。一般的に、燃料電池システムの発電運転を停止するときには、水素流路５１に残留する水を除去するために掃気運転を行うが、水素流路出口５２は、図４（ｂ）に示すように、複数の流路に分岐して総断面積が上流側よりも大きくなったくし歯形状を有していることから、水がたまり易く（詰まり易く）なっている。水素流路出口５２に水が残留した状態で、気温が氷点下になった場合には、水素流路出口５２が凍結閉塞して再起動時の電圧低下が発生する可能性がある。したがって、水素流路出口５２の水を十分に除去するため、掃気時間が長くなっていた。

本発明に関連する技術として、掃気運転時における水素ガスの送流方向を変更する燃料電池システムが開示されている。例えば、特許文献１には、第１の水位検知部が気液分離器の貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、水素ガスの循環ポンプの回転を逆回転させるポンプ制御部を備えた燃料電池システムが開示されている。そして、特許文献１には、循環ポンプの順回転、逆回転を繰り返すことが記載されている。

また、特許文献２には、発電停止信号の入力を検知したとき、反応ガス流路に反応ガスを流す方向を逆転させて流す通流方向逆転工程を備えた燃料電池の発電停止時制御方法が開示されている。そして、特許文献２には、発電停止処理時に乾燥ガスを反応ガス流路に逆方向に通じて電解質膜を所定の乾燥程度まで均一に乾燥させるとともに、反応ガス流路からも水分を除去するようにしているので、停止時には、反応ガス流路には水分がなく、且つ電解質膜が所望の均一な湿潤状態に保持された最適な水分残留条件が成立していと記載されている。

特開２００７−２４２３８１号公報特開２００５−２０９６０９号公報

上記のように、特許文献１に開示されたシステムは、循環ポンプの順回転、逆回転を繰り返すので、セパレータの水素流路出口に水がたまること解消することはできず、また、掃気運転時間の短縮の観点からも改良の余地がある。

特許文献２に開示されたシステムについても、反応ガス流路には水分がなく且つ電解質膜が所望の均一な湿潤状態に保持された最適な水分残留条件が成立させるために、長時間の掃気運転が必要であるから、掃気時間の短縮の観点から改良の余地があり、また、長時間の逆流運転により気液分離器の貯留水が再循環（逆流）して、セパレータの水素流路出口にまで達することが想定され、水素流路出口に水がたまること解消することは困難である。

本発明の目的は、短時間の掃気運転によって、セパレータの水素流路出口における水の残留を防止することが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る燃料電池システムは、流路出口の水素流路を複数の微細流路に分けることで、流路出口以外の部分における水素流路総断面積よりも大きな水素流路総断面積として、流路出口の圧力損失を低下させたセパレータを含む燃料電池本体と、水素タンクと燃料電池本体とを接続する供給流路と、燃料電池本体から排出された水素ガスを燃料電池本体に再供給するための循環流路と、循環流路内の水素ガスを送流させる水素ポンプと、水素ポンプの駆動状態を制御する制御部と、を備え、発電運転を停止するときに掃気運転を行う燃料電池システムであって、制御部は、発電運転を停止するときに、水素ガスの循環容積を水素ポンプの掃気流量で除して得られた時間を最長掃気時間として、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させて逆転掃気を行い、セパレータの流路出口の微細流路を掃気することを特徴とする。

また、循環流路内の水素ガスを外部に排出する排気弁を備え、制御部は、発電運転を停止するときに、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させながら、排気弁を開いて水素ガスを排出することが好ましい。

また、燃料電池本体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器を備え、制御部は、逆転掃気終了後又は逆転掃気中に、インピーダンス測定器による測定値が予め定めた閾値以上であるときには、逆転掃気時間を延長することが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、制御部は、発電運転を停止するときに、水素ガスの循環容積を水素ポンプの掃気流量で除して得られた時間を最長掃気時間として、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させて逆転掃気を行うので、短時間の掃気運転によって、セパレータの水素流路出口における水の残留を防止することが可能になる。即ち、水素流路出口における残留水の除去が難しいため長時間の掃気運転が必要であったところ、水素ポンプを逆転駆動させて、水素流路出口から水を吸い込むことにより、短時間で該残留水を水素流路出口から除去することが可能となった。したがって、セパレータの水素流路出口が凍結閉塞することがなく、再起動時の電圧低下の発生を抑制することができる。

また、制御部は、発電運転を停止するときに、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させながら、排気弁を開いて水素ガスを排出する構成とすれば、水素ガスの排出時において、水素ガスが発電運転時の送流方向（順方向）に流れることを抑制して、セパレータの水素流路出口に対する水の再流通による詰まりを防止することができる。

また、制御部は、逆転掃気終了後又は逆転掃気中に、インピーダンス測定器による測定値が予め定めた閾値以上であるときには、逆転掃気時間を延長する構成とすれば、例えば、発電運転を停止する直前に多量の生成水が発生した場合等であっても、水素流路出口等の凍結閉塞防止の観点から十分な排水レベルを確保することができる。

本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムによる逆転掃気運転の制御手順を示すフローチャートである。図１に示す燃料電池システムによる逆転掃気運転の制御手順の変形例を示すフローチャートである。図１に示す燃料電池システムに適用される水素極側のセパレータを示す模式図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。なお、以下では、燃料電池システム１０は、車両に搭載されるシステムであって、車両を駆動させるための駆動系１５を有するものとして説明するが、例えば、各種施設（工場、オフィスビル、家庭等）の設置電源などにも適用することができる。

図１を用いて燃料電池システム１０の構成を説明する。図１に示すように、燃料電池システム１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタック１１を備える。そして、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１に水素ガスを供給する水素系１２と、空気（酸素ガス）を供給するエア系１３と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却系１４と、燃料電池スタック１１で発電した電力により車両を駆動させる駆動系１５と、システム全体の動作を統括的に制御する制御部３５と、を有する。

燃料電池スタック１１は、電力を発生する燃料電池本体であって、図示しない複数の膜電極接合体とそれを分離する複数のセパレータとが交互に積層された構造を有する。セパレータの形態としては、特に限定されることなく、ストレート型やサーペンタイン型などを用いることができる。

上記のように（図４（ａ）参照）、水素極側のセパレータ５０は、平板の一方の面に水素ガスを流通させる水素流路５１が、他方の面に図示しない冷却水流路が、それぞれ形成されたものである。そして、水素流路出口５２は、流路の総断面積が上流部分よりも大きくなっており、例えば、図４（ｂ）に示すように、くし歯形状を有している。故に、水素流路出口５２には、水が詰まり易くなっている。

セパレータ５０の水素流路出口５２は、圧損を低減するために、上記のくし歯形状を採用している。即ち、水素流路出口５２は、水素ガス中の水が集中する部分であるため、流路の総断面積を大きくして、圧損の低減を図っている。ここで、くし歯形状とは、流路の総断面積が上流側流路の断面積よりも大きく、且つ複数の微細流路に分岐した形状であり、各微細流路の断面積は、上流側流路の断面積よりも小さくなっている。このようなくし歯形状を水素流路出口５２に採用すると、流路の総断面積が大きくなるため、圧損は小さくなるが、流速も小さくなるので、水が流れ難く詰まり易くなる。

なお、燃料電池スタック１１は、燃料電池セルが図４の紙面に垂直な方向に沿って積層されて形成されている。そして、燃料電池スタック１１には、水素系１２やエア系１３等の周辺装置が接続され、例えば、水素系１２の水素供給流路１７は、図示しないエンドプレートを介してセパレータ５０の水素流路５１に接続される。一方のエンドプレートから導入される水素ガスは、図示しない入口マニホールド、水素流路５１、図４（ｂ）に示す出口マニホールド孔５３が連通して形成される出口マニホールドを通り、他方のエンドプレートから排出される。他方のエンドプレートには、水素循環流路１８が接続される。

水素系１２は、高圧の水素ガスが充填された水素タンク１６（その他、水素吸蔵合金を含むタンクとすることもできる）と、水素供給流路１７と、水素循環流路１８と、水素排出流路１９と、気液分離器２０と、を備えている。ここで、水素供給流路１７は、水素タンク１６とセパレータ５０の水素流路５１の入口（入口側エンドプレート）とを接続する流路、水素循環流路１８は、セパレータ５０の水素流路５１の出口（出口側エンドプレート）と水素供給流路１７とを接続する流路、水素排出流路１９は、気液分離器２０と希釈器２６とを接続する流路として説明する。

水素供給流路１７は、水素タンク１６の水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための流路であって、上記のように、水素タンク１６とセパレータ５０の水素流路５１の入口とを接続する。水素供給流路１７には、流路を開閉する主止弁２１と、流路の上流側圧力を所定の２次圧に減圧する減圧弁２２と、水素ガスの流量や圧力を調整するインジェクタ２３と、が設けられている。なお、これらの弁は、後述の制御部３５によってその動作が制御される。

水素循環流路１８は、燃料電池スタック１１から排出された水素ガス（水素オフガス）を水素供給流路１７に戻して、燃料電池スタック１１に再循環させるための流路であって、上記のように、セパレータ５０の水素流路５１の出口と水素供給流路１７のインジェクタ２３の下流側とを接続する。また、水素循環流路１８には、流路内における水素ガスを送流させる水素ポンプ２４が設けられている。

水素ポンプ２４は、水素循環流路１８内の水素ガスを圧縮・圧送する装置であって、送風機（ファン、ブロワ）や圧縮機と称されるものを広く含む。この水素ポンプ２４は、主に、遠心式や軸流式の羽根車等を有する圧縮部、羽根車等を駆動させる電動モータ、及び電動モータの回転方向、回転数を変更・調整するインバータ等から構成されている。なお、適用できる水素ポンプ２４としては、特に限定されることなく、ターボ型（遠心式、軸流式、斜流式、横流式など）や容積型（回転式（ルーツ形、ベーン形等）、往復式など）を挙げることができる。

ここで、水素ポンプ２４は、燃料電池システム１０の発電運転時においては、黒色矢印で示すように、水素供給流路１７に向かって水素ガスを送流させるように駆動している。なお、本明細書では、発電運転時における水素ガスの送流方向を順方向と称する。発電運転時及び発電運転を停止する際の掃気運転時における水素ポンプ２４の動作は、制御部３５によって制御され、例えば、制御部３５は、水素ポンプ２４のインバータに対して制御指令を出力し、水素ポンプ２４（電動モータ）の回転方向や回転数の変更を行う。

水素排出流路１９は、循環使用されて水素濃度が低くなった水素ガス（水素オフガス）の一部を外部に排出するための流路であって、上記のように、気液分離器２０と希釈器２６とを接続する。また、水素排出流路１９は、気液分離器２０に貯留された水を排出する排水流路としても機能する。水素排出流路１９には、排気排水弁２５が設けられており、この弁を開放することにより水素ガス及び水が、希釈器２６、マフラー２７を介して外部に排出される。ここで、希釈器２６とは、排出される水素ガス及びエア系１３から排出された空気を混合して、水素ガス濃度を減少させる部分である。なお、水素排出流路１９は、水素ガスのみを排出する排気専用流路として、その流路に排気弁を設置することもできる。

排気排水弁２５の開閉動作（通常は閉状態）は、制御部３５によって、水素系１２中の圧力や車両の運転状況等に基づいて制御される。例えば、車両が低速走行状態であって発電量が小さいときには、水素ガスの消費量が少なく気液分離器２０にたまる水量も少ないので、排気排水弁２５は開放され難い。一方、車両が高速走行状態であって発電量が大きなときには、水素ガスの消費量が多く気液分離器２０にたまる水量も多いので、排気排水弁２５は開放され易くなる。また、掃気運転が終了したときには、排気排水弁２５が開放されて、水素系１２中の水素ガス及び水が外部に排出される。

気液分離器２０は、水素ガス中に含まれる生成水等の水分を分離回収して一時的に貯留する容器であって、水素循環流路１８と水素排出流路１９との分岐点に設けられる。上記のように、発電運転を終了するときには、掃気運転が行われて、水素流路５１や水素循環流路１８に存在する水が、この気液分離器２０に送られることになる。

エア系１３は、大気中から吸入した空気を燃料電池スタック１１に供給する機能を有し、燃料電池スタック１１のセパレータの酸化ガス流路の入口（入口側エンドプレート）に接続された空気供給流路２８を備える。そして、空気供給流路２８には、エアクリーナー２９、空気を圧送するエアコンプレッサ３０、空気の加湿を行う加湿器３１が設けられる。また、燃料電池スタック１１内のセパレータの酸化ガス流路の出口（マニホールド出口）と希釈器２６とを接続する空気排出流路３２には、空気圧を調整するための空気調圧弁３３が設けられている。

冷却系１４は、燃料電池スタック１１に冷却水を供給して循環するための冷却水経路、冷却水を圧送するウォータポンプ、ファンを備えたラジエータ、及び冷却水中の導電性イオンを吸着するイオン交換樹脂が充填されたイオン交換部等から構成される。燃料電池は、発電効率確保のために、その温度を一定（例えば、８０℃）に維持する必要があり、冷却系１４は、燃料電池スタック１１の温度を一定に保つ機能を有する。

駆動系１５は、車両駆動用の電動機、燃料電池スタック１１で発生した電力を蓄えるリチウムイオン電池等のバッテリ、補機駆動用の電動機、及びパワーコントロールユニット等から構成される。パワーコントロールユニットは、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ、及び制御部３５による制御の下、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータの動作を制御するパワーコントロールユニット制御部等から構成される。

また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器３４を備える。インピーダンス測定器３４としては、公知のインピーダンス測定器を用いることができ、例えば、燃料電池スタック１１の両端付近、中央付近など幾つかの燃料電池セルに設置される。インピーダンス測定器３４の測定値は、対応する燃料電池セル、又は燃料電池スタック１１内の水量を特定するために用いられる。具体的な水量の算出方法としては、例えば、制御部３５等に記録されたインピーダンス及び水量の関係を示すマップに、測定値を当てはめる方法が挙げられる。

燃料電池システム１０は、上記のように、システム全体の動作を統括的に制御する制御部（ＥＣＵ）３５を備える。制御部３５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えたマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等に記憶された制御プログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部３５には、インピーダンス測定器３４、その他図示しない各種センサや測定機器からガス圧、電流・電圧値、温度等の情報やシステムの始動・停止の要求信号、駆動系１５等の各負荷からの要求電力信号などが入力される。これらの情報に基づいて、制御部３５は、水素ポンプ２４や排気排水弁２５等の装置や弁などの動作を制御する。

燃料電池システム１０は、短時間の掃気運転によって、図４（ｂ）に示すセパレータ５０の水素流路出口５２における水の残留を防止する機能を有する。この機能を実現するための構成要素として、制御部３５は、逆転駆動手段３６と、逆転駆動時間延長手段３７と、排出手段３８と、を有する。

逆転駆動手段３６は、発電運転を停止するときに、水素ポンプ２４を発電運転時と逆方向に駆動させて逆転掃気を行う機能を有する。ここで、逆転掃気とは、水素ポンプ２４を逆転駆動させることにより、図１の白抜き矢印で示すように、水素ガスを発電運転時と逆方向に送流して、水素循環流路１８や水素流路５１内等に存在する水を気液分離器２０に送るための処理である。なお、詳しくは後述するように、燃料電池システム１０では、水素流路出口５２に詰まった水を水素流路５１の上流側に吸い込んで除去することを重要視している。

具体的に、逆転駆動手段３６は、図示しない車両（車両ＥＣＵ）から発電運転の終了処理要求信号を取得すると共に、該要求信号を取得したときには、水素ポンプ２４のインバータに対して制御信号を出力し、水素ポンプ２４を逆転駆動させる。このとき、水素ポンプ２４の回転数は、例えば、逆転掃気運転時に適用される予め定められた回転数に設定される。例えば、逆転掃気運転時の回転数は、掃気時間短縮の観点から最大回転数とすることができる。

逆転駆動手段３６により実行される逆転掃気時間は、水素ガスの循環容積と水素ポンプ２４の掃気流量とに基づいて決定され、具体的には、循環容積を掃気流量で除して得られた時間が最長掃気時間とされる。また、逆転掃気開始前におけるインピーダンス測定器３４の測定値に応じて逆転掃気時間を変更して、例えば、インピーダンスが低く水量が少ない場合には、最短掃気時間を水素ポンプ２４の運転が可能な最短の時間まで短縮することも可能である。なお、再起動時の電圧低下の防止及び掃気時間の短縮を両立する観点から、好適な逆転掃気時間としては、水素流路５１の容積を掃気流量で除して得られた時間から上記の最長掃気時間の範囲内である。

ここで、最長掃気時間を決定する１つの因子である水素ガスの循環容積とは、逆転掃気運転時に水素ガスが流通する部分の容積を意味し、具体的には、水素循環流路１８、セパレータ５０の水素流路５１、気液分離器２０、及び水素供給流路１７の一部の容積である。なお、循環容積としては、水の存在により多少変化するが、例えば、水が存在しない状態の容積を用いることができる。最長掃気時間を決定するもう１つの因子である水素ポンプ２４の掃気流量は、単位時間当たりに送流される水素ガスの容積として表すことができる。この掃気流量は、水素ポンプ２４の回転数により変化するが、逆転駆動時における水素ポンプ２４の回転数を最大回転数に設定する場合、最長掃気時間を固定値に設定しておくことができる。

具体的な逆転掃気時間としては、水素ガスの循環容積が２０Ｌ、水素ポンプ２４の掃気流量が２００（Ｌ／分）である場合には、最長掃気時間は、２０（Ｌ）／２００（Ｌ／分）＝０．１（分）、即ち６（秒）となる。また、セパレータ５０の水素流路５１の容積が１０Ｌであれば、好適な逆転掃気時間は３秒〜６秒となる。

このように、短時間掃気を実行する燃料電池システム１０では、少なくとも水素流路出口５２に詰まった水を除去することを目的とする。これは、くし歯形状を有する水素流路出口５２に水が残留し凍結閉塞すると、水素流路５１に水素ガスが流れず再起動時の電圧低下の発生し易いからである。一方、水素流路出口５２以外の部分は、流路径が太くなっているため、幾らかの水が残留したとしても再起動時の電圧低下が発生し難い。即ち、燃料電池システム１０は、逆転掃気運転により、水素流路出口５２に詰まった水を水素流路５１の上流側に吸い込んで除去することで再起動時の電圧低下を十分に抑制できることを見出し、従来のシステムよりも掃気時間を大幅に短縮することを可能とした。なお、上記の逆転掃気時間により、通常、水素流路５１や水素循環流路１８に存在する水も概ね除去する（気液分離器２０に送る）ことができる。

逆転掃気時間延長手段３７は、インピーダンス測定器３４の測定値に基づいて、水素ポンプ２４の逆転掃気時間を延長する機能を有する。上記のように、インピーダンス測定器３４の測定値から燃料電池スタック１１内の水量を算出することができ、排水レベルを取得することができる。燃料電池システム１０では、掃気時間が短時間に設定されるが、発電運転を停止する直前の発電量が多い場合など、短時間掃気では対応できない場合も想定される。したがって、このような場合においても、逆転掃気時間延長手段３７によって、水素流路出口５２等の凍結閉塞防止の観点から十分な排水レベルを確保することができる。

具体的には、逆転掃気時間延長手段３７は、逆転掃気終了後に、インピーダンス測定器３４の測定値と予め定めた閾値とを比較して、測定値が閾値以上であるときには、排水が不十分であると判断して、逆転掃気時間を延長する。即ち、水素ガスの循環容積と水素ポンプ２４の掃気流量とに基づいて設定された逆転掃気時間の経過後に、燃料電池スタック１１のインピーダンスを測定し、万が一排水が不十分である場合には、再度設定の逆転掃気時間だけ逆転掃気を行う。そして、この操作は、測定値が閾値未満になるまで繰り返される。なお、インピーダンスの測定・判定は、瞬時に実施されるので、逆転掃気時間を延長する場合に水素ポンプ２４を一旦停止する必要はない。一方、逆転掃気中に、インピーダンス測定器３４の測定値と予め定めた閾値とを比較する制御とすることもでき、測定値が閾値以上であるときには、設定された逆転掃気時間を測定値に応じて補正し延長することもできる。

排出手段３８は、逆転掃気運転終了後、排気排水弁２５を開いて水素ガスを外部に排出する機能を有する。排出手段３８は、例えば、水素ポンプ２４の逆転駆動を停止した後、所定の待機時間経過後に排気排水弁２５を開く設定、或いは水素ポンプ２４の逆転駆動運転の停止と同時に排気排水弁２５を開く設定とすることができる。

また、排出手段３８は、排気排水弁２５を開くときに、水素ポンプ２４を逆転駆動させる機能を有することが好ましい。即ち、排出手段３８は、水素ポンプ２４を逆転駆動させながら、排気排水弁２５を開いて水素ガスを排出する。このような構成とすれば、排気排水弁２５の開放時に水素ガスが順方向に流れることを抑制して、セパレータ５０の水素流路出口５２に対する水の再流通による詰まりを防止することができる。なお、排出手段３８は、逆転掃気時間経過後、水素ポンプ２４の逆転駆動状態を継続しながら、排気排水弁２５を開いて水素ガスを排出することができる。

なお、水素ポンプ２４を逆転駆動させながら、排気排水弁２５を開いて水素ガスを排出するときに、水素ガスの残圧に応じて水素ポンプ２４の回転数を減少させる制御とすることもできる。

上記構成を備える燃料電池システム１０の逆転掃気運転にかかる制御について、図２、図３を用いて説明する。ここで、図２、図３は、いずれも逆転掃気運転の制御手順を示すフローチャートであるが、図２に示す逆転掃気運転では、インピーダンス判定を実施し、図３に示す逆転掃気運転では、インピーダンス判定を行わず掃気終了後の水素ガス排出操作時に水素ポンプ２４を逆転駆動する点が相違する。

図２を用いて、インピーダンス判定を実施する場合の制御手順、特に制御部３５の機能について説明する。まず初めに、発電運転の終了処理要求信号を取得したか否かを判定する（Ｓ１０）。終了処理要求信号は、例えば、車両ユーザーの操作等に基づいて、車両のＥＣＵから制御部３５に入力される。

Ｓ１０において終了処理要求信号を取得したときには、水素ポンプ２４の逆転駆動を開始する（Ｓ１１）。即ち、水素ガスを発電運転時と同じ順方向に送流する順転掃気を行うことなく、例えば、発電運転を停止すると同時に迅速に逆転掃気を開始する。具体的には、上記のように、水素ポンプ２４のインバータに対して制御部３５から電動モータを逆転駆動させる制御指令が出力される。

次に、設定された逆転掃気時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１２）。逆転掃気時間は、上記のように、水素ガスの掃気時循環容積と水素ポンプ２４の掃気流量とに基づいて定められ、例えば、水素流路５１の容積を掃気流量で除して得られた時間〜循環容積を掃気流量で除して得られた時間の範囲内で決定される。このような掃気時間とすることにより、再起動時の電圧低下の防止及び掃気時間の短縮を両立することができる。なお、Ｓ１０〜Ｓ１２の手順は、逆転駆動手段３６の機能によって実行される。

設定された逆転掃気時間が経過したときには、インピーダンス測定器３４により測定される燃料電池スタック１１のインピーダンス（測定値）が目標インピーダンス（閾値）に到達したか否かが判定される（Ｓ１３）。Ｓ１３において、測定値と閾値とを比較し、測定値が閾値以上であると判定したときには、逆転掃気時間を延長する（Ｓ１４）。測定値が閾値未満であると判定したときには、水素ポンプ２４の逆転駆動を停止して逆転掃気を終了する（Ｓ１５）。なお、Ｓ１３〜Ｓ１５の手順は、逆転掃気時間延長手段３７の機能によって実行される。

逆転掃気が終了したときには、排気排水弁２５を開放する（Ｓ１６）。この手順は、排出手段３８の機能によって実行される。排気排水弁２５を開放することにより、水素ガスと共に、主に気液分離器２０に貯留された水が、希釈器２６、マフラー２７を介して外部に排出される。なお、排気排水が完了すると、排気排水弁２５が閉じられて、発電運転の停止処理が終了することになる。

次に、図３を用いて、排気排水弁２５の開放時に水素ポンプ２４の逆転駆動を実施する場合の制御手順について説明する。ここで、Ｓ１０〜Ｓ１１までの手順は、図２に示す手順と同一である（説明省略）。

設定された逆転掃気時間が経過したときには、水素ポンプ２４の逆転駆動を継続しながら排気排水弁２５を開放する（Ｓ２１）。排気排水弁２５を開放すると水素ガスが外部に排気されるが、水素ポンプ２４の逆転駆動を継続することにより、順方向に水素ガスが送流することを防止する。なお、逆転掃気時間の経過により一旦水素ポンプ２４の駆動を停止して、排気排水弁２５の開放と同時に、水素ポンプ２４の逆転駆動を開始することもできる。

そして、水素ガスの排出が完了したか否かを判定し（Ｓ２２）、排出完了判定により水素ポンプ２４の駆動を停止する（Ｓ２３）。Ｓ２１〜Ｓ２３の手順は、排出手段３８の機能によって実行される。なお、水素ガスの排出完了は、図示しない圧力センサを用いて判定することができる。

以上のように、燃料電池システム１０は、発電運転を停止するときに、水素ガスの循環容積を水素ポンプ２４の掃気流量で除して得られた時間を最長掃気時間として、水素ポンプ２４を発電運転時と逆方向に駆動させて逆転掃気を実行する逆転駆動手段３６を含む制御部３５を備えるので、セパレータ５０の水素流路出口５２から流路上流側へ水を吸い込むことにより、短時間の掃気運転によって該残留水を水素流路出口５２から除去することが可能になる。したがって、燃料電池システム１０によれば、水素流路出口５２が凍結閉塞することがなく、再起動時の電圧低下の発生を抑制することができる。

また、制御部３５は、逆転掃気終了後又は逆転掃気中に、インピーダンス測定器３４による測定値が予め定めた閾値以上であるときには、逆転掃気時間を延長する逆転掃気時間延長手段３７と、水素ポンプ２４を逆転駆動させながら、排気排水弁２５を開いて水素ガスを排出する排出手段３８と、を有するので、残留する水の量が多い場合であっても十分な排水レベルを確保することができ、また、水素ガスの排出時において、水素流路出口５２に対する水の再流通による詰まりを防止することができる。

１０燃料電池システム、１１燃料電池スタック、１２水素系、１３エア系、１４冷却系、１５駆動系、１６水素タンク、１７水素供給流路、１８水素循環流路、１９水素排出流路、２０気液分離器、２１主止弁、２２減圧弁、２３インジェクタ、２４水素ポンプ、２５排気排水弁、２６希釈器、２７マフラー、２８空気供給流路、２９エアクリーナー、３０エアコンプレッサ、３１加湿器、３２空気排出流路、３３空気調圧弁、３４インピーダンス測定器、３５制御部、３６逆転駆動手段、３７逆転掃気時間延長手段、３８排出手段、５０水素極側のセパレータ、５１水素流路、５２水素流路出口、５３出口マニホールド孔。

Claims

流路出口の水素流路を複数の微細流路に分けることで、流路出口以外の部分における水素流路総断面積よりも大きな水素流路総断面積として、流路出口の圧力損失を低下させたセパレータを含む燃料電池本体と、
水素タンクと燃料電池本体とを接続する供給流路と、
燃料電池本体から排出された水素ガスを燃料電池本体に再供給するための循環流路と、
循環流路内の水素ガスを送流させる水素ポンプと、
水素ポンプの駆動状態を制御する制御部と、
を備え、発電運転を停止するときに掃気運転を行う燃料電池システムであって、
制御部は、
発電運転を停止するときに、水素ガスの循環容積を水素ポンプの掃気流量で除して得られた時間を最長掃気時間として、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させて逆転掃気を行い、セパレータの流路出口の微細流路を掃気することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
循環流路内の水素ガスを外部に排出する排気弁を備え、
制御部は、
発電運転を停止するときに、水素ポンプを発電運転時と逆方向に駆動させながら、排気弁を開いて水素ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器を備え、
制御部は、
逆転掃気終了後又は逆転掃気中に、インピーダンス測定器による測定値が予め定めた閾値以上であるときには、逆転掃気時間を延長することを特徴とする燃料電池システム。