JP2005209634A - 燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時の始動性を向上させる。
【解決手段】運転停止時処理時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定し（Ｓ５ｃ）、最適水分残留条件が成立していると判定したとき運転を停止するようにしている（Ｓ６）。このため、再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので凍結が発生していることがなく、また、電解質膜に水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。したがって、再起動時の始動性が向上する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に設けた反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の運転停止時制御方法に関し、特に運転停止後の再起動時における始動性を向上させる燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、反応ガス流路が形成されたセパレータによって挟んで保持している。

この燃料電池において、反応ガス流路を通じてアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、電極触媒上で水素が陽イオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード電極には、反応ガス流路を通じて、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード電極には、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１には、発電動作を停止したとき、反応ガス流路に加湿されていないパージ流体、例えば窒素ガスを供給して、反応ガス流路内の水をパージすることが燃料電池の凍結時起動能力を向上させる点で好ましいと記載されている。

特表２００３−５１０７８６号公報（［００４７］、［００４８］）

しかしながら、この特許文献１には、単に、発電動作の停止時に、反応ガス流路を低湿度の非反応ガスである窒素ガスでパージすることが好ましいと記載されているに過ぎなく、どのような条件のときにパージを行うことが最適であるかどうかについての考察がなされていない。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、運転停止後の再起動時の始動性を向上させるための最適運転停止条件を明確にした燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

また、この発明は、運転停止後の再起動時の始動性を向上させることを可能とする燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

さらに、この発明は、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することが可能な燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

この項では、この発明の理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明の燃料電池の運転停止時制御方法は、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に設けた反応ガス流路（４８、４６）に反応ガスを供給することで発電運転を行い、運転停止信号（Ｉｇ＝０）の入力に基づき運転停止時処理を行い運転を停止する燃料電池の運転停止時制御方法であって、前記運転停止時処理は、前記運転停止信号の入力を検知する運転停止信号検知工程（Ｓ３）と、前記運転停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定工程（Ｓ５）と、前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき運転を停止する運転停止工程（Ｓ６）とを備えることを特徴とする（請求項１記載の発明）。

この発明によれば、運転停止時処理時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定し、最適水分残留条件が成立していると判定したときに運転を停止するようにしている。このため、再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。したがって、再起動時の始動性が向上し、水の凍結温度以下の環境でも反応ガス流路での凍結が発生していることがなく、また電解質膜には水分が残留しているので迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

なお、この発明において、運転停止時処理により運転を停止する場合には、燃料電池から電流が出力されている（発電が行われている）発電運転状態からの停止と、燃料電池から電流が出力されていない（発電が行われていない）非発電運転状態からの停止の両方の場合が含まれる。

上記の最適水分残留条件判定工程による判定の結果、電解質膜及び反応ガス流路の両方に水分が残留している非最適水分残留条件であったときには、運転停止工程の前工程において、反応ガス流路（４６）にパージガスを供給して反応ガス流路に残留している水分をパージするパージ工程（Ｓ７）を設ける（請求項２記載の発明）。このパージ工程により、停止時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が確実に成立することとなり、始動性が向上する。

この場合、パージ工程中に、最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定するパージ工程中の最適水分残留条件判定工程（Ｓ５ａ「否定」→Ｓ７→Ｓ５ｃ「否定」→Ｓ５ａ）を備えることで、パージ時間を最小の時間とすることができる（請求項３記載の発明）。

また、請求項１記載の発明において、最適水分残留条件判定工程による判定の結果、電解質膜及び反応ガス流路の両方に水分が残留していない非最適水分残留条件であったとき、運転停止工程の前工程において、反応ガス流路に加湿ガスを供給して電解質膜に水分を残留させる加湿工程（Ｓ８）を備えることで、停止時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立することとなり、始動性が向上する（請求項４記載の発明）。

この加湿工程中に、最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する加湿工程中の最適水分残留条件判定工程（Ｓ５ｂ「否定」→Ｓ８→Ｓ５ｃ「否定」→Ｓ５ｂ）を備えることで、加湿時間を最小の時間にすることができる（請求項５記載の発明）。

なお、最適水分残留条件判定工程では、反応ガス流路（４６）の供給口（７８ａ）と排出口（７８ｂ）との間のガス圧力差（α）及び前記電解質膜の膜抵抗値（Ｒｍ）に基づき最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定することで、確実に最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定することができる（請求項６記載の発明）。

より具体的には、ガス圧力差（α）が所定圧力値（ΔＰ）以下であって、かつ膜抵抗値（Ｒｍ）が所定膜抵抗値（Ｒｔ）以下であるとき、最適水分残留条件が成立していると判定することができる（請求項７記載の発明）。

また、最適水分残留条件判定工程では、反応ガス流路の供給口と排出口との間のガス圧力差又は前記電解質膜の膜抵抗値に基づき最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定することも可能であり、この場合には、より簡易に最適水分残留条件の成立を判定することができる（請求項８記載の発明）。

上述した燃料電池は、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）とを設けた電解質膜・電極構造体（２０）を有し、電解質膜・電極構造体がセパレータ（２２、２４）により挟んで保持され、かつセパレータの電解質膜・電極構造体に対面する部分に反応ガス流路（４６、４８）が設けられた発電セル（１４）を複数積層したスタック構造にされている、いわゆる燃料電池スタック（１２）も含む（請求項９記載の発明）。

この発明の燃料電池の運転停止時制御装置は、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に設けた反応ガス流路（４８、４６）に反応ガスを供給することで発電運転を行い、運転停止信号（Ｉｇ＝０）の入力に基づき運転停止時処理を行い運転を停止する燃料電池の運転停止時制御装置であって、前記運転停止信号の入力を検知する運転停止信号検知手段（６０：Ｓ３）と、前記運転停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定手段（６０：Ｓ５）と、前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき運転を停止する運転停止手段（６０：Ｓ６）とを備えることを特徴とする（請求項１０記載の発明）。

この発明によれば、運転停止時処理時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定し、最適水分残留条件が成立していると判定したときに運転を停止するようにしている。このため、再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。したがって、再起動時の始動性が向上し、水の凍結温度以下の環境でも反応ガス流路での凍結が発生していることがなく、また電解質膜には水分が残留しているので迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

なお、この発明において、運転停止時処理により運転を停止する場合には、燃料電池から電流が出力されている（発電が行われている）発電運転状態からの停止と、燃料電池から電流が出力されていない（発電が行われていない）非発電運転状態からの停止の両方の場合が含まれる。

この発明によれば、運転停止時処理時に、電解質膜に水分が残留していて、かつ反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件（最適運転停止条件）が成立しているかどうかを判定し、最適水分残留条件が成立していると判定したときに運転を停止するようにしている。

この最適水分残留条件が、運転停止後の再起動時の始動性を向上させるための最適運転停止条件（運転停止のための最適条件）であり、この最適水分残留条件を満足した状態で運転を停止することにより、運転停止後の再起動時の始動性を向上させることができる。

より具体的に説明すると、再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがない。その一方、電解質膜に水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。したがって、再起動時の始動性が向上し、水の凍結温度以下の環境でも反応ガス流路での凍結が発生していることがなく、また電解質膜には水分が残留しているので迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の運転停止時制御方法を実施し、かつ燃料電池の発電運転制御装置の一実施形態を含む燃料電池システム１０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を有し、この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層した積層体として構成される。燃料電池スタック１２の積層方向両端部には、正極側ターミナルプレート１６ａ及び負極側ターミナルプレート１６ｂと、エンドプレート１８ａ、１８ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が形成される。

各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２０と、この電解質膜・電極構造体２０を挟持する金属のセパレータ２２、２４とを備える。セパレータ２２、２４には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、シール材が一体成形されている。

図２は、図１に示した燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１２の構成要素である発電セル１４の分解斜視説明図である。

図２に示すように、発電セル１４の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び他方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０ｂと、この固体高分子電解質膜２０ｂ挟んで保持するアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃとを備える（図１及び図２参照）。

アノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２０ｂの両面に接合されている。

セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とカソード電極２０ｃとの間に形成される。

セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極２０ａとの間に形成される。

セパレータ２２の面２２ｂとセパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａから供給される冷却媒体を冷却媒体排出連通孔３２ｂに導くための冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、金属セパレータ２２に設けられる複数の溝部と、セパレータ２４に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて一体的に構成される。

再び、図１において、燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、基本的には、燃料電池スタック１２と、燃料電池システム１０全体を統括して制御する制御部６０と、燃料ガス供給系６２と、酸化剤ガス供給系６４とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）１４が電気的に直列に接続され、正極側ターミナルプレート１６ａから発電電流Ｉｆが出力される。

この場合、各発電セル１４で発生された電圧（セパレータ２４と２２間の電圧）の電圧値Ｖｃは、電圧センサとしても機能する制御部６０に図示しない電線を介して取り込まれる。

正極側ターミナルプレート１６ａから出力された発電電流Ｉｆは、電流センサ６８を通じ、負荷制御器７０を介して走行用モータを含む負荷７２、及び補機（コンプレッサ１０２各種バルブ等）に供給される。

この発電電流Ｉｆの電流値（符号はＩｆを使用する。）は、電流センサ６８により検出され、制御部６０に取り込まれる。制御部６０では、各発電セル１４の電圧値Ｖｃを加算することで燃料電池スタック１２の発電電圧Ｖｓ（ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ間の電圧）を計算し、発電電力をＶｓ×Ｉｆとして管理する。

一方のエンドプレート１８ａには、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じて空気を供給するための空気供給口７８ａと、発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して排出するための空気排出口７８ｂとが設けられる。

他方のエンドプレート１８ｂには、各発電セル１４の燃料ガス流路４８に燃料ガス供給連通孔３４ａを介して水素ガスを供給するための水素供給口７６ａと、発電セル１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料ガス排出連通孔３４ｂを介して排出するための水素排出口７６ｂとが設けられる。

燃料ガス供給系６２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する水素供給流路８２と、燃料電池スタック１２から未使用の燃料ガスを含む排ガスを排出する水素排出流路８３と、排出ガス（水素含有ガス）を水素供給流路８２の途上に戻して燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。

水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、水素タンク８６から図示しない水素供給バルブを通じて供給される燃料ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ９０と、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ９２とが設けられる。圧力センサ９２により検出された燃料ガスの圧力値Ｐｈは、制御部６０に取り込まれる。

水素排出流路８３には、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを廃棄するためのパージバルブ９４が設けられる。

酸化剤ガス供給系６４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給流路９８と、燃料電池スタック１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路１００とを備える。

空気供給流路９８には、空気を圧縮して出力するためのコンプレッサ１０２と、コンプレッサ１０２から出力された圧縮空気に水分を与えて加湿空気として供給する加湿器１０３と、加湿器１０３を通じて供給される加湿空気とコンプレッサ１０２から直接供給される乾燥空気の混合割合を制御する切替バルブ１０５と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガス（空気）の圧力を検出する圧力センサ１０４とが設けられる。圧力センサ１０４により検出された酸化剤ガスの供給圧力値Ｐｉｎは制御部６０に取り込まれる。

空気排出流路１００には、燃料電池スタック１２の空気出口温度を検出する温度センサ１０６と、空気出口圧力を検出する圧力センサ１０７と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力を制御するための圧力調整バルブ１０８とが設けられる。温度センサ１０６と圧力センサ１０７によりそれぞれ検出された空気出口温度値Ｔａと空気出口圧力値Ｐｏｕｔは、制御部６０に取り込まれる。

制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有し、演算・制御・記憶・処理手段として機能し、この実施形態において、運転停止信号検知手段、最適水分残留条件判定手段、及び運転停止手段としても機能する。

この制御部６０には、燃料電池システム１０のイグニッションスイッチとして機能する起動スイッチ１３８や図示していないアクセルの開度を示すアクセル開度センサも接続されている。制御部６０に対して、起動スイッチ１３８からオン状態に対応する運転開始信号（Ｉｇ＝１）が供給されることで発電運転の開始処理がなされ、オフ状態に対応する運転停止信号（Ｉｇ＝０）が供給されることで発電運転の停止処理がなされる。

そして、制御部６０（のＣＰＵ）は、各種入力（起動スイッチ１３８からの信号Ｉｇ、及び各セル電圧値Ｖｃ、発電電流値Ｉｆ、空気供給圧力値Ｐｉｎ、空気出口圧力値Ｐｏｕｔ、水素入口圧力値Ｐｈ、空気出口温度Ｔａ等）に対応して、プログラムを実行することで、コンプレッサ１０２の回転数、レギュレータ８８の開度、切替バルブ１０５の切替位置、負荷制御器７０の制御等を行い、所定の発電電流Ｉｆを発生して負荷制御器７０に供給するとともに、燃料電池システム１０全体を統括して制御する。

この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には、以上のように構成されかつ動作するものであり、次に、この燃料電池システム１０のより詳しい動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、ユーザの操作により起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態にされると（Ｉｇ＝０→１）、ステップＳ２において、燃料電池システム１０が始動され燃料電池スタック１２の通常発電運転が行われる。

この通常発電運転の継続時には、水素タンク８６から水素供給流路８２に供給される燃料ガスが、レギュレータ８８を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ９０を通って燃料電池スタック１２の水素供給口７６ａに供給される。

水素供給口７６ａに供給された燃料ガスは、各発電セル１４を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａを通じ燃料ガス流路４８に沿ってアノード電極２０ａに供給されアノード電極２０ａに沿って移動後、未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂを通じ水素排出口７６ｂから水素排出流路８３に排出されて水素循環流路８４に送られる。

水素循環流路８４に排出された排ガスは、エゼクタ９０の吸引作用下に、水素供給流路８２の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１２内に燃料ガスとして供給される。その際、温まった排ガスが循環されることにより、この排ガスの熱量を始動時に有効に利用することができる。

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてコンプレッサ１０２から供給され、通常運転時には、切替バルブ１０５を介し、加湿器１０３を通じて加湿空気が空気供給流路９８に供給される。この空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口７８ａから各発電セル１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ酸化剤ガス流路４６に沿ってカソード電極２０ｃに供給されカソード電極２０ｃに沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを通じ空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出される。

これにより、各発電セル１４では、アノード電極２０ａに供給される燃料ガスである水素と、カソード電極２０ｃに供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。

この発電の過程について詳しく説明すると、アノード電極２０ａにおいて水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは電解質膜２０ｂ内を水分を伴ってカソード電極２０ｃ側に到達する。発生した電子は、アノード電極２０ａから負極側ターミナルプレート１６ｂを通じ外部負荷（負荷制御器７０、負荷７２及び補機等）を介し、電流センサ６８を通じ正極側ターミナルプレート１６ａを介してカソード電極２０ｃに到達する。そして、電解質膜２０ｂのカソード電極２０ｃ側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。

このように発電セル（燃料電池セルともいう。）１４では、アノード電極２０ａで生成された水素イオンが電解質膜２０ｂの中を通ってカソード電極２０ｃに移動するときには、水の分子を同伴する。したがって、水素イオンの導電性を維持するために、電解質膜２０ｂは、水分を含んだ湿潤の状態であることが必須の要件とされている。

この場合、酸化剤ガス供給系６４では、酸化剤ガスのガス圧力が、目標の発電電流値Ｉｆに基づき圧力調整バルブ１０８を介して所定の圧力に調整されるとともに、酸化剤ガスのガス流量がコンプレッサ１０２の回転数制御によって所定の流量に調整される。

一方、燃料ガス供給系６２では、水素ガスのガス圧力がレギュレータ８８を介して所定の圧力に調整されるとともに、水素ガスのガス流量がエゼクタ９０を介して所定の流量に調整されている。

以上の通常発電運転が継続されているときに、ステップＳ３に示すように、ユーザが運転を停止するために起動スイッチ１３８を操作し起動スイッチ１３８がオン状態からオフ状態に切り替えられたことが制御部６０に入力される。すなわちハイレベル１からローレベル０に遷移する運転停止信号（Ｉｇ＝０）が、制御部６０により検知されると、この運転停止信号検知工程を契機として以下に示す運転停止時処理が行われる。

運転停止信号（Ｉｇ＝０）の入力を検知したとき、ステップＳ４において、制御部６０は、水素タンク８６に取り付けられている図示しない水素供給バルブを閉じ、水素タンク８６からの新たな燃料ガスの供給を停止する燃料ガス供給停止工程を行った後、ステップＳ５の最適水分残留条件判定（最適運転停止条件判定）工程を行う。

ステップＳ５の最適水分残留条件判定工程は、発電を完全に停止させる前に、各発電セル１４を構成する空気の流路である酸化剤ガス流路４６内の残留水分と電解質膜２０ｂの残留水分を確認し、電解質膜２０ｂに水分が残留していて、かつ酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する処理工程である。

なお、最適水分残留条件を判定する理由は、最適水分残留条件が成立しているときに、次のステップＳ６に示す運転停止処理を行うことで、その運転停止処理がなされた時点の以降の時点で起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態に切り替えられた再起動時に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していないことから凍結が発生しないことを確実化し、また電解質膜２０ｂに水分が残留しているので水素イオン（陽イオン）が透過し易いことを確実化し、結果として確実に正常な発電を開始することができるようにするためである。すなわち、これらステップＳ５以降の運転停止時処理を行うことで、水の凍結温度以下の環境でも迅速な起動が確実に遂行され、通常発電運転に直ちに移行させることができる。

実際上、発電運転状況により、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６の水分残留状態が以下の３態様を有する可能性がある。

（ｉ）酸化剤ガス流路４６内に液滴の水が残留している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに湿潤状態）。（ｉｉ）電解質膜２０ｂ内に水分が残留している状態（電解質膜２０ｂのみが湿潤状態）。（ｉｉｉ）電解質膜２０ｂが乾燥している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに乾燥状態）。そして、運転停止時には、（ｉｉ）の状態（最適水分残留条件・最適運転停止条件）で停止されていることが好ましい。

この実施形態において、上記（ｉｉ）の最適水分残留条件は、第１に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気の供給圧力値Ｐｉｎと排出圧力値Ｐｏｕｔとの圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）が所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかで判定している（α≦ΔＰ）。第２に、電解質膜２０ｂの湿潤状態を判定するために、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかで判定している（Ｒｍ≦Ｒｔ）。

図４は、発電セル１４の内部残留水分が少ない状態（乾燥状態）から多い状態（加湿状態）に変化した場合の圧力差αと膜抵抗値Ｒｍの変化特性を示している。圧力差αは、発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路４６内の残留水分が多い場合に大きな値となり、少なくなるにしたがい小さな値になる。その一方、膜抵抗値Ｒｍは、電解質膜２０ｂ内の残留水分が少ない場合に大きな値となり、多くなるにしたがい小さな値となる。

図４中に、上述した判定基準である所定圧力値ΔＰと所定膜抵抗値Ｒｔを記入している。したがって、この実施形態において、運転停止時における最適水分残留条件範囲は、所定膜抵抗値Ｒｔと膜抵抗値Ｒｍとの交点から所定圧力値ΔＰと圧力差αとの交点までの範囲になる。

次に、上記のステップＳ３以降〜ステップＳ６までの処理例について、図５、図６の波形図をも参照して説明する。なお、図５は、ステップＳ５ａに係る酸化剤ガス流路４６内の残留水分判定に供される波形図であり、図６は、ステップＳ５ｂに係る電解質膜２０ｂの残留水分判定に供される波形図である。

図５の（ａ）に示すように、時点ｔ０において、ハイレベル１からローレベル０に遷移する運転停止信号（Ｉｇ＝０）が、制御部６０により検知されると（ステップＳ３）、運転停止時処理が実行開始され、図５の（ｂ）に示すように、直ちに、水素タンク８６に取り付けられている水素供給バルブ（不図示）が閉じられて、水素タンク８６から燃料ガスである水素ガスの新たな供給が停止される（ステップＳ４）。

次に、ステップＳ５の最適水分残留条件判定工程が実行され、ステップＳ５中、まず、ステップＳ５ａにおいて、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気供給口７８ａの供給圧力値Ｐｉｎと、空気排出口７８ｂの排出圧力値Ｐｏｕｔを、圧力センサ１０４、１０７を通じてそれぞれ測定し、圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を計算し、計算した圧力差αが所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかを判定する（α≦ΔＰ）。

もし、図５の（ｃ）に示すように、時点ｔ０で運転停止信号（Ｉｇ＝０）が入力されたときの圧力差αが、所定圧力値ΔＰを超える値であった場合には（非最適水分残留条件が成立している場合には）、酸化剤ガス流路４６に水分が残留しているとみなして、ステップＳ７の酸化剤ガス流路４６の残留水分のパージ処理を行う。

このステップＳ７のパージ処理では、パージ時間を最小の時間とするため、切替バルブ１０５により空気の流路を加湿器１０３側流路から直接供給流路側に切り替えるとともに、圧力調整バルブ１０８を開放し、コンプレッサ１０２の回転数を最大にする。これにより、図５の（ｄ）に示すように、コンプレッサ１０２から供給される乾燥された最大ガス流量の空気（乾燥ガス）が空気供給流路９８を通じて空気供給口７８ａに供給される。この乾燥空気は、空気供給口７８ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に沿って移動し酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して空気排出口７８ｂから排出され、さらに空気排出流路１００を通じ圧力調整バルブ１０８を通じて車外の外気に排出される。このとき、酸化剤ガス流路４６の残留水分が乾燥ガスにより空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出されるとともに、酸化剤ガス流路４６が乾燥される。

なお、酸化剤ガス流路４６に乾燥ガスが供給されているとき、燃料ガス流路４８には、水素ガスが残留しているので、各発電セル１４では、所定の発電が継続されている。

乾燥ガスの供給中、例えば図５の（ｃ）に示すように、時点ｔ３において、圧力差αが所定圧力値ΔＰ以下の値になり、この時点ｔ３で酸化剤ガス流路４６に関する水分残留条件が成立する。

なお、図５の（ｅ）に示す、水素ガスの圧力は、水素供給口７６ａで圧力センサ９２により検出した圧力であり、時点ｔ０で水素タンク８６からの水素ガスの供給が停止されているので、水素ガスの圧力は、その時点ｔ０から徐々に低下し、時点ｔ２における所定圧力値で安定するように設計されている。なお、この所定圧力値は大気圧より高い圧力に設定されている。また、時点ｔ０以降、パージバルブ９４が閉じられるので、水素ガス流路４８内のガス圧力値が大気圧より高い圧力となった状態が保持される。このようにして、ステップＳ７の酸化剤ガス流路４６中の残留水分のパージが遂行される。

一方、ステップＳ５ａ及びステップＳ７の処理とほぼ同時に、つまり並列的にステップＳ５ｂの電解質膜残留水分判定処理が行われる。

このステップＳ５ｂでは、電解質膜２０ｂに水分が残留しているかどうかを判定するために、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍを測定する。この膜抵抗値Ｒｍは、負荷制御器７０内部で負荷の値、たとえば抵抗値を間欠的（パルス的）に小さくすることで（負荷を大きくすることで）、図６の（ｄ）に示すように、発電電流値Ｉｆをパルス的に増減させる。

このとき、発電電流値Ｉｆの変動電流値ΔＩｆを計算し、さらに、図６の（ｅ）に示すように、セル電圧Ｖｃの対応する変動電圧値ΔＶｃを計算して、膜抵抗値ＲｍをＲｍ＝ΔＶｃ／ΔＩｆ（図６の（ｆ）参照）として求める。

そして、求めた膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかを判定する（Ｒｍ≦Ｒｔ）。なお、膜抵抗値Ｒｍは、負荷を正弦的に変化させることで交流インピーダンスとしても求めることができる。

このようにして測定した膜抵抗値Ｒｍが、所定膜抵抗値Ｒｔを超える値である場合、例えば通常運転を開始したが直ぐに運転を停止した場合等には、ステップＳ８に示す電解質膜２０ｂへの水分残留処理（水分付加処理、加湿工程）を行う。この電解質膜２０ｂへの水分残留処理では、図６の（ｇ）に示すように、酸化剤ガス流路４６に加湿ガス（酸化剤ガス）を供給したままの状態で発電運転を継続する。

発電運転を継続することで、図６の（ｆ）に示すように、膜抵抗値Ｒｍが小さくなり、電解質膜２０ｂが湿潤状態に向かう。時点ｔ１１において、膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔ以下の値になっているので、この時点ｔ１１で電解質膜２０ｂに関する水分残留条件が成立する。

なお、図６の（ａ）の運転停止信号（Ｉｇ＝０）、図６の（ｂ）の水素ガスの供給停止、図６の（ｃ）水素ガスの圧力は、それぞれ、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｅ）と同じ波形としている。

また、圧力差αは、図６の（ｈ）に示すように、所定圧力値ΔＰ以下の略一定の値になっている。

次に、ステップＳ５ｃにおいて、ステップＳ５ａのガス流路残留水分判定が成立していて、かつステップＳ５ｂの電解質膜残留水分判定が成立していたかどうかが判定され、電解質膜２０ｂに水分が残留していて、かつ酸化剤ガス流路４６に水分が残留していない最適水分残留条件が成立するまで、ステップＳ５ａ、Ｓ７、Ｓ５ｂ、Ｓ８の処理を繰り返し、最適水分残留条件が成立したときステップＳ６の運転停止処理を行う。

実際上、ステップＳ５ａのガス流路残留水分判定処理が成立しているとき、制御部６０において、ガス残留水分判定成立フラグＦｇがセットされ、また、ステップＳ５ｂの電解質膜残留水分判定処理が成立しているとき、電解質膜水分判定成立フラグＦｍがセットされるので、ステップＳ５ｃの判定は、これら両方の成立フラグＦｇ、Ｆｍが共にセットされているかどうかで肯定の判定がなされる。

次に、ステップＳ６の運転停止処理では、例えばステップＳ７の酸化剤ガス流路４６のパージ処理が行われたときには、図５の（ｄ）の時点ｔ４に示すように、圧力差αが所定圧力値ΔＰ以下となった時点ｔ３（図５の（ｃ）参照）から所定時間Ｔ１の経過後に、コンプレッサ１０２の停止等、全ての補機の動作を停止させる。したがって、時点ｔ４以降において、圧力差αはゼロ値となる。なお、時点ｔ４以降、制御部６０は、成立フラグＦｇ、Ｆｍをリセットしていわゆるスリープ状態になる。

また、ステップＳ６の運転停止処理では、例えばステップＳ８の電解質膜２０ｂの加湿処理が行われたときには、図６の（ｆ）の時点ｔ１２に示すように、膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔ以下となった時点ｔ１１（図６の（ｆ）参照）から所定時間Ｔ２の経過後の時点ｔ１２に、コンプレッサ１０２の停止等、全ての補機の動作を停止させる。したがって、時点ｔ１２以降において、圧力差αはゼロ値となる。なお、時点ｔ１２以降、制御部６０は、同様に、成立フラグＦｇ、Ｆｍをリセットしていわゆるスリープ状態になる。

ここで、所定時間Ｔ１、Ｔ２は、空気出口温度Ｔａ、環境温度等をパラメータとし、発電電流Ｉｆ等の履歴に対し、運転停止信号（Ｉｇ＝０）を受けたときの圧力差α及び膜抵抗値Ｒｍ等を予め実験確認等により適正な値を求めておくことができる。

このように上述した実施形態によれば、運転停止時に、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６内部の残留水分を監視し、最適な水分状態になるように、ガスの供給時間、湿度を制御し、最適水分残留判定条件が成立した最適状態で停止するようにしている。このため、再起動時の始動性を向上させることができる。具体的には、再起動時に酸化剤ガス流路４６に水分が残留していないので凍結が発生していることがなく、また、電解質膜２０ｂには水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。したがって、再起動時の始動性が向上し、水の凍結温度以下の環境でも迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

実際に、再起動時の始動性に関し、最適水分残留条件が成立した場合、最適水分残留条件が非成立で酸化剤ガス流路４６の残留水分が多い場合、及び最適水分残留条件が非成立で電解質膜２０ｂが乾燥状態にある場合のそれぞれの場合についての実験例を図７及び図８に示す。

図７の特性２０１から分かるように、停止時に最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、各発電セル１４の電圧が安定し発電電流値Ｉｆは、直ちに所望の電流値に達するが、停止時に残留水分が多い場合には、特性２０２に示すように、再起動した場合、各発電セル１４の電圧が安定せず発電電流Ｉｆの上昇が緩やかで、時点ｔａで発電が停止してしまっていることが分かる。発電が停止してしまった状態において、酸化剤ガス流路４６内は、ほとんど水で満たされた状態になっている。また、特性２０３に示すように、停止時に乾燥状態であった場合には、再起動時には、発電電流Ｉｆがなかなか上昇せず、所望の電流値に達するまでの時間がきわめて長い時間となってしまう。

また、図８から分かるように、氷点下以下の温度で再起動した場合において、冷却媒体通路５０に冷却媒体を流し、エンドプレート１８ｂ側の冷却媒体排出口側において流路センサにより検出した冷却媒体の出口温度Ｔｗは、特性２１１から分かるように、最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、比較的に短い時間で所定温度に到達する、すなわち低温起動時間が短縮されるが、停止時に残留水分が多い場合、停止時に乾燥状態の場合、及び再起動時には、それぞれ特性２１２、２１３に示すように、冷却媒体の温度がなかなか上昇しないということが分かる。

この発明の実施形態が適用された燃料電池システムのブロック図である。 発電セル内の酸化ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れ方の説明図である。 図１例の燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 最適水分残留条件成立範囲の説明図である。 停止時における反応ガス流路のガスパージ処理の説明用波形図である。 停止時における電解質膜への水分投入を行う処理の説明用波形図である。 停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく発電電流特性の違いの実験例を示す特性図である。 停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく冷却媒体の温度上昇特性の違いの実験例を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…発電セル ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…アノード電極 ２０ｂ…固体高分子電解質膜（電解質膜）
２０ｃ…カソード電極 ２２、２４…セパレータ
４６…酸化剤ガス流路 ４８…水素ガス流路
６０…制御部

Claims (10)

1. 電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に設けた反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行い、運転停止信号の入力に基づき運転停止時処理を行い運転を停止する燃料電池の運転停止時制御方法であって、
   前記運転停止時処理は、
   前記運転停止信号の入力を検知する運転停止信号検知工程と、
   前記運転停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定工程と、
   前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき運転を停止する運転停止工程と
   を備えることを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、さらに、
   前記最適水分残留条件判定工程による判定の結果、前記電解質膜及び前記反応ガス流路の両方に水分が残留している非最適水分残留条件であったとき、前記運転停止工程の前工程において、前記反応ガス流路にパージガスを供給して前記反応ガス流路に残留している水分をパージするパージ工程を備える
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
3. 請求項２記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、さらに、
   前記パージ工程中に、前記最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定するパージ工程中の最適水分残留条件判定工程を備える
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
4. 請求項１記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、さらに、
   前記最適水分残留条件判定工程による判定の結果、前記電解質膜及び前記反応ガス流路の両方に水分が残留していない非最適水分残留条件であったとき、前記運転停止工程の前工程において、前記反応ガス流路に加湿ガスを供給して前記電解質膜に水分を残留させる加湿工程を備える
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
5. 請求項４記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、さらに、
   前記加湿工程中に、前記最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する加湿工程中の最適水分残留条件判定工程を備える
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、
   前記最適水分残留条件判定工程では、
   前記反応ガス流路の供給口と排出口との間のガス圧力差及び前記電解質膜の膜抵抗値に基づき最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
7. 請求項６記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、
   前記ガス圧力差が所定圧力値以下であって、かつ前記膜抵抗値が所定膜抵抗値以下であるとき、前記最適水分残留条件が成立していると判定する
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、
   前記最適水分残留条件判定工程では、
   前記反応ガス流路の供給口と排出口との間のガス圧力差又は前記電解質膜の膜抵抗値に基づき最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池の運転停止時制御方法において、
   前記燃料電池は、前記電解質膜を挟んで保持する前記アノード電極と前記カソード電極とを設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体がセパレータにより挟んで保持され、かつ前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対面する部分に前記反応ガス流路が設けられた発電セルを複数積層したスタック構造にされている
   ことを特徴とする燃料電池の運転停止時制御方法。
10. 電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に設けた反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行い、運転停止信号の入力に基づき運転停止時処理を行い運転を停止する燃料電池の運転停止時制御装置であって、
    前記運転停止信号の入力を検知する運転停止信号検知手段と、
    前記運転停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定手段と、
    前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき運転を停止する運転停止手段と
    を備えることを特徴とする燃料電池の運転停止時制御装置。
    
    

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