燃料電池システムの運転方法
【課題】簡単な工程で、電解質膜の劣化を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池３０が積層された燃料電池スタック１２と、バッテリ２０とを備える。燃料電池システム１０の運転方法は、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を検出する工程と、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有している。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池３０が積層された燃料電池スタック１２と、バッテリ２０とを備える。燃料電池システム１０の運転方法は、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を検出する工程と、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００３】
燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００４】
電解質膜は、十分な含水量を有している時に高いプロトン導電性を有するとともに、化学的に安定しているが、前記電解質膜の含水量が減少すると（膜の乾燥時）、生成した過酸化水素やラジカルが濃縮されて前記電解質膜が劣化し易くなり、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの運転方法が知られている。この運転方法は、燃料電池の発電生成水量を示す生成水量指標値を検出する工程と、予め定められた期間当たりの発電生成水量が予め定められた値以上か否かを判断する工程と、前記発電生成水量が前記予め定められた値未満の場合に、その後の前記燃料電池の発電電流量の最低値を設定する工程とを備えている。従って、この運転方法では、発電生成水により電解質膜を十分に湿潤させることができ、前記電解質膜の劣化を抑制することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−４４９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、電解質膜の乾燥を防止するために、前記電解質膜を湿潤させているため、該電解質膜の水分量が過多になるおそれがある。これにより、電解質膜のガス透過量が増加してしまい、前記電解質膜に劣化が発生するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電解質膜の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池と、前記負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【００１０】
この運転方法は、電解質膜の保有水分量を検出する工程と、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、燃料電池から取り出される電力と蓄電装置から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有している。
【００１１】
また、この運転方法では、燃料電池の運転を停止する際、ガス流路内に掃気ガスを供給して残留水を除去する掃気処理を行うか否かを判断する工程と、前記掃気処理を行うと判断された際、保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、発電中に増減する電解質膜の保有水分量を検出（予測）し、前記保有水分量が所定範囲内に維持されるように、燃料電池から取り出される電力と蓄電装置から取り出される電力との割合が調整されている。このため、電解質膜は、保有水分量が少なくて乾燥されたり、前記保有水分量が過多になったりすることがない。これにより、簡単な工程で、電解質膜の劣化を可及的に抑制することができ、燃料電池の発電性能が低下することを抑止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記燃料電池システムの運転時における負荷、膜水分量及び燃料電池スタックとバッテリとの出力割合の説明図である。
【図５】水分量増加運転を説明するフローチャートである。
【図６】水分量減少運転を説明するフローチャートである。
【図７】前記燃料電池システムの掃気処理を説明するフローチャートである。
【図８】前記掃気処理時の水分量減少掃気を説明するフローチャートである。
【図９】膜劣化量と生成水量との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、蓄電装置、例えば、バッテリ２０と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２２とを備える。燃料電池スタック１２及びバッテリ２０は、走行モータ２４を含む負荷に電力を供給することができる。
【００１５】
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。バッテリ２０は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度である。なお、蓄電装置としては、バッテリ２０の他、キャパシタ等を採用してもよい。
【００１６】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を積層して構成される。各燃料電池３０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３２をカソード電極３４とアノード電極３６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３８を備える。
【００１７】
カソード電極３４及びアノード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。
【００１８】
電解質膜・電極構造体３８は、カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２で挟持される。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００１９】
カソード側セパレータ４０と電解質膜・電極構造体３８との間には、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、アノード側セパレータ４２と前記電解質膜・電極構造体３８との間には、燃料ガス流路４６が設けられる。カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２との間には、冷却媒体流路４８が設けられる。
【００２０】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池３０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔５４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔５２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。
【００２１】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５６を備え、前記エアポンプ５６が空気供給流路５８に配設される。空気供給流路５８には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器６０が配設されるとともに、前記空気供給流路５８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに連通する。空気供給流路５８には、加湿器６０をバイパスするバイパス流路６２が設けられ、前記バイパス流路６２に開度調整バルブ６４が配設される。
【００２２】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに連通する空気排出流路６６を備える。空気排出流路６６は、加湿器６０の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路６６には、エアポンプ５６から空気供給流路５８を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁６８が設けられる。背圧制御弁６８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉塞される）背圧弁により構成されることが好ましい。
【００２３】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに連通する。この水素供給流路７２には、遮断弁７４及びエゼクタ７６が設けられる。エゼクタ７６は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００２４】
燃料ガス出口連通孔５２ｂには、オフガス流路８０が連通する。オフガス流路８０の途上には、水素循環路７８が連通するとともに、前記オフガス流路８０には、パージ弁８２が接続される。
【００２５】
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４には、冷却媒体の温度に基づいて切り換え制御される調整弁、例えば、サーモバルブ（サーモスタット）８６と、前記冷却媒体循環路８４に前記冷却媒体を循環させる冷媒ポンプ８８と、前記冷却媒体の流量を制御する流量コントロールバルブ９０とが設けられる。
【００２６】
冷却媒体循環路８４には、分岐流路９２の一端が接続されるとともに、前記分岐流路９２の他端は、ラジエータ９４の入口に接続される。ラジエータ９４の出口には、戻し流路９６の一端が接続され、前記戻し流路９６の他端がサーモバルブ８６に接続される。サーモバルブ８６は、電磁バルブにより構成され、冷間時に冷却媒体がラジエータ９４をバイパスして燃料電池スタック１２の温度を上昇させる一方、暖機後に前記冷却媒体を前記ラジエータ９４に流通させて前記燃料電池スタック１２の冷却を行わせる。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン１００の一端が接続されるとともに、前記バスライン１００の他端がインバータ１０２に接続される。直流を三相の交流に変換するインバータ１０２には、三相の車両走行用の走行モータ２４が接続される。
【００２８】
バスライン１００には、ＦＣコンタクタ１０４が配設されるとともに、エアポンプ５６及び冷媒ポンプ８８等が接続される。バスライン１００には、電力線１０６の一端が接続され、前記電力線１０６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８及びバッテリコンダクタ１１０を介装してバッテリ２０が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８は、バッテリ２０の電圧を昇圧するとともに、バスライン電圧を降圧する。
【００２９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、図３以降に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３０】
先ず、図示しないイグニッションスイッチ等により燃料電池システム１０が起動されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、コントローラ２２によって電解質膜・電極構造体３８を構成する固体高分子電解質膜３２の保有水分量が検出される。コントローラ２２では、例えば、燃料電池スタック１２の発電条件に基づいて、現在の固体高分子電解質膜３２の水分量を検出（予測）し、又は、前記固体高分子電解質膜３２に配設される水分センサ（図示せず）で、例えば、電解質膜・電極構造体３８のインピーダンス測定により、該固体高分子電解質膜３２の水分量を検出する。
【００３１】
次に、ステップＳ３に進んで、検出された保有水分量が所定範囲内にあるか否かが判断される。所定範囲とは、固体高分子電解質膜３２が良好なプロトン導電性能を有することができる以上の水分量であり、前記固体高分子電解質膜３２の劣化が促進されない以下の水分量範囲である（図９参照）。なお、固体高分子電解質膜３２の材質により、最適な範囲は異なる。
【００３２】
検出された保有水分量が、所定範囲内にあると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、通常運転が行われる。
【００３３】
通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６を介して、空気供給流路５８に空気が送られる。この空気は、加湿器６０を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池３０に設けられている酸化剤ガス流路４４に沿って移動することにより、カソード電極３４に供給される。
【００３４】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂから空気排出流路６６に排出され、加湿器６０に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁６８を介して外部に排出される。
【００３５】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４が開放されることにより、水素タンク７０から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路７２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池３０の燃料ガス流路４６に沿って移動することにより、アノード電極３６に供給される。
【００３６】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂから水素循環路７８を介してエゼクタ７６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極３４に供給される空気とアノード電極３６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００３７】
一方、水素循環路７８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁８２が開放されることによって排出される。
【００３８】
また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔５４ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路４８に沿って移動することにより、燃料電池３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔５４ｂから冷却媒体循環路８４に排出される。
【００３９】
そして、燃料電池システム１０の停止指令がなされると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、前記燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００４０】
一方、ステップＳ３において、検出された保有水分量が、所定範囲内にないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、検出された前記保有水分量が、所定範囲以下であるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲以下であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、水分量増加フラグが立ち、ステップＳ９に進む。
【００４１】
ステップＳ９では、固体高分子電解質膜３２の保有水分量（膜水分量）を増加させるための運転制御が行われる。燃料電池システム１０の運転時における負荷、膜水分量及び燃料電池スタック１２とバッテリ２０との出力割合は（ＦＣ／バッテリ）、例えば、図４に示す関係を有している。
【００４２】
その際、運転開始後に膜水分量が所定範囲以下であると、図５に示すように、膜水分量の必要増加量が設定される（ステップＳ２１）。さらに、ステップＳ２２に進んで、設定された必要増加量に基づいて、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。具体的には、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて増加され（ステップＳ２３）、生成水量が増加される。
【００４３】
次いで、ステップＳ２４では、膜水分量を増加させる制御が行われる。具体的には、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を閉塞側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を増加させるとともに、エアポンプ５６を制御して空気のストイキ比（供給空気量と実際に消費される空気量との比）を下げる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が増加される。
【００４４】
また、発電条件では、通常運転時に対して燃料電池スタック１２が高温高加湿運転になるように、反応ガス（燃料ガスや空気）の圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を増加させるための運転制御が遂行される。
【００４５】
一方、ステップＳ７において、検出された保有水分量が、所定範囲以下でない（すなわち、所定範囲を超えている）と判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、水分量減少フラグが立ち、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、固体高分子電解質膜３２の保有水分量（膜水分量）を減少させるための運転制御が行われる。
【００４６】
具体的には、図６に示すように、運転開始後に膜水分量が所定範囲を超えていると、膜水分量の必要減少量が設定される（ステップＳ３１）。さらに、ステップＳ３２に進んで、設定された必要減少量に基づいて、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。すなわち、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて減少され（ステップＳ３３）、生成水量が減少される。
【００４７】
次いで、ステップＳ３４では、膜水分量を減少させる制御が行われる。具体的には、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を開放側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を減少させる。さらに、空気の流速を上げて、発電により生成した水分の排出量を増加させる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が減少される。
【００４８】
また、発電条件では、燃料電池スタック１２のフラッディングを抑制するために、反応ガスの圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、燃料電池スタック１２は、通常運転時に対して低加湿運転となるように制御され、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を減少させるための運転制御が遂行される。
【００４９】
次に、燃料電池スタック１２の運転が停止されると、この燃料電池スタック１２の掃気処理が行われる。図７に示すように、例えば、リアルタイムクロック（ＲＴＣ）に基づいて掃気が必要であるか否かが判断される（ステップＳ４１）。掃気が必要であると判断されると（ステップＳ４１中、ＹＥＳ）、ステップＳ４２に進んで、コントローラ２２によって固体高分子電解質膜３２の保有水分量が検出される。
【００５０】
さらに、ステップＳ４３では、検出された保有水分量が所定範囲内にあるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲内にあると判断されると（ステップＳ４３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４４に進んで、通常掃気が行われる。この通常掃気では、図４に示すように、燃料電池スタック１２及びバッテリ２０からの電力の取り出しが規制された状態で、前記燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路４４に掃気ガスとして空気が供給される。
【００５１】
一方、ステップＳ４３において、検出された保有水分量が、所定範囲内にないと判断されると（ステップＳ４３中、ＮＯ）、ステップＳ４５に進んで、検出された前記保有水分量が、所定範囲以下であるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲以下であると判断されると（ステップＳ４５中、ＹＥＳ）、ステップＳ４６に進んで、掃気が中止される。
【００５２】
また、ステップＳ４５において、検出された保有水分量が、所定範囲以下でない（すなわち、所定範囲を超えている）と判断されると（ステップＳ４５中、ＮＯ）、ステップＳ４７に進む。このステップＳ４７では、水分量減少フラグが立ち、且つ、固体高分子電解質膜３２の必要最少水分量が設定され、ステップＳ４８に進んで、水分量減少掃気が行われる。
【００５３】
水分量減少掃気の処理は、図８に示すように、必要掃気量及び必要掃気時間が設定された後（ステップＳ５１）、掃気処理が開始される（ステップＳ５２）。そして、固体高分子電解質膜３２の保有水分量が、所定値以下になるまで（ステップＳ５３中、ＹＥＳ）、上記の処理が行われる。
【００５４】
次いで、燃料電池スタック１２の運転が再開される際、コントローラ２２では、例えば、１ドライブサイクルの燃料電池スタック１２の運転状況から、固体高分子電解質膜３２の水分量を検出（予測）する。例えば、発電開始時に、前回の運転停止時の温度及び湿度、発電再開までの停止時間、停止中の掃気履歴、発電開始時の温度及び湿度から算出された固体高分子電解質膜３２の水分量の減少量を履歴として検出する。
【００５５】
そこで、燃料電池スタック１２の発電による固体高分子電解質膜３２の水分量が、履歴により検出された減少量を補うまでの間、前記燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。すなわち、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて増加され、生成水量を増加させる。起動時は、特に固体高分子電解質膜３２の水分量が不足し易いからである。
【００５６】
さらに、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を閉塞側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を増加させるとともに、エアポンプ５６を制御して空気のストイキ比を、例えば、１以上に維持しながら下げる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が増加される。
【００５７】
また、発電条件では、通常運転時に対して燃料電池スタック１２が高温高加湿運転になるように、反応ガスの圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を増加させることができる（図４参照）。
【００５８】
この場合、本実施形態では、発電中に増減する固体高分子電解質膜３２の保有水分量を検出（予測）し、前記保有水分量が所定範囲内に維持されるように、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整されている。このため、固体高分子電解質膜３２は、保有水分量が少なくて乾燥されたり、前記保有含水量が過多になったりすることがない。
【００５９】
ここで、固体高分子電解質膜３２の劣化量（分子量低下率）と生成水量との関係が、図９に示されている。従って、固体高分子電解質膜３２は、含水量が減少する際（膜の乾燥時）に劣化し易い一方、含水量が過多になる際にも劣化し易いという性質を有している。
【００６０】
本実施形態では、上記のように、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を所定範囲内に維持することができる。これにより、簡単な工程で、固体高分子電解質膜３２の劣化を可及的に抑制することが可能になり、燃料電池スタック１２の発電性能が低下することを抑止することができるという効果が得られる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、掃気処理を行う際に、掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量が所定範囲内に維持されている。このため、図４に示すように、運転停止中に温度低下及び掃気により、保有水分量が急激に低下することを抑制することが可能になり、固体高分子電解質膜３２の劣化を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…コントローラ ２４…走行モータ
３０…燃料電池 ３２…固体高分子電解質膜
３４…カソード電極 ３６…アノード電極
４０…カソード側セパレータ ４２…アノード側セパレータ
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５６…エアポンプ
６０…加湿器 ６２…バイパス流路
６４…開度調整バルブ ６８…背圧制御弁
７０…水素タンク ７６…エゼクタ
７８…水素循環路 ８４…冷却媒体循環路
８６…サーモバルブ ８８…冷却ポンプ
９４…ラジエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００３】
燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００４】
電解質膜は、十分な含水量を有している時に高いプロトン導電性を有するとともに、化学的に安定しているが、前記電解質膜の含水量が減少すると（膜の乾燥時）、生成した過酸化水素やラジカルが濃縮されて前記電解質膜が劣化し易くなり、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの運転方法が知られている。この運転方法は、燃料電池の発電生成水量を示す生成水量指標値を検出する工程と、予め定められた期間当たりの発電生成水量が予め定められた値以上か否かを判断する工程と、前記発電生成水量が前記予め定められた値未満の場合に、その後の前記燃料電池の発電電流量の最低値を設定する工程とを備えている。従って、この運転方法では、発電生成水により電解質膜を十分に湿潤させることができ、前記電解質膜の劣化を抑制することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−４４９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、電解質膜の乾燥を防止するために、前記電解質膜を湿潤させているため、該電解質膜の水分量が過多になるおそれがある。これにより、電解質膜のガス透過量が増加してしまい、前記電解質膜に劣化が発生するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電解質膜の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池と、前記負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【００１０】
この運転方法は、電解質膜の保有水分量を検出する工程と、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、燃料電池から取り出される電力と蓄電装置から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有している。
【００１１】
また、この運転方法では、燃料電池の運転を停止する際、ガス流路内に掃気ガスを供給して残留水を除去する掃気処理を行うか否かを判断する工程と、前記掃気処理を行うと判断された際、保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、発電中に増減する電解質膜の保有水分量を検出（予測）し、前記保有水分量が所定範囲内に維持されるように、燃料電池から取り出される電力と蓄電装置から取り出される電力との割合が調整されている。このため、電解質膜は、保有水分量が少なくて乾燥されたり、前記保有水分量が過多になったりすることがない。これにより、簡単な工程で、電解質膜の劣化を可及的に抑制することができ、燃料電池の発電性能が低下することを抑止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記燃料電池システムの運転時における負荷、膜水分量及び燃料電池スタックとバッテリとの出力割合の説明図である。
【図５】水分量増加運転を説明するフローチャートである。
【図６】水分量減少運転を説明するフローチャートである。
【図７】前記燃料電池システムの掃気処理を説明するフローチャートである。
【図８】前記掃気処理時の水分量減少掃気を説明するフローチャートである。
【図９】膜劣化量と生成水量との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、蓄電装置、例えば、バッテリ２０と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２２とを備える。燃料電池スタック１２及びバッテリ２０は、走行モータ２４を含む負荷に電力を供給することができる。
【００１５】
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。バッテリ２０は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度である。なお、蓄電装置としては、バッテリ２０の他、キャパシタ等を採用してもよい。
【００１６】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池３０を積層して構成される。各燃料電池３０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３２をカソード電極３４とアノード電極３６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３８を備える。
【００１７】
カソード電極３４及びアノード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。
【００１８】
電解質膜・電極構造体３８は、カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２で挟持される。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ４２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００１９】
カソード側セパレータ４０と電解質膜・電極構造体３８との間には、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、アノード側セパレータ４２と前記電解質膜・電極構造体３８との間には、燃料ガス流路４６が設けられる。カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２との間には、冷却媒体流路４８が設けられる。
【００２０】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池３０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔５４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔５２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。
【００２１】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５６を備え、前記エアポンプ５６が空気供給流路５８に配設される。空気供給流路５８には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器６０が配設されるとともに、前記空気供給流路５８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに連通する。空気供給流路５８には、加湿器６０をバイパスするバイパス流路６２が設けられ、前記バイパス流路６２に開度調整バルブ６４が配設される。
【００２２】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂに連通する空気排出流路６６を備える。空気排出流路６６は、加湿器６０の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路６６には、エアポンプ５６から空気供給流路５８を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁６８が設けられる。背圧制御弁６８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉塞される）背圧弁により構成されることが好ましい。
【００２３】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに連通する。この水素供給流路７２には、遮断弁７４及びエゼクタ７６が設けられる。エゼクタ７６は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００２４】
燃料ガス出口連通孔５２ｂには、オフガス流路８０が連通する。オフガス流路８０の途上には、水素循環路７８が連通するとともに、前記オフガス流路８０には、パージ弁８２が接続される。
【００２５】
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４には、冷却媒体の温度に基づいて切り換え制御される調整弁、例えば、サーモバルブ（サーモスタット）８６と、前記冷却媒体循環路８４に前記冷却媒体を循環させる冷媒ポンプ８８と、前記冷却媒体の流量を制御する流量コントロールバルブ９０とが設けられる。
【００２６】
冷却媒体循環路８４には、分岐流路９２の一端が接続されるとともに、前記分岐流路９２の他端は、ラジエータ９４の入口に接続される。ラジエータ９４の出口には、戻し流路９６の一端が接続され、前記戻し流路９６の他端がサーモバルブ８６に接続される。サーモバルブ８６は、電磁バルブにより構成され、冷間時に冷却媒体がラジエータ９４をバイパスして燃料電池スタック１２の温度を上昇させる一方、暖機後に前記冷却媒体を前記ラジエータ９４に流通させて前記燃料電池スタック１２の冷却を行わせる。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン１００の一端が接続されるとともに、前記バスライン１００の他端がインバータ１０２に接続される。直流を三相の交流に変換するインバータ１０２には、三相の車両走行用の走行モータ２４が接続される。
【００２８】
バスライン１００には、ＦＣコンタクタ１０４が配設されるとともに、エアポンプ５６及び冷媒ポンプ８８等が接続される。バスライン１００には、電力線１０６の一端が接続され、前記電力線１０６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８及びバッテリコンダクタ１１０を介装してバッテリ２０が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８は、バッテリ２０の電圧を昇圧するとともに、バスライン電圧を降圧する。
【００２９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、図３以降に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３０】
先ず、図示しないイグニッションスイッチ等により燃料電池システム１０が起動されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、コントローラ２２によって電解質膜・電極構造体３８を構成する固体高分子電解質膜３２の保有水分量が検出される。コントローラ２２では、例えば、燃料電池スタック１２の発電条件に基づいて、現在の固体高分子電解質膜３２の水分量を検出（予測）し、又は、前記固体高分子電解質膜３２に配設される水分センサ（図示せず）で、例えば、電解質膜・電極構造体３８のインピーダンス測定により、該固体高分子電解質膜３２の水分量を検出する。
【００３１】
次に、ステップＳ３に進んで、検出された保有水分量が所定範囲内にあるか否かが判断される。所定範囲とは、固体高分子電解質膜３２が良好なプロトン導電性能を有することができる以上の水分量であり、前記固体高分子電解質膜３２の劣化が促進されない以下の水分量範囲である（図９参照）。なお、固体高分子電解質膜３２の材質により、最適な範囲は異なる。
【００３２】
検出された保有水分量が、所定範囲内にあると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、通常運転が行われる。
【００３３】
通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６を介して、空気供給流路５８に空気が送られる。この空気は、加湿器６０を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池３０に設けられている酸化剤ガス流路４４に沿って移動することにより、カソード電極３４に供給される。
【００３４】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂから空気排出流路６６に排出され、加湿器６０に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁６８を介して外部に排出される。
【００３５】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４が開放されることにより、水素タンク７０から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路７２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５２ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池３０の燃料ガス流路４６に沿って移動することにより、アノード電極３６に供給される。
【００３６】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂから水素循環路７８を介してエゼクタ７６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極３４に供給される空気とアノード電極３６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００３７】
一方、水素循環路７８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁８２が開放されることによって排出される。
【００３８】
また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔５４ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路４８に沿って移動することにより、燃料電池３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔５４ｂから冷却媒体循環路８４に排出される。
【００３９】
そして、燃料電池システム１０の停止指令がなされると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、前記燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００４０】
一方、ステップＳ３において、検出された保有水分量が、所定範囲内にないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、検出された前記保有水分量が、所定範囲以下であるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲以下であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、水分量増加フラグが立ち、ステップＳ９に進む。
【００４１】
ステップＳ９では、固体高分子電解質膜３２の保有水分量（膜水分量）を増加させるための運転制御が行われる。燃料電池システム１０の運転時における負荷、膜水分量及び燃料電池スタック１２とバッテリ２０との出力割合は（ＦＣ／バッテリ）、例えば、図４に示す関係を有している。
【００４２】
その際、運転開始後に膜水分量が所定範囲以下であると、図５に示すように、膜水分量の必要増加量が設定される（ステップＳ２１）。さらに、ステップＳ２２に進んで、設定された必要増加量に基づいて、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。具体的には、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて増加され（ステップＳ２３）、生成水量が増加される。
【００４３】
次いで、ステップＳ２４では、膜水分量を増加させる制御が行われる。具体的には、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を閉塞側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を増加させるとともに、エアポンプ５６を制御して空気のストイキ比（供給空気量と実際に消費される空気量との比）を下げる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が増加される。
【００４４】
また、発電条件では、通常運転時に対して燃料電池スタック１２が高温高加湿運転になるように、反応ガス（燃料ガスや空気）の圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を増加させるための運転制御が遂行される。
【００４５】
一方、ステップＳ７において、検出された保有水分量が、所定範囲以下でない（すなわち、所定範囲を超えている）と判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、水分量減少フラグが立ち、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、固体高分子電解質膜３２の保有水分量（膜水分量）を減少させるための運転制御が行われる。
【００４６】
具体的には、図６に示すように、運転開始後に膜水分量が所定範囲を超えていると、膜水分量の必要減少量が設定される（ステップＳ３１）。さらに、ステップＳ３２に進んで、設定された必要減少量に基づいて、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。すなわち、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて減少され（ステップＳ３３）、生成水量が減少される。
【００４７】
次いで、ステップＳ３４では、膜水分量を減少させる制御が行われる。具体的には、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を開放側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を減少させる。さらに、空気の流速を上げて、発電により生成した水分の排出量を増加させる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が減少される。
【００４８】
また、発電条件では、燃料電池スタック１２のフラッディングを抑制するために、反応ガスの圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、燃料電池スタック１２は、通常運転時に対して低加湿運転となるように制御され、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を減少させるための運転制御が遂行される。
【００４９】
次に、燃料電池スタック１２の運転が停止されると、この燃料電池スタック１２の掃気処理が行われる。図７に示すように、例えば、リアルタイムクロック（ＲＴＣ）に基づいて掃気が必要であるか否かが判断される（ステップＳ４１）。掃気が必要であると判断されると（ステップＳ４１中、ＹＥＳ）、ステップＳ４２に進んで、コントローラ２２によって固体高分子電解質膜３２の保有水分量が検出される。
【００５０】
さらに、ステップＳ４３では、検出された保有水分量が所定範囲内にあるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲内にあると判断されると（ステップＳ４３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４４に進んで、通常掃気が行われる。この通常掃気では、図４に示すように、燃料電池スタック１２及びバッテリ２０からの電力の取り出しが規制された状態で、前記燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路４４に掃気ガスとして空気が供給される。
【００５１】
一方、ステップＳ４３において、検出された保有水分量が、所定範囲内にないと判断されると（ステップＳ４３中、ＮＯ）、ステップＳ４５に進んで、検出された前記保有水分量が、所定範囲以下であるか否かが判断される。検出された保有水分量が、所定範囲以下であると判断されると（ステップＳ４５中、ＹＥＳ）、ステップＳ４６に進んで、掃気が中止される。
【００５２】
また、ステップＳ４５において、検出された保有水分量が、所定範囲以下でない（すなわち、所定範囲を超えている）と判断されると（ステップＳ４５中、ＮＯ）、ステップＳ４７に進む。このステップＳ４７では、水分量減少フラグが立ち、且つ、固体高分子電解質膜３２の必要最少水分量が設定され、ステップＳ４８に進んで、水分量減少掃気が行われる。
【００５３】
水分量減少掃気の処理は、図８に示すように、必要掃気量及び必要掃気時間が設定された後（ステップＳ５１）、掃気処理が開始される（ステップＳ５２）。そして、固体高分子電解質膜３２の保有水分量が、所定値以下になるまで（ステップＳ５３中、ＹＥＳ）、上記の処理が行われる。
【００５４】
次いで、燃料電池スタック１２の運転が再開される際、コントローラ２２では、例えば、１ドライブサイクルの燃料電池スタック１２の運転状況から、固体高分子電解質膜３２の水分量を検出（予測）する。例えば、発電開始時に、前回の運転停止時の温度及び湿度、発電再開までの停止時間、停止中の掃気履歴、発電開始時の温度及び湿度から算出された固体高分子電解質膜３２の水分量の減少量を履歴として検出する。
【００５５】
そこで、燃料電池スタック１２の発電による固体高分子電解質膜３２の水分量が、履歴により検出された減少量を補うまでの間、前記燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整される（図４参照）。すなわち、燃料電池スタック１２の発電量は、従来方式に比べて増加され、生成水量を増加させる。起動時は、特に固体高分子電解質膜３２の水分量が不足し易いからである。
【００５６】
さらに、図１に示すように、バイパス流路６２に配設されている開度調整バルブ６４を閉塞側に操作し、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を増加させるとともに、エアポンプ５６を制御して空気のストイキ比を、例えば、１以上に維持しながら下げる。このため、固体高分子電解質膜３２の水分量が増加される。
【００５７】
また、発電条件では、通常運転時に対して燃料電池スタック１２が高温高加湿運転になるように、反応ガスの圧力や流量、冷却媒体の流量及びサーモバルブ８６の開度等が制御される。これにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を増加させることができる（図４参照）。
【００５８】
この場合、本実施形態では、発電中に増減する固体高分子電解質膜３２の保有水分量を検出（予測）し、前記保有水分量が所定範囲内に維持されるように、燃料電池スタック１２から取り出される電力とバッテリ２０から取り出される電力との割合が調整されている。このため、固体高分子電解質膜３２は、保有水分量が少なくて乾燥されたり、前記保有含水量が過多になったりすることがない。
【００５９】
ここで、固体高分子電解質膜３２の劣化量（分子量低下率）と生成水量との関係が、図９に示されている。従って、固体高分子電解質膜３２は、含水量が減少する際（膜の乾燥時）に劣化し易い一方、含水量が過多になる際にも劣化し易いという性質を有している。
【００６０】
本実施形態では、上記のように、固体高分子電解質膜３２の保有水分量を所定範囲内に維持することができる。これにより、簡単な工程で、固体高分子電解質膜３２の劣化を可及的に抑制することが可能になり、燃料電池スタック１２の発電性能が低下することを抑止することができるという効果が得られる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、掃気処理を行う際に、掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、固体高分子電解質膜３２の保有水分量が所定範囲内に維持されている。このため、図４に示すように、運転停止中に温度低下及び掃気により、保有水分量が急激に低下することを抑制することが可能になり、固体高分子電解質膜３２の劣化を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…コントローラ ２４…走行モータ
３０…燃料電池 ３２…固体高分子電解質膜
３４…カソード電極 ３６…アノード電極
４０…カソード側セパレータ ４２…アノード側セパレータ
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５６…エアポンプ
６０…加湿器 ６２…バイパス流路
６４…開度調整バルブ ６８…背圧制御弁
７０…水素タンク ７６…エゼクタ
７８…水素循環路 ８４…冷却媒体循環路
８６…サーモバルブ ８８…冷却ポンプ
９４…ラジエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池と、
前記負荷に電力を供給する蓄電装置と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記電解質膜の保有水分量を検出する工程と、
前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、
前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記燃料電池から取り出される電力と前記蓄電装置から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池の運転を停止する際、ガス流路内に掃気ガスを供給して残留水を除去する掃気処理を行うか否かを判断する工程と、
前記掃気処理を行うと判断された際、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、
前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を備え、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、負荷に電力を供給する燃料電池と、
前記負荷に電力を供給する蓄電装置と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記電解質膜の保有水分量を検出する工程と、
前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、
前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記燃料電池から取り出される電力と前記蓄電装置から取り出される電力との割合を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池の運転を停止する際、ガス流路内に掃気ガスを供給して残留水を除去する掃気処理を行うか否かを判断する工程と、
前記掃気処理を行うと判断された際、前記保有水分量が所定範囲内にあるか否かを判断する工程と、
前記保有水分量が所定範囲外であると判断された際、前記掃気ガスの供給量及び掃気時間を調整することにより、前記保有水分量を所定範囲内に維持する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１２９０８１（Ｐ２０１２−１２９０８１Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７９９７７（Ｐ２０１０−２７９９７７）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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