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JP2009026605A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムの運転終了時に、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスを提供し、運転終了後の燃料電池の劣化を効率的に抑制することができる燃料電池システム及び移動体を提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系２２と、燃料電池２に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系１１と、を備えた燃料電池システム１であって、燃料電池システム１の運転終了処理の開始時に、燃料電池２に供給する燃料ガスの流量を、燃料電池システム１の温度環境に基づいて決定される所定量だけ増加させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関し、特にこれらの運転終了時の制御技術に関するものである。
近年、燃料極（アノード）に供給された水素ガス等の燃料ガスと、空気極（カソード）に供給された空気等の酸化ガスとの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出す燃料電池を備えた燃料電池システムが提案されている。
このような燃料電池システムにおいて、運転終了後、アノードに空気が流入しセパレータやアノードの触媒を担持するカーボン等が酸化する（以下、カーボン酸化ともいう）ことにより、燃料電池の寿命が短くなってしまう現象が知られている。
そこで、たとえば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、システムの運転終了時にアノード及びカソードへ不活性ガスを供給することで燃料電池の劣化を防止する技術が提案されている。
特開２００５−１００８４６号公報
しかしながら、このような燃料電池システムでは、不活性ガスを供給する手段が必要であり、システムが複雑化する。また、燃料電池システムの運転終了時の温度環境を考慮していないため、運転終了時に温度環境に応じた最適なガス流量を確保できない場合もある。
そこで、本発明は、燃料電池システムの運転終了時に、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスを提供し、運転終了後の燃料電池の劣化を効率的に抑制することができる燃料電池システム及び移動体を提供することをその目的とする。
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転終了処理の開始時に、前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を、燃料電池システムの温度環境に基づいて決定される所定量だけ増加させるようになっている。
この構成によれば、燃料電池システムの運転終了処理の開始時に燃料ガスの流量を温度環境に基づいて増加させるので、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスを運転終了処理中および運転終了処理後に提供することができ、これにより、燃料ガスの不足に起因する燃料電池の劣化を効率的に抑制することができる。
尚、本明細書において、「温度環境」とは、典型的には、燃料電池システム内部または外部の一箇所または複数個所で取得される温度を示す。
また、上記燃料電池システムにおいて、前記温度環境が所定温度以下である場合、前記所定量は少なくとも、運転終了処理の終了時に前記燃料電池内に燃料ガスを残留させるのに必要な第１の燃料ガス流量と、運転終了処理中に燃料電池内の水分を外部に排出させるのに必要な第２の燃料ガス流量との合算値に基づいて決定されるようにしてもよい。
この構成によれば、運転終了処理の開始時に増加させた第２の燃料ガス流量によって、運転終了処理中に燃料電池内の水分を外部に排出できるので、温度環境が所定温度以下の低温環境下であっても、運転終了後に燃料電池内部の温度が低下することにより、燃料電池に残留した水分が凍結してしまうことを防止することができる。また、この運転終了処理終了中の水分の排出によって燃料ガスが使用されたとしても、増加させた第１の燃料ガス流量によって運転終了後も燃料電池内に燃料ガスを残留させることができるので、カーボン酸化も抑制することができる。
また、上記燃料電池システムにおいて、前記所定量は、前記第１および前記第２の燃料ガス流量に、運転終了処理に必要な電流を燃料電池が運転終了処理中に出力するために必要な第３の燃料ガス流量をさらに加えた合算値に基づいて決定されるようにしてもよい。
この構成によれば、増加させた第３の燃料ガス流量を燃料電池システムの発電に用いることで、低温環境下において、運転終了処理に必要な電流を燃料電池システム自体で確保することができる。これは、運転終了処理時の機器動作に必要な電流をバッテリやキャパシタなどの蓄電手段から供給可能なシステムにおいては、低温環境下には出力が低下しやすいこれらバッテリやキャパシタ等の蓄電手段から運転終了処理に必要な電流を得る場合よりも効率がよい。また、視点を変えれば、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段の電力を燃料電池システム始動時のために残しておくことにもなる。
尚、上記「合算値に基づいて」とは、合算値が所定量算出のベースであることを示し、「合算値に基づいて決定する」とは、例えば、合算値をそのまま所定量とする場合、合算値に例えば燃料電池システム内のガス漏量を加味した値を加えた値を所定量とする場合等を含む。また、「運転終了処理時の機器動作」とは、例えば、気液分離器の水分の回収動作、水素ポンプの回転動作、インジェクタの噴射動作、排気排水弁等の開閉動作等を示す
また、上記燃料電池システムにおいて、前記温度環境が所定温度より高い場合、前記所定量は、前記第１の燃料ガス流量に基づいて決定されるようにしてもよい。
この構成によれば、増加させた第１の燃料ガス流量によって運転終了後も燃料電池内に燃料ガスを残留させることができるので、カーボン酸化を抑制することができる。これに加え、温度環境が所定温度より高い高温環境下では水分排出等の処理が運転終了時には必要ない（すなわち水分排出用の燃料ガスが必要とされない）が、第一の燃料ガス流量に基づいて所定量が決定されるので、余分な流量の燃料ガスが供給されることもない。このように、運転終了処理開始時に増加させる燃料ガスの流量を低温環境下と高温環境下とで変化させるので、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスにより運転終了後の燃料電池の劣化を抑制することができる。
また、上記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給系に設けられたインジェクタにより前記燃料ガスの供給圧力を増加させることで、前記燃料ガスの流量を増加させるようにしてもよい。
本明細書におけるインジェクタは、典型的には、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（流量、圧力、温度、モル濃度などで表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。このようなインジェクタにより高精度かつ速やかに調圧を行えるので、運転終了処理の開始時に適切な流量の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。また圧力により流量を制御するので、アノードカソード間の極間差圧を所定範囲に保ちつつ流量を制御することもできる。
また、本発明の移動体は、上記燃料電池システムを備える。
この構成によれば、移動体がおかれた温度環境に応じて最適な流量の燃料ガスを移動体の運転終了処理中および運転終了処理後に提供することができので、燃料電池の劣化を防止でき、ひいては移動体の燃費の向上および信頼性の向上が図れる。
本発明によれば、燃料電池システムの運転終了時に、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスを提供し、運転終了後の燃料電池の劣化を効率的に抑制することができる燃料電池システム及び移動体を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて以下の順番で説明する。
１．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体構成
２．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの運転終了処理
３．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの変形例
尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体構成
本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらにカソード及びアノードを両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。アノード及びカソードには、カーボン素材をベース白金等の触媒が担持（結着）されたものが用いられる。
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスとしての空気が流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスとしての水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。
水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、インジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ２８の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ２８の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ２８の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ２８の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ２８の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ２８の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ２７は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。
インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２８は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
インジェクタ２８は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ２８のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。インジェクタ２８は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものである。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。
循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）及び下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ及び下流側圧力センサが設けられている。
排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述する運転終了処理など種々の処理や制御を行う。制御部７は、酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサおよび温度センサや図示しない外気温センサなどの検出信号を入力し、燃料電池システム１の各構成要素に制御信号を出力する。
２．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの運転終了処理
続いて、燃料電池システム１の運転を終了し発電を停止させる際の動作（以下、単に「運転終了処理」という）を説明する。
本実施の形態においては、運転終了処理の開始時において燃料電池車両の外の温度（以下、外気温という）を測定しこの外気温に基づいてインジェクタ２８の噴射圧力を増大させる。より具体的には、外気温が氷点下以下の場合（以下、低温環境下という）と氷点下より高い場合（以下、高温環境下という）とで、増加させる噴射圧力を異ならせている。この点を、以下図２と図３を用いて詳細に説明する。ここで、図２は、本発明の実施の形態に係る運転終了処理を示すフローチャート、図３は、運転終了処理開始時の調圧目標を説明するための図である。
図２に示すように、運転終了処理の処理フローは、燃料電池システム１に運転終了指令
がなされることで開始される。この指令は、例えば車両の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によってなされる。制御部７は、この運転終了指令が制御部７に入力されたか否かを判断（Ｓ１）し、入力されたと判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）運転終了処理を開始する。運転終了指令が入力されていないと判断した場合は（Ｓ１：ＮＯ）、制御部７は、通常運転を継続させる。
運転終了処理が開始されると、制御部７は、水素供給源２１の遮断弁２６を閉止し水素の新たな供給を停止するために、水素遮断弁閉止指令を出力する（Ｓ２）。これにより遮断弁２６の閉止処理が開始される（図３における時間ｔ0）。ただし、閉弁遅れがあるため、遮断弁２６が完全に遮断されるには一定の時間が必要であり、一定時間が経過するまでは（図３における時間ｔ1）、水素供給源２１からの水素ガスの供給は完全には停止していない。また水素供給流路２２にも水素ガスが残っている。すなわち、この段階でも水素ガスの流量を調整することが可能である。この点を利用して、燃料電池２に供給する水素ガスの流量を増加させる。具体的には、制御部７は、外気温センサにより検出された外気温を取得し、この外気温に基づいて増加させる水素流量を算出する（Ｓ３）。あわせて、制御部７は、この算出した水素流量を燃料電池２に供給するために必要なインジェクタ２５の上流側圧力（調圧目標）を算出する（Ｓ３）。
外気温に基づく調圧目標の算出方法について、図３を用いてさらに詳しく説明する。図３（左側図）は、運転終了処理開始時（遮断弁２６の閉止指令が為された時間ｔ0から遮断弁２６が完全に閉止するまでの時間ｔ1）におけるインジェクタ上流側圧力の時間履歴を示している。ＭHは、高温環境時のインジェクタ上流側圧力の時間履歴であり、ＭLは、低温環境時のインジェクタ上流側圧力の時間履歴である。低温環境時には調圧目標圧力をＰLとし、また高温環境時には調圧目標圧力をＰHとして設定する。
ここで、低温環境時の調圧目標圧力ＰLは、次のように設定される。すなわち、図３（右側図）に模式的に示すように、運転終了処理開始直前の圧力（Ｐ0）に、運転終了処理の終了時（すなわち、燃料電池システム１の運転終了時）に、カーボン酸化防止に必要な水素ガス流量すなわち燃料電池２の少なくともアノード側が水素ガスで充填された状態にするために必要な水素ガス流量（第１の燃料ガス流量：Ｑ1）に対応する水素ガス分圧（Ｐ1）と、部品排気に必要な水素ガス流量（第２の燃料ガス流量：Ｑ2）に対応する水素ガス分圧（Ｐ2）と、運転終了処理中の発電に必要な水素ガス流量（第３の燃料ガス流量：Ｑ3）に対応する水素ガス分圧（Ｐ3）を加えたものとする。
これに対し、高温環境時の調圧目標圧力ＰHは、図３に模式的に示すように、運転終了処理開始直前の圧力（Ｐ0）にカーボン酸化防止に必要な水素ガス流量（Ｑ1）に対応する水素ガス分圧（Ｐ1）を加えたものとする。
図２に戻って説明を続ける。制御部７は、遮断弁２６が完全に閉止するまでの時間ｔ1までの間にインジェクタ上流圧が調圧目標に達するように、インジェクタ２８における調圧を制御する。インジェクタ２８により調圧しているので、短時間に高精度な調圧を行うことができる。インジェクタ２８の上流圧が調圧目標に達した時点で、制御部７は、インジェクタ噴射指令を出力する（Ｓ４）。これにより、インジェクタ２８から運転終了処理開始直前に比べて大きな流量の水素ガスが燃料電池２に供給される。具体的には、低温環境時には、水素ガス流量Ｑ1とＱ2とＱ3との合算値が、高温環境時には、水素ガス流量Ｑ1が燃料電池２に供給される。
次に、制御部７は、外気温が氷点下以下であるか否かを判断する（Ｓ５）。制御部７は、外気温が氷点下以下であると判断した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）には、発電指令および部品掃気指令を出力する（Ｓ６）。発電指令が出力されることで、燃料電池２は、供給された水素ガスの一部（ここでは、Ｑ3）を用いて燃料電池２の発電を継続させる。この発電で得られた電力は、以降の運転終了処理で用いられる。また、部品掃気指令が出力されることで、水素ポンプ２４のモータが高回転で駆動し燃料ガス配管系３内の水素ガスを循環させるとともに、供給された水素ガスの一部（ここでは、Ｑ2）を押し出すことで、燃料電池２のアノード側および燃料ガス配管系３の水分が気液分離器３０において回収される。つづいて、制御部７は、排気排水弁開放指令を出力する（Ｓ７）。これにより、排気排水弁３１が開放される。すると、気液分離器３０にたまった水分が排気排水流路２５へと流されることで水分が排気され、またほぼ同時に、燃料電池２のアノード側および燃料ガス配管系３の不純物を含む水素ガスおよび水素オフガスが、供給された水素ガスの一部（ここでは、Ｑ1）に押し出される形で排気される。この段階で、制御部７は、排気排水弁閉止指令を出力し、排気排水弁を閉止させる（Ｓ８）。そして、燃料電池２につながる水素ガス及び酸化ガス配管系のすべてのバルブを閉め、燃料電池２を封止状態にして運転終了処理を終える。
一方、制御部７は、外気温が氷点下より高いと判断した場合（Ｓ５：ＮＯ）には、発電指令および部品掃気指令を行わず、排気排水弁開放指令を出力する（Ｓ７）。これにより、排気排水弁３１が開放される。すると、燃料電池２のアノード側および燃料ガス配管系３の不純物を含む水素ガスおよび水素オフガスが、供給された水素ガスの一部（ここでは、Ｑ1）に押し出される形で排気される。この段階で、制御部７は、排気排水弁閉止指令を出力し、排気排水弁を閉止させる（Ｓ８）。そして、燃料電池２につながる水素ガス及び酸化ガス配管系のすべてのバルブを閉め、燃料電池２を封止状態にして運転終了処理を終える。
以上の動作により、高温環境時であっても低温環境時であっても、燃料電池システム１の運転終了後は、燃料電池２の少なくともアノード側は、水素ガスが充満した状態になる。これにより、アノード側のカーボン酸化が抑制できる。これは例えば、カソード側に残留した空気がクロスリークしてアノード側に流入したとしても、水素ガスが十分に充満していれば、この充満した水素ガスと酸素とが反応することにより、酸素を消費できるからである。このように、温度環境に応じた最適な流量の燃料ガスにより運転終了後の燃料電池の劣化を抑制することができる。
また、低温環境時は、水分を運転終了時に排出しているので運転終了後に燃料電池２内部の温度が低下することにより、燃料電池２に残留した水分が凍結してしまうことを防止することができる。また、低温環境下には出力が低下しやすいバッテリやキャパシタ等の蓄電手段から運転終了処理に必要な電流を得る場合よりも効率がよい。また、視点を変えれば、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段の電力を燃料電池システム始動時のために残しておくことにもなる。
また、高温環境時は、水分排気等の高温環境下では必要とされない動作を行わないことで、運転終了処理が簡略化できる。これにより、高温環境時の燃費を向上させることができる。
３．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
上記実施の形態においては、燃料電池車両の外の温度を測定し、この外気温に基づいてインジェクタ２８の噴射圧力を増大させているが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム内の温度センサまたは燃料電池システムに連結された外部の温度センサにより取得された温度でもよい。これらの場合は、取得された温度から運転終了後の燃料電池内部の温度状態を推定して（例えば、氷点下以下になる可能性が高い等）、運転終了処理開始時の燃料ガス流量の制御を行うことが好ましい。また他の情報取得手段から得た天気予報などの情報を加味して、運転終了後の燃料電池内部の温度状態を推定して（例えば、氷点下以下になる可能性が高い等）、運転終了処理開始時の燃料ガス流量の制御を行ってもよい。
また、上記実施形態においては、運転終了後に少なくとも燃料電池２のアノード側に水素が充填されるように流量Ｑ1を設定したが、これに限られるものではなく、例えば、カソード側も含めて水素で充填されるように流量Ｑ1を設定してもよい。
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 同実施の形態に係る運転終了処理を示すフローチャート。 同実施の形態に係る運転終了処理開始時の調圧目標を説明するための図。
符号の説明
１ ……燃料電池システム
１１……空気供給流路（酸化ガス供給系）
１２……排気流路
１３……フィルタ
１４……コンプレッサ
１５……加湿器
１６……背圧調整弁
２ ……燃料電池
２１……水素供給源
２２……水素供給流路（燃料ガス供給系）
２３……循環流路
２４……水素ポンプ
２５……排気排水流路
２６……遮断弁
２７……レギュレータ
２８……インジェクタ
３ ……酸化ガス配管系
３０……気液分離器
３１……排気排水弁
４ ……燃料ガス配管系
４１……冷媒流路
４２……冷却ポンプ
５ ……冷媒配管系
６ ……電力系
６１……ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２……バッテリ
６３……トラクションインバータ
６４……トラクションモータ
７ ……制御部

Claims (6)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの運転終了処理の開始時に、前記燃料電池に供給する燃料ガスの流量を、燃料電池システムの温度環境に基づいて決定される所定量だけ増加させる燃料電池システム。
  2. 前記温度環境が所定温度以下である場合、前記所定量は少なくとも、運転終了処理の終了時に前記燃料電池内に燃料ガスを残留させるのに必要な第１の燃料ガス流量と、運転終了処理中に燃料電池内の水分を外部に排出させるのに必要な第２の燃料ガス流量との合算値に基づいて決定される請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記所定量は、前記第１および前記第２の燃料ガス流量に、運転終了処理時の機器の動作に必要な電流を燃料電池が運転終了処理中に出力するために必要な第３の燃料ガス流量をさらに加えた合算値に基づいて決定される請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記温度環境が所定温度より高い場合、前記所定量は、前記第１の燃料ガス流量に基づいて決定される請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料ガス供給系に設けられたインジェクタにより前記燃料ガスの供給圧力を増加させることで、前記燃料ガスの流量を増加させる請求項１から請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
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