燃料电池系统及其控制方法

燃料电池系统及其控制方法
【专利摘要】燃料电池系统(100)具有：燃料电池(10)、阴极气体供给系统(30)、供给阀(34)、排出阀(43)、以及控制部(20)。燃料电池(10)具有：供给用歧管(M1)、排出用歧管(M2)、与上述歧管(M1、M2)连接的发电部(GA)。阴极气体供给系统(30)使气体流入供给用歧管(M1)。供给阀(34)可以密封供给用歧管(M1)，排出阀(43)可以密封排出用歧管(M2)。在燃料电池(10)的运转停止后，控制部(20)关闭供给阀(34)以及排出阀(43)，在具有规定的压力的状态下密封燃料电池(10)而待机规定的时间。接着，打开供给阀(34)，借助此时的气体流动，使残留在发电部(GA)中的水分向发电部(GA)的外部移动。
【专利说明】燃料电池系统及其控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池。

【背景技术】
[0002] 固体高分子型燃料电池（以下，也简称为"燃料电池"）利用电解质膜中的质子移 动进行发电。电解质膜在湿润状态下表现出良好的质子传导性，因此，优选为，在燃料电池 的运转中，燃料电池内部被保持在湿润状态，以使电解质膜处于适当的湿润状态。
[0003] 相比之下，在燃料电池的运转停止后，燃料电池的内部或其连接配管中存在的水 分有可能在冰点下等低温环境下冻结而成为导致燃料电池的起动性降低的原因。于是，以 往，在燃料电池的运转结束时，对燃料电池内部和其连接配管进行扫气（也称为"吹扫"）， 以使残留在燃料电池内部和其连接配管中的水分量降低（下述专利文献1等）。
[0004] 但是，在以往的吹扫方法中，有时不能将燃料电池内部（尤其是配置于发电部的 气体流路）中的水分充分排出。另外，由于运转停止后的吹扫成为系统效率降低的原因，因 此，要求将其执行抑制在最小限度。
[0005] 在先技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1 :日本特开2007-073328号公报
[0008] 专利文献2 :日本特开2008-010348号公报
[0009] 专利文献3 :日本特开2008-078111号公报
[0010] 专利文献4 :日本特开2006-190616号公报


【发明内容】

[0011] 发明要解决的课题
[0012] 本发明的目的在于提供一种通过与以往不同的方法而能够使在运转结束后的燃 料电池中的发电部、配置于该发电部的气体流路中残留的水分量高效地降低的技术。
[0013] 用于解决课题的方案
[0014] 本发明是为了解决上述课题的至少一部分而作出的，可以作为以下的形态或应用 例来实现。
[0015] [应用例1]
[0016] 一种燃料电池系统，具有：燃料电池，所述燃料电池具有供给气体歧管、排出气体 歧管、以及配置有与所述供给气体歧管和所述排出气体歧管连接的气体流路的发电部；气 体供给部，所述气体供给部使气体流入所述供给气体歧管；供给阀，所述供给阀能够密封所 述供给气体歧管；排出阀，所述排出阀能够密封所述排出气体歧管；以及控制部，所述控制 部执行残留水分排出处理，在所述残留水分排出处理中：在所述燃料电池的运转停止后，关 闭所述供给阀以及所述排出阀，在所述燃料电池内以规定的压力密封来自所述气体供给部 的气体，在待机规定的时间之后，打开所述供给阀或所述排出阀，以使残留在所述发电部的 所述气体流路中的水分向所述供给气体歧管或所述排出气体歧管移动。
[0017] 根据该燃料电池系统，可以利用来自燃料电池的压力释放，使滞留于发电部的气 体流路中的水分向其外部移动。因此，可以通过简单的方法高效地降低燃料电池的发电部 的气体流路中的残留水分，可以抑制因低温环境下的残留水分的冻结而导致燃料电池的起 动性降低。
[0018] [应用例2]
[0019] 在应用例1所述的燃料电池系统中，所述燃料电池使所述供给气体歧管处于重力 方向下侧、使所述排出气体歧管处于重力方向上侧地配置，以使所述气体流路的上游侧成 为重力方向下侧、所述气体流路的下游侧成为重力方向上侧，所述残留水分排出处理是打 开所述供给阀以使残留在所述发电部的所述气体流路中的水分移动到所述供给气体歧管 的处理。
[0020] 根据该燃料电池系统，在残留水分排出处理中，可以利用针对水分的重力作用，使 水分更可靠地从发电部的气体流路向外部移动。
[0021] [应用例3]
[0022] 在应用例1或2所述的燃料电池系统中，在所述燃料电池的运转停止后，所述控制 部利用来自所述气体供给部的气体，执行对所述燃料电池内部进行扫气的扫气处理，在执 行所述扫气处理之后，所述控制部执行所述残留水分排出处理。
[0023] 若为该燃料电池系统，则可以通过残留水分排出处理，使通过扫气处理未排完的 残留在发电部的气体流路中的水分向外部移动，从而可以抑制发电部的气体路径因水分的 冻结而堵塞。
[0024] [应用例4]
[0025] 在应用例3所述的燃料电池系统中，还具有水分量检测部，所述水分量检测部在 运转停止时检测残留在所述燃料电池内部的水分量，所述控制部根据所述水分量决定是 (i)执行所述扫气处理和所述残留水分排出处理双方、还是（ii)执行所述残留水分排出处 理而不执行所述扫气处理。
[0026] 根据该燃料电池系统，由于根据残留在燃料电池内部的水分量选择适当的处理， 因此，徒劳无益地执行扫气处理的情况被抑制，系统效率提高。
[0027] [应用例5]
[0028] 在应用例1?4中任一项所述的燃料电池系统中，所述控制部多次重复地执行所 述残留水分排出处理。
[0029] 若为该燃料电池系统，则可以通过残留水分排出处理，使残留在发电部的气体流 路中的水分更可靠地降低。
[0030] [应用例6]
[0031] 一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有燃料电池，该燃料电池具有 供给气体歧管、排出气体歧管、以及配置有与所述供给气体歧管和所述排出气体歧管连接 的气体流路的发电部，所述燃料电池系统的控制方法具有：(a)在所述燃料电池的运转停 止后，将所述供给气体歧管和所述排出气体歧管密封，使所述燃料电池内保持在规定的压 力而待机规定的时间的步骤；以及（b)打开所述供给气体歧管或所述排出气体歧管，以使 残留在所述发电部的所述气体流路中的水分向所述供给气体歧管或所述排出气体歧管移 动的步骤。
[0032] 根据该燃料电池系统的控制方法，可以通过能量消耗量较少的方法使残留在燃料 电池的发电部的气体流路中的水分可靠地降低。
[0033] 另外，本发明能够以各种形态来实现，例如能够以燃料电池系统以及搭载该燃料 电池系统的车辆、在上述系统或车辆中执行的燃料电池的扫气方法、上述系统或车辆的控 制方法、控制装置、用于实现上述扫气方法、控制方法或控制装置的功能的计算机程序、存 储了该计算机程序的存储介质等形态来实现。

【专利附图】

【附图说明】
[0034] 图1是表示燃料电池系统的结构的概略图。
[0035] 图2是用于说明燃料电池中的反应气体的流动和水分的移动的概略图。
[0036] 图3是表示在运转停止后的燃料电池中执行了吹扫时的阴极气体流路中的压力 损失随着时间的变化的说明图。
[0037] 图4是示意性表示吹扫气体从供给用歧管流动时的燃料电池的内部情形的概略 图。
[0038] 图5是表示在燃料电池的运转结束后执行的吹扫处理的处理顺序的说明图。
[0039] 图6是用于说明在吹扫处理中执行的残留水排出处理的示意图。
[0040] 图7是表示由残留水排出处理排出的水分的排出量的说明图。
[0041] 图8是表示第二实施例的吹扫处理的处理顺序的说明图。
[0042] 图9是表示第三实施例的燃料电池系统的结构的概略图。
[0043] 图10是表示第二实施例的吹扫处理的处理顺序的说明图。
[0044] 图11是表示冻结防止处理的处理顺序的说明图。

【具体实施方式】
[0045] A.第一实施例：
[0046] 图1是表示作为本发明一实施例的燃料电池系统的结构的概略图。该燃料电池系 统1〇〇搭载于燃料电池车辆，根据驾驶员的要求，输出被用作驱动力的电力。燃料电池系统 100具有：燃料电池10、控制部20、阴极气体供给系统30、阴极气体排出系统40、阳极气体 供给系统50、阳极气体循环排出系统60、以及制冷剂循环供给系统70。
[0047] 燃料电池10是接收氢（阳极气体）和空气（阴极气体）的供给而作为反应气体进 行发电的固体高分子型燃料电池。燃料电池10具有层叠有作为发电体的多个单电池 （unit cell) 11的堆叠构造。燃料电池10具有用于供反应气体和制冷剂流动的歧管（未图示）， 该歧管是与各单电池11连接且沿着燃料电池10的层叠方向的流路。关于燃料电池10的 结构将在后面论述。
[0048] 控制部20可以由具有中央处理装置和主存储装置的微型计算机构成。控制部20 具有作为发电控制部的功能，该发电控制部控制以下说明的各构成部以使燃料电池10发 出与输出要求相应的电力。另外，控制部20具有作为吹扫处理执行部21的功能。
[0049] 吹扫处理执行部21在燃料电池10的运转停止后，控制燃料电池系统100的各构 成部以便执行扫气处理（吹扫处理），该扫气处理（吹扫处理）用于使残留在燃料电池10 中的水分和附着于燃料电池系统100的配管、阀等的水分降低。关于由吹扫处理执行部21 执行的吹扫处理的执行顺序将在后面论述。
[0050] 阴极气体供给系统30具有：阴极气体配管31、空气压缩机32、空气流量计33、以 及供给阀34。阴极气体配管31是与燃料电池10的阴极侧的供给用歧管连接的配管。空气 压缩机32经由阴极气体配管31与燃料电池10的阴极侧的供给用歧管连接，将取入外部空 气并压缩后的空气，作为阴极气体供给到燃料电池10中。
[0051] 空气流量计33在空气压缩机32的上游侧计测空气压缩机32取入的外部空气的 量并发送到控制部20。控制部20基于该计测值驱动空气压缩机32,从而控制向燃料电池 10供给的空气的供给量。
[0052] 供给阀34设置在空气压缩机32与燃料电池10之间。供给阀34根据控制部20 的指令进行开闭，从而控制向燃料电池10的空气流动。另外，在阴极气体供给系统30中， 也可以设置用于对向燃料电池10供给的空气进行加湿的加湿部。
[0053] 阴极气体排出系统40具有：阴极排气配管41、排出阀43、以及压力计测部44。阴 极排气配管41是与燃料电池10的阴极侧的排出用歧管连接的配管，可以将阴极排气向燃 料电池系统100的外部排出。
[0054] 排出阀43是用于调节阴极排气配管41中的阴极排气的压力（燃料电池10的阴 极侧的背压）的调压阀。排出阀43由控制部20调节其开度。压力计测部44设置在排出 阀43的上游侧，计测阴极排气的压力并将其计测值发送到控制部20。
[0055] 阳极气体供给系统50具有：阳极气体配管51、储氢罐52、开闭阀53、调节器54、氢 供给装置55、以及压力计测部56。储氢罐52经由阳极气体配管51与燃料电池10的阳极 侧的供给用歧管连接。由此，加注在储氢罐52中的氢作为阳极气体供给到燃料电池10中。
[0056] 开闭阀53、调节器54、氢供给装置55、以及压力计测部56,从上游侧（储氢罐52 侦D起依此顺序设置于阳极气体配管51。开闭阀53由来自控制部20的指令进行开闭，从 而控制从储氢罐52向氢供给装置55上游侧的氢的流入。调节器54是用于调节氢供给装 置55上游侧的氢的压力的减压阀，其开度由控制部20控制。
[0057] 氢供给装置55例如可以由作为电磁驱动式的开闭阀的喷射器构成。压力计测部 56计测氢供给装置55下游侧的氢的压力并发送到控制部20。控制部20基于压力计测部 56的计测值控制氢供给装置55,从而控制向燃料电池10供给的氢量。
[0058] 阳极气体循环排出系统60具有：阳极排气配管61、气液分离部62、阳极气体循环 配管63、氢循环用泵64、阳极排水配管65、排水阀66、以及压力计测部67。阳极排气配管 61是将燃料电池10的阳极侧的排出用歧管与气液分离部62连接的配管，将包括未用于发 电反应的未反应气体（氢、氮等）在内的阳极排气向气液分离部62引导。
[0059] 气液分离部62与阳极气体循环配管63和阳极排水配管65连接。气液分离部62 将阳极排气中含有的气体成分和水分分离，关于气体成分，将其向阳极气体循环配管63引 导，关于水分，将其向阳极排水配管65引导。
[0060] 阳极气体循环配管63与阳极气体配管51的氢供给装置55的下游连接。在阳极 气体循环配管63上设置有氢循环用泵64,通过该氢循环用泵64,将在气液分离部62中分 离后的气体成分中含有的氢，向阳极气体配管51送出。这样，在该燃料电池系统100中，在 燃料电池10的运转中，使阳极排气中含有的氢循环而再次供给到燃料电池10中，从而提高 了氢的利用效率。
[0061] 阳极排水配管65是用于将在气液分离部62中分离后的水分向燃料电池系统100 的外部排出的配管。排水阀66设置于阳极排水配管65,根据来自控制部20的指令进行开 闭。在燃料电池系统100的运转中，通常关闭排水阀66,控制部20在预先设定的规定的排 水时机或阳极排气中的惰性气体的排出时机打开排水阀66。
[0062] 阳极气体循环排出系统60的压力计测部67设置于阳极排气配管61。压力计测 部67在燃料电池10的氢歧管的出口附近计测阳极排气的压力（燃料电池10的阳极侧的 背压）并发送到控制部20。
[0063] 制冷剂循环供给系统70具有：制冷剂用配管71、散热器72、三通阀73、制冷剂循 环用泵75、第一制冷剂温度计测部76a、以及第二制冷剂温度计测部76b。制冷剂用配管71 是用于使用于冷却燃料电池10的制冷剂循环的配管，由上游侧配管71a、下游侧配管71b、 以及旁通配管71c构成。
[0064] 上游侧配管71a将设置于燃料电池10的制冷剂用的出口歧管与散热器72的入口 连接。下游侧配管71b将设置于燃料电池10的制冷剂用的入口歧管与散热器72的出口连 接。旁通配管71c的一端经由三通阀73与上游侧配管71a连接，另一端与下游侧配管71b 连接。控制部20通过控制三通阀73的开闭，从而调节向旁通配管71c流入的制冷剂的流 入量，以控制向散热器72流入的制冷剂的流入量。
[0065] 散热器72设置于制冷剂用配管71，通过使流经制冷剂用配管71的制冷剂与外部 空气之间进行热交换，从而冷却制冷剂。制冷剂循环用泵75在下游侧配管71b上设置在与 旁通配管71c连接的连接部位的下游侧（燃料电池10的制冷剂入口侧），基于控制部20的 指令进行驱动。
[0066] 第一制冷剂温度计测部76a和第二制冷剂温度计测部76b分别设置于上游侧配管 71a和下游侧配管71b，将各自的计测值向控制部20发送。控制部20根据各制冷剂温度计 测部76a、76b各自的计测值之差来检测燃料电池10的运转温度，并基于该运转温度，控制 制冷剂循环用泵75的转速，以调节燃料电池10的运转温度。
[0067] 燃料电池系统100还具有能够计测燃料电池车辆外部的气温（外部气温）的外部 气温传感器80。外部气温传感器80将检测结果发送到控制部20。另外，吹扫处理执行部 21将外部气温传感器80的检测温度用于判定是否需要执行吹扫处理（后述）。
[0068] 另外，燃料电池系统100具有省略了图示和详细说明的二次电池、以及DC/DC转换 器。二次电池对燃料电池10输出的电力、再生电力进行蓄电，并与燃料电池10-同作为电 力源发挥作用。DC/DC转换器可以控制二次电池的充放电和燃料电池10的输出电压。另 夕卜，上述燃料电池系统100的各构成部通过使用二次电池的电力，在燃料电池10的运转停 止后也可以进行驱动。
[0069] 图2是用于说明燃料电池系统100所具有的燃料电池10的结构的概略图。在图 2中，为便于说明，仅图示出燃料电池10的任意一个单电池11，而省略了其他单电池11的 图示。而且，在图2中，图示出与燃料电池10连接的各气体配管31、41、51、61。并且，在图 2中，图示出表示燃料电池10被搭载于燃料电池车辆时的重力方向的箭头G、表示发电中的 单电池11中的气体流动的虚线箭头、以及表示水分的移动路径的实线箭头。
[0070] 燃料电池10的单电池11具有在电解质膜1的双面配置有第一电极2和第二电极 3的膜电极接合体5。电解质膜1例如可以由氟类的离子交换树脂构成，在湿润状态下表现 出良好的质子传导性。第一电极2和第二电极3可以作为将载置有钼等催化剂的导电性粒 子和与电解质膜1种类相同或类似的电解质混合并使其分散而形成的溶液即催化剂墨液 (catalyst ink)的涂敷膜而形成。
[0071] 在膜电极接合体5的两侧，分别配置具有导电性的板状基材即分隔件（未图示）。 在膜电极接合体5的第一电极2和第二电极3与分隔件之间，形成有供反应气体流通的第 一气体流路12和第二气体流路13。具体来说，第一气体流路12和第二气体流路13可以由 形成在分隔件表面的流路槽构成，或由配置在分隔件与电极2、3之间的金属板网等流路部 件构成，或由配置在电极2、3的表面的碳纤维等多孔部件构成。
[0072] 在此，燃料电池10具有：用于向各发电体11供给反应气体的供给用歧管Ml、M3、 以及用于将各单电池11的排气排出的排出用歧管M2、M4。供给用歧管Ml、M3和排出用歧 管M2、M4配置成隔着在各单电池11中配置有膜电极接合体5的区域而相向，并分别经由连 通路14与第一气体流路12和第二气体流路13的入口或出口连接。具体而言，如下所述。
[0073] 供给用歧管Ml与第一气体流路12的入口连接并且与阴极气体配管31连接。排 出用歧管M2与第一气体流路12的出口连接并且与阴极排气配管41连接。供给用歧管M3 与第二气体流路13的入口连接并且与阳极气体配管51连接。排出用歧管M4与第二气体 流路13的出口连接并且与阳极排气配管61连接。
[0074] 以后，在本说明书中，将第一电极2也称为"阴极2"，将第一气体流路12也称为 "阴极气体流路12"。另外，将第二电极3也称为"阳极3"，将第二气体流路13也称为"阳极 气体流路13 "。并且，在各单电池11中，将配置有膜电极接合体5并且处于供给用歧管Ml、 M3和排出用歧管M2、M4之间的包括第一气体流路12和第二气体流路13在内的区域称为 "发电部GA"。
[0075] 在此，在燃料电池10中，阴极2用的供给用歧管Ml以及排出用歧管M2的排列与 阳极3用的供给用歧管M3以及排出用歧管M4的排列相反地构成。而且，在燃料电池系统 100中，燃料电池10配置成，与供给用歧管Ml连接的发电部GA的阴极2侧的入口成为重力 方向下侧、与排出用歧管M2连接的发电部GA的阴极2侧的出口成为重力方向上侧。
[0076] 根据如上所述的结构，在各单电池11的发电部GA中，在阴极2侦彳，空气沿与重力 方向相反的方向流动，并且，在阳极3侧，氢与空气相向地沿重力方向流动（虚线箭头）。另 夕卜，在阴极2生成的水分如下所述移动。
[0077] 在阴极2生成的水分借助阴极气体流路12中的空气流动，从供给用歧管Ml侧（上 游侧）向排出用歧管M2侧（下游侧）移动。因此，在阴极2侧，与阴极气体流路12的上游 侧相比，下游侧的水分量变得更多。但是，由于阴极气体流路12的入口侧配置在重力方向 下侧，因此，向阴极气体流路12下游侧的水分移动借助重力的作用被抑制，与此相应地，阴 极气体流路12的上游侧过度干燥这种情况被抑制。
[0078] 另外，在阴极2生成的水分经由电解质膜1向阳极3侧移动。尤其是，在阴极2侧， 由于阴极气体流路12下游侧的水分量多，因此，越处于阳极气体流路13的上游侧，从阴极2 侧向阳极3侧移动的水分量越多。相比之下，在阴极气体流路12的上游侧，存在水分量减 少的倾向，因此，在阳极气体流路13的下游侧，从阳极3侧向阴极2侧移动的水分量反而增 多。
[0079] 这样，在燃料电池10的运转中，在阴极2侧和阳极3侧，形成各自的气体流路12、 13下游侧的水分量增多的水分量梯度，从而在整个发电区域GA形成水分的循环路径。因 此，燃料电池10运转中的膜电极接合体5的湿润状态被良好地保持。
[0080] 但是，在燃料电池10的运转结束后，有时在燃料电池10的内部、与其连接的气体 配管31、41、51、61的内部残留大量的水分。在冰点下等低温环境下，上述残留水分冻结而 导致燃料电池10的内部或气体配管31、41、51、61中的反应气体的流路产生堵塞，成为燃料 电池10的起动性降低的原因。
[0081] 因此，在燃料电池10的运转结束后，希望执行用于除去或降低如上所述的残留水 分的扫气（吹扫）。另外，在本说明书中，"燃料电池10的运转结束后"指的是驾驶员使车 辆的运转停止后的状态（所谓熄火的状态），而且指的是燃料电池10停止了与来自驾驶员 的要求相应的电力输出的状态。
[0082] 但是，本发明的发明人发现：即便对燃料电池10执行了时间足够的吹扫，在燃料 电池10的内部仍残留未排完的水分。而且，本发明的发明人发现：如上所述的残留水分的 冻结有可能成为导致冰点下的燃料电池10的起动性降低的原因。
[0083] 图3是本发明的发明人通过实验而得到的曲线图，是表示在运转停止后的燃料电 池10中执行了吹扫时的阴极气体流路12中的压力损失随着时间的变化的曲线图。本发明 的发明人在使燃料电池10发电后，针对该燃料电池10的阴极侧的吹扫，隔着间隔执行两 次，对阴极气体流路12的压力损失随着时间的变化进行了计测。
[0084] 另外，在该实验中，燃料电池10也使阴极侧的供给用歧管Ml成为重力方向下侧、 使排出用歧管M2成为重力方向上侧地配置。另外，在该实验中，通过计测执行吹扫前后的 燃料电池10的重量变化，从而确认了从燃料电池10的水分的排出。
[0085] 实线曲线图匕表示：在从供给用歧管Ml供给了吹扫气体时（即在发电部GA中吹 扫气体沿着与重力方向相反的方向流动了时）的压力损失随着时间的变化。另外，虚线曲 线图G 2表示：在从排出用歧管M2供给了吹扫气体时（即在发电部GA中吹扫气体沿着重力 方向流动了时）的压力损失随着时间的变化。在实验中，在时刻h开始吹扫，在时刻&暂 时停止吹扫。接着，在时刻1 2再次开始吹扫。
[0086] 在开始了第一次吹扫时，无论是在哪个曲线图中，压力损失在初始阶段都临时增 大至峰值Pi，此后急剧降低并收敛于某一值Pc。该第一次吹扫中的、峰值Pi的压力损失的 临时增大因阴极侧的水分被吹扫气体临时挤出而产生。另外，此后的压力损失向收敛值Pc 的收敛表示阻碍吹扫气体的流动那样的水分大部分被排出了。
[0087] 在开始了第二次吹扫时，实线曲线图匕所示的压力损失在初始阶段临时增大至比 第一次的峰值Pi小的峰值？2$2 < Pi)后，再次收纳于收敛值Pc。但是，在第二次吹扫时， 未检测到第一次吹扫时那样的、水分向燃料电池10外部的排出。
[0088] 另外，在执行第二次吹扫之后仍重复地执行了多次吹扫，虽未确认到来自燃料电 池10的水分的排出，但观测到了与第二次吹扫相同的示出峰值己的压力损失的临时增大。 另一方面，即便在执行了第二次吹扫的情况下，虚线曲线图G 2所示的压力损失也未示出临 时增大地再次收纳于收敛值Pc。
[0089] 如上所述，在燃料电池10的发电部GA中，在使吹扫气体沿与重力方向相反的方向 流动了时，与沿重力方向流动了时不同，在第二次吹扫中产生了压力损失的临时增大。该第 二次吹扫中的压力损失的临时增大因燃料电池10内部的如下所示的水分移动而产生。
[0090] 图4(A)、（B)是示意性表示吹扫气体从供给用歧管Ml流动了时的燃料电池10的 内部情形的概略图。在图4(A)、（B)中，分别在与图2相同的燃料电池10的示意图中追加 水分Μ的移动情形进行图示。图4(A)表示刚完成第一次吹扫之后的燃料电池10的内部状 态，图4(B)表示开始执行第二次吹扫时的燃料电池10的内部状态。
[0091] 在吹扫气体从供给用歧管Ml流动到运转停止后的燃料电池10中的情况下，在一 定程度的量的水分被排出到燃料电池10的外部之后，在发电部GA的下游侧（重力方向上 侦U)产生未被排出而仍滞留的水分Μ(图4(A))。此后，在开始第二次吹扫时，滞留于发电 部GA的下游侧的水分Μ借助重力的作用而向上游侧移动，成为阴极气体流路12的入口侧 的压力损失高的状态（图4(B))。
[0092] 因此，在执行第二次吹扫时，产生图3的实线曲线图匕所示那样的压力损失的临 时增大。而且，在该第二次吹扫中，滞留于其上游侧的水分Μ再次被推回到下游侧，回到图 4(Α)的状态。这样，在重复地执行了与重力方向相反的吹扫的情况下，即便能够借助重力的 作用使水分Μ在发电部GA的内部移动，仍难以使其向外部移动。
[0093] 另外，在使吹扫气体从排出用歧管M2流入并在发电部GA中使吹扫气体沿重力方 向流动了的情况下，不会产生图4(A)那样的因重力作用而形成的水分Μ的滞留。因此，如 图3的虚线曲线图G 2所示，不会产生第二次吹扫中的临时的压力损失。
[0094] 在本实施例的燃料电池系统100中，在将阴极气体作为吹扫气体执行了运转停止 后的燃料电池10的扫气的情况下，如图4(B)所示，有可能导致水分滞留在发电部GA的上 游侧。若该水分冻结，则空气流动被阻碍，因此，有可能导致燃料电池10的起动变得困难。 于是，在本实施例的燃料电池系统100中，在燃料电池10的运转结束后，吹扫处理执行部21 执行以下说明的吹扫处理，从而以较少的能量消耗量可靠地降低如上所述的残留水分。
[0095] 图5是表示在燃料电池10的运转结束后执行的吹扫处理的处理顺序的流程图。 在步骤S10中，吹扫处理执行部21执行用于判定是否存在吹扫的必要性的外部气温判定。 具体而言，在由外部气温传感器80检测到的外部气温为规定的温度（例如10°C)以下时， 吹扫处理执行部21判定存在外部气温达到冰点下而使得燃料电池10内的水分冻结的可能 性，从而判定为吹扫是必要的。
[0096] 当在步骤S10中判定为外部气温高而使得吹扫的必要性低时，吹扫处理执行部21 不开始吹扫而结束该吹扫处理。由此，在外部气温高而使得燃料电池10内部冻结的可能性 低时徒劳无益地执行吹扫这种情况被抑制，因此，系统效率的降低被抑制。
[0097] 当在步骤S10中判定为吹扫的必要性高时，在步骤S20中，吹扫处理执行部21开 始燃料电池10的阴极侧的流路的吹扫。具体而言，吹扫处理执行部21将供给阀34和排出 阀43打开，并且，使空气压缩机32驱动，以使作为吹扫气体的压缩空气从阴极气体配管31 流通到燃料电池10中。
[0098] 直至经过规定的时间（例如，数秒?数十秒左右）为止，吹扫处理执行部21使步 骤S20的吹扫持续（步骤S30)。另外，在步骤S20、S30中，吹扫处理执行部21也可以同时 执行燃料电池10的阳极侧的吹扫。具体而言，也可以在停止从储氢罐52供给氢的状态下 驱动氢循环用泵64,从而使残留在系统内的氢和惰性气体循环，来对燃料电池10的阳极侧 进行吹扫。
[0099] 在步骤S40?S60中，吹扫处理执行部21执行残留水排出处理，该残留水排出处 理用于将通过步骤S20、S30的吹扫仍未排出而残留在燃料电池10内部的水分排出。具体 而言，如下所述。
[0100] 图6⑷?（C)是用于说明步骤S60?S60的残留水排出处理的示意图。在图 6(A)?（C)中，按照步骤顺序示意性地图示出执行残留水排出处理时的燃料电池10的内部 状态。另外，在图6(A)?（C)中，分别由与图2相同的示意图示出燃料电池10。另外，在图 6㈧?（C)中，追加了供给阀34以及排出阀43的图示。
[0101] 在紧接着步骤S20、S30之后的燃料电池10中，如图4(A)已说明的那样，在燃料电 池10的内部，处于水分Μ滞留在阴极气体流路12的下游侧（重力方向上侧）的状态（图 6(A))。在步骤S40中，在使规定的压力残留在燃料电池10内部的同时密封燃料电池10。 具体而言，在关闭阴极排气配管41的排出阀43之后，使为了进行吹扫而驱动的空气压缩机 32停止，并关闭阴极气体配管31的供给阀34。
[0102] 在步骤S50中，在燃料电池10的内压高的状态下待机规定的时间直至移动到了阴 极气体流路12的下游侧的水分Μ移动到上游侧（重力方向下侧）（图6 (Β))。另外，作为该 步骤S50中的待机时间，优选为足以使水分Μ移动到阴极气体流路12的上游侧的时间，具 体而言，例如可以为数秒?数分钟左右。
[0103] 在步骤S60中，打开阴极气体配管31的供给阀34,使燃料电池10的阴极气体流路 12内的压缩空气向阴极气体配管31流出（图6(C))。根据伴随着该压力的释放而产生的 向阴极气体配管31的空气流动，使滞留在阴极气体流路12上游侧的水分Μ通过发电部GA 外部的连通路14,使其至少移动至供给用歧管Ml。另外，为了防止供给阀34的冻结，优选 将水分Μ的移动限制为最多移动至供给阀34的跟前。
[0104] 在步骤S70中，直至残留水分被排出到发电部GA的外部为止，吹扫处理执行部21 在打开了供给阀34的状态下待机规定的时间（例如，1秒?数秒左右）。接着，在步骤S80 中，关闭供给阀34,结束吹扫处理。
[0105] 另外，在执行该吹扫处理之后，通过残留水排出处理从发电部GA被排出的水分残 留在供给用歧管Ml和阴极气体配管31中。但是，在本实施例中，由于在残留水排出处理之 前在步骤S20、S30中执行了吹扫，因此，通过残留水排出处理被排出的水分量并非是引起 供给用歧管Ml和阴极气体配管31堵塞这种程度的量。
[0106] 图7是本发明的发明人通过实验而得到的图表，是表示通过残留水排出处理排出 的水分的排出量的图表。本发明的发明人在对运转停止后的燃料电池10执行吹扫之后，执 行上述残留水排出处理，在该残留水排出处理中，对从发电部GA排出的排水量进行了计测 (柱状图A)。
[0107] 另外，对于残留水排出处理的前段的吹扫而言，从供给用歧管Ml供给吹扫气体， 以使吹扫气体在发电部GA中向与重力方向相反的方向流动，并且进行上述吹扫直至水 分的排出不再被检测到这种程度为止。接着，在残留水排出处理中，在将燃料电池10的 内压保持在200kPa(abs)并待机60秒之后，释放压力以使燃料电池10的内压降低至 lOOkPa(abs)。
[0108] 另外，作为比较例，本发明的发明人对使吹扫气体的流动反向地对上述吹扫后的 燃料电池 10执行了 60秒的第二次吹扫时的排水量进行了计测（柱状图B)。并且，本发明 的发明人对作为残留水排出处理而打开阴极排气配管41的排出阀43以便向重力方向上侧 释放了压力时的排水量进行了计测（柱状图0。另外，该柱状图C的残留水排出处理除打 开了排出阀43这方面之外，在与柱状图A的残留水排出处理相同的条件下执行。
[0109] 如柱状图A所示，通过执行一次残留水排出处理，可以使通过第一次吹扫未被排 出的发电部GA的水分向发电部GA的外部排出。另外，虽然该柱状图A所示的排水量为吹 扫气体在发电部GA中沿重力方向流动了时的排水量（柱状图B)的一半左右，但该柱状图 A所示的排水量是足以抑制阴极气体流路12的堵塞的量。并且，柱状图A所示的排水量是 与重力方向相反地释放压力以使残留水分排出时的排水量（柱状图C)的两倍以上的量。
[0110] 如上所述，在本实施例的燃料电池系统1〇〇中，在燃料电池10的运转结束后，进行 吹扫并且使能量消耗量小的残留水排出处理执行一次，从而使残留在燃料电池10的发电 部GA中的水分向外部可靠地移动。因此，因如上所述的残留水分的冻结而导致燃料电池10 的起动性降低的情况高效地被抑制。
[0111] B.第二实施例：
[0112] 图8是表示作为本发明第二实施例的吹扫处理的处理顺序的流程图。图8除替换 步骤S60而设置有步骤S60A以及追加了步骤S85这两方面之外，与图5大致相同。另外， 第二实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例的燃料电池系统100相同（图1)。
[0113] 在第二实施例的燃料电池系统中，作为吹扫后的残留水排出处理，执行如下的处 理：打开阴极排气配管41的排出阀43 (步骤S60A)，向阴极排气配管41释放燃料电池10内 的压力，以便向重力方向上侧进行排水。而且，在使该残留水处理重复规定的次数之后，结 束吹扫处理（步骤S85)。
[0114] 如参照图7已说明的那样，即便在作为残留水排出处理而打开排出阀43以便向重 力方向上侧的阴极排气配管41释放了燃料电池10的压力的情况下，也可以从发电部GA排 出残留水分（柱状图C)。但是，该情况下的排水量比打开供给阀34以便向重力方向下侧的 阴极气体配管31释放了燃料电池10的压力的情况下的排水量（柱状图A)少。于是，在第 二实施例的燃料电池系统中，通过多次重复地执行残留水排出处理，从而可靠地降低燃料 电池10内部的滞留水分。
[0115] 如上所述，若为第二实施例的燃料电池系统，贝1J与第一实施例同样地，能够可靠地 降低燃料电池10内部的滞留水分。另外，在第二实施例的燃料电池系统的情况下，通过残 留水排出处理向发电部GA的出口侧排出水分，因此，在燃料电池10再起动时，该水分直接 从阴极排气配管41被排出，效率好。
[0116] C.第三实施例：
[0117] 图9是表示作为本发明第三实施例的燃料电池系统100B的结构的概略图。图9 除在燃料电池10上连接有阻抗计测部81、以及在控制部20中追加了作为残留水量检测部 22的功能和作为冻结防止处理执行部23的功能这两方面之外，与图1大致相同。
[0118] 阻抗计测部81通过交流阻抗法，对运转停止后的燃料电池10中的各单电池11的 电阻进行检测并输出到控制部20中。残留水量检测部22利用预先准备的、各单电池11的 电阻与存在于各单电池11内部的水分量之间的关系，利用阻抗计测部81的计测结果，对存 在于各单电池11内部的水分量进行检测。冻结防止处理执行部23执行用于防止燃料电池 10冻结的冻结防止处理（后述）。
[0119] 图10是表示在第三实施例的燃料电池系统100B中、在燃料电池10的运转结束时 执行的吹扫处理的处理顺序的流程图。图10除追加了步骤S15的判定处理以及步骤S90 的冻结防止处理这方面之外，与图5大致相同。
[0120] 在步骤S10中，吹扫处理执行部21执行作为判定是否需要对燃料电池10执行吹 扫的第一判定处理的外部气温判定。具体而言，如在第一实施例中已说明的那样，基于当前 的外部气温，判定是否存在外部气温达到冰点的可能性。当在步骤S10中判定为外部气温 比规定的温度高而使得达到冰点的可能性低时，吹扫处理执行部21不对燃料电池10执行 吹扫地结束该吹扫处理。
[0121] 当在步骤S10中判定为外部气温为规定的温度以下而使得达到冰点的可能性高 时，吹扫处理执行部21在步骤S15中执行对是否需要执行吹扫进行判定的第二判定处理。 在此，在燃料电池10内部的水分量少的情况下，即便执行燃料电池10的吹扫，也几乎不存 在被排出的水分，吹扫的执行没有效率。于是，在第三实施例的燃料电池系统100中，在步 骤S15中基于残留在燃料电池10内部的水分量来判定是否需要执行吹扫。
[0122] 吹扫处理执行部21使用残留水量检测部22检测到的各单电池11内部的水分量， 判定在各单电池11中是否存在比规定量多的水分量、即是否存在通过吹扫能够排出的水 分量。具体而言，例如，当在至少一个单电池11中检测到规定量以上的水分量时，吹扫处理 执行部21可以判定为吹扫的必要性高。
[0123] 当在步骤S15中判定为在燃料电池10中存在通过吹扫能够排出的水分量时，在步 骤S20、S30中，吹扫处理执行部21执行燃料电池10的吹扫。接着，在执行步骤S20、S30的 吹扫之后，执行与在第一实施例中已说明的残留水排出处理相同的残留水排出处理，之后 结束吹扫处理的执行（步骤S40?S80)。
[0124] 另一方面，当在步骤S15中未检测到存在通过吹扫能够排出的水分量时，吹扫处 理执行部21不执行吹扫而使冻结防止处理执行部23开始执行步骤S90的冻结防止处理。 步骤S90的冻结防止处理是用于抑制在燃料电池10的运转停止中外部气温达到冰点而在 燃料电池10的内部产生使燃料电池10的起动性降低的冻结这种情况的处理。
[0125] 图11是表示冻结防止处理的处理顺序的流程图。即便是在吹扫处理（图10)的 步骤S15中判定为在燃料电池10的内部不存在通过吹扫被排出那样的水分量的情况，在发 电部GA中仍有可能存在能够因冻结而堵塞气体的扩散路径这种程度的水分。在该冻结防 止处理中，通过执行与在吹扫处理中执行的残留水排出处理相同的残留水排出处理，使如 上所述有可能堵塞发电部GA中的气体的扩散路径的水分向发电部GA的外部移动，从而抑 制发电部GA中产生冻结。
[0126] 在直至再次开始燃料电池10的运转为止的期间，冻结防止处理执行部23通过外 部气温传感器80定期检测外部气温（步骤S100、S110)。而且，在外部气温达到冰点下的 情况下或降低至比冰点高数°C左右的温度的情况下，执行步骤S120以后的处理，在检测到 燃料电池10的起动要求的情况下，结束冻结防止处理。
[0127] 在步骤S120中，冻结防止处理执行部23开始向燃料电池10中封入压缩空气。具 体而言，冻结防止处理执行部23在关闭了阴极排气配管41的排出阀43的状态下，打开阴 极气体配管31的供给阀34,使空气压缩机32驱动。在步骤S130中，在检测到燃料电池10 的内部压力达到了规定的压力时，冻结防止处理执行部23执行步骤S140?S160的残留水 排出处理。
[0128] 在步骤S140中，冻结防止处理执行部23使空气压缩机32的驱动停止，并且，关闭 供给阀34,将燃料电池10密封。另外，在步骤S120?S140中，优选以比执行吹扫时的能量 小的能量来驱动空气压缩机32。
[0129] 在步骤S150中，在保持燃料电池10的内压不变的状态下待机规定的时间。在步 骤S160中，打开供给阀34,以便向阴极气体配管31释放压力，使发电部GA的水分向供给用 歧管Ml移动。在自步骤S160的压力释放起经过了规定的时间（例如数秒左右）时，冻结 防止处理执行部23关闭供给阀34 (步骤S170、S180)，结束冻结防止处理。
[0130] 如上所述，若为第三实施例的燃料电池系统，则在规定量以上的水分存在于燃料 电池10的内部时，执行吹扫和残留水排出处理，在仅存在比规定量少的水分时，仅执行残 留水排出处理。因此，可以抑制因执行徒劳无益的吹扫而导致系统效率降低，并且可以使存 在于运转停止后的燃料电池10内部的水分量可靠地降低，从而可以高效地抑制燃料电池 10的起动性降低。
[0131] D.变形例：
[0132] 另外，本发明并不限于上述实施例和实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以 各种形态来实施，例如也可以进行如下所述的变形。
[0133] D1.变形例 1 :
[0134] 在上述实施例中，燃料电池10使阴极侧的供给用歧管Ml处于重力方向下侧、使排 出用歧管M2处于重力方向上侧地配置。但是，燃料电池10并不限于该配置方向，也能够以 其他的配置方向来配置。
[0135] D2.变形例 2 :
[0136] 在上述实施例中，在残留水排出处理前的吹扫中，使作为吹扫气体的压缩空气在 发电部GA中沿与重力方向相反的方向流动。但是，在残留水排出处理前的吹扫中，也可以 使吹扫气体在发电部GA中沿重力方向流动。在该情况下，在执行吹扫之后，通过执行残留 水排出处理，也可以使通过吹扫未被排出的水分向发电部GA的外部移动。
[0137] D3.变形例 3 :
[0138] 在上述实施例中，对燃料电池10的阴极侧执行残留水排出处理。但是，残留水排 出处理也可以对燃料电池10的阳极侧执行。
[0139] D4.变形例 4 :
[0140] 在上述第一实施例中，在步骤S10中，基于外部气温判定是否需要执行吹扫。但 是，是否需要执行吹扫也可以通过其他的判定基准来执行。例如，既能够以残留在运转停止 后的燃料电池10内部的水分量为基准来进行判定，也能够根据燃料电池10运转中的发电 量等、燃料电池10的运转状态的履历来进行判定。
[0141] D5.变形例 5:
[0142] 在上述第二实施例中，多次重复地执行打开排出阀43以便向阴极排气配管41释 放燃料电池10的压力的残留水排出处理。但是，在上述第二实施例中，也可以多次重复地 执行打开供给阀34以便向阴极气体配管31释放燃料电池10的压力的、与第一实施例相同 的残留水排出处理。
[0143] D6.变形例 6 :
[0144] 在上述第三实施例中，吹扫处理执行部21基于阻抗计测部10的计测值，检测残留 在燃料电池10内部的水分量。但是，吹扫处理执行部21也可以通过其他方法来检测残留 在燃料电池10内部的水分量。例如，吹扫处理执行部21也可以基于依据燃料电池10的发 电量生成的水量以及从燃料电池10排出的液体水的排出量，计算燃料电池10内部的水分 量。
[0145] D7.变形例 7 :
[0146] 在上述第三实施例中，执行了打开供给阀34以便向供给用歧管Ml释放压力的残 留水排出处理。但是，在第三实施例的残留水排出处理中，也可以如第二实施例那样打开排 出阀43以便向排出用歧管M2释放压力。另外，在上述第三实施例中，也可以如第二实施例 那样多次重复地执行残留水排出处理。
[0147] 附图标记说明
[0148] 1电解质膜
[0149] 2阴极（第一电极）
[0150] 3阳极（第二电极）
[0151] 5膜电极接合体
[0152] 10阻抗计测部
[0153] 10燃料电池
[0154] 11单电池
[0155] 12阴极气体流路
[0156] 13阳极气体流路
[0157] 14连通路
[0158] 20控制部
[0159] 21吹扫处理执行部
[0160] 22残留水量检测部
[0161] 23冻结防止处理执行部
[0162] 30阴极气体供给系统
[0163] 31阴极气体配管
[0164] 32空气压缩机
[0165] 33空气流量计
[0166] 34供给阀
[0167] 40阴极气体排出系统
[0168] 41阴极排气配管
[0169] 43排出阀
[0170] 44压力计测部
[0171] 50阳极气体供给系统
[0172] 51阳极气体配管
[0173] 52储氢罐
[0174] 53开闭阀
[0175] 54调节器
[0176] 55氢供给装置
[0177] 56压力计测部
[0178] 60阳极气体循环排出系统
[0179] 61阳极排气配管
[0180] 62气液分离部
[0181] 63阳极气体循环配管
[0182] 64氢循环用泵
[0183] 65阳极排水配管
[0184] 66排水阀
[0185] 67压力计测部
[0186] 70制冷剂循环供给系统
[0187] 71制冷剂用配管
[0188] 71a上游侧配管
[0189] 71b下游侧配管
[0190] 71c旁通配管
[0191] 72散热器
[0192] 73三通阀
[0193] 75制冷剂循环用泵
[0194] 76a、76b制冷剂温度计测部
[0195] 80外部气温传感器
[0196] 81阻抗计测部
[0197] 100、100B燃料电池系统
[0198] GA发电部
[0199] Μ 水分
[0200] Ml供给用歧管
[0201] M2排出用歧管
[0202] M3供给用歧管
[0203] M4排出用歧管
【权利要求】
1. 一种燃料电池系统，其特征在于，具有： 燃料电池，所述燃料电池具有供给气体歧管、排出气体歧管、以及配置有与所述供给气 体歧管和所述排出气体歧管连接的气体流路的发电部； 气体供给部，所述气体供给部使气体流入所述供给气体歧管； 供给阀，所述供给阀能够密封所述供给气体歧管； 排出阀，所述排出阀能够密封所述排出气体歧管；以及 控制部，所述控制部执行残留水分排出处理，在所述残留水分排出处理中：在所述燃料 电池的运转停止后，关闭所述供给阀以及所述排出阀，在所述燃料电池内以规定的压力密 封来自所述气体供给部的气体，在待机规定的时间之后，打开所述供给阀或所述排出阀，以 使残留在所述发电部的所述气体流路中的水分向所述供给气体歧管或所述排出气体歧管 移动。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述燃料电池使所述供给气体歧管处于重力方向下侧、使所述排出气体歧管处于重力 方向上侧地配置，以使所述气体流路的上游侧成为重力方向下侧、所述气体流路的下游侧 成为重力方向上侧， 所述残留水分排出处理是打开所述供给阀以使残留在所述发电部的所述气体流路中 的水分移动到所述供给气体歧管的处理。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 在所述燃料电池的运转停止后，所述控制部利用来自所述气体供给部的气体，执行对 所述燃料电池内部进行扫气的扫气处理， 在执行所述扫气处理之后，所述控制部执行所述残留水分排出处理。
4. 如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具有水分量检测部，所述水分量检测部在运转停止时检测残留在所述燃料电池内部 的水分量， 所述控制部根据所述水分量决定是（i)执行所述扫气处理和所述残留水分排出处理 双方、还是（ii)执行所述残留水分排出处理而不执行所述扫气处理。
5. 如权利要求1?4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述控制部多次重复地执行所述残留水分排出处理。
6. -种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有燃料电池，该燃料电池具有供 给气体歧管、排出气体歧管、以及配置有与所述供给气体歧管和所述排出气体歧管连接的 气体流路的发电部，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具有： (a) 在所述燃料电池的运转停止后，将所述供给气体歧管和所述排出气体歧管密封，使 所述燃料电池内保持在规定的压力而待机规定的时间的步骤；以及 (b) 打开所述供给气体歧管或所述排出气体歧管，以使残留在所述发电部的所述气体 流路中的水分向所述供给气体歧管或所述排出气体歧管移动的步骤。
【文档编号】H01M8/04GK104160538SQ201280071185
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年3月8日 优先权日:2012年3月8日
【发明者】荒木康, 浜田仁, 竹内弘明 申请人:丰田自动车株式会社