JP2006134670A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料ガス流路４および酸化剤ガス流路５を有し、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池２と、ポンプ２１に一端側が接続すると共に途中の連結点Ｃ（分岐点）で分岐し、他端側が燃料ガス流路４と酸化剤ガス流路５とにそれぞれ接続した掃気ガス供給配管と、を備え、燃料電池２の停止時または起動時に、燃料ガス流路４および酸化剤ガス流路５に掃気ガスを供給し掃気する燃料電池システム１Ａであって、連結点Ｃより下流側であって、燃料ガス流路４および酸化剤ガス流路５の一方側に、背圧を制御する背圧弁２４Ａを、さらに備え、背圧弁２４Ａが、背圧を制御することによって、一方側と他方側とに掃気ガスを分配する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。

このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝縮する。ゆえに、燃料電池が冬季や寒冷地で使用された場合などであって、燃料電池を停止した後に氷点下に曝されると、燃料電池内が凍結してしまう場合がある。

そこで、このような燃料電池内の凍結を防止するために、燃料電池の停止時または起動時に、燃料電池内の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路を、非加湿の空気（掃気ガス）で掃気（空気パージ）を行う燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−３３１８９３号公報（段落番号００１２〜００３３、図１）

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路に掃気ガスをそれぞれ供給するために、２つの開閉弁を備えており、軽量化、小型化などが要求される燃料電池自動車などの分野では、好ましいものでなかった。

そこで、本発明は、簡易な構成で燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、掃気ガス源に一端側が接続すると共に途中の分岐点で分岐し、他端側が前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とにそれぞれ接続した掃気ガス供給配管と、を備え、燃料電池の停止時または起動時に、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する燃料電池システムであって、前記分岐点より下流側であって、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側に、圧力を制御する圧力制御手段を、さらに備え、当該圧力制御手段が、圧力を制御することによって、前記一方側と他方側とに掃気ガスを分配することを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、「掃気ガス」とは、燃料電池内の水などを、燃料電池外に押し出し、燃料電池内を掃除するための所定圧力のガスであり、例えば、空気、窒素などである。そして、「掃気する」とは掃気ガスを燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に導入し、燃料電池内の水などを、燃料電池外に押し出すことである。

「掃気ガス供給配管の分岐点の下流側であって、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側の圧力制御手段」とは、「燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側」が「酸化剤ガス流路側」である場合は、圧力制御手段は、「分岐点と酸化剤ガス流路との間の掃気ガス供給配管」、「酸化剤ガス流路の途中」、および、「酸化剤ガス流路の下流側」のいずれの位置であってもよいことを意味する。
これに対し、「燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側」が「燃料ガス流路側」である場合は、圧力制御手段は、「分岐点と燃料ガス流路との間の掃気ガス供給配管」、「燃料ガス流路の途中」、および、「燃料ガス流路の下流側」のいずれの位置であってもよいことを意味する。
なお、後記する第１実施形態では、「燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側」が「酸化剤ガス流路５側」であって、圧力制御手段（背圧弁２４Ａ）が、「酸化剤ガス流路５の下流側」に位置する場合について説明する（図１参照）。

このような燃料電池システムによれば、掃気ガス供給配管の分岐点より下流側、且つ、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側に、圧力制御手段を備えることでシステムを簡易に構成できる。
そして、この圧力制御手段が圧力を制御することによって、掃気ガス供給配管の分岐点において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側と他方側とに掃気ガスを分配し、燃料電池を好適に掃気することができる。

請求項２に係る発明は、前記圧力制御手段と前記分岐点との間の流路の最小流路断面積は、前記他方側の流路の最小流路断面積より大きく、前記圧力制御手段の非制御時は、当該圧力制御手段側への掃気ガス流量が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

ここで、「圧力制御手段の非制御時」とは、圧力が制御されておらず、「圧力制御手段の上流側と下流側の圧力が同一であるとき」である。

このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段側（一方側）の流路の最小流路断面積は、他方側の最小流路断面積より大きく、圧力制御手段の非制御時には、圧力制御手段側に多量の掃気ガスが流れる。
これにより、例えば、圧力制御手段の初期状態が、圧力制御手段の上流側と下流側との圧力が同一となるように設定されている場合（例えば圧力制御手段である背圧弁が全開である場合）、圧力制御手段により背圧を高める方向に制御すると、圧力制御手段側（一方側）に掃気ガスが流れにくくなり、他方側に掃気ガスが流れる。すなわち、圧力制御手段を制御することで、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側と他方側とへの掃気ガスの分配を、幅広い範囲において、さらに好適に制御することができる。
一方、圧力制御手段の初期状態が、圧力制御手段の上流側の圧力が下流側より高くなるように設定されている場合（例えば圧力制御手段である背圧弁が略全閉である場合）、圧力制御手段を背圧を低下させる方向に制御すると、圧力制御手段側に掃気ガスが流れやすくなる。

請求項３に係る発明は、前記圧力制御手段は、前記酸化剤ガス流路の下流側に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が酸化剤ガス流路の下流側に位置することにより、前記した作用効果に加えて、燃料電池の通常の発電時に、圧力制御手段により背圧、つまり、燃料電池の酸化剤ガス流路内の圧力を調整することができる。すなわち、燃料電池の酸化剤ガス流路の圧力と、電解質膜を隔てた燃料ガス流路内の圧力とのバランスを調整することができる。

本発明によれば、簡易な構成で燃料電池を好適に掃気可能とする燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る燃料電池システムについて、図１および図２を参照して説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車の停止時（燃料電池２の停止時）に、背圧弁２４Ａ（圧力制御手段）で背圧（圧力）を制御することによって、掃気ガス（非加湿空気）を、連結点Ｃ（分岐点）において、燃料電池２の酸化剤ガス流路５側（一方側）と燃料ガス流路４側（他方側）とに分配するシステムである。

図１に示すように、燃料電池システム１Ａは、燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に水素ガス（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系と、燃料電池２のカソード側に加湿空気（酸化剤ガス、反応ガス）または掃気ガス（非加湿空気）を供給・排出するカソード系と、掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気系と、温度センサ５１と、これらを制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、制御装置）を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に水素ガス（燃料ガス）、加湿空気（酸化剤ガス）を供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などが燃料ガス流路４、酸化剤ガス流路５として機能している。燃料ガス流路４には水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、酸化剤ガス流路５には、加湿空気が流通し、この流通する加湿空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、加湿空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池２から大きな電力を取り出し可能となっている。

＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池２のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１、エゼクタ１２、開閉式のパージ弁１３を主に備えている。

まず、アノード系の水素ガス供給側を説明すると、水素タンク１１は配管１１ａを介して下流側のエゼクタ１２に接続しており、エゼクタ１２は配管１２ａを介して燃料電池２の水素導入口４ａに接続している。そして、水素タンク１１から、エゼクタ１２を介して、燃料電池２の燃料ガス流路４に水素ガスを供給可能となっている。また、水素タンク１１とエゼクタ１２との間の配管１１ａには、エゼクタ１２に向かって、遮断弁、減圧弁（ともに図示しない）が順に設けられており、水素ガスを適宜に遮断、所定に減圧可能となっている。

次に、アノード系の水素ガス排出側について説明すると、パージ弁１３は、燃料ガス流路４に連通する水素排出口４ｂに、配管１３ａを介して接続している。また、パージ弁１３は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１はパージ弁１３を適宜に開閉可能となっている。

配管１３ａはその途中位置で分岐しており、分岐した部分は水素ガス供給側のエゼクタ１２に接続している。これにより、燃料電池２の通常の発電時は、パージ弁１３を閉じて、燃料電池２から排出された水素ガス（アノードオフガス、燃料ガス）を水素ガス供給側に戻す（循環させる）ことによって、水素ガスを効率的に利用可能となっている。一方、発電によりアノードオフガス中の水分が多くなった場合などは、パージ弁１３を開き、含水量の高いアノードオフガスを系外に排出（パージ）可能となっている。

＜カソード系＞
カソード系は、燃料電池２のカソード側に配置し、主として、空気（通常発電時は加湿空気、掃気時は非加湿空気である掃気ガス）を供給・排出する系であり、ポンプ２１（コンプレッサ）、流量計２２、圧力計２３、背圧弁２４Ａ（圧力制御手段、背圧制御手段）を主に備えている。

まず、カソード系の空気供給側について説明すると、ポンプ２１は配管２１ａを介して下流側の流量計２２に接続しており、流量計２２は配管２２ａを介して燃料電池２の空気導入口５ａに接続している。

ポンプ２１は、外気を取り込み、所定に圧縮して、燃料電池２に送るための機器である。ポンプ２１は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１はポンプ２１を所望に制御可能となっている。
なお、第１実施形態に係るポンプ２１は、特許請求の範囲における「掃気ガス源」に相当する。

流量計２２は、燃料電池２の掃気時に、燃料ガス流路４側に実際に流れるアノード掃気ガスの流量（アノード掃気ガス流量Ｑ１１）と、酸化剤ガス流路５側に実際に流れるカソード掃気ガスの流量（カソード掃気ガス流量Ｑ１２）の合計である合計掃気ガス流量Ｑ１３を検出可能となっている。そして、流量計２２は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１は、合計掃気ガス流量Ｑ１３を監視可能となっている。

配管２１ａの途中位置には、加湿器（図示しない）が設けられている。燃料電池２の通常の発電時には、この加湿器により、ポンプ２１からの空気を所定に加湿可能となっている。一方、燃料電池２の掃気時には、この加湿器による加湿を停止し、下流側に掃気ガス（非加湿空気）を供給可能となっている。

圧力計２３は、配管２２ａに設けられており、燃料電池２の掃気時において、実際に流れる掃気ガスの圧力（掃気ガス圧力Ｐ１）を検出可能となっている。また、圧力計２３は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１は、掃気ガス圧力Ｐ１を監視可能となっている。

流量計２２と圧力計２３との間であって、配管２２ａの途中の連結点Ｃには、後記する掃気系の配管４１が連結している。したがって、燃料電池２の掃気時に、ポンプ２１からの掃気ガスを、連結点Ｃ（分岐点）において、燃料ガス流路４側へのアノード掃気ガスと、酸化剤ガス流路５側へのカソード掃気ガスとに分配可能となっている。

次に、カソード系の空気排出側について説明すると、背圧弁２４Ａは、酸化剤ガス流路５に連通する空気排出口５ｂに、配管２４ａを介して接続している。そして、燃料電池２から排出された空気（発電時はカソードオフガス、掃気時は掃気ガス）は、配管２４ａ、背圧弁２４Ａを介して系外に排出されるようになっている。また、背圧弁２４Ａの開度を調整することで、背圧（＝背圧弁２４Ａの上流側の圧力）を適宜に制御可能となっている。また、背圧弁２４Ａは、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１は背圧弁２４Ａを所望に制御可能となっている。

また、背圧弁２４Ａが、酸化剤ガス流路の下流側に位置することによって、燃料電池２の通常の発電時に、背圧弁２４Ａの背圧、つまり、燃料電池２の酸化剤ガス流路５内の圧力を調整することができる。すなわち、燃料電池２の通常の発電時に、背圧弁２４Ａにより、燃料電池２の酸化剤ガス流路５の圧力と、電解質膜３を隔てた燃料ガス流路４内の圧力とのバランスを調整することもできる。

＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池２の掃気時に、掃気ガス（非加湿空気）を、カソード系からアノード系に導く系であり、配管４１と開閉弁４２を主に備えている。

配管４１の一端は、前記したカソード系の配管２２ａの連結点Ｃ（分岐点）に連結している。配管４１の他端は、アノード系の配管１２ａに連結している。
開閉弁４２は、配管４１の途中位置に設けられており、配管４１内の流通を適宜に遮断可能となっている。また、開閉弁４２は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１は開閉弁４２を所望に制御可能となっている。

したがって、燃料電池２の通常の発電時は開閉弁４２を閉じ、一方、燃料電池２の掃気時は、開閉弁４２を開くことで、連結点Ｃ（分岐点）から掃気ガス（非加湿空気）を配管４１内に導入し、配管４１、配管１２ａを介して、燃料ガス流路４に供給可能となっている。

ゆえに、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいて、特許請求の範囲における「掃気ガス供給配管」は、カソード系の配管２１ａおよび配管２２ａと、掃気系の配管４１と、アノード系の配管１２ａの一部とで構成されている。すなわち、第１実施形態に係る「掃気ガス供給配管」の一端側は、掃気ガス源であるポンプ２１に接続している。そして、「掃気ガス供給配管」は、途中の連結点Ｃ（分岐点）で分岐しており、他端側は、燃料ガス流路４と酸化剤ガス流路５とにそれぞれ接続している。

また、配管４１は、カソード系の配管２１ａ、２２ａ、２４ａより細く設定されている。さらに説明すると、カソード系の配管２１ａ、２２ａ、２４ａ内の最小流路断面積は、配管４１内の最小流路断面積よりも大きく設定されている。
言い換えると、アノード系のパージ弁１３、カソード系の背圧弁２４Ａ、掃気系の開閉弁４２が全開のとき、連結点Ｃからアノード系のパージ弁１３の下流側の大気出口までの圧力損失と、連結点Ｃからカソード系の背圧弁２４Ａの下流側の大気出口までの圧力損失とは、後者のカソード側の圧力損失の方が小さくなるように設定されている。

これにより、背圧弁２４Ａの非制御時には、連結点Ｃから酸化剤ガス流路５側（＝背圧弁２４Ａ側）へのカソード掃気ガス流量Ｑ１２が、連結点Ｃから燃料ガス流路４側へのアノード掃気ガス流量Ｑ１１より大きくなっている。したがって、背圧弁２４Ａで背圧を制御することで、カソード掃気ガス流量Ｑ１２とアノード掃気ガス流量Ｑ１１との分配を、幅広い範囲で調整可能となっている。

＜外気用温度センサ＞
温度センサ５１は、燃料電池自動車の適所に設けられており、外気温度Ｔ０を検出可能となっている。温度センサ５１は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１は、外気温度Ｔ０を監視可能となっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池２の掃気を制御する機能を主に有している。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路、各種記憶媒体などを含んで構成され、制御部６１（背圧弁制御手段）と、掃気データ記憶部６２（掃気データ記憶手段）を主に備えている。また、ＥＣＵ６０は、燃料電池自動車の起動スイッチであるイグニションスイッチ（以下、ＩＧＳＷ）に連動するようになっている。

［制御部］
制御部６１の出力側は、カソード系の背圧弁２４Ａと電気的に接続しており、制御部６１は、背圧弁２４Ａの開度を適宜に制御して、背圧を所望に調整可能となっている。なお、制御部６１は背圧弁２４Ａを制御せず（背圧弁２４Ａの開度が全開）、背圧弁２４Ａの上流側と下流側の圧力を同一にすることも可能となっている。このように背圧弁２４Ａの開度が全開であるときを、第１実施形態では「背圧弁２４Ａの非制御時、初期状態」とする。

その他、制御部６１の出力側は、カソード系のポンプ２１と電気的に接続しており、制御部６１はポンプ２１を所望に制御可能となっている。さらに、制御部６１の出力側は、アノード系のパージ弁１３と、掃気系の開閉弁４２とに電気的に接続しており、制御部６１はこれらを所望に制御可能となっている。

制御部６１の入力側は、カソード系の流量計２２および圧力計２３と、温度センサ５１とに電気的に接続しており、制御部６１は、実際の合計掃気ガス流量Ｑ１３、掃気ガス圧力Ｐ１、外気温度Ｔ０を監視可能となっている。
そして、制御部６１は、実際の合計掃気ガス流量Ｑ１３と後記する目標合計掃気ガス流量Ｑ３、実際の掃気ガス圧力Ｐ１と後記する目標掃気ガス圧力Ｐ０と、をそれぞれ比較して、ポンプ２１および背圧弁２４Ａの制御に従って、予定通りにアノード掃気ガス、カソード掃気ガスが供給されているか否かを判定する機能を有している。
また、制御部６１は、外気温度Ｔ０に基づいて、掃気が必要であるか否かを判定する機能を有している。

さらに、制御部６１は、掃気データ記憶部６２と電気的に接続しており、後記する「掃気データＡ」を適宜に参照可能となっている。そして、制御部６１は、参照した「掃気データＡ」に基づいて、ポンプ２１、背圧弁２４Ａを制御可能となっている。

［掃気データ記憶部］
掃気データ記憶部６２には、「掃気データＡ」が記憶されている。「掃気データＡ」は、予備試験などにより求められた、燃料電池２の掃気時における「目標掃気ガス圧力Ｐ０、目標アノード掃気ガス流量Ｑ１、目標カソード掃気ガス流量Ｑ２、目標合計掃気ガス流量Ｑ３」を含んでいる。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図１に加えて、図２を併せて参照しつつ説明する。

燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＦＦされると（Ｓ１）、制御部６１はアノード系の遮断弁（図示しない）を閉じ、燃料電池２への水素ガスの供給を停止する。また、制御部６１は、ポンプ２１を稼動したまま、カソード系の加湿器（図示しない）による加湿を停止し、下流側に掃気ガス（非加湿空気）を供給する。

ステップＳ２においては、制御部６１は、燃料電池２の掃気が必要であるか否かを判定する。具体的には、温度センサ５１が検出した外気温度Ｔ０が０℃以下であるか否かを判定する。これは、外気温度Ｔ０が０℃以下の場合、燃料電池２内が凍結する可能性が高いからである。

「外気温度Ｔ０が０℃以下であり、掃気が必要である」と判定した場合（Ｓ２、Ｙｅｓ）、制御部６１は、アノード系のパージ弁１３と、掃気系の開閉弁４２を開き、掃気ガスを燃料ガス流路４に供給する。その後、ステップＳ３に進む。
一方、「外気温度Ｔ０が０℃より高く、掃気が不要である」と判定した場合（Ｓ２、Ｎｏ）、エンドに進み、制御部６１はポンプ２１を停止し、燃料電池２が停止する。

ステップＳ３においては、制御部６１が、掃気データ記憶部６２から、予備試験等により設定された「掃気データＡ（目標掃気ガス圧力Ｐ０、目標アノード掃気ガス流量Ｑ１、目標カソード掃気ガス流量Ｑ２、目標合計掃気ガス流量Ｑ３）」を読み込む。

ステップＳ４においては、読み込んだ「掃気データＡ」の「目標掃気ガス圧力Ｐ０」と「目標合計掃気ガス流量Ｑ３」とに基づいて、ポンプ２１の回転速度と、背圧弁２４Ａの開度を決定する。

ステップＳ５においては、制御部６１は、ステップＳ４で決定したポンプ２１の回転速度と、背圧弁２４Ａの開度とに従って、ポンプ２１、背圧弁２４Ａをそれぞれ制御する。そうすると、ポンプ２１の回転速度と背圧弁２４Ａの開度に従って、背圧（＝掃気ガス圧力Ｐ１）が調整される。そして、ポンプ２１からの掃気ガスは、連結点Ｃ（分岐点）で所定に分配され、酸化剤ガス流路５側にカソード掃気ガスが、燃料ガス流路４側にアノード掃気ガスが、それぞれ供給される。

さらに説明すると、連結点Ｃの下流側かつ酸化剤ガス流路５側においては、カソード掃気ガスが配管２２ａの下流側を介して、燃料電池２の酸化剤ガス流路５に供給され、酸化剤ガス流路５が掃気される。
一方、連結点Ｃの下流側かつ燃料ガス流路４側においては、アノード掃気ガスが、配管４１、配管１２ａの下流部分を介して、燃料電池２の燃料ガス流路４に供給され、燃料ガス流路４が掃気される。

ステップＳ６においては、制御部６１は、流量計２２および圧力計２３を介して、実際に流れる合計掃気ガスの「合計掃気ガス流量Ｑ１３」、「掃気ガス圧力Ｐ１」が、「目標合計掃気ガス流量Ｑ３」、「目標掃気ガス圧力Ｐ０」をそれぞれ満たしているか否かを判定する。

実際に流れる掃気ガスが、「目標合計掃気ガス流量Ｑ３」、「目標掃気ガス圧力Ｐ０」をそれぞれ満たしていると判定した場合（Ｓ６、Ｙｅｓ）、ステップＳ７に進み、所定時間の間、掃気した後、エンドに進む。

一方、実際に流れる掃気ガスが、「目標合計掃気ガス流量Ｑ３」、「目標掃気ガス圧力Ｐ０」の少なくとも一方を満たしていないと判定した場合（Ｓ６、Ｎｏ）、ステップＳ５に戻り、制御部６１は、ポンプ２１および背圧弁２４Ａを再び制御する。

このように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、連結点Ｃ（分岐点）の下流側であって、酸化剤ガス流路５側の１つの背圧弁２４Ａの開度を制御することによって、その背圧を調整し、掃気ガスを連結点Ｃにおいて、酸化剤ガス流路５側（一方側）のカソード掃気ガスと燃料ガス流路４側（他方側）のアノード掃気ガスとに、分配することができる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図３を参照して説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

≪燃料電池システムの構成≫
図３に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態に係る背圧弁２４Ａと異なる位置に、背圧弁２４Ｂを備えている。また、燃料電池システム１Ｂは、電流電圧検出器５２をさらに備えている。

＜背圧弁＞
背圧弁２４Ｂは、配管２２ａ上であって、圧力計２３と酸化剤ガス流路５との間に配置している。すなわち、背圧弁２４Ｂは、連結点Ｃ（分岐点）と酸化剤ガス流路５との間に配置している。また、背圧弁２４Ｂは、制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１により所望に制御可能となっている。
なお、背圧弁２４Ｂの非制御時の連結点Ｃにおける掃気ガスの分配は、第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路５側（一方側）のカソード掃気ガス流量Ｑ１２が、燃料ガス流路４側（他方側）のアノード掃気ガス流量Ｑ１１より、大きくなるように設定されている。

このように、背圧弁２４Ｂが連結点Ｃ（分岐点）と酸化剤ガス流路５との間に配置しても、背圧弁２４Ｂを制御することによって、背圧を調整し、連結点Ｃにおいて、ポンプ２１からの掃気ガスを、カソード掃気ガスとアノード掃気ガスとに分配可能となっている。

＜電流電圧検出器＞
電流電圧検出器５２は、燃料電池２の出力電流、出力電圧を検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池２の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器５２は、後記するＥＣＵ６０の制御部６１と接続しており、制御部６１は、燃料電池２の出力電流、出力電圧を監視可能となっている。

したがって、制御部６１は、燃料電池２の停止時に、例えば、停止直前の燃料電池２の出力電流・出力電圧から発電状況を推定し、この推定した発電状況（つまり、発電による水の生成状況）に対応して、目標アノード掃気ガス流量Ｑ１と、目標カソード掃気ガス流量Ｑ２を設定可能となっている。

この場合には、ＥＣＵ６０の掃気データ記憶部６２に、予め「出力電流、出力電圧」と、「目標アノード掃気ガス流量Ｑ１、目標カソード掃気ガス流量Ｑ２」とか関連付けられた「掃気データＢ」を記憶されている。そして、燃料電池２の掃気時に、制御部６１は、出力電流・出力電圧に基づいて、「掃気データＢ」を参照して、掃気に必要とされる目標アノード掃気ガス流量Ｑ１、目標カソード掃気ガス流量Ｑ２を決定可能となっている。

次いで、制御部６１は、この出力電流等に基づいて決定した目標アノード掃気ガス流量Ｑ１と目標カソード掃気ガス流量Ｑ２とを合計し、目標合計掃気ガス流量Ｑ３を求め、これと目標掃気ガス圧力Ｐ０とから、ポンプ２１の回転速度、背圧弁２４Ｂの開度を決定可能となっている。

このように、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、停止前の燃料電池２の発電状況に対応して、掃気条件を好適に決定し、燃料電池２を好適に掃気することができる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る燃料電池システムについて、図４を参照して説明する。図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

≪燃料電池システムの構成≫
図４に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム１Ｃは、第１実施形態に係る背圧弁２４Ａと異なる位置に、背圧弁２４Ｃを備えている。

なお、第３実施形態に係る燃料電池システム１Ｃ、および、後記する第４実施形態に係る燃料電池システム１Ｄでは、連結点Ｃ（分岐点）の下流側であって、燃料ガス流路４側が、特許請求の範囲における「一方側」に相当する。そして、連結点Ｃの下流側であって、酸化剤ガス流路５側が、特許請求の範囲における「他方側」に相当する。
そして、背圧弁２４Ｃ（後記する第４実施形態では背圧弁２４Ｄ）の非制御時には、燃料ガス流路４側（一方側）へのアノード掃気ガス流量Ｑ１１が、酸化剤ガス流路５側（他方側）へのカソード掃気ガス流量Ｑ１２より、大きくなるように設定されている。

＜背圧弁＞
背圧弁２４Ｃは、アノード系の水素ガス排出側の配管１３ａに、パージ弁１３（図１参照）に代わって配置しており、パージ弁としての機能も有している。また、背圧弁２４Ｃは、ＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１により所望に制御可能となっている。

このように背圧弁２４Ｃが、燃料電池２のアノード系の燃料ガス流路４の下流側に配置しても、燃料電池２の掃気時に、背圧弁２４Ｃの開度を制御することで背圧を調整し、ポンプ２１からの掃気ガスを、燃料ガス流路４側（一方側）へのアノード掃気ガスと、酸化剤ガス流路５側（他方側）へのカソード掃気ガスとに、好適に分配可能となっている。

≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る燃料電池システムについて、図５を参照して説明する。図５は、第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

≪燃料電池システムの構成≫
図５に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム１Ｄは、第３実施形態に係る背圧弁２４Ｃと異なる位置に、背圧弁２４Ｄを備えている。

＜背圧弁＞
背圧弁２４Ｄは、配管４１上であって、連結点Ｃ（分岐点）と開閉弁４２との間に設けられている。すなわち、背圧弁２４Ｄは、連結点Ｃと燃料ガス流路４との間に配置している。背圧弁２４Ｄは、ＥＣＵ６０の制御部６１と電気的に接続しており、制御部６１により所望に制御可能となっている。

このように背圧弁２４Ｄが、連結点Ｃと燃料ガス流路４との間に配置しても、背圧弁２４Ｄを所望に制御することで背圧を調整し、連結点Ｃにおいて、ポンプ２１からの掃気ガスを、燃料ガス流路４側（一方側）へのアノード掃気ガスと、酸化剤ガス流路５側（他方側）へのカソード掃気ガスとに、好適に分配可能となっている。

以上、本発明の好適な各実施形態について一例を説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記各実施形態に係る構成を組み合わせたり、その他に例えば以下のような変更をすることができる。

前記した第１実施形態では、燃料電池２の停止時に掃気を行う場合について説明したが、燃料電池２の起動時に掃気を行ってもよい。

前記した第１実施形態では、背圧弁２４Ａの初期状態は全開であり、制御時に背圧弁２４Ａの開度を絞り、背圧を高める場合について説明したが、背圧弁２４Ａの初期状態は略全閉であって、制御時に背圧弁２４Ａを開き、背圧を下げる場合であってもよい。

前記した第１実施形態では、配管４１の途中位置に開閉弁４２を設け、開閉弁４２により配管４１内の流通を制御したが、その他に例えば、連結点Ｃに三方弁を設けることで、配管４１内の流通を制御してもよい。

前記した第１実施形態では、配管４１を、カソード系の配管２１ａ、２２ａ、２４ａより細くすることで、背圧弁２４Ａのソード掃気ガス流量が、アノード掃気ガス流量より大きくなるとしたが、連結点Ｃの下流側の圧力損失を調整可能であれば、配管４１が細いことに限られず、例えば、配管４１を長くすることで、燃料ガス流路４側の圧力損失を大きくしてもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 燃料電池システム
２ 燃料電池
４ 燃料ガス流路
５ 酸化剤ガス流路
１２ａ、２１ａ、２２ａ、４１ 配管（掃気ガス供給配管）
２１ ポンプ（掃気ガス源）
２２ 流量計
２３ 圧力計
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 背圧弁（圧力制御手段、背圧制御手段）
６０ ＥＣＵ
６１ 制御部
６２ 掃気データ記憶部
Ｃ 連結点（分岐点）

Claims (3)

1. 燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を有し、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、
   掃気ガス源に一端側が接続すると共に途中の分岐点で分岐し、他端側が前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とにそれぞれ接続した掃気ガス供給配管と、
   を備え、燃料電池の停止時または起動時に、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し掃気する燃料電池システムであって、
   前記分岐点より下流側であって、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の一方側に、圧力を制御する圧力制御手段を、さらに備え、
   当該圧力制御手段が、圧力を制御することによって、前記一方側と他方側とに掃気ガスを分配することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記圧力制御手段と前記分岐点との間の流路の最小流路断面積は、前記他方側の流路の最小流路断面積より大きく、前記圧力制御手段の非制御時は、当該圧力制御手段側への掃気ガス流量が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記圧力制御手段は、前記酸化剤ガス流路の下流側に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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