JP2007115581A - 燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理切替方法 - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下時に、イグニッションスイッチがオン状態とされてから短時間後にオフ状態とされた場合においても、燃料電池システムの次回の氷点下起動を確実に行えるようにする。
【解決手段】起動時の温度が所定温度Ｔａ以下の温度であってイグニッションスイッチのオフ時の温度が所定温度Ｔｂ以下（Ｓ９：ＹＥＳ）又は所定温度Ｔｃ以下（Ｓ１０：ＹＥＳ）の温度である場合、低温時短時間発電後停止要求の操作であると判断され、通常の掃気処理（Ｓ１７）から、酸化剤ガス流路に発生した水滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気した前掃気処理後、乾燥した小流量の酸化剤ガスで固体高分子電解質膜を起動性の良好な含水量とするために前記短時間より長い時間掃気を行う後掃気処理を含む２段掃気処理等を行う。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムの発電停止時又は発電停止後に、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方を空気等の掃気ガスにより掃気して氷点下起動等の次回の低温時起動に備える燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理切替方法に関する。

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（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動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。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガス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、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。

水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転停止時に、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する掃気処理技術が提案されている（特許文献１参照）。

ところで、燃料電池システムのシステム停止後に、外気温が下がり、燃料電池システムを氷点下等の低温時に燃料電池システムを起動したとき、燃料電池が暖機される前に、運転者等の操作者の都合等によりイグニッションスイッチがオフ状態にされる可能性がある。このような、低温時短時間発電後停止要求の操作（例えば、氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池システムを停止させる操作、換言すれば、氷点下で燃料電池システムをちょっと起動した後すぐに停止させる操作）がなされた場合には、上記した電解質膜の活性が十分になされないこと等を原因として、燃料電池システムが不安定になる場合があることが分かった。

この不安定さを予め取り除き、次回の安定な起動性を確保するための技術が提案されている（特許文献２参照）。

この技術では、氷点下において燃料電池システムの起動を開始した直後に、イグニッションスイッチがオフ状態とされたとき、燃料電池の温度が所定値以上になるまで燃料電池の発電の停止を禁止するように制御しているので、電解質膜の充分な活性が必ずなされることになり、次回の安定な起動性を確保することができる。

特開２００３−３３１８９３号公報（図４） 特開２００４−１５２５９９号公報

しかしながら、イグニッションスイッチがオフ状態とされた後、燃料電池の温度が所定値以上になるまで燃料電池の発電の停止を禁止するように制御した場合には、イグニッションスイッチをオフ状態にしたのに燃料電池システムが発電動作をしているという違和感を、燃料電池搭載車両等の移動体の操作者に与えるおそれがある。

この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動を可能とする燃料電池システム及び該システムにおける掃気処理切替方法を提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の一例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。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（７１）と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段（７０、３６、５４）と、前記燃料電池が起動されて発電運転中に停止要求を受けた場合に（Ｓ６：ＹＥＳ）、前記燃料電池の温度が所定温度（Ｔｂ又はＴｃ）以下であって、かつ前記停止要求に先立つ前記起動が前記所定温度以下の低温（Ｔａ）時起動であったときに、前記停止要求が低温時短時間発電後停止要求であると判定する低温時短時間発電後停止判定手段（７０：Ｓ９又はＳ１０）と、前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたとき、前記燃料電池の温度に応じて前記掃気手段による掃気処理を、前記燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理（Ｓ１７）から低温時短時間発電後停止時の掃気処理（Ｓ１８又はＳ１９）に切り替える掃気処理切替手段（７０：Ｓ１５、Ｓ１６）とを備える。

この発明によれば、低温時起動後、短時間経過時に停止要求を受けた場合、掃気切替手段により、燃料電池の温度に応じて掃気手段による掃気処理を、燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理から低温時短時間発電後停止時の掃気処理に切り替えるようにしているので、たとえ燃料電池の温度が低い場合であっても、次回の起動性を確保することが可能となり、かつ停止要求を受けた直後から適切な掃気処理を行ってシステムを停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。

この場合において、前記停止要求を受けたとき、さらに、酸化剤ガス流路水分判定手段（７０：Ｓ９）により、前記燃料電池の低温時短時間発電の結果、前記酸化剤ガス流路内に水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量の前記掃気ガスで掃気した後に、前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量の前記掃気ガスで掃気する第１掃気処理（Ｓ１８）とすることで、大流量で迅速に液滴を除去した後、小流量で固体高分子電解質膜等燃料電池構成部材の乾燥を促進することができるので、少ないエネルギーで必要充分な乾燥が可能となり、次回の低温時等の起動性を確実に確保することができる。

前記停止要求を受けたとき、またさらに、燃料ガス流路水分判定手段（７０：Ｓ１０）により、前記燃料電池の低温時短時間発電の結果、前記燃料ガス流路内にも水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記第１掃気処理に加えて、前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な前記掃気ガスで掃気する掃気処理を行う第２掃気処理（Ｓ１９）とすることで、前記酸化剤ガス流路内に加えて前記燃料ガス流路内も掃気でき、この場合においても、次回の起動性が確実になる。

この場合、前記掃気処理切替手段は、前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたときの前記燃料電池の温度が、前記低温時起動時の温度より高い第１温度（Ｔｂ）より低いときに前記第１掃気処理に切り替え、前記第１温度（Ｔｂ）より高い第２温度（Ｔｃ）より低い温度であるときに前記第２掃気処理に切り替えることで、温度検出手段という簡単な手段を利用して、酸化剤ガス流路内及び燃料ガス流路内の水分の存在を簡易に推測することができる。

なお、温度検出手段異常検出手段により温度検出手段の異常が検出されたとき、掃気処理切替手段は、第１掃気処理に切り替えることで、酸化剤ガス流路内の水分が除去され、低温時短時間発電後停止要求の操作を検知できない場合であっても、最低限、次回の低温時等の起動を確保することができる。

この発明に係る燃料電池システムにおける掃気処理切替方法は、燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（７１）と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段（７０、３６、５４）と、を備える燃料電池システムにおける掃気処理切替方法において、前記燃料電池が起動されて発電運転中に停止要求を受けた場合に（Ｓ６：ＹＥＳ）、前記燃料電池の温度が所定温度（Ｔｂ又はＴｃ）以下であって、かつ前記停止要求に先立つ前記起動が前記所定温度以下の低温（Ｔａ）時起動であったときに、前記停止要求が低温時短時間発電後停止要求であると判定する低温時短時間発電後停止判定ステップ（７０：Ｓ９又はＳ１０）と、前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたとき、前記燃料電池の温度に応じて前記掃気手段による掃気処理を、前記燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理（Ｓ１７）から低温時短時間発電後停止時の掃気処理（Ｓ１８又はＳ１９）に切り替える掃気処理切替ステップ（７０：Ｓ１５、Ｓ１６）とを備える。

この発明によれば、低温時起動後、短時間経過時に停止要求を受けた場合、掃気切替手段により、燃料電池の温度に応じて掃気手段による掃気処理を、燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理から低温時短時間発電後停止時の掃気処理に切り替えるようにしているので、たとえ燃料電池の温度が低い場合であっても、次回の起動性を確保することが可能となり、かつ停止要求を受けた直後から適切な掃気処理を行ってシステムを停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。

この場合において、前記停止要求を受けたとき、さらに、酸化剤ガス流路水分判定ステップ（７０：Ｓ９）により、前記燃料電池の低温時短時間発電の結果、前記酸化剤ガス流路内に水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量の前記掃気ガスで掃気した後に、前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量の前記掃気ガスで掃気する第１掃気処理（Ｓ１８）とすることで、大流量で迅速に液滴を除去した後、小流量で固体高分子電解質膜等燃料電池構成部材の乾燥を促進することができるので、少ないエネルギーで必要充分な乾燥が可能となり、次回の低温時等の起動性を確実に確保することができる。

前記停止要求を受けたとき、またさらに、燃料ガス流路水分判定ステップ（７０：Ｓ１０）により、前記燃料電池の低温時短時間発電の結果、前記燃料ガス流路内にも水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記第１掃気処理に加えて、前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な前記掃気ガスで掃気する掃気処理を行う第２掃気処理（Ｓ１９）とすることで、前記酸化剤ガス流路内に加えて前記燃料ガス流路内も掃気でき、この場合においても、次回の起動性が確実になる。

この場合、前記掃気処理切替ステップでは、前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたときの前記燃料電池の温度が、前記低温時起動時の温度より高い第１温度より低いときに前記第１掃気処理に切り替え、前記第１温度より高い第２温度より低い温度であるときに前記第２掃気処理に切り替えることで、温度検出手段という簡単な手段を利用して、酸化剤ガス流路内及び燃料ガス流路内の水分の存在を簡易に推測することができる。

なお、温度検出手段異常検出手段により温度検出手段の異常が検出されたとき、掃気処理切替ステップでは、第１掃気処理に切り替えることで、酸化剤ガス流路内の水分が除去され、低温時短時間発電後停止要求の操作を検知できない場合であっても、最低限、次回の低温時等の起動を確保することができる。

この発明によれば、燃料電池システムにおいて、低温時短時間発電後停止操作が行われた場合であっても、その停止要求があったときに、確実な掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動を可能にできる。

また、停止要求を受けた直後から適切な掃気処理を行ってシステムを停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。

この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４の発電電流Ｉｆにより充電される蓄電装置（エネルギストレージ）である、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタ１６と、走行用の駆動モータ等を含む負荷１８と、エアコンプレッサ３６等の補機とから構成される。ここで前記蓄電装置としては、キャパシタ１６以外にバッテリに代替することも可能であり、両方を用いることもできる。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

具体的には、図２の燃料電池セル１１４の分解斜視図に示すように、各燃料電池セル１１４は、電解質膜（固体高分子電解質膜）・電極構造体１２０と、この電解質膜・電極構造体１２０を挟持する金属のセパレータ１２２、１２４とを備える。

燃料電池セル１１４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１３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔１３２ａ、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１３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池セル１１４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１３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔１３２ｂ、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１３０ｂ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１２０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電解質膜（固体高分子電解質膜）１２０ｂと、この電解質膜１２０ｂ挟んで保持するアノード電極１２０ａ及びカソード電極１２０ｃとを備える。

アノード電極１２０ａ及びカソード電極１２０ｃ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、電解質膜１２０ｂの両面に接合されている。

セパレータ１２２の電解質膜・電極構造体１２０に対向する面１２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔１３０ａと酸化剤ガス排出連通孔１３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路ともいう。）１４６が設けられる。酸化剤ガス流路１４６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１２０ｃとの間に形成される。

セパレータ１２４の電解質膜・電極構造体１２０に対向する面１２４ａには、燃料ガス供給連通孔１３４ａと燃料ガス排出連通孔１３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路ともいう。）１４８が形成される。この燃料ガス流路１４８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１２０ａとの間に形成される。

セパレータ１２２の面１２２ｂとセパレータ１２４の面１２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔１３２ａから供給される冷却媒体を冷却媒体排出連通孔１３２ｂに導くための冷却媒体流路１５０が形成される。この冷却媒体流路１５０は、金属セパレータ１２２に設けられる複数の溝部と、セパレータ１２４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１４には、この燃料電池１４に燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、燃料電池１４に、酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

なお、水素排出口２２と空気排出口２６の近傍には、水素排出口２２内のガスの温度Ｔｈと、空気排出口２６内のガスの温度Ｔｏを検出する（測定する）温度検出手段としての温度センサ７１、７２が取り付けられている。また、燃料電池１４内の冷却媒体排出連通孔１３２ｂ（図２）の出口側近傍にも、図示はしないが、前記冷却媒体の温度を検出する（測定する）温度センサが取り付けられている。

水素供給口２０には、水素供給流路２８が連通される。この水素供給流路２８には、エゼクタ４８が設けられ、このエゼクタ４８は、高圧水素を貯留する水素タンク４２から水素供給弁４４を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路２８及び水素供給口２０を通じて燃料電池１４に供給するとともに、燃料電池１４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排出口２２に連通する水素循環流路４６から吸引して燃料電池１４に再供給する。

水素循環流路４６には、アノード電極１２０ａに溜まった水やカソード電極１２０ｃから電解質膜１２０ｂを透過してアノード電極１２０ａに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを水素パージ流路３２及び図示しない希釈ボックスを介して外部に排出して発電安定性を確保するため通常発電運転時等に適宜開放される比較的に大流量用の水素パージ弁３０が設けられる他、水素循環流路４６の図示しないキャッチタンクに溜まった水等を水素ガスを含む排出ガスとともに、排出流路５２を介して大気に排出するための比較的に小流量のドレイン弁５０が設けられている。

一方、空気供給口２４には、空気供給流路３４が連通され、この空気供給流路３４には、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ３６と、エアコンプレッサ３６から吐出される高温化された圧縮空気（高温乾燥圧縮空気）を冷却するインタークーラー（Ｉ／Ｃ）５５と、冷却された空気に水分を与えて加湿空気として吐出する加湿器５６と、インタークーラー５５及び加湿器５６をそれぞれバイパスするインタークーラーバイパス弁５７と加湿器バイパス弁５８とが接続される。

また、空気排出口２６には、エアコンプレッサ３６から空気供給流路３４及び空気供給口２４を通じて燃料電池１４に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁３８が設けられ、燃料電池１４の空気排出口２６は、この背圧制御弁３８を介し空気排出流路４０を通じて大気に連通している。

さらに、燃料電池１４の水素供給流路２８と空気供給流路３５（加湿器５６とインタークーラー５５との連通路）との間には、空気導入流路５３を介して水素供給口２０に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード掃気処理時に開放される空気導入弁５４が設けられる。

なお、背圧制御弁３８を除き、水素供給弁４４、空気導入弁５４、水素パージ弁３０、ドレイン弁５０、インタークーラーバイパス弁５７、加湿器バイパス弁５８は、それぞれオンオフ弁である。

さらに、燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２には、制御装置７０が設けられ、この制御装置７０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の前記各種弁の開閉、負荷１８の制御、エアコンプレッサ３６等の補機の制御、キャパシタ１６の充放電制御、ディスチャージ抵抗器８０のコンタクタ８２のオンオフ制御等を含め、全ての動作が制御される。

制御装置７０は、コンピュータ（ＥＣＵ）により構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、掃気手段、低温時起動対策手段、低温時短時間発電後停止判定手段、掃気処理切替手段、キャパシタ残容量検出（算出）手段、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。

なお、図１において、太い実線は電力線を示し、点線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置７０による弁制御により、基本的には、水素供給弁４４は開放され背圧制御弁３８が適量に開いた状態になっており、水素パージ弁３０及びドレイン弁５０は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁５４、インタークーラーバイパス弁５７、及び加湿器バイパス弁５８は、閉じた状態になっている。

この通常発電運転時において、水素タンク４２から供給される燃料ガスが、エゼクタ４８を介し水素供給流路２８を通じて燃料電池１４の水素供給口２０に供給される。

水素供給口２０に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１１４を構成する燃料ガス供給連通孔１３４ａを通じ燃料ガス流路１４８に沿ってアノード電極１２０ａに供給されアノード電極１２０ａに沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス排出連通孔１３４ｂを通じ水素排出口２２から排出されて水素循環流路４６に送られる。

水素循環流路４６に排出された排ガスは、エゼクタ４８の吸引作用下に、水素供給流路２８の途上に戻された後、再度、燃料電池１４内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

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、インタークーラー５５、加湿器５６を通じて加湿空気が空気供給流路３４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２４から各燃料電池セル１１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔１３０ａを通じ酸化剤ガス流路１４６に沿ってカソード電極１２０ｃに供給されカソード電極１２０ｃ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１３０ｂを通じ空気排出口２６から空気排出流路４０に排出される。

これにより、各燃料電池セル１１４では、アノード電極１２０ａに供給される燃料ガスである水素と、カソード電極１２０ｃ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説明すると、アノード電極１２０ａ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１２０ｂ内を水分を伴ってカソード電極１２０ｃ側に到達する。発生した電子は、アノード電極１２０ａから図示しない負極側ターミナルプレートを通じて発電電流Ｉｆとして出力され、電流・電圧センサ６０を介し、外部負荷｛負荷（電気負荷）１８、及びエアコンプレッサ３６の補機等｝を通じカソード電極１２０ｃに到達する。そして、電解質膜１２０ｂのカソード電極１２０ｃ側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。余剰となった水は、酸化剤ガス流路１４６内に貯留する（酸化剤ガス流路１４６内での液滴発生）。

このように燃料電池セル１１４では、アノード電極１２０ａで生成された水素イオンが電解質膜１２０ｂの中を通ってカソード電極１２０ｃ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１２０ｂは、水分を含んだ所定の湿潤の状態（所定の含水量）になっていることが必須の要件とされている。

そして、発電状態が一定時間以上継続されると、カソード電極１２０ｃ側で発生した生成水が電解質膜１２０ｂ、アノード電極１２０ａを透過して燃料ガス流路１４８側に伝達され、燃料ガス流路１４８内にも貯留されることとなる（燃料ガス流路１４８内での液滴発生）。

すなわち、燃料電池１４において発電が開始されると、最初に酸化剤ガス流路１４６に液滴が発生し、所定発電時間経過後に燃料ガス流路１４８内にも液滴が発生することになる。

このようにして、供給される両反応ガスにより燃料電池１４が発電する通常発電運転時に、燃料電池１４から取り出された発電電流Ｉｆは、燃料電池１４の電流・電圧センサ６０を介して負荷１８及びエアコンプレッサ３６（のエアコンプレッサ用駆動モータ）に供給されるとともに、キャパシタ１６の電流・電圧センサ６２を介してキャパシタ１６に供給されキャパシタ１６が充電される。なお、燃料電池１４の積算発電量が、電流・電圧センサ６０の出力に基づき、又、キャパシタ１６の残容量が、電流・電圧センサ６２の出力に基づき、制御装置７０で算出管理されメモリに記憶される。

キャパシタ１６は、制御装置７０の制御下に、燃料電池１４の発電電流Ｉｆで充電される。そして、主に、燃料電池１４の発電停止時に、キャパシタ１６に蓄えられた電力が負荷１８及びエアコンプレッサ３６に供給される。なお、燃料電池車両１２の減速時に駆動輪から負荷１８である駆動用モータに駆動力が伝達されると、駆動モータは発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、車体の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができ、負荷１８側からキャパシタ１６に電気エネルギが回生（蓄電）される。

通常発電運転時に、この燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２において、制御装置７０は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｓ等から必要電力を算出し、この算出した必要電力に基づいて燃料電池１４、負荷１８、エアコンプレッサ３６及び背圧制御弁３８等にそれぞれ制御信号を送出する等の各種制御を行う。また、制御装置７０は、負荷１８の制御及び氷点下起動制御等の低温時起動制御を確実に実施するために、電流・電圧センサ６０、６２、外気温センサ７４及び温度センサ７１、７２から、それぞれ、発電電流Ｉｆ、発電電圧（燃料電池セル１１４毎の端子電圧）Ｖｆ、キャパシタ１６に流れ込む電流、キャパシタ１６の電圧Ｖｃ、外気温Ｔａ、水素排出口２２内のガス温度Ｔｈ、空気排出口２６内のガスの温度Ｔｏの各信号を取り込む。なお、発電電圧Ｖｆは、それぞれ、燃料電池セル１１４毎の端子電圧であるが、以下の説明においては、発電電圧Ｖｆは、適宜、平均電圧、総和電圧を用いることができる。

さらに、制御装置７０には、燃料電池車両１２及び燃料電池システム１０の起動信号（始動信号）であるオン信号（燃料電池システム１０をオフ状態からオン状態にする信号）及び停止信号であるオフ信号（燃料電池システム１０をオン状態からオフ状態にする信号）を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）７６が接続されている。

基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２の掃気処理に係る動作について、図３のフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１において、制御装置７０が燃料電池システム１０（燃料電池車両１２）の起動信号であるイグニッションスイッチ７６のオン信号を検出したとき、ステップＳ２において、前回の運転停止時（イグニッションスイッチ７６のオフ時）に行われた掃気処理の種類に基づく後述する前置処理が行われる。

この前置処理の後、ステップＳ３において、燃料電池１４の発電が開始される。

次に、ステップＳ４において、燃料電池１４の温度を検出する温度検出手段、この実施形態では、水素排出口２２に取り付けられた温度センサ７１により温度（燃料電池の温度とする。）Ｔｈを検出し、その際、温度センサ７１が故障していないかどうかが判定される。なお、燃料電池１４の温度を検出するセンサとして、水素排出口２２に設けられた温度センサ７１に代替して、水素供給口２０に取り付けられた温度センサ（不図示）、冷却媒体の温度を検出する温度センサ（不図示）、又は空気排出口２６に設けられた温度センサ７２を使用することができる。

なお、このステップＳ４での温度センサ７１の故障は、出力値が得られない、出力値が変化しない、異常値であるかどうか等により判定される。なお、異常値とは、例えば、ソーク時間（燃料電池システム１０が停止して放置されていた時間）が数時間経過しているにも拘わらず、温度センサ７１から得られる温度Ｔｈと外気温センサ７４から得られる温度Ｔａとの差が所定値以上の異常に大きな値になっているとき等をいう。

温度センサ７１が故障していなかったときには、ステップＳ５において、ステップＳ４で検出した発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が所定温度（閾値）Ｔａ以下であるかどうかが判定される。ここでの、所定温度Ｔａは、例えば、低温時の目安とされる氷点である０［℃］（Ｔａ＝０）に設定される。

次いで、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が所定温度Ｔａ以下の温度であった場合（Ｔｓ≦Ｔａ）、ステップＳ６において、イグニッションスイッチ７６がオフ信号を出力したかどうかが検出される。オフ信号が検出されると、燃料電池１４の起動（ステップＳ１）後の発電運転中に停止要求を受けたと判定され、次のステップＳ７において、今回起動時点（ステップＳ１）から停止要求を受けた時点（ステップＳ６）までに燃料電池１４の発電により水分が、燃料電池１４内で発生しているかどうかが判定される。

このステップＳ７の判定は、電流・電圧センサ６０によって検出される発電電流Ｉｆと発電電圧Ｖｆと経過時間（今回起動時点から停止要求を受けた時点までの時間）により制御装置７０で算出される電力量、いわゆる積算発電量［Ｗｈ］で判定することができる。また、積算発電量に代替して、燃料電池１４の重量変化により判定することもできる。さらには、単に、前記経過時間のみで判定することもできる。いずれの場合にも、積算発電量と水分量との関係、あるいは重量変化と水分量との関係、及び経過時間と水分量との関係を予め求めて制御装置７０のメモリに格納しておき、この関係（特性）を参照して水分量（水分の発生）を検出することができる。

ステップＳ７において、例えば、前記経過時間がきわめて短いために水分が発生していないと判定された場合には、掃気処理を行う必要がないので、掃気処理を行わずに、ステップＳ８において、燃料電池システム１０の通常の停止処理（水素供給弁４４を閉じる、エアコンプレッサ３６を停止させる等の処理）が行われる。

その一方、ステップＳ７において、水分が発生していると判定されたときには、ステップＳ９において、燃料電池１４の温度Ｔｈ（今回の運転停止時である停止要求を受けた時点の温度Ｔｅとする。）を温度センサ７１により検出し、検出したイグニッションスイッチ７６をオフ状態とした直後の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、が所定温度（閾値）Ｔｂ以下であるかどうかが判定される。この所定温度Ｔｂ（Ｔａ＜Ｔｂ）は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップＳ９の判定は、発電開始からそれほど時間が経過していないため酸化剤ガス流路１４６側のみに水分が発生していて、燃料ガス流路１４８側には水分が伝達していない状態を判定するための閾値である。

なお、このステップＳ９の判定は、今回の起動時（ステップＳ１：ＹＥＳ）からイグニッションオフ時（ステップＳ６：ＹＥＳ）までに発電された積算発電量が所定積算発電量以下であるかどうかにより判定することもできる。

ステップＳ９の判定が否定的である場合、すなわち、燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が所定温度Ｔｂを超える値であった場合には、ステップＳ１０において、ステップＳ９で検出された燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、所定温度（閾値）Ｔｃ以下であるかどうかが判定される（Ｔｂ≦Ｔｅ≦Ｔｃ）。

この所定温度Ｔｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ）は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップＳ１０の判定は、酸化剤ガス流路１４６と燃料ガス流路１４８の両方に水分が発生しているかどうかを判定するためのものである。つまり、所定温度Ｔｃは、酸化剤ガス流路１４６と燃料ガス流路１４８の両方に水分が発生していることを判定するための閾値である。

ステップＳ１０の判定が肯定的である場合、また、ステップＳ９の判定が肯定的である場合には、ステップＳ６でのイグニッションスイッチ７６からのオフ信号の受信（イグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作）は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定される。そして、ステップＳ１０の判定が肯定的であった場合には、ステップＳ１１において、低温時短時間発電後停止要求に基づく掃気処理フラグＦｓとして、第２掃気処理用の値「２」を立てる（Ｆｓ＝２）。

また、ステップＳ９の判定が肯定的であった場合にも、ステップＳ６でのイグニッションスイッチ７６からのオフ信号の受信は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定され、ステップＳ１２において、低温時短時間停止要求に基づく掃気処理フラグＦｓとして、第１掃気処理用の値「１」を立てる（Ｆｓ＝１）。

さらに、ステップＳ５の判定において、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が、所定温度Ｔａ（Ｔａ＝０［℃］）を超える温度であって（Ｔｓ＞Ｔａ）、その後、ステップＳ１３において、イグニッションスイッチ７６からオフ信号を受信したとき、及びステップＳ１０の判定において、燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、所定温度Ｔｃを超える温度であった場合（Ｔｅ＞Ｔｃ）には、ステップＳ６におけるイグニッションスイッチ７６のオフ信号の受信は、それぞれ、低温時起動に該当せず、また低温時起動に該当しても充分な時間発電運転が行われていたものと判定し、それぞれ低温時短時間発電後停止要求ではないものと決定する。そのため、ステップＳ１４において、掃気処理フラグＦｓとしてフラグを立てない（Ｆｓ＝０）で、通常掃気処理用のデフォルト値のままとする。

次いで、ステップＳ１５において、掃気処理フラグＦｓが立っているかどうか判定され、掃気処理フラグＦｓが立っていた場合には、ステップＳ１６において、その掃気処理フラグＦｓの値が第１掃気処理用の値「１」か、第２掃気処理用の値「２」かが判定され、判定結果に応じて、ステップＳ１８では、第１掃気処理の２段掃気処理（後述する。）が行われ、ステップＳ１９では、第２掃気処理の３段掃気処理（後述する。）が行われる。また、ステップＳ１５において、掃気処理フラグＦｓが立っていなかった場合には、ステップＳ１７で、燃料電池１４が通常通りに停止されたときの通常掃気処理が行われる。

さらに、ステップＳ４において、温度センサ７１が故障していると判断された後、ステップＳ２０において、イグニッションスイッチ７６がオフ状態とされたときには、ステップＳ１８の２段掃気処理が行われる。

いずれかの掃気処理が行われた後、ステップＳ８のシステム停止処理が行われる。

次に、ステップＳ１７の通常掃気処理、ステップＳ１８の２段掃気処理、及びステップＳ１９の３段掃気処理の意義並びに処理内容をフローチャート及びタイムチャートを利用して説明する。

まず、図４のフローチャートを参照して、ステップＳ１３の今回のイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時短時間発電後停止要求ではないと判定した場合の、換言すれば、通常時の停止要求と判定した場合のステップＳ１７の通常掃気処理の動作について説明する。

この場合、ステップＳ１７ａにおいて、制御装置７０により水素供給弁４４が閉じられ（遮断され）燃料電池１４に対する燃料ガスの供給が停止される。

次いで、ステップＳ１７ｂにおいて、インタークーラーバイパス弁５７と加湿器バイパス弁５８が開かれて、さらにエアコンプレッサ３６の吐出空気量が増量され、大流量とされた乾燥空気が空気供給口２４から燃料電池１４内に導入される。

導入された大流量の乾燥空気により燃料電池１４内の酸化剤ガス流路１４６の生成水（液滴）等が、空気排出口２６、背圧制御弁３８、及び空気排出流路４０を介して大気に掃気用の空気とともに排出されることで、カソード側の掃気処理が開始される。

次いで、ステップＳ１７ｃにおいてディスチャージ制御が開始される。ディスチャージ制御は、燃料電池１４の燃料ガス流路１４８等に残存する燃料ガスを短時間に消費させること等を目的に行われる処理であり、この場合、コンタクタ８２が閉じられて発電電流Ｉｆの一部がディスチャージ抵抗器８０により消費される。また、ディスチャージ制御では、発電電流Ｉｆは、エアコンプレッサ３６の駆動にも使用される。

次に、ステップＳ１７ｄにおいて、所定時間経過後に、カソード側掃気処理が完了すると、ステップＳ１７ｅにおいて、エアコンプレッサ３６の作動が停止されることで、燃料電池１４に対する空気の供給が停止される。このとき、背圧制御弁３８が全開とされ、酸化剤ガス流路１４６が外気に開放される。

次いで、ステップＳ１７ｆにおいて、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆが所定電圧以下の値になったかどうかが判定され、所定電圧以下の値になったときに、ステップＳ１７ｇにおいて、コンタクタ８２が開かれ、ディスチャージ制御が終了される。

次いで、ステップＳ１７ｈにおいて制御装置７０自身、すなわちＥＣＵがスリープ状態となり、燃料電池システム１０がシステム停止状態とされる。

このように、通常掃気処理においては、ステップＳ１３においてイグニッションスイッチ７６のオフ状態を検出してから短時間で燃料電池システム１０がシステム停止状態となるので、運転者等の燃料電池車両１２の操作者に違和感を与えることがない。

次いで、燃料電池システム１０のソーク中、ステップＳ１７ｉ、Ｓ１７ｊ、Ｓ１７ｋで、それぞれ、システム温度（燃料電池１４の温度Ｔｈ）に応じた所定時間間隔毎に、制御装置７０がウエークアップして、燃料電池１４の温度Ｔｈが検出され、検出された温度Ｔｈが所定温度Ｔｄ、例えばＴｄ＝５［℃］以下であるかどうが判定され（Ｔｈ≦Ｔｄ）、結果、外気温Ｔａが低温になってきているかどうかが判定される。なお、上記所定時間間隔は予め決められた固定時間であってもよい。

ステップＳ１７ｋの判定が肯定的となった場合、外気温Ｔａが氷点下等の低温になるおそれがあると判断され、燃料電池１４内の燃料ガス流路１４８内の液滴の凍結を回避するために、ステップＳ１７ｌにおいてキャパシタ１６の電力によりエアコンプレッサ３６を駆動するとともに、空気導入弁５４を開き、エアコンプレッサ３６から吐出される高温圧縮空気をインタークーラーバイパス弁５７、空気導入流路５３、空気導入弁５４を通じ、水素供給口２０と空気供給口２４の両方から燃料電池１４の燃料ガス流路１４８と酸化剤ガス流路１４６に導入することで、アノード側の空気による掃気を開始する。

燃料電池１４内の燃料ガス流路１４８を流通した空気は、水素排出口２２から排出され、アノード側空気掃気処理開始当初は、小流量のドレイン弁５０、排出流路５２を通じて希釈状態の燃料ガス及び生成水（液滴）とともに排出され、所定時間後には、大流量の水素パージ弁３０、水素パージ流路３２を通じて生成水（液滴）とともに排出される。このようにしてアノード側掃気処理が行われる。

ステップＳ１７ｍにおいて、所定時間のアノード側掃気処理が行われた後、ステップｓ１７ｎでエアコンプレッサ３６が停止されるとともに、残りの全ての弁が閉じられてアノード側掃気処理（アノード掃気処理）が停止されて通常掃気処理が終了し、ステップＳ８で燃料電池システム１０のシステムが停止される。

このように、外気温Ｔａが下がってきたときには、燃料ガス流路１４８内を自動的に掃気することで、次回の氷点下等の低温時において、安定で確実な起動を確保することができる。

次に、図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを参照して、ステップＳ６の今回のイグニッションスイッチ７６からのオフ信号の受信が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極１２０ｃ側である酸化剤ガス流路１４６内にのみ水分が発生したと判定した場合に行われるステップＳ１８の２段掃気処理の動作について説明する。

この場合、今回のシステム停止制御及び次回の氷点下時等の低温時の確実な起動を確保するために、時点ｔ０において、イグニッションスイッチ７６のオフ信号を検出したとき、まず、ステップＳ１８ａにおいて発電電流Ｉｆによりキャパシタ１６を所定容量まで充電する（時点ｔ０〜ｔ１）。

充電が完了後、ステップＳ１８ｂにおいて、水素供給弁４４が閉じられ燃料ガスの燃料電池１４に対する供給が停止される。なお、水素供給弁４４が閉じられても、燃料ガス流路１４８には燃料ガスが残留している。この残留ガスを消費するために、ステップＳ１８ｃにおいて、空気の供給が継続される。

そのため、ステップＳ１８ｄでは、発電電流Ｉｆをエアコンプレッサ３６等の補機に供給し発電させて燃料ガスを消費させる（時点ｔ１〜ｔ２）。燃料ガスが消費されることで、燃料ガス流路１４８内のガス圧力は徐々に低下する（時点ｔ１〜ｔ２）。

次いで、ステップＳ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇで、酸化剤ガス流路１４６内の液滴を排出するための２段掃気処理第１段処理を行う（時点ｔ２〜ｔ３）。このとき、ステップＳ１８ｅでコンタクタ８２を閉じてディスチャージ抵抗器８０に発電電流Ｉｆを消費させるディスチャージ制御を開始する（時点ｔ２）。この時点ｔ２で、燃料ガス流路１４８内の燃料ガス流量は、ほとんどゼロ値になる。

次いで、ステップＳ１８ｆで、エアコンプレッサ３６から吐出される空気量を大流量に設定し（時点ｔ２）、大流量の空気を、ステップＳ１８ｇでの所定時間（時点ｔ２〜ｔ３）、酸化剤ガス流路１４６に流通させることで酸化剤ガス流路１４６に残存する液滴を排出（除去）する。なお、時点ｔ１〜ｔ３までの酸化剤ガス流路１４６内の液滴除去に必要な時間は、約２０［ｓｅｃ］である。

２段掃気処理第１段処理による酸化剤ガス流路１４６から液滴の排出後、ステップＳ１８ｈ〜Ｓ１８ｋで、燃料電池１４のカソード電極１２０ｃ側の乾燥を促進し、次回の氷点下等の低温時起動を確実にするための２段掃気処理第２段処理を行う（時点ｔ３〜ｔ５）。

このとき、ステップＳ１８ｈで、加湿器バイパス弁５８及びインタークーラーバイパス弁５７を開き、さらにステップＳ１８ｉでエアコンプレッサ３６の駆動を小さくして小流量空気量に設定し、小流量の乾燥空気を酸化剤ガス流路１４６内に供給する（時点ｔ３）。なお、ステップＳ１８ｈのバイパス弁５７、５８を開く処理は、ステップＳ１８ｆの大流量掃気処理開始時に行ってもよい。

そして、ステップＳ１８ｊにおいて、酸化剤ガス流路１４６内に小流量の乾燥空気を所定時間流通させることで、次回の低温時起動を確実にする（時点ｔ３〜ｔ５）。この所定時間は、電解質膜１２０ｂの含水量（含水率と同じ）が次回起動性から決定される最適量となるまでの所定時間とする。

具体的には、図７に示すように、次回の起動性（発電が可能になった後の最大可能出力）と電解質膜１２０ｂの含水量との間には、含水量が高からず低からずの中間状態で起動性が高くなる（最大可能出力が高くなる）関係（特性８４）があることが分かっているので、特性８４上、次回起動性が所定値以上となるまでの小流量の乾燥空気の供給時間が、ステップＳ１８ｊの所定時間に設定される。

このステップＳ１８ｊの処理は、キャパシタ１６の残容量が次回の氷点下等の低温時起動に必要となる容量まで低下したかどうかで代替判定することもできる。また、ステップＳ１８ｅで開始したディスチャージ制御は、フローチャート中には図示しないが、燃料ガス流路１４８内のガス圧力が所定値以下に下がった時点ｔ４もしくは燃料電池１４の発電電圧Ｖｆが所定値以下に下がった時点にて、コンタクタ８２が開かれ、ディスチャージ制御処理が終了させられる。

次いで、ステップＳ１８ｋにおいて、エアコンプレッサ３６の駆動が停止され、バイパス弁５７、５８が閉じられて、２段掃気処理第２段処理が終了することで２段掃気処理が終了する。

このようにして、ステップＳ６の今回のイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極１２０ｃ側である酸化剤ガス流路１４６内にのみ水が発生したと判定した場合に行われる２段掃気処理を行うことで、次回の氷点下等の低温時において安定な起動性を確保することができる。

なお、ステップＳ４において、温度センサ７１が故障していると判断された後、ステップＳ２０において、イグニッションスイッチ７６がオフ状態とされたときには、上述したステップＳ１８の２段掃気処理が行われるように制御している。この２段掃気処理を行うことにより、どのような状況下においても、次回の起動を確実に行うことができる。すなわち、仮に、氷点下等の低温時にイグニッションスイッチ７６がオフ状態にされたとしても次に説明する３段掃気処理に比較して少ないエネルギー消費により再起動ができるようになる。

次に、図８のフローチャート及び図９のタイムチャートを参照して、ステップＳ６の今回のイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極１２０ｃ側である酸化剤ガス流路１４６とアノード電極１２０ａ側である燃料ガス流路１４８の両流路に水分が発生したと判定した場合に行われるステップＳ１９の３段掃気処理の動作について説明する。

この場合、今回のシステム停止制御及び次回の氷点下時等の低温時の確実な起動を確保するために、時点ｔ１０において、イグニッションスイッチ７６のオフ状態を検出したとき、まず、ステップＳ１９ａにおいて発電電流Ｉｆによりキャパシタ１６を所定容量まで充電する（時点ｔ１０〜ｔ１１）。

充電が完了後、ステップＳ１９ｂにおいて、水素供給弁４４が閉じられ燃料ガスの燃料電池１４に対する供給が停止される。なお、水素供給弁４４が閉じられても、燃料ガス流路１４８には、燃料ガスが残留している。この残留ガスを消費するために、ステップＳ１９ｃにおいて、空気の供給が継続される。

そのため、ステップＳ１９ｄでは、発電電流Ｉｆをエアコンプレッサ３６等の補機に供給し発電させて燃料ガスを消費させる（時点ｔ１１〜ｔ１２）。燃料ガスが消費されることで、燃料ガス流路１４８内のガス圧力は徐々に低下する（時点ｔ１１〜ｔ１２）。

次いで、ステップＳ１９ｅにおいて、燃料電池システム１０から外部に排出される燃料ガスの希釈要件を満足するために、比較的に小流量のドレイン弁５０を開くとともに、空気導入弁５４を開く（時点ｔ１２）。

そして、ステップＳ１９ｆにおいて、図５のフローチャートを参照して説明したステップＳ１８ｅ〜Ｓ１８ｇの処理と同一の２段掃気処理の第１段処理、すなわち、酸化剤ガス流路１４６内の液滴を排出するための処理を行う（時点ｔ１２〜ｔ１３）。したがって、時点ｔ１２〜ｔ１３の間では、上述したように、大流量の空気が酸化剤ガス流路１４６に流通され、酸化剤ガス流路１４６に残存する液滴が排出（除去）される。この場合にも、時点ｔ１１〜ｔ１３までの酸化剤ガス流路１４６内の液滴除去に必要な時間は、約２０［ｓｅｃ］である。

なお、時点ｔ１２で空気導入弁５４が開かれているので、この時点ｔ１２以降、燃料ガス流路１４８にも空気が導入されるが、大流量の水素パージ弁３０は閉じており、小流量のドレイン弁５０が開かれているので、燃料ガス流路１４８にも、小流量の空気が導入される。この場合、ドレイン弁５０から排出流路５２を通じて排出される燃料ガスは希釈されたガスとなっている。

このようにして、酸化剤ガス流路１４６から液滴が排出され、燃料ガスも希釈して排出された時点ｔ１３から燃料ガス流路１４８からの液滴の排出（除去）処理を行う。

この場合、ステップＳ１９ｇにおいて、大流量の水素パージ弁３０を開くことで（時点ｔ１３）、希釈された燃料ガスが残る燃料ガス流路１４８内に、ステップＳ１９ｈで所定時間（時点ｔ１３〜ｔ１４）、大流量の空気が流通され、燃料ガス流路１４８内の液滴が排出（除去）される。そして、ステップＳ１９ｉにおいて、空気導入弁５４が閉じられる。

時点ｔ１２〜１４に示すように、掃気ガスである酸化剤ガスの酸化剤ガス流路１４６内流量と燃料ガス流路１４８内流量が同時に大きくならないように時間的に分けて酸化剤ガス流路１４６と燃料ガス流路１４８内の液滴を除去するようにしているので、エアコンプレッサ３６の駆動を抑制することができ、騒音を抑制することができる。結果、従来技術に比較して小型・軽量で小容量のエアコンプレッサ３６を使用することが可能となる。

次いで、ステップＳ１９ｊにおいて、図５のフローチャートを参照して説明したステップＳ１８ｈ〜Ｓ１８ｋの処理と同一の２段掃気処理の第２段処理、すなわち、燃料電池１４のカソード電極１２０ｃ側の乾燥を促進し、次回の氷点下等の低温時起動を確実にするための処理を行う（時点ｔ１４〜ｔ１５）。

このようにして、ステップＳ６の今回のイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極１２０ｃ側である酸化剤ガス流路１４６とアノード電極１２０ａ側である燃料ガス流路１４８の両流路に水が発生したと判定した場合に行われる３段掃気処理を行うことで、次回の氷点下等の低温時において安定な起動性を確保することができる。

ここで、ステップＳ２の前置処理について、図１０のフローチャートを参照して説明する。

上述したように、ステップＳ１において、イグニッションスイッチ７６のオン信号を検出したとき、ステップＳ２ａにおいて、前回の運転停止時に行われた掃気処理で、アノード側を空気で掃気を行ったかどうかがメモリから読み込まれ、つまり３段掃気処理もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていた場合には、燃料ガス流路１４８が空気により置換されているので、燃料ガス流路１４８を含むアノード系流路内に残っている酸化剤ガス、主に窒素であるが、これを排出して、起動性を確保するために、高純度の燃料ガスである水素ガスで完全に置換するための酸化剤ガスパージ処理を行う。

そのため、このステップＳ２ｂの処理では、水素供給弁４４が開かれた後、水素パージ弁３０をアノード系流路内が水素ガスで完全に置換されるまでの所定時間開放し、その後、ステップＳ３で発電が開始される。

一方、ステップＳ２ａの判定結果、３段掃気処理が行われていなかった場合もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていなかった場合、すなわち、２段掃気処理が行われていた場合もしくは通常掃気処理にてアノード側空気掃気処理が行われていなかった場合には、ステップＳ２ｃにおいて通常パージ処理が行われる。この通常パージ処理では、起動時に水素供給弁４４が開かれた後、ソーク時間に応じた所定時間（上記したステップＳ２ｂの所定時間に比較してはるかに短い時間）水素パージ弁３０を開放して、アノード系流路内を高純度の燃料ガスで置換した後、ステップＳ３での発電が開始される。

図１１は、この発明の上記した掃気処理をマップ（ルックアップテーブル）で決定する他の実施形態を説明するフローチャートである。図１１のフローチャートにおいて、図３のフローチャートに示した処理と同一の処理には、同一のステップ番号を付け、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ１において、イグニッションスイッチ７６のオン信号を検出したとき、ステップＳ２において、前回の運転停止時に行われた掃気処理の内容を参照した前置処理が行われる。

この前置処理の後、ステップＳ３において、燃料電池１４の発電が開始される。

そして、ステップＳ３１において、タイマにより、発電開始からの発電時間ｔｇが計時が開始される。なお、発電時間ｔｇに代替して、発電開始からの積算発電量を計測してもよい。

次に、ステップＳ４において、温度センサ７１が故障していないかどうかが判定される。

温度センサ７１が故障していなかったときには、ステップＳ３２において、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈが発電開始時温度Ｔｓとして検出される（Ｔｈ＝Ｔｓ）。

次いで、ステップＳ３３において、イグニッションスイッチ７６がオフ状態にされたかどうかが検出される。オフ状態が検出されると、燃料電池１４の起動（ステップＳ１）後の発電運転中に停止要求を受けたと判定され、次のステップＳ３４において、この発電停止時、正確には、イグニッションスイッチ７６がオフ状態とされた時の燃料電池１４の温度Ｔｈが発電停止時温度Ｔｅとして検出される（Ｔｈ＝Ｔｅ）。また、同時に、そのステップＳ３４において、発電開始からの発電時間ｔｇの計時が終了され、今回の発電開始時から発電停止時までの時間が発電時間ｔｇとして計測される。

次いで、ステップＳ７において、今回起動時から停止要求を受けた時点までに燃料電池１４の発電により燃料電池１４内で水分が発生しているかどうかが判定される。

このステップＳ７の判定は、上述したように、積算発電量［Ｗｈ］、又は、燃料電池１４の重量変化により判定することもできる。いずれの場合にも、積算発電量と水分量との関係、あるいは重量変化と水分量との関係（特性）を予め求め、制御装置７０のメモリに格納しておき、この特性を参照して水分量を検出することができる。

ステップＳ７において、水分が発生していないと判定された場合には、掃気処理を行わずに、ステップＳ８において、燃料電池システム１０の通常の停止処理（水素供給弁４４を閉じる、エアコンプレッサ３６を停止させる等の処理）が行われる。

その一方、ステップＳ７において、水分が発生していると判定されたときには、ステップＳ３５において、ステップＳ３４で計時終了した発電時間ｔｇが所定時間、例えば１分〜２分以下の短時間（もしくはこの短時間発電時間に対応する積算発電量以下）であったかどうかが判定される。

１分〜２分以下の時間であった場合には、ステップＳ１７の通常掃気処理が行われた後、ステップＳ８のシステム停止処理が行われる。

ステップＳ３５において、発電時間ｔｇが１分〜２分の所定時間を超える時間であった場合には、ステップＳ３３のイグニッションスイッチ７６のオフ操作が、上述した短時間発電後停止要求の操作であると判断され、次いで、ステップＳ３６で、発電開始時温度Ｔｓ及び発電停止時温度Ｔｅを座標点としてマップを検索し、掃気処理を決定する。

図１２は、検索される掃気処理決定マップ２００を示している。

基本的には、発電開始時温度Ｔｓ及び発電終了時温度Ｔｅが比較的に高い領域では通常掃気処理領域２０１に決定され、発電終了時温度Ｔｅが最も低い温度であるときに２段掃気処理領域２０２とされ、その中間では３段掃気処理領域２０３に決定される。ただし、発電開始時温度Ｔｓが０［℃］以下の温度であって所定温度以上、かつ発電停止時温度Ｔｅが０［℃］以下の温度である四角形で示した領域も２段掃気処理領域２０４とされる。

この２段掃気処理領域２０４は、空気導入弁５４が凍結していて動作しない等で、アノード掃気に必要なデバイスが凍結していると判定された場合に使用される領域である。なお、凍結していないと判定された場合には、その２段掃気処理領域２０４では、他のいずれかの領域２０１〜２０３の処理に決定される。

次いで、ステップＳ３７において、掃気処理決定マップ２００により決定した掃気処理に従う掃気処理を行う。

すなわち、ステップＳ３３のイグニッションスイッチ７６のオフの操作が低温時短時間発電後停止要求をする操作であると判定されたときには、２段掃気処理又は３段掃気処理が行われ、低温時ではないが、短時間発電後停止要求をする操作であると判定されたときには、通常掃気処理が行われる。

以上説明したように上述した実施形態によれば、燃料電池１４の発電停止時もしくは発電停止後に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１４８又は酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１４６の少なくとも１方を掃気ガス、この実施形態では空気により掃気する掃気手段（７０、３６、５４）を備える燃料電池システム１０が対象とされる。

そして、特に、燃料電池システム１０が、氷点下等の低温時に起動後短時間発電後停止された場合、発電性能が極端に悪化することあるいは最悪の場合に再起動ができないことを未然に回避する処理が行える燃料電池システム１０を対象とする。

ここで、イグニッションスイッチ７６がオン状態とされた後にイグニッションスイッチ７６がオフ状態とされたときの操作が、低温時短時間発電後停止要求に該当する操作であるかどうかの判断は、例えば、起動時（イグニッションスイッチ７６のオン時）の温度Ｔｈが所定温度Ｔａ（Ｔａ＝０［℃］）以下の温度であって（ステップＳ５：ＹＥＳ）、かつイグニッションスイッチ７６のオフ時の温度Ｔｈが所定温度Ｔｂ以下（ステップＳ９：ＹＥＳ）又は所定温度Ｔｃ以下（ステップＳ１０：ＹＥＳ）の温度である場合、低温時短時間発電後停止要求の操作であると判断されて、掃気処理切替手段としての制御装置７０により、通常の掃気処理（ステップＳ１７）から、第１掃気処理としての２段掃気処理（ステップＳ１８）又は第２掃気処理としての３段掃気処理（ステップＳ１９）に切り替えられる。

なお、制御装置７０は、図１２に示した発電開始時温度Ｔｓと発電停止時温度Ｔｅをパラメータとする掃気処理決定マップ２００を利用して２段掃気処理と３段掃気処理を選択することもできる。

また、制御装置７０は、発電により水分発生がなかった場合（ステップＳ７：ＮＯ）、もしくは水分の発生があっても極短時間発電（もしくは極短時間発電に対応する積算発電量以下）であった場合には、通常掃気処理を選択する。

ここで、２段掃気処理は、基本的には、酸化剤ガス流路１４６に発生した水滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気する前掃気処理後に、乾燥した小流量の酸化剤ガスで電解質膜１２０ｂを起動性の良好な含水量とするために前記短時間より長い時間掃気を行う後掃気処理を含む処理である。

また、３段掃気処理は、前記２段掃気処理の前後の掃気処理の間に、燃料ガス流路１４８に発生した液滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気を行う中間掃気処理を含む処理である。すなわち、３段掃気処理は、２段掃気処理に短時間のアノード電極１２０ａ側の掃気処理を加えた処理を含む処理である。

ここで、２段掃気処理及び３段掃気処理は、いずれもイグニッションスイッチ７６のオフ直後に行われる。電解質膜１２０ｂの温度が高いうちに掃気処理を行った方が、水分の蒸発が促進されるからである。

また、２段掃気処理及び３段掃気処理では、前記前掃気処理時にデスチャージ制御処理（ディスチャージ抵抗器８０を接続する。又は、発電電流Ｉｆで補機を動作させる。）を行うことで、燃料ガス流路１４８を流通する燃料ガスの消費を促進して停止時間（システム停止までの時間）の短縮化が図れる。また、エアコンプレッサ３６等の補機を燃料電池１４の残存エネルギで動作させた場合には、キャパシタ１６の使用電力を少なくすることができるので掃気エネルギを稼ぐことができる。

なお、２段掃気処理あるいは３段掃気処理では、インタークーラー５５や加湿器５６をバイパスさせて加熱空気を燃料電池１４内に供給することで燃料ガス流路１４８及び酸化剤ガス流路１４６の乾燥が促進される。

また、温度センサ７１が故障している場合には、２段掃気処理を行うことで、燃料電池システム１０が再起動できなくなるシステムの停止を回避することができる。

上述した実施形態によれば、燃料電池システムにおいて、低温時短時間発電後停止操作が行われた場合であっても、その停止操作があったときに、確実な掃気処理が行え、かつ次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動を可能にできる。

また、停止要求を受けた直後から適切な掃気処理を行って燃料電池システム１０を停止させることができるので、操作者に違和感を与えることがない。

さらに、上述した実施形態における２段掃気処理あるいは３段掃気処理は、一連の作動となっているが、各掃気の間に、例えば所定時間の待機時間を設けるようにしてもよい。

この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 燃料電池にスタックとして積層される燃料電池セルの分解斜視図である。 掃気処理の全体的動作説明に供されるフローチャートである。 通常掃気処理に係るフローチャートである。 ２段掃気処理に係るフローチャートである。 ２段掃気処理に係るタイムチャートである。 含水量と次回起動性との関係を示す特性図である。 ３段掃気処理に係るフローチャートである。 ３段掃気処理に係るタイムチャートである。 前置処理に係るタイムチャートである。 掃気処理をマップにより決定する場合のフローチャートである。 掃気処理決定マップの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６…キャパシタ
１８…負荷 ３６…エアコンプレッサ
５４…空気導入弁 ７０…制御装置
７１…温度センサ ７６…イグニッションスイッチ

Claims (6)

1. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
   前記燃料電池が起動されて発電運転中に停止要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記停止要求に先立つ前記起動が前記所定温度以下の低温時起動であったときに、前記停止要求が低温時短時間発電後停止要求であると判定する低温時短時間発電後停止判定手段と、
   前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたとき、前記燃料電池の温度に応じて前記掃気手段による掃気処理を、前記燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理から低温時短時間発電後停止時の掃気処理に切り替える掃気処理切替手段と
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記停止要求を受けたとき、前記燃料電池の低温時短時間発電により、前記酸化剤ガス流路内に水分が存在しているかどうかを判定する酸化剤ガス流路水分判定手段を備え、
   前記掃気処理切替手段は、前記酸化剤ガス流路内に水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記酸化剤ガス流路内の液滴を除去可能な大流量の前記掃気ガスで掃気した後に、前記酸化剤ガス流路内を前記大流量より少ない小流量の前記掃気ガスで掃気する第１掃気処理とする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記停止要求を受けたとき、前記燃料電池の低温時短時間発電により、前記燃料ガス流路内にも水分が存在しているかどうかを判定する燃料ガス流路水分判定手段を備え、
   前記掃気処理切替手段は、前記燃料ガス流路内にも水分が存在していると判定したとき、前記低温時短時間発電後停止時の掃気処理を、前記第１掃気処理に加えて、前記燃料ガス流路内の液滴を除去可能な前記掃気ガスで掃気する掃気処理を行う第２掃気処理とする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記掃気処理切替手段は、前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたときの前記燃料電池の温度が、前記低温時起動時の温度より高い第１温度より低いときに前記第１掃気処理に切り替え、前記第１温度より高い第２温度より低い温度であるときに前記第２掃気処理に切り替える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記温度検出手段の異常を検出する温度検出手段異常検出手段を備え、
   前記温度検出手段の異常が検出されたとき、前記掃気処理切替手段は、前記第１掃気処理に切り替える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスが流通する前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガスが流通する前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
   を備える燃料電池システムにおける掃気処理切替方法において、
   前記燃料電池が起動されて発電運転中に停止要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記停止要求に先立つ前記起動が前記所定温度以下の低温時起動であったときに、前記停止要求が低温時短時間発電後停止要求であると判定する低温時短時間発電後停止判定ステップと、
   前記低温時短時間発電後停止要求であると判定されたとき、前記燃料電池の温度に応じて前記掃気手段による掃気処理を、前記燃料電池が通常通りに停止されたときの通常掃気処理から低温時短時間発電後停止時の掃気処理に切り替える掃気処理切替ステップと
   を備える燃料電池システムにおける掃気処理切替方法。

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