JP2009211954A

JP2009211954A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009211954A
Application number: JP2008054087A
Authority: JP
Inventors: Shinya Watanabe; 真也渡邉; Minoru Uoshima; 稔魚嶋; Nobutaka Nakajima; 伸高中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JP5199701B2

Abstract

【課題】燃料電池内の圧力を検出するための圧力センサに水分が付着しにくい燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素及び空気が供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に空気を供給するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０に向かう空気を加湿する加湿器３２と、燃料電池スタック１０に向かう空気が、加湿器３２をバイパスする配管３３ａ及び配管３３ｂと、燃料電池スタック１０における空気の圧力を検出するための圧力センサ３４と、を備え、圧力センサ３４は配管３３ｂに設けられている燃料電池システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。

このような燃料電池を好適に発電させるには、そのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を構成する電解質膜（固体高分子膜）を、適度な湿潤状態で維持することが要求される。そのため、例えば、燃料電池に向かう空気を加湿する加湿器を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１、２参照）。

また、燃料電池の発電状態を監視すること、例えば、燃料電池に供給されている空気の圧力を検出することも重要である。具体的には、燃料電池の空気入口近傍に圧力センサを設け、この圧力センサが検出する圧力に基づいて、燃料電池内における空気の圧力を推定している。

特開２００７−３１７４７１号公報特開２００７−２８７５４０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、圧力センサが、加湿器で加湿された多湿の空気に曝されるので、圧力センサに水蒸気が付着し、また、圧力センサで結露水が生成し、圧力を誤検出する虞があった。
そして、このように結露水が付着したまま、燃料電池システムが低温環境下（例えば氷点下未満）に曝されると、結露水が凍結し、次回のシステム起動時において、圧力センサによる圧力検出が不能になる虞があった。

そこで、本発明は、燃料電池内の圧力を検出するための圧力センサに水分が付着しにくい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、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池に向かう反応ガスが、前記加湿器をバイパスするバイパスラインと、前記燃料電池における反応ガスの圧力を検出するための圧力センサと、を備え、前記圧力センサは前記バイパスラインに設けられていることを特徴とする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、加湿器で加湿され、燃料電池に向かう反応ガスが、バイパスラインに流れ込みにくくなる。これにより、加湿された反応ガスに含まれる水蒸気（水分）が、圧力センサに付着しにくくなる。そのため、圧力センサにおいて、圧力を誤検出しにくくなる。また、その後、低温環境下に曝されても、圧力センサで凍結が発生しにくくなり、次回起動時において、圧力センサによる圧力検出が不能となることを防止できる。

また、前記燃料電池の発電時、前記バイパスラインには非加湿の反応ガスが下流に向かって流れ、前記加湿器で加湿され当該バイパスラインを逆流する加湿後の反応ガスを、下流に向かって押すように構成されていることを特徴とする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、燃料電池の発電時、バイパスラインには非加湿の反応ガスが下流に向かって流れ、加湿器で加湿されバイパスラインを逆流する加湿後の反応ガスを、下流に向かって押す。これにより、加湿された反応ガスに含まれる水蒸気（水分）が、さらに、圧力センサに付着しにくくなる。
なお、バイパスラインを下流に向かって流れる非加湿の反応ガスの流量は、バイパスラインを逆流しようとする加湿された反応ガスが、圧力センサに到達しない程度に設定され、例えば、後記する実施形態のように微流量に設定される。

また、前記燃料電池に向かう反応ガスの流量が増加すると、前記バイパスラインを流れる非加湿の反応ガスの流量が増加するように制御する流量制御手段を備えることを特徴とする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、燃料電池に向かう反応ガスの流量が増加すると、流量制御手段が、バイパスラインを流れる非加湿の反応ガスの流量が増加するように制御する。すなわち、バイパスラインを逆流しようとする加湿後の反応ガスの流量が増加しても、これに対応して、バイパスラインを流れる非加湿の反応ガスの流量が増加し、非加湿の反応ガスが、加湿後の反応ガスを押す。
これにより、加湿後の反応ガスの流量が増加しても、これに含まれる水蒸気（水分）が、圧力センサに付着することを防止できる。

また、前記燃料電池を掃気ガスで掃気する掃気手段を備え、掃気時において、前記掃気手段から前記燃料電池に向かう掃気ガスは、前記バイパスラインを通ることを特徴とする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、燃料電池の掃気時において、掃気手段から前記燃料電池に向かう掃気ガスが、バイパスラインを通る。これにより、圧力センサにおいて、結露水が発生していたとしても、この結露水と、バイパスラインに滞留する水蒸気（水分）とは、バイパスラインを通る掃気ガスにより掃気される。
なお、掃気とは、水分等を掃気ガスによって、吹き飛ばしながら押し出すことであり、掃気ガスとしては、後記する実施形態のように、非加湿の空気の他、例えば、窒素等が使用される。

また、前記燃料電池に対する前記圧力センサの位置、前記バイパスラインの太さ、反応ガスの流量の少なくとも一つに基づいて、前記圧力センサが検出した実測圧力を補正し、前記燃料電池内の反応ガスの圧力を算出する算出手段を、備えることを特徴とする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、算出手段により、燃料電池に対する圧力センサの位置、バイパスラインの太さ、反応ガスの流量の少なくとも一つに基づいて、圧力センサが検出した実測圧力を補正し、燃料電池内の反応ガスの圧力を算出（推定）することができる。

本発明によれば、燃料電池内の圧力を検出するための圧力センサに水分が付着しにくい燃料電池システムを提供することができる。

≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態について、図１から図８を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、温度センサ２３とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（図示しない）が設けられており、この減圧弁には、カソード流路１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、前記空気の圧力とアノード流路１１における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。
そして、ＥＣＵ７０によって遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１の出口は、配管２２ｂを介して、後記する希釈器３７に接続されている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管２２ｂを介して希釈器３７に排出されるようになっている。

温度センサ２３は、配管２２ｂ内のガスの温度を、現在のシステム温度Ｔ１（又は燃料電池スタック１０の温度）として検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、温度センサ２３の位置は、これに限定されず、例えば、後記する配管３２ｂや、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が流れる配管（図示しない）に設けてもよい。また、温度センサ２３を複数設けて、誤検出を防止してもよい。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス（反応ガス）供給手段、掃気手段）と、加湿器３２と、バイパス弁３３（流量制御手段）と、圧力センサ３４と、流量センサ３５と、背圧弁３６と、希釈器３７とを備えている。

コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。

カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３６ａ、背圧弁３６、配管３６ｂを介して、希釈器３７に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３７に排出されるようになっている。
背圧弁３６は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁である。そして、背圧弁３６は、アクセルペダル６１の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ７０により、その開度が制御されるようになっている。ただし、背圧弁３６は常閉型の弁でもよい。

＜加湿器＞
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる複数の中空糸膜３２ｄを備えている。

また、コンプレッサ３１からの空気が加湿器３２をバイパスするように、配管３１ａは、配管３３ａ、常閉型のバイパス弁３３、配管３３ｂを介して、配管３２ａに接続されている（図２、図３参照）。すなわち、配管３３ａ、配管３３ｂによって、非加湿の空気をバイパスさせるバイパスラインが構成されている。

＜バイパス弁＞
バイパス弁３３は、配管３３ａ及び配管３３ｂから構成されるバイパスラインを流れる空気の流量を制御するものであり、第１実施形態では、バタフライ弁から構成されている。そして、バイパス弁３３が、ＥＣＵ７０の指令に従って開かれると、コンプレッサ３１からの空気（酸化剤ガス、掃気ガス）が、加湿器３２をバイパスし、カソード流路１２に向かうようになっている（図３参照）。

一方、システムの通常運転中、つまり、燃料電池スタック１０の発電時は、カソード流路１２に向かう空気を、加湿器３２で加湿するべく、バイパス弁３３は全閉位置に制御、つまり、閉じられる（図２参照）。

ただし、第１実施形態では、このようにバイパス弁３３が全閉位置で制御されても、ストッパ（図示しない）等に当接し、完全に閉じない構成となっている（図２参照）。そして、加湿器３２をバイパスする非加湿の空気が、配管３３ａ及び配管３３ｂを下流に向かって微量で流れ、加湿器３２で加湿され、配管３３ｂを逆流しようとする加湿後の空気を、下流に向かって押すように設計されている。
なお、バイパス弁３３が、ステッピングモータやサーボモータで作動する電動弁であれば、開度を高精度で制御でき、前記ストッパを省略することもできる。

これにより、加湿後の空気に含まれる水蒸気が、圧力センサ３４の後記する受圧部３４ａ及びガス導入管３４ｂに付着しにくく、そして、後記するガス導入口３４ｃが、結露水によって塞がりにくくなっている。このため、圧力センサ３４により、圧力を好適に検出可能となっている。

バイパス弁３３が全閉位置で制御される場合において、バイパス弁３３を通る非加湿の空気の流量、つまり、バイパス弁３３の全閉位置は、例えば、燃料電池スタック１０のアイドル時において、カソード流路１２に向かう加湿後の空気の流量を基準として、事前試験やシミュレーション等により、配管３２ａと配管３３ｂの合流点からの圧力センサ３４の位置、配管３３ｂ（バイパスライン）の太さ（内径）に基づいて設定される（図４参照）。

詳細には、圧力センサ３４が前記合流点に近くなり、また、配管３３ｂ（バイパスライン径）が太くなるほど、全閉位置においてバイパスすべき空気の量（基準バイパス流量）が多くなるように、バイパス弁３３の全閉位置は、開方向にシフトされる。

一方、アクセルペダル６１が踏み込まれ、発電要求量が増加すると、カソード流路１２への空気の流量を増加させるべく、コンプレッサ３１の回転速度が高められ、配管３３ｂを逆流しようとする加湿後の空気の流量は増加する。これに対応して、バイパスする非加湿の空気の流量が増加するように、バイパス弁３３の開度が制御される構成となっている。

＜圧力センサ＞
圧力センサ３４は、燃料電池スタック１０のカソード流路１２における空気の圧力を、間接的に検出するための、例えば半導体圧力センサであり、空気の圧力を受ける受圧部３４ａと、受圧部３４ａに動圧が作用しないように、受圧部３４ａを囲み、空気を受圧部３４ａに導く筒状のガス導入管３４ｂと、を備えている。そして、圧力センサ３４は、バイパスラインを構成する配管３３ｂに設けられており、配管３３ｂ内の圧力（実測圧力Ｐ１）をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

これにより、圧力センサ３４、つまり、受圧部３４ａ及びガス導入管３４ｂが、加湿器３２で加湿された加湿後の空気に、曝されにくくなっている。したがって、加湿後の空気に含まれる水蒸気が、受圧部３４ａ及びガス導入管３４ｂに付着しにくくなっており、ガス導入管３４ｂのガス導入口３４ｃが、水蒸気が結露して生成する結露水によって塞がれにくく、圧力を好適に検出可能となっている。さらに、システム停止後、低温環境下に曝されたとしても、結露水の凍結によってガス導入口３４ｃが塞がることはなく、その後の起動時において、圧力を好適に検出可能となっている。

＜流量センサ＞
流量センサ３５は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気の体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）を検出するセンサであり、配管３１ａに設けられている。そして、流量センサ３５は、体積流量Ｑ１を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜希釈器＞
希釈器３７は、アノードオフガスと、配管３６ｂから導入されるカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈器３７から排出されるオフガス（希釈後のガス）は、配管３７ａを介して、車外に排出されるようになっている。

＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く系であり、常閉型の掃気弁５１を備えている。掃気弁５１の上流は、配管５１ａを介して配管３１ａに接続されており、掃気弁５１の下流は、配管５１ｂを介して配管２２ａに接続されている。

そして、燃料電池スタック１０を掃気する場合、例えばシステム停止時において、温度センサ２３によって検出されるシステム温度Ｔ１が所定温度Ｔ０未満であり、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある場合、ＥＣＵ７０はコンプレッサ３１を作動すると共に、掃気弁５１を開く設定となっている。

＜アクセルペダル等＞
アクセルペダル６１は、走行要求に応じて、運転者が踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル６１は、その踏み込み量（アクセル開度）を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

ＩＧ６２は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６２はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６２のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

また、ＥＣＵ７０（算出手段）は、圧力センサ３４が検出する空気の圧力（実測圧力Ｐ１）に基づいて、カソード流路１２における空気の圧力（推定ＦＣ圧力Ｐ２）を算出（推定）する機能を備えている。
なお、ＥＣＵ７０による具体的制御内容は、以下のフローチャートを参照して詳細に説明する。

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システムの動作・効果について、図面を参照して説明する

＜燃料電池スタック発電時＞
まず、燃料電池スタック１０の通常発電時（システム通常運転時）の動作・効果について、図５から図７を参照して、説明する。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、アクセルペダル６１から入力されるアクセルペダル６１の踏み込み量（ＡＰ量）に基づいて、コンプレッサ３１の回転速度と、背圧弁３６の開度とを制御する。すなわち、アクセルペダル６１の踏み込み量が大きくなると、燃料電池スタック１０に対する発電要求量が大きくなり、これに対応して空気が供給されるように、コンプレッサ３１の回転速度は高められ、背圧弁３６の開度は閉方向に制御される。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、流量センサ３５を介して検出される空気の体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）と、図６のマップとに基づいて、加湿器３２で加湿され、配管３２ｂを逆流する空気が、圧力センサ３４に到達しないように、バイパス弁３３の開度を制御する。
すなわち、体積流量Ｑ１が増加すると、配管３２ｂを逆流する加湿後の空気の流量が増加するので、図６に示すように、加湿器３２をバイパスする非加湿の空気の流量（バイパス流量）が増加するように、バイパス弁３３の開度は開方向に制御される。

これにより、加湿後の空気が、圧力センサ３４に到達しにくくなり、ガス導入管３４ｂ及びガス導入口３４ｃ周りに、加湿後の空気に含まれる水蒸気が付着することを防止できる。
なお、図６に示すマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０（算出手段）は、圧力センサ３４が検出する配管３３ｂにおける空気の圧力（実測圧力Ｐ１）と、図７のマップとに基づいて、カソード流路１２における空気の圧力（推定ＦＣ圧力Ｐ２）を算出する。なお、図７のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

図７に示すように、圧力センサ３４の位置が、カソード流路１２の入口から遠くなると、圧力損失が大きくなるので、実測圧力Ｐ１に対して推定ＦＣ圧力Ｐ２が小さくなるように補正される。
また、配管３３ｂの内径（バイパスライン径）が細くなると、圧力損失が大きくなるので、実測圧力Ｐ１に対して推定ＦＣ圧力Ｐ２が小さくなるように補正される。
さらに、流量センサ３５が検出する体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）が多くなると、圧力損失が大きくなるので、実測圧力Ｐ１に対して推定ＦＣ圧力Ｐ２が小さくなるように補正される。

このようにして、ＥＣＵ７０は、実測圧力Ｐ１を、圧力センサ３４の位置、配管３３ｂの内径、及び、体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）に基づいて補正し、推定ＦＣ圧力Ｐ２を算出することができる。これにより、ＥＣＵ７０は、アクセルペダル６１の踏み込み量（発電要求量）に対応した圧力で、カソード流路１２に空気が供給されているか否か判定できる。
なお、圧力センサ３４の位置、配管３３ｂの太さ、及び、体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）の全てではなく、少なくとも一つに基づいて補正する構成としてもよい。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンに進み、スタートに戻る。

＜システム停止時＞
次に、燃料電池システム１のシステム停止時における動作・効果について、図８を参照して説明する。なお、ＩＧ６２がＯＦＦされると、図８のフローチャートに示す各処理がスタートする。

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。具体的には、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０と外部負荷（走行モータ等）との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ（図示しない）をＯＦＦし、遮断弁２２を閉じる。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気が必要であるか否か判定する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、温度センサ２３を介して検出されるシステム温度Ｔ１が、所定温度Ｔ０未満であるか否かを判定する。所定温度Ｔ０は、燃料電池スタック１０内が、このままではこの後凍結する虞があると判断される温度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
この他、天気予報や、カーナビゲーション等からの位置情報に基づいて、掃気が必要であるか否か、つまり、凍結する虞があるか否か判定する構成としてもよい。

システム温度Ｔ１が所定温度Ｔ０未満であり、掃気が必要であると判定した場合（Ｓ２０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０４に進む。一方、システム温度Ｔ１が所定温度Ｔ０未満でなく、掃気が必要でないと判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０２の判定後、所定時間Δｔ１（例えば３０分〜１時間）経過したか否かを判定する。
所定時間Δｔ１経過したと判定した場合（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０２に進む。これにより、発電停止直後は、低温でなかったとしても（Ｓ２０２・Ｎｏ）、その後、所定時間Δｔ１経過毎（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２で掃気が必要であるか判定されるので、凍結が防止される。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定した場合（Ｓ２０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０３の判定を繰り返す。

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気を開始する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させ、又は、その回転速度を燃料電池スタック１０の掃気用の回転速度に高めて、掃気弁５１、及び、背圧弁３６を開く。

そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）が、アノード流路１１及びカソード流路１２に導入され、アノード流路１１及びカソード流路１２に残留するガス（水素、空気等）や、水分（水蒸気、結露水等）が、希釈器３７に押し出され、燃料電池スタック１０の掃気が開始される。
ただし、アノード流路１１及びカソード流路１２を並行して掃気する方式に限定されず、例えば、カソード流路１２、アノード流路１１の順で掃気する方式でもよい。

これに並行して、ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、バイパス弁３３を開く。そうすると、バイパス弁３３は全開位置に制御され（図３参照）、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）が、圧力損失体である複数の中空糸膜３２ｄを備える加湿器３２をバイパスし、配管３３ａ及び配管３３ｂを流れる。これにより、掃気ガスが、ガス導入管３４ｂ及びガス導入口３４ｃ周りに付着している水分（結露水）や、配管３３ａ及び配管３３ｂに残留する水蒸気を、押し出す。

したがって、水分がガス導入口３４ｃを塞ぎ、また、凍結した水分がガス導入口３４ｃを塞ぐことを防止できる。その結果、その後の次回起動時において、圧力センサ３４が凍結等によって圧力検出不能になることは防止される。
なお、所定時間の間、バイパス弁３３を閉じたまま、加湿器３２を掃気した後、バイパス弁３３を開く構成としてもよい。

ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気が完了したか否かを判定する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、内蔵するクロックを利用して、ステップＳ２０４における燃料電池スタック１０の開始からの経過時間Δｔ２が、所定時間Δｔ０経過したか否かを判定する。所定時間Δｔ０は、燃料電池スタック１０の掃気が完了したと判断される時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

経過時間Δｔ２が、所定時間Δｔ０経過しており、燃料電池スタック１０の掃気が完了したと判定した場合（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を停止し、バイパス弁３３、背圧弁３６及び掃気弁５１を閉じる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ＥＮＤに進み、システム停止時の制御を終了する。

一方、所定時間Δｔ０経過しておらず、燃料電池スタック１０の掃気は完了していない判定した場合（Ｓ２０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０６の判定を繰り返す。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。
第２実施形態に係る燃料電池システム２は、体積流量Ｑ１を検出する流量センサ３５（図１参照）に代えて、質量流量Ｑ２（ｇ／ｓ）を検出する流量センサ３８と、外気温度を検出する温度センサ３９とを備えている。流量センサ３８は、コンプレッサ３１の吸気口よりも上流に設けられている。

そして、第２実施形態では、ＥＣＵ７０は、流量センサ３８から入力される質量流量Ｑ２（ｇ／ｓ）と、温度センサ３９から入力される外気温度と、図１０のマップとに基づいて、カソード流路１２に向かう空気の体積流量Ｑ１（Ｌ／ｓ）を算出する。すなわち、外気温度が低くなると、空気が圧縮されやすくなるので、体積流量Ｑ１が小さくなるように補正される。
その他、外気圧を検出する圧力センサを設け、外気圧が低くなるほど体積流量Ｑ１が大きくなるように補正される構成としてもよい。外気圧が低くなると、気体が膨張し、体積が増加するためである。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図１１から図１３を参照して説明する。
第３実施形態に係る燃料電池システム３は、バタフライ弁から構成されるバイパス弁３３に代えて、ゲート弁から構成されるバイパス弁４１を備え、さらに、バイパス弁４１をバイパスする配管４２ａと、配管４２ａに設けられたオリフィス４２とを備えている。

バイパス弁４１は、ＥＣＵ７０からの指令に従って、流量が０となる全閉位置を含めて、その開度を制御自在に構成されている。そして、バイパス弁４１は、燃料電池システム３のアイドル時に全閉位置で制御され（図１２参照）、燃料電池スタック１０の掃気時に全開位置に制御される（図１３参照）。

また、バイパス弁４１が全閉位置で制御されたとしても、コンプレッサ３１からの非加湿の空気が、配管３３ａ及びバイパス弁４１をバイパスして配管３３ｂに流れ込み、配管３３ｂを下流に向かって微量で流れるように設計されている。そして、この下流に向かって流れる非加湿の空気は、配管３３ｂを逆流しようとする加湿後の空気を押し出し、加湿後の空気に含まれる水蒸気が、圧力センサ３４に到達しないように構成されており、水蒸気が圧力センサ３４に付着することを防止している。
なお、バイパス弁４１が全閉位置にある場合において、配管４２ａ、配管３３ｂを微量で流れる非加湿の空気の流量は、オリフィス４２により制御されている。また、オリフィス４２は、ＥＣＵ７０により制御される可変式のオリフィスでもよい。

≪第４実施形態≫
次に、本発明の第４実施形態について、図１４を参照して説明する。
第４実施形態に係る燃料電池システム４は、加湿器３２が、水素タンク２１（反応ガス供給手段）からアノード流路１１に供給される水素（反応ガス）を加湿する構成となっている。すなわち、配管２２ａの下流端は、加湿器３２に接続されており、加湿器３２で加湿された水素は、配管３２ａを介して、アノード流路１１に供給されるようになっている。

また、アノード流路１１から排出された多湿のアノードオフガスは、配管２２ｂを介して、加湿器３２に導入され、中空糸膜３２ｄを介して、アノードに向かう水素を加湿した後、配管３２ｃを介して、希釈器３７に排出されるようになっている。
なお、カソード流路１２の出口は、配管３６ａを介して、背圧弁３６に接続されている。

さらに、水素タンク２１からアノード流路１１に向かう水素が加湿器３２をバイパスするように、配管２２ａは、配管３３ａ、バイパス弁３３及び配管３３ｂを介して、配管３２ａに接続されている。そして、圧力センサ３４は、アノード流路１１における水素の圧力を間接的に検出するために配管３３ｂに設けられている。また、流量センサ３５は配管２２ａに設けられており、アノード流路１１に向かう水素の体積流量を検出するようになっている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記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、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合させてもよい。

前記した第１実施形態では、図５のステップＳ１０２において、体積流量Ｑ１が多くなると、バイパス弁３３を開方向に制御する構成としたが（図６参照）、次のような構成としてもよい。
すなわち、コンプレッサ３１の回転速度と、背圧弁３６の開度と、バイパス弁３３の開度と、配管３３ｂと配管３２ａとの差圧の関係に係るマップを事前試験等により求めておき、現在のコンプレッサ３１の回転速度及び背圧弁３６の開度と前記マップとに基づいて、配管３３ｂと配管３２ａとの差圧が０となるように、バイパス弁３３の開度を制御する構成としてもよい。

前記した第１実施形態では、バイパスラインを流れる非加湿の空気の流量を制御する流量制御手段が、その開度の大きさを自在に制御可能なバタフライ弁から構成されるバイパス弁３３である場合を例示したが、その他に例えば、単に全閉位置又は全開位置のみで制御される開閉弁でもよい。

前記した第１実施形態では、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、そのまま、希釈器３７に排出される燃料電池システム１に本発明を適用したが、水素の利用効率（燃費）を高めるべく、未反応の水素を含むアノードオフガスを、エゼクタ（図示しない）を介して、燃料電池スタック１０の上流に戻し、アノード流路１１に再供給する燃料電池システムに適用してもよい。

前記した第１実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。第１実施形態に係る燃料電池スタックの発電時において、バイパス弁が全閉位置で制御されている状態を示す図である。第１実施形態に係る燃料電池スタックの掃気時において、バイパス弁が全開位置で制御されている状態を示す図である。圧力センサの位置及びバイパスライン径（太さ）と、バイパス弁の全閉位置（基準バイパス流量）との関係を示すグラフである。第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの通常発電時の動作を示すフローチャートである。カソード流路に向かう空気の体積流量Ｑ１と、バイパス弁の開度（加湿器をバイパスする空気のバイパス流量）との関係を示すマップである。圧力センサが検出する実測圧力Ｐ１と、カソード流路における空気の圧力（推定ＦＣ圧力Ｐ２）との関係を示すマップである。第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、システム停止時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を示す図である。コンプレッサに吸気される空気の質量流量Ｑ２と、カソード流路に向かう空気の体積流量Ｑ１との関係を示すマップである。第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。第３実施形態に係る燃料電池スタックの発電時において、バイパス弁が全閉位置で制御されている状態を示す図である。第３実施形態に係る燃料電池スタックの掃気時において、バイパス弁が全開位置で制御されている状態を示す図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１、２、３、４燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
２１水素タンク（反応ガス供給手段）
３１コンプレッサ（反応ガス供給手段、掃気手段）
３２加湿器
３３、４１バイパス弁（流量制御手段）
３３ａ、３３ｂ配管（バイパスライン）
３４圧力センサ
３５流量センサ
４２オリフィス
７０ＥＣＵ（制御手段、算出手段）

Claims

反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池に向かう反応ガスが、前記加湿器をバイパスするバイパスラインと、
前記燃料電池における反応ガスの圧力を検出するための圧力センサと、
を備え、
前記圧力センサは前記バイパスラインに設けられている
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の発電時、前記バイパスラインには非加湿の反応ガスが下流に向かって流れ、前記加湿器で加湿され当該バイパスラインを逆流する加湿後の反応ガスを、下流に向かって押すように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に向かう反応ガスの流量が増加すると、前記バイパスラインを流れる非加湿の反応ガスの流量が増加するように制御する流量制御手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池を掃気ガスで掃気する掃気手段を備え、
掃気時において、前記掃気手段から前記燃料電池に向かう掃気ガスは、前記バイパスラインを通る
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に対する前記圧力センサの位置、前記バイパスラインの太さ、反応ガスの流量の少なくとも一つに基づいて、前記圧力センサが検出した実測圧力を補正し、前記燃料電池内の反応ガスの圧力を算出する算出手段を、備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。