JP2010003493A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、従来の燃料電池システムと比較して、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の燃料電池システムＦ１は、アノード経路２が燃料電池システムＦ１の停止中に閉回路となり、アノードオフガスの温度を検出する温度センサＴ_１が前記閉回路となるアノード経路２内で気液分離器１０の下流側に配置され、エアコンプレッサ２２が、この燃料電池システムＦ１の停止後に温度センサＴ_１により検出された温度が燃料電池スタック１１の内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に掃気を行うことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの発電停止時（ソーク中）に掃気を行う燃料電池システム及びその運転方法に関する。

例えば、車両等に搭載される燃料電池スタックでは、固体高分子からなる電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成された単セルが複数積層され、アノードに水素、カソードに空気（酸素）がそれぞれ供給されることで電気化学反応による発電によりカソードで水が生成される。ところで、車両が氷点下に至るような低温環境下において使用されると残留水が凍結するおそれがあるため、例えば、車両のソーク中にカソードの残留水を、掃気ガスを用いて排出する処理（カソード掃気）が行われる。また、残留水は、カソードから固体高分子電解質膜を介してアノードにも透過するため、アノードについても残留水を排出する処理（アノード掃気）が行われる。そして、これらの掃気は、発電停止後に、燃料電池スタックの内部の温度が所定温度以下になったときに行われるように設定することが考えられる。

しかしながら、燃料電池スタックの内部に温度計を設けると、正確に燃料電池スタックの内部温度が測定できる反面、その燃料電池システムの構造が複雑になるという問題がある。そこで、例えば、特許文献１では、燃料電池スタックの内部温度に代えて、燃料電池スタックの冷却に使用する冷媒のスタック出口温度を測定するとともに、この温度で燃料電池スタックの内部温度を推定してアノード掃気を行う燃料電池システムを開示している。この燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの内部温度を直接測定するものと比較してその構造が簡単となる。
米国特許第７２７０９０４号明細書

しかしながら、冷媒の温度に基づいてアノード掃気を行う燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）では、冷媒の流通経路上に外気との接触面積が大きいラジエータ等の熱交換部があるために、冷媒の温度が外気の温度に影響され易い。つまり、低温環境下で発電を停止したこの燃料電池システムでは、その冷媒の温度が燃料電池スタックの温度よりも早く低下するために、燃料電池スタックがまだ暖かい段階で生成水が凍結する温度に達したものと誤判定して掃気を開始する虞がある。

そこで、本発明は、従来の燃料電池システムと比較して、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスが供給され発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段と、アノード経路内及びカソード経路内の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池スタックから排出されるオフガスを流通するオフガス配管に設置された気液分離器と、を有する燃料電池システムであって、前記アノード経路及び前記カソード経路の少なくとも一方はこの燃料電池システムの停止中に閉回路となり、前記温度検出手段は前記閉回路となる前記アノード経路及び前記カソード経路の少なくとも一方に配置されるとともに、前記気液分離器の下流側に配置され、前記掃気手段はこの燃料電池システムの停止後に前記温度検出手段により検出された温度が前記燃料電池スタックの内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に掃気を行うことを特徴とする。

この燃料電池システムでは、低温環境下でその運転が停止した際に（発電停止時）に、閉回路となるアノード経路内及びカソード経路内の少なくとも一方の温度に基づいて掃気のタイミングが決定される。その結果、外気の温度の影響を受けやすい冷媒の温度で掃気のタイミングが決定されるものと異なって、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができる。

また、この燃料電池システムでは、温度検出手段が気液分離器の下流側に配置されるので、気液分離器で水が除去された後のオフガスの温度をこの温度検出手段が検出する。その結果、燃料電池システムによれば、温度検出手段の感度が水で不安定になることが防止されるので温度の検出精度が良好となる。
また、温度検出手段に水が付着することが防止されるので、温度検出手段の劣化が防止される。

このような燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの冷媒の出口温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記オフガスのうちカソードオフガスの温度を検出するカソードオフガス温度検出手段と、前記温度検出手段のうち前記アノード経路内の温度を検出するアノード温度検出手段の故障を判断する故障判断手段と、を有し、前記故障判断手段が、前記アノード温度検出手段が故障していると判定した際に、前記冷媒の出口温度又は前記カソードオフガスの温度に基づいて前記掃気を行うように構成されていてもよい。
この燃料電池システムでは、温度検出手段、特にアノード温度検出手段の故障時においても掃気を行うことができる。

そして、前記課題を解決する運転方法は、アノードガスとカソードガスが供給され発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段と、前記燃料電池スタックから排出されるオフガスを流通するオフガス配管に設置された気液分離器と、前記気液分離器の下流側でアノード経路内及びカソード経路内の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止中に前記アノード経路及び前記カソード経路内の少なくとも一方を閉回路とする閉回路形成工程と、閉回路となった前記アノード経路及び前記カソード経路内の少なくとも一方の温度を前記気液分離器の下流側で検出する温度検出工程と、この温度検出工程で検出された前記温度が、前記燃料電池スタックの内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に、前記掃気手段が前記燃料電池スタックの内部に前記掃気ガスを供給する掃気ガス供給工程と、を有するように構成することができる。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができるので、掃気のタイミングを決定する際にその誤判定を防止することができる。その結果、燃料電池スタックの内部温度に応じて的確な掃気を行うことができるので、この燃料電池システム及びその運転方法によれば、エネルギ消費の削減、及び燃料電池スタックの劣化防止を図ることができる。

図１（ａ）は、本実施形態の燃料電池システムを、これを搭載した燃料電池自動車の上方から見たときの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ断面側から燃料電池スタックの後面を見た図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。なお、以下の説明において、前後上下の方向については、燃料電池自動車の前後上下の方向に一致させた図１（ａ）及び（ｂ）に示す各方向を基準とする。

本実施形態の燃料電池システムは、その運転の停止時（発電停止時）に閉回路となったアノード経路内における気液分離器の下流側で検出したアノードオフガスの温度に基づいて掃気タイミングを決定することを主な特徴としている。ここでは先ず、この燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車について簡単に説明した後に、燃料電池システムについて説明する。

図１（ａ）に示すように、燃料電池自動車１には、燃料電池スタック１１、エアコンプレッサ２２、高圧水素タンク４１、ラジエータ２３等を備えた燃料電池システムＦ１と、駆動輪（前輪）Ｗ１，Ｗ１を駆動させる電動機である駆動モータ２１と、ニッケル水素やリチウムイオンなどのバッテリで構成されている高圧の蓄電装置３１とが搭載されている。この蓄電装置３１は、燃料電池スタック１１又は所定の外部電源から電気が供給されて蓄電するようになっている。ちなみに、後記するように、燃料電池スタック１１に対して掃気ガスを送り込むエアコンプレッサ２２は、この蓄電装置３１から掃気に必要な電力が供給されることとなる。

このような燃料電池自動車１においては、その前側から後側に向かって、ラジエータ２３、駆動モータ２１、燃料電池スタック１１、高圧の蓄電装置３１、及び高圧水素タンク４１の順番で配置されている。なお、図１（ａ）中、符号１２は後記する希釈器であり、符号１８は後記する燃料電池ＥＣＵ（図１（ａ）中、「ＦＣ ＥＣＵ」と記す）であり、符号１４は後記するコンタクタであり、符号１９は後記するケーシングであり、符号２４は後記する冷却水ポンプである。

また、詳しくは後記するが、ラジエータ２３から延びる冷媒循環用配管Ｐ１，Ｐ２のそれぞれは、燃料電池スタック１１の前面と接続されており、高圧水素タンク４１から延びるアノードガス供給配管Ｐ３、エアコンプレッサ２２から延びるカソードガス供給配管Ｐ５、並びに希釈器１２から延びるアノードオフガス配管Ｐ４及びカソードオフガス配管Ｐ６のそれぞれは、燃料電池スタック１１の後面と接続されている。

この燃料電池スタック１１の後面の四隅には、図１（ｂ）に示すように、前記アノードガス供給配管Ｐ３が接続される水素導入口１１ａと、アノードオフガス配管Ｐ４が接続される水素導出口１１ｂと、カソードガス供給配管Ｐ５が接続される空気導入口１１ｃと、カソードオフガス配管Ｐ６が接続される空気導出口１１ｄが形成されている。

次に、本実施形態の燃料電池システムＦ１について説明する。
図２に示すように、燃料電池システムＦ１は、燃料電池スタック１１、アノード経路２、カソード経路３、燃料電池ＥＣＵ１８（図２中、「ＦＣ ＥＣＵ１８」と記す）等を含んで構成されている。

前記燃料電池スタック１１は、例えば、固体高分子からなる電解質膜ＭをアノードＡｎ（水素極）とカソードＣａ（空気極）とで挟み、更に一対の導電性の図示しないセパレータで挟んで構成した単セルを複数枚、燃料電池自動車１の前後方向に沿って積層した構造を有している。また、各単セルは、電気的に直列に接続されて構成されている。また、アノードＡｎに対向するセパレータには、アノードガスとしての水素が流通する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、カソードガスとしての空気が流通する流路が形成されている。そして、各セパレータのこれらの流路が形成されている面と反対側の面には、冷却水（冷媒）が流通する流路が形成されている。

前記アノード経路２は、水素を燃料電池スタック１１のアノードＡｎに供給し、かつ、アノードＡｎから水素を排出するものであり、アノードガス供給配管Ｐ３、アノードオフガス配管Ｐ４、高圧水素タンク４１、遮断弁４２、エゼクタ１７ａ、循環流路１７、パージ弁１６、気液分離器１０等で構成されている。

前記アノードガス供給配管Ｐ３は、前記したように、一端が燃料電池スタック１１の水素導入口１１ａ（図１（ｂ）参照）に接続され、他端が遮断弁４２を介して高圧水素タンク４１に接続されている。前記アノードオフガス配管Ｐ４は、前記したように、一端が水素導出口１１ｂ（図１（ｂ）参照）に接続され、他端がパージ弁１６に接続されている。
なお、図示していないが、燃料電池システムＦ１の上部、及び高圧水素タンク４１の上部には、それぞれ水素漏れを検知するための水素濃度センサが設けられている。

前記高圧水素タンク４１は、高純度の水素ガスが高圧に充填されたものである。遮断弁４２は、例えば、電磁作動式のもので、高圧水素タンク４１の下流近傍に設けられている。

前記エゼクタ１７ａは、アノードＡｎから排出される未反応の水素を再びアノードＡｎに戻して循環させるものであり、循環流路１７の一端が接続されている。循環流路１７の他端は、パージ弁１６の上流でアノードオフガス配管Ｐ４と接続されている。このように、燃料電池スタック１１から排出された未反応の水素を循環させることにより、アノードガス（燃料）としての水素を有効に活用することが可能になる。

前記パージ弁１６は、開度を自由に制御できる弁によって構成され、発電中においてはアノードＡｎに蓄積された空気に含まれる不純物を定期的に排出する。また、パージ弁１６の下流側は、希釈器１２を介して外気と連通するようになっている。なお、パージ弁１６の下流側には図示しない水素濃度センサが配置されており、この水素濃度センサは、パージ弁１６を介して排出されるアノードオフガスに含まれる水素濃度を検出している。

前記気液分離器１０は、アノードオフガスに含まれる水を分離するものであり、本実施形態では、燃料電池スタック１１の水素導出口１１ｂ（図１（ｂ）参照）の近傍でアノードオフガス配管Ｐ４に設けられている。このアノードオフガスは、特許請求の範囲にいう「オフガス」に相当し、アノードオフガス配管Ｐ４は、「オフガス配管」に相当する。
なお、水が分離された後のアノードオフガスは、循環流路１７を介して燃料電池スタック１１に戻される。また、アノードオフガスから分離された水は、ドレン配管Ｐ７に設けられたドレン弁９を介して希釈器１２内に放出される。

そして、アノードオフガス配管Ｐ４の気液分離器１０の直ぐ下流側には、アノードオフガスの温度を検出する温度センサＴ_１が配置されている。この温度センサＴ_１は、特許請求の範囲にいう「温度検出手段」に相当する。
後記する燃料電池ＥＣＵ１８は、この温度センサＴ_１が検出したアノードオフガスの温度に基づいて、燃料電池スタック１１に対する掃気のタイミングを決定することとなる。なお、温度センサＴ_１の配置位置は、気液分離器１０の下流側であり、パージ弁１６の上流側であれば特に制限はないが、気液分離器１０と直近で隣接するように配置されることが望ましい。

前記カソード経路３は、燃料電池スタック１１のカソードＣａにカソードガスとしての空気を供給し、かつ、カソードＣａから空気等を排出するものであり、カソードガス供給配管Ｐ５、カソードオフガス配管Ｐ６、エアコンプレッサ２２、加湿器１３、背圧制御弁１５、エア導入配管Ｐ８、エア導入弁８等を備えている。ちなみに、このカソードガスは、後記するように掃気にも使用される。つまり、このカソードガスは、特許請求の範囲にいう「掃気ガス」に相当する。

前記カソードガス供給配管Ｐ５は、前記したように、その一端が燃料電池スタック１１の空気導入口１１ｃ（図１（ｂ）参照）に接続され、他端がエアコンプレッサ２２に接続されている。前記カソードオフガス配管Ｐ６は、前記したように、その一端が燃料電池スタック１１の空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）に接続されている。

そして、カソードオフガス配管Ｐ６には、燃料電池スタック１１の空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）の近傍に（直ぐ下流側）に、カソードオフガスの温度を検出する温度センサＴ_３が配置されている。

エアコンプレッサ２２は、モータによって駆動される機械式の過給器であり、燃料電池スタック１１にカソードガスとしての空気を圧縮して供給する機能を有し、図１（ａ）に示す駆動モータ２１の上部に設けられている。

前記加湿器１３は、燃料電池スタック１１のカソードＣａに、エアコンプレッサ２２からの空気を加湿して供給する機能を有し、例えば、複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜モジュールが鋳物からなるハウジング内に収容されて構成されている。また、中空糸膜の内側と外側のうちの一側には、加湿前の乾燥空気が流通し、他側には燃料電池スタック１１の空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）から排出されたカソードオフガス（生成水や湿潤な空気等）が流通して、カソードオフガスによって乾燥空気が加湿されるようになっている。

前記背圧制御弁１５は、燃料電池スタック１１に供給される空気圧（カソード圧力）を制御する機能を有し、燃料電池スタック１１の空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）側に設けられた常開弁である。そして、背圧制御弁１５を介して排出されるカソードオフガスは、希釈器１２内に放出される。そして、希釈器１２内に放出されたカソードオフガスは、パージ弁１６を介して希釈器１２内に不純物とともに排出された未反応の水素を所定の濃度以下に希釈する。その後、所定の濃度以下で水素を含むカソードオフガスは、希釈器１２から大気中に放出される。

前記エア導入配管Ｐ８は、アノード経路２に掃気ガスとして空気を導入するためのものであり、その一端がカソードガス供給配管Ｐ５の加湿器１３の上流に接続され、他端がアノードガス供給配管Ｐ３に接続されている。

前記エア導入弁８は、遮断弁であり、エア導入配管Ｐ８に設けられている。このエア導入弁８を開弁することにより、エアコンプレッサ２２から送り込まれた空気がアノードＡｎに供給されるようになっている。つまり、このエア導入弁８の開弁によって、アノードＡｎの残留水を除去する掃気（アノード掃気）が可能となっている。
なお、カソードＣａの残留水を除去する掃気（カソード掃気）は、背圧制御弁１５が開弁した状態でエアコンプレッサ２２からカソードガスとしての空気がカソード経路３に送り込まれることで行われる。
ちなみに、本実施形態でのエアコンプレッサ２２は、特許請求の範囲にいう「燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段」に相当する。

このようなアノード経路２及びカソード経路３においては、燃料電池スタック１１が発電を停止した際に、後記するタイミングで遮断弁４２、パージ弁１６、ドレン弁９及びエア導入弁８等が閉じられることとなる。その結果、アノード経路２は、後記する掃気時を除いて閉回路となる。
また、このようにアノード経路２の閉回路を形成する部分、具体的には、遮断弁４２、パージ弁１６、ドレン弁９及びエア導入弁８のそれぞれからアノードＡｎ寄りの各配管部分は、図１（ａ）に示すケーシング１９内に収容されることとなる。

前記ラジエータ２３は、前記したように、冷媒循環用配管Ｐ１，Ｐ２を介して燃料電池スタック１１と接続されている。冷媒循環用配管Ｐ１，Ｐ２は、ラジエータ２３と燃料電池スタック１１との間で冷却水（冷媒）を循環させるものである。ラジエータ２３から燃料電池スタック１１に冷却水を送り込む冷媒循環用配管Ｐ１の途中には、冷却水ポンプ２４が設けられている。この冷却水ポンプ２４は、図１（ａ）に示すように、エアコンプレッサ２２とともに駆動モータ２１の上部に設けられている。そして、冷媒循環用配管Ｐ２を介して燃料電池スタック１１からラジエータ２３に冷却水が戻される。つまり、冷媒循環用配管Ｐ１を介して燃料電池スタック１１に導入された冷却水は、燃料電池スタック１１のセパレータに形成された冷却水の前記流路に流れることにより燃料電池スタック１１を冷却した後に燃料電池スタック１１から排出される。そして、排出された冷却水は、冷媒循環用配管Ｐ２を介してラジエータ２３に送り込まれて放熱された後に、再び冷媒循環用配管Ｐ１を介して燃料電池スタック１１に送り込まれる。

また、図２に示すように、冷媒循環用配管Ｐ２には、燃料電池スタック１１の冷却水の出口の近傍に（直ぐ下流側）に、冷却水の温度を検出する温度センサＴ_２が配置されている。つまり、この温度センサＴ_２は、燃料電池スタック１１から排出される冷却水の温度（冷却水の出口温度）を検出する。

前記燃料電池ＥＣＵ１８は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、温度センサＴ_１、温度センサＴ_２、温度センサＴ_３、エアコンプレッサ２２、エア導入弁８、パージ弁１６、及び背圧制御弁１５と電気的に接続されている。
これにより、燃料電池ＥＣＵ１８は、温度センサＴ_１、温度センサＴ_２、及び温度センサＴ_３からアノードオフガス、冷却水、及びカソードオフガスの各温度情報を取得するとともに、エアコンプレッサ２２の回転速度の制御（エア供給流量の制御）、エア導入弁８の開閉動作の制御、パージ弁１６の開閉動作の制御、背圧制御弁１５の開閉動作の制御を行うようになっている。また、燃料電池ＥＣＵ１８は、図示しないが、遮断弁４２及びドレン弁９のそれぞれと電気的に接続されており、これらの開閉動作を制御するようになっている。

前記した図１（ａ）に示すコンタクタ１４は、燃料電池スタック１１と駆動モータ２１等の外部負荷とを電気的に接続（ＯＮ）および遮断（ＯＦＦ）するスイッチ機能を有している。例えば、燃料電池自動車１の図示しないイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンにされて、燃料電池スタック１１のＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）が所定電圧となったときに接続され、イグニッションスイッチがオフにされたときに遮断される。なお、ＯＣＶとは、燃料電池スタック１１から外部負荷へ電流を取り出していないときの燃料電池スタック１１の各単セルの電池電圧である。そのうち基準となるのは各単セルの電圧値の最低電圧値である。

次に、本実施形態の燃料電池システムＦ１の運転方法について説明する。図３は、低温環境下で本実施形態の燃料電池システムの運転を停止した後（発電停止後）に、燃料電池スタックの内部温度、温度センサＴ_１の検出温度、温度センサＴ_２の検出温度、及び温度センサＴ_３の検出温度が低下する様子を示すグラフであり、縦軸は温度（℃）を表し、横軸はイグニッションスイッチをオフ（ＩＧオフ）にしてソークを開始してからの時間を表している。なお、温度センサＴ_１の検出温度は、気液分離器１０の下流でのアノードオフガス（図３中、「Ｈ_２ＯＵＴ」と記す）の温度であり、温度センサＴ_２の検出温度は、燃料電池スタック１１を出た直後の冷却水（図３中、「冷却水ＯＵＴ」と記す）の温度であり、温度センサＴ_３の検出温度は、燃料電池スタック１１を出た直後のカソードオフガス（図３中、「エアＯＵＴ」と記す）の温度である。図４は、カソード掃気及びアノード掃気が行われるタイミングを、エアコンプレッサのエア供給流量（単位時間当りの質量：ｇ／ｓ）、エア導入弁の開閉状態、パージ弁の開閉状態、及び背圧制御弁の開閉状態との関係で示したタイムチャートである。図５は、燃料電池システムにおいて、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフになって、燃料電池システムの運転が停止した後（発電停止後）に行われる掃気工程の手順を示すフローチャートである。

図３に示すように、燃料電池システムＦ１では、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフになることによって、燃料電池スタック１１が発電を停止してソークが開始される。この際、アノード経路２（図２参照）は、前記したように閉回路となる。この工程は、特許請求の範囲にいう「閉回路形成工程」に相当する。
このとき、燃料電池システムＦ１は、氷点下の低温環境下でソークが開始されると、燃料電池スタックの内部温度、温度センサＴ_１の検出温度、温度センサＴ_２の検出温度、及び温度センサＴ_３の検出温度は、時間が経過するとともに次第に低下する。なお、ここで温度センサＴ_１の温度検出工程は、特許請求の範囲にいう「アノード温度検出工程」に相当する。このとき、カソードオフガスの温度を示す温度センサＴ_３の検出温度は、燃料電池スタック１１の内部温度よりも低く、冷却水の温度を示す温度センサＴ_２の検出温度は、温度センサＴ_３の検出温度よりも更に低くなっている。

このことは、図２に示すように、カソードオフガス配管Ｐ６に設けられた背圧制御弁１５がソーク中には開いている常開弁であって、温度センサＴ_３を取り付けたカソードオフガス配管Ｐ６内のカソードオフガスが背圧制御弁１５を介して氷点下の外気の影響を受けたためと考えられる。そして、温度センサＴ_２を取り付けた冷媒循環用配管Ｐ２はラジエータ２３と接続され、このラジエータ２３は、図１（ａ）に示すように、燃料電池自動車１の前側で氷点下の外気との接触面積が大きいために、図３に示すように、温度センサＴ_２の検出温度は、温度センサＴ_３の検出温度よりも更に低くなったものと考えられる。

これに対して、温度センサＴ_１の検出温度は、燃料電池スタック１１の内部温度と略等しくなっている。このことは、図２に示すように、温度センサＴ_１が配置される気液分離器１０の下流側のアノードオフガス配管Ｐ４（アノード経路２）は、ソーク中に閉回路となることで、氷点下の外気の影響を受け難いこと、そして、温度センサＴ_１が気液分離器１０の下流側に配置されることで、温度センサＴ_１が残留水の影響を受けずに良好な感度を維持できたことによるものと考えられる。

また、温度センサＴ_１が配置されソーク中に閉回路となるアノードオフガス配管Ｐ４は、図１（ａ）に示すように、氷点下の外気の影響を受け易い燃料電池自動車１の前側から後側に大きく後退した燃料電池スタック１１の後面よりも更に後退した位置に配置されるとともに、この閉回路部分は、前記したように、ケーシング１９内に収容されるので、温度センサＴ_１が外気の影響をより確実に受けずに、燃料電池スタック１１の内部温度と略等しくなったものと考えられる。

このような燃料電池システムＦ１では、図３に示す温度センサＴ_１の検出温度が低下して、予め設定された所定の掃気開始温度を下回った時（図３中の時間ｔ１）、言い換えれば、燃料電池自動車１を取り巻く環境が、氷点下になると予測される温度として予め設定された温度（例えば、５℃）を下回った時に掃気が開始される。なお、この所定の掃気開始温度は、特許請求の範囲にいう「燃料電池スタックの内部の生成水が凍結すると予測される所定温度」に相当する。

図４に示すように、掃気が開始される前記した時間ｔ１に、蓄電装置３１（図１（ａ）参照）からの電力の供給によってエアコンプレッサ２２（図１（ａ）参照）が駆動すると、エアコンプレッサ２２は予め設定されたエア供給流量（所定値）でカソードガスをカソードガス供給配管Ｐ５（図１（ａ）参照）に送り込む。この工程は、特許請求の範囲にいう「掃気ガス供給工程」に相当する。
この時間ｔ１においては、常開弁である背圧制御弁１５（図２参照）は開いており（図４中、「開」）、エア導入弁８及びパージ弁１６は閉じている（図４中、「閉」）。また、図示しないが、遮断弁４２及びドレン弁９は閉じられている。その結果、エアコンプレッサ２２からカソードガス供給配管Ｐ５に送り込まれたカソードガスは、図２に示す燃料電池スタック１１のカソードＣａ、カソードオフガス配管Ｐ６、背圧制御弁１５、及び希釈器１２を介して大気中に放出される際に、カソード掃気を行う。そして、予め設定したカソード掃気の時間が経過した時（図４中の時間ｔ２）に、アノード掃気が開始される。この時間ｔ２においては、エア導入弁８及びパージ弁１６は開弁し（図４中、「開」）、背圧制御弁１５は閉じられる（図４中、「閉」）。また、図示しないが、遮断弁４２及びドレン弁９は閉じられている。その結果、エアコンプレッサ２２からエア導入配管Ｐ８（図２参照）に送り込まれたカソードガスは、図２に示すアノードガス供給配管Ｐ３、燃料電池スタック１１のアノードＡｎ、アノードオフガス配管Ｐ４、パージ弁１６、及び希釈器１２を介して大気中に放出される際に、アノード掃気を行う。そして、予め設定したアノード掃気の時間が経過した時（図４中の時間ｔ３）に、アノード掃気が終了する。この時間ｔ３においては、エアコンプレッサ２２が停止してエア供給流量が０ｇ／ｓとなるとともに、背圧制御弁１５が開弁し（図４中、「開」）、エア導入弁８及びパージ弁１６が閉じられる（図４中、「閉」）。
なお、ここでは、図４に示すように、エア導入弁をカソード掃気中（時間ｔ１〜ｔ２）に「閉」としたが、このカソード掃気中にアノードパージを行う場合等には、このパージを促進するために、エア導入弁を開くように（図４中、「開」に）設定してもよい。

次に、図５を参照しつつ（適宜図２及び図３を併せて参照しながら）、燃料電池システムＦ１において、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフになって、燃料電池システムＦ１の運転が停止した後（発電停止後）に掃気が行われる工程の手順について説明する。
図５に示すように、燃料電池システムＦ１においてイグニッションスイッチ（図示省略）がオフになると（ステップＳ１）、燃料電池ＥＣＵ１８は、温度センサＴ_１の検出温度を定期的に参照することで前記したアノードオフガスの温度を監視する（ステップＳ２）。
なお、温度センサＴ_１の検出温度は、前記したように、燃料電池スタック１１の内部温度と略等しい温度となっている。
次に、燃料電池ＥＣＵ１８は、温度センサＴ_１の検出温度が前記した図３に示す掃気開始温度を下回ったか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、下回っていない場合（ステップＳ３のＮｏ）には、ステップＳ２に戻って温度監視を継続して行い、下回った場合（ステップＳ３のＹｅｓ）には、前記した掃気（カソード掃気及びアノード掃気）を開始する（ステップＳ４）。そして、この掃気が終了すると、燃料電池ＥＣＵ１８が温度センサＴ_１による定期的は温度監視を中止することで（ステップＳ５）、この燃料電池システムＦ１における掃気工程は終了する。

以上のような燃料電池システムＦ１及びその運転方法によれば、低温環境下で燃料電池システムＦ１の運転が停止した際に（発電停止時）に、閉回路となるアノード経路２内のアノードオフガスの温度に基づいて掃気のタイミングが決定される。その結果、外気の温度の影響を受けやすい冷却水（冷媒）の温度やカソードオフガスの温度で掃気のタイミングが決定されるものと異なって、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができる。

また、燃料電池システムＦ１及びその運転方法では、掃気のタイミングが決定するアノードオフガスの温度を検出する温度センサＴ_１が気液分離器１０の下流側に配置されるので、温度センサＴ_１は、気液分離器１０で水が除去された後のアノードオフガスの温度を検出する。その結果、燃料電池システムＦ１及びその運転方法によれば、温度センサＴ_１の感度が水で不安定になることが防止されるので温度の検出精度が良好となる。
また、温度センサＴ_１に水が付着することが防止されるので、温度センサＴ_１の劣化が防止される。

また、燃料電池システムＦ１及びその運転方法によれば、燃料電池スタックの内部温度を正確に反映した温度に基づいて掃気を行うことができるので、掃気のタイミングを決定する際にその誤判定を防止することができる。その結果、燃料電池スタックの内部温度に応じて的確な掃気を行うことができるので、この燃料電池システムＦ１及びその運転方法によれば、エネルギ消費の削減、及び燃料電池スタックの劣化防止を図ることができる。

本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、燃料電池システムＦ１の停止中に閉回路となったアノードオフガス配管Ｐ４内（アノード経路２内）の温度に基づいて掃気を行うものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池システムＦ１の停止中に閉回路となるカソードオフガス配管Ｐ６内（カソード経路３）内の温度に基づいて掃気を行うものであってもよい。具体的には、例えば、少なくともカソードオフガス配管Ｐ６を含んで閉回路が形成されるようにカソード経路３内に少なくとも一対の開閉弁等（図示省略）を配置するとともに、燃料電池システムＦ１の停止中にこれらの開閉弁等を閉じるように構成したものが挙げられる。そして、この燃料電池システムＦ１では、閉回路内のカソードオフガス配管Ｐ６に配置される気液分離器（図示省略）の下流側で温度センサ（温度検出手段）がカソードオフガス配管Ｐ６内の温度を検出することとなる。ちなみに、この気液分離器は、例えば、前記した空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）の近傍でカソードオフガス配管Ｐ６に配置することができる。また、ここでの気液分離器は、前記した加湿器１３で兼用することもできる。つまり、前記したように、乾燥空気を加湿するために、燃料電池スタック１１の空気導出口１１ｄ（図１（ｂ）参照）から排出されたカソードオフガスを加湿器１３に導入し、そして、乾燥空気を加湿することで水分が低減されたカソードオフガスを加湿器１３から導出する配管（図示省略）に温度センサ（図示省略）が配置された燃料電池システムＦ１であってもよい。

前記実施形態では、温度センサＴ_１が故障することを想定していないが、本発明は温度センサＴ_１が故障した際に、温度センサＴ_２の検出温度又は温度センサＴ_３の検出温度に基づいて前記掃気を行うように構成してもよい。ここでの温度センサＴ_２は、特許請求の範囲にいう「冷媒の出口温度を検出する冷媒温度検出手段」に相当し、温度センサＴ_３は、「カソードオフガスの温度を検出するカソードオフガス温度検出手段」に相当する。そして、燃料電池ＥＣＵ１８は、「故障判断手段」に相当する。つまり、この燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＥＣＵ１８が、温度センサＴ_２及び温度センサＴ_３の検出温度の少なくともいずれかを定期的に監視し、この検出温度が予め設定した掃気開始温度を下回ったときに、前記掃気を開始するように構成することができる。なお、ここでの掃気開始温度は、燃料電池スタック１１の内部温度と、温度センサＴ_２及び温度センサＴ_３の検出温度との対応関係を予め求めたマップに基づいて決定されればよい。

そして、燃料電池ＥＣＵ１８による「温度センサＴ_１が故障したとの判定」は、例えば、温度センサＴ_１の検出信号が検知されなくなった場合の他、温度センサＴ_２の検出温度又は温度センサＴ_３の検出温度の推移と、温度センサＴ_１の検出温度の推移が極端にずれている場合がある。ちなみに、この故障判定としては、例えば、故障とする検出温度の差（温度幅）を予め実験的に求めておき、この差を閾値に設定して行うことができる。
このような燃料電池システムＦ１によれば、温度センサＴ_１の故障時においても掃気を行うことができる。

また、カソードオフガス配管Ｐ６内（カソード経路３内）の温度に基づいて掃気を行う前記した他の実施形態に係る燃料電池システムＦ１においては、カソードオフガス配管Ｐ６内の温度を検出する温度センサ（図示省略）が故障した場合に、冷媒の出口温度（例えば、温度センサＴ_２の検出温度）又はアノードオフガスの温度（例えば、温度センサＴ_１の検出温度）に基づいて前記掃気を行うように構成してもよい。

また、前記実施形態では、燃料電池システムＦ１についてこれを搭載する燃料電池自動車１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池システムＦ１は航空機や船舶等の乗り物用、定置式のものであってもよい。

（ａ）は、本実施形態の燃料電池システムを、これを搭載した燃料電池自動車の上方から見たときの平面図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ断面側から燃料電池スタックの後面を見た図である。 本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 低温環境下で本実施形態の燃料電池システムの運転を停止した後（発電停止後）に、燃料電池スタックの内部温度、温度センサＴ_１の検出温度、温度センサＴ_２の検出温度、及び温度センサＴ_３の検出温度が低下する様子を示すグラフであり、縦軸は温度（℃）を表し、横軸はイグニッションスイッチをオフにしてソークを開始してからの時間を表している。 カソード掃気及びアノード掃気が行われるタイミングを、エアコンプレッサのエア供給流量（単位時間当りの質量：ｇ／ｓ）、エア導入弁の開閉状態、パージ弁の開閉状態、及び背圧制御弁の開閉状態との関係で示したタイムチャートである。 燃料電池システムにおいて、イグニッションスイッチがオフになって、燃料電池システムの運転が停止した後（発電停止後）に行われる掃気工程の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２ アノード経路
８ エア導入弁
１０ 気液分離器
１１ 燃料電池スタック
１５ 背圧制御弁
１６ パージ弁
１８ 燃料電池ＥＣＵ
１９ ケーシング
２２ エアコンプレッサ（掃気手段）
２３ ラジエータ
Ｆ１ 燃料電池システム
Ｐ４ アノードオフガス配管（オフガス配管）
Ｐ８ エア導入配管
Ｔ_１ 温度センサ（温度検出手段）
Ｔ_２ 温度センサ（冷媒温度検出手段）
Ｔ_３ 温度センサ（カソードオフガス温度検出手段）
Ｍ 電解質膜
Ａｎ アノード
Ｃａ カソード

Claims (3)

1. アノードガスとカソードガスが供給され発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段と、
   アノード経路内及びカソード経路内の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池スタックから排出されるオフガスを流通するオフガス配管に設置された気液分離器と、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記アノード経路及び前記カソード経路の少なくとも一方はこの燃料電池システムの停止中に閉回路となり、
   前記温度検出手段は前記閉回路となる前記アノード経路及び前記カソード経路の少なくとも一方に配置されるとともに、前記気液分離器の下流側に配置され、
   前記掃気手段はこの燃料電池システムの停止後に前記温度検出手段により検出された温度が前記燃料電池スタックの内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの冷媒の出口温度を検出する冷媒温度検出手段と、
   前記オフガスのうちカソードオフガスの温度を検出するカソードオフガス温度検出手段と、
   前記温度検出手段のうち前記アノード経路内の温度を検出するアノード温度検出手段の故障を判断する故障判断手段と、
   を有し、
   前記故障判断手段が、前記アノード温度検出手段が故障していると判定した際に、前記冷媒の出口温度又は前記カソードオフガスの温度に基づいて前記掃気を行う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. アノードガスとカソードガスが供給され発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段と、
   前記燃料電池スタックから排出されるオフガスを流通するオフガス配管に設置された気液分離器と、
   前記気液分離器の下流側でアノード経路内及びカソード経路内の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
   を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムの停止中に前記アノード経路及び前記カソード経路内の少なくとも一方を閉回路とする閉回路形成工程と、
   閉回路となった前記アノード経路及び前記カソード経路内の少なくとも一方の温度を前記気液分離器の下流側で検出する温度検出工程と、
   この温度検出工程で検出された前記温度が、前記燃料電池スタックの内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に、前記掃気手段が前記燃料電池スタックの内部に前記掃気ガスを供給する掃気ガス供給工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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