JP2010177087A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増加を抑制しつつ、燃料電池１０の再起動時にアノード流路２５のアノードガス濃度を迅速に高めることが可能な、燃料電池システム１を提供する。
【解決手段】掃気完了後にアノード圧力センサ２４により取得したアノード流路２５の圧力が、大気圧よりも低く設定されたアノード減圧目標値以上である場合には、アノード流路２５の圧力がアノード減圧目標値以下になるようにエアポンプ３０を逆回転させて減圧を行うＥＣＵ５０を備え、燃料電池１０の再起動時にアノードガスを供給するまでアノード流路２５を大気圧以下に維持することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関するものである。

燃料電池には、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両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成されたアノードガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成されたカソードガス流路に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。また、この発電に伴って水が生成される（以下、生成水という。）。

燃料電池の起動時において発電安定性を確保するには、アノード流路における燃料ガス濃度を高くするのが有効である。燃料ガス濃度を高くするには、起動時において燃料ガスを供給する直前に、アノード流路が負圧になっていればよい。
この点、特許文献１には、燃料電池システムの停止時に、酸化ガス排出流路と燃料ガス排出流路の合流点の下流に設けられた弁を閉じた状態でコンプレッサを逆回転させ、当該燃料電池内の酸化ガス流路と燃料ガス流路をともに減圧する技術が開示されている。

特開２００８−３４１２７号公報

しかしながら、燃料電池システムの停止時には燃料ガス流路に燃料ガスが残存している。そのため、特許文献１に記載された技術においてコンプレッサを逆回転させると、システム外に燃料ガスが直接排出されるという問題がある。また、燃料ガスの直接排出を防止するため新たな装置を設けると、製造コストが増加することになる。

また、特許文献１に記載された技術では燃料電池システムの停止時のみにアノード流路を減圧するので、燃料電池の停止時間が長くなるとアノード流路に空気が拡散し、アノード流路の圧力は大気圧まで上昇する。この状態でアノード流路に燃料ガスを供給しても、燃料ガス濃度を高くすることは困難であり、また燃料ガスの供給に長時間を要することになる。これに伴って、燃料電池システムの起動時に発電安定性を確保することができないという問題がある。

そこで本発明は、製造コストの増加を抑制しつつ、燃料電池の再起動時にアノード流路のアノードガス濃度を迅速に高めることが可能な、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、アノード流路（例えば、実施形態におけるアノード流路２５）にアノードガス（例えば、実施形態における水素ガス）を供給しカソード流路（例えば、実施形態におけるカソード流路３５）にカソードガス（例えば、実施形態における空気）を供給して発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１０）と、前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を掃気ガス（例えば、実施形態における空気）で掃気する掃気手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ３０やエア導入路６０、エア導入弁６２等）と、前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を密封する密封手段（例えば、実施形態におけるアノード掃気入口弁２３およびアノード掃気出口弁２８）と、前記アノード流路の圧力を取得する圧力取得手段（例えば、実施形態におけるアノード圧力センサ２４）と、を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）であって、前記アノード流路のガスを排出して前記アノード流路を減圧する減圧手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ３０）と、前記掃気手段による掃気完了後に前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が、大気圧よりも低く設定された目標圧力（例えば、実施形態におけるアノード減圧目標値Ｐ３）以上である場合には、前記アノード流路の圧力が前記目標圧力以下になるように前記減圧手段により減圧を行う制御部（例えば、実施形態におけるＥＣＵ５０）と、をさらに備え、前記燃料電池の再起動時に前記アノードガスを供給するまで前記アノード流路を大気圧以下に維持することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記制御部は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を、前記掃気手段による掃気完了後に開始することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記制御部は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を所定時間ごとに行うとともに、前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が減圧実施閾値から離れているほど前記所定時間を長く設定することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、
前記制御部は、前記温度取得手段により取得した温度が所定温度（例えば、実施形態における閾値Ｔ１）以下となった場合に、前記掃気手段により掃気を実行することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記制御部は、前記掃気手段による掃気の実行後は、前記温度取得手段による温度の取得を停止することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、前記制御部は、前記掃気手段による掃気の実行前は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を行わないことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、前記制御部は、前記温度取得手段により取得した温度が低いほど、前記目標圧力を低く設定することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、アノード流路にアノードガスを供給しカソード流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、前記アノード流路を燃料電池停止中に密封する密封手段と、前記アノード流路の圧力を取得する圧力取得手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、前記アノード流路のガスを排出して前記アノード流路を減圧する減圧手段をさらに備え、前記掃気手段による掃気完了後に前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が、大気圧よりも低く設定された目標圧力以上である場合には、前記アノード流路の圧力が前記目標圧力以下になるように前記減圧手段により減圧を行う工程を有し、前記燃料電池の再起動時に前記アノードガスを供給するまで前記アノード流路を大気圧以下に維持することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、アノード掃気を行ったあとにアノード流路を減圧するため、アノード流路の減圧時にアノードガスが外部に排出されることはない。そのため、アノードガスを処理する新たな装置を追加する必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
また、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給するまでアノード流路が大気圧以下に維持されるので、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給したときに、アノード流路におけるアノードガス濃度を迅速に高めることができる。

アノード流路の掃気前には、アノード流路の減圧を行わないので、減圧のため圧力を取得する必要もない。そこで請求項２に係る発明では、掃気完了後に圧力の取得を開始することにより、圧力の取得に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。

アノード流路の圧力が減圧実施閾値から離れている場合には、アノード流路の圧力が減圧実施閾値まで上昇するまでの時間が長くなる。そこで請求項３に係る発明では、圧力の取得のインターバルを長く設定することにより、圧力の取得に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。

請求項４に係る発明によれば、燃料電池の温度が低下して掃気が必要な場合にのみ掃気を実行するので、掃気に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。またアノード掃気を行わなければ、アノードガスが自然に消費されてアノード流路が負圧になり、減圧処理が不要となる。したがって、減圧に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。

掃気の実行後には、再び掃気を実行する必要がないので、掃気の要否を判断するため温度を取得する必要もない。そこで請求項５に係る発明では、掃気の実行後に温度の取得を停止することにより、温度の取得に伴う無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

この構成によれば、掃気の実行前には、アノード流路の減圧を行わないので、減圧のためアノード流路の圧力を取得する必要もない。そこで請求項６に係る発明では、掃気の実行前に圧力の取得を行わないことにより、圧力の取得に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。

燃料電池の温度が低いほど、触媒活性が低くなり、燃料電池の起動性が悪くなる。そこで請求項７に係る発明では、燃料電池の温度が低いほど目標圧力を低く設定することで、アノード流路を低圧に維持する。これにより、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給したときに、アノード流路のアノードガス濃度を迅速に高めることができる。したがって、燃料電池の起動性を確保することができる。

請求項８に係る発明によれば、アノード掃気を行ったあとにアノード流路を減圧するため、アノード流路の減圧時にアノードガスが外部に排出されることはない。そのため、アノードガスを処理する新たな装置を追加する必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
また、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給するまでアノード流路が大気圧以下に維持されるので、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給したときに、アノード流路におけるアノードガス濃度を迅速に高めることができる。

燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 アノード掃気実施判断のフローチャートである。 （ａ）は燃料電池の温度変化を示すグラフであり、（ｂ）は温度センサの作動状態を示すグラフであり、（ｃ）はアノード流路の圧力変化を示すグラフであり、圧力センサの作動状態を示すグラフである。 アノード減圧実施判断のフローチャートである。 自動起動の休止時間の算出テーブルである。 アノード減圧実施閾値の算出テーブルである。 アノード減圧処理のフローチャートである。 アノード減圧目標値の算出テーブルである。 エアポンプ回転数指令値の算出テーブルである。 アノード減圧処理のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。本実施形態では、電気自動車に搭載された燃料電池システムを例にして説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１は、カソードガスとアノードガスを供給し発電を行う燃料電池（Fuel Cell；ＦＣ）１０を備えている。燃料電池１０は、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したものである。膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）の両側に、アノード電極とカソード電極を配置して構成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、両者間にアノード流路２５が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、両者間にカソード流路３５が形成されている。

この燃料電池１０では、アノード流路２５にアノードガスとして水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード流路３５にカソードガスとして酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給する。すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動する。この水素イオンがカソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。この発電に伴って水が生成される。

アノード流路２５の入口側には、アノード流路２５にアノードガスを供給するアノード供給流路２１および水素タンク２０が接続されている。アノード供給流路２１には、アノードガスの供給を遮断する遮断弁２２が設けられている。またアノード流路２５の入口部近傍には、アノード流路２５の圧力を検出するアノード圧力センサ（圧力取得手段）２４が設けられている。
また、アノード流路２５の出口側には、アノード流路２５からアノードオフガスを排出するアノード排出流路２６が接続されている。またアノード流路２５の出口近傍には、アノードオフガスの温度を測定することにより燃料電池１０の温度を検出する温度センサ（温度取得手段）２７が設けられている。

一方、カソード流路３５の入口側には、カソード流路３５にカソードガスを供給するカソード供給流路３１およびエアポンプ３０が接続されている。このエアポンプ３０は、正回転および逆回転が可能である。カソード供給流路３１には、カソード流路３５の入口側を封止するカソード入口弁３３が設けられている。
また、カソード流路３５の出口側には、カソード流路３５からカソードオフガスを排出するカソード排出流路３６が接続されている。カソード排出流路３６には、カソード流路３５の出口側を封止するカソード出口弁３８が設けられている。

アノード排出流路２６およびカソード排出流路３６の下流側には、希釈システム（オフガス処理手段）４０が設けられている。希釈システム４０は、燃料ガスを酸化剤ガスで希釈して、燃料電池システム１の外部に排出するものである。なお希釈システム４０に代えて、触媒燃焼器を設けてもよい。

燃料電池システム１は、燃料電池１０の停止中にアノード流路２５を空気（掃気ガス）で掃気する掃気手段を備えている。具体的には、カソード供給流路３１からエア導入路６０が分岐し、遮断弁２２の下流側においてアノード供給流路２１に合流している。エア導入路６０にはエア導入弁６２が設けられている。アノード供給流路２１に対するエア導入路６０の合流点の下流側には、アノード掃気入口弁２３が設けられている。またアノード排出流路２６には、アノード掃気出口弁２８が設けられている。このアノード掃気入口弁２３およびアノード掃気出口弁２８は、燃料電池１０の停止中にアノード流路２５を密封する密封手段として機能する。

燃料電池システム１は、ＥＣＵ（制御部）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、遮断弁２２、エア導入弁６２、アノード掃気入口弁２３、アノード掃気出口弁２８、カソード入口弁３３およびカソード出口弁３８の開閉動作を制御する。またＥＣＵ５０は、アノード圧力センサ２４、温度センサ２７およびエアポンプ３０の動作を制御する。

ＥＣＵ５０は、（１）燃料電池の発電中にカソード流路３５に空気を供給する制御、（２）燃料電池の停止中にアノード流路２５を掃気する制御、（３）燃料電池の停止中にアノード流路を減圧する制御を行うことが可能である。
（１）カソード流路に空気を供給する場合は、エア導入弁６２を閉弁しつつ、カソード入口弁３３およびカソード出口弁３８を開弁した状態で、エアポンプ３０を正回転させる。（２）アノード流路２５を掃気する場合は、カソード入口弁３３を閉弁しつつ、エア導入弁６２、アノード掃気入口弁２３およびアノード掃気出口弁２８を開弁した状態で、エアポンプ３０を正回転させる。

（３）アノード流路２５を減圧する場合は、カソード入口弁３３を閉弁しつつ、エア導入弁６２およびアノード掃気入口弁２３を開弁し、アノード掃気出口弁２８を閉弁した状態で、エアポンプ３０を逆回転させる。これにより、アノード流路２５の残留ガスを排出してアノード流路２５を減圧することができる。したがって、エアポンプ３０、エア導入弁６２、アノード掃気入口弁２３およびアノード掃気出口弁２８は、アノード流路２５の減圧手段として機能する。

（燃料電池システムの制御方法）
上記のように構成された燃料電池システム１の制御方法について説明する。ここでは、アノード流路２５の掃気実施要否を判断する手順（図２）、アノード流路２５の減圧実施要否を判断する手順（図４）、およびアノード流路２５の減圧実施処理の手順（図７）について、順に説明する。

（アノード掃気実施判断）
車両のイグニッション・スイッチがＯＦＦされると、燃料電池システム１の燃料電池１０が停止する。その燃料電池１０の膜電極構造体には、発電に伴う生成水が付着している。車両の停止中に燃料電池１０の温度が氷点下になると、膜電極構造体に付着した生成水が氷結して、燃料電池１０の再起動が困難になる。そこで、燃料電池１０の温度が氷点下になる前に、膜電極構造体に付着した生成水を排出するため、燃料電池１０を掃気する。燃料電池１０の掃気は、エアポンプ３０からアノード流路２５（およびカソード流路３５）に空気を供給することによって行う。

図２は、アノード掃気実施判断のフローチャートである。アノード掃気実施判断は、燃料電池システム１の停止後、所定時間ｔａごとに行う。そこでＳ１０において、燃料電池システム１の停止または前回のアノード掃気実施判断から、所定時間ｔａが経過したか判断する。判断がＹｅｓの場合はＳ１２に進み、燃料電池１０の温度を検出する。
図３（ａ）は燃料電池の温度変化を示すグラフであり、図３（ｂ）は温度センサの作動状態を示すグラフである。燃料電池１０の温度は、アノード流路２５の出口近傍に設けた温度センサ２７で検出する。図３（ｂ）に示すように、燃料電池システム１の停止（ｔ＝０）から所定時間ｔａごとに温度センサ２７を作動させ、図３（ａ）に示す燃料電池の温度を検出する。

図２のＳ１４において、燃料電池１０の温度が閾値Ｔ１以下であるか判断する。この閾値Ｔ１は、氷点より若干高い温度に設定されている。Ｓ１４の判断がＮｏの場合は、アノード掃気を実施する必要はないと判断し、処理を終了する。Ｓ１４の判断がＹｅｓの場合は、燃料電池１０の温度が氷点下になる可能性があるため、アノード掃気を実施する必要があると判断する。そこでＳ１６に進み、アノード掃気を実施する。このように、燃料電池の温度が低下して掃気が必要な場合にのみ掃気を実行するので、掃気に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。
なお掃気の実行後には、再び掃気を実行する必要がないので、掃気の要否を判断するため温度を取得する必要もない。そこでＥＣＵ５０は、掃気の実行後に温度の取得を停止することにより、温度の取得に伴う無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

図３（ｃ）はアノード流路の圧力変化を示すグラフである。燃料電池１０の停止時に、ＥＣＵ５０は、アノード掃気入口弁２３およびアノード掃気出口弁２８を閉弁して、アノード流路２５を密閉する。このとき、アノード流路２５には未反応の燃料ガスが残存しているため、アノード流路２５の圧力（以下、アノード圧力という。）は高くなっている。燃料電池の停止時間（ソーク時間）が長くなると、アノード流路２５の燃料ガスがカソード流路３５の酸素と反応して消費されるため、アノード圧力は大気圧以下まで低下する。そして、時刻ｔ１においてアノード掃気が実施されると、アノード流路２５に空気が供給されるため、アノード圧力は一時的に上昇する。

（アノード減圧実施判断）
アノード流路２５に空気が残存してアノード圧力が高くなっていると、燃料電池の再起動時に燃料ガスを供給しても、アノード流路２５の燃料ガス濃度を迅速に上昇させることが困難になる。そこで、アノード流路２５の減圧処理を実施すべきか判断する。

図４は、アノード減圧実施判断のフローチャートである。Ｓ２０において、アノード流路２５に燃料ガスを供給中（発電中）か判断する。Ｎｏの場合はＳ２２に進んで、アノード掃気の実施直後か判断する。Ｎｏの場合はＳ３０に進んで、燃料ガスの供給後にアノード掃気を実施済みか判断する。なおアノード掃気が未実施の場合には、Ｓ２２およびＳ３０の判断が共にＮｏになるのでＳ２１に進む。この場合は、アノード流路に燃料ガスが残存している可能性があるため、エアポンプ３０を逆回転させてアノード流路の減圧処理を行うと、エアポンプ３０から燃料電池システムの外部に燃料ガスが排出されるおそれがある。そこでＳ２１では、アノード減圧処理のための燃料電池システムの自動起動を不許可とする。燃料電池システムの自動起動については後述する。

一方、Ｓ２２の判断がＹｅｓ（アノード掃気の実施直後）の場合には、アノード掃気によりアノード圧力が一時的に上昇しているので、Ｓ４０に進んでアノード減圧処理を実施する。アノード減圧処理の具体的内容については後述する。
これにより、図３（ｃ）に示すように、アノード掃気（ｔ１）後のアノード圧力を、再び大気圧Ｐ１以下まで低下させる。アノード圧力は、後述するアノード減圧実施閾値Ｐ２以下であって、アノード減圧目標値Ｐ３まで低下させる。

ところで、減圧されたアノード流路２５には、カソード流路３５等から空気が流入（拡散）する。そのため、燃料電池の停止時間が長くなると、アノード圧力が再び上昇することになる。そこで、再びアノード流路２５の減圧処理を実施すべきか判断する。このアノード減圧実施判断は、アノード掃気から所定時間ごとに、燃料電池システムを自動的に起動して行う。

そこで図４のＳ２４において、アノード減圧処理のため、燃料電池システム１の自動起動を許可する。次にＳ２５において、アノード掃気（または前回の自動起動）から次回の自動起動までの休止時間を算出する。
図５は、自動起動の休止時間の算出テーブルである。図５の横軸には、アノード減圧実施閾値Ｐ２とアノード圧力との偏差Ｐｂを取っている。偏差Ｐｂが小さい場合には、アノード圧力がアノード減圧実施閾値Ｐ２まで上昇する短時間が短いので、自動起動までの休止時間を短く設定する。偏差Ｐｂが大きい場合には、アノード圧力がアノード減圧実施閾値Ｐ２まで上昇する時間が長いので、自動起動までの休止時間を長く設定する。
次に図４のＳ２６において、算出した休止時間をセットし、燃料電池システムを停止する。

アノード掃気からセットした休止時間が経過したら、燃料電池システムを自動起動する。そして圧力センサ２４を作動させ、再び図４に示すアノード減圧実施判断を行う。
図３（ｄ）は、圧力センサの作動状態を示すグラフである。圧力センサ２４は、アノード掃気（ｔ１）から休止時間ｔｂ１の経過後に作動し、その後も休止時間ｔｂ２、ｔｂ３・・・の経過後に作動する。このように、アノード掃気の実施後に所定時間ごとに圧力センサ２４を作動させることで、圧力センサの作動に伴うエネルギ消費量を低減することができる。なおアノード流路の掃気前には、アノード流路の減圧を行わないので、減圧のため圧力を取得する必要もない。そこでＥＣＵ５０は、掃気完了後に圧力の取得を開始することにより、圧力の取得に伴う無駄なエネルギ消費を防止することができる。

アノード掃気から休止時間が経過した場合は、図４のＳ２２の判断がＮｏになりＳ３０の判断がＹｅｓになるので、Ｓ３２に進んでアノード減圧実施閾値Ｐ２を算出する。
図３（ｃ）に示すように、アノード掃気（ｔ１）後のアノード減圧処理により、アノード圧力はアノード減圧実施閾値Ｐ２以下まで低下している。ところが、燃料電池の停止時間が長くなると、アノード圧力は再び上昇する。そこで、アノード圧力がアノード減圧実施閾値Ｐ２以上となった時点で、再びアノード減圧処理を行う。

図６は、アノード減圧実施閾値の算出テーブルである。図６の横軸には、温度センサ２７により検出した燃料電池の温度を取っている。燃料電池が低温の場合には、膜電極構造体の触媒活性が低いので、燃料電池の起動性が悪くなる。そこで、アノード減圧実施閾値を低く設定して、アノード流路を低圧に維持する。これにより、燃料電池の再起動時に燃料ガス濃度を高めることが可能になり、燃料電池の起動性を確保することができる。逆に、燃料電池が高温の場合には、アノード減圧実施閾値を高く設定する。これにより、無駄なアノード減圧処理を防止することが可能になり、エネルギ消費量を低減することができる。

次に図４のＳ３４に進み、アノード圧力がアノード減圧実施閾値Ｐ２以上であるか判断する。判断がＮｏの場合は、アノード減圧処理を実施する必要がないと判断する。この場合は、Ｓ２４〜Ｓ２６において次回の自動起動までの休止時間をセットし、燃料電池システムを停止する。
一方、Ｓ３４の判断がＹｅｓの場合はＳ４０に進み、アノード減圧処理を実施する。

（アノード減圧処理）
図７はアノード減圧処理のフローチャートであり、図１０はタイミングチャートである。以下の各処理は、ＥＣＵ５０からの指令によって行う。まずＳ４２において、遮断弁２２、カソード入口弁３３、カソード出口弁３８およびアノード掃気出口弁２８を閉弁する。なお、各弁にノーマルクローズ（無信号で閉となる）弁を採用している場合には、Ｓ４２の処理は不要である。次にＳ４４において、エアポンプ回転数指令値を０回転に設定（リセット）する。次にＳ４６において、エア導入弁６２およびアノード掃気入口弁２３を開弁する。次にＳ４８において、エア導入弁６２およびアノード掃気入口弁２３の開弁に要する所定時間ｔｃが経過したか判断し、判断がＹｅｓになったらＳ５０に進む。

次にＳ５０において、アノード減圧目標値Ｐ３を算出する。
図８は、アノード減圧目標値の算出テーブルである。図６の横軸には、温度センサ２７により検出した燃料電池の温度を取っている。燃料電池が低温の場合には、膜電極構造体の触媒活性が低いので、燃料電池の起動性が悪くなる。そこで、アノード減圧目標値を低く設定して、アノード流路を低圧に維持する。これにより、燃料電池の再起動時に燃料ガス濃度を高めることが可能になり、燃料電池の起動性を確保することができる。逆に、燃料電池が高温の場合には、アノード減圧目標値を高く設定する。これにより、無駄なアノード減圧処理を防止することが可能になり、エネルギ消費量を低減することができる。

次に図７のＳ５２において、アノード減圧目標値に基づいて、エアポンプ回転数指令値を算出する。
図９は、エアポンプ回転数指令値の算出テーブルである。図９の横軸には、アノード減圧目標値を大気圧からの差圧で表示し、縦軸には、エアポンプの逆回転の回転数をマイナスで表示している。図９では、アノード減圧目標値が大気圧に近くなるほど、エアポンプが０回転に近くなるように、アノード減圧目標値が低くなるほど、エアポンプの逆回転の回転数（絶対値）が大きくなるように、エアポンプ回転数指令値が設定される。

次に図７のＳ５４〜Ｓ５８において、アノード圧力のＰＩＤ制御を行う。まずＳ５４において、圧力センサ２４で検出したアノード圧力とアノード減圧目標値Ｐ３との差分を算出し、この差分からＰＩＤ制御によりエアポンプ回転数指令値の修正分を算出する。次にＳ５６において、算出した修正分をエアポンプ回転数指令値に加算し、エアポンプ３０に出力する。次にＳ５８において、再びアノード圧力とアノード減圧目標値Ｐ３との差分を算出する。そして、その差分の絶対値が許容誤差（所定値）より小さいか、また許容誤差より小さい状態が所定時間ｔｄ以上継続したか判断する。判断がＮｏの場合には、アノード圧力がアノード減圧目標値Ｐ３まで減圧されていないと判断し、Ｓ５４〜Ｓ５８を繰り返す。

一方、Ｓ５８の判断がＹｅｓの場合には、アノード圧力がアノード減圧目標値Ｐ３まで減圧されたと判断し、Ｓ６０に進む。Ｓ６０では、アノード掃気入口弁２３を閉弁する。次にＳ６２において、アノード掃気入口弁２３の閉弁に要する所定時間ｔｅが経過したか判断し、判断がＹｅｓになったらＳ６４に進む。Ｓ６４では、エアポンプ回転数指令値を０回転に設定（リセット）する。次にＳ６６において、エア導入弁６２を閉弁する。以上により、アノード減圧処理が完了する。

以上に詳述したように、本発明に係る燃料電池システム１は、掃気完了後にアノード圧力センサ２４により取得したアノード流路２５の圧力が、大気圧よりも低く設定されたアノード減圧目標値以上である場合には、アノード流路２５の圧力がアノード減圧目標値以下になるようにエアポンプ３０を逆回転させて減圧を行うＥＣＵ５０を備え、燃料電池１０の再起動時にアノードガスを供給するまでアノード流路２５を大気圧以下に維持する構成とした。

この発明によれば、アノード掃気を行ったあとにアノード流路２５を減圧するため、アノード流路２５の減圧時にアノードガスが外部に排出されることはない。そのため、アノードガスを処理する新たな装置を追加する必要がなく、製造コストの増加を抑制することができる。
また、燃料電池の再起動時にアノードガスを供給するまでアノード流路２５が大気圧以下に維持されるので、燃料電池１０の再起動時にアノードガスを供給したときに、アノード流路２５におけるアノードガス濃度を迅速に高めることができる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、燃料電池システムの構成は上述したものに限られない。

また、実施形態ではアノード流路の出口近傍に温度センサを配置し、アノードオフガスの温度を測定して燃料電池の温度を取得する構成としたが、これ以外の構成で燃料電池の温度を取得することも可能である。例えば、燃料電池の内部を流通する冷媒の温度を測定して燃料電池の温度を取得してもよいし、燃料電池の温度を直接測定してもよい。
また、実施形態では圧力センサを再作動させるまでの休止時間を毎回算出して変更する構成としたが、一定時間ごとに圧力センサを再作動させてもよい。

１…燃料電池システム １０…燃料電池 ２３…アノード掃気入口弁（密封手段） ２４…アノード圧力センサ（圧力取得手段） ２５…アノード流路 ２７…温度センサ（温度取得手段） ２８…アノード掃気出口弁（密封手段） ３０…エアポンプ（掃気手段） ３５…カソード流路 ５０…ＥＣＵ（制御部） ６０…エア導入路（密封手段） ６２…エア導入弁（密封手段）

Claims (8)

1. アノード流路にアノードガスを供給しカソード流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
   前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を密封する密封手段と、
   前記アノード流路の圧力を取得する圧力取得手段と、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記アノード流路のガスを排出して前記アノード流路を減圧する減圧手段と、
   前記掃気手段による掃気完了後に前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が、大気圧よりも低く設定された目標圧力以上である場合には、前記アノード流路の圧力が前記目標圧力以下になるように前記減圧手段により減圧を行う制御部と、
   をさらに備え、前記燃料電池の再起動時に前記アノードガスを供給するまで前記アノード流路を大気圧以下に維持することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を、前記掃気手段による掃気完了後に開始す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。
3. 前記制御部は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を所定時間ごとに行うとともに、前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が減圧実施閾値から離れているほど前記所定時間を長く設定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。
4. 前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、
   前記制御部は、前記温度取得手段により取得した温度が所定温度以下となった場合に、前記掃気手段により掃気を実行することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記掃気手段による掃気の実行後は、前記温度取得手段による温度の取得を停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記掃気手段による掃気の実行前は、前記圧力取得手段による前記アノード流路の圧力の取得を行わないことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、前記温度取得手段により取得した温度が低いほど、前記目標圧力を低く設定することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
8. アノード流路にアノードガスを供給しカソード流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の停止中に前記アノード流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
   前記アノード流路を燃料電池停止中に密封する密封手段と、
   前記アノード流路の圧力を取得する圧力取得手段と、
   を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、前記アノード流路のガスを排出して前記アノード流路を減圧する減圧手段をさらに備え、
   前記掃気手段による掃気完了後に前記圧力取得手段により取得した前記アノード流路の圧力が、大気圧よりも低く設定された目標圧力以上である場合には、前記アノード流路の圧力が前記目標圧力以下になるように前記減圧手段により減圧を行う工程を有し、
   前記燃料電池の再起動時に前記アノードガスを供給するまで前記アノード流路を大気圧以下に維持することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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