JP2020077506A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】掃気による燃料電池からの排水性を高める。【解決手段】燃料電池システムは、エアコンプレッサが吐出する空気の経路を、燃料電池を経由する第１経路と、燃料電池を経由することなく酸化ガスバイパス流路を経由する第２経路と、の間で切り替える流路切替部を備える。制御部は、システム停止の指示が入力されたときに、空気が第１経路を流れる第１状態において、第１期間、エアコンプレッサを第１回転数にて駆動させる第１処理を実行し、第１処理の後、空気が第２経路を流れる第２状態となるように流路切替部を切り替えて、第２期間、エアコンプレッサを、第１回転数よりも低い第２回転数にて駆動させる第２処理を実行し、第２処理の後、エアコンプレッサの回転数を第２回転数に維持しつつ、第１状態となるように流路切替部を切り替える第３処理を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般に、発電に伴い生成水を生じる。従来、生成水等の液水を燃料電池から排出するために、燃料電池の停止時には、燃料電池内部のガス流路の掃気が行なわれていた。燃料電池の掃気の方法として、例えば特許文献１では、燃料電池の停止時に第１のガス流量にて掃気を行ない、その後、第１のガス流量よりも低い第２のガス流量にて掃気することにより、櫛歯型のような細い流路からも排水を可能にする方法が提案されている。

特開２０１４−１９７４８１号公報

しかしながら、上記のように、掃気時のガス流量がより多い状態からより少ない状態に変更して掃気を行なっても、掃気終了後に燃料電池から液水が浸み出して、燃料電池からの排水が不十分となる場合があることを、本願発明者等は見出した。そのため、掃気による燃料電池からの排水性を高める技術が求められている。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に対して、酸化ガスとしての空気を供給するためのエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを接続する酸化ガス供給流路と、前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流れる酸化ガス排出流路と、前記酸化ガス供給流路から分岐して設けられ、前記酸化ガス排出流路に接続される酸化ガスバイパス流路と、前記エアコンプレッサが吐出する空気が流れる経路を、前記燃料電池を経由する第１経路と、前記燃料電池を経由することなく前記酸化ガスバイパス流路を経由する第２経路と、の間で切り替える流路切替部と、制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムを停止させる指示が入力されたときに、前記エアコンプレッサから供給される空気が前記第１経路を流れる第１状態において、第１期間、前記エアコンプレッサを第１回転数にて駆動させる第１処理を実行し、前記第１処理の後、前記エアコンプレッサから供給される空気が前記第２経路を流れる第２状態となるように、前記流路切替部を切り替えて、第２期間、前記エアコンプレッサを、前記第１回転数よりも低い第２回転数にて駆動させる第２処理を実行し、前記第２処理の後、前記エアコンプレッサの回転数を前記第２回転数に維持しつつ、前記第１状態となるように前記流路切替部を切り替える第３処理を実行する。
この形態の燃料電池システムによれば、掃気による燃料電池からの排水性を高めることができる。また、掃気を行なう際に、エアコンプレッサを一旦停止して再起動することや、エアコンプレッサの回転数が増加することがないため、エアコンプレッサの駆動音の発生や変化に起因して使用者が感じる違和感を抑えることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池の掃気方法、燃料電池車両等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を模式的に表わす説明図である。 停止時掃気処理ルーチンを表わすフローチャートである。 停止時掃気処理を実行する際の各部の動作を示す説明図である。 燃料電池からの排水性を高める効果を確認した結果を示す説明図である。 燃料電池システムの概略構成を模式的に表わす説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１５の概略構成を模式的に表わす説明図である。本実施形態の燃料電池システム１５は、駆動用電源として燃料電池車両１０に搭載されている。ただし、燃料電池システム１５は、車両以外の移動体の駆動用電源としてもよく、また、燃料電池システム１５を定置型電源として用いるなど、異なる用途に用いてもよい。燃料電池システム１５は、燃料電池２０と、燃料ガス供給系２００と、酸化ガス供給系３００と、排ガス系４００と、冷却系５００と、制御部９００と、を備える。

燃料電池２０は、燃料電池車両１０の駆動エネルギを発生させる装置である。燃料電池２０は、単セルが複数積層されたスタック構成を有しており、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて発電する。本実施形態の燃料電池２０は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスが流れる流路（アノード側流路）が形成され、カソード側に酸化ガスが流れる流路（カソード側流路）が形成されている。また、燃料電池２０の内部には、燃料電池２０を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。なお、燃料電池２０としては、固体高分子形燃料電池に限らず、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。

燃料ガス供給系２００は、燃料ガスタンク２１０と、燃料ガス供給管２２０と、燃料ガス排気管２３０と、燃料ガス還流管２４０と、主止弁２５０と、レギュレータ２６０と、インジェクタ２７０と、気液分離器２８０と、水素ポンプ２９０と、を備える。燃料ガスタンク２１０は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給管２２０を介して燃料電池２０に接続されている。燃料ガス供給系２００において、燃料ガスタンク２１０に貯蔵された水素ガスは、レギュレータ２６０での減圧を経て、インジェクタ２７０から、燃料電池２０のアノード側流路に供給される。

燃料ガス排気管２３０は、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。燃料ガス還流管２４０は、燃料ガス排気管２３０と、燃料ガス供給管２２０におけるインジェクタ２７０よりも下流側の部位とに接続されている。燃料電池２０から燃料ガス排気管２３０に排出されたアノードオフガスは、燃料ガス還流管２４０を経由して、再び燃料ガス供給管２２０に導かれる。そのため、燃料電池システム１５において、燃料ガスは、発電により水素が消費されつつ、燃料ガス排気管２３０、燃料ガス還流管２４０、燃料ガス供給管２２０の一部、および、燃料電池２０内に形成される燃料ガスの流路を循環する。燃料ガス還流管２４０には、燃料ガスを循環させるために燃料ガスを加圧する既述した水素ポンプ２９０が設けられている。

燃料ガス排気管２３０と燃料ガス還流管２４０との接続部には、気液分離器２８０が設けられている。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素と共に、窒素や水蒸気等の不純物が含まれる。気液分離器２８０は、アノードオフガス中の水と、ガス（水素および窒素等）とを分離する。本実施形態では、気液分離器２８０を介して、上記した流路内を循環する燃料ガスから不純物が除去される。

酸化ガス供給系３００は、エアコンプレッサ３２０と、酸化ガス供給管３３０と、封止弁３６０と、を備える。本実施形態の燃料電池２０は、酸化ガスとして、空気を用いる。エアコンプレッサ３２０は、エアコンプレッサ用モータ３５０に駆動されて空気を圧縮し、酸化ガス供給管３３０を介して、燃料電池２０のカソード側流路に空気を供給する。封止弁３６０は、酸化ガス供給管３３０において燃料電池２０との接続部近傍に設けられており、燃料電池２０に対して酸化ガスが供給される際には開弁される。酸化ガス供給管３３０は、「酸化ガス供給流路」とも呼ぶ。

排ガス系４００は、排ガス管４１０と、調圧弁４２０と、燃料ガス排出管４３０と、パージ弁４４０と、酸化ガスバイパス管４５０と、バイパス弁４６０と、サイレンサ４７０と、を備える。排ガス管４１０は、燃料電池２０からカソードオフガスが排出される流路であり、「酸化ガス排出流路」とも呼ぶ。排ガス管４１０には、調圧弁４２０が設けられている。調圧弁４２０の開度を調節することにより、燃料電池２０中の酸化ガスの圧力（背圧）を調整可能となる。調圧弁４２０を閉弁することにより、燃料電池から排ガス管４１０にカソードオフガスが排出されるガス流れが遮断される。燃料ガス排出管４３０は、気液分離器２８０と、排ガス管４１０とを接続している。燃料ガス排出管４３０には、パージ弁４４０が設けられている。パージ弁４４０が一時的に開弁されて、気液分離器２８０から水とガスとが排出されることにより、既述した燃料ガスの流路内を循環する燃料ガス中の不純物の濃度が低減される。

酸化ガスバイパス管４５０は、酸化ガス供給管３３０と、排ガス管４１０とを接続する配管であり、「酸化ガスバイパス流路」とも呼ぶ。酸化ガスバイパス管４５０は、排ガス管４１０において調圧弁４２０が設けられる部位よりも下流で、排ガス管４１０に接続されている。酸化ガスバイパス管４５０には、バイパス弁４６０が設けられている。バイパス弁４６０を開弁することにより、エアコンプレッサ３２０が吐出する空気の少なくとも一部は、燃料電池２０を経由することなく酸化ガスバイパス管４５０を経由して排ガス管４１０に流れることが可能になる。既述した燃料ガス排出管４３０は、排ガス管４１０において、調圧弁４２０よりも下流側の部位であって、酸化ガスバイパス管４５０との接続部よりも上流側の部位において、排ガス管４１０に接続される。燃料ガス排出管４３０から排ガス管４１０に流入するアノードオフガスは、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスと、酸化ガスバイパス管４５０を経由した酸化ガスとのうちの少なくとも一方によって希釈された後に、大気放出される。サイレンサ４７０は、排ガス管４１０における、燃料ガス排出管４３０および酸化ガスバイパス管４５０との接続部よりも下流部に設けられており、排気音を減少させる。

本実施形態の燃料電池システム１５では、封止弁３６０と、調圧弁４２０と、バイパス弁４６０と、の開弁状態によって、エアコンプレッサ３２０が吐出する空気が流れる経路が切り替えられる。具体的には、エアコンプレッサ３２０が吐出する空気が流れる経路が、燃料電池２０を経由する第１経路と、燃料電池２０を経由することなく酸化ガスバイパス管４５０を経由する第２経路と、の間で切り替えられる。封止弁３６０と、調圧弁４２０と、バイパス弁４６０とを、「流路切替部」とも呼ぶ。

冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５１５と、冷媒バイパス管５５０と、冷媒ポンプ５２５と、ラジエータ５３０と、切替弁５６５と、を備える。冷媒供給管５１０は、燃料電池２０に冷媒を供給するための管であり、冷媒供給管５１０には冷媒ポンプ５２５が配置されている。冷媒排出管５１５は、燃料電池２０から冷媒を排出するための管である。冷媒排出管５１５の下流部と冷媒供給管５１０の上流部の間には、冷媒を冷却するためのラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。上記冷媒ポンプ５２５は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５１５と、燃料電池２０内の冷媒流路と、を循環する冷媒の流量を調節する。

冷媒バイパス管５５０は、冷媒供給管５１０と冷媒排出管５１５とを接続する流路である。冷媒排出管５１５から冷媒バイパス管５５０が分岐する分岐部には、ラジエータ５３０を経由する流路と経由しない冷媒バイパス管５５０との間で冷媒が流れる経路を切り替える切替弁５６５が設けられている。切替弁５６５は、ラジエータ５３０を経由して流れる冷媒の流量と、ラジエータ５３０をバイパスして流れる冷媒の流量との割合を変更可能な弁である。

制御部９００は、マイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポートと、を有する。制御部９００は、燃料電池システム１５の発電制御を行なうと共に、燃料電池車両１０全体の制御を行なう。制御部９００は、燃料電池車両１０の各部に設けられたセンサ（燃料電池システム１５の各部に設けたセンサ、アクセル開度センサ、ブレーキペダルセンサ、シフトポジションセンサ、および車速センサを含む）からの出力信号を取得する。そして、制御部９００は、燃料電池車両１０における発電や走行等に係る各部、具体的には、燃料電池システム１５が備える既述した各バルブやポンプ等に駆動信号を出力する。なお、上記した機能を果たす制御部９００は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、燃料電池システム１５の動作に係る制御部や、燃料電池車両１０の走行に係る制御部や、走行に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部によって構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。

（Ａ−２）停止時掃気処理：
図２は、制御部９００のＣＰＵにおいて実行される停止時掃気処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１５を停止させる指示が入力されたとき、例えば、燃料電池車両１０の始動および停止を指示するための起動スイッチ（図示せず）が運転者によってオフにされたときに、起動される。

本ルーチンが起動されると、制御部９００のＣＰＵは、第１処理を実行する（ステップＳ１００）。第１処理とは、比較的多い酸化ガス流量にて、燃料電池２０内の酸化ガスの流路を掃気する処理である。第１処理では、エアコンプレッサ３２０から供給される空気が既述した第１経路を流れる第１状態となる。具体的には、封止弁３６０と調圧弁４２０とが開弁されると共に、バイパス弁４６０が閉弁された状態となる。上記した燃料電池システム１５を停止させる指示が入力された時点で、燃料電池２０が発電している場合には、流路切替部（封止弁３６０、調圧弁４２０、およびバイパス弁４６０）は、上記第１状態に対応する状態となっている。そのため、このような場合には、制御部９００は、流路切替部に対して特別な制御を行なわない。上記した燃料電池システム１５を停止させる指示が入力された時点で、流路切替部の状態が、第１状態に対応する状態とは異なっている場合には、制御部９００は、第１状態となるように流路切替部を駆動する。

また、第１処理では、制御部９００のＣＰＵは、予め設定された第１回転数にてエアコンプレッサ３２０を駆動する。これにより、燃料電池１０内に形成される酸化ガスの流路は、上記第１回転数に対応する流量の酸化ガスによって掃気される。第１処理では、このように、酸化ガスが流れる経路が、燃料電池２０を経由する第１経路となる第１状態にて、エアコンプレッサ３２０の回転数を第１回転数として掃気する動作が、予め定めた第１期間実行される。

ステップＳ１００の第１処理を実行した後、制御部９００のＣＰＵは、第２処理を実行する（ステップＳ１１０）。第２処理とは、エアコンプレッサ３２０の駆動量を第１処理よりも少なくしつつ、酸化ガスが燃料電池２０をバイパスするように酸化ガス流れを変更する処理である。第２処理では、エアコンプレッサ３２０から供給される空気が既述した第２経路を流れる第２状態となる。具体的には、制御部９００のＣＰＵは、調圧弁４２０を閉弁すると共に、バイパス弁４６０を開弁する。本実施形態では、ステップＳ１１０において封止弁３６０は開弁されているが、閉弁することとしてもよい。これにより、エアコンプレッサ３２０が吐出する空気が流れる経路は、第１経路から、燃料電池２０を経由することなく酸化ガスバイパス管４５０を経由する第２経路に変更される。その結果、燃料電池１０内に形成される酸化ガスの流路の掃気が停止される。

また、第２処理では、制御部９００のＣＰＵは、ステップＳ１００における第１の回転数よりも低い回転数として予め設定された第２回転数にてエアコンプレッサ３２０を駆動する。第２処理では、このように、酸化ガスが燃料電池２０をバイパスする第２状態にて、エアコンプレッサ３２０の回転数を第２回転数とする動作が、予め定めた第２期間実行される。

ステップＳ１１０の第２処理を実行した後、制御部９００のＣＰＵは、第３処理を実行する（ステップＳ１２０）。第３処理とは、エアコンプレッサ３２０の駆動量を第２処理と同じ状態に維持しつつ、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の掃気を再び行なう処理である。第３処理では、エアコンプレッサ３２０から供給される空気が既述した第１経路を流れる第１状態となる。具体的には、制御部９００のＣＰＵは、封止弁３６０と調圧弁４２０とを開弁すると共に、バイパス弁４６０を閉弁する。これにより、エアコンプレッサ３２０が吐出する空気が流れる経路は、第２経路から、燃料電池２０を経由する第１経路に変更される。その結果、燃料電池１０内に形成される酸化ガスの流路の掃気が再開される。第３処理では、エアコンプレッサ３２０の回転数は、ステップＳ１１０で設定された第２回転数に維持される。

図３は、停止時掃気処理を実行する際の各部の動作を示す説明図である。図３では、横軸に時間の経過を示すと共に、起動スイッチの状態と、エアコンプレッサ３２０から供給される酸化ガスの流量（エア流量）と、封止弁３６０の開度と、バイパス弁４６０の開度と、調圧弁４２０の開度とを示している。図３では、起動スイッチがオフにされて第１処理が開始される時点を、時間ｔａとして示している。また、時間ｔａから第１期間ｔ１が経過して、第１処理が終了すると共に第２処理が開始される時点を、時間ｔｂとして示している。また、時間ｔｂから第２期間ｔ２が経過して、第２処理が終了すると共に第３処理が開始される時点を、時間ｔｃとして示している。時間ｔａから時間ｔｂまでがステップＳ１００に対応し、時間ｔｂから時間ｔｃまでがステップＳ１１０に対応し、時間ｔｃが、ステップＳ１２０の処理が実行されるときに対応する。

図３に示すように、起動スイッチがオフにされた時間ｔａから時間ｔｂまでの、第１処理が実行される第１期間ｔ１において、エア流量は、第１回転数で駆動されるエアコンプレッサ３２０によるエアの供給量に対応する流量ＦＬ１となる。また、図３では、時間ｔａにおいて、封止弁３６０および調圧弁４２０の開度が１００％に維持され、バイパス弁４６０の開度が０％に維持される様子が示されている。

図３に示すように、第２処理が開始される時間ｔｂでは、エア流量は、流量ＦＬ１から、第２回転数で駆動されるエアコンプレッサ３２０によるエアの供給量に対応する流量ＦＬ２に低下する。また、時間ｔｂでは、封止弁３６０の開度が１００％に維持された状態で、調圧弁４２０の開度が１００％から０％に変更され、バイパス弁４６０の開度が０％から１００％に変更される。

図３に示すように、第３処理が開始される時間ｔｃでは、エア流量は、第２回転数で駆動されるエアコンプレッサ３２０によるエアの供給量に対応する流量ＦＬ２に維持される。また、時間ｔｃでは、封止弁３６０の開度が１００％に維持された状態で、調圧弁４２０の開度が０％から１００％に変更され、バイパス弁４６０の開度が１００％から０％に変更される。

図３では、時間ｔｃにおいて２度目の掃気が開始された後に第３期間ｔ３が経過して、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の掃気が終了する時点を、時間ｔｄとして示している。時間ｔｄにおいて制御部９００のＣＰＵは、封止弁３６０の開度を１００％から０％に変更すると共に、調圧弁４２０の開度を１００％から０％に変更する。このように、燃料電池システム１５の停止時には、燃料電池２０内の酸化ガスの流路は、酸化ガスで掃気された後に入口部と出口部とが封止された状態となる。

燃料電池システム１５の停止時において、制御部９００のＣＰＵは、さらに、燃料電池２０内の燃料ガスの流路を燃料ガスによって掃気した後に、燃料電池２０内の燃料ガスの流路の入口部と出口部とを封止する動作を実行する（図示せず）。このように燃料電池２０内の燃料ガスの流路を燃料ガスで掃気して封止する際には、燃料電池２０内の燃料ガスの流路において水素濃度を高めるために、燃料ガスの流路の封止に先立ってパージ弁４４０（図１参照）を一時的に開弁して、燃料電池２０内の燃料ガスの流路から燃料ガスを排出する動作を複数回行なう。そのため、制御部９００のＣＰＵは、上記のように燃料電池２０から排出される燃料ガスを空気によって希釈する目的で、時間ｔｄにおいて、燃料電池２０内の酸化ガスの流路を封止したときに、エア流量ＦＬ２（第２回転数）にてエアコンプレッサ３２０の駆動を継続しつつ、バイパス弁４６０の開度を０％から１００％に変更する（バイパス弁４６０を開弁する）。そして、その後、時間ｔｅにおいて、燃料電池２０内の燃料ガス流路を封止して、パージ弁４４０を介した燃料ガスの排出が起こらない状態になると、制御部９００のＣＰＵは、エアコンプレッサ３２０を停止し（エア流量は０）、バイパス弁４６０の開度を０％に変更する。

なお、本実施形態では、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の掃気および封止の完了（時間ｔｄ）よりも、燃料電池２０内の燃料ガスの流路の掃気および封止の完了（時間ｔｅ）の方が後であるため、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の封止完了後にもエアコンプレッサ３２０が駆動されているが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池２０内の燃料ガスの流路の封止の方が、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の封止よりも先であり、燃料電池２０内の酸化ガスの流路の封止の完了後に、燃料電池２０から排出される燃料ガスを希釈する必要が無い場合には、酸化ガス流路の封止のタイミングで、エアコンプレッサ３２０の駆動を停止して、バイパス弁４６０を閉弁すればよい。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１５によれば、燃料電池システム１５の停止時に、まず、比較的多い流量の酸化ガスを用いて、燃料電池２０内の酸化ガスの流路を掃気した後、一旦掃気の動作を停止し、その後再び、比較的少ない流量の酸化ガスを用いて、燃料電池２０内の酸化ガスの流路を掃気する。そのため、燃料電池２０内の酸化ガスの流路から、より十分に排水させることが可能になる。

また、このようにシステム停止時に酸化ガス流路を掃気する際に、一旦掃気の動作を停止するときには、空気が流れる経路を切り替えて、燃料電池２０をバイパスするように酸化ガスを流すと共に、エアコンプレッサ３２０の回転数を、上記比較的多い流量に対応する第１回転数から、上記比較的少ない流量に対応する第２回転数に低下させる。このように、第１処理の後にエアコンプレッサ３２０の回転数を低下させることにより、エアコンプレッサ３２０の回転数を第１回転数に維持しつつ空気が流れる経路を切り替えて掃気を一旦停止する場合に比べて、エアコンプレッサ３２０の駆動音を抑えることができる。

さらに、上記した掃気の動作を一旦停止する第２処理におけるエアコンプレッサ３２０の回転数は、掃気を再開する第３処理におけるエアコンプレッサ３２０の回転数と同じであり、第３処理として掃気を再開する際には、エアコンプレッサ３２０の回転数を第２回転数に維持しつつ、空気が流れる経路を切り替えている。そのため、掃気を再開する第３処理の開始時に、エアコンプレッサ３２０を改めて起動する必要が無く、エアコンプレッサ３２０の回転数が増加するなどの変化もない。その結果、起動スイッチをオフにした後に、使用者の意思によることなくエアコンプレッサ３２０が起動することや、エアコンプレッサ３２０の回転数が増加することがなく、エアコンプレッサ３２０の駆動音の発生や増大に起因して使用者が感じる違和感を抑えることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１５によれば、燃料電池２０内の酸化ガスの流路を封止した後に、燃料電池２０から排出される燃料ガスを空気で希釈する必要があるときには、エアコンプレッサ３２０の回転数を第２回転数に維持しつつ、第２経路にて空気を流し続けている。そのため、起動スイッチをオフにした後に、燃料電池２０から排出される燃料ガスを希釈するためにエアコンプレッサ３２０を起動する必要が無く、エアコンプレッサ３２０の駆動音の発生に起因して使用者が感じる違和感を抑えることができる。なお、本実施形態では、時間ｔｄで燃料電池２０内の酸化ガスの流路を封止した後に、エアコンプレッサ３２０の回転数を第２回転数で維持することとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料ガスを希釈するために要する空気量が、より少なくてもよい場合には、時間ｔｄ以後のコンプレッサ３２０の回転数は、第２回転数よりも低く設定してもよい。

図４は、比較的多い流量でカソード側流路を掃気した後に、一旦掃気の動作を停止し、その後、比較的少ない流量でカソード側流路を掃気することによる、燃料電池２０からの排水性を高める効果を確認した結果を示す説明図である。図４では、同様の構成を有して同様の条件で発電を行なった５つの燃料電池の発電を停止する際に、各々の燃料電池について、（ａ）から（ｅ）までの５種類の異なる条件にてカソード側流路の掃気を行ない、その後、各々の燃料電池の酸化ガスの流路の出口から排出される液水量を、経時的に測定した結果を示す。横軸は、掃気終了からの経過時間を示す。縦軸は、燃料電池の酸化ガスの流路の出口から排出された液水量の積算値を示す。グラフ（ａ）は、１２００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した結果を示し、グラフ（ｂ）は、１２００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した後、直ちに６００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した結果を示し、グラフ（ｃ）は、１２００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した後、直ちに１０００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した結果を示し、グラフ（ｄ）は、１２００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した後、４０秒間掃気を停止し、その後、６００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した結果を示し、グラフ（ｅ）は、１２００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて４０秒掃気した後、４０秒間掃気を停止し、その後、６００ＮＬ／ｍｉｎの酸化ガス流量にて６０秒掃気した結果を示す。グラフ（ｄ）およびグラフ（ｅ）が、実施形態の結果に対応する。

図４に示すように、比較的多い流量での掃気と、比較的少ない流量での掃気との間に、掃気を停止する動作を行なうことにより、掃気による排水性を大きく向上できることが確認された。途中で掃気を停止する動作を行なわないグラフ（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれの場合にも、掃気終了後に直ちに、および、掃気終了後しばらくしてから、液だれが生じた。これに対してグラフ（ｄ）および（ｅ）では、掃気の終了後にほとんど液だれが測定されなかった。

このように、途中で一旦掃気の動作を停止することにより排水性が向上する理由は、以下のように考えられる。すなわち、燃料電池の酸化ガスの流路を掃気することにより、酸化ガス流路内の液水が吹き飛ばされて外部に排出されることにより排水されるものの、液水の一部は電解質膜に押し込まれると考えられる。そして、掃気終了後には、このように電解質膜に押し込まれた液水が電解質膜から滲み出して燃料電池から排出され、液だれすると考えられる。本実施形態のように、途中で一旦掃気を停止することで、この掃気の停止中に、最初の掃気によって電解質膜に押し込まれた液水が滲み出すと考えられる。そして、２度目の掃気によって、掃気停止時に滲み出した液水を排水することができると考えられる。なお、２度目の掃気は、途中の掃気の停止時に滲み出した液水を排出できればよいため、最初の掃気時よりも小さい流量にて掃気を行なえば足りると考えられる。その結果、第２処理および第３処理におけるエアコンプレッサ３２０の駆動音を、第１処理におけるエアコンプレッサ３２０の駆動音よりも小さくすることができる。なお、第１処理を行なう第１期間ｔ１、第２処理を行なう第２期間ｔ２、および第３処理を行なう第３期間ｔ３は、例えば、用いる燃料電池２０に応じて、十分な排水性が得られるように、予め実験的に定めることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、本発明の第２実施形態としての燃料電池システム１１５の概略構成を模式的に表わす説明図である。第２実施形態の燃料電池システム１１５は、流路切替部以外の構成は第１実施形態と同じであるため、第１実施形態の燃料電池システム１５と共通する部分には同じ参照番号を付す。第２実施形態の燃料電池システム１１５の制御部９００は、システム停止の指示が入力されると、図２で説明した停止時掃気処理と同様の処理を実行する。

第２実施形態の燃料電池システム１１５は、封止弁３６０およびバイパス弁４６０に代えて、酸化ガス供給管３３０と酸化ガスバイパス管４５０との接続部に設けられる分流弁３４０を備える。分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０と燃料電池２０内の酸化ガスの流路とが連通する状態と、エアコンプレッサ３２０と燃料電池２０内の酸化ガスの流路とが非連通状態となって、エアコンプレッサ３２０と酸化ガスバイパス管４５０とが連通する状態とを、切り替えることができる。第２実施形態では、分流弁３４０と調圧弁４２０とが、流路切替部を構成する。

第２実施形態の燃料電池システム１１５では、燃料電池２０の発電時、並びに、ステップＳ１００およびステップＳ１２０を実行する際（図３の時間ｔａから時間ｔｂの間の第１処理を実行するとき、および、時間ｔｃから時間ｔｄの間の第３処理を実行するとき）に、分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０と燃料電池２０内の酸化ガスの流路とを連通させる状態になる。そして、このとき、調圧弁４２０は開弁状態となって、第１状態を実現する。また、第２実施形態の燃料電池システム１１５では、ステップＳ１１０を実行する際（図３の時間ｔｂから時間ｔｃの第２処理を実行するとき）に、分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０と燃料電池２０内の酸化ガスの流路とを非連通状態にすると共に、エアコンプレッサ３２０と酸化ガスバイパス管４５０とを連通させる状態になり、第２状態を実現する。このとき、調圧弁４２０は、開弁していてもよく、閉弁していてもよい。このような第２実施形態の燃料電池システム１１５によっても、第１実施形態の燃料電池システム１５と同様の効果が得られる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池車両、１５，１１５…燃料電池システム、２０…燃料電池、２００…燃料ガス供給系、２１０…燃料ガスタンク、２２０…燃料ガス供給管、２３０…燃料ガス排気管、２４０…燃料ガス還流管、２５０…主止弁、２６０…レギュレータ、２７０…インジェクタ、２８０…気液分離器、２９０…水素ポンプ、３００…酸化ガス供給系、３２０…エアコンプレッサ、３３０…酸化ガス供給管、３４０…分流弁、３５０…コンプレッサ用モータ、３６０…封止弁、４００…排ガス系、４１０…排ガス管、４２０…調圧弁、４３０…燃料ガス排出管、４４０…パージ弁、４５０…酸化ガスバイパス管、４６０…バイパス弁、４７０…サイレンサ、５００…冷却系、５１０…冷媒供給管、５１５…冷媒排出管、５２５…冷媒ポンプ、５３０…ラジエータ、５３５…ラジエータファン、５５０…冷媒バイパス管、５６５…切替弁、９００…制御部

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に対して、酸化ガスとしての空気を供給するためのエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを接続する酸化ガス供給流路と、
   前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流れる酸化ガス排出流路と、
   前記酸化ガス供給流路から分岐して設けられ、前記酸化ガス排出流路に接続される酸化ガスバイパス流路と、
   前記エアコンプレッサが吐出する空気が流れる経路を、前記燃料電池を経由する第１経路と、前記燃料電池を経由することなく前記酸化ガスバイパス流路を経由する第２経路と、の間で切り替える流路切替部と、
   制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムを停止させる指示が入力されたときに、
   前記エアコンプレッサから供給される空気が前記第１経路を流れる第１状態において、第１期間、前記エアコンプレッサを第１回転数にて駆動させる第１処理を実行し、
   前記第１処理の後、前記エアコンプレッサから供給される空気が前記第２経路を流れる第２状態となるように、前記流路切替部を切り替えて、第２期間、前記エアコンプレッサを、前記第１回転数よりも低い第２回転数にて駆動させる第２処理を実行し、
   前記第２処理の後、前記エアコンプレッサの回転数を前記第２回転数に維持しつつ、前記第１状態となるように前記流路切替部を切り替える第３処理を実行する
   燃料電池システム。

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