JP5011891B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶および航空機等の移動体用発電機に適用して有効である。

燃料電池は発電反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は発電停止後にも燃料電池内部に残留する。残留水分が多い場合には、氷点下のような低温環境下での燃料電池始動時に触媒表面やガス流路等で残留水分が凍結して、反応ガスが触媒まで到達できず、燃料電池での発電が継続できないという問題がある。また、氷点下にならずともガス流路や拡散層、触媒層に残留した水が存在し、触媒に反応ガスが到達するのを阻害し、燃料電池での発電が継続できないという問題がある。

また、燃料電池の運転中において、燃料電池内の電気化学反応により生成された生成水の排出方向に高く傾斜した状態で長時間継続して運転された場合には、排出不良に伴う水詰まりによって発電効率が著しく損なわれたり、発電不能となることがある。

これに対し、燃料電池が搭載された車両の傾斜角度を検出し、検出された傾斜角度が所定値以上と判定された場合に警告を発する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、車両が傾斜状態で運転停止された場合に警告を発するため、傾斜地に駐車することができない。また、警告を無視して傾斜地に駐車した場合、再起動時に燃料電池内に残存する水分やその凍結によってガス流路が閉塞され、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、再起動不能や所望の出力が得られない等の支障を来す恐れがある。

これに対し、燃料電池を停止する際に燃料電池内に乾燥水素（燃料ガス）および乾燥空気（酸化剤ガス）を供給する掃気処理を行うことで、燃料電池内の水分を除去する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３５５９０２号公報 特開２００２−２０８４２１号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、車両が燃料電池から排出される生成水の排出方向に高く傾斜した状態で運転停止されてしまうような状況下では、燃料電池内の残留水分の排出が充分に行われないという問題がある。

また、掃気処理を行うには水素供給装置および酸素供給装置を作動させる電力が必要である。その電力は移動体（燃料電池自動車等）においては二次電池から供給せざるを得ないため、二次電池の電力を消費してしまうという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、二次電池の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池内部の水分を確実に除去できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、移動体に搭載される燃料電池システムであって、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（１）と、燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（３）と、移動体が停止して燃料電池（１）の発電が停止した時に二次電池（３）から電力供給を受けて燃料電池（１）内の残留水分を除去する水分除去処理を行う水分除去手段（２１、３４）と、移動体の姿勢および移動体の基準面に対する傾斜角度を検出する勾配検出手段（６）と、勾配検出手段（６）により検出された姿勢および傾斜角度と、燃料電池（１）から排出される残留水分の排出向きとに応じて、水分除去手段による水分除去処理を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、燃料電池（１）の酸化剤ガス側および燃料ガス側を同時に制御することで水分除去処理の水分除去量を増大させ、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、燃料電池（１）の酸化剤ガス側および燃料ガス側を同時に制御することで水分除去処理の水分除去量を減少させることを特徴としている。

このように、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合、すなわち燃料電池（１）内の残留水分が排出されにくい場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて水分除去処理の水分除去量を増大させることで、燃料電池（１）内部の残留水分を確実に除去することができる。一方、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合、すなわち燃料電池（１）内の残留水分が排出されやすい場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて水分除去処理の水分除去量を減少させることで、水分除去処理に伴う二次電池（３）の電力消費を抑制することができる。したがって、二次電池の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池内部の水分を確実に除去することが可能となる。

また、上記特徴において、燃料電池（１）の発電停止時に二次電池（３）から電力供給を受けて燃料電池（１）内にパージ用空気を供給する掃気処理を行う掃気手段（２１）を設け、制御手段（５０）が燃料電池（１）の酸化剤ガス側の制御を行う場合、水分除去手段を掃気手段（２１）とし、水分除去処理を掃気処理とすることができる。

具体的には、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を増加させるように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を長くするように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を減少させるように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、掃気手段（２１）のパージ用空気の供給時間を短くするように構成してもよい。

また、上記特徴において、燃料ガス供給装置（３１）から燃料ガス供給流路（３０ａ）を介して燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスと燃料ガス以外の不純物とを含んだオフガスを燃料電池（１）から排出させるオフガス排出流路（３０ｂ）と、オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、燃料電池（１）の発電停止時に二次電池（３）から電力供給を受けてオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させてオフガスをオフガス排出流路（３０ｂ）から外部に放出させるオフガス放出処理を行うオフガス放出手段（３４）とを設け、制御手段（５０）が燃料電池（１）の燃料ガス側の制御を行う場合、水分除去手段をオフガス放出手段（３４）とし、水分除去処理をオフガス放出処理とすることができる。

また、具体的には、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を増加させるように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を長くするように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を減少させるように構成してもよい。

また、制御手段（５０）を、移動体の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合に、移動体の基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、オフガス放出手段（３４）によるオフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を短くするように構成してもよい。

また、上記特徴において、燃料電池（１）を車両の走行用駆動源として用い、勾配検出手段（６）を、車両に搭載された加速度センサの検出信号に基づいて、車両の姿勢および車両の基準面に対する傾斜角度を検出するように構成することができる。

また、上記特徴において、燃料電池（１）を車両の走行用駆動源として用い、道路勾配に関する地形情報を記憶した車両用ナビゲーション装置を設け、勾配検出手段（６）を、車両用ナビゲーション装置の道路勾配に関する地形情報に基づいて、車両の姿勢および車両の基準面に対する傾斜角度を推定するように構成することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した実施例である。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。本実施形態では燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。

燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。

アノード（水素極）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード（酸素極）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体 Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
そして、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１１と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。

図２（ａ）は燃料電池１の断面図であり、図２（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。図２（ａ）に示すように、各セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４、電極板１０５、絶縁板１０６、締結板１０７を備えている。電解質膜１０１の両外側には一対の触媒層１０２は配置され、触媒層１０２の外側には一対の拡散層１０３が配置されている。触媒層１０２と拡散層１０３は電極（水素極と酸素極）を構成している。

拡散層１０３には、セパレータ１０４が配置されている。セパレータ１０４には、反応ガスが通過する溝状の反応ガス経路１０４ａ、１０４ｂと、冷却水が通過する冷却水経路１０４ｃが形成されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として水素が通過する水素経路１０４ａが形成されており、空気極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として酸素（空気）が通過する空気経路１０４ｂが形成されている。

図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０４には、空気経路１０４ｂに空気を流入出させるための空気入口部１０４ｄと空気出口部１０４ｅが形成されている。さらに、セパレータ１０４には、水素経路１０４ａに水素を流入出させるための水素入口部１０４ｆと水素出口部１０４ｇが設けられ、冷却水経路１０４ｃに冷却水を流入出させるための冷却水入口部１０４ｈと冷却水出口部１０４ｉが設けられている。そして、上記電気化学反応によって酸素極側で生成した水分は空気経路１０４ｂに滞留することとなる。

図１に戻り、燃料電池１と二次電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３あるいは二次電池３から走行用インバータ４への電力の流れをコントロールする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇降圧チョッパ回路で、燃料電池１で発生した電力を二次電池３に充電したり、二次電池３に蓄えられた電力を走行用インバータ４に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。

二次電池３は、燃料電池１から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものであり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いることができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２と燃料電池１の間に走行用インバータ４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した二次電池３からの電力あるいは燃料電池１からの電力が走行用インバータ４へ供給される。なお、走行用インバータ４は、二次電池３とＤＣ−ＤＣコンバータ２の間に接続してもよい。

走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させたりあるいは電力を回生させるためのインバータである。本実施形態の走行用インバータ４は３相インバータであり、３相の交流電力を走行用モータ５に供給し、走行用モータ５を回転させることで燃料電池車両を走行させる。

また、燃料電池１の発電時に余った電力を二次電池３に蓄えることができる。二次電池３は回生ブレーキなどによって回生された電力を蓄えることができるため、効率的な車両システムとすることができる。通常、二次電池３は最適な充電状態に充電されている。本実施形態では、二次電池３から走行用インバータ４に電力供給できるように構成されており、例えば急加速時などに急激に大きな電力が必要な場合に、燃料電池１からだけでなく二次電池３からも電力を引き出して走行用インバータ４に供給することで対応することができる。

燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極（正極）側に供給される空気（酸素）が通過する空気供給流路２０ａと、燃料電池１の酸素極から排出される空気側排ガスが通過する空気排出流路２０ｂとが設けられている。また、燃料電池システムには、燃料電池１の水素極（負極）側に供給される水素が通過する水素供給経路３０ａと、燃料電池１の水素極側から排出される窒素、水蒸気（水）および未反応水素を含んだオフガスが通過する水素排出流路（オフガス排出流路）３０ｂとが設けられている。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

本実施形態では、燃料電池１の発電停止後、空気ポンプ２１が二次電池３からの電力供給を受けて燃料電池１の空気極にパージ用空気を供給し、空気極に存在する水分を除去する掃気処理（エアパージ）を行うように構成されている。なお、空気ポンプ２１が本発明の掃気手段に相当している。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク（燃料ガス供給装置）３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０ａ〜３０ｃ内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。水素排出流路３０ｂにおける水素循環流路３０ｃとの分岐点より下流側には、燃料電池１から排出されるオフガスを外部に排出させるパージバルブ３４が設けられている。燃料電池１の運転に伴って燃料電池１の水素極側に窒素等の不純物が蓄積され、燃料電池１から排出されるオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなる。このため、燃料電池１の運転中にパージバルブ３４を所定のタイミングで開放し、水素濃度が低くなったオフガスの一部をオフガス排出流路３０ｂから外部に放出する。また、水素排出流路３０ｂは、パージバルブ３４の下流側において、空気排出流路２０ｂに接続されている。

本実施形態では、燃料電池１の発電停止後、パージバルブ３４が二次電池３からの電力供給を受けて開閉し、水素極に存在する水分を未反応水素とともに除去するオフガス放出処理を行うように構成されている。なお、パージバルブ３４が本発明のオフガス放出手段に相当している。

燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ５２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度を間接的に検出することができる。

燃料電池システムには、車両勾配、すなわち車両姿勢および車両の基準面（本実施形態では水平面）に対する傾斜角度を検出する勾配検出センサ（勾配検出手段）６が設けられている。本実施形態では、勾配検出センサ６として、車両に搭載されている加速度センサを用いている。加速度センサの検出信号が重力加速度成分に応じた値を示していることから、この検出信号に基づいて車両勾配を検出する。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。そして、制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ１１からの電圧信号、電流センサ１２からの電流信号、温度センサ４６からの温度信号および勾配検出センサ６からの車両勾配信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、走行用インバータ４、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、パージバルブ３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。なお、制御部５０が、本発明の制御手段に相当している。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。図３に示すように、本実施形態では、空気排出流路２０ｂは燃料電池１から車両後方側に延びており、燃料電池１から排出される水分は空気排出流路２０ｂの車両後方側の端部から外部に排出される。燃料電池１が水平状態の車両に搭載されている場合、空気排出流路２０ｂは水平面に対して平行になっている。したがって、本実施形態では、燃料電池１から排出される残留水分の排出向きは、車両前方から後方に向かう向きと一致している。そして、本実施形態の下り勾配が本発明の「車両（移動体）の姿勢が残留水分の排出向きに上がっている」状態に相当しており、上り勾配が本発明の「車両（移動体）の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている」状態に相当している。

図４は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気処理時に空気ポンプ２１が燃料電池１に供給するパージ用空気の流量（以下、掃気流量という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図４で示す車両の傾斜角度と掃気流量とが関連づけられた第１のマップがあらかじめ記憶されている。

図４に示すように、車両勾配が下り勾配のときには掃気流量を増加させ、車両が上り勾配のときには掃気流量を減少させるようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気流量を増加させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気流量を減少させるようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気流量を減少させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気流量を増加させるようになっている。

図５は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気処理時に空気ポンプ２１が燃料電池１にパージ用空気を供給する時間（以下、掃気時間という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図５で示す車両の傾斜角度と掃気時間とが関連づけられた第２のマップがあらかじめ記憶されている。

図５に示すように、車両が下り勾配のときには掃気時間を長くし、車両が上り勾配のときには掃気時間を短くするようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気時間を長くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気時間を短くするようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときには掃気時間を短くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときには掃気時間を長くするようになっている。

図６は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とオフガス放出処理時におけるパージバルブ３４の開閉回数（以下、バルブ開閉回数という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図６で示す車両の傾斜角度とバルブ開閉回数とが関連づけられた第３のマップがあらかじめ記憶されている。

図６に示すように、車両が下り勾配のときにはバルブ開閉回数を増加させ、車両が上り勾配のときにはバルブ開閉回数を減少させるようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開閉回数を増加させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開閉回数を減少させるようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開閉回数を減少させ、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開閉回数を増加させるようになっている。

図７は、本実施形態における燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とオフガス放出処理時にパージバルブ３４を開放する時間（以下、バルブ開放時間という）との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図７で示す車両の傾斜角度とバルブ開放時間とが関連づけられた第４のマップがあらかじめ記憶されている。なお、本実施形態において、バルブ開放時間はパージバルブ３４の開閉１回当たりの開放時間のことをいう。

図７に示すように、車両が下り勾配のときにはバルブ開放時間を長くし、車両が上り勾配のときにはバルブ開放時間を短くするようになっている。さらに、車両が下り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開放時間を長くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開放時間を短くするようになっている。一方、車両が上り勾配の場合、車両の水平面に対する傾斜角度が大きいときにはバルブ開放時間を短くし、車両の水平面に対する傾斜角度が小さいときにはバルブ開放時間を長くするようになっている。

次に、本実施形態の燃料電池１の掃気処理およびオフガス放出処理について図４〜図８に基づいて説明する。図８は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理およびオフガス放出処理を示すフローチャートである。

本制御は、イグニッションスイッチがオフになり、燃料電池１の発電が停止することで開始する。まず、車両勾配、すなわち車両姿勢および車両の水平面に対する傾斜角度を検出する（Ｓ１００）。

本制御では、空気側制御（掃気処理）と水素側制御（オフガス放出処理）とが同時に行われる。まず、空気側制御について述べる。

ステップＳ１００の後、ＲＯＭから車両の傾斜角度と掃気流量とが関連づけられた第１のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度から掃気流量を決定する（Ｓ２１０）。次に、ＲＯＭから車両の傾斜角度と掃気時間とが関連づけられた第２のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度から掃気時間を決定する（Ｓ２２０）。

次に、空気ポンプ２１を作動して、燃料電池１の空気極側にパージ用の空気を供給する（Ｓ２３０）。このとき、燃料電池１に供給されるパージ用空気の流量がステップＳ２１０において決定された掃気流量となるように、空気ポンプ２１の回転数を制御する。これにより、燃料電池１の空気極側に存在する水分が飽和水蒸気として燃料電池１から排出され、さらに空気流により液滴として燃料電池１から押し出される。

次に、空気ポンプ２１の作動開始からステップＳ２２０において決定された掃気時間（以下、所定時間という）が経過したか否かを判定する（Ｓ２４０）。この結果、空気ポンプ２１の作動開始から所定時間が経過していない場合は（Ｓ２４０：ＮＯ）、ステップＳ２３０に戻る。一方、空気ポンプ２１の作動開始から所定時間が経過した場合は（Ｓ２４０：ＹＥＳ）、空気ポンプ２１を停止して、掃気処理を終了する（Ｓ２５０）。

続いて、水素側制御（オフガス放出処理）について述べる。

ステップＳ１００の後、ＲＯＭから車両の傾斜角度とバルブ開閉回数とが関連づけられた第３のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度からバルブ開閉回数を決定する（Ｓ３１０）。次に、ＲＯＭから車両の傾斜角度とバルブ開放時間とが関連づけられた第４のマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された車両の傾斜角度からバルブ開放時間を決定する（Ｓ３２０）。

次に、パージバルブ３４をステップＳ３２０において決定されたバルブ開放時間開放した後、閉塞する開閉作動を行う（Ｓ３３０）。これにより、燃料電池１の水素極側に蓄積された水分が、未反応水素とともに燃料電池１から排出される。

次に、パージバルブ３４の開閉作動が、ステップＳ３１０において決定されたバルブ開閉回数（以下、所定回数という）終了したか否かを判定する（Ｓ３４０）。この結果、パージバルブ３４の開閉作動が所定回数終了していない場合は（Ｓ３４０：ＮＯ）、ステップＳ３３０に戻る。一方、パージバルブ３４の開閉作動が所定回数終了した場合は（Ｓ３４０：ＹＥＳ）、オフガス放出処理を終了する。

以上説明したように、車両姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合、すなわち燃料電池１内の残留水分が排出されにくい場合に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて掃気流量を増大させるとともに掃気時間を長くすることで、燃料電池１の空気極側に存在する水分を確実に除去することができる。同時に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じてパージバルブ３４のバルブ開閉回数を増加させるとともにバルブ開放時間を長くすることで、燃料電池１の水素極側に存在する水分を確実に除去することができる。

一方、車両の姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合、すなわち燃料電池１内の残留水分が排出されやすい場合に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて掃気流量を減少させるとともに掃気時間を短くすることで、掃気処理に伴う二次電池３の電力消費を抑制することができる。同時に、車両の基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じてパージバルブ３４のバルブ開閉回数を減少させるとともにバルブ開放時間を短くすることで、オフガス放出処理に伴う二次電池３の電力消費を抑制することができる。

したがって、二次電池３の電力消費を抑制しつつ、運転停止後、燃料電池１内部の水分を確実に除去することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、勾配検出センサ６として車両に搭載されている加速度センサを用いて車両勾配を検出したが、これに限らず、車両用ナビゲーション装置の道路勾配に関する地形情報から車両勾配を推定してもよい。

また、上記実施形態では、空気極側の掃気処理と水素極側のオフガス放出処理を同時に行ったが、これに限らず、どちらか一方の処理のみを行ってもよい。

また、上記実施形態では、掃気処理において、車両の傾斜角度に応じて掃気流量と掃気時間とを制御したが、どちらか一方のみを制御してもよい。同様に、オフガス放出処理において、車両の傾斜角度に応じてバルブ開閉回数とバルブ開放時間とを制御したが、どちらか一方のみを制御してもよい。

また、上記実施形態では、空気排出流路２０ｂを燃料電池１から車両後方側に延びるように設けたが、これに限らず、空気排出流路２０を燃料電池１から車両前方側に延びるように設けてもよい。この場合、燃料電池１から排出される残留水分の排出向きは、車両後方から前方に向かう向きと一致する。また、空気排出流路２０を車両幅方向外側に延びるように設けてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。 （ａ）は燃料電池１の断面図であり、（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。 燃料電池システムを搭載した車両の模式図である。 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気流量との関係を示す特性図である。 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度と掃気時間との関係を示す特性図である。 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とバルブ開閉回数との関係を示す特性図である。 燃料電池システムを搭載した車両の水平面に対する傾斜角度とバルブ開放時間との関係を示す特性図である。 制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理およびオフガス放出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池、３…二次電池、６…勾配検出センサ、２１…空気ポンプ（掃気手段、水分除去手段）、３４…パージバルブ（オフガス放出手段、水分除去手段）、５０…制御部（ＥＣＵ）。

Claims (9)

1. 移動体に搭載される燃料電池システムであって、
   酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（３）と、
   前記移動体が停止して前記燃料電池（１）の発電が停止した時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて、前記燃料電池（１）内の残留水分を除去する水分除去処理を行う水分除去手段（２１、３４）と、
   前記移動体の姿勢および前記移動体の基準面に対する傾斜角度を検出する勾配検出手段（６）と、
   前記勾配検出手段（６）により検出された前記姿勢および前記傾斜角度と、前記燃料電池（１）から排出される前記残留水分の排出向きとに応じて、前記水分除去手段による前記水分除去処理を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、
   前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記燃料電池（１）の酸化剤ガス側および燃料ガス側を同時に制御することで前記水分除去処理の水分除去量を増大させ、
   前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記燃料電池（１）の酸化剤ガス側および燃料ガス側を同時に制御することで前記水分除去処理の水分除去量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池（１）の発電停止時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて前記燃料電池（１）内にパージ用空気を供給する掃気処理を行う掃気手段（２１）を備え、
   前記制御手段（５０）が前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス側の制御を行う場合、前記水分除去手段は前記掃気手段（２１）であり、前記水分除去処理は前記掃気処理であ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. 前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス側の制御として、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を増加させるとともに前記パージ用空気の供給時間を長くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス側の制御として、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度が大きくなるに応じて、前記掃気手段（２１）により供給されるパージ用空気の流量を減少させるとともに前記パージ用空気の供給時間を短くすることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガス供給装置（３１）から燃料ガス供給流路（３０ａ）を介して前記燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスと燃料ガス以外の不純物とを含んだオフガスを前記燃料電池（１）から排出させるオフガス排出流路（３０ｂ）と、
   前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、前記燃料電池（１）の発電停止時に前記二次電池（３）から電力供給を受けて前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させてオフガスを前記オフガス排出流路（３０ｂ）から外部に放出させるオフガス放出処理を行うオフガス放出手段（３４）とを備え、
   前記制御手段（５０）が前記燃料電池（１）の前記燃料ガス側の制御を行う場合、前記水分除去手段は前記オフガス放出手段（３４）であり、前記水分除去処理は前記オフガス放出処理であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の前記燃料ガス側の制御として、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに上がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を増加させるとともに前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を長くすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の前記燃料ガス側の制御として、前記移動体の姿勢が前記残留水分の排出向きに下がっている場合に、前記移動体の前記基準面からの傾斜角度の大きくなるに応じて、前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを所定時間連通させる回数を減少させるとともに前記オフガス放出手段（３４）による前記オフガス排出流路（３０ｂ）と外部とを連通させる時間を短くすることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池（１）は、車両の走行用駆動源として用いられるものであり、
   前記勾配検出手段（６）は、前記車両に搭載された加速度センサの検出信号に基づいて、前記車両の姿勢および前記車両の前記基準面に対する傾斜角度を検出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池（１）は、車両の走行用駆動源として用いられるものであり、
   道路勾配に関する地形情報を記憶した車両用ナビゲーション装置を備え、
   前記勾配検出手段（６）は、前記車両用ナビゲーション装置の前記道路勾配に関する地形情報に基づいて、前記車両の姿勢および前記車両の前記基準面に対する傾斜角度を推定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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