JP5081735B2

JP5081735B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5081735B2
Application number: JP2008158595A
Authority: JP
Inventors: 純平小河; 千大和氣
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP2010003412A

Description

本発明は、燃料電池のアノードおよびカソードを掃気する掃気手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、低温環境下での使用における燃料電池内の残留水の凍結を防止するため、システム停止時に燃料電池内部の残留水をシステム外に排出する掃気処理を行う技術が採用されている。ところで、このような掃気処理時には燃料電池内部などに水素が残留しているおそれがあるため、いきなりアノードを掃気することはせず、カソード掃気時に同時にアノードの水素希釈を行い、カソード掃気終了後にアノード掃気を行うといった技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１３９９３９号公報（段落００３４，００３５、図３）

しかしながら、前記した従来の燃料電池システムでは、アノード側を流れる流路がカソード側を流れる流路よりも細く形成されているため、アノード掃気時の掃気音がカソード掃気時の掃気音よりも大きくなり、カソード掃気時よりもその後のアノード掃気時の掃気音の方が大きくなる。このため、運転者などが途中で騒音が大きくなることに対して違和感を感じて、騒音に対する商品性が損なわれるという課題があった。

また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに残留している水素を希釈するために水素を排出する弁（パージ弁など）を開閉する必要があり、エネルギ消費が大きくなる課題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、騒音に対する商品性を損なうことのない燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、前記アノードに供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内部の燃料ガス量を取得する内部燃料ガス量取得手段と、システム停止時に、掃気ガスにより、前記カソードを掃気するとともに前記アノードに残留する燃料ガスを希釈するカソード掃気、前記アノードを掃気するアノード掃気の順で行う第１掃気パターン、および前記アノードを掃気するアノード掃気、前記カソードを掃気するカソード掃気の順で行う第２掃気パターンを有する掃気手段と、を備え、前記燃料ガス流通路および前記酸化剤ガス流通路は、前記アノード掃気時における前記燃料ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量を、前記カソード掃気時における前記酸化剤ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量よりも多く供給する必要がある流路構成であり、前記内部燃料ガス量取得手段によって取得された燃料ガス量が、所定量より大きいときに前記第１掃気パターンにより掃気を実行し、前記内部燃料ガス量取得手段によって取得された燃料ガス量が、所定量以下のときに前記第２掃気パターンにより掃気を実行することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池内部の燃料ガス量が少ない場合には水素を希釈する処理が不要になるので、第２掃気パターンを採用することができ、第１掃気パターンにおける燃料ガス希釈時の弁の開閉動作を不要にでき、電力の削減が可能になる。しかも、アノード掃気時の流量がカソード掃気時の流量よりも多く必要になる構成であり、アノード掃気時の掃気音がカソード掃気時の掃気音よりも大きくなるが、切り替え時に掃気音を小さくできるので、切り替え時に掃気音が大きくなるよりも、騒音に対する商品性を向上できる。

請求項２に係る発明は、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスのカソード圧力を制御する背圧制御弁を備え、前記第２掃気パターンにおいて、前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記背圧制御弁を中間開度に設定することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、背圧制御弁の前後の差圧による騒音が発生するのを抑制することができる。

請求項３に係る発明は、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスを掃気ガスとして前記アノードに導入する掃気ガス導入路と、前記掃気ガス導入路の開閉を行う掃気ガス導入弁と、を備え、前記第１掃気パターンにおいて、前記カソード掃気から前記アノード掃気に切り替わる際には、前記酸化剤ガスの圧力を一旦低下させ、前記第２掃気パターンにおいて、前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記酸化剤ガスの圧力を維持することを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、第１掃気パターン時の切り替えの際にカソード側からアノード側に導入される酸化剤ガスの圧力を下げることにより、掃気ガス導入弁を開弁させるための駆動力を小さくでき、掃気ガス導入弁の小型化が可能になる。また、第２掃気パターン時の切り替えの際には、アノード側の圧力が元々高いので、掃気ガス導入弁の閉弁動作に支障をきたすことがない。よって、圧力を下げる処理に必要な時間を不要にでき、掃気時間の短縮を図ることができる。

請求項４に係る発明は、前記内部燃料ガス量取得手段は、システム停止時間に基づいて推定することを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、システム停止時間によって燃料電池内部の燃料ガス量を推定することにより、燃料ガス量を正確に推定することが可能になる。これは、システム停止後、時間の経過とともに、燃料電池の膜を介して燃料ガスがアノードからカソードに透過し、またアノードの燃料ガスとカソードの酸化剤ガスとが反応することによって、燃料ガス量が低下するからである。

請求項５に係る発明は、前記内部燃料ガス量取得手段は、前記燃料電池の温度、前記アノードの圧力の少なくとも一方に基づいて前記燃料ガス量を補正することを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、燃料電池の温度によって燃料ガスと酸化剤ガスとの反応性が変化し、またアノードの圧力によって燃料電池の膜を透過する燃料ガス量が変化するので、これら燃料電池の温度やアノードの圧力に基づいて燃料ガス量を補正することにより、燃料ガス量をさらに正確に推定することが可能になる。その結果、掃気ガスとしての酸化剤ガスを無駄に供給することがなくなるので、消費電力の削減が可能になる。

請求項６に係る発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、前記アノードに供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスのカソード圧力を制御する背圧制御弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、システム停止時に、掃気ガスにより、前記アノードを掃気するアノード掃気、前記カソードを掃気するカソード掃気の順で行う掃気手段を備え、前記燃料ガス流通路および前記酸化剤ガス流通路は、前記アノード掃気時における前記燃料ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量を、前記カソード掃気時における前記酸化剤ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量よりも多く供給する必要がある流路構成であり、前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記背圧制御弁を中間開度に設定することを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、アノード掃気からカソード掃気に切り替える際に掃気音を小さくできるので、切り替え時に掃気音が大きくなるよりも、騒音に対する商品性を向上できる。しかも、背圧制御弁の前後の差圧による騒音が発生することを抑制することができる。

本発明によれば、第２掃気パターンではアノード掃気からカソード掃気に切り替わる際に掃気音を小さくできるので、騒音に対する商品性を向上できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２はシステム停止時の掃気動作を示すフローチャート、図３は掃気パターン判定を示すサブフローチャート、図４（ａ）は水素量を温度で補正する場合のマップ、（ｂ）は水素量を圧力で補正する場合のマップ、図５（ａ）は第１掃気パターンを示すタイムチャート、（ｂ）は第２掃気パターンを示すタイムチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（四輪）や二輪の車両、船舶、航空機、あるいは、家庭用や業務用の定置式のものなどあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、制御系４０などを含んで構成されている。

燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜１１を、それぞれ触媒を含むアノード１２とカソード１３とで挟み、さらに一対の導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成された単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。なお、セパレータ１４には、アノードに水素（燃料ガス）を供給するための流路１０ａ、セパレータ１５には、カソード１３に空気（酸素、酸化剤ガス）を供給するための流路１０ｂ、セパレータ１４，１５の少なくとも一方には燃料電池１０を冷却するための冷媒が流通する流路（図示せず）が互いに混じり合わないように形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、単セルの積層構造を模式的に示している。

アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、気液分離器２４、ドレイン弁２５、パージ弁２６、エア排出弁２７などで構成されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮した容器などで構成されている。遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク２１と一体に形成されたインタンク式のものである。エゼクタ２３は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に戻して循環させるポンプとしての機能を有している。なお、遮断弁２２を備えた水素タンク２１とエゼクタ２３とは配管ａ１を介して接続され、エゼクタ２３と燃料電池１０のアノード側の入口１０ａ１とは配管ａ２を介して接続されている。また、図示していないが、遮断弁２２とエゼクタ２３との間には、水素タンク２１からの高圧の水素を減圧する減圧弁などが設けられている。なお図示しない減圧弁は、例えば、カソード１３側に供給されるエア圧力を信号圧として導入されてアノード１２側の圧力が調整される機構を有するものである。

また、気液分離器２４は、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素とを分離して、水分を貯留するタンクを有する。また、気液分離器２４は、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ａ２と接続され、配管ａ４を介してエゼクタ２３の戻り口２３ａと接続されている。また、気液分離器２４は、配管ａ５を介してドレイン弁２５が接続され、ドレイン弁２５を開弁することにより、気液分離器２４に貯留された水を排出できるようになっている。

また、パージ弁２６およびエア排出弁２７は、配管ａ４から分岐した配管ａ６，ａ７に接続されている。パージ弁２６は、開弁されることにより、水素循環流路（流路１０ａ、配管ａ２〜ａ４）に蓄積した不純物を排出して、水素濃度の低下によって発電性能が損なわれるのを防止するようになっている。なお、不純物とは、電解質膜１１を介してカソード１３からアノード１２に透過した窒素、生成水などである。エア排出弁２７は、後記する掃気処理時に開弁することにより、アノードに導入されたエア（掃気ガス）を外部に排出する機能を有する。

なお、ドレイン弁２５、パージ弁２６、エア排出弁２７は、それぞれ例えば電磁作動式のものであり、ドレイン弁２５の配管ａ５における配管径が最も細く、エア排出弁２７の配管ａ７における配管径が最も太く、パージ弁２６の配管ａ６における配管径がその中間に形成されている。また、本実施形態では、配管ａ１〜ａ４が燃料ガス流通路に相当する。

カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２などで構成されている。

エアコンプレッサ３１は、モータで駆動される機械式の過給器などで構成され、外部の空気を取り込んで圧縮する機能を有する。背圧制御弁３２は、バタフライ弁などで構成された常開型（非通電時にオープン）のものであり、燃料電池１０のカソード１３に供給されるエアのエア圧力（カソード圧力）を適宜調節する機能を有する。なお、エアコンプレッサ３１と燃料電池１０のカソード１３側の入口１０ｂ１とは、配管ｃ１を介して接続され、カソード１３側の出口１０ｂ２と背圧制御弁３２とは、配管ｃ２を介して接続されている。

なお、図示していないが、エアコンプレッサ３１の下流の配管ｃ１上には、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿する加湿器などが設けられている。この加湿器は、例えば、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスに含まれる水分などでエアコンプレッサ３１から供給される空気を加湿する。また、本実施形態では、配管ｃ１，ｃ２が酸化剤ガス流通路に相当する。

また、燃料電池システム１には、掃気時に、エアコンプレッサ３１からのエア（酸化剤ガス、掃気ガス）をアノードに導入するエア導入配管３３が設けられ、エア導入配管３３には流路を開閉するエア導入弁３４が設けられている。

エア導入配管３３は、カソード１３側の端部が、配管ｃ１の加湿器（不図示）の上流側と接続されている。エア導入弁３４は、例えば電磁作動式のものであり、掃気時にアノード１２側にエアを導入する際に開弁されるものである。

制御系４０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４１、温度センサ４２、圧力センサ４３、タイマ４４などで構成されている。

ＥＣＵ４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、各種回路などで構成され、内部燃料ガス量取得手段を備えている。

内部燃料ガス量取得手段は、燃料電池（ＦＣスタック）１０の内部の水素量（燃料ガス量）を推定するものであり、例えば、システム停止時間に基づいて推定される。システム停止時間とは、燃料電池システム１を搭載した車両における、イグニッションオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）から掃気が開始されるまでの時間である。

また、掃気手段は、システム停止時に、エア（掃気ガス）により、カソード１３を掃気するとともにアノード１２に残留する水素（燃料ガス）を希釈するカソード掃気、アノード１２を掃気するアノード掃気の順で行う第１掃気パターンによる掃気処理、およびアノード１２を掃気するアノード掃気、カソード１３を掃気するカソード掃気の順で行う第２掃気パターンによる掃気処理を備えている。

温度センサ４２は、燃料電池１０の温度を検出するものであり、燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ａ２の配管ａ３、カソード１３側の出口１０ｂ２の配管ｃ２、冷媒の出口の配管（図示せず）などの温度を代替して検出する。なお、燃料電池１０の温度は、前記のように間接的に検出するものに限定されず、燃料電池１０の内部を直接測定するものであってもよく、あるいは外気温度などであってもよい。この燃料電池１０の温度は、燃料電池システム１の温度（システム温度）として、掃気を実行するかどうかの判断に用いられる。

圧力センサ４３は、アノード１２の入口１０ａ１の配管ａ２に設けられ、アノード１２内の圧力（アノード圧力）を検出する機能を有する。なお、アノード圧力を測定できる位置であれば、本実施形態の位置に限定されるものでない。この圧力センサ４３によって検出された圧力は、例えば推定された水素量の補正に利用される。

タイマ４４は、例えば、燃料電池システム１がＩＧ−ＯＦＦされ、掃気が開始されるまでの時間を計測するものであり、ＩＧ−ＯＦＦされたときに計測をスタートする。

なお、図示していないが、本実施形態の燃料電池システム１には、電力を補助する高圧バッテリ（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池など）、ＩＧ−ＯＦＦ時やＩＧ−ＯＮ時に燃料電池１０と外部負荷とを遮断、接続するコンタクタなどが設けられている。

次に、本実施形態の燃料電池システムのシステム停止時の動作について図２ないし図５を参照して説明する。まず、燃料電池システム１の運転時には、ドレイン弁２５、パージ弁２６、エア排出弁２７、エア導入弁３４が閉じた状態において、ＥＣＵ４１によって遮断弁２２が開弁されており、水素タンク２１から図示しない減圧弁で減圧された水素がアノード１２に供給される。また、ＥＣＵ４１によって背圧制御弁３２が適宜調整された状態において、エアコンプレッサ３１が駆動されており、カソード１３に空気（酸素）が供給される。

これにより、アノード１２では、水素が触媒の作用によって水素イオン（プロトン）と電子に分離して、水素イオンが電解質膜１１を透過するとともに、電子が外部負荷（走行モータ、エアコンプレッサ３１など）を介してそれぞれカソード１３に移動する。カソード１３では、触媒の作用によってアノード１２からの水素イオンおよび電子と、カソード１３に供給された空気に含まれる酸素とによって水が生成される。なお、カソード１３で生成された水は、電解質膜１１を介してアノード１２にも透過する。

図２に示すステップＳ１００において、ＥＣＵ４１は、ＩＧ−ＯＦＦ信号を受け付けると、遮断弁２２を閉じて、アノード１２への水素の供給を停止し、エアコンプレッサ３１を停止して、カソード１３への空気の供給を停止する。また、ＥＣＵ４１によって、背圧制御弁３２が非通電状態とされて全開になる。また、図示しないコンタクタがオフにされて、燃料電池１０と外部負荷との接続が遮断される。

そして、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４１は、システム停止時間の自動監視を開始する。システム停止時間は、ＩＧ−ＯＦＦからシステムが起動して掃気が開始されるまでの時間であり、ＩＧ−ＯＦＦ信号を検出後にタイマ４４をスタートさせる。

そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４１は、システム温度の自動監視を開始する。システム温度は、例えば、温度センサ４２によって検出される温度が用いられる。この自動監視では、所定時間毎にシステム温度が検出される。

そして、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ４１は、システム温度が所定値以下であるか否かを判断する。なお、所定値は、燃料電池１０の内部に残留している生成水が凍結するおそれがあると判断される温度閾値であり、例えば１０℃に設定される。ＥＣＵ４１は、システム温度が所定値以下ではないと判断された場合には（Ｓ１３０、Ｎｏ）、ステップＳ１３０の処理を繰り返し、システム温度が所定値以下であると判断された場合には（Ｓ１３０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進む。なお、システム温度が所定値以下ではない処理が継続している場合において、ＩＧ−ＯＮされた場合には、図２に示す処理を終了して、所定の起動処理に移行する。

そして、ステップＳ１４０において、ＥＣＵ４１は、掃気パターンを判定する。この掃気パターン判定については、図３のサブフローに示すように、Ｓ１４１において、ＥＣＵ４１は、燃料電池（ＦＣスタック）１０内の水素量を推定する（内部燃料ガス量取得手段）。なお、このときの水素量は、システム停止時間に基づいて推定される。システム停止時間は、タイマ４４によって計測された時間であり、ＩＧ−ＯＦＦからシステム温度が所定値以下と判断されるまでの時間に設定される。

燃料電池１０内部の水素量は、図４（ａ）、（ｂ）において実線で示すように、システム停止時間が長くなるにつれて低下する。これは、システム停止（ＩＧ−ＯＦＦ）時に燃料電池１０のアノード１２側に残留している水素が、電解質膜１１を介してカソード１３に透過し、透過後に外部（車外）に向けて拡散するからであり、またアノード１２に残留している水素とカソード１３に存在している空気中の酸素とが反応して消費されるからである。

ちなみに、ＩＧ−ＯＦＦ時には、背圧制御弁３２が全開に設定されているので、密閉されたアノード１２に対してカソード１３は大気開放になり、アノード１２とカソード１３との間で大きな圧力差が生じる。このような大きな圧力差が生じることにより、アノード１２側の水素がカソード１３側に電解質膜１１を介して透過し易くなる。

なお、燃料電池１０内の水素量（Ｓ１４１）は、システム停止時間のみに基づいて判断されるものに限定されず、図４（ａ）において破線で示すように、燃料電池１０の温度に基づいて水素量を補正してもよい。つまり、燃料電池１０の温度が高い場合には、水素と酸素との反応性が高まり、水素量の低下率が高まるので、実線で示すマップを図示下側にシフトさせたマップに基づいて判断できる。すなわち、燃料電池１０の温度が高い場合には、システム停止時間が短くても水素量が少ないと判断できる。逆に、燃料電池１０の温度が低い場合には、水素と酸素との反応性が低下するので、実線で示すマップを図示上側にシフトさせたマップに基づいて判断できる。なお、補正する際の温度は、温度センサ４２から得られる検出温度を利用して補正できる。

また、図４（ｂ）において破線で示すように、燃料電池１０内の水素量（Ｓ１４１）は、システム停止時（ＩＧ−ＯＦＦ時）のアノード１２側の圧力（アノード圧力）に基づいて補正してもよい。つまり、システム停止時の圧力が高い場合には、アノード１２側に残留している水素がまだ十分に多いと判断できるので、システム停止時間が長くなっても水素量が多く残留しており、実線で示すマップを図示上側にシフトさせたマップに基づいて判断できる。すなわち、アノード圧力が高い場合には、システム停止時間が長くても水素量が多く残っていると判断できる。逆に、システム停止時のアノード圧力が低い場合には、システム停止時にアノード１２側に残留している水素量はもともと少ないので、実線で示すマップを図示下側にシフトさせたマップに基づいて判断できる。

図３に戻って、ステップＳ１４２において、ＥＣＵ４１は、燃料電池１０内部の水素量が所定量以下であるか否かを判断する。なお、この所定量は、掃気手段の第１掃気パターンを選択するか、第２掃気パターンを選択するかどうかを判断するための閾値であり、水素希釈を実行しなくても外部に排出される水素濃度を所定濃度範囲内に収めることができる値に設定される。ステップＳ１４２において、ＥＣＵ４１は、燃料電池１０内の水素量が多いと判断され、水素希釈が必要な場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４３に進み、掃気手段として第１掃気パターンを選択する。また、ステップＳ１４２において、ＥＣＵ４１は、燃料電池１０内の水素量が十分に少ないと判断され、水素希釈が必要ない場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４４に進み、第２掃気パターンを選択する。

そして、第１掃気パターン（Ｓ１４３）、第２掃気パターン（Ｓ１４４）のいずれかの掃気パターンが選択されると、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１５０に進み、選択された掃気パターンに基づいて掃気が実行される。

なお、第１掃気パターンによる掃気処理では、まずカソード掃気が実行され、同時にアノード１２側の水素希釈が行われ、その後アノード掃気が行われる。すなわち、エア導入弁３４が閉弁され、背圧制御弁３２が全開にされた状態において、エアコンプレッサ３１から大流量のエアがカソード１３に導入される。これにより、カソード１３に残留している液滴（水）が吹き飛ばされ、燃料電池システム１の外部（車外）に排出される（カソード液滴除去掃気）。それと同時に、適宜パージ弁２６が開弁されることによって、アノード１２側の圧力によって残留水素が押し出される。パージ弁２６から排出された水素は、例えば希釈器（不図示）内においてカソードオフガスによって希釈された後に外部に排出される（水素希釈）。水素希釈を含むカソード掃気が終了した後、エア導入弁３４が開弁され、背圧制御弁３２が閉じられ、エア排出弁２７が開弁された状態において、エアコンプレッサ３１から大流量のエアがエア導入配管３３を介してアノード１２に導入される。これにより、アノード１２側に残留している液滴（水）が吹き飛ばされ、外部（車外）に排出される（アノード液滴除去掃気）。さらに本実施形態では、アノード掃気終了後、エアコンプレッサ３１からアノード１２に小流量のエアを供給して、燃料電池１０の電解質膜１１内部の水分を除去する乾燥掃気が行われる。

また、第２掃気パターンによる掃気処理では、まずアノード掃気が実行され、その後カソード掃気が実行される。すなわち、エア導入弁３４およびエア排出弁２７が開弁され、背圧制御弁３２が閉弁された状態において、エアコンプレッサ３１から大流量のエアがアノード１２に導入される。これにより、アノード１２に残留している水が吹き飛ばされ、燃料電池システム１の外部（車外）に排出される（アノード液滴除去掃気）。アノード掃気終了後、エア導入弁３４およびエア排出弁２７が閉弁され、背圧制御弁３２が全開にされた状態において、エアコンプレッサ３１から大流量のエアがカソード１３に導入される。これにより、カソード１３に残留している水が吹き飛ばされ、燃料電池システム１の外部（車外）に排出される（カソード液滴除去掃気）。本実施形態では、さらに、カソード掃気終了後、再度エア導入弁３４およびエア排出弁２７を開弁し、背圧制御弁３２を閉弁して、エアコンプレッサ３１からアノード１２に小流量のエアを導入して、燃料電池１０の電解質膜１１内部の水分を除去する乾燥掃気が行われる。

そして、ステップＳ１６０において、ＥＣＵ４１は、掃気が終了したか否かを判断する。なお、掃気終了判断は、アノード１２を小流量のエアで掃気するアノード掃気が終了したか否かによって判断できる。なお、アノード掃気（大流量）、カソード掃気（大流量）、アノード掃気（小流量）は、予め実験等によって求められた時間で実施される。ステップＳ１６０において、ＥＣＵ４１は、掃気が終了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０の処理を繰り返し、掃気が終了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、システム自動監視およびシステム停止時間自動監視を停止して、システムを停止する。

さらに、図５のタイムチャートを参照して説明すると、図５（ａ）に示す第１掃気パターンでは、時刻ｔ１１において、システム温度が所定値以下になると（Ｓ１３０，Ｙｅｓ）、液滴除去を行うカソード掃気（大流量）が行われる。また、カソード掃気と同時にパージ弁２６が開弁されることにより、アノード１２側の圧力によってパージ弁２６から水素が押し出される。また、排出水素濃度が所定濃度を超えないように、パージ弁２６が間欠的に開弁される。なお、排出水素濃度は、図示しない希釈器の下流側に設けられた水素濃度センサによって検出される。

ところで、本実施形態では、カソード掃気終了後、アノード掃気（大流量）に移行する前に、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を落としてエア流量を低下させる処理を行っている（時刻ｔ１２〜ｔ１３）。これは、カソード掃気からアノード掃気に切り替わる際にエア流量が高いままであると、エア導入弁３４のカソード１３側の圧力が高く、アノード１２側の圧力が低くなり、圧力差によってエア導入弁３４が開き難くなる。このため駆動力の大きい大型の電磁弁が必要になる。そこで、本実施形態では、カソード掃気からアノード掃気に切り替わる際にエア流量（圧力）を一旦下げて圧力差を小さくすることにより、エア導入弁３４を小さな駆動力で駆動できるようになり、小型のエア導入弁３４を適用することが可能になる。なお、圧力を下げる時間は、予め実験等によって決められた値が用いられる。

また、時刻ｔ１２〜ｔ１３において、パージ弁２６が開弁されることにより、アノード１２側の圧力が低下する。このときパージ弁２６は開弁されたままであるが、すでに水素希釈が終了しているので、パージ弁２６から水素が排出されたとしてもカソードオフガスによって希釈されるので、排出水素濃度が高まることはない。

そして、アノード掃気（大流量）時には、エアコンプレッサ３１からのエア流量が増加するが、このときエア導入弁３４およびエア排出弁２７が開弁し、背圧制御弁３２が閉弁するので、アノード１２側の圧力が上昇する（時刻ｔ１３〜ｔ１４）。そして、アノード掃気（大流量）からアノード小流量掃気に切り替わる際には、エア流量を低下させた状態において乾燥掃気が行われる（時刻ｔ１４〜ｔ１５）。

一方、図５（ｂ）に示す第２掃気パターンでは、時刻ｔ２１において、システム温度が所定値以下になると（Ｓ１３０，Ｙｅｓ）、まず液滴除去を行うアノード掃気（大流量）が行われる（時刻ｔ２１〜ｔ２２）。このアノード掃気（大流量）では、すでに燃料電池１０内の水素量が減少しているので、直ちにパージ弁２６、エア導入弁３４およびエア排出弁２７を開弁してエアをアノード１２側に導入したとしても、排出水素濃度が大きく上昇することはない。

また、アノード掃気（大流量）終了後、パージ弁２６、エア導入弁３４およびエア排出弁２７を閉じて、エア流量を低下させるとともに、背圧制御弁３２が開弁開始されるので、エアコンプレッサ３１からエア導入配管３３に導入されるエアの圧力が維持される。また、アノード掃気終了後、カソード掃気（大流量）に移行する前に、背圧制御弁３２が中間開度に設定された後に全開に設定される（時刻ｔ２２〜ｔ２３）。これにより、背圧制御弁３２を開弁したときに騒音が発生するのを抑制できる。

つまり、アノード掃気（大流量）では、背圧制御弁３２が閉じた状態において、大流量のエアが供給されているので、背圧制御弁３２の上流側の圧力が高くなり、下流側の圧力が大気圧に近い圧力になっている。このような圧力差の状態で背圧制御弁３２をいきなり開弁すると、非常に大きな騒音が発生することになる。そこで、本実施形態では、このような場合に背圧制御弁３２を、閉弁と全開の中間の開度に設定した後に全開することにより、大きな騒音が発生するのを抑制できる。なお、背圧制御弁３２を多段階的に開弁するようにしてもよく、あるいは連続的に開度を広げてゆっくりと開弁するようにしてもよい。

そして、時刻ｔ２３〜ｔ２４において、カソード掃気が実行され、カソード掃気からアノード小流量掃気に切り替わる際には、エア流量をさらに下げ、パージ弁２６、エア導入弁３４およびエア排出弁２７を開き、背圧制御弁３２を閉じて、電解質膜１１の乾燥掃気を行う（時刻ｔ２４〜ｔ２５）。

なお、本実施形態では、アノード掃気時に、出口側の弁としてパージ弁２６とエア排出弁２７とを開弁するようにしたが、ドレイン弁２５、パージ弁２６およびエア排出弁２７を開弁するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１０内の水素量が低い場合には、アノード１２側の水素希釈を行う必要がなくなるので、第２掃気パターンを選択でき、パージ弁２６を開閉させる際に必要な電力を削減することが可能になる。ところで、アノード掃気（大流量）時のエア流量がカソード掃気（大流量）時のエア流量よりも増加させる必要がある流路構成、つまり燃料ガス流通路の流路径が酸化剤ガス流通路の流路径よりも細く形成されているため、騒音についてもアノード掃気時がカソード掃気時よりも大きくなるが、第２掃気パターンでは、大流量のアノード掃気（騒音「大」）、カソード掃気（騒音「中」、小流量のアノード掃気（騒音「小」）の順に掃気が行われるので、掃気の途中で騒音が大きくなることがなくなり、騒音に対する商品性を向上できるようになる。なお、図５（ａ）、（ｂ）では、エア流量のタイムチャートの部分に、騒音の大きさを「大」、「中」、「小」で記載している。

また、本実施形態によれば、第２掃気パターンが選択された際には、アノード掃気からカソード掃気に切り替わるときにエア圧力を低下させる必要がないので、エア圧力を下げる分の時間を短縮することができ、トータルの掃気時間（アノード掃気＋カソード掃気＋アノード小流量掃気）を短縮することができる。

ところで、カソード掃気と同時に水素希釈が行なわれる場合には、カソード掃気により液滴除去が終了したとしても、水素希釈が終了していない場合にはカソード掃気が継続され、アノード掃気に移行できないことになる。本実施形態によれば、第２掃気パターンが選択された際には、水素希釈が行われないので、アノード掃気終了後、直ちにカソード掃気に移行することが可能になり、掃気時間の短縮が可能になる。

また、本実施形態によれば、水素量をシステム停止時間により推定しているので、水素量を正確に推定することが可能になる。また、燃料電池１０の温度、アノード圧力により水素量を補正することにより、水素量をさらに正確に推定することが可能になる。このように水素量を正確に推定できることにより、掃気時間を適切に設定できるようになり、エアコンプレッサ３１や各種弁（パージ弁２６，エア排出弁２７，エア導入弁３４、背圧制御弁３２）を作動させる電力が無駄に消費されるのを防止できる。

なお、前記した実施形態では、水素量をシステム停止時間に基づいて推定し、燃料電池１０の温度、アノード圧力に基づいて補正しているが、これに限定されるものではなく、圧力センサ４３によってアノード圧力のみに基づいて推定してもよい。つまり、アノード圧力が高い場合には、水素量が多いと推定でき、アノード圧力が低い場合には、水素量が少ないと推定できる。あるいは、アノード循環経路（配管ａ２，ａ３，ａ４）に水素濃度センサを設けて、水素量を推定してもよい。

また、前記した実施形態では、第１掃気パターンと第２掃気パターンのいずれかを選択して掃気処理を行う燃料電池システム１としたが、これに限定されるものではなく、第２掃気パターンのみを備えた燃料電池システムとしてもよい。第１掃気パターンのみの構成によれば、掃気時の騒音が途中で大きくなるのを防止でき、騒音に対する商品性を向上できる。アノード掃気からカソード掃気に切り替わる際に背圧制御弁３２の開度を中間に設定した後に全開にすることにより、騒音が発生するのを抑制できる。さらに、水素希釈が不要になるので、水素希釈に必要なパージ弁２６の開閉に伴う電力を削減できる。

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。システム停止時の掃気動作を示すフローチャートである。掃気パターン判定を示すサブフローチャートである。（ａ）は水素量を温度で補正する場合のマップ、（ｂ）は水素量を圧力で補正する場合のマップである。（ａ）は第１掃気パターンを示すタイムチャート、（ｂ）は第２掃気パターンを示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
３２背圧制御弁
３１エアコンプレッサ
３３エア導入配管（掃気ガス導入路）
３４エア導入弁（掃気ガス導入弁）
４１ＥＣＵ（内部燃料ガス量取得手段）
４２温度センサ
４３圧力センサ
４４タイマ
ａ１〜ａ４配管（燃料ガス流通路）
ｃ１，ｃ２配管（酸化剤ガス流通路）

Claims

アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、
前記アノードに供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内部の燃料ガス量を取得する内部燃料ガス量取得手段と、
システム停止時に、掃気ガスにより、前記カソードを掃気するとともに前記アノードに残留する燃料ガスを希釈するカソード掃気、前記アノードを掃気するアノード掃気の順で行う第１掃気パターン、および前記アノードを掃気するアノード掃気、前記カソードを掃気するカソード掃気の順で行う第２掃気パターンを有する掃気手段と、を備え、
前記燃料ガス流通路および前記酸化剤ガス流通路は、前記アノード掃気時における前記燃料ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量を、前記カソード掃気時における前記酸化剤ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量よりも多く供給する必要がある流路構成であり、
前記内部燃料ガス量取得手段によって取得された燃料ガス量が、所定量より大きいときに前記第１掃気パターンにより掃気を実行し、
前記内部燃料ガス量取得手段によって取得された燃料ガス量が、所定量以下のときに前記第２掃気パターンにより掃気を実行することを特徴とする燃料電池システム。
前記カソードに供給される前記酸化剤ガスのカソード圧力を制御する背圧制御弁を備え、
前記第２掃気パターンにおいて、前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記背圧制御弁を中間開度に設定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。
前記カソードに供給される前記酸化剤ガスを掃気ガスとして前記アノードに導入する掃気ガス導入路と、
前記掃気ガス導入路の開閉を行う掃気ガス導入弁と、を備え、
前記第１掃気パターンにおいて、前記カソード掃気から前記アノード掃気に切り替わる際には、前記酸化剤ガスの圧力を一旦低下させ、
前記第２掃気パターンにおいて、前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記酸化剤ガスの圧力を維持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。
前記内部燃料ガス量取得手段は、システム停止時間に基づいて推定す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。
前記内部燃料ガス量取得手段は、前記燃料電池の温度、前記アノードの圧力の少なくとも一方に基づいて前記燃料ガス量を補正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。
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、
前記アノードに供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
前記カソードに供給される前記酸化剤ガスのカソード圧力を制御する背圧制御弁と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
システム停止時に、掃気ガスにより、前記アノードを掃気するアノード掃気、前記カソードを掃気するカソード掃気の順で行う掃気手段を備え、
前記燃料ガス流通路および前記酸化剤ガス流通路は、前記アノード掃気時における前記燃料ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量を、前記カソード掃気時における前記酸化剤ガス流通路に流れる前記掃気ガスの流量よりも多く供給する必要がある流路構成であり、
前記アノード掃気から前記カソード掃気に切り替わる際には、前記背圧制御弁を中間開度に設定することを特徴とする燃料電池システム。