JP5297156B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、発電停止後に掃気を実施する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のカソードの出入口に開閉バルブを設けて、燃料電池の発電停止後に各開閉バルブを閉じる技術が提案されている。これは、アノードにおいて酸化剤（酸素）と燃料（水素）との反応によりＯＨラジカルが発生し、ＯＨラジカルによって電極触媒層が酸化するのを防止するためである。例えば、開閉バルブが故障した場合にはカソードにエアが供給されるので、開閉バルブが故障していると判断した場合には、アノードに燃料を投入して、相対的に燃料が不足している状態を解消して、酸化による燃料電池の劣化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−１５３０７９号公報（段落００７４、図１および図２）

しかしながら、従来の燃料電池システムのように、水素不足を解消するためにアノードに燃料（水素）を投入すると、燃料が膜を介してカソードに透過（クロスリーク）して車外に高濃度の燃料が排出されるという問題がある。また、アノードへの燃料投入により、燃料電池が高電位となってしまい、前記酸化とは別要因での劣化が発生するという問題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の劣化を抑えることができ、しかも高濃度の燃料が排出される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。

本発明は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気するアノード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止中に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を停止して前記燃料電池と接続される外部負荷との電気的な接続を遮断した状態である前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖した場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気することが原因で生じる、発電停止時間と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第１劣化特性に基づいて予め定められる第１所定時間が経過したか否かを判定する第１経過時間判定手段を備え、前記燃料電池の発電停止後、前記カソード封鎖手段を作動させて前記カソードを封鎖した後、前記第１経過時間判定手段により前記第１所定時間が経過したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気することを特徴とする。

これによれば、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブが正常に動作した場合には、劣化の度合いが最も低くなる第１所定時間が経過したときにアノードを掃気するので、燃料電池の劣化を最小限に抑えることが可能になる。つまり、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブが正常に動作している場合には、カソードからアノードに酸化剤ガスが透過することがないので酸化による劣化は発生しない。しかも燃料ガスをアノードに供給することもないので、クロスリークによって高濃度の燃料ガスが燃料電池システム外に排出されることもない。

また、前記カソード封鎖手段の故障を判断する封鎖故障判断手段と、前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖しない場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気しないことが原因で生じる、前記発電停止時間と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第２劣化特性と、前記第１劣化特性との双方に基づいて予め定められる第２所定時間が経過したか否かを判定する第２経過時間判定手段と、を備え、前記封鎖故障判断手段により前記カソード封鎖手段の故障が判断された場合には、前記燃料電池の発電停止後、前記第２経過時間判定手段により前記第２所定時間が経過したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気することを特徴とする。
これによれば、封鎖故障判断手段によって第１の開閉バルブと第２の開閉バルブが開故障（閉弁しなくなる故障）していると判断された場合には、第１所定時間よりも早いタイミングでアノードを掃気することにより、故障時における燃料電池の劣化を最小限に抑えることが可能になる。

また、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気するアノード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止中に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を停止して前記燃料電池と接続される外部負荷との電気的な接続を遮断した状態である前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖した場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気することが原因で生じる、前記燃料電池の温度と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第３劣化特性に基づいて予め定められる所定温度まで、前記燃料電池の温度が低下したか否かを判定する温度判定手段を備え、前記燃料電池の発電停止後、前記カソード封鎖手段を作動させて前記カソードを封鎖した後、前記温度判定手段により前記所定温度まで低下したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の劣化を抑えることができ、しかも高濃度の燃料が排出されることのない燃料電池システムを提供できる。

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は掃気制御を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池自動車を例に挙げて説明するが、自動車に限定されるものではなく、船舶や航空機など、あるいは業務用や家庭用の定置式のものなど、電気を必要とする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、アノード掃気系（アノード掃気手段）４０、制御系５０などで構成されている。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノードなどを備えている。カソードおよびアノードは、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層である。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１及びカソード流路１２が形成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、カソードに酸素を含む空気（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、後記するエアポンプ３１などである。

アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、パージ弁２３、配管ａ１〜ａ５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ものであり、配管ａ１を介して遮断弁２２と接続されている。遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ２を介して燃料電池１０のアノード流路１１の入口と接続されている。パージ弁２３は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード流路１１の出口と接続されている。また、配管ａ２と配管ａ３には、燃料電池１０のアノードの出口から排出された未反応の水素をアノードの入口側に戻す配管ａ４がそれぞれ接続されている。なお、配管ａ４から配管ａ２への合流部にはエゼクタが設けられ、水素タンク２１からの流れによって生じる負圧によって配管ａ４から戻るガス（水素）を吸引するように構成されている。また、パージ弁２３は、配管ａ５を介して後記する希釈器３５と接続されている。

カソード系３０は、エアポンプ３１、開閉バルブ３２（第１の開閉バルブ）、開閉バルブ３３（第２の開閉バルブ）、背圧弁３４、希釈器３５、配管ｃ１〜ｃ５などで構成されている。なお、配管ｃ１〜ｃ５によって、酸化剤ガス流路が構成されている。

エアポンプ３１は、例えばモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気を圧縮して燃料電池１０に供給する。開閉バルブ３２は、酸化剤ガス流路の供給側に設けられ、配管ｃ１を介してエアポンプ３１と接続され、配管ｃ２を介して燃料電池１０のカソード流路１２の入口と接続されている。開閉バルブ３３は、酸化剤ガス流路の排出側に設けられ、配管ｃ３を介して燃料電池１０のカソード流路１２の出口と接続され、配管ｃ４を介して背圧弁３４と接続されている。

背圧弁３４は、燃料電池１０のカソードの圧力を調節する機能を有し、開度調節が可能なバタフライ弁（常開型）などで構成されている。また、背圧弁３４は、配管ｃ５を介して希釈器３５と接続されている。

希釈器３５は、パージ弁２３から排出された未消費の水素を、カソードから排出されたカソードオフガスによって希釈して車外に排出する。なお、図示していないが、カソード系３０には、エアポンプ３１から供給された空気を加湿する加湿器が配管ｃ１に設けられている。

アノード掃気系４０は、エア導入配管４１、エア導入弁４２、エア導出配管４３、エア導出弁４４などで構成されている。なお、本実施形態では、エア導入配管４１とエア導入弁４２とエア導出配管４３とエア導出弁４４とでアノード掃気手段が構成されている。

エア導入配管４１は、エアポンプ３１からのエア（掃気ガス、酸化剤ガス）をアノードに導入する流路を構成し、上流側の端部が配管ｃ１と接続され、下流側の端部が配管ａ２と接続されている。エア導入弁４２は、エア導入配管４１の流路上に設けられ、燃料電池１０の発電停止後のアノード掃気時にＥＣＵ５１によって開弁される。

エア導出配管４３は、アノードから排出されたエア（掃気ガス）をカソード系３０に戻す流路を構成し、上流側の端部が配管ａ３と接続され、下流側の端部が背圧弁３４の下流の配管ｃ５と接続されている。エア導出弁４４は、エア導出配管４３の流路上に設けられ、アノード掃気時にＥＣＵ５１によって開弁される。

制御系５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５１、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ５２（燃料電池温度検出手段）、タイマ５３、セル電圧センサ５４などで構成されている。

ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、掃気制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、カソード封鎖手段、第１経過時間判定手段、封鎖故障判断手段、第２経過時間判定手段を備えている。また、ＥＣＵ５１は、遮断弁２２、パージ弁２３、開閉バルブ３２，３３、エア導入弁４２、エア導出弁４４を開閉制御し、エアポンプ３１のモータの回転速度を制御し、背圧弁３４の開度を調節する。また、ＥＣＵ５１は、温度センサ５２によって燃料電池１０の温度（燃料電池温度、ＦＣ温度）を監視し、タイマ５３によって燃料電池１０の発電停止（ＩＧ−ＯＦＦ）からの経過時間（発電停止時間）などを計測し、セル電圧センサ５４によって燃料電池１０の各単セルの電圧（セル電圧）を監視する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について図２を参照（適宜、図１を参照）して説明する。まず、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されており、燃料電池システム１が運転中である場合には、ＥＣＵ５１によって、開閉バルブ３２，３３が開弁され、エア導入弁４２およびエア導出弁４４が閉弁された状態で、遮断弁２２が開弁されて水素タンク２１からアノードに水素が供給され、エアポンプ３１が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、発電が行われている。なお、運転中において、パージ弁２３は、適宜開弁されて、配管ａ２，ａ３，ａ４およびアノード流路１１からなるアノード循環系に蓄積した窒素などの不純物や生成水を排出する。窒素や生成水は、電解質膜を介してカソードからアノードに透過したものである。

そして、ＥＣＵ５１は、運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されたことを検知すると、エアポンプ３１を駆動はそのままで、カソード側にエアを例えば所定時間供給する。これにより、カソードから排出されたカソードオフガスによって希釈器３５内に残留している水素が希釈されて車外（外部）に排出される。また、このときカソードに残留している水分（液滴）も車外に排出される。そして、ＥＣＵ５１は、遮断弁２２を閉じて、アノードへの水素の供給を停止するとともに、エアポンプ３１を停止して、カソードへのエアの供給を停止して、燃料電池１０の発電を停止する。また、ＥＣＵ５１は、燃料電池１０と外部負荷との電気的な接続を遮断する。

そして、ステップＳ１０において、ＥＣＵ５１は、開閉バルブ３２と開閉バルブ３３の双方を閉じる制御信号を送信して、開閉バルブ３２，３３を閉じる制御を行う（カソード封鎖手段）。このとき、開閉バルブ３２，３３が正常に動作（閉弁）している場合には、燃料電池１０のカソードが封鎖され、カソードへのエア供給が停止する。なお、開閉バルブ３２，３３は、例えば高圧バッテリとは別に設けられた低圧バッテリの電力により閉弁駆動される。

ステップＳ２０において、ＥＣＵ５１は、セル電圧センサ５４によって検出されたセル電圧のうちの最高セル電圧が所定値を超えたか否かを判断する（封鎖故障判断手段）。なお、最高セル電圧を監視することにより、開閉バルブ３２，３３が故障しているか否かを迅速に判断することができる。開閉バルブ３２および／または開閉バルブ３３が閉じることなく開いたままの状態（開故障の状態）である場合には、開閉バルブ３２の上流に残留するエアや、開閉バルブ３３の下流に残留するエアがカソードに供給され続け、セル電圧が所定値を超えて高くなることによって、開閉バルブ３２，３３が開故障していると判断できる。なお、所定値は、予め実験等によって決められた電圧値に設定される。また、開閉バルブ３２，３３の故障判断を行なう場合のパラメータとしては、最高セル電圧に限定されるものではなく、すべての単セルのセル電圧の合計を全単セルの枚数で除した平均セル電圧などを用いて判断してもよい。

ステップＳ２０において、ＥＣＵ５１は、最高セル電圧が所定値を超えていないと判断した場合には（Ｎｏ）、開閉バルブ３２，３３は正常に動作してカソードが封鎖されていると判断して、ステップＳ３０に進む。カソードの封鎖が正常に行われることにより、カソードに空気が供給されることがないので、ラジカル反応によって燃料電池１０が劣化することはない。なお、ラジカル反応による劣化とは、カソードに残留する酸素が電解質膜を介してアノードに透過してアノード側において水素と酸素とが触媒の作用によってＨＯラジカル（ヒドロキシラジカル）が発生し、またアノードに残留する水素が電解質膜を介してカソードに透過して、カソード側において水素と酸素とが触媒の作用によってＨＯラジカルが発生し、このＨＯラジカルによってアノードやカソードの電極触媒層に含まれるカーボンなどを劣化（酸化）させる現象をいう。

ステップＳ３０において、ＥＣＵ５１は、発電停止後からアノード掃気を開始する時間を第１所定時間に設定する（第１経過時間判定手段）。この第１所定時間は、発電停止時間に基づく燃料電池１０の劣化度合い（劣化特性）に基づいて設定される。なお、燃料電池１０の温度（ＦＣ温度）に基づく燃料電池１０の劣化度合い（劣化特性）に基づいて掃気タイミングを設定してもよい。それぞれの劣化特性は、発電停止時間が長くなると、またＦＣ温度が低くなると、それぞれ低下する特性を有している。そして、ＥＣＵ５１は、第１所定時間を設定後、ステップＳ５０に進む。

また、ステップＳ２０において、ＥＣＵ５１は、最高セル電圧が所定値を超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、開閉バルブ３２，３３が故障しており、カソードが封鎖されていないと判断して、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０において、ＥＣＵ５１は、発電停止後からアノード掃気を開始する時間を第２所定時間に設定する（第２経過時間判定手段）。この第２所定時間は、第１所定時間以下の時間に設定され、発電停止時間に基づく燃料電池１０の劣化度合い（劣化特性）と、ラジカル反応による劣化度合い（開閉バルブ３２，３３が封鎖しない場合の劣化特性）とに基づいて設定される。そして、ＥＣＵ５１は、第２所定時間を設定後、ステップＳ５０に進む。

ちなみに、ラジカル反応による劣化（劣化の度合い）は、発電停止時間が長くなるにしたがって高くなる。つまり、ラジカル反応による劣化度合いと前記した発電停止時間やＦＣ温度による劣化度合いとを考慮して、劣化度合い（劣化量）が最も低くなる時間に設定される。開閉バルブ３２，３３が開故障している場合には（Ｓ２０，Ｙｅｓ）、開閉バルブ３２の上流側では、外気と連通するエアポンプ３１を通ってカソードにエアが継続して供給され、また開閉バルブ３３の下流側では、外気と連通する背圧弁３４および希釈器３５を通ってカソードにエアが継続して供給される。しかし、本実施形態では、ＨＯラジカル反応による劣化度合いが低く設定されるので、アノードやカソードのカーボンなどが劣化（酸化）するのを最小限に抑えることができる。

そして、ステップＳ５０において、ＥＣＵ５１は、発電停止時間が掃気時間（掃気を開始する時間）以上となったか否かを判断する。すなわち、ＥＣＵ５１は、開閉バルブ３２，３３が正常である場合には、発電停止時間が第１所定時間経過したかどうかを判断し、開閉バルブ３２，３３が故障している場合には、発電停止期間が第２所定時間経過したかどうかを判断する。ＥＣＵ５１は、予め設定された第１所定時間または第２所定時間経過していないと判断した場合には（Ｓ５０，Ｎｏ）、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０において、ＥＣＵ５１は、ステップＳ２０で開閉バルブ３２，３３の故障検出を開始してから所定時間が経過したかを判断する。なお、所定時間は、故障検出を行う間隔であり、任意の時間に設定される。ステップＳ６０において、ＥＣＵ５１は、故障検出から所定時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６０の処理を繰り返し、故障検出から所定時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０に戻り、開閉バルブ３２，３３の故障判定を再び行う。発電停止時間が、第１所定時間または第２所定時間経過するまで、ステップＳ２０〜ステップＳ６０の処理が繰り返される。

ステップＳ５０において、ＥＣＵ５１は、発電停止時間が掃気を開始する時間経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７０に進み、アノード掃気を実施する。アノード掃気とは、開閉バルブ３２，３３とエア導入弁４２とエア導出弁４４とを開弁し、エアポンプ３１を駆動して主にアノード側にエアを供給することである。なお、例えば、エアポンプ３１は、図示しない高圧バッテリの電力によって駆動され、エア導入弁４２，４４は、低圧バッテリの電力により開弁駆動される。

このアノード掃気により、エアポンプ３１からのエアは、エア導入配管４１を通ってアノード流路１１に供給され、アノード流路１１から排出されたエアは、エア導出配管４３を通り、希釈器３５に導入される。これにより、アノード側の水素がエアで置換され、またアノード流路１１などに残留する生成水が車外に排出される。なお、アノード掃気時には、ＥＣＵ５１によって背圧弁３４（例えば、開度小）が開かれており、エアポンプ３１からのエアは、カソード側にも供給され、背圧弁３４を通って希釈器３５に導入される。アノードから希釈器３５に導入された水素は、カソードから排出されたエアによって希釈され、車外に排出される。なお、背圧弁３４の開度は、水素を所定の水素濃度以下に希釈できる開度に設定される。

なお、開閉バルブ３２，３３が正常に動作している場合においてアノード掃気が終了したときには（Ｓ７０）、ＥＣＵ５１は、エア導入弁４２およびエア導出弁４４を閉弁して、一連の処理を終了する。なお、アノード掃気後は、アノードおよびカソード共にエアに置換されるのでラジカル反応による劣化や、燃料電池１０が高電位になることによる劣化は発生しない。ちなみに、開閉バルブ３２，３３を常開型のものとすることにより、アノード掃気後に開閉バルブ３２，３３を開弁しておくことで無駄なエネルギが消費されることがない。また、アノード掃気後に開閉バルブ３２，３３を開弁しておくことで、燃料電池システム１を次回起動する際に、開閉バルブ３２，３３の開弁処理にかかる時間を削減でき、起動処理を迅速に行うことが可能になる。

なお、図示していないが、図２に示すフロー（処理）と並行して、ＩＧ−ＯＦＦ（燃料電池システム１の停止）後に、燃料電池１０内などに残留する水分（液滴）が凍結するのを防止する液滴除去掃気が必要に応じて実施される。この液滴除去掃気とは、所定時間毎に燃料電池システム１を起動し、燃料電池温度（ＦＣ温度）や外気温度等を継続して監視し、ＦＣ温度等が所定温度（例えば、０〜５℃）以下となった際に水分（液滴）が凍結するおそれがあるとして、エアポンプ３１を駆動し、アノードおよびカソードにエアを供給して、アノードおよびカソード等に残留する水分（液滴）を吹き飛ばして車外に排出する処理である。ちなみに、ＦＣ温度等が所定温度以下に設定されることにより、燃料電池１０の温度が低下して結露が促進され、エア供給によって結露水（液滴）が車外に排出される。また、この液滴除去掃気が行われる場合には、開閉バルブ３２，３３によるカソードの封鎖は解除され、液滴除去掃気終了後は、カソードは開放されたままとする。

また、前記した液滴除去掃気より先にアノード掃気が行われた場合には（Ｓ７０）、アノード掃気が実施された後も、所定時間毎のＦＣ温度等の監視は継続して行われ、所定条件を満たしたときに液滴除去掃気が実施される。また、外部環境（ＦＣ温度など）によっては、アノード掃気よりも先に液滴除去掃気が行われる。例えば、外気がマイナス２０℃の極低温の場合等には、アノード掃気が行われる前にＦＣ温度等が前記所定温度以下となり、凍結防止対策として、液滴除去掃気の方がアノード掃気よりも優先して実施される。なお、液滴除去掃気がアノード掃気よりも先に実施された場合には、液滴除去掃気によってアノード側の水素が既にエアに置換されているので、その後アノード掃気が実施されることはない。

さらに、燃料電池システム１の動作について図３および図４を参照して説明する。図３は開閉バルブが正常時の掃気タイミングを示すマップおよびタイムチャート、図４は開閉バルブが故障時のタイミングを示すマップおよびタイムチャートである。

図３に示すように、開閉バルブ３２，３３が正常に動作している場合に設定される第１所定時間は、発電停止時間と劣化度合い（劣化量）との関係（劣化特性）に基づいて設定される。なお、ＦＣ温度と劣化度合い（劣化量）との関係（劣化特性）に基づいて掃気タイミングを設定してもよい。いずれの関係も同様な変化を示すものであり、発電停止時間が長い場合には劣化度合いは低くなり、ＦＣ温度が低い場合には劣化度合いは低くなる。よって、開閉バルブ３２，３３が正常に動作していると判断されて（Ｓ２０，Ｎｏ）、カソードが封鎖している場合には、劣化度合いが最も低く、かつ、最も早いタイミング（第１所定時間経過後）でアノード掃気（Ｓ７０）が行われる。これにより、燃料電池１０の劣化量を最小限にした状態でアノード掃気を行うことができる。

なお、劣化度合いについては、発電停止時間またはＦＣ温度に基づいて判断してもよく、あるいは発電停止時間とＦＣ温度の双方に基づいて判断してもよい。

図４に示すように、開閉バルブ３２，３３が故障している場合に設定される第２所定時間は、発電停止時間に基づく劣化度合いを示すマップＡ（劣化特性）、ラジカル反応に基づく劣化度合いを示すマップＢ（劣化特性）によって設定される。図４において、マップＡ＋Ｂが、マップＡとマップＢの双方を加味（加算）した劣化度合いを示し、マップＡ＋Ｂにおいて、劣化度合いが最も低くなるとき、つまり発電停止後から第２所定時間経過したときにアノード掃気（Ｓ７０）が行われる。これにより、劣化量を最小限に（少なく）した状態でアノード掃気を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、カソードを封鎖する開閉バルブ３２，３３が正常に動作していると判断された場合には、発電停止時間に基づいて劣化度合いが最も低くなる第１所定時間を設定し、発電停止後から第１所定時間が経過した後にアノード掃気を実施することで、燃料電池１０の劣化を最小限に抑えることが可能になる。しかも、従来のようにアノードに水素を供給することがないので、クロスリークによって水素がアノードからカソードに透過することがないので、車外に高濃度の水素が排出されることもない。さらに、劣化が最も低く、かつ、最も早いタイミングである第１所定時間経過時にアノード掃気を実施することで、燃料電池システム１の次回起動時に水が無い状態で起動が行われ、ストイキ不足（水素不足）発電にはならず劣化が抑制される。このように早いタイミングでアノード掃気を実施することで、水がない状態での起動頻度を増やすことができる。すなわち、起動時に残留水によりアノードへの水素の供給が阻害された状態で過度に発電が行われるのを防止することができ、燃料電池１０の劣化を抑制できる。また、アノード掃気終了後に低温環境下に曝されたとしてもアノードの残留水が凍結することがない。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１によれば、カソードを封鎖する開閉バルブ３２，３３が開故障していると判断された場合には、発電停止時間に基づく劣化度合いと、ラジカル反応による劣化度合いとによって決められる劣化度合いが最も低くなるように第２所定時間を設定し、発電停止後から第２所定時間が経過したときにアノード掃気を実施することで、燃料電池１０の劣化を最小限に抑えることが可能になる。さらに、開閉バルブ３２，３３が故障した場合であっても、アノード掃気終了後に燃料電池システム１が低温環境下に曝されたとしても、アノードに残留する水が凍結することがない。

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。 掃気制御を示すフローチャートである。 開閉バルブが正常時の掃気タイミングを示すマップおよびタイムチャートである。 開閉バルブが故障時のタイミングを示すマップおよびタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３１ エアポンプ
３２ 開閉バルブ（第１の開閉バルブ）
３３ 開閉バルブ（第２の開閉バルブ）
４１ エア導入配管
４２ エア導入弁
４３ エア導出配管
４４ エア導出弁
５１ ＥＣＵ（カソード封鎖手段、第１経過時間判定手段、封鎖故障判断手段、第２経過時間判定手段）
５２ 温度センサ（燃料電池温度検出手段）
５３ セル電圧センサ
５４ タイマ
ｃ１〜ｃ５ 配管（酸化剤ガス流路）

Claims (3)

1. アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、
   前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、
   前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気するアノード掃気手段と、
   前記燃料電池の発電停止中に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を停止して前記燃料電池と接続される外部負荷との電気的な接続を遮断した状態である前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖した場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気することが原因で生じる、発電停止時間と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第１劣化特性に基づいて予め定められる第１所定時間が経過したか否かを判定する第１経過時間判定手段を備え、
   前記燃料電池の発電停止後、前記カソード封鎖手段を作動させて前記カソードを封鎖した後、前記第１経過時間判定手段により前記第１所定時間が経過したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソード封鎖手段の故障を判断する封鎖故障判断手段と、
   前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖しない場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気しないことが原因で生じる、前記発電停止時間と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第２劣化特性と、前記第１劣化特性との双方に基づいて予め定められる第２所定時間が経過したか否かを判定する第２経過時間判定手段と、を備え、
   前記封鎖故障判断手段により前記カソード封鎖手段の故障が判断された場合には、前記燃料電池の発電停止後、前記第２経過時間判定手段により前記第２所定時間が経過したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気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. アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、
   前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、
   前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
   前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気するアノード掃気手段と、
   前記燃料電池の発電停止中に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を停止して前記燃料電池と接続される外部負荷との電気的な接続を遮断した状態である前記燃料電池の発電停止後に前記カソードを封鎖した場合、前記アノード掃気手段により前記アノードを掃気することが原因で生じる、前記燃料電池の温度と前記燃料電池の劣化度合いとが関係付けられた前記燃料電池の第３劣化特性に基づいて予め定められる所定温度まで、前記燃料電池の温度が低下したか否かを判定する温度判定手段を備え、
   前記燃料電池の発電停止後、前記カソード封鎖手段を作動させて前記カソードを封鎖した後、前記温度判定手段により前記所定温度まで低下したと判定されたときに、前記アノード掃気手段を作動させて前記アノードを掃気することを特徴とする燃料電池システム。

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