JP5260839B2

JP5260839B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5260839B2
Application number: JP2006128929A
Authority: JP
Inventors: 純平小河; 千大和氣; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: JP2007299710A

Description

本発明は、燃料電池の発電停止時に掃気を行う燃料電池システムに関する。

例えば、車両などに搭載される燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んで構成した単セルを複数積層したものであり、アノード極に水素が、カソード極に酸素が、それぞれ供給されることで発電が行われる。また、発電と同時に燃料電池のカソード極では、水素と酸素との電気化学反応により水が生成される。ところで、車両が氷点下に至るような低温環境下で使用されると、残留水（生成水）が凍結して固体高分子電解質膜などを劣化させるおそれがあるため、燃料電池の発電停止時に、カソード極側に掃気ガスを供給して残留水を排出する処理（カソード掃気）が必要となる。また、カソード極側で生成した水は、カソード極から固体高分子電解質膜を介してアノード極にも透過するため、アノード極側についても残留水を排出する処理（アノード掃気）が必要となる。このとき、燃料電池の発電停止からアノード掃気までは、アノード極に水素が残留している状態が続くため、燃料電池が長時間高電位状態に曝され易くなり、燃料電池（特に触媒）が劣化し易くなるという問題があった。そこで、燃料電池の発電停止時に、アノード極の水素量が低下するまで発電を継続して、水素を消費する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平４−３３１１２号公報（第２頁右欄第６行目〜第１８行目）

しかしながら、前記した従来の技術では、発電停止時に残留している水素をすべて消費させると、発電と同時に相当量の水が発生して、この水によってアノード極やカソード極の電極に用いられている触媒の劣化を促進させるおそれがあった。また、通常、燃料電池システムでは、高濃度の水素が排出されないように、アノード極は密閉され、カソード極にはカソード掃気によって空気が供給され続けることがあるため、水素の消費によってアノード極内の圧力だけが下がり、アノード極とカソード極との差圧のバランスが崩れて、固体高分子電解質膜などに過大な負荷を与え、燃料電池の劣化を促進させるおそれもあった。その結果、燃料電池の次回起動時の安定性が損なわれるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の起動時の安定性を図ることができる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、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み酸化剤ガスが流通し、前記燃料電池の下流側において前記燃料ガス流通路が連通する酸化剤ガス流通路と、前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の上流側の前記燃料ガス流通路と、前記燃料電池の上流側の前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、前記連通路を遮断する遮断弁と、前記燃料電池を放電させるディスチャージ抵抗と、前記燃料電池の下流側の前記燃料ガス流通路に設けられるパージ弁と、前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路内の生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第１カソード掃気処理と、前記第１カソード掃気処理の後に前記大流量よりも少ない小流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第２カソード掃気処理と、を実行するカソード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記第１カソード掃気処理と前記第２カソード掃気処理との間において前記燃料ガス流通路に生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを流通させて前記燃料ガス流通路を掃気するアノード掃気処理を行うアノード掃気手段と、前記燃料電池の発電停止時に、前記アノード極への燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路内に残留する燃料ガスと前記酸化剤ガス流通路を流通する酸化剤ガスとを反応させて前記ディスチャージ抵抗において前記燃料電池を放電させる発電継続手段と、前記第１カソード掃気処理中、前記遮断弁および前記パージ弁を開弁して前記燃料ガス流通路に前記アノード掃気処理における前記大流量の酸化剤ガスよりも少ない微量の酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを前記燃料ガス流通路内から押し出す燃料ガス排出手段と、を有することを特徴とする。
なお、後記する実施形態において、酸化剤ガス供給手段は、コンプレッサ３３に対応し、連通路は、導入配管３６に対応し、遮断弁は、導入弁３７に対応し、第１カソード掃気処理は、Ｃａ重点掃気に対応し、第２カソード掃気処理は、Ｃａ小流量掃気に対応し、アノード掃気処理は、Ａｎ重点掃気に対応する。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電停止時に、燃料ガスを燃料ガス流通路から排出しながら発電を継続しているので、水の生成を抑制することができるようになり、触媒の劣化促進を防止することが可能になる。また、生成水の抑制によって、燃料電池を掃気する時間を短縮することもできる。
また、請求項１に係る発明によれば、掃気時にアノード極とカソード極との差圧が離れることを防いで、膜（例えば、固体高分子電解質膜）への負荷を低減できるようになる。さらに、燃料ガスの排出とともに酸化剤ガスによる燃料ガスの希釈も十分に可能となる。

本発明によれば、燃料電池の起動時の安定性を図ることができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図、図２は運転停止時の処理を示すフローチャート、図３は図２の処理に伴うタイミングチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池システム１を車両に適用した場合を例に挙げて説明するが、航空機や船舶などの他の乗り物用のシステムとして適用してもよく、あるいは家庭用電源としての定置式のシステムとして適用してもよい。

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ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、高電圧系５０、制御部６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜５を、触媒を含む電極層からなるアノード極（Ａｎ）６と、触媒を含む電極層からなるカソード極（Ｃａ）７とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ８，９で挟んで構成した単セル（ＳｉｎｇｌｅＣｅｌｌ）が厚み方向に複数積層した構造となっている。セパレータ８には、アノード極６に対向する面に、燃料ガスとしての水素が流通する流路ａ１が形成されており、セパレータ９には、カソード極７に対向する面に、酸化剤ガスとしての空気が流通する流路ｃ１が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。

前記アノード系２０は、水素を燃料電池ＦＣのアノード極６に供給し、且つ、アノード極６から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、アノードオフガス配管２２ａ，２２ｂ、水素タンク２３、水素遮断弁２４、エゼクタ２５、循環配管２６、パージ弁２７などで構成されている。

前記アノードガス供給配管２１ａは、一端が水素タンク２３に接続され、他端が水素遮断弁２４に接続されている。アノードガス供給配管２１ｂは、一端が水素遮断弁２４に接続され、他端がエゼクタ２５に接続されている。アノードガス供給配管２１ｃは、一端がエゼクタ２５に接続され、他端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の入口に接続されている。

前記アノードオフガス配管２２ａは、一端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の出口に接続され、他端がパージ弁２７に接続されている。アノードオフガス配管２２ｂは、一端がパージ弁２７に接続され、他端が後記する希釈器４１に接続されている。

前記水素タンク２３は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器である。水素遮断弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、後記する制御部６０によって開閉制御される。

前記エゼクタ２５は、アノード極６から排出された未反応の水素を、循環配管２６を介して燃料電池ＦＣのアノード極６に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。このように、水素を循環させることにより、水素が無駄に排出されることがなくなり、燃料としての水素を有効に活用することが可能になる。

前記パージ弁２７は、開度を自由に制御できる弁によって構成され、発電中にカソード極７から電解質膜５を介してアノード極６に透過した空気に含まれる窒素などの不純物を排出するものであり、例えばこのパージ弁２７を定期的に開くことで、発電性能が低下するのを防止できるようになっている。なお、パージ弁２７は、パージという目的からすればＯＮ（閉）かＯＦＦ（開）の弁であるが、本実施形態では、後記するように、徐々に水素を排出させる必要があるので、弁開度を自由に設定できるようにしたものとなっている。

なお、前記したアノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃにより形成される流路と、アノードオフガス配管２２ａにより形成される流路と、循環配管２６により形成される流路と、燃料電池ＦＣ内のアノード極６側の流路ａ１とで、本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。

前記カソード系３０は、燃料電池ＦＣのカソード極７に空気（酸素）を供給し、且つ、カソード極７から空気などを排出するものであり、カソードガス供給配管３１、カソードオフガス配管３２ａ，３２ｂ、コンプレッサ３３、背圧制御弁３４などを備えている。

前記カソードガス供給配管３１は、一端がコンプレッサ３３に接続され、他端が燃料電池ＦＣの流路ｃ１の入口に接続されている。

前記カソードオフガス配管３２ａは、一端が燃料電池ＦＣの流路ｃ１の出口に接続され、他端が背圧制御弁３４に接続されている。カソードオフガス配管３２ｂは、一端が背圧制御弁３４に接続され、他端が後記する希釈器４１に接続されている。

なお、前記したカソードガス供給配管３１により形成される流路と、カソードオフガス配管３２ａにより形成される流路と、燃料電池ＦＣ内のカソード極７側の流路ｃ１とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。

前記コンプレッサ３３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード極７に供給するようになっている。

前記背圧制御弁３４は、例えばバタフライ弁などで構成され、カソード極７に供給される空気の圧力を適宜調整できるようにしている。

前記希釈系４０は、希釈器４１、排出配管４２などを備えている。希釈器４１は、アノードオフガス配管２２ｂとカソードオフガス配管３２ｂがそれぞれ接続され、希釈器４１内において、アノードオフガス配管２２ｂから導入された水素が、カソードオフガス配管３２ｂから導入されたオフガス（主に空気と水）によって、規定以下の水素濃度に希釈された後に排出配管４２を介して車外（大気中）に排出するように構成されている。

前記高電圧系５０は、燃料電池ＦＣで得られた電力（発電電流）を、電動機（走行モータ）５１、蓄電装置５２、各種補機（コンプレッサ３３を含む）などの負荷に供給するものであり、電圧制御器（ＶＣＵ）５３、ディスチャージ抵抗５４、電流計５５などで構成されている。

前記電動機５１は、永久磁石式の３相交流同期モータなどで構成され、車両に設けられた駆動輪を回転駆動させるものである。

前記蓄電装置５２は、例えば燃料電池ＦＣの補助電力源として使用されるものであり、鉛酸バッテリ、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、キャパシタなどで構成されている。

前記電圧制御器（ＶＣＵ；ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５３は、燃料電池ＦＣと電動機５１などの外部負荷との間に設けられ、後記する制御部６０からの発電指令に基づいて燃料電池ＦＣから取り出す発電電流（電力）を制御する。

前記ディスチャージ抵抗５４は、本実施形態における発電継続手段の一部であり、燃料電池ＦＣで発電された電気を放電させる機能を有し、後記する制御部６０によって、発電電流がディスチャージ抵抗５４に流れるように制御されることで、放電するようになっている。これにより、燃料電池ＦＣから外部負荷に向けて発電電流を引かない状態において、燃料電池ＦＣ内で水素と酸素とが反応したときに、燃料電池ＦＣが長時間高電位に曝されるのを防止できるようになっている。その結果、燃料電池ＦＣのアノード極６やカソード極７の電極に使用されている触媒劣化が進行するのを防止できるようになる。

前記電流計５５は、燃料電池ＦＣから取り出される電流値を測定するものであり、例えばディスチャージ抵抗５４による放電時に流れる電流を測定するようになっている。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、導入配管３６および導入弁３７を備えている。

前記導入配管３６は、アノードガス供給配管２１ｃとカソードガス供給配管３１とを接続する配管、つまり燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通するものである。

前記導入弁３７は、導入配管３６の流路を遮断する遮断弁であり、後記する制御部６０によって開閉制御されるようになっている。

前記制御部６０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、前記したディスチャージ抵抗５４とともに発電継続手段を構成している。また、制御部６０は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６１およびタイマ６２と接続され、イグニッションスイッチ６１のＯＦＦ（ＩＧＳＷオフ）を検知した場合には、電圧制御器５３に対して発電停止信号を出力して燃料電池ＦＣにおける発電を停止して燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）させる処理を行い、またイグニッションスイッチ６１のＯＮを検知した場合には、電圧制御器５３に対して発電開始信号を出力して燃料電池ＦＣの発電を開始して燃料電池システム１の運転を開始させる処理を行う。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時における動作について図２および図３を参照（適宜、図１を参照）しながら説明する。なお、本実施形態では、パージ弁２７と導入配管３６と導入弁３７とで、燃料排出装置が構成されている。

まず、燃料電池ＦＣの発電停止時から発電開始時の動作について説明する。最初の状態では、水素遮断弁２４、パージ弁２７、導入弁３７は、すべて閉じており、背圧制御弁３４は、開いている。運転者がイグニッションスイッチ６１をＯＮにすると、制御部６０は、蓄電装置５２に蓄積された電力などを利用して、水素遮断弁２４を開いて燃料電池ＦＣのアノード極６に水素を供給し、コンプレッサ３３を駆動して燃料電池ＦＣのカソード極７に空気（酸素）を供給する。これにより、アノード極６では、触媒の作用によって生成されたプロトン（水素イオン）が電解質膜５を介してカソード極７に透過するとともに電子が外部負荷を介してカソード極７に移動し、カソード極７では、触媒の作用によってアノード極６からのプロトンおよび電子と、コンプレッサ３３から供給された空気中の酸素とが電気化学反応して水が生成される。また、制御部６０は、電圧制御器５３に対して、燃料電池ＦＣから取り出す電力（発電電流）を制御して、例えば、車両の加速時には燃料電池ＦＣからの電力と蓄電装置５２からの電力とを併せて電動機５１に供給し、また減速時には電動機５１のエネルギを蓄電装置５２に回収するように制御する。

そして、イグニッションスイッチ６１がオンの状態において、図２に示すように、ステップＳ１００において、制御部６０は、運転者によるイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６１のオフを検知すると、水素遮断弁２４を閉じて水素の供給を遮断し（ステップＳ１１０）、これによりアノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、アノード極６の流路ａ１およびアノードオフガス配管２２ａからなる流路（以下、燃料ガス流通路と略記する）が密閉される。また、制御部６０は、電圧制御器５３に対して燃料電池ＦＣからの発電電流の取り出しを停止させる信号を送るとともに、燃料電池ＦＣからの発電電流がディスチャージ抵抗５４を通るように切り替えて、発電を継続させる処理を行う（ステップＳ１２０）。なお、このステップＳ１２０における処理が、制御部６０に含まれる発電継続手段で行われる処理に相当する。

そして、ステップＳ１３０に進み、Ｃａ（カソード）重点掃気が実施される。このＣａ重点掃気では、制御部６０は、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続し、さらに背圧制御弁３４を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソードガス供給配管３１、カソード極７の流路ｃ１およびカソードオフガス配管３２ａからなる流路（以下、酸化剤ガス流通路と略記する）に流して、カソード掃気を実行する。これにより、燃料電池ＦＣの発電停止（イグニッションスイッチ６１がオフ）時点で酸化剤ガス流通路に残留している水が、排出配管４２を通って大気中（車外）へと排出される。なお、このときのコンプレッサ３３の回転速度は、生成水を吹き飛ばすことができるほどの大流量の空気を供給できる回転速度とする。

ところで、イグニッションスイッチ６１がオフにされると、燃料電池ＦＣから発電電流を取り出さない（負荷を引かない）状態になるが、燃料ガス流通路には水素が密閉された状態で残留しているので、この水素と、カソード極７に供給され続けている空気中の酸素とが反応して燃料電池ＦＣが高電位状態となる。この高電位状態が長時間継続することによって、アノード極６やカソード極７に使用されている触媒が劣化する。そこで、燃料電池ＦＣが長時間高電位に曝されるのを防止するために、制御部６０は、燃料電池ＦＣとディスチャージ抵抗５４とを接続して、ディスチャージ抵抗５４において放電させながら燃料電池ＦＣの発電を継続する。しかし、発電電流を放電させて発電を継続すると相当量の水が生成され、この生成水がアノード極６やカソード極７に発電停止後も長時間付着していると、電極に使用されている触媒の劣化を進行させることになる。

そこで、本実施形態では、ステップＳ１４０において、Ｃａ重点掃気と同時に、制御部６０は、導入弁３７を開き、且つ、パージ弁２７を小開度で開いて、コンプレッサ３３から取り込まれた空気の一部を掃気ガスとして、導入配管３６を介して燃料ガス流通路に導入する。この導入された空気によって、燃料ガス流通路内に残留している水素がパージ弁２７から希釈器４１に向けて押し出される。

そして、ステップＳ１５０において、制御部６０は、電流計５５から得られる電流値、すなわち放電時に燃料電池ＦＣから取り出される電流値（以下、ＦＣ電流とする）を監視して、この電流値が所定値以下であるか否かを判断する。このときの所定値とは、燃料ガス流通路内に残っている水素（燃料ガス）で発電可能な範囲内において設定される値、つまりアノード極６やカソード極７の電極に使用されている触媒の劣化を促進しない電流値まで低下したときの値とする。ちなみに、このような条件を設定した理由とは、本実施形態のようにディスチャージ抵抗５４で放電させる場合には水素が完全に消費された時点で電流値は０アンペアとなるが、例えばディスチャージ抵抗５４ではなく蓄電装置５２などの負荷に消費させたり、蓄積したりして発電を継続する場合には、水素が０となった後も電極材料を分解するなどして電気を発生させることができるためである。したがって、ディスチャージ抵抗５４で発電継続する場合には、所定値を０アンペアとしてもよいが、負荷で発電継続する場合には、０アンペアよりも高い値を所定値として設定することが好ましい。

また、ステップＳ１５０において、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０に戻り、導入弁３７とパージ弁２７とをそれぞれ開き続けて、燃料ガス流通路内の残留水素の排出処理を継続する。また、ステップＳ１５０において、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、発電継続を終了して、ステップＳ１６０に進み、パージ弁２７と導入弁３７とをそれぞれ閉じる。これにより燃料ガス流通路に残留していた水素は既に空気によって置換されているので、その後は燃料電池ＦＣが高電位状態に曝されることはない。

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部６０は、コンプレッサ３３を停止して、酸化剤ガス流通路への空気の供給を停止してＣａ重点掃気を終了し、燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）する。なお、Ｃａ重点掃気を実行する時間は、例えばタイマ６２を用いて設定することができる。

このように、本実施形態では、イグニッションスイッチ６１のオフ時に、酸化剤ガス流通路を掃気（カソード掃気）する際に、同時に燃料ガス流通路にも空気を導入しているので、燃料ガス流通路内の残留水素を従来よりもすばやく燃料ガス流通路内から排出することが可能になり、生成水の発生を抑制することができる。したがって、生成水によって電極に使用される触媒の劣化が促進することがなくなり、燃料電池システム１を安定して起動させることが可能になる。さらに、生成水を低減できるので、Ｃａ重点掃気する際の掃気時間を短縮することができ、消費エネルギの削減も可能になる。

また、本実施形態では、パージ弁２７を小開度で開弁するように制御して、燃料ガス流通路に微量の空気が流通するようにしているので、高濃度の水素が車外に排出されるといったことを防止できる。また、導入配管３６を用いて燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通しているので、アノード極６とカソード極７との差圧が大きくなるのを防止でき、電解質膜５への負荷を低減して燃料電池ＦＣの劣化促進を防止できる。

さらに、本実施形態について図３のタイムチャートを参照しながら説明すると、イグニッションスイッチ６１がオフにされると（時刻ｔ１）、システム起動状態はＯＮの状態が継続され、水素遮断弁２４が閉じられて水素の供給が停止され、燃料ガス流通路が密閉される。またイグニッションスイッチ６１のオフと同時に、燃料電池ＦＣとディスチャージ抵抗５４とを接続して発電を継続する。これにより、燃料ガス流通路内に残留している水素が酸化剤ガス流通路を流通する空気中の酸素と反応して水素が消費されるので、ＦＣ電流（燃料電池ＦＣから出力される電流）は徐々に低下する。このＦＣ電流の低下に応じて、アノード系２０の燃料ガス流通路に残留している水素の濃度（Ａｎ系内水素濃度）も徐々に低下する。

また、前記放電と同時に（時刻ｔ１）、パージ弁２７が小開度で、導入弁３７がそれぞれ開かれるとともにコンプレッサ３３の駆動が継続されることで、酸化剤ガス流通路には大流量（Ｃａ側掃気流量参照）の空気が供給され、燃料ガス流通路には微量（Ａｎ側掃気流量参照）の空気が供給される。このように、微量の空気で燃料ガス流通路を掃気しているので、燃料ガス流通路に残留している高濃度の水素が車外（系外）に排出されるのを防止できる。

そして、燃料ガス流通路の掃気を開始して、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（時刻ｔ２）、パージ弁２７および導入弁３７を閉じて発電を完了する。これにより、燃料ガス流通路への空気の供給は停止するが、さらにコンプレッサ３３を継続して運転し、所定時間経過後にシステムを停止（時刻ｔ３）、つまりコンプレッサ３３を停止して酸化剤ガス流通路への空気の供給を停止する。このように、発電完了（時刻ｔ２）後もＣａ重点掃気を継続することで、電解質膜５に含まれた水が時間の経過とともに電極表面にしみ出してきた水を排出することができ、触媒の劣化促進を防止でき、燃料電池ＦＣの次回起動時の安定性が図れる。

なお、前記した実施形態では、燃料排出装置を、パージ弁２７（開度小）と導入配管３６と導入弁３７とで構成したが、これに限定されるものではなく、図２のステップＳ１４０の括弧内の上段に記載したように、燃料排出装置を、パージ弁２７のみで構成して、イグニッションスイッチ６１がオフにされたときに、パージ弁２７を大開度で開くようにしてもよい。このような構成であっても、放電（発電継続）による水素消費時に、パージ弁２７を大開度で開くことで燃料ガス流通路内に残留している水素が拡散しながら排出されるので、生成水の発生を抑制することができる。したがって、触媒の劣化促進防止、掃気時間の短縮といった前記実施形態と同様な効果が得られる。なお、この場合は、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（ステップＳ１５０、Ｙｅｓ）、パージ弁２７が閉じられる（ステップＳ１６０）。

あるいは、図２のステップＳ１４０の括弧内の下段に記載したように、燃料排出装置を、導入配管３６と導入弁３７とで構成して、イグニッションスイッチ６１がオフにされたときに、導入弁３７を開くようにしてもよい。なお、このような構成の燃料排出装置を適用できる前提条件として、酸化剤ガス流通路を空気で掃気（カソード掃気）する初期状態において、燃料ガス流通路内の圧力が、酸化剤ガス流通路内の圧力より高いシステム構成であることが必要となる。このような構成であっても、導入弁３７を開いたときに、放電（発電継続）による水素消費とともに、燃料ガス流通路内の残留水素が酸化剤ガス流通路に向けて排出されるので、生成水の発生を抑制することができる。また、酸化剤ガス流通路に導入された水素は、コンプレッサ３３からの空気と混合された後に排出されるので、高濃度の水素が車外（系外）に排出されることがない。なお、この構成では、燃料ガス流通路内の圧力と酸化剤ガス流通路内の圧力とが平衡となるまで水素が燃料ガス流通路から酸化剤ガス流通路に向けて流れることになる。また、ＦＣ電流が低下して、ＦＣ電流が所定値以下となったときに導入弁３７が閉じられる。また、この場合は、ＦＣ電流が所定値以下となったときに（ステップＳ１５０、Ｙｅｓ）、導入弁３７が閉じられる（ステップＳ１６０）。

このように、燃料排出装置を複数（複数パターン）設けることにより、導入弁３７に不具合が生じて、酸化剤ガス流通路から燃料ガス流通路に空気（掃気ガス）を導入すること、または、燃料ガス流通路から酸化剤ガス流通路に水素を導入することができなくなったとしても、パージ弁２７を大開度で開くことにより、水素を拡散させながら排出することが可能になる。また、パージ弁２７に不具合が生じたとしても、導入弁３７を開いて燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通させることにより、水素を燃料ガス流通路から導入配管３６を介して酸化剤ガス流通路を向けて排出することが可能になる。

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図４のタイムチャートに示すように、Ｃａ重点掃気を２段階に切り分けて掃気するようにしてもよい。すなわち、この処理は、Ｃａ重点掃気（時刻ｔ１〜ｔ４）終了後、つまり燃料ガス流通路を掃気している途中において、コンプレッサ３３の回転速度を落として、酸化剤ガス流通路を小流量の空気で掃気する処理（以下、Ｃａ小流量掃気と略記する）に切り替える処理である（時刻ｔ４〜ｔ３）。なお、Ｃａ重点掃気からＣａ小流量掃気への切替タイミングは、例えば、タイマ６２を用いてイグニッションスイッチ６１のオフから所定時間が経過したことで行ってもよい。

ところで、図４の時刻ｔ１〜ｔ４までのＣａ重点掃気では、空気を大流量で供給して、酸化剤ガス流通路内の液滴（生成水）を吹き飛ばす処理が行われるが、水を吹き飛ばした後は、電解質膜５からカソード極７の電極表面に徐々にしみ出す水を排出する処理が主に行われるので、大流量の空気は必要なくなる。そこで、本実施形態では、時刻ｔ１〜ｔ３まで同じ大流量の空気で掃気するのではなく、図４に示すように、時刻ｔ４〜ｔ３において、途中でＣａ小流量掃気に切り替えることで、コンプレッサ３３を不必要に高い回転速度で常時作動させる必要がなくなり、コンプレッサ３３の作動に伴う消費エネルギの削減を図ることが可能になる。

または、図５および図６に示すように、Ｃａ重点掃気とＡｎ（アノード）重点掃気とＣａ小流量掃気の３段階に分けて掃気するようにしてもよい。なお、図５については、図２と同じ処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。

すなわち、ステップＳ１４０において、制御部６０は、パージ弁２７を小開度で開き、且つ、導入弁３７を開いた状態で、ステップＳ１４１に進み、Ａｎ重点掃気を実施する。このＡｎ重点掃気とは、Ｃａ重点掃気とは逆に、燃料ガス流通路に大流量の空気を供給して、燃料ガス流通路内を掃気する処理である（図６の時刻ｔ２〜ｔ５）。

このＡｎ重点掃気では、制御部６０は、パージ弁２７の開度を小開度から全開に切り替える（ステップＳ１４２）。これにより、コンプレッサ３３で取り込んだ大流量の空気が導入配管３６を介して燃料ガス流通路に導入されて、燃料ガス流通路が掃気される。このように、パージ弁２７を全開に切り替えることにより、燃料ガス流通路からの水素の排出速度が速められるので、燃料ガス流通路に残留している水素を、図３および図４に示す実施形態に比べて早期に排出することができる。なお、Ａｎ重点掃気において、パージ弁２７を全開にしたとしても、すでにＣａ重点掃気において残留水素の一部が排出されているので、高濃度の水素が車外に排出されることはない。また、Ａｎ重点掃気中において、ＦＣ電流が所定値以下となった後も燃料ガス流通路を掃気することで、電解質膜５からアノード極６の電極表面にしみ出す生成水を十分に排出することができるようになる。

そして、ステップＳ１４３に進み、Ｃａ小流量掃気を実施する（時刻ｔ５〜ｔ３）。このＣａ小流量掃気は、コンプレッサ３３の回転速度を落として、酸化剤ガス流通路を小流量の空気で掃気することである。これにより、電解質膜５からカソード極７の電極表面にしみ出す生成水を十分に排出することができる。

なお、Ｃａ小流量掃気は、図６に示すように、Ａｎ重点掃気中にＦＣ電流が所定値以下となった場合には、パージ弁２７と導入弁３７とがそれぞれ閉じた状態で掃気が実施されるが、Ｃａ小流量掃気中において、まだＦＣ電流が所定値以下となっておらず発電が継続できる場合には、パージ弁２７および導入弁３７を開けた状態で掃気して、ＦＣ電流が所定値以下となったときにパージ弁２７および導入弁３７を閉じるようにする。

そして、ステップＳ１４４に進み、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下であるか否かを判断し、ＦＣ電流が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０以降の処理を実行する。また、制御部６０は、ＦＣ電流が所定値以下ではないと判断した場合には（Ｓ１４４、Ｎｏ）、ステップＳ１４５に進み、ステップＳ１４０と同様にして、パージ弁２７を小開度で開くとともに導入弁３７を開く。なお、ステップＳ１４４での判断は、通常であれば、ＦＣ電流は既に所定値以下となっているはずであり、ステップＳ１４５の処理に移行することはないが、パージ弁２７や導入弁３７に不具合が発生している場合にステップＳ１４５の処理に移行することがある。

なお、ステップＳ１４４の判断条件としては、ＦＣ電流に応じて設定されるものに限定されず、Ａｎ重点掃気の終了に基づいて判断してもよい。

このように、Ｃａ重点掃気、Ａｎ重点掃気、Ｃａ小流量掃気というように、目的ごとに別々に掃気を行うことで、コンプレッサ３３の回転速度を不必要に高い回転速度で作動させることがないので、消費エネルギの削減を図ることができる。

なお、図４ないし図６の場合にも、燃料排出装置として、パージ弁２７による構成、導入配管３６と導入弁３７とによる構成も適用できる。

また、燃料排出装置を、パージ弁２７と導入弁３７と導入配管３６とで構成した場合、ステップＳ１６０において、パージ弁２７と導入弁３７の双方を閉じるのではなく、導入弁３７のみを閉じるようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。運転停止時の処理を示すフローチャートである。図２の処理に伴うタイミングチャートである。カソード２段階掃気を示すタイミングチャートである。運転停止時の別の処理を示すフローチャートである。カソード３段階掃気を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
２１ａ〜２１ｃアノードガス供給配管
２２ａ，２２ｂアノードオフガス配管
２６循環配管
２７パージ弁
３１カソードガス供給配管
３２ａ，３２ｂカソードオフガス配管
３６導入配管
３７導入弁
ａ１，ｃ１流路
６０制御部
ＦＣ燃料電池

Claims

アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記アノード極を含み燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソード極を含み酸化剤ガスが流通し、前記燃料電池の下流側において前記燃料ガス流通路が連通する酸化剤ガス流通路と、
前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の上流側の前記燃料ガス流通路と、前記燃料電池の上流側の前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、
前記連通路を遮断する遮断弁と、
前記燃料電池を放電させるディスチャージ抵抗と、
前記燃料電池の下流側の前記燃料ガス流通路に設けられるパージ弁と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化剤ガス流通路内の生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第１カソード掃気処理と、前記第１カソード掃気処理の後に前記大流量よりも少ない小流量の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給手段から供給して前記酸化剤ガス流通路を掃気する第２カソード掃気処理と、を実行するカソード掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記第１カソード掃気処理と前記第２カソード掃気処理との間において前記燃料ガス流通路に生成水を排出可能な大流量の酸化剤ガスを流通させて前記燃料ガス流通路を掃気するアノード掃気処理を行うアノード掃気手段と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記アノード極への燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路内に残留する燃料ガスと前記酸化剤ガス流通路を流通する酸化剤ガスとを反応させて前記ディスチャージ抵抗において前記燃料電池を放電させる発電継続手段と、
前記第１カソード掃気処理中、前記遮断弁および前記パージ弁を開弁して前記燃料ガス流通路に前記アノード掃気処理における前記大流量の酸化剤ガスよりも少ない微量の酸化剤ガスを導入して前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを前記燃料ガス流通路内から押し出す燃料ガス排出手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。