JP5215127B2

JP5215127B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法

Info

Publication number: JP5215127B2
Application number: JP2008279724A
Authority: JP
Inventors: 千大和氣; 伸高中島; 純平小河; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2010108755A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法に関するものである。

従来から、例えば車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）とするものが知られている。このような燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。

このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば氷点下環境で使用されると、燃料電池システムの停止中に内部に残留している生成水が凍結してしまうため、生成水が凍結しないように燃料電池システム内に付着した水滴を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の停止時にエアドライヤで乾燥させた空気を用いて、流量制御弁に付着した水滴を吹き飛ばすというものである。具体的には、流速の早い空気が流れるように流量制御弁の開度調整をし（開度を小さくし）、そこに空気を吹き付けて、水滴を吹き飛ばす構成が開示されている。
特開２００３−２０３６６５号公報

ところで、一般的に燃料電池システムのアノードガス流路（配管）の掃気を行う際には、燃料電池システムの起動時および運転中に使用されるパージ弁および掃気弁から掃気ガスを排出している。ここで、アノードガス流路の掃気完了時にパージ弁および掃気弁を同時に閉弁すると、パージ弁に生成水が残留した状態で凍結し、燃料電池システムが停止してしまう虞がある。パージ弁に生成水が残留して凍結してしまうと、次回燃料電池システムを起動する際に、パージ弁が開弁せずに起動時ＯＣＶパージが実行されなくなるという問題がある。また、パージ配管およびフィルタに生成水が氷結することにより、パージ流量が低下し、起動時ＯＣＶパージにおいてガス置換が確実に行われずシステムが停止してしまうという問題がある。したがって、パージ弁の水滴を除去し、パージ弁が凍結するのを防止することができる技術が望まれている。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池の停止時にパージ弁に付着した生成水を確実に掃気することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード電極にアノードガスを、カソード電極にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、前記アノードガスが流通するアノードガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給配管２３およびアノードオフガス排出配管３５）と、該アノードガス流路内のガスを流路外へ排出するために開閉可能なパージ弁（例えば、実施形態におけるパージ弁５２）と、前記アノードガス流路内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段（例えば、実施形態におけるエアコンプレッサ３３）と、前記アノードガス流路内に供給された前記掃気ガスを流路外に排出するために開閉可能に構成されるとともに、前記パージ弁よりも排出流路断面積が大きい掃気弁（例えば、実施形態におけるアノードエア排出弁５１）と、を備え、前記燃料電池が起動停止した後、前記掃気ガス供給手段により供給される前記掃気ガスを用いて前記アノードガス流路内を掃気し、前記パージ弁および前記掃気弁より前記掃気ガスを排出可能に構成された燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）であって、前記アノードガス流路内の掃気が完了したと判断し、前記掃気弁を閉弁した状態で、前記パージ弁から前記掃気ガスを流路外に所定時間排出可能に構成されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記掃気弁を閉弁した状態で、前記パージ弁から前記掃気ガスを排出する際に、前記掃気ガス供給手段の掃気ガス供給量が増量されることを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記掃気ガスの圧力を調整する圧力調整手段（例えば、実施形態における背圧弁３４）を有し、該圧力調整手段は、掃気完了後に前記パージ弁から前記掃気ガスを排出するときの前記アノードガス流路内の圧力が、前記パージ弁および前記掃気弁を開弁して前記掃気ガスを排出している状態から、前記掃気弁のみを閉弁したときの該アノードガス流路内の圧力よりも低くなるように調整可能に構成されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記圧力調整手段は、前記アノードガス流路内の圧力を所定の割合で低下させることができるように構成されていることを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記掃気ガス供給手段は、前記カソード電極に前記カソードガスを供給するカソードガス供給手段であり、前記圧力調整手段は、前記カソードガスが流通するカソードガス流路の圧力を調整する背圧弁であり、該背圧弁を閉塞することにより前記カソードガスを前記掃気ガスとして前記アノードガス流路内へ供給可能に構成されており、前記背圧弁の開度を調整することにより、前記アノードガス流路内の圧力を調整可能に構成されていることを特徴としている。

請求項６に記載した発明は、アノード電極にアノードガスを、カソード電極にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池と、前記アノードガスが流通するアノードガス流路と、該アノードガス流路内のガスを流路外へ排出するために開閉可能なパージ弁と、前記アノードガス流路内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記アノードガス流路内に供給された前記掃気ガスを流路外に排出するために開閉可能に構成されるとともに、前記パージ弁よりも排出流路断面積が大きい掃気弁と、を備え、前記燃料電池が起動停止した後、前記掃気ガス供給手段により供給される前記掃気ガスを用いて前記アノードガス流路内を掃気する燃料電池システムの掃気方法であって、前記燃料電池が起動停止した後、前記アノードガス流路内の掃気が必要か否かを判定する掃気判定ステップと、前記掃気弁および前記パージ弁を開弁して前記アノードガス流路内の掃気を行うアノード掃気ステップと、前記アノードガス流路内の掃気が完了したか否かを判定するアノード掃気完了判定ステップと、前記掃気弁および前記パージ弁のうち、前記掃気弁のみを閉弁する掃気弁閉弁ステップと、前記掃気弁が閉弁された後に前記パージ弁を前記掃気ガスが所定流量通過したか否かを判定するパージ弁掃気判定ステップと、を有することを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、アノードガス流路内の掃気が完了したと判断した後に、先に掃気弁を閉弁した状態でパージ弁の開弁状態を所定時間維持するため、パージ弁およびパージ配管に十分な掃気ガス流量を流通させることが可能となり、パージ弁などに付着している水滴（生成水）を確実に除去することができる。したがって、燃料電池システムの次回起動時に、パージ弁の凍結による開閉不具合の発生を防止することができ、確実にシステムを起動させることができる。

請求項２に記載した発明によれば、パージ弁の水滴除去を行う際に、パージ弁に供給する掃気ガス流量を増量させるため、水滴除去効率を向上させることができる。したがって、燃料電池の停止時にパージ弁に付着した生成水をより確実に掃気することができる。

請求項３に記載した発明によれば、パージ弁の水滴除去中のアノードガス流路内の圧力をパージ弁の水滴除去開始時の圧力よりも低下させるため、燃料電池内などに残留している生成水などの水分がパージ弁へ導かれるのを防止することができる。したがって、パージ弁の水滴除去を効率よく実行することができる。

請求項４に記載した発明によれば、アノードガス流路内の圧力を一気に低下させるのではなく、徐々に低下させることができるため、圧力変動に起因する騒音の発生を防止することができる。

請求項５に記載した発明によれば、パージ弁の水滴除去を行うとともに、カソードガス流路に設けられた背圧弁の水滴除去を行うことができる。

請求項６に記載した発明によれば、アノードガス流路内の掃気が完了したと判断した後に、先に掃気弁を閉弁した状態でパージ弁の開弁状態を所定時間維持するため、パージ弁およびパージ配管に十分な掃気ガス流量を流通させることが可能となり、パージ弁などに付着している水滴（生成水）を確実に除去することができる。したがって、燃料電池システムの次回起動時に、パージ弁の凍結による開閉不具合の発生を防止することができ、確実にシステムを起動させることができる。

（第一実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。

また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。

また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過してきたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５は、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はアノードエア排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。アノードエア排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、ともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、アノードエア排出配管３６には電磁駆動式のアノードエア排出弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。なお、アノードエア排出配管３６は、パージガス排出配管３７よりも配管径の大きいものが取り付けられている。

次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。

また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５３の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５３は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５３には電磁駆動式の電磁弁５４が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

ここで、アノードオフガス排出配管３５におけるアノードオフガス排出用連通孔１４の直後（下流側）に、温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１により、燃料電池１１の内部の温度と略同一の温度を検知することができるようになっている。温度センサ４１からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、燃料電池１１のアノード掃気（後に詳述する。）を実行するか否かを決定するように構成されている。

図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、燃料電池システム１０が停止状態になってからの時間をカウントする停止時間検出部４６と、停止時間検出部４６でカウントしている時間が所定時間を経過したときにアノード掃気を実行するか否かを判定するアノード掃気実行判定部４７と、アノード掃気を実行した際にアノード掃気が完了したか否かを判定するアノード掃気完了判定部４８と、アノード掃気が完了した後にパージ弁５２に付着した液滴を除去するパージ弁液滴除去が完了したか否かを判定するパージ弁液滴除去完了判定部４９と、を有している。

さらに、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定量の水素ガスを燃料電池１１に供給することができるようになっている。また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御してカソードガス流路２２への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。

そして、アノード掃気実行判定部４７からの指示によりアノードガス供給配管２３およびアノードオフガス排出配管３５などを掃気する際に、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４を制御して所定量の空気を供給することができるように構成されている。

（燃料電池システムの掃気方法）
次に、本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図３は燃料電池システム１０の掃気方法のフローチャートであり、図４は図３の流れを示すタイムチャートである。
図３、図４に示すように、Ｓ１１では、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした後（図４のＴ１０時）に、アノード掃気が必要か否かを判定する。この判定は、制御装置４５のアノード掃気実行判定部４７において、温度センサ４１の検出温度に応じてアノード掃気を実行するか否かを判定する。アノード掃気が必要と判定した場合にはステップＳ１２へ進み、アノード掃気が必要でないと判定した場合には処理を終了する。なお、アノード掃気が必要でないと判定した場合に処理を終了せずに、停止時間検出部４６からの指示により所定時間ごとに温度センサ４１の温度を検出し、検出温度が所定温度以下になった場合にアノード掃気が必要と判定し、ステップＳ１２へ進むようにしてもよい。

ステップＳ１２では、アノード掃気を実行する（図４のＴ１１時）。具体的には、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４（掃気ＩＮ弁）、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１（掃気ＯＵＴ弁）およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を開弁し、カソードオフガス排出配管３８の背圧弁３４を閉弁する。そして、エアコンプレッサ３３を駆動させることにより、加圧された空気をアノード側に供給することで、アノード掃気を実行する。

ステップＳ１３では、アノード掃気が完了したか否かを判定する。具体的には、制御装置４５のアノード掃気完了判定部４８において、例えば、アノード掃気を開始してからの時間を計測し、所定時間経過したらアノード掃気が完了したと判定する。なお、この時点ではエアコンプレッサ３３から導入された空気（掃気ガス）の多くは、アノードエア排出配管３６から排出される。これは、アノードエア排出配管３６の方がパージガス排出配管３７よりも配管径が大きいため、抵抗が少なく、より大流量の空気が流れるためである。また、アノード掃気が完了したか否かを経過時間により判定する場合に、温度センサ４１の検出温度や生成水量などにより補正をかけるようにしてもよい。アノード掃気が完了したと判定したらステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１だけを閉弁する（図４のＴ１２時）。このようにすることで、エアコンプレッサ３３から導入された空気はパージガス排出配管３７から排出される。つまり、ステップＳ１２では配管径の大きいアノードエア排出配管３６に多くの掃気ガスが流通してアノードエア排出弁５１に付着した液滴を除去することができ、このステップＳ１４にて配管径の小さいパージガス排出配管３７に掃気ガスを確実に流通させることができ、パージ弁５２に付着している液滴を確実に除去することができる。なお、このときアノードエア排出配管３６などのアノード系内圧力が上昇する。

ステップＳ１５では、パージ弁５２に付着した液滴が除去されたか否かを判定する。具体的には、エアコンプレッサ３３の回転数と駆動時間を検出し、パージ弁５２に所定流量の空気（掃気ガス）が流れたらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定する。なお、制御装置４５のパージ弁液滴除去完了判定部４９において、例えば、ステップＳ１４でアノードエア排出弁５１を閉弁してからの時間を計測し、所定時間経過したらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定してもよい。

ステップＳ１６では、パージ弁５２および電磁弁５４を閉弁するとともに、背圧弁３４を開弁する。そして、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して、処理を終了する（図４のＴ１３時）。

なお、上述したアノード掃気の際に必要な電力は、例えば燃料電池の電力を蓄電するバッテリ（不図示）から確保する。

本実施形態によれば、アノードガス供給配管２３およびアノードオフガス排出配管３５内の掃気が完了したと判断した後に、先にアノードエア排出弁５１を閉弁した状態でパージ弁５２の開弁状態を所定時間維持するため、パージ弁５２およびパージガス排出配管３７に十分な空気（掃気ガス）を流通させることが可能となり、パージ弁５２などに付着している水滴（生成水）を確実に除去することができる。したがって、燃料電池システム１０の次回起動時に、パージ弁５２の凍結による開閉不具合の発生を防止することができ、確実にシステムを起動させることができる。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を図５〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とアノード掃気の方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムの掃気方法）
本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図５は燃料電池システム１０の掃気方法のフローチャートであり、図６は図５の流れを示すタイムチャートである。
図５、図６に示すように、Ｓ２１では、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした後（図６のＴ２０時）に、アノード掃気が必要か否かを判定する。この判定方法は第一実施形態のステップＳ１１と同様である。

ステップＳ２２では、アノード掃気を実行する（図６のＴ２１時）。具体的には、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を開弁し、カソードオフガス排出配管３８の背圧弁３４を閉弁する。そして、エアコンプレッサ３３を駆動させることにより、加圧された空気をアノード側の配管などに供給することで、アノード掃気を実行する。

ステップＳ２３では、アノード掃気が完了したか否かを判定する。具体的には、制御装置４５のアノード掃気完了判定部４８において、例えば、アノード掃気を開始してからの時間を計測し、所定時間経過したらアノード掃気が完了したと判定する。

ステップＳ２４では、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１だけを閉弁する。
ステップＳ２５では、ステップＳ２４と略同時に、エアコンプレッサ３３の回転数を大きくする（図６のＴ２２時）。このようにすることで、エアコンプレッサ３３から導入された空気が高流速でパージガス排出配管３７から排出される。つまり、パージ弁５２に付着している液滴をより強力に除去することができる。

ステップＳ２６では、パージ弁５２に付着した液滴が除去されたか否かを判定する。具体的には、エアコンプレッサ３３の回転数と駆動時間を検出し、パージ弁５２に所定流量の空気（掃気ガス）が流れたらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定する。

ステップＳ２７では、パージ弁５２を閉弁するとともに、背圧弁３４を開弁する。そして、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して、処理を終了する（図６のＴ２３時）。

本実施形態によれば、パージ弁５２の水滴除去を行う際に、パージ弁５２に供給する掃気ガス流量を増量させるため、水滴除去効率を向上させることができる。したがって、燃料電池１１の停止時にパージ弁５２に付着した生成水をより確実に掃気することができる。

（第三実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態を図７〜図８に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とアノード掃気の方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムの掃気方法）
本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図７は燃料電池システム１０の掃気方法のフローチャートであり、図８は図７の流れを示すタイムチャートである。
図７、図８に示すように、Ｓ３１では、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした後（図８のＴ３０時）に、アノード掃気が必要か否かを判定する。この判定方法は第一実施形態のステップＳ１１と同様である。

ステップＳ３２では、アノード掃気を実行する（図８のＴ３１時）。具体的には、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を開弁し、カソードオフガス排出配管３８の背圧弁３４を閉弁する。そして、エアコンプレッサ３３を駆動させることにより、加圧された空気をアノード側の配管などに供給することで、アノード掃気を実行する。

ステップＳ３３では、アノード掃気が完了したか否かを判定する。具体的には、制御装置４５のアノード掃気完了判定部４８において、例えば、アノード掃気を開始してからの時間を計測し、所定時間経過したらアノード掃気が完了したと判定する。

ステップＳ３４では、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１だけを閉弁する（図８のＴ３２時）。
ステップＳ３５では、ステップＳ３４から所定時間経過後に、背圧弁３４の開度を半開状態（開度約５０％）にする（図８のＴ３３時）。このようにすることで、アノード系内の圧力を低減することができ、圧力変動により燃料電池１１内などに残留している液滴がパージ弁５２に付着することを防止しつつ、パージ弁５２に既に付着している液滴の除去を行うことができる。また、背圧弁３４が設けられたカソードオフガス排出配管３８にも空気（掃気ガス）が流通するため、背圧弁３４に付着した液滴を除去することができる。なお、ステップＳ３４と略同時に背圧弁３４を半開状態にしてもよい。

ステップＳ３６では、パージ弁５２に付着した液滴が除去されたか否かを判定する。具体的には、エアコンプレッサ３３の回転数と駆動時間を検出し、パージ弁５２に所定流量の空気（掃気ガス）が流れたらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定する。

ステップＳ３７では、パージ弁５２を閉弁するとともに、背圧弁３４を開弁する。そして、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して、処理を終了する（図８のＴ３４時）。

本実施形態によれば、パージ弁５２の水滴除去中のアノード系内の圧力をパージ弁５２の水滴除去開始時の圧力よりも低下させるため、燃料電池１１内などに残留している生成水などの水分がパージ弁５２へ導かれるのを防止することができる。したがって、パージ弁５２の水滴除去を効率よく実行することができる。

（第四実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態を図９〜図１０に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とアノード掃気の方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムの掃気方法）
本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図９は燃料電池システム１０の掃気方法のフローチャートであり、図１０は図９の流れを示すタイムチャートである。
図９、図１０に示すように、Ｓ４１では、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした後（図１０のＴ４０時）に、アノード掃気が必要か否かを判定する。この判定方法は第一実施形態のステップＳ１１と同様である。

ステップＳ４２では、アノード掃気を実行する（図１０のＴ４１時）。具体的には、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を開弁し、カソードオフガス排出配管３８の背圧弁３４を閉弁する。そして、エアコンプレッサ３３を駆動させることにより、加圧された空気をアノード側の配管などに供給することで、アノード掃気を実行する。

ステップＳ４３では、アノード掃気が完了したか否かを判定する。具体的には、制御装置４５のアノード掃気完了判定部４８において、例えば、アノード掃気を開始してからの時間を計測し、所定時間経過したらアノード掃気が完了したと判定する。

ステップＳ４４では、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１だけを閉弁する（図１０のＴ４２時）。
ステップＳ４５では、ステップＳ４４から所定時間経過後に、背圧弁３４の開度を半開状態（開度約５０％）にする（図１０のＴ４３〜Ｔ４４時）。本実施形態では、背圧弁３４の開度を調節する際に、弁の開放速度を遅くする。つまり、背圧弁３４を所定レートで徐々に開放する。このようにすることで、アノード系内の圧力変動を緩やかにすることができ、急激な圧力変動により燃料電池１１内などに残留している液滴がパージ弁５２に付着（流入）することを防止したり、パージ弁５２の下流側（希釈ボックス３１側）に排出された液滴が逆流するのを防止したりしつつ、パージ弁５２に既に付着している液滴の除去を行うことができる。また、背圧弁３４が設けられたカソードオフガス排出配管３８にも空気（掃気ガス）が流通するため、背圧弁３４に付着した液滴を除去することができる。また、急激な圧力変動により背圧弁３４から発生する騒音を防止することができる。さらに、背圧弁３４の半開状態を所定時間保持する（図１０のＴ４４〜Ｔ４５時）。このようにすることで、背圧弁３４の弁体に付着した液滴（主に弁体の端部に付着した液滴）を効率よく除去することができる。

ステップＳ４６では、パージ弁５２に付着した液滴が除去されたか否かを判定する。具体的には、エアコンプレッサ３３の回転数と駆動時間を検出し、パージ弁５２に所定流量の空気（掃気ガス）が流れたらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定する。

ステップＳ４７では、パージ弁５２を閉弁するとともに、背圧弁３４を開弁する。そして、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して、処理を終了する（図１０のＴ４５〜Ｔ４６時）。なお、背圧弁３４の開度を調節する際は、ステップＳ４５のときと同様に弁の開放速度を遅くする。このようにすることで、アノード系内の圧力変動を緩やかにすることができ、急激な圧力変動により燃料電池１１内などに残留している液滴がパージ弁５２に付着（流入）することを防止したり、パージ弁５２の下流側（希釈ボックス３１側）に排出された液滴が逆流するのを防止したりすることができる。また、急激な圧力変動により背圧弁３４から発生する騒音を防止することができる。

また、アノード掃気が完了した後に、アノード系内の圧力を一気に低下させるのではなく、徐々に低下させることができるため、圧力変動に起因する騒音の発生を防止することができる。また、パージ弁５２に付着した液滴除去を行うとともに、カソードオフガス排出配管３８に設けられた背圧弁３４に付着した液滴除去を行うことができる。

（第五実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態を図１１〜図１２に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とアノード掃気の方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムの掃気方法）
本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図１１は燃料電池システム１０の掃気方法のフローチャートであり、図１２は図１１の流れを示すタイムチャートである。
図１１、図１２に示すように、Ｓ５１では、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした後（図１２のＴ５０時）に、アノード掃気が必要か否かを判定する。この判定方法は第一実施形態のステップＳ１１と同様である。

ステップＳ５２では、アノード掃気を実行する（図１２のＴ５１時）。具体的には、掃気ガス導入配管５３の電磁弁５４、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を開弁し、カソードオフガス排出配管３８の背圧弁３４を閉弁する。そして、エアコンプレッサ３３を駆動させることにより、加圧された空気をアノード側の配管などに供給することで、アノード掃気を実行する。

ステップＳ５３では、アノード掃気が完了したか否かを判定する。具体的には、制御装置４５のアノード掃気完了判定部４８において、例えば、アノード掃気を開始してからの時間を計測し、所定時間経過したらアノード掃気が完了したと判定する。

ステップＳ５４では、アノードエア排出配管３６のアノードエア排出弁５１だけを閉弁する（図１２のＴ５２時）。
ステップＳ５５では、ステップＳ５４から所定時間経過後に、背圧弁３４の開度を全開状態にする（図１２のＴ５３〜Ｔ５４時）。本実施形態では、背圧弁３４の開度を調節する際に、弁の開放速度を遅くする。つまり、背圧弁３４を所定レートで徐々に開放する。このようにすることで、アノード系内の圧力変動を緩やかにすることができ、急激な圧力変動により燃料電池１１内などに残留している液滴がパージ弁５２に付着（流入）することを防止したり、パージ弁５２の下流側（希釈ボックス３１側）に排出された液滴が逆流するのを防止したりしつつ、パージ弁５２に既に付着している液滴の除去を行うことができる。また、背圧弁３４が設けられたカソードオフガス排出配管３８にも空気（掃気ガス）が流通するため、背圧弁３４に付着した液滴を除去することができる。また、急激な圧力変動により背圧弁３４から発生する騒音を防止することができる。

ステップＳ５６では、パージ弁５２に付着した液滴が除去されたか否かを判定する。具体的には、エアコンプレッサ３３の回転数と駆動時間を検出し、パージ弁５２に所定流量の空気（掃気ガス）が流れたらパージ弁５２の液滴除去が完了したと判定する。

ステップＳ５７では、パージ弁５２を閉弁するとともに、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して、処理を終了する（図１２のＴ５４時）。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、燃料電池の温度を検出する温度センサをアノードオフガス排出配管に取り付けた構成にしたが、燃料電池の温度を直接検出してもよく、カソードオフガス排出配管、冷媒、ガス、周辺補機の温度を代替温度として採用してもよい。また、温度センサは１箇所だけでなく、複数箇所に取り付けてもよく、その場合には、いずれかの温度を検出するようにしたり、各温度センサの平均値を求めるようにしてもよい。
また、本実施形態において、パージ弁５２の掃気終了時に背圧弁３４の掃気を行っているが、その際に一定のアノード圧を保持することにより、アノードエア排出弁５１もしくは電磁弁５４の開故障検知を同時に行う構成にしてもよい。
さらに、本実施形態において、アノードエア排出弁５１を閉弁し、電磁弁５４およびパージ弁５２を開弁した状態を所定時間継続する際に、アノード内（もしくはカソード内）の圧力を高くし続け、その際の圧力変化により、電磁弁５４の閉故障検知を同時に行う構成にしてもよい。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。本発明の実施形態における制御装置の概略ブロック図である。本発明の第一実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。本発明の第一実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すタイムチャートである。本発明の第二実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。本発明の第二実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すタイムチャートである。本発明の第三実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。本発明の第三実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すタイムチャートである。本発明の第四実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。本発明の第四実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すタイムチャートである。本発明の第五実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。本発明の第五実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム１１…燃料電池２３…アノードガス供給配管（アノードガス流路）３３…エアコンプレッサ（掃気ガス供給手段）３４…背圧弁３５…アノードオフガス排出配管（アノードガス流路）４１…温度センサ５１…アノードエア排出弁（掃気弁）５２…パージ弁

Claims

アノード電極にアノードガスを、カソード電極にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池と、
前記アノードガスが流通するアノードガス流路と、
該アノードガス流路内のガスを流路外へ排出するために開閉可能なパージ弁と、
前記アノードガス流路内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記アノードガス流路内に供給された前記掃気ガスを流路外に排出するために開閉可能に構成されるとともに、前記パージ弁よりも排出流路断面積が大きい掃気弁と、を備え、
前記燃料電池が起動停止した後、前記掃気ガス供給手段により供給される前記掃気ガスを用いて前記アノードガス流路内を掃気し、前記パージ弁および前記掃気弁より前記掃気ガスを排出可能に構成された燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路内の掃気が完了したと判断し、前記掃気弁を閉弁した状態で、前記パージ弁から前記掃気ガスを流路外に所定時間排出可能に構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記掃気弁を閉弁した状態で、前記パージ弁から前記掃気ガスを排出する際に、前記掃気ガス供給手段の掃気ガス供給量が増量され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。
前記掃気ガスの圧力を調整する圧力調整手段を有し、
該圧力調整手段は、掃気完了後に前記パージ弁から前記掃気ガスを排出するときの前記アノードガス流路内の圧力が、前記パージ弁および前記掃気弁を開弁して前記掃気ガスを排出している状態から、前記掃気弁のみを閉弁したときの該アノードガス流路内の圧力よりも低くなるように調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記圧力調整手段は、前記アノードガス流路内の圧力を所定の割合で低下させることができるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記掃気ガス供給手段は、前記カソード電極に前記カソードガスを供給するカソードガス供給手段であり、
前記圧力調整手段は、前記カソードガスが流通するカソードガス流路の圧力を調整する背圧弁であり、
該背圧弁を閉塞することにより前記カソードガスを前記掃気ガスとして前記アノードガス流路内へ供給可能に構成されており、
前記背圧弁の開度を調整することにより、前記アノードガス流路内の圧力を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
アノード電極にアノードガスを、カソード電極にカソードガスを供給し発電を行う燃料電池と、
前記アノードガスが流通するアノードガス流路と、
該アノードガス流路内のガスを流路外へ排出するために開閉可能なパージ弁と、
前記アノードガス流路内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記アノードガス流路内に供給された前記掃気ガスを流路外に排出するために開閉可能に構成されるとともに、前記パージ弁よりも排出流路断面積が大きい掃気弁と、を備え、
前記燃料電池が起動停止した後、前記掃気ガス供給手段により供給される前記掃気ガスを用いて前記アノードガス流路内を掃気する燃料電池システムの掃気方法であって、
前記燃料電池が起動停止した後、前記アノードガス流路内の掃気が必要か否かを判定する掃気判定ステップと、
前記掃気弁および前記パージ弁を開弁して前記アノードガス流路内の掃気を行うアノード掃気ステップと、
前記アノードガス流路内の掃気が完了したか否かを判定するアノード掃気完了判定ステップと、
前記掃気弁および前記パージ弁のうち、前記掃気弁のみを閉弁する掃気弁閉弁ステップと、
前記掃気弁が閉弁された後に前記パージ弁を前記掃気ガスが所定流量通過したか否かを判定するパージ弁掃気判定ステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。