JP6711153B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から排出されるカソード排ガスを燃焼させる燃焼器を備える燃料電池システムに関する。

上述した燃焼器を備える燃料電池システムには、燃焼器が備える酸化処理用の触媒の表面に液水が付着している状態でシステム起動すると、触媒反応が生じないことによってカソード排ガスが燃焼しないという問題があった。

特許文献１では、システム起動時に燃焼器内に乾燥空気を供給することによって触媒を乾燥させてから燃料電池の発電を開始する技術が開示されている。

特開２００４−２４１１８３号公報

しかしながら、上記文献の技術のようにシステムの起動時に触媒を乾燥させると、触媒が乾燥するまで発電を開始できないので、起動に要する時間が延びてしまう。その結果、燃費性能の低下を招くこととなる。

そこで本発明では、システム起動時に速やかに発電を開始し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けてコンプレッサの補助駆動力を生成するタービンと、燃料電池とタービンとの間に設置されカソード排ガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、さらに車両停止時に燃焼器の水分を除去する燃焼器乾燥装置と、燃焼器乾燥装置の動作タイミングを調整するコントローラとを有する。コントローラは、停車状態か否かを判断する停車判断部と、燃料電池への空気供給を停止した状態で燃料電池から電力を取り出すことにより燃料電池の電圧を低下させるシステム停止処理の開始前であるときに、停車に伴う燃焼器への空気供給停止が実行される前の時期であるか否かを判断する空気供給停止判断部と、を備える。

上記態様によれば、停車に伴う燃焼器への空気供給が停止されるまえに燃焼器を乾燥させることによって次回のシステム起動時まで燃焼器の乾燥状態を維持できる。すなわち、システム起動時に速やかに発電を開始することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、本発明の概要を説明するためのタイミングチャートである。 図３は、第１実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態の効果を説明するためのタイミングチャートである（その１）。 図５は、第１実施形態の効果を説明するためのタイミングチャートである（その２）。 図６は、水素ＯＮ域を説明するための図である。 図７は、第１実施形態の効果を説明するためのタイミングチャートである（その３）。 図８は、第１実施形態の効果を説明するためのタイミングチャートである（その４）。 図９は、第２実施形態の制御を説明するためのタイミングチャートである。 図１０は、燃焼器乾燥運転中における空気及び水素の供給形態の他の例を示すタイミングチャートである。 図１１は、燃焼器乾燥運転中における空気及び水素の供給形態のさらに他の例を示すタイミングチャートである。 図１２は、第２実施形態の制御の変形例を示すタイミングチャートである。 図１３は、第３実施形態の制御を説明するためのタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システム１００の構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、カソード給排機構１２と、アノード供給機構１４と、熱供給機構１５と、コンプレッサ５０及びタービン５２を有する燃焼器乾燥装置としてのコンプレッサ動力供給機構１６と、スタック冷却機構１７と、コントローラ２０と、を有している。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１０は、アノード供給機構１４からのアノードガス（水素）の供給及びカソード給排機構１２からのカソードガス（空気）の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、燃料電池システム１００を作動するときに使用されるコンプレッサ５０等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用のモータで使用される。燃料電池スタック１０の正極端子及び負極端子には、燃料電池スタック１０に形成された電解質膜の湿潤状態に相関するインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置１１が接続されている。

インピーダンス計測装置１１は、燃料電池スタック１０の正極端子に交流電流を供給し、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子に生じる電圧の交流成分を検出する。そしてインピーダンス計測装置１１は、供給した交流電流と検出した電圧の交流成分とに基づいて、燃料電池スタック１０の交流抵抗、すなわちＨＦＲ（High frequency Resistance）を演算する。インピーダンス計測装置１１は、演算したＨＦＲをＨＦＲ計測値としてコントローラ２０に入力する。なお、インピーダンス計測装置１１は、燃料電池スタック１０の出力電圧や出力電流などを計測してもよい。

カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソード排ガス通路２４と、を備えている。

カソードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路２２の一端はガスフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。

そして、カソードガス供給通路２２には、上流から順に、エアフローセンサ２６と、コンプレッサ吐出温度センサ２７と、アフタークーラ２８と、スタック供給空気温度センサ２９と、空気圧力センサ３０と、が設けられている。

エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ動力供給機構１６のコンプレッサ５０の吸気入口に設けられている。エアフローセンサ２６は、コンプレッサ５０に吸入される空気の流量（以下では「コンプレッサ流量」とも記載する）を検出する。以下では、このエアフローセンサ２６の検出値を「コンプレッサ流量検出値」とも記載する。エアフローセンサ２６で検出されたコンプレッサ流量検出値は、コントローラ２０に入力される。

コンプレッサ吐出温度センサ２７は、コンプレッサ５０から吐出され、アフタークーラ２８より上流の空気温度（以下では「コンプレッサ吐出温度」とも記載する）を検出する。

また、カソードガス供給通路２２において、エアフローセンサ２６とコンプレッサ吐出温度センサ２７の間には、バイパス弁３２を有するバイパス通路３３が接続されている。このバイパス通路３３は、カソードガス供給通路２２とカソード排ガス通路２４を連結する通路である。すなわち、バイパス通路３３は、アフタークーラ２８の上流から該アフタークーラ２８と燃料電池スタック１０をバイパスして後述する触媒燃焼器３６にカソードガスを供給する通路である。

アフタークーラ２８は、コンプレッサ５０から吐出されて燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却する。アフタークーラ２８は、水冷式の熱交換器として構成されており、スタック冷却機構１７と接続されている。すなわち、アフタークーラ２８により、燃料電池スタック１０の冷却に用いる冷却水と燃料電池スタック１０に供給すべき空気との間で熱交換が行われる。

スタック供給空気温度センサ２９は、アフタークーラ２８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの温度（以下では「スタック供給空気温度」とも記載する）を検出する。

空気圧力センサ３０は、カソードガス供給通路２２内の圧力、すなわち燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力（以下では「空気圧力」とも記載する）を検出する。空気圧力センサ３０で検出された空気圧力検出値は、コントローラ２０に入力される。

バイパス弁３２は、燃料電池スタック１０をバイパスしてカソード排ガス通路２４に供給する空気流量を調節する調圧弁であり、コントローラ２０によって開閉制御される。すなわち、バイパス弁３２は、コンプレッサ５０から供給された空気の内、バイパス通路３３を介して燃料電池スタック１０をバイパスしてカソード排ガス通路２４に供給する空気流量を調節する弁である。

また、本実施形態では、バイパス通路３３は、既に述べたようにカソード排ガス通路２４における触媒燃焼器３６の上流に連通されている。したがって、このバイパス通路３３により、カソードガス供給通路２２内の空気をカソード排ガス通路２４に供給し、触媒燃焼器３６に供給するカソード排ガスの酸素濃度を向上させることができる。

さらに、カソード排ガス通路２４は、一端が燃料電池スタック１０のカソード出口に接続されるとともに、他端がタービン５２に連結されている。またカソード排ガス通路２４には、熱供給機構１５が設けられている。

熱供給機構１５は、上述の触媒燃焼器３６と、タービン入口温度センサ３８と、を有している。この触媒燃焼器３６とタービン入口温度センサ３８は、燃料電池スタック１０からタービン５２に向かってこの順で、カソード排ガス通路２４に設けられている。

触媒燃焼器３６は、アノードガスとカソードガスを図示しないミキサで混合してなる混合ガスを、白金等による触媒作用で触媒燃焼させる。この触媒燃焼器３６には、アノード供給機構１４から燃焼用アノードガス供給通路６４を介してアノードガスが供給される一方で、カソード排ガス通路２４を介して燃料電池スタック１０からカソード排ガス及びバイパス通路３３から空気が供給される。したがって、触媒燃焼器３６に供給されるカソードガスには、バイパス通路３３を介して供給される空気と、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスが含まれることとなる。

なお、本実施形態では、燃焼器として触媒燃焼器３６を用いることで、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物（Ｎｏｘ）の発生が抑制される。しかしながら、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器等の触媒燃焼器以外の燃焼器を用いても良い。

タービン入口温度センサ３８は、触媒燃焼器３６による燃焼の後に残った燃焼後ガスの温度、すなわちコンプレッサ動力供給機構１６のタービン５２に供給される燃焼後ガスの温度（以下では、「タービン入口温度」とも記載する）を検出する。なお、タービン入口温度センサ３８で検出されたタービン入口温度の検出値は、コントローラ２０に入力される。

次に、アノード供給機構１４について説明する。本実施形態におけるアノード供給機構１４は、高圧タンク６０と、スタック用アノードガス供給通路６２と、燃焼用アノードガス供給通路６４と、を備えている。

高圧タンク６０は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスである水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。

スタック用アノードガス供給通路６２は、高圧タンク６０から排出される水素を燃料電池スタック１０に供給する通路である。スタック用アノードガス供給通路６２の一端は高圧タンク６０に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。

また、スタック用アノードガス供給通路６２には、アノードガス供給弁６６と、水素圧力検出センサ６７と、が設けられている。アノードガス供給弁６６は、燃料電池スタック１０への水素の供給量を任意に調節する調圧弁である。

水素圧力検出センサ６７は、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力（以下では、「水素圧力」とも記載する）を検出する。なお、水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力検出値は、コントローラ２０に入力される。

一方、燃焼用アノードガス供給通路６４は、高圧タンク６０から排出される水素の一部を、触媒燃焼器３６に供給する通路である。そして、燃焼用アノードガス供給通路６４は、その一端がスタック用アノードガス供給通路６２に連通して分岐しており、他端が触媒燃焼器３６に連結されている。

また、燃焼用アノードガス供給通路６４には、触媒燃焼器３６への水素供給量を任意に調節する燃焼器水素供給弁６８が設けられている。燃焼器水素供給弁６８は、その開度が連続的又は段階的に調節されることで触媒燃焼器３６への水素供給量を適宜調節する調圧弁である。

なお、本実施形態に係る燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０からのアノード排ガスは、たとえば循環型又は非循環型の図示しないアノード排気機構により処理することができる。

次に、コンプレッサ動力供給機構１６について説明する。コンプレッサ動力供給機構１６は、コンプレッサ５０と、タービン５２と、電動モータとしてのコンプレッサ駆動モータ５４と、を備えている。

コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２と回転駆動軸５７を介して接続されている。コンプレッサ５０は、回転駆動されて外気を吸入し、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するように構成されている。なお、コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２の一方又は双方の動力のいずれかにより駆動することができる。

タービン５２は、触媒燃焼器３６から供給される燃焼後ガスによって回転駆動される。そして、タービン５２は、この回転駆動力を、回転駆動軸５７及びコンプレッサ駆動モータ５４を介してコンプレッサ５０に動力を出力する。すなわち、タービン５２からの回収動力でコンプレッサ５０を駆動することができる。また、タービン５２の駆動に使用された後の燃焼後ガスは、タービン排気通路５３を介して排出される。

コンプレッサ５０の動力要求が比較的大きく、タービン５２による回収動力を増加させる必要がある場合などには、タービン５２へ流入する燃焼後ガスの供給流量（以下では、「タービンガス流入流量」とも記載する）、温度（以下では、「タービン入口温度」）、及び圧力を増加させてコンプレッサ５０へ好適に動力を供給することができる。

なお、タービン５２による回収動力を、コンプレッサ５０の回転駆動力だけではなく、燃料電池システム１００内の他の任意の動力要求機構において使用しても良い。

コンプレッサ駆動モータ５４は、回転駆動軸５７の一方側でコンプレッサ５０に接続されるとともに、回転駆動軸５７の他方側でタービン５２に接続される。コンプレッサ駆動モータ５４は、図示しないバッテリ、燃料電池スタック１０、及びタービン５２等から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能（力行モード）、及び外力によって回転駆動されることで発電し、バッテリや燃料電池スタック１０に電力を供給する発電機としての機能（回生モード）を有する。コンプレッサ駆動モータ５４は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、ロータに設けられた回転駆動軸５７と、を備える。

また、コンプレッサ駆動モータ５４には、トルクセンサ５５及び回転速度センサ５６が設けられている。トルクセンサ５５は、コンプレッサ駆動モータ５４のトルクを検出する。そして、トルクセンサ５５で検出されたコンプレッサ駆動モータ５４のトルク検出値は、コントローラ２０に入力される。

さらに、回転速度センサ５６は、コンプレッサ駆動モータ５４の回転速度を検出する。回転速度センサ５６で検出されたコンプレッサ回転速度検出値は、コントローラ２０に入力される。

次に、スタック冷却機構１７について説明する。スタック冷却機構１７は、冷却水循環流路７６と、冷却水循環流路７６を流れる冷却水を外気等と熱交換し、当該冷却水を冷却するラジエータ７７と、を有している。

冷却水循環流路７６は、図示しない燃料電池スタック１０の冷却水通路を含む環状循環路として構成されている。この冷却水循環流路７６には、冷却水循環ポンプ７８が設けられており、これにより冷却水の循環が可能となっている。

そして、冷却水循環流路７６を循環する冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａからスタック内に供給されるとともに、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂから排出される方向に流れる。

さらに、冷却水循環流路７６には、ラジエータ７７よりも上流の位置において、ラジエータバイパス三方弁８０が設けられている。ラジエータバイパス三方弁８０は、ラジエータ７７に供給される冷却水の量を調節する。例えば、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を開放状態として、冷却水をラジエータ７７に循環させる。一方で、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を閉塞状態として、ラジエータ７７をバイパスするように冷却水をバイパス路８０ａに流す。

また、冷却水循環流路７６には、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａの近傍に入口水温センサ８１が設けられ、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂの近傍に出口水温センサ８２が設けられている。

入口水温センサ８１は、燃料電池スタック１０へ流入される冷却水の温度を検出する。出口水温センサ８２は、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を検出する。入口水温センサ８１で検出されたスタック入口水温検出値と出口水温センサ８２で検出されたスタック出口水温検出値は、コントローラ２０に入力される。

さらに、上述のように、冷却水循環流路７６には、アフタークーラ２８が接続されている。これにより、既に述べたように、冷却水循環流路７６内の冷却水とカソードガス供給通路２２内における燃料電池スタック１０へ供給される空気との間で熱交換を行うことが可能である。したがって、例えば、燃料電池スタック１０の暖機時等の熱量が要求される場合において、コンプレッサ５０から吐出された高温の空気の熱により冷却水循環流路７６内の冷却水を加熱することができ、熱量要求を満たすことができる。一方で、アフタークーラ２８は、コンプレッサ５０から吐出された高温の空気を冷却するので、空気が燃料電池スタック１０の作動に好適な温度となって当該燃料電池スタック１０に供給されることとなる。アフタークーラ２８で交換された熱は冷却水を介してラジエータ７７に運ばれ、システム外部に放熱される。

さらに、上述のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムを統括的に制御するコントローラ２０を有している。

コントローラ２０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ２０には、燃料電池システム１００の各種センサからの信号の他、大気の圧力を検出する大気圧センサ１１１などの燃料電池システム１００の作動状態を検出する各種センサからの信号や、燃料電池システム１００の始動停止要求を検出する始動スイッチ１１２からの信号が入力される。

さらに、コントローラ２０には、燃料電池スタック１０に接続された負荷装置１１０による負荷に応じて燃料電池スタック１０に要求される要求電力（以下では、単に「要求発電電力」とも記載する）に関する発電要求信号が入力される。負荷装置１１０は、例えば、車輪駆動用のモータや二次電池などによって構成される。本実施形態では、例えば、図示されていないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの踏込み量を示す検出信号が大きくなるほど、負荷装置１１０の要求電力は大きくなるため、コントローラ２０に入力される発電要求信号の信号レベルは高くなる。

コントローラ２０は、これら入力信号等を用いて、コンプレッサ駆動モータ５４、冷却水循環ポンプ７８、及びバイパス弁３２を含む各種弁３２、６６、６８、８０等の駆動制御を行う。例えば、コントローラ２０は、負荷装置１１０の発電要求信号に基づいて、コンプレッサ流量や空気圧力の目標値や、燃料電池スタック１０への水素供給圧力の目標値を算出し、その算出結果に応じて、コンプレッサ駆動モータ５４のトルク（動力）や、アノードガス供給弁６６の開度を制御する。

また、本実施形態では、コントローラ２０は、上記要求発電電力の一部として、コンプレッサ駆動モータ５４の消費電力に関連する情報も取得する。

次に、本実施形態における燃料電池システム１００の制御について説明する。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１００を停止するための処理の概要を説明するためのタイミングチャートである。

コントローラ２０は、始動スイッチ１１２がオフにされると、すぐにシステム停止せずに、スタック乾燥運転と、燃焼器乾燥運転と、停止ＶＬＣ（Voltage Limit Control）処理を順番に行う。

スタック乾燥運転は、燃料電池スタック１０の含水量を低下させるための運転である。例えば、コントローラ２０は燃料電池スタック１０の目標ＨＦＲ（High frequency Resistance）を通常運転用の設定値よりも高い停止用設定値に切り替え、この停止用設定値に到達するまで燃料電池スタック１０へのカソードガス供給流量を増大させる。ここで、燃料電池スタック１０の乾燥状態を判断するためにＨＦＲを用いるのは、燃料電池スタック１０の電解質膜が乾燥しているほどＨＦＲが大きくなるという相関関係があるからである。

なお、始動スイッチ１１２がオフになったときに燃料電池スタック１０の内部インピーダンスが停止用設定値に達している場合、つまり燃料電池スタック１０が乾燥している場合には、コントローラ２０はスタック乾燥運転を実行しない。

燃焼器乾燥運転は、触媒燃焼器３６の含水量を低下させるための運転であり、コンプレッサ５０を作動させることにより、触媒燃焼器３６内の水分を除去する（以下、「水分除去処理」ともいう）ものである。燃焼器乾燥運転の具体的な制御内容については後述する。

停止ＶＬＣ処理は、カソードガスの供給を停止した後に、アノードガスのみを供給して発電を実施することで、燃料電池スタック１０内のカソードガスを消費し、スタック出力電圧を制限電圧まで低下させる処理である。当該処理により、スタック出力電圧が高い状態のまま燃料電池システム１００が停止されたことによって生じる燃料電池の触媒の劣化を抑制できる。

図２においては、タイミングＴ１において始動スイッチ（図中のＩＧＮ）１１２がオンからオフになり、コントローラ２０はスタック乾燥運転のために電流を低下させ、カソードガス供給流量（図中の「スタック空気流量」）を増大させる。これにより、燃料電池スタック１０のＨＦＲは徐々に増大する。ＨＦＲが増大するということは、燃料電池スタック１０内の含水量が低下することを意味する。

そして、タイミングＴ２においてＨＦＲが目標値に達すると、つまり燃料電池スタック１０が乾燥すると、コントローラ２０はカソードガス供給流量を減少させ、かつ、触媒燃焼器３６へのアノードガス供給量を増大させて、燃焼器乾燥運転を開始する。これにより触媒燃焼器３６において発熱反応が生じるので、触媒燃焼器３６の温度が上昇し、水分が除去される。

タイミングＴ３において触媒燃焼器３６が乾燥したと判断されると、コントローラ２０は燃焼器乾燥運転を終了して、停止ＶＬＣ処理を開始する。そして、停止ＶＬＣ処理が終了するタイミングＴ４において、燃料電池システム１００を停止する。触媒燃焼器３６が乾燥したか否かの判断の詳細については後述する。

上記のように、本実施形態では、システムを停止する際に燃焼器乾燥運転を実行する。これにより、起動時に燃焼器を乾燥させる必要がなくなるので、起動時間を短縮することができる。

また、コントローラ２０は燃料電池スタック１０へのカソードガス供給を停止するための停止ＶＬＣ処理の開始前であって、スタック乾燥運転の終了後に、燃焼器乾燥運転を実行する。

燃焼器乾燥運転を停止ＶＬＣ処理の開始前に実行するということは、燃焼器乾燥運転が終了したら停止ＶＬＣ処理のために燃料電池スタック１０へのカソードガス供給が停止される。このため、燃料電池スタック１０から触媒燃焼器３６へ液水が流入することがなくなり、次回起動時まで触媒燃焼器３６の乾燥状態を維持できる。

また、停止ＶＬＣ処理が完了した後に触媒燃焼運転を実行しないので、停止ＶＬＣ処理終了後における燃料電池スタック１０への酸素流入量を抑制し、アノードへの酸素の流入を防止できる。これにより、触媒燃焼器３６の乾燥状態を維持しつつ停止ＶＬＣ処理の効果を得ることができる。

さらに、燃焼器乾燥運転をスタック乾燥運転が終了した後に実行することにより、燃料電池スタック１０の排液がスタック乾燥運転中に触媒燃焼器３６に流入することを抑制できる。

図３は、上述した始動スイッチオフからシステム停止までの制御ルーチンを示すフローチャートである。当該制御ルーチンはコントローラ２０により実行される。以下、ステップにしたがって説明する。

ステップＳ１００で、コントローラ２０は始動スイッチ１１２がオフか否かを判定する。オンの場合はそのまま本ルーチンを終了し、オフの場合はステップＳ１２０の処理を実行する。

ステップＳ１１０で、コントローラ２０は停止ＶＬＣ処理の開始前か否かを判定し、開始前であればステップＳ１２０の処理を実行し、そうでない場合は本ルーチンを終了する。

ステップＳ１２０で、コントローラ２０は燃料電池スタック１０が過湿潤であるか否かを判定する。燃料電池スタック１０の湿潤度は、上述したようにＨＦＲに基づいて判定する。システム停止時の目標湿潤度及びこれに対応するＨＦＲ（目標停止時ＨＦＲ）を予め設定しておき、ＨＦＲが目標停止時ＨＦＲより大きい場合は燃料電池スタック１０が乾燥していると判断して後述するステップＳ１５０の処理を実行する。ＨＦＲが目標ＨＦＲ以下の場合には、コントローラ２０はそのまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ１３０で、コントローラ２０はスタック乾燥運転を実行する。

ステップＳ１４０で、コントローラ２０は燃料電池スタック１０の過湿潤が解消したか否かをＨＦＲに基づいて判定する。コントローラ２０は過湿潤が解消するまでステップＳ１３０及びステップＳ１４０を繰り返す。

燃料電池スタック１０の過湿潤が解消したら、コントローラ２０はステップＳ１５０で触媒燃焼器３６が乾燥不足か否かを判定する。当該判定は、例えば燃料電池スタック１０のＨＦＲを用いて行う。本実施形態のシステムでは、燃料電池スタック１０からの排液が触媒燃焼器３６に流入するので、燃料電池スタック１０の湿潤度（ＨＦＲ）と触媒燃焼器３６の乾燥状態とに相関がある。そこで、燃料電池スタック１０のＨＦＲと触媒燃焼器３６の乾燥状態との関係に基づいて、触媒燃焼器３６が乾燥不足か否かの判定に用いるＨＦＲの閾値を予め設定しておく。触媒燃焼器３６が乾燥不足か否かの判定に用いるＨＦＲの閾値は、基本的には燃料電池スタック１０が過湿潤か否かの判定に用いるＨＦＲの閾値（目標停止時ＨＦＲ）と異なるものであるが、システムの仕様によっては同じ値になる場合もある。

なお、触媒燃焼器３６が乾燥不足か否かの判定は、次に例示する方法で行ってもよい。

（例１）燃焼器乾燥運転の開始からの経過時間に基づく判定
この場合、燃焼器乾燥運転の開始から、所定時間が経過したら触媒燃焼器３６は乾燥したと判定する。所定時間は、事前に実験等により乾燥度合と乾燥時間との関係を取得し、その関係に基づいて設定する。

（例２）触媒燃焼器３６の出口における湿度（以下、単に「出口湿度」ともいう）または露点に基づく判定
この場合、触媒燃焼器３６の出口湿度または露点が閾値より小さいときに触媒燃焼器３６は乾燥していると判定する。閾値は、事前に実験等により、触媒燃焼器３６が乾燥した状態（燃焼限界状態）における出口湿度または露点を取得し、それを閾値として設定する。

（例３）触媒燃焼器３６の圧力損失に基づく判定
この場合、触媒燃焼器３６の上下流の圧力差から算出した圧力損失が閾値より小さいときに触媒燃焼器３６は乾燥していると判定する。カソードガス流量毎に水含有率を振って、燃焼限界状態における圧力損失を取得し、これを閾値として設定する。

（例４）触媒燃焼器３６の温度に基づく判定
この場合、触媒燃焼器３６の温度（触媒燃焼器温度）が閾値より低いときに触媒燃焼器３６は乾燥していると判定する。すなわち、触媒燃焼器３６内の水分が気化するときの気化潜熱による冷却度合に基づいて、触媒燃焼器３６が乾燥しているか否かを判定する。

触媒燃焼器温度は、触媒燃焼器３６の内部の温度を検出してもよいし、触媒燃焼器３６の出口における流路内のガス温度を検出し、これに基づいて推定してもよい。触媒燃焼器３６に流入する水素量または水素濃度に基づいて、全ての水素が反応したときの温度を予測し、その温度を閾値として設定する。なお、上記温度を実験的に求めてもよい。

フローチャートの説明に戻る。

コントローラ２０は、触媒燃焼器３６が乾燥不足であると判定したらステップＳ１６０で燃焼器乾燥運転を実行し、乾燥不足ではないと判定したら本ルーチンを終了する。

ステップＳ１７０で、コントローラ２０は燃料電池スタック１０からの液水排出の有無を判定する。液水の排出が有ると判定した場合はステップＳ１３０に戻ってスタック乾燥運転を実行し、液水の排出が無いと判定した場合はステップＳ１８０の処理を実行する。

燃料電池スタック１０からの液水排出の有無は、例えば、カソード排ガス通路２４に気液分離タンクを設置し、気液分離タンク内の液水の量をレベルセンサによりモニタし、レベルの上昇速度がほぼゼロになったら液水の排出が無いと判定する。レベルセンサに代えてレベルスイッチを用いることもできる。この場合、レベルスイッチのカウント回数がほぼゼロに近づいたら液水の排出が無いと判定する。

なお、液水の排出が有るか否かの判定は、レベルセンサまたはレベルスイッチを用いる他に、次に例示する方法で行ってもよい。

（例１）スタック乾燥運転時間に基づく判定
この場合、スタック乾燥運転時間の開始から所定時間が経過したら液水の排出はないと判定する。スタック乾燥運転を実行する際の運転条件における燃料電池スタック１０の乾燥に要する時間（乾燥時間）と、液水の排出量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいて所定時間を設定する。

（例２）燃料電池スタックの水収支に基づく判定
水収支とは、燃料電池スタック１０に投入した水分量と生成水量との和から、燃料電池スタック１０から排出される水分量を減じた量である。水収支は実測してもよいし、演算により推定してもよい。

この場合、水収支が閾値より小さいときに液水の排出はないと判定する。水収支と液水の排出量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいて閾値を設定する。

（例３）燃料電池スタック１０の湿潤度に基づく判定
この場合、湿潤度と相関のあるＨＦＲを用い、ＨＦＲが閾値より大きいときに液水の排出はないと判定する。ＨＦＲと液水の排出量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいて閾値を設定する。

（例４）湿度センサまたは露点センサの検出値に基づく判定
この場合、アノードまたはカソードの出口に湿度センサまたは露点センサを設け、湿度が閾値より低いとき、または露点が閾値より低いときに液水の排出が無いと判定する。湿度または露点と液水の排出量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいてそれぞれの閾値を設定する。

（例５）カソード出口温度または冷却水温度に基づく判定
この場合、カソード出口のガス温度を検出する温度センサ、または燃料電池スタック１０の冷却に用いる冷却水の温度を検出する冷却水温度センサを設けて、カソード出口のガス温度が閾値より高いとき、または冷却水温度が閾値より高いときに、液水の排出が無いと判定する。カソード出口のガス温度または冷却水温度と液水の排出量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいてそれぞれの閾値を設定する。

（例６）光学センサを用いた判定
カソード出口に光の透過率を測定するセンサを設け、光の透過率が閾値より大きいときに液水の排出が無いと判定する。これは、液水が通過すると光の透過率が低下するという特性を利用した判定である。液水の排出量と光の透過率の変化との関係を実験等により取得し、その関係に基づいて閾値を設定する。

（例７）カソードの圧力損失に基づく判定
カソードの上下流の圧力差から圧力損失を算出し、圧力損失が閾値より小さいときに液水の排出が無いと判定する。これは、液水が排出されている場合には流路が液水で占められる分、液水が無い場合に比べて通気抵抗が大きくなるという特性を利用した判定である。この場合、液水の有無による通気抵抗の差を閾値として設定する。

（例８）スタック電流に基づく判定
スタック電流を検出し、スタック電流が閾値より小さいときに液水の排出が無いと判定する。これは、電流が小さいほど生成水が少なくなるので、必然的に液水の排出量も少なくなるという特定を利用した判定である。スタック電流と生成水量との関係を実験等により取得し、その関係に基づいて閾値を設定する。

（例９）スタック電圧に基づく判定
スタック電圧を検出し、スタック電圧が閾値より大きいときに液水の排出が無いと判定する。これはスタック電圧が高いほどスタック電流は小さくなるという特性を利用した判定であり、例８と同様の原理に基づくものである。

フローチャートの説明に戻る。

ステップＳ１８０で、コントローラ２０は触媒燃焼器３６が乾燥状態になった否かを判定する。当該判定はステップＳ１５０と同様に燃料電池スタック１０のＨＦＲに基づいて行う。コントローラ２０は、触媒燃焼器３６が乾燥状態の場合にはステップＳ１９０で燃焼器乾燥運転を終了し、乾燥状態出ない場合にはステップＳ１７０の処理に戻る。

コントローラ２０は、ステップＳ２００でカソードへの空気供給を停止し、ステップＳ２１０で停止ＶＬＣ処理を実行する。

次に、上述した制御ルーチンを実行することによる効果について説明する。

図４は、燃焼器乾燥運転をシステムの再起動時ではなくシステム停止用の処理中であって、スタック乾燥運転の終了後に実行することによる効果を説明するためのタイミングチャートである。

タイミングＴ１で始動スイッチがオフになり、スタック乾燥運転を開始すると、燃料電池スタック１０からの液水の排出量（以下、「スタック排液水量」ともいう）は、カソードガス供給量が増大した直後に増大した後、減少に転じる。燃料電池スタック１０から排出された液水は触媒燃焼器３６に流入するので、触媒燃焼器３６の液水含有量（図中の「燃焼器液水含有量」）はスタック排液水量と同様の挙動を示す。

タイミングＴ２において、スタック排液水量がなくなると、つまり燃料電池スタック１０が乾燥すると、燃焼器乾燥運転が開始される。これにより、燃焼器乾燥運転開始時に触媒燃焼器３６に残っていた液水が除去されるので、燃焼器液水含有量が減少する。

そして、触媒燃焼器３６内の水分が除去されたタイミングＴ３において、停止ＶＬＣ処理が開始される。

このように、燃料電池スタック１０を乾燥させてから触媒燃焼器３６を乾燥させることにより、触媒燃焼器３６が乾燥した後に燃料電池スタック１０の液水が触媒燃焼器３６に流入することがなくなる。すなわち、触媒燃焼器３６の触媒への、液水の再付着を抑制できる。その結果、起動時まで触媒を乾燥状態に維持することができるので、起動性が向上する。この効果は、特に零度以下での起動時に顕著である。

図５は、燃焼器乾燥運転を停止ＶＬＣ処理の開始前に実行する効果について説明するためのタイミングチャートである。図５は図４のタイミングチャートに、カソード平均酸素濃度のチャートを追加したものである。

燃焼器乾燥運転中は上述した通りカソードガス供給量が増加するので、カソード平均酸素濃度が高くなる。しかし、本実施形態では、燃焼器乾燥運転の終了後に停止ＶＬＣ処理を実行することにより、カソード内の酸素が消費される。すなわち、燃料電池スタック１０内の酸素濃度を下げた状態でシステムを停止することとなる。その結果、いわゆる水素ＯＮ域が狭まることによる燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。

ここで、水素ＯＮ域が狭まることによる燃料電池スタック１０の劣化についてより詳細に説明する。図６は水素ＯＮ域について説明するためのタイミングチャートである。タイミングＴ１までが燃料電池システム１００を運転している領域（システム運転域）、それ以降が、燃料電池システム１００が停止して何ら制御されていない領域（放置域）である。

タイミングＴ１で燃料電池システム１００が停止されてシステム運転域から放置域に切り替わると、アノードの水素濃度が急激に低下し、カソードの水素濃度が急激に増大する。これは、システム停止直後はアノードとカソードとの水素濃度の差が大きく、アノードからカソードへの水素の透過が促進されるためである。

この水素濃度差による透過が収まった後（タイミングＴ２以降）、カソードの水素濃度は低下に転じる。これは、カソードに流入した水素がカソード内の酸素と触媒上で反応することによって消費されるためである。カソード内には入口配管及び出口配管から拡散によって空気（酸素）が流入するが、上述した触媒上での反応によって酸素が消費されるため、酸素濃度はほぼ０％に維持される。

一方、タイミングＴ２以降もアノードの水素濃度は低下し続ける。これは、カソードで上述した通り水素が消費されることで、アノードとカソードとで水素濃度差が生じ、アノードからカソードへ水素が透過するためである。

タイミングＴ３以降は、アノード及びカソードで酸素濃度が増大する。カソードの酸素濃度が増大するのは、空気の流入速度がアノードからの水素の透過速度より大きくなることによって酸素が触媒上で消費しきれなくなるためである。アノードの酸素濃度が増大するのは、カソードでの酸素濃度の増大によってアノードとカソードとで酸素濃度の差が生じ、カソードから酸素が透過するためである。

上記のタイミングＴ２からタイミングＴ３までが水素ＯＮ域である。

水素ＯＮ域から外れた領域、つまりタイミングＴ３以降に燃料電池システム１００を起動すると、起動時のアノードへの水素充填時に水素と酸素との界面が形成されることによって局部電池が形成され、燃料電池スタック１０の劣化を招来する。換言すると、水素ＯＮ域が長くなれば、水素ＯＮ域での起動する頻度が増えるので、局部電池が形成される頻度が低下し、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。

燃焼器乾燥運転を実行すると燃料電池スタック１０に空気を供給することになるので、仮に、燃料電池スタック１０への空気供給を停止した後に燃焼器乾燥運転を実行すると、水素ＯＮ域での水素濃度の低下速度を高めることになり、燃料電池スタック１０の劣化を促進することになる。

その点、本実施形態では、上述した通りカソードの酸素濃度が低下した状態でシステムを停止するので、水素ＯＮ域が狭まることを回避可能であり、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。

図７は、触媒燃焼器３６が乾燥したか否かを判定する手段（図３のステップＳ１５０）を有することによる効果を説明するためのタイミングチャートである。図７は図２のタイミングチャートに触媒燃焼器３６の出口湿度のチャートを追加したものである。ここでは、タイミングＴ３において出口湿度が閾値より低くなっている。つまり、タイミングＴ３で触媒燃焼器３６は乾燥している。

タイミングＴ２でスタック乾燥運転を終了するまでは、図２等のチャートと同様なので説明を省略する。

タイミングＴ２でスタック乾燥運転を終了して燃焼器乾燥運転を開始する。

仮に、触媒燃焼器３６が乾燥したか否かを判定する手段（図３のステップＳ１５０）を備えない場合には、燃焼器乾燥運転の実行時間を一律に設定することになる。この場合、触媒燃焼器３６内の水分量によっては実行時間が足りずに触媒燃焼器３６が乾燥不足になるおそれがある。このような乾燥不足を回避するために、実行時間は想定し得る範囲内で最大の水分量の場合でも乾燥させ得る時間に設定される。ここでは、設定された実行時間はタイミングＴ２からタイミングＴ４までとする。

燃焼器乾燥運転の実行時間を上記のように設定すると、タイミングＴ３で触媒燃焼器３６が乾燥しているにもかかわらず、タイミングＴ４まで燃焼器乾燥運転を継続することとなる。つまり、タイミングＴ３からタイミングＴ４までは無駄時間となる。

これに対し、触媒燃焼器３６が乾燥したか否かを判定する手段を備え、乾燥していると判定したら直ちに燃焼器乾燥運転を終了して停止ＶＬＣ処理を開始するように構成すれば、無駄時間（図７のタイミングＴ３〜Ｔ４）をなくすことができる。また、無駄時間をなくすことで、燃料電池スタック１０の過乾燥を抑制することもできる。

次に、触媒燃焼器３６からの液水排出の有無を判定する手段（図３のステップＳ１７０）を備えることの効果について、図８のタイミングチャートを参照して説明する。

図８は、燃料電池スタック１０からの液水の排出の有無を判定する手段（図３のステップＳ１７０）を有することによる効果を説明するためのタイミングチャートである。なお、図８はレベルセンサを用いて液水の排出の有無を判定する場合を示している。

タイミングＴ２でスタック乾燥運転を終了して燃焼器乾燥運転を開始し、タイミングＴ３で停止ＶＬＣ処理を開始する点では図２や図４と同様である。

燃料電池スタック１０からの液水の排出の有無を判定する手段を備える場合には、タイミングＴ２の時点でレベル上昇速度がほぼゼロになっていることから液水の排出が無いと判定することができる。仮に、レベル上昇速度がタイミングＴ２においてほぼゼロになっていなければ、スタック乾燥運転を再開することとなる（図３のステップＳ１７０→Ｓ１３０）。したがって、燃料電池スタック１０からの液水の排出が無くなってから燃焼器乾燥運転を終了させることができる（図３のステップＳ１７０→Ｓ１８０）。これにより、乾燥させた触媒燃焼器３６に燃料電池スタック１０から排出された液水が再付着することを防止できる。

また、燃料電池スタック１０からの液水の排出の有無を判定する手段を備えない場合には、上述した触媒燃焼器３６への液水の再付着を防止する為には、燃料電池スタック１０からの液水の排出が無くなるまでの時間を予め設定する必要がある。これにより、無駄時間が生じて、システム停止までに要する時間が延びるおそれがある。これに対し本実施形態では燃料電池スタック１０からの液水の排出の有無を判定するので、無駄時間が生じることがない。

以上述べたように、本実施形態では、車両停止時に前記燃焼器の水分を除去するコンプレッサ５０と、コンプレッサ５０の動作タイミングを調整するコントローラ２０とを備える。そして、コントローラ２０は、停車状態か否かを判断する停車判断部（Ｓ１００）と、停車に伴う触媒燃焼器３６への空気供給停止が実行される前の時期、つまり停止ＶＬＣ処理の開始前であるか否かを判断する空気供給停止判断部（Ｓ１１０）と、を備える。空気供給停止判断部を備えることにより、燃焼器乾燥運転をシステム停止のためにコンプレッサ５０を停止して行う停止ＶＬＣ処理の開始前に実行することが可能となる。停止ＶＬＣ処理の前に燃焼器乾燥運転を実行すれば、次回のシステム起動時まで触媒燃焼器３６の乾燥状態を維持できるので、スタックの劣化を防止し、かつ次回のシステム起動を速やかに行うことができる。

本実施形態では、車両停止時に燃料電池スタック１０の水分を除去する燃料電池乾燥装置としてのコンプレッサ５０を備え、コントローラ２０は燃料電池スタック１０の水分除去処理が終了したか否かをさらに判断する。具体的には、コントローラ２０は燃料電池スタック１０からの液水の排出の有無を判断する（Ｓ１７０）。これにより、乾燥した触媒燃焼器３６に燃料電池スタック１０から排出された液水が再付着することを抑制できるので、次回のシステム起動時まで触媒燃焼器３６の乾燥状態を維持できる。

本実施形態では、コントローラ２０は触媒燃焼器３６の水分除去処理が終了したと判定したら燃焼器乾燥運転を終了する。これにより、燃焼器乾燥運転を適切な時間だけ実行することが可能となるので、触媒燃焼器３６の乾燥不足や過乾燥を抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、燃料電池システム１００の構成及び基本的な制御ルーチンは第１実施形態と同様であり、燃焼器乾燥運転の内容が第１実施形態との相違点である。以下、相違点である燃焼器乾燥運転を中心に説明する。

本実施形態の燃焼器乾燥運転では、運転中に触媒燃焼器３６を燃焼乾燥させる。つまり、触媒燃焼器３６に空気だけでなく水素も供給して、触媒燃焼させる。これにより、触媒燃焼器３６の触媒温度が高まるので、触媒全体の乾燥を促進できる。

図９は、本実施形態の燃焼器乾燥運転について説明するためのタイミングチャートである。タイミングＴ２〜タイミングＴ４が燃焼器乾燥運転期間である。

燃料電池スタック１０からの液水の排出量がゼロになったタイミングＴ２から、触媒燃焼器３６への水素供給を開始する。これにより空気と水素との混合ガスが触媒燃焼器３６に流入し、触媒燃焼が開始される。なお、図９では液水の排出量がゼロになってから触媒燃焼を開始しているが、触媒が燃焼可能な程度に乾燥していれば、後述する図１１に示すように、これより前に開始してもよい。ただし、着火性の観点からは、液水の排出量がゼロになってからの方が望ましい。

燃焼器乾燥運転中も燃料電池スタック１０を空気が通過するので、燃料電池スタック１０のＨＦＲは上昇し続ける。つまり燃料電池スタック１０の湿潤度は低下し続ける。そこで、燃料電池スタック１０の湿潤度が停止時目標スタック湿潤度に達したタイミングＴ３において、燃料電池スタック１０の過乾燥を抑制するために、空気流量を低下させ、これに伴い供給水素量も低下させる。

そして、タイミングＴ４で触媒燃焼器３６が乾燥したと判定されたら、燃焼器乾燥運転を終了し、停止ＶＬＣ処理を開始する。

触媒燃焼器３６が乾燥したか否かの判定は、第１実施形態において説明した方法の他に、下記の方法で行うことができる。

（例１）触媒燃焼器３６の温度上昇速度に基づく判定
触媒燃焼器３６に供給する混合ガスの濃度及び供給量が一定でも、触媒燃焼器３６内の水分量が少なくなるほど温度上昇速度は速くなる。そこで、触媒燃焼器３６の温度上昇速度が閾値より大きくなったら触媒燃焼器３６は乾燥したと判定する。触媒燃焼器３６に供給する混合ガスの水素濃度及び供給量と、触媒燃焼により発生する熱量との関係（熱量収支）に基づいて、触媒燃焼器３６が乾燥した状態における温度上昇速度を予測し、これを閾値として設定する。なお、閾値を実験等により求めてもよい。

（例２）コンプレッサ駆動電力に基づく判定
触媒燃焼器３６への混合カスの供給によって触媒が乾燥して燃焼部位が広がると、タービン５２の回収動力が増大する。つまり、触媒が乾燥するほどコンプレッサ５０の駆動をアシストする動力（アシスト量）が増大する。このため、コンプレッサ５０の回転速度を一定に制御する場合には、コンプレッサ５０の駆動に必要な電力は減少する。そこで、コンプレッサ５０の駆動電力が閾値より小さくなったら触媒燃焼器３６は乾燥したと判定する。回収効率が既知の場合には、供給した水素が全て燃焼したときの回収動力を推定し、これに基づいてアシスト量を算出して閾値を設定する。なお、閾値を実験等により求めてもよい。また、電力はトルクと回転速度との関数で表すことができるので、コンプレッサ５０のトルク及び回転速度を検出し、これらに基づいてコンプレッサ駆動電力を算出してもよい。

（例３）コンプレッサ流量またはコンプレッサ吐出圧力に基づく判定
例２で説明した通り、触媒燃焼器３６が乾燥するほどコンプレッサ５０のアシスト量が増大する。このため、コンプレッサ５０を一定電力で駆動する場合には、コンプレッサ５０の回転速度が高まり、コンプレッサ５０の流量及び吐出圧力が増大する。そこで、流量または吐出圧力が閾値より大きくなったら触媒燃焼器３６は乾燥したと判定する。

例２と同様に供給した水素が全て燃焼した場合の回収動力を推定し、回収動力による流量または吐出圧力の増加分を算出して閾値を設定する。なお、閾値を実験等により求めてもよい。

（例４）触媒燃焼器３６の下流側の水素濃度に基づく判定
触媒燃焼器３６の触媒の乾燥が進むほど、燃焼部位が広くなるので、燃焼せずに触媒燃焼器３６を通過する水素の量が少なくなる。

そこで、触媒燃焼器３６の下流側の水素濃度（「下流側水素濃度」ともいう）を取得し、これが閾値より小さくなったら触媒燃焼器３６は乾燥したと判定する。触媒の水含有率毎に、供給する水素の濃度及び流量と下流側水素濃度との関係を取得し、それに基づいて閾値を設定する。なお、供給した水素が全て燃焼した場合の下流側水素濃度（ゼロ％）を閾値としてもよい。

ここで、触媒燃焼器３６への水素供給制御について説明する。

図９ではタイミングＴ２で水素供給を開始した後、タイミングＴ３まで供給量は一定であるが、これに限られるわけではない。

例えば図１０に示すように、燃焼器乾燥運転の開始に伴い水素供給を開始し、その後、触媒燃焼器３６の温度上昇に応じて水素及び空気の供給量を減少させてもよい。なお、図１０では、燃料電池スタック１０の過乾燥抑制のための制御を省略している。

このように燃焼器乾燥運転の開始当初は水素濃度が高い混合ガスを多く供給することで、触媒燃焼器３６の温度を速やかに上昇させることができる。また、触媒燃焼器３６の温度が高くなるにつれて、つまり触媒燃焼器３６が乾燥状態に近づくにつれて、水素及び空気の供給量を減少させることにより、水素の消費を抑制できる。

なお、図１０では水素供給量を一定の傾きで連続的に減少させているが、ステップ的に減少させてもよいし、傾きを変化させながら減少させてもよい。

また、図９では燃料電池スタック１０の過乾燥を防止するために、タイミングＴ３で燃料電池スタック１０の空気流量及び触媒燃焼器３６への水素供給量を減少させて、触媒燃焼器３６内の水素濃度を一定に維持しているが、これに限られるわけではない。

例えば、空気流量だけを減少させてもよいし、図１１に示すように、空気流量を減少させた後も水素供給量を一定に維持して触媒燃焼器３６内の水素濃度を上昇させてもよい。

いずれの場合も、燃料電池スタック１０の空気流量が減少するので、燃料電池スタック１０の過乾燥を抑制できる。

ところで、図９では、タイミングＴ４で触媒燃焼器３６が乾燥したと判定されたら、燃料電池スタック１０への空気供給を停止して停止ＶＬＣ処理を開始しているが、図１２に示すように、触媒燃焼器３６が乾燥したと判定した後も、所定時間、燃料電池スタック１０への空気供給を継続するようにしてもよい。

本実施形態のように触媒燃焼によって触媒燃焼器３６を乾燥させると、燃焼中に水蒸気が発生する。触媒燃焼器３６が乾燥したと判定した後も空気供給を継続することで、露点温度の低い空気によって触媒燃焼器３６が掃気されるので、水蒸気の凝縮により生成された液水が触媒に付着することを抑制できる。

以上のように本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに、次の効果が得られる。

本実施形態では、触媒燃焼器３６で燃焼を起こすことにより水分を除去するので、触媒燃焼器３６の乾燥をより促進することができる。

また、本実施形態では、燃焼により水分が除去された触媒燃焼器３６に空気を所定時間供給するので、燃焼中に発生した水蒸気を掃気することができる。その結果、水蒸気が凝縮することで生成された水分が触媒に付着することを抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、燃料電池システム１００の構成及び基本的な制御ルーチンは第１実施形態と同様であり、燃焼器乾燥運転の内容が第１実施形態との相違点である。以下、相違点である燃焼器乾燥運転を中心に説明する。

図１３は、本実施形態の制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。

本実施形態では、燃焼器乾燥運転中はバイパス弁３２を開弁し、コンプレッサ５０から供給される空気の一部または全量を、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６に供給する。すなわち、図１３において、タイミングＴ２でスタック乾燥運転を終了したら、バイパス弁３２を開弁する。

これにより、コンプレッサ５０からの空気流量は一定のままでも、バイパス通路３３の空気流量は増加する。コンプレッサ５０から吐出された空気は燃料電池スタック１０を通過した空気よりも露点温度が低い、つまり乾燥しているので、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６に空気を供給することで、触媒燃焼器３６の入口における空気の湿度を、バイパス通路３３を利用しない場合に比べて低下させることができる。その結果、触媒燃焼器３６の乾燥に要する時間を第１実施形態の場合に比べて短縮できる。

また、バイパス通路３３を利用することで、燃焼器乾燥運転中に燃料電池スタック１０を通過する空気量が減少する。これにより、燃焼器乾燥運転中における燃料電池スタック１０の過乾燥を抑制できる。

さらに、第２実施形態のように燃焼器乾燥運転中に触媒燃焼器３６で触媒燃焼させる場合には、バイパス通路３３の空気流量をより多くすると、着火性が向上する。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１６ コンプレッサ動力供給機構（燃焼器乾燥装置）
２０ コントローラ
２２ カソードガス供給通路
２６ エアフローセンサ
２７ コンプレッサ吐出温度センサ
２８ アフタークーラ
２９ スタック供給空気温度センサ
３０ 空気圧力センサ
３２ バイパス弁
３３ バイパス通路
３６ 触媒燃焼器（燃焼器）
３８ タービン入口温度センサ
５０ コンプレッサ
５２ タービン
５４ コンプレッサ駆動モータ
１００ 燃料電池システム

Claims (10)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて前記コンプレッサの補助駆動力を生成するタービンと、
   前記燃料電池と前記タービンとの間に設置され前記カソード排ガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   車両停止時に前記燃焼器の水分を除去する燃焼器乾燥装置と、
   前記燃焼器乾燥装置の動作タイミングを調整するコントローラと、
   を有し、
   前記コントローラは、停車状態か否かを判断する停車判断部と、前記燃料電池への空気供給を停止した状態で前記燃料電池から電力を取り出すことにより前記燃料電池の電圧を低下させるシステム停止処理の開始前であるときに、停車に伴う前記燃焼器への空気供給停止が実行される前の時期であると判断する空気供給停止判断部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   車両停止時に前記燃料電池の水分を除去する燃料電池乾燥装置をさらに備え、
   前記空気供給停止判断部は前記燃料電池の水分除去処理が終了したか否かをさらに判断する燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記コントローラは、停車状態であり、かつ前記燃焼器への空気供給を停止する処理の開始前の時期に、前記燃焼器乾燥装置を稼働させる燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記コントローラは、前記燃料電池への空気供給を停止した状態で前記燃料電池から電力を取り出すことにより前記燃料電池の電圧を低下させるシステム停止処理の開始前に、前記燃焼器乾燥装置を停止させる燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記空気供給停止判断部は、前記燃焼器の水分除去処理が終了したか否かをさらに判定し、
   前記コントローラは、前記空気供給停止判断部により前記燃焼器の水分除去処理が終了したと判定されたら前記燃焼器乾燥装置を停止させる燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記空気供給停止判断部は、前記燃料電池からの液水排出の有無をさらに判定し、
   前記コントローラは、前記空気供給停止判断部により前記燃料電池からの液水の排出がなくなったと判断されたら前記燃焼器乾燥装置を停止させる燃料電池システム。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼器乾燥装置は、前記燃焼器で燃焼を起こすことにより水分を除去する燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼器乾燥装置は、燃焼により水分が除去された前記燃焼器に空気を所定時間供給する燃料電池システム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される空気の一部または全量を、前記燃料電池を迂回して前記燃焼器に供給する連通路をさらに備える燃料電池システム。
10. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    前記燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて前記コンプレッサの補助駆動力を生成するタービンと、
    前記燃料電池と前記タービンとの間に設置され前記カソード排ガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、
    車両停止時に前記燃焼器の水分を除去する燃焼器乾燥装置と、
    前記燃焼器乾燥装置の動作タイミングを調整するコントローラと、
    を備える燃料電池システムの制御方法において、
    前記コントローラは、
    停車状態か否かを判断し、
    前記燃料電池への空気供給を停止した状態で前記燃料電池から電力を取り出すことにより前記燃料電池の電圧を低下させるシステム停止処理の開始前であるときに、停車に伴う前記燃焼器への供給停止が実行される前の時期で有ると判断し、
    車両停止状態であり、かつ前記燃焼器への空気供給を停止する処理の開始前の時期である場合に、前記燃焼器の水分を除去する燃焼器乾燥処理を実行する燃料電池システムの制御方法。

Images