(57)【要約】【課題】燃料電池および加湿器に掃気ガスを供給して掃気を行うシステムにおいて、掃気時のエネルギ消費を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０から排出されるカソードオフガスと燃料電池１０に供給されるカソードガスとの間で水分交換させる加湿器２２、この加湿器２２をバイパスして掃気ガスを流通させる加湿器バイパス配管４２ａを有している。加湿器２２を掃気する際の掃気ガス流量は、燃料電池１０の運転時の積算発電電流量に基づいて推定された水分量によって決定される。カソードガス流路を掃気するカソード掃気中は、加湿器バイパス弁４２ｂを開弁して掃気ガスを加湿器バイパス配管４２ａに流通させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス流路にアノードガス、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記カソードガス流路に設けられて前記燃料電池に供給されるカソードガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池の内部および前記加湿器に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記加湿器の内部の水分量を取得する加湿器内部水分量取得手段と、
前記加湿器内部水分量取得手段により得られた水分量に基づいて、前記加湿器に供給する前記掃気ガスの流量を決定する掃気ガス流量決定手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿器内部水分量取得手段は、前記燃料電池の運転時の積算発電量に基づいて前記掃気ガスの流量を推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。
【請求項３】
前記加湿器は、前記燃料電池から排出される排出ガスと前記燃料電池に供給される供給ガスとの間で水分交換させるものであって、
前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを流通させる加湿器バイパス流路を有し、
前記カソードガス流路を掃気するカソード掃気中は、前記掃気ガスを前記加湿器バイパス流路に流通させ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。
【請求項４】
前記加湿器は、前記燃料電池から排出される排出ガスと前記燃料電池に供給される供給ガスとの間で水分交換させるものであって、
前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを流通させる第１加湿器バイパス流路と、前記加湿器をバイパスして前記掃気オフガスを流通させる第２加湿器バイパス流路とを有し、
前記加湿器の前記供給ガス側の流路を掃気する際には、前記掃気ガスを前記第２加湿器バイパス流路に流通させ、前記加湿器の前記排出ガス側の流路を掃気する際には、前記掃気ガスを前記第１加湿器バイパス流路に流通させ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。
【請求項５】
前記加湿器の掃気は、前記カソード掃気を行う前に実行されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス流路を有し、
前記加湿器を掃気する際には、前記掃気ガスを前記燃料電池バイパス流路に流通させ、前記燃料電池を掃気する際には、前記掃気ガスを前記加湿器をバイパスして流通させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システム停止時に掃気を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、低温環境下での使用において、システム内に残留する水分が凍結するのを防止するために、システム停止時に残留水分を除去する掃気手法が種々提案されている。例えば、特許文献１では、燃料電池内部の掃気に加え、加湿器等のデバイスの掃気も行い、水分凍結による氷点下起動性の低下を防止する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９５号公報（段落００３５，００３９、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、掃気中は燃料電池の発電が停止しているため、掃気時に使用されるエネルギはバッテリ等に蓄積された電力を用いることになる。しかし、バッテリ等では電力に限りがあるため、特許文献１に記載のようにデバイスの凍結を防止しつつ掃気を行うとエネルギ消費が大きくなる問題がある。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池および加湿器に掃気ガスを供給して掃気を行うシステムにおいて、掃気時のエネルギ消費を抑制す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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、アノードガス流路にアノードガス、カソードガス流路にカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、前記カソードガス流路に設けられて前記燃料電池に供給されるカソードガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池の内部および前記加湿器に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、を有する燃料電池システムにおいて、前記加湿器の内部の水分量を取得する加湿器内部水分量取得手段と、前記加湿器内部水分量取得手段により得られた水分量に基づいて、前記加湿器に供給する前記掃気ガスの流量を決定する掃気ガス流量決定手段と、を有することを特徴とする。
【０００６】
これによれば、加湿器内部の水分量に基づいて掃気ガスの流量を決定するため、無駄に掃気ガスを供給するのを防止でき、エネルギ消費を抑えることが可能になる。また、加湿器を過度に乾燥させることがなくなるため、燃料電池の次回起動時においても加湿器内部に所定水分量を保持しておくことが可能となり、次回起動時の加湿性能を保持することも可能となる。また、乾燥不足による加湿器内部での水分の凍結を防止することも可能になる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記加湿器内部水分量取得手段は、前記燃料電池の運転時の積算発電量に基づいて前記掃気ガスの流量を推定することを特徴とする。
【０００８】
これによれば、燃料電池の積算発電量と発生する生成水量とは相関関係にある、つまり燃料電池から排出される生成水を用いてカソードガスを加湿する加湿器において、生成水量は、積算発電量から導き出すことができるため、掃気ガスの流量を適切に設定することが可能となる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記加湿器は、前記燃料電池から排出される排出ガスと前記燃料電池に供給される供給ガスとの間で水分交換させるものであって、前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを流通させる加湿器バイパス流路を有し、前記カソードガス流路を掃気するカソード掃気中は、前記掃気ガスを前記加湿器バイパス流路に流通させることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、カソード掃気中には加湿器をバイパスさせるため、燃料電池から排出された掃気オフガスに含まれる水分が加湿器に導入されたとしても、掃気ガスと掃気オフガスとの間で水分交換を行うことがない。よって、燃料電池内部に供給される掃気ガスの湿度を上昇させずに済むため、掃気時間の削減が可能となる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記加湿器は、前記燃料電池から排出される排出ガスと前記燃料電池に供給される供給ガスとの間で水分交換させるものであって、前記加湿器をバイパスして前記掃気ガスを流通させる第１加湿器バイパス流路と、前記加湿器をバイパスして前記掃気オフガスを流通させる第２加湿器バイパス流路とを有し、前記加湿器の前記供給ガス側の流路を掃気する際には、前記掃気ガスを前記第２加湿器バイパス流路に流通させ、前記加湿器の前記排出ガス側の流路を掃気する際には、前記掃気ガスを前記第１加湿器バイパス流路に流通させることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、加湿器の供給ガス側の流路を掃気する際には第２加湿器バイパス流路に掃気オフガスを流通させるため、供給ガス側の流路を掃気した掃気ガスに含まれる水分が、排出ガス側の流路から供給ガス側の流路に水分交換されることによって再び供給ガス側の流路が湿潤状態になることを防止できる。また、加湿器の排出ガス側の流路を掃気する際には第１加湿器バイパス流路に掃気ガスを流通させるため、排出ガス側の流路を掃気した掃気オフガスに含まれる水分が、供給ガス側の流路と排出ガス側の流路との間で水分交換するのを防止できる。よって、加湿器を効率よく掃気することが可能になる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記加湿器の掃気は、前記カソード掃気を行う前に実行されることを特徴とする。
【００１４】
カソード掃気後に加湿器の掃気を行うと、カソード掃気よって燃料電池内部が乾燥したにもかかわらず加湿器の掃気を行った掃気ガスが再度燃料電池内部に流入するため、燃料電池内部が再び湿潤状態となってしまう。請求項４に係る発明によれば、加湿器の掃気後にカソード掃気を行うため、燃料電池内部が加湿器の水分で再度湿潤状態になるのを防止できる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス流路を有し、前記加湿器を掃気する際には、前記掃気ガスを前記燃料電池バイパス流路に流通させ、前記燃料電池を掃気する際には、前記掃気ガスを前記加湿器をバイパスして流通させることを特徴とする。
【００１６】
これによれば、加湿器を掃気する際には燃料電池をバイパスさせるため、湿潤な掃気ガスが燃料電池に導入されるのを抑制でき、燃料電池の掃気に使用される消費エネルギを削減できる。また、加湿器の掃気の際に燃料電池の圧力損失を受けないため、加湿器を掃気する際の消費エネルギを削減できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池および加湿器に掃気ガスを供給して掃気を行うシステムにおいて、掃気時のエネルギ消費を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は加湿器の水分量を求めるフローチャート、図３は積算発電電流量と加湿器内部水分量との関係を示すマップ、図４は掃気制御を示すフローチャート、図５は図４の掃気実施判断部を示すサブフローチャート、図６は加湿器内部水分量と加湿器掃気時流量との関係を示すマップ、図７は掃気時における各種デバイスの開閉動作を示すタイムチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池自動車に搭載した場合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二輪車など他の車両、船舶や航空機、あるいは家庭用や業務用などの定置式のものなどあらゆるものに適用できる。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、カソード系２０、アノード系３０、掃気系４０、制御系５０などで構成されている。
【００２０】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質膜を、触媒を含むカソードとアノードとで挟み、さらに一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。また、アノードに対向するセパレータには、水素（アノードガス）が流通するアノード流路１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータには、空気（カソードガス）が流通するカソード流路１０ｃが形成されている。アノードでは、水素が供給されることにより、触媒の作用で水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソードに移動し、電子が外部負荷６０（走行モータ（図示せず）、エアポンプ２１など）を通ってカソードに移動する。カソードでは、触媒の作用によって水素イオンおよび電子と、供給された空気に含まれる酸素とが反応して水が生成される。
【００２１】
カソード系２０は、エアポンプ２１、加湿器２２、背圧弁２３、配管２４ａ〜２４ｄなどで構成されている。
【００２２】
エアポンプ２１は、モータで駆動される機械式の過給器などで構成され、外気（空気）を取り込んで加圧する機能を有する。
【００２３】
加湿器２２は、供給ガス（カソードガス、乾燥した空気）が流通する流路２２ａと、燃料電池１０のカソードからの排出ガス（カソードオフガス、湿潤な空気）が流通する流路２２ｂとを有し、エアポンプ２１から供給された供給ガスを加湿する機能を有している。このときの加湿の程度は、固体高分子電解質膜を加湿して燃料電池１０において発電性能が良好に発揮される加湿量に設定される。例えば、加湿器２２は、水透過性を有する中空糸膜が複数本束ねられて構成され、各中空糸膜の外側および内側の一方に供給ガスが流通し、他方に排出ガスが流通することにより、排出ガスによって供給ガスが加湿されるようになっている。
【００２４】
また、加湿器２２は、エアポンプ２１から延びる配管２４ａが供給ガスの入口２２ａ１と接続され、燃料電池１０のカソード側の入口１０ｃ１から延びる配管２４ｂが供給ガスの出口２２ａ２と接続されている。また、加湿器２２は、燃料電池１０のカソード側の出口１０ｃ２から延びる配管２４ｃが排出ガスの入口２２ｂ１と接続され、後記する背圧弁２３から延びる配管２４ｄが排出ガスの出口２２ｂ２と接続されている。
【００２５】
背圧弁２３は、例えば開度調節が可能なバタフライ弁などで構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力を適宜調節する機能を有している。
【００２６】
なお、本実施形態では、カソード流路１０ｃおよび配管２４ａ〜２４ｄの流路によってカソードガス流路が構成されている。
【００２７】
アノード系３０は、水素タンク３１、エゼクタ３２、気液分離器３３、ドレイン弁３４、パージ弁３５、エア排出弁３６、配管３７ａ〜３７ｇなどで構成されている。
【００２８】
水素タンク３１は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮した容器である。なお、水素タンク３１に接続された配管３７ａには、減圧弁などが設けられ、水素タンク３１から供給される高圧の水素を所定値に減圧して、後記するエゼクタ３２に供給されるように構成されている。
【００２９】
エゼクタ３２は、燃料電池１０のアノード側の出口１０ａ２から排出された未反応の水素を配管３７ｃ，３７ｄ，３７ｂを介して再び燃料電池１０のアノード側の入口１０ａ１に戻して再循環させる真空ポンプの一種である。
【００３０】
気液分離器３３は、配管３７ｃと配管３７ｄとの間に設けられ、燃料電池１０のアノード側の出口１０ａ２から排出された水を貯留する機能を有する。なお、この水は、固体高分子電解質膜を介してカソードからアノードに透過した生成水である。
【００３１】
ドレイン弁３４は、気液分離器３３の貯留層の底側に接続された配管３７ｅに設けられ、開弁することにより気液分離器３３に溜まった水を排出する機能を有している。
【００３２】
パージ弁３５は、配管３７ｄに分岐して接続された配管３７ｆに設けられ、例えば運転時に定期的に開弁することにより循環流路（アノード流路１０ａ、配管３７ｂ〜３７ｄ）に蓄積した不純物を車外に排出する機能を有する。不純物とは、固体高分子電解質膜を介してカソードからアノードに透過した空気に含まれる窒素や生成水などである。
【００３３】
エア排出弁３６は、配管３７ｄに分岐して接続された配管３７ｇに設けられ、開弁することにより循環流路（アノード流路１０ａ、配管３７ｂ〜３７ｄ）に残留した水などを排出する機能を有する。
【００３４】
なお、配管３７ｆは、配管３７ｅの径よりも大きな径で形成され、配管３７ｇは、配管３７ｆの径よりも大きな径で形成され、配管３７ｅには小流量、配管３７ｆには中流量、配管３７ｇには大流量の流体が流れるように構成されている。また、配管３７ｄにおいて、配管３７ｇが気液分離器３３の下流側において接続され、配管３７ｆが配管３７ｇの下流側において接続されている。また、本実施形態では、アノード流路１０ａおよび配管３７ｂ〜３７ｄの流路によりアノードガス流路が構成されている。
【００３５】
また、本実施形態の燃料電池システム１Ａは、背圧弁２３の下流に配管２４ｅを介して希釈器２５が設けられている。この希釈器２５は、水素を滞留させる空間を有し、アノード系３０から排出された水素をカソード系２０から排出されたカソードオフガスで所定の水素濃度以下に希釈して排出する機能を有する。
【００３６】
掃気系４０は、掃気ガスとしての空気（エア）をアノード側に導入するエア導入手段４１、掃気ガスとしての空気（エア）を、加湿器２２をバイパスして流通させる加湿器バイパス手段４２を備えている。
【００３７】
エア導入手段４１は、エア導入配管４１ａおよびエア導入弁４１ｂにより構成されている。エア導入配管４１ａは、その一端がエアポンプ２１と加湿器２２との間の配管２４ａに接続され、他端がエゼクタ３２と燃料電池１０の入口１０ａ１との間の配管３７ｂに接続されている。エア導入弁４１ｂは、エア導入配管４１ａに設けられ、閉弁されることによりエア導入配管４１ａの流路を遮断する機能を有する。
【００３８】
加湿器バイパス手段４２は、加湿器バイパス配管４２ａおよび加湿器バイパス弁４２ｂにより構成されている。加湿器バイパス配管４２ａは、その一端がエア導入配管４１ａの一端と加湿器２２との間の配管２４ａに接続され、他端が加湿器２２と燃料電池１０の入口１０ｃ１との間の配管２４ｂに接続されている。加湿器バイパス弁４２ｂは、加湿器バイパス配管４２ａに設けられ、閉弁されることにより加湿器バイパス配管４２ａの流路を遮断する機能を有する。なお、加湿器バイパス弁４２ｂを開弁することにより、掃気ガスのほぼ全量が加湿器バイパス配管４２ａを流通するように構成されている。
【００３９】
なお、加湿器バイパス手段４２の構成は、本実施形態に限定されるものではなく、例えば、加湿器２２の入口２２ａ１と加湿器バイパス配管４２ａの一端との間にある配管２４ａ、加湿器２２の出口２２ａ２と加湿器バイパス配管４２ａの他端との間にある配管２４ｂにそれぞれ遮断弁を設けるような構成であってもよい。
【００４０】
制御系５０は、制御部５１、電流計５２、温度計５３、タイマ５４などで構成されている。
【００４１】
制御部５１は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）、各種回路、入出力インターフェースなどで構成され、加湿器２２の内部の水分量を取得する加湿器内部水分量取得手段、加湿器２２に供給する掃気ガス（空気）の流量を決定する掃気ガス流量決定手段を備えている。
【００４２】
電流計５２は、燃料電池１０から外部負荷６０に取り出される電流値を検出する機能を有する。この電流計５２により検出された電流値は、積算されることによって、燃料電池１０内の反応において発生した水分量が推定される。燃料電池１０で発生した水分は、加湿器２２に排出されるので、前記した発電電流値の積算により加湿器２２内部に残留する水分量を推定することが可能になる。
【００４３】
温度計５３は、燃料電池システム１Ａの温度（システム温度）を検出する機能を有し、例えば、燃料電池１０のカソード側の出口１０ｃ２と加湿器２２との間の配管２４ｃに設けられている。なお、温度計５３の位置はシステム温度を検出できれば本実施形態の位置に限定されるものではなく、アノード側の温度であっても、燃料電池１０を冷却する冷媒温度であってもよく、外気温度であってもよい。
【００４４】
タイマ５４は、カソードガス流路を掃気するカソード掃気、アノードガス流路を掃気するアノード掃気など、掃気時間を計測する機能を有する。なお、タイマ５４は、制御部５１の外部に設けられたものであってもよく、制御部５１に内蔵されたものを用いてもよい。
【００４５】
次に、第１実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図７（適宜、図１）を参照して説明する。図２に示すように、運転者によって車両のイグニッションスイッチがオンにされると（ＩＧＳＷ  ＯＮ）、ドレイン弁３４、パージ弁３５、エア排出弁３６、エア導入弁４１ｂおよび加湿器バイパス弁４２ｂが閉じた状態において、制御部５１は、エアポンプ２１の駆動を開始することにより、加圧された空気が加湿器２２の流路２２ａを通って燃料電池１０のカソードに供給される。また、制御部５１は、水素タンク３１に設けられた図示しない遮断弁を開弁することにより、水素が図示しない減圧弁で所定圧に減圧された後、燃料電池１０のアノードに供給される。なお、ＩＧＳＷ−ＯＮ時には、パージ弁３５を適宜開弁して、アノードに供給される水素の濃度が高められ、燃料電池１０の開放端電圧が所定値を超えたときに図示しないコンタクタをオン（接続）して、燃料電池１０と外部負荷６０とを接続して、発電を開始する。
【００４６】
燃料電池１０の発電が開始されると、ステップＳ１０において、制御部５１は、燃料電池１０から外部負荷６０に取り出される発電電流値を電流計５２から取得して、発電電流量を積算する処理を行う。発電が行われることにより、水素と酸素との反応により水が生成されるので、発電電流量を積算することにより、燃料電池１０の内部で発生する生成水量を推定することができる。
【００４７】
そして、ステップＳ２０において、制御部５１は、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧＳＷ  ＯＦＦ）されたか否かを判断して、イグニッションスイッチがオフされていない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻って、発電電流量の積算を継続し、イグニッションスイッチがオフされた場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０に進む。
【００４８】
ステップＳ３０において、制御部５１は、積算した発電電流量を基づいて加湿器２２の内部の水分量を推定する。この加湿器２２の内部の水分量は、図３のマップに基づいて推定することができる。図３は、積算発電電流量（積算発電量）と加湿器２２内部の水分量との関係を示し、ＩＧＳＷ−ＯＮの直後では、燃料電池１０から排出される水分量は少ない。そして、積算発電電流量が大きくなるにつれて燃料電池１０から排出される水分量が増加するとともに、加湿器２２の内部の水分量が増加する。積算発電電流量が所定以上になると、加湿器２２の内部の水分量は飽和状態となり、所定の水分量を維持した状態で推移する。なお、ステップＳ３０が、本実施形態における加湿器内部水分量取得手段が実施する処理に相当し、推定された加湿器２２の内部の水分量は、ＲＡＭなどの記憶装置に保存される。
【００４９】
なお、本実施形態では、加湿器２２の内部の水分量を積算発電電流量に基づいて推定したが、これに限定されるものではなく、積算発電電力（積算発電量）に基づいて推定してもよく、この場合には、電流計５２とともに燃料電池１０の電圧を計測する電圧計を用いて、積算発電電力量と加湿器内水分量との関係を示すマップに基づいて推定できる。あるいは、燃料電池１０の温度に基づいて推定するようにしてもよく、この場合には、温度が高くなるにつれて水分量が多くなるマップに基づいて推定できる。
【００５０】
そして、図４に示すように、運転者によってイグニッションスイッチがオフにされると、制御部５１によってエアポンプ２１が停止され、燃料電池１０のカソードへの空気の供給が停止される。また、制御部５１によって水素タンク３１に設けられた図示しない遮断弁が閉じられ、燃料電池１０のアノードへの水素の供給が停止される。そして、図示しないコンタクタがオフされて、燃料電池１０と外部負荷６０との接続が遮断される。
【００５１】
ステップＳ１００において、制御部５１は、所定時間毎にシステム温度を検出する。システム温度は、燃料電池システム１Ａの温度であり、温度計５３により検出される。
【００５２】
そして、ステップＳ２００において、制御部５１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、所定値とは、燃料電池１０内部および加湿器２２内部などに残留する水分が凍結するか否かを判断する閾値であり、例えば５℃や１０℃などに設定される。ステップＳ２００において、制御部５１は、システム温度が所定値以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００に戻り、システム温度を検出する。また、ステップＳ２００において、制御部５１は、システム温度が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３００に進み、掃気実施判断部に移行する。
【００５３】
図５に示すように、掃気実施判断部では、ステップＳ３０１において、制御部５１はアノード液滴除去掃気を実施する。アノード液滴除去掃気とは、アノードガス流路（アノード流路１０ａ、配管３７ｂ〜３７ｄ）に残留する水分を除去する処理であり、背圧弁２３を閉じ、ドレイン弁３４、パージ弁３５、エア排出弁３６、エア導入弁４１ｂおよび加湿器バイパス弁４２ｂをそれぞれ開弁した状態において、エアポンプ２１のモータの回転速度を高めて大流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からの大流量のエアがエア導入配管４１ａを通ってアノードガス流路に供給され、アノードガス流路に残留する水分（液滴）がドレイン弁３４、パージ弁３５およびエア排出弁３６を介して車外（外部）に排出される。
【００５４】
そして、ステップＳ３０２において、制御部５１は、ドレインライン掃気を実施する。ドレインライン掃気とは、ドレイン弁３４および配管３７ｅに残留する水分を除去する処理であり、パージ弁３５およびエア排出弁３６を閉じた状態において、アノード液滴除去掃気時よりも低い流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からエア導入配管４１ａを介してアノードガス流路に導入されたエアは、ドレイン弁３４を通って車外に排出されることにより、ドレイン弁３４および配管３７ｅに残留する生成水が除去される。
【００５５】
そして、ステップＳ３０３において、制御部５１は、掃気ライン掃気を実施する。掃気ライン掃気とは、エア排出弁３６および配管３７ｇに残留する水分を除去する処理であり、ドレイン弁３４およびパージ弁３５を閉じた状態において、ドレインライン掃気時よりも若干低い流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からエア導入配管４１ａを介してアノードガス流路に導入されたエアは、エア排出弁３６を通って車外に排出されることにより、エア排出弁３６および配管３７ｇに残留する生成水が除去される。
【００５６】
そして、ステップＳ３０４において、制御部５１は、パージライン掃気を実施する。パージライン掃気とは、パージ弁３５および配管３７ｆに残留する水分を除去する処理であり、ドレイン弁３４およびエア排出弁３６を閉じた状態において、ドレインライン掃気時よりも若干高い流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からエア導入配管４１ａを介してアノードガス流路に導入されたエアは、パージ弁３５を介して外部に排出されることにより、パージ弁３５および配管３７ｆに残留する生成水が除去される。
【００５７】
そして、ステップＳ３０５において、制御部５１は、加湿器掃気を実施する。加湿器装置とは、加湿器２２の内部に残留する水分を除去する処理であり、背圧弁２３を開き、ドレイン弁３４、パージ弁３５、エア排出弁３６、エア導入弁４１ｂおよび加湿器バイパス弁４２ｂを閉じた状態において、ドレインライン掃気時と同等の流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からの空気は、加湿器２２内の流路２２ａ、燃料電池１０のカソード側の内部、加湿器２２内の流路２２ｂを流通する。このとき加湿器２２の流路２２ａに残留する水分が押し出され、押し出された水分は燃料電池１０の内部を通って加湿器２２の流路２２ｂを通り、背圧弁２３および希釈器２５を通って車外に排出される。
【００５８】
なお、ステップＳ３０５において、加湿器２２を掃気する際の掃気ガスとしてのエアの流量は、図６のマップに基づいて決定される。図６は、加湿器２２の内部の水分量と加湿器２２の掃気に必要なエアの流量との関係を示し、図２のステップＳ３０で推定した水分量に基づいてエア流量が決定される（掃気ガス流量決定手段）。すなわち、発電開始初期では、加湿器２２内部の水分量の増加に応じてエア流量が増加し、その後加湿器２２内部の水分量が増加してもエア流量は一定となる。なお、エア流量は、時間に基づいて設定することができる。
【００５９】
そして、ステップＳ３０６において、制御部５１は、カソード液滴除去掃気を実施する。カソード液滴除去掃気とは、カソードガス流路に残留する水分を除去する処理であり、加湿器バイパス弁４２ｂを開いた状態において、パージライン掃気よりも若干高い流量のエアを供給する（図７参照）。これにより、エアポンプ２１からのエアが加湿器バイパス配管４２ａを通って、燃料電池１０のカソードに供給される。このとき燃料電池１０のカソード側の内部に残留する生成水が加湿器２２の流路２２ｂを通って車外に排出される。
【００６０】
なお、アノード液滴除去掃気（Ｓ３０１）、ドレインライン掃気（Ｓ３０２）、掃気ライン掃気（Ｓ３０３）、パージライン掃気（Ｓ３０４）、カソード液滴除去掃気（Ｓ３０６）の各掃気では、それぞれ、予め実験等によって求められた所定時間に基づいて実施される。また、ステップＳ３０１〜Ｓ３０６の各掃気における、エアポンプ２１は、燃料電池システム１Ａに設けられた図示しない高圧バッテリに蓄積された電力を用いて駆動される。また、各種弁の切り替えは、高圧バッテリにより充電された低圧バッテリ（例えば１２ボルト）に蓄積された電力を用いて駆動される。
【００６１】
そして、ステップＳ３０７において、制御部５１は、エアポンプ２１を停止し、加湿器バイパス弁４２ｂを閉じて、掃気を終了する。そして、図４のフローに戻って、システム温度の監視（検出）を停止して、処理を終了する。
【００６２】
以上説明したように第１実施形態によれば、加湿器２２の内部の水分量に基づいて掃気ガス（エア）の流量を決定しているので、掃気時に加湿器２２に掃気ガスを供給するためにエアポンプ２１を無駄に駆動させるのを防止でき、エネルギ消費を抑えることが可能になる。また、加湿器２２の内部を乾燥させ過ぎるのを防止できるので、燃料電池１０を次回起動する際にも加湿器２２内部に所定の水分量を保持しておくことが可能になり、次回起動時の加湿性能を保持することが可能になる。また、加湿器２２を乾燥不足にさせることもないので、加湿器２２の内部での水分の凍結を防止することも可能になる。
【００６３】
また、第１実施形態によれば、燃料電池１０の生成水量と相関関係にある積算発電電流量に基づいて加湿器２２内の水分量を推定しているので、エア（掃気ガス）の流量を適切に設定することが可能になる。よって、加湿器２２の掃気に必要なエア流量をより適切に設定できるので、エアポンプ２１を無駄に駆動させるのをより効果的に防止できる。
【００６４】
また、第１実施形態によれば、加湿器バイパス手段４２が設けられているので、燃料電池１０から排出された掃気オフガス（エア）に含まれる水分が加湿器２２の流路２２ｂに導入されたとしても、エアポンプ２１から供給される掃気ガスが前記掃気オフガスとの間で水分交換が行われるのを防止できるため、燃料電池１０の内部に供給される掃気ガスの湿度を上昇させることがない。よって、カソードガス流路を掃気する際の掃気時間を削減することが可能になる。
【００６５】
また、第１実施形態によれば、加湿器２２の掃気がカソード掃気（カソード液滴除去掃気）を行う前に実行されるので、燃料電池１０の内部が加湿器２２の水分で再度湿潤状態になるのを防止できる。よって、カソードガス流路が凍結するのを確実に防止できる。
【００６６】
（第２実施形態）
図８は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図９は掃気時における各種デバイスの開閉動作を示すタイムチャートである。なお、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの加湿器バイパス手段４２に替えて加湿器バイパス手段４３とし、燃料電池バイパス手段４４を追加した構成である。
【００６７】
加湿器バイパス手段４３は、第１加湿器バイパス配管４３ａおよび第１加湿器バイパス弁４３ｂと、第２加湿器バイパス配管４３ｃおよび第２加湿器バイパス弁４３ｄとを備えている。第１加湿器バイパス配管４３ａは、その一端がエア導入配管４１ａの一端と加湿器２２との間の配管２４ａに接続され、他端が加湿器２２と燃料電池１０の入口１０ｃ１との間の配管２４ｂに接続され、加湿器２２の供給ガス側の流路２２ａをバイパスする流路を構成している。第１加湿器バイパス弁４３ｂは、第１加湿器バイパス配管４３ａに設けられ、閉弁することにより第１加湿器バイパス配管４３ａの流路を遮断する機能を有する。また、第２加湿器バイパス配管４３ｃは、その一端が加湿器２２と燃料電池１０の出口１０ｃ２との間の配管２４ｃに接続され、他端が加湿器２２と背圧弁２３との間の配管２４ｄに接続され、加湿器２２の排出ガス側の流路２２ｂをバイパスする流路を構成している。第２加湿器バイパス弁４３ｄは、第２加湿器バイパス配管４３ｃに設けられ、閉弁することにより第２加湿器バイパス配管４３ｃの流路を遮断する機能を有する。
【００６８】
燃料電池バイパス手段４４は、燃料電池バイパス配管４４ａおよび燃料電池バイパス弁４４ｂを備えている。燃料電池バイパス配管４４ａは、その一端が第１加湿器バイパス配管４３ａの他端と燃料電池１０の入口１０ｃ１との間の配管２４ｂに接続され、他端が第２加湿器バイパス配管４３ｃの一端と燃料電池１０の出口１０ｃ２との間の配管２４ｃに接続され、燃料電池１０をバイパスする流路を構成している。燃料電池バイパス弁４４ｂは、燃料電池バイパス配管４４ａに設けられ、閉弁することにより燃料電池バイパス配管４４ａを遮断する機能を有する。
【００６９】
次に第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの動作について図９を参照して説明する。なお、燃料電池システム１Ｂの掃気制御については図５と同様のフローチャートに基づいて実施される。アノード液滴除去掃気（Ｓ３０１）〜パージライン掃気（Ｓ３０４）については、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略し、加湿器掃気（Ｓ３０５）およびカソード液滴除去掃気（Ｓ３０６）の処理のみについて説明する。
【００７０】
加湿器掃気（Ｓ３０５）では、第１加湿器バイパス弁４３ｂが閉じられ、第２加湿器バイパス弁４３ｄが開かれ、燃料電池バイパス弁４４ｂが開かれた状態において、エアポンプ２１からパージライン掃気時よりも若干低い流量のエアが供給される（図９参照）。これにより、エアポンプ２１からのエアが、加湿器２２の流路２２ａ、燃料電池バイパス配管４４ａ、第２加湿器バイパス配管４３ｃを通ることで、加湿器２２の供給ガス側の流路２２ａに残留する水分が除去される。
【００７１】
さらに、加湿器掃気（Ｓ３０５）では、第１加湿器バイパス弁４３ｂが開かれ、第２加湿器バイパス弁４３ｄが閉じられた状態で、エアポンプ２１から同様の流量のエアが供給される（図９参照）。これにより、エアポンプ２１からのエアが、第１加湿器バイパス配管４３ａ、燃料電池バイパス配管４４ａ、加湿器２２の流路２２ｂを通ることで、加湿器２２の排出ガス側の流路２２ｂに残留する水分が除去される。
【００７２】
そして、カソード液滴除去掃気（Ｓ３０６）では、第２加湿器バイパス弁４３ｄが開かれ、燃料電池バイパス弁４４ｂが閉じられた状態において、エアポンプ２１からエアが供給される（図９参照）。これにより、エアポンプ２１からのエアが、第１加湿器バイパス配管４３ａ、燃料電池１０の内部のカソード流路１０ｃ、第２加湿器バイパス配管４３ｃを通ることで、カソードガス流路に残留する水分が除去される。
【００７３】
以上説明したように、第２実施形態によれば、加湿器２２の内部の水分量に基づいて掃気ガス（エア）の流量を決定しているので、掃気時において加湿器２２にエアを供給するためにエアポンプ２１を無駄に駆動させるのを防止でき、エネルギ消費を抑えることが可能になる。また、加湿器２２の内部を乾燥させ過ぎることがないので、燃料電池１０を次回起動する際にも加湿器２２内部に所定の水分量を保持しておくことが可能になり、次回起動時の加湿性能を保持することが可能になる。また、加湿器２２を乾燥不足にさせることもないので、加湿器２２の内部での水分の凍結を防止することも可能になる。
【００７４】
また、第２実施形態によれば、燃料電池１０の生成水量と相関関係にある積算発電電流量に基づいて加湿器２２内の水分量を推定しているので、エア（掃気ガス）の流量を適切に設定することが可能になる。
【００７５】
また、第２実施形態によれば、加湿器２２をバイパスする加湿器バイパス手段４３が設けられているので、加湿器２２の供給ガス側の流路２２ａを掃気する際には第２加湿器バイパス配管４３ｃに掃気オフガスを流通させるため、供給ガス側の流路２２ａを掃気した掃気ガスに含まれる水分が、排出ガス側の流路２２ｂから供給ガス側の流路２２ａに水分交換されることがなくなり、再び供給ガス側の流路２２ａが湿潤状態になることを防止できる。また、加湿器２２の排出ガス側の流路２２ｂを掃気する際には第１加湿器バイパス配管４３ａに掃気ガスを流通させるため、排出ガス側の流路２２ｂを流れる湿潤状態の掃気オフガスと、供給ガス側の流路２２ａを流れる掃気ガスとの間で水分交換されるのを防止できる。よって、加湿器２２を効率よく掃気することが可能になる。
【００７６】
また、第２実施形態によれば、燃料電池バイパス手段４４が設けられているので、加湿器２２を掃気する際には燃料電池１０をバイパスさせるため、湿潤な掃気ガスを燃料電池１０に導入するのを抑制でき、燃料電池１０の掃気に使用されるエネルギ消費を削減できる。また、加湿器２２を掃気する際に燃料電池１０による圧力損失を受けることがなくなるため、エアポンプ２１をより大きな回転速度で駆動させる必要がなくなり、加湿器２２の掃気時の消費エネルギを削減することができる。
【００７７】
なお、本実施形態は前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、ＩＧ−ＯＦＦ時におけるアノード側の循環流路内の水素濃度に応じてアノード側の掃気（アノード液滴除去掃気、ドレインライン掃気、掃気ライン掃気、パージライン掃気）とカソード側の掃気（加湿器掃気、カソード液滴除去掃気）を選択するようにしてもよい。つまり、循環流路内の水素濃度が高い場合には、先に循環流路内の水素の希釈を行いつつカソード側の掃気を行い、その後にアノード側の掃気を行うようにしてもよい。ちなみに、アノード側の掃気とカソード側の掃気との切り替えは、ＩＧ−ＯＦＦから掃気開始までの経過時間に基づいて判断でき、経過時間が短い場合には循環流路内の水素濃度が高いと判断でき、経過時間が長い場合には循環流路内の水素濃度が低いと判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】加湿器の水分量を求めるフローチャートである。
【図３】積算発電電流量と加湿器内部水分量との関係を示すマップである。
【図４】掃気制御を示すフローチャートである。
【図５】図４の掃気実施判断部を示すサブフローチャートである。
【図６】加湿器内部水分量と加湿器掃気時流量との関係を示すマップである。
【図７】掃気時における各種デバイスの開閉動作を示すタイムチャートである。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図９】掃気時における各種デバイスの開閉動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
１０ａ  アノード流路（アノードガス流路）
１０ｃ  カソード流路（カソードガス流路）
２１    エアポンプ（掃気ガス供給手段）
２２    加湿器
２２ａ  流路（供給ガス側の流路）
２２ｂ  流路（排出ガス側の流路）
２４ａ〜２４ｄ  配管（カソードガス流路）
３７ａ〜３７ｇ  配管（アノードガス流路）
４２ａ  加湿器バイパス配管（加湿器バイパス流路）
４２ｂ  加湿器バイパス弁
４３ａ  第１加湿器バイパス配管（第１加湿器バイパス流路）
４３ｂ  第１加湿器バイパス弁
４３ｃ  第２加湿器バイパス配管（第２加湿器バイパス流路）
４３ｄ  第２加湿器バイパス弁
４４ａ  燃料電池バイパス配管（燃料電池バイパス流路）
４４ｂ  燃料電池バイパス弁
５１    制御部（加湿器内部水分量取得手段、掃気ガス流量決定手段）
５２    電流計
【図１】
2010049950.tif 000003
【図２】
2010049950.tif 000004
【図３】
2010049950.tif 000005
【図４】
2010049950.tif 000006
【図５】
2010049950.tif 000007
【図６】
2010049950.tif 000008
【図７】
2010049950.tif 000009
【図８】
2010049950.tif 000010
【図９】
2010049950.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月24日(2009.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記加湿器内部水分量取得手段は、前記燃料電池の運転時の積算発電量に基づいて前記掃気ガスの流量を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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記加湿器内部水分量取得手段は、前記燃料電池の運転時の積算発電量に基づいて前記掃気ガスの流量を設定することを特徴とする。