(57)【要約】【課題】酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁の凍結を防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード流路１１及びカソード流路１２を有する燃料電池スタック１０と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、背圧弁３６と、掃気ガス供給手段と、前記掃気ガス供給手段を制御するＥＣＵ５０と、を備え、燃料電池スタック１０の発電停止中、掃気ガス供給手段がカソード流路１２に掃気ガスを供給し、カソード流路１２を掃気する燃料電池システム１であって、酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを接続し、カソード流路１２をバイパスする第１バイパス流路と、第１バイパス流路のガスの通流を制御する第１制御弁３７と、を備え、背圧弁３６を掃気する場合、ＥＣＵ５０は、掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、カソード流路１２をバイパスし、第１バイパス流路を介して、背圧弁３６に供給されるように、第１制御弁３７を制御する。【選択図】図１
2010192251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する背圧弁と、
掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、
を備え、前記燃料電池の発電停止中、前記掃気ガス供給手段が前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給流路と、前記背圧弁の上流の前記酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記酸化剤ガス流路をバイパスする第１バイパス流路と、
前記第１バイパス流路のガスの通流を制御する第１制御弁と、
を備え、
前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第１バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第１制御弁を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気し、
当該背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第１バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第１制御弁を制御する
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】
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた冷却装置と、
前記冷却装置をバイパスする第２バイパス流路と、
前記第２バイパス流路のガスの通流を制御する第２制御弁と、
を備え、
前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記冷却装置をバイパスするように、前記第２制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、
前記第１バイパス流路は、前記加湿器よりも上流の前記酸化剤ガス供給流路に接続されており、
前記背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記加湿器をバイパスする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、
システム温度が前記背圧弁は凍結すると判断される第１温度以下である場合、前記背圧弁のみを掃気し、
システム温度が前記燃料電池は凍結すると判断される温度であって、前記第１温度よりも低い第２温度以下である場合、前記酸化剤ガス流路を掃気し、当該酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１バイパス流路の接続位置よりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第１封鎖弁と、
前記第１バイパス流路の接続位置よりも上流の前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第２封鎖弁と、
を備え、
システム温度が前記第２温度以下となるまで、前記第１封鎖弁及び前記第２封鎖弁が閉状態であり、前記酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、
システム温度が前記第２温度以下となった場合、前記第１封鎖弁及び前記第２封鎖弁が開状態となり、前記酸化剤ガス流路が掃気される
ことを特徴とすることを特徴とする請求項４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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。
【０００３】
ところが、このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水分（水蒸気）を生成する。したがって、燃料電池の発電停止後、低温環境下（例えば０℃以下）に曝されてしまうと、燃料電池が凍結してしまう虞がある。
【０００４】
そこで、発電停止後、燃料電池に掃気ガスを供給し、この掃気ガスによって、内部に残留する水分（水蒸気、結露水等）を燃料電池から押し出し、燃料電池を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池のカソード流路（酸化剤ガス流路）における空気の圧力は、外部からの発電要求量（例えば燃料電池車のアクセル開度）に対応して、制御する必要がある。そこで、カソード流路の下流に背圧弁を設け、この背圧弁の開度を発電要求量に基づいて制御することで、カソード流路における空気の圧力を制御する技術が考えられる。
【０００７】
ところが、前記した燃料電池の掃気によって、燃料電池は掃気されたものの、燃料電池から押し出された水分が背圧弁に残留・付着し、その後、低温環境下に曝されると、背圧弁が凍結する虞がある。このように背圧弁が凍結した状態では、カソード流路における空気の圧力を適切に制御できず、次回のシステム起動時において、凍結を解消する必要があり、システム起動に時間を要してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁の凍結を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する背圧弁と、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止中（システム停止中）、前記掃気ガス供給手段が前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路を掃気する燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給流路と、前記背圧弁の上流の前記酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記酸化剤ガス流路をバイパスする第１バイパス流路と、前記第１バイパス流路のガスの通流を制御する第１制御弁と、を備え、前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第１バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第１制御弁を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、酸化剤ガス流路をバイパスし、第１バイパス流路を介して、背圧弁に供給される。つまり、掃気ガスが、燃料電池内の多湿である酸化剤ガス流路をバイパスし、乾燥状態のまま、背圧弁に供給される。これにより、背圧弁を速やかに掃気でき、次回のシステム起動時において、背圧弁の凍結により、起動時間が長くなることはなく、速やかに起動できる。
【００１１】
また、掃気ガスが、一般に流路断面積が小さく、圧力損失（流路抵抗）の大きい酸化剤ガス流路をバイパスするので、掃気ガス供給手段に酸化剤ガス流路から大きな負荷が作用することもない。これにより、掃気ガス供給手段は、エネルギ（後記する実施形態では電力）消費を抑えつつ、滑らかに作動できる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気し、当該背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記酸化剤ガス流路をバイパスし、前記第１バイパス流路を介して、前記背圧弁に供給されるように、前記第１制御弁を制御することを特徴とする。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を掃気するので、酸化剤ガス流路から押し出された水分が、仮に背圧弁に留まっていたとしても、この水分が背圧弁から押し出され、背圧弁が掃気される。
また、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を掃気する場合も、掃気ガスが酸化剤ガス流路をバイパスするので、背圧弁を速やかに掃気できる。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた冷却装置と、前記冷却装置をバイパスする第２バイパス流路と、前記第２バイパス流路のガスの通流を制御する第２制御弁と、を備え、前記背圧弁を掃気する場合、前記制御手段は、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記冷却装置をバイパスするように、前記第２制御弁を制御することを特徴とする。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガスが、第２バイパス流路を通り、冷却装置で冷却されずに、背圧弁に供給される。すなわち、冷却されていない掃気ガスで背圧弁を掃気することで、背圧弁を速やかに乾燥できる。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第１バイパス流路は、前記加湿器よりも上流の前記酸化剤ガス供給流路に接続されており、前記背圧弁を掃気する場合、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスが、前記加湿器をバイパスすることを特徴とする。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、背圧弁を掃気する場合、掃気ガスが加湿器をバイパスする。すなわち、掃気ガスが、加湿器で加湿されず、乾燥したまま背圧弁に供給される。このような乾燥したままの掃気ガスによって背圧弁を掃気することで、背圧弁を速やかに乾燥できる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、システム温度が前記背圧弁は凍結すると判断される第１温度以下である場合、前記背圧弁のみを掃気し、システム温度が前記燃料電池は凍結すると判断される温度であって、前記第１温度よりも低い第２温度以下である場合、前記酸化剤ガス流路を掃気し、当該酸化剤ガス流路の掃気後、前記背圧弁を掃気することを特徴とする。
【００１９】
ここで、背圧弁は、燃料電池よりも熱マスが小さく、温度低下しやすい。
このような燃料電池システムによれば、システム温度が第１温度以下であり、背圧弁は凍結すると判断される場合、背圧弁のみを掃気し、酸化剤ガス流路を掃気しないので、掃気に要するエネルギ（後記する実施形態では電力）の消費を抑えることができる。
また、酸化剤ガス流路の掃気後、背圧弁を再度掃気するので、酸化剤ガス流路から押し出された水分によって背圧弁が凍結することはない。
【００２０】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記第１バイパス流路の接続位置よりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第１封鎖弁と、前記第１バイパス流路の接続位置よりも上流の前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池の発電停止後に閉状態となる第２封鎖弁と、を備え、システム温度が前記第２温度以下となるまで、前記第１封鎖弁及び前記第２封鎖弁が閉状態であり、前記酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、システム温度が前記第２温度以下となった場合、前記第１封鎖弁及び前記第２封鎖弁が開状態となり、前記酸化剤ガス流路が掃気されることを特徴とする。
【００２１】
このような燃料電池システムによれば、システム温度が第２温度以下となるまで、第１封鎖弁及び前記第２封鎖弁が閉状態であり、酸化剤ガス流路が封鎖された状態で、前記背圧弁が掃気され、第２温度以下となった場合、第１封鎖弁及び第２封鎖弁が開状態となり、酸化剤ガス流路が掃気される。
すなわち、システム温度が第２温度以下となるまで、酸化剤ガス流路が封鎖された状態で維持されるので、外部から酸化剤ガス流路に空気等が侵入することはなく、燃料電池が劣化しにくくなる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁の凍結を防止する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】掃気時における背圧弁の開度を段階的に示す図であり、（ａ）は掃気の初期段階、（ｂ）は掃気の中期段階、（ｃ）は掃気の後期段階を示す。
【図４】変形例に係る掃気時における背圧弁の開度を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００２５】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２７】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００２８】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２９】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
このようにカソードで水分（水蒸気）を生成するため、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となり、水分（水蒸気、結露水等）を含む。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３０】
また、各セパレータには、各ＭＥＡの全面に冷媒を通流させるための溝が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路１３として機能している。
冷媒流路１３の入口には、ラジエータ（図示しない）で冷却された冷媒が通流する配管１３ａが接続されており、冷媒流路１３の出口には、冷媒流路１３から排出され、前記ラジエータに向かう冷媒が通流する配管１３ｂが接続されている。
【００３１】
そして、配管１３ｂには、温度センサ１４が取り付けられており、温度センサ１４は、配管１３ｂ内の冷媒の温度をシステム温度として検出し、ＥＣＵ５０に出力するようになっている。
ただし、システム温度を検出する温度センサ１４の位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０や背圧弁３６に取り付けてもよいし、複数使用してもよい。
【００３２】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、常閉型の遮断弁２２と、を備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、燃料電池スタック１０を発電させるため、ＥＣＵ５０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から遮断弁２２等を通って、アノード流路１１に供給されるようになっている。
【００３３】
アノード流路１１の出口には、配管２２ｂが接続されている。そして、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスが、配管２２ｂを通って、車外に排出されるようになっている。
【００３４】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段）と、インタークーラ３２（Ｉ／Ｃ、冷却装置）と、常閉型（又は常開型）の第１封鎖弁３３と、加湿器３４と、常閉型（又は常開型）の第２封鎖弁３５と、常開型の背圧弁３６とを備えている。
【００３５】
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、インタークーラ３２、配管３２ａ、第１封鎖弁３３と、配管３３ａ、加湿器３４、配管３４ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ５０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管３１ａ等を介して、カソード流路１２に供給するようになっている。
【００３６】
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０、背圧弁３６の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。また、コンプレッサ３１、第１封鎖弁３３、第２封鎖弁３５、遮断弁２２、及び、その他の弁は、燃料電池スタック１０及び／又はこの電力を蓄えるバッテリ（図示しない）を電源としている。
【００３７】
よって、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）に向かう空気（酸化剤ガス）が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管３１ａと配管３２ａと配管３３ａと配管３４ａとを備えて構成されている。そして、第１封鎖弁３３は、後記する第１バイパス流路を構成する配管３７ａの接続位置よりも下流であって、加湿器３４よりも上流の酸化剤ガス供給流路に設けられている。インタークーラ３２は、配管３７ａの接続位置よりも上流の酸化剤供給流路に設けられている。
【００３８】
インタークーラ３２は、コンプレッサ３１で圧縮されることで高温となった空気を冷却するものであり、例えば空冷式、水冷式で構成される。インタークーラ３２の上流の配管３１ａは、配管３８ａ、ＥＣＵ５０によって適宜開かれる常閉型の第２制御弁３８、配管３８ｂを介して、配管３２ａに接続されている。そして、背圧弁３６の掃気時に、第２制御弁３８が開かれると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、インタークーラ３２をバイパスするようになっている。
【００３９】
よって、掃気ガスがインタークーラ３２をバイパスする第２バイパス流路は、配管３８ａと配管３８ｂとを備えて構成され、第２バイパス流路に設けられた第２制御弁３８が、第２バイパス流路のガスの通流を制御するようになっている。
なお、第２制御弁３８に代えて、例えば、配管３８ａと配管３１ａとの接続位置に、三方弁（第２制御弁）を設ける構成でもよい。
【００４０】
第１封鎖弁３３は、ＥＣＵ５０によって制御される常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の発電中（システム作動中）は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中（システム停止中）は閉状態となる。
【００４１】
カソード流路１２の出口は、配管３４ｂ、加湿器３４、配管３４ｃ、第２封鎖弁３５、配管３５ａ、背圧弁３６、配管３６ａが順に接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス）は、配管３４ｂ等を介して、車外に排出されるようになっている。
【００４２】
よって、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）から排出された空気（酸化剤ガス）が通流する酸化剤ガス排出流路は、配管３４ｂと配管３４ｃと配管３５ａと配管３６ａとを備えて構成されている。そして、第２封鎖弁３５は、後記する第１バイパス流路を構成する配管３７ｂの接続位置よりも上流であって、加湿器３４よりも下流の酸化剤ガス排出流路に設けられている。
【００４３】
加湿器３４は、水分透過性を有する中空糸膜３４ｄを複数本内蔵し、この中空糸膜３４ｄを介して、カソード流路１２に向かう空気と、カソード流路１２から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１２に向かう空気を加湿するものである。
ただし、加湿方式はこれに限定されず、例えば、カソード流路１２に向かう空気を、バブリング方式で加湿するものでもよい。
【００４４】
第２封鎖弁３５は、ＥＣＵ５０によって制御される常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の発電中（システム作動中）は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中（システム停止中）は閉状態となる。
【００４５】
背圧弁３６は、アクセル等からの発電要求量（負荷要求量）に対応して、カソード流路１２における空気の圧力を制御するものであり、その開度はＥＣＵ５０によって制御される。このような背圧弁３６は、例えばバタフライ弁から構成され、駆動装置（ステッピングモータ等）によって回動軸周りに回動する弁体３６ｂを備えている（図３参照）。
このような背圧弁３６は、燃料電池スタック１０に対して熱マスが小さく、また、その下流が車外と連通しているため、燃料電池スタック１０よりも早期に温度低下し、弁体３６ｂやその流路壁部３６ｃに付着した結露水Ｗが凍結しやすいという特性を有している（図３参照）。
【００４６】
なお、背圧弁３６の開度は、下流に向かう掃気ガスと直交する方向を基準（開度：０度）とし、この基準と弁体３６ｂとの間の角度θで示される。また、前記駆動装置がＯＦＦされている場合、弁体３６ｂは２本のリターンスプリングによって、開度が略９０度、つまり、全開となるように設計されている。
【００４７】
配管３８ｂの接続位置よりも下流の配管３２ａは、配管３７ａ、常閉型の第１制御弁３７、配管３７ｂを介して、配管３５ａに接続されている。
そして、（１）背圧弁３６のみを掃気する場合、（２）カソード流路１２の掃気後に背圧弁３６を掃気する場合、ＥＣＵ５０によって第１制御弁３７が開かれると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、配管３７ａ及び配管３７ｂを通流することで、カソード流路１２及び加湿器３４をバイパスし、背圧弁３６に供給されるようになっている。
【００４８】
よって、カソード流路１２及び加湿器３４をバイパスする第１バイパス流路は、配管３７ａと配管３７ｂとを備えて構成され、第１バイパス流路に設けられた第１制御弁３７が、第１バイパス流路のガスの通流を制御するようになっている。
なお、第１制御弁３７に代えて、例えば、配管３７ａと配管３２ａとの接続位置に、三方弁（第１制御弁）を設ける構成でもよい。
【００４９】
＜ＩＧ＞
ＩＧ４１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ４１はＥＣＵ５０と接続されており、ＥＣＵ５０はＩＧ４１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮して、各種機器を制御するようになっている。
【００５１】
具体的には、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を開閉し、カソード流路１２を封鎖／開放する機能を備えている。
また、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３、第２封鎖弁３５、第１制御弁３７、及び、第２制御弁３８を制御し、コンプレッサ３１からの掃気ガスの通流経路を切替制御する機能を備えている。
【００５２】
＜ＥＣＵ−掃気判定機能＞
さらに、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１のＯＦＦ後（燃料電池スタック１０の発電停止後）のシステム停止中において、温度センサ１４から入力されるシステム温度が、第１温度（例えば１０℃）以下である場合、背圧弁３６の掃気が必要であると判定する機能を備えている。第１温度は、事前試験等によって求められる温度であって、この後、背圧弁３６が凍結すると判断される温度である。
【００５３】
また、ＥＣＵ５０は、システム停止中において、システム温度が、第２温度（例えば５℃）以下である場合、カソード流路１２（燃料電池スタック１０）の掃気が必要であると判定する機能を備えている。第２温度は、事前試験等によって求められる温度であって、この後、燃料電池スタック１０が凍結すると判断される温度である。なお、燃料電池スタック１０は、背圧弁３６よりも熱マスが大きく、温度低下しにくいので、第２温度は第１温度よりも低い温度に設定される。
【００５４】
≪燃料電池システムの作用効果≫
次に、燃料電池システム１の作用効果について、図２を参照して説明する。
なお、ＩＧ４１がＯＦＦされると、図２のフローチャートに示す各処理が開始される。
【００５５】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０の発電を停止する。
具体的には、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０と外部負荷（走行用のモータ等）とを電気的に遮断した後、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止する。
【００５６】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を閉じ、カソード流路１２を封鎖する。
このようにして、燃料電池スタック１０の発電停止後（システム停止後）、発電停止中（システム停止中）において、カソード流路１２が封鎖されるので、車外の空気が、第１封鎖弁３３又は第２封鎖弁３５を通って、カソード流路１２に新たに流入することはない。
これにより、ＭＥＡを構成するカソード又はアノードの電位の上昇や、ＯＨラジカル等の発生が抑制され、カソード又はアノードの劣化や、電解質膜の分解が抑制される。その結果、燃料電池スタック１０の劣化が抑制され、その耐久性が高められている。
【００５７】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、温度センサ１４から入力されるシステム温度が、第１温度（例えば１０℃）以下であるか否か判定する。
システム温度が第１温度以下であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、背圧弁３６の掃気は必要であると判断し、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、システム温度が第１温度以下でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、背圧弁３６の掃気は必要でないと判断し、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０５に進む。
【００５８】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、背圧弁３６を掃気する。
具体的には、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を閉じたまま、第１制御弁３７及び第２制御弁３８を開いた後、コンプレッサ３１を作動する。そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガスは、第２制御弁３８、第１制御弁３７を順に通り、背圧弁３６に供給され、背圧弁３６が掃気される。
【００５９】
すなわち、第２制御弁３８及び配管３８ａ、３８ｂ（第２バイパス流路）を通り、インタークーラ３２をバイパスすることで、コンプレッサ３１での圧縮により高温である掃気ガスが、冷却されずそのまま、背圧弁３６に供給される。
また、第１制御弁３７及び配管３７ａ、３７ｂ（第１バイパス流路）を通り、流路断面積が小さく圧力損失の大きいカソード流路１２及び加湿器３４をバイパスすることで、コンプレッサ３１に大きな負荷が作用することなく、掃気ガスが乾燥状態で背圧弁３６に供給される。
【００６０】
このように高温かつ乾燥状態の掃気ガスが背圧弁３６に供給されるので、背圧弁３６内の水分（水蒸気、結露水Ｗ）は、掃気ガスによって下流に押し出されると共に、背圧弁３６内の乾燥が進む。これにより、背圧弁３６の凍結は好適に防止される。
【００６１】
なお、このように背圧弁３６を掃気する場合、図３（ａ）に示すように、掃気の初期段階では、開度（角度θ）を小さくし、流路壁部３６ｃに付着した結露水Ｗを下流に吹き飛ばし、図３（ｂ）に示すように、掃気の中期段階では、開度を全開とし（θ＝９０度）、弁体３６ｂに付着した結露水Ｗを吹き飛ばし、図３（ｃ）に示すように、掃気の後期段階では、再び開度を小さくし、流路壁部３６ｃに付着した結露水Ｗを下流に吹き飛ばすことが好ましい。
この他、図４に示すように、背圧弁３６の開度を連続的に変化させてもよい。
【００６２】
このようにして、背圧弁３６を掃気した後、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ３１を停止し、第１制御弁３７及び第２制御弁３８を閉じる。その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０８に進む。
【００６３】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０３での判定後、所定時間（例えば３０分〜１時間）経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０３に進む。これにより、所定時間経過毎に、ステップＳ１０３の判定が繰り返されることになり、背圧弁３６の凍結が防止される。一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０６に進む。
【００６４】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１がＯＮされたか否か判定する。
ＩＧ４１はＯＮされたと判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、ＩＧ４１はＯＮされていないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０５に進む。
【００６５】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１がＯＮされたことにより、運転者から起動要求があったと判断して、システムを起動させる。
具体的には、ＥＣＵ５０は、遮断弁２２を開き、アノード流路１１に水素を供給し、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を開いた後、コンプレッサ３１を作動し、カソード流路１２に空気を供給する。その後、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０と外部負荷とを電気的に接続し、アクセル等からの発電要求量に対応して燃料電池スタック１０を発電させる。
【００６６】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ５０は、温度センサ１４から入力されるシステム温度が、第２温度（例えば５℃）以下であるか否か判定する。
システム温度が第２温度以下であると判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、カソード流路１２の掃気は必要であると判断し、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、システム温度が第２温度以下でないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、カソード流路１２の掃気は必要でないと判断し、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００６７】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を開き、カソード流路１２を車外に開放する。
すなわち、システム温度が第２温度以下となるまで、ステップＳ１０４における背圧弁３６の掃気中もカソード流路１２の封鎖状態を維持するので、車外からカソード流路１２に空気が流入せず、燃料電池スタック１０の劣化が抑制される。
【００６８】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０８での判定後、所定時間（例えば３０分〜１時間）経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０８に進む。これにより、所定時間経過毎に、ステップＳ１０８の判定が繰り返されることになり、燃料電池スタック１０の凍結が防止される。一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１１に進む。
【００６９】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１がＯＮされたか否か判定する。
ＩＧ４１はＯＮされたと判定した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、ＩＧ４１はＯＮされていないと判定した場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００７０】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０のカソード流路１２を掃気する。
具体的には、ＥＣＵ５０は、背圧弁３６を全開とした後、コンプレッサ３１を作動させる。そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、インタークーラ３２、第１封鎖弁３３、加湿器３４を通って、カソード流路１２に供給される。そして、掃気ガスによって、カソード流路１２内の水分（水蒸気、結露水）が、カソード流路１２から押し出され、背圧弁３６に向かって流出する。これにより、カソード流路１２（燃料電池スタック１０）の凍結が防止される。
【００７１】
なお、このようにカソード流路１２を掃気する場合、掃気ガスがインタークーラ３２を経由することにより、掃気ガスは適宜冷却される。これにより、燃料電池スタック１０のＭＥＡや、加湿器３４の中空糸膜３４ｄが過昇温せず、損傷することはない。
また、このようにカソード流路１２を掃気する場合、配管３２ａと配管２２ａとを接続する配管（図示しない）を介して、掃気ガスをアノード流路１１にも供給し、アノード流路１１も掃気することが好ましい。
このようにしてカソード流路１２を掃気した後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１１３に進む。
【００７２】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ５０は、第１封鎖弁３３及び第２封鎖弁３５を閉じ、カソード流路１２を再び封鎖する。なお、カソード流路１２を封鎖しない構成でもよい。
【００７３】
ステップＳ１１４において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０４と同様に、背圧弁３６を掃気する。
具体的には、ＥＣＵ５０は、第１制御弁３７及び第２制御弁３８を開く。そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、インタークーラ３２、カソード流路１２、及び、加湿器３４をバイパスし、背圧弁３６に供給される。これにより、カソード流路１２から押し出された水分が、仮に背圧弁３６に留まっていたとしても、この水分は背圧弁３６の下流に押し出され、背圧弁３６の凍結は防止される。この場合においても、図３、図４に示すように、背圧弁３６の開度を変化させることが好ましい。
【００７４】
このようにして、再度、背圧弁３６を掃気した後、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ３１を停止し、第１制御弁３７及び第２制御弁３８を閉じる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１１５（ＥＮＤ）に進み、システム停止状態となる。
【００７５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００７６】
前記した実施形態では、カソード流路１２の掃気時、掃気ガスが加湿器３４を経由する構成を例示したが、例えば、配管３３ａと配管３４ａとをバイパス配管（図示しない）で接続し、掃気ガスが加湿器３４をバイパスする構成でもよい。
【００７７】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    アノード流路（燃料ガス流路）
１２    カソード流路（酸化剤ガス流路）
３１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段）
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ  配管（酸化剤ガス供給流路）
３２    インタークーラ（冷却装置）
３３    第１封鎖弁
３４    加湿器
３４ｂ、３４ｃ、３５ａ、３６ａ  配管（酸化剤ガス排出流路）
３５    第２封鎖弁
３６    背圧弁
３７    第１制御弁
３７ａ、３７ｂ  配管（第１バイパス流路）
３８    第２制御弁
３８ａ、３８ｂ  配管（第２バイパス流路）
５０    ＥＣＵ（制御手段）
Ｗ      結露水
【図１】
2010192251.tif 000003
【図２】
2010192251.tif 000004
【図３】
2010192251.tif 000005
【図４】
2010192251.tif 000006