(57)【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、
前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、
前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電停止時、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止からの経過時間を検出する経過時間検出手段を備え、
前記掃気手段が掃気する場合において、
前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される第１所定時間期間内であるとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、
前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記第１所定時間期間外であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
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、
前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、
前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電停止時、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を備え、
前記掃気手段が掃気する場合において、
前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、
前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
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、
前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、
前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料ガス濃度上昇手段が前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させ、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止からの経過時間を検出する経過時間検出手段を備え、
前記掃気手段が掃気する場合において、
前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される所定燃料ガス滞留時間期間内であるとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、
前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記所定燃料ガス滞留時間期間外であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
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、
前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、
前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電停止時、前記燃料ガス濃度上昇手段が前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させ、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を備え、
前記掃気手段が掃気する場合において、
前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、
前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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】
このような燃料電池は、発電に伴って、そのカソードで水（水蒸気）を生成する。また、燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）の電解質膜（固体高分子膜）を良好な湿潤状態とするため、例えば、カソードに向かう空気は加湿器によって加湿される。したがって、発電停止直後の燃料電池内には、水分（水蒸気、凝縮水）が滞留している。よって、発電停止後に燃料電池が低温（０℃以下等）になると、燃料電池が凍結する虞がある。
【０００４】
そこで、燃料電池が低温となり凍結する虞のある場合、空気等の掃気ガスによって燃料電池内の水分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２００７−１２３０４０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、燃料電池の発電停止中、つまり、燃料電池と外部負荷とが電気的に遮断された状態において、外部からカソード流路（酸化剤ガス流路）に空気が流入し、この空気（酸素）がカソードの触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）下で電極反応により消費されると、カソードの電位が上昇したり、残留する水分が分解して活性の高いＯＨラジカル等が発生したりする虞がある。このように、カソードの電位が上昇したり、ＯＨラジカル等が発生すると、カソードを形成するカーボンペーパの炭素（Ｃ）や触媒が酸化したり、電解質膜が分解し、燃料電池が劣化する虞がある。
【０００７】
そこで、カソード流路の上流及び下流に、電磁弁等からなる封止弁をそれぞれ設け、燃料電池の発電停止中、封止弁を閉じて、カソード流路を外部から封止（封鎖）する構成が考えられる。
一方、燃料電池の発電停止中、アノード流路に滞留する水素は、電解質膜を透過し、カソード流路に流出する。したがって、カソード流路を封止する構成である場合、カソード流路における水素濃度が上昇することになる。
【０００８】
そうすると、燃料電池の発電停止中、カソード流路を封止する構成とした場合において、カソード流路の水素濃度が上昇しているとき、燃料電池の凍結を防止するため、カソード流路よりも先にアノード流路に掃気ガス（空気等）を供給してしまうと、アノード流路に空気が、カソード流路に水素がそれぞれ滞留した状態となり、ガスの種類が、通常の状態（アノード流路：水素、カソード流路：空気）と逆となってしまう。そして、このような逆の状態となると、燃料電池の電極が反転状態（転極状態）となり、負電圧状態となる。つまり、通常時にカソードよりも電位が下がりアノードとなる電極の電位が、通常時にカソードとなる電極の電位よりも高くなる。すなわち、電極反応が通常時と逆になり、また、通常時と逆向きで電流が通流する虞もあり、電極に含まれる触媒（Ｐｔ等）が劣化してしまう虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池の劣化を防止しつつ良好に掃気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】
【００１０】
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、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止時、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止からの経過時間を検出する経過時間検出手段を備え、前記掃気手段が掃気する場合において、前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される第１所定時間期間内であるとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記第１所定時間期間外であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
このような構成によれば、燃料電池の発電停止時（システム停止時）、封止弁制御手段が第１封止弁及び第２封止弁を閉じて酸化剤ガス流路を封止するので、外部から酸化剤ガス流路に空気が流入せず、ＯＨラジカルの発生を抑制できる。これにより、燃料電池の劣化を防止できる。
【００１２】
また、燃料電池の発電停止後、温度検出手段の検出する燃料電池の温度が所定温度以下である場合、掃気手段が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気するので、燃料電池の凍結を防止できる。
【００１３】
このように掃気する場合において、経過時間検出手段の検出する経過時間が、酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される第１所定時間期間内であるとき、掃気手段は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路、の順で掃気する。これにより、酸化剤ガス流路に燃料ガスが、燃料ガス流路に掃気ガス（空気等）が、滞留した状態にはならない。したがって、燃料電池の電極が反転状態（転極状態）にはならず、負電圧が発生することもない。よって、燃料電池の劣化を防止できる。
【００１４】
一方、経過時間検出手段の検出する経過時間が、酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される第１所定時間期間外であるとき、掃気手段は、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気する。
【００１５】
この場合において、燃料ガス流路の流路断面積は、酸化剤ガスの流路断面積よりも小さく、掃気し難いため、燃料ガス流路を掃気する掃気ガスの流量は、酸化剤ガス流路を掃気する掃気ガスの流量よりも多く設定される。すなわち、掃気ガスを圧送するためのコンプレッサの燃料ガス流路の掃気時の回転速度は、酸化剤ガス流路の掃気時の回転速度よりも高く設定される。そうすると、前記したように、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気するので、掃気中において、コンプレッサの回転速度が徐々に低くなり、その結果、コンプレッサの作動音も徐々に小さくなり、ユーザが違和感を受け難くなる。
【００１６】
また、コンプレッサを高い回転速度で作動させるには、コンプレッサへの印加電圧を高める必要があるが、このようにコンプレッサの回転速度が徐々に低くなる構成とすれば、コンプレッサへの印加電圧も徐々に低くなる構成となり、ＩＲドロップによる電圧降下が発生しても、コンプレッサの電源がコンプレッサの必要作動電圧を下回る可能性が低くなる。
【００１７】
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、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止時、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を備え、前記掃気手段が掃気する場合において、前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１８】
このような構成によれば、掃気手段が掃気する場合において、燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、掃気手段は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路、の順で掃気する。これにより、酸化剤ガス流路に燃料ガスが、燃料ガス流路に掃気ガス（空気等）が、滞留した状態にはならない。したがって、燃料電池の電極が反転状態（転極状態）にはならず、負電圧が発生することもない。よって、燃料電池の劣化を防止できる。
なお、所定燃料ガス濃度は、酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留し、仮に、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気した場合、燃料電池の電極が反転状態（転極状態）になると判断される濃度に設定される。
【００１９】
一方、燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、掃気手段は、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気する。
【００２０】
また、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、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止時、前記燃料ガス濃度上昇手段が前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させ、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止からの経過時間を検出する経過時間検出手段を備え、前記掃気手段が掃気する場合において、前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される所定燃料ガス滞留時間期間内であるとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、前記経過時間検出手段の検出する経過時間が、前記所定燃料ガス滞留時間期間外であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気することを特徴とする燃料電池システムである。
【００２１】
このような構成によれば、燃料電池の発電停止時（システム停止時）、封止弁制御手段が第１封止弁及び第２封止弁を閉じて酸化剤ガス流路を封止するので、外部から酸化剤ガス流路に空気が流入せず、ＯＨラジカルの発生を抑制できる。これにより、燃料電池の劣化を防止できる。
【００２２】
また、燃料電池の発電停止時、燃料ガス濃度上昇手段が酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させるので、カソード側の触媒上で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応が生成せず、当該反応によって燃料ガスが消費されず、燃料ガスが燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に長時間滞留し易くなると共に、酸化剤ガスによる酸化劣化を抑制できる。
【００２３】
さらに、燃料電池の発電停止後、温度検出手段の検出する燃料電池の温度が所定温度以下である場合、掃気手段が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気するので、燃料電池の凍結を防止できる。
【００２４】
このように掃気する場合において、経過時間検出手段の検出する経過時間が、酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される所定燃料ガス滞留時間期間内であるとき、掃気手段は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路、の順で掃気する。これにより、酸化剤ガス流路に燃料ガスが、燃料ガス流路に掃気ガス（空気等）が、滞留した状態にはならない。したがって、燃料電池の電極が反転状態（転極状態）にはならず、負電圧が発生することもない。よって、燃料電池の劣化を防止できる。
【００２５】
一方、経過時間検出手段の検出する経過時間が、酸化剤ガス流路に燃料ガスが滞留していると判断される所定燃料ガス滞留時間期間外であるとき、掃気手段は、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気する。
【００２６】
そうすると、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気する掃気中において、コンプレッサの回転速度が徐々に低くなり、その結果、コンプレッサの作動音も徐々に小さくなり、ユーザが違和感を受け難くなる。
また、コンプレッサの回転速度が徐々に低くなる構成とすれば、コンプレッサへの印加電圧も徐々に低くなる構成となり、ＩＲドロップによる電圧降下が発生しても、コンプレッサの電源がコンプレッサの必要作動電圧を下回る可能性が低くなる。
【００２７】
また、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、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、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オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた第１封止弁と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられた第２封止弁と、前記第１封止弁及び前記第２封止弁を制御する封止弁制御手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電停止後、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段と、前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止時、前記燃料ガス濃度上昇手段が前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させ、前記封止弁制御手段が前記第１封止弁及び前記第２封止弁を閉じて前記酸化剤ガス流路を封止する燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス流路における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を備え、前記掃気手段が掃気する場合において、前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、前記掃気手段は、前記酸化剤ガス流路、前記燃料ガス流路、の順で掃気し、前記燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、前記掃気手段は、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、の順で掃気することを特徴とする燃料電池システムである。
【００２８】
このような構成によれば、掃気手段が掃気する場合において、燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度よりも高いとき、掃気手段は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路、の順で掃気する。
一方、燃料ガス濃度検出手段の検出する燃料ガス濃度が、所定燃料ガス濃度以下であるとき、掃気手段は、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、の順で掃気する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池の劣化を防止しつつ良好に掃気する燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】電解質膜の含水率（％）と、水素透過量（Ｌ／ｓ）との関係を示すグラフである。
【図３】第１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４】第１実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図６】第２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７】第２実施形態に係る燃料電池システムの一動作例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】
【００３１】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
なお、図４〜図５では、ソーク開始後（システム待機中）、第１封止弁３２及び第２封止弁３３が継続して閉じた状態を記載しているが、燃料電池スタック１０の掃気時に適宜に開いた状態となる。後記する図７についても同様である。
【００３２】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１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、燃料電池スタック１０の掃気時に掃気ガスをアノード系に導入する掃気ガス導入系と、燃料電池スタック１０の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３３】
＜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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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とモータ５１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。
【００３７】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３８】
ここで、このような燃料電池スタック１０では、アノード流路１１の水素が、分子のまま、電解質膜を透過（クロスオーバー）し、カソード流路１２に流出するという特性を有している。すなわち、アノード流路１１における水素の分圧と、カソード流路１２における水素の分圧との差（水素分圧差）が大きくなるにつれて、アノード流路１１からカソード流路１２への水素の透過量（Ｌ／ｓ）が増加するという傾向を有している。
【００３９】
このような水素の透過量は、図２に示すように、電解質膜の含水率（％）が高くなるにつれて、増加する傾向を有している（図５参照）。なお、電解質膜の含水率（％）とは、電解質膜が含んでいる水分の割合（％）である。
【００４０】
電解質膜の含水率（％）は、プロトン（Ｈ＋）の輸送性を確保するため、通常、カソード流路１２に向かう空気を加湿するための後記する加湿器（図示しない）によって、目標含水率（％）に近づくように設計されているが、車外の温度・湿度、大気圧、カソードにおける水分の生成程度（燃料電池スタック１０の発電状況）に基づいて、多少変動する。
すなわち、電解質膜の含水率は、発電停止前の燃料電池スタック１０の発電状態及び空気供給量に大きく依存するものの、車外の温度が低く、湿度が高く、大気圧が高く、カソードにおける水分の生成量が多くなるにつれて、電解質膜の含水率（％）が高くなる傾向となる。なお、燃料電池スタック１０が高出力で発電していた場合、発電に伴う生成水が増加するので、電解質膜の含水率が増加する傾向となり、空気が大流量で供給されていた場合、電解質膜の乾燥が進むので、電解質膜の含水率が減少する傾向となる。
【００４１】
ここで、第１実施形態では、後記するように、燃料電池スタック１０の発電停止後、アノード流路１１を水素、カソード流路１２を空気で封止した場合において、アノード流路１１からカソード流路１２への水素の透過量（Ｌ／ｓ）は、電解質膜の含水量（％）が一定で、水素の分圧差のみに起因すると仮定した場合を例示し（図４参照）、このように仮定した場合において、事前試験等により求められた図４に示す第１所定時間期間に基づいて、カソード流路１２に水素が滞留するか否か判断する構成を例示する。
【００４２】
ただし、外気温度を検出する温度センサ、外気湿度を検出する湿度センサ、大気圧を検出する大気圧センサを備える構成とし、外気温度、外気湿度、大気圧や、停止前の発電状況に基づいて、電解質膜の含水率（％）を補正し、判断基準となる第１所定時間期間を可変（補正）する構成としてもよい（図５参照）。
つまり、例えば、（１）外気の温度が低く、湿度が高く、大気圧が高くにつれて、（２）発電停止直前の燃料電池スタック１０の出力が大きくなるにつれて、（３）発電停止直前の空気の供給量が少なくなるにつれて、電解質膜の含水率が高くなり、水素の透過量が増加するので、第１所定時間期間が短く、かつ、第１所定時間期間が燃料電池スタック１０の発電停止時に近づくようにシフトするように補正する構成としてもよい。
【００４３】
＜アノード系＞
図１に戻って説明を続ける。
アノード系は、水素タンク２１と、ノーマルクローズ型（常閉型）の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、ノーマルクローズ型のパージ弁２４と、ノーマルクローズ型の掃気ガス排出弁２５と、温度センサ２６（温度検出手段）と、を備えている。
【００４４】
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａ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、ＥＣＵ７０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。
【００４５】
ここで、アノード流路１１（燃料ガス流路）に向かう水素（燃料ガス）が通流する燃料ガス供給流路は、配管２１ａと、配管２２ａと、配管２３ａとを備えて構成されている。
【００４６】
アノード流路１１の出口は、配管２３ｂを介して、エゼクタ２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１１から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスが、エゼクタ２３に戻された後、アノード流路１１に再供給され、その結果、水素が循環するようになっている。なお、配管２３ｂには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器（図示しない）が設けられている。
【００４７】
配管２３ｂの途中は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、後記する希釈器３５に接続されている。パージ弁２４は、燃料電池スタック１０の発電時に、配管２３ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ７０によって定期的に開かれる。
【００４８】
また、配管２４ａの接続位置よりも上流側の配管２３ｂは、配管２５ａ、掃気ガス排出弁２５、配管２５ｂを介して、後記する配管３４ａに接続されている。掃気ガス排出弁２５は、燃料電池スタック１０の掃気時、詳細には、アノード流路１１の掃気時に、コンプレッサ３１が作動した状態で、ＥＣＵ７０により、後記する掃気ガス導入弁４１と共に開かれる設定となっている。
【００４９】
なお、燃料電池スタック１０の掃気時とは、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２６によって検出される燃料電池スタック１０の温度（システム温度）が所定温度（０℃、５℃等）以下であり、この後、燃料電池スタック１０内が凍結すると判断される時である。
【００５０】
ここで、アノード流路１１（燃料ガス流路）から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）が通流する燃料オフガス排出流路は、配管２３ｂと、配管２４ａと、配管２４ｂと、配管２５ａと、配管２５ｂとを備えて構成されている。
【００５１】
そして、アノード流路１１の上流には、遮断弁２２及び後記する掃気ガス導入弁４１が配置され、アノード流路１１の下流には、パージ弁２４、掃気ガス排出弁２５が配置されているが、いずれの弁もノーマルクローズ型であり、燃料電池スタック１０の発電停止中（システム停止中）、原則として、閉状態で維持され、アノード流路１１は封止された状態となる。したがって、車外の空気が、掃気ガス排出弁２５等を通って、アノード流路１１に流入することはない。
【００５２】
温度センサ２６は、配管２３ｂのアノード流路１１の出口寄りに取り付けられている。そして、温度センサ２６は、配管２３ｂ内の温度を燃料電池スタック１０の温度として検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、温度センサ２６の位置はこれに限定されず、例えば、後記する配管３３ａに取り付けてもよいし、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が通流する配管（図示しない）に取り付けてもよいし、燃料電池スタック１０自体に取り付けてもよい。また、外気温度センサの検出する外気温度に基づいて、燃料電池スタック１０の温度を推定する構成としてもよい。
【００５３】
＜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、ノーマルクローズ型（常閉型）の第１封止弁３２と、ノーマルクローズ型の第２封止弁３３と、ノーマルオープン型（常開型）の背圧弁３４と、希釈器３５と、水素センサ３６（燃料ガス濃度検出手段）と、を備えている。
【００５４】
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、第１封止弁３２、配管３２ａ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、ＥＣＵ７０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。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の掃気時、空気を掃気ガスとして吐出し、アノード流路１１又はカソード流路１２に供給し、掃気手段を構成している。
なお、コンプレッサ３１や、第１封止弁３２、第２封止弁３３、背圧弁３４、遮断弁２２、パージ弁２４、掃気ガス排出弁２５は、燃料電池スタック１０の発電中は燃料電池スタック１０を電源とし、燃料電池スタック１０の発電停止中は後記するバッテリ５５を電源としている。
【００５５】
ここで、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とを備えて構成されている。そして、この酸化剤ガス供給流路に、第１封止弁３２が設けられている。
【００５６】
第１封止弁３２は、ＥＣＵ７０によって制御されるノーマルクローズ型の電磁弁であり、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。
このような第１封止弁３２は、例えば、ソレノイドやステッピングモータ等で駆動するゲート弁、ボール弁や、ステッピングモータで駆動するバタフライ弁で構成される。また、ノーマルクローズ型に限定されず、ノーマルオープン型としてもよい。第２封止弁３３についても同様である。
【００５７】
カソード流路１２の出口は、配管３３ａ、第２封止弁３３、配管３３ｂ、背圧弁３４、配管３４ａを介して、希釈器３５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（酸化剤オフガス）は、配管３３ａ等を介して、希釈器３５に排出されるようになっている。
【００５８】
ここで、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）から排出されたカソードオフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路は、配管３３ａと、配管３３ｂと、配管３４ａと、後記する配管３５ａとを備えて構成されている。そして、この酸化剤オフガス排出流路に、第２封止弁３３が設けられている。
【００５９】
第２封止弁３３は、ＥＣＵ７０によって制御されるノーマルクローズ型の電磁弁であり、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。
【００６０】
背圧弁３４は、バタフライ弁等から構成されたノーマルオープン型の弁であって、その開度は、アクセル開度等の発電要求量に対応して、ＥＣＵ７０により制御される。
【００６１】
希釈器３５は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３５ａを介して、車外に排出されるようになっている。
【００６２】
水素センサ３６は、例えば接触燃焼式で水素濃度（燃料ガス濃度）を検出するセンサであり、配管３３ａに取り付けられている。そして、水素センサ３６は、配管３３ａ内の水素濃度をカソード流路１２における水素濃度として検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
なお、図１に示すように、水素センサ３６は、第１封止弁３２と第２封止弁３３との間に配置されているので、第１封止弁３２及び第２封止弁３３が閉じカソード流路１２の封止中も、カソード流路１２における水素濃度を検出可能となっている。ただし、水素センサ３６の位置はこれに限定されず、例えば、カソード流路１２に直接取り付ける構成や、配管３２ａに取り付ける構成としてもよい。
【００６３】
また、配管３２ａと配管３３ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、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。
【００６４】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、ノーマルクローズ型の掃気ガス導入弁４１を備えている。掃気ガス導入弁４１の上流は配管４１ａを介して配管３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁４１の下流は配管４１ｂを介して配管２３ａに接続されている。そして、アノード流路１１の掃気時に、コンプレッサ３１が作動した状態で、ＥＣＵ７０によって掃気ガス導入弁４１が開かれると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、アノード流路１１に導入されるようになっている。
【００６５】
＜電力制御系＞
電力制御系は、モータ５１と、ＰＤＵ５２（Power Drive Unit）と、電力制御器５３と、コンタクタ５４と、バッテリ５５（蓄電装置）と、を備えている。モータ５１は、ＰＤＵ５２、電力制御器５３、コンタクタ５４を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。バッテリ５５は、電力制御器５３に接続されている。
【００６６】
モータ５１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。
ＰＤＵ５２は、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０及び／又はバッテリ５５からの直流電力を、三相交流電力に変換して、モータ５１に出力するインバータである。
【００６７】
電力制御器５３は、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０の発電と、バッテリ５５の充放電とを制御するものである。このような電力制御器５３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。
コンタクタ５４は、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０とモータ５１等の外部回路とを電気的にＯＮ（接続）／ＯＦＦ（切断）するスイッチである。
【００６８】
バッテリ５５は、電力を充電／放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。
【００６９】
＜ＩＧ＞
ＩＧ６１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、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００７０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（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、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
【００７１】
＜ＥＣＵ−封止弁制御機能＞
ＥＣＵ７０（封止弁制御手段）は、第１封止弁３２及び第２封止弁３３を開閉制御する機能を備えている。
【００７２】
＜ＥＣＵ−掃気要否判定機能＞
ＥＣＵ７０は、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、燃料電池スタック１０を掃気する必要があるか否か判定する機能を備えている。
ここでは、温度センサ２６を介して検出される燃料電池スタック１０の温度が、所定温度以下である場合、掃気する必要があると判定される。所定温度は、そのまま放置するとその後に燃料電池スタック１０が凍結する虞があると判断される温度であり、事前試験等によって求められ、例えば、０℃、５℃に設定される。
【００７３】
＜ＥＣＵ−経過時間検出機能＞
ＥＣＵ７０（経過時間検出手段）は、燃料電池スタック１０の発電停止から現在までの経過時間を、内蔵するクロックを利用して検出する機能を備えている。この場合において、経過時間の起点は、（１）ＩＧ６１のＯＦＦ時、（２）コンタクタ５４のＯＦＦ時、（３）遮断弁２２の閉弁等の処理後のソーク開始時、（４）カソード流路１２の封止開始時（第１封止弁３２及び第２封止弁３３の閉弁時）、等に適宜に変更してよい。
【００７４】
＜ＥＣＵ−掃気順序決定機能＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０を掃気する場合、アノード流路１１、カソード流路１２の掃気の順序を決定する機能を備えている。
具体的には、（１）電解質膜を透過した水素がカソード流路１２に滞留していると判断される場合、転極状態とならないように、カソード流路１２、アノード流路１１の順で掃気すると決定する。一方、（２）カソード流路１２に滞留していないと判断される場合、アノード流路１１、カソード流路１２の順で掃気すると決定する。
【００７５】
さらに具体的には、（１）燃料電池スタック１０の発電停止から現在（掃気必要と判断した時）までの経過時間が、第１所定時間期間内であるとき、カソード流路１２、アノード流路１１の順で掃気すると決定する。一方、（２）燃料電池スタック１０の発電停止から現在（掃気必要と判断した時）までの経過時間が、第１所定時間期間外であるとき、アノード流路１１、カソード流路１２の順で掃気すると決定する。
【００７６】
第１所定時間期間は、アノード流路１１から電解質膜を透過してカソード流路１２に透過した水素が、カソード流路１２に滞留していると判断される期間であり、事前試験、シミュレーションによって求められる（図４参照）。
【００７７】
＜ＥＣＵ−掃気実行機能＞
ＥＣＵ７０は、決定した掃気の順序に従って、アノード流路１１の掃気（アノード掃気）、カソード流路１２の掃気（カソード掃気）を実行する機能を備えている。この場合において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１の他、第１封止弁３２、第２封止弁３３、掃気ガス導入弁４１、掃気ガス排出弁２５を適宜に制御する。
なお、アノード流路１１は、カソード流路１２よりも細く、掃気し難いので、ＥＣＵ７０は、アノード掃気を実行する場合、コンプレッサ３１の回転速度を高めて掃気ガスの流量を増加させる設定となっている。
【００７８】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図３を参照して、燃料電池システム１の動作を説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＦＦされると、そのＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ７０は、図３の一連の処理を開始する。また、初期状態において、燃料電池スタック１０には水素、空気が供給されており、アクセル（図示しない）から入力されたアクセル開度に対応して電力制御器５３が制御され、燃料電池スタック１０は発電している。
【００７９】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、コンタクタ５４をＯＦＦする。これにより、燃料電池スタック１０と外部回路とが電気的に遮断され、燃料電池スタック１０の発電が停止する。
また、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じる。これにより、水素タンク２１の水素が無駄に供給されることはない。ここで、パージ弁２４、掃気ガス排出弁２５及び掃気ガス導入弁４１はノーマルクローズ型であり閉じているので、アノード流路１１は車外から封止（封鎖）された状態となる。よって、アノード流路１１の水素が車外に大量に漏洩せず、また、車外の空気がアノード流路１１に流入することもない。
【００８０】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３２及び第２封止弁３３を閉じる。これにより、カソード流路１２は車外から封止（封鎖）され、車外の空気がカソード流路１２に流入せず、燃料電池スタック１０の劣化が防止される。
また、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を停止（ＯＦＦ）する。これにより、コンプレッサ３１において無駄に電力消費されることはない。
【００８１】
そうすると、アノード流路１１に主に水素が滞留し、カソード流路１２に主に空気が滞留した状態となる。よって、アノード流路１１における水素の分圧は、カソード流路１２における水素の分圧よりも高い。
【００８２】
そして、このような状態で時間が経過すると、前記したように、アノード流路１１における水素の分圧と、カソード流路１２における水素の分圧との差（水素分圧差）に基づいて、アノード流路１１の水素がＭＥＡ（電解質膜）を透過しカソード流路１２に流出、つまり、アノード流路１１の水素がカソード流路１２にクロスオーバーする。
【００８３】
このように水素が透過・流出する場合において、その初期段階では、カソード流路１２に流出した水素がカソードの触媒表面に残留している酸素と反応し水を生成するので、アノード流路１１の水素濃度が減少するものの、カソード流路１２の水素濃度は所定の初期期間上昇せず、その初期期間の経過後に上昇する（図４参照）。
なお、電解質膜の含水率が高くなると、水素の透過量が増加する傾向となるが（図２参照）、ここでは、電解質膜の含水率及び水素の透過量が一定である場合を例示する。
【００８４】
そして、アノード流路１１における水素の分圧と、カソード流路１２における水素の分圧が等しくなると、水素の透過量が略０となる。
【００８５】
その後、アノード流路１１の水素は、掃気ガス排出弁２５等に内蔵されるシール（Ｏリング）の極小隙間や、燃料電池スタック１０に内蔵されるシールの極小隙間を通って、極小流量で車外に流出し、アノード流路１１の水素濃度が徐々に低下する（図４参照）。一方、カソード流路１２の水素は、第１封止弁３２や第２封止弁３３に内蔵されるシール（Ｏリング）の極小隙間や、燃料電池スタック１０に内蔵されるシールの極小隙間を通って、極小流量で車外に流出し、カソード流路１２の水素濃度が徐々に低下する（図４参照）。
【００８６】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気が必要であるか否か判定する。具体的には、温度センサ２６を介して検出される燃料電池スタック１０の温度が、掃気するべきと判断される所定温度（０℃、５℃等）以下である場合、掃気が必要であると判定する。
【００８７】
燃料電池スタック１０の掃気は必要であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、燃料電池スタック１０の掃気が必要でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。
【００８８】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３でＮｏと判定してから所定時間（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（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０４の判定を繰り返す。
これにより、所定時間の経過毎（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３の判定が繰り返されるので、燃料電池スタック１０の凍結が防止される。
【００８９】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電停止からの経過時間が第１所定時間期間内であるか否か判定する。なお、ここでは、図４に示すように、経過時間の起点は、コンタクタ５４のＯＦＦ等の発電停止処理の完了後のソーク開始時とする。
【００９０】
経過時間が第１所定時間期間内であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、カソード流路１２に水素が滞留していると判断し（図４参照）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。
一方、経過時間が第１所定時間期間外であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、カソード流路１２に水素が滞留していないと判断し（図４参照）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０８に進む。
【００９１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、カソード掃気（カソード流路１２の掃気）を実行する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３２及び第２封止弁３３を開き、コンプレッサ３１を作動させる。なお、背圧弁３４は全開とすることが好ましい。
そうすると、コンプレッサ３１の吐出する空気は掃気ガスとしてカソード流路１２に供給され、この掃気ガスがカソード流路１２に滞留する水素及び水分（水蒸気、結露水）を車外に押し出し、カソード流路１２が掃気される。
【００９２】
このようなカソード掃気は、例えば、事前試験等により求められた所定のカソード掃気時間にて実行される。
そして、ＥＣＵ７０は、このカソード掃気時間が経過した場合、カソード掃気は完了したと判断し、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。なお、第１封止弁３２及び第２封止弁３３は開いたままとする。
【００９３】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、アノード掃気（アノード流路１１の掃気）を実行する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させたまま、掃気ガス導入弁４１及び掃気ガス排出弁２５を開く。なお、パージ弁２４も開く構成としてもよい。
そうすると、コンプレッサ３１の吐出する掃気ガスは、掃気ガス導入弁４１を通って、アノード流路１１に供給され、この掃気ガスがアノード流路１１に滞留する水素及び水分（水蒸気、結露水）を車外に押し出し、アノード流路１１が掃気される。
【００９４】
この場合において、アノード流路１１を含むアノード系の流路は、その流路断面積がカソード系よりも小さく、また、配管２３ｂからなる水素循環ラインを備え、掃気されにくい構成であるので、掃気ガスの流量を高めるためにコンプレッサ３１の回転速度は、カソード掃気（Ｓ１０６）よりも高く設定される。
【００９５】
また、第１封止弁３２及び第２封止弁３３が開いたままであるので、掃気ガスのアノード流路１１／カソード流路１２への分配比は、背圧弁３４の開度によっても制御される。つまり、背圧弁３４の開度が小さくなると、アノード流路１１への掃気ガスの流量が増加する。
さらに、アノード掃気の実行中、コンプレッサ３１からの掃気ガスの一部は、カソード流路１２、配管３３ａ、配管３３ｂ、配管３４ａ、配管３５ａを通って車外に排出される。したがって、掃気ガスによってアノード流路１１から希釈されつつ押し出された水素は、配管３４ａ等を通流する掃気ガス（カソードオフガス）によっても希釈されるので、高濃度の水素が車外に排出されることはない。
【００９６】
このようなアノード掃気は、例えば、事前試験等により求められた所定のアノード掃気時間にて実行される。
そして、ＥＣＵ７０は、このアノード掃気時間が経過した場合、アノード掃気は完了したと判断し、コンプレッサ３１を停止し、掃気ガス導入弁４１及び掃気ガス排出弁２５を閉じる。なお、ここでは、第１封止弁３２及び第２封止弁３３は開いたままとする構成を例示するが、閉じる構成としてもよい。
【００９７】
このように、第１封止弁３２及び第２封止弁３３は開いたままであるので、その後、車外の空気がカソード流路１２に流入するが、カソード掃気後であるので、カソード流路１２に水素は滞留しておらず、燃料電池スタック１０（カソード）が劣化することはない。
なお、車外の空気がカソード流路１２に流入した場合において、カソード流路１２に水素が滞留していると、流入した空気の酸素と水素がカソードの触媒上で反応し、カソード（触媒）が劣化してしまう。
【００９８】
その後、ＥＣＵ７０の処理はＥＮＤに進み、燃料電池システム１は停止中となる。
【００９９】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０７と同様に、前記したアノード掃気時間にてアノード掃気を実行する。
この場合において、第１所定時間期間前であるとき、アノード流路１１に多量の水素が滞留しており、高濃度の水素が押し出されると考えられるので（図４参照）、第１封止弁３２及び第２封止弁３３を開き、掃気ガスの一部をカソード流路１２側に供給し、カソード流路１２から排出され配管３４ａ等を通流する掃気ガス（カソードオフガス）によって、アノード流路１１からの水素を希釈する。
【０１００】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０８と同様に、前記したカソード掃気時間にてカソード掃気を実行する。
【０１０１】
そして、カソード掃気の完了後、ＥＣＵ７０の処理はＥＮＤに進み、燃料電池システム１は停止中となる。
【０１０２】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば次の効果を得る。
燃料電池スタック１０を掃気する場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、発電停止（ソーク開始）からの経過時間が第１所定時間期間内であるとき（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、カソード流路１２に水素が滞留していると判断し、カソード掃気（Ｓ１０６）、アノード掃気（Ｓ１０７）の順に実行するので、燃料電池スタック１０を転極状態（負電圧状態）とせずに、燃料電池スタック１０を掃気できる。つまり、転極状態（負電圧状態）によって燃料電池スタック１０が劣化することはない。
【０１０３】
一方、燃料電池スタック１０を掃気する場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、発電停止（ソーク開始）からの経過時間が第１所定時間期間外であるとき（Ｓ１０５・Ｎｏ）、カソード流路１２に水素が滞留していないと判断し、アノード掃気（Ｓ１０８）、カソード掃気（Ｓ１０９）の順に実行することより、燃料電池スタック１０を掃気できる。
この場合において、アノード掃気（Ｓ１０８）からカソード掃気（Ｓ１０９）に移行する際、コンプレッサ３１の回転速度が低くなり、作動音が小さくなるので、回転速度が高くなり作動音が大きくなる構成に対して、燃料電池システム１の周囲のユーザが違和感を受け難くなる。
【０１０４】
また、コンプレッサ３１の作動電圧が高く消費電力の大きいアノード掃気を、カソード掃気よりも先に実行するので、アノード掃気の実行によりバッテリ５５の電圧が低下しても、カソード掃気を実行でき、一連の掃気処理が途中で中断され難くなる。
【０１０５】
≪第１実施形態−変形例≫
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、例えば、次のように変更できる。また、後記する実施形態の構成と適宜に組み合わせてもよい。
【０１０６】
前記した実施形態では、コンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとして燃料電池スタック１０を掃気する構成を例示したが、その他に例えば、窒素（不活性ガス）の充填された窒素タンク（不活性ガスタンク）を備え、窒素を掃気ガスとして燃料電池スタック１０を掃気する構成としてもよい。
【０１０７】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の発電停止からの経過時間と、第１所定時間期間とに基づいて、カソード流路１２に水素が滞留しているか否か判定する構成としたが、その他に例えば、水素センサ３６の検出する水素濃度に基づいて、カソード流路１２に水素が滞留しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１０８】
すなわち、水素センサ３６の検出する水素濃度が、所定水素濃度（所定燃料ガス濃度）よりも高いとき、カソード流路１２に水素が滞留していると判定し、カソード流路１２、アノード流路１１、の順で掃気し、一方、水素濃度が、所定水素濃度以下であるとき、カソード流路１２に水素が滞留していないと判定し、アノード流路１１、カソード流路１２、の順で掃気する構成としてもよい。
なお、所定水素濃度は、カソード流路１２に水素が滞留し、仮に、アノード流路１１、カソード流路１２、の順で掃気した場合、燃料電池スタック１０の電極が反転状態（転極状態）になると判断される濃度に設定される。
また、この構成は、後記する第２実施形態に適用してもよい。
【０１０９】
その他、アノード流路１１及び／又はカソード流路１２の水素を排出する掃気以外の処理（例えば、燃料電池スタック１０の発電継続による水素消費処理）の有無に基づいて、カソード流路１２に水素が滞留しているか否か判定する構成としてもよい。
【０１１０】
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、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。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。
【０１１１】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図６〜図７を参照して説明する。
なお、第１実施形態とは、ＥＣＵ７０に設定されたプログラムが異なり、その動作が一部異なる。
【０１１２】
≪燃料電池システムの動作≫
第２実施形態では、ＩＧ６１がＯＦＦされると、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０１に進み、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じる。ここで、パージ弁２４、掃気ガス排出弁２５及び掃気ガス導入弁４１は閉じているので、アノード流路１１は封止された状態となる。
なお、ここでは、遮断弁２２を閉じ、後記するようにアノード流路１１等に残留する水素で燃料電池スタック１０をディスチャージする構成を例示するが、残留する水素が少なく良好にディスチャージできないと判断される場合、遮断弁２２を開いたままとし、ディスチャージ後に閉じる構成としてもよい。
【０１１３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３２及び第２封止弁３３を閉じ、コンプレッサ３１をＯＦＦする。これにより、カソード流路１２は封止された状態となる。
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０２に進む。
【０１１４】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０をティスチャージ（放電）させ、カソード流路１２を水素に置換する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、アノード流路１１及びカソード流路１２が封止した状態、コンタクタ５４がＯＮの状態で、電力制御器５３を制御し、燃料電池スタック１０を発電させる。なお、燃料電池スタック１０の発電電力は、例えば、バッテリ５５に充電する。その他、図示しないディスチャージ用抵抗器を設けて、このディスチャージ用抵抗器に通電し、発電電力を熱に変換する構成としてもよい。
【０１１５】
そうすると、この発電に伴って、アノード流路１１に残留する水素が消費され、カソード流路１２に残留する空気（酸素）が消費される。
【０１１６】
ここで、アノード系においてアノード流路１１を含み封止されている空間、つまり、遮断弁２２、掃気ガス導入弁４１、パージ弁２４及び掃気ガス排出弁２５で閉じられた空間（アノード封止空間）の体積Ｖ１は、カソード系においてカソード流路１２を含み封止されている空間、つまり、第１封止弁３２及び第２封止弁３３で閉じられた空間（カソード封止空間）の体積Ｖ２よりも大きい（Ｖ１＞Ｖ２）。
これにより、燃料電池スタック１０の発電（ディスチャージ）が進むと、前記カソード封止空間の酸素は、前記アノード封止空間の水素よりも先に無くなってしまう。
【０１１７】
そして、このようにカソード封止空間（カソード流路１２）において酸素が存在しない状態で、さらに燃料電池スタック１０の発電（ディスチャージ）が進むと、カソードの触媒上で、式（３）の反応が起こり、カソード流路１２における水素濃度が上昇する（図７参照）。
【０１１８】
４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２  …（３）
【０１１９】
したがって、第２実施形態において、カソード流路１２における水素濃度を上昇させる水素濃度上昇手段（燃料ガス濃度上昇手段）は、水素タンク２１と、電力制御器５３と、バッテリ５５と、ＥＣＵ７０とを備えて構成されている。
ただし、この他に例えば、配管２３ａと配管３２ａとを配管（図示しない）で接続すると共に、この配管にノーマルクローズ型の電磁弁を設け、カソード流路１２における水素濃度を上昇させる場合、前記電磁弁を開き、カソード流路１２に水素を直接導入する構成としてもよい。
【０１２０】
このようなディスチャージ（水素濃度上昇処理）は、例えば、事前試験等により求められた所定のディスチャージ時間にて実行される。
【０１２１】
そして、ＥＣＵ７０は、このディスチャージ時間が経過した場合、ディスチャージは完了した、つまり、カソード流路１２における水素濃度は所定濃度に上昇し、水素への置換は完了したと判断する。次いで、ＥＣＵ７０は、電力制御器５３を制御し、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
【０１２２】
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、コンタクタ５４をＯＦＦする。
【０１２３】
そうすると、アノード流路１１及びカソード流路１２に主に水素が滞留した状態となる。よって、第１実施形態のように、水素分圧差に基づいて、アノード流路１１の水素がカソード流路１２に透過・流出せず、カソードの触媒上で水素が消費されることはない。
その代わりに、アノード流路１１、カソード流路１２の水素は、掃気ガス排出弁２５に内蔵されるシール（Ｏリング）の極小隙間や、燃料電池スタック１０に内蔵されるシールの極小隙間を通って、極小流量で車外に流出ことになる。ゆえに、カソード流路１２に水素が滞留する時間は、第１実施形態よりも長くなる。
【０１２４】
そして、第２実施形態では、燃料電池スタック１０の発電停止からの経過時間が第２所定時間期間（所定燃料ガス滞留時間期間）内である場合、カソード流路１２に水素が滞留していると判断する。なお、第２所定時間期間は、事前試験等によって求められる。また、大気圧が低くなると、カソード流路１２の水素が車外に流出し易くなるので、大気圧に基づいて、第２所定時間期間を可変（補正）する構成としてもよい。
【０１２５】
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進み、ステップＳ１０３において掃気は必要であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０４に進む。
【０１２６】
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電停止からの経過時間が第２所定時間期間内であるか否か判定する。なお、ここでは、図７に示すように、経過時間の起点は、ディスチャージ等の発電停止処理の完了後のソーク開始時とする。
【０１２７】
経過時間が第２所定時間期間内であると判定した場合（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、カソード流路１２に水素が滞留していると判断し（図７参照）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０６に進む。そして、ＥＣＵ７０は、カソード掃気（Ｓ１０６）、アノード掃気（Ｓ１０７）の順で実行する。
【０１２８】
一方、経過時間が第２所定時間期間外であると判定した場合（Ｓ２０４・Ｎｏ）、カソード流路１２に水素が滞留していないと判断し（図７参照）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０８に進む。そして、ＥＣＵ７０は、アノード掃気（Ｓ１０８）、カソード掃気（Ｓ１０９）の順で実行する。
【０１２９】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば次の効果を得る。
ディスチャージ（Ｓ２０２）により、カソード流路１２の水素濃度が上昇し、水素に置換されるので、ディスチャージ完了後において、アノード流路１１とカソード流路１２との間における水素分圧差が小さくなり、水素がアノード流路１１からカソード流路１２に透過しない。また、カソード流路１２に酸素が滞留していないので、水素と酸素とがカソードの触媒で反応することもない。
【０１３０】
燃料電池スタック１０を掃気する場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、発電停止（ソーク開始）からの経過時間が第２所定時間期間内であるとき（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、カソード流路１２に水素が滞留していると判断し、カソード掃気（Ｓ１０６）、アノード掃気（Ｓ１０７）の順に実行するので、燃料電池スタック１０を転極状態（負電圧状態）とせずに、燃料電池スタック１０を掃気できる。つまり、転極状態（負電圧状態）によって燃料電池スタック１０が劣化することはない。
【０１３１】
一方、燃料電池スタック１０を掃気する場合において（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、発電停止（ソーク開始）からの経過時間が第２所定時間期間外であるとき（Ｓ２０４・Ｎｏ）、カソード流路１２に水素が滞留していないと判断し、アノード掃気（Ｓ１０８）、カソード掃気（Ｓ１０９）の順に実行することより、燃料電池スタック１０を掃気できる。
この場合において、アノード掃気（Ｓ１０８）からカソード掃気（Ｓ１０９）に移行する際、コンプレッサ３１の回転速度が低くなり、作動音が小さくなるので、回転速度が高くなり作動音が大きくなる構成に対して、燃料電池システム１の周囲のユーザが違和感を受け難くなる。
【符号の説明】
【０１３２】
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）
２１    水素タンク（燃料ガス濃度上昇手段）
２１ａ、２２ａ、２３ａ  配管（燃料ガス供給流路）
２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ  配管（燃料オフガス排出流路）
２５    掃気ガス排出弁（掃気手段）
２６    温度センサ（温度検出手段）
３１    コンプレッサ（掃気手段）
３１ａ、３２ａ  配管（酸化剤ガス供給流路）
３２    第１封止弁
３３    第２封止弁
３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３５ａ  配管（酸化剤オフガス排出流路）
３６    水素センサ（燃料ガス濃度検出手段）
４１    掃気ガス導入弁（掃気手段）
５３    電力制御器（燃料ガス濃度上昇手段）
５５    バッテリ（燃料ガス濃度上昇手段）
７０    ＥＣＵ（封止弁制御手段、掃気手段、経過時間検出手段、燃料ガス濃度上昇手段）
【図１】
0005647079.tif 000002
【図２】
0005647079.tif 000003
【図３】
0005647079.tif 000004
【図４】
0005647079.tif 000005
【図５】
0005647079.tif 000006
【図６】
0005647079.tif 000007
【図７】
0005647079.tif 000008