(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池内での生成水の残留を抑制して、発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図るとともに、消費電力の低下を図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１の運転時に、セル電圧に基づいて燃料電池１の不安定状態を検知する不安定状態把握手段５１と、燃料電池１の停止時にカソードガスを循環させることによりカソードに残留する酸素で発電を継続させて酸素濃度を低下させる酸素欠乏発電を行うカソードガス循環処理手段５２と、不安定状態把握手段５１により燃料電池１が不安定と判断されたときに、掃気処理が必要と判断する掃気要否判断手段５３と、を備え、掃気要否判断手段５３により掃気処理が必要と判断された場合には、燃料電池１の停止時に掃気処理を行い、掃気要否判断手段５３により掃気処理が不要と判断された場合には、燃料電池１の停止時にカソードガス循環処理手段５２により酸素欠乏発電を行い停止する。【選択図】図１
2014035821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をするセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池の運転時に、セル電圧に基づいて前記燃料電池の不安定状態を検知する不安定状態把握手段と、
前記カソードに残留する酸化剤により発電を継続させて酸化剤濃度を低下させる酸素欠乏発電を行う酸素欠乏発電処理手段と、
前記不安定状態把握手段により前記燃料電池が不安定と判断されたときに、掃気処理が必要と判断する掃気要否判断手段と、を備え、
前記掃気要否判断手段により掃気処理が必要と判断された場合には、前記燃料電池の停止後に掃気処理を行い、
前記掃気要否判断手段により掃気処理が不要と判断された場合には、前記燃料電池の停止後に酸素欠乏発電を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記掃気要否判断手段により掃気処理が必要と判断された場合には、掃気処理の実行後に酸素欠乏発電を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記セルが積層されて構成され、
前記不安定状態把握手段は、前記燃料電池の各セルのうち、最低セル電圧が所定値以下の場合に、前記燃料電池が不安定状態であると判断することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記不安定状態把握手段は、セル不安定判断電圧閾値以下の前記セル電圧を所定回数以上検知した場合に、前記燃料電池が不安定状態であると検知することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンスに基づいて、掃気処理の総掃気ガス量を可変させる掃気ガス量可変手段と、を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
掃気ガスとして燃料を、脈動をつけつつ前記アノードに供給するアノード掃気手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸素欠乏発電処理手段は、前記カソードから排出された酸化剤を、酸化剤循環路を介して前記カソードの入口側に戻してカソードガス循環発電を行うカソードガス循環処理手段であることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸素欠乏発電後に前記アノード内に燃料を封入する燃料封入手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）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枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水（生成水）が生成される。
【０００３】
ところで、アノードガス及びカソードガスの流路（以下、まとめて反応ガス流路という。）に大量の生成水が残存したり、残存した生成水が凍結したりした場合には、単位セルへのアノードガス及びカソードガスの供給が妨げられ、次回起動時における発電安定性の低下や、燃料電池の劣化等の原因になる。そこで、例えば特許文献１には、低温時において、反応ガス流路に掃気ガス（例えば、空気）を供給して反応ガス流路内の水分を排出する、いわゆる掃気処理を行う構成が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１では、掃気処理を行っているため、次回起動時には、アノード側及びカソード側がそれぞれ空気で満たされた状態から起動させる必要がある（いわゆる、エア−エア起動）。
【０００５】
ここで、エア−エア起動時について説明する。図４は、燃料電池システムのエアーエア起動時におけるアノード及びカソードの各系内の入口側及び出口側の電位の変化の例を示す図である。
図４に示すように、エア−エア起動時にアノードにアノードガスとして水素が供給されると、アノードのうち、入口側は速やかに水素で満たされるものの、出口側は入口側に比べて水素に置換されるまでの時間が長い。そのため、アノード側では、単位セル面内の入口側から出口側に向かうに従い水素濃度が低くなる濃度勾配ができる。
【０００６】
この場合、アノードの入口側では、水素のイオン化によってアノード電位（入口側）がゼロに低下する。そして、カソードの入口側では、電解質膜を介してアノードからカソードへと移動した水素イオンと、カソードの系内に存在する酸素と、電子と、による電気化学反応の理論起電力（＝１．２３Ｖ）によってカソード電位（入口側）がほぼ１Ｖに維持される。
そのため、アノードの入口側とカソードの入口側との電位差は、ほぼ１Ｖになる。
一方、アノードの出口側に空気が残留している場合（水素による置換が未完了である場合）、アノード側とカソード側とがそれぞれ空気で満たされた状態になるため、アノード電位とカソード電位との電位差が０Ｖになるはずである。
ところが、燃料電池では、導電性部材（例えば、セパレータ等）の影響により単位セル面内で電位差（例えば、１Ｖ）が等しくなるように作用するため、カソード電位（出口側）が入口側に比べて高電位（例えば、２Ｖ）になる。
【０００７】
そして、単位セルの出口側が高電位になると、触媒（例えば、白金担持カーボン等）のカーボンが酸化してＣＯ２に変換されたり、白金が溶出したりする等、電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。
【０００８】
そのため、近時では、燃料電池の発電を停止する際に、燃料電池のカソード系内に残存する酸素を消費して酸素濃度を低下させ窒素リッチな雰囲気にするための発電、いわゆる酸素欠乏発電を行い、次回起動時にカソード側が高電位状態となるのを防止している。
例えば、特許文献２には、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを再びカソードへ循環させて発電を行う、いわゆるカソードガス循環発電を行ってカソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池の発電を停止する技術が記載されている。この場合、カソードガス循環発電によって酸素欠乏発電を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２５１５７６号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２の構成のように、掃気処理を行わず、カソードガス循環発電のような酸素欠乏発電を行うだけでは、反応ガス流路内に残留する生成水を排出することはできず、上述したように次回起動時における発電安定性の低下や、燃料電池の劣化の原因になる。
これに対して、燃料電池システムの運転停止後に上述した掃気処理を毎回行い、その後カソードガス循環発電を行うことも考えられるが、消費電力や商品性の観点から好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、燃料電池内での生成水の残留を抑制して、発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図るとともに、消費電力の低下や、商品性の向上を図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】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をするセルを有する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池の運転時に、セル電圧（例えば、実施形態におけるセル電圧ＶＣ）に基づいて前記燃料電池の不安定状態を検知する不安定状態把握手段（例えば、実施形態における不安定状態把握手段５１）と、前記カソードに残留する酸化剤により発電を継続させて酸化剤濃度を低下させる酸素欠乏発電を行う酸素欠乏発電処理手段（例えば、実施形態におけるカソードガス循環処理手段５２）と、前記不安定状態把握手段により前記燃料電池が不安定と判断されたときに、掃気処理が必要と判断する掃気要否判断手段（例えば、実施形態における掃気要否判断手段５３）と、を備え、前記掃気要否判断手段により掃気処理が必要と判断された場合には、前記燃料電池の停止後に掃気処理を行い、前記掃気要否判断手段により掃気処理が不要と判断された場合には、前記燃料電池の停止後に酸素欠乏発電を行うことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載した発明では、前記掃気要否判断手段により掃気処理が必要と判断された場合には、掃気処理の実行後に酸素欠乏発電を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載した発明では、前記燃料電池は、前記セルが積層されて構成され、前記不安定状態把握手段は、前記燃料電池の各セルのうち、最低セル電圧（例えば、実施形態における最低セル電圧ＶＣｍｉｎ）が所定値（例えば、実施形態における起動時閾値Ｖ１や発電時閾値Ｖ２）以下の場合に、前記燃料電池が不安定状態であると判断することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載した発明では、前記不安定状態把握手段は、セル不安定判断電圧閾値（例えば、実施形態における起動時閾値Ｖ１や発電時閾値Ｖ２）以下の前記セル電圧を所定回数（例えば、実施形態における所定回数ｎ１）以上検知した場合に、前記燃料電池が不安定状態であると検知することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載した発明では、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンスに基づいて、掃気処理の総掃気ガス量を可変させる掃気ガス量可変手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載した発明では、掃気ガスとして燃料を、脈動をつけつつ前記アノードに供給するアノード掃気手段（例えば、実施形態における燃料インジェクタ４５）を備えていることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載した発明では、前記酸素欠乏発電処理手段は、前記カソードから排出された酸化剤を、酸化剤循環路（例えば、実施形態におけるカソードガス循環流路６５）を介して前記カソードの入口側に戻してカソードガス循環発電を行うカソードガス循環処理手段であることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載した発明では、前記カソードガス循環発電後に前記アノード内に燃料を封入する燃料封入手段（例えば、実施形態における燃料インジェクタ４５）を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載した発明によれば、燃料電池が不安定状態にある場合にのみ掃気処理を行うため、掃気回数を最低限に抑えることが可能になる。これにより、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図った上で、従来のように燃料電池システムが停止するたびに掃気処理を行う構成に比べて、消費電力の低下及び商品性の向上を図ることができる。
一方、掃気処理が不要と判断された場合には、燃料電池システムの停止後、カソードに残留する酸化剤により酸素欠乏発電を行っているため、カソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池の発電を停止させることができる。そのため、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００２１】
請求項２に記載した発明によれば、掃気処理を行った場合に、掃気処理の終了後に酸素欠乏発電を行っているため、掃気処理によりカソード系内に酸化剤が導入された場合であっても、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池２の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００２２】
請求項３に記載した発明によれば、最低セル電圧が所定値以下の場合に、燃料電池が不安定状態であると判断することで、燃料電池の掃気処理の要否を簡便な方法で判断できる。
【００２３】
請求項４に記載した発明によれば、セル不安定判断電圧閾値以下のセル電圧を所定回数以上検知した場合に、燃料電池が不安定状態であると検知することで、燃料電池の掃気処理の要否を簡便、かつ確実に判断できる。
【００２４】
請求項５に記載した発明によれば、燃料電池内に残存する生成水の量に応じて必要量のみ掃気ガスが供給されるので、燃料電池内を確実、かつ適切な時間で無駄なく掃気でき、処理時間の短縮やＮＶ性能の向上、補機消費電力の低減を図り、商品性を向上させることができる。
【００２５】
請求項６に記載した発明によれば、燃料を定常で供給する場合に比べて、アノード内に滞留する生成水の排水性を向上できる。また、掃気ガスとして酸化剤をアノード側に導入するための掃気系（掃気流路や掃気弁）を設ける必要がないので、燃料電池システムの簡素化を図ることができる。
【００２６】
請求項７に記載した発明によれば、カソードガス循環発電を行うことで、カソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池の発電を停止させることができる。そのため、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００２７】
請求項８に記載した発明によれば、酸素欠乏発電の終了後にアノードガスを供給することで、燃料電池システムの停止処理後にアノード側が燃料で満たされることになる。そのため、仮にカソード側からアノード側へ酸化剤や窒素ガスがクロスオーバーしたとしても、次回起動時までアノード側での燃料濃度を十分に確保できるので、次回起動時にカソード側が高電位になるのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の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】燃料電池システムの動作方法のうち、掃気要否判断方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】燃料電池システムの動作方法のうち、システムスイッチのＯＦＦ操作後におけるＲＴＣ制御を説明するためのフローチャートである。
【図４】燃料電池システムのエアーエア起動時におけるアノード及びカソードの各系内の入口側及び出口側の電位の変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（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、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤）である空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガス（燃料）である水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、これら各構成品を統括的に制御するＩＳＵ５と、を主に備えている。
【００３０】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。
【００３１】
燃料電池２には、単位セルのセル電圧ＶＣを検出するセル電圧監視手段２１が設置されている。セル電圧監視手段２１では、検出された各単位セルのセル電圧ＶＣに応じた電気信号をＩＳＵ５に向けて出力する。なお、セル電圧監視手段２１は、燃料電池２の各単位セルのうち、全ての単位セルに設置してもよく、複数の単位セルごとに設置しても構わない。
【００３２】
（カソードガス供給手段）
カソードガス供給手段３は、燃料電池２のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている。カソードガス供給流路３１の上流側には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサ３２が接続されている。
また、カソードガス供給流路３１の下流側は、カソードガス入口封止弁３４に接続された後、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３３に接続されている。
【００３３】
カソード流路３３の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路３５が接続されている。
カソードオフガス排出流路３５は、カソードオフガス出口封止弁３６に接続された後、下流側で希釈ＢＯＸ７５等に接続されている。各封止弁３４，３６は電磁駆動式の封止弁であり、各封止弁３４，３６間、すなわちカソード流路３３内にカソードガスを封止できるように構成されている。
【００３４】
そして、エアコンプレッサ３２によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路３１を通過した後、燃料電池２のカソード流路３３に供給される。そして、カソード流路３３において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３５に排出される。カソードオフガス排出流路３５に排出されたカソードオフガスは、希釈ＢＯＸ７５を通過した後、車外へと排気される。
【００３５】
また、カソードガス供給流路３１におけるカソードガス入口封止弁３４よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した燃料電池バイパス流路３７が設けられている。この燃料電池バイパス流路３７は、バイパス弁３８を介して、カソードオフガス排出流路３５におけるカソードオフガス出口封止弁３６の下流側に接続されている。
【００３６】
カソードガス供給流路３１のうち、燃料電池バイパス流路３７よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した掃気導入流路６１が設けられている。この掃気導入流路６１は、掃気入口弁６２を介して後述するアノードガス供給流路４２に接続されている。これにより、掃気導入流路６１を介してアノードガス供給流路４２にカソードガスを導入可能になっている。
掃気導入流路６１における掃気入口弁６２よりも上流側には、掃気導入流路６１から分岐した希釈流路６３が設けられている。希釈流路６３は、図示しない開閉弁を介して希釈ＢＯＸ７５に接続されている。
【００３７】
カソードオフガス排出流路３５におけるカソードオフガス出口封止弁３６の上流側には、カソードオフガス排出流路３５から分岐したカソードガス循環流路（酸化剤循環路）６５が設けられている。カソードガス循環流路６５は、カソードガス循環ポンプ６６を介してカソードガス供給流路３１におけるカソードガス入口封止弁３４の下流側に接続されている。
カソードガス循環ポンプ６６は、通常は停止しており、例えば燃料電池システム１のシステムスイッチ（例えば、イグニッション）がＯＦＦ操作された後のカソードガス循環発電時に駆動する。そして、カソードガス循環ポンプ６６は、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスを循環させ、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池２のカソードに再び供給する。
【００３８】
（アノードガス供給手段）
アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素タンク４１（Ｈ２タンク）を備えている。水素タンク４１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順にガス供給弁４３、遮断弁４４、燃料インジェクタ４５に接続され、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路４６に接続されている。
【００３９】
燃料インジェクタ４５は、ＩＳＵ５からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノード流路４６に向けて所定の周期で間欠的に供給されるようになっている。
【００４０】
アノード流路４６の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路４７が接続されている。アノードオフガス流路４７は、アノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４５の下流側に接続されている。
【００４１】
また、アノードオフガス流路４７には、パージ弁７１を備えたパージ流路７２と、ドレイン弁７３を備えたドレイン流路７４と、掃気出口弁７７を備えた掃気排出流路７８と、が図示しない気液分離器を介して設けられている。気液分離器は、燃料電池２のアノード流路４６から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を捕集して、アノードオフガスと水分とに分離するものである。
【００４２】
パージ弁７１は、所定の条件が満たされたときに開くことで、気液分離器で分離されたアノードオフガスや、アノードオフガス中に含まれる不純物が、パージ流路７２を通って希釈ＢＯＸ７５へ排出される。
ドレイン弁７３は、気液分離器に所定量の水が溜まったときに開くことで、気液分離器に溜まった水がドレイン流路７４を通って希釈ＢＯＸ７５に排出される。
掃気出口弁７７は、後述する掃気処理が行われた場合に開くことで、掃気導入流路６１を介してアノードガス供給流路４２内に導入されるカソードガス（掃気ガス）が、掃気排出流路７８を通って希釈ＢＯＸ７５へ排出される。
【００４３】
希釈ＢＯＸ７５は、パージ流路７２、ドレイン流路７４、及び掃気排出流路７８から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路７６が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出流路７６から車外に排出される。なお、希釈ＢＯＸ７５には、パージ流路７２から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００４４】
（ＩＳＵ）
ＩＳＵ５は、不安定状態把握手段５１、カソードガス循環処理手段５２、及び掃気要否判断手段５３を主に備えている。
不安定状態把握手段５１は、燃料電池システム１の運転時において、各セル電圧ＶＣのうち、最低セル電圧ＶＣｍｉｎに基づいて燃料電池２の不安定状態を検知する。具体的に、不安定状態把握手段５１には、燃料電池システム１の起動時間Ｔ１が所定時間ｔ１経過前（起動直後）の状態で、電圧低下状態を検知する起動時閾値（セル不安定判断電圧閾値）Ｖ１と、起動時間Ｔ１が所定時間ｔ１経過後（通常発電時）の状態で電圧低下状態を検知する発電時閾値（セル不安定判断電圧閾値）Ｖ２と、が記憶されている。そして、不安定状態把握手段５１は、各時間帯において、最低セル電圧ＶＣｍｉｎが各閾値Ｖ１，Ｖ２以下の場合（ＶＣｍｉｎ≦Ｖ１またはＶＣｍｉｎ≦Ｖ２）に、電圧低下状態にあると判断する。なお、起動時閾値Ｖ１は、発電時閾値Ｖ２よりも大きく設定されている。これは、燃料電池２の起動直後（所定時間ｔ１経過前）は、セル電圧ＶＣが不安定になり易いので、セル電圧ＶＣの低下を通常発電時に比べて許容するためである。
【００４５】
また、不安定状態把握手段５１は、燃料電池システム１の起動中において、電圧低下状態の発生回数をカウントするカウント部を備えている。そして、不安定状態把握手段５１は、カウント部でカウントされた電圧低下状態の発生回数Ｎが所定回数ｎ１以上となった場合に、燃料電池２が不安定状態であると判断する。
【００４６】
このように、本実施形態では、燃料電池２の不安定状態を最低セル電圧ＶＣｍｉｎに基づいて把握している。すなわち、燃料電池システム１の運転中に加速等の高負荷発電が行われると、燃料電池２内に大量の生成水が生成され、カソードの一部または全部が生成水で被覆されることで、発電性能が低下する。その結果、セル電圧ＶＣが低下する。本実施形態では、この状態を上述した電圧低下状態とする。
【００４７】
カソードガス循環処理手段５２は、燃料電池システム１がＯＦＦ操作されたと判断した場合や、後述する掃気処理が行われた場合等に、カソードガス循環発電を実行する。カソードガス循環発電とは、燃料電池２のカソード系内に残存する酸素を消費して酸素濃度を低下させる酸素欠乏発電の一つであり、カソード系内の酸素濃度をゼロに近付け、窒素リッチな環境とする処理である。これにより、次回の燃料電池システム１の起動時にカソード側が高電位状態になるのを防止し、燃料電池２の電解質膜の劣化を防止する。なお、カソードガス循環発電の具体的な方法については、後述する。
【００４８】
掃気要否判断手段５３は、上述した不安定状態把握手段５１により燃料電池２が不安定状態であると判断された場合、すなわち燃料電池２内に生成水が大量に残存している虞がある場合に、掃気処理が必要であると判断し、掃気実施要求フラグを立てる。
【００４９】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。図２は燃料電池システムの動作方法のうち、掃気要否判断方法を説明するためのフローチャートである。なお、以下のルーチンは、主にＩＳＵ５によって実行される。
図２に示すように、ステップＳ１において、燃料電池システム１が起動直後であるか否かを判断する。すなわち、ＩＳＵ５は、燃料電池システム１の起動時間Ｔ１が所定時間ｔ１未満であるか否かを判断する（Ｔ１＜ｔ１）。
【００５０】
ステップＳ１の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔ１＜ｔ１の場合）、燃料電池システム１が起動直後であると判断して、ステップＳ２に進む。
ステップＳ１の判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｔ１≧ｔ１の場合）、燃料電池システム１の起動開始から所定時間ｔ１が経過して、燃料電池システム１が通常発電中であると判断して、ステップＳ３に進む。
【００５１】
次に、ステップＳ２、Ｓ３において、それぞれセル電圧監視手段２１により燃料電池２のセル電圧ＶＣを監視する。
【００５２】
次に、ステップＳ４において、不安定状態把握手段５１は、ステップＳ２，Ｓ３で監視したセル電圧ＶＣに基づいて、電圧低下状態であるか否かを判断する。具体的に、燃料電池システム１の起動時間Ｔ１が所定時間ｔ１経過前においては、最低セル電圧ＶＣｍｉｎが起動時閾値Ｖ１以下であるか否か（ＶＣｍｉｎ≦Ｖ１）を判断する一方、燃料電池システム１の起動時間Ｔ１が所定時間ｔ１経過後においては、最低セル電圧ＶＣｍｉｎが発電時閾値Ｖ２以下であるか否か（ＶＣｍｉｎ≦Ｖ１）を判断する。
【００５３】
ステップＳ４における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（ＶＣｍｉｎ≦Ｖ１またはＶＣｍｉｎ≦Ｖ２の場合）、電圧低下状態であると判断して、ステップＳ５に進む。
一方、ステップＳ４における判断結果が「ＮＯ」の場合（ＶＣｍｉｎ＞Ｖ１またはＶＣｍｉｎ＞Ｖ２の場合）、セル電圧ＶＣは安定状態にあると判断してステップＳ６に進む。
【００５４】
ステップＳ５において、不安定状態把握手段５１は、上述したステップＳ１〜Ｓ４のルーチン中に電圧低下状態が１回発生したとカウントし、ステップＳ６に進む。
【００５５】
次に、ステップＳ６において、燃料電池システム１の運転が継続中であるか否かを判断する。
ステップＳ６の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（燃料電池システム１の運転が継続中である場合）、上述したステップＳ１からのルーチンを繰り返す。すなわち、燃料電池システム１の運転が継続中には、セル電圧ＶＣの監視を常時行う。
一方、ステップＳ６の判断結果が「ＮＯ」の場合（燃料電池システム１のシステムスイッチがＯＦＦ操作された場合）、ステップＳ７に進む。
【００５６】
次に、ステップＳ７において、不安定状態把握手段５１は燃料電池２が不安定状態にあるか否かを判断する。具体的に、不安定状態把握手段５１は、燃料電池システム１の運転中にカウントされた電圧低下状態の発生回数Ｎが所定回数ｎ１以上（Ｎ≧ｎ１）であるか否かを判断する。
そして、ステップＳ７の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｎ≧ｎ１の場合）、燃料電池２内に大量の生成水が残存している虞があり、燃料電池２が不安定状態にあると判断し、ステップＳ８に進む。
一方、ステップＳ７の判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｎ＜ｎ１の場合）、燃料電池２内に残存する生成水が適量であり、燃料電池２が安定状態にあると判断し、本ルーチンを終了する。
【００５７】
続いて、ステップＳ８において、掃気要否判断手段５３は、掃気処理が必要であると判断し、掃気実施要求フラグを立てる。
以上により、本ルーチンを終了する。そして、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を閉弁して、燃料電池システム１が停止する。
【００５８】
ここで、本実施形態において、上述した掃気実施要求フラグが立っていない場合には、燃料電池システム１がＯＦＦ操作された後、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を閉弁する前に、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う。
カソードガス循環発電は、カソードオフガス出口封止弁３６を閉弁し、カソードガス入口封止弁３４を開弁したまま、燃料電池バイパス流路３７のバイパス弁３８を開弁する。この状態で、エアコンプレッサ３２を継続して駆動させるとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動する。すると、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスが循環して、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスの一部に混合して、燃料電池２のカソードに再び供給される。
これにより、カソードオフガス中に残留する酸素は、燃料電池２のカソードから排出されるカソードオフガスをカソード流路３３に循環して発電している間に減少していくので、カソードオフガス中の酸素濃度を低下させることができる。また、その際、カソードガス入口封止弁３４を開けてカソードガス循環発電を行うことで、カソードガス循環発電の終了時に燃料電池２のカソード系内を正圧にすることができる。なお、入口封止弁３４及び出口封止弁３６の両方を閉弁した状態で、カソードガス循環発電を行っても構わない。
【００５９】
なお、カソードガス循環発電が完了したか否かを判断は、例えば、燃料電池２から排出されるカソードオフガスの酸素濃度を酸素センサで検出し、酸素濃度が所定値以下に達したときにカソードガス循環発電が完了したと判断してもよいし、カソードガス循環発電の継続時間が予め設定した所定時間に達したときに完了したと判断してもよい。また、カソードガス循環発電開始からの積算電流値に基づいてカソードガス循環発電の完了判断を行っても構わない。すなわち、カソードオフガス出口封止弁３６を閉弁した状態でのカソード系内の酸素量は、カソード系内の配管容積等からある程度把握することができるので、把握した酸素量分を消費できる積算電流値に達したか否かでカソードガス循環発電の完了判断を行うことが可能である。これにより、カソードガス循環発電の完了時には、燃料電池２のカソード系内は窒素リッチな雰囲気となる。
【００６０】
次に、燃料電池システムの動作方法のうち、システムスイッチのＯＦＦ操作後におけるＲＴＣ制御（所定時間毎に一時的にＩＳＵ５を起動させて行う制御）を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、以下のルーチンは、主にＩＳＵ５により実行される。
図３に示すように、燃料電池システム１がＯＦＦ操作された後、ステップＳ１１において、入口封止弁３４及び出口封止弁３６が閉弁されているか否かを判断する。
ステップＳ１１における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、入口封止弁３４及び出口封止弁３６が正常に閉弁されていると判断して、ステップＳ１２に進む。
一方、ステップＳ１１における判断結果が「ＮＯ」の場合、故障等により入口封止弁３４及び出口封止弁３６が閉弁されていないと判断して、ステップＳ１３に進む。なお、ステップＳ１３の掃気処理の詳細については、後述する。
【００６１】
次に、ステップＳ１２では、上述したステップＳ８において掃気実施要求フラグが立っているか否かを判断する。
そして、ステップＳ１２の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（掃気実施要求フラグが立っている場合）、ステップＳ１４に進む。
一方、ステップＳ１２の判断結果が「ＮＯ」の場合（掃気実施要求フラグが立っていない場合）、掃気処理を実行せずに本ルーチンを終了する。すなわち、この場合は燃料電池２内に残存する生成水が適量であり、次回起動時も安定した発電が行えると判断できるので、掃気処理を行わないで燃料電池システム１のＲＴＣ制御を停止させる。このように、掃気実施要求フラグが立っていない場合には、上述したように燃料電池システム１のＯＦＦ操作後に既にカソードガス循環発電を行っているため、ソーク中のカソード系内は窒素リッチな雰囲気に維持される。
【００６２】
次に、ステップＳ１４では、燃料電池システム１のソーク時間Ｔ２が、所定時間ｔ２を経過したか否かを判断する。これは、燃料電池システム１の停止直後、燃料電池２は比較的高温（触媒が高活性状態）になっており、また後の掃気処理時にアノードガスで満たされたアノード系内に、掃気ガスとして空気を導入すると、反応が促進されて電解質膜の劣化等に繋がる虞がある。そのため、燃料電池２の温度が十分に低下して、触媒が低活性状態になるまで所定時間ｔ２待機する。
【００６３】
ステップＳ１４における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔ２≧ｔ２の場合）、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１４における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｔ２＜ｔ２の場合）、所定時間ｔ２が経過するまで待機する。
【００６４】
次に、ステップＳ１５において、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を開弁する。
【００６５】
そして、ステップＳ１６において、カソード流路３３及びアノード流路４６に希釈ガスとして空気を導入し、燃料電池２内の希釈処理を行う。具体的に、カソード側の希釈処理は、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を開弁した状態で、エアコンプレッサ３２を駆動し、カソードガス供給流路３１を通してカソード流路３３に空気を導入する。これにより、アノード側からのクロスオーバー等によってカソード側に存在する水素が、カソードオフガス排出流路３５を通って希釈ＢＯＸ７５に向けて押し出される。
【００６６】
一方、アノード側の希釈処理は、掃気入口弁６２、パージ弁７１、及びドレイン弁７３を開弁するとともに、エアコンプレッサ３２を駆動し、掃気導入流路６１を通ってアノードガス供給流路４２に空気を導入することで、アノード流路４６内に空気が導入される。これにより、アノード側に存在する水素がアノードオフガス流路４７を通って希釈ＢＯＸ７５に向けて押し出される。
そして、燃料電池２から押し出された水素は、希釈ＢＯＸ７５において空気により希釈される。これにより、後述する掃気処理前に燃料電池２内の残留水素を希釈できるので、掃気処理時における排気水素を低減できる。なお、上述した希釈処理は、カソード側とアノード側とで別々に行ってもよく、両極を同時に行っても構わない。
【００６７】
次に、上述したステップＳ１３やステップＳ１７において、カソード流路３３及びアノード流路４６に掃気ガスとして空気を導入し、燃料電池２内の掃気処理を行う。具体的に、カソード側の掃気処理は、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を開弁した状態で、エアコンプレッサ３２を駆動し、カソードガス供給流路３１を通してカソード流路３３にカソードガスを導入する。これにより、カソード内に存在する生成水や不純物等が、カソードオフガス排出流路３５を通って外部に排出される。
一方、アノード側の掃気処理は、掃気入口弁６２、及び掃気排出弁７７を開弁した状態で、エアコンプレッサ３２を駆動し、掃気導入流路６１を通ってアノードガス供給流路４２に空気を導入することで、アノード流路４６内に空気が導入される。これにより、アノード側に存在する生成水や不純物等がアノードオフガス流路４７、及び掃気排出流路７８を通って外部に排出される。
【００６８】
なお、上述した掃気処理も、希釈処理と同様にカソード側とアノード側とで別々に行ってもよく、両極を同時に行っても構わない。また、上述した希釈処理で用いる希釈ガスの希釈ガス流量や希釈ガス圧力と、掃気ガスで用いる掃気ガス流量や掃気ガス圧力と、は、それぞれの処理に応じて異なる条件に設定することが好ましい。
このように、それぞれの処理に応じてガス流量やガス圧力を設定することで、希釈処理及び掃気処理それぞれを確実、かつ適切な時間で無駄なく行うことができるので、処理時間の短縮やＮＶ性能の向上、補機消費電力の低減を図り、商品性を向上させることができる。
【００６９】
また、ステップＳ１８において、掃気処理を行った後は、酸素欠乏発電として上述したカソードガス循環発電を再び行う。
以上により、本ルーチンを終了する。
【００７０】
このように、本実施形態では、不安定状態把握手段５１により燃料電池２の不安定状態を検知し、掃気処理が必要と判断された場合にのみ、燃料電池システム１の停止後、掃気処理を行う構成とした。
この構成によれば、燃料電池２が不安定状態にある場合にのみ掃気処理を行うため、掃気回数を最低限に抑えることが可能になる。これにより、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池２の劣化抑制を図った上で、従来のように燃料電池システム１が停止するたびに掃気処理を行う構成に比べて、消費電力の低下及び商品性の向上を図ることができる。
一方、掃気処理が不要と判断された場合（掃気実施要求フラグが立っていない場合）には、燃料電池システム１の停止後、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行っているため、カソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池２の発電が停止することになる。そのため、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池２の劣化抑制を確実に図ることができる。
また、掃気処理を行った場合には、掃気処理の終了後にカソードガス循環発電を行っているため、掃気処理により燃料電池２内にカソードガスが導入された場合であっても、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池２の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、最低セル電圧ＶＣｍｉｎが各閾値Ｖ１，Ｖ２以下の場合に、電圧低下状態であると判断することで、燃料電池２の掃気処理の要否を簡便な方法で判断できる。
さらに、本実施形態では、電圧低下状態を所定回数ｎ１以上検知した場合に、燃料電池２が不安定状態にあると判断することで、燃料電池２の掃気処理の要否を簡便、かつ確実に判断できる。
【００７２】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、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、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、電圧低下状態を最低セル電圧ＶＣｍｉｎに基づいて判断する構成について説明したが、これに限らず、セル電圧低下幅等に基づいて判断しても構わない。セル電圧低下幅は、平均セル電圧（出力電圧／セル数）と最低セル電圧との差により求めることができる。
【００７３】
また、燃料電池２のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段（不図示）を設け、上述したステップＳ１３やステップＳ１７における掃気処理において、掃気ガス流量や掃気ガス圧力を、燃料電池２のインピーダンスに基づいて算出しても構わない（掃気ガス量可変手段）。具体的に、インピーダンスが高いほど、燃料電池２内に存在する生成水が多いと判断できるので、掃気ガス流量や掃気ガス圧力を高めるように設定する。
この構成によれば、燃料電池２内に残存する生成水の量に応じて必要量のみ掃気ガスが供給されるので、燃料電池２内を確実、かつ適切な時間で無駄なく掃気できる。
【００７４】
また、上述した実施形態では、燃料電池システム１の起動ごとに電圧低下状態を所定回数ｎ１以上検知した場合に、掃気処理を行う構成について説明したが、これに限らず、例えば電圧低下状態の積算回数が所定回数以上になった場合に、掃気処理を行う構成にしても構わない。
さらに、所定の電圧閾値を検知した場合に、燃料電池システム１の停止後、掃気処理を行う構成にしても構わない。
【００７５】
さらに、上述した実施形態では、ソーク時間Ｔ２が所定時間ｔ２経過した場合に掃気処理を行う構成について説明したが、これに限らず、所定時間ｔ２経過前に掃気処理を行っても構わない。
また、上述した実施形態では、掃気処理の実行後、及び掃気処理が不要な場合であって、燃料電池システム１のＯＦＦ操作後にそれぞれカソードガス循環発電を行う構成について説明したが、掃気処理の要否に関わらず、燃料電池システム１のＯＦＦ操作後に毎回、カソードガス循環発電を行っても構わない。
【００７６】
さらに、上述した実施形態では、掃気処理に用いる掃気ガスとして、アノード側及びカソード側それぞれに空気を用いる構成について説明したが、これに限らず、アノード側に供給する掃気ガスに水素（アノードガス）を用いても構わない。
この構成によれば、アノードガスが燃料インジェクタ（アノード掃気手段）４５から所定の周期で間欠的に供給されることで、アノード流路４６に脈動をつけつつアノードガスを供給することができる。これにより、アノードガスを定常で供給する場合に比べて、アノード流路４６内に滞留する生成水の排水性を向上できる。また、上述した実施形態のように、空気をアノード側に導入するための掃気系（掃気導入流路６１や掃気入口弁６２）を設ける必要がないので、燃料電池システム１の簡素化を図ることができる。
【００７７】
また、上述した実施形態では、掃気後にカソードガス循環発電を行い、燃料電池システム１のＲＴＣ制御を終了する場合について説明したが、これに限らず、カソードガス循環発電の後に燃料インジェクタ４５（燃料封入手段）を介して再度アノード流路４６にアノードガスを供給した後、燃料電池システム１の停止処理を終了しても構わない。
この構成によれば、掃気後のカソードガス循環発電の終了後にアノードガスを供給することで、アノード側がアノードガスで満たされることになる。そのため、仮に燃料電池システム１の停止時に、カソード側からアノード側へカソードガスや窒素ガスがクロスオーバーしたとしても、次回起動時までアノード側での水素濃度を十分に確保できるので、次回起動時にカソード側が高電位になるのを抑制できる。
【００７８】
また、上述した実施形態では、燃料電池システム１の運転中に掃気処理の要否を判断する構成（掃気実施要求フラグが立っているか否か）について説明したが、これに加えて、ソーク中のＲＴＣ制御で掃気処理の要否を判断しても構わない。この構成によれば、例えば、燃料電池システム１の運転中には掃気処理が不要と判断されたものの、ソーク中の温度低下等によって燃料電池２内に大量の生成水が存在する場合等であっても、次回起動時の発電安定性を確保できる。
【００７９】
さらに、上述した実施形態では、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う構成について説明したが、これに限らず、酸素リーン発電、ディスチャージ発電等によっても同様の効果を奏することが可能である。なお、酸素リーン発電とは、カソードオフガス出口封止弁３６を開弁するとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動させないで、燃料電池２への供給空気量を通常の発電時よりも少なくした状態で発電する方法である。つまり、酸素リーン発電は、カソードストイキを通常の発電よりも低くした発電方法である。また、ディスチャージ発電とは、バッテリやモータ、各種補機等に燃料電池２の電力を放電する方法である。
【００８０】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池スタック  ４５…燃料インジェクタ（アノード掃気手段、燃料封入手段）  ５１…不安定状態把握手段  ５２…カソードガス循環処理手段（酸素欠乏発電処理手段）  ５３…掃気要否判断手段  ６５…カソードガス循環流路（酸化剤循環路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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