(57)【要約】【課題】簡単な工程及び構成で、燃料電池スタックからの排水効率を向上させるとともに、発電停止後の消費エネルギを良好に削減することを可能にする。【解決手段】水素及び空気が供給されることにより発電する複数の発電セル１４を積層した燃料電池スタックと、前記発電セル１４の発電を停止した後、前記燃料電池スタック１２の周囲温度を監視する温度センサ８４と、前記周囲温度が０℃以下であるか否かを判断する制御部８０と、前記周囲温度が０℃以下であると判断された際、前記発電セル１４のアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃに残存する残留水を外部に排出するための掃気処理を行う酸化剤ガス供給系４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池を積層する燃料電池スタックと、
前記燃料電池の発電を停止した後、掃気開始条件を監視する掃気開始条件監視部と、
前記掃気開始条件が設定条件を満たすか否かを判断する設定条件判断部と、
前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池の掃気処理を行う掃気処理部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの掃気処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の掃気処理装置において、前記掃気開始条件監視部は、前記燃料電池スタックの周囲温度、又は前記燃料電池スタックの内部温度のいずれか一方の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記温度が前記設定条件である所定温度以下になる際に、前記掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理装置。
【請求項３】
請求項１記載の掃気処理装置において、前記掃気開始条件監視部は、前記燃料電池スタックの周囲温度を検出する周囲温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの内部温度を検出する内部温度検出手段と、
を備え、
前記周囲温度が前記設定条件である所定温度以下になるとともに、前記内部温度が前記設定条件である所定温度以下になる際に、前記掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の掃気処理装置において、前記周囲温度は、前記燃料電池スタックの外部雰囲気温度である一方、
前記内部温度は、前記燃料電池スタック内に供給される冷却媒体の温度であることを特徴とする燃料電池システムの掃気処理装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の掃気処理装置において、前記燃料電池を起動する際に、スタック加温条件が設定条件を満たすか否かを判断するスタック加温条件判断部と、
前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池スタックの加温処理を行う加温処理部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの掃気処理装置。
【請求項６】
燃料電池の発電を停止する工程と、
前記発電の停止後に、掃気開始条件を監視する工程と、
前記掃気開始条件が設定条件を満たすか否かを判断する工程と、
前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池の掃気処理を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理方法。
【請求項７】
請求項６記載の掃気処理方法において、前記掃気開始条件は、前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの周囲温度、又は前記燃料電池スタックの内部温度のいずれか一方の温度であり、
前記温度が前記設定条件である所定温度以下になる際に、前記掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理方法。
【請求項８】
請求項６記載の掃気処理方法において、前記掃気開始条件は、前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの周囲温度、及び前記燃料電池スタックの内部温度であり、
前記周囲温度が前記設定条件である所定温度以下になるとともに、前記内部温度が前記設定条件である所定温度以下になる際に、前記掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理方法。
【請求項９】
請求項６又は７記載の掃気処理方法において、前記周囲温度は、前記燃料電池スタックの外部雰囲気温度である一方、
前記内部温度は、前記燃料電池スタック内に供給される冷却媒体の温度であることを特徴とする燃料電池システムの掃気処理方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の掃気処理方法において、前記燃料電池を起動する際に、スタック加温条件が設定条件を満たすか否かを判断する工程と、
前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池スタックの加温処理を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの掃気処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電を停止した後、前記燃料電池の掃気処理を行う燃料電池システムの掃気処理装置及び掃気処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟んで構成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動する。その移動の間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。
【０００４】
水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすおそれがある。そこで、燃料電池システムの起動時あるいは運転終了時に、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する燃料電池システムが、特許文献１に提案されている。
【０００５】
この特許文献１では、図１１に示すように、水素タンク１に、圧力レギュレータ２、流量調整弁３及びエゼクタ４を介して加湿器５が接続されるとともに、この加湿器５には、バルブ６ａを介して燃料電池スタック７の燃料極入口が連通している。一方、酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ８を介して加湿器５に供給され、加湿された空気は、バルブ６ｂから燃料電池スタック７の空気極入口に供給される一方、非加湿の空気はバルブ６ａに送られる。
【０００６】
燃料電池スタック７の水素ガス出口には、循環路９が設けられており、この循環路９がエゼクタ４に接続されている。循環路９は、一部が分岐されてパージラインを形成しており、このパージラインにパージバルブ６ｃが接続されている。燃料極出口と空気極出口との間には、バルブ６ｄが介装されている。
【０００７】
このような構成において、発電終了時には、先ず、コンプレッサ８の運転を継続しつつ、バルブ６ａを非加湿空気が燃料極入口に流れ込むように制御する一方、バルブ６ｂも非加湿の空気が空気極入口に流れ込むように制御する。その際、バルブ６ｄが制御されており、燃料電池スタック７の下流で水素ガス流路と空気流路とを連通するとともに、パージバルブ６ｃが大気開放される。
【０００８】
このため、コンプレッサ８を介して非加湿空気は、それぞれのバルブ６ａ、６ｂから燃料電池スタック７内の燃料極及び空気極に送られ、図示しない燃料極流路及び空気極流路に残留する水や不純物が前記燃料電池スタック７の外部に放出される。そして、所定時間経過後にバルブ６ａ、６ｂ及びパージバルブ６ｃがオフされ、次いで、コンプレッサ８の運転が停止される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献１では、燃料電池スタック７の発電終了時に、常時、上記のパージ処理が行われるため、コンプレッサ８の駆動用にエネルギが相当に消費されてしまう。
【００１１】
しかも、燃料電池スタック７の発電終了時には、セル温度が７０℃程度の高温に維持されており、この温度雰囲気下で、燃料電池スタック７内に残留する液滴を外部に排出しても、前記燃料電池スタック７の温度低下に伴って内部に液滴が発生し易い。これにより、燃料電池スタック７内に液滴が残留してしまい、特に、外気温度が０℃以下となる際には、液滴の凍結が惹起して燃料電池システムの低温起動が困難になるという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程及び構成で、燃料電池スタックからの排水効率を向上させるとともに、発電停止後の消費エネルギを良好に削減することが可能な燃料電池システムの掃気処理装置及び掃気処理方法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】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの掃気処理装置は、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池を積層する燃料電池スタックと、前記燃料電池の発電を停止した後、掃気開始条件を監視する掃気開始条件監視部と、前記掃気開始条件が設定条件を満たすか否かを判断する設定条件判断部と、前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池の掃気処理を行う掃気処理部とを備えている。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムの掃気処理方法は、燃料電池の発電を停止する工程と、前記発電の停止後に、掃気開始条件を監視する工程と、前記掃気開始条件が設定条件を満たすか否かを判断する工程と、前記設定条件を満たすと判断された際、前記燃料電池の掃気処理を行う工程とを有している。
【００１５】
さらに、掃気開始条件監視部は、燃料電池スタックの周囲温度、又は前記燃料電池スタックの内部温度のいずれか一方の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度が設定条件である所定温度以下になる際に、掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、掃気開始条件監視部は、燃料電池スタックの周囲温度を検出する周囲温度検出手段と、前記燃料電池スタックの内部温度を検出する内部温度検出手段とを備え、前記周囲温度が設定条件である所定温度以下になるとともに、前記内部温度が前記設定条件である所定温度以下になる際に、掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断することが好ましい。
【００１７】
また、周囲温度は、燃料電池スタックの外部雰囲気温度である一方、内部温度は、前記燃料電池スタック内に供給される冷却媒体の温度であることが好ましい。
【００１８】
さらに、燃料電池を起動する際に、スタック加温条件が設定条件を満たすか否かを判断するスタック加温条件判断部と、前記設定条件を満たすと判断された際、燃料電池スタックの加温処理を行う加温処理部とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池の発電が停止された後に、掃気開始条件が監視されており、前記掃気開始条件が設定条件を満たすと判断された際にのみ、前記燃料電池の掃気処理が行われている。従って、掃気開始条件が設定条件を満たさない場合には、燃料電池の掃気処理が不要になり、前記燃料電池の発電停止後の消費エネルギを良好に削減することが可能になる。
【００２０】
しかも、燃料電池の発電停止後に、掃気開始条件が設定条件を満たすまで、前記燃料電池の掃気処理が開始されない。このため、掃気処理を開始する際には、燃料電池自体の温度が低下しており、発電停止直後の比較的高温の燃料電池に掃気処理を行う場合に比べて、温度低下後の液滴の発生が可及的に阻止され、排水効率を良好に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を有し、この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）１４を矢印Ａ方向に積層した積層体として構成される。燃料電池スタック１２の積層方向両端部には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが設けられ、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が形成される。
【００２３】
各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２０と、この電解質膜・電極構造体２０を挟持する金属のセパレータ２２、２４とを備える。電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０ｂと、この固体高分子電解質膜２０ｂ挟んで保持するアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃとを備える。
【００２４】
セパレータ２２と電解質膜・電極構造体２０との間には、燃料ガス流路２６が設けられるとともに、セパレータ２４と前記電解質膜・電極構造体２０との間には、酸化剤ガス流路２８が形成される。互いに隣接するセパレータ２２、２４間には、冷却媒体流路３０が形成される。
【００２５】
エンドプレート１６ａには、各燃料ガス流路２６に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス入口３２ａ、各酸化剤ガス流路２８に酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス入口３４ａ、及び各冷却媒体流路３０に冷却媒体を供給するための冷却媒体入口３６ａが設けられる。
【００２６】
エンドプレート１６ｂには、各燃料ガス流路２６から導出される未使用の水素ガスを含む排ガスをスタック外部に排出すための燃料ガス出口３２ｂ、各酸化剤ガス流路２８から導出される空気をスタック外部に排出するための酸化剤ガス出口３４ｂ、及び各冷却媒体流路３０から導出される冷却媒体をスタック外部に排出するための冷却媒体出口３６ｂが設けられる。
【００２７】
燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給系３８、酸化剤ガス供給系４０及び冷却媒体供給系４２が接続される。燃料ガス供給系３８は、水素タンク４４と燃料電池スタック１２の燃料ガス入口３２ａとに接続される水素供給流路４６を備える。この水素供給流路４６には、水素タンク４４側から遮断弁４８及びエゼクタ５２が配設される。
【００２８】
燃料電池スタック１２の燃料ガス出口３２ｂには、水素循環流路５４が接続されろとともに、この水素循環流路５４は、エゼクタ５２を介して水素供給流路４６に合流される。この水素循環流路５４から分岐する水素排出流路５６には、パージ弁５８が接続される。
【００２９】
酸化剤ガス供給系４０は、コンプレッサ（又はスーパーチャージャ）６２と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３４ａとに接続される空気供給流路６４を備える。この空気供給流路６４には、分岐流路６６が形成され、前記分岐流路６６は、切替弁６８を介して水素供給流路４６に合流する。
【００３０】
燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３４ｂには、空気排出流路７０が接続され、前記空気排出流路７０は、希釈器６０に接続されるとともに、前記希釈器６０には、排気管７２が接続される。
【００３１】
冷却媒体供給系４２は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口３６ａと冷却媒体出口３６ｂとに接続される冷却媒体循環流路７４を備える。この冷却媒体循環流路７４には、冷却媒体を冷却媒体流路３０に循環供給するための循環ポンプ７６が配設される。
【００３２】
燃料電池システム１０は、制御部８０によって駆動制御されるとともに、この制御部８０には、イグニッションスイッチ８２のオン／オフ信号が入力される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の周囲温度（掃気開始条件）を検出するための温度センサ（周囲温度検出手段）８４を備え、この温度センサ８４を介して周囲温度が制御部８０に入力される。
【００３３】
温度センサ８４は、燃料電池スタック１２の発電が停止された後、掃気開始条件である前記燃料電池スタック１２の周囲温度を監視する掃気開始条件監視部として機能しており、制御部８０は、前記周囲温度が設定温度、例えば、０℃以下を満たすか否かを判断する設定条件判断部として機能する。酸化剤ガス供給系４０は、前記設定条件を満たすと判断された際、燃料電池スタック１２内の掃気処理を行う掃気処理部として機能する。
【００３４】
すなわち、本発明の第１の実施形態に係る掃気処理装置は、燃料電池スタック１２、温度センサ８４、制御部８０及び酸化剤ガス供給系４０を実質的に備えている。
【００３５】
このように構成される掃気処理装置を含む燃料電池システム１０の動作について、本発明の掃気処理方法との関連で以下に説明する。
【００３６】
燃料電池システム１０は、図示していないが、車載用として燃料電池自動車等の車両に搭載されており、以下に示す発電処理を行うことによって前記車両の走行が可能になる。先ず、燃料ガス供給系３８では、水素タンク４４から供給される水素ガスは、遮断弁４８及びエゼクタ５２を介して水素供給流路４６を通り、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口３２ａに導入される。この水素ガスは、各発電セル１４の構成する燃料ガス流路２６に導入されてアノード電極２０ａに供給される。
【００３７】
一方、酸化剤ガス供給系４０では、コンプレッサ６２を介して所定圧力に加圧された空気が、空気供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３４ａに導入される。この空気は、各発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路２８に供給されてカソード電極２０ｃに送られる。従って、各電解質膜・電極構造体２０では、アノード電極２０ａに供給される水素ガスと、カソード電極２０ｃに供給される空気とが、電極触媒槽内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、アノード電極２０ａから排出された未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口３２ｂから水素循環流路５４に排出される。この排ガスは、水素循環流路５４を通ってエゼクタ５２から水素供給流路４６に供給され、再度、燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給される。
【００３９】
また、カソード電極２０ｃで消費された空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３４ｂから空気排出流路７０に排出される。
【００４０】
一方、燃料電池スタック１２内では、冷却媒体供給系４２を構成する循環ポンプ７６の作用下に、冷却媒体流路３０に冷却媒体が循環供給されている。これにより、燃料電池システム１０を搭載する図示しない車両は、走行が可能な状態に維持されることになる。
【００４１】
そこで、車両の走行が終了して燃料電池システム１０の運転が停止される際には、イグニッションスイッチ８２がオフされてこのオフ信号が制御部８０に入力される（図２中、ステップＳ１）。制御部８０が遮断弁４８を閉塞することにより、燃料電池スタック１２への水素ガスの供給が停止される（ステップＳ２）。この状態で、燃料電池スタック１２による発電が行われることによって、残存する水素ガスが消費される。
【００４２】
次に、各発電セル１４による発電が停止されるとともに（ステップＳ３）、酸化剤ガス供給系４０を構成するコンプレッサ６２の運転が停止される（ステップＳ４）。そして、燃料電池システム１０では、設定条件判断部である温度センサ８４以外の駆動が停止される（ステップＳ５）。
【００４３】
この温度センサ８４は、燃料電池スタック１２の運転が停止された後、この燃料電池スタック１２の周囲温度を監視する。そして、周囲温度が設定条件、例えば、０℃以下を満たすか否かが判断され（ステップＳ６）、該設定条件を満たすと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで掃気処理が行われる。
【００４４】
この掃気処理は、実質的には、酸化剤ガス供給系４０を駆動することにより行われる。具体的には、コンプレッサ６２の駆動作用下に、外部の空気が、空気供給流路６４を通って燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路２８及び図示しない酸化剤ガスマニホールドに導入される。このため、燃料電池スタック１２内のカソード側に残存する生成水は、酸化剤ガス出口３４ｂから空気排出流路７０に排出される。
【００４５】
次いで、切替弁６８が開放されることにより、空気供給流路６４から分岐流路６６を介して水素供給流路４６に空気が通流される。従って、燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路２６及び図示しない燃料ガスマニホールドに空気が導入され、前記燃料電池スタック１２内のアノード側に残存する残留水は、水素排出流路５６に排出される。
【００４６】
上記のカソード側の掃気処理及びアノード側の掃気処理は、所定の時間だけ行われた後（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで燃料電池システム１０全体が完全に停止される。一方、ステップＳ６において、周囲温度が０℃を越えていると判断されると、イグニッションスイッチ８２がＯＮされるまで（ステップＳ１０）、又は周囲温度が０℃以下になるまで、該周囲温度の監視が行われる。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、各発電セル１４の発電が停止された後に、掃気開始条件監視部である温度センサ８４により燃料電池スタック１２の周囲温度（掃気開始条件）が監視されている。そして、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以下（設定条件）を満たすと判断された際、酸化剤ガス供給系４０が駆動されて燃料電池スタック１２内のカソード電極側及びアノード電極側の掃気処理が行われている。
【００４８】
従って、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以上であれば、燃料電池スタック１２内の掃気処理が不要になり、前記燃料電池スタック１２の発電停止後の消費エネルギを良好に削減することが可能なるという効果がある。掃気処理時には、発電セル１４の発電が停止されており、図示しないキャパシタ等の蓄電装置のエネルギが消費されるからである。
【００４９】
しかも、第１の実施形態では、発電セル１４の発電停止後に、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以下になるまで、燃料電池スタック１２内の掃気処理が開始されない。
【００５０】
ここで、燃料電池スタック１２の周囲温度が下がるのに伴って、各発電セル１４内部での湿度が上昇して液滴が発生し易い。すなわち、発電セル１４のセル面内の露点と飽和水蒸気量とは、図３に示すように、曲線的に変化している。従って、燃料電池スタック１２の発電停止直後に掃気処理を行っても、周囲温度の低下に伴って液滴が発生する。
【００５１】
そこで、周囲温度が０℃以下に下がった後に、掃気処理を行えば、該掃気処理後にセル面内に液滴が発生することを有効に阻止することができる。これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２からの排水効率を良好に向上させることが可能になるという利点が得られる。
【００５２】
次に、燃料電池システム１０の始動は、図４に示すフローチャートに沿って行われる。先ず、イグニッションスイッチ８２がオンされる（ステップＳ２１）。このイグニッションスイッチ８２のオン信号は、制御部８０に入力され、この制御部８０は、スタック加温条件である燃料電池スタック１２の周囲温度が、設定条件である０℃以下になったと判断すると（ステップＳ２２中、ＹＥＳ）、ステップＳ２３に進んで、低温始動処理が開始される。
【００５３】
この低温始動処理では、燃料電池スタック１２の加温処理が行われる。具体的には、例えば、燃料電池スタック１２の正極及び負極を図示しない負荷に電気的に接続することにより、各発電セル１４の発電によって前記燃料電池スタック１２を自己発熱させればよい。また、図示しない電気ヒータ、燃焼器又は面状発熱体ヒータ（ＭＨ）等によって、燃料電池スタック１２を部分的又は全体的に加温してもよい。
【００５４】
上記のように燃料電池スタック１２を加温しながら、この燃料電池スタック１２に水素ガス及び空気を供給して発電が行なわれる。そして、低温始動処理が終了した後、ステップＳ２４に進んで、図示しない車両の走行が開始される。一方、周囲温度が０℃以上であれば（ステップＳ２２中、ＮＯ）、ステップＳ２５に進んで、定常の始動処理が行われた後、車両の走行が開始される。
【００５５】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の始動処理を迅速且つ確実に行うことができるという効果が得られる。
【００５６】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システム９０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に示す第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
燃料電池システム９０は、冷却媒体供給系４２を構成する冷却媒体循環流路７４に、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口３６ｂ近傍に位置して取り付けられる温度センサ９２を備える。温度センサ９２は、燃料電池スタック１２の内部温度を検出する内部温度検出手段を構成し、制御部８０は、前記内部温度が設定条件、例えば、５℃以下になる際、掃気開始条件が前記設定条件を満たすと判断する設定条件判断部として機能する。すなわち、本発明の第２の実施形態に係る掃気処理装置は、燃料電池スタック１２、温度センサ９２、制御部８０及び酸化剤ガス供給系４０を備える。
【００５８】
このように構成される燃料電池システム９０の停止時における掃気処理方法は、図６に示すフローチャートに沿って行われる。すなわち、第１の実施形態と同様に、イグニッションスイッチ８２がオフされた後、燃料電池システム９０の温度センサ９２以外の運転が停止される（ステップＳ３１〜ステップＳ３５）。
【００５９】
そして、温度センサ９２は、燃料電池スタック１２内の冷却媒体流路３０及び図示しない冷却媒体マニホールドに充填されている冷却媒体の温度、すなわち、前記燃料電池スタック１２の内部温度を監視し、この内部温度が設定温度である５℃以下になったと判断されると（ステップＳ３６中、ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進んで掃気処理が行われる。
【００６０】
一方、内部温度が５℃を超えると判断されると（ステップＳ３６中、ＮＯ）、ステップＳ４０に進んで、イグニッションスイッチ８２がオンされるまで、又は前記内部温度が５℃以下になるまで、該内部温度の監視が継続される。
【００６１】
このように、第２の実施形態では、燃料電池スタック１２の発電が停止された後、この燃料電池スタック１２の内部温度が温度センサ９２を介して監視されており、該内部温度が５℃以下になったときにのみ、掃気処理が行われている。これにより、燃料電池スタック１２の発電停止後における消費エネルギを良好に削減するとともに、排水効率の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
次いで、燃料電池システム９０を始動させる際には、図７に示すように、イグニッションスイッチ８２がオンされた後（ステップＳ４１）、温度センサ９２を介して燃料電池スタック１２の内部温度が監視される。そして、内部温度が５℃以下であると判断されると（ステップＳ４２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４３に進んで前記燃料電池スタック１２を加温する加温処理を含む低温始動処理が行われる。従って、燃料電池システム９０の始動処理が迅速且つ効率的に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００６４】
この掃気処理装置は、燃料電池スタック１２、前記燃料電池スタック１２の周囲温度を監視する温度センサ８４、前記燃料電池スタック１２の内部温度を監視する温度センサ９２、及び該燃料電池スタック１２の掃気処理を行う酸化剤ガス供給系４０とを備える。
【００６５】
燃料電池システム１００が搭載される図示しない車両の運転を停止する際には、図９に示すように、イグニッションスイッチ８２がオフされた後、温度センサ８４、９２以外の運転が停止される（ステップＳ５１〜ステップＳ５５）。さらに、ステップＳ５６に進んで、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以下であると判断されると（ステップＳ５６中、ＹＥＳ）、ステップＳ５７に進んで、前記燃料電池スタック１２の内部温度が５℃以下であるか否かが判断される。この内部温度が５℃以下であると判断されると（ステップＳ５７中、ＹＥＳ）、ステップＳ５８に進んで掃気処理が開始される。
【００６６】
このように、第３の実施形態では、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以下で且つ前記燃料電池スタック１２の内部温度が５℃以下であるという２つの条件を満たす際にのみ、該燃料電池スタック１２内における掃気処理が行われている。これにより、燃料電池スタック１２の掃気処理が必要最小限に抑えられるとともに、確実な排水処理が遂行され、消費エネルギの削減と排水効率の向上が一層良好に遂行されるという効果が得られる。
【００６７】
次いで、燃料電池システム１００を始動させる際には、図１０に示すように、イグニッションスイッチ８２がオンされた後（ステップＳ７１）、燃料電池スタック１２の周囲温度及び該燃料電池スタック１２の内部温度が監視されている。そして、燃料電池スタック１２の周囲温度が０℃以下で、且つ前記燃料電池スタック１２の内部温度が５℃以下である際にのみ、低温始動処理に移行している（ステップＳ７２〜ステップＳ７４）。
【００６８】
これにより、例えば、燃料電池スタック１２の周囲温度が掃気処理要求温度である０℃以下である一方、この燃料電池スタック１２の内部温度が比較的高い温度に維持されている際には、定常始動処理（ステップＳ７６）が行われる。従って、燃料電池スタック１２を不要に加温する必要がなく、この加温処理に要するエネルギ消費が有効に削減されて、効率的且つ確実な始動処理が遂行されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを停止する際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図３】セル面内の露点と飽和水蒸気量との関係図である。
【図４】前記燃料電池システムを始動させる際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】前記燃料電池システムを停止する際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図７】前記燃料電池システムを始動させる際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る掃気処理装置を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】前記燃料電池システムを停止する際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図１０】前記燃料電池システムを始動させる際の掃気処理方法を説明するフローチャートである。
【図１１】特許文献１に開示された燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、９０、１００…燃料電池システム        １２…燃料電池スタック
１４…発電セル                              ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…アノード電極                        ２０ｂ…固体高分子電解質膜
２０ｃ…カソード電極                        ２２、２４…セパレータ
２６…燃料ガス流路                          ２８…酸化剤ガス流路
３０…冷却媒体流路                          ３２ａ…燃料ガス入口
３２ｂ…燃料ガス出口                        ３４ａ…酸化剤ガス入口
３４ｂ…酸化剤ガス出口                      ３６ａ…冷却媒体入口
３６ｂ…冷却媒体出口                        ３８…燃料ガス供給系
４０…酸化剤ガス供給系                      ４２…冷却媒体供給系
４４…水素タンク                            ４６…水素供給流路
５２…エゼクタ                              ５４…水素循環流路
６２…コンプレッサ                          ６４…空気供給流路
６６…分岐流路                              ６８…切替弁
７０…空気排出流路                          ７４…冷却媒体循環流路
７６…循環ポンプ                            ８０…制御部
８２…イグニッションスイッチ                ８４、９２…温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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