(57)【要約】【課題】  複数の燃料電池スタックを、少ないエネルギで好適に掃気できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法を提供する。【解決手段】  第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０と、一端側がポンプ６１に接続し、他端側が分岐しており、各燃料電池スタック１０、２０の第１アノード流路１２、第２アノード流路２２にそれぞれ接続した掃気ガス導入配管と、第１アノード流路１２、第２アノード流路２２内の掃気ガスの流通と非流通とを切り換える第１排出弁４１、第２２排出弁４２と、第１排出弁４１および第２２排出弁４２を制御する制御部７１とを備え、制御部７１は、燃料電池スタック毎に組に分け、第１排出弁４１および第２２排出弁４２を制御し、その組毎に掃気する燃料電池システム１である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路およ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複数の燃料電池スタックと、一端側が掃気ガス源に接続し、他端側が分岐しており、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方にそれぞれ接続した掃気ガス導入配管と、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方内の掃気ガスの流通と非流通とを切り換える切換手段と、前記切換手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記複数の燃料電池スタックを２つ以上の組に分け、前記切換手段を制御して、前記組毎に掃気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、前記各燃料電池スタック毎に前記組を分け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】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの組を変化させ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４】
前記組毎に掃気した後、
前記制御手段は、前記切換手段を制御して、前記複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気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】
燃料ガス流路およ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複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、掃気ガス源から、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方にそれぞれ掃気ガスを導入し、掃気する燃料電池システムの掃気方法であって、
前記複数の燃料電池スタックを２つ以上の組に分け、前記組毎に掃気する第１掃気工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。
【請求項６】
前記第１掃気工程の後、前記複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気する第２掃気工程を、さらに含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの掃気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。
【０００３】
このように、加湿や発電により生成した水により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝結する。ゆえに、燃料電池が冬季や寒冷地で使用された場合などであって、燃料電池を停止した後に氷点下に曝されると、燃料電池内が凍結してしまう場合がある。
【０００４】
そこで、このような燃料電池内の凍結を防止するため、燃料電池の停止時または起動時などに、燃料電池内の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路を、非加湿の空気（掃気ガス）で掃気（空気パージ）し、前記凝結した水を燃料電池外に押し出すことが行われている。
【０００５】
また、近年、発電出力を高めるため、複数の燃料電池を備えた燃料電池発電システムが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７４５７７６号明細書（第３頁左欄第６行目〜第３頁右欄第２７行目、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１には、複数の燃料電池への反応ガスの供給方法は記載されているものの、燃料電池の掃気に関しては何ら開示されていない。そして、このような複数の燃料電池を備える燃料電池発電システムを掃気するには、多大なエネルギが必要であった。
【０００８】
そこで、本発明は、複数の燃料電池スタックを、少ないエネルギで好適に掃気できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法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、請求項１に係る発明は、燃料ガス流路およ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複数の燃料電池スタックと、一端側が掃気ガス源に接続し、他端側が分岐しており、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方にそれぞれ接続した掃気ガス導入配管と、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方内の掃気ガスの流通と非流通とを切り換える切換手段と、前記切換手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記複数の燃料電池スタックを２つ以上の組に分け、前記切換手段を制御して、前記組毎に掃気することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
ここで、「掃気ガス」とは、燃料電池スタック内の水などを、燃料電池スタック外に押し出し、燃料電池スタック内を掃除するための所定圧力のガスであり、例えば、空気、窒素などである。そして、「燃料電池スタックを掃気する」とは、掃気ガスを燃料電池スタックの燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に導入し、燃料電池スタック内の水などを外に押し出すことである。
また、組を構成する燃料電池スタックの数は、１つであってもよいとする。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの掃気時に、制御手段が複数の燃料電池スタックを２つ以上の組（掃気ガス供給単位）に分ける構成としたことにより、各組を構成する燃料電池スタックの数は、複数の燃料電池スタックの全数より少なくなる。
【００１２】
そして、切換手段を制御して、この組（掃気ガス供給単位）毎に掃気する構成としたことにより、掃気ガス源から掃気ガス供給配管に導入する掃気ガスの流量を一定であっても、各組を構成する燃料電池スタックに、流量を大きく落とさずに、掃気ガスをそれぞれ導入することができる。言い換えると、掃気ガス源から掃気ガスを同時に導入する燃料電池スタックの数を、各組を構成する燃料電池スタックに減らしたことで、掃気ガス源から掃気ガス導入配管への掃気ガス流量を高めずに少ないエネルギで、各組を構成する燃料電池スタックに、掃気ガスの流量を大きく落とさずに導入することができる。
その結果として、各組を構成する各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方内を好適に掃気することができる。
なお、「燃料電池スタックの掃気時」とは、燃料電池スタックの発電停止時、発電起動時など、燃料電池スタック内の水を外に押し出すときである。
【００１３】
そして、この組毎に掃気する、つまり、全ての組を掃気することで、複数の燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方の全てを好適に掃気することができる。
なお、後記する実施形態では、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の２基の燃料電池スタックを備えた燃料電池システム１であって、掃気ガス源をポンプ６１とし、第１アノード流路１２（燃料ガス流路）と第２アノード流路２２（燃料ガス流路）を掃気する場合について説明する（図１参照）。
【００１４】
請求項２に係る発明は、前記制御手段は、前記各燃料電池スタック毎に前記組を分け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である。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、各組を構成する１つの燃料電池スタック毎に、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方を掃気することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの組を変化させ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である。
【００１７】
ここで、「燃料電池スタックの組を変化させる」とは、複数の燃料電池スタックを再度、２つ以上の組に分け直すことを意味する。したがって、分け直す前の「先の組の数」と、分け直した後の「後の組の数」とが異なる場合や、「先の組の数」と「後の組の数」とが同一でも「組」を構成する燃料電池スタックが異なる場合などがある。
【００１８】
このような燃料電池ステムによれば、例えば、各燃料電池スタックを構成する単セルの電圧を検出するセル電圧検出モニタや、各燃料電池スタックの下流側に露点計などをさらに設け、これらによって各燃料電池スタック内の水分存在状態や掃気状態などを把握し、これに対応して、燃料電池スタックの組を変化させることで、複数の燃料電池スタックをさらに効率的に掃気することができる。なお、燃料電池スタック内に水分が存在すると単セルの電圧が低下する。
【００１９】
請求項４に係る発明は、前記組毎に掃気した後、前記制御手段は、前記切換手段を制御して、前記複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気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である。
【００２０】
このような燃料電池システムによれば、前記組毎に掃気した後、複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気する構成としたことにより、各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方への掃気ガスの流量は低下する。これにより、電解質膜や燃料ガス流路の内壁などの表面に薄層で残留する水などを、流量が低下し緩やかに流通する掃気ガスに取り込み、電解質膜などの乾燥を促進することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明は、燃料ガス流路およ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複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、掃気ガス源から、前記各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方にそれぞれ掃気ガスを導入し、掃気する燃料電池システムの掃気方法であって、前記複数の燃料電池スタックを２つ以上の組に分け、前記組毎に掃気する第１掃気工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの掃気方法である。
【００２２】
このような燃料電池システムの掃気方法によれば、燃料電池スタックの掃気時に、複数の燃料電池スタックを２つ以上の組に分ける構成としたことにより、各組を構成する燃料電池スタックの数は、複数の燃料電池スタックの全数より少なくなる。
そして、この組毎に掃気する構成としたことにより、掃気ガス源から供給される掃気ガスの流量が一定であっても、各組を構成する燃料電池スタックに、流量を大きく落とさずに、掃気ガスをそれぞれ導入することができる。言い換えると、掃気ガス源から掃気ガスを同時に導入する燃料電池スタックの数を、各組を構成する燃料電池スタックに減らしたことで、掃気ガス源から供給される掃気ガスの流量を高めずに少ないエネルギで、各組を構成する燃料電池スタックに、掃気ガスの流量を大きく落とさずに導入することができる。
その結果として、各組を構成する各燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方内を好適に掃気することができる。
【００２３】
そして、この組毎に掃気する、つまり、全ての組を掃気することで、複数の燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の少なくとも一方の全てを好適に掃気することができる。
【００２４】
請求項６に係る発明は、前記第１掃気工程の後、前記複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気する第２掃気工程を、さらに含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの掃気方法である。
【００２５】
このような燃料電池システムの掃気方法によれば、第１掃気工程後、複数の燃料電池スタックの全てを同時に掃気する第２掃気工程をさらに含むことにより、各燃料電池スタックに導入される掃気ガスの流量は低くなり、電解質膜やセパレータなどの表面に薄層で残留する水などを、流量が低下した掃気ガスに取り込み、電解質膜などの乾燥を促進することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複数の燃料電池スタックを、少ないエネルギで好適に掃気できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を適宜参照して説明する。
参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【００２８】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車の停止時（第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の停止時）に、第１排出弁４１および第２排出弁４２（切換手段）を制御して掃気ガスを導入し、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０を好適に掃気するシステムである。
【００２９】
ここで、本実施形態では、第１燃料電池スタック１０と第２燃料電池スタック２０との２基の燃料電池スタックを備えた燃料電池システム１について、第１燃料電池スタック１０の第１アノード流路１２（燃料ガス流路）と第２燃料電池スタック２０の第２アノード流路２２（燃料ガス流路）の掃気に、本発明を適用した場合に説明する。そして、２基の燃料電池スタック（第１燃料電池スタック１０と第２燃料電池スタック２０）が、各燃料電池スタック毎に組が分けられ（組の数は２つ、各組を構成する燃料電池スタックの数は１基）、この組毎に掃気した後（第１掃気工程）、第１燃料電池スタック１０の第１アノード流路１２と第２燃料電池スタック２０の第２アノード流路２２とを同時に掃気する（第２掃気工程）場合について説明する。第１掃気工程においては、第１アノード流路１２、第２アノード流路２２の順に掃気する場合について説明する。
また、説明を簡単にするため、カソード系のポンプ５１と、掃気ガス導入系のポンプ６１（掃気ガス源）とを切り分けた場合について説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池システム１は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０と、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０のアノード側に水素ガス（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系と、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０のカソード側に加湿空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系と、掃気時に掃気ガスを第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０のアノード側に導入する掃気ガス導入系と、これらを制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、制御装置）を主に備えている。
【００３１】
＜第１燃料電池スタック＞
第１燃料電池スタック１０は、主として、一価の陽イオン交換型の第１電解質膜１１の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体とも称される）が、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、第１電解質膜１１の全面に水素ガス（燃料ガス）、加湿空気（酸化剤ガス）をそれぞれ供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などが第１アノード流路１２（燃料ガス流路、反応ガス流路）、第１カソード流路１３（酸化剤ガス流路、反応ガス流路）として機能している。
そして、第１燃料電池スタック１０の通常発電時には、第１アノード流路１２には水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、第１カソード流路１３には、加湿空気が流通し、この流通する加湿空気が各カソードに供給されるようになっている。水素ガスが各アノードに、加湿空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、単セルが一般に直列で接続されているため、第１燃料電池スタック１０から大きな電力を取り出すことが可能となっている。
【００３２】
＜第２燃料電池スタック＞
第２燃料電池スタック２０は、第１燃料電池スタック１０と同じ構成であるため、簡単に説明すると、第２電解質膜２１を有しており、その一方面側に水素ガスを供給するための第２アノード流路２２（燃料ガス流路、反応ガス流路）と、他方面側に加湿空気を供給するための第２カソード流路２３（酸化剤ガス流路、反応ガス流路）を有している。
【００３３】
＜アノード系＞
アノード系は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０のアノード側に配置され、水素ガスを供給・排出する系である。以下、アノード系の水素ガス供給側、水素ガス排出側の順で説明する。
【００３４】
＜アノード系−水素供給側＞
アノード系の水素供給側は、水素ガスが貯蔵された水素タンク３１と、遮断弁３２と、エゼクタ３３とを主に備えている。水素タンク３１は、配管３１ａを介して下流側の遮断弁３２に接続しており、遮断弁３２は配管３２ａを介して下流側のエゼクタ３３に接続している。そして、エゼクタ３３は、途中位置で分岐した配管３３ａを介して、第１開閉弁３５と第２開閉弁３６にそれぞれ接続している。第１開閉弁３５は、配管３５ａ（掃気ガス導入配管）を介して、第１燃料電池スタック１０の第１アノード流路１２に接続しており、第２開閉弁３６は、配管３６ａ（掃気ガス導入配管）を介して、第２燃料電池スタック２０の第２アノード流路２２に接続している。遮断弁３２、第１開閉弁３５および第２開閉弁３６は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１はこれらを所望に開閉可能となっている。
また、遮断弁３２とエゼクタ３３との間の配管３２ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。
したがって、遮断弁３２、第１開閉弁３５および第２開閉弁３６を開くと、水素タンク３１から、水素ガスが所定に減圧された後、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２に供給されるようになっている。
【００３５】
＜アノード系−水素排出側＞
アノード系の水素排出側は、第１排出弁４１（切換手段）および第２排出弁４２（切換手段）と、第１アノード流路１２および第２アノード流路から排出されたガス（以下、アノードオフガス）を気液分離する気液分離器４３と、未反応の水素ガスを希釈する希釈器４５と、掃気時（または水素パージ時）に開かれる掃気弁４６（水素パージ弁）とを主に備えている。
【００３６】
［第１排出弁、第２排出弁］
第１排出弁４１は、配管４１ａを介して、第１アノード流路１２の下流側に接続しており、第１アノード流路１２内のガス（掃気ガスなど）の流通／非流通を切り換える機器である。第２排出弁４２は、配管４２ａを介して、第２アノード流路２２の下流側に接続しており、第２アノード流路２２内のガス（掃気ガスなど）の流通／非流通を切り換える機器である。第１排出弁４１の下流側と第２排出弁４２の下流側は、途中の合流点で合流する配管４３ａが接続しており、配管４３ａの下流側は、気液分離器４３に接続している。
【００３７】
また、第１排出弁４１および第２排出弁４２は、例えば電磁式の開閉弁であり、後記するＥＣＵ７０の制御部７１にそれぞれ電気的に接続しており、制御部７１は、第１排出弁４１と第２排出弁４２とを、独立して開閉可能となっている。そして、後記するように、第１排出弁４１、第２排出弁４２を適宜に開閉させることで、第１掃気工程において、第１アノード流路１２と、第２アノード流路２２とを順に掃気可能となっている。
【００３８】
［気液分離器］
気液分離器４３（キャッチタンク）は、通常発電時にアノードオフガス中の水分を分離して、循環する水素ガス中の水分を除去するための機器、言い換えると、アノードオフガス中の未反応の水素ガスを回収するための機器である。気液分離器４３は、冷媒が流通する冷媒配管（図示しない）などを備えており、配管４３ａを介して、第１アノード流路１２、第２アノード流路２２から導入されたアノードオフガスを所定に冷却し、未反応の水素ガスと水とに気液分離可能となっている。ただし、気液分離器４３の気液分離方式はこれに限定されず、例えば遠心力により分離する方式であってもよい。
【００３９】
気液分離器４３の下流側は、配管４３ｂを介してドレン弁４４と、配管４３ｃを介してエゼクタ３３とにそれぞれ接続している。配管４３ｂは、分離された水（液体）が排出されるように、気液分離器４３の適所（底壁など）に設けられている。配管４３ｃは、分離された未反応の水素ガスをエゼクタ３３に戻し循環できるように、気液分離器４３の適所（上壁など）に設けられている。
【００４０】
［ドレン弁］
ドレン弁４４は、配管４４ａを介して、下流側の希釈器４５に接続している。また、ドレン弁４４は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は、ドレン弁を所望に開閉可能となっている。
したがって、通常発電時にドレン弁４４を適宜に開くことにより、気液分離器４３で分離された水が、配管４３ｂ、ドレン弁４４、配管４４ａを介して、希釈器４５に流れるようになっている。また、ドレン弁４４は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の掃気時にも開かれ、掃気ガスおよび押し出された水などが、希釈器４５に流れるようになっている。
【００４１】
［希釈器］
希釈器４５（希釈ボックス）は、内部に希釈空間を有する箱状の機器であり、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスなどを希釈可能となっている。希釈器４５の上流側は、前記した配管４４ａの他、後記する配管４６ｂと、配管５２ｂとに接続している。
そして、配管４４ａ、配管４６ｂから希釈器４５内に供給されたアノードオフガスなどは、配管５２ｂから供給されたカソードオフガスによって希釈された後、希釈器４５の所定位置に設けられた配管を介して、外気中に排出されるようになっている。
【００４２】
［掃気弁］
掃気弁４６（掃気排出弁）は、開閉式の止め弁であり、掃気弁４６の上流側は、配管４６ａを介して、前記合流点より下流側の配管４３ａに接続している。掃気弁４６の下流側は、配管４６ｂを介して、希釈器４５に接続している。また、掃気弁４６は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は掃気弁４６を所望に開閉可能となっている。
【００４３】
そして、燃料電池２の掃気時や、循環により不純物（カソード側から電解質膜３を透過した窒素ガス、水分）が多くなった水素ガスを排出（パージ）するとき（以下、水素パージ時）に、掃気弁４６を開くことで、掃気時には第１燃料電池スタック１０、第２燃料電池スタック２０から排出された掃気ガス（オフガス）と共に押し出された水が、水素パージ時には含水量の高い水素ガス（オフガス）が、配管４６ａ、掃気弁４６、配管４６ｂを順に流通し、希釈器４５に送られるようになっている。
【００４４】
＜カソード系＞
カソード系は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０のカソード側に加湿空気（掃気時は非加湿空気）を供給・排出する系であり、ポンプ５１（コンプレッサ）、背圧弁５２を主に備えている。
【００４５】
＜カソード系−空気供給側＞
まず、カソード系の空気供給側について説明すると、ポンプ５１は、外気を取り込み、圧縮して、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３とに送る機器である。ポンプ５１の下流側は、二股に分岐した配管５１ａを介して、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３とに接続している。また、配管５１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の通常発電時は、取り込まれた空気を加湿可能となっている。
【００４６】
＜カソード系−空気排出側＞
次に、カソード系の空気排出側について説明すると、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３の下流側に、途中で合流する配管５２ａが接続しており、配管５２ａの下流側は、背圧弁５２に接続している。したがって、背圧弁５２の開度を適宜に調整することで、第１カソード流路１３および第２カソード流路２３内のガスの圧力を調整可能となっている。
【００４７】
そして、背圧弁５２の下流側は、配管５２ｂを介して、前記したアノード系の希釈器４５に接続している。したがって、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３から排出されたカソードオフガス（通常発電時は加湿空気＋生成した水、掃気時は掃気ガス＋押し出された水）が、配管５２ａ、背圧弁５２、配管５２ｂを介して希釈器４５に供給されるようになっている。
【００４８】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の掃気時に、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２に掃気ガスを導入するための系であり、ポンプ６１（掃気ガス源、コンプレッサ）と、第１導入弁６２と、第２導入弁６３とを主に備えている。
【００４９】
［ポンプ］
ポンプ６１（掃気ガス源）は、掃気時に稼動し、外気を取り込み掃気ガスとして送る機器である。ポンプ６１の下流側は、配管６１ａ（掃気ガス導入配管）に接続しており、配管６１ａはその途中で分岐して、第１導入弁６２と、第２導入弁６３とに接続している。第１導入弁６２の下流側は、配管６２ａ（掃気ガス導入配管）を介して、配管３５ａに接続している。第２導入弁６３の下流側は、配管６３ａ（掃気ガス導入配管）を介して、配管３６ａに接続している。また、ポンプ６１と、第１導入弁６２および第２導入弁６３とは、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は、これらを所望に開閉可能となっている。
【００５０】
したがって、ポンプ６１を稼動し、第１導入弁６２および第２導入弁６３を開くことで、掃気ガスが、配管６１ａ、配管６２ａ、配管３５ａの一部を介して、第１アノード流路１２に、配管６１ａ、配管６３ａ、配管３５ａの一部を介して、第２アノード流路２２に導入されるようになっている。
【００５１】
ここで、本実施形態において、特許請求の範囲における「掃気ガス導入配管」は、配管６１ａと、配管６２ａと、配管３５ａの一部と、配管６３ａと、配管３６ａの一部とで構成されている。そして、この掃気ガス導入配管の一端側（上流側）は、ポンプ６１（掃気ガス源）に接続しており、他端側（下流側）は配管６１ａの分岐点で分岐し、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２とにそれぞれ接続している。
【００５２】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、第１燃料電池スタック１０および第２燃料電池スタック２０の掃気を制御する機能を主に有している。ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路、各種記憶媒体などを含んで構成され、制御部７１（制御手段）と、掃気データ記憶部７２と、クロック７３とを主に備えている。
【００５３】
［制御部］
制御部７１は、遮断弁３２、第１開閉弁３５、第２開閉弁３６、第１排出弁４１、第２排出弁４２、ドレン弁４４、掃気弁４６、第１導入弁６２、第２導入弁６３と電気的に接続しており、これらを所望に開閉可能となっている。制御部７１は、ポンプ６１と電気的に接続しており、ポンプ６１を所望の回転速度で稼動可能となっている。
また、制御部７１は、燃料電池自動車の図示しないイグニッションスイッチ（以下、ＩＧＳＷ）と接続しており、ＩＧＳＷのＯＮ／ＯＦＦに連動するようになっている。
【００５４】
制御部７１は、第１掃気工程において、第１アノード流路１２、第２アノード流路２２の掃気がそれぞれ完了したか否かを判定する機能を有している。また、制御部７１は、第２掃気工程において、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２の同時掃気が完了したか否かを判定する機能を有している。具体的な判定方法については、後記するため、ここでの説明は省略する。
【００５５】
［掃気データ記憶部］
掃気データ記憶部７２には、予備実験などにより求められた目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１、目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２、目標同時掃気時間Δｔ３が記憶されている。掃気データ記憶部７２は、制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は、目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１などを適宜参照可能となっている。
目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１、目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２は、組を構成する燃料電池スタックの数、各燃料電池スタック大きさなどに依存する。本実施形態では、前記したように、第１燃料電池スタック１０と第２燃料電池スタック２０とは、同じ仕様であるため、目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１と目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２とは同一になる。
【００５６】
［クロック］
クロック７３は、常に時刻を刻んでおり、この時刻は制御部７１に送られている。
【００５７】
≪燃料電池システムの制御フロー≫
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１に設定された制御フローについて、図１に加えて、図２を主に参照しつつ説明する。
【００５８】
燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＦＦされると、図２に示す制御フローがスタートするようになっている。
【００５９】
ステップＳ１０１において、制御部７１は、ＩＧＳＷ（図示しない）のＯＦＦに連動して、遮断弁３２と、第１開閉弁３５および第２開閉弁３６とを閉じるように設定されている。これにより、水素タンク３１から、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２への水素ガスの供給が停止されるようになっている。
また、制御部７１は、第１排出弁４１および第２排出弁４２を閉じ、ドレン弁４４および掃気弁４６を開くように設定されている。
【００６０】
ステップＳ１０２において、制御部７１は、ポンプ６１（掃気ガス源）を所定の回転速度で稼動させると共に、第１導入弁６２と、第２導入弁６３とを開くように設定されている。これにより、ポンプ６１から掃気ガスが、配管６１ａ、配管６２ａ、配管３５ａの一部を介して第１アノード流路１２に、配管６１ａ、配管６３ａ、配管３６ａの一部を介して、第２アノード流路２２に、それぞれ供給されるようになっている。
【００６１】
ステップＳ１０３において、制御部７１は、第１排出弁４１を開くように設定されている。これにより、第１アノード流路１２に掃気ガスが流通し、第１アノード流路１２の掃気が開始されるようになっている。
また、制御部７１は、第１排出弁４１を開くと共に、クロック７３からの時刻に基づいて、実際の第１アノード流路掃気時間（実測第１アノード流路掃気時間Δｔ１１）を計測するように設定されている。
【００６２】
ステップＳ１０４において、制御部７１は、第１アノード流路１２の掃気が完了したか否かを判定するように設定されている。具体的には、制御部７１は、掃気データ記憶部７２にアクセスし、目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１を参照して、これと実測第１アノード流路掃気時間Δｔ１１とを比較し、実測第１アノード流路掃気時間Δｔ１１が目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１を超えた場合（Δｔ１１＞Δｔ１）、第１アノード流路１２の掃気が完了したと判定するように設定されている。
【００６３】
第１アノード流路１２の掃気は完了した（Δｔ１１＞Δｔ１）と判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進むようになっている。一方、第１アノード流路１２の掃気は完了していない（Δｔ１１≦Δｔ１）と判定された場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ステップＳ１０４の判定を繰り返すように設定されている。
【００６４】
ステップＳ１０５において、制御部７１は、第１排出弁４１を閉じるように設定されている。
【００６５】
ステップＳ１０６において、制御部７１は、第２排出弁４２を開くように設定されている。これにより、第２アノード流路２２に掃気ガスが流通し、第２アノード流路２２の掃気が開始されるようになっている。
また、制御部７１は、第２排出弁４２を開くと共に、クロック７３からの時刻に基づいて、実際の第２アノード流路掃気時間（実測第２アノード流路掃気時間Δｔ１２）を計測するように設定されている。
【００６６】
ステップＳ１０７において、制御部７１は、第２アノード流路２２の掃気が完了したか否かを判定するように設定されている。具体的には、制御部７１は、掃気データ記憶部７２にアクセスし、目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２を参照して、これと実測第２アノード流路掃気時間Δｔ１２とを比較し、実測第２アノード流路掃気時間Δｔ１２が目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２を超えた場合（Δｔ１２＞Δｔ２）、第２アノード流路２２の掃気が完了したと判定するように設定されている。
【００６７】
第２アノード流路２２の掃気は完了した（Δｔ１２＞Δｔ２）と判定された場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に進むようになっている。一方、第２アノード流路２２の掃気は完了していない（Δｔ１２≦Δｔ２）と判定された場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ステップＳ１０７の判定を繰り返すように設定されている。
【００６８】
ステップＳ１０８において、制御部７１は、第１排出弁４１を開くように設定されている。これにより、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２の両方に掃気ガスが流通し、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２の同時掃気が開始されるようになっている。
また、制御部７１は、第１排出弁４１を開くと共に、クロック７３からの時刻に基づいて、実際の同時掃気時間（実測同時掃気時間Δｔ１３）を計測するように設定されている。
【００６９】
ステップＳ１０９において、制御部７１は、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２の同時掃気が完了したか否かを判定するように設定されている。具体的には、制御部７１は、掃気データ記憶部７２にアクセスし、目標同時掃気時間Δｔ３を参照して、これと実測同時掃気時間Δｔ１３とを比較し、実測同時掃気時間Δｔ１３が目標同時掃気時間Δｔ３を超えた場合（Δｔ１３＞Δｔ３）、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２との同時掃気が完了したと判定するように設定されている。
【００７０】
第１アノード流路１２と第２アノード流路２２との同時掃気は完了した（Δｔ１３＞Δｔ３）と判定された場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に進むようになっている。一方、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２との同時掃気は完了していない（Δｔ１３≦Δｔ３）と判定された場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ステップＳ１０９の判定を繰り返すように設定されている。
【００７１】
ステップＳ１１０において、制御部７１は、第１導入弁６２、第２導入弁６３、第１排出弁４１、第２排出弁４２を閉じるようになっている。
そして、ポンプ６１の稼動を停止した後、エンドに進み、図２に示す制御フローが終了するようになっている。
【００７２】
≪燃料電池システムの掃気方法≫
次に、図１および図２に加えて、図３を主に参照して、燃料電池システムの動作と共に、本実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法は、第１アノード流路１２を掃気した後、第２アノード流路２２を掃気する第１掃気工程と、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２を同時に掃気する第２掃気工程とを含んでいる。
【００７３】
燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＦＦされると、遮断弁３２と、第１開閉弁３５および第２開閉弁３６と、第１排出弁４１および第２排出弁４２とが閉じられ、ドレン弁４４および掃気弁４６が開かれる（図２、Ｓ１０１）。その後、第１導入弁６２および第２導入弁６３が開かれると共に（図２、Ｓ１０２）、ポンプ６１が所定の回転速度で稼動し、掃気ガスが掃気ガス流量ΔＱ（ポンプ６１と配管６１ａの分岐点の間の流量）で、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２に導入される。この状態において、第１排出弁４１および第２排出弁４２は閉じているため、掃気ガスが第１アノード流路１２および第２アノード流路２２内に押し込まれるのみで、流通せず、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２は掃気されない。
【００７４】
なお、第１カソード流路１３、第２カソード流路２３については、前記ＩＧＳＷのＯＦＦにより、加湿器（図示しない）による加湿は停止され、非加湿空気が第１カソード流路１３、第２カソード流路２３に同時に導入され、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３とが掃気される。
【００７５】
＜第１掃気工程＞
次いで、第１排出弁４１が開かれ、第１アノード流路１２に掃気ガスが流通し、第１アノード流路の掃気が開始される（図２、Ｓ１０３）。そうすると、第１アノード流路１２に、流量ΔＱで掃気ガスが流通し、第１アノード流路１２が効率的に掃気される。
【００７６】
目標第１アノード流路掃気時間Δｔ１経過後（図２、Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、第１排出弁４１が閉じられる（図２、Ｓ１０５）。
【００７７】
その後、第２排出弁４２が開かれ、第２アノード流路２２に掃気ガスが流通し、第２アノード流路２２の掃気が開始される（図２、Ｓ１０６）。そうすると、第２アノード流路２２に、流量ΔＱで掃気ガスが流通し、第２アノード流路２２が効率的に掃気される。
【００７８】
このように、ポンプ６１（掃気ガス源）からの掃気ガスの流量が一定（ΔＱ）であっても、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２とを別々（第１燃料電池スタック１０から構成される組と、第２燃料電池スタック２０から構成される組について、組毎）に掃気することで、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２に、流量ΔＱで掃気ガスを流通させて、効率的に掃気することができる。
言い換えると、ポンプ６１からの掃気ガスの流量を高めずに、ポンプ６１を少ないエネルギで稼動させつつ、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２を効率的に掃気することができる。
【００７９】
＜第２掃気工程＞
目標第２アノード流路掃気時間Δｔ２経過後（図２、Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、第１排出弁４１が開かれ、第１アノード流路１２と第２アノード流路２２との同時掃気が開始される（図２、Ｓ１０８）。
【００８０】
このように、第１掃気工程後、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２を同時に掃気することにより、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２に導入される掃気ガスの流量は低下し（ΔＱ／２）、電解質膜やセパレータなどの表面に薄層で残留した水などを、流量が低下した掃気ガスに取り込み、電解質膜などの乾燥を促進することができる。
【００８１】
目標同時掃気時間Δｔ３経過後（図２、Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２の同時掃気は完了する。
次いで、第１導入弁６２、第２導入弁６３、第１排出弁４１、第２排出弁４２は閉じられる（図２、Ｓ１１０）。その後、ポンプ６１は停止し、本実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法は終了する。
【００８２】
このように、本実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの掃気方法によれば、複数の燃料電池スタックを、少ないエネルギで好適に掃気することできる。
【００８３】
以上、本発明の好適な各実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
【００８４】
前記した実施形態では、２基の燃料電池スタック（第１燃料電池スタック１０と第２燃料電池スタック２０）を備えた燃料電池システム１としたが、燃料電池スタックの数はこれに限定されず、３基、４基、５基…であってもよい。すなわち、燃料電池システムが備える燃料電池スタックの数は２基に限定されず、適宜変更自由である。
【００８５】
また、例えば、５基の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの場合、３基の燃料電池スタックからなる組と２基の燃料電池スタックからなる組とに組を分ける構成（組の数は２つ）としてもよいし、２基の燃料電池スタックからなる組と、２基の燃料電池スタックからなる組と、１基の燃料電池スタックからなる組とに分ける構成（組の数は３つ）としてもよいし、その他、本実施形態と同様に、１基の燃料電池スタック毎に組を分ける構成（組の数は５つ）としてもよい。すなわち、組を構成する燃料電池スタックの数や、組の数は適宜変更自由である。
【００８６】
さらに、例えば、５基の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの場合、各燃料電池スタックを構成する単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（燃料電池スタック内水分状態検出手段）を、さらに備える構成とし、セル電圧モニタと制御部７１を電気的に接続して、制御部７１は単セルの電圧を監視可能としてもよい。
そして、制御部７１は、セル電圧モニタを介して、各燃料電池スタック内の水分存在状態や掃気状態などを把握し、これに対応して、燃料電池スタックの組を変化させ（再度、２以上の組に分け直し）、多量の水分が存在する燃料電池スタックに多流量の掃気ガスを供給するようにして、複数の燃料電池スタックをさらに効率的に掃気する構成としてもよい。また、多量の水分が存在する燃料電池スタックを選択し、この燃料電池スタックのみに選択的に掃気ガスを供給する構成としてもよい。なお、燃料電池スタック内に水分が存在すると、一般に単セルの電圧が低下する。
また、この場合、掃気データ記憶部７２に、燃料電池スタックの数を予め記憶しておき、制御部７１が、この記憶された燃料電池スタックの数に基づいて、複数の燃料電池スタックを、２つ以上の組に適宜に分ける構成としてもよい。
【００８７】
前記した実施形態では、本発明を第１アノード流路１２と第２アノード流路２２とを掃気する場合に適用したが、第１カソード流路１３と第２カソード流路２３とを掃気する場合に適用してもよいし、ポンプ５１とポンプ６１とを共有し、１つのポンプ（掃気ガス源）から、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２と、第１カソード流路１３および第２カソード流路２３との両方を掃気する場合に適用してもよい。
【００８８】
前記した実施形態では、第１アノード流路１２の掃気が完了したか否かの判定を、時間で管理したが（図２、Ｓ１０４）、例えば、第１アノード流路１２の上流側と下流側に圧力センサをさらに設け、この圧力センサにより実際の実測圧力差を検出し、実測圧力差が予め求められた目標圧力差となった場合に、第１アノード流路１２の掃気が完了したと判定するように構成してもよい。
第２アノード流路２２の掃気完了の判定（図２、Ｓ１０７）、同時掃気の完了の判定（図２、Ｓ１０９）についても同様である。
【００８９】
前記した実施形態では、第１排出弁４１（切換手段）が第１アノード流路１２の下流側に、第２排出弁４２（切換手段）が第２アノード流路２２の下流側に配置された場合について説明したが、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２内の掃気ガスの流通／非流通を切換可能であれば、切換手段はどのような位置であってもよく、例えば、第１アノード流路１２および第２アノード流路２２の上流側の配管６１ａの分岐点に三方弁を設け、これを切換手段としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９１】
１      燃料電池システム
１０    第１燃料電池スタック
１２    第１アノード流路（燃料ガス流路）
１３    第１カソード流路（酸化剤ガス流路）
２０    第２燃料電池スタック
２２    第２アノード流路（燃料ガス流路）
２３    第２カソード流路（酸化剤ガス流路）
３５ａ、３６ａ、６１ａ、６２ａ、６３ａ  配管（掃気ガス導入配管）
４１    第１排出弁（切換手段）
４２    第２排出弁（切換手段）
６１    ポンプ（掃気ガス源）
６２    第１導入弁
６３    第２導入弁
７０    ＥＣＵ
７１    制御部（制御手段）
【図１】
2006155997.tif 000003
【図２】
2006155997.tif 000004
【図３】
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