(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池内を窒素に置換する際に、燃料電池のアノードとカソードの双方を利用す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。【解決手段】燃料電池スタック１０に、アノードとカソードを連通または遮断する連通弁９０、水素排気弁７６を設ける。燃料電池の発電停止後に、連通弁９０および水素排気弁７６を開いてアノードとカソードを含む循環系を形成し、エアコンプレッサ２２を作動させてガスを循環させる。この循環系は、エア入口弁２０、エア出口弁４４、および水素入口弁５２を閉じることにより、外気とのガス交換が生じない閉鎖系とされる。【選択図】図１
2008041435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードとアノードを連通する連通状態と該アノードと該カソードを遮断する遮断状態とを選択的に実現する連通手段と、
前記アノードと前記カソードを含む系を外気とのガス交換のない閉鎖系とする閉鎖手段と、
前記燃料電池の発電停止後に前記連通手段を前記連通状態とする制御手段と、
を有し、
前記連通手段が前記連通状態とされた時に前記閉鎖手段が前記閉鎖系を形成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記閉鎖系は前記アノードと前記カソードを通ってガスが循環する循環系を含み、
前記循環系内のガス流通を促進する循環ポンプを有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】
前記閉鎖系内の水素量と酸素量のモル比を２（水素）：１（酸素）に調整する調整手段を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環ポンプは、前記燃料電池の発電中に前記カソードに空気を供給するエアコンプレッサを含むことを特徴とする請求項２または３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】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許第２５４１２８８号公報に開示されているように、燃料電池の停止処理時に、燃料電池のアノードを含む系内を窒素に置換する燃料電池システムが知られている。上記従来の技術によれば、燃料電池のアノードに連通する水素循環系に対して空気を供給し、水素循環系内に備えられる水素循環ポンプを駆動させる。これにより、水素と酸素とが反応し水が生成すると共に、アノードを含む水素循環系内が窒素に置換される。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５４１２８８号公報
【特許文献２】特許第２８８７３４６号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１８９３号公報
【特許文献４】特開２００５−２６８０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、燃料電池のアノード側の触媒による反応を利用して水素と酸素とを反応させることとしている。一方、燃料電池には、アノード側と同様に、カソード側にも触媒層が備えられている。このカソード側の触媒をも反応に利用することとすれば、更に効率よく窒素への置換を行うことができ、好ましい。
【０００５】
この発明は、上記の思想に基づいてなされたもので、燃料電池内を窒素に置換する際に、燃料電池のアノードとカソードの双方を利用す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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードとアノードを連通する連通状態と該アノードと該カソードを遮断する遮断状態とを選択的に実現する連通手段と、
前記アノードと前記カソードを含む系を外気とのガス交換のない閉鎖系とする閉鎖手段と、
前記燃料電池の発電停止後に前記連通手段を前記連通状態とする制御手段と、
を有し、
前記連通手段が前記連通状態とされた時に前記閉鎖手段が前記閉鎖系を形成することを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記閉鎖系は前記アノードと前記カソードを通ってガスが循環する循環系を含み、
前記循環系内のガス流通を促進する循環ポンプを有することを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記閉鎖系内の水素量と酸素量のモル比を２（水素）：１（酸素）に調整する調整手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記循環ポンプは、前記燃料電池の発電中に前記カソードに空気を供給するエアコンプレッサを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、燃料電池の発電停止後に、連通状態とされたアノードとカソードを含む閉鎖系を形成することができる。これにより、発電停止後に燃料電池内部を窒素に置換する際に、アノードとカソードの双方を置換反応に利用することができる。
【００１１】
第２の発明によれば、循環ポンプを用いて、アノードとカソードを含む循環系内でガスを循環させることができる。これにより、閉鎖系内における水素と空気の反応を促進することができる。
【００１２】
第３の発明によれば、閉鎖系内の水素量と酸素量のモル比を２（水素）：１（酸素）に調整して、窒素への置換を行うことができる。これにより、燃料電池内の窒素への置換を確実に行うことができる。
【００１３】
第４の発明によれば、循環ポンプとして、燃料電池の発電中にカソードに空気を供給するエアコンプレッサを用いる。これにより、循環を促進する機能が高い等のエアコンプレッサの利点を生かして、ガス循環の促進を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態１は、複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタック１０を備えている。実施の形態１は、燃料電池スタック１０内の燃料電池セルのカソードに連通するエア系（図１中の点線矢印）と、燃料電池スタック１０内の燃料電池セルのアノードに連通する水素系（図１中の燃料電池スタック１０に繋がる実線矢印）とを有している。
【００１５】
（エア系）
エア系は、大気に連通するエア吸気口１４と、同じく大気に連通するエア排気口１６とに連通している。エア吸気口１４から流入した空気が、エア排気口１６側を下流としてエア系を流通することにより、燃料電池スタック１０のカソードに空気が供給される構成となっている。以下、エア系を構成する各々の要素について、具体的に説明する。
【００１６】
エア系は、エア吸気口１４の下流側に、エア入口弁２０を有している。エア入口弁２０が閉じられると、エア吸気口１４から燃料電池スタック１０への空気の流入が遮断される。エア入口弁２０は、その下流で、エアコンプレッサ２２の吸入口に連通している。エアコンプレッサ２２は、エア吸気口１４から空気を吸入し、下流側へと吐出する。
【００１７】
エアコンプレッサ２２の吐出口は、加湿モジュール２４に連通している。加湿モジュール２４は、エアコンプレッサ２２が吐出した空気を受けて、加湿したのち、下流側へと供給する。加湿モジュール２４は、燃料電池スタック１０のカソードガス流入孔３０に連通している。加湿モジュール２４により加湿された空気が、カソードガス流入孔３０を通って燃料電池スタック１０内部のカソードに供給される。
【００１８】
カソードに供給された空気の一部は、燃料電池スタック１０内部の発電に寄与する。発電に寄与しなかった空気は、カソードガス排出孔３２から燃料電池スタック１０の外部に流出する。燃料電池は、その発電の際に、カソードにおいて水の生成を伴う。この生成水は、発電に寄与しなかった空気の流れに付随して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００１９】
カソードガス排出孔３２は、加湿モジュール２４に連通している。加湿モジュール２４には、カソードガス排出孔３２から排出された水および空気を含む混合ガスが流入する。加湿モジュール２４は、混合ガスから水分を取り入れることができ、取り入れた水分を前述した空気の加湿に利用することができる。
【００２０】
加湿モジュール２４は、下流側において、エア出口弁４４およびエア調圧弁４６を介して、エア排気口１６に連通している。加湿モジュール２４を通過したガスは、エア出口弁４４およびエア調圧弁４６を通過してエア排気口１６に至る。
【００２１】
エア出口弁４４を閉状態とした場合は、当該位置のガス流通が遮断される。エア調圧弁４６は、加湿モジュール２４側の圧力を適切に調節しつつ、燃料電池スタック１０のカソードからの排出ガスをエア排気口１６側に排出する。
【００２２】
加湿モジュール２４とカソードガス排出孔３２との間には、カソード圧力センサ４０と、カソード温度センサ４２が設けられている。カソード圧力センサ４０は、燃料電池スタック１０のカソード側の圧力を検知することができる。カソード温度センサ４２は、燃料電池スタック１０のカソード側の温度を検知することができる。
【００２３】
（水素系）
水素系は、水素供給系１８に連通している。水素供給系１８は、水素を高圧状態で貯留する水素タンクを含んでいる。この水素タンクから、水素系に対して、適宜水素を供給することができる。水素供給系１８から供給される水素が、水素系を流通し、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。以下、水素系を構成する各々の要素について、具体的に説明する。
【００２４】
水素系は、水素供給系１８の下流に水素調圧弁５０を有している。水素調圧弁５０は、水素供給系１８側からの高圧な水素を、適当な圧力に減圧して供給する。水素調圧弁５０は、水素入口弁５２に連通している。水素入口弁５２を閉状態とした場合には、水素供給系１８からの水素の供給が、水素入口弁５２の位置で塞き止められる。
【００２５】
水素入口弁５２は、燃料電池スタック１０のアノードガス流入孔６０に連通している。水素入口弁５２が開いている状態では、水素供給系１８から供給される水素が、アノードガス流入孔６０に流入して燃料電池スタック１０内のアノードへと至る。アノードガス流入孔６０の近傍には、アノード側の圧力を検知するアノード圧力センサ５４が設けられている。
【００２６】
アノードに流入した水素の一部は、燃料電池スタック１０内の発電に消費される。燃料電池スタック１０内の発電により、カソードで水が生成されると、生成水の一部が、燃料電池セルの電解質膜を透過してアノードに移動してくる。そのため、アノードにおいても、カソードと同様に、水が存在している。アノードに流入した水素のうち発電に寄与しない分は、アノードガス排出孔６２から流出する際に、アノードの水を燃料電池スタック１０の外部に搬送する。
【００２７】
アノードガス排出孔６２は、気液分離器７２に連通している。気液分離器７２は、アノードガス排出孔６２から排出される水と水素とを含む混合ガスから、水分を取り除くことができる。取り除かれた水は気液分離器７２内に貯留され、必要に応じ、水排出弁７４の開弁により排出される。アノードガス排出孔６２と気液分離器７２の間には、アノードの温度を検知するアノード温度センサ７０が設けられている。
【００２８】
気液分離器７２は、水素排気弁７６に連通している。水素排気弁７６は、当該位置におけるガス流通を制御する弁である。すなわち、水素排気弁７６が閉状態とされているときには、上流側（気液分離器７２側）でガスが滞留する状態となる。
【００２９】
水素排気弁７６は、循環管路８０に連通している。循環管路８０の下流側は、エア系におけるエアコンプレッサ２２の上流側に連通している。このような構成によれば、水素排気弁７６を開弁することにより、循環管路８０へと水素が流れ出て、この水素がエア系へと到達することとなる。
【００３０】
実施の形態１のシステムは、図示しない水素濃度センサを備えている。水素濃度センサは、燃料電池スタック１０のアノードの水素濃度を検知することができる。
【００３１】
（連通弁）
実施の形態１の燃料電池システムは、前述したエア系と水素系とを連通または遮断する連通弁９０を有している。連通弁９０は、具体的には、燃料電池スタック１０のカソードガス排出孔３２の下流位置と、燃料電池スタック１０のアノードガス流入孔６０の上流位置とを連通可能となるように設けられている。
【００３２】
連通弁９０の開閉を切り替えることで、燃料電池スタック１０のアノード側（エア系）とカソード側（水素系）とが連通してガスが移動しうる状態と、アノード側とカソード側とが遮断された状態とを切り替えることができる。
【００３３】
［実施の形態１の動作］
以下、図１を用いて、実施の形態１の燃料電池システムの動作について説明する。
【００３４】
（通常運転時）
通常運転時には、連通弁９０を閉じ、エア系と水素系とを遮断状態とする。エア系においては、エア入口弁２０、エア出口弁４４をともに開いた状態とする。この状態で、エアコンプレッサ２２を作動させ、燃料電池スタック１０のカソードへ空気を供給する。
【００３５】
また、水素系においては、水素入口弁５２を開いた状態とし、水素排気弁７６を閉じた状態とする。このような状態では、水素供給系１８から水素が供給され、燃料電池スタック１０のアノードおよび水素系が所定の圧力に保たれる。これにより、燃料電池スタック１０に対し、空気と水素が供給され、発電が行われることとなる。
【００３６】
発電に伴って水素が消費されるのに対応して、適宜、水素供給系１８より水素が供給される。発電の進行に伴い、カソードの窒素や生成水が燃料電池セル内の電解質膜を透過してアノードへ至ることで、水素系内におけるガスの水素濃度や水分の量が変化する場合がある。これに対処するため、水素濃度が必要値以上となるように、および、水分が過多となってフラッディングが生じないように、必要に応じて、水素排気弁７６が開弁される。
【００３７】
なお、実施の形態１では、循環管路８０を、エアコンプレッサ２２の下流側ではなく、上流側に連通させる構成としている。エアコンプレッサ２２の下流は、エアコンプレッサ２２の吐出によって空気が押し込まれているため、高圧となっている。高圧な下流側に対して循環管路８０を連通させる構成とすると、水素系の圧力が当該下流位置よりも低い場合には、水素が円滑にエア系に到達しにくくなる。実施の形態１では、この点を考慮してエアコンプレッサ２２の上流側へ循環管路８０を連通させることにより、水素系の圧力値の設定範囲を広くすることを可能としている。
【００３８】
（運転停止時）
システムの運転停止時には、エア入口弁２０、エア出口弁４４、水素入口弁５２を閉じた状態とする。これにより、燃料電池スタック１０に対する空気および水素の供給が遮断され、燃料電池スタック１０の発電が停止される。そして、燃料電池スタック１０と、エア系の一部と、水素系の一部とを含む外気（大気）とのガス交換が生じない閉鎖系が形成される。
【００３９】
このような状態で、連通弁９０および水素排気弁７６を開状態とする。これにより、「連通弁９０→水素系→アノードガス流入孔６０→燃料電池スタック１０内のアノード→アノードガス排出孔６２→水素排気弁７６→循環管路８０→エア系→エアコンプレッサ２２→カソードガス流入孔３０→燃料電池スタック１０内のカソード→カソードガス排出孔３２→エア系→連通弁９０」という循環系が形成される。
【００４０】
循環系の形成後、エアコンプレッサ２２を駆動させることにより、燃料電池スタック１０内の空気および水素が、当該循環系内を混合しながら循環する。ガス流通の過程で、水素および空気の混合ガスが、燃料電池スタック１０のアノード触媒層とカソード触媒層のそれぞれに到達する。
【００４１】
その結果、各触媒層において水素と酸素が反応し、水の生成と共に系内が窒素に置換される。このように、実施の形態１によれば、燃料電池スタック１０のアノードとカソードの双方を窒素への置換反応に利用することができる。
【００４２】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図２を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図２は、実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートであり、実施の形態１の運転停止時に実行される。図２のルーチンは、一例として、実施の形態１の燃料電池システムが車両に搭載されている場合を想定している。
【００４３】
なお、実施の形態１のルーチンでは、上述した燃料電池スタック１０内を窒素に置換する処理を行う前に、アノードの水素量とカソードの酸素量のモル比を２（水素）：１（酸素）に調整する処理を行うこととする。
【００４４】
図２に示すルーチンでは、先ず、車両のイグニションキーがＯＦＦ状態とされたか否かが判別される（ステップ１００）。イグニションキーがＯＦＦ状態でないと判別された場合には、燃料電池システムの運転停止の要求がなされていないと判断される。燃料電池システムが、車両以外に搭載されている場合には、当該システムが停止状態への移行を開始したか否かなどの情報により、上記の判断を下すことができる。
【００４５】
イグニションキーがＯＦＦ状態とされたと判別された場合には、水素入口弁５２が閉状態とされる（ステップ１０２）。水素入口弁５２が閉状態とされることで、燃料電池スタック１０への水素供給が停止される。
【００４６】
その後、水素消費制御が行われる（ステップ１０４）。具体的には、燃料電池スタック１０が図示しないバッテリに接続される。そして、水素供給が停止された状態で、燃料電池スタック１０内に残存する水素を用いて発電を行う。これにより、燃料電池スタック１０内の水素が消費され、徐々に減少する。
【００４７】
その後、水素消費制御を開始してから所定時間が経過したか否かが判別される（ステップ１０８）。この所定時間は、水素消費が好適なタイミングで終了されるように定められ、予め実験などにより定めることができる。所定時間が経過したと判別されない場合には、引き続き、水素消費制御が行われる。
【００４８】
所定時間が経過したと判別された場合には、水素消費制御が終了（燃料電池スタック１０の発電が停止）されたのち、燃料電池スタック１０のアノード側に残存する水素のモル量が検知される（ステップ１１０）。具体的には、水素センサ（図示せず）によって検知された水素濃度と、アノード温度センサ７０によって検知される温度と、アノード圧力センサ５４によって検知される圧力値と、水素が残存しているアノード側の系内の容積に基づいて、アノード側に残存する水素のモル量が算出される。
【００４９】
その後、エア出口弁４４が閉じられ（ステップ１１２）、燃料電池スタック１０のカソード側における酸素のモル量を狙い値に調整する処理が行われる（ステップ１１４）。前述したように、実施の形態１では、アノードの水素量とカソードの酸素量のモル比を２（水素）：１（酸素）に調整することとしている。ステップ１１４の処理では、このような水素量と酸素量のモル比を実現するために、ステップ１１０で検知されたアノードの水素量に基づいて、カソードの酸素量を調整する。
【００５０】
具体的には、先ず、アノードに残存する水素のモル量に基づいて、アノードの水素量とカソードの酸素量をモル比で２（水素）：１（酸素）とするために、カソード側に必要な酸素のモル量が算出される。
【００５１】
続いて、カソード側に残存している空気量に基づいて、この時点でカソード側に残存している酸素のモル量が算出される。具体的には、カソード温度センサ４２によって検知される温度と、カソード圧力センサ４０によって検知される圧力値と、カソード側の系内の容積に基づいて、カソード側に残存している酸素のモル量が算出される。
【００５２】
続いて、カソード側に必要な酸素のモル量と、現時点でカソード側に残存している酸素のモル量が比較される。比較の結果、カソード側に対して供給すべき不足分の酸素量が算出されたら、この不足分のモル量に相当する酸素を含む空気がエアコンプレッサ２２によってカソードへと供給される。
【００５３】
空気供給の際には、エアコンプレッサ２２の動作量（動作時間、回転数等）と空気吐出量との相関などを予め把握しておくことにより、エアコンプレッサ２２を所定の動作時間だけ駆動させて、必要な量の空気をカソードへと供給することができる。
【００５４】
必要な量の空気が送られた後、エアコンプレッサ２２が停止され（ステップ１１６）、エア入口弁２０が閉じられる（ステップ１１８）。この時点で、燃料電池スタック１０内におけるアノードの水素量とカソードの水素量との間のモル比が、２：１となっている。
【００５５】
続いて、連通弁９０および水素排気弁７６を開き、エアコンプレッサ２２を作動させる（ステップ１２０）。先ず、連通弁９０と水素排気弁７６の開弁により、燃料電池スタック１０のアノードとカソードが連通し、前述した循環系が形成される。その後、エアコンプレッサ２２の駆動により、循環系内を水素と空気が混合しながら循環し、アノードとカソードの双方において反応が生ずる。
【００５６】
その後、所定の時間が経過したか否かが判別される（ステップ１２２）。具体的には、ステップ１２０において開始されたエアコンプレッサ２２の駆動時間が、予め実験などで定められた水素と空気の反応が十分に行われる時間を経過したか否かが判別される。所定の時間が経過したと判別されない場合には、引き続きエアコンプレッサ２２を駆動し、系内のガス循環を行う。
【００５７】
所定の時間が経過したと判別された場合には、系内で十分に窒素置換が行われたと判断される。その後、エアコンプレッサ２２が停止され、連通弁９０および水素排気弁７６が閉弁される（ステップ１２４）。その後、燃料電池システムの停止処理が続行され（ステップ１２６）、今回のルーチンが終了する。
【００５８】
以上の処理によれば、燃料電池スタック１０の窒素置換の際に、水素と酸素の反応を、アノードとカソードの双方を用いて行うことができる。そして、エアコンプレッサ２２の駆動によって、アノードとカソードを含む循環系内でガスを循環させることができる。
【００５９】
特に、エアコンプレッサは、大きな流量を循環させることができるという利点を有している。このため、実施の形態１の構成によれば、エア系に備えられるエアコンプレッサ２２を利用することにより、系内の水素と酸素の反応を十分に促進し、窒素への置換を早期に進めることができる。また、実施の形態１では、水素量と酸素量を調整して反応を行うため、燃料電池スタック１０の窒素置換を確実に行うことができる。
【００６０】
なお、実施の形態１のシステムは、水素系内で水素を循環させる水素循環系を有していない。このような構成によれば、水素循環系を構成するための水素ポンプなどが必要とされないため、システムを簡素に構成できるという利点がある。
【００６１】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、連通弁９０および水素排気弁７６が前記第１の発明における「連通手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１では、エア入口弁２０、エア出口弁４４、および水素入口弁５２が、前記第１の発明における「閉鎖手段」に相当する。
【００６２】
また、実施の形態１では、エア入口弁２０、エア出口弁４４、および水素入口弁５２を閉じた場合の燃料電池スタック１０を含む系が、前記第１の発明における「閉鎖系」に相当し、前述した具体的処理におけるステップ１２０の処理が、前記第１の発明における「制御手段」にそれぞれ相当している。
【００６３】
また、上述した実施の形態１では、「連通弁９０→水素系→アノードガス流入孔６０→燃料電池スタック１０内のアノード→アノードガス排出孔６２→水素排気弁７６→循環管路８０→エア系→エアコンプレッサ２２→カソードガス流入孔３０→燃料電池スタック１０内のカソード→カソードガス排出孔３２→エア系→連通弁９０」の循環系が、前記第２の発明における「循環系」に相当している。
【００６４】
また、上述した実施の形態１では、エアコンプレッサ２２が、前記第２の発明における「循環ポンプ」および前記第４の発明の「エアコンプレッサ」に相当している。また、上述の実施の形態１の具体的処理においては、ステップ１１０からステップ１１８までの処理が、前記第３の発明における「調整手段」に相当している。
【００６５】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、具体的処理のステップ１１４において、エアコンプレッサ２２の動作量（動作時間）に基づいて、燃料電池スタック１０のカソードへの空気の供給量を調整した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、空気の供給量を検知するエアフローメータをエア系に設け、このエアフローメータによってカソードへ流入する空気量を検知することとしてもよい。
【００６６】
また、例えば、カソードへの空気供給を行いつつカソード側の温度、圧力を監視することとし、これらの値とカソード側の系内の容積とに基づいて、カソード側の酸素のモル量が必要値に達したことを検知してもよい。
【００６７】
（第２変形例）
実施の形態１では、具体的処理のステップ１１０において、図示しない水素濃度センサが検知した水素濃度値を利用して、水素消費制御終了後のアノード側の水素のモル量を算出することとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、次のような方法を用いても良い。
【００６８】
先ず、ステップ１００においてキーＯＦＦの要求があった直後に、アノード側の水素濃度を推定する。具体的には、燃料電池スタック１０内の燃料電池セルの電解質膜におけるガス透過特性に基づいて、ステップ１００の時点までにカソードからアノードへと透過してきているガス（窒素など）の量を推定する（この手法は既に公知であるため、詳細な説明は省略する）。この推定値を用いて、アノード側の水素濃度値およびアノード側に残存する水素のモル量を算出する。
【００６９】
その後、ステップ１０４の水素消費制御における発電量（電流量）に基づいて、消費された水素のモル量を算出する。消費された水素量を、水素消費制御開始前に推定された水素量から差し引くことにより、水素消費制御を終了した時点での、アノード側に残存する水素のモル量を算出することができる。
【００７０】
（第３変形例）
実施の形態１では、ステップ１２２において、エアコンプレッサ２２の動作時間に基づいて、循環系内のガス循環が十分に行われたか否かを判別している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、循環系内のガスの循環量（流量）を検知することとし、予め定めた水素と酸素の反応が十分に行われる流量値に達したら、循環を停止することとしてもよい。また、水の生成に伴って循環系内の圧力が低下するため、この圧力を監視し、十分に窒素置換が行われたか否かを判断してもよい。
【００７１】
（第４変形例）
実施の形態１の具体的処理では、燃料電池システムの運転停止の要求があった後、ステップ１０４の水素消費制御を行うこととした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、アノードに残留する水素を排気することとしてもよい。例えば、実施の形態１においては、水素排気弁７６を適宜開いて、水素系に残留する水素をエア系へと排気することとしてもよい。
【００７２】
また、例えば、実施の形態１の具体的処理とは異なり、次に述べる手順で窒素置換を行うことができる。先ず、燃料電池システムの運転停止の要求があった際に、その時点でアノードとカソードにそれぞれ残留する水素量と酸素量を算出する。これらの値に基づいて、ステップ１１４で行った処理と同様に、カソードに供給すべき不足分の酸素量を算出する。
【００７３】
その後、循環系を形成してガス循環を行い、ガスの反応による循環系内の圧力低下に応じて、不足分の酸素量を段階的に循環系に供給する。このようにすることで、実施の形態１に比して、系内の圧力を低い状態としながら窒素置換を行うことができる。
【００７４】
なお、実施の形態１では、連通弁９０と水素排気弁７６を共に開いて、アノードとカソードの循環系を形成することとしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。前述した閉鎖系において、水素排気弁７６を閉じた状態で連通弁９０のみを開き、アノードとカソードを連通して、アノードとカソードの間でガスの移動（拡散）が可能な状態としてもよい。
【００７５】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図３は、実施の形態２の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態２は、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック１０とエア系（図３中の点線の経路）と水素系（図３中の実線の経路）とを有している。以下の説明では、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して、簡略に説明する。
【００７６】
（エア系）
実施の形態２は、実施の形態１と同様に、エア吸気口１４とエア排気口１６とを有している。エア吸気口１４は、下流側で、エアコンプレッサ２２、加湿モジュール２４に順次連通している。加湿モジュール２４は、エア入口弁２１０に連通している。
【００７７】
エア入口弁２１０は、下流側で、燃料電池スタック１０のカソードガス流入孔３０に連通している。このような構成によれば、エア入口弁２１０を閉じることにより、燃料電池スタック１０への空気供給を遮断することができる。
【００７８】
燃料電池スタック１０のカソードガス排出孔３２は、その下流側で、エア出口弁２１２を介して、加湿モジュール２４、エア調圧弁４６、エア排気口１６に順次連通している。エア出口弁２１２を閉状態とした場合は、当該位置のガス流通が遮断され、エア排気口１６への空気の排出が停止される。
【００７９】
（水素系）
実施の形態２は、実施の形態１と同様に、水素供給系１８を有している。水素供給系１８は、水素調圧弁５０、水素シャット弁２２０、水素入口弁２２２に順次連通している。水素入口弁２２２は、その下流側で、燃料電池スタック１０のアノードガス流入孔６０に連通している。水素シャット弁２２０および水素入口弁２２２は、それぞれ、閉弁状態の際に水素の流通を遮断する機能を有している。
【００８０】
燃料電池スタック１０のアノードガス排出孔６２は、水素循環ポンプ２３０の吸入口に連通している。水素循環ポンプ２３０を作動させることにより、アノードガス排出孔６２側から水素や水を含む混合ガスを吸入して、下流側へと吐出することができる。水素ポンプ２３０の吐出口は、気液分離器２３２に連通している。気液分離器２３２は、水素ポンプ２３０が吐出するガスから水分を取り除くことができる。
【００８１】
気液分離器２３２は、その下流側において、水素入口弁２２２の上流の位置に連通している。このような構成によれば、気液分離器２３２で水分を取り除かれたガスがアノードガス流入孔６０に再び流入し、アノードへと循環される。
【００８２】
一方、気液分離器２３２は、その下流側において、水素排気弁７６にも連通している。水素排気弁７６は、循環管路２８０に連通している。循環管路２８０の下流側は、エア系における、エア入口弁２１０の下流（カソードガス流入孔３０の上流）に連通している。
【００８３】
また、実施の形態２のシステムは、実施の形態１と同様に図示しない水素濃度センサを備えており、アノードの水素濃度を検知することができる。
【００８４】
（連通弁）
実施の形態２は、実施の形態１と同様に、連通弁９０を有している。実施の形態２においては、連通弁９０は、具体的には、エア出口弁２１２の上流位置と、水素入口弁２２２の下流位置とを連通可能とするように設けられている。連通弁９０の開閉を制御することで、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック１０のアノード側（エア系）とカソード側（水素系）とが連通した状態と、アノード側とカソード側とが遮断された状態とを切り替えることができる。
【００８５】
［実施の形態２の動作］
（通常運転時）
実施の形態２のシステムでは、通常運転時には、連通弁９０と水素排気弁７６を閉じ、エア入口弁２１０、エア出口弁２１２、水素入口弁２２２、および水素シャット弁２２０を開状態とする。この状態で、エアコンプレッサ２２および水素循環ポンプ２３０を作動させる。
【００８６】
これにより、燃料電池スタック１０のカソードには空気が供給され、アノードには水素が供給される。アノード側では、水素循環ポンプ２３０の駆動により水素の循環が行われる。必要に応じ、実施の形態１と同様に、水素排気弁７６の開閉が行われる。
【００８７】
（運転停止時）
システムの運転停止時には、エア入口弁２１０、エア出口弁２１２、水素入口弁２２２、および水素シャット弁２２０を閉じ、エアコンプレッサ２２を停止する。これにより、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック１０の発電が停止された状態で、燃料電池スタック１０と、エア系の一部と、水素系の一部とを含む外気（大気）とのガス交換が生じない閉鎖系が形成される。続いて、連通弁９０、水素排気弁７６を開いた状態とする。
【００８８】
これにより、「連通弁９０→水素系→アノードガス流入孔６０→燃料電池スタック１０内のアノード→アノードガス排出孔６２→水素循環ポンプ２３０→水素排気弁７６→循環管路２８０→エア系→カソードガス流入孔３０→燃料電池スタック１０内のカソード→カソードガス排出孔３２→エア系→連通弁９０」という循環系が形成される。
【００８９】
このような状態で、水素循環ポンプ２３０を作動させることにより、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック１０のアノードとカソードの双方を用いて、窒素への置換反応を行うことができる。
【００９０】
［実施の形態２の具体的処理］
以下、図４を用いて、実施の形態２の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図４は、実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートであり、実施の形態２の運転停止時に実行される。なお、実施の形態２の具体的処理において、実施の形態１と同様の処理については、その説明を簡略に行うこととする。
【００９１】
図４のルーチンでは、車両のイグニションキーがＯＦＦ状態とされたと判別された後（ステップ１００）、水素シャット弁２２０が閉弁される（ステップ３０２）。これにより、燃料電池スタック１０への水素供給が停止される。その後、実施の形態１と同様に、水素消費制御およびアノード内の水素のモル量の検知が行われる（ステップ１０４、１０８、１１０）。
【００９２】
その後、エア出口弁２１２が閉じられ（ステップ３１２）、実施の形態１と同様に、カソード内の酸素のモル量の調整が行われる（ステップ１１４、１１６）。カソードの酸素量が調整されたら、エア入口弁２１０が閉弁される（ステップ３１８）。
【００９３】
その後、連通弁９０および水素排気弁７６を開き、水素入口弁２２２を閉状態とする（ステップ３２０）。これにより、前述した循環系が形成される。この状態で、水素循環ポンプ２３０を駆動させ、循環系内でガスを流通させることとする。これにより、循環系内を水素と空気が混合しながら循環し、アノードとカソードの双方において反応が生ずる。
【００９４】
ガスの循環が開始された後、所定の時間が経過したと判断されたら（ステップ１２２）、水素循環ポンプ２３０を停止し、連通弁９０および水素排気弁７６を閉じる（ステップ３２４）。その後、燃料電池システムの停止処理が続行され（ステップ１２６）、今回のルーチンが終了する。
【００９５】
以上の処理によれば、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック１０の窒素置換の際に、水素と酸素の反応を、アノードとカソードの双方を用いて行うことができる。そして、水素循環ポンプ２３０の駆動によって、アノードとカソードを含む循環系内でガスを循環させることができる。
【００９６】
また、実施の形態２の構成によれば、実施の形態１の構成に比して、循環系を形成する際の封止バルブ類（エア入口弁２１０、エア出口弁２１２、水素入口弁２２２、水素シャット弁２２０）を、燃料電池スタック１０の近傍に集積することが容易である。このような構成では、凍結などへの対策を行うことが容易になるという利点がある。
【００９７】
尚、上述した実施の形態２では、水素循環ポンプ２３０が、前記第２の発明における「循環ポンプ」に相当している。
【００９８】
なお、実施の形態２においても、実施の形態１で述べた種々の変形を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図３】実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図４】実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１００】
燃料電池スタック            １０
エア吸気口                  １４
エア排出口                  １６
水素供給系                  １８
エアコンプレッサ            ２２
カソードガス流入孔          ３０
カソードガス排出孔          ３２
アノードガス流入孔          ６０
アノードガス排出孔          ６２
気液分離器                  ７２、２３２
水素排気弁                  ７６
循環管路                    ８０、２８０
連通弁                      ９０
水素循環ポンプ              ２３０
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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