(57)【要約】【課題】反応ガスが流通する流路に配置されたバルブに掃気後にも水が残留するのを防止すること。【解決手段】燃料電池２０の停止時に、外気温が０℃以下になったことを条件に、酸化ガス流路７１、燃料ガス流路４０を含む流路１２６に配置された電磁バルブ（遮断弁４３、４６、５２、パージ弁６３などを含むバルブ）１１０を全開状態から一定の開度として、この状態を一定時間保持し、この間に、エアコンプレッサ７５と水素ポンプ５５を掃気駆動して反応ガスを燃料電池２０に送給するとともに、電磁バルブ１１０に送給し、電磁バルブ１１０および燃料電池２０の内部に付着した水滴を反応ガスで吹き飛ばして外部に排出し、その後、電磁バルブ１１０を全閉状態まで駆動する。【選択図】図１
2008218242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の掃気処理を実施可能に構成された燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムの停止時に、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、該制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、
該制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記中間開度は、前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速となるように設定されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定流速は、
前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスのガス流量と前記中間開度におけるバルブの開口面積とに基づいた演算で設定される、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムの温度を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、検出された前記燃料電池システムの温度が所定値以下である場合に、
前記バルブの開度を前記中間開度に所定時間維持してから全閉状態とする、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記中間開度に維持する前記所定時間は、掃気処理の開始から終了までの時間に設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、
該燃料電池に供給されまたは該燃料電池から排出される反応ガスを流通させる流路と、
該流路に配置され、該反応ガスの流通を制御するバルブと、
該バルブの開度を制御する制御部と、を備え、
該制御部は、該燃料電池の停止時に該バルブを全閉状態とする場合に、全開状態と全閉状態との間の中間開度に移行させ、次いで該中間開度から全閉状態へと、段階的に移行させる制御部と、
を備えた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、燃料電池の掃気処理を実施する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、システムの運転を停止すると、燃料電池の温度が下がり、高温多湿の状態にあった燃料電池内部の水分が凝結して結露したり、凍結したりすることがある。このため、システムの運転を停止するに際して、燃料電池の反応ガス流路から水を排出するための掃気が行われている。
【０００５】
例えば、燃料電池スタックや空気排出系の流量調節弁、消音器に取り付けられた霧化器を作動して燃料電池スタックや空気排出系に残留する水を霧化するとともに、供給管および排出管が加湿器をバイパスするように、仕切り弁を開閉して、バイパス供給管およびバイパス排出管に切り替え、エアコンプレッサを駆動して、燃料電池スタックや流量調節弁および消音器内に残留する水を霧化させて排出させるとともに、燃料電池スタックや流量調節弁および消音器に残留する水を乾燥した空気によって掃気し、燃料電池スタックや空気排出系に残留する水が凍結するのを防止するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２５１５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術においては、掃気時に、バイパス供給管やバイパス排出管に設けられた仕切り弁を単に開弁または閉弁状態にしているため、掃気後にも仕切り弁内に水が残留して凍結する恐れがある。すなわち、仕切り弁には、シート部や弁部などによる凸凹が存在するため、掃気時に、単に仕切り弁を開弁または閉弁すると、仕切り弁内の水分が十分に除去されず、掃気後にも水が残留することがある。弁内に水分が残留したまま燃料電池を停止させると、氷点以下の温度となった場合に残留した水分が凍結し、開弁させることができなくなる場合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブに掃気後にも水が残留するのを防止することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の掃気処理を実施可能に構成された燃料電池システムにおいて、該燃料電池システムの停止時に反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、該制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、該制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることを特徴とする。
【０００９】
係る構成によれば、燃料電池システムを停止時にバルブを制御対象として閉鎖させる場合、いきなり全閉状態にするのではなくて一旦、全開状態と全閉状態との間の中間開度に維持されてから全閉状態とされる。バルブの開度が全閉状態にある程度近づくと、バルブの開度と反応ガスの流量に応じて、バルブ中を通過する反応ガスの流速が上昇する。このため、バルブが中間開度に維持されると、流速が上昇した反応ガスによって物理的にバルブ内に残留している水分が除去される。よって、水分が除去された後に全閉状態とされるので、停止時の低温によって残留水分が凍結し、次回の開弁を妨げるような事態を抑制可能となる。すなわち、バルブ内の弁座（シート部）や弁体（弁部）などに凹凸が存在しても、掃気を行うための反応ガスが開弁状態にあるバルブの内部を通過する際に、バルブ内の弁座（シート部）や弁体（弁部）近辺の流速が上昇するので、バルブ内に残留する水を確実に外部に排出することができ、掃気後にもバルブの内部に水が残留したり、バルブ内の水が凍結したりするのを防止することができる。
【００１０】
ここで、「中間開度」は、前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速となるように設定されている。すなわち、反応ガスの流速が、反応ガスによるバルブ内の水分除去能力にほぼ相関しているからである。
【００１１】
ここで、「中間開度」は特定の開度ではなく、中間開度として適する幅（範囲）を有するものである。すなわち、バルブの開度を全閉状態に近づくと、縮小した開口部を反応ガスが流通しようとするため流速が上昇する傾向にあるが、開口面積も縮小するため、反応ガスの流路抵抗も上昇する。そのため開度が極端に全閉状態に近づけば、反応ガスの流速も再び減少していく。よって、「中間開度」として適する範囲は、一定の水分除去能力が認められる開度の範囲となる。
【００１２】
このように「中間開度」は幅（範囲）があり、バルブの開度がこの中間開度の範囲に一定時間以上維持されていれば、本発明の作用効果を奏することになる。よって、バルブ開度をある中間開度に一定時間維持してから全閉状態に移行するといった段階的な制御をすることの他に、バルブ開度をこの中間開度の範囲内で一定時間かけて変化するような制御、すなわち中間開度の範囲で連続的にバルブを絞っていくような動的な処理をしてもよい。
【００１３】
例えば、反応ガスの所定流速は、前記制御対象のバルブが配置された流路を流通する反応ガスのガス流量と前記中間開度におけるバルブの開口面積とに基づいた演算で設定される。反応ガスの流速は、ガス流量とバルブ開口面積の関数になることが判っている。
【００１４】
また本発明において、燃料電池システムの温度を検出する温度検出部を備え、制御部は、検出された前記燃料電池システムの温度が所定値以下である場合に、記バルブの開度を前記中間開度に所定時間維持してから全閉状態とすることは好ましい。
【００１５】
係る構成によれば、燃料電池の温度が所定の温度以下、例えば、０℃以下になったときにバルブの段階的閉鎖を適用することでバルブの凍結を防止できる。なお、「燃料電池システムの温度」は、例えば外気温であったり燃料電池の内部温度であったり流路の温度であったりする。
【００１６】
ここで、例えば、中間開度に維持する前記所定時間は、掃気処理の開始から終了までの時間に設定する。中間開度に維持する所定時間は、長ければ長い程、水分の完全除去が可能ではあるが、水分除去に長時間を要してしまう。この点、係る構成によれば、掃気処理時間は、燃料電池の含水量を低減させるための処理時間であり、バルブの水分除去と兼ねることに適する。また、掃気処理時は、高い駆動量で補機類を駆動し反応ガスの流量が増えることが期待できるので、バルブにおける水分除去量も増えることが期待できる。
本発明の燃料電池システムは、該燃料電池に供給されまたは該燃料電池から排出される反応ガスを流通させる流路と、該流路に配置され、該反応ガスの流通を制御するバルブと、該バルブの開度を制御する制御部と、を備え、該制御部は、該燃料電池の停止時に該バルブを全閉状態とする場合に、全開状態と全閉状態との間の中間開度に移行させ、次いで該中間開度から全閉状態へと、段階的に移行させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池システムの停止時にバルブを中間開度に所定時間維持してから全閉状態とするので、停止時にバルブの内部に水が残留したり、バルブ内の水が凍結したりするのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に本発明の好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。
【００１９】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。
【００２０】
アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（３）
【００２１】
なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００２２】
燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。
【００２３】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００２４】
燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。
【００２５】
燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２６】
なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。
【００２７】
また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００２８】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器７８、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー７９が設けられている。気液分離器７８から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー７９にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。
【００２９】
また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。
【００３０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。
【００３１】
インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
【００３２】
電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統に重畳された交流信号に電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。
【００３３】
さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。
【００３４】
また、制御部８０は、当該燃料電池システム１０の停止時に、反応ガスが流通する流路に配置されたバルブを制御対象として、制御対象のバルブを全閉状態にする場合に、制御対象のバルブを、全開状態と全閉状態との間の中間開度に所定時間維持してから全閉状態とする弁制御処理を実施する。
【００３５】
具体的には、制御部８０は、掃気条件が成立したときには、掃気処理を開始するに先立って、各バルブを全開状態と全閉状態との間の中間開度にするために、各バルブを全開状態から一定の開度に絞り、一定の開度を一定時間保持する。この間に、制御部８０は、掃気駆動装置として、燃料ガスを燃料電池２０に供給する燃料ガスポンプとしての水素ポンプ５５と酸化ガスを燃料電池２０に供給するコンプレッサとしてのエアコンプレッサ７５の双方を選択し、選択したエアコンプレッサ７５と水素ポンプ５５を掃気駆動し、反応ガスが流通する流路と燃料電池２０に対する掃気が終了したあと、各バルブを全閉状態までその開度を絞るための制御を実行するようになっている。特に本実施形態では、制御部８０は、外気温を検出する温度センサ１０１の検出温度が０℃以下となったときに当該弁制御処理を実施するように構成されている。
【００３６】
ここで、上記反応ガスが流通する流路とは、本実施形態では、燃料ガスまたは酸化ガスが流通する経路であり、酸化ガス流路７１、カソードオフガス流路７２、燃料ガス流路４０、循環流路５１、排気流路６１等の流路が相当する。
【００３７】
また、これら流路に配置されたバルブとは、本実施形態では、遮断弁（元弁）４３、燃料電池入口遮断弁４６、パージ弁６３、燃料電池出口遮断弁５２、調圧弁７４が相当する。
【００３８】
図２Ａに示すように、遮断弁といわれるバルブは、制御部８０によって通電が制御される電磁バルブ１１０で構成されている。電磁バルブ１１０は、ほぼ円筒状に形成されたハウジング１１２を備えている。ハウジング１１２内には、筒状のボビン１１４、ボビン１１４の外周側に巻き付けられたコイル１１６、ロッド１１８外周に固定されてボビン１１４内に摺動自在に配置された磁石１２０、磁石１１８に連結されたロッド１２０、ロッド１１８の軸方向上端部に巻き付けられたばね１２２が収納されており、ロッド１１８の軸方向下端部には弁体１２４が連結されている。弁体（弁部）１２４は、反応ガスが流通する流路１２６の弁口１２８と弁座（シート部）１３０に相対向して配置されている。
【００３９】
本実施形態において、電磁バルブ１１０は、段階的に開度が変更され閉弁されるように制御される。具体的には、まず開弁時、図２Ａに示すように、電磁バルブ１１０は、コイル１１６への通電により、弁１２４が弁座１３０から後退して、全開状態となる。
【００４０】
閉弁時、図２Ｂに示すように、電磁バルブ１１０は、全開状態から一定の中間開度にその開度を絞り込み、一定の開度を一定時間保持したあと、弁口１２８を閉塞して閉弁状態となる２段階の動作を行うようになっている。
【００４１】
通常の閉弁動作では、電磁バルブ１１０は、コイル１１６への通電によって、全開状態から全閉状態まで変化するときに、弁体１２４がストロークＳだけ移動する。これに対して本実施形態の段階的な弁制御処理では、全開状態から一定の中間開度になったとき、例えば、図２Ｂに示すように、弁体１２４と弁座１３０との距離がＬになったときに、一定の開度を一定時間保持し、その後、弁体１２４が弁座１３０と密着して弁口１２８を閉塞するという、２段動作を行うようになっている。この中間開度に相当する距離Ｌは、弁の開口面積や流路を流れる反応ガスの流量によって変化するが、例えば０．５〜１．０ｍｍの僅かな距離となる。
【００４２】
電磁バルブ１１０における一定の開度は、電磁バルブ１１０の形状により、ある一定の流速以上で流路１２６内の水滴を吹き飛ばせる流速、例えば、流路１２６を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速以上となるように設定されている。この所定流速は、例えば、流路１２６を流通する反応ガスのガス流量と、一定の開度における電磁バルブ１１０の開口面積とに基づいて演算で求められるようになっている。
【００４３】
図３に反応ガスの流速Ｖと水分除去量Ｑとの関係を例示する。
図３は、反応ガスの流量が一定とした場合の流路１２６を流通する反応ガスの流速Ｖと水分除去量Ｑとの関係を示している。この関係曲線において、反応ガスの流速がしきい値Ｖｔｈ以上であるときに、流路１２６に存在する水分が物理的に移動を開始するものとし、その場合の単位時間当たりの水分除去量をＱ１とする。
【００４４】
図４に、流路１２６を流通する反応ガスの流速Ｖと電磁バルブ１１０のバルブ開度Ｄとの関係を示す。バルブ開度が小さくなる程僅かな開口面積に反応ガスの圧力が集中するため流速Ｖは早くなる傾向にあるが、一方で開口面積が狭いことによる流路抵抗が上昇する。このため、図４に示すように、バルブの開度を小さくしていくと、あるバルブ開度Ｄ２以下では反応ガスの流速がＶｔｈ以上となるが、さらに開度を小さくしていくとある極点を境に流速が落ちだし、あるバブル開度Ｄ１以下になると流速がＶｔｈ以下になってしまう。本発明の中間開度を、流速Ｖがしきい値Ｖｔｈ以上となるバルブ開度Ｄ１〜Ｄ２の範囲内に設定して、この中間開度の範囲に一定時間維持されるように制御すれば、バルブの水分除去が可能となることが判る。
【００４５】
次に、図５のフローチャートを参照して、制御部８０によるバルブ制御処理を説明する。
図５に示すように、まず、制御部８０は、ステップＳ１において、制御部８０は、システムの停止に伴う処理を開始するに際して、温度センサ１０１の検出温度が０℃以下か否かを判定する。そして、０℃以下のときには（ＹＥＳ）、本発明の弁制御処理を実行するものと判断し、制御部８０は、ステップＳ２に移行し、制御対象となる電磁バルブ１１０を選択する。選択される電磁バルブ（遮断弁・制御弁）は、掃気処理時に反応ガス（酸化ガス・燃料ガス・排気ガス）が流通する流路に配置されたバルブとする。
【００４６】
次いでステップ３に移行し、制御部８０は、制御対象として選択されたバルブの開度を所定の中間開度にまで絞る。具体的には、制御対象の電磁バルブ１１０として、流路１２６に配置された電磁バルブ１１０（酸化ガス流路７１、燃料ガス流路４０、排気流路６１を含む流路に配置されたバルブのいずれか）を選択した後、制御部８０は、コイル１１６への通電を制御し、選択した電磁バルブ１１０の開度が、全開状態から一定の中間開度となるまで制御する。この中間開度は、図４で説明したように、反応ガスの流速が水分を除去可能な流速Ｖｔｈ以上となる範囲に設定される。
【００４７】
一方、ステップＳ１において、外気温が０℃よりも高いときには、本発明の弁制御処理を適用しないものとして、制御部８０は、ステップＳ４以降の掃気処理に移行する。
【００４８】
ステップＳ４において、制御部８０は、掃気処理の準備をするために、掃気用補機を選択する。具体的には、制御部８０は、掃気駆動装置（掃気用補機）として、エアコンプレッサ７５および／または水素ポンプ５５を選択する。
【００４９】
次いでステップＳ５に移行し、制御部８０は、掃気処理を開始する。具体的には、制御部８０は、選択したエアコンプレッサ７５および／または水素ポンプ５５を駆動させ、燃料電池の電解質膜等に残留する水分を除去する掃気処理を実行する。
【００５０】
具体的には、電磁バルブ１１０が一定の開度に保持されているときに、エアコンプレッサ７５や水素ポンプ５５が駆動されると、エアコンプレッサ７５の駆動による酸化ガスが酸化ガス流路７１を介して燃料電池２０に送給され、また、水素ポンプ５５の駆動に伴う燃料ガスが燃料ガス流路４０を介して燃料電池２０に送給される。そして、燃料電池２０から蒸発した水分を含むガスがカソードオフガス流路７２、気液分離器７８、希釈器６２あるいはマフラー７９を介して外部に排出されるとともに、パージ弁６３、希釈器６２を介して外部に排出され、燃料電池２０や酸化ガス流路７１、燃料ガス流路４０に対する掃気が行われる。
【００５１】
掃気処理の最中、反応ガスが流れる流路に設けられたバルブは、ステップＳ３において、その開度が中間開度に設定されているので、流量の大きな掃気処理において効果的に水分が除去される。
【００５２】
具体的には、流路１２６に配置された電磁バルブ１１０では、その開度が一定の中間開度に保持されているため、弁体１２４と弁座１３０近傍を通過する反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）の流速が弁体１２４と弁座１３０近傍の領域で上昇し、弁体１２４や弁座１３０等に付着した水の排出が促進される。このため、弁体１２４や弁座１３０等に付着した水滴は、反応ガスによって吹き飛ばされた状態で外部に排出されることになる。
【００５３】
ステップＳ６において、制御部８０は、予め設定された時間が経過して掃気処理が終了したか否かを判定する。掃気処理が終了していない場合には（ＮＯ）、制御部８０は引き続きステップＳ５の掃気処理を係属する。
【００５４】
一方、掃気処理が終了した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ７に移行し、制御部８０は、一定開度に保持された電磁バルブ１１０に対して、閉弁状態までその開度を絞るための制御を実行し、電磁バルブ１１０が全閉状態になったことを条件に、このルーチンでの処理を終了する。このとき、外気温が０℃より高かった場合や、ステップＳ２で選択されなかったバルブがある場合でも、それらバルブが全閉状態にされる。停止処理に移るためである。
【００５５】
以上、本実施形態によれば、燃料電池２０の停止時に、外気温が０℃以下になったことを条件に、電磁バルブ１１０を一定の開度に一定時間保持し、その間に、反応ガスを、流路１２６を介して燃料電池２０に送給して燃料電池２０内の水分を排出する掃気を行い、その後、電磁バルブ１１０を全閉状態にするようにしたため、掃気処理における多量の反応ガスを利用して、効果的にバルブの水分除去ができる。すなわち、電磁バルブ１１０内に、弁体１２４、弁座１３０などによる凹凸部が存在していても、反応ガスが開弁状態にある電磁バルブ１１０の内部を通過する際に、弁体１２４や弁座１３０近傍の流速が上昇するので、電磁バルブ１１０内に残留する水を確実に外部に排出することができ、掃気後にも電磁バルブ１１０の内部に水が残留したり、電磁バルブ１１０内の水が凍結したりするのを防止することができる。
【００５６】
また、本実施形態においては、電磁バルブ１１０に関する一定の開度を、流路１２６を流通する反応ガスが物理的に水分を除去可能な所定流速Ｖｔｈ以上となる流速に対応付けて設定しているので、流路１２６や電磁バルブ１１０に付着した水分を確実に除去することができる。一方、流路１２６を流通する反応ガスのガス流量と一定の開度におけるバルブの開口面積とから所定流速Ｖｔｈを求めるようにしているので、電磁バルブ１１０を一定の開度に保持することで、電磁バルブ１１０を通過する反応ガスの流速を、流路１２６や電磁バルブ１１０に付着した水分を物理的に除去可能な所定流速Ｖｔｈとすることができる。
【００５７】
また、本実施形態においては、燃料電池２０にて生成される水による影響を受ける電磁バルブ１１０に対して、外気温が０℃以下になったときに掃気を行うものについて述べたが、外気温が０℃以上のときでも、例えば、所定時間毎に、電磁バルブ１１０等に対する掃気を行うこともできる。
【００５８】
なお、上記実施形態では、掃気処理期間をバルブの中間開度維持時間に一致させていたが、これに限定されない。すなわち、バルブを閉弁処理する場合に、掃気処理とは無関係に本発明の段階的閉弁処理を実施することが可能である。
【００５９】
また、上記実施形態では、一旦バルブの開度をある中間開度に設定して一定時間の経過を待ったが、バルブの開度を連続的に変化させてもよい。すなわち、バルブ内の反応ガスの流速がＶｔｈ以上となる中間開度の範囲にバルブの開度があれば水分が除去されるため、例えば一定の反応ガスの流量が維持されている間に一定時間を掛けてゆっくりバルブを絞っていくように制御してもバルブ内の水分除去が可能である。
【００６０】
また、制御対象のバルブとしては、電磁バルブ１１０の他に、ステッピングモータの駆動によって流路１２６を開閉するステッピングモータ式バルブなどを用いることもできる。ステッピングモータ式バルブを用いた場合、制御部８０からのパルスに応答してステッピングモータが駆動する毎に弁体が移動するので、電磁バルブ１１０を用いるときよりも、弁体の位置制御およびバルブの開度を一定の開度に保持する制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２Ａ】電磁バルブを全開状態にしたときの断面図である。
【図２Ｂ】電磁バルブを一定開度に保持したときの断面図である。
【図３】電磁バルブにおける流速と水分除去量との関係を示す特性図である。
【図４】電磁バルブにおけるバルブ開度と流速との関係を示す特性図である。
【図５】燃料電池システムにおける掃気処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、４０  燃料ガス流路、５５  水素ポンプ、７１  酸化ガス流路、７５  エアコンプレッサ、８０  制御部、１０１  温度センサ、１１０  電磁バルブ、１２４  弁体、１２６  流路
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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