(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、掃気処理の掃気時間を決定する場合に、電解質膜が劣化してしまうこと。【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池は、電解質膜および触媒電極を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して構成される積層体と、積層体を、膜電極接合体とセパレータとを積層する積層方向に締結する締結部と、積層方向において、積層体が締結部に加える圧力を検出するための圧力センサと、を備え、燃料電池システムは、掃気処理を行うための掃気処理部と、掃気処理前において、圧力センサから圧力を検出し、該圧力に基づいて、掃気処理の掃気時間を決定する掃気時間判断部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
電解質膜および触媒電極を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して構成される積層体と、
前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結する締結部と、
前記積層方向において、前記積層体が前記締結部に加える圧力を検出するための圧力センサと、を備え、
前記燃料電池システムは、
掃気処理を行うための掃気処理部と、
前記掃気処理前において、前記圧力センサから前記圧力を検出し、該圧力に基づいて、前記掃気処理の掃気時間を決定する掃気時間判断部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記締結部は、
前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結すると共に、前記積層体の長さを一定に保つことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の前記圧力センサは、
ロードセルまたはピエゾ型面圧センサであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
電解質膜および触媒電極を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して構成される積層体と、
前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結する締結部と、
前記積層体において、前記積層体が、前記積層方向に膨張する度合いを示す膨張パラメータを検出するための膨張センサと、を備え、
前記燃料電池システムは、
掃気処理を行うための掃気処理部と、
前記掃気処理前において、前記膨張センサから前記膨張パラメータを検出し、該膨張パラメータに基づいて、前記掃気処理の掃気時間を決定する掃気時間判断部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記締結部は、
前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結すると共に、前記積層方向において前記積層体に付与する圧力を一定に保つことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記膨張パラメータは、前記積層体が、前記燃料電池の発電前と比べて前記積層方向に膨張した長さであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の前記膨張センサは、
超音波式距離測定装置またはリニアエンコーダである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、燃料電池システムにおいて、反応ガスが通る流路に対して、残留水を外部に排出するための掃気処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、電解質膜と触媒電極（アノードまたはカソード）から構成される膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。
【０００３】
この燃料電池を備える燃料電池システムは、発電後の燃料電池システム停止時において、燃料電池システム内で反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が通る流路（特に、燃料電池内の流路など）に対して、残留水を掃気する掃気処理を行う。燃料電池システムにおいて、この掃気処理の掃気時間は、例えば、以下のようにして決定される。すなわち、燃料電池システムは、停止時になると、燃料電池に通電し、電解質膜の膜抵抗を計測し、その膜抵抗値から燃料電池内の残留水量を推測し、掃気時間を決定していた。なお、電解質膜の膜抵抗を計測する手法は、下記特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５２０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように、膜抵抗を計測することにより掃気時間を決定する場合において、電解質膜が乾いていると、通電により電解質膜が劣化し、その結果、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、掃気処理の掃気時間を決定する場合に、電解質膜が劣化することを抑制する技術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】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜および触媒電極を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して構成される積層体と、前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結する締結部と、前記積層方向において、前記積層体が前記締結部に加える圧力を検出するための圧力センサと、を備え、前記燃料電池システムは、掃気処理を行うための掃気処理部と、前記掃気処理前において、前記圧力センサから前記圧力を検出し、該圧力に基づいて、前記掃気処理の掃気時間を決定する掃気時間判断部と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムの構成では、掃気時間を決定する場合に、電解質膜に通電させることなく掃気時間を決定するので、電解質膜が劣化することを抑制することができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、前記締結部は、前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結すると共に、前記積層体の長さを一定に保つようにしてもよい。このようにすれば、電解質膜が膨張せず、一方で、その膨張エネルギは、積層方向において積層体が前記締結部に加える圧力に転換される。そこで、その圧力に基づいて、掃気時間を決定しているので、この掃気時間を正確に決定することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記圧力センサは、ロードセルまたはピエゾ型面圧センサとしてもよい。
【００１１】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜および触媒電極を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層して構成される積層体と、前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結する締結部と、前記積層体において、前記積層体が、前記積層方向に膨張する度合いを示す膨張パラメータを検出するための膨張センサと、を備え、前記燃料電池システムは、掃気処理を行うための掃気処理部と、前記掃気処理前において、前記膨張センサから前記膨張パラメータを検出し、該膨張パラメータに基づいて、前記掃気処理の掃気時間を決定する掃気時間判断部を備える要旨とする。
【００１２】
上記構成の燃料電池システムの構成では、掃気時間を決定する場合に、電解質膜に通電させることなく掃気時間を決定するので、電解質膜が劣化することを抑制することができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、前記締結部は、前記積層体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとを積層する積層方向に締結すると共に、前記積層方向において前記積層体に付与する圧力を一定に保つようにしてもよい。このようにすれば、電解質膜が膨張する膨張エネルギは、積層体が膨張するのに用いられ、すなわち、積層体の膨張度合いに示される。そこで、その膨張度合いを示す膨張パラメータに基づいて、掃気時間を決定しているので、この掃気時間を正確に決定することができる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、前記膨張パラメータは、前記積層体が、前記燃料電池の発電前と比べて前記積層方向に膨張した長さとしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、積層体が、燃料電池の発電前と比べて積層方向に膨張した長さに基づいて、掃気時間を決定することができる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記膨張センサは、超音波式距離測定装置またはリニアエンコーダとしてもよい。
【００１７】
なお、本発明は、上記燃料電池システムの他、燃料電池用制御装置または燃料電池など、他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明に限られず、燃料電池の制御方法など方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００１８】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素タンク２００と、コンプレッサ２３０と、パージ弁２４０と、水素循環ポンプ２５０と、水素遮断弁２１０と、制御回路４００と、を備えている。
【００２０】
燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、積層体ＡＳＳＹと、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０と、ロードセル３５０とを備えている。積層体ＡＳＳＹは、セルアセンブリ２０が、複数個積層されて構成される。また、積層体ＡＳＳＹは、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。この場合、ロードセル３５０がインシュレータ３３０とエンドプレート３００との間に設けられる。そして、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、積層体ＡＳＳＹ（各セルアセンブリ２０）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。このように、燃料電池１００は、積層体ＡＳＳＹを挟んだターミナル３４０間の長さ（各セルアセンブリ２０間の長さ）が定寸である定寸締結構造となっている。以下では、燃料電池１００の各部材を積層する方向を「積層方向」とも呼び、面状部材の厚さ方向に平行な表面を「端面」と呼ぶ。上述のロードセル３５０は、積層体ＡＳＳＹの端面の面圧（以下では、端面圧Ｐ１とも呼ぶ）を検出するためのセンサである。
【００２１】
燃料電池１００内部には、各セルアセンブリ２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ２０からの燃料ガスを燃料電池１００外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ２０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ２０からの酸化ガスを燃料電池１００外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ２０間に冷却媒体（以下、冷媒と呼ぶ）を供給するための冷媒供給マニホールド（図示せず）と、セルアセンブリ２０間に供給された冷媒を燃料電池１００外部に排出するための冷媒排出マニホールド（図示せず）と、が設けられる。なお、冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液（不凍液）などを用いることができる。また、本実施例の燃料電池システム１０００では、冷媒を循環させる冷媒循環システムについての詳細は、省略している。
【００２２】
図２は、燃料電池１００のセルアセンブリ２０の概略構成を表わす断面模式図である。セルアセンブリ２０は、図２に示すように、ＭＥＡ２４と、ＭＥＡ２４の外側に形成される第１ガス拡散層３１，３２と、第１ガス拡散層３１，３２の外側に形成される第２ガス拡散層３３，３４と、第２ガス拡散層３３，３４の外側に形成されるセパレータ３５，３６と、を備えている。ＭＥＡ２４は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に形成される触媒電極層（カソード２２およびアノード２３）とから成る。なお、積層体ＡＳＳＹは、セルアセンブリ２０を複数積層して成るが、「ＭＥＡ２４とセパレータ３５，３６とを積層して成る」と言い換えることもできる。
【００２３】
電解質膜２１は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。このフッ素系樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標）など）などが好ましい。
【００２４】
セパレータ３５，３６は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ３５，３６の表面には、セルアセンブリ２０に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側において、第２ガス拡散層３３とセパレータ３５との間には、カソード２２で電気化学反応に供される酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路３７が形成されている。また、アノード２３側の第２ガス拡散層３４とセパレータ３６との間には、アノード２３で電気化学反応に供される燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路３８が形成されている。
【００２５】
水素タンク２００は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路２０４を介して燃料電池１００（燃料ガス供給マニホールド）に接続されている。燃料ガス供給流路２０４上において、水素タンク２００から近い順番に、水素遮断弁２１０と、調圧弁（図示せず）とが設けられている。水素遮断弁２１０を開弁することにより、燃料電池１００に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク２００に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。
【００２６】
また、燃料電池１００（燃料ガス排出マニホールド）は、燃料ガス排出流路２０６と接続され、この燃料ガス排出流路２０６上には、パージ弁２４０が設けられている。燃料電池システム１０００の運転中において、パージ弁２４０を定期的に開弁することで、アノードで電気化学反応に供された後の燃料ガスは、定期的に、燃料ガス排出流路２０６、パージ弁２４０を介し燃料電池システム１０００の外部へ排出される。
【００２７】
燃料ガス排出流路２０６において、パージ弁２４０と燃料電池１００との間の位置から、燃料ガス供給流路２０４へ接続されるガス循環流路２０７が設けられている。このガス循環流路２０７上には、水素循環ポンプ２５０が設けられる。このガス循環流路２０７は、水素循環ポンプ２５０によって勢いをつけて送りだされた燃料ガスを、燃料ガス供給流路２０４に導く。このようにガス循環流路２０７は、燃料ガスを循環する役割を担っている。このようにして、燃料ガスに含まれる水素ガスは、循環して、燃料ガスとして再び発電に使用される。
【００２８】
コンプレッサ２３０は、酸化ガス供給流路２３４を介して燃料電池１００（酸化ガス供給マニホールド）に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソード２２に供給する。また、燃料電池１００（酸化ガス排出マニホールド）は、酸化ガス排出流路２３６と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガスは、この酸化ガス排出流路２３６を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出される。
【００２９】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、コンプレッサ２３０、パージ弁２４０、水素循環ポンプ２５０、水素遮断弁２１０などを制御し、すなわち、燃料電池システム１０００全体の制御を行う。
【００３０】
また、制御回路４００は、掃気時間判断部４１０と、掃気実行部４２０としても機能し、後述する燃料電池システム停止処理などを実行する。さらに、制御回路４００は、端面圧Ｐと、掃気処理の掃気時間Ｔとの相関データ１が記憶されるデータ記憶部４３０を備えている。この相関データ１は、検定実験等によって予め求められる。
【００３１】
ところで、各セルアセンブリ２０の電解質膜２１は、セルアセンブリ２０内の水が浸透し、含水率が上昇するのに伴い膨張しようとする。しかし、本実施例の燃料電池１００は、定寸締結構造となっており、各セルアセンブリ２０の積層方向の長さ（積層体の長さ）は定寸である。そのため、各セルアセンブリ２０において、内部に水が多いと、各電解質膜２１は、積層方向に膨張しようとして、その結果、積層体ＡＳＳＹの端面圧Ｐが上昇する。すなわち、この端面圧Ｐは、積層体ＡＳＳＹ（各セルアセンブリ２０）内部の残留水量に伴って変化するので、この残留水量を表す指標となり得る。そこで、本実施例の燃料電池システム停止処理では、この端面圧Ｐを検出し、端面圧Ｐと掃気時間Ｔとの相関データ１に基づいて掃気時間Ｔを決定する。この相関データ１に関しての詳細は後述する。以下に、具体的に燃料電池システム停止処理を説明する。
【００３２】
Ａ２．燃料電池システム停止処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。この燃料電池システム停止処理では、掃気処理を行う。この掃気処理は、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、各セルアセンブリ２０の内部流路（例えば、セル内酸化ガス流路３７やセル内燃料ガス流路３８など）、または、燃料電池１００に接続される流路（例えば、燃料ガス排出流路２０６や燃料ガス排出流路２０６など）における残留水を燃料電池システム１０００外部に排出するための掃気を行う処理である。また、この燃料電池システム停止処理の前提条件について説明する。この燃料電池システム停止処理開始前において、燃料電池１００は、通常発電状態であり、水素遮断弁２１０は、開弁され、パージ弁２４０は閉弁されており、水素循環ポンプ５０およびコンプレッサ３０は駆動している。
【００３３】
具体的には、燃料電池システム停止処理において、まず、掃気時間判断部４１０は、ロードセル３５０から端面圧Ｐ１を検出する（ステップＳ１０）。
【００３４】
図４は、端面圧Ｐと掃気時間Ｔとの相関データ１を表すグラフである。続いて、掃気時間判断部４１０は、データ記憶部４３０からＲＡＭに、図４のグラフを表す相関データ１を読み出す（ステップＳ２０）。
【００３５】
そして、掃気時間判断部４１０は、読み出した相関データ１において、検出した端面圧Ｐ１に基づいて、掃気時間Ｔ１を決定する（ステップＳ３０）。
【００３６】
次に、掃気実行部４２０は、掃気処理を開始する（ステップＳ４０）。具体的には、掃気実行部４２０は、発電を停止させ、水素遮断弁２１０を閉弁し、コンプレッサ２３０および水素循環ポンプ２５０の駆動を維持しつつ、燃料電池１００のカソード側に大過剰量の酸化ガスを供給し、適宜パージ弁２４０を開弁して、カソード側およびアノード側の掃気を行う。
【００３７】
掃気実行部４２０は、掃気時間判断部４１０が決定した掃気時間Ｔ１経過するまで（ステップＳ５０：ＮＯ）、掃気処理を行い、掃気時間Ｔ１経過すると（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、コンプレッサ２３０および水素循環ポンプ２５０の駆動を停止させ、掃気処理を終了する（ステップＳ６０）。これにより燃料電池システム停止処理は終了する。
【００３８】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池システム停止処理（図３）において、各セルアセンブリ２０内部の残留水量と相関のある積層体ＡＳＳＹの端面圧Ｐ１を用いて、掃気時間Ｔ１を決定するようにしている。このようにすれば、電解質膜２１の膜抵抗を計測することなく、すなわち、燃料電池１００に通電することなく、掃気時間Ｔを決定することができるので、電解質膜２１が劣化することを抑制することができる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３９】
なお、燃料電池１００は、請求項における燃料電池に該当し、電解質膜２１は、請求項における電解質膜に該当し、ＭＥＡ２４は、請求項における膜電極接合体に該当し、セパレータ３５，３６は、請求項におけるセパレータに該当し、積層体ＡＳＳＹは、請求項における積層体に該当し、エンドプレート３００、テンションプレート３１０、およびボルト３２０は、請求項における締結部に該当し、ロードセル３５０は、請求項における圧力センサに該当し、掃気実行部４２０、コンプレッサ３０、水素循環ポンプ２５０、および、パージ弁２４０などは、請求項における掃気処理部に該当し、掃気時間判断部４１０は、請求項における掃気時間判断部に該当し、端面圧Ｐ１は、請求項における圧力に該当する。
【００４０】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１０００Ａの構成：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池システム１０００と同様の構成であるが、第１実施例の燃料電池１００と異なる燃料電池１００Ａを備えている。
【００４１】
本実施例の燃料電池１００Ａは、ロードセル３５０を備えておらず、また、インシュレータ３３０とエンドプレート３００との間に、積層方向の荷重を緩和するための複数のスプリング３９０が備えられている。すなわち、燃料電池１００Ａは、積層体ＡＳＳＹの各セルアセンブリ２０において、積層方向に掛かる荷重が略一定である定荷重締結構造となっている。
【００４２】
さらに、燃料電池１００Ａは、インシュレータ３３０とエンドプレート３００との間の空間において、エンドプレート３００の側面に配置される超音波距離測定装置３５０Ａを備えている。この超音波距離測定装置３５０Ａは、積層方向において、自身とインシュレータ３３０との間の距離（図５の矢印点線参照）を測定するためのセンサである。
【００４３】
また、燃料電池システム１０００Ａの制御回路４００Ａは、掃気時間判断部４１０Ａと、掃気実行部４２０Ａとして機能し、相関データ１とは異なるデータであり、膨張長さＬと掃気時間Ｔとの相関データ２（詳細は後述）を記憶しているデータ記憶部４３０Ａを備えている。この相関データ２は、検定実験等によって予め求められる。なお、燃料電池システム１０００Ａにおいて、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様の構成なものについては、同様の符号を付している。
【００４４】
ところで、上述のように各セルアセンブリ２０の電解質膜２１は、セルアセンブリ２０内の水が浸透し、含水率が上昇するのに伴い膨張しようとする。従って、本実施例の燃料電池１００Ａにおいて、発電前に比べて発電後（燃料電池システム停止処理時）では、積層体ＡＳＳＹは、少なくとも積層方向に膨張する。このように、積層体ＡＳＳＹが膨張すれば、インシュレータ３３０も超音波距離測定装置３５０Ａに近づくので、超音波距離測定装置３５０Ａとインシュレータ３３０との間の距離を測定することにより、積層体ＡＳＳＹにおいて、発電前（燃料電池システム１０００Ａ起動時）の積層体ＡＳＳＹに比べて積層方向に膨張した長さ（以下では、膨張長さＬと呼ぶ）がわかる。一方、この膨張長さＬは、積層体ＡＳＳＹ（各セルアセンブリ２０）における残留水量に伴って変化するので、この残留水量を表す指標ともなり得る。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、この膨張長さＬを検出し、膨張長さＬと掃気時間Ｔとの相関データ２に基づいて掃気時間Ｔを決定する燃料電池システム停止処理を行う。
【００４５】
図６は、本実施例の燃料電池システム１０００Ａが行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。この処理の前提条件としては、掃気時間判断部４１０Ａは、燃料電池システム１０００Ａの起動時、すなわち、燃料電池１００Ａの発電前において、超音波距離測定装置３５０Ａから、超音波距離測定装置３５０Ａとインシュレータ３３０との距離ｘ１を検出している。その他の前提条件は、第１実施例の燃料電池システム停止処理（図３）と同様である。
【００４６】
具体的には、この燃料電池システム停止処理において、まず、掃気時間判断部４１０Ａは、超音波距離測定装置３５０Ａから、超音波距離測定装置３５０Ａとインシュレータ３３０との距離ｘ２を検出し、それに基づいて、下記式（１）から、積層体ＡＳＳＹの膨張長さＬ１を検出する（ステップＳ１１０）。
膨張長さＬ１＝距離ｘ１−距離ｘ２・・・（１）
【００４７】
図７は、膨張長さＬと掃気時間Ｔとの相関データ２を表すグラフである。続いて、掃気時間判断部４１０Ａは、データ記憶部４３０からＲＡＭに、図７のグラフを表す相関データ２を読み出す（ステップＳ１２０）。
【００４８】
そして、掃気時間判断部４１０Ａは、読み出した相関データ２において、検出した膨張長さＬ１に基づいて、掃気時間Ｔ２を決定する（ステップＳ１３０）。
【００４９】
次に、掃気実行部４２０Ａは、掃気処理を開始する（ステップＳ１４０）。具体的には、掃気実行部４２０Ａは、発電を停止させ、水素遮断弁２１０を閉弁し、コンプレッサ２３０および水素循環ポンプ２５０の駆動を維持しつつ、燃料電池１００Ａのカソード側に大過剰量の酸化ガスを供給し、適宜パージ弁２４０を開弁して、カソード側およびアノード側の掃気を行う。
【００５０】
掃気実行部４２０Ａは、掃気時間判断部４１０Ａが決定した掃気時間Ｔ２経過するまで（ステップＳ１５０：ＮＯ）、掃気処理を行い、掃気時間Ｔ２経過すると（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、コンプレッサ２３０および水素循環ポンプ２５０の駆動を停止させ、掃気処理を終了する（ステップＳ１６０）。これにより燃料電池システム停止処理は終了する。
【００５１】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、燃料電池システム停止処理（図６）において、各セルアセンブリ２０内部の残留水量と相関のある積層体ＡＳＳＹの膨張長さＬ１を用いて、掃気時間Ｔ２を決定するようにしている。このようにすれば、電解質膜２１の膜抵抗を計測することなく、掃気時間Ｔを決定することができるので、電解質膜２１が劣化することを抑制することができる。その結果、燃料電池１００Ａの発電効率を向上させることができる。
【００５２】
燃料電池１００Ａは、請求項における燃料電池に該当し、積層体ＡＳＳＹは、請求項における積層体に該当し、エンドプレート３００、テンションプレート３１０、ボルト３２０、および、スプリング３９０は、請求項における締結部に該当し、超音波距離測定装置３５０Ａは、請求項における膨張センサに該当し、掃気実行部４２０、コンプレッサ３０、水素循環ポンプ２５０、および、パージ弁２４０などは、請求項における掃気処理部に該当し、掃気時間判断部４１０Ａは、請求項における掃気時間判断部に該当し、膨張長さＬは、請求項における膨張パラメータに該当する。
【００５３】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００５４】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００では、端面圧Ｐ１をロードセル３５０を用いて、検出するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、端面圧Ｐ１をピエゾ型面圧センサ等を用いて、検出するようにしてもよい。この場合、このピエゾ型面圧センサは、例えば、ロードセル３５０と同様の位置に設けるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５５】
Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００では、ロードセル３５０は、インシュレータ３３０とエンドプレート３００との間に設けられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、セルアセンブリ２０の間、インシュレータ３３０とターミナル３４０との間等に設けるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５６】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、膨張長さＬ１（距離ｘ１および距離ｘ２）を超音波距離測定装置３５０Ａを用いて、検出するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、膨張長さＬ１（距離ｘ１および距離ｘ２）をリニアエンコーダ等を用いて、検出するようにしてもよい。この場合、リニアエンコーダは、例えば、エンドプレート３００とインシュレータ３３０との間の空間に設けるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５７】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、掃気時間判断部４１０Ａは、膨張長さＬ１に基づいて、掃気時間Ｔ２を決定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池システム停止処理時（図６）の積層体ＡＳＳＹの積層方向の長さ（以下では、長さＬｍと呼ぶ）に基づいて、掃気時間Ｔ２を決定するようにしてもよい。この場合、長さＬｍは、例えば、発電前（燃料電池システム起動時）の積層体ＡＳＳＹの積層方向の長さと、膨張長さＬ１との和によって求めることができる。また、燃料電池１００Ａにおいて、発電前に対する燃料電池システム停止処理時の積層体ＡＳＳＹの積層方向における膨張率（以下では、膨張率Ｌｎと呼ぶ）に基づいて、掃気時間Ｔ２を決定するようにしてもよい。これらのようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。なお、長さＬｍや膨張率Ｌｎは、請求項における膨張パラメータに該当する。
【００５８】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例の燃料電池システム１０００の燃料電池１００は、定寸締結構造となっているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０００において、比較的固めのスプリング３９０Ａをインシュレータ３３０とエンドプレート３００との間に設け、燃料電池１００において、定寸締結構造および定荷重締結構造のどちらでもない構造、すなわち、燃料電池１００の発電と共に、積層体ＡＳＳＹが膨張すると共に、端面圧Ｐも上昇する構造としてもよい。この場合において、掃気時間判断部４１０は、端面圧Ｐ２を検出し、端面圧Ｐ２に基づいて、掃気時間Ｔを決定するようにしてもよい。また、この場合において、燃料電池１００は、超音波距離測定装置３５０Ａと同様の超音波距離測定装置３５０Ｂ（図示せず）をエンドプレート３００に備えており、積層体ＡＳＳＹの積層方向の膨張長さＬ２および端面圧Ｐ３を検出し、それら膨張長さＬ２および端面圧Ｐ３に基づいて、掃気時間Ｔを決定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５９】
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの燃料電池１００Ａは、定荷重締結構造となっているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０００Ａにおいて、比較的固めのスプリング３９０Ｂをインシュレータ３３０とエンドプレート３００との間に設け、燃料電池１００Ａにおいて、定寸締結構造および定荷重締結構造のどちらでもない構造、すなわち、燃料電池１００Ａの発電と共に、積層体ＡＳＳＹが膨張すると共に、端面圧Ｐも上昇する構造としてもよい。この場合においても、掃気時間判断部４１０Ａは、膨張長さＬ３を検出し、膨張長さＬ３に基づいて、掃気時間Ｔを決定するようにしてもよい。また、この場合において、燃料電池１００Ａは、ロードセル３５０と同様のロードセル３５０Ｃ（図示せず）をインシュレータ３３０とスプリング３９０Ｂとの間に備えており、積層体ＡＳＳＹの積層方向の膨張長さＬ４および端面圧Ｐ４を検出し、それら膨張長さＬ４および端面圧Ｐ４に基づいて、掃気時間Ｔを決定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００６０】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池システムの制御回路において、ソフトウェアとして構成されているものを、ハードウェアとして構成するようにしてもよいし、ハードウェアとして構成されているものを、ソフトウェアとして構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池１００のセルアセンブリ２０の概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】第１実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。
【図４】端面圧Ｐと掃気時間Ｔとの相関データ１を表すグラフである。
【図５】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの構成を示すブロック図である。
【図６】第２実施例の燃料電池システム１０００Ａが行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。
【図７】膨張長さＬと掃気時間Ｔとの相関データ２を表すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池
２０…セルアセンブリ
２１…電解質膜
２４…ＭＥＡ
３０…コンプレッサ
５０…水素循環ポンプ
１００…燃料電池
１００Ａ…燃料電池
２００…水素タンク
２１０…水素遮断弁
２３０…コンプレッサ
２４０…パージ弁
２５０…水素循環ポンプ
３００…エンドプレート
３１０…テンションプレート
３２０…ボルト
３３０…インシュレータ
３４０…ターミナル
３５０…ロードセル
３５０Ａ…超音波距離測定装置
３９０…スプリング
４００，４００Ａ…制御回路
４１０，４１０Ａ…掃気時間判断部
４２０，４２０Ａ…掃気実行部
４３０，４３０Ａ…データ記憶部
１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
ＡＳＳＹ…積層体
【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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