(57)【要約】【課題】燃料電池システムの生成水による凍結を抑制する。【解決手段】燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガス循環通路１５中の燃料オフガス通路１４に設置された遮断弁３１を閉状態、バイパス通路２７に設置の開閉弁２８及び燃料オフガスを外部に排出する排出通路２０に設置の排出弁２１を開状態とする。さらに、燃料オフガス通路１４に設置されている既存の循環ポンプ１９を作動させ、燃料ガス循環通路１５内を減圧し、燃料ガス循環通路１５内に存在する水蒸気（生成水）を蒸発させながら排出通路２０を介して外部へ排出する。したがって、燃料オフガス通路１４内だけでなく、燃料ガス通路１３を含めた燃料ガス循環通路１５内の閉塞を既存の循環ポンプの作動により抑制することができる。【選択図】図１
2005251411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と
、前記燃料ガス通路と連通され、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを再度前記燃料ガス通路に戻す燃料オフガス通路と、前記燃料オフガス通路中に設置され、該設置された箇所より上流の前記燃料オフガス通路内に存在する流体を吸引し、且つ吸引した前記燃料オフガス通路内に存在する流体を該設置された箇所より下流の前記燃料オフガス通路に吐出する循環ポンプと、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転停止時に、前記循環ポンプにより前記燃料ガス通路内に存在する流体を吸引し、且つ前記循環ポンプにより吸引した流体を外部に排出する流体排出手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料ガス通路内の圧力を判断する圧力判断手段を備え、前記流体排出手段は、前記圧力判断手段により判断された圧力が水の蒸気圧に近づくように前記循環ポンプを作動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。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガス供給部から供給された燃料ガスに含まれる水素ガスと、酸化ガス供給部から供給された酸化ガス（空気）に含まれる酸素ガスと、を利用して発電する。
【０００３】
水素ガスと酸素ガスとが電気化学反応を行うと、燃料電池のカソード（酸化極）において生成水（水、又は水蒸気）が生成される。この生成水は、燃料電池のアノード（燃料極）とカソードとの間で発生している差圧等により、燃料電池の電解質膜を通じてアノード側に浸入してしまう。このため、生成水はカソード側だけでなく、アノード側にも存在することになる。燃料電池システムの運転が実行されている間は、アノードに連通している燃料オフガス通路を介して、アノード側に存在する流体（燃料オフガスと生成水）が外部に排出される。
【０００４】
しかし、寒冷地等の低温環境下において、燃料電池システムが停止状態とされると、時間の経過とともに燃料電池システム内の温度も次第に低下していき、燃料オフガス通路内に気体（水蒸気）として存在していた生成水の液化が進行していく。さらに、燃料電池システム内の温度が低下していくと、最終的には燃料オフガス通路において生成水が凍結してしまう。この結果、燃料オフガス通路が閉塞されてしまい、燃料電池システムの起動を速やかに行えない場合が発生する。
【０００５】
この生成水の凍結は、燃料電池から排出された燃料オフガスを、再度燃料ガスとして燃料電池のアノードに供給する水素循環系の燃料電池システムにおいても同様に発生する。
【０００６】
このため、特許文献１に示されているように、水素循環系を構成している燃料オフガス通路から分岐された排出通路に生成水排出用エゼクタを設け、燃料電池システムを停止する際、この生成水排出用エゼクタに酸化ガスを供給することにより、水素循環系を構成する燃料ガス供給通路、燃料オフガス通路、及び循環用エゼクタの内部に滞留している生成水を吸引し、さらに燃料電池システムの外部へ生成水を排出して、生成水の凍結による水素循環通路内の閉塞を防止する技術がある。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に示した燃料電池システムでは、燃料ガス供給通路内の生成水も排出可能とするために、燃料オフガス通路から分岐された排出通路に生成水排出用エゼクタを、さらに、この生成水排出用エゼクタ内に酸化剤ガスを供給する装置を新たに追加することにより、燃料ガス供給通路内の生成水を外部に排出している。したがって、燃料電池システム全体が複雑となってしまい、搭載性が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、このような上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、水素循環系の燃料電池システムにおける水素循環用のための動力を用いて生成水を排出することにより、簡単な構成で外部に排出し、生成水の凍結による水素循環系内の閉塞を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本出願にかかる第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記燃料ガス通路と連通され、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを再度前記燃料ガス通路に戻す燃料オフガス通路と、前記燃料オフガス通路中に設置され、該設置された箇所より上流の前記燃料オフガス通路内に存在する流体を吸引し、且つ吸引した前記燃料オフガス通路内に存在する流体を該設置された箇所より下流の前記燃料オフガス通路に吐出する循環ポンプと、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転停止時に、前記循環ポンプにより前記燃料ガス通路内に存在する流体を吸引し、且つ前記循環ポンプにより吸引した流体を外部に排出する流体排出手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本出願にかかる第２の発明は、第１の発明における燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料ガス通路内の圧力を判断する圧力判断手段を備え、前記流体排出手段は、前記圧力判断手段により判断された圧力が水の蒸気圧に近づくように前記循環ポンプを作動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。
【発明の効果】
【００１１】
本出願にかかる第１の発明は、既存の循環ポンプにより燃料ガス通路内に存在する生成水を燃料電池システムの外部へ排出することができる。したがって、生成水排出用の装置の追加を抑制しながら簡単な構成でもって、燃料ガス通路内の生成水の凍結による閉塞を抑制することができる。
【００１２】
本出願にかかる第２の発明は、燃料ガス通路内を水の蒸気圧に近づくように減圧させるので、燃料ガス通路内に存在する生成水の蒸発をより促進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる燃料電池システムにおける実施の形態を図１から図６の図面に基づいて説明する。尚、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【実施例１】
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１に水素を含んだ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２と、燃料電池１に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部３と、燃料電池システム全体の動作を制御するためのＥＣＵ（電子制御ユニット）４と、を備えている。
【００１５】
燃料電池１は、発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図２は、図１に示す燃料電池１の内部構成を模式的に示している。図２に示すように、燃料電池１は複数の単電池（単セル）５が積層されて形成されている。そして、各単セル５の間には、セパレータ６が配置されている。
【００１６】
単セル５は、電解質膜７と、アノード（燃料極）８と、カソード（酸素極）９と、を含んでおり、電解質膜７は、このアノード８とカソード９の２つの電極によって挟まれている。各セパレータ６は、隣接する一方の単セル５内のアノード８に接するとともに、他方の単セル５内のカソード９に接するように配置されている。セパレータ６の両面には複数の溝が形成されており、アノード８とセパレータ６との間には、複数の小通路であるアノード側通路１０が形成され、カソード９とセパレータ６との間には、カソード側通路１１が形成される。
【００１７】
アノード側通路１０には、燃料ガス供給部２から水素ガスを含む燃料ガスが供給され
、カソード側通路１１には、酸化ガス供給部３から酸素ガスを含む酸化ガスが供給される
。そして、以下に示す電気化学反応が進行し、電気エネルギを発生する。
【００１８】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                            （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ           （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ                    （３）
式（１）はアノード８における反応を示しており、式（２）はカソード９における反応を示している。そして、燃料電池１全体としては、式（３）に示す反応が進行することとなる。尚、カソード９において生成される水（又は水蒸気）は、生成水と呼ばれる。
【００１９】
ここで、図１に示した燃料ガス供給部２について説明する。燃料ガス供給部２は、水素を含む燃料ガスを高い圧力で貯蔵する水素タンク１２を有しており、水素タンク１２内の燃料ガスは、燃料ガス通路１３を介して燃料電池１に供給される。そして、燃料電池１において使用された燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料オフガス通路１４に排出される。この燃料オフガス通路１４は燃料ガス通路１３と連通され、水素ガス濃度が比較的低い燃料オフガスを再度、燃料電池１に循環させており、燃料ガス通路１３と燃料オフガス通路１４とによって燃料ガス循環通路１５を形成している。
【００２０】
燃料ガス循環通路１５を形成する燃料ガス通路１３には、減圧弁１６、流量制御弁１７が設けられている。減圧弁１６は、水素タンク１２から供給される燃料ガスを所定の圧力に減圧する。また、流量制御弁１７は、燃料電池システムの通常運転時において、間欠的に開状態と設定され、燃料電池システムの運転停止時においては、閉状態に設定される。流量制御弁１７が開状態に設定される場合には、燃料ガスは、燃料ガス通路１３を介して燃料電池１に供給される。
【００２１】
また、燃料オフガス通路１４には、気液分離器１８、循環ポンプ１９が備えられている
。さらに、循環ポンプ１９の設置箇所下流の燃料オフガス通路１４には、燃料オフガスの一部を外部に排出する排出通路２０が連通されている。排出通路２０には、排出弁２１が備えられている。
【００２２】
気液分離器１８は、燃料電池１から排出される燃料オフガス中に含まれる生成水を除去する機能を有している。具体的には、遠心力（サイクロン方式）により気液分離を実行する。気液分離器１８により気液分離された生成水は、気液分離器１８内の下部に設けられた水貯留部２２に蓄えられる。さらに、水貯留部２２に蓄えられた生成水は、水貯留部２２下部に連通している排水通路２３を介して外部に排出される。尚、排水通路２３中には
、排水弁２４が設置されており、この排水弁２４を開くことにより、水貯留部２２内の生成水が排水通路２３を介して外部に排出される。尚、排水弁２４は、排水通路２３の開閉を短時間で切り換えることのできる応答性に優れた、例えば、電動式の弁である。この排水弁２４の作動として、燃料電池システムの通常運転時においては、ある所定時間、または水貯留部２２内の水位がある所定水位に達した際に開状態とされる。一方、燃料電池システムの運転が停止状態とされる場合は、燃料電池システムの停止と共に開状態とされて外部に生成水を排出し、水貯留部２２における生成水の凍結を抑制している。
【００２３】
循環ポンプ１９は、気液分離器１８によって液化されなかった燃料オフガスを、燃料ガスとして再度燃料ガス通路１３内に戻す機能を有している。したがって、燃料電池１の通常運転時において、燃料ガスは、循環ポンプ１９の作動により燃料ガス循環通路１５内に循環されることとなる。このように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池１の内部に供給される単位時間あたりの水素ガス流量を増大でき、燃料電池１における反応効率を向上させることができる。
【００２４】
尚、循環ポンプ１９は、燃料電池システムの通常運転時には作動が継続され、その後、燃料電池システムの運転停止に伴い、作動停止状態とされる。
【００２５】
本実施の形態では、燃料ガス通路１３に設置の流量制御弁１７と、排出通路２０に設置の排出弁２１とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池１に供給すると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料ガス循環通路１５から排出している。これは、燃料電池１における電気化学反応（上記の式（３））が進むに連れて、カソード側通路１１内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや生成水などが、アノード側通路１０内に侵入していくことに起因する燃料ガス循環通路１５内の水素ガス濃度の低下を抑制するためである。
【００２６】
また、燃料ガス循環通路１５には、流量制御弁１７の設置個所と燃料電池入口部２５との間の燃料ガス通路１３と、燃料電池出口部２６と循環ポンプ１９の設置個所との間の燃料オフガス通路１４と、を連通させるバイパス通路２７が設けられている。
【００２７】
さらに、バイパス通路２７中には、開閉弁２８が設けられている。この開閉弁２８は、排水弁２４と同様の電動式の弁である。
【００２８】
尚、バイパス通路２７に設置された開閉弁２８は、燃料電池システムの通常運転中において、閉状態とされている。したがって、水素タンク１２、及び燃料オフガス通路１４から燃料ガス通路１３に供給される燃料ガスが、燃料電池１に供給されないままバイパス通路２７を介して燃料オフガス通路１４に分流することが抑制される。つまり、燃料電池システムの通常運転時には、水素タンク１２から供給される燃料ガス、及び燃料オフガス通路１４から燃料ガス通路１３に供給される燃料ガスが、全て燃料電池１に供給されることとなる。
【００２９】
また、燃料ガス通路１３の燃料電池入口部２５及び燃料オフガス通路１４の燃料電池出口部２６には、遮断弁２９と遮断弁３０が各々設けられている。遮断弁２９は、燃料ガス通路１３における燃料電池入口部２５の開閉を、一方、遮断弁３０は、燃料オフガス通路１４における燃料電池出口部２６の開閉を短時間で切り換えることのできる応答性に優れた、例えば、電動式の弁を用いることができる。さらに、排出通路２０が連通されている箇所よりも下流の燃料オフガス通路１４には、遮断弁３１が設置されている。この遮断弁３１は、排出通路２０との連通箇所より下流の燃料オフガス通路１４の開閉を短時間で切換えることの出来る、例えば遮断弁２９、遮断弁３０と同様の電動式の弁を用いることがである。
【００３０】
また、燃料ガス通路１３における燃料オフガス通路１４の連通箇所より下流に、燃料ガス通路１３内の圧力を検出する圧力センサ３２が設置されている。この圧力センサ３２は圧力判断手段に相当するものである。尚、圧力センサ３２の設置個所は燃料ガス通路１３に限定されることなく、開閉弁２８が開状態とされた場合に燃料ガス通路１３と連通する部位であれば良い。例えば、燃料電池１内のアノード側通路１０、燃料オフガス通路１４における循環ポンプ１９の設置箇所上流、またはバイパス通路２７である。
【００３１】
さらに、燃料ガス通路１３における燃料オフガス通路の連通箇所より下流に、燃料ガス通路１４内の温度を検出する温度センサ４２が設置されている。この温度センサ４２の設置箇所は圧力センサ３２の設置箇所と同様に、燃料ガス通路１３に限定されることなく、適宜、燃料電池１内のアノード側通路１０、燃料ガス通路１３、またはバイパス通路２７に設置されればよい。
【００３２】
一方、酸化ガス供給部３は、エアクリーナ３３と空気ブロワ３４とを備え、エアクリーナ３３を介して流入された酸化ガス（空気）が、空気ブロワ３４によって酸化ガス通路３５を通して燃料電池１に供給される。酸化ガス通路３５の上流には、外気温度を検出する外気温度センサ３６が設置されている。
【００３３】
また、燃料電池１で使用された酸化ガスは、酸化オフガスとして酸化オフガス通路３７を介して大気に排出される。酸化オフガス通路３７には、燃料オフガスを酸化オフガスにより希釈する希釈装置３８と、排気音を低減するためのマフラー３９が設置されている。
【００３４】
希釈装置３８には、排出通路２０の出口が連通されており、排出通路２０から排出される燃料オフガスと、酸化オフガスとを混合する。この希釈装置３８による燃料オフガスと酸化オフガスとの混合により、燃料オフガス中に含まれる残留水素が酸化オフガスにより希釈されることとなる。
【００３５】
また、本実施の形態にかかるＥＣＵ４（電子制御装置）は、イグニションスイッチ４０や外気温度センサ等の各種センサから得られた検出結果を入力するとともに、各種弁（１７、２８、２９、３０、３１）や、循環ポンプ１９を、各々制御する。尚、イグニションスイッチ４０とは、燃料電池システムの運転開始、及び停止を制御するためのスイッチであり、通常、ＯＦＦ、ＡＣＣ（アクセサリ）、ＯＮ、ＳＴＡＲＴの４段切替位置を有している。
【００３６】
次に、本実施の形態にかかる燃料電池システムの流体（生成水）排出処理について説明する。図３は、生成水排出処理ルーチンを示すフローチャートであり、この生成水排出処理ルーチンは、イグニションスイッチ４０がオフ状態とされると、以下に示す処理を実行する。尚、生成水排出処理ルーチンは、イグニションスイッチ４０がオフ状態となってからある所定時間が経過した後で実行するようにしても良いし、イグニションスイッチ４０がオフ状態となってからある所定の時間間隔毎に実行するようにしても良い。
【００３７】
まず、ステップＳ１０１で、イグニションスイッチ４０がオフ状態であるか否かを判定する。イグニションスイッチ４０がオフ状態であるか否かを判定することにより、燃料電池システムが停止状態であるか否かを判定する。
【００３８】
ステップＳ１０１において、イグニションスイッチ４０がオフ状態でない、つまり、燃料電池システムの運転が作動状態であると判断される場合は、ステップＳ１１６に進んでＥＣＵ４に記憶されている排出処理実行フラグＮＯ．１又はＮＯ．２をクリアし、今回の生成水排出処理を終了する。尚、排出処理実行フラグＮＯ．１はステップＳ１０４において、排出処理実行フラグＮＯ．２はステップＳ１１５において、それぞれ立てられるものであり、排出処理実行フラグとは、燃料電池システムの運転が停止状態となってから、生成水排出処理が実行される際に立てられるフラグである。
【００３９】
一方、ステップＳ１０１において、イグニションスイッチ４０がオフ、即ち、燃料電池システムの運転が停止状態であると判定された場合は、ステップＳ１０２以下に進み、処理が実行される。
【００４０】
ステップＳ１０２において、排出処理実行フラグＮＯ．１が１であるか否かを判定する
。排出処理実行フラグＮＯ．１が１である場合は、ステップＳ１１３以下に進み、処理を実行する。尚、ステップＳ１１３以下は、ステップＳ１０３以下の処理が既に終了した状態で実行される処理であるので、ステップＳ１０３以下の処理の内容を説明した後、説明することとする。
【００４１】
一方、排出処理実行フラグＮＯ．１が１でない、つまり０である場合は、燃料電池システムの運転が停止状態となってから一度も、ステップＳ１０４以下に示す生成水排出処理が実行されていないと判断し、ステップＳ１０３に進む。
【００４２】
ステップＳ１０３において、外気温度センサ３６の検出結果に基づいて外気温度ＴOUTを検出し、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ１（例えば４０［℃］）以下であるか否かが判定される。この判定の結果、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ１よりも高い場合には、ＥＣＵ４は、一旦生成水排出処理を終了させる。ここで、ＥＣＵ４が生成水排出処理を終了させるのは、燃料電池システムの運転停止後、時間の経過とともに燃料ガス循環通路１５内の温度が外気温度ＴOUTに向かって低下していき、ほぼ外気温度ＴOUTと等しい温度となった場合でも、外気温度ＴOUTが生成水の凝固点よりも比較的高い温度のため、気液分離器１８で除去されず燃料ガス循環通路１５内に存在している生成水が凍結するおそれがないと判断されるためである。
【００４３】
一方、ステップＳ１０３において、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ１以下である場合には
、燃料ガス循環通路１５内に存在している生成水が凍結する可能性が高いと判断し、ステップＳ１０４以下の処理を実行する。
【００４４】
ステップＳ１０４では、燃料ガス循環通路１５内に存在している生成水の排出処理を実行する際に立てる排出処理実行フラグＮＯ．１を立てる。
【００４５】
次にステップＳ１０５において、排出弁２１、開閉弁２８を開状態とし、さらに遮断弁２９、３０、３１を閉状態とさせる。このステップＳ１０５においては、燃料電池システムの運転が停止状態とされたことに伴って、燃料ガス通路１３に設けられている流量制御弁１７は既に閉状態とされており、遮断弁３１が閉状態とされることにより、循環ポンプ１９の吸込み口側と連通している燃料ガス循環通路１５に燃料ガス、燃料オフガス、及び大気が流入することが阻止される。つまり、循環ポンプ１９の吸込み口側と連通している燃料ガス循環通路１５が密閉状態とされることになる。また、開閉弁２８が開状態とされることにより、バイパス通路２７を介して燃料ガス通路１３と燃料オフガス通路１４とが、連通されることとなる。
【００４６】
ここで、流量制御弁１７、遮断弁２９、遮断弁３０、及び遮断弁３１が閉状態とされた場合の、循環ポンプ１９の吸込み口側と連通している燃料オフガス通路１４、バイパス通路２７、及び燃料ガス通路１３をまとめて減圧通路４１と呼ぶことにする。
【００４７】
ステップＳ１０６では、燃料オフガス通路１４に設置されている温度センサ４２の検出結果に基づいて、減圧通路４１内の温度Ｔａを検出し、この温度Ｔａを用いて水の沸点と等しい温度となる蒸気圧ＰTARGETを、図４に示した予め記憶してある水の蒸気圧と温度との関係から算出する。
【００４８】
次に、ステップＳ１０７に進み、ＥＣＵ４は、燃料オフガス通路１４に設置された既存の循環ポンプ１９を作動させると共に、循環ポンプ１９の作動開始からの経過時間ｔ０の測定も開始する。このステップＳ１０７における循環ポンプ１９の作動に伴い、循環ポンプ１９の吸込み口側と連通している減圧通路４１内が、徐々に減圧される。そして、この減圧に伴って、減圧通路４１内の圧力が徐々に水の蒸気圧ＰTARGETに近づいていくこととなる。
【００４９】
ステップＳ１０８においては、燃料ガス通路１３に設置されている圧力センサ３２の検出結果に基づいて、減圧通路４１内の圧力Ｐを検出し、この圧力のＰが蒸気圧ＰTARGET以下であるか否かを判定する。ここで、減圧通路４１内の圧力ＰがＰTARGET以下である状態とは、燃料ガス通路１３内の温度Ｔａが水の沸点以上の温度となっている状態、つまり、減圧通路４１内の温度が水の沸点以上の温度となっている状態である。したがって、減圧通路４１内が水の沸点以上の温度となったことに伴い、減圧通路４１内に存在していた水（生成水）が蒸発し、水蒸気（生成水）に状態を変化させていることとなる。
【００５０】
ステップＳ１０８の判定の結果、減圧通路４１内の圧力ＰがＰTARGET以上である場合
は、ステップＳ１０９に進み、循環ポンプ１９の作動開始からの経過時間ｔ０が、所定時間ｔ１以上であるか否かを判定する。この所定時間ｔ１とは、ある一定の作動条件で循環ポンプ１９を作動させた場合、これ以上循環ポンプ１９により減圧通路４１内を減圧できないと判断される時間に相当するものである。
【００５１】
ステップＳ１０９における判定の結果、経過時間ｔ０が所定時間ｔ１以上である場合は
、これ以上循環ポンプ１９により減圧通路４１内を減圧できないと判断し、ステップＳ１１１以下に進み、処理が実行される。
【００５２】
一方、経過時間ｔ０が所定時間ｔ１以下である場合は、ステップＳ１０８に戻り、圧力センサ３２の検出結果である圧力Ｐが、蒸気圧ＰTARGET以下であるか否かを再度判定する（ステップＳ１０９）。つまり、減圧通路４１内の圧力ＰがＰTARGET以上であり、且つ循環ポンプ１９の作動開始からの経過時間ｔ０が所定時間ｔ１以下である場合は、ステップＳ１０８の判定を繰り返し行うこととなる。尚、この繰り返しの期間、循環ポンプ１９の作動は継続されており、減圧通路４１内は循環ポンプ１９により減圧されている。
【００５３】
一方、ステップＳ１０８において減圧通路４１内の圧力Ｐが蒸気圧ＰTARGET以下である場合、及びステップＳ１０９において経過時間ｔ０が所定時間ｔ１以上である場合は、ステップＳ１１０において、減圧通路４１内の圧力Ｐが蒸気圧ＰTARGET以下となってから、または経過時間ｔ０が所定時間ｔ１以上となってからの経過時間ｔ２の測定を開始する。さらに、ステップＳ１１１に進み、経過時間ｔ２が所定時間ｔ３に到達したか否かを判定する。この所定時間ｔ３とは、減圧通路内４１内の水蒸気（生成水）が、全て排出通路２０を介して外部に排出されたと判断される時間に相当するものである。
【００５４】
ステップＳ１１１の判定の結果、経過時間ｔ２が所定時間ｔ３に到達したと判定される場合は、減圧通路４１内の生成水が全て排出されたと判断し、ステップＳ１１２に進み、
処理を実行する。
【００５５】
一方、ステップＳ１１１の判定の結果、経過時間ｔ２が所定時間ｔ３に到達していないと判定された場合は、ステップＳ１１１の条件を満たすまで、この判定が繰り返し行われる。つまり、減圧通路４１内の生成水を全て排出するために、循環ポンプ１９の作動が継続されることとなる。
【００５６】
ステップＳ１１２においては、経過時間ｔ０、ｔ２が０にクリア、循環ポンプ１９の作動が停止状態、排出弁２１が閉状態とされる。このステップＳ１１２における処理の実行を終了させることにより、生成水排出処理が一旦終了されることとなる。
【００５７】
尚、本実施の形態にかかる燃料電池システムの生成水排出処理では、ステップＳ１１２の処理の実行後、生成水排出処理ルーチンに従い、再度ステップＳ１０１以下の処理が実行されることとなる。
【００５８】
ここで、ステップＳ１０２において、排出処理実行フラグＮＯ．１が１である場合は、ステップＳ１１３以下に進み、排出処理実行フラグＮＯ．２が１であるか否かが判定される。排出処理実行フラグＮＯ．２が１である場合は、既にステップＳ１１５以下に示す生成水排出処理が実行されたと判断し、今回の生成水排出処理を一旦終了させる。これは、燃料電池システムの運転が停止状態とされてから、先に説明したステップＳ１０４以下の生成水排出処理と、ステップＳ１１５以下に示す生成水排出処理との実行が共に終了されており、減圧通路４１内に存在していた生成水が充分に排出されたため、減圧通路４１内において生成水が凍結するおそれがないと判断されるためである。
【００５９】
一方、排出処理実行フラグＮＯ．２が１でない場合は、ステップＳ１１４に進み、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。ここで所定温度Ｔ２（例えば
２０［℃］）とは、所定温度Ｔ１よりも低い温度であれば良い。
【００６０】
このステップＳ１０５における判定の結果、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ２より高い温度である場合は、減圧通路４１内における生成水が凍結するおそれがないと判断し、生成水排出処理を一旦終了させる。
【００６１】
また、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ２以下である場合は、減圧通路４１内における生成水が凍結するおそれがあると判断し、再度減圧通路４１内の生成水を排出させるべく、以下のステップＳ１１５に進む。ここで、生成水排出処理実行フラグＮＯ．１が１である、つまり、生成水排出処理が一度実行されたにも関わらず、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ２よりも低いと判定された場合に、再度生成水排出処理を実行するのは、外気温度ＴOUTが水の凝固点に比較的近い温度となったことにより、前回の生成水排出処理で除去しきれなかった生成水が、減圧通路４１内で凍結するおそれがあると判断されるためである。
【００６２】
次に、ステップＳ１１５において、生成水排出処理を再度実行するために排出処理実行フラグＮＯ．２を立てる。さらに、ステップＳ１０５以下の一連の処理に進み、生成水排出処理を実行し、減圧通路４１内に存在する生成水を排出して、一連の生成水排出処理を終了させる。
【００６３】
本実施の形態にかかる生成水排出処理を実行することにより、燃料電池システムの運転が停止された後、既存の循環ポンプ１９で減圧通路４１内を水の蒸気圧以下に減圧し、排出通路２０を介して外部へ排出することにより、燃料電池システム全体を複雑にすることなく簡単な構成で、生成水の凍結による減圧通路４１の閉塞を抑制することができる。また、減圧通路４１内を水の蒸気圧以下に減圧することにより、水（生成水）の状態でなく
、水蒸気（生成水）の状態で外部に排出できるので、減圧通路４１内、循環ポンプ１９、排水通路２３、排出弁２１に生成水が付着することに起因する機能低下（例えば、排出弁２１の固着等）を抑制することができる。したがって、燃料電池システムが寒冷地等で運転を開始される場合においても、生成水の凍結によるガス通路の閉塞等が抑制されるので
、燃料電池１を速やかに起動することができる。
【００６４】
また、減圧通路４１内に生成水が存在することに起因する問題としては、生成水の凍結による閉塞とは別に、過剰の生成水が多量に存在することに起因する閉塞がある。本実施の形態にかかる生成水排出処理では、所定温度Ｔ１を４０［℃］に設定したことにより、
減圧通路４１内の温度が、飽和水蒸気量の低下に伴う生成水の液化が著しくなる温度となる前に減圧通路４１内に存在する生成水を外部に排出させることができる。したがって、減圧通路４１内の温度が、生成水の液化が著しくなる温度に低下した場合においても、減圧通路４１内に存在する生成水量が減少しているので、生成水の液化を抑制することができる。この結果、過剰の生成水が存在することに起因する減圧通路４１内の閉塞が抑制されることとなる。
【００６５】
尚、図３に示した生成水排出処理において、ステップＳ１０１で燃料電池システムの運転停止を判断し、ステップＳ１０５で排出弁２１、開閉弁２８を開状態とすると共に遮断弁３１を閉状態とし、ステップＳ１０７で循環ポンプ１９を作動させる処理の実行が、本出願にかかる第１の発明の流体排出手段に相当するものである。そして、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９の処理の実行が本出願にかかる第２の発明の流体排出手段に相当するものである。
【００６６】
また、図３に示した生成水排出処理において、循環ポンプ１９は、燃料オフガス通路１４内の温度Ｔａに対応する水の蒸気圧ＰTARGET以下となるように作動が制御されている。しかし、循環ポンプ１９の別の作動として、例えば、燃料電池システムの運転が停止状態である場合に、燃料オフガス通路１４内の温度Ｔａを連続的に検出し、この検出されるＴａに対応する水の蒸気圧（図４に示した水の蒸気圧と温度の関係から算出される）となるように、循環ポンプ１９を連続的に作動させてもよい。これにより、常に減圧通路４１内の圧力が水の蒸気圧以下の圧力とされるので、減圧通路４１内における生成水の凍結を確実に抑制することができる。
【００６７】
さらに、図３に示した生成水排出処理においては、流量制御弁１７及び遮断弁３１が閉状態とされることにより減圧通路４１内が密閉状態とされる。この減圧通路４１内を密閉状態とするための別の手段として、遮断弁３１の設置箇所を変更してもよい。具体的には
、燃料オフガス通路１４の連通箇所よりも下流であり、且つバイパス通路２７の連通箇所より上流の燃料ガス通路１３中に、遮断弁３１を設け、減圧通路４１内を密閉しても良い
。つまり、これらの遮断弁３１が閉状態となることにより、循環ポンプ１３により吸引される燃料ガス通路１３内または減圧通路４１内を密閉状態とすることができるので、循環ポンプ１３により確実に燃料ガス通路１３内を減圧することができる。
【００６８】
また、循環ポンプ等の作動に伴う消費電力を節約するために、所定温度Ｔ１として１気圧下における水の凝固点（０［℃］）を設定しても良い。
【実施例２】
【００６９】
本実施の形態にかかる生成水排出処理においては、図３に示したように、外気温度ＴOUTが所定温度Ｔ１以下であるかを判定し、その後、循環ポンプを作動させることにより減圧通路４１内における生成水の凍結を抑制している。しかし、別の生成水排出処理として
、例えば図５に示すような生成水排出処理がある。ここで、図３に示した生成水排出処理と重複する内容の説明を避け、異なる部分のみ説明する。
【００７０】
ステップＳ２０１において、イグニションスイッチがオフ、つまり、燃料電池システムの運転が停止状態であると判定された場合、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０２に進み、排出弁２１及び開閉弁２８を開状態、遮断弁２９、遮断弁３０、及び遮断弁３１を閉状態とする。このステップＳ２０２における処理が実行されると、ＥＣＵ４は、一定の作動条件（
回転数）で循環ポンプ１９の作動を開始させると共に、循環ポンプの作動開始からの経過時間ｔ４の測定を開始する（ステップＳ２０３）。この循環ポンプの作動により、減圧通路４１内が徐々に減圧されることなる。
【００７１】
そして、ＥＣＵ４は、経過時間ｔ４が所定時間ｔ５に到達したか否かを判定する（ステップＳ２０４）。この所定時間ｔ５とは、ある一定の作動条件（回転数）で循環ポンプ１９を作動させた場合、これ以上循環ポンプ１９の作動を継続しても、減圧通路４１内を減圧できないと判断される時間に相当するものである。
【００７２】
ステップＳ２０４における判定の結果、経過時間ｔ４が所定時間ｔ５に到達していないと判定される場合、ＥＣＵ４は、経過時間ｔ４が所定時間ｔ５に到達するまで、循環ポンプ１９の作動を継続する。
【００７３】
一方、経過時間ｔ４が所定時間ｔ５に到達したと判定される場合、ＥＣＵ４は、循環ポンプ１９を停止、経過時間ｔ４の測定を終了、排出弁を閉状態とし、一連の生成水排出処理を終了する。
【００７４】
このように、図５に示した生成水排出処理では、減圧通路４１内の温度（外気温度）に関わらず、燃料電池システムの運転が停止状態となった際に、ある所定時間だけ既存の循環ポンプ１９を作動させる。したがって、生成水排出処理を複雑にすることなく、減圧通路４１内に存在する生成水を蒸発させながら外部に排出するので、生成水の凍結による減圧通路４１内の閉塞を抑制することができる。また、燃料電池システムの停止直後であるので、燃料電池システムに余熱が十分存在しており、減圧通路４１内の生成水も水蒸気の状態で存在している割合が大きいため、減圧通路４１内の生成水を循環ポンプ１９により蒸発させる際の消費電力を節約することができる。
【００７５】
ここで、図５に示した生成水排出処理において、循環ポンプ１９を一定の作動条件（回転数）としたが、作動条件（回転数）を可変制御できる循環ポンプを適宜使用しても良い
。
【００７６】
尚、本実施の形態にかかる図５に示した生成水排出処理において、ステップＳ２０１で燃料電池システムの運転停止を判断し、ステップＳ２０３で排出弁２１、開閉弁２８を開状態とすると共に遮断弁３１を閉状態とし、ステップＳ２０３で循環ポンプ１９を作動させる処理の実行が、本出願にかかる第１の発明の流体排出手段に相当するものである。
【００７７】
また、図３及び図５に示した本実施の形態にかかる生成水排出処理において、循環ポンプ１９の作動前に排出弁２１及び開閉弁２８を開状態とし、且つ遮断弁２９、遮断弁３０
、及び遮断弁３１を閉状態となるよう制御した。この制御は、燃料ガス通路１３と連通している燃料電池１内部が循環ポンプ１９により減圧されることに起因して発生する電解質膜７等の損傷を抑制するためである。しかし、燃料電池１内部のアノード側通路１０内における生成水の凍結による閉塞を抑制したい場合、又は燃料電池１が循環ポンプ１９による減圧に対して耐久性がある場合は、遮断弁２９及び遮断弁３０を閉状態とせず、開状態のまま生成水排出処理を実行すればよい。これにより、アノード側通路１０が燃料ガス通路１３及び燃料オフガス通路１４と連通されることとなり、アノード側通路１０内の生成水が循環ポンプ１９の作動により蒸発されるとともに外部に排出されることとなる。
【００７８】
さらに、本実施の形態にかかる図３、及び図５に示した生成水排出処理において、生成水による燃料ガス循環通路１５における凍結を効果的に抑制するために、燃料電池システムの構成部分の中でも、まず燃料オフガス通路１４内を循環ポンプ１９により減圧するよう構成しても良い。これは、燃料電池から排出される燃料オフガス中には、生成水（水蒸気）が比較的多く存在していると考えられるためである。この具体的な方法としては、燃料オフガス通路１４内を循環ポンプ１９により減圧する際、燃料オフガス通路１４内が優先的に減圧されるようバイパス通路２７に設置の開閉弁２８を閉状態としたまま減圧させる。その後、燃料オフガス通路１４における生成水の凍結が抑制されたと判断される場合に、開閉弁２８を開状態とし、燃料ガス通路１３内も循環ポンプ１９により減圧されるように構成すればよい。
【００７９】
尚、本実施の形態にかかる図３、及び図５に示した生成水排出処理の終了後、燃料電池システムが作動される場合は、遮断弁２９、遮断弁３０、遮断弁３１は開状態、開閉弁２８は閉状態とされ、燃料電池システムの作動が開始されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】同実施の形態にかかる燃料電池の構造を拡大して示す略図。
【図３】同実施の形態にかかる燃料電池システムの生成水排出処理の手順を示すフローチャート。
【図４】水の蒸気圧曲線を示す模式図。
【図５】同実施の形態にかかる燃料電池システムの生成水排出処理の手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８１】
１      燃料電池
２      燃料ガス供給部
３      酸化ガス供給部
４      ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１３    燃料ガス通路
１４    燃料オフガス通路
１５    燃料ガス循環通路
１９    循環ポンプ
２０    排出通路
２１    排出弁
２５    燃料電池入口部
２６    燃料電池出口部
２７    バイパス通路
２８    開閉弁
２９    遮断弁
３０    遮断弁
３１    遮断弁
３２    圧力センサ
３６    温度センサ
４０    イグニションスイッチ
４１    減圧通路
４２    温度センサ
【図１】
2005251411.tif 000003
【図２】
2005251411.tif 000004
【図３】
2005251411.tif 000005
【図４】
2005251411.tif 000006
【図５】
2005251411.tif 000007