(57)【要約】【課題】  燃料電池に掃気ガスを供給し掃気を行う際のエネルギー消費を抑えることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池１の発電を停止する際に、コントロールユニット４０は遮断弁６を制御して水素ガスの供給を遮断するとともに、コンプレッサ１４からの掃気ガスをカソードに供給し、カソードを掃気した掃気ガスを循環路１０を介してアノードに供給してアノードを掃気する。【選択図】      図１
2005310567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に流入するアノードガス流入路と、
前記燃料電池からアノードオフガスが流出されるアノードオフガス流出路と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に流入するカソードガス流入路と、
前記燃料電池からカソードオフガスが流出されるカソードオフガス流出路と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、を有し、
前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、掃気ガス供給手段からの掃気ガスを前記カソードガス流入路に供給し、前記カソードオフガス流出路から流出された前記掃気ガスを前記アノードガス流入路に供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に流入するアノードガス流入路と、
前記燃料電池からアノードオフガスが流出されるアノードオフガス流出路と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に流入するカソードガス流入路と、
前記燃料電池からカソードオフガスが流出されるカソードオフガス流出路と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、を有し、
前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、掃気ガス供給手段からの掃気ガスを前記アノードガス流入路に供給し、前記アノードオフガス流出路から流出された前記掃気ガスを前記カソードガス流入路に供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードオフガス流出路と前記アノードガス流入路との間に循環路が備えられ、前記循環路には遮断弁が設けられ、
前記掃気手段は、前記遮断弁を閉弁させ、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスまたは前記カソードオフガス流出路から流出された掃気ガスを前記遮断弁の下流側から前記循環路を介して前記アノードガス流入路に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記掃気ガスは酸化剤ガスとして用いられる空気であ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。
【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】
燃料電池システムにおいては、特に低温（氷点）下で始動する際の発電性能を向上させるため、発電を停止する際に燃料電池に掃気ガスを供給して燃料電池内の残留水を排出するいわゆる掃気が行われている。
その方法としては、例えば特許文献１では燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料通路に切換弁を設け、カソードに対して酸化剤ガスとして酸素を含んだ空気を供給するコンプレッサが切換弁を介してアノードに非加湿空気を供給できるようにしている。そして、燃料ガスの供給を停止し発電を停止する際には切換弁を切り換えて、アノードとカソードの双方にコンプレッサからの空気を供給して、燃料電池を掃気する技術が開示されている。これによれば、掃気ガスとして外気を利用することができ、また短時間で燃料電池内部の残留水量を適切な量にすることができるため低温下で燃料電池を安定して始動させることができる。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（段落番号００１５、００１６、００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の技術において燃料電池を掃気するには、多大なエネルギーを必要とし、エネルギー消費が大きいという問題があった。燃料電池システムにおいては、始動時に例えば弁の開閉制御や酸化剤ガスとしての空気供給のため、バッテリなどのエネルギーストレージに一定のエネルギーを蓄える必要があるが、前記のように掃気用に多大なエネルギーが消費されてしまうと、燃料電池を始動できなくなる恐れがある。その対策として例えばバッテリなどの容量を大きくし、始動用のエネルギーを確保することが考えられるが、燃料電池システム全体の重量・容積が増大してしまう問題が生じ適切な方法ではない。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、掃気時のエネルギー消費を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に流入するアノードガス流入路と、前記燃料電池からアノードオフガスが流出されるアノードオフガス流出路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に流入するカソードガス流入路と、前記燃料電池からカソードオフガスが流出されるカソードオフガス流出路と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、を有し、前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、掃気ガス供給手段からの掃気ガスを前記カソードガス流入路に供給し、前記カソードオフガス流出路から流出された前記掃気ガスを前記アノードガス流入路に供給して前記燃料電池を掃気するものとした。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に流入するアノードガス流入路と、前記燃料電池からアノードオフガスが流出されるアノードオフガス流出路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に流入するカソードガス流入路と、前記燃料電池からカソードオフガスが流出されるカソードオフガス流出路と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、を有し、前記掃気手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に、掃気ガス供給手段からの掃気ガスを前記アノードガス流入路に供給し、前記アノードオフガス流出路から流出された前記掃気ガスを前記カソードガス流入路に供給して前記燃料電池を掃気するものとした。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、前記アノードオフガス流出路と前記アノードガス流入路との間に循環路が備えられ、前記循環路には遮断弁が設けられ、前記掃気手段は、前記遮断弁を閉弁させ、前記掃気ガス供給手段からの掃気ガスまたは前記カソードオフガス流出路から流出された掃気ガスを前記遮断弁の下流側から前記循環路を介して前記アノードガス流入路に供給するものとした。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、前記掃気ガスが酸化剤ガスとして用いられる空気であるものとした。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、掃気手段は掃気ガス供給手段からの掃気ガスをカソードガス流入路に供給し、カソードを通過しカソードオフガス流出路から流出された掃気ガスをアノードガス流入路に供給して燃料電池を掃気するようにしたため、掃気ガス供給手段が1極分の掃気ガスを出力すればよく、ガス流量を減少させることができる。これによって配管を通過する際の圧力損失を抑え、掃気するためのエネルギー消費を減らすことができる。この結果、燃料電池システムによっては十分な掃気を行っても、始動用のエネルギーが不足になることはない。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、掃気手段は掃気ガス供給手段からの掃気ガスをアノードガス流入路に供給し、アノードを通過しアノードオフガス流出路から流出された掃気ガスをカソードガス流入路に供給して燃料電池を掃気するようにしたため、請求項１と同様に掃気ガス供給手段が1極分の掃気ガスを出力すればよく、ガス流量を減少させることができる。これによって配管を通過する際の圧力損失を抑え、掃気するためのエネルギー消費を減らすことができる。この結果、燃料電池システムによっては十分な掃気を行っても、始動用のエネルギーが不足になることはない。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、掃気手段は掃気ガス供給手段からの掃気ガスまたは、カソードオフガス流出路から流出された掃気ガスを遮断弁の下流側から循環路を介してアノードガス流入路に供給するようにしたため、循環路を含めた掃気を行うことができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、掃気ガスは酸化剤ガスとして用いられる空気であるため、掃気ガス供給手段を別に設ける必要がなく、燃料電池システムの構成が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。なお、ここでは車両（自動車）に搭載される燃料電池システムについて説明を行う。
<第１の実施形態>
図１は第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
燃料電池１は高分子電解質膜をカソードとアノードで挟んでなる膜電極構造体をさらにセパレータで挟んだセルを積層して構成されるもので、そのアノード側入口ａ1にアノードガス流入路２が接続され、アノード側出口ａ2にはアノードオフガス流出路８が接続されている。アノードガス流入路２にはその端部に接続された水素ボンベ７側から遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３が順次に設けられ、アノードオフガス流出路８にはアノード排気調整バルブ９が設けられている。アノードガス流入路２とアノードオフガス流出路８の燃料電池１側には、圧力センサＰ、Ｐ’がそれぞれ設けられている。
【００１３】
遮断弁６は水素ボンベ７から燃料電池１に供給される水素ガスに対して制御を行うもので、開弁時に燃料電池１に水素ガスが供給され、閉弁時には水素ガスの供給が遮断される。
レギュレータ５は燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を調整するものである。
イジェクタ３は、アノードオフガス流出路８におけるアノード排気調整バルブ９の上流側から分岐された循環路１０と接続され、アノードオフガス流出路８に排出されたアノードオフガスを燃料電池１に循環させるものである。
アノード排気調整バルブ９はアノードオフガスの流れを制御するもので、閉弁時にアノードオフガス流出路８が封止され、アノードオフガスが循環路１０から燃料電池１に循環される。開弁時にはアノードオフガスが希釈ボックス１８を経て外部へ排出される。
循環路１０には掃気するための循環停止バルブ１２と気液分離器１１が設けられている。循環停止バルブ１２は循環路１０の上流側に設けられ、連通路１９から循環路１０に掃気ガスが供給されるとき、掃気ガスがアノードオフガス流出路８に流出されないようにするためのものである。気液分離器１１は循環路１０に供給された掃気ガスに対して除湿（水分分離）を行うためのものである。
遮断弁６、レギュレータ５、イジェクタ３、循環停止バルブ１２およびアノード排気調整バルブ９はそれぞれコントロールユニット４０に制御される。
【００１４】
燃料電池１のカソード側入口ｃ1にカソードガス流入路１３が接続され、カソード側出口ｃ2にはカソードオフガス流出路１５が接続される。カソードオフガス流出路１５にカソード排気調整バルブ１６が設けられ、コンプレッサ１４がカソードガス流入路１３を介して燃料電池１に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給し、そのカソードオフガスがカソードオフガス流出路１５からカソード排気調整バルブ１６、希釈ボックス１８を介して外部へ排出される。
カソードオフガス流出路１５におけるカソード排気調整バルブ１６の上流側と循環路１０における循環停止バルブ１２の下流側とは連通路１９によって連通され、連通路１９にはアノード掃気バルブ１７が設けられるようになっている。
【００１５】
連通路１９はコンプレッサ１４が掃気ガスをカソードに供給しカソードを掃気するとき、カソードオフガス流出路１５に排出される掃気後の掃気ガスをアノードに供給し、アノードを掃気させるための通路である。
コンプレッサ１４、カソード排気調整バルブ１６およびアノード掃気バルブ１７はコントロールユニット４０に制御される。
このように、カソードオフガス流出路１５と循環路１０とを連通することによって、カソードを掃気した掃気ガスを循環路１０からアノードに供給して循環路１０を含めてアノードを掃気することができる。そして、アノードに供給される掃気ガスは気液分離器１１を経由するので、ここで掃気ガス中の水分が分離され、アノードには乾燥した掃気ガスを供給することができるため、掃気効果が弱まることはない。燃料電池１は負荷４と電気接続されている。負荷４には燃料電池１が発電しないときに電力供給を行うバッテリが含まれている。
【００１６】
コントロールユニット４０は車両側からイグニッションスイッチの状態信号を入力可能とし、状態信号がオン信号のとき、燃料電池システムを運転するように遮断弁６、レギュレータ５、アノード排気調整バルブ９、コンプレッサ１４などの制御を通じて燃料電池１の発電制御を行う。発電される電力は負荷４に供給されこのときバッテリ内の電力が不足している場合、バッテリに対して充電が行われる。なお、発電時には、カソード排気調整バルブ１６は背圧バブルとして機能しカソード圧力を調整するようになっている。アノード排気調整バルブ９はパージバルブとして機能し必要に応じてアノードをパージする。また、アノード掃気バルブ１７が閉弁状態にあり、循環停止バルブ１２が開弁状態にある。したがって、アノードオフガス流出路８に排出されたアノードオフガスが循環路１０によって燃料電池１に循環されることが可能で、また、カソードオフガス流出路１５に排出されるカソードオフガスは循環路１０に入ることもない。
【００１７】
イグニッションスイッチからの状態信号がオフ信号に変わると、コントロールユニット４０は燃料電池１の発電を停止させるが、停止させるに際して燃料電池１に対して掃気を行うか否かを判断する。
すなわち、コントロールユニット４０には利用者によって操作可能な操作手段が備えられ、利用者は操作手段を操作することによって発電を停止する際に掃気を行うように設定することができる。また、掃気が必要であるが利用者によって設定が行なわれていない場合を想定し、掃気の必要性を判断できるように、コントロールユニット４０に凍結情報を有したカレンダが備えられ、コントロールユニット４０は車両に搭載されたナビゲーションシステムからの位置データと受信手段によって受信した天気情報データに基づいてカレンダから凍結情報を読出し停車後に燃料電池が凍結することを予想する自動凍結予想モードが設けられている。
コントロールユニット４０は利用者の設定状態または自動凍結予想モードで掃気を行うと判断した場合、燃料電池１に対して掃気を行う。
【００１８】
次に、燃料電池の発電を停止する際の制御についてフローチャートにしたがって説明する。図２は発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
コントロールユニット４０は、燃料電池システムの運転停止信号として車両側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ２）。
すなわち、利用者の設定状態をチェックし、掃気するように利用者が設定を行った場合、または利用者が設定を行っていないが、ナビゲーションシステムからの自車位置を示す位置データと、受信した天気データに基づいてカレンダから凍結情報を読出してその凍結情報によって停車後に燃料電池１が凍結すると予想した場合、掃気を実施すると判断する。
【００１９】
掃気を実施すると判断した場合（Ｓ２、実施する）、コントロールユニット４０は遮断弁６を閉弁させて燃料電池１への水素ガスの供給を遮断する（Ｓ３）。水素ガスの供給を遮断した後、コントロールユニット４０はカソード排気調整バルブ１６の開度を設定する。これはカソードを掃気した掃気ガスをアノードに供給するときその圧力を調整するためのもので、例えば掃気時のアノードの圧力損失とアノードの排水性を考慮して設定することができる。また、ベンチテストにてカソードおよびアノードが同じタイミングで掃気が完了するときの開度を予め求めておき、その開度をカソード排気調整バルブ１６の開度として設定することもできる。
その後、コントロールユニット４０がアノード掃気バルブ１７を開弁させ（Ｓ５）、循環停止バルブ１２を閉弁させる（Ｓ６）。これによって、カソードを掃気した掃気ガスをアノードに供給することができるようになる。
【００２０】
コンプレッサ１４は掃気している間、常時に動作しているので、その掃気ガスがまずカソードに供給され、カソードを掃気した掃気ガスはカソード排気調整バルブ１６によって圧力が調整されて連通路１９から循環路１０に供給される。循環路１０に供給された掃気ガスは気液分離器１１によって含まれた水分が除去されアノードに供給される。
コントロールユニット４０はアノード排気調整バルブ９をチェックし閉弁状態であれば開弁させる（Ｓ７）ので、アノードを掃気した掃気ガスがアノード排気調整バルブ９を経由して希釈ボックス１８から外部へ排出される。
このように、コンプレッサ１４からの掃気ガスがまずカソードを掃気し、カソードを掃気した後、アノードを掃気するため、発電時と同様に１極分の掃気ガスを供給することができ、従来のように、アノードとカソードに別々の掃気ガスを供給して掃気を行うより、かかるガス流量を減らすことができる。ガス流路を通過した際の圧力損失を減少させることによって掃気のためのエネルギー消費を抑えることができる。
掃気している間は、コントロールユニット４０がコンプレッサ１４の運転状況をチェックし適宜に調整を行って掃気を進行させる（Ｓ８）。
【００２１】
コントロールユニット４０は圧力センサＰ、Ｐ’の検出値を入力しアノードの入口側の圧力と出口側の圧力との圧力差が所定値以下になったか否かをチェックして掃気が完了したことを判断する（Ｓ９）。完了していない場合（Ｓ９、ＮＯ）、新たな検出値を入力し引き続き同判断を行う。掃気が完了した場合（Ｓ９、ＹＥＳ）、掃気を終えるようにコントロールユニット４０はアノード排気調整バルブ９を閉弁させ（Ｓ１０）、循環停止バルブ１２を開弁させ（Ｓ１１）、アノード掃気バルブ１７を閉弁させる（Ｓ１２）。これによって各弁の状態は発電時の状態となる。そして、最後にコンプレッサ１４を停止させると燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ１３）。
一方、ステップＳ２で、掃気を実施しないと判断した場合（Ｓ２、実施しない）には、コントロールユニット４０は遮断弁６を閉弁させて水素ガスの供給を遮断させる（Ｓ１４）。その後、ステップＳ１３に進み前記同様にコンプレッサ１４を停止させて燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２２】
以上説明したように、燃料電池１の発電を停止し掃気を行う際に、コンプレッサ１４からの掃気ガスをカソードに供給し、カソードを掃気した掃気ガスをアノードに供給し、アノードを掃気させるため、１極分の掃気ガスで両極を同時に掃気できる。従来に比べて掃気ガス流量を減らすことができ、掃気ガスが配管（カソードガス流入路１３）を通過する際の圧力損失を抑えることができる。したがって、コンプレッサ１４を駆動するためバッテリからの持ち出し電力量を減らすことができ、この結果、燃料電池システムによっては完全な掃気が行えるとともに、始動時のエネルギーも確保することができる。また、始動時のエネルギーが不足するような場合でも、重量・容積の増大を小さく抑えて燃料電池システムを構成することができる。
【００２３】
<第２の実施形態>
次に、第２の実施形態について説明する。図３は第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
第１の実施形態ではコンプレッサ１４からの掃気ガスをカソードに供給し、カソードを掃気した掃気ガスをアノードに供給してアノードを掃気するようになっていた。これに対して第２の実施形態ではコンプレッサ１４からの掃気ガスを先にアノードを掃気し、アノードを掃気した掃気ガスをカソードに供給してカソードを掃気するようにする。
そのため、図３に示すように、図１における連通路１９、アノード掃気バルブ１７を廃し、カソードガス流入路１３にカソード供給調整バルブ２２を設けるとともに、掃気ガスの供給通路としてカソード供給調整バルブ２２の上流側と循環路１０における循環停止バルブ１２の下流側とを連通する連通路２０を設け、連通路２０にはアノード掃気バルブ２１が備えられている。
また、カソードガス流入路１３におけるカソード供給調整バルブ２２の下流側とアノードオフガス流出路８におけるアノード排気調整バルブ９の上流側とを連通する連通路２３を設け、連通路２３にはカソード掃気バルブ２４が備えられている。アノード掃気バルブ２１、カソード供給調整バルブ２２、カソード掃気バルブ２４は、コントロールユニット４１に制御される。発電時には、カソード供給調整バルブ２２が開弁状態、アノード掃気バルブ２１、カソード掃気バルブ２４が閉弁状態にある。したがって、酸化剤ガスとしてコンプレッサ１４からの空気をカソードに供給できるとともに、その空気がアノード側に入ることはない。その他は第１の実施形態と同様である。
【００２４】
次に、燃料電池の発電を停止する際の制御についてフローチャートにしたがって説明する。図４は第２の実施形態における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
すなわち、コントロールユニット４１は燃料電池システムの運転停止信号として車両側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ２１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ２２）。掃気を実施すると判断した場合（Ｓ２２、実施する）、コントロールユニット４１は遮断弁６を閉弁させて燃料電池１への水素ガスの供給を遮断する（Ｓ２３）。水素ガスの供給を遮断した後、コントロールユニット４１はカソード供給調整バルブ２２の開度を全開から掃気に合わせた開度に設定する。これによって、カソードに供給される掃気ガスの流量が絞られる。このカソード供給調整バルブ２２についても、第１の実施形態におけるカソード排気調整バルブ１６の設定と同様に例えば、ベンチテストにて最終的にカソードおよびアノードが同じタイミングで掃気が完了するときの開度を予め求めておき、その開度で設定することができる。
その後、コントロールユニット４１がアノード掃気バルブ２１を開弁させ（Ｓ２５）、循環停止バルブ１２を閉弁させ（Ｓ２６）、アノード排気調整バルブ９を閉弁させ（Ｓ２７）、カソード掃気バルブ２４を開弁させ（Ｓ２８）、さらに、カソード排気調整バルブ１６を開弁させる（Ｓ２９）。カソード排気調整バルブ１６については、発電時には背圧弁として機能するので、ある程度絞られているが、ステップＳ２９でそれを全開させる。
【００２５】
これによって、コンプレッサ１４からの掃気ガスは、一部がカソード供給調整バルブ２２を経由してカソードに供給される。残りは連通路２０を経由して循環路１０に入る。循環路１０に入った掃気ガスは、イジェクタ３によってアノードに供給され、アノードに対して掃気を行った掃気ガスは、連通路２３から、コンプレッサ１４から直接に供給された掃気ガスと合流してカソードを掃気する。アノードを掃気した掃気ガスは、カソードオフガス流出路１５によって希釈ボックス１８から外部へ排出される。
掃気している間、コントロールユニット４１は、コンプレッサ１４の運転状況をチェックし適宜に調整を行って掃気を進行させる（Ｓ３０）。
【００２６】
コントロールユニット４１は圧力センサＰ、Ｐ’の検出値を入力しアノードの入口側の圧力と出口側の圧力との圧力差が所定値以下になったか否かをチェックして掃気が完了したことを判断する（Ｓ３１）。完了していない場合（Ｓ３１、ＮＯ）、新たな検出値を入力し引き続き同判断を行う。掃気が完了した場合（Ｓ３１、ＹＥＳ）、コントロールユニット４１はカソード供給調整バルブ２２を開弁させ（Ｓ３２）、アノード掃気バルブ２１を閉弁させ（Ｓ３３）、循環停止バルブ１２を開弁させ（Ｓ３４）、カソード掃気バルブ２４を閉弁させる（Ｓ３５）。これによって各弁の状態は発電時の状態となる。そして、最後にコンプレッサ１４を停止させると燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ３６）。
一方、ステップＳ２で、掃気を実施しないと判断した場合（Ｓ２、実施しない）には、コントロールユニット４１は遮断弁６を閉弁させて水素ガスの供給を遮断させる（Ｓ３７）。その後、前記同様にコンプレッサ１４を停止させると燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ３６）。
【００２７】
第２の実施形態は以上のように構成され、第１の実施形態と同様に、１極分の掃気ガスで両極を同時に掃気するため、かかる掃気ガスの流量を抑え、配管（カソードガス流入路１３）などを通過する際の圧力損失を減少させることができる。これによってコンプレッサ１４を駆動するためバッテリからの持ち出し電力量を減らすことができ、燃料電池システムによっては完全な掃気が行えるとともに、始動時のエネルギーも確保することができる。また、始動時のエネルギーが不足するような場合でも、機器の重量・容積の増大を小さく抑えて燃料電池システムを構成することができる。
【００２８】
<第３の実施形態>
次に、第３の実施形態について説明する。図５は第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
第１の実施形態では燃料電池１を掃気するため、酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ１４を掃気ガスの供給源としたが、第３の実施形態ではコンプレッサ１４ではなく、掃気ガス供給手段を設けて掃気ガスの供給を行うようにした。
すなわち、図５に示すように、図１の構成に対してカソードガス流入路１３に空気遮断弁３３を設け、空気遮断弁３３の下流側にカソードガス流入路１３と接続される掃気ガス供給路３１を設け、掃気ガス供給手段３０は掃気ガス供給路３１を介してカソードに掃気ガスを供給できるようにした。掃気ガス供給路３１には掃気ガス調整バルブ３２が備えられている。
掃気ガス供給手段３０、掃気ガス供給路３１、掃気ガス調整バルブ３２、空気遮断弁３３を除いた構成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。掃気ガス供給手段３０、空気遮断弁３３、掃気ガス供給手段３０、掃気ガス調整バルブ３２は、コントロールユニット４０ａに制御され、発電時には空気遮断弁３３が開弁状態、掃気ガス調整バルブ３２が閉弁状態にあり、掃気ガス供給手段３０は停止状態にある。
【００２９】
次に、燃料電池の発電を停止する際の制御についてフローチャートにしたがって説明する。図６は、第３の実施形態における発電停止時の制御の流れを示すフローチャートである。
コントロールユニット４０ａは、燃料電池システムの運転停止信号として車両側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ４１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ４２）。
【００３０】
掃気を実施すると判断した場合（Ｓ４２、実施する）、コントロールユニット４０ａは遮断弁６と空気遮断弁３３を閉弁させ、コンプレッサ１４を停止させることによって燃料電池１への水素ガスと空気の供給を遮断する（Ｓ４３）。その後、コントロールユニット４０ａは掃気ガス供給手段３０を起動するとともに掃気するため掃気ガス調整バルブ３２を開弁させる（Ｓ４４）。これによって、掃気ガス供給手段３０で生成された掃気ガスを燃料電池１のカソードに供給可能となる。その後、コントロールユニット４０ａは、カソード排気調整バルブの開度を設定し（Ｓ４５）、アノード掃気バルブ１７を開弁させ（Ｓ４６）、循環停止バルブ１２を閉弁させる（Ｓ４７）、アノード排気調整バルブ９を開弁させる（Ｓ４８）。
これによって、掃気ガス供給手段３０からカソードを掃気した掃気ガスが連通路１９から循環路１０に入り、イジェクタ３によってアノードに供給される。アノードを掃気した掃気ガスは、アノードオフガス流出路８からアノード排気調整バルブ９、希釈ボックス１８を経由して外部へ排出される。
掃気している間は、コントロールユニット４０ａが掃気ガス調整バルブ３２を適宜に調整し、供給する掃気ガス流量を制御して掃気を進行させる（Ｓ４９）。
【００３１】
コントロールユニット４０ａは圧力センサＰ、Ｐ’の検出値を入力しアノードの入口側の圧力と出口側の圧力との圧力差が所定値以下になったか否かをチェックして掃気が完了したことを判断する（Ｓ５０）。完了していない場合（Ｓ５０、ＮＯ）、新たな検出値を入力し引き続き同判断を行う。掃気が完了した場合（Ｓ５０、ＹＥＳ）、コントロールユニット４０ａは掃気ガス調整バルブ３２を閉弁させる（Ｓ５１）。これによって、掃気ガスの供給が停止される。
その後、コントロールユニット４０ａはアノード排気調整バルブ９を閉弁させ（Ｓ５２）、循環停止バルブ１２を開弁させ（Ｓ５３）、アノード掃気バルブ１７を閉弁させる（Ｓ５４）。これによって各弁は発電状態になる。コントロールユニット４０ａは掃気ガス供給手段３０を停止させることによって燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ５５）。
一方、ステップＳ４２で、掃気を実施しないと判断した場合（Ｓ４２、実施しない）には、コントロールユニット４０ａは遮断弁６を閉弁させて水素ガスの供給を遮断させ（Ｓ５６）、コンプレッサ１４を停止させることによって燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ５５）。
【００３２】
本実施形態は以上のように構成され、掃気ガス供給手段３０からの掃気ガスでカソードを掃気した後、その掃気ガスでアノードを掃気するようにしたため、第１の実施形態と同ように掃気ガスが配管（カソードガス流入路１３）を通過する際の圧力損失を抑え、掃気ガス供給手段３０を動作させるためバッテリからの持ち出し電力量を減らすことができる。燃料電池システムによっては完全な掃気が行えるとともに、始動時のエネルギーも確保することができる。また、始動時のエネルギーが不足するような場合でも、機器の重量・容積の増大を小さく抑えて燃料電池システムを構成することができる。
【００３３】
最後に、第４の実施形態を説明する。図７は第４の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
前記第２の実施形態では燃料電池１を掃気するため酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ１４を掃気ガスの供給源としたが、第４の実施形態では掃気ガス供給手段を設け、掃気ガス供給手段からの掃気ガスで燃料電池を掃気するようにした。
すなわち、図３に示すように前記第２の実施形態ではカソードガス流入路１３に循環路１０に繋がる連通路２０が接続されたのに対して、第４の実施形態では図５に示すように連通路２０に相当する掃気ガス供給路４４がカソードガス流入路１３から外した状態に設けられ、掃気ガス供給手段４３は掃気ガス供給路４４を介して循環路１０に掃気ガスを供給するようにした。掃気ガス供給路４４には掃気ガス調整バルブ４２が備えられている。掃気ガス供給手段４３、掃気ガス調整バルブ４２はコントロールユニット４１ａに制御され、発電時には掃気ガス調整バルブ４２が閉弁状態にあり、掃気ガス供給手段４３は停止状態にある。その他は、図３における第２の実施形態と同様である。
【００３４】
次に、燃料電池の発電を停止する際の制御についてフローチャートにしたがって説明する。図８は第４の実施形態における発電停止時の制御の流れを示すフローチャートである。
すなわち、コントロールユニット４１ａは、燃料電池システムの運転停止信号として車両側からイグニッションスイッチのオフ信号を入力する（Ｓ６１）と、燃料電池１に対して掃気を実施するか否かの判断を行う（Ｓ６２）。掃気を実施すると判断した場合（Ｓ２、実施する）、コントロールユニット４１ａは遮断弁６とカソード供給調整バルブ２２を閉弁させて、コンプレッサ１４を停止させることにより燃料電池１への水素ガス、空気の供給を遮断する（Ｓ６３）。水素ガス、空気の供給を遮断した後、コントロールユニット４１ａは掃気ガス調整バルブ４２を開弁させ、掃気ガス供給手段４３を起動させる（Ｓ６４）。これによって、掃気ガス供給手段４３で生成された掃気ガスを循環路１０に供給することができる。
その後、コントロールユニット４１ａは循環停止バルブ１２を閉弁させ（Ｓ６５）、アノード排気調整バルブ９を閉弁させ（Ｓ６６）、カソード掃気バルブ２４を開弁させ（Ｓ６７）、さらに、カソード排気調整バルブ１６を開弁させる（Ｓ６８）。
【００３５】
これによって、掃気ガス供給手段４３からの掃気ガスが掃気ガス供給路４４を経由して循環路１０に入り、イジェクタ３によってアノードに供給される。アノードを掃気した掃気ガスは、連通路２３からカソードに入る。アノードを掃気した掃気ガスは、カソードオフガス流出路１５から、カソード排気調整バルブ１６、希釈ボックス１８経由で外部へ排出される。
なお、掃気ガス供給手段４３が掃気ガスを供給している間、コンプレッサ１４を起動し、カソード供給調整バルブを開弁させてコンプレッサ１４からの掃気ガスを掃気ガス供給手段４３からの掃気ガスと合流させてカソードを掃気することもできる。
掃気している間、コントロールユニット４１ａは、掃気ガス調整バルブ４２を適宜に調整して掃気を進行させる（Ｓ６９）。
【００３６】
コントロールユニット４１ａは圧力センサＰ、Ｐ’の検出値を入力しアノードの入口側の圧力と出口側の圧力との圧力差が所定値以下になったか否かをチェックして掃気が完了したことを判断する（Ｓ７０）。完了していない場合（Ｓ７０、ＮＯ）、新たな検出値を入力し引き続き同判断を行う。掃気が完了した場合（Ｓ７０、ＹＥＳ）、コントロールユニット４１ａは掃気ガス調整バルブ４２を閉弁させ、掃気ガス供給手段４３を停止させる（Ｓ７１）。これによって、掃気ガスの供給が停止される。その後、コントロールユニット４１ａは循環停止バルブ１２を開弁させ（Ｓ７２）、カソード掃気バルブ２４を閉弁させる（Ｓ７３）。これによって各弁が発電状態になって燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ７４）。
一方、ステップＳ６２で、掃気を実施しないと判断した場合（Ｓ６２、実施しない）には、コントロールユニット４１ａは遮断弁６を閉弁させて、コンプレッサ１４を停止させることによって水素ガス、空気の供給を遮断させて（Ｓ７５）、燃料電池システムの運転が停止される（Ｓ７４）。
【００３７】
第４の実施形態は以上のように構成され、前記各実施形態と同様に、１極分の掃気ガスで両極を同時に掃気するため、掃気ガスの流量を抑え、配管（カソードガス流入路１３）などを通過する際の圧力損失を減少させることができる。これによって掃気ガス供給手段４３などを駆動するためにバッテリからの持ち出し電力量を減らすことができ、燃料電池システムによっては完全な掃気が行えるとともに、始動時のエネルギーも確保することができる。また、始動時のエネルギーが不足するような場合でも、機器の重量・容積の増大を小さく抑えて燃料電池システムを構成することができる
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】第４の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】第４の実施形態における発電を停止する際の制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１      燃料電池
２      アノードガス流入路
３      イジェクタ
４      負荷
５      レギュレータ
６      遮断弁
７      水素ボンベ
８      アノードオフガス流出路
９      アノード排気調整バルブ
１０    循環路
１１    気液分離器
１２    循環停止バルブ
１３    カソードガス流入路
１４    コンプレッサ
１５    カソードオフガス流出路
１６    カソード排気調整バルブ
１７    アノード掃気バルブ
１８    希釈ボックス
１９    連通路
２０    連通路
２１    アノード掃気バルブ
２２    カソード供給調整バルブ
２３    連通路
２４    カソード掃気バルブ
３０    掃気ガス供給手段
３１    掃気ガス供給路
３２    掃気ガス調整バルブ
３３    空気遮断弁
４０    コントロールユニット
４０ａ  コントロールユニット
４１    コントロールユニット
４１ａ  コントロールユニット
４２    掃気ガス調整バルブ
【図１】
2005310567.tif 000003
【図２】
2005310567.tif 000004
【図３】
2005310567.tif 000005
【図４】
2005310567.tif 000006
【図５】
2005310567.tif 000007
【図６】
2005310567.tif 000008
【図７】
2005310567.tif 000009
【図８】
2005310567.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月17日(2004.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
これによって、コンプレッサ１４からの掃気ガスは、一部がカソード供給調整バルブ２２を経由してカソードに供給される。残りは連通路２０を経由して循環路１０に入る。循環路１０に入った掃気ガスは、イジェクタ３によってアノードに供給され、アノードに対して掃気を行った掃気ガスは、連通路２３から、コンプレッサ１４から直接に供給された掃気ガスと合流してカソードを掃気する。カソードを掃気した掃気ガスは、カソードオフガス流出路１５によって希釈ボックス１８から外部へ排出される。
掃気している間、コントロールユニット４１は、コンプレッサ１４の運転状況をチェックし適宜に調整を行って掃気を進行させる（Ｓ３０）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
これによって、掃気ガス供給手段４３からの掃気ガスが掃気ガス供給路４４を経由して循環路１０に入り、イジェクタ３によってアノードに供給される。アノードを掃気した掃気ガスは、連通路２３からカソードに入る。カソードを掃気した掃気ガスは、カソードオフガス流出路１５から、カソード排気調整バルブ１６、希釈ボックス１８経由で外部へ排出される。
なお、掃気ガス供給手段４３が掃気ガスを供給している間、コンプレッサ１４を起動し、カソード供給調整バルブを開弁させてコンプレッサ１４からの掃気ガスを掃気ガス供給手段４３からの掃気ガスと合流させてカソードを掃気することもできる。
掃気している間、コントロールユニット４１ａは、掃気ガス調整バルブ４２を適宜に調整して掃気を進行させる（Ｓ６９）。