(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁と、
前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、
当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、
前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記アノードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、
前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記掃気制御手段は、前記アノード掃気処理を開始する際、前記背圧弁の開度を、所定時間、前記カソード掃気処理を実行する場合よりも小さく、アノード掃気処理を実行する場合よりも大きい中間開度とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードガス排出路に設けられたパージ弁をさらに備え、
前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度と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】
アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁およびパージ弁と、
前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、
当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、
前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、
前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記アノードガス供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、
前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池内部のアノードガス量を推定するアノードガス量推定手段をさらに備え、
前記掃気制御手段は、当該推定したアノードガス量に基づいて、前記背圧弁の開度を前記中間開度とするか否かを決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか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。詳しくは、燃料電池の停止期間中に掃気処理を実行する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池システムが注目されている。
【０００５】
このような燃料電池システムには、希釈器が設けられ、この希釈器により、燃料電池のアノード電極から排出された水素オフガスは、カソード電極から排出されたエアオフガスにより希釈されて、外部に排出される。
【０００６】
ところで、発電停止後の燃料電池や反応ガス路の内部等には、発電中に生成された水が残留する。外気温度が氷点下の環境に、発電停止後の燃料電池システムを放置すると、このような残留水が燃料電池や反応ガス路の内部で凍結してしまい、次回燃料電池システムを起動する際に、燃料電池の発電安定性を確保しにくくなるおそれがある。
【０００７】
そこで、燃料電池の停止期間中には、バッテリに蓄電した電力を利用して、これら燃料電池や反応ガス路の内部に掃気ガスを流通させて、残留水をシステム外部に排出する掃気処理を実行する（特許文献１参照）。具体的には、カソード電極を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気を実行した後に、アノード電極を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気を実行する。
【特許文献１】特開２００６−１３９９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、カソード掃気を実行した後に、アノード掃気を開始すると、アノードガス系内の高濃度の水素オフガスが希釈器に流入するため、水素オフガスの希釈に多くの時間がかかってしまう。このように掃気処理にかかる時間が長期化すると、掃気処理に必要な掃気エネルギが大きくなるので、バッテリに蓄電された電力が低下し、次回の起動時に商品性が低下する可能性があった。
【０００９】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減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】
【００１０】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、アノードガス供給路（例えば、後述の水素供給路３３）を通して供給されるアノードガス（例えば、後述の水素ガス）、およびカソードガス供給路（例えば、後述のエア供給路２２）を通して供給されるカソードガス（例えば、後述のエア）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１）と、前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路（例えば、後述のエア排出路２３）と、前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁（例えば、後述の背圧弁２３１）と、前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路（例えば、後述の水素還流路３４、水素排出路３５、および掃気ガス排出路３６）と、前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁（例えば、後述の掃気ガス排出弁３６１）と、前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路（例えば、後述の掃気ガス導入路２４）と、当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁（例えば、後述の掃気ガス導入弁２４１）と、前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段（例えば、後述の希釈器５０）と、前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段（例えば、後述のカソード掃気部４３）と、前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段（例えば、後述のアノード掃気部４４）と、前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段（例えば、後述の掃気制御部４６）と、を有する燃料電池システムであって、前記掃気制御手段は、前記アノード掃気処理を開始する際、前記背圧弁の開度を、所定時間、前記カソード掃気処理を実行する場合よりも小さく、アノード掃気処理を実行する場合よりも大きい中間開度とすることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、アノード掃気処理を開始する際、背圧弁の開度を中間開度とする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高いアノードガスが希釈手段に流入しても、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。
【００１２】
この場合、前記アノードガス排出路に設けられたパージ弁（例えば、後述のパージ弁）をさらに備え、前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることが好ましい。
【００１３】
この発明によれば、カソード掃気処理中にパージ処理を行う際に、背圧弁の開度を中間開度としたので、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、パージ処理によりアノードオフガスが希釈手段に流入しても、この希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、アノードオフガスの排出能力を向上できる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池から排出されるカソードガスが流通するカソードガス排出路と、前記カソードガス排出路に設けられた背圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス排出路と、前記アノードガス排出路に設けられた掃気ガス排出弁およびパージ弁と、前記カソードガス供給路と前記アノードガス供給路とを接続する掃気ガス導入路と、当該掃気ガス導入路に設けられた掃気ガス導入弁と、前記カソードガス排出路を流通するカソードガスにより、前記アノードガス排出路を流通するアノードガスを希釈する希釈手段と、前記掃気ガス導入弁および前記背圧弁を開状態とし、前記掃気ガス排出弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記カソードガス供給路および前記カソードガス排出路を含むカソードガス系を掃気するカソード掃気処理を実行するカソード掃気手段と、前記掃気ガス導入弁および前記掃気ガス排出弁を開状態とし、前記背圧弁を閉状態として、前記カソードガス供給手段により前記カソード供給路にカソードガスを供給することで、前記アノードガス供給路および前記アノードガス排出路を含むアノードガス系を掃気するアノード掃気処理を実行するアノード掃気手段と、前記カソード掃気手段によりカソード掃気処理を実行した後、前記アノード掃気手段によりアノード掃気処理を実行する掃気制御手段と、を有する燃料電池システムであって、前記掃気制御手段は、前記カソード掃気処理の実行中に、前記パージ弁を一時的に開状態として、前記アノードガス系内に残留するガスを希釈手段に排出するパージ処理を行うとともに、前記背圧弁の開度を前記中間開度とすることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。
【００１６】
この場合、前記燃料電池内部のアノードガス量を推定するアノードガス量推定手段（例えば、後述のアノードガス量推定部４５）をさらに備え、前記掃気制御手段は、当該推定したアノードガス量に基づいて、前記背圧弁の開度を前記中間開度とするか否かを決定することが好ましい。
【００１７】
背圧弁の開度を中間開度に設定すると、掃気時間が長期化するため、消費エネルギが大きくなるおそれがあるが、この発明によれば、例えば、アノードガス量が少ないと推定した場合には、積極的にアノードオフガスを排出する必要がないと判断し、背圧弁の開度を中間開度に設定しない。よって、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アノード掃気処理を開始する際、背圧弁の開度を中間開度とする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高いアノードガスが希釈手段に流入しても、背圧弁を通してカソードガス系内のカソードガスが希釈手段に流入するので、希釈手段でのアノードオフガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０にアノードガスやカソードガスを供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０及び供給装置２０を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と呼ぶ）４０とを有する。この燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。
【００２０】
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【００２１】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１３にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１４に酸素を含むカソードガスとしてのエア（空気）が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。
また、燃料電池１０の内部には、燃料電池１０の温度を測定する温度センサ１５が設けられている。
【００２２】
供給装置２０は、カソードガス供給手段としてのエアコンプレッサ２１と、水素タンク３１およびエゼクタ３２と、を含んで構成される。
【００２３】
エアコンプレッサ２１は、カソードガス供給路としてのエア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側にエアを供給する。このエアコンプレッサ２１は、供給するエア流量をゼロから大流量まで調整可能である。
燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、燃料電池１０から排出されるエアが流通するカソードガス排出路としてのエア排出路２３が接続され、このエア排出路２３の先端側には、後述の希釈手段としての希釈器５０が接続されている。また、エア排出路２３には、開度を調整可能な背圧弁２３１が設けられている。
【００２４】
さらに、エア供給路２２には、掃気ガス導入路２４が分岐して設けられている。掃気ガス導入路２４の先端側は、後述の水素供給路３３に接続されている。また、この掃気ガス導入路２４には、掃気ガス導入弁２４１が設けられている。この掃気ガス導入弁２４１を開いた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３とは連通し、掃気ガス導入弁２４１を閉じた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３との連通は遮断される。
【００２５】
水素タンク３１は、アノードガス供給路としての水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に水素ガスを供給する。この水素供給路３３には、エゼクタ３２が設けられている。また、水素供給路３３のうち水素タンク３１とエゼクタ３２との間には、水素タンク３１から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁およびレギュレータが設けられている。さらに、水素供給路３３のうち燃料電池１０の近傍には、水素供給路３３の圧力を測定する圧力センサ３３１が設けられている。
【００２６】
燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、燃料電池１０から排出される水素ガスが流通するアノードガス排出路としての水素還流路３４が接続される。この水素還流路３４の先端側は、エゼクタ３２に接続されている。エゼクタ３２は、水素還流路３４を流通する水素ガスを回収し、水素供給路３３に還流する。
【００２７】
また、この水素還流路３４には、アノードガス排出路としての水素排出路３５および掃気ガス排出路３６とが、それぞれ分岐している。これら水素排出路３５と掃気ガス排出路３６の先端側は、希釈器５０に接続される。
【００２８】
水素排出路３５には、この水素排出路３５を開閉するパージ弁３５１が設けられている。このパージ弁３５１を開状態とすることにより、水素還流路３４を流通するガスを中流量で希釈器５０に排出可能である。
掃気ガス排出路３６には、この掃気ガス排出路３６を開閉する掃気ガス排出弁３６１が設けられている。このパージ弁３５１を開状態とすることにより、水素還流路３４を流通するガスを大流量で希釈器５０に排出可能である。
【００２９】
希釈器５０は、エア排出路２３を介して導入されたエアオフガスを希釈ガスとして用いて、上述の水素排出路３５および掃気ガス排出路３６を介して導入された水素オフガスをこの希釈ガスで希釈して、燃料電池システム１の外部に放出する。
【００３０】
本実施形態では、アノード流路１３、水素供給路３３、水素還流路３４、水素排出路３５、および掃気ガス排出路３６により、水素ガス及び燃料電池１０から排出された水素オフガスが流通するアノードガス系が構成される。
また、カソード流路１４、エア供給路２２、エア排出路２３、および掃気ガス導入路２４により、エアおよび燃料電池１０から排出されたエアオフガスが流通するカソードガス系が構成される。また、この図１では、アノードガス系を白抜きの矢印で示し、カソードガス系を実線の矢印で示す。
【００３１】
上述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２３１、掃気ガス導入弁２４１、遮断弁、パージ弁３５１、および掃気ガス排出弁３６１は、ＥＣＵ４０により制御される。
【００３２】
また、ＥＣＵ４０には、温度センサ１５、圧力センサ３３１、イグニッションスイッチ４１、およびタイマ４２が接続されている。
イグニッションスイッチ４１は、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号をＥＣＵ４０に送信する。ＥＣＵ４０は、イグニッションスイッチ４１から出力されたオン／オフ信号に従い、燃料電池１０の起動を開始したり、燃料電池１０の発電を停止したりする。
タイマ４２は、燃料電池１０の発電停止後からの経過時間を計測し、ＥＣＵ４０に出力する。
【００３３】
ＥＣＵ４０は、カソード掃気手段としてのカソード掃気部４３と、アノード掃気手段としてのアノード掃気部４４と、アノードガス量推定手段としてのアノードガス量推定部４５と、掃気制御手段としての掃気制御部４６と、を備える。
【００３４】
カソード掃気部４３は、カソード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁２４１および背圧弁２３１を開状態とし、掃気ガス排出弁３６１を閉状態として、エアコンプレッサ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、カソードガス系を掃気する。
【００３５】
アノード掃気部４４は、アノード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁２４１および掃気ガス排出弁３６１を開状態とし、背圧弁２３１を閉状態として、エアコンプレッサ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、アノードガス系を掃気する。
このアノード掃気処理は、アノードガス系内の水素を含むガスを掃気ガスで置換することと、アノードガス系内の水分を排出することと、燃料電池１０のＭＥＡを乾燥させることとを目的とする。
【００３６】
アノードガス量推定部４５は、温度センサ１５で測定した燃料電池１０の温度、および圧力センサ３３１で測定したアノードガス系の圧力に基づいて、燃料電池１０の内部の水素ガス量を推定する。
【００３７】
掃気制御部４６は、カソード掃気部４３によりカソード掃気処理を実行した後、アノード掃気部４４によりアノード掃気処理を実行する。
ここで、掃気制御部４６は、カソード掃気処理の実行中に、パージ弁３５１を一時的に開状態としてアノードガス系内に残留するガスを希釈器５０に排出するパージ処理を行うとともに、背圧弁２３１の開度を中間開度とする。背圧弁２３１の中間開度とは、カソード掃気処理を実行する場合よりも小さくアノード掃気処理を実行する場合よりも大きい開度である。
また、掃気制御部４６は、アノード掃気処理を開始する際に、背圧弁２３１の開度を中間開度とする。
【００３８】
さらに、掃気制御部４６は、アノードガス量推定部４５で推定した水素ガス量に基づいて、背圧弁２３１の開度を中間開度とするか否かを決定する。
【００３９】
以上の掃気処理は、燃料電池１０の停止期間中に実行される。より具体的には、掃気処理を実行するタイミングは、燃料電池１０による発電停止直後に実行する場合と、燃料電池１０による発電停止後、タイマ４２に基づき所定時間ごとにシステムを起動し、必要に応じて実行する場合と、燃料電池１０による発電停止後、燃料電池システム１の温度を監視し、燃料電池システム１の温度が所定値以下になった場合に実行する場合と、がある。
【００４０】
以下、図２〜図４を参照して、燃料電池システム１の動作について説明する。
【００４１】
図２は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１では、イグニッションスイッチ４１がオフにされたこと、すなわち、イグニッションスイッチによる発電停止要求を検出する。
ステップＳ２では、温度センサ１５によりシステム温度を監視し、ステップＳ３では、タイマ４２により燃料電池１０の発電停止期間を監視する。
【００４２】
ステップＳ４では、燃料電池システム１の温度が所定値以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ５に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ２に戻る。
【００４３】
ステップＳ５では、掃気処理を実行する。この掃気処理については、後に詳述する。
ステップＳ６では、掃気処理が完了したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合は終了し、ＮＯの場合は、ステップＳ６に戻る。
【００４４】
次に、ステップＳ５の掃気処理について説明する。
図３は、掃気処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１１では、燃料電池の発電停止期間、温度センサ１５で測定した燃料電池１０の温度、および圧力センサ３３１で測定した水素供給路３３の圧力に基づいて、図４に従い、燃料電池１０内部の水素ガス量を推定する。
図４は、燃料電池の発電停止期間と燃料電池内部の水素ガス量の推定値との関係を示す図である。
図４中実線で示すように、燃料電池の発電停止期間が長くなるに従って、燃料電池内部の水素ガス量の推定値は低減する。
そして、この発電停止期間と水素ガス量の推定値との関係を示す曲線は、図４中破線で示すように、温度センサ１５で測定した燃料電池１０の温度、および圧力センサ３３１で測定した水素供給路３３の圧力に基づいて、上下に変動する。
【００４５】
ステップＳ１２では、推定した水素ガス量が第１所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合は、ステップＳ１３に移り、ＹＥＳの場合は、ステップＳ１４に移る。
ステップＳ１３では、第１所定値よりも低い第２所定値を用いて、推定した水素ガス量がこの第２所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ１４に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ１５に移る。
【００４６】
ステップＳ１４では、推定した水素ガス量が第１所定値以上であるので、第１パターンで掃気処理行い、終了する。
ステップＳ１５では、推定した水素ガス量が第２所定値以上第１所定値未満であるので、第２パターンで掃気処理行い、終了する。
ステップＳ１６では、推定した水素ガス量が第２所定値未満であるので、第３パターンで掃気処理行い、終了する。
【００４７】
以下、図５〜７を参照して、ステップＳ１４〜Ｓ１６の各パターンの掃気処理について説明する。
以下の説明において、背圧弁の開度は、完全に閉じた状態で開度ゼロとし、完全に開いた状態で開度ｄ４とする。そして、開度ゼロと開度ｄ４との中間の開度を、小さい方から順番に、中間開度ｄ１、中間開度ｄ２、中間開度ｄ３とする。
また、エアコンプレッサで供給するエア量は、小さい方から順にｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の３段階であり、ｆ１、ｆ２は小流量、ｆ３、ｆ４は大流量である。
【００４８】
図５は、第１パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
また、この図５に示すタイムチャートでは、上段から順に、エアコンプレッサで供給するエア流量と、アノードガス系内の圧力と、パージ弁、掃気ガス排出弁、および背圧弁の状態と、希釈器から排出される水素濃度とを示す。
なお、掃気処理の期間、掃気ガス導入弁は、常に開状態であるとする。
【００４９】
図５に示すように、掃気処理は、「カソード掃気工程」（時刻ｔ０〜ｔ２）と、「燃料電池内部圧力低下工程」（時刻ｔ２〜ｔ３）と、「第１アノード掃気工程」（時刻ｔ３〜ｔ５）と、「第２アノード掃気工程」（時刻ｔ５〜ｔ６）と、の４つの工程を含んで構成される。
【００５０】
まず、時刻ｔ０からｔ２の期間では、カソード掃気工程を実行する。すなわち、背圧弁を開状態、掃気排出弁を閉状態とするとともに、エアコンプレッサを駆動して、エア流量を大流量のｆ３とする。これにより、カソードガス系内のガスは、カソードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出されて、排出される。
【００５１】
カソード掃気工程では、所定のタイミングでパージ処理を行う。具体的には、一定時間、パージ弁を開状態とする。これにより、水素を含んだアノードガス系内のガスは、アノードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出され、掃気ガスで希釈されて排出される。このパージ処理により水素を含むガスが排出されるため、排出水素濃度は、徐々に増加する。
【００５２】
また、カソード掃気工程が完了する直前の時刻ｔ１からｔ２の期間では、パージ処理を行うとともに、背圧弁の開度をかなり小さくして、中間開度ｄ１とする。これにより、掃気ガスがアノードガス系に導入されて、アノードガス系の圧力が上昇するので、パージ処理を実行した際に、短時間で多くの水素オフガスを排出できる。また、背圧弁を通してカソードガス系内のガスが希釈器に流入するので、水素オフガスの希釈が促進される。
【００５３】
時刻ｔ２からｔ３の期間では、燃料電池内部圧力低下工程を実行する。すなわち、背圧弁の開度を少し大きくして中間開度ｄ３とするとともに、パージ弁を開状態とし、エア流量をｆ１とする。すると、アノードガス系のガスがパージ弁を通して希釈器に流入するため、アノードガス系の圧力は低下する。これにより、アノード掃気工程を実行する際に、掃気ガス排出弁を容易に開閉できる。
【００５４】
時刻ｔ３からｔ５の期間では、第１アノード掃気工程を実行する。すなわち、背圧弁を閉状態、掃気排出弁を開状態とするとともに、エアコンプレッサを駆動して、エア流量を大流量のｆ４とする。これにより、掃気ガスがアノードガス系に導入されて、アノードガス系内のガスは、アノードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出されて、排出される。
【００５５】
ここで、アノード掃気工程を開始した直後の時刻ｔ３からｔ４の期間では、背圧弁の開度を、燃料電池内部圧力低下工程よりも少し小さくして、中間開度ｄ２とする。これにより、背圧弁を通してカソードガス系内のガスが希釈器に流入するので、希釈器での水素ガスの希釈が促進される。
【００５６】
時刻ｔ５からｔ６の期間では、第２アノード掃気工程を実行する。すなわち、エアコンプレッサによるエア流量を低下させて、小流量のｆ２とする。これにより、第２アノード掃気工程に引き続いてアノード掃気が実行されるが、アノードガス系の圧力は、第２アノード掃気工程よりも低下する。
【００５７】
図６は、第２パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
第２パターンでは、カソード掃気工程が完了する直前の期間に背圧弁の開度を中間開度ｄ１としない点が、第１パターンと異なる。
これは、第２パターンでは、第１パターンに比べて、アノードガス系に残留する水素ガス量が少ないと推定したので、水素オフガスの排出を促進する必要がないためである。
【００５８】
図７は、第３パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
第３パターンでは、アノード掃気工程を開始した直後の期間に背圧弁の開度を中間開度ｄ２としない点が、第２パターンと異なる。
これは、第３パターンでは、第２パターンに比べて、アノードガス系に残留する水素ガス量がさらに少ないと推定したので、水素オフガスの排出を促進する必要がないためである。
【００５９】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）カソード掃気工程においてパージ処理を行う際に、背圧弁２３１の開度を中間開度ｄ１としたので、掃気ガスをアノードガス系に導入して、アノードガス系の圧力を上昇させることができる。よって、パージ処理を実行した際に、短時間で多くの水素オフガスを排出できる。
また、背圧弁２３１を通してカソードガス系内のガスが希釈器５０に流入するので、パージ処理により水素オフガスが希釈器５０に流入しても、この希釈器５０での水素オフガスの希釈が促進され、水素オフガスの排出能力を向上できる。
【００６０】
（２）従来では、アノードガス系の圧力が高い場合、掃気ガス排出弁３６１の上流側と下流側との圧力差が大きくなって、電磁弁である掃気ガス排出弁３６１を容易に開閉できない。
そこで、燃料電池内部圧力低下工程において、アノードガス系の圧力を低下させたので、アノード掃気を実行する際に、掃気ガス排出弁３６１を容易に開閉できる。
【００６１】
（３）アノード掃気工程を開始する際、背圧弁２３１の開度を中間開度ｄ２とする。よって、アノード掃気処理の開始時に、濃度の高い水素ガスが希釈器５０に流入しても、背圧弁２３１を通してカソードガス系内のガスが希釈器５０に流入するので、希釈器５０での水素ガスの希釈が促進され、希釈時間を短縮できる。その結果、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。
【００６２】
（４）水素ガス量が少ないと推定した場合には、積極的に水素オフガスを排出する必要がないと判断し、背圧弁２３１の開度を中間開度に設定しない。よって、掃気処理を短時間で完了して、掃気エネルギを低減できる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】上記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】上記実施形態に係る燃料電池システムの掃気処理を示すフローチャートである。
【図４】上記実施形態に係る燃料電池の発電停止期間と燃料電池内部の水素ガスの推定量との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態に係る第１パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
【図６】上記実施形態に係る第２パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
【図７】上記実施形態に係る第３パターンの掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２１…エアコンプレッサ（カソードガス供給手段）
２２…エア供給路（カソードガス供給路）
２３…エア排出路（カソードガス排出路）
２４…掃気ガス導入路
３３…水素供給路（アノードガス供給路）
３４…水素還流路（アノードガス排出路）
３５…水素排出路（アノードガス排出路）
３６…掃気ガス排出路（アノードガス排出路）
４３…カソード掃気部（カソード掃気手段）
４４…アノード掃気部（アノード掃気手段）
４５…アノードガス量推定部（アノードガス量推定手段）
４６…掃気制御部（掃気制御手段）
５０…希釈器（希釈手段）
２３１…背圧弁
２４１…掃気ガス導入弁
３５１…パージ弁
３６１…掃気ガス排出弁
【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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