(57)【要約】【課題】適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池本体と、燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、ガス循環経路を通じてガス排出通路のガスをガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、燃料電池本体の運転状態および燃料電池本体が運転される環境の状態を基に燃料電池本体、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、気液分離器の分離性能および循環させるときのガスの状態量にしたがって残水量を所定値まで減少させるためにガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する手段とを備える。【選択図】図１
2007200725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、
前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、
前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、
前記気液分離器の分離性能および前記循環させるときのガスの状態量にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する算出手段と、
前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環させるガスの状態量は、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含む請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させた後の前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させるとともに、前記ガス駆動手段を前記第２の作動時間の終了まで作動させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ガス駆動手段の駆動を脈動にした後の前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ガス駆動手段を脈動させて、前記ガス駆動手段を前記第２の作動時間の終了まで作動させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させた後の前記ポンプを作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに、前記ポンプを前記第２の作動時間の終了まで作動させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段は前記ポンプの回転数を所定値増加した後及び前記ポンプの駆動を脈動にした後の前記ポンプを作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段は前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動させて、前記ポンプを前記第２の作動時間の終了まで作動させる請求項する請求項１または２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、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池ともいう）システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ（これを掃気という）、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。
【０００３】
また、燃料電池における電解質膜内のプロトン（水素イオン）は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。
【０００４】
なお、下記の特許文献１は、燃料電池の運転状態に応じた掃気時間で掃気する技術を開示している。また、下記の特許文献２は、外気温の推移を予測し、凍結が予測される場合に凍結防止処理を行う技術を開示している。また、下記の特許文献３は、発電停止後に燃料電池内部で発生する水を排出する技術を開示しており、また、燃料電池の内部の水量と相関関係を有する特定の状態量を計測し、その状態量に応じて排水する技術を開示している。
【特許文献１】特開２００３−２９７３９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１９８号公報
【特許文献３】特開２００５−１４１９４３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、上記従来の技術は、燃料電池システムの経路内や補助機械内に残留した水は凍結防止の為、極力排出しなければならないという要求と、燃料電池内部にある程度の水分を残すという要求とを両立できていない。本発明の目的は、適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環経路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、ガス供給通路、ガス排出通路、およびガス循環通路を含む燃料電池シス
テム内の残水量を算出する手段と、前記気液分離器の分離性能および前記循環させるときのガスの状態量にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する算出手段と、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段とを備える燃料電池システムである。
【０００７】
本発明では、燃料電池本体の運転状態および燃料電池本体が運転される環境の状態から燃料電池システム内の残水量を算出し、気液分離器の分離性能および循環させるときのガスの状態量にしたがってガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する。そして、その算出した作動時間の終了までガス駆動手段を作動させる。これにより、本発明によれば、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。すなわち、燃料電池システムの通路内の残水を掃気することができ、かつ、燃料電池本体内部には適切な量の水分を残すことができる。
【０００８】
また、上記燃料電池システムは、前記循環させるガスの状態量が、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含むものであってもよい。本発明では、ガス循環速度とガス循環速度に対する水分の循環速度の比率とを含むガスの状態量に基づいて、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【０００９】
また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させた後の前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させるとともに、前記ガス駆動手段を前記第２の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ガス駆動手段を作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはガス駆動手段のガス駆動量を増加させることにより、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。また、ガス駆動手段の作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【００１０】
また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ガス駆動手段の駆動を脈動にした後の前記ガス駆動手段を作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ガス駆動手段を脈動させて、前記ガス駆動手段を前記第２の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ガス駆動手段を作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはガス駆動手段を脈動にすることにより、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。また、ガス駆動手段の作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【００１１】
また、上記燃料電池システムは、前記ガス駆動手段が、ポンプであり、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ポンプの回転数を所定値増加させた後の前記ポンプを作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに、前記ポンプを前記第２の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ポンプを作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはポンプの回転数を増加することにより、ポンプの作動時間を短縮することができる。また、ポンプの作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【００１２】
また、上記燃料電池システムは、前記作動時間が所定の閾値以上である場合、前記算出手段が前記ポンプの回転数を所定値増加した後及び前記ポンプの駆動を脈動にした後の前記ポンプを作動させる第２の作動時間を新たに算出し、前記制御手段が前記ポンプの回転
数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動させて、前記ポンプを前記第２の作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、ポンプを作動させる作動時間が所定の閾値以上である場合にはポンプの回転数を増加し、ポンプの駆動を脈動にすることにより、ポンプの作動時間を短縮することができる。また、ポンプの作動時間を短縮した後に、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を掃気できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図１および図２の図面に基いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、カソードガス通路５、カソードオフガス通路６、水素タンク７、水素ポンプ８、ポンプ９、調圧弁１０、１１、フィルタ１２、加湿器１３、気液分離器１４、ドレンタンク１５、排水弁１６、制御部１７、残水量算出部１８及びパージ弁１９を有する。
【００１５】
燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード（燃料極）、カソード（空気極）、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。
【００１６】
アノードガス通路２は、燃料電池スタック１のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路５は、燃料電池スタック１のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。
【００１７】
水素タンク７は、アノードガス通路２にアノードガスを供給する。水素タンク７から供給されるアノードガスは、調圧弁１０により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路２から燃料電池スタック１のアノードに供給されている。
【００１８】
ポンプ９（エアーコンプレッサともいう）が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック１のカソードに供給される。
【００１９】
燃料電池スタック１のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック１のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック１では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。
【００２０】
加湿器１３は、燃料電池スタック１に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック１内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。
【００２１】
アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路３に送出される。
【００２２】
また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス（以下、カソードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路６に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路６を通り、燃料電池システム外に排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路３及びアノードオフガス循環通路４を通り、水素タンク７からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック１のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路３は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器１４に供給する。
【００２４】
気液分離器１４は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器１４で水分を分離された水素は水素ポンプ８によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路４を通り、アノードガス通路２に供給される。アノードオフガス循環通路４は、水素ポンプ８から送出されるアノードガスをアノードガス通路２に供給するための通路である。アノードオフガス循環通路４により、アノード側の循環経路が構成されている。
【００２５】
ドレンタンク１５は、気液分離器１４が分離した水分を貯留する。排水弁１６の開閉を行うことにより、ドレンタンク１５に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁１６は、ドレンタンク１５に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。
【００２６】
また、制御部１７は、水素ポンプ８及び排水弁１６と電気的に接続されており、水素ポンプ８及び排水弁１６の駆動を制御する。残水量算出部１８は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、水素ポンプ８、気液分離器１４及びドレンタンク１５内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。
【００２７】
パージ弁１９は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス（および水素ポンプ８で循環されるアノードガス）を循環経路外に排出する。
【００２８】
図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図２の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図２の処理が行われる。
【００２９】
まず、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われる（Ｓ０１）。具体的には、水素タンク７に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク７からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ８の駆動により掃気される。
【００３０】
具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、アノードガス経路２及び燃料電池スタック１内にアノードガスを供給する。そして、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器１４により分離される。そして、制御部１７は、排水弁１６の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック１の発電停止後の燃料電池システム内の残水の掃気を掃気・循環処理という。
【００３１】
つぎに、残水量算出部１８は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する（Ｓ０２）。例えば、残水量算出部１８は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、Ｑｉｎｉを算出する。Ｑｉｎｉは、発電停止の処理が行われた直前の状態量から求まる発電停止時の燃料電池システム内の残水量の推定値である。
【００３２】
状態量には、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。
【００３３】
燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック１の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。
【００３４】
負荷積算値（電流積算値）は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。
【００３５】
運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。
【００３６】
冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相対的な変化量が重要となる。燃料電池スタック１内の温度が高い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック１内の温度が低い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内に留まりやすい。
【００３７】
燃料電池スタック１からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、湿度も冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響を及ぼす。
【００３８】
上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。
【００３９】
図３及び図４は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図３において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図４において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷
媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。
【００４０】
このような、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。また、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ（テーブル）を参照することにより求めてもよい。残水量算出部１８は、この実験式又はマップにしたがって、Ｑｉｎｉを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。
【００４１】
さらに、制御部１７は、目標残水量Ｑｒｅｑを算出する（Ｓ０３）。目標残水量Ｑｒｅｑとは、燃料電池システムを動作する上で燃料電池スタック１内の電解質膜が適度な湿潤状態となるために必要な燃料電池システム内の残水量であり、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる残水量である。したがって、目標残水量Ｑｒｅｑは、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な値が求められる。
【００４２】
また、目標残水量Ｑｒｅｑは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）や構成部品に依存する。さらに、目標残水量Ｑｒｅｑの値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。
【００４３】
次に、制御部１７は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量Ｑ（０）、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γから下記条件式に基いて必要掃気時間Ｔを算出する（Ｓ０４）。
【００４４】
Ｑ（ｔ）＝Ｑ（０）×（１−α）β・γ・t
必要掃気時間Ｔは、燃料電池システム内の残水量を目標残水量Ｑｒｅｑにまで減少させるために必要となる掃気・循環処理を行うための時間を推定した値である。すなわち、燃料電池システム内の残水量Ｑ（ｔ）が目標残水量Ｑｒｅｑに達するのに必要な掃気・循環処理の推定時間である。この推定時間は秒で求めてもよい。
【００４５】
気液分離性能αは、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードガスに含まれる水分と水素を分離する性能をいう。例えば、気液分離器１４の回収水量（ドレンタンク１５に貯留している水量）を導入水量（気液分離器１４の入り口部分に入る水量）で割った値を用いることができる。
【００４６】
ガスの循環速度βは、燃料電池システム内を循環するアノードガスの速度である。ガスの循環速度βは、水素ポンプ８の回転数に依存し、水素ポンプ８の回転数を上げるとガスの循環速度βも上がる。
【００４７】
Ｑ（ｔ）は、発電停止後からｔ秒後の燃料電池システム内の残水量である。また、発電停止時の燃料電池システム内の残水量としてＱｉｎｉを用いる。したがって、制御部１７は、上記条件式のＱ（０）にＱｉｎｉの値を代入して必要掃気時間Ｔを算出する。
【００４８】
すなわち、制御部１７は、上記条件式に、Ｑｉｎｉ、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を代入し、Ｑ（ｔ）がＱｒｅｑと同じ値となるｔを算出する。そして、制御部１７は、前記算出したｔの値を必要掃気時
間Ｔとして決定する。
【００４９】
制御部１７は、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を、現在の燃料電池システムの状態から実験又はシミュレーションによって予め求めておく。また、制御部１７は、Ｑｉｎｉの値を残水量算出部１８から予め取得しておく。
【００５０】
なお、上記条件式では、燃料電池システム内を移動する水の循環速度を使用せずに、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを使用して、必要掃気時間Ｔを算出している。燃料電池システム内を移動する水の循環速度を測定し、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γの代わりに水の循環速度を使用して上記条件式に代入してもよい。
【００５１】
図５は、掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。図５における横軸は、燃料電池システム内の残水を掃気するための処理時間である。図５における縦軸は、燃料電池システム内の残水量である。図５において、Ｑｉｎｉは発電停止直後の燃料電池システム内の残水量を示している。図５において、燃料電池システム内の残水量Ｑｉｎｉの値に対する掃気・循環処理の時間はｔ＝０を示している。
【００５２】
また、図５において、燃料電池システム内の残水量Ｑ（ｔ）の値に対する掃気・循環処理の時間はｔを示している。さらに、図５において、燃料電池システムの残水量Ｑｒｅｑの値に対する掃気・循環処理の時間はＴを示している。
【００５３】
図５においてＱｉｎｉの値は、発電停止後から掃気・循環処理をｔ秒行った場合、Ｑ（ｔ）まで減少することを示している。そして、図５では、Ｑｉｎｉの値がＱｒｅｑまで減少する必要掃気時間Ｔは、Ｔとして表示されている。
【００５４】
そして、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したか否かを判定する（Ｓ０５）。具体的には、制御部１７は、掃気・循環処理の時間をカウントするタイマーから掃気・循環処理の経過時間を取得し、必要掃気時間Ｔと比較する。そして、制御部１７は、取得した掃気・循環処理の経過時間が必要掃気時間Ｔと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。
【００５５】
制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達していないと判定した場合、掃気・循環処理を続行する。一方、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したと判定した場合、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御する（Ｓ０６）。
【００５６】
そして、制御部１７が、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。
【００５７】
本実施形態によれば、燃料電池の物理モデルに基づく上記条件式に、Ｑｉｎｉ、気液分離性能α、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γのそれぞれの値を代入し、算出したｔの値を必要掃気時間Ｔとして決定する。そして、必要掃気時間Ｔに基づいて、燃料電池システム内の掃気・循環処理を実行する。そのため、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を掃気できる。また、適切な掃気時間を算出することができるので、掃気が不足することによる水の残留や、過剰な掃気による消費電力の増加を抑制することができる。〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを図６及び図７の図面に基いて説明する。本実施形態においては、必要掃気時間Ｔを判定する処理及び水素ポンプ８の駆動制御処
理について説明する。
【００５８】
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。図６の処理において、Ｓ０４Ａ及びＳ０４Ｂ以外の処理は、図２の場合と同様である。そこで、同一の処理については、図２と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
本実施形態の必要掃気時間Ｔを判定する処理及び水素ポンプ８の駆動制御処理は、図６のＳ０１からＳ０４の処理を行った後に実行する。図６のＳ０４の処理を行った後、制御部１７は、必要掃気時間Ｔが所定の閾値Ａより大きいか否かを判定する（Ｓ０４Ａ）。所定の閾値Ａは、燃料電池システムに要求される停止時間から求まる値である。所定の閾値Ａは秒で求めてもよい。
【００６０】
必要掃気時間Ｔが所定の閾値Ａより大きい場合、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動制御を行う（Ｓ０４Ｂ）。具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御する。
【００６１】
また、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御することに代えて、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。さらに、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御することに加え、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。
【００６２】
この場合、必要掃気時間Ｔが所定の閾値Ａより小さくなるように水素ポンプ８の回転数（したがって、回転数の増分）が決定される。水素ポンプ８の回転数を上げた場合、ガスの循環速度βの値が大きくなり、必要掃気時間Ｔの値は小さくなる。この場合、水素ポンプ８の回転数を上げた後のガスの循環速度βは実験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。
【００６３】
また、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えた場合、水の循環速度とガスの循環速度の比γの値が大きくなり、必要掃気時間Ｔの値は小さくなる。この場合、脈動に切り替えた後の水の循環速度とガスの循環速度の比γは実験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。
【００６４】
そして、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御した場合、ガスの循環速度βを新たに求める（所定のマップ（メモリ上のテーブル）を参照すればよい）。次に、制御部１７は、新たに求めたガスの循環速度βを用いて、必要掃気時間Ｔを再度算出する。そして、制御部１７は、再度算出した必要掃気時間Ｔに基づいて、図６のＳ０５の処理を行う。
【００６５】
また、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御することに代えて、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、水の循環速度とガスの循環速度の比γを新たに求める（所定のマップ（メモリ上のテーブル）を参照すればよい）。
【００６６】
次に、制御部１７は、新たに求めた水の循環速度とガスの循環速度の比γを用いて、必要掃気時間Ｔを再度算出する。そして、制御部１７は、再度算出した必要掃気時間Ｔに基づいて、図６のＳ０５の処理を行う。
【００６７】
また、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御
することに加え、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、ガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを新たに求める（所定のマップ（メモリ上のテーブル）を参照すればよい）。次に、制御部１７は、新たに求めたガスの循環速度β、水の循環速度とガスの循環速度の比γを用いて、必要掃気時間Ｔを再度算出する。そして、制御部１７は、再度算出した必要掃気時間Ｔに基づいて、図６のＳ０５の処理を行う。
【００６８】
一方、必要掃気時間Ｔが所定の閾値Ａより小さい場合、制御部１７は、図６のＳ０５の処理を行う。そして、Ｓ０５の処理を行った後に燃料電池システムの動作を停止する。
【００６９】
図７は、掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。図７の曲線Ｘは、第１実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した例である。図７の曲線Ｙは、第２実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した例である。図７の曲線Ｙは、曲線Ｘよりも掃気（循環）時間に対する燃料電池スタック１内の残水量が減少している。
【００７０】
このように、第２実施形態に係る燃料電池システムの掃気・循環処理によれば、掃気（循環）時間に対する燃料電池スタック１内の残水量が第１実施形態に係る燃料電池システムよりも速く減少する。したがって、目標残水量Ｑｒｅｑに達するための必要掃気時間が第１実施形態に係る燃料電池システムよりも短くなり、第２実施形態に係る燃料電池システムの終了までにかかる時間が短縮される。
〈変形例〉
第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ８及び気液分離器１４を有している。例えば、カソード側のポンプ９を水素ポンプ８のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路３の気液分離器１４をカソードオフガス通路６に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器１４にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００７１】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ９及び気液分離器１４の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【００７２】
また、例えば、アノードガス通路２に水素ポンプ８及び気液分離器１４を備えた状態で、ポンプ９を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路６にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００７３】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環経路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ８、ポンプ９、気液分離器１４及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図３】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図４】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図５】掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図７】掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    燃料電池スタック
２    アノードガス通路
３    アノードオフガス通路
４    アノードオフガス循環通路
５    カソードガス通路
６    カソードオフガス通路
７    水素タンク
８    水素ポンプ
９    ポンプ
１０、１１  調圧弁
１２  フィルタ
１３  加湿器
１４  気液分離器
１５  ドレンタンク
１６  排水弁
１７  制御部
１８  残水量算出部
１９  パージ弁
【図１】
2007200725.tif 000003
【図２】
2007200725.tif 000004
【図３】
2007200725.tif 000005
【図４】
2007200725.tif 000006
【図５】
2007200725.tif 000007
【図６】
2007200725.tif 000008
【図７】
2007200725.tif 000009