(57)【要約】【課題】  状況に応じて適切な量の掃気ガスで掃気することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】  システムを停止する（ＳＴ５）前に、発電電流の積算値から燃料電池内の水分量を所定のマップに基づいて推定する（ＳＴ４）。システム停止（ＳＴ５）後に、燃料電池の温度が所定値より低下した場合には（ＳＴ７）、燃料電池内の乾燥度合いを所定のマップに基づいて判断し（ＳＴ８）、アノード掃気時間を所定のマップに基づいて決定する（ＳＴ９）。このアノード掃気時間に基づいて、アノード掃気を実施する（ＳＴ１０）。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池に掃気ガスを導入する掃気手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池内の水分量を把握する水分量把握手段と、
前記水分量把握手段が把握した前記燃料電池内の水分量に応じて掃気時間を決定する掃気時間決定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水分量把握手段は、
前記燃料電池の発電停止時間を計測する発電停止時間計測手段と、
前記発電停止時間に基づいて発電停止後における前記燃料電池内の水分量を推定する停止後水分量推定手段と、を備え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】
前記停止後水分量推定手段は、
前記燃料電池の温度を測定する温度検知手段と、
前記燃料電池の温度に応じて発電停止後の水分量を補正する水分量補正手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記停止後水分量推定手段は、
前記燃料電池外の湿度を測定する湿度検知手段と、
前記燃料電池外の湿度に応じて発電停止後の前記水分量を補正する水分量補正手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水分量把握手段は、発電中の前記燃料電池内の水分量を推定する停止前水分量推定手段を備え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６】
前記停止前水分量推定手段は、前記燃料電池の発電電流の積算値に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の発電停止後に前記燃料電池に掃気ガスを導入して掃気する制御手段を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段が、前記燃料電池内の水分量を把握した後に、この水分量に応じて掃気時間を決定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記制御手段が、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記制御手段が、前記燃料電池の温度を測定し、この温度に基づいて発電停止後の前記水分量を補正することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記制御手段が、前記燃料電池外の湿度を測定し、この湿度に基づいて発電停止後の前記水分量を補正することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記制御手段が、発電中の前記燃料電池内の水分量を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記制御手段が、前記燃料電池の発電電流の積算値に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温始動に対応可能な燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池電気自動車用の燃料電池としては、例えば、固体高分子を電解質膜として用いるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型が一般に採用されている。この種の燃料電池は、電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟んで構成された膜電極接合体を、さらに一対のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造となっている。この燃料電池のアノード極に水素を、カソード極に空気（酸素）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。
【０００３】
ところで、燃料電池の運転中において、生成水は主にカソード極にて生成されるが、カソード極とアノード極との間に介装された電解質膜を介して、カソード極中の水分がアノード極に移動する。このため、燃料電池の発電を停止する際には燃料電池を含む配管内には水が残留しており、この水を放置したまま発電を停止すると、寒冷地や冬季などの低温環境下での使用において水が凍結して電解質膜などを傷めるおそれがある。そこで、燃料電池の発電停止時にアノード極やカソード極に掃気用のガスを導入して掃気処理することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０３６６５号公報（段落００５７、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、発電停止時に予め決められた一定の設定量で掃気処理されていたため、不必要に長い時間掃気してしまうことがあり、これによって電解質膜を劣化させるなどして、発電性能が低下するという問題があった。
【０００５】
また、掃気は発電停止後に行われ、蓄電装置からのエネルギーを利用する必要があるため、前記のように不必要に長い時間掃気が実行されると、蓄電装置の電力を余分に消費して、例えば次回始動時に必要な電力が不足して、商品性が損なわれることもある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、状況に応じて適切な量の掃気ガスで掃気することができる燃料電池システムおよびその制御方法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】
請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池に掃気ガスを導入する掃気手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池内の水分量を把握する水分量把握手段と、前記水分量把握手段が把握した前記燃料電池内の水分量に応じて掃気時間を決定する掃気時間決定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、水分量把握手段によって把握された水分量に応じて掃気時間を決めることができるので、常に適切な量の掃気ガスで掃気することが可能になる。なお、「燃料電池内」とは、燃料電池の本体のみを指す主旨であってもよく、燃料電池とそれに接続されるアノードおよびカソードの配管とを含む主旨であってもよい。以下の「燃料電池内」についても同様である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記水分量把握手段は、前記燃料電池の発電停止時間を計測する発電停止時間計測手段と、前記発電停止時間に基づいて発電停止後における前記燃料電池内の水分量を推定する停止後水分量推定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、発電停止時間に応じて水分量を推定すること、つまり、発電停止時間が長い場合には乾燥して水分量が少ないと推定でき、発電停止時間が短い場合には水分量が多いと推定できる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記停止後水分量推定手段は、前記燃料電池の温度を測定する温度検知手段と、前記燃料電池の温度に応じて発電停止後の水分量を補正する水分量補正手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の温度が高温側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量が早くに低下し、温度が低温側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量の低下が遅くなる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、前記停止後水分量推定手段は、前記燃料電池外の湿度を測定する湿度検知手段と、前記燃料電池外の湿度に応じて発電停止後の前記水分量を補正する水分量補正手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池外の湿度が高湿側にシフト場合には発電停止時間に対する水分量の低下が遅れ、湿度が低湿側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量が早くに停止する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記水分量把握手段は、発電中の前記燃料電池内の水分量を推定する停止前水分量推定手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、発電開始直後の暖機途中に発電停止した場合であっても、適切な量の掃気ガスで掃気することができる。
【００１７】
請求項６に係る発明は、前記停止前水分量推定手段は、前記燃料電池の発電電流の積算値に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明によれば、発電電流の積算値を用いることにより、確実に水分量を推定することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の発電停止後に前記燃料電池に掃気ガスを導入して掃気する制御手段を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段が、前記燃料電池内の水分量を把握した後に、この水分量に応じて掃気時間を決定することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、水分量把握手段によって把握された水分量に応じて掃気時間を決めることができるので、常に適切な量の掃気ガスで掃気することが可能になる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、前記制御手段が、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする。
【００２２】
請求項８に係る発明によれば、発電停止時間に応じて水分量を推定すること、つまり、発電停止時間が長い場合には乾燥して水分量が少ないと推定でき、発電停止時間が短い場合には水分量が多いと推定できる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、前記制御手段が、前記燃料電池の温度を測定し、この温度に基づいて発電停止後の前記水分量を補正することを特徴とする。
【００２４】
請求項９に係る発明によれば、燃料電池の温度が高温側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量が早くに低下し、温度が低温側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量の低下が遅くなる。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、前記制御手段が、前記燃料電池外の湿度を測定し、この湿度に基づいて発電停止後の前記水分量を補正することを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に係る発明によれば、燃料電池外の湿度が高湿側にシフト場合には発電停止時間に対する水分量の低下が遅れ、湿度が低湿側にシフトした場合には発電停止時間に対する水分量が早くに停止する。
【００２７】
請求項１１に係る発明は、前記制御手段が、発電中の前記燃料電池内の水分量を推定することを特徴とする。
【００２８】
請求項１１に係る発明によれば、発電開始直後の暖機途中に発電停止した場合であっても、適切な量の掃気ガスで掃気することができる。
【００２９】
請求項１２に係る発明は、前記制御手段が、前記燃料電池の発電電流の積算値に基づいて前記水分量を推定することを特徴とする。
【００３０】
請求項１２に係る発明によれば、発電電流の積算値を用いることにより、確実に水分量を推定することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、状況に応じて適切な量の掃気ガスで燃料電池を掃気することができる。これにより、蓄電装置の電力を無駄に消費することがなくなり、商品性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は掃気処理を示すフローチャート、図３（ａ）は発電電流の積算値と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｂ）は発電停止時間と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｃ）は燃料電池内の水分量とアノード掃気時間との関係を示すマップ、図４（ａ）は燃料電池内の水分量の変化、（ｂ）発電電流の変化および（ｃ）イグニッションスイッチの切替タイミングを示すタイムチャートである。なお、以下では車両を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機など、あるいは定置式の燃料電池システムに適用してもよい。また、以下の実施形態は、アノード掃気に適用した場合について説明する。
【００３３】
第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、冷却系４、制御部５などを備えて構成されている。
【００３４】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜１１の両面を所定の触媒を含むアノード極１２とカソード極１３とで挟んで成る膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで成る単セルを複数積層して構成したものである。
【００３５】
前記アノード系２は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に反応ガス（燃料ガス）としての水素を供給・排出するものであり、アノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、水素タンク２１、遮断弁２２、水素パージ弁２３などを備えて構成されている。
【００３６】
前記アノードガス供給配管２ａは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に接続され、前記アノードガス排出配管２ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側ａ２に接続されている。前記水素タンク２１は、高純度の水素を例えば約３５ＭＰａ（３５０気圧）の高圧で蓄積可能なものであり、アノードガス供給配管２ａの他端に接続されている。前記遮断弁２２は、水素タンク２１の下流側、または水素タンク２１内に設けられている。前記水素パージ弁２３は、アノードガス排出配管２ｂに設けられている。
【００３７】
なお、図示していないが、前記アノード系２には、遮断弁２２の下流側に水素タンク２１から放出される高圧の水素の圧力を調整するためのレギュレータや、燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側ａ２から排出された未反応の水素を燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に戻して循環させるアノード循環系が設けられている。このアノード循環系は、例えばエゼクタとアノードガス循環配管とで構成されている。このようなアノード循環系を設けることにより、燃料としての水素の利用効率を高めることができる。
【００３８】
前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に反応ガス（酸化剤ガス）としての空気を供給・排出するものであり、カソードガス供給配管３ａ、カソードガス排出配管３ｂ、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２などを備えて構成されている。
【００３９】
前記カソードガス供給配管３ａは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の入口側ｃ１に接続され、前記カソードガス排出配管３ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の出口側ｃ２に接続されている。前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、カソードガス供給配管３ａの他端に接続されている。前記エア背圧弁３２は、その開度を調節することができる弁であり、カソードガス排出配管３ｂに設けられている。
【００４０】
なお、前記カソード系３では、加湿装置（図示せず）が設けられ、この加湿装置によって加湿された空気が燃料電池ＦＣに供給されるようになっている。また、前記したアノード系２にも、水素を加湿するための加湿装置が設けられていてもよい。
【００４１】
前記冷却系４は、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、冷却媒体循環配管４ａ、ラジエタ４ｂ、循環ポンプ４ｃ、温度計Ｓ１などで構成されている。なお、冷却媒体循環配管４ａは、その一端が燃料電池ＦＣの冷却媒体の入口側ｄ１に接続され、他端が出口側ｄ２に接続され、入口側ｄ１から供給された冷却媒体が、燃料電池ＦＣのセパレータ（図示せず）に形成された冷却媒体流路を通って出口側ｄ２から排出される。
【００４２】
また、本実施形態の燃料電池システム１Ａには、エア導入配管４１、エア導入弁４２、温度計Ｓ２、湿度計Ｓ３、タイマー６、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７が設けられている。
【００４３】
前記エア導入配管４１は、アノードガス供給配管２ａとカソードガス供給配管３ａとを燃料電池ＦＣの上流側で互いに接続するものである。前記エア導入弁４２は、エア導入配管４１の流路を遮断可能に開閉する弁である。温度計Ｓ２は、燃料電池ＦＣの出口側ａ２の近傍のアノードガス排出配管２ｂに設けられている。湿度計Ｓ３は、燃料電池ＦＣの外部（例えば、大気中）の湿度を検知するものである。タイマー６は、燃料電池ＦＣの発電停止時間を計測するものである。イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７は、システムの停止および始動を行うものである。なお、エアコンプレッサ３１と、エア導入配管４１と、エア導入弁４２とで、本実施形態の掃気手段が構成されている。
【００４４】
前記制御部５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、遮断弁２２、水素パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２、エア導入弁４２、温度計Ｓ１，Ｓ２、湿度計Ｓ３、タイマー６およびイグニッションスイッチ７と電気的に接続され、遮断弁２２、水素パージ弁２３およびエア導入弁４２の開閉動作、エアコンプレッサ３１のモータの回転出力、エア背圧弁３２の弁開度を制御する。また、制御部５では、タイマー６で計測した発電停止時間が入力され、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７によるオン信号またはオフ信号が入力され、温度計Ｓ１，Ｓ２で検知された各温度、湿度計Ｓ３で検知された湿度が入力される。
【００４５】
また、制御部５は、燃料電池ＦＣと電気的に接続され、燃料電池ＦＣから発電電流の取り出し量が制御される。取り出された発電電流は、エアコンプレッサ３１や、走行モータなどの負荷８に供給される。なお、本実施形態の燃料電池システム１Ａには、燃料電池ＦＣから取り出した発電電流を監視するための電流計９が設けられており、この電流計９によって検知された発電電流値が制御部５に送られる。制御部５では、発電電流値に基づいて発電電流の積算値が算出される。なお、発電電流の積算値を演算したものを制御部５に送るようにしてもよい。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池システムでの掃気について図１ないし図４を参照しながら説明する。
運転者により車両のイグニッションスイッチ７がオンにされると、制御部５は、エア導入弁４２および水素パージ弁２３を閉じた状態で、エア背圧弁３２を所定の開度に設定する。そして、遮断弁２２を開いて、水素タンク２１から水素を燃料電池ＦＣのアノード極１２に供給するとともに、エアコンプレッサ３１を駆動して、図示しない加湿装置によって加湿された空気を燃料電池ＦＣのカソード極１３に供給する（図１参照）。これにより、燃料電池ＦＣでは、水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
【００４７】
ところで、アノード系２では、水素を循環させる図示しない水素循環系が設けられているため、発電が継続されると、カソード極１３に供給された空気中に含まれる窒素などの不純物が電解質膜１１を介してアノード極１２に透過することで、水素濃度が低下して発電性能が低下する。そこで、発電性能の低下を防止するために、例えば、水素パージ弁２３を定期的に開弁して新たな水素を燃料電池ＦＣに導入して水素濃度を高めることが行われている。
【００４８】
図２に示すように、運転者により車両のイグニッションスイッチ７がオフにされると（ＳＴ１）、制御部５では、燃料電池ＦＣを掃気する必要があるか否かを判断する（ＳＴ２）。このときの掃気必要性の判断基準としては、車両の外気温度、あるいはナビゲーションシステム搭載車であればナビゲーションシステムが受信した自車の位置データや気象データなどに基づいて、凍結するか否かの凍結情報を取得して、発電停止後に燃料電池システム１Ａが凍結すると判断したときに掃気の必要性があると判断する。ＳＴ２で掃気が必要ないと判断された場合には（Ｎｏ）、制御部５は、システム停止、つまり、遮断弁２２を閉じて燃料電池ＦＣへの水素の供給を停止し、エアコンプレッサ３１の駆動を停止して燃料電池ＦＣへの空気の供給を停止して、燃料電池ＦＣの発電を停止する（ＳＴ３）。
【００４９】
ＳＴ２で掃気が必要であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、制御部５は、電流計９の電流値に基づいて発電電流の積算値を算出し、燃料電池ＦＣ内水分量（以下、「ＦＣ内水分量」と略記する）を予め設定された図３（ａ）のマップに基づいて推定する（ＳＴ４）。つまり、図３（ａ）に示すように、ＦＣ内水分量は、イグニッションスイッチ７をオンにしてから、発電電流の積算値の増加につれて増加し、その後一定（最大加湿状態）となる。なお、ここでのＦＣ内水分量とは、燃料電池ＦＣのスタック本体のみではなく、さらにその周辺の配管、つまりアノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、カソードガス供給配管３ａおよびカソードガス排出配管３ｂを含めた部分の水分量を意味している。
【００５０】
そして、制御部５は、システム停止、つまり、遮断弁２２を閉弁するとともに、エアコンプレッサ３１の駆動を停止して、燃料電池ＦＣの発電を停止する（ＳＴ５）。発電停止後、制御部５は、温度計Ｓ１から燃料電池ＦＣの温度の自動監視を開始し（ＳＴ６）、燃料電池ＦＣの温度が所定値よりも低下したか否かを判断する（ＳＴ７）。このときの所定値は、凍結するより前の温度に設定することが好ましく、例えば５℃に設定することができる。なお、発電停止中の水分は、エア背圧弁３２などを介して排出されることで、燃料電池ＦＣ内の水分が徐々に減少（乾燥）していく。
【００５１】
ＳＴ７で燃料電池ＦＣの温度が所定値より低下した場合には（Ｙｅｓ）、ＳＴ８に移行し、所定値より高い場合には（Ｎｏ）、ＳＴ６の温度自動監視を継続する。このように、発電停止後に直ちにアノード掃気を実行せずに、燃料電池ＦＣの温度が低下してきたところで、制御部５が立ち上がり、ＳＴ８以降の処理を実行するようになっている。これは、イグニッションスイッチ７のオフ後に直ちに掃気しても、燃料電池ＦＣがさらに冷えることで結露が生じるので、ある程度結露しきったところで、一気に掃気を行って乾燥させることで、掃気に必要なエネルギーを少なくすることが可能になる。
【００５２】
ＳＴ８では、燃料電池ＦＣ内の乾燥度合いを図３（ｂ）のマップに基づいて推定する。なお、図３（ｂ）のマップにおいて、実線で示すラインｇ１は、ＦＣ内水分量がＱ１の場合に適用される発電停止時間に応じた水分量の変化を示し、実線で示すラインｇ２は、ＦＣ内水分量がＱ１よりも少ないＱ２の場合に適用される発電停止時間に応じた水分量の変化を示し、破線で示すラインｇ３は、ラインｇ２に対して温度が高くなった場合に適用される補正ラインであり、破線で示すラインｇ４は、ラインｇ２に対して湿度が高くなった場合に適用される補正ラインである。
【００５３】
図３（ｂ）のラインｇ１に示すように、発電停止時間が長くなるにつれてＦＣ内水分量が減少する。なお、このとき温度計Ｓ２で検出された温度が高くなるにつれて乾燥し易くなるので、ラインｇ３に基づいてＦＣ内水分量を推定してもよい。また、燃料電池ＦＣの外部に設けられた湿度計Ｓ３から得られる湿度が高くなるにつれて乾燥し難くなるので、ラインｇ４に基づいてＦＣ内水分量を推定してもよい。
【００５４】
ＳＴ９では、アノード掃気時間を図３（ｃ）のマップに基づいて決定する。図３（ｃ）のマップの横軸は、前記ＳＴ８で推定されたＦＣ内水分量である。図３（ｃ）に示すように、残留しているＦＣ内水分量が多い場合には、アノード掃気時間が長く設定され、残留しているＦＣ内水分量が少ない場合には、アノード掃気時間が短く設定される。
【００５５】
ＳＴ１０では、前記ＳＴ９で決定されたアノード掃気時間に基づいてアノード掃気が実施される。すなわち、制御部５は、エア導入弁４２および水素パージ弁２３を開弁し、さらにエア背圧弁３２の開度を調整し、エアコンプレッサ３１を駆動しながら、エアコンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとして、燃料電池ＦＣのアノード極１２に供給する。このとき掃気ガスは、カソードガス供給配管３ａ、エア導入配管４１、アノードガス供給配管２ａを介して、燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に供給され、燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側ａ２から排出され、アノードガス排出配管２ｂに送られる。また、このときの水素を含むガスは、希釈装置（図示せず）などで所定の水素濃度に希釈された後に大気中に排出される。
【００５６】
ＳＴ１１では、アノード掃気が完了したか否かを判断する。このときの掃気完了の判断基準としては、例えば、燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１と出口側ａ２にそれぞれ圧力センサ（図示せず）を設けて、圧力センサの圧力差が所定値となったか否かを監視することで、掃気が完了したと判断することができる。あるいは、圧力センサに替えて、流量センサを設けて、掃気が完了したと判断させてもよく、または、単に時間だけを判断させてもよい。ＳＴ１１において、アノード掃気が完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ＳＴ１１の処理の繰り返し、アノード掃気が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣの温度の自動監視を停止する（ＳＴ１２）。
【００５７】
さらに、燃料電池システム１Ａの掃気について詳述する。例えば、図４の実施例１に示すように、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７がオンにされると(時刻ｔ０)、ＦＣ内水分量が増加し、発電がしばらく継続されると、ＦＣ内水分量が最大加湿状態（一定値）となる。この期間（時刻ｔ０〜ｔ１）の発電によるＦＣ内水分量は、発電電流の積算値によって推定される。例えば、図３（ａ）に示すように、発電電流の積算値がＡ１とすると、そのときのＦＣ内水分量は（ａ）のマップに基づいてＱ１であると推定される。その後、イグニッションスイッチ７がオフにされると（時刻ｔ１）、ＦＣ内水分量は時間の経過につれて徐々に減少（乾燥）し、温度計Ｓ１によって燃料電池ＦＣの温度が所定値より低くなったときに、アノード掃気を開始する（時刻ｔ２）。このときの発電停止時間をＴ１とすると、図３（ｂ）のマップによりＦＣ内水分量はＱ３となる。その結果、アノード掃気時間は、図３（ｃ）のマップによりＴ３と決定される。このようにして決定されたアノード掃気時間Ｔ３でアノード掃気が実施されることによって、燃料電池ＦＣ内が最大乾燥状態に至る（時刻ｔ３）。
【００５８】
このように、発電停止時間が長い場合には、燃料電池ＦＣの乾燥度合いが進んでいるので掃気時間を短く設定でき、発電停止時間が短い場合には、燃料電池ＦＣの乾燥度合いがあまり進んでいないので掃気時間を長く設定する。このようにして、掃気時間を常に適切な時間に設定することが可能になる。
【００５９】
一方、図４の実施例２に示すように、イグニッションスイッチ７がオンされて（時刻ｔ４）、その後直ちにまたは短時間走行した後に、イグニッションスイッチ７がオフにされた場合には（時刻ｔ５）、ＦＣ内水分量が最大加湿状態（一定値）に至る前に減少を始めることになる。よって、ＦＣ内水分量の初期値が実施例１と比べてずれが生じるので、図３（ｂ）のラインｇ１に基づいてＦＣ内水分量（乾燥度合い）を判断したのでは、実際の水分量よりも多めに推定されることになる。そこで、このような場合には、図３（ａ）のマップで発電電流の積算値に基づいてＦＣ内水分量を推定することにより、前記したずれ（誤差）を無くすことができる。この場合の燃料電池ＦＣ内の乾燥度合いについては、図３（ｂ）の別の実線で示すラインｇ２に基づいて推定することができる。例えば、発電電流の積算値が前記で例示したＡ１よりも小さいＡ２（図３（ａ）参照）とすると、そのときのＦＣ内水分量はＱ２となる。このときのＦＣ内水分量Ｑ２を図３（ｂ）に示すラインｇ２に適用することにより、発電停止時間に応じたＦＣ内水分量Ｑ４を推定することが可能になる。そして、推定された残留しているＦＣ内水分量Ｑ４を図３（ｃ）に示すマップに適用することにより、ＦＣ内水分量（乾燥度合い）に応じたアノード掃気時間Ｔ３(時刻ｔ６〜ｔ７)が決定される。なお、実施例２の場合も、実施例１と同様にして、図３（ｂ）のラインｇ２について温度計Ｓ２や湿度計Ｓ３に基づいて補正したマップを適用してもよい。
【００６０】
このように、イグニッションスイッチ７がオンにされ、最大加湿状態に至る前にオフにされた場合（いわゆるチョイノリの場合）であっても、発電電流の積算値によってＦＣ内水分量を推定することで、掃気時間を適切に設定することが可能になる。よって、掃気が不必要に長い時間行われるのを防止できるので、消費電力の削減が可能になる。これにより、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置からの電力の持ち出しを減らして、次回システム起動時の電力を充分に確保しておくことができ、燃料電池システム１Ａの商品性の向上を図ることができる。また、燃料電池ＦＣ内がすでに乾燥している状態（最大乾燥状態）においてさらに掃気が行われて乾燥されることがないので、特に電解質膜１１の劣化を防止することも可能になる。
【００６１】
なお、第１実施形態では、アノード掃気のみについて説明したが、カソード掃気については、アノード掃気の前、例えばＳＴ５のシステム停止直後またはシステム停止と同時に、エアコンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとして、燃料電池ＦＣのカソード極１３に供給して掃気を行うことができる。
【００６２】
（第２実施形態）
図５は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図６は第２実施形態における掃気処理を示すフローチャート、図７（ａ）は発電電流の積算値と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｂ）は発電停止時間と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｃ）は燃料電池内の水分量とカソード掃気時間との関係を示すマップである。
【００６３】
第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、燃料電池システム１Ａでの温度計Ｓ２に代えて、温度計Ｓ４をカソードガス排出配管３ｂ側に設けたものである（図５参照）。その他の構成は、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略し、以下ではその作用のみについて説明する。なお、図６のＳＴ２１〜ＳＴ２７の処理は、第１実施形態でのＳＴ１〜ＳＴ７の処理と同様であるので、以下ではＳＴ２８以降の処理について説明する。また、第２実施形態でのＦＣ内水分量とは、第１実施形態と同様に、スタック本体のみではなく、燃料電池ＦＣ、アノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、カソードガス供給配管３ａおよびカソードガス排出配管３ｂを含めた水分量を意味している。また、エアコンプレッサ３１により、本実施形態の掃気手段が構成されている。
【００６４】
図６に示すように、ＳＴ２８では、ＦＣ内水分量（乾燥度合い）を図７（ｂ）のラインｇ５に基づいて判断する。なお、図７（ｂ）において、実線で示すラインｇ５は、発電停止時間に応じた水分量の変化を示し、破線で示すラインｇ６は、ラインｇ５に対して温度が高くなった場合に適用される補正ラインであり、破線で示すラインｇ７は、ラインｇ５に対して湿度が高くなった場合に適用される補正ラインである。
【００６５】
ＳＴ２８で推定されたＦＣ内水分量を、図７（ｃ）のマップに適用することにより発電停止時間に応じたカソード掃気時間が決定される（ＳＴ２９）。カソード掃気時間決定後、カソード掃気を実施する（ＳＴ３０）が、制御部５は、エア背圧弁３２の開度を調整し、エアコンプレッサ３１を駆動しながら、エアコンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとして、燃料電池ＦＣのカソード極１３に供給する。カソード掃気完了後（ＳＴ３１，Ｙｅｓ）、温度自動監視を停止する（ＳＴ３２）。なお、第２実施形態でのアノード掃気については、ＳＴ２５のシステム停止直後や停止と同時に、エア導入弁４２および水素パージ弁２３を閉弁して、アノード掃気を実行することができる。
【００６６】
このように、燃料電池ＦＣのカソード側の掃気に適用した場合であっても、ＦＣ内水分量に応じて適切なカソード掃気時間を決定することができるので、掃気が不必要に長い時間行われるのを防止できる。その結果、消費電力を削減、商品性の向上、電解質膜１１の劣化を防止できるようになる。
【００６７】
本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、掃気ガスとして窒素などの不活性ガスを充填したタンクをさらに設けて、このタンク内の窒素を掃気ガスとして利用してもよい。また、図３（ｂ）および図７（ｂ）のマップを温度で補正する場合の温度計Ｓ２，Ｓ４の位置は、前記した各実施形態での位置に限定されるものではなく、アノード掃気する場合（第１実施形態）であっても、カソードの出口側ｃ２に設けた温度計（温度計Ｓ４に相当するもの）を利用することもでき、またカソード掃気する場合（第２実施形態）であっても、アノード側の出口側ａ２に設けた温度計（温度計Ｓ２に相当するもの）を利用することもできる。また、掃気を開始する温度を検出する温度計Ｓ１と、マップを補正する温度を検出する温度計Ｓ２，Ｓ４とを、共通の温度計を利用するようにしてもよい。また、前記した各マップは、一例であり、マップに替えて関数やテーブルを用いることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態における発電停止後の掃気処理を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は発電電流の積算値と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｂ）は発電停止時間と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｃ）は燃料電池内の水分量とアノード掃気時間との関係を示すマップである。
【図４】（ａ）燃料電池内水分量の変化、（ｂ）発電電流の変化および（ｃ）ＩＧスイッチの切替タイミングを示すタイムチャートである。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図６】第２実施形態における発電停止後の掃気処理を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は発電電流の積算値と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｂ）は発電停止時間と燃料電池内の水分量との関係を示すマップ、（ｃ）は燃料電池内の水分量とカソード掃気時間との関係を示すマップである。
【符号の説明】
【００６９】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
５      制御部（掃気時間決定手段、水分量補正手段、制御手段）
６      タイマー（発電停止時間計測手段）
ＦＣ    燃料電池
Ｓ２，Ｓ４  温度計（温度検知手段）
Ｓ３    湿度計（湿度検知手段）
【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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