(57)【要約】【課題】燃料電池を劣化させることなくアノード極を掃気することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池の発電停止時には、水素遮断弁を閉じて（Ｓ２）、カソード極を掃気すると同時に、エア導入弁およびパージ弁を開く（Ｓ３）。そして、コンプレッサで取り込まれた空気が、エア導入配管を介してアノード極に導入され、アノード極に残留している水素が押し出され、水素が徐々に空気に置換される。水素の空気置換が完了した場合には（Ｓ４、Ｙｅｓ）、コンプレッサをＯＦＦにし、エア導入弁およびパージ弁を閉じてシステムを停止する。システム停止後、システム温度が閾値ａ以下と判断されたときに（Ｓ７、Ｙｅｓ）、カソード重点掃気を実行し（Ｓ９）、アノード重点掃気を実行する（Ｓ１０）。【選択図】図２
2007193983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池の状態が第１の所定条件を満たした後に、前記燃料ガス流通路を掃気ガスにより掃気を行う燃料ガス流通路掃気手段と、
前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、を有し、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路を前記掃気ガスにより掃気する前に前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電停止時に前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う酸化剤ガス流通路掃気手段を備え、
前記燃料ガス流通路の掃気前に、前記酸化剤ガス流通路を掃気するとともに前記燃料ガス流通路に所定量の前記掃気ガスを流入させて前記燃料ガスを排出し、排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流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。
【請求項３】
前記燃料ガス排出手段は、前記燃料ガス流通路から外気に連通する排出弁を開放することにより前記燃料ガスを排出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４】
前記燃料ガス排出手段は、前記燃料電池の発電停止直後に行う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。
【請求項５】
前記燃料ガス排出手段は、前記燃料電池の状態が前記第１の所定条件とは異なり、前記第１の所定条件より早いタイミングで起こる第２の所定条件を満たしたときに前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出す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。
【請求項６】
前記第１の所定条件は、前記燃料電池の温度により判定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７】
アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料電池の状態が第１の所定条件を満たした後に前記燃料ガス流通路を掃気ガスにより掃気するステップと、前記燃料ガス流通路を前記掃気ガスにより掃気する前に前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電停止時に掃気を行う燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両などに搭載される燃料電池では、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んで構成された単セルが複数積層され、アノード極に水素、カソード極に酸素がそれぞれ供給されることで電気化学反応による発電によりカソード極で水が生成される。ところで、車両が氷点下に至るような低温環境下において使用されると残留水が凍結するおそれがあるため、燃料電池の発電停止時に残留水を、掃気ガスを用いて排出する処理（カソード掃気）が行われる。また、残留水は、カソード極から固体高分子電解質膜を介してアノード極にも透過するため、アノード極についても残留水を排出する処理（アノード掃気）が行われる。例えば、特許文献１では、燃料電池の発電停止後に、燃料電池の温度が所定温度（例えば、０℃）以下になったときにアノード掃気することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３０２５１５号公報（図２）
【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、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にアノード極が密閉されるものにおいて、発電停止からアノード掃気までは、アノード極に水素が残留した状態が続くため、燃料電池を構成する単セルが長い時間高電位に曝され易い状態となり、燃料電池（特に触媒）が劣化し易くなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池を劣化させることなくアノード極を掃気することができる燃料電池システムおよびその運転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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池の状態が第１の所定条件を満たした後に、前記燃料ガス流通路を掃気ガスにより掃気を行う燃料ガス流通路掃気手段と、前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、を有し、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料ガス流通路を前記掃気ガスにより掃気する前に前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、アノード極を掃気する前にアノード極に残留した燃料ガスを排出することで、少しでも燃料電池（単セル）が高電位状態に曝されるのを少なくすることができ、それにより燃料電池の耐久性の向上が図れる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記燃料電池の発電停止時に前記酸化剤ガス流通路を前記酸化剤ガスにより掃気を行う酸化剤ガス流通路掃気手段を備え、前記燃料ガス流通路の掃気前に、前記酸化剤ガス流通路を掃気するとともに前記燃料ガス流通路に所定量の前記掃気ガスを流入させて前記燃料ガスを排出し、排出された前記燃料ガスを前記酸化剤ガス流通路から排出されたガスと合流させることを特徴とする。なお、この請求項２は、後記する第１実施形態および第２実施形態に相当する。
【０００８】
請求項２に係る発明によれば、酸化剤ガス流通路を掃気する際に、アノード極に所定量（微量）の掃気ガスを導入して燃料ガスを燃料ガス流通路から押し出して、カソード極のオフガスと合流させることで、短時間でアノード極の燃料ガスを排出できるとともに、燃料ガスの濃度低減が可能になる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記燃料ガス排出手段は、前記燃料ガス流通路から外気に連通する排出弁を開放することにより前記燃料ガスを排出することを特徴とする。なお、この請求項３は、後記する第３実施形態および第４実施形態に相当する。
【００１０】
請求項３に係る発明によれば、燃料ガス流通路の排出弁を開き、自然拡散により燃料ガスを排出することで、簡単な構成で、且つ、余分なエネルギーを使う必要がなくなる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記燃料ガス排出手段は、前記燃料電池の発電停止直後に行うことを特徴とする。なお、この請求項４は、後記する第１実施形態および第４実施形態に相当する。
【００１２】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の発電停止直後に燃料ガスの排出を行うことで、燃料電池が高電位に曝される時間をできるだけ短くすることでき、燃料電池の耐久性を向上できる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記燃料ガス排出手段は、前記燃料電池の状態が前記第１の所定条件とは異なり、前記第１の所定条件より早いタイミングで起こる第２の所定条件を満たしたときに前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出することを特徴とする。なお、この請求項５は、後記する第２実施形態および第３実施形態に相当する。
【００１４】
請求項５に係る発明によれば、燃料ガス流通路を掃気する前に成立する条件が満たされたときに燃料ガスの排出を行うことで、必要なときのみ燃料ガスの排出が可能になる。例えば、発電停止後すぐに起動するといった状況の場合には、発電停止直後にはせずに、燃料ガス流通路に燃料ガスが残っていたほうがより早く次回の起動が可能になるので、ある一定条件（時間、温度）が成立するまでは待つことが可能となる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記第１の所定条件は、前記燃料電池の温度により判定することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、所定条件を温度により判定することで、掃気が必要となる時期、つまりある程度温度が下がってきて結露水が多くなるときを、精度よく見極めることが可能になる。
【００１７】
請求項７に係る発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード極を含み、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記カソード極を含み、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料ガスの供給を遮断し、前記燃料電池の状態が第１の所定条件を満たした後に前記燃料ガス流通路を掃気ガスにより掃気するステップと、前記燃料ガス流通路を前記掃気ガスにより掃気する前に前記燃料ガス流通路から前記燃料ガスを排出するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、アノード極を含む燃料ガス流通路を掃気する前にアノード極に残留した燃料ガスを排出することで、少しでも燃料電池が高電位状態に曝されるのを少なくすることができ、それにより燃料電池の耐久性の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、燃料電池を劣化させることなくアノード極を掃気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本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１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、制御部４などを含んで構成されている。なお、本実施形態では、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、航空機や船舶などの乗り物用の燃料電池システム、定置式の燃料電池システムなどであってもよい。
【００２１】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜５の一面側を触媒を含むアノード極６、他面側を触媒を含むカソード極７で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成された単セル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数枚積層された構造を有している。また、燃料電池ＦＣには、冷却媒体が流通する流路（図示せず）が形成されており、この流路の出口近傍に温度センサ８が設けられている。この温度センサ８から得られる温度情報が、システム温度に相当する。なお、システム温度の検出手段としては、これに限定されるものではなく、アノード極６やカソード極７から排出されるオフガスの温度を行ってもよい。
【００２２】
前記アノード系２は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード極６に供給し、且つ、アノード極６から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２１、アノードオフガス配管２２、水素タンク２３、水素遮断弁２４、エゼクタ２５、循環配管２６、パージ弁２７、水素濃度センサ２８などで構成されている。
【００２３】
前記アノードガス供給配管２１は、一端が燃料電池ＦＣのアノード極６の入口に接続され、他端が水素タンク２３に接続されている。前記アノードオフガス配管２２は、一端がアノード極６の出口に接続され、他端が後記するカソードオフガス配管３２に接続されている。
【００２４】
前記水素タンク２３は、高純度の水素ガスが例えば３５ＭＰａ（約３５０気圧）の高圧に充填されたものである。水素遮断弁２４は、例えば、電磁作動式のもので、水素タンク２３の下流近傍に設けられている。
【００２５】
前記エゼクタ２５は、アノード極６から排出される未反応の水素を再び燃料電池ＦＣアノード極６に戻して循環させるための真空ポンプの一種であり、循環配管２６の一端が接続されている。循環配管２６の他端は、アノードオフガス配管２２のパージ弁２７の上流において接続されている。このように、燃料電池ＦＣから排出された未反応の水素を循環させることにより、燃料としての水素を有効に活用することが可能になる。
【００２６】
前記パージ弁２７は、本実施形態の排出弁に相当するものであり、開度を自由に制御できる弁によって構成され、発電中においてはアノード極６に蓄積された空気に含まれる窒素、水などの不純物を例えば定期的に排出して発電性能が低下するのを防止する役割を備えている。また、パージ弁２７は、その下流が外気と連通するように構成されている。
【００２７】
前記水素濃度センサ２８は、パージ弁２７の下流に設けられ、燃料電池ＦＣのアノード極６から排出されるアノードオフガスに含まれる水素濃度を検出する機能を有している。
【００２８】
なお、前記したアノードガス供給配管２１により形成される流路と、アノードオフガス配管２２により形成される流路と、循環配管２６により形成される流路と、アノード極６により形成される流路とで、本実施形態の燃料ガス流通路が構成されている。
【００２９】
前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極７に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給し、且つ、カソード極７から空気（酸素）などを排出するものであり、カソードガス供給配管３１、カソードオフガス配管３２、コンプレッサ３３、加湿器３４、背圧制御弁３５、エア導入配管３６、エア導入弁３７などを備えている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスとしての空気は、前記燃料ガス流通路を掃気する際の掃気する際の掃気ガスとしても使用される。
【００３０】
前記カソードガス供給配管３１は、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極７の入口に接続され、他端がコンプレッサ３３に接続されている。前記カソードオフガス配管３２は、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極７の出口に接続されている。
【００３１】
なお、前記したカソードガス供給配管３１により形成される流路と、カソードオフガス配管３２により形成される流路と、カソード極７により形成される流路とで、本実施形態の酸化剤ガス流通路が構成されている。
【００３２】
前記コンプレッサ３３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード極７に供給する。なお、このコンプレッサ３３により、本実施形態の酸化剤ガス流通路掃気手段が構成されている。また、コンプレッサ３３から取り込まれる空気が、前記燃料ガス流通路を掃気する際の掃気ガスとして酸化剤ガス流通路を掃気する際の掃気ガスと兼用されている。
【００３３】
前記加湿器３４は、カソードガス供給配管３１の途中に設けられ、カソード極７に供給される空気を、電解質膜５のイオン導電性を十分に発揮できる湿度に加湿するためのものである。
【００３４】
前記背圧制御弁３５は、カソードオフガス配管３２の燃料電池ＦＣの下流に設けられ、カソード極７内の圧力を調整するものである。
【００３５】
前記エア導入配管３６は、アノード系２に掃気ガスとして空気を導入するためのものであり、その一端がカソードガス供給配管３１の加湿器３４の上流に接続され、他端がアノードガス供給配管２１に接続されている。なお、このエア導入配管３６により、本実施形態の燃料ガス流通路掃気手段が構成されている。
【００３６】
前記エア導入弁３７は、遮断弁であり、エア導入配管３６に設けられている。このエア導入弁３７を開弁することにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気がアノード極６に供給されるようになっている。
【００３７】
前記制御部４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、温度センサ８、水素遮断弁２４、パージ弁２７、水素濃度センサ２８、コンプレッサ３３、背圧制御弁３５、エア導入弁３７と電気的に接続されている。これにより、制御部４では、温度センサ８からシステム温度情報、水素濃度センサ２８からアノード系２内の水素濃度情報がそれぞれ取得され、水素遮断弁２４の開閉動作、パージ弁２７の開度調整動作、コンプレッサ３３の回転速度、背圧制御弁３５の弁開度を制御できるようになっている。
【００３８】
また、制御部４は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）９、タイマ１０と接続されている。イグニッションスイッチ９は、燃料電池ＦＣに対して発電停止信号を出力して燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）させ、また発電開始信号を出力して燃料電池システム１の運転を始動させるものである。タイマ１０は、システム停止からの時間を計測するものである。
【００３９】
（第１実施形態）
次に、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時における第１実施形態の処理について図２および図３を参照しながら説明する。図２は発電停止時の第１実施形態のフローチャート、図３は発電停止直後にアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。なお、第１実施形態ではエア導入弁３７とパージ弁２７とで、燃料ガス排出手段が構成されている。
【００４０】
図２に示すように、ステップＳ１において、運転者がイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）９をオフにした場合には（図３の時刻ｔ０）、発電を停止させる信号が制御部４（図１参照）に出力され、この信号を受けた制御部４は、水素遮断弁２４を閉じて水素の供給を遮断し（ステップＳ２）、これによりアノード極６を含む燃料ガス流通路が密閉される。そして、ステップＳ３に進み、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続し、さらに背圧制御弁３５を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソードガス供給配管３１、カソード極７およびカソードオフガス配管３２に流して、カソード掃気（以下、Ｃａ掃気と略記する）を実行する。これにより、発電停止（ＩＧＳＷオフ）時点でカソード極７に残留している水が、カソードオフガス配管３２を通って大気中（車外）へと排出される。また、制御部４は、ステップＳ３において、Ｃａ掃気と同時に、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を小さく開いて、コンプレッサ３３から取り込まれた空気を、エア導入配管３６からアノード極６に導入する。このとき、パージ弁２７の開度が小さく設定されているので、コンプレッサ３３からは微量（所定量）の空気がアノード極６に導入され、アノード極６に残留している水素が押し出されることで、水素を空気に置換する処理が行われる。空気によってアノード極６から押し出された水素は、カソードオフガス配管３２を通って排出されるガス（空気や水などを含むオフガス）と合流して希釈されて、大気中（外気）へと排出される。なお、押し出される水素は、オフガスと混合させるものに限定されず、コンプレッサ３３から加湿器３４の上流において導入された乾燥した空気（ガス）と混合させるようにしてもよい。なお、微量（所定量）の空気とは、アノード極６を含む燃料ガス流通路に残留する水素の体積を排出することができ、アノード極６の残留水を押し出さない程度の圧力で流れる量を意味する。このように、アノード極６に微量の空気を導入して水素を押し出し、水素をカソード極７から排出されるオフガス（空気、水など）と合流させることで、短時間でアノード極６の水素を排出することができ、さらに水素濃度の低減が可能になる。
【００４１】
そして、制御部４は、アノード極６内の水素の空気への置換が完了したか否かを水素濃度センサ２８から得られる水素濃度Ｃ情報に基づいて判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４において、まだ水素の空気置換が完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、空気置換が完了するまでステップＳ４の処理を繰り返し、空気置換が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進み、コンプレッサ３３をＯＦＦ（オフ）にし、エア導入弁３７を閉じ、さらにパージ弁２７を閉じてシステムを停止する（図３の時刻ｔ１）。このように、発電停止直後にアノード極６の残留水素を空気に置換することにより、燃料電池ＦＣの単セルが高電位状態に曝される時間をできるだけ短くすることができ、燃料電池ＦＣの耐久性を向上できるようになる。なお、ステップＳ４での水素の空気置換完了判断は、水素濃度Ｃに限定されるものではなく、予め実験等で求めた時間で判断してもよい。
【００４２】
システム停止後、制御部４は、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１（図３参照）経過したか否かを判断し（ステップＳ６）、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６の処理に戻り、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動して（ステップＳ６ａ）、ステップＳ７に進み、温度センサ８から得られるシステム温度Ｔが閾値ａ（例えば、５℃）以下であるか否かを判断する。なお、この閾値ａが、第１の所定条件に相当する。ステップＳ７でシステム温度Ｔが閾値ａ以下でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８に進み、タイマ１０をリセットするとともにタイマ１０を再スタートさせてシステムを停止する。このように、ステップＳ６〜Ｓ８のようにシステムを再起動および停止して、システム温度が閾値ａ以下になるのを監視する。
【００４３】
ステップＳ７で、システム温度が閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ、図３の時刻ｔ５）、ステップＳ９に進み、カソード重点掃気（以下、Ｃａ重点掃気と略記する）を実行する。このＣａ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにして、カソードガス供給配管３１、カソード極７、およびカソードオフガス配管３２に空気を流すことで、温度低下によって生じた結露水などが排出される。なお、このときのＣａ重点掃気の時間は、例えば、予め実験等で求めた時間（時刻ｔ５〜ｔ６）に基づいて行われる。また、第１の所定条件（閾値ａ）を温度により判断することで、掃気が必要となる時期を精度よく見極めることが可能になる。つまり、掃気が必要な時期とは、ある程度温度が下がってきて、結露水が多くなったときである。
【００４４】
Ｃａ重点掃気の終了後、ステップＳ１０に進み、アノード重点掃気（以下、Ａｎ重点掃気と略記する）を実行する。このＡｎ重点掃気では、コンプレッサ３３をそのまま継続して運転させ、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大（全開）で開く。これにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気が、大流量でエア導入配管３６からアノード極６に導入され、アノード極６などに残留している水がアノードオフガス配管２２を通って、カソード極７から排出されるオフガス（水や空気など）とともに大気中（車外）へと排出される。なお、このＡｎ重点掃気を実行する時間についても、予め実験等で求めた時間（時刻ｔ６〜ｔ８）に基づいて行われる。この時間（ｔ６〜ｔ８）が経過したら、ステップＳ１１に進み、タイマ１０をリセットするとともに、コンプレッサ３３をオフ（ＯＦＦ）にし、エア導入弁３７を閉じ、さらにパージ弁２７を閉じてシステムを停止する。
【００４５】
（第２実施形態）
図４は発電停止時の第２実施形態の処理を示すフローチャート、図５はＣａ重点掃気時にアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。なお、第２実施形態では、エア導入弁３７とパージ弁２７とで、燃料ガス排出手段が構成されている。
【００４６】
図４に示すように、ステップＳ２１でイグニッションスイッチ９がオフに切り替えられると（図５の時刻ｔ０）、水素遮断弁２４が閉じられて水素の供給が遮断され（ステップＳ２２）、アノード極６を含む燃料ガス流通路が密閉される。そして、ステップＳ２３に進み、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続して、背圧制御弁３５を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソード極７に導入してＣａ掃気を実行する。このＣａ掃気では、例えば予め決められた時間（図５の時刻ｔ０〜ｔ１）が経過したら、コンプレッサ３３をＯＦＦにして、システムを停止する（ステップＳ２４）。
【００４７】
そして、制御部４は、ステップＳ２５に進み、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１経過したか否かを判断し、所定時間Ｔｍ１が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２５の処理に戻り、所定時間Ｔｍ１が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動し（ステップＳ２５ａ）、ステップＳ２６に進み、システム温度Ｔが閾値ｂ以下であるか否かを判断する。なお、この閾値ｂは、第２の所定条件に相当し、前記閾値ａよりも高い温度、例えば３０℃に設定される。ステップＳ２６で、システム温度Ｔが閾値ｂ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２７に進み、タイマ１０をリセットするとともにタイマ１０を再スタートさせてシステムを停止する。
【００４８】
ステップＳ２６で、システム温度が閾値ｂ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２８に進み、Ｃａ重点掃気が実行される（時刻ｔ５〜ｔ６）。このＣａ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにし、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度小で開くことで、コンプレッサ３３で取り込まれた空気がカソード極７に導入されるとともに、エア導入配管３６を介してアノード極６に微量（所定量）の空気が導入される。カソード極７を空気で掃気することによって、カソード極７に残留している水が大気中へと排出され、またアノード極６に微量の空気を導入することによって、アノード極６の水素が押し出されて空気に置換される。このように、Ｃａ重点掃気の際に、アノード極６に微量の空気を導入して水素を押し出し、また押し出された水素を、カソード極７から排出されるオフガスと合流させて希釈することにより、短時間でアノード極６の水素を排出することができるとともに水素濃度の低減が可能になる。その後、ステップＳ２９に進み、水素濃度センサ２８から得られる水素濃度Ｃ情報に基づいてアノード極６内の水素の空気への置換が完了したか否かを判断する。ステップＳ２９で、空気置換が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０に進み、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ６）。なお、ステップＳ２６の判断は、温度に限定されるものではなく、時間で判断してもよい。
【００４９】
このように、後記するＡｎ重点掃気をする前に成立する第２の所定条件（閾値ｂ）を追加して、この条件が成立したときにアノード極６の水素を排出することで、必要なときのみ水素の排出が可能になる。例えば、発電停止後直ちに（または短時間で）起動するといった使用状態が考えられる場合には、発電停止直後には水素を排出せずにアノード極６に水素を残しておくことで、次回の起動をより早くでき、また無駄に水素が排出されるのを防止できる。
【００５０】
そして、ステップＳ３０でのシステム停止（時刻ｔ６）から所定時間Ｔｍ２（図５参照）経過したか否かが判断される（ステップＳ３１）。ステップＳ３１で、所定時間Ｔｍ２が経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１の処理に戻り、所定時間Ｔｍ２が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動して（ステップＳ３１ａ）、ステップＳ３２に進み、システム温度Ｔが閾値ａ以下であるか否かが判断される。ステップＳ３２で、システム温度Ｔが閾値ａ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３３に進み、タイマ１０をリセットするとともにタイマ１０を再スタートさせてシステムを停止して、ステップＳ３１の処理に戻る。ステップＳ３２でシステム温度Ｔが閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３４に進み、Ａｎ重点掃気を所定時間（時刻ｔ７〜ｔ８）実行する。このＡｎ重点掃気の開始条件（第１の所定条件）を温度により判断することで、ある程度温度が下がってきて、結露水が多くなったところで掃気を実行することができ、掃気が必要な時期を精度よく見極めることができる。このＡｎ重点掃気では、コンプレッサ３３をＯＮにし、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大（全開）で開く。これにより、コンプレッサ３３から取り込まれた空気が、エア導入配管３６からアノード極６に導入され、アノード極６の残留水がアノードオフガス配管２２を通って、カソード極７から排出されるオフガスとともに大気中（車外）へと排出される。このＡｎ重点掃気が完了したら、ステップＳ３５に進み、タイマ１０をリセットするとともに、コンプレッサ３３をオフにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ８）。
【００５１】
このように、第２実施形態においても、Ａｎ重点掃気（アノード掃気）が実行される前に、アノード極６に残留している水素を排出することで、燃料電池ＦＣの単セルが高電位状態に曝される時間を短くすることができ、燃料電池ＦＣの耐久性を向上させることができる。
【００５２】
なお、第２実施形態では、Ｃａ重点掃気とＡｎ重点掃気との間に所定時間Ｔｍ２を設けているが、これに限定されず、Ｔｍ２＝０として、Ｃａ重点掃気に連続してＡｎ重点掃気を行うようにしてもよい。
【００５３】
（第３実施形態）
図６は発電停止時の第３実施形態のフローチャート、図７は自然拡散によりアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。なお、第３実施形態では、パージ弁２７により、燃料ガス排出手段が構成されている。
【００５４】
図６に示すように、ステップＳ４１でイグニッションスイッチ９がオフに切り替えられると（図７の時刻ｔ０）、水素遮断弁２４が閉じられて水素の供給が遮断され（ステップＳ４２）、アノード極６を含む燃料ガス流通路が密閉される。そして、ステップＳ４３に進み、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続し、背圧制御弁３５を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソード極７に導入してＣａ掃気を実行する。このときのＣａ掃気は、例えば予め決めた時間（図５の時刻ｔ０〜ｔ１）で実行され、その時間が経過したらコンプレッサ３３をＯＦＦにして、システムを停止する（ステップＳ４４）。
【００５５】
システム停止後、制御部４は、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１が経過したか否かを判断し（ステップＳ４５）、所定時間Ｔｍ１が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動し（ステップＳ４５ａ）、ステップＳ４６に進み、システム温度Ｔが閾値ｂ以下であるか否かを判断する。ステップＳ４６で、システム温度Ｔが閾値ｂ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４７に進み、システム温度Ｔが閾値ｂ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４８に進み、パージ弁２７を開度大で開く（時刻ｔ３）。このようにパージ弁２７のみを開くことによって、アノード極６の水素が自然拡散しながらアノードオフガス配管２２を通って大気中へと排出される。また、アノード極６の水素を自然拡散により排出することにより、構成を簡略化することができ、且つ、コンプレッサ３３を駆動させる必要がないので余分なエネルギーを使う必要がない。なお、ステップＳ４６の条件に替えて、イグニッションスイッチ９オフ後の経過時間により判断してもよい。
【００５６】
そして、制御部４は、ステップＳ４９で、アノード極６の水素の空気置換が完了したか否かを判断し、空気置換が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５０に進み、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ４）。そして、ステップＳ５１に進み、タイマ１０が前回のシステム再起動時から所定時間Ｔｍ１が経過しているか否かを判断し、所定時間Ｔｍ１が経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動し（ステップＳ５１ａ）、ステップＳ５２に進み、システム温度Ｔが閾値ａ以下であるか否かを判断する。ステップＳ５２で、システム温度Ｔが閾値ａ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５３に進み、システム温度Ｔが閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５４に進み、コンプレッサ３３がＯＮにされて、Ｃａ重点掃気が所定時間（時刻ｔ５〜ｔ６）実行される。Ｃａ重点掃気終了後、ステップＳ５５に進み、コンプレッサ３３をそのまま継続して運転し、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大（全開）で開いて、続けてＡｎ重点掃気を所定時間（時刻ｔ６〜ｔ８）実行する。このＡｎ重点掃気後、ステップＳ５６に進み、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（時刻ｔ８）。
【００５７】
（第４実施形態）
図８は発電停止時の第４実施形態の処理を示すフローチャート、図９は発電停止直後に自然拡散によりアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。なお、第４実施形態では、パージ弁２７により、燃料ガス排出手段が構成されている。
【００５８】
図８に示すように、ステップＳ６１でイグニッションスイッチ９がオフに切り替えられると（図９の時刻ｔ０）、水素遮断弁２４が閉じられて水素の供給が遮断される（ステップＳ６２）。そして、ステップＳ６３に進み、コンプレッサ３３の運転をそのまま継続して、背圧制御弁３５を全開にして、コンプレッサ３３から取り込んだ空気を、カソード極７に導入してＣａ掃気を実行し、所定時間（時刻ｔ０〜ｔ１）実行後、コンプレッサ３３をＯＦＦにする。そして、このＣａ掃気の終了後、パージ弁２７を開度大で開く（ステップＳ６４）。このように、パージ弁２７のみを開くことによって、第３実施形態と同様に、アノード極６の水素が自然拡散しながらアノードオフガス配管２２を通って大気中へ排出される。したがって、アノード極６の水素を自然拡散によって排出することにより、構成を簡略化することができ、且つ、コンプレッサ３３を駆動させる必要がないので余分なエネルギーを使う必要がない。
【００５９】
ステップＳ６５では、アノード極６内の水素の空気置換が完了したか否かを判断し、空気置換が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、パージ弁２７を閉じてシステムを停止する（ステップＳ６６、時刻ｔ２）。システム停止後、制御部４は、タイマ１０が所定時間Ｔｍ１経過したか否かを判断し（ステップＳ６７）、所定時間Ｔｍ１が経過したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、システムを再起動し（ステップＳ６７ａ）、ステップＳ６８に進み、システム温度が閾値ａ以下であるか否かが判断される。ステップＳ６８で、システム温度Ｔが閾値ａ以下でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６９に進み、システム温度Ｔが閾値ａ以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７０に進み、コンプレッサ３３をＯＮにしてＣａ重点掃気を所定時間（時刻ｔ５〜ｔ６）実行する。このＣａ重点掃気が終了した場合には、ステップＳ７１に進み、このＣａ重点掃気に続けて、エア導入弁３７を開き、パージ弁２７を開度大で開いて、Ａｎ重点掃気を所定時間（時刻ｔ６〜ｔ８）実行する。このＡｎ重点掃気が終了した場合には、ステップＳ７２に進み、タイマ１０をリセットするとともに、コンプレッサ３３をＯＦＦにし、エア導入弁３７を閉じ、パージ弁２７を閉じて、システムを停止する。
【００６０】
このように、第３実施形態および第４実施形態では、水素を自然拡散により空気に置換する際に、アノード極６の残留水を排出する掃気処理を実行せずに、ある程度温度が下がって凝縮水が十分に生じた後に掃気することでＡｎ重点掃気を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本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】発電停止時の第１実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図３】発電停止直後にアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。
【図４】発電停止時の第２実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図５】Ｃａ重点掃気時にアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。
【図６】発電停止時の第３実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図７】自然拡散によりアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。
【図８】発電停止時の第４実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図９】発電停止直後に自然拡散によりアノード極の水素を空気置換する場合のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１      燃料電池システム
６      アノード極（燃料ガス流通路）
７      カソード極（酸化剤ガス流通路）
８      温度センサ
２１    アノードガス供給配管（燃料ガス流通路）
２２    アノードオフガス配管（燃料ガス流通路）
２６    循環配管（燃料ガス流通路）
２７    パージ弁（排出弁）
２８    水素濃度センサ
３１    カソードガス供給配管（酸化剤ガス流通路）
３２    カソードオフガス配管（酸化剤ガス流通路）
３３    コンプレッサ（酸化剤ガス流通路掃気手段）
３６    エア導入配管（燃料ガス流通路掃気手段）
３７    エア導入弁
ＦＣ    燃料電池
【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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【図８】
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【図９】
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