(57)【要約】【課題】  簡単な制御で、燃料電池内のアノードとカソードの湿度状態を同程度に設定することができる燃料電池の掃気方法および燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池ＦＣの発電を停止する際に、コンプレッサ２１からの掃気ガスを燃料電池ＦＣのカソード側の入口側ｃ１から導入し、出口側ｃ２から排出した後に、そのカソードを掃気した掃気ガスを、燃料電池ＦＣのアノード側の出口側ａ２から導入し、入口側ａ１から排出する。入口側ａ１から排出された掃気ガスは、バイパス配管１７ｂおよび排出配管３２ｂを介して大気中に排出される。【選択図】      図１
2007012282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを流通させるアノード側流路およびカソード側流路を有するとともに前記反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池の掃気方法であって、
前記燃料電池の発電が停止する際に、前記アノード側流路および前記カソード側流路の一方に、前記反応ガスの流れ方向と同一方向となる順方向に掃気ガスを流し、前記アノード側流路および前記カソード側流路の他方に、前記反応ガスの流れ方向と逆方向に前記掃気ガスを流し、前記順方向に流れた前記掃気ガスを、前記逆方向に流れる掃気ガスとして、前記燃料電池の前記反応ガスの出口側から再び導入することを特徴とする燃料電池の掃気方法。
【請求項２】
前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する工程と、
前記掃気ガスを前記燃料電池のカソード側流路に順方向に導入する工程と、
前記燃料電池のカソード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のアノード側流路の出口側から逆方向に導入する工程と、
前記燃料電池のアノード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを排気する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の掃気方法。
【請求項３】
前記燃料電池のアノード側流路から排出された未反応の前記反応ガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、
前記燃料電池のアノード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを、前記アノード循環流路の少なくとも一部を逆流させて排気することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の掃気方法。
【請求項４】
前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する工程と、
前記掃気ガスを前記燃料電池のアノード側流路に順方向に導入する工程と、
前記燃料電池のアノード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のカソード側流路の出口側から逆方向に導入する工程と、
前記燃料電池のカソード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを排気する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の掃気方法。
【請求項５】
反応ガスを流通させるアノード側流路およびカソード側流路を有するとともに前記反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電が停止する際に、前記アノード側流路および前記カソード側流路の一方に、前記反応ガスの流れ方向と同一方向となる順方向に掃気ガスを流し、前記アノード側流路および前記カソード側流路の他方に、前記反応ガスの流れ方向と逆方向に前記掃気ガスを流し、前記順方向に流れた前記掃気ガスを、前記逆方向に流れる掃気ガスとして、前記燃料電池の前記反応ガスの出口側から再び導入する掃気ガス制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記掃気ガス制御手段は、
前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する遮断弁と、
前記掃気ガスを前記燃料電池のカソード側流路に順方向に供給する掃気ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のアノード側流路の出口側から逆方向に導入する掃気ガス導入手段と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記掃気ガス制御手段は、
前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する遮断弁と、
前記掃気ガスを前記燃料電池のアノード側流路に順方向に供給する掃気ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のカソード側流路の出口側から逆方向に導入する掃気ガス導入手段と、
前記燃料電池のカソード側流路を逆方向に流れてから排出された掃気ガスを排気する掃気ガス排出手段と、
を備えることを特徴とする請求項５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、燃料電池の掃気方法および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。
その掃気の方法としては、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アノード側流路にコンプレッサからの空気を導入する切換弁を設けて、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、燃料電池の発電を停止する際には切換弁を切り換えて、燃料電池のアノードの入口側とカソードの入口側の双方にコンプレッサからの空気を供給して、燃料電池を掃気している。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（段落００１５、００１６、００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の燃料電池システムでは、燃料電池のカソードの出口側下流に設けられた背圧弁の開度によって、コンプレッサから燃料電池のカソードへの空気の流量とアノードへの空気の流量とを分配する制御を行っていた。また、アノードやカソードの湿度が低下して乾燥し過ぎると燃料電池内の膜が劣化するおそれがあり、逆に湿度が高すぎると凍結によって始動時の発電性能が低下するため、アノードとカソードの湿度状態を同程度にすることが求められている。しかし、従来の燃料電池システムでは、アノードの掃気流路とカソードの掃気流路とが並列に設けられて、アノードとカソードの双方の入口側から掃気ガスが導入されるような構成であるため、アノードとカソードの湿度を同程度に保つには、背圧弁による高精度な分配制御が必要であった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡単な制御でアノードとカソードを掃気することができ、しかも掃気後のアノードとカソードの湿度状態を同等に保つことができる燃料電池の掃気方法および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】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、反応ガスを流通させるアノード側流路およびカソード側流路を有するとともに前記反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池の掃気方法であって、前記燃料電池の発電が停止する際に、前記アノード側流路および前記カソード側流路の一方に、前記反応ガスの流れ方向と同一方向となる順方向に掃気ガスを流し、前記アノード側流路および前記カソード側流路の他方に、前記反応ガスの流れ方向と逆方向に前記掃気ガスを流し、前記順方向に流れた前記掃気ガスを、前記逆方向に流れる掃気ガスとして、前記燃料電池の前記反応ガスの出口側から再び導入することを特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、掃気ガスを燃料電池のアノードからカソード、またはカソードからアノードへ直列的に流すことにより、湿度の高い極側が、乾燥した掃気ガスによって掃気され、湿度の低い極側が、湿度の高い極側で掃気された加湿された掃気ガスによって掃気される。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する工程と、前記掃気ガスを前記燃料電池のカソード側流路に順方向に導入する工程と、前記燃料電池のカソード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のアノード側流路の出口側から逆方向に導入する工程と、前記燃料電池のアノード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを排気する工程と、を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池のカソード側の湿度がアノード側の湿度より高い場合に適用することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記燃料電池のアノード側流路から排出された未反応の前記反応ガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池のアノード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを、前記アノード循環流路の少なくとも一部を逆流させて排気することを特徴とする。これによれば、既設のアノード循環流路を利用することができるので、構造が複雑化するのを防止でき、コスト高となるのを回避できる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する工程と、前記掃気ガスを前記燃料電池のアノード側流路に順方向に導入する工程と、前記燃料電池のアノード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のカソード側流路の出口側から逆方向に導入する工程と、前記燃料電池のカソード側流路を逆方向に流れてから排出された前記掃気ガスを排気する工程と、を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池のアノード側の湿度がカソード側の湿度より高い場合に適用することができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、反応ガスを流通させるアノード側流路およびカソード側流路を有するとともに前記反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電が停止する際に、前記アノード側流路および前記カソード側流路の一方に、前記反応ガスの流れ方向と同一方向となる順方向に掃気ガスを流し、前記アノード側流路および前記カソード側流路の他方に、前記反応ガスの流れ方向と逆方向に前記掃気ガスを流し、前記順方向に流れた前記掃気ガスを、前記逆方向に流れる掃気ガスとして、前記燃料電池の前記反応ガスの出口側から再び導入する掃気ガス制御手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明によれば、掃気ガスを燃料電池のアノードからカソードへ、またはカソードからアノードへ直列的に流すことにより、湿度の高い極側を乾燥した掃気ガスで掃気することができ、湿度の低い極側を湿度の高い側で掃気された加湿された掃気ガスによって掃気することができる。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記掃気ガス制御手段は、前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する遮断弁と、前記掃気ガスを前記燃料電池のカソード側流路に順方向に供給する掃気ガス供給手段と、前記燃料電池のカソード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のアノード側流路の出口側から逆方向に導入する掃気ガス導入手段と、を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池のカソード側の湿度がアノード側の湿度より高い場合に適用することができる。なお、この構成は、後記する第１実施形態に相当するものである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、前記掃気ガス制御手段は、前記燃料電池のアノード側流路への前記反応ガスの供給を遮断する遮断弁と、前記掃気ガスを前記燃料電池のアノード側流路に順方向に供給する掃気ガス供給手段と、前記燃料電池のアノード側流路から排出された前記掃気ガスを、前記燃料電池のカソード側流路の出口側から逆方向に導入する掃気ガス導入手段と、前記燃料電池のカソード側流路を逆方向に流れてから排出された掃気ガスを排気する掃気ガス排出手段と、を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池のアノード側の湿度がカソード側の湿度よりも高い場合に適用することができる。なお、この構成は、後記する第２実施形態に相当するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な制御でアノードとカソードを掃気することができ、しかも掃気後のアノードとカソードの湿度状態を同等に保つことができる。また、供給した掃気ガスの全量がアノードおよびカソードに流れるため、効率よく掃気することが可能になり、電力の削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（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構成図、図２は第１実施形態において発電を停止する際の処理を示すフローチャート、図３は第１実施形態における掃気時の掃気ガスの流れを示す図である。なお、以下では、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するが、これに限定されるものではなく、船舶、航空機などの移動体、家庭用などの固定式の装置に搭載してもよい。
【００１６】
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１０、カソード系２０、制御部４０などを備えて構成されている。
【００１７】
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、電解質膜の両面を、所定の触媒を含むアノード極とカソード極とで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成し、さらに膜電極構造体を一対の導電性のセパレータで挟んだ単セルを複数枚積層した構造を有している。
【００１８】
前記アノード系１０は、燃料電池ＦＣのアノード極に水素（反応ガス）を供給・排出するものであり、アノード配管２、水素ボンベ１１、遮断弁１２、レギュレータ１３、水素循環系１４、パージ弁１５などで構成されている。
【００１９】
前記アノード配管２は、燃料電池ＦＣのアノードの入口側ａ１に接続されるアノードガス配管２ａと、出口側ａ２に接続されるアノードオフガス配管２ｂとで構成されている。
【００２０】
前記水素ボンベ１１は、高純度の水素を高い圧力で蓄積可能な容器であり、前記アノードガス配管２ａの最も上流側に接続されている。前記遮断弁１２は、水素ボンベ１１と一体またはその近傍に設けられた電磁式の弁である。前記レギュレータ１３は、遮断弁１２の下流側に設けられ、水素ボンベ１１から放出された水素を減圧するものである。前記水素循環系１４は、エゼクタ１４ａとアノード循環配管１４ｂとで構成され、エゼクタ１４ａが燃料電池ＦＣのアノードガス配管２ａ上に設けられ、アノード循環配管１４ｂの一端がエゼクタ１４ａと接続され、他端がアノードオフガス配管２ｂと接続されている。このような水素循環系１４を設けることで、燃料電池ＦＣのアノードから排出された未反応の水素を循環させて、燃料の無駄な消費を防止している。前記パージ弁１５は、開閉可能な遮断弁であり、アノードオフガス配管２ｂのアノード循環配管１４ｂとの接続部よりも下流側に設けられている。
【００２１】
前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣのカソード極に酸化剤としての空気（反応ガス）を供給・排出するものであり、カソード配管３、コンプレッサ２１、背圧弁２２などで構成されている。
【００２２】
前記カソード配管３は、燃料電池ＦＣのカソードの入口側ｃ１に接続されるカソードガス配管３ａと、出口側ｃ２に接続されるカソードオフガス配管３ｂとで構成されている。前記コンプレッサ２１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、燃料電池ＦＣのカソードガス配管３ａの最も上流側に設けられている。前記背圧弁２２は、カソードオフガス配管３ｂに設けられ、その開度を制御することによって、コンプレッサ２１からの空気の流量を制御できるようになっている。なお、この背圧弁２２は、コンプレッサ２１からの空気の流れを完全に遮断できるものであることが好ましい。
【００２３】
なお、図示していないが、前記燃料電池システム１Ａには、カソードガス配管３ａやアノードガス配管２ａに加湿器が設けられ、コンプレッサ２１からの空気や水素ボンベ１１からの水素が燃料電池ＦＣでの発電に適した湿度に加湿される。また、前記したパージ弁１５と背圧弁２２との下流側では、図示しない希釈器を介して、燃料電池ＦＣのパージ時にパージ弁１５から排出された水素を、燃料電池ＦＣのカソードオフガス配管３ｂから排出された加湿空気によって希釈して、大気中に排気するようになっている。
【００２４】
さらに、第１実施形態の燃料電池システム１Ａには、本実施形態での掃気に必要な、循環停止弁１６、バイパス停止弁１７ａ、バイパス配管１７ｂ、逆流防止弁１８、掃気ガス導入弁３１ａ、掃気ガス導入配管３１ｂ、排出弁３２ａ、および排出配管３２ｂが設けられている。
【００２５】
前記循環停止弁１６は、開閉可能な遮断弁であり、前記アノード循環配管１４ｂのアノードオフガス配管２ｂ寄りに設けられている。
【００２６】
前記バイパス停止弁１７ａは、開閉可能な遮断弁であり、バイパス配管１７ｂに設けられている。バイパス配管１７ｂは、その一端が燃料電池ＦＣとエゼクタ１４ａとの間のアノードガス配管２ａに接続され、他端がエゼクタ１４ａと循環停止弁１６との間のアノード循環配管１４ｂに接続されている。
【００２７】
前記逆流防止弁１８は、燃料電池ＦＣからエゼクタ１４ａへの逆流を防止可能な逆止弁であり、エゼクタ１４ａとバイパス配管１７ｂの一端との間のアノードガス配管２ａ上に設けられている。なお、この逆流防止弁１８は、制御部４０で制御されるものではなく、ガスの流れに応じて機能するものである。
【００２８】
前記掃気ガス導入弁３１ａは、開閉可能な遮断弁であり、掃気ガス導入配管３１ｂに設けられている。掃気ガス導入配管３１ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのアノードの出口側ａ２とパージ弁１５との間で、かつ、アノード循環配管１４ｂとの接続部よりも下流側のアノードオフガス配管２ｂに接続され、他端が燃料電池ＦＣのカソードの出口側ｃ２と背圧弁２２との間のカソードオフガス配管３ｂに接続されている。
【００２９】
前記排出弁３２ａは、開閉可能な遮断弁であり、排出配管３２ｂに設けられている。排出配管３２ｂは、その一端が循環停止弁１６とバイパス停止弁１７ａとの間のアノード循環配管１４ｂに接続され、他端がパージ弁１５および背圧弁２２よりも下流側に接続されている。
【００３０】
前記制御部４０は、図示しないＣＰＵやメモリなどで構成されており、遮断弁１２、レギュレータ１３、パージ弁１５、循環停止弁１６、バイパス停止弁１７ａ、コンプレッサ２１、背圧弁２２、掃気ガス導入弁３１ａ、および排出弁３２ａを、制御線を介して電気的に接続されている。また、制御部４０は、車両側からイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）４１と電気的に接続され、オン信号またはオフ信号が入力されるようになっている。
【００３１】
なお、図示していないが、前記燃料電池システム１Ａには、さらに、図示しないラジエタや循環ポンプなどで構成された冷却系が設けられて、燃料電池ＦＣの発電時に発生する熱を大気中に放出するようになっている。
【００３２】
次に、第１実施形態の燃料電池システムの動作について図２を参照しながら説明する。
制御部４０では、燃料電池システム１Ａ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４１のオフ信号が入力されると（Ｓ１）、燃料電池ＦＣを掃気する必要があるか否かの判断を行う（Ｓ２）。このときの掃気実行の判断基準としては、外気温度、あるいはナビゲーションシステムを搭載したもの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、車両の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を実行する。なお、コンプレッサ２１は、掃気中、常に駆動するように制御されている。
【００３３】
Ｓ２において、掃気が必要であると判断した場合には（ＹＥＳ）、制御部４０は、遮断弁１２を閉弁して燃料電池ＦＣへの水素の供給を遮断する（Ｓ３）。水素の供給を遮断した後、制御部４０は、パージ弁１５を閉弁し（Ｓ４）、循環停止弁１６を閉弁し（Ｓ５）、さらにバイパス停止弁１７ａを開弁する（Ｓ６ａ）。制御部４０は、さらに、掃気ガス導入弁３１ａを開弁し（Ｓ７）、排出弁３２ａを開弁し（Ｓ８ａ）、背圧弁２２の開度を全閉とする（Ｓ９）。これによって、各弁１２，１５，１６，１７ａ，３１ａ，３２ａ，２２は、図３に示す状態となる。なお、図２のフローでは、各弁１２，１５，１６，１７ａ，３１ａ，３２ａ，２２の制御が、時系列的に示されているが、各弁１２，１５，１６，１７ａ，３１ａ，３２ａ，２２のすべてが同時に制御されるように処理されてもよい。
【００３４】
これによって、コンプレッサ２１からの掃気ガス（エア）は、順方向にて、カソード配管３のカソードガス配管３ａから燃料電池ＦＣのカソードの入口側ｃ１に供給された後、燃料電池ＦＣのカソードの出口側ｃ２から排出され、カソードオフガス配管３ｂ、掃気ガス導入配管３１ｂへと流通する。そして、掃気ガス導入配管３１ｂに導入された掃気ガスは、逆方向にて、アノード配管２のアノードオフガス配管２ｂを介して燃料電池ＦＣのアノードの出口側ａ２に供給され、アノードの入口側ａ１から排出され、バイパス配管１７ｂに導入される。ここで、符号１８は、前記したように逆流防止弁であるので、燃料電池ＦＣのアノードの入口側ａ１から排出された掃気ガスは、すべてバイパス配管１７ｂ側へと導かれる。そして、バイパス配管１７ｂに導入された掃気ガスは、アノード循環配管１４ｂの一部を逆流して、排出配管３２ｂを介して、大気中へと排出される。なお、このとき、大気中に排出される掃気ガスは、それに含まれる水素濃度に応じて、カソードオフガスなどで希釈した後に大気中に排出される。
【００３５】
そして、制御部４０は、コンプレッサ２１のモータの回転を調整しながら（Ｓ１０）、掃気が完了したか否かを判断する（Ｓ１１）。掃気が完了していないと判断された場合には（ＮＯ）、Ｓ１１の処理を掃気完了と判断する（ＹＥＳ）まで繰り返す。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以下となったか否かを判断して、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い。または、単に、時間だけを判断させてもよい。
【００３６】
Ｓ１１において、掃気完了と判断した場合（ＹＥＳ）、制御部４０は、循環停止弁１６を開弁し（Ｓ１２）、バイパス停止弁１７ａを閉弁し（Ｓ１３ａ）、掃気ガス導入弁３１ａを閉弁し（Ｓ１４）、排出弁３２ａを閉弁し（Ｓ１５）、背圧弁２２の開度を通常制御にして（Ｓ１６）、遮断弁１２を除いて各弁１６，１７ａ，３１ａ，３２ａ，２２の状態を発電時の状態とする。そして、最後にコンプレッサ２１を停止して、燃料電池システム１Ａの運転を停止する（Ｓ１８）。
【００３７】
一方、Ｓ２において、掃気が必要ないと判断された場合には（ＮＯ）、制御部４０は、遮断弁１２を閉弁して（Ｓ１７）、水素ボンベ１１からの水素の供給を遮断する。そして、コンプレッサ２１を停止して、燃料電池システム１Ａを停止する（Ｓ１８）。
【００３８】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、コンプレッサ２１からの掃気ガスを、まず燃料電池ＦＣのカソードの入口側ｃ１から出口側ｃ２への方向、つまり、発電時の反応ガス（空気）の流れと同じ方向（順方向）へ流通させた後、燃料電池ＦＣのカソードを掃気した掃気ガスを、燃料電池ＦＣのアノードの出口側ａ２から入口側ａ１への方向、つまり、発電時の反応ガス（水素）の流れと逆の方向（逆方向）へ流通させている。したがって、燃料電池ＦＣのカソードがアノードよりも湿度が高い燃料電池システム１Ａであれば、前記のようにして、掃気ガスがカソードからアノードへと直列的に流れるラインを構成することにより、湿度の高いカソードがコンプレッサ２１からの乾燥した掃気ガスで掃気され、湿度の低いアノードが、カソードで加湿された掃気ガスで掃気されるため、カソードとアノードの湿度状態を同等に保つことが可能になる。その結果、従来のようなエアの背圧弁による高精度な制御が不要になり、しかも高精度な制御が不要になるので、駆動電力の削減を図ることができる。駆動電力を削減できることにより、バッテリ（図示せず）での電力の取り出しを削減できるので、燃料電池システム１Ａの始動時の電力を充分に確保することも可能になる。さらに、従来と比較して、コンプレッサ２１からの掃気ガスの全量またはほぼ全量を、カソードとアノードに流通させることができるため、効率的に掃気を行うことが可能になる。
【００３９】
（第２実施形態）
図４は第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図、図５は第２実施形態において発電を停止する際の処理を示すフローチャート、図６は第２実施形態における掃気時の掃気ガスの流れを示す図である。第２実施形態では、第１実施形態とは逆に、燃料電池ＦＣのアノードを掃気した後に、カソードを掃気する構成となっている。
【００４０】
第２実施形態における燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態でのアノード系１０およびカソード系２０の基本構成（アノード配管２、水素ボンベ１１、遮断弁１２、レギュレータ１３、水素循環系１４、パージ弁１５、カソード配管３、コンプレッサ２１、背圧弁２２）に、循環停止弁１６、逆流防止弁１８、３方弁２３ａ、アノード供給配管２３ｂ、掃気ガス導入弁３１ａ、掃気ガス導入配管３１ｂ、掃気ガス排出弁３３ａ、および掃気ガス排出配管３３ｂを設けたものである。なお、第１実施形態と重複する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。なお、コンプレッサ２１と３方弁２３ａとアノード供給配管２３ｂとで、本実施形態の掃気ガス供給手段が構成されている。
【００４１】
前記３方弁２３ａは、コンプレッサ２１からのガスを燃料電池ＦＣのカソードまたはアノードに切り替え制御可能な弁であり、カソード配管３のカソードガス配管３ａに設けられている。前記アノード供給配管２３ｂは、その一端が３方弁２３ａと接続され、他端が燃料電池ＦＣのアノードの入口側ａ１と逆流防止弁１８との間のアノードガス配管２ａに接続されている。
【００４２】
前記掃気ガス排出弁３３ａは、開閉可能な遮断弁であり、掃気ガス排出配管３３ｂに設けられている。この掃気ガス排出配管３３ｂは、その一端が３方弁２３ａと燃料電池ＦＣのカソードの入口側ｃ１との間のカソードガス配管３ａに接続され、他端がパージ弁１５および背圧弁２２よりも下流側に接続されている。
【００４３】
次に、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの動作について図５を参照しながら説明する。
制御部４０では、燃料電池システム１Ａ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４１のオフ信号が入力され（Ｓ１）、燃料電池ＦＣに対して掃気を実行する必要があるか否かの判断を行う（Ｓ２）。Ｓ２において、掃気が必要であると判断した場合には（ＹＥＳ）、制御部４０は、遮断弁１２を閉弁して燃料電池ＦＣへの水素の供給を遮断する（Ｓ３）。水素の供給を遮断した後、制御部４０は、パージ弁１５を閉弁し（Ｓ４）、さらに循環停止弁１６を閉弁し（Ｓ５）、さらに３方弁２３ａをアノード側に切り替える（Ｓ６ｂ）。そして、制御部４０は、掃気ガス導入弁３１ａを開弁し（Ｓ７）、さらに掃気ガス排出弁３３ａを開弁し（Ｓ８ｂ）、さらに背圧弁２２の開度を全閉とする（Ｓ９）。これによって、各弁１２，１５，１６，３１ａ，３３ａ，２２は、図６に示す状態となる。
【００４４】
これによって、図６の黒矢印で示すように、コンプレッサ２１からの掃気ガス（エア）は、アノード供給配管２３ｂを介して燃料電池ＦＣのアノードの入口側ａ１に供給された後、アノードの出口側ａ２から排出され、アノードオフガス配管２ｂ、掃気ガス導入配管３１ｂへと流通する。そして、掃気ガス導入配管３１ｂに導入された掃気ガスは、カソードオフガス配管３ｂを介して燃料電池ＦＣのカソードの出口側ｃ２に供給された後、カソードの入口側ｃ１から排出され、掃気ガス排出配管３３ｂに導入される。掃気ガス排出配管３３ｂに導入された掃気ガスは、アノード循環配管１４ｂの一部を逆流して、掃気ガス排出配管３３ｂを介して、大気中へと排出される。
【００４５】
そして、制御部４０では、コンプレッサ２１のモータの回転を調整しながら（Ｓ１０）、掃気が完了したと判断された場合には（Ｓ１１のＹＥＳ）、遮断弁１２を除く各弁１５，１６，２３ａ，３１ａ，３３ａ，２２を発電時の状態とする（Ｓ１２，Ｓ１３ｂ，Ｓ１４，Ｓ１５ｂ，Ｓ１６）。そして、最後にコンプレッサ２１を停止して、燃料電池システム１Ａの運転を停止する（Ｓ１８）。
【００４６】
以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、コンプレッサ２１からの掃気ガスを、まず燃料電池ＦＣのアノードの入口側ａ１から出口側ａ２への方向、つまり、発電時の反応ガス（水素）の流れと同じ方向（順方向）へ流通させた後、燃料電池ＦＣのアノードを掃気した掃気ガスを、燃料電池ＦＣのカソードの出口側ｃ２から入口側ｃ１への方向、つまり、発電時の反応ガス（空気）の流れと逆の方向（逆方向）へ流通させている。したがって、燃料電池ＦＣのアノードがカソードよりも湿度が高い燃料電池システム１Ｂであれば、掃気ガスがアノードからカソードへと直列的に流れるラインを構成することにより、湿度の高いアノードが、コンプレッサ２１からの乾燥した掃気ガスで掃気され、アノードより湿度の低いカソードが、アノードで加湿された掃気ガスで掃気されるため、アノードとカソードの湿度状態を同等に保つことが可能になる。よって、第２実施形態の場合も、第１実施形態と同様に、高精度な制御が不要となって、駆動電力の削減を図ることができ、しかも掃気ガスの全量をカソードおよびアノードに供給できるため効率よく掃気することが可能になる。
【００４７】
なお、前記した実施形態では、掃気ガスとして、コンプレッサ２１からの空気を利用することを例に挙げて説明したが、窒素などの不活性ガスで掃気するものであってもよい。
【００４８】
また、前記各実施形態では、Ｓ１６の処理が終了するまでコンプレッサ２１を回転する制御を行っているが、遮断弁１２が閉弁したときに（Ｓ３）、あるいはイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）をオフにしたときに、コンプレッサ２１を一旦停止し、Ｓ４〜Ｓ９の処理の後にコンプレッサ２１を回転するようにして、バッテリからの電力の持ち出しをさらに削減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】第１実施形態において発電を停止する際の処理を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態における掃気時の掃気ガスの流れを示す図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。
【図５】第２実施形態において発電を停止する際の処理を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態における掃気時の掃気ガスの流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
２      アノード配管（アノード側流路）
３      カソード配管（カソード側流路）
１２    遮断弁
１４ｂ  アノード循環配管（アノード循環流路）
１７ａ  バイパス停止弁
１７ｂ  バイパス配管
２１    コンプレッサ
２３ａ  ３方弁
２３ｂ  アノード供給配管
３１ａ  掃気ガス導入弁（掃気ガス導入手段）
３１ｂ  掃気ガス導入配管（掃気ガス導入手段）
３３ａ  掃気ガス排出弁（掃気ガス排出手段）
３３ｂ  掃気ガス排出配管（掃気ガス排出手段）
４０    制御部
【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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