(57)【要約】【課題】システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる燃料電池システムを課題とする。【解決手段】酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止時に、供給機を駆動して少なくとも燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備える。供給路とパイパス路との接続部から燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、接続部からバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、制御装置は、掃気処理の実行途中で分流比が大きくなるように制御する。【選択図】図４
2007317475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に圧送する供給機と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記酸化ガスが前記燃料電池をバイパスして流れるように、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、
前記バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
当該燃料電池システムの運転停止時に、前記供給機を駆動して少なくとも前記燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備え、
前記供給路と前記パイパス路との接続部から前記燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、前記接続部から前記バイパス路を通って前記バイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、
前記制御装置は、前記掃気処理の実行途中で、前記分流比が大きくなるように制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記掃気処理を第１の分流比で行った後、当該掃気処理の実行途中で、前記第１の分流比よりも大きな第２の分流比に変更する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１の分流比から前記第２の分流比への変更を、前記バイパス弁の開度を大きくすることで行う、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第１の分流比が０となるように前記バイパス弁を閉弁制御し、前記第１の分流比から前記第２の分流比に変更する際に前記バイパス弁を開弁制御する、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の分流比のときの前記バイパス弁は、前記バイパス弁の下流へと流れた酸化ガスが前記排出路の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出路に設けられた調圧弁を更に備える、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記接続部よりも下流側の前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを加湿する加湿器を更に備える、請求項１ないし６のいずれか一項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、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化ガス中の酸素との化学反応によって、電力を発生すると共に水を生成する。生成された水は、燃料ガス及び酸化ガスの流れによって、燃料電池内部から両ガスの排出路へと排出される。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池システムは、酸化ガスの供給路と酸化オフガスの排気路とを連通するバイパス路を備えると共に、バイパス路と供給路との接続部に三方弁を備える。この燃料電池システムの通常の運転時には、三方弁は燃料電池側を選択する。一方、燃料電池システムの始動時に、排出路上の背圧調整弁が凍結していると判断されたときには、三方弁はバイパス路側を選択する。この選択により、酸化ガスがバイパス路へと流され、この近傍に位置する背圧調整弁が加熱されるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１５８２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、背圧調整弁が凍結した後の処理であるため、背圧調整弁を解凍するまでに時間がかかり、結果、システム自体の始動性を低下させていた。また、生成水は、背圧調整弁で氷結するのみならず、燃料電池内及び排出路においても、さらにはバイパス路及び三方弁においても氷結するおそれがある。
【０００５】
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止時に、供給機を駆動して少なくとも燃料電池内を掃気する掃気処理を実行させる制御装置を備え、供給路とパイパス路との接続部から燃料電池に流れる酸化ガス流量に対する、接続部からバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる酸化ガス流量の割合を、分流比として定義したとき、制御装置は、掃気処理の実行途中で、分流比が大きくなるように制御するものである。
【０００７】
かかる構成によれば、システムの運転停止時に掃気処理を実行するため、燃料電池内に残る生成水を排出路の下流へと排出でき、燃料電池内及び排出路内での水分の氷結を抑制できる。また、掃気処理の途中で分流比を大きくするため、酸化ガスは少なくともバイパス路を通ってバイパス弁の下流へと流れる。これにより、バイパス弁やバイパス路内に残る水分を排出路へと排出できると共に、バイパス路内の雰囲気を酸化ガスで置換できる。よって、バイパス弁及びバイパス路での水分の氷結も抑制できる。そして、このような掃気処理をシステムの運転停止時に行うようにしているため、システム運転の始動性を高めることができる。
【０００８】
好ましくは、制御装置は、掃気処理を第１の分流比で行った後、掃気処理の実行途中で、第１の分流比よりも大きな第２の分流比に変更する。
【０００９】
この構成によれば、分流比を段階的に変更するため、簡易に分流比を変更することができる。
【００１０】
より好ましくは、制御装置は、第１の分流比から第２の分流比への変更を、バイパス弁の開度を大きくすることで行う。
【００１１】
こうすることで、簡易な構造で、分流比を変更することができる。
【００１２】
ここで、本発明の一実施態様では、第１の分流比は０よりも大きくても良い、つまり掃気処理の例えば初期に酸化ガスの一部がバイパス弁の下流へと流れても良い。しかし、燃料電池内の掃気を効率よく行うためには、本発明の好ましい一実施態様では、制御装置は、第１の分流比が０となるようにバイパス弁を閉弁制御する一方、第１の分流比から第２の分流比に変更する際にバイパス弁を開弁制御すると良い。
【００１３】
好ましくは、第２の分流比のときのバイパス弁は、バイパス弁の下流へと流れた酸化ガスが排出路の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている。
【００１４】
この構成によれば、第２の分流比のときに、バイパス弁やバイパス路内に残り得る水分が排出路の上流側へと逆流することを抑制でき、この水分を排出路の下流側へと排出できる。
【００１５】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、排出路に設けられた調圧弁を更に備える。
【００１６】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、上記の接続部よりも下流側の供給路に設けられ、酸化ガスを加湿する加湿器を更に備える。
【００１７】
この構成によれば、加湿器により加湿された比較的高湿潤の酸化ガスを燃料電池に供給できる。また、掃気処理のときに、加湿器により加湿されていない比較的低湿潤の酸化ガスをバイパス弁の下流へと流すことができ、バイパス弁及びバイパス路の掃気を好適に行い得る。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、システム運転停止中における凍結を抑制し、システム運転の始動性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。先ず、第１実施形態として、本発明の燃料電池システムの運転停止時における掃気処理について説明する。次いで、変形例として、バイパス弁の凍結を考慮した構成について説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システム１の構成図である。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００２１】
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御装置７と、を備えている。
【００２２】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００２３】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路１７と、を有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。酸化オフガスには、燃料電池２の空気極側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２４】
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（供給機）と、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
【００２５】
燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調圧される。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられている。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２６】
バイパス路１７は、供給路１１と排出路１２とを接続している。バイパス路１７と供給路１１との供給側接続部Ｂは、コンプレッサ１４と加湿器１５との間に位置している。また、バイパス路１７と排出路１２との排出側接続部Ｃは、加湿器１５の下流側に位置している。バイパス路１７には、モータ又はソレノイドなどで駆動する開閉弁（シャット弁）であるバイパス弁１８が設けられている。バイパス弁１８は、制御装置７に接続されており、バイパス路１７を開閉する。なお、以下の説明では、バイパス弁１８の開弁により、バイパス路１７の下流へとバイパスされる酸化ガスを「バイパスエア」と称呼する。
【００２７】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。
【００２８】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有している。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２９】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３０】
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
【００３１】
制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する低効率運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３２】
制御装置７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサ（Ｐ１）及び温度センサ（４６，４７）、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（供給機１４、背圧調製弁１６及びバイパス弁１８など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、低温始動時など燃料電池２を暖機する必要がある場合には、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して発電効率の低い運転を行う。
【００３３】
図２は、燃料電池２の出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）と出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）との関係を示す図である。図２は、燃料電池システム１が比較的発電効率の高い運転（以下、「通常運転」という。）を行った場合を実線で示し、燃料電池システム１が比較的発電効率の低い運転（以下、「低効率運転」という。）を行った場合を点線で示している。
【００３４】
燃料電池システム１を通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
【００３５】
これに対し、燃料電池２を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池２の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、燃料電池２を迅速に暖機することができる一方、燃料電池２の空気極にはポンピング水素が発生する。
【００３６】
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示している。
燃料電池２の各単セル８０は、電解質膜８１と、この電解質膜８１を挟持するアノード及びカソードを備えている。水素（Ｈ2）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ2）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると、下記式（１）の反応が進行して、水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成された水素イオンは電解質膜８１を透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
アノード：  Ｈ2  →２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                              ・・・（１）
【００３７】
ここで、図３（Ａ）に示す通常運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ       ・・・（２）
【００３８】
一方、図３（Ｂ）に示す低効率運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸化オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2                            ・・・（３）
【００３９】
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態では、酸化オフガスにポンピング水素が含まれる。そこで、燃料電池システム１が低効率運転を行う際には、制御装置７はバイパス弁１８を開弁制御し、コンプレッサ１３により供給される酸化ガスの一部をバイパス路１７に分流させるようにしている。この分流されたバイパスエアによって酸化オフガス中の水素濃度を希釈して、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスを排出路１２から外部に排気するようにしている。
【００４０】
なお、低効率運転は、主として燃料電池２を暖機することを目的として、燃料電池システム１の起動時に行われるものであり、特に低温起動時にのみ行われるものである。例えば、燃料電池システム１の起動時に外気温センサ５１により検出された外気温が、所定の低温（例えば０℃以下）であったときに、燃料電池システム１の低効率運転が行われ、その後、燃料電池２の暖機が完了したところで、燃料電池システム１は、低効率運転から通常運転に移行する。バイパス弁１８は、低効率運転を行う燃料電池システム１の起動時に開弁し、低効率運転後の通常運転では、閉弁する。
【００４１】
図４は、本実施形態の燃料電池システム１の運転終了時における処理フローを示すフローチャートである。
先ず、例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転停止が指令されると（ステップＳ１）、制御装置７は、燃料電池システム２の通常運転を終了し、掃気処理を実行させる（ステップＳ２）。
【００４２】
ここで、掃気処理とは、燃料電池システム２の運転終了時に、少なくとも燃料電池２内の水分を外部に排出することで燃料電池２内を掃気することをいう。カソード系統（酸化ガス配管系３）の掃気処理は、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ１４の駆動によって酸化ガスを酸化ガス流路２ａに供給し、この供給した酸化ガスによって、酸化ガス流路２ａに残る生成水を含む水分を排出路１２へと排出することで行われる。なお、アノード系統（燃料ガス配管系４）の掃気処理も行われるが、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４３】
掃気処理では、制御装置７は、主として、コンプレッサ１４、背圧調整弁１６及びバイパス弁１８を制御する。具体的には、制御装置７は、掃気処理に適した酸化ガスが燃料電池２に供給されるように、コンプレッサ１４のモータ回転数を制御する。また、制御装置７は、背圧調整弁１６を、例えば全開、断続的な開閉、又は半開などに制御する。さらに、制御装置７は、所定の分流比となるように、バイパス弁１８の開度を制御する。
【００４４】
ここで、「分流比」とは、供給側接続部Ｂから燃料電池２に流れる酸化ガス流量に対する、供給側接続部Ｂからバイパス路１７を通ってバイパス弁１８の下流へと流れる酸化ガス流量（つまり、バイパスエア流量）の割合をいい、次式（１０）で定義される。
γ＝ＭBY／ＭSUP      ・・・（１０）
ここで、γは分流比であり、ＭBYはバイパスエアの流量であり、ＭSUPは供給側接続部Ｂから燃料電池２に流れる酸化ガスの流量である。
【００４５】
ステップＳ２の掃気処理の開始では、分流比γは第１の分流比γ1に設定される。ここでは、第１の分流比γ1＝０（ただし、ＭSUP＞０）と設定した。つまり、バイパス弁１８を閉弁しておき、酸化ガスを供給側接続部Ｂで分流せずにもっぱら燃料電池２に流すようにした。このように、第１の分流比γ1＝０とすることで、酸化ガスをバイパスエアとして分流する場合に比べて、燃料電池２内の掃気を効率よく行うことができる。なお、他の実施態様では、次式（１１）を満たすようにしてもよい。
γ1＞０      ・・・（１１）
【００４６】
制御装置７は、掃気処理の開始から所定時間ｔ1が経過するまで第１の分流比γ1で掃気処理を実行する（ステップＳ３；ＮＯ）。この所定時間ｔ1は、例えば、燃料電池２内の水分の排出が完了する時間に設定される。所定時間ｔ1の経過後（ステップＳ３；ＹＥＳ）、制御装置７は、分流比が大きくなるように分流比を変更する（ステップＳ４）。つまり、制御装置７は、掃気処理の実行途中で、第１の分流比γ1よりも大きな第２の分流比γ2に変更する。
【００４７】
この第２の分流比γ2への変更は、バイパス弁１８の開度を大きくすること、すなわち本実施形態ではバイパス弁１８を開弁することで行われる。第２の分流比γ2への変更により、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスは一部が燃料電池２に供給されつつ、残りがバイパスエアとしてバイパス弁１８の下流へと流される。こうすることで、例えば燃料電池２等から排出された水分がバイパス路１７やバイパス弁１８内に流れていたとしても、これらに存在し得る水分をバイパスエアで再び排出路１２へと排出できる。
【００４８】
ここで、バイパスエアにより持ち去られる水分は、排出路１２の上流ではなく、排出路１２の下流に排出されることが好ましい。そこで、本実施形態では、第２の分流比γ2のときのバイパス弁１８は、バイパスエアが排出路１２の上流側へと逆流しないように、所定の開度に設定されている。より具体的には、バイパス弁１８の所定の開度は、燃料電池２から排出された酸化ガスの流れによってバイパスエアの流れを排出路１２の下流側へ指向するような開度であり、例えば全開又は半開である。このように構成することで、排出路１２の上流側の部分（背圧調整弁１６がある部分）や燃料電池２内に水分が逆流することを抑制できる。
【００４９】
なお、排出路１２の配管構造を調整することで、バイパスエアにより持ち去られる水分が排出路１２の下流へと流れるようにしてもよい。例えば、バイパスエアが排出側接続部Ｃにおいて排出路１２の下流側に向かって流出するように、バイパス路１８及び排出路１２の接続形態を構成すればよい。例えば、バイパス路１８の下流端は、排出路１２の上流側でなく、排出路１２の下流側に向かって開口していればよい。
【００５０】
制御装置７は、掃気処理の開始から所定時間ｔ2（ｔ2＞ｔ1を満たす。）が経過するまで、第２の分流比γ2による掃気処理を実行する（ステップＳ５；ＮＯ）。この所定時間ｔ2は、例えば、バイパス弁１８及びその下流側のバイパス路１７の水分の排出が完了する時間に設定される。なお、第２の分流比γ2で掃気処理を実行しているとき、制御装置７は、コンプレッサ１４の回転数の調整や、背圧調整弁１６の開度調整を、適宜行うことができる。
【００５１】
所定時間ｔ2の経過後（ステップＳ５；ＹＥＳ）、制御装置７は、コンプレッサ１４の駆動を停止して、掃気処理を終了する（ステップＳ６）。この掃気処理の終了のときに、バイパス弁１８を閉じるようにするとよい。排気処理の終了後、燃料電池システム１の運転停止が完了し、燃料電池システム１は次の起動を待つ状態となる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、その運転停止時に掃気処理を実行するため、燃料電池２内に存在し得る水分を排出路１２の下流へと排出できると共に、掃気処理の途中で分流比γが大きくなるように変更するため、バイパス路１７やバイパス弁１８に存在し得る水分をバイパスエアにより排出路１２の下流へと排出できる。
【００５３】
これにより、燃料電池２内はもとより、排出路１２、排出路１２上の背圧調整弁１６、バイパス路１７、及びバイパス弁１８のそれぞれの内部を掃気することができる。したがって、運転終了後の燃料電池システム１が低温環境下（例えば氷点下）におかれたとしても、各種構成要素（２、１２，１６，１７及び１８）内での氷結を抑制でき、各種構成要素（２、１２，１６，１７及び１８）の凍結を抑制でき、その結果、次の起動時の始動性を高めることができる。
【００５４】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、掃気処理のときに、加湿器１５により加湿されていない比較的低湿潤のバイパスエアがバイパス弁１８の下流へと流れる。これにより、水分含有率の低いバイパスエアをバイパス弁１８及びバイパス路１７の下流に供給できるため、バイパス弁１８及びバイパス路１７の掃気を好適に行うことができる。
【００５５】
上記の例では分流比γを二段階で変更したが、もちろん多段階又は無段階（連続的）に変更しても良い。また、掃気処理に用いるガスとして酸化ガスを例に説明したが、酸化ガスを用いない掃気処理についても本実施形態の骨子を適用することができる。例えば、掃気処理用のガスとして窒素ガスなどの不活性ガスを用い、別の供給機又は上記のコンプレッサ１４を駆動することで、掃気処理の途中で分流比γを変更するようにしてもよい。
【００５６】
＜変形例＞
次に、図５ないし図８を参照して、上記した燃料電池システム１におけるバイパス弁１８の凍結を考慮した構成について説明する。この凍結を考慮した構成は、第１実施形態の掃気処理を実行するか否かに関わらず、上記のような燃料電池システム１の構成に適用できるものである。
【００５７】
＜変形例１＞
図５に示すように、バイパス弁１８にはヒータ２００が設けられている。ヒータ２００は、制御装置７に接続されており、その温度を制御可能に構成されている。このような構成とすることで、バイパス弁１８が凍結したとしても、ヒータ２００を駆動してバイパス弁１８を速やかに解凍することができる。なお、ヒータ２００は、例えば外気温センサ５１の外気温が氷点下以下の場合に駆動するようにすればよい。また、ヒータ２００はバイパス弁１８のバルブボディ内に組み込むようにしても良いし、バルブボディに付属させるようにしても良い。
【００５８】
＜変形例２＞
図６に示すように、バイパス弁１８の下流側（二次側）にはフィルタ２１０が設けられている。フィルタ２１０は、多孔体フィルタからなり、排出路１２上ではなくバイパス路１７上に設けられる。このような構成とすることで、燃料電池システム１の運転等によって生成水等の水分がバイパス弁１８に流れ込むことをフィルタ２１０で抑制できる。これにより、低温時のバイパス弁１８での水分の氷結を抑制できる。
【００５９】
＜変形例３＞
図７の一点鎖線２２０で示すように、コンプレッサ１４とバイパス弁１８とは、一体型の構造で構成されている。例えば、コンプレッサ１４の筐体の一部にバイパス弁１８を組み込むようにすることで、両者を一体型の構造で構成することができる。コンプレッサ１４は駆動時にモータの排熱等によって外部に放熱するが、この放熱によりバイパス弁１８を保温又は加熱することができる。これにより、バイパス弁１８の凍結を抑制できると共に、仮に凍結した場合にも解凍することができる。
【００６０】
＜変形例４＞
図８に示すように、冷媒配管系５は、冷媒をバイパス弁１８に循環する冷媒回路を備えている。この冷媒回路は、バイパス弁１８の例えばバルブボディに冷媒を供給する供給回路２３０と、バイパス弁１８の例えばバルブボディを通流した冷媒が排出される排出回路２３１と、を有している。供給回路２３０の一端は、燃料電池２の冷媒出口付近の冷媒流路４１の部分に連通している。排出回路２３１の一端は、ラジエータ４３の下流の冷媒流路４１の部分に連通している。
【００６１】
上記したとおり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃であるから、冷媒出口付近の冷媒の温度は、およそ６０〜８０℃である。上記構成により、この温度の冷媒をバイパス弁１８に循環させることができ、バイパス弁１８において熱交換に供することができる。これにより、バイパス弁１８の保温又は加熱が可能となるため、バイパス弁１８の凍結を抑制できると共に、仮に凍結した場合にも解凍できる。なお、供給回路２３０又は排出回路２３１に開閉弁を設けて、開閉弁によりバイパス弁１８への冷媒の循環及びその停止を制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示す。
【図４】第１実施形態に係る燃料電池システム１の運転終了時における処理フローを示すフローチャートである。
【図５】変形例１に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【図６】変形例２に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【図７】変形例３に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【図８】変形例４に係る酸化ガス配管系及び冷媒配管系を拡大して示す構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、７：制御装置、１１：供給路、１２：排出路、１４：コンプレッサ（供給機）、１５：加湿器、１６：背圧調整弁（調圧弁）、１７：バイパス路、１８：バイパス弁、Ｂ：供給側接続部、Ｃ：排出側接続部
【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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【図７】
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【図８】
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