(57)【要約】【課題】燃料電池の劣化を抑制するとともに、燃料電池の運転停止時の消費エネルギを削減する。【解決手段】燃料電池１０と、カソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給するエアポンプ３１と、アノード流路１０ａに掃気ガスを供給して燃料ガスを掃気する掃気手段（エアポンプ３１、開閉弁４１、開閉弁４２）と、制御部６０と、を備える燃料電池システムＳであって、制御部６０は、燃料電池システムＳの発電停止時に、カソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、カソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給しない放置工程と、アノード流路１０ａに掃気ガスを供給する燃料ガス流路掃気工程と、を実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路および燃料ガスが流通する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給して該燃料ガス流路内の燃料ガスを掃気する掃気手段と、
前記酸化剤ガス供給手段および前記掃気手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池システムの発電停止時に、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給しない放置工程と、
前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給する燃料ガス流路掃気工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記酸化剤ガス供給工程と、前記放置工程と、を複数回繰り返した後に、前記燃料ガス流路掃気工程を実施する
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３】
前記制御手段は、
前記酸化剤ガス供給工程と、前記放置工程と、を複数回繰り返した後に、
前記燃料ガス流路に残留する燃料ガスが所定量以下となると、前記燃料ガス流路掃気工程を実施する
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】
前記燃料電池の含水率を検出する含水率検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記含水率検出手段が検出する含水率が高いほど前記放置工程の期間を短くする
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池温度検出手段が検出する温度が所定値未満となると、
前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給する凍結対策掃気工程と、を実施する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば水素ガス）をアノード電極に供給し、酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば空気）をカソード電極に供給して、電気化学反応により、直流の電流エネルギを得るものである。
【０００３】
燃料電池として、例えば、固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと膜電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（アノード流路）が形成されるとともに、他方のセパレータと膜電極接合体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（カソード流路）が形成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料電池の燃料ガス流路（アノード流路）内に燃料ガスが残留し、燃料電池の酸化剤ガス流路（カソード流路）内に酸化剤ガスが残留した状態となっている。このため、特に、燃料電池の停止期間が長くなると、残留した燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過して、電極の触媒や触媒支持体を劣化させ、燃料電池の寿命を低減させるおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池のアノード流路およびカソード流路に掃気ガスを供給する手段を備え、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池のアノード流路およびカソード流路に掃気ガス（空気）を供給して流路内を掃気（空気パージ）する技術が知られている。
【０００６】
また、特許文献２に開示された燃料電池システムは、酸化ガスを外部から取り入れ燃料電池へ酸化剤ガスを供給する駆動手段を備え、発電停止期間において、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を測定し、測定された酸化剤ガスの供給量が燃料電池の酸欠を防止する最低酸素供給量以上となるように断続的に駆動手段を制御する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−５９０６７号公報
【特許文献２】特許４６４５９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池システムは、掃気ガスとして空気を燃料電池のアノード流路に供給するため、燃料電池の停止時に燃料電池のアノード流路内に残留した燃料ガス（水素）と、掃気ガス（空気中の酸素）と、が反応し、アノード電極の触媒や触媒支持体を劣化させ、燃料電池の寿命を減少させるおそれがあった。
【０００９】
また、特許文献２に開示された燃料電池システムは、燃料電池の停止処理が完了するまで繰り返し燃料電池のカソード流路に酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、酸化剤ガスを供給する際に消費するエネルギ（例えば、エアポンプを動作させるためのエネルギ）が大きくなっていた。
特に、燃料電池の電解質膜が炭化水素系電解質膜（ＨＣ系電解質膜）であって、電解質膜の含水率が低い場合、アノード流路の水素がカソード流路へクロスオーバーする速度が遅いため、アノード流路の水素が減少するまで、長い時間を要していた。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池の劣化を抑制するとともに、燃料電池の運転停止時の消費エネルギを削減する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路および燃料ガスが流通する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給して該燃料ガス流路内の燃料ガスを掃気する掃気手段と、前記酸化剤ガス供給手段および前記掃気手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池システムの発電停止時に、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給しない放置工程と、前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給する燃料ガス流路掃気工程と、を実施することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
このような構成によれば、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して燃料ガス流路に残留した燃料ガスを減少させた後に、燃料ガス流路に掃気ガスを供給して掃気するので、燃料電池システムの運転停止に伴う処理の時間を短縮することができるとともに、触媒が劣化することを低減し、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給工程と、前記放置工程と、を複数回繰り返した後に、前記燃料ガス流路掃気工程を実施することが好ましい。
【００１４】
このような構成によれば、燃料ガス流路に残留した燃料ガスをより減少させることができ、触媒が劣化することを低減し、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給工程と、前記放置工程と、を複数回繰り返した後に、前記燃料ガス流路に残留する燃料ガスが所定量以下となると、前記燃料ガス流路掃気工程を実施することが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、燃料ガス流路に残留した燃料ガスが減少した後に、燃料ガス流路に掃気ガスを供給して掃気するので、触媒が劣化することを低減し、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の含水率を検出する含水率検出手段を備え、前記制御手段は、前記含水率検出手段が検出する含水率が高いほど前記放置工程の期間を短くすることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、酸化剤ガス（酸素）が不足することによる触媒の劣化を低減し、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池温度検出手段が検出する温度が所定値未満となると、前記燃料ガス流路に掃気ガスを供給する凍結対策掃気工程と、を実施することが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、燃料ガス流路に残留する燃料ガスを排出するとともに、燃料ガス流路に残留する燃料ガスと酸化剤ガスの反応により生成した水を排出し、燃料電池内に残留する水が凍結することによる燃料電池の劣化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池の劣化を抑制するとともに、燃料電池の運転停止時の消費エネルギを削減する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの運転停止処理のフローチャート（前半）である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの運転停止処理のフローチャート（後半）である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの運転停止処理のタイムチャートの例である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池システムの運転停止処理（凍結防止処理）のタイムチャートの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２４】
≪燃料電池システム≫
まず、本実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システムＳの構成について、図１を用いて説明する。図１に示す燃料電池システムＳは、例えば、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。
【００２５】
燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、水素（燃料ガス）が貯蔵された水素タンク２１と、水素遮断弁２２と、エゼクタ２３と、空気（酸化剤ガス・掃気ガス）を圧送するエアポンプ３１と、開閉弁４１と、開閉弁４２と、温度センサ５１と、温度センサ５２と、ＩＧ５３と、制御部６０と、を備えている。なお、本実施形態において、燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気であるものとして説明するが、燃料ガスおよび酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されるものではない。
【００２６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば数十〜数百枚）の固体高分子型の単セル（燃料電池）が積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜１１（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２７】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００２８】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１０ａ（燃料ガス流路）、カソード流路１０ｃ（酸化剤ガス流路）として機能している。また、このようなアノード流路１０ａ、カソード流路１０ｃは、特に単セルの全面に水素、空気を供給するべく、複数に分岐、合流等しており、その流路断面積は極小となっている。
【００２９】
そして、アノード流路１０ａを介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１０ｃを介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（開回路電圧）が発生することにより発電することができるようになっている。
【００３０】
２Ｈ２→４Ｈ+＋４ｅ-           ……（１）
Ｏ２＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ２Ｏ    ……（２）
【００３１】
このように燃料電池スタック１０が発電すると、水分（水蒸気）がカソードで生成され、カソード流路１０ｃから排出される酸化剤排ガスは多湿となる。
【００３２】
＜燃料ガス供給路＞
水素（燃料ガス）が貯蔵された水素タンク２１から、配管２０ａ、水素遮断弁２２、配管２２ｂ、エゼクタ２３、配管２０ｃを介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａの入口に接続する燃料ガス供給路が形成されている。そして、水素タンク２１の水素（燃料ガス）が、燃料ガス供給路（配管２０ａ、水素遮断弁２２、配管２２ｂ、エゼクタ２３、配管２０ｃ）を通って、アノード流路１０ａに供給することができるようになっている。
【００３３】
水素遮断弁２２は、常閉型の遮断弁であり、制御部６０により開閉が制御されるようになっている。制御部６０は、燃料電池システムＳの運転時（燃料電池スタック１０の発電時）、水素遮断弁２２を開弁するようになっている。
【００３４】
エゼクタ２３は、水素タンク２１からの水素（燃料ガス）をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって後述する配管２０ｅの燃料排ガスを吸引するものである。
【００３５】
＜燃料排ガス再循環路＞
アノード流路１０ａの出口と接続された配管２０ｄから分岐する配管２０ｅは、エゼクタ２３の吸気口に接続され、アノード流路１０ａの出口から配管２０ｄ、配管２０ｅ、エゼクタ２３、配管２０ｃを介してアノード流路１０ａの入口に接続する燃料排ガス再循環路が形成されている。なお、アノード流路１０ａの出口から排出される燃料排ガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。
このような構成により、アノード流路１０ａの出口から排出された未反応の水素を含む燃料排ガスが配管２０ｄ、配管２０ｅ、エゼクタ２３、配管２０ｃを通ってアノード流路１０ａの入口へと供給され、燃料電池システムＳの運転時における水素の利用効率を高めることができるようになっている。
また、配管２０ｅには、燃料排ガスに含まれる水分（凝縮水（液体）、水蒸気（気体））を分離・回収する気液分離器（図示せず）が設けられている。
【００３６】
＜燃料排ガス排出路＞
アノード流路１０ａの出口は、配管２０ｄ、開閉弁４２、配管２０ｆを介して、希釈器（図示せず）と接続する燃料排ガス排出路が形成されている。そして、アノード流路１０ａの出口から排出された燃料排ガスは、燃料排ガス排出路（配管２０ｄ、開閉弁４２、配管２０ｆ）を通って、希釈器（図示せず）に送られ、希釈器で後記する酸化剤排ガスと混合して希釈され、外部に排出することができるようになっている。
【００３７】
開閉弁４２は、常閉型の遮断弁であり、制御部６０により開閉が制御されるようになっている。なお、制御部６０は、燃料電池システムＳの運転時において、燃料電池スタック１０の発電が安定していないと判定された場合、所定開弁時間にて、開閉弁４２を開弁するようになっている。これにより、水素濃度の低下した燃料排ガスを排気して、アノード流路１０ａに供給される水素の濃度を上げることができる。
【００３８】
＜酸化剤ガス供給路＞
エアポンプ３１から配管３０ａを介して、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃの入口に接続する酸化剤ガス供給路が形成されている。そして、エアポンプ３１から吐出された酸素を含む空気（酸化剤ガス）が、酸化剤ガス供給路（配管３０ａ）を通って、カソード流路１０ｃに供給することができるようになっている。
【００３９】
エアポンプ３１は、制御部６０により運転が制御され、外部の空気を取り込んで圧縮し、配管３０ａへ圧送することができるようになっている。
【００４０】
＜酸化剤排ガス排出路＞
カソード流路１０ｃの出口は、配管３０ｂを介して、希釈器（図示せず）と接続する酸化剤排ガス排出路が形成されている。そして、カソード流路１０ｃの出口から排出された酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス排出路（配管３０ｂ）を通って、希釈器（図示せず）に送られ、希釈器で燃料排ガスを希釈し、外部に排出することができるようになっている。
【００４１】
＜アノード掃気路＞
酸化剤ガス供給路の配管３０ａから分岐する配管４０ａは、開閉弁４１の一端と接続され、開閉弁４１の他端は、配管４０ｂを介して、燃料ガス供給路の配管２０ｃと接続され、エアポンプ３１から配管３０ａ、配管４０ａ、開閉弁４１、配管４０ｂ、配管２０ｃを介してアノード流路１０ａの入口に接続するアノード掃気路が形成されている。そして、エアポンプ３１から吐出された空気（掃気ガス）が、アノード掃気路（配管３０ａ、配管４０ａ、開閉弁４１、配管４０ｂ、配管２０ｃ）を通って、アノード流路１０ａに供給することができるようになっている。
【００４２】
開閉弁４１は、常閉型の遮断弁であり、制御部６０により開閉が制御されるようになっている。
【００４３】
＜センサ・制御部＞
温度センサ５１は、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａの出口から排出される燃料排ガスの温度を検出するセンサであり、その出力信号を制御部６０に入力する。
なお、後記するように、本実施形態では、温度センサ５１を電解質膜１１の含水率を検出する検出手段として用いている。
【００４４】
温度センサ５２は、燃料電池スタック１０の適所（例えば、燃料電池スタック１０の筐体など）に取り付けられ、燃料電池スタック１０の温度を検出するセンサであり、その出力信号を制御部６０に入力する。
なお、後記するように、本実施形態では、温度センサ５２を燃料電池スタック１０が凍結する（燃料電池スタック１０で燃料ガスと酸化剤ガスが反応することにより生成した水分が凍結する）おそれがあるか否かを検出する検出手段として用いている。
【００４５】
ＩＧ５３は、使用者に操作されることにより燃料電池システムＳの運転／停止（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御部６０に指令するための装置であり、その出力信号（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御部６０に入力する。
【００４６】
制御部６０は、燃料電池システムＳを電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、水素遮断弁２２、エアポンプ３１、開閉弁４１、開閉弁４２等の各種機器を制御するようになっている。
また、燃料電池システムＳには温度センサ５１，５２等の各種センサが設けられており、検出された信号は制御部６０に送信されるようになっている。また、ＩＧ５３から燃料電池システムＳの運転指令（ＩＧ−ＯＮ）または停止指令（ＩＧ−ＯＦＦ）を制御部６０に送信することができるようになっている。
【００４７】
≪燃料電池システムの運転停止処理≫
次に、図２および図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システムＳの制御部６０が実行する運転停止処理について説明する。図２および図３は、本実施形態に係る燃料電池システムＳの運転停止処理のフローチャートである。
【００４８】
制御部６０は、燃料電池システムＳの停止指令（ＩＧ−ＯＦＦ）を検出すると、水素遮断弁２２および開閉弁４２を閉弁し、エアポンプ３１を停止させ、図２および図３に示す運転停止処理を開始する。なお、開閉弁４１は、燃料電池システムＳの運転中は閉弁されている。
【００４９】
ステップＳ１０１において、制御部６０は、掃気実施タイミングの決定を行う。即ち、所定時間Ｔ１（ＩＧ−ＯＦＦ（スタート）から後記する１回目のカソード掃気（Ｓ１０４）を行うまでの時間）、所定時間Ｔ２（後記する１回目のカソード掃気（Ｓ１０４）を行ってから後記する２回目のカソード掃気（Ｓ１０７）を行うまでの時間）、所定時間Ｔ３（後記する２回目のカソード掃気（Ｓ１０７）を行ってから後記する３回目のカソード掃気（Ｓ１１０）を行うまでの時間）、所定時間Ｔ４（後記する３回目のカソード掃気（Ｓ１１０）を行ってから後記するアノード・カソード掃気（Ｓ１１４）を行うまでの時間）を決定する。
【００５０】
制御部６０は、電解質膜１１の含水率と所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４との対応を示すマップ（図示せず）を記憶しており、このマップと電解質膜１１の含水率とに基づいて、所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を決定する。
ここで、マップは、電解質膜１１の含水率が高いほど、所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が短くなるように設定されている。これは、電解質膜１１の含水率が高いほどアノード流路１０ａの水素がカソード流路１０ｃへ透過（クロスオーバー）する速度が速いため、カソード流路１０ｃでの酸素欠乏によるアノード電極の触媒の劣化を防止するためである。
なお、電解質膜１１の含水率と所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４との対応を示すマップは、予備実験やシミュレーション等により事前に求められ、制御部６０に記憶されている。
【００５１】
なお、制御部６０は、ＩＧ−ＯＦＦとなる前の発電状態（例えば、温度センサ５１で検出した燃料排ガスの温度）に基づいて含水率を推定する。
なお、含水率の推定方法は、これに限られるものではなく、燃料電池スタック１０のインピーダンスから計測してもよく、ＩＧ−ＯＦＦとなる前の他の発電状態（例えば、発電時間、燃料電池スタック１０の温度、カソード出口温度、冷媒出口温度、等）から推定してもよい。
【００５２】
ステップＳ１０２において、制御部６０は、温度センサ５２で検出した燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度）が所定値（凍結判定温度）以上であるか否かを判定する。ここで、凍結判定温度は、燃料電池スタック１０に残留する水が凍結するおそれがあるか否かを判定するための閾値である。
燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上の場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。一方、燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上でない場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、図３のステップＳ１１６に進む。
【００５３】
ステップＳ１０３において、制御部６０は、所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ１が経過した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０４に進む。一方、所定時間Ｔ１が経過していない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０２に戻る。
【００５４】
ステップＳ１０４において、制御部６０は、１回目のカソード掃気を実施する。即ち、制御部６０は、エアポンプ３１を所定の回転速度（流量）で所定の時間動作させることにより、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給し、残留する酸化剤排ガスを掃気する。カソード流路１０ｃの酸素が欠乏しないようにするためである。そして、制御部６０は、エアポンプ３１を停止させ、制御部６０の処理は、ステップＳ１０５に進む。
【００５５】
ステップＳ１０５において、制御部６０は、温度センサ５２で検出した燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度）が所定値（凍結判定温度）以上であるか否かを判定する。
燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上の場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０６に進む。一方、燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上でない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、図３のステップＳ１１６に進む。
【００５６】
ステップＳ１０６において、制御部６０は、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ２が経過した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０７に進む。一方、所定時間Ｔ２が経過していない場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０５に戻る。
【００５７】
ステップＳ１０７において、制御部６０は、２回目のカソード掃気を実施する。即ち、制御部６０は、エアポンプ３１を所定の回転速度（流量）で所定の時間動作させることにより、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給し、残留する酸化剤排ガスを掃気する。そして、制御部６０は、エアポンプ３１を停止させ、制御部６０の処理は、図３のステップＳ１０８に進む。
【００５８】
ステップＳ１０８において、制御部６０は、温度センサ５２で検出した燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度）が所定値（凍結判定温度）以上であるか否かを判定する。
燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上の場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０９に進む。一方、燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上でない場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１６に進む。
【００５９】
ステップＳ１０９において、制御部６０は、所定時間Ｔ３が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ３が経過した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１０に進む。一方、所定時間Ｔ３が経過していない場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１０８に戻る。
【００６０】
ステップＳ１１０において、制御部６０は、３回目のカソード掃気を実施する。即ち、制御部６０は、エアポンプ３１を所定の回転速度（流量）で所定の時間動作させることにより、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃに酸化剤ガスを供給し、残留する酸化剤排ガスを掃気する。そして、制御部６０は、エアポンプ３１を停止させ、制御部６０の処理は、ステップＳ１１１に進む。
【００６１】
ステップＳ１１１において、制御部６０は、温度センサ５２で検出した燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度）が所定値（凍結判定温度）以上であるか否かを判定する。
燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上の場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１２に進む。一方、燃料電池温度が所定値（凍結判定温度）以上でない場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１６に進む。
【００６２】
ステップＳ１１２において、制御部６０は、所定時間Ｔ４が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ４が経過した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１３に進む。一方、所定時間Ｔ４が経過していない場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、制御部６０の処理は、ステップＳ１１１に戻る。
【００６３】
ステップＳ１１３において、制御部６０は、開閉弁４１および開閉弁４２を開弁する。
【００６４】
ステップＳ１１４において、制御部６０は、アノード・カソード掃気を実施する。即ち、制御部６０は、エアポンプ３１を所定の回転速度（流量）で所定の時間動作させることにより、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに掃気ガス（空気）を供給し、残留する燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを掃気する。そして、制御部６０は、エアポンプ３１を停止させ、制御部６０の処理は、ステップＳ１１５に進む。
【００６５】
ステップＳ１１５において、制御部６０は、開閉弁４１および開閉弁４２を閉弁し、燃料電池システムＳの運転停止処理を終了する。なお、この状態において、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃは、どちらも掃気ガス（空気）が充填された状態となっている。
【００６６】
次に、燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度）が所定値（凍結判定温度）以上でないと判定された場合（Ｓ１０２・Ｎｏ、Ｓ１０５・Ｎｏ、Ｓ１０８・Ｎｏ、Ｓ１１１・Ｎｏ）、即ち、燃料電池スタック１０に残留する水が凍結するおそれがあると判定された場合について説明する。
ステップＳ１１６において、制御部６０は、開閉弁４１および開閉弁４２を開弁する。
【００６７】
ステップＳ１１７において、制御部６０は、低温対策掃気を実施する。即ち、制御部６０は、エアポンプ３１を所定の回転速度（流量）で所定の時間動作させることにより、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに掃気ガス（空気）を供給し、残留する燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを排気するとともに、残留する水を掃気する。そして、制御部６０は、エアポンプ３１を停止させ、制御部６０の処理は、ステップＳ１１８に進む。
【００６８】
ステップＳ１１８において、制御部６０は、開閉弁４１および開閉弁４２を閉弁し、燃料電池システムＳの運転停止処理を終了する。なお、この状態において、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃは、どちらも掃気ガス（空気）が充填された状態となっている。
【００６９】
図４を用いて、運転停止処理の例を説明する。
図４は、本実施形態に係る燃料電池システムＳの運転停止処理のタイムチャートの例である。なお、図４において、横軸は時間を示し、エアポンプ３１の縦軸は流量を示し、水素遮断弁２２、開閉弁４１、開閉弁４２の縦軸は、弁の開閉（ＯＰＥＮ／ＣＬＯＳＥ）を示す。
【００７０】
まず、図４（ａ）の例について説明する。
制御部６０は、燃料電池システムＳの停止指令（ＩＧ−ＯＦＦ）を検出すると、水素遮断弁２２および開閉弁４２を閉弁し、エアポンプ３１を停止させる。
そして、掃気実施タイミング（所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）を決定し、掃気実施タイミングのタイミングでエアポンプ３１を運転し、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃの掃気（カソード掃気）を行う。
これにより、アノード流路１０ａからカソード流路１０ｃへ透過した水素を酸化剤ガス（空気中の酸素）と反応させることにより消費させ、また、透過した水素をカソード掃気時に酸化剤排ガスとともに外部へ掃気することにより、アノード流路１０ａ内の水素量を減少させるようになっている。
【００７１】
ここで、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａに残留している水素は、電解質膜１１を透過（クロスオーバー）してカソード流路１０ｃへと移動し、カソード流路１０ｃ内の酸素と触媒反応することにより、アノード流路１０ａに残留している水素は減少する。また、水素と酸素の反応によりカソード流路１０ｃ内の酸素も減少する。
【００７２】
ここで、燃料電池スタック１０の電解質膜１１において、電解質膜１１のアノード側表面にのみ水が滞留していると、その滞留水が原因で触媒が電解質膜１１の中に溶出し、触媒が溶出した部分で水素と酸素が反応すると部分的な高電位となり電解質膜１１の劣化につながる。
また、電解質膜１１の表面に滞留水の無い部分（例えば、電解質膜１１の上流側）において、水素がアノード流路１０ａの側からカソード流路１０ｃの側へと透過し、カソード流路１０ｃで水素と酸素が反応した場合、触媒が溶出している部分（アノード側に滞留水のある部分）で局所的に反応すると電解質膜１１の劣化につながる。この透過した水素と酸素とがカソード流路１０ｃの側で反応することによる電解質膜１１の劣化によるダメージは、前述の触媒が溶出した部分で水素と酸素が反応することによる電解質膜１１の劣化によるダメージよりも大きいことが、発明者らの研究によりわかった。
【００７３】
また、燃料電池スタック１０での触媒反応により生成された水は、アノード流路１０ａにおいて燃料排ガスとともにアノード流路１０ａの出口から排出されるようになっており、カソード流路１０ｃにおいて酸化剤排ガスとともにカソード流路１０ｃの出口から排出されるようになっている。このため、電解質膜１１のアノード流路１０ａの出口側付近において水が滞留するおそれがある。
【００７４】
また、カソード流路１０ｃ内の酸素が欠乏した状態においては、配管３０ｂ（酸化剤排ガス排出路）からカソード流路１０ｃ内へと逆拡散した空気中の酸素により、電解質膜１１のカソード流路１０ｃの出口側付近において酸素が相対的に見て豊富な状態となっている。
【００７５】
このため、カソード流路１０ｃ内の酸素が欠乏した状態においては、アノード流路１０ａの側からカソード流路１０ｃの側へと透過した水素が、相対的に見て酸素が豊富な電解質膜１１のカソード流路１０ｃの出口側付近、即ち、触媒が溶出している部分（アノード側に滞留水のある部分）において局所的に酸素と反応することとなり、電解質膜１１の劣化によるダメージが大きくなるおそれがあった。
【００７６】
本実施形態に係る燃料電池システムＳの運転停止処理においては、電解質膜１１の含水率が高くアノード流路１０ａの水素がカソード流路１０ｃへ透過（クロスオーバー）する速度が速いほど、所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が短くなるように設定されている。これにより、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、カソード流路１０ｃでの酸素が欠乏する前に、カソード流路１０ｃへ空気（酸素）を供給してカソード流路１０ｃでの酸素欠乏を防止し、水が滞留していない部分での水素と酸素の反応を促すことで、局所的な反応を減少させ、酸素欠乏によるアノード電極の触媒の劣化を抑制することができる。
【００７７】
そして、図４（ｅ）に示すように、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａに残留した水素が十分に減少した後に、開閉弁４１および開閉弁４２を開弁し、エアポンプ３１を運転して、図４（ｆ）に示すように、アノード流路１０ａを掃気する。併せて、カソード流路１０ｃも掃気する（アノード・カソード掃気）。
これにより、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃを空気で掃気することで、アノード流路１０ａに残存する水素をなくし、アノード流路１０ａ・カソード流路１０ｃともに、空気・空気の状態として、発電停止中の劣化を防止する。
また、特許文献２の燃料電池システムと比較して、カソード掃気の回数を減らすことができ、消費するエネルギ（例えば、エアポンプ３１を動作させるためのエネルギ）を削減することができる。また、ＩＧ−ＯＦＦ後にもエアポンプ３１が動作する期間（即ち、運転停止処理が終了するまでの期間）を短縮することができ、ＩＧ−ＯＦＦ後にもエアポンプ３１が動作することによる使用者の違和感を低減することができる。
【００７８】
また、アノード流路１０ａに残留した水素が十分に減少した後に、アノード流路１０ａを掃気（アノード・カソード掃気）するため、特許文献１の燃料電池システムと比較して、アノード流路１０ａで水素と酸素が反応することによりアノード流路１０ａの触媒が劣化することを抑制することができる。なお、アノード・カソード掃気において、エアポンプ３１の吐出流量は、カソード掃気時よりも大きくすることが望ましい。また、掃気時間も長くすることが望ましい。これにより、アノード流路１０ａ内に残留する水素を排出するとともに、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに残留する水（水素と酸素の反応により生成した水）を排出することができる。
【００７９】
ここで、燃料電池システムＳの停止時において、水素遮断弁２２および開閉弁４２を閉弁すると（なお、開閉弁４１はあらかじめ閉弁されている。）、アノード流路１０ａを含む領域（配管２０ｂ、エゼクタ２３、配管２０ｃ、アノード流路１０ａ、配管２０ｄ、配管２０ｅ、配管４０ｂ）は閉鎖空間となり、その閉鎖空間の容積は予め求めることができる。このため、閉鎖空間の中に残存する水素量は、停止前の燃料電池システムＳの運転状態を考慮して、推定することができる。また、アノード流路１０ａに残存していた水素がカソード流路１０ｃに透過してくる量も予め実験等により、膜含水率をパラメータとして、推定することができる。
【００８０】
このため、残存水素量および膜含水率に基づいて、どのタイミング（水素がある程度透過してきたタイミング、カソード流路１０ｃが酸素欠乏とならないタイミング）で、どのくらいの掃気ガス量（劣化を抑制可能な量）を何回くらい行えばよいかが、予め実験やシミュレーション等により求めておくことができる。即ち、残存水素量および膜含水率ごとに、カソード掃気の掃気実施タイミング（所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）を制御部６０に記憶することにより、本制御を行うことができる。
【００８１】
また、アノード流路１０ａを空気で掃気する際、アノード流路１０ａ内の水素が所定量以下となったかどうかは、カソード掃気（Ｓ１０４、Ｓ１０７、Ｓ１１０参照）の回数で判断することができる。このため、カソード掃気の掃気実施タイミング（所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）とともに、アノード・カソード掃気の掃気実施タイミング（所定時間Ｔ４）も予め実験やシミュレーション等により求めおき、制御部６０に記憶することにより、本制御を行うことができる。これにより、アノード流路１０ａ内の水素が所定量以下となったかどうかを判断して制御することができる。
【００８２】
次に、図５の例について説明する。
燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度；図５に示すＦＣ温度）が所定値（凍結判定温度；図５において太破線で示す）未満となると、開閉弁４１および開閉弁４２を開弁し、エアポンプ３１を運転して、アノード流路１０ａを掃気する。併せて、カソード流路１０ｃも掃気する（低温対策掃気）。
【００８３】
これにより、アノード流路１０ａ内に残留する水素を排出するとともに、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに残留する水（水素と酸素の反応により生成した水）を排出し、残留する水が凍結することによる燃料電池スタック１０の劣化を抑制するとともに、
【００８４】
≪変形例≫
なお、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【００８５】
本実施形態において、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃを掃気（Ｓ１１４）する前に、カソード流路１０ｃのみを３回掃気する（Ｓ１０４、Ｓ１０７、Ｓ１１０）ものとして説明したが、これに限られるものではなく、カソード流路１０ｃのみを掃気する回数は、１回でもよく、２回でもよく、３回より多くてもよい。
【００８６】
本実施形態において、アノード流路１０ａに残留する水素の量は、あらかじめ予備実験やシミュレーション等により求められたカソード掃気の回数を終了することにより、所定量以下となったと判定し、アノード・カソード掃気を行うものとして説明したが、これに限られるものではなく、アノード流路１０ａに残留する水素の量を検出するセンサ（図示せず）を備え、検出した水素量に基づいてアノード・カソード掃気を行うものであってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
Ｓ      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１０ａ  アノード流路（燃料ガス流路）
１０ｃ  カソード流路（酸化剤ガス流路）
１１    電解質膜
２１    水素タンク
２２    水素遮断弁
２３    エゼクタ
３１    エアポンプ（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）
４１    開閉弁（掃気手段）
４２    開閉弁（掃気手段）
５１    温度センサ（含水率検出手段）
５２    温度センサ（燃料電池温度検出手段）
５３    ＩＧ
６０    制御部（制御手段）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｆ  配管
３０ａ，３０ｂ  配管
４０ａ，４０ｂ  配管
【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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