(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止後に、当該燃料電池を掃気する燃料電池掃気手段と、
前記燃料電池掃気手段による前記燃料電池の掃気の完了後、前記燃料電池の下流のデバイスを掃気する下流デバイス掃気手段と、
前記下流デバイス掃気手段による掃気における掃気ガス総体積流量及び掃気時間の少なくとも一方である掃気条件を、前記燃料電池掃気手段による前記燃料電池の掃気完了時における前記燃料電池の下流のデバイス内の水分量に基づいて算出する、掃気条件算出手段と、
を備え、
前記掃気条件算出手段は、
前記燃料電池掃気手段による掃気ガス総体積流量が少なく及び／又は掃気時間が短くなるにつれて、前記燃料電池の掃気完了時における前記燃料電池の下流のデバイス内の水分量が多くなるように算出し、
当該水分量が多くなるにつれて、前記下流デバイス掃気手段による掃気ガス総体積流量及び掃気時間の少なくとも一方が大きくなるように算出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記掃気条件算出手段は、前記水分量を、前記燃料電池の発電時間、又は、前記燃料電池の積算発電量、に基づいて算出する
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３】
発電停止前に前記燃料電池において生成水が略生成していないと推定される場合、前記下流デバイス掃気手段は掃気を実行しない
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記デバイスは、前記燃料電池の酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁を含み、
前記下流デバイス掃気手段による掃気中に、前記背圧弁は開閉される
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５】
前記下流デバイス掃気手段から前記デバイスに向かう掃気ガスが、前記燃料電池をバイパスするバイパス通路を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
このような燃料電池は発電すると、そのカソードで水（水蒸気）を生成する。また、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素、空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池内、これに付随する機器内、これらを接続する配管内は、多湿となる。よって、発電停止後における燃料電池等内の凍結を防止するため、発電停止後、燃料電池等内を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（請求項８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、燃料電池を掃気すると、燃料電池から大量の水分が排出され、その後、掃気を停止すると、燃料電池の下流のデバイス（例えば背圧弁）内で、前記水分が凍結する虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の下流のデバイスにおける凍結を防止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】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の発電停止後に、当該燃料電池を掃気する燃料電池掃気手段と、前記燃料電池掃気手段による前記燃料電池の掃気の完了後、前記燃料電池の下流のデバイスを掃気する下流デバイス掃気手段と、前記下流デバイス掃気手段による掃気における掃気ガス総体積流量及び掃気時間の少なくとも一方である掃気条件を、前記燃料電池掃気手段による前記燃料電池の掃気完了時における前記燃料電池の下流のデバイス内の水分量に基づいて算出する、掃気条件算出手段と、を備え、前記掃気条件算出手段は、前記燃料電池掃気手段による掃気ガス総体積流量が少なく及び／又は掃気時間が短くなるにつれて、前記燃料電池の掃気完了時における前記燃料電池の下流のデバイス内の水分量が多くなるように算出し、当該水分量が多くなるにつれて、前記下流デバイス掃気手段による掃気ガス総体積流量及び掃気時間の少なくとも一方が大きくなるように算出することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
ここで、燃料電池の下流のデバイス（機器）は、背圧弁、希釈器、パージ弁等の機器だけでなく、これらを接続する配管も含む。また、燃料電池、下流のデバイスの掃気とは、掃気ガスによって、これらの内部に残留する水分を押し出すことであり、掃気ガスとしては空気や窒素等が使用される。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池掃気手段による燃料電池の掃気の完了後、下流デバイス掃気手段が燃料電池の下流のデバイスを掃気し、下流のデバイス内の水分（水蒸気、結露水等）を外部に押し出す。これにより、その後、下流のデバイス内で、水分が凍結することは防止される。したがって、下流のデバイスを構成する配管等が凍結により閉塞することもなく、また、背圧弁等が凍結により作動不能になることは防止される。よって、燃料電池システムが再起動しても、下流のデバイスを良好に作動させ、燃料電池に反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を好適に供給し、良好に再起動することができる。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、掃気条件算出手段が、下流デバイス掃気手段による掃気における掃気ガス総体積流量及び掃気時間の少なくとも一方である掃気条件を、燃料電池掃気手段による燃料電池の掃気完了時における燃料電池の下流のデバイス内の水分量に基づいて、適切に算出することができる。
そして、その算出結果である掃気条件に従って、下流デバイス掃気手段が作動することにより、下流デバイス掃気手段による無駄なエネルギ消費（後記する実施形態では電力）や、不要な作動音の発生を防止できる。
【００１２】
また、前記掃気条件算出手段は、前記水分量を、前記燃料電池の発電時間、又は、前記燃料電池の積算発電量、に基づいて算出することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、掃気条件算出手段が、燃料電池の掃気完了時における下流のデバイス内の水分量を、燃料電池の発電時間、燃料電池の積算発電量、燃料電池掃気手段による掃気時間、及び、前記燃料電池掃気手段による掃気ガスの総体積流量の少なくとも１つに基づいて、適切に算出することができる。
【００１４】
また、発電停止前に前記燃料電池において生成水が略生成していないと推定される場合、前記下流デバイス掃気手段は掃気を実行しないことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、例えば、発電停止前の発電時間が短く、発電停止前に燃料電池において生成水が略生成していないと推定される場合、下流デバイス掃気手段は掃気を実行しない。これにより、下流デバイス掃気手段による無駄なエネルギ消費を低減すると共に、不要な作動音の発生を防止できる。
なお、後記する実施形態のように、発電停止前に燃料電池において生成水が略生成していないと推定される場合、燃料電池掃気手段による燃料電池の掃気も実行しない構成としてもよい。
【００１６】
また、前記デバイスは、前記燃料電池の酸化剤ガス流路の下流に設けられた背圧弁を含み、前記下流デバイス掃気手段による掃気中に、前記背圧弁は開閉されることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、下流デバイス掃気手段による掃気中に、背圧弁は開閉、つまり背圧弁の弁体が開側及び閉側に作動されるので、背圧弁に付着する水滴を振り落としつつ、下流のデバイスを流れる掃気ガスに圧力変動を生じさせ、掃気ガス等に脈動を付与し、水分の排出性を高めることができる。
【００１８】
また、前記下流デバイス掃気手段から前記デバイスに向かう掃気ガスが、前記燃料電池をバイパスするバイパス通路を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、下流デバイス掃気手段による掃気時において、掃気ガスがバイパス通路を経由し、燃料電池をバイパスすることにより、下流のデバイスに向かう掃気ガスが燃料電池から圧力損失を受けることはない。これにより、下流デバイス掃気手段が過負荷を受けずに作動することができる。また、燃料電池のＭＥＡ（特に電解質膜）が過乾燥することも防止できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池の下流のデバイスにおける凍結を防止する燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
【００２２】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、カソード流路１２をバイパスさせるバイパス系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ８０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２３】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に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、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、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（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。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から主に構成されると共に、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）を含んでいる。
【００２４】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝及がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２５】
そして、アノード流路１１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１２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（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ６１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
なお、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００２６】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、常閉型のパージ弁２４と、温度センサ２５とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ８０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。
【００２７】
アノード流路１１の出口には、配管２３ｂが接続されており、配管２３ｂの下流端はエゼクタ２３の吸引口に接続されている。そして、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管２３ｂを介してエゼクタ２３に戻され、エゼクタ２３において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。その結果、水素がアノード流路１１を経由して循環し、水素の有効利用が図られている。
【００２８】
また、配管２３ｂの途中は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、希釈器３４に接続されている。そして、図示しない電圧センサで検出される単セルの電圧（セル電圧）が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）が多いとＥＣＵ８０で判断された場合、ＥＣＵ８０によってパージ弁２４は開かれ、不純物を含むアノードオフガスが配管２４ａ、２４ｂを介して、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００２９】
温度センサ２５は、アノードオフガスが流れる配管２３ｂに設けられており、配管２３ｂ内の温度を、燃料電池スタック１０及び／又はシステム温度として検出し、この検出した温度をＥＣＵ８０に出力するようになっている。
ただし、温度センサ２５の位置はこれに限定されず、後記する配管３２ｂや、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が流れる配管（図示しない）や、燃料電池スタック１０自体に設けてもよい。
【００３０】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ８０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。
また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０のアノード流路１１、カソード流路１２の掃気時には、燃料電池掃気手段として機能する。そして、燃料電池スタック１０の掃気完了後、燃料電池スタック１０の下流のデバイス（背圧弁３３等）の掃気時には、下流デバイス掃気手段として機能する。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は後記する高圧バッテリ６４を電源としている。
【００３１】
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃ、背圧弁３３、配管３３ａを順に介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１２から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３４に供給されるようになっている。
【００３２】
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。また、配管３１ａと配管３２ａとを接続するバイパス配管（図示しない）が設けられており、燃料電池スタック１０の掃気時、及び、背圧弁３３等のデバイスの掃気時おいて、コンプレッサ３１からの掃気ガスがバイパス配管を流れ、加湿器３２をバイパスするようになっている。
【００３３】
背圧弁３３は、アノード流路１１内のガス圧力と、カソード流路１２内のガス圧力（背圧弁３３の背圧）とをバランスさせるため、ＥＣＵ８０により制御される弁であり、例えばバタフライ弁から構成される。
希釈器３４は、パージ弁２４が開かれた場合に導入されるアノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３４ａを介して、車外に排出されるようになっている。なお、配管３４ａには、図示しないサイレンサ（消音器）が設けられている。
【００３４】
＜燃料電池スタックの下流のデバイス＞
ここで、本実施形態おける燃料電池スタック１０の下流のデバイスは、アノード側の下流のデバイスと、カソード側の下流のデバイスと、を含んでいる。具体的には、アノード側の下流のデバイスは、配管２４ａと、パージ弁２４と、配管２４ｂとを含んでいる。カソード側の下流のデバイスは、配管３２ｂと、加湿器３２と、配管３２ｃと、背圧弁３３と、配管３３ａと、希釈器３４と、配管３４ａとを含んでいる。
【００３５】
＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０及び燃料電池スタック１０の下流のデバイスの掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く系であり、常閉型の掃気弁４１を備えている。掃気弁４１の上流は、配管４１ａを介して配管３１ａに接続されており、掃気弁４１の下流は、配管４１ｂを介して配管２３ａに接続されている。
そして、燃料電池スタック１０等を掃気する場合、例えばシステム停止中において、温度センサ２５が検出するシステム温度が０℃未満となり、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある場合、ＥＣＵ８０はコンプレッサ３１を作動すると共に、掃気弁４１を開く設定となっている。
【００３６】
＜バイパス系＞
バイパス系（バイパス通路）は、カソード側の下流のデバイス（背圧弁３３等）を掃気する場合において、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、燃料電池スタック１０のカソード流路１２をバイパス（迂回）させるための系であり、バイパス時にＥＣＵ８０によって開かれるバイパス弁５１を備えている。バイパス弁５１の上流は、配管５１ａを介して配管３２ａに接続されており、バイパス弁５１の下流は配管５１ｂを介して配管３２ｂに接続されている。
その他、バイパス弁５１に代えて、配管５１ｂと配管３２ｂの合流位置に三方弁を設け、この三方弁を適宜に開閉し、バイパスさせる構成としてもよい。
【００３７】
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する系であって、走行モータ６１と、コンタクタ６２と、出力検出器６３と、高圧バッテリ６４とを備えている。
走行モータ６１は、コンタクタ６２、出力検出器６３を介して燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、高圧バッテリ６４は、走行モータ６１とコンタクタ６２との間に接続されている。走行モータ６１は、燃料電池自動車の動力源であり、コンタクタ６２は、ＥＣＵ８０によって、燃料電池スタック１０と走行モータ６１等との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。すなわち、コンタクタ６２がＯＦＦされると、燃料電池スタック１０から電流が取り出されず、燃料電池スタック１０の発電は停止する。
【００３８】
出力検出器６３は、燃料電池スタック１０の出力電流及び出力電圧を検出するものであり、電流センサ及び電圧センサを備えている。そして、出力検出器６３は、出力電流及び出力電圧をＥＣＵ８０に出力するようになっており、ＥＣＵ８０は、出力電流及び出力電圧を検知すると共に、発電電力（Ｗ、発電量）や積算発電電力（Ｗｈ、積算発電量）を適宜に算出するようになっている。
【００３９】
高圧バッテリ６４は、リチウムイオン型等の二次電池から構成され、燃料電池スタック１０の余剰発電電力や、走行モータ６１の回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック１０の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック１０を補助するものである。
【００４０】
＜ＩＧ＞
ＩＧ７１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ７１はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０はＩＧ７１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００４１】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ８０（掃気条件算出手段）は、燃料電池システム１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、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
なお、ＥＣＵ８０による具体的制御内容は、図２のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。
【００４２】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図２を主に参照して説明する。
なお、ＩＧ７１がＯＦＦされると、図２のフローチャートに示す処理がスタートする。また、ＩＧ７１のＯＦＦ前（初期状態）において、コンタクタ６２はＯＮされており、燃料電池スタック１０は運転者からの発電要求に応じて発電している。また、ここでは、カソード流路１２及びアノード流路１１の掃気の後、カソード側の下流のデバイス（背圧弁３３、配管３２ｂ等）を掃気する場合を例示する。
【００４３】
ステップＳ１０１において、ＩＧ７１のＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ８０は、コンタクタ６２をＯＦＦする。これにより、燃料電池スタック１０の発電が停止する。
【００４４】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ８０は、温度センサ２５を介して検出される現在のシステム温度が低温（例えば０度未満）であるか否かを判定する。低温と判定するための判定基準温度は、その後、燃料電池スタック１０内が凍結する虞があるとされる温度であり、事前試験等により求められる。
システム温度が低温であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、システム温度が低温でないと判定された場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０３に進む。
【００４５】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０２の判定後、所定時間Δｔ１（例えば３０分〜１時間）経過したか否かを判定する。
所定時間Δｔ１経過したと判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０２に進む。これにより、発電停止直後は、低温でなかったとしても（Ｓ１０２・Ｎｏ）、その後、所定時間Δｔ１経過毎（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、低温であるか否かの判定処理が実行されるので、凍結が防止される。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。
【００４６】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ８０は、発電停止前における燃料電池スタック１０の発電において、発電に伴う電極反応により、燃料電池スタック１０で生成水が発生したか否かを判定する。
具体的には、ＥＣＵ８０の内部クロックで求められる燃料電池スタック１０の発電時間により、ＩＧ７１のＯＮ後に短時間でＩＧ７１がＯＦＦされたため（いわゆるチョイガケ時）、停止前の燃料電池スタック１０の発電時間が短い場合（例えば３分以下）、生成水が略発生していない判断される。また、低温環境下（例えば０℃未満）での起動後、燃料電池スタック１０の暖機完了前に発電停止した場合も、発電に伴う生成水は略生成していないと判断される。
【００４７】
そして、生成水は発生していると判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０５に進む。
一方、生成水は略発生していないと判定された場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はエンドに進む。このように生成水は略発生しておらず、エンドに進む場合、ステップＳ１０５のカソード掃気、ステップＳ１０７のアノード掃気、及び、ステップＳ１１１の下流デバイスの掃気は、省略される。これにより、コンプレッサ３１を不要に作動させることはなく、コンプレッサ３１の作動音を低減すると共に、高圧バッテリ６４の電力消費を抑えることができる。
【００４８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ８０は、カソード流路１２の掃気（カソード掃気）を開始する。具体的には、ＥＣＵ８０は、コンプレッサ３１の回転速度をカソード掃気用に高め（図６参照）、コンプレッサ３１からの掃気ガスをカソード流路１２に導入し、カソード流路１２の水分（生成水等）を押し出す。そうすると、燃料電池スタック１０の下流のデバイス内の水分量は、一旦増加した後、徐々に下がっていく（図６参照）。
【００４９】
カソード掃気の実行時間は、停止前における燃料電池スタック１０の発電時間と、発電停止後の経過時間と、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度と、図３のマップとに基づいて算出される。図３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。そして、図３に示すように、燃料電池スタック１０の発電時間が長くなるほど、カソード掃気の実行時間が長くなるように算出される。
【００５０】
また、このよう算出されるカソード掃気の実行時間は、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度、及び／又は、発電停止後の経過時間に基づいて、適宜に補正される。詳細には、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度が低いほど、燃料電池スタック１０内で結露水が生成しやすいので、カソード掃気の実行時間が長くなるように補正される。また、発電停止後の経過時間が長くなると、燃料電池スタック１０の温度が下がり、生成した結露水の量が多くなるので、カソード掃気の実行時間が長くなるように補正される。
なお、後記するアノード流路１１の掃気（アノード掃気）の実行時間についても、同様に算出される。
【００５１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ８０は、カソード掃気が完了したか否か、つまり、ステップＳ１０５のカソード掃気の開始から、図３のマップ等に基づいて求められたカソード掃気時間が経過したか否かを判定する。
カソード掃気は完了したと判定された場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、カソード掃気は完了していないと判定された場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０はステップＳ１０７の判定を繰り返す。
【００５２】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ８０は、アノード流路１１の掃気（アノード掃気）を開始する。具体的には、ＥＣＵ８０は、コンプレッサ３１の回転速度をアノード掃気用に高めつつ（図６参照）、掃気弁４１及びパージ弁２４を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスをアノード流路１１に導入し、アノード流路１１の水分（生成水等）を押し出す。そうすると、燃料電池スタック１０の下流のデバイス内の水分量は、一旦増加した後、徐々に下がっていく（図６参照）。
なお、アノード掃気時のコンプレッサ３１の回転速度は、カソード掃気時及び後記する下流デバイスの掃気時よりも高く設定される（図６参照）。
【００５３】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ８０は、アノード掃気が完了したか否か、つまり、ステップＳ１０７のアノード掃気の開始から、図３のマップ等に基づいて求められたアノード掃気時間が経過したか否かを判定する。
アノード掃気は完了したと判定された場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０９に進む。このようにステップＳ１０９に進む場合、本実施形態では、ＥＣＵ８０（燃料電池掃気完了判定手段）により、燃料電池スタック１０の掃気が完了したと判定される。
一方、アノード掃気は完了していないと判定された場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０はステップＳ１０８の判定を繰り返す。
【００５４】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ８０（掃気条件算出手段）は、掃気完了時において、燃料電池スタック１０の下流のデバイス（背圧弁３３、希釈器３４、配管３２ｂ等）に残留する水分量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ８０は、停止前における燃料電池スタック１０の発電時間（及び／又は燃料電池スタック１０の積算発電電力（Ｗｈ、積算発電量））と、カソード掃気時間と、アノード掃気時間と、図４のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０の下流のデバイスに残留する水分量を算出する。また、カソード掃気時間と、アノード掃気時間に代えて、又は加えて、カソード掃気時、アノード掃気時における掃気ガスの総体積流量に基づいて、水分量を算出してもよい。
なお、カソード掃気時、アノード掃気時における掃気ガスの総体積流量は、例えば、コンプレッサ３１から吐出される掃気ガスの吐出量（Ｌ／分）と作動時間との積から求めることができる。その他、配管２３ａ、３１ａ等に流量センサを設けて求めることもできる。
【００５５】
図４のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。図４に示すように、燃料電池スタック１０の発電時間が長く、積算発電電力（積算発電量）が大きく、カソード・アノード掃気時間が短いほど（掃気ガスの総体積流量が少ないほど）、燃料電池スタック１０の下流のデバイスに残留する水分量が多くなる関係となっている。
これは、燃料電池スタック１０の発電時間が長く、積算発電電力（積算発電量）が大きくなるほど、発電に伴う生成水が多くなり、下流のデバイスに残留する水分量が多くなるからである。また、カソード・アノード掃気時間が短いほど（掃気ガスの総体積流量が少ないほど）、燃料電池スタック１０から押し出された水分が、下流のデバイスに残留したままとなりやすいからである。
【００５６】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ８０（掃気条件算出手段）は、ステップＳ１０９で算出した水分量と、図５のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０の下流のデバイスの掃気時間（及び／又は掃気ガスの総体積流量）を、算出する。図５のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。また、図５に示すように、燃料電池スタック１０の下流の水分量が多くなるほど、掃気時間（掃気ガスの総体積流量）が大きくなる関係となっている。
【００５７】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０のカソード側の下流のデバイス（背圧弁３３等）の掃気を開始する（図６参照）。具体的には、ＥＣＵ８０は、コンプレッサ３１を下流デバイス掃気用の回転速度で作動させると共に、背圧弁３３を開き、下流のデバイス（背圧弁３３等）に供給し、その内部の水分を車外に押し出す。これにより、下流のデバイス内の水分量が徐々に下がる（図６参照）。
コンプレッサ３１の回転速度（掃気ガスの吐出流量）は、下流のデバイスの流路断面積や、流路の撥水性等に関係し、事前試験等により求められる。また、コンプレッサ３１の回転速度は、残留する水分を確実に排出するために必要な回転速度（掃気ガス必要吐出流量）よりも高めに設定される（図６参照）。
【００５８】
この場合において、ＥＣＵ８０は、背圧弁３３を適宜に開閉、つまり、背圧弁３３の弁体を開側及び閉側に往復作動させる。これにより、背圧弁３３の弁体に付着していた水滴が振り落とされ、背圧弁３３の凍結防止が図られる。また、このように背圧弁３３を開閉すると、背圧弁３３を通る掃気ガスの圧力が変動して、掃気ガスが脈動し、背圧弁３３に接続する配管３２ｃ、３３ａが脈動するので、水分の排出性を高めることができる。
【００５９】
また、この場合において、ＥＣＵ８０は、バイパス弁５１を開く。そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、カソード流路１２をバイパス、つまり、配管３２ａから配管５１ａ、配管５１ｂを介して、配管３２ｂに流れ込む。これにより、掃気ガスが、カソード流路１２から圧力損失を受けずに、配管３２ｂに流れ込むことができ、過負荷を受けることなくコンプレッサ３１が作動できる。また、燃料電池スタック１０のＭＥＡ（特に電解質膜）の過乾燥も防止できる。
【００６０】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１１０で求めた掃気時間（及び／又は掃気ガスの総体積流量）と、ステップＳ１１１での掃気開始後の掃気時間（及び／又は掃気ガスの総体積流量）とに基づいて、燃料電池スタック１０のカソード側の下流のデバイスの掃気が完了したか否かを判定する。
なお、掃気時間と掃気ガスの総体積流量との両方に基づいて完了判定すると、誤判定を防止できる。
【００６１】
そして、デバイスの掃気は完了したと判定された場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はエンドに進む。一方、デバイスの掃気は完了していないと判定された場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０はステップＳ１１２の判定を繰り返す。
【００６２】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
カソード流路１２及びアノード流路１１の掃気の完了後、カソード流路１２の下流に配置される背圧弁３３、希釈器３４、配管３２ｂ等のデバイスを掃気し、その内部の水分を外部に押し出すので、これらデバイス内で水分が凍結することを防止できる。
これにより、背圧弁３３等が凍結により作動不動となること、加湿器３２内が凍結し加湿不能になること又は破損すること、希釈空間の凍結により希釈器３４の希釈性能が低下すること、配管３２ｂ等が凍結により閉塞することは防止される。したがって、その後、ＩＧ７１がＯＮされ、システムを再起動する場合、背圧弁３３等を良好に作動させ、カソード流路１２に空気を好適に供給し、燃料電池スタック１０を再発電することができる。
【００６３】
また、燃料電池スタック１０の掃気完了時における下流のデバイス内の水分量を、燃料電池スタック１０の発電時間、積算発電量、燃料電池スタック１０の掃気時間、掃気ガスの総体積流量に基づいて、適切に算出することができる。
そして、この算出された水分量に基づいて、燃料電池スタック１０の下流のデバイスの掃気時間（及び／又は掃気ガスの総体積流量）を、適切に算出し、これに従ってコンプレッサ３１を適切に作動させることができる。
【００６４】
さらに、発電停止前の燃料電池スタック１０において、生成水が略生成していない場合、カソード掃気、アノード掃気、及び、下流デバイス掃気を実行しないので、コンプレッサ３１による無駄な電力消費及び作動音を抑えることができる。
【００６５】
さらにまた、下流デバイスの掃気時には、背圧弁３３を開閉することにより、水分の排出性を高めることができる。また、掃気ガスがカソード流路１２をバイパスするので、コンプレッサ３１に過負荷を与えずに作動しつつ、ＭＥＡの過乾燥を防止できる。
【００６６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組み合わせてもよい。
【００６７】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の掃気の完了後、カソード流路１２の下流のデバイス（背圧弁３３等）を掃気する場合を例示したが、燃料電池スタック１０の掃気の完了後に、掃気弁４１も開き、アノード流路１１の下流のデバイス（パージ弁２４等）も掃気してもよい。この場合、配管２３ａと配管２３ｂとをバイパス配管（バイパス通路）で接続し、掃気ガスがアノード流路１１をバイパスするようにしてもよい。
【００６８】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０を掃気する場合、カソード掃気、アノード掃気の順で実行する場合を例示したが、アノード掃気、カソード掃気の順でもよい。また、カソード掃気及びアノード掃気の一方のみを実行し、その後、下流のデバイスを掃気する構成でもよい。
【００６９】
前記した実施形態では、コンプレッサ３１が、燃料電池スタック１０のカソード流路１２及びアノード流路１１を掃気する燃料電池掃気手段と、カソード流路１２の下流のデバイスを掃気する下流デバイス掃気手段との機能を発揮する場合を例示したが、これに限定されず、例えば、下流デバイス掃気手段として、別のコンプレッサや窒素タンクを備える構成としてもよい。
【００７０】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの掃気動作を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池スタックの発電時間と、カソード・アノード掃気時間（掃気ガス総体積流量）と、の関係を示すマップである。
【図４】燃料電池スタックの発電時間（積算発電電力）と、カソード（アノード）掃気時間と、燃料電池スタックの下流のデバイス内の水分量と、の関係を示すマップである。
【図５】燃料電池スタックの下流のデバイス内の水分量と、掃気時間（掃気ガスの総体積流量）と、の関係を示すマップである。
【図６】本実施形態に係る燃料電池システムの掃気動作における一動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
２４    パージ弁（下流のデバイス）
３１    コンプレッサ（燃料電池掃気手段、下流デバイス掃気手段）
３３    背圧弁（下流のデバイス）
２４ａ、２４ｂ、３３ａ、３２ｃ、３３ａ、３４ａ  配管（下流のデバイス）
３４    希釈器（下流のデバイス）
４１    掃気弁
５１    バイパス弁
５１ａ、５１ｂ  配管（バイパス通路）
８０    ＥＣＵ（掃気条件算出手段）
【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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