(57)【要約】【課題】乾燥処理時に電解質膜が乾燥している場合において、電解質膜の水分値を一定範囲内に乾燥させ、ガス供給路の水を排水することにより、燃料電池システムの次回の始動性を向上させる。【解決手段】本発明は、燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段６４と、燃料ガス供給手段４４と酸化剤ガス供給手段６４の駆動をそれぞれ制御する制御手段１２０と、を備える燃料電池システム１１において、燃料電池システムを乾燥させる乾燥処理時において、制御手段１２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガスのみを供給する制御モードを有することを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性の電解質膜と、
前記電解質膜の一方に位置するアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記電解質膜の他方に位置するカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の駆動をそれぞれ制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムを乾燥させる乾燥処理時において、前記制御手段は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガスのみを供給する制御モードを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電解質膜の水分値を測定する水分値測定手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガス供給手段を前記水分値が第一所定値以上の場合に所定時間駆動させ、第一所定値より小さい場合は駆動させず、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとのうち乾燥している方のガス供給手段を前記水分値が第一所定値より大きい第二所定値以上の場合に所定時間駆動させ、第二所定値より小さい場合は駆動させない燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の両方を、水分値が第二所定値より大きい第三所定値以上の場合は水分値が第三所定値となるまで駆動させ乾燥処理を終了する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水分値測定手段は水分値を燃料電池システムの発電時において一定時間毎に測定する水分値測定手段であって、
前記制御手段は、乾燥処理時において水分値の測定に失敗した場合は、発電時において測定された水分値に基づいて制御する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガス供給路は、反応極に供給されたガスをガス供給路に循環させる循環路を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガスが燃料ガスである燃料電池システム。
【請求項７】
プロトン導電性の電解質膜と、
前記電解質膜の一方に位置するアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記電解質膜の他方に位置するカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記アノード極と、カソード極間のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の駆動をそれぞれ制御する制御手段と、
を備え、
前記燃料電池システムの少なくとも酸化剤ガスの掃気により乾燥させる乾燥処理時において、前記電解質膜を乾燥するために少なくとも酸化剤ガスの掃気を所定時間行う膜乾燥制御モードと、酸化剤ガス系の部品を乾燥するために酸化剤ガスを掃気する酸化剤ガス系部品乾燥制御モードと、を含み、
前記制御手段は、前記インピーダンス計測手段の計測結果に応じて前記膜乾燥制御モードおよび酸化剤ガス系部品乾燥制御モードの実施の可否を決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記インピーダンス計測手段の計測結果が、第１所定値（Ｒ１）より小さい場合に乾燥制御モードを実施し、第１所定値以上で第２所定値（Ｒ２）より小さい場合は部品乾燥制御モードを実施し、第２所定値以上の場合は部品乾燥制御モードを実施しないことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾燥処理時における燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気（又は酸素）を反応させることにより電力を発電し、水を生成する。この生成された水は、燃料電池の発電時において、燃料ガスと酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを合わせて反応ガスとする）をそれぞれ供給するガス供給路に溜まり反応ガスの供給を阻害したり、電解質膜の表面の反応極を覆ってしまい出力電圧を低下させたりするなど発電の阻害要因となる。そのため、システム内の水を排水する排水処理が必要となる。
【０００３】
また、燃料電池の発電終了時、特に氷点下条件下における発電終了時において、排水処理は重要となる。氷点下条件下において、燃料電池内の水は氷となり、反応ガスを供給するガス供給路を氷が塞ぐ場合があるからである。ガス供給路を塞いでいる氷は、燃料電池の次回の発電の際に、反応ガスの供給を阻害し、燃料電池の始動性を著しく悪化させるという問題があった。
【０００４】
そのため、燃料電池の次回始動性を向上させるべく、以下に記載する乾燥処理時における燃料電池システムが従来技術として知られている。
【０００５】
特許文献１には、燃料電池システムを停止する前に燃料電池内の水分値をマップにより推定し、燃料電池システムの停止後に推定された水分値に基づいてガス供給路に空気を供給する時間を決定する燃料電池システムの構成が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、空気による乾燥処理の停止が、燃料電池の電解質膜の含有する水分値に基づいて行われる燃料電池システムの構成が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３５３８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、上記従来技術の燃料電池システムを、燃料電池が高温・高負荷の条件で発電する場合を考える。例えば、燃料電池を搭載した車で急な坂道を登坂する場合であって、燃料電池システムの冷却性能が間に合わない場合がある。このような場合は、燃料電池の温度は高温（例えば、８５℃）となっている。
【０００９】
燃料電池システムは高負荷で発電していて、負荷の度合いに応じて水を生成する。電解質膜は高温であるので、生成された水は供給される電解質膜から反応ガス中に蒸発して持ち去られ、電解質膜は乾燥した状態が生じやすい。一方、反応ガスを供給する供給路には、電解質膜から蒸発により持ち去られた水が水滴の状態で溜まっている状態が生じる。
【００１０】
ここで、上記従来技術による乾燥処理を行うと、電解質膜の含有する水分値は少ないので、反応ガスの供給時間は少なく制御される。その結果、ガス供給路の水を排水するのに必要な時間に対して、反応ガスの供給時間が少なく、十分にガス供給路内を排水することが出来ない。その結果、氷点下条件下においてガス供給路内で凍った水により、燃料電池の次回始動性が悪化するという問題が生じる。
【００１１】
また、このような高温・高負荷の条件で燃料電池を発電させた後に燃料電池システムを停止するための乾燥処理をする場合、ガス供給路を乾燥させるために常に一定時間ガスを供給する構成も知られている。しかし、一定時間ガスを供給することにより、乾燥状態にある電解質膜をさらに乾燥させる。過乾燥の電解質膜は内部抵抗が大きくなり、出力電圧を低下させる。その結果、乾燥しすぎた電解質膜により、燃料電池の次回始動性が悪化するという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、乾燥処理時に電解質膜が乾燥している燃料電池システムにおいて、電解質膜の水分値を一定範囲内に乾燥させ、ガス供給路の水を排水することにより、燃料電池システムの次回の始動性を向上した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、プロトン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方に位置するアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、電解質膜の他方に位置するカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス供給路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段の駆動をそれぞれ制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムを乾燥させる乾燥処理時において、制御手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガスのみを供給する制御モードを有することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
また、燃料電池システムは、電解質膜の水分値を測定する水分値測定手段を備え、制御手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガス供給手段を水分値が第一所定値以上の場合に所定時間駆動させ、第一所定値より小さい場合は駆動させず、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち乾燥している方のガス供給手段を水分値が第一所定値より大きい第二所定値以上の場合に所定時間駆動させ、第二所定値より小さい場合は駆動させないことが好適である。
【００１５】
また、制御手段は、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段の両方を、水分値が第二所定値より大きい第三所定値以上の場合は水分値が第三所定値となるまで駆動させ乾燥処理を終了することが好適である。
【００１６】
また、水分値測定手段は水分値を燃料電池システムの発電時において一定時間毎に測定する水分値測定手段であって、制御手段は、乾燥処理時において水分値の測定に失敗した場合は、発電時において測定された水分値に基づいて制御することが好適である。
【００１７】
また、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガス供給路は、反応極に供給されたガスをガス供給路に循環させる循環路を備えることが好適である。
【００１８】
また、燃料ガスと酸化剤ガスとのうち湿潤している方のガスが燃料ガスであることが好適である。
【００１９】
また、本発明は、プロトン導電性の電解質膜と、前記電解質膜の一方に位置するアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記電解質膜の他方に位置するカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記アノード極と、カソード極間のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の駆動をそれぞれ制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池システムの少なくとも酸化剤ガスの掃気により乾燥させる乾燥処理時において、前記電解質膜を乾燥するために少なくとも酸化剤ガスの掃気を所定時間行う膜乾燥制御モードと、酸化剤ガス系の部品を乾燥するために酸化剤ガスを掃気する酸化剤ガス系部品乾燥制御モードと、を含み、前記制御手段は、前記インピーダンス計測手段の計測結果に応じて前記膜乾燥制御モードおよび酸化剤ガス系部品乾燥制御モードの実施の可否を決定することを特徴とする。
【００２０】
また、前記インピーダンス計測手段の計測結果が、第１所定値（Ｒ１）より小さい場合に乾燥制御モードを実施し、第１所定値以上で第２所定値（Ｒ２）より小さい場合は部品乾燥制御モードを実施し、第２所定値以上の場合は部品乾燥制御モードを実施しないことが好適である。
【発明の効果】
【００２１】
上記本発明の構成により、電解質膜の水分値を一定範囲内に乾燥させ、ガス供給路の水を排水することができる。これにより、燃料電池システムの次回の始動性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図１−５を用いて実施形態を説明する。なお、下記の実施形態は燃料電池システムを車両に搭載した実施例であるが、この実施態様に限定されない。
【００２３】
図１に、本実施形態の燃料電池１０を示す。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気（又は酸素）を用いる。燃料電池１０は、膜−電極接合体固体１２（以下、ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡ１２を両側から一対のセパレータ１４で挟んだ単位電池１６を複数積層して構成される。ＭＥＡ１２は、固体高分子膜からなる電解質膜と、電解質膜の一の面に燃料ガスとしての水素の化学反応が行われるアノード極と、他の面に酸化剤ガスとしての空気の化学反応が行われるカソード極から構成される。なお、セパレータ１４は金属板よりなるメタルセパレータでも良いし、炭素よりなるカーボンセパレータでも良い。
【００２４】
アノード極と接するセパレータ１４ａは、アノード極と接する面内に燃料ガス流路１８を有している。一方、カソード極と接するセパレータ１４ｂは、カソード極と接する面内に酸化剤ガス流路２０を有している。
【００２５】
また、セパレータ１４は、後述の水素タンク４２から燃料ガス流路１８に水素を供給するために、積層された複数の単位電池１６を貫通するように燃料ガス供給マニホールド２２と燃料ガス排出マニホールド２４を備えている。
【００２６】
同様に、セパレータ１４は、後述の吸入口６２から酸化剤ガス流路２０に空気を供給するために、積層された複数の単位電池１６を貫通するように酸化剤ガス供給マニホールド２６と酸化剤ガス排出マニホールド２８を備えている。
【００２７】
加えて、セパレータ１４は、燃料ガス流路１８又は酸化剤ガス流路２０の裏面に冷却流路３０と、燃料電池１０を冷却するための冷却液を冷却流路３０に供給する冷却液供給マニホールド３２と冷却液排出マニホールド３４とを備えている。
【００２８】
燃料電池１０内において、燃料ガス供給路４６としての燃料ガス供給マニホールド２２、燃料ガス流路１８、燃料ガス排出マニホールド２４の順番で水素が供給される。同様に、酸化剤ガス供給路６６としての酸化剤ガス供給マニホールド２６、酸化剤ガス流路２０、酸化剤ガス排出マニホールド２８の順番で空気が供給される。
【００２９】
供給される反応ガスは、電解質膜の水分を蒸発により除去するとともに、ガス流路と供給ガスマニホールドと排出ガスマニホールドに溜まっている水を圧力により吹き飛ばして除去する。
【００３０】
図２に本実施形態の燃料電池システム１１を示す。本実施形態の燃料電池システム１１は、上述の燃料電池１０と、燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する水素系４０と、燃料電池に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気系６０と、燃料電池を冷却する冷却系８０と、燃料電池の発電した電力を車両の駆動に用いる駆動系１００と、燃料電池システムを制御する制御部１２０とからなる。
【００３１】
水素系４０は、水素を貯蔵するための高圧の水素タンク４２と、高圧の水素を所定の圧力まで減圧する減圧弁４４と、燃料電池内の燃料ガス供給路４６（燃料ガス供給マニホールド２２と燃料ガス流路１８と燃料ガス排出マニホールド２４）と、燃料電池から排出された水素を燃料電池へ循環させる循環路４８と、循環路において溜まった水を排水する排水弁５０と、水素の循環を駆動する循環手段としての循環ポンプ５２とから構成される。燃料電池に供給される水素は圧力計５４によって圧力が測定され、後述の制御部１２０に測定された圧力が入力される。また、減圧弁４４と循環ポンプ５２は後述の制御部１２０によって制御される。
【００３２】
空気系６０は、空気を吸入する吸入口６２と、空気を燃料電池に供給する供給手段としてのポンプ６４と、燃料電池内の酸化剤ガス供給路６６（酸化剤ガス供給マニホールド２６と酸化剤ガス排出マニホールド２８と酸化剤ガス流路２０）と、燃料電池１０から排出されるガスの圧力を制御する圧力弁６８とから構成される。燃料電池１０に供給される空気は圧力計７２によって圧力が測定され、後述の制御部１２０に測定された圧力が入力される。また、吸入口６２には外気温度を計測する温度計７０が備えられ、測定された温度は制御部１２０に入力される。また、ポンプ６４と圧力弁６８は後述の制御部１２０によって制御される。
【００３３】
冷却系８０は、冷却液を燃料電池１０に循環させる冷却液循環路８２と、燃料電池１０から排出された冷却液を冷却するラジエータ８４と、冷却液を循環させる冷却液の循環ポンプ８６とを備える。冷却液循環路８２は冷却液の温度を測定する温度計８８を備え、後述する制御部１２０に測定された温度が入力される。また、循環ポンプ８６は後述の制御部１２０によって制御される。
【００３４】
駆動系１００は、任意の周波数で正弦波を発生する正弦波発振器１０２と、燃料電池１０の発電する電圧を測定する電圧計１０４と、燃料電池１０の電流値を測定する電流計１０６と、燃料電池１０が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータ１０８と、変換された交流電流によって駆動されるモータ１１０と、電解質膜のインピーダンスを測定し電解質膜の含有する水分値を分析するインピーダンス分析部１１２とから構成される。本実施形態において水分値測定手段は、電圧計１０４と電流計１０６と正弦波発振器１０２及びインピーダンス分析部１１２からなる。
【００３５】
正弦波発振器１０２は、燃料電池１０から出力される交流電流に所定の周波数の交流電流を加振する。このとき、燃料電池１０の発電する電圧を電圧計１０４で、電流を電流計１０６でそれぞれ検出し、インピーダンス分析部１１２においてインピーダンス値を測定し、インピーダンス値に応じた電解質膜の含有する水分値を計算する。
【００３６】
水分値測定手段は、燃料電池システム１１が発電している時、及び、燃料電池システム１１が乾燥処理開始時に、電解質膜の水分値の測定を一定時間毎に試みている。
【００３７】
制御部１２０は、インピーダンス分析部１１２によって測定された電解質膜の水分値と、入力されるその他の値に基づいて燃料電池システム１１を制御する。特に、燃料電池システム１１の乾燥処理において、制御部１２０は水素タンク４２から新たな水素が供給されないように減圧弁４４を閉じ、水素系の循環路４８を含む閉じた燃料ガス供給路４６内で循環ポンプ５２を駆動させる。また、空気系の酸化剤ガス供給路６６においてポンプ６４を駆動させる。
【００３８】
燃料電池システム１１の発電に伴い燃料電池１０は高温で、且つ、水を生成している状態である。そのため、燃料電池１０に供給される反応ガスも燃料電池と同じく高温に昇温され、昇温された反応ガスは電解質膜内の水分を蒸発させたり、ガス供給路４６，６６内の水滴を吹き飛ばしたりして、反応ガスの水蒸気量は増加する。ここで、本実施形態は、上述したように燃料電池１０から排出された水素を再び燃料電池１０へと循環させる循環路４８が水素系４０に備わっている。そのため、循環される水素の含有する水蒸気は飽和状態に近くなっている。一方、供給される空気に含まれる水蒸気は飽和状態ではない。そのため、燃料電池システム１１の乾燥処理時において、燃料電池に供給される水素と空気とでは、水素の方が湿潤しているガスである。
【００３９】
燃料電池システム１１を乾燥する乾燥処理と水分値の関係を図３に示し、以下説明する。
【００４０】
制御部１２０は、電解質膜の水分値に基づいて、水分値が第一所定値（以下、Ｌ１）以上の場合に反応ガスにおいて湿潤しているガスである水素を一定時間供給するように循環ポンプ５２を駆動させ、水分値がＬ１より小さい場合に水素を供給しないように循環ポンプ５２を駆動しないように制御する。
【００４１】
また、制御部１２０は、電解質膜の水分値がＬ１より大きい第二所定値（以下、Ｌ２）以上の場合に反応ガスにおいて乾燥しているガスである空気を一定時間供給するようにポンプ６４を駆動させ、水分値がＬ２より小さい場合に空気を供給しないようにポンプ６４を駆動しないように制御する。
【００４２】
また、制御部１２０は、電解質膜の水分値がＬ２より大きい第三所定値（以下、Ｌ３）以上の場合に、水分値がＬ３となるまで反応ガスである水素と空気の両方のガスを供給するように循環ポンプ５２とポンプ６４を駆動するように制御する。一方、水分値がＬ３より小さい場合は、制御部１２０は、測定された水分値とＬ１とＬ２との関係で一定時間反応ガス（水素・空気）を供給する又はしないようにポンプ５２，６４を制御する。
【００４３】
燃料電池システム１１の動作を停止させる停止処理に際して、電解質膜の水分値がＬ３以上の水を多量に含んでいる場合は、水分値がＬ３となるまで水素系の循環ポンプ５２と空気系のポンプ６４を駆動して乾燥処理を行う。電解質膜の水分値をＬ３とする乾燥に要する時間は、測定された水分値に応じて４０秒−２分間となる。
【００４４】
インピーダンス分析部１１２で水分値を計算する際に、電解質膜の面積、積層された単位電池１６の枚数、固体高分子膜の材質などを考慮して、インピーダンス値に基づき水分値が求められる。例えば、電解質膜一枚の単位面積当たりのインピーダンス値に基づいて、６００ｍΩ／ｃｍ2のときにＬ１を、５００ｍΩ／ｃｍ2のときにＬ２を、４００ｍΩ／ｃｍ2のときにＬ３を、順に設定する。
【００４５】
燃料ガス供給路４６の水分を除去して乾燥させるためには、約１０秒間の所定時間の水素を供給することが必要となる。燃料ガス供給路４６は供給されるガスの風圧により乾燥されるため、水の蒸発により乾燥される電解質膜の乾燥処理に対して、時間が短い。
【００４６】
同様に、酸化剤ガス供給路６６の水分を除去して乾燥させるためには、約１０秒間の所定時間の空気を供給することが必要となる。
【００４７】
そのため、電解質膜の水分値ＬがＬ３以上の場合は、電解質膜を乾燥させる時間（４０秒−２分間）の間に、燃料ガス供給路４６及び酸化剤ガス供給路６６の乾燥が完了している。
【００４８】
高温・高負荷の条件下で燃料電池システム１１を発電させた場合であって、燃料電池システム１１を停止する際に電解質膜が乾燥処理不要な程度に乾燥している場合（水分値がＬ３以下）について説明する。この場合、電解質膜は乾燥する必要はないが、燃料ガス供給路４６と酸化剤ガス供給路６６を乾燥させる必要はある。水分値がＬ３より小さい場合に常に、それぞれのガス流路を乾燥させる処理（約１０秒間の反応ガスの供給)をすると、電解質膜が過乾燥となり、次回の始動性を悪化させる場合がある。
【００４９】
そこで、本実施形態は水分値ＬがＬ２以上でＬ３より小さい場合（Ｌ２≦Ｌ＜Ｌ３）は反応ガスのうち乾燥している空気を一定時間供給する。これにより、電解質膜を必要以上に乾燥させることなく、酸化剤ガス流路２０を乾燥させることができる。そのため、燃料電池システム１１の次回の始動性を向上させることが出来る。
【００５０】
また、本実施形態は、水分値ＬがＬ１以上でＬ３より小さい場合（Ｌ１≦Ｌ＜Ｌ３）は、反応ガスのうち水蒸気を多量に含んだ湿潤している方の水素を一定時間供給する。これにより、電解質膜を必要以上に乾燥させることなく、燃料ガス供給路４６を乾燥させることができる。そのため、燃料電池システム１１の次回の始動性を向上させることが出来る。
【００５１】
ここで、反応ガスのうち、乾燥している方の空気と湿潤している方の水素とを供給する際の、水分値の下限値（Ｌ１とＬ２）が異なる理由について説明する。電解質膜の水は蒸発により持ち去られるので、乾燥したガスを供給すると電解質膜の乾燥は促進され、湿潤したガスを供給すると電解質膜の乾燥は抑制される。特に、燃料電池１０から排出された水素を循環させて再び燃料電池１０に供給する場合、供給される水素は水蒸気が飽和している状態であり、電解質膜を乾燥させることなく、燃料ガス供給路４６の水分を除去することが出来る。
【００５２】
湿潤した反応ガスを供給されるガス供給路では、ガス供給路内の水滴が除去されない場合が生じる。特に、本実施形態の水素系４０は循環路４８を備えた閉じた系であり、ガス循環路４８の排水弁５０による排水が十分になされず、ガス供給路４６の水滴が除去されない場合が生じやすい。そのため、湿潤した水素による乾燥処理を、乾燥した空気による乾燥処理に対して、電解質膜の水分値がより低い場合まで出来るようにすることで、ガス流路内の水滴を除去することが出来る。
【００５３】
また、本実施形態は、水分値ＬがＬ１より小さい場合（Ｌ＜Ｌ１）は、電解質膜を更に乾燥させないために水素と空気の反応ガスの供給をしない。
【００５４】
また、水分値を測定する際に用いる交流インピーダンス法は、正弦波発振器１０２により交流電流を加えられた燃料電池１０の発電する電圧値と電流値を測定して、インピーダンスを求めるものである。そのため、乾燥処理の開始時に電解質膜が十分に乾燥している状態では燃料電池１０は発電することが出来ず、インピーダンスを測定できない場合がある。
【００５５】
そこで、乾燥処理の開始時にインピーダンス計測を所定回（例えば、２回）失敗した場合には、燃料電池１０の発電時も含めた計測されたインピーダンス値のうち、最終計測されたインピーダンス値に基づいて水分値を求め、この水分値に基づいて制御部１２０により燃料電池システム１１の乾燥処理を制御することが好適である。
【００５６】
本実施形態のフローチャートを図４に示す。
【００５７】
燃料電池システムを搭載した車両のＩＧキーをＯＦＦにして燃料電池システムの停止処理する停止処理モードが始まる（ステップ１００）。停止処理モードでは、燃料電池システム１１の乾燥処理が開始される（ステップ１０２）。
【００５８】
乾燥処理開始時に、燃料電池の電解質膜の水分値を測定するためにインピーダンスの測定を試みる（ステップ１０４）。ステップ１０４ではインピーダンスが測定できた場合（ステップ１０４：ＹＥＳ）は、測定されたインピーダンスの値に基づいて電解質膜の水分値が計算される（ステップ１０８）。
【００５９】
一方、インピーダンスが測定できない場合（ステップ１０４：ＮＯ）は、燃料電池システム１１の発電時において測定されたインピーダンスの値であって最後に計測されたインピーダンスの値に基づいて（ステップ１０６）、電解質膜の水分値を計算する（ステップ１０８）。
【００６０】
計算された水分値ＬがＬ≧Ｌ３か判定する（ステップ１１０）。水分値がＬ≧Ｌ３の場合（ステップ１１０：ＹＥＳ）は、制御部１２０により電解質膜を乾燥させるために水素系の循環ポンプ５２と空気系のポンプ６４の両方を駆動するように制御して、乾燥を行う（ステップ１１２）。両方のポンプ５２，６４を駆動する乾燥処理は、電解質膜の水分値がＬ＝Ｌ３となるまで行われ（ステップ１１４）、乾燥処理が終了する（ステップ１３２）。本実施形態では、測定された水分値ＬからＬ３まで乾燥するために必要な時間を制御部１２０で計算して、両方のポンプ５２，６４を計算された時間だけ駆動させる。なお、この時間は４０秒−２分程度である。
【００６１】
水分値がＬ３≧Ｌと判定された場合（ステップ１１０：ＮＯ）は、水分値がＬ３＞Ｌ≧Ｌ２であるか判定する（ステップ１１６）。水分値がＬ３＞Ｌ≧Ｌ２と判定された場合（ステップ１１６：ＹＥＳ）は、水素系の循環ポンプ５２と空気系のポンプ６４の両方を駆動する（ステップ１１８）。水素系の循環ポンプ５２の駆動時間は、予め求められた燃料ガス供給路４６を乾燥させるのに必要な所定時間である（ステップ１２０）。この所定時間は約１０秒である。また、空気系のポンプ６４の駆動時間は、予め求められた酸化剤ガス流路２０を乾燥させるのに必要な所定時間である（ステップ１２０）。この所定時間は約１０秒である。この二つのポンプの所定時間が経過した後に、乾燥処理は終了する（ステップ１３２）。
【００６２】
ステップ１１６で水分値がＬ２＞Ｌと判定された場合（ステップ１１６：ＮＯ）は、水分値がＬ２＞Ｌ≧Ｌ１かどうか判定する（ステップ１２２）。水分値がＬ２＞Ｌ≧Ｌ１である場合（ステップ１２２：ＹＥＳ）は、水素系の循環ポンプ５２のみを駆動し（ステップ１２４）、所定時間経過後に循環ポンプ５２の駆動を終了させ（ステップ１２６）、乾燥処理が終了する（ステップ１３２）。
【００６３】
ステップ１２２でＮＯと判定された場合、水分値がＬ１＞Ｌであり（ステップ１２８）、電解質膜を更に乾燥させると燃料電池システム１１の次回の始動性が悪化する。そのため、水素系の循環ポンプ５２及び空気系のポンプ６４のいずれも駆動させず（ステップ１３０）、乾燥処理を終了させる（ステップ１３２）。
【００６４】
上記実施形態の燃料電池システムにおいて、水素系に循環路を用いる構成を示したが、他の構成であっても良い。例えば、水素系と空気系の両方に循環路を設ける構成や、水素系と空気系のいずれも循環路を設けない構成であっても良い。このような構成においては、燃料電池に供給される水素と空気の反応ガスの湿度をそれぞれ測定する湿度測定手段を設けることが好ましい。また、加湿器により反応ガスを加湿して、ガスが含有する水蒸気量を調整することも好適である。
【００６５】
また、水分値測定手段は燃料電池が発電した電流値を積算した値に基づいて推定して水分値を求めることも好適である。
【００６６】
図５には、他の実施形態の動作を示すフローチャートが示されている。この例では、図４と同様に、ステップ１００〜１０６を実施する。その後、ステップ１０４で測定した燃料電池のアノード極とカソード極間のインピーダンスＲを所定の設定値Ｒ１、Ｒ２と比較する。このインピーダンスは上述のように、電解膜の水分と一定の関係があり、水分と見なされる。本実施形態では測定したインピーダンスＲを直接インピーダンスの設定値Ｒ１，Ｒ２と比較するが、これは水分Ｌに換算した後比較しても実質的に同一である。
【００６７】
そして、計測したインピーダンスＲを低いしきい値Ｒ１、高いしきい値Ｒ２と比較する（ステップ２００）。
【００６８】
このステップ２００の判定において、インピーダンスＲがしきい値Ｒ１以下（Ｒ≦Ｒ１）であれば、電解質膜の水分は乾燥が必要な水分が高い状態にあると判断される。そこで、電解質膜の乾燥が必要と判断して、所定時間の水素ガス掃気および空気掃気による膜乾燥と、その後所定時間の空気掃気による空気系部品の乾燥を行う（ステップ２０２）。ここで、この所定時間の空気掃気は、一定の時間の掃気でもよいし、インピーダンスがＲ１になるまでの掃気でもよい。なお、膜乾燥は、通常水素ガスおよび空気の掃気により行うが、空気の掃気のみによって行ってもよい。空気は、外気から取り入れて燃料電池に供給するため、比較的乾燥している。そこで、この空気の燃料電池への供給によって燃料電池の電解質膜の乾燥が効果的に行える。一方、水素ガスは通常閉じた系内を循環するため、水分を系外に排出する効果は少なく、またその水分は比較的大きい。このため、この水素ガスの循環は、経路内の水分排除が目的であり、部材の乾燥にはあまり寄与はない。このため、ステップ２０２では、膜乾燥の後の部品乾燥は、空気の掃気による空気系部品の乾燥のみを行う。なお、経路内の水分排除は、凍結防止のために特に効果がある。
【００６９】
このステップ２００の判定において、インピーダンスＲがしきい値Ｒ１とＲ２の間（Ｒ１＜Ｒ＜Ｒ２）であった場合には、空気の掃気による空気系部品の乾燥を行う（ステップ２０４）。このような掃気によって、電解質膜の水分を適切なものに維持しつつ、部品の乾燥も適切に行える。なお、上記空気系部品の乾燥（酸化剤ガス系部品乾燥制御モード）は、酸化剤ガス供給路や部品の水分を除去して乾燥するために、所定時間（約１０秒間）空気を供給するモードである。
【００７０】
さらに、ステップ２００の判定において、インピーダンスＲがしきい値Ｒ２以上（Ｒ２≦Ｒ）であった場合には、電解質膜はかなり乾燥している。そこで、膜乾燥および空気の掃気による空気系部品の乾燥の両方とも行わない（ステップ２０６）。これによって、電解質膜の過乾燥を防止でき、次回始動時において電解質膜が乾燥しすぎているため十分な出力が得られないという事態の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】燃料電池の分解斜視図である。
【図２】燃料電池システムの構成図である。
【図３】電解質膜の水分値と乾燥処理の関係を示す図である。
【図４】実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図５】他の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１０  燃料電池、１１  燃料電池システム、１２  膜−電極接合体（ＭＥＡ）、１４，１４ａ，１４ｂ  セパレータ、１６  単位電池、１８  燃料ガス流路、２０  酸化剤ガス流路、２２  燃料ガス供給マニホールド、２４  燃料ガス排出マニホールド、２６  酸化剤ガス供給マニホールド、２８  酸化剤ガス排出マニホールド、３０  冷却液流路、３２  冷却液供給マニホールド、３４  冷却液排出マニホールド、４０  水素系、４２  水素タンク、４４  減圧弁、４６  燃料ガス供給路、４８  循環路、５０  排水弁、５２  循環ポンプ、５４  圧力計、６０  空気系、６２  吸入口、６４  ポンプ、６６  酸化剤ガス供給路、６８  圧力弁、７０  温度計、７２  圧力計、８０  冷却系、８２  冷却液循環路、８４  ラジエータ、８６  循環ポンプ、８８  温度計、１００  駆動系、１０２  正弦波発振器、１０４  電圧計、１０６  電流計、１０８  インバータ、１１０  モータ、１１２  インピーダンス分析部、１２０  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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