JP5080793B2

JP5080793B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5080793B2
Application number: JP2006328212A
Authority: JP
Inventors: 純平小河; 千大和氣; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: JP2008140734A

Description

本発明は、燃料ガス流路を掃気する掃気手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池が発電すると燃料電池内部において水が生成するが、燃料電池の起動時にその生成水が残留していると、低温（氷点下）起動の際に凍結した生成水が燃料電池に悪影響を与えるという問題があった。そこで、従来、生成水が凍結するおそれがあると判断される場合、運転停止時に残留した生成水を掃気するようにした燃料電池システムが種々提案されている。また、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池などでは、生成水が酸化ガス流路から燃料ガス流路に固体高分子電解質膜を介して透過するので、酸化ガス流路だけではなく、燃料ガス流路に残留した生成水を掃気することも種々提案されている。
そこで、燃料ガス流路を掃気する技術として、燃料電池の燃料極側の生成水（凝縮水）量を、運転時の燃料電池の出力等から算出して、燃料電池システムの運転停止時に掃気ガスで燃料ガス流路を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２９７３９９号公報（段落００３２）

しかしながら、燃料電池に使用される固体高分子電解質膜では、燃料電池の温度が低温（氷点下）のときには生成水の膜透過性が低下し、燃料電池の温度が所定温度（例えば、常温）を超えたときに生成水の膜透過性が高まることがあるため、特許文献１に記載のように、燃料電池の出力等に基づいて生成水量を推定すると、燃料電池が低温起動されて、低温状態のまま運転が停止された場合でも、燃料ガス流路が掃気されることになり、膜が過乾燥になり、エネルギが無駄に消費されるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の膜に悪影響を与えることなく効率的な掃気を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池内を含み前記酸化ガスが流通する酸化ガス流路と、前記燃料電池内を含み記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記燃料電池の発電停止後に、少なくとも前記酸化ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手法を有する掃気手段と、前記燃料電池に対して発電停止指令を発する発電停止指令手段と、を備え、前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により掃気を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止後に、前記燃料ガス流路に水分が存在するか否かを判定する燃料ガス流路水分発生有無判定手段と、前記酸化ガス流路の内部水分量および前記燃料ガス流路の内部水分量を推定する燃料電池内部水分量推定手段と、前記酸化ガス流路の内部水分量および前記燃料ガス流路の内部水分量に基づいて掃気に必要な掃気ガスの総流量を算出する掃気総流量算出手段と、を備え、前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段により前記燃料ガス流路に水分が存在していないと判定された場合には、前記総流量に基づいて決定された掃気流量で、前記酸化ガス流路の掃気を行い、前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段により前記燃料ガス流路に水分が存在していると判定された場合には、前記総流量に基づいて決定された掃気流量で、前記酸化ガス流路の掃気を行い、さらに前記燃料ガス流路の内部水分量に応じて前記燃料ガス流路の掃気を行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池内部で生成された水分量（内部水分量）に応じて掃気に必要な掃気ガスの体積流量（総流量）を正確に算出することができる。その結果、生成した内部水分量以上の掃気を行わないため、膜の過乾燥を防止することができ、掃気によるエネルギ消費を抑制できる。また、内部水分量に応じた掃気を行うことができるため、掃気不足による膜の凍結を防止することができる。
また、請求項１に係る発明によれば、算出された掃気ガスの体積流量と選択された掃気手法とから、それに応じた最適な掃気が可能になるので、燃料ガスの無駄を防ぎつつ、過剰な掃気による膜の過乾燥や掃気不足による発電性能の低下を防止するとともに、エネルギ消費を抑制することが可能になる。
また、請求項１に係る発明によれば、例えば、掃気流量を一定にして掃気時間を長くすることで騒音を低減することが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の発電開始から発電停止までの積算発電電流量を算出する積算発電電流量算出手段を備え、前記燃料電池内部水分量推定手段は、前記積算発電電流量算出手段により求められた積算発電電流量に基づいて内部水分量を推定することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池の内部水分量を、高い相関関係にある積算発電電流量から推定することにより、正確に内部水分量を推定することが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池の発電中の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段は、前記燃料電池温度検出手段の検出した温度が、前記燃料電池の発電時にカソードで生成した水がアノードに透過を始める温度である所定温度以上である場合には、前記燃料ガス流路に水分が存在していると判定し、前記所定温度以上でない場合には、前記燃料ガス流路に水分が存在していないと判定することを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路に発生する内部水分量が互いに変化しても、その変化に応じた掃気を行うことが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池内部水分量推定手段は、前記積算発電電流量算出手段により求められた積算発電電流値に基づいて前記酸化ガス流路の内部水分量を算出し、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度以上となった時点からの積算発電電流値に基づいて前記燃料ガス流路の内部水分量を算出することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記燃料電池の次回起動時に、低温起動を行うか否かを判定する低温起動判定手段を備え、前記低温起動判定手段により低温起動を行うと判定されたときに掃気を行うことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、次回の起動が低温起動であると判定された場合に掃気を行い、次回の起動が低温起動でないと判定された場合に掃気を行わないため、掃気によるエネルギ消費と膜の過乾燥を防止することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の膜に悪影響を与えることなく効率的な掃気を行うことができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は掃気制御を示すフローチャート、図３は掃気手法決定工程を示すサブフローチャート、図４は掃気時間および掃気流量決定工程を示すサブフローチャート、図５は低温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフ、図６は常温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフ、図７は内部水分量と体積流量との関係を示すマップである。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両の制御を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶や航空機に適用してもよく、あるいは定置式の家庭用電源に適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に対して水素（燃料ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０に対して酸素を含む空気（酸化ガス）を供給・排出するカソード系３０と、掃気ガスをアノード系２０およびカソード系３０を選択的に掃気する掃気系４０と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系５０と、これらを電子制御するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ、電子制御装置）６０と、を主に備えている。

前記燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）１１の両面を触媒（Ｐｔ等）を含むアノード（燃料極）１２および触媒（Ｐｔ等）を含むカソード（空気極）１３で挟んでなるＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、膜電極構造体）と、このＭＥＡを挟む一対のセパレータ１４，１５と、を備えて構成されている。セパレータ１４には、単セルを構成するＭＥＡのアノード１２と対向する面に水素が流通する溝が形成され、各単セルの溝が貫通孔などを介して連通している。また、セパレータ１５には、単セルを構成するＭＥＡのカソード１３に対向する面に空気（酸素）が流通する溝が形成され、各単セルの溝が貫通孔などを介して連通している。これらの溝等がアノード流路１４ａ、カソード流路１５ａとして機能している。

なお、本実施形態で用いられる電解質膜１１は、膜温度に応じてカソード１３からアノード１２への水透過性が変化する種類のものであり、例えば、低温（氷点下）では生成水がカソード１３からアノード１２へは透過せず、常温（例えば、１０℃や２０℃）では生成水がカソード１３からアノード１２へ透過する種類のものである。

そして、燃料電池１０のアノード１２に水素が、カソード１３に酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒の作用によって電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、走行モータ５１等の外部負荷から発電要求があり、後記するＶＣＵ５２が制御されると、燃料電池１０が前記発電要求に応じて発電するようになっている。

前記アノード系２０は、高圧の水素が充填された水素タンク２１と、水素遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４と、温度計２５と、を主に備えている。水素タンク２１は配管２１ａを介して水素遮断弁２２に接続されており、水素遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１４ａに接続されている。配管２２ａには、減圧弁（図示せず）が設けられている。そして、ＥＣＵ６０によって水素遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路１４ａに供給されるようになっている。

また、アノード流路１４ａの下流側は、配管２４ａ、ＥＣＵ６０により開閉されるパージ弁２４、配管２４ｂ、希釈器３３が順に接続されている。また、配管２４ａの途中は、配管２４ｃを介してエゼクタ２３と接続されている。ＥＣＵ６０によりパージ弁２４が閉じられると、アノード流路１４ａから排出された未反応の水素などを含むアノードオフガスが、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。一方、ＥＣＵ６０によりパージ弁２４が開かれると、アノードオフガスが希釈器３３に送られるようになっている。なお、パージ弁２４の開閉は、循環する水素に同伴する不純物を排出するために行われ、例えば、定期的に行われたり、燃料電池１０を構成する単セルの出力電圧（セル電圧）が低下した場合に行われる。

また、アノード流路１４ａの下流側では、燃料電池１０の出口付近の配管２４ａに温度計２５が設けられている。温度計２５は、燃料電池１０の温度を検出するセンサであり、ＥＣＵ６０と接続されている。なお、燃料電池１０の温度は、燃料電池１０のアノード１２の出口温度に限定されるものではなく、カソード１３の出口温度であってもよく、あるいは燃料電池１０を冷却する冷却液の出口温度であってもよい。

なお、前記した配管２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃとアノード流路１４ａとで、本実施形態の燃料ガス流路が構成されている。

前記カソード系３０は、コンプレッサ３１と、背圧弁３２、希釈器３３と、を主に備えている。コンプレッサ３１は、スーパーチャージャなどで構成され、外気を取り込んで圧縮し、酸化ガス（掃気時には掃気ガス）として燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器である。そして、コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１５ａに接続されている。また、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０により、その回転速度が適宜制御される。なお、コンプレッサ３１で圧縮された空気は、加湿器（図示せず）によって、発電に適した湿度に加湿された後に燃料電池１０のカソード１３に供給されるようになっている。このときの圧縮空気を加湿する加湿源としては、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスに含まれる水（発電時に生成される水）が用いられる。

また、カソード流路１５ａの下流側は、配管３２ａを介して、背圧弁３２に接続されている。背圧弁３２は、バタフライ弁などで構成され、ＥＣＵ６０によりその開度が適宜制御される。そして、背圧弁３２は、配管３２ｂを介して希釈器３３に接続されている。希釈器３３は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスと、カソード系３０からのカソードオフガス（空気、水など）とがそれぞれ導入されるようになっている。そして、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスで希釈され、所定水素濃度以下に低下した希釈ガスとなった後に排出されるようになっている。

なお、前記した配管３１ａ，３２ａ，３２ｂと、カソード流路１５ａとで、本実施形態の酸化ガス流路が構成されている。

前記掃気系４０は、アノード系２０の配管２２ａとカソード系３０の配管３１ａとを接続する連通配管４１ａと、ＥＣＵ６０により開閉される掃気用遮断弁４１と、を備えている。掃気用遮断弁４１が開かれることにより、掃気ガスがカソード系３０からアノード系２０に導かれるようになっている。このとき、掃気用遮断弁４１が開かれるとともに、パージ弁２４および背圧弁３２が開かれることにより、掃気ガスがアノード系２０とカソード系３０の双方に導かれるようになっている。また、掃気用遮断弁４１が開かれるとともに、パージ弁２４が開かれ、かつ、背圧弁３２が閉じられることにより、掃気ガスがアノード系２０のみに導かれるようになっている。また、掃気用遮断弁４１が閉じられることにより、掃気ガスがカソード系３０のみに導かれるようになっている。なお、コンプレッサ３１と、掃気用遮断弁４１と、連通配管４１ａとで、本実施形態の掃気手段が構成されている。

前記電力消費系５０は、燃料電池１０の出力端子（図示せず）に接続されており、燃料電池１０で発生した電力を消費する系である。電力消費系５０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ（外部負荷）５１と、ＶＣＵ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５２と、電流計５３と、を備えて構成されている。なお、外部負荷は、走行モータ５１に限定されず、バッテリなどの蓄電装置や各種補機（コンプレッサ３１を含む）などである。

走行モータ５１は、ＶＣＵ５２を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。ＶＣＵ５２は、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御する電流電圧制御器である。言い換えると、ＶＣＵ５２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池１０を発電させる機器である。このようなＶＣＵ５２は、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを備えている。そして、ＶＣＵ５２はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は出力電流および出力電圧を制御自在となっている。例えば、ＥＣＵ６０が出力電流を０にすれば、燃料電池１０は発電しない設定となっている。電流計５３は、燃料電池１０から取り出される電流値（発電電流値）を検出するセンサであり、燃料電池１０とＶＣＵ５２との間に接続されている。電流計５３は、ＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は電流値を監視する。

また、ＥＣＵ６０は、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ、以下、ＩＧと略記する）７０と接続されている。ＩＧ７０は、運転者により操作される燃料電池自動車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、ＩＧ７０は、ＥＣＵ６０と接続されており、ＩＧ７０のＯＮ信号／ＯＦＦ信号を受けて、各制御をするようになっている。なお、ＩＧ７０が、本実施形態の発電停止指令手段に相当し、ＩＧ７０がＯＦＦされた場合にＥＣＵ６０に向けて発せられるＯＦＦ信号は発電停止指令に相当する。

ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。なお、ＥＣＵ６０は、本実施形態の燃料電池内部水分量推定手段、掃気総流量算出手段、積算発電電流算出手段、燃料ガス流路水分発生有無判定手段、低温起動判定手段を備えている。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図４を参照して説明する。
まず、燃料電池システム１の運転停止時の状態について説明すると、ＩＧ７０がＯＦＦにされており、ＥＣＵ６０は、例えば、水素遮断弁２２、パージ弁２４、掃気用遮断弁４１を閉じ、コンプレッサ３１を停止するように制御している。

そして、図２のステップＳ１００において、ＩＧ７０がＯＮされると、ＥＣＵ６０は、水素遮断弁２２を開き、水素タンク２１から燃料電池１０のアノード１２に水素が供給されるとともに、コンプレッサ３１を駆動し、燃料電池１０のカソード１３に酸素を含む空気が供給される。これにより、燃料電池１０のアノード１２では、触媒の作用によって水素イオン（プロトン）が電解質膜１１をカソード１３に向けて透過し、電子が外部負荷を通ってカソード１３に移動する。また、燃料電池１０のカソード１３では、触媒の作用によって水素イオンと酸素と電子との反応によって水が生成されるとともに発電が開始される。

そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ６０は積算発電電流量を算出する処理を実行する。この積算発電電流量の算出は、発電開始から実行され、発電が停止するまで実行される。また、積算発電電流量は、例えば、電流計５３によって検出される電流値を加算しながらＲＡＭなどに記憶する。なお、このステップＳ１１０が、本実施形態の積算発電電流量算出手段に相当する。

そして、ステップＳ１２０に進み、ＥＣＵ６０は、温度計２５から得られる温度に基づいて燃料電池ＦＣの温度（ＦＣ温度）が所定温度以上であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、発電時にカソード１３で生成した水がアノード１２に透過を始める温度であり、例えば、１０℃や２０℃に設定される。ただし、電解質膜１１の種類などによって適宜設定することができる。ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０の温度が所定温度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、フラグとして「１」を設定し、所定温度以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０に進み、フラグとして「０」を設定する。

そして、ステップＳ１５０に進み、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＦＦであるかを判断する。ステップＳ１５０において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＦＦでないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０に戻り、ＩＧ７０がＯＦＦであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、発電が停止されたと判断して、ステップＳ１６０に進む。ＩＧ７０がＯＦＦされることにより、ＥＣＵ６０は、水素遮断弁２２を閉じて、燃料電池１０への水素の供給を停止し、コンプレッサ３１を停止して、燃料電池１０への空気の供給を停止する。これにより、燃料電池１０において発電が停止され、水の生成が停止する。

そして、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１６０において、掃気手法を決定する工程を実行する。掃気手法を決定する工程とは、例えば、燃料ガス流路を掃気ガス（空気）で掃気せず酸化ガス流路のみを掃気するか、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気ガスで掃気するかを決定する工程である。掃気手法決定工程では、図３に示すように、ステップＳ１６１において、発電停止後（ステップＳ１５０，Ｙｅｓ）において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０を次回起動する際に低温起動するかを判断する。低温起動とは、燃料電池システム１を搭載した燃料電池自動車を氷点下の環境下で起動する際に暖機が行われるようにした起動方法であり、常温で起動する場合の通常流量より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気を供給して、自己発熱量を高めるような起動を意味している。なお、このステップＳ１６１が、本実施形態の低温起動判定手段に相当する。

また、Ｓ１６１における、次回低温起動するか否かは、温度計２５により得られる燃料電池１０の温度に基づいて判断することができる。例えば、燃料電池１０の温度が氷点下に至るおそれが生じたときに、次回の起動が低温起動であると判定する。なお、次回低温起動は、燃料電池１０の温度に限定されるものではなく、例えば、外気温度や天気予報データに基づいて判断してもよい。

そして、ステップＳ１６１において、ＥＣＵ６０は、次回低温起動すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６２に進み、フラグに「１」が設定されているか否かを判断する。ステップＳ１６２において、ＥＣＵ６０は、フラグが「１」に設定されていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６３に進み、両側掃気、つまり、酸化ガス流路と燃料ガス流路の双方を掃気するように設定する。これは、図５に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１を超えているので、生成水がカソード１３からアノード１２に透過していることによる。

また、ステップＳ１６２において、ＥＣＵ６０は、フラグに「１」が設定されていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６４に進み、片側掃気、つまり、燃料ガス流路を掃気せず酸化ガス流路のみを掃気するように設定する。これは、図５に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上でないので、生成水がカソード１３からアノード１２に透過していないことによる。

そして、ステップＳ１６３，Ｓ１６４の後、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１７０に進み、ＥＣＵ６０は、掃気時間と掃気流量とを決定する工程に移行する。ステップＳ１７０の掃気時間および掃気流量決定工程では、図４に示すように、ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、掃気手法決定工程（Ｓ１６０）で両側掃気が設定されたか否かを判断する。ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、両側掃気が設定されたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７２に進み、フラグに「１」が設定された後の積算発電電流量を算出する。すなわち、アノード１２側の内部水分量については、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上となった時点からの積算発電電流量に基づくので、所定温度Ｔ１以上となるまでの積算発電電流量を減算することにより求めることができる（図５参照）。そして、ステップＳ１７３に進み、ステップＳ１７２で算出された値（積算発電電流）に基づいて内部水分量を算出する。なお、内部水分量は、予め試験等で求められたマップ、関数などに基づいて算出できる。このステップＳ１７２とステップＳ１７３とが、アノード側の内部水分量を算出するための手段（燃料電池内部水分量推定手段）に相当する。

そして、ステップＳ１７４に進み、ＥＣＵ６０は、発電開始（起動）からの積算発電電流に基づいてカソード１３側の内部水分量を算出する。なお、内部水分量は、予め試験等で求められたマップ、関数などに基づいて算出できる。このステップＳ１７４が、カソード側の内部水分量を算出するための手段（燃料電池内部水分量推定手段）に相当する。

そして、ステップＳ１７５に進み、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１７３で算出されたアノード１２側の内部水分量と、ステップＳ１７４で算出されたカソード１３側の内部水分量とを加算して、アノード１２側とカソード１３側の合計の内部水分量を算出し、掃気に必要な掃気ガス（空気）の体積流量（総流量）を算出する。なお、このステップＳ１７５が、本実施形態の掃気総流量算出手段に相当する。この掃気ガスの体積流量は、図７に示すように、内部水分量と体積流量との関係を示すマップに基づいて算出することができる。なお、体積流量の算出は、マップに限定されるものではなく、テーブルや関数などを用いて算出してもよい。

また、ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６０は、両側掃気でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７４に進み、発電開始（起動）からの積算発電電流に基づいてカソード１３側の内部水分量のみを算出する。そして、ステップＳ１７５に進み、カソード１３側の内部水分量に基づいて掃気に必要な掃気ガスの体積流量（総流量）を算出する。

そして、ステップＳ１７６に進み、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１７５において算出された体積流量に基づいて、掃気時間および掃気流量を決定する。掃気時の音（騒音）を重視して掃気を行うのであれば、掃気時間を長く設定して、掃気流量（量／時間、固定）を少なくすることにより、騒音を低減することができる。また、時間を重視して掃気を行うのであれば、掃気流量（量／時間）を多く設定して、掃気時間（固定）を短くすることにより、短時間で掃気を完了させることができる。また、効率を重視して掃気を行うのであれば、最も効率のよい掃気流量（固定）を設定することにより、高いエネルギ効率で掃気を行うことができる。このように、運転者の好みや周辺環境などに基づいて、最適な掃気タイプを選択することができるようになる。

そして、掃気時間および掃気流量決定工程（Ｓ１７０）終了後、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１８０に進み、ＥＣＵ６０は、両側掃気に設定された場合には、パージ弁２４および掃気用遮断弁４１を開き、かつ、背圧弁３２の開度を大きくするとともに、コンプレッサ３１の駆動を開始して、燃料ガス流路および酸化ガス流路を空気で掃気する。これにより、燃料ガス流路および酸化ガス流路に残留している生成水が吹き飛ばされて車外へ排出される。またこの掃気により、ＭＥＡ内に浸透している生成水が空気に取り込まれて、また生成水が溜まり易くなっている場所の生成水が吹き飛ばされて、それぞれ車外へ排出される。また、ステップＳ１８０において、ＥＣＵ６０は、片側掃気に設定された場合には、掃気用遮断弁４１を閉じ、かつ、背圧弁３２の開度を大きくするとともに、コンプレッサ３１の駆動を開始して、酸化ガス流路のみを空気で掃気する。掃気が終了したら処理を終了する。

また、ステップＳ１６１において、ＥＣＵ６０は、次回低温起動を検出していないと判断した場合には（Ｎｏ）、低温起動（暖機）する必要がないと判断して、ステップＳ１６５に進み、ＩＧ７０がＯＮであるか否かを判断する。ステップＳ１６５において、ＥＣＵ６０は、ＩＧ７０がＯＮでないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６１に戻り、ＩＧ７０がＯＮであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、掃気処理を実行せずに処理を終了する。

このように、ステップＳ１６１およびステップＳ１６５を設けることにより、例えば、ＩＧ７０がＯＦＦされたときに（Ｓ１５０、Ｙｅｓ）、次回低温起動が直ちに検出された場合には（Ｓ１６１，Ｙｅｓ）、ＩＧ７０のＯＦＦ直後に掃気が実行される。また、ＩＧ７０がＯＦＦされたときには（Ｓ１５０、Ｙｅｓ）、次回低温起動を検出しなかったが、時間の経過とともに燃料電池１０の温度や外気温度が低下して、次回低温起動が必要であると判断されたとき、つまりＩＧ７０のＯＦＦからある程度の時間が経過したときに掃気が実行されるようになる。

さらに、図５を参照して説明すると、燃料電池１０の温度が低い（氷点下）状態で発電が開始されて、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１を超える前に発電が停止された場合には（積算発電電流ＩＡ）、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過していないので、カソード１３側のみに生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、片側掃気（カソードのみ）に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路は掃気されず、電解質膜１１が過乾燥になるといった不都合を防止できる。また、アノード１２側を無駄に掃気することがないので、コンプレッサ３１の駆動に伴うエネルギ消費を抑制できる。

一方、燃料電池１０の温度が低い（氷点下）状態で発電が開始されて、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上となって発電が停止された場合には（積算発電電流ＩＢ）、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過しているので、アノード１２側とカソード１３側の双方に生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、両側掃気に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気して、掃気不足による電解質膜１１の凍結を防止することができる。

また、図６に示すように、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔ１よりも高い状態で発電が開始された場合には、発電開始の時点において、カソード１３からアノード１２に生成水が電解質膜１１を透過しているので、アノード１２側とカソード１３側の双方に生成水が存在している。このようなとき、本実施形態では、両側掃気に設定されるので、燃料電池１０を次回に低温起動する必要がある場合には、燃料ガス流路と酸化ガス流路の双方を掃気して、掃気不足による電解質膜１１の凍結を防止することができる。なお、図６の場合、燃料電池１０を次回に常温起動する場合には、掃気を行わない。

また、本実施形態では、内部水分量を、これと高い相関関係にある積算発電電流から算出しているので、内部水分量をより正確に算出することができるようになる。

また、本実施形態では、燃料電池１０の温度に基づいて、アノード１２側の内部水分量を推定して、掃気手法（両側掃気、片側掃気）を選択することにより、温度によってアノード１２側とカソード１３側にそれぞれに発生する内部水分量が変化しても、それに応じた効率的な掃気を行うことが可能になる。

また、本実施形態では、燃料ガス流路水分発生有無判定手段を備えているので、アノード１２側を無駄に掃気することがなくなるので燃費が悪化するのを防止できる。また、アノード１２側を過剰に掃気することがなくなるので、電解質膜１１の過乾燥を防止することができる。また、アノード１２側の掃気不足を防止できるので、電解質膜１１の凍結による発電性能の低下を防止できる。

また、本実施形態では、低温起動判定手段を備えているので、次回の起動が低温起動であると検出された場合に掃気を実行し、次回の起動が低温起動でないと検出された場合には掃気を実行しないため、掃気によるエネルギ消費を低減し、電解質膜１１の過乾燥を防止できるようになる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、両側掃気が必要な場合に必ずしも両側を掃気する必要はなく、アノード１２側のみを掃気するようにしてもよい。また、両側掃気をする場合には、アノード１２側とカソード１３側を同時に掃気する必要はなく、カソード１３側を掃気した後にアノード１２側を掃気するというようにアノード１２とカソード１３と時間差を設けて掃気してもよい。

また、パージ処理時や加速時などの運転状態を考慮して内部水分量を算出するようにしてもよい。例えば、パージ処理直後であれば内部水分量が減少するので、その分体積流量を低く設定できるので、エネルギ消費を抑制できるようになる。また、加速時であれば内部水分量が増加するので、その分体積流量を高く設定できるので、掃気不足による発電性能の低下を防止できるようになる。

また、内部水分量は、積算発電電流に替えて電力（ｋＷ；キロワット、積算発電電力）に基づいて算出してもよい。また、積算発電電流に替えて、燃料電池１０の膜抵抗、圧力損失（入れたガス圧と出たガス圧の差）、重さなどに基づいて内部水分量を算出してもよい。

また、単純に、燃料ガス流路水分発生有無判定手段のみを備えて、アノード１２側に生成水が存在しているか否かを判断して、掃気手法（両側掃気、片側掃気）を選択する構成であってもよい。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。掃気制御を示すフローチャートである。掃気手法決定工程を示すサブフローチャートである。掃気時間および掃気流量決定工程を示すサブフローチャートである。低温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフである。常温起動時における燃料電池の温度に応じた積算発電電流と内部水分量との関係を示すグラフである。内部水分量と体積流量との関係を示すマップである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
１４ａアノード流路（燃料ガス流路）
１５ａカソード流路（酸化ガス流路）
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ〜２４ｃ配管（燃料ガス流路）
３１コンプレッサ
３１ａ，３２ａ，３２ｂ配管（酸化ガス流路）
２５温度計（燃料電池温度検出手段）
４０連通配管
４１掃気用遮断弁
６０ＥＣＵ
７０イグニッションスイッチ

Claims

酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池内を含み前記酸化ガスが流通する酸化ガス流路と、
前記燃料電池内を含み記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、
前記燃料電池の発電停止後に、少なくとも前記酸化ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手法を有する掃気手段と、
前記燃料電池に対して発電停止指令を発する発電停止指令手段と、を備え、
前記発電停止指令手段が発電停止指令を発した場合、前記掃気手段により掃気を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止後に、前記燃料ガス流路に水分が存在するか否かを判定する燃料ガス流路水分発生有無判定手段と、
前記酸化ガス流路の内部水分量および前記燃料ガス流路の内部水分量を推定する燃料電池内部水分量推定手段と、
前記酸化ガス流路の内部水分量および前記燃料ガス流路の内部水分量に基づいて掃気に必要な掃気ガスの総流量を算出する掃気総流量算出手段と、を備え、
前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段により前記燃料ガス流路に水分が存在していないと判定された場合には、前記総流量に基づいて決定された掃気流量で、前記酸化ガス流路の掃気を行い、
前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段により前記燃料ガス流路に水分が存在していると判定された場合には、前記総流量に基づいて決定された掃気流量で、前記酸化ガス流路の掃気を行い、さらに前記燃料ガス流路の内部水分量に応じて前記燃料ガス流路の掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の発電開始から発電停止までの積算発電電流量を算出する積算発電電流量算出手段を備え、
前記燃料電池内部水分量推定手段は、前記積算発電電流量算出手段により求められた積算発電電流量に基づいて内部水分量を推定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。
前記燃料電池の発電中の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、
前記燃料ガス流路水分発生有無判定手段は、
前記燃料電池温度検出手段の検出した温度が、前記燃料電池の発電時にカソードで生成した水がアノードに透過を始める温度である所定温度以上である場合には、前記燃料ガス流路に水分が存在していると判定し、前記所定温度以上でない場合には、前記燃料ガス流路に水分が存在していないと判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池内部水分量推定手段は、
前記積算発電電流量算出手段により求められた積算発電電流値に基づいて前記酸化ガス流路の内部水分量を算出し、
前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度以上となった時点からの積算発電電流値に基づいて前記燃料ガス流路の内部水分量を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の次回起動時に、低温起動を行うか否かを判定する低温起動判定手段を備え、
前記低温起動判定手段により低温起動を行うと判定されたときに掃気を行う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。