JP2008192373A - 燃料電池システムおよびその掃気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排出弁の開弁に要する力を低減して、排出弁の小型化および低コスト化が可能な、燃料電池システム１０１を提供する。
【解決手段】掃気ガスを供給するコンプレッサ１０２と、カソードガス流路５２に掃気ガスを供給して行うカソード掃気とアノードガス流路５１に掃気ガスを供給して行うアノード掃気とを切り換える排出弁６４と、掃気ガスの圧力を調整する背圧弁１０４とを備え、ＥＣＵ６０は、背圧弁１０４により掃気ガス圧力を調整して、排出弁６４によりカソード掃気からアノード掃気へと切り替える際の排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差を、排出弁６４の開弁可能圧力差に低減させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその掃気方法に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下「燃料電池」という。）とするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。

燃料電池の発電停止中に燃料電池の温度が氷点下になると、燃料電池内部に残留している水が凍結する。これにより膜電極構造体が劣化し、燃料電池の起動性や発電性能を低下させることになる。
そこで特許文献１には、燃料電池の通常運転停止後、空気経路あるいは水素経路の少なくとも一方に乾燥ガスを供給し、乾燥ガスに燃料電池内の水分を含有させて湿潤ガスとして、燃料電池から排出する技術が提案されている。
特開２００２−２０８４２２号公報

近時では、反応ガスとしてカソードガス流路に供給される空気を掃気ガスとして、カソードガス流路だけでなくアノードガス流路にも供給する技術が提案されている。この場合には、空気の供給先をカソードガス流路とアノードガス流路との間で切り替える掃気切替弁が設けられることになる。

しかしながら、カソード掃気の終了後、アノード掃気を行うため掃気切替弁を切り替える際には、掃気切替弁の両側に圧力差が生じている。すなわち、掃気切替弁の上流側は高圧となり、下流側は低圧となっている。この場合、掃気切替弁を開弁するには大きな力を要するという問題がある。なお、圧力差が大きくても開弁可能とするため、開閉力の大きな掃気切替弁を使用する場合には、掃気切替弁の大型化および高コスト化を伴うという問題がある。

そこで本発明は、掃気切替弁の開弁に要する力を低減して、掃気切替弁の小型化および低コスト化が可能な、燃料電池システムおよびその掃気方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、カソードガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路５２）にカソードガス（例えば、実施形態における酸化剤ガス）を供給し、アノードガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路５１）にアノードガス（例えば、実施形態における燃料ガス）を供給して発電する燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段（例えば、実施形態におけるコンプレッサ１０２）と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の一方に前記掃気ガスを供給して行う第１掃気と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の他方に前記掃気ガスを供給して行う第２掃気とを切り換える掃気切替弁（例えば、実施形態における排出弁６４）と、を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０１）において、前記掃気ガスの圧力を調整する掃気ガス圧力調整装置（例えば、実施形態における背圧弁１０４）と、前記掃気ガス供給手段、前記掃気切替弁および前記掃気ガス圧力調整装置の動作を制御する制御部（例えば、実施形態におけるＥＣＵ６０）と、をさらに有し、前記制御部は、前記掃気ガス圧力調整装置により前記掃気ガスの圧力を調整して、前記掃気切替弁により前記第１掃気（例えば、実施形態におけるカソード掃気）から前記第２掃気（例えば、実施形態におけるアノード掃気）へと切り替える際の前記掃気切替弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記第１掃気中の前記掃気ガスの圧力より低減させることを特徴とする。

この発明によれば、第１掃気から第２掃気へと切り替える際に、掃気切替弁の上流側における掃気ガスの圧力を低減させるので、掃気切替弁の両側の圧力差が小さくなる。これにより、掃気切替弁の開弁に要する力を低減することが可能になり、掃気切替弁の小型化および低コスト化を実現することができる。

請求項２に係る発明は、前記第１掃気は、前記カソードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うカソード掃気であり、前記第２掃気は、前記アノードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うアノード掃気であって、前記掃気切替弁は、前記アノードガス流路からの前記掃気ガスの排出を制御する排出弁（例えば、実施形態における排出弁６４）であることを特徴とする。

この発明によれば、アノードガス流路の下流側に配置された排出弁を掃気切替弁とするので、カソード掃気時であってもアノードガス流路がカソードガス流路と連通することになる。そのため、カソード掃気時に供給された掃気ガスをアノードガス流路に侵入させ、アノードガス流路に残存するアノードガスを希釈することが可能になる。これにより、アノード掃気時に排出されるガス中のアノードガス濃度を低減することができる。

請求項３に係る発明は、前記第１掃気は、前記カソードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うカソード掃気であり、前記第２掃気は、前記アノードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うアノード掃気であって、前記掃気ガス圧力調整装置は、前記カソードガス流路から排出される前記掃気ガスの圧力を調整可能な背圧弁（例えば、実施形態における背圧弁１０４）であることを特徴とする。

掃気ガス圧力調整装置としてコンプレッサを利用する場合には、回転数の変更により圧力調整を行うことになる。この場合には、掃気時の騒音の変動により使用者に違和感を与えるおそれがある。これに対して、請求項３に係る発明によれば、掃気ガス圧力調整装置として背圧弁を利用するので、掃気時の騒音の変動による使用者の違和感を低減することが可能になる。

請求項４に係る発明は、カソードガス流路にカソードガスを供給し、アノードガス流路にアノードガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記アノードガス流路を掃気する掃気ガスが流通するアノード掃気ガス流路（例えば、実施形態におけるアノード掃気ガス流路６５）と、前記アノード掃気ガス流路に配置され、アノードガス流路の掃気を開始する際に開弁するアノード掃気制御弁（例えば、実施形態における排出弁６４）と、を有する燃料電池システムにおいて、前記掃気ガスの圧力を調整する掃気ガス圧力調整装置と、前記掃気ガス供給手段、前記アノード掃気制御弁および前記掃気ガス圧力調整装置の動作を制御する制御部と、をさらに有し、前記制御部は、前記掃気ガス圧力調整装置により前記掃気ガスの圧力を調整して、前記アノード掃気制御弁を開弁する際の前記アノード掃気制御弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記アノードガス流路の掃気中の前記掃気ガスの圧力より低減させることを特徴とする。

この発明によれば、アノード掃気を開始する際に、アノード掃気制御弁の上流側における掃気ガスの圧力を低減させるので、アノード掃気制御弁の両側の圧力差が小さくなる。これにより、アノード掃気制御弁の開弁に要する力を低減することが可能になり、アノード掃気制御弁の小型化および低コスト化を実現することができる。

請求項５に係る発明は、前記アノード掃気制御弁は、前記アノードガス流路からの前記掃気ガスの排出を制御する排出弁であり、前記制御部は、前記掃気ガス供給手段により前記掃気ガスを前記排出弁の上流側に充填した後に、前記排出弁を開弁することを特徴とする。

この発明によれば、アノードガス流路の下流側における排出弁をアノード掃気制御弁としたので、カソード掃気時であってもアノードガス流路がカソードガス流路と連通することになる。そのため、カソード掃気時に供給された掃気ガスをアノードガス流路に侵入させ、アノードガス流路に残存するアノードガスを希釈することが可能になる。これにより、アノード掃気時に排出されるガス中のアノードガス濃度を低減することができる。

請求項６に係る発明は、カソードガス流路にカソードガスを供給し、アノードガス流路にアノードガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の一方に前記掃気ガスを供給して行う第１掃気と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の他方に前記掃気ガスを供給して行う第２掃気とを切り替える掃気切替弁と、を有する燃料電池システムの掃気方法であって、前記第１掃気を行う工程（例えば、実施形態におけるＳ２４）と、前記掃気切替弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記第１掃気中の前記掃気ガスの圧力より低減させる工程（例えば、実施形態におけるＳ３６）と、前記掃気切替弁を切り替える工程（例えば、実施形態におけるＳ４０）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、第１掃気の終了後、掃気切替弁を切り替える前に、掃気切替弁の上流側における掃気ガスの圧力を低減させるので、掃気切替弁の両側の圧力差が小さくなる。これにより、掃気切替弁の開弁に要する力を低減することが可能になり、掃気切替弁の小型化および低コスト化を実現することができる。

本発明によれば、第１掃気から第２掃気へと切り替える際に、掃気切替弁の上流側における掃気ガスの圧力を低減させるので、掃気切替弁の両側の圧力差が小さくなる。これにより、掃気切替弁の開弁に要する力を低減することが可能になり、掃気切替弁の小型化および低コスト化を実現することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
最初に、燃料電池システムの概略構造について説明する。燃料電池システムは、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレートを配置してタイロッドで締結した燃料電池スタックを備えている。

（燃料電池）
図１は、単位セルの展開図である。単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を配置して構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、例えばカーボン材料等で構成されている。

図１において、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の燃料ガス（アノードガス、例えば水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の燃料ガス（以下「アノードオフガス」という。）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。また、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の酸化剤ガス（カソードガス、例えば空気）が流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下「カソードオフガス」という。）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの上側中央部には、使役前の冷媒（冷媒）が流通する冷媒供給口１５が設けられ、その対称位置である下側中央部には、使役後の冷媒が流通する冷媒排出口１６が設けられている。

カソード側セパレータ３０Ｂにおいて、膜電極構造体２０と対向する面には、酸化剤ガスを膜電極構造体２０に沿って流通させるための凹部（５２）が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４に接続されて、カソードガス流路５２が形成されている。このカソードガス流路５２内には、酸化剤ガスが上から下へ流れるように案内する複数のガイド突条５３が平行に設けられている。なおカソード側セパレータ３０Ｂにおいて、膜電極構造体２０と反対側の面は、平坦面に形成されている。

また、カソード側セパレータ３０Ｂにおける膜電極構造体２０との対向面には、シール材７０Ｂが設けられている。このシール材７０Ｂは、シリコーン系ゴムやフッソ系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、ブチル系ゴム等の一体成形品として構成されている。シール材７０Ｂは、酸化剤ガス供給口１３、カソードガス流路５２およびカソードオフガス排出口１４の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

なお図示しないが、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、膜電極構造体２０と対向する面には、燃料ガスを膜電極構造体２０に沿って流通させるための凹部が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、燃料ガス供給口１１およびアノードオフガス排出口１２に接続されて、アノードガス流路（５１）が形成されている。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおける膜電極構造体２０との対向面には、シール材（７０Ａ）が設けられている。このシール材は、燃料ガス供給口１１、アノードガス流路およびアノードオフガス排出口１２の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

一方、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、膜電極構造体２０と反対側の面には、冷媒を流通させるための凹部（３２）が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６に接続されて、冷媒流路３２が形成されている。この冷媒流路３２内には、冷媒が上から下へ流れるように案内する複数のガイド突条３３が平行に設けられている。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおける膜電極構造体２０と反対側の面には、シール材７０Ｃが設けられている。このシール材７０Ｃは、冷媒供給口１５、冷媒流路３２および冷媒排出口１６の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞している。

図２は、単位セルを積層した燃料電池スタックであり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂは、シール材７０Ｂを介して膜電極構造体２０に密着され、アノード側セパレータ３０Ａは、シール材７０Ａを介して膜電極構造体２０に密着されている。これにより、カソード側セパレータ３０Ｂと膜電極構造体２０との間にカソードガス流路５２が形成され、アノード側セパレータ３０Ａと膜電極構造体２０との間にアノードガス流路５１が形成されている。
また、アノード側セパレータ３０Ａは、シール材７０Ｃを介して、隣接するカソード側セパレータ３０Ｂに密着されている。これにより、両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの間に冷媒流路３２が形成されている。

そして、アノードガス流路５１に燃料ガスとして水素ガス等を供給し、カソードガス流路５２に酸化剤ガスとして酸素を含む空気等を供給すると、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を通過してカソード電極２３まで移動する。この水素イオンがカソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なおカソード電極２３側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２１を透過してアノード電極２２側に拡散するため、アノード電極２２側にも生成水が存在する。

一方、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂに形成された燃料ガス供給口１１が相互に連結されて、燃料ガス供給用連通孔７１が形成されている。この燃料ガス供給用連通孔７１は、各単位セル１０のアノードガス流路５１に連結されている。
同様に、図１に示す各単位セル１０に形成されたアノードオフガス排出口１２が相互に連結されてアノードオフガス排出用連通孔が形成されている。また酸化剤ガス供給口１３が相互に連結されて酸化剤ガス供給用連通孔が形成され、カソードオフガス排出口１４が相互に連結されてカソードオフガス排出用連通孔が形成されている。また冷媒供給口１５が相互に連結されて冷媒供給用連通孔が形成され、冷媒排出口１６が相互に連結されて冷媒排出用連通孔が形成されている。

（燃料電池システム）
図３は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略構成図である。上述した燃料電池スタック（以下「燃料電池」または「ＦＣ」（Fuel Cell）という。）１は、水素ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うものである。そこで、燃料電池１の燃料ガス供給用連通孔には燃料ガス供給配管１１３が連結され、その上流端部には水素タンク１３０が接続されている。また、燃料電池１の酸化剤ガス供給用連通孔には酸化剤ガス供給配管１２１が連結され、その上流端部には反応ガス供給手段としてコンプレッサ（エアポンプ）１０２が接続されている。なお、燃料電池１のアノードオフガス排出用連通孔にはアノードオフガス回収配管１１１が連結され、カソードオフガス排出用連通孔にはカソードオフガス排出配管１２２が連結されている。

水素タンク１３０から燃料ガス供給配管１１３に供給された水素ガスは、レギュレータ１０５により減圧された後、エゼクタ１０６を通り、アノード加湿器１０７により加湿されて、燃料電池１のアノードガス流路５１に供給される。アノードオフガスは、アノードオフガス回収配管１１１を通ってエゼクタ１０６に吸引され、水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。
なおアノードオフガス回収配管１１１は、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出配管１１２に接続されている。

また、空気はコンプレッサ１０２によって加圧され、カソード加湿器１０３で加湿されて、燃料電池１のカソードガス流路５２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出され、背圧弁１０４を介して大気に放出される。

一方、燃料電池システム１００は、燃料電池内に冷媒を流通させて燃料電池１を冷却する冷却手段８０を備えている。冷却手段８０として、燃料電池１の冷媒供給用連通孔には冷媒供給配管８３が連結され、冷媒排出用連通孔には冷媒排出配管８１が連結されている。冷媒供給配管８３の上流端部および冷媒排出配管８１の下流端部は、ラジエータ（熱交換器）８８に接続されている。冷媒供給配管８３には、燃料電池１とラジエータ８８との間で冷媒を流通させる冷媒供給手段として、ウォータポンプ（以下「Ｗ／Ｐ」という。）８４が設けられている。Ｗ／Ｐ８４は、コンプレッサ１０２と同軸状に連結され、連動して駆動されるようになっている。また、冷媒排出配管８１には燃料電池冷却後の冷媒温度を検出するため冷媒温度センサ８２が設けられている。なお、燃料電池冷却後の冷媒温度は燃料電池の温度と略一致するため、冷媒温度センサ８２は燃料電池温度把握手段として機能する。

燃料電池１には、燃料電池１によって駆動されるモータ等の負荷４０が接続されている。ここで、燃料電池１から負荷４０へ出力される電圧および電流を検出するため、電圧センサ４１および電流センサ４２が設けられている。

（第１実施形態）
図４は、第１実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。なお第１実施形態に係る燃料電池システム１０１は、図３に示す燃料電池システム１００の概略構成に加えて、図４に示す特徴構成を備えている。以下の実施形態および変形例に係る燃料電池システムについても同様である。

第１実施形態に係る燃料電池システム１０１は、カソードガス流路５２およびアノードガス流路５１に掃気ガスを供給して、各流路の残留水を燃料電池外部に排出する掃気処理を実施しうるようになっている。具体的には、カソードガス流路に掃気ガスを供給して行う第１掃気と、アノードガス流路に掃気ガスを供給して行う第２掃気とを、切り替えて実施することが可能である。その掃気ガスとして、燃料電池の反応ガス（酸化剤ガス）である空気が使用される。そのため、上述したコンプレッサ１０２が、燃料電池１内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。

燃料電池システム１０１は、カソードガス流路５２を掃気する掃気ガスが流通するカソード掃気ガス流路と、アノードガス流路を掃気する掃気ガスが流通するアノード掃気ガス流路６５とを備えている。
カソード掃気ガス流路は、酸化剤ガス供給配管１２１、カソードガス流路５２およびカソードオフガス排出配管１２２で構成される。カソードオフガス排出配管１２２には、背圧弁１０４が設けられている。背圧弁１０４は、開度調整可能な流量制御弁等で構成され、掃気ガスの圧力を調整する掃気ガス圧力調整装置として機能する。なおコンプレッサ１０２も、回転数の変更によって掃気ガスの圧力調整が可能であり、掃気ガス圧力調整装置として機能する。

アノード掃気ガス流路６５は、燃料ガス供給配管１１３、アノードガス流路５１およびアノードオフガス回収配管１１１に加えて、掃気ガス供給流路６１および掃気ガス排出流路６３で構成される。掃気ガス供給流路６１は、加湿器１０３の上流側において酸化剤ガス供給配管１２１から分岐され、エゼクタ１０６（および加湿器１０７）の下流側において燃料ガス供給配管１１３に合流している。また掃気ガス排出流路６３は、アノードオフガス回収配管１１１から分岐され、希釈ボックス９８に接続されている。希釈ボックス９８は、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスやアノード掃気ガスを、カソードオフガス等の希釈ガスを用いて希釈するものである。

掃気ガス排出流路６３には、アノードガス流路５１からの掃気ガスの排出を制御する排出弁６４が設けられている。排出弁６４を開弁すると、コンプレッサ１０２からアノードガス流路５１に空気が供給されて、アノードガス流路５１の掃気（第２掃気）が可能になる。したがって排出弁６４は、アノード掃気制御弁として機能する。また排出弁６４を閉弁すると、コンプレッサ１０２からカソードガス流路５２に空気が供給されて、カソードガス流路５２の掃気（第１掃気）が可能になる。したがって排出弁６４は、第１掃気と第２掃気とを切り替える掃気切替弁として機能する。
なお排出弁６４に代えて、または排出弁６４とともに、掃気ガス供給流路６１に導入弁６２を設けてもよい。導入弁６２も、排出弁６４と同様に、アノード掃気制御弁および掃気切替弁として機能する。

図５は、切替電磁弁の断面図である。上述した排出弁６４（および導入弁６２）は、図５（ａ）に示すような切替電磁弁１４０で構成されている。切替電磁弁１４０は、円筒状のケース１４１を備えている。ケース１４１の側面にはガス流入口１４２が開口され、底面にはガス流出口１４４が開口されている。ケース１４１の内部には、リング状のソレノイド１４６が設けられている。ソレノイド１４６の中央孔には、プランジャ１４８のシャフト部１４８ａが挿入されている。シャフト部１４８ａの下端には、ガス流出口１４４を閉塞可能なシール部１４８ｂが形成されている。

ソレノイド１４６に通電しない状態では、図５（ａ）に示すように、プランジャ１４８のシール部１４８ｂによりガス流出口１４４が閉塞されている。この場合、ガス流入口１４２から流入したガスは、切替電磁弁１４０で遮断され、ガス流出口１４４から流出しない。ソレノイド１４６に通電すると、図５（ｂ）に示すように、プランジャ１４８が引き上げられてガス流出口１４４が開放される。この場合、ガス流入口１４２から流入したガスは、切替電磁弁１４０を流通して、ガス流出口１４４から流出する。このような切替電磁弁１４０を掃気ガス排出流路６３に設けることにより、掃気ガス排出流路６３を開閉しうるようになっている。

図４に戻り、燃料ガス供給配管１１３における掃気ガス供給流路６１の合流点の下流側には、第１圧力センサ６６が設けられている。第１圧力センサ６６は、アノード掃気ガス流路６５における排出弁６４の上流側の掃気ガス圧力を測定するものである。また掃気ガス排出流路６３の下流端部には、第２圧力センサ６７が設けられている。第２圧力センサ６７は、アノード掃気ガス流路６５における排出弁６４の下流側の掃気ガス圧力を測定するものである。

そして燃料電池システム１０１は、電子コントロールユニット（制御部、以下「ＥＣＵ」という。）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、コンプレッサ１０２、排出弁６４、導入弁６２、第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６７に接続されている。これによりＥＣＵ６０は、掃気ガス供給手段であるコンプレッサ１０２、掃気ガス圧力調整装置である背圧弁１０４、および掃気切替弁である排出弁６４（および導入弁６２）の動作を制御しうるようになっている。またＥＣＵ６０は、第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６７の測定結果から排出弁６４の両側における圧力差を検出し、検出した圧力差に基づいて掃気ガス圧力調整装置である背圧弁１０４の動作を制御しうるようになっている。

（燃料電池システムの掃気方法）
次に、第１実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法について説明する。
図７は、燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。まずＳ１２において、イグニッションスイッチがオフされたか判断する。判断がＹｅｓの場合はＳ１４に進んで、燃料電池１の次回起動が低温起動になるか判断する。この判断は外気温や天気予報等に基づいて行うことが可能である。Ｓ１４の判断がＮｏの場合（低温起動にならない場合）は、燃料電池内の残留水が凍結するおそれはないので、掃気処理を行わずに終了する。Ｓ１４の判断がＹｅｓの場合（低温起動になる場合）は、Ｓ２０に進んで掃気制御を行う。

図６は、第１実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。掃気処理として、まずカソードガス流路５２に掃気ガスを供給してカソード掃気を行い、次に排出弁６４の開弁処理を行い、次にアノードガス流路５１に掃気ガスを供給してアノード掃気を行う。

図８は、掃気制御サブルーチンのフローチャートである。まずＳ２２において掃気ガスの供給を開始し、Ｓ２４においてカソード掃気を開始する。具体的には、ＥＣＵ６０からの指令により、まず掃気ガス供給手段であるコンプレッサ１０２を駆動し、掃気ガスとして空気を供給する。また図６に示すように、掃気ガス圧力調整装置である背圧弁１０４の開度を増加させ、掃気ガス圧力を指令値まで増加させる。これにより、所定圧力の掃気ガスが、カソード掃気ガス流路（酸化剤ガス供給配管１２１、カソードガス流路５２およびカソードオフガス排出配管１２２）を流通して、カソード掃気が行われる。カソード掃気では、カソードガス流路５２の残留水が掃気ガスとともに排出される。

ここで図６に示すように、アノード掃気制御弁（掃気切替弁）である排出弁６４には開弁指令が出力されていないので、排出弁の開弁判断もＯＦＦになっている。そのためアノード掃気は行われない。ただし、導入弁６２には開弁指令が出力されているので、アノードガス流路５１が掃気ガス供給流路６１を介してカソードガス流路５２と連通している。そのため、カソード掃気時にカソードガス流路５２供給された掃気ガスをアノードガス流路に侵入させ、アノードガス流路に残存する水素ガスを希釈することが可能になる。これにより、後述するアノード掃気時の排出ガス中のアノードガス濃度を低減することができる。

図８に戻り、Ｓ２６においてカソード掃気が完了したか判断する。ここでは、カソードガス流路５２内の残留水の排出処理およびアノードガス流路５１内の水素ガスの希釈処理が完了した場合に、カソード掃気が完了したと判断する。具体的には、カソード掃気時間や掃気ガス流量の積算値が、両処理の完了に必要な所定値を超えたか否かで判断する。Ｓ２６の判断がＮｏの場合（カソード掃気が未了の場合）には、カソード掃気を継続する。Ｓ２６の判断がＹｅｓの場合（カソード掃気が完了の場合）には、Ｓ３０に進んで掃気切替制御（排出弁６４の開弁処理）を行う。

図９は、掃気切替制御サブルーチンのフローチャートである。Ｓ３２でカソード掃気の終了を検出したら、Ｓ３４において排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差を検出する。具体的には、第１圧力センサ６６による掃気ガス圧力の測定値と、第２圧力センサ６７による掃気ガス圧力の測定値との差を検出する。次にＳ３８において、検出した圧力差が開弁可能圧力差より小さいか判断する。上述したように、排出弁６４を構成する電磁弁は、ソレノイドに通電してプランジャを移動させることにより開弁動作を行う。ところが電磁弁の両側の圧力差が大きいと、プランジャが移動しにくくなって開弁動作が困難になる。開弁可能圧力差とは、通電によりプランジャを移動させ開弁動作を行うことが可能な、電磁弁の両側の圧力差である。

Ｓ３８の判断がＮｏの場合（検出した圧力差が大きい場合）は、Ｓ３６に進んで掃気ガス圧力を低減する。具体的には図６に示すように、ＥＣＵ６０からの指令により背圧弁１０４の開度を増加させ、掃気ガス圧力を指令値まで低下させる。
図９に戻り、Ｓ３８の判断がＹｅｓの場合（検出した圧力差が小さい場合）は、Ｓ４０に進んでアノード掃気制御弁を開弁する。具体的には図６に示すように、背圧弁１０４を開放状態に維持するとともに、排出弁６４に開弁指令を出力する。排出弁６４は、開弁指令が出力されてから掃気ガス圧力が安定するまで所定時間を置いて、開弁判断をＯＮにする。これにより、排出弁６４の開弁処理が完了する。

図９に戻り、Ｓ４２では掃気ガス圧力が低下中か判断する。上記のように、掃気ガス圧力は低下しているから、Ｓ４３に進んで掃気ガス圧力を元に戻す。具体的には図６に示すように、背圧弁１０４の開度を減少させて全閉状態とする。なお制御上は、背圧弁１０４の開度が非常に小さい状態を全閉状態とする。これにより、カソード掃気ガス流路における掃気ガスの流通が停止する。以上により、図９に示す掃気切替制御が終了する。

図８に戻り、Ｓ４４においてアノード掃気を開始する。具体的には、所定圧力の掃気ガスが、アノード掃気ガス流路６５（掃気ガス供給流路６１、燃料ガス供給配管１１３、アノードガス流路５１、アノードオフガス回収配管１１１および掃気ガス排出流路６３）を流通して、アノード掃気が行われる。アノード掃気では、アノードガス流路５１の残留水が掃気ガスとともに排出される。

次に、Ｓ４６においてアノード掃気が完了したか判断する。ここでは、アノードガス流路５１内の残留水の排出処理が完了した場合に、アノード掃気が完了したと判断する。具体的には、アノード掃気時間が、残留水の排出処理の完了に必要な所定時間を超えたか否かで判断する。Ｓ４６の判断がＮｏの場合（アノード掃気が未了の場合）には、アノード掃気を継続する。Ｓ４６の判断がＹｅｓの場合（アノード掃気が完了の場合）には、Ｓ４８に進んで掃気ガスの供給を停止する。そして図７に戻り、掃気処理を終了する。

以上に詳述したように、第１実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内に掃気ガスを供給するコンプレッサ１０２と、カソード掃気とアノード掃気とを切り換える排出弁６４と、掃気ガスの圧力を調整する背圧弁１０４と、コンプレッサ１０２、排出弁６４および背圧弁１０４の動作を制御するＥＣＵ６０とを有し、ＥＣＵ６０は、背圧弁１０４により掃気ガス圧力を調整して、排出弁６４によりカソード掃気からアノード掃気へと切り替える際の排出弁６４の上流側における掃気ガス圧力を、カソード掃気中の掃気ガス圧力より低減させる構成とした。

この構成によれば、カソード掃気からアノード掃気へと切り替える際に、排出弁６４の上流側における掃気ガスの圧力を低減させるので、排出弁６４の両側の圧力差が小さくなる。具体的には、排出弁６４の両側の圧力差を開弁可能圧力差まで低下させることが可能になる。これにより、排出弁６４の開弁に要する力を低減して、排出弁６４を確実に開弁することが可能になり、排出弁６４の小型化および低コスト化を実現することができる。

また、アノードガス流路５１の下流側に配置された排出弁６４を掃気切替弁とするので、カソード掃気時であってもアノードガス流路５１がカソードガス流路５２と連通することになる。そのため、カソード掃気時においてカソードガス流路５２に供給された掃気ガスをアノードガス流路５１に侵入させ、アノードガス流路に残存する水素ガスを希釈することが可能になる。これにより、アノード掃気時における排出ガス中の水素ガス濃度を低減することができる。

なお上記実施形態では、背圧弁１０４を掃気ガス圧力調整装置としたが、コンプレッサ１０２を掃気ガス圧力調整装置とすることも可能である。ただしこの場合には、回転数の変更により圧力調整を行うため、掃気時の騒音の変動により使用者に違和感を与えるおそれがある。これに対して上記実施形態では、背圧弁を掃気ガス圧力調整装置としたので、掃気時の騒音の変動による使用者の違和感を低減することが可能になる。

（第１変形例）
図１０（ａ）は、第１実施形態の第１変形例における掃気切替制御サブルーチンのフローチャートである。第１実施形態では、排出弁６４の両側の圧力差が所定値を下回ってから排出弁６４を開弁したが、この第１変形例では排出弁６４の両側の圧力差を所定時間だけ調整してから排出弁６４を開弁する点で異なっている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図１０（ａ）に示す第１変形例の掃気切替制御では、Ｓ１３２でカソード掃気の終了を検出したら、Ｓ１３４において排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差を検出する。次にＳ１３５において、マップにより圧力調整時間を決定する。
図１０（ｂ）は、圧力調整時間の決定マップである。このマップは、縦軸に排出弁６４の両側の圧力差をとり、横軸に圧力調整時間をとっている。掃気ガスの圧力調整作業は、排出弁６４の両側の圧力差を、排出弁６４の開弁可能圧力差まで低減させる作業である。そのため図１０（ｂ）では、圧力差が開弁可能圧力差に一致する場合には、圧力調整時間がゼロになっている。また圧力差が開弁可能圧力差より高くなるにしたがって、圧力調整時間が長くなっている。

図１０（ａ）に戻り、Ｓ１３６において掃気ガス圧力を低減する。具体的には、ＥＣＵ６０からの指令により背圧弁１０４の開度を増加させる。次にＳ１３８において、掃気ガス圧力の低減を開始してから所定時間が経過したか判断する。この所定時間とは、Ｓ１３５で決定した圧力調整時間である。Ｓ１３８の判断がＮｏの場合（所定時間が経過していない場合）には、Ｓ１３６に戻って圧力低減処理を継続する。Ｓ１３８の判断がＹｅｓの場合（所定時間が経過した場合）には、排出弁６４の両側の圧力差が開弁可能圧力差を下回ったと考えられることから、排出弁６４の開弁処理を行う。

以上に詳述した第１変形例でも、排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差を、開弁可能圧力差まで低下させることができる。これにより、排出弁６４の開弁に要する力を低減することが可能になり、排出弁６４の小型化および低コスト化を実現することができる。

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。第１実施形態では排出弁６４を掃気切替弁として機能させたが、第２実施形態では導入弁６２を掃気切替弁として機能させる点で異なっている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態のカソード掃気工程では、導入弁６２および排出弁６４ともに開弁指令が出力されていない。カソード掃気の終了後、背圧弁１０４の開度を増加させて、掃気ガス圧力を低下させる。そして、導入弁６２の両側の圧力差が開弁可能圧力差より小さくなったら、背圧弁１０４を開放状態に維持するとともに、ＥＣＵ６０から導入弁６２および排出弁６４に対して開弁指令を出力する。導入弁６２は、開弁指令が出力されてから掃気ガス圧力が安定するまで所定時間を置いて、開弁判断をＯＮにする。これにより、導入弁６２（および排出弁６４）の開弁処理が完了する。

その後、背圧弁１０４の開度を低下させて全閉状態とし、カソード掃気ガス流路における掃気ガスの流通を停止させる。導入弁６２および排出弁６４が開弁されているので、掃気ガスをアノード掃気ガス流路６５に流通させて、アノード掃気を行う。
この第２実施形態でも、導入弁６２の両側における掃気ガスの圧力差を開弁可能圧力差まで低下させることで、導入弁６２の開弁に要する力を低減することが可能になり、導入弁６２の小型化および低コスト化を実現することができる。

（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。第１実施形態では背圧弁１０４を掃気ガス圧力調整装置として機能させたが、第３実施形態ではコンプレッサ１０２を掃気ガス圧力調整装置として機能させる点で異なっている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

カソード掃気工程では、導入弁６２に開弁指令が出力され、排出弁６４には開弁指令が出力されていない。第３実施形態では、カソード掃気の終了後、コンプレッサ１０２の回転数を低下させて、掃気ガス圧力を低下させる。そして、排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差が開弁可能圧力差より小さくなったら、コンプレッサ１０２を低回転数に維持するとともに、ＥＣＵ６０から排出弁６４に対して開弁指令を出力する。排出弁６４は、開弁指令が出力されてから掃気ガス圧力が安定するまで所定時間を置いて、開弁判断をＯＮにする。これにより、排出弁６４の開弁処理が完了する。

その後、背圧弁１０４を全閉状態として、カソード掃気ガス流路における掃気ガスの流通を停止させる。さらに、コンプレッサ１０２の回転数を増加させ、掃気ガスをアノード掃気ガス流路６５に流通させて、アノード掃気を行う。
このように、コンプレッサ１０２を掃気ガス圧力調整装置として機能させる第３実施形態でも、排出弁６４の両側における掃気ガスの圧力差を開弁可能圧力差まで低下させることができる。これにより、排出弁６４の開弁に要する力を低減することが可能になり、排出弁６４の小型化およびコスト低減を実現することができる。

なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では掃気ガスをカソードガス（酸化剤ガス、空気）とし、掃気ガス供給手段をコンプレッサ１０２としたが、掃気ガスとして窒素ガス等を採用し、掃気ガス供給手段として窒素タンク等を別途設けてもよい。また第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６７の取付け位置は、上述した実施形態に限られるものではなく、所定の目的を達成可能な他の位置とすることも可能である。

単位セルの展開図である。 単位セルを積層した燃料電池スタックの側面断面図である。 燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。 切替電磁弁の断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。 燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。 掃気制御サブルーチンのフローチャートである。 掃気切替制御サブルーチンのフローチャートである。 （ａ）は第１実施形態の第１変形例における掃気切替制御サブルーチンのフローチャートであり、（ｂ）は圧力調整時間の決定マップである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの掃気方法のタイミングチャートである。

符号の説明

１…燃料電池（燃料電池スタック） ５１…アノードガス流路 ５２…カソードガス流路 ６０…ＥＣＵ（制御部） ６２…導入弁（掃気切替弁、アノード掃気制御弁） ６４…排出弁（掃気切替弁、アノード掃気制御弁） ６５…アノード掃気ガス流路 １０２…コンプレッサ（掃気ガス供給手段、掃気ガス圧力調整装置） １０４…背圧弁（掃気ガス圧力調整装置）

Claims (6)

1. カソードガス流路にカソードガスを供給し、アノードガス流路にアノードガスを供給して発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
   前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の一方に前記掃気ガスを供給して行う第１掃気と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の他方に前記掃気ガスを供給して行う第２掃気とを切り換える掃気切替弁と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記掃気ガスの圧力を調整する掃気ガス圧力調整装置と、
   前記掃気ガス供給手段、前記掃気切替弁および前記掃気ガス圧力調整装置の動作を制御する制御部と、をさらに有し、
   前記制御部は、前記掃気ガス圧力調整装置により前記掃気ガスの圧力を調整して、前記掃気切替弁により前記第１掃気から前記第２掃気へと切り替える際の前記掃気切替弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記第１掃気中の前記掃気ガスの圧力より低減させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１掃気は、前記カソードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うカソード掃気であり、前記第２掃気は、前記アノードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うアノード掃気であって、
   前記掃気切替弁は、前記アノードガス流路からの前記掃気ガスの排出を制御する排出弁であ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。
3. 前記第１掃気は、前記カソードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うカソード掃気であり、前記第２掃気は、前記アノードガス流路に前記掃気ガスを供給して行うアノード掃気であって、
   前記掃気ガス圧力調整装置は、前記カソードガス流路から排出される前記掃気ガスの圧力を調整可能な背圧弁であ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。
4. カソードガス流路にカソードガスを供給し、アノードガス流路にアノードガスを供給して発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
   前記アノードガス流路を掃気する掃気ガスが流通するアノード掃気ガス流路と、
   前記アノード掃気ガス流路に配置され、アノードガス流路の掃気を開始する際に開弁するアノード掃気制御弁と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記掃気ガスの圧力を調整する掃気ガス圧力調整装置と、
   前記掃気ガス供給手段、前記アノード掃気制御弁および前記掃気ガス圧力調整装置の動作を制御する制御部と、をさらに有し、
   前記制御部は、前記掃気ガス圧力調整装置により前記掃気ガスの圧力を調整して、前記アノード掃気制御弁を開弁する際の前記アノード掃気制御弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記アノードガス流路の掃気中における前記掃気ガスの圧力より低減させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記アノード掃気制御弁は、前記アノードガス流路からの前記掃気ガスの排出を制御する排出弁であり、
   前記制御部は、前記掃気ガス供給手段により前記掃気ガスを前記排出弁の上流側に充填した後に、前記排出弁を開弁することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. カソードガス流路にカソードガスを供給し、アノードガス流路にアノードガスを供給して発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
   前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の一方に前記掃気ガスを供給して行う第１掃気と、前記カソードガス流路または前記アノードガス流路の他方に前記掃気ガスを供給して行う第２掃気とを切り替える掃気切替弁と、を有する燃料電池システムの掃気方法であって、
   前記第１掃気を行う工程と、
   前記掃気切替弁の上流側における前記掃気ガスの圧力を、前記第１掃気中の前記掃気ガスの圧力より低減させる工程と、
   前記掃気切替弁を切り替える工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの掃気方法。

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