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JP4644064B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description

本発明は、低温始動に対応可能な燃料電池システムに関する。
燃料電池電気自動車などに搭載される燃料電池としては、例えば、固体高分子を電解質膜として用いるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池が一般に知られている。この種の燃料電池は、電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有しており、アノード極に水素を、カソード極に空気（酸素）をそれぞれ供給することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。
ところで、燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池を含む配管内には水が残留しており、この水を放置したままシステムを停止すると、寒冷地や冬季などの低温環境下での使用において水が凍結して低温始動性が低下するという問題がある。そこで、システム停止時にアノード極側およびカソード極側にエア（空気）を導入して掃気処理することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特公平４−３３１１２号公報（第１頁右欄下から６行目）
ところが、従来の燃料電池システムでは、発電停止後直ちに掃気を実行しているので、例えば燃料電池電気自動車においては、イグニッションオフした後も運転音が継続して発せられて運転者に違和感を与えるとして、燃料電池が所定状態、例えば燃料電池の温度がある程度まで低くなったら掃気を実行するということが提案されている。この場合、アノード極側の水素濃度に拘わらず、予め設定された一定のエア供給量でカソード極を掃気している。
しかし、システム停止時間の長短に応じて、アノード極側に残留している水素が電解質膜を介してカソード極側に透過（いわゆるクロスリーク）する量が変化するので、常に一定の供給量で掃気すると、アノード極側に水素が多量に残留している場合に合わせて供給量を設定する必要があるため、アノード極に残留している水素が少量の場合でも多くの供給量で掃気されることとなり、エアの供給機器を駆動するために多くの電力が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、消費電力の削減を図る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。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通流路と、前記連通流路の開閉を行う連通弁と、アノード極への燃料ガスの供給停止およびカソード極への酸化剤ガスの供給停止による前記燃料電池の発電停止後の状態変化を監視する状態監視手段と、前記燃料電池の発電停止後に前記状態変化が所定条件になったときに前記連通弁を開弁し、前記酸化剤ガスで、前記酸化剤ガス流通路を掃気するとともに前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを希釈する第１の掃気を行い、その後、前記燃料ガス流通路内の残留水を排出する第２の掃気を行う掃気手段と、前記燃料電池の発電停止後の前記第１の掃気までのシステム停止時間が短くなるにつれて前記第１の掃気に必要な前記酸化剤ガスの供給量が多くなるように算出する酸化剤ガス供給量算出手段と、を備え、前記酸化剤ガス供給量算出手段により求めた酸化剤ガスの供給量で前記第１の掃気を行うことを特徴とする。
本発明によれば、第１の掃気では、連通弁を開弁することで、燃料ガス流通路から連通流路を介して酸化剤ガス流通路に燃料ガスが流れ出しながら酸化剤ガス流通路が酸化剤ガスで掃気され、第２の掃気では、燃料ガス流通路が酸化剤ガスによって掃気される。このとき、燃料ガス流通路に残留している燃料ガスの濃度がシステム停止時間に基づいて判断されるので、システム停止時間に応じて適切な酸化剤ガスの供給量で掃気することが可能になる。よって、酸化剤ガスを供給するための機器の電力を削減できる。
また、前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度計を備え、
前記酸化剤ガス供給量算出手段は、前記燃料ガス濃度計により前記燃料電池の発電停止時における燃料ガス濃度の初期値を検出し、この初期値と前記システム停止時間に基づいて燃料ガス濃度を算出し、算出された燃料ガス濃度と、燃料ガス濃度および掃気時間が関連づけられたマップとに基づいて前記酸化剤ガスの掃気時間を算出してもよい。
また、前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度計を備え、
前記酸化剤ガス供給量算出手段は、前記燃料ガス濃度計により前記燃料電池の発電停止時における燃料ガス濃度の初期値を検出し、この初期値と前記システム停止時間に基づいて燃料ガス濃度を算出し、算出された燃料ガス濃度と、燃料ガス濃度および掃気流量が関連づけられたマップとに基づいて前記酸化剤ガスの掃気流量を算出してもよい。
また、前記連通弁は、前記燃料電池の上流側の酸化剤ガス流通路と燃料ガス流通路とを連通する導入弁と、前記燃料電池の下流側の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通する排出弁とを備え、前記掃気手段は、前記第１の掃気時において、先に前記導入弁を開弁してから前記排出弁を開弁するようにしてもよい。なお、導入弁は、後記する実施形態のエア導入弁に相当する。
本発明の燃料電池システムによれば、消費電力の削減を図ることができる。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は掃気処理を示すフローチャート、図３（ａ）はシステム停止時間とアノード系内水素濃度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード系内水素濃度とカソード側掃気時間との関係を示すマップ、図４はアノード掃気を示すサブフローチャート、図５は掃気の切替タイミングを示すタイムチャートである。なお、以下では車両に搭載された燃料電池システム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、船舶や航空機、あるいは定置式の燃料電池システムなどに適用することもできる。
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、冷却系４、ＥＣＵ５などを備えて構成されている。
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜１１の両面を所定の触媒を含むアノード極１２とカソード極１３とで挟んで構成した膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セルを複数積層したものである。アノード極１２に水素が、カソード極１３に空気（酸素）がそれぞれ供給されることにより、アノード極１２では触媒の作用により水素イオンが生成され、この水素イオンは、電解質膜１１を介してカソード極１３に移動する。また、アノード極１２では、水素イオンが生成される際に電子が生じて、この電子が外部負荷（走行モータなど）を介してカソード極１３に移動する。カソード極１３に移動した水素イオンと電子は、カソード極１３の触媒の作用により空気中の酸素と反応して、水が生成される。
前記アノード系２は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に燃料ガスとしての水素を供給・排出するものであり、アノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、高圧水素タンク２１、遮断弁２２、水素パージ弁２３などを備えて構成されている。
前記アノードガス供給配管２ａは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側に接続され、前記アノードガス排出配管２ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側に接続されている。また、アノードガス供給配管２ａの流路およびアノードガス排出配管２ｂの流路は、図示しない前記セパレータに形成されたアノードガス流路と連通している。
前記高圧水素タンク２１は、高純度の水素を例えば約３５ＭＰａ（３５０気圧）の高圧で蓄積可能なものであり、アノードガス供給配管２ａの他端に接続されている。
前記遮断弁２２は、高圧水素タンク２１内の水素を放出・遮断するものであり、高圧水素タンク２１の下流側に設けられている。なお、この遮断弁２２は、高圧水素タンク２１と一体（インタンク式）に設けられていてもよい。
前記水素パージ弁２３は、アノードガス排出配管２ｂに設けられている。この水素パージ弁２３は、発電中にカソード極１３に供給された空気に含まれる窒素が電解質膜１１を介してアノード極１２に透過してアノード極１２内の水素濃度が低下したときに、例えば定期的に開弁して発電性能の低下を防止するようになっている。
なお、図示していないが、前記アノード系２の遮断弁２２の下流側には、高圧水素タンク２１から放出される高圧の水素の圧力を調整するためのレギュレータ（減圧弁）や、燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側から排出された未反応の水素を燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側に戻して循環させるアノード循環系が設けられている。このようなアノード循環系を設けることにより、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。
前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に酸化剤ガスとしての空気を供給・排出するものであり、カソードガス供給配管３ａ、カソードガス排出配管３ｂ、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２などを備えて構成されている。
前記カソードガス供給配管３ａは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の入口側に接続され、前記カソードガス排出配管３ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の出口側に接続されている。また、カソードガス供給配管３ａの流路およびカソードガス排出配管３ｂの流路は、図示しない前記セパレータに形成されたカソードガス流路と連通している。
前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、カソードガス供給配管３ａの他端に接続されている。また、エアコンプレッサ３１は、モータの回転出力を制御することにより、燃料電池ＦＣに供給する空気の量を調節できるようになっている。
前記エア背圧弁３２は、その弁開度を調節することができる弁であり、カソードガス排出配管３ｂに設けられ、カソード極１３側の圧力を制御できるようになっている。
なお、図示していないが、前記カソード系３には、カソードガス供給配管３ａに加湿装置が設けられ、この加湿装置によって加湿された空気が燃料電池ＦＣに供給されるようになっている。なお、この加湿装置での加湿源としては、燃料電池ＦＣのカソード極１３から排出されるカソードオフガスが利用される。
前記冷却系４は、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するものであり、冷却媒体循環配管４ａ、ラジエタ４ｂ、循環ポンプ４ｃなどで構成されている。冷却媒体循環配管４ａの各端部は、図示しない前記セパレータに形成された冷却媒体流路の入口側と出口側にそれぞれ接続されている。
また、第１実施形態の燃料電池システム１Ａには、さらに、エア導入配管（連通流路）４１、エア導入弁（連通弁）４２、エア排出配管４３、エア排出弁４４、排出配管４５、排出弁４６、温度計Ｓ１、水素濃度計Ｓ２、タイマ６、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７、蓄電装置８が設けられている。
前記エア導入配管４１は、燃料電池ＦＣの上流側のアノードガス供給配管２ａとカソードガス供給配管３ａとを互いに接続するものである。前記エア導入弁４２は、エア導入配管４１の流路を遮断することができる弁である。
前記エア排出配管４３は、アノードガス排出配管２ｂとカソードガス排出配管３ｂとを互いに接続するものである。前記エア排出弁４４は、エア排出配管４３の流路を遮断することができる弁である。
前記排出配管４５は、アノードガス排出配管２ｂとカソードガス排出配管３ｂとを互いに接続するものであり、前記エア排出配管４３よりも下流側に設けられている。前記排出弁４６は、水素パージ弁２３やエア背圧弁３２よりも流路径が小さく、かつ、排出配管４５の流路を遮断することができる弁である。
なお、前記エア導入配管４１と排出配管４５とで本実施形態の連通流路が構成され、前記エア導入弁４２と排出弁４６とで本実施形態の連通弁が構成されている。
前記温度計Ｓ１は、特許請求の範囲に記載の状態監視手段に相当するものであり、燃料電池ＦＣの温度を検知するものである。なお、この燃料電池ＦＣの温度は、燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口近傍のアノードガス供給配管２ａに設けられた温度計Ｓ１によって検出される。また、温度計Ｓ１は、この位置に限定されるものではなく、アノード極１２の出口近傍のアノードガス排出配管２ｂ、カソード極１３の入口近傍のカソードガス供給配管３ａ、カソード極１３の出口側のカソードガス排出配管３ｂ、または冷却系４に設けられていてもよい。
前記水素濃度計Ｓ２は、アノード系２内の水素濃度、つまり燃料電池ＦＣ内のアノード極１２とアノードガス供給配管２ａとアノードガス排出配管２ｂの各流路内に残留している水素の濃度を検出するものであり、アノードガス排出配管２ｂに設けられている。
前記タイマ６は、システム停止時間、すなわち燃料電池ＦＣの発電停止時間を計測するものである。前記イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７は、システムの停止および始動を行うものである。
前記蓄電装置８は、燃料電池ＦＣで発電された電気を貯めておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタなどで構成されている。バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などから選択され、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどから選択される。
前記ＥＣＵ５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、遮断弁２２、水素パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２、エア導入弁４２、エア排出弁４４、排出弁４６、温度計Ｓ１、水素濃度計Ｓ２、タイマ６、イグニッションスイッチ７、蓄電装置８などと電気的に接続され、遮断弁２２、水素パージ弁２３、エア導入弁４２、エア排出弁４４および排出弁４６の開閉動作、エアコンプレッサ３１のモータの回転出力、エア背圧弁３２の弁開度を制御する。また、ＥＣＵ５には、タイマ６で計測したシステム停止時間、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）７によるオン信号およびオフ信号、水素濃度計Ｓ２で検知された水素濃度、蓄電装置８に蓄電されている電力（電圧値）がそれぞれ入力される。
次に、第１実施形態の燃料電池システムでの掃気処理について図２ないし図５を参照しながら説明する。なお、図５において、（ａ）はアノード系内の水素濃度の変化、（ｂ）はアノード掃気のタイミング、（ｃ）はカソード掃気のタイミング、（ｄ）はシステム温度の変化、（ｅ）は発電電流の出力変化、（ｆ）はイグニッションスイッチのオンオフ状態、（ｇ）は車両の状態をそれぞれ示す。また、（ｃ）カソード掃気では、その縦軸方向がエアの供給量を意味している。
図２に示すように、運転者により車両のイグニッションスイッチ７がオフにされると（ステップＳ１００）、ＥＣＵ５は、アノード系２内の水素濃度の初期値を水素濃度計Ｓ２から判断して（ステップＳ１１０）、システム停止、つまり、遮断弁２２を閉じてアノード極１２への水素の供給を停止し、かつ、エアコンプレッサ３１への電力の供給を停止してカソード極１３への空気の供給を停止して、燃料電池ＦＣの発電を停止する（ステップＳ１２０）。
システム停止後、ＥＣＵ５は、温度計Ｓ１から得られる燃料電池ＦＣの温度（システム温度）の自動監視を開始し（ステップＳ１３０）、さらにタイマ６を始動して発電停止からの時間（システム停止時間）の自動監視を開始する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１３０およびステップＳ１４０の処理開始後に、システム温度が設定値以下となったか否かが判断され（ステップＳ１５０）、ステップＳ１５０でシステム温度がまだ設定値以下になっていない場合には（Ｎｏ）、システム温度とシステム停止時間の自動監視を継続する。なお、システム温度の設定値としては、温度が低下し且つ水が凍結する前の温度、例えば図５の（ｄ）に示すように５℃に設定される。ステップＳ１５０でシステム温度Ｔが設定値以下と判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０でアノード系２内の現在の水素濃度を図３（ａ）のマップに基づいて判断する。図３（ａ）に示すように、システム停止時間が長くなるにつれてアノード系２内の水素濃度が低くなっているが、これは、いわゆるクロスリークによって、カソード極１３内の空気に含まれる窒素が電解質膜１１を介してアノード極１２に透過し、またアノード極１２内の残留水素が電解質膜１１を介してカソード極１３に透過するからである。
前記のようにしてステップＳ１６０で現在のアノード系２内の水素濃度を判断した後、ステップＳ１７０ａでカソード側掃気時間、つまり、燃料電池ＦＣのカソード極１３とカソードガス供給配管３ａとカソードガス排出配管３ｂとを掃気するのに必要な時間を図３（ｂ）のマップに基づいて決定する。図３（ｂ）に示すように、アノード系２内の水素濃度が高くなるにつれてカソード側掃気時間を長く設定する必要がある。そして、掃気処理が図４のフローに沿って実施される（ステップＳ１８０）。
図４に示すように、ＥＣＵ５は、エアコンプレッサ３１を始動し（ステップＳ１８１）、エア導入弁４２と排出弁４６をそれぞれ開弁する（ステップＳ１８２）。なお、このとき水素パージ弁２３が閉弁するように、またエア背圧弁３２が掃気処理に必要な弁開度となるようにＥＣＵ５によって制御される。このエアコンプレッサ３１の始動とエア導入弁４２の開弁とのタイミングは同時であってもよく、あるいは、先にエアコンプレッサ３１を始動してカソード極１３側の圧力を上げてからエア導入弁４２を開弁するようにしてもよい。また、エア導入弁４２の開弁と排出弁４６の開弁のタイミングは、同時であってもよく、あるいは先にエア導入弁４２を開弁してから排出弁４６を開弁するようにしてもよい。
これにより、エアコンプレッサ３１からの空気が、エア導入配管４１を介して燃料電池ＦＣのアノード極１２に導入されることで、アノード極１２側に残留している水素が排出弁４６から少しづつ押し出され、押し出された水素が、カソード極１３側を流れる空気と合流して希釈された後にエア背圧弁３２の下流側へと排出される。つまり、ここでの掃気処理（第１の掃気）は、カソード極１３側を掃気するとともにアノード極１２側の残留水素の希釈が行われる（図５（ａ）の時刻ｔ２〜ｔ３、時刻ｔ７〜ｔ８参照）。
ステップＳ１８３ａにおいて、ＥＣＵ５は、算出したカソード掃気量（エアの供給量）が導入されたか否か、つまり第１実施形態ではステップＳ１７０ａで決定されたカソード側掃気時間が経過したか否かを判断する。ステップＳ１８３ａでカソード側掃気時間が経過していない場合には（Ｎｏ）、このステップＳ１８３ａの処理を繰り返し、カソード側掃気時間が経過した場合には（Ｙｅｓ）、エア排出弁４４を開弁する（ステップＳ１８４）。エア排出弁４４を開弁することで、エアコンプレッサ３１からの空気が、エア導入配管４１を通って、アノードガス供給配管２ａ、アノード極１２、アノードガス排出配管２ｂに流れ、その後水素パージ弁２３が閉であることから、エア排出配管４３、カソードガス排出配管３ｂを通ってエア背圧弁３２の下流側へと排出される。これにより、アノード極１２側に残留している希釈水素や水などが排出される。つまり、ここでの掃気処理（第２の掃気）では、アノード極１２側の掃気が行われる。なお、ここでのエアコンプレッサ３１からの空気は、カソード極１３側にも少量のエアが流れるようになっている（図５（ｃ）の時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ８〜ｔ９参照）。
そして、ステップＳ１８５で、掃気完了条件が成立したか否かを判断する。この掃気完了の成立条件としては、例えば、予め設定した所定時間に基づいて判断してもよく、あるいは蓄電装置８が次回起動時に必要な電力を確保できる電圧値を下回らない範囲において判断するようにしてもよい。ステップＳ１８５で掃気完了条件が成立しない場合には（Ｎｏ）、掃気完了条件成立までステップＳ１８５の繰り返し、掃気完了条件が成立した場合には（Ｙｅｓ）、エア導入弁４２、エア排出弁４４および排出弁４６を閉弁して処理を終了する。そして、図２のフローに戻り、システム温度の自動監視を停止する（ステップＳ１９０）。
例えば、図５に示すように、イグニッションスイッチ７がオフ（時刻ｔ１）にされてからのシステム停止時間（時刻ｔ１〜ｔ２）が長い場合には、カソード側掃気時間Ｔ１（時刻ｔ２〜ｔ３）でカソード掃気を行い、その後、所定時間（時刻ｔ３〜ｔ４）でアノード掃気を行い、また、システム停止時間（時刻ｔ６〜ｔ７）が短い場合には、カソード側掃気時間Ｔ２（時刻ｔ７〜ｔ８）を前記Ｔ１よりも長い時間でカソード掃気を行い、その後、所定時間（時刻ｔ８〜ｔ９）でアノード掃気を行う。つまり、システム停止時間が長い場合には、いわゆるクロスリークによるカソード極１３への水素透過量が多く、システム停止時間が短い場合には、カソード極１３への水素透過量が少ないと判断できる。したがって、システム停止時間が長期に及んだ場合でも必要以上に長いカソード側掃気時間でカソード掃気が行われるのを防止してエアコンプレッサ３１に供給する電力の削減を図ることができるので、消費電力の削減を図ることが可能になる。
（第２実施形態）
図６は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図７は掃気処理を示すフローチャート、図８（ａ）はシステム停止時間とアノード系内水素濃度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード系内水素濃度とカソード側掃気流量との関係を示すマップ、図９はアノード掃気を示すサブフローチャート、図１０は掃気の切替タイミングを示すタイムチャートである。
第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、図６に示すように、燃料電池システム１Ａにさらに流量計Ｓ３をカソードガス供給配管３ａに追加した構成であり、その他の構成については、第１実施形態と同様であるので同一の符号を付してその説明を省略する。この流量計Ｓ３は、エアコンプレッサ３１からの空気の流量を検出するものであり、ＥＣＵ５と電気的に接続され、ＥＣＵ５に空気の流量値を出力する。
次に、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでの掃気処理について図７ないし図１０を参照しながら説明する。なお、図７のフローは、図２のフローのステップＳ１７０ａに代えてステップＳ１７０ｂとした点以外、また、図９のサブフローは、図４のフローのステップＳ１８３ａに代えてステップＳ１８３ｂとした点以外は、第１実施形態と同様である。ここでは、ステップＳ１６０以降の処理について説明する。
すなわち、ステップＳ１６０で、システム停止時間に応じたアノード系内水素濃度（現在）を図８（ａ）のマップに基づいて判断し、ステップＳ１７０ｂにおいて、図８（ｂ）のマップに基づいて、前記アノード系内水素濃度（現在）に応じたカソード側掃気流量を決定する。そして、ステップＳ１８０で図９のサブフローに移行し、エアコンプレッサ３１を始動する（ステップＳ１８１）とともにエア導入弁４２および排出弁４６を開いた（ステップＳ１８２）後に、ステップＳ１８３ｂで、ＥＣＵ５は、算出したカソード掃気量が導入されたか否か、つまり第２実施形態ではステップＳ１７０ｂで決定されたカソード側掃気流量が導入された否かを判断する。その後の処理は第１実施形態と同様である。
例えば、図１０に示すように、時刻ｔ１でイグニッションスイッチ７がオフにされてからのシステム停止時間（時刻ｔ１〜ｔ２）が長い場合には、（ｃ）に示すように少ないカソード側掃気流量Ｗ１（時刻ｔ２〜ｔ３）でカソード掃気を所定時間Ｔ３行い、その後、所定時間（時刻ｔ３〜ｔ４）でアノード掃気を行う。また、システム停止時間（時刻ｔ６〜ｔ７）が短い場合には、前記Ｗ１よりも多いカソード側掃気流量Ｗ２（時刻ｔ７〜ｔ８）でカソード掃気を同様な所定時間Ｔ３行い、その後、所定時間（時刻ｔ８〜ｔ９）でアノード掃気を行う。つまり、システム停止時間が長い場合には、いわゆるクロスリークによるカソード極１３への水素透過量が多い（アノード極１２側の水素残留量が少ない）と判断できるのでカソード側掃気流量Ｗ１を少なくし、システム停止時間が短い場合には、カソード極１３への水素透過量が少ない（アノード極１２側の水素残留量が多い）と判断できるのでカソード側掃気流量Ｗ２を多くする。したがって、システム停止時間が長期に及んだ場合でも必要以上に長いカソード側掃気流量でカソード掃気を行うのを防止できるので、エアコンプレッサ３１を駆動させるための電力を少なくできる。よって、消費電力の削減を図ることが可能になる。
なお、前記した各実施形態では、システム停止時間に基づいて、カソード掃気（第１の掃気）に必要なエアの供給量（第１実施形態では掃気時間または第２実施形態では掃気流量）を変化させているが、これに限定されず、システム停止時間に応じて、カソード掃気（第１の掃気）およびアノード掃気（第２の掃気）の全体の供給量を変化させるようにしてもよい。また、図３および図８に示すマップは一例であり、マップに替えて関数やテーブルを用いることとしてもよい。
第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 掃気処理を示すフローチャートである。 （ａ）はシステム停止時間とアノード系内水素濃度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード系内水素濃度とカソード側掃気時間との関係を示すマップである。 アノード掃気を示すサブフローチャートである。 掃気の切替タイミングを示すタイムチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 掃気処理を示すフローチャートである。 （ａ）はシステム停止時間とアノード系内水素濃度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード系内水素濃度とカソード側掃気流量との関係を示すマップである。 アノード掃気を示すサブフローチャートである。 掃気の切替タイミングを示すタイムチャートである。
符号の説明
１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
２ａ アノードガス供給配管（燃料ガス流通路）
２ｂ アノードガス排出配管（燃料ガス流通路）
３ａ カソードガス供給配管（酸化剤ガス流通路）
３ｂ カソードガス排出配管（酸化剤ガス流通路）
５ ＥＣＵ（掃気手段、酸化剤ガス供給量算出手段）
６ タイマ
４１ エア導入配管（連通流路）
４２ エア導入弁（連通弁）
４５ 排出配管（連通流路）
４６ 排出弁（連通弁）
ＦＣ 燃料電池
Ｓ１ 温度計（状態監視手段）
Ｓ２ 水素濃度計

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、
    前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路と、
    前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路と、
    前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通流路と、
    前記連通流路の開閉を行う連通弁と、
    アノード極への燃料ガスの供給停止およびカソード極への酸化剤ガスの供給停止による前記燃料電池の発電停止後の状態変化を監視する状態監視手段と、
    前記燃料電池の発電停止後に前記状態変化が所定条件になったときに前記連通弁を開弁し、前記酸化剤ガスで、前記酸化剤ガス流通路を掃気するとともに前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガスを希釈する第１の掃気を行い、その後、前記燃料ガス流通路内の残留水を排出する第２の掃気を行う掃気手段と、
    前記燃料電池の発電停止後の前記第１の掃気までのシステム停止時間が短くなるにつれて前記第１の掃気に必要な前記酸化剤ガスの供給量が多くなるように算出する酸化剤ガス供給量算出手段と、を備え、
    前記酸化剤ガス供給量算出手段により求めた酸化剤ガスの供給量で前記第１の掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度計を備え、
    前記酸化剤ガス供給量算出手段は、前記燃料ガス濃度計により前記燃料電池の発電停止時における燃料ガス濃度の初期値を検出し、この初期値と前記システム停止時間に基づいて燃料ガス濃度を算出し、算出された燃料ガス濃度と、燃料ガス濃度および掃気時間が関連づけられたマップとに基づいて前記酸化剤ガスの掃気時間を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。
  3. 前記燃料ガス流通路に残留する燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度計を備え、
    前記酸化剤ガス供給量算出手段は、前記燃料ガス濃度計により前記燃料電池の発電停止時における燃料ガス濃度の初期値を検出し、この初期値と前記システム停止時間に基づいて燃料ガス濃度を算出し、算出された燃料ガス濃度と、燃料ガス濃度および掃気流量が関連づけられたマップとに基づいて前記酸化剤ガスの掃気流量を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。
  4. 前記連通弁は、前記燃料電池の上流側の酸化剤ガス流通路と燃料ガス流通路とを連通する導入弁と、前記燃料電池の下流側の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路とを連通する排出弁とを備え、
    前記掃気手段は、前記第１の掃気時において、先に前記導入弁を開弁してから前記排出弁を開弁す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。
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