JP2012169039A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給流路と、燃料オフガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤オフガス排出流路と、コンプレッサ３１と、コンプレッサ３１と同時に作動可能であるエキスパンダ３５と、コンプレッサ３１からアノード流路１１に向かう掃気ガスが通流する第１掃気ガス流路と、カソード流路１２からエキスパンダ３５に向かう掃気ガスが通流する第２掃気ガス流路と、カソード流路１２の上流に設けられ、カソード流路１２の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する逆止弁３９と、コンプレッサ３１及びエキスパンダ３５を制御するＥＣＵ７０と、を備える。燃料電池スタック１０の掃気時、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１及びエキスパンダ３５を同時に作動させ、コンプレッサ３１がアノード流路１１を掃気し、エキスパンダ３５がカソード流路１２を掃気する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）と酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。なお、水素は水素タンク等から燃料電池のアノードに、空気はコンプレッサ（圧縮機）から燃料電池のカソードに、それぞれ供給される（例えば特許文献１参照）。

特開平７−１４５９９号公報

ところで、燃料電池は発電に伴って、そのカソードで水（水蒸気）を生成する。また、燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）の電解質膜（固体高分子膜）を良好な湿潤状態とするため、例えば、カソードに向かう空気は加湿器によって加湿される。したがって、燃料電池の発電停止直後、燃料電池内には、水分（水蒸気、凝縮水）が滞留している。よって、発電停止後、燃料電池が低温（０℃以下等）になると、燃料電池が凍結する虞がある。

そこで、発電停止後に燃料電池は凍結する虞があると判断される場合、燃料電池を掃気する技術、つまり、燃料電池に掃気ガス（空気、窒素等）を通流させ、この掃気ガスによって燃料電池の水分を除去する技術が提案されている。ところが、燃料電池のアノード流路（燃料ガス流路）の掃気（アノード掃気）と、燃料電池のカソード流路（酸化剤ガス流路）の掃気（カソード掃気）とを、別々に実行すると、燃料電池の掃気が長時間となってしまう。

そこで、本発明は、燃料電池を短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、前記圧縮機と同時に作動可能であって、作動することでその上流のガスを吸引する吸引機と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方と前記圧縮機とを接続し、前記一方の掃気時、前記圧縮機から前記一方に向かう掃気ガスが通流する第１掃気ガス流路と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方と前記吸引機とを接続し、前記他方の掃気時、前記他方から前記吸引機に向かう掃気ガスが通流する第２掃気ガス流路と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方の上流に設けられ、前記他方の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁と、前記圧縮機及び前記吸引機を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の掃気時、前記制御手段は、前記圧縮機及び前記吸引機を同時に作動させ、前記圧縮機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方を掃気し、前記吸引機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方を掃気することを特徴とする燃料電池システムである。

このような構成によれば、燃料電池の掃気時、制御手段が、圧縮機及び吸引機を同時に作動させ、圧縮機が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の一方を掃気し、吸引機が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の他方を掃気する。すなわち、アノード掃気（燃料ガス流路の掃気）と、カソード掃気（酸化剤ガス流路の掃気）とが同時に実行される。これにより、燃料電池を短時間で掃気できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記吸引機は、前記燃料電池の発電時、酸化剤オフガスを膨張させるエキスパンダであって、前記エキスパンダの下流の前記酸化剤オフガス流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池の発電時、エキスパンダが酸化剤オフガスを膨張（断熱機械膨張）することにより、酸化剤オフガスは、温度低下し、飽和水蒸気量が小さくなり、飽和水蒸気圧が低下する。これにより、膨張後の酸化剤オフガスにおいて、これに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成する。次いで、水回収手段が、水（凝縮水）を回収し、水噴射手段が、水回収手段の回収した水を、酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する。
したがって、酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を小型化、又は、省略できる。よって、燃料電池システムの全体構成も小型化し、レイアウトの自由度も確保され、例えば、燃料電池車にも搭載容易となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記外気導入弁は逆止弁であることが好ましい。

このような構成によれば、外気導入弁を低コストかつ軽量である逆止弁で容易に構成できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記第１掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記圧縮機とを接続し、前記第２掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記吸引機とを接続し、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機が前記燃料ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記酸化剤ガス流路を掃気することが好ましい。

このような構成によれば、圧縮機によって燃料ガス流路を掃気し、吸引機によって酸化剤ガス流路を掃気できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機との間における前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機から前記酸化剤ガス流路への掃気ガスを遮断する遮断弁を備えることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池の掃気時、遮断弁によって、圧縮機から酸化剤ガス流路への掃気ガスを遮断できる。すなわち、圧縮機から燃料ガス流路へ向かうべき掃気ガスが、酸化剤ガス流路に供給されることはない。
また、前記外気導入弁が逆止弁である場合、吸引機の作動により前記逆止弁が速やかに開くように、遮断弁は、前記酸化剤ガス供給流路において前記逆止弁の接続位置よりも上流に設けられることが好ましい（図１参照）。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記第１掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機とを接続し、前記第２掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記吸引機とを接続し、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機が前記酸化剤ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記燃料ガス流路を掃気することが好ましい。

このような構成によれば、圧縮機によって酸化剤ガス流路を掃気し、吸引機によって燃料ガス流路を掃気できる。

本発明によれば、燃料電池を短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、掃気時における掃気ガスの通流経路を太線で示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、掃気時における掃気ガスの通流経路を太線で示す図である。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１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（燃料電池）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、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒を循環（通流）させる冷媒系と、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続され、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制御手段であるＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
なお、燃料ガス、酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されない。

＜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して構成されたスタックであり、複数の単セルは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、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、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（電極）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と、これに担持され、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）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

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と後記するモータ５１等の外部負荷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。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

このように燃料電池スタック１０が発電すると、水分（水蒸気）がカソードで生成され、カソード流路１２から排出されるカソードオフガスは多湿となる。

また、各セパレータには、各単セルを冷却するための冷媒が通流させるための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路１３として機能している。

＜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、常閉型のパージ弁２４と、常閉型の掃気ガス排出弁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を介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、遮断弁２２がＥＣＵ７０によって開かれると、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を通って、アノード流路１１に供給されるようになっている。
なお、エゼクタ２３は、水素タンク２１からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管２３ｂのアノードオフガスを吸引するものである。また、配管２２ａには、水素タンク２１からの水素を所定圧力に減圧する減圧弁（レギュレータ、図示しない）が設けられている。

したがって、アノード流路１１に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管２１ａ、配管２２ａ、配管２３ａを備えて構成されている。

アノード流路１１の出口は、配管２３ｂ（燃料オフガス排出流路）を介して、エゼクタ２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１１から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管２３ｂを通って、エゼクタ２３に向かい、アノードオフガス（水素）が循環するようになっている。
なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管２３ｂには、アノードオフガスに含まれる水分（凝縮水（液体）、水蒸気（気体））を分離・回収する気液分離器（図示しない）が設けられている。

配管２３ｂの途中は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、後記する希釈器３６に接続されている。そして、ＥＣＵ７０によってパージ弁２４が開かれると、水分（水蒸気）を含むアノードオフガスが、配管２４ａ、配管２４ｂを通って、希釈器３６に排出され、燃料電池スタック１０の発電性能が回復するようになっている。
なお、ＥＣＵ７０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧のうちの最低の電圧（最低セル電圧）が、所定単セル電圧以下である場合、パージ弁２４を開く必要があると判断するように設定されている。

また、配管２３ｂの途中は、配管２５ａ、掃気ガス排出弁２５と、配管２５ｂを介して、後記する配管３５ｂに接続されている。掃気ガス排出弁２５は、アノード流路１１（燃料電池スタック１０）の掃気時に、後記する掃気ガス導入弁３８と共に、ＥＣＵ７０によって開かれるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（圧縮機）と、加湿器３２と、常閉型の第１封止弁３３（遮断弁）と、常閉型の第２封止弁３４と、エキスパンダ３５（吸引機、膨張手段）と、希釈器３６と、水回収器３７（水回収手段）と、常閉型の掃気ガス導入弁３８と、逆止弁３９と、を備えている。

コンプレッサ３１の吸気口は、配管３１ａを介して、車外（外部）と連通している。コンプレッサ３１の吐出口は、配管３１ｂ、加湿器３２、配管３３ａ、第１封止弁３３、配管３３ｂを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。
そして、コンプレッサ３１の羽根車が回転すると、コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管３１ｂ等を通ってカソード流路１２に圧送されるようになっている。
したがって、カソード流路１２を供給される空気が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管３１ａ、配管３１ｂ、配管３３ａ、配管３３ｂを備えて構成されている。

また、コンプレッサは、燃料電池スタック１０の掃気時、掃気ガス供給手段として機能し、吸気した空気を掃気ガスとして吐出するようになっている。なお、第１実施形態では、この掃気ガスは、アノード流路１１に向かうように構成されており（図３参照）、後記する第２実施形態では、カソード流路１２に向かうように構成されている（図６参照）。

さらに、コンプレッサ３１の前記羽根車は、エキスパンダ３５の羽根車（回転体）と、伝達軸３１ｃを介して相互に動力が伝達可能に連結されている。これにより、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とは同時に作動するようになっている。
この他、伝達軸３１ｃに、ＥＣＵ７０によって、ＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御されるクラッチが設けられた構成でもよい。また、伝達軸３１ｃに減速機構が設けられた構成でもよい。

さらにまた、コンプレッサ３１には、コンプレッサ３１及びエキスパンダ３５の動力源となり、ＥＣＵ７０によって回転速度が制御されるモータ３１ｄ（駆動装置）が取り付けられている。すなわち、モータ３１ｄが作動すると、コンプレッサ３１及びエキスパンダ３５が同時に（並行して）作動するようになっている。そして、モータ３１ｄの回転速度が高くなると、コンプレッサ３１の前記羽根車の回転速度が高くなり、コンプレッサ３１の空気の吐出圧が高くなるように構成されている。
なお、モータ３１ｄは、燃料電池スタック１０及び／又は高圧バッテリ（図示しない）を電源としている。

また、オリフィス３１ｅが配管３１ａに設けられている。これにより、コンプレッサ３１に吸引される空気の流速がオリフィス３１ｅで高められ、オリフィス３１ｅの下流の配管３１ａで負圧が発生するようになっている。

そして、配管３１ａは、配管３１ｆを介して、水回収器３７と接続されている。これにより、前記負圧によって、水回収器３７の水が吸引され、配管３１ａをコンプレッサ３１に向かう空気に噴射され、空気が加湿されるようになっている。そして、このように水（ミスト）を含む空気がコンプレッサ３１に吸引されるので、コンプレッサ３１を構成する羽根車とそのハウジングとのクリアランスが前記水（ミスト）によってシールされ、コンプレッサ３１における空気漏れが低減されている。

したがって、水回収器３７の回収した水を、配管３１ａ（酸化剤ガス供給流路）を通流する空気に噴射する水噴射手段は、オリフィス３１ｅと、配管３１ｆとを備えて構成されている。
ただし、水噴射手段の具体的構成はこれに限定されず、例えば、配管３１ｆに電動ポンプを設け、この電動ポンプを適宜に作動させることにより、水回収器３７の水を配管３１ａに噴射する構成としてもよい。また、配管３１ａにインジェクタを取り付け、水の噴射量を高精度で制御する構成としてもよい。

加湿器３２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜３２ａを備えている。そして、加湿器３２は、中空糸膜３２ａを介して、カソード流路１２に向かう空気とカソード流路１２から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路１２に向かう空気を加湿するようになっている。

カソード流路１２の出口には、配管３４ａ、第２封止弁３４、配管３４ｂ、加湿器３２、配管３５ａ、エキスパンダ３５、配管３５ｂ、希釈器３６、配管３６ａ、水回収器３７、配管３７ａが接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管３４ａ等を通って、車外に排出されるようになっている。
したがって、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路は、配管３４ａ、配管３４ｂ、配管３５ａ、配管３５ｂ、配管３６ａ、配管３７ａを備えて構成されている。

第１封止弁３３及び第２封止弁３４は、燃料電池システム１の停止中に閉じることにより、カソード流路１２と車外（外部）とを遮断し、カソード流路１２を封止する弁である。これにより、燃料電池システム１の停止中、車外の空気がカソード流路１２に新たに侵入せず、燃料電池スタック１０の劣化が防止されている。なお、空気が新たに侵入すると、カソードの電極反応が進み、カソードの劣化が進んでしまう虞がある。

また、第１封止弁３３は、逆止弁３９の接続する配管３３ｂよりも上流に配置され、かつ、燃料電池スタック１０の掃気時に閉じる構成となっている。これにより、燃料電池スタック１０の掃気時、コンプレッサ３１からの掃気ガスを第１封止弁３３で遮断しつつ、エキスパンダ３５の作動に伴って第１封止弁３３の下流の配管３３ｂの圧力が下がり、逆止弁３９が速やかに開く構成となっている。

エキスパンダ３５は、その内部に羽根車（回転体、タービンブレード）を備え、この羽根車は配管３５ａからカソードオフガスで回転するようになっている。これにより、通流するカソードオフガスの流体エネルギが、エキスパンダ３５において回転エネルギに変換・回収されつつ、カソードオフガスが体積膨張（断熱機械膨張）し、その圧力が低下するようになっている。なお、エキスパンダ３５で回収された回転エネルギは、伝達軸３１ｃを介して、コンプレッサ３１に伝達するようになっている。

また、カソードオフガスは、エキスパンダ３５における体積膨張に伴って、放熱して温度低下し、その飽和水蒸気量及び露点が下がり、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成するようになっている。

ここで、カソード流路１２を通流する空気の圧力（目標空気圧力）が大きくなると、エキスパンダ３５の回転速度（回生エネルギ）が増加すると共に、エキスパンダ３５の前後差圧が大きくなるので、エキスパンダ３５の下流における凝縮水（ｇ／ｍｉｎ）は増加する傾向となる。そして、このように生成した凝縮水は、希釈器３６を通って、水回収器３７で、回収・貯溜されるようになっている。なお、エキスパンダ３５の下流の圧力は略大気圧である。

さらに、エキスパンダ３５は、燃料電池スタック１０の掃気時、コンプレッサ３１と同時に作動することで、後記するように、逆止弁３９を通って導入（吸引）される掃気ガスと共に、カソード流路１２に滞留する水分を吸引する吸引機として機能するようになっている。

したがって、カソード流路１２とエキスパンダ３５とを接続し、カソード流路１２の掃気時、カソード流路１２からエキスパンダ３５に向かう掃気ガスが通流する第２掃気ガス流路は、配管３４ａ、配管３４ｂ、配管３５ａを備えて構成されている。

希釈器３６は、配管２４ｂからのアノードオフガスと、配管３５ｂからのカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフ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。また、カソードオフガスが希釈器３６に流入すると、カソードオフガスの膨張及び放熱による温度低下がさらに進み、凝縮水の生成が進むようになっている。

水回収器３７は、カソードオフガスに同伴する水（凝縮水）を回収し、一時的に貯溜するものである。なお、回収された水は、水回収器３７の底部を構成するタンク部に一時的に貯溜されるようになっている。

配管３１ｂの途中は、配管３８ａ、掃気ガス導入弁３８、配管３８ｂを介して、配管２３ａに接続されている。掃気ガス導入弁３８は、アノード流路１１（燃料電池スタック１０）の掃気時に、前記した掃気ガス排出弁２５と共に、ＥＣＵ７０によって開かれるようになっている。

したがって、アノード流路１１とコンプレッサ３１とを接続し、アノード流路１１の掃気時、コンプレッサ３１からアノード流路１１に向かう掃気ガスが通流する第１掃気ガス流路は、配管３１ｂ、配管３８ａ、配管３８ｂ、配管２３ａを備えて構成されている。

配管３３ｂの途中には、配管３９ｂ、逆止弁３９、上流端が車外に開放した配管３９ａが接続されている。逆止弁３９は、配管３９ａから配管３９ｂへのみの空気の流れを許容する一方向弁である。そして、カソード流路１２の掃気時、第１封止弁３３の閉状態、第２封止弁３４の開状態で、エキスパンダ３５が作動（回転）すると、配管３９ｂで負圧が発生し、つまり、配管３９ｂの圧力が下がり、これにより逆止弁３９が開き、車外の空気が掃気ガスとして取り込まれるようになっている（図３参照）。
なお、燃料電池スタック１０の発電時は、配管３３ｂを外気よりも高圧の空気が通流するので、逆止弁３９が開くことはない。

すなわち、逆止弁３９は、カソード流路１２の上流に設けられ、カソード流路１２の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁として機能している。
そして、このような逆止弁３９は、簡便な構造で軽量かつ低コストであるので、システム構成に要するコストが低減され、そして、システムの軽量化が図られる。
ただし、外気導入弁の具体的構成は逆止弁３９に限定されず、カソード流路１２の掃気時に開かれる常閉型の電磁弁でもよい。

＜冷媒系＞
冷媒系は、ポンプ４１と、ラジエータ４２（放熱器）と、温度センサ４３（温度検出手段）と、を備えている。

ポンプ４１の吐出口は、配管４１ａ、冷媒流路１３、配管４２ａ、ラジエータ４２、配管４２ｂを順に介して、ポンプ４１の吸込口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってポンプ４１が作動すると、冷媒が冷媒流路１３とラジエータ４２との間で循環し、燃料電池スタック１０が適宜に冷却され、過昇温せず、好適な発電温度（８０〜１００℃）となるように構成されている。

温度センサ４３は、配管４２ａに取り付けられており、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を、燃料電池スタック１０の温度として検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、燃料電池スタック１０の温度を検出する温度センサ４３の位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０自体や、配管２３ａ、配管２３ｂ、配管３３ｂ、配管３４ａに取り付けられた構成でもよい。また、複数の温度センサを備える構成でもよい。

＜電力消費系＞
電力消費系は、モータ５１（負荷）と、電力制御器５２と、を備えている。モータ５１は、電力制御器５２を介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されている。

モータ５１は、燃料電池車の動力源となる走行用の電動モータである。
電力制御器５２は、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を内蔵している。

＜アクセル＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ６１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０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、各種機能を発揮し、コンプレッサ３１等の各種機器を制御するようになっている。具体的な制御処理内容は後で説明する。

≪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、図３を参照して説明する。
なお、アノード流路１１に水素が、カソード流路１２に空気がそれぞれ供給されており、ＥＣＵ７０は、アクセル開度（発電要求量）に基づいて、電力制御器５２を制御し、燃料電池スタック１０は発電している。そして、ＩＧ６１がＯＦＦされると、そのＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ７０は、図２の処理をスタートさせる。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２を制御して、燃料電池スタック１０の発電を停止する。また、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じて水素の供給を停止し、コンプレッサ３１を停止して空気の供給を停止する。さらに、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３３、第２封止弁３４を閉じ、カソード流路１２を封止（封鎖）し、車外からカソード流路１２に空気が新たに流入しないようにする。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０を掃気する必要があるか否か判定する。なお、燃料電池スタック１０の掃気とは、掃気ガスによって、燃料電池スタック１０内の水（水蒸気、凝縮水）を押し出すことである。

具体的に例えば、温度センサ４３を介して検出される燃料電池スタック１０の温度が、掃気すべきとされる所定温度（例えば、０〜５℃）以下である場合、その後に燃料電池スタック１０内の水が凍結する虞があるので、燃料電池スタック１０を掃気する必要がある、と判断される。ただし、具体的な判定方法はこれに限定されない。

燃料電池スタック１０を掃気する必要があると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、燃料電池スタック１０を掃気する必要がないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２でＮｏと判定してから所定時間（例えば、３０分〜１時間）経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１がＯＮされたか否か判定する。
ＩＧ６１はＯＮされたと判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、ＩＧ６１はＯＮされていないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。
これにより、ＩＧ６１のＯＦＦ中（Ｓ１０４・Ｎｏ）、所定時間の経過毎に（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２の判定処理が繰り返されるので、燃料電池スタック１０の凍結は防止される。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を起動する。具体的には、燃料電池スタック１０に水素、空気を供給し、燃料電池スタック１０の発電を開始する。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０を掃気するために、第２封止弁３４、掃気ガス導入弁３８、掃気ガス排出弁２５を開く。

そして、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、モータ３１ｄを駆動させ、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とを同時に作動させ、アノード掃気（アノード流路１１の掃気）と、カソード掃気（カソード流路１２の掃気）とを同時に実行する。

具体的には、図３に示すように、コンプレッサ３１は、車外の空気を吸引して掃気ガスとして吐出する。そうすると、この掃気ガスが、配管３１ｂ、配管３８ａ、配管３８ｂ、配管２３ａを通って、アノード流路１１に押し込められ、アノード流路１１に滞留する水分（水蒸気、凝縮水）を押し出す。そして、押し出された水分は、掃気ガスと共に、配管２３ｂ、配管２５ａ、配管２５ｂ、配管３５ｂ、配管３６ａ、配管３７ａを通って、車外に排出される。

また、エキスパンダ３５が作動（回転）すると、その上流の圧力が徐々に下がり、配管３９ｂのガスの圧力も徐々に下がる。そして、例えば、「車外の空気（配管３９ａのガス）が逆止弁３９の弁体を開方向に付勢する力＞配管３９ｂのガスが前記弁体を閉方向に付勢する力＋前記弁体を閉方向に付勢するリターンスプリングの力」となると、逆止弁３９が開く。

そうすると、車外の空気が掃気ガスとして配管３９ｂに流入し、この掃気ガスが、配管３３ｂを通って、カソード流路１２に流入し、カソード流路１２に滞留する水分（水蒸気、凝縮水）を押し出す。そして、押し出された水分は、掃気ガスと共に、配管３４ａ、配管３４ｂ、配管３５ａ、配管３５ｂ、配管３６ａ、配管３７ａを通って、車外に排出される。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気が完了したか否か判定する。
具体的に例えば、ステップＳ１０７での掃気の開始後、掃気が完了したと判断される所定時間経過した場合、燃料電池スタック１０の掃気が完了したと判定される。掃気完了の基準となる前記所定時間は、事前試験やシミュレーションによって求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。ただし、具体的な判定方法はこれに限定されない。

燃料電池スタック１０の掃気は完了したと判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、燃料電池スタック１０の掃気は完了していないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０８の判定を繰り返す。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、モータ３１ｄを停止し、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とを停止する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、第２封止弁３４、掃気ガス導入弁３８、掃気ガス排出弁２５を閉じる。

その後、ＥＣＵ７０の処理はエンドに進み、燃料電池システム１は停止状態となる。

≪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。
アノード掃気（アノード流路１１の掃気）と、カソード掃気（カソード流路１２の掃気）とを同時に実行するので、燃料電池システム１全体として掃気に要する時間を短くできる。これにより、モータ３１ｄの作動時間も短くなり、モータ３１ｄによる消費電力も小さくなる。

カソード掃気において、逆止弁３９が開く低圧の掃気ガスがカソード流路１２を通流するので、カソード流路１２に滞留する水分を良好に除去できる。なぜなら、掃気ガスの圧力が低くなるにつれて、飽和水蒸気量が大きくなり、掃気ガスが含有可能な水蒸気量が増加するからである。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とが、動力源としてのモータ３１ｄを共有している構成を例示したが、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とにそれぞれ独立してモータ（駆動装置）が設けられ、独立に作動可能な構成でもよい。そして、このような構成の場合、アノード掃気、カソード掃気が同時に実行されるように、この独立したモータをＥＣＵ７０が制御すればよい。また、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とが伝達軸３１ｃを介して相互に連結されておらず、独立作動可能な構成でもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。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に、本発明を適用してもよい。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、逆止弁７１（外気導入弁）と、三方弁７２と、を備えている。なお、第１実施形態に係る掃気ガス導入弁３８及び逆止弁３９（図１参照）を備えていない。

逆止弁７１の上流側は配管７１ａを介して車外に開放されており、逆止弁７１の下流側は配管７１ｂを介して配管２３ａに接続されている。逆止弁７１は、配管７１ａから配管７１ｂへのみの空気の流れを許容する一方向弁である。そして、アノード流路１１の掃気時、エキスパンダ３５が作動（回転）すると、配管７１ｂでの圧力が下がり、これにより逆止弁７１が開き、車外の空気が掃気ガスとして取り込まれるようになっている（図６参照）。
なお、燃料電池スタック１０の発電時は、配管２３ａを外気よりも高圧の水素が通流するので、逆止弁７１が開くことはない。

配管２５ｂの下流端は後記する配管３５ｃに接続されている。

加湿器３２のカソードオフガスの出口は、配管３５ａ、三方弁７２、配管３５ｃを介して、エキスパンダ３５に接続されている。三方弁７２の１ポートは、配管７２ａを介して希釈器３６に開放されている。

三方弁７２は、ＥＣＵ７０によって、燃料電池スタック１０の発電時、カソードオフガスがエキスパンダ３５に向かうように、配管３５ａと配管３５ｃとが連通するように制御される。一方、カソード流路１２（燃料電池スタック１０）の掃気時、掃気ガスが希釈器３６に向かうように、配管３５ａと配管７２ａとが連通するように制御される。
この他、三方弁７２に代えて、配管３５ｃと配管７２ａとに開閉弁をそれぞれ設け、これらを適宜に制御する構成としてもよい。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム２による動作について、図５、図６を参照して説明する。

第２実施形態では、ステップＳ１０２の判定結果がＹｅｓの場合、ステップＳ２０６に進む。
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３３、第２封止弁３４、掃気ガス排出弁２５を開く。また、ＥＣＵ７０は、三方弁７２を制御して、配管３５ａと配管７２ａとを連通させる。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、モータ３１ｄを駆動させ、コンプレッサ３１とエキスパンダ３５とを同時に作動させ、アノード掃気（アノード流路１１の掃気）と、カソード掃気（カソード流路１２の掃気）とを同時に実行する。

そうすると、第２実施形態では、図６に示すように、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、配管３１ｂ、配管３３ａ、配管３３ｂ、カソード流路１２、配管３４ａ、配管３４ｂ、配管３５ａ、配管７２ａを通って希釈器３６に送られ、その後、配管３６ａ、配管３７ａを通って車外に排出される。このようにして、コンプレッサ３１からの掃気ガスによって、カソード流路１２が掃気される。
したがって、カソード流路１２とコンプレッサ３１とを接続し、カソード流路１２の掃気時、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう掃気ガスが通流する第１掃気ガス流路は、配管３１ｂ、配管３３ａ、配管３３ｂを備えて構成されている。

また、エキスパンダ３５が作動（回転）すると、その上流の圧力が徐々に下がり、配管７１ｂのガスの圧力も徐々に下がる。そして、例えば、「車外の空気（配管７１ａのガス）が逆止弁７１の弁体を開方向に付勢する力＞配管７１ｂのガスが前記弁体を閉方向に付勢する力＋前記弁体を閉方向に付勢するリターンスプリングの力」となると、逆止弁７１が開く。

そうすると、車外の空気が掃気ガスとして配管７１ｂに流入し、この掃気ガスが、配管２３ａ、アノード流路１１、配管２３ｂ、配管２５ａ、配管２５ｂ、配管３５ｃ、配管３５ｂを通り、希釈器３６でカソード流路１２からの掃気ガス（コンプレッサ３１からの掃気ガス）で良好に希釈された後、配管３６ａ、配管３７ａを通って車外に排出される。このようにして、逆止弁７１からの掃気ガス（車外の空気）によって、アノード流路１１が掃気される。
したがって、アノード流路１１とエキスパンダ３５とを接続し、アノード流路１１の掃気時、アノード流路１１からエキスパンダ３５に向かう掃気ガスが通流する第２掃気ガス流路は、配管２３ｂ、配管２５ａ、配管２５ｂ、配管３５ｃを備えて構成されている。

第２実施形態では、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０９後、ステップＳ２１０に進む。
ステップＳ２１０において、ＥＣＵ７０は、第１封止弁３３、第２封止弁３４、掃気ガス排出弁２５を閉じる。また、ＥＣＵ７０は、三方弁７２を制御して、配管３５ａと配管３５ｃとを連通させる。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム２によれば、アノード掃気とカソード掃気とを同時に実行するので、燃料電池システム２全体として掃気に要する時間を短くし、モータ３１ｄによる消費電力も小さくできる。

１、２ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１ａ、２２ａ、２３ａ 配管（燃料ガス供給流路）
２３ｂ 配管（燃料オフガス排出流路）
３１ コンプレッサ（圧縮機）
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ 配管（酸化剤ガス供給流路）
３３ 第１封止弁（遮断弁）
３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３７ａ 配管（酸化剤オフガス排出流路）
３４ａ、３４ｂ、３５ａ 配管（第２掃気ガス流路）
３５ エキスパンダ（吸引機）
３８ａ、３８ｂ 配管（第１掃気ガス流路）
３９ 逆止弁（外気導入弁）
７０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (6)

1. 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
   前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、
   前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、前記圧縮機と同時に作動可能であって、作動することでその上流のガスを吸引する吸引機と、
   前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方と前記圧縮機とを接続し、前記一方の掃気時、前記圧縮機から前記一方に向かう掃気ガスが通流する第１掃気ガス流路と、
   前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方と前記吸引機とを接続し、前記他方の掃気時、前記他方から前記吸引機に向かう掃気ガスが通流する第２掃気ガス流路と、
   前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方の上流に設けられ、前記他方の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁と、
   前記圧縮機及び前記吸引機を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記燃料電池の掃気時、
   前記制御手段は、前記圧縮機及び前記吸引機を同時に作動させ、
   前記圧縮機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方を掃気し、
   前記吸引機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方を掃気する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記吸引機は、前記燃料電池の発電時、酸化剤オフガスを膨張させるエキスパンダであって、
   前記エキスパンダの下流の前記酸化剤オフガス流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、
   前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、
   を備える
   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. 前記外気導入弁は逆止弁である
   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。
4. 前記第１掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記圧縮機とを接続し、
   前記第２掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記吸引機とを接続し、
   前記燃料電池の掃気時、
   前記圧縮機が前記燃料ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記酸化剤ガス流路を掃気する
   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。
5. 前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機との間における前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機から前記酸化剤ガス流路への掃気ガスを遮断する遮断弁を備える
   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. 前記第１掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機とを接続し、
   前記第２掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記吸引機とを接続し、
   前記燃料電池の掃気時、
   前記圧縮機が前記酸化剤ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記燃料ガス流路を掃気する
   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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