(57)【要約】【課題】燃料電池システムからアノードガスが排出されたことを担保する方法を提供する。【解決手段】アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの処理方法は、燃料電池スタックへアノードガス及びカソードガスが供給されておらず、燃料電池スタックの発電が停止された状態で開始され、燃料電池スタックへのカソードガスの供給を開始する第１工程と、燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第１電圧以下となった場合に、アノードへの不活性ガスの供給を開始する第２工程と、第２工程の後に、燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第２電圧以下となった場合に、アノードへの不活性ガスの供給を停止する第３工程と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの処理方法であって、
前記処理方法は、
前記燃料電池スタックへ前記アノードガス及び前記カソードガスが供給されておらず、前記燃料電池スタックの発電が停止された状態で開始され、
前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を開始する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第１電圧以下となった場合に、前記燃料電池スタックのアノードへの不活性ガスの供給を開始する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第２電圧以下となった場合に、前記不活性ガスの供給を停止する第３工程と、を備える、
処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の処理方法であって、
更に、前記不活性ガスの供給に際して、前記燃料電池システムの備えるポンプであって、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを前記燃料電池スタックに循環させるポンプを回転させる、処理方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の処理方法の終了後に、
前記燃料電池システムから前記燃料電池システムの備える部品を取り外す、部品の取り外し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムの処理方法及び部品の取り外し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの点検等において、安全性の観点から、燃料電池システム内の水素等のアノードガスを排出することと、燃料電池スタックの電圧を低くすることとが求められる。特許文献１には、燃料電池スタックの発電を停止したときに、燃料電池スタックに残っている電圧をディスチャージする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６５０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、ディスチャージ処理の開始時に、まず、燃料電池スタックへの不活性ガスの供給が開始され、次に、燃料電池スタックの電圧が所定値より低いか否かが判定される。そして、燃料電池スタックの電圧が所定値より低い場合には、ディスチャージが完了したと判定され、不活性ガスの供給が停止される。しかし、燃料電池システムが停止状態である場合等、処理の開始時における燃料電池スタックの電圧が、所定値より低い場合がある。このような場合には、特許文献１の技術では、ディスチャージ処理の開始後に、燃料電池スタックへの不活性ガスの供給がすぐに停止されてしまう。そのため、特許文献１の技術では、燃料電池スタックの電圧が所定値より低い場合には、燃料電池システムからアノードガスが排出されたことを担保できないおそれがある。したがって、燃料電池スタックの電圧が所定値より低い場合に、アノードガスが排出されたことを担保するためには、不活性ガスを長時間供給することが必要な場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本開示の一形態によれば、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの処理方法であって、前記処理方法は、前記燃料電池スタックへの前記アノードガス及び前記カソードガスが供給されておらず、前記燃料電池スタックの発電が停止された状態で開始され、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を開始する第１工程と、前記第１工程の後に、前記燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第１電圧以下となった場合に、前記燃料電池スタックのアノードへの不活性ガスの供給を開始する第２工程と、前記第２工程の後に、前記燃料電池スタックの電圧が上昇した後予め定められた第２電圧以下となった場合に、前記不活性ガスの供給を停止する第３工程と、を備える、処理方法が提供される。
この形態によれば、第１工程の後に燃料電池スタックの電圧が上昇した後第１電圧以下となることは、燃料電池スタックの電極付近のアノードガスが消費されたことを示す。第２工程の後に燃料電池スタックの電圧が上昇した後第２電圧以下となることは、燃料電池システムのアノードガス供給部に存在するアノードガスが燃料電池スタックの電極付近に移動して消費されたこと、すなわち、アノードガス供給部にアノードガスがほぼ存在しないことを示す。そのため、燃料電池スタックの電圧の変化から、燃料電池システムにおけるアノードガス排出完了時点を把握できる。したがって、燃料電池システムからアノードガスが排出されたことを担保するために、燃料電池システムに対し、不必要に不活性ガスが供給されることを抑制できる。また、燃料電池システムからアノードガスを排出するために要する時間を短くできる。
（２）上記形態において、更に、前記不活性ガスの供給に際して、前記燃料電池システムの備えるポンプであって、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを前記燃料電池スタックに循環させるポンプを回転させてもよい。
この形態によれば、燃料電池スタックから排出された不活性ガスを再利用して、燃料電池システムからアノードガスを排出することができる。また、燃料電池システムからのアノードガス排出を促進することができるので、アノードガスの排出に要する時間をより短くすることができる。
（３）本開示の他の形態によれば、上記処理方法の終了後に、前記燃料電池システムから前記燃料電池システムの備える部品を取り外す、部品の取り外し方法が提供される。
この形態によれば、燃料電池システムから安全に部品を取り外すことができる。また、燃料電池スタックの電圧の変化からアノードガスの排出完了時点を把握できるので、アノードガスの排出完了時点を把握できない場合と比較して、燃料電池システムの部品取り外しを早期に開始できる。
【０００７】
本開示は、上述した燃料電池システムの処理方法、部品の取り外し方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述の方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一形態における燃料電池システムの概略構成を示す図。
【図２】部品の取り外し方法を示す工程図。
【図３】燃料電池システムの処理方法を示す工程図。
【図４】前処理における燃料電池スタックの電圧変化を示す図。
【図５】燃料電池スタックの状態と、燃料電池スタックにおけるアノードガス供給部に存在するガスと、アノード電極付近に存在するガスと、カソード電極付近に存在するガスと、燃料電池スタックの電圧と、の関係を説明する図。
【図６】前処理の回数と、前処理後の燃料電池スタックにおける平均セル電圧と、の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態
Ａ１．燃料電池システムの構成
図１は、本開示の一形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システム１００は、例えば、車両１１０に搭載される。燃料電池システム１００は、運転者からの要求に応じて車両１１０の動力源となる電力を出力する。
【００１０】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御装置２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」と呼ぶ）８１と、負荷８２と、二次電池８３と、を備える。制御装置２０は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェースと、を備える１以上のＥＣＵとして構成されている。制御装置２０は、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、制御部２１として機能する。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、セル１１が積層されたスタック構造を有する。各セル１１は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に配置されたアノード電極及びカソード電極と、を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを備える。セル１１は、反応ガスとしてのアノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１０において、アノードガスが供給される側をアノードとも呼び、カソードガスが供給される側をカソードとも呼ぶ。
【００１２】
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、大気圧センサ３７と、エアフローメータ３２と、カソードガスコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、分流弁３６と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。
【００１３】
大気圧センサ３７は、カソードガス配管３１に設けられており、カソードガス配管３１の入口圧力を測定することで、大気圧を測定する。エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。カソードガスコンプレッサ３３は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３３は、制御部２１の制御により、外部から取り入れたカソードガスを圧縮し、燃料電池スタック１０に供給する。
【００１４】
第１開閉弁３４は、カソードガスコンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられ、制御部２１の制御により開閉する。分流弁３６は、カソードガスコンプレッサ３３とカソードオフガス配管４１との間に設けられており、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を調節する。
【００１５】
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを、燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
【００１６】
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノード圧力センサ５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離装置６２と、排出弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。
【００１７】
アノードガス配管５１は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するための供給流路である。アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口マニホールドと接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。第２開閉弁５３は、制御部２１の制御により開閉する。第２レギュレータ５４は、制御部２１の制御により、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。アノード圧力センサ５６は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側に設けられている。アノード圧力センサ５６は、インジェクタ５５下流の圧力値を測定する。
【００１８】
インジェクタ５５は、制御部２１によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガス供給量を調整する。本実施形態では、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に複数設けられている。制御部２１は、アノード圧力センサ５６の測定値が目標圧力値を下回らないように、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御し、燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量を制御する。目標圧力値は、燃料電池スタック１０への要求電力に応じて定められる。
【００１９】
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口マニホールドとカソードオフガス配管４１とを接続する。アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０からアノードオフガスを排出するための排出流路である。アノードオフガスは、発電反応に用いられなかったアノードガスや窒素ガスなどを含む。
【００２０】
気液分離装置６２は、アノードオフガス配管６１に設けられている。気液分離装置６２は、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスから、不純物としての水を分離して貯える。
【００２１】
排出弁６３は、アノードオフガス配管６１に設けられた開閉弁である。排出弁６３は、気液分離装置６２の鉛直下方に設けられている。排出弁６３は、制御部２１の制御により開閉する。排出弁６３が開かれると、排出弁６３からは、気液分離装置６２内の水に続いて、アノードオフガスが排出される。排出弁６３から排出された水及びアノードオフガスは、アノードオフガス配管６１に接続されたカソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。
【００２２】
循環配管６４は、気液分離装置６２とアノードガス配管５１におけるインジェクタ５５下流とを接続する。循環配管６４には、アノードガスポンプ６５が設けられている。アノードガスポンプ６５は、制御部２１の制御により駆動され、気液分離装置６２によって水が分離されたアノードオフガスを、アノードガス配管５１へと送り出す。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、制御部２１の制御に応じて燃料電池スタック１０から出力された電圧を昇圧して、ＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２１の制御に応じてインバータを介して車輪を駆動するためのトラクションモータ等の負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２１の指令に基づいて、燃料電池スタック１０の出力電流を制御する。
【００２４】
二次電池８３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０とＰＣＵ８１とを介して、燃料電池スタック１０により発電された電力を蓄電する。また、二次電池８３は、燃料電池スタック１０とともに、燃料電池システム１００における電力の供給源として機能する。二次電池８３の電力は、負荷８２や、カソードガスコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５、各種弁に、供給される。二次電池８３としては、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。
【００２５】
ＳＯＣ（ＳＯＣ：State Of Charge）検出部８５は、二次電池８３の温度や、出力電圧、出力電流を検出する。ＳＯＣ検出部８５は、これらの検出値に基づき、二次電池８３の蓄電量（ＳＯＣ）を検出する。
【００２６】
電流センサ８６は、燃料電池スタック１０の出力電流を測定する。電圧測定部８４は、燃料電池スタック１０の電圧を測定する。電圧測定部８４は、燃料電池スタック１０の電圧から、平均セル電圧を算出可能である。「平均セル電圧」とは、燃料電池の両端電圧をセル１１の数で除算した値である。
【００２７】
制御部２１は、要求電力に応じて燃料電池システム１００の各部を制御し、燃料電池スタック１０や二次電池８３の出力を制御する。要求電力には、燃料電池システム１００が搭載される車両１１０の運転者などによる外的発電要求と、燃料電池システム１００の補機類に対して電力を供給するための内的発電要求と、が含まれる。
【００２８】
また、制御部２１は、燃料電池システム１００内からアノードガス排出するための、燃料電池システム１００の処理を実行する。この処理は、例えば、燃料電池システム１００を備える車両１１０の点検時や、車両１１０において異常が発生した場合等に、燃料電池システム１００から部品を取り外す場合において、部品の取り外しに先立って実行される。取り外される部品は、燃料電池システム１００が備える複数の部品のうち、少なくとも１つである。部品としては、例えば、燃料電池スタック１０、アノードガスポンプ６５等が挙げられる。
【００２９】
図１には、更に、燃料電池スタック１０のアノードに不活性ガスを供給するための不活性ガス配管７１と、不活性ガスタンク７２と、逆止弁７３と、が示されている。本実施形態において、不活性ガス配管７１として、アノードガス配管５１における第２開閉弁５３と第２レギュレータ５４との間と、車両１１０に設けられた図示しないアノードガス充填口と、を接続する配管が用いられる。逆止弁７３は、アノードガス充填口に設けられている。第２開閉弁５３が閉じられた状態で、アノードガス充填口に不活性ガスタンク７２が接続されて、第２レギュレータ５４及びインジェクタ５５が開かれると、不活性ガスタンク７２から不活性ガス配管７１、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードに、不活性ガスが供給される。
【００３０】
Ａ２．部品の取り外し方法
図２は、部品の取り外し方法を示す工程図である。図２に示す部品の取り外し方法は、車両１１０の取扱い店や、工場において実行される。本方法の開始時には、燃料電池スタック１０へアノードガス及びカソードガスは供給されておらず、燃料電池スタック１０の発電は停止されている。本実施形態では、本方法の開始時には、車両１１０のスタートスイッチがオフにされ、カソードガス供給部３０及びアノードガス供給部５０から、燃料電池スタック１０への反応ガスの供給が停止されている。本方法の開始時には、燃料電池スタック１０の残電圧は、ほぼゼロである。
【００３１】
ステップＳ１００では、作業者により、アノードガス供給部５０に不活性ガスタンク７２が接続される。本実施形態では、ステップＳ１１０において、第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４が閉じられた後、作業者により車両１１０のアノードガス充填口に不活性ガスタンク７２としての窒素ガスボンベが接続される。
【００３２】
ステップＳ２００では、部品の取り外しに先立ち、燃料電池システム１００の処理が行われる。部品の取り外しに先立って行われるステップＳ２００の処理を、単に「前処理」とも呼ぶ。前処理の詳細は後述する。
【００３３】
前処理の終了後、ステップＳ３００では、作業者により、燃料電池システム１００から部品が取り外される。取り外された部品は点検、修理、又は交換される。
【００３４】
Ａ３．燃料電池システムの処理
図３は、ステップＳ２００における燃料電池システム１００の処理を示す工程図である。本処理は、燃料電池システム１００から部品を安全に取り外すための前処理でもある。本実施形態において、制御部２１は、制御部２１に開始信号が入力された場合に、前処理を開始する。開始信号は、例えば、燃料電池システム１００の外部から、作業者により入力される。制御部２１は、制御装置２０のメモリに記憶された所定の条件が満たされた場合に、前処理を開始してもよい。所定の条件は、例えば、車両１１０のシフトレバーがパーキングレンジに位置しており、燃料電池スタック１０の発電が停止しており、アノードガス供給部５０に不活性ガスタンク７２が接続されていることが制御部２１に入力されたという条件であってもよい。本実施形態において、制御部２１は、二次電池８３の電力を用いて、前処理を実行する。
【００３５】
ステップＳ２２０では、制御部２１は、カソードガス供給部３０を制御して、カソードへのカソードガスとしての空気の供給を開始する。ステップＳ２２０を「第１工程」とも呼ぶ。ステップＳ２２０において、制御部２１は、予め定められた回転速度で、カソードガスコンプレッサ３３を回転させてもよい。予め定められた回転速度は、セル１１の電極が過剰に乾燥することを抑制しつつ、燃料電池スタック１０の複数のセル１１にカソードガスを行きわたらせるための速度である。予め定められた回転速度は、実験やシミュレーションによって求められ、制御装置２０のメモリに記憶されている。予め定められた回転速度は、カソードガスコンプレッサ３３が約２００（ＮＬ/ｍｉｎ）のカソードガス供給を実現可能な回転速度であってもよい。カソードガスの供給が開始されると、燃料電池スタック１０の電極付近におけるアノードガスは、供給されたカソードガスと反応する。そのため、前処理の開始時にほぼゼロであった燃料電池スタック１０の電圧は、上昇する。
【００３６】
続いて、ステップＳ２３０では、制御部２１は、電圧測定部８４から取得した電圧が、予め定められた第３電圧Ｖ３に達したか否かを判定する。第３電圧Ｖ３は、燃料電池スタック１０の開回路電圧（ＯＣＶ）にほぼ等しい値である。第３電圧Ｖ３は、開回路電圧に０．９から１．０の間の値を乗じた値であってもよい。制御部２１は、燃料電池スタック１０の電圧が第３電圧Ｖ３に達した場合、処理をステップＳ２４０に進める。
【００３７】
ステップＳ２４０では、制御部２１は、電圧測定部８４から取得した電圧が予め定められた第１電圧Ｖ１以下となったか否かを判定する。第１電圧Ｖ１は第３電圧Ｖ３よりも低い値である。第１電圧Ｖ１は、実験やシミュレーションによって求められた、燃料電池スタック１０の電極付近にアノードガスが存在しない場合の電圧値である。第１電圧Ｖ１は、燃料電池スタック１０におけるセル１１の枚数に、０．１Ｖの値を乗じた値であってもよい。電圧測定部８４から取得した電圧が第１電圧Ｖ１以下となった場合、制御部２１は、処理をステップＳ２５０に進める。
【００３８】
ステップＳ２３０及びステップＳ２４０が肯定判定されること、すなわち、カソードガスの供給により、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後に第１電圧Ｖ１以下まで下降することは、燃料電池スタック１０の電極付近におけるアノードガスが電機化学反応によって消費されたことを示す。言い換えると、ステップＳ２３０及びステップＳ２４０が肯定判定されることは、燃料電池スタック１０の電極付近にアノードガスがほぼ存在しないことを示す。
【００３９】
ステップＳ２５０では、制御部２１は、アノードガス供給部５０を制御して、アノードへの不活性ガスの供給を開始する。本実施形態では、制御部２１は、第２レギュレータ５４及びインジェクタ５５を開く。ステップＳ２４０が行われることにより、不活性ガス配管７１とアノードガス配管５１との接続箇所よりも下流のアノードガス供給部５０に存在するアノードガスが、燃料電池スタック１０へ移動する。燃料電池スタック１０の電極付近に移動したアノードガスは、カソードガスと反応する。そのため、第１電圧Ｖ１以下であった燃料電池スタック１０の電圧は、上昇する。ステップＳ２３０からステップＳ２５０までを、「第２工程」とも呼ぶ。本実施形態において、不活性ガスは、窒素ガスである。他の実施形態において、不活性ガスは、アルゴンガスであってもよい。
【００４０】
続いて、ステップＳ２６０では、制御部２１は、電圧測定部８４から取得した電圧が、予め定められた第４電圧Ｖ４以上に達したか否かを判定する。第４電圧Ｖ４は、開回路電圧にほぼ等しい値である。第４電圧Ｖ４は、開回路電圧に０．９から１．０の間の値を乗じた値であってもよい。制御部２１は、燃料電池スタック１０の電圧が第４電圧Ｖ４以上となった場合、処理をステップＳ２７０に進める。
【００４１】
ステップＳ２７０では、制御部２１は、電圧測定部８４から取得した電圧が予め定められた第２電圧Ｖ２以下となったか否かを判定する。第２電圧Ｖ２は第４電圧Ｖ４よりも低い値である。第２電圧Ｖ２は、燃料電池システム１００から部品を安全に取り外すことが可能な電圧である。第２電圧Ｖ２は、予め実験やシミュレーションによって求められた、燃料電池スタック１０における電極付近のアノードガスが消費された場合の電圧値であってもよい。第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１よりも低くてもよいし、第１電圧Ｖ１と等しくてもよい。電圧測定部８４から取得した電圧が第２電圧Ｖ２以下となった場合、制御部２１は、処理をステップＳ２８０に進める。
【００４２】
ステップＳ２６０及びステップＳ２７０が肯定判定されること、すなわち、アノードへの不活性ガスの供給により、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後に第２電圧Ｖ２まで下降することは、アノードガス供給部５０に残存するアノードガスが燃料電池スタック１０へ移動して、燃料電池スタック１０で消費されたことを示す。言い換えると、ステップＳ２７０が肯定判定されることは、燃料電池スタック１０の電極付近と、アノードガス配管５１と不活性ガス配管７１との接続箇所下流におけるアノードガス供給部５０には、アノードガスがほぼ存在しないことを示す。
【００４３】
ステップＳ２８０では、制御部２１は、カソードガス供給部３０及びアノードガス供給部５０を制御して、燃料電池スタック１０へのガス供給を停止する。ステップＳ２６０からステップＳ２８０までを「第３工程」とも呼ぶ。以上のようにして、制御部２１による一連の前処理が行われる。
【００４４】
なお、上記前処理におけるステップＳ２３０、ステップＳ２４０、ステップＳ２６０、ステップＳ２７０の各ステップにおいて、肯定判定がされず、かつ、各ステップの開始から予め定められた時間が経過した場合には、制御部２１は、前処理を終了してもよい。この場合には、制御部２１は、例えば、図示しない出力装置に、前処理が正常終了されていないことを出力してもよい。
【００４５】
次に、前処理における燃料電池スタック１０の電圧変化と燃料電池スタック１０の状態変化とについて図４及び図５を用いて説明する。図４は、前処理における燃料電池スタック１０の電圧変化を示す図である。図４には、前処理における燃料電池スタック１０の電圧と、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガス流量と、燃料電池スタック１０に供給される不活性ガス流量と、の時間変化が示されている。図４は、燃料電池システム１００の前処理における台上試験（ベンチテスト）により得られた結果である。本試験において、アノードガスとして水素を用い、カソードガスとして空気を用い、不活性ガスとして窒素を用いた。図５は、燃料電池スタック１０の状態と、燃料電池スタック１０におけるアノードガス供給部５０に存在するガスと、アノード電極付近に存在するガスと、カソード電極付近に存在するガスと、燃料電池スタック１０の電圧と、の関係を説明する図である。
【００４６】
図４に示す時点ｔ１より以前の時点（ａ）は、燃料電池スタック１０へ水素及び空気が供給されておらず、燃料電池スタック１０が放置されている時点である。時点（ａ）における燃料電池スタック１０の電圧は、０Ｖである。
【００４７】
燃料電池スタック１０へ水素及び空気が供給されていないと、時間の経過とともに、電極付近のガスは電解質膜を透過する。そして、アノードからカソードに移動した水素は、カソードに存在する酸素と反応する。そのため、図５に示すように、時点（ａ）では、カソード電極付近には、アノードから移動した水素と、水素と酸素の反応の結果カソードに残された空気中の窒素と、が存在する。アノード電極付近には、水素と、カソードから移動した窒素と、が存在する。アノードガス供給部５０におけるアノードガスの流路である水素系配管と、燃料電池スタック１０におけるアノードガス入口マニホールドとには、燃料電池スタック１０の発電が停止される前まで燃料電池スタック１０に供給されていた、水素が存在する。
【００４８】
図４に示す時点ｔ１は、カソードへの空気の供給が開始された時点である（図３、ステップＳ２２０参照）。カソード電極付近の水素は、カソードに供給された空気と反応するので、時点ｔ１を経過した時点（ｂ）において、燃料電池スタック１０の電圧は開回路電圧に達する。また、時点（ａ）において水素及び窒素雰囲気であったカソード電極付近は、時点（ｂ）において空気雰囲気に置換される。
【００４９】
アノード電極付近に存在する水素が、カソードに供給された空気と反応して消費された結果、時点（ｂ）より後の時点（ｃ）では、図５に示すように、アノード電極付近は窒素雰囲気となる。また、開回路電圧まで上昇した燃料電池スタック１０の電圧は、第１電圧Ｖ１以下まで下降する（図４、時点（ｃ）参照）。
【００５０】
時点ｔ２は、アノードへの窒素の供給が開始された時点である（図３、ステップＳ２５０参照）。図５に示すように、時点（ｃ）において水素雰囲気であったアノードガスの流路と燃料電池スタック１０におけるアノードガス入口マニホールドとは、時点ｔ２以降の時点（ｄ）において、窒素雰囲気に置換される。アノードガスの流路とアノードガス入口マニホールドとに存在していた水素は、アノード電極付近に移動して、カソードに供給された空気と反応する。そのため、時点（ｄ）では、燃料電池スタック１０の電圧は開回路電圧に達する。また、アノード電極付近に存在する水素が、カソードに供給された空気と反応した結果、時点（ｄ）より後の時点（ｅ）において、アノード電極付近は窒素雰囲気となる。また、開回路電圧まで上昇した燃料電池スタック１０の電圧は、アノード電極付近の水素が消費された結果、第２電圧Ｖ２以下まで下降する（図４、時点（ｅ）参照）。
【００５１】
図６は、前処理の回数と、前処理後の燃料電池スタック１０における平均セル電圧と、の関係を示す図である。発明者らの実験の結果、前処理を１０回繰り返した場合において、燃料電池スタック１０の平均セル電圧は、ほぼ変化しなかった。このことは、本開示の燃料電池システム１００の処理方法では、セル１１の劣化が抑制されることを示している。
【００５２】
Ａ４．効果
上記で説明したように、燃料電池システム１００の処理方法は、第１工程と、第１工程の後に行われる第２工程と、第２工程の後に行われる第３工程とを備える。第１工程は、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給を開始する工程である（図３、ステップＳ２２０参照）。第２工程は、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後、第１電圧以下となった場合に、燃料電池スタック１０のアノードへの不活性ガスの供給を開始する工程である（図３、ステップＳ２３０からＳ２５０までを参照）。第１工程の後に燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第１電圧Ｖ１以下となることは、燃料電池スタック１０の電極付近のアノードガスが消費されたことを示す。第３工程は、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後、第２電圧以下となった場合に、ガスの供給を停止する工程である（図３、ステップＳ２６０からステップＳ２８０までを参照）。第２工程の後に、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第２電圧以下となることは、燃料電池システム１００のアノードガス供給部５０に存在するアノードガスが燃料電池スタック１０の電極付近に移動して消費されたことを示す。すなわち、アノードガス供給部５０に、アノードガスがほぼ存在しないことを示す。したがって、上記工程を経れば、燃料電池システム１００内に、アノードガスがほぼ存在しないことを担保することができる。
【００５３】
この形態によれば、燃料電池システム１００における燃料電池スタック１０の電圧変化から、燃料電池システム１００におけるアノードガスの排出完了時点を把握できる。そのため、燃料電池システム１００からアノードガスが排出されたことを担保するために、燃料電池システム１００に対し、不必要に不活性ガスが供給されることを抑制できる。したがって、燃料電池システム１００からアノードガスを排出するために要する時間を短くできる。また、燃料電池スタック１０のセル１１におけるアノードの面内において、部分的にアノードガスが欠乏する時間を短くできるので、セル１１が劣化することを抑制できる。
【００５４】
この形態によれば、第３工程後、燃料電池システム１００から部品を安全に取り外すことができる。また、燃料電池スタック１０の電圧の変化からアノードガスの排出完了時点を把握できるので、アノードガスの排出完了時点を把握できない場合と比較して、燃料電池システム１００の部品取り外しを早期に開始できる。
【００５５】
Ｂ．第２実施形態
本実施形態における前処理と、第１実施形態における前処理とが異なる点は、ステップＳ２５０において、制御部２１が、アノードガスポンプ６５を回転させて、燃料電池スタック１０から排出されるガスを、燃料電池スタック１０へ循環させる点である。制御部２１は、燃料電池スタック１０の電極が過剰に乾燥することを抑制しつつ、燃料電池スタック１０の複数のセル１１に不活性ガスを行きわたらせるための回転速度で、アノードガスポンプ６５を回転させる。予め定められた回転速度は、実験やシミュレーションによって求められ、制御装置２０のメモリに記憶されている。予め定められた回転速度は、アノードガスポンプ６５が、約２００（ＮＬ/ｍｉｎ）のガス供給を実現可能な回転速度であってもよい。燃料電池システム１００の構成及び前処理におけるステップＳ２５０以外の処理は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００５６】
この形態によれば、燃料電池スタック１０から排出される不活性ガスを、再び燃料電池スタック１０へ供給することができる。そのため、第１実施形態の効果に加え、燃料電池システム１００からアノードガスを排出する場合における不活性ガスの消費量を抑制することができる。
【００５７】
この形態によれば、アノードガスポンプ６５を回転させない場合と比較して、アノードガス供給部５０に残存するアノードガスを、燃料電池スタック１０へ早く移動させることができる。そのため、アノードガスの排出に要する時間をより短くできる。
【００５８】
Ｃ．他の実施形態
Ｃ１．他の実施形態１
上記形態において、制御部２１は、第３工程において、燃料電池スタック１０の電圧が第４電圧Ｖ４まで上昇した後に、カソードガスコンプレッサ３３とアノードガスポンプ６５とのうち少なくとも一方の回転を停止させてもよい。例えば、制御部２１は、図４に示す時点ｔ１（ｄ）の後に、アノードガスポンプ６５の回転を停止させてもよい。アノードガス供給部５０への不活性ガスの供給によってアノード電極に移動した水素は、不活性ガスの流量によらず、カソードへ移動するためである。この形態によれば、燃料電池システム１００からアノードガスを排出する場合における二次電池８３の電力消費を抑制することができる。
【００５９】
Ｃ２．他の実施形態２
上記形態において、制御部２１は、ステップＳ２２０（図３）の開始よりも前に、二次電池８３のＳＯＣが予め定められた閾値Ｘ以上であるか否かを判定してもよい。閾値Ｘは、アノードガス排出処理に必要なＳＯＣの値であり、予め実験やシミュレーションによって求められ、制御装置２０のメモリに記憶されていてもよい。二次電池８３のＳＯＣが閾値Ｘ以上である場合、処理をステップＳ２２０に進めてもよい。二次電池８３のＳＯＣが閾値Ｘより低い場合、制御部２１は、カソードガス供給部３０とアノードガス供給部５０とを制御して、燃料電池スタック１０を発電させて、二次電池８３を充電してもよい。
【００６０】
Ｃ３．他の実施形態３
上記形態において、制御部２１は、前処理が行われている間、前処理が行われていない場合と比較して排出弁６３の開弁時間を増加させてもよいし、排出弁６３の開弁を維持してもよい。この形態によれば、燃料電池スタック１０においてアノードガスを消費させつつ、アノードオフガスに含まれるアノードガスが排出弁６３から外部へ排出されるので、燃料電池システム１００に残存するアノードガスをより早く不活性ガスに置換できる。そのため、前処理に要する時間を短くできる。排出弁６３を開弁する場合には、制御部２１は、分流弁３６を制御して、カソードガスの少なくとも一部をカソードオフガス配管４１へ供給してもよい。この形態によれば、燃料電池システム１００外へ排出されるアノードガスを、カソードガスによって希釈することができる。そのため、部品取り外しにおける安全性を高めることができる。
【００６１】
Ｃ４．他の実施形態４
上記形態において、制御部２１は、第１工程の後に、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第１電圧Ｖ１以下となったことを、燃料電池スタック１０の電圧が第３電圧Ｖ３に達した後（図３、ステップＳ２３０参照）、第１電圧Ｖ１以下となったこと（図３、ステップＳ２４０参照）で判定している。これに対し、制御部２１は、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第１電圧Ｖ１以下となったことを、燃料電池スタック１０の電圧の変化率がプラスからマイナスに転じた後に、第１電圧Ｖ１以下となったことで判定してもよい。同様に、制御部２１は、第２工程の後に、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第２電圧Ｖ２以下となったことを、燃料電池スタック１０の電圧が第４電圧Ｖ４に達した後（図３、ステップＳ２６０参照）、第２電圧Ｖ２以下となったこと（図３、ステップＳ２７０参照）で判定している。これに対し、制御部２１は、燃料電池スタック１０の電圧が上昇した後第２電圧Ｖ２以下となったことを、燃料電池スタック１０の電圧の変化率がプラスからマイナスに転じた後に、第２電圧Ｖ２以下となったことで判定してもよい。
【００６２】
Ｃ５．他の実施形態５
上記形態において、アノードに不活性ガスを供給するための不活性ガス配管７１として、アノードガスタンク７２へアノードガスを充填するための配管が用いられている。これに対し、例えば、アノードガス配管５１における第２レギュレータ５４とインジェクタ５５との間に配管を接続し、当該配管を用いて不活性ガスタンク７２から不活性ガスを供給してもよい。
【００６３】
Ｃ６．他の実施形態６
上記形態において、制御部２１により実行される前処理は、部品取り外しの前処理に限らず、例えば、アノードガスを排出した状態で行われる点検や、燃料電池システム１００に部品を追加する場合の前処理として実行されてもよい。また、上記前処理は、燃料電池システム１００からアノードガスが排出されたことを担保するための処理としても適用可能である。
【００６４】
Ｃ７．他の実施形態７
上記形態において、燃料電池システム１００はが搭載される車両１１０は、四輪車、二輪車であってもよい。また、燃料電池システム１００は、船舶やドローンに搭載されてもよいし、燃料電池システム１００は定置型のシステムであってもよい。
【００６５】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、前述した実施形態及び各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池スタック、１１…セル、２０…制御装置、２１…制御部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…カソードガスコンプレッサ、３４…第１開閉弁、３６…分流弁、３７…大気圧センサ、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、５６…アノード圧力センサ、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離装置、６３…排出弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、７１…不活性ガス配管、７２…不活性ガスタンク、７３…逆止弁、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…二次電池、８４…電圧測定部、８５…ＳＯＣ検出部、８６…電流センサ、１００…燃料電池システム、１１０…車両
【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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【図６】
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