(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、
前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの制御方法において、
前記停止時発電処理は、前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときから所定時間の経過後に終了されるものとされ、
前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときから前記停止時発電処理中であって前記所定時間の経過前に、
前記アノード側の圧力が閾値圧力以下、前記燃料電池の電圧が閾値電圧以下、前記アノード側の燃料ガスの温度が閾値温度以下、及び前記冷却媒体の温度が閾値温度以上、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、
前記停止時発電処理を中断する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの制御方法において、
前記停止時発電処理は、前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときから所定時間の経過後に終了されるものとされ、
前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときに、
前記燃料電池システムの通常発電中の発電不調が記憶されていたとき、前記燃料電池システムが所定温度以下の状態で起動され前記燃料電池システムの暖機完了前であったとき、及び前記燃料電池のガス圧力を制御する制御弁が凍結の可能性があるとき、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、
前記停止時発電処理を実施しない
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法に関し、特に、発電停止時にアノード内の水素とカソード内の酸素を消費させることで、燃料電池内のカソード内を窒素濃度の濃いガスで充満させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
この燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるが、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在し反応して電解質膜・電極構造体が劣化するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止時に、アノード側への反応ガスの供給を遮断するとともに、カソード側への反応ガスの供給を遮断する。さらに、アノード側排ガスをアノード側循環ラインを経由して上流側に循環させるとともに、カソード側排ガスをカソード循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電気化学反応を継続させることで発電させ、発電出力をバッテリに充電する。このようにして、アノード側排ガスの水素を消費させるとともに、カソード側排ガス中の酸素を消費して窒素ガスをタンクに蓄積し、タンクに蓄積した窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内をガス置換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報（図１、［００２９］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された技術のように、燃料電池の運転停止時に、窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内を不活性なガスにより置換することは、運転停止後に、不必要な反応が発生する可能性が少なくなり、燃料電池の劣化防止という観点からも好ましい。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された停止時発電処理に係る技術では、例えば、アノード側の反応ガスの供給を遮断して発電（電気化学反応）を継続させているので、アノード側の圧力が相当に低下する場合があり、燃料電池システムを構成するスタックの破壊や弁の誤開弁（誤開放）を惹起してしまうという問題がある。
【０００９】
また、この停止時発電処理は、電気的に大きな負荷をかける（大きな電流を引く）ことがないので発生する熱量が少なく、かつ比較的に時間のかかる処理であるので、氷点下等の低温下において実施すると、燃料電池の氷結を招く可能性があり、同様に燃料電池システムを構成するスタック等が破壊してしまうおそれがある。
【００１０】
この発明は上記の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池システムの停止時発電処理を実施するにあたり、スタックの破壊、次回機動性の悪化、並びに弁の誤開弁等の不具合を悉く防止することを可能とする燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの制御方法において、以下の特徴（１）を備える。
【００１２】
（１）前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときから前記停止時発電処理中に、前記アノード側の圧力が閾値圧力以下、前記燃料電池の電圧｛例えば、セル（セルペア）電圧｝が閾値電圧以下、前記アノード側の燃料ガスの温度が閾値温度以下、及び前記冷却媒体の温度が閾値温度以上、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、前記停止時発電処理を中断することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、アノード側の圧力が閾値圧力以下で停止時発電処理を中断することで、スタックの破壊や弁の誤開弁（誤開放）を防止できる。また、前記燃料電池の電圧が閾値電圧以下で停止時発電処理を中断することで、燃料電池（セル）が壊れることを防止できる。さらに、冷却媒体温度が閾値温度以上で停止時発電処理を中断することで冷却不足を要因として燃料電池が壊れる（セルが焼損する）ことを防止できる。
【００１４】
また、この発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの制御方法において、以下の特徴（２）を備える。
【００１５】
（２）前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときに、前記燃料電池システムの通常発電中の発電不調が記憶されていたとき、前記燃料電池システムが所定温度以下の状態で起動され前記燃料電池システムの暖機完了前であったとき、及び前記燃料電池のガス圧力を制御する制御弁が凍結の可能性があるとき、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、前記停止時発電処理を実施しないことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、燃料電池システムの運転停止指令を検出したときに、前記燃料電池システムの通常発電中の発電不調が記憶されていたとき、停止時発電処理を実施しないことで発電不調状態を改善する余地が残される（発電不調状態を継続することは、より劣化を促進する可能性が高く好ましくない。）。また、前記燃料電池システムの運転停止指令を検出したときに、前記燃料電池システムが所定温度以下の状態で起動され前記燃料電池システムの暖機完了前であったとき、停止時発電処理を実施しないことで、燃料電池が発電不調状態になることを防止できる。さらに、燃料電池システムの運転停止指令を検出したときに、前記燃料電池のガス圧力を制御する制御弁が凍結の可能性があるとき、前記停止時発電処理を実施しないことで、凍結を防止できる。
【００１７】
なお、この発明は、発電不調等の不具合発生時に、停止時発電処理を不実施乃至中断することで、前記停止時発電処理を除いた他の不具合対策処理、例えば、乾燥した空気によるアノード側やカソード側の掃気処理等を実施することで、発電不調等の不具合を解消できる可能性が得られる点で有用である。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、停止時発電処理をする際に、不具合が検出されたとき、停止時発電処理中であれば中断し、停止時発電処理前であれば実施しないようにしたので、停止時発電処理の続行乃至実施による不具合の悪化・継続を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施形態に係る制御方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】前記制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】前記制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】前記燃料電池システムの水素ガス系容積部及び空気系容積部の説明図である。
【図６】停止時発電処理の全体説明図である。
【図７】実施可否判断部と中断要否判断部の具体的な動作例の説明図である。
【図８】実施可否・中断要否判断部に記憶されている判断表の説明図である。
【図９】モード切替判断部に記憶されているモード切替表の説明図である。
【図１０】差圧保護の考え方の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、この発明の実施形態に係る制御方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２１と、燃料電池スタック１２に掃気ガスを導入する掃気装置１５と、燃料電池スタック１２に接続自由なバッテリ（蓄電装置）１７と、燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置、制御部）１８と、を備える。
【００２１】
コントローラ１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、時計、計時部としてのタイマ１９等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
【００２３】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池（セル又はセルペアともいう。）２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００２４】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２５】
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２６】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００２７】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう。）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔４１ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４１ｂが設けられる。
【００２８】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設される。空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００２９】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するためのバタフライ弁等の開度調整可能な背圧制御弁（単に、背圧弁ともいう。）５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）制御弁により構成されることが好ましい。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。
【００３０】
掃気装置１５は、大気からの空気を圧縮して供給する前記エアポンプ５０、空気供給流路５２、及び空気排出流路５６を酸化剤ガス供給装置１４と共有し、さらに、エゼクタ６６の下流側の水素供給流路６４と空気供給流路５２との間に配設された空気導入流路５３と、この空気導入流路５３に設けられた空気導入弁５５と、を備える。
【００３１】
空気導入弁５５は、エアポンプ５０から空気供給流路５２及び空気導入流路５３を介し、燃料ガス入口連通孔４０ａを通じて燃料ガス流路３６に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード側空気掃気処理時に開放される開閉弁である。なお、アノード側空気掃気処理は、水滴を吹き飛ばせる大きな風量とされる点でアノード側空気置換処理と異なり、アノード側の燃料ガスを空気にガス置換する点でアノード側空気置換処理と共通する。
【００３２】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留し開閉弁であるインタンク電磁弁６３が一体的に設けられた水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。
【００３３】
この水素供給流路６４には、開閉弁である遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００３４】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続される。なお、排出流路７４には、図示しない貯蔵バッファが配設され、この貯蔵バッファには、大気に連通する排気流路が接続される。
【００３５】
冷却媒体供給装置２１は、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔４１ａ及び冷却媒体出口連通孔４１ｂに連通し、冷却媒体を燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路７８を備える。冷却媒体循環路７８には、ラジエータ１２２及び冷却媒体循環用のポンプ１２０が配設される。なお、ラジエータ１２２には、図示しないラジエータファンが配設される。
【００３６】
コントローラ１８は、各種制御処理を実行するために、水素供給流路６４に設けられたアノード圧力Ｐａを検出する圧力センサ１０２、酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍に設けられたカソード圧力Ｐｋを検出する圧力センサ１０３、燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に設けられた水素温度Ｔｈを検出する温度センサ１０４、車両の外気温Ｔｅを検出する外気温センサ１０５、冷却媒体出口連通孔４１ｂに設けられた冷却媒体温度Ｔｃを検出する温度センサ１０６、各燃料電池２０の電圧（セル電圧又はセルペア電圧という。）Ｖｃを検出する電圧センサ１０８、及び燃料電池スタック１２から流れ出る電流の電流値Ｉｏを検出する電流センサ１１０の各信号を取り込み、後述するＦＣコンタクタ８６のオン（閉）オフ（開）、遮断弁６５等の弁の開閉及び開度制御、及びエアポンプ５０の流量（風量）の調整等のアクチュエータの制御等を行う。
【００３７】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、主電力線８０の一端が接続されるとともに、主電力線８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、主電力線８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記主電力線８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。また、燃料電池スタック１２の出力に現れる高電圧を１次側電圧Ｖｆｃ１ともいう。
【００３８】
主電力線８０には、ＦＣコンタクタ（主電源開閉器、燃料電池スタック開閉器）８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。主電力線８０には、電力線８８の一端が接続され、電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンタクタ（蓄電装置開閉器）９２を介してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
【００３９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、燃料電池システム１０の通常運転時（通常発電時、又は通常発電処理時ともいう。）には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４１】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
【００４２】
一方、燃料ガス供給装置１６では、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧制御弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００４３】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００４４】
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、希釈ボックス６０内で空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下（希釈）された後、貯蔵バッファ（図示せず）に排出される。
【００４５】
さらに、冷却媒体供給装置２１では、ポンプ１２０の作用下に、冷却媒体が冷却媒体循環路７８から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔４１ａに導入される。前記冷却媒体は、燃料電池スタック１２内の図示しない冷却媒体流路に供給され、各燃料電池２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４１ｂから冷却媒体循環路７８に排出される。
【００４６】
通常発電中には、掃気装置１５は作動させず、空気導入弁５５は、閉じた状態に保持される。空気導入弁５５は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）の開閉弁であることが好ましい。
【００４７】
次に、燃料電池システム１０の運転停止時における制御方法について、図３に示すタイミングチャート及び図４に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４８】
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態とされたときに（ステップＳ１：ＹＥＳ）、上述した通常発電運転（ステップＳ２：発電制御）を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフ（ステップＳ３：ＹＥＳ）されると、コントローラ１８は、これを停止指令として検出し（時点ｔ１）、燃料電池システム１０のステップＳ４の昇圧処理以降の停止時発電処理を含む運転停止時処理を開始する。
【００４９】
先ず、後述するディスチャージ処理（停止時発電処理、低酸素ストイキ発電処理、Ｏ２リーン処理、又はＯ２リーン発電処理ともいう。）後に、燃料電池スタック１２内の燃料ガス圧力（アノード圧力Ｐａ）が設定圧力に維持されるように、水素ガス（燃料ガス）の供給圧力が、予め、設定される。
【００５０】
具体的には、図５に示すように、水素ガスが充填されて閉じられる水素ガス系容積部２００は、燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路３６、燃料ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂと、水素供給流路６４のエゼクタ６６よりも下流領域と、水素循環路６８と、オフガス流路７０のパージ弁７２よりも上流領域とにより構成される。なお、図５において、煩雑さを避けるために、図１中の冷却媒体供給装置２１は、省略している。
【００５１】
空気雰囲気を不活性なガスである窒素雰囲気に置換したい空気系容積部２０２は、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３４、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと、空気供給流路５２と、空気排出流路５６と、加湿器５４と、希釈ボックス６０と、図示しない貯蔵バッファとにより構成される。
【００５２】
ディスチャージ処理時には、空気は、酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、値１前後に設定される。なお、酸素ストイキは、通常発電時には、１．２〜３．０の間に収まることが好ましい。一方、ディスチャージ処理時に、水素ガスは、供給が停止される。
【００５３】
このため、空気系容積部２０２における燃料電池スタック１２で窒素雰囲気にしたい残存酸素のモル数ｎＯ２（Ｏ２は正しくはＯ2と表記される。）及びエアポンプ５０により供給される低酸素ストイキにより窒素雰囲気にしたい加湿器５４、希釈ボックス６０及び貯蔵バッファの酸素のモル数ｎ´Ｏ２と、水素ガス系容積部２００における残存水素のモル数ｎＨ２（Ｈ２は正しくはＨ2と表記される。）とは、２（ｎＯ２＋ｎ´Ｏ２）＝ｎＨ２の関係を有する状態に設定される。なお、上述したように、水素Ｈ２は水素Ｈ2を意味し、酸素Ｏ２は酸素Ｏ2を意味している。
【００５４】
そして、設定された残存水素のモル数ｎＨ２から、ｎ（モル数）＝Ｐ（圧力）×Ｖ（体積）／Ｒ（気体常数）×Ｔ（絶対温度）の式を用いて、水素ガスの供給圧力（アノード圧力）Ｐａ１が算出される（図３参照）。但し、アノード圧力Ｐａ１は、ディスチャージ完了時に、一定圧力Ｐａ２以上に維持されるように設定される。一定圧力Ｐａ２は、水素の不足や過剰が発生しない程度の圧力である。
【００５５】
ここで、空気系容積部２０２の容量＞＞水素ガス系容積部２００の容量の関係を有する場合には、前記水素ガス系容積部２００の容量を増加させるために、アノード圧力Ｐａ１まで増圧させる方法、又は不足する水素の供給を行う方法を採用することができる。
【００５６】
一方、水素ガス系容積部２００の容量＞＞空気系容積部２０２の容量の関係を有する場合には、前記水素ガス系容積部２００の容量を減少させるために、アノード圧力Ｐａ１まで減圧させる方法が採用される。
【００５７】
イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフにされると（時点ｔ１）、図３に示すように、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５の開放作用下に燃料電池スタック１２に水素ガスが供給され、燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａ１まで上昇する（時点ｔ１〜ｔ２：昇圧処理）。このアノード圧力Ｐａ１は、上記の計算式より算出される。
【００５８】
ステップＳ４の昇圧処理が終了すると（時点ｔ２）、インタンク電磁弁６３が閉じられ、ステップＳ５のインタンク電磁弁６３の故障検知処理に移行する。この故障検知処理では、アノード圧力Ｐａ＝Ｐａ１の変化の有無により故障検知が行われる。変化していない場合には、インタンク電磁弁６３が正常とされる。
【００５９】
インタンク電磁弁６３の故障検知処理が終了すると（時点ｔ３）と、ステップＳ６において、後述する停止時発電処理（ステップＳ８）の実施可否が判断される。
【００６０】
停止時発電処理の実施の可否は、図６に示す実施可否・中断要否（中断要不要）判断部２１０中、図７に示す実施可否判断部２１２により判断される。
【００６１】
ステップＳ６で後述するように、この実施形態では、停止時発電処理中に該停止時発電処理を中断するか否かの判断が、実施可否・中断要否判断部２１０中、中断要否（中断要不要）判断部２１４によりなされる。
【００６２】
実施可否判断部２１２と中断要否判断部２１４は、各種情報を用いて、それぞれ実施可否判断及び中断要否判断を行う。
【００６３】
前記の各種情報には、図６に示すように、発電不調情報｛燃料電池システム１０の通常発電中の発電不調情報、例えば、通常１．２［Ｖ］であるセル電圧が０．６［Ｖ］以下の値になっている（なっていた）等の履歴情報を含む。｝、低温短時間起動履歴情報（燃料電池システム１０が氷点下等の所定温度以下の状態で起動され暖機完了前に運転停止されたときであるときの履歴情報）、エア圧センサ故障情報（圧力センサ１０３の故障情報）、水素圧センサ故障情報（圧力センサ１０２の故障情報）、水素温度（温度センサ１０４による現在の水素温度Ｔｈ）、水素温度センサ故障情報（温度センサ１０４の故障情報）、エアポンプ故障情報（エアポンプ５０の故障情報）、エア圧上昇故障情報（圧力センサ１０３で閾値圧力以上のエア圧を検出したときに発生する情報）、アノード掃気要求（通常発電時に外気温が氷点下以下の温度であるとき、あるいはソーク時に氷点下以下の温度になる可能性があるとき等に、運転停止時あるいはソーク時に、燃料電池２０のアノード側に大風量の圧縮空気を送って液滴を吹き飛ばし、氷結を防止する処理を実施する要求であって、次回の起動を円滑化等する。）、背圧弁掃気要求（背圧制御弁５８が氷結する可能性のあるときに発生する要求。なお、背圧弁掃気処理は、エアポンプ５０から供給される圧縮空気が加湿器５４及び燃料電池スタック１２内を通過し、さらに加湿器５４により低湿化された比較的高温の乾燥空気が背圧制御弁５８に供給されるようにする処理である。）、水素換気要求（車両内のセンタトンネル内等に水素濃度センサが配設されていた場合に、該水素濃度センサが所定以上の水素濃度を検出した場合に発生する要求。水素換気処理は、エアポンプ５０及び図示しないラジエータファン等を回転させることで実施される。）、最低セル電圧（通常発電中及びディスチャージ処理中にセル中、電圧が最低になるセルの電圧の情報）、電圧センサ故障情報（電圧センサ１０８の故障情報）、背圧弁故障情報（背圧制御弁５８の故障情報）、冷却媒体温度（温度センサ１０６による冷却媒体温度Ｔｃの情報）等が含まれる。
【００６４】
そして、実施可否・中断要否判断部２１０は、これらの情報と、予め格納（記憶）してある、図８に示す判断表２０５を参照して、実施可否乃至中断要否を判断する。
【００６５】
判断表２０５に示すように、水素圧力が閾値圧力以下（停止時発電処理開始時及び停止時発電処理実施中）、セルペア電圧が低下、水素温度Ｔｈが閾値温度以下、又は冷却媒体温度Ｔｃが閾値温度以上の場合には、停止時発電処理（ディスチャージ処理）を非実施もしくは中断要と判断し、所定の保護機能を働かせる。
【００６６】
また、エア圧センサ（圧力センサ１０３）故障、水素圧センサ（圧力センサ１０２）故障、電圧センサ１０８故障、又は水素温度センサ１０４故障の場合には、判断に用いるセンサの故障時であると判断し、停止時発電処理を非実施もしくは中断要と判断する。
【００６７】
さらに、エアポンプ５０故障、エア圧力上昇異常、背圧弁（背圧制御弁５８）故障の場合には、停止時発電処理を実施乃至続行できない故障発生時であると判断し、非実施もしくは中断要と判断する。
【００６８】
さらにまた、上述した停止時アノード掃気要求、背圧弁凍結対策掃気要求、又は水素換気要求が発生した場合には、停止時発電処理に優先する他の処理要求がある場合と判断し、非実施もしくは中断要と判断する。
【００６９】
図６、図７において、モード切替判断部２０６は、エア圧力（カソード圧力Ｐｋ）、１次側電圧Ｖｆｃ１、水素圧力（アノード圧力Ｐａ）、緊急のＯ２リーン処理中止要求（停止時発電処理中止要求）、及び実施可否・中断要否判断部２１０からの実施可否情報（図７中、可／否）、中断要否情報（図７中、続行／中断）に基づき、各種モード切替制御を行う。
【００７０】
モード切替判断部２０６は、具体的には、図９に示すモード切替表２０８を参照して、モード切替のための終了条件及び中断時の遷移先（モード）を判断する。
【００７１】
図９に示すように、停止時発電処理（ディスチャージ処理、ＤＣＨＧ  Ｏ２リーン処理）中は、終了条件が所定時間の経過又は水素圧（アノード圧力Ｐａ）の低下（図３：Ｐａ＝Ｐａ２）とされ、中断時の遷移先が水素圧（アノード圧力Ｐａ）が高い場合には希釈ボックス６０を利用したアノード圧抜き工程に遷移し水素圧（アノード圧力Ｐａ）が低い場合には終了とされる。ディスチャージ処理（Ｄ／Ｖ：ダウンバータ）中は、終了条件が１次側電圧Ｖｆｃの低下（十分にディスチャージされた。）、所定時間経過、又は水素圧（アノード圧力Ｐａ）の低下とされ、中断時の遷移先が終了とされる。
【００７２】
ステップＳ６（時点ｔ６）の実施可否判断において、例えば、燃料電池システム１０の通常発電中の発電不調が発電不調情報（発電不調履歴情報）に記憶されていたときや、燃料電池システム１０が所定温度以下の状態（例えば、氷点下等の低温状態）で起動され燃料電池システム１０の暖機完了前に運転が停止されたときの情報が低温短時間起動履歴情報に記憶されていたとき、あるいは燃料電池２０のガス圧力を制御する背圧制御弁５８が凍結の可能性があるとき、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、停止時発電処理を開始しないので（実施しない）ステップ６の判断が否定的になる。
【００７３】
ステップＳ６の判断が実施可である場合、ステップＳ７（時点ｔ３〜ｔ６）で希釈・カソード掃気処理が行われる。この希釈・カソード掃気処理では、カソード側の水滴を含む液滴等を吹き飛ばすため、及び希釈ボックス６０に残留している水素を完全に希釈するための空気による（酸化剤ガス供給装置１４による）掃気処理が行われる。この際、高回転数［ｒｐｍ］に設定されるエアポンプ５０を駆動するのに不足する電力は補充される。
【００７４】
希釈・カソード掃気処理後には、背圧制御弁５８の開度制御が一旦停止されて開放されることで大気に連通し、カソード圧力ＰｋがＰｋ＝０［ｋＰａｇ：ｇはゲージ圧を意味する。］にされる状態が作られる（時点ｔ６〜ｔ７）。さらに、カソード掃気処理終了時点（時点ｔ６）で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。そして、圧力センサ１０３の学習処理（０点補正）がなされる。
【００７５】
その後、時点ｔ７〜ｔ８において、背圧制御弁５８の開度を調整することで、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋが、低酸素ストイキに対応する所定の低圧力Ｐｋ１とされ、さらに、その低圧力Ｐｋ１での背圧制御弁５８の学習処理がなされる（時点ｔ７〜ｔ８）。以降、エアポンプ５０のオフ（時点ｔ９）まで、低圧力Ｐｋ１とされる。
【００７６】
背圧制御弁５８の学習処理（時点ｔ７〜ｔ８）後のステップＳ８の停止時発電処理、換言すれば、低酸素ストイキ発電処理（Ｏ２リーン発電処理、単にＯ２リーン処理ともいう。時点ｔ８〜ｔ９）では、燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンタクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。なあ、ステップＳ８の停止時発電処理（低酸素ストイキ発電処理）は、もっとも長くは、時点ｔ６〜ｔ１０の間で継続されていると考えることができる。
【００７７】
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が供給される一方、遮断弁６５の閉塞（時点ｔ３）により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。パージ弁７２も閉じられている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ｛図３中、ＤＣＨＧ（Ｏ２リーン処理）｝されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
【００７８】
これにより、燃料電池スタック１２内では、Ｏ２リーン処理（時点ｔ８〜ｔ９）の間にアノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力（アノード圧力Ｐａ）が所定の圧力Ｐａ２以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンタクタ９２がオフされる（時点ｔ９）。
【００７９】
このため、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される（時点ｔ９〜ｔ１０）。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（図３中、Ｄ／Ｖ  ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、ステップＳ１０（時点ｔ１０）において、ＦＣコンタクタ８６がオフされる。これにより燃料電池システム１０は、運転停止状態、いわゆるソーク状態となる。
【００８０】
一方、このステップＳ８の停止時発電処理が実施されている間、その時点ｔ６〜ｔ１０（中断判断期間）の間では、ステップＳ９において、停止時発電処理を中断すべきか否かの判断が中断要否判断部２１４によって常時（実際には間欠的に）なされ、中断すべきでなく続行される際には、ステップＳ８の停止時発電処理にもどる。
【００８１】
中断要否判断部２１４では、具体的に、例えば、停止時発電処理中に、アノード側の圧力（アノード圧力Ｐａ）が閾値圧力以下｛ノーマルクローズ状態でバネ圧で閉じられる空気導入弁５５やパージ弁７２等の電磁弁の弁にかかる負圧（差圧）が、前記バネ圧に抗して弁を誤開弁（誤開放）させない圧力以下｝、燃料電池２０の電圧（セル電圧）Ｖｃが閾値電圧以下、アノード側の燃料ガスの温度Ｔｈが閾値温度以下（閾値温度以下であると氷結する可能性がある。）、及び冷却媒体の温度Ｔｃが閾値温度以上（逆に、冷却不足を要因として燃料電池（セル）２０が壊れる可能性がある。）、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、停止時発電処理を中断する（ステップＳ９：ＹＥＳ）。
【００８２】
空気導入弁５５やパージ弁７２の差圧による誤開弁が発生する可能性について、図１０を参照してより詳しく説明すると、停止時発電処理（Ｏ２リーンＤＣＨＧ処理）中は、遮断弁６５が閉じられて（空気導入弁５５及びパージ弁７２も閉じられている。）、燃料電池スタック１２のアノード側の水素が発電により消費されるので、時点ｔ６以降、アノード圧力Ｐａが低下し、時間の経過とともに負圧となり、さらに負圧が大きくなる。一方、カソード側は、背圧制御弁５８及びエアポンプ５０の作用下に大気圧より若干大きな圧力による流量で僅かな圧縮空気が供給されている。したがって、負圧が大きくなるとアノード・カソード間の差圧、いわゆる極間差圧が大きくなり、アノード圧力Ｐａ（ここでは負圧）が、空気導入弁５５及びパージ弁７２の弁体をポート側に押し付けて弁を閉ざしているバネの弾性力より大きくなると、弁体がポートから離れて開いてしまう（誤開弁又は誤開放という。）。誤開弁が発生すると、次回機動性が劣悪になる等の不具合を惹起する。
【００８３】
図１０のアノード圧力Ｐａの特性１５４では、時点ｔ６とｔ７の間に閾値圧力−Ｐａｍａｘを下回るので誤開弁が発生する。アノード圧力Ｐａの特性１５２では、時点ｔ１０のソーク後に閾値圧力−Ｐａｍａｘを下回る時点で誤開弁が発生する。なお、停止時発電処理中（時点ｔ６〜ｔ１０）の間に、アノード圧力Ｐａは、圧力特性１５０、１５２に示すように急激に低下する。その一方、ソーク中（ソーク開始時点ｔ１０以降）には、水素が消費されず、特性１５０、１５２に示すように、アノード圧力Ｐａは徐々に低下するが、水素量が少なくなったときに（時点ｔｘ）、窒素ガスがカソード側からアノード側へ透過する量が大きくなり、アノード圧力Ｐａは、徐々に大きくなる（時点ｔｘ〜）。
【００８４】
これらの特性１５０、１５２、１５４を予めシミュレーション及び（又は）実験等により記憶しておくことで、停止時発電中断判断時の閾値圧力Ｐａｔｈを定めることができる。特性１５０が正常なパターン（閾値圧力−Ｐａｍａｘを下回らない）を有する最小限の特性である。
【００８５】
［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池２０に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２１と、燃料電池２０の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを低酸素ストイキで燃料電池２０に供給しながら燃料電池２０を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システム１０の制御方法及び装置に関するものである。
【００８６】
この制御方法及び装置は、燃料電池システム１０の運転停止指令を検出した（時点ｔ１）ときから停止時発電処理中（時点ｔ６〜ｔ１０）に、アノード側の圧力Ｐａが閾値圧力Ｐａｔｈ以下、燃料電池２０の電圧が閾値電圧以下、アノード側の燃料ガスの温度Ｔｃが閾値温度以下、及び冷却媒体の温度Ｔｃが閾値温度以上、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、停止時発電処理を中断するようにしたので、燃料電池スタック１２の破壊や弁の誤開弁、及び燃料電池２０が壊れることを防止できる。
【００８７】
また、上述した実施形態は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池２０の運転停止指令を検出した（時点ｔ１）際、燃料ガスの供給を停止する一方、酸化剤ガスを低酸素ストイキで燃料電池２０に供給しながら燃料電池２０を発電させる停止時発電処理を実施する燃料電池システム１０の制御方法及び装置に関するものである。
【００８８】
この制御方法及び装置は、燃料電池システム１０の運転停止指令を検出したとき（時点ｔ１）に、燃料電池システム１０の通常発電中の発電不調が記憶されていたとき、燃料電池システム１０が氷点下等の所定温度以下の状態で起動され燃料電池システム１０の暖機完了前であったとき、及び燃料電池２０のガス圧力を制御する背圧制御弁５８が凍結の可能性があるとき、の少なくとも１つの条件が検出された場合には、前記停止時発電処理を実施しないようにしたので、発電不調状態からさらに悪化することや凍結を防止できる。
【００８９】
停止時発電処理を実施しないことで、停止時発電処理を除く、他の不具合対策処理、例えば、乾燥した空気による掃気処理等を実施して不具合を解消できる可能性が得られる点で有用である。
【００９０】
また、上述した実施形態によれば、燃料電池２０の劣化抑制に有効な停止時発電処理を実施しつつ、次回機動性の確保、燃料電池スタック１２の保護、及び水素に係る安全性の確保等を同時に達成することができる。
【００９１】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １５…掃気装置
１６…燃料ガス供給装置              １７…バッテリ
１８…コントローラ                  １９…タイマ
２０…燃料電池                      ２１…冷却媒体供給装置
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード電極
２６…アノード電極                  ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ              ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路                  ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４１ａ…冷却媒体入口連通孔
４１ｂ…冷却媒体出口連通孔          ５０…エアポンプ
５２…空気供給流路                  ５３…空気導入流路
５４…加湿器                        ５５…空気導入弁
５６…空気排出流路                  ５８…背圧制御弁
６０…希釈ボックス                  ６２…水素タンク
６３…インタンク電磁弁              ６４…水素供給流路
６５…遮断弁                        ６６…エゼクタ
６８…水素循環路                    ７０…オフガス流路
７２…パージ弁                      ７４…排出流路
７８…冷却媒体循環路                ８６…ＦＣコンタクタ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ          ９２…バッテリコンタクタ
９６…ダウンバータ                  ９８…１２Ｖ電源
１０２、１０３…圧力センサ          １０４、１０５、１０６…温度センサ
１０８…電圧センサ                  １１０…電流センサ
１２０…ポンプ                      １２２…ラジエータ
２１０…実施可否・中断要否判断部    ２１２…実施可否判断部
２１４…中断要否判断部
【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】
0005485930.tif 000007
【図７】
0005485930.tif 000008
【図８】
0005485930.tif 000009
【図９】
0005485930.tif 000010
【図１０】
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