(57)【要約】【課題】  燃料極からの排ガスを外部に排出させるパージ弁にシール不良等の不具合がある場合であっても、排ガスの水素濃度を確実に低下させて燃料電池の発電を停止させる。【解決手段】  このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の発電を停止させる際に、パージ弁６を閉状態にした状態でコンプレッサ２から燃料電池１への空気の供給を継続させて燃料電池１の発電を継続させることによって、次第に水素極１ｂ圧力を低下させるように水素調圧弁５を閉状態にする。そして、水素極１ｂの圧力を大気圧以下とさせた後に、空気供給を停止させると共に、燃料電池１の発電を停止させる。この場合、パージ弁６にガス漏れがあった場合でも、空気によってガス排出流路Ｌ５でパージ弁６を通過したガスの水素濃度を下げつつ、水素極１ｂ内の水素を消費することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが燃料極に供給されると共に酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて、電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の燃料極のガス圧力を検知する手段と、
前記燃料電池の燃料極のガス圧力を調整する燃料極圧力調整手段と、
前記燃料電池の燃料極からの排ガスを外部に排出する流路と、当該流路に設けられたパージ弁とを有するガス排出手段と、
前記パージ弁から排出される排ガスを処理して、外部に排出されるガスの燃料ガス濃度を低下させる排ガス処理手段と、
前記燃料電池の発電停止を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電を停止させる際に、
前記パージ弁を閉状態にした状態で前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を継続させて前記燃料電池の発電を継続させ、
前記燃料極圧力調整手段により前記燃料極圧力を大気圧以下とさせた後に、前記排ガス処理手段を停止させると共に、前記燃料電池の発電を停止させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスが燃料極に供給されると共に酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて、電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の燃料極のガス圧力を検知する手段と、
前記燃料電池の燃料極のガス圧力を調整する燃料極圧力調整手段と、
前記燃料電池の燃料極からの排ガスを外部に排出する流路と、当該流路に設けられたパージ弁とを有するガス排出手段と、
前記パージ弁から排出される排ガスを処理して、外部に排出されるガスの燃料ガス濃度を低下させる排ガス処理手段と、
前記燃料電池の発電停止を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電を停止させる際に、
前記パージ弁を閉状態にした状態で、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給及び前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池への燃料ガスの供給を継続させて前記燃料電池の発電を継続させ、
前記燃料極圧力調整手段により前記燃料極圧力を大気圧以下とさせた後に、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止させると共に前記排ガス処理手段を停止させ、
前記燃料電池の発電及び前記燃料電池への燃料ガスの供給を継続して、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止させると共に、前記燃料電池の発電を停止させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスが燃料極に供給されると共に酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて、電力を発電する燃料電池と、
高圧状態で燃料ガスを貯蔵した供給源と、当該供給源のガス下流側に設けられた遮断弁とを備える燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の燃料極のガス圧力を検知する手段と、
前記遮断弁のガス下流側に設けられ、前記燃料極側のガス圧力を調整するための可変絞り弁からなり、前記燃料電池の燃料極のガス圧力を調整する燃料極圧力調整手段と、
前記燃料電池の燃料極からの排ガスを外部に排出する流路と、当該流路に設けられたパージ弁とを有するガス排出手段と、
前記パージ弁から排出される排ガスを処理して、外部に排出されるガスの燃料ガス濃度を低下させる排ガス処理手段と、
前記燃料電池の発電停止を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電を停止させる際に、
前記パージ弁を閉状態にした状態で、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池への燃料ガスの供給を継続させて前記燃料電池の発電を継続させると共に、前記燃料電池の酸化剤ガスの供給を停止させて、前記燃料電池の発電を継続させ、
前記燃料電池の電圧が所定値以下となるタイミングと、前記遮断弁の下流側のガス圧力が所定値以下となるタイミングとが同時期となるように前記遮断弁を閉状態にして、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止させると共に、前記燃料電池の発電を停止させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記排ガス処理手段は、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスにより、前記燃料極からの排ガスの燃料ガス濃度を希釈させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス供給手段は、高圧状態で燃料ガスを貯蔵した供給源と、当該供給源のガス下流側に設けられた遮断弁とを備え、前記燃料極圧力調整手段は、前記遮断弁のガス下流側に設けられ、前記燃料極側のガス圧力を調整するための可変絞り弁からなり、
前記制御手段は、
前記パージ弁に加えて前記遮断弁を閉状態にした状態で前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を継続させて前記燃料電池の発電を継続させ、
前記燃料極圧力調整手段により前記燃料極圧力が大気圧以下となることに加えて、前記遮断弁のガス下流側圧力を大気圧以下とさせた後に、前記排ガス処理手段を停止させると共に、前記燃料電池の発電を停止させること
を特徴とする請求項１又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス供給手段は、高圧状態で燃料ガスを貯蔵した供給源と、当該供給源のガス下流側に設けられた遮断弁とを備え、前記燃料極圧力調整手段は、前記遮断弁のガス下流側に設けられ、前記燃料極側のガス圧力を調整するための可変絞り弁からなり、
前記制御手段は、
前記燃料電池の酸化剤ガスの供給を停止させた後であって、前記燃料電池の電圧が所定値以下になる前に、前記燃料極圧力が前記大気圧以下の所定の負圧範囲を維持できなくなるように前記遮断弁を閉状態にさせ、
前記燃料極圧力が、前記所定の負圧範囲を下回った場合に、前記パージ弁を開状態にして、外部のガスを前記燃料極に導入すること
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、少なくとも前記パージ弁を開状態にした後であって、前記燃料電池の電圧が所定値以下となって前記燃料電池の発電を停止するまでの期間に、前記循環手段を作動させて、前記パージ弁から導入される酸化剤ガスを前記燃料極のガス入口に導入すること
を特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記パージ弁を閉状態にして、前記燃料電池の発電を継続させても前記燃料極圧力が大気圧以下とならない場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止させ、前記燃料極圧力が大気圧付近の所定圧力内となった場合に、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止させると共に前記排ガス処理手段を停止させること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス供給手段は、高圧状態で燃料ガスを貯蔵した供給源と、当該供給源のガス下流側に設けられた遮断弁とを備え、前記燃料極圧力調整手段は、前記遮断弁のガス下流側に設けられ、前記燃料極側のガス圧力を調整するための可変絞り弁からなり、
前記制御手段への電源供給を停止させて前記燃料電池の発電を完全に停止させる場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を前記遮断弁で遮断させ、前記制御手段への電源供給を継続させて一時的に前記燃料電池の発電を停止させる場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を前記可変絞り弁で遮断させること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池を冷却する冷却媒体が循環する冷却流路において、当該燃料電池の入口側における前記冷却媒体の温度と、前記燃料電池の出口側における前記冷却媒体の温度とをそれぞれ検出する温度検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電を停止させる際に、
前記燃料電池の入口側と前記燃料電池の出口側とにおける前記冷却媒体の温度差の大きさが所定値以下となった後に、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止させると共に前記排ガス処理手段を停止させること
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記燃料電池の総体的な発電電圧が所定値以下となった場合と、前記燃料電池を構成する個々のセルに関する発電電圧のうち、その値が最も低いセルの発電電圧が所定値以下となった場合とのうちの少なくとも一方の場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止させると共に、前記燃料電池の発電を停止させること
を特徴とする請求項２又は請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電を停止させる際に、
前記燃料電池の状態に応じて、当該燃料電池からの電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記燃料電池の状態に応じて、当該燃料電池から取り出す電流量の最大値を規定する最大電流取出量と、前記燃料電池から取り出す電流量を前記最大電流取出量へと変化させる際の時間的な変化率を規定する最大電流取出変化率とを設定し、当該設定された最大電流取出量と最大電流取出変化率とに基づいて、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池の状態は、前記燃料極のガス圧力の目標値である燃料極目標ガス圧力と、前記燃料極の実際のガス圧力である燃料極実ガス圧力との差であり、
前記制御手段は、前記燃料極目標ガス圧力と前記燃料極実ガス圧力との差に応じて、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記燃料極実ガス圧力が前記燃料極目標ガス圧力よりも大きい場合、前記電流取出量を現在値よりも増加させ、前記燃料極実ガス圧力が前記燃料極目標ガス圧力よりも小さい場合、前記電流取出量を現在値よりも減少させること
を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池の状態は、前記酸化剤極における酸化剤ガスの余剰率であり、
前記制御手段は、前記酸化剤極において、前記酸化剤ガスが所定の余剰率を確保できるように、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池の状態は、前記燃料極における前記燃料ガスの余剰率であり、
前記制御手段は、前記燃料極において、前記燃料ガスが所定の余剰率を確保できるように、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池の酸化剤ガスの供給を停止させた後に、前記燃料電池の発電を継続させる場合、燃料電池の状態に応じて、当該燃料電池からの電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料電池の状態は、前記酸化剤極における酸素濃度のばらつきの程度を示す酸素濃度分布であり、
前記制御手段は、前記酸化剤極における酸素濃度分布が所定の範囲に収まるように、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料電池の状態は、前記燃料電池を構成する個々のセルに関する発電電圧のばらつきの程度であり、
前記制御手段は、前記発電電圧のばらつきの程度が所定の範囲に収まるように、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記制御手段は、前記発電電圧のばらつきの程度が前記所定の範囲から外れた場合、前記電流取出量を減少させること
を特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料電池の状態は、前記燃料電池を構成する個々のセルに関する発電電圧の総和と、前記燃料電池の総体的な発電電圧との差を示す総電圧差の大きさであり、
前記制御手段は、前記総電圧差の大きさが所定の範囲に収まるように、前記電流取出量を調整すること
を特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記制御手段は、前記総電圧差の大きさが前記所定の範囲から外れた場合、前記電流取出量を減少させること
を特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記制御手段は、前記制御手段への電源供給を完全に停止させて前記燃料電池の発電を停止させる場合と、前記制御手段への電源供給を継続させて一時的に前記燃料電池の発電を停止させる場合とに応じて、前記所定の範囲を可変に設定すること
を特徴とする請求項１９、請求項２０及び請求項２２の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記制御手段は、前記制御手段への電源供給を完全に停止させて前記燃料電池の発電を停止させる場合には、前記制御手段への電源供給を継続させて一時的に前記燃料電池の発電を停止させる場合と比較して、前記所定の範囲を相対的に小さく設定すること
を特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電時には、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、燃料電池の停止時には、燃料ガスを処理する動作をする燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムとしては、例えば、下記の特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムをはじめとして、水素を燃料として用いる固体高分子型燃料電池を使用した場合には、通常、燃料電池スタックで消費するより水素量よりも多い水素量を燃料電池スタックに供給することにより、安定した発電を実現させている。また、燃料電池システムの水素ガス使用効率を向上させるためには、燃料電池スタックから排出される余剰水素を燃料電池の水素ガス入口側に循環させることによって、水素ガスの再利用を行っている。
【０００４】
しかしながら、このように水素ガスを供給及び循環させる水素系において、燃料電池内の水素極に空気極側からの窒素が透過した場合や、循環させているガスに水素とは異なる成分の不純物が蓄積した場合には、燃料電池スタックの発電効率が徐々に低下するという問題がある。
【０００５】
これに対し、従来では、特許文献１に記載されているように、燃料電池スタックから排出された余剰水素を、循環ポンプを用いて燃料電池スタック入口側に循環させると共に、水素循環路に設けた開閉弁を定期的に開くことにより、循環しているガスに蓄積された不純物を排出するようにしている。
【０００６】
ここで、開閉弁から排出されるガスをそのまま大気に放出すると、水素濃度が高い状態で外気に放出されてしまうため、対応策として、例えば、燃料電池スタックからの排空気によって排出ガスを十分に希釈することによって、排出ガスの水素濃度を低下させることが挙げられる。
【０００７】
また、燃料電池スタックの発電を停止時の技術としては、下記の特許文献２や特許文献３に記載された技術が知られている。
【０００８】
特許文献２に記載されている技術は、燃料電池スタックの発電を停止する際に、水素供給を継続すると共に、燃料電池スタックへの空気供給を停止し、燃料電池スタック内の空気極の酸素を消費してから停止する動作（以下、空気極酸素消費操作）を行っている。これにより、燃料電池スタックの劣化を抑制し、長寿命化できるとしている。
【０００９】
更に、特許文献３に記載されている技術は、燃料電池スタックを車両に搭載している場合において、車両走行時の運動エネルギーを利用して負圧を発生させておき、この負圧を利用して、燃料電池スタック中の残留ガスを排気している。これにより、残留ガスをエネルギー効率よく排出できるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１７号公報
【特許文献３】特開２００４−１５１５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術と特許文献２に記載された技術とを組み合わせ、燃料電池スタックの発電停止時に、水素を供給し続けて空気極の酸素を消費する操作を行った場合、水素循環路の開閉弁のシール不良等の不具合があると、開閉弁から水素が漏れてしまう。また、この開閉弁の異物噛み込み等によるシール不良は、検知するのが困難である。
【００１１】
また、燃料電池スタックの停止時に空気極で酸素を消費させている時には、排空気によって水素濃度を低下させる動作をさせようとしても、当該水素濃度を低下させる空気を使用することができないという問題があった。したがって、従来では、燃料電池スタックの発電停止時に、水素濃度を確実に低下させる技術が存在しないのが現状である。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料極からの排ガスを外部に排出させるパージ弁にシール不良等の不具合がある場合であっても、排ガスの水素濃度を確実に低下させて燃料電池の発電を停止させ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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが燃料極に供給されると共に酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて、電力を発電する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池の燃料極のガス圧力を検知する手段と、燃料電池の燃料極のガス圧力を調整する燃料極圧力調整手段と、燃料電池の燃料極からの排ガスを外部に排出する流路と、当該流路に設けられたパージ弁とを有するガス排出手段と、パージ弁から排出される排ガスを処理して、外部に排出されるガスの燃料ガス濃度を低下させる排ガス処理手段と燃料電池の発電停止を制御する制御手段とを有するものである。
【００１４】
このような燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池の発電を停止させる際に、パージ弁を閉状態にした状態で酸化剤ガス供給手段から燃料電池への酸化剤ガスの供給を継続させて燃料電池の発電を継続させることによって、次第に燃料極圧力を低下させ、燃料極圧力調整手段により燃料極圧力を大気圧以下とさせた後に、排ガス処理手段を停止させると共に、燃料電池の発電を停止させることにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムによれば、パージ弁にシール不良による微小なもれがあり、パージ弁を閉じているにも拘わらず燃料ガスが外部に流れ出る場合であっても、排ガス処理手段によって燃料ガス濃度を低下させているので、排ガスの水素濃度を確実に低下させて燃料電池の発電を停止させることができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の第１実施形態〜第６実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１８】
この燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで空気極１ａ（酸化剤極）と水素極１ｂ（燃料極）とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して燃料電池セルが構成され、当該燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、水素極１ｂに燃料ガスとしての水素ガスが供給され、空気極１ａに酸化剤ガスとしての空気が供給され、電気化学反応を行うことによって、発電電力を発生する。なお、本例では、燃料ガスとして水素ガスを燃料電池スタック１の水素極１ｂに導入すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を燃料電池スタック１の空気極１ａに導入する場合について説明する。
【００１９】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の空気極１ａに空気を導入して排出させる空気系と、燃料電池スタック１の水素極１ｂに水素ガスを導入すると共に発電停止時や不純物排出時に水素極１ｂからガスを排出させる水素系とを備える。
【００２０】
空気系は、外気を吸気流路Ｌ１からコンプレッサ２によって取り込み、コンプレッサ２から吐出された空気を、空気供給流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の空気極１ａに導入する。また、空気極１ａの空気排出口には、空気排出流路Ｌ３が接続される。空気極１ａから排出された排空気は、空気排出流路Ｌ３に接続された空気調圧弁３、空気排出流路Ｌ４及びガス排出流路Ｌ５を介して、外気に放出される。
【００２１】
このような空気系は、燃料電池スタック１の発電時に、図示しないコントローラによってコンプレッサ２の回転数が制御されて、空気極１ａに導入される空気流量が調整され、燃料電池スタック１の空気入口での空気圧力を空気圧力センサ８から検出して、空気調圧弁３の開度が制御されて、空気極１ａの空気圧力が調整される。また、コントローラは、空気調圧弁３の開度を調整することによって、空気排出流路Ｌ３から、空気排出流路Ｌ４及びガス排出流路Ｌ５に流れる排空気流量が調整される。
【００２２】
水素系は、水素タンク４に高圧状態で貯蔵している水素ガスを、水素供給流路Ｌ６、可変絞り弁である水素調圧弁５、水素供給流路Ｌ７を介して、水素極１ｂに導入する。また、水素極１ｂの水素排出口には、水素排出流路Ｌ８を介して、水素循環流路Ｌ９及びガス希釈用流路Ｌ１０が接続される。水素循環流路Ｌ９は、水素供給流路Ｌ７が接続され、循環ポンプ７が設けられている。水素循環流路Ｌ９及びガス希釈用流路Ｌ１０の接続点には、パージ弁６が設けられている。ガス希釈用流路Ｌ１０には、空気排出流路Ｌ４及びガス排出流路Ｌ５が接続されている。
【００２３】
このような水素系は、燃料電池スタック１の発電時に、図示しないコントローラによって水素調圧弁５の開度が調整され、水素タンク４から水素極１ｂに水素ガスを導入する。また、コントローラは、通常時には、パージ弁６を閉状態にしておき、循環ポンプ７を駆動させることによって、水素極１ｂから排出された排ガスを水素排出流路Ｌ８及び水素循環流路Ｌ９、水素供給流路Ｌ７を介して、水素極１ｂに循環させる。これによって、燃料電池スタック１の発電に使用されずに排出された余剰水素を再度水素極１ｂに循環させて、水素使用効率を向上させている。
【００２４】
コントローラは、燃料電池スタック１を発電させるときには、パージ弁６を閉状態にしておき、燃料電池スタック１の水素入口に設けられたガス圧力センサ９で検出しているガス圧力値を参照して、水素調圧弁５の開度を制御することによって、水素極１ｂ内でのガス圧力を調整している。
【００２５】
また、コントローラは、水素極１ｂ内、水素排出流路Ｌ８、水素循環流路Ｌ９に空気極１ａから水素極１ｂに透過した窒素等のガスに混入した不純物を外部に排出するに際して、パージ弁６を開状態とする。これにより、水素ガスを含む排ガスは、ガス希釈用流路Ｌ１０を介してガス排出流路Ｌ５に流れ、空気排出流路Ｌ４からガス排出流路Ｌ５に流れる空気極１ａからの排空気によって希釈されて、排出される。これによって、排ガスの水素濃度を低くして、外部に放出する。
【００２６】
更に、コントローラは、燃料電池スタック１の発電を停止するに際して、水素極１ｂ内の水素を含む排ガスを外部に放出させる動作及び／又は空気極１ａ内の酸素を消費させる発電停止処理を行う。
【００２７】
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにより、燃料電池スタック１の発電を停止するときの発電停止処理について説明する。
【００２８】
この発電停止処理は、コントローラに発電停止命令が供給されると、先ず、ステップＳ１において、燃料電池スタック１をアイドル負荷で発電させる。このとき、コントローラは、燃料電池スタック１が低い発電電力を発電でき、ガス排出流路Ｌ５から空気が排出される程度の空気量を燃料電池スタック１に導入するようにコンプレッサ２を作動させると共に、空気調圧弁３から空気排出流路Ｌ４及びガス排出流路Ｌ５に排空気を流す状態とする。また、コントローラは、図示しない停止時用の負荷抵抗を燃料電池スタック１に導通させた状態として、燃料電池スタック１の発電電力を消費させてもよく、燃料電池スタック１にバッテリを接続した状態にしてもよい。
【００２９】
次にコントローラは、ステップＳ２において、パージ弁６を閉状態とする。
【００３０】
次にコントローラは、ステップＳ３において、水素極１ｂの目標ガス圧力を第１所定負圧Ａとし、ステップＳ４において、ガス圧力センサ９で検出されているガス圧力、すなわち水素極１ｂでのガス圧力が第２所定負圧Ｂ以下になったか否かを判定する。このように水素極１ｂ内の目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定することにより、水素タンク４から水素極１ｂに水素ガスが供給されないように水素調圧弁５を閉状態とさせる。また、この状態において、燃料電池スタック１は発電を継続しており、水素極１ｂ内の水素が次第に消費されて、水素極１ｂ内のガス圧力が低下して負圧に向かっていく。
【００３１】
そして、コントローラは、水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂとなっていない場合には、目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定したままで発電を継続させ、水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂとなった場合には、ステップＳ５に処理を進める。
【００３２】
ここで、第１所定負圧Ａよりも、第２所定負圧Ｂの方を高く設定する。例えば、第１所定負圧Ａを−１０ｋＰａ、第２所定負圧Ｂを大気圧以下の−５ｋＰａのように設定する。このように、ステップＳ３で第２所定負圧Ｂを目標ガス圧力に設定せずに、第１所定負圧Ａを目標ガス圧力に設定したのは、後述するようにガス希釈用流路Ｌ１０よりもパージ弁６の燃料電池スタック１側の圧力が確実に低くなる第２所定負圧Ｂとなるまで発電を継続するために確実に水素調圧弁５を閉状態に保持するためである。
【００３３】
次にコントローラは、ステップＳ５において、燃料電池スタック１の発電を停止し、ステップＳ６において、空気供給を停止するようにコンプレッサ２の動作を停止させる。
【００３４】
このような発電停止処理を行うことにより、パージ弁６にシール不良による微小なもれがあり、パージ弁６を閉じているにも拘わらずガス希釈用流路Ｌ１０に水素ガスが流れるとしても、排空気を空気排出流路Ｌ４及びガス排出流路Ｌ５に流す状態にして、水素を燃料電池スタック１で消費させることができる。
【００３５】
また、水素極１ｂが第２所定負圧Ｂになった状態では、ガス希釈用流路Ｌ１０のガス圧力よりも、パージ弁６のガス上流側（燃料電池スタック１側）のガス圧力が低く、水素極１ｂからパージ弁６に流れる水素ガスをなくすことができる。そして、この状態において、空気の供給を停止して、排空気で水素濃度を低下させる処理を停止しても、高水素濃度のガスがガス排出流路Ｌ５から外部に排出されることを確実に防止することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３７】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電停止時に空気極１ａの酸素を消費する動作を追加したことを特徴とするものである。
【００３８】
この第２実施形態における発電停止処理は、図３に示すように、ステップＳ４において水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂ以下となったと判定された後のステップＳ１１において、燃料電池スタック１への空気供給を停止するようにコンプレッサ２の動作を停止させ、ステップＳ１２において、燃料電池スタック１の発電を継続させる。
【００３９】
これにより、空気極１ａ内の残存酸素は燃料電池スタック１の発電により消費される。そして、コントローラは、ステップＳ１３において、図示しない燃料電池スタック１の発電電圧を検知する電圧センサの検出値を監視し、燃料電池スタック１の発電電圧が、空気極１ａの残留ガスが十分に消費されたと判断できる所定値以下となったか否かを判定する。
【００４０】
そして、コントローラは、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以下となっていない場合には、燃料電池スタック１の発電を継続させ、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以下となった場合には、ステップＳ１４において、燃料電池スタック１の発電を停止させると共に、水素タンク４から燃料電池スタック１への水素供給を停止させるように水素調圧弁５を閉状態とさせる。
【００４１】
このような発電停止処理では、ステップＳ１２で燃料電池スタック１の発電を継続している間においては、ステップＳ３で設定した水素極１ｂのガス圧力を第２所定負圧Ｂに保つべく、燃料電池スタック１の発電で消費される水素と等量の水素が水素極１ｂに供給されるように水素調圧弁５の開度を調整し、水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂに維持される。ここで、ステップＳ１１で空気の供給が停止されても、パージ弁６からガス希釈用流路Ｌ１０側に水素が漏れることがないので、高水素濃度のガスを外部に排出させることを確実に防止することができる。
【００４２】
また、この発電停止処理では、燃料電池スタック１の電圧が所定値以下となるまで発電を継続することにより、空気極１ａの酸素を消費することができ、残存酸素による燃料電池スタック１の電解質膜の劣化を抑制して、燃料電池スタック１の寿命を延ばすことができる。
【００４３】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４４】
第３実施形態に係る燃料電池システムは、図４に示すように、水素タンク４と水素調圧弁５との間の水素供給流路Ｌ６に、水素供給遮断弁１１を設けて、コントローラにより開閉を制御する点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００４５】
このような燃料電池システムは、発電停止処理において、水素極１ｂを第１所定負圧Ａにするために、水素タンク４から燃料電池スタック１への水素供給を遮断するために水素調圧弁５を閉状態とすると共に、水素供給遮断弁１１を閉状態とする。これにより、水素極１ｂ内の目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定して、水素極１ｂ内が第２所定負圧Ｂとなるまで間に、水素調圧弁５にシール不良がある場合であっても、水素タンク４から水素調圧弁５を通過する可能性がある水素ガスを水素供給遮断弁１１で遮断して、確実に水素極１ｂに流れる水素を遮断することができる。
【００４６】
このような発電停止処理は、図５に示すように、ステップＳ１の後のステップＳ２１において、パージ弁６を閉状態にすると共に、水素供給遮断弁１１も閉状態にさせて、ステップＳ３において、水素極１ｂの目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定する。
【００４７】
次のステップＳ２２において、コントローラは、水素極１ｂ内のガス圧力及び水素供給遮断弁１１の下流のガス圧力が共に、大気圧以下となっているか否かを判定し、大気圧以下となっていない場合には燃料電池スタック１の発電を継続させ、大気圧以下となった場合には、ステップＳ５において発電を停止させ、ステップＳ６で空気供給を停止させる。
【００４８】
ここで、水素極１ｂのガス圧力が大気圧以下となっていることを判定する手法としては、第１実施形態と同様に、水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂ以下となっていることが挙げられる。また、水素供給遮断弁１１下流のガス圧力が大気圧以下となっていることを判定する手法としては、当該水素供給遮断弁１１下流のガス圧力を検出するセンサを設けることや、水素供給遮断弁１１下流のガス圧力が大気圧以下となる時の水素極１ｂ内のガス圧力を予め実験的に求めておき、当該実験値よりも低いガス圧力となったことを検知する。
【００４９】
このように、ステップＳ２２で水素極１ｂ内のガス圧力及び水素供給遮断弁１１の下流のガス圧力が共に大気圧以下となった場合は、高圧の水素が水素供給遮断弁１１の上流側にしか存在しない状態であり、第１実施形態と比較して、水素遮断の信頼性を向上させることができる。
【００５０】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５１】
第４実施形態に係る燃料電池システムは、図３におけるステップＳ３において水素極１ｂ内の目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定した後に、空気極１ａの酸素を消費させる動作を行う点で、上述した実施形態とは異なる。
【００５２】
この第４実施形態に係る燃料電池システムは、図３におけるステップＳ２でパージ弁６を閉状態にしてステップＳ３で水素極１ｂ内の目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定した後に、図６に示すように、所定時間経過後に水素供給遮断弁１１を閉状態にする。ここで、水素供給遮断弁１１を閉じるタイミングは、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以下となるタイミングと、水素供給遮断弁１１下流のガス圧力が大気圧以下となるタイミングとが同時期となるようなタイミングである。この所定時間は、予め実験的に求めておく（なお、同時期は、両者のタイミングが一致する場合のみならず、許容可能な誤差の範囲内において概ね一致する場合をも含む）。
【００５３】
このような燃料電池システムは、図３におけるステップＳ３の次のステップＳ４に代えて、所定時間の計時を開始するステップを有し、ステップＳ１１及びステップＳ１２で燃料電池スタック１への空気供給を停止して燃料電池スタック１の発電を継続させる。そして、燃料電池システムは、ステップＳ１３に代えてステップＳ３以降の経過時間が所定時間を超えたか否かを判定するステップを設けて、ステップＳ３以降の経過時間が所定時間を超えた場合には、ステップＳ１４において、水素供給遮断弁１１を閉状態にして水素供給を停止させ、燃料電池スタック１の発電を停止させる。これによって、図６の処理を実現する。
【００５４】
このように、燃料電池スタック１の発電停止後に、高圧の水素ガスを水素供給遮断弁１１の上流に封入しておき、燃料電池システムの停止中において、高水素濃度のガスを遮断することに対する信頼性を向上することできる。なお、水素供給遮断弁１１から水素調圧弁５までの容積が大きい場合は、ステップＳ３より後で、水素供給遮断弁１１を閉じても、水素供給遮断弁１１の下流圧が昇圧している場合がある。このような場合は、水素供給遮断弁１１を閉じるタイミングをステップＳ３よりも前の適正な時期とすれば良いことは言うまでもない。
【００５５】
［第５実施形態］
つぎに、第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５６】
第５実施形態に係る燃料電池システムは、図７に示すような発電停止処理を行う点で、上述した実施形態とは異なる。
【００５７】
この第５実施形態に係る燃料電池システムは、上述したようにステップＳ１〜ステップＳ３の処理を行い、第４実施形態と同様に、ステップＳ３で第１所定負圧Ａを設定してから所定時間経過後に水素供給遮断弁１１を閉じるようにする。また、コントローラは、ステップＳ４において水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂ以下となったと判定すると、燃料電池スタック１への空気供給を停止し（ステップＳ３１）、燃料電池スタック１の発電を継続させる（ステップＳ３２）。
【００５８】
そして、空気極１ａの酸素消費動作を行い（ステップＳ３１，ステップＳ３２）、燃料電池スタック１の電圧が所定値以下となる前に（ステップＳ３５）、水素供給遮断弁１１下流のガス圧力が負圧となり、水素極１ｂ内のガス圧力が第１所定負圧Ａを維持できないように設定する。
【００５９】
すなわち、ステップＳ３２において燃料電池スタック１の発電を継続すると、ステップＳ３以降で計時を開始したタイミングで水素供給遮断弁１１が閉じられているため、水素極１ｂ内のガス圧力が、第１所定負圧Ａを維持できなくなって下がり始める。これに対し、ステップＳ３３において、コントローラは、水素極１ｂ内のガス圧力が第１所定負圧Ａより低い第３所定負圧Ｃよりも低くなったか否かを判定する。
【００６０】
そして、コントローラは、水素極１ｂ内のガス圧力が第３所定負圧Ｃよりも低くなったと判定した場合には、水素供給遮断弁１１下流のガス圧力が大気圧以下になっていると判断でき、ステップＳ３４においてパージ弁６を開状態にすると共に、循環ポンプ７を駆動する。これにより、負圧状態となっている水素極１ｂに空気を導入して、第１所定負圧Ａを維持できなくする。
【００６１】
ここで、パージ弁６を開状態にするのは、水素極１ｂ内のガス圧力が低くなり、水素極１ｂとの差圧が過大となって、電解質膜にダメージを与えるのを防止するためである。また、循環ポンプ７を駆動するのは、水素極１ｂ内を負圧にしているために、ガス希釈用流路Ｌ１０からパージ弁６に空気が流れて、水素極１ｂのガス出口から燃料電池スタック１内に流入し、燃料電池スタック１の電極間に電位差が生じて電解質膜がダメージを受けるのを防止するためである。これにより、ガス希釈用流路Ｌ１０からパージ弁６を通過した空気は、循環ポンプ７によって水素極１ｂのガス入口に送られて、水素極１ｂ内に導入されることになり、水素極１ｂ内のガスと水素と混合されることによって、電解質膜上での電位差の発生を低減させる。
【００６２】
その後、ステップＳ３５において、コントローラは、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以下となり、空気極１ａの酸素が十分消費されたと判断し、ステップＳ３６において燃料電池スタック１の発電を停止させると共に、循環ポンプ７を停止させる。
【００６３】
このように、第５実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素極１ｂ内のガス圧力が第３所定負圧Ｃ以下となった場合に、パージ弁６を開状態にさせると共に、循環ポンプ７を駆動させるので、水素極１ｂ内のガス圧力が大きな負圧になることを防止できるため、燃料電池スタック１の使用温度範囲が広い場合や、水素系の各構成部品に容積ばらつきが大きい場合や、電解質膜両側の空気極１ａと水素極１ｂとの間の耐差圧が小さい場合などに、確実に燃料電池スタック１の劣化を防止することができる。
【００６４】
これに対し、上述の第４実施形態では、水素供給遮断弁１１の下流、燃料電池スタック１の温度、水素系の各構成部品の容積の製造ばらつき等により、空気の供給を停止して燃料電池スタック１の発電を継続させて空気極１ａ内の酸素消費が終了した場合であっても水素極１ｂ内のガス圧力にばらつきが発生してしまうことがある。すなわち、確実に水素供給遮断弁１１下流を大気圧以下とできる時期に水素供給遮断弁１１を閉じると、使用温度範囲が広い場合などに、大きな負圧が発生してしまう場合がある。
【００６５】
なお、循環ポンプ７を、パージ弁６を開状態とすると同時に駆動した場合について説明したが、空気供給を停止して発電を継続させている間であっても循環ポンプ７を駆動しても良く、或いは、ステップＳ１を開始する最初から循環ポンプ７を駆動していても、燃料電池スタック１の電解質膜の劣化を防止することができるのは勿論である。
【００６６】
［第６実施形態］
つぎに、第６実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６７】
第６実施形態に係る燃料電池システムは、パージ弁６に大きなもれがあった場合などに、水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂまで低下しなかった場合に対する動作を行う。
【００６８】
この第６実施形態に係る燃料電池システムは、図８に示すように、ステップＳ３において水素極１ｂ内の目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定した後のステップＳ４１において、ステップＳ３から所定時間を経過した時に、水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂまで低下したか否かを判定する。
【００６９】
このステップＳ４１で判定される所定時間は、パージ弁６が正常に閉状態となった場合に、第２所定負圧Ｂまで水素極１ｂ内のガス圧力を低下させるために消費しなければいけない水素量と、燃料電池スタック１の発電流から求まる消費水素量とから、正常時に第２所定負圧Ｂまで水素極１ｂ内のガス圧力が低下する時間が求まり、当該時間よりも長い時間に設定されている。
【００７０】
そして、コントローラは、水素極１ｂ内のガス圧力が第２所定負圧Ｂまで低下していないと判定した場合には、ステップＳ４２において水素供給を停止し、ステップＳ４３において水素極１ｂ内のガス圧力が大気圧付近の所定圧力内となったか否かを判定する。そして、水素極１ｂ内のガス圧力が大気圧付近の所定圧力内となっている場合には、ステップＳ４４において燃料電池スタック１の発電及び空気供給を停止する。
【００７１】
このように、第６実施形態に係る燃料電池システムによれば、パージ弁６に多量のガス漏れがある場合であっても、空気極１ａでの酸素消費動作はできないものの、所定時間で水素極１ｂ内のガス圧力が低下しないことをステップＳ４１で判定し、空気供給を継続して燃料電池スタック１の発電を継続させることによって、外部に高水素濃度のガスを排出することを確実に防止して、燃料電池スタック１の発電を停止させることができる。
【００７２】
［第７実施形態］
つぎに、第７実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７３】
第７実施形態に係る燃料電池システムは、図９に示すように、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体（本実施形態では、冷却水）が循環する冷却水流路（冷却流路）Ｌ１１が備えられている。この冷却水流路Ｌ１１には、ラジエータなどの冷却水冷却手段（図示せず）が配設されており、冷却水流路Ｌ１１内の冷却水は、この冷却水冷却手段によって冷却される。冷却された冷却水は、冷却水流路Ｌ１１に設けられた冷却水用ポンプ（図示せず）によって燃料電池スタック１へと供給される。冷却水流路Ｌ１１は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘り冷却されるようになっている。燃料電池スタック１の冷却によって温められた冷却水は、冷却水流路Ｌ１１を経由して、冷却水冷却手段へと循環される。
【００７４】
冷却水流路Ｌ１１には、温度検出手段が設けられており、この温度検出手段は、スタック入口冷却水温度センサ１４とスタック出口冷却水温度センサ１５とによって構成されている。スタック入口冷却水温度センサ１４は、燃料電池スタック１の入口側における冷却水の温度（以下「スタック入口冷却水温度」という）を検出し、スタック出口冷却水温度センサ１５は、燃料電池スタック１の出口側における冷却水の温度（以下「スタック出口冷却水温度」という）を検出する。これらの温度センサ１４，１５による検出値は、後述する発電停止処理の際に、コントローラによって参照される。
【００７５】
なお、図９には、セル電圧センサ１２および総電圧センサ１３が明示されている。セル電圧センサ１２は、燃料電池スタック１を構成する個々のセルに関する発電電圧（以下「セル電圧」という）を検出するセンサであり、総電圧センサ１３は、燃料電池スタック１の総体的な発電電圧（以下「総電圧」という）を検出するセンサである。さらに、図９には、燃料電池スタック１による発電電力を蓄える二次電池１０、および、燃料電池スタック１による発電電力を消費する電力消費手段１１も明示されている。電力消費手段１１としては、燃料電池システムを運転するために使用する補器類や、燃料電池自動車の駆動モータなどが挙げられる。
【００７６】
第７実施形態における発電停止処理は、図１０に示すフローチャートの手順に従って進行する。なお、冷却水流路Ｌ１１に設けられた冷却水用ポンプは、この発電停止処理を開始する以前から、連続して運転を継続している。
【００７７】
まず、コントローラに発電停止命令が供給されると、コントローラは、上述したステップＳ１からステップＳ３までの処理を行い、そして、ステップＳ４において、水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂ以下になったか否を判定する。水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂとなっていない場合、コントローラは、目標ガス圧力を第１所定負圧Ａに設定したままで発電を継続させ、水素極１ｂのガス圧力が第２所定負圧Ｂとなった場合には、ステップＳ５１に進む。
【００７８】
ステップＳ５１において、コントローラは、スタック入口冷却水温度センサ１４が検出するスタック入口冷却水温度と、スタック出口冷却水温度センサ１５が検出するスタック出口冷却水温度との温度差の大きさが所定値以下であるか否かを判定する。燃料電池スタック１の入口側と出口側とにおける冷却水の温度差が所定値よりも大きい場合、すなわち、燃料電池スタック１内に温度むらが生じている場合には、空気極１ａにおいて反応が起こりやすい部位と反応が起こりにくい部位とが発生している。この状態で空気供給を停止し、空気極１ａの酸素を消費する動作を実行した場合には、空気極１ａの反応むらに応じ、酸素が活発に消費される部位と酸素が消費され難い部位とが存在する。そのため、発電停止処理を終了した後にも空気極１ａに酸素が残留し、電解質膜の劣化が進んでしまう虞がある。
【００７９】
そこで、本実施形態では、酸素消費動作を行う以前に、このステップＳ５１の処理を設け、コントローラは、スタック入口冷却水温度とスタック出口冷却水温度とを参照し、スタック内部に温度むらが生じているか否かを判定する。このステップＳ５１における判定値（所定値）には、スタック内部に温度むらが生じていないとみなせる程度の冷却水温度差の大きさの最大値が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。
【００８０】
スタック入口冷却水温度とスタック出口冷却水温度との温度差の大きさが所定値よりも大きい場合には、コントローラは、両者の温度差がこの所定値以下となるまで発電を継続させる。一方、両者の温度差の大きさが、所定値以下の場合には、ステップＳ５２に進む。
【００８１】
ステップＳ５２において、コントローラは、空気供給を停止するようにコンプレッサ２の動作を停止させる。そして、ステップＳ５３において、コントローラは、燃料電池スタック１の発電を継続させる。なお、このステップＳ５２，Ｓ５３では、コントローラは、空気供給を停止するタイミングで、一旦発電を停止させ、その後に再び発電を開始してもよいし、発電を継続したままの状態で空気供給を停止してもよい。
【００８２】
空気供給を停止して発電を継続することによって、空気極１ａの酸素消費動作を行い、ステップＳ５４において、コントローラは、燃料電池スタック１の発電電圧が所定値以下となったか否かを判断する。具体的には、コントローラは、総電圧センサ１３が検出する燃料電池スタック１の総電圧が所定値以下となったか否か、或いは、セル電圧センサ１２が検出する個々のセル電圧のうち、その値が最も低いセルのセル電圧（最低セル電圧）が所定値（この所定値は、総電圧の比較対象となる所定値とは異なる値である）以下となったか否かを判断する。このステップＳ５４において否定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の総電圧が所定値よりも大きく、かつ、最低セル電圧が所定値よりも大きい場合には、酸素消費動作が継続される。一方、ステップＳ５４において肯定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の総電圧が所定値以下、或いは、最低セル電圧が所定値以下となった場合には、コントローラは、空気極１ａの酸素が十分に消費されたと判断し、ステップＳ５５の処理に進む。
【００８３】
ステップＳ５５において、コントローラは、燃料電池スタック１の発電を停止させると共に、水素タンク４から燃料電池スタック１への水素供給を停止させるように水素調圧弁５を閉状態とさせる。
【００８４】
このように、第７実施形態に係る燃料電池システムによれば、コントローラは、燃料電池スタック１を冷却する冷却水のスタック出入口の温度差の大きさが所定値以下になってから空気供給を停止する。そのため、スタック内の温度差に起因して、空気極１ａで酸素の消費むらが発生することを抑制することができる。その結果、発電停止処理を終了した後に、空気極１ａに酸素が残留することを抑制することができるので、電解質膜の劣化を防止することができる。
【００８５】
また、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、コントローラは、燃料電池スタック１の総電圧が所定値以下になった場合、或いは、最低セル電圧が所定値以下になった場合に、燃料電池スタック１の発電を停止させる。燃料電池スタック１の総電圧が所定値以下、或いは、最低セル電圧が所定値以下になっている状態において発電を継続したならば、空気極１ａにおいて酸素が欠乏し、これにより、水素が発生してしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の総電圧、或いは、最低セル電圧をモニタリングすることで、空気極１ａにおいて水素が発生するといった事態の発生を抑制することができる。
【００８６】
［第８実施形態］
つぎに、第８実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００８７】
第８実施形態に係る燃料電池システムの主たる特徴は、上述した発電停止処理を行っている際に、燃料電池スタック１の状態に応じて、電流取出量を調整することにある。電流取出量調整処理は、図１１及び図１２に示すフローチャートの手順に従って進行する。なお、本実施形態では、上述した第７実施形態に係る発電停止処理の実行を前提として、電流取出量調整処理を説明する。
【００８８】
コントローラに発電停止命令が供給されると、まず、ステップＳ６０において、コントローラは、電力消費手段１１が使用している消費電力を検出するとともに、二次電池１０の容量を検出し、二次電池１０に対する充電可能電力を特定する。ステップＳ６１において、コントローラは、電力消費手段１１の消費電力と、二次電池１０の充電可能電力とに基づいて、電力消費手段１１と二次電池１０とにおいて消費できる最大の電流量を消費可能電流Ａ１として算出する。
【００８９】
ステップＳ６２において、コントローラは、ステップＳ６１において算出された消費可能電流Ａ１に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量の最大値Ａｍａｘ（以下「最大電流取出量」という）と、燃料電池スタック１から取り出す電流量を最大電流取出量Ａｍａｘへと変化させる際の時間的な変化率Ａ／Ｓ（以下「最大電流取出変化率」という）とを設定する。具体的には、コントローラは、ステップＳ６１において算出された消費可能電流Ａ１を最大電流取出量Ａｍａｘとして設定する。一方、二次電池１０に電流を供給することを想定した場合、最大電流取出変化率Ａ／Ｓに特段の制限を設ける必要はないので、コントローラは、この値Ａ／Ｓを所定の最大値（例えば、1000A/sec）に設定する。
【００９０】
ステップＳ６３において、コントローラは、燃料電池スタック１からの電流取出量の目標値（以下「目標電流値」という）Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ６２において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。
【００９１】
コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ６２において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【００９２】
ステップＳ６４において、コントローラは、燃料ガスである水素ガスの濃度（以下「水素ガス濃度」という）を推定し、水素極１ｂを流れる水素ガスの流量（以下「水素ガス流量」という）を推定する。水素ガス濃度の推定方法は、燃料電池スタック１の発電時間、燃料電池スタック１の発電停止後の経過時間、水素極１ｂのガス圧力とパージ弁６の径とから算出されるパージ流量、燃料電池スタック１の運転温度等から一義的に推定される。一方、水素極１ｂを流れる水素ガスの流量は、推定された水素ガス濃度、循環ポンプ７の運転状態、燃料電池スタック１の運転温度等から一義的に算出される。
【００９３】
水素ガス濃度の推定では、以下に示す水素極１ｂの傾向を考慮して行われる。具体的には、水素極１ｂの水素ガス濃度は、燃料電池スタック１の発電停止タイミングからの経過時間が増加する程、減少する傾向にある。なぜならば、水素極１ｂ内の水素は、水素極１ｂから空気極１ａへと透過するからであり、また、空気極１ａから水素極１ｂへ透過した酸素との化学反応により消費されるからである。
【００９４】
ところで、水素極１ｂへ透過した酸素は、水素との化学反応により消費されるため、水素極１ｂの水素量（或いは、水素濃度）が化学反応の生じることがないレベルに低下するまで、その量は増加しない。このレベルまで水素極１ｂの水素量が低下すると、その後は、酸素透過により、経過時間の増加ともに水素極１ｂの酸素は増加する傾向にある。また、水素極１ｂの窒素は、空気極１ａから水素極１ｂへの窒素透過により、経過時間の増加とともに増加する傾向にある。さらに、水蒸気は、経過時間の増大ともに水素極１ｂの温度が低下するために、時間の増加とともに減少する傾向にある。
【００９５】
一方、燃料電池システムを起動すると水素極１ｂには水素ガスが供給され、大気圧以上に加圧される。この加圧した状態でパージ弁６を開状態とすると、水素ガスとともに窒素がガス希釈用流路Ｌ１０を介してガス排出流路Ｌ５より排出される。ただし、発電中も空気極１ａから水素極１ｂへの窒素透過により、水素極１ｂの窒素は増加する傾向にある。また、水蒸気量は、燃料電池スタック１の運転温度から算出することができるので、さらに、パージ量と、窒素透過量とから発電中の水素ガス濃度を推定することができる。
【００９６】
ステップＳ６５において、コントローラは、ステップＳ６４において推定した水素ガス濃度および水素ガス流量と、水素極１ｂのガス圧力とに基づいて、水素極１ｂにおける水素ガスが所定の余剰率（下限水素ガス余剰率）を確保できるような最大発電可能電流Ａ２およびその電流変化率Ａ２／Ｓを算出する。下限水素ガス余剰率をベースとしたこの演算では、水素極１ｂに流入した水素ガスがどの程度均一に分配されているかを表す分配性能も考慮される。例えば、水素ガスの総流量が水素極１ｂ全体に均一に分配されている場合には、水素ガスの総流量から算出した余剰率に基づいて、最大発電可能電流Ａ２および電流変化率Ａ２／Ｓを算出する。一方、燃料電池スタック１を構成する個々のセルの一部において水素ガスが流れ難いような状況が発生している場合は、その流れ難いセルにおいて所定の余剰率を確保できるような最大発電可能電流Ａ２および電流変化率Ａ２／Ｓを算出する。このステップＳ６５の演算を行う際には、実験やシミュレーションを通じて、水素ガスの分配性能を予め求めておく。同様に、最大発電可能電流Ａ２および電流変化率Ａ２／Ｓを種々の値に変化させて、所定の水素ガス余剰率に対応する両者の値Ａ２，Ａ２／Ｓの関係を予め求めておく。
【００９７】
ステップＳ６６において、コントローラは、ステップＳ６５において算出された最大発電可能電流Ａ２および電流変化率Ａ２／Ｓに基づいて、最大電流取出量Ａｍａｘと、最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。具体的には、コントローラは、ステップＳ６２において設定された最大電流取出量Ａｍａｘと、ステップＳ６５において算出された最大発電可能電流Ａ２とを比較して、その値の小さい方を最大電流取出量Ａｍａｘとして設定する。同様に、コントローラは、ステップＳ６２において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓと、ステップＳ６５において算出された電流変化率Ａ２／Ｓとを比較して、その値の小さい方を最大電流取出変化率Ａ／Ｓとして設定する。
【００９８】
ステップＳ６７において、コントローラは、目標電流値Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ６６において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ６６において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【００９９】
ステップＳ６８において、コントローラは、空気供給が停止済みか否かを判定する。上述した第７実施形態で示すように、発電停止処理が図１０におけるステップＳ５２以降の処理へ到達していない場合には、空気供給が停止されてないので、このステップＳ６８において否定判定され、ステップＳ６９〜Ｓ７５の処理へ進む。一方、発電停止処理がステップＳ５２以降の処理へ進んでいる場合には、空気供給が停止されているので、ステップＳ６８において肯定判定され、ステップＳ７６〜Ｓ８７の処理に進む。
【０１００】
ステップＳ６８の否定判定に続くステップＳ６９において、コントローラは、水素極１ｂの目標ガス圧力（以下「水素極目標ガス圧力」という：所定負圧Ａ）と、ガス圧力センサ９で検出されているガス圧力、すなわち、水素極１ｂでの実際のガス圧力（以下「水素極実ガス圧力」という）との差を算出する。
【０１０１】
ステップＳ７０において、コントローラは、ステップＳ６９において算出されたガス圧力の差に基づいて、最大電流取出量Ａｍａｘと、最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。具体的には、水素極実ガス圧力が水素極目標ガス圧力よりも低い場合、コントローラは、現在の電流取出量よりも所定量だけ減少させた値を、最大電流取出量Ａｍａｘの候補として算出する。この取出量Ａｍａｘの候補は、先のステップＳ６６において設定された最大電流取出量Ａｍａｘと比較され、それらの値のうちの小さいほうが最大電流取出量Ａｍａｘとして設定される。
【０１０２】
これに対して、水素極実ガス圧力が水素極目標ガス圧力よりも高い場合、コントローラは、現在の電流取出量よりも所定量だけ増加させた値を、最大電流取出量Ａｍａｘとして設定する。ただし、この設定された値が、先のステップＳ６６における最大電流取出量Ａｍａｘよりも大きい場合には、その値は制限される。すなわち、コントローラは、ステップＳ６６の最大電流取出量Ａｍａｘを上限として、最大電流取出量Ａｍａｘを設定する。
【０１０３】
なお、ガス圧力の差に応じた最大電流取出量Ａｍａｘの増減は、所定の規定値の幅で行ってもよいし、ガス圧力の差の程度に応じてその幅を可変に行ってもよい。一方、最大電流取出変化率Ａ／Ｓの設定において、コントローラは、先のステップＳ６６で最大電流取出変化率Ａ／Ｓを継続して用いる。
【０１０４】
ステップＳ７１において、コントローラは、目標電流値Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ７０において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ７０において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【０１０５】
ステップＳ７２において、コントローラは、空気極１ａに供給される空気の流量（以下「空気流量」という）を検出する。ステップＳ７３において、コントローラは、ステップＳ７２において検出された空気流量と、その他の諸量（空気の湿度、空気の温度、大気圧など）とに基づいて、空気極１ａにおける空気が所定の余剰率（下限空気余剰率）を確保できるような最大発電可能電流Ａ３およびその電流変化率Ａ３／Ｓを算出する。下限空気余剰率をベースとしたこの演算では、空気極１ａに流入した空気がどの程度均一に分配されているかを表す分配性能も考慮される。例えば、空気の総流量が空気極１ａ全体に均一に分配されている場合には、空気の総流量から算出した余剰率に基づいて、最大発電可能電流Ａ３および電流変化率Ａ３／Ｓを算出する。一方、燃料電池スタック１を構成する複数のセルの一部において空気が流れ難いような状況が発生している場合は、その流れ難いセルにおいて所定の余剰率を確保できるような最大発電可能電流Ａ３および電流変化率Ａ３／Ｓを算出する。このステップＳ７３の演算を行う際には、実験やシミュレーションを通じて、空気の分配性能を予め求めておく。同様に、最大発電可能電流Ａ３および電流変化率Ａ３／Ｓを種々の値に変化させて、所定の空気余剰率に対応する両者の値Ａ３，Ａ３／Ｓの関係を予め求めておく。
【０１０６】
ステップＳ７４において、コントローラは、ステップＳ７３において算出された最大発電可能電流Ａ３および電流変化率Ａ３／Ｓに基づいて、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。具体的には、コントローラは、ステップＳ７０において設定された最大電流取出量Ａｍａｘと、ステップＳ７３において算出された最大発電可能電流Ａ３とを比較して、その値の小さい方を最大電流取出量Ａｍａｘとして設定する。同様に、コントローラは、ステップＳ７０において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓと、ステップＳ７３において算出された電流変化率Ａ３／Ｓとを比較して、その値の小さい方を最大電流取出変化率Ａ／Ｓとして設定する。
【０１０７】
ステップＳ７５において、コントローラは、目標電流値Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ７４において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ７４において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【０１０８】
ステップＳ６８の肯定判定に続くステップＳ７６において、コントローラは、空気極１ａにおける酸素濃度のばらつきの程度を示す酸素濃度分布の推定を行う。酸素濃度分布の推定を行う前提として、空気極１ａにおける酸素濃度の分布が均一であると仮定し、燃料電池スタック１からの電流取出量によって低下する酸素濃度を計算する。これとともに、実験やシミュレーションを通じて、スタック入口冷却水温度と、スタック出口冷却水温度と、電流取出量とをそれぞれ変化させた際の酸素濃度を計測し、先の計算値が計測値とどの程度相違するかを取得しておく。また、種々の電流取出量に応じ、セル電圧がどの程度ばらつき、個々のセル電圧の総和と総電圧との差がどの程度発生し、酸素濃度がどの程度ばらつくかを、実験やシミュレーションを通じて予め計測しておく。
【０１０９】
コントローラは、実験やシミュレーションを通じて予め得た情報、スタック入口冷却水温度、スタック出口冷却水温度、個々のセル電圧のばらつき、各セル電圧の総和と総電圧との差、および、電流取出量に基づいて、酸素濃度分布を推定する。なお、空気極１ａに酸素センサを備える構成の燃料電池システムでは、コントローラは、このセンサからの検出値に基づいて空気極１ａの酸素濃度分布を得てもよい。
【０１１０】
ステップＳ７７において、コントローラは、停止方法を判別する。具体的には、コントローラは、発電停止処理が、アイドルストップのように、コントローラへの電源供給を継続させて燃料電池スタック１の発電を一時的に停止させるケース（一時停止）であるのか、或いは、コントローラへの電源供給を完全に停止させて燃料電池スタック１の発電を停止させるケース（完全停止）であるのかを判別する。例えば、車両のイグニッションキーのオフに応じて発電停止処理が開始された場合には、コントローラは、現在の停止を完全停止と判別し、イグニッションキーがオフされず、所定の条件が成立して発電停止処理が開始された場合には、コントローラは、現在の停止を一時停止と判別するといった如くである。
【０１１１】
ステップＳ７８において、コントローラは、ステップＳ７７の判別結果に応じて、空気極１ａにおける酸素濃度分布に関するしきい値（すなわち、空気極１ａにおいて許容される酸素濃度のばらつきの範囲）を設定する。空気極１ａにおいて酸素濃度にばらつきが生じている場合には、発電停止処理を終了した際に、酸素の消費むらにより、スタック内の一部に酸素が残留し、これにより、燃料電池スタック１の電解質膜の劣化を引き起こす可能性がある。この現象は、短時間で酸素が供給され、再び発電が開始される一時停止と比較して、完全停止の方が顕著となる。そのため、完全停止では、酸素濃度のばらつきの程度が、一時停止のそれと比較して、相対的に小さい方が好ましい。このような観点から、コントローラは、ステップＳ７７の判別結果に応じて、完全停止のほうが一時停止よりも酸素濃度のばらつきの程度が小さくなるように、そのしきい値を設定する。例えば、コントローラは、完全停止の場合には、そのしきい値を最大濃度と最低濃度の差を０〜１％の範囲に設定し、一時停止の場合には、そのしきい値を最大濃度と最低濃度の差を０〜５％の範囲に設定するといった如くである。
【０１１２】
ステップＳ７９において、コントローラは、ステップＳ７６において推定された酸素濃度分布が、ステップＳ７８において設定されたしきい値の範囲外であることを条件に、現在の酸素濃度分布と、しきい値とをベースに、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。具体的には、コントローラは、電流取出量と酸素濃度分布との対応関係を取得しているので、この対応関係に基づいて、空気極１ａの酸素濃度分布が、そのしきい値の範囲内に入るように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを算出する。
【０１１３】
なお、このステップＳ７９において、コントローラは、ステップＳ７６において推定された酸素濃度分布が、ステップＳ７８において設定されたしきい値の範囲内である場合、或いは、ステップＳ６６において設定された最大電流取出量Ａｍａｘが、酸素濃度分布のしきい値をベースに算出された最大電流取出量Ａｍａｘよりも小さい場合には、ステップＳ６６において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを継続して用いる。
【０１１４】
ステップＳ８０において、コントローラは、目標電流値Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ７９において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ７９において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【０１１５】
ステップＳ８１において、コントローラは、セル電圧センサ１２が検出する個々のセル電圧に基づいて、セル電圧のばらつきの程度を算出する。セル電圧のばらつきの程度の算出は、例えば最大セル電圧と最低セル電圧との差といったように、個々のセル電圧のばらつき具合を示す値であればいかなるものを用いることができる。ステップＳ８１に続くステップＳ８２において、コントローラは、総電圧センサ１３より燃料電池スタック１の総電圧を検出する。
【０１１６】
ステップＳ８３において、コントローラは、個々のセル電圧の総和と、総電圧との差（以下「総電圧差」という）の大きさを算出する。個々のセル電圧にばらつきがなく、セル電圧センサ１２がセル電圧を正確に検出していれば、個々のセル電圧の総和と、総電圧とがずれることはない。しかしながら、水素ガスの濃度むら、燃料電池スタック１の温度むら、膜の湿潤の程度による抵抗の変化など、燃料電池スタック１の内部の環境に起因して、セル電圧を検出している部位と、セル内のセル電圧を検出していない部位との間で電位差が生じた場合には、セル電圧の総和と総電圧との間に差が発生する。そのため、コントローラは、このような状況を検出すべく、ステップＳ８３において、総電圧差を算出する。
【０１１７】
ステップＳ８４において、コントローラは、ステップＳ８５と同様に、停止方法を判別する。ステップＳ８４に続くステップＳ８５において、コントローラは、ステップＳ８４の判別結果に応じて、ステップＳ８３において算出された総電圧差の大きさに関するしきい値（すなわち、許容される総電圧差の大きさの範囲）と、個々のセル電圧のばらつきの程度に関するしきい値（すなわち、許容される個々のセル電圧のばらつきの範囲）とを設定する。短時間で再び発電が開始される一時停止と比較して、完全停止では、燃料電池スタック１の内部の環境がその劣化に及ぼす影響が大きい。そのため、完全停止では、一時停止と比較して、総電圧差および個々のセル電圧のばらつきが小さい方が好ましい。このような観点から、コントローラは、ステップＳ８４の判別結果に応じて、完全停止のほうが一時停止よりも総電圧差が小さくなるように、また、個々のセル電圧のばらつきの程度が小さくなるように、そのしきい値を設定する。例えば、コントローラは、完全停止の場合には、総電圧差のしきい値として、０〜５Ｖの範囲を設定し、一時停止の場合には、そのしきい値として、０〜１０Ｖの範囲を設定する。また、コントローラは、完全停止の場合、セル電圧のばらつきの程度のしきい値として、０〜５０ｍＶの範囲を設定し、一時停止の場合には、そのしきい値として、０〜１００ｍＶの範囲を設定するといった如くである。
【０１１８】
ステップＳ８６において、コントローラは、ステップＳ８１において算出された個々のセル電圧のばらつきの程度が、ステップＳ８５において設定されたしきい値の範囲外であること、或いは、ステップＳ８２において検出された総電圧差が、ステップＳ８５において設定されたしきい値の範囲外であることを条件に、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。具体的には、コントローラは、電流取出量と個々のセル電圧のばらつきとの対応関係を取得しているので、燃料電池スタック１を構成する個々のセルのセル電圧のばらつきが、これに対応するしきい値を満たすように、最大電流取出量Ａｍａｘと、最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。同様に、コントローラは、電流取出量と総電圧差との対応関係を取得しているので、燃料電池スタック１の総電圧差が、これに対応するしきい値を満たすように、最大電流取出量Ａｍａｘと、最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する。例えば、セル電圧のばらつきの程度がしきい値の範囲外となった場合、或いは、総電圧差がしきい値の範囲外となった場合には、電流取出量を減少させるように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定するといった如くである。
【０１１９】
ただし、このステップＳ８６において、コントローラは、個々のセル電圧のばらつきの程度と総電圧差とが、それぞれ設定されたしきい値の範囲外である場合には、各々設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓのうち、小さい方の値を用いることとする。
【０１２０】
また、コントローラは、ステップＳ８１において算出された個々のセル電圧のばらつきが、しきい値の範囲内であり、かつ、ステップＳ８２において検出された総電圧差がしきい値の範囲内である場合、或いは、ステップＳ７９において設定された最大電流取出量Ａｍａｘが、しきい値をベースに算出された最大電流取出量Ａｍａｘよりも小さい場合には、ステップＳ７９において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを継続して用いる。
【０１２１】
ステップＳ８７において、コントローラは、目標電流値Ａｔｇに基づいて、燃料電池スタック１からの電流取出量を調整する。具体的には、コントローラは、ステップＳ８６において設定された最大電流取出量Ａｍａｘおよび最大電流取出変化率Ａ／Ｓを参照する。コントローラは、まず、最大電流取出量Ａｍａｘを現在の目標電流値Ａｔｇとして設定し、ステップＳ８６において設定された最大電流取出変化率Ａ／Ｓに従って、１制御周期前の目標電流値を目標電流値Ａｔｇへと調整する。
【０１２２】
このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１からの電流取出量を燃料電池スタック１の状態に応じて調整している。これにより、以下に示す内容を満足しながら、速やかに燃料電池システムを停止することができる。
【０１２３】
まず、第１に、ステップＳ６０〜Ｓ６３の処理で示すように、コントローラは、電力消費手段１１と二次電池１０とが消費できる消費可能電流Ａ１を算出し、この演算値に基づいて、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓを設定している。これにより、電力消費手段１１と二次電池１０とで消費しきれない程度の電流を、燃料電池スタック１から取り出してしまうといった事態の発生を抑制することができる。
【０１２４】
第２に、ステップＳ６４〜Ｓ６７の処理で示すように、コントローラは、水素極１ｂにおける水素ガスが所定の余剰率（下限水素ガス余剰率）を確保できるように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定し、電流取出量を調整している。これにより、燃料電池スタック１から電流を取り出した際に、空気極１ａにおいて水素ガスが欠乏してしまうといった事態の発生を抑制することができる。
【０１２５】
第３に、ステップＳ６９〜Ｓ７１の処理で示すように、コントローラは、水素極目標ガス圧力と水素極実ガス圧力との差に応じて、電流取出量を調整している。特に、コントローラは、水素極実ガス圧力が水素極目標ガス圧力よりも大きい場合、電流取出量（目標電流値Ａｔｇ）を現在値よりも増加させ、水素極実ガス圧力が水素極目標ガス圧力よりも小さい場合、電流取出量（目標電流値Ａｔｇ）を現在値よりも減少させている。これにより、水素極１ｂのガス圧力を速やかに低下させることができるとともに、水素極１ｂのガス圧力が低下しすぎた場合は、目標電流値Ａｔｇが減少させられるので、水素極目標ガス圧力への追従性の向上を図ることができる。
【０１２６】
第４に、ステップＳ７２〜Ｓ７５の処理で示すように、コントローラは、空気極１ａにおける空気が所定の余剰率を確保できるように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定し、電流取出量を調整している。これにより、燃料電池スタック１から電流を取り出した際に、空気極１ａにおいて空気が欠乏してしまうといった事態の発生を抑制することができる。
【０１２７】
第５に、ステップＳ７６〜Ｓ８０の処理で示すように、コントローラは、空気極１ａにおける酸素濃度分布、すなわち、空気極１ａにおける酸素濃度のばらつきの程度が所定の範囲に収まるように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定し、電流取出量を調整している。これにより、空気極１ａの空気を均等に消費して濃度むらができないように電流取出量を調節することができるので、残存空気による燃料電池スタック１の電解質膜の劣化を抑制することができる。
【０１２８】
第６に、ステップＳ８１〜Ｓ８７の処理で示すように、コントローラは、セル電圧のばらつきの程度が所定の範囲に収まるように、或いは、総電圧差の大きさが所定の範囲に収まるように、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定し、電流取出量を調整している。これにより、燃料電池スタック１の発電電圧（セル電圧のばらつきや、総電圧差など）に応じて電流取出量を調節するので、燃料電池スタック１において燃料ガスが欠乏するなどといった事態の発生を抑制することができる。
【０１２９】
また、コントローラは、自己への電源供給を完全に停止させて燃料電池スタック１の発電を停止させる場合（完全停止）と、自己への電源供給を継続させて燃料電池スタック１の発電を一時的に停止させる場合（一時停止）とに応じて、上述した所定の範囲を可変に設定している。具体的には、コントローラは、完全停止の場合には、一時停止の場合と比較して、その範囲を相対的に小さく設定する。これにより、一時停止（アイドルストップなど）の際には、劣化が少ない範囲で空気濃度むらとセル電圧のばらつきを許容した値となるので、燃料電池スタック１を短時間で停止させることができる。また、完全停止の際は、その後長時間放置をしても劣化が少ない値となるので、劣化の少ない停止を行うことができる。
【０１３０】
なお、本実施形態では、最大電流取出量Ａｍａｘと最大電流取出変化率Ａ／Ｓとを設定する際に、競合する各種の条件が存在する場合（すなわち、消費可能な電流量、水素ガスの余剰率、水素極１ｂにおけるガス圧力差、空気の余剰率、酸素濃度分布、発電電圧のむらのいずれか二つ以上が存在する場合）には、最も小さい値として設定された最大電流取出量Ａｍａｘが用いられる。これにより、競合する種々の条件がそれぞれ満たされるように、電流取出量を調整することができるので、上述した効果を並列的に奏することができる。また最大電流取出変化率Ａ／Ｓにより、電流値の急激な変化による燃料電池スタック１の状態変化を防ぐことができる。本実施形態では電流を増加させる際には、最大電流取出量Ａｍａｘよりも最大電流取出変化率Ａ／Ｓを優先させ、電流を減少させる際には、最大電流取出変化率Ａ／Ｓを最大電流取出量Ａｍａｘよりも優先させる。もちろん最大電流取出変化率Ａ／Ｓを、電流増加用Ａｕｐ／Ｓと電流減少用Ａｄｏｗｎ／Ｓとを用意しても本質的な内容は変わらない。
【０１３１】
また、本実施形態では、第７実施形態における発電停止処理を前提として、電流取出量を調整する処理を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述した第１実施形態から第６実施形態に示すように、発電停止処理において、水素極１ｂのガス圧力を負圧に設定する手法であれば、この電流取出量調整処理を行うことができる。
【０１３２】
このように、上述の第１実施形態から第８実施形態のそれぞれは本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１３３】
すなわち、上述した燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の排空気によってパージ弁６からの排ガスを希釈して水素濃度を低下させたが、例えばガス排出流路Ｌ５に触媒燃焼器を設け、当該触媒燃焼器で水素を燃焼処理しても良く、燃料電池スタック１の排空気とは別に空気供給源を設けて、排ガスの希釈又は燃焼処理を行っても良い。
【０１３４】
また、上述した燃料電池スタック１の発電停止処理では、コントローラへの電源供給を停止させることによってコントローラを停止させて燃料電池システムを完全に停止させる場合だけではなく、燃料電池システムの運転中に要求される発電流が減ったことに伴って、コントローラへの電源供給を行いながら一時的に燃料電池スタック１の発電を停止するようなアイドルストップ時に、上述した発電停止処理を行っても良いことは勿論である。例えば、燃料電池システムによる発電電力を自動車の動力源として用いる場合、自動車の信号待ちなどで一時的に発電を停止するような場合に、上述した発電停止処理を行って、燃料電池スタック１を一時的に停止させても良い。
【０１３５】
更に、完全に燃料電池システムを停止させる場合には、上述の第３〜第５実施形態のように水素供給遮断弁１１で水素を遮断し、アイドルストップ時には、第１〜第２実施形態のように水素調圧弁５で水素を遮断するようにしても良い。これにより、長時間停止する燃料電池システムの完全停止時には、水素タンク４から燃料電池スタック１へのガス漏れに対する信頼性の高い水素供給遮断弁１１を用い、短時間しか停止しないアイドルストップ時には、水素タンク４から燃料電池スタック１に流れる水素ガスを水素調圧弁５で遮断することによって、発電再開時に水素供給遮断弁１１から水素調圧弁５までの間に高圧水素を充填する必要がなく、発電再開までの応答性を速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した第２実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用した第３実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した第４実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第５実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用した第６実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用した第７実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明を適用した第７実施形態における燃料電池システムの発電停止処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明を適用した第０実施形態における燃料電池システムの電流取出調整処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】本発明を適用した第０実施形態における燃料電池システムの電流取出調整処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３７】
１  燃料電池スタック
２  コンプレッサ
３  空気調圧弁
４  水素タンク
５  水素調圧弁
６  パージ弁
７  循環ポンプ
８  空気圧力センサ
９  ガス圧力センサ
１１  水素供給遮断弁
１２  セル電圧センサ
１３  総電圧センサ
１４  スタック入口冷却水温度センサ
１５  スタック出口冷却水温度センサ
【図１】
2006196432.tif 000003
【図２】
2006196432.tif 000004
【図３】
2006196432.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006196432.tif 000007
【図６】
2006196432.tif 000008
【図７】
2006196432.tif 000009
【図８】
2006196432.tif 000010
【図９】
2006196432.tif 000011
【図１０】
2006196432.tif 000012
【図１１】
2006196432.tif 000013
【図１２】
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