(57)【要約】【課題】燃料電池停止時のアノード掃気を適切に行う。【解決手段】燃料電池１を停止させた際に、停止から所定時間経過した後にセル電圧センサ１４によりセル電圧を測定して第１セル電圧値を取得し、その後、コンプレッサ７により空気供給流路８に空気を導入した後にセル電圧センサ１４により再度セル電圧を測定して第２セル電圧値を取得し、第１セル電圧値と第２セル電圧値および予め測定された燃料電池１のカソードに空気を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記停止から前記所定時間経過後のアノード電位を推定し、この推定アノード電位からアノードの残留水素濃度を推定し、空気によるアノード掃気の要否を判断する。【選択図】図１
2011258466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路と、
前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路と、
前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段と、
前記酸化剤流路および前記燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段と、
前記燃料電池と前記酸化剤導入手段とを制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を停止させた際に前記停止から所定時間経過した後に前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第１セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第２セル電圧値を取得し、前記第１セル電圧値と前記第２セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記停止から前記所定時間経過後のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求め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。
【請求項３】
前記制御部は、前記推定されたアノード残留水素濃度が閾値以下の場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出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４】
前記制御部は、予め求めておいた前記燃料電池のセルのアノード残留水素濃度の平均値である平均アノード残留水素濃度と前記燃料電池内のセルのアノード残留水素濃度のうちの最低値である最低アノード残留水素濃度との関係を用い、前記推定されたアノード残留水素濃度の平均値および最低値に基づいて、前記燃料流路内の流体排出の要否を判定し、流体排出が必要と判定された場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出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５】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路と、
前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路と、
前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段と、
前記燃料電池を制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を起動させる際に発電前に、前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第１セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第２セル電圧値を取得し、前記第１セル電圧値と前記第２セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記起動時のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求めることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換量との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換量を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施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】
前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換圧力との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換圧力を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜型燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素（燃料）が供給され、カソードに酸素（酸化剤）を含む空気が供給されて発電をする燃料電池では、アノードの水素濃度（アノードのストイキ値）を把握することが、固体高分子電解質膜の劣化防止や発電の安定性を図る上で重要である。
例えば、特許文献１には、燃料電池の発電中に計測されるセル電圧に基づいてアノードの電位（アノード電位）を推定し、アノード電位の上昇からアノードの水素不足を検知して、燃料電池の発電制御を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７１６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の技術では、燃料電池の発電運転中にアノード電位を推定し、この推定アノード電位に基づいてその後の燃料電池の発電を制御しているので、既に燃料電池の発電が継続して行われているため、状況が変化してしまい対応が後手に回る虞がある。
【０００５】
そこで、この発明は、燃料電池の発電前にアノード電位を推定することができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７、アノードオフガス流路１８）と、前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路８）と、前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段（例えば、後述する実施例における電圧センサ１４）と、前記酸化剤流路および前記燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７、アノード掃気流路２７、掃気弁２８）と、前記燃料電池と前記酸化剤導入手段とを制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池を停止させた際に前記停止から所定時間経過した後に前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第１セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第２セル電圧値を取得し、前記第１セル電圧値と前記第２セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記停止から前記所定時間経過後のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求めることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記制御部は、前記推定されたアノード残留水素濃度が閾値以下の場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいた前記燃料電池のセルのアノード残留水素濃度の平均値である平均アノード残留水素濃度と前記燃料電池内のセルのアノード残留水素濃度のうちの最低値である最低アノード残留水素濃度との関係を用い、前記推定されたアノード残留水素濃度の平均値および最低値に基づいて、前記燃料流路内の流体排出の要否を判定し、流体排出が必要と判定された場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出することを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７、アノードオフガス流路１８）と、前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路８）と、前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段（例えば、後述する実施例における電圧センサ１４）と、前記燃料電池を制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池を起動させる際に発電前に、前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第１セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第２セル電圧値を取得し、前記第１セル電圧値と前記第２セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記起動時のアノード電位を推定することを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換量との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換量を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施することを特徴とする。
【００１３】
請求項８に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換圧力との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換圧力を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、直接にアノード電位を測定しないで、燃料電池を停止させてから所定時間後のアノード電位を推定することができる。したがって、高額なアノード電位測定装置が不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
請求項２に係る発明によれば、推定されたアノード電位に基づいて、燃料電池を停止させてから所定時間後のアノードの残留水素濃度を容易に推定することができる。
請求項３および請求項４に係る発明によれば、燃料電池の停止期間中に、酸化剤によるアノードの掃気を適切なタイミングで実施することができる。その結果、アノード掃気の際に、固体高分子電解質膜の触媒上で燃料と酸化剤が直接反応して触媒を劣化させるのを防止することができる。これにより、固体高分子電解質膜の寿命が延び、発電性能を長期に亘って維持することができる。
【００１５】
請求項５に係る発明によれば、直接にアノード電位を測定しないで、燃料電池の起動時に発電前のアノード電位を推定することができる。したがって、高額なアノード電位測定装置が不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
請求項６に係る発明によれば、推定されたアノード電位に基づいて、燃料電池の起動時に発電前のアノードの残留水素濃度を容易に推定することができる。
請求項７に係る発明によれば、燃料電池の起動時に、発電前に、その時の燃料電池内部のガス状態に応じた適切な燃料ガス置換量で燃料ガス置換を実施することができる。その結果、ガス置換不足を防止して、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。
請求項８に係る発明によれば、燃料電池の起動時に、発電前に、その時の燃料電池内部のガス状態に応じた適切な燃料ガス置換圧力で燃料ガス置換を実施することができる。その結果、ガス置換不足を防止して、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。
【図２】アノード電位の推定原理を説明する図である。
【図３】実施例の燃料電池システムにおけるアノード掃気制御を示すフローチャートである。
【図４】実施例のアノード掃気制御において用いられるアノード残留水素濃度マップである。
【図５】実施例のアノード掃気制御において用いられるアノード掃気判断マップである。
【図６】実施例のアノード掃気制御において用いられる別のアノード掃気判断マップである。
【図７】実施例の燃料電池システムにおけるＯＣＶパージ制御を示すフローチャートである。
【図８】実施例のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ量マップである。
【図９】実施例のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ圧力マップである。
【図１０】燃料電池停止から所定時間経過後のアノードとカソードのガス状態の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
【００１８】
図１は、実施例における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料流通路５に燃料として水素を供給し、カソード側の酸化剤流通路６に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路（酸化剤流路）８を通って燃料電池１の酸化剤流通路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈器１１へ排出される。
【００１９】
一方、水素タンク１５から供給される水素は燃料供給流路１７を介して燃料電池１の燃料流通路５に供給される。燃料供給流路１７には、上流側から順に、遮断弁２０、レギュレータ１６、エゼクタ１９、封止弁２５が設けられており、水素タンク１５から供給された水素はレギュレータ１６によって所定圧力に減圧されて燃料電池１の燃料流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池１の燃料流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の燃料供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。
封止弁２５よりも下流の燃料供給流路１７と空気供給流路８は、掃気弁２８を備えたアノード掃気流路２７によって接続されており、アノード掃気流路２７を介して燃料供給流路１７に空気を導入可能となっている。
【００２０】
アノードオフガス流路１８には、アノードオフガスに含まれる凝縮水を捕集するキャッチタンク１２が設けられており、エゼクタ１９には凝縮水を除去された水素が供給されるようになっている。キャッチタンク１２は排水弁１３を有し、キャッチタンク１２に所定量の水が溜まると排水弁１３が開いて排水するようになっている。
キャッチタンク１２よりも上流のアノードオフガス流路１８には封止弁２６が設けられている。
【００２１】
また、キャッチタンク１２よりも下流のアノードオフガス流路１８からは、パージ弁２１を備えたパージ流路２２が分岐し、パージ流路２２は希釈器１１に接続されている。パージ弁２１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを希釈器１１へ排出する。また、パージ弁２１は、燃料電池システムの起動時に、燃料供給流路１７、アノードオフガス流路１８、および燃料電池１の燃料流通路５内の流体を新たな水素に置き換える、いわゆるＯＣＶパージを行うときに開かれて、ガス置換を行う。さらに、パージ弁２１は、燃料電池システムの停止時に、燃料電池１の燃料流通路５を空気で掃気する、いわゆるアノード掃気を行うときに開かれて、掃気ガスを排出する。
なお、キャッチタンク１２の排水弁１３から排水された水もパージ流路２２を介して希釈器１１に排出される。
【００２２】
そして、希釈器１１において、アノードオフガスは圧力制御弁１０から排出される空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈器１１から排気管２３を介して大気に排出される。排気管２３には、排出されるガスの水素濃度を計測する水素センサ２４が設けられている。
燃料電池１にはセル電圧を測定するセル電圧センサ（セル電圧測定手段）１４が設けられている。セル電圧センサ１４は、全セルにそれぞれ設置してもよいし、あるいは、所定のセル積層数毎にブロック分けし、各ブロック毎に設定した代表セルにそれぞれ設置してもよい。セル電圧センサ１４は計測したセル電圧に応じた信号を制御装置（制御部）３０に出力する。
【００２３】
制御装置３０は、イグニッションスイッチ３１から入力したＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて燃料電池システムの起動・停止を制御し、燃料電池１の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、遮断弁２０、パージ弁２１、封止弁２５，２６、掃気弁２８等を制御する。
この実施例１において、燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８は、燃料電池１に燃料（水素）を導入する燃料流路を構成し、コンプレッサ７とアノード掃気流路２７と掃気弁２８は、酸化剤流路と燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段を構成する。また、遮断弁２０とパージ弁２１は燃料流路内の流体を新たな燃料に置き換える燃料ガス置換手段を構成する。
【００２４】
このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に、燃料電池１のアノードに空気を導入してアノード掃気を行い、アノードに残留する水素（残留水素）を排出する。
しかしながら、燃料電池１の停止直後は燃料電池１のアノードに水素が多量に残っており、アノードに多量の水素が残っている状態でアノード掃気を行うと、アノード内の水素と掃気ガス（空気）中の酸素が直接に反応して、固体高分子電解質膜の触媒を劣化させてしまう。したがって、固体高分子電解質膜の劣化を防止するためには、アノードに水素が少ない状態となったときにアノード掃気を実施するのが好ましい。そこで、この実施例の燃料電池システムでは、アノード掃気を適切なタイミングで実施するため、燃料電池システムの停止時に、燃料電池１の発電を停止してから一定時間後にセル電圧からアノード電位を推定し、さらに推定されたアノード電位に基づいてアノードの残留水素濃度を推定し、推定された残留水素濃度に基づいてアノード掃気の実施を許可するか否かを判定し、許可判定の場合にだけアノード掃気を実施する。
【００２５】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、早期に安定した発電を行うことができるようにするため、発電前にＯＣＶパージを行い、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内に残留している流体を押し出し新たな水素に置き換える。
しかしながら、燃料電池システムの起動時において燃料電池１のアノードのガス状態は常に同じではないので、ＯＣＶパージを画一的に行うと、ガス置換が不足し、アノードの水素濃度を所望する濃度まで高めることができない場合がある。
【００２６】
例えば、燃料電池１の停止中には、固体高分子電解質膜型を介してアノードからカソードへ、カソードからアノードへガスが透過（クロスオーバー）するが、このクロスオーバー量は、固体高分子電解質膜の湿潤状態、燃料電池１の停止期間、停止期間中の外気温度、停止時のアノード掃気の有無等の条件によって異なるため、ＯＣＶパージの実施直前のアノードのガス状態（不純ガスのクロスオーバー量）は一様でない。そのため、アノード内に不純ガスが多い場合にＯＣＶパージによるガス置換量が不足することがある。ＯＣＶパージのガス置換不足により、アノードの水素濃度不足が生じると、その後の発電運転（暖機運転を含む）に移行したときに、アノードに酸素が存在することにより固体高分子電解質膜の劣化が起こり易くなったり、発電が不安定になり易くなる。
【００２７】
そこで、この実施例の燃料電池システムでは、ＯＣＶパージによるガス置換の適正化を図るため、燃料電池１で発電をする前にセル電圧からアノード電位を推定し、さらに推定されたアノード電位に基づいてアノードの残留水素濃度を推定し、さらに推定された残留水素濃度に基づいてＯＣＶパージのパージ量およびパージ圧力を決定し、決定されたパージ量、パージ圧力でＯＣＶパージを実施する。
【００２８】
アノード掃気制御およびＯＣＶパージ制御の具体例を説明する前に、図２を参照してアノード電位の推定方法を説明する。
周知のように、燃料電池１のセル電圧Ｖとは、単セルのカソード電位Ｖｃａとアノード電位Ｖａｎの電位差である（Ｖ＝Ｖｃａ−Ｖａｎ）。
今、燃料電池１を起動する前に所定のセルのカソード電位Ｃａとアノード電位Ｖａｎを推定する場合を考える。
【００２９】
まず、起動前の停止状態において封止弁２５，２６を閉じたまま、前記所定のセルのセル電圧（第１セル電圧値）Ｖ１を測定する（図２（Ａ）参照）。
次に、封止弁２５，２６を閉じたまま、燃料電池１のカソードにのみ空気を供給しながら、再び前記所定のセルのセル電圧（第２セル電圧値）Ｖ２を測定する（図２（Ｂ）参照）。このセル電圧Ｖ２の測定時には、カソードに十分な空気が供給されているため、カソード電位Ｖｃａはほぼ１．０Ｖとなる。以下、カソードに空気が供給されている状態でのカソード電位Ｖｃａを基準カソード電位Ｖｃａｂａという。なお、ここでは基準カソード電位Ｖｃａｂａを１．０Ｖとして説明するが、実際にアノード掃気制御およびＯＣＶパージ制御においてアノード電位Ｖａｎを推定するときには、推定精度を上げるため、予めテストによりカソードに空気を供給しながらカソード電位Ｖｃａを測定し、この測定値を基準カソード電位Ｖｃａｂａに設定する。
【００３０】
次に、図２（Ｃ）に示すように、基準カソード電位Ｖｃａｂａからセル電圧Ｖ２を減じることにより、アノード電位Ｖａｎを算出する（Ｖａｎ＝Ｖｃａｂａ−Ｖ２）。このアノード電位Ｖａｎが、起動前のアノード電位であると推定することができる。
また、図２（Ｄ）に示すように、推定されたアノード電位Ｖａｎにセル電圧Ｖ１を加算した値が、起動前のカソード電位Ｃａであると推定することができる（Ｖｃａ＝Ｖａｎ＋Ｖ１）。
このようにすると、直接に電位センサでアノード電位やカソード電位を測定しなくても、セル電圧を測定するだけでアノード電位およびカソード電位を推定することができ、アノードおよびカソードのガス状態を把握することができる。したがって、高額なアノード電位センサが不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
【００３１】
次に、図３のフローチャートに従って、アノード掃気制御を説明する。このアノード掃気制御は制御装置３０によって実行される。
まず、ステップＳ１０１において燃料電池システムが停止（イグニッションスイッチＯＦＦ）されると、ステップＳ１０２において、燃料電池システムを停止してからの経過時間が予め設定した一定時間を経過したか否かを判定する。前記一定時間は、燃料電池１の発電を停止してから、アノード、カソードのガス状態が安定するまでの時間（換言すると、ガスのクロスオーバーが落ち着くまでの時間）とするのが好ましく、燃料電池システムの機械的構成によって決定される。
なお、燃料電池システムの停止期間中は、遮断弁２０、パージ弁２１、封止弁２５，２６、掃気弁２８は閉じられ、圧力制御弁１０は開かれている。
【００３２】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（一定時間前）である場合には、ステップＳ１０２に戻る。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（一定時間経過）である場合には、ステップＳ１０３に進み、その時点における燃料電池１の各セルのセル電圧をセル電圧センサ１４により測定し、測定されたセル電圧を各セルの第１セル電圧値Ｖ１として制御装置３０の記憶部（図示略）に記憶する。
【００３３】
次に、ステップＳ１０４に進み、カソード掃気を実施し、燃料電池１のカソード内の流体を空気で排出し、カソード内に新たな空気を流通させる。カソード掃気は、コンプレッサ７を運転し、圧力制御弁１０を開いて行う。なお、この時点では、掃気弁２８は閉弁状態に維持され、燃料電池１のアノードは封止状態に維持される。
【００３４】
次に、ステップＳ１０５に進み、前記カソード掃気を継続しながら、燃料電池１の各セルのセル電圧をセル電圧センサ１４により再度測定し、測定されたセル電圧を各セルの第２セル電圧値Ｖ２として制御装置３０の前記記憶部に記憶する。
【００３５】
次に、ステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０３において測定された第１セル電圧値Ｖ１と、ステップＳ１０５において測定された第２セル電圧値Ｖ２と、予めテストにより求めておいた基準カソード電位Ｖｃａｂａとに基づいて、各セルのアノード電位Ｖａｎおよびカソード電位Ｖｃａを算出（推定）する（Ｖａｎ＝Ｖｃａｂａ−Ｖ２、  Ｖｃａ＝Ｖａｎ＋Ｖ１）。このようにして算出されたアノード電位Ｖａｎは、燃料電池システムを停止してから前記一定時間経過後におけるアノード電位に外ならない。
【００３６】
次に、ステップＳ１０７に進み、図４に示すアノード残留水素濃度マップを参照して、ステップＳ１０６において算出された各セルのアノード電位Ｖａｎに基づいて、各セルのアノードに残留する水素濃度（以下、アノード残留水素濃度という）を求める。なお、アノード残留水素濃度マップは、予めテストを行ってアノード電位Ｖａｎとアノード残留水素濃度との関係を求め、マップ化したものである。このマップからも分かるように、アノード電位Ｖａｎが低いほどアノード残留水素濃度は高く、アノード電位Ｖａｎが高いほどアノード残留水素濃度は低い。このようにして求めたアノード残留水素濃度は、燃料電池システムを停止してから前記一定時間経過後におけるアノード残留水素濃度に外ならない。
【００３７】
次に、ステップＳ１０８に進み、アノード掃気を許可するか否かを判断する。ここで、アノード掃気判断には２つの方法が考えられ、いずれの方法を採用してもよい。
アノード掃気判断の第１の方法は、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を算出し、この平均値に基づいて判断する方法である。図５は、この第１の方法において用いられるアノード掃気判断マップの一例であり、アノード残留水素濃度の平均値が予め設定した閾値を下回る領域を、アノード掃気の実施を許可する領域（掃気許可領域）とし、アノード残留水素濃度の平均値が前記閾値以上の領域を、アノード掃気の実施を不可とする領域（掃気不可領域）としている。
【００３８】
アノード掃気判断の第２の方法は、アノード残留水素濃度の前記平均値と、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値に基づいて判断する方法である。図６は、この第２の方法において用いられるアノード掃気判断マップの一例であり、アノード残留水素濃度の平均値が予め設定した閾値を上回り、且つ、アノード残留水素濃度の最低値が予め設定した別の閾値を上回る領域を、アノード掃気の実施を不可とする領域（掃気不可領域）とし、それ以外の領域をアノード掃気の実施を許可する領域（掃気許可領域）としている。なお、図６のマップにおいて、掃気許可領域と掃気不可領域のいずれにも属さない領域は、実際にあり得ない領域を示している。
【００３９】
ステップＳ１０８において、アノード掃気の実施不可と判断された場合には、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０８で不可と判断されてから一定時間が経過したか否かを判定する。
一方、ステップＳ１０８において、アノード掃気の実施が許可された場合には、ステップＳ１０９に進み、アノード掃気を実施する。このアノード掃気は、カソード掃気と並行して実施し、掃気弁２８と封止弁２６とパージ弁２１を開くことにより、コンプレッサ７で昇圧された空気を、アノード掃気流路２７を介して燃料供給流路１７に導入して行う。燃料供給流路１７に導入された空気は、封止弁２５が閉じられているので封止弁２５よりも上流の燃料供給流路１７には流れず、封止弁２５よりも下流へと流れていき、燃料電池１の燃料流通路５、アノードオフガス流路１８、パージ弁２１、パージ流路２２を通って希釈器１１に流入し、カソード掃気の空気と合流して希釈され、排気管２３から排出される。
【００４０】
アノード掃気を所定時間（所定流量）実施した後、コンプレッサ７を停止するとともに、パージ弁２１、封止弁２６、掃気弁２８を閉じてアノード掃気およびカソード掃気を終了し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
このようにアノード掃気制御を行うことにより、アノードに多量の水素が残っているときにはアノード掃気を実施しないようにすることができ、アノードに残留する水素が少なくなったときにアノード掃気を実施することができる。その結果、アノード掃気を適切なタイミングで実施することができ、アノード掃気の際に、固体高分子電解質膜の触媒上で水素と酸素が直接反応し前記触媒を劣化させるのを防止することができる。これにより、固体高分子電解質膜の寿命が延び、発電性能を長期に亘って維持することができる。
【００４１】
次に、図７のフローチャートに従って、ＯＣＶパージ制御を説明する。このＯＣＶパージ制御は制御装置３０によって実行される。
ステップＳ２０１では、燃料電池システムは停止（イグニッションスイッチＯＦＦ）状態である。アノード掃気制御において述べたように、燃料電池システムの停止期間中は、遮断弁２０、パージ弁２１、封止弁２５，２６、掃気弁２８は閉じられ、圧力制御弁１０は開かれている。
ステップＳ２０２において、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたか否かを判定する。
【００４２】
ステップＳ２０２における判定結果が「ＮＯ」（ＯＦＦ）である場合には、ステップＳ２０２に戻る。
ステップＳ２０２における判定結果が「ＹＥＳ」（ＯＮ）である場合には、ステップＳ２０３に進み、その時点における燃料電池１の各セルのセル電圧をセル電圧センサ１４により測定し、測定されたセル電圧を各セルの第１セル電圧値Ｖ１として制御装置３０の記憶部（図示略）に記憶する。
【００４３】
次に、ステップＳ２０４に進み、コンプレッサ７を運転し、燃料電池１のカソードに空気を供給する。なお、この時点では、掃気弁２８は閉弁状態に維持され、燃料電池１のアノードは封止状態に維持される。
【００４４】
次に、ステップＳ２０５に進み、カソードへの空気供給を継続しながら、燃料電池１の各セルのセル電圧をセル電圧センサ１４により再度測定し、測定されたセル電圧を各セルの第２セル電圧値Ｖ２として制御装置３０の前記記憶部に記憶する。
【００４５】
次に、ステップＳ２０６に進み、ステップＳ２０３において測定された第１セル電圧値Ｖ１と、ステップＳ２０５において測定された第２セル電圧値Ｖ２と、予めテストにより求めておいた基準カソード電位Ｖｃａｂａとに基づいて、各セルのアノード電位Ｖａｎおよびカソード電位Ｖｃａを算出（推定）する（Ｖａｎ＝Ｖｃａｂａ−Ｖ２、  Ｖｃａ＝Ｖａｎ＋Ｖ１）。このようにして算出されたアノード電位Ｖａｎは、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときのアノード電位に外ならない。
【００４６】
次に、ステップＳ２０７に進み、図４に示すアノード残留水素濃度マップを参照して、ステップＳ２０６において算出された各セルのアノード電位Ｖａｎに基づいて、各セルのアノードに残留する水素濃度（アノード残留水素濃度）を求める。なお、アノード残留水素濃度マップは、アノード掃気制御において用いたものと同じである。このようにして求めたアノード残留水素濃度は、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときのアノード残留水素濃度に外ならない。
次に、ステップＳ２０８に進み、ステップＳ２０７で求めたアノード残留水素濃度に基づいて、ＯＣＶパージを行う際のパージ条件、すなわちＯＣＶパージ量とＯＣＶパージ圧力を求める。
【００４７】
ＯＣＶパージ量は、例えば図８に示すＯＣＶパージ量マップを用いて求める。このＯＣＶパージ量マップでは、アノード残留水素濃度が高いほどＯＣＶパージ量が少なく、アノード残留水素濃度が低いほどＯＣＶパージ量が多くなっている。
これは、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときのアノード残留水素濃度が高いときには、ＯＣＶパージ量が少なくてもアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときにはＯＣＶパージ量を多くしないとアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができないからである。
【００４８】
また、前記アノード残留水素濃度が高いときには燃料流路内の生成水が少ないと推定されるので、ＯＣＶパージ量が少なくても生成水を排出することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときには燃料流路内の生成水が多いと推定されるので、ＯＣＶパージ量を多くしないと生成水を排出することができないからである。
なお、ＯＣＶパージ量マップを用いてＯＣＶパージ量を求める際のアノード残留水素濃度は、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を用いてもよいし、あるいは、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値であってもよい。
【００４９】
ＯＣＶパージ圧力は、例えば図９に示すＯＣＶパージ圧力マップを用いて求める。このＯＣＶパージ圧力マップでは、アノード残留水素濃度が高いほどＯＣＶパージ圧力が小さく、アノード残留水素濃度が低いほどＯＣＶパージ圧力が大きくなっている。
これは、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときのアノード残留水素濃度が高いときには、ＯＣＶパージ圧力が小さくてもアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときにはＯＣＶパージ量を多くしないとアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができないからである。
【００５０】
また、前記アノード残留水素濃度が高いときには燃料流路内の生成水が少ないと推定されるので、ＯＣＶパージ圧力が小さくても生成水を排出することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときには燃料流路内の生成水が多いと推定されるので、ＯＣＶパージ圧力を大きくしないと生成水を排出することができないからである。
なお、ＯＣＶパージ圧力マップを用いてＯＣＶパージ圧力を求める際のアノード残留水素濃度は、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を用いてもよいし、あるいは、燃料電池１の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値であってもよい。
【００５１】
ステップＳ２０８においてＯＣＶパージ条件を決定した後、ステップＳ２０９に進み、決定されたＯＣＶパージ条件にしたがってＯＣＶパージを実施する。このＯＣＶパージは、燃料電池１から電流を引かない状態で、カソードへの空気の供給を継続しながら行う。ＯＣＶパージは、遮断弁２０、封止弁２５，２６、パージ弁２１を開き、水素タンク１５から新鮮な水素を、燃料供給流路１７、燃料電池１の燃料流通路５、アノードオフガス流路１８に供給して行い、これら流路内に残留していた流体を押し出し、パージ流路２２を介して希釈器１１に排出する。希釈器１１に導入されたガスは、カソードに供給された空気と合流して希釈され、排気管２３から排出される。
ＯＣＶパージを終了すると、ステップＳ２１０に進み、発電準備完了とし、本ルーチンの実行を終了する。
【００５２】
このようにＯＣＶパージ制御を行うことにより、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときの燃料電池１のアノードのガス状態に応じて、不足なく適正にＯＣＶパージを実施することができ、その結果、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。また、短期間の燃料電池１停止後の起動時や低温起動時など燃料電池１内部のガス状態が不明な場合にも、適切なＯＣＶパージを実施することができるので、起動性が向上する。
【００５３】
なお、上述した実施例では、セル電圧測定の対象を燃料電池１の総てのセルとし、全セルのアノード電位を推定したが、燃料電池１を所定のセル積層数毎に区切ってブロック化し、各ブロック毎に設定した代表セルをセル電圧測定の対象としてセル電圧を測定し、各ブロックの代表セルのアノード電位を推定して、各ブロックの代表セルのアノード残留水素濃度を推定し、アノード残留水素濃度の平均値あるいは最低値を求め、アノード掃気判断やＯＣＶパージ条件を決定してもよい。
【００５４】
あるいは、燃料電池１の構造上、燃料電池１の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位を特定することができるので、この特定された部位のセルだけをセル電圧測定の対象とし、このセルのセル電圧に基づいてアノード電位、アノード残留水素濃度を推定し、アノード掃気判断やＯＣＶパージ条件を決定してもよい。
図１０を参照して、燃料電池１の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位について詳述する。
【００５５】
図１０は、停止中の燃料電池１内のガス状態を模式的に示したものである。図１０における左右方向はセルの積層方向であり、この積層方向に多数のセルが積層されているものとする。また、図１０において上半分はカソード部分を示し、下半分はアノード部分を示している。なお、以下の説明の都合上、燃料電池１のセルを積層方向に３つのブロックＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３に区切って説明する。
【００５６】
このように多数のセルを積層して構成された燃料電池１では、一般に、積層されたセルを貫通するように空気供給貫通路、空気排出貫通路、水素供給貫通路、水素排出貫通路（いずれも図示略）が設けられており、空気は、燃料電池１のブロックＳＴ１側の外部に設けられた空気マニホールド（図示略）から、ブロックＳＴ１側の空気供給貫通路に供給され、各セルのカソードを通過した後、空気排出貫通路に排出され、燃料電池１の外部に設置された排気マニホールド（図示略）に排出される。一方、水素は、燃料電池１の外部に設置された水素供給マニホールド（図示略）から燃料電池１の水素供給貫通路に供給され、各セルのアノードを通過した後、水素排出貫通路に排出され、燃料電池１の外部に設置された水素排出マニホールドに排出される。
【００５７】
ところで、前述したように、燃料電池システムの停止中、すなわち燃料電池１の停止中は、水素の系は、燃料供給流路１７の封止弁２５とアノードオフガス流路１８の封止弁２６が閉じているので、燃料電池１のアノード側は出入り口が閉ざされた封止状態であるのに対して、空気の系は、コンプレッサ７は停止状態であるものの、圧力制御弁１０が開いているので大気開放状態である。
【００５８】
図１０はこの状態を示しており、燃料電池１のアノードは封止状態のため新たな水素は供給されないが、カソードは大気開放状態であるので、カソードには空気マニホールドから新鮮な空気が供給可能な状態となる。
そのため、空気マニホールドに近い側（ブロックＳＴ１）では、カソードからアノードへのガスの透過量が多く、アノードに透過した酸素がアノードの水素と反応して水素が消費されるため、アノードの水素濃度は低くなり易い。
一方、空気マニホールドから遠い側（ブロックＳＴ３）では、アノードに水素が十分あるのに対して、カソードは空気マニホールドから遠く新たな空気が届きにくいため、アノードからカソードへのガスの透過が多くなる。
【００５９】
つまり、燃料電池１を停止していると、時間経過に伴って、空気マニホールドに近い側（ブロックＳＴ１側）においてアノードの水素濃度の低下が進行し、空気マニホールドから遠い側（ブロックＳＴ３）においてカソードの水素濃度の上昇が進行する。
この時点でセル電圧（第１セル電圧値Ｖ１）を測定すると、ブロックＳＴ１，ＳＴ３とも低い値を示す。
しかしながら、この後、アノードの封止状態を維持し、全ブロックＳＴ１〜ＳＴ３のカソードをコンプレッサ７の起動により新鮮な空気に置換してセル電圧（第２セル電圧値Ｖ２）を測定すると、ブロックＳＴ１ではガス状態に変化がないのでセル電圧は低いままであるが、ブロックＳＴ３ではカソードに存在していた水素が排出され空気に置き換わるので、セル電圧が高くなる。
【００６０】
このように、セル積層方向の順にセルに空気が導入されるように構成された燃料電池１では、空気マニホールドに近い側を、燃料電池１の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位として特定することができ、この部位で第２セル電圧値Ｖ２が低くなる。よって、空気マニホールドに近い側のセルの１つを特定し、このセルだけをセル電圧測定の対象とし、このセルのセル電圧に基づいてアノード電位、アノード残留水素濃度を推定し、アノード掃気判断やＯＣＶパージ条件を決定することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池
７  コンプレッサ（酸化剤導入手段）
８  空気供給流路
１４  セル電圧センサ（セル電圧測定手段）
１７  燃料供給流路（燃料流路）
１８  アノードオフガス流路（燃料流路）
２７  アノード掃気流路（酸化剤導入手段）
２８  掃気弁（酸化剤導入手段）
３０  制御装置（制御部）
【図１】
2011258466.tif 000003
【図２】
2011258466.tif 000004
【図３】
2011258466.tif 000005
【図４】
2011258466.tif 000006
【図５】
2011258466.tif 000007
【図６】
2011258466.tif 000008
【図７】
2011258466.tif 000009
【図８】
2011258466.tif 000010
【図９】
2011258466.tif 000011
【図１０】
2011258466.tif 000012