(57)【要約】【課題】燃料電池システム停止時におけるディスチャージ処理の判断を高精度に行い、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム停止処理の一部として、燃料電池の電流の取り出しを行うディスチャージ制御部を備え、ディスチャージ制御部は、燃料電池システムの停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージ許可判断を実施し、ディスチャージ許可判断では、アノード電位Ｖａｎが第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１以下の場合に、ディスチャージを許可し、アノード電位Ｖａｎが第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１より大きい場合に、ディスチャージを許可しないことを特徴とする。【選択図】図４
2011210395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードを有する燃料電池と、
前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、
前記燃料電池システム停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行うディスチャージ制御部とを備え、
前記ディスチャージ制御部は、前記燃料電池システムの停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージ許可判断を実施し、
前記ディスチャージ許可判断では、
前記アノード電位が第１閾値以下の場合に、ディスチャージを許可し、
前記アノード電位が前記第１閾値より大きい場合に、ディスチャージを許可しないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージを許可した場合に、前記燃料電池から取り出すディスチャージ電流値を設定し、
前記ディスチャージ電流値の設定では、
前記アノード電位が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下の場合に、前記ディスチャージ電流値を第１電流値に設定し、
前記第１閾値以下であって、前記第２閾値よりも大きい場合に、前記ディスチャージ電流値を前記第１電流値よりも小さい第２電流値に設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージ実施中に、前記アノード電位が前記第１閾値よりも大きい第３閾値より大きくなった場合に、ディスチャージ中止処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ディスチャージ制御部は、前記ディスチャージ中止処理において、前記燃料電池から取り出すディスチャージ電流値が漸次減少する電流制限を設け、前記電流制限に従って前記ディスチャージ電流値を除々に低下させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ディスチャージ制御部は、前記ディスチャージ中止処理後、前記燃料流路内の燃料を排出させることを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記アノード電位測定手段は、前記燃料電池のセル電圧低下幅に基づいて、前記アノード電位を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
アノード及びカソードを有する燃料電池と、
前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムの停止制御方法であって、
前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、
前記燃料電池システム停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行うディスチャージ制御部とを備え、
前記燃料電池システムの停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージを許可するか否かを判断するディスチャージ許可判断ステップを有し、
前記ディスチャージ許可判断ステップでは、
前記アノード電位が第１閾値以下の場合に、前記ディスチャージを許可し、
前記アノード電位が前記第１閾値より大きい場合に、前記ディスチャージを許可せずに、システム停止することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、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んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガスとして水素が供給され、カソードにカソードガスとして空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を起こして発電するようになっている。
【０００３】
ところで、上述した燃料電池では、燃料電池システム停止のための前処理として、燃料電池車両のイグニッションをＯＦＦしてからシステムが完全に停止するまでの間に、ディスチャージ（放電）処理を行う場合がある。ディスチャージ処理とは、システム停止中に水素がカソードに拡散（クロスオーバー）して、次回起動時に希釈器に排出される等を抑制するために、燃料電池内に残留するアノードガスを消費する処置である。
【０００４】
しかしながら、燃料電池の内部状態によってはディスチャージ処理を行わない方が好ましい場合もある。具体的に、燃料電池ではフラッディング現象（発電に伴って生成される生成水が燃料電池内に局所的に滞留してアノードガスの供給を阻害する現象）や、アノードガス流路の流路閉塞等により、燃料電池（単位セル）の面内全体にアノードガスが行き届かない虞がある。このような状態でディスチャージ処理を行うと、要求されている発電電流に対してアノードガスが不足した状態（後述するストイキ不足）となり、燃料電池の個体高分子電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。
【０００５】
ここで、特許文献１には、アイドル停止のための前処理として、アイドル停止直前の負荷情報に応じて電圧（セル電圧）のパラメータ閾値を演算し、このパラメータ閾値と測定した電圧パラメータとを比較してアイドル停止の許可判断を行うような構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５８１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に示す方法では、燃料電池の内部状態を高精度に把握することは難しい。すなわち、セル電圧は、アノード側およびカソード側の両方の不安定要素によって変動するため、セル電圧の低下だけで燃料電池内部の状態を把握するのは困難である。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池システム停止時におけるディスチャージ処理の判断を高精度に行い、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記アノードに面する燃料流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）に燃料を供給する燃料供給手段（例えば、実施形態におけるアノードガス供給手段１２）と、前記カソードに面する酸化剤流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）に酸化剤を供給する酸化剤供給手段（例えば、実施形態におけるカソードガス供給手段１１）と、を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）において、前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段（例えば、実施形態における参照電極）と、前記燃料電池システム停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行うディスチャージ制御部（例えば、実施形態におけるディスチャージ制御部４６）とを備え、前記ディスチャージ制御部は、前記燃料電池システムの停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージ許可判断を実施し、前記ディスチャージ許可判断では、前記アノード電位が第１閾値以下の場合に、ディスチャージを許可し、前記アノード電位が前記第１閾値より大きい場合に、ディスチャージを許可しないことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載した発明では、前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージを許可した場合に、前記燃料電池から取り出すディスチャージ電流値を設定し、前記ディスチャージ電流値の設定では、前記アノード電位が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下の場合に、前記ディスチャージ電流値を第１電流値に設定し、前記第１閾値以下であって、前記第２閾値よりも大きい場合に、前記ディスチャージ電流値を前記第１電流値よりも小さい第２電流値に設定することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した発明では、前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージ実施中に、前記アノード電位が前記第１閾値よりも大きい第３閾値より大きくなった場合に、ディスチャージ中止処理を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載した発明では、前記ディスチャージ制御部は、前記ディスチャージ中止処理において、前記燃料電池から取り出すディスチャージ電流値が漸次減少する電流制限を設け、前記電流制限に従って前記ディスチャージ電流値を除々に低下させることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載した発明では、前記ディスチャージ制御部は、前記ディスチャージ中止処理後、前記燃料流路内の燃料を排出させることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載した発明では、前記アノード電位測定手段は、前記燃料電池のセル電圧低下幅に基づいて、前記アノード電位を算出することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載した発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムの停止制御方法であって、前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、前記燃料電池システム停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行うディスチャージ制御部とを備え、前記燃料電池システムの停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージを許可するか否かを判断するディスチャージ許可判断ステップを有し、前記ディスチャージ許可判断ステップでは、前記アノード電位が第１閾値以下の場合に、前記ディスチャージを許可し、前記アノード電位が前記第１閾値より大きい場合に、前記ディスチャージを許可せずに、システム停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
ここで、本願発明者は、セル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係について、以下の現象が生じることを実験により導き出した。
図９はセル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係を説明するためのグラフである。
図９（ａ）に示すように、まずセル電圧とは、アノードとカソードとの電位差（セル電圧Ｖ＝カソード電位ＥＣａ−アノード電位ＥＡｎ）である。そのため、正常時における燃料電池のセル電圧Ｖは、アノード電位ＥＡｎが約０Ｖなのでカソード電位ＥＣａとほぼ同値を示す。
【００１７】
ところが、図９（ｂ）に示すように、上述したフラッディング現象等の影響でストイキ（消費されるべき反応ガス量に対する供給される反応ガス量の割合）不足になると、アノードでは燃料が不足した状態にあるにも関わらず、アノード側から電子が取り出されてしまうこととなる。この場合、燃料電池面内において、フラッディング現象が発生して発電が不可能な非発電領域では、触媒（例えば、Ｐｔ）の溶出反応（Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ−）等により、アノード側で電子が取り出されることで、アノード電位が上昇する。
【００１８】
一方、フラッディング現象が発生していない発電領域では、アノードから透過してきた水素イオンと、酸素とが、カソード側で上述した電気化学反応を起こすことで、カソード電位も上昇する。
図１０は、アノード電位に対するカソード電位の上昇幅を示すグラフである。
具体的には、図１０に示すように、ストイキ不足によりアノード電位が上昇すると、カソード電位はアノード電位に対して所定（約０．８倍）の割合で上昇することがわかる。これにより、アノードでストイキ不足が発生している場合には、セル電圧が低下することになる。
【００１９】
ところが、図９（ｃ）に示すように、カソード側で酸化剤のストイキ不足が発生している場合には、カソード電位が低下することで、セル電圧が低下する。結果として、セル電圧の低下だけでは、燃料電池の内部状態を高精度に把握することが難しい。
【００２０】
これに対して、請求項１，７に記載した発明によれば、システム停止処理時におけるディスチャージの判断をアノード電位に基づいて行うことで、従来のようにセル電圧に基づいてディスチャージの判断を行う場合に比べて、燃料電池の内部状態（フラッディング等の発生）をより正確に検出できる。すなわち、ディスチャージ許可判断において、アノード側のストイキ不足時に特有の閾値を設定することができるので、ディスチャージ許可判断を高精度に行うことができる。
したがって、ディスチャージの判断を高精度に行うことで、燃料電池（固体高分子電解質膜）の劣化を未然に抑制できる。そして、システム停止処理中にディスチャージ処理を行うことで、燃料流路内の燃料を消費して、燃料のカソードへのクロスオーバー量を低減できる。
【００２１】
請求項２に記載した発明によれば、アノード電位が第１閾値以下であって、第２閾値よりも大きい場合に、第１電流値よりも小さい第２電流値によってディスチャージを行うことで、燃料電池の劣化進行を適切に抑制できる。
【００２２】
請求項３に記載した発明によれば、アノード電位が第３閾値よりも大きい場合に、ディスチャージ処理を中止することで、ディスチャージ処理中のアノード電位の上昇により燃料電池の劣化が開始する電位（劣化開始電位）に達するのを抑制して、燃料電池の劣化進行を適切に抑制できる。
【００２３】
請求項４に記載した発明によれば、ディスチャージ中止処理を実施する際に、電流制限に従ってディスチャージ電流値を除々に低下させることで、ディスチャージ電流値を一気に落とす場合に比べて、燃料電池にかかる負担をより軽減できる。
【００２４】
請求項５に記載した発明によれば、ディスチャージ中止処理後、燃料供給手段内の燃料の圧力を低下させることで、燃料電池システム停止期間中に燃料電池にかかる負荷を低減できる。これにより、燃料電池の劣化をより抑制できる。
【００２５】
請求項６に記載した発明によれば、アノード電位を直接測定できない場合等であっても、ディスチャージ処理の許可判断を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】ＥＣＵのシステムブロック図である。
【図３】燃料電池システムの停止制御方法を示すフローチャートである。
【図４】ディスチャージ許可判断を示すフローチャートである。
【図５】ディスチャージ処理時における時間に対する電位の関係を示すグラフである。
【図６】ディスチャージ処理時における時間に対する電位の関係を示すグラフである。
【図７】ディスチャージ処理時における時間に対する電位の関係を示すグラフである。
【図８】各セルのセル電圧を示すグラフである。
【図９】セル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係を説明するためのグラフである。
【図１０】アノード電位に対するカソード電位の上昇幅を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤）である空気を供給するためのカソードガス供給手段（酸化剤供給手段）１１と、アノードガス（燃料）である水素を供給するためのアノードガス供給手段（燃料供給手段）１２と、燃料電池２内を掃気する掃気手段１３と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）６とを主に備えている。
【００２８】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この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膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応して発電するようになっている。
【００２９】
カソードガス供給手段１１は、図示しないカソードガスの供給源から供給される、あるいは大気をカソードガスとして吸い込み、所定圧力に加圧して燃料電池２に向けて送出するエアポンプ３３を備えている。エアポンプ３３は、カソードガス供給配管２４を介して燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソードガス流路２２に接続されている。一方、カソードガス流路２２の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出配管３８が接続されている。
【００３０】
アノードガス供給手段１２は、アノードガスが充填された水素タンク３０を備えている。水素タンク３０は、アノードガス供給配管２３を介して燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノードガス流路（燃料流路）２１に接続されている。一方、アノードガス流路２１の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出配管３５が接続されている。
【００３１】
アノードガス供給配管２３には、上流側から順に、遮断弁２５、レギュレータ２８、エゼクタ２６が接続されている。
遮断弁２５は電磁駆動式のものであり、水素タンク３０からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。
【００３２】
レギュレータ２８は、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力を信号圧として、水素タンク３０から供給される高圧の水素ガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧（減圧）するものである。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ２８により調圧されたアノードガスは、エゼクタ２６を通り、燃料電池２に供給される。
【００３３】
また、アノードオフガス排出流路３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５は、途中で配管が分岐して構成されたパージガス排出配管３７を有している。パージガス排出配管３７は希釈ボックス３１に接続されている。また、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁２７が設けられている。
【００３４】
掃気手段１３は、アノードガス供給配管２３とカソードガス供給配管２４との間を接続して、アノードガス供給手段１２を掃気するための掃気配管１５を備えている。掃気配管１５には電磁駆動式の掃気弁１４が設けられている。そして、掃気弁１４を開弁した状態で、掃気配管１５を通してアノードガス供給手段１２にカソードガスを供給することで、アノードガス供給手段１２内に滞留しているアノードガスや生成水等を排出できるようになっている。
【００３５】
さらに、アノードオフガス排出配管３５の途中には、キャッチタンク４０が設けられている。キャッチタンク４０は、アノードオフガス排出配管３５を流通しているアノードオフガスと、アノードオフガスに混在している液体（生成水）とを分離して、生成水のみを貯留できるように構成されている。キャッチタンク４０には、生成水排出配管４１が接続されている。生成水排出配管４１は希釈ボックス３１に接続され、キャッチタンク４０に貯留している生成水を、希釈ボックス３１を介して燃料電池車外へ排出できるようになっている。さらに、生成水排出配管４１には電磁駆動式のドレイン弁４２が設けられている。
【００３６】
一方、空気（カソードガス）はエアポンプ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池２のカソードガス流路２２に供給される。このカソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出配管３８には燃料電池２のカソードガス流路２２におけるカソードガスの圧力（カソードガス圧力）を調整するための背圧弁３４が設けられている。
【００３７】
希釈ボックス３１は、パージガス排出配管３７から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出配管３８が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路３６から車外に排出される。なお、希釈ボックス３１には、パージガス排出配管３７から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００３８】
また、燃料電池２には、燃料電池車両の走行駆動用として用いられる電動モータ３が接続されている。燃料電池２から取り出された発電電力は、電動モータ３に供給されるようになっている。さらに、燃料電池２には、バッテリ４が接続されており、電動モータ３で使用しない余剰電力を蓄電できるようになっている。
【００３９】
また、燃料電池２には、スイッチ４３を介してディスチャージ抵抗５が接続されている。ディスチャージ抵抗５は、燃料電池２が高電位（カソード電位の高電位）に曝されて、燃料電池２が劣化するのを防止するためのものであり、スイッチ４３のオン・オフに伴って燃料電池２に接続されたり切断されたりする。燃料電池２とディスチャージ抵抗５とが接続されることにより、燃料電池２から電流の取り出し（放電）が行われる。
【００４０】
また、燃料電池２のセルには、図示しない参照電極（アノード電位測定手段）が接続されている。参照電極は、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノードの電位（アノード電位）を測定するものである。なお、参照電極としては例えば、ＤＨＥ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が用いられている。また、参照電極は、燃料電池２の各セルに対して所定数置きに設置されている。
さらに、燃料電池２には、図示しないアノード圧力計が設けられている。これは、燃料電池２内のアノードガスの圧力を測定するためのものである。
【００４１】
（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ６は、燃料電池システム１の各構成品を統括的に制御するものであり、システム停止要求判断手段４５と、ディスチャージ処理を制御するためのディスチャージ制御部４６とを有している。
【００４２】
システム停止要求判断手段４５は、燃料電池システム１の停止要求があるか否かを判断するためのものであり、具体的には、燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦになった場合にシステム停止要求有りと判断する。システム停止要求有りと判断された場合には、燃料電池システム１を完全に停止するための前処理であるシステム停止処理フローへ移行する。
【００４３】
ディスチャージ制御部４６は、システム停止要求判断手段４５による判断結果に基づいて、システム停止処理フローの一部であるディスチャージ処理を制御するものである。具体的に、ディスチャージ制御部４６は、アノード電位検出手段５１と、ディスチャージ許可判断手段５２と、電流値変更手段５３と、ディスチャージ処理手段５４とを有している。
【００４４】
アノード電位検出手段５１は、上述した参照電極により測定されたアノード電位を検出する。
【００４５】
ディスチャージ制御部４６は、第１閾値判断手段５５と、第２閾値判断手段５６と、第３閾値判断手段５７とを有している。
第１閾値判断手段５５は、アノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位に基づいて、ディスチャージ処理の許可判断を行うものである。具体的に、第１閾値判断手段５５には、ディスチャージ処理の許可判断をするためのアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１（以下、第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１という）が記憶されており、この第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１とアノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位Ｖａｎとを比較するようになっている。なお、本実施形態の第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１は、燃料電池２の劣化が開始する値（劣化開始電位Ｖ’）よりも低い値に設定している。
【００４６】
第２閾値判断手段５６には、アノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２（以下、第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２という）が記憶されており、この第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２とアノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位Ｖａｎとを比較して、ディスチャージ処理で取り出される電流値（以下、ディスチャージ電流値という）を判断するためのものである。なお、第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２は、上述した第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１に比べて低い値に設定されている。
【００４７】
第３閾値判断手段５７には、アノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３（以下、第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３という）が記憶されており、この第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３とアノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位Ｖａｎとを、ディスチャージ処理中に比較して、ディスチャージ処理を中断するか否かを判断するためのものである。なお、第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３は、第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎよりも高く、劣化開始電位Ｖ’よりも低い値に設定されている。
【００４８】
ディスチャージ処理手段５４は、第１閾値判断手段５５により、アノード電位Ｖａｎが第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１以下と判断された場合に、燃料電池２のディスチャージ処理を行うものである。なお、ディスチャージ処理手段５４には、ディスチャージ処理中に取り出す所定のディスチャージ電流値（以下、第１電流値Ｉ１という）が記憶されている。
【００４９】
電流値変更手段５３には、上述した第２閾値判断手段５６の判断結果に基づいて、ディスチャージ処理手段５４に記憶されたディスチャージ電流値を変更するものであり、ディスチャージ処理手段５４に予め記憶された第１電流値Ｉ１よりも小さい第２電流値Ｉ２が記憶されている。具体的に、第２閾値判断手段５６により、アノード電位Ｖａｎが第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２以下であると判断された場合（Ｖａ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２）には、第１電流値Ｉ１をそのまま用いる。一方、アノード電位Ｖａｎが第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２よりも大きいと判断された場合（Ｖａ＞Ｖａｎｄｏｗｎ２）には、ディスチャージ処理手段５４のディスチャージ電流値を第２電流値Ｉ２に変更するようになっている。
【００５０】
また、ディスチャージ処理の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
（１）ディスチャージ抵抗５に接続されているスイッチ４３をオンにして燃料電池２とディスチャージ抵抗５とを接続し、燃料電池２の電力を消費する。
（２）ディスチャージ抵抗５と燃料電池２とを接続しない状態で、バッテリ４に燃料電池２の電力を蓄電したり、電動モータ３に電力を供給し、燃料電池２の電力を電動モータ３によって消費させたり、オーディオ、ライト等の電力消費デバイスに消費させたりする。
【００５１】
（１）の方法のように、ディスチャージ抵抗５を用いて燃料電池２の電力を消費する場合にあっては、例えば、バッテリ４等の蓄電量を監視することなく、燃料電池システム１から独立した形でディスチャージを実行できる。
【００５２】
（燃料電池システムのシステム停止処理方法）
次に、上述した燃料電池システム１によるシステム停止処理方法について説明する。図３は燃料電池システムのシステム停止処理方法を示すフローチャートである。
図３に示すように、まず燃料電池車両のイグニッションをＯＦＦすると、システム停止要求判断手段４５によりシステム停止要求有りと判断され、システム停止処理フローへと移行する（ステップＳ１）。
【００５３】
システム停止処理では、まずステップＳ２においてバッテリ４に電力を蓄電する。具体的には、イグニッションＯＦＦ後もカソードガス及びアノードガスの供給を燃料電池２に供給し続け、燃料電池２で発電を行うことでバッテリ４を次回起動が可能なＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）、または通常ＳＯＣまで充電する。
【００５４】
バッテリ４が所定量充電された時点で、ステップＳ３において、遮断弁２５を閉弁してアノードガスの供給を停止する。これにより、燃料電池２での発電が停止する。
【００５５】
次に、ステップＳ４において、必要に応じて掃気する。
【００５６】
ここで、ステップＳ５において、ディスチャージ制御部４６により、ディスチャージ処理の許可判断を行う。
【００５７】
図４は、ディスチャージ許可判断を説明するためのフローチャートである。
図４に示すように、ステップＳ１１において、第１閾値判断手段５５は、アノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位Ｖａｎが、第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１よりも大きいか否かを判断する。
【００５８】
ステップＳ１１における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ１）、上述したようにストイキ不足によりアノード電位が上昇して、燃料電池２（固体高分子電解質膜）の劣化に繋がる虞がある。そのため、この場合にはディスチャージ処理を行わず、ステップＳ１２に進む。
一方、ステップＳ１１における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ１）、ディスチャージ処理が可能な所望の範囲（例えば、劣化開始電位Ｖ’より低い範囲）にアノード電位が収まっていると判断して、ステップＳ１３に進む。
【００５９】
続いて、ステップＳ１３において、第２閾値判断手段５６は、アノード電位検出手段５１により検出されたアノード電位Ｖａｎが、第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２よりも大きいか否かを判断する。
まず、ステップＳ１３における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２）、ステップＳ１４に進む。
一方、ステップＳ１３における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ２）には、ステップＳ１５に進んで、ディスチャージ電流値の変更処理を行う。
【００６０】
ここで、本願発明者は、ディスチャージ処理時におけるアノード電位及びカソード電位の関係について、以下の現象が生じることを実験により導き出した。
図５〜図７は、ディスチャージ処理時における時間に対する電位（アノード電位及びカソード電位）の関係を示すグラフである。なお、図５はディスチャージ処理開始時におけるアノード電位Ｖａｎが約０Ｖの時、図６は０＜Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２の時、図７はＶａｎｄｏｗｎ２＜Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ１の時を示している。また、図中における破線領域ＤＣＨＧは、ディスチャージ処理を行っているディスチャージ区間を示し、また図中破線はアノード電位を示し、実線はカソード電位を示している。なお、以下の説明では、ディスチャージ区間ＤＣＨＧ中において、全て場合において同等のディスチャージ電流値（第１電流値Ｉ１）で取り出している。
【００６１】
図５に示すように、燃料電池２の正常時、すなわちアノード電位Ｖａｎが約０Ｖの状態でディスチャージ処理を行った場合には、ディスチャージ区間ＤＣＨＧにおいても、アノード電位にほとんど変化はなく、良好なディスチャージ処理が行われた。
一方、図６に示すように、アノード電位Ｖａｎが０＜Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２の状態で、ディスチャージ処理を行うと、ディスチャージ区間ＤＣＨＧ中において、時間経過とともにアノード電位Ｖａｎの上昇が見られた。これは、ディスチャージ処理により発生する生成水がアノードガス流路２１に滞留し始めているためと考えられる。
また、図７に示すように、アノード電位ＶａｎがＶａｎｄｏｗｎ２＜Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ１の状態で、ディスチャージ処理を行うと、ディスチャージ区間ＤＣＨＧ中において、時間経過とともにアノード電位Ｖａｎが急上昇して、劣化開始電位Ｖ’を上回っている。その結果、最終的にはアノード電位Ｖａｎがカソード電位を上回り、陽極と陰極とが逆転し（いわゆる転極）、燃料電池２が劣化する虞があった。
【００６２】
このように、ステップＳ１１での判断結果がＶａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ１の場合であっても、Ｖａｎｄｏｗｎ２＜Ｖａｎの場合には、通常のディスチャージ処理と同等のディスチャージ電流値を取り出してしまうと、ディスチャージ処理中にアノード電位が上昇して、燃料電池２（固体高分子電解質膜）が劣化する虞があった。
【００６３】
そこで、図４に戻り、ステップＳ１３における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ２）には、ステップＳ１５に進んで、ディスチャージ電流値の変更処理を行う。具体的に、ステップＳ１５において、電流値変更手段５３は、ディスチャージ処理手段５４によるディスチャージ電流値を、第１電流値Ｉ１から第２電流値Ｉ２に変更し、ステップＳ１４に進む。
【００６４】
次に、ステップＳ１４において、ディスチャージ処理手段５４は、設定されたディスチャージ電流値に基づいて、上述したディスチャージ方法（１），（２）により燃料電池システム１のディスチャージ処理を行う。具体的に、上述したステップＳ１３において、Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２と判断された場合には、ディスチャージ処理手段５４に予め記憶された第１電流値Ｉ１をそのまま用いる。一方、Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ２と判断されたには、上述したステップＳ１５で電流値変更手段５３により変更された第２電流値Ｉ２を用いる。
【００６５】
次に、ステップＳ１６において、第３閾値判断手段５７は、ディスチャージ処理中のアノード電位Ｖａｎが、第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３よりも大きいか否かを判断する。これは、ディスチャージ処理に伴うアノード電位Ｖａｎの変化を検出するためのものである。具体的に、燃料電池２の面内が広い場合等は、参照電極によって面内全体のアノード電位を完全に計測できない場合がある。すなわち、ステップＳ１１でアノード電位の上昇を判断できなかった場合であっても、参照電極による検出範囲外でフラッディング現象等が発生している場合がある。そして、ディスチャージ処理を行っていると、検出範囲外に滞留していた生成水等が参照電極の検出範囲内まで移動し、検出範囲のアノード電位が上昇する可能性がある等が考えられる。
【００６６】
そこで、ステップＳ１６における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ３）、ディスチャージ処理によりアノード電位Ｖａｎが上昇し、劣化開始電位Ｖ’に達する虞があると判断して、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、ステップＳ１１，Ｓ１６の判断結果（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ１，Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ３）に基づいて、燃料電池２（固体高分子電解質膜）の劣化に繋がる虞があると判断してディスチャージ処理を中止する。
具体的に、ステップＳ１１において「ＹＥＳ」と判断された場合には、ディスチャージ処理を行わずにステップＳ１８に進む。
一方、ステップＳ１６において「ＹＥＳ」と判断された場合には、ディスチャージ電流値をゼロに落とし、ディスチャージ処理を中断して、ステップＳ１８に進む。なお、ディスチャージ電流値は、ステップＳ１２において一気にゼロに落としても構わないが、所定の割合で電流を降下させる電流制限を設け、この電流制限に従って徐々にディスチャージ電流値を落としても構わない。後者の場合には、ディスチャージ電流値を一気に落とす場合に比べて、燃料電池２にかかる負担を軽減できる。
【００６７】
ステップＳ１８では、アノードガス供給手段１２内のアノードガスの圧力を低下させるために、パージ弁２７を開弁し、アノードガス供給手段１２やアノードガス流路２１内のアノードガスや、生成水、不純物ガス等を、排出通路３６から車外に排出して、ディスチャージ許可判断のサブルーチンを終了する。
【００６８】
ステップＳ１６における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ３）、劣化開始電位Ｖ’に達する虞はないと判断してステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７では、ディスチャージ処理の終了許可判断を行う。具体的に、上述したアノード圧力計によるアノード内のアノードガスの圧力が所定圧以下になった場合に終了と判断する。
【００６９】
そして、ステップＳ１７における判断結果が「ＮＯ」の場合、アノード内のアノードガスの圧力が所定の圧力まで下がっていないと判断して、ディスチャージ処理を継続する。そして、上述したステップＳ１６の判断を繰り返す。
ステップＳ１７における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、ディスチャージ処理の開始時からアノード内のアノードガスの圧力が所定の圧力以下まで低下したと判断してディスチャージ処理を終了する。これにより、ディスチャージ許可判断のサブルーチンを終了する。
【００７０】
図３に戻り、ステップＳ５のディスチャージ処理が終了すると、ステップＳ６に進む。
そして、ステップＳ６においてエアポンプ３３を停止し、ステップＳ７において燃料電池システム１のシステムが完全に停止する。
以上により、燃料電池システムの停止制御フローを終了する。
【００７１】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、システム停止処理として、Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ１の場合には、燃料電池２のディスチャージ処理を行い、Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ１よりも大きい場合には、ディスチャージ処理を行わない構成とした。
本実施形態の構成によれば、ディスチャージ処理の判断をアノード電位Ｖａｎに基づいて行うことで、従来のようにセル電圧に基づいてディスチャージ処理の判断を行う場合に比べて、燃料電池２の内部状態（フラッディング等の発生）をより高精度に検出できる。すなわち、ディスチャージ処理の許可判断において、アノード側のストイキ不足時に特有の閾値を設定することができるので、ディスチャージ処理の許可判断を高精度に行うことができる。
したがって、ディスチャージ処理の判断を高精度に行い、燃料電池２（固体高分子電解質膜）の劣化を未然に抑制できるので、燃料電池２の劣化に伴う燃費悪化を抑制できる。そして、システム停止処理中にディスチャージ処理を行うことで、アノードガス流路２２内のアノードガスを消費して、アノードガスのカソードへのクロスオーバー量を低減できる。
【００７２】
しかも、本実施形態では、Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ２の場合には、第１電流値Ｉ１をそのまま用いる一方、Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ２の場合には、ディスチャージ電流値を第２電流値Ｉ２に変更する構成とした。
この構成によれば、アノード電位Ｖａｎが第２閾値Ｖａｎｄｏｗｎ２よりも大きい場合に、ディスチャージ電流値を正常時よりも小さく設定することで、ディスチャージ処理中のアノード電位の上昇を抑制できる。これにより、燃料電池２の劣化進行を適切に抑制できる。
【００７３】
さらに、Ｖａ＞Ｖａｎｄｏｗｎ３の場合に、ディスチャージ処理を中止することで、アノード電位Ｖａｎが劣化開始電位Ｖ’に達するのを防止して、燃料電池２の劣化を抑制できる。
また、ディスチャージ処理を中止する際に、アノードガス供給手段１２内のアノードガスの圧力を低下させることで、システム停止期間中に燃料電池２にかかる負荷をより低減できる。これにより、燃料電池２の劣化進行をより適切に抑制できる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、所定数のセル置きに参照電極を設置する場合について説明したが、各セル毎に参照電極を設置しても構わない。これにより、各セルのアノード電位を高精度に検出できる。
また、上述した実施形態では、第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３を第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１よりも高く設定したが、これに限らず、第１閾値Ｖａｎｄｏｗｎ１と第３閾値Ｖａｎｄｏｗｎ３とを同値に設定しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、アノード電位Ｖａｎに応じて２パターンのディスチャージ電流値を切り替える場合について説明したが、これに限らず３パターン以上設定しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
【００７５】
また、上述した実施形態では、参照電極を用いて、参照アノード電位に対するアノード電位を直接測定する場合について説明したが、これに限られない。
具体的には、図１０に示すように、ストイキ不足によりアノード電位が上昇すると、上述したようにアノード電位がＶＬ以下の範囲では、カソード電位はアノード電位に対して所定（約０．８倍）の割合で上昇することがわかる。これにより、アノードでストイキ不足が発生している場合には、セル電圧が低下することになる。
一方、アノード電位がＶＬ以上の範囲では、アノード電位が上昇しても、カソード電位は変化しなくなっている。すなわち、ストイキ不足の状態では、カソードでの発電に限界があり、アノード電位の上昇に対するカソード電位の上昇幅が限界値ＶＨまで達すると、カソード電位が変化せずにアノード電位のみが上昇することになる。この状態になると、カソード電位とアノード電位との差であるセル電圧は、急激に降下していくことになる。これら現象を利用して、セル電圧の低下幅に基づいてアノード電位を算出することも可能である。
【００７６】
図８は、各セルのセル電圧を示すグラフである。
すなわち、図８に示すように、まず燃料電池２の各セルのセル電圧を測定し、各セル電圧から燃料電池２の平均セル電圧（各セルの合計セル電圧／セルの積層枚数）Ｖｓを算出する。そして、算出した平均セル電圧Ｖｓと各セルのセル電圧との差により、各セルの電圧低下幅ＶＤを算出する。なお、破線Ｖｐは、アノード電位が高電位（ストイキ不足の虞がある）になっているセルＣ１のセル電圧である。
【００７７】
次に、アノード電位検出手段５１に、電圧低下幅ＶＤに対するアノード電位の関係を有するマップを記憶させておく。具体的には、上述した図１０のグラフにおいて、アノード電位とカソード電位との差からアノード電位とセル電圧の低下幅との関係を算出し、マップとして記憶させておく。そして、電圧低下幅ＶＤを算出した際に、算出した電圧低下幅ＶＤに基づいてアノード電位Ｖａｎを求める。そして、アノード電位検出手段５１により求めたアノード電位に基づいてディスチャージ処理の許可判断を行う。
この構成によれば、例えば参照電極が故障した場合等、アノード電位を直接測定できない場合であっても、ディスチャージ処理の開始許可の判断を高精度に行うことができる。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池スタック（燃料電池）  １１…カソードガス供給手段（酸化剤供給手段）  １２…アノードガス供給手段（燃料供給手段）  ２１…アノードガス流路（燃料流路）  ２２…カソードガス流路（酸化剤流路）  ２７…パージ弁（パージ手段）  ４６…ディスチャージ制御部  
【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】
2011210395.tif 000008
【図７】
2011210395.tif 000009
【図８】
2011210395.tif 000010
【図９】
2011210395.tif 000011
【図１０】
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