(57)【要約】【課題】本発明の少なくとも一つの実施形態は、レンジエクステンダー用の燃料電池をアイドリング状態にする際に、セル間の電圧のバラつきを抑えつつ燃料電池の高電位化保持を回避して電極触媒劣化を抑制する燃料電池装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池３と、燃料電池で発生される電力を充電する二次電池５と、を備える燃料電池装置１において、水素再循環通路３３と、水素再循環ポンプ３５と、燃料電池の発電停止状態を検出するアイドリング検出手段４５と、アイドリング検出手段によって燃料電池の停止状態を検出したとき、再循環水素の流れを制御する停止制御部４３と、を備え、停止制御部は、水素再循環ポンプによって燃料電池内部の残存水素を水素再循環通路によって循環せしめて発電消費させた後に、水素再循環ポンプによって吸気した残存水素を水素再循環通路の内部に貯蔵せしめることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備える燃料電池装置において、
前記燃料電池の燃料極出口ガスを燃料極の入口側に循環させる水素再循環通路と、
前記水素再循環通路に設けられ再循環水素を前記燃料極の入口側に圧送する水素再循環ポンプと、
前記燃料電池の発電停止状態を検出するアイドリング検出手段と、
前記アイドリング検出手段によって前記燃料電池の停止状態を検出したとき、前記再循環水素の流れを制御する停止制御部と、を備え、
前記停止制御部は、前記水素再循環ポンプによって燃料電池内部の残存水素を前記水素再循環通路によって循環せしめて発電消費させた後に、前記水素再循環ポンプによって吸気した前記残存水素を前記水素再循環通路の内部に貯蔵せしめることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記停止制御部は、
燃料電池内部の残存水素を循環せしめ残存水素で燃料電池を発電せしめる残存水素消費発電制御部と、
燃料電池内部の残存水素を前記水素再循環通路の内部に吸引して貯蔵せしめる残存水素吸引制御部と、を有すること特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以下に低下したときに、前記残存水素消費発電制御部による発電制御から前記残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下に低下したときに、前記残存水素消費発電制御部による発電制御から前記残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記アイドリング検出手段は、前記二次電池のＳＯＣを基に、前記燃料電池の発電開始後に所定のＳＯＣに達したことを検出して前記燃料電池の停止を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記水素再循環通路と燃料電池の水素排出通路との接続部に設けられた排出側３方弁と、
前記水素再循環通路と燃料電池の水素供給通路との接続部に設けられた供給側３方弁と、
前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと前記供給側３方弁との間に設けられた循環遮断弁と、を備え、
前記停止制御部は各弁の作動を制御して、前記残存水素による発電と前記残存水素の貯蔵とを制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと燃料電池の水素排出通路との間に設けられた水素再循環供給弁と、
前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと燃料電池の水素供給通路との間に設けられた循環遮断弁と、
前記水素再循環通路と前記水素排出通路との接続部より下流側の前記水素排出通路に設けられた排出弁と、
前記水素再循環通路と前記水素供給通路との接続部より上流側の前記水素供給通路に設けられた水素供給弁と、を備え、
前記停止制御部は各弁の作動を制御して、前記残存水素による発電と前記残存水素の貯蔵とを制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池装置に関し、特に電動車両の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池によって発電された電力を二次電池（駆動用バッテリ）に充電して、この二次電池の電力を駆動電力とするような、レンジエクステンダー用の燃料電池においては、燃料電池による発電によって、二次電池が所定のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ、充電状態）まで充電した後、燃料電池は発電を停止してアイドリング状態となる。
【０００３】
このアイドリング状態において燃料電池電圧が高電位を保持されると、電極触媒の劣化が促進されことから高電位化を回避することが行われており、例えば、特許文献１には、燃料電池の運転停止時の発電処理について開示されており、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少なくして発電を継続し、発電出力をバッテリに充電することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、停止中の残存水素を用いて発電消費することによって高電位保持を回避しているが、発電消費によって水素濃度を低濃度化すると、低濃度になるに伴って複数のセル毎の水素濃度のバラつきが大きくなり、発電電圧のバラつきが大きくなる傾向がある。例えば、あるセルにおいては水素欠乏状態になって発電してしまうため、水素欠乏状態の電極では電極触媒の劣化が却って促進される虞があり、燃料電池の性能低下にいたることが考えられる。
【０００６】
そこで、このような課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、レンジエクステンダー用の燃料電池をアイドリング状態にする際に、セル間の電圧のバラつきを抑えつつ燃料電池の高電位化保持を回避して電極触媒劣化を抑制する燃料電池装置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】
【０００７】
（１）前述した目的を達成するために発明されたものであって、本発明の少なくとも一つの実施形態は、燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備える燃料電池装置において、前記燃料電池の燃料極出口ガスを燃料極の入口側に循環させる水素再循環通路と、前記水素再循環通路に設けられ再循環水素を前記燃料極の入口側に圧送する水素再循環ポンプと、前記燃料電池の発電停止状態を検出するアイドリング検出手段と、前記アイドリング検出手段によって前記燃料電池の停止状態を検出したとき、前記再循環水素の流れを制御する停止制御部と、を備え、前記停止制御部は、前記水素再循環ポンプによって燃料電池内部の残存水素を前記水素再循環通路によって循環せしめて発電消費させた後に、前記水素再循環ポンプによって吸気した前記残存水素を前記水素再循環通路の内部に貯蔵せしめることを特徴とする。
【０００８】
上記構成（１）によれば、停止制御部は、水素再循環ポンプによって燃料電池内の残存水素を循環せしめて発電消費させた後に、水素再循環ポンプによって吸気した残存水素を水素再循環通路の内部に貯蔵せしめるので、最終的には水素再循環ポンプを用いて残存水素を吸気して水素再循環通路の内部に閉じ込めることによって、燃料電池内の水素濃度の低濃度化を達成する。これによって、燃料電池の高電位化を回避して電極触媒劣化を抑制することができる。
【０００９】
また、最終的に燃料電池内の残存水素を極低濃度にすることを、燃料電池による発電消費によって達成するのでなく、水素再循環通路の内部に閉じ込めることによって達成するので、低濃度になるに伴って複数のセル毎の水素濃度のバラつきが大きくなり、水素欠乏状態になるセルが発生してそのようなセルでの発電消費を続けることが却って電極触媒の劣化につながる虞を抑制できる。
【００１０】
（２）また、幾つかの実施形態では、前記停止制御部は、燃料電池内部の残存水素を循環せしめ残存水素で燃料電池を発電せしめる残存水素消費発電制御部と、燃料電池内部の残存水素を前記水素再循環通路の内部に吸引して貯蔵せしめる残存水素吸引制御部と、を有すること特徴とする。
【００１１】
上記構成（２）によれば、停止制御部は、残存水素消費発電制御部による残存水素の発電消費と、残存水素吸引制御部による残存水素の水素再循環通路の内部への貯蔵とを制御することができる。
【００１２】
（３）また、幾つかの実施形態では、前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以下に低下したときに、前記残存水素消費発電制御部による発電制御から前記残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられることを特徴とする。
【００１３】
上記構成（３）によれば、燃料電池の発電電圧が所定電圧（残存水素消費発電停止電圧）以下に低下したときに、前記残存水素消費発電制御部による発電制御から前記残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられるので、燃料電池内部の水素の極低濃度を燃料電池による発電消費によって達成するのでなく、残存水素を水素再循環通路内に閉じ込めることによって達成することができる。
【００１４】
（４）また、幾つかの実施形態では、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下に低下したときに、前記残存水素消費発電制御部による発電制御から前記残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられることを特徴とする。
【００１５】
上記構成（４）によれば、燃料電池の水素濃度が所定濃度（残存水素消費発電停止濃度）以下に低下したときに、残存水素消費発電制御部による発電制御から残存水素吸引制御部による吸引制御に切替えられるので、燃料電池内部の水素の極低濃度を燃料電池による発電消費によって達成するのでなく、残存水素を水素再循環通路内に閉じ込めることによって達成することができる。
【００１６】
（５）また、幾つかの実施形態では、前記アイドリング検出手段は、前記二次電池のＳＯＣを基に、前記燃料電池の発電開始後に所定のＳＯＣに達したことを検出して前記燃料電池の停止を検出することを特徴とする。
【００１７】
上記構成（５）によれば、二次電池のＳＯＣに基づいて燃料電池の停止状態を確実に検出することができる。
【００１８】
（６）また、幾つかの実施形態では、前記水素再循環通路と燃料電池の水素排出通路との接続部に設けられた排出側３方弁と、前記水素再循環通路と燃料電池の水素供給通路との接続部に設けられた供給側３方弁と、前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと前記供給側３方弁との間に設けられた循環遮断弁と、を備え、前記停止制御部は各弁の作動を制御して、前記残存水素による発電と前記残存水素の貯蔵とを制御することを特徴とする。
【００１９】
上記構成（６）によれば、停止制御部は、排出側３方弁と、供給側３方弁と、循環遮断弁とを制御することで、残存水素による発電と残存水素の貯蔵との切り替えを行うことができる。
【００２０】
（７）また、幾つかの実施形態では、前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと燃料電池の水素排出通路との間に設けられた水素再循環供給弁と、前記水素再循環通路の前記水素再循環ポンプと燃料電池の水素供給通路との間に設けられた循環遮断弁と、前記水素再循環通路と前記水素排出通路との接続部より下流側の前記水素排出通路に設けられた排出弁と、前記水素再循環通路と前記水素供給通路との接続部より上流側の前記水素供給通路に設けられた水素供給弁と、を備え、前記停止制御部は各弁の作動を制御して、前記残存水素による発電と前記残存水素の貯蔵とを制御することを特徴とする。
【００２１】
上記構成（７）によれば、停止制御部は、水素再循環供給弁と、循環遮断弁と、排出弁と、水素供給弁とを制御することで、残存水素による発電と残存水素の貯蔵との切り替えを行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、レンジエクステンダー用の燃料電池をアイドリング状態にする際に、セル間の電圧のバラつきを抑えつつ燃料電池の高電位化保持を回避して電極触媒劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の全体構成概要図である。
【図２】停止制御部の構成図である。
【図３】停止制御部の制御フローチャートである。
【図４】停止制御部の制御タイムチャートである。（Ａ）は燃料電池電圧、（Ｂ）は循環遮断弁の開閉状態、（Ｃ）は燃料電池Ｈ２濃度、（Ｄ）は排出側３方弁の切替え状態、（Ｅ）は供給側３方弁の切替え状態、（Ｆ）は二次電池のＳＯＣ、（Ｇ）は水素再循環ポンプの作動状態、（Ｈ）は電動車両の車速、（Ｉ）は走行出力（ＥＶ出力）をそれぞれ示す。
【図５】残存水素の制御状態を示す概念図である。（Ａ）は残存水素での発電を示し、（Ｂ）は残存水素で所定水素濃度までの発電を示し、（Ｃ）は小流量の残存水素を吸引する状態を示す。
【図６】電極触媒の劣化状態を説明する概念図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る停止制御部の制御フローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池装置の全体構成概要図である。
【図９】図８に示す燃料電池装置における停止制御部の制御フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２６】
本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１について、図１〜５を参照して説明する。
図１は、全体構成概要図であり、電動車両に搭載される燃料電池装置１を示す。この燃料電池装置１は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）３と、燃料電池３で発生される電力を充電する二次電池（駆動用バッテリ）５と、を備える。また、電動車両には、この二次電池５の電力によって駆動される図示しない駆動モータが設けられている。このように、燃料電池３は、二次電池に５を充電するために用いられる所謂レンジエクステンダー用の燃料電池として構成されている。
【００２７】
また、図１に示すように、燃料電池装置１は、燃料電池３の空気極７に酸素を供給する空気供給手段９と、燃料電池３の燃料極１１に水素を供給する水素供給手段１３と、燃料電池３の起動時（発電開始時）や停止時（発電停止時）に、空気供給手段９及び水素供給手段１３を制御して燃料電池３の起動時や停止時の運転状態を制御する制御装置１５と、を備えている。
【００２８】
燃料電池３は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と燃料極とを対設した構造を有する発電セルをセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。
また、複数の発電セルの各空気極側の触媒層に酸素である空気が供給され、各燃料極側の触媒層に燃料ガスの水素ガスが供給されるようになっている。そして、燃料極に水素ガスを供給するとともに空気極に酸素を含む空気を供給することで、水素と酸素とを化学反応させて電極間に発生する起電力として電気エネルギーを取り出す。
【００２９】
図１においては、複数の発電セルの各空気極をまとめて便宜的に空気極７として示し、複数の発電セルの各燃料極をまとめて便宜的に燃料極１１として示している。
そして、燃料電池３には、空気極７に空気を供給する空気供給通路１７が接続され、燃料極１１には、水素ガスを供給する水素供給通路１９が接続されている。
【００３０】
空気供給通路１７には、上流側に図示しないフィルタを介して外気が導入される空気コンプレッサ２１が設けられている。空気コンプレッサ２１は、制御装置１５によって、作動様態（回転速度状態）が制御されて、空気極７へ供給される空気が所定の圧力または流量になるように制御される。
以上の空気供給通路１７、及び空気コンプレッサ２１を備えて空気供給手段９が構成されている。
【００３１】
また、水素供給通路１９の上流側には、燃料ガスである水素を高圧状態で貯蔵する高圧水素タンク２３が設けられている。高圧水素タンク２３の下流側には元弁２５が設けられ、元弁２５の開閉によって水素ガスの供給と遮断とが制御される。元弁２５の下流側には、減圧弁２７が設けられ高圧水素タンク２３からの水素ガスが発電に必要な所定圧力に減圧されて、燃料極１１に供給されるようになっている。元弁２５、減圧弁２７は、制御装置１５によって制御されるようになっている。
以上の高圧水素タンク２３、水素供給通路１９、元弁２５、減圧弁２７を備えて水素供給手段１３が構成されている。
【００３２】
燃料電池３の空気極７及び燃料極１１にそれぞれ供給された空気及び水素ガスは、それぞれ一部が消費され、未使用の空気及び水素ガスは、空気排出管２９及び水素排出通路３１を介して外部（大気）に排出されるようになっている。
【００３３】
また、水素排出通路３１と水素供給通路１９を接続するように水素再循環通路３３が設けられ、燃料電池３の燃料極出口ガスを燃料極１１の入口側に循環させるようになっている。この水素再循環通路３３には燃料極出口ガスを水素供給通路１９に戻す水素再循環ポンプ３５が設けられている。
この水素再循環ポンプ３５の再循環流の下流側には、水素再循環通路３３を遮断及び開放する循環遮断弁３６が設けられている。
【００３４】
水素再循環通路３３と水素排出通路３１との接続部には排出側３方弁３７が設けられ、この排出側３方弁３７は、料極出口ガスを外部へ排出するように連通する場合（図１矢印Ａ）と、水素再循環ポンプ３５の側に導くように連通する場合（図１矢印Ｂ）とに切り替えられる（図４（Ｄ））。
【００３５】
水素再循環通路３３と水素供給通路１９との接続部には供給側３方弁３９が設けられ、この供給側３方弁３９は、高圧水素タンク２３からの水素ガスを燃料電池３の燃料極１１へ供給するように連通する場合（図１矢印Ｃ）と、水素再循環ポンプ３５の側からの再循環水素を燃料電池３の燃料極１１に導くように連通する場合（図１矢印Ｄ）とに切り替えられる（図４（Ｅ））。
【００３６】
また、図１に示すように、燃料電池３によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して、二次電池５の所定電圧に変換されて二次電池５に充電されるようになっている。
【００３７】
次に、制御装置１５について説明する。
制御装置１５は、燃料電池３の発電の起動及び停止の制御、さらに燃料電池３からの発電電力の二次電池５への供給を総合的に制御する機能を有している。そして、制御装置１５には、図１に示すように、主に停止制御部４３を有している。
【００３８】
また、制御装置１５には、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部、タイマー等が設けられている。そして、信号入力部には、二次電池５の充電状態を検出する充電状態検出手段４５からのＳＯＣの信号が入力される。
この充電状態検出手段４５はアイドリング検出手段を構成している。すなわち充電状態検出手段４５からのＳＯＣの信号に基づいて燃料電池３の発電の停止状態を検出するアイドリング検出手段を構成している。
【００３９】
その他に、燃料電池３の出力電圧を検出する電圧センサ４７からの信号、燃料電池３の水素濃度（燃料極室へ供給される水素の水素濃度）を検出する水素濃度センサ４９の信号がそれぞれ入力される。
【００４０】
停止制御部４３は、アイドリング検出手段である充電状態検出手段４５からのＳＯＣの信号に基づいて、燃料電池３の発電が停止して停止状態（アイドリング状態）を検出したとき、水素再循環通路３３内の再循環水素の流れを制御する。
すなわち、この停止制御部４３は、水素再循環ポンプ３５によって燃料電池３及び水素排出通路３１の内部に残存している残存水素を水素再循環通路３３によって循環せしめて発電消費させ、所定量の残存水素まで発電消費させた後に、水素再循環通路３３の水素再循環ポンプ３５の下流側を遮断して水素再循環ポンプ３５によって吸気した残存水素を水素再循環通路３３の内部に貯蔵せしめるようにしている。
【００４１】
以上の再循環水素の流れを制御するために、停止制御部４３には、図２に示すように燃料電池３の内部の残存水素を循環せしめ残存水素で発電せしめる残存水素消費発電制御部５１と、燃料電池３の内部の残存水素を水素再循環通路３３の内部に吸引して水素再循環通路３３の内部に貯蔵せしめる残存水素吸引制御部５３とが設けられている。
【００４２】
次に、以上の構成を有する停止制御部４３の制御について、図３の制御フローチャート、及び図４のタイムチャートを参照して説明する。
図３の制御フローチャートおいて、まずステップＳ１で、二次電池５のＳＯＣをＳＯＣ充電状態検出手段４５によって検出する。ステップＳ２で、その検出値が所定の燃料電池停止ＳＯＣである閾値Ｘ２に達するまで上昇したかを判定する（図４（Ｆ）のタイムチャートのｔ２）。燃料電池停止ＳＯＣに達していない場合にはステップＳ２の判定がＮｏとなり、ステップＳ１に戻り、達した場合には、Ｙｅｓとなって、ステップＳ３に進む。
【００４３】
図４のタイムチャートに示すように、二次電池５のＳＯＣが燃料電池稼働開始ＳＯＣである閾値Ｘ１まで低下すると燃料電池３が発電を開始して二次電池５に充電を開始する（図４（Ｆ）のタイムチャートのｔ１）。そして、燃料電池停止ＳＯＣである閾値Ｘ２に達するまで上昇すると燃料電池３の発電が停止してアイドリング状態になる（図４（Ｆ）のタイムチャートのｔ２）。
【００４４】
ステップＳ３では、排出側３方弁３７、及び供給側３方弁３９のそれぞれを水素再循環ポンプ３５の側に開く（図４（Ｄ）、（Ｅ）のタイムチャートのｔ２）。次にステップＳ４で、水素再循環ポンプ３５をＯＮにして作動を開始する（図４（Ｇ）のタイムチャートのｔ２）。
【００４５】
次に、ステップＳ５で、水素濃度センサ４９によって燃料電池３の水素濃度（燃料極室へ供給される水素の水素濃度）を検出する。そして、水素濃度の検出値が残存水素消費限界濃度Ｙ２まで低下したかを判定し、低下していない場合には、ステップＳ６でＮｏとなり、ステップＳ５に戻り、低下した場合には、ＹｅｓとなってステップＳ７に進む。
【００４６】
ステップＳ７では、循環遮断弁３６を閉じる（図４（Ｂ）のタイムチャートのｔ３）。この循環遮断弁３６を閉じることによって、燃料電池３の内部の残存水素が水素再循環通路３３の内部に吸引されて、この水素再循環通路３３の内部であって、水素再循環ポンプ３５の下流側と循環遮断弁３６との間に閉じ込められて、その水素再循環通路３３の内部に貯蔵される。
【００４７】
次に、ステップＳ８で、水素濃度の検出値が残存水素吸引限界濃度Ｙ１まで低下したかを判定し、低下していない場合には、ステップＳ８でＮｏとなり、ステップＳ５に戻り、低下した場合には、ＹｅｓとなってステップＳ９に進む。
【００４８】
ステップＳ９で、循環遮断弁３６を開き（図４（Ｂ）のタイムチャートのｔ４）、ステップＳ１０で、排出側３方弁３７の排出側を開き（図４（Ｄ）のタイムチャートのｔ４）、ステップＳ１１で、供給側３方弁３９の水素タンク側を開き（図４（Ｅ）のタイムチャートのｔ４）、そして、ステップＳ１２で、水素再循環ポンプ３５をＯＦＦにして作動を停止する（図４（Ｇ）のタイムチャートのｔ４）。
【００４９】
図４のタイムチャートでは、ｔ１において二次電池５のＳＯＣが所定の閾値Ｘ１以下になり燃料電池３が起動し、ｔ２においてＳＯＣが所定の閾値Ｘ２に達して、燃料電池３の発電が停止状態（アイドリング状態）になり残存水素による消費発電が開始され、ｔ３において残存水素の消費発電を終了して残存水素の吸引が開始され、ｔ４において残存水素の吸引が終了する。このようにして一連の停止制御が実施される。
【００５０】
図４のタイムチャートについてさらに説明する。横軸に時間経過を示し、縦軸は次の図４（Ａ）から（Ｉ）のそれぞれを示す。
図４（Ａ）は、燃料電池３からの発電電圧の変化状態を示し、実線が本実施形態における停止時の出力電圧の変化状態を示し、点線が本実施形態の停止制御を行わない比較例の停止時の出力電圧の変化状態を示す。本実施形態においては、高電位化が抑制されることを概念的に示す。
【００５１】
図４（Ｂ）は、循環遮断弁３６の開閉状態を示し、ｔ３において閉じてｔ４において開作動する。
図４（Ｃ）は、燃料電池３の水素濃度を示し、ｔ２において低下が開始され、ｔ３において残存水素消費限界濃度Ｙ２に低下し、ｔ４においてさらに低下して残存水素吸引限界濃度Ｙ１に達することが示される。
図４（Ｄ）は、排出側３方弁３７の切替え状態を示し、ｔ２からｔ４までの間において水素再循環ポンプ３５側が開くように切り替わる。
図４（Ｅ）は、供給側３方弁３９の切替え状態を示し、ｔ２からｔ４までの間においては水素再循環ポンプ３５側が開くように切り替わる。
図４（Ｆ）は、二次電池５のＳＯＣの変化状態を示す。ｔ１において、二次電池５のＳＯＣが燃料電池稼働開始ＳＯＣ（Ｘ１）に低下し、ｔ２において燃料電池停止ＳＯＣ（Ｘ２）に達することが示される。
図４（Ｇ）は、水素再循環ポンプ３５の作動状態を示し、ｔ２からｔ４までの間において作動状態に切り替わる。
図４（Ｈ）は、車速の変化状態の一例を示す。
図４（Ｉ）は、走行出力すなわち、燃料電池３からの出力電力の変化状態の一例を示す。
【００５２】
また、図５は、停止制御部４３による残存水素の流れ制御を示す概念図である。図５（Ａ）は、残存水素を水素再循環ポンプ３５によって循環させて発電させて消費する状態を示す。従って、図４（Ａ）の燃料電池の電圧で示すようにｔ２からｔ３にかけて発電した電力は、負荷である二次電池５に充電されて消費されるため低下する傾向を示す。
【００５３】
図５（Ｂ）は、残存水素で発電を続けて所定水素濃度、つまり残存水素消費限界濃度Ｙ２まで低下する状態を示す。
図５（Ｃ）は、循環遮断弁３６を閉じて水素再循環ポンプ３５によって残存水素を吸引して、水素再循環通路３３の内部に貯蔵されて残存水素吸引限界濃度Ｙ１まで低下する状態を示す。
なお、図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の状態においては、空気極７への空気供給量は空気コンプレッサ２１の回転速度が制御されて、定常発電時より少なくされる。また、図５（Ｃ）の状態においては、残存水素は残存水素吸引限界濃度Ｙ１まで低下して発電はほとんどされないため空気コンプレッサ２１は停止してもよい。
【００５４】
以上の一実施形態によれば、停止制御部４３は、二次電池５のＳＯＣの検出値に基づいて燃料電池３の停止状態を検出したとき、水素再循環ポンプ３５によって燃料電池３の残存水素を循環せしめて発電消費させた後に、水素再循環ポンプ３５によって吸気した残存水素を水素再循環通路３３の内部に貯蔵せしめるので、最終的には水素再循環ポンプ３５を用いて残存水素を吸気して水素再循環通路３３の内部に閉じ込めることによって、燃料電池３の水素濃度の低濃度化を達成している。これによって、燃料電池の高電位化を回避して電極触媒劣化を抑制することができる。
【００５５】
また、最終的に極低濃度にすることを、燃料電池３による発電消費によって達成するのでなく、残存水素を水素再循環通路３３の内部に閉じ込めることによって達成するので、低濃度になるに伴って複数のセル毎の水素濃度のバラつきが大きくなり、水素欠乏状態になるセルが発生してそのようなセルでの発電消費を続けることが却って電極触媒の劣化につながる虞を抑制できる。
【００５６】
図４（Ａ）に示すように、点線が本実施形態の停止制御を行わない比較例の停止時の出力電圧の変化状態を示し、実線が本実施形態を示し、本実施形態においては、燃料電池の発電停止時に電圧が低下して、高電位化が抑制されて電極触媒の劣化が抑制される。
【００５７】
この高電位化が電極触媒の劣化に影響を与える概念図を図６に示す。
電極触媒は、カーボン担体にＰｔ（プラチナ）ナノ粒子が担持されており、そのＰｔナノ粒子は、拡大概念図に示すようにＰｔ原子が積層した状態にある。そして、高電位保持によって、酸化が進行した状態で低電位に還元することで、Ｐｔ劣化が発生する。すなわち、酸素原子がＰｔ原子間に入り込みＰｔ原子を分離させて劣化が発生する。その結果出力性能が低下する。
本実施形態によれば、高電位化を抑制することで、劣化を抑制して出力性能の低下を抑制できる。
【００５８】
また、以上の一実施形態によれば、燃料電池３の水素濃度が所定濃度（残存水素消費限界濃度Ｙ２）以下に低下したときに、残存水素消費発電制御部５１による発電制御から残存水素吸引制御部５３による吸引制御に切替えられるので、極低濃度にすることを、燃料電池３による発電消費によって達成するのでなく、残存水素を水素再循環通路３３の内に閉じ込めることによって達成することが可能になる。
【００５９】
また、以上の一実施形態によれば、停止制御部４３が、排出側３方弁３７と、供給側３方弁３９と、循環遮断弁３６との開閉を制御することで、残存水素による発電と残存水素の貯蔵との切り替えを確実にかつ簡単に行うことができる。
【００６０】
次に、他の実施形態を、図１、３、７を参照して説明する。
この他の実施形態は、燃料電池３の水素濃度ではなく、燃料電池３の発電電圧が所定電圧（残存水素消費発電停止電圧Ｚ１）以下に低下したときに、残存水素消費発電制御部５１による発電制御から残存水素吸引制御部５３による吸引制御に切替えられることを特徴とする。図１の全体構成概要図における水素濃度センサ４９に変えて電圧センサ４７の信号に基づいての制御である。
【００６１】
図７のフローチャートに示すように、図３のフローチャートの符号Ｍで示すステップＳ５とＳ６を、ステップＳ２１とＳ２２に変えるものである。
すなわち、ステップＳ２１では、燃料電池３の出力電圧を電圧センサ４７からの信号で検出し、その電圧が残存水素消費発電停止電圧Ｚ１まで低下したかを判定し、低下していなければ電圧の検出を繰り返し、低下していれば図３のステップＳ７へと進む。
【００６２】
このような実施形態によれば、燃料電池３の発電電圧が所定電圧（残存水素消費発電停止電圧Ｚ１）以下に低下したときに、残存水素消費発電制御部５１による発電制御から残存水素吸引制御部５３による吸引制御に切替えられるので、水素濃度センサ４９を用いることなく電圧センサ４７によって制御できる。このため燃料電池３の残存水素の極低濃度化を簡単なシステムによって達成することが可能になる。その他の作用効果については図１〜５の実施形態と同様である。
【００６３】
次に他の実施形態を、図８、９を参照して説明する。
図８に示す燃料電池装置の全体構成概要図は、図１の全体構成概要図に対して、水素再循環通路３３の水素再循環ポンプ３５と燃料電池３の水素排出通路３１との間に設けられた水素再循環供給弁６１と、水素再循環通路３３と水素排出通路３１との接続部より下流側の水素排出通路３１に設けられた排出弁６３と、水素再循環通路３３と水素供給通路１９との接続部より上流側の水素供給通路１９に設けられた水素供給弁６５と、が相違し、その他の構成は同様である。
従って、図１に示す構成と同一のものについては同一符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図９のタイムチャートは、図４にタイムチャートに対して、図９（Ｃ）〜（Ｇ）が相違し、図９（Ａ）は図４（Ａ）、図９（Ｂ）は図４（Ｃ）、図９（Ｈ）は図４（Ｆ）、図９（Ｉ）は図４（Ｈ）、図９（Ｊ）は図４（Ｉ）と同一である。
【００６５】
図９（Ｃ）は、排出弁６３の開閉状態を示し、閉状態がｔ４において開作動する。
図９（Ｄ）は、循環遮断弁３６の開閉状態を示し、ｔ１において開作動しｔ３において閉じる。
図９（Ｅ）は、水素再循環供給弁６１の開閉状態を示し、ｔ１において開作動しｔ４において閉じる。
図９（Ｆ）は、水素供給弁６５の開閉状態を示し、開状態がｔ２において閉じる。
図９（Ｇ）は、水素再循環ポンプ３５の作動状態を示し、ｔ１からｔ４までの間において作動状態に切り替わる。
【００６６】
ＳＯＣがＦＣ稼動開始ＳＯＣ（Ｘ１）に達すると、水素供給弁６５は開状態で排出弁６３は閉じ状態で水素を燃料電池３に供給し、さらに水素再循環ポンプ３５を作動して燃料電池３を発電させる。ＳＯＣが上昇してＦＣ停止ＳＯＣ（Ｘ２）に達すると、停止制御が開始される。
【００６７】
すなわち、ｔ２においてＳＯＣが所定の閾値Ｘ２に達して、燃料電池３の発電が停止状態（アイドリング状態）になり残存水素による消費発電が開始され、ｔ３において残存水素の消費発電を終了して残存水素の吸引が開始され、ｔ４において残存水素の吸引が終了する。このようにして一連の停止制御が実施される。
【００６８】
この一連の停止制御は、図４のタイムチャートに示す停止制御と同様であるが、図８、９に示す他の実施形態では、図１のシステムにおける排出側３方弁３７、供給側３方弁３９を用いずに、図８に示すように水素供給弁６５、排出弁６３、水素再循環供給弁６１を用いたシステムで停止制御を達成することができる。
【００６９】
また、図８、９に示す他の実施形態においては、ＳＯＣがＦＣ稼動開始ＳＯＣ（Ｘ１）に達すると、排出弁は閉じ状態で水素再循環ポンプ３５を作動させるため、発電反応に供されずに排出される水素を再循環させて効率よく発電することができるため、図４のタイムチャートで示す一実施形態より、ＦＣ稼動開始ＳＯＣ（Ｘ１）からＦＣ停止ＳＯＣ（Ｘ２）まで短時間に効率よく達することができる。
その他の作用効果については図１〜５、図７の実施形態と同様のことがいえる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、レンジエクステンダー用の燃料電池３をアイドリング状態にする際に、セル間の電圧のバラつきを抑えつつ燃料電池３の高電位化保持を回避して電極触媒劣化を抑制できるので、電動車両の燃料電池装置への利用に適している。
【符号の説明】
【００７１】
１  燃料電池装置
３  燃料電池
５  二次電池
７  空気極
９  空気供給手段
１１  燃料極
１３  水素供給手段
１５  制御装置
１７  空気供給通路
１９  水素供給通路
２９  空気排出通路
３１  水素排出通路
３３  水素再循環通路
３５  水素再循環ポンプ
３６  循環遮断弁
３７  排出側３方弁
３９  供給側３方弁
４１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
４３  停止制御部
４５  充電状態検出手段（アイドリング検出手段）
４７  電圧センサ
４９  水素濃度センサ
５１  残存水素消費発電制御部
５３  残存水素吸引制御部
６１  水素再循環供給弁
６３  排出弁
６５  水素供給弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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