(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止の状態において、異常電位の発生を抑制するのに適切な量の水素を供給する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の発電を停止させる停止処理を実施した後、燃料電池のアノード側に残存する水素の推定量である残水素推定量が、閾値より小さい場合に、閾値と残水素推定量との差分に応じた第１供給量の水素を供給させる水素供給処理を、ｎ回（ｎは１以上の自然数）実施し、ｎ回目の水素供給処理において取得されたカソード電位が、補正条件を満たす場合に、制御部は、ｎ回目の水素供給処理における水素の供給前に、残水素推定量を減じて残水素推定量とする補正を行なう。【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、前記燃料電池にアノードガスとしての水素を供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の運転を制御する制御部と、前記燃料電池のカソード電位を計測する電位計測部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させる停止処理を実施した後、
水素供給処理であって、
前記燃料電池のアノード側に残存する水素の推定量である残水素推定量を決定することと、
前記カソード電位が上昇したことを示す補正条件が満たされる場合に、前記残水素推定量を減じる補正を行なうことと、
前記残水素推定量が、閾値より小さい場合に、あらかじめ定められた量以下の水素を、前記アノードガス供給部に供給させることと、
を含む、水素供給処理を繰り返し実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記残水素推定量が前記閾値より小さい場合に供給される水素の量は、前記閾値と前記残水素推定量との差分に応じて定められる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記補正条件は、
前記停止処理後、最初に決定された前記残水素推定量については、前記カソード電位が、前記停止処理において取得されたカソード電位より高いことであり、
前記停止処理後、２回目以降に決定された前記残水素推定量については、前記カソード電位が、前回の前記水素供給処理において取得されたカソード電位より高いことである、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記停止処理において、
前記カソードガスの供給停止後、前記閾値以下の量である第２供給量の水素を供給した後、水素の供給を停止させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
さらに、前記燃料電池のアノード側の全圧であるアノード全圧を計測する圧力計測部を備え、
前記制御部は、
予め実験的に求められた前記アノード全圧と前記アノード側に存在する水素以外の気体の分圧との関係を示すアノード側圧力情報を備え、
前記水素供給処理において取得された前記アノード全圧と、前記アノード側圧力情報とを用いて、前記残水素推定量を算出する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
ｎ回目（ｎは１以上の整数）の前記水素供給処理において推定される前記残水素推定量である第ｎ残水素推定量ＶＨｎは、ｎ＝１のとき式（１）によって算出され、ｎ≧２のとき式（２）によって算出される、燃料電池システム。
ＶＨｎ＝（（Ｐ（ｎ）−Ｐｐ）／Ｐ（ｎ））×Ｖ…（１）
ＶＨｎ＝ＶＨｎ−１−（ΔＰ／Ｐａｖ）×Ｖ…（２）
但し、前記ｎ回目の前記水素供給処理において取得された第ｎアノード全圧をＰ（ｎ）とし、前記アノード側圧力情報における第１アノード全圧Ｐ（１）に対応する水素以外の気体の分圧をＰｐとし、前記アノード側の体積をＶとし、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との差分をΔＰとし、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との平均をＰａｖとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示する技術は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える車両において、イグニッションがオフ状態の際に、燃料電池内に残留する酸素を発電によって消費する処理を含む劣化抑制処理が行なわれる技術が、開示されている（例えば、特許文献１参照）。なお、イグニッションは、本来は内燃機関の点火を意味し、燃料電池システムにおいては、必ずしも適当な用語ではない。しかしながら、当業者にとり、イグニッションスイッチといえば、車両の起動スイッチを意味するものとして長年用いられてきたものであるため、特許文献１でも、車両の起動スイッチ（ひいては、燃料電池発電開始スイッチ）としての操作子の意味で、イグニッションの語をそのまま用いているものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１３９５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池において、異常電位の発生により、電極の劣化が生じる可能性がある。本明細書では、燃料電池の発電停止の状態において、異常電位の発生を抑制するのに適切な量の水素を供給する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示される技術は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本明細書に開示される技術の一形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスとしての水素を供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の運転を制御する制御部と、前記燃料電池のカソード電位を計測する電位計測部と、を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させる停止処理を実施した後、前記燃料電池のアノード側に残存する前記水素の推定量である残水素推定量が、閾値より小さい場合に、前記閾値と前記残水素推定量との差分に応じた第１供給量の前記水素を、前記アノードガス供給部に供給させる水素供給処理を、ｎ回（ｎは１以上の自然数）実施し、ｎ回目の前記水素供給処理において取得された前記カソード電位が、補正条件を満たす場合に、前記制御部は、前記ｎ回目の水素供給処理における前記水素の供給前に、前記残水素推定量を減じて前記残水素推定量とする補正を行ない、前記補正条件は、ｎ＝１のとき、ｎ回目の前記水素供給処理において取得された前記カソード電位が、前記停止処理において取得された前記カソード電位より高いことであり、ｎ≧２のとき、ｎ回目の前記水素供給処理において取得された前記カソード電位が、（ｎ−１）回目の前記水素供給処理において取得された前記カソード電位より高いことである。
【０００７】
この形態の燃料電池システムでは、水素供給処理において取得されたカソード電位が、補正条件を満たす場合に、水素の供給前に残水素推定量を減じる補正が行なわれる。水素供給処理において水素が供給される場合は、閾値と残水素推定量との差分に応じた第１供給量の水素を供給させるため、残水素推定量を減じる補正を行なうと、補正前の残水素推定量を用いた供給量より多い水素が供給される。水素供給処理において取得されたカソード電位が、補正条件を満たす場合は、異常電位が発生する可能性がある。すなわち、燃料電池内に残存する水素が欠乏している可能性がある。上記補正により、補正しない場合より多くの水素が供給されることにより、水素の欠乏が解消される。その結果、異常電位の発生が抑制される。また、燃料電池内に残存する酸素が消費され、電極の劣化が抑制される。すなわち、この形態の燃料電池システムによれば、異常電位の発生を抑制するのに適正な量の水素が供給される。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記停止処理において、前記カソードガスの供給停止後、前記閾値以下の量である第２供給量の水素を供給した後、水素の供給を停止させてもよい。このようにすると、停止処理において水素を供給しない場合と比較して、燃料電池における水素の欠乏による異常電位の発生を、より抑制することができる。また、第２供給量が閾値以下であるため、酸素を消費させつつ、水素の供給過多による燃費の悪化を抑制することができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池のアノード側の全圧であるアノード全圧を計測する圧力計測部を備え、前記制御部は、予め実験的に求められた前記アノード全圧と前記アノード側に存在する水素以外の気体の分圧との関係を示すアノード側圧力情報を備え、前記水素供給処理において取得された前記アノード全圧と、前記アノード側圧力情報とを用いて、前記残水素推定量を算出してもよい。このようにすると、容易に、残水素推定量を算出することができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ｎ回目の前記水素供給処理において推定される前記残水素推定量である第ｎ残水素推定量ＶＨｎは、ｎ＝１のとき式（１）によって算出され、ｎ≧２のとき式（２）によって算出される、燃料電池システム。ＶＨｎ＝（（Ｐ（ｎ）−Ｐｐ）／Ｐ（ｎ））×Ｖ…式（１）。ＶＨｎ＝ＶＨｎ−１−（ΔＰ／Ｐａｖ）×Ｖ…式（２）。但し、前記ｎ回目の前記水素供給処理において取得された第ｎアノード全圧をＰ（ｎ）とし、前記アノード側圧力情報における第１アノード全圧Ｐ（１）に対応する水素以外の気体の分圧をＰｐとし、前記アノード側の体積をＶとし、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との差分をΔＰとし、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との平均をＰａｖとする。
このようにすると、より正確に残水素推定量を推定することができる。
【００１１】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した移動体、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図２】水素供給処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】カソード電位の経時変化を概念的に示す説明図である。
【図４】アノード側の水素分圧とカソード電位の経時変化を概念的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム７００を模式的に示す説明図である。燃料電池システム７００は、燃料電池６００と、ＦＣ冷却部５００と、アノードガス供給部２００と、カソードガス供給部１００と、負荷接続部８００と、制御部４００と、を備える。燃料電池システム７００は、車両の動力源として車両に搭載されるものとしてもよく、定置型の燃料電池システムとしてもよい。
【００１４】
燃料電池６００は、発電体としての単セル（不図示）を複数積層したスタック構造を有している。本実施形態では、燃料電池６００は固体高分子形燃料電池としているが、他種の燃料電池を用いてもよい。燃料電池６００の電極触媒の担体として、カーボン材料が用いられている。燃料電池６００の出力電圧は、各単セルの性能と、積層する単セルの数と、燃料電池６００の運転条件（温度や湿度等）によって変更される。本実施形態では、発電効率が最も高くなる運転ポイントで燃料電池６００を発電させたときの燃料電池６００の出力電圧は、約２８０Ｖとなっている。
【００１５】
燃料電池６００には、単セルのカソード電位を計測する電位計測部３００が、各単セルに設けられている。各電位計測部３００により計測されたカソード電位は、制御部４００に出力される。
【００１６】
ＦＣ冷却部５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池６００に供給する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。
【００１７】
アノードガス供給部２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０と、アノードガス還流管２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力計測部２７０と、アノードガスポンプ２８０と、気液分離器２９０と、排気排水弁２９５と、排気排水管２４０とを備える。本実施形態では、アノードガスとして水素を用いる例を示す。アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池６００と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力計測部２７０とがこの順に設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池６００に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力計測部２７０は、アノードガス供給管２２０内の圧力を測定する。本実施形態では、アノード側の全圧として、圧力計測部２７０の検出値を用いている。
【００１８】
アノードガス還流管２３０は、燃料電池６００とアノードガス供給管２２０とに接続され、燃料電池６００から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管２２０に還流させる。アノードガス還流管２３０には、気液分離器２９０と、アノードガスポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、燃料電池６００から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、アノードガスポンプ２８０によって駆動され、アノードガス供給管２２０に還流される。分離された液水と窒素ガスは、気液分離器２９０に接続された排気排水弁２９５と排気排水管２４０を通過してシステム外に放出される。
【００１９】
カソードガス供給部１００は、カソードガス供給管１０１と、バイパス管１０３と、カソードガス排出管１０４と、エアクリーナ１１０と、インタークーラー１２０と、分流弁１３０と、調圧弁１４０と、サイレンサー１５０と、エアコンプレッサ１６０とを備える。カソードガス供給部１００は、エアコンプレッサ１６０によって空気（カソードガス）をシステム内に取り組み、燃料電池６００に供給した後、未使用の空気（カソード排ガス）をシステム外に排出する。
【００２０】
カソードガス供給管１０１は、外部から空気を取り込んで、カソードガスとして燃料電池６００に供給する。カソードガス供給管１０１には、エアクリーナ１１０と、大気圧センサ３５０と、外気温センサ３６０と、エアフローメータ３７０と、エアコンプレッサ１６０と、インタークーラー１２０と、分流弁１３０と、供給ガス温度センサ３８０と、供給ガス圧力センサ３９０とが設けられている。エアクリーナ１１０は、上流側からカソードガスを取り込んでカソードガスから塵埃を除去し、下流側に送出する。大気圧センサ３５０は、大気圧を測定する。外気温センサ３６０は、取り込む前のカソードガスの温度を測定する。エアフローメータ３７０は、外部からカソードガス供給管１０１に内に取り込まれたカソードガスの量を測定する。エアコンプレッサ１６０は、上流側から供給されたカソードガスを圧縮して、下流側に送出する。インタークーラー１２０は、エアコンプレッサ１６０によって圧縮され、温度が上昇したカソードガスを冷却する。冷却後のカソードガスが、燃料電池６００に供給される。供給ガス温度センサ３８０は、燃料電池６００に供給されるカソードガスの温度を測定する。供給ガス圧力センサ３９０は、燃料電池６００に供給されるカソードガスの圧力を測定する。分流弁１３０は、バイパス管１０３に接続され、カソードガスを燃料電池６００と、バイパス管１０３とに分流する。
【００２１】
カソードガス排出管１０４は、燃料電池６００からカソードの排ガスを受け取って、外部に排出する。カソードガス排出管１０４には、調圧弁１４０が設けられている。調圧弁１４０の下流側のカソードガス排出管１０４には、バイパス管１０３の下流部分が接続されている。調圧弁１４０は、燃料電池６００におけるカソードガスの圧力を調整する。カソードガス排出管１０４の下流側には、アノードガス供給部２００の排気排水管２４０の下流部分が接続されている。カソードガス排出管１０４の出口の近傍には、サイレンサー１５０が設けられている。サイレンサー１５０は、カソード排ガスの排気音を減少させる。
【００２２】
負荷接続部８００は、燃料電池６００と、燃料電池システム７００外部の電気的負荷２０００との接続を切り換え可能な装置である。負荷接続部８００は、発電中において、燃料電池６００と電気的負荷２０００とを接続している。電気的負荷２０００は、例えば、二次電池や、電力消費装置（モータなど）などを含む。
【００２３】
制御部４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部４００は、圧力計測部２７０、電位計測部３００の計測信号や、燃料電池６００に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム７００が備える主止弁２５０，調圧弁２６０，排気排水弁２９５，分流弁１３０，調圧弁１４０等の弁や、エアコンプレッサ１６０、アノードガスポンプ２８０など、燃料電池６００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。また、制御部４００は、燃料電池６００における異常電位の発生を抑制するための水素供給処理（後述する）を行う。
【００２４】
図２は、水素供給処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すステップＳ１０４〜Ｓ１２２を、「水素供給処理」と呼ぶ。すなわち、図２は、水素供給処理の前に行なわれる停止処理を含めて図示している。本実施形態では、例えば、ユーザが燃料電池システム７００の起動および停止を指示するための操作子としてのパワースイッチ（不図示）を、燃料電池システム７００が備えている。燃料電池システム７００の起動中に、ユーザによりパワースイッチが押下されると、燃料電池システム７００が停止するように、燃料電池システム７００は構成されている。燃料電池システム７００の起動中に、パワースイッチが押下されると、制御部４００は、図２に示す処理を開始する。
【００２５】
ステップＳ１０２では、制御部４００（図１参照）は、停止処理を行なう。
図３は、カソード電位の経時変化を概念的に示す説明図である。本実施形態における停止処理において、制御部４００は、エアコンプレッサ１６０（図１参照）を停止して、カソードガスの供給を停止する（図３参照）。また、制御部４００は、分流弁１３０によってカソードガス供給管１０１とバイパス管１０３を接続し、調圧弁１４０を閉弁して（図１参照）、燃料電池６００のカソード流路を封止する（図３参照）。そして、アノードガスタンク２１０から第２供給量の水素を供給した後、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、排気排水弁２９５を閉弁して（図１参照）、アノード流路を封止する（図３参照）。本実施形態では、第２供給量を、後述する閾値ＴＨと同一にしている。その後、制御部４００は、負荷接続部８００を制御して、電気的負荷２０００（図１参照）を燃料電池６００から切断する（図３参照）。また、制御部４００は、停止処理において、電気的負荷２０００を切断した時のカソード電位Ｅ０を取得する。カソード電位は、全ての電位計測部３００の出力電圧の合計である。以降の説明において、電気的負荷２０００が燃料電池６００から切断された時を、「停止処理完了時」とも呼ぶ。
【００２６】
図３に示すように、制御部４００が停止処理を行なっている間に（図２のステップＳ１０２参照）、カソード電位は徐々に低下し、電気的負荷２０００が切断されると０Ｖになる。上述の通り、停止処理が開始されると、カソードガスの供給が停止されると共に、カソード流路が封止される。一方、第２供給量の水素が供給された後、アノード流路が封止される。そのため、封止されたカソードガス流路内の酸素と、供給された水素等を用いて、燃料電池６００による発電が行なわれる。その結果、燃料電池６００のカソード側に残存する酸素が消費される。
【００２７】
ステップＳ１０４（図２参照）では、制御部４００は、ｎ＝１とする。ステップＳ１０６では、制御部４００は、燃料電池６００のアノード側の残水素量ＶＨｎを推定する。本実施形態の残水素量ＶＨｎを、「残水素推定量」とも呼ぶ。残水素量ＶＨｎの算出方法については、後述する。制御部４００は、上述の停止処理（ステップＳ１０２）の完了時から、または後述のＳ１１８の処理を経てＳ１０６の処理が実行される場合には前回のＳ１０６の処理から、時間Ｔを経過した後、水素供給処理を開始する。時間Ｔを、例えば、２４時間に設定してもよい。
【００２８】
ステップＳ１０８では、制御部４００は、カソード電位Ｅｎを取得する。［カソード電位Ｅｎ］＞［カソード電位Ｅｎ−１］の場合（ステップＳ１１２においてＹｅｓ）、制御部４００は、残水素量ＶＨｎ＝０とする補正を行なう（ステップＳ１１４）。［カソード電位Ｅｎ］≦［カソード電位Ｅｎ−１］の場合（ステップＳ１１２においてＮｏ）、制御部４００は、ステップＳ１１４の補正を行なわない。本実施形態における「カソード電位Ｅｎ＞カソード電位Ｅｎ−１」を、「補正条件」とも呼ぶ。すなわち、ｎ回目の水素供給処理において取得されたカソード電位Ｅｎが、補正条件を満たす場合に、制御部４００は、ｎ回目の水素供給処理における水素の供給前に、残水素量ＶＨｎを減じて０とする補正を行なう。
【００２９】
ステップＳ１１６では、［残水素量ＶＨｎ］≦［閾値ＴＨ］の場合（ステップＳ１１６においてＹｅｓ）、制御部４００は、主止弁２５０および調圧弁２６０を制御して（図１参照）、第１供給量の水素を供給させる（ステップＳ１１８）。本実施形態では、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分を、第１供給量としている。［残水素量ＶＨｎ］＞［閾値ＴＨ］の場合（ステップＳ１１６においてＮｏ）、制御部４００は、アノードガス供給部２００に水素を供給させない。
【００３０】
本実施形態では、燃料電池６００が発電を停止した後、３日間異常電位が発生しないようにするために、燃料電池６００内に残存する必要がある水素の量として、予め、実験的に求められた量を、閾値ＴＨとして設定している。具体的には、燃料電池６００を用いて、停止処理において水素を供給せず（すなわち、カソードガスの供給停止と水素の供給停止を同時に行なう）、停止処理完了直後に、所定の供給量の水素を供給した後放置する長期放置実験を実施した。供給量を変更して、長期放置実験を実施し、３日間異常電位が発生しなかった供給量のうち、最小の供給量を閾値ＴＨとした。本実施形態では、金曜日の夜に燃料電池システム７００を停止し、土曜、日曜と燃料電池システム７００を起動せず、月曜の朝に燃料電池システム７００を起動するという起動パターンを想定し、３日間異常電位が発生しないように、水素の供給量を定めている。
【００３１】
「異常電位」とは、通常の発電状況下よりカソード電位が上昇し、カソードの劣化（すなわち、カーボンの腐食）が進行するレベルまで高くなった電極電位を言う。異常電位が発生する原因の１つは、燃料電池のアノードにおける局所的な水素欠乏と考えられている。
【００３２】
ステップＳ１１４において、制御部４００が残水素量ＶＨｎ＝０とする補正を行なった場合、残水素量ＶＨｎ≦閾値ＴＨとなるため、ステップＳ１１８において、制御部４００は、アノードガス供給部２００に水素が供給させる。第１供給量は、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分であるため、残水素量ＶＨｎ＝０とする補正を行なった場合は、第１供給量が閾値ＴＨと等しくなり、閾値ＴＨと等しい量の水素が供給される。
【００３３】
上述のパワースイッチが押下されてから２週間を経過した場合には（ステップＳ１２０においてＹｅｓ）、制御部４００は、水素供給処理を終了する。パワースイッチが押下されてから２週間を経過していない場合には（ステップＳ１２０においてＮｏ）、制御部４００は、ｎをカウントアップして、ステップＳ１０６の処理に戻る。すなわち、パワースイッチが押下されてから、２週間を経過するまで、制御部４００は、ステップＳ１０６〜Ｓ１２２（すなわち、水素供給処理）を繰り返し行なう。本実施形態において、水素供給処理は、時間Ｔ、すなわち、２４時間の間隔を空けて繰り返し行なわれる。
【００３４】
１回目の水素供給処理（すなわち、ｎ＝１）では、ステップＳ１０８において取得されたカソード電位Ｅ１が停止処理（ステップＳ１０２）において取得されたカソード電位Ｅ０より大きい場合に、残水素量ＶＨｎの補正が行なわれる。一方、２回目以降の水素供給処理（すなわち、ｎ≧２）では、ステップＳ１０８において取得されたカソード電位Ｅｎが、前回の水素供給処理（すなわち、ｎ−１回目の水素供給処理）において取得されたカソード電位Ｅｎ−１より大きい場合に、残水素量ＶＨｎの補正が行なわれる。
【００３５】
燃料電池システム７００の起動指示が入力された場合には、制御部４００は、水素供給処理（図２のＳ１０４〜Ｓ１２２参照）を終了する。例えば、燃料電池システム７００が車両に搭載されている場合に、ユーザがブレーキペダルを踏みながらパワースイッチを押下することにより、燃料電池システム７００の起動指示が入力される。すなわち、２週間を経過する前であっても、燃料電池システム７００の起動指示が入力された場合には、制御部４００は、水素供給処理（図２のＳ１０４〜Ｓ１２２参照）を終了する。そのため、停止処理の完了から１日を経過し、２日を経過する前に燃料電池システム７００に起動指示が入力されると、水素供給処理は、１回行なわれるのみで終了される。また、停止処理の完了から一日を経過する前に燃料電池システム７００に起動指示が入力されると、水素供給処理は、行なわれない。
【００３６】
図４は、アノード側の水素分圧とカソード電位の経時変化を概念的に示す説明図である。図４を用いて、本実施形態における水素供給処理を実施した場合の、燃料電池システム７００のアノード側の酸素の消費について説明する。図４は、下段においてカソード電位の経時変化を示し、上段においてアノード側の水素分圧を下段の時間軸と対応づけて示す。図４では、ｎ回目の水素供給処理（ｎは１以上の自然数）が行なわれるタイミングを、下段の時間軸に、＜ｎ＞と表示している。ここで、アノード側は、アノードガス供給管２２０（図１参照）の調圧弁２６０より下流部分と、燃料電池６００内のアノードガス流路と、アノードガス還流管２３０と、排気排水管２４０の排気排水弁２９５の上流部分で構成される。図１において、アノード側を斜線ハッチングを付して図示している。カソード側は、カソードガス供給管１０１の分流弁１３０より下流部分と、燃料電池６００内のカソードガス流路と、カソードガス排出管１０４の調圧弁１４０より上流部分で構成される。
【００３７】
図４に示す例において、停止処理の完了時、カソード側に酸素が残存しており、アノード側に水素が残存している。停止処理完了後は、電気的負荷２０００が切断されているため、燃料電池６００内の水素および酸素の電解質膜を介した移動（いわゆるクロスオーバー）により、酸素が消費される。アノード側の水素が減少する要因としては、カソード側に残存していた酸素との反応のほか、外部から燃料電池６００内に侵入した酸素との反応が考えられる。アノード側の水素が酸素の消費に用いられるため、図４の上段に示すように、アノード側の水素分圧が低下する。停止処理の完了から時間Ｔを経過した後、１回目の水素供給処理が行なわれる（図４左下の＜１＞参照）。図４に示す例では、１回目水素供給処理において、残水素量ＶＨ１が閾値ＴＨより大きいため（図２のＳ１１６：Ｎｏ）、水素が供給されない。その後、さらに、アノード側の水素が酸素の消費に使用され、アノード側の水素が欠乏した状態になると、カソード電位が上昇し始める（図４下段参照）。図４左下の＜２＞における２回目の水素供給処理において、カソード電位Ｅ２が、カソード電位Ｅ１より大きいため（図２のＳ１１２においてＹｅｓ）、残水素量ＶＨ２＝０とする補正がなされ（図２のＳ１１４参照）、閾値ＴＨと同量の水素が供給される（図４上段の（１）参照）。ユーザにより燃料電池システム７００の停止指示が入力されるまで、または、パワースイッチが押下されてから２週間を経過するまで、同様に、水素供給処理が繰り返し実施される。例えば、図４右下の＜５＞における５回目の水素供給処理では、カソード電位Ｅ５がカソード電位Ｅ４と等しいため、残水素量ＶＨ５の補正は行なわれず、残水素量ＶＨ５が閾値ＴＨより大きいため（図２のステップＳ１１６においてＮｏ）、水素の供給は行なわれない。図４右下の＜６＞における６回目の水素供給処理では、カソード電位Ｅ６がカソード電位Ｅ５と等しいため（図４下段参照。図２のＳ１１２においてＮｏ）、残水素量ＶＨ６の補正は行なわれず、残水素量ＶＨ６が閾値ＴＨより小さいため（図４上段参照。図２のステップＳ１１６においてＹｅｓ）、第１供給量（閾値ＴＨ−残水素量ＶＨ６）の水素が供給される（図２のＳ１１８参照）。
【００３８】
本実施形態において、制御部４００は、残水素量ＶＨｎを以下の式（１）および式（２）を用いて算出している（図２のＳ１０６参照）。式（１）は、１回目の水素供給処理における残水素量ＶＨｎの推定に使用される。式（２）は、２回目以降の水素供給処理における残水素量ＶＨｎの推定に使用される。
（１）１回目の水素供給処理（ｎ＝１）：
残水素量ＶＨｎ＝（（Ｐ（ｎ）−Ｐｐ）／Ｐ（ｎ））×Ｖ…（１）
但し、ｎ回目の水素供給処理において取得された第ｎアノード全圧をＰ（ｎ）とし、第１アノード全圧Ｐ（１）に対応するアノード側の水素以外の気体の分圧をＰｐとし、アノード側の体積をＶとする。
１回目の残水素量ＶＨ１は、アノード全圧と水素分圧との比を用いて推定されている。なお、上記式（１）では、水素分圧を、アノード側に存在する水素以外の気体の分圧Ｐｐを用いて算出している。アノード側に存在する水素以外の気体は、窒素、水蒸気、酸素等である。カソード側の窒素および酸素が、電解質膜を透過してアノード側に移動するためである。
（ｉ）アノード側の体積Ｖは、上述の通り、アノードガス供給管２２０（図１参照）の調圧弁２６０より下流部分と、燃料電池６００内のアノードガス流路と、アノードガス還流管２３０と、排気排水管２４０の排気排水弁２９５の上流部分とを合わせた体積であり、固定値である。
（ｉｉ）第１アノード全圧は、１回目の水素供給処理にて取得される圧力計測部２７０（図１参照）による計測値である。
（ｉｉｉ）水素以外の気体の分圧Ｐｐは、第１アノード全圧に対して、一意に定まる値である。具体的には、上記放置実験を行なう際に、アノード全圧と水素以外の気体の分圧の関係を調べておき、その結果を、アノード側圧力情報として、制御部４００に格納する。制御部４００は、第１アノード全圧に対応する水素以外の気体の分圧Ｐｐを、アノード側圧力情報を用いて導出する。アノードガス供給管２２０内のガスをガス分析計を用いて分析し、その体積比から、水素以外の気体の分圧Ｐｐを算出することができる。水素以外の気体の分圧Ｐｐを用いるのは、水素分圧を用いるより、容易であるためである。
（２）２回目以降の水素供給処理（ｎ≧２）：
残水素量ＶＨｎ＝ＶＨｎ−１−（ΔＰ／Ｐａｖ）×Ｖ…（２）
但し、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との差分をΔＰとし、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との平均をＰａｖとする。
ｎ≧２のときは、前回の残水素量ＶＨｎ−１から、消費された水素量を減じた値を、残水素量ＶＨｎとしている。消費された水素量を、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との平均Ｐａｖに対する、第ｎアノード全圧値Ｐ（ｎ）と第（ｎ−１）アノード全圧値Ｐ（ｎ−１）との差分ΔＰの比を用いて算出している。
本実施形態における残水素量ＶＨｎを、「第ｎ水素推定量ＶＨｎ」とも呼ぶ。
【００３９】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム７００では、アノード側の残水素量ＶＨｎを推定している。残水素量ＶＨｎは推定値であるため、実際の残水素量よりも多めに算出される場合がある。残水素量ＶＨｎが実際の残水素量よりも多めに算出された場合に、本実施形態のような補正処理を行なわないと、水素供給処理において、水素が供給されない場合や、水素が供給されたとしても供給量が不足する場合がある。本実施形態では、水素供給処理において、前回の水素供給処理時に取得されたカソード電位に対して、今回の水素供処理におけるカソード電位が上昇している場合には、残水素量ＶＨｎを０にする補正を行なっている（図２のＳ１１４参照）。そのため、カソード電位の上昇が検出されると、閾値ＴＨと同量の水素が供給される（図２のＳ１１８参照）。カソード電位の上昇は、アノード側の水素欠乏により生じている可能性が高いため、水素が供給されることにより、カソード電位の上昇が解消される。その結果、カソードの異常電位の発生を抑制することができ、カソードの劣化を抑制することができる。
【００４０】
また、本実施形態の燃料電池システム７００では、残水素量ＶＨｎが閾値ＴＨより少なくなると、第１供給量の水素が供給される（図２のＳ１１８参照）。第１供給量を、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分と定めており、閾値ＴＨを、３日間異常電位が発生しないために必要な水素の量と定めている。そのため、３日間異常電位が発生しないために必要な水素が、適切なタイミングで供給される。例えば、停止処理において、２週間異常電位が発生しないために必要な量の水素を、あらかじめ供給し、その後、水素を供給しない燃料電池システムの場合には、以下のような処理が行われ得る。すなわち、燃料電池システムの停止から、２週間より大幅に短い３日後に、燃料電池システム７００を起動した場合には、アノード側に多くの水素が残存しており、それらの残存水素が排出される。このような燃料電池システムに比較して、本実施形態の燃料電池システムは、水素の過剰な供給が抑制され、燃費の向上に資することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、停止処理において、第２供給量の水素が供給されている。そのため、停止処理において水素供給しない場合と比較して、燃料電池システム７００の停止後の異常電位の発生を遅らせることができる。また、第２供給量が閾値以下であるため、酸素を消費させつつ、水素の供給過多による燃費の悪化を抑制することができる。
【００４２】
Ｂ．他の実施形態：
（１）上記実施形態では、停止処理において、第２供給量の水素を供給する例を示した（図２のＳ１０２参照）。しかし、停止処理において水素を供給しなくてもよい。また、第２供給量は、一定量でもよい。さらに、第２供給量は、上記実施形態において例示した閾値ＴＨと同一の値に限定されず、１回目の水素供給処理の実施タイミングや、燃料電池システム７００の停止処理時のアノード全圧等に応じて、適宜設定可能である。
【００４３】
（２）閾値ＴＨ（図２のＳ１１６参照）、時間Ｔ（図２のＳ１０６参照）は、上記実施形態に限定されず、適宜設定可能である。閾値ＴＨを、例えば、１日異常電位が発生しないために必要な水素の量に、設定してもよい。この場合は、時間Ｔを、例えば、１２時間、６時間等、１日よりも短く設定するのが好ましい。
【００４４】
水素供給処理（図２のＳ１０４〜Ｓ１２２参照）が行われる間隔である時間Ｔとして、予め、実験的に求められた時間を定めることができる。水素供給処理が行われる間隔時間Ｔ（図２のＳ１０６参照）は、その間、カソード電位が上昇した状態にあっても、スタックの耐久要件に影響を与えない（より具体的には、電極の劣化が生じない）時間に設定される。
【００４５】
たとえば、燃料電池６００を用いて、停止処理において水素を供給せず（すなわち、カソードガスの供給停止と水素の供給停止を同時に行なう）、互いに異なる複数の時間について、放置する実験を実施する。そして、カソード電位の上昇による電極の劣化が生じなかった放置時間のうち、最大の放置時間に基づいて、時間Ｔを決定することができる。このように時間Ｔを定めることにより、水素供給処理を実行するために制御部によって消費される電力量を、低減することができる。
【００４６】
（３）図２のステップＳ１０２の停止処理完了後、ステップＳ１０６において１回目の水素供給処理を行なうまでの時間と、ステップＳ１１８の処理を経てステップＳ１０６において行われる複数回の水素供給処理の実施間隔とを、異なる時間に設定してもよい。例えば、停止処理において、水素を供給しない場合に、停止処理完了後、１回目の水素供給処理を行なうまでの時間を、複数回の水素供給処理の実施間隔よりも短く設定してもよい。
【００４７】
（４）残水素量ＶＨｎの推定方法は、上記実施形態で例示した式（１）、式（２）により方法に限定されない。例えば、ｎ≧２のときも、ｎ＝１と同様に、アノード側の水素分圧を用いて算出してもよい。また、アノード側の水素分圧を、ガス分析計を用いて得られた水素の割合から求めてもよい。また、ｎ＝１の場合に、式（２）における第（ｎ−１）回目の水素供給処理を、停止処理に置き換えて算出してもよい。
上記実施形態において、残水素推定量を減じる補正を行なうか否かを決定するための補正条件は、直前の水素供給処理で取得されたカソード電位よりもカソード電位が大きいこと、または、停止処理において取得されたカソード電位よりもカソード電位が大きいこと、である（図２のＳ１０８，Ｓ１１２参照）。しかし、残水素推定量を減じる補正を行なうか否かを決定するための補正条件は、これに限られない。たとえば、取得されたカソード電位が一定時間前のカソード電位よりも大きいことを、補正条件とすることもできる。その場合の一定時間は、水素供給処理のサイクルタイムＴよりも短いことが好ましい。
【００４８】
（５）残水素量ＶＨｎの補正方法は、上記実施形態で例示した図２のＳ１１４の方法に限定されない。例えば、今回の水素供給処理と前回の水素供給処理におけるカソード電位（図２のＳ１０８参照）の差が大きい程、残水素量ＶＨｎを多く減じるようにしてもよい。また、残水素量ＶＨｎから一定の量を減じて補正してもよいし、残水素量ＶＨｎに対して一定の割合を減じて補正してもよい。このようにしても、補正しない場合より、異常電位の発生を抑制することができる。
【００４９】
（６）上記実施形態において、第１供給量を、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分とする例を示した（図２のＳ１１８参照）。しかし、第１供給量は、これに限定されない。たとえば、第１供給量は、一定量とすることができる。ただし、第１供給量は、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分に応じて定められることが好ましい。例えば、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分と、第１供給量との関係を予め定めておき、その関係を示す第１供給量情報を制御部４００が備える態様とすることもできる。そのような態様において、制御部４００が第１供給量情報を利用して、第１供給量を定めてもよい。この場合、第１供給量として、例えば、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分に、一定量を加えた値を採用してもよいし、閾値ＴＨと残水素量ＶＨｎとの差分に、係数を乗じた値を採用してもよい。ただし、第１供給量は、あらかじめ定められた量以下の量であることが好ましい。あらかじめ定められた量は、たとえば、アノードおよびカソードを封止した状態で３日間異常電位が発生しないアノードガスの量とすることができる。
【００５０】
本開示技術は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１００…カソードガス供給部
１０１…カソードガス供給管
１０３…バイパス管
１０４…カソードガス排出管
１１０…エアクリーナ
１２０…インタークーラー
１３０…分流弁
１４０…調圧弁
１５０…サイレンサー
１６０…エアコンプレッサ
２００…アノードガス供給部
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２３０…アノードガス還流管
２４０…排気排水管
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力計測部
２８０…アノードガスポンプ
２９０…気液分離器
２９５…排気排水弁
３００…電位計測部
３５０…大気圧センサ
３６０…外気温センサ
３７０…エアフローメータ
３８０…供給ガス温度センサ
３９０…供給ガス圧力センサ
４００…制御部
５００…ＦＣ冷却部
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５７０…冷媒ポンプ
６００…燃料電池
７００…燃料電池システム
８００…負荷接続部
２０００…電気的負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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