(57)【要約】【課題】システムの停止時に、短時間に、かつ、劣化が少ない状態で酸化剤極に存在する酸化剤ガスの消費動作を行う。【解決手段】制御部３１は、システムの停止時に実行する停止制御として、燃料電池スタック１の燃料極に水素を供給し、かつ、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスの供給を停止した状態で、燃料電池スタック１の状態に応じて電流取出部３０を制御する。これにより、この電流取出部３０が取り出す電流に応じて燃料電池スタック１の酸化剤極における酸化剤ガスを消費させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する燃料電池と、
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流路と、前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを含む酸化剤ガス系と、
前記燃料電池の燃料極から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路を含む燃料ガス系と、
前記酸化剤ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、前記酸化剤ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制する酸化剤系規制手段と、
前記燃料ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、前記燃料ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制する燃料系規制手段と、
前記燃料電池から電流を取り出す電流取出手段と、
前記酸化剤系規制手段と、前記燃料系規制手段と、前記電流取出手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、システムの停止時に実行する停止制御として、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給し、かつ、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスの供給を停止した状態で、前記燃料電池の状態に応じて前記電流取出手段を制御することにより、当該電流取出手段が取り出す電流に応じて前記燃料電池の酸化剤極における酸化剤ガスを消費させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記電流取出手段が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、当該設定された電流取出速度に基づいて、前記燃料電池の電圧が負とならない範囲において前記電流設定値を増加させるとともに、
前記燃料電池の電圧の低下速度である電圧変化速度が、前記燃料電池の燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値以上の場合には、前記電圧変化速度が前記判定値よりも小さくなるように、前記電流取出速度を減少させることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料ガス系に設けられており、前記燃料極から排出された燃料ガスを、自己の動作量に応じて、前記燃料極の燃料ガスの供給側へと循環させる循環手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記電流取出手段が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、当該設定された電流取出速度に基づいて、前記燃料電池の電圧が負とならない範囲において前記電流設定値を増加させるとともに、
前記燃料電池の電圧の低下速度である電圧変化速度が、前記燃料電池の燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値以上の場合には、前記電圧変化速度が前記判定値よりも小さくなるように、前記循環手段の動作量を増加させることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料ガス系に設けられており、前記燃料極に供給される燃料ガスの圧力を調整する調圧手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記電流取出手段が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、当該設定された電流取出速度に基づいて、前記燃料電池の電圧が負とならない範囲において前記電流設定値を増加させるとともに、
前記燃料電池の電圧の低下速度である電圧変化速度が、前記燃料電池の燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値以上の場合には、前記電圧変化速度が前記判定値よりも小さくなるように、前記調圧手段によって前記燃料極に供給される燃料ガスの圧力を増加させることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出される電圧がゼロボルトを維持するように、前記電流取出手段が取り出す電流の制御指示値である電流設定値を設定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の燃料極へ供給される燃料ガスの圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料ガスの圧力を検出する第２の圧力センサとをさらに有し、
前記制御手段は、前記第１の圧力センサによって検出される圧力と、前記第２の圧力センサによって検出される圧力との圧力差を算出し、当該算出された圧力差に基づいて、前記電流取出手段が前記燃料電池から取り出す電流の制御指示値である電流設定値を設定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の燃料極へ供給される燃料ガスの流量を検出する第１の流量センサと、
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料ガスの流量を検出する第２の流量センサとをさらに有し、
前記制御手段は、前記第１の流量センサによって検出される流量と、前記第２の流量センサによって検出される流量との流量差を算出し、当該算出された流量差に基づいて、前記電流取出手段が前記燃料電池から取り出す電流の制御指示値である電流設定値を設定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、システムの停止時に実行される停止制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、システム起動時に、酸化剤極および燃料極の両者に空気が存在している場合、燃料極側に存在する空気と新たに供給される水素との境界面である水素フロントの存在によって燃料電池スタックが劣化してしまう可能性がある。具体的には、燃料極側において水素フロントが存在する場合、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、以下の反応が生じる。
【０００３】
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
この反応により、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタックを劣化させてしまう。そのため、このような劣化を抑制した種々の起動手法が開発されているが、起動時の劣化の原因が酸化剤極および燃料極の両者に空気が存在していることという点に鑑みれば、停止時に何らかの処置を行うことにより、起動時の劣化を抑制することも考えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池の停止方法が開示されている。かかる方法では、燃料電池と接続する負荷の接続を解除し、酸化剤極への空気の流れを停止し、燃料電池内の酸素と水素を反応させることにより、酸素が燃料極と酸化剤極の中に残らなくなり、かつ、燃料極と酸化剤極の中の気体組成が少なくとも０．０００１％の水素と残部の燃料電池不活性ガスとから成る平衡気体組成に達するまで、酸化剤極の中に残っている酸素の濃度を低下させ、かつ、燃料電池内の水素の濃度を上昇させる。そして、平衡気体組成に到達すると、システムが停止されている間、少なくとも０．０００１％の水素と残部の燃料電池不活性ガスとから成る気体組成が維持される。
【特許文献１】特表２００５−５１８６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、停止時に酸化剤極の酸素を消費させることは、起動時の劣化を抑制するための手法として有効であるものの、この酸素の消費の際にも、燃料電池に生じる劣化を低減してこれを行うことが重要となる。また、エネルギー効率の観点からみれば、不要にエネルギーを費やすことなく、短時間で酸素の消費を行うことが重要である。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システムの停止時に、短時間に、かつ、劣化が少ない状態で酸化剤極に存在する酸化剤ガスの消費動作を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、酸化剤ガス系と、燃料ガス系と、燃料ガス系と、酸化剤系規制手段と、燃料系規制手段と、電流取出手段と、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する。酸化剤ガス系は、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流路と、酸化剤極から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを含む。燃料ガス系は、燃料電池の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路を含む。酸化剤系規制手段は、酸化剤ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、酸化剤ガス系から燃料電池への外気の進入を規制する。燃料系規制手段は、燃料ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、燃料ガス系から燃料電池への外気の進入を規制する。電流取出手段は、燃料電池から電流を取り出す。制御手段は、酸化剤系規制手段と、燃料系規制手段と、電流取出手段とを制御する。この場合、制御手段は、システムの停止時に実行する停止制御として、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給し、かつ、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスの供給を停止した状態で、燃料電池の状態に応じて電流取出手段を制御することにより、この電流取出手段が取り出す電流に応じて燃料電池の酸化剤極における酸化剤ガスを消費させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料極に燃料ガスを供給した状態で、燃料電池から電流を取り出すことにより、酸化剤極に存在する酸素を消費することができる。この際、燃料電池の状態に応じて電流を取り出すことにより、余分な時間やエネルギーを費やすことを抑制することができるので、短時間かつ燃料電池の劣化が起こり難い状態で、酸化剤極における酸化剤ガスの消費を行うができる。また、停止時に酸化剤極の酸化剤ガスを消費することにより、燃料電池の起動時に酸化剤極に存在する酸化剤ガス量を低減することができるので、起動時の劣化を有効に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含む空気）を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載して使用される。
【００１０】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。
【００１１】
水素系１０において、燃料ガスである水素は、燃料供給装置（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク１１）から、水素供給流路Ｌ10を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１下流の水素供給流路Ｌ10には水素供給弁１２が設けられており、この水素供給弁１２が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１３によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素供給弁１２は、燃料電池スタック１への水素供給の必要性に応じて、後述する制御装置３によってその開閉状態が制御され、また、水素調圧弁１３は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、制御装置３によってその開度が制御される。
【００１２】
燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素循環流路Ｌ11へと排出される。この水素循環流路Ｌ11は、他方の端部が水素調圧弁１３よりも下流側の水素供給流路Ｌ10に接続されている。水素循環流路Ｌ11には、例えば、水素循環ポンプ１４およびエゼクタ１５といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、水素の燃費向上を図ることができる。
【００１３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系１０におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ11には、水素系１０内のガスを外部に排出する水素排出流路Ｌ12が接続されている（すなわち、水素循環流路Ｌ11の一部は、燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ12としても機能する）。水素排出流路Ｌ12には、パージ弁１６が設けられており、このパージ弁１６の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ11を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１６の開閉状態は、制御装置３によって、燃料電池スタック１の運転状態に応じて制御される。例えば、パージ弁１６は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられるといった如くである。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。
【００１４】
また、本実施形態の特徴の一つとして、このパージ弁１６は、自己の動作状態、すなわち、その開閉状態に応じて流路を開閉することにより、水素排出流路Ｌ12から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入を規制する機能を担っている。ここで、水素供給流路Ｌ10の上流側には水素供給装置が存在していることに鑑みれば、水素系１０から燃料電池スタック１へと進入する空気の要因は、水素排出流路Ｌ12の開放端のみとなる。換言すれば、このパージ弁１６は、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する水素系規制手段として機能する。なお、本実施形態では、このパージ弁１６を以下「水素系出口弁１６」という。
【００１５】
空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって取り込まれて加圧されると、この加圧状態の空気が、空気供給流路Ｌ20を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ21を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ21には、空気調圧弁２２が設けられている。空気調圧弁２２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御装置３によって制御される。
【００１６】
本実施形態の特徴の一つとして、空気系２０には、この空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する酸化剤系規制手段が設けられており、この酸化剤系規制手段は、空気系入口弁２３と空気系出口弁２４とで構成される。
【００１７】
空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ20に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉することにより、空気供給流路Ｌ20から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。また、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ21に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉することにより、空気排出流路Ｌ21から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。空気系入口弁２３と空気系出口弁２４との間の空間の体積が最小となるようにとの観点から、空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ20において燃料電池スタック１の直上に設けられており、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ21において燃料電池スタック１の直下に設けられている。そのため、空気供給流路Ｌ20に備えられている種々の要素のうち、空気系入口弁２３が最も燃料電池スタック１に近い位置にレイアウトされ、この空気供給流路Ｌ20は空気系入口弁２３と燃料電池スタック１との間に配管以外の部品を備えていない格好となっている。また、空気排出流路Ｌ21に備えられている種々の要素のうち、空気系出口弁２４が最も燃料電池スタック１に近い位置にレイアウトされ、この空気排出流路Ｌ21は空気系出口弁２４と燃料電池スタック１との間に配管以外の部品を備えていない格好となっている。
【００１８】
制御装置３は、電流取出部３０と、制御部３１とを主体に構成されている。電流取出部３０は、制御部３１によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出す。電流取出部３０によって取り出された電流は、二次電池２等の負荷手段に供給される。制御部３１は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。本実施形態との関係において、制御部３１は、システムの停止時に実行する停止制御として、電流取出部３０が電流を取り出す際の電流値または電圧値を制御し、また、水素系出口弁１６、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の開閉状態を制御する。制御部３１には、燃料電池システムの運転状態を検出するために、各種センサからの検出信号が入力されている。
【００１９】
図２，３は、電圧センサ３２の説明図である。電圧センサ３２は、燃料電池スタック１の電圧を検出するセンサである。図２（ａ）に示すように、電圧センサ３２は、燃料電池スタック１を構成する個々の発電セル１ａの電圧をそれぞれ検出する。ただし、電圧センサ３２としては、図２（ｂ）に示すように、複数の発電セル１ａからなるセルユニットを検出単位として、それぞれのセルユニットの電圧を検出してもよい。また、これらの電圧センサ３２から得られる電圧値の総和から、燃料電池スタック１の総体的な電圧を検出することもできる。
【００２０】
さらに、個々の発電セル１ａの電圧状態を正確にモニタリングする場合には、図３（ａ）に示すように、個々の発電セル１ａを対象として、複数箇所、例えば、燃料ガスである水素の流れに対向する両端（すなわち、水素の供給側と排出側）に電圧センサ３２をそれぞれ設けてもよい。また、この場合、電圧センサ３２としては、図３（ｂ）に示すように、セルユニットを検出単位として、それぞれのセルユニットの複数箇所に電圧センサ３２を設けてもよい。
【００２１】
水素圧力センサ３３は、水素供給流路Ｌ10に設けられており、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出するセンサである。空気圧力センサ３４は、空気供給流路Ｌ20に設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出するセンサである。空気流量センサ３５は、空気供給流路Ｌ20を流れる空気の流量を検出するセンサである。
【００２２】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて実行される停止制御について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態にかかる停止制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、車両のイグニッションスイッチのオフといったように、システムの停止を指示する信号の入力に対応して制御部３１によって実行される。停止制御を開始する前提として、燃料電池スタック１に対する水素供給および空気供給は継続されている。そのため、水素循環ポンプ１４、コンプレッサ２１といった水素・空気供給に必要な各種機器は動作したままの状態となっている。
【００２３】
まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部３１は、燃料電池スタック１の酸化剤極への空気供給を停止する。具体的には、制御部３１は、コンプレッサ２１の運転を停止させる。
【００２４】
ステップ２（Ｓ２）において、制御部３１は、水素系出口弁１６を閉じる。そのため、ステップ２の処理を実行した以降は、水素系出口弁１６の閉弁に伴って、水素排出流路Ｌ12から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入が規制される。
【００２５】
ステップ３（Ｓ３）において、制御部３１は、負荷取出制御を行う。負荷取出制御は、電流取出部３０によって電流を取り出す際の電流値（または、電圧値）を制御するものである。この負荷取出制御によって、燃料電池スタック１の酸化剤極（広義には、酸化剤極に連通する空気系２０も含む）における空気（酸素）を消費させる。なお、ステップ３の処理では、その前提として、水素供給弁１２および水素調圧弁１３が開状態のままとなっているため、負荷取出制御は、燃料電池スタック１に対する水素供給が継続されたままの状態で実行される。制御部３１は、電流取出部３０が取り出す電流の制御指令値である電流設定値を適宜決定し、この電流設定値に基づいて電流取出部３０を制御することにより、燃料電池スタック１から電流を取り出す。
【００２６】
ところで、負荷取出制御において、酸化剤極に存在する酸素を短時間で消費させるという点に鑑みれば、電流設定値は大きな値に設定することが好ましい。ただし、燃料電池スタック１から過大な電流を取り出した場合には、燃料極側において、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が発生し、反応に必要な水素が不足し、これにより、燃料電池スタック１を劣化させてしまう可能性がある。そこで、制御部３１は、酸素の消費に要する時間の短縮と、燃料極における水素不足の抑制という両者を考慮して、負荷取出制御を行う。
【００２７】
図５は、第１の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャートである。まず、ステップ３０（Ｓ３０）において、電流取出速度Ｉsが初期値Ｉsint設定される。この電流取出速度Ｉsは、単位時間あたりの電流設定値の増加量を示すものであり、制御部３１は、この電流取出速度Ｉsに従って、電流設定値を一定速度で増加させる。初期値Ｉsintは、予め実験やシミュレーションを通じて設定されている固定値であり、燃料電池スタック１の特性や、供給されている酸化剤ガスの流量や圧力を考慮して、酸化剤極に存在する酸素を短時間で消費させるといった観点から、その最適値が設定されている。制御部３１は、設定された電流取出速度Ｉsに基づいて電流設定値を決定した上で、この電流設定値に基づいて電流取出部３０を制御する。これにより、電流取出部３０から取り出される電流値は、電流取出速度Ｉsに従って線形的に増加する。
【００２８】
ステップ３１（Ｓ３１）において、電圧センサ３２によって検出された電圧が読み込まれる。
【００２９】
上述したステップ３０に示すように、電流取出速度Ｉsが設定されると、それ以降は、制御部３１は、この電流取出速度Ｉsに従って、電流設定値を一定速度で増加させる。この際、制御部３１は、電圧センサ３２によって検出された電圧を参照し、燃料電池スタック１の電圧が負とならない範囲において、電流取出部３０から取り出す電流、すなわち、電流設定値を増加させることとする。燃料電池スタック１の電圧が負となると予測される場合には、電流設定値を現在値よりも減少させた上で、再度ステップ３０からの処理をスタートする。
【００３０】
ステップ３２（Ｓ３２）において、電圧変化速度Ｖsが算出される。電圧変化速度Ｖsは、所定（単位）時間あたりの電圧の低下量であり、電圧センサ３２によって検出された電圧の時系列的な推移に基づいて特定することができる。この電圧変化速度Ｖsは、個々の発電セル１ａに設けられた電圧センサ３２の検出値を対象として、それぞれ電圧変化速度Ｖsを算出してもよいが、処理負荷の軽減といった観点から、特定の発電セル１ａ（或いは、セルユニット）の電圧を検出する電圧センサ３２からの検出値を選択的に処理してもよい。また、個々の電圧センサ３２より特定される燃料電池スタック１の総体的な電圧を用いて、その電圧変化速度Ｖsを算出してもよい。
【００３１】
ステップ３３（Ｓ３３）において、算出された電圧変化速度Ｖsが、判定値Ｖsth以上であるか否かを判定する。燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、酸化剤極における酸素の消費動作を行っている場合、過大な電流を取り出すことに起因して燃料極における水素が不足すると、燃料電池スタック１の電圧は急激に低下する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、燃料極における水素が欠乏していると見なせるような電圧の低下幅を予め取得しておき、これをベースに判定値Ｖsthを設定しておく。このステップ３３において肯定判定された場合、すなわち、電圧変化速度Ｖsが判定値Ｖsth以上の場合には（Ｖs≧Ｖsth）、ステップ３４に進む。一方、ステップ３３において否定判定された場合、すなわち、電圧変化速度Ｖsが判定値Ｖsthよりも小さい場合には（Ｖs＜Ｖsth）、ステップ３５に進む。
【００３２】
ステップ３４（Ｓ３４）において、制御部３１は、電流取出速度Ｉsを変更する。具体的には、制御部３１は、現在設定されている電流取出速度Ｉsをベースに、所定量ΔＩsだけ電流取出速度Ｉsを減少させる。制御部３１は、変更された電流取出速度Ｉsに基づいて電流設定値を適宜決定した上で、この電流設定値に基づいて電流取出部３０を制御する。
【００３３】
ステップ３５（Ｓ３５）において、制御部３１は、電流取出速度Ｉsを変更する。具体的には、制御部３１は、現在設定されている電流取出速度Ｉsをベースに、所定量ΔＩsだけ電流取出速度Ｉsを増加させる。なお、変更後の電流取出速度Ｉsは、初期値Ｉsintを上限とし、電流取出速度Ｉsが初期値Ｉsintよりも大きな値とならないようにしてもよい。制御部３１は、変更された電流取出速度Ｉsに基づいて電流設定値を適宜決定した上で、この電流設定値に基づいて電流取出部３０を制御する。
【００３４】
ステップ３６（Ｓ３６）において、負荷取出制御を終了するか否かが判定される。具体的には、制御部３１は、酸化剤極に存在する空気（酸素）が消費されたか否かを判定する。ステップ１において空気供給が停止されている関係上、負荷取出制御を行うことによって、酸化剤極における酸素量は減少する傾向を示す。そこで、このステップ３６では、空気系２０（主として、酸化剤極）に存在する酸素が消費されたか否かを判定することにより、負荷取出制御の終了タイミングを判定する。このステップ３６において肯定判定された場合、すなわち、酸化剤極における酸素が消費された場合には、電流取出部３０による電流の取り出しを停止して、本ルーチンを終了する。一方、ステップ３６において否定判定された場合、すなわち、酸化剤極の酸素が消費されていない場合には、負荷取出制御を継続し、上述したステップ３１の処理に戻る。
【００３５】
ここで、酸化剤極における酸素が消費されたか否かの判定手法について説明する。制御部３１は、例えば、以下の示す手法によって酸素消費の判定を行う。
【００３６】
まず、第１の手法としては、制御部３１は、電圧センサ３２より得られる電圧値が判定値以下となった場合に、空気系２０における酸素が消費されたとの判定を行う。酸素が消費された場合には、発電に必要な反応が生じないため、燃料電池スタック１の電圧はゼロとなる。そこで、燃料電池スタック１の電圧が概ねゼロであること見なせる程度の値を、実験やシミュレーションを通じて判定値として予め設定することにより、酸素の消費を判定することができる。
【００３７】
なお、判定値の比較対象となる電圧としては、図２（ａ）に示すように、個々の発電セル１ａにおける全ての電圧を対象としてもよいし、図２（ｂ）に示すように、個々のセルユニットの全てを対象としてもよい。また、判定値の比較対象となる電圧値としては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、個々の発電セル１ａ、或いは、セルユニットにおいて検出される複数箇所の電圧であってもよい。
【００３８】
第２の手法としては、制御部３１は、負荷取出制御の開始に対応して、電流取出部３０によって取り出される電流量を積分し、これにより得られる電荷量を随時算出する。また、制御部３１は、空気系２０の流路Ｌ20，21の容量、空気の圧力および温度から酸素のモル数を算出するとともに、先に算出された電荷量に基づいて、この酸素のモル数が、十分に電圧を低下させる濃度となるまで電荷が消費されたことを判断することにより、空気系２０における酸素が消費されたとの判定を行う。
【００３９】
また、第３の手法としては、制御部３１は、電流取出部３０によって実際に取り出される電流の時間的な変化量（以下「電流変化速度」という）に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。酸化剤極における酸素が消費されると、燃料電池スタック１から実際に取り出される電流は急激に低下し、その後、一定の値に収束する傾向を示す。そこで、制御部３１は、電流変化速度をモニタリングし、電流変化速度が所定時間経過しても安定している（具体的には、ほぼ「０」となる）場合には、空気系２０の酸素が消費されたことを判定する。
【００４０】
第４の手法としては、制御部３１は、負荷取出制御の開始に対応して、燃料極に対する水素の供給指令の頻度（単位時間あたりの水素供給指令回数）を演算する。そして、制御部３１は、この供給指令の頻度が、所定の判定回数以下となった場合に、酸化剤極の酸素が消費されたのとの判定を行う。例えば、負荷取出制御の前提として、燃料極における水素圧力を一定に制御しているケースでは、酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して燃料極において消費される水素も減少するため、水素の供給指令の頻度も低下する。そこで、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、水素の供給指令の頻度から、空気系２０の酸素が消費されたことを判定することができる。
【００４１】
第５の手法としては、燃料電池スタック１の入口側と出口側とに水素の流量を検出する流量センサを備えることを前提に、制御部３１は、入口側と出口側との水素の流量差（以下「入出口流量差」という）に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。一般に、負荷取出制御によって酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して燃料極において消費される水素も減少するため、入出口流量差はほぼ「０」となる。そのため、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、入出口流量差と判定値との比較から、空気系２０の酸素が消費されことを判定することができる。
【００４２】
なお、流量から空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定するとの観点によれば、空気流量センサ３５の検出値をモニタリングし、空気系２０における空気の流量がほぼ「０」となることを条件に、空気系２０の酸素が消費されたことを判定してもよい。
【００４３】
さらに、第６の手法としては、燃料電池スタック１内を循環する冷却水流路において、発電セル１ａの入口側と出口側とに温度センサを備えることを前提に、制御部３１は、それぞれの温度センサによって検出される温度の差に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。一般に、負荷取出制御によって酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して発電セル１ａにおける酸化還元反応は生じない。そのため、発電セル１ａからの反応熱が無くなるため、入口側と出口側との間の冷却水に温度差が無くなり、センサによって検出される温度差はほぼ「０」となる。そのため、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、入出口の温度差と判定値との比較から、空気系２０の酸素が消費されことを判定することができる。
【００４４】
再び図４を参照するに、ステップ４（Ｓ４）において、制御部３１は、水素供給を停止する。具体的には、制御部３１は、水素循環ポンプ１４を停止し、また、水素供給弁１２を閉じるとともに、水素調圧弁１３を全閉する。
【００４５】
ステップ５（Ｓ５）において、制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。これにより、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入が規制される。なお、このステップ５に示す処理は、ステップ３に示す負荷取出制御を行う前提として実行してもよい。
【００４６】
このように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気系２０と、水素系１０と、空気系入口弁２３と、空気系出口弁２４と、水素系出口弁１６と、電流取出部３０と、制御部３１とを有している。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に水素が供給されるとともに、酸化剤極に空気が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。空気系２０は、燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を供給する空気供給流路Ｌ20と、酸化剤極から空気を排出する空気排出流路Ｌ21とを含む。水素系１０は、燃料電池スタック１の燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ12を含む。空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は、空気系２０に設けられており、自己の動作状態に応じて、空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する酸化剤系規制手段である。水素系出口弁１６は、水素系１０に設けられており、自己の動作状態に応じて、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する燃料系規制手段である。電流取出部３０は、燃料電池スタック１から電流を取り出す。制御部３１は、空気系入口弁２３と、空気系出口弁２４と、水素系出口弁１６と、電流取出部３０とを制御する。ここで、制御部３１は、システムの停止時に実行する停止制御として、燃料電池スタック１の燃料極に水素を供給し、かつ、燃料電池スタック１の酸化剤極に酸化剤ガスの供給を停止した状態で、燃料電池スタック１の状態に応じて電流取出部３０を制御することにより、この電流取出部３０が取り出す電流に応じて燃料電池スタック１の酸化剤極における酸化剤ガスを消費させる。
【００４７】
かかる構成によれば、燃料極に水素を供給した状態で、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、酸化剤極に存在する酸素を消費することができる。この際、燃料電池スタック１の状態に応じて電流を取り出すことにより、余分な時間やエネルギーを費やすことがなくなり、短時間かつ燃料電池スタック１の劣化が起こり難い状態で、酸化剤極における酸素の消費を行うができる。また、停止時に酸化剤極の酸素を消費することにより、燃料電池スタック１の起動時に酸化剤極に存在する酸素量を低減することができるので、起動時の劣化を有効に抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ３２をさらに有している。この場合、制御部３１は、電流取出部３０が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、この設定された電流取出速度に基づいて、燃料電池スタック１の電圧が負とならない範囲において電流設定値を増加させる。ここで、制御部３１は、燃料電池スタック１の電圧の低下速度である電圧変化速度が、燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値以上の場合には、電圧変化速度が判定値よりも小さくなるように、電流取出速度を減少させる。
【００４９】
かかる構成によれば、電流取出速度に従って電流設定値を次第に増加させているので、特に、電流の取り出しを開始した時に、燃料ガスの配流バラツキや供給遅れを抑制することができる。また、燃料電池スタック１から取り出す電流は次第に大きくなっていくので、酸素の消費速度を早めることができる。これにより、電流取り出し開始時の燃料電池スタック１の劣化を抑制し、かつ、酸素消費に要する時間を短くすることができる。さらに、電圧変化速度Ｖsをモニタリングし、燃料極における水素の欠乏状態を判定し、これに応じて、電流変化速度を減少させることで、燃料極における水素の欠乏を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック１の劣化を抑制しつつ、酸化剤極の酸素を有効に消費することができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態にかかるそれと相違する点は、停止制御における負荷取出制御の手法である。なお、第２の実施形態にかかる燃料電池システムは、その構成において、第１の実施形態と同じであり、同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略し、負荷取出制御に関する相違点を中心に説明を行う。
【００５１】
図６は、第２の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャートである。ステップ３０〜ステップ３３において、第１の実施形態と同様に、電流取出速度Ｉsが設定され、電圧センサ３２からの電圧が読み込まれ、電圧変化速度Ｖsが算出されると、この電圧変化速度Ｖsが判定値Ｖsth以上であるか否かが判断される。
【００５２】
ステップ３３の肯定判定に続くステップ３４ａ（Ｓ３４ａ）において、制御部３１は、水素循環ポンプ１４の回転数Ｎを変更する。具体的には、制御部３１は、現在設定されている回転数Ｎをベースに、所定量ΔＮだけ増加させた回転数（Ｎ＋ΔＮ）を、水素循環ポンプ１４の回転数Ｎとして新たに設定する。そして、制御部３１は、新たに設定された回転数Ｎに基づいて、水素循環ポンプ１４を制御する。これにより、水素循環ポンプ１４は、変更された回転数Ｎに従って回転する。
【００５３】
一方、ステップ３３の否定判定に続くステップ３５ａ（Ｓ３５ａ）において、制御部３１は、水素循環ポンプ１４の回転数Ｎを変更する。具体的には、現在設定されている回転数Ｎをベースに、所定量ΔＮだけ減少させた回転数（Ｎ−ΔＮ）を、水素循環ポンプ１４の回転数Ｎとして新たに設定する。そして、制御部３１は、新たに設定された回転数Ｎに基づいて、水素循環ポンプ１４を制御する。これにより、水素循環ポンプ１４は、変更された回転数Ｎに従って回転する。なお、変更後の水素循環ポンプ１４の回転数Ｎは、停止制御用に予め設定されている初期値Ｎintを下限とし、回転数Ｎが初期値Ｎintよりも小さな値とならないようにしてもよい。
【００５４】
そして、ステップ３６において、第１の実施形態と同様に、負荷取出制御を終了するか否かが判定され、この判定結果に応じて、負荷取出制御が継続、或いは、終了される。
【００５５】
このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ３２と、水素系１０に設けられており、燃料極から排出された水素を、自己の回転数に応じて、燃料極の水素の供給側へと循環させる水素循環ポンプ１４とをさらに有している。この場合、制御部３１は、電流取出部３０が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、この設定された電流取出速度に基づいて、燃料電池スタック１の電圧が負とならない範囲において電流設定値を増加させる。ここで、制御部３１は、燃料電池スタック１の電圧の低下速度である電圧変化速度Ｖsが、燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値Ｖsth以上の場合には、電圧変化速度Ｖsが前記判定値Ｖsthよりも小さくなるように、水素循環ポンプ１４の回転数Ｎを増加させる。
【００５６】
かかる構成によれば、電流取出速度に従って電流設定値を次第に増加させているので、特に、電流の取り出しを開始した時に、燃料ガスの配流バラツキや供給遅れを抑制することができる。また、燃料電池スタック１から取り出す電流は次第に大きくなっていくので、酸素の消費速度を早めることができる。これにより、電流取り出し開始時の燃料電池スタック１の劣化を抑制し、かつ、酸素消費に要する時間を短くすることができる。さらに、電圧変化速度Ｖsをモニタリングし、燃料極における水素の欠乏状態を判定し、これに応じて、水素循環ポンプ１４の回転数を増加させることにより、燃料極における水素の欠乏を抑制することができる。そのため、燃料電池スタック１の劣化を抑制しつつ、酸化剤極の酸素を有効に消費することができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、停止制御における負荷取出制御の手法である。なお、第３の実施形態にかかる燃料電池システムは、その構成において、第１の実施形態と同じであり、同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略し、負荷取出制御に関する相違点を中心に説明を行う。
【００５８】
図７は、第３の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャートである。ステップ３０〜ステップ３３において、第１の実施形態と同様に、電流取出速度Ｉsが設定され、電圧センサ３２からの電圧が読み込まれ、電圧変化速度Ｖsが算出されると、この電圧変化速度Ｖsが判定値Ｖsth以上であるか否かが判断される。
【００５９】
ステップ３３の肯定判定に続くステップ３４ｂ（Ｓ３４ｂ）において、制御部３１は、燃料極に供給される水素圧力Ｐhを変更する。具体的には、制御部３１は、現在設定されている水素圧力Ｐhをベースに、所定量ΔＰhだけ増加させた水素圧力（Ｐh＋ΔＰh）を、燃料極に供給される水素圧力Ｐhとして新たに設定する。そして、制御部３１は、新たに設定された水素圧力Ｐhに基づいて、水素調圧弁１３を制御する。
【００６０】
一方、ステップ３３の否定判定に続くステップ３５ｂ（Ｓ３５ｂ）において、燃料極に供給される水素圧力Ｐhを変更する。具体的には、制御部３１は、現在設定されている水素圧力Ｐhをベースに、所定量ΔＰhだけ減少させた水素圧力（Ｐh−ΔＰh）を、燃料極に供給される水素圧力Ｐhとして新たに設定する。そして、制御部３１は、新たに設定された水素圧力Ｐhに基づいて、水素調圧弁１３を制御する。なお、変更後の燃料極に供給される水素圧力Ｐhは、停止制御用に予め設定されている初期値Ｐhintを下限とし、水素圧力Ｐhが初期値Ｐhintよりも小さな値とならないようにしてもよい。
【００６１】
そして、ステップ３６において、第１の実施形態と同様に、負荷取出制御を終了するか否かが判定され、この判定結果に応じて、負荷取出制御が継続、或いは、終了される。
【００６２】
このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ３２と、水素系１０に設けられており、燃料極に供給される水素圧力Ｐhを調整する水素調圧弁１３とをさらに有している。この場合、制御部３１は、電流取出部３０が取り出す電流の制御指示値である電流設定値の増加速度を電流取出速度として設定し、この設定された電流取出速度に基づいて、燃料電池スタック１の電圧が負とならない範囲において電流設定値を増加させる。ここで、制御部３１は、燃料電池スタック１の電圧の低下速度である電圧変化速度Ｖsが、燃料極における燃料ガスの不足による電圧低下を判定する判定値Ｖsth以上の場合には、電圧変化速度Ｖsが前記判定値Ｖsthよりも小さくなるように、水素調圧弁１３によって燃料極に供給される水素圧力を増加させる。
【００６３】
かかる構成によれば、電流取出速度に従って電流設定値を次第に増加させているので、特に、電流の取り出しを開始した時に、燃料ガスの配流バラツキや供給遅れを抑制することができる。また、燃料電池スタック１から取り出す電流は次第に大きくなっていくので、酸素の消費速度を早めることができる。これにより、電流取り出し開始時の燃料電池スタック１の劣化を抑制し、かつ、酸素消費に要する時間を短くすることができる。さらに、電圧変化速度Ｖsをモニタリングし、燃料極における水素の欠乏状態を判定し、これに応じて、燃料極に供給される水素圧力を増加させることにより、燃料極における水素の欠乏を抑制することができる。そのため、燃料電池スタック１の劣化を抑制しつつ、酸化剤極の酸素を有効に消費することができる。
【００６４】
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第４の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、停止制御における負荷取出制御の手法である。なお、第４の実施形態にかかる燃料電池システムは、その構成において、第１の実施形態と同じであり、同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略し、負荷取出制御に関する相違点を中心に説明を行う。
【００６５】
第４の実施形態において、制御部３１は、電圧センサ３２からの検出値に基づいて、複数の発電セル１ａのうちの最低電圧をモニタリングする。そして、この最低電圧が０Ｖに近づくように、電流取出部３０によって取り出す電流を制御する。例えば、制御部３１は、最低電圧と０Ｖとの差に応じて、フィードバック等の制御手法により、電流設定値を設定する。
【００６６】
かかる構成によれば、その時点に取り出し得る最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、酸素の消費時間の短縮を図ることができる。また、燃料極における水素が不足した状態の発電セル１ａでは電圧が立たなくなるため、最低電圧をモニタリングすることにより、燃料極における水素が不足しないような状態で電流を取り出すことができる。これにより、そのため、燃料電池スタック１の劣化を抑制しつつ、酸化剤極の酸素を有効に消費することができる。
【００６７】
（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。以下、第５の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第５の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、停止制御における負荷取出制御の手法である。第５の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的に、第１の実施形態と同じ構成であり、同一の構成については同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略し、以下、負荷取出制御に関する相違点を中心に説明を行う。なお、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素の圧力を検出する水素圧力センサ３６が水素循環流路Ｌ11に設けられている。
【００６８】
図９は、第５の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャートである。この負荷取出制御において、制御部３１は、予め設定されている電流設定値に従って電流取出部３０を制御することにより、燃料電池スタック１から電流の取り出しを開始する。また、制御部３１は、燃料電池スタック１に供給される水素の流量が一定となるように水素循環ポンプ１４を制御している。
【００６９】
このような前提のもと、まず、ステップ４０（Ｓ４０）において、燃料電池スタック１の上流側に設けられている水素圧力センサ３３によって検出される圧力（以下「上流圧力」という）と、燃料電池スタック１の下流側に設けられている水素圧力センサ３６によって検出される圧力（以下「下流圧力」という）が読み込まれる。そして、ステップ４１（Ｓ４１）において、上流側圧力から下流側圧力を減算することにより、圧力差ΔＰが算出される。
【００７０】
ステップ４１に続くステップ４２（Ｓ４２）において、算出された圧力差ΔＰが、下限判定値ΔＰmin以上、かつ、上限判定値ΔＰmax以下であるか否かが判定される。燃料極へ供給される水素の流量が一定である場合、燃料極において反応に必要な水素が欠乏すると、燃料電池スタック１を介して上流側と下流側との間の圧力差ΔＰは増加する傾向を示す。そのため、算出された圧力差ΔＰが、下限判定値ΔＰminと上限判定値ΔＰaxとで規定される範囲から逸脱することにより、燃料極において水素が欠乏しているか否かを判定することができる。そのため、燃料極における水素の欠乏といった観点から、実験やシミュレーションを通じて、下限判定値ΔＰminおよび上限判定値ΔＰmaxが予め設定されている。
【００７１】
このステップ４２において肯定判定された場合、すなわち、圧力差ΔＰが下限判定値ΔＰmin以上、かつ、上限判定値ΔＰmax以下である場合には、ステップ４６に進む。一方、このステップ４２において否定判定された場合、すなわち、圧力差ΔＰが下限判定値ΔＰminよりも小さい、または、上限判定値ΔＰmaxよりも大きい場合には、ステップ４３（Ｓ４３）に進む。
【００７２】
ステップ４３において、算出された圧力差ΔＰが上限判定値ΔＰmaxよりも大きいか否かが判定される。ステップ４３において肯定判定された場合、すなわち、算出された圧力差ΔＰが上限判定値ΔＰmaxよりも大きい場合には、ステップ４４に進む。一方、ステップ４３において否定判定された場合、すなわち、算出された圧力差ΔＰが上限判定値ΔＰmaxよりも小さい（より具体的には、下限判定値ΔＰminよりも小さい）場合には、ステップ４５に進む。
【００７３】
ステップ４４において、制御部３１は、ステップ４３の肯定判定を受け、燃料極における水素の欠乏を判断し、電流設定値を減少させる。一方、ステップ４５において、制御部３１は、ステップ４３の否定判定を受け、燃料極に消費可能な水素が十分に存在していることを判断し、電流設定値を増加させる。
【００７４】
ステップ４６（Ｓ４６）において、第１の実施形態に示すステップ３６と同様に、負荷取出制御を終了するか否かが判定される。このステップ４６において肯定判定された場合には、本ルーチンを終了する。一方、ステップ４６において否定判定された場合には、負荷取出制御を継続し、上述したステップ４０の処理に戻る。
【００７５】
このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の電圧を監視する以外にも、実際に燃料極に供給される水素の状態（具体的には、圧力）を監視することにより、酸素の消費動作に伴う水素不足を抑制することができる。また、電流設定値を必要に応じて減少させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。
【００７６】
なお、上述した実施形態では、水素供給流路Ｌ10と水素循環流路Ｌ11にそれぞれ水素圧力センサ３３，３６を設け、これにより、上流圧力と下流圧力とを検出する構成であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタック１の発電面の上下流の圧力を検出したり、個々の発電セル１ａに水素を分配・合流させるマニホールドにおいて圧力を検出したりしてもよい。すなわち、燃料電池スタック１（具体的には、水素極）に供給される水素の圧力と、燃料電池スタック１（具体的には、水素極）から排出される水素の圧力とを検出するのであれば、その形態は限定されない。
【００７７】
（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。以下、第６の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第６の実施形態にかかる燃料電池システムが、第５の実施形態のそれと相違する点は、停止制御における負荷取出制御の手法である。第６の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的に、第５の実施形態と基本的に同じであり、同一の構成については同一の符号を用いることにより、その詳細な説明は省略し、負荷取出制御に関する相違点を中心に説明を行う。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１に供給される水素の流量（以下「上流流量」という）を検出する水素流量センサ３７が水素供給流路Ｌ10に設けられており、燃料電池スタック１から排出される水素の流量（以下「下流流量」という）を検出する水素流量センサ３８が水素排出流路Ｌ12に設けられている。
【００７８】
負荷取出制御の詳細な手順は、第５の実施形態で示す図９のフローチャートと基本的に同じ処理を行う。具体的には、この負荷取出制御において、制御部３１は、予め設定されている電流設定値に従って電流取出部３０を制御することにより、燃料電池スタック１から電流の取り出しを開始する。
【００７９】
このような前提のもと、まず、上流側の水素流量センサ３７によって検出される上流流量と、下流側の水素流量センサ３８によって検出される下流流量が読み込まれる。そして、上流側流量から下流側流量を減算することにより、流量差ΔＱが算出される。
【００８０】
つぎに、算出された流量差ΔＱが、下限判定値ΔＱmin以上、かつ、上限判定値ΔＱmax以下であるか否かが判定される。酸素の消費動作中に燃料極において水素が欠乏した場合、燃料電池スタック１を介して上流側と下流側との間の流量差ΔＱは増加する傾向を示す。そのため、算出された流量差ΔＱが、下限判定値ΔＱminと上限判定値ΔＱaxとで規定される範囲から逸脱することにより、燃料極において水素が欠乏しているか否かを判定することができる。そのため、燃料極における水素の欠乏といった観点から、実験やシミュレーションを通じて、下限判定値ΔＱminおよび上限判定値ΔＱmaxが予め設定されている。
【００８１】
流量差ΔＱが下限判定値ΔＱmin以上、かつ、上限判定値ΔＱmax以下である場合には、図９に示すように、ステップ４６に進み、負荷取出制御の終了判定を行う。
【００８２】
一方で、算出された流量差ΔＱが上限判定値ΔＱmaxよりも大きい場合には、燃料極における水素の欠乏を判断し、電流設定値を減少させる。これに対して、算出された流量差ΔＱが下限判定値ΔＱminよりも小さい場合には、燃料極に消費可能な水素が十分に存在していることを判断し、電流設定値を増加させる。
【００８３】
このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の電圧を監視する以外にも、実際に燃料極に供給される水素の状態（具体的には、流量）を監視することにより、酸素の消費動作に伴う水素不足を抑制することができる。また、電流設定値を必要に応じて減少させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。
【００８４】
なお、上述した実施形態では、水素供給流路Ｌ10と水素循環流路Ｌ11にそれぞれ水素流量センサ３７，３８を設け、これにより、上流流量と下流流量とを検出する構成であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタック１の発電面の上下流の流量を検出したり、個々の発電セル１ａに水素を分配・合流させるマニホールドにおいて流量を検出したりしてもよい。すなわち、燃料電池スタック１（具体的には、燃料極）に供給される水素流量と、燃料電池スタック１（具体的には、燃料極）から排出される水素流量とを検出するのであれば、その形態は限定されない。
【００８５】
なお、上述した各実施形態では、その特徴に応じて個別の実施形態として説明したが、これらの実施形態を複合的に適用して、負荷取出制御を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】電圧センサ３２の説明図
【図３】電圧センサ３２の説明図
【図４】第１の実施形態にかかる停止制御の手順を示すフローチャート
【図５】第１の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャート
【図６】第２の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャート
【図７】第３の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャート
【図８】第５の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図９】第５の実施形態にかかる負荷取出制御の詳細な手順を示すフローチャート
【図１０】第６の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００８７】
１      燃料電池スタック
１ａ    発電セル
３      制御装置
１０      水素系
１１      燃料タンク
１２      水素供給弁
１３      水素調圧弁
１４      水素循環ポンプ
１５      エゼクタ
１６      水素系出口弁（パージ弁）
２０      空気系
２１      コンプレッサ
２２      空気調圧弁
２３      空気系入口弁
２４      空気系出口弁
３０      電流取出部
３１      制御部
３２      電圧センサ
３３      水素圧力センサ
３４      空気圧力センサ
３５      空気流量センサ
３６      水素圧力センサ
３７      水素流量センサ
３８      水素流量センサ
Ｌ10      水素供給流路
Ｌ11      水素循環流路
Ｌ12      水素排出流路
Ｌ20      空気供給流路
Ｌ21      空気排出流路
【図１】
2008004445.tif 000003
【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】
2008004445.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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