(57)【要約】【課題】システム停止時に停止時電圧低下運転を行う燃料電池システムにおいて、内部負荷遮断後の電池電圧の上昇を確実に防止して、燃料電池の触媒能劣化を十分に抑制できるようにする。【解決手段】システム停止信号が入力されると、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１で、水素供給を継続した状態での空気供給の停止や内部負荷の接続といった停止処理を開始させる。また、閾値設定部１０２が、システム停止時の燃料電池スタックの温度等、システム停止時の燃料電池システムの状況を表す情報を読み込んで、それに応じて内部負荷を切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。そして、内部負荷切り離し制御部１０３が、セル電圧モニタの検出値から平均セル電圧等の燃料電池スタックの電圧値を求め、その値が閾値設定部１０２で設定した閾値以下にまで低下した段階で、燃料電池スタックから内部負荷を切り離す。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム停止時に、燃料電池に内部負荷を接続すると共に、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止して燃料ガスの供給のみを継続し、前記燃料電池内の酸化剤極側に残存する酸素を消費させて前記燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の電圧を検出する電池電圧検出手段と、
前記電池電圧検出手段により検出された前記燃料電池の電圧が閾値以下まで低下した段階で前記燃料電池から前記内部負荷を切り離す内部負荷切り離し制御手段と、
システム停止時における当該燃料電池システムの状況に応じて前記閾値を変化させる閾値変更手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記閾値変更手段は、システム停止時における前記燃料電池の温度、又は前記燃料電池入口における冷却液温度、又は前記燃料電池出口における冷却液温度の何れかに応じて、前記閾値を変化させ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】
前記閾値変更手段は、システム停止前所定期間における前記燃料電池の運転負荷の最大値又は平均値に応じて、前記閾値を変化させ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４】
前記閾値変更手段は、システム停止前所定期間における前記燃料電池の運転圧力の最大値又は平均値に応じて、前記閾値を変化させ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５】
前記閾値変更手段は、前記燃料電池に供給される冷却液又は加湿水の導電率の状況に応じて、前記閾値を変化させ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６】
前記冷却液又は加湿水の導電率の状況とは、システム停止前所定期間における導電率の最大値又は平均値であ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】
前記冷却液又は加湿水の導電率の状況とは、システム停止前所定期間における導電率の平均値とシステム起動時からの導電率の最小値との差であ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８】
前記電池電圧検出手段は、前記燃料電池を構成する各発電セルの総電圧、又は各発電セルの平均電圧を検出することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記内部負荷切り離し制御手段は、前記電池電圧検出手段により検出された前記燃料電池の電圧が閾値以下まで低下し、且つ、前記燃料電池を構成する各発電セル間における電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、前記燃料電池から前記内部負荷を切り離すことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記各発電セル間における電圧のばらつきとは、発電セルの最大電圧と最小電圧との差であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記各発電セル間における電圧のばらつきとは、各発電セルの電圧の標準偏差であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
システム停止時に、燃料電池に内部負荷を接続すると共に、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止して燃料ガスの供給のみを継続し、前記燃料電池内の酸化剤極側に残存する酸素を消費させて前記燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を構成する各発電セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池を構成する各発電セル間における電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、前記燃料電池から前記内部負荷を切り離す内部負荷切り離し制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
前記各発電セル間における電圧のばらつきとは、発電セルの最大電圧と最小電圧との差であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記各発電セル間における電圧のばらつきとは、各発電セルの電圧の標準偏差であることを特徴とする請求項１２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】
本発明は、水素を含む燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、システム停止時の運転制御の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素を含む燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、以上のような燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を停止する場合には、通常、各流体（燃料ガス及び酸化剤ガス）の圧力を低下させる停止運転を行うが、このような通常の停止運転が終了した直後の燃料電池は、高電位無負荷状態にある。燃料電池は、高電位無負荷状態で放置すると触媒能の劣化を招くため、通常停止運転終了後、電位を低下させなければならない。
【０００４】
このような観点から、通常の停止運転を終了した後、燃料電池の電圧を低下させるための停止時電圧低下運転を行い、燃料電池の電圧が所定の電圧に低下した時点で、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する燃料電池の停止方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１に記載の燃料電池の停止方法では、外部負荷との遮断を行い、燃料ガスの供給を継続した状態で酸化剤ガスの供給を停止し、内部負荷をかける第一のステップ（停止時電圧低下運転）と、電池電圧が所定の電圧に低下した時点で燃料ガスの供給を停止し、内部負荷のスイッチをオフして内部負荷を遮断する第二のステップとを行うようにしている。
【特許文献１】特開平６−３３３５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載される方法では、電池電圧が所定の電圧に低下したときに内部負荷のスイッチをオフして内部負荷を燃料電池から遮断するようにしており、例えば、停止時電圧低下運転の運転時間短縮を図るために内部負荷として比較的小さい抵抗値のものを用いて電池電圧を急速に低下させた場合には、内部負荷の遮断を行った後に、再度電池電圧が上昇してしまうことも考えられる。
【０００７】
ここで、内部負荷遮断後に電池電圧の上昇が起きるか否かは、停止時における燃料電池の状態やシステムの状況、セル電圧のばらつき等にも依存するが、前記特許文献１に記載される方法では、停止時における燃料電池の状態やシステムの状況、セル電圧のばらつき等を考慮することなく内部負荷の遮断を行うようにしているので、以上のような内部負荷遮断後の電池電圧の上昇を確実に防止することが難しく、燃料電池の触媒能劣化を十分に抑制できない場合がある。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解決すべく提案されたものであり、内部負荷遮断後の電池電圧の上昇を確実に防止して、燃料電池の触媒能劣化を十分に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、システム停止時に、燃料電池に内部負荷を接続すると共に、燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止して燃料ガスの供給のみを継続し、燃料電池内の酸化剤極側に残存する酸素を消費させて燃料電池の電圧を低下させる停止時電圧低下運転を行うものである。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、燃料電池の電圧を電池電圧検出手段で検出し、燃料電池の電圧が閾値以下まで低下した段階で、内部負荷切り離し制御手段が燃料電池から内部負荷を切り離すようにしており、このときの内部負荷切り離しタイミングの基準となる閾値を、閾値変更手段がシステム停止時における燃料電池システムの状況に応じて変化させるようにしている。
【００１０】
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行うものであり、燃料電池を構成する各発電セルの電圧をセル電圧検出手段で検出し、これら発電セル間における電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷切り離し制御手段が燃料電池から内部負荷を切り離すようにしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池から内部負荷を切り離すタイミングが適切に制御されるので、内部負荷を切り離した後に燃料電池の電圧が再度上昇するといった問題を確実に防止して、燃料電池の触媒能劣化を十分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】
【００１２】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１５】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１６】
燃料電池スタック１の各発電セルの電圧は、セル電圧モニタ（電池電圧検出手段）２によってモニタリングされており、その情報が燃料電池システム全体の動作制御を司るコントロールユニット１００に送られている。また、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ３が設置されており、その出力がコントロールユニット１００に送られている。コントロールユニット１００は、これらセル電圧モニタ２からの情報や温度センサ３からの出力により、燃料電池スタック１の発電状態や温度状態を監視している。
【００１７】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極や酸化剤極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系及び空気供給系が設けられている。
【００１８】
水素供給系は、例えば、水素タンク４、圧力制御弁５、水素供給流路６、エゼクタ７を備える。そして、水素供給源である水素タンク４から供給される水素が、圧力制御弁５で減圧され、水素供給流路６及びエゼクタ７を通って燃料電池スタック１の燃料極に送り込まれるようになっている。燃料電池スタック１の燃料極圧力は圧力センサ８によって検出され、コントロールユニット１００が圧力センサ８の検出値をフィードバックして圧力制御弁５の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００１９】
燃料電池スタック１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素）は、新たに水素タンク４から供給されて水素供給流路６を流れる水素とエゼクタ７にて混合されて、再度燃料電池スタック１の燃料極に供給される。このため、燃料電池スタック１の燃料極出口側には水素循環流路９が接続されており、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素が水素循環流路９を通ってエゼクタ７に環流されるようになっている。エゼクタ７は、水素供給流路６を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路９を流れる水素を循環させる。
【００２０】
また、燃料電池スタック１の燃料極出口側には、水素循環流路９から分岐するようにして、燃料電池スタック１の燃料極からの水素を系外に排出するための水素排気流路１０が接続されており、この水素排気流路１０の水素循環流路９との分岐位置の下流側にパージ弁１１が設けられている。このパージ弁１１は、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、水素パージを行う際に開放されて、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素を水素排気流路１０を介して外部に排出する。
【００２１】
上述したように水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がると共に、循環ガスの平均質量が増加するためエゼクタ７での水素循環流量が低下することになるので、このような場合には、パージ弁１１を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路８から系外に排出する。
【００２２】
一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を圧送するためのコンプレッサ１２及び空気供給流路１３を備え、コンプレッサ１２によって空気供給流路１３内に空気が送り込まれて、燃料電池スタック１の酸化剤極へと供給されるようになっている。空気供給流路１３には、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサ１２から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１４が設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極には、このフィルタ１４で清浄化された空気が供給されることになる。
【００２３】
また、燃料電池スタック１の酸化剤極出口側には、当該燃料電池スタック１から空気を排出するための空気排気流路１５が接続されており、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気流路１５を通して系外に排出されるようになっている。また、空気排気流路１５には圧力制御弁１６が設けられており、コントロールユニット１００によってこの圧力制御弁１６の動作が制御されることで、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００２４】
また、空気供給系には、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給する空気を加湿するための加湿手段が設けられている。この加湿手段は、空気供給流路１３の中途部に設けられる加湿器１７と、空気排気流路１５の圧力制御弁１６の上流位置に設けられ燃料電池スタック１で生成した水分を回収する水分凝縮装置１８、回収された回収水を収容する水タンク１９、加湿水を循環供給する水循環流路２０、水循環流路２０に設けられるバルブ２１及びポンプ２２とから構成されている。
【００２５】
加湿手段のポンプ２２はコントロールユニット１００によって動作制御され、水タンク１９に収容された水を水循環流路２０を介して加湿器１７に圧送している。加湿器１７としては、例えば膜加湿器が用いられ、ポンプ２２により圧送された水で、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気を加湿している。燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の加湿状態は、酸化剤極入口側に設けられた温湿度センサ２３によって検出され、コントロールユニット１００に送られる。そして、コントロールユニット１００は、酸化剤極への空気供給によって燃料電池スタック１の運転に必要な加湿量が得られるように、温湿度センサ２３の検出値に基づいてポンプ２２の動作を制御する。なお、このポンプ２２によって加湿器１７に送られる加湿水の導電率は、導電率センサ２４によって検出されて、コントロールユニット１００に送られる。
【００２６】
加湿器１７内の余分な水は、加湿水回収流路２５を経由して水タンク１９に戻される。加湿水回収流路２５中には、圧力センサ２６及び圧力調整弁２７が設けられており、コントロールユニット１００が圧力センサ２６の検出値に応じて圧力調整弁２７の動作を制御することで、ポンプ２２から当該圧力調整弁２７までの間の圧力が略一定に保たれる。さらに、水タンク１９には水位センサ２８が設けられており、コントロールユニット１００が、この水位センサ２８の検出値から水タンク１９内の水の過不足を判定して、運転者に告知できるようになっている。
【００２７】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路２９及び冷却液ポンプ３０を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００２８】
冷却機構の冷却液循環流路２９中には、ラジエータ３１が設けられている。ラジエータ３１は、コントロールユニット１００によって動作制御される図示しないラジエータファンにより、ラジエータ出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。また、ラジエータ３１と並列にバイパス流路３２が設けられると共に、分岐部分にサーモスタット三方切り替え弁３３が設けられており、冷却液の温度に応じてこの三方切り替え弁３３が動作することで冷却液の流路が切り替えられる。なお、三方切り替え弁３３が冷却液の流路を切り替える温度は、例えば５０℃に設定される。
【００２９】
温度調整された冷却液が通る冷却液循環流路２９には、リザーバタンク３４が設けられており、冷却液の熱膨張、収縮分の吸収及び冷却液の補給等に使用される。リザーバタンク３４の上部は大気開放されており、リザーバ機能を有している。また、リザーバタンク３４の前段には、各種異物に加えてイオン等を除去するイオンフィルタ３５が設置されており、温度調整された冷却液がこのイオンフィルタ３５を通過することで、導電率の低下が図られる。なお、この冷却液の導電率は、導電率センサ３６によって検出されて、コントロールユニット１００に送られる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１の冷却液入口及び冷却液出口には、それぞれ温度センサ３７，３８が設置されており、燃料電池スタック１に入る前の冷却液温度が温度センサ３７により検出され、燃料電池スタック１から出た直後の冷却液温度が温度センサ３８により検出される。これら温度センサ３７，３８の検出値はコントロールユニット１００に送られ、燃料電池スタック１に設置された温度センサ３の検出値と共に、燃料電池スタック１の冷却制御に用いられる。
【００３１】
コントロールユニット１００は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、外気温を検出するための図示しない外気温センサや、燃料電池スタック１に接続されたセル電圧モニタ２、温度センサ３等の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。なお、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に、このコントロールユニット１００による制御のもとで、燃料電池スタック１の電圧を低下させるための停止時電圧低下運転を行うが、この停止時電圧低下運転については、詳細を後述する。
【００３２】
次に、以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムの通常運転時の動作について、当該燃料電池システムを燃料電池車両の駆動動力源として用いた場合を例にして簡単に説明する。
【００３３】
燃料電池システムの通常運転時においては、運転者の操作によるアクセル開度に応じた出力（電力）に相応な水素量及び空気量に応じて、燃料電池スタック１の燃料極側には圧力制御弁５により圧力調整された水素の供給が行われると共に、燃料電池スタック１の酸化剤極側にはコンプレッサ１２により空気の供給が行われる。また、加湿器１７により、コンプレッサ１２からの空気が加湿された状態で燃料電池スタック１の酸化剤極へと導かれる。このとき、運転圧力については、図２に示すように運転負荷に応じて設定されるようになっており、低負荷運転では低く、高負荷運転では高く設定されている。
【００３４】
燃料電池システムの運転に際しては、温湿度センサ２３で燃料電池スタック１の酸化剤極入口の温度及び湿度が監視されており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の加湿量が万一不足するような場合には、運転圧力を上昇補正することで、加湿器１７の圧力も上昇させて、加湿不足にならないように補正制御する。
【００３５】
また、冷却液ポンプ３０は、燃料電池スタック１の発熱量に応じた流量の冷却液を燃料電池スタック１に流通すべく流量を調整し、燃料電池スタック１の温度センサ３により検出される燃料電池スタック１温度、或いは冷却機構の温度センサ３７，３８により検出された冷却液温度から推定される燃料電池スタック１の温度に応じて流量が補正されている。このとき、燃料電池スタック１の温度が極低温である場合には、冷却液がラジエータ３１を通過させずにバイパス流路３２を通過するように、サーモスタット三方切り替え弁３３が切り替えられる。ラジエータ３１の出口温度は、燃料電池スタック１の温度（温度センサ３の検出値又は温度センサ３７，３８の検出値）に応じて、図示しないラジエータファンの回転数を制御することにより、略一定温度を保つように制御されている。
【００３６】
運転中には、空気供給系において、水分凝縮装置１８により燃料電池スタック１から排出された空気中の水分が凝縮回収され、水循環流路２０を通して水タンク１９へと導かれて加湿水として貯蔵される。
【００３７】
また、水素供給系において、燃料電池スタック１の燃料極から排出された水素は水素循環流路９及びエゼクタ７により循環されているが、運転に伴って燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の透過等により窒素等の不純物の濃度が次第に増加したり、水が詰まったりしてセル電圧低下を引き起こすため、セル電圧モニタ２によってセル電圧を監視し、あるセルの電圧が、セル電圧の平均値に対して所定値（例えば０．２Ｖ）以上電圧が低下した場合、或いは平均セル電圧が所定幅（例えば０．１Ｖ）以上低下した場合に、パージ弁１６を開弁させて水素循環流路６内及び燃料電池スタック１内の水素と共に不純物を外部に排出することで、セル電圧を回復させる。
【００３８】
ここで、平均セル電圧の低下を検出する方法としては、図３に示すように、運転時の負荷に対する燃料電池スタック１の電圧特性（Ｉ-Ｖ特性）をテーブルデータとしてコントロールユニット１００内に格納しておき、燃料電池スタック１の運転負荷に応じた、ある温度でのあるべき平均セル電圧を求め、燃料電池スタック１の温度によるセル電圧変化を補正して、あるべき平均セル電圧を求め、その値と実際の運転中に検出される平均セル電圧とを比較することで判定が可能である。更に、長期的な燃料電池スタック１の劣化を考慮し、比較的長い周期でのセル電圧低下については、学習により補正することによって、燃料電池スタック１が次第に劣化して平均セル電圧が低下した場合でも以上のような判定が可能となる。
【００３９】
以上のような通常運転時の動作により、運転者のアクセル操作に応じた出力が燃料電池システムから取り出され、図示しない車両駆動用モータにより車両が駆動されることになる。そして、運転者がキーオフを行うと、システム停止信号がコントロールユニット１００に入力され、コントロールユニット１００の制御のもとで停止時電圧低下運転が行われて、システムが停止する。
【００４０】
次に、以上のような本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転について説明する。
【００４１】
本実施形態の燃料電池システムでは、停止時電圧低下運転を実施するための構成として、図４に示すように、燃料電池スタック１に内部負荷回路を接続している。内部負荷回路は、固体抵抗よりなる内部負荷４１と、この内部負荷４１の燃料電池スタック１に対する接続／非接続状態を切り替えるための切り替えスイッチ４２とを有しており、切り替えスイッチ４２がオンされて内部負荷４１が燃料電池スタック１に対して接続状態とされることで、燃料電池スタック１の発電電力が内部負荷４１で消費されるようになっている。
【００４２】
また、コントロールユニット１００には、停止時電圧低下運転を実施するための機能として、図５に示すように、停止処理制御部１０１と、閾値設定部１０２と、内部負荷切り離し制御部１０３とが設けられている。
【００４３】
停止処理制御部１０１は、例えば運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたときに、停止処理を行うものである。ここで、停止処理とは、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて、燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止する一方で、水素供給系では、パージ弁１１を開放した状態で燃料電池スタック１に対する水素の供給を継続させ、また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる処理をいう。
【００４４】
閾値設定部１０２は、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するものである。すなわち、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングは、燃料電池スタック１の電圧（ここではセル電圧の総和）が閾値以下となったときとされるが、この燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値をこの閾値設定部１０２で設定している。そして、特に本発明では、閾値設定部１０２が、システム停止時における燃料電池システムの状況（本実施形態ではシステム停止時における燃料電池スタック１の温度）に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。
【００４５】
この種の燃料電池システムでは、システム停止中に燃料電池スタック１が高電位無負荷状態で放置されると触媒能劣化につながるので、システム停止時に停止時電圧低下運転を行って燃料電池スタック１の電圧を低下させるようにしている。しかしながら、例えば燃料電池スタック１の電圧低下を急速に行った場合等においては、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう場合もあり、燃料電池スタック１の触媒能劣化を十分に抑制できない場合がある。
【００４６】
このような燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象は、システム停止時における燃料電池システムの状況、例えば、システム停止時における燃料電池スタック１の温度等によってその発生が左右され、一般的に、システム停止時における燃料電池スタック１の温度が低いほど、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。換言すると、システム停止時における燃料電池スタック１の温度が低いほど、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を低い値に設定して、燃料電池スタック１の電圧を十分に低下させた後に内部負荷４１の切り離しを行うことによって、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象を確実に防止できる。
【００４７】
このような観点から、閾値設定部１０２では、例えば図６に示すような燃料電池スタック１の温度と内部負荷４１を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示すテーブルを用いて、システム停止時に実際に検出された燃料電池スタック１の温度に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。なお、図６に示すようなテーブルは、予め実機を用いた実験等を行うことによって作成される。
【００４８】
内部負荷切り離し制御部１０３は、燃料電池スタック１の電圧（セル電圧の総和）が閾値設定部１０２で設定した閾値以下となったときに、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すものである。このように、システム停止時の燃料電池スタック１の温度に応じて閾値設定部１０２で設定された閾値を基準として、燃料電池スタック１の電圧がこの閾値以下となったときに内部負荷切り離し制御部１０３が燃料電池スタック１から内部負荷４１を切り離すことによって、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象を確実に防止でき、燃料電池スタック１の触媒能劣化を十分に抑制可能となる。
【００４９】
図７は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、ステップＳ１０１において、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１が、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ１０２において、停止処理を開始する。具体的には、停止処理制御部１０１は、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【００５１】
次に、ステップＳ１０３において、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、システム停止時における燃料電池スタック１の温度を読み込み、ステップＳ１０４において、読み込んだ燃料電池スタック１の温度に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。ここで、システム停止時における燃料電池スタック１の温度としては、温度センサ３によって検出される燃料電池スタック１自体の温度を用いてもよいし、燃料電池スタック１の温度を反映した冷却機構の冷却液の温度、すなわち冷却機構の温度センサ３７によって検出される燃料電池入口側の冷却液温度や、温度センサ３８によって検出される燃料電池出口側の冷却液温度を用いるようにしてもよい。
【００５２】
次に、ステップＳ１０５において、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧、ここではセル電圧モニタ２によって検出される各発電セルのセル電圧の総和を求め、ステップＳ１０６において、この燃料電池スタック１の電圧がステップＳ４で設定された閾値以下にまで低下したかどうかを判定する。なお、燃料電池スタック１の電圧としては、各発電セルのセル電圧の総和に代えて、平均セル電圧を用いるようにしてもよい。そして、燃料電池スタック１の電圧がステップＳ４で設定された閾値以下となった段階で、ステップＳ１０７において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【００５３】
その後、ステップＳ１０８において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、システム停止時における燃料電池スタック１の温度に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定し、燃料電池スタック１の電圧がこの閾値以下となった段階で内部負荷４１の切り離しを行うようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、停止時電圧低下運転を行う際に、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を、システム停止時における燃料電池システムの状況に応じて可変とした点も第１の実施形態と同様であるが、閾値を設定する基準となる燃料電池システムの状況として、第１の実施形態で説明した燃料電池スタック１の温度に代えて、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷の平均値を用いた点に特徴を有するものである。また、第１の実施形態では、燃料電池スタック１の電圧が閾値以下となった段階で内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしているが、本実施形態では、燃料電池スタック１の電圧が閾値以下となり、且つ、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしている。
【００５６】
内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象は、上述したシステム停止時における燃料電池スタック１の温度の他、システム停止前の所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷によってもその発生が左右され、一般的に、システム停止前の所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷が低いほど、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。換言すると、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷が低いほど、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を低い値に設定して、燃料電池スタック１の電圧を十分に低下させた後に内部負荷４１の切り離しを行うことによって、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象を確実に防止できる。
【００５７】
このような観点から、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、例えば図８に示すようなシステム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷の移動平均値と内部負荷４１を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示すテーブルを用いて、実際に求めたシステム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。なお、図８に示すようなテーブルは、例えば、予め実機を用いた実験等を行うことによって作成される。
【００５８】
また、停止時電圧低下運転では、上述したように、燃料電池スタック１への空気の供給は停止させて水素の供給のみを継続させ、酸化剤極側に残存する酸素を消費させるようにしているが、このとき燃料電池スタック１の各発電セル間でセル電圧のばらつきが生じると考えられ、このセル電圧のばらつきが大きいと、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。
【００５９】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧が閾値設定部１０２で設定した閾値以下まで低下し、且つ、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしている。
【００６０】
図９は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００６１】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、停止時電圧低下運転を実施する前の通常運転時における処理として、ステップＳ２０１において、運転中の燃料電池スタック１の負荷（運転負荷）を随時読み込み、ステップＳ２０２において、読み込んだ運転負荷の移動平均を計算して、コントロールユニット１００内のメモリに記憶している。この運転負荷の移動平均を求める期間は、ここでは、例えば現在から過去５分前までの５分間に設定されているが、使用する燃料電池スタック１の特性やシステムの性能等に応じて最適な期間に設定すればよい。
【００６２】
なお、ここでは、システム停止前の所定期間（例えば５分間）における運転負荷の値として、この所定期間における運転負荷の移動平均値を用いているが、移動平均値の代わりに所定期間における運転負荷の最大値を用いるようにしてもよく、この場合には、ステップＳ２０２の処理で、運転負荷の最大値を更新しながらコントロールユニット１００のメモリに記憶させていくことになる。
【００６３】
次に、ステップＳ２０３において、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１が、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ２０４において、停止処理を開始する。具体的には、停止処理制御部１０１は、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【００６４】
次に、ステップＳ２０５において、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、ステップＳ２０２の処理でコントロールユニット１００のメモリに記憶させた運転負荷の移動平均値を読み出し、ステップＳ２０６において、読み出した運転負荷の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。
【００６５】
次に、ステップＳ２０７において、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧、ここではセル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の平均値（平均セル電圧）を求め、ステップＳ２０８において、この燃料電池スタック１の電圧がステップＳ２０６で設定された閾値以下にまで低下したかどうかを判定する。そして、燃料電池スタック１の電圧がステップＳ２０６で設定された閾値以下にまで低下したら、次に、ステップＳ２０９において、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきを計算によって求める。ここでは、セル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の最大値から最小値を減算した値を、セル電圧のばらつきを示す値として用いているが、これに限らず、統計的処理に従い全ての発電セル若しくは所定の発電セルの標準偏差を求め、これをセル電圧のばらつきを示す値として用いてもよい。
【００６６】
次に、ステップＳ２１０において、ステップＳ２０９で求めたセル電圧のばらつきが所定値以下になったかどうかを判定し、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、ステップＳ２１１において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【００６７】
その後、ステップＳ２１２において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転負荷に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定し、燃料電池１の電圧がこの閾値以下にまで低下し、且つ、燃料電池スタック１のセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で内部負荷４１の切り離しを行うようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【００６９】
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、停止時電圧低下運転を行う際に、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を、システム停止時における燃料電池システムの状況に応じて可変とした点も第１の実施形態と同様であるが、閾値を設定する基準となる燃料電池システムの状況として、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力の平均値を用いた点に特徴を有するものである。また、本実施形態においても、上述した第２の実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電圧が閾値以下となり、且つ、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしている。
【００７０】
内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象は、システム停止前の所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力によってもその発生が左右され、一般的に、システム停止前の所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力が低いほど、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。換言すると、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力が低いほど、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を低い値に設定して、燃料電池スタック１の電圧を十分に低下させた後に内部負荷４１の切り離しを行うことによって、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象を確実に防止できる。
【００７１】
このような観点から、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、例えば図１０に示すようなシステム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力の移動平均値と内部負荷４１を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示すテーブルを用いて、実際に求めたシステム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。なお、図１０に示すようなテーブルは、例えば、予め実機を用いた実験等を行うことによって作成される。
【００７２】
図１１は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００７３】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、停止時電圧低下運転を実施する前の通常運転時における処理として、ステップＳ３０１において、運転中の燃料電池スタック１の圧力（運転圧力）、例えば燃料電池スタック１の入口側圧力を随時読み込み、ステップＳ３０２において、読み込んだ運転圧力の移動平均を計算して、コントロールユニット１００内のメモリに記憶している。この運転圧力の移動平均を求める期間は、ここでは、例えば現在から過去５分前までの５分間に設定されているが、使用する燃料電池スタック１の特性やシステムの性能等に応じて最適な期間に設定すればよい。また、ここでは燃料電池スタック１の運転圧力として、燃料電池スタック１の入口側圧力を用いているが、その他の圧力で代用してもよい。
【００７４】
なお、ここでは、システム停止前の所定期間（例えば５分間）における運転圧力の値として、この所定期間における運転圧力の移動平均値を用いているが、移動平均値の代わりに所定期間における運転圧力の最大値を用いるようにしてもよく、この場合には、ステップＳ３０２の処理で、運転圧力の最大値を更新しながらコントロールユニット１００のメモリに記憶させていくことになる。
【００７５】
次に、ステップＳ３０３において、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１が、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ３０４において、停止処理を開始する。具体的には、停止処理制御部１０１は、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【００７６】
次に、ステップＳ３０５において、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、ステップＳ３０２の処理でコントロールユニット１００のメモリに記憶させた運転圧力の移動平均値を読み出し、ステップＳ３０６において、読み出した運転圧力の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。
【００７７】
次に、ステップＳ３０７において、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧、ここではセル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の平均値（平均セル電圧）を求め、ステップＳ３０８において、この燃料電池スタック１の電圧がステップＳ３０６で設定された閾値以下にまで低下したかどうかを判定する。そして、燃料電池スタック１の電圧がステップＳ３０６で設定された閾値以下にまで低下したら、次に、ステップＳ３０９において、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきを計算によって求める。ここでは、セル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の最大値から最小値を減算した値を、セル電圧のばらつきを示す値として用いているが、これに限らず、統計的処理に従い全ての発電セル若しくは所定の発電セルの標準偏差を求め、これをセル電圧のばらつきを示す値として用いてもよい。
【００７８】
次に、ステップＳ３１０において、ステップＳ３０９で求めたセル電圧のばらつきが所定値以下になったかどうかを判定し、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、ステップＳ３１１において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【００７９】
その後、ステップＳ３１２において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、システム停止前所定期間における燃料電池スタック１の運転圧力に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定し、燃料電池１の電圧がこの閾値以下にまで低下し、且つ、燃料電池スタック１のセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で内部負荷４１の切り離しを行うようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【００８１】
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第４の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、停止時電圧低下運転を行う際に、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を、システム停止時における燃料電池システムの状況に応じて可変とした点も第１の実施形態と同様であるが、閾値を設定する基準となる燃料電池システムの状況として、システム停止前所定期間における冷却液（燃料電池スタック１の温度調整のために燃料電池スタック１に供給される冷却液）の導電率の平均値を用いた点に特徴を有するものである。また、本実施形態においても、上述した第２及び第３の実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電圧が閾値以下となり、且つ、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしている。
【００８２】
内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象は、システム停止前の所定期間における冷却液の導電率によってもその発生が左右され、一般的に、システム停止前の所定期間における冷却液の導電率が低いほど、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。換言すると、システム停止前所定期間における冷却液の導電率が低いほど、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を低い値に設定して、燃料電池スタック１の電圧を十分に低下させた後に内部負荷４１の切り離しを行うことによって、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象を確実に防止できる。
【００８３】
このような観点から、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、例えば図１２に示すようなシステム停止前所定期間における冷却液の導電率の移動平均値と内部負荷４１を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示すテーブルを用いて、実際に求めたシステム停止前所定期間における冷却液導電率の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。なお、図１２に示すようなテーブルは、例えば、予め実機を用いた実験等を行うことによって作成される。
【００８４】
図１３は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００８５】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、停止時電圧低下運転を実施する前の通常運転時における処理として、ステップＳ４０１において、運転中の冷却液の導電率を随時読み込み、ステップＳ４０２において、読み込んだ冷却液導電率の移動平均を計算して、コントロールユニット１００内のメモリに記憶している。この冷却液導電率の移動平均を求める期間は、ここでは、例えば現在から過去５分前までの５分間に設定されているが、使用する燃料電池スタック１の特性やシステムの性能等に応じて最適な期間に設定すればよい。また、ここでは燃料電池スタック１に供給される冷却液の導電率を検出するようにしているが、燃料電池スタック１に加湿水を直接供給する内部加湿型の燃料電池システムの場合には、冷却液の導電率に代えて加湿水の導電率を検出するようにしてもよい。
【００８６】
なお、ここでは、システム停止前の所定期間（例えば５分間）における冷却液導電率の値として、この所定期間における冷却液導電率の移動平均値を用いているが、移動平均値の代わりに所定期間における冷却液導電率の最大値を用いるようにしてもよく、この場合には、ステップＳ４０２の処理で、冷却液導電率の最大値を更新しながらコントロールユニット１００のメモリに記憶させていくことになる。
【００８７】
次に、ステップＳ４０３において、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１が、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ４０４において、停止処理を開始する。具体的には、停止処理制御部１０１は、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【００８８】
次に、ステップＳ４０５において、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、ステップＳ４０２の処理でコントロールユニット１００のメモリに記憶させた冷却液導電率の移動平均値を読み出し、ステップＳ４０６において、読み出した冷却液導電率の移動平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。
【００８９】
次に、ステップＳ４０７において、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧、ここではセル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の平均値（平均セル電圧）を求め、ステップＳ４０８において、この燃料電池スタック１の電圧がステップＳ４０６で設定された閾値以下にまで低下したかどうかを判定する。そして、燃料電池スタック１の電圧がステップＳ４０６で設定された閾値以下にまで低下したら、次に、ステップＳ４０９において、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきを計算によって求める。ここでは、セル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の最大値から最小値を減算した値を、セル電圧のばらつきを示す値として用いているが、これに限らず、統計的処理に従い全ての発電セル若しくは所定の発電セルの標準偏差を求め、これをセル電圧のばらつきを示す値として用いてもよい。
【００９０】
次に、ステップＳ４１０において、ステップＳ４０９で求めたセル電圧のばらつきが所定値以下になったかどうかを判定し、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、ステップＳ４１１において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【００９１】
その後、ステップＳ４１２において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、システム停止前所定期間における冷却液の導電率に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定し、燃料電池１の電圧がこの閾値以下にまで低下し、且つ、燃料電池スタック１のセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で内部負荷４１の切り離しを行うようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【００９３】
（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第５の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第４の実施形態の変形例に相当するものである。すなわち、第４の実施形態では、システム停止前所定期間における冷却液導電率の平均値に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしているが、本実施形態では、システム停止前所定期間における冷却液導電率の平均値とシステム起動時からの冷却液導電率の最小値との差に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。
【００９４】
冷却液の導電率は、燃料電池システムの構成によっては燃料電池スタック１の運転状態に応じて大きく変動することもあり、また、経時劣化等によっても大きく変動することも考えられる。このような場合には、システム停止前所定期間における冷却液導電率の平均値からだけでは、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を適切な値に設定することができないことも想定される。
【００９５】
そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、通常の冷却液導電率の値に対しての導電率悪化分を判定できるように、システム停止前所定期間における冷却液導電率の平均値から、システム起動時からの冷却液導電率の最小値を減算して、その差分に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。具体的には、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、例えば図１４に示すようなシステム停止前所定期間における冷却液導電率の移動平均値とシステム起動時からの冷却液導電率の最小値との差分と、内部負荷４１を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示すテーブルを用いて、実際に求めた移動平均値と最小値との差分に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしている。なお、図１４に示すようなテーブルは、例えば、予め実機を用いた実験等を行うことによって作成される。
【００９６】
なお、ここでは、システム起動時からの冷却液導電率の最小値として、単に最小値を用いているが、データの安定性等を考慮して、移動平均の最小値を求めてこれを用いるようにしてもよい。
【００９７】
図１５は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【００９８】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、停止時電圧低下運転を実施する前の通常運転時における処理として、ステップＳ５０１において、運転中の冷却液の導電率を随時読み込み、ステップＳ５０２において、読み込んだ冷却液導電率の最小値をコントロールユニット１００内のメモリに記憶している。このステップＳ５０２の処理では、ステップＳ５０１で読み込んだ冷却液導電率の値が前回記憶した値よりも小さい場合はその値を、前回記憶した値の方が小さい場合はそのままの値を記憶するというように、システム起動時からの冷却液導電率の最小値を常に更新しながら記憶している。
【００９９】
また、ステップＳ５０３では、ステップＳ５０１で読み込んだ冷却液導電率の移動平均を計算して、コントロールユニット１００内のメモリに記憶している。この冷却液導電率の移動平均を求める期間は、ここでは、例えば現在から過去５分前までの５分間に設定されているが、使用する燃料電池スタック１の特性やシステムの性能等に応じて最適な期間に設定すればよい。また、ここでは燃料電池スタック１に供給される冷却液の導電率を検出するようにしているが、燃料電池スタック１に加湿水を直接供給する内部加湿型の燃料電池システムの場合には、上述した第４の実施形態と同様、冷却液の導電率に代えて加湿水の導電率を検出するようにしてもよい。
【０１００】
次に、ステップＳ５０４において、コントロールユニット１００の停止処理制御部１０１が、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ５０５において、停止処理を開始する。具体的には、停止処理制御部１０１は、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【０１０１】
次に、ステップＳ５０６において、コントロールユニット１００の閾値設定部１０２が、ステップＳ５０２の処理でコントロールユニット１００のメモリに記憶させたシステム起動時からの冷却液導電率の最小値と、ステップＳ５０３の処理でコントロールユニット１００のメモリに記憶させた冷却液導電率の移動平均値とを読み出し、ステップＳ５０７において、読み出した冷却液導電率の移動平均値から冷却液導電率の最小値を減算し、その差分を算出する。この処理によって、通常の冷却液導電率に対しての導電率悪化分を判定することが可能となる。
【０１０２】
そして、ステップＳ５０８において、ステップＳ５０７で算出した冷却液導電率の移動平均値と冷却液導電率の最小値との差分に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定する。これにより、冷却液導電率が比較的安定しないようなシステム構成の場合、或いは経時劣化等により冷却液導電率が悪化した場合においても、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を適切な値に設定することが可能となる。
【０１０３】
次に、ステップＳ５０９において、コントロールユニット１００の内部負荷切り離し制御部１０３が、燃料電池スタック１の電圧、ここではセル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の平均値（平均セル電圧）を求め、ステップＳ５１０において、この燃料電池スタック１の電圧がステップＳ５０８で設定された閾値以下にまで低下したかどうかを判定する。そして、燃料電池スタック１の電圧がステップＳ５０８で設定された閾値以下にまで低下したら、次に、ステップＳ５１１において、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきを計算によって求める。ここでは、セル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の最大値から最小値を減算した値を、セル電圧のばらつきを示す値として用いているが、これに限らず、統計的処理に従い全ての発電セル若しくは所定の発電セルの標準偏差を求め、これをセル電圧のばらつきを示す値として用いてもよい。
【０１０４】
次に、ステップＳ５１２において、ステップＳ５１１で求めたセル電圧のばらつきが所定値以下になったかどうかを判定し、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、ステップＳ５１３において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【０１０５】
その後、ステップＳ５１４において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、システム停止前所定期間における冷却液の導電率に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定し、燃料電池１の電圧がこの閾値以下にまで低下し、且つ、燃料電池スタック１のセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で内部負荷４１の切り離しを行うようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【０１０７】
また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止前所定期間における冷却液導電率の平均値とシステム起動時からの冷却液導電率の最小値との差に応じて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を設定するようにしているので、冷却液導電率が比較的安定しないようなシステム構成の場合、或いは経時劣化等により冷却液導電率が悪化した場合においても、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すタイミングを判断するための閾値を適切な値に設定することが可能となる。
【０１０８】
（第６の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第６の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、停止時電圧低下運転を行う際に、燃料電池スタック１の電圧（各発電セルのセル電圧の総和や平均セル電圧）と、設定した閾値との比較を行うことなく、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにした点に特徴を有するものである。
【０１０９】
停止時電圧低下運転では、上述したように、燃料電池スタック１への空気の供給は停止させて水素の供給のみを継続させ、酸化剤極側に残存する酸素を消費させるようにしているが、このとき燃料電池スタック１の各発電セル間でセル電圧のばらつきが生じると考えられ、このセル電圧のばらつきが大きいと、停止時電圧低下運転終了後に燃料電池スタック１の電圧が再度上昇する現象が生じ易い。
【０１１０】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第２乃至第５の実施形態と同様、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となったかどうかを、内部負荷４１の切り離しタイミングを決める基準としている。ただし、上述した第２乃至第５の実施形態では、このセル電圧のばらつきだけでなく、燃料電池スタック１の各発電セルのセル電圧の総和、或いは平均セル電圧が低下したかどうかも内部負荷４１の切り離しタイミングを決める基準としていたが、本実施形態では、セル電圧のばらつきのみを基準としている。これは、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階では、殆どの場合、燃料電池スタック１の各発電セルのセル電圧の総和、或いは平均セル電圧が十分に低下していると考えられるからである。
【０１１１】
図１６は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【０１１２】
本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、ステップＳ６０１において、運転者のキーオフ操作等によってシステム停止信号が入力されたか否かを判定し、システム停止信号が入力された段階で、ステップＳ６０２において、停止処理を開始する。具体的には、空気供給系のコンプレッサ１２の動作を停止させて燃料電池スタック１に対する空気の供給を停止させる。また、水素供給系のパージ弁１１を開放し、この状態で燃料電池スタック１への水素の供給を継続させる。また、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオンして、内部負荷４１を燃料電池スタック１に接続させる。この停止処理によって、燃料電池スタック１の酸化剤極側に残存する酸素が継続供給される水素との発電反応によって消費され、このときの発電によって生じる電力が内部負荷４１で消費されることになる。
【０１１３】
次に、ステップＳ６０３において、セル電圧モニタ２によって検出される燃料電池スタック１の各発電セルの電圧から、各発電セル間におけるセル電圧のばらつきを計算によって求める。ここでは、セル電圧モニタ２によって検出される各発電セルの電圧の最大値から最小値を減算した値を、セル電圧のばらつきを示す値として用いているが、これに限らず、統計的処理に従い全ての発電セル若しくは所定の発電セルの標準偏差を求め、これをセル電圧のばらつきを示す値として用いてもよい。
【０１１４】
次に、ステップＳ６０４において、ステップＳ６０３で求めたセル電圧のばらつきが所定値以下になったかどうかを判定し、セル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で、ステップＳ６０５において、内部負荷回路の切り替えスイッチ４２をオフに切り替えて、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離す。
【０１１５】
その後、ステップＳ６０６において、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させ、また、加湿手段や冷却機構の動作も停止させて、停止時電圧低下運転を終了する。
【０１１６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に停止時電圧低下運転を行う際に、燃料電池スタック１の各発電セル間におけるセル電圧のばらつきが所定値以下となった段階で内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離すようにしているので、内部負荷４１を燃料電池スタック１から切り離して停止時電圧低下運転を終了させた後に、燃料電池スタック１の電圧が再度上昇してしまう現象を有効に防止することができ、燃料電池スタック１の触媒能劣化を効果的に抑制することができる。
【０１１７】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１のセル電圧のばらつきのみを基準として内部負荷４１の切り離しタイミングを決めるようにしており、各発電セルのセル電圧の総和、或いは平均セル電圧が低下したかどうかの判定を行わないので、その分、処理を簡素化してコントロールユニット１００の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】燃料電池スタックの運転負荷と運転圧力との関係を示す特性図である。
【図３】燃料電池スタックの平均セル電圧の低下を検出する方法を説明する図であり、運転時の負荷に対する燃料電池スタックの電圧特性を示す特性図である。
【図４】燃料電池スタックに接続された内部負荷回路を示す図である。
【図５】停止時電圧低下運転を実施するための構成としてコントロールユニットに実現される各部を示す機能ブロック図である。
【図６】燃料電池スタックの温度と内部負荷を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】システム停止前所定期間における燃料電池スタックの運転負荷の移動平均値と内部負荷を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示す図である。
【図９】第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】システム停止前所定期間における燃料電池スタックの運転圧力の移動平均値と内部負荷を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示す図である。
【図１１】第３の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】システム停止前所定期間における冷却液の導電率の移動平均値と内部負荷を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示す図である。
【図１３】第４の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】冷却液導電率の移動平均値と最小値との差と内部負荷を切り離すタイミングとなる閾値との関係を示す図である。
【図１５】第５の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】第６の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時に実施される停止時電圧低下運転の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１９】
１  燃料電池スタック
２  セル電圧モニタ
３  温度センサ
４  水素タンク
１２  コンプレッサ
３６  導電率センサ
３７，３８  温度センサ
１００  コントロールユニット
１０１  停止処理制御部
１０２  閾値設定部
１０３  内部負荷切り離し制御部
【図１】
2005302304.tif 000003
【図２】
2005302304.tif 000004
【図３】
2005302304.tif 000005
【図４】
2005302304.tif 000006
【図５】
2005302304.tif 000007
【図６】
2005302304.tif 000008
【図７】
2005302304.tif 000009
【図８】
2005302304.tif 000010
【図９】
2005302304.tif 000011
【図１０】
2005302304.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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