(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時に、燃料循環系内部に水素と空気（酸素）の偏在による劣化を防止する。【解決手段】燃料電池の発電停止中に、水素濃度計５０が検出した水素濃度が所定の濃度範囲内にあるとき、水素循環ポンプ２４を駆動して燃料ガスを循環させ、燃料極１ｂの触媒上で水素と酸素とを反応させ水素を除去する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料極内または前記燃料ガス循環経路内の水素濃度に関する値を検出する検出手段を備え、
前記検出手段の検出値に基づく水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記燃料極または前記燃料ガス循環経路内の圧力を検出する燃料極圧力検出手段であり、該燃料極圧力検出手段が検出した燃料ガス圧力に基いて水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備えた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】
前記水素濃度推定手段は、前記燃料ガス循環手段が稼動を開始したときの圧力を記憶し、前記燃料ガス循環手段稼動時の圧力と前記燃料ガス循環手段稼動中の圧力との圧力差に基いて水素濃度を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス循環経路内の圧力を大気圧へ開放する圧力開放手段を備え、
燃料極圧力が所定圧力以下に達した時点で、前記圧力開放手段を稼動させて、前記燃料極および前記燃料ガス循環経路内へ空気を供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス循環手段と圧力開放手段の操作を交互に動作させ、前記燃料ガス循環手段の駆動毎の前記圧力差を記憶し、前記圧力差の積算和より水素濃度を推定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料極または前記燃料ガス循環経路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、酸素濃度が第三の所定値から第四の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムの運転停止を指示する運転スイッチを備え、
該運転スイッチの指示が停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
アイドルストップ中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池電圧を検出する電圧検出手段を備え、燃料電池電圧が所定値以上のときには、発電停止中の前記燃料ガス循環手段の稼動を禁止または停止することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池の発電停止中に燃料電池の負荷装置に電力を供給する蓄電手段と、
該蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、
蓄電量が所定値以下のときには、発電停止中の前記燃料ガス循環手段の稼動を禁止または停止することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項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、燃料電池システムに係り、特に、起動時の劣化を抑制した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
しかしながら、燃料電池システムの起動、停止を繰り返すと、連続運転状態に比べて、燃料電池の劣化が促進されることが知られている。例えば、燃料電池システムの起動時に水素供給を開始する場合、停止中に燃料極へ入り込んだ空気と新規に供給される水素との界面（水素フロント）が形成される。そして水素フロントより後方の水素が供給されている燃料極の第１領域では水素が電離され、水素イオンが電解質膜を介して酸化剤極に到達する。このとき、未接続の外部回路からは酸化剤極に電子が供給されず、水素フロントより前の第２領域の酸化剤極触媒を担持している炭素と水との反応により二酸化炭素と水素イオンと電子が生成される。この電子は、酸化剤極内を第２領域から第１領域側へ移動して水の生成に寄与する。第２領域で電離した水素イオンは、電解質膜を介して対向する燃料極領域へ移動する。このような反応により、水素フロントより前の酸化剤極領域の触媒担持体の炭素が二酸化炭素へとガス化して失われてしまい、触媒微粒子が凝集して触媒性能が低下するという問題があった。
【０００４】
このような酸化剤極の劣化が早く進行するという問題を解決するために、起動時の燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高圧で供給することで、燃料極に残留している酸素を短時間で排出し、電極触媒などの劣化を抑える発明がなされている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報（第１２頁、図１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の発明の燃料ガス循環ポンプを最初に回転させるような起動方法では、燃料電池内の燃料極側が空気で、燃料ガス循環経路内が燃料ガスのような系内のガス組成が不均一の場合に、ポンプの過渡応答性次第では燃料ガスが燃料極を通過するのに時間を有してしまい、劣化を促進してしまうという問題点があった。
【０００６】
またポンプの過渡応答性を上げるためには、ポンプの体積、重量、消費電力が増加し、車両搭載に不向きとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、電解質を挟持する燃料極と酸化剤極を有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池からの排燃料ガスの一部を供給側へ再循環させるための燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環手段とを備える燃料電池システムにおいて、前記燃料極内または前記燃料ガス循環経路内の水素濃度に関する値を検出する検出手段を備え、前記検出手段の検出値に基づく水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
本発明においては、燃料電池の発電停止中に、燃料極、燃料ガス循環経路及び燃料循環手段を含む燃料系の水素ガス濃度が徐々に低下する。これに伴って、電解質を介して酸化剤極から酸素を含む空気が燃料系へ進入する。この燃料系の水素ガス濃度に関する値を検出手段で検出し、この検出値に基づく水素ガス濃度が上限値である第一の所定値以上、または下限値である第二の所定値以下であれば、発電停止中に燃料ガス循環手段を稼動させない。そして、水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させる。これにより、十分水素ガス濃度が高い場合に、また逆に十分水素ガス濃度が低い場合には、次回起動時に燃料ガス循環ポンプを最初に回転開始したときに、水素フロントによる酸化剤極触媒の劣化の虞がないので、燃料ガス循環手段の停止状態を維持して燃料ガス循環手段の駆動エネルギーを節約したり、燃料ガス循環手段の駆動による騒音振動を回避することもできる。
【０００９】
さらに、次回起動時に燃料ガス供給を開始したときに、水素フロントによる酸化剤極触媒の劣化の虞がある水素濃度が第一の所定値から第二の所定値の範囲内において、発電停止中に前記燃料ガス循環手段を稼動させて、燃料ガス中の水素と燃料系に進入した酸素とを燃料極触媒上で反応させて消費させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水素濃度を検出することで、燃料極内の空気の置換状態がわかり、空気の置換状態に応じて燃料ガス循環手段が稼動する。停止中に燃料系内（燃料極及び燃料ガス循環経路、燃料ガス循環手段）に残留水素と流入してきた空気が不均一に混在したガスが、燃料電池燃料極触媒に供給されて速やかに水素が消失するので、再起動時の高電圧下において、燃料極内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
＜一般的な燃料電池システムの構成＞
まず、燃料電池システムの概念図である図９と燃料電池の単一セルの概念図である図１０を参照して、本発明が適用される燃料電池システム全体の構成について説明する。
【００１３】
・ 燃料電池本体
図９の燃料電池本体１は、図１０に示すように、例えば、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜１０２の両面に燃料極（アノード）触媒層１０３及び酸化剤極（カソード）触媒層１０４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１と、ＭＥＡ１０１の両面に配置された燃料ガス拡散層１０５、酸化剤ガス拡散層１０６、セパレータ１０７、１０８を備え、セパレータ１０７と燃料ガス拡散層１０５との間には燃料ガス流路１０９を、セパレータ１０８と酸化剤ガス拡散層１０６との間には酸化剤ガス流路１１０が設けられた燃料電池単セル１００を複数枚積層したものから成っており、燃料電池本体１の外部から供給された燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）が、それぞれ燃料ガス流路１０９と酸化剤ガス流路１１０に供給され、電気化学反応により発電する。
【００１４】
・ 空気系
空気コンプレッサ１１によって圧縮された空気は、空気供給経路１２を介して空気系加湿装置１３に送られ、加湿された後、燃料電池本体１の酸化剤極１ａに送られる。燃料電池本体１内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路１４を通り、空気調圧弁１５で圧力が調整され、システム外へ排気される。酸化剤極１ａに供給される空気の圧力は、酸化剤極１ａの入口に設けられた空気圧力計１６により検出され、この圧力が所望の圧力となるように、空気調圧弁１５が制御される。空気系加湿装置１３は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。
【００１５】
また、空気調圧弁１５の下流には排気空気中の水素を検出するための図示しない水素検知器を備え、燃料極から酸化剤極へ電解質膜１０２を介して透過してきた水素やシール部から漏れた水素を検出することができる。
【００１６】
・ 水素系
高圧水素タンク２１によって供給された水素は、水素供給経路２２を通り、水素調圧弁２３で所望の圧力に調圧され、水素循環ポンプ２４により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置２５で加湿されて、燃料電池本体１の燃料極１ｂに送られる。燃料極１ｂに供給される水素の圧力は、燃料極１ｂの入口に設けられた水素圧力計２９で検出され、この圧力が所望の圧力となるように、水素調圧弁２３が制御される。燃料電池本体１内の電気化学反応で水素が消費された後、未反応の水素は、水素循環経路２６を通り、水素循環ポンプ２４により再び発電に利用される。
【００１７】
また、水素系には、運転中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂに透過してくる窒素や高圧水素タンク２１中に含まれる不純物が蓄積してくるため、これらをシステム外部へ排出するための水素排気経路２７と水素排出弁（パージ弁）２８を有している。水素排出弁２８は、燃料ガス循環経路（水素循環経路２６）を大気圧に開放する圧力開放手段である。
【００１８】
・ 冷却水系
燃料電池本体１の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体１を適温に保つために、冷却水系が設けられている。冷却水ポンプ３１によって圧送された冷却水は、燃料電池本体１を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路３２を通り、熱交換器３３でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ３１で燃料電池本体１へ圧送される。また冷却水温度計３４で冷却水温度をモニタしながら、燃料電池本体の発電に適正な温度に温度調整される。
【００１９】
・ 負荷系
燃料電池本体１の発電電力を消費する負荷装置４０は、例えば燃料電池車両においては、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体１の発電電圧は、電圧計４１により検出され、コントローラ４５へ送信される。また燃料電池本体１には、電流計４２を介して負荷装置４０が接続され、燃料電池の発電電力が負荷装置４０に供給される。また燃料電池システムは、蓄電装置としてのバッテリ４４と、これの充放電を制御するバッテリコントローラ４３を備える。バッテリコントローラ４３は、燃料電池本体１の発電電力が不足する場合、バッテリ４４から負荷装置４０へ放電させるとともに、燃料電池本体１の発電電力に余剰がある場合に、燃料電池本体１からバッテリ４４への充電を制御する。
【００２０】
また、バッテリコントローラ４３は、バッテリ４４の電圧及び充放電電流、さらに必要であればバッテリ温度等を検出し、これらの検出結果に基づいてバッテリ４４の蓄電量を検出または推定して、コントローラ４５へ送信する。
【００２１】
・ 制御系
コントローラ４５は、燃料電池本体１を含む燃料電池システム全体を制御する。また、コントローラ４５は、空気圧力計１６，水素圧力計２９，冷却水温度計３４，電圧計４１及び電流計４２の検出信号に基づいて、燃料電池本体１をあらかじめ設定されている最適な圧力・温度・流量・負荷にするために、コンプレッサ１１、空気調圧弁１５、水素調圧弁２３、水素排出弁２８、冷却水ポンプ３１、負荷装置４０、バッテリコントローラ４３へ制御信号を出力する。
【００２２】
尚、図示しない運転スイッチ（キースイッチ）がコントローラ４５に接続され、ユーザが運転スイッチを操作することにより、燃料電池システムの運転または停止の指示をコントローラ４５へ入力できるようになっている。また、コントローラ４５は、燃料電池の低負荷時または無負荷時に発電を一時停止させるアイドルストップ機能を備えていてもよい。
【００２３】
次に、このような燃料電池システムの停止から次の起動時の燃料室（水素供給経路２２、水素循環ポンプ２４、水素系加湿装置２５、燃料極１ｂ、水素循環経路２６）の様子を図１１、図１２、図１３を用いて説明する（図中には水素系加湿装置２５を省略した）。
【００２４】
（Ａ）運転停止直後の状態（以下、状態（Ａ））
燃料電池システムの停止直後は、燃料室内には、発電停止時の水素で充満している。
【００２５】
（Ｂ）運転停止後十分時間が経過した状態（以下、状態（Ｂ））
停止から十分な時間が経過した場合、ＭＥＡ１０１を通して、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過して、拡散により、燃料室内は空気で充満している状態となる。空気で充満するまでの時間はＭＥＡの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数時間程度である。尚、運転停止直後に、燃料室を空気置換する場合には、置換後に状態（Ｂ）となる。
【００２６】
（Ｃ）停止後数分〜数十分経過後の状態（以下、状態（Ｃ））
停止からあまり時間が経過していない場合は、状態（Ｂ）に対して、燃料極１ｂは空気が存在しているが、その他の部位（水素循環ポンプ２４や水素系加湿装置２５、水素循環経路２６）には前回の発電中の水素が満ちており、燃料室内に空気と水素が不均一に存在している状態となる。このような状態は、ＭＥＡの素材、厚さ、温度等により様々であるが、一般的には数分から数十分程度である。
【００２７】
＜従来技術の問題点＞
従来技術では、燃料極１ｂに残留している空気を短時間で排出するために、水素排出弁２８を開にし、水素循環ポンプ２４の作動を開始し、燃料極１ｂを負圧にした後、高圧の水素を供給し、負圧による吸引力と高圧の供給力によって素早く燃料極１ｂ内に残留する酸素を排出しているが、先ほどの状態（Ｃ）のように燃料室内に空気と水素が不均一に存在する場合、水素循環ポンプ２４の作動を開始した途端に、燃料極１ｂ内に水素と酸素の偏在が生じる。
【００２８】
水素循環ポンプ２４の過渡応答性が十分な場合、この水素と酸素の偏在の存在時間を短くでき、劣化を抑制することが可能であるが、燃料電池車両のような小型、軽量のシステムを必要とする場合、水素循環ポンプ２４も小型、軽量のものが適しており、この場合、水素循環ポンプ２４の過渡応答性には限界があるため、水素と酸素の偏在の存在時間が長くなり、劣化を進行させるという問題点があった。
【００２９】
本発明は、この問題点を解決する燃料電池システムの制御方法を提供する。
【実施例１】
【００３０】
［構成］
次に、図１を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図９に対して、燃料極１ｂの出口付近に水素濃度を計測できる水素濃度計５０を加えたものである。その他の構成は、図９と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３１】
［制御方法］
次に、図２の制御フローチャートと、図７のタイムチャートを参照して本実施例の動作を説明する。
【００３２】
図２の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎（例えば、１００[msec]毎）に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ４５が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。
【００３３】
図２の制御フローチャートにおいて、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）６１において、水素濃度計５０に電源を投入し、水素濃度を検出する。次いでＳ６２で、検出した水素濃度が所定の濃度範囲内にあるか否かを判定する。
【００３４】
第１の所定濃度２１１、第２の所定濃度２１２、発電中の水素濃度管理点２１０とするとき（２１０＞２１１＞２１２）、水素濃度は、３条件に基いて分けることができる。
【００３５】
＜第１の所定濃度以上の場合（２１１以上）＞
発電停止直後であり、まだ空気の置換が進んでおらず、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化を促進することはないので、Ｓ６４へ進む。
【００３６】
＜第２の所定濃度以下の場合（２１２以下）＞
発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、少ない水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化を促進することはないので、Ｓ６４へ進む。
【００３７】
＜第１の所定濃度未満、かつ第２の所定濃度を超えた場合（２１１から２１２まで）＞
発電停止から若干放置された状態であり、空気へ置換が進んでいるものの、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソード空気供給と燃料ガス循環ポンプ回転を開始して燃料電池が高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、Ｓ６３へ進む。
【００３８】
Ｓ６３では、燃料室内は前回発電中の水素と置換空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断し、水素循環ポンプ２４を稼動させ、燃料室内のガスを循環させて、燃料極１ｂの触媒上で化学反応操作を実行する。水素循環ポンプは所定回転数で回転させる。これは、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度に抑制した回転数（２４０）として、リターンする。
【００３９】
Ｓ６４では、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在がなくなったと判断し、水素循環ポンプ２４を停止させ（２４１）、燃料極触媒上での化学反応操作を終了し、リターンする。
【００４０】
［実施例１の効果］
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合、再起動要求がされたら、ただちに起動することができる（図７の時刻２００から２０１）。また、水素循環ポンプ駆動操作を実行しないので、余分な補機電力を消費することがない。水素の過剰消費させることがなく燃費を改善することができる。
【００４１】
（２）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合、その間に再起動要求がされたら、ただちに起動することができる（図７の時刻２０２以降）。再起動要求されたら水素循環ポンプ２４で燃料極１ｂ内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在状態を短くでき劣化を抑制できる。
【００４２】
（３）燃料室内が前回発電時の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合、再起動要求されたら水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることできず劣化が進行する。しかし、本実施例に示すように、循環ポンプ駆動操作を実行して水素消費するので、この区間を大幅に短時間にすることができる（図７の時刻２０１から２０２）。したがって、再起動回数における劣化を伴う起動の頻度を低減することができる。したがって、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００４３】
ここで、水素濃度計５０の設置位置について説明する。燃料電池の運転停止中に、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過してくるか、または水素排気経路２８より空気が逆流してくるため、燃料電池本体１の燃料極１ｂの出口に水素濃度計５０を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。
【００４４】
また、実験的に燃料極１ｂ、水素循環経路２６等各部の水素濃度を測り、最も空気置換が進行する部位、最も空気置換が進みにくい部位を特定し、水素濃度計を設置する場合でもよい。燃料極、循環ラインに複数個の水素濃度計を設置してもよい。また、上下限判断を別の水素濃度計で行なってもよい。
【実施例２】
【００４５】
［構成］
次に、実施例２を説明する。本実施例の構成は、図１に示した実施例１の構成から水素濃度計５０を除去した構成である。本実施例は、水素濃度計の検出値に代えて、燃料電池の運転停止からの経過時間や燃料極の圧力に基づいて水素濃度を推定する実施例である。
【００４６】
［制御方法］
次に、本実施例の制御方法を図３の制御フローチャートと、図８のタイムチャートを参照して説明する。
【００４７】
図３の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎（例えば、１００[msec]毎）に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ４５が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。
【００４８】
図３の制御フローチャートにおいて、まずＳ７１において、運転スイッチがオフされたか、アイドルストップ状態に入ったかを判定する。
【００４９】
Ｓ７１の判定で、Ｙｅｓの場合、通常制御を行うために、Ｓ７２へ進む。Ｓ７１の判定で、Ｎｏの場合、Ｓ８２へ進み、タイマＡをリセットしてリターンする。
【００５０】
Ｓ７２では、タイマＡをカウントして、Ｓ７３へ進む。本制御ルーチンが、例えば１００［msec］毎に繰り返すならば、１回毎に１００［msec］の積算和とすればよい。その場合、コントローラ外のタイマを用意する必要はない。
【００５１】
Ｓ７３では、現在のタイマＡの値が第１所定時間と第２所定時間の間であるか否かを判定する。ここで、第１の所定時間、第２の所定時間は、燃料室内の空気置換度合いに基いて設定した時間である。
【００５２】
第１の所定時間は、燃料室内に酸化剤極１ａから透過してきたか、排気空気経路２７より逆流してきた空気の量が、水素と空気との混在として起動時の劣化が無視できる上限に達した時間を設定している。第２所定時間は、燃料室内に前回発電時の水素と、酸化剤極１ａから透過してきたか、空気排気経路２７より逆流してきた空気とで不均一に混在しており、再起動時に劣化が顕著に進行すると判断される程度に、空気置換が十分でなく水素が残留している上限の時間を設定している。ここでは、予め実験的に値を設定しているが、最も水素が残りやすい条件で第２の所定時間を設定し、最も水素が残りにくい条件で第１の所定時間を設定すると、まず不均一化が起こると考えにくいところでは、ここで制御をぬけることができる。
【００５３】
Ｓ７３の判定がＮｏ（第１の所定時間以下）の場合、燃料室内の空気置換が殆ど進んでおらず、そのため水素が十分にある状態にあるので、リターンする。この区間が図８の時刻３００以前である。
【００５４】
Ｓ７３の判定がＮｏ（第２の所定時間以上）の場合、燃料室内の空気置換が十分に進んでおり、ほとんど水素がない状態にあるので、リターンする。この区間が図８の時刻３０９以降である。
【００５５】
Ｓ７３の判定がＹｅｓの場合、（第１の所定時間を超え第２の所定時間未満の場合）、空気置換が進んでいるものの、水素もかなり残留している状態であり、燃料室内が前回発電時の水素と酸化剤極１ａから透過してきたか、排気空気経路２７より逆流してきた空気とで不均一に混在しており再起動時に劣化が進行する状態にあるので、Ｓ７４へ進む。この区間が図８の時刻３００から時刻３０９である。
【００５６】
前回停止してから起動するまでの経過時間による燃料室内の空気置換状態であるが、あらかじめ燃料室内部の各部に酸素濃度センサまたは水素濃度センサを設置し、経過時間と濃度変化を実験的に求めて、燃料室内が起動直後に通常ルーチンへ移行しても劣化が進行しない酸素濃度以下（水素濃度以上）になるまでの時間を第１の所定時間、燃料室内が最初に水素循環ポンプ２４を作動させても劣化がしない酸素濃度以上（水素濃度以下）になるまでの時間を第２の所定時間と設定することができる。
【００５７】
また、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ透過する空気の時間割合は燃料電池本体１の温度に依存する（温度が高いほうが透過速度は速い）ため、冷却水温度計３４によって計測される温度を変化させて実験を実施し、経過時間と燃料室内の濃度変化を計測し補正式（マップ、テーブルでもよい）を求め、基本となる経過時間に乗ずることで補正することができる。
【００５８】
ここで、第２の所定時間を設けたのは、Ｓ７４で水素濃度推定を行なっているが、十分に長時間経過しても、推定を誤った場合に水素循環ポンプが誤作動してしまうのを予め防止するものである。
【００５９】
Ｓ７４では、水素濃度を推定して、Ｓ７５へ進む。ここでは、水素濃度は水素分圧に基いて演算する。まず、大気圧Ｐamb(320)より、水素循環ポンプを作動させ化学反応によりアノード圧力が降下しはじめる。圧力Ｐa(321)に達したところで、水素循環ポンプを停止する。
【００６０】
ここで差圧ΔＰa は、ΔＰa ＝Ｐamb(320)−Ｐa(321)で表される。 
化学反応式は、２Ｈ2 ＋Ｏ2 ＝２Ｈ2Ｏである。 
また、燃料極内の燃料ガスは飽和水蒸気圧まで水蒸気を含むものと仮定すれば、差圧ΔＰa のうち2/3が水素の消失分（ΔＰh2）に相当する。
【００６１】
ΔＰh2＝2/3ΔPa
繰返し操作をする毎に、推定水素濃度は、初期水素濃度より、2/3ΔＰa 積算和で減算することで、そのときの水素濃度を推定できる。
【００６２】
ΔＰh2＝Ｐ(310)−Ｐ(312)
＝Ｐ(312)−Ｐ(313)
＝Ｐ(313)−Ｐ(314)
＝Ｐ(314)−Ｐ(315)
Ｓ７５では、推定水素濃度が第１所定濃度と第２所定濃度との間にあるか否かを判定する。第１の所定濃度310 、第２の所定濃度311 、とするとき、水素濃度は、３条件に基いて分けることができる。
【００６３】
Ｓ７５の判定がＮｏの場合（第１の所定濃度以上（３１０以上）の場合）、発電停止直後であり、まだ燃料系内部の空気の置換が進んでおらず、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、リターンする。
【００６４】
Ｓ７５の判定がＮｏの場合（第２の所定濃度以下（３１１以下）の場合）、発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、少ない水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、リターンする。
【００６５】
Ｓ７５の判定がＹｅｓの場合（第１の所定濃度未満で、かつ第２の所定濃度を超えた場合（３１１から３１０まで））、発電停止から若干放置された状態であり、空気へ置換が進んでいるものの、高い水素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、Ｓ７６へ進む。
【００６６】
Ｓ７６では、水素圧力計２９からアノード圧力を読み込む。次いで、Ｓ７７でアノード圧力が所定圧力未満であるか否かを判定する。判定用の所定圧力（３２１）は、スタック内の膜が損壊しない程度に安全な範囲に設定し、アノード−カソード間に過度な差圧が生じることを防止する。
【００６７】
Ｓ７７の判定で、アノード圧力が所定圧力未満の場合、Ｓ８３へ進む。 
Ｓ７７の判定で、アノード圧力が所定圧力以上の場合、Ｓ７８へ進む。 
Ｓ７８では、タイマＢをカウントして、Ｓ７９へ進む。Ｓ７９では、タイマＢが所定時間経過しているか判定する。ここで、アノード圧を大気圧（３２０）に戻すことで、空気置換を促進させる。
【００６８】
Ｓ７９の判定で、タイマＢが所定時間を超えている場合、アノード圧が大気圧に戻ったと判断し、化学反応を開始するためにＳ８０へ進む。
【００６９】
Ｓ７９の判定で、タイマＢが所定時間以下の場合、アノード圧が大気圧に戻っていないと判断し、Ｓ８４へ進む。
【００７０】
Ｓ８０では、水素循環ポンプを所定回転数（３３０）で起動し、また水素排出弁（パージ弁）は閉（３４０）とする。これは、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度におさせた回転数とする。この区間が図８の３００から３０１、３０２から３０３、３０４から３０５、３０６から３０７、３０８から３０９まである。そして、メインルーチンへリターンする。
【００７１】
Ｓ８３では、タイマＢをリセットし、Ｓ８４へ進む。 
Ｓ８４では、これ以上水素循環ポンプを駆動して化学反応を続けると、スタック内の膜間差圧が増加しつづけるので、水素循環ポンプを停止し、水素排出弁を開いて空気置換を行う。水素循環ポンプは回転停止（３３１）、パージ弁は開制御（３４０）を行なう。
【００７２】
この区間が図８の３０１から３０２、３０３から３０４、３０５から３０６、３０７から３０８である。そして、メインルーチンへリターンする。
【００７３】
［実施例２の効果］
（１）水素濃度を推定することで、アノード内の空気の置換状態がわかり、空気の置換状態に応じて燃料ガス循環手段が稼動する。停止中に燃料室内（燃料極及び燃料ガス循環経路、燃料ガス循環手段）に残留水素と流入してきた空気が不均一に混在したガスが、燃料極触媒に供給されて速やかに水素が消失するので、再起動時の高電圧下において、燃料室内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避できる。
【００７４】
（２）燃料室内の圧力を計測するシステムなので、燃料ガス循環手段が稼動開始したときの圧力を記憶し、稼動中の圧力を読みつづけることができ、燃料ガス循環手段稼動開始後の圧力降下の時間経過がわかる。圧力降下度合いから水素消失量がわかるので、水素消失量の時間経過がわかる。以上のことを水素濃度検出手段を用いずに実現することができる。
【００７５】
（３）一度の燃料ガス循環手段の稼動で水素が消失されすぎてしまうと、膜をはさんで水素圧と空気圧の差圧が増加してしまい、スタックの物理的劣化につながるが、圧力開放手段を備えているので、アノード圧が所定値以下（または、カソード圧に対してアノード圧の差圧が所定値以上）に達したら、燃料ガス循環手段を停止し、開放操作を実行するので、膜が物理的劣化するほどの差圧が生じることはない。
【００７６】
（４）アノード内の空気置換状態に基いて燃料ガス循環手段を操作し、アノード−カソード間の差圧に基いて圧力開放手段を操作する。それぞれの動作を交互に繰り返すので、スタックを差圧により損壊することなく、水素がほとんどない状態まで空気置換を促進することができる。
【実施例３】
【００７７】
［構成］
次に、図４を参照して、実施例３の構成を説明する。本実施例の構成は、一般的な燃料電池システムである図９に対して、燃料極１ｂの出口付近に酸素濃度を計測できる酸素濃度計５１を加えたものである。その他の構成は、図９と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００７８】
［制御方法］
次に、本実施例の制御方法を図５の制御フローチャートを参照して説明する。
【００７９】
図５の制御フローチャートは、燃料電池の運転停止中に、一定時間毎（例えば、１００[msec]毎）に呼び出されて実行されるものとするが、後述する実行許可条件を付加してもよい。尚、燃料電池の運転停止中であることは、燃料電池車両の場合、コントローラ４５が図示しない運転スイッチ信号、アイドルストップ信号等に基づいて判断する。
【００８０】
図５の制御フローチャートにおいて、まず、Ｓ８６において、酸素濃度計５１に電源を投入し、酸素濃度を検出する。次いでＳ８７で、酸素濃度が第３の所定濃度と第４の所定濃度の間にあるか否かを判定する。第３の所定濃度＞第４の所定濃度とするとき、酸素濃度は、３条件に基いて分けることができる。
【００８１】
Ｓ８７の判定がＮｏの場合（第４の所定濃度以下の場合）、発電停止直後であり、まだ空気の置換が進んでおらず、低い酸素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、Ｓ８９へ進む。
【００８２】
Ｓ８７の判定がＮｏの場合（第３の所定濃度以上の場合）、発電停止から長時間放置された状態であり、空気へ置換が十分に進んでおり、高い酸素濃度を維持している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になっても、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生していないので、劣化が促進することはないので、Ｓ８９へ進む。
【００８３】
Ｓ８７の判定がＹｅｓの場合（第３の所定濃度未満で、かつ第４の所定濃度を超える場合）、発電停止から若干放置された状態であり、高い酸素濃度を維持しつつ、水素も混在している。そのため、再起動時にカソードに空気供給して高電圧状態になると、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生して劣化が促進しうる状態にあるので、Ｓ８８へ進む。
【００８４】
Ｓ８８では、燃料室内は前回発電中の水素と置換空気が不均一に存在している（状態Ｃ）と判断し、水素循環ポンプを稼動させ、燃料極触媒上で化学反応操作を実行する。水素循環ポンプは所定回転数で回転させ、リターンする。この所定回転数は、アノードガスが循環し、かつ実験的にドライバ、または車両周囲の人に違和感を与えない程度に抑制した回転数とする。
【００８５】
Ｓ８９では、燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在がなくなったと判断し、水素循環ポンプを停止させ、燃料極触媒上で化学反応操作を終了して、リターンする。
【００８６】
［実施例３の効果］
（１）燃料極１ｂ内が水素で満ちていると判断された場合、再起動要求がされたら、ただちに起動することができる。また、循環ポンプ駆動操作を実行しないので、余分な補機電力を消費することがない。水素の過剰消費させることがなく燃費を改善することができる。
【００８７】
（２）燃料極１ｂ内が空気で満ちていると判断された場合、その間に再起動要求がされたら、ただちに起動することができる。再起動要求されたら水素循環ポンプ２４で燃料極１ｂ内に負圧を生成させた後、高圧の水素を供給できるので燃料極１ｂ内での水素と酸素の偏在状態を短くでき劣化を抑制できる。
【００８８】
（３）燃料室内が前回発電中の水素と酸化剤極１ａから透過してきた空気が不均一に存在していると判断された場合、再起動要求されたら水素循環ポンプを作動させた直後に発生する燃料極１ｂ内の水素と酸素の偏在を避けることできず劣化が進行する。しかし、本実施例に示すように、循環ポンプ駆動操作を実行して水素消費するので、この区間を大幅に短時間にすることができる。したがって、再起動回数における劣化を伴う起動の頻度を低減し、劣化を抑制することができる。
【００８９】
次に、酸素濃度計の設置位置について補足説明する。停止中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ空気が透過してくるか、または水素排気経路２８より空気が逆流してくるため燃料電池本体１出口に酸素素濃度計を設置することで、燃料室の空気置換状態を把握することができる。もちろん入口であっても構わない。
【００９０】
また、実験的に燃料極、循環ラインこれら各部の酸素濃度を測り、最も空気置換が進行する部位、最も空気置換が進みにくい部位を特定し、酸素濃度計を設置する場合でもよい。燃料極、循環ラインに複数個の酸素濃度計を設置してもよい。また、上下限判断を別の酸素濃度計で行なってもよい。
【００９１】
［実施例１から実施例３の許可判定］
各実施例の制御方法に先立ち、アノードガス循環実施の許可判定を行なうことが好ましい。この許可判定について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００９２】
まず、Ｓ９１において、電圧計４１からスタック電圧、バッテリコントローラ４３からバッテリ蓄電量（ＳＯＣ量）を読み込む。次いで、Ｓ９２で、スタック電圧、バッテリＳＯＣ量を判定する。スタック電圧は、停止電圧と再起動時の劣化傾向を実験的に調査し、許容できる劣化範囲内でスタック電圧の許容範囲を求める。
【００９３】
また、バッテリＳＯＣ量は、再起動時の消費電力量を実験的に調査し、最低ＳＯＣ量を求め、これを判定値とすればよい。
【００９４】
Ｓ９２の判定で、スタック電圧が所定電圧（２２０）未満かつ、バッテリＳＯＣ量が所定ＳＯＣ量（２３０）を超える場合、Ｓ９３へ進む。Ｓ９３では、アノードガス循環を許可して、リターンする。
【００９５】
Ｓ９２の判定で、スタック電圧が所定電圧（２２０）以上、またはバッテリＳＯＣ量が所定ＳＯＣ量（２３０）以下である場合、Ｓ９４へ進む。Ｓ９４では、アノードガス循環を禁止して、リターンする。
【００９６】
このようにバッテリＳＯＣ量をモニタし、所定量以下ではアノード内の空気置換状態へ移行操作を禁止する。所定量を、起動時の補機消費電力量分と規定することで、ＳＯＣ不足によって再起動できなくなることを回避することができるという効果がある。
【００９７】
また燃料電池の電圧をモニタして、高電圧状態ではアノード内の空気置換状態へ移行操作を禁止するので、再起動時の高電圧下において、アノード内に燃料ガスと空気の偏在が発生することによる燃料電池の劣化を回避することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明による燃料電池システムの実施例１の構成図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの実施例１を説明するフローチャートである。
【図３】本発明による燃料電池システムの実施例２を説明するフローチャートである。
【図４】本発明による燃料電池システムの実施例３の構成図である。
【図５】本発明による燃料電池システムの実施例３を説明するフローチャートである。
【図６】本発明による燃料電池システムの実施例１から実施例３の許可判定を説明するフローチャートである。
【図７】本発明による燃料電池システムの実施例１を説明するタイムチャート図であり、（ａ）水素分圧、（ｂ）水素循環ポンプの回転数、（ｃ）燃料電池本体の総電圧、（ｄ）バッテリのＳＯＣ量である。
【図８】本発明による燃料電池システムの実施例２を説明するタイムチャート図であり、（ａ）水素分圧、（ｂ）アノード圧力、（ｃ）水素循環ポンプの回転数、（ｄ）水素排出弁（パージ弁）の開閉である。
【図９】一般的な燃料電池システムの構成図である。
【図１０】燃料電池の単一セルの概念図である。
【図１１】燃料電池システムの停止直後の状態を説明する図である。
【図１２】燃料電池システムの停止後十分に時間が経過した状態を説明する図である。
【図１３】燃料電池システムの停止後数分〜数十分経過後の状態を説明する図である。
【符号の説明】
【００９９】
１：燃料電池本体（１ａ：酸化剤極、１ｂ：燃料極）
１１：空気コンプレッサ
１２：空気供給経路
１３：空気系加湿装置
１４：空気排気経路
１５：空気調圧弁
１６：空気圧力計
２１：高圧水素タンク
２２：水素供給経路
２３：水素調圧弁
２４：水素循環装置
２５：水素系加湿装置
２６：水素循環経路
２７：水素排気経路
２８：水素排出弁
２９：水素圧力計
３１：冷却水ポンプ
３２：冷却水循環経路
３３：熱交換器
３４：冷却水温度計
４０：負荷装置
４１：電圧計
４２：電流計
４３：バッテリコントローラ
４４：バッテリ
４５：コントローラ
５０：水素濃度計
５１：酸素濃度計
【図１】
2007242408.tif 000003
【図２】
2007242408.tif 000004
【図３】
2007242408.tif 000005
【図４】
2007242408.tif 000006
【図５】
2007242408.tif 000007
【図６】
2007242408.tif 000008
【図７】
2007242408.tif 000009
【図８】
2007242408.tif 000010
【図９】
2007242408.tif 000011
【図１０】
2007242408.tif 000012
【図１１】
2007242408.tif 000013
【図１２】
2007242408.tif 000014
【図１３】
2007242408.tif 000015