(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止時に、固体高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、発電停止までの所要時間を短縮する。【解決手段】燃料電池システムの停止方法は、アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、前記カソード内の前記酸化剤ガスの濃度を低減する酸化剤ガス濃度低減手段と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、前記燃料電池の出力電圧の時間変化における傾きを、前記燃料電池の出力電流が電流規制値と所定の関係となるよう制御しつつ、前記出力電圧を低下させることを特徴とする。【選択図】図３
2016012461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記カソード内の前記酸化剤ガスの濃度を低減する酸化剤ガス濃度低減手段と、
を備える燃料電池システムの停止方法であって、
前記燃料電池の出力電圧の時間変化における傾きを、前記燃料電池の出力電流が電流規制値と所定の関係となるよう制御しつつ、前記出力電圧を低下させる
ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【請求項２】
前記出力電圧の時間変化には複数の変曲点が含まれ、前記出力電流の規制値が電流規制値と所定の関係となるよう前記変曲点間の傾きを制御しつつ、前記出力電圧を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項３】
前記出力電流が電流規制値以下となるように、前記出力電圧の時間変化の傾きを制御しつつ、前記出力電圧を低下させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項４】
前記酸化剤ガス濃度低減手段には、前記酸化剤ガス供給手段による前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を遮断する遮断手段が含まれ、
前記出力電圧が所定電圧以下になった場合に、前記遮断手段によって前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を遮断する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータで挟持して形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなるものがある。
このものは、各セルのアノードに、燃料供給路を介して燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードに、酸化剤供給路を介して酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給して発電を行っている。燃料供給路には、水素ガスの供給・遮断を行う水素遮断弁が設けられており、酸化剤供給路には、空気の供給・遮断を行う空気遮断弁が設けられている。
【０００３】
このように構成された燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
ここで、この種の燃料電池では、発電停止時に、燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側へ、また、カソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが固体高分子電解質膜を透過してアノード側へ拡散する、所謂クロスオーバーが生じることが知られている。このクロスオーバーが生じると、固体高分子電解質膜の近くで反応ガスが電気化学反応を起こし、固体高分子電解質膜が劣化する虞がある。
【０００４】
このため、燃料電池の発電停止時に、燃料電池のカソードから排出される空気オフガスを再循環してカソードに供給し、空気オフガス中の残留酸素により発電を継続し、発電電圧が所定値以下になった時に発電を停止する技術が開示されている。
【０００５】
ここで、通常発電時や空気オフガス中の残留酸素により発電する際は、水素遮断弁や空気遮断弁が開弁されているが、発電停止処理を終了する際は、これら遮断弁が閉弁されて終了する。これにより、燃料電池のアノード側に新規の水素が侵入するのを防止できると共に、カソード側に新規の空気が侵入するのを防止でき、カソード側を酸素濃度の極めて低い窒素リッチの状態に維持することができるので、固体高分子電解質膜の損傷を抑制することができる（例えば、特許文献１、および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１９５２１０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４９５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止時に、固体高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、空気オフガス中の残留酸素による発電を開始してから、発電を停止するまでに要する時間を短縮することが望まれている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の発電停止時に、固体高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、発電停止までの所要時間を短縮することが可能な燃料電池システムの制御方法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】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの停止方法は、アノード（例えば、実施の形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施の形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施の形態での燃料ガス供給部２０）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施の形態でのエアポンプ１３）と、前記カソード内の前記酸化剤ガスの濃度を低減する酸化剤ガス濃度低減手段（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１、封止入口弁１５、および封止出口弁１６）と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、前記燃料電池の出力電圧の時間変化における傾きを、前記燃料電池の出力電流が電流規制値と所定の関係となるよう制御しつつ、前記出力電圧を低下させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの停止方法では、前記出力電圧の時間変化には複数の変曲点が含まれ、前記出力電流が電流規制値と所定の関係となるよう前記変曲点間の傾きを制御しつつ、前記出力電圧を低下させることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの停止方法では、前記出力電流が電流規制値以下となるように、前記出力電圧の時間変化の傾きを制御しつつ、前記出力電圧を低下させることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの停止方法では、前記酸化剤ガス濃度低減手段には、前記酸化剤ガス供給手段による前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を遮断する遮断手段が含まれ、前記出力電圧が所定電圧以下になった場合に、前記遮断手段によって前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を遮断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの停止方法によれば、燃料電池のガス量が部分的に不足することがないようにしつつ、迅速に出力電圧を低下させることができる。
【００１４】
本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの停止方法によれば、燃料電池の出力電圧の時間変化の傾きを、ガス量が部分的に不足することがないように適切に制御することができる。
【００１５】
本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの停止方法によれば、燃料電池のガス量が部分的に不足することがないようにしつつ、出力電流としきい値とのに基づいて簡便かつ適切に制御することができる。
【００１６】
本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの停止方法によれば、出力電圧を低下させる際に発電状態をより安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る制御装置の制御動作（つまり、燃料電池システムの停止方法）の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係る制御装置の制御動作（つまり、燃料電池システムの停止方法）の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る酸素濃度低減発電における電圧ＶＦＣおよび電流ＩＦＣの時間変化の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る制御装置の酸素濃度低減発電制御の制御動作（つまり、燃料電池システムの停止方法）の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係る制御装置の制御動作（つまり、燃料電池システムの停止方法）の変形例を示すタイミングチャートである。
【図７】従来の手法による酸素濃度低減発電中の電圧ＶＦＣおよび電流ＩＦＣの時間変化の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施形態］
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について添付図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の一例を示す構成図である。本実施形態による燃料電池システム１０は、例えば、走行駆動用のモータＭおよびモータＭを制御するパワードライブユニットＰＤＵを備える車両１に電源として搭載されている。
なお、車両１は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作に応じて車両１の起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を出力するスイッチ２を備えている。
【００２０】
燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、インテイク１２と、エアポンプ１３と、加湿器１４と、封止入口弁１５と、封止出口弁１６と、圧力制御弁１７と、バイパス弁１８と、排気再循環ポンプ１９と、水素タンク２１と、水素供給弁２２と、遮断弁２３と、水素循環部２４と、電流センサ３７と、電圧センサ３８と、コンタクタ３９と、電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０と、制御装置４１と、を備えている。
【００２１】
燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備えている。
燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備えている。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）１１Ａと、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）１１Ｂと、アノード１１Ａおよびカソード１１Ｂによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１１Ｃと、を備えている。
【００２２】
燃料電池スタック１１のアノード１１Ａには、燃料として水素を含む燃料ガス（反応ガス）が水素タンク２１から供給され、カソード１１Ｂには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアポンプ１３から供給される。
アノード１１Ａに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜１１Ｃを介してカソード１１Ｂへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（電圧調整器４０など）に取り出し可能である。
アノード１１Ａからカソード１１Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード１１Ｂに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。
【００２３】
なお、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルには、例えばＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続されていてもよい。
参照電極は、例えば、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード１１Ａの電位（アノード電位）を測定して、測定結果の信号を制御装置４１に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セルの全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。
【００２４】
エアポンプ１３は、制御装置４１により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によってインテイク１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソード１１Ｂに接続された酸化剤ガス供給路５１に送り込む。
【００２５】
封止入口弁１５は、エアポンプ１３と、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１ａと、を接続する酸化剤ガス供給路５１に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス供給路５１を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
封止出口弁１６は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂから空気などの排出ガス（カソードオフガス）を排出可能なカソード排出口１１ｂと、排出ガスを外部（例えば、大気中など）に排出する排出口とを接続する酸化剤ガス排出路５２に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
例えば、封止入口弁１５および封止出口弁１６によりカソード１１Ｂを封止してのち、燃料電池スタック１１から電流を取り出すことで、封止された流路内の酸素を消費し濃度を低減させることが可能であることから、少なくともこれらにより、酸化剤ガス濃度低減手段が構成されるといえる。
【００２６】
加湿器１４は、エアポンプ１３から酸化剤ガス供給路５１に送り込まれた空気（カソードガス）を加湿する。より詳細には、加湿器１４は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、エアポンプ１３からの空気を水透過膜を介して接触させることで水分を空気（カソードガス）に添加する。
なお、加湿器１４は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出された空気などの排出ガス（カソードオフガス）を加湿用のガスとして用いて、エアポンプ１３から酸化剤ガス供給路５１に送り込まれた空気（カソードガス）を加湿する構成であってもよい。
【００２７】
圧力制御弁１７は、酸化剤ガス排出路５２における加湿器１４と希釈器３２との間に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を流通するカソードオフガスの圧力を制御する。
【００２８】
排気再循環ポンプ１９は、酸化剤ガス供給路５１における封止入口弁１５とカソード供給口１１ａとの間と、酸化剤ガス排出路５２におけるカソード排出口１１ｂと封止出口弁１６との間と、を接続する排気再循環路５４に設けられている。
排気再循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂを通過してカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出されたカソードオフガスの少なくとも一部を排気再循環路５４に通流させる。そして、排気再循環路５４を流通したカソードオフガスを、封止入口弁１５からカソード供給口１１ａに向かい酸化剤ガス供給路５１を流通する空気（カソードガス）に混合して、カソード１１Ｂに再び供給する。
【００２９】
水素タンク２１は、圧縮された水素を貯留し、水素を送り込むことが可能である。
水素供給弁２２は、水素タンク２１と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１ｃと、を接続する燃料ガス供給路５５に設けられている。水素供給弁２２は、制御装置４１の制御またはエアポンプ１３からの空気の圧力による信号圧などに応じた圧力を有する水素を、水素タンク２１から燃料ガス供給路５５に供給する。
遮断弁２３は、燃料ガス供給路５５において水素供給弁２２とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって燃料ガス供給路５５を遮断可能である。
水素循環部２４は、アノード供給口１１ｃから燃料電池スタック１１に供給され、アノード排出口１１ｄから排出される水素を、再び燃料ガス供給路５５に循環させる。
なお、これら水素タンク２１と、水素供給弁２２と、遮断弁２３と、水素循環部２４とを、燃料ガス供給部２０と総称する。
【００３０】
電流センサ３７は、燃料電池スタック１１から電気負荷（例えば、パワードライブユニットＰＤＵなど）へ供給される電流ＩＦＣを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
【００３１】
電圧センサ３８は、燃料電池スタック１１の正極および負極間の電圧（つまり、複数の燃料電池セルの電圧の総和である総電圧）ＶＦＣを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
【００３２】
コンタクタ３９は、燃料電池スタック１１の正極および負極に接続され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１と電気負荷（例えば、パワードライブユニットＰＤＵなど）との接続と遮断とを切り替える。
【００３３】
電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０は、コンタクタ３９を介した燃料電池スタック１１の正極および負極と、電気負荷との間に配置され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１から出力される電圧および電流を調整する。
【００３４】
制御装置４１は、スイッチ２から出力される信号と、電流センサ３７、電圧センサ３８、および不図示のセンサ等から出力される検出結果の信号に基づいて、燃料電池システム１０の動作を制御する。
【００３５】
なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両１に搭載された走行駆動用のモータＭおよび蓄電装置（図示略）などの電気機器に加えて、制御装置４１の制御によって燃料電池スタック１１に対する接続および遮断が切り替え可能かつ負荷電流が変更可能とされた電気負荷（例えば、ディスチャージ抵抗や電子負荷など）を備えていてもよい。この場合、制御装置４１は、燃料電池スタック１１の発電時の放電（ディスチャージ）として、電気負荷への放電を制御可能である。
【００３６】
［燃料電池システムの制御装置による制御動作］
ここまで、本実施形態による燃料電池システム１０の構成について説明した。次に、この燃料電池システム１０の制御装置４１による制御動作（つまり、燃料電池システム１０の制御方法）について、図２および図３を参照して説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る制御装置４１の制御動作の一例を示すフローチャートである。図３は、制御装置４１の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。以下、この図２に示す各ステップと、図３に示す時刻ｔ１１から時刻ｔ１９までの各時刻とを対応付けながら説明する。また、制御装置４１は、時刻ｔ１０から時刻ｔ１８の間、エアポンプ１３を所定回転数で回転させ、時刻ｔ１８から時刻ｔ１９において、エアポンプ１３の回転数を０［ｒｐｍ］にして停止させる。以下の説明においては、制御装置４１によるエアポンプ１３の回転数制御の説明を省略する。
【００３７】
時刻ｔ１０において、制御装置４１は、信号受信工程として、スイッチ２に対する運転者の入力操作などによって燃料電池システム１０の停止を指示する停止信号を受信したか否かを判定する（ステップＳ１０）。制御装置４１は、停止信号を受信していないと判定した場合（ステップＳ１０；ＮＯ）には、ステップＳ１０の判定処理を繰り返し実行する。
一方、制御装置４１は、停止信号を受信したと判定した場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）には、処理をステップＳ２０に進める。
【００３８】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ１１において、封止出口弁１６を閉弁状態とし、酸素濃度低減発電の準備を開始する（ステップＳ２０）。次に、制御装置４１は、時刻ｔ１２において、遮断弁２３を閉弁状態とし、水素の供給を停止する（ステップＳ３０）。
【００３９】
次に、制御装置４１は、排気再循環ポンプ１９の回転数が規定回転数に達したか否かを判定する（ステップＳ４０）。この一例においては、時刻ｔ１３において、排気再循環ポンプ１９の回転数が規定回転数に達する。制御装置４１は、排気再循環ポンプ１９の回転数が規定回転数に達していないと判定した場合（ステップＳ４０；ＮＯ）には、ステップＳ１３の判定処理を繰り返し実行する。一方、制御装置４１は、排気再循環ポンプ１９の回転数が規定回転数に達したと判定した場合（ステップＳ４０；ＹＥＳ）には、処理をステップＳ１４に進める。
【００４０】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ１３において、封止入口弁１５を閉弁状態として酸素濃度低減発電の準備を終了し、酸素濃度低減発電を開始する（ステップＳ２０）。この酸素濃度低減発電では、制御装置４１は、排気再循環ポンプ１９を駆動してカソードオフガスをカソード１１Ｂに循環させ、コンタクタ３９を接続状態にして、燃料電池スタック１１の発電を行なう。これによって、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させ、窒素濃度を増大させるとともに、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電を行ない、燃料電池スタック１１の電圧を低下させる。
【００４１】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ１３から時刻ｔ１８までの酸素濃度低減発電において、電流センサ３７が検出する電流ＩＦＣと、電圧センサ３８が検出する電圧ＶＦＣとに基づいて、燃料電池スタック１１の発電状態を制御する（ステップＳ６０）。より詳細には、制御装置４１は、電流ＩＦＣが所定のしきい値（電流規定値）を超えないように電圧ＶＦＣを制御しつつ、電圧ＶＦＣが低下するようにして、燃料電池スタック１１の発電状態を制御する。
次に、制御装置４１は、燃料電池スタック１１内の酸素濃度が十分に低下すると、酸素濃度低減発電を停止し、発電停止処理に移行する（ステップＳ７０）。
【００４２】
ここで、図４を参照して、酸素濃度低減発電における電圧ＶＦＣの制御について説明する。
図４は、酸素濃度低減発電における電圧ＶＦＣおよび電流ＩＦＣの時間変化の一例を示すグラフである。
燃料電池スタック１１は、電流ＩＦＣを増加させると、電圧ＶＦＣが低下するという特性（Ｉ−Ｖ特性）を有している。燃料電池スタック１１は、このＩ−Ｖ特性に応じて電圧ＶＦＣを制御することにより、電流ＩＦＣを制御する。
【００４３】
ところで、この酸素濃度低減発電においては、新たなガスが供給されないため、燃料電池スタック１１において反応するガス量が、発電に必要な十分な量に達していない。このため、酸素濃度低減発電においては、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣを急速に低下させると、電流ＩＦＣが急速に大きくなり、発電に必要なガス量が部分的に不足した状態（例えば、アノード１１Ａ側のストイキ不足の状態）になる。このように、燃料電池スタック１１において、発電に必要なガス量が部分的に不足した状態になると、その不足した部分の燃料電池スタック１１（特に、固体高分子電解質膜１１Ｃ）の劣化が促進される。ここで、燃料電池スタック１１の劣化とは、燃料電池スタック１１の発電時のＩ−Ｖ特性（Ｉ−Ｖ性能）が悪化することをいう。また、Ｉ−Ｖ特性（Ｉ−Ｖ性能）が悪化するとは、燃料電池スタック１１の発電時にある電流ＩＦＣを出力する場合に、悪化前に比べて電圧ＶＦＣが低下することをいう。また、燃料電池スタック１１が劣化すると、燃料電池スタック１１からある出力を取り出す場合に、劣化前に比べて高い電流によって発電するため、発電効率が低下する。
【００４４】
そこで、制御装置４１は、図４に示すように、酸素濃度低減発電において、電流ＩＦＣが所定のしきい値を超えないようにしつつ、電圧ＶＦＣを低下させる。この所定のしきい値とは、燃料電池スタック１１の燃料電池セルにおいて、ガス量が部分的に不足することがないように、予め実験等により求められている値である。一例として、この所定のしきい値が１２［Ａ］に設定されている場合について説明する。この場合、制御装置４１は、電流ＩＦＣがこの１２［Ａ］を超えないようにしつつ、電圧ＶＦＣを低下させる。
【００４５】
この具体例において、制御装置４１は、図４に示す時刻ｔ２から時刻ｔ１０において、酸素濃度低減発電の制御を行う。より詳細には、制御装置４１は、時刻ｔ２から時刻ｔ３において、電圧ＶＦＣを時間の経過とともに徐々に低下するようにして、電圧ＶＦＣを制御する。このとき、電流ＩＦＣは、約３［Ａ］から約６［Ａ］に上昇するが、しきい値である１２［Ａ］は超えない。次に、制御装置４１は、時刻ｔ３から時刻ｔ４において、電圧ＶＦＣを維持するようにして、電圧ＶＦＣを制御する。次に、制御装置４１は、時刻ｔ４から時刻ｔ５において、電圧ＶＦＣを時間の経過とともに急速に低下させる。これに伴い、電流ＩＦＣは、約１．５［Ａ］から約８［Ａ］に上昇する。このとき制御装置４１は、電流ＩＦＣの電流値がしきい値である１２［Ａ］に急激に接近していると判定する。この判定に伴い、制御装置４１は、時刻ｔ５から時刻ｔ６において、電圧ＶＦＣを維持するようにして、電圧ＶＦＣを制御する。すなわち、制御装置４１は、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間の電圧ＶＦＣの電圧降下の傾きに比べて、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間の電圧ＶＦＣの電圧降下の傾きを、小さくする。これにより、時刻ｔ５から時刻ｔ６において、電流ＩＦＣは、約８［Ａ］から約１．５［Ａ］に急速に低下する。つまり、制御装置４１は、電流ＩＦＣがしきい値である１２［Ａ］を超えないようにして、電圧ＶＦＣの電圧降下の傾きを制御する。制御装置４１は、時刻ｔ６から時刻ｔ８においても、時刻ｔ４から時刻ｔ６における制御と同様にして、電圧ＶＦＣの電圧降下の傾きを制御する。
【００４６】
上述のように、制御装置４１は、電圧ＶＦＣの時間変化（傾き）を電流ＩＦＣの規制値に基づいて変化させつつ、電圧ＶＦＣを低下させる。このとき、制御装置４１は、電圧ＶＦＣの時間変化（傾き）を変曲点ごとに変化させる。ここで、変曲点とは、電圧ＶＦＣの時間変化（傾き）が変化する時刻における電圧ＶＦＣのグラフ上の点である。上述の一例においては、時刻ｔ３から時刻ｔ８の各時刻における電圧ＶＦＣのグラフ上の点が変曲点である。
【００４７】
また、制御装置４１は、時刻ｔ８から時刻ｔ９において、電圧ＶＦＣを時間の経過とともに徐々に低下するようにして、電圧ＶＦＣを制御する。また、制御装置４１は、時刻ｔ９から時刻ｔ１０において、電圧ＶＦＣを時間の経過とともに急速に低下させて、酸素濃度低減発電の制御を終了する。
【００４８】
ここまで説明したように、制御装置４１は、新たなガスが供給されない状態において、電流ＩＦＣのしきい値に基づいて電圧ＶＦＣを制御する。すなわち、制御装置４１は、酸素濃度低減発電において、燃料電池スタック１１の燃料電池セルにおいて、ガス量が部分的に不足することがないようにして、電圧ＶＦＣを低下させる。これにより、制御装置４１は、燃料電池スタック１１（特に、固体高分子電解質膜１１Ｃ）の劣化を抑制することができる。
【００４９】
ここで、図７を参照して、従来の手法による酸素濃度低減発電中の電圧ＶＦＣの制御について説明する。
図７は、従来の手法による酸素濃度低減発電中の電圧ＶＦＣおよび電流ＩＦＣの時間変化の一例を示すグラフである。同図において、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４が酸素濃度低減発電の期間である。この一例における従来の手法では、同図に示すように、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４において、時間の経過とともに一定の傾きで電圧ＶＦＣが徐々に低下するようにして、電圧ＶＦＣが制御される。この場合、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３において電流ＩＦＣが電流しきい値（例えば、１２［Ａ］）を超える。つまり、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３において、燃料電池スタック１１内のガス量が部分的に不足することにより、燃料電池スタック１１（特に、固体高分子電解質膜１１Ｃ）が劣化する。
【００５０】
また、図７の時刻ｔ２３から時刻ｔ２４に示すように、従来の手法において、電圧ＶＦＣの低下の傾きを一定に保ったまま、電流ＩＦＣがしきい値を超えないようにして、電圧ＶＦＣを制御する場合について説明する。この場合、電流ＩＦＣがしきい値を超えないようにするためには、電圧ＶＦＣの低下の傾きを小さくすることが求められる。このとき、上述した本実施形態の制御装置４１が制御する電圧ＶＦＣの低下の傾きに比べて、従来の手法による電圧ＶＦＣの低下の傾きが小さくなる。したがって、電圧ＶＦＣが所定値（例えば、時刻ｔ２４における電圧値）まで低下するまでの所要時間が、本実施形態の制御装置４１による場合に比べて長くなる。つまり、本実施形態の制御装置４１によれば、酸素濃度低減発電の所要時間を、従来の手法に比べて短縮することができる。この制御装置４１が行う電圧ＶＦＣの制御について、図５を参照して具体的に説明する。
【００５１】
図５は、制御装置４１の酸素濃度低減発電制御の制御動作の一例を示すフローチャートである。
制御装置４１は、上述したステップＳ６０において、同図に示すステップＳ６１０からステップＳ６５０までの処理を繰り返し実行する。具体的には、制御装置４１は、電流センサ３７が検出する電流ＩＦＣを取得する（ステップＳ６１０）。次に、制御装置４１は、ステップＳ６１０において取得した電流ＩＦＣが、所定のしきい値を超えるか否かを判定する（ステップＳ６２０）。より具体的には、このステップＳ６２０において、制御装置４１は、電流ＩＦＣの変化速度に基づいて、電流ＩＦＣが所定のしきい値を超えるか否かを判定する。制御装置４１は、次回の判定タイミングまでには電流ＩＦＣが所定のしきい値を超える程度に、電流ＩＦＣの変化速度が速い場合には、電流ＩＦＣが、所定のしきい値を超えると判定する。制御装置４１は、電流ＩＦＣが、所定のしきい値を超えないと判定した場合（ステップＳ６２０；ＮＯ）には、処理をステップＳ６３０に進める。一方、制御装置４１は、電流ＩＦＣの変化速度が遅い場合には、電流ＩＦＣが、所定のしきい値を超えないと判定する。制御装置４１は、電流ＩＦＣが、所定のしきい値を超えると判定した場合（ステップＳ６２０；ＹＥＳ）には、処理をステップＳ６４０に進める。
【００５２】
ステップＳ６３０において、制御装置４１は、電圧ＶＦＣを低下させるように、電圧ＶＦＣを制御する。この一例においては、制御装置４１は、電圧ＶＦＣを一定の低下速度で低下させるようにして、電圧ＶＦＣを制御する。
【００５３】
一方、ステップＳ６３０において、制御装置４１は、電圧ＶＦＣを低下させないように、電圧ＶＦＣを制御する。この一例においては、制御装置４１は、電圧ＶＦＣを一定の電圧に維持するようにして、電圧ＶＦＣを制御する。
【００５４】
次に、制御装置４１は、酸素濃度低減発電を終了させるか否かを判定する（ステップＳ６５０）。ここで、制御装置４１が行う酸素濃度低減発電の終了判定は、様々な条件に基づいて判定することができる。例えば、制御装置４１は、電圧ＶＦＣが所定の電圧値に達した場合に、酸素濃度低減発電を終了させると判定する。また、制御装置４１は、酸素濃度低減発電の開始から所定時間が経過した場合に、酸素濃度低減発電を終了させると判定してもよい。制御装置４１は、酸素濃度低減発電を終了させないと判定した場合（ステップＳ６５０；ＮＯ）には、処理をステップＳ６１０に戻して、酸素濃度低減発電の制御処理を繰り返し実行する。一方、制御装置４１は、酸素濃度低減発電を終了させると判定した場合（ステップＳ６５０；ＹＥＳ）には、酸素濃度低減発電の制御処理を終了する。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態による燃料電池システム１０の停止方法によれば、酸素濃度低減発電において、発電に必要なガス量が部分的に不足した状態（例えば、アノード１１Ａ側のストイキ不足の状態）にならないように、電圧ＶＦＣを制御する。したがって、本実施形態による燃料電池システム１０の停止方法によれば、発電に必要なガス量が部分的に不足した状態によって生じる燃料電池スタック１１（特に、固体高分子電解質膜１１Ｃ）の劣化を抑止することができる。
【００５６】
また、本実施形態による燃料電池システム１０の停止方法によれば、電流ＩＦＣの規制値（しきい値）に基づいて、電圧ＶＦＣの低下の傾きを制御するため、電圧ＶＦＣを一定の傾きで低下させる場合に比べて、電圧ＶＦＣを迅速に低下させることができる。すなわち、本実施形態による燃料電池システム１０の停止方法によれば、電圧ＶＦＣを一定の傾きで低下させる場合に比べて、酸素濃度低減発電の所要時間を短縮することができる。
【００５７】
［変形例］
次に、制御装置４１の制御動作の変形例について、図６を参照して説明する。
図６は、制御装置４１の制御動作の変形例を示すタイミングチャートである。制御装置４１は、図６に示すように、封止入口弁１５の閉弁タイミングを遅らせて制御することもできる。この変形例において、制御装置４１は、時刻ｔ１３ではなく、酸素濃度低減発電中の時刻ｔ１７１において、封止入口弁１５を閉弁する。このように、制御装置４１は、封止入口弁１５の閉弁タイミングを遅らせることにより、カソード１１Ｂ側に残留している水の排出を促進することができる。このため、この変形例による制御装置４１によれば、カソード１１Ｂ側のガス（酸化剤ガス）の挙動（ガス流れ）を安定させることができ、より安定した酸素濃度低減発電が可能になる。
【００５８】
以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。上記記載のうち、燃料電池の出力電流が電流規制値と所定の関係となるとは、制御装置による制御動作にて、ステップＳ６０の説明に記載したように、電流ＩＦＣが所定のしきい値を超えないようにすること以外にも、例えば、酸素濃度低減発電の初期から所定期間の間に、最高値と最低値で設定される電流規定値の範囲に電流ＩＦＣが入るようにすることも含まれる。この例示のように制御することでも、酸素濃度低減発電の所要時間を短縮することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１１Ａ  アノード
１１Ｂ  カソード
１３  エアポンプ（空気供給手段）
１５  封止入口弁
１６  封止出口弁
２１  水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２  水素供給弁（燃料ガス供給手段）
３９  コンタクタ
４１  制御装置
５１  酸化剤ガス供給路
５２  酸化剤ガス排出路
５３  バイパス路
５５  燃料ガス供給路
５６  燃料ガス排出路
【図１】
2016012461.tif 000003
【図２】
2016012461.tif 000004
【図３】
2016012461.tif 000005
【図４】
2016012461.tif 000006
【図５】
2016012461.tif 000007
【図６】
2016012461.tif 000008
【図７】
2016012461.tif 000009