(57)【要約】【課題】停止期間中における燃料切れの発生及び単セルの高電圧劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１００の制御装置２００が、停止期間中のスタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように燃料ガスを供給する電圧低下制御を実施し、少なくとも燃料ガス源２２の圧力に基づいて燃料ガス残量を算出し、アノード圧力を所定圧力まで昇圧させるために必要な燃料ガス供給量を推定し、燃料ガス残量と燃料ガス供給量とに基づいて電圧低下制御の実施可能回数を算出し、実施可能回数と電圧低下制御の実施した後にスタック電圧を所定電圧未満に維持できる時間とに基づいて燃料ガスの補充時期を通知する。そして制御装置２００は、大気圧に基づいて燃料ガス供給量を推定するか、又は、アノード圧力を基準圧力から所定圧力まで昇圧させるために必要な基準燃料ガス供給量を大気圧に基づいて補正して燃料ガス供給量を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
燃料ガスを貯蔵するための燃料ガス源を含み、前記燃料電池スタックに対して燃料ガスの給排を行うための燃料ガス給排装置と、
前記燃料電池スタックの電圧であるスタック電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池スタック内の燃料ガス通路の圧力であるアノード圧力を検出するアノード圧力センサと、
前記燃料ガス源の圧力を検出する燃料ガス源圧力センサと、
大気圧を検出する大気圧センサと、
を備える燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池システムの停止期間中に検出したスタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように、停止期間中に前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給してスタック電圧を低下させる電圧低下制御を実施する電圧低下制御実施部と、
少なくとも前記燃料ガス源の圧力に基づいて、燃料ガス残量を算出する燃料ガス残量算出部と、
停止期間中に前記電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を前記所定圧力まで昇圧させるために必要な燃料ガス供給量を推定する燃料ガス供給量推定部と、
前記燃料ガス残量と、前記燃料ガス供給量とに基づいて、前記電圧低下制御の実施可能回数を算出する実施可能回数算出部と、
前記実施可能回数と、前記電圧低下制御の実施した後にスタック電圧を前記所定電圧未満に維持できる時間とに基づいて、前記燃料ガス源に燃料ガスの補充が必要になる時期を通知する通知部と、
を備え、
前記燃料ガス供給量推定部は、
前記大気圧センサで検出した大気圧に基づいて前記燃料ガス供給量を推定するか、又は、停止期間中に前記電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を予め設定された基準圧力から前記所定圧力まで昇圧させるために必要な基準燃料ガス供給量を、前記大気圧センサで検出した大気圧に基づいて補正して前記燃料ガス供給量を推定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【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制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの制御装置として、燃料電池システムの停止期間中に燃料電池スタック内に空気が流入してくると、停止期間中にもかかわらず燃料電池スタックの電圧が高くなり、結果として燃料電池単セルの電極中の触媒が劣化する高電圧劣化が生じて発電性能が低下することから、停止期間中の燃料電池スタックの電圧を監視し、その大きさに応じて適宜燃料ガスを供給して電圧を低下させるように構成されたものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６５７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムの停止期間中に燃料電池単セルの高電圧劣化を抑制するために燃料ガスを供給する場合、燃料電池スタック内の燃料ガス通路の圧力が予め定められた所定圧力になるまで燃料ガスを供給することが考えられる。停止期間中における燃料ガス通路の圧力は、停止期間中に低下して通常は大気圧近傍の圧力となっているため、このようにすると燃料ガス通路の圧力が大気圧近傍の圧力から所定圧力になるまで燃料ガスが供給されることになる。
【０００５】
また、燃料電池単セルの高電圧劣化を抑制するために燃料ガスを供給して一旦電圧を低下させても、停止期間中における燃料電池スタック内への空気の流入を止めることはできないので、再度電圧は上昇する。したがって、停止期間中に繰り返し燃料ガスの供給が行われることになる。そのため、燃料電池システムの停止期間中に燃料電池単セルの高電圧劣化を抑制するために燃料ガスを供給する場合は、燃料ガス切れを防止するために、好ましくは燃料電池システムの停止時に、例えば停止時の燃料ガス残量に応じて燃料ガスの補充時期を通知することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、大気圧は燃料電池システムが停止された場所や設置された場所によって変化するため、燃料電池システムが高地などで停止されたときは、燃料電池システムが通常使用されると想定される基準高度（平地）での基準大気圧（標準大気圧）よりも大気圧が低くなる。そのため、燃料電池システムが高地などで停止されたときは、燃料電池システムの停止期間中に供給される燃料ガス供給量が想定よりも多くなってしまう。その結果、燃料電池システムの停止期間中に燃料ガス残量が想定よりも早く低下してしまい、通知した燃料ガスの補充時期よりも早く燃料ガス切れを起こし、燃料電池単セルの高電圧劣化が生じるおそれがある。
【０００７】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの停止期間中に供給される燃料ガス供給量を正確に推定することで適切な燃料ガスの補充時期を通知し、停止期間中における燃料切れの発生及び燃料電池単セルの高電圧劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスを貯蔵するための燃料ガス源を含み、燃料電池スタックに対して燃料ガスの給排を行うための燃料ガス給排装置と、燃料電池スタックの電圧であるスタック電圧を検出するスタック電圧センサと、燃料電池スタック内の燃料ガス通路の圧力であるアノード圧力を検出するアノード圧力センサと、燃料ガス源の圧力を検出する燃料ガス源圧力センサと、大気圧を検出する大気圧センサと、を備える燃料電池システムを制御する制御装置が、燃料電池システムの停止期間中に検出したスタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように停止期間中に燃料電池スタックに燃料ガスを供給してスタック電圧を低下させる電圧低下制御を実施する電圧低下制御実施部と、少なくとも燃料ガス源の圧力に基づいて燃料ガス残量を算出する燃料ガス残量算出部と、停止期間中に電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を所定圧力まで昇圧させるために必要な燃料ガス供給量を推定する燃料ガス供給量推定部と、燃料ガス残量と燃料ガス供給量とに基づいて電圧低下制御の実施可能回数を算出する実施可能回数算出部と、実施可能回数と電圧低下制御の実施した後にスタック電圧を所定電圧未満に維持できる時間とに基づいて燃料ガス源に燃料ガスの補充が必要になる時期を通知する通知部と、を備える。そして、燃料ガス供給量推定部は、大気圧センサで検出した大気圧に基づいて燃料ガス供給量を推定するか、又は、停止期間中に電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を予め設定された基準圧力から所定圧力まで昇圧させるために必要な基準燃料ガス供給量を大気圧センサで検出した大気圧に基づいて補正して燃料ガス供給量を推定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、システム停止期間中の電圧低下制御時に燃料電池スタックに供給される燃料ガス供給量を、燃料電池システムが停止された場所の大気圧に応じて正確に推定することができる。これにより、適切な燃料ガス補充時期を燃料電池システムの使用者に通知して燃料ガスの補充を促すことができるので、システム停止期間中における燃料切れの発生及び燃料電池単セルの高電圧劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【図２】図２は、システム停止期間中に実施される電圧低下制御について説明するタイムチャートである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態によるシステム停止制御について説明するフローチャートである。
【図４】図４は、大気圧に基づいて予想水素供給量を算出するテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対して燃料ガスの給排を行うための燃料ガス給排装置２０と、燃料電池スタック１０に対して酸化剤ガスの給排を行うための酸化剤ガス給排装置３０と、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却水循環装置４０と、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部５０と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）１を積層方向に沿って互いに積層し、各単セル１を電気的に直列に接続したものである。各単セル１は、膜電極接合体１ａを備える。膜電極接合体１ａは、膜状の電解質（以下「電解質膜」という。）と、電解質膜の一側に形成されたアノード極と、電解質膜の他側に形成されたカソード極と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード極及びカソード極の各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード極  ：    ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード極  ：    ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ
【００１６】
各単セル１内には、アノード極に燃料ガスとしての水素を供給するための水素流通路２ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気流通路３ａと、が形成される。また、隣接する２つの単セル１同士間に、冷却水を供給するための冷却水流通路４ａが形成される。
【００１７】
各単セル１の水素流通路２ａ、空気流通路３ａ及び冷却水流通路４ａは、それぞれ燃料電池スタック１０内で並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック１０内に水素通路２、空気通路３及び冷却水通路４が形成される。水素通路２、空気通路３及び冷却水通路４の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向一端側に設けられる。本実施形態では、燃料電池スタック１０内で水素及び空気の流れる向きが逆向きとなるように、水素通路２及び空気通路３にそれぞれ水素及び空気を供給しているが、同じ向きとなるように水素及び空気を供給しても良い。また、本実施形態では、冷却水の流れる向きを水素の流れる向きと同じ向きとしているが、逆向きとしても良い。
【００１８】
燃料ガス給排装置２０は、水素供給管２１と、水素源としての高圧水素タンク２２と、水素供給制御弁２３と、バッファ部２４と、パージ管２５と、パージ制御弁２６と、を備える。
【００１９】
水素供給管２１は、水素通路２に供給する水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク２２に連結され、他端が水素通路２の入口に連結される。
【００２０】
高圧水素タンク２２は、水素供給管２１を介して水素通路２に供給するための水素を貯蔵する。高圧水素タンク２２には、高圧水素タンク２２内の圧力を検出するためのタンク圧力センサ２１８が設けられる。
【００２１】
水素供給制御弁２３は、遮断弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を含んで構成される。
【００２２】
遮断弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。遮断弁２３１が開かれると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出する。遮断弁２３１が閉じられると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出しなくなる。
【００２３】
レギュレータ２３２は、遮断弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２下流の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。
【００２４】
インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、連続的又は段階的に開度を調整することができるニードル弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。インジェクタ２３３の開度を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。
【００２５】
このように、水素供給制御弁２３によって、高圧水素タンク２２から水素通路２への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御弁２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が、間欠的に水素通路２に供給される。
【００２６】
インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１には、アノード圧力センサ２１１が設けられる。アノード圧力センサ２１１は、水素通路２内の水素の圧力（以下「アノード圧力」という。）を代表する値として、インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１内の水素の圧力を検出する。
【００２７】
バッファ部２４は、例えば水素通路２の出口と連通させたタンクであり、水素通路２から流出してきたアノードオフガスを一時的に貯蔵する。アノードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素と、空気通路３から膜電極接合体１ａを介して水素通路２にリークしてきた窒素等の不活性ガスや水蒸気と、の混合ガスである。バッファ部２４は、アノードオフガスを一時的に貯蔵する機能を有していればよく、例えば水素通路２の下流側（出口近傍）にアノードオフガスを一時的に貯蔵できる程度の空間を形成し、その空間をバッファ部２４としても良い。すなわち、水素通路２の下流側がバッファ部２４として機能するように水素通路２を形成しても良い。
【００２８】
パージ管２５は、一端がバッファ部２４に連結され、他端が後述するカソードオフガス管３７に設けられた希釈器３９に連結される。
【００２９】
パージ制御弁２６は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２５に設けられる。パージ制御弁２６は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２６が開弁されると、バッファ部２４内のアノードオフガスがパージ管２５を介して希釈器３９に流入する。
【００３０】
酸化剤ガス給排装置３０は、空気供給管３１と、エアクリーナ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、バイパス制御弁３５と、バイパス管３６と、カソードオフガス管３７と、カソード圧力制御弁３８と、希釈器３９と、を備える。
【００３１】
空気供給管３１は、空気通路３に供給する空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ３２に連結され、他端が空気通路３の入口に連結される。
【００３２】
エアクリーナ３２は、空気供給管３１に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ３２は、酸素源３２ａとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源３２ａはエアクリーナを介して空気供給管３１と連通している。
【００３３】
コンプレッサ３３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管３１に設けられる。コンプレッサ３３は、エアクリーナ３２を介して空気供給管３１に吸入した空気を圧縮して吐出する。
【００３４】
インタークーラ３４は、コンプレッサ３３よりも下流の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。
【００３５】
コンプレッサ３３とインタークーラ３４との間の空気供給管３１には、第１流量センサ２１２が設けられる。第１流量センサ２１２は、コンプレッサ３３から吐出された空気の流量を検出する。なお、第１流量センサ２１２をコンプレッサ３３よりも上流の空気供給管３１に設け、第１流量センサ２１２によってコンプレッサ３３が吸入する空気の流量を検出するようにしても良い。
【００３６】
バイパス管３６は、コンプレッサ３３から吐出された空気の一部又は全部を、必要に応じて燃料電池スタック１０を経由させずにカソードオフガス管３７に直接流入させるための配管である。バイパス管３６は、一端がバイパス制御弁３５の第２出口ポート３５ｃに連結され、カソード圧力制御弁３８と希釈器３９との間のカソードオフガス管３７に連結される。
【００３７】
バイパス管３６には、第２流量センサ２１３が設けられる。第２流量センサ２１３は、バイパス制御弁３５を介してバイパス管３６に流入してきた空気（以下「バイパス空気」という。）の流量を検出する。
【００３８】
バイパス制御弁３５は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電動三方弁であって、入口ポート３５ａと、第１出口ポート３５ｂと、第２出口ポート３５ｃと、を備える。バイパス制御弁３５の開度は、電子制御ユニット２００によって制御される。入口ポート３５ａは、インタークーラ３４側の空気供給管３１に連結される。第１出口ポート３５ｂは、燃料電池スタック１０側の空気供給管３１に連結される。第２出口ポート３５ｃは、バイパス管３６に連結される。バイパス制御弁３５の開度を調整することで、入口ポート３５ａと、第１出口ポート３５ｂ及び第２出口ポート３５ｃと、の連通状態が調整される。
【００３９】
具体的には、バイパス制御弁３５が全閉にされたときは、入口ポート３５ａと第１出口ポート３５ｂとが連通状態となり、入口ポート３５ａと第２出口ポート３５ｃとが非連通状態となる。その結果、コンプレッサ３３から吐出された空気はバイパス管３６に流入せず、バイパス制御弁３５を介して全て空気供給管３１から空気通路３に流入する。
【００４０】
一方でバイパス制御弁３５が全開にされたときは、入口ポート３５ａと第１出口ポート３５ｂとが非連通状態となり、入口ポート３５ａと第２出口ポート３５ｃとが連通状態となる。その結果、コンプレッサ３３から吐出された空気はバイパス制御弁３５を介して全てバイパス管３６に流入し、空気通路３には流入しなくなる。
【００４１】
そして、バイパス弁制御弁が全閉及び全開以外の開度（任意の中間開度）にされたときは、入口ポート３５ａは、第１出口ポート３５ｂ及び第２出口ポート３５ｃとそれぞれ連通した状態となる。その結果、バイパス制御弁３５の開度に応じてコンプレッサ３３から吐出された空気の一部がバイパス制御弁３５を介してバイパス管３６に流入し、残りがバイパス制御弁３５を介して空気供給管３１から空気通路３に流入する。バイパス制御弁３５の開度を大きくするほど、コンプレッサ３３から吐出された空気のうち、バイパス管３６に流入する空気の比率が高くなる。
【００４２】
このようにバイパス制御弁３５は、コンプレッサ３３から吐出された空気のうち、空気通路３に供給される空気の量及びバイパス管３６内へ流れ込む空気の量を制御する。
【００４３】
カソードオフガス管３７は、空気通路３の出口から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が空気通路３の出口に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素と、窒素等の不活性ガスと、電気化学反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００４４】
カソード圧力制御弁３８は、カソードオフガス管３７に設けられる。カソード圧力制御弁３８は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。カソード圧力制御弁３８の開度を制御することで、空気通路３内の圧力であるカソード圧力が制御される。
【００４５】
カソード圧力制御弁３８よりも上流のカソードオフガス管３７には、カソード圧力センサ２１４が設けられる。カソード圧力センサ２１４は、カソード圧力（空気通路３内の圧力）を代表する値として、カソード圧力制御弁３８よりも上流のカソードオフガス管３７内の圧力を検出する。
【００４６】
希釈器３９は、カソード圧力制御弁３８よりも下流のカソードオフガス管３７に設けられる。前述したように、希釈器３９にはパージ管２５が連結されており、カソードオフガス管３７を介してカソードオフガス及びバイパス空気が流入し、パージ管２５を介してアノードオフガスが流入する。その結果、希釈器３９の内部でカソードオフガス、バイパス空気及びアノードオフガスが混合され、それらの混合ガスが排出ガスとして希釈器３９よりも下流のカソードオフガス管３７から大気に排出される。このように、希釈器３９の内部でカソードオフガス、バイパス空気及びアノードオフガスを混合させることで、アノードオフガス中の水素をカソードオフガス及びバイパス空気によって希釈し、大気に排出される排出ガスの水素濃度が基準濃度（例えば４％）未満になるようにしている。
【００４７】
このように本実施形態では、水素通路２からパージ管２５に流出したアノードオフガスを、水素供給管２１に戻すことなくカソードオフガス管３７から大気に排出している。すなわち本実施形態による燃料電池システム１００は、水素非循環式である。
【００４８】
水素非循環式の燃料電池システム１００の場合、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式のシステムに比べ、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させるための循環ポンプなどが不要となる。そのため、水素非循環式の燃料電池システム１００は、水素循環式のシステムと比べて、循環ポンプを駆動するための電力が不要となって燃費の向上を図ることができると共に、構成を簡素化してコストを低減することができる。
【００４９】
冷却水循環装置４０は、冷却水循環配管４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、ラジエータバイパス管４４と、ラジエータバイパス制御弁４５と、を備える。
【００５０】
冷却水循環配管４１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水を循環させる配管であって、一端が冷却水通路４の入口に接続され、他端が冷却水通路４の出口に接続される。以下では、冷却水通路４の出口側を冷却水循環配管４１の上流と定義し、冷却水通路４に入口側を冷却水循環配管４１の下流と定義して説明する。
【００５１】
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環配管４１の下流側に設けられ、冷却水を循環させる。
【００５２】
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも上流の冷却水循環配管４１に設けられ、冷却水通路４の出口から流出した冷却水を、例えば走行風やラジエータファン４６によって吸い込んだ空気によって冷却する。
【００５３】
ラジエータバイパス管４４は、ラジエータ４３を経由させずに冷却水を循環させることができるように設けられた配管であって、一端がラジエータバイパス制御弁４５に接続され、他端がラジエータ４３と冷却水ポンプ４２との間の冷却水循環配管４１に接続される。
【００５４】
ラジエータバイパス制御弁４５は、例えばサーモスタットであり、ラジエータ４３よりも上流の冷却水循環配管４１に設けられる。ラジエータバイパス制御弁４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由して再び冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が基準温度以下のときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由せずにラジエータバイパス管４４を流れて直接冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。
【００５５】
ラジエータバイパス制御弁４５よりも上流の冷却水循環配管４１には、水温センサ２１５が設けられる。水温センサ２１５は、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水の温度を検出する。
【００５６】
電気負荷部５０は、第１コンバータ５１と、回路遮断器５２と、バッテリ５３と、第２コンバータ５４と、モータジェネレータ５５と、インバータ５６と、を備える。電気負荷部５０と燃料電池スタック１０の出力端子との接続ライン５７には、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出するための電流センサ２１６と、燃料電池スタック１０の出力端子の端子間電圧（以下「スタック電圧」という。）を検出するための電圧センサ２１７と、が設けられる。
【００５７】
第１コンバータ５１は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子が回路遮断器５２を介して燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第１コンバータ５１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となるスタック電圧を昇降圧させ、スタック電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標スタック電圧に制御する。
【００５８】
回路遮断器５２は、電子制御ユニット２００によって開閉され、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０とを電気的に接続又は遮断する。なお、回路遮断器５２は必ずしも設ける必要はない。
【００５９】
バッテリ５３は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ５３には、燃料電池スタック１０の余剰電力及びモータジェネレータ５５の回生電力が充電される。バッテリ５３に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ５５やコンプレッサ３３等の燃料電池システム１００が備える各制御部品を駆動するために使用される。
【００６０】
第２コンバータ５４は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子がバッテリ５３の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第２コンバータ５４は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ５６の入力電圧を昇降圧させ、入力電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標入力電圧に制御する。
【００６１】
モータジェネレータ５５は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム１００が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジュネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ５５は、インバータ５６の交流側端子に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力及びバッテリ５３の電力によって駆動される。
【００６２】
インバータ５６は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ５６の直流側端子は第１コンバータ５１及び第２コンバータ５４の二次側端子に接続され、インバータ５６の交流側端子はモータジェネレータ５５の入出力端子に接続される。インバータ５６は、モータジェネレータ５５をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック１０の出力電流及びバッテリ５３の出力電流の合成直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換してモータジェネレータ５５に供給する。一方でインバータ５６は、モータジェネレータ５５をジュネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ５５からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ５３等に供給する。
【００６３】
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
【００６４】
入力ポート２０５には、前述したアノード圧力センサ２１１や第１流量センサ２１２、第２流量センサ２１３、カソード圧力センサ２１４、水温センサ２１５、電流センサ２１６、電圧センサ２１７、タンク圧力センサ２１８のほか、大気圧を検出するための大気圧センサ２１９などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、燃料電池システム１００の起動及び停止を判断するためのスタートスイッチ２２０からの出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。
【００６５】
出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して水素供給制御弁２３（遮断弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）やパージ制御弁２６、コンプレッサ３３、バイパス制御弁３５、カソード圧力制御弁３８、冷却水ポンプ４２、第１コンバータ５１、回路遮断器５２、第２コンバータ５４、モータジェネレータ５５、インバータ５６などの各制御部品が電気的に接続される。
【００６６】
電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力する。
【００６７】
電子制御ユニット２００は、スタートスイッチ２２０の出力信号に基づいてシステム停止要求があると判定すると、所定の停止処理を実施した後に燃料電池システム１００を完全に停止させる。燃料電池システム１００を完全に停止させてから次に起動するまでのシステム停止期間中におけるスタック電圧（開回路電圧）が高電圧のまま維持されることによる単セル１の電極中の触媒の劣化（高電圧劣化）を抑制するために、この停止処理によって、システム停止要求時に空気通路３内に残留している酸素が発電によって消費され、空気通路３については通路内がほぼ窒素で満たされた状態で密閉され、水素通路２については通路内が水素で満たされた状態で密閉される。すなわち、遮断弁２３１、パージ制御弁２６及びカソード圧力制御弁３８については全閉とされた状態、バイパス制御弁３５については全開とされた状態で、燃料電池システム１００が完全に停止される。
【００６８】
このように、システム停止時に実施される停止処理によって、空気通路３については通路内がほぼ窒素で満たされた状態で密閉されるが、システム停止期間中には、カソードオフガス管３７内に侵入した空気が徐々に上流へと拡散していき、カソード圧力制御弁３８やバイパス制御弁３５を介して空気通路３の入口及び出口から流入する。システム停止期間中に空気通路３内に空気が流入してくると、スタック電圧が徐々に上昇していき、そのまま放置すると単セル１の高電圧劣化が生じる。
【００６９】
システム停止期間中における空気通路３内への空気の流入を防止するには、カソード圧力制御弁３８及びバイパス制御弁３５に高い封止機能（シール機能）を持たせることが有効である。しかしながら、カソード圧力制御弁３８及びバイパス制御弁３５に高い封止機能を持たせると、その分コストが増加するため現実的ではない。
【００７０】
そこで本実施形態では、システム停止期間中に定期的又は継続的にスタック電圧を検出し、スタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように、システム停止期間中に燃料電池スタック１０に水素を供給してスタック電圧を低下させる電圧低下制御を実施する。図２は、システム停止期間中に実施される電圧低下制御について説明するタイムチャートである。
【００７１】
所定電圧は、単セル１の高電圧劣化が生じる電圧、すなわち単セル１の電極中の触媒が劣化し始める電圧よりも低い電圧値の中から適宜選択された電圧値であり、本実施形態では（０．５Ｖ（単セル電圧）×単セル枚数）としている。
【００７２】
所定圧力は、所定電圧まで上昇したスタック電圧を所望の電圧（例えば０Ｖ）まで低下させるために必要な水素を水素通路２に供給したときのアノード圧力、すなわちシステム停止期間中に空気通路３に流入した空気中の酸素を消費させるために必要な水素を水素通路２に供給したときのアノード圧力以上の圧力値の中から適宜選択された圧力値である。システム停止期間中のアノード圧力は概ね大気圧となっているので、本実施形態では平地での大気圧（標準大気圧；約１００ｋＰａ）を基準大気圧とし、アノード圧力が基準大気圧の状態からスタック電圧を所望の電圧まで低下させるために必要な水素を燃料電池スタック１０に供給したときのアノード圧力（例えば１２０ｋＰａ）を所定圧力としている。
【００７３】
図２に示すように、時刻ｔ１でシステム停止期間中に電圧低下制御が実施され、アノード圧力が所定圧力になるまで燃料電池スタック１０に水素が供給されると、システム停止期間中のカソード圧力も概ね大気圧となっているので、水素通路２内の圧力（アノード圧力）と空気通路３内の圧力（カソード圧力）との圧力差によって、水素通路２内の水素が膜電極接合体１ａを介して空気通路３内に透過していく。その結果、空気通路３内に透過した水素がカソード極で酸素と反応して空気通路３内で水素及び酸素が消費され、アノード圧力及びスタック電圧が低下する（時刻ｔ１〜ｔ２）。
【００７４】
一方、システム停止期間中に電圧低下制御が実施されると、高圧水素タンク２２から燃料電池スタック１０に供給された水素が酸素と反応して消費されるので、システム停止期間中に高圧水素タンク２２の水素残量が減少することになる。
【００７５】
システム停止期間中に電圧低下制御を実施して一旦スタック電圧を低下させても（時刻ｔ２）、その後に再び空気通路３内には空気が流入してくるので、スタック電圧は再度上昇する（時刻ｔ２〜ｔ３）。したがって、システム停止期間が長くなると、システム停止期間中に電圧低下制御が複数回実施されることになるので、図２（Ｃ）に示すように、システム停止期間中に高圧水素タンク２２の水素残量が徐々に減少していく。その結果、燃料切れを起こす可能性がある。このような燃料切れを防止するために、例えば水素残量が所定量以下になったら電圧低下制御を禁止することもできるが、そうすると電圧低下制御の禁止後は、単セル１の高電圧劣化を防止することができなくなる。
【００７６】
したがって、システム停止期間中に電圧低下制御を実施するようにした場合は、好ましくはシステム停止時に、例えばシステム停止時の燃料ガス残量に応じて燃料電池システム１００を停止したままにしておくことができる時間や高圧水素タンク２２に水素の補充が必要になる時期を使用者に通知することが望ましい。燃料電池システム１００の使用者に水素の補充が必要になる時期を通知して水素の補充を促すことで、システム停止期間中における燃料切れの発生及び単セル１の高電圧劣化を抑制することができる。
【００７７】
しかしながら、本実施形態では電圧低下制御を実施したときに、アノード圧力が所定圧力となるまで燃料電池スタック１０に水素を供給するようにしているので、以下のような問題が生じることがわかった。
【００７８】
すなわち、図２（Ｂ）に示すように、大気圧は、燃料電池システム１００の停止場所又は設置場所によって変化する。そのため、例えば燃料電池システム１００が高地で停止されたときは、燃料電池システム１００が通常使用されると想定される平地（基準高度）での標準大気圧よりも大気圧が低くなる。したがって、燃料電池システム１００が高地などの大気圧が標準大気圧よりも低い場所で停止された場合は、アノード圧力を所定圧力まで昇圧させるために必要な水素供給量が、燃料電池システム１００が平地で停止された場合よりも多くなってしまう。
【００７９】
その結果、システム停止期間中に水素残量が想定よりも早く低下してしまい、通知した水素補充時期よりも早く燃料切れを起こすおそれがある。また、燃料切れになると、電圧低下制御も実施できなくなるので、単セル１の高電圧劣化が生じるおそがある。
【００８０】
そこで本実施形態では、システム停止期間中の電圧低下制御時に燃料電池スタック１０に供給される水素供給量を大気圧に応じて正確に推定し、システム停止時に適切な水素補充時期を通知できるようにした。以下、この本実施形態によるシステム停止制御について説明する。
【００８１】
図３は、電子制御ユニット２００が実施する本実施形態によるシステム停止制御について説明するフローチャートである。
【００８２】
ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、スタートスイッチ２２０の出力信号に基づいて、システム停止要求があるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、システム停止要求がなければシステム停止制御を終了し、システム停止要求があればステップＳ２の処理に進む。
【００８３】
ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、停止処理を実施する。具体的には、電子制御ユニット２００は、カソード圧力制御弁３８を全閉にすると共にバイパス制御弁３５を全開にして空気通路３を密閉し、かつパージ制御弁２６を全閉にした状態で水素通路２に水素を供給しながら所定時間発電を継続させて、空気通路３内の酸素を消費させる。そして電子制御ユニット２００は、所定時間発電を継続させたら遮断弁２３１を全閉としてステップＳ３に進む。
【００８４】
ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、システム停止期間中に燃料電池スタック１０に供給可能な水素残量を算出する。本実施形態では、タンク圧力センサ２１８で検出したタンク圧力に基づいて算出した高圧水素タンク２２内の水素量を水素残量としているが、例えば高圧水素タンク２２内の水素量に、アノード圧力センサ２１１で検出したアノード圧力に基づいて算出した水素供給管２１内の水素量を加えた値を水素残量としても良い。
【００８５】
ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、大気圧センサ２１９で検出した大気圧を読み込む。
【００８６】
ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、システム停止期間中に電圧低下制御が実施された場合に、その１回の電圧低下制御で燃料電池スタック１０に供給される水素量を、予想水素供給量として算出する。本実施形態では、電子制御ユニット２００は、図４のテーブルを参照し、ステップＳ４で読み込んだ大気圧に基づいて、アノード圧力をその読み込んだ大気圧から所定圧力まで昇圧させるために燃料電池スタック１０に供給する必要のある水素量を、予想水素供給量として算出する。
【００８７】
なお、予想水素供給量の算出方法としてはこれに限られるものではなく、例えばアノード圧力を基準大気圧から所定圧力まで昇圧させるために燃料電池スタック１０に供給する必要のある水素量を、基準水素供給量として予め実験等によって求めておき、ステップＳ４で読み込んだ大気圧に基づいてその基準水素供給量を補正して予想水素供給量を算出しても良い。この場合、大気圧が基準大気圧よりも低くなるほど基準水素供給量に加算される補正量が大きくなるようにし、大気圧が基準大気圧よりも高くなるほど基準水素供給量から減算される補正量が大きくなるようにすれば良い。
【００８８】
ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、水素残量と予想水素供給量とに基づいて、システム停止期間中に電圧低下制御を実施できる回数、すなわち電圧低下制御の実施可能回数を算出する。本実施形態では、水素残量を予想水素供給量で除算することで電圧低下制御の実施可能回数を算出しているが、マップ等を参照して水素残量と予想水素供給量とから電圧低下制御の実施可能回数を算出しても良い。
【００８９】
ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、電圧低下制御の実施可能回数と、電圧低下制御１回当りの高電圧劣化防止可能時間と、に基づいて、単セル１の高電圧劣化を防止できるシステム停止時間の上限値を算出する。本実施形態では、電圧低下制御の実施可能回数に高電圧劣化防止可能時間を掛け合わせることでシステム停止時間の上限値を算出しているが、マップ等を参照して電圧低下制御の実施可能回数と高電圧劣化防止可能時間とからシステム停止時間の上限値を算出しても良い。
【００９０】
高電圧劣化防止可能時間は、電圧低下制御を実施した後にスタック電圧を所定電圧未満に維持できる時間であり、電圧低下制御を実施してからスタック電圧が再び所定電圧まで上昇するのに要する時間を最大として、その時間内から適宜選択される時間である。高電圧劣化防止可能時間は、予め実験等によって求めることができる。本実施形態では高電圧劣化防止可能時間を固定値としているが、例えば大気圧が低くなるほど電圧低下制御の実施時に燃料電池スタック１０に供給される水素量が多くなり、高電圧劣化防止可能時間も長くなると考えられるので、大気圧が低くなるほど長くなる可変値としても良い。
【００９１】
ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、システム停止時間の上限値に基づいて、高圧水素タンク２２に水素の補充が必要になる時期を、例えば「３日以内の水素充填が必要」といったメッセージによって燃料電池システム１００の使用者に通知し、燃料電池システム１００を停止させる。水素補充時期の通知方法としては、ディスプレイ上にメッセージを表示しても良いし、使用者の携帯端末等にデータを送信して表示させるようにしても良い。
【００９２】
なお、燃料電池システム１００が例えば車両等の移動体に搭載されている場合は、車両の移動に必要な水素を残しておく必要があるので、システム停止時間の上限値よりも短い時間を水素の補充が必要になる時期として通知するのが望ましい。一方、燃料電池システム１００が例えば定置型のシステムで、水素を補充する際に燃料電池システム１００を移動させる必要がない場合であれば、システム停止時間の上限値を水素の補充が必要になる時期として通知すれば良い。
【００９３】
ステップＳ８で高圧水素タンク２２に水素の補充が必要になる時期を通知し、燃料電池システム１００を停止させた後は、電子制御ユニット２００は定期的又は継続的にスタック電圧を検出し、スタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように、システム停止期間中に燃料電池スタック１０に水素を供給してスタック電圧を低下させる電圧低下制御を実施する。
【００９４】
以上説明した本実施形態によれば、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１０と、水素を貯蔵するための高圧水素タンク（燃料ガス源）２２を含み、燃料電池スタック１０に対して水素の給排を行うための燃料ガス給排装置２０と、燃料電池スタック１０の電圧であるスタック電圧を検出する電圧センサ２１７と、燃料電池スタック１０内の水素通路（燃料ガス通路）２の圧力であるアノード圧力を検出するアノード圧力センサ２１１と、高圧水素タンク２２の圧力を検出するタンク圧力センサ（燃料ガス源圧力センサ）２１８と、大気圧を検出する大気圧センサ２１９と、を備える燃料電池システム１００を制御する電子制御ユニット（制御装置）２００が、燃料電池システム１００の停止期間中に検出したスタック電圧が所定電圧以上であれば、アノード圧力が所定圧力となるように停止期間中に燃料電池スタック１０に水素を供給してスタック電圧を低下させる電圧低下制御を実施する電圧低下制御実施部と、少なくとも高圧水素タンク２２の圧力に基づいて水素残量を算出する燃料ガス残量算出部と、停止期間中に電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を所定圧力まで昇圧させるために必要な予想水素供給量を推定する燃料ガス供給量推定部と、水素残量と予想水素供給量とに基づいて電圧低下制御の実施可能回数を算出する実施可能回数算出部と、実施可能回数と電圧低下制御を実施した後にスタック電圧を所定電圧未満に維持できる時間とに基づいて高圧水素タンク２２に水素の補充が必要になる時期を通知する通知部と、としての機能を備えており、燃料ガス供給量推定部が、大気圧センサ２１９で検出した大気圧に基づいて予想水素供給量を推定するか、又は、停止期間中に電圧低下制御を実施した場合にアノード圧力を予め設定された基準大気圧（基準圧力）から所定圧力まで昇圧させるために必要な基準水素供給量を、大気圧センサ２１９で検出した大気圧に基づいて補正して予想水素供給量を推定するように構成されている。
【００９５】
そのため、システム停止期間中の電圧低下制御時に燃料電池スタック１０に供給される水素供給量を、燃料電池システム１００が停止された場所の大気圧に応じて正確に推定することができる。これにより、適切な水素補充時期を燃料電池システム１００の使用者に通知して、水素の補充を促すことができるので、システム停止期間中における燃料切れの発生及び単セル１の高電圧劣化を抑制することができる。
【００９６】
また、カソード圧力制御弁３８及びバイパス制御弁３５に高い封止機能を持たせることなくシステム停止期間中における単セル１の高電圧劣化を抑制でき、コストの増加を抑えることができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００９８】
例えば上記の実施形態では、システム停止時に水素補充時期を通知するようにしていたが、システム停止期間中に例えば携帯端末等にデータを送信して水素補充時期を通知するようにしても良い。
【００９９】
また上記の実施形態では、停止処理を実施した後に水素補充時期を通知するための各種の演算を行うようにしていたが、停止処理によって消費される水素量が予想できる場合であれば、システム停止要求時の高圧水素タンク２２の水素量から停止処理による予想水素消費量を引いたものを水素残量として、停止処理と並行して水素補充時期を通知するための各種の演算を行うようにしても良い。
【０１００】
また上記の実施形態では、水素非循環式の燃料電池システム１００を例に説明したが、水素循環式の燃料電池システムであっても良い。
【符号の説明】
【０１０１】
１０    燃料電池スタック
２０    燃料ガス給排装置
２２    高圧水素タンク（燃料ガス源）
１００    燃料電池システム
２００    電子制御ユニット（制御装置）
２１１    アノード圧力センサ
２１７    電圧センサ
２１８    タンク圧力センサ（燃料ガス源圧力センサ）
２１９    大気圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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