JP5471010B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

従来より、燃料極に供給される燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤極に供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池が知られている。この燃料電池を備える燃料電池システムでは、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がある。この場合、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、いわゆる、水素フロントによって燃料電池が劣化してしまう可能性がある。具体的には、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得る。

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、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とを反応させる。これにより、酸素が燃料極と酸化剤極との中に残らなくなり、かつ、燃料極と酸化剤極と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。具体的には、システムの停止から次回起動までの期間（放置期間）中、燃料電池内の水素濃度がモニタされ、必要に応じて、燃料電池に水素が供給される。

特表２００５−５１８６３２号公報

ところで、特許文献１に開示された手法によれば、水素フロントに起因する起動時の劣化を抑制することができる。しかしながら、放置期間中、水素濃度のモニタリングを行い、また、水素の供給動作を制御する必要があり、システム効率が低下するという不都合がある。また、放置期間中に、シール部から進入する空気と、燃料電池内の水素とが反応し、過酸化水素が発生する。この過酸化水素も燃料電池を劣化させる要因の一つである。この放置時の劣化は、放置期間に応じて累積されるため、放置期間が長い程劣化が進行する傾向にある。

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、起動時の劣化と、放置時の劣化とをバランスよく抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、燃料ガス供給流路を介して前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備える。さらに前記燃料ガス供給流路に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第１の開閉手段と、前記燃料ガス供給流路において前記第１の開閉手段よりも下流側に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第２の開閉手段とを備える。また一方の端部が前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の前記燃料ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記第２の開閉手段と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給流路に接続されるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられており、当該バイパス流路を流れるガスの流量を制限する流量制限手段と、を備える。ここで制御手段は、システムの停止に際し、燃料極に燃料ガスを供給しつつ、酸化剤極への酸化剤ガスの供給を遮断した状態で酸化剤極に存在する酸化剤ガスを消費するガス消費制御を行うとともに、当該ガス消費制御の終了後、前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態に制御する停止処理を行う。そして、制御手段が前記停止処理により前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態とした後に、前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の燃料ガス供給流路内の燃料ガスが、前記バイパス流路を介して前記流量制限手段により流量を制御されながら、前記燃料極へ供給される。

短期的なシステム停止に対応する起動頻度は高い傾向にあるので、システムの停止の期間が短期の範囲では、劣化度合いが起動頻度に依存する起動時劣化の抑制を図ることが好ましい。本発明によれば、停止処理の終了後、所定期間は燃料極内に燃料ガスが供給され得るので、システムの停止の期間が短期の範囲では燃料極における酸化剤ガス濃度の上昇が抑制されることとなる。この状況下でシステムを起動したとしても、所謂水素フロントの問題が抑制されているので、起動時劣化を抑制することができる。

一方、長期的なシステム停止に対応する起動頻度は低い傾向にあるので、システムの停止の期間が長期の範囲では、劣化度合いがシステムの停止の期間に依存する放置時劣化の抑制を図ることが好ましい。本発明によれば、所定期間経過後において燃料ガスの供給が終了され、かつ、燃料極内の燃料ガスは進入する外気によって消費されるので、システムの停止の期間が長期の範囲では、燃料極における燃料ガスの存在が抑制されることとなる。この状況下では、過酸化水素の発生が抑制されるので、放置時劣化を抑制することができる。

そのため、起動時劣化と放置時劣化とのうち劣化の要因が大となる要素をシステムの停止の期間に応じて抑制することで、起動時劣化と放置時劣化とをバランスよく抑制することができる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート 放置期間Ｔｓとガス濃度および劣化度合いとの関係を示す説明図 システムの放置期間と起動頻度を示す説明図 電荷消費量Ｃｃ、燃料電池スタック１内の酸素濃度Ｃｏおよび燃料極内の水素濃度Ｃｈの推移を示す説明図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を模式的に示すブロック図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの別な変形例を模式的に示すブロック図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図

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構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は、燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を介して燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池構造体を、セパレータを介して複数積層することにより構成される燃料電池スタック（燃料電池）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、燃料ガスおよび酸化剤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、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

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と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料ガス供給手段から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク（燃料ガス供給手段）１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。

水素供給流路Ｌ１には、燃料タンク１０の下流にタンク元バルブ１１が設けられているとともに、タンク元バルブ１１の下流に減圧バルブ１２が設けられている。燃料タンク１０内の水素は、タンク元バルブ１１が開状態とされることにより、水素供給流路Ｌ１へと供給され、減圧バルブ１２によって所定の圧力まで機械的に減圧される。また、水素供給流路Ｌ１には、減圧バルブ１２の下流側に中圧水素バルブ１３が設けられているとともに、中圧水素バルブ１３の下流側に水素調圧バルブ１４が設けられている。この水素調圧バルブ１４は、後述する制御部３０によって開度（すなわち、開口面積であり開閉状態の一形態に含む）が制御され、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力が所望の圧力となるように、水素の圧力を調整する。

また、燃料供給流路Ｌ１には、バイパス流路Ｌ２が設けられている。バイパス流路Ｌ２の一方の端部は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の燃料供給流路Ｌ１に接続されており、バイパス流路Ｌ２の他方の端部は、水素調圧バルブ１４と燃料電池スタック１との間の燃料供給流路Ｌ１に接続されている。バイパス流路Ｌ２には、このバイパス流路Ｌ２を介して供給される水素の流量を制限するための流量制限手段１５が設けられている。流量制限手段１５としては、例えば、バイパス流路Ｌ２の流路径を縮小するオリフィスを用いることができる。流量制限手段１５によって許容される水素流量は、システムの運転中に燃料電池スタック１が消費する水素の最低流量以下となるように設定される。

燃料電池スタック１における個々の燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ３に排出される。水素循環流路Ｌ３の他方の端部は、水素供給流路Ｌ１におけるバイパス流路Ｌ２の下流側の接続端よりも下流側に接続されている。この水素循環流路Ｌ３には、例えば、水素循環ポンプ１６といった水素循環手段が設けられている。燃料電池スタック１からの排出ガスは、水素循環手段により、燃料電池スタック１に再度循環させられる。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、酸化剤極に供給された空気に含まれる不純物（例えば、窒素）が燃料極側に透過することがある。そのため、燃料極および水素循環流路Ｌ３を含む循環系内の不純物濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。不純物濃度が高い場合、燃料電池スタック１の出力が低下する等の不都合が生じるため、循環系内の不純物濃度を管理する必要がある。

そこで、水素循環流路Ｌ３には、循環系内から不純物をパージするためのパージ流路Ｌ４が設けられている。パージ流路Ｌ４には、パージバルブ１７が設けられており、このパージバルブ１７の開閉状態を制御することにより、水素循環流路Ｌ３を流れる循環ガスを外部に排出することができる。これにより、不純物のパージを行うことができる。この不純物のパージにより、循環系内における不純物濃度を調整することができる。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、空気供給手段から空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、空気供給流路Ｌ５には、コンプレッサ２０が設けられている。コンプレッサ２０は、大気（空気）を取り込むとともに、これを加圧して吐出する。加圧された空気は、燃料電池スタック１に供給される。

燃料電池スタック１における個々の酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ６を介して外部に排出される。空気排出流路Ｌ６には、空気調圧バルブ２１が設けられている。この空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気の圧力を調整する。

また、空気供給流路Ｌ５における燃料電池スタック１の入口側には、閉状態において流路を遮断する遮断弁２２が設けられている。一方、空気排出流路Ｌ６における燃料電池スタック１の出口側には、閉状態において流路を遮断する遮断弁２３が設けられている。後述するように、これらの遮断弁２２は、システムの運転時には開状態に制御されているものの、必要に応じて閉状態に制御される。この閉状態制御により、燃料電池スタック１への外気の進入が規制される。

燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置２が接続されている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置２を介して車両駆動用の電動モータなどの負荷に供給される。

制御部（制御手段）３０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動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、各種のバルブ１１〜１４，１７，２１〜２３の状態、水素循環ポンプ１６およびコンプレッサ２０の回転数、および、出力取出装置２による取出電流が制御される。

制御部３０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。例えば、制御部３０は、センサ信号に基づいて、燃料電池スタックに供給される水素および空気の流量または圧力を特定することができる。また、制御部３０は、センサ信号に基づいて、燃料電池スタック１から実際に取り出される取出電流や、燃料電池スタック１の総電圧および燃料電池スタック１を構成する単位発電セルのセル電圧を特定することができる。

本実施形態との関係において、制御部３０は、システムの停止に際し実行する停止処理を実行する。本明細書において、システムの停止は、燃料電池スタック１の発電動作に関わる実質的な制御が終了している状態をいい、具体的には、停止処理の終了後、次回に燃料電池システムを起動するまで間の状態を指す。制御部３０は、停止処理として、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する空気、具体的には、酸素を消費させる。そして、制御部３０は、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４を閉状態に制御する。この一連の停止処理を行い、システムの停止に移行した際には、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４の間の流路内に水素が保持される（中圧水素の保持）。

図２は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。同図に示す処理は、燃料電池システムの停止時に実行される停止処理の一連の手順を示しており、例えば、イグニッションスイッチのオフ信号をトリガーとして、制御部３０によって実行される。停止処理の実行前では、燃料極に対して水素の供給が行われ、また、酸化剤極に対して空気の供給が行われている。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、空気の供給停止が指示される。具体的には、制御部３０は、コンプレッサ２０の動作を停止させる。これにより、酸化剤極への空気の供給が遮断される。なお、このステップ１では、空気の供給のみが停止され、水素の供給は継続されている。

ステップ２（Ｓ２）において、空気供給が停止されたか否かが判断される。制御部３０は、コンプレッサ２０の回転数、空気の流量、空気の圧力、供給停止の指示タイミングからの経過時間といった要素を単独で、あるいは、複合的に用いて、空気供給が停止されたか否かを判断する。

このステップ２において肯定判定された場合、すなわち、空気供給が停止された場合には、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、空気供給が停止されていない場合には、所定時間後に再度ステップ２の判断を行う。

ステップ３において、酸素消費制御が開始される。制御部３０は、酸素消費制御（ガス消費制御）を実行する前提として、空気系における遮断弁２２，２３を閉状態に制御する。また、制御部３０は、水素系のパージバルブ１７を閉状態に制御する。

酸素消費制御は、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより実行される制御である。この酸素消費制御の実行により、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も含む）における空気（酸素）を消費させる。制御部３０は、出力取出装置２による取出電流の制御指令値である電流設定値を決定し、この電流設定値に基づいて出力取出装置２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。電流設定値は、実験やシミュレーションを通じて、最適値が予め設定されている。

ステップ４（Ｓ４）において、電荷消費量が判定値以上であるか否かが判断される。酸素消費制御に伴う電荷消費量は、出力取出装置２によって取り出される電流量の積分値に基づいて算出することができる。一方、判定値は、酸素消費制御の終了タイミングを判定するための値であり、酸素消費制御において消費すべき電荷量を示す。本実施形態において、判定値は可変値であり、後述するように、システム停止の期間中にバイパス流路Ｌ２を介して供給される中圧水素の総量に応じて設定される。具体的には、中圧水素の総流量が大きくなる程、電荷消費量が小さくなるように判定値が設定される。

ステップ４において肯定判定された場合、すなわち、電荷消費量が判定値以上である場合には、ステップ５（Ｓ５）に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、すなわち、電荷消費量が判定値に到達していない場合には、所定時間後に再度ステップ４の判断を行う。

ステップ５（Ｓ５）において、酸素消費制御が終了される。具体的には、制御部３０は、出力取出装置２による電流取出を終了する。

ステップ６（Ｓ６）において、水素系における各バルブの閉弁処理を行う。具体的には、制御部３０は、タンク元バルブ１１、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４を閉状態に制御する。なお、水素調圧バルブ１４の閉弁タイミングをオフセットさせることにより、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間に保持される中圧水素の総量を調整することができる。

これらの一連の処理によって構成される停止処理が終了すると、システムの停止状態に移行する。すなわち、本実施形態では、図２のフローチャートに示す如く、ステップ６で示すタンク元バルブ１１、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４のすべてを閉状態に制御することにより停止処理が終了し、それ以降はシステムの停止状態に移行する。なお、ステップ５と、ステップ６との処理は、時間的に対応するタイミングで実行してもよいし、順番を逆転して行ってもよい。後者の場合、ステップ５の処理を行うことにより停止処理が終了することとなる。

このように本実施形態の燃料電池システムにおいて、水素供給流路Ｌ１には、中圧水素バルブ１３と、水素調圧バルブ１４とが設けられており、これらのバルブ１３，１４は、流路の開閉状態を切り替える開閉手段として機能する。また、バイパス流路Ｌ２の一方の端部は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の水素供給流路Ｌ１に接続され、バイパス流路Ｌ２の他方の端部は、水素調圧バルブ１４と燃料電池スタック１との間の水素供給流路Ｌ１に接続される。換言すれば、水素供給流路Ｌ１は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の流路と、水素調圧バルブ１４と燃料電池スタック１との間の流路とがバイパス流路Ｌ２を介して連通されている。バイパス流路Ｌ２には、流路を流れるガスの流量を制限する流量制限手段１５が設けられている。

このような構成において、制御部３０は、システムの停止処理として、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する空気（酸素）を消費させる（酸素消費制御）。また、制御部３０は、酸素消費制御の終了後、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４を閉状態に制御することにより、中圧水素バルブ１３および水素調圧バルブ１４の間の流路内に水素を保持させる。

かかる構成によれば、システムの停止期間中には、水素供給流路Ｌ１において中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間に保持された所定容量の水素（中圧水素）をバイパス流路Ｌ２を介して、燃料電池スタック１の燃料極側に供給することができる。この中圧水素の供給は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の流路の容積に相当する容量の水素が供給されることにより、終了する。

燃料電池システムでは、システムの停止中、各種のバルブや、燃料電池スタック１を収容するスタックケースのシール部などに存在する微細な隙間を介して外部から空気が進入したり、酸化剤極から酸素が透過したりすることで、燃料電池スタック１の燃料極に酸素が進入してしまう。システム起動時に、酸化剤極および燃料極の両者に空気（酸素）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（所謂、起動時劣化）。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。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（２）
これらの反応のうち、（１）に示す反応により、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。この起動時劣化は、システム起動時に生じるため、劣化の度合いは起動回数に依存しており、その起動回数が多い程、劣化の度合いが大きくなる。

起動時劣化の原因が酸化剤極および燃料極の両者に酸素が存在していることという点に鑑み、次回のシステム起動に備え、その前段階であるシステム停止時に何らかの処置を行うことにより、起動時劣化を抑制することが考えられる。そこで、システムの停止中に酸化剤極から燃料極へと透過する空気を抑制すべく、システムの停止処理において、燃料電池スタックの酸化剤極に存在する空気を消費する制御が周知である。また、システムの停止中に燃料電池スタックの燃料極を水素雰囲気とするために、システムの停止中、燃料電池スタックの燃料極における水素濃度が低下したことを条件として、燃料極に水素を供給する従来手法が知られている。

ところで、後者の手法では、システムの停止中、燃料電池スタックの燃料極の水素濃度に応じて水素を供給する必要がある。そのため、制御部や、水素濃度をモニターする検出部を作動させる必要があり、システム効率が低下するという問題がある。また、水素濃度の低下に応じて水素を供給するため、水素消費量が増加するという不都合がある。さらに、システムの停止期間が長くなると、放置時劣化が大きくなるという問題がある。

ここで、放置時劣化は、システムの停止期間中に燃料極に水素が存在する状態において、燃料極に酸素が進入した場合に、酸素と水素とが反応することにより発生する過酸化水素に起因する燃料電池スタックの劣化である。具体的には、水素の電極酸化反応が進行する燃料極の電極触媒（白金）上には、解離吸着した水素種が多く存在する。ここに酸素が作用した場合、以下の反応で示すように過酸化水素が発生する。

２Ｐｔ-Ｈ ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ_２＋２Ｐｔ
この過酸化水素は、極微量存在する不純物の金属イオンと反応性して、酸化力の極めて強いラジカル性化学種へと変化する。

Ｆｅ^２＋＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ^＋→Ｆｅ^3＋＋・ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ
このラジカル性化学種（・ＯＨ）が電解質膜と長時間接していると、電解質膜が劣化する可能性がある。この放置時劣化は、放置期間、すなわち、システムの停止からの経過時間が長い程、劣化の度合いが大きくなる。

図３は、放置期間（すなわち、システムの停止に対応する期間）Ｔｓと、ガス濃度および劣化度合いとの関係を示す説明図である。同図において、Ｌａは燃料電池スタック１内の水素濃度の推移を示し、Ｌｂは燃料電池スタック１内の酸素濃度を示す。Ａ１は、放置時劣化の度合いを示し、Ａ２は起動時劣化の度合いを示す。また、Ｌｃは、従来手法による放置時劣化の度合いを示す。

本実施形態によれば、システムの停止タイミング、すなわち、停止処理の終了タイミングから所定期間（同図において、タイミングｔａまでの時間）は、中圧水素がバイパス流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の燃料極に供給される。これにより、燃料極内に進入した酸素は水素と反応することで消費されるので、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間に保持される中圧水素が供給されている間は、燃料極における酸素濃度の上昇が抑制される。これにより、この期間内に起動した場合には、水素フロントの問題が生じることがないので、起動時劣化の抑制を図ることができる。

また、燃料極内の水素は外部から進入する酸素によって徐徐に消費されていくため、燃料極における水素濃度は次第に低下し、やがて酸素濃度が増加し始める。そして、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の流路の容積に相当する容量の水素が供給されると、燃料極への水素供給は終了する（タイミングｔａ）。その後、水素濃度はゼロに到達し、それ以降は、外部から進入する空気が燃料極に導入されることで、燃料極は空気で置換される。このように、中圧水素の供給終了以降は、外部から進入する空気と、水素供給の終了とにより、燃料極の水素の存在が抑制されているため、ラジカル性化学種（・ＯＨ）による劣化が抑制される。そのため、タイミングｔａ以降では、停止期間が長期化した場合であっても、従来手法のように水素が継続的に供給されているケースと比較して、放置時劣化を抑制することができる。

ここで、図４は、システムの放置期間と、起動頻度を示す説明図である。同図において、Ｔｓは、放置期間であり、矢印方向に向かって放置期間が長いことを示している。また、Ｈｓは、起動回数であり、矢印方向に向かって起動回数が多いことを示している。同図に示すように、休憩や買い物、食事といったように短期的な放置期間に対応する起動頻度は高い。仕事中または夜間の駐車といったように長期的な放置期間に対応する起動頻度は低い。

起動時劣化は起動回数に依存するため、起動頻度が高い短期的な放置期間（システムの停止の期間が短期の範囲）では、燃料極内の酸素濃度の増加を抑制することで、起動時劣化の抑制を図ることが有効である。もっとも、短期的な放置期間であっても放置時劣化を抑制する必要はあるが、短期的な放置期間では放置時劣化の度合いが小さいので、放置時劣化よりもむしろ起動時劣化の抑制を図る方が有益であると考えられる。一方で、放置時劣化は放置期間の長さに依存するため、長期的な放置期間（システムの停止の期間が長期の範囲）では、燃料極内の水素の存在を抑制することで、放置時劣化の抑制を図ることが有効である。もっとも、長期的な放置期間であっても、次回の起動を考慮するならば起動時劣化を抑制する必要はある。しかしながら、長期的な放置期間に対応する起動頻度は低く、長期的な放置期間では起動時劣化の度合いが小さいので、起動時劣化よりもむしろ放置時劣化の抑制を図る方が有益であると考えられる。

このような劣化要因の観点から、システム停止後の燃料電池スタック１（燃料極）の内部環境を時系列に辿った場合、システムの停止の期間が短期の範囲においては、酸素濃度の増加を抑制し、システムの停止の期間が長期の範囲においては、水素の存在を抑制することが好ましい。そこで、本実施形態では、上述した構成および動作の説明で示した如く、システムの停止の期間が短期の範囲においては中圧水素を供給し、長期的なシステム停止の期間の始期（換言すれば、短期的なシステム停止の期間の終期）に対応して中圧水素の供給を終了させることとしている。これにより、起動時劣化と放置時劣化とのうち劣化の要因が大となる要素をシステム停止の期間に応じて抑制することがきるので、起動時劣化と、放置時劣化とをバランスよく抑制することができる。

ここで、中圧水素は、システムの停止タイミングから所定期間だけ、バイパス流路Ｌ２から水素が供給されるような総量が保持されている。この所定期間は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の流路の容積（水素保持容積）に応じて定まるものであり、この水素保持容積（所定時間）は、システムの停止の期間（放置期間）に対応する起動頻度に基づいて決定されている。すなわち、起動頻度が高い領域（システムの停止の期間が短期の範囲）では、起動時劣化を抑制し、そして、起動頻度が低い領域（システムの停止の期間が長期の範囲）では、放置時劣化を抑制するとの観点から、図４に示す起動頻度と放置期間との傾向に基づいて、水素保持容積が設定されている。換言すれば、システムの停止から、システムの停止の期間が短期とみなせる範囲において中圧水素の供給が可能な程度の水素の容量が、水素保持容量として設定されることとなる。これにより、起動時劣化と放置時劣化とをバランスよく抑制することができることとなる。

また、本実施形態によれば、バイパス流路Ｌ２には、流量制限手段１５が設けられている。この流量制限手段１５により、バイパス流路Ｌ２を介して供給される水素の流量を少量に制限することができる。そのため、システムの放置中における燃料電池スタック１内の水素濃度のピークを低減させることができる。水素濃度のピークを低減させることにより、システム停止中に燃料極側から酸化剤極側に透過する水素量を抑制することができる。これにより、起動時に必要となる希釈用の空気流量を抑制することができるので、コンプレッサ２０の消費電力を抑制したり、騒音や振動を抑制することができる。

また、流量制限手段１５によって許容される水素流量は、システムの運転中に燃料電池スタック１が消費する水素の最低流量以下となるように設定される。これにより、システムの運転中に余分な水素がバイパス流路Ｌ２を介して燃料極に供給されるといった事態を抑制することができる。そのため、燃費の悪化、水素調圧バルブ１４の調圧性能の悪化を抑制することができる。

図５は、電荷消費量Ｃｃ、燃料電池スタック１内の酸素濃度Ｃｏおよび燃料極内の水素濃度Ｃｈの推移を示す説明図である。本実施形態では、酸素消費制御において、システムの放置期間中に供給される中圧水素の総量が大きい程、電流取出の終了タイミングを判定する電荷消費量（判定値）が小さな値に設定される。例えば、中圧水素の総量が大きいシーンＬｃ１における電荷消費量Ｃｃ１は、中圧水素の総量が小さいシーンＬｃ２における電荷消費量Ｃｃ２よりも小さな値に設定されている。なぜならば、中圧水素の総量が大きい場合には、酸素消費制御として酸化剤極の酸素を完全に消費しきらずとも、これが燃料極側へ透過した場合であっても水素との反応により消費されるので、起動時劣化の問題を生じる虞がない。さらには、この反応により水素が消費されたとしても、十分な総量の中圧水素が確保されていれば、起動時劣化の抑制に必要な水素を燃料極側へと供給し得るからである。

これにより、中圧水素の総量が大きい程、酸素消費制御で消費する電荷量が少なくなるので、酸素消費制御に要する時間を短くすることができる。そのため、停止処理にともなう時間を短縮することができる。また、中圧水素の総量が大きい程、中圧水素の供給開始のタイミングを早めることができる。このため、中圧水素の総量の大小に拘わらず、中圧水素の供給終了タイミングを揃えることができる。また、中圧水素の総量が大きい程、燃料極内の水素濃度Ｃｈのピークを濃度Ｃｈ１から濃度Ｃｈ２へと低くすることができる。これにより、起動時に必要となる希釈用の空気流量を抑制することができるので、コンプレッサ２０の消費電力を抑制したり、騒音や振動を抑制することができる。

このように本実施形態における酸素消費制御の終了とは、電荷消費量に基づき判定されるものである。したがって、酸素消費制御は、これを最大限行った場合には酸化剤極の酸素を完全に消費した状態で終了するものであるが、これよりも前のタイミング、すなわち、酸化剤極に酸素を残した状態で終了することも含むものである。

図６は、第１の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を模式的に示すブロック図である。同図に示す燃料電池システムが、上述した構成と相違する点は、中圧水素を保持するための構成である。まず、本変形例では、中圧水素バルブ１３が省略されている。すなわち、本実施形態では、タンク元バルブ１１が、上述した実施形態に示す中圧水素バルブ１３としての機能を担うこととなる。

かかる構成であっても、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、部品点数の削減を図ることができる。

図７は、第１の実施形態にかかる燃料電池システムの別な変形例を模式的に示すブロック図である。同図に示す燃料電池システムが、上述した構成と相違する点は、中圧水素を保持するための構成である。まず、本変形例では、バイパス流路Ｌ２の一方の端部は、減圧バルブ１２と中圧水素バルブ１３との間の燃料供給流路Ｌ１に接続されており、バイパス流路Ｌ２の他方の端部は、中圧水素バルブ１３と燃料電池スタック１との間の燃料供給流路Ｌ１に接続されている。すなわち、本実施形態では、タンク元バルブ１１が、第１の実施形態に示す中圧水素バルブ１３としての機能を担うとともに、中圧水素バルブ１３が、第１の実施形態に示す水素調圧バルブ１４としての機能を担うこととなる。また、このケースでは、ステップ６の閉弁処理では、水素調圧バルブ１４を閉状態に制御せずに、開状態に制御する。

かかる構成であっても、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、部品点数の削減を図ることができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、中圧水素を保持するためのバッファ手段を備えることである。なお、第１の実施形態と重複する構成については符号を引用して省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

本実施形態の水素系には、第１の実施形態に示す中圧水素バルブ１３が省略されている。すなわち、本実施形態では、タンク元バルブ１１が、第１の実施形態に示す中圧水素バルブ１３としての機能を担うこととなる。また、バイパス流路Ｌ２には、水素を蓄える容積部を備えるタンク１９（バッファ手段）が接続流路Ｌ７を介して接続されている。この接続流路Ｌ７には、流路の開閉状態を切り替える開閉バルブ１８が設けられている。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、制御部３０は、上述した第１の実施形態と比較して、以下の点において相違する。具体的には、制御部３０は、システムの運転中、開閉バルブ１８を閉状態に制御する。そして、制御部３０は、必要に応じて、開閉バルブ１８を所定時間だけ開状態に切り替えてタンク１９に水素を補充する。タンク１９への水素の補充タイミングは、燃料電池スタック１への水素供給の妨げとならないようなタイミング、例えば、負荷変動の小さい定常運転時、あるいは、アイドル運転時などが好ましい。

また、制御部３０は、ステップ６の閉弁処理では、タンク元バルブ１１および水素調圧バルブ１４を閉状態へ制御するタイミングと対応して、開閉バルブ１８を開状態に制御する。

このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏するとともに、第１の実施形態と比較して、タンク１９に相当する容量だけ中圧水素を保持することができる。これにより、水素供給流路Ｌ１の長さを延長することなく、必要量の中圧水素を保持することが可能となる。

以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。

上述の実施形態においては、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の水素をバイパス流路Ｌ２を介して供給する構成としている。しかしながら、本発明はこれに限定されない。すなわち、システム停止中において中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の中圧水素を、上述した制限流量、すなわち、システムの運転中に燃料電池スタック１が消費する水素の最低流量以下に制限した流量にて供給できる構成とできればよい。燃料ガス供給流路Ｌ１において中圧水素バルブ１３よりも下流側に設けられていて、その開口面積を任意に設定できる燃料調整弁（例えば、水素調圧バルブ１４）の最低開度を、制限流量以下の流量を許容するように制限することで、システム停止期間中も含めて水素調圧バルブ１４の開口部から水素を供給することが可能となる。換言すれば、制御部３０は、システムを停止させる場合、中圧水素バルブ１３を閉状態に制御し、水素調圧バルブ１４を、所定の開口面積（すなわち、制限流量以下の流量を許容するような最低開度）に制御することとなる。

また、本実施形態によれば、中圧水素の供給は、中圧水素バルブ１３と水素調圧バルブ１４との間の流路の容積に相当する容量の水素が供給されることにより終了するものであり、制御部３０が自らコントロールを行うことによって能動的に終了させるものではない。しかしながら、本発明では、このような容量に依存するガス供給の終了形態、すなわち、ガス供給を終了させる際に何ら制御を行わない形態であっても、将来的なガス供給の終了を見越して停止処理において所定容量の中圧水素を保持するという制御であっても、広義において、燃料ガスの供給が終了する制御を制御手段が行っていることとする。

また、この点に鑑みれば、本発明において、燃料ガスの供給が終了する制御とは、停止処理の終了後であって所定期間経過後に、燃料極に対する燃料ガスの供給を制御手段が能動的に終了させることをも含むものである。すなわち、システム停止中、タイマーなどを用いることにより、所定期間経過をトリガーとして制御手段が燃料ガスの供給を能動的に終了させてもよい。かかる形態であっても、水素濃度のモニタリングを行ったり、水素の供給・遮断といった動作を水素濃度に応じて行ったりという煩雑な処理は必要がないので、従来手法と比較して、システム効率の低下を抑制することができる。なお、制御手段によって水素の供給を能動的に終了する場合には、流量制限手段１５の下流に開閉手段を設け、これを閉状態に制御することより行うことができる。また、開口面積を任意に設定できる燃料調整弁を用いることにより、システムの停止中に中圧水素を供給するような形態であれば、その燃料調整弁を完全に閉状態に制御することにより行うことができる。

１ 燃料電池スタック
２ 出力取出装置
１０ 燃料タンク
１１ タンク元バルブ
１２ 減圧バルブ
１３ 中圧水素バルブ
１４ 水素調圧バルブ
１５ 流量制限手段
１６ 水素循環ポンプ
１７ パージバルブ
１８ 開閉バルブ
１９ タンク
２０ コンプレッサ
２１ 空気調圧バルブ
２２ 遮断弁
２３ 遮断弁
３０ 制御部

Claims (6)

1. 燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、
   燃料ガス供給流路を介して前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第１の開閉手段と、
   前記燃料ガス供給流路において前記第１の開閉手段よりも下流側に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第２の開閉手段と、
   一方の端部が前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の前記燃料ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記第２の開閉手段と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給流路に接続されるバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられており、当該バイパス流路を流れるガスの流量を制限する流量制限手段と、
   システムの停止に際し、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を遮断した状態で前記酸化剤極における酸化剤ガスを消費するガス消費制御を行うとともに、当該ガス消費制御の終了後、前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態に制御する停止処理を行う制御手段と、を有し、
   前記制御手段が前記停止処理により前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態とした後に、前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の燃料ガス供給流路内の燃料ガスが、前記バイパス流路を介して前記流量制限手段により流量を制御されながら、前記燃料極へ供給されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第２の開閉手段は、開口面積を任意に設定することが可能であり、
   前記制御手段は、前記停止処理として、前記ガス消費制御の終了後、前記第１の開閉手段を閉状態に制御し、前記第２の開閉手段を所定の開口面積に制御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。
3. 前記燃料電池から電流を取り出す電流取出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記電流取出手段を介して前記燃料電池から電流を取り出すことにより、前記ガス消費制御を行う請求項１または２に記載された燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に保持される燃料ガスの総量が大きい程、電流取出の終了タイミングを判定する電荷消費量を小さな値に設定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 前記バイパス流路に接続されており、前記燃料ガスを蓄える容積部を備えるバッファ手段と、
   前記バイパス流路と前記バッファ手段とを接続する流路に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第３の開閉手段とをさらに有し、
   前記制御手段は、システムの運転中に前記第３の開閉手段の開閉状態を切り替えて前記バッファ手段に燃料ガスを補充し、前記ガス消費制御の終了後、前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態へ制御するタイミングと対応して前記第３の開閉手段を開状態に制御することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
6. 燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、
   燃料ガス供給流路を介して前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第１の開閉手段と、
   前記燃料ガス供給流路において前記第１の開閉手段よりも下流側に設けられており、流路の開閉状態を切り替える第２の開閉手段と、
   一方の端部が前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の前記燃料ガス供給流路に接続され、他方の端部が前記第２の開閉手段と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給流路に接続されるバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられており、当該バイパス流路を流れるガスの流量を制限する流量制限手段と、
   を備える燃料電池システムの制御方法において、
   システムの停止に際し、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を遮断した状態で前記酸化剤極における酸化剤ガスを消費させるガス消費制御を行うとともに、当該ガス消費制御の終了後、前記第１の開閉手段および前記第２の開閉手段を閉状態に制御する停止処理を行い、
   前記停止処理終了後に、前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間の燃料ガス供給流路内の燃料ガスが、前記バイパス流路を介して前記流量制限手段により流量を制御されながら、前記燃料極へ供給されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

Images