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JP6037851B2 - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池システムの制御方法に関するものである。
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ガスとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給して発電を行っている。
また、このような燃料電池を搭載した燃料電池車両には、所定の条件が満たされた場合に、燃料電池での発電を一時的に停止するアイドル停止（以下、「燃料電池システムのアイドル停止」という。）を行うことで燃費の向上を図るものが知られている。
ところで、この種の燃料電池では、上記燃料電池システムのアイドル停止を含む燃料電池の発電停止時において、燃料電池内に残存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、いわゆる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し、固体高分子電解質膜が劣化するおそれがある。このため、燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池のカソード側に残存する酸素を消費して酸素濃度を低下させ、窒素リッチな雰囲気にする必要がある。
例えば、特許文献１には、燃料（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との間の反応を促進するように構成された燃焼器を備え、燃料電池システムの停止時には、燃焼器により酸素が消費された窒素ガスを燃料電池のアノードおよびカソードに供給する燃料電池システムの制御方法が記載されている。
また、特許文献２には、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排出ガスをコンプレッサで再循環してカソードに供給し、排出ガス中の残存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燃料電池システムの制御方法が記載されている。
特表２００７−５０６２４３号公報 特開２００３−１１５３１７号公報
しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムの制御方法にあっては、燃焼器や燃焼器に燃料ガスを供給するための弁（燃料不活性弁）などが必要となり、燃料電池システムの構成が複雑となる。
また、特許文献２に記載の燃料電池システムの制御方法にあっては、特許文献1よりも簡単なシステム構成により、燃料電池の発電停止時に残存酸素を消費している。しかしながら、アノードの燃料ガスの量が不足した場合には、いわゆるアノードストイキ（燃料電池への供給量／理論水素消費量）不足により発電が安定せず、セルの電極の劣化等が誘発されるおそれがある。また、カソード側からアノード側に向かって酸素が透過するクロスオーバーが生じ、固体高分子電解質膜の劣化が誘発されるおそれがある。
このように、従来技術においては、燃料電池の劣化の抑制という点で改善の余地があった。
そこで本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムの停止時に燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムの制御方法の提供を課題とする。
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）の制御方法は、アノード（例えば、実施形態におけるアノード２ａ）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、実施形態におけるカソード２ｂ）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記アノードに供給される前記燃料ガスが通流する燃料ガス供給路（例えば、実施形態における燃料ガス供給路３２）と、前記アノードから排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出路（例えば、実施形態における燃料オフガス排出路３６）と、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給路（例えば、実施形態における酸化剤ガス供給路４１）と、前記カソードから排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出路（例えば、実施形態における酸化剤オフガス排出路４７）と、前記酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤オフガス排出路とを接続する酸化剤オフガス循環路（例えば、実施形態における酸化剤オフガス循環路７５）と、前記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、実施形態におけるエアポンプ４２）と、前記酸化剤オフガス循環路に配設されて、前記酸化剤オフガスを循環させる酸化剤オフガス循環手段（例えば、実施形態における酸化剤オフガス循環ポンプ７６）と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムを停止するときに出力される停止指令を検知する停止指令検知工程（例えば、実施形態における停止指令検知工程Ｓ１０１）と、前記停止指令検知工程により前記停止指令を検知した後に、前記アノードの圧力が第一所定圧力値（例えば、実施形態における第一所定圧力値Ｐ１）になるように昇圧するアノード圧力昇圧工程（例えば、実施形態におけるアノード圧力昇圧工程Ｓ１０３）と、前記アノード圧力昇圧工程の後、前記酸化剤オフガス循環手段を駆動しながら、前記酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行う停止時ディスチャージ工程（例えば、実施形態における停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５）と、を有し、前記停止時ディスチャージ工程では、前記アノードの圧力が前記第一所定圧力値よりも低い第二所定圧力値（例えば、実施形態における第二所定圧力値Ｐ２）となるように調節しつつ、前記ディスチャージを継続することを特徴としている。
本発明によれば、停止指令を検知した後に、アノードの圧力が第一所定圧力値になるように昇圧するアノード圧力昇圧工程と、アノード圧力昇圧工程の後、酸化剤オフガス循環手段を駆動しながら、酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行う停止時ディスチャージ工程と、を有するので、十分な燃料ガスをアノードに確保した状態で停止時ディスチャージ工程を行うことができる。これにより、停止時ディスチャージ工程を開始した直後に大電流が発生した場合であっても、いわゆるアノードストイキ（燃料電池への供給量／理論水素消費量）不足を防止し、電極の劣化等を抑制できる。また、燃料電池のカソード側に残存する酸素を消費できるので、カソード側からアノード側へ酸化剤ガスが透過する、いわゆるクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の劣化を抑制できる。
また、本発明によれば、アノードの圧力が第一所定圧力値よりも低い第二所定圧力値となるように調節しつつ、ディスチャージを継続するので、燃料ガスの過剰な供給を抑制して停止時ディスチャージ工程を行うことができる。これにより、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の劣化を抑制できる。
また、請求項２に記載の発明は、前記燃料ガス供給路と、前記燃料オフガス排出路とを接続する燃料オフガス循環路（例えば、実施形態における燃料オフガス循環路３９）と、前記燃料オフガス循環路に配設されて、前記燃料オフガスを循環させる燃料オフガス循環手段（例えば、実施形態における燃料オフガス循環ポンプ３０）と、を備え、前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段を駆動して行うことを特徴としている。
本発明によれば、燃料オフガス循環手段を駆動して停止時ディスチャージ工程を行うので、アノード側の燃料ガス供給路、燃料オフガス排出路および燃料オフガス循環路内の燃料オフガスを循環させて、早期にカソード側の酸化剤オフガス内の酸素と反応させることができる。これにより、カソード側の酸素を素早く消費できるので、早期に停止時ディスチャージ工程を終了させることができる。また、アノード側の燃料オフガスを循環させることで、アノード側に滞留する生成水の排水性を向上できる。また、燃料オフガスを循環させて供給するので、アノードストイキ不足を抑制して電極の劣化等を抑制できるとともに、ディスチャージの安定性を向上させることができる。
また、請求項３に記載の発明は、前記停止時ディスチャージ工程において、前記燃料オフガス循環手段が故障した場合には、前記アノードの圧力が前記第二所定圧力値よりも高い第三所定圧力値（例えば、実施形態における第三所定圧力値Ｐ３）となるように調節しつつ、前記ディスチャージを継続することを特徴としている。
本発明によれば、燃料オフガス循環手段が故障した場合には、アノードの圧力が第二所定圧力値よりも高い第三所定圧力値となるように調節しつつ、ディスチャージを継続するので、燃料オフガス循環手段が故障した場合であっても、燃料ガスの高い圧力によりアノードストイキ不足を抑制し、ディスチャージの安定性を確保できる。
また、請求項４に記載の発明は、前記停止時ディスチャージ工程では、前記ディスチャージの終了後に、前記アノードの圧力が前記第一所定圧力値よりも高い第四所定圧力値（例えば、実施形態における第四所定圧力値Ｐ４）となるように調節することを特徴としている。
本発明によれば、ディスチャージの終了後に、アノードの圧力が第一所定圧力値よりも高い第四所定圧力値となるように調節するので、アノードに燃料ガスを保圧でき、アノード側およびカソード側を水素リッチな状態とすることができる。これにより、アノード側およびカソード側が空気リッチな状態となるのを防止し、次回起動時にカソードが高電位に晒されることを防止できる。
また、請求項５に記載の発明は、前記ディスチャージの終了前に前記ディスチャージが中断された場合には、前記アノードの圧力が前記第四所定圧力値となるように調節することなく、前記停止時ディスチャージ工程を終了することを特徴としている。
ディスチャージの終了前にディスチャージが中断された場合には、カソード側に未反応の酸素が残存していると考えられる。これに対して、本発明によれば、アノードの圧力が第一所定圧力値よりも高い第四所定圧力値となるように調節することなく、停止時ディスチャージ工程を終了するので、カソード側に残存している酸素と反応する水素の量を減少させることができる。したがって、カソード側に残存した酸素と、固体高分子電解質膜を透過してカソード側に侵入した水素とが固体高分子電解質膜の面上で局所的に反応するのを防止できるので、固体高分子電解質膜の劣化に起因する燃料電池の劣化を防止することができる。
また、請求項６に記載の発明は、前記燃料オフガス循環手段が故障し、前記燃料オフガスを循環させることができない場合には、前記停止時ディスチャージ工程における前記ディスチャージの電流値を一定の下限電流値とすることを特徴としている。
燃料オフガス循環手段が故障し、燃料オフガスを循環させることができない場合には、アノードに水素を十分に供給できないおそれがある。これに対して、本発明によれば、ディスチャージの電流値を一定の下限電流値とするので、アノードストイキ不足を抑制して電極の劣化等を抑制できる。したがって、燃料オフガス循環手段が故障した場合であっても燃料電池の劣化を抑制できる。
また、請求項７に記載の発明は、前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段の実回転数に対応して、前記ディスチャージの電流値を決定することを特徴としている。
本発明によれば、燃料オフガス循環手段の実回転数に対応してディスチャージの電流値を決定するので、燃料オフガス循環手段の実回転数、すなわち燃料ガスの供給量に対応したディスチャージ電流を発生することができる。したがって、例えば燃料オフガス循環手段の劣化等に起因して燃料電池システムの指令値どおりに燃料オフガス循環手段が回転していない場合であっても、アノードストイキ不足を抑制して燃料電池の劣化を抑制できる。
また、請求項８に記載の発明は、前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段の実回転数に対応して、前記ディスチャージにおける前記アノードの圧力値を決定することを特徴としている。
本発明によれば、燃料オフガス循環手段の実回転数に対応してディスチャージにおけるアノードの圧力値を決定するので、燃料オフガス循環手段の実回転数に対応して燃料ガスを補填するなどしてアノードの圧力を調節できる。したがって、例えば燃料オフガス循環手段の劣化等に起因して燃料電池システムの指令値どおりに燃料オフガス循環手段が回転していない場合であっても、アノードストイキ不足を抑制して燃料電池の劣化を抑制できる。
また、請求項９に記載の発明は、前記燃料電池システムは、前記燃料オフガスを排出するための排出弁（例えば、実施形態におけるパージ弁３７）と、前記燃料オフガス排出路に設けられ、前記燃料オフガスと前記燃料オフガスの内部に混在する液体とを分離して前記液体を貯留する気液分離器（例えば、実施形態におけるキャッチタンク３８）と、前記気液分離器の内部に貯留された前記液体を排出するためのドレイン弁（例えば、実施形態におけるドレイン弁３８ａ）と、を備え、前記停止時ディスチャージ工程では、前記排出弁および前記ドレイン弁を閉塞して前記ディスチャージを行うことを特徴としている。
本発明によれば、停止時ディスチャージ工程では、排出弁およびドレイン弁を閉塞してディスチャージを行うので、水素が排出弁およびドレイン弁を通じて燃料電池システムの外部に排出されるのを防止できる。したがって、水素の外部への排出によるアノードストイキ不足を防止できるとともに、無駄に水素が消費されるのを抑制できる。また、水素を燃料電池システムの外部に排出する際は、一般に希釈器により水素と酸素とを反応させて希釈するが、本発明によれば、排出弁およびドレイン弁を閉塞しているので、希釈器に多量の水素が導入されるのを防止できる。したがって、水素を容易に希釈して燃料電池システムの外部に排出できる。
また、請求項１０に記載の発明は、前記酸化剤ガス供給路において、前記酸化剤オフガス循環路との接続部よりも前記酸化剤ガスの通流方向の上流側に配設された第一封止弁（例えば、実施形態における入口封止弁４５）と、前記酸化剤オフガス排出路において、前記酸化剤オフガス循環路との接続部よりも前記酸化剤オフガスの通流方向の下流側に配設された第二封止弁（例えば、実施形態における出口封止弁４８）と、を備え、前記停止時ディスチャージ工程では、少なくとも前記第二封止弁を閉塞することを特徴としている。
本発明によれば、少なくとも第二封止弁を閉塞した状態で、停止時ディスチャージ工程を行うことにより、酸化剤ガス供給路、酸化剤オフガス排出路およびこれらを接続する酸化剤オフガス循環路の各通流路内の酸素を素早く消費できる。したがって、カソードを素早く窒素リッチな雰囲気にすることができるので、燃料電池の劣化をさらに抑制できる。
本発明によれば、停止指令を検知した後に、アノードの圧力が第一所定圧力値になるように昇圧するアノード圧力昇圧工程と、アノード圧力昇圧工程の後、酸化剤オフガス循環手段を駆動しながら、酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行う停止時ディスチャージ工程と、を有するので、十分な燃料ガスをアノードに確保した状態で停止時ディスチャージ工程を行うことができる。これにより、停止時ディスチャージ工程を開始した直後に大電流が発生した場合であっても、いわゆるアノードストイキ（燃料電池への供給量／理論水素消費量）不足を防止し、電極の劣化等を抑制できる。また、燃料電池のカソード側に残存する酸素を消費できるので、カソード側からアノード側へ酸化剤ガスが透過する、いわゆるクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の劣化を抑制できる。
また、本発明によれば、アノードの圧力が第一所定圧力値よりも低い第二所定圧力値となるように調節しつつ、ディスチャージを継続するので、燃料ガスの過剰な供給を抑制して停止時ディスチャージ工程を行うことができる。これにより、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の劣化を抑制できる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。 アノードの圧力の変化および燃料インジェクタのＴｉ値の変化を示すグラフである。 ディスチャージの電流値と燃料オフガス循環ポンプの駆動Ｄｕｔｙとの関係を示すグラフである。 アノードの圧力と燃料オフガス循環ポンプの駆動Ｄｕｔｙとの関係を示すグラフである。 燃料電池システムの制御方法のタイムチャートである。
（燃料電池システム）
以下に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。なお、以下では、まず燃料電池システムの概略構成について説明したあと、燃料電池システムの制御方法について説明する。
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば不図示の燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池２（図中ではＳＴＫと略す。）と、燃料電池２のアノード２ａに燃料ガスである水素を供給するためのアノード側通流路３と、燃料電池２のカソード２ｂに酸化剤ガスである空気を供給するためのカソード側通流路４と、燃料電池２で発電した電力を蓄電する高圧バッテリ１１（図中ではＢＡＴと略す。）と、これら各構成品を統括的に制御する制御装置６と、燃料電池システム１を起動および停止するときに、ユーザによって操作されるシステムスイッチ５と、を主に備えている。
燃料電池２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２ｃをアノード２ａとカソード２ｂとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図示の都合上、図１では単セルのみ示す）、アノード２ａに燃料ガスとして水素を供給し、カソード２ｂに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード２ａ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２ｃを通過してカソード２ｂまで移動して、カソード２ｂで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
燃料電池２は、高圧バッテリ１１に不図示のコンタクタや電圧調整器（ＶＣＵ）等を介して接続されており、燃料電池２で発電した電気を高圧バッテリ１１に充電可能となっている。燃料電池２と高圧バッテリ１１とは、燃料電池車両の電動モータ１２（図中ではＭと略す。）等の外部負荷に放電可能に接続されている。
（アノード側通流路）
アノード側通流路３は、アノード２ａに供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給路３２と、アノード２ａから排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出路３６と、燃料ガス供給路３２と燃料オフガス排出路３６とを接続する燃料オフガス循環路３９と、により形成されている。
燃料ガス供給路３２は、燃料ガスの通流方向の上流側から下流側に向かって、水素供給タンク３１、遮断弁３３、燃料インジェクタ３４およびエゼクタ７７が順に接続されている。燃料ガス供給路３２は、燃料電池２の入口側で、燃料電池２内においてアノード２ａに面する燃料通流路３５に接続されている。
水素供給タンク３１には、燃料ガスである水素ガスが充填されている。水素供給タンク３１には、水素ガスの供給および遮断を行う電磁式のインタンク電磁弁２８が取り付けられている。インタンク電磁弁２８は、不図示のソレノイドを有しており、ソレノイドに通電することによって開弁作動を行なっている。
燃料インジェクタ３４は、制御装置６からの出力信号（例えば、所定の開度指令時間）により駆動が制御されており、燃料ガスが燃料ガス供給路３２へ所定の周期で間欠的に供給される。燃料インジェクタ３４は、目標圧力制御により動作しており、燃料電池２のアノード２ａとカソード２ｂとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、燃料インジェクタ３４から供給された燃料ガスは、燃料通流路３５に供給される。以下では、燃料インジェクタ３４の開度指令時間をＴｉ値という。
エゼクタ７７は、燃料オフガス循環路３９を通じて、燃料電池２から排出される燃料オフガスを吸引するとともに、水素供給タンク３１から供給される新鮮な燃料ガスと燃料オフガスとを合流し、再び燃料電池２の燃料通流路３５に供給している。すなわち、燃料電池２から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス排出路３６、燃料オフガス循環路３９、エゼクタ７７および燃料ガス供給路３２を通って、燃料電池２を循環する。
燃料オフガス排出路３６は、燃料通流路３５の出口側に接続されており、燃料電池２で発電に供された燃料オフガスや、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された水等が通流する。
燃料オフガス排出路３６には、キャッチタンク３８（請求項の「気液分離器」に相当。）が設けられている。キャッチタンク３８は、燃料通流路３５の出口から排出されて燃料オフガス排出路３６を通流する燃料オフガスと、燃料オフガスの内部に混在する生成水（液体）と、を分離して生成水を貯留するものである。
ドレイン弁３８ａは、キャッチタンク３８の水分排出口(不図示)と希釈ＢＯＸ４０とを接続する水分排出流路５１に設けられている。キャッチタンク３８の水分排出口から排出された水分は、ドレイン弁３８ａを開放することにより希釈ＢＯＸ４０に供給可能となっている。
燃料オフガス排出路３６は、キャッチタンク３８の上流側で分岐されており、電磁駆動式のパージ弁３７（請求項の「排出弁」に相当。）を介して水分排出流路５１に接続されている。
希釈ＢＯＸ４０は、燃料オフガス排出路３６からパージ弁３７を介して導入された燃料オフガスが滞留する滞留室（不図示）が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出通流路５０が接続されている。すなわち、滞留室内において、燃料オフガスは酸化剤オフガスにより希釈された後、排出通流路５０から車外に排出される。希釈ＢＯＸ４０には、燃料オフガス排出路３６から導入された燃料オフガスの濃度に基づいて、酸化剤オフガスが供給されるようになっている。
燃料オフガス排出路３６におけるキャッチタンク３８の下流側には、燃料オフガス循環路３９が設けられている。燃料オフガス循環路３９は、燃料オフガス循環ポンプ３０（請求項の「燃料オフガス循環手段」に相当。図中ではＡｎ／Ｐと略す。）を介して燃料ガス供給路３２に設けられたエゼクタ７７に接続されている。
燃料オフガス循環ポンプ３０は、燃料電池２の燃料通流路３５から排出された燃料オフガスの一部を循環させ、水素供給タンク３１から供給された燃料ガスに混合して、燃料電池２のアノード２ａに再び供給する。
（カソード側通流路）
カソード側通流路４は、カソード２ｂに供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給路４１と、カソード２ｂから排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出路４７と、酸化剤ガス供給路４１と酸化剤オフガス排出路４７とを接続する酸化剤オフガス循環路７５とより形成されている。
酸化剤ガス供給路４１における酸化剤ガスの通流方向の上流側には、図示しないインテークマニホールドに設置されたエアフロセンサ４３（図中ではＡＦセンサと略す。）と、燃料電池２に酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ４２（請求項の「酸化剤ガス供給手段」に相当。図中ではＡ／Ｐと略す。）とが、酸化剤ガスの通流方向の上流側から下流側に向かって順に接続されている。
エアポンプ４２は、外部から取り込んだ酸化剤ガス（空気）を所定圧力に加圧し、酸化剤ガス供給路４１を通じて圧送して燃料電池２のカソード２ｂに供給している。
エアフロセンサ４３は、エアポンプ４２によって外部から取り込んだ酸化剤ガス流量を検出し、検出結果の信号を例えば制御装置６に向けて出力する。酸化剤ガス流量は、制御装置６からエアポンプ４２に出力される流量指令値に基づいて制御される。
酸化剤ガス供給路４１のうちエアポンプ４２よりも下流側は、加湿器４４および入口封止弁４５（請求項の「第一封止弁」に相当。）に順に接続され、燃料電池２の入口側で、カソード２ｂに面する酸化剤通流路４６に接続されている。
酸化剤オフガス排出路４７は、酸化剤通流路４６の出口側に接続されており、燃料電池２で発電に供された酸化剤オフガスや、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された水等が通流する。
酸化剤オフガス排出路４７は、酸化剤オフガスの通流方向の上流側から下流側に向かって、出口封止弁４８（請求項の「第二封止弁」に相当。）、加湿器４４、圧力制御弁４９（図中ではＣＰＣＶと略す。）に順に接続された後、希釈ＢＯＸ４０に接続されている。
入口封止弁４５および出口封止弁４８は、それぞれ電磁駆動式の封止弁であり、入口封止弁４５と出口封止弁４８との間、すなわち酸化剤通流路４６内に酸化剤ガスを封止できるように構成されている。
加湿器４４は、中空糸膜等の水分透過膜を備え、燃料電池２で発電に供されて湿潤になった酸化剤オフガスを加湿用ガスとして用い、エアポンプ４２から送出される酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池２に供給する前段で予め酸化剤ガスを加湿することができる。
酸化剤オフガス排出路４７における出口封止弁４８の上流側には、酸化剤オフガス循環路７５が分岐して設けられている。酸化剤オフガス循環路７５は、酸化剤オフガス循環ポンプ７６（請求項の「酸化剤オフガス循環手段」に相当。図中ではＣａ／Ｐと略す。）を介して、酸化剤ガス供給路４１における入口封止弁４５の下流側に接続されている。
酸化剤オフガス循環ポンプ７６は、燃料電池２の酸化剤通流路４６から排出された酸化剤オフガスの一部を循環させ、エアポンプ４２から送出される酸化剤ガスに混合して、燃料電池２のカソード２ｂに再び供給する。
システムスイッチ５は、燃料電池システム１を起動（オン）および停止（オフ）するときにユーザにより操作されるスイッチであって、オン／オフ信号を制御装置に出力する。本実施形態のシステムスイッチ５は、例えば燃料電池車両のイグニッションスイッチである。
制御装置６は、システムスイッチ５から入力したオン／オフ信号に基づいて、燃料電池システム１の起動／停止を制御する。また、制御装置６は、燃料電池２の出力制御等、その制御内容に応じて、エアポンプ４２や酸化剤オフガス循環ポンプ７６、燃料オフガス循環ポンプ３０、入口封止弁４５、出口封止弁４８、圧力制御弁４９、インタンク電磁弁２８、遮断弁３３、パージ弁３７、ドレイン弁３８ａ、燃料インジェクタ３４、エゼクタ７７等を制御する。
（燃料電池システムの制御方法）
上述のように構成された燃料電池システム１において、燃料電池システム１を停止する際には、燃料電池２の酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費するディスチャージを行う。ディスチャージを行うことにより、カソード２ｂ側に残存する酸素の濃度を低下させてカソード２ｂが高電位状態になるのを防止し、燃料電池２の固体高分子電解質膜２ｃの劣化を防止している。以下に、本発明に係る燃料電池システム１の制御方法、具体的には、燃料電池システム１の停止処理におけるディスチャージ制御方法について、フローチャートを用いて詳述する。なお、フローチャートの説明における各部品の符号については、図１を参照されたい。
図２は、燃料電池システム１の制御方法のフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１の制御方法は、停止指令検知工程Ｓ１０１と、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３と、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５と、停止工程Ｓ１０７と、を有している。以下に、各工程について説明する。なお、図２に示すフローチャートは、燃料電池システム１の制御装置６により行われる処理内容の一工程を示すものである。よって、制御装置６は、図２に示すフローチャートのＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの一工程が終了すると、再度ＳＴＡＲＴからの処理を実行し、このフローチャートの処理フローを繰り返し実行する。
（停止指令検知工程）
停止指令検知工程Ｓ１０１では、燃料電池システム１を停止するときに出力される停止指令を検知する。具体的には、燃料電池車両のユーザが、システムスイッチ５であるイグニッションスイッチをオフしたときに出力されるオフ信号（以下、「停止指令」という。）を、制御装置６が検知する。制御装置６が停止指令を検知した場合には、停止指令検知工程Ｓ１０１で「ＹＥＳ」と判定し、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３に進む。これに対して、制御装置６が停止指令を検知しない場合には、停止指令検知工程Ｓ１０１で「ＮＯ」と判定し、再度停止指令検知工程Ｓ１０１を行う。
（アノード圧力昇圧工程）
図３は、縦軸をアノード２ａの圧力とし横軸を時間としたときのアノード２ａの圧力の変化、および縦軸を燃料インジェクタ３４のＴｉ値とし横軸を時間としたときの燃料インジェクタのＴｉ値の変化を示すグラフである。
アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３では、まず、停止指令検知工程Ｓ１０１により停止指令を検知した後に、燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を行い、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１になるように昇圧する（Ｓ１０３Ａ）。このとき、図３に示すように、燃料インジェクタ３４のＴｉ値を上昇させて燃料ガス供給路３２へ燃料ガスの供給を行い、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１になるように目標圧力制御を行う。
次いで、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３では、図２に示すように、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１に達したか否かの判定を行う（Ｓ１０３Ｂ）。アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１に達した場合には、「ＹＥＳ」と判定して停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５に進む。これに対して、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１に達していない場合には、「ＮＯ」と判定して再度燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を行う。
（停止時ディスチャージ工程）
停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、酸化剤オフガス循環ポンプ７６を駆動しながら、酸化剤ガス供給路４１、酸化剤オフガス排出路４７および酸化剤オフガス循環路７５により形成されたカソード側通流路４内に残留する酸素を消費してディスチャージを行う。具体的には、酸化剤オフガス排出路４７の出口封止弁４８を閉塞した状態で、酸化剤オフガス循環ポンプ７６を駆動する。さらに、パージ弁３７およびドレイン弁３８ａを閉塞した状態で、燃料電池２への水素ガスの供給を継続しながら燃料オフガス循環ポンプ３０を駆動する。これにより、燃料オフガスをアノード側通流路３内で循環させるとともに、酸化剤オフガスをカソード側通流路４内で循環させて、酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行うことができる。
停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、燃料インジェクタ３４の目標圧力制御を行い、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも低い第二所定圧力値Ｐ２となるように調節しながらディスチャージを実行する（Ｓ１０５Ａ）。このとき、図３に示すように、燃料インジェクタ３４のＴｉ値を、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３におけるＴｉ値よりも低下させ、アノード２ａの圧力が第二所定圧力値Ｐ２となるように調節してディスチャージを継続する。
次いで、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、図２に示すように、ディスチャージが終了したか否かの判定を行う（Ｓ１０５Ｂ）。ディスチャージが終了したか否かの判定は、例えばディスチャージ継続時間が所定時間に達したか否かにより判定する。なお、前記所定時間は、カソード２ｂの酸素が十分に消費される時間であり、例えば制御装置６内にマップ化されて定められている。また、ディスチャージが終了したか否かの判定は、ディスチャージ継続時間による判定の他に、例えば、カソード２ｂの酸素濃度が所定値以下か否かにより判定してもよいし、燃料電池２に流れるディスチャージの電流値が所定値以下か否かにより判定してもよい。ディスチャージが終了した場合には、「ＹＥＳ」と判定して燃料インジェクタ３４の目標圧力制御を行う（Ｓ１０５Ｃ）。これに対して、ディスチャージが終了していない場合には、「ＮＯ」と判定してディスチャージを継続する（Ｓ１０５Ａ）。
ここで、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、ディスチャージの実行（Ｓ１０５Ａ）において、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応してディスチャージの電流値を決定する（以下、「ディスチャージ電流制御」という。）。
図４は、縦軸をディスチャージの電流値（Ａ）とし、横軸を燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動Ｄｕｔｙ（％）としたときの、ディスチャージの電流値と燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動Ｄｕｔｙとの関係を示すグラフである。なお、燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動Ｄｕｔｙとは、燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動時間における通電ＯＮ時間の比率のことをいう。駆動Ｄｕｔｙは燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数と対応しており、駆動Ｄｕｔｙが高いほど燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数が高くなる。
燃料オフガス循環ポンプ３０は、駆動Ｄｕｔｙが１０％よりも高く９０％以下の範囲Ｄ１で制御される。また、燃料オフガス循環ポンプ３０は、駆動Ｄｕｔｙが１０％以下の範囲Ｄ２では制御できず、回転数はゼロとなる。
図４に示すように、駆動Ｄｕｔｙが１０％より高く９０％以下の範囲Ｄ１においては、駆動Ｄｕｔｙ（すなわち燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数）の増大に対応して、ディスチャージの電流値が例えば３Ａから２０Ａの範囲で漸次増大するように制御する。駆動Ｄｕｔｙに対応するディスチャージの電流値は、例えば予めマップ化されており、制御装置６内に格納されている。なお、３Ａの電流値は、本実施形態の燃料電池２においてディスチャージが実行できる下限電流値となっている。
これに対して、駆動Ｄｕｔｙが１０％以下の範囲Ｄ２では、燃料オフガス循環ポンプ３０が駆動されず、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障し、燃料オフガスを循環させることができないと判断できる。したがって、駆動Ｄｕｔｙが１０％以下の範囲Ｄ２においては、燃料インジェクタ３４を駆動して燃料ガスの供給を行い、ディスチャージの電流値を一定の下限電流値３Ａに保持している。
また、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、ディスチャージの実行（Ｓ１０５Ａ）において、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数（すなわち駆動Ｄｕｔｙ）に対応して、アノード２ａの圧力（第二所定圧力値Ｐ２に相当。）を決定してもよい（以下、「アノード圧力制御」という。）。
図５は、縦軸をアノード２ａの圧力（ｋＰａ）とし、横軸を燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動Ｄｕｔｙ（％）としたときの、アノード２ａの圧力と燃料オフガス循環ポンプ３０の駆動Ｄｕｔｙとの関係を示すグラフである。
図５に示すように、駆動Ｄｕｔｙが１０％より高く９０％以下の範囲Ｄ１においては、駆動Ｄｕｔｙ（すなわち燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数）の増大に対応して、アノード２ａの圧力が例えば１８０ｋＰａから１１０ｋＰａの範囲で漸次減少するように決定する。駆動Ｄｕｔｙ（すなわち燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数）に対応するアノード２ａの圧力は、例えば予めマップ化されており、制御装置６内に格納されている。
これに対して、駆動Ｄｕｔｙが１０％以下の範囲Ｄ２では、燃料オフガス循環ポンプ３０が駆動されず、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障し、燃料オフガスを循環させることができないと判断できる。したがって、駆動Ｄｕｔｙが１０％以下の範囲Ｄ２においては、燃料インジェクタ３４を駆動して燃料ガスの供給を行い、第三所定圧力値Ｐ３（図３参照）となるように調節する。ここで、第三所定圧力値Ｐ３は、ディスチャージの実行時（Ｓ１０５Ａ）のアノード２ａの圧力である第二所定圧力値Ｐ２よりも高い値となっており、本実施形態では例えば１８０ｋＰａに設定されている。このように、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障したときに、アノード２ａの圧力が第三所定圧力値Ｐ３となるように調節することで、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障した場合であっても、燃料ガスの高い圧力によりアノードストイキ不足を抑制し、ディスチャージの安定性を確保できる。
次いで、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、ディスチャージの終了後（Ｓ１０５Ｂにおいて「ＹＥＳ」と判定した後）に、燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を行い、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも高い第四所定圧力値Ｐ４となるように昇圧する（Ｓ１０５Ｃ）。燃料インジェクタ３４による目標圧力制御Ｓ１０３Ｃでは、燃料インジェクタ３４のＴｉ値を上昇させて燃料ガス供給路３２へ燃料ガスの供給を行い、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４になるように制御する（図３参照）。
次いで、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に達したか否かの判定を行う（Ｓ１０５Ｄ）。アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に達した場合には、「ＹＥＳ」と判定して停止工程Ｓ１０７に進む。これに対して、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に達していない場合には、「ＮＯ」と判定して再度燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を行う（Ｓ１０５Ｄ）。
ところで、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５において、例えば高圧バッテリ１１の残容量が所定上限値に達した場合には、高圧バッテリ１１の保護のために、ディスチャージの終了前に強制的にディスチャージが中断される場合がある。この場合、カソード２ｂ側には、未反応の酸素が残存していると考えられる。したがって、ディスチャージの終了前にディスチャージが中断された場合には、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４となるように調節することなく、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を終了することとしている。これにより、アノード２ａの圧力が上昇するのを防止できるので、カソード２ｂ側に残存した酸素と、固体高分子電解質膜を透過してカソード２ｂ側に侵入した水素とが固体高分子電解質膜の面上で局所的に反応するのを防止できる。
（停止工程）
停止工程Ｓ１０７では、燃料電池システム１の停止処理を行い、エアポンプ４２等の補記類を停止して燃料電池システム１を停止する。停止工程Ｓ１０７では、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に保圧された状態で燃料電池システム１を停止するので（図３参照）、アノード２ａ側およびカソード２ｂ側が水素リッチな状態で燃料電池システム１を停止できる。燃料電池システム１が停止した時点で、燃料電池システム１の停止処理におけるディスチャージ制御が終了する。
図６は、上述した燃料電池システム１の制御方法のタイムチャートである。なお、以下の説明における各部品の符号については図１を、各工程については図２から図５を参照されたい。図６のタイムチャートの開始時においては、燃料電池車両のユーザがシステムスイッチ５であるイグニッションスイッチをオフし、停止指令検知工程Ｓ１０１で「ＹＥＳ」と判定した状態を示している。
（タイミングＴ２０１）
アノード２ａ側では、制御装置６が停止指令を検知した後、インタンク電磁弁２８および遮断弁３３を開放したまま燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を行い、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１になるように昇圧する（Ｓ１０３Ａ）。そして、タイミングＴ２０１において、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１に達した時点で（Ｓ１０３Ｂ）、インタンク電磁弁２８および遮断弁３３を閉塞する。
（タイミングＴ２０２）
タイミングＴ２０２において、アノード２ａ側では、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも低い第二所定圧力値Ｐ２になるように、燃料インジェクタ３４による目標圧力制御を継続しつつ、燃料オフガス循環ポンプ３０を所定の駆動Ｄｕｔｙ（所定回転数）で駆動する。このとき、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応して、前述したディスチャージ電流制御（図４参照）やアノード圧力制御（図５参照）を行う。
また、タイミングＴ２０２において、カソード２ｂ側では、圧力制御弁４９および出口封止弁４８を閉塞し、入口封止弁４５を開放した状態で、エアポンプ４２および酸化剤オフガス循環ポンプ７６をそれぞれ所定回転数で駆動する。これにより、希釈ＢＯＸ４０内に酸素を供給して水素を希釈しつつ、カソード側通流路４（酸化剤ガス供給路４１、酸化剤通流路４６、酸化剤オフガス排出路４７および酸化剤オフガス循環路７５）内で酸化剤オフガスを循環させて、酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費できる。
（タイミングＴ２０３）
燃料電池２のディスチャージが実行されると（Ｓ１０５Ａ）、タイミングＴ２０３において燃料電池２の電圧が漸次低下するとともにディスチャージ電流が発生する。このとき、燃料インジェクタ３４の目標圧力制御を行い、アノード２ａの圧力を第二所定圧力値Ｐ２に保持した状態で燃料電池２のディスチャージを実行する。また、燃料電池２のディスチャージは、電圧調整器（ＶＣＵ）による定電圧制御により行われる。
（タイミングＴ２０４）
タイミングＴ２０４において、ディスチャージが終了すると（Ｓ１０５Ｂ）、アノード２ａ側では、燃料オフガス循環ポンプ３０を停止するとともに、燃料インジェクタ３４の目標圧力制御を継続して行い（Ｓ１０５Ｃ）、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも高い第四所定圧力値Ｐ４となるように昇圧する（Ｓ１０５Ｃ）。カソード２ｂ側では、入口封止弁４５を閉塞するとともに、酸化剤オフガス循環ポンプ７６を停止する。
（タイミングＴ２０５以降）
アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に達した後（Ｓ１０５Ｄ）、タイミングＴ２０５において、燃料電池システム１の停止処理を行う（Ｓ１０７）。アノード２ａ側では、燃料インジェクタ３４を閉塞して燃料ガスの供給を停止する。また、カソード２ｂ側では、エアポンプ４２を停止する。これにより、アノード２ａの圧力が第四所定圧力値Ｐ４に保圧された状態で燃料電池システム１が停止する。以上で、燃料電池システム１の停止処理におけるディスチャージ制御が終了する。
（効果）
本実施形態によれば、停止指令を検知した後に、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１になるように昇圧するアノード圧力昇圧工程Ｓ１０３と、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３の後、酸化剤オフガス循環ポンプ７６を駆動しながら、酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行う停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５と、を有するので、十分な燃料ガスをアノード２ａに確保した状態で停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を行うことができる。これにより、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を開始した直後に大電流が発生した場合であっても、いわゆるアノードストイキ（燃料電池２への供給量／理論水素消費量）不足を防止し、電極の劣化等を抑制できる。また、燃料電池２のカソード２ｂ側に残存する酸素を消費できるので、カソード２ｂ側からアノード２ａ側へ酸化剤ガスが透過する、いわゆるクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜２ｃの劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システム１の停止時に、燃料電池２の劣化を抑制できる。
また、燃料オフガス循環ポンプ３０を駆動して停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を行うので、アノード２ａ側の燃料ガス供給路３２、燃料オフガス排出路３６および燃料オフガス循環路３９内の燃料オフガスを循環させて、早期にカソード２ｂ側の酸化剤オフガス内の酸素と反応させることができる。これにより、カソード２ｂ側の酸素を素早く消費できるので、早期に停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を終了させることができる。また、アノード２ａ側の燃料オフガスを循環させることで、アノード２ａ側に滞留する生成水の排水性を向上できる。また、燃料オフガスを循環させて供給するので、アノードストイキ不足を抑制して電極の劣化等を抑制できるとともに、ディスチャージの安定性を向上させることができる。
また、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも低い第二所定圧力値Ｐ２となるように調節しつつ、ディスチャージを継続するので、燃料ガスの過剰な供給を抑制して停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を行うことができる。これにより、アノード２ａ側からカソード２ｂ側への燃料ガスのクロスオーバーを抑制して、固体高分子電解質膜２ｃの劣化を抑制できる。したがって、燃料電池システム１の停止時に、燃料電池２の劣化を抑制できる。
また、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障した場合には、アノード２ａの圧力が第二所定圧力値Ｐ２よりも高い第三所定圧力値Ｐ３となるように調節しつつ、ディスチャージを継続するので、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障した場合であっても、燃料ガスの高い圧力によりアノードストイキ不足を抑制し、ディスチャージの安定性を確保できる。
また、ディスチャージの終了後に、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも高い第四所定圧力値Ｐ４となるように調節するので、アノード２ａに燃料ガスを保圧でき、アノード２ａ側およびカソード２ｂ側を水素リッチな状態とすることができる。これにより、アノード２ａ側およびカソード２ｂ側が空気リッチな状態となるのを防止し、次回起動時にカソード２ｂが高電位に晒されることを防止できる。
また、ディスチャージの終了前にディスチャージが中断された場合には、カソード２ｂ側に未反応の酸素が残存していると考えられる。これに対して、本実施形態によれば、アノード２ａの圧力が第一所定圧力値Ｐ１よりも高い第四所定圧力値Ｐ４となるように調節することなく、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を終了するので、カソード２ｂ側に残存している酸素と反応する水素の量を減少させることができる。したがって、カソード２ｂ側に残存した酸素と、固体高分子電解質膜２ｃを透過してカソード２ｂ側に侵入した水素とが固体高分子電解質膜２ｃの面上で局所的に反応するのを防止できるので、固体高分子電解質膜２ｃの劣化に起因する燃料電池２の劣化を防止することができる。
また、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障し、燃料オフガスを循環させることができない場合には、アノード２ａに水素を十分に供給できないおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、燃料オフガス循環ポンプ３０の故障時に、ディスチャージの電流値を一定の下限電流値（例えば３Ａ）とするので、アノードストイキ不足を抑制して電極の劣化等を抑制できる。したがって、燃料オフガス循環ポンプ３０が故障した場合であっても燃料電池２の劣化を抑制できる。
また、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応してディスチャージの電流値を決定するので、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数、すなわち燃料ガスの供給量に対応したディスチャージ電流を発生することができる。したがって、例えば燃料オフガス循環ポンプ３０の劣化等に起因して燃料電池システム１の指令値どおりに燃料オフガス循環ポンプ３０が回転していない場合であっても、アノードストイキ不足を抑制して燃料電池の劣化を抑制できる。
また、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応してディスチャージにおけるアノード２ａの圧力値を決定するので、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応して燃料ガスを補填するなどしてアノード２ａの圧力を調節できる。したがって、例えば燃料オフガス循環ポンプ３０の劣化等に起因して燃料電池システム１の指令値どおりに燃料オフガス循環ポンプ３０が回転していない場合であっても、アノードストイキ不足を抑制して燃料電池２の劣化を抑制できる。
また、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５では、パージ弁３７およびドレイン弁３８ａを閉塞してディスチャージを行うので、水素がパージ弁３７およびドレイン弁３８ａを通じて燃料電池システム１の外部に排出されるのを防止できる。したがって、水素の外部への排出によるアノードストイキ不足を防止できるとともに、無駄に水素が消費されるのを抑制できる。また、水素を燃料電池システム１の外部に排出する際は、希釈ＢＯＸ４０により水素と酸素とを反応させて希釈するが、本実施形態によれば、パージ弁３７およびドレイン弁３８ａを閉塞しているので、希釈ＢＯＸ４０に多量の水素が導入されるのを防止できる。したがって、水素を容易に希釈して燃料電池システム１の外部に排出できる。
また、出口封止弁４８を閉塞した状態で、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５を行うことにより、酸化剤ガス供給路４１、酸化剤オフガス排出路４７およびこれらを接続する酸化剤オフガス循環路７５の各通流路内の酸素を素早く消費できる。したがって、カソード２ｂを素早く窒素リッチな雰囲気にすることができるので、燃料電池２の劣化をさらに抑制できる。
なお、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、実施形態では、蓄電手段として高圧バッテリ１１を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばキャパシタ等を採用してもよい。
また、実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車両に搭載されている場合を例に説明をしたが、本発明の燃料電池システム１の制御方法の適用は、燃料電池システム１が燃料電池車両に搭載されている場合に限られない。
実施形態では、入口封止弁４５を開放し、出口封止弁４８を閉塞した状態で燃料電池２のディスチャージを行っていたが、入口封止弁４５および出口封止弁４８を閉塞した状態で燃料電池２のディスチャージを行ってもよい。
実施形態では、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５において、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応してディスチャージの電流値を決定するディスチャージ電流制御を行っていたが、燃料オフガス循環ポンプ３０の実回転数に対応して、アノード２ａの圧力を決定するアノード圧力制御を行ってもよい。また、停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５において、ディスチャージ電流制御とアノード圧力制御とを併用してもよい。
実施形態では、アノード側通流路３に燃料インジェクタ３４が一個設けられていたが、燃料インジェクタを複数設けてもよい。また、アノード圧力昇圧工程Ｓ１０３や停止時ディスチャージ工程Ｓ１０５等では、一個の燃料インジェクタ３４により目標圧力制御を行っていたが、複数の燃料インジェクタを併用して目標圧力制御を行ってもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ アノード
２ｂ カソード
３０ 燃料オフガス循環ポンプ（燃料オフガス循環手段）
３２ 燃料ガス供給路
３６ 燃料オフガス排出路
３７ パージ弁（排出弁）
３８ キャッチタンク（気液分離器）
３８ａ ドレイン弁
３９ 燃料オフガス循環路
４１ 酸化剤ガス供給路
４２ エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）
４５ 入口封止弁（第一封止弁）
４７ 酸化剤オフガス排出路
４８ 出口封止弁（第二封止弁）
７５ 酸化剤オフガス循環路
７６ 酸化剤オフガス循環ポンプ（酸化剤オフガス循環手段）
Ｐ１ 第一所定圧力値
Ｐ２ 第二所定圧力値
Ｐ３ 第三所定圧力値
Ｐ４ 第四所定圧力値
Ｓ１０１ 停止指令検知工程
Ｓ１０３ アノード圧力昇圧工程
Ｓ１０５ 停止時ディスチャージ工程

Claims (10)

  1. アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
    前記アノードに供給される前記燃料ガスが通流する燃料ガス供給路と、
    前記アノードから排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出路と、
    前記カソードに供給される前記酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給路と、
    前記カソードから排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出路と、
    前記酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤オフガス排出路とを接続する酸化剤オフガス循環路と、
    前記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、
    前記酸化剤オフガス循環路に配設されて、前記酸化剤オフガスを循環させる酸化剤オフガス循環手段と、
    を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムを停止するときに出力される停止指令を検知する停止指令検知工程と、
    前記停止指令検知工程により前記停止指令を検知した後に、前記アノードの圧力が第一所定圧力値になるように昇圧するアノード圧力昇圧工程と、
    前記アノード圧力昇圧工程の後、前記酸化剤オフガス循環手段を駆動しながら、前記酸化剤オフガス内に残存する酸素を消費してディスチャージを行う停止時ディスチャージ工程と、
    を有し、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記アノードの圧力が前記第一所定圧力値よりも低い第二所定圧力値となるように調節しつつ、前記ディスチャージを継続することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料ガス供給路と、前記燃料オフガス排出路とを接続する燃料オフガス循環路と、
    前記燃料オフガス循環路に配設されて、前記燃料オフガスを循環させる燃料オフガス循環手段と、
    を備え、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段を駆動して行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記停止時ディスチャージ工程において、前記燃料オフガス循環手段が故障した場合には、前記アノードの圧力が前記第二所定圧力値よりも高い第三所定圧力値となるように調節しつつ、前記ディスチャージを継続することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記ディスチャージの終了後に、前記アノードの圧力が前記第一所定圧力値よりも高い第四所定圧力値となるように調節することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記ディスチャージの終了前に前記ディスチャージが中断された場合には、前記アノードの圧力が前記第四所定圧力値となるように調節することなく、前記停止時ディスチャージ工程を終了することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  6. 請求項２または３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料オフガス循環手段が故障し、前記燃料オフガスを循環させることができない場合には、前記停止時ディスチャージ工程における前記ディスチャージの電流値を一定の下限電流値とすることを特徴とすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  7. 請求項２、３および６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段の実回転数に対応して、前記ディスチャージの電流値を決定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  8. 請求項２、３、６および７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記燃料オフガス循環手段の実回転数に対応して、前記ディスチャージにおける前記アノードの圧力値を決定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記燃料オフガスを排出するための排出弁と、
    前記燃料オフガス排出路に設けられ、前記燃料オフガスと前記燃料オフガスの内部に混在する液体とを分離して前記液体を貯留する気液分離器と、
    前記気液分離器の内部に貯留された前記液体を排出するためのドレイン弁と、
    を備え、
    前記停止時ディスチャージ工程では、前記排出弁および前記ドレイン弁を閉塞して前記ディスチャージを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記酸化剤ガス供給路において、前記酸化剤オフガス循環路との接続部よりも前記酸化剤ガスの通流方向の上流側に配設された第一封止弁と、
    前記酸化剤オフガス排出路において、前記酸化剤オフガス循環路との接続部よりも前記酸化剤オフガスの通流方向の下流側に配設された第二封止弁と、
    を備え、
    前記停止時ディスチャージ工程では、少なくとも前記第二封止弁を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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