JP2008010188A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、システム停止時に電流取出部３０を作動させて電流を取り出し、且つ、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。特に、電流取りだし開始後に両弁２３，２４を閉じるため、酸化剤極側の酸素を消費して低酸素状態としたうえで酸化剤極側を規制することとなる。しかも、両弁２３，２４により規制されているため、外気の流入が規制され、システム起動時においても低酸素状態を保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、システム停止時又は起動時に酸化剤極側の上流および下流の弁を遮断して酸化剤極側を規制し、燃料極側に燃料ガスを供給しつつ発電および電力取出を行うことで、酸化剤極側の酸素を消費させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、酸化剤極側の酸素が消費されるため、システム起動時において触媒劣化反応を抑制することができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１５８５５５号公報

ここで、従来の燃料電池システムにおいて、システム停止時に上記動作を行った場合、システム停止期間中（即ち、システムを停止してから再起動するまでの間）に外気が燃料電池の酸化剤極側に流入してしまい、劣化抑制効果を得にくくなってしまう。このため、さらに起動時に上記動作を行うことが考えられるが、その場合には、システムの起動時間が長くなってしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、規制弁と、負荷取出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。規制弁は、燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制するものである。負荷取出手段は、燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御するものである。制御手段は、規制弁の開閉および負荷取出手段の電流の取り出しを制御するものである。さらに、制御手段は、システム停止時に負荷取出手段を作動させて電流を取り出し、電流取出開始後に規制弁を閉じる構成となっている。

本発明によれば、システム停止時に負荷取出手段を作動させて電流を取り出すため、燃料電池スタックの酸化剤極側の酸化剤ガスを消費することができる。さらに、電流取出開始後に規制弁を閉じるため、燃料電池スタックの酸化剤極側の酸化剤ガスを消費したうえで規制弁を閉じることとなる。この規制弁により、システム停止期間中における外気の流入を規制することができる。故に、システム起動時においても酸化剤極側の酸化剤ガス濃度の上昇を抑制することができ、酸化剤極側に酸化剤ガスが存在することによる劣化反応を抑えることができる。また、システム起動時に酸化剤ガス濃度の上昇が抑制されているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。従って、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示す燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック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、これらガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含む空気）を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載される。

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１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０と、制御装置３と、各センサ３２〜３６とが備えられている。

水素系１０において、燃料ガスである水素は、燃料供給装置（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク）１１から、水素供給流路Ｌ１０を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１の下流の水素供給流路Ｌ１０には水素供給弁１２が設けられており、この水素供給弁１２が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素ガスが、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１３によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素供給弁１２は、燃料電池スタック１への水素供給の必要性に応じて、制御装置３によってその開閉状態が制御される。また、水素調圧弁１３は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、制御装置３によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素循環流路Ｌ１１へと排出される。この水素循環流路Ｌ１１は、他方の端部が水素調圧弁１３よりも下流側の水素供給流路Ｌ１０に接続されている。水素循環流路Ｌ１１には、例えば、水素循環ポンプ１４およびエゼクタ１５といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、水素の燃費向上を図ることができる。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系１０におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ１１には、水素系１０内のガスを外部に排出する水素排出流路Ｌ１２が接続されている（換言すれば、水素循環流路Ｌ１１の一部は、燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ１２としての機能を担う）。水素排出流路Ｌ１２には、パージ弁１６が設けられており、このパージ弁１６の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ１１を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１６は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御装置３によって制御される。パージ弁１６は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系１０からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。

水素系出口弁（第２規制弁）１７は、燃料電池スタック１の燃料極側の下流、水素排出流路Ｌ１２に設けられており、弁閉されることで水素排出流路Ｌ１２から燃料電池スタック１への外気の流入を規制する構成となっている。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって空気が取り込まれて加圧されると、この加圧状態の空気が、空気供給流路Ｌ２０を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ２１を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ２１には、空気調圧弁２２が設けられている。空気調圧弁２２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御装置３によって制御される。

空気系入口弁（規制弁）２３は、燃料電池スタック１の酸化剤極側の上流、すなわち空気供給流路Ｌ２０に設けられており、弁閉されることで空気供給流路Ｌ２０から燃料電池スタック１への外気の流入を規制する構成となっている。また、空気系出口弁（規制弁）２４は、燃料電池スタック１の酸化剤極側の下流、すなわち空気排出流路Ｌ２１に設けられており、弁閉されることで空気排出流路Ｌ２１から燃料電池スタック１への外気の流入を規制する構成となっている。

制御装置３は、電流取出部（負荷取出手段）３０と、メイン制御部（制御手段）３１とから構成されている。電流取出部３０は、メイン制御部３１によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出すユニットである。また、電流取出部３０は、燃料電池スタック１から電流を取り出すときの電流値、または燃料電池スタック１から電流を取り出す際の電圧値を制御する構成となっている。

メイン制御部３１は、システム全体を統合的に制御するユニットである。このメイン制御部３１は、制御プログラムに従い、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。

電圧センサ（電圧計測手段）３２は、燃料電池スタック１の電圧、燃料電池スタック１を構成するセルの電圧、又はセル複数個によって構成されるセル群の電圧を計測するものである。空気圧力センサ（圧力検出手段）３３は、空気供給流路Ｌ２０に設けられており、酸化剤極側の規制区間の圧力を検出するものである。水素圧力センサ３４は、水素供給流路Ｌ１０に設けられており、燃料電池スタック１の燃料極側に供給される水素の圧力を検出するものである。流量センサ（流量検出手段）３５は、酸化剤極側の規制区間へ流れ込む空気流量を検出するものである。酸素濃度センサ（酸化剤ガス濃度検出手段）３６は、酸化剤極側の酸素濃度を検出するものである。

ここで、上記メイン制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の開閉、並びに電流取出部３０の電流の取り出しを制御する構成となっている。具体的に燃料電池システムの停止時において、メイン制御部３１は電流取出部３０を作動させて燃料電池スタック１から電流を取り出し、電流取出開始後に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。このように、メイン制御部３１は、電流の取り出しにより燃料電池スタック１の酸化剤極側の酸素を消費する。そして、酸素を消費したうえでメイン制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じ、これら弁２３，２４の区間（以下規制区間という）を規制することとなる。故に、本実施形態に係る燃料電池システムは、酸化剤極側の酸素濃度を低くし且つ外気の流入を防止してシステムを停止させることとなる。

さらに、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は外気の流入を防止するため、システム起動時においても酸化剤極側の酸素濃度を低く保つことができる。これにより、本実施形態に係る燃料電池システムは、システム起動時において酸化剤極側に酸素が存在することにより発生する触媒劣化反応を抑制することができる。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す処理の開始時において、水素調圧弁１３は所定開度で開いており、パージ弁１６は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ１４およびコンプレッサ２１は作動しており、空気調圧弁２２は所定開度で開いており、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は開いているものとする。

同図に示すように、燃料電池システムの停止時においてメイン制御部３１は、まず、コンプレッサ２１を停止させる（ＳＴ１）。次に、メイン制御部３１は、空気調圧弁２２を閉じる（ＳＴ２）。

その後、電流取出部３０は燃料電池スタック１からの電流の取り出しを開始する（ＳＴ３）。その後、メイン制御部３１は、電圧センサ３２から信号に基づいて、スッタク電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧以下であるか否かを判断する（ＳＴ４）。ここで、所定電圧とは、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度（充分に酸素が消費されたときの濃度）以下となるときに得られる電圧値である。また、酸化剤極側の酸素濃度は、電流取出部３０による電荷消費量並びに酸化剤極側の酸素消費領域内の容積及び圧力から得られる酸素消費量と、基準となる酸素濃度（例えば空気の酸素濃度である２１％）とから求められる。

スッタク電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧以下でないと判断した場合（ＳＴ４：ＮＯ）、スッタク電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧以下であると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、スッタク電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧以下であると判断した場合（ＳＴ４：ＹＥＳ）、電流取出部３０は燃料電池スタック１からの電流の取り出しを終了する（ＳＴ５）。

そして、メイン制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる（ＳＴ６）。このように、第１実施形態では計測電圧が所定電圧以下の場合に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じることで、酸素を充分消費したうえで空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じることとしている。

その後、メイン制御部３１は、水素圧力センサ３４からの信号に基づいて、燃料極側の圧力が所定圧以上であるか否かを判断する（ＳＴ７）。燃料極側の圧力が所定圧以上でないと判断した場合（ＳＴ７：ＮＯ）、燃料極側の圧力が所定圧以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。なお、ステップＳＴ７において水素調圧弁１３は所定開度で開けられており、パージ弁１６は閉じている。このため、ステップＳＴ７の処理が繰り返される間、燃料極側に水素ガスが供給されて燃料極側の圧力が上昇していく。

燃料極側の圧力が所定圧以上であると判断した場合（ＳＴ７：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、水素系出口弁１７を閉じ（ＳＴ８）、水素調圧弁１３を閉じる（ＳＴ９）。その後、メイン制御部３１は、水素循環ポンプ１４を停止させ（ＳＴ１０）、燃料電池システムの停止制御を終える。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、システム停止時に電流取出部３０を作動させて電流を取り出すため、燃料電池スタック１の酸化剤極側の酸素を消費することができる。さらに、電流取出開始後に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じるため、燃料電池スタック１の酸化剤極側の酸素を消費したうえで空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じることとなる。これら弁２３，２４の弁閉により、システム停止期間中における外気の流入を規制することができる。故に、システム起動時においても酸化剤極側の酸素濃度の上昇を抑制することができ、酸化剤極側に酸素が存在することによる劣化反応を抑えることができる。また、システム起動時に酸素濃度の上昇が抑制されているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。従って、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。

また、電圧センサ３２により計測された電圧が所定電圧以下の場合に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。ここで、計測電圧が所定電圧以下である場合とは、酸化剤極側の酸素が充分に消費されたことを示している。このため、所定電圧以下の場合に両弁２３，２４を閉じることで、酸素を充分消費したうえで両弁２３，２４を閉じて酸化剤極側を規制することができる。

また、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じた後に、燃料極側の圧力を所定圧まで昇圧させて水素系出口弁１７を閉じる。このため、燃料極側から水素が酸化剤極側に透過し、酸化剤極側の圧力を高めることとなる。これにより、酸化剤極側は大気圧やそれ以上などの圧力とされることとなり、外気を吸い込み難くなる。従って、より外気を流入し難くすることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理の開始時において、水素調圧弁１３は所定開度で開いており、パージ弁１６は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ１４およびコンプレッサ２１は作動しており、空気調圧弁２２は所定開度で開いており、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は開いているものとする。また、図３に示すステップＳＴ１１〜ＳＴ１３、ＳＴ１５〜ＳＴ２０の処理は、図２に示したステップＳＴ１〜ＳＴ３、ＳＴ５〜ＳＴ１０の処理と同様であるため、説明を省略する。

同図に示すように、電流取出部３０が電流の取り出しを開始した後（ＳＴ１３の後）、メイン制御部３１は、空気圧力センサ３３から信号に基づいて、酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。ここで、所定圧力とは、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度（充分に酸素が消費されたときの濃度）以下となるときの圧力である。また、酸化剤極側の酸素濃度は、酸化剤極側の酸素消費領域内の容積及び圧力変化から得られる酸素消費量と、基準となる酸素濃度（例えば空気の酸素濃度である２１％）とから求められる。

酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下でないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下であると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下であると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、後のステップＳＴ１６の処理において、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が閉じられる。このように、第２実施形態では空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の弁閉タイミングを、酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下となったか否かによって判断するようになっている。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、より外気を流入し難くすることができる。

さらに、第２実施形態によれば、酸化剤極側の規制区間の圧力が所定圧力以下の場合に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。ここで、検出圧力が所定圧力以下である場合とは、酸化剤極側の酸素が充分に消費されたことを示している。このため、所定圧力以下の場合に両弁２３，２４を閉じることで、酸素を充分消費したうえで両弁２３，２４を閉じて酸化剤極側を規制することができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図４に示す処理の開始時において、水素調圧弁１３は所定開度で開いており、パージ弁１６は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ１４およびコンプレッサ２１は作動しており、空気調圧弁２２は所定開度で開いており、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は開いているものとする。また、図４に示すステップＳＴ２１〜ＳＴ２３、ＳＴ２５〜ＳＴ３０の処理は、図２に示したステップＳＴ１〜ＳＴ３、ＳＴ５〜ＳＴ１０の処理と同様であるため、説明を省略する。

同図に示すように、電流取出部３０が電流の取り出しを開始した後（ＳＴ２３の後）、メイン制御部３１は、流量センサ３５からの信号に基づいて、酸化剤極側の規制区間に流れ込む空気流量が所定流量以上であるか否かを判断する（ＳＴ２４）。ここで、所定流量は、酸化剤極側の規制区間内の酸素濃度が所定濃度（充分に酸素が消費されたときの濃度）以下となるときに得られる流量値である。また、酸化剤極側の酸素濃度は、酸化剤極側の規制区間内外の圧力差と大気圧とから得られる酸素消費量と、基準となる酸素濃度（例えば空気の酸素濃度である２１％）とから求められる。

酸化剤極側の規制区間に流れ込む空気流量が所定流量以上でないと判断した場合（ＳＴ２４：ＮＯ）、酸化剤極側の規制区間に流れ込む空気流量が所定流量以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、酸化剤極側の規制区間に流れ込む空気流量が所定流量以上であると判断した場合（ＳＴ２４：ＹＥＳ）、後のステップＳＴ２６の処理において、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が閉じられる。このように、第３実施形態では空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の弁閉タイミングを、酸化剤極側の規制区間に流れ込む空気流量が所定流量以上となったか否かによって判断するようになっている。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、より外気を流入し難くすることができる。

さらに、第３実施形態によれば、酸化剤極側の規制区間へ流れ込む空気流量が所定流量以上の場合に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。ここで、酸化剤極側の規制区間へ流れ込む空気流量が所定流量以上である場合とは、規制区間内の酸素が充分に消費されたために、外部から規制区間内へ空気が流れ込もうとしていることを示している。このため、流れ込む空気流量が所定流量以上の場合に両弁２３，２４を閉じることで、酸素を充分消費したうえで両弁２３，２４を閉じて酸化剤極側を規制することができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図５は、第４実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図５に示す処理の開始時において、水素調圧弁１３は所定開度で開いており、パージ弁１６は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ１４およびコンプレッサ２１は作動しており、空気調圧弁２２は所定開度で開いており、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は開いているものとする。また、図５に示すステップＳＴ３１〜ＳＴ３３、ＳＴ３５〜ＳＴ４０の処理は、図２に示したステップＳＴ１〜ＳＴ３、ＳＴ５〜ＳＴ１０の処理と同様であるため、説明を省略する。

同図に示すように、電流取出部３０が電流の取り出しを開始した後（ＳＴ３３の後）、メイン制御部３１は、酸素濃度センサ３６からの信号に基づいて、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度以下であるか否かを判断する（ＳＴ３４）。ここで、所定濃度は、酸化剤極側の酸素が充分に消費されたときの濃度に設定される。

酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度以下でないと判断した場合（ＳＴ３４：ＮＯ）、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度以下であると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度以下であると判断した場合（ＳＴ３４：ＹＥＳ）、後のステップＳＴ３６の処理において、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が閉じられる。このように、第４実施形態では空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の弁閉タイミングを、酸化剤極側の酸素濃度が所定濃度以下となったか否かによって判断するようになっている。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、より外気を流入し難くすることができる。

さらに、第４実施形態によれば、酸素濃度センサ３６により検出された酸素濃度が所定濃度以下の場合に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。ここで、検出酸素濃度が所定濃度以下の場合では、酸素が充分に消費されているといえる。このため、酸素濃度が所定濃度以下の場合に両弁２３，２４を閉じることで、酸素を充分消費したうえで両弁２３，２４を閉じることができる。

次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図６は、第５実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。なお、図６に示す処理の開始時において、水素調圧弁１３は所定開度で開いており、パージ弁１６は閉じているものとする。また、水素循環ポンプ１４およびコンプレッサ２１は作動しており、空気調圧弁２２は所定開度で開いており、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は開いているものとする。また、図６に示すステップＳＴ４１、ＳＴ４２、ＳＴ４４〜ＳＴ４８の処理は、図２に示したステップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ６〜ＳＴ１０の処理と同様であるため、説明を省略する。

同図に示すように、空気調圧弁２２が閉じられた後（ＳＴ４２の後）、電流取出部３０が所定時間だけ電流を取り出す（ＳＴ４３）。ここで、所定時間は、酸化剤極側の酸素濃度を充分に低下させるだけの時間である。そして、メイン制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる（ＳＴ４４）。このように、第５実施形態では空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の弁閉タイミングを、電流取出部３０の作動停止後としている。

このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、燃料電池システム起動時における劣化抑制効果の減少を抑え、且つ起動時間が不要に長くなってしまうことを防止することができる。また、より外気を流入し難くすることができる。

さらに、第５実施形態によれば、電流取出部３０の作動停止後に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じるため、規制区間外の酸素についても消費したうえで両弁２３，２４を閉じることとなり、広範囲（本実施形態ではコンプレッサ２１から空気調圧弁２２までの区間）に亘って酸素濃度を低くすることとなる。これにより、コンプレッサ２１から空気系入口弁２３までの区間、及び、空気系出口弁２４から空気調圧弁２２までの区間が大気圧である場合に比べて、より外気を流入し難くすることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記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で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、本実施形態では燃料電池スタック１の下流に水素系出口弁１７を備えているが、上流に同様の弁を備えていてもよい。また、水素系出口弁１７、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は複数個備え付けられていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
３…制御装置
１０…水素系
１１…燃料タンク
１２…水素供給弁
１３…水素調圧弁
１４…水素循環ポンプ
１５…エゼクタ
１６…パージ弁
１７…水素系出口弁（第２規制弁）
２０…空気系
２１…コンプレッサ
２２…空気調圧弁
２３…空気系入口弁（規制弁）
２４…空気系出口弁（規制弁）
３０…電流取出部（負荷取出手段）
３１…メイン制御部（制御手段）
３２…電圧センサ（電圧計測手段）
３３…空気圧力センサ（圧力検出手段）
３４…水素圧力センサ
３５…流量センサ（流量検出手段）
３６…酸素濃度センサ（酸化剤ガス濃度検出手段）
Ｌ１０…水素供給流路
Ｌ１１…水素循環流路
Ｌ１２…水素排出流路
Ｌ２０…空気供給流路
Ｌ２１…空気排出流路

Claims (7)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制する規制弁と、
   前記燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御する負荷取出手段と、
   前記規制弁の開閉および負荷取出手段の電流の取り出しを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、システム停止時に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出し、電流取出開始後に前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの電圧、前記燃料電池スタックを構成するセルの電圧、又は前記セル複数個によって構成されるセル群の電圧を計測する電圧計測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記電圧計測手段により計測された電圧が所定電圧以下の場合に、前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化剤極側の規制区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が所定圧力以下の場合に、前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤極側の規制区間へ流れ込む酸化剤ガス流量を検出する流量検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記流量検出手段により検出された流量が所定流量以上の場合に、前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤極側の酸化剤ガス濃度を検出する酸化剤ガス濃度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記酸化剤ガス濃度検出手段により検出された酸化剤ガス濃度が所定濃度以下の場合に、前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記負荷取出手段の作動停止後に前記規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 弁閉されることで前記燃料電池スタックの燃料極側への外気流入を規制する第２規制弁をさらに備え、
   前記制御手段は、前記規制弁を閉じた後に、燃料極側の圧力を所定圧まで昇圧させて前記第２規制弁を閉じる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
   

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