JP2008010198A - 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、且つ起動時間および停止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、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じた後に電流を取り出すため、これら弁２３，２４を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸素の消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。しかも、両弁２３，２４により酸化剤極側を規制しているため、停止時に酸素を消費して低酸素とした状態を起動時においても保つことができる。
【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。また、停止時に上記動作を行った場合、システムの停止時間が長くなってしまい、利用者に煩わしさを与える可能性がある。

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、且つ起動時間および停止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、システム停止時に規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に負荷取出手段を作動させて電流を取り出す構成となっている。

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。また、規制弁を閉じるため、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が抑制されることとなる。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。特に、規制弁を閉じた後に電流を取り出すため、規制弁を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸化剤ガスの消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。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、且つ起動時間および停止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。

さらに、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、燃料タンク（燃料ガス供給手段）１１から、水素供給流路Ｌ１０を介して燃料電池スタック１の燃料極側に供給される。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。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）２１によって燃料電池スタック１の酸化剤極側に供給される。具体的には、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の酸化剤極側に供給される。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（圧力調整弁）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の酸化剤極側下流に設けられ、制御装置３によって開度が調整されることにより酸化剤極側の圧力を制御するものである。

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３２は、燃料電池スタック１の電圧、又は燃料電池スタック１を構成するセル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、燃料電池スタック１の酸化剤極側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の燃料極側の圧力を検出するものである。空気温度センサ（酸化剤極側温度検出手段）３５は、燃料電池スタック１の酸化剤極側の温度を検出するものである。水素温度センサ（燃料極側温度検出手段）３６は、燃料電池スタック１の燃料極側の温度を検出するものである。大気圧センサ３７は、燃料電池システム周囲の大気圧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。具体的にメイン制御部３１は、燃料電池システムの停止時に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じ、これら弁２３，２４を閉じた後に電流取出部３０を作動させて燃料電池スタック１から電流を取り出す。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。また、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を閉じるため、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り、システム停止期間中に外気の流入を防止することができる。故に、外気流入によってシステム起動時に酸化剤極側の酸素濃度が上昇してしまうことを防止することができ、酸化剤極側に酸素が存在することによる劣化反応が抑制されることとなる。また、システム起動時において酸素濃度は低くなっているため、起動時に再度電流を取り出す必要性がない。

特に、メイン制御部３１は、両弁２３，２４を閉じた後に電流を取り出すため、両弁２３，２４を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸素の消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。すなわち、両弁２３，２４を閉じる前に電流を取り出すとコンプレッサ２１から空気調圧弁２２までの区間の酸素を消費し始めることとなるが、先に両弁２３，２４を閉じると規制区間の酸素のみを消費し始めることとなり、酸素の消費量が少なくなるため、停止処理の時間短縮につなげることができる。故に、本実施形態に係る燃料電池システムは、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、且つ起動時間および停止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。

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は漏れ量を小さくする（換言すれば圧力上昇する）ため閉じ勝手な状態であり、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、大気圧センサ３７により大気圧を検出し、ステップＳＴ２以降の処理に用いる大気圧を設定する（ＳＴ１）。このとき、メイン制御部３１は、大気圧センサ３７により検出された気圧の平均値（過去に検出した気圧との平均値）又は標準大気圧（即ち１ａｔｍ）を、処理に用いる大気圧として設定する。また、メイン制御部３１は、大気圧センサ３７により検出された気圧、及び、標準大気圧（即ち１ａｔｍ）のうち高い方を、処理に用いる大気圧として設定してもよい。

次いで、メイン制御部３１は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する（ＳＴ２）。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。

なお、ステップＳＴ２において、コンプレッサ２１は作動し、空気調圧弁２２は閉じられている。このため、ステップＳＴ２において「ＮＯ」と判断されて処理が繰り返される間、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、酸化剤極側の圧力を高めることで、後の電流取出により酸素が消費されても酸化剤極側の圧力が低くなり過ぎないようにしている。また、メイン制御部３１は、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第１所定圧力を設定することが望ましい。これにより、外気の流入を防止することができるからである。また、本実施形態では空気温度センサ３５を備えているため、メイン制御部３１は、空気温度センサ３５により検出された温度が高くなるほど、第１所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。

一方、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、コンプレッサ２１を停止させる（ＳＴ３）。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（ＳＴ４）。その後、メイン制御部３１は、所定時間だけ電流を取り出す（ＳＴ５）。

このように、第１実施形態では酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力とした後、コンプレッサ２１からの空気供給を停止すると共に空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。そして、メイン制御部３１は、両弁２３，２４を閉じた後に電流取出部３０を作動させて電流を取り出す。このため、空気を供給しながら電流を取り出すという動作を行うことがなく、停止処理完了までの時間を不要に長くなってしまうことを防止している。

電流取出終了後、メイン制御部３１は、水素調圧弁１３を閉じ（ＳＴ６）、水素循環ポンプ１４を停止させる（ＳＴ７）。そして、図２に示す処理は終了することとなる。なお、図２のステップＳＴ４において、メイン制御部３１は、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁２４を後に閉じることが望ましい。空気系出口弁２４は、空気調圧弁２２よりも密閉度が高いものを使用しているため、空気系出口弁２４を先に閉じるとコンプレッサ２１から空気系出口弁２４までの区間の圧力が過度に上昇する可能性があるためである。特に、空気系出口弁２４が燃料電池スタック１の下流近傍に設けられ、空気調圧弁２２が燃料電池スタック１から離れた箇所に設けられている場合、圧力の上昇度合いは顕著となる可能性がある。

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。また、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じるため、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が抑制されることとなる。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。特に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じた後に電流を取り出すため、これら弁２３，２４を閉じる前に電流を取り出す場合と比較して、酸化剤極側の酸素の消費量を少なくすることができ、停止処理の時間短縮につなげることができる。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、且つ起動時間および停止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、システム停止時に、空気を供給して酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力とし、その後、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を閉じた後に電流を取り出す。このため、電流を取り出す前の酸化剤極側の圧力は大気圧よりも高くなる。故に、圧力を高めることなく電流を取り出す場合と比較して、停止処理完了後の酸化剤極側の圧力を高くすることができる。従って、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができる。

また、空気供給を停止して空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じ、その後電流を取り出す。このため、空気を供給しながら電流を取り出すことにならず、停止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、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第１所定圧力を設定しているため、酸化剤極側は電流取出終了後には大気圧よりも高くなり、外気の流入を防止することができる。

また、酸化剤極側の温度が高くなるほど第１所定圧力を高めに設定するため、酸化剤極側の温度を加味して適切に第１所定圧力を設定することができる。

また、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる場合、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁２４を閉じる。ここで、空気系出口弁２４を先に閉じるとコンプレッサ２１から空気系出口弁２４までの区間の圧力が過度に上昇する可能性がある。特に、空気系出口弁２４が燃料電池スタック１の下流近傍に設けられ、空気調圧弁２２が燃料電池スタック１から離れた箇所に設けられている場合、圧力の上昇度合いは顕著となる可能性がある。このため、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じることで、圧力の過度の上昇を防止することができる。

また、メイン制御部３１は、標準大気圧（例えば１ａｔｍ）又は検出した大気圧の平均値を、大気圧として設定する。ここで、大気圧を検出して、その結果を大気圧として用いるため、大気圧の変化した場合（例えば低気圧が通過した場合又は高地に移動した場合）においても大気圧を正確に求めることができる。特に検出した大気圧の平均値を用いるため、大気圧として用いる値が急激に変化することなく、１回の検出ミスによる大気圧の急変を防止できる。さらに、標準大気圧を大気圧として用いるため、大気圧センサ３７の故障等が発生したとしても標準大気圧を用いることで、大きな誤差が生じることがない。従って、大気圧を適切に設定することができる。

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は漏れ量を小さくする（換言すれば圧力上昇する）ため閉じ勝手な状態であり、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、大気圧センサ３７により大気圧を検出し、ステップＳＴ１２以降の処理に用いる大気圧を設定する（ＳＴ１１）。詳細は第１実施形態と同様である。

次いで、メイン制御部３１は、燃料極側の圧力が大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する（ＳＴ１２）。燃料極側の圧力が大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。

なお、ステップＳＴ１２において、水素調圧弁１３は開けられており、パージ弁１６は閉じられている。このため、ステップＳＴ１２において「ＮＯ」と判断されて処理が繰り返される間、燃料極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、燃料極側の圧力を高めることで、酸化剤極側から燃料極側にガスが拡散して酸化剤極側の圧力が低くなり、外部から大気が流入することを防止することができる。

また、メイン制御部３１は、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第２所定圧力を設定することが望ましい。酸化剤極側から燃料極側へのガスの透過量を増加させ、酸化剤極側の圧力を大気圧程度に保つためである。また、本実施形態では水素温度センサ３６を備えているため、メイン制御部３１は、水素温度センサ３６により検出された温度が高くなるほど、第２所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。

燃料極側の圧力が大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、水素調圧弁１３を閉じ（ＳＴ１３）、水素循環ポンプ１４を停止させる（ＳＴ１４）。

次に、メイン制御部３１は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったか否かを判断する（ＳＴ１５）。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合（ＳＴ１５：ＮＯ）、大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。

なお、ステップＳＴ１５において、コンプレッサ２１は作動し、空気調圧弁２２は閉じられているため、第１実施形態と同様に、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。また、第１実施形態と同様に、メイン制御部３１は、電流取出終了後に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第１所定圧力を設定することが望ましい。さらに、メイン制御部３１は、空気温度センサ３５により検出された温度が高くなるほど、第１所定圧力を高くすることが望ましい。

また、第２所定圧力は、第１所定圧力よりも第３所定圧力以上高いことが望ましい。電流取出によるガスの消費量は、水素の方が酸素よりも２倍近く消費することとなる。このため、酸化剤極側の圧力よりも燃料極側の圧力を第３所定圧力以上高くすることで、システム停止処理後に燃料極側の方が酸化剤極側よりも極端に圧力が低くなってしまうことを防止することができるからである。

酸化剤極側の圧力が大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合（ＳＴ１５：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、コンプレッサ２１を停止させる（ＳＴ１６）。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（ＳＴ１７）、メイン制御部３１は、所定時間だけ電流を取り出す（ＳＴ１８）。その後、図３に示す処理は終了することとなる。なお、第１実施形態と同様に、図３のステップＳＴ１７において、メイン制御部３１は、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁２４を閉じることが望ましい。

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、且つ起動時間および停止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、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができ、空気を供給しながら電流を取り出すことにならず、停止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、空気系入口弁２３を先に閉じることで、圧力の過度の上昇を防止することができ、大気圧を適切に設定することができる。

さらに、第２実施形態によれば、システム停止時に、水素を供給して燃料極側の圧力を大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力とし、その後、空気系入口弁２３および空気系出口弁を閉じ、これら弁２３，２４を閉じた後に電流を取り出す。このため、電流を取り出す前の燃料極側の圧力は大気圧よりも高くなる。故に、圧力を高めることなく電流を取り出す場合と比較して、停止処理完了後の燃料極側の圧力を高くすることができる。これにより、酸化剤極側から燃料極側へのガス拡散を促進することとなり、酸化剤極側の圧力低下を一層防止することができる。従って、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を一層抑制することができる。

また、電流取出によるガスの消費量は、水素の方が酸素よりも２倍近く消費することとなる。このため、酸化剤極側の圧力よりも燃料極側の圧力を第３所定圧力以上高くすることで、システム停止処理後に燃料極側の方が酸化剤極側よりも極端に圧力が低くなってしまうことを防止することができる。

また、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第２所定圧力を設定しているため、燃料極側は電流取出終了後には大気圧よりも高くなり、燃料極側から酸化剤極側へのガス拡散が促進され、酸化剤極側への外気の流入を防止することができる。

また、燃料極側の温度が高くなるほど第２所定圧力を高めに設定するため、燃料極側の温度を加味して適切に第２所定圧力を設定することができる。

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は漏れ量を小さくする（換言すれば圧力上昇する）ため閉じ勝手な状態であり、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、大気圧センサ３７により大気圧を検出し、ステップＳＴ２２以降の処理に用いる大気圧を設定する（ＳＴ２１）。詳細は第１実施形態と同様である。

次いで、メイン制御部３１は、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなったか否かを判断する（ＳＴ２２）。酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなっていないと判断した場合（ＳＴ２２：ＮＯ）、大気圧よりも高くなったと判断されるまで、この処理が繰り返される。なお、ステップＳＴ２２において、コンプレッサ２１は作動し、空気調圧弁２２は閉じられているため、第１実施形態と同様に、酸化剤極側の圧力は上昇していくこととなる。

一方、酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなったと判断した場合（ＳＴ２２：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、コンプレッサ２１の停止指令を行う（ＳＴ２３）。ここで、第３実施形態ではコンプレッサ２１が正常に停止したか否かを判断するようになっている。すなわち、メイン制御部３１は、停止指令を行った後、空気圧力センサ３３からの信号に基づいて、酸化剤極側の圧力が低下しつつあるか否かを判断する（ＳＴ２４）。ステップＳＴ２４において空気調圧弁２２は閉じられている。このため、コンプレッサ２１が正常に停止した場合、空気調圧弁２２の僅かな隙間等から酸化剤極側のガスが流出して酸化剤極側の圧力は低下していくはずである。このため、酸化剤極側の圧力が低下していないと判断した場合（ＳＴ２４：ＮＯ）、処理はステップＳＴ２３に戻り、メイン制御部３１は再度コンプレッサ２１の停止指令を行う。

他方、酸化剤極側の圧力が低下しつつあると判断した場合（ＳＴ２４：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、コンプレッサ２１が正常に停止したと判断する。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（ＳＴ２５）。

その後、メイン制御部３１は、燃料極側の圧力が大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力であるか否かを判断する（ＳＴ２６）。燃料極側の圧力が大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力となっていないと判断した場合（ＳＴ２６：ＮＯ）、大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。なお、ステップＳＴ２６において、水素調圧弁１３は開けられており、パージ弁１６は閉じられている。このため、ステップＳＴ２６において「ＮＯ」と判断されて処理が繰り返される間、燃料極側の圧力は上昇していくこととなる。このように、燃料極側を大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力とすることで、たとえ酸化剤極側が略大気圧であっても、燃料極側からのガス透過により酸化剤極側の圧力を高めることができる。これにより、酸化剤極側への外気流入を防止するようにしている。

また、メイン制御部３１は、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように、第４所定圧力を設定することが望ましい。燃料極側が大気圧よりも高くなければ酸化剤極側を大気圧よりも高くできないからである。また、本実施形態では水素温度センサ３６を備えているため、メイン制御部３１は、水素温度センサ３６により検出された温度が高くなるほど、第４所定圧力を高くすることが望ましい。正確性向上のためである。

燃料極側の圧力が大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力となったと判断した場合（ＳＴ２６：ＹＥＳ）、メイン制御部３１は、水素調圧弁１３を閉じ（ＳＴ１３）、水素循環ポンプ１４を停止させる（ＳＴ２７）。その後、メイン制御部３１は、所定時間だけ電流を取り出す（ＳＴ２８）。そして、図４に示す処理は終了することとなる。なお、第１実施形態と同様に、図４のステップＳＴ２５において、メイン制御部３１は、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁２４を閉じることが望ましい。

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、且つ起動時間および停止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、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる場合、空気系入口弁２３をわずかに早く先に閉じ、その後空気系出口弁２４を閉じるため、圧力の過度の上昇を防止することができる。また、メイン制御部３１は、標準大気圧（例えば１ａｔｍ）又は検出した大気圧の平均値を、大気圧として設定する。ここで、検出した大気圧の平均値を用いた場合、大気圧として用いる値が急激に変化することなく、１回の検出ミスによる大気圧の急変を防止できる。さらに、標準大気圧を大気圧として用いる場合、大気圧センサ３７の故障等が発生したとしても標準大気圧を用いることで、大きな誤差が生じることがない。従って、大気圧を適切に設定することができる。

さらに、第３実施形態によれば、空気を供給して酸化剤極側の圧力を略大気圧とし、そのうえで電流を取り出すので、消費すべき酸素量を少なくしてシステムの停止時間を短くすることができる。しかも、燃料極側の圧力を大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力としているため、燃料極側から酸化剤極側にガスが拡散して酸化剤極側の圧力が低くなり過ぎることを防止することができる。従って、システムの停止時間を短くしつつ、システム停止中における酸化剤極側への外気の流入を抑制することができる。

また、コンプレッサ２１による空気供給を停止する場合、空気調圧弁２２が閉じられている状態でコンプレッサ２１に供給停止指令を行い、空気圧力センサ３３により検出された圧力が徐々に低下しているときに、空気供給の停止が正常に行われたと判断する。ここで、空気調圧弁２２を閉じてもわずかに空気が外部へ流出する。特に、コンプレッサ２１が停止している場合は、新たに空気が供給されることがないため、酸化剤極側の圧力は徐々に低下していく。このため、空気圧力センサ３３により検出された圧力が徐々に低下しているときに、コンプレッサ２１による空気供給が正常に停止されたと判断することで、コンプレッサ２１の確実な停止を検出することができる。

また、電流取出終了後に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第４所定圧力を設定しているため、燃料極側から酸化剤極側へガスが透過し易くなり、酸化剤極側の圧力を大気圧よりも高めることが可能となる。従って、酸化剤極側への外気の流入を抑制することができる。

また、燃料極側の温度が高くなるほど第４所定圧力を高めに設定するため、燃料極側の温度を加味して適切に第４所定圧力を設定することができる。

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、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４はそれぞれ１つに限らず、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。

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（燃料ガス供給手段）
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
２０…空気系
２１…コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
２２…空気調圧弁（圧力調整弁）
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
３３…空気圧力センサ（圧力検出手段）
３４…水素圧力センサ
３５…空気温度センサ（酸化剤極側温度検出手段）
３６…水素温度センサ（燃料極側温度検出手段）
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 (15)

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前記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規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
   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酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段をさらに備え、
   前記制御手段は、システム停止時に、前記酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスを供給して酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力とし、その後、前記規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
   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. 前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段をさらに備え、
   前記制御手段は、システム停止時に、前記燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給して燃料極側の圧力を大気圧よりも第２所定圧力以上高い圧力とし、その後、前記規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
   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. 前記制御手段は、システム停止時に、酸化剤極側の圧力よりも燃料極側の圧力を第３所定圧力以上高くする
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、システム停止時に、酸化剤極側の圧力を大気圧よりも第１所定圧力以上高い圧力とした後、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガス供給を停止すると共に前記規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、システム停止時に、前記酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスを供給して酸化剤極側の圧力を略大気圧とし、その後、前記規制弁を閉じ、該規制弁を閉じた後に前記燃料ガス供給手段からの燃料ガス供給により燃料極側の圧力を大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力とし、燃料極側の圧力を大気圧よりも第４所定圧力以上高い圧力とした後に前記負荷取出手段を作動させて電流を取り出す
   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. 前記燃料電池スタックの酸化剤極側下流に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極側の圧力を制御する圧力調整弁と、
   前記酸化剤極側の圧力を検出する圧力検出手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガス供給を停止する場合、前記圧力調整弁が閉じられている状態で前記酸化剤ガス供給手段に供給停止指令を行い、前記圧力検出手段により検出された圧力が徐々に低下しているときに、酸化剤ガス供給の停止が正常に行われたと判断する
   ことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、電流取出終了時に酸化剤極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第１所定圧力を設定している
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池スタックの酸化剤極側の温度を検出する酸化剤極側温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記酸化剤極側温度検出手段により検出された温度が高くなるほど、前記第１所定圧力を高めに設定する
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、電流取出終了時に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第２所定圧力を設定している
    ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池スタックの燃料極側の温度を検出する燃料極側温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料極側温度検出手段により検出された温度が高くなるほど、前記第２所定圧力を高めに設定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御手段は、電流取出終了時に燃料極側の圧力が大気圧よりも高くなるように第４所定圧力を設定している
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池スタックの燃料極側の温度を検出する燃料極側温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料極側温度検出手段により検出された温度が高くなるほど、前記第４所定圧力を高めに設定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
14. 前記制御手段は、前記規制弁を閉じる場合、酸化剤極側上流側の弁を先に閉じ、その後酸化剤極側下流側の弁を閉じる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記制御手段は、標準大気圧又は検出した大気圧の平均値を、前記大気圧とする
    ことを特徴とする請求項２、請求項３、請求項５、請求項６、請求項８、請求項１０、および請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    

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