JP2009037770A - 燃料電池システム及びその運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の性能低下を有効に抑制し、且つ、システムの運転停止に要する時間を短縮できるようにする。
【解決手段】電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流取り出しによりカソード１ｂ側に残存していた酸素を十分に消費させながら、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて規制区間内への外気の進入を抑制する。このとき、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４の閉止は、アノード圧力を大気圧以上で且つカソード圧力よりも高い圧力に昇圧してから行う。これにより、燃料電池スタック１の電解質膜に悪影響を与えることなくカソード１ｂ側での酸素消費速度を高めることができ、システムの運転停止に要する時間を短縮することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池システム及びその運転停止方法に関する。

燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを燃料電池に供給し、燃料電池内部で水素と酸素とを電気化学的に反応させて出力を取り出す発電システムであり、例えば、燃料電池車両の動力源として利用されている。

この種の燃料電池システムでは、運転を停止させている放置期間（以下、システム停止期間という。）中における大気の進入などによって燃料電池の燃料極及び酸化剤極が空気で満たされた状態となっていると、次のシステム起動時に、燃料極側に残存している空気と新たに供給される燃料ガスとにより水素フロントと呼ばれるガス組成の境界部分が形成され、この水素フロントの存在により、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食などを発生させて燃料電池の性能低下を招く要因となることが知られている。そのため、このような燃料電池の性能低下を抑制するための種々の起動方法が検討されているが、このような燃料電池の性能低下が、運転停止後のシステム停止期間中に燃料電池の燃料極及び酸化剤極が空気で満たされた状態となることに起因しているという点に鑑みれば、運転停止時にシステム停止期間中の燃料電池のコンディショニングを最適化するための何らかの処置を施して、システム起動時における上述した問題を回避することも有効であると考えられる。

例えば、特許文献１には、停止期間中の燃料電池のコンディショニングを最適化するためのシステム停止処理に関する技術が記載されている。この特許文献１に記載のシステム停止処理は、システムの運転を停止させる際に、燃料電池を外部負荷から切り離して内部放電負荷に接続し、燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止させるとともに酸化剤極の入口側及び出口側に設けられた開閉弁を閉止した状態で、内部放電負荷に燃料電池からの電流を流して酸化剤極の酸素を消費させ、燃料電池の燃料極を昇圧することで燃料極及び酸化剤極を燃料ガス雰囲気にするというものである。
特開２００６-７３３７６号公報

特許文献１に記載されているシステム停止処理は、燃料電池の酸化剤極を密閉した状態で内部放電負荷による燃料電池内電荷消費を行うことで酸化剤極に残存する酸素を消費させ、これと同期して燃料極を昇圧することで燃料極から酸化剤極へと燃料ガスを移動させることで、燃料極と酸化剤極の双方を燃料ガス雰囲気にしている。

しかしながら、燃料電池内電荷消費により酸化剤極の酸素が消費される速度と、燃料極から酸化剤極へと燃料ガスが移動する速度とを比べると、通常は、燃料ガスの移動速度の方が遅いため、酸化剤極の雰囲気が酸素から燃料ガスに置き換わる過程で燃料極と酸化剤極との間の差圧が過大となって、電解質膜に悪影響を与える虞がある。これを回避するためには、抵抗値の大きい内部放電負荷を用いて小電流での電荷消費を行うことで酸化剤極での酸素消費速度を緩やかにする必要があり、システム停止処理に要する時間が長時間化するといった問題が生じる。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池の性能低下を有効に抑制し、且つ、システムの運転停止に要する時間を短縮することができる燃料電池システム及びその運転停止方法を提供することを目的としている。

本発明は、システム停止処理として、燃料供給系による燃料ガスの供給を継続させるとともに酸化剤供給系による酸化剤ガスの供給を停止させた状態で、燃料電池からの電流取り出しを開始させた後、燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧してから、外気進入抑制弁を閉止して燃料電池の酸化剤極を外気から封止する、という処理を行う。

本発明によれば、燃料電池からの電流取り出しを行っている期間中に、燃料電池の燃料極を昇圧してから外気進入抑制弁を閉止して酸化剤極を外気から封止するようにしているので、燃料電池の電解質膜に悪影響を与えることなく酸化剤極での酸素消費速度を高めることができ、システムの運転停止に要する時間を短縮することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
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、例えば、燃料電池車両の動力源として車両に搭載されて、車両の駆動モータや燃料電池発電用の補機などの負荷に電力を供給するものであり、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池スタック１を備える。

燃料電池スタック１は、例えば、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（以下、アノード１ａという。）と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極（以下、カソード１ｂという。）とが対向配置された膜電極接合体をセパレータで挟持したもの（燃料電池セル）を、多段に積層した構造とされる。この燃料電池スタック１は、アノード１ａに燃料ガスが供給されるとともに、カソード１ｂ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。

ここで、燃料ガスとは水素を含有するガスであるが、本実施形態では、純水素を燃料ガスとして使用するケースを想定している。このため、以下では「燃料ガス」を単に「水素」と表記して説明する（例えば、「水素調圧弁」とは、水素を含有する燃料ガスの供給圧力を調整する弁のことを示している。）。ただし、燃料ガスとしては純水素だけでなく、水素を成分として含有する様々なガスが利用可能である。また、酸化剤ガスは酸素を含有するガスであるが、本実施形態では、酸素を含む空気を酸化剤ガスとして使用するケースを想定している。このため、以下では「酸化剤ガス」を「空気」と表記して説明する。ただし、酸化剤ガスは空気に限られるものではなく、例えば、酸素を封入した酸素タンクを別途搭載したシステムであれば、この酸素タンクから供給される酸素を酸化剤ガスとして使用することも可能である。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１のほかに、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３０と、各センサ４１〜４５とが備えられている。

水素系１０は、燃料ガスである水素を、燃料供給装置（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンクや水素吸蔵合金など）１１から、燃料供給流路Ｌ１０を介して燃料電池スタック１のアノード１ａ側に供給する構成とされている。具体的には、燃料供給装置１１の下流の燃料供給流路Ｌ１０には燃料供給弁１２が設けられており、この燃料供給弁１２が開状態となると、燃料供給装置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のアノード１ａ側に供給される。燃料供給弁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３０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（例えば、電気化学的な反応に必要となる水素量）となるように、制御装置３０によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１のアノード１ａ側から排出されるガス（未使用の水素やカソード１ｂ側から透過してきた窒素を含む排出ガス）は、燃料循環流路Ｌ１１へと排出される。この燃料循環流路Ｌ１１は、他方の端部が水素調圧弁１３よりも下流側の燃料供給流路Ｌ１０に接続されている。燃料循環流路Ｌ１１には、燃料循環ポンプ１４及びエゼクタ１５が設けられている。これら燃料循環ポンプ１４やエゼクタ１５により、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口側から排出された水素がアノード１ａ入口側へと循環される。これにより、未使用の水素を循環させて再利用することができ、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、燃料電池スタック１での発電を継続させている間に空気中の窒素がカソード１ｂ側からアノード１ａ側に透過するため、水素系１０におけるガスの窒素濃度が増加して、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、燃料循環流路Ｌ１１には、水素系１０内のガスを外部に排出する燃料排出流路Ｌ１２が接続されている（換言すれば、燃料循環流路Ｌ１１の一部が、燃料電池スタック１のアノード１ａから排出された水素を外部に排出する燃料排出流路Ｌ１２としての機能を担う）。燃料排出流路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、燃料循環流路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（大気）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３０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、アノード１ａ側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などの不純物が水素系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。また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、このパージ弁１６が閉止されることで、燃料排出流路Ｌ１２から燃料電池スタック１のアノード１ａ側への外気の流入を抑制する構成となっている。

空気系２０は、酸化剤ガスである空気を、空気供給流路Ｌ２０を介して燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給する構成とされている。具体的には、例えば、大気を取り込んで加圧するコンプレッサ２１が設けられており、このコンプレッサ２１によって加圧状態とされた空気が、空気供給流路Ｌ２０を介して燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される。燃料電池スタック１のカソード１ｂ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３０によって制御される。

また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、空気系２０の燃料電池スタック１のカソード１ｂ入口側に空気系入口弁（外気進入抑制弁）２３、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口側に空気系出口弁（外気進入抑制弁）２４がそれぞれ設けられている。空気系入口弁２３は、燃料電池スタック１のカソード１ｂ入口よりも上流側、すなわち空気供給流路Ｌ２０中に設けられており、燃料電池システムの運転停止中は弁閉されることで、空気供給流路Ｌ２０から燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に外気が進入することを抑制する構成となっている。また、空気系出口弁２４は、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口の下流側、すなわち空気排出流路Ｌ２１中に設けられており、燃料電池システムの運転停止中は弁閉されることで、空気排出流路Ｌ２１から燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に外気が進入することを抑制する構成となっている。

制御装置３０は、電流取出部（停止時電流取り出し手段）３１と、メイン制御部（システム停止制御手段）３２とから構成されている。電流取出部３１は、メイン制御部３２によって制御され、システム停止処理中に燃料電池スタック１から電流を取り出すユニットである。また、この電流取出部３１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３２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３２は、各センサ４１〜４５の検出値をモニタリングしながら、制御プログラムに従って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。また、特に本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的なシステム停止処理についても、このメイン制御部３２によって統合的に制御される。

電圧センサ４１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。電流センサ（電流測定手段）４２は、燃料電池スタック１から取り出される電流値を測定するものである。カソード圧力センサ４３は、空気供給流路Ｌ２０に設けられており、空気系入口弁２３と空気系出口弁２４との間の区間（以下、この区間を規制区間という。）の圧力を検出するものである。カソード流量センサ４４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のカソード１ｂ側に供給される空気の流量を検出するものである。アノード圧力センサ４５は、燃料供給流路Ｌ１０に設けられており、燃料電池スタック１のアノード１ａ側に供給される水素の圧力を検出するものである。

制御装置３０のメイン制御部３２は、燃料電池システムの運転を停止させる際に、水素系１０や空気系２０の動作、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４の開閉、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流の取り出しなどを統合的に制御して、短時間で適切なシステム停止処理を実行する。具体的には、メイン制御部３２は、燃料電池システムの運転を停止させる際に、水素系１０による水素の供給を継続させるとともに、空気系２０による空気の供給（コンプレッサ２１の動作）を停止させ、この状態で、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始させる。その後、メイン制御部３２は、水素系１０の水素調圧弁１３を制御して、燃料電池スタック１のアノード１ａ側の圧力（以下、アノード圧力という。）を大気圧以上で且つカソード１ｂの圧力（以下、カソード圧力という。）よりも高い圧力に設定する。その後、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉止させて規制区間を密閉し、規制区間内への外気進入を抑制する。そして、燃料電池スタック１からの電流取り出しによりカソード１ｂ側に残存していた酸素が十分に消費された段階で、電流取出部３１による電流取り出しを終了させるとともに、水素系１０による水素の供給を停止させる。

以上のように、第１実施形態に係る燃料電池システムでは、メイン制御部３２の制御によって、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に残存していた酸素を十分に消費させながら、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて規制区間内への外気の進入を抑制するようにしている。これにより、燃料電池スタック１のカソード１ｂは、酸素濃度を低く維持しながら外気の進入が抑制されることとなり、システム起動時においてカソード１ｂ側に空気が存在することに起因して招来される燃料電池スタック１の性能低下の問題を有効に回避することができる。また、アノード圧力を大気圧以上で且つカソード圧力よりも高い圧力に設定した後に、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４が閉止されるので、燃料電池スタック１の電解質膜に悪影響を与えることなくカソード１ｂ側での酸素消費速度を高めることができ、システムの運転停止に要する時間（以下、システム停止時間という。）を短縮することができる。また、アノード圧力が高い圧力に設定されることでカソード１ｂ側の酸素を消費するのに十分な水素量が確保されることから、燃料電池スタック１から取り出す電流値を高く設定してカソード１ｂ側での酸素消費速度をさらに高めることができ、システム停止時間をさらに短縮することができる。

さらに、アノード圧力が高い圧力に設定されることで、アノード１ａ側からカソード１ｂ側に移動する水素量が増加してカソード圧力を高めることができ、システム停止期間に外気が流入することをより確実に抑制することができ、燃料電池スタック１の性能低下の問題をさらに有効に回避することができる。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システムの動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。また、図３は、システム停止処理中における燃料電池スタック１のアノード圧力及びカソード圧力とスタック電流及びスタック電圧の時間変化を示す図である。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、燃料循環ポンプ１４及びコンプレッサ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及び空気系出口弁２４は開いているものとする。

燃料電池システムの運転停止時において、メイン制御部３２は、まず、空気系２０のコンプレッサ２１の動作を停止させて、燃料電池スタック１への空気供給を停止させる（ステップＳＴ１０１）。その後、メイン制御部３２は、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流の取り出しを開始させる（ステップＳＴ１０２）。

次に、メイン制御部３２は、カソード圧力センサ４３、アノード圧力センサ４５からの信号に基づき、アノード目標圧力を演算する（ステップＳＴ１０３）。アノード目標圧力は、図３に示すようなアノード目標圧力設定範囲から、センサ誤差などを考慮した任意の値を設定することができる。ここで、アノード目標圧力設定範囲の下限値は、大気圧、もしくは、カソード圧力のうち高いほうの圧力である。また、アノード目標圧力設定範囲の上限値は、カソード圧力に対して、燃料電池スタック１で使用している電解質膜の許容膜間差圧に相当する圧力を加算した圧力である。なお、ここで使用する大気圧は、図示していない大気圧センサにより検出された気圧、もしくは、あらかじめ設定した大気圧（例えば、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。

その後、メイン制御部３２は、アノード圧力センサ４５からの信号に基づいて、アノード圧力がステップＳＴ１０３で設定したアノード目標圧力に達したか否かを判断する（ステップＳＴ１０４）。そして、アノード圧力がアノード目標圧力に達していないと判断した場合（ステップＳＴ１０４：ＮＯ）、アノード圧力がアノード目標圧力に達し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ＳＴ１０４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ＳＴ１０４の処理が繰り返される間、アノードに水素ガスが供給されてアノード圧力が上昇していく。

アノード圧力がアノード目標圧力に達したと判断した場合（ステップＳＴ１０４：ＹＥＳ）、メイン制御部３２は、空気調圧弁２２、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて規制区間を密閉し、規制区間内への外気進入を抑制する（ステップＳＴ１０５）。

その後、メイン制御部３２は、電圧センサ４１からの信号に基づいて、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖａ以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ１０６）。ここで、所定電圧Ｖａとは、カソード１ｂ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、カソード１ｂ側の酸素濃度は、電流取出部３１による電荷消費量並びにカソード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。

スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖａ以下でないと判断した場合（ステップＳＴ１０６：ＮＯ）、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖａ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、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖａ以下であると判断した場合（ステップＳＴ１０６：ＹＥＳ）、メイン制御部３２は、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流の取り出しを終了させて（ステップＳＴ１０７）、水素調圧弁１３を閉じる（ステップＳＴ１０８）。その後、メイン制御部３２は、燃料循環ポンプ１４を停止させ（ステップＳＴ１０）、一連のシステム停止制御を終了する。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、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３１を作動させて電流を取り出すため、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側の酸素を消費することができる。さらに、電流取り出し開始後に空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じるため、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側の酸素を消費しながら規制区間が密閉されることとなり、システム停止処理及びその後の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。したがって、次のシステム起動時にはカソード１ｂ側の酸素濃度が低い状態で起動運転が行われることになり、これにより、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができる。

また、アノード圧力を、大気圧以上で且つカソード圧力以上の高い圧力とした状態で、電流取出部３１により燃料電池スタック１から電流を取り出すため、燃料が不足することによる劣化を抑制しながら、通常（例えば、アノード圧力を大気圧とした場合）よりも高い電流でカソード１ｂ側の酸素消費を行うことができるので、システム停止時間を短縮することができる。

また、アノード圧力を、大気圧以上で且つカソード圧力以上の高い圧力とするので、アノード１ａ側からカソード１ｂ側に水素が移動し、カソード１ｂ側の圧力を高めることとなる。これにより、カソード１ｂ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。

また、アノード圧力の上限は、カソード圧力との差圧が燃料電池スタック１で使用している電解質膜の許容膜間差圧以下としているので、燃料電池スタック１で使用している電解質膜を保護しながら、アノード圧力を上げることができる。

また、水素系１０のパージ弁１６を閉じ、燃料循環ポンプ１４及びエゼクタ１５による水素の循環を継続させながら、アノード圧力を大気圧以上で且つカソード圧力以上に昇圧するようにしているので、水素を無駄に排出することなくアノード圧力を昇圧して、効率よくシステム停止処理を行うことができる。

なお、図２に示したシステム停止処理では、ステップＳＴ１０６にて、電圧センサ４１からの信号に基づいて、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖａ以下であるか否かを判断しているが、同様に、電流センサ４２からの信号に基づいて、スタック電流が所定値以下（スタック電圧がＶａ相当）となったか否かを判断する構成としてもよい。また、あらかじめ電流取出部３１により電流取り出しを開始してから、燃料電池スタック１のスタック電圧がＶａ以下となるまでの時間Ｔａを計測しておき、電流取り出しを開始してから時間Ｔａが経過したか否かを判断する構成としてもよい。

また、図２に示したシステム停止処理では、アノード圧力がアノード目標圧力に達したと判断した場合（ステップＳＴ１０４：ＹＥＳ）、空気調圧弁２２、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて（ステップＳＴ１０５）から、スタック電圧が所定電圧以下となったか否かを判定する構成としているが、空気調圧弁２２、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４の閉じるタイミングは、アノード圧力がアノード目標圧力以上となってからであればよく、例えば、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流取り出しの終了（ＳＴ１０６）と同時に行う構成としてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であるが、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容が、第１実施形態とは一部異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第２実施形態の特徴部分について説明する。

図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れ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、燃料循環ポンプ１４及びコンプレッサ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及び空気系出口弁２４は開いているものとする。図４において、ステップＳＴ２０１〜ステップＳＴ２０２、ステップＳＴ２０４〜ステップＳＴ２０９は、それぞれ、図２のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０２、ステップＳＴ１０３〜ステップＳＴ１０８の処理と同様であるため、説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池システムでは、図４に示すように、メイン制御部３２が、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流の取り出しを開始（ステップＳＴ２０２）させた直後に、燃料循環ポンプ１４を停止させるようにしている（ステップＳＴ２０３）。これは、燃料循環ポンプ１４が完全に停止するまでには一定の時間が必要とされ、第１実施形態のように、燃料電池スタック１からの電流取り出しが終了してから燃料循環ポンプ１４を停止させると、その分だけシステム停止時間が長くなるので、燃料電池スタック１からの電流取り出しと並行して燃料循環ポンプ１４の停止処理を行うことで、システム停止時間をさらに短縮できるようにすることを意図したものである。

つまり、電流取り出しを開始してから終了するまで（ステップＳＴ２０２〜ステップＳＴ２０８）の電流取り出し期間に対して、燃料循環ポンプ１４が完全に停止（回転数が略ゼロ）するまでの時間は短いため、電流取り出しを開始して直ぐに燃料循環ポンプ１４を停止させることで、電流取出しを終了した時点（ステップＳＴ２０８）では、燃料循環ポンプ１４は完全に停止（回転数が略ゼロ）した状態となる。そのため、燃料循環ポンプ１４の回転数が低下するのを待つ時間分だけ、システム停止時間をより短縮することが可能となる。

なお、図４に示したシステム停止処理では、電流取り出し開始直後に燃料循環ポンプ１４を停止させるようにしているが、電流取出し期間中（ステップＳＴ２０２〜ステップＳＴ２０８）の所定のタイミングで燃料循環ポンプ１４を停止させる構成としてもよい。すなわち、図５に示すように、電流取出部３１による電流取り出しが進むにつれて、燃料電池スタック１のカソード１ｂ内の酸素が消費されるため、カソード１ｂ内の酸素濃度は時間経過とともに低下していき、その結果、スタック電圧、スタック電流も時間とともに低下していく。カソード１ｂ内の酸素濃度が低下した状態では、このカソード１ｂ内の酸素との電気化学反応に必要とされる水素量も低下するので、このタイミングで燃料循環ポンプ１４を停止させることも有効である。つまり、燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始した直後、カソード１ｂ内に酸素が潤沢にあって電気化学反応に必要とされる水素量も多い期間は、燃料循環ポンプ１４の循環を継続し、燃料電池スタック１からの電流取り出しによる電荷消費が進んで、カソード１ｂ内の酸素濃度がある程度低下し、電気化学反応に必要とされる水素量も低下した所定のタイミングで燃料循環ポンプ１４を停止させる構成である。ここで、所定のタイミングの判断は、何らかの手法で反応の進行を検知できればよく、例えばスタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖｂ（＞Ｖａ）を下回ったタイミングを所定のタイミングと判断するなどの手法が考えられる。

以上のように、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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第２実施形態に係る燃料電池システムでは、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流取り出しを開始させてから終了させるまでの間の電流取出期間中に燃料循環ポンプ１４を停止させるので、燃料循環ポンプ１４の回転数が低下するのを待つ時間分だけ、システム停止時間をより短縮することが可能となり、さらに、燃料循環ポンプ１４の作動に起因する作動音を軽減し、静粛性を向上させることができる。また、燃料循環ポンプ１４の作動に起因する消費電力を軽減し、より効率のよいシステム停止処理を行うことができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であるが、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容の一部、具体的にはアノード目標圧力を設定する処理が第１実施形態とは異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第３実施形態の特徴部分について説明する。

図６は、第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、制御装置３０のメイン制御部３２がアノード目標圧力を設定する手法を説明する図である。メイン制御部３２は、この図６に示すようなアノード目標圧力設定範囲内の任意の値をアノード目標圧力として設定する。ここで、アノード目標圧力設定範囲の下限値は、第１実施形態と同様に、大気圧、もしくは、カソード圧力のうち高いほうの圧力である。一方、アノード目標圧力設定範囲の上限値は、大気圧に対して、燃料電池スタック１で使用している電解質膜の許容膜間差圧に相当する圧力を加算した圧力である。なお、ここで使用する大気圧は、図示していない大気圧センサにより検出された気圧、もしくは、あらかじめ設定した大気圧（例えば、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。これにより、システム停止後の放置期間中（システム停止処理終了から次回のシステム起動までの期間）に、カソード圧力が停止時の圧力から大気圧まで低下した場合においても、燃料電池スタック１に使用している電解質膜の許容膜間差圧を上回ることがなく、電解質膜を確実に保護することができる。

以上のように、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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第３実施形態に係る燃料電池システムでは、システム停止処理中のアノード目標圧力が、大気圧に対して、燃料電池スタック１で使用している電解質膜の許容膜間差圧に相当する圧力を加算した圧力以下に設定されるので、燃料電池システムの停止期間中にカソード圧力が大気圧まで低下したとしても、燃料電池スタック１に使用している電解質膜を確実に保護することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であるが、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容が、第１実施形態とは一部異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第４実施形態の特徴部分について説明する。

図７は、第４実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。なお、図７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、燃料循環ポンプ１４及びコンプレッサ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及び空気系出口弁２４は開いているものとする。図７において、ステップＳＴ４０１〜ステップＳＴ４０２、ステップＳＴ４０４〜ステップＳＴ４０５、ステップＳＴ４０７〜ステップＳＴ４０９は、それぞれ、図２のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０２、ステップＳＴ１０４〜ステップＳＴ１０５、ステップＳＴ１０７〜ステップＳＴ１０９の処理と同様であるため、説明を省略する。

第４実施形態に係る燃料電池システムにおいても、制御装置３０のメイン制御部３２は、図７に示すように、電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流の取り出しを開始（ステップＳＴ４０２）させた後、アノード圧力センサ３４からの信号に基づき、アノード目標圧力を演算する（ステップＳＴ４０３）。

ここで、図８を参照して、ステップＳＴ４０３でのアノード目標圧力演算の方法について説明する。電流取出部３１による燃料電池スタック１からの電流取り出しが開始されると、電荷消費に起因するカソード１ｂ側の酸素濃度の低下（図８（ａ）参照）により、燃料電池スタック１の電圧は徐々に低下し（図８（ｃ）参照）、その結果、燃料電池スタック１から取り出せる電流も低下していく（図８（ｂ）参照）。ここで、燃料電池スタック１からの電流取り出しを十分に長い時間（Ｔａ[sec]）実施すると、カソード１ｂ内の酸素は完全に消費されて（図８（ａ）の一点差線）、燃料電池スタック１の電圧、電流も略ゼロまで低下する。一方、燃料電池スタック１からの電流取り出しを、完全にカソード１ｂの酸素を消費しきる時間Ｔａ[sec]よりも短い時間Ｔｖ[sec]で実施した場合、カソード１ｂ内にはある程度酸素が残留することとなる（濃度Ｄｃ[%]）。ここで、カソード１ｂ内に残存した酸素は、システム停止処理が終了した後、次回のシステム起動時までのシステム停止期間中に、アノード１ａから透過してきた水素と、以下の化学反応式に基づいて処理されることとなる。
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ
この式から、カソード１ｂ内に残存した酸素をアノード１ａから透過してきた水素で処理するには、酸素１分子に対して、水素２分子が消費されることがわかる。すなわち、停止期間中には、先に説明した濃度Ｄｃ[%]の酸素に対して、２倍の水素が消費されることとなる。カソード１ｂ内に残存する酸素量は、電流取出部３１により燃料電池スタック１から電流を取り出す時間の長さ（電流取り出し期間の長さ）に応じて決まり、電流取り出し期間が長いほど、停止時にカソード１ｂ内に残存する酸素量は低下することとなる。以上のことから、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、図７のステップＳＴ４０３において、アノード目標圧力を、図９に示すように、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存すると推定される酸素量の２倍の水素量に見合う圧力を大気圧に対して加算した圧力以上に設定する。これにより、停止期間中にアノード１ａから水素が透過して、カソード１ｂ内の酸素を消費しても、アノード１ａが大気圧以下まで低下することがなく、よって、システム停止期間中における外気の進入を抑制することができる。

なお、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量は、電流取り出し期間の長さ及びその期間中に燃料電池スタック１から取り出す電流値、カソード１ｂの酸素消費領域内の容積などから一意に決まる。ここで、カソード１ｂの酸素消費領域内の容積は変化しないので、電流取り出し期間中に燃料電池スタック１から取り出す電流値が一定の場合、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量は、その電流取り出し期間の長さから推定できる。本実施形態では、電流取り出し期間中に燃料電池スタック１から取り出す電流値を一定とし、電流取り出し期間の長さを予め所定時間Ｔｖと決めておいて、電流取り出しを開始してから所定時間Ｔｖが経過した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量を推定するようにしている。

ここで、図７のステップＳＴ４０６の処理について説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムでは、メイン制御部３２が、電流取り出しを開始（ステップＳＴ４０２）させてからの経過時間をカウントし、電流取り出し開始から所定時間Ｔｖが経過したか否かを判断する（ステップＳＴ４０６）。そして、電流取出し開始からの経過時間が所定時間Ｔｖに満たない場合（ステップＳＴ４０６：ＮＯ）、所定時間Ｔｖが経過するまでこの処理が繰り返され、電流取出し部３０による電荷消費が継続される。一方、電流取り出し開始から所定時間Ｔｖが経過したと判断した場合（ステップＳＴ４０６：ＹＥＳ）、電流取出部３０による燃料電池スタック１からの電流取り出しを終了する（ステップＳＴ４０７）。

以上のように、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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第４実施形態に係る燃料電池システムでは、システム停止処理を行う際のアノード目標圧力を、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存すると推定される酸素量の２倍の水素量に見合う圧力を大気圧に対して加算した圧力以上に設定するようにしているので、停止期間中にカソード１ｂ内の酸素を消費するのに必要な水素がアノード１ａからカソード１ｂ側に透過しても、アノード１ａが大気圧以下まで低下することがなく、システム停止期間中における外気の進入を抑制することができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第５実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であり、また、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容も、基本的には上述した第４実施形態と同様（図７参照）であるが、アノード目標圧力演算の方法（図７のステップＳＴ４０３）が、第４実施形態と一部異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分や第４実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第５実施形態の特徴部分について説明する。

図１０は、燃料電池スタック１からの電流取り出しによるカソード１ｂ内の酸素濃度変化とスタック電流及びスタック電圧の変化の様子を示す図である。

燃料電池スタック１から電流を取出す場合、燃料電池スタック１ではアノード１ａ側及びカソード１ｂ側で以下の反応が起き、カソード１ｂ内の酸素が消費される。
アノード側 ： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
カソード側 ： ４Ｈ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
これらの反応式からもわかるように、燃料電池スタック１からの電流取り出しによりカソード１ｂ側で消費される酸素量は、燃料電池スタック１から取り出す電流値が変ると、それに応じて変化することになる。今、電流取出部３１により取出す電流値をＩ_Ｈとすると（図１０（ｂ）の実線参照）、電流Ｉ_Ｌ（Ｉ_Ｈ＞Ｉ_Ｌ）で取り出した場合（図１０（ｂ）一点鎖線参照）と比べて、アノード１ａ側及びカソード１ｂ側での上記反応の単位時間当たりの反応量が異なることから、所定時間Ｔｖ[sec]に亘り電流取り出しを実施した際、カソード１ｂに残存する酸素量が小さくなる（Ｄ_Ｈ＜Ｄ_Ｌ）。つまり、電流取出部３１による電流取り出し期間が一定（Ｔｖ[sec]）であれば、取り出す電流値の大きさによってカソード１ｂで消費される酸素量が決まることになる。

第５実施形態に係る燃料電池システムにおいても、上述した第４実施形態と同様、アノード目標圧力を、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存すると推定される酸素量の２倍の水素量に見合う圧力を大気圧に対して加算した圧力以上に設定する。ここで、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量は、上述したように、電流取り出し期間の長さ及びその期間中に燃料電池スタック１から取り出す電流値、カソード１ｂの酸素消費領域内の容積などから一意に決まり、カソード１ｂの酸素消費領域内の容積は変化しないので、電流取り出し期間の長さが一定の場合、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量は、取り出す電流値の大きさから推定できる。本実施形態では、電流取り出し期間の長さを一定（Ｔｖ[sec]）とし、取り出す電流の目標値から、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存する酸素量を推定するようにしている。

以上のように、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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第５実施形態に係る燃料電池システムでは、システム停止処理を行う際のアノード目標圧力を、電流取り出し期間が終了した時点で燃料電池スタック１のカソード１ｂ内に残存すると推定される酸素量の２倍の水素量に見合う圧力を大気圧に対して加算した圧力以上に設定するようにしているので、第４実施形態と同様に、停止期間中にカソード１ｂ内の酸素を消費するのに必要な水素がアノード１ａからカソード１ｂ側に透過しても、アノード１ａが大気圧以下まで低下することがなく、システム停止期間中における外気の進入を抑制することができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第６実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であるが、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容が、第１実施形態とは一部異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第６実施形態の特徴部分について説明する。

図１１は、第６実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１１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、燃料循環ポンプ１４及びコンプレッサ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及び空気系出口弁２４は開いているものとする。図１１において、ステップＳＴ６０１〜ステップＳＴ６０４、ステップＳＴ６０６〜ステップＳＴ６１０は、それぞれ、図２のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４、ステップＳＴ１０５〜ステップＳＴ１０９の処理と同様であるため、説明を省略する。

第６実施形態に係る燃料電池システムでは、図１１に示すように、アノード圧力がアノード目標圧力に達したと判断した場合（ステップＳＴ６０４：ＹＥＳ）に、メイン制御部３２が、電流センサ４２からの信号に基づいて、燃料電池スタック１からの取り出し電流が所定値Ｉｘ以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ６０５）。そして、メイン制御部３２は、燃料電池スタック１からの取り出し電流が所定値Ｉｘ以下となったと判断した後に、空気調圧弁２２、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて規制区間を密閉し、規制区間内への外気進入を抑制する（ステップＳＴ６０６）。

ここで、所定値Ｉｘとは、電流取出部３１により燃料電池スタック１から取り出す電流値の目標値（目標取り出し電流）よりも小さい、判定閾値となる電流値である。これについて、図１２を用いて説明する。電流取出部３１により、燃料電池スタック１から電流が取り出されると、カソード１ｂ内の酸素濃度が低下する。そのため、カソード１ｂ内に酸素が潤沢にある状態では、目標取り出し電流に追従して、燃料電池スタック１から電流が取り出される。一方、電荷消費が進み、カソード１ｂ内の酸素量が低下するに従い、燃料電池スタック１から取り出される電流は低下してくる。そのため、取り出し電流値が大きい状態（電流取出し開始直後で、目標取り出し電流に追従している状態）においては、カソード１ｂ内の酸素消費量も多いため（図１２のＡ部参照）、カソード１ｂの圧力低下は大きくなる。逆に、取り出し電流値が低下してくると、カソード１ｂの圧力低下は小さくなる（図１２のＢ部参照）。カソード１ｂの圧力低下が大きい状態で、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じると、システム停止処理において、アノード圧力とカソード圧力との差圧が、燃料電池スタック１に使用している電解質膜の許容膜間差圧以上となってしまう可能性がある。また、カソード圧力が大気圧以下にまで低下してしまった場合、停止時に外気からの吸い込み空気量が増えてしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１からの取り出し電流が目標取り出し電流に追従しなくなったことを電流センサ４２からの信号に基づいて判断し、目標取り出し電流に追従しなくなってから、すなわち、カソード１ｂの酸素消費速度が低下してから、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じる構成とする。このときの判定閾値となる所定値Ｉｘは、目標取出し電流に対して、電流センサ３５のセンサ誤差や応答性、制御マージンを考慮して、電流値が下がったことを確実に検知できる値であればよい。

以上のように、第６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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第６実施形態に係る燃料電池システムでは、カソード１ｂの酸素消費速度が十分に低下してから、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じるようにしているので、システム停止処理を短時間で効率よく行いながら、且つ、システム停止期間中においても燃料電池スタック１に使用している電解質膜を確実に保護することができる。

なお、本実施形態では、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じる判定として、燃料電池スタック１からの取り出し電流値を使用しているが、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧が所定電圧Ｖｘ以下（燃料電池スタック１からの取出し電流Ｉｘ相当）となったことや、スタック電圧、セル電圧又はセル群の電圧の降下速度、もしくは、あらかじめ実験で計測した電流取り出し開始からの時間で判断する構成としても、同様のシステムを実現することができる。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第７実施形態に係る燃料電池システムは、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の構成（図１参照）であるが、制御装置３０のメイン制御部３２によるシステム停止処理の制御内容が、第１実施形態とは一部異なっている。以下、第１実施形態と共通する部分については重複した説明を適宜省略しながら、第７実施形態の特徴部分について説明する。

図１３は、第７実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１３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、燃料循環ポンプ１４及びコンプレッサ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及び空気系出口弁２４は開いているものとする。図１３において、ステップＳＴ７０１〜ステップＳＴ７０４、ステップＳＴ７０６〜ステップＳＴ７１０は、それぞれ、図２のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４、ステップＳＴ１０５〜ステップＳＴ１０９の処理と同様であるため、説明を省略する。

第７実施形態に係る燃料電池システムでは、図１３に示すように、アノード圧力がアノード目標圧力に達したと判断した場合（ステップＳＴ７０４：ＹＥＳ）に、メイン制御部３２が、カソード流量センサ４４からの信号に基づいて、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気の流量が所定値Ｆｘ以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ７０５）。そして、メイン制御部３２は、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気の流量が所定値Ｆｘ以下となったと判断した後に、空気調圧弁２２、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じて規制区間を密閉し、規制区間内への外気進入を抑制する（ステップＳＴ７０６）。

ここで、所定値Ｆｘは、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側への空気の供給が完全に遮断されたかどうかを判定する閾値であり、カソード流量センサ４４のセンサ誤差や応答性、制御マージンを考慮して、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気の流量が略ゼロにまで低下したことを検知できる値に設定される。

通常運転状態からシステム停止処理に入ると、メイン制御部３２はコンプレッサ２１を停止させる（ステップＳＴ７０１）が、コンプレッサ２１はしばらく惰性で回転しているため、コンプレッサ２１が完全に停止して、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気流量が略ゼロになるまでには時間がかかる。燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に空気が流れている状態で空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じると、コンプレッサ２１から供給された空気が空気系入口弁２３までの流路区間に蓄えられて、当該流路区間の圧力が上昇する。一方、空気系入口弁２３から空気系出口弁２４までの規制区間内では、燃料電池スタック１のカソード１ｂ内の酸素が消費されることで圧力が低下する。すると、空気系入口弁２３の上流側（コンプレッサ２１側）と下流側（燃料電池スタック１のカソード１ｂ側）とで圧力差が生じ、空気系入口弁２３の耐久性に影響を及ぼす可能性がある。また、空気系入口弁２３の漏れ流量は弁上下流の圧力に影響を受けるため、圧力差が生じることで、停止時に燃料電池スタック１のカソード１ｂに流入する空気が増加する可能性がある。また、カソード１ｂに空気が流れている状態で空気系入口弁２３が閉じられることで、コンプレッサ２１側へ空気が押し戻されて、コンプレッサ２１に負荷がかかり、コンプレッサ２１の耐久性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、本実施形態では、カソード流量センサ４４の検出値が所定値Ｆｘ以下となったときに（ステップＳＴ７０５：ＹＥＳ）、コンプレッサ２１の回転数が略ゼロとなって燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気流量が略ゼロになったと判断し、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じるようにしている。

以上のように、第７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、システム起動時に触媒担体などに劣化が生じることに起因して燃料電池スタック１の性能が低下するといった問題を有効に回避することができ、且つ、システム停止時間を短縮することができる。また、特に第７実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気流量が略ゼロになってから、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を閉じるようにしているので、システム停止処理を短時間で効率よく行いながら、且つ、コンプレッサ２１、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４の上下流での圧力差形成を軽減し、これにより、コンプレッサ２１、空気系入口弁２３及び空気系出口弁２４を保護することができる。

なお、本実施形態では、カソード流量検出手段として、空気供給流路Ｌ２０にカソード流量センサ４４を設置しているが、カソード流量センサ４４を設置する代わりに、コンプレッサ２１の回転数を読み込んで、このコンプレッサ２１の回転数が略ゼロになったときに燃料電池スタック１のカソード１ｂ側に供給される空気流量が略ゼロになったと判断してもよい。また、あらかじめ実験により、コンプレッサ２１の回転数が略ゼロとなるまでの時間を計測しておき、コンプレッサ２１を停止させて（ステップＳＴ７０１）からの時間を、カソード流量検出手段として用いる構成としても同様のシステムを構成することができる。

以上、本発明の具体的な実施形態として第１乃至第７の実施形態を例示したが、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。

本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 システム停止処理中における燃料電池スタックのアノード圧力及びカソード圧力とスタック電流及びスタック電圧の時間変化を示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れ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を説明する図であり、システム停止処理中におけるカソード内酸素濃度、スタック電流、スタック電圧、燃料循環ポンプ回転数の時間変化を示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、制御装置のメイン制御部がアノード目標圧力を設定する手法を説明する図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れ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を説明する図であり、システム停止処理中におけるカソード内酸素濃度、スタック電流、スタック電圧の時間変化を示す図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、制御装置のメイン制御部がアノード目標圧力を設定する手法を説明する図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムを説明する図であり、システム停止処理中におけるカソード内酸素濃度、スタック電流、スタック電圧の時間変化を示す図である。 第６実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 第６実施形態に係る燃料電池システムを説明する図であり、システム停止処理中におけるカソード内酸素濃度、スタック電流、スタック電圧の時間変化を示す図である。 第７実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時におけるシステム停止処理の流れ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
１ａ アノード（燃料極）
１ｂ カソード（酸化剤極）
１０ 水素系（燃料供給系）
１４ 燃料循環ポンプ
１５ エゼクタ
２０ 空気系（酸化剤供給系）
２３ 空気系入口弁（外気進入抑制弁）
２４ 空気系出口弁（外気進入抑制弁）
３０ 制御装置
３１ 電流取出部（停止時電流取り出し手段）
３２ メイン制御部（システム停止制御手段）
４１ 電圧センサ
４２ 電流センサ（電流測定手段）
４４ カソード流量センサ（流量検出手段）

Claims (11)

1. 燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料供給系と、
   前記燃料電池の酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系と、
   前記酸化剤極供給系における燃料電池入口側及び出口側にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の酸化剤極に外気が進入することを抑制する外気進入抑制弁と、
   システム停止処理中に前記燃料電池から電流を取り出す停止時電流取り出し手段と、
   システム停止処理を統合的に制御するシステム停止制御手段とを備え、
   前記システム停止制御手段は、前記燃料供給系による燃料ガスの供給を継続させるとともに前記酸化剤供給系による酸化剤ガスの供給を停止させた状態で、前記停止時電流取り出し手段による前記燃料電池からの電流取り出しを開始させた後、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧してから、前記外気進入抑制弁を閉止させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給系は、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを循環ポンプにより循環させて前記燃料電池の燃料極に再度供給する燃料循環手段を有し、
   前記システム停止制御手段は、前記燃料循環手段による燃料ガスの循環を継続させながら、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧す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. 前記燃料供給系は、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスをエゼクタにより循環させて前記燃料電池の燃料極に再度供給する燃料循環手段を有し、
   前記システム停止制御手段は、前記燃料循環手段による燃料ガスの循環を継続させながら、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧す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. 前記燃料供給系は、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを循環ポンプ及びエゼクタにより循環させて前記燃料電池の燃料極に再度供給する燃料循環手段を有し、
   前記システム停止制御手段は、前記燃料循環手段による燃料ガスの循環を継続させながら、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧するとともに、前記停止時電流取り出し手段による前記燃料電池からの電流取り出しを終了させる前に、前記循環ポンプの作動を停止させ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. 前記システム停止制御手段は、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧する際の目標圧力を、前記燃料電池の電解質膜の許容膜間差圧に相当する圧力を大気圧に対して加算した値以下に設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記システム停止制御手段は、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧する際の目標圧力を、前記停止時電流取り出し手段による前記燃料電池からの電流取り出しを終了した時点で前記燃料電池の酸化剤極に残存すると推定される酸素量の２倍の水素量に見合う圧力を大気圧に対して加算した値以上に設定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記システム停止制御手段は、前記停止時電流取り出し手段による前記燃料電池からの電流取り出し時間の設定値に基づいて、電流取り出しを終了した時点で前記燃料電池の酸化剤極に残存する酸素量を推定す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。
8. 前記システム停止制御手段は、前記停止時電流取り出し手段が前記燃料電池から取り出す電流値の目標値に基づいて、電流取り出しを終了した時点で前記燃料電池の酸化剤極に残存する酸素量を推定す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。
9. 前記停止時電流取り出し手段により前記燃料電池から取り出される電流値を測定する電流測定手段をさらに備え、
   前記システム停止制御手段は、前記電流測定手段の測定値が、前記燃料電池から取り出す電流値の目標値よりも低い所定の判定閾値以下にまで低下した後に、前記外気進入抑制弁を閉止させることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段をさらに備え、
    前記システム停止制御手段は、前記流量検出手段により検出される酸化剤ガス流量が所定の判定閾値以下にまで低下した後に、前記外気進入抑制弁を閉止させることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池と、
    前記燃料電池の燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料供給系と、
    前記燃料電池の酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系と、
    前記酸化剤極供給系における燃料電池入口側及び出口側にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の酸化剤極に外気が進入することを抑制する外気進入抑制弁とを備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
    前記燃料供給系による燃料ガスの供給を継続させるとともに前記酸化剤供給系による酸化剤ガスの供給を停止させた状態で、前記燃料電池からの電流取り出しを開始する第１ステップと、
    前記第１ステップの後、前記燃料電池の燃料極の圧力を大気圧以上で且つ酸化剤極の圧力以上に昇圧する第２ステップと、
    前記第２ステップの後、前記外気進入抑制弁を閉止させて前記燃料電池の酸化剤極を外気から封止する第３のステップと、を有するシステム停止処理を実行することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。

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