JP2013089352A - 燃料電池システム及びその停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によりシステムの停止時にアノード極に不活性ガスを供給できる燃料電池システム及びその停止方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、水素供給管と、エア排出管と、これら水素供給管とエア排出管とを接続するＮ２貯蔵部と、を備える。この燃料電池システムの停止方法は、システムの停止指令後、アノード極への新たな燃料ガスの供給及びアノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断する停止後遮断工程（Ｓ１〜Ｓ２）と、ガスの供給及び排出が遮断された状態でスタックによる発電を継続する発電継続工程（Ｓ３〜Ｓ１２）と、この発電継続工程中にエア排出管に排出されたガスを排出ガス貯蔵部に貯蔵するＮ２貯蔵工程（Ｓ８〜Ｓ１０）と、発電継続工程後に排出ガス貯蔵部内に貯蔵された不活性ガスを水素供給管内に導入するＮ２導入工程（Ｓ１３〜Ｓ１７）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及びその停止方法に関する。

燃料電池のアノード極に含水素の燃料ガスを供給しカソード極に含酸素の酸化剤ガスを供給することで当該燃料電池により発電させる燃料電池システムにおいて、システムの運転停止時には、アノード極に酸化剤ガスを供給することにより残留水素をシステム外に排出（掃気）する技術が提案されている（特許文献１参照）。これは、システムの運転停止中に、カソード極側からアノード極側へ透過した酸素とアノード極側に残留する水素とが混在しラジカルが発生することにより、燃料電池の電解質膜が劣化するのを防止するためである。

ところで、特許文献１のようにアノード極を酸化剤ガスで掃気すると、運転停止中は、アノード極及びカソード極の両極ともに含酸素の酸化剤ガスが充填された状態となり、酸素と水素が混在することはなくなるが、近年ではこのような両極ともに酸化剤ガスで満たされた状態からシステムを起動すると、高電位が発生し、電解質膜の劣化が進行してしまうことが明らかになっている。

そこで特許文献２には、システムの運転停止時には、アノード極に酸化剤ガスの代わりに窒素（不活性）ガスで残留水素を排出することにより、両極が酸化剤ガスで満たされた状態からシステムが再起動されるのを防止する技術が提案されている。

特開２００３−３３１８９３号公報 特開２００８−７８１４０号公報

しかしながら、特許文献２の技術では、酸化剤ガスを酸素吸着剤に通過させ、酸化剤ガスから酸素を取り除くことによって上記窒素ガスを精製している。したがって、酸素吸着剤を搭載する分だけシステムが大型化したりコストが上昇したりすることに加え、酸素吸着能を回復させるために適切な時期に酸素吸着剤を再生するのに手間がかかるなどの課題がある。また、このように窒素ガスを車両上で精製する代わりに、予め精製しておいた窒素ガスをボンベに貯蔵しておき、システムを停止する度にこれを利用することも考えられるが、この場合もシステムの大型化やコストの上昇などの課題を十分に解決するには至らない。

本発明は、簡易な構成によりシステムの停止時にアノード極に不活性ガスを供給できる燃料電池システム及びその停止方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給することで発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック１０）と、前記アノード極に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路（例えば、後述の水素供給管２２）と、前記カソード極に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路（例えば、後述のエア供給管３２）と、前記アノード極からの排出ガスが通流する燃料ガス排出流路（例えば、後述の水素還流管２３）と、前記カソード極からの排出ガスが通流する酸化剤ガス排出流路（例えば、後述のエア排出管３３）と、前記酸化剤ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する排出ガス貯蔵部（例えば、後述のＮ２貯蔵部５１）と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記アノード極への新たな燃料ガスの供給を遮断する供給遮断弁（例えば、後述の水素遮断弁２４）と、前記燃料ガス排出流路に設けられ、前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断する排出遮断弁（例えば、後述の水素パージ弁２８、ドレン弁２９）と、燃料電池システムの停止指令後、前記供給遮断弁及び前記排出遮断弁によりガスの供給及び排出をともに遮断する停止後遮断手段（例えば、後述のＥＣＵ６０及び図２のＳ１からＳ２の実行に係る手段）と、前記停止後遮断手段によりガスの供給及び排出が遮断された状態で燃料電池による発電を継続する発電継続手段（例えば、後述のＥＣＵ６０及びＳ３からＳ１２の実行に係る手段）と、前記発電継続手段により発電を継続している間に前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを、前記発電継続手段による発電が終了した後に、前記排出ガス貯蔵部を介して前記燃料ガス供給流路内に導入する排出ガス導入手段（例えば、後述のＥＣＵ６０及び図２のＳ４からＳ１７の実行に係る手段）と、を備える燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１，１Ａ）を提供する。

本発明では、システムの停止指令後、燃料ガスの供給及び排出を遮断した状態で燃料電池による発電を継続する。このように発電を継続することにより、アノード極側では水素濃度の低下とともに圧力も低下し、カソード極側では窒素濃度の高いガスが酸化剤ガス排出流路へ排出される。さらに本発明では、発電を継続している間に酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを、酸化剤ガス排出流路と燃料ガス供給流路とを接続する排出ガス貯蔵部を介して、上記発電の終了後であり負圧となっている燃料ガス供給流路へ導入する。これにより、アノード極を水素濃度及び酸素濃度が低く窒素濃度の高い不活性ガスで満たし、かつ燃料ガス供給流路及び燃料ガス排出流路を封止した状態でシステムを停止させることができるため、システム停止中にアノード極内の水素と酸素が混在することによる劣化や、両極が酸化剤ガスで満たされた状態でシステムを再起動することによる劣化を防止することができる。
また、アノード極を満たす不活性ガスは、酸化剤ガス排出流路から負圧を利用して導入したものであるため、カソード極もアノード極と同じ不活性ガスで満たした状態でシステムを停止させることができる。このように、アノード極のみならずカソード極も不活性ガスで満たした状態では、残留ガスによる反応が殆ど進行することがなく、電解質膜の劣化を抑制するのに特に効果的であることが検証されている。
なお、システム停止後、一旦カソード極側に満たされていた不活性ガスは徐々にシステム外に排出され、最終的には酸素濃度の高い酸化剤ガスで置換されることとなる。しかしながらこのような場合であっても、カソード極側の不活性ガスが酸化剤ガスで置換されるまでの間は、上述のように特に効果的に劣化が抑制された状態が維持されることは言うまでもないが、不活性ガスが酸化剤ガスで置換された後も、アノード極側が不活性ガスで満たされた状態が維持されている限り、劣化を抑制する効果が損なわれることはない。
以上のように本発明によれば、停止指令後に発電を継続している間にカソード極から排出されたガスを不活性ガスとして流用するので、不活性ガスを生成するための装置を新たに設ける必要がない。特に、燃料ガスの供給及び排出を遮断し、かつ極低流量の酸化剤ガスの供給のもとでの発電時における燃料電池から酸化剤ガス排出流路へ排出されるガスの酸素濃度は、通常発電時と比較して十分に低く不活性ガスとして適格であることが検証されている。また、停止のために必要な量の不活性ガスは、発電を継続することで排出されたガスをその都度流用すればよいため、排出ガス貯蔵部の容積は、１回の停止に必要な量に相当する大きさを確保できればよいので、上述のような窒素ボンベと比較して小型化に対する効果も大きい。
また、アノード極側の供給及び排出を遮断した状態で発電を継続することにより、継続発電の終了時におけるアノード極の圧力はカソード極側よりも十分に低くなっている。したがって、排出ガス貯蔵部を介して上記不活性ガスを導入する際には、この負圧を利用できるので、アノード極側の圧力に抗して排出ガス貯蔵部のガスを供給するためのポンプなどの装置も特別に必要となることはない。

この場合、前記燃料電池システムは、前記排出ガス貯蔵部から分岐し、システム外へ連通する排出ガスパージ流路（例えば、後述のＮ２パージ管５２）と、前記排出ガス貯蔵部内のガスの酸素濃度が所定値以上であるか否かを判定する酸素濃度判定手段（例えば、後述のＥＣＵ６０及び図２のＳ７の実行に係る手段）と、をさらに備え、前記排出ガス導入手段は、前記酸素濃度が所定濃度以下であると判定されるまでは、前記排出ガスパージ流路を介して前記排出ガス貯蔵部内のガスを、前記酸化剤ガス排出流路から導入されたガスとともにシステム外へ排出することが好ましい。

本発明では、排出ガス貯蔵部を介して不活性ガスをアノード極側に導入する際、排出ガス貯蔵部内のガスの酸素濃度が所定濃度以下であると判定されるまで、当該排出ガス貯蔵部内に残留していたガスを、酸化剤ガス排出流路から導入されたガスとともに排出ガスパージ流路を介してシステム外に排出する。これにより、排出ガス貯蔵部内には酸素濃度が十分に低い不活性ガスのみが貯蔵されるようにし、アノード極側に酸素が導入されないようにできる。

この場合、前記燃料電池システムは、前記排出ガス貯蔵部と前記燃料ガス供給流路とを接続する流路に設けられたアノード掃気弁（例えば、後述のアノード掃気弁５４）をさらに備え、前記排出ガス導入手段は、前記アノード掃気弁を閉じた状態で前記排出ガス貯蔵部内に排出ガスを充填し、所定の条件が満たされたことに応じて前記アノード掃気弁を開き当該排出ガス貯蔵部内のガスを前記燃料ガス供給流路内に導入することが好ましい。

本発明では、アノード掃気弁を閉じた状態で不活性ガスを排出ガス貯蔵部に充填しておき、所定の条件が満たされたことに応じてアノード掃気弁を開き、排出ガス貯蔵部内の不活性ガスを燃料ガス供給流路内に導入する。このように、燃料ガス供給流路内にガスを導入するまで、アノード掃気弁を閉じ、燃料ガス供給流路と排出ガス貯蔵部とを遮断した状態にすることにより、アノード掃気弁を開くまでに燃料ガス供給流路内と排出ガス貯蔵部との間に圧力差を生じさせることができるので、新たな装置を用いることなく短時間で不活性ガスを導入することができる。

この場合、前記停止後遮断手段は、燃料電池システムの停止指令が入力に応じて前記排出遮断弁により前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断した後、前記燃料ガス供給流路内の圧力が所定の圧力（例えば、後述のディスチャージ必要圧）より高くなってから、前記供給遮断弁により前記アノード極への新たな燃料ガスの供給を遮断することが好ましい。

本発明では、システムの停止指令後、燃料ガス供給流路内の圧力が所定の圧力より高くなってからアノード極への新たな燃料ガスの供給を停止する。上述のように、発電を継続するとアノード極側の圧力が徐々に低下するところ、新たな燃料ガスの供給を遮断する際に十分な圧力を確保しておくことにより、発電の終了時におけるアノード極内の圧力が、燃料電池が損傷する程度にまで低下するのを防止できる。

この場合、前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス排出流路内のガスを圧縮して前記排出ガス貯蔵部に供給する圧縮機（例えば、後述の圧縮機５６Ａ）をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、圧縮機を用いて酸化剤ガス排出流路内のガスを排出ガス貯蔵部内に充填することにより、アノード極側に導入するための十分な量の不活性ガスを排出ガス貯蔵部内に貯蔵しておくことができる。また、このような圧縮機を用いることにより、排出ガス貯蔵部の容積を小さくすることもできる。

上記目的を達成するため本発明は、アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給することで発電する燃料電池と、前記アノード極に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記カソード極からの排出ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する排出ガス貯蔵部と、を備えた燃料電池システムを対象とし、燃料電池システムの停止指令後、前記アノード極への新たな燃料ガスの供給及び前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断する停止後遮断工程（例えば、後述の図２のＳ１及びＳ２）と、前記停止後遮断工程によりガスの供給及び排出が遮断された状態で燃料電池による発電を継続する発電継続工程（例えば、後述の図２のＳ３からＳ１２）と、当該発電継続工程中に前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを排出ガス貯蔵部に貯蔵する排出ガス貯蔵工程（例えば、後述のＳ５からＳ１０）と、前記発電継続工程後に前記排出ガス貯蔵部内に貯蔵されたガスを前記燃料ガス供給流路内に導入する排出ガス導入工程（例えば、後述のＳ１３からＳ１７）と、を備える停止方法を提供する。

本発明によれば、システムの停止指令後、発電を継続している間に酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを不活性ガスとして排出ガス貯蔵部に貯蔵しておき、この不活性ガスを、発電の終了後であり負圧となっている燃料ガス供給流路へ導入する。これにより、システム停止中にアノード極内の水素と酸素が混在することによる劣化や、両極が酸化剤ガスで満たされた状態でシステムを再起動することによる劣化を防止することができる。
本発明によれば、不活性ガスを生成するための装置を新たに設ける必要がなく、また上述のような窒素ボンベと比較して小型化に対する効果も大きい。さらに、本発明によれば、負圧を利用して不活性ガスを導入できるので、アノード極側の圧力に抗して排出ガス貯蔵部のガスを供給するためのポンプなどの装置も特別に必要となることはない。

この場合、前記停止後遮断工程は、前記燃料ガス供給流路内の圧力が所定の圧力まで高くなった場合に、前記供給及び排出を遮断することが好ましい。

本発明によれば、発電を継続するとアノード極側の圧力が徐々に低下するところ、新たな燃料ガスの供給を遮断する際に十分な圧力を確保しておくことにより、発電の終了時におけるアノード極内の圧力が、燃料電池が損傷する程度にまで低下するのを防止できる。

この場合、前記発電継続工程を開始してから前記排出ガス貯蔵工程を開始するまでの間に、前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスをシステム外に排出する排出工程（例えば、後述の図２のＳ３からＳ４）をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、酸化剤ガス排出流路内のガスの窒素濃度が比較的低いと考えられる発電継続工程の開始直後は、酸化剤ガス排出流路内のガスを排出ガス貯蔵部に貯蔵せずにシステム外へ排出することにより、排出ガス貯蔵部には窒素濃度の高い不活性ガスを貯蔵できる。

この場合、前記排出ガス導入工程は、前記アノード極の圧力がカソード極の圧力とほぼ等しくなったことに応じて前記排出ガス貯蔵部内のガスの導入を停止することが好ましい。

本発明によれば、アノード極の圧力とカソード極の圧力とがほぼ等しくなるまで排出ガス貯蔵部内の不活性ガスを導入することにより、システムの停止中に、燃料電池内の電解質膜に差圧が生じ、負担がかかることを防止できる。

本発明の第１実施形態に係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。 上記実施形態に係る燃料電池システムの停止処理の手順を示すフローチャートである。 上記停止処理のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係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１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１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１は、燃料電池スタック１０と、この燃料電池スタック１０に水素ガスを供給する水素供給装置２０と、エアを供給するエア供給装置３０と、エア供給装置３０と水素供給装置２０とを接続するＮ２貯蔵装置５０と、燃料電池スタック１０から排出されたガスを希釈してシステム外に排出する希釈器４０と、水素供給装置２０、エア供給装置３０及びＮ２貯蔵装置５０を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６０と、を含んで構成される。この燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０で発電した電力を利用してモータを駆動し、走行する燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という）１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード極（陰極）及びカソード極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック１０は、アノード電極側に形成されたアノード流路に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路に酸化剤ガスとしてのエアが供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

水素供給装置２０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク２１と、スタック１０のアノード流路に供給される水素ガスが通流する水素供給管２２と、アノード流路からの排出ガスが通流する水素還流管２３と、を備える。水素供給管２２には、水素タンク２１側からスタック１０側へ向かって順に、水素遮断弁２４及びエゼクタ２５が設けられている。水素遮断弁２４は、水素タンク２１からスタック１０への新たな水素ガスの供給を遮断する。エゼクタ２５は、アノード流路から水素還流管２３に排出された含水素ガスを回収し、水素タンク２１から供給された水素ガスとともに水素供給管２２に還流する。すなわち、水素供給管２２のうち水素遮断弁２４からスタック側と、スタック１０のアノード流路と、水素還流管２３とにより、含水素ガスが循環する水素循環系が構成される。

また、水素還流管２３には、水素循環系内のガスをシステム外へ排出するための水素パージ管２６と、水素循環系内の水分をシステム外へ排出するためのドレン管２７とが、分岐して設けられている。これらの配管２６，２７は、それぞれ後述の希釈器４０に接続されている。また、これら配管２６，２７には、それぞれ水素パージ弁２８及びドレン弁２９が設けられている。したがって、これらの弁２８，２９を開くことにより、水素循環系内の不純物を含んだガスや水分は希釈器４０を介してシステム外へ排出され、閉じることにより水素循環系内からのガスのシステム外への排出は遮断される。

エア供給装置３０は、エアを圧縮するエアポンプ３１と、エアポンプ３１からスタック１０のカソード流路に供給されるエアが通流するエア供給管３２と、カソード流路からの排出ガスが通流するエア排出管３３と、エア排出管３３を通流するガスに含まれる水分を回収し、この水分でエア供給管３２内のエアを加湿する加湿器３４と、エア排出管３３のうち加湿器３４より下流側に設けられカソード流路の圧力を調整するカソード背圧弁３５と、を備える。

Ｎ２貯蔵装置５０は、エア排出管３３のうち加湿器３４とカソード背圧弁３５の間と、水素供給管２２のうちエゼクタ２５とスタック１０の間と、を接続する管状のＮ２貯蔵部５１と、エア排出管３３から水素供給管２２に至るＮ２貯蔵部５１のうち水素供給管２２側から分岐し希釈器４０に至るＮ２パージ管５２と、を備える。Ｎ２パージ管５２には、Ｎ２パージ弁５５が設けられている。

Ｎ２貯蔵部５１のうち、エア排出管３３側にはエア排出管３３からＮ２貯蔵部５１へのガスの流入を遮断するＮ２導入弁５３が設けられ、水素供給管２２側にはＮ２貯蔵部５１から水素供給管２２へのガスの流入を遮断するアノード掃気弁５４が設けられている。このように、両端にＮ２導入弁５３及びアノード掃気弁５４を設けることにより、Ｎ２貯蔵部５１のうちこれらの弁５３，５４で区画された領域内に、カソード流路からエア排出管３３内に排出された窒素濃度の高い排出ガスを不活性ガスとして貯蔵することができる。

なお、後に詳述するように、システムの停止処理では、負圧となった水素供給管２２内に、Ｎ２貯蔵部５１内に貯蔵された不活性ガスを導入し、このガスで水素循環系を満たすことから、このＮ２貯蔵部５１の容積は、水素循環系の容積に比例して大きくなるようにすることが好ましい。

希釈器４０は、エア排出管３３を介して導入されたガスや後述のＮ２パージ管５２を介して導入されたガスを希釈ガスとし、この希釈ガスにより、水素パージ弁２８又はドレン弁２９の開弁時に水素パージ管２６又はドレン管２７を介して排出された含水素ガスを希釈した後、システム外に排出する。

ＥＣＵ６０には、水素遮断弁２４、水素パージ弁２８、ドレン弁２９、エアポンプ３１、カソード背圧弁３５、Ｎ２導入弁５３アノード掃気弁５４及びＮ２パージ弁５５などの装置を駆動するためのコントローラが接続されており、これら装置はＥＣＵ６０からの制御信号に基づいて作動する。また、ＥＣＵ６０には、システムの運転開始又は停止を指令するためのイグニッションスイッチ６１が接続されている。

＜システムの運転方法＞
以上のように構成された燃料電池システムにおける運転方法（通常発電）について説明する。
スタック１０で発電させるためには、水素遮断弁２４を開くとともにエアポンプ３１を駆動し、スタック１０のアノード流路に水素タンク２１からの水素ガスを供給し、カソード流路にはエアを供給する。ここで、発電中におけるカソード流路の圧力（以下、「カソード圧」という）は、カソード背圧弁３５の開度を調整することによって制御され、アノード流路の圧力（以下、「アノード圧」という）は、水素供給管２２に設けられたレギュレータ（図示せず）により、カソード圧に応じて調整されるようになっている。
また、発電を継続することで水素循環系内に排出された不純物や生成水は、適宜水素パージ弁２８やドレン弁２９を開弁させることにより、希釈器４０を介してシステム外に排出される。

＜システムの停止方法＞
次に、燃料電池システムの運転を停止させる方法について説明する。
図２は、システムの停止処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、上述のようにシステムを運転している間にイグニッションスイッチがオフにされたこと、すなわち、ＥＣＵが燃料電池システムを停止させる指令（以下、単に「停止指令」という）を受信したことに応じて開始する。

先ずＳ１では、水素パージ弁及びドレン弁が開いている場合にはこれらを閉じ、Ｓ２に移る。これにより、これ以降の水素循環系内のガスのシステム外への排出が遮断され、アノード圧が上昇する。Ｓ２では、アノード圧が所定のディスチャージ必要圧力より高くなるのを待ってから、水素遮断弁を閉じ、Ｓ３に移る。これにより、これ以降の水素循環系内への新たな水素ガスの供給も遮断される。

Ｓ３では、新規の水素ガスの供給停止と合わせて、エアポンプの回転数を所定のディスチャージ時回転数まで低下させ、エアの流量を通常発電時よりも低減するとともに、カソード背圧弁を閉側（ほぼ全閉）に調整し、Ｓ４に移る。これにより、水素ガスの供給及び排出が遮断された状態、すなわち、水素循環系内に残留する水素ガスと低流量のエアの供給の下で、スタックの発電を継続する。

なお、この水素循環系内に残留する水素と低流量のエアの供給の下でのスタックの発電を、以下では「ディスチャージ発電」という。このディスチャージ発電においてスタックで発電された電力は、エアポンプの駆動やバッテリの蓄電に用いられる他、図示しないディスチャージ抵抗において消費される。

また、このＳ３においてディスチャージ発電を開始した後は、水素循環系内の水素の消費により、アノード圧及びセル電圧ともに徐々に低下する。そこで、以下の処理では、アノード圧、セル電圧、又は時間をディスチャージ発電の進行度合いの目安となるパラメータとして用いる。

Ｓ４では、セル電圧が所定の電圧Ｖ０以下まで低下したか否か、アノード圧が所定の圧力Ｐ０以下まで低下したか否か、又はディスチャージ発電の開始から所定の時間Ｔ０経過したか否か、を判別する。この判別において、何れもＮＯである場合には、同じ状態で引き続きディスチャージ発電を継続する。

Ｓ４において何れかがＹＥＳである場合には、ディスチャージ発電がある程度進行したと判定されたことに応じて、Ｓ５に移る。Ｓ５では、エア排出流路内の不活性ガスをＮ２貯蔵部内に貯蔵するべくＮ２導入弁を開き、Ｓ６では、Ｎ２パージ弁を開く。これにより、Ｎ２貯蔵部内に残留しているガスを、エア排出管から導入された不活性ガスとともに希釈器を介してシステム外へ排出する。すなわち、Ｎ２貯蔵部内のガスを不活性ガスで置換する。このように、ディスチャージ発電がある程度進行し、エア排出管内のガスの窒素濃度が高くなるまで（Ｓ４の判別がＹＥＳとなるまで）は、Ｎ２導入弁を閉じておき、エア排出管内のガスはＮ２貯蔵部に導入せずに、カソード背圧弁を介してシステム外に排出する。

Ｓ７では、セル電圧が所定の電圧Ｖ１以下まで低下したか否か、アノード圧が所定の圧力Ｐ１以下まで低下したか否か、又はディスチャージ発電の開始から所定の時間Ｔ１経過したか否か、を判別する。ここで、上記閾値Ｖ１及びＰ１は、何れもＳ４における閾値Ｖ０及びＰ０よりも小さな値に設定され、閾値Ｔ１は、Ｓ４における閾値Ｔ０よりも大きな値に設定される。Ｓ７において何れもＮＯであると判定された場合には、Ｎ２貯蔵部内のガスの置換をさらに継続する。

Ｓ７において何れかがＹＥＳであると判定された場合には、すなわちＳ６においてＮ２貯蔵部内のガスの置換を開始してから、ディスチャージ発電がさらに進行したと判定された場合には、Ｎ２貯蔵部内のガスが十分に置換されたものと判断し、換言すればＮ２貯蔵部内のガスの酸素濃度も十分に低くなったものと判断し、Ｓ８に移る。Ｓ８では、Ｎ２パージ弁を閉じ、Ｓ９に移る。これにより、Ｎ２貯蔵部内のガスのシステム外への排出が停止され、Ｎ２貯蔵部内への不活性ガスの充填が開始する。

Ｓ９では、Ｎ２パージ弁を閉じてから所定時間経過したか否かを判別する。Ｓ９の判別がＹＥＳである場合には、Ｎ２貯蔵部内に十分な量の不活性ガスが充填されたと判断し、Ｓ１０に移りＮ２導入弁を閉弁した後、Ｓ１１に移る。Ｓ９の判別がＮＯである場合には、引き続きＮ２導入弁を開いたままにし、Ｎ２貯蔵部内への不活性ガスの充填を継続する。

Ｓ１１では、セル電圧が所定の電圧Ｖ２以下まで低下したか否か、アノード圧が所定の圧力Ｐ２以下まで低下したか否か、又はディスチャージ発電の開始から所定の時間Ｔ２経過したか否か、を判別する。ここで、上記閾値Ｖ２及びＰ２は、何れもＳ７における閾値Ｖ１及びＰ１よりも小さな値に設定され、閾値Ｔ２は、Ｓ７における閾値Ｔ１よりも大きな値に設定される。Ｓ１１において何れもＮＯであると判定された場合には、引き続きディスチャージ発電を継続する。Ｓ１１において何れかがＹＥＳであると判定された場合には、Ｓ１２に移り、エアポンプの回転数を“０”にし、エアの供給を完全に停止することにより、ディスチャージ発電を終了し、Ｓ１３に移る。

Ｓ１３ではアノード掃気弁を開き、続くＳ１４ではＮ２導入弁も開き、Ｓ１５に移る。これにより、水素供給管、Ｎ２貯蔵部、エア排出管が連通し、Ｎ２貯蔵部内の不活性ガスは、Ｓ３からＳ１１に亘ってディスチャージ発電を継続することにより負圧となった水素循環系内に導入され、アノード圧は、大気圧とほぼ等しいカソード圧と平衡になるまで上昇し始める。

Ｓ１５では、アノード圧とカソード圧とが平衡になったか否かを判別する。このＳ１５の判別は、図示しない圧力センサの出力に基づいて直接的に判定してもよいが、上述のように、アノード圧とカソード圧とは速やかに平衡状態に近づくと考えられることから、Ｓ１４においてＮ２導入弁を開いてから経過した時間に基づいて間接的に判定してもよい。Ｓ１５における判別がＮＯである場合には、アノード圧がカソード圧と等しくなったと判断できるまで、アノード掃気弁及びＮ２導入弁を開き続ける。

Ｓ１５における判別がＹＥＳである場合には、水素循環系への不活性ガスの導入が完了したと判断し、Ｓ１６に移りアノード掃気弁を閉じ、続くＳ１７ではＮ２導入弁も閉じ、この停止処理を終了する。

次に、以上のような停止処理について、図３のタイムチャートを参照して説明する。図３には、エアポンプからカソード極に供給されるエアの質量流量［ｇ／ｓ］、カソード背圧弁の開度［ｄｅｇ］、カソード圧［ｋＰａｇ］及びアノード圧［ｋＰａｇ］の他、水素遮断弁、水素パージ弁、ドレン弁、Ｎ２導入弁、Ｎ２パージ弁、アノード掃気弁の開閉状態を示す。また、図３には、ｔ０においてイグニッションスイッチがオフにされた場合を説明する。

先ずｔ０では、イグニッションスイッチがオフにされたことに応じて、水素パージ弁及びドレン弁はともに閉弁され、水素循環系内のガスの排出が遮断される（Ｓ１参照）。その後、排出を遮断することによってアノード圧が上昇し、ｔ１においてディスチャージ必要圧まで上昇したことに応じて水素遮断弁が閉弁され、新たな水素ガスの供給が停止される（Ｓ２参照）。また、ｔ１では、この水素遮断弁の閉弁と合わせて、エアポンプの回転数が低減されるとともにカソード背圧弁の開度が閉側に制御され、エア流量及びカソード圧が減少する（Ｓ３参照）。これにより、ｔ１以降、低流量のエアの下でのディスチャージ発電が開始し、アノード圧は徐々に減少する。なお、水素遮断弁を閉弁するタイミングを判断するためのディスチャージ必要圧は、ディスチャージ発電の終了時（時刻ｔ５参照）におけるアノード圧が、スタックを保護するために定められた守り切り圧を下回らないようにするために設定される閾値である。

ｔ１においてディスチャージ発電を開始した後、ｔ２では、ディスチャージがある程度進行することによりスタックから排出されるガスの窒素濃度が十分に上昇したと判断されたことに応じて、Ｎ２導入弁及びＮ２パージ弁が開弁され、これによりＮ２貯蔵部内の不活性ガスによる置換が開始する（Ｓ４〜Ｓ６参照）。その後、ｔ３ではＮ２貯蔵部内が十分に置換されたと判断されたことに応じて、Ｎ２パージ弁のみ閉弁され、これによりＮ２貯蔵部内への不活性ガスの充填が開始する（Ｓ７〜Ｓ８参照）。このＮ２の充填を開始してから、所定時間が経過した時刻ｔ４では、Ｎ２導入弁も閉弁され、これによりＮ２貯蔵部内には、ディスチャージ発電中にスタックから排出された不活性ガスが封じ込められる（Ｓ９〜Ｓ１０参照）。

ｔ５では、ディスチャージ発電を終了する時期に達したと判断されたことに応じて（Ｓ１１参照）、エアポンプが停止される（Ｓ１２参照）。これにより、エア流量は“０”となり、カソード圧は大気圧まで低下する。さらにｔ５では、ディスチャージ発電を終了したことに応じて、Ｎ２導入弁及びアノード掃気弁がともに開弁される。これにより、Ｎ２貯蔵部内に貯蔵されていた不活性ガス、すなわちディスチャージ発電中にスタックから排出された不活性ガスが、ディスチャージ発電を行うことで負圧となったアノード極へ導入され（Ｓ１３〜Ｓ１４参照）、アノード圧は負圧の状態から大気圧とほぼ等しいカソード圧へ向けて上昇する。その後、ｔ６では、アノード圧が上昇し、アノード圧とカソード圧とがほぼ等しくなったと判断されたことに応じて、Ｎ２導入弁及びアノード掃気弁がともに閉弁され、不活性ガスの導入が停止される。これにより、アノード流路の不活性ガスによる置換が完了する。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態では、停止指令後、発電を継続している間にエア排出管に排出されたガスを、Ｎ２貯蔵部を介して、上記発電の終了後であり負圧となっている水素供給管へ導入する。これにより、アノード流路を水素濃度及び酸素濃度が低く窒素濃度の高い不活性ガスで満たし、かつ水素供給管及び水素還流管を封止した状態でシステムを停止させることができるため、システム停止中にアノード流路内の水素と酸素が混在することによる劣化や、両極がエアで満たされた状態でシステムを再起動することによる劣化を防止することができる。
また、アノード流路を満たす不活性ガスは、エア排出管から負圧を利用して導入したものであるため、カソード流路もアノード流路と同じ不活性ガスで満たした状態でシステムを停止させることができる。すなわち、アノード流路及びカソード流路をともに不活性ガスで満たした状態にすることにより、残留ガスによる反応が殆ど進行することがないので、アノード流路のみを不活性ガスで満たした場合よりも効果的に劣化を抑制できる。
なお、アノード流路の不活性ガスによる置換の完了後（図３中、ｔ６以降）は、カソード流路側に満たされていた不活性ガスは徐々にシステム外に排出され、最終的には酸素濃度の高いエアで置換されることとなる。しかしながらこのような場合であっても、カソード極側の不活性ガスがエアで置換されるまでの間は、上述のように特に効果的に劣化が抑制された状態が維持されることは言うまでもないが、不活性ガスがエアで置換された後も、アノード流路側が不活性ガスで満たされた状態が維持されている限り、劣化を抑制する効果が損なわれることはない。
また、本発明によれば、停止指令後に発電を継続している間にカソード流路から排出されたガスを不活性ガスとして流用するので、不活性ガスを生成するための装置を新たに設ける必要がない。特に、上述のようなディスチャージ発電時、すなわち水素ガスの供給及び排出を遮断しかつ極低流量のエアの供給のもとでの発電時におけるスタックからエア排出管へ排出されるガスの酸素濃度は、通常発電時と比較して十分に低く不活性ガスとして適格であることが検証されている。また、停止のために必要な量の不活性ガスは、発電を継続することで排出されたガスをその都度流用すればよいため、Ｎ２貯蔵部の容積は、１回の停止に必要な量に相当する大きさを確保できればよいので、窒素ボンベを用いた場合と比較して小型化に対する効果も大きい。
また、ガスの供給及び排出を遮断した状態、すなわち水素循環系を閉じた状態で発電を継続することにより、継続発電の終了時におけるアノード圧はカソード圧よりも十分に低くなっている。したがって、Ｎ２貯蔵部を介して上記不活性ガスを導入する際には、この負圧を利用できるので、アノード圧に抗してＮ２貯蔵部のガスを供給するためのポンプなどの装置も特別に必要となることはない。

（２）本実施形態では、Ｎ２貯蔵部を介して不活性ガスをアノード流路側に導入する際、Ｎ２貯蔵部内のガスの酸素濃度が所定濃度以下であると判定されるまで、Ｎ２貯蔵部内に残留していたガスを、エア排出管から導入されたガスとともにＮ２パージ流路を介してシステム外に排出する。これにより、Ｎ２貯蔵部内には酸素濃度が十分に低い不活性ガスのみが貯蔵されるようにし、アノード流路側に酸素が導入されないようにできる。

（３）本実施形態では、アノード掃気弁を閉じた状態で不活性ガスをＮ２貯蔵部に充填しておき、ディスチャージ発電が終了したことに応じてアノード掃気弁を開き、Ｎ２貯蔵部内の不活性ガスを水素供給管内に導入する。このように、水素供給管内にガスを導入するまで、アノード掃気弁を閉じ、水素供給管とＮ２貯蔵部とを遮断した状態にすることにより、アノード掃気弁を開くまでに水素供給管内とＮ２貯蔵部との間に圧力差を生じさせることができるので、新たな装置を用いることなく短時間で不活性ガスを導入することができる。

（４）本実施形態では、システムの停止指令後、アノード圧がディスチャージ必要圧より高くなってから水素遮断弁を閉じることにより、ディスチャージ発電の終了時におけるアノード圧が、燃料電池が損傷する程度にまで低下するのを防止できる。

（５）本実施形態によれば、エア排出管内のガスの窒素濃度が比較的低いと考えられるディスチャージ発電の開始直後は、エア排出管内のガスをＮ２貯蔵部に貯蔵せずにシステム外へ排出することにより、Ｎ２貯蔵部には窒素濃度の高い不活性ガスを貯蔵できる。

（６）本実施形態によれば、アノード圧とカソード圧とがほぼ等しくなるまでＮ２貯蔵部内の不活性ガスを導入することにより、システムの停止中に、スタック内の電解質膜に差圧が生じ、負担がかかることを防止できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、Ｎ２貯蔵装置５０Ａの構成が第１実施形態と異なる。より具体的には、本実施形態のＮ２貯蔵装置５０Ａは、エア排出管３３内のガスを圧縮してＮ２貯蔵部５１内に供給する圧縮機５６Ａをさらに備える点が、上記第１実施形態と異なる。
以上のようなＮ２貯蔵装置５０Ａを備える燃料電池システム１Ａにおいて、ＥＣＵ６０Ａは、停止処理では、Ｎ２導入弁５３の開弁と同じタイミングで圧縮機５６Ａを駆動し、エア排出管３３内のガスをＮ２貯蔵部５１内に圧縮する。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（７）本発明によれば、圧縮機を用いてエア排出管内のガスをＮ２貯蔵部内に充填することにより、水素循環系に導入するための十分な量の不活性ガスをＮ２貯蔵部内に貯蔵しておくことができる。また、このような圧縮機を用いることにより、Ｎ２貯蔵部の容積を小さくすることもできる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、発電中にカソード流路から排出された不活性ガスを貯蔵するＮ２貯蔵部５１として、管状のものを用いたが、本発明はこれに限るものではない。Ｎ２貯蔵部の形状は、不活性ガスを効率的に貯蔵できるものであればどのような形状であってもよい。また、十分な容積を確保するため、Ｎ２貯蔵部に箱状のバッファを設けてもよい。

１，１Ａ…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２２…水素供給管（燃料ガス供給流路）
２３…水素還流管（燃料ガス排出流路）
２４…水素遮断弁（供給遮断弁）
２８…水素パージ弁（排出遮断弁）
２９…ドレン弁（排出遮断弁）
３２…エア供給管（酸化剤ガス供給流路）
３３…エア排出管（酸化剤ガス排出流路）
４０…希釈器
５０，５０Ａ…Ｎ２貯蔵装置
５１…Ｎ２貯蔵部（排出ガス貯蔵部）
５２…Ｎ２パージ管（排出ガスパージ流路）
５４…アノード掃気弁（アノード掃気弁）
５６Ａ…圧縮機
６０，６０Ａ…ＥＣＵ（停止後遮断手段、排出ガス導入手段、発電継続手段、酸素濃度判定手段）

Claims (9)

1. アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給することで発電する燃料電池と、
   前記アノード極に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記カソード極に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
   前記アノード極からの排出ガスが通流する燃料ガス排出流路と、
   前記カソード極からの排出ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する排出ガス貯蔵部と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記アノード極への新たな燃料ガスの供給を遮断する供給遮断弁と、
   前記燃料ガス排出流路に設けられ、前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断する排出遮断弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   燃料電池システムの停止指令後、前記供給遮断弁及び前記排出遮断弁によりガスの供給及び排出をともに遮断する停止後遮断手段と、
   前記停止後遮断手段によりガスの供給及び排出が遮断された状態で燃料電池による発電を継続する発電継続手段と、
   前記発電継続手段により発電を継続している間に前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを、前記発電継続手段による発電が終了した後に、前記排出ガス貯蔵部を介して前記燃料ガス供給流路内に導入する排出ガス導入手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排出ガス貯蔵部から分岐し、システム外へ連通する排出ガスパージ流路と、
   前記排出ガス貯蔵部内のガスの酸素濃度が所定値以上であるか否かを判定する酸素濃度判定手段と、をさらに備え、
   前記排出ガス導入手段は、前記酸素濃度が所定濃度以下であると判定されるまでは、前記排出ガスパージ流路を介して前記排出ガス貯蔵部内のガスを、前記酸化剤ガス排出流路から導入されたガスとともにシステム外へ排出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. 前記排出ガス貯蔵部と前記燃料ガス供給流路とを接続する流路に設けられたアノード掃気弁をさらに備え、
   前記排出ガス導入手段は、前記アノード掃気弁を閉じた状態で前記排出ガス貯蔵部内に排出ガスを充填し、所定の条件が満たされたことに応じて前記アノード掃気弁を開き当該排出ガス貯蔵部内のガスを前記燃料ガス供給流路内に導入することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記停止後遮断手段は、燃料電池システムの停止指令が入力に応じて前記排出遮断弁により前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断した後、前記燃料ガス供給流路内の圧力が所定の圧力より高くなってから、前記供給遮断弁により前記アノード極への新たな燃料ガスの供給を遮断することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガス排出流路内のガスを圧縮して前記排出ガス貯蔵部に供給する圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池システム。
6. アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給することで発電する燃料電池と、
   前記アノード極に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記カソード極からの排出ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを接続する排出ガス貯蔵部と、を備えた燃料電池システムの停止方法であって、
   燃料電池システムの停止指令後、前記アノード極への新たな燃料ガスの供給及び前記アノード極からの排出ガスのシステム外への排出を遮断する停止後遮断工程と、
   前記停止後遮断工程によりガスの供給及び排出が遮断された状態で燃料電池による発電を継続する発電継続工程と、
   当該発電継続工程中に前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスを排出ガス貯蔵部に貯蔵する排出ガス貯蔵工程と、
   前記発電継続工程後に前記排出ガス貯蔵部内に貯蔵されたガスを前記燃料ガス供給流路内に導入する排出ガス導入工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
7. 前記停止後遮断工程は、前記燃料ガス供給流路内の圧力が所定の圧力まで高くなった場合に、前記供給及び排出を遮断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の停止方法。
8. 前記発電継続工程を開始してから前記排出ガス貯蔵工程を開始するまでの間に、前記酸化剤ガス排出流路に排出されたガスをシステム外に排出する排出工程をさらに備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システムの停止方法。
9. 前記排出ガス導入工程は、前記アノード極の圧力がカソード極の圧力とほぼ等しくなったことに応じて前記排出ガス貯蔵部内のガスの導入を停止することを特徴とする請求項６から８の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。

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