JP2017216060A - 燃料電池システム及びその運転停止方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】酸素消費処理に異常がある場合に燃料電池の劣化を防止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。【解決手段】燃料電池システム１０Ａの運転停止方法では、燃料電池スタック１２の運転停止指令を取得した際に、燃料電池スタック１２の発電を継続させて燃料電池スタック１２のカソード系に残存する酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する。酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の出力電圧値、出力電流値、又は出力電力値に基づいて酸素消費処理の異常の有無を判定し、酸素消費処理に異常がある場合に酸素消費処理を停止する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のアノード側に供給された燃料ガスと燃料電池のカソード側に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システム及びその運転停止方法に関する。
この種の燃料電池システムの運転停止時には、燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止される。この際、燃料電池のカソード側（燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスを導くための酸化剤ガス流路）には、酸化剤ガスが残留している。燃料電池のカソード側に酸化剤ガス中の酸素が残留したまま放置されると、燃料電池を構成する触媒が劣化し、燃料電池の耐久性が低下することがある。
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止した状態で燃料電池の発電を継続させることにより燃料電池のカソード側の酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する技術的思想が開示されている。また、この燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧に基づいて燃料電池のカソード側の酸素が充分に消費されたか否かを判定している。
特開２０１３−１４９５３８号公報
ところで、例えば、燃料電池のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させるための開閉弁が故障していた場合、酸素消費処理中に酸化剤ガスが燃料電池のカソード側に流入することがある。
また、例えば、燃料電池システムを低温環境下で使用する場合、ＩＶ特性が比較的低いため、酸素消費処理中の燃料電池の出力電圧値が低下していたとしても、燃料電池のカソード側の酸素量が充分に低減されていないことがある。
このように、酸素消費処理が想定通りに行われていない状態（酸素消費処理に異常がある状態）で燃料電池の発電を継続させると、燃料電池の出力電流値又は出力電圧値が異常値となり燃料電池が劣化するおそれがある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、酸素消費処理に異常がある場合に燃料電池の劣化を防止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する。
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、前記燃料電池の運転停止指令を取得した際に、前記燃料電池の発電を継続させて前記燃料電池のカソード系に残存した前記酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する酸素消費処理工程と、前記酸素消費処理工程中の前記燃料電池の出力電圧値、出力電流値、又は出力電力値に基づいて前記酸素消費処理の異常の有無を判定する異常判定工程と、前記異常判定工程で前記酸素消費処理に異常があると判定された場合に前記酸素消費処理を停止する停止工程と、を行うことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法によれば、酸素消費処理に異常がある場合にその酸素消費処理を停止させるため、燃料電池のカソード側に想定よりも多い量の酸素が残存した状態で燃料電池の発電が継続されることはない。これにより、燃料電池の出力電流値又は出力電圧値が異常値となり燃料電池が劣化することを防止することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程は、前記出力電流値又は前記出力電力値の目標値を設定する目標値設定工程と、前記目標値が設定されてから所定の判定時間が経過するまでの間に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下した否かを判定する目標値判定工程と、を行い、前記判定時間内に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下していないと前記目標値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程は、前記出力電流値又は前記出力電力値の閾値を設定する閾値設定工程と、前記出力電流値又は前記出力電力値が前記閾値まで上昇したか否かを判定する閾値判定工程と、を行い、前記出力電流値又は前記出力電力値が前記閾値まで上昇したと前記閾値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程は、前記燃料電池の目標電圧値を設定する目標電圧値設定工程と、前記目標電圧値が設定されてから所定の電圧判定時間が経過するまでの間に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下したか否かを判定する目標電圧値判定工程と、を行い、前記電圧判定時間内に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下していないと前記目標電圧値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程は、前記出力電圧値の電圧閾値を設定する電圧閾値設定工程と、前記出力電圧値が前記電圧閾値まで上昇したか否かを判定する電圧閾値判定工程と、を行い、前記出力電圧値が前記電圧閾値まで上昇したと前記電圧閾値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記停止工程で前記酸素消費処理の実施が停止された場合、前記燃料電池に前記燃料ガスを投入し封入する燃料ガス封入制御を行わなくてもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理が停止され、燃料電池内の不活性状態を保てない状態で不要に燃料ガスが消費されることを抑えることができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記停止工程では、前記燃料電池の前記カソード系への前記酸化剤ガスの流入を止めるための開閉弁に対して開弁指令を出力することにより前記酸素消費処理の実施を停止してもよい。
このような方法によれば、燃料電池システムの運転停止が完了した状態で燃料電池のカソード側に不活性ガスが封止されていないことを容易に知ることができる。これにより、次回の燃料電池システムの起動を適切に行うことができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程では、前記酸素消費処理中の前記燃料電池の制御電圧値を段階的に下げて設定する制御電圧値設定工程を行ってもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理を簡便に制御することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記制御電圧値設定工程では、前記判定時間内に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下したと前記目標値判定工程で判定された場合に、前記制御電圧値よりも低い新たな制御電圧値を設定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理を簡便に制御しつつ酸素消費処理の異常を確実に判定することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記異常判定工程では、前記酸素消費処理中の前記燃料電池の制御電流値を段階的に下げて設定する制御電流値設定工程を行ってもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理を簡便に制御することができる。
上記の燃料電池システムの運転停止方法において、前記制御電流値設定工程では、前記電圧判定時間内に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下したと前記目標電圧値判定工程で判定された場合に、前記制御電流値よりも低い新たな制御電流値を設定してもよい。
このような方法によれば、酸素消費処理を簡便に制御しつつ酸素消費処理の異常を確実に判定することができる。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転停止指令を取得した際に、前記燃料電池の発電を継続させて前記燃料電池のカソード系に残存した前記酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する制御部本体と、前記酸素消費処理中における前記燃料電池の出力電圧値、出力電流値、又は出力電力値を取得する検出値取得部と、前記検出値取得部で取得された前記出力電圧値、前記出力電流値、又は前記出力電力値に基づいて前記酸素消費処理の異常の有無を判定する異常判定部と、を有し、前記制御部本体は、前記異常判定部で前記酸素消費処理に異常があると判定された場合に、前記酸素消費処理の実施を停止することを特徴とする。
本発明の燃料電池システムによれば、上述した燃料電池システムの運転停止方法と同様の作用効果を奏する。
本発明によれば、酸素消費処理に異常がある場合にその酸素消費処理の実施を停止するため、燃料電池のカソード側に想定よりも多い量の酸素が残存した状態で燃料電池の発電が継続されて燃料電池が劣化することを防止することができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示した概略構成説明図である。 図１の制御部を説明するブロック図である。 図１の燃料電池システムの運転停止方法を説明するフローチャートである。 図３の酸素消費処理の異常判定を説明するフローチャートである。 酸素消費処理が停止されることなく完了した例を示すタイミングチャートである。 酸素消費処理が停止された例を示す第１のタイミングチャートである。 酸素消費処理が停止された例を示す第２のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御部を説明するブロック図である。 図８に示す燃料電池システムの運転停止方法を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明に係る燃料電池システム及びその運転停止方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。
燃料電池システム１０Ａは、燃料電池スタック（燃料電池）１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給装置が設けられる。燃料電池システム１０Ａは、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを導くための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。
空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。
燃料電池スタック１２には、その出力電圧値Ｖを検出する電圧計４７が設けられている。燃料電池スタック１２と負荷４８との間の配線には、燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉを検出する電流計４９が設けられている。負荷４８としては、例えば、図示しない走行用モータ等が挙げられる。電圧計４７の検出値及び電流計４９の検出値は、制御部２２に送信される。
燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路（燃料ガス供給路）５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。
水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられている。インジェクタ５４は、水素ガス供給路５２を流れる燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁である。エゼクタ５６は、インジェクタ５４から導かれた水素ガスを利用して後述する水素循環流路６６の水素排ガス（燃料排ガス）を吸い込み、前記水素ガスに混合して下流側に吐出するものである。
燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。
水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路（酸化剤ガス供給路）８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を導く。
空気供給路８０は、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０のうちエアポンプ７８の下流側には、供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４が配設されている。
燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（酸化剤ガス排出路）９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気（酸化剤排ガス）を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部９３を構成する。
空気供給路８０と空気排出路９０とは、バイパス流路９４を介して互いに連通している。バイパス流路９４の一端は、空気供給路８０のうちエアポンプ７８と供給側開閉弁８２ａとの間の部位に接続され、バイパス流路９４の他端は、空気排出路９０のうち背圧弁９２よりも下流側に接続されている。
バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するバイパス流量調整弁９６が配設される。また、空気供給路８０と空気排出路９０とは、空気循環流路９８を介して互いに連通している。空気循環流路９８の一端は、空気供給路８０のうち供給側開閉弁８２ａと加湿器８４との間の部位に接続され、空気循環流路９８の他端は、空気排出路９０のうち加湿器８４と排出側開閉弁８２ｂとの間の部位に接続されている。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。
図２において、燃料電池システム１０Ａの制御部２２は、図示しない入出力インターフェース、プロセッサ及びメモリ１０２等によって構成される周知のコンピュータである。この制御部２２は、メモリ１０２に記憶されている図示しないプログラムをプロセッサが実行処理することで各種機能実現部として機能する。
制御部２２は、メモリ１０２、制御部本体１０４、制御電圧値設定部１０６、目標値設定部１０８、閾値設定部１１０、検出値取得部１１２、目標値判定部１１４、閾値判定部１１６、異常判定部１１８、タイマ１２０を有している。
制御部本体１０４は、インジェクタ５４、水素ポンプ６８、エアポンプ７８、供給側開閉弁８２ａ、排出側開閉弁８２ｂ、バイパス流量調整弁９６及び循環ポンプ１００の動作を制御する。本実施形態において、制御部本体１０４は、燃料電池スタック１２の運転停止指令を取得した際に、燃料電池スタック１２のカソード側（空気流路４０）への空気の供給を停止した状態で燃料電池スタック１２の発電を継続させることにより燃料電池スタック１２のカソード側の空気中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する。
制御電圧値設定部１０６は、酸素消費処理を実施する際の制御電圧値Ｖａを設定する。具体的には、制御電圧値設定部１０６は、予め燃料電池システム１０Ａの酸素消費処理を正常に実施したときの燃料電池スタック１２の出力電力値をメモリ１０２に記憶しておき、そのメモリ１０２に記憶されている出力電力値を参照して制御電圧値Ｖａを設定する。
目標値設定部１０８は、酸素消費処理中の目標電流値Ｉａを設定する。閾値設定部１１０は、酸素消費処理中の電流閾値Ｉｂを設定する。検出値取得部１１２は、電流計４９及び電圧計４７の検出値を定期的に受信してメモリ１０２に記憶させる。
目標値判定部１１４は、目標値設定部１０８により目標電流値Ｉａが設定されてから所定時間が経過するまでの間に出力電流値Ｉが目標電流値Ｉａまで低下したか否かを判定する。閾値判定部１１６は、出力電流値Ｉが閾値を超えたか否かを判定する。異常判定部１１８は、目標値判定部１１４の判定結果及び閾値判定部１１６の判定結果に基づいて酸素消費処理に異常があるか否かを判定する。
このように構成される燃料電池システム１０Ａの動作について、以下に説明する。
燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。そして、水素ガス供給路５２に導かれた水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガス入口４４ａに供給された水素ガスは、水素ガス流路３８に導入され、水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。
酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、水素排ガスとして水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。
同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿するとともに、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部９３に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。
次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの運転停止方法について、図３及び図４に示すフローチャート及び図５〜図７に示すタイミングチャートを参照しながら以下に説明する。なお、図５のタイミングチャートは酸素消費処理が停止されることなく完了した例を示し、図６及び図７のタイミングチャートは酸素消費処理が停止された例を示している。
また、燃料電池システム１０Ａの運転停止が開始される直前において、インジェクタ５４は開弁し、水素ポンプ６８は駆動し、エアポンプ７８は駆動し、供給側開閉弁８２ａ、排出側開閉弁８２ｂ及び背圧弁９２のそれぞれは開弁し、循環ポンプ１００は停止し、バイパス流量調整弁９６は閉弁しているものとする（図５参照）。
例えば、図３に示すように、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされて、燃料電池システム１０Ａの運転停止要求がなされると（ステップＳ１）、ステップＳ２において、酸素消費処理の準備工程が行われる（図５の時点ｔ１参照）。
酸素消費処理の準備工程では、制御部本体１０４は、循環ポンプ１００に対して駆動指令を出力するとともにバイパス流量調整弁９６に対して開弁指令を出力する。また、制御部本体１０４は、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂに対して開弁指令を出力する。これにより、エアポンプ７８から空気供給路８０に導かれた空気は、バイパス流路９４を介して希釈部９３に導かれる。つまり、エアポンプ７８から燃料電池スタック１２のカソード側への新たな空気の供給が停止される。
これにより、循環ポンプ１００の作用下に、空気流路４０から空気出口４６ｂを介して空気排出路９０に導かれた排出空気が、空気循環流路９８、空気供給路８０、空気入口４６ａを介して空気流路４０に循環される。
また、水素ポンプ６８の作用下に、水素ガス流路３８から水素ガス出口４４ｂを介して水素ガス排出路６２に導かれた水素排ガスが、水素循環流路６６、エゼクタ５６、水素ガス供給路５２、水素ガス入口４４ａを介して水素ガス流路３８に循環される。なお、この際、水素タンク５０の図示しない止め弁は開弁し、インジェクタ５４は駆動している。
そうすると、ステップＳ３において、水素ガス流路３８に沿って移動する水素排ガスと空気流路４０に沿って移動する空気中の酸素とが電気化学反応により消費されて発電が継続され、燃料電池スタック１２の空気流路４０中の酸素を消費させる酸素消費処理が開始される（図５の時点ｔ２参照）。
続いて、ステップＳ４において、異常判定部１１８は、酸素消費処理の異常判定制御を行う。具体的には、図４のステップＳ２０において、制御電圧値設定部１０６は、酸素消費処理を実施する際の燃料電池スタック１２の制御電圧値Ｖａを設定する（制御電圧値設定工程）。この際、制御電圧値設定部１０６は、メモリ１０２に記憶されている出力電力値を参照して制御電圧値Ｖａを設定する。
すなわち、制御部２２は、燃料電池スタック１２を制御電圧値設定部１０６で設定された制御電圧値Ｖａで定電圧制御する。そうすると、燃料電池スタック１２が制御電圧値Ｖａで定電圧制御された状態で酸素消費処理によって発電が継続されるため、出力電流値Ｉ及び出力電力値が低下する。
次に、ステップＳ２１において、目標値設定部１０８は、制御電圧値設定部１０６で設定された制御電圧値Ｖａに基づいて酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の目標電流値Ｉａを設定する（目標値設定工程）。また、ステップＳ２２において、タイマ１２０は、目標値設定部１０８で目標電流値Ｉａが設定されてからの経過時間ｔを計測する。
さらに、ステップＳ２３において、閾値設定部１１０は、制御電圧値設定部１０６で設定された制御電圧値Ｖａに基づいて酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の電流閾値Ｉｂを設定する（閾値設定工程）。
そして、ステップＳ２４において、目標値判定部１１４は、目標電流値Ｉａが設定されてから所定の判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉが目標値設定部１０８で設定された目標電流値Ｉａまで低下したか否かを判定する（目標値判定工程）。
目標電流値Ｉａが設定されてから判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉが目標電流値Ｉａまで低下したと目標値判定部１１４で判定された場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ、図５の時点ｔ３参照）、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、閾値判定部１１６は、燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉが閾値設定部１１０で設定された電流閾値Ｉｂまで上昇したか否かを判定する（閾値判定工程）。
燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉが電流閾値Ｉｂまで上昇していないと閾値判定部１１６で判定された場合（ステップＳ２５：ＮＯ）、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、制御部２２は、出力電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｂ以下であるか否かを判定する。
ステップＳ２６において、出力電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｂよりも高いと制御部２２によって判定された場合、ステップＳ２０以降の処理が行われる。２回目以降に行われるステップＳ２０では、制御電圧値設定部１０６は、今回設定する制御電圧値Ｖａを前回設定された制御電圧値Ｖａよりも低くする（例えば、図５の時点ｔ４参照）。すなわち、制御電圧値設定部１０６は、制御電圧値Ｖａを段階的に下げて設定する。なお、図５では、１回目に設定された制御電圧値ＶａをＶａ１で示し、２回目に設定された制御電圧値ＶａをＶａ２で示している。
ステップＳ２６において、出力電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｂ以下であると制御部２２で判定された場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常がないと判定する。
このように、異常判定制御で酸素消費処理に異常がないと判定された場合（図３のステップＳ５：ＹＥＳ）、ステップＳ６において、制御部本体１０４は、酸素消費処理を停止させる。具体的には、制御部本体１０４は、循環ポンプ１００の駆動を停止させる（図５の時点ｔ５参照）。これにより、ステップＳ７において、燃料電池スタック１２の発電が停止される。なお、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂは閉弁されている。
このとき、空気供給路８０における供給側開閉弁８２ａよりも下流側、空気入口４６ａ、空気流路４０、空気出口４６ｂ、空気排出路９０における排出側開閉弁８２ｂよりも上流側、及び空気循環流路９８（これら流路をまとめて「酸素消費流路（カソード系）１２２」と称することがある。）には、酸素が消費されることによって窒素（不活性ガス）が封止されている。
また、酸素消費流路１２２は負圧になっている場合があり、例えば、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂを介して酸素を含んだ空気が酸素消費流路１２２内に流入する可能性がある。そのため、ステップＳ８において、酸素消費流路１２２内に水素ガスを投入し封入する水素ガス封入制御が行われる。具体的には、制御部本体１０４は、バッテリ２０の電力によってインジェクタ５４を駆動させて燃料電池スタック１２の水素ガス流路３８に水素ガスを供給する。この際、水素タンク５０の図示しない止め弁は、開弁していても閉弁していてもよい。すなわち、止め弁が開弁している場合は、水素タンク５０から水素ガス流路３８に新たな水素ガスが供給される。一方、止め弁が閉弁している場合は、水素ガス供給路５２における水素タンク５０及びインジェクタ５４の間に残存している水素ガスが水素ガス流路３８に供給される。
そうすると、水素ガス流路３８の水素ガスが電解質膜・電極構造体２６を介して空気流路４０に導かれ（クロスオーバーし）、酸素消費流路１２２内に水素ガスが封入される。これにより、酸素消費流路１２２を不活性状態に維持することができる。水素ガス封入制御が完了すると、制御部本体１０４は、インジェクタ５４、水素ポンプ６８、エアポンプ７８及びバイパス流量調整弁９６の駆動を停止させる（図５の時点ｔ６参照）。この段階で、燃料電池スタック１２の運転停止が完了する。
なお、このような水素ガス封入を行ってから所定時間が経過すると、例えば、酸素消費流路１２２内の水素ガスが供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂ等を介して外部に漏出し、その結果、酸素消費流路１２２（燃料電池スタック１２の空気流路４０）内が大気圧又は負圧になることがある。また、燃料電池スタック１２の水素ガス流路３８内の水素ガスがパージ弁７２を介して外部に漏出し、その結果、燃料電池システム１０Ａのアノード側（水素ガス流路３８）が負圧になることもある。そのため、ステップＳ８の水素ガス封入制御は、定期的に行われる。
図４のステップＳ２４において、目標電流値Ｉａが設定されてから判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉが目標電流値Ｉａまで低下しなかったと目標値判定部１１４で判定された場合（図６の時点ｔ３参照）、ステップＳ２８に進み、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常があると判定する。
このような異常は、例えば、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂの少なくとも一方が故障し、外部の空気が酸素消費流路１２２内に流入している場合に生じ得る。また、このような異常は、例えば、燃料電池システム１０Ａが低温環境下で使用されている場合にも生じ得る。低温環境下ではＩＶ特性が比較的低くなるため、酸素消費流路１２２内の酸素消費量が想定よりも少なくなり、出力電流値Ｉが比較的高くなる。このような異常が生じた状態で酸素消費処理を継続したとしても、酸素消費流路１２２内の酸素を想定通りに消費させることができない。
このように、異常判定制御で酸素消費処理に異常があると判定された場合（図３のステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ９において、制御部本体１０４は、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂのそれぞれに対して開弁指令を出力することにより酸素消費処理を停止させる。この場合、酸素消費処理が停止されたことを示す情報をメモリ１０２に記憶させ、次回の燃料電池システム１０Ａの起動時に酸素消費処理が停止されたことをユーザに報知する。
また、このとき、制御部本体１０４は、インジェクタ５４、水素ポンプ６８、エアポンプ７８及び循環ポンプ１００に対して駆動停止指令を出力するとともにバイパス流量調整弁９６に対して閉弁指令を出力する。これにより、燃料電池スタック１２の発電が停止される（ステップＳ１０）。この段階で、燃料電池スタック１２の運転停止が完了する。
また、図４のステップＳ２５において、出力電流値Ｉが電流閾値Ｉｂまで上昇したと閾値判定部１１６で判定された場合（図７の時点ｔ３参照）、ステップＳ２８に進み、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常があると判定する。
このような異常が生じた場合、燃料電池スタック１２により発電された電力がバッテリ２０の充電容量を超えてしまう可能性がある。そのため、図３のステップＳ９において、制御部本体１０４は、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂのそれぞれに対して開弁指令を出力することにより、酸素消費処理を停止させる。また、このとき、制御部本体１０４は、インジェクタ５４、水素ポンプ６８、エアポンプ７８及び循環ポンプ１００に対して駆動停止指令を出力するとともにバイパス流量調整弁９６に対して閉弁指令を出力する。これにより、燃料電池スタック１２の発電が停止される（ステップＳ１０）。この段階で、燃料電池スタック１２の運転停止が完了する。
本実施形態によれば、酸素消費処理に異常がある場合にその酸素消費処理を停止させるため、酸素消費処理が行われる燃料電池スタック１２のカソード系（酸素消費流路１２２）に想定よりも多い量の酸素が残存した状態で燃料電池スタック１２の発電が継続されることはない。これにより、燃料電池スタック１２の出力電流値Ｉ又は出力電力値が異常値となり燃料電池システム１０Ａが劣化することを防止することができる。
また、酸素消費処理の異常判定制御において、目標値設定工程と目標値判定工程とを行い、出力電流値Ｉが目標電流値Ｉａまで低下していないと目標値判定工程で判定された場合に、酸素消費処理に異常があると判定している。そのため、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
さらに、酸素消費処理の異常判定制御において、閾値設定工程と閾値判定工程とを行い、出力電流値Ｉが電流閾値Ｉｂまで上昇したと閾値判定工程で判定された場合に、酸素消費処理に異常があると判定している。そのため、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
本実施形態では、酸素消費処理に異常があると判定された場合、水素ガス封入制御を行わない。そのため、酸素消費処理が停止され、燃料電池スタック１２内の不活性状態を保てない状態で不要に燃料ガスが消費されることを抑えることができる。
また、制御部本体１０４は、酸素消費処理に異常があると判定された場合、供給側開閉弁８２ａ及び排出側開閉弁８２ｂに対して開弁指令を出力している。そのため、燃料電池システム１０Ａの運転停止が完了した状態で燃料電池のカソード側が不活性ガスによって封止されていないことを容易に知ることができる。これにより、次回の燃料電池システム１０Ａの起動を適切に行うことができる。
さらに、目標値設定工程では、出力電流値Ｉが目標電流値Ｉａまで低下した場合に、前回の目標電流値Ｉａよりも低い新たな目標電流値Ｉａが設定される。すなわち、目標値設定工程では、目標電流値Ｉａを段階的に下げて設定している。これにより、酸素消費処理を簡便に制御しつつ酸素消費処理の異常を確実に判定することができる。
本実施形態は、上述した燃料電池スタック１２の運転停止方法に限定されない。例えば、ステップＳ２１において、目標値設定部１０８は、目標電流値Ｉａではなく目標電力値を設定してもよい。この場合、ステップＳ２４において、目標値判定部１１４は、目標電力値が設定されてから所定の判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電力値が目標電力値まで低下したか否かを判定する。なお、出力電力値は、図示しない電力計により取得すればよい。
また、ステップＳ２３において、閾値設定部１１０は、制御電圧値設定部１０６で設定された出力電圧値Ｖに基づいて酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の電力閾値を設定してもよい。この場合、ステップＳ２５において、閾値判定部１１６は、燃料電池スタック１２の出力電力値が電力閾値まで上昇したか否かを判定する。このように目標電力値、出力電力値、電力閾値を用いた場合であっても、上述した酸素消費処理の異常判定と同様の判定を行うことができる。
ステップＳ２及びステップＳ３において酸素消費処理を実施する場合、制御部本体１０４は、供給側開閉弁８２ａに対して開弁指令を出力してもよいし、循環ポンプ１００に対して駆動停止指令を出力してもよい。
（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１０Ｂ及びその運転停止方法について図８及び図９を参照しながら説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂにおいて、上述した第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａと同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂは、制御部２２に代えて制御部１４０が設けられている。制御部１４０は、メモリ１０２、制御部本体１０４、制御電流値設定部１４２、目標電圧値設定部１４４、電圧閾値設定部１４６、検出値取得部１１２、目標電圧値判定部１４８、電圧閾値判定部１５０、異常判定部１１８、及びタイマ１２０を有している。
制御電流値設定部１４２は、酸素消費処理を実施する際の制御電流値Ｉｃを設定する。具体的には、制御電流値設定部１４２は、予め燃料電池システム１０Ｂの酸素消費処理が正常に実施されたときの燃料電池スタック１２の出力電力値をメモリ１０２に記憶しておき、そのメモリ１０２に記憶されている出力電力値を参照して制御電流値Ｉｃを設定する。
目標電圧値設定部１４４は、酸素消費処理中の目標電圧値Ｖｃを設定する。電圧閾値設定部１４６は、酸素消費処理中の電圧閾値Ｖｄを設定する。目標電圧値判定部１４８は、目標電圧値設定部１４４により目標電圧値Ｖｃが設定されてから所定の判定時間Δｔが経過するまでの間に出力電圧値Ｖが目標電圧値Ｖｃまで低下したか否かを判定する。電圧閾値判定部１５０は、出力電圧値Ｖが電圧閾値Ｖｄを超えたか否かを判定する。
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの運転停止方法について、図９に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの運転停止方法において、上述した第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの運転停止方法と同一の工程については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの運転停止方法は、酸素消費処理の異常判定制御が上述した工程と異なる。具体的には、ステップＳ３０において、制御電流値設定部１４２は、酸素消費処理を実施する際の燃料電池スタック１２の制御電流値Ｉｃを設定する（制御電流値設定工程）。この際、制御電流値設定部１４２は、メモリ１０２に記憶されている出力電力値を参照して制御電流値Ｉｃを設定する。すなわち、制御部１４０は、燃料電池スタック１２を制御電流値設定部１４２で設定された制御電流値Ｉｃでの定電流制御を行う。
次に、ステップＳ３１において、目標電圧値設定部１４４は、制御電流値設定部１４２で設定された制御電流値Ｉｃに基づいて酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の目標電圧値Ｖｃを設定する（目標電圧値設定工程）。また、ステップＳ３２において、タイマ１２０は、目標電圧値設定部１４４で目標電圧値Ｖｃが設定されてからの経過時間ｔを計測する。
さらに、ステップＳ３３において、電圧閾値設定部１４６は、制御電流値設定部１４２で設定された目標電圧値Ｖｃに基づいて酸素消費処理中の燃料電池スタック１２の電圧閾値Ｖｄを設定する（電圧閾値設定工程）。
そして、ステップＳ３４において、目標電圧値判定部１４８は、目標電圧値Ｖｃが設定されてから所定の判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電圧値Ｖが目標電圧値設定部１４４で設定された目標電圧値Ｖｃまで低下したか否かを判定する（目標電圧値判定工程）。
目標電圧値Ｖｃが設定されてから所定の判定時間Δｔ内に出力電圧値Ｖが目標電圧値Ｖｃまで低下したと目標電圧値判定部１４８で判定された場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では、電圧閾値判定部１５０は、燃料電池スタック１２の出力電圧値Ｖが電圧閾値設定部１４６で設定された電圧閾値Ｖｄまで上昇したか否かを判定する（電圧閾値判定工程）。
燃料電池スタック１２の出力電圧値Ｖが電圧閾値Ｖｄまで上昇していないと電圧閾値判定部１５０で判定された場合（ステップＳ３５：ＮＯ）、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、制御部１４０は、出力電流値Ｉが基準電流値Ｉｄ以下であるか否かを判定する。
ステップＳ３６において、出力電流値Ｉが基準電流値Ｉｄよりも高いと制御部１４０によって判定された場合、ステップＳ３０以降の処理が行われる。２回目以降に行われるステップＳ３０では、制御電流値設定部１４２は、今回設定する制御電流値Ｉｃを前回設定された制御電流値Ｉｃよりも低くする。すなわち、制御電流値設定部１４２は、制御電流値Ｉｃを段階的に下げて設定する。
ステップＳ３６において、出力電流値Ｉが基準電流値Ｉｄ以下であると制御部１４０で判定された場合（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、ステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常がないと判定する。
また、ステップＳ３４において、目標電圧値Ｖｃが設定されてから所定の判定時間Δｔ内に燃料電池スタック１２の出力電圧値Ｖが目標電圧値Ｖｃまで低下しなかったと目標電圧値判定部１４８で判定された場合、ステップＳ３８に進み、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常があると判定する。
さらに、ステップＳ３５において、出力電圧値Ｖが電圧閾値Ｖｄまで上昇したと電圧閾値判定部１５０で判定された場合、ステップＳ３８に進み、異常判定部１１８は、酸素消費処理に異常があると判定する。
本実施形態によれば、第１実施形態の酸素消費処理を行う場合と同様の作用効果を奏する。また、異常判定制御において、目標電圧値設定工程と目標電圧値判定工程とを行い、出力電圧値Ｖが目標電圧値Ｖｃまで低下していないと目標電圧値判定工程で判定された場合に、酸素消費処理に異常があると判定している。そのため、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
さらに、異常判定制御において、電圧閾値設定工程と電圧閾値判定工程とを行い、出力電圧値Ｖが電圧閾値Ｖｄまで上昇したと電圧閾値判定工程で判定された場合に、酸素消費処理に異常があると判定している。そのため、酸素消費処理の異常を簡便且つ確実に判定することができる。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転停止方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池システム １２…燃料電池スタック（燃料電池）
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
２０…バッテリ ２２…制御部
４７…電圧計 ４９…電流計
６８…水素ポンプ ８０…空気供給路（酸化剤ガス供給路）
９０…空気排出路（酸化剤ガス排出路）
８２ａ…供給側開閉弁 ８２ｂ…排出側開閉弁
９８…空気循環流路 １００…循環ポンプ
１０４…制御部本体 １０６…制御電圧値設定部
１０８…目標値設定部 １１０…閾値設定部
１１２…検出値取得部 １１４…目標値判定部
１１６…閾値判定部 １１８…異常判定部
１２２…酸素消費流路（カソード系） １４２…制御電流値設定部
１４４…目標電圧値設定部 １４６…電圧閾値設定部
１４８…目標電圧値判定部 １５０…電圧閾値判定部

Claims (12)

  1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、
    前記燃料電池の運転停止指令を取得した際に、前記燃料電池の発電を継続させて前記燃料電池のカソード系に残存した前記酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する酸素消費処理工程と、
    前記酸素消費処理工程中の前記燃料電池の出力電圧値、出力電流値、又は出力電力値に基づいて前記酸素消費処理の異常の有無を判定する異常判定工程と、
    前記異常判定工程で前記酸素消費処理に異常があると判定された場合に前記酸素消費処理を停止する停止工程と、
    を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程は、
    前記出力電流値又は前記出力電力値の目標値を設定する目標値設定工程と、
    前記目標値が設定されてから所定の判定時間が経過するまでの間に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下した否かを判定する目標値判定工程と、を行い、
    前記判定時間内に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下していないと前記目標値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程は、
    前記出力電流値又は前記出力電力値の閾値を設定する閾値設定工程と、
    前記出力電流値又は前記出力電力値が前記閾値まで上昇したか否かを判定する閾値判定工程と、を行い、
    前記出力電流値又は前記出力電力値が前記閾値まで上昇したと前記閾値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  4. 請求項１記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程は、
    前記燃料電池の目標電圧値を設定する目標電圧値設定工程と、
    前記目標電圧値が設定されてから所定の電圧判定時間が経過するまでの間に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下したか否かを判定する目標電圧値判定工程と、を行い、
    前記電圧判定時間内に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下していないと前記目標電圧値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  5. 請求項１又は４に記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程は、
    前記出力電圧値の電圧閾値を設定する電圧閾値設定工程と、
    前記出力電圧値が前記電圧閾値まで上昇したか否かを判定する電圧閾値判定工程と、を行い、
    前記出力電圧値が前記電圧閾値まで上昇したと前記電圧閾値判定工程で判定された場合に、前記酸素消費処理に異常があると判定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記停止工程で前記酸素消費処理の実施が停止された場合、前記燃料電池に前記燃料ガスを投入し封入する燃料ガス封入制御を行わない、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記停止工程では、前記燃料電池の前記カソード系への前記酸化剤ガスの流入を止めるための開閉弁に対して開弁指令を出力することにより前記酸素消費処理の実施を停止する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  8. 請求項２記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程では、前記酸素消費処理中の前記燃料電池の制御電圧値を段階的に下げて設定する制御電圧値設定工程を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  9. 請求項８記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記制御電圧値設定工程では、前記判定時間内に前記出力電流値又は前記出力電力値が前記目標値まで低下したと前記目標値判定工程で判定された場合に、前記制御電圧値よりも低い新たな制御電圧値を設定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  10. 請求項４記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記異常判定工程では、前記酸素消費処理中の前記燃料電池の制御電流値を段階的に下げて設定する制御電流値設定工程を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  11. 請求項１０記載の燃料電池システムの運転停止方法において、
    前記制御電流値設定工程では、前記電圧判定時間内に前記出力電圧値が前記目標電圧値まで低下したと前記目標電圧値判定工程で判定された場合に、前記制御電流値よりも低い新たな制御電流値を設定する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
  12. 燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の運転停止指令を取得した際に、前記燃料電池の発電を継続させて前記燃料電池のカソード系に残存した前記酸化剤ガス中の酸素を消費させる酸素消費処理を実施する制御部本体と、
    前記酸素消費処理中における前記燃料電池の出力電圧値、出力電流値、又は出力電力値を取得する検出値取得部と、
    前記検出値取得部で取得された前記出力電圧値、前記出力電流値、又は前記出力電力値に基づいて前記酸素消費処理の異常の有無を判定する異常判定部と、
    を有し、
    前記制御部本体は、前記異常判定部で前記酸素消費処理に異常があると判定された場合に、前記酸素消費処理の実施を停止する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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