JP2019091552A

JP2019091552A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2019091552A
Application number: JP2017217880A
Authority: JP
Inventors: 啓太郎山森; Keitaro Yamamori; 洋輔垣見; Yosuke Kakimi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: US20190148747A1; CN109786788B; DE102018124834A1; JP6907894B2; CN109786788A; US10964961B2; DE102018124834B4

Abstract

【課題】燃料電池システムの停止時の酸素消費処理において、カソードにおける酸素消費を十分に行いつつ、ポンピング水素の発生を抑制する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池システムを停止する際にカソードに残留する酸化ガスを消費するための酸化ガス消費処理を行なう際に、（ａ）供給側開閉弁および排出側開閉弁を閉として、カソード内に残留する酸化ガスを封止した状態とするとともに、アノードへの燃料ガスを供給しいている状態として、燃料電池から出力される電流を引くことにより、酸化ガス消費処理を行ない、（ｂ）電流を引くことに応じて低下するカソードの圧力が、電流を引くことに応じてカソードに残留する酸化ガスが消費されることで低下するカソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点において電流を引くことを停止し、酸化ガス消費処理を終了する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムを停止する際には、燃料電池のカソードに残留する酸素を消費する処理（酸素消費処理）が行なわれる。酸素消費処理は、例えば、特許文献１に記載されているように、出力電圧を低下させるように、電流を掃引して出力電圧を制御し、出力電圧が所定の電圧値に低下するまで実行される。

特開２０１６−０１２４６１号公報

ここで、上記酸素消費処理において、所定の電圧値を低く、すなわち、処理時間（電流掃引時間）を長くするほど、酸素を多く消費することができる。しかしながら、カソードが低酸素濃度の状態となった後も処理が継続された場合、カソードにおいて、アノードから伝導された水素イオンと電子とが再結合することによって生成される水素（以下、「ポンピング水素」とも呼ぶ）が発生する、という課題がある。ポンピング水素は、燃費の悪化や、次回始動時における排気水素濃度上昇等を招く、という問題がある。一方、処理時間が短いと、消費されずにカソードに残留する酸素の量が多くなるため、酸素消費処理の目的を果たすことができない、という問題がある。このため、燃料電池システムを停止する際の酸素消費処理において、ポンピング水素の発生の抑制と酸素消費との両立を図ることが望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスの反応によって発電する燃料電池と；前記アノードに前記燃料ガスを供給するためのアノードガス供給部と；前記カソードに前記酸化ガスを供給するためのカソードガス供給部と；前記カソードガス供給部による前記酸化ガスの前記カソードへの供給を停止するための供給側開閉弁と；前記カソードから排出されるカソード排ガスの排出を遮断するための排出側開閉弁と；前記アノードガス供給部、前記カソードガス供給部、前記供給側開閉弁、および、前記排出側開閉弁を制御して、前記燃料電池の発電を制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に前記カソードに残留する酸化ガスを消費するための酸化ガス消費処理を行なう際において；（ａ）前記供給側開閉弁および前記排出側開閉弁を閉として、前記カソード内に残留する酸化ガスを封止した状態とするとともに、前記アノードへの燃料ガスを供給している状態として、前記燃料電池から電流を引くことにより、前記酸化ガス消費処理を行ない；（ｂ）前記電流を引くことに応じて低下する前記カソードの圧力が、前記電流を引くことに応じて前記カソードに残留する酸化ガスが消費されることで低下する前記カソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点において前記電流を引くことを停止し、前記酸化ガス消費処理を終了する。
この形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池から電流を引くことに応じて低下するカソードの圧力が、電流を引くことに応じてカソードに残留する酸化ガス（酸素）が消費されることで低下するカソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点は、カソード内の酸素の濃度が低濃度状態となってカソードにおいてポンピング水素が発生し始めた時点に対応する。従って、この時点（「低酸素濃度状態となった時点」あるいは「ポンピング水素発生時点」とも呼ぶ）で電流を引くことを停止し、酸素消費処理を終了することで、カソードにおける酸素消費を十分に行いつつ、ポンピング水素の発生を抑制することができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は；前記電流の掃引に応じて低下する前記カソードの圧力が、前記電流を引くことに応じて前記カソードに残留する酸素が消費されることで低下する前記カソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点に対応する前記燃料電池の出力電圧が、予め電圧閾値として用意されており；前記燃料電池の出力電圧が前記電圧閾値よりも低くなった時点を検出することにより、前記カソードの圧力が前記カソードの圧力推定値に比べて前記判定閾値よりも大きくなった時点を検出して、前記電流を引くことを停止するとしてもよい。
この形態の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧が閾値よりも低くなった時点を検出することにより、カソードの圧力がカソードの圧力推定値に比べて判定閾値よりも大きくなった時点を検出して、電流を引くことを停止することができるので、カソードの圧力の検出を行なわずに、低酸素濃度状態となった時点（ポンピング水素発生時点）での電流を引くことの停止を簡便に行なうことが可能である。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムの停止方法、燃料電池システムの停止時における酸素消費方法等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムの停止時に実行される酸素消費処理の手順を示すフローチャートである。酸素消費処理によるＦＣ電圧およびカソード圧力の変化の様子を示す説明図である。第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムの停止時に実行される酸素消費処理の手順を示すフローチャートである。酸素消費処理によるカソード圧力およびＦＣ電圧の変化の様子を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両（燃料電池車両）に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池（Fuel Cell，FC）１００と、カソードガス供給部２００と、アノードガス供給部３００と、ＦＣ冷却部４００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００と、パワーコントロールユニット６００と、ＳＹＳ制御部７１０と、ＦＣ制御部７２０と、ＤＣ制御部７３０と、ＬＤ制御部７４０と、ＦＣ電流センサ５１２と、ＦＣ電圧センサ５１４と、を備える。パワーコントロールユニット６００は、以下、「ＰＣＵ６００」とも呼ぶ。

燃料電池１００は、発電体としての単セル（不図示）を複数積層したスタック構造を有している。単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。アノード及びカソードの電極触媒の担体として、カーボン材料が用いられている。燃料電池１００は、アノードに供給された燃料ガスとしての水素と、カソードに供給された酸化ガスとしての酸素との電気化学反応によって発電する。

アノードガス供給部３００は、燃料電池１００のアノードにアノードガスとして水素ガス（燃料ガス）を供給する。アノードガス供給部３００は、アノードガスタンク３１０と、アノードガス供給管３２０と、アノードガス還流管３３０と、主止弁３４０と、調圧弁３５０と、インジェクタ３６０と、アノードガスポンプ３７０と、気液分離器３８０と、排気排水弁３８５と、排気排水管３９０とを備える。

アノードガスタンク３１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク３１０は、アノードガス供給管３２０を介して燃料電池１００のアノードと接続されている。アノードガス供給管３２０には、アノードガスタンク３１０側から、主止弁３４０と、調圧弁３５０と、インジェクタ３６０とがこの順に設けられている。主止弁３４０は、アノードガスタンク３１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁３５０は、インジェクタ３６０へ供給するアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ３６０は、調圧弁３５０から供給されたアノードガスを、アノードガス供給管３２０を介して燃料電池１００のアノードに向けて噴射する。

アノードガス還流管３３０は、燃料電池１００とアノードガス供給管３２０とに接続され、燃料電池１００から排出されたアノード排ガスをアノードガス（燃料ガス）としてアノードガス供給管３２０に還流させる。アノードガス還流管３３０には、気液分離器３８０と、アノードガスポンプ３７０とが設けられている。気液分離器３８０は、燃料電池１００から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。アノード排ガスから不純物ガスが分離されて後のガス（未使用の水素ガス）は、アノードガスポンプ３７０によって駆動され、アノードガスとしてアノードガス還流管３３０を介してアノードガス供給管３２０に還流される。分離された液水と窒素ガスは、気液分離器３８０に接続された排気排水弁３８５と排気排水管３９０を通過してシステム外に放出される。主止弁３４０、調圧弁３５０、インジェクタ３６０、および、アノードガスポンプ３７０は、ＦＣ制御部７２０によって制御される。

カソードガス供給部２００は、燃料電池１００へのカソードガスの供給及びカソード排ガスの排出を行う。図１の例では、酸化ガスとしての酸素を含む空気（ａｉｒ）がカソードガスとして採用されている。カソードガス供給部２００は、カソードガス供給管２１０と、カソードガス排出管２２０と、バイパス管２３０と、エアコンプレッサ２４０と、分流弁２５０と、供給側開閉弁２６０と、調圧弁２７０と、排出側開閉弁２９０と、供給側圧力センサ２８０ａと、排出側圧力センサ２８０ｂと、を備える。

カソードガス供給管２１０は、一端が燃料電池１００のカソードへの供給口と接続され、外部の空気を燃料電池１００のカソードに導く。カソードガス供給管２１０には、空気の取り込み側から、エアコンプレッサ２４０と、分流弁２５０と、供給側開閉弁２６０と、供給側圧力センサ２８０ａとがこの順に設けられている。エアコンプレッサ２４０は、取り組んだ空気を圧縮して出力する。分流弁２５０は、バイパス管２３０と接続され、燃料電池１００とバイパス管２３０へのカソードガスの流量を調節する。供給側開閉弁２６０は、カソードガスの燃料電池１００への供給を遮断する。供給側圧力センサ２８０ａは、燃料電池１００のカソードの供給口におけるガスの圧力を検出する。バイパス管２３０は、カソードガス排出管２２０と接続されている。その他、カソードガス供給管２１０のエアコンプレッサ２４０の上流側には、取り込まれる空気の温度を検出する温度センサや、取り込まれる空気の量を検出するエアフローメータ等が設けられている（不図示）。

カソードガス排出管２２０は、上流側の端部が燃料電池１００のカソードの排出口に接続されており、その途中がバイパス管２３０と接続されている。カソードガス排出管２２０は、燃料電池１００から排出されたカソード排ガスと、バイパス管２３０に分流されたカソードガス（空気）とを外部に排出する。また、カソードガス排出管２２０には、排出側圧力センサ２８０ｂと排出側開閉弁２９０と調圧弁２７０とが燃料電池１００側からこの順に設けられている。調圧弁２７０は、カソードガス排出管２２０とバイパス管２３０との接続部位よりも燃料電池１００側に位置する。調圧弁２７０は、燃料電池１００内に供給されたカソードガスの圧力を調整する。排出側開閉弁２９０は、燃料電池１００からのカソード排ガスの排出を遮断する。排出側圧力センサ２８０ｂは、燃料電池１００のカソードの排出口におけるガスの圧力を検出する。なお、カソードガス排出管２２０の下流側には、図示は省略されているが、アノードガス供給部３００の排気排水管３９０の下流部分が接続されており、排気排水管３９０から排出された残留気体と液水とを外部に排出する。

カソードガス供給部２００は、エアコンプレッサ２４０によって空気（カソードガス）をシステム内に取り組み、燃料電池１００に供給した後、未使用の空気（カソード排ガス）をシステム外に排出する。また、カソードガス供給部２００は、後述するように、燃料電池システム１０の停止時に、供給側開閉弁２６０及び排出側開閉弁２９０を閉として、カソードガス供給部２００からの燃料電池１００のカソードへのアノードガスの供給を停止するとともに、燃料電池１００のカソードからのアノード排ガスの排出を遮断する。これにより、燃料電池システム１０の停止状態おいて、燃料電池１００のカソードを封止することができる。なお、エアコンプレッサ２４０、分流弁２５０、供給側開閉弁２６０、調圧弁２７０、および排出側開閉弁２９０は、ＦＣ制御部７２０によって制御される。

ＦＣ冷却部４００は、燃料電池１００を冷却する。ＦＣ冷却部４００は、冷媒供給管４１０と、冷媒排出管４２０と、ラジエータ４３０と、バイパス管４４０と、三方弁４５０と、冷媒ポンプ４６０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、不凍液が用いられるものとする。ラジエータ４３０は、例えば、燃料電池システム１０が収容される車両のフロントコンパートメントの前方端に配置され、前方から取り込まれる冷却空気を利用して、燃料電池１００の排熱により温められ、冷媒排出管４２０を介して排出された冷媒の冷却を行なう。冷媒ポンプ４６０は、冷媒供給管４１０に設けられており、ラジエータ４３０で冷却された冷媒を燃料電池１００に供給する。三方弁４５０は、ラジエータ４３０とバイパス管４４０への冷媒の流量を調節する。ラジエータ４３０、三方弁４５０、および冷媒ポンプ４６０は、ＦＣ制御部７２０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５００は、ＤＣ制御部７３０の制御に応じて燃料電池１００から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ６００に供給する。ＰＣＵ６００は、インバータを内蔵し、ＬＤ制御部７４０の制御に応じて負荷（図示せず）に電力を供給する。

ＦＣ電圧センサ５１４は、燃料電池１００の出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」とも呼ぶ）Ｖｆｃを検出する。ＦＣ電流センサ５１２は、燃料電池１００の出力電流（以下、「ＦＣ電流」とも呼ぶ）Ｉｆｃを検出する。検出されたＦＣ電圧Ｖｆｃの値およびＦＣ電流Ｉｆｃの値は、ＦＣ制御部７２０で取得され、ＦＣ制御部７２０及びＤＣ制御部７３０の制御に利用される。

ＳＹＳ制御部７１０は、燃料電池システム１０の各部の動作を制御するために、ＦＣ制御部７２０、ＤＣ制御部７３０、および、ＬＤ制御部７４０を統括して制御する統括制御部である。

ＦＣ制御部７２０は、ＳＹＳ制御部７１０からの指示に従ってカソードガス供給部２００、アノードガス供給部３００、およびＦＣ冷却部４００を制御し、燃料電池１００の運転（発電）および停止を制御する。特に、燃料電池１００の発電を停止して、燃料電池システム１０を停止する際に、後述する酸素消費処理を実行する。

ＤＣ制御部７３０は、ＳＹＳ制御部７１０およびＦＣ制御部７２０からの指示に従ってＤＣ／ＤＣコンバータ５００を制御する。ＬＤ制御部７４０は、ＳＹＳ制御部７１０からの指示に従ってＰＣＵ６００を制御する。

ＳＹＳ制御部７１０、ＦＣ制御部７２０、ＤＣ制御部７３０、および、ＬＤ制御部７４０は、それぞれ、ＣＰＵとＲＡＭと不揮発性メモリとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。各制御部は、メモリに記憶されているソフトウェアを実行することにより、上述したそれぞれの機能を実行する制御部として動作する。

図２は、燃料電池システム１０の停止時に実行される酸素消費処理の手順を示すフローチャートである。この酸素消費処理は、ＦＣ制御部７２０によって実行される。

ＦＣ制御部７２０は、停止指令がＯＮとなるまで待機する(ステップＳ１１０）。この停止指令がＯＮとなるか否かの判断は、例えば、以下のようにして行われる。システムを停止するためのスイッチをユーザが操作することによって発生する停止信号を、ＳＹＳ制御部７１０が受信した場合に、ＳＹＳ制御部７１０がＦＣ制御部７２０に対して停止指令を発する。ＦＣ制御部７２０は、この停止指令を受け取ることによって停止指令がオン（ＯＮ）となったことを判断する。

停止指令がＯＮとなった場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＦＣ制御部７２０は供給側開閉弁２６０を閉とし（ステップＳ１２０）、排出側開閉弁２９０を閉とする（ステップＳ１３０）ことで、燃料電池１００のカソードを封止する。この際、エアコンプレッサ２４０の動作も停止する。なお、供給側開閉弁２６０を閉じる際において、ＦＣ制御部７２０は、分流弁２５０から供給側開閉弁２６０へカソードガスが流入しないように、あらかじめ分流弁２５０をバイパス管２３０側に全開とすることが好ましい。

次に、ＦＣ制御部７２０は、ＤＣ制御部７３０によってＤＣ／ＤＣコンバータ５００を制御することにより、ＦＣ電流Ｉｆｃ＝ａ１で燃料電池１００から電流の掃引を行なって（ステップＳ１４０）、酸素消費処理を開始する。なお、この際、アノードガス供給部３００は、ＦＣ電流Ｉｆｃ＝ａ１で掃引するために必要なアノードガスを燃料電池１００に供給するように、アノードガスポンプ３７０やインジェクタ３６０、調圧弁３５０の動作条件が設定されている。なお、「電流の掃引」は、予め定めた電流量の電流を燃料電池１００から引くことを意味している。

そして、ＦＣ制御部７２０は、カソード圧力Ｐｃａを測定し、カソード圧力Ｐｃａが、圧力推定値Ｐｏｘと比べて、判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなったか否か判定する（ステップＳ１５０）。具体的には、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈよりも大きいか否か判定する。なお、カソード圧力Ｐｃａは、供給側圧力センサ２８０ａで測定される圧力値Ｐ１および排出側圧力センサ２８０ｂで測定される圧力値Ｐ２を平均することで求められる。供給側圧力センサ２８０ａで測定される圧力値Ｐ１と排出側圧力センサ２８０ｂで測定される圧力値Ｐ２とは、基本的には同じ値を示すとして差し支えない。但し、酸素消費反応の過程における多少のずれや測定誤差が生じる場合があるので、それぞれの値を平均することで測定精度を向上させることができる。

カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈ以下の間（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ＦＣ制御部７２０は、ステップＳ１４０における電流掃引を継続する。一方、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなった時点、すなわち、カソード圧力Ｐｃａが圧力推定値Ｐｏｘに比べて、判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなった時点で（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＦＣ制御部７２０は、ＦＣ電流の掃引を停止し（ステップＳ１６０）、酸素消費処理を終了する。

ここで、図３は、酸素消費処理によるＦＣ電圧Ｖｆｃおよびカソード圧力Ｐｃａの変化の様子を示す説明図である。図３は、カソードを封止した状態でＦＣ電流Ｉｆｃ＝ａ１の掃引を開始し、これに応じて低下するＦＣ電圧Ｖｆｃが０Ｖに近い値(例えば、０．１Ｖ以下の値で）まで収束して０Ｖとみなして差し支えない値に変化するまで電流掃引を継続した場合に、測定されるＦＣ電圧Ｖｆｃ（図３の太破線）およびカソード圧力（Ｃａ圧力）Ｐｃａ（図３の太い実線）を示している。なお、ＦＣ電圧Ｖｆｃおよびカソード圧力Ｐｃａの測定は、一定の測定周期で繰り返し行われる。

電流の掃引に応じてカソードに封止された酸素が消費される際の反応式は、下式（１）に示す通りであり、４モルの電荷に対して１モルの酸素が消費される。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（１）
また、カソードにおける反応によるポンピング水素が発生する際の反応式は、下式（２）に示す通りであり、２モルの電荷に対して１モルの水素が生成される。
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２・・・（２）

掃引されるＦＣ電流Ｉｆｃと上記反応式（１），（２）から、掃引による酸素消費量および水素生成量は推定することができる。そして、封止されたカソードの容積および初期のカソード圧力は既知であるので、酸素消費量および水素生成量は圧力に換算することができる。全ての電荷が酸素の消費に使用されたとすると、酸素消費によるカソードの圧力推定値（以下、「酸素消費圧力」とも呼ぶ）Ｐｏｘは、図３の一点鎖線で示したように変化する。また、全ての電荷が水素の生成に使用されたとすると、水素生成によるカソードの圧力推定値（以下、「水素発生圧力」とも呼ぶ）Ｐｈｇは、図３の二点鎖線で示したように変化する。

測定されたカソード圧力Ｐｃａの変化は、下に凸の形となる。すなわち、カソード圧力Ｐｃａの状態は、処理の序盤における圧力降下状態、処理の中盤における圧力平衡状態、処理の終盤における圧力上昇状態の３状態に区分される。圧力降下状態は、酸素消費反応により酸素分子が減少するにつれて圧力が低下する状態であり、カソード圧力Ｐｃａは酸素消費圧力Ｐｏｘとほぼ一致した変化を示す。圧力平衡状態は、酸素濃度が低下して酸素消費反応が減少するのに対して、ポンピング水素の発生量が増加して、圧力低下の傾きが緩やかになる状態である。圧力上昇状態は、ポンピング水素の発生が支配的になって圧力が上昇する状態であり、カソード圧力Ｐｃａは水素発生圧力Ｐｈｇとほぼ一致した変化を示す。

従って、圧力降下状態と圧力平衡状態との境界点を検出すれば、カソードが低酸素濃度状態となった時点であって、ポンピング水素が発生し始めた時点を検出することができる。そして、この時点まで酸素消費処理を行なうこととすれば、ポンピング水素発生を抑制しつつ、酸素消費処理を効果的に行なうことができる。圧力降下状態と圧力平衡状態との境界点の検出は、例えば、カソード圧力Ｐｃａと酸素消費圧力（圧力推定値）Ｐｏｘとの差が大きくなる時点を検出することで行なうことができる。

そこで、上記酸素消費処理（ステップＳ１５０）では、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値（酸素消費圧力）Ｐｏｘとの差があらかじめ定められた判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなる時点（図３の時点ｔｎ）を検出することにより、圧力降下状態と圧力平衡状態との境界点（低酸素濃度状態となった時点であってポンピンン水素が発生し始めた時点）を検出している。なお、判定閾値Ｐｔｈは、カソード圧力Ｐｃａの測定に用いられる圧力センサ、本実施形態では、供給側圧力センサ２８０ａ及び排出側圧力センサ２８０ｂの測定誤差εを超える値とすればよく、安全率Ｓｐを考慮して、Ｐｔｈ＝ε・Ｓｐに設定すればよい。安全率Ｓｐは１＜Ｓｐ≦２の範囲、より好ましくは１＜Ｓｐ≦１．５の範囲、さらに好ましくは１＜Ｓｐ≦１．２の範囲とされることが好ましい。なお、判定閾値Ｐｔｈは、ＦＣ制御部７２０の不揮発性メモリに記憶させておけばよい。

以上説明したように、第１実施形態によれば、燃料電池システム１０の停止時における酸素消費処理を、封止されたカソードにおけるカソード圧力Ｐｃａが圧力推定値Ｐｏｘとくらべて判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなった時点まで行なっている。これにより、封止されたカソードに残留する酸素の濃度が低酸素濃度状態となるまで十分に酸素消費処理を行なうとともに、低酸素濃度状態となってポンピング水素が発生し始めた時点（発生初期段階）で酸素消費処理を終了するので、ポンピング水素の発生を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池システム１０Ｂの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０Ｂは、燃料電池システム１０のカソードガス供給部２００（図１）が供給側圧力センサ２８０ａ及び排出側圧力センサ２８０ｂを有しないカソードガス供給部２００Ｂに置き換えられている点、及び、後述するように、ＦＣ制御部７２０による酸素消費処理が異なっている。燃料電池システム１０Ｂの他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同じである。

図５は、燃料電池システム１０Ｂの停止時に実行される酸素消費処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、ＦＣ制御部７２０によって実行される。

ＦＣ制御部７２０は、第１実施形態の酸素消費処理（図２）と同様に、停止指令がＯＮとなった場合に（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、供給側開閉弁２６０および排出側開閉弁２９０を閉として（ステップＳ１２０，Ｓ１３０）、燃料電池１００のカソードを封止し、燃料電池１００からＦＣ電流Ｉｆｃ＝ａ１の掃引を行なって（ステップＳ１４０）、酸素消費処理を開始する。

そして、ＦＣ制御部７２０は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを測定し、ＦＣ電圧Ｖｆｃがあらかじめ定められた電圧閾値Ｖｔｈよりも小さくなったか否か判定する(ステップＳ１５０ｂ）。ＦＣ電圧Ｖｆｃは、ＦＣ電圧センサ５１４（図４）によって測定される。ＦＣ電圧Ｖｆｃが電圧閾値Ｖｔｈ以下の間は（ステップＳ１５０ｂ：ＮＯ）、ステップＳ１４０における電流掃引を継続する。一方、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電圧閾値Ｖｔｈよりも大きくなった時点では（ステップＳ１５０ｂ：ＹＥＳ）、ＦＣ電流の掃引を停止し（ステップＳ１６０）、酸素消費処理を終了する。

ここで、図６は、酸素消費処理によるカソード圧力ＰｃａおよびＦＣ電圧Ｖｆｃの変化の様子を示す説明図である。図６において、後述するＦＣ電圧Ｖｆｃｖを除いて、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、カソード圧力Ｐｃａ、酸素消費圧力Ｐｏｘ、および、水素発生圧力Ｐｈｇは、図３と同じである。

第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂには、図４に示すように、カソード圧力Ｐｃａを測定するための供給側圧力センサ２８０ａ及び排出側圧力センサ２８０ｂが設けられていない。このため、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂでは、第１実施形態のように、カソード圧力Ｐｃａを測定して、圧力降下状態と圧力平衡状態との境界点、すなわち、封止されたカソードが低酸素状態となった時点であって、ポンピンン水素が発生し始めた時点を検出することはできない。

ここで、ＦＣ電圧Ｖｆｃに着目すると、図６に示すように、ＦＣ電圧Ｖｆｃは酸素消費によるカソード圧力Ｐｃａの低下に応じて単調減少する。そこで、図５のステップＳ１５０ｂでは、図６に示すように、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈ以上となる時点ｔｎにおけるＦＣ電圧Ｖｆｃの電圧値Ｖｆｃ１を電圧閾値Ｖｔｈとして、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電圧閾値Ｖｔｈよりも小さくなる時点を検出することとした。これにより、間接的に、カソード圧力Ｐｃａが圧力推定値Ｐｏｘと比べて判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなった時点を検出することができる。

なお、電圧閾値Ｖｔｈは、あらかじめ、以下のようにして取得し、ＦＣ制御部７２０の不揮発性メモリに記憶させておけばよい。まず、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂに対して、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の供給側圧力センサ２８０ａと排出側圧力センサ２８０ｂの少なくとも一方を配置する（図１）。そして、第１実施形態における酸素消費処理（図２）と同様に、供給側開閉弁２６０および排出側開閉弁２９０を閉じてカソードを封止した状態で、酸素消費処理を実行して、ＦＣ電圧Ｖｆｃおよびカソード圧力Ｐｃａの変化を測定するとともに、対応する酸素消費圧力Ｐｏｘを求める（図６参照）。そして、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈ以上となる時点におけるＦＣ電圧Ｖｆｃの値Ｖｆｃ１を取得して（図６参照）、電圧閾値Ｖｔｈとする。これにより、あらかじめ電圧閾値Ｖｔｈを求めておくことができる。

以上説明したように、第２実施形態では、燃料電池システム１０Ｂの停止時における酸素消費処理を、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電圧閾値Ｖｔｈよりも小さくなった時点まで行なっている。これにより、間接的に、封止されたカソードにおけるカソード圧力Ｐｃａが圧力推定値Ｐｏｘとくらべて判定閾値Ｐｔｈよりも大きくなった時点を検出し、この時点まで酸素消費処理を行なうことができる。この結果、第１実施形態の場合と同様に、封止されたカソードに残留する酸素の濃度が低酸素濃度状態となるまで十分に酸素消費処理を行なうとともに、低酸素濃度状態となってポンピング水素が発生し始めた時点（発生初期段階）で酸素消費処理を終了するので、ポンピング水素の発生を抑制することができる。

なお、燃料電池１００を構成する複数の単セルの特性のバラツキによって各単セルの電圧にバラツキが発生し、これに応じてＦＣ電圧Ｖｆｃにバラツキが発生する場合がある。例えば、図６のＦＣ電圧Ｖｆｃｖ（長い破線）のようにＦＣ電圧Ｖｆｃよりも早期に電圧が低下する場合、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈ以上となる時点ｔｎに対応するＦＣ電圧Ｖｆｃｖは電圧値Ｖｆｃ１よりも低い電圧値Ｖｆｃ２となる。この場合に、電圧値Ｖｆｃ１に設定された電圧閾値Ｖｔｈで図５のステップＳ１５０ｂの判定を行なった場合、本来の時点ｔｎよりも早期の時点で酸素消費処理を終了することになって処理時間が減少し、酸素消費量が少なくなる場合がある。逆に、図示は省略するが、電圧の低下が遅くなる場合には、処理時間が増加してポンピング水素が多く発生してしまう場合がある。

このように、第２実施形態の酸素消費処理では、処理時間に変動が発生する場合があるため、第１実施形態の酸素消費処理に比べて、十分な酸素消費処理とポンピング水素発生の抑制の点で得られる効果が弱くなる場合がある。しかしながら、第２実施形態の酸素消費処理は、第１実施形態のように、カソード圧力を測定し、酸素消費圧力（酸素消費による圧力推定値）を求める必要がなく、ＦＣ電圧を監視することにより、酸素消費処理を終了するタイミングを検出して、酸素消費処理を終了することができる。このため、第２実施形態のように、供給側圧力センサ２８０ａおよび排出側圧力センサ２８０ｂを有しない燃料電池システムにおいても、簡便に酸素消費処理の終了時点を検出することができる。

また、上記説明では、カソード圧力Ｐｃａと圧力推定値Ｐｏｘとの差が判定閾値Ｐｔｈ以上となる時点におけるＦＣ電圧Ｖｆｃの値Ｖｆｃ１を、電圧閾値Ｖｔｈとした。上記したＦＣ電圧Ｖｆｃにバラツキがあることを考慮した場合、安全率Ｓｖを用いて、Ｖｔｈ＝Ｖｆｃ１・Ｓｖとしてもよい。安全率Ｓｖは、酸素消費量とポンピング水素発生量とのバランスを考慮して、０＜Ｓｖ≦１の範囲に設定されることが好ましい。

Ｃ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。

（１）上記実施形態では、カソードガス供給管２１０において、分流弁２５０から燃料電池１００のカソード側へのカソードガスの流れを分流弁２５０で遮断することが可能である場合には、分流弁２５０を供給側開閉弁としても利用し、供給側開閉弁２６０を省略することができる。同様に、カソードガス排出管２２０において、調圧弁２７０よりも下流側へのカソード排ガスの流れを調圧弁２７０で遮断することが可能である場合には、調圧弁２７０を排出側開閉弁としても利用し、排出側開閉弁２９０を省略することができる。

（２）上記実施形態では、燃料電池１００の動作を制御するＦＣ制御部７２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５００の動作を制御するＤＣ制御部７３０と、ＰＣＵ６００の動作を制御するＬＤ制御部７４０と、これら制御部７２０，７３０，７４０を統括して制御するＳＹＳ制御部７１０と、を備える構成として説明した。これに対して、制御部７２０，７３０，７４０は、ＳＹＳ制御部に含まれる構成としてもよい。

（３）上記第１実施形態では、供給側圧力センサ２８０ａで測定される圧力値Ｐ１および排出側圧力センサ２８０ｂで測定される圧力値Ｐ２を平均することカソード圧力Ｐｃａは求めるとして説明した。上記したように、基本的には、供給側圧力センサ２８０ａで測定される圧力値Ｐ１と排出側圧力センサ２８０ｂで測定される圧力値Ｐ２とは、基本的には同じ値を示すとして差し支えない。そこで、排出側圧力センサ２８０ｂで測定される圧力値Ｐ２、あるいは、供給側圧力センサ２８０ａで測定される圧力値Ｐ１、をカソード圧力Ｐｃａとしてもよい。そして、カソード圧力Ｐｃａの測定に用いられないセンサを省略してもよい。

（４）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（駆動モータ）の動力源とする船舶、飛行機などの種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。

本開示技術は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１０Ｂ…燃料電池システム
２００…カソードガス供給部
２００Ｂ…カソードガス供給部
２１０…カソードガス供給管
２２０…カソードガス排出管
２３０…バイパス管
２４０…エアコンプレッサ
２５０…分流弁
２６０…供給側開閉弁
２７０…調圧弁
２８０ａ…供給側圧力センサ
２８０ｂ…排出側圧力センサ
２９０…排出側開閉弁
３００…アノードガス供給部
３１０…アノードガスタンク
３２０…アノードガス供給管
３３０…アノードガス還流管
３４０…主止弁
３５０…調圧弁
３６０…インジェクタ
３７０…アノードガスポンプ
３８０…気液分離器
３８５…排気排水弁
３９０…排気排水管
４００…ＦＣ冷却部
４１０…冷媒供給管
４２０…冷媒排出管
４３０…ラジエータ
４４０…バイパス管
４５０…三方弁
４６０…冷媒ポンプ
５００…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１２…ＦＣ電流センサ
５１４…ＦＣ電圧センサ
６００…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
７１０…ＳＹＳ制御部
７２０…ＦＣ制御部
７３０…ＤＣ制御部
７４０…ＬＤ制御部

Claims

燃料電池システムであって、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスの反応によって発電する燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給するためのアノードガス供給部と、
前記カソードに前記酸化ガスを供給するためのカソードガス供給部と、
前記カソードガス供給部による前記酸化ガスの前記カソードへの供給を停止するための供給側開閉弁と、
前記カソードから排出されるカソード排ガスの排出を遮断するための排出側開閉弁と、
前記アノードガス供給部、前記カソードガス供給部、前記供給側開閉弁、および、前記排出側開閉弁を制御して、前記燃料電池の発電を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に前記カソードに残留する酸化ガスを消費するための酸化ガス消費処理を行なう際において、
（ａ）前記供給側開閉弁および前記排出側開閉弁を閉として、前記カソード内に残留する酸化ガスを封止した状態とするとともに、前記アノードへの燃料ガスを供給している状態として、前記燃料電池から電流を引くことにより、前記酸化ガス消費処理を行ない、
（ｂ）前記電流を引くことに応じて低下する前記カソードの圧力が、前記電流を引くことに応じて前記カソードに残留する酸化ガスが消費されることで低下する前記カソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点において前記電流を引くことを停止し、前記酸化ガス消費処理を終了する
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記電流を引くことに応じて低下する前記カソードの圧力が、前記電流を引くことに応じて前記カソードに残留する酸化ガスが消費されることで低下する前記カソードの圧力推定値に比べて、あらかじめ定めた判定閾値よりも大きくなった時点に対応する前記燃料電池の出力電圧が、予め、電圧閾値として用意されており、
前記燃料電池の出力電圧が前記電圧閾値よりも低くなった時点を検出することにより、前記カソードの圧力が前記カソードの圧力推定値に比べて前記判定閾値よりも大きくなった時点を検出して、前記電流を引くことを停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。