JP2021150162A - 燃料電池システムの運転停止方法及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】運転停止時に燃料電池スタック内の複数の発電セルをより均一に乾燥することができる燃料電池システムの運転停止方法及び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１０は、複数の発電セル２０を積層した燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２内のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置９４とを備える。燃料電池システム１０の運転停止方法では、運転停止時にインピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２以上となるまで、複数の発電セル２０の発電を行う。さらにインピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２以上となった後、複数の発電セル２０の発電をさらに所定時間継続する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムの運転停止方法及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、アノードガス（水素等の燃料ガス）及びカソードガス（酸素等の酸化剤ガス）の反応により発電を行う燃料電池スタックを備える。この種の燃料電池システムは、運転停止（発電停止）後に周辺環境が低温（例えば、氷点下以下）となった場合に、燃料電池スタック内に残っている水により内部の発電セルが凍結することになる。これにより燃料電池システムは、次の起動時に時間がかかる、発電効率が悪化する等の不都合が生じる。
このため、特許文献１には、運転停止時に燃料電池の温度を所定値以上にする発電処理を行なった後に発電を停止して、燃料電池スタック内を乾燥させる燃料電池システムが開示されている。
特開２００４−３１１２７７号公報
ところで、燃料電池スタック内において積層されている複数の発電セルは、積層方向中央部の発電セルの温度に比べて積層方向両端部の端部セルの温度が低下し易い。このため、特許文献１に開示されているように運転停止時に発電処理を行ったとしても、端部セルが充分に乾燥せず水を含んだままとなっている可能性がある。これにより、運転停止時に発電処理を行っても、周辺環境の低温時に、燃料電池スタック内の発電セル（特に端部セル）中の水分が凍結してしまう場合がある。
本発明は、上記の燃料電池システムの技術に関連するものであり、運転停止時に燃料電池スタック内の複数の発電セルをより均一に乾燥させることができる燃料電池システムの運転停止方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セルを積層した積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを備える燃料電池システムの運転停止方法であって、運転停止時に、前記インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値以上となるまで、前記複数の発電セルの発電を行う停止時発電ステップと、前記インピーダンス値が前記インピーダンス目標値以上となった後、前記複数の発電セルの発電をさらに所定時間継続する継続発電ステップとを有する。
また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セルを積層した積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転を制御する制御部を備え、前記制御部は、運転停止時に、前記インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値以上となるまで、前記複数の発電セルの発電を行い、前記インピーダンス値が前記インピーダンス目標値以上となった後、前記複数の発電セルの発電をさらに所定時間継続する。
上記の燃料電池システムの運転停止方法及び燃料電池システムは、運転停止時に燃料電池スタック内の複数の発電セルをより均一に乾燥させることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 図２Ａは、停止時発電の非実施時における燃料電池スタックの発電電流の変化を概略的に示す説明図である。図２Ｂは、停止時発電の実施時における燃料電池スタックの発電電流の変化を概略的に示す説明図である。 燃料電池システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。 停止時発電及び継続発電におけるインピーダンスの変化及び冷媒ポンプの回転数の時間変化を概略的に示すグラフである。 停止時発電及び継続発電における複数の発電セル全体のインピーダンス値及び端部セルのインピーダンス値の時間変化を示すグラフである。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、アノード系装置１４、カソード系装置１６及び冷却装置１８を備える。この燃料電池システム１０は、燃料電池車両１１（燃料電池自動車：以下、単に車両１１という）の例えばモータルームに搭載され、燃料電池スタック１２の発電電力をバッテリＢｔや走行用モータＭｔ等に供給して車両１１を走行させる。
燃料電池スタック１２は、アノードガス（水素等の燃料ガス）とカソードガス（エア等の酸化剤ガス）の電気化学反応により発電を行う発電セル２０を複数備える。複数の発電セル２０は、燃料電池スタック１２を車両１１に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車幅方向に沿って積層された積層体２１に構成されている。なお、複数の発電セル２０は、車両１１の車長方向（前後方向）や重力方向に積層されていてもよい。
各発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２（以下、「ＭＥＡ２２」という）と、ＭＥＡ２２を挟持する一対のセパレータ２４（セパレータ２４ａ、セパレータ２４ｂ）とで構成される。ＭＥＡ２２は、電解質膜２６（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜２６の一方の面に設けられたアノード電極２８と、電解質膜２６の他方の面に設けられたカソード電極３０とを有する。セパレータ２４ａは、ＭＥＡ２２の一方の面に、アノードガスを流通させるアノードガス流路３２を形成する。セパレータ２４ｂは、ＭＥＡ２２の他方の面に、カソードガスを流通させるカソードガス流路３４を形成する。また、複数の発電セル２０の積層によりセパレータ２４ａとセパレータ２４ｂが対向し合う面には、冷媒を流通させる冷媒流路３６が形成される。
さらに、燃料電池スタック１２は、アノードガス、カソードガス及び冷媒の各々を、積層体２１の積層方向に沿って流通させる図示しない複数の連通孔（アノードガス連通孔、カソードガス連通孔、冷媒連通孔）を備える。アノードガス連通孔はアノードガス流路３２に連通しており、カソードガス連通孔はカソードガス流路３４に連通しており、冷媒連通孔は冷媒流路３６に連通している。
燃料電池スタック１２は、アノード系装置１４によりアノードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてアノードガスは、アノードガス連通孔（アノードガス入口連通孔）を流通してアノードガス流路３２に流入し、アノード電極２８において発電に使用される。発電に使用されたアノードオフガス（未反応の水素を含む）は、アノードガス流路３２からアノードガス連通孔（アノードガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からアノード系装置１４に排出される。
また、燃料電池スタック１２は、カソード系装置１６によりカソードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてカソードガスは、カソードガス連通孔（カソードガス入口連通孔）を流通してカソードガス流路３４に流入し、カソード電極３０において発電に使用される。発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路３４からカソードガス連通孔（カソード出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からカソード系装置１６に排出される。
さらに、燃料電池スタック１２は、冷却装置１８により冷媒が供給される。燃料電池スタック１２内において冷媒は、冷媒連通孔（冷媒入口連通孔）を流通して冷媒流路３６に流入し、発電セル２０を冷却する。発電セル２０を冷却した冷媒は、冷媒流路３６から冷媒連通孔（冷媒出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から冷却装置１８に排出される。
また本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、スタックケース（不図示）内に積層体２１を収容している。積層体２１の積層方向両端には、図示しないターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが外方に向かって順に配置されている。エンドプレートは、各発電セル２０の積層方向に沿って締付荷重を付与する。
燃料電池システム１０のアノード系装置１４は、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給するアノード供給路４０と、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出するアノード排出路４２とを有する。また、アノード供給路４０とアノード排出路４２の間には、アノード排出路４２のアノードオフガスに含まれる未反応の水素をアノード供給路４０に戻すためのアノード循環路４４が接続されている。さらに、アノード循環路４４には、アノード系装置１４の循環回路からアノードオフガスを排出するパージ路４６が接続されている。
アノード供給路４０には、インジェクタ４８及びエジェクタ５０が直列に設けられ、またインジェクタ４８及びエジェクタ５０を跨いで供給用バイパス路５２が接続される。供給用バイパス路５２には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ５４が設けられている。インジェクタ４８は、発電時に主として使用されるメインインジェクタであり、ＢＰインジェクタ５４は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである。
エジェクタ５０は、インジェクタ４８から噴出されたアノードガスの移動によって発生する負圧により、アノード循環路４４からアノードオフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。
アノード排出路４２には、アノードオフガスに含まれる水（発電時の生成水）を、アノードオフガスから分離する気液分離器５６が設けられる。気液分離器５６の上部にはアノード循環路４４が接続され、アノードオフガス（気体）がアノード循環路４４に流動する。
また、アノード循環路４４には、アノードオフガスをアノード供給路４０に循環させるアノードポンプ５８が設けられる。さらに、気液分離器５６の底部には、分離した水を排出するドレイン路６０の一端が接続される。ドレイン路６０には、流路を開閉するドレイン弁６０ａが設けられる。またパージ路４６は、ドレイン路６０に接続されると共に、その途上に流路を開閉するパージ弁４６ａが設けられる。
燃料電池システム１０のカソード系装置１６は、燃料電池スタック１２にカソードガスを供給するカソード供給路６２と、燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出するカソード排出路６４とを有する。カソード供給路６２とカソード排出路６４の間には、カソード供給路６２のカソードガスをカソード排出路６４に直接流通させるカソードバイパス路６６と、カソード排出路６４のカソードオフガスをカソード供給路６２に循環させるカソード循環路６８とが接続される。
カソード供給路６２には、大気からの空気を圧縮して供給するコンプレッサ７０が設けられている。またカソード供給路６２は、コンプレッサ７０の下流側且つカソードバイパス路６６の下流側に供給側開閉弁７２を備えると共に、コンプレッサ７０（具体的には供給側開閉弁７２の下流側）と燃料電池スタック１２の間に加湿器７４を備える。なお図示は省略するが、カソード供給路６２にはカソードガスを冷却するインタクーラ等の補機が設けられる。さらにカソード供給路６２の加湿器７４の設置近傍には、加湿器７４をバイパスする加湿器バイパス路７５が設けられると共に、加湿器バイパス路７５を開閉する加湿器バイパス弁７５ａが設けられる。加湿器バイパス弁７５ａは、後記の停止時発電の実施時に開くことで、供給する空気（カソードガス）の加湿量を低下させることが好ましい。
また、加湿器７４は、カソード排出路６４に設けられている。加湿器７４は、カソード排出路６４のカソードオフガスに含まれる水分によりカソード供給路６２のカソードガスを加湿する。またカソード排出路６４は、加湿器７４及びカソード循環路６８の下流側に排出側開閉弁７６及び背圧弁７８を備える。さらにカソード排出路６４には、アノード系装置１４のドレイン路６０が接続されている。
カソードバイパス路６６には、燃料電池スタック１２をバイパスするカソードガスの流量を調整する流量調整弁８０が設けられている。カソード循環路６８には、カソード排出路６４のカソードオフガスをカソード供給路６２に循環させるＥＧＲポンプ８２が設けられている。
燃料電池システム１０の冷却装置１８は、燃料電池スタック１２に冷媒を供給する冷媒供給路８４と、燃料電池スタック１２から冷媒を排出する冷媒排出路８６とを有する。冷媒供給路８４及び冷媒排出路８６は、冷媒を冷却するラジエータ８８に接続されている。冷媒供給路８４には、冷媒の循環回路内（燃料電池スタック１２、冷媒供給路８４、冷媒排出路８６及びラジエータ８８の間）で冷媒を循環させる冷媒ポンプ９０が設けられている。
また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の温度を検出するための温度センサ９２を複数備える。温度センサ９２としては、冷媒排出路８６の上流側（燃料電池スタック１２側）に設けられる冷媒出口温度センサ９２ａ、カソード排出路６４の上流側（燃料電池スタック１２側）に設けられるカソード出口温度センサ９２ｂがあげられる。さらに車両１１は、車両１１の周辺環境の気温を検出する外気温センサ９２ｃを有する。
またさらに、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（複数の発電セル２０）のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置９４を備える。インピーダンス測定装置９４が測定するインピーダンス値は、燃料電池スタック１２内の含水量に連動（相関）している。このため燃料電池システム１０は、インピーダンス値に基づき燃料電池スタック１２の含水量を監視することが可能となる。例えば、インピーダンス測定装置９４としては、複数の発電セル２０（例えば、燃料電池スタック１２の積層方向両端に設けられた一対のターミナルプレート間）の出力に交流電流を重畳させてインピーダンスを測定する方式をとることができる。
以上の燃料電池システム１０は、当該燃料電池システム１０の各構成の動作を制御して、燃料電池スタック１２の発電を行うＥＣＵ９６（Electronic Control Unit：制御部）を有する。ＥＣＵ９６は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを有するコンピュータ（マイクロコントローラを含む）に構成されている。
そして、本実施形態に係る燃料電池システム１０のＥＣＵ９６は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、運転動作の停止時（車両１１の運転停止時）に、必要に応じて停止時発電を実施する処理を行う構成となっている。停止時発電は、周辺環境が低温（例えば、氷点下以下）となることが予測される場合に、燃料電池スタック１２内を乾燥させて発電セル２０に含まれる水の凍結を抑制するために実施する。
すなわち、発電セル２０の凍結が生じる可能性がない場合には、図２Ａに示すように、ＥＣＵ９６は、運転停止指示に基づき燃料電池システム１０の運転（駆動）を直ちに停止する。一方、発電セル２０の凍結が生じる可能性がある場合には、図２Ｂに示すように、車両１１は、運転停止指示に基づき燃料電池システム１０において停止時発電を実施する。さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、停止時発電の実施後に、発電を所定時間継続する継続発電を実施するように構成している。以下、燃料電池システム１０の運転停止方法について図３を参照しながら詳述していく。
ＥＣＵ９６は、車両１１の駆動中（イグニッションやスタータスイッチのオンによる動作中）に、燃料電池スタック１２にアノードガス及びカソードガスを供給して発電を行う運転中発電を実施する（運転中発電ステップ：ステップＳ１）。そして燃料電池スタック１２の発電電流が走行用モータＭｔ等に供給され車両１１が走行する（図２Ａ及び図２Ｂも参照）。この運転中発電において、ＥＣＵ９６は、図示しないモータＥＣＵからの発電要求指令、車両１１の走行状態、バッテリＢｔの充電状態（ＳＯＣ）等に基づき燃料電池スタック１２の発電状態を適宜調整する。
例えば、ＥＣＵ９６は、通常発電の他に、燃料電池スタック１２へのアノードガス及びカソードガスの供給量を増やして発電量を増加させる高負荷発電、アノードガス及びカソードガスの供給量を減らして発電量を低下させる低負荷発電等を行う。
またＥＣＵ９６は、運転中発電において、インピーダンス測定装置９４が測定するインピーダンス値に基づき燃料電池スタック１２内の含水量を監視している。例えば、ＥＣＵ９６は、発電状態（通常発電、高負荷発電、低負荷発電等）に応じてインピーダンス目標範囲（上限値、下限値）を設定し、インピーダンス値がインピーダンス目標範囲内になるように反応ガス（アノードガス、カソードガス）の供給量を調整する。本実施形態に係るＥＣＵ９６は、燃料電池スタック１２の耐久性を高めるために、通常発電や低負荷発電においてインピーダンス目標値Ｏｉ１（単位はΩ：オーム、以下同じ）（インピーダンス目標範囲の上限値）を、後記の停止時インピーダンス閾値Ｔｉよりも低くしている（図４参照）。つまり運転中発電のインピーダンス目標値Ｏｉ１は、基本的に燃料電池スタック１２内を湿潤とするように設定されている。
また、運転中発電の実施時に、ＥＣＵ９６は、車両１１から動作停止指示があるか否かを判断している（ステップＳ２）。動作停止指示としては、例えば、イグニッションやスタータスイッチのオフの信号、モータＥＣＵの駆動停止信号等があげられる。ＥＣＵ９６は、動作停止指示を受信しない場合（ステップＳ２：ＮＯ）にステップＳ１に戻って運転中発電を継続し、動作停止指示を受信した場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）にステップＳ３に進む。
動作停止指示の受信後のステップＳ３において、ＥＣＵ９６は、停止時発電の実施条件が成立しているか否かを判定する（実施条件判定ステップ）。停止時発電の実施条件としては、以下の条件（ａ）〜（ｄ）があげられる。
（ａ）冬季である。
（ｂ）燃料電池システム１０の周辺環境が低温となる（次の起動が低温起動となる）ことが予測される。
（ｃ）燃料電池スタック１２内が含水状態（未乾燥状態）である。
（ｄ）インピーダンス測定装置９４が故障していない。
条件（ａ）は、冬季でなければ発電セル２０の凍結がそもそも生じないことから停止時発電の実施条件としたものである。例えば、冬季の判定は、ＥＣＵ９６にカレンダ機能を持たせて、予め設定された冬季の期間であるか否かを判定することがあげられる。或いはＥＣＵ９６は、車両１１の測位システム（不図示）によって取得した現在位置と、現在位置に応じた気温情報を取得して冬季の判定を行ってもよい。なお条件（ａ）は、条件（ｂ）の判定がなされる場合になくてもよい。
条件（ｂ）は、燃料電池システム１０の周辺環境が低温の際に発電セル２０の凍結が生じることから、停止時発電の実施条件としたものである。例えば図１に示すように、ＥＣＵ９６は、車両１１の外気温を検出する外気温センサ９２ｃ（温度センサ９２）の検出情報を取得し、検出情報が所定の外気温値よりも低い場合に低温となることを予測する。またＥＣＵ９６は、周辺環境の温度低下速度に基づき低温になることを予測してもよい。なお、低温の予測は、過去に車両１１の起動時に低温起動を行ったことに基づき、次の起動も低温起動となると推定し、周辺環境の低温を判断してもよい。
条件（ｃ）は、燃料電池スタック１２内が乾燥状態であれば発電セル２０の凍結が抑制されることから停止時発電の実施条件としたものである。ＥＣＵ９６は、インピーダンス測定装置９４から受信したインピーダンス値と、予め保有する停止時インピーダンス閾値Ｔｉ（図４参照）とを比較して燃料電池スタック１２内の含水量を判定する。
図４に示すように、停止時インピーダンス閾値Ｔｉは、運転中発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ１よりも高く（乾燥側に）設定されている。従って、運転中発電においてＥＣＵ９６は、燃料電池スタック１２内が含水状態であることを判定する場合が多い。なお、燃料電池スタック１２内のインピーダンス値は温度にも依存する。そのため、ＥＣＵ９６は、温度変化に応じた複数種類の停止時インピーダンス閾値Ｔｉをマップ情報として備え、冷媒出口温度センサ９２ａが検出する冷媒出口温度に基づき適宜の停止時インピーダンス閾値Ｔｉを設定するするとよい。冷媒出口温度センサ９２ａの故障時は、カソード出口温度センサ９２ｂが検出するカソードオフガスの温度を用いてもよい。
また、燃料電池スタック１２内の含水量は、冷却装置１８による冷媒の循環量にも連動する。従って、ＥＣＵ９６は、冷却装置１８の冷媒ポンプ９０の回転数［ｒｐｍ］に基づき燃料電池スタック１２の乾燥状態を推定する構成でもよい。例えば、ＥＣＵ９６は、冷媒ポンプ９０の回転数が所定の停止時回転数閾値Ｔｒ以上且つ停止時回転数閾値Ｔｒを超えた期間が所定時間以上の場合に乾燥状態であると推定する。
さらに、条件（ｄ）は、インピーダンス測定装置９４が故障している場合、燃料電池スタック１２内の含水量がそもそも監視できないことから停止時発電の実施条件としたものである。インピーダンス測定装置９４が故障している場合には、燃料電池システム１０は停止時発電を実施せず、次の車両１１の起動時（低温起動時）に待機して発電を行う時間を延長する処理を行う。
上記の条件（ｃ）、（ｄ）は、燃料電池システム１０の運転中発電において、図示しないステータスレジスタ等により乾燥状態、故障状態を監視する（状態フラグを変更する）構成であるとよく、実施条件判定ステップではフラグを確認して判定するとよい。一方、条件（ａ）、（ｂ）は実施条件判定ステップの実施に伴って判定を行うとよい。
図３に戻り、ＥＣＵ９６は、上記の条件（ａ）〜（ｄ）が全て成立している場合に、停止時発電の実施条件の成立を判定し（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。その一方で、ＥＣＵ９６は、上記の条件（ａ）〜（ｄ）のうちいずれか１つでも成立していない場合に停止時発電の実施条件の不成立を判定し（ステップＳ３：ＮＯ）、以降のステップＳ４、Ｓ５を飛ばす。
ステップＳ４において、ＥＣＵ９６は、燃料電池スタック１２内を乾燥させるために停止時発電を実施する（停止時発電ステップ）。この停止時発電でも、運転中発電と同様の動作により燃料電池スタック１２の発電を行う。ただし、高電流発電は燃料電池スタック１２内の水分量が増えるので実施せず、通常発電に比べて低電流で発電を実施する。この停止時発電の実施に伴い、燃料電池スタック１２内の発電セル２０は乾燥が促される。停止時発電の電力は、補機に供給され余った電力はバッテリＢｔに充電される。なお、停止時発電の実施時には、補機が発電を継続するのに必要な程度の定電流で発電することが好ましい。
また図４に示すように、停止時発電において、ＥＣＵ９６は、インピーダンス測定装置９４が測定する発電セル２０全体のインピーダンス値を取得して、停止時発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ２とインピーダンス値を比較する。そしてインピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２よりも低い場合には停止時発電を継続し、インピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２以上となった場合には停止時発電を終了する。
ＥＣＵ９６は、停止時発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ２を、運転中発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ１及び停止時インピーダンス閾値Ｔｉよりも高く設定している。換言すれば、運転中発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ１は燃料電池スタック１２の劣化抑制のために含水量の多い値に設定され、停止時発電におけるインピーダンス目標値Ｏｉ２は含水量の低い値に設定されている。
燃料電池スタック１２内は、乾燥が進んで含水量が少なくなると、水を媒介した複数の発電セル２０内の導通が抑制された状態が構築される。インピーダンス測定装置９４のインピーダンス値は、停止時発電のインピーダンス目標値Ｏｉ２を超えた付近において安定化する（微小な振幅を繰り返す）ようになる。
停止時発電の実施中に、ＥＣＵ９６は、バッテリＢｔの充電状態（ＳＯＣ）が所定率以上の場合に、低負荷発電（アイドル発電）を実施する。アイドル発電では、燃料電池スタック１２に対するアノードガス及びカソードガスの供給量を最低限とすることにより、燃料電池スタック１２の発電電流を大幅に低下させる。
なお、アイドル発電において発電電流が低下することで、インピーダンス測定装置９４はインピーダンス値の測定ができなくなる場合がある。そのためＥＣＵ９６は、停止時発電においてアイドル発電を行う場合に、インピーダンス値の推移を予測することで、停止時発電を継続させて停止時発電の中断を回避する。
具体的には、ＥＣＵ９６は、アイドル発電に移行した際に、インピーダンス目標値Ｏｉ２と測定するインピーダンス値との比較を中断すると共に、時間カウントを開始してこの時間カウントがアイドル発電実施時間を超えた場合に停止時発電を終了する。このアイドル発電実施時間は、インピーダンス変化に関連する冷媒出口温度やカソード系装置１６の補機（コンプレッサ７０、コンプレッサ７０から排出された空気を冷却するインタクーラ等）の温度、カソードオフガス温度に基づき算出してもよい。これにより、アイドル発電を実施し燃料電池スタック１２の温度が徐々に低下しても、燃料電池スタック１２内の乾燥の均一化が促進される。
なお、ＥＣＵ９６は、アイドル発電実施時間中に、例えば冷媒出口温度、カソード系装置１６の補機の温度又はカソードオフガス温度が所定以下に低下する等の理由により停止時発電を中断した場合、次の起動時（低温起動時）の待機して発電を行う時間を延長する制御を行うとよい。これにより、低温起動時に発電セル２０の電圧が不安定となることを抑制することができる。
さらにステップＳ５において、ＥＣＵ９６は、停止時発電の実施後、停止時発電のインピーダンス目標値Ｏｉ２をインピーダンス値が超えた後も、燃料電池スタック１２内の発電を継続する継続発電を実施する（継続発電ステップ）。すなわち停止時発電において、複数の発電セル２０の積層体２１内では、積層方向中央部の発電セル２０（中央セル）が早く乾燥する一方で、積層方向両端部の発電セル２０（端部セル）の乾燥が遅れ易い。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、停止時発電後に、発電を所定期間継続することで、端部セルをより乾燥させ、積層体２１内の中央部と端部とで発電セル２０の含水状態を均一にするようにしている。
具体的には図５に示すように、ＥＣＵ９６は、継続発電ステップにおいて、継続発電の実施期間である時間閾値Ｔｔを設定して時間カウントを開始する。そしてＥＣＵ９６は、計時している時間カウントが時間閾値Ｔｔ以上となるか否かを監視して、時間カウントが時間閾値Ｔｔ未満では継続発電を続ける一方で、時間カウントが時間閾値Ｔｔ以上となった場合に継続発電を終了する。時間閾値Ｔｔは、例えば２００ｓｅｃ〜５００ｓｅｃ程度の範囲に設定されることが好ましい。
この継続発電では、停止時発電と同様に、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１２に供給して、端部セルを含む各発電セル２０の発電を行う。継続発電における燃料電池スタック１２の発電量は、停止時発電における発電量を同程度に（同一又は多少変化するように）設定してよく、従ってＥＣＵ９６は、アノードガス及びカソードガスの供給量も同程度に調整する。
また図４に示すように、継続発電において、ＥＣＵ９６は、冷媒ポンプ９０の回転数を所定の目標回転数Ｏｒ以上にして通常の発電時より冷媒の循環量を上昇させることが好ましい。例えば、目標回転数Ｏｒは、停止時回転数閾値Ｔｒ以上の回転数に設定される。これにより継続発電の実施に伴い、複数の発電セル２０の積層体２１は温度のばらつきが少なくなり、端部セルの乾燥が促進される。なお、冷媒ポンプ９０の回転数を目標回転数Ｏｒ以上とする制御は、停止時発電（ステップＳ４）の実施時に行ってもよい。
以上の継続発電ステップの実施により、図５に示すように、複数の発電セル２０全体のインピーダンス値はインピーダンス目標値Ｏｉ２付近から大きな変動がない一方で、端部セルのインピーダンスは徐々に上昇していく。継続発電の実施後（時間閾値Ｔｔの経過後）に、端部セルのインピーダンスは乾燥が見込まれる端部乾燥インピーダンス値Ｄｉ以上となる。従って、継続発電の実施により、燃料電池スタック１２では端部セルの乾燥が一層促進され、積層方向の乾燥状態の均一化が図られる。
継続発電の実施（ステップＳ５）後又はステップＳ３において停止時発電が不成立の場合に、ＥＣＵ９６は、ステップＳ６において終了処理を実施する。終了処理では、車両１１の動作停止と共に燃料電池システム１０（冷媒ポンプ９０等）の動作を適宜停止する。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、インピーダンス測定装置９４は、積層体２１（複数の発電セル２０）全体のインピーダンス値を測定する構成に限定されず、一部の発電セル２０（例えば中央セル）のインピーダンス値を測定する構成でもよい。停止時インピーダンス閾値Ｔｉやインピーダンス目標値Ｏｉ１、インピーダンス目標値Ｏｉ２は、インピーダンス測定装置９４が測定するインピーダンス値に応じて適切な値に設定すればよい。また、停止時インピーダンス閾値Ｔｉとインピーダンス目標値Ｏｉ２の関係は、Ｔｉ＝Ｏｉ２、Ｔｉ＞Ｏｉ２等に設定してもよい。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の第１の態様は、アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セル２０を積層した積層体２１を有する燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部（インピーダンス測定装置９４）とを備える燃料電池システム１０の運転停止方法であって、運転停止時に、インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値以上となるまで、複数の発電セル２０の発電を行う停止時発電ステップと、インピーダンス値がインピーダンス目標値以上となった後、複数の発電セル２０の発電をさらに所定時間継続する継続発電ステップとを有する。
上記によれば、燃料電池システム１０の運転停止方法では、停止時発電ステップの実施後に継続発電ステップを実施することで、複数積層された発電セル２０をより均一に乾燥させることができる。これにより、燃料電池システム１０は、複数の発電セル２０の凍結を一層良好に回避することができ、次の低温起動時に発電停止を抑制すると共に、起動時間を短縮することが可能となり、商品性が向上する。
また、燃料電池スタック１２とラジエータ８８との間で冷媒を循環させる冷媒ポンプ９０を有し、継続発電ステップでは、冷媒ポンプ９０の回転数を所定の目標回転数Ｏｒ以上とする。これにより継続発電ステップでは、燃料電池スタック１２への冷媒の循環速度が増加し、複数の発電セル２０の温度状態が均一化することで端部セルの乾燥を一層促進することができる。
また、停止時発電ステップでは、インピーダンス目標値Ｏｉ２を燃料電池システム１０の運転時におけるインピーダンス目標値Ｏｉ１よりも高く設定する。これにより燃料電池システム１０は、停止時発電ステップにおいて複数の発電セル２０をより確実に乾燥させることができる。
また、停止時発電ステップでは、バッテリＢｔのＳＯＣに基づき燃料電池スタック１２の発電電流量が低下する低負荷発電を実施し、低負荷発電の実施に伴ってインピーダンス測定部（インピーダンス測定装置９４）の測定ができなくなっても停止時発電ステップを継続する。これにより燃料電池システム１０は、インピーダンス測定部の測定ができなくても停止時発電を中断しないので、燃料電池スタック１２内を安定的に乾燥させることができる。
また、低負荷発電の実施時には、燃料電池スタック１２から流出する冷媒の温度又は燃料電池システム１０の補機の温度に基づき燃料電池スタック１２のインピーダンスを推定する。これにより、停止時発電ステップ中に低負荷発電を実施しても、推定したインピーダンスに基づき停止時発電ステップを完了することができる。
また、停止時発電ステップの実施前に、冬季か否かを判定する条件判定ステップを行い、冬季を判定した場合に停止時発電ステップを実施する一方で、冬季でない判定をした場合に停止時発電ステップを実施しない。これにより、燃料電池システム１０は冬季において停止時発電及び継続発電を実施する一方で、冬季以外において停止時発電及び継続発電を非実施として燃費の悪化を抑制することができる。
また本発明の第２の態様は、アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セル２０を積層した積層体２１を有する燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部（インピーダンス測定装置９４）とを備える燃料電池システム１０であって、燃料電池システム１０の運転を制御する制御部（ＥＣＵ９６）を備え、制御部は、運転停止時に、インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２以上となるまで、複数の発電セル２０の発電を行い、インピーダンス値がインピーダンス目標値Ｏｉ２以上となった後、複数の発電セル２０の発電をさらに所定時間継続する。これにより燃料電池システム１０は、運転停止時に、燃料電池スタック１２内をより均一に乾燥することで、起動時間を短縮することができる。
１０…燃料電池システム １１…燃料電池車両（車両）
１２…燃料電池スタック ２０…発電セル
２１…積層体 ９０…冷媒ポンプ
９２ａ…冷媒出口温度センサ ９２ｂ…カソード出口温度センサ
９４…インピーダンス測定装置 ９６…ＥＣＵ
Ｏｉ１、Ｏｉ２…インピーダンス目標値 Ｏｒ…目標回転数
Ｔｉ…停止時インピーダンス閾値

Claims (7)

  1. アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セルを積層した積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
    運転停止時に、前記インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値以上となるまで、前記複数の発電セルの発電を行う停止時発電ステップと、
    前記インピーダンス値が前記インピーダンス目標値以上となった後、前記複数の発電セルの発電をさらに所定時間継続する継続発電ステップとを有する
    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、
    前記燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる冷媒ポンプを有し、
    前記継続発電ステップでは、前記冷媒ポンプの回転数を所定の目標回転数以上とする
    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、
    前記停止時発電ステップでは、前記インピーダンス目標値を前記燃料電池システムの運転時におけるインピーダンス目標値よりも高く設定する
    燃料電池システムの運転停止方法。
  4. 請求項１〜３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、
    前記停止時発電ステップでは、バッテリのＳＯＣに基づき前記燃料電池スタックの発電電流量が低下する低負荷発電を実施し、
    前記低負荷発電の実施に伴って前記インピーダンス測定部の測定ができなくなっても前記停止時発電ステップを継続する
    燃料電池システムの運転停止方法。
  5. 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、
    前記低負荷発電の実施時には、前記燃料電池スタックから流出する冷媒の温度又は前記燃料電池システムの補機の温度に基づき前記燃料電池スタックのインピーダンスを推定する
    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、
    前記停止時発電ステップの実施前に、冬季か否かを判定する条件判定ステップを行い、前記冬季を判定した場合に前記停止時発電ステップを実施する一方で、前記冬季でない判定をした場合に前記停止時発電ステップを実施しない
    燃料電池システムの運転停止方法。
  7. アノードガス及びカソードガスの反応により発電を行う複数の発電セルを積層した積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部とを備える燃料電池システムであって、
    当該燃料電池システムの運転を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、運転停止時に、前記インピーダンス測定部が測定したインピーダンス値がインピーダンス目標値以上となるまで、前記複数の発電セルの発電を行い、前記インピーダンス値が前記インピーダンス目標値以上となった後、前記複数の発電セルの発電をさらに所定時間継続する
    燃料電池システム。
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