JP4653467B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックの停止時に燃料電池スタックの劣化を防止する燃料電池システムに関するものである。

一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側をアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）とで挟み込んで単セルを構成し、この単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを形成している。そしてアノードには、燃料として水素ガスが供給され、カソードには酸化剤として空気が供給される。その結果、燃料電池スタックでは、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソードまで移動し、カソードで水素イオンと空気中の酸素ガスとが電気化学的に反応することによって発電が行われる。

このような燃料電池スタックでは、例えば、燃料電池スタックを停止させる際に、燃料電池スタックへの反応ガス（水素ガス及び空気）の供給が遮断される。そして、燃料電池スタックの各単セル内には反応ガスが残留する。その結果、各単セルには、残留した反応ガスによって約１Ｖの開回路電圧が発生することとなる。一方、燃料電池スタックは、この開回路電圧が発生した状態で長時間放置されると、アノード及びカソードの触媒（白金触媒等）の活性が低下する。そこで、従来、各単セルのそれぞれに抵抗を配設した燃料電池スタックが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池スタックは、単セルに抵抗を電気的に接続することによって開回路電圧を低減し、そして触媒活性の低下、つまり燃料電池スタックの劣化を防止するようになっている。
特開２００３−１１５３０５号公報（段落番号００１７及び図１参照）

しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、複数の単セルごとに抵抗を設けなければならないために、燃料電池スタックが大型化すると共にその製造工程が煩雑化するという問題が生じる。

そこで、本発明は、反応ガスの供給が停止された後における燃料電池スタックの劣化を効率よく防止することができると共に、燃料電池スタックの製造工程を簡略化することができ、しかも燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための請求項１の発明は、複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続された負荷と、前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が、予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記負荷に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下の場合には、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする。

一般に、燃料電池スタックは、燃料電池スタックへの反応ガスの供給が停止された際に、各単セルには、残留した反応ガスによって１Ｖ前後の開回路電圧が発生する。この開回路電圧は、各単セルに残留する反応ガスの量の応じて単セルごとに相違している。そして、複数の単セルのうち、最高電圧値を示している単セルの触媒劣化が最も著しくなる。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタックへの反応ガスの供給が停止された際に、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックから負荷に向かって出力が行われる。このとき制御装置は、複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで燃料電池スタックから負荷に出力されるように出力規制手段に指令する。その結果、燃料電池システムでは、最高電圧値を示していた単セルの電圧値がその出力とともに低減されていく。したがって、単セルの電圧値が最高セル電圧閾値を超えた状態で長時間放置されることはなく、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。なお、最高電圧値を示していた単セル以外の単セルの電圧値は、最高セル電圧閾値未満となっているので電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。

また、この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、最高電圧値を示していた単セルの電圧値が最高セル電圧閾値以下になった後に、燃料電池スタックから負荷への出力が停止される。その結果、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることが回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化が防止される。

また、この燃料電池システムでは、従来の燃料電池スタック（例えば、特許文献１参照）のように単セルごとに抵抗（負荷）が取り付けられているのではなく、燃料電池スタックに出力規制手段を介して負荷が設けられている。その結果、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの単セルごとに負荷を取り付ける必要がないので、燃料電池スタックの製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

また、この燃料電池システムを構成する負荷は、抵抗器であってもよいし、公知の燃料電池システムに使用される、例えばラジエータのポンプ等の補機が負荷であってもよい。補機が負荷である燃料電池システムは、別途に抵抗器を設ける必要がないので燃料電池システムをより簡素化することができる。

請求項２に記載の発明は、複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続された負荷と、前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記燃料電池スタックの電圧値が、予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記負荷に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下の場合には、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする。

この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックの電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで燃料電池スタックから負荷に向かって出力が行われる。その結果、燃料電池システムは、各単セルの電圧値が低減されることによって、各単セルの触媒活性の低下が防止される。

また、この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックの電圧値がスタック電圧閾値以下になった後に、燃料電池スタックから負荷への出力が停止される。その結果、この燃料電池システムは、請求項１の発明と同様に、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることが回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化が防止される。

また、この燃料電池システムでは、請求項１の発明と同様に、従来の燃料電池スタック（例えば、特許文献１参照）のように単セルごとに負荷を取り付ける必要がないので、燃料電池スタックの製造工程が簡略化されると共に、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

また、この燃料電池システムを構成する負荷は、抵抗器であってもよいし、公知の燃料電池システムに使用される、例えばラジエータのポンプ等の補機が負荷であってもよい。補機が負荷である燃料電池システムは、別途に抵抗器を設ける必要がないので燃料電池システムをより簡素化することができる。

このような請求項１又は請求項２に係る燃料電池システムでは、前記したように燃料電池スタックから負荷に向かって出力されることによって、各単セルの電圧値は低減されていく。そして、燃料電池システムの制御手段は、出力規制手段を制御することによって、複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下になったときに、燃料電池スタックから負荷への出力を停止する。その結果、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることがより確実に回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化がより確実に防止される。

請求項３に記載の発明は、複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続されて前記燃料電池スタックが発電した電力を蓄える蓄電手段と、前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が、予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記蓄電手段に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下である場合には、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタックへの反応ガスの供給が停止された際に、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックから蓄電手段に向かって出力が行われる。このとき制御装置は、複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで燃料電池スタックから蓄電手段に出力されるように出力規制手段に指令する。その結果、燃料電池システムでは、最高電圧値を示していた単セルの電圧値がその出力とともに低減されていく。したがって、単セルの電圧値が最高セル電圧閾値を超えた状態で長時間放置されることはなく、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。なお、最高電圧値を示していた単セル以外の単セルの電圧値は、最高セル電圧閾値以下となっているので電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、この燃料電池システムは、燃料電池システムの再起動時等に蓄電手段に蓄えられた電力を使用することができる。

また、この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、最高電圧値を示していた単セルの電圧値が最高セル電圧閾値以下になった後に、燃料電池スタックから蓄電手段への出力が停止される。その結果、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることが回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化が防止される。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに出力規制手段を介して蓄電手段が設けられており、燃料電池スタックから蓄電手段に向かって出力させることによって、各単セルの電圧値が低減される。その結果、この燃料電池システムでは、従来の燃料電池スタック（例えば、特許文献１参照）のように単セルごとに抵抗（負荷）を取り付ける必要がないので、燃料電池スタックの製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続されて前記燃料電池スタックが発電した電力を蓄える蓄電手段と、前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記燃料電池スタックの電圧値が、予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記蓄電手段に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下である場合には、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする。

この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックの電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで燃料電池スタックから蓄電手段に向かって出力が行われる。その結果、燃料電池システムは、各単セルの電圧値が低減されることによって、各単セルの触媒活性の低下が防止される。

また、この燃料電池システムでは、制御手段が出力規制手段を制御することによって、燃料電池スタックの電圧値がスタック電圧閾値以下になった後に、燃料電池スタックから蓄電手段への出力が停止される。その結果、この燃料電池システムは、請求項４の発明と同様に、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることが回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化が防止される。

また、この燃料電池システムでは、請求項４の発明と同様に、従来の燃料電池スタック（例えば、特許文献１参照）のように単セルごとに負荷を取り付ける必要がないので、燃料電池スタックの製造工程が簡略化されると共に、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

このような請求項３又は請求項４に係る燃料電池システムでは、前記したように燃料電池スタックから蓄電手段に向かって出力されることによって、各単セルの電圧値が低減される。そして、燃料電池システムの制御手段は、出力規制手段を制御することによって、複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下になったときに、燃料電池スタックから蓄電手段への出力を停止する。その結果、燃料電池スタックへの反応ガスの供給停止後に各単セルから必要以上の電力が取り出されることがより確実に回避されるので、単セル内で逆電流が生じることによる電極（アノード及びカソード）等の劣化がより確実に防止される。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄電手段が、降圧型の前記出力規制手段にオンオフスイッチを介して接続されており、前記制御手段が、前記燃料電池スタックの電圧値が前記蓄電手段の電圧値以下になった際に、前記オンオフスイッチをオフにすることを特徴とする。ここで、降圧型の出力規制手段とは、出力側の電圧を、入力側の電圧以下に調整する手段をいい、本発明では、出力側と入力側とを直結し、あるいは切断するスイッチング素子等がこれに含まれる。

この燃料電池システムは、降圧型の出力規制手段が設けられているので、出力規制手段を介しての燃料電池スタックの出力は、その電圧値を蓄電手段への充電が進むにしたがって下げていく。この燃料電池システムでは、制御手段が、燃料電池スタックの電圧値が前記蓄電手段の電圧値以下になった際に、前記オンオフスイッチをオフにするので、燃料電池スタックの電圧値、延いては各単セルの電圧値を効果的に低減させることができる。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給が停止された後における燃料電池スタックの劣化を効率よく防止することができると共に、燃料電池スタックの製造工程を簡略化することができ、しかも燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。

（第１実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムにおける第１実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システムＦＳ１は、燃料電池スタック１、出力規制手段２、負荷３及び制御手段４を備えている。また、燃料電池システムＦＳ１は、燃料電池スタック１に燃料としての水素ガスを供給する水素供給装置５や、燃料電池スタック１に酸化剤としての空気（酸素ガス）を供給する空気供給装置６、燃料電池スタック１を冷却するラジエータ（図示せず）等をさらに備えている。なお、水素ガス及び空気（酸素ガス）は、特許請求の範囲にいう「反応ガス」に相当する。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、複数の単セル１ａが積層されたものであって、水素供給装置５から供給される水素ガスと、空気供給装置６から供給される空気に含まれる酸素ガスとの電気化学反応により各単セル１ａが発電を行うようになっている。この燃料電池スタック１は各単セル１ａが直列に繋がれており、各単セル１ａのセル電圧（セルＶ）の合算値は、燃料電池スタック１の出力の電圧値（以下、「スタック電圧値」という）に等しくなっている。

各単セル１ａのそれぞれには、図示しないセルＶ端子が設けられており、各単セル１ａのセル電圧（セルＶ）は、このセルＶ端子を介してモニタすることができるようになっている。そして、この燃料電池スタック１では、各単セル１ａのセル電圧（セルＶ）及びスタック電圧が電圧検出手段７（電圧計等）で検出され、その検出信号が制御手段４に出力されるようになっている。

出力規制手段２は、燃料電池スタック１に電気的に接続されて燃料電池スタック１からの出力を規制するものである。この出力規制手段としては、例えば、燃料電池スタック１と、負荷３との電気的な接続及び遮断を行うスイッチング素子を有するもの（降圧型出力規制手段）や、このスイッチング素子に燃料電池スタック１の出力の電圧値を高める昇圧器を組み合わせたもの（昇圧型出力規制手段）等が挙げられる。

負荷３は、燃料電池スタック１に出力規制手段２を介して電気的に接続されている。この負荷３は、燃料電池スタック１が発電した電力を消費するものであり、例えば、抵抗器や、公知の燃料電池システムに使用される、例えばラジエータのポンプ等の補機が挙げられる。中でも補機が負荷として使用された燃料電池システムＦＳ１は、別途に抵抗器を設ける必要がないのでその構成を簡素化することができる。

制御手段４は、後記する手順に従って、電圧検出手段７（電圧計等）から出力されるセル電圧（セルＶ）の検出信号に基づいて出力規制手段２を制御するものである。さらに具体的に言うと、制御手段４は、燃料電池スタック１への反応ガスの供給が停止された際に、複数の単セル１ａの電圧値のうちの最高電圧値が後記する最高セル電圧閾値以下になるまで燃料電池スタック１から負荷３に出力されるように出力規制手段２に指令するものである。この制御手段４は、例えば、ＣＰＵや半導体メモリ等からなる公知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成することができる。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図２は、本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１の動作を説明するフローチャートである。

この燃料電池システムＦＳ１では、図１に示す燃料電池スタック１に水素供給装置５から水素ガス（反応ガス）が供給されると共に、空気供給装置６から空気（酸素ガス：反応ガス）が供給されることによって、前記したように各単セル１ａで発電が行われる。

そして、例えば、燃料電池システムＦＳ１を停止させるための要求によって、図２に示すように、燃料電池スタック１への反応ガス（水素ガス及び空気）の供給が停止されると（ステップＳ１）、図１に示す単セル１ａのそれぞれには、残留した反応ガスによって１Ｖ前後の開回路電圧が発生する。この開回路電圧は、各単セル１ａに残留する反応ガスの量の応じて単セル１ａごとに相違している。

その一方で、制御手段４（図１参照）は、反応ガスの供給が停止されると、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａの電圧値のうちの最低電圧値を検出する。そして、制御手段４は、図２に示すように、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ２）。なお、この最低セル電圧閾値は、単セル１ａの電圧値が当該最低セル電圧閾値と等しくなっても燃料電池スタック１からの出力が継続された場合に、単セル１ａ内に逆電流が生じて電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れがある電圧値である。ちなみに、本実施形態では、最低セル電圧閾値が、例えば０．２Ｖに設定されているが、本発明はこの電圧値に制限されることなく、最低セル電圧閾値は、使用する燃料電池スタック１に応じて適宜に設定することができる。

次いで、このステップＳ２において、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ２のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａの電圧値のうちの最高電圧値を検出する。そして、制御手段４は、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ３）。なお、この最高セル電圧閾値は、単セル１ａの電圧値が当該最高セル電圧閾値を超えて単セル１ａが長時間放置されると、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れがある電圧値である。ちなみに、本実施形態では、最高セル電圧閾値が、例えば０．８Ｖに設定されているが、本発明はこの電圧値に制限されることなく、最高セル電圧閾値は、使用する燃料電池スタック１に応じて適宜に設定することができる。

次いで、このステップＳ３において、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ３のＮｏ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３に向かって出力が行われるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ４）。つまり、制御手段４は、出力規制手段２がスイッチング素子である場合には、スイッチング素子をオンにする。その結果、最高電圧値を示していた単セル１ａの電圧値がその出力とともに低減されていくと共に、他の単セル１ａの電圧値は相対的に低減されていく。そして、この燃料電池システムＦＳ１では、このステップＳ４の終了後に、ステップＳ２に戻るようになっており、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下であり、かつ最高電圧値が最高セル電圧閾値以下であるときには、ステップＳ２からステップＳ４が繰り返されることとなる。

その一方で、ステップＳ１の終了後、あるいはステップＳ４の終了後に、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ２のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ５）。つまり、制御手段４は、出力規制手段２がスイッチング素子である場合には、スイッチング素子をオフにする。その結果、最低電圧値を示していた単セル１ａ内に逆電流が生じて電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れは回避される。この際、最低電圧値を示している単セル１ａ以外の単セル１ａの電圧値は、最低セル電圧閾値を超えているので電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れは回避される。そして、このステップＳ５の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、ステップＳ３において、最高電圧値が最高セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ３のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ５）。つまり、制御手段４は、出力規制手段２がスイッチング素子である場合には、スイッチング素子をオフにする。その結果、単セル１ａの電圧値が最高セル電圧閾値を超えて単セル１ａが長時間放置されることはなく、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。なお、最高電圧値を示していた単セル１ａ以外の単セル１ａの電圧値は、最高セル電圧閾値未満となっているので電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ５の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、燃料電池システムＦＳ１では、従来の燃料電池スタック（例えば、特許文献１参照）のように単セルごとに抵抗（負荷）が取り付けられているのではなく、燃料電池スタック１に出力規制手段２を介して負荷３が設けられている。その結果、燃料電池システムＦＳ１は、燃料電池スタック１の単セル１ａごとに負荷３を取り付ける必要がないので、燃料電池スタック１の製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタック１のコンパクト化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムにおける第２実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態において、その制御手段が後記する手順に従って動作するように構成されている他は第１実施形態と同様に構成されている。ここでは図３に示す本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートを参照しながら本実施形態に係る燃料電池システムについて説明すると共に、第１実施形態と同様の構成要素については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ＦＳ１での制御手段４（図１参照）は、図３に示すように、反応ガスの供給が停止されると（ステップＳ１１）、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａ（図１参照）の電圧値のうちの最低電圧値を検出する。そして、制御手段４は、図３に示すように、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この最低セル電圧閾値は、第１実施形態の最低セル電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ１２において、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ１２のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて前記したスタック電圧値を検出する。そして、制御手段４は、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ１３）。なお、このスタック電圧閾値は、スタック電圧値が当該スタック電圧閾値を超えた状態で長時間放置されると、単セル１ａの電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れがある電圧値である。ちなみに、本実施形態では、スタック電圧閾値が、例えば３５０Ｖに設定されているが、本発明はこの電圧値に制限されることなく、スタック電圧閾値は、使用する燃料電池スタック１に応じて適宜に設定することができる。

次いで、このステップＳ１３において、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ１３のＮｏ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３に向かって出力が行われるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ１４）。つまり、制御手段４は、出力規制手段２がスイッチング素子である場合には、スイッチング素子をオンにする。その結果、スタック電圧値がその出力とともに低減されていくと共に、単セル１ａの電圧値は相対的に低減されていく。そして、この燃料電池システムＦＳ１では、このステップＳ１４の終了後に、ステップＳ１２に戻るようになっており、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下であり、かつスタック電圧値がスタック電圧閾値以下であるときには、ステップＳ１２からステップＳ１４が繰り返されることとなる。

その一方で、ステップＳ１１の終了後、あるいはステップＳ１４の終了後に、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ１２のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ１５）。その結果、単セル１ａ内に逆電流が生じて電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れは回避される。そして、このステップＳ１５の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、ステップＳ１３において、スタック電圧値がスタック電圧閾値以下の場合には（ステップＳ１３のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ１５）。その結果、スタック電圧値がスタック電圧閾値を超えて長時間放置されることはなく、単セル１ａの電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ１５の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、燃料電池システムＦＳ１では、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の単セル１ａごとに負荷３を取り付ける必要がないので、燃料電池スタック１の製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタック１のコンパクト化を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムにおける第３実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態において、その制御手段が後記する手順に従って動作するように構成されている他は第１実施形態と同様に構成されている。ここでは図４に示す本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートを参照しながら本実施形態に係る燃料電池システムについて説明すると共に、第１実施形態と同様の構成要素については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ＦＳ１での制御手段４（図１参照）は、図４に示すように、反応ガスの供給が停止されると（ステップＳ２１）、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａ（図１参照）の電圧値のうちの最低電圧値を検出する。そして、制御手段４は、図４に示すように、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ２２）。なお、この最低セル電圧閾値は、第１実施形態の最低セル電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ２２において、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ２２のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａの電圧値のうちの最高電圧値を検出する。そして、制御手段４は、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ２３）。なお、この最高セル電圧閾値は、第１実施形態の最高セル電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ２３において、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ２３のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて前記したスタック電圧値を検出する。そして、制御手段４は、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ２４）。なお、このスタック電圧閾値は、第２実施形態のスタック電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ２４において、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ２４のＮｏ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３に向かって出力が行われるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ２５）。その結果、スタック電圧値がその出力とともに低減されていくと共に、単セル１ａの電圧値は相対的に低減されていく。そして、この燃料電池システムＦＳ１では、このステップＳ２５の終了後に、ステップＳ２２に戻るようになっており、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下であり、かつ最高電圧値が最高セル電圧閾値以下であり、かつスタック電圧値がスタック電圧閾値以下であるときには、ステップＳ２２からステップＳ２５が繰り返されることとなる。

その一方で、ステップＳ２１の終了後、あるいはステップＳ２５の終了後に、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ２２のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ２６）。その結果、単セル１ａ内に逆電流が生じて電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れは回避される。そして、このステップ２６の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、ステップＳ２３において、最高電圧値が最高セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ２３のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ２６）。その結果、単セル１ａの電圧値が最高セル電圧閾値を超えて単セル１ａが長時間放置されることはなく、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ２６の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、ステップＳ２４において、スタック電圧値がスタック電圧閾値以下の場合には（ステップＳ２４のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から負荷３への出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ２６）。その結果、スタック電圧値がスタック電圧閾値を超えて長時間放置されることはなく、単セル１ａの電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ２６の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１では、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の単セル１ａごとに負荷３を取り付ける必要がないので、燃料電池スタック１の製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタック１のコンパクト化を図ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の燃料電池システムにおける第４実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図５は、第４実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。

図５に示すように、燃料電池システムＦＳ２は、第１実施形態において、蓄電手段８をさらに備えると共に、制御手段４が後記する手順に従って動作するように構成されている他は第１実施形態と同様に構成されている。なお、ここでは第１実施形態と同様の構成要素については詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、降圧型出力規制手段が使用された燃料電池システムを例にとって説明する。

図５に示すように、蓄電手段８は、出力規制手段２にオンオフスイッチ９を介して電気的に接続されており、燃料電池スタック１が発電した電力を蓄えるようになっている。この蓄電手段８としては、公知の構造のものを使用することができ、例えば、キャパシタや二次電池が挙げられる。そして、この蓄電手段８は、負荷３ともオンオフスイッチ９を介して電気的に接続されており、負荷３が補機である場合には、オンオフスイッチ９をオンにすることによって蓄電手段８に蓄えられた電力が補機に使用することができるようになっている。

制御手段４は、後記する手順に従って、燃料電池スタック１への反応ガスの供給が停止された際に、単セル１ａの電圧値やスタック電圧値に基づいて出力規制手段２及びオンオフスイッチ９を制御するように構成されている。

次に、第４実施形態に係る燃料電池システムＦＳ２の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図６は、本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ２の動作を説明するフローチャートである。

この燃料電池システムＦＳ２では、図５に示す燃料電池スタック１に水素供給装置５から水素ガス（反応ガス）が供給されると共に、空気供給装置６から空気（酸素ガス：反応ガス）が供給されることによって、各単セル１ａで発電が行われる。

そして、例えば、燃料電池システムＦＳ２を停止させるための要求によって、図６に示すように、燃料電池スタック１への反応ガス（水素ガス及び空気）の供給が停止されると（ステップＳ３１）、電圧検出手段７（図５参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａ（図１参照）の電圧値のうちの最低電圧値を検出する。そして、制御手段４は、図６に示すように、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ３２）。なお、この最低セル電圧閾値は、第１実施形態の最低セル電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ３２において、最低電圧値が予め設定された最低セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ３２のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図５参照）の検出信号に基づいて複数の単セル１ａの電圧値のうちの最高電圧値を検出する。そして、制御手段４は、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ３３）。なお、この最高セル電圧閾値は、第１実施形態の最高セル電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ３３において、最高電圧値が予め設定された最高セル電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ３３のＮｏ）、制御手段４は、電圧検出手段７（図１参照）の検出信号に基づいて前記したスタック電圧値を検出する。そして、制御手段４は、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値以下か否かを判定する（ステップＳ３４）。なお、このスタック電圧閾値は、第２実施形態のスタック電圧閾値と同様に設定することができる。

次いで、このステップＳ３４において、スタック電圧値が予め設定されたスタック電圧閾値を超えている場合には（ステップＳ３４のＮｏ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から出力規制手段２を介して出力が行われるように出力規制手段２に指令する（ステップＳ３５）。また、制御手段４は、オンオフスイッチ９をオンにするように指令する。その結果、燃料電池スタック１が出力規制手段２を介して蓄電手段８及び負荷３に向かって出力するので、スタック電圧値がその出力とともに低減されていくと共に、単セル１ａの電圧値は相対的に低減されていく。このとき出力規制手段２は、降圧型のものが使用されているので、出力規制手段２を介しての燃料電池スタック１の出力は、その電圧値が負荷３及び蓄電手段８への出力が進むにしたがって低下していく。

そして、制御手段４は、蓄電手段８の電圧値を検出すると共に、スタック電圧値が蓄電手段の電圧値以上か否かを判定する（ステップＳ３６）。その結果、スタック電圧値が蓄電手段８の電圧値以上の場合（ステップＳ３６のＹｅｓ）には、工程がステップＳ３２に戻る。そして、最低電圧値が最低セル電圧閾値以上であり、かつ最高電圧値が最高セル電圧閾値以上であり、かつスタック電圧値がスタック電圧閾値以上であり、かつスタック電圧値が蓄電手段８の電圧値以上であるときには、ステップＳ３２からステップＳ３６が繰り返されることとなる。つまり、燃料電池スタック１から負荷３及び蓄電手段８への出力は継続されることとなる。そして、ステップＳ３６において、スタック電圧値が蓄電手段８の電圧値未満の場合には（ステップＳ３６のＮｏ）、制御手段４は、オンオフスイッチ９をオフにする（ステップＳ３７）。その結果、燃料電池スタック１から蓄電手段８への出力が停止されて蓄電手段８への充電は終了する。このときオンオフスイッチ９がオフになっているので、蓄電手段８から燃料電池スタック１への電流の逆流が防止されるので、この燃料電池システムＦＳ２は、スタック電圧値、延いては各単セル１ａの電圧値を効果的に低減させることができる。ちなみに、蓄電手段８から負荷３への放電は、オンオフスイッチ９がオフになっているので禁止されることとなる。

そして、ステップＳ３７の終了後には、工程はステップＳ３２に戻る。そして、最低電圧値が最低セル電圧閾値以上であり、かつ最高電圧値が最高セル電圧閾値以上であり、かつスタック電圧値がスタック電圧閾値以上であるときには、既にスタック電圧値が蓄電手段８の電圧値未満になっているので、ステップＳ３２からステップＳ３７が繰り返されることとなる。つまり、燃料電池スタック１から蓄電手段８への出力が停止されたままで、燃料電池スタック１から負荷３への出力が継続されることとなる。その結果、スタック電圧値がその出力とともに低減されていくと共に、単セル１ａの電圧値は相対的に低減されていく。

その一方で、ステップＳ３１の終了後、あるいはステップＳ３６のＹｅｓの場合、あるいは、ステップＳ３７の終了後に、最低電圧値が最低セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ３２のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から出力規制手段２を介しての出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ３８）。その結果、単セル１ａ内に逆電流が生じて電極（アノード及びカソード）等に劣化が生ずる恐れは回避される。そして、このステップＳ３８の終了後に、燃料電池システムＦＳ２は停止する。

また、ステップＳ３３において、最高電圧値が最高セル電圧閾値以下の場合には（ステップＳ３３のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から出力規制手段２を介しての出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ３８）。その結果、単セル１ａの電圧値が最高セル電圧閾値を超えて単セル１ａが長時間放置されることはなく、電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ３８の終了後に、燃料電池システムＦＳ２は停止する。

また、ステップＳ３４において、スタック電圧値がスタック電圧閾値以下の場合には（ステップＳ３４のＹｅｓ）、制御手段４は、燃料電池スタック１から出力規制手段２を介しての出力が停止されるように出力規制手段２を制御する（ステップＳ３８）。その結果、スタック電圧値がスタック電圧閾値を超えて長時間放置されることはなく、単セル１ａの電極（アノード及びカソード）に含まれる触媒活性が低下する恐れは回避される。そして、このステップＳ３８の終了後に、燃料電池システムＦＳ１は停止する。

また、本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ２では、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の単セル１ａごとに負荷３を取り付ける必要がないので、燃料電池スタック１の製造工程を簡略化することができると共に、燃料電池スタック１のコンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ２では、蓄電手段８に電力が蓄えられるので、蓄えられた電力が補機に使用することが可能となる。

以上、本発明の第１実施形態乃至第４実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。前記第４実施形態では、出力規制手段２として、降圧型のものを使用したが、昇圧型の出力規制手段２を使用したものであってもよい。なお、この燃料電池システムＦＳ２は、制御手段４がスタック電圧値と蓄電手段８の電圧値を比較することなく、ステップＳ３２のＹｅｓの場合、あるいはステップＳ３３のＹｅｓの場合、あるいはステップＳ３４のＹｅｓの場合に、制御手段４がオンオフスイッチ９をオフにするように構成されればよい

また、前記第４実施形態では、制御手段４がステップＳ３３及びステップＳ３４の両工程を実行しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ステップＳ３３及びステップＳ３４のいずれか一方の工程が省略されたものであってもよい。

また、前記第１実施形態、第３実施形態及び第４実施形態は、全ての単セル１ａの中で最も高い電圧値を最高電圧値としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、全ての単セル１ａから任意に選択された単セル１ａのグループの中で最も高い電圧値を最高電圧値とするものであってもよい。

また、本発明での出力規制手段の取り付け位置は、燃料電池スタックの出力を規制することができれば特に制限はなく、いずれの位置に取り付けられていてもよい。例えば、図５に示すように、本発明は、燃料電池スタック１と負荷３と蓄電手段８とを相互に繋ぐ導線が交わった接点から蓄電手段８側寄りの導線に配置された出力規制手段２ａを有するものであってもよいし、前記接点から負荷３側寄りの導線に配置された出力規制手段２ｂを有するものであってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する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の動作を説明するフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する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のブロック図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する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 単セル
２ 出力規制手段
２ａ 出力規制手段
２ｂ 出力規制手段
３ 負荷
４ 制御手段
５ 水素供給装置
６ 空気供給装置
７ 電圧検出手段
ＦＳ１ 燃料電池システム
ＦＳ２ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、
   前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続された負荷と、
   前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が、予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記負荷に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下の場合には、記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、
   前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続された負荷と、
   前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記燃料電池スタックの電圧値が、予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記負荷に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下の場合には、前記燃料電池スタックから前記負荷への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、
   前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続されて前記燃料電池スタックが発電した電力を蓄える蓄電手段と、
   前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記複数の単セルの電圧値のうちの最高電圧値が、予め設定された最高セル電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記蓄電手段に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下である場合には、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
4. 複数の単セルが積層されて形成され、反応ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからの出力を規制する出力規制手段と、
   前記燃料電池スタックに前記出力規制手段を介して電気的に接続されて前記燃料電池スタックが発電した電力を蓄える蓄電手段と、
   前記出力規制手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給が停止された際に、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、予め設定された最低セル電圧閾値を超えていることを条件に、前記燃料電池スタックの電圧値が、予め設定されたスタック電圧閾値以下になるまで前記燃料電池スタックから前記蓄電手段に出力を行わせた後に、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御し、
   前記複数の単セルの電圧値のうちの最低電圧値が、前記最低セル電圧閾値以下である場合には、前記燃料電池スタックから前記蓄電手段への出力を停止するように前記出力規制手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記蓄電手段が、降圧型の前記出力規制手段にオンオフスイッチを介して接続されており、前記制御手段が、前記燃料電池スタックの電圧値が前記蓄電手段の電圧値以下になった際に、前記オンオフスイッチをオフにすることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。

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