JP5460639B2 - 燃料電池システムの運転停止方法 - Google Patents

Description

この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転停止方法に関し、特に、発電停止時にアノード内の水素とカソード内の酸素を消費させることで、燃料電池内のカソード内を窒素濃度の濃いガスで充満させる停止時発電処理を実施する燃料電池システムの運転停止方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。

この燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるが、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在し反応して電解質膜・電極構造体が劣化するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止時に、アノード側への反応ガスの供給を遮断するとともに、カソード側への反応ガスの供給を遮断する。さらに、アノード側排ガスをアノード側循環ラインを経由して上流側に循環させるとともに、カソード側排ガスをカソード循環ラインを経由して上流側に循環させ、燃料電池内の電気化学反応を継続させることで発電させ、発電出力をバッテリに充電する。このようにして、アノード側排ガスの水素を消費させるとともに、カソード側排ガス中の酸素を消費して窒素ガスをタンクに蓄積し、タンクに蓄積した窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内をガス置換している。

このようにガス置換することで、運転停止後のソーク中における燃料電池の劣化を防止することができる。

特開２００４−２２４８７号公報（図１、［００２９］）

しかし、特許文献１に係る燃料電池システムは、カソード循環ラインや、窒素ガスを蓄積するタンク、並びに前記窒素ガスをアノード側に供給するライン等が必要となり、燃料電池システムとしての構造が複雑かつ高価になる。

そこで、運転停止時に、アノード側への水素の供給を停止する一方、カソード側には低流量の空気を供給することで発電させ、アノード側の水素を消費するとともにカソード側の酸素を消費させ、カソード側を窒素ガスで充満させた後、アノード側を空気等の置換ガスにより置換し、その後に、燃料電池システムをソーク状態とすることが考えられる。

この場合、カソード側に低流量の空気を供給するために、エアポンプを所定回転数［ｒｐｍ］以下の低回転数で駆動する必要がある。

しかしながら、通常発電中には高速回転とされるエアポンプは、所定回転数以下の低回転数では、回転数に対する空気の流量の精度が保証されておらず、低流量の領域で回転数により空気の流量を精度よく制御することができない。すなわち、極低回転数を目標値とする制御は可能であるものの、その回転数で実際の流量がどの程度になっているかということを正確に把握することができない。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、酸化剤ガス供給装置から供給される低流量の流量を精度よく設定することを可能とする燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、カソード側に供給される酸化剤ガスとアノード側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記カソード側の圧力を検出する圧力検出装置と、を備える燃料電池システムの運転停止方法において、前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガスの供給停止後、前記圧力検出装置のゼロ点に対する補正量の学習を行い、学習完了後に、前記補正量で校正した前記圧力検出装置により前記カソード側の圧力を検出し、検出される前記カソード側の圧力が、目標圧力となるように前記酸化剤ガス供給装置から酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後、前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の運転停止指令を検出した際、燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガスの供給停止後、圧力検出装置のゼロ点に対する補正量の学習を行い、学習完了後に、前記補正量で校正した前記圧力検出装置によりカソード側の圧力を検出し、検出される前記カソード側の圧力が、目標圧力となるように酸化剤ガス供給装置から酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施するようにしたので、酸化剤ガス供給装置から所望流量（低流量で精度の高い流量）の酸化剤ガスをカソード側に供給することができる。

この場合、前記停止時発電処理中には、実施時間の経過に応じて、前記燃料電池の電圧が低下するように制御することで、この制御中に、一定電流の出力を前記燃料電池から引くことができる。

この発明では、停止時発電処理の直前にカソードの圧力を検出する圧力検出装置のゼロ点補正を行うようにしたので、停止時発電処理の直前に圧力検出装置がゼロ点誤差を有していたとしても、停止時発電処理時には、ゼロ点補正後の圧力検出装置により、カソードの圧力を精度よく検出することができる。結果として、酸化剤ガス供給装置から供給される低流量の流量を、ゼロ点補正後の圧力検出装置により精度よく制御（設定）することができる。

この発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。 前記運転停止方法を説明するタイミングチャートである。 エア圧力センサのゼロ点学習の制御フローチャートである。 停止時発電処理直前等に行われるエア圧力センサのゼロ点学習処理の作用効果説明図である。 図６Ａは、エア圧力センサの仕様上の誤差範囲の説明図、図６Ｂは、ゼロ点学習後に０［ｋＰａｇ］近傍で、エア圧力センサの誤差を小さくできることの説明図である。 停止時発電処理の作用効果説明図である。 燃料電池の出力電流を定電流とするために出力電圧指令値を変化させる説明図である。

図１に示すように、この発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池スタック１２に置換ガスを導入するガス置換装置１５と、燃料電池スタック１２に接続自由なバッテリ（蓄電装置）１７と、燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置、制御部）１８とを備える。

コントローラ１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、時計、計時部としてのタイマ１９等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池（セル又はセルペアともいう。）２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。

燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう。）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設される。空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するためのバタフライ弁等の開度調整可能な背圧制御弁（単に、背圧弁ともいう。）５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）制御弁により構成されることが好ましい。ただし、バタフライ弁であるので、完全に空気排出流路５６を遮断することはできない点に留意する。バタフライ弁以外の圧力制御弁を用いることもできる。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。

ガス置換装置１５は、前記酸化剤ガス供給装置１４と共用するエアポンプ５０と、エゼクタ６６の下流側の水素供給流路６４と空気供給流路５２との間に配設された空気導入流路５３と、この空気導入流路５３に設けられた空気導入弁５５と、を備える。

空気導入弁５５は、エアポンプ５０から空気供給流路５２及び空気導入流路５３を介し、燃料ガス入口連通孔４０ａを通じて燃料ガス流路３６に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード側空気掃気処理時あるいはアノード側空気置換処理時に開放される開閉弁である。なお、アノード側空気掃気処理は、水滴を吹き飛ばせる大きな風量とされる点でアノード側空気置換処理と異なり、アノード側の燃料ガスを空気にガス置換する点でアノード側空気置換処理と共通する。アノード側空気掃気処理時及びアノード側空気置換処理時には、空気導入弁５５の開弁時に、同時にパージ弁７２が間欠的あるいは連続的に開弁される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留し開閉弁であるインタンク電磁弁６３が一体的に設けられた水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。

この水素供給流路６４には、開閉弁である遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続される。なお、排出流路７４には、図示しない貯蔵バッファが配設され、この貯蔵バッファには、大気に連通する排気流路が接続される。

コントローラ１８は、各種制御処理を実行するために、水素供給流路６４に設けられたアノード圧力Ｐａを検出する圧力センサ１０２、酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍に設けられたカソード圧力Ｐｋを検出する圧力センサ１０３、燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に設けられた水素温度Ｔｈを検出する温度センサ１０４、図示しない冷却媒体入口連通孔に設けられた冷媒温度Ｔｃを検出する温度センサ１０６、各燃料電池２０の電圧（セル電圧又はセルペア電圧という。）Ｖｃを検出する電圧センサ１０８、及び燃料電池スタック１２から流れ出る電流の電流値（ＦＣ電流）Ｉｏを検出する電流センサ１１０の各信号を取り込み、後述するＦＣコンタクタ８６のオン（閉）オフ（開）、遮断弁６５等の弁の開閉及び開度制御、及びエアポンプ５０の流量（風量）の調整等のアクチュエータの制御等を行う。

図２に示すように、燃料電池スタック１２には、主電力線８０の一端が接続されるとともに、前記主電力線８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、主電力線８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記主電力線８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。

主電力線８０には、ＦＣコンタクタ（主電源開閉器、燃料電池スタック開閉器）８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。主電力線８０には、電力線８８の一端が接続され、電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンタクタ（蓄電装置開閉器）９２を介してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の通常運転時（通常発電時、又は通常発電処理時ともいう。）には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧制御弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。

一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、希釈ボックス６０内で空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ（図示せず）に排出される。

通常発電中には、ガス置換装置１５は作動させず、空気導入弁５５は、閉じた状態に保持される。空気導入弁５５は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）の開閉弁であることが好ましい。

次に、燃料電池システム１０の運転停止方法について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。

図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常発電運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフされると、コントローラ１８は、これを停止指令として検出し（時点ｔ１）、燃料電池システム１０の運転停止処理を開始する。 この場合、図３に示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフにされると（時点ｔ１）、インタンク電磁弁６３が閉じられ、インタンク電磁弁６３の故障検知処理に移行する。この故障検知処理では、インタンク電磁弁６３の直下流の圧力変化の有無により故障検知が行われる（時点ｔ１〜ｔ２）。圧力が低下した場合には、インタンク電磁弁６３が正常とされる。すなわち、正常に閉弁されたと判断する。

インタンク電磁弁６３の故障検知処理が終了すると（時点ｔ２）と、カソード側希釈ボックス掃気処理（カソード掃気処理又は希釈ボックス掃気ともいう。）が行われる。このカソード掃気処理では、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路３４を含むカソード側の水滴を含む液滴等を吹き飛ばすため、及び希釈ボックス６０に残留している水素を完全に希釈するため空気による（酸化剤ガス供給装置１４による）掃気処理が行われる。この際、高回転数［ｒｐｍ］に設定されるエアポンプ５０を駆動するのに不足する電力は補充される（時点ｔ２〜ｔ３）。

カソード掃気処理後には、背圧制御弁５８の開度制御が一旦停止されて開放（全開）されることで大気に連通し、カソード圧力ＰｋがＰｋ＝０［ｋＰａｇ：ｇはゲージ圧を意味する。］にされる状態が作られる（時点ｔ３〜ｔ４）。

なお、カソード掃気処理終了時点ｔ３では、エアポンプ５０の目標回転数が、例えば、数千回転の高回転数からきわめて低い、例えば、千回転程度以下の極低回転数に設定される。回転数の制御は、コントローラ１８により、高精度に行うことができる。

時点ｔ３〜時点ｔ４の間では、エアポンプ５０の回転数が極低回転数であり、かつ背圧制御弁５８が全開状態とされているので、実際のカソード圧力Ｐｋは、ほとんどゼロ値になっている。そこで、この時点ｔ３〜時点ｔ４の間で、カソード側の圧力センサ１０３のゼロ点学習（ゼロ点補正）を行う。

実際上、時点ｔ３〜時点ｔ４の間に、例えば、圧力センサ１０３で複数回（ｎ回）検出した検出圧力値Ｐｋ＝Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐｎを、平均した圧力値Ｐｋｍｅａｎ＝（Ｐ１＋Ｐ２＋…＋Ｐｎ）／ｎを求め、時点ｔ４以降での圧力センサ１０３の圧力検出値Ｐｋを次の（１）式に示すように補正して読む（検出する。）こととするゼロ点学習を行う。
Ｐｋ←Ｐｋ−Ｐｋｍｅａｎ …（１）

この（１）式は、補正後のカソード圧力値（Ｐｋ）は、検出したカソード圧力値（Ｐｋ）から補正量（Ｐｋｍｅａｎ）を引いた値であることを意味している。補正量Ｐｋｍｅａｎは、誤差ゼロからのオフセット量である。

圧力センサ１０３のゼロ点学習処理について、図４のフローチャートを参照して説明すると、ステップＳ１において、ゼロ点学習が実施可能か否かが判断される。この判断は、エアポンプ５０の回転の停止あるいは上述の背圧制御弁５８の全開など、カソード圧力（エア圧力）がゼロ（０［ｋＰａｇ］）となる状況を作りだすことで肯定的となる。

カソード圧力（エア圧力）がゼロ（０［ｋＰａｇ］）となる状況下で、ステップＳ２において、圧力センサ１０３（エア圧力センサ）の検出出力値（Ｐｋ）を補正量（例えば、上述したＰｋｍｅａｎ）とする。これによりゼロ点学習が完了し、補正量Ｐｋｍｅａｎが保持される。

以降、ステップＳ３に示すように、上記（１）式に対応して、「補正エア圧力←センサ出力値−補正量」とする演算を行い、補正したカソード圧力Ｐｋを得ることができる。以降、ステップＳ１が否定的であるとき、保持されている補正量によりステップＳ３の補正（校正）処理が行われる。

実際上、圧力センサ１０３は、周囲温度によっても検出圧力値が変動するので、このようなゼロ点学習を行うことにより、誤差を０値にもどすことができる。上述した圧力センサ１０３のゼロ点学習処理は、時点ｔ４以降に実施する停止時発電処理を精度よく行うための準備処理である。

図５は、圧力センサ１０３の誤差ΔＥの発生を示す経時変化特性の模式例を示しており、たとえ、起動時（発電開始時）に、圧力センサ１０３の誤差がゼロ点学習により０近傍に設定されても、発電時間の経過により圧力センサ１０３の温度特性による変動等を原因として誤差ΔＥが、＋側又は−側に増大する。図４中、停止時が、図３中のゼロ点学習処理の終了時点ｔ４に対応し、上述したゼロ点学習を行うことで、この時点ｔ４以降では、後述する時点ｔ７（図３参照）までは、上記（１）式に示したゼロ点補正を行うようにすることで、水素遮断後（時点ｔ２以降）の低出力の発電状態でもあることから温度変化も少ないので、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋの誤差ΔＥが極めて小さな値の状態に保持することができる。

なお、圧力センサ１０３の仕様上は、補正前の誤差ΔＥのパターンは、図６Ａに示すパターンＰａｔ１〜Ｐａｔ４の４パターンになる。すなわち、センサ誤差が上限誤差値＋Ｅｍａｘ側に偏ったパターンＰａｔ１、下限誤差値−Ｅｍａｘ側に偏ったパターンＰａｔ２、センサ誤差が圧力中央値Ｐｃｅｎｔでゼロ値で圧力上下限値で比例的に下降するパターンＰａｔ３、及びセンサ誤差が圧力中央値Ｐｃｅｎｔでゼロ値で圧力上下限値で比例的に上昇するパターンＰａｔ４の４パターンになる。上述した、０Ｐｋａｇでのゼロ点学習を行うことにより、図６Ｂに示すパターンＰａｔ１〜Ｐａｔ４に補正され、０Ｐｋａｇ近傍での精度が格段に上がることが分かる。特に、以下に説明する停止時発電処理（Ｏ２リーンＤＣＨＧ処理）での使用圧力域（ゼロから極低圧までの領域）での誤差をゼロ値近傍とすることができる。

次いで、上述した、背圧制御弁５８のゼロ点学習終了後の時点ｔ４以降において、停止時発電処理｛図３中、Ｏ２リーン、ＤＣＨＧ（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）と記載している。｝を開始する。

時点ｔ４〜時点ｔ７間の停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）では、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され（低回転数とされ）、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。

実際上、時点ｔ４〜時点ｔ７のＯ２リーン処理の間では、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋが、前記低酸素ストイキを維持する所定の（一定の）低圧力Ｐｋ１となるように、エアポンプ５０の回転数が極低回転数の状況下で増減される。この場合、ゼロ点学習処理直後であるので、正確なカソード圧力Ｐｋ＝Ｐｋ１を保持するエアポンプ５０の回転数を決定することができる。

なお、時点ｔ４以降、背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ状態の全閉とされているが、背圧制御弁５８は、バタフライ弁であり、極低流量の空気を通流させることが可能になっている｛図３中、時点ｔ４〜時点ｔ７の間で全閉（流量≠０）と記載している。｝。

一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続されている（〜時点ｔ７）。背圧制御弁５８のゼロ点学習処理（時点ｔ３〜時点４）後の停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）（時点ｔ４〜ｔ７）では、燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンタクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。

この停止時発電処理による作用効果は、図７に模式的に示すように、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素残量が低下して（図３中、時点ｔ５以降でのアノード残量Ｈ２量低下）水素濃度が減少するとともに、カソード側では、低酸素ストイキであるので酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇している（図３中、カソード後流Ｎ２濃度ＵＰ）。結果、排気側からの酸素の進入（拡散）が防止され、カソード側の低酸素状態が保持される。

なお、停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）開始時点ｔ４から終了時点ｔ６までの間では、水素遮断後、燃料電池スタック１２から一定電流ＩｃｏｎｓｔでＦＣ電流Ｉｏ（Ｉｏ＝Ｉｃｏｎｓｔ）を引いている。

燃料電池２０は、その出力電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆｃ（セル電圧Ｖｃの加算値）を規定すると、出力電流（ＦＣ電流Ｉｏ）の値が決定するＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）を有している。そして、停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）中の供給エア量は、一定であるため、燃料電池スタック１２の後流（酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ以降）の酸素濃度を低下させるのに必要な消費量（発電量）が決まる。理想状態では、低酸素ストイキ＝１．０の電流Ｉｏ（この電流を上記の一定電流Ｉｃｏｎｓｔにすればよい。）で発電するとスタック後流の酸素を略ゼロにすることができる。

一方、Ｉ−Ｖ特性は、ストイキ依存性がある。図８の左側の図に示すように、初期（時点ｔ４）の特性以降、時点ｔ６に至るまでに、例えば、Ｔ秒後、２Ｔ秒後の特性となり、Ｉ−Ｖ特性が徐々に低下する。

そこで、時点ｔ４以降の実施時間に対して、図８の右側の図の時間電圧特性２００に示すように、燃料電池スタック１２の出力電圧の電圧指令値Ｖｃｏｍを徐々に低下（変化）させることで、燃料電池スタック１２から引くＦＣ電流Ｉｏを一定電流Ｉｃｏｎｓｔ（Ｉｏ＝Ｉｃｏｎｓｔ）に保持することができる｛時点ｔ４〜時点ｔ６のＦＣ電流Ｉｏ［Ａ］とＦＣ電圧Ｖｆｃ［Ｖ］（セル電圧Ｖｃの直列電圧値）参照｝。なお、電圧指令値Ｖｃｏｍは、図２において、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０の燃料電池スタック１２側の電圧が電圧指令値Ｖｃｏｍになるように、該ＤＣ／ＤＣコンバータ９０をコントローラ１８により制御すればよい。

停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）の実施後、例えば、アノード側の水素圧力（アノード圧力Ｐａ）が所定の圧力以下となった際に、エアポンプ５０が停止されるとともに、バッテリコンタクタ９２がオフされる（時点ｔ７）。

そして、時点ｔ７以降では、エアポンプ５０の回転数を０ｒｐｍとし空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電される（図３中、時点ｔ７〜時点ｔ８）。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（図３中、Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、ＦＣコンタクタ８６がオフ状態にされる（時点ｔ８）。これにより燃料電池システム１０は、運転停止状態、いわゆるソーク状態となる。

なお、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、燃料電池スタック１２内に止まるのに対し、エアポンプ５０を停止した後、燃料電池スタック１２の発電を行っているので（時点ｔ７〜時点ｔ８）、燃料電池スタック１２の入口側まで窒素ガスによる置換範囲が拡大される（図３中、時点ｔ７〜時点ｔ８間のカソード残留Ｏ２量低下）。

時点ｔ８において、ＦＣコンタクタ８６がオフ状態とされて燃料電池システム１０の運転停止状態とされるが、上述した停止時発電処理（Ｏ２リーン処理）及びＤ／Ｖ ＤＣＨＧ放電｛ダウンバータ（Ｄ／Ｖ）９６を利用した１２Ｖ電源（バッテリ）９８への燃料電池２０の放電（ディスチャージ）による充電｝を行うことにより、燃料電池システム１０のカソード側は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態は、カソード側に供給される酸化剤ガスとアノード側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記カソード側の圧力を検出する圧力センサ１０３（圧力検出装置）と、を備える燃料電池システム１０の運転停止方法において、燃料電池２０の運転停止指令を検出した際（イグニッションスイッチのオフ、時点ｔ１）、前記燃料ガスの供給を停止し（時点ｔ１）、前記燃料ガスの供給停止後、圧力センサ１０３のゼロ点に対する補正量の学習を行い（時点ｔ３〜時点ｔ４）、学習完了後に、前記補正量で校正した圧力センサ１０３により前記カソード側の圧力（カソード圧力Ｐｋ）を検出し、検出される前記カソード側の圧力（カソード圧力Ｐｋ）が、目標圧力Ｐｋ１となるように酸化剤ガス供給装置１４から酸化剤ガスを燃料電池２０に低酸素ストイキで供給しながら、燃料電池２０を発電させる停止時発電処理（時点ｔ４〜時点ｔ７）を実施した後、燃料電池２０の発電を停止している（時点ｔ８）。

このように、燃料電池２０の運転停止指令を検出した際（時点ｔ１）、燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガスの供給停止後、圧力センサ１０３のゼロ点に対する補正量の学習を行い、学習完了後に、前記補正量で校正した圧力センサ１０３によりカソード側の圧力（カソード圧力Ｐｋ）を検出し、検出される前記カソード側の圧力（カソード圧力Ｐｋ）が、目標圧力Ｐｋ１となるように酸化剤ガス供給装置１４から通常発電時に比較して低流量の酸化剤ガスを燃料電池２０に供給しながら、燃料電池２０を発電させる停止時発電処理（時点ｔ４〜時点ｔ７）を実施するようにしたので、酸化剤ガス供給装置１４から酸素ストイキが１（低酸素ストイキ）となる所望流量（低流量で精度の高い流量）の酸化剤ガスをカソード側に供給することができる。

換言すれば、酸化剤ガス供給装置１４のエアポンプ５０から供給される空気の流量とエアポンプ５０の回転数との間の関係が不明であっても、ゼロ点補正された圧力センサ１０３で検出される圧力値（カソード圧力Ｐｋ）が一定値（目標圧力Ｐｋ１）となるようにエアポンプ５０の回転数を制御することにより、低酸素ストイキを実施する低流量のエア流量を精度よく設定することができる。

この場合、前記停止時発電処理中には、実施時間の経過に応じて、燃料電池２０の電圧が低下するように制御することで（図６参照）、この制御中に、一定電流Ｉｃｏｎｓｔの出力を燃料電池２０から引くことができる。

なお、前記停止時発電処理の実施の有無の判断は、燃料電池２０の発電停止指令を検出してから発電を停止したときまでの電流積算値｛図３中、時点ｔ４〜時点ｔ７（時点ｔ４〜時点ｔ８又は時点ｔ４〜時点ｔ６でもよい。）までの電流積算値｝に基づいて判断してもよい。停止時発電処理の実施により所定時間（時点ｔ４〜ｔ８までの時間）内の電流積算値が増加する事象を利用している。通常、燃料電池システム１０では、電流センサ１１０により電流値Ｉｏを検出しており、電流値Ｉｏの電流積算値ΣＩｏを計算するために、コストが高騰することがない。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることができる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １５…ガス置換装置
１６…燃料ガス供給装置 １７…バッテリ
１８…コントローラ １９…タイマ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５３…空気導入流路 ５４…加湿器
５５…空気導入弁 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ６０…希釈ボックス
６２…水素タンク ６３…インタンク電磁弁
６４…水素供給流路 ６５…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７０…オフガス流路 ７２…パージ弁
７４…排出流路 ８６…ＦＣコンタクタ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ９２…バッテリコンタクタ
９６…ダウンバータ ９８…１２Ｖ電源
１０２、１０３…圧力センサ １０４、１０６…温度センサ
１０８…電圧センサ １１０…電流センサ

Claims (2)

1. カソード側に供給される酸化剤ガスとアノード側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に、大気からの空気を圧縮し前記酸化剤ガスとして供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記カソード側の圧力を検出する圧力検出装置と、
   を備える燃料電池システムの運転停止方法において、
   前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガスの供給停止後、前記酸化剤ガス供給装置を実質的に停止させるか、前記カソード側の排出流路を大気に連通させるかして前記カソード側の圧力がゼロ値となる状況下で、前記圧力検出装置のゼロ点に対する補正量の学習を行い、
   学習完了後に、前記補正量で校正した前記圧力検出装置により前記カソード側の圧力を検出し、
   検出される前記カソード側の圧力が、目標圧力となるように前記酸化剤ガス供給装置から酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後、
   前記燃料電池の発電を停止する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
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、
   前記停止時発電処理中には、実施時間の経過に応じて、前記燃料電池の電圧が低下するように制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。

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