JP5476408B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP5476408B2
JP5476408B2 JP2012057342A JP2012057342A JP5476408B2 JP 5476408 B2 JP5476408 B2 JP 5476408B2 JP 2012057342 A JP2012057342 A JP 2012057342A JP 2012057342 A JP2012057342 A JP 2012057342A JP 5476408 B2 JP5476408 B2 JP 5476408B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxidant
fuel cell
gas
valve
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012057342A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2013191430A (ja
Inventor
千大 和氣
知久 神山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2012057342A priority Critical patent/JP5476408B2/ja
Priority to DE102013204455A priority patent/DE102013204455A1/de
Priority to US13/804,367 priority patent/US20130244125A1/en
Publication of JP2013191430A publication Critical patent/JP2013191430A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5476408B2 publication Critical patent/JP5476408B2/ja
Priority to US14/720,521 priority patent/US10038205B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

本発明は、カソードオフガスを循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を備えた燃料電池システムに関する。
特許文献１には、燃料電池のカソードに滞留した生成水を排出するため、カソードに対して空気オフガス（酸化剤オフガス）が流れる排出管と空気（酸化剤ガス）が供給される供給管とを接続して、排出管の空気オフガスを供給管に戻して循環させるカソード循環系を備えた技術が記載されている。
特許文献２には、空気（酸化剤ガス）のストイキを低下させて通常運転に比べて発電効率の低い低効率発電を行うことで、暖機を促進する技術が記載されている。
特表平８−５００９３１号公報 特開２００８−２２６５９１号公報
しかしながら、特許文献１と特許文献２とを組み合わせて、酸化剤ガスのストイキを低下させて低効率発電を行う際に直ちに酸化剤オフガスの循環を開始すると、循環系内での酸化剤ガスに含まれる酸素量が低減せず、電流電圧特性（ＩＶ特性）を素早く低下させることができないという問題があった。
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、電流電圧特性を素早く低下させることが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明は、アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記カソードに供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記カソードから排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤オフガス排出流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連通し、酸化剤オフガスの少なくとも一部を前記酸化剤ガス供給流路に導入する酸化剤オフガス導入流路と、前記酸化剤オフガス導入流路に設けられる循環用開閉弁と、を備える燃料電池システムであって、所定条件が成立したときに、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池の酸化剤ガスのストイキを減少させることで前記燃料電池の電流電圧特性を低下させるストイキ低減処理手段と、前記ストイキ低減処理手段による処理の後、前記循環用開閉弁を開弁させて、酸化剤オフガスを前記酸化剤オフガス導入流路を介して前記酸化剤ガス供給流路に導入して酸化剤オフガスを循環させる酸化剤オフガス循環処理手段と、を備えることを特徴とする。
これによれば、ストイキ低減処理手段によって酸化剤ガスのストイキを予め低下させた後、循環用開閉弁を開弁して酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から酸化剤オフガス導入流路を介して酸化剤ガス供給流路に導入して酸化剤オフガスを循環させることで、循環を開始する前までにカソード循環系（酸化剤ガス供給流路、燃料電池内のカソード流路、酸化剤オフガス排出流路、酸化剤オフガス導入流路）内の酸化剤ガスに含まれる酸素濃度が十分に低減されており、所定の電流電圧特性（ＩＶ特性）まで迅速に低下させることができる。
しかも、ストイキ低減処理手段による処理の後に酸化剤オフガス循環処理手段により酸化剤オフガスの循環を開始するので、燃料電池に滞留する生成水の排出が促進され、燃料電池の発電安定性を確保することができる。すなわち、ストイキ処理手段の処理では酸素濃度が減少するだけで、カソード循環系を流れるガス量自体は確保できるので、フラッディングの発生を防止でき、発電安定性を確保できる。
また、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池が低温起動であるか否かを判定する低温起動判定手段を備え、前記低温起動判定手段は、前記燃料電池が低温起動であると判定した場合、前記所定条件が成立していると判定することを特徴とする。
これによれば、電流電圧特性（ＩＶ特性）を素早く低下させた後に低温起動（暖機運転）を開始するので、電流電圧特性を低下させた状態での運転（低効率運転）が迅速に開始され、暖機運転を素早く完了することができる。なお、ここでの電流電圧特性を低下させた状態での運転（低効率運転）とは、あえて効率の悪い状態で発電させることで、燃料電池の内部抵抗値を増加させて、燃料電池の自己発熱量を高めて、素早く暖機することである。
また、前記酸化剤オフガス排出流路には、前記酸化剤オフガス導入流路の連通点よりも下流に排出用開閉弁が設けられ、前記酸化剤オフガス循環処理手段は、前記循環用開閉弁を開弁させるとともに前記排出用開閉弁を閉弁させることを特徴とする。
これによれば、循環用開閉弁を開弁するとともに排出用開閉弁を閉弁することで、酸化剤オフガスの全量を酸化剤オフガス導入流路に導入して循環させることができ、酸化剤オフガスの循環量を十分に確保することができる。
また、前記電流電圧特性が所定の電流電圧特性に到達したか否かを判定する電流電圧特性到達判定手段を備え、前記ストイキ低減処理手段は、前記電流電圧特性到達判定手段が所定の電流電圧特性に到達したと判定した場合、前記ストイキを減少させる処理を停止することを特徴とする。
これによれば、電流電圧特性到達判定手段によって電流電圧特性が低下しているのを確実に判定できるので、その後の暖機運転などの制御を迅速に行うことが可能になる。なお、所定の電流電圧特性に到達しているか否かは、例えば、燃料電池の電圧（全単セルの合計電圧）を検出することにより判定することができる。
また、前記ストイキの減少を開始してからの経過時間を測定する計時手段を備え、前記ストイキ低減処理手段は、前記計時手段が測定した経過時間が所定時間に達した場合、前記ストイキを減少させる処理を停止することを特徴とする。
これによれば、ストイキ減少開始からの経過時間、つまり時間に基づいて判定することで、簡便な制御が可能になる。
本発明によれば、電流電圧特性を素早く低下させることが可能な燃料電池システムを提供できる。
本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。 急速暖機制御時の動作を示すフローチャートである。 ＯＣＶチェック時の動作を示すフローチャートである。 Ｃａエアストイキ下げ制御時の動作を示すフローチャートである。 ＩＶ低下急速暖機制御時の動作を示すフローチャートである。 急速暖機時の一動作例を示すタイムチャートである。 低負荷の高電圧抑制時の動作を示すフローチャートである。 セル電圧状態確認時の動作を示すフローチャートである。 低負荷の高電圧抑制時の一動作例を示すタイムチャートである。 発電停止制御時の動作を示すフローチャートである。 循環酸素消費ディスチャージ制御時の動作を示すフローチャートである。 発電停止制御時の一動作例を示すタイムチャートである。
本実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車を例に挙げて説明するが、必ずしも燃料電池車に限定されるものではなく、燃料電池システムを搭載した船舶や航空機などに適用してもよく、家庭用や業務用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよい。
図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０、カソード系２０、アノード系３０、電力消費系４０、制御系５０などを備えている。
燃料電池１０は、例えば、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルが電気的に直列で接続されて構成されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、このＭＥＡを挟む導電性を有するカソードセパレータ（不図示）およびアノードセパレータ（不図示）と、を備えている。
ＭＥＡは、例えば、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されるとともに、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対してエア（空気、酸化剤ガス）を給排するための溝などで形成されたカソード流路１０ａが形成されている。アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するための溝などで形成されたアノード流路１０ｂが形成されている。
そして、カソード流路１０ａを介して各カソードにエア（酸素）が供給されるとともに、アノード流路１０ｂを介して各アノードに水素が供給されると、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１０と走行モータ４１、高圧バッテリ４２などの外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。
カソード系２０は、エアコンプレッサ２１（酸化剤ガス供給手段）、第１封止弁２２、第２封止弁２３（排出用開閉弁）、背圧弁２４、希釈器２５、循環用開閉弁２６、供給配管ｃ１〜ｃ３（酸化剤ガス供給流路）、排出配管ｃ４〜ｃ７（酸化剤オフガス排出流路）、導入配管ｃ８（酸化剤オフガス導入流路）などで構成されている。
また、カソード系２０では、供給配管ｃ１が、エアコンプレッサ２１、供給配管ｃ２、第１封止弁２２、供給配管ｃ３を介してカソード流路１０ａの入口と接続されている。なお、本実施形態では、供給配管ｃ１〜ｃ３によって酸化剤ガス供給流路が構成されている。
また、カソード系２０では、カソード流路１０ａの出口が、排出配管ｃ４、第２封止弁２３、排出配管ｃ５、背圧弁２４、排出配管ｃ６、希釈器２５を介して排出配管ｃ７と接続されている。なお、本実施形態では、排出配管ｃ４〜ｃ７によって酸化剤オフガス排出流路が構成されている。
エアコンプレッサ２１は、例えばモータで駆動される電動式のものであり、供給配管ｃ１を介して取り込んで圧縮した外気（エア）を、燃料電池１０のカソード流路１０ａに向けて供給する。また、エアコンプレッサ２１は、モータの回転速度を上げることにより、当該エアコンプレッサ２１の吸入ポートから取り込まれるガス量が増加し、モータの回転速度を下げることにより、吸入ポートから取り込まれるガス量が減少する。
第１封止弁２２および第２封止弁２３は、例えば常閉型で電磁作動式のもので構成され、燃料電池１０の上流側と下流側に配置され、双方を閉弁することによりカソード流路１０ａを封止するようになっている。これら第１封止弁２２と第２封止弁が設けられているのは、燃料電池１０の発電停止中（燃料電池１０と外部負荷とが電気的に遮断された状態において）外気をカソード流路１０ａに流入させないことで、活性の高いＯＨラジカル（ヒドロキシラジカル）等が発生し、ヒドロキシラジカルによって電極触媒層が酸化し、燃料電池１０が劣化するのを防止するためである。
また、第２封止弁２３は、排出配管ｃ４に分岐して接続される後記する導入配管ｃ８との接続点Ｐ（連通点）よりも下流に位置している。
背圧弁２４は、例えば開度調整可能なバタフライ弁で構成され、カソード流路１０ａのカソード圧力を調整する機能を有する。例えば、燃料電池車を加速させる場合には、開度を閉じる側に調整して、カソード圧力を高めるように調整する。
希釈器２５は、アノード流路１０ｂから排出された水素をカソード流路１０ａから排出されるエアオフガス（酸化剤オフガス、カソードオフガス）によって所定の濃度に希釈する機能を有している。なお、希釈器２５で希釈された水素は、エアオフガスとともに排出配管ｃ７を介して大気中（車外、外部）に排出されるようになっている。
導入配管ｃ８は、カソード流路１０ａから排出されたエアオフガスをカソード流路１０ａの上流側に戻す流路であり、一端（上流端）が排出配管ｃ４に接続され、他端（下流端）が供給配管ｃ１に接続されている。
循環用開閉弁２６は、例えば常閉型で電磁作動式のものであり、導入配管ｃ８に設けられている。この循環用開閉弁２６は、通常発電時は閉弁し、後記する所定条件が成立したときに開弁され、エアオフガスを導入配管ｃ８に通流させて、エアオフガスを循環させるようになっている。
なお、図示していないが、カソード系２０は、例えば、供給配管ｃ３と排出配管ｃ４に跨るようにして加湿器を備えている。この加湿器は、エアコンプレッサ２１から供給されたエアを加湿する機能を有し、例えば、ケース内に収容された中空糸膜束の中空糸膜の内側と外側の一方にエアコンプレッサ２１からの加湿前のエアを通流させ、他方にエアオフガス（酸化剤オフガス）を流通させることで、加湿前のエアとエアオフガスとの間で水分交換が行われ、加湿前のエアをエアオフガスで加湿するようになっている。
アノード系３０は、高圧水素タンク３１、遮断弁３２、減圧弁３３、エゼクタ３４、パージ弁３５、供給配管ａ１〜ａ４、排出配管ａ５，ａ６、戻し配管ａ７などで構成されている。
アノード系３０では、高圧水素タンク３１が、供給配管ａ１、遮断弁３２、供給配管ａ２、減圧弁３３、供給配管ａ３、エゼクタ３４、供給配管ａ４を介してアノード流路１０ｂの入口と接続されている。また、アノード系３０では、アノード流路１０ｂの出口が、排出配管ａ５、パージ弁３５、排出配管ａ６を介して希釈器２５と接続されている。また、排出配管ａ５には、戻し配管ａ７の一端（上流端）が分岐して接続され、他端（下流端）がエゼクタ３４と接続されている。
高圧水素タンク３１は、高純度の水素が３５ＭＰａや７０ＭＰａなどの非常に高い圧力で充填されたものである。
遮断弁３２は、例えば常閉型で電磁作動式のもので構成され、開弁されることにより、高圧水素タンク３１内の水素が燃料電池１０に向けて供給されるようになっている。
減圧弁３３は、高圧水素タンク３１から供給された水素の圧力（一次圧）を所定の二次圧に減圧する機能を有する。また、減圧弁３３は、制御部５１からの電気的な信号によって二次側圧力を調整する。なお、アノード系３０では、複数の減圧弁を設けて、複数段にわけて減圧する構成であってもよい。
エゼクタ３４は、高圧水素タンク３１からの水素の流れを利用して負圧を発生させ、戻し配管ａ７を介して燃料電池１０のアノード流路１０ｂの出口から排出された未反応の水素を吸引して、再びアノード流路１０ｂに戻す機能を有する。なお、エゼクタ３４に替えて、モータで駆動可能な水素循環用のポンプなどを戻し配管ａ７に設けるようにしてもよい。
パージ弁３５は、例えば常閉型で電磁作動式のもので構成され、制御部５１からの指令にしたがって定期的に開弁されて、アノード循環系（アノード流路１０ｂ、供給配管ａ４、排出配管ａ５および戻し配管ａ７）に蓄積した不純物（カソードから電解質膜を介してアノードに透過した空気中の窒素、生成水など）を希釈器２５に排出する機能を有する。
なお、図示省略しているが、アノード系３０は、アノード循環系内のアノード流路１０ｂの出口付近に水分（液体）とガス（気体）とを分離する気液分離器、この気液分離器内の生成水を希釈器２５に排出する排出手段を備えている。
電力消費系４０は、走行モータ４１、高圧バッテリ４２、各種補機（エアコンプレッサ２１を含む）などの外部負荷に電力を供給するものであり、電力制御器４３、ディスチャージ抵抗４４などで構成されている。
走行モータ４１は、永久磁石式の３相交流同期モータなどで構成され、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路（不図示）を介して、燃料電池車に設けられた駆動輪を回転駆動させるものである。
高圧バッテリ４２は、例えば走行モータ４１に電力を供給したり、走行モータ４１を発電機として利用して制動時の回生エネルギを蓄電する機能を有し、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、キャパシタなどで構成されている。
電力制御器４３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成され、燃料電池１０と走行モータ４１などの外部負荷との間に設けられ、後記する制御部５１からの発電指令に基づいて燃料電池１０から取り出す電力（発電電流）を制御する。
ディスチャージ抵抗４４は、燃料電池１０を放電させる機能を有し、燃料電池１０と電力制御器４３との間に設けられている。このディスチャージ抵抗４４は、後記する制御部５１によってスイッチ（開閉器）４５がオン（閉状態）にされることで、燃料電池１０の発電電流がディスチャージ抵抗４４に流れ、燃料電池１０が放電するようになっている。これにより、燃料電池１０から外部負荷に向けて発電電流を引かない状態において、燃料電池１０内で水素と空気（エア）中の酸素とが反応したときに、燃料電池１０が長時間高電位に曝されるのを防止でき、その結果、燃料電池１０のアノードやカソードの電極に使用されている触媒の劣化が進行するのを防止できる。
制御系５０は、制御部５１を備え、制御部５１が、温度センサ５２、セル電圧（セルＶ）センサ５３、流量センサ５４、圧力センサ５５、電圧センサ５６、電流センサ５７、ＩＧ５８、アクセル５９、ブレーキ６０、車速センサ６１、タイマ６２（計時手段）と接続されて構成されている。
温度センサ５２は、燃料電池１０の温度を検出するものであり、カソード流路１０ａの出口側の排出配管ｃ４、またはアノード流路１０ｂの出口側の排出配管ａ５などに設けられている。なお、温度センサ５２の位置は、これに限定されず、燃料電池１０を冷却する図示しない冷却系における冷媒の出口温度であってもよく、または燃料電池スタック自体の温度を直接に検出するものであってもよい。
セル電圧センサ５３は、例えば、燃料電池１０の各単セルの電圧（セル電圧）を検出し、その検出値を制御部５１に出力する。なお、単セル毎にすべての電圧を検出するものに限定されず、例えば２枚を一組として電圧を検出するものであってもよい。
流量センサ５４は、エアコンプレッサ２１の上流の供給配管ｃ１に設けられ、車外から取り込まれる空気の流量を検出し、その検出値を制御部５１に出力する。
圧力センサ５５は、アノード流路１０ｂの入口側の供給配管ａ４に設けられ、アノード流路１０ｂに供給される水素の圧力（アノード圧力、Ａｎ圧力）を検出し、その検出値を制御部５１に出力する。
電圧センサ５６は、燃料電池１０の出力する電圧値（全ての単セルの電圧を合計したもの）Ｖｆｃを検出し、その検出値を制御部５１に出力する。
電流センサ５７は、燃料電池１０から取り出される電流値Ｉｆｃを測定し、その検出値を制御部５１に出力する。
ＩＧ５８は、燃料電池システム１の起動スイッチであり、ＯＮされることにより、燃料電池１０の発電が開始され、ＯＦＦされることにより、燃料電池１０の発電が停止される。
アクセル５９は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、その開度（踏み込み量）を制御部５１に出力するように構成されている。
ブレーキ６０は、運転者が燃料電池車を制動するために踏み込むペダルであり、踏み込まれているか否かに関するブレーキ信号を、制御部５１に出力するように構成されている。
車速センサ６１は、燃料電池車の車速を検出するものであり、車速情報を、制御部５１に出力する。
タイマ６２は、例えば、後記するカソード（Ｃａ）エアストイキ下げ制御時において、エアコンプレッサ２１の回転速度の低減開始からの経過時間を測定する。
制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、ストイキ低減処理手段、酸化剤オフガス循環処理手段、低温起動判定手段、電流電圧特性到達判定手段を備えている。
また、制御部５１は、エアコンプレッサ２１の回転速度、第１封止弁２２、第２封止弁２３、循環用開閉弁２６、遮断弁３２、パージ弁３５の各開閉動作、背圧弁２４の開度、減圧弁３３の減圧率、スイッチ４５のオンオフをそれぞれ制御する。
ストイキ低減処理手段は、エアコンプレッサ２１の回転速度を低下させることでエア供給量を減少させ、燃料電池１０に供給するエアストイキを減少させる機能を有する。エアストイキを減少させるとは、酸素余剰率であるストイキ比（エア供給量／エア消費量）を減少させることであり、例えばストイキ比を１．８から１．０に減少させる。このように、エアストイキを減少させることで、燃料電池１０の電圧Ｖｆｃを低下させることができる。
酸化剤オフガス循環処理手段は、前記したストイキ低減処理手段による処理の後に酸化剤オフガス循環処理手段による処理を実行するものであり、循環用開閉弁２６を開弁して、カソード流路１０ａから排出されるエアオフガスを導入配管ｃ８に導入し、エアコンプレッサ２１の上流の供給配管ｃ１に戻るようにして、エアオフガスを循環させる機能を有する。
低温起動判定手段は、燃料電池１０が低温起動であるか否か（暖機が必要であるか否か）を判定するものであり、例えば、温度センサ５２から得られる燃料電池１０の温度Ｔｆｃが所定温度（例えば、０℃）以下の場合に燃料電池１０が低温起動であると判定する。
電流電圧特性到達判定手段は、燃料電池１０の電流電圧特性（ＩＶ特性）が所定（所望）の電流電圧特性に到達したか否かを判定するものであり、例えば、電圧センサ５６から得られる燃料電池１０の電圧Ｖｆｃが所定電圧以下に低下したときに所定の（目標とする）電流電圧特性に到達したと判定する。
次に本実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図１２を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、図２ないし図６は、第１実施形態の動作として急速暖機時の制御、図７ないし図９は、第２実施形態の動作として低負荷の高電圧抑制時の制御、図１０ないし図１２は、第３実施形態の動作として発電停止時の制御を示すフローチャートおよびタイムチャートである。なお、第２実施形態と第３実施形態において、第１実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付して、重複した説明を省略する。また、図１には、第１実施形態ないし第３実施形態の動作に必要な構成をまとめて図示している。
（第１実施形態）
図２は急速暖機制御時の動作を示すフローチャートである。なお、燃料電池システム１において、ＩＧ５８からオン信号を検知する前は、エアコンプレッサ２１が停止し、第１封止弁２２、第２封止弁２３、循環用開閉弁２６、遮断弁３２およびパージ弁３５が閉弁し、背圧弁２４の開度が最大で、スイッチ４５が開いている。
制御部５１は、ＩＧ５８からオン信号を検知すると、ステップＳ１００において、燃料電池１０の急速暖機が必要であるか否かを判定する（低温起動判定手段）。すなわち、制御部５１は、燃料電池１０の温度が所定温度（例えば、０℃）以下であると判定した場合（Ｙｅｓ）、燃料電池１０の急速暖機が必要（低温起動）であると判定する。
そして、制御部５１は、ステップＳ１２０におけるＯＣＶチェック制御（起動制御）、ステップＳ１４０におけるカソード（Ｃａ）エアストイキ下げ制御、ステップＳ１６０における電流電圧（ＩＶ）低下急速暖機制御を、順に実行する。ＯＣＶチェック制御については、図３を参照して、Ｃａエアストイキ下げ制御については、図４を参照して、ＩＶ低下急速暖機制御については、図５を参照して詳述する。
そして、ステップＳ１２０ないしＳ１６０の処理終了後、ステップＳ１８０において、制御部５１は、急速暖機が完了したか否かを判定する。急速暖機完了の条件としては、例えば、燃料電池１０の温度が所定温度（例えば、１０℃）以上に達した場合である。
ステップＳ１８０において、制御部５１は、急速暖機が完了していないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０の処理を繰り返し、急速暖機が完了した判定した場合には（Ｙｅｓ）、処理を終了する。
また、ステップＳ１００において、制御部５１は、燃料電池１０の温度が所定温度以下ではないと判定した場合（Ｎｏ）、急速暖機は必要なしと判定して、ステップＳ１１０に進む。なお、ステップＳ１１０の処理は、ステップＳ１２０の処理と同様である。
ステップＳ１１０の処理終了後、ステップＳ１３０に進み、制御部５１は、通常暖機を実行する。なお、通常暖機では、燃料電池１０の温度が所定温度に達するまで暖機する。
図３はＯＣＶチェック時の動作を示すフローチャートである。なお、ＯＣＶチェックとは、発電を行う前、電力を安定して取り出すために、アノード流路１０ｂを含むアノード循環系内に残留しているガスなどを押し出して排出し、アノード循環系内を水素に置換する処理である。
ステップＳ１２１において、制御部５１は、燃料電池１０にエア（空気）の供給を開始する。すなわち、制御部５１は、第１封止弁２２および第２封止弁２３を開弁し、背圧弁２４をＯＣＶチェック時に予め設定された所定開度に調整した状態で、エアコンプレッサ２１の駆動を開始する。これにより、エアコンプレッサ２１によって圧縮されたエアが、図示しない加湿器で加湿された後にカソード流路１０ａに供給される。
ステップＳ１２２において、制御部５１は、アノード循環系（供給配管ａ４、アノード流路１０ｂ、排出配管ａ５および戻し配管ａ７）に対して水素置換を開始する。すなわち、制御部５１は、遮断弁３２を開弁し、減圧弁３３で所定の圧力に減圧した水素をアノード流路１０ｂに供給する。また、制御部５１は、セル電圧の上がり具合を監視して、必要であれば適宜パージ弁３５を開弁して、アノード循環系に残留するガス（エアなど）を追い出すとともに高圧水素タンク３１から水素を新たに供給してＯＣＶパージ処理を実行する。このようにしてアノード循環系の水素置換が進行することにより、燃料電池１０のＯＣＶが上昇する。
ステップＳ１２３において、制御部５１は、ＯＣＶが所定電圧を超えたか否かを判定する。なお、所定電圧とは、燃料電池１０と外部負荷とを接続して、燃料電池から外部負荷に対して電力（発電電流）を安定して取り出すことができる電圧である。
ステップＳ１２３において、制御部５１は、ＯＣＶが所定電圧を超えていないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２３の処理を繰り返し、ＯＣＶが所定電圧を超えたと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ＯＣＶチェックが完了したと判定して、ステップＳ１２４に進む。
ステップＳ１２４において、制御部５１は、発電を開始する。すなわち、制御部５１は、電力制御器４３を制御して、燃料電池１０の発電電力を、高圧バッテリ４２やエアコンプレッサ２１などの外部負荷に供給を開始する。そして、図２のステップＳ１４０に進む。
図４はＣａエアストイキ下げ制御時の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１４１において、制御部５１は、エアコンプレッサ２１の回転速度を下げる制御を実行する。すなわち、制御部５１は、流量センサ５４から得られる検出値に基づいて、車外から取り込まれるエアが予め設定された流量となるように、エアコンプレッサ２１の回転速度を低下させる。なお、流量は、事前の実験等によって決定される。
ステップＳ１４２において、制御部５１は、アノード流路１０ｂに供給される水素圧力を下げる。すなわち、制御部５１は、減圧弁３３を制御して、ステップＳ１４１でのカソード側の流量（圧力）の低下に応じて、アノード側の水素圧力（水素流量）も低下させる。なお、ステップＳ１４２の水素圧力を低下させる処理については、必ずしも必要ではなく、前記ＯＣＶチェック時の水素圧力を、アイドリング状態の水素圧力と同等の圧力（図６のＡｎ圧力の一点鎖線参照）に設定してもよい。
ステップＳ１４３において、制御部５１は、エアコンプレッサ２１の回転速度の低下開始から第１所定時間が経過したか否かを判定する。なお、第１所定時間は、燃料電池１０の電圧（ＦＣ電圧）が所定電圧まで低下するのに必要な時間に設定され、事前の実験等によって決定される。また、第１所定時間が、特許請求の範囲に記載の所定時間に相当する。
ステップＳ１４３において、制御部５１は、第１所定時間が経過していないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４３の処理を繰り返し、第１所定時間が経過したと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０に進む。
このようなＣａエアストイキ下げ制御では、エアコンプレッサ２１の回転速度を下げることで、カソード流路１０ａに供給されるエアに含まれる酸素量を減少させることができるので、燃料電池１０の電圧Ｖｆｃを素早く低下させることが可能になる。なお、ステップＳ１４１およびステップＳ１４３の処理が、ストイキ低減処理手段による処理に相当する。
図５はＩＶ低下急速暖機制御時の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１６１において、制御部５１は、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に第２封止弁２３を閉弁する。これにより、カソード流路１０ａから排出されたエアオフガスは、カソード循環系（排出配管ｃ４、導入配管ｃ８、供給配管ｃ１，ｃ２，ｃ３、カソード流路１０ａ）を循環する。なお、本実施形態では、カソード流路１０ａから排出されたエアオフガスの全量がカソード循環系を循環する。
このようにしてカソード循環系内においてエアオフガスを循環させることにより、前記Ｃａエアストイキ下げ制御でエアコンプレッサ２１から燃料電池１０のカソードに供給されるエア流量が低下したとしても、カソード流路１０ａに供給されるガス流量を確保することができ、カソード流路１０ａのカソード表面が生成水で覆われ、酸素の供給が阻害されて発電性能が低下するというフラッディング現象の発生を防止できる。
なお、前記した実施形態では、循環用開閉弁２６と第２封止弁２３とを同時に作動させる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、循環用開閉弁２６を開弁した後に第２封止弁２３を閉弁するようにしてもよい。
図６は急速暖機時の一動作例を示すタイムチャートである。なお、実線は、本実施形態、破線は、比較例を示している。また、本実施形態と比較例との相違を明確にするために、実線と破線を若干ずらした状態で図示している。
図６に示すように、ＩＧ５８がオンされると、時刻ｔ０〜ｔ１において、ＯＣＶチェック（Ｓ１２０）が実行される。これにより、ＯＣＶ（ＦＣ電圧）が所定電圧（不図示）まで徐々に上昇する。
そして、時刻ｔ１において、ＯＣＶチェックが完了したとき（Ｓ１２３、Ｙｅｓ）、発電を開始し（Ｓ１２４）、Ｃａエアストイキ下げ制御（Ｓ１４０）に移行し、エアコンプレッサ２１の回転速度を低下させる（Ｓ１４１）。これにより、カソード循環系（排出配管ｃ４、導入配管ｃ８、供給配管ｃ１〜ｃ３、カソード流路１０ａ）内の酸素量が直ちに低下するので、ＦＣ電圧（ＩＶ特性）を素早く低下させることができる。このように、ＦＣ電圧を低下させることにより、燃料電池１０をあえて効率の悪い状態で発電させることができ、燃料電池１０の自己発熱量を高めることができる。
これに対して、比較例において破線で示すように、ＯＣＶチェック完了後に循環用開閉弁を開弁すると同時に第２封止弁を閉弁すると、カソード循環系内の酸素量は少量ずつしか低減せず、ＩＶ特性を本実施形態のように素早く低下させることができない。
そして、Ｃａエアストイキ下げ制御を第１所定時間（時刻ｔ１〜ｔ２）実行する。このように第１所定時間に設定することにより、ＦＣ電圧を所定電圧、換言すると燃料電池１０を所定のＩＶ特性まで低下させることができる。
そして、Ｃａエアストイキ下げ制御を開始してから第１所定時間経過後の時刻ｔ２において、ＩＶ低下急速暖機制御（Ｓ１６０）に移行し、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に第２封止弁２３を閉弁する（Ｓ１６１）。なお、時刻ｔ２において、エアコンプレッサ２１の回転速度を増加させているが、カソード循環系内の酸素量は一時的に増加するだけで、燃料電池１０において直ちに消費され、その後は酸素が消費されたエアオフガスが循環するので、カソード循環系内の酸素量は、Ｃａエアストイキ下げ制御時と同等の酸素量で推移する。
そして、時刻ｔ３において、燃料電池１０の温度が所定温度（暖機完了温度、例えば１０℃）を超えたときに、暖機完了と判定して（Ｓ１８０、Ｙｅｓ）、アクセルペダルが踏み込まれている場合には、アクセル５９の開度に応じた発電（通常発電）に移行し、またはブレーキ６０が踏まれて、アクセル５９の開度および車速センサ６１の速度がそれぞれゼロである場合にはアイドル発電（アイドリング運転）に移行する。なお、時刻ｔ３では、循環用開閉弁２６を閉弁するとともに、第２封止弁２３を開弁する。
以上説明したように、第１実施形態によれば、燃料電池１０を低温起動する際（所定条件が成立したとき）、エアコンプレッサ２１（酸化剤ガス供給手段）の回転速度を下げてエア（酸化剤ガス）の供給量を減少させ、燃料電池１０のエアストイキを減少させることで、所定のＩＶ特性まで素早く低下させることができる。しかも、エアストイキを減少させた後、循環用開閉弁２６を開弁して、エアオフガスを供給配管ｃ１（酸化剤ガス供給流路）に導入してエアオフガスを循環させることで、ガス量自体は確保できるので、カソード流路１０ａに滞留する生成水の排出が促進され、フラッディングの発生を防止でき、発電安定性を確保できる。
また、第１実施形態によれば、循環用開閉弁２６を開弁させると同時に第２封止弁２３（排出用開閉弁）を閉弁させることで（図５のＳ１６１参照）、エアオフガスの全量を導入配管ｃ８に導入して循環させることができるので、エアオフガスの循環量を十分に確保することができ、燃料電池１０に滞留する生成水の排出をさらに促進させることができる。
また、第１実施形態によれば、時間（第１所定時間）に基づいてエアストイキを低減させる処理（Ｃａエアストイキ下げ制御）を停止するので、簡便な制御が可能になる。
なお、所定のＩＶ特性に到達したことは、時間に基づいて判定する構成に限定されず、電圧センサ５６が検出した燃料電池１０の電圧Ｖｆｃ（ＦＣ電圧）に基づいて判定する構成としてもよい。これにより、所定のＩＶ特性に到達したことを確実に判定することができ、その後の燃料電池１０の暖機制御を迅速に行うことが可能になる。
（第２実施形態）
図７は低負荷の高電圧抑制時の動作を示すフローチャート、図８はセル電圧状態確認時の動作を示すフローチャートである。図９は低負荷の高電圧抑制時の一動作例を示すタイムチャートである。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一のステップ符号を付して重複した説明を省略する。第２実施形態では、通常発電中にＩＶを下げる場合について説明する。
図７に示すように、ステップＳ２０において、制御部５１は、通常発電中であるか否かを判定する。通常発電中とは、例えば、燃料電池車が走行している状態であって、アクセル５９の開度に基づいて燃料電池１０から取り出される電力が変動している場合である。
ステップＳ２０において、制御部５１は、通常発電中であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に進み、通常発電中でないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０，Ｓ１４０、Ｓ１６０を実行することなく、処理を終了する。
ステップＳ４０において、制御部５１は、ＩＶ特性を低下させる必要があるか否かを判定し、ＩＶ特性を低下させる必要があると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進み、ＩＶ特性を低下させる必要がないと判定した場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。
なお、通常発電中にＩＶ特性を低下させる必要がある場合とは、例えば、燃料電池車が信号待ちで停止して通常発電からアイドル発電（アイドリング状態）に移行する場合である。アイドル発電に移行する場合とは、制御部５１が、アクセル５９によりアクセルペダルの開度がゼロであること、ブレーキ６０によりブレーキペダルが踏まれていること、車速センサ６１から車速がゼロであることを検出したときである。
ちなみに、ＩＶ特性が高い状態で通常発電からアイドル発電に移行すると、電圧が高い状態のままであるので、例えば、燃料電池１０の発電電力を高圧バッテリ４２に充電することが困難になり、燃料電池１０が高電位に曝される時間が長くなって燃料電池１０が劣化する原因となる。そこで、通常発電中においても、アイドル発電に移行したときに、ＩＶ特性を低下させてＦＣ電圧Ｖｆｃを下げることで、高圧バッテリ４２に充電することができ、アイドル発電に移行することが可能になる。
また、図７に示すＣａエアストイキ下げ制御（Ｓ１４０）やＩＶ低下制御（Ｓ１６０）において、発電安定性が低下すると考えられる場合には、図８に示すセル電圧状態確認制御を適宜実行するようにしてもよい。
図８に示すように、ステップＳ２５１において、制御部５１は、最低セル電圧が所定閾値以下であるか否かを判定する。なお、最低セル電圧は、例えば、燃料電池１０を構成するすべての単セルのセル電圧のうち最も低いセル電圧を意味している。なお、最低セル電圧を検出する際、すべての単セルのセル電圧を検出するのではなく、１枚おきのセル電圧または２枚おきのセル電圧を検出するようにしてもよい。
ステップＳ２５１において、制御部５１は、最低セル電圧が所定閾値以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２５２に進み、第２封止弁２３を開弁する。これにより、導入配管ｃ８に導入されるエアオフガスの流量が低下することで、外部（車外）から取り込まれるエア流量が増加するので、カソード流路１０ａに供給される酸素量が増加する。
ステップＳ２５３において、制御部５１は、第２封止弁２３を開弁してから第２所定時間が経過したか否かを判定する。なお、第２所定時間は、事前の実験等によって求められる。このように、第２封止弁２３を第２所定時間開弁して、カソード循環系内のガスをパージすることにより、発電安定性を回復することが可能になる。
ステップＳ２５４において、制御部５１は、再び最低セル電圧が所定閾値以下であるか否かを判定し、まだ最低セル電圧が所定閾値以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２５５に進み、燃料電池１０からの発電電流の取り出しを制限する。このように、燃料電池１０からの発電電流の取り出しを制限することにより、発電電流に対応したエア消費量が少なくなってストイキ比が大きくなることで、エアストイキ不足を解消して、発電安定性を回復することが可能になる。
ステップＳ２５６において、制御部５１は、さらに再び最低セル電圧が所定閾値以下であるか否かを判定し、まだ最低セル電圧が所定閾値以下であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２５７に進み、エアコンプレッサ２１の回転速度を上げる、つまりエアストイキを戻す制御を実行する。
また、ステップＳ２５１，Ｓ２５４，Ｓ２５６において、制御部５１は、最低セル電圧が所定閾値以下ではないと判定した場合（Ｙｅｓ）、つまり、発電安定性が確保されている場合には、図７のフローに戻り、Ｃａエアストイキ下げ制御やＩＶ低下制御を実行（継続）する。
なお、ステップＳ２５５に示すＦＣ電流取出し制限とステップＳ２５７に示すエアストイキ戻しについては、順番を入れ替えてもよい。また、図８では、カソード側のパージについて説明したが、アノード側のパージについても適宜組み合わせて適用してもよい。
図９に示すように、通常発電中、時刻ｔ１１において、アイドル発電に移行すると、Ｃａエアストイキ下げ制御に移行し（Ｓ１４０）、エアコンプレッサ２１の回転速度が下げられることで、カソード循環系内の酸素量が低下してＦＣ電圧Ｖｆｃが素早く低下する。このようにＦＣ電圧Ｖｆｃ（ＩＶ特性）を低下させることにより、アイドル発電中の発電電力を高圧バッテリ４２に充電することが可能になる。
また、Ｃａエアストイキ下げ制御を第１所定時間実行した後の時刻ｔ１２において、ＩＶ低下制御に移行し、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に第２封止弁２３を閉弁し、エアオフガスをカソード循環系内において循環させる。これにより、エアに含まれる酸素が消費されるだけで、カソード循環系内のガス量は確保され、カソード流路１０ａでの生成水の排出が促進されてフラッディング発生を防止できるので、発電安定性を確保することが可能になる。
そして、時刻ｔ１３において、ＩＶ低下制御中にアイドル発電から通常発電に移行した場合には、循環用開閉弁２６を閉弁するとともに第２封止弁２３を開弁して、エアオフガスの循環を停止する。
なお、時刻ｔ１１において、通常発電からアイドル発電に移行してから第３所定時間（タイマ６２によって測定）が経過したときに、以前として通常発電に移行せずアイドル発電が継続している場合には、エアコンプレッサ２１を停止して、アイドル停止状態に移行してもよい（図９において１点鎖線参照）。
以上説明したように、第２実施形態によれば、通常発電中にＩＶ特性を低下させる必要がある場合（所定条件が成立したとき）においても、燃料電池１０のエアストイキを減少させることで、ＩＶ特性を素早く低下させることができ、発電電力を高圧バッテリ４２に充電することができる。しかも、エアストイキを低減させた後にエアオフガスを循環させることで、カソード循環系内のガス量は確保できるので、フラッディングの発生を防止して発電安定性を確保できる。
（第３実施形態）
図１０は発電停止制御時の動作を示すフローチャート、図１１は循環酸素消費ディスチャージ制御時の動作を示すフローチャート、図１２は発電停止制御時の一動作例を示すタイムチャートである。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一のステップ符号を付して重複した説明を省略する。第３実施形態では、発電停止時のカソード流路１０ａの封止前に燃料電池１０をディスチャージする場合について説明する。
図１０に示すように、ステップＳ６０において、制御部５１は、ＩＧ５８からオフ信号を検出すると、停止処理を開始する。すなわち、制御部５１は、遮断弁３２を閉弁して、燃料電池１０への水素の供給を停止する。
そして、制御部５１は、ステップＳ１４０においてＣａエアストイキ下げ制御を実行した後、ステップＳ１８０において、循環酸素消費ディスチャージ制御を実行する。なお、また、制御部５１は、Ｃａエアストイキ下げ制御が完了した後、電力制御器４３を制御して、外部負荷への発電電力の取り出しを停止する。
図１１に示すように、ステップＳ１８１において、制御部５１は、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に第２封止弁２３を閉弁する。
ステップＳ１８２において、制御部５１は、ディスチャージを開始する。すなわち、制御部５１は、スイッチ４５をオン（閉状態）にして、燃料電池１０とディスチャージ抵抗４４とを接続する。これにより、燃料電池１０で発電した電力は、ディスチャージ抵抗４４を介して放電される。
ステップＳ１８３において、制御部５１は、燃料電池１０のディスチャージが完了したか否かを判定する。ディスチャージが完了したか否かは、燃料電池１０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆｃを検出することにより判定でき、例えば、電圧Ｖｆｃがゼロになったときに、アノード流路１０ｂを含むアノード循環系内に残留する水素がすべて消費され、ディスチャージが完了したと判定される。
ステップＳ１８３において、制御部５１は、ディスチャージが完了していないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８３の処理を繰り返し、ディスチャージが完了したと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８４に進み、エアコンプレッサ２１を停止する。
図１２に示すように、時刻ｔ２１において、ＩＧ５８がオフにされた場合には、Ｃａエアストイキ下げ制御に移行し（Ｓ１４０）、エアコンプレッサ２１の回転速度が下げられることで、カソード循環系内の酸素量が低下してＦＣ電圧Ｖｆｃが素早く低下する。このようにＦＣ電圧Ｖｆｃ（ＩＶ特性）を低下させることにより、燃料電池１０が高電位に長時間曝されるのを防止でき、燃料電池１０の劣化を防止することができる。
そして、Ｃａエアストイキ下げ制御を第１所定時間実行した後の時刻ｔ２２において、循環酸素消費ディスチャージ制御に移行し（Ｓ１８０）、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に第２封止弁２３を閉弁し、エアオフガスをカソード循環系内において循環させる。また、エアコンプレッサ２１の回転速度は、例えば、Ｃａエアストイキ下げ制御のときの同等の回転速度を維持する。
これにより、カソード循環系内のガス量はそのままで、エアに含まれる酸素のみが水素と反応して消費され、カソード循環系内の酸素量が徐々に低下するとともにＦＣ電圧Ｖｆｃもそれに応じて徐々に低下する。
そして、時刻ｔ２３において、ＦＣ電圧Ｖｆｃがゼロになった場合には、エアコンプレッサ２１を停止して、第２封止弁２３の閉弁状態を維持したまま第１封止弁２２を閉弁する。これにより、カソード流路１０ａが封止された状態で、燃料電池システム１が停止する。
以上説明したように、第３実施形態によれば、発電停止する際（所定条件が成立したとき）、燃料電池１０のエアストイキを減少させることで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを素早く低下させることができるので、燃料電池１０が高電位にさられるのを防止することができ、その後エアオフガスを循環させることで、カソード循環系のガス量を確保してフラッディングを防止しつつ、カソード循環系を循環するエアに含まれる酸素を徐々に消費させることができる。
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。例えば、本実施形態では、第２封止弁２３を排出用開閉弁とした場合を例に挙げて説明したが、第２封止弁２３に替えて背圧弁２４を排出用開閉弁として利用してもよい。すなわち、図５のステップＳ１６１において、循環用開閉弁２６を開弁すると同時に背圧弁２４を閉弁（例えば、全閉）することで、カソード流路１０ａから排出されたエアオフガスの全量を導入配管ｃ８を介して供給配管ｃ１に導入するようにしてもよい（図１１のＳ１８１も同様）。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１０ａ カソード流路
１０ｂ アノード流路
２１ エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
２２ 第１封止弁
２３ 第２封止弁（排出用開閉弁）
２４ 背圧弁
２５ 希釈器
２６ 循環用開閉弁
４１ 走行モータ
４２ 高圧バッテリ
４３ 電力制御器
４４ ディスチャージ抵抗
４５ スイッチ
５１ 制御部（ストイキ低減処理手段、酸化剤オフガス循環処理手段、低温起動判定手段、電流電圧特性到達判定手段）
５２ 温度センサ
５３ セル電圧センサ
５４ 流量センサ
５５ 圧力センサ
５６ 電圧センサ
５７ 電流センサ
６２ タイマ（計時手段）
ｃ１，ｃ２，ｃ３ 供給配管（酸化剤ガス供給流路）
ｃ４，ｃ５，ｃ６，ｃ７ 排出配管（酸化剤オフガス排出流路）
ｃ８ 導入配管（酸化剤オフガス導入流路）
Ｐ 接続点（連通点）

Claims (5)

  1. アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
    前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    前記カソードに供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
    前記カソードから排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
    前記酸化剤オフガス排出流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連通し、酸化剤オフガスの少なくとも一部を前記酸化剤ガス供給流路に導入する酸化剤オフガス導入流路と、
    前記酸化剤オフガス導入流路に設けられる循環用開閉弁と、を備える燃料電池システムであって、
    所定条件が成立したときに、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池の酸化剤ガスのストイキを減少させることで前記燃料電池の電流電圧特性を低下させるストイキ低減処理手段と、
    前記ストイキ低減処理手段による処理の後、前記循環用開閉弁を開弁させて、酸化剤オフガスを前記酸化剤オフガス導入流路を介して前記酸化剤ガス供給流路に導入して酸化剤オフガスを循環させる酸化剤オフガス循環処理手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池が低温起動であるか否かを判定する低温起動判定手段を備え、
    前記低温起動判定手段は、前記燃料電池が低温起動であると判定した場合、前記所定条件が成立していると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記酸化剤オフガス排出流路には、前記酸化剤オフガス導入流路の連通点よりも下流に排出用開閉弁が設けられ、
    前記酸化剤オフガス循環処理手段は、前記循環用開閉弁を開弁させるとともに前記排出用開閉弁を閉弁させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記電流電圧特性が所定の電流電圧特性に到達したか否かを判定する電流電圧特性到達判定手段を備え、
    前記ストイキ低減処理手段は、前記電流電圧特性到達判定手段が所定の電流電圧特性に到達したと判定した場合、前記ストイキを減少させる処理を停止することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記ストイキの減少を開始してからの経過時間を測定する計時手段を備え、
    前記ストイキ低減処理手段は、前記計時手段が測定した経過時間が所定時間に達した場合、前記ストイキを減少させる処理を停止することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
JP2012057342A 2012-03-14 2012-03-14 燃料電池システム Active JP5476408B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012057342A JP5476408B2 (ja) 2012-03-14 2012-03-14 燃料電池システム
DE102013204455A DE102013204455A1 (de) 2012-03-14 2013-03-14 Brennstoffzellensystem
US13/804,367 US20130244125A1 (en) 2012-03-14 2013-03-14 Fuel cell system
US14/720,521 US10038205B2 (en) 2012-03-14 2015-05-22 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012057342A JP5476408B2 (ja) 2012-03-14 2012-03-14 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013191430A JP2013191430A (ja) 2013-09-26
JP5476408B2 true JP5476408B2 (ja) 2014-04-23

Family

ID=49044202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012057342A Active JP5476408B2 (ja) 2012-03-14 2012-03-14 燃料電池システム

Country Status (3)

Country Link
US (2) US20130244125A1 (ja)
JP (1) JP5476408B2 (ja)
DE (1) DE102013204455A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101628507B1 (ko) * 2014-10-29 2016-06-08 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 시동 제어방법
JP6285880B2 (ja) * 2015-02-04 2018-02-28 株式会社スギノマシン ポンプ装置
JP6491585B2 (ja) 2015-10-21 2019-03-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US9994116B2 (en) * 2016-02-12 2018-06-12 Radio Flyer Inc. Dual charge ride-on vehicle
US10320213B2 (en) 2016-07-21 2019-06-11 GM Global Technology Operations LLC Apparatus and method to apply voltage to fuel cell stack from high voltage system for usage during diagnostic tests
JP6819252B2 (ja) 2016-12-05 2021-01-27 スズキ株式会社 燃料電池船
JP6788836B2 (ja) * 2016-12-05 2020-11-25 スズキ株式会社 燃料電池船
DE102018201253A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Audi Ag Verfahren für den Froststart eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zur Anwendung des Verfahrens
US11742503B2 (en) * 2018-11-07 2023-08-29 Ballard Power Systems Inc. Method and system for operating an electrochemical fuel cell stack with improved performance recovery
DE102019206119A1 (de) 2019-04-29 2020-10-29 Audi Ag Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung unter Froststartbedingungen sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug
BR112021022616A2 (pt) * 2019-05-10 2022-12-13 Fmc Technologies Brasil Ltda Aparelho de acionamento submarino de velocidade variável
CN110943243B (zh) * 2019-12-13 2021-02-23 浙江锋源氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆的活化方法
DE102021209034A1 (de) * 2021-08-18 2023-02-23 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Brennstoffzellenstapel
CN114843559B (zh) * 2022-05-17 2024-01-02 成都亿华通动力科技有限公司 一种氢气不纯导致燃料电池单低的诊断方法及存储介质
CN116387573A (zh) * 2023-06-06 2023-07-04 中国第一汽车股份有限公司 燃料电池发动机的控制方法、系统、装置、设备及介质

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3070152B2 (ja) 1991-06-25 2000-07-24 ライオン株式会社 液状口腔用組成物
JPH08500931A (ja) 1992-08-10 1996-01-30 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 燃料電池及びその電解質の加湿方法
WO1994003937A1 (de) 1992-08-10 1994-02-17 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelle und verfahren zur befeuchtung des elektrolyten
JP4130319B2 (ja) * 2001-07-10 2008-08-06 本田技研工業株式会社 燃料電池制御装置
US7479337B2 (en) * 2003-09-17 2009-01-20 General Motors Corporation Fuel cell shutdown and startup using a cathode recycle loop
JP4797346B2 (ja) * 2004-08-25 2011-10-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4485320B2 (ja) * 2004-10-29 2010-06-23 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
DE102004057140A1 (de) * 2004-11-26 2006-06-01 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels
JP2007048507A (ja) * 2005-08-08 2007-02-22 Nippon Soken Inc 燃料電池システム
US7776482B2 (en) * 2005-10-05 2010-08-17 Panasonic Corporation Dynamically controllable direct oxidation fuel cell systems and methods therefor
WO2007046545A1 (ja) * 2005-10-21 2007-04-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム、アノードガス生成量推定装置及びアノードガス生成量の推定方法
JP5023743B2 (ja) * 2007-03-09 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4821662B2 (ja) 2007-03-12 2011-11-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4844838B2 (ja) * 2007-04-16 2011-12-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5083709B2 (ja) * 2007-06-14 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5309602B2 (ja) * 2007-06-20 2013-10-09 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP5456721B2 (ja) * 2011-05-12 2014-04-02 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013191430A (ja) 2013-09-26
DE102013204455A1 (de) 2013-09-19
US20150255814A1 (en) 2015-09-10
US20130244125A1 (en) 2013-09-19
US10038205B2 (en) 2018-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5476408B2 (ja) 燃料電池システム
JP5023374B2 (ja) 燃料電池システム
JP5007665B2 (ja) 燃料電池システム
JP4591721B2 (ja) 燃料電池システム
US8420268B2 (en) Fuel cell system
US8236460B2 (en) Fuel cell system
KR101719674B1 (ko) 연료전지 시스템
JP5155734B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
US20100248053A1 (en) Fuel cell system
JP4814930B2 (ja) 燃料電池システム
JP5850136B2 (ja) 燃料電池システム
JP5113634B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
JP2007141779A (ja) 燃料電池システム
JP2017157282A (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP2008181768A (ja) 燃料電池システム
JP4810872B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007250216A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2008130441A (ja) 燃料電池システム
JP5319160B2 (ja) 燃料電池システム
JP4507971B2 (ja) 燃料電池装置
JP2021182511A (ja) 燃料電池システム
JP2021182512A (ja) 燃料電池システム
JP2021184362A (ja) 燃料電池システム
JP2022182442A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140116

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140207

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5476408

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150