JP5720584B2

JP5720584B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP5720584B2
Application number: JP2012006101A
Authority: JP
Inventors: 真明松末
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: JP2013145709A

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、反応ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する。ここで、運転停止後の燃料電池では、燃料ガスが消費され尽くした後にも酸化剤ガスが残留していると、カソード側において、カーボン等の電極を構成する部材の酸化が発生してしまう場合があることが知られている。

これまで、燃料電池の運転停止時に酸化剤ガスを消費してしまうことにより、運転終了後の燃料電池の内部に酸化剤ガスが残留してしまうことを抑制する種々の技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。しかし、そうした運転停止後の燃料電池に残留する酸化剤ガスの量を低減させるための酸化剤ガスの消費処理を効率的に実行することについては十分に工夫がなされてこなかった。

特開２０１０−０８６９３９号公報特開２００６−１３４７４１号公報特開２０１１−０９０８２３号公報

本発明は、運転停止後の燃料電池の内部に酸化剤ガスが残留しないように、酸化剤ガスを効率的に消費する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の第一形態は、燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池に反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池の発電を制御するとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料ガスの供給を継続させつつ、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行し、前記ガス消費処理の実行後に、前記燃料ガスの供給を停止させる、燃料電池システムとして提供される。本発明の第二形態は、反応ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料ガスの供給を継続させつつ、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行する工程と、前記ガス消費処理の実行後に、前記燃料ガスの供給を停止させる工程と、を備える、制御方法として提供される。

［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池の発電を制御するとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転停止時に、燃料電池内の酸化剤ガスを、燃料電池にかかる負荷を抑制しつつ、速やかに消費して低減させることができる。従って、酸化剤ガスの残留による燃料電池の劣化を、確実に抑制することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力する電力を蓄電可能な二次電池を備え、前記制御部は、前記ガス消費処理において前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、ガス消費処理において燃料電池によって発電された電力を有効利用することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備え、前記制御部は、前記燃料ガスの供給を継続させつつ、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態で、前記ガス消費処理を実行し、前記ガス消費処理の実行後に、前記燃料ガスの供給を停止させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、酸化剤ガスの供給が停止された後に、ガス消費処理が実行されるため、運転終了後の燃料電池に残留する酸化剤ガスの量を確実に低減させることができる。また、ガス消費処理の実行後に、燃料ガスの供給が停止されるため、運転終了後の燃料電池に残留している酸化剤ガスの量に対する燃料ガスの不足によって生じる燃料電池の劣化を抑制することができる。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記ガス消費処理の実行中に前記燃料電池の内部に存在する前記酸化剤ガスの量に基づいて、前記ガス消費処理における発電量を決定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、消費すべき酸化剤ガスの量を特定した上で、ガス消費処理における発電量を決定することができるため、より効率的に、ガス消費処理を実行することが可能である。

［適用例５］
反応ガスとして酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行する、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の運転停止時に、燃料電池内の酸化剤ガスを、燃料電池にかかる負荷を抑制しつつ、速やかに消費して低減させることができる。従って、酸化剤ガスの残留による燃料電池の劣化を、確実に抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両、それら燃料電池システムや車両の制御方法および制御装置、それらの制御方法または制御装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。燃料電池の運転終了処理の実行手順を示す説明図。一時的電流増大制御を説明するための説明図。一時的電流増大制御の実行時における燃料電池のＩ−Ｖ特性に変化を説明するための説明図。

A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両などの移動体に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力源に用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、を備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして、燃料ガス（アノードガス）である水素と、酸化剤ガス（カソードガス）である空気の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。

ここで、電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２０は、外部からの出力要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる。また、制御部２０は、燃料電池システム１００が搭載された移動体の運転終了に伴って、燃料電池１０の運転を終了する際に、後述する運転終了処理を実行する。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、加湿部３４と、開閉弁３５と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールド（図示せず）に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。

加湿部３４は、制御部２０の指令に応じた加湿量で、カソードガス配管３１を流通する空気を加湿する。開閉弁３５は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３５は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４と、温度計測部４５と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールド（図示せず）に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。なお、カソード排ガス配管４１は、加湿部３４と接続されている。加湿部３４は、カソード排ガスに含まれる燃料電池１０の排水を加湿に用いる。

調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。温度計測部４５は、燃料電池１０の近傍に設けられており、カソード排ガスの温度を検出して制御部２０に送信する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールド（図示せず）と接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。

アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールド（図示せず）と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給する。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。

アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。

なお、図示および詳細な説明は省略するが、燃料電池システム１００は、燃料電池１０の各発電体１１を冷却するための冷媒を燃料電池１０に供給する冷媒供給部を備えるものとしても良い。また、燃料電池システム１００は、外気温や燃料電池車両の車両情報を取得するための各種のセンサ類を備えるものとしても良い。

図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３とを備える。また、燃料電池システム１００は、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、ＳＯＣ検出部９４と、開閉スイッチ９５と、を備える。

燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、移動体の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。

二次電池８１は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力の蓄電部として機能し、燃料電池システム１００の電力源として機能する。二次電池８１は、例えばリチウムイオン電池や、ニッケル水素電池によって構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、燃料電池１０が出力する電流・電圧と、二次電池８１の充放電とを制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。

ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０や二次電池８１から得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。そして、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ８３が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に蓄電される。

セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。制御部２０は、セル電圧計測部９１の計測結果に基づき、燃料電池１０が出力する電圧を取得する。電流計測部９２は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。

ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１に接続されており、二次電池８１の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出して、制御部２０に送信する。ここで、二次電池８１のＳＯＣとは、二次電池８１の充電容量に対する二次電池８１の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池８１のＳＯＣを検出する。制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４の検出値に基づき、二次電池８１のＳＯＣが所定の範囲内に収まるように、二次電池８１の充放電を制御する。

開閉スイッチ９５は、直流配線ＤＣＬに設けられており、制御部２０の指令に基づき、燃料電池１０および二次電池８１と、モータ２００との間の電気的接続を制御する。制御部２０は、燃料電池１０の通常の運転時には、開閉スイッチ９５を閉じておき、後述する燃料電池１０の運転終了処理を実行するときには、開閉スイッチ９５を開く。

ところで、燃料電池システムでは、一般に、燃料電池の発電を終了し、その運転を終了させる際には反応ガスの供給を停止する。しかし、燃料電池の運転終了後に、燃料電池の内部にアノードガスとカソードガスとがともに残留していると、それらのカソードガスとアノードガスとが互いに反応し合った後に、カソードガスのみが残留してしまう場合がある。この場合には、燃料電池のカソード側において、下記の反応式（１）のような電極を構成するカーボンの酸化反応が生じてしまい、電極が劣化してしまう可能性がある。
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- …（１）

そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が、燃料電池１０の運転終了時に、以下に説明する運転終了処理を実行することにより、燃料電池１０に残留するカソードガスの量を低減させて、そうした燃料電池１０の劣化の発生を抑制する。

図３は、制御部２０が実行する燃料電池１０の運転終了処理の実行手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、制御部２０は、エアコンプレッサ３２の駆動を停止して、燃料電池１０に対するカソードガスの供給を停止するとともに、調圧弁４３を閉じる。これにより、燃料電池１０のカソード側は封止された状態となる。

ステップＳ２０では、制御部２０は、燃料電池１０に残留しているカソードガス（以下、「残留カソードガス」とも呼ぶ）の物質量を算出し、残留カソードガスを消費し尽くすのに必要な燃料電池１０発電量を算出する。具体的には、制御部２０は、残留カソードガスの物質量を、残留カソードガスの圧力と、温度と、体積とを用いて算出する。

なお、残留カソードガスの圧力および温度はそれぞれ、カソードガス排出部４０の圧力計測部４４および温度計測部４５の計測値に基いて取得することができる。また、残留カソードガスの体積は、燃料電池１０のカソード側のガス流路の容積に基いて取得することができる。

ステップＳ３０では、制御部２０は、ステップＳ２０で算出した発電量を燃料電池１０に発電させて、燃料電池１０の残留カソードガスを消費するための残留カソードガス消費処理を実行する。ここで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、この残留カソードガス消費処理のための燃料電池１０の運転制御として、燃料電池１０の電流の一時的な増大と低下とを周期的に繰り返す一時的電流増大制御を実行する。

図４は、ステップＳ３０の残留カソードガス消費処理において実行される一時的電流増大制御を説明するための説明図である。図４の上段には、一時的電流増大制御を実行しているときの燃料電池１０の出力電圧の時間変化を、縦軸を電圧軸とし、横軸を時間軸とするグラフにより図示してある。また、図４の下段には、一時的電流増大制御を実行しているときの燃料電池１０の出力電流の時間変化を、縦軸を電流軸とし、横軸を、図４の上段のグラフの時間軸と対応する時間軸とするグラフにより図示してある。

一時的電流増大制御では、制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０の出力電圧を以下のように周期的に変動させることにより、燃料電池１０の出力電流を、燃料電池１０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）に従って変動させる。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の出力電圧を、電圧Ｖａから電圧Ｖｌまで低下させ、電圧Ｖｌを所定の時間ｔａだけ保持した後、電圧Ｖｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）まで上昇させる。そして、電圧Ｖｂまで上昇させた後、所定の時間ｔｂの間に、電圧をＶａまで低下させ、所定の時間ｔｂが経過したときに、再び燃料電池１０の出力電圧を電圧Ｖａから電圧Ｖｌまで低下させる。

これにより、燃料電池１０の出力電流は、電圧変動の周期と同様な周期Ｔで、所定の時間ｔａの間、比較的高い電流Ｉｈが保持された後に、所定の時間ｔｂの間、比較的低い電流Ｉｌが保持される（Ｔ＝ｔａ＋ｔｂ）。より具体的には、電圧の低下と上昇を行う各周期ごとに、比較的高い電流Ｉｈ_n，Ｉｈ_n+1，Ｉｈ_n+2，Ｉｈ_n+3，…と、比較的低い電流Ｉｌ_n，Ｉｌ_n+1，Ｉｌ_n+2，Ｉｌ_n+3，…とが交互に繰り返される。ここで、ｎは自然数であり、電流Ｉｈ，Ｉｌの添え字は、一時的電圧増大制御において、電圧Ｖｌから電圧Ｖｂまで電圧を一時的に増大させた回数に相当する。

ここで、この一時的電流増大制御では、図４（Ｂ）に示すように、電流値Ｉｈ，Ｉｌは、次第に低下していく。この理由は、燃料電池１０の残留カソードガスの減少に伴い、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性が、発電効率が低下する方向に変化していくためである。

一時的電流増大制御における電圧の変動周期Ｔや、その実行期間、電圧の制御値は、一時的電流増大制御の開始前に、ステップＳ２０において算出された、残留カソードガスを消費し尽くすのに必要な燃料電池１０発電量に基づいて設定される。なお、この制御値の設定の際には、予め取得しておいたカソード残留ガスの減少に伴う発電効率の低下の度合いを反映させることが望ましい。

ところで、この一時的電流増大制御では、燃料電池１０の出力電圧の低下を開始するときの電圧Ｖａより、燃料電池１０の出力電圧の上昇させたときの電圧Ｖｂを大きくしている。この理由は、以下に説明するように、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性が一時的に変化するためである。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、一時的電流増大制御の実行時における燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に変化を説明するための説明図である。図５（Ａ），（Ｂ）のグラフは、本実施例の燃料電池１０と同様な燃料電池を用いた実験により得られたものである。図５（Ａ）は、燃料電池の電流の時間変化を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、燃料電池の電圧の時間変化を示すグラフである。図５（Ａ），（Ｂ）のグラフはそれぞれ、時間軸を互いに対応させて図示してある。

この実験では、時刻ｔ₁〜ｔ₂の間に、燃料電池の電流を、Ｉ₁からＩ₂に増大させ、Ｉ₂で一時的に保持した後、再びＩ₁まで低下させた（図５（Ａ））。このとき、燃料電池の電圧は、電流の増大に伴って、Ｖ₁からＶ₂まで低下したが、電流を元の電流値Ｉ₁に復帰させたとき（時刻ｔ₂）には、元の電圧Ｖ₁よりも高い電圧Ｖ₃となり、その後も元の電圧Ｖ₁より高い電圧がしばらく維持された（図５（Ｂ））。

図５（Ｃ）は、一時的に電圧を低下させた後の電圧の上昇を燃料電池のＩ−Ｖ特性によって説明するための説明図である。図５（Ｃ）には、時刻ｔ₁（燃料電池の電圧を低下させる前）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを破線で図示し、時刻ｔ₂（燃料電池の電圧を回復させた後）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを実線で図示してある。

図５（Ａ），（Ｂ）に示されたように、一時的に電流を増大させた後に、燃料電池の電流と電圧とが対応しなくなったのは、図５（Ｃ）に示すように、燃料電池のＩ−Ｖ特性が、燃料電池の発電効率が向上する方向に変化したためである。このＩ−Ｖ特性の変化は、一時的な電流の増大によって、燃料電池内部の水分の増加がもたらされ、電解質膜の乾燥領域の減少や、触媒の酸化被膜の減少／活性化などが促進されるために生じるものである。

このように、一時的電流増大制御では、制御部２０は、燃料電池１０の出力電流を、周期的に著しく増大させる。この電流の増大により、燃料電池１０の残留カソードガスの消費を促進させることができる。一方、一時的電流増大制御における電流の増大は、間欠的であるため、残留カソードガスの消費に伴う生成水量の急激な増大による、いわゆるフラッディングの発生や、燃料電池１０の高温状態の継続が抑制される。

即ち、一時的電流増大制御であれば、燃料電池１０におけるフラッディングや、高温運転による性能劣化等の不具合の発生を抑制しつつ、残留カソードガスを消費するための大電流を発生させることが可能である。従って、燃料電池１０の残留カソードガスの消費を円滑、かつ、速やかに実行することができる。

また、図４（Ｂ）で説明したように、一時的電流増大制御の実行中には、残留カソードガスの消費による燃料電池１０のＩ−Ｖ特性の変化に伴って、燃料電池１０の発電効率は次第に低下していく。しかし、図５で説明したように、一時的電流増大制御は、燃料電池１０の発電効率の一時的な向上を伴うため、その分だけ、効率的に残留カソードガスを消費することができる。従って、残留カソードガス消費処理の処理時間を短縮でき、燃料電池１０にかかる負荷を軽減することができる。

さらに、一時的電流増大制御では、上述したように、フラッディングが発生しない程度に、燃料電池１０の生成水量を増大させることができる。そのため、燃料電池１０の運転終了処理の実行前に、高温（例えば、９０℃以上）での運転が継続され、燃料電池１０の電解質膜が乾燥してしまっている場合であっても、この一時的電流増大制御を経ることにより、電解質膜を適切な湿潤状態に回復させることができる。即ち、本実施例の燃料電池システム１００であれば、燃料電池１０の状態を整えた上で、その運転を終了させることができる。

ところで、この一時的電流増大制御の実行中には、制御部２０は、開閉スイッチ９５（図２）を開き、燃料電池１０の出力電力をＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、二次電池８１を充電する。従って、本実施例の燃料電池システム１００では、残留カソードガスを消費するために生じた電力を、無駄にすることなく、有効利用することができる。

制御部２０は、一時的電流増大制御によって、燃料電池１０の残留カソードガスを消費した後、ステップＳ４０（図３）において、燃料電池１０に対するアノードガスの供給を停止する。具体的には、制御部２０は、開閉弁５３やレギュレータ５４を閉じて、水素供給装置５５や水素循環用ポンプ６４の駆動を停止させる。これによって、制御部２０は、燃料電池１０の運転を終了させる。

このように、この燃料電池１０の運転終了処理によれば、ステップＳ３０における残留カソードガスの消費処理の実行後に、アノードガスの供給が停止される。そのため、運転停止後の燃料電池１０の内部状態を、酸素がなくなり、水素が残留した状態とすることができる。従って、燃料電池１０の運転停止後に、アノードガスが不足することによって生じる、上述したカーボンの酸化反応（上記の反応式（１））の発生が抑制される。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、その運転停止時に、残留カソードガスを予め消費してしまうことができるため、残留カソードガスに起因する運転終了後の燃料電池１０の劣化を抑制できる。また、一時的電流増大制御によって、残留カソードガスを効率的に消費することができるため、運転終了処理の処理時間を短縮することができ、残留カソードガスの消費のために燃料電池１０にかかる負荷を軽減することができる。さらに、残留カソードガスの消費のための発電により生じた電力を、二次電池８１に蓄電して有効利用することが可能である。

B．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や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態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

B1．変形例１：
上記実施例では、制御部２０は、燃料電池システム１００が搭載された移動体の運転終了時に、燃料電池１０の運転終了処理を実行していた。しかし、制御部２０は、移動体の運転終了時に限らず、燃料電池１０の運転を終了する際に、上記実施例の運転終了処理を実行するものとしても良い。また、制御部２０は、燃料電池１０の運転を一旦停止させるのみの燃料電池１０の運転停止時に、上記実施例の運転終了処理と同様な処理を実行するものとしても良い。

B2．変形例２：
上記実施例の燃料電池１０の運転終了処理では、ステップＳ１０においてカソードガスの供給が停止された状態で、ステップＳ３０の残留カソードガス消費処理が実行されていた。しかし、ステップＳ１０では、カソードガスの供給が完全に停止されていなくとも良い。ステップＳ１０では、燃料電池１０に対するカソードガスの供給量が、ステップＳ３０の残留カソードガス消費処理におけるカソードガスの消費量より小さくなるように、カソードガスの供給流量が制御されるものとしても良い。ただし、ステップＳ１０において、カソードガスの供給が停止されていれば、ステップＳ２０において、消費すべき残留カソードガスの量を容易に特定することができるため、ステップＳ３０において、残留カソードガスを、より確実に消費し尽くすことが可能となる。

B3．変形例３：
上記実施例の燃料電池１０の運転終了処理では、ステップＳ３０の残留カソードガス消費処理を実行した後に、ステップＳ４０において、アノードガスの供給を停止していた。しかし、燃料電池１０の運転終了処理におけるアノードガスの供給の停止処理は、ステップＳ３０における残留カソードガス消費処理の実行後でなくとも良い。燃料電池１０の運転終了処理におけるアノードガスの供給の停止処理は、残留カソードガス消費処理の実行前や、残留カソードガス消費処理の実行中に実行されるものとしても良い。ただし、燃料電池１０の運転終了処理では、運転終了後の燃料電池１０において、カソードガスとの反応によりアノードガスが消費され尽くしてしまわない程度に、アノードガスが十分、燃料電池１０の内部に残留するように、アノードガスの供給が制御されることが望ましい。

B4．変形例４：
上記実施例の燃料電池１０の運転終了処理では、制御部２０は、ステップＳ２０において、残留カソードガスの量に基づいて、ステップＳ３０で燃料電池１０が発電すべき発電量を算出していた。しかし、燃料電池１０の運転終了処理では、ステップＳ２０の処理は省略されるものとしても良い。この場合には、制御部２０は、ステップＳ３０における一時的電流増大制御を、カソードガスの不足により、燃料電池１０の発電量が著しく低下するまで継続するものとしても良い。また、制御部２０は、ステップＳ３０における一時的電流増大制御を、予め設定された所定の発電条件で、所定の期間だけ実行するものとしても良い。ただし、上記実施例のように、ステップＳ２０において、残留カソードガスの量に基づいて、ステップＳ３０で燃料電池１０が発電すべき発電量を算出しておくことにより、燃料電池１０に無駄に発電させることなく、より確実に残留カソードガスを消費させることが可能となる。

B5．変形例５：
上記実施例の燃料電池１０の運転終了処理では、制御部２０は、ステップＳ３０の残留カソードガス消費処理において燃料電池１０が出力した電力を二次電池８１に蓄電していた。しかし、制御部２０は、残留カソードガス消費処理において燃料電池１０が出力した電力を、二次電池８１に蓄電することなく、燃料電池システム１００内の補機類や、燃料電池システム１００に接続されている外部負荷等において消費するものとしても良い。また、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣが所定の閾値以上のときには、残留カソードガス消費処理における二次電池８１への充電を中止するものとしても良い。

B6．変形例６：
上記実施例では、残留カソードガスが低減されるように、燃料電池１０の運転終了処理において、燃料電池１０の一時的な電流の増大と低下とを周期的に繰り返す、一時的電流増大制御が実行されていた。ここで、上記実施例で説明したように、一時的電流増大制御は、燃料電池１０の内部における生成水量の増大を伴う制御である。そのため、燃料電池１０の内部を比較的乾燥した状態にして、燃料電池１０の運転を終了したい場合（例えば、低温環境下で燃料電池１０の凍結を防止したい場合など）には、制御部２０は、上記実施例の運転終了処理の実行を中止するものとしても良い。より具体的には、制御部２０は、外気温が著しく低い場合（例えば、氷点近傍の温度の場合）や、燃料電池１０内部の水分量が所定の閾値より大きい場合に、上記実施例の運転終了処理の実行を中止するものとしても良い。

B7．変形例７：
上記実施例では、一時的電流増大制御において、燃料電池１０の出力電圧を、電圧Ｖａから電圧Ｖｌまで低下させた後に、電圧Ｖａよりも高いＶｂまで上昇させていた。しかし、一時的電流増大制御では、燃料電池１０の出力電圧を、電圧Ｖａから電圧Ｖｌまで低下させた後に、そのまま電圧Ｖａまで回復させるものとしても良い。

B8．変形例８：
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池車両等の移動体に搭載されていた。しかし、燃料電池システムは、移動体に搭載されていなくとも良く、施設や建造物などに設置されるものとしても良い。

１０…燃料電池
１１…発電体
２０…制御部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…加湿部
３５…開閉弁
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
４５…温度計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
９４…ＳＯＣ検出部
９５…開閉スイッチ
１００…燃料電池システム
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池に反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の発電を制御するとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料ガスの供給を継続させつつ、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行し、前記ガス消費処理の実行後に、前記燃料ガスの供給を停止させる、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力する電力を蓄電可能な二次電池を備え、
前記制御部は、前記ガス消費処理において前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電する、燃料電池システム。
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記制御部は、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態で、前記ガス消費処理を実行する、燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記ガス消費処理の実行中に前記燃料電池の内部に存在する前記酸化剤ガスの量に基づいて、前記ガス消費処理における発電量を決定する、燃料電池システム。
反応ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の運転を停止する際に、前記酸化剤ガスの供給を停止させた状態、または、前記酸化剤ガスの供給量を前記酸化剤ガスの消費量より低減させた状態で、前記燃料ガスの供給を継続させつつ、前記燃料電池の電流の増大と低下とを周期的に繰り返して、前記燃料電池に残留する前記酸化剤ガスの量を低減させるガス消費処理を実行する工程と、
前記ガス消費処理の実行後に、前記燃料ガスの供給を停止させる工程と、
を備える、制御方法。