JP6173282B2 - 燃料電池システムの停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの停止方法に関する。より詳しくは、燃料電池による発電を停止してから次回起動されるまでの間における燃料電池の内部の水分の状態を適切に調整する燃料電池システムの停止方法に関する。

燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層して構成される。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持したもので構成される。膜電極構造体は、アノード電極及びカソード電極の２つの電極と、これら電極に教示された固体高分子電解質膜とで構成される。この燃料電池スタックは、アノード電極側に形成されたアノード流路に水素ガスが供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路に空気が供給されると、これらの反応によって発電するとともに水が生成される。生成された水は、電解質膜を湿潤にするとともに、上記空気や水素ガス等が流れるガス流路にも流れ出す。

燃料電池による発電を停止した時にガス流路の内部に水（以下、このような水を「滞留水」ともいう）が存在したままであると、例えば低温環境下では滞留水が凍結してしまい、その後の起動時における発電が不安定になるおそれがある。また、燃料電池による発電が停止している間（所謂、ソーク中）にガス流路内に滞留水が存在したままであると、セパレータからの溶出物に起因した劣化が生じる場合もある。

このような課題を解決するため、特許文献１には、イグニッションスイッチがオフにされ、燃料電池による発電を停止する際に、燃料電池への新たな水素ガスの供給を停止するとともに、燃料電池の内部に掃気ガスを供給することによって滞留水の量を減らす技術が開示されている。

特開２００８−２１４７９号公報

特許文献１の発明では、滞留水の量とスタック電圧との間にある相関関係に基づいて滞留水の量を推定し、滞留水の量が所定値以下になるまで掃気処理を行う。これにより、少なくとも掃気処理の終了直後における滞留水の量は、目的とする量まで減らすことができる。

しかしながら上述のような掃気処理は、主にガス流路に存在する滞留水を掃気ガスの圧力によって外に押し出すことを目的とした処理であり、電解質膜に含まれる水（以下、このような水を滞留水と区別して「膜含水」ともいう）の量を適切に調整することはできない。したがって特許文献１の発明によれば、停止時に滞留水を適切な量に調整できたとしても、その後、電解質膜に含まれていた水が徐々に染み出してしまい、ソーク中及び再起動時にはガス流路の内部に余分な量の水が存在してしまう場合がある。

本発明は、燃料電池による発電を停止してから次回再起動されるまでの間における燃料電池の内部の水分の状態を適切に調整できる燃料電池システムの停止方法を提供することを目的とする。

（１）燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック２）と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（例えば、後述のカソード系４）と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（例えば、後述のアノード系３）と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器（例えば、後述の加湿器４６）と、を備える。本発明の燃料電池システムの停止方法は、前記燃料電池システムに対する停止指令信号を検出する停止指令信号検出工程と、前記停止指令信号が検出された後に、第１発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する含水量調整工程（例えば、後述の図３の乾燥発電処理）と、前記含水量調整工程が終了した後に、第２発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する滞留水除去工程（例えば、後述の図３の排水発電処理）と、を有し、前記第１発電条件は、前記第２発電条件よりも前記加湿器による加湿量が少なくなるように定められることを特徴とする。

（２）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池に接続された燃料ガス循環路内で燃料ガスを循環させる燃料ガス循環装置（例えば、後述の水素ポンプ３４１）を備え、前記第２発電条件は、前記第１発電条件よりも前記燃料ガス循環装置による燃料ガスの循環量が大きくなるように定められることが好ましい。

（３）この場合、前記第１発電条件は、前記第２発電条件よりも前記燃料電池の出力電流が小さくなるように定められることが好ましい。

（４）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池を流路に含む冷媒循環路内で冷媒を循環させる冷媒循環装置（例えば、後述のウォータポンプ５２）を備え、前記含水量調整工程では、前記燃料電池の温度が所定の停止時判定温度よりも高い場合には所定の第１流量で前記冷媒を循環させ、前記燃料電池の温度が前記停止時判定温度よりも低い場合には前記第１流量より少なくかつ前記燃料電池の温度が低くなるほど少なくなるように定められた第２流量で前記冷媒を循環させることが好ましい。

（５）この場合、前記燃料電池システムは、起動指令信号を検出したことに応じて前記燃料電池の暖機制御を開始する暖機装置（例えば、後述のＥＣＵ６及びウォータポンプ５２等）を備え、前記停止方法は、前記停止指令信号を検出した時に前記暖機制御が終了していなかった場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行うことが好ましい。

（６）この場合、前記燃料電池システムは、起動指令信号を検出してから停止指令信号を検出するまでの間における前記燃料電池の出力電流値の変化を記録する運転履歴記録装置（例えば、後述のＥＣＵ６及び運転履歴記録装置６１等）を備え、前記停止方法は、前記停止指令信号を検出した時から所定時間前までの間に、前記運転履歴記録装置によって前記出力電流値が所定値以上となる高負荷運転の履歴が記録されていた場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行うことが好ましい。

（７）この場合、前記停止方法は、起動指令信号を検出してから前記停止指令信号を検出するまでの間の前記燃料電池の内部における総生成水量を算出し、当該総生成水量が前記燃料電池の膜の含水量が過剰となる量よりも少ない場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行わないことが好ましい。

（１）本発明では、停止指令信号が検出された後、第１発電条件の下で発電を継続する含水量調整工程を行い、これが終了したら第２発電条件の下で発電を継続する滞留水除去工程を行う。ところで、燃料電池の内部に存在する水分を膜に含まれるもの（膜含水）とガスの流路内に含まれるもの（滞留水）とに分けた場合、滞留水は膜の保水限界を超えた膜含水がセパレータを介して徐々に時間をかけて流路内にしみ出したもの、と考えることができる場合がある。本発明ではこのような滞留水の生成モデルを考慮して、第１発電条件は、第２発電条件よりも加湿器による加湿量が少なくなるように定める。これにより、含水量調整工程では燃料電池の膜の含水量が低下しやすい乾燥条件下で発電を行うことができる。すなわち、本発明では比較的乾燥条件下で含水量調整工程を行い、膜の含水量を適切に調整してから滞留水除去工程を行い、流路内の滞留水量を適切に調整することにより、滞留水除去工程を終えた後に膜に含まれる水分が流路内にしみ出てしまい、適切に調整した滞留水量が増加してしまうのを防止できる。またこのように含水量と滞留水量とを適切に調整することにより、セパレータからの溶出物に起因するソーク中の劣化を抑制することができる。

また本発明では、含水量調整工程及び滞留水除去工程を燃料電池による発電を継続しながら行う。このため本発明では、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とを接続する特別な配管を用いることなく、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路との両方の滞留水の量を調整することができる。従来では、燃料電池による発電が停止しているソーク中に、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路との両方の滞留水の量を調整する場合、酸化剤ガスを酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路との両方に供給するため、これら２つの流路を接続する配管が必要であった。これに対し本発明では、このような配管が必須ではなくなる。

（２）本発明では、第２発電条件は、第１発電条件よりも燃料ガスの循環量が大きくなるように定める。これにより、第２発電条件の下で発電を行う滞留水除去工程では、燃料電池の燃料ガス流路内の水分を積極的に排出することができる。またこのように燃料ガスで滞留水を排出することにより、膜内で燃料ガスと酸化剤ガスが混合してしまい、膜が劣化するのを防止できる。

（３）本発明では、第１発電条件は、第２発電条件よりも出力電流が小さくなるように定める。含水量調整工程では第１発電条件の下で発電を継続するが、その目的は発電そのものよりも主に燃料電池の膜の含水量を減少させることである。よって本発明では、第１発電条件を上述のように定めることにより、無駄な電流が引き出されるのを防止できるので、燃料電池システム全体の効率を向上することができる。また、燃料電池の出力電流を小さくすることにより、発電に伴って新たに生成される水の量を少なくできる。よって第１発電条件をこのように定めることにより、含水量調整工程における膜の乾燥能力を高くできるので、含水量調整工程を短い時間で終えることができ、ひいてはその後の滞留水除去工程も短い時間で終えることができる。

（４）上述のように含水量調整工程では、主に燃料電池の膜の含水量を減少させることを目的として発電を継続する。このような目的を達成する場合、飽和水蒸気圧を考慮して燃料電池の温度はできるだけ高くし、かつ面内の温度分布の偏りはできるだけ小さい方が好ましい。本発明では、含水量調整工程では、燃料電池の温度が停止時判定温度よりも高い場合には、第１流量で冷媒を循環させることによって温度分布の偏りを小さくし、一方燃料電池の温度が停止時判定温度よりも低い場合には、第１流量よりも少なくかつ温度が低くなるほど少なくなるように定められた第２流量で冷媒を循環させることによって温度分布の偏りを小さくしながら燃料電池の温度の低下を防止する。これにより、そのときの燃料電池の温度の状態に応じた適切な態様で含水量調整工程を行い、ひいては含水量を適切な量に調整することができる。

（５）含水量調整工程及び滞留水除去工程は、何れも停止指令後に行われる工程でありまた燃料電池による発電を伴う工程であるため、必要な時にのみ行う方が好ましい。一方、暖機制御を行っている間は、それまで低温環境下にあった燃料電池システムの始動を開始してからさほど時間が経っておらず、燃料電池の内部の水分の量は、適切な量よりもやや多めになっている場合が多いため、上記２工程を行う方が好ましいと言える。本発明では、暖機制御を行っている間に停止指令信号を検出した時（例えば、始動後に直ちに停止された場合）には、含水量調整工程及び滞留水除去工程を行うことにより、適切なタイミングでこれらの工程を行うことができる。なお、停止指令後にこれらの工程を行う必要があるかどうかは、その都度、燃料電池の内部の水分状態を把握した上で判断することが好ましいものの、燃料電池の内部の水分状態を精度良く把握するのは様々な装置が必要となる。これに対して暖機制御中か否かの判断は、例えば、暖機制御を行うＥＣＵの通信を利用すれば容易である。よって本発明では、燃料電池の内部の水分状態を把握するための装置を用いることなく適切なタイミングでこれらの工程を行うことができる。

（６）停止指令信号を検出した時から所定時間までの間に高負荷運転の履歴が記録されていた場合とは、具体的には燃料電池システムが搭載された車両が加速後、減速に転じ、車速が０となってから直ちに停止指令操作が行われた場合が想定される。このような場合、燃料電池の内部の水分の量は、適切な量よりもやや多めになっている場合が多いため、上記２工程を行う方が好ましいと言える。本発明では、上記のようなタイミングで高負荷運転の履歴が記録されていた場合には、含水量調整工程及び滞留水除去工程を行うことにより、適切なタイミングでこれらの工程を行うことができる。また、上記（５）の発明と同じ理由により、燃料電池の内部の水分状態を把握するための装置を用いることなく適切なタイミングでこれらの工程を行うことができる。

（７）例えば、燃料電池システムの起動後アイドル運転しか行わずに短時間で停止された場合のように、起動から停止までの間の総生成水量が少なく、したがって燃料電池の膜が上記含水量調整工程や滞留水除去工程が必要な程度に湿っていないと判断できる場合がある。本発明では、総生成水量が燃料電池の膜の含水量が過剰となる量よりも少ない場合には、含水量調整工程及び滞留水除去工程を行わない。これにより、燃料電池の内部の水分状態を把握するための装置を用いることなく、これら含水量調整工程及び滞留水除去工程の実行の可否を適切に判断できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムの始動時における暖機制御の手順を示すフローチャートである。 燃料電池システムの停止時におけるシステム停止処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの停止時におけるシステム停止処理の手順を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての水素を供給するアノード系３と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての酸素を含んだ空気を供給するカソード系４と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置５と、燃料電池スタック２で発電した電力を蓄えるバッテリＢと、燃料電池スタック２及びバッテリＢからの電力の供給によってタイヤ（図示せず）を駆動する走行モータＭと、これらの電子制御ユニットであるＥＣＵ６と、を備える。なお、この燃料電池システム１は、上記タイヤを駆動輪とした燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という）２は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック２は、アノード電極側に形成されたアノード流路２１に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路２２に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

発電中のスタック２から取り出される出力電流は、電流制御器２９を介してバッテリＢや負荷（走行モータＭ及びエアコンプレッサ４１等）に入力される。ＥＣＵ６は、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサからの出力信号に基づいて、スタック２の出力電流に対する要求値を算出する（図示せず）。電流制御器２９は、ＥＣＵ６によって算出された要求値を用いて発電中のスタック２の出力電流を制御する。

バッテリＢは、スタック２で発電した電力や、走行モータＭによって回生制動力として回収した電気エネルギーを蓄える。また、例えば燃料電池システム１の起動時において、スタック２の出力電流が制限されているときや車両の高負荷運転時等には、バッテリＢに蓄えられた電力はスタック２の出力を補うようにして負荷に供給される。

アノード系３は、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク３１と、水素タンク３１からスタック２のアノード流路２１の導入部に至る水素供給管３２と、アノード流路２１の排出部からカソード系４に設けられた希釈器（図示せず）に至る水素排出管３３と、水素排出管３３から分岐し水素供給管３２に至る水素還流管３４と、を含んで構成される。水素を含んだガスの水素循環流路は、水素供給管３２、アノード流路２１、水素排出管３３及び水素還流管３４によって構成される。

水素供給管３２には、水素タンク３１側からスタック２側へ向かって順に、遮断弁３２１と、遮断弁３２１を介して供給された新たな水素ガスをスタック２へ向けて噴射するインジェクタ３２２と、水素還流管３４から還流されたガスをスタック２へ循環させるイジェクタ３２３と、が設けられている。遮断弁３２１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。インジェクタ３２２からの水素ガスの噴射量は、ＥＣＵ６によるＰＷＭ制御によって制御される。

水素還流管３４には、水素排出管３３側から水素供給管３２側へガスを圧送する水素ポンプ３４１が設けられている。水素排出管３３には、スタック２側からカソード系４側へ向かって順に、アノード流路２１からガスと共に排出された水を貯留するキャッチタンク３３１と、水素循環流路内のガスをカソード系４側へ排出するパージ弁３３２と、が設けられている。水素ポンプ３４１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。水素ポンプ３４１の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。パージ弁３３２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

またキャッチタンク３３１には、溜まった水を排出するためのドレイン管３５が設けられている。このドレイン管３５は、キャッチタンク３３１から水素排出管３３のうちパージ弁３３２の下流側に至る。ドレイン管３５にはドレイン弁３５１が設けられている。このドレイン弁３５１を開くと、キャッチタンク３３１内に溜まった水は、水素排出管３３を介してカソード系４の図示しない希釈器へ排出される。ドレイン弁３５１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

カソード系４は、エアコンプレッサ４１と、エアコンプレッサ４１からカソード流路２２の導入部に至る空気供給管４２と、カソード流路２２の排出部から図示しない希釈器に至る空気排出管４３と、空気排出管４３から分岐し空気供給管４２に至る空気還流管４５と、空気排出管４３と空気供給管４２とを接続する加湿器４６と、を含んで構成される。酸素を含んだガスの酸素循環流路は、空気供給管４２、カソード流路２２、空気排出管４３及び空気還流管４５によって構成される。

エアコンプレッサ４１は、空気供給管４２を介してスタック２のカソード流路２２に外気を供給する。エアコンプレッサ４１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。エアコンプレッサ４１の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。また空気排出管４３には、カソード流路２２内の圧力を調整するための背圧弁４３２が設けられている。背圧弁４３２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。発電中のスタック２のカソード流路２２内の圧力は、エアコンプレッサ４１で空気を供給しながら背圧弁４３２の開度を調整することにより、スタック２の発電状態に応じた適切な大きさに制御される。

加湿器４６は、カソード流路２２から排出されたガスに含まれる水を回収し、回収した水を用いてエアコンプレッサ４１から供給される空気を加湿する。この加湿器４６の機能により、発電中のスタック２のＭＥＡは発電に適した程度に湿潤な状態に維持される。

空気供給管４２には、加湿器４６をバイパスするバイパス管４７が設けられている。このバイパス管４７には、バイパス弁４７１が設けられている。バイパス弁４７１を開くと、エアコンプレッサ４１から供給される空気の多くはバイパス管４７を介して、すなわち加湿器４６を迂回してスタック２に供給される。バイパス弁４７１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

また、空気供給管４２及び空気排出管４３には、それぞれ入口封止弁４２１及び出口封止弁４３１が設けられている。これら封止弁４２１，４３１を閉じると、スタック２のカソード流路２２の内部は、外気から遮断される。これら封止弁４２１，４３１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

冷却装置５は、スタック２の内部を流路の一部として含む冷媒循環路５１と、冷媒循環路５１に設けられこの循環路５１内で冷媒を循環させるウォータポンプ５２と、冷媒循環路５１の一部となるラジエタ５３と、を備える。ウォータポンプ５２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。ウォータポンプ５２の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。

冷却装置５は、ウォータポンプ５２によって冷媒を循環しスタック２と冷媒との熱交換を促進するとともに、ラジエタ５３によって冷媒を冷却することにより、スタック２を保護するために定められた上限温度を上回らないようにする。

ＥＣＵ６には、インピーダンスセンサ２４、カソード側温度センサ２５、アノード側温度センサ２６、冷媒温度センサ２７、電流センサ２８等の燃料電池システム１の状態を把握するための複数のセンサが接続されている。

インピーダンスセンサ２４は、スタック２のインピーダンス抵抗値を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。スタック２のインピーダンス抵抗値は、スタック２の内部のＭＥＡの含水状態と相関関係がある。より具体的には、ＭＥＡの含水量が減少するほどインピーダンス抵抗値は増加する傾向がある。ＥＣＵ６は、インピーダンスセンサ２４によって検出されたインピーダンス抵抗値を用いることによって、間接的にＭＥＡの含水状態を取得することができる。電流センサ２８は、スタック２の出力電流を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。

カソード側温度センサ２５は、カソード流路２２から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。アノード側温度センサ２６は、アノード流路２１から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＥＣＵ６は、これら温度センサ２５，２６の検出値を用いることによって、スタック２の内部温度を算出する。冷媒温度センサ２７は、循環路５１のうちスタック２から排出される冷媒の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。

またＥＣＵ６は、上記センサ２４〜２８等の各種センサの出力値の時間変化、及びエアコンプレッサ４１、バイパス弁４７１、背圧弁４３２、インジェクタ３２２、水素ポンプ３４１、パージ弁３３２、ドレイン弁３５１、及びウォータポンプ５２等の各種装置の運転履歴を電磁的手段によって記録する履歴記録装置６１を備える。

スタック２のアノード流路２１内の滞留水の量や、カソード流路２２内の滞留水の量は、スタック２の発電態様によって変化する。ＥＣＵ６は、この履歴記録装置６１に記録された各種センサの出力値の履歴や各種装置の運転履歴を参照することによって、これらアノード流路２１内の滞留水の量やカソード流路２２内の滞留水の量を算出する。

図示しない車両の運転席には、燃料電池システム１を起動したり停止したりするために運転者が操作可能なイグニッションスイッチＩＧが設けられている。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオフからオンにされると、燃料電池システム１の起動指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この起動指令信号を受信したことを契機として、スタックによる発電を開始させるシステム起動処理（図示せず）やスタックの暖機を促進する暖機制御（後述の図２参照）等を開始する。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオンからオフにされると燃料電池システム１の停止指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この停止指令信号を受信したことを契機として、システム停止処理（後述の図３、図４参照）を開始する。

図２は、燃料電池システムの始動時における暖機制御の手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を受信したことを契機として、ＥＣＵによって実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、スタックの発電に伴う昇温を促進すべくウォータポンプの回転を停止し、Ｓ２に移る。Ｓ２では、ＥＣＵは、温度センサの出力に基づいてスタックの温度を取得し、Ｓ３に移る。Ｓ３では、ＥＣＵは、取得したスタックの温度が暖気制御の終了を判定するために定められた暖気終了判定温度より高いか否かを判定する。Ｓ３の判定がＮＯである場合には暖気制御を継続すべくＳ１に戻り、Ｓ３の判定がＹＥＳである場合には、この処理を終了する。なおこの暖機制御では、必ずしも上述のようにウォータポンプを停止し、冷媒の循環を停止させなくてもよい。冷えた冷媒を循環させるとスタックの昇温が妨げられるものの、温度むらが小さくなる利点もある。従って暖機制御では、スタックの昇温を妨げない程度の流量で冷媒を循環すべく、ウォータポンプを低回転で駆動したり間欠駆動したりしてもよい。

図３は、燃料電池システムの停止時におけるシステム停止処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの停止指令信号を受信したことを契機として、ＥＣＵによって実行される。

ところで、燃料電池の内部に存在する水分をＭＥＡに含まれるもの（膜含水）とガスの流路内に含まれるもの（滞留水）とに分けた場合、滞留水はＭＥＡの保水限界を超えた膜含水がセパレータを介して徐々に時間をかけて流路内にしみ出したもの、と考えることができる場合がある。図３のシステム停止処理は、このような滞留水の生成モデルを前提として構築されている。

Ｓ１１では、ＥＣＵは、インピーダンスセンサの検出値に基づいてスタック内部の含水状態を推定しＳ１２に移る。より具体的には、ＥＣＵは、スタック内部のＭＥＡの総含水量［ｇ］や、ＭＥＡの含水量の限界に相当する保水限界量に対する上記含水量の割合［％］等、スタック内部の含水状態を表すパラメータの具体的な値を算出する。ＭＥＡの総含水量は、スタックのインピーダンス抵抗値が小さくなるほど少なくなる傾向がある。ＥＣＵは、このようなＭＥＡの総含水量とインピーダンス抵抗値との相関関係に基づいて予め設定されたマップを用いることによって、スタック内部の含水状態を推定する。

Ｓ１２では、ＥＣＵは、Ｓ１１における含水状態の推定結果に基づいて、乾燥発電処理を行う必要があるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵは、Ｓ１１において算出したＭＥＡの総含水量や保水限界量に対する割合が、それぞれに対して設定された閾値より大きい場合には乾燥発電処理を行う必要があると判定し、それ以外の場合には乾燥発電処理を行う必要がないと判定する。この判定の結果、発電乾燥処理を行う必要がある場合にはＳ１３に移り、発電乾燥処理を行う必要がない場合にはこの処理を行うことなくＳ１５に移る。

Ｓ１３では、ＥＣＵは、Ｓ１１における含水状態の推定結果を用いて、発電乾燥処理を実行する時間（以下、「乾燥時間」という）を設定し、Ｓ１４に移る。ＥＣＵは、Ｓ１４の乾燥発電処理が終わった後の総含水量が所定の目標値になるように、含水状態が湿潤であるほど乾燥時間を長く設定する。Ｓ１４では、ＥＣＵは、スタックの内部のうち特にＭＥＡの乾燥が促進されるように定められた乾燥発電条件の下で乾燥時間にわたってスタックによる発電を継続する乾燥発電処理を行い、完了したらＳ１５に移る。なお、この乾燥発電条件の具体的な内容については、後述の排水発電条件と比較しながら後に説明する。

Ｓ１５では、ＥＣＵは、スタック内部の滞留水の状態を推定しＳ１６に移る。より具体的には、ＥＣＵは、運転履歴記録装置によって記録された各種センサの出力値の履歴や各種装置の運転履歴を用いることによって、スタック内部のアノード流路及びカソード流路内の滞留水の量をそれぞれ別々に算出する。また、燃料電池システムがスタック内部のアノード流路及びカソード流路内の滞留水を直接検出する水センサを備える場合には、この水センサの出力値を用いることによって各流路内の滞留水の量を直接算出してもよい。

Ｓ１６では、ＥＣＵは、Ｓ１５における滞留水の状態の推定結果を用いて、水排出発電処理を行う必要があるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵは、Ｓ１５において算出した各流路の滞留水の量が、それぞれに対して設定された所定の閾値より大きい場合には水排出発電処理を行う必要があると判定し、それ以外の場合には水排出発電処理を行う必要がないと判定する。この判定の結果、水排出発電処理を行う必要がある場合にはＳ１７に移り、水排出発電処理を行う必要がない場合にはこの処理を行うことなくＳ１９に移る。なお、Ｓ１６の判定では、アノード流路及びカソード流路のどちらかのみの滞留水の量が閾値より大きい場合には、水排出発電処理を行う必要があると判定することが好ましい。

Ｓ１７では、ＥＣＵは、Ｓ１５における滞留水の状態の推定結果を用いて、水排出発電処理を実行する時間（以下、「排水時間」という）を設定し、Ｓ１８に移る。ＥＣＵは、Ｓ１８の排水発電処理が終わった後の滞留水の量が所定の目標値になるように、滞留水の量が多いほど排水時間を長く設定する。なお、上述のようにＳ１６においてアノード流路側とカソード流路側とで別々に滞留水の量を算出した場合、これらアノード流路側の滞留水量及びカソード流路側の滞留水量を用いて別々に排水時間を設定することができる。この場合、アノード流路側の滞留水量を用いて算出した時間と、カソード流路側の滞留水量を用いて算出した時間とのうち大きい方を排水時間として設定することが好ましい。Ｓ１８では、ＥＣＵは、スタックの内部のうち特にアノード流路及びカソード流路内の滞留水の排出が促進されるように定められた排水発電条件の下で、排水時間にわたってスタックによる発電を継続する排水発電処理を行い、完了したらＳ１９に移る。なお、この排水発電条件の具体的な内容については、上述の乾燥発電条件と比較しながら後に説明する。

Ｓ１９では、エアコンプレッサの停止、遮断弁の閉弁、及び封止弁の閉弁等からなる所定の終了処理を行った後、このシステム停止処理を終了する。燃料電池システムは、これ以降、ソーク状態となる。

ここで、乾燥発電条件及び排水発電条件の具体的な内容について、これらを比較しながら説明する。ここで、発電条件とは、スタックによる発電を行うために必要な各種装置の制御態様をいう。ここで発電を行うために必要な各種装置とは、例えば、加湿器のバイパス弁４７１、水素ポンプ３４１、パージ弁３３２、ドレイン弁３５１、水素インジェクタ３２２、エアコンプレッサ４１、背圧弁４３２、電流制御器２９、及びウォータポンプ５２等をいう。以下、これら装置の、乾燥発電条件及び排水発電条件の下での制御態様について説明する。

＜加湿器のバイパス弁について＞
乾燥発電条件は、排水発電条件よりも加湿器による空気の加湿量が少なくなるように定められる。なお、加湿器による空気の加湿量とは、具体的には、加湿器によって空気に供給される水の単位時間当たりの量をいうものとする。従って加湿器のバイパス弁の開度は、乾燥発電条件の下で発電を行う場合、排水発電条件の下で発電を行う場合よりも開弁側になるように制御される。これにより乾燥発電処理中は、排水発電処理中よりも乾燥した空気がスタックに供給されるので、スタックのＭＥＡの乾燥が促進される。なお、特に乾燥発電条件の下では、加湿器のバイパス弁は全開とし、加湿器による空気の加湿量を最小にすることが好ましい。

＜アノード系の装置について＞
アノード系には、水素ポンプと、パージ弁、ドレイン弁、及び水素インジェクタが設けられている。これらを用いることによって水素ガスの循環量やパージ量を調整することができる。ここで水素ガスの循環量とは、具体的には水素ポンプを介して還流されるガスの単位時間当たりの量である。したがって、この水素ガスの循環量を多くするほど、スタック内のアノード流路内からの滞留水の排出が促進される。またパージ量とは、具体的には、パージ弁又はドレイン弁を介して水素循環路から外へ排出されるガスの単位時間当たりの量である。したがって、このパージ量を多くしてもスタック内のアノード流路内からの滞留水の排出を促進できる。

水素ポンプによる水素ガスの循環量に関しては、排水発電条件は、乾燥発電条件よりも大きくなるように定められる。従って水素ポンプの回転数は、排水発電条件の下で発電を行う場合、乾燥発電条件の下で発電を行う場合よりも大きくなるように制御される。これにより排水発電処理中は、乾燥発電処理中よりも多くの量の水素ガスがアノード流路を流れるので、スタック内のアノード流路内の滞留水の排出が促進される。

またパージ量に関しては、排水発電条件は、乾燥発電条件よりもパージ量が多くなるか又は同程度になるように定められることが好ましい。従ってパージ弁及びドレイン弁の閉弁時間に対する開弁時間の割合は、排水発電条件の下で発電を行う場合、乾燥発電条件の下で発電を行う場合よりも大きくなるか又は同程度になるように制御される。これにより排水発電処理中は、乾燥発電処理中よりもスタック内のアノード流路内の滞留水の排出が促進される。

なお、このようにパージ量について排水発電条件を乾燥発電条件よりも多くした場合、これに合わせて水素インジェクタからの水素噴射量についても排水発電条件を乾燥発電条件よりも多くすることが好ましい。なお、水素噴射量とは、具体的には、水素インジェクタから水素循環路内に新たに供給される水素ガスの単位時間当たりの量をいうものとする。上述のようにパージ量を増やした場合、スタックのアノード流路で発生する差圧は低くなってしまうため、アノード流路内の滞留水が排出されにくくなってしまう。したがって排水発電条件の下では、上述のようにパージ量を増やすとともに水素噴射量も増やすことにより、アノード流路の差圧を滞留水が排出される程度に維持する。

パージ量を増量するとアノード流路内の滞留水の排出が促進されるため、水素ガスの循環量の増加と組み合わせることによって排水発電処理における排水効率を向上できる。しかしながら上述のようにパージ量を増加すると、これに合わせて水素噴射量も増加させる必要があることから、燃料効率が低下する。したがって、燃料効率の向上を優先する場合にはパージ量は増量しない方がよく、排水効率の向上を優先する場合にはパージ量を増量した方がよい。

＜カソード系の装置について＞
カソード系には、エアコンプレッサと背圧弁が設けられている。これらを用いることによってカソード流路を流れる空気の体積流量を調整することができる。排水発電条件は、乾燥発電条件よりもスタックのカソード流路を流れる空気の体積流量が多くなるように定められる。従って、エアコンプレッサから新たに供給される空気の供給量（すなわち、エアコンプレッサの回転数）は、排水発電条件の下で発電を行う場合、乾燥発電条件の下で発電を行う場合よりも大きくなるように制御される。また同時に、スタックのカソード流路内の圧力を調整する背圧弁の開度は、排水発電条件の下で発電を行う場合、乾燥発電条件の下で発電を行う場合よりも開側（減圧側）へ大きくなるように制御される。これにより、排水発電処理中は、乾燥発電処理中よりもスタック内のカソード流路内の滞留水の排出が促進される。

＜電流制御器について＞
システム全体の効率を優先する場合、乾燥発電条件は、排水発電条件よりもスタックの出力電流が小さくなるように定められることが好ましい。これにより、乾燥発電条件の下で発電を行う場合、排水発電条件の下で発電を行う場合よりも、スタックで発電に伴って新たに生成される水の量を少なくできるので、スタックのＭＥＡの乾燥がさらに促進される。また上述のように、乾燥発電条件の下で発電を行う場合、排水発電条件の下で発電を行う場合よりもスタックに供給する水素ガスや空気の量を少なくする。これに合わせて乾燥発電条件の下ではスタックの出力電流を少なくすることにより、システム全体の効率が低下するのを抑制できる。

ところで乾燥発電処理はＭＥＡの乾燥の促進を主な目的とした処理である。従って、ある程度の乾燥効果を確保するためには、乾燥発電処理中におけるスタックの内部の飽和水蒸気圧をある程度高くする必要がある。例えば暖機制御の実行中はスタックの内部の温度が低く特にその必要性が高い。従って暖機制御が完了する前に停止指令信号を検出した場合には、上述のようにシステム全体の効率を優先する場合とは逆に、乾燥発電条件は、排水発電条件よりもスタックの出力電流が大きくなるように定めてもよい。これにより乾燥発電処理中におけるスタックの昇温を促進し、ひいては飽和水蒸気圧を高くできるので、ＭＥＡの乾燥も速やかにできる。

＜ウォータポンプについて＞
イグニッションスイッチがオフにされた後に行う乾燥発電処理及び排水発電処理は、何れも発電を継続することによってスタック内の水分の量を減らすことを目的とする。この際、スタックの内部で万遍なく水分の量を減らすためには、スタック内の温度はできるだけ均一であることが好ましい。したがって、イグニッションスイッチがオフにされた後の乾燥発電処理及び排水発電処理でも、イグニッションスイッチがオフにされる前と同様の方法によってウォータポンプを駆動し、冷媒を循環させることが好ましい。

しかしながら、図２を参照して説明した暖機制御が終了する前に、すなわちスタックの温度が所定の暖機終了判定温度に達する前にイグニッションスイッチがオフにされ、図３の処理が開始する場合もある。この場合、暖機制御に引き続き冷媒の循環を停止したままであると、スタックの内部の温度差が広がってしまい、スタックの内部で万遍なく水分の量を減らすことができなくなってしまう。よって、乾燥発電処理及び排水発電処理では、スタックの温度が暖機終了判定温度（図２参照）よりも低く設定された停止時判定温度よりも高い場合には、ウォータポンプを駆動し、０ではない所定の第１流量で冷媒を循環させることが好ましい。また、スタックの温度が上記停止時判定温度より低い場合には、ウォータポンプを駆動し、上記第１流量よりも少なくかつスタックの温度が低くなるほど少なくなるように定められた第２流量で冷媒を循環させることが好ましい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの停止時におけるシステム停止処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの停止指令信号を受信したことを契機として、ＥＣＵによって実行される。なお、本実施形態におけるシステム停止処理は、図３を参照して説明した第１実施形態におけるシステム停止処理と、乾燥発電処理及び排水発電処理の実行の可否を判定する手順が異なる。図４の処理においいて、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ２９は、それぞれ図２の処理におけるＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１８と同じであるので、詳細な説明は省略する。

Ｓ２１では、ＥＣＵは、図２に示す暖機制御が終了しているか否かを判定する。Ｓ２１の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ２２に移る。Ｓ２２では、ＥＣＵは、スタックの出力電流値に関する過去の運転履歴を参照し、イグニッションスイッチがオフにされたことを検出した時から所定時間前までの間に、出力電流値が所定の閾値以上となる高負荷運転の履歴が記録されていたか否かを判定する。Ｓ２２の判定がＮＯである場合には、乾燥発電処理及び排水発電処理を行うことなくＳ３０に移り、システム停止処理を終了する。

Ｓ２１の判定がＮＯである場合、すなわち暖機制御が終了していない場合には、Ｓ２４に移り、乾燥発電処理及び排水発電処理を実行した後、Ｓ３０に移り、システム停止処理を終了する。暖機制御が終了していない場合、スタックの内部の水分状態は、暖機制御が終了した後よりも湿潤である傾向が多い。

Ｓ２２の判定がＹＥＳである場合、すなわちイグニッションスイッチがオフにされる直前に高負荷運転が行われた場合にもＳ２４に移り、乾燥発電処理及び排水発電処理を実行した後、Ｓ３０に移り、システム停止処理を終了する。ここで、Ｓ２２の判定がＹＥＳとなる場合とは、より具体的には、加速後、減速し、直ちにイグニッションスイッチがオフにされた場合が該当する。このような場合もスタックの内部の水分状態は、通常の走行中と比較して湿潤である傾向が多い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば乾燥発電処理や排水発電処理の実行の可否について、第１実施形態では、停止指令信号を受信した時におけるインピーダンスセンサの検出値（Ｓ１１参照）や滞留水の量（Ｓ１５参照）に基づいて判定した。また第２実施形態では、暖機制御の完了状態（Ｓ２１参照）や直前の運転履歴（Ｓ２２参照）に基づいて判定した。乾燥発電処理や排水発電処理の実行の可否を判定する手段は、これらに限らない。例えば、今回の燃料電池システムの起動から停止までの間にスタックの内部で発電によって生成された水の総量に基づいて乾燥発電処理や排水発電処理の実行の可否を判定してもよい。例えば燃料電池システムを起動後アイドル運転しか行わずに短時間で停止された場合のように、起動から停止までの間の総生成水量が少なく、したがってＭＥＡが乾燥発電処理や排水発電処理が必要な程度に湿っていないと判断できる場合がある。よって、停止指令信号を受信したことに応じて、今回のシステムの起動から停止までの間の総生成水量を算出し、この総生成水量がＭＥＡの含水量が過剰となる量より少ない場合には、乾燥発電処理や排水発電処理を行わないようにしてもよい。なお、この総生成水量は、例えばスタックの起動から停止までの間の積算発電量に基づいて推定することができる。また起動から停止までの間の積算発電量は、スタックの出力電流値及び電圧値に関する過去の運転履歴を参照することによって算出できる。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…アノード系（燃料ガス供給装置）
３４１…水素ポンプ（燃料ガス循環装置）
４…カソード系（酸化剤ガス供給装置）
４６…加湿器
５２…ウォータポンプ（冷媒循環装置、暖機装置）
６…ＥＣＵ（暖機装置、運転履歴記録装置）
６１…運転履歴記録装置

Claims (11)

1. 酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムの停止方法であって、
   前記燃料電池システムに対する停止指令信号を検出する停止指令信号検出工程と、
   前記停止指令信号が検出された後に、第１発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する含水量調整工程と、
   前記含水量調整工程が終了した後に、前記燃料電池の内部のガス流路内の滞留水の状態を推定し、当該推定結果に基づいて設定した時間にわたって第２発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する滞留水除去工程と、を有し、
   前記第１発電条件は、前記第２発電条件よりも前記加湿器による加湿量が少なくなるように定められることを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
2. 前記含水量調整工程では、前記停止指令信号が検出された後に、前記燃料電池の膜の含水状態を推定し、当該推定結果に基づいて設定した時間にわたって前記第１発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続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の停止方法。
3. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池に接続された燃料ガス循環路内で燃料ガスを循環させる燃料ガス循環装置を備え、
   前記第２発電条件は、前記第１発電条件よりも前記燃料ガス循環装置による燃料ガスの循環量が大きくなるように定められることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの停止方法。
4. 前記第１発電条件は、前記第２発電条件よりも前記燃料電池の出力電流が小さくなるように定められることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。
5. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池を流路に含む冷媒循環路内で冷媒を循環させる冷媒循環装置を備え、
   前記含水量調整工程では、前記燃料電池の温度が所定の停止時判定温度よりも高い場合には所定の第１流量で前記冷媒を循環させ、前記燃料電池の温度が前記停止時判定温度よりも低い場合には前記第１流量より少なくかつ前記燃料電池の温度が低くなるほど少なくなるように定められた第２流量で前記冷媒を循環させることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。
6. 前記燃料電池システムは、起動指令信号を検出したことに応じて前記燃料電池の暖機制御を開始する暖機装置を備え、
   前記停止方法は、前記停止指令信号を検出した時に前記暖機制御が終了していなかった場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行うことを特徴とする請求項１から５に記載の燃料電池システムの停止方法。
7. 前記燃料電池システムは、起動指令信号を検出してから停止指令信号を検出するまでの間における前記燃料電池の出力電流値の変化を記録する運転履歴記録装置を備え、
   前記停止方法は、前記停止指令信号を検出した時から所定時間前までの間に、前記運転履歴記録装置によって前記出力電流値が所定値以上となる高負荷運転の履歴が記録されていた場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行うことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。
8. 前記停止方法は、起動指令信号を検出してから前記停止指令信号を検出するまでの間の前記燃料電池の内部における総生成水量を算出し、当該総生成水量が前記燃料電池の膜の含水量が過剰となる量よりも少ない場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行わないことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。
9. 前記燃料ガス供給装置は、燃料ガスを貯蔵するタンクと、前記タンクから前記燃料電池の燃料ガス流路の導入部に至る燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管に設けられた遮断弁と、を備え、
   前記含水量調整工程では、前記遮断弁を開いた状態で前記第１発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続し、
   前記滞留水除去工程では、前記遮断弁を開いた状態で前記第２発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続することを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の燃料電池システムの停止方法。
10. 前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガス供給管に設けられ前記遮断弁を介して前記タンクから供給された新たな燃料ガスを前記燃料電池へ供給するインジェクタをさらに備え、
    前記第２発電条件は、前記第１発電条件よりも前記インジェクタによる燃料ガスの新たな供給量が多くなるように定められることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの停止方法。
11. 酸化剤ガス及び燃料ガスが供給されると発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
    起動指令信号を検出したことに応じて前記燃料電池の暖機制御を開始する暖機装置と、を備えた燃料電池システムの停止方法であって、
    前記燃料電池システムに対する停止指令信号を検出する停止指令信号検出工程と、
    前記停止指令信号が検出された後に、第１発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する含水量調整工程と、
    前記含水量調整工程が終了した後に、第２発電条件の下で前記燃料電池による発電を継続する滞留水除去工程と、を有し、
    前記第１発電条件は、前記第２発電条件よりも前記加湿器による加湿量が少なくなるように定められ、
    前記停止方法は、前記停止指令信号を検出した時に前記暖機制御が終了していなかった場合には、前記含水量調整工程及び前記滞留水除去工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。

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