JP6409691B2

JP6409691B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

Info

Publication number: JP6409691B2
Application number: JP2015121082A
Authority: JP
Inventors: 学上原; 茂樹長谷川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: JP2017004913A

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

水素ガス通路と水素ガス通路内に設けられたアノード極と空気通路と空気通路内に設けられたカソード極とを有し、アノード極に供給された水素ガスとカソード極に供給された空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、水素ガス源と、水素ガス通路の入口と水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、水素ガス供給路内に配置され、水素ガス通路内に水素ガスを供給するための水素ガス供給弁と、水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、アノードオフガス通路内に配置されたアノードオフガス排出弁と、アノードオフガス排出弁の下流側のアノードオフガス通路内に配置され、アノードオフガスの一部を昇圧して貯蔵する燃料貯蔵部と、燃料貯蔵部と水素ガス通路及び空気通路とを連結するアノードオフガス供給路と、アノードオフガス供給路内に配置され、燃料電池スタックでの発電停止中に燃料貯蔵部から水素ガス通路及び空気通路内にアノードオフガスを供給するための別の水素ガス供給弁と、空気通路の入口に連結する空気供給路と、空気供給路内に配置された空気供給弁と、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス排出弁と、燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられたときに、水素ガス供給弁による水素ガスの供給を停止すると共にアノードオフガス排出弁を閉弁し、かつ、空気供給弁による空気の供給を停止すると共にカソードオフガス排出弁を閉弁し、それにより燃料電池スタックでの発電を停止し、別の水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガス通路及び空気通路に水素ガスを供給し、更に、燃料電池スタックでの発電停止中に水素ガス通路内の水素ガス量が予め設定された下限値よりも少なくなったときには、別の水素ガス供給弁を一時的に開弁してアノードオフガスを水素ガス通路及び空気通路内に供給するように構成された制御器と、を備えた燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

燃料電池スタックの発電停止の際には、水素ガス通路に残存する水素ガスをそのまま水素ガス通路に閉じ込め、空気通路に残存する空気をそのまま空気通路に閉じ込めた状態にする方法が考えられる。この場合、燃料電池スタックの発電停止中には、カソード極の酸素ガスは、アノード極から電解質膜を透過してカソード極に拡散した水素ガスと反応して水を生成する。その結果、酸素ガス及び水素ガスは消費されて減少する。しかし、その状態で外部からカソード極に空気が侵入すると、空気中の酸素ガスがカソード極から電解質膜を透過してアノード極に拡散する。その結果、カソード極に酸素ガスが存在し、アノード極に酸素ガス及び水素ガスが存在する状態となる。その状態では、カソード極において好ましくなく電気化学反応が発生し、カソード極のカーボンが酸化され、カソード極が劣化して発電性能が低下するおそれがある。そこで、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電停止の際には、水素ガス通路及び空気通路に水素ガスを供給して閉じ込めるようにする。それにより、空気通路に空気が侵入しても、空気中の酸素ガスが空気通路内の水素ガスと反応して水を生成することにより、酸素ガスを除去することができる。更に空気通路に空気が侵入したときにはアノード極の水素ガスが電解質膜を透過してカソード極に拡散し、空気中の酸素ガスと反応して水を生成することにより、酸素ガスを除去することができる。ただし、その際にはアノード極、すなわち水素ガス通路内の水素ガス量が減少する。そのため、更に空気通路に空気が侵入すると、水素ガス通路内の水素ガス量が少ないため、空気中の酸素ガスが電解質膜を透過してアノード極へ拡散し、カソード極の酸化が起こるおそれがある。そこで特許文献１では、燃料電池スタックの発電停止の際に別の水素ガス供給弁を一時的に開弁してアノードオフガスを水素ガス通路及び空気通路内に供給し、更に、水素ガス通路内の水素ガス量が予め設定された下限値よりも小さくなったときには、別の水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガス（アノードオフガス）を水素ガス通路及び空気通路内に導入し、その水素ガスとアノード極やカソード極の酸素ガスとを反応させ水を生成させて、酸素ガスを除去し、カーボンの酸化を抑制している。

特開２００６−０７３３７７号公報

上述された特許文献１の燃料電池システムの技術は、燃料電池スタックの発電停止の際に、水素ガス通路に残存する水素ガスをそのまま水素ガス通路に閉じ込め、空気通路に残存する空気をそのまま空気通路に閉じ込める場合にも適用できる。すなわち、水素ガス通路内の水素ガス量が少なくなったときには、別の水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスをアノード極に導入し、水素ガスと酸素ガスとを反応させ水を生成させることで、アノード極の酸素ガスを除去して、カソード極のカーボンの酸化反応の発生を防止できると考えられる。

ここで、別の水素ガス供給弁からアノード極へ供給される水素ガス量は開弁時間により定まる。したがって、別の水素ガス供給弁からアノード極へ供給される水素ガス量を少なく制御するには、開弁時間を短くすればよい。しかし、別の水素ガス供給弁の構造上、開弁時間を短くするには限界がある。その結果、燃料電池スタックの発電停止中に別の水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスをアノード極に供給しようとすると、酸素ガスの除去に必要な水素ガス量よりも多い過剰な量の水素ガスをアノード極に供給してしまうおそれがある。そうなると、アノード極に供給された水素ガスのうちの一部分は酸素ガスの除去に使用されるが、余剰分はアノード極から電解質膜を透過してカソード極に移動した後、カソードオフガス排出弁などを通じて、外部に放出されるなど、有効に使用されず、無駄になるおそれがある。

本発明の一観点によれば、水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給された水素ガスと前記カソード極に供給された空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、水素ガス源と、前記水素ガス通路の入口と前記水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、前記水素ガス供給路内に配置され、前記水素ガス通路内に水素ガスを供給するための水素ガス供給弁と、前記水素ガス供給弁の上流側の前記水素ガス供給路内に配置された水素ガス調圧弁であって、前記燃料電池スタックでの発電中か発電停止中かに関わらず、前記水素ガス供給弁から前記水素ガス調圧弁までの前記水素ガス供給路である中圧通路内の圧力をあらかじめ定められた設定圧力に維持するための水素ガス調圧弁と、前記水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路内に配置されたアノードオフガス排出弁と、コンプレッサと、前記空気通路の入口と前記コンプレッサの出口とを互いに連結する空気供給路と、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、前記カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス排出弁と、前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられたときに、前記アノードオフガス排出弁を閉弁しつつ、前記水素ガス供給弁による水素ガスの供給を停止し、かつ、前記コンプレッサによる空気の供給を停止すると共に前記カソードオフガス排出弁を閉弁し、それにより前記燃料電池スタックでの発電を停止し、更に、前記設定圧力を前記燃料電池スタックでの発電中よりも低い停止時圧力に設定し、前記燃料電池スタックでの発電停止中に前記アノード極に対する前記カソード極の電位差が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスを前記水素ガス通路内に供給するように構成された制御器と、を備えた燃料電池システムが提供される。

本発明の別の観点によれば、水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給された水素ガスと前記カソード極に供給された空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、水素ガス源と、前記水素ガス通路の入口と前記水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、前記水素ガス供給路内に配置され、前記水素ガス通路内に水素ガスを供給するための水素ガス供給弁と、前記水素ガス供給弁の上流側の前記水素ガス供給路内に配置された水素ガス調圧弁であって、前記燃料電池スタックでの発電中か発電停止中かに関わらず、前記水素ガス供給弁から前記水素ガス調圧弁までの前記水素ガス供給路である中圧通路内の圧力をあらかじめ定められた設定圧力に維持するための水素ガス調圧弁と、前記水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路内に配置されたアノードオフガス排出弁と、コンプレッサと、前記空気通路の入口と前記コンプレッサの出口とを互いに連結する空気供給路と、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、前記カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス排出弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられたときに、前記アノードオフガス排出弁を閉弁しつつ、前記水素ガス供給弁による水素ガスの供給を停止し、かつ、前記コンプレッサによる空気の供給を停止すると共に前記カソードオフガス排出弁を閉弁し、それにより前記燃料電池スタックでの発電を停止し、更に、前記設定圧力を前記燃料電池スタックでの発電中よりも低い停止時圧力に設定し、前記燃料電池スタックでの発電停止中に前記アノード極に対する前記カソード極の電位差が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスを前記水素ガス通路内に供給する、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法が提供される。

燃料電池スタックの発電停止中に、水素ガスの無駄を抑制しつつ、カソード極が劣化するのを抑制することができる。

燃料電池システムの全体図である。セル電圧の変化を示すタイムチャートである。カソード極保護制御を説明するタイムチャートである。インジェクタの部分拡大断面図である。発電停止シーケンス制御及びカソード極保護制御を説明するタイムチャートである。発電停止シーケンス制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。カソード極保護制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。別の実施例の燃料電池システムの全体図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質膜と、電解質膜の一側に形成されたアノード極と、電解質膜の他側に形成されたカソード極とを備える。アノード極及びカソード極は白金や白金合金の微粒子を担持したカーボン粒子を含む電極触媒から形成される。白金合金としては例えばＰｔＣｏやＰｔＲｕが挙げられ、カーボン粒子としては例えばカーボンブラックが挙げられる。

燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれセパレータを介して電気的に接続される。複数の燃料電池単セルが積層された積層体における一端側の燃料電池単セルのアノード極と他端側の燃料電池単セルのカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電装置１４を備えており、この蓄電装置１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介してインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０が出力する出力電流・出力電圧の大きさを制御すると共に、出力された出力電流・出力電圧の大きさを変換してインバータ１２に供給するためのものである。インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電装置１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電装置１４への電圧を低くし、又は蓄電装置１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電装置１４はバッテリから構成される。燃料電池スタック１０のカソード極及びアノード極には、アノード極に対するカソード極の電位差であるセル電圧を検出するセル電圧センサ１６が電気的に接続される。

また、燃料電池単セル内には、アノード極に水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に空気を供給するための空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セルの空気流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給路３１が連結され、水素ガス供給路３１は水素ガス源である水素タンク３２に連結される。水素ガス供給路３１内には上流側から順に、主止弁３３と、レギュレータ３４と、水素ガスインジェクタ３５と、が配置される。以下では、主止弁３３とレギュレータ３４との間の水素ガス供給路３１を高圧通路３１ａと称し、レギュレータ３４と水素ガスインジェクタ３５との間の水素ガス供給路３１を中圧通路３１ｂと称し、及び、水素ガスインジェクタ３５と水素ガス通路３０の入口との間の水素ガス供給路３１を低圧通路３１ｃと称する。主止弁３３は、水素タンク３２から高圧通路３１ａへの水素ガスの流出を遮断するための電磁式の遮断弁である。レギュレータ３４は、高圧通路３１ａ内の水素ガスの圧力を減圧して中圧通路３１ｂに供給するための電磁式の減圧弁であり、図１の実施例ではダイヤフラム弁である。レギュレータ３４は、燃料電池スタック１０が発電中か発電停止中かに関わらず、中圧通路３１ｂ内の水素ガスの圧力を予め定められた設定圧力に維持する。レギュレータ３４の設定圧力は可変であり、燃料電池スタック１０の発電時と発電停止時とで互いに異なる値に設定される。レギュレータ３４は、高圧通路３１ａから中圧通路３１ｂに水素ガスの圧力を調整して供給することから水素ガス調圧弁ということができる。水素ガスインジェクタ３５は、中圧通路３１ｂの水素ガスを、低圧通路３１ｃを介して水素ガス通路３０に供給する水素ガス供給弁である。水素ガスインジェクタ３５は、燃料電池スタック１０のアノード極に供給される水素ガス量を調整可能である。図１の実施例では、水素ガスインジェクタ３５は、電磁式のニードル弁である。高圧通路３１ａの水素ガスの圧力Ｐ１、中圧通路３１ｂの水素ガスの圧力Ｐ２及び低圧通路３１ｃの水素ガスの圧力Ｐ３は、Ｐ１≧Ｐ２≧Ｐ３の関係を有する。図示しない別の実施例では、レギュレータ３４として電磁式のニードル弁が用いられる。ニードル弁は高圧通路３１ａ内の圧力と中圧通路３１ｂ内の圧力とに基づいて開弁時間を制御することで、高圧通路３１ａ内の水素ガスの圧力を減圧して中圧通路３１ｂに供給すことができ、よって減圧弁と見ることができる。一方、水素ガス通路３０の出口にはアノードオフガス通路３６が連結される。主止弁３３が開弁され、水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路３６内に流入する。アノードオフガス通路３６内には電磁式のアノードオフガス排出弁３７が配置される。アノードオフガス排出弁３７は、燃料電池スタック１０の発電中において、通常は閉弁され、アノードオフガスを排出すべきときに一時的に開弁され、発電停止中は閉弁に維持される。

また、空気通路４０の入口には空気供給路４１が連結され、空気供給路４１は空気源である大気４２に連結される。空気供給路４１内には上流側から順に、エアクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス通路４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給路４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路４６内に流入する。カソードオフガス通路４６内にはカソードオフガス通路４６内を流れるカソードオフガスの量を制御する電磁式のカソードオフガス排出弁４７と、マフラー９０とが配置される。アノードオフガス通路３６はマフラー９０の上流側のカソードオフガス通路４６に連結される。図１に示す実施例では、カソードオフガス通路４６のカソードオフガス排出弁４７の下流側と、空気供給路４１のインタークーラ４５の下流側とは、空気バイパス通路４９により互いに連結される。空気バイパス通路４９の入口には空気バイパス制御弁４８が配置される。空気バイパス制御弁４８は、燃料電池スタック１０を迂回して空気供給路４１からカソードオフガス通路４６へ流れる空気の量を制御する。図１に示される燃料電池システムＡでは空気バイパス制御弁４８は電磁式の三方弁から形成される。

図１に示される実施例では、コンプレッサ４４の停止時に、わずかな空気がコンプレッサ４４を通過可能になっている。また、空気バイパス制御弁４８において、コンプレッサ４４と空気バイパス制御弁４８との間の空気供給路４１、すなわちコンプレッサ側の空気供給路４１を、空気バイパス通路４９と連通させ、空気バイパス制御弁４８と燃料電池スタック１０との間の空気供給路４１、すなわち燃料電池スタック１０側の空気供給路４１と連通させなかったとき、わずかな空気が空気バイパス制御弁４８をコンプレッサ４４側の空気供給路４１から燃料電池スタック１０側の空気供給路４１に通過可能になっている。また、カソードオフガス排出弁４７を閉弁したときに、すなわちカソードオフガス排出弁４７の開度を最小にしたときに、わずかな空気がカソードオフガス排出弁４７を通過可能になっている。言い換えると、コンプレッサ４４が停止され、空気バイパス制御弁４８においてコンプレッサ４４側の空気供給路４１が空気バイパス通路４９と連通され、燃料電池スタック１０側の空気供給路４１と連通されなかったとき、かつ、カソードオフガス排出弁４７が閉弁されているときであっても、燃料電池スタック１０の空気通路４０は完全には封止されておらず、すなわち空気通路４０には大気４２から空気が侵入可能になっている。このようなコンプレッサ４４及びカソードオフガス排出弁４７を用いると、安価な弁を採用できるので、燃料電池システムＡのコストを大幅に低減することができる。

このような燃料電池システムＡのコストを大幅に低減することができる、気体のリーク量が相対的に多いカソードオフガス排出弁４７や空気バイパス制御弁４８において、その気体のリーク量（１秒間に弁の一方から他方に漏れる空気の容積）は、例えば、３０Ｌ／ｍｉｎ＠６０ｋＰａ．ｇである。

図示しない別の実施例では、空気バイパス通路４９は配置されず、空気バイパス制御弁４８の代わりに空気供給路４１内を流れる空気の供給を遮断する空気遮断弁が配置される。燃料電池スタック１０の発電中に空気遮断弁は開弁される。このとき燃料電池スタック１０の空気通路へ供給される空気の量はコンプレッサ４４で制御され、燃料電池スタック１０の発電停止時に空気遮断弁はカソードオフガス排出弁４７と共に閉弁される。空気遮断弁はカソードオフガス排出弁４７と同様の弁を用いることができる。したがって、空気遮断弁を閉弁したときに、すなわち空気遮断弁の開度を最小にしたときに、わずかな空気が空気遮断弁を通過可能になっている。この場合にも、燃料電池システムＡのコストを大幅に低減することができる。

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示す実施例ではラジエータバイパス制御弁５５は電磁式の三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。高圧通路３１ａ内、中圧通路３１ｂ内及び低圧通路３１ｃ内には、それぞれ通路内の圧力を検出する圧力センサ８１、圧力センサ８２及び圧力センサ８３が配置される。セル電圧センサ１６の出力信号、圧力センサ８１、圧力センサ８２及び圧力センサ８３の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、主止弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、アノードオフガス排出弁３７、コンプレッサ４４、カソードオフガス排出弁４７、空気バイパス制御弁４８、冷却水ポンプ５２及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、電子制御ユニット６０は、スイッチ回路７１を介して電源７２に接続され、スイッチ回路７１のオンにより起動される。車両操作者により操作されるイグニッションスイッチ７０は電子制御ユニット６０の入力ポート６５に電気的に接続される。スイッチ回路７１は、一方ではイグニッションスイッチ７０によりオン／オフを制御され、他方では電子制御ユニット６０の消勢時に一定時間間隔で一時的にオンになり、電子制御ユニット６０を一時的に起動する。車両操作者によりイグニッションスイッチ７０がオフに操作されると、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号がイグニッションスイッチ７０から出力され、入力ポート６５を介して電子制御ユニット６０に入力される。その信号が入力にされると、電子制御ユニット６０により発電を停止するための（後述する）発電停止シーケンス制御が実行される。発電停止シーケンス制御が終了されると、スイッチ回路７１により電子制御ユニット６０と電源７２との接続が切断される。一方、車両操作者によりイグニッションスイッチ７０がオンに操作されると、燃料電池スタック１０での発電を開始すべき信号がイグニッションスイッチ７０から発せられ、スイッチ回路７１に入力される。その信号が入力されると、スイッチ回路７１により電子制御ユニット６０と電源７２とが接続され、電子制御ユニット６０が起動する。

さて、燃料電池スタック１０を発電すべきときには、レギュレータ３４の設定圧力が発電時の設定圧力に設定されると共に、主止弁３３、水素ガスインジェクタ３５及びアノードオフガス排出弁３７が開弁され、したがって水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、空気バイパス制御弁４８によりコンプレッサ４４と燃料電池スタック１０とが連通され、カソードオフガス排出弁４７が開弁され、したがって空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（アノード極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-、カソード極：（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電装置１４に蓄えられる。

これに対し、燃料電池スタック１０の発電を停止すべきときには、発電停止シーケンス制御が実行される。すなわち、主止弁３３、水素ガスインジェクタ３５及びアノードオフガス排出弁３７が閉弁され、したがって燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が停止され、水素ガスが水素ガス通路３０に閉じ込められる。また、コンプレッサ４４が停止され、カソードオフガス排出弁４７が閉弁され、したがって燃料電池スタック１０への酸素ガスの供給が停止され、酸素ガスが空気通路４０に閉じ込められる。

図２は、図１に示される燃料電池システムＡにおいて、燃料電池スタック１０の発電が停止される前後のセル電圧ＣＶを示している。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、アノード極の電位はゼロに保持されているので、セル電圧ＣＶはカソード極の電位を示している。

図２においてＸ１で示されるタイミングでは、燃料電池スタック１０は発電中である。この場合、電解質膜の一側にあるアノード極には水素ガスが供給されており、電解質膜の他側にあるカソード極には空気が供給されており、燃料電池スタック１０では上述した電気化学反応が行われている。その結果、セル電圧ＣＶはＣＶ１（例示：燃料電池単セル１個当たり１．０Ｖ）となる。

次いで、図２においてＸ２で示されるように燃料電池スタック１０の発電を停止すべき信号が発せられると、燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止され、カソード極に残存する酸素ガスがアノード極から電解質膜を透過したプロトンと反応し、次第に減少するので、図２にＸ３で示されるようにセル電圧ＣＶは次第に低下する。次いで、カソード極の残存酸素ガスがほとんどすべて消費されると、電気化学反応が停止し、したがって図２にＸ４で示されるようにセル電圧がゼロとなる。このとき、アノード極には水素ガスが残存している。そのため、水素ガスがアノード極から電解質膜を透過してカソード極へ拡散し、カソード極に水素ガスが存在するようになる。

燃料電池スタック１０のカソード極に酸素ガスがほとんど残存していないと、図２においてＸ５で示されるように、セル電圧ＣＶはゼロに維持される。ところが、上述したように、図１に示される燃料電池スタック１０では、燃料電池スタック１０の発電停止時に燃料電池スタック１０の空気通路４０内に空気が侵入し、したがってカソード極に空気が到達しうる。そのとき、カソード極に存在する水素ガス量（モル数）がカソード極に存在する酸素ガス量（モル数）の２倍（水素酸素比：２）以上のときには、カソード極で水が生成することにより、侵入した酸素ガスを消費できる（２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ）。この際には、カソード極の電位は上昇せず、したがってセル電圧はゼロに維持される。

ところが、アノード極に残存する水素ガス量が次第に少なくなって、アノード極からカソード極に透過する水素ガス量が減少し、カソード極での水素酸素比が２よりも小さくなると、カソード極内に存在する酸素ガスの量が増大し、酸素ガスが電解質膜を透過してアノード極に到るようになる。その結果、アノード極には水素ガスと酸素ガスとが存在し、カソード極には酸素ガスが存在することになる。このような状態では、カソード極の電極触媒においてカーボンが好ましくなく酸化され、したがってカソード極の電極触媒が劣化するおそれがある。一方、カソード極の残存酸素ガス量が増加するにつれて、カソード極の電位が次第に上昇し、したがって図２においてＸ６で示されるようにセル電圧ＣＶが次第に上昇する。

このように、燃料電池スタック１０の発電停止時におけるセル電圧ＣＶはカソード極の残存酸素ガス量を示している。そして、セル電圧ＣＶが増加すると、すなわちカソード極の残存酸素ガス量が増加すると、その一部がアノード極に移動し、アノード極に水素ガスと酸素ガスとが存在することになり、カソード極の電極触媒が劣化するおそれが出てくる。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の発電停止中にセル電圧ＣＶが予め設定された上限電圧よりも大きくなったときには、カソード極の電極触媒が劣化する予兆として捉え、カソード極を保護するカソード極保護制御を行うようにしている。次に、図３を参照しながらカソード極保護制御を説明する。

すなわち、図３の時間ｔ１においてセル電圧ＣＶが上限電圧ＣＶＵＬ（例示：燃料電池単セル１個当たり０．０５Ｖ）よりも大きくなると、水素ガスインジェクタ３５が開弁時間Δｔ１（時間ｔ１からｔ２まで）だけ一時的に開弁され、セル電圧ＣＶを下限電圧ＣＶＬＬまで低下させるのに必要な一定量、すなわち電圧低下水素ガス量の水素ガスがアノード極に供給される。この場合、アノードオフガス排出弁３７は閉弁状態に保持される。その結果、アノード極に供給された水素ガスの一部は、電解質膜を透過してカソード極に移動し、カソード極に存在する酸素ガスと反応し水が生成することにより、カソード極における酸素分圧が低下するため、セル電圧ＣＶが低下する。カソード極内の酸素分圧が低下することにより、カソード極内の酸素ガスが電解質膜を透過してアノード極に移動することを抑制できる。したがって、カソード極の劣化が抑制される。また、カソード極の酸素分圧の低下に伴い、セル電圧ＣＶは次第に低下して、時間ｔ３においてセル電圧ＣＶが下限電圧ＣＶＬＬ（例示：燃料電池単セル１個当たり０．０１Ｖ）よりも小さくなる。なお、もし水素ガスインジェクタ３５の閉弁後の予め設定された猶予時間Δｔ２（時間ｔ２からｔ４まで）経過後においてセル電圧ＣＶが下限電圧ＣＶＬＬよりも小さくならなければ、再度水素ガスインジェクタ３５が一時的に開弁され電圧低下水素ガス量の水素ガスがアノードに供給される。

このとき水素ガスインジェクタ３５によりアノード極に供給される水素ガス量が多過ぎると、水素ガスの一部分はセル電圧ＣＶを下限電圧ＣＶＬＬ以下に低下させるが、セル電圧ＣＶの低下に寄与しなかった水素ガスの余剰部分の少なくとも一部は、カソード極に移動した後、カソードオフガス排出弁４７などを介して外部へ拡散してしまい、有効に利用できない。したがって、水素ガスの無駄をなくすためには、上述された電圧低下水素ガス量の水素ガスをアノードに供給するべく、アノード極に供給される水素ガス量を水素ガスインジェクタ３５により微細に制御する必要がある。

図４は水素ガスインジェクタ３５の一例を示している。水素ガスインジェクタ３５はケーシング８４を備える。ケーシング８４内には互いに連通するプランジャ収容孔８５と水素ガス流出孔８６とが形成される。プランジャ収容孔８５は水素ガス供給路３１の中圧通路３１ｂに連結され、水素ガス流出孔８６は水素ガス供給路３１の低圧通路３１ｃに連結される。水素ガス流出孔８６の開口部周りのプランジャ収容孔８５内壁面には弁座８７が形成される。また、プランジャ収容孔８５内にはプランジャ８８が軸線方向に移動可能に収容される。プランジャ８８は底端においてゴム製シール８９を備える。シール８９は環状の凸部を有する。

プランジャ８８はソレノイド（図示されず）により軸線方向に移動される。プランジャ８８が弁座８７から離れる方向に移動されると、プランジャ収容孔８５と水素ガス流出孔８６とが互いに連通され、すなわち水素ガスインジェクタ３５が開弁される。その結果、水素ガスインジェクタ３５から水素ガスが供給される。これに対し、プランジャ８８が弁座８７に近づく方向に移動されてシール８９が弁座８７に着座すると、プランジャ収容孔８５と水素ガス流出孔８６との連通が遮断され、すなわち水素ガスインジェクタ３５が閉弁される。その結果、水素ガスインジェクタ３５からの水素ガス供給が停止される。このような水素ガスインジェクタ３５はニードル弁の一種と見ることができる。

図４に示すような構成を有する水素ガスインジェクタ３５を用いた場合、アノード極へ供給される水素ガスの量は、中圧通路３１ｂ内の圧力と低圧通路３１ｃ内の圧力との差圧、及び、開弁時間によって決まる。ただし、水素ガスインジェクタ３５で制御され得る最も短い開弁時間が決まっているため、水素ガスインジェクタ３５が供給し得る水素ガスの最少量は中圧通路３１ｂ内の圧力と低圧通路３１ｃ内の圧力との差圧で決まることになる。すなわち、差圧が小さい場合にはアノード極に供給し得る水素ガスの最少量は少なくなり、水素ガス量の微細な制御が可能となる。しかし、差圧が大きい場合にはアノード極に供給し得る水素ガスの最少量は大きくなり、水素ガス量の微細な制御は困難となる。

ところが、燃料電池スタック１０の発電中のレギュレータ３４の設定圧力は発電時の最大出力時の水素ガス消費量などから決まり、図１の実施例では設定圧力は大気圧の数倍の圧力、例えば７００〜１０００ｋＰａの圧力範囲内の圧力に設定される。したがって、中圧通路３１ｂ内の圧力もその設定圧力とほぼ同じになる。一方、低圧通路３１ｃの圧力は燃料電池スタック１０の運転条件から、例えば１１０〜２５０ｋＰａの圧力範囲で制御される。したがって、これらの圧力条件下で図３に示すカソード極保護制御を行うと、中圧通路３１ｂ内の圧力と低圧通路３１ｃ内の圧力との差圧が大きく、アノード極に供給し得る水素ガスの最少量は大きくなる。そのため、水素ガス量の微細な制御ができず、過剰な水素ガスをアノード極に供給してしまい、水素ガスの無駄が発生するおそれがある。

そこで、本実施例では、燃料電池スタック１０の発電停止中にカソード極保護制御を行うにあたり、発電停止シーケンス制御において、燃料電池スタック１０の発電停止中のレギュレータ３４の設定圧力を、上記の燃料電池スタック１０の発電中の設定圧力と比較して低い圧力に設定する。その低い圧力は、例えば１５０〜２００ｋＰａの圧力範囲内の圧力である。以下、図５を参照しながら発電停止シーケンス制御及びカソード極保護制御について説明する。

図５は、発電停止シーケンス制御及びカソード極保護制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）は主止弁３３の開閉を示し、（ｂ）は高圧通路３１ａの圧力Ｐ１を示し、（ｃ）はレギュレータ３４の設定圧力ＰＳを示し、（ｄ）は中圧通路３１ｂの圧力Ｐ２を示し、（ｅ）は水素ガスインジェクタ３５の開閉を示し、（ｆ）はアノードオフガス排出弁３７の開閉を示し、（ｇ）はコンプレッサ４４のオン／オフを示し、（ｈ）はカソードオフガス排出弁４７の開閉を示し、（ｉ）は燃料電池スタック１０のセル電圧ＣＶを示す。

燃料電池スタック１０で発電が行われているときには（時間ｔ１１より前）、主止弁３３は開弁され、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１はＰ１Ｈ（例示：約７０ＭＰａ）である。レギュレータ３４の設定圧力ＰＳは燃料電池スタック１０での発電中の発電時圧力ＰＳＨ（例示：７００ｋＰａ）に設定され、したがって中圧通路３１ｂの圧力Ｐ２はＰＳＨである。水素ガスインジェクタ３５は間欠的な開弁を繰り返して低圧通路３１ｃに水素ガスを供給し、アノードオフガス排出弁３７は通常閉弁されており、アノード極に水素ガスが供給される。一方、コンプレッサ４４は作動し、カソードオフガス排出弁４７は開弁されて、カソード極に空気が供給される。それにより、燃料電池スタック１０では発電が行われ、セル電圧ＣＶはＣＶ１となる。

燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられると（時間ｔ１１）、発電停止シーケンス制御が実行される。発電停止シーケンス制御では、主止弁３３は閉弁され、レギュレータ３４の設定圧力ＰＳは発電時圧力ＰＳＨよりも低い停止時圧力ＰＳＬ（例示：１５０ｋＰａ）に設定される。ただし、中圧通路３１ｂの圧力Ｐ２は直ちに停止時圧力ＰＳＬには下がらないため、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下するように、水素ガスインジェクタ３５により水素ガスがアノード極に供給される。このとき、水素ガスが無駄にならないように、コンプレッサ４４により空気がカソードに供給され、燃料電池スタック１０により発電が行われ、発電された電力が蓄電装置１４に蓄えられる。図５の実施例では、セル電圧ＣＶは時間ｔ１１までと同様にＣＶ１である。

中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下すると（時間ｔ１２）、アノードオフガス排出弁３７が閉弁されたまま、水素ガスインジェクタ３５は閉弁され、水素ガスインジェクタ３５による水素ガスの供給が停止され、かつ、コンプレッサ４４による空気の供給が停止されると共にカソードオフガス排出弁４７が閉弁される。それにより、燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止されて、発電が停止される。すなわち、燃料電池スタック１０が発電停止状態となる。以上により、発電停止シーケンス制御が終了する。

燃料電池スタック１０が発電停止状態になると、カソード極保護制御が実行される。燃料電池スタック１０が発電を停止し、セル電圧ＣＶがゼロになった（時間ｔ１３）後、時間経過と共に、燃料電池スタック１０の空気通路４０内に空気が侵入し、上述された機構により、セル電圧ＣＶが次第に上昇し始める。そこで、セル電圧ＣＶが上限電圧ＣＶＵＬよりも大きくなったときには（時間ｔ１４）、水素ガスインジェクタ３５が開弁時間Δｔ１（時間ｔ１４〜ｔ１５）だけ一時的に開弁され、電圧低下水素ガス量の水素ガスがアノード極に供給される。その結果、アノード極から電解質膜を透過してカソード極に移動した水素ガスが、カソード極内の酸素ガスと反応し、酸素ガスが消費されるため、セル電圧ＣＶが下降して下限電圧ＣＶＬＬよりも小さくなる（時間ｔ１６）。ここで、水素ガスインジェクタ３５により水素ガスがアノード極へ供給されるとき、水素ガスインジェクタ３５の一次側の圧力、すなわち中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低くされているので、水素ガスインジェクタ３５は水素ガス量を微細に制御できる。そのため水素ガスインジェクタ３５の電圧低下水素ガス量を少なく設定でき、したがって水素ガスインジェクタ３５を開弁した時には微少な電圧低下水素ガス量の水素ガスをアノード極へ供給することができる。その結果、過剰な量の水素ガスをアノード極に供給して水素ガスの無駄が発生することを抑制できる。なお、燃料電池スタック１０が発電停止状態になって以降、水素ガスのカソード極への拡散やアノード極に拡散してきた酸素ガスと水素ガスとの水生成反応で水素ガスが減少することにより、水素通路３０内の圧力は徐々に低下し、セル電圧ＣＶが上限電圧ＣＶＵＬになる時までには概ね大気圧程度（約１０１ｋＰａ）になっている。その状態で水素ガスインジェクタ３５により水素ガスが電圧低下水素ガス量だけアノード極へ供給されると（時間ｔ１４）、水素通路３０内の圧力は例えば約１１０〜１２０ｋＰａの圧力まで高められる。その後の水素通路３０内の圧力については、上記の水素ガス量の減少により徐々に大気圧程度に低下する変化と、水素ガスがアノード極へ供給されて約１１０〜１２０ｋＰａの圧力まで上昇する変化とが繰り返される。

ここで、水素ガスインジェクタ３５が水素ガスをアノード極に供給すると、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が、レギュレータ３４の停止時圧力ＰＳＬよりも低下するため、レギュレータ３４は一次側の高圧通路３１ａの水素ガスを二次側の中圧通路３１ｂへ供給することにより、中圧通路３１ｂの圧力Ｐ２を停止時圧力ＰＳＬに維持する。その際、主止弁３３は閉弁しているので、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１は減少する。図５の実施例では、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１がＰ１ＨからΔＰ１だけ減少する（時間ｔ１４〜ｔ１５）。

その後、更に、燃料電池スタック１０の空気通路４０内に空気が侵入し、カソード極の電位が上限電圧ＣＶＵＬよりも大きくなったときには（時間ｔ１７）、再び水素ガスインジェクタ３５が開弁時間Δｔ１（時間ｔ１７〜ｔ１８）だけ一時的に閉弁され、水素ガスのアノード極への供給が行われ、セル電圧ＣＶが下限電圧ＣＶＬＬよりも小さくされる（時間ｔ１９）。この場合にも、水素ガスインジェクタ３５が水素ガスを供給することにより、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１は更にΔＰ１だけ減少する（時間ｔ１７〜ｔ１８）。

以下、同様に、カソード極の電位が上限電圧ＣＶＵＬよりも大きくなったときには、再び水素ガスインジェクタ３５が開弁時間Δｔ１だけ一時的に開弁され、水素ガスのアノード極への供給が行われ、セル電圧ＣＶが下限電圧ＣＶＬＬよりも小さくされる。

一方、水素ガスインジェクタ３５で水素ガスをアノード極へ供給する前又は後には、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１が予め設定されたしきい値圧力Ｐ１Ｌ（≧停止時圧力ＰＳＬ）未満であるか否かが判別される。高圧通路３１ａの圧力Ｐ１がしきい値圧力Ｐ１Ｌ未満に減少したと（Ｐ１＜Ｐ１Ｌ）判別された場合（時間ｔ２３）、主止弁３３を一時的に開弁して（時間ｔ２３〜ｔ２４）、高圧通路３１ａ内に水素ガスを補給して、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１をＰ１Ｌ以上の圧力、例えば発電中のＰ１Ｈより小さいＰ１Ｍに高める。それにより、高圧通路３１ａの水素ガスの圧力がＰ１Ｈよりも比較的低くなるため車両停止を含む発電停止中の安全性をより高めることができる。図示しない別の実施例では、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１を発電中と同じＰ１Ｈに高める。それにより、主止弁３３が開弁する回数が減るため発電停止中の電力消費を抑制できる。

本実施例では、カソード極保護制御（図３）を行うにあたり、すなわち燃料電池スタック１０が発電を停止するときには、発電停止シーケンス制御によりレギュレータ３４の設定圧力が、燃料電池スタック１０の発電中の設定圧力と比較して低く設定される。それにより、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が燃料電池スタック１０の発電中よりも低くなるので、カソード極保護制御において、水素ガスインジェクタ３５が微少な水素ガスを低圧通路３１ｃに供給可能になり、過剰な水素ガスをアノード極に供給することを抑制できる。

図６は上述した発電停止シーケンス制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられたとき電子制御ユニット６０により実行される。

図６を参照すると、ステップ１００にて主止弁３３が閉弁される。続くステップ１０１ではレギュレータ３４の設定圧力ＰＳが発電時圧力ＰＳＨよりも低い停止時圧力ＰＳＬに変更される。続くステップ１０２では中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下するように、水素ガスインジェクタ３５が開弁され、中圧通路３１ｂ内の水素ガスがアノード極に供給される。このとき、水素ガスが無駄にならないように、コンプレッサ４４により空気がカソードに供給され、燃料電池スタック１０により発電が行われ、発電された電力が蓄電装置１４に蓄えられる。続くステップ１０３では、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬ以下か否かが判別される。Ｐ２＞ＰＳＬのときにはステップ１０３からステップ１０２へ戻る。Ｐ２≦ＰＳＬのときにはステップ１０３からステップ１０４へ進み、水素ガスインジェクタ３５及びアノードオフガス排出弁３７が閉弁されて、コンプレッサ４４の停止及びカソードオフガス排出弁４７の閉弁が実行される。それにより、燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止されて、発電が停止される。

図７は上述したカソード極保護制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは電子制御ユニット６０が起動されるごとに電子制御ユニット６０により１回だけ実行される。電子制御ユニット６０は、発電停止中であっても、所定の時間ごとに、例えば４〜８時間に一度起動される。

図７を参照すると、ステップ２００では燃料電池スタック１０が発電停止中であるか否かが判別される。燃料電池スタック１０が発電中のときには処理サイクルを終了する。燃料電池スタック１０が発電停止中のときにはステップ２００からステップ２０１に進み、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１がしきい圧力Ｐ１Ｌ未満か否かが判別される。Ｐ１≧Ｐ１ＬのときにはステップＳ２０１からステップ２０３へ進む。Ｐ１＜Ｐ１Ｌのときにはステップ２０１からステップ２０２に進み、主止弁３３を一時的に開弁し、高圧通路３１ａの圧力Ｐ１をしきい圧力Ｐ１Ｌ以上にする。続くステップ２０３ではセル電圧ＣＶが上限電圧ＣＶＵＬよりも高いか否かが判別される。ＣＶ≦ＣＶＵＬのときには処理サイクルを終了する。ＣＶ＞ＣＶＵＬのときにはステップ２０３からステップ２０４に進み、電圧低下水素ガス量の水素ガスがアノード極に供給される。続くステップ２０５ではセル電圧ＣＶが下限電圧ＣＶＬＬよりも低いか否かが判別される。ＣＶ≧ＣＶＬＬのときにはステップ２０４に戻る。ＣＶ＜ＣＶＬＬのときには処理サイクルが終了される。

このように発電停止シーケンス制御及びカソード極保護制御を実行する電子制御ユニット６０は燃料電池システムＡの制御器と見ることができる。

図５に示す実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下するまで、水素ガスインジェクタ３５による水素ガスの供給の停止を遅延し、それにより燃料電池スタック１０での発電の停止を遅延させる。図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下する前に、水素ガスインジェクタ３５による水素ガスの供給の停止を実行する。すなわち、燃料電池スタック１０の発電の停止を遅延させない。言い換えると、イグニッションスイッチ７０がオフにされたら直ちに燃料電池スタック１０の発電が停止される。したがって、燃料電池スタック１０の動作が操作者の操作に合致する。この場合、当初の中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬより高いため、アノード極から電解質膜を透過してカソード極に移動する水素ガス量が増加し、カソード極に移動した水素ガスの一部は、カソードオフガス排出弁４７などを介して無駄に排出されるかもしれない。しかし、数回のカソード極保護制御およびアノード極からカソード極への水素ガスの透過により、徐々に中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が低下して停止時圧力ＰＳＬに到達する。そのため、それ以降はカソード極保護制御での水素ガスインジェクタ３５の供給する水素ガスの量は少なくなり、水素ガスの無駄が無くなる。

また、図５に示す実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下するまで、コンプレッサ４４による空気の供給の停止及びカソードオフガス排出弁４７の閉弁を遅延し、それにより燃料電池スタック１０での発電の停止を遅延させる。すなわち中圧通路３１ｂ内の水素ガスが水素ガスインジェクタ３５でアノード極に供給されて、発電に使用される。図示しない更に別の実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後、中圧通路３１ｂ内の圧力Ｐ２が停止時圧力ＰＳＬまで低下する前に、コンプレッサ４４による空気の供給の停止及びカソードオフガス排出弁４７の閉弁を実行し、それにより燃料電池スタック１０での発電の停止を遅延させない。すなわち中圧通路３１ｂ内の水素ガスが水素ガスインジェクタ３５でアノード極に供給されるが、発電に使用されず、例えばアノード極内の水分を除去する送気に使用される。すなわち水素ガスは有効に使用され、コンプレッサ４４の電力消費が抑制される。

図５に示す実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後に燃料電池スタック１０で発生された電力を蓄電装置１４に蓄えている。図示しない更に別の実施例では、燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後に燃料電池スタック１０で発生された電力を燃料電池システムＡ内の他の機器、例えばコンプレッサ４４や、燃料電池システムＡを搭載した車両内の機器、例えば車両補機に使用する。すなわち水素ガスは有効に使用される。

次に、図８を参照して別の実施例について説明する。図１に示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口に接続されたアノードオフガス通路３６と水素ガス供給路３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給路３１へ循環されないシステム、すなわち水素ガス非循環式の燃料電池システムである。一方、図８に示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口と水素ガス供給路３１とがアノードオフガス通路３６及び水素ガス循環路３８で接続され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給路３１へ循環されるシステム、すなわち水素ガス循環式の燃料電池システムである。

アノードオフガス通路３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７ａと、気液分離器３７ａに蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３７ｂが配置される。気液分離器３７ａの上部には水素ガス循環路３８の入口が連通され、水素ガス供給路３１における低圧通路３１ｃには水素ガス循環路３８の出口が連通される。水素ガス循環路３８内には、気液分離器３７ａ内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する水素ガス循環ポンプ３９が配置される。水素ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７ａに蓄積されたアノードオフガスが水素ガス供給路３１へ循環される。アノード極に供給される水素ガス量は、水素ガスインジェクタ３５及び水素ガス循環ポンプ３９により制御される。アノード極での窒素ガス濃度が高まったときや液水量が多くなったときには、水素ガス循環ポンプ３９が一時的に停止されると共に水素ガスインジェクタ３５及び排出制御弁３７ｂが一時的に開弁され、それによりアノード極内の窒素ガスが掃気される。

上述された燃料電池スタック１０での発電を停止すべき信号が発せられた後、燃料電池スタック１０の発電の停止が遅延されるときには、水素ガスインジェクタ３５の開弁、排出制御弁３７ｂの閉弁及び水素ガス循環ポンプ３９の駆動によるアノード極への水素ガスの供給が継続されて、発電が継続される。その後、燃料電池スタック１０の発電が停止されるときには、水素ガスインジェクタ３５及び排出制御弁３７ｂは閉弁され、水素ガス循環ポンプ３９は停止される。

この場合にも、図１に示される実施例の燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。

１０燃料電池スタック
３１水素ガス供給路
３２水素タンク
３３主止弁
３４レギュレータ
３５水素ガスインジェクタ
３６アノードオフガス通路
３７アノードオフガス排出弁
４１空気供給路
４４コンプレッサ
４６カソードオフガス通路
４７カソードオフガス排出弁
６０電子制御ユニット

Claims

水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給された水素ガスと前記カソード極に供給された空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
水素ガス源と、
前記水素ガス通路の入口と前記水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、
前記水素ガス供給路内に配置され、前記水素ガス通路内に水素ガスを供給するための水素ガス供給弁と、
前記水素ガス供給弁の上流側の前記水素ガス供給路内に配置された水素ガス調圧弁であって、前記燃料電池スタックでの発電中か発電停止中かに関わらず、前記水素ガス供給弁から前記水素ガス調圧弁までの前記水素ガス供給路である中圧通路内の圧力をあらかじめ定められた設定圧力に維持するための水素ガス調圧弁と、
前記水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、
前記アノードオフガス通路内に配置されたアノードオフガス排出弁と、
コンプレッサと、
前記空気通路の入口と前記コンプレッサの出口とを互いに連結する空気供給路と、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、
前記カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス排出弁と、
前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられたときに、前記アノードオフガス排出弁を閉弁しつつ、前記水素ガス供給弁による水素ガスの供給を停止し、かつ、前記コンプレッサによる空気の供給を停止すると共に前記カソードオフガス排出弁を閉弁し、それにより前記燃料電池スタックでの発電を停止し、更に、前記設定圧力を前記燃料電池スタックでの発電中よりも低い停止時圧力に設定し、前記燃料電池スタックでの発電停止中に前記アノード極に対する前記カソード極の電位差が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスを前記水素ガス通路内に供給するように構成された制御器と、
を備えた燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられた後、前記中圧通路内の圧力が前記停止時圧力まで低下するまで、前記水素ガス供給弁による水素ガスの供給の停止を遅延するように構成されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられた後、前記中圧通路内の圧力が前記停止時圧力まで低下するまで、前記コンプレッサによる空気の供給の停止及び前記カソードオフガス排出弁の閉弁を遅延し、それにより前記燃料電池スタックでの発電の停止を遅延するように構成されている、
請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックに電気的に接続された蓄電装置を更に備え、
前記制御器は、前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられた後に前記燃料電池スタックで発生された電力を前記蓄電装置に蓄えるように構成されている、
請求項３に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池スタックでの発電停止中に、前記水素ガス調圧弁から前記水素ガス源の主止弁までの前記水素ガス供給路である高圧通路内の圧力が前記停止時圧力以上のしきい圧力未満になったとき、前記主止弁を一時的に開弁するように構成されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記カソードオフガス排出弁は、閉弁にされたときにもガスが流通可能な弁である、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記水素ガス供給弁はニードル弁である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給された水素ガスと前記カソード極に供給された空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
水素ガス源と、
前記水素ガス通路の入口と前記水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、
前記水素ガス供給路内に配置され、前記水素ガス通路内に水素ガスを供給するための水素ガス供給弁と、
前記水素ガス供給弁の上流側の前記水素ガス供給路内に配置された水素ガス調圧弁であって、前記燃料電池スタックでの発電中か発電停止中かに関わらず、前記水素ガス供給弁から前記水素ガス調圧弁までの前記水素ガス供給路である中圧通路内の圧力をあらかじめ定められた設定圧力に維持するための水素ガス調圧弁と、
前記水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、
前記アノードオフガス通路内に配置されたアノードオフガス排出弁と、
コンプレッサと、
前記空気通路の入口と前記コンプレッサの出口とを互いに連結する空気供給路と、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、
前記カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス排出弁と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックでの発電を停止すべき信号が発せられたときに、前記アノードオフガス排出弁を閉弁しつつ、前記水素ガス供給弁による水素ガスの供給を停止し、かつ、前記コンプレッサによる空気の供給を停止すると共に前記カソードオフガス排出弁を閉弁し、それにより前記燃料電池スタックでの発電を停止し、更に、前記設定圧力を前記燃料電池スタックでの発電中よりも低い停止時圧力に設定し、前記燃料電池スタックでの発電停止中に前記アノード極に対する前記カソード極の電位差が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記水素ガス供給弁を一時的に開弁して水素ガスを前記水素ガス通路内に供給する、
燃料電池システムの制御方法。