WO2009150990A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法 Download PDF

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下井　亮一
隼人 筑後
光徳 熊田
青山　尚志
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying a fuel gas to an anode side of a fuel cell and an oxidant gas to a cathode side, and in particular, consumes oxygen on the cathode side of the fuel cell when the system is stopped.
  • the present invention relates to a fuel cell system that performs stop control to prevent deterioration of the fuel cell.
  • the voltage of the fuel cell is monitored while taking out the current from the fuel cell, and the fuel cell voltage reaches a value at which it can be determined that oxygen on the cathode side is sufficiently consumed.
  • the current extraction from the fuel cell is terminated at the timing when the voltage drops.
  • the system is stopped by terminating the current extraction from the fuel cell in a state where a predetermined amount of oxygen remaining at the cathode side is smaller than that at the start of the current extraction.
  • the hydrogen concentration in the cathode at the time of starting the system can be kept low, and the hydrogen on the cathode side can be appropriately processed at the time of starting the system.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing an overall configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. It is a system block diagram which shows the other structural example of the hydrogen type
  • FIG. 1 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 is mounted on a vehicle as a power source of a fuel cell vehicle, for example, and supplies power to a load device such as a drive motor of the vehicle or an auxiliary device inside the system.
  • the fuel cell stack 1 is configured by stacking cells.
  • Each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 includes, for example, a fuel electrode (anode) that receives supply of fuel gas and an oxidant electrode (cathode) that receives supply of oxidant gas with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. It is set as the structure which clamped the membrane electrode assembly formed by opposing by the separator. Such fuel cells are stacked in multiple stages to form a fuel cell stack 1 and housed in a stack case 2.
  • the separator of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is provided with a fuel gas flow path through which fuel gas flows on the anode side and an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows on the cathode side.
  • fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side of each fuel cell, and oxidant gas (air) containing oxygen is supplied to the cathode side, so that moisture is used as a medium.
  • oxidant gas (air) containing oxygen is supplied to the cathode side, so that moisture is used as a medium.
  • Each ion moves and contacts in the solid polymer electrolyte membrane to generate power.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 for generating power, a hydrogen system 10 for supplying fuel gas (pure hydrogen or hydrogen-containing gas) to the fuel cell stack 1, and an oxidant gas for the fuel cell stack 1.
  • An air system 20 for supplying certain air and a system control device 30 for comprehensively controlling the operation of the entire fuel cell system are provided.
  • the hydrogen system 10 includes, for example, a fuel tank 11 that stores fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 1 and a fuel supply valve 12. By opening the fuel supply valve 12, the fuel gas extracted from the fuel tank 11 is converted into fuel. The fuel is supplied to the anode side of the fuel cell stack 1 through the supply pipe 10a. In the fuel supply pipe 10a, the primary pressure regulating valve 13 and the secondary pressure regulating valve 14 for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1, and the pressure of the fuel gas on the anode inlet side of the fuel cell stack 1 are set. An anode pressure sensor 15 to be measured is installed. In addition to the fuel tank 11, other fuel gas supply sources such as a fuel supply device that supplies fuel gas generated using a reformer may be used as the fuel gas supply source.
  • a fuel supply device that supplies fuel gas generated using a reformer may be used as the fuel gas supply source.
  • a fuel circulation pipe 10 b is connected to the anode outlet side of the fuel cell stack 1.
  • the other end of the fuel circulation pipe 10b is connected to the fuel supply pipe 10a, and a fuel circulation pump 16 is installed in the fuel gas circulation passage 10b.
  • the exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 1 is again supplied to each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 from the fuel supply pipe 10a through the fuel circulation pipe 10b by the operation of the fuel circulation pump 16.
  • the fuel gas is supplied to the anode side, which makes it possible to increase the supply flow rate excess rate (SRa) of the fuel gas.
  • SRa supply flow rate excess rate
  • a fuel gas may be circulated by installing an ejector at the junction of the fuel circulation pipe 10b and the fuel supply pipe 10a. Good.
  • a fuel discharge pipe 10c is connected to the anode outlet side of the fuel cell stack 1 so as to branch from the fuel circulation pipe 10b.
  • a fuel purge valve 17 is installed in the fuel discharge pipe 10c, and a waste hydrogen treatment device 18 is installed downstream thereof.
  • impurities such as nitrogen and argon are gradually accumulated in the circulating fuel gas and the hydrogen concentration tends to decrease.
  • the purge valve 17 By opening the purge valve 17, the accumulated impurities are discharged from the fuel discharge pipe 10 c together with the fuel gas discharged from the fuel cell stack 1.
  • Exhaust fuel gas discharged by opening the fuel purge valve 17 is processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 installed on the downstream side of the fuel purge valve 17.
  • the configuration of the hydrogen system 10 is not limited to the configuration of the circulation system for circulating the exhaust fuel gas discharged from the anode outlet of the fuel cell stack 1 as described above.
  • FIG. A configuration may be adopted in which the exhaust fuel gas is supplied to the exhaust hydrogen treatment device 18 by opening the fuel purge valve 17 without providing the fuel circulation pump 16 or the fuel circulation pump 16.
  • the air system 20 includes, for example, an air compressor 21 that takes in outside air and pressurizes the air, and each fuel constituting the fuel cell stack 1 is supplied with air as an oxidant gas from the air compressor 21 via an oxidant supply pipe 20a. Supply to the cathode side of the battery cell.
  • a cathode pressure sensor 22 that measures the pressure of the oxidant gas is installed on the cathode inlet side of the fuel cell stack 1.
  • An oxidant flow rate measuring device 23 for measuring the flow rate of air sucked into the air compressor 21 is installed on the upstream side of the air compressor 21 in the oxidant gas supply pipe 20a.
  • an oxidant discharge pipe 20b is connected to the cathode outlet side of the fuel cell stack 1, and the exhaust oxidant gas from the fuel cell stack 1 is discharged through the oxidant discharge pipe 20b. Supplied to.
  • the oxidant pressure regulating valve 24 for adjusting the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 1 and the oxidant discharge pipe 20b are supplied to the exhaust hydrogen treatment device 18.
  • a hydrogen concentration sensor 25 for measuring the hydrogen concentration in the exhaust oxidant gas is installed.
  • the hydrogen concentration sensor 25 may be installed on the downstream side of the waste hydrogen treatment apparatus 18.
  • the air system 20 has an oxidant inlet valve 26 in the oxidant supply pipe 20a and an oxidant outlet valve 27 in the oxidant gas discharge pipe 20b.
  • a configuration in which the cathode side of the fuel cell stack 1 can be sealed by closing the oxidant inlet valve 26 and the oxidant outlet valve 27 may be adopted.
  • the waste hydrogen treatment device 18 moves from the fuel discharge pipe 10c through the fuel purge valve 17 with hydrogen in the exhaust fuel gas, or moves from the anode side to the cathode side of the fuel cell stack 1 together with the exhaust oxidant gas. Hydrogen discharged from the fuel cell stack 1 is processed to a combustible concentration or less and discharged outside the system.
  • the exhaust hydrogen treatment device 18 includes a catalytic combustor that reacts oxygen in the oxidant gas with hydrogen in the exhaust fuel gas using a platinum catalyst, for example, and a ventilation device to supply a new dilution gas. A diluting device for reducing the hydrogen concentration is used.
  • the exhaust fuel gas discharged from the fuel discharge pipe 10c is the gas discharged from the oxidant discharge pipe 20b.
  • a mixer that reduces the concentration below the flammable concentration by mixing and discharges it to the outside of the system may be used as the exhaust hydrogen treatment device 18.
  • the system control device 30 controls the overall operation of the fuel cell system, and is configured using, for example, a microcomputer mainly composed of a CPU, ROM, RAM, and an input / output interface.
  • the system control device 30 controls the operation state of the fuel cell stack 1 by controlling the operation of each part of the system according to a predetermined control program.
  • the system control device 30 is provided with a current control unit 31 that adjusts the current value taken out from the fuel cell stack 1 and a voltage measurement unit 32 that measures the voltage of the fuel cell stack 1.
  • the power generation state of the fuel cell stack 1 is determined from the voltage of the current, and the current extraction from the fuel cell stack 1 is controlled so that appropriate current extraction is performed according to the power generation state of the fuel cell stack 1. ing.
  • the current taken out from the fuel cell stack 1 under the control of the system control device 30 is supplied to a load including the power storage means 3 such as a secondary battery.
  • the fuel cell stack when the system is stopped, the fuel cell stack is kept in a state where the supply of the fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 is continued and the supply of the oxidant gas to the cathode side is stopped.
  • a stop control is performed in which an electric current is extracted from 1 and oxygen on the cathode side is consumed.
  • the stop control at the time of system stop the system is stopped in a state where the oxygen concentration in the fuel cell stack 1 is lowered, thereby suppressing the formation of a local battery at the next system start-up and the fuel cell stack 1 This control is performed under the control of the system control device 30.
  • the stop control executed under the control of the system control device 30 in particular, by optimizing the timing for terminating the current extraction from the fuel cell stack 1, It is possible to suppress an excessive increase in the hydrogen concentration in the cathode of the fuel cell stack 1 during the standing period after the system is stopped, and to appropriately process the hydrogen on the cathode side of the fuel cell stack 1 at the next system startup. It has a great feature in this point.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of stop control executed when the system is stopped.
  • the process shown in this flowchart is executed by the system control device 30 in response to an input of a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle.
  • a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle.
  • the system control device 30 When the stop control is started, the system control device 30 first stops the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 in step S101. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the air compressor 21 to stop the operation of the air compressor 21.
  • the oxidant supply pipe 20a is provided with the oxidant inlet valve 26 and the oxidant gas discharge pipe 20b is provided with the oxidant outlet valve 27, these oxidant inlet valve 26 and oxidant outlet are provided.
  • the cathode side of the fuel cell stack 1 is sealed by closing the valve 27.
  • the system control device 30 starts taking out current from the fuel cell stack 1 in step S102.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is performed in a range where the minimum voltage of the fuel cell stack 1 measured by the voltage measuring unit 32 is not 0 V (that is, a range in which no fuel cell is generated in which the potential is not lowered due to shortage of hydrogen on the anode side). ) Is controlled by the current control unit 31 so that a constant current is taken out from the fuel cell stack 1.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is a process for consuming oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 to prevent deterioration of the fuel cell stack 1 before the system is stopped.
  • the current is supplied to the storage means 3.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is started immediately after the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 is stopped. It is assumed that it takes some time until the supply of the oxidant gas is completely stopped. Therefore, for example, while monitoring the detection value of the cathode pressure sensor 22, the timing at which the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 is completely stopped is determined, and the current is taken out from the fuel cell stack 1 at that timing. May be started.
  • step S103 the system control device 30 determines the timing for ending the current extraction from the fuel cell stack 1.
  • the voltage value of the fuel cell stack 1 is a voltage at which the oxygen on the cathode side can be regarded as almost completely consumed while monitoring the voltage of the fuel cell stack 1.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when the value drops to the value.
  • the current extraction is continued until the oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 is almost completely consumed, the amount of hydrogen that moves from the anode side to the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane immediately after the system is stopped.
  • the hydrogen concentration in the cathode may exceed a limit value that can be processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started, and hydrogen on the cathode side may not be appropriately processed. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at a timing when a predetermined amount of oxygen remains on the cathode side. A specific example of the current extraction end determination will be described later in detail.
  • the system control device 30 ends the current extraction from the fuel cell stack 1 in step S104, and stops the supply of the fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 in step S105. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the fuel circulation pump 16 to stop the operation of the fuel circulation pump 16, closes the fuel supply valve 12, and sets the primary pressure regulating valve 13 and The secondary pressure regulating valve 14 is fully closed. Thereby, the stop control at the time of system stop is completed.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 in the stop control is not continued until oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 is almost completely consumed.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at a timing when a predetermined amount of oxygen remaining on the cathode side of the fuel cell stack 1 is smaller than that at the start of the current extraction.
  • the predetermined amount serving as a criterion for determining the end of current extraction is that the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side of the fuel cell stack 1, so that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped is Is set to a value that is less than the hydrogen processing capacity limit value at.
  • FIG. 5 is a diagram showing the temporal change in the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped.
  • the solid line graph in FIG. 5 shows that the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated when the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side during stop control (Example 1).
  • the time-dependent change in the hydrogen concentration in the cathode is shown, and the broken line graph in FIG. 5 terminates the current extraction from the fuel cell stack 1 at the timing when the oxygen on the cathode side is almost completely consumed during the stop control.
  • the time change of the hydrogen concentration in the cathode during the standing period of the case (comparative example) is shown.
  • the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped tends to gradually decrease with time after reaching a peak at a certain value immediately after the system is stopped. This is because the oxygen on the cathode side is consumed by the stop control, and immediately after the system is stopped, the hydrogen on the anode side moves to the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane, and the hydrogen concentration in the cathode increases.
  • the hydrogen transfer from the anode side to the cathode side ends when the internal pressures of the two electrodes are balanced, and thereafter, the hydrogen concentration on the cathode side gradually diffuses over time, so that the hydrogen concentration in the cathode gradually increases. This is thought to be due to the decline.
  • the hydrogen treatment capacity limit value at the time of starting the system is the exhaust hydrogen treatment when the hydrogen contained in the exhaust gas from the cathode is processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the cathode side is replaced with the oxidant gas at the time of system startup. This is a processable limit value of the device 18 and can be grasped in advance according to the system design.
  • the remaining oxygen amount on the cathode side decreases as the elapsed time from the start of the stop control becomes longer.
  • the predetermined amount that becomes the target value of the residual oxygen amount is set in advance, by solving the calculation formula that makes the residual oxygen amount equal to the predetermined amount using the elapsed time from the start of the stop control as a variable, The time required until the residual oxygen amount reaches a predetermined amount can be obtained.
  • the start time of the stop control is calculated by calculating the time required until the residual oxygen amount on the cathode side reaches a predetermined amount before starting the stop control.
  • the timer 33 provided in the system control device 30 is used to start counting the required time, and the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated when the required time has elapsed.
  • the residual oxygen amount on the cathode side is calculated at every predetermined calculation cycle from the start of stop control, and the fuel cell is calculated at the timing when the calculated residual oxygen amount becomes equal to the predetermined amount. It is also possible to adopt a method of terminating current extraction from the stack 1.
  • the method of counting the required time and determining the end of current extraction has the advantage that the processing load on the system control device 30 associated with the calculation of the residual oxygen amount can be reduced.
  • the current extraction end is calculated by calculating the residual oxygen amount as needed.
  • the determination method has an advantage that the amount of residual oxygen on the cathode side can be more accurately matched with a predetermined amount.
  • the remaining oxygen amount Qc on the cathode side is the initial oxygen amount on the cathode side at the start of the stop control, Qc0, the oxygen consumption amount on the cathode side by the stop control is Qc1, and the oxygen amount diffused to the cathode side during the stop control is Qc2.
  • Qc Qc0 ⁇ Qc1 + Qc2 (1)
  • the oxygen amount Qc2 diffused to the cathode side during the stop control can be ignored, so the residual oxygen amount Qc on the cathode side is expressed by the following equation: (2).
  • Qc Qc0 ⁇ Qc1 (2)
  • the initial oxygen amount Qc0 on the cathode side at the start of stop control can be calculated using the formula of the following formula (3).
  • Qc0 Vc * (Pc-PcH2O) / P0 * C02 / 100 * (100-Uc) /100*273.15/ (Tc + 273.15) (3)
  • Vc is the cathode volume (including the cathode flow path internal volume and the cathode inlet / outlet pipe volume), which is a value obtained in advance by actual measurement.
  • Pc is the cathode pressure at the start of stop control
  • Tc is the gas temperature in the cathode at the start of stop control (both measured values).
  • CO2 is the oxygen concentration (dry base) of the oxidant gas supplied to the cathode during normal power generation. When atmospheric pressure is used as the oxidant gas, CO2 is calculated as 21%.
  • Uc is the cathode oxygen utilization rate immediately before the start of stop control, and the current value taken out from the fuel cell stack 1 immediately before start of stop control and the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 1 Is a value calculated from (usually close to 0).
  • the oxygen consumption Qc1 on the cathode side due to the stop control is calculated using the following equation (4) if the current value taken out from the fuel cell stack 1 is constant.
  • the current value taken out from the fuel cell stack 1 changes with time, it can be calculated using the following equation (5).
  • Qc1 (I ⁇ Ncell + ix + ir) ⁇ t ⁇ 22.4 / (4 ⁇ F) (4)
  • Qc1 ( ⁇ Idt ⁇ Ncell + (ix + ir) ⁇ t) ⁇ 22.4 / (4 ⁇ F) (5)
  • I is a current value taken out from the fuel cell stack 1, and is an actual measurement value or a control target value when measurement is difficult.
  • Ncell is the number of cells in the fuel cell stack 1 and is a known value.
  • ix is a cross leak current of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 1, and the consumption of hydrogen and oxygen due to the cross leak of the solid polymer electrolyte membrane at each temperature and humidity (100%) is calculated in advance. This is the value obtained.
  • t is the current extraction time from the start of stop control.
  • F is a Faraday constant and is a known value (96485 C / mol).
  • the oxygen amount Qc2 diffused to the cathode side during stop control can be calculated using the following equation (6) when the cathode side is controlled to atmospheric pressure.
  • the cathode side When the cathode side is pressurized, it can be calculated using the following formula (7).
  • Qc2 Qc1 ⁇ C02 / 100 (6)
  • Qc2 (P0 ⁇ Pc ⁇ (Qc0 ⁇ Qc1) / Qc0) ⁇ Qc0 / Pc ⁇ C02 / 100 (7)
  • CO2 is the oxygen concentration of the cathode supply oxidant gas on a dry base, but the water vapor partial pressure of the outside air is calculated as almost zero.
  • the system control device 30 can calculate the cathode-side residual oxygen amount Qc of the fuel cell stack 1 when executing the stop control using the calculation formula described above.
  • the current extraction end determination in the stop control is performed by counting the required time
  • the current extraction time t from the start of the stop control when the residual oxygen amount Qc on the cathode side is equal to a predetermined amount set in advance is set.
  • the required time t is calculated, the required time t is set in the timer 33, the required time t is counted from the start of the stop control, and the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated when the required time t has elapsed. What should I do?
  • the cathode-side residual oxygen amount Qc is calculated as needed every predetermined calculation cycle using the above formula.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 may be terminated when the remaining oxygen amount Qc becomes equal to a predetermined amount set in advance.
  • the control device 30 when performing stop control for consuming oxygen on the cathode side of the fuel cell stack 1 when the system is stopped, since the control device 30 terminates the current extraction from the fuel cell stack 1 at a timing when a predetermined amount of oxygen remains on the cathode side of the fuel cell stack 1, the movement of hydrogen to the cathode side after the system is stopped.
  • the hydrogen concentration in the cathode at the time of starting the system can be kept low, and the hydrogen on the cathode side can be appropriately processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 at the time of starting the system.
  • the predetermined amount serving as a criterion for determining the end of current extraction is that the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side of the fuel cell stack 1 so that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped is the hydrogen concentration at the time of starting the system. Because it is set to a value that is less than the processing capacity limit value, the hydrogen concentration in the cathode at the next system start-up can always be kept below the hydrogen processing capacity limit value regardless of the length of time left after the system is shut down. Thus, the hydrogen on the cathode side can be reliably processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started.
  • the system control device 30 calculates a required time t until the remaining oxygen amount Qc on the cathode side of the fuel cell stack reaches a predetermined amount by the stop control, and the fuel is processed at the timing when the required time t has elapsed from the start of the stop control.
  • the processing load on the system controller 30 associated with the calculation of the residual oxygen amount Qc can be reduced.
  • the system control device 30 calculates the residual oxygen amount Qc on the cathode side of the fuel cell stack 1 as needed from the start of the stop control, and from the fuel cell stack 1 at a timing when the calculated residual oxygen amount Qc becomes equal to a predetermined amount.
  • the residual oxygen amount Qc on the cathode side can be more accurately matched with the predetermined amount.
  • anode pressure increase control when the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 is increased to atmospheric pressure or higher during stop control, control is performed to stop the system with the anode side sealed (hereinafter referred to as anode pressure increase control). It is an example.
  • Such anode pressure-up control reduces the amount of oxygen that enters the fuel cell stack 1 during the standing period after the system is stopped, and is local when the fuel gas (hydrogen) is supplied to the anode side at the next start-up.
  • the amount of hydrogen remaining on the anode side when the system is stopped increases, so that the cathode is passed from the anode side through the solid polymer electrolyte membrane during the standing period.
  • the amount of hydrogen that moves to the side tends to increase, which causes the concentration of hydrogen in the cathode to increase during the standing period. Therefore, in the present embodiment, the amount of oxygen remaining on the cathode side according to the amount of remaining hydrogen on the anode side that is increased by the anode boost control, that is, a predetermined amount that serves as a reference for the current extraction end determination in the stop control described above.
  • the hydrogen on the cathode side can be reliably processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started. Since the configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment described above, only the characteristic part of this embodiment will be described below, and the description overlapping with that of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of stop control executed when the system is stopped in the fuel cell system of the present embodiment. The process shown in this flowchart is executed by the system control device 30 in response to an input of a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle.
  • a certain stop signal that instructs to stop the system, such as an off signal of an ignition switch of the fuel cell vehicle.
  • the system control device 30 When the stop control is started, the system control device 30 first stops the supply of the oxidant gas to the cathode side of the fuel cell stack 1 in step S201. Specifically, the system control device 30 outputs an operation stop command to the air compressor 21 to stop the operation of the air compressor 21.
  • the oxidant supply pipe 20a is provided with the oxidant inlet valve 26 and the oxidant gas discharge pipe 20b is provided with the oxidant outlet valve 27, these oxidant inlet valve 26 and oxidant outlet are provided.
  • the cathode side of the fuel cell stack 1 is sealed by closing the valve 27.
  • step S202 the system control device 30 starts control to increase the pressure on the anode side of the fuel cell stack 1 to atmospheric pressure or higher, and in step S203, starts current extraction from the fuel cell stack 1.
  • step S204 the system control device 30 determines the timing for ending current extraction from the fuel cell stack 1.
  • the basic concept of this current extraction end determination is the same as in the first embodiment described above, but in this embodiment, not only the residual oxygen amount on the cathode side but also the residual hydrogen amount on the anode side is calculated.
  • the predetermined amount serving as a reference for the current extraction end determination is corrected to the increased amount side in accordance with the remaining hydrogen amount on the anode side that is increased by the anode boost control.
  • the correction amount here is determined according to the system configuration and the like, and the relationship between the increase in the residual oxygen amount with respect to the increase in the residual hydrogen amount is obtained in advance by experiments and the like. You just have to ask for it.
  • step S205 the system control device 30 finishes taking out the current from the fuel cell stack 1, and then, in step S206, determines whether or not the pressure on the anode side has been increased to a desired pressure.
  • step S207 the supply of fuel gas to the anode side of the fuel cell stack 1 is stopped in step S207.
  • the system control device 30 outputs an operation stop command to the fuel circulation pump 16 to stop the operation of the fuel circulation pump 16, closes the fuel supply valve 12, and sets the primary pressure regulating valve 13 and The secondary pressure regulating valve 14 is fully closed.
  • the fuel purge valve 17 is also fully closed, and the anode side is sealed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the temporal change of the hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped by performing stop control including anode boost control, and the solid line graph in FIG.
  • Concentration in the cathode during the standing period when the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when a predetermined amount of oxygen corrected on the increase side according to the remaining hydrogen amount remains on the cathode side (Example 2)
  • the broken line graph in FIG. 7 shows the time period when the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when the oxygen on the cathode side is almost completely consumed (comparative example). The time change of the hydrogen concentration in the cathode is shown.
  • the peak value of the hydrogen concentration in the cathode (maximum hydrogen concentration in the cathode) can be made less than the limit value of the hydrogen processing capacity at the time of starting the system.
  • the cathode hydrogen concentration at the next system start-up can always be kept below the hydrogen processing capacity limit value regardless of the length of time left after the system is stopped.
  • the hydrogen on the cathode side can be reliably processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started.
  • the current extraction end determination reference is determined according to the amount of remaining hydrogen on the anode side that is increased by the stop control.
  • the predetermined amount is corrected to the increase side, and at the timing when the predetermined amount of oxygen corrected to the increase side remains on the cathode side, the system control unit 30 ends the current extraction from the fuel cell stack 1.
  • a method for calculating the remaining hydrogen amount on the anode side which is a reference for obtaining the correction amount of oxygen remaining on the cathode side, will be specifically described.
  • the remaining hydrogen amount Qa on the anode side is the initial hydrogen amount on the anode side at the start of stop control, Qa0, the hydrogen consumption on the anode side by stop control is Qa1, and the hydrogen amount supplied to the anode side during stop control is Qa2. Then, it can be expressed by the following formula (8).
  • Qa Qa0-Qa1 + Qa2 (8)
  • the initial hydrogen amount Qa0 on the anode side at the start of stop control can be calculated using the following equation (9).
  • Qa0 Va * (Pa-PaH2O) / P0 * CH2 / 100 * (100-Uimpurity) / 100 * (100-Ua) /100*273.15/ (Ta + 273.15) (9)
  • Va is the anode volume (including the anode flow path volume and the piping volume in the circulation path), and is a value obtained in advance by actual measurement.
  • Pa is the anode pressure at the start of stop control
  • Ta is the gas temperature in the anode at the start of stop control (both measured values).
  • CH2 is the hydrogen concentration (dry base) of the fuel gas supplied to the anode side. When pure hydrogen is used as the fuel gas, CH2 is calculated as 100%.
  • Uimpurity is the impurity concentration in the anode (usually nitrogen concentration) immediately before the start of stop control, and the nitrogen concentration management value that is used during normal operation can be used.
  • Ua is the anode hydrogen utilization rate immediately before the start of stop control. From the current value taken out from the fuel cell stack 1 immediately before start of stop control and the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1 The value to be calculated.
  • the anode side hydrogen consumption Qa1 by the stop control can be calculated using the following equation (10) if the current value taken out from the fuel cell stack 1 is constant, When the current value taken out from the fuel cell stack 1 changes with time, it can be calculated using the following equation (11).
  • Qa1 (I ⁇ Ncell + ix + ir) ⁇ t ⁇ 22.4 / (2 ⁇ F) (10)
  • Qc1 ( ⁇ Idt ⁇ Ncell + (ix + ir) ⁇ t) ⁇ 22.4 / (2 ⁇ F) (11)
  • I is a current value extracted from the fuel cell stack 1, and is an actual measurement value or a control target value when measurement is difficult.
  • Ncell is the number of cells in the fuel cell stack 1 and is a known value.
  • ix is a cross leak current of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 1, and the consumption of hydrogen and oxygen due to the cross leak of the solid polymer electrolyte membrane at each temperature and humidity (100%) is calculated in advance. This is the value obtained.
  • t is a current extraction time from the start of stop control.
  • F is a Faraday constant and is a known value (96485 C / mol).
  • the hydrogen amount Qa2 supplied to the anode side during the stop control can be calculated using the following equation (12).
  • Qa2 Qa1 ⁇ CH2 / 100 (12)
  • CH2 is the hydrogen concentration of the anode-supplied fuel gas on a dry base, but the amount of impurities mixed into the anode during the stop control is negligible, and is not considered here.
  • the system control device 30 can calculate the anode-side residual hydrogen amount Qa of the fuel cell stack 1 when executing the stop control using the calculation formula described above. Then, when the anode boost control is performed during stop control by correcting the predetermined amount, which is the reference for the current extraction end determination described in the first embodiment, to the increase side according to the calculated anode side residual hydrogen amount Qa However, it becomes possible to reliably treat the hydrogen on the cathode side with the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is activated. Note that the end of current extraction from the fuel cell stack 1 may be determined by the same method as in the first embodiment described above.
  • the current extraction end determination in the stop control is performed by counting the required time, the current extraction in which the residual oxygen amount Qc on the cathode side becomes equal to the predetermined amount corrected to the increase side according to the residual hydrogen amount Qa on the anode side.
  • the time t is calculated as the required time, the required time t is set in the timer 33, the required time t is counted from the start of the stop control, and the current is taken out from the fuel cell stack 1 when the required time t has elapsed. Should be terminated.
  • the cathode side residual oxygen amount Qc is calculated at every predetermined calculation cycle as described in the first embodiment.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 may be terminated at a timing when the calculated residual oxygen amount Qc becomes equal to a predetermined amount corrected to the increase side according to the anode-side residual hydrogen amount Qa.
  • the system control device 30 corrects the increase side according to the amount of hydrogen remaining on the anode side of the fuel cell stack 1. Since the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side, the cathode after the system is stopped even when the anode boost control is performed during the stop control.
  • the hydrogen concentration in the cathode can be kept low when the system is started by effectively suppressing the movement of hydrogen to the side, and the hydrogen on the cathode side can be appropriately processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started.
  • the anode boost control is performed during the stop control, so that the amount of oxygen that enters the fuel cell stack 1 during the leaving period after the system stop is reduced, and the system It is possible to effectively suppress the deterioration of the fuel cell stack 1 due to the formation of local cells at the time of startup.
  • the predetermined amount serving as a reference for the current extraction end determination at the time of the stop control described above is set so that the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side of the fuel cell stack 1 so that The maximum hydrogen concentration is set to a value equal to the hydrogen processing capacity limit value at system startup. Since the details of the configuration of the fuel cell system and the stop control executed when the system is stopped are the same as those in the first embodiment described above, only the characteristic features of the present embodiment will be described below. Description overlapping with the form is omitted.
  • the stop control for taking out the current from the fuel cell stack 1 and consuming oxygen on the cathode side when the system is stopped is a control for preventing the deterioration of the fuel cell stack 1 at the time of starting the system as described above. In order to increase it, it is desirable to reduce the amount of residual oxygen on the cathode side as much as possible. On the other hand, if the system is stopped in a state where the amount of residual oxygen on the cathode side is too small, the hydrogen concentration in the cathode at the time of starting the system may exceed the hydrogen processing capacity limit value as described above.
  • the hydrogen concentration in the cathode at the time of starting the system does not exceed the hydrogen processing capacity limit value, and the system can be stopped in a state where oxygen on the cathode side is consumed to the maximum extent.
  • a predetermined amount serving as a reference for determining the end of current extraction at the time of stop control is set such that the predetermined amount of oxygen remains on the cathode side of the fuel cell stack 1 so that the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period after the system is stopped It is set to a value equal to the hydrogen processing capacity limit value at the time of start-up.
  • FIG. 8 is a diagram showing the temporal change of the hydrogen concentration in the cathode during the standing period when the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when a predetermined amount of oxygen remains on the cathode side during stop control.
  • the predetermined amount serving as a reference for the current extraction end determination is set to a value at which the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period becomes equal to the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system (Example 3).
  • the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period is shown in comparison with the case (Example 1) where the maximum hydrogen concentration in the cathode is set to a value that is less than the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system.
  • the broken line graph in FIG. 8 is an example (comparative example) in which the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when the oxygen on the cathode side is almost completely consumed during the stop control.
  • the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when a predetermined amount of oxygen remains on the cathode side (Examples 1 and 3), whereby the peak value of the hydrogen concentration in the cathode ( The maximum hydrogen concentration in the cathode) does not exceed the limit of hydrogen treatment capacity at system startup, and the cathode side hydrogen is discharged at system startup regardless of the length of time left after the system is stopped. It can be reliably processed by the device 18.
  • the predetermined amount serving as a reference for the current extraction end determination at the time of stop control is set to a value at which the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period becomes equal to the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system (Example 3). )
  • the system is stopped while maximally consuming oxygen on the cathode side, so that the effect of preventing deterioration of the fuel cell stack 1 by the stop control can be maximized.
  • the system control device 30 has a predetermined amount set to a value at which the maximum hydrogen concentration in the cathode during the standing period becomes equal to the hydrogen processing capacity limit value at the time of starting the system. Since the current extraction from the fuel cell stack 1 is terminated at the timing when oxygen remains on the cathode side, the hydrogen on the cathode side can be appropriately processed by the exhaust hydrogen treatment device 18 when the system is started, The deterioration prevention effect of the fuel cell stack 1 by the stop control can be maximized to effectively prevent the deterioration of the fuel cell stack 1.
  • the first to third embodiments described above exemplify specific application examples of the present invention, and the present invention is intended to be limited to the contents described in the above embodiments. It is not a thing.
  • the technical scope of the present invention is not limited to the specific technical items disclosed in the description of the above embodiments, but includes various modifications, changes, alternative techniques, and the like that can be easily derived from this disclosure.
  • the hydrogen concentration sensor 25 is installed in the air system 20, but this hydrogen concentration sensor 25 is not essential for carrying out the present invention, and the hydrogen concentration The present invention can be effectively implemented even in a fuel cell system that does not include the sensor 25.
  • the present invention can be used as a technique for appropriately treating the hydrogen on the cathode side when the fuel cell system is started.

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Abstract

システム停止時に燃料電池スタック１から電流を取出してカソード側の酸素を消費させる停止制御を行う際に、燃料電池スタック１のカソード側に、電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素を残存させた状態で、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させる。これにより、システム停止後のカソード側への水素の移動を抑制してシステム起動時におけるカソード内水素濃度を低く保ち、システム起動時にカソード側の水素を適切に処理することが可能となる。

Description

燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法
本発明は、燃料電池のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電を行う燃料電池システムに関し、特に、システム停止時に燃料電池のカソード側の酸素を消費させて燃料電池の劣化を防止する停止制御を行う燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池の劣化を防止するために、システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させながらカソード側への酸化剤ガスの供給は停止させた状態で燃料電池から電流を取出して、カソード側の酸素を消費させる停止制御を行う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。）。
　特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの電流の取出しを行っている間の燃料電池の電圧をモニタリングし、カソード側の酸素が十分に消費されたと判定できる値にまで燃料電池電圧が低下したタイミングで、燃料電池からの電流取出しを終了するようにしている。
特開２００８－４４３２号公報
しかしながら、以上のような停止制御を行う燃料電池システムでは、停止制御によりカソード側の酸素を過剰に消費させた場合、システム停止直後にアノード側から電解質膜を介してカソード側に移動する水素量が多くなり、カソード内水素濃度が高くなる傾向にある。このため、システム停止から次の起動時までの時間が比較的短い場合には、システム起動時におけるカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を越えてしまうことがあり、カソード側の水素を適切に処理できなくなるという問題があった。
　本発明は、システム停止時に燃料電池から電流を取出してカソード側の酸素を消費させる停止制御を行うにあたり、燃料電池のカソード側に、電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素を残存させた状態で、燃料電池からの電流取出しを終了させる。
本発明によれば、カソード側に電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素が残存した状態で燃料電池からの電流取出しを終了させてシステムを停止するので、システム停止後のカソード側への水素の移動を有効に抑制してシステム起動時におけるカソード内水素濃度を低く保つことができ、システム起動時にカソード側の水素を適切に処理することができる。
本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。 燃料電池システムの水素系の他の構成例を示すシステム構成図である。 燃料電池システムの空気系の他の構成例を示すシステム構成図である。 システム停止時にシステム制御装置により実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。 システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示す図である。 第２実施形態の燃料電池システムにおいて、システム停止時にシステム制御装置により実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態を説明する図であり、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示す図である。 第３実施形態を説明する図であり、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示す図である。
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。同図に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の動力源として車両に搭載されて、車両の駆動モータやシステム内部の補機などの負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。
　燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極（アノード）と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。このような燃料電池セルが多段に積層されて燃料電池スタック１とされ、スタックケース２に収納されている。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、アノード側に燃料ガスが流れる燃料ガス流路、カソード側には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各燃料電池セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスが供給され、カソード側に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給されることで、水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触し、発電を行う。
　燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に燃料ガス（純水素もしくは水素含有ガス）を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給するための空気系２０と、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するシステム制御装置３０とを備えている。
　水素系１０は、例えば、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク１１および燃料供給弁１２を備え、燃料供給弁１２を開放することで燃料タンク１１から取出した燃料ガスを、燃料供給配管１０ａを介して燃料電池スタック１のアノード側へと供給する。燃料供給配管１０ａ中には、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの圧力を調整するための一次調圧弁１３および二次調圧弁１４と、燃料電池スタック１のアノード入口側で燃料ガスの圧力を測定するアノード圧力センサ１５とが設置されている。なお、燃料ガスの供給源としては、燃料タンク１１以外にも、例えば改質器を用いて生成した燃料ガスを供給する燃料供給装置など、他の燃料ガス供給源を用いるようにしてもよい。
　燃料電池スタック１のアノード出口側には、燃料循環配管１０ｂが接続されている。この燃料循環配管１０ｂの他方の端部は燃料供給配管１０ａに接続されており、燃料ガス循環流路１０ｂ中には燃料循環ポンプ１６が設置されている。燃料電池スタック１のアノード出口から排出された排出燃料ガスは、燃料循環ポンプ１６の作動によって燃料循環配管１０ｂを介して、再度、燃料供給配管１０ａから燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのアノード側へと供給され、これにより、燃料ガスの供給流量過剰率（ＳＲａ）を大きくすることを可能にしている。なお、燃料循環ポンプ１６を設ける代わりに、或いは燃料循環ポンプ１６と併用して、燃料循環配管１０ｂと燃料供給配管１０ａとの合流部にエゼクタを設置することで、燃料ガスを循環させる構成としてもよい。
　また、燃料電池スタック１のアノード出口側には、燃料循環配管１０ｂから分岐するように燃料排出配管１０ｃが接続されている。この燃料排出配管１０ｃ中には燃料パージ弁１７が設置され、その下流側に排水素処理装置１８が設置されている。燃料ガスを循環して再利用するシステム構成の場合、循環する燃料ガス中に窒素やアルゴンなどの不純物が徐々に蓄積されて水素濃度が低下する傾向にあるが、このような場合には、燃料パージ弁１７を開放することにより、蓄積された不純物を燃料電池スタック１からの排出燃料ガスとともに燃料排出配管１０ｃから排出する。燃料パージ弁１７の開放により排出される排出燃料ガスは、燃料パージ弁１７の下流側に設置された排水素処理装置１８にて処理される。
　なお、水素系１０の構成としては、以上のように燃料電池スタック１のアノード出口から排出された排出燃料ガスを循環させる循環系の構成に限らず、例えば図２に示すように、燃料循環配管１０ｂや燃料循環ポンプ１６を設けずに、燃料パージ弁１７の開放により排出燃料ガスを排水素処理装置１８へと供給する構成を採用するようにしてもよい。
　空気系２０は、例えば、外気を取り込んで加圧する空気コンプレッサ２１を備え、この空気コンプレッサ２１からの酸化剤ガスとしての空気を、酸化剤供給配管２０ａを介して燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのカソード側へと供給する。酸化剤供給配管２０ａ中には、燃料電池スタック１のカソード入口側で酸化剤ガスの圧力を測定するカソード圧力センサ２２が設置されている。また、酸化剤ガス供給配管２０ａの空気コンプレッサ２１上流側には、空気コンプレッサ２１に吸入される空気の流量を計測するための酸化剤流量計測器２３が設置されている。
　また、燃料電池スタック１のカソード出口側には、酸化剤排出配管２０ｂが接続されており、燃料電池スタック１からの排出酸化剤ガスは、この酸化剤排出配管２０ｂを介して排水素処理装置１８へと供給される。この酸化剤排出配管２０ｂ中には、燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤調圧弁２４と、酸化剤排出配管２０ｂを介して排水素処理装置１８へと供給される排出酸化剤ガス中の水素濃度を計測するための水素濃度センサ２５とが設置されている。なお、この水素濃度センサ２５は、排水素処理装置１８の下流側に設置するようにしてもよい。
　なお、空気系２０の構成としては、例えば図３に示すように、酸化剤供給配管２０ａに酸化剤入口弁２６を設置するとともに、酸化剤ガス排出配管２０ｂに酸化剤出口弁２７を設置して、これら酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７を閉じることで燃料電池スタック１のカソード側を封止できる構成を採用するようにしてもよい。
　排水素処理装置１８は、燃料排出配管１０ｃから燃料パージ弁１７を介して排出される排出燃料ガス中の水素や、燃料電池スタック１のアノード側からカソード側へと移動して排出酸化剤ガスとともに燃料電池スタック１から排出された水素を可燃濃度以下に処理し、システム外部に排出する。この排水素処理装置１８としては、例えば白金触媒を用いて酸化剤ガス中の酸素と排出燃料ガス中の水素とを反応させる触媒燃焼器や、換気装置を備えて新たに希釈ガスを供給して水素濃度を低減する希釈装置などが用いられる。また、酸化剤排出配管２０ｂから排出されるガス中の水素濃度が可燃濃度に対して十分に低い場合、燃料排出配管１０ｃから排出される排出燃料ガスを酸化剤排出配管２０ｂから排出されるガスと混合することで可燃濃度以下に濃度を低減してシステム外部に排出する混合器を排水素処理装置１８として用いるようにしてもよい。
　システム制御装置３０は、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータ等を用いて構成される。このシステム制御装置３０は、所定の制御プログラムに従ってシステムの各部を動作制御することによって、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。また、このシステム制御装置３０には、燃料電池スタック１からの取出し電流値を調整する電流制御部３１および燃料電池スタック１の電圧を計測する電圧計測部３２が設けられており、燃料電池スタック１の電圧から燃料電池スタック１の発電状態を判断し、燃料電池スタック１の発電状態に応じて適正な電流の取出しが行われるように、燃料電池スタック１からの電流取出しを制御する機能を有している。なお、システム制御装置３０の制御のもとで燃料電池スタック１から取出された電流は、二次電池などの蓄電手段３を含む負荷に供給される。
　また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で燃料電池スタック１から電流を取出してカソード側の酸素を消費させる停止制御が行われる。このシステム停止時における停止制御は、燃料電池スタック１内部の酸素濃度を低下させた状態でシステムを停止させることで、次回のシステム起動時に局部電池が形成されることを抑制して燃料電池スタック１の劣化を防止するための制御であり、システム制御装置３０による制御のもとで実行されるものである。本実施形態の燃料電池システムは、このシステム制御装置３０による制御のもとで実行される停止制御の中で、特に、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるタイミングを最適化することで、システム停止後の放置期間に燃料電池スタック１のカソード内水素濃度が過度に上昇することを抑制し、次回のシステム起動時に燃料電池スタック１のカソード側の水素を適切に処理することができるようにした点に大きな特徴を有している。
　以下、本実施形態の燃料電池システムにおいてシステム停止時に実行される停止制御について説明する。図４は、システム停止時に実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオフ信号など、システムの停止を指示する何らかの停止信号の入力に応じてシステム制御装置３０によって実行される。なお、この停止制御を開始する時点では、燃料電池スタック１に対する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給は継続されている。そのため、燃料循環ポンプ１６、空気コンプレッサ２１といった燃料ガスや酸化剤ガスの供給に必要な各種機器は動作したままの状態となっている。
　停止制御が開始されると、システム制御装置３０は、まず、ステップＳ１０１において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、空気コンプレッサ２１に対して運転停止指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を停止させる。また、酸化剤供給配管２０ａに酸化剤入口弁２６、酸化剤ガス排出配管２０ｂに酸化剤出口弁２７をそれぞれ設置した図３のシステム構成の場合には、これら酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７を閉じることで燃料電池スタック１のカソード側を封止する。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０２において、燃料電池スタック１からの電流取出しを開始する。燃料電池スタック１からの電流取出しは、電圧計測部３２により計測される燃料電池スタック１の最低電圧が０Ｖにならない範囲（つまり、アノード側の水素不足により電位が立たなくなる燃料電池セルが発生しない範囲）で、燃料電池スタック１から一定電流が取出されるように、電流制御部３１により制御される。この燃料電池スタック１からの電流取出しは、システム停止前に燃料電池スタック１のカソード側の酸素を消費させて燃料電池スタック１の劣化を防止するための処理であり、燃料電池スタック１から取出された電流は蓄電手段３に供給される。なお、ここでは燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止した直後に燃料電池スタック１からの電流取出しを開始するようにしているが、例えば空気コンプレッサ２１の応答遅れなどにより、酸化剤ガスの供給が完全に停止するまでには多少の時間がかかることも想定される。そこで、例えばカソード圧力センサ２２の検出値をモニタリングしながら、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給が完全に停止したタイミングを判定し、そのタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを開始するようにしてもよい。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０３において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するタイミングの判定を行う。システム停止時にこの種の停止制御を行う従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の電圧をモニタリングしながら、燃料電池スタック１の電圧値が、カソード側の酸素がほぼ完全に消費されたとみなせる電圧値にまで低下したタイミングで、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するようにしているのが一般的であった。しかしながら、燃料電池スタック１のカソード側の酸素がほぼ完全に消費されるまで電流の取出しを継続させると、システム停止直後にアノード側から固体高分子電解質膜を介してカソード側に移動する水素量が多くなり、カソード内水素濃度がシステム起動時に排水素処理装置１８で処理可能な限界値を越えてしまう場合があり、カソード側の水素を適切に処理できなくなる場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、カソード側に所定量の酸素が残存するタイミングで、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしている。なお、この電流取出し終了判定の具体例については、詳細を後述する。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了し、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、燃料循環ポンプ１６に対して運転停止指令を出力して燃料循環ポンプ１６の運転を停止させ、また、燃料供給弁１２を閉じるとともに、一次調圧弁１３および二次調圧弁１４を全閉する。これにより、システム停止時の停止制御が終了する。
　以下では、上述した停止制御における電流取出し終了判定（図４のフローチャートにおけるステップＳ１０３）の具体例について説明する。
　上述したように、本実施形態の燃料電池システムでは、停止制御における燃料電池スタック１からの電流取出しを、燃料電池スタック１のカソード側の酸素がほぼ完全に消費されるまで継続させるのではなく、燃料電池スタック１のカソード側に電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素が残存するタイミングで、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させる。ここで、電流取出し終了判定の基準となる所定量は、当該所定量の酸素が燃料電池スタック１のカソード側に残存することで、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値未満となる値に設定される。
　図５は、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示した図である。なお、この図５の中の実線のグラフが、停止制御時にカソード側に所定量の酸素が残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（実施例１）の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示しており、図５の中の破線のグラフは、停止制御時にカソード側の酸素がほぼ完全に消費されたタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（比較例）の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示している。
　図５に示すように、システム停止後の放置期間におけるカソード内水素濃度は、システム停止直後に一旦上昇してある値でピークに達した後に、時間経過とともに徐々に低下していく傾向にある。これは、停止制御によりカソード側の酸素が消費されたことで、システム停止直後にはアノード側の水素が固体高分子電解質膜を介してカソード側へと移動してカソード内水素濃度が上昇するが、このアノード側からカソード側への水素の移動は両極の内圧がバランスした段階で終了し、その後は、カソード側の水素が時間経過とともに徐々に拡散していくことで、カソード内水素濃度が徐々に低下していくためと考えられる。
　ここで、停止制御時にカソード側の酸素がほぼ完全に消費されたタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（比較例）には、システム停止直後にアノードからカソードへと移動する水素量が多いために、図５における破線のグラフで示すように、カソード内水素濃度のピーク値（カソード内最大水素濃度）が、システム起動時における水素処理能力限界値を越えてしまうことが想定される。このため、システム停止から次の起動時までの時間が比較的短い場合には、カソード内水素濃度が水素処理能力限界値を越えた状態でシステムが起動され、カソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理できないといった懸念がある。なお、システム起動時における水素処理能力限界値は、システム起動時にカソード側を酸化剤ガスで置換する際に、カソードからの排ガスに含まれる水素を排水素処理装置１８で処理するときの排水素処理装置１８の処理可能限界値であり、システム設計に応じて事前に把握できる値である。
　これに対して、停止制御時にカソード側に所定量の酸素が残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（実施例１）には、図５における実線のグラフで示すように、カソード内水素濃度のピーク値（カソード内最大水素濃度）が、システム起動時における水素処理能力限界値未満となるため、システム停止後の放置時間の長さにかかわらず、常にカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を下回った状態でシステムが起動されることになり、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。なお、カソード側に残存させる酸素量（所定量）は、上述したシステム起動時における水素処理能力限界値との関係から、システム設計に応じて事前に設定することができる。
　上述したように、停止制御によって燃料電池スタック１のカソード側の酸素は徐々に消費されていくため、カソード側の残存酸素量は停止制御開始からの経過時間が長いほど低下することになる。ここで、残存酸素量の目標値となる所定量は事前に設定されるため、停止制御開始からの経過時間を変数として残存酸素量が所定量と等しくなる計算式を解くことにより、カソード側の残存酸素量が所定量となるまでの所要時間を求めることができる。
　そこで、本実施形態では、停止制御における電流取出し終了判定の一例として、停止制御を開始する前に、カソード側の残存酸素量が所定量となるまでの所要時間を演算して、停止制御の開始と同時にシステム制御装置３０に設けたタイマ３３を用いて所要時間のカウントをスタートし、所要時間が経過したタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するという手法をとる。なお、このような手法に代えて、例えば、停止制御開始時からカソード側の残存酸素量を所定の演算周期ごとに随時算出し、算出した残存酸素量が所定量と等しくなるタイミングで、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するという手法を採用することも可能である。所要時間をカウントして電流取出し終了判定を行う手法は、残存酸素量の算出に伴うシステム制御装置３０の処理負荷を軽減できるという利点があり、一方、残存酸素量を随時算出して電流取出し終了判定を行う手法では、カソード側の残存酸素量をより正確に所定量に一致させることができるという利点がある。
　次に、停止制御における電流取出し終了判定の前提となるカソード側残存酸素量の算出方法について、具体的に説明する。
　カソード側の残存酸素量Ｑｃは、停止制御開始時におけるカソード側の初期酸素量をＱｃ0、停止制御によるカソード側の酸素消費量をＱｃ1、停止制御中にカソード側に拡散してくる酸素量をＱｃ2としたときに、下記式（１）で表すことができる。 
　Ｑｃ＝Ｑｃ0－Ｑｃ1＋Ｑｃ2　・・・（１）
　なお、停止制御による燃料電池スタック１からの電流取出し量が少ない場合には、停止制御中にカソード側に拡散してくる酸素量Ｑｃ2は無視できるので、カソード側の残存酸素量Ｑｃは、下記式（２）で表すことができる。 
　Ｑｃ＝Ｑｃ0－Ｑｃ1　・・・（２）
　これら式（１）および式（２）において、停止制御開始時におけるカソード側の初期酸素量Ｑｃ0は、下記式（３）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑｃ0＝Ｖｃ×（Ｐｃ－ＰｃH2O）／Ｐ0×ＣO2／１００×（１００－Ｕｃ）／１００×２７３．１５／（Ｔｃ＋２７３．１５）　・・・（３）
　この式（３）において、Ｖｃはカソード容積（カソード流路内容積とカソード入口、出口の配管の容積とを含む）であり、実測により事前に求められる値である。 
　また、Ｐｃは停止制御開始時におけるカソード圧力、Ｔｃは停止制御開始時におけるカソード内ガス温度（ともに実測値）である。また、ＰｃH2OはＴｃにおける飽和水蒸気圧（ＲＨ＝１００％とする。）である。 
　また、Ｐ0は大気圧であり、ここではＰ0＝１０１．３［ｋＰａ］として計算する。また、ＣO2は通常発電時にカソード側に供給する酸化剤ガスの酸素濃度（ドライベース）であり、酸化剤ガスとして大気圧を用いる場合は、ＣO2＝２１［％］として計算する。 
　また、Ｕｃは停止制御開始直前におけるカソード酸素利用率であり、停止制御を開始する直前に燃料電池スタック１から取出されている電流値と燃料電池スタック１に供給されている酸化剤ガスの流量とから計算される値である（通常はほぼ０に近い値）。
　また、式（１）および式（２）において、停止制御によるカソード側の酸素消費量Ｑｃ1は、燃料電池スタック１から取出す電流値が一定であれば下記式（４）の計算式を用いて算出することができ、燃料電池スタック１から取出す電流値が時間的に変化する場合は下記式（５）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑｃ1＝（Ｉ×Ｎcell＋ｉx＋ｉr）×ｔ×２２．４／（４×Ｆ）　・・・（４）
　Ｑｃ1＝（∫Ｉｄｔ×Ｎcell＋（ｉx＋ｉr）×ｔ）×２２．４／（４×Ｆ）　・・・（５）
　これら式（４）および式（５）において、Ｉは燃料電池スタック１から取出す電流値であり、実測値或いは測定が困難な場合は制御目標値である。また、Ｎcellは燃料電池スタック１のセル数であり既知の値である。 
　また、ｉxは燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜のクロスリーク電流であり、予め各温度、湿度（１００％）における固体高分子電解質膜のクロスリークによる水素及び酸素の消費量を算出して得られる値である。また、ｉrは燃料電池スタック１に放電抵抗が接続されている場合の当該放電抵抗による消費電流であり、最大スタック電圧Ｖ［Ｖ］と放電抵抗値ｒ［Ω］とから算出される値（ｉr＝Ｖ／ｒ）である。 
　また、ｔは停止制御開始時からの電流取出し時間である。また、Ｆはファラデー定数であり既知の値（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。
　また、式（１）において、停止制御中にカソード側に拡散してくる酸素量Ｑｃ2は、カソード側を大気圧に制御する場合は下記式（６）の計算式を用いて算出することができ、カソード側を加圧しておく場合は下記式（７）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑｃ2＝Ｑｃ1×ＣO2／１００　・・・（６）
　Ｑｃ2＝（Ｐ0－Ｐｃ×（Ｑｃ0－Ｑｃ1）／Ｑｃ0）×Ｑｃ0／Ｐｃ×ＣO2／１００　・・・（７）
　これら式（６）および式（７）において、ＣO2はドライベースでのカソード供給酸化剤ガスの酸素濃度であるが、外気の水蒸気分圧はほぼ０として計算する。
　本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム制御装置３０は、以上で説明した計算式を用いて停止制御を実行する際の燃料電池スタック１のカソード側残存酸素量Ｑｃを算出することができる。そして、所要時間のカウントにより停止制御における電流取出し終了判定を行う場合には、カソード側の残存酸素量Ｑｃが事前に設定した所定量と等しくなる場合における停止制御開始時からの電流取出し時間ｔを所要時間として演算し、この所要時間ｔをタイマ３３にセットして停止制御開始時から所要時間ｔのカウントをスタートし、所要時間ｔが経過したタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するようにすればよい。また、カソード側の残存酸素量Ｑｃを随時算出して電流取出し終了判定を行う場合には、以上の計算式を用いてカソード側の残存酸素量Ｑｃを所定の演算周期ごとに随時算出し、算出した残存酸素量Ｑｃが事前に設定した所定量と等しくなるタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するようにすればよい。
　以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム停止時に燃料電池スタック１のカソード側の酸素を消費させる停止制御を行う際に、システム制御装置３０が、燃料電池スタック１のカソード側に所定量の酸素が残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしているので、システム停止後のカソード側への水素の移動を有効に抑制してシステム起動時におけるカソード内水素濃度を低く保つことができ、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理することができる。
　また、電流取出し終了判定の基準となる所定量は、当該所定量の酸素が燃料電池スタック１のカソード側に残存することでシステム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値未満となる値に設定されるので、システム停止後の放置時間の長さにかかわらず、次回のシステム起動時におけるカソード内水素濃度を常に水素処理能力限界値未満に抑えることができ、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。
　また、システム制御装置３０が、停止制御により燃料電池スタックのカソード側の残存酸素量Ｑｃが所定量となるまでの所要時間ｔを演算し、停止制御開始時から所要時間ｔが経過したタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにした場合には、残存酸素量Ｑｃの算出に伴うシステム制御装置３０の処理負荷を軽減することができる。
　また、システム制御装置３０が、停止制御開始時から燃料電池スタック１のカソード側の残存酸素量Ｑｃを随時算出し、算出した残存酸素量Ｑｃが所定量と等しくなるタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにした場合には、カソード側の残存酸素量Ｑｃをより正確に所定量に一致させることができる。
　［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、停止制御時に燃料電池スタック１のアノード側の圧力を大気圧以上に昇圧した後、アノード側を密閉した状態でシステムを停止させる制御（以下、アノード昇圧制御という。）を行う場合の例である。このようなアノード昇圧制御は、システム停止後の放置期間の間に燃料電池スタック１内に侵入する酸素量を低減させて、次回起動時にアノード側に燃料ガス（水素）が供給されたときの局部電池形成による燃料電池スタック１の劣化を抑制する上では有効であるが、システム停止時におけるアノード側の残存水素量が増加するため、放置期間中にアノード側から固体高分子電解質膜を介してカソード側に移動する水素量が増加する傾向にあり、放置期間にカソード内水素濃度が上昇する要因となる。そこで、本実施形態では、アノード昇圧制御により増加するアノード側の残存水素量に応じて、カソード側に残存させる酸素量、すなわち、上述した停止制御時における電流取出し終了判定の基準となる所定量を増量側に補正することにより、アノード昇圧制御を行った場合でも、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができるようにしている。なお、燃料電池システムの構成は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。
　図６は、本実施形態の燃料電池システムにおいてシステム停止時に実行される停止制御の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオフ信号など、システムの停止を指示する何らかの停止信号の入力に応じてシステム制御装置３０によって実行される。
　停止制御が開始されると、システム制御装置３０は、まず、ステップＳ２０１において、燃料電池スタック１のカソード側への酸化剤ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、空気コンプレッサ２１に対して運転停止指令を出力し、空気コンプレッサ２１の運転を停止させる。また、酸化剤供給配管２０ａに酸化剤入口弁２６、酸化剤ガス排出配管２０ｂに酸化剤出口弁２７をそれぞれ設置した図３のシステム構成の場合には、これら酸化剤入口弁２６および酸化剤出口弁２７を閉じることで燃料電池スタック１のカソード側を封止する。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ２０２において、燃料電池スタック１のアノード側の圧力を大気圧以上に昇圧する制御を開始し、ステップＳ２０３において、燃料電池スタック１からの電流取出しを開始する。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ２０４において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するタイミングの判定を行う。この電流取出し終了判定の基本的な考え方は上述した第１実施形態と同様であるが、本実施形態では、カソード側の残存酸素量を算出するだけでなく、アノード側の残存水素量も算出して、アノード昇圧制御により増加するアノード側の残存水素量に応じて、電流取出し終了判定の基準となる所定量を増量側に補正するようにしている。なお、ここでの補正量はシステム構成などに応じて定められるものであり、予め実験などによって残存水素量の増加分に対する残存酸素量の増加分の関係を求めておいて、この関係を用いて求めるようにすればよい。
　次に、システム制御装置３０は、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了し、その後、ステップＳ２０６において、アノード側の圧力が所望の圧力にまで昇圧されたか否かを判定する。そして、アノード側の圧力が所望の圧力にまで昇圧されると、ステップＳ２０７において、燃料電池スタック１のアノード側への燃料ガスの供給を停止する。具体的には、システム制御装置３０は、燃料循環ポンプ１６に対して運転停止指令を出力して燃料循環ポンプ１６の運転を停止させ、また、燃料供給弁１２を閉じるとともに、一次調圧弁１３および二次調圧弁１４を全閉する。また、このとき燃料パージ弁１７も全閉状態にして、アノード側を密閉する。これにより、システム停止時のアノード昇圧制御を含む停止制御が終了する。
　図７は、アノード昇圧制御を含む停止制御を行ってシステムを停止させた後の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示した図であり、図７の中の実線のグラフが、アノード側の残存水素量に応じて増量側に補正した所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（実施例２）の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示し、図７の中の破線のグラフは、カソード側の酸素がほぼ完全に消費されたタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合（比較例）の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示している。
　図７に示すように、アノード昇圧制御を含む停止制御を行った場合には、システム停止後の放置期間の間にアノード側からカソード側へと移動する水素量が増加するため、放置期間におけるカソード内水素濃度がアノード昇圧制御を行わない場合に比べて（図５参照）高くなる。このような場合でも、図７における実線のグラフで示すように、システム停止時におけるアノード側の残存水素量に応じて増量側に補正した所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させる（実施例２）ことにより、カソード内水素濃度のピーク値（カソード内最大水素濃度）をシステム起動時における水素処理能力限界値未満とすることができる。これにより、上述した第１実施形態と同様に、システム停止後の放置時間の長さにかかわらず、次回のシステム起動時におけるカソード内水素濃度を常に水素処理能力限界値未満に抑えることが可能となり、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。
　以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、停止制御時にアノード昇圧制御を行うことを前提として、この停止制御により増加するアノード側の残存水素量に応じて、電流取出し終了判定の基準となる所定量を増量側に補正し、この増量側に補正した所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで、システム制御部３０が燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしている。以下では、このカソード側に残存させる酸素の補正量を求める基準となるアノード側の残存水素量の算出方法について、具体的に説明する。
　アノード側の残存水素量Ｑａは、停止制御開始時におけるアノード側の初期水素量をＱａ0、停止制御によるアノード側の水素消費量をＱａ1、停止制御中にアノード側に供給される水素量をＱａ2としたときに、下記式（８）で表すことができる。 
　Ｑａ＝Ｑａ0－Ｑａ1＋Ｑａ2　・・・（８）
　この式（８）において、停止制御開始時におけるアノード側の初期水素量Ｑａ0は、下記式（９）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑａ0＝Ｖａ×（Ｐａ－ＰａH2O）／Ｐ0×ＣH2／１００×（１００－Ｕimpurity）／１００×（１００－Ｕａ）／１００×２７３．１５／（Ｔａ＋２７３．１５）　・・・（９）
　この式（９）において、Ｖａはアノード容積（アノード流路内容積と循環経路内の配管容積とを含む）であり、実測により事前に求められる値である。 
　また、Ｐａは停止制御開始時におけるアノード圧力、Ｔａは停止制御開始時におけるアノード内ガス温度（ともに実測値）である。また、ＰａH2OはＴａにおける飽和水蒸気圧（ＲＨ＝１００％とする。）である。 
　また、Ｐ0は大気圧であり、ここではＰ0＝１０１．３［ｋＰａ］として計算する。また、ＣH2はアノード側に供給する燃料ガスの水素濃度（ドライベース）であり、燃料ガスとして純水素を用いる場合は、ＣH2＝１００［％］として計算する。 
　また、Ｕimpurityは停止制御開始直前におけるアノード内不純物濃度（通常は窒素濃度）であり、通常運転の際に行う窒素濃度管理値を利用することができる。また、Ｕａは停止制御開始直前におけるアノード水素利用率であり、停止制御を開始する直前に燃料電池スタック１から取り出されている電流値と燃料電池スタック１に供給されている燃料ガスの流量とから計算される値である。
　また、式（８）において、停止制御によるアノード側の水素消費量Ｑａ1は、燃料電池スタック１から取り出す電流値が一定であれば下記式（１０）の計算式を用いて算出することができ、燃料電池スタック１から取り出す電流値が時間的に変化する場合は下記式（１１）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑａ1＝（Ｉ×Ｎcell＋ｉx＋ｉr）×ｔ×２２．４／（２×Ｆ）　・・・（１０）
　Ｑｃ1＝（∫Ｉｄｔ×Ｎcell＋（ｉx＋ｉr）×ｔ）×２２．４／（２×Ｆ）　・・・（１１）
　これら式（１０）および式（１１）において、Ｉは燃料電池スタック１から取出す電流値であり、実測値或いは測定が困難な場合は制御目標値である。また、Ｎcellは燃料電池スタック１のセル数であり既知の値である。 
　また、ｉxは燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜のクロスリーク電流であり、予め各温度、湿度（１００％）における固体高分子電解質膜のクロスリークによる水素及び酸素の消費量を算出して得られる値である。また、ｉrは燃料電池スタック１に放電抵抗が接続されている場合の当該放電抵抗による消費電流であり、最大スタック電圧Ｖ［Ｖ］と放電抵抗値ｒ［Ω］とから算出される値（ｉr＝Ｖ／ｒ）である。 
　また、ｔは停止制御開始時からの電流取出し時間である。また、Ｆはファラデー定数であり既知の値（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。
　また、式（８）において、停止制御中にアノード側に供給される水素量Ｑａ2は、下記式（１２）の計算式を用いて算出することができる。 
　Ｑａ2＝Ｑａ1×ＣH2／１００　・・・（１２）
　この式（１２）において、ＣH2はドライベースでのアノード供給燃料ガスの水素濃度であるが、停止制御中のアノードへの不純物混入量は無視できる程度であるため、ここでは考慮しない。
　本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム制御装置３０は、以上で説明した計算式を用いて停止制御を実行する際の燃料電池スタック１のアノード側残存水素量Ｑａを算出することができる。そして、第１実施形態で説明した電流取出し終了判定の基準となる所定量を、算出したアノード側残存水素量Ｑａに応じて増量側に補正することで、停止制御時にアノード昇圧制御を行った場合でも、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することが可能となる。なお、燃料電池スタック１からの電流取出しの終了判定は、上述した第１実施形態と同様の手法で行えばよい。すなわち、所要時間のカウントにより停止制御における電流取出し終了判定を行う場合には、カソード側の残存酸素量Ｑｃが、アノード側残存水素量Ｑａに応じて増量側に補正した所定量と等しくなる電流取出し時間ｔを所要時間として演算し、この所要時間ｔをタイマ３３にセットして停止制御開始時から所要時間ｔのカウントをスタートし、所要時間ｔが経過したタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するようにすればよい。また、カソード側の残存酸素量Ｑｃを随時算出して電流取出し終了判定を行う場合には、第１実施形態で説明したようにカソード側の残存酸素量Ｑｃを所定の演算周期ごとに随時算出し、算出した残存酸素量Ｑｃが、アノード側残存水素量Ｑａに応じて増量側に補正した所定量と等しくなるタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了するようにすればよい。
　以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム制御装置３０が、燃料電池スタック１のアノード側残存水素量に応じて増量側に補正した所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしているので、停止制御時にアノード昇圧制御を行った場合であっても、システム停止後のカソード側への水素の移動を有効に抑制してシステム起動時におけるカソード内水素濃度を低く保つことができ、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理することができる。
　また、本実施形態の燃料電池システムでは、停止制御時にアノード昇圧制御を行うようにしているので、システム停止後の放置期間の間に燃料電池スタック１内に侵入する酸素量を低減させて、システム起動時の局部電池形成による燃料電池スタック１の劣化を有効に抑制することができる。
　［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、上述した停止制御時における電流取出し終了判定の基準となる所定量を、当該所定量の酸素が燃料電池スタック１のカソード側に残存することでシステム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定するようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成やシステム停止時に実行される停止制御の詳細は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。
　システム停止時に燃料電池スタック１から電流を取出してカソード側の酸素を消費させる停止制御は、上述したようにシステム起動時における燃料電池スタック１の劣化を防止するための制御であるため、その効果を高めるには、カソード側の残存酸素量をできるだけ少なくしておくことが望まれる。その一方で、カソード側の残存酸素量が少なすぎる状態でシステムを停止させると、上述したように、システム起動時におけるカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を上回ってしまう場合がある。そこで、本実施形態では、システム起動時におけるカソード内水素濃度が水素処理能力限界値を上回ることがなく、且つ、カソード側の酸素を最大限に消費させた状態でシステムを停止させることができるように、停止制御時における電流取出し終了判定の基準となる所定量を、当該所定量の酸素が燃料電池スタック１のカソード側に残存することでシステム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定するようにしている。
　図８は、停止制御時にカソード側に所定量の酸素が残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合の放置期間におけるカソード内水素濃度の時間変化を示した図であり、電流取出し終了判定の基準となる所定量を、放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定した場合（実施例３）と、第１実施形態で説明したように放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値未満となる値に設定した場合（実施例１）とで対比して示している。なお、図８の破線のグラフは、停止制御時にカソード側の酸素がほぼ完全に消費されたタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させた場合の例（比較例）である。
　図８に示すように、所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させる（実施例１、実施例３）ことにより、カソード内水素濃度のピーク値（カソード内最大水素濃度）がシステム起動時における水素処理能力限界値を越えないようにすることができ、システム停止後の放置時間の長さにかかわらず、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で確実に処理することができる。そして、特に、停止制御時における電流取出し終了判定の基準となる所定量を、放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定した場合（実施例３）には、カソード側の酸素を最大限に消費させた状態でシステムを停止させているので、停止制御による燃料電池スタック１の劣化防止効果を最大限に発揮することができる。
　以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、システム制御装置３０が、放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定した所定量の酸素がカソード側に残存するタイミングで、燃料電池スタック１からの電流取出しを終了させるようにしているので、システム起動時にカソード側の水素を排水素処理装置１８で適切に処理することができるとともに、停止制御による燃料電池スタック１の劣化防止効果を最大限に発揮させて、燃料電池スタック１の劣化を有効に防止することができる。
　なお、以上説明した第１乃至第３の実施形態は、本発明の具体的な適用例を例示したものであり、本発明が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、実施形態として例示した燃料電池システムの構成では、空気系２０に水素濃度センサ２５を設置しているが、この水素濃度センサ２５は本発明を実施する上で必須のものではなく、水素濃度センサ２５を備えていない構成の燃料電池システムにおいても、本発明は有効に実施可能である。
　本発明は、燃料電池システムの起動時にカソード側の水素を適切に処理できるようにするための技術として利用できる。
　１　燃料電池スタック
　１０　水素系
　１８　排水素処理装置
　２０　空気系
　３０　システム制御装置
　３１　電流制御部

Claims (12)

  1. 　システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で前記燃料電池から電流を取出して前記カソード側の酸素を消費させる停止制御を行う燃料電池システムにおいて、
    　前記燃料電池のカソード側に、電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素を残存させた状態で、前記燃料電池からの電流取出しを終了させる制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記所定量は、当該所定量の酸素が前記燃料電池のカソード側に残存することで、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値未満となる値に設定され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. 　前記所定量は、当該所定量の酸素が前記燃料電池のカソード側に残存することで、システム停止後の放置期間におけるカソード内最大水素濃度がシステム起動時における水素処理能力限界値と等しくなる値に設定され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。
  4. 　前記制御手段は、前記停止制御により前記燃料電池のカソード側の残存酸素量が前記所定量となるまでの所要時間を演算し、前記停止制御開始時から前記所要時間が経過したタイミングで、前記燃料電池からの電流取出しを終了させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記制御手段は、前記停止制御開始時から前記燃料電池のカソード側の残存酸素量を随時算出し、算出した残存酸素量が前記所定量と等しくなるタイミングで、前記燃料電池からの電流取出しを終了させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記制御手段は、前記停止制御開始時におけるカソード側の初期酸素量から、前記停止制御によるカソード側の酸素消費量を減算した値を、前記残存酸素量として算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記制御手段は、前記停止制御開始時におけるカソード側の初期酸素量から、前記停止制御によるカソード側の酸素消費量を減算し、且つ、前記停止制御中にカソード側に拡散してくる酸素量を加算した値を、前記残存酸素量として算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記制御手段は、通常発電時にカソード側に供給する酸化剤ガスの酸素濃度と、前記停止制御開始時におけるカソード圧力、カソード容積、カソード内ガス温度、カソード内ガス湿度と、前記停止制御開始直前におけるカソード酸素利用率とに基づいて、前記停止制御開始時におけるカソード側の初期酸素量を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記制御手段は、前記燃料電池からの電流取出し量と前記燃料電池のセル数とから論理的に算出される酸素消費量に、前記燃料電池の電解質膜のガス透過により消費される酸素消費量を加算し、さらに前記燃料電池に放電用抵抗が接続されている場合には当該放電用抵抗での消費電力に応じた酸素消費量を加算して、前記停止制御によるカソード側の酸素消費量を算出することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記制御手段は、前記カソード側の酸素消費によるカソード圧力の低下に伴ってカソード入口またはカソード出口からカソード内に進入するガスの酸素濃度に基づいて、前記停止制御中にカソード側に拡散してくる酸素量を算出することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記停止制御は、アノード圧力を大気圧以上に昇圧してアノード側を密閉した状態でシステムを停止させる制御を含むものであり、
    　前記制御手段は、前記アノード圧力の昇圧により増加するアノード側の残存水素量に応じて、前記所定量を増量側に補正することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  12. 　システム停止時に、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を継続させるとともにカソード側への酸化剤ガスの供給を停止させた状態で前記燃料電池から電流を取出す工程と、
    　前記燃料電池のカソード側に、電流取出し開始時よりは少ない所定量の酸素を残存させた状態で、前記燃料電池からの電流取出しを終了させる工程と、を有する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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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011070618A1 (ja) * 2009-12-10 2011-06-16 株式会社 東芝 燃料電池システムおよびその運転停止方法
CN102487145A (zh) * 2010-12-01 2012-06-06 现代自动车株式会社 控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6037851B2 (ja) 2013-01-25 2016-12-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法
JP6809401B2 (ja) * 2017-07-12 2021-01-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6907894B2 (ja) 2017-11-13 2021-07-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR102598947B1 (ko) * 2018-05-04 2023-11-06 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그의 제어방법

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07183039A (ja) * 1993-12-22 1995-07-21 Toshiba Corp 燃料電池プラントの発電停止方法
JP2002198075A (ja) * 2000-12-27 2002-07-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの起動制御装置
JP2007059120A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007194157A (ja) * 2006-01-23 2007-08-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム
JP2007273276A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP2007323959A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008004432A (ja) 2006-06-23 2008-01-10 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008140772A (ja) * 2006-11-06 2008-06-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4715103B2 (ja) * 2004-03-26 2011-07-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4912615B2 (ja) * 2005-05-13 2012-04-11 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4935038B2 (ja) * 2005-09-30 2012-05-23 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法
JP5044969B2 (ja) * 2006-04-07 2012-10-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法
JP2008010188A (ja) * 2006-06-27 2008-01-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07183039A (ja) * 1993-12-22 1995-07-21 Toshiba Corp 燃料電池プラントの発電停止方法
JP2002198075A (ja) * 2000-12-27 2002-07-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの起動制御装置
JP2007059120A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007194157A (ja) * 2006-01-23 2007-08-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム
JP2007273276A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP2007323959A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008004432A (ja) 2006-06-23 2008-01-10 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008140772A (ja) * 2006-11-06 2008-06-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2284937A4 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011070618A1 (ja) * 2009-12-10 2011-06-16 株式会社 東芝 燃料電池システムおよびその運転停止方法
CN102487145A (zh) * 2010-12-01 2012-06-06 现代自动车株式会社 控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法
US20120141895A1 (en) * 2010-12-01 2012-06-07 Hyundai Motor Company System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system
US8859158B2 (en) * 2010-12-01 2014-10-14 Hyundai Motor Company System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system by switching to battery power in response to idle stop condition

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