JP2016091697A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム停止時に、封入したアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、システム停止要求後に燃料電池の内部インピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、燃料電池のアノードガス圧力を内部インピーダンスに応じた所定圧に制御する圧力制御部と、所定圧を放置開始圧力として放置停止処理を実行する放置停止処理実行部と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理を実行する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムによれば、システム停止中における燃料電池での不要な発電反応を抑えて、燃料電池の劣化を抑制することができる。

なお、システム停止時の制御に関連する技術として、特許文献２には、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の電解質膜の湿潤状態（湿潤度）をドライ側に制御することが開示されている。

特開２００９−１５８３７７号公報 特開２０１０−１０２８４６号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムのように、システム停止時に燃料電池のアノード極側にアノードガスを封入すると、アノード極側のアノードガスの一部は電解質膜を透過してカソード極側に拡散する。カソード極側に拡散したアノードガスは、時間の経過とともにカソードコンプレッサ等を通過してシステム外部に漏出したり、次回システム起動時のカソードガス供給によりシステム外部に排出されたりする。

上述の通り、カソード極側に拡散したアノードガスは、燃料電池での発電に使用されずに、システム外部に放出されることとなる。したがって、燃料電池における燃料消費性能の観点から、燃料電池システムではシステム停止時にアノード極側に封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが望ましい。

本発明の目的は、システム停止時に、封入したアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、燃料電池のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理を実行する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、システム停止要求後に燃料電池の内部インピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、燃料電池のアノードガス圧力を、内部インピーダンスに応じた所定圧に制御する圧力制御部と、所定圧を放置開始圧力として放置停止処理を実行する放置停止処理実行部と、を備える。

本発明のある態様によれば、内部インピーダンス（電解質膜の湿潤状態）に応じた最適な放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード系内に封入することができる。これにより、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、燃料電池システムにおける燃費性能を改善することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池の斜視図である。 図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。 図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図４は、燃料電池スタックの内部インピーダンスと、放置停止処理中のアノードガスの拡散速度との関係を示す図である。 図５は、燃料電池スタックの内部インピーダンスと、放置停止処理開始時におけるアノードガスの放置開始圧力との関係を示す図である。 図６は、燃料電池システムのコントローラが実行するシステム停止制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、システム停止制御の一例を示すタイミングチャートである。 図８は、アノードガス圧力Ｐａｎと冷却液圧Ｐｃｌとの差圧と、補正係数ΔＶａｎとの関係を示す図である。 図９は、燃料電池スタックのアノード系内のアノードガス濃度と、補正係数Ｃとの関係を示す図である。

以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池システムについて説明する。

燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成される。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード電極： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
これら（１）、（２）の電極反応によって、燃料電池には１Ｖ（ボルト）程度の起電力が生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成を説明するための図である。図１は燃料電池１０の斜視図であり、図２は図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、適度な湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。触媒層１１２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられる。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。

アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガス（水素ガス）を供給するための複数のアノードガス流路１２１を備えている。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガス（空気）を供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成されている。

アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。

このような燃料電池１０を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、冷却装置４と、電力システム５と、コントローラ６と、を備えている。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０（単位セル）を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す出力端子として、アノード電極側端子１Ａと、カソード電極側端子１Ｂと、を有している。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（ＷＲＤ；Water Recovery Device）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端はフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガス、及び電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込まれるカソードガスに含まれる塵や埃等を除去する部材である。

カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１内のカソードガスを圧送して燃料電池スタック１に供給する。

エアフローセンサ２４は、フィルタ２３とカソードコンプレッサ２５との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサ２６で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック１のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１とカソードガス排出通路２２とに跨って接続される。ＷＲＤ２７は、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分を用いてカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。

アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４で検出されたアノードガス圧力は、バッファタンク３６や燃料電池スタック１のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク３６に接続される。アノードオフガスには、電極反応で使用されなかったアノードガスや、カソード電極側からアノード電極側へとリークしてきた窒素等の不純物ガス等が含まれる。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれる時に、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。

パージ通路３７は、アノードオフガスを排出するための通路である。パージ通路３７の一端はバッファタンク３６の下流部に接続され、他端はカソード調圧弁２８よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスのパージ流量を制御する。

パージ弁３８が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、パージ通路３７及びカソードガス排出通路２２を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中のアノードガス濃度（水素濃度）が排出許容濃度以下の値に設定される。

冷却装置４は、冷却液によって燃料電池スタック１を冷却するための装置である。冷却装置４は、循環通路４１と、循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、温度センサ４４，４５と、を備える。

循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液が流れる通路である。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却液入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却液出口部に接続される。

循環ポンプ４２は、冷却液を循環させるポンプであって、冷却液出口部寄りの循環通路４１に設置される。

ラジエータ４３は、燃料電池スタック１から排出された冷却液を冷却するための放熱器であって、循環ポンプ４２よりも下流側の循環通路４１に設置される。なお、燃料電池システム１００には、ラジエータ４３に外気等を送風し、冷却液の放熱を促進するラジエータ用ファンを設けてもよい。

温度センサ４４，４５は、循環通路４１を流れる冷却液の温度を検出するセンサである。温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却液入口部寄りの循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１に流入する冷却液の温度を検出する。一方、温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却液出口部寄りであって、燃料電池スタック１と循環ポンプ４２との間の循環通路４１に設けられる。温度センサ４５は、燃料電池スタック１から排出された冷却液の温度を検出する。

電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電圧、つまりアノード電極側端子１Ａとカソード電極側端子１Ｂの間の端子間電圧を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよいし、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよい。

走行モータ５３は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するため駆動源である。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、ＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によってスイッチング制御され、これにより直流電流が交流電流に、又は交流電流が直流電流に変換される。走行モータ５３を電動機として機能させる場合、インバータ５４は、燃料電池スタック１の出力電流とバッテリ５５の出力電流との合成直流電流を三相交流電流に変換し、走行モータ５３に供給する。これに対して、走行モータ５３を発電機として機能させる場合、インバータ５４は、走行モータ５３からの三相交流電流を直流電流に変換し、バッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の出力電力の余剰分及び走行モータ５３の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５等の補機類や走行モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流等が調整される。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、電流センサ５１や電圧センサ５２等の各種センサからの信号の他、イグニッションスイッチ６１等からの信号が入力される。イグニッションスイッチ６１は、燃料電池システム１００の動作状態をオンまたはオフするために操作されるスタータスイッチである。

コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード調圧弁３３やカソード調圧弁２８、カソードコンプレッサ２５等を制御し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスやカソードガスの圧力や流量を調整する。

コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電力を算出する。コントローラ６は、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。コントローラ６は、目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流電圧特性）を参照して燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電流を供給する。

また、コントローラ６は、燃料電池スタック１の各電解質膜１１１の湿潤状態（含水量）が発電に適した状態となるように、カソードコンプレッサ２５等を制御する。コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤状態と相関関係のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出し、この内部インピーダンスが目標値となるようにカソードコンプレッサ２５等を制御する。このような湿潤制御に用いられる内部インピーダンスは、燃料電池スタック１から出力される高周波数の交流信号（交流電流及び交流電圧）に基づいて算出される。

さらに、コントローラ６は、運転者等によりシステム停止操作がなされた場合等のシステム停止要求時に、燃料電池システム１００を停止するためのシステム停止制御を実行する。このシステム停止制御には、アノード調圧弁３３及びパージ弁３８を閉弁し、燃料電池スタック１のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理が含まれる。

放置停止処理によりアノード極側にアノードガスが封入されると、放置停止処理後にアノードガスの一部が電解質膜を透過してカソード極側に拡散する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック１での不要な発電反応が抑えられる。その結果、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。

しかしながら、カソード極側に拡散したアノードガスは、時間の経過とともにカソードコンプレッサ２５等を通過してシステム外部に漏出したり、次回システム起動時のカソードガス供給によりシステム外部に排出されたりする。つまり、カソード極側に拡散したアノードガスは、燃料電池スタック１での発電に使用されずに、システム外部に放出されることとなる。燃料電池スタック１の燃費性能を改善するためには、システム停止時にアノード極側に封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが望ましい。

これに関し、本願発明者は、電解質膜１１１がドライ状態になるほど、封入されたアノードガスのカソード極側への拡散速度が低下することを見出し（図４参照）、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて、放置停止処理開始時におけるアノードガスの放置開始圧力の最適化を図った（図５参照）。

図４を参照して、電解質膜１１１の湿潤状態と相関関係のある内部インピーダンスＲと、放置停止処理中のアノードガスの拡散速度との関係について説明する。

燃料電池１０の電解質膜１１１が乾燥するほど、アノード極側に封入されたアノードガスは電解質膜１１１を透過しにくくなる。そのため、電解質膜１１１が乾燥して燃料電池スタック１の内部インピーダンスＲが大きくなるほど、アノードガスがアノード極側からカソード極側へと拡散する速度は低下する。

上記の通り、電解質膜１１１の湿潤状態に応じてアノードガスの拡散速度は変化するので、アノードガスの放置開始圧力は、図５に示すように電解質膜１１１の湿潤状態と相関のある内部インピーダンスに応じて設定される。つまり、燃料電池システム１００では、内部インピーダンスＲが大きくなるほど、アノードガスの放置開始圧力が低く設定される。なお、放置停止処理においては、処理開始後から目標保持時間（例えば数時間）を経過するまでアノード系内に所定量のアノードガスが残留している必要があるため、図５の放置開始圧力はこの点を考慮した圧力値として設定されている。

このように、内部インピーダンスＲ（電解質膜１１１の湿潤状態）に応じた最適なアノードガスの放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード極側に封入することができる。その結果、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、さらに目標保持時間経過後も所定量のアノードガスをアノード極側に残留させておくことができる。

図６を参照して、燃料電池システム１００のコントローラ６が実行するシステム停止制御の詳細について説明する。

ステップ１０１（Ｓ１０１）では、コントローラ６は、イグニッションスイッチ６１がオフされたか否かを判定する。イグニッションスイッチ６１がオフされた場合、コントローラ６は、システム停止要求時と判定して、Ｓ１０２以降の処理を実行する。これに対して、イグニッションスイッチ６１がオンのままであってオフされていない場合、コントローラ６は、システム停止制御を一旦終了させる。

Ｓ１０２では、コントローラ６は、燃料電池スタック１の電解質膜１１１を乾燥させるドライ処理を実行する。このように、コントローラ６はドライ処理を所定期間実行するドライ処理実行部として機能する。ドライ処理では、例えばカソードガス流量が、システム停止前の通常発電時に設定される流量よりも高いドライ処理用流量に設定される。なお、ドライ処理はドライ処理終了条件が成立するまで実行される。

Ｓ１０３では、コントローラ６は、従来から知られている交流インピーダンス法を用いて、ドライ処理中の燃料電池スタック１の内部インピーダンスＲを算出する。このように、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤状態と相関のある内部インピーダンスＲを検出するインピーダンス算出部として機能する。

例えば、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御し、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が高周波数（例えば数十ｋＨｚ）を有する交流信号となるように燃料電池スタック１の出力を調整して、この時検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＲを算出する。なお、外部電源を用いて燃料電池スタック１に交流電圧を印加し、この印加電圧と、燃料電池スタック１から出力される交流電流とに基づいて、内部インピーダンスＲを算出してもよい。

Ｓ１０４では、コントローラ６は、Ｓ１０３で算出した内部インピーダンスＲに応じてアノード調圧弁３３の開度を調整し、ドライ処理中のアノードガス圧力を所定圧に制御する。このように、コントローラ６はドライ処理中のアノードガス圧力を所定圧に制御する圧力制御部として機能する。

コントローラ６は、図５の内部インピーダンスＲと放置開始圧力との特性図を参照し、アノードガス圧力を内部インピーダンスＲに応じた所定圧（放置開始圧力）に設定する。ドライ処理実行時には、燃料電池スタック１の電解質膜１１１は徐々に乾燥し、それに応じて内部インピーダンスＲは上昇するため、アノードガス圧力は内部インピーダンスＲの上昇に合わせて低下するように制御される。なお、ドライ処理が終了される時に設定されているアノードガス圧力が、後述する放置停止処理開始時の放置開始圧力となる。

Ｓ１０５では、コントローラ６は、Ｓ１０３で算出された内部インピーダンスＲが予め設定された第１基準値Ｒ１以上であるか否かを判定する。

第１基準値Ｒ１は、システム停止後の燃料電池スタック１が低温環境下にある場合において電解質膜１１１の凍結を抑制可能な程度の湿潤状態となっているか否かを判定するための閾値である。

内部インピーダンスＲが第１基準値Ｒ１よりも小さい場合には、コントローラ６は電解質膜１１１が十分に乾燥していないと判定し、Ｓ１０２以降の処理を実行する。

これに対して、内部インピーダンスＲが第１基準値Ｒ１以上である場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１が凍結の影響を受けにくい湿潤状態まで乾燥していると判定し、Ｓ１０６の処理を実行する。Ｓ１０６〜Ｓ１０８の処理は、ドライ処理終了条件が成立したか否かを判定するための処理であり、コントローラ６のドライ処理実行部により実行される。

Ｓ１０６では、コントローラ６は、Ｓ１０３で算出された内部インピーダンスＲが予め設定された第２基準値Ｒ２以上であるか否かを判定する。

第２基準値Ｒ２は、第１基準値Ｒ１よりも大きく設定された値であって、電解質膜１１１の湿潤状態のドライ側限界を判定するための閾値（ドライ限界値）である。

内部インピーダンスＲが第２基準値Ｒ２以上である場合、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤状態がドライ限界に達し、ドライ処理終了条件が成立したと判定する。そして、コントローラ６は、ドライ処理を終了させ、Ｓ１０９の放置前処理を実行する。Ｓ１０９の放置前処理については後述する。

これに対して、内部インピーダンスＲが第２基準値Ｒ２よりも小さい場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤状態がドライ限界に達していないと判定し、ドライ処理を継続しつつＳ１０７の処理を実行する。

Ｓ１０７では、コントローラ６は、内部インピーダンスＲが第１基準値Ｒ１を超えてから所定時間を経過したか否かを判定する。所定時間は、例えば数十秒から数分の範囲内の値であり、ドライ処理が長くなりすぎない程度に設定される時間である。

内部インピーダンスＲが第１基準値Ｒ１に達してから所定時間経過した場合には、コントローラ６は、ドライ処理が長時間実行されている判定し、ドライ処理を終了させる。その後、コントローラ６はＳ１０９の放置前処理を実行する。

これに対して、内部インピーダンスＲが第１基準値Ｒ１に到達してから所定時間経過していない場合には、コントローラ６は、ドライ処理を継続しつつＳ１０８の処理を実行する。

Ｓ１０８では、コントローラ６は、ドライ処理中の燃料電池スタック１での発電により消費されたアノードガスの量（発電消費水素量）と、ドライ処理中に設定されたアノードガス圧力を放置開始圧力とした時にアノード極側からカソード極側に拡散するアノードガスの量（拡散消費水素量）とに基づいて、ドライ処理終了条件の成立の有無を判定する。

発電消費水素量Ｎｃは、ドライ処理中の燃料電池スタック１の出力電流値Ｉｆｃ及び定数Ａに基づいて、下記（１）式により算出される。

発電消費水素量Ｎｃは、ドライ処理中の燃料電池スタック１での発電により消費されるアノードガスの量であるため、図７（Ｄ）に示すようにドライ処理が進行するほど増加する。

一方、拡散消費水素量Ｎｄは、ドライ処理中のアノードガス圧力Ｐａｎ、大気圧Ｐ０、アノード極側体積Ｖａｎ、及び補正係数ｆ（Ｔ）に基づいて、下記（２）式により算出される。アノード極側体積Ｖａｎはアノード調圧弁３３からパージ弁３８までのアノードガス通路（アノード系）の体積であり、補正係数ｆ（Ｔ）は冷却液が６０°であると想定した時の燃料電池温度要因の補正値である。

拡散消費水素量Ｎｄは、ドライ処理中のアノードガス圧力を放置開始圧力とした時にカソード極側に拡散するアノードガスの量であるため、図７（Ｂ）及び（Ｃ）に示すようにドライ処理が進行して放置開始圧力が低く設定されるほど低下する。

コントローラ６は、発電消費水素量Ｎｃを用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量（ｄＮｃ／ｄｔ）を算出するとともに、拡散消費水素量Ｎｄを用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量（ｄＮｄ／ｄｔ）を算出する。発電消費水素量の変化量は例えば異なるタイミングで演算された２つの発電消費水素量に基づいて算出され、拡散消費水素量の変化量は例えば異なるタイミングで演算された２つの拡散消費水素量に基づいて算出される。このように、コントローラ６は、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出する第１算出部、及び単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する第２算出部として機能する。

Ｓ１０８では、コントローラ６は、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量の絶対値が単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量の絶対値以上であるか否かを判定する。

発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合、コントローラ６は、ドライ処理中の発電でのアノードガス消費の増大に伴って燃費性能が悪化すると判断し、ドライ処理を終了させる。その後、コントローラ６はＳ１０９の放置前処理を実行する。

これに対して、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値より小さい場合、コントローラ６は、ドライ処理を継続した方が燃費性能が改善すると判断し、Ｓ１０２以降の処理を実行する。

Ｓ１０９では、コントローラ６は放置前処理を実行する。

放置前処理では、カソードコンプレッサ２５を停止し、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を止める。この時、カソード調圧弁２８は閉弁される。放置前処理では、カソードガスの供給を停止した状態で燃料電池スタック１から電流を取り出すことで、カソード極側のカソードガスを消費させ、燃料電池スタック１の出力電圧を所定電圧値まで低下させる。これにより、燃料電池スタック１が高電圧状態のまま停止されることがなく、電池劣化を防止できる。

なお、放置前処理では、コントローラ６は、ドライ処理終了時におけるアノードガス圧力（放置開始圧力）が維持されるようにアノード調圧弁３３を制御する。本実施形態では、コントローラ６は、ドライ処理と後述する放置停止処理の間に放置前処理を実行するが、ドライ処理後に放置停止処理を実行して放置前処理を省略してもよい。

Ｓ１１０では、コントローラ６は放置停止処理を実行し、燃料電池システム１００を停止して起動待ち状態とする。

放置停止処理では、コントローラ６は、アノード調圧弁３３及びパージ弁３８を全閉状態に制御し、燃料電池スタック１のアノード系内にアノードガスを封入する。放置前処理で維持されたドライ処理終了時のアノードガス圧力が放置停止処理における放置開始圧力となる。なお、放置停止処理においては、カソードコンプレッサ２５は停止され、カソード調圧弁２８は閉弁される。

放置停止処理により、アノード系内のアノードガスの一部は電解質膜１１１を透過してカソード極側に拡散する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック１での不要な発電反応が抑えられる。その結果、発電に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。

アノードガスの放置開始圧力は、電解質膜１１１の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスに応じた最適圧に設定されている（図５参照）。そのため、放置停止処理後にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制することが可能となる。

図７のタイミングチャートを参照して、システム停止制御の一例について説明する。図７は、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上となってドライ処理が終了し、放置前処理及び放置停止処理が実行される場合を例示している。

図７に示すように、時刻ｔ１でイグニッションスイッチ６１がオンからオフに操作されると、コントローラ６は、システム停止要求があると判定し、システム停止制御を開始する。コントローラ６は、システム停止制御の一処理として、各燃料電池１０の電解質膜１１１を乾燥させるドライ処理を実行する。

ドライ処理により電解質膜１１１の湿潤状態がドライ側に調整されるため、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは徐々に増加していく。ドライ処理後に実行される放置停止処理のアノードガスの放置開始圧力にはカソード極側へのアノードガスの拡散を極力低減可能な最適圧があり、その最適圧は電解質膜１１１の湿潤状態、つまり内部インピーダンスに応じて変化する。

コントローラ６は、図５の特性図を参照し、ドライ処理中に検出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、アノード系内のアノードガス圧力を放置停止処理に最適な所定圧（放置開始圧力）に設定する。

さらに、コントローラ６は、ドライ処理中に拡散消費水素量及び発電消費水素量を算出し（図７（Ｃ）及び（Ｄ）参照）、これら消費水素量の変化量を比較することで、ドライ処理の終了タイミングを判定している。時刻ｔ２において、単位時間当たりの発電消費水素量の変化量（傾き）の絶対値が単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量（傾き）の絶対値以上になると、コントローラ６はドライ処理での発電によりアノードガスが無駄に消費されるおそれがあると判断し、ドライ処理を終了させる。

時刻ｔ２において、システム停止制御はドライ処理から放置前処理に以降する。放置前処理では、カソードガスの供給を停止した状態で燃料電池スタック１の発電を行うことにより、出力電圧を所定電圧値まで低下させる。放置前処理中のアノードガス圧力は、ドライ処理終了時のアノードガス圧力のまま維持される。

時刻ｔ３において燃料電池スタック１の出力電圧が所定電圧値まで低下すると、ドライ処理終了時のアノードガス圧力を放置開始圧力として放置停止処理が開始される。放置停止処理では、アノード調圧弁３３及びパージ弁３８が全閉状態に制御され、アノード系内にアノードガスが封入される。

アノード極側のアノードガスの一部は電解質膜１１１を透過してカソード極側に拡散するため、放置停止処理後のアノードガス圧力は緩やかに低下する。このように拡散したアノードガスによりカソード極側のカソードガスの分圧が低くなるため、システム停止中における燃料電池スタック１での不要な発電反応が抑えられる。さらに、放置開始圧力は内部インピーダンスに応じた最適圧に設定されているため（図５参照）、封入されたアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことが抑制される。

上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００のコントローラ６は、システム停止要求後に燃料電池スタックの内部インピーダンスを検出し、燃料電池スタック１のアノード系内のアノードガス圧力を内部インピーダンスに応じた所定圧に制御して、所定圧を放置開始圧力として放置停止処理を実行する。より具体的には、コントローラ６は、内部インピーダンスの値が大きいほど所定圧（放置開始圧力）を低下させる。

このように、内部インピーダンスＲ（電解質膜１１１の湿潤状態）に応じた最適な放置開始圧力を設定することで、放置停止処理において必要最低限のアノードガスをアノード極側に封入することができる。これにより、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことを抑制でき、燃料電池システム１００における燃費性能を改善することが可能となる。

燃料電池システム１００のコントローラ６は、システム停止要求後に、燃料電池スタック１の電解質膜１１１を乾燥させるドライ処理を所定期間実行する。そして、コントローラ６は、ドライ処理中に燃料電池スタック１の内部インピーダンスを検出し、その内部インピーダンスに応じてアノードガス圧力（放置開始圧力）を設定する。このようにドライ処理を実行して電解質膜１１１を乾燥させることで、アノードガスが電解質膜１１１を通過しにくくなるので、放置停止処理中にアノードガスが必要以上にカソード極側に拡散してしまうことをより確実に抑制できる。

さらに、コントローラ６は、内部インピーダンスが予め設定された第１基準値を超えてから所定時間経過した場合にドライ処理を終了させる。電解質膜１１１が凍結しにくい状態まで乾燥した後、ドライ処理が無駄に長く実行されることを防止できる。

さらに、コントローラ６は、内部インピーダンスが第１基準値よりも大きく設定された第２基準値（ドライ限界値）を超えた場合にドライ処理を終了させる。これにより、電解質膜１１１が乾燥しすぎてしまうことを回避でき、ドライ処理に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制することが可能となる。

さらに、コントローラ６は、ドライ処理中の燃料電池スタック１の出力電流から演算された発電消費水素量を用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出し、ドライ処理中のアノードガス圧力から演算された拡散消費水素量を用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する。そして、コントローラ６は、内部インピーダンスが第１基準値以上で、かつ発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散水素量の変化量の絶対値以上である場合にドライ処理を終了させる。

このように、コントローラ６は、発電消費水素量の変化量の絶対値が拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合に、ドライ処理中の発電でのアノードガス消費の増大に伴って燃費性能が悪化すると判断し、ドライ処理を終了させる。これにより、ドライ処理を適切なタイミングで終了させることができ、燃料電池システム１００における燃費性能を改善することが可能となる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本実施形態では、コントローラ６は、前述した（２）式に基づいて拡散消費水素量Ｎｄを算出する。（２）式においてｆ（Ｔ）は、一定値であるとしたが、燃料電池スタック１の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。燃料電池スタック１の温度には、例えば温度センサ４４及び温度センサ４５で検出される冷却液温度の平均値が採用される。そして、ｆ（Ｔ）の値は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど大きく設定される。

（２）式に基づく拡散消費水素量Ｎｄの算出に際し、燃料電池スタック１の温度に応じて定まる補正係数ｆ（Ｔ）を用いることで、拡散消費水素量Ｎｄの算出精度を高めることができる。その結果、図６のＳ１０８において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。

さらに、コントローラ６は、（２）式ではなく、以下の（３）式により拡散消費水素量Ｎｄを算出するよう構成されてもよい。

（３）式では、アノード極側体積Ｖａｎは、アノードガス圧力と燃料電池スタック１を冷却する冷却液の液圧との差圧に応じて定まる補正係数ΔＶａｎにより補正される。

積層電池である燃料電池スタック１のアノード極側体積Ｖａｎはアノードガス圧力や冷却液の液圧に応じて変化する。例えば、燃料電池スタック１では、アノードガス圧が冷却液圧よりも相対的に大きくなればアノードガスにより各燃料電池１０が押されてアノード極側体積Ｖａｎが大きくなり、冷却液圧がアノードガス圧よりも相対的に大きくなれば冷却液により各燃料電池１０が押されてアノード極側体積Ｖａｎが小さくなる。したがって、図８に示すように、補正係数ΔＶａｎは、アノードガス圧力Ｐａｎから冷却液圧Ｐｃｌを差し引いた差圧が大きくなるほど大きな値に設定される。

（３）式に基づく拡散消費水素量Ｎｄの算出に際し、アノードガス圧力Ｐａｎと冷却液圧Ｐｃｌとの差圧に応じて定まる補正係数ΔＶａｎを用いることで、拡散消費水素量Ｎｄの算出精度を高めることができる。その結果、図６のＳ１０８において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。なお、（３）式におけるｆ（Ｔ）は、（２）式の場合と同様に、燃料電池スタック１の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。

さらに、コントローラ６は、（３）式ではなく、以下の（４）式により拡散消費水素量Ｎｄを算出するよう構成されてもよい。

（４）式では、拡散消費水素量Ｎｄの算出に際し、アノード系内のアノードガス濃度（水素濃度）が考慮されている。補正係数Ｃは、燃料電池スタック１のアノード系内のアノードガス濃度に応じて定まる補正係数である。

燃料電池システム１００では、アノードガス濃度が高くなるほど、放置停止処理時にアノード極側からカソード極側に拡散する水素量は多くなる。したがって、補正係数Ｃは、図９に示すようにアノードガス濃度が高くなるほど大きな値に設定される。

（４）式に基づく拡散消費水素量Ｎｄの算出に際し、燃料電池スタック１のアノード系内のアノードガス濃度に応じて定まる補正係数Ｃを用いることで、拡散消費水素量Ｎｄの算出精度を高めることができる。その結果、図６のＳ１０８において、ドライ処理終了条件をより正確に判定することが可能となる。なお、（４）式におけるｆ（Ｔ）は、（２）式の場合と同様に、燃料電池スタック１の温度に応じて定まる補正係数としてもよい。

本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６は、ドライ処理を実行した後に放置停止処理を実行するよう構成されているが、ドライ処理を実行せずに放置停止処理を実行するよう構成されてもよい。この場合には、システム停止要求後に燃料電池スタック１の内部インピーダンスを検出し、検出した内部インピーダンスに応じてアノードガス圧力を所定の放置開始圧力に制御した後に、放置停止処理を実行する。

コントローラ６は、システム停止制御のＳ１０６〜Ｓ１０８においてドライ処理終了条件が成立したか否かを判定する。しかしながら、ドライ処理終了条件の判定としては、Ｓ１０６〜Ｓ１０８の全てを実行するのではなく、Ｓ１０６〜Ｓ１０８の処理のうち少なくとも一つの処理を実行すればよい。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
４ 冷却装置
６ コントローラ
１０ 燃料電池
１１１ 電解質膜
２５ カソードコンプレッサ
２８ カソード調圧弁
３１ 高圧タンク
３３ アノード調圧弁
３４ アノード圧力センサ
３８ パージ弁
４４ 温度センサ
４５ 温度センサ
５１ 電流センサ
５２ 電圧センサ
５３ 走行モータ
５６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ コントローラ
６１ イグニッションスイッチ

Claims (9)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池のアノード系内にアノードガスを封入した状態で運転停止する放置停止処理を実行する燃料電池システムであって、
   システム停止要求後に、前記燃料電池の内部インピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
   前記燃料電池のアノードガス圧力を、前記内部インピーダンスに応じた所定圧に制御する圧力制御部と、
   前記所定圧を放置開始圧力として前記放置停止処理を実行する放置停止処理実行部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記圧力制御部は、前記内部インピーダンスの値が大きいほど前記所定圧を低下させる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   システム停止要求後に、前記燃料電池の電解質膜を乾燥させるドライ処理を所定期間実行するドライ処理実行部をさらに備え、
   前記インピーダンス検出部は、前記ドライ処理中に前記燃料電池の内部インピーダンスを検出し、
   前記放置停止処理実行部は、前記ドライ処理後に前記放置停止処理を実行する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが予め設定された基準値を超えてから所定時間経過した場合に、前記ドライ処理を終了させる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが前記基準値よりも大きく設定されたドライ限界値を超えた場合に、前記ドライ処理を終了させる、
   燃料電池システム。
6. 請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記ドライ処理中の前記燃料電池の出力電流から、前記燃料電池の発電により消費された水素量である発電消費水素量を算出し、当該発電消費水素量を用いて単位時間当たりの発電消費水素量の変化量を算出する第１算出部と、
   前記ドライ処理中のアノードガス圧力から、当該アノードガス圧力を放置開始圧力として前記放置停止処理を実行した場合におけるアノード極側からカソード極側へ拡散する水素量である拡散消費水素量を算出し、当該拡散消費水素量を用いて単位時間当たりの拡散消費水素量の変化量を算出する第２算出部と、をさらに備え、
   前記ドライ処理実行部は、前記内部インピーダンスが予め設定された基準値以上で、かつ前記発電消費水素量の変化量の絶対値が前記拡散消費水素量の変化量の絶対値以上である場合に、前記ドライ処理を終了させる、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２算出部は、燃料電池温度に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
   燃料電池システム。
8. 請求項６又は７に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２算出部は、アノードガス圧力と前記燃料電池を冷却する冷却液の液圧との差圧に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
   燃料電池システム。
9. 請求項６から８のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記第２算出部は、前記燃料電池のアノード系内のアノードガスの濃度に応じて定まる補正係数を用いて、前記拡散消費水素量を算出する、
   燃料電池システム。

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