JP5199645B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。

このような燃料電池の発電を停止させる場合、アノードへの水素供給、及び、カソードへの空気供給を停止することが一般的である。そして、燃料電池の再起動性を高める技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−１３９９９１号公報

ところが、燃料電池の発電停止後、ある程度の時間が経過すると、アノード流路の水素が、電解質膜（固体高分子膜）を透過し、カソード流路にリークする。一方、カソード流路の空気（酸素）は、電解質膜を透過し、アノード流路にリークする。
ここで、アノード流路の上流及び下流は、一般に、燃料電池の発電停止中閉じられるが、カソード流路の上流及び下流、特に、コンプレッサ（酸化剤ガス供給源）に連通する上流は、燃料電池の発電停止中もコンプレッサを介して外部と連通していることが一般的である。

（１）そして、このように燃料電池の発電停止中において、カソード流路が外部と連通していると、アノード流路からリークした水素が外部に流出すると共に、カソード流路には空気が外部から流入し、カソード流路は略空気で満たされることになる。
そうすると、空気で略満たされたカソード流路に基づくカソード電位は、水素と空気とが混在するアノード流路に基づくアノード電位よりも高くなる。そして、このようにカソード電位が高くなると、セル電圧（カソード電位とアノード電位との差）は、大きくなる。なお、水素と空気とが混在するアノード流路に基づくアノード電位は、略０である。

（２）その後、燃料電池の発電停止状態が継続すると、カソード流路の空気が電解質膜を透過し、アノード流路にリークする。そして、このようにアノード流路に空気がリークすると、リークした空気中の酸素がアノードの触媒下で電極反応を生成し、アノード電位が上昇し、カソード電位に近づき、その結果、セル電圧は低下する。

そして、前記した（１）、（２）のようにカソード電位が高い状況に場合において、燃料電池システムが再起動し、カソード流路に空気が供給されると、カソード電位がさらに上昇し、燃料電池（電解質膜、アノード、カソード等）が劣化する虞がある。

そこで、本発明は、燃料電池の発電停止後におけるカソード電位の上昇を抑え、再起動時における燃料電池の劣化を防止可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の発電停止後に、所定時間経過毎に、当該燃料電池のカソード電位に関する電位量を検出する電位量検出手段と、前記電位量検出手段が検出した電位量を記憶する電位量記憶手段と、今回の電位量と前回の電位量との差である電位量差を算出し、算出した電位量差が所定電位量差以上である場合、再起動によりカソード電位が上昇しても前記燃料電池の劣化しないカソード電位以下となるように、今回の電位量差に基づいて燃料ガスの目標供給量を算出し、算出した目標供給量の燃料ガスが前記燃料ガス流路に供給されるように、前記燃料ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の発電停止中、前記酸化剤ガス流路が外部と連通することを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、カソード電位に関連する電位量としては、例えば、カソード電位（vs SHE）、アノード電位（vs SHE）、セル電圧（カソード電位−アノード電位）、酸化剤ガス流路における燃料ガス又は酸化剤ガスの濃度、発電停止後の経過時間が挙げられる。

このような燃料電池システムによれば、今回検出された電位量と、前回検出され電位量記憶手段に記憶されている電位量との差である電位量差が、所定電位量差以上である場合、制御手段が、再起動によりカソード電位が上昇しても燃料電池の劣化しないカソード電位以下となるように、今回の電位量差に基づいて算出される目標供給量の燃料ガスが燃料ガス流路に供給されるように、燃料ガス供給手段を制御する。
そうすると、燃料ガス流路に供給された燃料ガスは、電解質膜を透過して、酸化剤ガス流路にリークする。そして、酸化剤ガス流路における燃料ガスの量が増加し、カソード電位が低下する。

このようにして、燃料電池の発電停止後におけるカソード電位の上昇が抑えられるので、その後、システムが再起動し、酸化剤ガスがカソード流路に新たな供給され、カソード電位が上昇しても、カソード電位が燃料電池の劣化する電位に到達することはない。その結果、燃料電池（ＭＥＡ等）の劣化を防止できる。

また、前記目標供給量は、今回の電位量差が大きいほど、多くなるように設定されることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、今回の電位量差が大きいほど、燃料ガスの目標供給量が多くなるように設定（補正）される。これにより、適切な量の燃料ガスを、燃料ガス流路に供給することができる。

また、前記目標供給量は、前記燃料電池の発電停止からの経過時間が短いほど、多くなるように設定されることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止からの経過時間が短いほど、燃料ガスの目標供給量が多くなるように設定（補正）される。これにより、適切な量の燃料ガスを、燃料ガス流路に供給することができる。

また、前記目標供給量は、発電停止時における前記燃料電池の温度が高いほど、多くなるように設定されることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、発電停止時における燃料電池の温度が高いほど、燃料ガスの目標供給量が多くなるように設定（補正）される。これにより、適切な量の燃料ガスを、燃料ガス流路に供給することができる。

また、前記燃料ガス供給手段は、燃料ガス源と、第１遮断弁と、圧力調整手段と、第２遮断弁とを備え、前記燃料ガス源の燃料ガスが、前記第１遮断弁、前記圧力調整手段、前記第２遮断弁を順に介して、前記燃料ガス流路に供給され、前記燃料電池の発電を停止させる場合、前記第１遮断弁及び前記第２遮断弁が閉じられ、前記燃料電池の発電停止後において前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する場合、前記制御手段は、前記第１遮断弁を閉じたまま、前記第２遮断弁を開くことを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後において燃料ガス流路に燃料ガスを供給する場合、制御手段は、第１遮断弁を閉じたまま、第２遮断弁を開く。これにより、第１遮断弁と第２遮断弁との間に残留する燃料ガスを、燃料ガス流路に供給することができる。

本発明によれば、燃料電池の発電停止後におけるカソード電位の上昇を抑え、再起動時における燃料電池の劣化を防止可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１のカソード電位を検出するための標準水素電極２１及び電圧センサ２３と、燃料電池スタック１０のアノード１４に対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０のカソード１５に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、ＩＧ５１（イグニッション）等と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。なお、図１では、１つの単セル１１のみを記載している。
単セル１１は、ＭＥＡ１２（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ１６及びカソードセパレータ１７と、を備えている。ＭＥＡ１２は、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜１３（固体高分子膜）と、これを挟むアノード１４及びカソード１５（電極）とを備えている。

アノード１４及びカソード１５は、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード１４及びカソード１５における電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータ１６には、各ＭＥＡ１２のアノード１４に対して水素を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１６ａ（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータ１７には、各ＭＥＡ１２のカソード１５に対して空気を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がカソード流路１７ａ（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１６ａを介して各アノード１４に水素が供給され、カソード流路１７ａを介して各カソード１５に空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

＜標準水素電極＞
標準水素電極２１（Standard Hydrogen Electrode：ＳＨＥ）は、例えば、多孔質の水素拡散層からなる可逆水素電極（Reversible Hydrogen Electrode：ＲＨＥ）を用いることができる。これは、カソード電位（カソード電位に関連する電位量）を検出するための基準電極である。標準水素電極２１を構成するための水素は、例えば、後記する水素タンク３１から、カソード電位の検出時にＥＣＵ６０の指令に従って開かれる常閉型の開閉弁（図示しない）を介して、導かれる。

また、標準水素電極２１を構成する電解質溶液が満たされた液路には、カソード１５の一部が浸漬されており導通している。さらに、標準水素電極２１の電極本体は、カソード電位の検出時にＯＮされるスイッチ２２、電圧センサ２３（電位量検出手段）を介して、カソード１５に接続されている。

そして、カソード電位の検出時に、前記開閉弁が開かれ、スイッチ２２がＯＮされると、電圧センサ２３がカソード電位（vs SHE）を検出し、これをＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク３１（燃料ガス源）と、第１遮断弁３２と、減圧弁３３（圧力調整手段）と、第２遮断弁３４と、エゼクタ３５と、パージ弁３６と、温度センサ３７とを備えている。
水素タンク３１は、配管３１ａ、第１遮断弁３２、配管３２ａ、減圧弁３３、配管３３ａ、第２遮断弁３４、配管３４ａ、エゼクタ３５、配管３５ａを介して、アノード流路１６ａの入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０の指令に従って第１遮断弁３２及び第２遮断弁３４が開かれると、水素が、水素タンク３１から、第１遮断弁３２等を経由して、アノード流路１６ａに供給されるようになっている。減圧弁３３は、水素タンク３１からアノード流路１６ａに向かう水素を、所定圧力に減圧させるものである。

すなわち、本実施形態では、配管３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａによって、アノード流路１６ａに供給される水素（燃料ガス）の水素供給流路（燃料ガス供給流路）が構成されている。

アノード流路１６ａの出口には、配管３６ａ、パージ弁３６、配管３６ｂが順に接続されている。また、配管３６ａの途中は、配管３６ｃを介して、エゼクタ３５に接続されている。

パージ弁３６は常閉型の電磁弁であって、パージ弁３６が閉じている場合、アノード流路１６ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスがエゼクタ３５に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
一方、循環する水素に同伴する水蒸気等の不純物が増加し、セル電圧モニタ（図示しない）を介して単セル１１の電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、ＥＣＵ６０によりパージ弁３６が開かれ、水蒸気等の不純物が、配管３６ｂを介して、車外に排出されるようになっている。

温度センサ３７（燃料電池温度検出手段）は、配管３６ａに配置されており、アノード流路１６ａから排出されたアノードオフガスの温度を、燃料電池スタック１０の温度として検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
ただし、燃料電池スタック１０の温度を検出する温度センサ３７の位置は、これに限定されず、カソードオフガスが流通する配管４２ａ、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が流通する配管（図示しない）、燃料電池スタック１０の筐体に配置する構成としてもよい。また、温度センサ３７を複数設け、誤検出を防止してもよい。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ４１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁４２（圧力調整手段）とを備えている。
コンプレッサ４１は、配管４１ａを介して、カソード流路１７ａの入口に接続されており、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１７ａに供給するようになっている。なお、配管４１ａには、カソード流路１７ａに向かう空気を適宜に加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。

カソード流路１７ａの出口には、配管４２ａ、背圧弁４２、配管４２ｂが接続されており、カソード流路１７ａから排出されたカソードオフガスが、配管４２ａ等を介して車外（外部）に排出されるようになっている。背圧弁４２は、ＥＣＵ６０の指令に従って、背圧、つまり、カソード流路１７ａ内のガスの圧力を調整するようになっている。

＜ＩＧ＞
ＩＧ５１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ５１はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０はＩＧ５１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０（制御手段、電位量記憶手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
なお、ＥＣＵ６０による具体的制御内容は、図２のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を主に参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、ＩＧ５１がＯＦＦされると、図２に示す処理がスタートする。また、初期状態（ＩＧ５１のＯＦＦ前）において、第１遮断弁３２及び第２遮断弁３４は開くと共に、コンプレッサ４１は作動しており、燃料電池スタック１０は発電している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、第１遮断弁３２及び第２遮断弁３４を閉じ、アノード流路１６ａへの水素の供給を停止する。また、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ４１を停止し、カソード流路１７ａへの空気の供給を停止する。さらに、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０と走行モータ等を含む外部回路との接続をＯＦＦし、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
また、ここでは、燃料電池スタック１０の発電停止後において、背圧弁４２が開放される場合を例示する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、温度センサ３７を介して、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度を検出し、これを内部メモリ（ＲＡＭ等）に記憶する。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、内部クロックを利用して、ステップＳ１０１、後記するステップＳ１０５の判定結果がＮｏ、又は、後記するステップＳ１０９の後、所定時間Δｔ経過したか否かを判定する。所定時間Δｔ１（例えば５分）は、燃料電池スタック１０の発電停止後、カソード電位の上昇を抑えるべく、カソード電位を定期的に検出する時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
なお、所定時間Δｔ１を可変、例えば、燃料電池スタック１０の発電停止からの時間が経過するにつれて、所定時間Δｔ１を徐々に長くする構成としてもよい。

所定時間Δｔ１経過したと判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３の判定を繰り返す。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０（電位量記憶手段）は、電圧センサ２３を介して、カソード電位（今回カソード電位）を検出する。そして、ＥＣＵ６０は、検出された今回カソード電位を、内部メモリ（ＲＡＭ等）に記憶する。

なお、この後、後記するステップＳ１０５の判定結果がＮｏ、又は、ステップＳ１０９の後、ステップＳ１０３の判定結果がＹｅｓとなりステップＳ１０４に進んだ場合も、ＥＣＵ６０は、再び、カソード電位を検出し、これを記憶する。

すなわち、燃料電池スタック１０の発電停止後、所定時間Δｔ１が経過する毎に、ステップＳ１０４の処理が実行される。そして、ＥＣＵ６０には、初回を除き、今回のステップＳ１０４で検出されたカソード電位（今回カソード電位）と、前回のステップＳ１０４で検出されたカソード電位（前回セル電圧）とが記憶される。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、内部メモリに記憶されている、今回カソード電位と前回カソード電位との差が、所定値（所定電位量差）以上であるか否かを判定する。
今回カソード電位と前回カソード電位との差が、所定値以上であると判定された場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、今回カソード電位と前回カソード電位との差が、所定値以上でないと判定された場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。
なお、ステップＳ１０５における初回判定では、判定結果がＮｏとなるように設定されている。

ここで、燃料電池スタック１０の発電停止後におけるアノード電位（vs SHE）、カソード電位（vs SHE）、セル電圧（カソード電位−アノード電位）の動きを、図５を参照して説明する。
アノード電位は、発電停止時において略０である。そして、発電停止後、カソード流路１７ａからアノード流路１６ａに空気がリークするが、アノード電位は、継続して略０を示す。

カソード電位は、発電停止時においては、ＭＥＡ１２の仕様、カソード流路１７ａの設定圧力等に応じて、例えば、０．７〜０．９Ｖ程度を示す。その後、時間が経過すると、アノード流路１６ａに残留する水素が、電解質膜１３を透過して、カソード流路１７ａにリークし、リークした水素がカソード１５に含まれる触媒下で電極反応すると、カソード電位及びセル電圧が低下する。

そして、カソード流路１７ａの上流及び下流は、開いたままの背圧弁４２等を介して車外（外部）に開放されているので、リークした水素は車外に流出すると共に、車外からカソード流路１７ａに空気が流入する。このようにカソード流路１７ａに空気が流入すると、空気中の酸素がカソード１５の触媒下で電極反応し、カソード電位及びセル電圧が上昇する傾向となる（図５の符号Ａ、Ｂ参照）。
次いで、カソード流路１７ａの空気は、電解質膜１３を透過し、アノード流路１６ａにリークし始める。

アノード流路１６ａに空気がリークすると、リークした空気中の酸素がアノード１４の触媒下で電極反応し、アノード電位が上昇する傾向となる（図５の符号Ｃ参照）。これに対して、カソード電位は上昇したままであるので、アノード電位が上昇すると、セル電圧が低下する傾向となる（図５の符号Ｄ参照）。

そして、このようにカソード電位が上昇している状態で、ＩＧ５１がＯＮされ、このＯＮ信号を検知したＥＣＵ６０が、燃料電池システム１を再起動するべく、コンプレッサ４１を作動させ、カソード流路１７ａに新たに空気を導入すると、この導入された空気中の酸素が電極反応し、カソード電位が上昇し（図５の符号Ｅ参照）、燃料電池スタック１０及びＭＥＡ１２の設計時に予定されていた上限カソード電位Ｖ１よりも高くなる。
一方、アノード流路１６ａには、水素が新たに供給され、この水素が電極反応するので、アノード電位は低下する（図５の符号Ｆ参照）。

そうすると、セル電圧が大きく上昇し（図５の符号Ｇ参照）、設計時に予定されていた上限セル電圧ΔＶ１よりも高くなる。そして、このような状態で電流が取り出されると、予定よりも大きな電流が流れ、ＭＥＡ１２等が劣化する虞がある。

また、カソード電位の上昇程度は、カソード１５に含まれる触媒の活性の程度に関係し、触媒の活性が高いほど、つまり、触媒の温度が高いほど、カソード電位は大きく上昇する傾向となる。したがって、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度が高いほど、また、発電停止からの経過時間が短いほど、カソード電位は大きく上昇する傾向となる。

本実施形態では、このようなアノード電位、カソード電位、及び、セル電位の動きを考慮した上で、今回カソード電位と前回カソード電位との差が、所定値以上である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、アノード流路１６ａに水素を供給し、水素をカソード流路１７ａにリークさせ、カソード電位の上昇を抑えることを特徴とする。

そして、システムが再起動し、カソード流路１７ａに空気が新たに供給され、カソード電位が上昇しても、カソード電位が上限カソード電位Ｖ１以下となるように、つまり、発電停止後から再起動前のカソード電位が、発電停止後から再起動前の上限カソード電位Ｖ２以下となるように、カソード電位の上昇を抑えることを特徴とする。
なお、発電停止後から再起動前の上限カソード電位Ｖ２は、例えば、上限カソード電位Ｖ１から、再起動時におけるカソード電位の上昇量（ΔＶ５）を減じた電位に設定される。

したがって、ステップＳ１０５において判定基準となる所定値は、ステップＳ１０３における所定時間Δｔ１と関係すると共に（所定時間Δｔ１が短くなると、所定値は小さくなる）、ＭＥＡ１２等の仕様に関係し、ＩＧ５１がＯＮされ、システムが再起動し、カソード電位がΔＶ５上昇しても、上昇後のカソード電位が上限カソード電位Ｖ１以下となり、ＭＥＡ１２等が劣化しない値に設定される。そして、このような所定値は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

図２に戻って説明を続ける。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、今回カソード電位と前回カソード電位との差（電位量差）及び発電停止時の燃料電池スタック１０の温度と、図３のマップとに基づいて、アノード流路１６ａに供給すべき水素の量（目標供給量）、及び、第２遮断弁３４の開時間Δｔ２（水素供給時間、目標供給量）を算出する。次いで、発電停止からの時間と図４のマップと基づいて補正係数Ｘを求め、第２遮断弁３４の開時間Δｔ２に補正係数Ｘを乗算し、補正する。

なお、図３及び図４のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
図３に示すように、今回カソード電位と前回カソード電位との差が大きいほど、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度が高いほど、第２遮断弁３４の開時間Δｔ２が長くなるように、つまり、アノード流路１６ａに供給され、カソード流路１７ａにリークする水素供給量が多くなるように設定されている。

図４に示すように、補正係数Ｘは、発電停止時は１であり、発電停止から時間が経過するにつれて徐々に大きくなるように設定されている。これにより、発電停止から時間が経過するほど、第２遮断弁３４の開時間Δｔ２が長くなり、カソード流路１７ａにリークする水素が多くなるように設定されている。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、第１遮断弁３２を閉じたまま、第２遮断弁３４を開く。
ここで、アノード流路１６ａの残留水素は、電解質膜１３を透過して、カソード流路１７ａにリークしているので、アノード流路１６ａを含む第２遮断弁３４の下流側の圧力は、第１遮断弁３２と減圧弁３３との間における圧力（減圧弁３３の一次側圧力）よりも低い状況となっている。

このような状況において、第２遮断弁３４が開かれると、減圧弁３３が開き、配管３２ａ内の残留水素が、減圧弁３３の下流に流れ込み、アノード流路１６ａに水素が供給される。
すなわち、本実施形態において、配管３２ａは、燃料電池スタック１０の発電停止後に、アノード流路１６ａに供給する水素を一時的に貯溜するためのバッファ部として機能している。よって、配管３２ａを例えば部分的に太くし、水素の貯溜量を大きくする構成としてもよい。

次いで、アノード流路１６ａに供給された水素は、電解質膜１３を透過し、カソード流路１７ａにリークする。そうすると、カソード流路１７ａにおける水素濃度が高くなると共に、水素の一部は、カソード１５の触媒下で反応し、その結果、カソード電位及びセル電圧が低下する（図５の符号Ｈ、Ｉ参照）。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、内部クロックを利用して、ステップＳ１０７で第２遮断弁３４を開いた後、ステップＳ１０６で算出された補正後の開時間Δｔ２が経過したか否かを判定する。
補正後の開時間Δｔ２経過したと判定された場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。補正後の開時間Δｔ２経過していないと判定された場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０８の判定を繰り返す。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ６０は、第２遮断弁３４を閉じる。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
燃料電池スタック１０の発電停止後において、所定時間Δｔ１経過毎に、繰り返して、今回カソード電位を検出し、今回カソード電位と前回カソード電位との差が所定値以上である場合、アノード流路１６ａに水素を供給し、水素をカソード流路１７ａにリークさせるので、カソード電位の上昇を抑えることができる。
これにより、その後にＩＧ５１がＯＮされ、燃料電池システム１が再起動し、カソード流路１７ａに新たに空気が供給されたとしても、カソード電位及びセル電圧が、ＭＥＡ１２等が劣化する上限カソード電位Ｖ１及び上限セル電圧ΔＶ１よりも高くなることは、防止される。

また、第２遮断弁３４の開時間Δｔ２、つまり、カソード流路１７ａにリークさせる水素の量は、今回カソード電位と前回カソード電位との差、発電停止時における燃料電池スタック１０の温度、発電停止からの時間に基づいて、適切に求めることができる。

さらに、燃料電池システム１は、燃料ガス源である水素タンク３１からアノード流路１６ａに向かって順に、第１遮断弁３２、減圧弁３３、第２遮断弁３４を備えるので、第２遮断弁３４を開くことにより、アノード流路１６ａに水素を供給することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の発電停止後（燃料電池システム１の停止後）、背圧弁４２が開放される構成を例示したが、燃料電池スタック１０の発電停止後、背圧弁４２を閉じ、外部から配管４２ｂ等を介してカソード流路１７ａへの空気の流入を低減する構成に、本発明を適用してもよい。
この構成の場合、カソード流路１７ａに流入する空気が減少するので、カソード電位の上昇が遅れることになる。ただし、停止中に氷点下等の低温環境に曝される場合、背圧弁４２が完全に閉じたまま凍結することを防止するため、背圧弁４２は小さい開度にて開いたままにすることが好ましい。

前記した実施形態では、発電停止後にカソード電位が上昇した場合、第２遮断弁３４を開き、配管３２ａ内の残留水素をアノード流路１６ａに供給する構成を例示したが、さらに、第１遮断弁３２を開き、水素タンク３１内の水素を供給する構成としてもよい。
また、例えば、配管３５ａから分岐するように、水素を一時的に貯溜するタンクを設け、このタンクからアノード流路１６ａに水素を供給する構成としてもよい。

前記した実施形態では、発電停止後に、水素をアノード流路１６ａに供給し、そして、水素をカソード流路１７ａにリークさせることで、カソード電位の上昇を抑える構成としたが、その他に例えば、適宜な配管を介して、カソード流路１７ａに水素を直接供給する構成としてもよい。

前記した実施形態では、発電停止後におけるアノード流路１６ａへの水素供給を、第２遮断弁３４の開時間（水素の供給時間）に基づいて制御したが、その他に例えば、配管３２ａに圧力センサを設けて、圧力変化に基づいて制御してもよい。また、第１遮断弁３２を開き、水素タンク３１からも水素を供給する場合、例えば、配管３１ａに圧力センサを設けるとよい。
また、アノード流路１６ａの圧力を検出する圧力センサを設けて、アノード流路１６ａの圧力が所定圧力に到達した場合（所定圧力上昇した場合）、水素が供給されたと予想して、水素供給を停止する構成としてもよい。

前記した実施形態では、発電停止後にカソード電位を検出し、カソード電位の変化量に基づいて水素を供給する構成としたが、その他に例えば、発電停止後にアノード流路１６ａに空気がリークし、アノード電位が上昇した場合、カソード電位も上昇していると予想されるので、アノード電位の変化量、つまり、アノード電位が上昇したとき、水素を供給する構成としてもよい。

また、発電停止後、カソード電位の低下に伴って、セル電圧が低下し、その後、カソード電位の上昇に伴って、セル電圧が上昇するので、セル電圧が一旦低下した後に上昇した場合、カソード電位が上昇していると予想して、水素を供給する構成としてもよい。

さらに、カソード流路１７ａへのリークにより、カソード流路１７ａの水素濃度が一旦高くなった後、水素が車外に流出し、水素濃度が低下すると、カソード電位が上昇するので、カソード流路１７ａにおける水素濃度を検出する水素センサを適所に設け、水素濃度の変化に基づいて、水素供給を制御する構成としてもよい。

さらにまた、発電停止後、カソード電位は一旦低下した後に上昇するので、発電停止から所定時間経過した後、カソード電位は上昇していると予想して、発電停止からの経過時間に基づいて水素供給を制御する構成としてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 今回カソード電位と前回カソード電位との差と、第２遮断弁の開時間Δｔ２と、発電停止時における燃料電池スタックの温度との関係を示すマップである。 燃料電池スタックの発電停止からの経過時間と、補正係数Ｘとの関係を示すマップである。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
１２ ＭＥＡ
１３ 電解質膜
１４ アノード
１５ カソード
１６ａ アノード流路（燃料ガス流路）
１７ａ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１ 標準水素電極
２３ 電圧センサ（電位量検出手段）
３１ 水素タンク（燃料ガス源、燃料ガス供給手段）
３２ 第１遮断弁（燃料ガス供給手段）
３３ 減圧弁（圧力調整手段、燃料ガス供給手段）
３４ 第２遮断弁（燃料ガス供給手段）
３７ 温度センサ（燃料電池温度検出手段）
６０ ＥＣＵ（電位量記憶手段、制御手段）
Ｖ１ 起動時における上限カソード電位
Ｖ２ 発電停止中における上限カソード電位
ΔＶ１ 起動時における上限セル電圧
Δｔ２ 第２遮断弁３４の開時間（水素供給時間、目標供給量）

Claims (6)

1. 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電停止後に、所定時間経過毎に、当該燃料電池のカソード電位に関する電位量を検出する電位量検出手段と、
   前記電位量検出手段が検出した電位量を記憶する電位量記憶手段と、
   今回の電位量と前回の電位量との差である電位量差を算出し、算出した電位量差が所定電位量差以上である場合、再起動によりカソード電位が上昇しても前記燃料電池の劣化しないカソード電位以下となるように、今回の電位量差に基づいて燃料ガスの目標供給量を算出し、算出した目標供給量の燃料ガスが前記燃料ガス流路に供給されるように、前記燃料ガス供給手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記燃料電池の発電停止中、前記酸化剤ガス流路が外部と連通する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記目標供給量は、今回の電位量差が大きいほど、多くなるように設定される
   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. 前記目標供給量は、前記燃料電池の発電停止からの経過時間が短いほど、多くなるように設定される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記目標供給量は、発電停止時における前記燃料電池の温度が高いほど、多くなるように設定される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料ガス供給手段は、燃料ガス源と、第１遮断弁と、圧力調整手段と、第２遮断弁とを備え、
   前記燃料ガス源の燃料ガスが、前記第１遮断弁、前記圧力調整手段、前記第２遮断弁を順に介して、前記燃料ガス流路に供給され、
   前記燃料電池の発電を停止させる場合、前記第１遮断弁及び前記第２遮断弁が閉じられ、
   前記燃料電池の発電停止後において前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する場合、前記制御手段は、前記第１遮断弁を閉じたまま、前記第２遮断弁を開く
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路の下流に、前記酸化剤ガス流路内のガスの圧力を調整する背圧弁を備え、
   前記燃料電池の発電停止後、前記制御手段は、前記背圧弁を閉じ、外部から前記酸化剤ガス流路への空気の流入を低減する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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