JPWO2005078844A1 - 燃料電池システム及び残留燃料ガスの除去方法 - Google Patents

Abstract

余剰電力を消費する手段に制限がある場合でも残留した水素ガスを速やかに消耗することが可能な燃料電池システムを提供する。運転停止時に余剰な燃料ガスを燃料電池（１０）により発電させて二次電池（４１）に充電させ、充電不能な余剰電力を消費手段（２２、３３、１３）で消費させる燃料電池システムにおいて、燃料電池による発電によって発生する余剰電力を消費手段に消費させる際に、システムにおける制限状態を検出し、検出された当該制限状態に基づいて燃料電池によって発電させる電力を変更する。

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に運転停止時における燃料電池内及びガス配管内に残留する余剰な燃料ガスを発電によって消費させる燃料電池システムの改良に関する。

従来、運転停止時に配管内に残留している水素ガスを燃料電池によって発電させて消費する燃料電池システムが開発されていた。例えば特開２００１−２２９９５１号公報には、バッテリの充電状態に応じて、残留水素による発電電力のバッテリへの充電と放電抵抗回路への放電とを切り換える移動体用燃料電池システムが開示されている。
具体的には、余剰電力がバッテリに充電可能な程度の電圧であり、かつバッテリが過充電にならない条件下では、余剰電力をバッテリに充電し、バッテリが満充電の場合または余剰電力が充電可能なほどの電圧でない条件下では、放電抵抗回路に余剰電力を放電させるものであった。
当該公知技術によれば、システム停止時にバッテリの充電状態と放電抵抗回路への放電とを切り替えることによってエネルギー効率を改善し、かつ残留水素濃度を速やかに低減させることができた。

しかし、上記従来の技術では、燃料電池に発電させる余剰電力の値は一定値のままであったため、余剰電力を消費させる構成要素の状態によっては不都合が生ずる場合があった。例えば、電力を消費させる手段をモータ類とした場合、モータ類にはＮＶ要求などの制約があるため、バッテリに充電不可能であった残余の電力を消費できなくなる可能性があった。このような場合にはバッテリへの充電及びモータ類で消費できる電力の合計が一定値にならず、結局発電させる電力が低下し、残留した水素ガスを短い時間に処理できなくなる。
そこで本発明は、余剰電力を消費する手段に制限がある場合でも残留した水素ガスを速やかに除去することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおいて、残留している燃料ガスを燃料電池に供給し、燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費手段に消費させるものであって、システムの運転状態に基づいて燃料電池の発電状態を変更可能に構成されている。
また、本発明は、運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給する手段と、燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費する消費手段と、システムにおける運転状態を検出する手段と、検出された運転状態に基づいて燃料電池の発電状態を変更する手段と、を備えている。
さらに本発明は、運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおける残留燃料ガスの除去方法であって、運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給させるステップと、燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費手段により消費させるステップと、システムにおける運転状態を検出するステップと、検出された運転状態に基づいて燃料電池の発電状態を変更するステップと、を備えている。
上記構成によれば、残留している燃料ガスによって燃料電池が発電した余剰電力の少なくとも一部が消費手段により消費される。また、システムの運転状態に応じて燃料電池の発電状態を変更するので、消費手段やその状態を選ばず残留している燃料ガスを消耗することができ、消費制御領域を拡大することができる。
ここで、「運転停止時」とは、燃料電池の発電（運転）が停止している場合であるが、燃料電池の運転中に運転停止要求があり一時的に停止したような場合を含む。
「燃料ガス」とは狭義には水素ガスを意味するが、以下では酸素源である酸化ガス、例えば空気も含めるものとする。
また、「残留している燃料ガス」とは、上記運転停止時に燃料ガスの供給が停止された時及びその後に、燃料電池内部（例えばスタックの流路等）や燃料電池に接続されている燃料ガス供給配管内に残っている燃料ガスをいう。
また「燃料電池システム」または「システム」とは、燃料電池を運転させるための構成装置であって、例えば、燃料電池（例えば燃料電池スタック）、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給配管とその補機（ポンプ等）、酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給配管とその補機（コンプレッサ等）、燃料電池を冷却させる冷却装置（例えば、冷却液ポンプ、冷却ファン）、燃料電池からの電気エネルギーを貯蓄放電する電力系装置（二次電池、キャパシタ、電圧変換装置（コンバータやインバータ））等を含む。
「少なくとも一部」とは消費手段によって消費される以外の残りの電力が例えば二次電池によって蓄積される場合を含む。
また、上記「消費手段」としては、種々のものが考えられるが、利用に制限を生じる場合があっても本発明によれば燃料ガスの消費制御が実施されるので、種々の消費手段を用いることができる。例えば、抵抗回路の他、コンプレッサやポンプ、トラクションモータ、補機モータ等のモータ類を利用可能である。二次電池も一種の消費手段と考えることもできる。
また、「システムの運転状態」とは、当該システムを構成する上記のような構成装置における各種物理量（ガスであればガスの温度、流量、圧力等、補機類であれば回転数、消費パワー等、冷却装置であればポンプ回転数、冷却液温度等、電力系装置であれば、電力、電流、電圧、温度等を含む。
また「燃料電池の発電状態」としては、出力側として捉えた場合には発電電力、発電電流、発電電圧等の要素を含み、また入力側として捉えた場合には燃料ガスや酸化ガスの供給量、当該供給量に相関関係のある補機や弁類の動作状態を変更することによって結果的に発電に影響を与える要素をも含む。
例えば、燃料電池の発電状態を変更すべき、システムの運転状態としては、上記システムにおける制限状態であることが好ましい。このような構成によれば、制限状態がある場合にのみ発電電力が抑制されるので、全体として最大限の発電力を確保でき残留した燃料ガスの消耗時間を短縮することができる。
例えば、上記消費手段は、燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段であって、駆動手段による燃料ガスの供給量の変化と当該駆動手段によって消費される電力とに基づいて燃料電池によって発電させる電力を変更することは好ましい。当該駆動手段はその特性に応じて最大電流等の制限があるが、本発明によればその制限を検出して、駆動手段で消費できる電力量に応じて発電電力が変更される。
なお「電力の変更」は必ずしも電力値が変わることは意味しない。電力値自体に変更はなくても電流値や電圧値が変更された場合には本発明の電力の変更と考えられる。
また変更された発電電力値に基づいて、燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段の駆動量を変更するようにすることは好ましい。燃料電池による発電電力量が変更されると燃料電池にその変更した発電電力で発電するように制御する必要があるが、この構成によれば、駆動手段の駆動量が調整されるので、発電電力の調整が可能である。
ここで消費手段に消費させる電力は、燃料電池により発電された余剰電力のうち、蓄電装置に充電可能な電力以外の電力であることは好ましい。残留している燃料ガスを蓄電装置に充電できるものならば充電しておくことが燃料ガスを有効に利用する上で好ましいからである。蓄電装置に充電不能な場合に消費手段で消費させることにし、本発明の電力制限処理を実施すればよい。
また本発明は、燃料電池により発電させることによって、残留している燃料ガスの圧力が所定値以下になった場合に正常終了処理させる。残留している燃料ガスの圧力が所定値以下になるということは、残留している燃料ガスが十分消耗されたことを意味する。このため燃料ガスが十分消耗された場合には所期の目的を達成したことになるため、正常にシステムを終了させる。例えば、燃料電池による発電を停止させ、消費手段による電力消費を停止する。
また本発明は、残留している燃料ガスの圧力が所定時間経過後にも所定値以下にならなかった場合に異常終了処理させる。残留している燃料ガスの圧力が長い時間下がらない場合には何らかのシステム異常が生じていると考えられるため、異常終了をさせる。例えば燃料電池を停止させる制御をし、ユーザに異常である旨を告知することが考えられる。
本発明の制限状態の具体例として、蓄電装置を備えている場合、制限状態を、蓄電装置への充電電流の制限状態とすることが考えられる。当該システムによれば、制限状態として、蓄電装置への充電制限を考慮するので、過充電から蓄電装置を保護したり、蓄電装置に電力（電流）を供給する電圧変換装置を保護したりすることが可能である。
なお、蓄電装置の制限状態とは、充電可能残量、蓄電装置の温度、劣化状態等、蓄電機能を阻害する要因に関する物理量を意味する。
また他の制限状態の具体例として、電圧変換装置を備えている場合、制限状態を、電圧変換装置の温度に基づく制限状態とすることが考えられる。当該システムによれば、制限状態として、電圧変換装置の温度を考慮するので、電圧変換装置の通過電力が多くて過剰に発熱することが制限されるので、電圧変換装置を構成する素子を保護することが可能である。
さらに他の制限状態の具体例として、制限状態を、燃料電池の内部温度に基づく制限状態とすることが考えられる。当該システムに依れば、制限状態として、燃料電池の内部温度を考慮するので、過剰な発熱から燃料電池内の電解膜を保護することが可能である。
さらにまた他の制限状態の具体例として、制限状態を、燃料電池の発電電圧に基づく制限状態とすることが考えられる。当該システムによれば、制限状態として、燃料電池の発電電圧を考慮するので、燃料電池を構成しているセルの発電電圧が低下している場合に、過剰な発電を回避して、単セルの電解質膜を保護することが可能である。
また他の制限状態に具体例として、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサを備えている場合に、制限状態を、コンプレッサに供給させる酸化ガスの量に対する制限状態とすることが考えられる。当該システムによれば、制限状態として、コンプレッサの酸化ガスの量を考慮するので、過剰な酸化ガスの供給による燃料電池内の単セルの過剰乾燥を回避し、単セルの耐久性を維持することが可能である。

図１： 本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図
図２： 本実施形態に係る燃料電池システムの電流消費方法を説明するフローチャート
図３： 燃料電池のＩ−Ｖ特性と発電電力との関係図
図４： コンバータ出力特性図
図５： 本発明の機能ブロック図

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明の電力制限処理方法を適用したものである。なお、以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。
図５に、本発明の機能ブロックを示す。図５に示すように、本発明は、運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池６により発電させる燃料電池システム１において、燃料電池６による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費手段３に消費させるものであって、消費手段３に消費させる際に、当該システム１における制限状態を検出し、検出された制限状態に基づいて燃料電池６の発電状態によって発電させる電力を変更するものである。
より一般的化すれば、本発明は、燃料電池システム１において、運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池６に供給する手段２と、燃料電池６による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費する消費手段３と、システム１における運転状態を検出する手段４と、検出された運転状態に基づいて燃料電池の発電状態を変更する手段５と、を備えている。これらの機能ブロックは、例えば以下の燃料電池システムで実現される。
図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、ガス流通系統と電気系統とを備える。ガス流通系統は、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための系統と、酸素源である空気を供給するための系統と、燃料電池スタック１０を冷却するための系統とを備えて構成されている。
燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極（カソード）である燃料極側には水素ガスが水素ガス供給路から供給され、陽極（アノード）である空気極側には酸素を含んだガス（空気）が供給される。燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流す。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ … （１）
２Ｈ＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ … （２）
上記式（１）（２）から判るように、水素ガスのみならず空気も発電に寄与する必須の燃料ガスとなっている。
水素ガス供給系統としては、水素タンク１１から燃料電池スタック１０に至る水素ガス供給路上に、元弁ＳＶ１、本発明の圧力調整手段に相当する調圧弁ＲＧ、及び燃料電池入口遮断弁ＳＶ２を備える。また、燃料電池スタック１０出口からの循環経路には、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離機１２及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、及び逆止弁ＲＶを備えている。水素ポンプ１３の下流側では水素オフガスの排出経路が接続しており、排出経路上にパージ遮断弁ＳＶ５が設けられている。
なお、当該実施形態では水素ガス供給系統が循環経路を備えているが、循環経路を備えないものでもよい。また循環経路が調圧弁ＲＧの上流側に接続していてもよい。さらに燃料電池スタック１０で消費しきれない水素ガスを貯留する回収タンクを備えていてもよい。
水素タンク１１には高圧の水素ガスが充填されている。水素タンクとしては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。元弁ＳＶ１は制御部２０の制御信号によって開閉が制御され、水素ガスを供給路に流出させる否かが選択される。
調圧弁ＲＧは循環経路の水素ガス供給圧を所望の圧力に維持する。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２及び出口遮断弁ＳＶ３は、燃料電池の発電停止時等に循環経路内に残留している水素ガスが本発明の動作により消費された後、制御部２０の制御信号に基づいて閉鎖される。気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１０の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。水素ポンプ１３は、制御部２０の制御信号に基づいて、循環経路中の水素ガスを強制循環させる。当該水素ポンプ１３は当該燃料電池システムの消費手段の一部であり、本発明の水素消費制御時に水素ガスを循環させて水素ガスの消耗を早めるように動作する。パージ遮断弁ＳＶ５は、循環経路に接続されパージ時に開放される他、発電停止時に燃料電池スタック１０の発電に供することのできない水素ガスの一部を排出するようになっている。パージ遮断弁ＳＶ５から排出された水素オフガスは図示しない希釈器に供給され、空気オフガスによって希釈されるようになっている。
温度センサｔｓは燃料電池スタック１０の運転温度を検出し、圧力センサｐｓは燃料電池スタック１０内の水素ガス供給圧を検出し、それぞれ制御部２０に検出信号として出力する。
空気供給系統としては、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、本発明の燃料電池システムの消費手段の一部であり、取り入れられた空気を制御部２０の制御信号に基づいて圧縮することによって燃料電池スタック１０に供給される空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気と空気オフガスと間で水分の交換を行って適度な湿度を加える。
燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ３１、ファン３２、及び冷却ポンプ３３を備え、冷却水が燃料電池スタック１０内部に循環供給されるようになっている。図示しないモータを備えるファン３２及び冷却ポンプ３３も本発明の消費手段の一部である。
次に電気系統を説明する。燃料電池スタック１０には単セルが直列あるいは並列接続されることによって、その陽極Ａと陰極Ｃとの間に所定の高圧電圧（例えば約５００Ｖ）を発生させる。高圧コンバータ４０は電圧の異なる二次電池（バッテリ）４１との間で電圧変換を行い、燃料電池スタック１０の補助電源として二次電池４１の電力を利用したり、または、燃料電池スタック１０からの余剰電力を二次電池４１に充電したりする際の電圧変換を行う。バッテリーコンピュータ４２は二次電池４１の充電状態を定期的にまたは要求に応じて監視してその充電状態を制御部２０に出力するようになっている。トラクションインバータ４３は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４４に供給する。トラクションモータ４４も本発明の消費手段の一部である。高圧補機（燃料電池用補機）４５は、コンプレッサ２２、水素ポンプ１３、ファン３２、冷却水ポンプ３３等のモータ類である。
制御部２０はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、本発明の残留燃料ガス削減方法を実行させることが可能になっている。すなわち、後に説明する手順（図２）によって、制御部２０は、運転停止時に高圧補機４５に余乗電力を消費させ、その際にシステムにおける制限状態を検出し、検出された制限状態に基づいて燃料電池スタック１０によって発電させる電力量を変更するよう動作するものである。
次に図２のフローチャートを参照しながら本実施形態における動作を説明する。当該燃料電池システムが運転状態である場合、当該フローチャートは電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行される。
本燃料電池システムは、本発明の残留燃料ガス削減処理を実施するように構成されている。すなわち、運転停止時に循環経路に残留している水素ガスを燃料電池スタック１０に供給して発電によって消費させ、発電によって発生した余剰電力を二次電池４１に充電し、充電できない余剰電力の一部を消費手段であるトラクションモータ４４、コンプレッサ２２、ファン３２、冷却ポンプ３３、水素ポンプ１３の駆動によって消費させる。その際、システムの運転状態に基づいて定められた最大電力量を設定し、システムに電流制限等の制限状態があるかを検出し、制限状態が存在する場合にこれに基づいて燃料電池スタック１０によって発電させる電力量を変更するものである。
まず制御部２０は、当該燃料電池システムに対し運転停止が指示されたか否かを検査する（Ｓ１）。運転停止でない限りは（Ｓ１：ＮＯ）、運転のための他の制御を続行する。
運転停止が要求された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部２０は当該システムの運転停止シーケンスを開始する。まず水素タンク１１の元弁ＳＶ１を閉鎖させるための制御信号を出力し（Ｓ２）新たな水素ガスの供給を停止させてから、循環経路中に残留している水素ガスを消費させるために、本発明にかかる水素消費制御を開始する（Ｓ３）。
まずバッテリーコンピュータ４２からの情報に基づいて二次電池４１に充電可能な電力容量を特定する（Ｓ４）。この電力容量によって、当該発明の水素消費制御によって発生する余剰電力の振り分け先を判定するのである。
次いで制御部は燃料電池スタック１０の発電電流Ｉｆｃを特定する（Ｓ５）。この発電電流Ｉｆｃは次のようにして定めることができる。燃料電池スタック１０の発電電力をＰｆｃ、二次電池４１に充電可能な電力容量をＰｂ、高圧補機４５で消費される消費電力Ｐｃとすると、式（３）の関係がある。
Ｐｆｃ ＝ Ｐｂ ＋ Ｐｃ …（３）
高圧補機４５の消費電力Ｐｃは制御部２０の出力する制御信号に応じて一義的に定められるので、各補機の回転数に応じた消費電力を合計して算出することが可能である。二次電池４１に充電可能な電力容量ＰｂはステップＳ４で検出してあるので、電力容量Ｐｂと補機の消費電力Ｐｃを加算して燃料電池スタック１０で発生させるべき発電電力Ｐｆｃが定められる。
次いで制御部２０は特に電流制限のような制限状態が無いものとしてなるべく大きめの発電電力Ｐｆｃを設定する。発電電力が大きいほど早く残留している水素ガスを消費可能たからである。ここで考えるべきはコンプレッサ２２や水素ポンプ１３の回転数を上昇させれば補機による消費電力が増加するが、燃料電池スタック１０で発生する発電電力も上昇することである。そこで、暫定的に妥当なコンプレッサ２２や水素ポンプ１３の回転数を定め、その回転数のときに発電される電力を発電電力Ｐｆｃとして設定し、式（３）の右辺が左辺より小さくなる場合には二次電池４１に対する充電電力を少なくし、式（３）の右辺が左辺より大きくなる場合には、トラクションモータ４４、冷却ポンプ３３やファン２２等、発電電力量に影響を与えない補機において電力を消費するものとしてそれらの回転数を決定する。
図３は、燃料電池の発電特性である圧電電流と発電電圧との関係を示すＩ−Ｖ特性である。制御部２０はこのような当該燃料電池スタック１０のためのＩ−Ｖ特性をデータテーブルとして記憶している。制御部２０は暫定的に定めた発電電力Ｐｆｃから定まる曲線と燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性とに基づいて発電電流Ｉｆｃを定める。すなわち、発電電力Ｐｆｃの曲線とＩ−Ｖ特性曲線との交点を求め、その電流を当初発電電流Ｉｆｃとして特定する。制御部２０は上記暫定的に定めた発電電力Ｐｆｃで発電させることができ消費電力が発電電力Ｐｆｃの範囲内となるようなコンプレッサ２２の回転数を決定する（Ｓ６）。
発電電力に制限事項が無い場合にはこの発電電流Ｉｆｃで発電するための発電電圧Ｖｆｃに燃料電池スタック１０の両端の電圧を設定することで、残留している水素消費が実行される。しかし本発明では、高圧補機４５に電流制限事項が存在するか否かに応じて発電電力の変更、すなわち発電電流の変更を行うための消費電流制限要因を特定する（Ｓ８）。
この消費電流制限要因としては、まず二次電池４１に対する充電電流に制限がかかっていることが考えられる。通常は電流を多くすればするほど早く充電を完了させることができるが、高圧コンバータ４０の通過パワーが大きすぎる場合や劣化その他の状況により、バッテリーコンピュータ４２が充電電流に制限を要求してきている場合には、その制限された電流に発電電流を抑えなければならない。そこで制御部２０はバッテリーコンピュータ４２から充電電流の制限が加えられていないかを特定する。
また図４に示すように、高圧コンバータ４０は、温度がある程度（Ｔｃ）高くなるとスイッチング素子の動作特性やリアクトルによる損失により、通過可能な電力値が低下してくる。高圧コンバータ４０の動作を制御しているモジュールはコンバータ内の温度を検出しており、その温度が所定のしきい値Ｔｃより高い場合には、制御部２０に通過電力の制限を要求してくることがある。このため二次電池４１には充電可能な電力容量が十分あり大電流による充電が可能な場合であっても、高圧コンバータ４０の温度が高い場合には通過させる電流を素子保護の観点から制限しなければならない場合がある。そこで制御部２０は高圧コンバータ４０から通過電力制御が要求されていないかを特定する。
さらに燃料電池スタック１０内の温度が高すぎると電解膜保護の観点から発電電力を制限しなければならないことがある。そこで制御部２０は温度センサｔｓからの検出信号によって燃料電池スタック１０内の温度を検出し、適正に発電可能な温度範囲にあるかを特定する。
また燃料電池スタック１０内の単セルのいずれかが劣化している場合にはその単セルの発電電圧が低下する。このような状態で大電力発電をさせると単セルの電解質膜の劣化を早めてしまう場合がある。そこで制御部２０は燃料電池スタック１０内の１以上の単セルの電圧を検出信号Ｓｃｖに基づいて監視し、単セルの電圧降下が観察された場合には最大発電電力を所定の値以下に制限する。
さらに直接流せる電流量（電力量）の制限では無いが、発電電力を減少させなければならない場合も存在する。それは空気を供給するコンプレッサ２２の動作による。もしもコンプレッサ２２の回転数が増大し空気量が多量すぎると、燃料電池スタック１０内の単セルが乾燥してしまい、単セルの耐久性が低下する。またＮＶ要求における背反があり、騒音や振動が生じる場合がある。特に運転停止後の水素消費用の発電では、負荷量が少なくなっているため空気極側における水分の発生が少なくなる場合がある。このため、過剰な空気量となる場合には、コンプレッサ２２の回転数を減少させ、それによって発電電力を変更しなければならない。
以上の検証処理によっても何らの電流（電力）制限状態も無い場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、ステップＳ５で設定した発電電力Ｐｆｃ及び発電電流Ｉｆｃで発電可能であるため、制御部２０は高圧コンバータ４０の二次側端子電圧を発電電圧Ｖｆｃに変更し、発電電流Ｉｆｃで燃料電池スタック１０に発電させる（Ｓ１１）。
一方、何らかの電流（電力）制限状態が存在する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）であって、上記コンプレッサ２２の回転数に影響する制限である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御部２０はコンプレッサ２２の回転数をこの制限に対応させて減少させる制御信号を出力し（Ｓ１３）、コンプレッサ２２の回転数を修正する。そしてこの新たなコンプレッサ２２の回転数によって発電される電力を修正された発電電力Ｐｆｃ＊とする（Ｓ１４）。
また何らかの電流（電力）制限状態が存在する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）であって、コンプレッサ２２の回転数以外の制限である場合（Ｓ１２：ＮＯ）、制御部２０は、これらシステムの各部の電流（電力）制限に応じて発電電流Ｉｆｃを修正し新たな発電電流Ｉｆｃ＊を設定する（Ｓ１５）。
図３に示すように、新たな発電電流Ｉｆｃ＊は制限状態によって最大電流が直接定まる場合にはその電流とし、Ｉ−Ｖ特性においてその電流値に対応する電圧を修正された発電電圧Ｖｆｃ＊とする。また発電電力自体が変更される場合には修正された発電電力Ｐｆｃ＊を示す曲線とＩ−Ｖ特性曲線との交点を新たに求め、修正された発電電流Ｉｆｃ＊及び発電電圧Ｖｆｃ＊を求める。制御部２０は、この発電電圧Ｖｆｃ＊が二次側端子電圧となるよう高圧コンバータ４０に制御信号を出力し、修正後の発電電流Ｉｆｃ＊で発電が開始される（Ｓ１１）。
さて、上記の処理によって循環経路内に残留している水素ガスは消費され、次第に配管内の圧力は低下していくはずである。もしも圧力の低下が無い場合にはセンサの故障や水素消費処理の不全が考えられ異常な状態である。
そこで制御部は圧力センサｐｓからの検出信号を参照して配管内の水素圧が所定のしきい値Ｐｔｈ以下であるかを検査する（Ｓ１６）。水素圧が期待どおりしきい値Ｐｔｈ以下となっていれば（ＹＥＳ）、正常な水素消費が行われたことを示しているので正常終了処理（Ｓ１７）をする。すなわち総ての補機動作を停止し遮断弁を閉鎖する制御信号を出力して、制御部２０はシステムの動作を停止させる。
配管内の水素圧はまだしきい値Ｐｔｈより高いが（Ｓ１６：ＮＯ）、経過時間Ｔｔｈが経過していない場合には（Ｓ１８：ＮＯ）、水素消費処理を継続すべき状態なので、再びステップＳ４以降の水素消費処理に戻る。
一方、配管内の水素圧が所定の経過時間Ｔｔｈ以上となっても終了していない場合には（Ｓ１８：ＹＥＳ）、配管内の圧力が十分下げられていないことを意味し、センサの異常かシステムの異常である。このような場合には例えば水素タンク１１の元弁ＳＶ１からガス漏れが生じている場合が考えられる。そこで制御部２０は警告ランプを点灯させる等の告知処理をし、可能であればパージ遮断弁ＳＶ５を開放して循環経路内の水素ガスを排出させる。併せてコンプレッサ２２を駆動して水素オフガスを希釈するための空気量も増加させる。一定時間まって配管内の圧力が下がるか一定時間が経過したら、制御部２０は総ての遮断弁を閉鎖し、補機動作を止めてシステムを停止させる。
以上、本実施形態によれば、二次電池４１に充電可能な電力以外の電力が高圧補機４５で消費されるが、その際にシステム各部に電流（電力）の制限状態が発生するか否かが判断され、それに応じて燃料電池スタック１０による発電電力を変更するので、余剰電力の消費対象を選ばず残留している燃料ガスを早期に消耗することができ、消費制御領域を拡大することができる。また、制限状態がある場合にのみ発電電力が抑制されるので、全体として最大限の発電力を確保でき残留した燃料ガスの消耗時間を短縮することができる。
すなわち、当初の発電電力を多く発電電流を多めに設定しておき、水素消費処理の過程で制限事項が発生した時に電流（電力）を変更すればよく、そのような制限が無くなったらまだ元の電流（電力）に戻せばよく、その時々の状態に応じた最大限の水素消費が行えるからである。したがって残留している水素ガスを極めて速やかに消費できる。
なお本発明は上記実施形態に限定される種々に変更して実行することが可能である。例えば、上記水素消費処理を利用して水素ガスの配管からの漏れ検出や水素タンクの元弁ＳＶ１からの漏れ検出をすることができる。
すなわち、燃料電池スタック１０における発電電流Ｉｆｃ＊が定まると水素ガスの消費量を推定することができる。一方、圧力センサｐｓで監視される水素ガスの圧力低下を定期的に監視していけば実際の水素ガス消費量が求められる。この両者の消費量を比較すれば、ガス漏れ検出が可能である。すなわち配管からガス漏れが生じている場合には、圧力センサｐｓで実測された水素ガス消費量の方が発電電流Ｉｆｃから推定した水素ガス消費量より大きくなる。また水素タンク１１の元弁ＳＶ１からのガス漏れが生じている場合には、配管内の圧力が表面上は下がりにくくなるので、推定した水素ガス消費量の方が圧力の低下を実測して得られる水素ガス消費量より大きくなる。これらの処理を上記水素消費処理の最後に実施することによって、正常終了であるか異常終了であるかを判定してもよい。

以上本発明によれば、消費手段に制限状態が存在するためその消費手段によって消費される電力量が不足する場合に、それに応じて燃料電池による発電電力を変更するので、消費手段やその状態を選ばず残留燃料ガスを消耗することができ、消費制御領域を拡大することができる。また、制限状態がある場合にのみ発電電力が抑制されるので、全体として最大限の発電力を確保でき残留した燃料ガスの消耗時間を短縮することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおいて、
該残留している燃料ガスを燃料電池に供給し、
該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の一部を蓄電装置に充電させ、
該余剰電力の残りを消費手段に消費させるものであって、
該システムにおいて電力を生成し、または、消費する装置の制限に基づいて該燃料電池の発電状態を変更可能に構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記装置の制限は、前記消費手段における制限である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記装置の制限は、電圧変換装置における制限である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記装置の制限は、前記燃料電池における制限である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記消費手段は、駆動モータ、コンプレッサ、ファン、冷却ポンプ、又は燃料ガスポンプ用モータのいずれかである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記消費手段は、前記燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段であって、
前記駆動手段による前記燃料ガスの供給量の変化と当該駆動手段によって消費される電力とに基づいて前記燃料電池によって発電させる電力を変更する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記変更された発電電力値に基づいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段の駆動量を変更する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記消費手段に消費させる電力は、前記燃料電池により発電された前記余剰電力のうち、前記蓄電装置に充電可能な電力以外の電力である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池により発電させることによって、前記残留している燃料ガスの圧力が所定値以下になった場合に正常終了処理させる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記残留している燃料ガスの圧力が所定時間経過後にも前記所定値以下にならなかった場合に異常終了処理させる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記電圧変換装置における制限は、該電圧変換装置の温度に基づく制限である、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池における制限は、前記燃料電池の内部温度に基づく制限である、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池における制限は、前記燃料電池の発電電圧に基づく制限である、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサを備え、
前記消費手段における制限は、該コンプレッサに供給させる該酸化ガスの量に対する制限である、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池の発電状態の変更は、当該燃料電池から出力される電流を変更するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給する手段と、
該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費する消費手段と、
該システムにおける運転状態を検出する手段と、
該検出された該運転状態に基づいて前記燃料電池の発電状態を変更する手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項１７】
運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおける残留燃料ガスの除去方法であって、
運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給させるステップと、
該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の一部を蓄電装置に充電するステップと、
該余剰電力の残りを消費手段により消費させるステップと、
該システムにおける運転状態を検出するステップと、
検出された該運転状態に基づいて前記燃料電池の発電状態を変更するステップと、を備える燃料電池システムにおける残留燃料ガスの除去方法。

Claims (15)

1. 運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおいて、
   該残留している燃料ガスを燃料電池に供給し、該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費手段に消費させるものであって、
   該システムの運転状態に基づいて該燃料電池の発電状態を変更可能に構成されている燃料電池システム。
2. 前記システムの運転状態は、該システムにおける制限状態である、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記消費手段は、前記燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段であって、
   前記駆動手段による前記燃料ガスの供給量の変化と当該駆動手段によって消費される電力とに基づいて前記燃料電池によって発電させる電力を変更する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記変更された発電電力値に基づいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する駆動手段の駆動量を変更する、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. 前記消費手段に消費させる電力は、前記燃料電池により発電された前記余剰電力のうち、蓄電装置に充電可能な電力以外の電力である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池により発電させることによって、前記残留している燃料ガスの圧力が所定値以下になった場合に正常終了処理させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記残留している燃料ガスの圧力が所定時間経過後にも前記所定値以下にならなかった場合に異常終了処理させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 蓄電装置を備え、
   前記制限状態は、該蓄電装置への充電電流の制限状態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 電圧変換装置を備え、
   前記制限状態は、該電圧変換装置の温度に基づく制限状態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
10. 前記制限状態は、前記燃料電池の内部温度に基づく制限状態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
11. 前記制限状態は、前記燃料電池の発電電圧に基づく制限状態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
12. 酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサを備え、
    前記制限状態は、該コンプレッサに供給させる該酸化ガスの量に対する制限状態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池の発電状態の変更は、当該燃料電池から出力される電流を変更するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給する手段と、
    該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費する消費手段と、
    該システムにおける運転状態を検出する手段と、
    該検出された該運転状態に基づいて前記燃料電池の発電状態を変更する手段と、を備える燃料電池システム。
15. 運転停止時に残留している燃料ガスを減少させる燃料電池システムにおける残留燃料ガスの除去方法であって、
    運転停止時に残留している燃料ガスを燃料電池に供給させるステップと、
    該燃料電池による発電によって発生した余剰電力の少なくとも一部を消費手段により消費させるステップと、
    該システムにおける運転状態を検出するステップと、
    検出された該運転状態に基づいて前記燃料電池の発電状態を変更するステップと、を備える燃料電池システムにおける残留燃料ガスの除去方法。

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