JP2007059120A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムを停止する際に転極を抑制し、水素を消費する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムを停止する場合に、燃料電池１の燃料極５１に水素ボンベ４からの水素供給を停止し、循環ポンプ６によって排出水素を環流させ、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続する。その後単位セル４０の最小電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低くなると燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する第１制御を行う。その後所定時間Ｔ１経過後に単位セル４０の電圧の中でいずれか一つの電圧が所定電圧Ｖ２よりも高い場合に燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的に接続する第２制御を行う。そして、再び第１制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に燃料電池システムの停止時の制御に関するものである。

従来、燃料電池システムの停止時に、燃料極における水素の残存により引き起こされる劣化を抑制するために、燃料電池に電荷消費手段を接続して発電反応を行い、燃料電池の内部に残った水素と酸素、特に燃料極内の水素を消費するものが、特許文献１に開示されている。
特開２００４−１３９９５０号公報

上記の発明では、燃料電池の各単位セルの電圧低下が均一の場合、つまり各単位セルに均一の濃度の水素が供給されている場合には、各単位セル間で電圧の低下に差異が生じず、水素を残存させずに燃料電池の劣化を抑制できる。

しかし、各単位セルにおける水素濃度が均一ではない場合には、各単位セル間で電圧の低下に差異が生じ、単位セルの電圧が０Ｖ未満となり転極を生じる単位セルがあると、電荷消費手段と燃料電池との電気的な接続を切断するために、水素が残存する単位セルが存在し、燃料電池の劣化を十分に抑制できない、といった問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、転極を抑制しながら単位セルに残存する水素を消費し、燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

本発明では、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極とから構成する単位セルを積層したスタック部を有する燃料電池と、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料極から排出される排出燃料ガスを環流させる燃料ガス循環手段と、複数の単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、燃料電池システムを停止する場合に、燃料極に残った前記燃料ガスを消費させる電荷消費手段と、燃料電池と電荷消費手段との電気的な接続を切り換える切換手段と、燃料電池システムの停止制御を行う燃料電池システム停止制御手段と、を備える。燃料電池システムを停止する場合には、燃料ガス供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を停止し、排出燃料ガスを環流させ、燃料電池と電荷消費手段とを電気的に接続した後に、複数の単位セルのうちの最低電圧が第１所定電圧よりも低くなった場合に燃料電池と電荷消費手段との電気的な接続を切断する第１制御を行い、第１制御から所定時間経過した後に、単位セルの電圧の中でいずれか一つの電圧が第１所定電圧よりも高い第２所定電圧よりも高くなった場合に、燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続する第２制御を行い、そして再び第１制御を行う。

また、燃料電池システムを停止する場合には、燃料ガス供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を停止し、前記排出燃料ガスを環流させ、燃料電池と電荷消費手段とを電気的に接続した後に、単位セルの最低電圧が第１所定電圧よりも低くなった場合に燃料電池と電荷消費手段との電気的な接続を切断する第１制御を行い、第１制御から所定時間経過した後に、最低電圧となった単位セルの電圧が第１所定電圧よりも高い第２所定電圧よりも高くなった場合に、燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続する第３制御を行い、再び第１制御を行う。

本発明によると、燃料電池システムを停止する場合に、単位セルの電圧が所定電圧Ｖ１よりも低くなると、燃料電池と電荷消費手段との電気的な接続を切断し、各単位セルの燃料極の水素濃度を略均一とする。その後、単位セルの電圧が所定電圧Ｖ２よりも高い場合には、再び燃料電池と電荷消費手段とを電気的に接続し、燃料電池に残存した水素を消費する。これらを繰り返すことで、単位セルの水素濃度を略均一に保ち、転極を抑制して、燃料電池に残存した水素を消費することができる。そのため燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成について図１を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、後述する燃料極５１に水素（燃料ガス）を供給する水素ボンベ（燃料ガス供給手段）４と、後述する酸化剤極５２に空気を供給するコンプレッサ５と、燃料極５１から排出された排出水素を燃料極に環流させる循環ポンプ（燃料ガス循環手段）６と、を備える。

燃料電池１は単位セル４０を複数枚積層したスタック部２と、スタック部２の両端にそれぞれ設けた集電板３と、を備える。燃料電池１によって発電した電力は２つの集電板３によって外部へ供給される。

また、水素ボンベ４と燃料極５１とを連通する水素供給流路１０と、排出水素中の水素濃度が低下した場合に、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する水素排出流路１１と、水素排出流路１１と水素供給流路１０とを連結し、その途中に循環ポンプ６を有する水素循環流路１２と、を備える。

水素供給流路１０には水素ボンベ４からの水素流量を制御する流量制御弁１３を備え、水素排出路１１には排出水素の流量を制御する流量制御弁１４を備える。

また、コンプレッサ５と酸化剤極５２とを連通する空気供給流路１５と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池システムの外部へ排出する空気排出流路１６と、を備える。

空気供給流路１５には酸化剤極５２に供給する空気流量を制御する流量制御弁１７を備え、空気排出流路１６には排出空気の流量を制御する流量制御弁１８を備える。

さらに、燃料電池１の各単位セル４０の電圧を検出する電圧センサ（電圧検出手段）２０を備える。また、燃料電池システムの停止時に燃料極５１と酸化剤極５２とに残る水素、または酸素を消費するための電荷消費手段２１を備える。電荷消費手段２１はスイッチ（切換手段）２２によって燃料電池１との電気的な接続状態を切り換えられる。なお、電圧センサ２０は図１において説明のために１つの電圧センサ２０を記載する。電圧センサ２０は各単位セル４０にそれぞれ設けることが望ましく、少なくともスタック部２の両端に位置する単位セル４０に設ける。

電荷消費手段２１は、例えば抵抗であり燃料電池１に残留した水素と空気中の酸素を消費する。なお、電荷消費手段２１に二次電池を使用してもよい。

燃料電池システムの停止時に、流量制御弁１３、１４、１７、１８の開閉を制御し、コンプレッサ５と循環ポンプ６とを制御し、スイッチ２２による燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切り換えるコントローラ（燃料電池システム停止制御手段）３０を備える。

ここで単位セル４０について図２の概略構成図を用いて説明する。

単位セル４０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）４１と、電解質膜４１を挟持するアノード触媒層４２とカソード触媒層４３と、アノード触媒層４２の外側に設けたアノードガス拡散層４４と、カソード触媒層４３の外側に設けたカソードガス拡散層４５と、を備える。また、アノードガス拡散層４４の外側に設けられ、水素流路４６を有するアノードセパレータ４７と、カソードガス拡散層４５の外側に設けられ、空気流路４８を有するカソードセパレータ４９を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール５０を備える。なお、図示しないが、単位セル４０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を設けても良い。また、アノードセパレータ４７とカソードセパレータ４９との間に電圧センサ２０を設ける。

ここではアノード触媒層４２とアノードガス拡散層４４とを燃料極５１とし、カソード触媒層４３とカソードガス拡散層４５とを酸化剤極５２とする。

電解質膜４１は、例えばデュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜である。

アノード触媒層４２とカソード触媒層４３とは、触媒として白金を担持するカーボンブラックである。なお、触媒としては白金に限られることはない。

アノードガス拡散層４４とカソードガス拡散層４５は、例えばカーボンペーパ、カーボンクロスを使用する。

以上の構成によって、燃料電池システムを停止する場合に各単位セル４０の水素と空気中の酸素の濃度を均一にし、単位セル４０に残る水素と酸素を少なくし、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次にコントローラ３０によって行う燃料電池システムの停止制御について図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００では、燃料電池システムの停止信号を受けると、コンプレッサ５を停止し、流量制御弁１３、１４、１７、１８を全閉とする。これによって水素ボンベ４から燃料極５１への新たな水素の供給を停止し、コンプレッサ５から酸化剤極５２への新たな空気の供給を停止する。また、燃料極５１または酸化剤極５２と燃料電池システム１の外部との連通を遮断する。循環ポンプ６は継続して運転させ、燃料極５１へ排出水素のみを環流させる。

ステップＳ１０１では、スイッチ２２をＯＮとし、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続する。これによって単位セル４０に残った水素と酸素を消費する。

ステップＳ１０２では、電圧センサ２０によって各単位セル４０の電圧を検出し、検出した電圧の中で最も電圧が低い単位セル４０の最低電圧ＶＬと所定電圧（第１所定電圧）Ｖ１とを比較する。そして、最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低くなるとステップＳ１０３へ進む。この実施形態では所定電圧Ｖ１は、０Ｖ＜Ｖ１≦０．２Ｖとする。所定電圧Ｖ１について、詳しくは後述する。

ステップＳ１０３では、スイッチ２２をＯＦＦとし、燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を遮断する。つまり、燃料電池１における発電反応を停止し、循環ポンプ６によって、燃料極５１に排出水素を環流させる。スイッチ２２をＯＦＦとすることで燃料極５１では水素が消費されず、循環ポンプ６によって排出水素を環流させるので、各単位セル４０の燃料極５１の水素濃度にバラツキが生じている場合には、燃料極５１の水素濃度が略均一になる。そのため単位セル４０の中で水素濃度が低い単位セル４０においては、単位セル４０の電圧が上昇する（ステップＳ１０２、１０３が第１制御を構成する）。

ステップＳ１０２とステップＳ１０３において、単位セル４０の最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも小さくなると、スイッチ２２をＯＦＦとして、燃料電池１において発電反応を停止する。そして、循環ポンプ６により燃料極５１に排出水素を環流させることで、燃料極５１の水素濃度を略均一にすることができ、単位セル４０で水素不足による転極を防止することができる。そのため、単位セル４０の劣化を抑制することができる。

ステップＳ１０４では、スイッチ２２をＯＦＦとしてから所定時間Ｔ１経過後に、電圧センサ２０によって各単位セル４０の電圧Ｖを検出し、全ての単位セル４０の電圧Ｖと所定電圧（第２所定電圧）Ｖ２とを比較する。そして全ての単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２となっている場合にはステップＳ１０５へ進み、いずれか一つの単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２となっていない場合にはステップＳ１０２へ戻り、上記制御を繰り返す。所定電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖ１＋０．１Ｖとなる電圧である。また、所定時間Ｔ１は、予め実験などにより得られた時間である。この実施形態では所定時間Ｔ１を１００ｍｓとする（ステップＳ１０４、Ｓ１０１が第２制御を構成する）。

ステップＳ１０５では、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素とを消費させる。ここでは全ての単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２を満たすので、各単位セル４０の燃料極５１での水素濃度の差が小さく、燃料極５１に残った水素も少ない。そのため、単位セル４０において転極が生じる可能性が低いので、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素を更に消費して、燃料電池システムの運転停止制御を終了する。

以上の制御によって、燃料電池システムを停止する際に電圧センサ２０によって検出した単位セル４０の最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低い場合には、燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断し、循環ポンプ６によって燃料極５１に排出水素を環流させる。これにより、単位セル４０の水素濃度を略均一にすることができ、単位セル４０の転極による劣化を抑制する。また、所定時間Ｔ１経過後、単位セル４０の全ての電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも低くなると、つまり燃料極５１に残る水素が十分に少なくなると、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料極５１に残った水素消費して燃料電池システムの停止制御を終了する。これにより、転極による単位セル４０の劣化を抑制し、燃料極５１内に水素を消費することで、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次にコントローラ３０による燃料電池システムの停止制御を行った際の単位セル４０の電圧変化について図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、図４においては単位セル４０の中で電圧が一番低い単位セル４０の電圧を実線で示し、その他の単位セル４０の電圧を破線で示す。

時間ｔ０において、燃料電池システムの停止制御が開始されると、水素ボンベ４から燃料極５１への新たな水素の供給が停止され、コンプレッサ５による酸化剤極５２への新たな空気の供給が停止される（ステップＳ１００）。また、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素を消費させる（ステップＳ１０１）。これにより単位セル４０の電圧Ｖが次第に低下する。

時間ｔ１において、最も電圧が低い単位セル４０の最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１となると、スイッチ２２をＯＦＦとして燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する（ステップＳ１０２、Ｓ１０３）。このとき循環ポンプ６によって燃料極５１から排出された排出水素が環流し、燃料電池１では発電反応が行われていないので、各単位セル４０の燃料極５１の水素濃度が略均一になる。そのため単位セル４０の電圧Ｖの中で最も低い最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧は高くなる。

そして、時間ｔ１から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ２において、全ての単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２の条件を満たし、燃料電池１に残った水素量が少なくなったので、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続して燃料電池システムの停止制御を終了する（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）。

また、コントローラ３０による燃料電池システムの停止制御を行った際の単位セル４０の電圧変化について図５のタイムチャートを用いて説明する。図５はステップＳ１０４において単位セル４０の電圧Ｖのいずれか一つがＶ≦Ｖ２を満たさない場合の電圧変化である。なお、図５においても単位セル４０の中で電圧が一番低い単位セル４０の電圧を実線で示し、その他の単位セル４０の電圧を破線で示す。

時間ｔ０において、燃料電池システムの停止制御が開始されると、水素ボンベ４から燃料極５１への新たな水素の供給が停止され、コンプレッサ５による酸化剤極５２への新たな空気の供給が停止される（ステップＳ１００）。また、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素を消費させる（ステップＳ１０１）。これにより単位セル４０の電圧が次第に低下する。

時間ｔ１において、単位セル４０の電圧Ｖの中で最も低い最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１となる（ステップＳ１０２）と、スイッチ２２をＯＦＦとして燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する（ステップＳ１０３）。このとき循環ポンプ６によって燃料極５１から排出された排出水素が環流し、燃料電池１では発電反応が行われていないので、各単位セル４０の燃料極５１に供給される水素を含んだガス中の水素濃度の差が小さくなる。

しかし、燃料極５１の水素濃度にバラツキが大きい場合には、時間ｔ１から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ２に、単位セル４０の電圧ＶのいずれかがＶ≦Ｖ２の条件を満たさない場合がある。つまり、燃料電池１に残っている水素量が比較的多い場合がある（ステップＳ１０４）。この場合には、単位セル４０における転極を防止するために、スイッチ２２をＯＮとして、再び燃料電池１に残った水素を消費させる（ステップＳ１０１）。

時間ｔ３において、時間ｔ１と同様に最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１以下となると、スイッチ２２をＯＦＦとする（ステップＳ１０２、１０３）。

時間ｔ３から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ４において、全ての単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２の条件を満たすと、燃料電池システムの停止制御を終了する（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）。

以上のように、燃料電池システムの停止制御時に単位セル４０の最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１以下となると、燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断し、所定時間Ｔ１経過後に全ての単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２の条件を満たした場合に、燃料電池システムの停止制御を終了する。これにより、単位セル４０による転極を防止し、燃料電池１に残った水素を消費させるので、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

ここで、単位セル４０の燃料極５１に供給するガス中の水素濃度と、単位セル４０の電圧Ｖと、燃料電池システムを停止する際の単位セル４０の劣化度合いと、の関係を図６に示す。

図６によると燃料極５１に供給するガス中の水素濃度が低くなると、単位セル４０の電圧Ｖが低くなる。つまり、単位セル４０の電圧を検出することで、燃料極５１のガス中の水素濃度を推定することができる。また、燃料極５１に供給するガス中の水素濃度が、約３０％よりも低くなると燃料電池システムを停止する際の単位セル４０の劣化の割合が小さくなる。この実施形態では、単位セル４０の水素濃度に対応して変化する単位セル４０の電圧Ｖを検出し、単位セル４０の電圧Ｖに基づいて燃料電池システムの停止制御を行うことで、燃料電池１の劣化を抑制する。

図６では、単位セル４０の電圧Ｖが０．３Ｖ以下の場合に単位セル４０の劣化が小さくなっている。この実施形態では燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、素早く燃料極５１に残る水素を消費し、燃料電池１の劣化を抑制する。そこで所定電圧Ｖ１を０＜Ｖ１≦０．２Ｖとする。また、所定電圧Ｖ２を０．３Ｖ以下とすることが望ましく、この実施形態では所定電圧Ｖ２＝Ｖ１＋０．１Ｖとする。なお、所定電圧Ｖ２を０．４Ｖとしても良い。所定電圧Ｖ２を０．４Ｖとしても、燃料電池１の劣化を比較的抑制することができる。

また、図１０に示すように酸化剤極５２から排出される排出空気を空気循環ポンプ６０によって環流させ、燃料電池システムの停止制御時に酸化剤極５２へ排出空気を環流させても良い。また、酸化剤極５２へ空気を供給して燃料電池システムの停止制御を行っても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、燃料電池システムを停止する場合に、燃料極５１へ水素ボンベ４からの水素供給を停止し、循環ポンプ６によって排出水素を環流させた後に、単位セル４０の電圧Ｖの最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低くなると、スイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する。そして、所定時間Ｔ１経過した後に、単位セル４０の電圧Ｖのいずれか一つが所定電圧Ｖ２よりも大きい場合にはスイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料極５１に残った水素を消費させる。その後再び、最低電圧ＶＬと所定電圧Ｖ１とを比較する。この制御を繰り返すことで、燃料極５１の水素濃度を略均一に保ちながら、燃料極５１に残る水素を消費することができる。また、燃料極５１の水素濃度のバラツキによって生じる単位セル４０の転極を防止し、転極による単位セル４０の劣化を抑制することができる。

単位セル４０の全ての電圧Ｖが所定電圧Ｖ２以下となると、スイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池システムの停止制御を終了する。単位セル４０の全ての電圧Ｖが所定電圧Ｖ２以下となると、燃料極５１の水素濃度のバラツキが小さく、燃料極５１に残った水素が十分に消費されているので、転極が生じ難くなる。そのため、単位セル４０の劣化を抑制し、燃料電池システムを停止することができる。

次に本発明の第２実形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムの構成は第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では、燃料電池システムの停止制御が異なっており、燃料電池システムの停止制御について図７のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００からステップＳ２０３までの制御は第１実施形態のステップＳ１００からステップＳ１０３までと同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

ステップＳ２０３の制御から所定時間Ｔ１経過の後に、ステップＳ２０４では、電圧センサ２０によって、ステップＳ２０２で最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖを再び検出し、電圧Ｖを所定電圧Ｖ２と比較し、電圧ＶがＶ≦Ｖ２となっているかどうか判定する。そして電圧ＶがＶ≦Ｖ２となっている場合には、ステップＳ２０５へ進み、Ｖ２＜Ｖとなっている場合には、ステップＳ２０１へ戻り、上記制御を繰り返す（ステップＳ２０４、Ｓ２０１が第３制御を構成する）。

ステップＳ２０３において、スイッチ２２をＯＦＦとし、循環ポンプ６によって燃料極５１に水素を含んだガスを環流させているので、各単位セル４０の水素濃度が略均一となる。このときステップＳ２０４において最低電圧ＶＬとなった単位セル４０内の水素濃度が高くなるので、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧は高くなる。ステップＳ２０４では、所定時間Ｔ１経過の後に、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも大きくなると、燃料電池１の全体で多くの水素が残っていると判定し、ステップＳ２０１へ戻り、再び電荷消費手段２１によって、燃料電池１内に残った水素を消費する。

以上のように、所定時間Ｔ１経過の後に最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも高くなった場合には、電荷消費手段２１によって燃料電池１に残った水素を単位セル４０で転極が生じないように消費することで、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０２において最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧変化量ｄＶを算出し、ｄＶ＞０の場合、つまり単位セル４０の電圧が上昇している場合には、その後電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも大きくなる可能性があるので、ステップＳ２０４へ戻り、上記制御を繰り返す。また、ｄＶ≦０の場合、つまり単位セル４０の電圧が上昇していない場合には、ステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０６では、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素と酸素とを消費する。ここではステップＳ２０２において最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２を満たし、電圧Ｖが増加していないので、燃料電池１に残った水素は少ない。そのため、単位セル４０において転極が生じる可能性が低いので、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素を更に消費して、燃料電池システムの停止制御を終了する。

以上の制御によって、燃料電池システムを停止する際に電圧センサ２０によって検出した単位セル４０の最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低い場合には、燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断し、循環ポンプ６によって燃料極５１に排出水素を環流させる。これにより、単位セル４０の水素濃度を略均一にすることができ、単位セル４０の転極による劣化を抑制する。また、所定時間Ｔ１経過後、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖが所定電圧Ｖ２以下となり、さらに電圧増加量ｄＶがゼロ以下となると、燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料極５１に残った水素消費して燃料電池システムの停止制御を終了する。これにより、転極による単位セル４０の劣化を抑制し、燃料極５１内に水素を消費することで、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次にコントローラ３０による燃料電池システムの停止制御を行った際の単位セル４０の電圧変化について図８のタイムチャートを用いて説明する。なお、図８では単位セル４０の中で、電圧が最も低い単位セル４０の電圧変化を示す。

時間ｔ０において、燃料電池システムの停止制御が開始されると、水素ボンベ３から燃料極５１への新たな水素の供給が停止され、コンプレッサ４による酸化剤極５２への新たな空気の供給が停止される（ステップＳ２００）。また、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素と空気中の酸素を消費させる（ステップＳ２０１）。これにより単位セル４０の電圧が次第に低下する。

時間ｔ１において、単位セル４０の電圧Ｖの中で一番小さい最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１となると（ステップＳ２０２）、スイッチ２２をＯＦＦとして燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する（ステップＳ２０３）。このとき循環ポンプ６によって燃料極５１から排出された排出水素が環流し、燃料電池１では発電反応が行われていないので、各単位セル４０の燃料極５１の水素濃度が略均一になる。そのため単位セル４０の電圧Ｖの中で最も低い最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧は高くなる。

そして、時間ｔ１から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ２において、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２となり（ステップＳ２０４）、さらに電圧増加量ｄＶがｄＶ≦０となると（ステップＳ２０５）、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続して燃料電池システムの停止制御を終了する（ステップＳ２０６）。

次にステップＳ２０４において一度Ｖ２＜Ｖと判定された場合の電圧変化について図９のタイムチャートを用いて説明する。なお、図９では単位セル４０の中で、電圧が最も低い単位セル４０の電圧変化を示す。

時間ｔ０から時間ｔ１までの電圧変化は図８に示すタイムチャートと同じなので、ここでの説明は省略する。

時間ｔ１から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ２において、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧ＶがＶ＞Ｖ２であると（ステップＳ２０４）、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池１に残った水素を消費する（ステップＳ２０１）。これにより単位セル４０の電圧は低くなる。

時間ｔ３において、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧を再び検出し、電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも低くなると（ステップＳ２０２）、スイッチ２２をＯＦＦとして燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する（ステップＳ２０３）。

時間ｔ３から所定時間Ｔ１が経過した時間ｔ４において、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２となり（ステップＳ２０４）、さらに電圧増加量ｄＶがｄＶ≦０となると（ステップＳ２０５）、スイッチ２２をＯＮとして燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続して燃料電池システムの停止制御を終了する（ステップＳ２０６）。

以上のように、燃料電池システムの停止制御時に単位セル４０のうち最も低い最低電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１以下となると、燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断し、所定時間Ｔ１経過後に最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧ＶがＶ≦Ｖ２となり、さらに電圧増加量ｄＶがｄＶ≦０の条件を満たした場合に、燃料電池システムの停止制御を終了する。これにより、単位セル４０による転極を防止し、燃料電池１に残った水素を消費させるので、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、燃料電池システムを停止する場合に、燃料極５１へ水素ボンベ４からの水素供給を停止し、循環ポンプ６によって排出水素を環流させた後に、単位セル４０の電圧Ｖの中で最も低い電圧ＶＬが所定電圧Ｖ１よりも低くなると、スイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１との電気的な接続を切断する。そして、所定時間Ｔ１経過した後に、最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも大きい場合にはスイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池５１に残った水素を消費させる。その後再び、最低電圧ＶＬと所定電圧Ｖ１とを比較する。この制御を繰り返すことで、燃料極５１の水素濃度を略均一に保ちながら、燃料極５１に残る水素を消費することができる。また、燃料極５１の水素濃度のバラツキによって生じる単位セル４０の転極を防止し、転極による単位セル４０の劣化を抑制することができる。

最低電圧ＶＬとなった単位セル４０の電圧Ｖが所定電圧Ｖ２以下となり、さらに電圧増加量ｄＶがゼロ以下となると、スイッチ２２によって燃料電池１と電荷消費手段２１とを電気的に接続し、燃料電池システムの停止制御を終了する。電圧Ｖが所定電圧Ｖ２以下となり、さらに電圧増加量ｄＶがゼロ以下となると、燃料極５１の水素濃度のバラツキが小さく、燃料極５１に残った水素が十分に消費されているので、転極が生じ難くなる。そのため、単位セル４０の劣化を抑制し、燃料電池システムを停止することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池システムの起動、停止回数が多い燃料電池自動車に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの停止制御を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の単位セルの電圧変化を示すタイムチャートである。 本発明の第１実施形態の単位セルの電圧変化を示すタイムチャートである。 本発明の第１実施形態の単位セルにおける水素濃度と電圧との関係、または水素濃度と単位セルの劣化度合いとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの停止制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の単位セルの電圧変化を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態の単位セルの電圧変化を示すタイムチャートである。 本発明の第１実施形態における燃料電池システムの変更例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ スタック部
４ 水素ボンベ（燃料ガス供給手段）
５ コンプレッサ
６ 循環ポンプ（燃料ガス循環手段）
２０ 電圧センサ（電圧検出手段）
２２ スイッチ（切換手段）
３０ コントローラ（燃料電池システム停止制御手段）
４０ 単位セル
４１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
５１ 燃料極
５２ 酸化剤極

Claims (8)

1. 電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極とから構成する単位セルを積層したスタック部を有する燃料電池と、
   前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料極から排出される排出燃料ガスを環流させる燃料ガス循環手段と、
   複数の前記単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   燃料電池システムを停止する場合に、前記燃料極に残った前記燃料ガスを消費させる電荷消費手段と、
   前記燃料電池と前記電荷消費手段との電気的な接続を切り換える切換手段と、
   前記燃料電池システムの停止制御を行う燃料電池システム停止制御手段と、を備え、
   前記燃料電池システム停止制御手段は、
   前記燃料ガス供給手段から前記燃料極への前記燃料ガスの供給を停止し、前記排出燃料ガスを環流させ、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続した後に、
   前記電圧検出手段により検出される、複数の単位セルのうちの最低電圧が第１所定電圧よりも低くなった場合に前記燃料電池と前記電荷消費手段との電気的な接続を切断する第１制御を行い、
   前記第１制御から所定時間経過した後に、前記単位セルの電圧の中でいずれか一つの電圧が前記第１所定電圧よりも高い第２所定電圧よりも高くなった場合に、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続する第２制御を行い、
   その後、再び前記第１制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システム停止制御手段は、
   前記第１制御から所定時間経過した後に、前記単位セルの全ての電圧が前記第２所定電圧よりも低い場合に、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続し、
   前記燃料電池システムの停止制御を終了す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. 電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極とから構成する単位セルを積層したスタック部を有する燃料電池と、
   前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料極から排出される排出燃料ガスを環流させる燃料ガス循環手段と、
   複数の前記単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   燃料電池システムを停止する場合に、前記燃料極に残った前記燃料ガスを消費させる電荷消費手段と、
   前記燃料電池と前記電荷消費手段との電気的な接続を切り換える切換手段と、
   前記燃料電池システムの停止制御を行う燃料電池システム停止制御手段と、を備え、
   前記燃料電池システム停止制御手段は、
   前記燃料ガス供給手段から前記燃料極への前記燃料ガスの供給を停止し、前記排出燃料ガスを環流させ、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続した後に、
   前記複数の単位セルのうちの最低電圧が第１所定電圧よりも低くなった場合に前記燃料電池と前記電荷消費手段との電気的な接続を切断する第１制御を行い、
   前記第１制御から所定時間経過した後に、前記最低電圧となった単位セルの電圧が前記第１所定電圧よりも高い第２所定電圧よりも高くなった場合に、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続する第３制御を行い、
   その後、再び前記第１制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システム停止制御手段は、
   前記第１制御から所定時間経過した後に、前記最低電圧となった単位セルの電圧が前記第２所定電圧よりも低く、かつ前記単位セルの電圧増加量がゼロ以下である場合に、前記燃料電池と前記電荷消費手段とを電気的に接続し、
   前記燃料電池システムの停止制御を終了することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧検出手段は、前記スタックの両端部に位置する前記単位セルに設けることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記第１所定電圧は、０Ｖ以上、０．２Ｖ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記第２所定電圧は、前記第１所定電圧よりも０．１Ｖ大きいことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記第２所定電圧は、０．４Ｖ以下であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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