特許 7208120 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-10

(45)【発行日】2023-01-18

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04228 20160101AFI20230111BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230111BHJP

   B60L 58/30 20190101ALN20230111BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04228

H01M8/04746

H01M8/0438

H01M8/0432

H01M8/0444

H01M8/04303

H01M8/04302

H01M8/10 101

B60L58/30

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019158897

(22)【出願日】2019-08-30

(65)【公開番号】P2021039838

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2021-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】垣見 洋輔

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２９３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－４５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４６４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２０９９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－３５８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－８６４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６０４７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

Ｂ６０Ｌ ５０／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード極とカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素と前記カソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する燃料電池と、
前記アノード極に接続され、水素が流動するアノードガス供給路と、
アノードオフガスが流動するアノードオフガス排出路と、
前記カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動するカソードガス供給路と、
カソードオフガスが流動するカソードオフガス排出路と、
前記アノードガス供給路及び前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータと、
前記カソードガス供給路及び前記カソードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータと、
前記燃料電池を冷却する冷却回路と、
前記水素用アクチュエータ及び前記酸素用アクチュエータの動作を制御することにより前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの停止時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態で前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給する水素供給制御と、
前記水素供給制御の後に前記燃料電池システムが停止している状態において、所定周期で前記アノードガス供給路における水素の圧力である定期圧力を取得する定期データ取得制御と、を実施し、
前記定期データ取得制御で前記定期圧力を取得したとき、前記定期データ取得制御を実施した直後において前記アノード極にて推定される水素の圧力である推定アノード圧力と前記定期圧力との差分が規定範囲に含まれない場合、前記燃料電池システムを起動させ、前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に前記定期圧力が前記規定範囲に含まれるように水素を供給することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御装置は、
前記水素供給制御の直後に前記冷却回路の温度、前記カソードオフガス排出路における空気の圧力であるカソード圧力、前記アノードガス供給路における水素の圧力であるアノード圧力、及び前記アノード極の水素濃度を取得する第１データ取得制御と、
前記第１データ取得制御を実施した後に前記燃料電池システムが停止している状態において、所定周期で前記冷却回路の温度である定期温度、及び前記定期圧力を取得する前記定期データ取得制御と、
前記定期データ取得制御で前記定期温度及び前記定期圧力を取得したとき、前記第１データ取得制御により取得した前記温度、前記カソード圧力、前記アノード圧力、及び前記水素濃度と、前記定期データ取得制御により取得した前記定期温度とにより前記推定アノード圧力を演算する推定アノード圧力演算制御と、を実施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。

【請求項3】

前記制御装置は、
前記水素供給制御の直後からの前記推定アノード圧力の経時的な変化を示すマップを有し、
前記定期圧力を前記マップに照らし合わせ、前記差分が規定範囲に含まれない場合、前記燃料電池システムを起動させ、前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に前記定期圧力が前記規定範囲に含まれるように水素を供給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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に記載されるような燃料電池システムが知られている。
上記の燃料電池システムは、燃料電池と、アノードガス供給路としての燃料ガス供給路と、アノードオフガス排出路としての燃料オフガス排出路と、カソードガス供給路としての酸化剤ガス供給路と、カソードオフガス排出路としての酸化剤オフガス排出路とを備えている。燃料電池は、アノード極と、カソード極と、固体高分子電解質膜とを有している。燃料ガス供給路は、アノード極に接続され、水素が流動する。燃料オフガス排出路は、アノード極から排出されるアノードオフガスとしての燃料オフガスが流動する。酸化剤ガス供給路は、カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動する。酸化剤オフガス排出路は、カソード極から排出されるカソードオフガスとしての酸化剤オフガスが流動する。また、燃料電池システムは、燃料電池の動作を制御する制御装置を備えている。制御装置は、燃料ガス供給路及び燃料オフガス排出路に設けられ、燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータや酸化剤ガス供給路及び酸化剤オフガス排出路に設けられ、燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータを動作させることで燃料電池の動作を制御する。なお、水素用アクチュエータは、例えば燃料ガス供給路に設けられている電磁弁やインジェクタ等を含んでいる。また、酸素用アクチュエータは、例えば酸化剤ガス供給路に設けられているエアポンプ等を含んでいる。燃料電池は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。

【0003】

制御装置は、燃料電池システムの停止時に燃料電池のカソード極に残存する酸素を消費するディスチャージ制御（水素供給制御）を行う。制御装置は、燃料電池システムの停止時に上記の水素用アクチュエータを動作させることで燃料電池のアノード極に水素を供給することでアノード極の圧力を昇圧させる。これにより、燃料電池のカソード極に残存する酸素の濃度を低下させてカソード極が高電位状態になることを抑制し、燃料電池システムの停止中における燃料電池の劣化を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－１４６４１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、燃料電池のアノード極及びカソード極の容積は、燃料電池システムの個体毎にばらつきがある。そのため、燃料電池の劣化を抑制するための水素量が燃料電池システムの個体毎に異なる。また、燃料ガス供給路や燃料オフガス排出路と燃料電池との間をシールするシール部材が劣化し、燃料電池システムの停止中に燃料電池に透過する酸素量が増える虞がある。よって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の劣化を抑制するための必要な水素量を調整することが難しい。

【0006】

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、停止中における燃料電池の劣化をより好適に抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する燃料電池システムは、アノード極とカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素と前記カソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する燃料電池と、前記アノード極に接続され、水素が流動するアノードガス供給路と、アノードオフガスが流動するアノードオフガス排出路と、前記カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動するカソードガス供給路と、カソードオフガスが流動するカソードオフガス排出路と、前記アノードガス供給路及び前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータと、前記カソードガス供給路及び前記カソードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータと、前記燃料電池を冷却する冷却回路と、前記水素用アクチュエータ及び前記酸素用アクチュエータの動作を制御することにより前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池システムの停止時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態で前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給する水素供給制御と、前記水素供給制御の後に前記燃料電池システムが停止している状態において、所定周期で前記アノードガス供給路における水素の圧力である定期圧力を取得する定期データ取得制御と、を実施し、前記定期データ取得制御で前記定期圧力を取得したとき、前記定期データ取得制御を実施した直後において前記アノード極にて推定される水素の圧力である推定アノード圧力と前記定期圧力との差分が規定範囲に含まれない場合、前記燃料電池システムを起動させ、前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に前記定期圧力が前記規定範囲に含まれるように水素を供給する。

【0008】

推定アノード圧力と定期圧力との差分は、例えば燃料電池システムの停止中にカソードガス供給路及びカソードオフガス排出路と燃料電池との間から酸素を含む空気が侵入し、水素供給制御したときに燃料電池のアノード極に供給された水素が燃料電池の劣化を抑制するにあたり足りなかったか否かを判断する基準となる。そのため、規定範囲を例えば燃料電池に酸素を含む空気が侵入したとしても燃料電池の劣化に寄与しない範囲に設定すると、推定アノード圧力と定期圧力との差分が規定範囲に含まれない場合は、燃料電池システムの停止中に燃料電池に侵入した酸素を含む空気が燃料電池の劣化に寄与してしまうほど多いことを示している。

【0009】

これによれば、所定周期で定期データ取得制御を実施し、推定アノード圧力と定期圧力との差分を算出している。そのため、燃料電池システムの停止中において、燃料電池に侵入する酸素を含む空気の状態を所定周期で確認している。そして、推定アノード圧力と定期圧力との差分が規定範囲に含まれない場合に燃料電池システムを起動させ、水素用アクチュエータを動作させることで燃料電池のアノード極に水素を供給することで、燃料電池の内部に足りない分の水素を補充することができる。したがって、燃料電池システムの停止中における燃料電池の劣化をより好適に抑制できる。

【0010】

上記の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記水素供給制御の直後に前記冷却回路の温度、前記カソードオフガス排出路における空気の圧力であるカソード圧力、前記アノードガス供給路における水素の圧力であるアノード圧力、及び前記アノード極の水素濃度を取得する第１データ取得制御と、前記第１データ取得制御を実施した後に前記燃料電池システムが停止している状態において、所定周期で前記冷却回路の温度である定期温度、及び前記定期圧力を取得する前記定期データ取得制御と、前記定期データ取得制御で前記定期温度及び前記定期圧力を取得したとき、前記第１データ取得制御により取得した前記温度、前記カソード圧力、前記アノード圧力、及び前記水素濃度と、前記定期データ取得制御により取得した前記定期温度とにより前記推定アノード圧力を演算する推定アノード圧力演算制御と、を実施するとよい。

【0011】

これによれば、水素供給制御により燃料電池のアノード極に水素を供給した後から定期データ取得制御を実施するまでの間に変化するアノードガス供給路の水素の圧力を推定アノード圧力として演算することができる。よって、推定アノード圧力の変化をより正確に把握することができる。そのため、定期データ取得制御を実施した直後における燃料電池に侵入する酸素を含む空気の状態をより正確に把握することができる。

【0012】

上記の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記水素供給制御の直後からの前記推定アノード圧力の経時的な変化を示すマップを有し、前記定期圧力を前記マップに照らし合わせ、前記差分が規定範囲に含まれない場合、前記燃料電池システムを起動させ、前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に前記定期圧力が前記規定範囲に含まれるように水素を供給するとよい。

【0013】

これによれば、制御装置は、定期データ取得制御により得た定期圧力をマップに照らし合わせることで差分を演算している。よって、燃料電池システムの停止中において、制御装置の演算負荷を低減させつつ、燃料電池に侵入する酸素を含む空気の状態をより早く把握することができる。

【発明の効果】

【0014】

この発明によれば、燃料電池システムの停止中における燃料電池の劣化をより好適に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】燃料電池システムの概略図。

【図2】燃料電池システムの第１の実施形態における制御フロー図。

【図3】燃料電池システムの第２の実施形態における制御フロー図。

【図4】第２の実施形態の推定アノード圧力のマップ。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜第１の実施形態＞
以下、燃料電池システムを具体化した第１の実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。

【0017】

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車に適用されるものである。燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、複数の燃料電池セルをスタック化したものである。燃料電池セルとは、例えば固体分子型燃料電池である。燃料電池１０は、アノード極と、カソード極と、電解質膜とを有している。燃料電池１０は、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する。より具体的には、燃料電池１０は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池１０では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。

【0018】

燃料電池システム１は、アノードガス供給路Ｌｓｈと、アノードオフガス排出路Ｌｅｈと、アノードガス循環路Ｌｃｈと、カソードガス供給路Ｌｓｏと、カソードオフガス排出路Ｌｅｏとを有している。アノードガス供給路Ｌｓｈは、燃料電池１０のアノード極に接続されている。アノードガス供給路Ｌｓｈは、水素タンク９１に接続されている。アノードガス供給路Ｌｓｈには、水素タンク９１に貯留されている水素が流動する。アノードオフガス排出路Ｌｅｈには、燃料電池１０で水素と酸素とを反応させたときのアノードオフガスが流動する。アノードオフガスは、燃料電池１０で未反応の水素と、水素と酸素とが反応したときの水が主に含まれている。アノードガス循環路Ｌｃｈは、アノードオフガス排出路Ｌｅｈと気液分離器９２を介して接続されている。気液分離器９２は、アノードオフガスに含まれる水素と水とを分離する機能を有している。アノードガス循環路Ｌｃｈは、アノードガス供給路Ｌｓｈに接続されている。そのため、アノードガス循環路Ｌｃｈは、気液分離器９２により分離された水素をアノードガス供給路Ｌｓｈに戻すために設けられている。カソードガス供給路Ｌｓｏは、燃料電池１０のカソード極に接続されている。カソードガス供給路Ｌｓｏには、大気中の酸素を含む空気が流動する。カソードオフガス排出路Ｌｅｏには、燃料電池１０で水素と酸素とを反応させたときのカソードオフガスが流動する。カソードオフガスは、燃料電池１０で未反応の酸素を含む空気と、水素と酸素とが反応したときの水が主に含まれている。アノードオフガス排出路Ｌｅｈ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏは、希釈器９３に接続されている。希釈器９３は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈する機能を有している。希釈器９３は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈した混合排出ガスＥｇを大気中に排出する。希釈器９３は、燃料電池１０で未反応の水素の濃度を薄くして大気中に排出させる目的で設けられている。希釈器９３には、貯水タンク９４が接続されている。貯水タンク９４は、アノードオフガス及びカソードオフガスに含まれる水を貯留する機能を有している。なお、アノードガス供給路Ｌｓｈ、アノードオフガス排出路Ｌｅｈ、カソードガス供給路Ｌｓｏ、及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間には、図示しないシール部材が介在されており、燃料電池１０の内部への空気の侵入を抑制している。

【0019】

燃料電池システム１は、電磁バルブ２１と、インジェクタ２２と、水素循環ポンプ２３と、排気排水バルブ２４とを備えている。電磁バルブ２１は、アノードガス供給路Ｌｓｈに設けられている。電磁バルブ２１は、アノードガス供給路Ｌｓｈを開閉させる機能を有している。インジェクタ２２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおける電磁バルブ２１よりも燃料電池１０寄りに設けられている。インジェクタ２２は、電磁バルブ２１を通過した水素を圧縮させた状態で燃料電池１０のアノード極に供給する機能を有している。水素循環ポンプ２３は、アノードガス循環路Ｌｃｈに設けられている。水素循環ポンプ２３は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに流れるアノードオフガスを、気液分離器９２を介してアノードガス循環路Ｌｃｈに引き込む機能を有している。水素循環ポンプ２３は、アノードガス循環路Ｌｃｈに引き込んだ水素をアノードガス供給路Ｌｓｈに戻している。排気排水バルブ２４は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに設けられている。排気排水バルブ２４は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈを開閉させる機能を有している。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、いわゆる電磁弁である。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、ソレノイドが励磁させることで内部の弁体が動作することでアノードガス供給路Ｌｓｈ及びアノードオフガス排出路Ｌｅｈを開状態にする。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、ソレノイドが励磁されずに弁体の動作が停止している状態では定常的にアノードガス供給路Ｌｓｈ及びアノードオフガス排出路Ｌｅｈを閉状態にしている。このように、電磁バルブ２１、インジェクタ２２、水素循環ポンプ２３、及び排気排水バルブ２４は燃料電池１０に水素を給排する水素用アクチュエータ２０をなしている。

【0020】

燃料電池システム１は、エアコンプレッサ４１と、エアシャットバルブ４２と、エア調圧バルブ４３とを備えている。エアコンプレッサ４１は、カソードガス供給路Ｌｓｏに設けられている。エアコンプレッサ４１は、大気中の酸素を含む空気を圧縮させた状態で燃料電池１０に供給する機能を有している。エアシャットバルブ４２は、カソードガス供給路Ｌｓｏにおけるエアコンプレッサ４１よりも燃料電池１０寄りに設けられている。エアシャットバルブ４２は、カソードガス供給路Ｌｓｏを開閉させる機能を有している。エア調圧バルブ４３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏに設けられている。エア調圧バルブ４３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏを開閉させる機能を有している。エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、いわゆる電磁弁である。そのため、エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、ソレノイドが励磁されることで内部の弁体が動作することでカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏを開状態にする。エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、ソレノイドが励磁されずに弁体の動作が停止している状態では定常的にカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏを閉状態にしている。このように、エアコンプレッサ４１、エアシャットバルブ４２、及びエア調圧バルブ４３は燃料電池１０に空気を給排する酸素用アクチュエータ４０をなしている。

【0021】

燃料電池システム１は、燃料電池１０を冷却する冷却回路３０を備えている。冷却回路３０は、燃料電池１０に冷却水を循環させるための冷却水循環路Ｌｃを有している。冷却水循環路Ｌｃは、燃料電池１０に両端を接続することで閉回路をなしている。冷却回路３０は、冷却水循環ポンプ３１と、ラジエータ３２と、インタークーラ３３とを有している。冷却水循環ポンプ３１、ラジエータ３２、及びインタークーラ３３は、冷却水循環路Ｌｃに設けられている。冷却水循環ポンプ３１は、冷却水循環路Ｌｃにおいて冷却水を循環させる動力を発生させる機能を有している。冷却水循環路Ｌｃを循環する冷却水は、燃料電池１０で発生する熱を吸熱する。ラジエータ３２は、燃料電池１０で発生する熱を吸熱した冷却水を冷却する機能を有している。インタークーラ３３は、カソードガス供給路Ｌｓｏに接続されている。カソードガス供給路Ｌｓｏを流動する酸素を含む空気は、エアコンプレッサ４１により圧縮されるため温度が高い状態となっている。そのため、インタークーラ３３は、カソードガス供給路Ｌｓｏに流動する空気を冷却する機能を有している。

【0022】

燃料電池システム１は、温度センサ６１と、アノード圧力センサ６２と、カソード圧力センサ６３とを備えている。温度センサ６１は、冷却回路３０の冷却水循環路Ｌｃに設けられている。温度センサ６１は、冷却回路３０の冷却水の温度を検出する。冷却回路３０の冷却水の温度は、燃料電池１０の温度と同義である。アノード圧力センサ６２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおけるインジェクタ２２よりも燃料電池１０寄りに設けられている。アノード圧力センサ６２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力を検出する。アノード圧力センサ６２により検出される水素の圧力は、燃料電池１０のアノード極での水素の分圧と同義である。カソード圧力センサ６３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏにおける空気の圧力を検出している。カソード圧力センサ６３により検出される空気の圧力は、燃料電池１０のカソード極での空気の分圧と同義である。

【0023】

燃料電池システム１は、水素用アクチュエータ２０及び酸素用アクチュエータ４０の動作を制御することにより燃料電池１０の動作を制御する制御装置５０を備えている。なお、制御装置５０は、図示しないメモリに保存されたプログラムをＣＰＵにより実施することで水素用アクチュエータ２０及び酸素用アクチュエータ４０の動作を制御するものである。

【0024】

以下、燃料電池システム１の動作について燃料電池システム１の制御フローを参照しながら説明する。なお、燃料電池システム１の制御フローについて説明するにあたり、先に燃料電池システム１の基本的な制御フローについて説明する。

【0025】

図２に示すように、制御装置５０は、燃料電池システム１の起動時に、水素循環制御を実施する（ステップＳ１０１）。制御装置５０は、水素循環制御において酸素用アクチュエータ４０を停止させた状態で水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給する。制御装置５０は、燃料電池１０のアノード極に水素を供給するとともに水素循環ポンプ２３を動作させることで燃料電池１０の内部で水素を規定時間に亘って循環させる。

【0026】

制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘ってエアコンプレッサ４１、エアシャットバルブ４２、及びエア調圧バルブ４３を停止させた状態に維持する。すなわち、制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘って燃料電池１０に対して空気を給排させない。そして、制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘って、電磁バルブ２１を開状態に維持するとともにインジェクタ２２によって水素を圧縮させた状態で燃料電池１０のアノード極に供給する。これにより、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の温度が低下したことによる結露やカソード極からアノード極に侵入した酸素及び窒素をアノードオフガス排出路Ｌｅｈに向けて流動させることができる。このとき、排気排水バルブ２４が開状態に維持されていることから、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに向けて流動したアノードオフガスを、気液分離器９２を介して希釈器９３に流動させることができる。また、水素循環ポンプ２３が動作しているため、気液分離器９２により分離された水素はアノードガス供給路Ｌｓｈに戻される。なお、規定時間とは、燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠となる部分がなくなるように電磁バルブ２１、インジェクタ２２、及び水素循環ポンプ２３を動作させる時間を示している。ここで、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積は、燃料電池システム１の個体毎にばらつきがあるため、規定時間の長さもばらつきが生じる虞がある。その点、上記の規定時間は、燃料電池システム１の起動時にアノード極にどの程度の酸素や水が残存しているかを実験的に確認した上で、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積がばらついたとしても燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠となる部分がないように設定されている。

【0027】

制御装置５０は、水素循環制御を実施した後（ステップＳ１０１の後）に酸素用アクチュエータ４０を動作させることで燃料電池１０のカソード極に酸素を含む空気を供給するとともに水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０を動作させる発電制御を実施する（ステップＳ１０２）。

【0028】

制御装置５０は、水素循環制御を実施しているときと同様に水素用アクチュエータ２０の動作を継続させつつ、酸素用アクチュエータ４０を動作させる。すなわち、制御装置５０は、エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３を開状態に維持し、エアコンプレッサ４１を動作させる。これにより、燃料電池１０のアノード極に水素が、カソード極に酸素を含む空気が供給されることにより燃料電池１０にて発電が開始される。

【0029】

制御装置５０は、発電制御を実施しているとき（ステップＳ１０２）に燃料電池システム１が停止処理を実施する必要があるか否かを判断している（ステップＳ１０３）。具体的には、制御装置５０は、例えば燃料電池システム１が適用される燃料電池車のスタートボタンからの信号に基づき燃料電池システム１を停止させるか否かを判断している。制御装置５０は、燃料電池システム１を停止させない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）、発電制御（ステップＳ１０２）を継続する。制御装置５０は、燃料電池システム１を停止させる場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、酸素用アクチュエータ４０を停止させる（ステップＳ１０４）。燃料電池システム１において、酸素用アクチュエータ４０が停止すると、燃料電池１０に対して酸素を含む空気が供給されなくなる。よって、燃料電池１０における発電が停止する。

【0030】

制御装置５０は、燃料電池システム１の停止時（ステップＳ１０４）に、酸素用アクチュエータ４０を停止させた状態で水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給する水素供給制御を実施する（ステップＳ１０５）。燃料電池システム１の停止時に酸素用アクチュエータ４０を停止させているが、燃料電池１０の内部に酸素が残ってしまう虞がある。残存した酸素は、燃料電池１０の劣化に寄与するため、燃料電池１０に残存している酸素を水素と反応させて水に変換する必要がある。そこで、上記の水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に水素を供給している。ここで、水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に供給する水素量は、発電制御後に燃料電池１０の内部にどの程度の酸素が残存しているかを実験的に確認した上で、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積がばらついたとしても燃料電池１０の内部に酸素が残存しないように設定されている。また、水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に供給する水素量は、次回の燃料電池システム１の起動時に希釈器９３を介して大気中に排出される混合排出ガスＥｇに含まれる水素が４％を超えないように設定されている。当該数値は、燃料電池システム１を燃料電池車に適用する場合に法的に定められた数値である。

【0031】

燃料電池システム１の基本的な制御フローは、上記したステップＳ１０１からステップＳ１０５であり、ステップＳ１０５の終了後、燃料電池システム１が停止する。ところで、カソードガス供給路Ｌｓｏやカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間をシールするシール部材が劣化し、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の内部に透過する酸素量が増える場合がある。また、例えばアノードガス供給路Ｌｓｈやアノードオフガス排出路Ｌｅｈと燃料電池１０との間のシール部材の劣化、エアシャットバルブ４２やエア調圧バルブ４３の弁体の劣化により燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の内部に透過する酸素量が増える場合がある。その点、本実施形態では、燃料電池システム１の停止中における燃料電池１０の劣化を抑制できるように構成されている。以下、その構成について説明する。

【0032】

図２に示すように、制御装置５０は、水素供給制御の直後に第１データ取得制御を実施する（ステップＳ１０６）。制御装置５０は、第１データ取得制御において温度Ｔ１、カソード圧力Ｐｏ、アノード圧力Ｐｈ、及び水素濃度Ｈｄを取得する。温度Ｔ１は、水素供給制御の直後の冷却回路３０の冷却水の温度である。カソード圧力Ｐｏは、水素供給制御の直後のカソードオフガス排出路Ｌｅｏにおける空気の圧力である。アノード圧力Ｐｈは、水素供給制御の直後のアノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力である。水素濃度Ｈｄは、水素供給制御の直後の燃料電池１０のアノード極における水素の濃度である。

【0033】

制御装置５０は、温度センサ６１で検出される温度Ｔ１を取得する。制御装置５０は、アノード圧力センサ６２で検出されるアノード圧力Ｐｈを取得する。制御装置５０は、カソード圧力センサ６３で検出されるカソード圧力Ｐｏを取得する。水素濃度Ｈｄは、水素供給制御にて燃料電池１０のアノード極に供給される水素量によって推定されるパラメータである。すなわち、水素濃度Ｈｄは、燃料電池システム１の停止時に燃料電池１０に酸素が残存しないように、且つ次回の燃料電池システム１の起動時に希釈器９３から排出される混合排出ガスＥｇに含まれる水素が４％を超えないように燃料電池１０に水素を供給した後の燃料電池１０のアノード極における水素の濃度を実験的に確認することで得られる。そのため、制御装置５０は、図示しないメモリに水素濃度Ｈｄを記憶しておき、第１データ取得制御時にメモリから水素濃度Ｈｄを取得する。なお、本実施形態では、第１データ取得制御を実施した後、燃料電池システム１は停止する。

【0034】

制御装置５０は、第１データ取得制御を実施した後に燃料電池システム１が停止している状態において定期データ取得制御を実施する（ステップＳ１０７）。制御装置５０は、所定周期で自身と、温度センサ６１と、アノード圧力センサ６２と、カソード圧力センサ６３とを動作させる。制御装置５０の図示しないメモリには、所定周期で自身と、温度センサ６１と、アノード圧力センサ６２とを動作させるプログラムが保存されている。制御装置５０は、定期データ取得制御において、定期温度Ｔｎ及び定期圧力Ｐｈｎを取得する。制御装置５０は、温度センサ６１で検出される冷却回路３０の冷却水の温度である定期温度Ｔｎを取得する。制御装置５０は、アノード圧力センサ６２で検出されるアノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力である定期圧力Ｐｈｎを取得する。

【0035】

制御装置５０は、定期データ取得制御で定期温度Ｔｎ及び定期圧力Ｐｈｎを取得したとき、推定アノード圧力演算制御を実施する（ステップＳ１０８）。制御装置５０は、推定アノード圧力演算制御において、温度Ｔ１、カソード圧力Ｐｏ、アノード圧力Ｐｈ、水素濃度Ｈｄ、及び定期温度Ｔｎにより推定アノード圧力Ｐｃａｌを演算する。推定アノード圧力Ｐｃａｌは、定期データ取得制御を実施した直後におけるアノード極にて推定される水素の圧力である。

【0036】

制御装置５０は、推定アノード圧力演算制御を実施した直後に定期圧力Ｐｈｎと推定アノード圧力Ｐｃａｌとの差分ΔＰが規定範囲に含まれているか否かを判断している（ステップＳ１０９）。制御装置５０は、差分ΔＰが規定範囲に含まれていると判断した場合（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、燃料電池システム１が起動処理を実施する必要があるか否かを判断している（ステップＳ１１０）。具体的には、制御装置５０は、例えば燃料電池システム１が適用される燃料電池車のスタートボタンからの信号に基づき燃料電池システム１を起動させるか否かを判断している。制御装置５０は、ステップＳ１１０において燃料電池システム１の起動処理を実施する必要があると判断した場合（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、処理を終了し、再度ステップＳ１０１から燃料電池システム１の制御フローを開始する。制御装置５０は、ステップＳ１１０において燃料電池システム１の起動処理を実施する必要がないと判断した場合（ステップＳ１１０でＮＯ）、再び定期データ取得制御（ステップＳ１０７）に戻る。なお、再び定期データ取得制御に戻った場合、制御装置５０は、所定周期で定期データ取得制御を実施するため、次回の定期データ取得制御を実施するまでの間、制御装置５０自身と、温度センサ６１と、アノード圧力センサ６２とを停止させた状態にする。

【0037】

制御装置５０は、差分ΔＰが規定範囲に含まれていないと判断した場合（ステップＳ１０９でＮＯ）、燃料電池システム１を起動させ、水素用アクチュエータを動作させる（ステップＳ１１１）。制御装置５０は、ステップＳ１１１において、水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給する。

【0038】

ここで、差分ΔＰは、例えば燃料電池システムの停止中にカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池との間から酸素を含む空気が侵入し、水素供給制御したときに燃料電池１０のアノード極に供給された水素が燃料電池１０の劣化を抑制するにあたり足りなかったか否かを判断する基準となる数値である。そのため、規定範囲とは、燃料電池に酸素を含む空気が侵入したとしても燃料電池１０の劣化に寄与しない範囲を示している。よって、差分ΔＰが規定範囲に含まれている場合は、燃料電池１０に酸素を含む空気が侵入したとしても燃料電池１０の劣化に寄与しないことを示している。また、差分ΔＰが規定範囲に含まれていない場合は、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０に侵入した酸素を含む空気が燃料電池１０の劣化に寄与してしまうほど多いことを示している。

【0039】

制御装置５０は、ステップＳ１１１において、水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に差分ΔＰが規定範囲に含まれるように水素を供給する。このとき、燃料電池１０のアノード極に供給される水素量は、燃料電池システム１が停止中で差分ΔＰが規定範囲に含まれないときに燃料電池１０のアノード極にどの程度の水素が足りてないかを実験的に確認した上で設定される。そして、当該水素量は、水素用アクチュエータ２０の動作時間によって決まる。よって、差分ΔＰが規定範囲に含まれないときに供給するべき水素量に対する水素用アクチュエータ２０の動作時間を実験的に確認し、制御装置５０は、当該動作時間だけ水素用アクチュエータ２０を動作させる。制御装置５０は、ステップＳ１１１の後、処理を終了する。

【0040】

本実施形態の効果について説明する。
（１－１）本実施形態では、所定周期で定期データ取得制御を実施し、推定アノード圧力Ｐｃａｌと定期圧力Ｐｈｎとの差分ΔＰを算出している。そのため、燃料電池システム１の停止中において、燃料電池１０に侵入する酸素を含む空気の状態を所定周期で確認している。そして、推定アノード圧力Ｐｃａｌと定期圧力Ｐｈｎとの差分ΔＰが規定範囲に含まれない場合に燃料電池システム１を起動させ、水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給することで、燃料電池１０の内部に足りない分の水素を補充することができる。したがって、燃料電池システム１の停止中における燃料電池１０の劣化をより好適に抑制できる。

【0041】

（１－２）本実施形態では、水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に水素を供給した後から定期データ取得制御を実施するまでの間に変化するアノードガス供給路Ｌｓｈの水素の圧力を推定アノード圧力Ｐｃａｌとして演算することができる。よって、推定アノード圧力Ｐｃａｌの変化をより正確に把握することができる。そのため、定期データ取得制御を実施した直後における燃料電池１０に侵入する酸素を含む空気の状態をより正確に把握することができる。

【0042】

＜第２の実施形態＞
以下、燃料電池システムの第２の実施形態について図３及び図４にしたがって説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成については同一の符号を付して説明をし、詳細な説明は割愛する。

【0043】

図３に示すように、本実施形態と第１の実施形態との異なる点は、燃料電池システム１の制御フローにおいて、制御装置５０は、ステップＳ１０７の定期データ取得制御において定期圧力Ｐｈｎのみを取得する点と、ステップＳ１０８において推定アノード圧力演算制御に代替して制御装置５０の図示しないメモリに保存されたマップＭに定期データ取得制御で取得した定期圧力Ｐｈｎを照らし合わせることで差分ΔＰを演算する制御を実施する点である。

【0044】

図４に示すように、マップＭは、制御装置５０の図示しないメモリに保存されている。マップＭは、横軸が水素供給制御の直後からの経過時間を示し、縦軸が推定アノード圧力Ｐｃａｌを示している。すなわち、マップＭは、水素供給制御の直後からの推定アノード圧力Ｐｃａｌの経時的は変化を示している。当該マップは、水素供給制御を実施し、燃料電池システム１の停止中における理想的なアノードガス供給路Ｌｓｈの水素の圧力を予め設計時に計算することで作られている。なお、理想的なアノードガス供給路Ｌｓｈの水素の圧力は、燃料電池システム１の個体毎における燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積が平均値であり、且つ劣化する前の状態のシール部材を透過する酸素量が平均値であることを前提として計算された値である。すなわち、理想的なアノードガス供給路Ｌｓｈの水素の圧力は、燃料電池システム１を設計する上で燃料電池１０の内部に侵入しても燃料電池１０の劣化に寄与しないと想定される酸素量に基づいて計算される。

【0045】

図３及び図４に示すように、制御装置５０は、定期データ取得制御を実施したときに取得した定期圧力ＰｈｎをマップＭに参照する（ステップＳ１０８）。制御装置５０は、定期データ取得制御で定期圧力Ｐｈｎを取得したとき、マップＭ上の推定アノード圧力Ｐｃａｌの経時的な変化を示す線（図４中の太線）と、定期圧力Ｐｈｎとの差分ΔＰを演算する。制御装置５０は、差分ΔＰを演算後、第１の実施形態と同様にステップＳ１０９～ステップＳ１１１を実施する。

【0046】

本実施形態の効果について説明する。
（２－１）本実施形態では、制御装置５０は、定期データ取得制御により得た定期圧力Ｐｈｎをマップに照らし合わせることで差分ΔＰを演算している。よって、燃料電池システム１の停止中において、制御装置５０の演算負荷を低減させつつ、燃料電池１０に侵入する酸素を含む空気の状態をより早く把握することができる。

【0047】

なお、上記の各実施形態は、以下のように変更して実施できる。上記の各実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。
〇 ステップＳ１１１の後にステップＳ１０７で実施する定期データ取得制御に戻ってもよい。

【0048】

〇 差分ΔＰが規定範囲に含まれない場合、燃料電池システム１を起動させ、水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給していたが、供給する水素量は一定であってもよい。又は、差分ΔＰの大きさによって供給する水素量を変化させてもよい。

【0049】

〇 燃料電池システム１において、アノードガス循環路Ｌｃｈ、及び水素循環ポンプ２３を割愛するように変更してもよい。このように変更したとき、電磁バルブ２１、インジェクタ２２、及び排気排水バルブ２４が水素用アクチュエータ２０を構成する。

【0050】

〇 上記の変更例に伴って、燃料電池システム１の制御フローにおいて、ステップＳ１０１の水素循環制御を割愛してもよい。
〇 燃料電池システム１は、燃料電池車に限らず、フォークリフトや無人搬送車等の産業車両や定置式電源等に適用させてもよい。

【符号の説明】

【0051】

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２０…水素用アクチュエータ、２１…電磁バルブ、２２…インジェクタ、２３…水素循環ポンプ、３０…冷却回路、４０…酸素用アクチュエータ、４１…エアコンプレッサ、４２…エアシャットバルブ、４３…エア調圧バルブ、５０…制御装置、９２…気液分離器、Ｌｓｈ…アノードガス供給路、Ｌｅｈ…アノードオフガス排出路、Ｌｃｈ…アノードガス循環路、Ｌｓｏ…カソードガス供給路、Ｌｅｏ…カソードオフガス排出路、Ｔ１…温度、Ｔｎ…定期温度、Ｈｄ…水素濃度、Ｐｏ…カソード圧力、Ｐｈ…アノード圧力、Ｐｈｎ…定期圧力、Ｐｃａｌ…推定アノード圧力、ΔＰ…差分、Ｍ…マップ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】