JP5114520B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両に用いられる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法に関するものである。

燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで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まで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）を起こして発電するようになっている。

ところで、上述した燃料電池では、車両停止時の、特にアイドル停止（一時的に燃料電池を停止させる操作）をした際、水素がカソードに拡散（クロスオーバー）して、次回起動時に希釈器に排出される等を抑制するために、燃料電池に残留する水素を消費するディスチャージ（放電）処理を行う場合がある。
しかしながら、燃料電池の内部状態によってはディスチャージ処理を行わない方が好ましい場合もある。具体的に、燃料電池ではフラッディング現象（発電に伴って生成される生成水が燃料電池内に局所的に滞留してアノードガスの供給を阻害する現象）や、アノードガス流路の流路閉塞等により、燃料電池（単位セル）の面内全体にアノードガスが行き届かない虞がある。このような状態でディスチャージ処理を行うと、要求されている発電電流に対してアノードガスが不足した状態（後述するストイキ不足）となり、燃料電池の個体高分子電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。

ここで、特許文献１には、アイドル停止直前の負荷情報に応じて電圧（セル電圧）のパラメータ閾値を演算し、このパラメータ閾値と測定した電圧パラメータとを比較して、アイドル停止の許可判断を行うような構成が開示されている。

特開２００７−２５８１１７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示す方法では、燃料電池の内部状態を高精度に把握することは難しい。すなわち、セル電圧は、アノード側およびカソード側の両方の不安定要素によって変動するため、セル電圧の低下だけで燃料電池内部の状態を把握するのは困難である。

そこで、本発明は、燃料電池車両のアイドル停止時におけるディスチャージ処理の許可判断を高精度に行い、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止制御方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記アノードに面する燃料流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）に燃料を供給する燃料供給手段（例えば、実施形態におけるアノードガス供給手段１２）と、前記カソードに面する酸化剤流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）に酸化剤を供給する酸化剤供給手段（例えば、実施形態におけるカソードガス供給手段１１）と、を備え、車両に搭載された燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）において、前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段（例えば、実施形態における参照電極）と、前記燃料流路に前記燃料を供給して前記燃料流路のパージを行うパージ手段（例えば、実施形態におけるパージ弁２７）と、車両アイドリング時の前記燃料電池停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行わせるディスチャージ制御部（例えば、実施形態におけるディスチャージ制御部４７）とを備え、前記ディスチャージ制御部は、前記燃料電池のアイドル停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージ許可判断を実施し、前記ディスチャージ許可判断において、前記アノード電位が所定閾値以下の場合には、ディスチャージを許可し、前記アノード電位が前記所定閾値より大きい場合には、ディスチャージを許可せずに、前記パージ手段によりパージを実施させ、パージの実施後に再度、前記ディスチャージ許可判断を実施することを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージの実施中に、前記アノード電位が前記所定閾値より大きくなった場合に、ディスチャージを中止することを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記アノード電位測定手段は、前記燃料電池のセル電圧低下幅に基づいて、前記アノード電位を算出することを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備え、車両に搭載された燃料電池システムの停止制御方法であって、前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、前記燃料流路に前記燃料を供給して前記燃料流路のパージを行うパージ手段と、車両アイドリング時の前記燃料電池停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行わせるディスチャージ制御部とを備え、前記燃料電池のアイドル停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージを許可するか否かを判断するディスチャージ許可判断ステップを有し、前記ディスチャージ許可判断ステップでは、前記アノード電位が所定閾値以下の場合に、ディスチャージを許可し、前記アノード電位が前記所定閾値より大きい場合に、ディスチャージを許可せずに、前記パージ手段によりパージを実施させ、パージの実施後に再度、前記ディスチャージ許可判断ステップを実行することを特徴とする。

ここで、本願発明者は、セル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係について、以下の現象が生じることを実験により導き出した。
図７はセル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係を説明するためのグラフである。
図７（ａ）に示すように、まずセル電圧とは、アノードとカソードとの電位差（セル電圧Ｖ＝カソード電位ＥＣａ−アノード電位ＥＡｎ）であり、アノード電位ＥＡｎは約０Ｖである。そのため、正常時における燃料電池のセル電圧Ｖは、カソード電位ＥＣａとほぼ同値を示す。

ところが、図７（ｂ）に示すように、上述したフラッディング現象等の影響でストイキ（消費されるべき反応ガス量に対する供給される反応ガス量の割合）不足になると、燃料が不足しているにも関わらずアノード側から電子を取り出す必要が生じる。この場合、燃料電池面内において、フラッディング現象が発生して発電が不可能な非発電領域では、触媒（例えば、Ｐｔ）の溶出反応（Ｐｔ→Ｐｔ_２ ^＋＋２ｅ⁻）等により、アノード側で電子が取り出されることで、アノード電位が上昇する。

一方、フラッディング現象が発生していない発電領域では、アノードから透過してきた水素イオンと、酸素とが、カソード側で上述した電気化学反応を起こすことで、カソード電位も上昇する。
図８は、アノード電位に対するカソード電位の上昇幅を示すグラフである。
具体的には、図８に示すように、ストイキ不足によりアノード電位が上昇すると、カソード電位はアノード電位に対して所定（約０．８倍）の割合で上昇することがわかる。これにより、アノードでストイキ不足が発生している場合には、セル電圧が低下することになる。

ところが、図７（ｃ）に示すように、カソード側で酸化剤のストイキ不足が発生している場合には、カソード電位が低下することで、セル電圧が低下する。結果として、セル電圧の低下だけでは、燃料電池の内部状態を高精度に把握することが難しい。

これに対して、請求項１，４に記載した発明によれば、ディスチャージの判断をアノード電位に基づいて行うことで、従来のようにセル電圧に基づいてディスチャージの判断を行う場合に比べて、燃料電池の内部状態（フラッディング等の発生）をより正確に検出できる。すなわち、ディスチャージ許可判断において、アノード側のストイキ不足時に特有の閾値を設定することができるので、ディスチャージ許可判断を高精度に行うことができる。
したがって、ディスチャージの判断を高精度に行うことで、燃料電池（固体高分子電解質膜）の劣化を未然に抑制できる。そして、アイドル停止中にディスチャージ処理を行うことで、燃料流路内の燃料を消費して、燃料のカソードへのクロスオーバー量を低減できる。

また、アノード電位が所定閾値より大きい場合に、アノードにアノードガスを供給して、アノードのパージを行うことで、燃料電池（アノード）に滞留した生成水や不純物ガス等をアノードガスによって吹き飛ばすことができる。そのため、フラッディング現象等を解消し、燃料電池全体にアノードガスを行き届かせることができる。その結果、速やかにアノード電位を回復（低下）させ、燃料電池の劣化を抑制できる。また、パージ実施後に再度、ディスチャージ許可判断を行うことで、アノード電位が所定電位閾値以下と判断された場合に、速やかにディスチャージ処理に移行できる。

ところで、燃料電池が比較的大きな場合等は、燃料電池面内全体のアノード電位を完全に検出できない場合がある。そのため、ディスチャージ開始前にアノード電位が所定閾値以下と判断された場合であっても、実際には検出範囲外でフラッディング等が発生している場合がある。そして、ディスチャージを実施することで、検出範囲外に滞留していた生成水等が検出範囲内まで移動し、検出範囲でのアノード電位が上昇する可能性がある。
そこで、請求項２に記載した発明によれば、ディスチャージ実施中にディスチャージ許可判断を行うことで、燃料電池の面内の状態をより高精度に検出できる。

請求項３に記載した発明によれば、アノード電位を直接測定できない場合等であっても、ディスチャージ処理の許可判断を高精度に行うことができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 ＥＣＵのシステムブロック図である。 燃料電池システムの停止制御方法を示すフローチャートである。 アイドル停止許可判断を行うための条件を説明するための説明図である。 ディスチャージ許可判断を説明するためのフローチャートである。 各セルのセル電圧を示すグラフである。 セル電圧とアノード電位及びカソード電位との関係を説明するためのグラフである。 アノード電位に対するカソード電位の上昇幅を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤）である空気を供給するためのカソードガス供給手段（酸化剤供給手段）１１と、アノードガス（燃料）である水素を供給するためのアノードガス供給手段（燃料供給手段）１２と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６とを主に備えている。

燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応して発電するようになっている。なお、燃料電池システム１は、燃料電池２の温度を検出するための図示しない温度検出手段を有している。

カソードガス供給手段１１は、図示しないカソードガスの供給源から供給される、あるいは大気をカソードガスとして吸い込み、所定圧力に加圧して燃料電池２に向けて送出するエアポンプ３３を備えている。エアポンプ３３は、カソードガス供給配管２４を介して燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソードガス流路２２に接続されている。一方、カソードガス流路２２の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出配管３８が接続されている。

アノードガス供給手段１２は、アノードガスが充填された水素タンク３０を備えている。水素タンク３０は、アノードガス供給配管２３を介して燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノードガス流路（燃料流路）２１に接続されている。一方、アノードガス流路２１の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出配管３５が接続されている。

アノードガス供給配管２３には、上流側から順に、遮断弁２５、レギュレータ２８、エゼクタ２６が接続されている。なお、アノードガス供給配管２３の下流側（燃料電池２の入口側）には、圧力センサ２９が設けられており、アノードガス供給配管２３内のアノードガス圧力（ゲージ圧）を検出できるようになっている。
遮断弁２５は電磁駆動式のものであり、水素タンク３０からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。

レギュレータ２８は、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力を信号圧として、水素タンク３０から供給される高圧の水素ガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧（減圧）するものである。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ２８により調圧されたアノードガスは、エゼクタ２６を通り、燃料電池２に供給される。

また、アノードオフガス排出流路３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５は、途中で配管が分岐して構成されたパージガス排出配管３７を有している。パージガス排出配管３７は希釈ボックス３１に接続されている。また、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁２７が設けられている。

さらに、アノードオフガス排出配管３５の途中には、キャッチタンク４０が設けられている。キャッチタンク４０は、アノードオフガス排出配管３５を流通しているアノードオフガスと、アノードオフガスに混在している液体（生成水）とを分離して、生成水のみを貯留できるように構成されている。キャッチタンク４０には、生成水排出配管４１が接続されている。生成水排出配管４１は希釈ボックス３１に接続され、キャッチタンク４０に貯留している生成水を、希釈ボックス３１を介して燃料電池車外へ排出できるようになっている。さらに、生成水排出配管４１には電磁駆動式のドレイン弁４２が設けられている。

一方、空気（カソードガス）はエアポンプ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池２のカソードガス流路２２に供給される。このカソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出配管３８には燃料電池２のカソードガス流路２２におけるカソードガスの圧力（カソードガス圧力）を調整するための背圧弁３４が設けられている。

希釈ボックス３１は、パージガス排出配管３７から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出配管３８が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路３６から車外に排出される。なお、希釈ボックス３１には、パージガス排出配管３７から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。

また、燃料電池２には、燃料電池車両の走行駆動用として用いられる電動モータ３が接続されている。燃料電池２から取り出された発電電力は、電動モータ３に供給されるようになっている。さらに、燃料電池２には、バッテリ４が接続されており、電動モータ３で使用しない余剰電力を蓄電できるようになっている。

また、燃料電池２には、スイッチ４３を介してディスチャージ抵抗５が接続されている。ディスチャージ抵抗５は、燃料電池２が高電位（カソード電位の高電位）に曝されて、燃料電池２が劣化するのを防止するためのものであり、スイッチ４３のオン・オフに伴って燃料電池２に接続されたり切断されたりする。燃料電池２とディスチャージ抵抗５とが接続されることにより、燃料電池２から電流の取り出し（放電）が行われる。

また、燃料電池２のセルには、図示しない参照電極（アノード電位測定手段）が接続されている。参照電極は、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノードの電位（アノード電位）を測定するものである。なお、参照電極としては例えば、ＤＨＥ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が用いられている。また、参照電極は、燃料電池２の各セルに対して所定数置きに設置されている。

（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ６は、燃料電池システム１の各構成品を統括的に制御するものであり、燃料電池２の状態を判断する状態判断手段４５と、状態判断手段４５による判断結果に基づいてアイドル停止を行うか否かを判断するアイドル停止許可判断手段４６と、アイドル停止許可判断手段４６の判断結果に基づいて、燃料電池２のディスチャージ処理を行うか否かを判断するディスチャージ制御部４７とを備えている。

状態判断手段４５は、車両状態判断手段５０と、ストップ要求判断手段５１と、アノードガス圧力判断手段５２と、故障フラグ判断手段５３と、信号圧判断手段５４と、安定性温度判断手段５５と、発電モード判断手段５６と、希釈完了判断手段５７とを備えている。

車両状態判断手段５０は、燃料電池車両の運転状態を判断するものであり、イグニッションＯＮの状態（燃料電池システム１の作動状態）で、かつブレーキが踏まれていること、アクセルが踏まれていないこと、車速がゼロになっていること等に基づいて、車両が停止状態にある場合に、アイドル停止要求があると判断する。なお、燃料電池システム１にアイドル停止ボタン等を設け、アイドル停止ボタンのオン・オフに基づいて、車両状態判断手段５０によるアイドル停止要求を判断しても構わない。

ストップ要求判断手段５１は、エネルギーマネージメント（バッテリ４のＳＯＣ）に基づいて、アイドル停止が可能であるか否かを判断する。
アノードガス圧力判断手段５２は、圧力センサ２９により検出されたアノードガス圧力が所定値以下であるか否かを判断する。

故障フラグ判断手段５３は、圧力センサ２９が故障であるか否かを判断するものである。具体的に、故障フラグ判断手段５３は、圧力センサ２９で検出されたアノードガス圧力と、圧力センサ２９が正常時に示すアノードガス圧力基準値とを比較して、圧力センサ２９の故障を判断する。
信号圧判断手段５４は、カソードガス圧力が所定値以下であるか否かを判断する。

安定性温度判断手段５５は、上述した温度検出手段（不図示）により検出された燃料電池２の温度が、燃料電池２の正常時の作動温度（例えば、８０℃程度）まで達しているか否かを判断するものである。すなわち、アイドル停止許可判断時において、燃料電池２の暖機運転時等、正常時の作動温度まで達していない場合を除外するためのものである。

発電モード判断手段５６は、温度検出手段により検出された燃料電池２の温度等に基づいて、燃料電池システム１の発電モードが通常発電モードであるか、低温起動発電モードであるかを判断する。

希釈完了判断手段５７は、燃料電池２内におけるカソードガスとアノードガスとの残量（濃度）に基づいて、希釈完了の判断を行うものである。具体的には、燃料電池２内におけるカソードガスの流量の積算残量がゼロになった場合（エアポンプ３３を停止した場合）に、燃料電池２内に残存するアノードガスを所定の水素濃度（排出可能な濃度）まで希釈できるか否かを判断する。

アイドル停止許可判断手段４６は、上述した状態判断手段４５による判断結果に基づいて、アイドル停止を行うか否かを判断するものである。

ディスチャージ制御部４７は、アイドル停止許可判断手段４６によりアイドル停止が許可されてアイドル停止をした際に、ディスチャージ処理を行うか否かを判断するものであり、アノード電位検出手段５８と、ディスチャージ許可判断手段５９と、パージ決定手段６０とを有している。
アノード電位検出手段５８は、上述した参照電極により測定されたアノード電位を検出する。

ディスチャージ許可判断手段５９は、アノード電位検出手段５８により検出されたアノード電位に基づいて、ディスチャージ処理の許可判断を行う。具体的に、ディスチャージ許可判断手段５９には、ディスチャージ処理の許可判断をするためのアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎが記憶されており、このアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎとアノード電位検出手段５８により検出されたアノード電位Ｖａｎとを比較するようになっている。なお、本実施形態のアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎは、燃料電池２の劣化が開始する電位（劣化開始電位Ｖ’）よりも低い電位に設定している。

また、パージ決定手段６０は、ディスチャージ許可判断手段５９によりディスチャージ処理の許可がされなかった場合（アノード電位が高電位にある場合）に、アノードガス流路２２をパージするものである。なお、パージとは、通常、アノードガス流路２２のアノードガスの圧力を上げた後、パージ弁２７を開くことにより、窒素等の不純物ガスを排出することである。本実施形態において、ディスチャージ許可判断手段５９によりディスチャージ処理の許可がされなかった場合には、通常のパージよりも圧力を上げたパージ増量モードを実施することで、アノードガス流路２２に滞留した生成水等も吹き飛ばすようになっている。

（燃料電池システムの停止制御方法）
次に、上述した燃料電池システム１による停止制御方法について説明する。図３は燃料電池システムの停止制御方法のメインルーチンを示すフローチャートであり、図４はアイドル停止許可判断を行うための条件を示す図である。

図３に示すように、まずＥＣＵ６のアイドル停止許可判断手段４６により、アイドル停止の許可判断を行う（ステップＳ１）。具体的に、アイドル停止許可判断手段４６は、状態判断手段４５による判断結果のうち、図４及び以下に示す条件が全て満たされた場合に、アイドル停止の開始を許可する。

（１）車両状態判断手段５０によりイグニッションＯＮの状態で、車両が停止状態にあると判断。
（２）ストップ要求判断手段５１により、燃料電池車両のアイドル停止要求があると判断。
（３）アノードガス圧力判断手段５２により、アノードガス圧力が所定値以下であると判断。
（４）故障フラグ判断手段５３により、圧力センサ２９が正常であると判断。
（５）信号圧判断手段５４により、カソードガス圧力が所定値以下であると判断。
（６）安定性温度判断手段５５により、燃料電池２が正常時の作動温度まで達していると判断。
（７）発電モード判断手段５６により、燃料電池システムの発電モードが通常発電モードであると判断。
（８）希釈完了判断手段５７により、燃料電池２内に残存するアノードガスを所定の水素濃度まで希釈できると判断。

図３に戻り、ステップＳ１の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（上述した（１）〜（８）の条件が全て満たされた場合）には、アイドル停止の開始を許可する。
一方、ステップＳ１の判断結果が「ＮＯ」の場合（上述した（１）〜（８）の条件のうち、少なくとも１つが満たされなかった場合）には、アイドル停止の開始を許可せず、上述したステップＳ１の判断を定期的に繰り返す。

次に、ステップＳ２において、アイドル停止の開始が許可されると、エアポンプ３３を停止する。これにより、燃料電池システム１のアイドル停止が開始される。なお、アイドル停止によりエアポンプ３３を停止することで、ポンプ作動音や振動を低減できるとともに、電力消費を低減して燃費を向上できるので、商品性を向上できる。

次に、ステップＳ３において、ディスチャージ制御部４７により、ディスチャージ処理開始の許可判断を行う。

図５は、ディスチャージ許可判断を説明するためのフローチャートである。
図５に示すように、ステップＳ１１において、ディスチャージ許可判断手段５９は、アノード電位検出手段５８により検出されたアノード電位Ｖａｎが、アノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎよりも大きいか否かを判断する。

ステップＳ１１における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ）、上述したようにストイキ不足によりアノード電位が上昇して、燃料電池２（固体高分子電解質膜）の劣化に繋がる虞がある。そのため、この時点ではディスチャージ処理を行わず、ステップＳ１２に進む。
一方、ステップＳ１１における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ）、ディスチャージ処理が可能な所望の範囲（例えば、劣化開始電位Ｖ’より低い範囲）にアノード電位が収まっていると判断して、後述するステップＳ１４に進む。

次いで、ステップＳ１２では、上述したパージ増量モードを行う。これにより、アノードガス流路２１内に滞留した生成水や不純物ガスを吹き飛ばすことができるので、フラッディング現象や、アノードガス流路の閉塞等を解消できる。その結果、アノードガス流路２１全体にアノードガスを行き届かせ、アノード電位の回復（低下）を図ることができる。

次に、ステップＳ１３において、ディスチャージ許可判断手段５９は、パージ増量モード終了後のアノード電位Ｖａｎが、アノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎよりも大きいか否かを再度判断する。

ステップＳ１３における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ）、燃料電池２が未だにストイキ不足の虞があると判断する。そのため、ステップＳ１２に戻り、パージ増量モードを再度行った後、ステップＳ１３の判断を行う。そして、Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎとなるまで、ステップＳ１２及びステップＳ１３のフローを繰り返す。

一方、ステップＳ１３における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ）、アノード電位が回復して所望の範囲に収まっていると判断して、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、燃料電池システム１のディスチャージ処理を行う。すなわち、カソードガスの供給を停止した状態で、燃料電池２から電力（電流）を取り出す。ディスチャージ処理の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
（１）ディスチャージ抵抗５に接続されているスイッチ４３をオンにして燃料電池２とディスチャージ抵抗５とを接続し、燃料電池２の電力を消費する。
（２）ディスチャージ抵抗５と燃料電池２とを接続しない状態で、バッテリ４に燃料電池２の電力を蓄電したり、電動モータ３に電力を供給し、燃料電池２の電力を電動モータ３によって消費させたり、オーディオ、ライト等の電力消費デバイスに消費させたりする。
する。

（１）の方法のように、ディスチャージ抵抗５を用いて燃料電池２の電力を消費する場合にあっては、例えば、バッテリ４等の蓄電量を監視することなく、燃料電池システム１から独立した形でディスチャージを実行できる。

続いて、ステップＳ１５において、ディスチャージ許可判断手段５９は、ディスチャージ処理中のアノード電位Ｖａｎが、アノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎよりも大きいか否かを再度判断する。これは、ディスチャージ処理を開始してからアノード電位がさらに上昇する場合があるためである。具体的には、燃料電池２の面内が広い場合等は、参照電極によって面内全体のアノード電位を完全に計測できない場合がある。すなわち、ステップＳ１，Ｓ３でアノード電位の上昇を判断できなかった場合であっても、参照電極による検出範囲外でフラッディング現象等が発生している場合がある。そして、ディスチャージ処理を行っていると、検出範囲外に滞留していた生成水等が参照電極の検出範囲内まで移動し、検出範囲のアノード電位が上昇する可能性がある。
そこで、本実施形態ではステップＳ１５において、ディスチャージ処理中にもアノード電位の上昇を判断することで、参照電極を増設することなく、燃料電池２の面内の状態をより高精度に検出できる。

ステップＳ１５における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎ）、ストイキ不足の虞があると判断して、ステップＳ１６に進み、ディスチャージ処理を中断する。この場合は、ディスチャージ処理を中断した時点で、ディスチャージ許可判断のサブルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１５における判断結果が「ＮＯ」の場合（Ｖａｎ≦Ｖａｎｄｏｗｎ）、良好なディスチャージ処理が行われていると判断して、ステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７では、ディスチャージ処理の終了許可判断を行う。具体的に、ディスチャージ処理の終了許可判断は、上述した圧力センサ２９によるアノードガスの圧力が所定圧以下になった場合に終了と判断する。

そして、ステップＳ１７における判断結果が「ＮＯ」の場合、アノードガスの圧力が所定の圧力まで下がっていないと判断して、ディスチャージ処理を継続する。そして、ステップＳ１５の判断を繰り返す。
一方、ステップＳ１７における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、アノードガスの圧力が所定の圧力以下まで低下したと判断してディスチャージ処理を終了する。これにより、ディスチャージ許可判断のサブルーチンを終了する。

ここで、ディスチャージ処理の終了許可判断は、燃料電池２全体での電圧（総電圧）に基づいてもよい。すなわち、この総電圧が所定の値まで下がっていない場合には、ディスチャージを継続し、所定の値以下にまで低下した場合には、ディスチャージを終了するようにしてもよい。

図３に戻り、ステップＳ３のディスチャージ処理が終了すると、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４ではアイドル停止を終了する。すなわち、燃料電池車両の走行を開始する場合等、上述した状態判断手段４５による判断結果（１）〜（８）の条件のうち、何れかの条件を満たさなくなることで、アイドル停止を終了する。なお、上述したディスチャージ許可判断中に、状態判断手段４５による判断結果（１）〜（８）の条件のうち、何れかの条件が満たされなくなった場合には、その時点でディスチャージ処理を行わずにアイドル停止を終了する。
以上により、燃料電池システム１の停止制御フローを終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１は、アノードのアノード電位Ｖａｎが所定のアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎ以下の場合には、燃料電池２のディスチャージ処理を行い、アノード電位Ｖａｎが所定のアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎよりも大きい場合には、ディスチャージ処理を行わずに燃料電池２の停止処理を行う構成とした。
本実施形態の構成によれば、ディスチャージ処理の判断をアノード電位に基づいて行うことで、従来のようにセル電圧に基づいてディスチャージ処理の判断を行う場合に比べて、燃料電池２の内部状態（ストイキ不足等の発生）をより高精度に検出できる。すなわち、ディスチャージ処理の許可判断において、アノード側のストイキ不足時に特有の閾値を設定することができるので、ディスチャージ処理の許可判断を高精度に行うことができる。
したがって、ディスチャージ処理の判断を高精度に行い、燃料電池２（固体高分子電解質膜）の劣化を未然に抑制できるので、燃料電池２の劣化に伴う燃費悪化を抑制できる。そして、アイドル停止中にディスチャージ処理を行うことで、アノードガス流路２２内のアノードガスを消費して、アノードガスのカソードへのクロスオーバー量を低減できる。これにより、燃料電池２の劣化進行を適切に抑制し、燃費悪化を抑制できる。

ところで、上述したステップＳ１１でＶａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎと判断された場合には、ディスチャージ処理が行われないため、上述したように燃料電池２の劣化に繋がる虞がある。
そこで、本実施形態では、ステップＳ１１のディスチャージ処理の許可判断において、Ｖａｎ＞Ｖａｎｄｏｗｎと判断された場合にパージ増量モードを行う構成とした。
この構成によれば、燃料電池２に滞留した生成水や不純物ガス等をアノードガスによって吹き飛ばすことができるため、フラッディング現象等を解消し、燃料電池２全体にアノードガスを行き届かせることができる。その結果、アノード電位を回復（低下）させ、燃料電池２の劣化進行を適切に抑制できる。また、パージ実施後に再度、ディスチャージ許可判断を行うことで、アノード電位Ａｎがアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎ以下と判断された場合に、速やかにディスチャージ処理に移行できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、所定数のセル置きに参照電極を設置する場合について説明したが、各セル毎に参照電極を設置しても構わない。これにより、各セルのアノード電位を高精度に検出できる。
また、上述したステップＳ１の判断では、アイドル停止許可判断手段４６によって判断結果（１）〜（８）を同時に判断する場合について説明したが、まず（１）が判断された場合に、後に（２）〜（８）の判断を行うようにしても構わない。
さらに、上述した実施形態では、ディスチャージ処理許可判断における各ステップのアノード電位閾値Ｖａｎｄｏｗｎを全て同値に設定したが、これに限られず、適宜設定変更が可能である。この場合、ステップＳ１５のアノード電位閾値をステップＳ１１よりも高く、劣化開始電位Ｖ’よりも低く設定することが好ましい。

また、上述した実施形態では、参照電極を用いて、参照アノード電位に対するアノード電位を直接測定する場合について説明したが、これに限られない。
具体的には、図８に示すように、アノード電位がＶＬ以上の範囲では、アノード電位が上昇しても、カソード電位は変化しなくなっている。すなわち、ストイキ不足の状態では、カソードでの発電に限界があり、アノード電位の上昇に対するカソード電位の上昇幅が限界値ＶＨまで達すると、カソード電位が変化せずにアノード電位のみが上昇することになる。この状態になると、カソード電位とアノード電位との差であるセル電圧は、急激に降下していくことになる。この現象を利用して、セル電圧の低下幅に基づいてアノード電位を算出することも可能である。

図６は、各セルのセル電圧を示すグラフである。
すなわち、図６に示すように、まず燃料電池２の各セルのセル電圧を測定し、各セル電圧から燃料電池２の平均セル電圧（各セルの合計セル電圧／セルの積層枚数）Ｖｓを算出する。そして、算出した平均セル電圧Ｖｓと各セルのセル電圧との差により、各セルの電圧低下幅ＶＤを算出する。なお、破線Ｖｐは、アノード電位が高電位（ストイキ不足の虞がある）になっているセルＣ１のセル電圧である。

次に、アノード電位検出手段５１に、電圧低下幅ＶＤに対するアノード電位の関係を有するマップを記憶させておく。具体的には、上述した図８のグラフにおいて、アノード電位とカソード電位との差からアノード電位とセル電圧の低下幅との関係を算出し、マップとして記憶させておく。そして、電圧低下幅ＶＤを算出した際に、算出した電圧低下幅ＶＤに基づいてアノード電位Ｖａｎを求める。そして、アノード電位検出手段５１により求めたアノード電位に基づいてディスチャージ処理の許可判断を行う。
この構成によれば、例えば参照電極が故障した場合等、アノード電位を直接測定できない場合であっても、ディスチャージ処理の許可判断を高精度に行うことができる。

１…燃料電池システム ２…燃料電池スタック（燃料電池） １１…カソードガス供給手段（酸化剤供給手段） １２…アノードガス供給手段（燃料供給手段） ２１…アノードガス流路（燃料流路） ２２…カソードガス流路（酸化剤流路） ２７…パージ弁（パージ手段） ４７…ディスチャージ制御部

Claims (4)

1. アノード及びカソードを有する燃料電池と、
   前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備え、車両に搭載された燃料電池システムにおいて、
   前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、
   前記燃料流路に前記燃料を供給して前記燃料流路のパージを行うパージ手段と、
   車両アイドリング時の前記燃料電池停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行わせるディスチャージ制御部とを備え、
   前記ディスチャージ制御部は、前記燃料電池のアイドル停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージ許可判断を実施し、
   前記ディスチャージ許可判断において、
   前記アノード電位が所定閾値以下の場合には、ディスチャージを許可し、
   前記アノード電位が前記所定閾値より大きい場合には、ディスチャージを許可せずに、前記パージ手段によりパージを実施させ、パージの実施後に再度、前記ディスチャージ許可判断を実施することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ディスチャージ制御部は、ディスチャージの実施中に、前記アノード電位が前記所定閾値より大きくなった場合に、ディスチャージを中止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記アノード電位測定手段は、前記燃料電池の平均セル電圧と、特定セルのセル電圧と、の差より、前記特定セルの電圧低下幅を算出し、該セル電圧低下幅に基づいて、前記アノード電位を算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. アノード及びカソードを有する燃料電池と、
   前記アノードに面する燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記カソードに面する酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備え、車両に搭載された燃料電池システムの停止制御方法であって、
   前記アノード側のアノード電位を測定するアノード電位測定手段と、
   前記燃料流路に前記燃料を供給して前記燃料流路のパージを行うパージ手段と、
   車両アイドリング時の前記燃料電池停止処理の一部として、前記燃料電池の電流の取り出しを行わせるディスチャージ制御部とを備え、
   前記燃料電池のアイドル停止許可を受け付けた場合に、ディスチャージを許可するか否かを判断するディスチャージ許可判断ステップを有し、
   前記ディスチャージ許可判断ステップでは、
   前記アノード電位が所定閾値以下の場合に、ディスチャージを許可し、
   前記アノード電位が前記所定閾値より大きい場合に、ディスチャージを許可せずに、前記パージ手段によりパージを実施させ、パージの実施後に再度、前記ディスチャージ許可判断ステップを実行することを特徴とする燃料電池システムの停止制御方法。

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