(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時に、水素ガス循環用のポンプを用いることなく、短時間のうちにアノード電極内の全域において空気を水素ガスに置換し、起動劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池装置１は、アノード電極６、カソード電極７および電解質膜８を有する複数のＭＥＡ５と、互いに隣り合う２つのＭＥＡ５間に配置され、アノード電極６に隣接する面に水素ガス流路１３が設けられ、カソード電極７に隣接する面に空気流路１４が設けられたセパレータ１２とを備えた燃料電池２を備えている。さらに、燃料電池装置１は、空気流路１４に空気を供給するブロワ４０と、水素ガス流路１３とブロワ４０の流入部との間を接続し、アノード電極６内の貯留空気をブロワ４０の流入部へ流通させることを可能にする接続通路３７と、接続通路３７を介する貯留空気のブロワ４０の流入部への流通を制御する排出切換バルブ３５およびバルブ制御部４６とを備えている。【選択図】図１
2020167040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極、カソード電極、前記アノード電極と前記カソード電極との間に設けられた電解質膜、前記アノード電極の外側に設けられたアノード側セパレータ、前記カソード電極の外側に設けられたカソード側セパレータ、前記アノード側セパレータに設けられ、燃料ガスを前記アノード電極に向けて流通させる燃料ガス流路、および前記カソード側セパレータに設けられ、反応ガスとしての空気を前記カソード電極に向けて流通させる空気流路を備えた燃料電池と、
前記空気流路に前記空気を供給するブロワと、
前記燃料ガス流路と前記ブロワの流入部との間を接続し、前記アノード電極内の貯留ガスを前記ブロワの流入部へ流通させることを可能にする接続通路と、
前記接続通路を介する前記貯留ガスの前記ブロワの流入部への流通を制御する制御部とを備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記接続通路を介する前記貯留ガスの前記ブロワの流入部への流通を許可とすることを特徴する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料ガス流路と前記燃料ガスを希釈する希釈器との間を接続する燃料ガス排出路を備え、
前記制御部は、前記アノード電極内の貯留ガスを前記接続通路に流入させるか、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路に流入させるかを切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記アノード電極内の貯留ガスを前記接続通路に流入させるか、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路に流入させるかを切り換える第１のバルブと、
前記第１のバルブの切換を制御するバルブ制御部とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記ブロワの流出部と前記空気流路との間を接続する空気流入路と、
前記ブロワの流出部と前記希釈器との間を接続する貯留ガス排出路とを備え、
前記制御部は、前記空気を前記ブロワの流出部から前記空気流入路に流入させるか、前記アノード電極内の貯留ガスを前記接続通路を介して前記ブロアの流入部に流入させ、かつ当該貯留ガスを前記ブロワの流出部から前記貯留ガス排出路に流入させるかを切り換えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記アノード電極内の貯留ガスを前記接続通路に流入させるか、前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスを前記燃料ガス排出路に流入させるかを切り換える第１のバルブと、
前記空気を前記ブロワの流出部から前記空気流入路に流入させるか、前記接続通路を介して前記ブロアの流入部に流入した前記貯留ガスを前記ブロワの流出部から前記貯留ガス排出路に流入させるかを切り換える第２のバルブと、
前記第１のバルブの切換および前記第２のバルブの切換をそれぞれ制御するバルブ制御部とを備えていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記ブロワの流入部へ前記空気を導入する空気導入路を備え、
前記制御部は、前記空気導入路を介して導入された前記空気を前記ブロワの流入部に流入させるか、前記接続通路を流通する前記貯留ガスを前記ブロワの流入部に流入させるかを切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記制御部は、
前記空気導入路を介して導入された前記空気を前記ブロワの流入部に流入させるか、前記接続通路を流通する前記貯留ガスを前記ブロワの流入部に流入させるかを切り換える第３のバルブと、
前記第３のバルブの切換を制御するバルブ制御部とを備えていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記ブロワの流出部と前記空気流路との間を接続する空気流入路と、
前記ブロワの流出部と前記燃料ガスを希釈する希釈器との間を接続する貯留ガス排出路とを備え、
前記制御部は、前記空気導入路を介して前記ブロワの流入部に導入された前記空気を前記ブロワの流出部から前記空気流入路に流入させるか、前記接続通路を介して前記ブロアの流入部に流入した前記貯留ガスを前記ブロワの流出部から前記貯留ガス排出路に流入させるかを切り換えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記空気導入路を介して導入された前記空気を前記ブロワの流入部に流入させるか、前記接続通路を流通する前記貯留ガスを前記ブロワの流入部に流入させるかを切り換える第３のバルブと、
前記空気導入路を介して前記ブロワの流入部に導入された前記空気を前記ブロワの流出部から前記空気流入路に流入させるか、前記接続通路を介して前記ブロアの流入部に流入した前記貯留ガスを前記ブロワの流出部から前記貯留ガス排出路に流入させるかを切り換える第４のバルブと、
前記第３のバルブの切換および前記第４のバルブの切換をそれぞれ制御するバルブ制御部とを備えていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および燃料電池を動作させるための機器を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノード電極と、カソード電極と、これらの電極間に配置された電解質膜とを有する構造体を、セパレータを介して積み重ねることにより形成されている。アノード電極には燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極には酸化剤ガスとして例えば空気を供給し、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを得る。各セパレータにおいて、アノード電極に対向する面には、アノード電極に供給する水素ガスを流通させるための水素ガス流路が形成されている。また、各セパレータにおいて、カソード電極に対向する面には、カソード電極に供給する空気を流通させるための空気流路が形成されている。
【０００３】
燃料電池装置は、このような構成を有する燃料電池と、燃料電池を動作させるための機器とを備えている。燃料電池を動作させるための機器は、例えば、水素ガスを水素ガス流路に供給する機構、水素ガスおよび生成水を水素ガス流路から排出する機構、水素ガス等の給排を制御するバルブ、空気を空気流路に供給する機構、空気および生成水を空気流路から排出する機構、および空気等の給排を制御するバルブ等である。
【０００４】
また、燃料電池装置の運転時におけるアノード電極への水素ガスの供給に関し、循環方式とデッドエンド方式がある。
【０００５】
循環方式とは、次のような方式である。すなわち、燃料電池の起動時に、高圧水素タンクと水素ガス流路の入口との間を接続し、水素ガスを水素ガス流路内に供給し、供給完了後、高圧水素タンクと水素ガス流路の入口との間を遮断する。燃料電池の運転中は、ポンプを用いて、水素ガス流路の出口から排出された水素ガスを水素ガス流路の入口へ戻すことにより水素ガス流路において水素ガスを循環させる。水素ガス流路内の水素ガスが減少した場合には、高圧水素タンクと水素ガス流路の入口との間を一時的に接続し、水素ガスを水素ガス流路内に補給する。下記の特許文献１には、循環方式を採用した燃料電池システムが記載されている。
【０００６】
一方、デッドエンド方式とは、次のような方式である。すなわち、燃料電池の起動時に、水素ガス流路の出口を閉じた状態で、高圧水素タンクと水素ガス流路の入口との間を接続し、水素ガスを水素ガス流路内に充填する。燃料電池の運転中は、高圧水素タンクと水素ガス流路の入口との間を接続した状態を維持する。水素ガス流路内に生成水が溜まった場合には、水素ガス流路の出口を一時的に開け、水素と共に生成水を水素ガス流路外へ排出する。
【０００７】
デッドエンド方式は循環方式と比較して次の点で優れている。すなわち、デッドエンド方式によれば、水素ガスを循環させるポンプを廃することができ、燃料電池装置の小型化、および燃料電池装置運転時の消費電力の削減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来の燃料電池装置には、燃料電池の起動時にカソード電極の触媒が劣化するという問題がある。すなわち、燃料電池の運転中において、アノード電極には水素ガスが供給される。ところが、燃料電池を停止すると、アノード電極内の水素ガスはアノード電極外へ放出され、同時に、酸素を含んだ空気がアノード電極内に流入し、アノード電極内に溜まっていく。そして、燃料電池を停止してからしばらく経つと、アノード電極内は空気で充たされる。なお、このとき、カソード電極内も空気で充たされている。その後、燃料電池を起動すると、アノード電極への水素ガスの供給が開始され、この水素ガスによりアノード電極内の空気が置換されるが、起動当初においては、アノード電極内に、水素ガスが占める領域と空気が占める領域とが形成される。その結果、燃料電池のセルにおいて、アノード電極内の水素ガスが占める領域とカソード電極とが電解質膜を挟んで互いに対向する箇所と、アノード電極内の空気が占める領域とカソード電極とが電解質膜を挟んで互いに対向する箇所が形成される。このとき、アノード電極内の空気が占める領域と対向しているカソード電極において、アノード電極内の空気に含まれる酸素が原因して、白金を担持した炭素担体の腐食が進行し、当該カソード電極の触媒が劣化する。以上述べた、燃料電池装置の起動時にカソード電極の触媒が劣化する現象を、以下、「起動劣化」ということとする。
【００１０】
起動劣化は、燃料電池の起動時に、アノード電極への水素ガスの供給を開始してから、アノード電極内の全域において空気が水素ガスに置換されるまでにかかる時間を短くすることによって抑制することができる。すなわち、アノード電極内の全域において空気が水素ガスに置換されるまでにかかる時間を短くすることにより、アノード電極内に水素ガスが占める領域と空気が占める領域とが形成されている期間を短くすることができる。アノード電極内に水素ガスが占める領域と空気が占める領域とが形成されている期間が短いと、カソード電極の炭素担体を腐食させる化学反応が起こっても直ぐに終了するので、腐食の進行が抑えられる。また、アノード電極内に水素ガスが占める領域と空気が占める領域とが形成されている期間が短い場合には、カソード電極の炭素担体を腐食させる化学反応が起こらないこともある。このような理由から、燃料電池の起動時に、アノード電極への水素ガスの供給を開始してから、アノード電極内の全域において空気が水素ガスに置換されるまでにかかる時間を短くすることで起動劣化を抑制することができる。
【００１１】
上述した循環方式を採用している燃料電池装置においては、起動劣化抑制方法として、次のような方法が知られている。すなわち、燃料電池の起動時に、水素ガス循環用のポンプを起動して水素ガス流路内およびアノード電極内を負圧にし、高圧水素タンクから水素ガス流路の全域およびアノード電極の全域に水素ガスを一気に流し込み、短時間のうちに、アノード電極内の全域において空気を水素ガスに置換する。
【００１２】
しかしながら、上述したデッドエンド方式を採用している燃料電池装置においては、水素ガス循環用のポンプを有していないため、上述した起動劣化抑制方法を用いることができない。
【００１３】
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、燃料電池の起動時に、水素ガス循環用のポンプを用いることなく、短時間のうちにアノード電極内の全域において空気を水素ガスに置換することができ、起動劣化を抑制することができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池装置は、アノード電極、カソード電極、前記アノード電極と前記カソード電極との間に設けられた電解質膜、前記アノード電極の外側に設けられたアノード側セパレータ、前記カソード電極の外側に設けられたカソード側セパレータ、前記アノード側セパレータに設けられ、燃料ガスを前記アノード電極に向けて流通させる燃料ガス流路、および前記カソード側セパレータに設けられ、反応ガスとしての空気を前記カソード電極に向けて流通させる空気流路を備えた燃料電池と、前記空気流路に前記空気を供給するブロワと、前記燃料ガス流路と前記ブロワの流入部との間を接続し、前記アノード電極内の貯留ガスを前記ブロワの流入部へ流通させることを可能にする接続通路と、前記接続通路を介する前記貯留ガスの前記ブロワの流入部への流通を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池の起動時に、水素ガス循環用のポンプを用いることなく、短時間のうちにアノード電極内の全域において空気を水素ガスに置換することができ、起動劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池装置を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池装置における燃料電池を模式的に示す説明図である。
【図３】図２中の矢示ＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た燃料電池の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の燃料電池装置における燃料電池のセルを示す分解図である。
【図５】本発明の第２の実施例の燃料電池装置を示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例の燃料電池装置を示す回路図である。
【図７】本発明の第４の実施例の燃料電池装置を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態の燃料電池装置は例えば固体高分子型の燃料電池を備えている。燃料電池は、アノード電極、カソード電極、アノード電極とカソード電極との間に設けられた電解質膜、アノード電極の外側に設けられたアノード側セパレータ、およびカソード電極の外側に設けられたカソード側セパレータを有している。また、アノード側セパレータには、燃料ガスをアノード電極に向けて流通させる燃料ガス流路が設けられている。また、カソード側セパレータには、反応ガスとしての空気をカソード電極に向けて流通させる空気流路が設けられている。
【００１８】
さらに、本発明の実施形態の燃料電池装置は、燃料電池の空気流路に空気を供給するブロワと、燃料電池の燃料ガス流路とブロワの流入部との間を接続し、アノード電極内の貯留ガスをブロワの流入部へ流通させることを可能にする接続通路と、上記接続通路を介する貯留ガスのブロワの流入部への流通を制御する制御部とを備えている。
【００１９】
本発明の実施形態の燃料電池装置において、燃料電池の運転中は、例えば高圧燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料ガス流路に供給する。この燃料ガスは燃料ガス流路を流通してアノード電極内に流入する。また、燃料電池の運転中は、制御部が、例えば接続通路を遮断する制御を行い、接続通路を介してアノード電極内のガスがブロワの流入部へ流通しないようにする。そして、その状態でブロワを駆動し、例えば外部の空気を空気流路に供給する。この空気は空気流路を流通してカソード電極内に流入する。これにより、燃料電池において発電が行われる。
【００２０】
燃料電池の停止中は、燃料ガスの燃料ガス流路への供給が停止され、また、ブロアが停止され、外部の空気の空気流路への供給も停止される。燃料電池が停止している間、上述した従来の燃料電池装置と同様に、空気がアノード電極内に溜まっていき、やがてアノード電極内は空気で充たされる。すなわち、燃料電池を一定時間以上停止させると、アノード電極内の貯留ガスは空気となる。
【００２１】
燃料電池の起動時には、制御部が、例えば接続通路の遮断を解除する制御を行う。これにより、アノード電極内の貯留ガスが接続通路を介してブロワの流入部へ流通することができるようになる。そして、その状態でブロワを駆動する。ブロワの駆動により、ブロワの流入側は負圧になるので、アノード電極内の貯留ガスが、燃料ガス流路および接続通路を流通してブロワの流入側へ吸引される。その結果、燃料ガス流路内およびアノード電極内が負圧になる。その後、例えば高圧燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料ガス流路へ供給する。燃料ガス流路内およびアノード電極内は負圧になっているので、燃料ガスは、燃料ガス流路内およびアノード電極内に一気に流入する。したがって、アノード電極内の全域において、貯留ガス、すなわち、燃料電池の停止中にアノード電極内に溜まった空気を、短時間のうちに水素ガスに置換することができる。よって、起動劣化を抑制することができる。
【００２２】
本発明の実施形態の燃料電池装置によれば、水素ガス循環用のポンプを用いることなく、ブロワを利用して起動劣化を抑制することができるので、デッドエンド方式を採用している燃料電池装置において起動劣化を抑制することができる。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施例の燃料電池装置１を示している。図２は燃料電池装置１が備える燃料電池２を模式的に示している。図３は図２中の矢示ＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た燃料電池２の断面を示している。図４は燃料電池２を構成するセル３の分解図である。
【００２４】
（燃料電池）
図１に示すように、燃料電池装置１は固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は複数のセルを備えている。燃料電池２においては、図２に示すように複数のセル３を積み重ねることにより燃料電池スタックが形成されている。なお、説明の便宜上、燃料電池２において複数のセル３が上下方向に積み重ねられていることとする。
【００２５】
また、燃料電池２において、複数のセル３の積層体の上側および下側には集電板がそれぞれ設けられ、それら集電板の上側および下側には絶縁板を介してエンドプレートがそれぞれ設けられている。なお、それら一対の集電板、一対の絶縁板および一対のエンドプレートについては図示を省略している。
【００２６】
燃料電池２の各セル３は、図３に示すように、ＭＥＡ（膜−電極接合体）５および一対のセパレータ１２を備えている。ＭＥＡ５は、アノード電極６と、カソード電極７と、アノード電極６とカソード電極７との間に設けられた電解質膜８とを有している。アノード電極６およびカソード電極７はそれぞれ触媒層およびガス拡散層を有している。アノード電極６およびカソード電極７のそれぞれにおいて、触媒層は、電解質膜８と隣接する位置に設けられ、例えば白金の粒子を担持した炭素担体により形成されている。また、ガス拡散層は、触媒層の外側に設けられ、例えば炭素繊維により形成されている。電解質膜８は、例えばフッ素系スルホン酸膜等の固体高分子材料により形成されている。また、図４に示すように、ＭＥＡ５は、アノード電極６、カソード電極７および電解質膜８が積層された積層体９の外周側を支持する枠体１０を有している。
【００２７】
各セル３において、一対のセパレータ１２は、ＭＥＡ５の上側および下側にそれぞれ配置されている。なお、本実施例においては、図３に示すように、燃料電池スタックにおいて、上下に互いに隣り合う２つのＭＥＡ５の間に配置された１つのセパレータ１２が、それら２つのＭＥＡ５のうちの上側のＭＥＡ５を含むセル３を構成するセパレータであると共に、下側のＭＥＡ５を含むセル３を構成するセパレータである。各セパレータ１２は、例えばステンレス鋼等の金属、または炭素と樹脂との複合体等、導電性を有する材料により形成されている。
【００２８】
また、互いに隣り合う２つのＭＥＡ５の間に配置されたセパレータ１２において、当該セパレータ１２の上面には、反応ガス（燃料ガス）としての水素ガスを、当該セパレータ１２と隣接する上側のＭＥＡ５のアノード電極６に向けて流通させる水素ガス流路１３が設けられている。また、当該セパレータ１２の下面には、反応ガス（酸化剤ガス）としての空気を、当該セパレータ１２と隣接する下側のＭＥＡ５のカソード電極７に向けて流通させる空気流路１４が設けられている。なお、以下、反応ガスとしての空気を「反応用空気」ということとする。
【００２９】
図４に示すように、セパレータ１２の上面においてＭＥＡ５のアノード電極６に対向する部分には細い多数の溝が形成されている。水素ガス流路１３はこれら多数の溝により構成されている。また、セパレータ１２の下面においてＭＥＡ５のカソード電極７に対向する部分には細い多数の溝が形成されている。空気流路１４はこれら多数の溝により構成されている。
【００３０】
また、図２に示すように、燃料電池２において、複数のセル３が積み重ねられた積層体の外周側部分には、水素ガス分配路１５、水素ガス集約路１６、空気分配路１７および空気集約路１８が設けられている。水素ガス分配路１５は、後述する高圧水素タンク５１から供給された水素ガスを各セル３の水素ガス流路１３に流入させるための通路である。水素ガス集約路１６は、各セルの水素ガス流路１３内から燃料電池２外へ水素ガス等を流出させるための通路である。空気分配路１７は、後述するブロワ４０により送出された反応用空気を各セル３の空気流路１４に流入させるための通路である。空気集約路１８は、各セル３の空気流路１４内から燃料電池２外へ反応用空気を排出するための通路である。水素ガス分配路１５、水素ガス集約路１６、空気分配路１７および空気集約路１８はそれぞれ、複数のセル３が積み重ねられた積層体を上下方向に貫通している。具体的には、図４に示すように、各ＭＥＡ５の枠体１０および各セパレータ１２の外周側部分には４つの貫通孔２１、２２、２３、２４がそれぞれ形成されている。複数のＭＥＡ５および複数のセパレータ１２を図２に示すように積み重ねることにより、各ＭＥＡ５の枠体１０および各セパレータ１２の外周側部分に形成された貫通孔２１、２２、２３、２４により、水素ガス分配路１５、水素ガス集約路１６、空気分配路１７および空気集約路１８がそれぞれ形成される。また、図４に示すように、各セパレータ１２に形成された貫通孔２１は水素ガス流路１３の入口１３Ａと連通しており、各セパレータ１２に形成された貫通孔２２は水素ガス流路１３の出口１３Ｂと連通している。また、各セパレータ１２に形成された貫通孔２３は空気流路１４の入口１４Ａと連通しており、各セパレータ１２に形成された貫通孔２４は空気流路１４の出口１４Ｂと連通している。
【００３１】
なお、各セパレータ１２において、アノード電極６に隣接する部分（上面側部分）が特許請求の範囲の記載における「アノード側セパレータ」の具体例であり、カソード電極７に隣接する部分（下面側部分）が特許請求の範囲の記載における「カソード側セパレータ」の具体例である。また、水素ガス流路１３が特許請求の範囲の記載における「燃料ガス流路」の具体例である。
【００３２】
（燃料電池装置の構成）
図１に示すように、燃料電池装置１は、燃料電池２に加え、水素供給バルブ３１、排出切換バルブ３５、導入切換バルブ３８、送出切換バルブ４１、ブロワ４０およびコントローラ４５を備えている。また、燃料電池装置１には、燃料電池装置１外の装置として、高圧水素タンク５１、水素希釈器５２およびエアフィルタ５３が接続されている。
【００３３】
燃料電池装置１において、水素供給バルブ３１のポートａには水素ガス供給路３２を介して高圧水素タンク５１が接続されている。高圧水素タンク５１には水素ガスが圧縮されて貯留されている。水素ガス供給路３２は例えばパイプまたはホース等により形成されている。
【００３４】
また、水素供給バルブ３１のポートｂは水素ガス流入路３３を介して燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３の入口１３Ａに接続されている。水素ガス流入路３３は、燃料電池２に設けられた水素ガス分配路１５、および水素供給バルブ３１のポートｂと水素ガス分配路１５との間を接続する例えばパイプまたはホース等により形成されている。水素供給バルブ３１は、各セル３の水素ガス流路１３に水素ガスを供給するか否かを切り換えるバルブである。水素供給バルブ３１には例えば電磁式の２ポートバルブが用いられている。水素供給バルブ３１は、ポートａとポートｂとの間が接続された状態と、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態とを切り換えることができる。
【００３５】
また、燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３の出口１３Ｂは水素ガス流出路３４を介して排出切換バルブ３５のポートａに接続されている。水素ガス流出路３４は、燃料電池２に設けられた水素ガス集約路１６、および水素ガス集約路１６と排出切換バルブ３５のポートａとの間を接続する例えばパイプまたはホース等により形成されている。
【００３６】
また、排出切換バルブ３５のポートｂは水素ガス排出路３６を介して水素希釈器５２の入口に接続されている。水素希釈器５２は水素ガスを希釈する装置である。水素希釈器５２に流入した水素ガスは希釈された後、大気へ放出される。水素ガス排出路３６は例えばパイプまたはホース等により形成されている。
【００３７】
また、排出切換バルブ３５のポートｃは接続通路３７を介して導入切換バルブ３８のポートｂに接続されている。接続通路３７は例えばパイプまたはホース等により形成されている。排出切換バルブ３５は、各セル３の水素ガス流路１３内の水素ガスを水素ガス排出路３６に流入させるか、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に溜まった後述の貯留空気を接続通路３７に流入させるかを切り換えるバルブである。排出切換バルブ３５には例えば電磁式の３ポートバルブが用いられている。排出切換バルブ３５は、（１）ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態と、（２）ポートａとポートｃとの間が接続され、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態と、（３）ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態とを切り換えることができる。
【００３８】
また、導入切換バルブ３８のポートａには、空気導入路３９を介してエアフィルタ５３が接続されている。導入切換バルブ３８のポートａには、エアフィルタ５３および空気導入路３９を介して外気が導入される。エアフィルタ５３は、導入切換バルブ３８のポートａに導入される外気を清浄化する装置である。エアフィルタ５３により清浄化された外気が反応用空気として用いられる。空気導入路３９は例えばダクト、パイプまたはホース等により形成されている。
【００３９】
また、上述したように、導入切換バルブ３８のポートｂには接続通路３７を介して排出切換バルブ３５のポートｃが接続されている。また、導入切換バルブ３８のポートｃは例えばダクト、パイプまたはホース等を介してブロワ４０の流入部４０Ａに接続されている。導入切換バルブ３８は、空気導入路３９を介して導入された反応用空気をブロワ４０の流入部に流入させるか、接続通路３７を流通する貯留空気をブロワ４０の流入部に流入させるかを切り換えるバルブである。導入切換バルブ３８には例えば電磁式の３ポートバルブが用いられている。導入切換バルブ３８は、（１）ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートｂとポートｃとの間が遮断された状態と、（２）ポートｂとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態とを切り換えることができる。
【００４０】
また、ブロワ４０の流出部４０Ｂは例えばダクト、パイプまたはホース等を介して送出切換バルブ４１のポートａに接続されている。ブロワ４０は、例えば電動モータにより羽根車を回転させ、流入部４０Ａから気体を取り込み、その気体を流出部４０Ｂから送り出す装置である。ブロワ４０の流入部４０Ａは例えばブロワ４０に設けられた吸込口であり、ブロワ４０の流出部４０Ｂは例えばブロワ４０に設けられた送出口である。ブロワ４０は、反応用空気を燃料電池２の各セル３の空気流路１４へ供給する機能、および各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気を水素希釈器５２へ流通させる機能を有している。
【００４１】
また、送出切換バルブ４１のポートｂは空気流入路４２を介して燃料電池２の各セル３の空気流路１４の入口１４Ａに接続されている。空気流入路４２は、燃料電池２に設けられた空気分配路１７、および送出切換バルブ４１のポートｂと空気分配路１７との間を接続する例えばパイプまたはホース等により形成されている。
【００４２】
また、送出切換バルブ４１のポートｃは貯留空気排出路４３を介して水素希釈器５２の入口に接続されている。貯留空気排出路４３は例えばパイプまたはホース等により形成されている。送出切換バルブ４１は、反応用空気をブロワ４０の流出部４０Ｂから空気流入路４２に流入させるか、接続通路３７を介してブロワ４０の流入部４０Ａに流入した貯留空気をブロワの流出部４０Ｂから貯留空気排出路４３に流入させるかを切り換えるバルブである。送出切換バルブ４１には例えば電磁式の３ポートバルブが用いられている。送出切換バルブ４１は、（１）ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態と、（２）ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｂとの間が遮断された状態とを切り換えることができる。
【００４３】
また、燃料電池２の各セル３の空気流路１４の出口１４Ｂは、例えば各セル３の空気流路１４から流出した反応用空気を大気へ放出する空気排出部に空気流出路４４を介して接続されている。空気流出路４４は燃料電池２に設けられた空気集約路１８、および空気集約路１８と空気排出部との間を接続する例えばパイプまたはホース等により形成されている。
【００４４】
また、コントローラ４５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）および記憶装置（メモリ）等を備えている。コントローラ４５は記憶装置に記憶されたプログラムを読み取って実行することにより、バルブ制御部４６およびブロワ制御部４７として機能する。コントローラ４５には、水素供給バルブ３１、排出切換バルブ３５、導入切換バルブ３８、送出切換バルブ４１およびブロワ４０が例えばケーブル等を介して電気的に接続されている。バルブ制御部４６は、水素供給バルブ３１の開閉、排出切換バルブ３５の切換、導入切換バルブ３８の切換、および送出切換バルブ４１の切換を制御する。ブロワ制御部４７はブロワ４０の駆動および停止を制御する。
【００４５】
なお、燃料電池装置１において、排出切換バルブ３５は特許請求の範囲の記載における「第１のバルブ」の具体例であり、導入切換バルブ３８は特許請求の範囲の記載における「第３のバルブ」の具体例である。また、送出切換バルブ４１は特許請求の範囲の記載における「第２のバルブ」または「第４のバルブ」の具体例である。また、水素ガス排出路３６は特許請求の範囲の記載における「燃料ガス排出路」の具体例であり、貯留空気排出路４３は特許請求の範囲の記載における「貯留ガス排出路」の具体例である。
【００４６】
（燃料電池装置の動作等）
燃料電池装置１を始動させると、燃料電池装置１において、まず燃料電池２の起動動作が行われ、続いて、燃料電池２の運転動作が行われる。以下、説明の便宜上、燃料電池２の運転動作について最初に説明し、次に、燃料電池２の停止中に起こる現象について説明し、次に、燃料電池２の起動動作について説明する。
【００４７】
本実施例の燃料電池装置１は、燃料電池装置１の運転中における各セル３のアノード電極６への水素ガスの供給に関し、デッドエンド方式を採用している。燃料電池２の運転動作は次の通りである。図１において、燃料電池２の運転中、水素供給バルブ３１は、コントローラ４５のバルブ制御部４６から出力された制御信号に従い、ポートａとポートｂとの間が接続された状態になっている。この状態では、図１中のハッチングを付した矢印が示す通り、水素ガスが高圧水素タンク５１から水素ガス供給路３２および水素ガス流入路３３を介して燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３に供給されている。そして、各セル３において、水素ガス流路１３に供給された水素ガスはアノード電極６に流入する。
【００４８】
また、燃料電池２の運転中において、導入切換バルブ３８は、バルブ制御部４６から出力された制御信号に従い、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートｂとポートｃとの間が遮断された状態となっている。また、送出切換バルブ４１は、バルブ制御部４６から出力された制御信号に従い、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態となっている。また、コントローラ４５のブロワ制御部４７から出力された制御信号に従い、ブロワ４０が駆動している。ブロワ４０の駆動により、図１中の白抜きの矢印が示す通り、エアフィルタ５３を通って清浄化された外気、すなわち反応用空気が空気導入路３９を流通し、ブロワ４０の流入部４０Ａに流入し、さらにブロワ４０の流出部４０Ｂから空気流入路４２を流通し、燃料電池２の各セル３の空気流路１４に供給されている。そして、各セル３において、空気流路１４に供給された反応用空気はカソード電極７に流入する。
【００４９】
燃料電池２の運転中においては、このようにして、各セル３のアノード電極６には水素ガスが供給され、各セル３のカソード電極７には空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。
【００５０】
また、燃料電池２の運転中において、各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まっていない間、排出切換バルブ３５は、バルブ制御部４６から出力された制御信号に従い、ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態となっている。一方、各セル３の水素ガス流路１３に生成水が溜まった場合には、排出切換バルブ３５は、バルブ制御部４６から出力された制御信号に従い、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換わる。排出切換バルブ３５のポートａとポートｂとの間が接続されたとき、図１中のハッチングを付した矢印が示す通り、各セル３の水素ガス流路１３内の水素ガスが、各セル３の水素ガス流路１３の出口１３Ｂから水素ガス流出路３４および水素ガス排出路３６を流通して水素希釈器５２に流入し、水素希釈器５２により希釈された後、大気に放出される。また、排出切換バルブ３５のポートａとポートｂとの間が接続されたとき、各セル３の水素ガス流路１３内の生成水も各セル３の水素ガス流路１３の出口１３Ｂから流出し、水素ガス流出路３４等を介して燃料電池２外へ排出される。また、燃料電池２の運転中において、各セル３の空気流路１４の出口１４Ｂから流出した空気は、空気流出路４４を介して上記空気排出部へ排出される。また、各セル３の空気流路１４に溜まった生成水も空気流出路４４等を介して燃料電池２外へ排出される。
【００５１】
一方、燃料電池２の停止中には次のような現象が起こる。燃料電池２の停止時に、水素供給バルブ３１は、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。これにより、高圧水素タンク５１から各セル３の水素ガス流路１３への水素ガスの供給が止まる。また、ブロワ４０が停止され、反応用空気の各セル３の空気流路１４への供給が止まる。燃料電池２の停止中、各セル３の水素ガス流路１３内に残留していた水素ガスは水素ガス流路１３外へ放出され、同時に、空気が各セル３の水素ガス流路１３内に流入し、水素ガス流路１３内に溜まっていく。また、燃料電池２の停止中には、各セル３のアノード電極６内に残留していた水素ガスもアノード電極６外へ放出され、同時に、空気が各セル３のアノード電極６内に流入し、アノード電極６内に溜まっていく。そして、燃料電池２を停止してからしばらく経つと、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内は空気で充たされる。本実施例において、燃料電池２の停止中に各セル３の水素ガス流路１３内またはアノード電極６内に溜まった空気を「貯留空気」ということとする。
【００５２】
一方、燃料電池２の起動動作は次の通りである。燃料電池の起動時には、バルブ制御部４６から排出切換バルブ３５、導入切換バルブ３８および送出切換バルブ４１にそれぞれ制御信号が出力される。バルブ制御部４６からの制御信号により、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、バルブ制御部４６からの制御信号により、導入切換バルブ３８は、ポートｂとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、バルブ制御部４６からの制御信号により、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。なお、このとき、水素供給バルブ３１については、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態が維持される。また、燃料電池の起動時には、ブロワ制御部４７からブロワ４０に制御信号が出力され、この制御信号に従い、ブロワ４０の駆動が開始される。
【００５３】
ブロワ４０が駆動すると、ブロワ４０の流入側は負圧になる。その結果、図１中の黒塗りの矢印が示す通り、燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気が、各セル３の水素ガス流路１３の出口１３Ｂから水素ガス流出路３４および接続通路３７を流通してブロワ４０の流入部に引き込まれる。さらに、ブロワ４０の流入部４０Ａに引き込まれた貯留空気は、ブロワ４０の流出部４０Ｂから送出切換バルブ４１を流通し、さらに貯留空気排出路４３を流通して水素希釈器５２に流入し、大気に放出される。このようにして各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気がブロワ４０によって吸引されることにより、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内が負圧になる。
【００５４】
各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内が負圧になった後、バルブ制御部４６から水素供給バルブ３１に制御信号が出力される。水素供給バルブ３１は、この制御信号により、ポートａとポートｂとの間が接続された状態に切り換えられる。これにより、水素ガスが高圧水素タンク５１から水素ガス供給路３２および水素ガス流入路３３を流通し、燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に一気に流れ込み、短時間のうちに、各セル３の水素ガス流路１３内の全域およびアノード電極６内の全域が水素ガスで充たされる。
【００５５】
各セル３の水素ガス流路１３内の全域およびアノード電極６内の全域が水素ガスで充たされたときに、バルブ制御部４６から排出切換バルブ３５、導入切換バルブ３８および送出切換バルブ４１にそれぞれ制御信号が出力される。バルブ制御部４６からの制御信号により、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、バルブ制御部４６からの制御信号により、導入切換バルブ３８は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートｂとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、バルブ制御部４６からの制御信号により、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。なお、水素供給バルブ３１については、ポートａとポートｂとの間が接続された状態が維持される。また、ブロワ４０は駆動を継続する。これにより、燃料電池２の動作が起動動作から運転動作に切り換えられる。
【００５６】
以上説明した通り、本発明の第１の実施例の燃料電池装置１においては、燃料電池２の起動時に、ブロワ４０を利用して、燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にした上で、水素ガスを高圧水素タンク５１から各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に一気に流し込む。これにより、短時間のうちに、各セル３の水素ガス流路１３内の全域およびアノード電極６内の全域において貯留空気を水素ガスに置換することができる。したがって、起動劣化を抑制することができる。
【００５７】
本実施例の燃料電池装置１によれば、反応用空気を燃料電池２に供給するためのブロワ４０を用いて起動劣化を抑制することができる。すなわち、本実施例の燃料電池装置１によれば、水素ガス循環用のポンプを用いることなく、起動劣化を抑制することができる。したがって、デッドエンド方式を採用している燃料電池装置において起動劣化を抑制することができる。デッドエンド方式は、水素ガス循環用のポンプが不要であることから、燃料電池装置の小型化、燃料電池の運転時の消費電力の削減を図ることができる。よって、本実施例の燃料電池装置１によれば、起動劣化を抑制することができ、消費電力が低く、かつ小型の燃料電池装置を実現することができる。
【００５８】
また、本実施例の燃料電池装置１は、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気を接続通路３７に流入させるか、水素ガス流路１３内の水素ガスを水素ガス排出路３６に流入させるかを切り換える構成、具体的には、排出切換バルブ３５およびバルブ制御部４６を有している。この構成により、燃料電池２の起動時にブロワ４０により各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にする処理を、燃料電池２の構造を変更することなく実現することができる。すなわち、燃料電池２は、燃料電池２の運転中に各セル３の水素ガス流路１３内の水素ガスを燃料電池２外へ排出するための構造、具体的には、各セル３の水素ガス流路１３の出口１３Ｂおよび水素ガス集約路１６を元々有している。この燃料電池２の既存の構造を利用して、燃料電池２の起動時にブロワ４０により各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にする処理を行うことができる。したがって、ブロワ４０により各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にするための専用の流路等を燃料電池２に追加する必要がない。
【００５９】
また、本実施例の燃料電池装置１は、燃料電池２の起動時に各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内からブロワ４０を用いて引き込んだ貯留空気をブロワ４０から水素希釈器５２へ流入させる構成、具体的には、送出切換バルブ４１、バルブ制御部４６および貯留空気排出路４３を有している。この構成により、燃料電池２の起動時に、水素ガスが水素ガス流路１３、水素ガス流出路３４および接続通路３７を介してブロワ４０に引き込まれた場合でも、その水素ガスを水素希釈器５２により希釈してから大気へ放出することができる。
【００６０】
また、本実施例の燃料電池装置１は、空気導入路３９を介して導入される外気をブロワ４０の流入部４０Ａに流入させるか、接続通路３７を流通する貯留空気をブロワ４０の流入部４０Ａに流入させるかを切り換える構成、具体的には、導入切換バルブ３８およびバルブ制御部４６を有している。この構成により、燃料電池２の起動時には、外気がブロワ４０の流入部４０Ａに流入する経路を遮断することができるので、ブロワ４０により各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気を効率良く吸引することができ、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を迅速に負圧にすることができる。
【実施例２】
【００６１】
図５は本発明の第２の実施例の燃料電池装置６１を示している。第１の実施例の燃料電池装置１と比較して第２の実施例の燃料電池装置６１の特徴を述べるに、第２の実施例の燃料電池装置６１は、図５に示すように、導入切換バルブ３８を有していない。第２の実施例の燃料電池装置６１における他の点は、上述した第１の実施例の燃料電池装置１と同じである。なお、図５においては、水素ガス流入路３３、空気流出路４４およびコントローラ４５の図示を省略している。
【００６２】
第２の実施例の燃料電池装置６１の動作は次の通りである。燃料電池２の運転中において、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。また、燃料電池２の運転中においては、ブロワ４０が駆動している。また、燃料電池２の運転中において、各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まっていない間、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まった場合には、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。
【００６３】
燃料電池２の運転中においては、ブロワ４０の駆動によりエアフィルタ５３により清浄化された外気が反応用空気として空気導入路３９を介してブロワ４０の流入部４０Ａに導入され、この反応用空気がブロワ４０の流出部４０Ｂから空気流入路４２を介して各セル３の空気流路１４に供給される。この間、排出切換バルブ３５のポートａとポートｃとの間は常に遮断されているので、各セル３の水素ガス流路１３から流出した水素ガスが水素ガス流出路３４および接続通路３７を流通してブロワ４０の流入部４０Ａに引き込まれることはない。
【００６４】
一方、燃料電池２の起動時において、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｃとの間が接続され、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。この状態においてブロワ４０が駆動される。
【００６５】
燃料電池２の起動時においては、ブロワ４０の駆動により、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気が、水素ガス流出路３４および接続通路３７をブロワ４０の流入部４０Ａに向かって流れる。これと同時に、ブロワ４０の駆動により、外気がエアフィルタ５３および空気導入路３９をブロワ４０の流入部４０Ａに向かって流れる。これら貯留空気および外気は、ブロワ４０の流入側で合流してブロワ４０の流入部４０Ａに流入する。そして、これら貯留空気および外気は、ブロワ４０の流出部４０Ｂから送出切換バルブ４１を通って貯留空気排出路４３を流通し、水素希釈器５２に流入する。このようにして各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にした後、水素ガスを高圧水素タンク５１から各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に一気に流し込む。
【００６６】
第２の実施例の燃料電池装置６１によっても、第１の実施例の燃料電池装置１と同様に起動劣化を抑制することができる。また、第２の実施例の燃料電池装置６１よれば、導入切換バルブ３８を廃することで、燃料電池装置６１の構造を簡素化することができ、製造コストを削減することができる。
【実施例３】
【００６７】
図６は本発明の第３の実施例の燃料電池装置７１を示している。第１の実施例の燃料電池装置１と比較して第３の実施例の燃料電池装置７１の特徴を述べるに、第３の実施例の燃料電池装置７１は、図６に示すように、排出切換バルブ３５を有していない。また、第３の実施例の燃料電池装置７１においては、水素ガス流出路３４の下流側が２つの通路に分岐し、これら２つの通路が水素ガス排出路３６および接続通路３７にそれぞれ直接接続され、さらに、水素ガス排出路３６の途中に、水素ガスを水素希釈器５２に流入させるか否かを切り換えるバルブ７２が設けられている。第３の実施例の燃料電池装置７１における他の点は、上述した第１の実施例の燃料電池装置１と同じである。なお、図６においては、水素ガス流入路３３、空気流出路４４およびコントローラ４５の図示を省略している。
【００６８】
第３の実施例の燃料電池装置７１の動作は次の通りである。燃料電池２の運転中において、導入切換バルブ３８は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートｂとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。また、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。また、燃料電池２の運転中においては、ブロワ４０が駆動している。また、燃料電池２の運転中において、各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まっていない間、バルブ７２は、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられている。各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まった場合には、バルブ７２は、ポートａとポートｂとの間が接続された状態に切り換えられる。
【００６９】
燃料電池２の運転中においては、ブロワ４０の駆動によりエアフィルタ５３により清浄化された外気が反応用空気として空気導入路３９を介してブロワ４０の流入部４０Ａに導入され、この反応用空気がブロワ４０の流出部４０Ｂから空気流入路４２を介して各セル３の空気流路１４に供給される。この間、導入切換バルブ３８のポートｂとポートｃとの間は遮断されているので、各セル３の水素ガス流路１３から流出した水素ガスが水素ガス流出路３４および接続通路３７を流通してブロワ４０の流入部４０Ａに引き込まれることはない。
【００７０】
一方、燃料電池２の起動時において、バルブ７２は、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、導入切換バルブ３８は、ポートｂとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。また、送出切換バルブ４１は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｂとの間が遮断された状態に切り換えられる。この状態においてブロワ４０が駆動される。
【００７１】
燃料電池２の起動時においては、ブロワ４０の駆動により、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気は、水素ガス流出路３４および接続通路３７を流通してブロワ４０の流入部４０Ａに流入し、さらに、ブロワ４０の流出部４０Ｂから送出切換バルブ４１を通って貯留空気排出路４３を流通し、水素希釈器５２に流入する。このようにして各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にした後、水素ガスを高圧水素タンク５１から各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に一気に流し込む。
【００７２】
第３の実施例の燃料電池装置７１によっても、第１の実施例の燃料電池装置１と同様の作用効果を得ることができる。また、第３の実施例の燃料電池装置７１によれば、排出切換バルブ３５を廃することができる。また、燃料電池２の運転時において水素ガス流路１３内の水素ガスの排出を制御するバルブ７２は、既存の燃料電池装置に設けられているものである。したがって、本実施例によれば、起動劣化を抑制することができる燃料電池装置を低コストで実現することができる。
【実施例４】
【００７３】
図７は本発明の第４の実施例の燃料電池装置８１を示している。第１の実施例の燃料電池装置１と比較して第４の実施例の燃料電池装置８１の特徴を述べるに、第４の実施例の燃料電池装置８１においては、図７に示すように、空気流出路４４が水素希釈器５２の入口に接続されている。また、第４の実施例の燃料電池装置８１は送出切換バルブ４１および貯留空気排出路４３を有していない。第４の実施例の燃料電池装置８１における他の点は、上述した第１の実施例の燃料電池装置１と同じである。
【００７４】
第４の実施例の燃料電池装置８１の動作は次の通りである。燃料電池２の運転中、水素供給バルブ３１は、ポートａとポートｂとの間が接続された状態に切り換えられ、水素ガスが高圧水素タンク５１から水素ガス供給路３２および水素ガス流入路３３を介して燃料電池２の各セル３の水素ガス流路１３に供給されている。また、燃料電池２の運転中において、導入切換バルブ３８は、ポートａとポートｃとの間が接続され、かつポートｂとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。また、燃料電池２の運転中においては、ブロワ４０が駆動している。ブロワ４０の駆動によりエアフィルタ５３により清浄化された外気が反応用空気として空気導入路３９を介してブロワ４０の流入部４０Ａに導入され、この反応用空気がブロワ４０の流出部４０Ｂから空気流入路４２を介して各セル３の空気流路１４に供給されている。
【００７５】
また、燃料電池２の運転中において、各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まっていない間、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられている。各セル３の水素ガス流路１３内に生成水が溜まった場合には、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。このとき、各セル３の水素ガス流路１３内の水素ガスは水素ガス流路１３の出口から水素ガス流出路３４および水素ガス排出路３６を流通して水素希釈器５２に流入し、水素希釈器５２により希釈された後、大気に放出される。また、燃料電池２の運転中において、各セル３の空気流路１４の出口から流出した空気は、空気流出路４４を流通して水素希釈器５２に流入し、水素希釈器５２から大気へ放出される。
【００７６】
一方、燃料電池２の起動時において、排出切換バルブ３５は、ポートａとポートｂとの間が遮断され、かつポートａとポートｃとの間が接続された状態に切り換えられる。また、導入切換バルブ３８は、ポートｂとポートｃとの間が接続され、かつポートａとポートｃとの間が遮断された状態に切り換えられる。この状態においてブロワ４０が駆動される。このとき、水素供給バルブ３１は、ポートａとポートｂとの間が遮断された状態である。
【００７７】
燃料電池２の起動時においては、ブロワ４０の駆動により、各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内の貯留空気は、水素ガス流出路３４および接続通路３７を流通してブロワ４０の流入部４０Ａに流入し、ブロワ４０の流出部４０Ｂから送出される。ブロワ４０の流出部４０Ｂから送出された貯留空気は、空気流入路４２を流通して各セル３の空気流路１４に流入し、各セル３の空気流路１４内を流通した後、空気流出路４４を流通して水素希釈器５２に流入する。このようにして各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内を負圧にした後、水素供給バルブ３１のポートａとポートｂとの間を接続し、水素ガスを高圧水素タンク５１から各セル３の水素ガス流路１３内およびアノード電極６内に一気に流し込む。
【００７８】
第４の実施例の燃料電池装置８１によっても、第１の実施例の燃料電池装置１と同様の作用効果を得ることができる。また、第４の実施例の燃料電池装置８１よれば、送出切換バルブ４１および貯留空気排出路４３を廃することで、燃料電池装置８１の構造を簡素化することができ、製造コストを削減することができる。
【００７９】
なお、第４の実施例の燃料電池装置８１における、送出切換バルブ４１および貯留空気排出路４３を有さず、空気流出路４４が水素希釈器５２の入口に接続された構成を、第２の実施例の燃料電池装置６１、または第３の実施例の燃料電池装置７１に適用してもよい。
【００８０】
また、上記第２の実施例において、空気導入路３９の途中、すなわち、エアフィルタ５３と、ブロワ４０の流入側において空気導入路３９と接続通路３７とが合流する点との間にバルブを追加し、燃料電池２の運転中には当該バルブを開け、燃料電池２の起動時には当該バルブを閉じるようにしてもよい。
【００８１】
また、各実施例における燃料電池２の各セパレータ１２を、空気流路１４が形成された上側部分（カソード側セパレータ）と、水素ガス流路１３が形成された下側部分（アノード側セパレータ）とに分割し、これら上側部分と下側部分との間に、燃料電池２を冷却するための冷却媒体を流通させる流路を設けてもよい。
【００８２】
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池装置もまた本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【００８３】
１、６１、７１、８１  燃料電池装置
２  燃料電池
５  ＭＥＡ
６  アノード電極
７  カソード電極
８  電解質膜
１２  セパレータ（アノード側セパレータ、カソード側セパレータ）
１３  水素ガス流路（燃料ガス流路）
１４  空気流路
３５  排出切換バルブ（第１のバルブ）
３６  水素ガス排出路（燃料ガス排出路）
３７  接続通路
３８  導入切換バルブ（第３のバルブ）
３９  空気導入路
４０  ブロワ
４０Ａ  流入部
４０Ｂ  流出部
４１  送出切換バルブ（第２のバルブ、第４のバルブ）
４２  空気流入路
４３  貯留空気排出路（貯留ガス排出路）
４５  コントローラ
４６  バルブ制御部
５２  水素希釈器（希釈器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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