(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系と、燃料電池からアノード排ガスを排出するアノード排ガス排出系と、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給系と、燃料電池からカソード排ガスを排出するカソード排ガス排出系とを備え、ガス供給系および排ガス排出系は、それぞれ、ガスの流れを調節する弁を備え、カソード排ガス排出系は、燃料電池と弁との間に、ピストンシリンダを備え、ピストンシリンダのピストンとシリンダとの間の最大静止摩擦力が、ピストンが受ける重力と略等しい。【選択図】図１
2010251139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系と、
前記燃料電池からアノード排ガスを排出するアノード排ガス排出系と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給系と、
前記燃料電池からカソード排ガスを排出するカソード排ガス排出系と、
を備え、
前記ガス供給系および前記排ガス排出系は、それぞれ、ガスの流れを調節する弁を備え、
前記カソード排ガス排出系は、
前記燃料電池と前記弁との間に、ピストンシリンダを備え、
前記ピストンシリンダのピストンとシリンダとの間の最大静止摩擦力が、前記ピストンが受ける重力と略等しい、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンシリンダの容積が、
前記ガス供給系と前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁によって閉塞された閉塞空間内のガスの、前記カソード側の閉塞空間内のガス中の酸素の消費、および温度変化に伴う体積変化量である、総体積変化量よりも大きい、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給系および前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁が閉弁された場合に、閉塞された前記閉塞空間内の水素量が、前記閉塞空間内の酸素量よりも多くなるように、前記アノードガス供給系と、前記カソードガス供給系を制御して、前記アノードガスの供給圧力と、前記カソードガスの供給圧力とを調節した後、前記ガス供給系および前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁を制御して閉弁させる、ガス圧制御部を、さらに備える、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記カソード排ガス排出系に設けられた前記弁は、バタフライ弁または仕切弁である、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を停止させる前に、前記カソードガス供給系を制御して前記燃料電池に供給するカソードガスの量を低減させる、カソードガス供給制御部を、さらに備える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンは、前記燃料電池の発電中は、前記シリンダの上部に配置される、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンシリンダは、前記ピストンの位置を所定の位置に固定するための固定部を備える、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、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電停止時には、従来、燃料電池のアノード側に供給されるアノードガス（例えば、水素）、および燃料電池のカソード側に供給されるカソードガス(例えば、空気)の供給が停止される。例えば、アノードガスとしての水素およびカソードガスとしての空気の供給を停止した後、電解質膜を介してアノードからカソードへ水素が移動すると、カソード側で水素と酸素が反応する（２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ）。その結果、燃料電池内が負圧になる。
【０００３】
従来、燃料電池のカソード排ガスを排出するための配管（以下、「カソード排ガス用配管」ともいう。）は、燃料電池の発電停止後、開放されている。そのため、燃料電池内が負圧になると、カソード排ガス用配管を介して、燃料電池のカソード側に空気が流入する。上述の通り、電解質膜を介してアノードからカソードに水素が移動しており、アノード側において、水素が欠乏した状態になって、アノード側の内圧が低下すると、カソードからアノードに空気が移動する。その結果、カソード側の触媒担体（例えば、カーボン担体）が酸化されて、燃料電池が劣化するおそれがある。
【０００４】
この問題に対して、カソード排ガス用配管上に、液水やダイヤフラムによる圧力緩和機構を設けて、燃料電池内の圧力の変化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９４１５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６２４２号公報
【特許文献３】特開２００３−８６２２４号公報
【特許文献４】特開２００７−６６６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、液水を用いると、氷点下の場合に、その圧力緩和機構が作動しないおそれがある。また、一般的なダイヤフラムでは、圧力調整できる範囲が狭い。そのため、例えば、車載用の燃料電池等、燃料電池内の圧力の変動が大きい場合には、一般的なダイヤフラムでは、対応できないおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系と、
前記燃料電池からアノード排ガスを排出するアノード排ガス排出系と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給系と、
前記燃料電池からカソード排ガスを排出するカソード排ガス排出系と、
を備え、
前記ガス供給系および前記排ガス排出系は、それぞれ、ガスの流れを調節する弁を備え、
前記カソード排ガス排出系は、
前記燃料電池と前記弁との間に、ピストンシリンダを備え、
前記ピストンシリンダのピストンとシリンダとの間の最大静止摩擦力が、前記ピストンが受ける重力と略等しい、燃料電池システム。
【００１０】
このようにすると、ガス供給系と排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁によってガス供給系と排ガス排出系が閉塞された場合に、その閉塞空間内のガス圧が所定のガス圧（例えば、大気圧）よりも低下すると、ピストンが下降して、シリンダ内のカソード排ガスが逆流する。カソード排ガスは、燃料電池における電気化学反応において、酸素が消費された後のガスであるため、酸素の含有量が少ない。そのため、燃料電池の発電停止後、アノードにける水素欠乏部分に、カソード排ガスが供給されると、アノードにおける水素欠乏部分に存在する酸素の量を低減させることができる。その結果、燃料電池の劣化を抑制することができる。なお、本明細書中において、ガスの流れを調節する弁は、流量を調節する弁および、流す／遮断するを切り替える開閉弁（ＯＮ／ＯＦＦのみ）を含む。
【００１１】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンシリンダの容積が、
前記ガス供給系と前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁によって閉塞された閉塞空間内のガスの、前記カソード側の閉塞空間内のガス中の酸素の消費、および温度変化に伴う体積変化量である、総体積変化量よりも大きい、燃料電池システム。
【００１２】
このようにすると、閉塞空間の容積を、総体積変化量分小さくして、閉塞空間内のガス圧の低下を抑制することができる。
【００１３】
［適用例３］  適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給系および前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁が閉弁された場合に、閉塞された前記閉塞空間内の水素量が、前記閉塞空間内の酸素量よりも多くなるように、前記アノードガス供給系と、前記カソードガス供給系を制御して、前記アノードガスの供給圧力と、前記カソードガスの供給圧力とを調節した後、前記ガス供給系および前記排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁を制御して閉弁させる、ガス圧制御部を、さらに備える、燃料電池システム。
【００１４】
ガス供給系および排ガス排出系のそれぞれに設けられている各弁が閉弁された場合に、閉塞空間内の水素量が閉塞空間内の酸素量よりも多くなると、アノードにおける水素の欠乏が抑制され、その結果、燃料電池の劣化が抑制される。
【００１５】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記カソード排ガス排出系に設けられた前記弁は、バタフライ弁または仕切弁である、燃料電池システム。
【００１６】
バタフライ弁や仕切弁を用いると、燃料電池システムの小型化、コスト低減を図ることができる。
【００１７】
［適用例５］  適用例１ないし４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を停止させる前に、前記カソードガス供給系を制御して前記燃料電池に供給するカソードガスの量を低減させる、カソードガス供給制御部を、さらに備える、燃料電池システム。
【００１８】
燃料電池の発電停止前に、カソードガスの供給量を低減させると、アノードにおける水素の欠乏が抑制される。その結果、燃料電池の劣化が抑制される。
【００１９】
［適用例６］  適用例１ないし５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンは、前記燃料電池の発電中は、前記シリンダの上部に配置される、燃料電池システム。
【００２０】
このようにすると、燃料電池の発電中に、ピストンシリンダ内に、ピストンシリンダの最大容積分のカソード排ガスが流入する。したがって、閉塞空間内のガス圧のより大きな変化に対応することができる。
【００２１】
［適用例７］  適用例１ないし６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ピストンシリンダは、前記ピストンの位置を所定の位置に固定するための固定部を備える燃料電池システム。
【００２２】
このようにすると、ピストンが自由に変位しないように、固定することができる。そのため、例えば、燃料電池の発電中に、一定体積のカソード排ガスを、ピストンシリンダ内に収容することができる。
【００２３】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の発電停止方法、その燃料電池の発電停止方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、そのプログラムが記憶された記憶媒体、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】ピストンシリンダの断面構成を模式的に示す模式図である。
【図３】燃料電池システムにおいて実行される発電・停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．第１の実施例の構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、アノードガスとしての水素を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう。）を外部へ排出するアノードガス給排系と、カソードガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給して、燃料電池スタック１００から排出された排気ガスを外部へ排出するカソードガス給排系と、燃料電池システム１０００の各部の動きを制御する制御部４００と、負荷接続部６００と、を備える。本実施例において、燃料電池システム１０００は、車両に搭載されている。
【００２６】
燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池の単セルが複数積層された構成を有し、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００２７】
アノードガス給排系は、水素タンク２１０と、アノードガス供給路２２０と、アノード排ガス排出路２７０と、を主に備える。水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。水素タンク２１０は、遮断弁２１２を備え、制御部４００からの指示にしたがって、遮断弁２１２を開閉することによって、水素の供給・停止を行う。水素タンク２１０としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
【００２８】
アノードガス供給路２２０には、圧力調整弁２３０が設けられている。水素タンク２１０に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２１０に接続するアノードガス供給路２２０に放出された後、圧力調整弁２３０によって所定の圧力に調整されて、燃料電池スタック１００を構成する各単セルのアノードにアノードガスとして供給される。
【００２９】
アノード排ガス排出路２７０には排気弁２８０が設けられている。燃料電池スタック１００が発電を行っている間は、アノード排ガス排出路２７０内のアノード排ガス中の窒素濃度に基づいて排気弁２８０の開閉が制御されている。また、燃料電池スタック１００の発電停止後は、排気弁２８０は閉弁される。
【００３０】
カソードガス給排系は、エアコンプレッサ３１０と、カソードガス供給路３２０と、カソード排ガス路３３０と、ガス圧力調整部３６０と、を主に備える。エアコンプレッサ３１０が、請求項におけるカソードガス供給系に設けられた弁に相当する。
【００３１】
エアコンプレッサ３１０は、エアクリーナ（図示しない）を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、カソードガス供給路３２０を介してカソードガスとして燃料電池スタック１００のカソードに供給する。カソード排ガス路３３０は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。
【００３２】
ガス圧力調整部３６０は、ピストンシリンダ３５０と、バタフライ弁３４０と、を備える。図２は、ピストンシリンダ３５０の断面構成を模式的に示す模式図である。図２（Ａ）は、燃料電池スタック１００の発電中、図２（Ｂ）は、燃料電池スタック１００の発電停止後を示す。
【００３３】
ピストンシリンダ３５０は、シリンダ３５２と、ピストン３５４と、ロック装置３５６と、を備える。シリンダ３５２は、略円筒状を成す中空の容器であって、一端がカソード排ガス路３３０に接続されている。図２（Ａ）に示すように、上面の略中央に孔が設けられている。
【００３４】
本実施例におけるシリンダ３５２の容積は、全閉空間容積Ａと、カソード内の酸素消費、温度低下後の体積Ｃとの差である、総体積変化量Δより大きい。カソード内の酸素消費、温度低下後の体積Ｃは下記(式０)、総体積変化量Δは下記（式１）によって規定される。
Ｃ＝（Ａ―（Ｂ×Ｏ2濃度）×３）×Ｔmin／Ｔmax・・・(式０)
Δ＝Ａ−Ｃ
＝Ａ−（Ａ―３（Ｂ×Ｏ2濃度））×Ｔmin／Ｔmax・・・(式１)
すなわち、シリンダ容積は、下記のように定義される。
シリンダ容積＞Ａ−（Ａ―３（Ｂ×Ｏ2濃度））×Ｔmin／Ｔmax
Ａ：全閉空間容積
Ｂ：カソード空間容積
Ｃ：総体積変化量
Ｔmax：燃料電池スタック１００の最高温度［Ｋ］
Ｔmin：燃料電池スタック１００の最低温度［Ｋ］
【００３５】
「全閉空間」は、エアコンプレッサ３１０の運転が停止され、遮断弁２１２、排気弁２８０、バタフライ弁３４０が閉弁されることにより、燃料電池スタック１００内のアノードガス流路、カソードガス流路を含む、アノードガス給排系およびカソードガス給排系（以下、「全系」ともいう）が閉塞された状態における、全系の容積を表す。
【００３６】
「カソード空間」は、燃料電池スタック１００内のカソードガス流路を含むカソードガス給排系の容積を表す。例えば、燃料電池スタック１００の最高温度は８０℃だとすると、Ｔmax＝２７３＋８０＝３５３［Ｋ］、最低温度が０℃であるとすると、Ｔmin＝２７３＋０＝２７３［Ｋ］となる。
【００３７】
ピストン３５４は、シリンダ３５２の内側にはまりこんで、シリンダ３５２内を、図中の上下方向に移動することができる部品である。ピストン３５４の上面には、円柱状の突起部が設けられており、その先端には突起部より径の大きい円板が設けられている。
【００３８】
ロック装置３５６は、ドーナツ盤状に形成され、ドーナツ盤の内径が拡径、縮径する。燃料電池スタック１００の発電時は、図２（Ａ）に示すように、ロック装置３５６は縮径し、ピストン３５４の突起部に設けられる円板とロック装置３５６とによって、ピストン３５４は、シリンダ３５２の上面に接触する位置（すなわち、シリンダ３５２の最上部）で固定される。一方、燃料電池スタック１００の発電停止後は、ロック装置３５６は拡径され、ロックが解除された状態になる。
【００３９】
本実施例において、シリンダ３５２とピストン３５４との間の最大静止摩擦力ｆmaxは、ピストン３５４が受ける重力（質量×重力加速度）と、略等しい。最大静止摩擦力ｆmaxと、ピストン３５４の重さとの差は、±５％の範囲内に収まる程度である。これは、通常の誤差の範囲である。すなわち、上記したロック装置３５６によるロックが解除された状態において、ピストンシリンダ３５０内の内圧が、大気圧よりも低下すると、ピストン３５４は下降する（図２（Ｂ））。
【００４０】
制御部４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ４２０と、ＣＰＵ４２０で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ４４０と、同じくＣＰＵ４２０で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ４６０と、各種の信号を入出力する入出力ポート４８０等を備える(図１)。制御部４００は、燃料電池システム１０００が備える遮断弁２１２、圧力調整弁２３０、エアコンプレッサ３１０、ガス圧力調整部３６０、排気弁２８０など、燃料電池スタック１００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００４１】
負荷接続部６００は、燃料電池スタック１００と、燃料電池システム１０００外部の電気的負荷２０００との接続を切り換え可能な装置である。負荷接続部６００は、燃料電池スタック１００の発電中において、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００とを接続し、燃料電池スタック１００の発電停止時には、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００との接続を遮断している。なお、電気的負荷２０００は、例えば、二次電池や、電力消費装置（車両を走行させるための駆動モータなど）などである。
【００４２】
Ａ２．実施例の動作：
図３は、燃料電池システムにおいて実行される発電・停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。本実施例において、燃料電池システム１０００は車両に搭載されている。ユーザが、車両に備えられるＩＧスイッチをＯＮにすると、ＩＧスイッチＯＮ信号が制御部４００に入力され、車両を停止してＩＧスイッチをＯＦＦにしたときに、ＩＧスイッチＯＦＦ信号が制御部４００に入力される。なお、ＩＧとは、ＩＧｎｉｔｉｏｎの略で、本来は内燃機関の点火を意味し、燃料電池システム１０００においては、必ずしも適当な用語ではないが、当業者にとり、ＩＧスイッチといえば、車両の起動スイッチを意味するものとして長年用いられてきたものである。そこで、ここでも、車両の起動スイッチとしての操作子の意味で、ＩＧスイッチの語をそのまま用いるものとする。
【００４３】
制御部４００に、ＩＧスイッチＯＮ信号が入力されると(ステップＳ１０２)、制御部４００は、遮断弁２１２、圧力調整弁２３０を制御して、アノード内圧が所定の値になるように、水素を供給させると共に、エアコンプレッサ３１０を制御して空気を供給させる(ステップＳ１０４)。そして、制御部４００は、ピストン駆動モータ(図示しない)を制御して、ピストン駆動モータによってピストン３５４を、シリンダ３５２内の最上部まで上げて、ロック装置３５６を制御して、ロック装置３５６の内径を縮径させることによって、ピストン３５４をシリンダ３５２内の最上部に固定させる(ステップＳ１０６)。
【００４４】
その後、制御部４００は、負荷接続部６００を制御して、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００とを接続させて、燃料電池スタック１００の発電を開始させ(ステップＳ１０８)、バタフライ弁３４０を開弁させる。本実施例において、燃料電池スタック１００の発電を開始するということは、燃料電池スタック１００に、アノードガスおよびカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００とを接続することを意味する。なお、排気弁２８０は、上記したように、燃料電池スタック１００の発電中、アノード排ガス中の窒素濃度に基づいて、開閉される。排気弁２８０の制御について、図３に示す発電・停止処理ルーチンには記載しない。
【００４５】
このように、燃料電池スタック１００の発電中は、ピストン３５４は、シリンダ３５２の上面と接触する位置(シリンダ３５２の最上部)まで上げられて、ロック装置３５６によって固定される（図２（Ａ））。これにより、燃料電池スタック１００の発電中は、シリンダ３５２内に、シリンダ３５２の最大容積分のカソード排ガスが充填される。
【００４６】
例えば、ユーザが車両の走行を停止して、ＩＧスイッチをＯＦＦにすると、制御部４００にＩＧスイッチＯＦＦ信号が入力される。制御部４００にＩＧスイッチＯＦＦ信号が入力されると(ステップＳ１１２)、制御部４００は、遮断弁２１２、圧力調整弁２３０を制御して閉弁させ、燃料電池スタック１００への水素の供給を停止させると共に、エアコンプレッサ３１０を制御して、エアコンプレッサ３１０の運転を停止させ、燃料電池スタック１００への空気の供給を停止させる(ステップＳ１１４)。
【００４７】
そして、制御部４００は、バタフライ弁３４０と排気弁２８０を制御して閉弁させる(ステップＳ１１６)。これにより、全系（燃料電池スタック１００内のアノードガス流路、カソードガス流路を含む、アノードガス給排系およびカソードガス給排系）は閉塞される。
【００４８】
制御部４００は、ピストンシリンダ３５０のロック装置３５６を制御して、ピストン３５４のロックを解除させる(ステップＳ１１８)。その後、制御部４００は、負荷接続部６００を制御して、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００との接続を遮断させて、燃料電池スタック１００の発電を停止させる(ステップＳ１２０)。本実施例において、燃料電池スタック１００の発電を停止するということは、燃料電池スタック１００と電気的負荷２０００との接続を遮断することを意味する。
【００４９】
このように、燃料電池スタック１００の発電停止後は、全系が閉塞されると共に、ロック装置３５６のロックが解除される。したがって、燃料電池スタック１００の発電停止後、ピストン３５４は、全系内のガス圧の低下に伴って、下降する。
【００５０】
Ａ３．実施例の効果：
燃料電池スタック１００の発電停止後、水素（Ｈ2）が電解質膜を透過して、カソードに移動すると、カソードに存在する酸素（Ｏ2）と反応して、水が生成される。反応式を、下記(式２)に示す。このように、電解質膜を介してアノードからカソードへ水素が移動することにより、アノードにおいて、水素欠乏部分が生じる。
２Ｈ2＋Ｏ2→Ｈ2０・・・(式２)
【００５１】
カソードにおいて、上記(式２)のような反応が生じた結果、燃料電池スタック１００内のガス総量（モル数）が減少する。また、燃料電池スタック１００の発電停止後、温度が低下する。そのため、カソード排ガス路３３０が常時開放されている場合には、温度低下に伴って、燃料電池スタック１００内に存在するガスの体積が減少する。
【００５２】
カソード排ガス路３３０が常時開放されている場合、燃料電池スタック１００内のガスの体積が減少すると、カソード排ガス路３３０から、空気が逆流して、燃料電池スタック１００のカソードに供給される。そして、アノードの水素欠乏部分には、電解質膜を介して、カソードからアノードに、酸素が含まれる空気が供給される。
【００５３】
燃料電池スタック１００の発電停止時には、電気的負荷２０００との接続が遮断されているため、燃料電池スタック１００のアノードにおける水素のイオン化反応によって生じる電子（ｅ-）が、外部に取り出されない。そのため、アノードの水素欠乏部分に、酸素が存在すると、生成した電子（ｅ-）によって、アノード側において、下記（式３）の反応が生じる。一方、カソード側において、下記（式４）のカーボンの酸化反応が生じる。（式４）の反応によって生じた電子（ｅ-）によって、カソードにおいて水が生成される。このように、電子（ｅ-）を単セル内でやり取りする、いわゆる内部電池が形成されると、（式４）の反応によりカーボンの酸化反応が生じて、カソードが劣化すると考えられる。
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2０・・・(式３)
１／２Ｃ＋Ｈ2Ｏ→１／２ＣＯ2＋２Ｈ+＋２ｅ-・・・(式４)
【００５４】
これに対して、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００における発電停止前に、エアコンプレッサ３１０の運転が停止され、遮断弁２１２、排気弁２８０、バタフライ弁３４０が閉弁され、全系は閉塞している。また、本実施例の燃料電池システム１０００は、ガス圧力調整部３６０を備え、燃料電池スタック１００の発電停止後は、ピストンシリンダ３５０のピストン３５４を自由に変位可能にしている。
【００５５】
上記したように、燃料電池スタック１００の発電停止後に、上記(式２)の反応が起きて、燃料電池スタック１００内のガスの体積が減少すると、全系内のガス圧が低下する。すなわち、カソード排ガス路３３０に接続されているピストンシリンダ３５０内のガス圧も低下する。そのため、上記したように、ピストン３５４が下降する(図２（ｂ）)。その結果、ピストンシリンダ３５０内のカソード排ガスが逆流して、燃料電池スタック１００にカソード排ガスが供給される。そして、アノードの水素欠乏部分には、電解質膜を介して、カソードからアノードにカソード排ガスが供給される。これにより、閉塞された全系内に存在するガスの圧力が低下するのを抑制することができる。
【００５６】
カソード排ガスは、燃料電池スタック１００において、電気化学反応が行われ、酸素が消費された後のガスであるため、カソード排ガス内の酸素の割合は、空気中の酸素の割合より低く、カソード排ガス内の窒素の割合は、空気中の窒素の割合よりも多いと考えられる。そのため、カソード排ガスがカソード排ガス路３３０を介して燃料電池スタック１００に供給されると、アノードの水素欠乏部分の大部分は、窒素が存在ことになる。その結果、アノード側に酸素が存在する部分は、ほとんど形成されず、上記した（式３）、(式４)の反応は、生じにくくなる。したがって、カソードの劣化を抑制することができると考えられる。
【００５７】
また、本実施例において、ピストンシリンダ３５０におけるピストン３５４とシリンダ３５２との間の最大静止摩擦力ｆｍａｘが、ピストン３５４が受ける重力(質量×重力加速度)と略等しいため、全系内に存在するガスの内圧が所定の圧力（大気圧）よりも低下した場合には、ピストン３５４が下降する。したがって、全系内に存在するガスの圧力の低下が抑制されるため、バタフライ弁３４０が、全系内が負圧になることにより開弁されて、空気が逆流するのを抑制することができる。そのため、例えば、シャットバルブのような、大きな負圧に耐えうる、体格が大きく、高価な弁を使用しなくても、空気の逆流を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池システムの小型化およびコスト低減を図ることができる。また、バタフライ弁は、シャットバルブに比べると、壊れにくいため、燃料電池システム１０００の信頼性が向上される。
【００５８】
また、本実施例では、シリンダ３５２の容積が、全系内のガスの温度変化、およびカソードガス給排系内の酸素の消費に伴う体積変化量である、総体積変化量よりも大きい。燃料電池スタック１００の発電中、ピストン３５４がシリンダ３５２の最上部に固定されているため、燃料電池スタック１００の発電中に、シリンダ３５２の容積分の体積のガスが充填されている。全系（ピストンシリンダ３５０を含む）内のガス圧が低下した場合に、ピストン３５４が下降することにより、全系の容積を総体積変化量分だけ減らすことによって、全系内のガス圧の低下を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施例における燃料電池システム１０００によれば、ピストンシリンダ３５０を利用して、全系の容積を変化させることによって、全系内のガスの圧力変化を抑制している。例えば、ダイヤフラムを利用して、全系の容積を変化させる場合について検討する。ダイヤフラムは、一般に、円板状を成し、平面に対して垂直方向に撓むものである。一般に、ダイヤフラムの撓み量（変位）は小さいため、ダイヤフラムによって、変化させることができる容積は少ない。そのため、圧力変化が大きい場合には、その圧力変化を十分に抑制することができない。
【００６０】
本実施例における燃料電池システム１０００は、車両に搭載されている。車両に搭載される燃料電池システムの場合、例えば、出力が９０〜１００ｋＷと大きく、定置型の燃料電池システム（例えば、出力１０ｋＷ程度）に比較して、供給されるアノードガス、カソードガスの量が多いため、閉塞された全系内のガスの圧力変化が大きい。そのため、仮に、本実施例における燃料電池システム１０００において、ピストンシリンダ３５０に代えて、ダイヤフラムを利用した装置を利用する場合に、ピストンシリンダ３５０のシリンダ容積と同じ容積だけ全系の容積を変化させるためには、ダイヤフラムの径を、ピストンシリンダ３５０の径に対して、非常に大きなものにしなければならず、その結果、ダイヤフラムを利用した装置は、非常に大きなものになってしまう。また、そのように大きなダイヤフラムを作成するのは、困難である。すなわち、本実施例における燃料電池システム１０００では、ピストンシリンダ３５０を利用することによって、容易に、全系内のガスの圧力変化を抑制することができる。また、ピストンシリンダ３５０を利用することによって、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００６１】
また、ダイヤフラムを利用する場合に、深さの深い皿形のダイヤフラムを用いることによって、ピストンシリンダ３５０のシリンダ容積と同じ容積だけ全系の容積を変化させることができる可能性がある。しかしながら、深い皿形のダイヤフラムはゴム製のことが多く、耐久性が悪いため、頻繁に交換が必要となり、長期使用に対する信頼性が低い。これに対して、本実施例の燃料電池システム１０００では、ピストンシリンダ３５０を利用しているため、ダイヤフラムに対して耐久性が向上され、長期使用に対する信頼性が向上される。
【００６２】
Ｂ．第２の実施例：
図４は、本発明の第２の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例における燃料電池システム１０００Ａが第１の実施例における燃料電池システム１０００と異なる点は、アノード排ガス排出路２７０が、カソード排ガス路３３０に合流している点である。アノード排ガス排出路２７０は、カソード排ガス路３３０においてピストンシリンダ３５０の上流側に合流している。その他の構成は、第１の実施例における燃料電池システム１０００と同様である。
【００６３】
本実施例の１０００Ａによれば、アノード排ガス排出路２７０が、カソード排ガス路３３０に合流しているため、アノード排ガスが、カソード排ガスによって希釈されて、外部に放出される。また、カソード排ガス中に酸素が含まれる場合に、アノード排ガス中の水素と反応して、カソード排ガス中の酸素量が低減される場合がある。すなわち、ピストンシリンダ３５０内に充填されるガスに含まれる酸素の量を低減することができる。そのため、カソード排ガス路３３０を介して燃料電池スタック１００に供給されるガス中の酸素濃度が低減される。その結果、電解質膜を介してカソードからアノードに供給される酸素の量が低減され、カソードの劣化を、さらに抑制することができると考えられる。
【００６４】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６５】
（１）上記実施例において、カソード排ガスを排気させるための排気弁として、バタフライバルブを用いたが、その他の種々の弁を用いることができる。例えば、仕切弁、ボールバルブ、シャットバルブ等を用いてもよい。
【００６６】
（２）ピストンシリンダ３５０のシリンダ容積は、上記実施例に限定されない。例えば、ピストンシリンダ３５０のシリンダ容積は、閉塞空間内のガスの総体積変化量よりも、小さくてもよい。シリンダ容積が、総体積変化量よりも小さい場合であっても、ピストンシリンダ３５０を設けない場合よりは、アノードに供給される酸素量を低減させることができ、カソードの劣化を抑制することができる。
【００６７】
（３）上記第１の実施例において、各弁（遮断弁２１２、排気弁２８０、エアコンプレッサ３１０、バタフライ弁３４０）が閉弁されて全系が閉塞される前に、閉塞された全系内の水素量が、閉塞された全系内の酸素量よりも多くなるように、エアコンプレッサ３１０、圧力調整弁２３０を調節して、空気および水素を供給した後に、各弁を閉弁するように、制御部４００において制御するような構成にしてもよい。このようにすると、閉塞された全系内において、水素の欠乏が抑制されるため、カソードの劣化が生じにくくなる。なお、仮に、閉塞された全系内の水素量が、閉塞された全系内の酸素量よりも少ない場合であって、上記第１の実施例における燃料電池システム１０００によれば、水素欠乏部分に存在する酸素の量を低減させることができるため、カソードの劣化を抑制することができる。
【００６８】
（４）上記第１の実施例において、燃料電池スタック１００の発電を停止させる前に、エアコンプレッサ３１０を制御して、空気の供給量を減らすように、制御部４００によって制御する構成にしてもよい。例えば、通常、負荷要求から算出される空気供給量に対して、１．２〜１．５倍の量を供給している場合に、０．８〜１．１倍に減らして供給するようにしてもよい。このようにすると、発電停止時に閉塞された全系内の酸素量を減らすことができるため、カソードの劣化を抑制することができる。
【００６９】
（５）上記実施例１において、燃料電池スタック１００の発電時に、ピストン３５４がシリンダ３５２の最上部まで引き上げられる例を示したが、燃料電池スタック１００の発電時のピストン３５４の位置は、上記実施例に限定されず、任意の位置に固定してもよい。例えば、シリンダ３５２の高さ(深さ)の中間付近で、固定される構成にしてもよい。シリンダの位置を任意の位置に固定しても、ピストンシリンダ３５０を設けない場合よりは、アノードに供給される酸素量を低減させることができ、カソードの劣化を抑制することができる。
【００７０】
（６）上記第１の実施例において、ピストンシリンダ３５０は、ピストン３５４を固定するためのロック装置３５６を備える例を示したが、ロック装置３５６を備えない構成にしてもよい。例えば、燃料電池スタック１００の発電中は、カソード排ガスの圧力により、ピストン３５４が押し上げられて、ロックされなくても、位置が固定される構成にしてもよい。
【００７１】
（７）上記実施例において、燃料電池システム１０００が車両に搭載される例を示したが燃料電池システム１０００は、車両に搭載される場合に限定されず、種々の用途に用いることができる。例えば、燃料電池システム１０００が家庭用コージェネレーションシステム等の定置システムに用いられてもよい。その場合、例えば、家庭用コージェネレーションシステムが、燃料電池の発電停止ボタンを備え、ユーザが、発電停止ボタンを押下した場合に、制御部４００に発電停止ボタンＯＮ信号が入力され、発電停止処理ルーチンが開始される構成にしてもよい。
【００７２】
（８）上記実施例において、カソードガス供給路３２０に設けられる弁として、エアコンプレッサ３１０を用いる例を示したが、例えば、カソードガス供給路３２０上の、エアコンプレッサ３１０と燃料電池スタック１００との間に、遮断弁を設けてもよい。また、エアコンプレッサ３１０に代えて、遮断弁を設けてもよい。遮断弁の代わりに流量調節弁を用いてもよいし、遮断弁と流量調節弁を併用してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１００…燃料電池スタック
２１０…水素タンク
２１２…遮断弁
２２０…アノードガス供給路
２３０…圧力調整弁
２７０…アノード排ガス排出路
２８０…排気弁
３１０…エアコンプレッサ
３２０…カソードガス供給路
３３０…カソード排ガス路
３４０…バタフライ弁
３５０…ピストンシリンダ
３５２…シリンダ
３５４…ピストン
３５６…ロック装置
３６０…ガス圧力調整部
４００…制御部
４２０…ＣＰＵ
４８０…入出力ポート
６００…負荷接続部
１０００、１０００Ａ…燃料電池システム
２０００…電気的負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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