(57)【要約】【課題】水素貯蔵手段を不要にすることができ、構成を簡素化するとともに、経済性及び耐久性の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６を備える。酸化剤ガス供給装置１４は、第１及び第２空気遮断弁５８ａ、５８ｂを閉塞することにより酸化剤ガス流路域７８が形成される一方、燃料ガス供給装置１６は、水素供給弁６４ｃ及びパージ弁７４を閉塞することにより燃料ガス流路域８０が形成される。酸化剤ガス流路域７８の第１容積と、燃料ガス流路域８０の第２容積とは、前記酸化剤ガス流路域７８及び前記燃料ガス流路域８０が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域７８に残存する全ての酸素が、前記燃料ガス流路域８０に残存する燃料ガスと反応して消費される容積比に設定される。【選択図】図１
2010086853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインに第１開閉弁を設け、且つ前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出ラインに第２開閉弁を設け、
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインに第３開閉弁を設け、且つ前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインに第４開閉弁を設けるとともに、
前記第１開閉弁と前記第２開閉弁との間に形成される酸化剤ガス流路域の第１容積と、前記第３開閉弁と前記第４開閉弁との間に形成される燃料ガス流路域の第２容積とは、前記酸化剤ガス流路域及び前記燃料ガス流路域が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域に残存する前記酸化剤ガス中の全ての酸素が、前記燃料ガス流路域に残存する燃料ガスと反応して消費される容積比に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスは、空気である一方、前記燃料ガスは、純水素であり、
前記第２容積＞０．４×前記第１容積の関係に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスは、空気である一方、前記燃料ガスは、純水素であり、
前記第２容積＞０．８×前記第１容積の関係に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路域及び前記燃料ガス流路域が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域に残存する前記酸化剤ガス中の全ての酸素を消費させる手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池から外部負荷を遮断する工程と、
前記酸化剤ガス供給装置の運転を停止するとともに、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ライン及び前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出ラインを閉塞することにより、閉塞された第１容積の酸化剤ガス流路域を形成する工程と、
前記燃料ガス供給装置の運転を停止するとともに、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ライン及び前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインを閉塞することにより、閉塞された第２容積の燃料ガス流路域を形成する工程と、
を有し、前記第１容積と前記第２容積との容積比を設定することにより、前記酸化剤ガス流路域に残存する前記酸化剤ガス中の全ての酸素が、前記燃料ガス流路域に残存する燃料ガスと反応して消費されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項６】
請求項５記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガスは、空気である一方、前記燃料ガスは、純水素であり、
前記第２容積＞０．４×前記第１容積の関係に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガスは、空気である一方、前記燃料ガスは、純水素であり、
前記第２容積＞０．８×前記第１容積の関係に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス流路域及び前記燃料ガス流路域が閉塞された状態で、前記燃料電池の発電を行うことにより、前記酸化剤ガス流路域に残存する前記酸化剤ガス中の全ての酸素を消費させることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システム及びその運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に反応が惹起され、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。
【０００５】
そこで、燃料電池の運転停止時に、アノード側電極に残存する燃料ガスを空気に置換することにより、前記燃料電池の停止中の反応を阻止する工夫がなされている。
【０００６】
しかしながら、燃料電池の起動時には、アノード側電極に供給される水素と、このアノード側電極に残存する空気とが反応してプロトンが生成され、このプロトンがカソード側電極に移動する。従って、カソード側電極では、移動したプロトンと、このカソード側電極側の酸素とが反応して水が生成される。その際、燃料電池が負荷に接続されていないために、アノード側からカソード側に電子の移動がなされず、カソード側電極に存在する水と電解質膜上の触媒坦持炭素とが反応して、二酸化炭素、プロトン及び電子が生成される。これにより、触媒担持炭素が消費されてしまい、発電性能が劣化するという問題がある。
【０００７】
この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池パワープラントが知られている。この燃料電池パワープラントは、図６に示すように、電解質膜１ａをアノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃで挟持した燃料電池１を備えている。
【０００８】
燃料電池１には、水素供給装置２と空気供給装置３とが接続されるとともに、前記水素供給装置２は、水素供給源４と水素貯蔵手段５とを備えている。水素供給装置２と空気供給装置３とは、バルブ６を介して連通及び遮断自在に構成されている。
【０００９】
そして、燃料電池パワープラントを停止する際には、空気供給装置３から燃料電池１への空気の供給が停止される一方、バルブ６が開放されて水素貯蔵手段５からアノード電極１ｂ及びカソード電極１ｃに水素が供給されている。これにより、水素供給装置２の水素ライン及び空気供給装置３の空気ラインは、純水素に維持されている。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６９８４４６４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、水素供給装置２が水素供給源４の他に、水素貯蔵手段５を設けている。このため、水素供給装置２の構成が複雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、水素貯蔵手段を不要にすることができ、構成を簡素化するとともに、経済性及び耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池システム及びその運転停止方法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】
【００１３】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システム及びその運転停止方法に関するものである。
【００１４】
酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインに第１開閉弁を設け、且つ前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出ラインに第２開閉弁を設けている。一方、燃料ガス供給装置は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインに第３開閉弁を設け、且つ前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインに第４開閉弁を設けている。
【００１５】
そして、第１開閉弁と第２開閉弁との間に形成される酸化剤ガス流路域の第１容積と、第３開閉弁と第４開閉弁との間に形成される燃料ガス流路域の第２容積とは、前記酸化剤ガス流路域及び前記燃料ガス流路域が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域に残存する酸化剤ガス中の全ての酸素が、前記燃料ガス流路域に残存する燃料ガスと反応して消費される容積比に設定されている。
【００１６】
また、酸化剤ガスは、空気である一方、燃料ガスは、純水素であり、第２容積＞０．４×第１容積の関係に設定されることが好ましい。
【００１７】
さらに、酸化剤ガスは、空気である一方、燃料ガスは、純水素であり、第２容積＞０．８×第１容積の関係に設定されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、酸化剤ガス流路域及び燃料ガス流路域が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域に残存する酸化剤ガス中の全ての酸素を消費させる手段を備えることが好ましい。
【００１９】
また、燃料電池システムの運転停止方法は、燃料電池から外部負荷を遮断する工程と、酸化剤ガス供給装置の運転を停止するとともに、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ライン及び前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出ラインを閉塞することにより、閉塞された第１容積の酸化剤ガス流路域を形成する工程と、燃料ガス供給装置の運転を停止するとともに、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ライン及び前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインを閉塞することにより、閉塞された第２容積の燃料ガス流路域を形成する工程とを有している。そして、第１容積と第２容積との容積比を設定することにより、酸化剤ガス流路域に残存する酸化剤ガス中の全ての酸素が、燃料ガス流路域に残存する燃料ガスと反応して消費される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、燃料電池システムの運転が停止される際、酸化剤ガス流路域及び前記燃料ガス流路域が閉塞されると、前記酸化剤ガス流路域に残存する酸化剤ガス中の酸素と、前記燃料ガス流路域に残存する燃料ガス中の水素とが、例えば、電解質膜をクロスリークして反応し、又は発電により反応し、消費される。
【００２１】
その際、酸化剤ガス流路域に残存する酸化剤ガス中の全ての酸素は、燃料ガス流路域に残存する燃料ガスと反応して消費される。このため、燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスを消費させるために新たな燃料ガスを補充する必要がなく、水素貯蔵手段等を不要にすることができ、構成を簡素化することが可能になる。
【００２２】
しかも、アノード側電極側に酸素が残存することがないため、起動時に前記アノード側電極で酸素と水素との混在を阻止することができる。これにより、燃料電池システム全体の経済性及び耐久性の向上を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る運転停止方法が適用される燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２４】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。
【００２５】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード側電極２４とアノード側電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体２８を備え、前記電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２６】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００２７】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００２８】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ５０を備え、前記エアコンプレッサ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００２９】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアコンプレッサ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５７が設けられる。
【００３０】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス供給ラインである空気供給流路５２に第１空気遮断弁（第１開閉弁）５８ａを設ける一方、酸化剤ガス排出ラインである空気排出流路５６に第２空気遮断弁（第２開閉弁）５８ｂを設ける。
【００３１】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６０を備え、この水素タンク６０は、水素供給流路６２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路６２には、水素タンク元弁６４ａ、減圧弁６４ｂ及び水素供給弁６４ｃが、順次、設けられる。水素供給流路６２には、水素供給弁６４ｃの下流に沿って加湿器６５とエゼクタ６６とが設けられる。
【００３２】
エゼクタ６６は、水素タンク６０から供給される水素ガスを、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００３３】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、キャッチタンク（貯水層）７２を介して水素循環路６８が連通するとともに、前記水素循環路６８は、エゼクタ６６に連通する。オフガス流路７０には、パージ弁７４を介して希釈ブロア７６が接続される。
【００３４】
燃料ガス供給装置１６は、燃料ガス供給ラインである水素供給流路６２に第３開閉弁である水素供給弁６４ｃを設ける一方、燃料ガス排出ラインであるオフガス流路７０に第４開閉弁であるパージ弁７４を設ける。
【００３５】
酸化剤ガス供給装置１４では、第１空気遮断弁５８ａと第２空気遮断弁５８ｂとの間に閉塞可能な酸化剤ガス流路域７８が形成される一方、燃料ガス供給装置１６では、水素供給弁６４ｃとパージ弁７４との間に閉塞可能な燃料ガス流路域８０が形成される。
【００３６】
酸化剤ガス流路域７８の第１容積と、燃料ガス流路域８０の第２容積とは、前記酸化剤ガス流路域７８及び前記燃料ガス流路域８０が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域７８に残存する全ての酸素が、前記燃料ガス流路域８０に残存する水素と反応して消費される容積比に設定される。
【００３７】
酸化剤ガス流路域７８の第１容積は、具体的には、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス用マニホールド（図示せず）、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、各燃料電池２０の酸化剤ガス流路３４及びガス拡散層内空孔を含む酸化剤ガス用通路系、第１空気遮断弁５８ａ及び第２空気遮断弁５８ｂからそれぞれ前記燃料電池スタック１２までの流路長、並びに加湿器５４の容積等の合計容積である。
【００３８】
燃料ガス流路域８０の第２容積は、同様に燃料電池スタック１２内の燃料ガス用マニホールド（図示せず）、燃料ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ、各燃料電池２０内の燃料ガス流路３６及びガス拡散層内空孔を含む燃料ガス用通路系、水素供給弁６４ｃ及びパージ弁７４からそれぞれ前記燃料電池スタック１２までの流路系、並びに加湿器６５、エゼクタ６６及びキャッチタンク７２の容積等の合計容積である。
【００３９】
第１容積と第２容積とは、後述するように、前記第２容積＞０．４×前記第１容積の関係に設定され、あるいは、前記第２容積＞０．８×前記第１容積の関係に設定される。
【００４０】
燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス流路域７８及び燃料ガス流路域８０が閉塞された状態で、前記酸化剤ガス流路域７８に残存する全ての酸化剤ガス（酸素）を消費させる手段として、例えば、走行用モータ等を含む負荷回路８２が接続される。燃料電池スタック１２には、必要に応じて、負荷回路８２に並列し酸素消費用の補助抵抗８４が、スイッチ８６により接続可能に設けられる。
【００４１】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の実施形態に係る運転停止方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアコンプレッサ５０を介して空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、第１空気遮断弁５８ａの開放作用下に加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード側電極２４に供給される。
【００４３】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、第２空気遮断弁５８ｂ及び背圧制御弁５７を介して外部に排出される。
【００４４】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク６０から水素供給流路６２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６２を通って、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード側電極２６に供給される。
【００４５】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂからキャッチタンク７２に送られて水分が除去された後、水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード側電極２４に供給される空気とアノード側電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００４６】
次いで、燃料電池システム１０の運転停止時には、先ず、図示しないイグニッションがオフされる（図２中、ステップＳ１）。さらに、外部負荷（走行用モータ等）が燃料電池スタック１２から遮断された後（ステップＳ２）、酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６には、空気及び水素の供給を停止させる信号が出力される。このため、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ５０の駆動が停止されて空気供給が停止される（ステップＳ３）。一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク元弁７６ａが閉塞されて水素ガスの供給が停止される（ステップＳ４）。
【００４７】
次いで、ステップＳ５に進んで、カソード系及びアノード系の封じ込めが行われる。具体的には、酸化剤ガス供給装置１４では、第１空気遮断弁５８ａ及び第２空気遮断弁５８ｂが閉塞されることにより、閉塞された酸化剤ガス流路域７８が形成される（カソード系の封じ込め）。燃料ガス供給装置１６では、水素供給弁６４ｃ及びパージ弁７４が閉塞されることにより、閉塞された燃料ガス流路域８０が形成される（アノード系の封じ込め）。
【００４８】
そして、ステップＳ６に進んで、閉塞されている酸化剤ガス流路域７８に残存する全ての酸素は、閉塞されている燃料ガス流路域８０に残存する水素ガスと反応して消費される。この残留酸素消費工程は、各燃料電池２０を構成する固体高分子電解質膜２２のガス自然透過による反応処理（第１処理）と、スイッチ８６を閉じて燃料電池スタック１２からの電流を補助抵抗８４で消費することによる発電反応処理（第２処理）のいずれかにより行われる。
【００４９】
第１処理では、固体高分子電解質膜２２がガス透過性を有するため、カソード側電極２４側の酸素とアノード側電極２６側の水素とが、前記固体高分子電解質膜２２を通してクロスリーク（クロスオーバー）する。このため、カソード側電極２４側及び／又はアノード側電極２６側に酸素と水素との混在が発生し、固体高分子電解質膜２２に塗布されている電極触媒を介して前記酸素と前記水素とが直接反応（燃焼）することにより、該酸素が消費される。
【００５０】
第２処理では、空気及び水素ガスの供給を停止した状態で、燃料電池スタック１２による発電が行われる。このため、カソード側電極２４側の酸素とアノード側電極２６側の水素とは、電気化学反応により消費される一方、この発電によって取り出された電力は、エアコン等のデバイスで消費され、ディスチャージ抵抗により消費され、あるいは、蓄電池に充電される。なお、専用の電力消費用の抵抗を設けてもよい。
【００５１】
この場合、本実施形態では、閉塞されている酸化剤ガス流路域７８の第１容積と、閉塞されている燃料ガス流路域８０の第２容積とが、前記第２容積＞０．４×前記第１容積の関係に設定されている。
【００５２】
ここで、図３中、（ａ）に示すように、第１容積：第２容積＝５：１の関係、すなわち、第２容積＝０．２×第１容積の関係に設定されていると、燃料電池システム１０の運転停止直後に、アノード系及びカソード系には、図３中、（ａ）に示すように、水素ガス及び空気が残留している（それぞれ、モル数を示す）。
【００５３】
このため、残存する全ての水素が消費された状態で、図３中、（ｂ）に示すように、カソード系には、窒素及び酸素が残留している。従って、長時間の放置により、カソード系の窒素及び酸素がアノード系にクロスリーク（クロスオーバー）し、アノード系内に酸素が残留してしまう。これにより、起動時にアノード系に水素が供給されると、酸素と水素との混在が惹起し、触媒電極の劣化が発生するおそれがある。
【００５４】
一方、図４中、（ａ）に示すように、第１容積：第２容積＝５：２、すなわち、第２容積＝０．４×第１容積の関係に設定されていると、燃料電池システム１０の運転停止後の消費によって、図４中、（ｂ）に示すように、アノード系内の水素とカソード系内の酸素とが反応して、前記水素及び前記酸素が完全に消費される。このため、長時間放置した後には、図４中、（ｃ）に示すように、アノード系及びカソード系には、窒素のクロスリーク（クロスオーバー）のみが発生し、このアノード系に酸素が残留することはない。
【００５５】
従って、第２容積＞０．４×第１容積の関係に設定することにより、閉塞された酸化剤ガス流路域７８の残留する酸素量に対して、閉塞された燃料ガス流路域８０の残留水素量を十分に確保することができる。これにより、酸化剤ガス流路域７８の残留酸素を完全に消費する一方、燃料ガス流路域８０には、水素を残留させることが可能になる。
【００５６】
このため、起動時に、燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３６に水素ガスを供給する際、この燃料ガス流路３６で水素と酸素との混在を確実に阻止することができ、耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
しかも、燃料電池システム１０には、運転停止時に新たな燃料ガスを補充する必要がなく、例えば、水素貯蔵手段を不要にすることができる。従って、燃料電池システム１０全体の構成を簡素化するとともに、経済性の向上を図ることが可能になる。
【００５８】
また、図５中、（ａ）に示すように、第１容積：第２容積＝５：４の関係、すなわち、第２容積＝０．８×第１容積の関係を有する場合、燃料電池システム１０の運転停止後に、図５中、（ｂ）に示すように、燃料ガス流路域８０内の残留酸素量に比べて、相当に多量の残存水素量が得られている。このため、消費処理によって酸素が全て消費された際にも、アノード系には、比較的多量の水素が残留している。従って、図５中、（ｃ）に示すように、長時間の放置により、アノード系及びカソード系には、窒素及び水素が残留している。
【００５９】
これにより、特にアノード系内に水素が残留するため、反応後の該アノード系の圧力低下を低減することができる。このため、負圧の防止及び固体高分子電解質膜２２へのダメージ防止が可能になるとともに、系内の気密性を容易に確保することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る運転停止方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図３】アノード系及びカソード系の残留ガスと容積比との関係説明図である。
【図４】前記アノード系及び前記カソード系の残留ガスと容積比との関係説明図である。
【図５】前記アノード系及び前記カソード系の残留ガスと容積比との関係説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池パワープラントの説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ                  ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極                ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ              ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔          ５０…エアコンプレッサ
５２…空気供給流路                  ５４、６５…加湿器
５６…空気排出流路                  ５８ａ、５８ｂ…空気遮断弁
６０…水素タンク                    ６４ｃ…水素供給弁
６６…エゼクタ                      ６８…水素循環路
７０…オフガス流路                  ７４…パージ弁
８０…燃料ガス流路域
【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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