(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池による発電を停止する際に、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止する供給停止部と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を示すセル電圧を測定する電圧測定部と、
前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記電圧測定部によって測定されるセル電圧が、前記カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す基準電圧よりも低下した場合、前記カソード電極における酸素が消費された状態を維持しながら前記アノード電極に空気を導入する空気導入部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
更に、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記空気導入部によって前記アノード電極に空気を導入する前に、前記アノード電極に残留する水素を循環させる停止循環部を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記基準電圧は、前記アノード電極に残留する水素が前記カソード電極に透過して前記カソード電極に残留する酸素と反応することにより、前記カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す電圧値である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記基準電圧は、０．０５ボルトである請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソード電極の温度を示すセル温度を測定する温度測定部を備え、
前記空気導入部は、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記電圧測定部によって測定されるセル電圧が基準電圧よりも低下した場合、および前記温度測定部によって測定されるセル温度が基準温度よりも低下した場合、の少なくとも一方の場合に、前記アノード電極に空気を導入する、燃料電池システム。
【請求項６】
水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池による発電を停止する燃料電池の停止方法であって、
前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止し、
前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を示すセル電圧を測定し、
前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止した後、前記セル電圧が、前記カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す基準電圧よりも低下した場合、前記カソード電極における酸素が消費された状態を維持しながら前記アノード電極に空気を導入する、燃料電池の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応による発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一つとして、プロトン伝導体である電解質膜と、炭素を含む材料で成形されたアノード電極およびカソード電極とを備え、電解質膜をアノード電極とカソード電極との間に挟持して複数の単セルを形成した燃料電池が知られている。このような燃料電池は、水素をアノード電極に、空気をカソード電極に供給することによって、水素と酸素との電気化学反応による発電を行う。燃料電池の発電を停止する際には、水素および空気の供給は停止される。
【０００３】
燃料電池の発電を停止した後、種々の要因により、カソード電極に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極に酸素が偏在する状態になることが知られている。この状態になると、カソード電極が異常電位となり、カソード電極を構成する炭素が酸化してカソード電極が劣化することにより、燃料電池の発電性能が低下してしまう。
【０００４】
従来、カソード電極の劣化を防止するため、アノード電極への水素供給を停止した後、アノード電極とカソード電極とを負荷を介して電気的に接続した状態で、アノード電極に空気を導入する技術が提案されていた（特許文献１）。これによって、アノード電極に空気を導入する際にカソード電極の電位上昇を抑制できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８３１９７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、特許文献１の技術を適用した場合、複数の単セルのうち他の単セルと異なる状態の単セル（例えば、アノード電極に残留する水素が比較的に少ない単セルや、電解質膜が比較的に乾燥している単セル）では、他の単セルに合わせて電流を流すために通常の発電時とは異なる電気化学反応が起こり、炭素の酸化によるアノード電極の劣化や、過剰な乾燥による電解質膜の破損などが発生することにより、燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を踏まえ、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができ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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態は、水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池による発電を停止する際に、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止する供給停止部と；前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を示すセル電圧を測定する電圧測定部と；前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記電圧測定部によって測定されるセル電圧が、前記カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す基準電圧よりも低下した場合、前記カソード電極における酸素が消費された状態を維持しながら前記アノード電極に空気を導入する空気導入部とを備える燃料電池システムである。この形態によれば、水素が残留するアノード電極への空気の導入が、カソード電極に酸素が存在する状況で行われることを回避することができる。したがって、発電停止後に、カソード電極に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極に酸素が偏在する状態になることを防止することができる。その結果、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができる。
【０００９】
［適用例１］  適用例１の燃料電池システムは、水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池による発電を停止する際に、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止する供給停止部と、前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を示すセル電圧を測定する電圧測定部と、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記電圧測定部によって測定されるセル電圧が基準電圧よりも低下した場合、前記アノード電極に空気を導入する空気導入部とを備えることを特徴とする。適用例１の燃料電池システムによれば、セル電圧の低下を判断する基準電圧を、カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す電圧に設定することによって、水素が残留するアノード電極への空気の導入が、カソード電極に酸素が存在する状況で行われることを回避することができる。したがって、発電停止後に、カソード電極に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極に酸素が偏在する状態になることを防止することができる。その結果、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］  適用例１の燃料電池システムは、更に、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記空気導入部によって前記アノード電極に空気を導入する前に、前記アノード電極に残留する水素を循環させる停止循環部を備えても良い。適用例２の燃料電池システムによれば、カソード電極に残留する酸素の消費を促進させることができる。したがって、燃料電池の発電を停止するのに要する時間を短縮することができる。
【００１１】
［適用例３］  適用例１または適用例２の燃料電池システムにおいて、前記基準電圧は、前記アノード電極に残留する水素が前記カソード電極に透過して前記カソード電極に残留する酸素と反応することにより、前記カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す電圧値であっても良い。適用例３の燃料電池システムによれば、カソード電極に残留する酸素が消費された後、カソード電極が異常電位となる前に、アノード電極に空気を導入してアノード電極から水素を排出することができる。
【００１２】
［適用例４］  適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記基準電圧は、０．０５ボルトであっても良い。適用例４の燃料電池システムによれば、カソード電極に残留する酸素が消費された後、カソード電極が異常電位となる前に、アノード電極に空気を導入してアノード電極から水素を排出することができる。
【００１３】
［適用例５］  適用例１ないし請求項４のいずれかの燃料電池システムは、更に、前記カソード電極の温度を示すセル温度を測定する温度測定部を備え、前記空気導入部は、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記電圧測定部によって測定されるセル電圧が基準電圧よりも低下した場合、および前記温度測定部によって測定されるセル温度が基準温度よりも低下した場合、の少なくとも一方の場合に、前記アノード電極に空気を導入するとしても良い。適用例５の燃料電池システムによれば、セル電圧の低下を判断する基準電圧を、カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す電圧に設定すると共に、セル温度の低下を判断する基準温度を、カソード電極を構成する炭素の酸化が抑制される温度に設定することによって、セル電圧およびセル温度の少なくとも一方が条件を満たした場合に、カソード電極の劣化を抑制しながらアノード電極への空気の導入を実施することができる。その結果、燃料電池の発電を停止する処理に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
［適用例６］  適用例６の燃料電池システムは、水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池による発電を停止する際に、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止する供給停止部と、前記カソード電極の温度を示すセル温度を測定する温度測定部と、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記温度測定部によって測定されるセル温度が基準温度よりも低下した場合、前記アノード電極に空気を導入する空気導入部とを備えることを特徴とする。適用例６の燃料電池システムによれば、セル温度の低下を判断する基準温度を、カソード電極を構成する炭素の酸化が抑制される温度に設定することによって、水素が残留するアノード電極への空気の導入に起因するカソード電極の劣化を抑制することができる。その結果、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１５】
［適用例７］  適用例６の燃料電池システムは、更に、前記供給停止部によって水素および空気の供給を停止した後、前記空気導入部によって前記アノード電極に空気を導入する前に、前記燃料電池を冷却する停止冷却部を備えても良い。適用例７の燃料電池システムによれば、燃料電池におけるセル温度の低下を促進させることができる。したがって、燃料電池の発電を停止するのに要する時間を短縮することができる。
【００１６】
［適用例８］  適用例６または適用例７の燃料電池システムであって、前記基準温度は、４０℃であっても良い。適用例８の燃料電池システムによれば、アノード電極に空気を導入することによって、カソード電極に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極に酸素が偏在する状態になった場合であっても、カソード電極の劣化を抑制することができる。
【００１７】
［適用例９］  適用例９の燃料電池の停止方法は、水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池による発電を停止する燃料電池の停止方法であって、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止し、前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を示すセル電圧を測定し、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止した後、前記セル電圧が基準電圧よりも低下した場合、前記アノード電極に空気を導入することを特徴とする。適用例９の燃料電池の停止方法によれば、セル電圧の低下を判断する基準電圧を、カソード電極に残留する酸素が消費された状態を示す電圧に設定することによって、水素が残留するアノード電極への空気の導入が、カソード電極に酸素が存在する状況で行われることを回避することができる。したがって、発電停止後に、カソード電極に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極に酸素が偏在する状態になることを防止することができる。その結果、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１８】
［適用例１０］  適用例１０の燃料電池の停止方法は、水素をアノード電極に空気をカソード電極に供給することによって発電する燃料電池による発電を停止する燃料電池の停止方法であって、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止し、前記カソード電極の温度を示すセル温度を測定し、前記アノード電極への水素の供給、および前記カソード電極への空気の供給を停止した後、前記セル温度が基準温度よりも低下した場合、前記アノード電極に空気を導入することを特徴とする。適用例１０の燃料電池の停止方法によれば、セル温度の低下を判断する基準温度を、カソード電極を構成する炭素の酸化が抑制される温度に設定することによって、水素が残留するアノード電極への空気の導入に起因するカソード電極の劣化を抑制することができる。その結果、発電停止後における燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１９】
本発明の形態は、燃料電池システムや燃料電池の停止方法に限るものではなく、例えば、燃料電池を備える車両、燃料電池を運転する方法、燃料電池を運転するプログラムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池における単セルの構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システムの制御部が実行する停止制御処理を示すフローチャートである。
【図４】第２実施例における燃料電池システムの制御部が実行する停止制御処理を示すフローチャートである。
【図５】セル温度と二酸化炭素の発生量との関係を示す説明図である。
【図６】第３実施例における燃料電池システムの制御部が実行する停止制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、燃料電池システム１０の外部に電力を供給するために燃料電池２０を運転する。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
【００２３】
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。本実施例では、燃料電池２０に供給される反応ガスには、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスである空気とが含まれる。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式のシステムであり、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。
【００２４】
燃料電池２０は、燃料ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数の単セル２１を備え、これら複数の単セル２１は、電気的に直列に積層されている。図２は、燃料電池２０における単セル２１の構成を示す説明図である。燃料電池２０の単セル２１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）２４と、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５とを備える。単セル２１において、ＭＥＡ２４は、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５との間に挟持されている。
【００２５】
単セル２１のＭＥＡ２４は、アノード拡散層２４１と、アノード触媒層２４２と、電解質膜２４４と、カソード触媒層２４５と、カソード拡散層２４６とを備え、この順序で、これらの層は一体的に積層されている。アノード拡散層２４１およびアノード触媒層２４２は、電解質膜２４４のアノード側の面に積層され、アノード電極２４３を構成する。カソード拡散層２４６およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４のカソード側の面に積層され、カソード電極２４７を構成する。したがって、ＭＥＡ２４における電解質膜２４４は、アノード電極２４３とカソード電極２４７との間に挟持される状態となる。
【００２６】
ＭＥＡ２４の電解質膜２４４は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体で形成されている。本実施例では、電解質膜２４４は、プロトン伝導体の一つであるアイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
【００２７】
ＭＥＡ２４のアノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４を介して行われる水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性，導電性，撥水性を有する材料で形成されている。本実施例では、アノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、白金を含有する白金系触媒を担持した炭素担体に、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂を混合した材料で形成されている。
【００２８】
ＭＥＡ２４のアノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、ガス透過性，導電性，撥水性を有する材料で形成されている。アノード拡散層２４１は、アノード触媒層２４２に燃料ガスを拡散させ、カソード拡散層２４６は、カソード触媒層２４５に酸化ガスを拡散させる。本実施例では、アノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、炭素製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパに、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））を含浸させた材料で形成されている。
【００２９】
単セル２１のアノードセパレータ２３は、ＭＥＡ２４におけるアノード側の面に燃料ガスを流すアノード流路２３２を形成し、単セル２１のカソードセパレータ２５は、ＭＥＡ２４におけるカソード側の面に酸化ガスを流すカソード流路２５２を形成する。アノードセパレータ２３およびカソードセパレータ２５は、燃料ガスや酸化ガスを流す上で十分な強度およびガス不透過性に加え導電性を有する材料（例えば、ステンレス，カーボン樹脂，導電性セラミックス）で形成されている。
【００３０】
図１の説明に戻り、燃料電池２０には、単セル２１におけるアノード電極２４３とカソード電極２４７との間の電位差、すなわち、単セル２１の電圧であるセル電圧を検出するセル電圧センサ２１８が設けられている。本実施例では、セル電圧センサ２１８は、燃料電池２０における全ての単セル２１の各々のセル電圧を検出するセンサであるが、他の実施形態において、燃料電池２０における全ての単セル２１ではなく、代表的な一部の単セル２１のセル電圧を検出するセンサであっても良い。
【００３１】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０を運転するための構成として、水素供給部３０と、冷却部４０と、空気供給部５０と、制御部９０とを備える。
【００３２】
燃料電池システム１０の水素供給部３０は、制御部９０の指示に基づいて、燃料ガスである水素を燃料電池２０に供給する。本実施例では、水素供給部３０は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置であるが、他の実施形態において、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
【００３３】
燃料電池システム１０の空気供給部５０は、制御部９０の指示に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池２０に供給する。本実施例では、空気供給部５０は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。
【００３４】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０への反応ガスの供給、および燃料電池２０からの反応ガスの排出に関連して、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０と、アノード循環路３３０と、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０と、アノード空気導入路５３０と、希釈空気導入路５４０と、希釈器６１０とを備える。
【００３５】
燃料電池システム１０のアノード供給路３１０は、水素供給部３０から燃料電池２０に燃料ガスを流す流路を形成し、燃料電池システム１０のアノード排出路３２０は、燃料電池２０から希釈器６１０にアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード排出路３２０には、アノード排出バルブ３２２が設けられ、アノード排出バルブ３２２は、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０から希釈器６１０に排出されるアノードオフガスの排出量を調整する。本実施例では、アノード排出路３２０には、アノード排出路３２０中の水素濃度を検出する水素濃度センサ３２８が設けられている。
【００３６】
燃料電池システム１０のアノード循環路３３０は、アノード排出路３２０からアノード供給路３１０へとアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード循環路３３０には、アノード排出路３２０側から順に、循環入口バルブ３３２と、循環ポンプ３３４と、循環出口バルブ３３６とが設けられている。アノード循環路３３０の循環入口バルブ３３２および循環出口バルブ３３６は、制御部９０の指示に基づいて、アノード排出路３２０からアノード供給路３１０へと循環するアノードオフガスの循環量を調整する。アノード循環路３３０の循環ポンプ３３４は、制御部９０の指示に基づいて、アノード排出路３２０からアノード供給路３１０へとアノードオフガスを送出する。
【００３７】
燃料電池システム１０のカソード供給路５１０は、空気供給部５０から燃料電池２０に酸化ガスを流す流路を形成し、燃料電池システム１０のカソード排出路５２０は、燃料電池２０から希釈器６１０にカソードオフガスを流す流路を形成する。カソード排出路５２０には、カソード排出バルブ５２２が設けられ、カソード排出バルブ５２２は、制御部９０の指示に基づいて、燃料電池２０から希釈器６１０に排出されるカソードオフガスの排出量を調整する。
【００３８】
燃料電池システム１０のアノード空気導入路５３０は、空気供給部５０から供給される空気をカソード供給路５１０からアノード供給路３１０へと流す流路を形成する。アノード空気導入路５３０には、アノード空気導入バルブ５３２が設けられ、アノード空気導入バルブ５３２は、制御部９０の指示に基づいて、カソード供給路５１０からアノード供給路３１０へと導入される空気の導入量を調整する。
【００３９】
燃料電池システム１０の希釈空気導入路５４０は、空気供給部５０から供給される空気をカソード供給路５１０から希釈器６１０に流す流路を形成する。希釈空気導入路５４０には、希釈空気導入バルブ５４２が設けられ、希釈空気導入バルブ５４２は、制御部９０の指示に基づいて、カソード供給路５１０から希釈器６１０へと導入される空気の導入量を調整する。
【００４０】
燃料電池システム１０の希釈器６１０は、カソードオフガスをアノードオフガスに混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素を希釈する。本実施例では、希釈器６１０には、希釈器６１０中の水素濃度を検出する水素濃度センサ６１８が設けられ、制御部９０は、希釈器６１０の水素濃度センサ６１８によって検出された水素濃度が基準値（例えば、５％）以上である場合、希釈空気導入路５４０から希釈器６１０に空気を導入する制御を行う。これによって、基準値を超える水素濃度の排気が希釈器６１０から排出されることを防止することができる。
【００４１】
燃料電池システム１０の冷却部４０は、燃料電池２０の内部との間で冷却水（不凍液）を循環させながら冷却水の熱を大気中に発散させることによって燃料電池２０を冷却する。燃料電池システム１０は、冷却水の循環に関連して、冷却部４０から燃料電池２０に冷却水を流す流路を形成する冷却水往路４１０と、燃料電池２０から冷却部４０に冷却水を流す流路を形成する冷却水復路４２０とを備える。本実施例では、冷却水復路４２０には、冷却水復路４２０中の冷却水の温度を検出する温度センサ４２８が設けられている。
【００４２】
燃料電池システム１０の制御部９０は、燃料電池システム１０の各部を制御する。制御部９０は、燃料電池２０を運転する制御を行う運転制御部９１０と、各種のプログラムやデータを記憶する記憶部９２０と、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続するインタフェース９３０とを備える。
【００４３】
制御部９０の運転制御部９１０は、供給停止部９１２と、電圧測定部９１４と、温度測定部９１５と、空気導入部９１６とを備える。本実施例では、運転制御部９１０が備える各部の機能は、記憶部９２０に記憶されている制御プログラム９２２に基づいて、運転制御部９１０のセントラルプロセッシングユニット（Central Processing Unit、ＣＰＵ）が動作することによって実現されるが、他の実施形態において、運転制御部９１０の少なくとも一部の機能は、運転制御部９１０の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
【００４４】
運転制御部９１０の供給停止部９１２は、燃料電池２０による発電を停止する際に、アノード電極２４３への水素の供給、およびカソード電極２４７への空気の供給を停止する。本実施例では、燃料電池２０に対する水素および空気の供給を停止するために、供給停止部９１２は、インタフェース９３０を介して、水素供給部３０および空気供給部５０に対して制御信号を出力することによって、水素供給部３０に対して水素の送出停止を、空気供給部５０に対して空気の送出停止をそれぞれ指示する。
【００４５】
運転制御部９１０の電圧測定部９１４は、アノード電極２４３とカソード電極２４７との間の電位差を示すセル電圧を測定する。本実施例では、電圧測定部９１４は、燃料電池２０のセル電圧センサ２１８から出力される検出信号に基づいて、全ての単セル２１の各々のセル電圧を測定するが、他の実施形態において、代表的な一部の単セル２１のセル電圧を測定しても良い。
【００４６】
運転制御部９１０の温度測定部９１５は、燃料電池２０の単セル２１の温度を示すセル温度を測定する。図２に示したように、単セル２１は、カソード電極２４７を始めとする種々の部材を一体的に組み合わせたものであることから、単セル２１のセル温度は、カソード電極２４７の温度を示す指標となる。本実施例では、温度測定部９１５は、冷却水復路４２０の温度センサ４２８から出力される検出信号に基づいて、単セル２１のセル温度を測定するが、他の実施形態において、燃料電池２０の単セル２１に直接的に設けられた温度センサ（図示しない）から出力される検出信号に基づいてセル温度を測定しても良い。
【００４７】
運転制御部９１０の空気導入部９１６は、供給停止部９１２によって水素および空気の供給を停止した後、電圧測定部９１４によって測定されるセル電圧が基準電圧よりも低下した場合、燃料電池２０のアノード電極２４３に空気を導入する。本実施例では、アノード電極２４３に空気を導入するために、空気導入部９１６は、アノード空気導入路５３０のアノード空気導入バルブ５３２、およびアノード排出路３２０のアノード排出バルブ３２２を開放する制御を行うと共に、空気供給部５０に対して空気の送出を指示する。これによって、空気供給部５０から送出された空気は、カソード供給路５１０、アノード空気導入路５３０、アノード供給路３１０を順に経由して、燃料電池２０のアノード電極２４３に導入される。
【００４８】
Ａ−２．燃料電池システム１０の動作：
図３は、燃料電池システム１０の制御部９０が実行する停止制御処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。停止制御処理（ステップＳ１０）は、制御部９０の運転制御部９１０によって実現される処理である。本実施例では、燃料電池２０による発電を停止する際に、制御部９０は、停止制御処理（ステップＳ１０）を開始する。
【００４９】
停止制御処理（ステップＳ１０）を開始すると、燃料電池システム１０の制御部９０は、供給停止部９１２として動作することによって供給停止処理（ステップＳ１０２）を実行する。供給停止処理（ステップＳ１０２）において、制御部９０は、水素供給部３０に対して水素の送出停止を、空気供給部５０に対して空気の送出停止をそれぞれ指示することによって、アノード電極２４３への水素の供給、およびカソード電極２４７への空気の供給を停止する。停止制御処理（ステップＳ１０）に際し、制御部９０は、アノード排出路３２０のアノード排出バルブ３２２、およびカソード排出路５２０のカソード排出バルブ５２２をそれぞれ閉塞した状態に制御する。
【００５０】
供給停止処理（ステップＳ１０２）の後、制御部９０は、電圧測定部９１４として動作することによって電圧測定処理（ステップＳ１０４）を実行する。電圧測定処理（ステップＳ１０４）において、制御部９０は、燃料電池２０のセル電圧センサ２１８から出力される検出信号に基づいて単セル２１のセル電圧を測定する。
【００５１】
電圧測定処理（ステップＳ１０４）において、制御部９０は、電圧測定処理（ステップＳ１０４）で測定された単セル２１のセル電圧が基準電圧よりも低下したか否かを判断する（ステップＳ１０５）。本実施例では、単セル２１のセル電圧を判断する基準電圧は、アノード電極２４３に残留する水素が電解質膜２４４を通じてカソード電極２４７に透過してカソード電極２４７に残留する酸素と反応することにより、カソード電極２４７に残留する酸素が消費された状態を示す電圧値であり、予め試験によって得られた「０．０５Ｖ（ボルト）」に設定されている。
【００５２】
本実施例では、制御部９０は、燃料電池２０における全ての単セル２１の各々のセル電圧が基準電圧よりも低下したか否かを判断するが、他の実施形態において、燃料電池２０における全ての単セル２１ではなく、代表的な一部の単セル２１のセル電圧が基準電圧よりも低下したか否かを判断しても良い。本実施例では、判断対象である単セル２１の各々のセル電圧の低下にバラツキがある場合、制御部９０は、アノード電極２４３に残留する水素を循環させる停止循環部として動作し、アノード循環路３３０の循環入口バルブ３３２および循環出口バルブ３３６を開放した状態で、アノード循環路３３０の循環ポンプ３３４を稼働させることによって、燃料電池２０のアノード電極２４３に残留する水素を循環させる。これによって、カソード電極２４７に残留する酸素の消費を促進させることができる。
【００５３】
電圧測定処理（ステップＳ１０４）で測定された単セル２１のセル電圧が基準電圧よりも低下した場合（ステップＳ１０５：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、空気導入部９１６として動作することによって空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行する。空気導入処理（ステップＳ１０６）において、制御部９０は、アノード空気導入路５３０のアノード空気導入バルブ５３２、およびアノード排出路３２０のアノード排出バルブ３２２を開放する制御を行うと共に、空気供給部５０に対して空気の送出を指示することによって、空気供給部５０から燃料電池２０のアノード電極２４３に空気を導入する。本実施例では、空気導入処理（ステップＳ１０６）に際し、制御部９０は、アノード循環路３３０の循環入口バルブ３３２および循環出口バルブ３３６を閉塞した状態に制御する。本実施例では、アノード流路２３２における結露水の凍結による流路閉塞を回避するため、燃料電池２０のセル温度が０℃以下である場合、制御部９０は、空気導入処理（ステップＳ１０６）の実施を中止する。
【００５４】
本実施例では、空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行中に、希釈器６１０の水素濃度センサ６１８によって検出された水素濃度が基準値（例えば、５％）以上である場合、制御部９０は、希釈空気導入路５４０から希釈器６１０に空気を導入する制御を行うが、他の実施形態において、カソード排出路５２０のカソード排出バルブ５２２を開放した状態に制御して希釈器６１０にカソードオフガスを導入しても良い。
【００５５】
空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行中に、制御部９０は、アノード排出路３２０の水素濃度センサ３２８から出力される検出信号に基づいて、燃料電池２０のアノード電極２４３から排出されるオフガスの水素濃度が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。本実施例では、アノード電極２４３から排出されるオフガスの水素濃度を判断する所定値は、燃料電池２０における全ての単セル２１のアノード電極２４３に残留する水素が空気に置換された状態を示す水素濃度であり、予め試験によって得られた値に設定されている。
【００５６】
アノード電極２４３から排出されるオフガスの水素濃度が所定値以下になった場合（ステップＳ１０７：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、空気導入処理（ステップＳ１０６）を停止して、停止制御処理（ステップＳ１０）を終了する。本実施例では、制御部９０は、アノード電極２４３から排出されるオフガスの水素濃度に基づいて空気導入処理（ステップＳ１０６）を停止するが、他の実施形態において、アノード電極２４３に残留する水素を空気に置換するのに要する時間を予め試験によって求めておき、その時間に応じて空気導入処理（ステップＳ１０６）の開始から一定時間経過後に空気導入処理（ステップＳ１０６）を停止しても良い。
【００５７】
Ａ−３．効果：
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０によれば、水素が残留するアノード電極２４３への空気の導入が、カソード電極２４７に酸素が存在する状況で行われることを回避することができる。したがって、発電停止後に、カソード電極２４７に酸素が存在する状況で、水素が残留するアノード電極２４３に酸素が偏在する状態になることを防止することができる。その結果、発電停止後における燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
【００５８】
また、供給停止処理（ステップＳ１０２）の後、空気導入処理（ステップＳ１０６）の前に、制御部９０は、アノード電極２４３に残留する水素を循環させる制御を行うことから、カソード電極２４７に残留する酸素の消費を促進させることができる。したがって、燃料電池２０の発電を停止する停止制御処理（ステップＳ１０）に要する時間を短縮することができる。
【００５９】
また、供給停止処理（ステップＳ１０２）の後における単セル２１のセル電圧を判断する基準電圧は、アノード電極２４３に残留する水素が電解質膜２４４を通じてカソード電極２４７に透過してカソード電極２４７に残留する酸素と反応することにより、カソード電極２４７に残留する酸素が消費された状態を示す電圧値であり、予め試験によって得られた０．０５Ｖに設定されていることから、カソード電極２４７に残留する酸素が消費された後、カソード電極２４７が異常電位となる前に、アノード電極２４３に空気を導入してアノード電極２４３から水素を排出することができる。
【００６０】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例における燃料電池システム１０は、燃料電池２０における単セル２１のセル電圧ではなく、単セル２１のセル温度に基づいて空気導入処理（ステップＳ１０６）を実施する点を除き、第１実施例と同様である。第２実施例では、制御部９０の空気導入部９１６は、供給停止部９１２によって水素および空気の供給を停止した後、温度測定部９１５によって測定されるセル温度が基準温度よりも低下した場合、燃料電池２０のアノード電極２４３に空気を導入する。なお、第２実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池２０のセル電圧センサ２１８、および制御部９０の電圧測定部９１４は、必須の構成ではない。
【００６１】
図４は、第２実施例における燃料電池システム１０の制御部９０が実行する停止制御処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。停止制御処理（ステップＳ１２）は、単セル２１のセル温度に基づいて空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行する点を除き、第１実施例の停止制御処理（ステップＳ１０）と同様である。
【００６２】
第２実施例の停止制御処理（ステップＳ１２）では、供給停止処理（ステップＳ１０２）の後、制御部９０は、温度測定部９１５として動作することによって温度測定処理（ステップＳ１２４）を実行する。温度測定処理（ステップＳ１２４）において、制御部９０は、冷却水復路４２０の温度センサ４２８から出力される検出信号に基づいて単セル２１のセル温度を測定する。本実施例では、温度測定処理（ステップＳ１２４）において、制御部９０は、燃料電池２０から排出された冷却水の温度から単セル２１のセル温度を推定するが、他の実施形態において、カソード電極２４７やカソードセパレータ２５など燃料電池２０の一部に直接的に設けられた温度センサ（図示しない）から出力される検出信号に基づいてセル温度を測定しても良い。
【００６３】
温度測定処理（ステップＳ１２４）の後、制御部９０は、温度測定処理（ステップＳ１２４）で測定された単セル２１のセル温度が基準温度よりも低下したか否かを判断する（ステップＳ１２５）。本実施例では、単セル２１のセル温度を判断する基準温度は、カソード電極２４７を構成する炭素の酸化が抑制される温度であり、予め試験によって得られた「４０℃」に設定されている。本実施例では、停止制御処理（ステップＳ１２）の後、制御部９０は、燃料電池２０を冷却する停止冷却部として動作し、冷却部４０を稼働させることによって、燃料電池２０におけるセル温度の低下を促進させる。
【００６４】
温度測定処理（ステップＳ１２４）で測定された単セル２１のセル温度が基準温度よりも低下した場合（ステップＳ１２５：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、空気導入部９１６として動作することによって空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行する。第２実施例の停止制御処理（ステップＳ１２）における空気導入処理（ステップＳ１０６）以降の処理については、第１実施例の停止制御処理（ステップＳ１０）と同様である。
【００６５】
図５は、セル温度と二酸化炭素の発生量との関係を示す説明図である。図５では、横軸にセル温度を示し、縦軸に二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を示すことによって、カソード電極２４７に異常電位を発生させた評価実験の実験値を表す。図５の評価実験では、燃料電池２０の単セル２１を用意し、二酸化炭素を含有しない酸化ガスを燃料電池２０に供給しながら、種々の条件でカソード電極２４７に異常電位を発生させ、カソードオフガスの二酸化炭素濃度およびセル温度を測定した。カソード電極２４７が異常電位となる場合、次の化学式１の電気化学反応によってカソード電極２４７を構成する炭素が酸化して二酸化炭素が発生することから、図５に示すカソードオフガスの二酸化炭素濃度は、カソード電極２４７の劣化度合に比例すると考えられる。
【００６６】
C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-        …（化学式１）
【００６７】
図５の実験値から判断すると、セル電圧が１．６Ｖ以上になると、化学式１の電気化学反応によるカソード電極２４７の劣化は顕著になるが、セル電圧が１．６Ｖ以上であっても、セル温度が４０℃よりも低くなると、カソード電極２４７の劣化が抑制され、セル温度が２０℃よりも低くなると、カソード電極２４７の劣化が一層抑制されることが分かる。このことから、空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行するセル温度の基準温度を「４０℃」に設定することにより、水素が残留するアノード電極２４３への空気の導入に起因するカソード電極２４７の劣化を抑制することができ、セル温度の基準温度を「２０℃」に設定した場合には、カソード電極２４７の劣化を一層抑制することができる。
【００６８】
第２実施例の燃料電池システム１０によれば、水素が残留するアノード電極２４３への空気の導入に起因するカソード電極２４７の劣化を抑制することができる。その結果、発電停止後における燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
【００６９】
また、供給停止処理（ステップＳ１０２）の後、空気導入処理（ステップＳ１０６）の前に、制御部９０は、燃料電池２０を冷却する制御を行うことから、燃料電池２０におけるセル温度の低下を促進させることができる。したがって、燃料電池２０の発電を停止する停止制御処理（ステップＳ１２）に要する時間を短縮することができる。
【００７０】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例における燃料電池システム１０は、燃料電池２０における単セル２１のセル電圧に加え、単セル２１のセル温度に基づいて空気導入処理（ステップＳ１０６）を実施する点を除き、第１実施例と同様である。第３実施例では、燃料電池システム１０の空気導入部９１６は、供給停止部９１２によって水素および空気の供給を停止した後、電圧測定部９１４によって測定されるセル電圧が基準電圧よりも低下した場合、温度測定部９１５によって測定されるセル温度が基準温度よりも低下した場合、の少なくともいずれかの場合に、燃料電池２０のアノード電極２４３に空気を導入する。
【００７１】
図６は、第３実施例における燃料電池システム１０の制御部９０が実行する停止制御処理（ステップＳ１４）を示すフローチャートである。停止制御部（ステップＳ１４）は、燃料電池２０における単セル２１のセル電圧に加え、単セル２１のセル温度に基づいて空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行する点を除き、第１実施例の停止制御処理（ステップＳ１０）と同様である。
【００７２】
第３実施例の停止制御処理（ステップＳ１４）では、電圧測定処理（ステップＳ１０４）で測定された単セル２１のセル電圧が基準電圧よりも低下していない場合（ステップＳ１０５：「ＮＯ」）、制御部９０は、温度測定部９１５として動作することによって温度測定処理（ステップＳ１４４）を実行する。温度測定処理（ステップＳ１４４）において、制御部９０は、第２実施例の温度測定処理（ステップＳ１２４）と同様に、冷却水復路４２０の温度センサ４２８から出力される検出信号に基づいて単セル２１のセル温度を測定する。
【００７３】
温度測定処理（ステップＳ１４４）の後、制御部９０は、温度測定処理（ステップＳ１４４）で測定された単セル２１のセル温度が基準温度よりも低下したか否かを判断する（ステップＳ１４５）。本実施例では、単セル２１のセル温度を判断する基準温度は、カソード電極２４７を構成する炭素の酸化が抑制される温度であり、予め試験によって得られた「４０℃」に設定されている。
【００７４】
温度測定処理（ステップＳ１４４）で測定された単セル２１のセル温度が基準温度よりも低下していない場合（ステップＳ１２５：「ＮＯ」）、制御部９０は、電圧測定処理（ステップＳ１０４）からの処理を繰り返し実行する。
【００７５】
電圧測定処理（ステップＳ１０４）で測定された単セル２１のセル電圧が基準電圧よりも低下した場合（ステップＳ１０５：「ＹＥＳ」）や、温度測定処理（ステップＳ１４４）で測定された単セル２１のセル温度が基準温度よりも低下した場合（ステップＳ１４５：「ＹＥＳ」）、制御部９０は、空気導入部９１６として動作することによって空気導入処理（ステップＳ１０６）を実行する。第３実施例の停止制御処理（ステップＳ１４）における空気導入処理（ステップＳ１０６）以降の処理については、第１実施例の停止制御処理（ステップＳ１０）と同様である。
【００７６】
第３実施例の燃料電池システム１０によれば、セル電圧およびセル温度の少なくとも一方が条件を満たした場合（ステップＳ１０５，Ｓ１４５：「ＹＥＳ」）に、カソード電極２４７の劣化を抑制しながら、アノード電極２４３に空気を導入する空気導入処理（ステップＳ１０６）を実施することができる。その結果、燃料電池２０の発電を停止する停止制御処理（ステップＳ１４）に要する時間を短縮することができる。
【００７７】
Ｄ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。
【００７８】
また、第３実施例では、セル電圧およびセル温度のいずれか一方が条件を満たす場合に空気導入処理（ステップＳ１０６）を実施する例を説明したが、他の実施形態において、セル電圧およびセル温度の両方が条件を満たす場合に、空気導入処理（ステップＳ１０６）を実施しても良い。これによって、発電停止後における燃料電池の劣化を一層抑制することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…単セル
２３…アノードセパレータ
２４…ＭＥＡ
２５…カソードセパレータ
３０…水素供給部
４０…冷却部
５０…空気供給部
９０…制御部
２１８…セル電圧センサ
２３２…アノード流路
２４１…アノード拡散層
２４２…アノード触媒層
２４３…アノード電極
２４４…電解質膜
２４５…カソード触媒層
２４６…カソード拡散層
２４７…カソード電極
２５２…カソード流路
３１０…アノード供給路
３２０…アノード排出路
３２２…アノード排出バルブ
３２８…水素濃度センサ
３３０…アノード循環路
３３２…循環入口バルブ
３３４…循環ポンプ
３３６…循環出口バルブ
４１０…冷却水往路
４２０…冷却水復路
４２８…温度センサ
５１０…カソード供給路
５２０…カソード排出路
５２２…カソード排出バルブ
５３０…アノード空気導入路
５３２…アノード空気導入バルブ
５４０…希釈空気導入路
５４２…希釈空気導入バルブ
６１０…希釈器
６１８…水素濃度センサ
９１０…運転制御部
９１２…供給停止部
９１４…電圧測定部
９１５…温度測定部
９１６…空気導入部
９２０…記憶部
９２２…制御プログラム
９３０…インタフェース
【図１】
0005476877.tif 000002
【図２】
0005476877.tif 000003
【図３】
0005476877.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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