(57)【要約】  【課題】  運転停止に際して電解質膜を含む反応部（例えば、ＭＥＡ）に特別に水の補給を行なわなくても、その反応部を再起動に支障のない加湿状態に維持しつつ該反応部以外の部位の水分を除去できるような燃料電池システムを提供することである。  【解決手段】  通常運転時に加湿状態の反応ガスを単セル１１の一対のセパレータ１１１、１１２それぞれの供給口1１１ａ（１１２ａ）からガス流路を通して排出口１１１ｂ（１１２ｂ）に流通させることにより反応部１１０にて起電力の発生がなされる燃料電池システムであって、運転停止に際して、前記通常運転時と比較して乾燥した反応ガスを単セル１１の前記一対のセパレータの少なくとも一方１１１における排出口１１１ｂから前記ガス流路を通して供給口１１１ａに流通させるパージ時制御手段６０を備えた構成となる。【選択図】  図２
2006164693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を含む反応部と、該反応部を挟み、反応ガスの供給口とガス流路と排出口とが形成された一対のセパレータとを有する単セルを複数備えた燃料電池本体を有し、通常運転時に加湿状態の反応ガスを前記単セルの前記一対のセパレータそれぞれの前記供給口から前記ガス流路を通して排出口に流通させることにより前記反応部にて起電力の発生がなされる燃料電池システムであって、
運転停止に際して、前記通常運転時と比較して乾燥した反応ガスを前記単セルの前記一対のセパレータの少なくとも一方における前記排出口から前記ガス流路を通して前記供給口に流通させるパージ時制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応ガスの供給源と、
前記セパレータの供給口に供給する反応ガスを前記供給源から前記燃料電池本体に導く供給ラインと、
前記セパレータの排出口からのオフガスを前記燃料電池本体から導出させる排出ラインと、
前記供給ラインと前記排出ラインとを連結するバイパスラインと、
前記供給ラインの前記バイパスラインとの接続点より前記燃料電池本体側に接続された放出ラインと、
前記供給源から前記バイパスラインを通ることなく前記供給ラインを通して前記燃料電池本体に至る流路を形成すると共に、前記燃料電池本体から前記バイパスラインを通ることなく前記排出ラインを通して該排出ラインの排出端部に至る流路を形成する第１の状態と、前記供給源から排出ラインの排出端部に至ることなく前記供給ライン、前記バイパスライン及び排出ラインを通して前記燃料電池本体に至る流路を形成すると共に、前記燃料電池本体から前記供給源に至ることなく前記供給ライン及び前記放出ラインを通して当該放出ラインの放出端部に至る流路を形成する第２の状態とを切替える弁機構とを備え、
前記パージ時制御手段は、通常運転時に前記第１の状態となる前記弁機構を運転停止に際して前記第２の状態に切替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応ガスは、前記一対のセパレータのそれぞれに別々に供給すべき水素含有ガスと、酸素含有ガスとであって、
前記パージ時制御手段は、前記酸素含有ガスのみを対応するセパレータの前記排出口からガス流路を通して供給口に流通させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記一対のセパレータは空気極側セパレータと水素極側セパレータであり、空気極側の前記供給口には酸素含有ガスが反応ガスとして供給され、水素極側の前記供給口には水素含有ガスが反応ガスとして供給され、空気極側の前記供給口から空気極側の前記排出口に至るガス流路と水素極側の前記供給口から水素極側の前記排出口に至るガス流路とが前記反応部を挟み込むそれぞれの面内において互いに略同一方向に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、複数の単セルが配列された構造の燃料電池本体（スタック）を備え、該燃料電池本体に水素ガス（水素含有ガス）及び空気（酸素含有ガス）が反応ガスとして供給されるようになっている。前記燃料電池本体の各単セルは、電解質膜、該電解質膜を挟んで形成される２つの触媒層、及び前記２つの触媒層の外側に形成される一対のガス拡散層を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜・電極接合体）と、該ＭＥＡを挟んで形成される一対のセパレータとを備えている。前記一対のセパレータのそれぞれに別々に前記反応ガスとしての水素ガス及び空気が供給され、水素ガスの供給されるセパレータから更にそれに隣接するガス拡散層（燃料極（アノード）という）に当該水素ガスが供給され、空気の供給されるセパレータから更にそれに隣接するガス拡散層（空気極（カソード）という）に当該酸素含有ガスが供給される。
【０００３】
ＭＥＡでは、燃料極に供給された水素と空気極に供給された空気中の酸素とが反応して起電力が発生する。即ち、ＭＥＡが単セルにおける反応部として機能する。具体的には、燃料極に拡散された水素は、当該水素極に隣接する触媒層に与えられ、該触媒層においてプロトンと電子に分離される。プロトンは、水分子を伴って電解質膜を通って酸素極側の触媒層に移動し、電子は水素極と空気極との間に接続された外部回路（例えば、導体）を通して酸素電極側の触媒層に移動する。一方、空気極に供給された空気中の酸素は当該空気極に隣接する触媒層に拡散される。該触媒層では、記電解質膜を通って与えられたプロトン及び外部回路を通って与えられた電子と酸素とが反応して水が生成される。なお、この生成された水は、水処理システムにより別途処理（冷却等への利用）される。
【０００４】
前述したような各単セルにおけるＭＥＡでの水素（燃料）と酸素との反応によって、空気極（カソード）から外部回路を通って燃料極（アノード）に電流が流れる。即ち、ＭＥＡ（反応部）にて起電力の発生がなされる。
【０００５】
このような燃料電池システムでは、各単セルにおけるＭＥＡに含まれた電解質膜を水素が透過するために水分子が必要となることから、その通常運転時には前記ＭＥＡが加湿状態にあることが必要である。このため、各セパレータには、加湿された反応ガス（水素含有ガス、酸素含有ガス（空気））が供給され、更に各セパレータから加湿状態の反応ガスが前記電解質膜を含むＭＥＡに供給される。
【０００６】
一方、燃料電池システムが運転停止にある場合、氷点下の外気温度となる環境条件において燃料電池本体（スタック）に水が残存していると、その水が凍結して燃料電池本体が破損するおそれがあり、また、再起動時に各セパレータにおけるガス流路等の氷が解けるまで正常な運転ができず、その正常な運転が開始されるまでに時間を要してしまう。
【０００７】
このような問題を解決するために、従来、再起動時に支障をきたすことなく、運転中に必要である水分を運転停止時に除去する（パージする）ようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の燃料電池システムでは、運転停止に際して各単セルのアノード及びカソードのそれぞれに乾燥した反応ガス（水素含有ガス、酸素含有ガス）を供給しながら、通常の出力電流より小さい出力電流の取出しを行なった後に、運転を完全に停止させるようにしている。
【０００８】
このような従来の燃料電池システムによれば、運転停止に際して乾燥した反応ガスが各単セルのアノード及びカソードに供給されるので、各セパレータのガス流路の余分な水分が除去されると共に、微弱な出力電流の生成過程において生成される水により電解質膜を保湿することができる。従って、運転停止状態においては、各単セルにおける各セパレータのガス流路内での水の凍結を防止することができ、また、再起動時には、各セパレータのガス流路を流通する反応ガスが保湿された電解質膜を含むＭＥＡに供給されて、遅れることなく正常に運転を開始することができるようになる。
なお、なお燃料電池内の残存ガスそのものをパージする際に、反応ガスとは異なる不活性ガス使用する技術も知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【特許文献２】特開昭６４−７６６７９号公報
【特許文献３】特開平６−２０３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、乾燥した反応ガス（水素含有ガス、酸素含有ガス（空気））を使用するため、反応ガスの流れに対してＭＥＡの上流側が乾燥しやすくなる。そのため起動時には、水分を含んだ下流側から発電が開始し、発電によって発生する生成水は反応ガスの流れにしたがい下流に流されることになる。そのため、ＭＥＡの上流側部分の発電開始が下流側部分に比べて遅延しやすくなる。よって起動時には水素の使用効率の低下、あるいは、燃料電池の電力不足が生じるおそれがある。
【００１０】
本発明は、前述したような従来の問題を解決するためになされたもので、運転停止に際して電解質膜を含む反応部（例えば、ＭＥＡ）に特別に水の補給を行なわなくても、その反応部を再起動に支障のない加湿状態に維持しつつ該反応部以外の部位の水分を除去できるような燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を含む反応部と、該反応部を挟み、反応ガスの供給口とガス流路と排出口とが形成された一対のセパレータとを有する単セルを複数備えた燃料電池本体を有し、通常運転時に加湿状態の反応ガスを前記単セルの前記一対のセパレータそれぞれの前記供給口から前記ガス流路を通して排出口に流通させることにより前記反応部にて起電力の発生がなされる燃料電池システムであって、運転停止に際して、前記通常運転時と比較して乾燥した反応ガスを前記単セルの前記一対のセパレータの少なくとも一方における前記排出口から前記ガス流路を通して前記供給口に流通させるパージ時制御手段を備えた構成となる。
【００１２】
このような構成では、通常運転時には加湿状態の反応ガスが各単セルにおける一対のセパレータそれぞれの供給口からガス流路を通して排出口に流通し、その各セパレータを流通する反応ガスが反応部に順次供給されることにより当該反応部にて起電力の発生がなされる。一方、運転停止に際して、前記単セルの一対のセパレータのすくなくとも一方では、前記通常運転時と比較して乾燥した反応ガスが前記通常運転時とは逆に排出口からガス流路を通して供給口に流通する。
【００１３】
前記排出口からガス流路を通して供給口に乾燥した反応ガスが流通する過程で、前記通常運転時に当該セパレータのガス流路に付着した水分が除去され、更に、当該セパレータに隣接する反応部（電解室膜を含む）は前記セパレータの排出口側の部位から供給口側の部位に向かって順次乾燥していく。即ち、反応部の前記供給口側の部位の乾燥が前記排出口側の部位の乾燥より遅れる。
【００１４】
このため、運転停止時において、反応部の前記排出口側の部位は乾燥した状態にあっても前記供給口側の部位をある程度加湿状態に保持させておくことが可能となる。そして、再度起動する際に、各セパレータそれぞれの供給口から反応ガスが供給されると、その加湿状態にある反応部の前記供給口側の部位では即座に発電が開始され得る。以後、この発電によって生成される水分が反応ガスの流れにしたがって下流側に流されることにより、従来よりも短時間で反応部全体が湿潤された状態となり、継続的に発電することができるようになる。
【００１５】
更に、本発明に係る燃料電池システムは、前記反応ガスの供給源と、前記セパレータの供給口に供給する反応ガスを前記供給源から前記燃料電池本体に導く供給ラインと、前記セパレータの排出口からのオフガスを前記燃料電池本体から導出させる排出ラインと、前記供給ラインと前記排出ラインとの間に接続されたバイパスラインと、前記供給ラインの前記バイパスラインとの接続点より前記燃料電池本体側に接続された放出ラインと、前記供給源から前記バイパスラインを通ることなく前記供給ラインを通して前記燃料電池本体に至る流路を形成すると共に、前記燃料電池本体から前記バイパスラインを通ることなく前記排出ラインを通して該排出ラインの排出端部に至る流路を形成する第１の状態と、前記供給源から排出ラインの排出端部に至ることなく前記供給ライン、前記バイパスライン及び排出ラインを通して前記燃料電池本体に至る流路を形成すると共に、前記燃料電池本体から前記供給源に至ることなく前記供給ライン及び前記放出ラインを通して当該放出ラインの放出端部に至る流路を形成する第２の状態とを切替える弁機構とを備え、前記パージ時制御手段は、通常運転時に前記第１の状態となる前記弁機構を運転停止に際して前記第２の状態に切替える構成とすることができる。
【００１６】
このような構成により、通常運転時には弁機構が第１の状態となり、運転停止に際して前記弁機構が第２の状態となる。前記弁機構が第１の状態となるとき、供給源から反応ガスがバイパスラインを通ることなく供給ラインを通して燃料電池本体に供給される。前記燃料電池本体に供給された反応ガスは、各単セルにおけるセパレータの供給口に供給され、ガス経路を通して排出口に流通する。このセパレータ内を流通する反応ガスが反応部での発電に寄与する。前記セパレータの排出口からのオフガスは燃料電池本体から排出ラインを通して導出され、バイパスラインを通ることなく当該排出ラインの排出端部まで流れる。
【００１７】
前記弁機構が第２の状態となるとき、供給源からの反応ガスが排出ラインの排出端部に達することなく供給ライン、バイパスライン及び排出ラインを通して燃料電池本体に供給される。本来セパレータの排出口からのオフガスが導出される前記排出ラインに供給された前記反応ガスは、前記セパレータの排出口からガス流路を通して供給口に流通する。その過程で、セパレータの流路が乾燥していくと共に、反応部がその排出口側の部位から前記供給口側の部位に向かって順次乾燥していく。前記供給口に至った反応ガスは、燃料電池本体から本来反応ガスの導かれる供給ラインを通って供給源に達することなく更に放出ラインを通ってその放出ラインの放出端部まで流れる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記反応ガスが、前記一対のセパレータのそれぞれに別々に供給すべき水素含有ガスと、酸素含有ガスとであって、前記パージ時制御手段が、前記酸素含有ガスのみを対応するセパレータの前記排出口からガス流路を通して供給口に流通させることができる。
このような構成により、燃料となる水素含有ガスがガス経路の乾燥に使用されることなく、無駄な燃料消費をなくすことができる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記一対のセパレータが空気極側セパレータと水素極側セパレータであり、空気極側の前記供給口には酸素含有ガスが反応ガスとして
供給され、水素極側の前記供給口には水素含有ガスが反応ガスとして供給され、空気極側の前記供給口から空気極側の前記排出口に至るガス流路と水素極側の前記供給口から水素極側の前記排出口に至るガス流路とが前記反応部を挟み込むそれぞれの面内において互いに略同一方向に形成されていることを特徴とする。
このような構成により、酸素含有ガスによるガス経路の乾燥と水素含有ガスによるガス経路の乾燥とがほぼ前記反応部の両側でほぼ同様の傾向となり、水分が同様の分布状態となる。また、前記パージ時制御手段が、前記酸素含有ガスのみを対応するセパレータの前記排出口からガス流路を通して供給口に流通させる場合に、酸素含有ガスのガス流路で供給口側の部位をある程度加湿状態にするともに、反応部を拡散する水分によって水素含有ガスのガス流路をも同様の状態に近づけることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、運転停止に際して通常運転時と比較して乾燥した反応ガスが一対のセパレータの少なくとも一方における排出口からガス流路を通して供給口に流通させることにより、そのガス流路を乾燥させることが可能となると共に反応部の前記供給口側の部位を加湿状態に保持させておくことが可能となる。このため、運転停止に際して電解質膜を含む反応部（例えば、ＭＥＡ）に特別に水の補給を行なわなくても、その反応部を再起動に支障のない加湿状態に維持しつつ該反応部以外の部位の水分を除去できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２２】
本発明の第一の実施の形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように構成される。この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載され、当該車両のエネルギー供給源として用いられる。
【００２３】
図１において、燃料電池システムは、複数の単セルが配列された燃料電池本体（スタック）１０を有している。図２に示すように、各単セル１１は、反応部として機能するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１１０とＭＥＡ１１０を挟むように配置された一対のセパレータ１１１、１１２とを有している。ＭＥＡ１１０は、電解質膜、該電解質膜を挟んで形成された２つの触媒層、及び前記２つの触媒層の外側に形成された一対のガス拡散層を備えている。各セパレータ１１１、１１２は、供給口１１１ａ、１１２ａ及び排出口１１１ｂ、１１２ｂを有し、その供給口１１１ａ、１１２ａと排出口１１１ｂ、１１２ｂとの間にガス流路（図示略）が形成されている。
【００２４】
後述するように燃料電池本体１０に供給される加湿された空気（酸素含有ガス：反応ガス）が一方のセパレータ１１１の供給口１１１ａに導かれ、その空気がガス流路を通って排出口１１１ｂに流れる。また、後述するように燃料電池本体１０に供給される加湿された水素ガス（水素含有ガス：反応ガス）が他方のセパレータ１１２の供給口１１２ａに導かれ、その水素ガスがガス流路を通って排出口１１２ｂに流れる。セパレータ１１１のガス流路を流れる空気中の酸素とセパレータ１１２のガス流路を流れる水素ガス中の水素がＭＥＡ１１０にて発電のための反応に消費される。また、セパレータ１１１の排出口１１１ｂまで流れてきた余分な空気及びセパレータ１１２の排出口１１２ｂまで流れてきた余分な水素ガスはオフガスとして後述するように燃料電池本体１０から排出される。
【００２５】
図１に戻って、コンプレッサ２０（空気供給源）と燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）との間に空気供給ライン２１が接続され、燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）には空気排出ライン２２が接続されている。なお、空気供給ライン２１に対して加湿器（図示略）が接離可能に設けられている。燃料電池本体１０内において、空気
入力ポート（Air-IN）と各単セル１１における一方のセパレータ１１１の供給口１１１ａとの間にはガス流路（マニホールド）が形成され、空気排出ポート（Air-OUT）とセパレータ１１１の排出口１１１ｂとの間にもガス流路（マニホールド）が形成されている。
【００２６】
また、水素タンク４０（水素ガス供給源）と燃料電池本体１０の水素入力ポート（H2-IN）との間に水素供給ライン４１が接続され、燃料電池本体１０の水素排出ポート（H2-OUT）には水素排出ライン４２が接続されている。なお、水素供給ライン４１に対して加湿器（図示略）が接離可能に設けられている。燃料電池本体１０において、水素入力ポート（H2-IN）と各単セル１１における他方のセパレータ１１２の供給口１１２ａとの間にはガス流路（マニホールド）が形成され、水素排出ポート（H2-OUT）とセパレータ１１２の排出口１１２ｂとの間にもガス流路（マニホールド）が形成されている。
【００２７】
空気供給ライン２１と空気排出ライン２２との間に空気バイパスライン２３が連結され、空気供給ライン２１の空気バイパスライン２３との接続点より燃料電池本体１０側に空気放出ライン２４が接続されている。空気供給ライン２１、空気排出ライン２２、空気バイパスライン２３及び空気放出ライン２４に対して弁機構が設けられている。
【００２８】
この弁機構は、三方弁３１、３２及びシャット弁３３、３４にて構成される。三方弁３１は、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３との接続点に設けられ、当該接続点での、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３との間の導通、非導通、空気供給ライン２１の開放、閉鎖を切替える。三方弁３２は、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４との接続点に設けられ、当該接続点での、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４との間の導通、非導通、空気供給ライン２１の開放、閉鎖を切替える。シャット弁３３は、空気供給ライン２１の空気バイパスライン２３との接続点と空気放出ライン２４との接続点との間に設けられ、その設置点での空気供給ライン２１の開放、閉鎖を切替える。シャット弁３４は、空気排出ライン２２の空気バイパスライン２３との接続点より燃料電池本体１０から離れた点に設けられ、その設置点での空気排出ライン２２の開放、閉鎖を切替える。
【００２９】
なお、燃料電池本体１０には水入力ポート（LCC-IN）及び水排出ポート（LCC-OUT）が設けられ、水排水ポート（LCC-OUT）と水入力ポート（LCC-IN）との間に水循環経路５０が設けられている。水循環経路５０には、不図示の給水ポンプ等により水が循環され、燃料電池本体１における各単セル１１０の冷却等に用いられる。
【００３０】
反応ガス（空気、水素ガス）の供給制御を行なう制御系は、図３に示すように構成される。
【００３１】
この制御系は、前述した弁機構（三方弁３１、３２、シャット弁３３、３４）及びコンプレッサ２０を制御する制御ユニット６０（ＥＣＵ：Electronic Control Unitともいう）を有している。具体的には、制御ユニット６０は、例えば、車両の統括制御系（例えば、車両操縦席の操作部）から供給される燃料電池の駆動制御信号に基づいて三方弁３１、３２及びシャット弁３３、３４の切替え制御及びコンプレッサ２０の運転制御を行なう。
【００３２】
前述したような構成の燃料電池システムは、次のように動作する。
【００３３】
制御ユニット６０（図３参照）は、図４に示す手順に従って処理を実行する。
【００３４】
図４において、車両の統括制御系から供給される燃料電池の駆動制御信号が通常運転を表す場合、通常運転に係る処理（Ｓ１）を実行する。この処理では、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが非導通となり、空気供給ラ
イン２１が三方弁３１の設置点で開放状態となる。三方弁３２の切替えによって、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４とが非導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３２の設置点で開放状態となる。また、シャット弁３４の切替えによって空気排出ライン２２がシャット弁３４の設置点で開放状態となり、シャット弁３３の切替えによって、空気供給ライン２１がシャット弁３３の設置点で開放状態となる。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気バイパスライン２３を通ることなく空気供給ライン２１を通して燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）から空気バイパスライン２３を通ることなく空気排出ライン２２を通してその排出端部に至る流路を形成する第１の状態となる。
【００３５】
この状態で、コンプレッサ２０からの空気が加湿器（図示略）にて加湿され、その加湿状態の空気が空気供給ライン２１を通して燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）に供給される（図１における細線矢印参照）。また、水素タンク４０からの水素ガスが加湿器（図示略）にて加湿され、その加湿状態の水素ガスが水素供給ライン４１を通して燃料電池本体１０の水素入力ポート（H2-IN）に供給される（図１における細線矢印参照）。
【００３６】
このようにして、空気入力ポート（Air-IN）から加湿状態の空気が、水素入力ポート（H2-IN）から加湿状態の水素ガスがそれぞれ燃料電池本体１０に取り込まれると、各単セル１１における一方のセパレータ１１１の供給口１１１ａに前記空気が導かれ、他方のセパレータ１１２の供給口１１２ａに前記水素ガスが導かれる。そして、セパレータ１１１の供給口１１１ａからガス流路を通して排出口１１１ｂに流れる空気とセパレータ１１２の供給口１１２ａからガス流路を通して排出口１１２ｂに流れる水素ガスがＭＥＡ１１０に供給される。ＭＥＡ１１０では、水分の存在のもとに空気中の酸素と水素ガス中の水素とが反応して起電力を発生する。これにより、燃料電池本体１０にて発電がなされる。なお、各単セル１１での起電力発生のメカニズムは従来技術で説明したものと同様である。
【００３７】
燃料電池本体１０内の各単セル１１における一方のセパレータ１１１の排出口１１１ｂまで流れてきた余分な空気は、燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）に導かれ、空気排出ライン２２を通して排出される（図１における細線矢印参照）。また、各単セル１１における他方のセパレータ１１２の排出口１１２ｂまで流れてきた余分な水素ガスは、燃料電池本体１０の水素排出ポート（H2-OUT）に導かれ、水素排出ライン４２を通過する（図１における細線矢印参照）。
なお、本燃料電池システムでは、水素排出ライン４２以降の経路の構成に限定はない。例えば、水素排出ライン４２に水素処理器を設けて余分な水素ガスを処理して排出するようにしてもよい。また、水素排出ライン４２に循環経路および水素ポンプを接続し、余分な水素ガスを上流の水素供給ライン４１側（例えば、水素タンク４０と不図示の接離可能に設けられている加湿器との間のガス通路）に循環させるようにしても構わない。
【００３８】
図４に戻って、前述したような通常運転に係る処理を実行した制御ユニット６０は、燃料電池の駆動制御信号に含まれる停止指示情報を取得すると（Ｓ２）、パージ時処理（Ｓ３乃至Ｓ５）を実行する。このパージ時処理では、水素ガスの燃料電池本体１０への供給が停止されると共に、弁機構が前述した第１の状態から第２の状態に切替えられる。
【００３９】
具体的には、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３１の設置点で閉鎖状態となり、更に、シャット弁３４の切替えによって空気排出ライン２２がシャット弁３４の設置点で閉鎖状態となり、シャット弁３３の切替えによって空気供給ライン２１がシャット弁３３の設置点で閉鎖状態となる（Ｓ３）。また、三方弁３２の切替えによって、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４とが導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３２の設置点で閉鎖
状態となる（Ｓ４）。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気排出ライン２２の排出端部に至ることなく空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通して燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）からコンプレッサ２０に至ることなく空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通して空気放出ライン２４の放出端部に至る流路を形成する第２の状態となる。
【００４０】
そして、制御ユニット６０は、コンプレッサ２０を一定時間運転させた後に停止させる（Ｓ５））。なお、車両では、走行状態に応じてコンプレッサ２０の運転、停止が繰り返しなされているが、コンプレッサ２０が運転停止状態にあれば、コンプレッサ２０を運転させ、一定時間後に停止させる。また、コンプレッサ２０が運転状態にあれば、そのまま運転を継続させて一定時間後にコンプレッサ２０を停止させる。
【００４１】
このような状況のもとで、加湿器が空気供給ライン２１から切離され、コンプレッサ２０からの乾燥した空気が空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通って燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）に前記一定時間供給される。この空気排出ポート（Air-OUT）と各単セル１１におけるセパレータ１１１の排出口１１１ｂとの間にガス流路が形成されていることから、その乾燥した空気がそのガス流路を通ってセパレータ１１１の排出口１１１ｂに導かれる。そして、乾燥した空気は、通常運転時とは逆に、セパレータ１１１の排出口１１１ｂからガス流路を通って供給口１１１ａに流れる（図２の破線矢印参照）。
【００４２】
各単セル１１におけるセパレータ１１１の供給口１１１ａから流れ出た空気は、燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）に導かれる。そして、前記空気は空気入力ポート（Air-IN）から空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通って空気放出ライン２４の端部から放出される。
【００４３】
通常運転時に空気が流通するセパレータ１１１側のＭＥＡ１１０の部位（空気極）では、前述したようにプロトン（水素イオン）、電子、酸素によって水が生成されることから、セパレータ１１１内のガス流路は特に湿潤状態にある。この湿潤状態にあるセパレータ１１１のガス流路が前述したように排出口１１１ｂから供給口１１１ａに向かって流れる乾燥した空気により乾燥され、その水分が除去（パージ）される。
【００４４】
ところで、セパレータ１１１のガス流路に乾燥した空気が流れる場合、その空気がＭＥＡ１１０に拡散してＭＥＡ１１０（電解質膜）も次第に乾燥していく。例えば、通常運転時と同じようにセパレータ１１１の供給口１１１ａから排出口１１１ｂに向けて乾燥した空気が流れると、図５（ａ）に示すように、ＭＥＡ１１０は、セパレータ１１１の供給口１１１ａ側の部位から排出口１１１ｂ側の部位に向かって順次乾燥していく。従って、前記一定時間後には、ＭＥＡ１１０は、排出口１１１ｂ側の部位は加湿状態（図５（ａ）における黒の程度が高い状態）にあっても供給口側の部位が乾燥した状態（図５（ａ）における白の程度が高い状態）となる。この状態で燃料電池システムを再度起動させると、ＭＥＡ１１０では、加湿状態にあるセパレータ１１１の排出口１１１ｂ側の部位から有効な反応（発電）が開始され、セパレータ１１１の供給口１１１ａ側の部位では水の生成が即座になされずに当初発電に寄与できない。そして、排出口１１１ｂ側の部位での発電により生成された水はその部位から空気の流れの後方に押出されていくので、供給口１１１ａ側の部位の発電への寄与が更に遅れてしまう。このため、再起動初期において十分な起電力を発生させることができず、出力電力の立上げが遅れる。
【００４５】
これに対して、前述したように、通常運転時とは逆に、セパレータ１１１の排出口１１１ｂから供給口１１１ａに向けて乾燥した空気が流れると、図５（ｂ）に示すように、Ｍ
ＥＡ１１０は、セパレータ１１１の排出口１１１ｂ側の部位から供給口１１１ａ側の部位に向かって順次乾燥していく。従って、前記一定時間後において、ＭＥＡ１１０は、前述した場合とは逆に、排出口１１１ｂ側の部位は乾燥した状態（図５（ｂ）における白の程度が高い状態）であっても供給口１１１ａ側の部位の加湿状態（図５（ｂ）における黒の程度が高い状態）が保持される。この状態で燃料電池システムを再起動させると、各セパレータ１１１（１１２）には供給口１１１ａ（１１２ａ）から加湿状態の反応ガス（空気、水素ガス）が供給され、ＭＥＡ１１０では、過湿状態にある供給口１１１ａ（１１２ａ）側の部位が即座に反応（発電）を開始する。以後、その発電によって生成される水分によりＭＥＡ１１０全体が湿潤された状態になりつつ、継続的に発電することができるようになる。これにより、再起動時に出力電力の立ち上がりの遅延を抑制することが可能となる。
【００４６】
前述したような燃料電池システムでは、運転停止に際して、通常運転時とは逆に、燃料電池本体１０における各単セル１１のセパレータ１１１に対して排出口１１１ｂに乾燥した空気が供給されるので、ＭＥＡ１１０を再起動の支障の少ない加湿状態に維持しつつ、特に水分残量の多い空気極側のセパレータ１１１における水分の除去を有効に行なうことができるようになる。これにより、低温環境下においても水分による凍結の可能性を低減するとともに、容易に起動可能な燃料電池システムを実現することができるようになる。
【００４７】
また、運転停止に際してのパージ時処理に燃料ガスとなる水素ガスを用いないことから、燃料ガスの無駄な消費を無くすことができる。更に、従来のシステムのように運転停止に際して微弱な電力を発生させることがなく、燃費の低下を防止できるとともにその発生された電力を処理するための構成を考慮する必要もない。
【００４８】
前述した運転停止に際してコンプレッサ２０を運転させる一定時間は、再起動に支障のないようにＭＥＡ１１０の供給口１１１ａ側の部位の加湿状態が維持できる時間に定められる。
【００４９】
なお、前述した燃料電池システムでは、パージ時処理に空気極側の酸素含有ガスを乾燥させ、本発明を空気極側のガス流路に適用したが、水素極側の水素含有ガスを乾燥させて水素極側に適用してもよい。また、その両方乾燥させて、双方の極に本発明を適用してもよい。ただし、前述したように、燃費の観点からは空気だけを乾燥させることが好ましい。
【００５０】
本発明の第二乃至第四の実施の形態に係る燃料電池システムは、図６乃至図８に示される。これらの燃料電池システムは、空気供給ライン２１、空気排出ライン２２、空気バイパスライン２３及び空気放出ライン２４に対して設けられる弁機構がそれぞれ前述した第一の実施の形態に係る燃料電池システムと異なる。
【００５１】
第二の実施の形態に係る燃料電池システムでは、図６に示すように、図１に示す三方弁３１に代えてシャット弁３５が空気バイパスライン２３に設けられ、図１に示す三方弁３２に代えてシャット弁３６が空気放出ライン２４に設けられる。
【００５２】
このような燃料電池システムでは、通常運転時には、シャット弁３３及び３４が開放状態、シャット弁３５及び３６が閉鎖状態に制御される。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気バイパスライン２３を通ることなく空気供給ライン２１を通して燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）から空気バイパスライン２３を通ることなく空気排出ライン２２を通してその排出端部に至る流路を形成する第１の状態となる。そして、コンプレッサ２０からの空気が加湿状態となって空気供給ライン２１を通って燃料電池本体１０の空気
入力ポート（Air-IN）に供給され、燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）からの余分な空気が空気排出ライン２２を通して排出される。
【００５３】
運転停止に際して、シャット弁３３及び３４が閉鎖状態、シャット弁３５及び３６が開放状態に制御される。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気排出ライン２２の排出端部に至ることなく空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通して燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）からコンプレッサ２０に至ることなく空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通して空気放出ライン２４の放出端部に至る流路を形成する第２の状態となる。そして、コンプレッサ２０からの乾燥した空気が空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通って燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）に供給され、この空気が前述したパージ時処理に用いられる。また、燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）からの前記パージ時処理に供された空気が空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通して放出される。
【００５４】
第三の実施の形態に係る燃料電池システムでは、図７に示すように、図１に示すシャット弁３４に代えて三方弁３７が空気バイパスライン２３と空気排出ライン２２との接続点に設けられ、図１に示すシャット弁３３が省かれている。三方弁３７は、空気バイパスライン２３と空気排出ライン２２との接続点での、空気バイパスライン２３と空気排出ライン２２との間の導通、非導通、空気排出ライン２２の開放、閉鎖を切替える。
【００５５】
このような燃料電池システムでは、通常運転時には、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが非導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３１の設置点で開放状態となる。三方弁３２の切替えによって、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４とが非導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３２の設置点で開放状態となる。また、三方弁３７の切替えによって、空気バイパスライン２３と空気排出ライン２２とが非導通となり、空気排出ライン２２が三方弁３７の設置点で開放状態となる。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気バイパスライン２３を通ることなく空気供給ライン２１を通して燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）から空気バイパスライン２３を通ることなく空気排出ライン２２を通してその排出端部に至る流路を形成する第１の状態となる。そして、コンプレッサ２０からの空気が前述したのと同様に空気供給ライン２１を通って燃料電池本体１０に供給され、燃料電池本体１０からの余分な空気が空気排出ライン２２を通って排出される。
【００５６】
運転停止に際して、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３１の設置点で閉鎖状態となる。三方弁３２の切替えによって、空気供給ライン２１と空気放出ライン２４とが導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３２の設置点で閉鎖状態となる。また、三方弁３７の切替えによって、空気バイパスライン２３と空気排出ラインとが導通となり、空気排出ライン２２が三方弁３７の設置点で閉鎖状態となる。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気排出ライン２２の排出端部に至ることなく空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通して燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）からコンプレッサ２０に至ることなく空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通して空気放出ライン２４の放出端部に至る流路を形成する第２の状態となる。そして、パージ処理に用いられるべき空気が前述したのと同様に燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）に供給され、燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）からの前記パージ時処理に供された空気が放出される。
【００５７】
第四の実施の形態に係る燃料電池システムでは、図８に示すように、図１に示す三方弁３２に代えてシャット弁３６が空気放出ライン２４に設けられ、図１に示すシャット弁３３が省かれている。
【００５８】
このような燃料電池システムでは、通常運転時には、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが非導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３１の設置点で開放状態となる。また、シャット弁３４が開放状態になって、シャット弁３６が閉鎖状態となる。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気バイパスライン２３を通ることなく空気供給ライン２１を通して燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）から空気バイパスライン２３を通ることなく空気排出ライン２２を通してその排出端部に至る流路を形成する第１の状態となる。そして、コンプレッサ２０からの空気が前述したのと同様に空気供給ライン２１を通って燃料電池本体１０に供給され、燃料電池本体１０からの余分な空気が空気排出ライン２２を通って排出される。
【００５９】
運転停止に際して、三方弁３１の切替えによって、空気供給ライン２１と空気バイパスライン２３とが導通となり、空気供給ライン２１が三方弁３１の設置点で閉鎖状態となる。また、シャット弁３４が閉鎖状態となって、シャット弁３６が開放状態となる。これにより、弁機構は、コンプレッサ２０から空気排出ライン２２の排出端部に至ることなく空気供給ライン２１、空気バイパスライン２３及び空気排出ライン２２を通して燃料電池本体１０（空気排出ポートAir-OUT）に至る流路を形成すると共に、燃料電池本体１０（空気入力ポートAir-IN）からコンプレッサ２０に至ることなく空気供給ライン２１及び空気放出ライン２４を通して空気放出ライン２４の放出端部に至る流路を形成する第２の状態となる。そして、パージ処理に用いられるべき空気が前述したのと同様に燃料電池本体１０の空気排出ポート（Air-OUT）に供給され、燃料電池本体１０の空気入力ポート（Air-IN）からの前記パージ時処理に供された空気が放出される。
【００６０】
さらに、上述したいずれの実施形態においても、運転停止時に水分をパージするために運転時よりも乾燥した反応ガスを使用した。このため、不活性ガスのような反応ガス以外のガスによってパージする場合と比較して、本燃料電池システムでは、不活性ガスの貯蔵手段、あるいは、不活性ガスの供給ライン、制御弁等を別途設ける必要がない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上、説明したように、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの流れに対して反応部の上流側を再起動に支障の少ない加湿状態に維持しつつ該上流側以外の部位の水分を除去できるようになり、車両等に搭載される燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の第一の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池本体を構成する各セルの構成を示す図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける弁機構を制御する制御系の構成を示す図である。
【図４】燃料電池システムの運転停止に際して図３に示す制御系における制御ユニットの処理手順を示すフローチャートである。
【図５】パージ時処理によるＭＥＡ中の水分分布の状態を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。
【図７】本発明の第三の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。
【図８】本発明の第四の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  燃料電池本体（スタック）
１１  単セル
２０  コンプレッサ
２１  空気供給ライン
２２  空気排出ライン
２３  空気バイパスライン
２４  空気放出ライン
３１、３２、３７  三方弁
３３、３４、３５、３６  シャット弁
４０  水素タンク
４１  水素供給ライン
４２  水素排出ライン
５０  水循環経路
１１０  ＭＥＡ（反応部）
１１１、１１２  セパレータ
１１１ａ、１１２ａ  供給口
１１１ｂ、１１２ｂ  排出口
【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】
2006164693.tif 000008
【図７】
2006164693.tif 000009
【図８】
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