(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行う場合には燃料ガス流路に空気を導入せずに燃料ガスを封入した状態を維持するようにして、一時停止の際に燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、性能の低下を防止することのできるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタック２０と、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。【選択図】図１
2006120385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、
前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定圧力値は大気圧である請求項１又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である請求項１又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記所定時間は電位シフトが発生する時間である請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記待機モードと停止モードとを選択するモード選択手段を有し、
前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、
運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記所定圧力値は大気圧である請求項９又は１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である請求項９又は１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である請求項１０又は１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記所定時間は電位シフトが発生する時間である請求項１０又は１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
前記待機モード、又は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する請求項９〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、燃料電池を停止する場合には水素の供給を停止するようになっている。この場合、そのまま放置しておくと、水素が少しずつ消費され続けるので、燃料電池内における燃料極側の水素ガスの圧力が徐々に低下する。ここで、水素ガスの圧力が大気圧以下になると、酸素極側の空気がＭＥＡを透過して燃料極側に移動するので、該燃料極側は水素と空気（酸素）との混合状態となる。そして、燃料極側における酸素濃度が一定値以上となると、ＭＥＡにおいて電位シフトが発生して１．２〔Ｖ〕以上の高電位状態となり、触媒粒子が溶出し、燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００５】
特に、車両用の動力源として使用される燃料電池の場合、車両は目的地に到着したときだけでなく、途中でコンビニエンスストア等の店舗に立ち寄ったときにも、一時的ではあるが、停止するので、停止回数が多くなる。そのため、燃料電池の性能がより早期に低下してしまう。
【０００６】
そこで、電位シフトの発生を防止するために、窒素等の不活性ガスによってパージを行うことも考えられるが、この場合、不活性ガスの供給源を車両に搭載する必要があり、システムが複雑、かつ、大型になってしまう。そのため、燃料電池内における燃料極側を減圧して空気を急速に導入することによって、水素と空気（酸素）との混合状態になる時間を短くする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３２４５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池内における燃料極側を減圧しても水素を完全に排出することができないので、空気を導入した時点で水素と空気（酸素）との混合状態になってしまう。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行う場合には燃料ガス流路に空気を導入せずに燃料ガスを封入した状態を維持するようにして、一時停止の際に燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、性能の低下を防止することのできる燃料電池システム及びその運転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】
【０００９】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００１０】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定圧力値は大気圧である。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である。
【００１４】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である。
【００１５】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記所定時間は電位シフトが発生する時間である。
【００１６】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記待機モードと停止モードとを選択するモード選択手段を有し、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００１８】
本発明の他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００１９】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００２０】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定圧力値は大気圧である。
【００２１】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定圧力値は前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる最小値である。
【００２２】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定時間は前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間である。
【００２３】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記所定時間は電位シフトが発生する時間である。
【００２４】
本発明の更に他の燃料電池システムの運転方法においては、さらに、前記待機モード、又は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージする前記停止モードを選択的に実行する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００２６】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【００２７】
さらに、他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００２８】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【００２９】
さらに、他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを置換ガスによりパージするパージ手段と、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するタイマーと、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する制御手段とを有する。
【００３０】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【００３１】
さらに、燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００３２】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【００３３】
さらに、他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００３４】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【００３５】
さらに、他の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックにおける燃料ガス流路の燃料ガスを置換ガスによりパージすることができる燃料電池システムの運転方法であって、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記パージを行う待機モードを選択的に実行する。
【００３６】
この場合、燃料電池システムの運転を停止する際に待機モードが選択されると、燃料ガス流路内の燃料ガスを大気中に排出しないので、燃料ガスを無駄に消費することがない。また、該燃料ガスが排出されないので、閉ざされた場所において燃料電池システムの運転を停止しても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に燃料ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料極の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止してからの経過時間が所定時間になるとパージを行うので、燃料ガス流路内に残留している水素ガスが急速に空気に置換され、空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生せず、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタックの性能が低下したりすることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００３９】
図において、２０は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００４０】
そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００４１】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００４２】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料ガス流路を介し前記燃料極に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００４３】
また、図には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００４４】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、水素供給電磁弁としての燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ７８が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
【００４５】
そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０には水素循環ポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環切り替え電磁弁としての水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００４６】
なお、前記水回収ドレインタンク６０は、燃料電池システムの運転を停止する際に燃料ガス流路から排出された水素ガスを収容するための吸引タンクとしても機能する。そのため、前記水回収ドレインタンク６０の容量は、置換ガスとしての空気を燃料ガス流路内へ導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うと、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に追いやられ、前記燃料ガス流路内に残留しない状態となるのに十分な大きさとなるように設定されている。すなわち、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、該燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に移動し、燃料電池スタック２０内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがないようにするために、水回収ドレインタンク６０は十分に大きな容量を有するものである。
【００４７】
また、前記燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、アノードガス排出管としての燃料排出管路５６が接続され、該燃料排出管路５６には水素排気電磁弁としての水素起動停止電磁弁５６ａが配設されている。これにより、燃料電池スタック２０の運転終了時に水素ガスを排出することができる。
【００４８】
さらに、前記第２燃料供給管路３３には、パージ手段としての外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、空気導入用電磁弁としての外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック２０の運転終了時に置換ガスとしての外気を燃料ガス流路に導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うことができるようになっている。
【００４９】
ここで、前記燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動停止電磁弁５６ａは、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。
【００５０】
一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源から、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールド、凝縮器等を通って大気中へ排出される。
【００５１】
また、前記吸気マニホールドには、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の酸素極（カソード極）を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルが配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記凝縮器は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収され、水供給ノズルに供給される。
【００５２】
そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００５３】
また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
【００５４】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、水素起動停止電磁弁５６ａ等の動作を制御する。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するためのタイマーも備える。そして、前記制御手段は、後述されるように、待機モード、又は、停止モードを選択的に実行する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００５５】
次に、車両のメインスイッチの構成について詳細に説明する。
【００５６】
図２は本発明の実施の形態における車両のメインスイッチの構成を示す図である。なお、図２（ａ）はメインスイッチの正面図であり、図２（ｂ）はキーを付けた状態のメインスイッチの斜視図である。
【００５７】
図２において、１１は燃料電池スタック２０を動力源として搭載する車両のメインスイッチであり、運転者がキー挿入スロット１１ａにキー１２を挿入して操作するようになっている。なお、前記メインスイッチ１１の基本的な内部構造は、一般的な乗用車等の車両におけるメインスイッチと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。また、前記メインスイッチ１１の基本的な操作方法も、一般的な乗用車等の車両におけるメインスイッチとほぼ同様であり、キー挿入スロット１１ａにキー１２を挿入した状態で該キー１２を回転させ、その回転位置に応じた動作を車両及び燃料電池システムに行わせるようになっている。
【００５８】
本実施の形態において、キー１２の回転位置は、図２（ａ）に示されるように、５段階に設定されており、各々、ＯＦＦ、ＩＤＯＬ、ＡＣＣ、ＯＮ及びＳＴＡＲＴの動作に対応する。ここで、ＯＦＦは燃料電池システムの停止であり、ＩＤＯＬは燃料電池システムの一時停止であり、ＡＣＣは車両に搭載されているラジオ、前照灯等の補機の電源オンであり、ＯＮは燃料電池システムの運転であり、ＳＴＡＲＴは燃料電池システムの運転開始である。なお、ＡＣＣ、ＯＮ及びＳＴＡＲＴの位置では、キー１２をキー挿入スロット１１ａから抜き取ることはできないが、ＯＦＦの位置では、キー１２をキー挿入スロット１１ａから抜き取ることができる。さらに、ＩＤＯＬの位置では、アイドリングボタン１３を押し下げることによって、キー１２をキー挿入スロット１１ａから抜き取ることができる。
【００５９】
本実施の形態においては、例えば、コンビニエンスストア等の店舗に立ち寄るときのように、車両を一時停止させる場合には、アイドリングボタン１３を押し下げてＩＤＯＬの位置でキー１２をキー挿入スロット１１ａから抜き取るようになっている。これにより、燃料電池システムの制御手段に待機モード命令が伝えられ、該制御手段は待機モードを実行するので、燃料電池システムがあらかじめ決定された所定時間以下の短時間だけ運転を停止する一時停止が行われる。なお、前記所定時間は、任意に決定することができるが、例えば、１０分〜２時間程度である。そして、本実施の形態における燃料電池システムは、通常の停止を行う場合に燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から水素ガスを排出して空気を導入するのに対し、一時停止を行う場合には、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に空気を導入せず、水素ガスを封入した状態を維持することによって、前記燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態となることを防止するようになっている。
【００６０】
さらに、一時停止を行う場合に水素ガスの再封入を行うことを選択するための選択手段を前記メインスイッチ１１に配設することもできる。水素ガスの再封入を行うことを選択すると、一時停止を行っているときに、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、水素ガスを燃料ガス流路内に再度供給して、水素ガスの再封入を行うようになっている。これにより、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入しないようにして、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合してしまうことを防止することができる。
【００６１】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。
【００６２】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料貯蔵手段７３の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料貯蔵手段７３の出口から流出する水素ガスの圧力は、燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源は常に一定量の空気を燃料電池スタック２０の空気流路に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。なお、燃料電池システムにおける定常運転時には、メインスイッチ１１のキー挿入スロット１１ａに挿入されたキー１２の回転位置はＯＮの位置である。
【００６３】
そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。
【００６４】
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。
【００６５】
そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。なお、水素起動停止電磁弁５６ａが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ３６から排出された水素ガスは、燃料排出管路５６を通って大気中に排出されることなく、第２燃料供給管路３３に導入される。また、外気導入用電磁弁２８ａも閉じた状態となっているので、大気が第２燃料供給管路３３に導入されることもない。
【００６６】
ここで、前記燃料排出管路３０は、水回収ドレインタンク６０上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった状態の水素ガスだけが、燃料排出管路３０から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路３１と燃料排出管路３０とは、互いに離れた位置で水回収ドレインタンク６０上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路３１から水回収ドレインタンク６０内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路３０から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを回収して、再利用することができる。
【００６７】
一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、水回収ドレインタンク６０内の下部に貯留水として貯留する。そして、前記水回収ドレインタンク６０の容量は、大きく設定されているので、燃料電池スタック２０を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填（てん）してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク６０から水分を排出する必要がない。
【００６８】
次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。まず、燃料電池システムの運転を停止する際に発生する電位シフトのタイミングについて説明する。
【００６９】
図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における燃料ガス流路内の圧力と電位シフトのタイミングとの関係を示すグラフ、図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における出力電圧と燃料ガス流路内の圧力との関係を示すグラフ、図５は本発明の実施の形態における待機モードにおける待機時間と燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間との関係を示すグラフである。
【００７０】
図３において縦軸には燃料ガス流路内の圧力を、横軸には時間を採ってあり、線４１は燃料ガス流路内の圧力と時間との関係を示している。また、線４２は燃料ガス流路内への空気の混入が開始されるタイミングを示し、線４３は燃料電池スタック２０の出力電圧の降下が開始されるタイミングを示し、線４４は電位シフトが発生するタイミングを示し、線４５は電圧降下及び電位シフトが終了するタイミングを示している。そして、図３から、燃料ガス流路内の圧力が大気圧になると燃料ガス流路内への空気の混入が開始され、燃料ガス流路内の圧力が限界値となると燃料電池スタック２０の出力電圧の降下が開始されることが分かる。
【００７１】
また、図４は本発明の発明者が実際に試作した燃料電池スタック２０を使用しての実験結果を示すグラフである。図４において縦軸には燃料ガス流路内の圧力及び燃料電池スタック２０の出力電圧を、横軸には時間を採ってあり、線５１は燃料電池スタック２０の出力電圧と時間との関係を示し、線５２は燃料ガス流路内の圧力と時間との関係を示している。また、点５３は燃料ガス流路内の圧力が負圧になるポイントであり、５４は電位シフトの発生が予測される時間である。なお、実際に試作した燃料電池スタック２０を使用しての実験であるために、電位シフトの発生を測定することができなかった。
【００７２】
さらに、図５は待機モードにおけるグラフであり、縦軸には燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間を、横軸には待機時間を採ってある。そして、線６１は電位シフト時間と待機時間との関係を示し、線６２は燃料ガス流路内の圧力と待機時間との関係を示している。なお、電位シフト時間は劣化度合いに比例する。また、線６３は燃料ガス流路内の圧力が大気圧になるタイミングを示し、線６４は電位シフト発生が開始されるタイミングを示し、線６５は電位シフトが終了するタイミングを示している。線６４が示すタイミング過ぎると電位シフト時間が増大するので、劣化反応が進行しやすくなる。
【００７３】
続いて、停止モードが選択された場合の動作について説明する。
【００７４】
図６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際の動作を示すフローチャートである。
【００７５】
まず、車両の運転者がメインスイッチ１１のキー挿入スロット１１ａに挿入されたキー１２を回転させ、回転位置をＯＦＦにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令が伝えられ（ステップＳ１）、燃料電池システムの運転を停止する動作が開始される。この場合、前記キー１２の回転位置をＯＦＦにすることによって、停止モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の水素ガスの空気によるパージを行う停止モードを実行する。まず、前記制御手段は、水素供給電磁弁ＣＬＯＳＥを実行し（ステップＳ２）、燃料供給電磁弁２６を閉じて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスの供給を遮断する。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁ＯＦＦを実行し（ステップＳ３）、水素循環電磁弁３４を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断される。
【００７６】
続いて、前記制御手段は、水素排気電磁弁ＯＰＥＮを実行し（ステップＳ４）、水素起動停止電磁弁５６ａを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路５６から大気中に排出させる。この場合、吸引循環ポンプ３６が作動しているので、減圧が開始され、燃料電池スタック２０、水回収ドレインタンク６０、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３０及び燃料排出管路３１に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料排出管路５６から大気中に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。なお、燃料排出管路５６に水素燃焼器が配設されている場合、大気中に排出される水素ガスは、燃焼させられ、酸素と結合して水になって排出される。
【００７７】
また、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ７８によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁２６から吸引循環ポンプ３６までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ７８が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ７８の検出する圧力は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の圧力に等しい。
【００７８】
続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力があらかじめ設定された閾（しきい）値、例えば、−７０〔ｋＰａＧ〕未満となったか否かを判断する（ステップＳ５）。この場合、前記閾値が相当の負圧を示しているので、圧力が閾値未満の状態は、前記燃料ガス流路内の燃料通路に水素ガスが実質的に残留していない状態である。なお、前記制御手段は、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が閾値未満となるまで、前記判断を繰り返して行う。
【００７９】
そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が前記閾値未満となると、前記制御手段は、空気導入用電磁弁ＯＮを実行し（ステップＳ６）、外気導入用電磁弁２８ａを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁２６は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段７３の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、該空気はエアフィルタ２８ｂを通過して濾（ろ）過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００８０】
本実施の形態においては、燃料電池スタック２０に吸引タンクとしても機能する水回収ドレインタンク６０が接続されているので、燃料電池スタック２０に空気が導入されると、前記燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスは、急速に水回収ドレインタンク６０内に追いやられる。そのため、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生することがないので、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタック２０の性能が低下したりすることがない。
【００８１】
この場合、水回収ドレインタンク６０の容積が大きいほど、燃料電池スタック２０内に残留している水素ガスが水回収ドレインタンク６０内に移動する時間が短縮されるが、水回収ドレインタンク６０の容積を大きくし過ぎると燃料電池システム全体が大型化してしまう。なお、空気を燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に導入する前に、吸引循環ポンプ３６が減圧ポンプとして機能し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留している水素ガスを吸引する。この場合、吸引循環ポンプ３６が減圧ポンプとしての機能も果たすので、減圧ポンプを独立して配設する必要がなく、燃料電池システム全体をコンパクトにすることができる。
【００８２】
続いて、前記制御手段は、この状態で燃料電池スタック２０が出力する電圧があらかじめ設定された閾値、例えば、５〔Ｖ〕以下となったかを判断する（ステップＳ７）。ここで、前記閾値は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と酸素極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧の値である。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック２０が出力する電圧が閾値未満となるまで、前記判断を繰り返して行う。
【００８３】
そして、燃料電池スタック２０の出力が前記所定電圧以下となると、前記制御手段はすべての補機を停止させ（ステップＳ８）、処理を終了する。また、前記制御手段は、吸引循環ポンプ３６を停止させ、外気導入用電磁弁２８ａを閉じ、最後に酸化剤供給源を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の運転が停止された状態となる。
【００８４】
次に、燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作について説明する。ここでは、待機モードが選択された場合について説明する。
【００８５】
図７は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第１のフローチャートである。
【００８６】
まず、車両の運転者が、アイドリングボタン１３を押し下げながら、メインスイッチ１１のキー挿入スロット１１ａに挿入されたキー１２を回転させ、回転位置をＩＤＯＬにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令としての待機モード命令が伝えられ（ステップＳ１１）、燃料電池システムの運転を所定時間以下の短時間だけ停止する一時停止の動作が開始される。この場合、前記キー１２の回転位置をＩＤＯＬにすることによって、待機モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、前記燃料ガス流路内の圧力が所定圧力値になるか、又は、前記経過時間が所定時間になると前記燃料ガス流路内の水素ガスの空気によるパージを行う待機モードを実行する。そして、前記制御手段は、水素供給電磁弁ＣＬＯＳＥを実行し（ステップＳ１２）、燃料供給電磁弁２６を閉じて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスの供給を遮断する。
【００８７】
続いて、前記制御手段は、水素循環ポンプＯＦＦを実行し（ステップＳ１３）、吸引循環ポンプ３６を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内からの水素ガスの排出を停止させる。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁ＣＬＯＳＥを実行し（ステップＳ１４）、水素循環電磁弁３４を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断され、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始される。この場合、外気導入用電磁弁２８ａも水素起動停止電磁弁５６ａも閉止したままであるので、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持される。
【００８８】
続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力値としのて０〔ｋＰａＧ〕、すなわち、大気圧となったか、又は、待機時間、すなわち、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が所定時間としての閾値、例えば、１０分〜２時間になったか否かを判断する（ステップＳ１５）。この場合、厳密には、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となったか否か、又は、経過時間が閾値を超えたか否かが判断される。なお、前記制御手段は、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えるまで、前記判断を繰り返して行う。また、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となると、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に進入し、前記燃料ガス流路内の圧力が減少から増加に転じる。また、前記所定時間としての閾値は、前記燃料ガス流路内に空気が進入する時間とすることが望ましい。
【００８９】
そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、前記制御手段は、停止モードへ移行し（ステップＳ１６）、処理を終了する。停止モードに移行すると、通常の停止を行う場合と同様に、前述した図３のステップＳ１〜Ｓ８の動作が実行され、燃料電池スタック２０の運転が停止される。
【００９０】
このように、燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行う場合、燃料ガス流路内の水素ガスを大気中に排出しないので、水素ガスを無駄に消費することがない。また、車両から水素ガスが排出されないので、車両が屋内駐車場等のような閉ざされた場所において一時停止を行っても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。
【００９１】
なお、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態を維持しても、時間の経過に伴って、燃料ガス流路内の水素ガスは減少する。そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入して、水素と酸素とが混合してしまう。そこで、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となるか、又は、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、停止モードに移行し、燃料ガス流路内の水素ガスを排出して、燃料ガス流路内に空気を充満させるようになっている。
【００９２】
次に、水素ガスの再封入を行う場合の動作について説明する。
【００９３】
図８は本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第２のフローチャートである。
【００９４】
まず、車両の運転者がメインスイッチ１１のキー挿入スロット１１ａに挿入されたキー１２を回転させ、アイドリングボタン１３を押し下げ、回転位置をＩＤＯＬにすると、燃料電池システムの制御手段に運転の停止命令としての待機モード命令が伝えられ（ステップＳ２１）、燃料電池システムの運転を所定時間以下の短時間だけ停止する一時停止の動作が開始される。この場合、前記キー１２の回転位置をＩＤＯＬにすることによって、待機モードが選択される。そして、前記制御手段は、運転の停止命令を受けると、前記燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止し、待機モードを実行する。なお、前記運転者は、水素ガスの再封入を行うことを選択するための選択手段を操作して、水素ガスの再封入を行うことを選択したものとする。そして、前記制御手段は、水素供給電磁弁ＣＬＯＳＥを実行し（ステップＳ２２）、燃料供給電磁弁２６を閉じて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスの供給を遮断する。
【００９５】
続いて、前記制御手段は、水素循環ポンプＯＦＦを実行し（ステップＳ２３）、吸引循環ポンプ３６を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内からの水素ガスの排出を停止させる。続いて、前記制御手段は、水素循環切り替え電磁弁ＣＬＯＳＥを実行し（ステップＳ２４）、水素循環電磁弁３４を閉じて水素ガスの循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断され、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始される。この場合、外気導入用電磁弁２８ａも水素起動停止電磁弁５６ａも閉止したままであるので、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持される。
【００９６】
続いて、前記制御手段は、この状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力値としての０〔ｋＰａＧ〕、すなわち、大気圧未満となったか否かを判断する（ステップＳ２５）。そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となった場合、前記制御手段は、水素供給電磁弁一定時間ＯＰＥＮを実行し（ステップＳ２６）、燃料供給電磁弁２６を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスの再供給を一定時間だけ行わせる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスを再度封入する水素再封入が行われる。なお、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満でない場合、水素再封入は行われない。
【００９７】
続いて、前記制御手段は、待機時間、すなわち、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値、例えば、１０分〜２時間を超えたか否かを判断する（ステップＳ２７）。そして、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、前記制御手段は、停止モードへ移行し（ステップＳ２８）、処理を終了する。停止モードに移行すると、通常の停止を行う場合と同様に、前述した図３のステップＳ１〜Ｓ８の動作が実行され、燃料電池スタック２０の運転が停止される。また、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えていない場合、前記制御手段は、再び、大気圧未満となったか否かを判断して、前述した動作を繰り返す。
【００９８】
このように、水素ガスの再封入を行う場合、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満となると、燃料供給電磁弁２６を開いて燃料貯蔵手段７３からの水素ガスを燃料ガス流路内に再度供給して、水素ガスの再封入を行うようになっている。そのため、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満にならないので、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入することがなく、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合してしまうことがない。
【００９９】
なお、水素ガスの再封入を多数回に亘（わた）り繰り返して行うと、多量の水素ガスを消費することになる。そこで、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が開始されてからの経過時間が閾値を超えると、停止モードに移行し、燃料ガス流路内の水素ガスを排出して、燃料ガス流路内に空気を充満させるようになっている。
【０１００】
次に、燃料電池システムの運転を起動する際の動作について説明する。この場合、車両の運転者がメインスイッチ１１のキー挿入スロット１１ａに挿入されたキー１２を回転させ、回転位置をＳＴＡＲＴにすると、制御手段は、まず、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び外気導入用電磁弁２８ａを閉じて、燃料ガス流路への水素ガス及び空気の供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁５６ａを開いて、燃料ガス流路内の空気を燃料排出管路５６から大気中に排出させる。
【０１０１】
その後、前記制御手段は燃料供給電磁弁２６を開き、水素ガスを燃料ガス流路内へ導入する。この場合、外気導入用電磁弁２８ａは閉じた状態であるので、空気が流入することはない。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内には水素ガスが充満し、定常運転に移行することができる。
【０１０２】
本実施の形態においては、燃料電池スタック２０に水回収ドレインタンク６０が接続されているので、燃料電池スタック２０に水素ガスが導入されると、該燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた空気は、急速に水回収ドレインタンク６０内に追いやられる。そのため、燃料電池スタック２０に水素ガスが導入される時点において、前記燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している空気中の酸素が導入された水素ガスと混合状態になることがない。したがって、単位セル内において電位シフトが発生することがないので、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタック２０の性能が低下したりすることがない。
【０１０３】
このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、該燃料電池システムの停止時間が短い一時停止を行うために、待機モードを選択することができる。例えば、コンビニエンスストア等の店舗に立ち寄るときのように、短時間だけ燃料電池システムの運転を停止させる場合に選択することができる。一時停止を行う場合、待機モードを選択すると燃料ガス流路内の水素ガスを大気中に排出しないので、水素ガスを無駄に消費することがない。また、車両から水素ガスが排出されないので、車両が屋内駐車場等のような閉ざされた場所において一時停止を行っても、安全上の問題が生じることがない。さらに、燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態が維持されるので、燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合状態にならず、電位シフトの発生を防止することができる。そのため、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路における燃料極の性能が低下することを防止することができる。
【０１０４】
また、待機モードを選択する場合に、更に水素ガスの再封入を行うことを選択することもできる。水素ガスの再封入を行うようにすると、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水素ガスが封入された状態で前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満になると、前記燃料ガス流路に水素ガスが再度封入されるようになっている。そのため、経過時間が閾値を超えるまで、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が大気圧未満にならないので、空気流路の空気が固体高分子電解質膜やガス拡散電極を通して燃料ガス流路に流入することがない。したがって、該燃料ガス流路内において水素と酸素とが混合しないので、電位シフトの発生を防止することができる。
【０１０５】
さらに、待機モードが終了してもなお燃料電池スタック２０の運転が再開されない場合には、停止モードを選択して通常の停止を行う場合と同様の動作が実行され、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から排出されて空気が導入される。そのため、燃料電池スタック２０内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。この場合、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から排出された水素ガスを水回収ドレインタンク６０に収容するようになっている。そのため、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に移動し、燃料電池スタック２０内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。
【０１０６】
また、燃料電池システムの運転を起動する際に燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から排出された空気を水回収ドレインタンク６０に収容するようになっている。そのため、燃料電池スタック２０に水素ガスが導入される時点において、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している空気が急速に水回収ドレインタンク６０内に移動し、燃料電池スタック２０内において導入された水素ガスと残留する空気中の酸素とが混合状態になることがない。
【０１０７】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における車両のメインスイッチの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における燃料ガス流路内の圧力と電位シフトのタイミングとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際における出力電圧と燃料ガス流路内の圧力との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態における待機モードにおける待機時間と燃料ガス流路内の圧力及び電位シフト時間との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を停止する際の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第１のフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態における燃料電池システムの運転を一時停止する際の動作を示す第２のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０９】
２０    燃料電池スタック
２８    外気導入管路
７８    圧力センサ
【図１】
2006120385.tif 000003
【図２】
2006120385.tif 000004
【図３】
2006120385.tif 000005
【図４】
2006120385.tif 000006
【図５】
2006120385.tif 000007
【図６】
2006120385.tif 000008
【図７】
2006120385.tif 000009
【図８】
2006120385.tif 000010