(57)【要約】【課題】システムの触媒劣化を抑制し、速やかに起動することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、第一酸化剤ガス流路１１５ａと、これに隔離して構成された第二酸化剤ガス流路１１５ｂを備える。第二酸化剤ガス流路１１５ｂには、三方バルブ２０２、３０２、６０２により燃料ガスと酸化剤ガスを切り替えて供給可能に構成する。停止時には、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに燃料ガスを供給して、所定電圧まで低下したら、燃料ガスの供給を停止してシステムを停止させる。また、起動時に、燃料ガス流路１１６に酸素が存在すると推定される場合には、第二酸化剤ガス流路１１５ｂと燃料ガス流路１１６に燃料ガスを同時に供給する。【選択図】      図１
2006120348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の両主面に設けられた、触媒を有する燃料極および酸化剤極と、
前記燃料極に面して形成された燃料ガス流路と、
前記酸化剤極に面して形成された第一酸化剤ガス流路と、
前記第一酸化剤ガス流路と隔離され、前記酸化剤極に面して形成された第二酸化剤ガス流路と、を備え、
前記酸化剤極の前記第一酸化剤ガス流路に対峙する第一領域と、前記第二酸化剤ガス流路に対峙する第二領域との間を電子が移動可能に構成した燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスと酸化剤ガスを切り替えて供給可能な燃料／酸化剤ガス供給手段と、を備え、
前記第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが存在する状態で、前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤極を、ガス拡散層と触媒層とから構成し、
前記第一領域には前記ガス拡散層を構成する第一部材を備え、
前記第二領域には、前記ガス拡散層を構成し、前記第一部材とのガスの移動が抑制されるように隔離して配置された第二部材を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
システム停止時に、前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスを流す請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
システム起動時に、前記燃料ガス流路が空気で満たされている場合には、前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスを供給すると同時に前記燃料ガス流路に燃料ガスを流通させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
システム起動時に、前記燃料ガス流路に燃料ガスが残存する場合には、前記第一及び第二酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する請求項４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、固体高分子型燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、燃料電池の触媒劣化を抑制するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて発電状態からシステムを停止した場合、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止しても、燃料極と酸化剤極それぞれの流路に残存するガスによって０．８Ｖ以上の開放端電圧がたつ。このような状態を保持すると、燃料電池の酸化剤極側の触媒が著しく劣化される。
【０００３】
従来の燃料電池システムにおいては、このような酸化剤極の劣化を防止するために、酸化剤極に水素を供給し、燃料極と酸化剤極の開放端電圧を下げるシステムが提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平９−２９８０６５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、開放端電圧を下げることは可能であるが、酸化剤極のマニホールド内をすべて燃料ガスで置換してしまうため、再起動させる際には、酸化剤極側マニホールド内の燃料ガスを酸化剤ガスに置換しなければならず時間を要する。例えば、燃料電池を自動車のような移動体に使用した場合、起動と停止のサイクルは非常に頻繁であり、従来技術のように停止直後においても、速やかに再起動できないことは大きな問題となる。また、従来技術では、酸化剤極のマニホールド内に残る燃料ガスはすべて排気されるため、燃料効率の面からも弊害がある。
【０００５】
またこの他にも、窒素等の不活性ガスを用いてパージを行う技術が知られているが、この場合は、システム中に窒素ボンベ等の不活性ガス貯蔵装置が必要となる、または、燃焼器等の酸素消費装置をシステム中に持たせる必要があり、システムを複雑化および大型化してしまうという問題があった。また不活性ガスパージを行う場合でも、再起動するためには、不活性ガスが抜けるまでは燃料電池の出力が得られないため、時間を要することも問題となっている。
【０００６】
そこで本発明は、システムの触媒劣化を抑制し、かつ速やかに起動することが可能な燃料電池システム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】
【０００７】
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両主面に設けられた、触媒を有する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面して形成された燃料ガス流路と、前記酸化剤極に面して形成された第一酸化剤ガス流路と、前記第一酸化剤ガス流路と隔離され、前記酸化剤極に面して形成された第二酸化剤ガス流路と、を備えた燃料電池を有する燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスと酸化剤ガスを切り替えて供給可能な燃料／酸化剤ガス供給手段と、を備え、前記第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが存在する状態で、前記第二酸化剤ガス流路に燃料ガスを供給する。
【発明の効果】
【０００８】
第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが存在する状態で、第二酸化剤ガス流路に燃料ガスを供給することで、第二酸化剤ガス流路に供給された燃料中の水素が、酸化剤極でプロトンと電子に分解される。このプロトンと電子が、第一酸化剤ガスの酸化剤ガス中の酸素と結びついて水を形成する、または、酸素が不足する場合には水素を形成する。これにより、酸化剤極の第一酸化剤ガス流路に重なる領域が還元環境となるため、酸化剤電極の触媒劣化を抑制することができる。
【０００９】
また、第一酸化剤ガス流路に直接燃料ガスを供給するのを避けることができるため、第一酸化剤ガス流路に至るまでの配管内に燃料ガスを充満させる必要はなく、ガスの置換を速やかに行うことができるため、起動時間を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本願発明の実施形態について説明する。図１を参照して、燃料電池システムの構成について説明する。
【００１１】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に供給する酸化剤ガスとしての空気を外部から導入するコンプレッサ２０１を備える。また、燃料電池スタック１００に供給する燃料ガスとしての水素を高圧状態で貯蔵する水素ボンベ３０１と、水素ボンベ３０１から取り出す水素ガス流量を調整する流量コントローラ３１０を備える。
【００１２】
燃料電池スタック１００には、各反応ガス（空気、水素）の導入部として、第一酸化剤ガスマニホールド２０４と第二酸化剤ガスマニホールド２０５と、燃料ガスマニホールド３０３を備える。また、燃料電池スタック１００からの排ガスの排出部として、第一酸化剤排ガスマニホールド２０６と、第二酸化剤排ガスマニホールド２０７と、燃料排ガスマニホールド３０４を備える。
【００１３】
燃料電池スタック１００を複数の燃料電池１００ａを積層することにより構成する。但し、燃料電池スタック１００は、一つの燃料電池１００ａから構成したものでもよい。
【００１４】
図２に、燃料電池スタック１００を構成する単位セルである燃料電池１００ａの構成を示す。
【００１５】
プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１１０を、一対の電極である酸化剤極触媒層１１１と燃料極触媒層１１２により狭持する。触媒層１１１、１１２をＰｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成する。酸化剤極触媒層１１１の外側にカーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層１１３を、燃料極触媒層１１２の外側に同様に多孔質体から構成したガス拡散層１１４を備える。このように、電解質膜１１０を、酸化剤極触媒層１１１とこれに隣接するガス拡散層１１３からなる酸化剤極１２０と、燃料極触媒層１１２とこれに隣接するガス拡散層１１４からなる燃料極１２１で狭持することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）を構成する。
【００１６】
酸化剤極１２０のガス拡散層１１３を、図３に示すように、独立する二つの部材により構成する。ここでは、それぞれの部材を第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂと呼称する。第一部材１１３ａの平面積に比較して、第二部材１１３ｂの平面積が小さくなるように構成し、第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂの間には隙間を設ける。この隙間には、後述する酸化剤ガスセパレータ１１７の一部が形成され、第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂ間でガスの移動が困難となるように構成する。
【００１７】
ここでは、図３に示すように、酸化剤極１２０を構成する酸化剤極触媒層１１１を、ガス拡散層１１３を構成する第一部材１１３ａから第二部材１１３ｂに掛けて重なる一つの連続した層により形成している。ただしこの限りではなく、酸化剤極触媒層１１１を、それぞれ第一部材１１３ａに重なる層と、第二部材１１５ｂに重なる層との二つの隔離された層により形成してもよい。これにより、より確実に第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂとの間のガスの移動が抑制される。
【００１８】
また、図２に示すように、酸化剤極１２０に隣接して酸化剤ガスセパレータ１１７を備え、燃料極１２１に隣接して燃料ガスセパレータ１１８を備える。セパレータ１１６と１１７としては、電気抵抗が小さいものを使用する。ここでは、電気抵抗が小さく、比較的加工が簡単な炭素部材を使用する。
【００１９】
酸化剤ガスセパレータ１１７は、ガス拡散層１１３を構成する第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂを電気的に接続する役割を担う。また、ここでは酸化剤極触媒層１１１の第一部材１１３ａに重なる領域と第二部材１１３ｂに重なる領域を連続して構成しているため、電子は酸化剤極触媒層１１１通って移動することもできる。つまり、酸化剤極１２０の、第一酸化剤ガス流路１１５ａに重なる領域と、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに重なる領域との間で、電子の移動が可能となるように構成する。
【００２０】
また、酸化剤ガスセパレータ１１７と酸化剤極１２０の間には、酸化剤ガスセパレータ１１７の表面に設けた溝よりなる酸化剤ガス流路１１５を備える。ここでは、酸化剤極１２０のガス拡散層１１３を構成する第一部材１１３ａに対峙する酸化剤ガス流路１１５を、第一酸化剤ガス流路１１５ａ、第二部材１１３ｂに対峙する酸化剤ガス流路１１５を第二酸化剤ガス流路１１５ｂと呼称する。
【００２１】
図４に示すように、第一酸化剤ガス流路１１５ａを一つの蛇行形状の溝より構成し、第二酸化剤ガス流路１１５ｂを一つの直線形状の溝より構成する。酸化剤ガス流路１１５を構成する空間の総体積に比較して、第二酸化剤ガス流路１１５ｂを構成する空間が占める体積が、小さくなるように構成する。図２に示すように、酸化剤ガス流路１１５を横断する断面においては、第一酸化剤ガス流路１１５ａが複数の溝で形成されるのに比較して、第二酸化剤ガス流路１１５ｂを構成する溝数が少なくなるように、ここでは、溝数が一つとなるように構成する。また、第一酸化剤ガス流路１１５ａを構成する溝の幅に比較して、第二酸化剤ガス流路１１５ｂを構成する溝の幅を小さく構成する。前述したように、第一部材１１３ａと第二部材１１３ｂは、酸化剤ガスセパレータ１１７の一部により隔離され、第一酸化剤ガス流路１１５ａと第二酸化剤ガス流路１１５ｂの間のガス移動を抑制する。
【００２２】
第一酸化剤ガス流路１１５ａの一端は、第一酸化剤ガスマニホールド２０４に接続し、もう一端は、第一酸化剤排ガスマニホールド２０６に接続する。第二酸化剤ガス流路１１５ｂの一端は、第二酸化剤ガスマニホールド２０５に接続し、もう一端は、第二酸化剤排ガスマニホールド２０７に接続する。
【００２３】
また、燃料ガスセパレータ１１８と燃料極１２１の間には、燃料ガスセパレータ１１８の表面に設けた溝よりなる燃料ガス流路１１６を備える。図１（ｃ）に示すように、燃料ガス流路１１６を、一つの連続した蛇行形状の溝により構成する。燃料ガス流路１１６の一端は、燃料ガスマニホールド３０３に接続し、もう一端は、燃料排ガスマニホールド３０４に接続する。
【００２４】
なお、ここでは、第一酸化剤ガス流路１１５ａと燃料ガス流路１１６を一つの連続した蛇行形状の溝により構成したがこの限りではない。例えば、幅が数ミリ程度の複数の並列した蛇行形状の溝や、直線形状の溝等、様々な形状とすることができる。
【００２５】
また、図１に示すように、コンプレッサ２０１と第一酸化剤ガスマニホールド２０５とを接続する配管２１１と、水素ボンベ３０１と燃料ガスマニホールド３０３を接続する配管３０８を備える。また、配管２１１には三方バルブ２０２を備え、配管３０８には三方バルブ３０２を備える。さらに、一端が第二酸化剤ガスマニホールド２０５に接続する配管６０１と、配管６０１のもう一端に接続する三方バルブ６０２を備える。三方バルブ２０２と三方バルブ６０２との間は配管２１２で接続され、三方バルブ３０２と三方バルブ６０２の間は、配管３０７で接続される。
【００２６】
つまり、三方バルブ２０２を第一酸化剤ガスマニホールド２０４側に切り替えた場合には、コンプレッサ２０１で導入された空気は、燃料電池スタック１００の第一酸化剤ガス流路１１５ａに導入される。三方バルブ２０２を配管２１２側に切り替え、三方バルブ６０２を配管２１２に接続される側に切り替えた場合には、コンプレッサ２０１で導入された空気は、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに導入される。なお、三方バルブ２０２は、第一酸化剤ガスマニホールド２０４側と配管２１２側に同時に接続できるように構成する。
【００２７】
また、三方バルブ３０２を燃料ガスマニホールド３０３側に切り替えた場合には、水素ボンベ３０１からの水素は燃料ガス流路１１６に導入される。三方バルブ３０２を配管３０７側に接続し、三方バルブ６０２を配管３０７側に接続した場合には、水素ボンベ３０１からの水素は、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに導入される。なお、三方バルブ３０２は、配管３０７側と燃料ガスマニホールド３０３側に同時に接続できるように構成する。
【００２８】
また、図１に示すように、燃料電池スタック１００の排出側は、第一酸化剤排ガスマニホールド２０６に接続する配管２１３と、配管２１３に設けられ、第一酸化剤ガス流路１１５ａの圧力を調整するバルブ２０８を備える。また、第二酸化剤排ガスマニホールド２０７に接続する配管２１４と、配管２１４に設けられ、第二酸化剤ガス流路１１５ｂの圧力を調整するバルブ２０９を備える。さらに、燃料排ガスマニホールド３０４に接続する配管３０９と、配管３０９に設けられ、燃料ガス流路１１６の圧力を調整するバルブ３０５を備える。
【００２９】
さらに、燃料電池スタック１００から出力を取り出すための電気回路系として、燃料電池量スタック１００の端部に集電板２１０と３０６を供え、外部負荷に電気回路を介して接続させる。また、燃料電池スタック１００の電圧を検出する電圧計４０１を、外部負荷に並列に接続する。
【００３０】
さらに、このような燃料電池システムを制御するコントローラ５０１を備える。コントローラ５０１は、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、および入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５０１を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ５０１は、コンプレッサ２０１、三方バルブ２０２、３０２、６０２、バルブ２０６、２０７、３０５それぞれを制御する。また、コントローラ５０１には、タイマーを備える。タイマーは、運転時の計時に加えて、システムの停止時間を算出可能な構成とする。
【００３１】
次に、このような燃料電池システムの通常運転時の状態について説明する。
【００３２】
通常運転時には、三方バルブ２０２を、第一酸化剤ガスマニホールド２０４と配管２１２に接続するように切り替え、三方バルブ６０２は配管２１２側に接続するように切り替える。これにより、第一酸化剤ガス流路１１５ａおよび第二酸化剤ガス流路１１５ｂに空気を導入する。また、三方バルブ３０２を燃料ガスマニホールド３０３側に切り替え、燃料ガス流路１１６に水素を導入する。また、バルブ２０９を開とし、同様にバルブ２０８と３０５も開として、酸化剤ガス流路１１５ｂ、１１５ａ、燃料ガス流路１１６内が運転に適した圧力に維持されるように開度を調整する。
【００３３】
酸化剤ガス流路１１５に供給された空気がガス拡散層１１３を介して酸化剤極触媒層１１１に担持された触媒に接触し、燃料ガス流路１１６に供給された水素がガス拡散層１１４を介して燃料極触媒層１１２に担持された触媒に接触することにより、以下のような電気化反応を生じる。
【００３４】
燃料極側    ：  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（１）
酸化剤極側  ：  １／２Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
（１）式に示すように、燃料極触媒層１１２では、水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは高分子電解質膜１１０内部を拡散して酸化剤極触媒層１１１側に到達する。一方、酸化剤極触媒層１１１では、外部回路より供給された電子と、高分子電解質膜１１０内を拡散してきたプロトンと、空気中の酸素により形成される三相界面上で（２）式に示すような反応が生じる。このようにして、電子の流れを形成し、集電板２１０と３０６より出力が負荷として取り出される。
【００３５】
発電に用いられた後、酸化剤排ガスは、第一酸化剤ガス流路１１５ａから第一酸化剤排ガスマニホールド２０６に回収され、配管２１３を通って排出される。また、第二酸化剤ガス流路１１５ｂから第二酸化剤排ガスマニホールド２０７に回収され、配管２１４を通って排出される。燃料排ガスは、燃料ガス流路１１６から燃料排ガスマニホールド３０４に回収され、配管３０９を通って排出される。この酸化剤排ガスと燃料排ガスは、燃焼触媒等により燃焼処理されてから外部に排出される。
【００３６】
次に、停止時の制御ルーチンを、図５に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、システムの停止を支持する信号が入力されたら、一度実行される。
【００３７】
ステップＳ１１で、コンプレッサ２０１の運転を停止する。ステップＳ１２で、流量コントローラ３１０に水素供給を停止する信号を出力して水素の供給を停止する。ステップＳ１３で、第一酸化剤ガス流路１１５ａの下流に配置されたバルブ２０８を閉じ、第一酸化剤ガス流路１１５ａを密閉状態にする。
【００３８】
ステップＳ１４で、三方バルブ６０２を配管３０７側に切り替え、ステップＳ１５で、三方バルブ３０２を配管３０７側に切り替える。これにより、水素ボンベ３０１から第二酸化剤ガスマニホールド２０５までを繋いで、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに水素を導入可能に設定する。ステップＳ１６で、水素供給を開始して、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに水素を供給する。
【００３９】
水素供給後、ステップＳ１７で、セル電圧が所定電圧まで低下したか否かをモニタリングして、所定電圧まで低下したと判断されたら、ステップＳ１８で水素の供給を停止する。ここでは、カーボン腐食が起こらなくなる電位０．２Ｖを、１セル当たりの所定電圧とする。つまり、１セル当たり０．２Ｖ以下となったら、水素の供給を停止する。
【００４０】
このように、停止時には、酸化剤極１２０側の流路のうち流路体積の小さな第二酸化剤ガス流路１１５ｂに水素を供給し、所定電圧まで低下したところで、水素の供給を終了してシステムを停止する。
【００４１】
次に、停止後、再起動させる場合の制御ルーチンを図６のフローチャートを用いて説明する。本フローは、システムの起動を指示する信号が入力されたら、１度実行される。
【００４２】
システムの起動が指示されたら、ステップＳ２１で所定時間以内であるか否かを判断する。これにより、燃料ガス流路１１６が外部より混入した空気で満たされているか否かの判断する。燃料ガス流路１１６に酸素センサを備えて判断することも可能であるが、通常、燃料ガス流路１１６の幅は数ミリしかなく、構造的に複雑になってしまう。燃料ガス流路１１６が空気で満たされているか否かは、電解質膜１１０を透過する酸素量や、外部より混入する空気量によって決まり、通常、数分から数十分程度となる。そこで、本実施形態では、所定時間を１０分とした。
【００４３】
ステップＳ２１で、所定時間以内の場合には、燃料ガス流路１１６内には空気（酸素）が存在しないと判断し、ステップＳ３１で、三方バルブ３０２を燃料ガスマニホールド３０３側に接続して、燃料ガス流路１１６に水素供給可能に切り替える。ステップＳ３２で、三方バルブ６０２を配管２１２側に切り替えて、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに空気を導入可能に切り替える。ステップＳ３３で、バルブ２０８を開とする。ステップＳ３４で水素の供給を開始して、燃料ガス流路１１６に水素を流通させる。ステップＳ３５でコンプレッサ２０１を起動して、第一酸化剤ガス流路１１５ａおよび第二酸化剤ガス流路１１５ｂに空気を導入して起電力を発生し、出力を取り出す。
【００４４】
一方、ステップＳ２１で、所定時間以内ではない場合には、燃料ガス流路１１６内に空気が充満していると推測されるため、この空気の存在により酸化剤極１２０でカーボン腐食反応が生じるのを防ぐ制御を行う。ステップＳ４１で、三方バルブ３０２を、配管３０７側と燃料ガスマニホールド３０３側の両方に接続する。次に、ステップＳ４２で水素の供給を開始すると、停止時に三方バルブ６０２が配管３０７と６０１を連通させているため、第二酸化剤ガス流路１１５ｂと燃料ガス流路１１６に同時に水素を供給できる。そして、ステップＳ４３で、所定時間が経過したか否かを判断する。この所定時間は、水素供給開始指令が出力されてから水素が触媒に接するまでの時間であり、通常、数秒以内である。ここでは、所定時間を１秒とする。所定時間が経過したら、ステップＳ４４で水素の供給を停止して、ステップＳ３１に進む。以下、前述した制御と同様の制御を行う。
【００４５】
このように、起動時には、燃料ガス流路１１６内に空気が充満している可能性がある場合には、第二酸化剤ガス流路１１５ｂと燃料ガス流路１６に同時に水素を供給する。
【００４６】
次に、停止後の劣化防止および再起動時間の短縮効果について図７を用いて説明する。
【００４７】
燃料電池システムの停止直後は、第一酸化剤ガス流路１１５ａは酸化剤ガスで、燃料ガス流路１１６は燃料ガスで満たされており（図７（ａ））、両端の電圧は０．８V以上となる。この状態から、第二酸化剤ガスマニホールド２０５から燃料ガスを第二酸化剤ガス流路１１５ｂに供給した場合（図７（ｂ））に、第一酸化極ガス流路１１５ａ側では（３）式、第二酸化剤ガス流路１１５ｂ側では、（４）式の反応が起こる。
第一酸化剤ガス流路115a：２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（３）
第二酸化剤ガス流路115b：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（４）
（３）式の反応により酸素が消費され、酸化剤極１２０と燃料極１２１の電圧が下がり、触媒の劣化を抑制することができる。また、第一酸化剤ガス流路１１５ａ内の酸素がすべて消費された場合には、（５）式の反応により水素が発生する。
第一酸化剤ガス流路115a：２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2  ・・・（５）
これらは、酸化剤極触媒層１１１上での反応であり、酸化剤極触媒層１１１中に溶解している酸素を直接（３）式の反応によって消費することができるため、速やかに電圧を低下させることができる。また、（５）式に示す水素発生も同様に、酸化剤極触媒層１１１上で起こるため、触媒部分のみを水素の富んだ還元雰囲気に保つことができる（図７（ｃ））。したがって、酸化剤ガス流路１１５の体積と比較して数十倍の体積を持つ第一酸化剤ガスマニホールド２０４内は水素に満たされなくとも、触媒部分は水素雰囲気となるため、酸化剤極触媒層１１１の酸化劣化を防止することができる。
【００４８】
また、システムを停止させてから再起動させるまでの時間が所定時間内である、停止直後の再起動（ホットリスタート）では、コンプレッサ２０１を起動すれば、第一酸化剤ガスマニホールド２０４内に残存する空気によって発電が始まるため、速やかに起動が可能となる。
【００４９】
また、ステップＳ４１に示される、燃料電池スタック１００の長期間停止後に、燃料ガス流路１１６が空気で満たされている場合には、燃料極１２１へ燃料ガスを供給すると同時に、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに燃料ガスを流させる。これにより、燃料極１２１の電位が下がる（水素電位となる）と同時に酸化剤極１２０の電位を下げる（水素電位とする）ことで、劣化を防止する。これは、燃料極１２１と酸化剤極１２１の電位差がなくなり、酸化剤極１２０側が高電位になるのを防止できるためである。
【００５０】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００５１】
電解質膜１１０と、電解質膜１００の両主面に設けられた、触媒を有する燃料極１２１および酸化剤極１２０と、燃料極１２１に面して形成された燃料ガス流路１１６と、酸化剤極１２０に面して形成された第一酸化剤ガス流路１１５ａと、第一酸化剤ガス流路１１５ａと隔離され、酸化剤極１２０に面して形成された第二酸化剤ガス流路１１５ｂと、を備え、酸化剤極１２０の第一酸化剤ガス流路１１５ａに対峙する第一領域（第一部材１１３ａに重なる領域）と、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに対峙する第二領域（第二部材１１３ｂに重なる領域）との間を電子が移動可能に構成した燃料電池１００ａを有する燃料電池スタック１００を備える。また、燃料ガス流路１１６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段として、水素ボンベ３０１および配管３０８を備え、第一酸化剤ガス流路１１５ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段としてコンプレッサ２０１と配管２１１を備える。また、第二酸化剤ガス流路１１３ｂに燃料ガスと酸化剤ガスを切り替えて供給可能な燃料／酸化剤ガス供給手段として、三方バルブ２０２、３０２、６０２と，配管２１２、３０７、６０１を備える。第一酸化剤ガス流路１１５ａに酸化剤ガスが存在する状態で、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに燃料ガスを供給する。
【００５２】
これにより、第二酸化剤ガス流路１１５ａで水素の酸化反応が生じることによって、プロトンと電子に分離され、第一酸化剤ガス流路１１５ａでは、酸素の還元反応が起こる。つまり、第二酸化剤ガス流路１１５ａのプロトンは電解質膜１１０を通って、電子はガス拡散層１１３や触媒１１１、セパレータ１１７を通って第一酸化剤ガス流路１１５ａへ流れ、第一酸化剤ガス流路１１５ａでは、プロトンと電子とによって酸素の還元反応が起こる。この反応により酸素が消費されるため、酸化剤極１２０と燃料極１２１の開放端電圧が下がり、触媒の劣化を抑制することができる。また、第一酸化剤ガス流路１１５ａに直接燃料ガスを供給するのを避けることができるため、次回の再起動時に第一酸化剤ガス流路１１５ａ内を容易に空気に置換することができる。
【００５３】
酸化剤極１２０を、ガス拡散層１１３と酸化剤極触媒層１１１とから構成する。酸化剤極１２０は、第一領域にはガス拡散層１１３を構成する第一部材１１３ａを備え、第二領域には、ガス拡散層１１３を構成し、第一部材１１３ａとのガスの移動が抑制されるように隔離して配置された第二部材１１３ｂを備える。これにより、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに導入された水素がより確実にプロトンの状態で移動するので、第一酸化剤ガス流路１１５ａに存在する酸素を速やかに低減することができる。
【００５４】
システム停止時に、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに燃料ガスを流す。これにより、システム停止時の開放端電圧による触媒の劣化を抑制することができる。
【００５５】
システム起動時に、燃料ガス流路１１６が空気で満たされている場合には、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに燃料ガスを供給すると同時に、燃料ガス流路１１６に燃料ガスを流通させる。これにより、起動時に局部電池が形成されることにより触媒劣化が発生するのを抑止することができる。
【００５６】
また、システム起動時に、燃料ガス流路１１６に燃料ガスが残存する場合には、第一酸化剤ガス流路１１５ａ及び第二酸化剤ガス流路１１５ｂに酸化剤ガスを供給する。これにより、速やかに燃料電池スタック１００の起動を開始することができる。
【００５７】
なお、三方バルブ２０２、３０２、６０２は、同様の機能を有する複数のバルブの組み合わせによって構成してもよい。また、本実施形態では、第二酸化剤ガス流路１１５ｂを第一酸化剤ガス流路１１５ａの外側に配置しているが、この限りではない。さらに、通常運転時には、第二酸化剤ガス流路１１５ｂに酸化剤ガスを供給しているが、必ずしもその必要はなく、第一酸化剤ガス流路１１５ａに供給するだけで十分な発電量を得られる場合には、第二の酸化剤ガス流路１１５ｂへの空気の導入を行わなくても良い。
【００５８】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、燃料電池システムに適用することができる。特に、起動／停止が頻繁に繰り返される車両用の燃料電池システムに適用することで、適切な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本実施形態による燃料電池スタックの断面図である。
【図３】本実施形態による膜電極複合体の斜視図である。
【図４】本実施形態によるセパレータの平面図である。
【図５】本実施形態による停止時の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本実施形態による起動時の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本実施形態による停止時の燃料電池スタック内のガスの状態を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００    燃料電池スタック
１００ａ  燃料電池
１１０    電解質膜
１１１    酸化剤極触媒層
１１３    ガス拡散層
１１３ａ  第一部材
１１３ｂ  第二部材
１１５ａ  第一酸化剤ガス流路
１１５ｂ  第二酸化剤ガス流路
１１６    燃料ガス流路
１２０    酸化剤極
１２１    燃料極
２０１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
２０２、３０２、６０２  三方バルブ（燃料／酸化剤ガス供給手段）
２１１    配管（酸化剤ガス供給手段）
２１２、３０７、６０１  配管（燃料／酸化剤ガス供給手段）
３０１    水素ボンベ（燃料ガス供給手段）
３０８    配管（燃料ガス供給手段）
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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