(57)【要約】【課題】触媒の溶出を抑制して燃料電池の発電効率の低下を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、膜電極接合体１０４を有する燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに液体燃料を供給する燃料ポンプ１４と、燃料電池のカソードに酸化剤を供給するブロワ１６と、アノード及びカソード間の電位を検出する電位検出装置３８と、燃料ポンプ及びブロワを制御する制御装置４０と、を備え、制御装置は、燃料電池の停止指示を受けた場合に、ブロワを停止する第１の制御を行い、燃料電池の停止指示を受けた場合であって、且つ、電位検出装置の検出結果が所定の許容値の範囲内となった場合に、燃料ポンプを停止する第２の制御を行う。【選択図】  図１
2018055809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記アノード及び前記カソード間の電位を検出する電位検出手段と、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の停止指示を受けた場合に、前記酸化剤供給手段を停止する第１の制御を行い、
前記燃料電池の停止指示を受けた場合であって、且つ、前記電位検出手段の検出結果が所定の許容値の範囲内となった場合に、前記燃料供給手段を停止する第２の制御を行う燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードに前記液体燃料を供給するアノード供給口を開閉する第１の開閉弁と、
前記アノードの生成物を排出するアノード排出口を開閉する第２の開閉弁と、
前記カソードに前記酸化剤を供給するカソード供給口を開閉する第３の開閉弁と、
前記カソードの生成物を排出するカソード排出口を開閉する第４の開閉弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第１の制御と同時又は後に、前記第３の開閉弁を閉塞する第３の制御を行い、
前記第２の制御と同時又は後に、少なくとも前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第４の開閉弁を閉塞する第４の制御を行う燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード及び前記カソードのそれぞれに不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、
前記第２の制御と同時又は後に、前記不活性ガス供給手段により前記アノード及び前記カソードに前記不活性ガスを供給する第５の制御を行う燃料電池システム。
【請求項４】
膜電極接合体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記アノード及び前記カソード間の電位を検出する電位検出手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の停止指示を受けた場合に、前記酸化剤供給手段を停止する第１の工程と、
前記燃料電池の停止指示を受けた場合であって、且つ、前記電位検出手段の検出結果が所定の許容値の範囲内となった場合に、前記燃料供給手段を停止する第２の工程とを備える燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記アノードに前記液体燃料を供給するアノード供給口を開閉する第１の開閉弁と、
前記アノードの生成物を排出するアノード排出口を開閉する第２の開閉弁と、
前記カソードに前記酸化剤を供給するカソード供給口を開閉する第３の開閉弁と、
前記カソードの生成物を排出するカソード排出口を開閉する第４の開閉弁と、をさらに備え、
前記燃料電池システムの運転方法は、
前記第１の工程と同時又は後に、前記第３の開閉弁を閉塞する第３の工程と、
前記第２の工程と同時又は後に、少なくとも前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第４の開閉弁を閉塞する第４の工程とをさらに備える燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、前記アノード及び前記カソードのそれぞれに不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、
前記燃料電池システムの運転方法は、
前記第２の工程と同時又は後に、前記不活性ガス供給手段により前記アノード及び前記カソードに前記不活性ガスを供給する第５の工程をさらに備える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】
ダイレクトメタノール型の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、システムの停止時には、燃料供給手段による液体燃料の供給を停止するとともに、酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止し、かつ第１開閉弁、第２開閉弁及び第３開閉弁を閉塞するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１８７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術では、燃料電池のアノード及びカソードを外部から絶縁した後に、カソード側に残留する酸化剤のアノード側へのクロスオーバーを十分に抑えることができず、燃料電池システムの不使用期間において、アノード触媒層における触媒の溶出が生じて、膜電極接合体が劣化し、燃料電池の発電効率の低下が生じる場合があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、触媒の溶出を抑制して燃料電池の発電効率の低下を抑制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である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体を有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記アノード及び前記カソード間の電位を検出する電位検出手段と、前記燃料供給手段及び前記酸化剤供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の停止指示を受けた場合に、前記酸化剤供給手段を停止する第１の制御を行い、前記燃料電池の停止指示を受けた場合であって、且つ、前記電位検出手段の検出結果が所定の許容値の範囲内となった場合に、前記燃料供給手段を停止する第２の制御を行う燃料電池システムである。
【０００７】
［２］上記発明において、前記アノードに前記液体燃料を供給するアノード供給口を開閉する第１の開閉弁と、前記アノードの生成物を排出するアノード排出口を開閉する第２の開閉弁と、前記カソードに前記酸化剤を供給するカソード供給口を開閉する第３の開閉弁と、前記カソードの生成物を排出するカソード排出口を開閉する第４の開閉弁と、をさらに備え、前記制御装置は、前記第１の制御と同時又は後に、前記第３の開閉弁を閉塞する第３の制御を行い、前記第２の制御と同時又は後に、少なくとも前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第４の開閉弁を閉塞する第４の制御を行ってもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記アノード及び前記カソードのそれぞれに不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、前記第２の制御と同時又は後に、前記不活性ガス供給手段により前記アノード及び前記カソードに前記不活性ガスを供給する第５の制御を行ってもよい。
【０００９】
［４］本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、膜電極接合体を有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記アノード及び前記カソード間の電位を検出する電位検出手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の停止指示を受けた場合に、前記酸化剤供給手段を停止する第１の工程と、前記燃料電池の停止指示を受けた場合であって、且つ、前記電位検出手段の検出結果が所定の許容値の範囲内となった場合に、前記燃料供給手段を停止する第２の工程とを備える燃料電池システムの運転方法である。
【００１０】
［５］上記発明において、前記燃料電池システムは、前記アノードに前記液体燃料を供給するアノード供給口を開閉する第１の開閉弁と、前記アノードの生成物を排出するアノード排出口を開閉する第２の開閉弁と、前記カソードに前記酸化剤を供給するカソード供給口を開閉する第３の開閉弁と、前記カソードの生成物を排出するカソード排出口を開閉する第４の開閉弁と、をさらに備え、前記燃料電池システムの運転方法は、前記第１の工程と同時又は後に、前記第３の開閉弁を閉塞する第３の工程と、前記第２の工程と同時又は後に、少なくとも前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第４の開閉弁を閉塞する第４の工程とをさらに備えてもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記燃料電池システムは、前記アノード及び前記カソードのそれぞれに不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備え、前記燃料電池システムの運転方法は、前記第２の工程と同時又は後に、前記不活性ガス供給手段により前記アノード及び前記カソードに前記不活性ガスを供給する第５の工程をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池システムの不使用期間において、触媒の溶出が抑えられるので、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の制御装置におけるデータ処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、図２のデータ処理のタイムチャートである。
【図４】図４は、本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図であえる。
【図５】図５は、図４の制御装置におけるデータ処理手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、図５のデータ処理手順のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【００１６】
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料タンク１２と、燃料ポンプ１４と、ブロワ１６と、凝縮器１８と、水タンク２０と、水ポンプ２２と、外部燃料タンク２４と、外部燃料ポンプ２６と、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６と、電位検出装置３８と、制御装置４０とを備えている。この燃料電子システム１の構成のうち、燃料電池１０と、燃料タンク１２と、燃料ポンプ１４と、ブロワ１６と、凝縮器１８と、水タンク２０と、水ポンプ２２と、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６と、電位検出装置３８と、制御装置４０とは、装置筐体１１に収容され、外部燃料タンク２４と、外部燃料ポンプ２６とは、装置筐体１１外に設置されている。
【００１７】
燃料電池１０は、ダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である発電セル１０１が積層された発電装置であり、家庭・産業用の電源等として用いられる。この燃料電池１０は、積層された複数の発電セル１０１と、複数の発電セル１０１をその積層方向に挟む一対の集電体１０２と、発電セル１０１及び一対の集電体１０２を発電セル１０１の積層方向に挟む一対のエンドプレート１０３とを備えている。
【００１８】
発電セル１０１は、膜電極接合体１０４を含んでいる。膜電極接合体１０４は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜１０５と、略矩形のアノード触媒層１０６と、カソード触媒層１０７を含み、さらに図示は省略するが、略矩形のアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を含む。アノード触媒層１０６とアノードガス拡散層がアノード（燃料極）を構成し、カソード触媒層１０７とカソードガス拡散層がカソード（空気極）を構成する。
【００１９】
高分子電解質膜１０５としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。
【００２０】
アノード触媒層１０６およびカソード触媒層１０７は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００２１】
アノード触媒層１０６およびカソード触媒層１０７における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
【００２２】
アノード触媒層１０６およびカソード触媒層１０７における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。特に、本実施形態のアノード触媒層１０６にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金触媒を被毒するのを抑えるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムを含んでいることが好ましい。上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよい。
【００２３】
アノード触媒層１０６およびカソード触媒層１０７の外側に配置されるアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層（いずれも図示を省略する）としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施されていてもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。
【００２４】
このような発電セル１０１を備える燃料電池１０は、アノード供給口１０Ａと、アノード排出口１０Ｂと、カソード供給口１０Ｃと、カソード排出口１０Ｄとを備えている。アノード供給口１０Ａは、燃料ポンプ１４を介して燃料タンク１２に連通されており、アノードに液体燃料を供給する供給口である。また、アノード排出口１０Ｂは、燃料タンク１２に連通されており、アノードの生成物を排出する排出口である。また、カソード供給口１０Ｃは、ブロワ１６を介してシステム外部に連通されており、カソードに酸化剤（空気）を供給する供給口である。また、カソード排出口１０Ｄは、凝縮器１８を介して水タンク２０に連通されており、カソードの生成物を排出する排出口である。
【００２５】
燃料タンク１２には、数重量％に希釈化されたメタノール水溶液（ＭｅＯＨ）からなる液体燃料が貯蔵されている。システムが起動すると、燃料ポンプ１４により、液体燃料が燃料タンク１２からアノード供給口１０Ａを通じてアノード（燃料極）に供給され、ブロワ１６により、外部から酸化剤がカソード供給口１０Ｃを通じてカソード（空気極）に供給される。燃料ポンプ１４の作動及び停止は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。ブロワ１６の作動及び停止は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。
【００２６】
アノードでは、下記（１）式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、ユーザ側の電子機器等の外部負荷に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜を経過してカソードに移動する。カソードでは、下記（２）式で示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …  （１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …  （２）
【００２７】
燃料電池１０のアノードで生じた未反応のメタノール及び二酸化炭素は、アノード排出口１０Ｂから排出されて燃料タンク１２に戻される。燃料タンク１２に戻されたメタノールは、燃料タンク１２に留まり、一方、燃料タンク１２に戻された二酸化炭素は、システム外部に放出される。燃料電池１０のカソードで生じた生成物に含まれる水蒸気は、カソード排出口１０Ｄから排出され、凝縮器１８において液化され、水タンク２０に送られる。
【００２８】
水タンク２０は、水を収容しており、水ポンプ２２を介して燃料タンク１２に連通されている。また、外部燃料タンク２４は、高濃度のメタノール水溶液を収容しており、外部燃料ポンプ２６を介して燃料タンク１２に連通している。外部燃料タンク２４に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液が、外部燃料ポンプ２６により燃料タンク１２に供給されると共に、水タンク２０に貯蔵された水が、水ポンプ２２により燃料タンク１２に供給されることにより、数重量％の濃度に希釈化されたメタノール水溶液が、燃料タンク１２に収容される。
【００２９】
燃料ポンプ１４とアノード供給口１０Ａとを接続する第１の流路Ｆ１には、アノード供給口１０Ａを開閉する第１の開閉弁３０が設けられている。この第１の開閉弁３０の開閉動作は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。なお、後述する第２〜第４の開閉弁３２，３４，３６を含めて、これら開閉弁３０，３２，３４，３６は、電磁弁であってもよいし、手動弁であってもよい。
【００３０】
燃料タンク１２とアノード排出口１０Ｂとを接続する第２の流路Ｆ２には、アノード排出口１０Ｂを開閉する第２の開閉弁３２が設けられている。この第２の開閉弁３２の開閉動作は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３１】
ブロワ１６とカソード供給口１０Ｃとを接続する第３の流路Ｆ３には、カソード供給口１０Ｃを開閉する第３の開閉弁３４が設けられている。この第３の開閉弁３４の開閉動作は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３２】
凝縮器１８とカソード排出口１０Ｄとを接続する第４の流路Ｆ４には、カソード排出口１０Ｄを開閉する第４の開閉弁３６が設けられている。この第４の開閉弁３６の開閉動作は、制御装置４０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３３】
電位検出装置３８は、燃料電池１０のアノード及びカソード間の電位差を検出する電圧計である。この電位検出装置３８は、一対の集電体１０２のそれぞれに接続されており、これらの間の電位差に基づき、燃料電池１０のアノード及びカソード間の電位差を検出している。また、電位検出装置３８は、検出されたアノード及びカソード間の電位差（電位検出装置３８の検出結果）を制御装置４０に出力している。
【００３４】
各種センサ類からの制御信号は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなる制御装置４０に入力される。制御装置４０は、センサ類からの出力信号に基づいて燃料ポンプ１４やブロワ１６の動作、及び、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６の動作を制御している。
【００３５】
制御装置４０は、入力部として燃料電池システム１の起動及び停止スイッチを備え、起動スイッチがＯＮになる（停止スイッチはＯＦＦ）と、制御装置４０は、受け取った燃料電池１０の起動指示により、燃料ポンプ１４及びブロワ１６を作動する制御信号をそれぞれに出力すると共に、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６を共に開放する制御信号を出力する。一方、停止スイッチがＯＮになる（起動スイッチはＯＦＦ）と、制御装置４０は、受け取った燃料電池１０の停止指示により、燃料ポンプ１４及びブロワ１６を停止する制御信号をそれぞれに出力すると共に、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６を共に閉塞する制御信号を出力する。具体的な制御手順は、以下の通りである。
【００３６】
図２は図１の制御装置におけるデータ処理手順を示すフローチャート、図３は図２のデータ処理のタイムチャートである。
【００３７】
まず、ステップＳＴ１１において、制御装置４０に起動スイッチのＯＮ信号（起動指示）が入力されるとステップＳＴ１２に進む。ステップＳＴ１２では、制御装置４０は、第１〜第４の開閉弁３０，３２，３４，３６を全て開放する制御信号を出力した後、続くステップＳＴ１３において、燃料ポンプ１４及びブロワ１６へ作動信号を出力する。これにより、燃料タンク１２に貯蔵された液体燃料が燃料電池１０のアノードに供給されると共に、燃料電池１０の外部のから空気（酸化剤）が燃料電池１０のカソードに供給され、燃料電池１０による発電が開始する。そして、アノードで生成した二酸化炭素ガスと、反応に寄与しなかった未反応メタノールは、アノード排出口１０Ｂから燃料タンク１２に戻される。また、カソードで生成した水と、高分子電解質膜１０５を透過（クロスオーバー）した未反応メタノールは、カソード排出口１０Ｄから水タンク２０へ送られる。なお、ステップＳＴ１１において、制御装置４０に起動スイッチのＯＮ信号が入力されない場合は、処理を終了する。図３のタイムチャートにおけるｔｍ０が、燃料電池１０による発電が開始した時に相当する。
【００３８】
燃料電池システム１が作動中のステップＳＴ１４において、制御装置４０に停止スイッチのＯＮ信号（停止指示）が入力されるとステップＳＴ１５に進む。ステップＳＴ１５では、制御装置４０は、ブロワ１６へ停止信号を出力してブロワ１６を停止させる（第１の制御、第１の工程）と同時に、第３の開閉弁３４を閉塞する制御信号を出力して第３の開閉弁３４を閉塞させる（第３の制御、第３の工程）。これにより、カソードへのさらなる酸化剤の供給が停止される。図３のタイムチャートにおけるｔｍ１が、ブロワ１６を停止し、第３の開閉弁３４を閉塞した時に相当する。なお、ここでは、ブロワ１６の停止と同時に、第３の開閉弁３４を閉塞しているが、特にこれに限定されず、ブロワ１６の停止後に、第３の開閉弁３４を閉塞してもよい。
【００３９】
なお、ステップＳＴ１５において、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６は、開放状態を維持し、燃料ポンプ１４は、作動状態を維持している。このため、ステップＳＴ１５では、アノードに対する液体燃料の供給は継続されている。なお、特に限定されるものではないが、このステップＳＴ１５におけるアノードに対する液体燃料の供給量は、燃料電池システム１の通常運転時のアノードに対する液体燃料の供給量と同量程度とされている。
【００４０】
次いで、ステップＳＴ１５において、制御装置４０は、電位検出装置３８の検出結果である燃料電池１０のアノード及びカソードの電位差Ｖが所定の許容値Ｖｃの範囲内であるか否かを判定する。この所定の許容値Ｖｃは、（発電セル１０１のアノード，カソードそれぞれにおける液体燃料の残存量）に基づいて求められる。所定の許容値Ｖｃの範囲としては、−５０ｍＶ〜５０ｍＶの範囲で設定されていることが好ましい。また、所定の許容値Ｖｃの範囲は、特に上述に限定されず、例えば、燃料電池システム１の通常運転時の電位差Ｖの−５％〜５％に相当する値の範囲で設定されていてもよい。電位差Ｖが所定の許容値Ｖｃの範囲内となったら、ステップＳＴ１７に進み、制御装置４０は、燃料ポンプ１４へ停止信号を出力して燃料ポンプ１４を停止する（第２の制御、第２の工程）と同時に、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６を閉塞する制御信号を出力してこれら開閉弁３０，３２，３６を閉塞する（第４の制御、第４の工程）。これにより、アノードへのさらなる液体燃料の供給が停止されると共に、アノード及びカソードが燃料電池１０の外部から絶縁される。以上により、本実施形態の燃料電池システム１の停止処理が終了する。図３のタイムチャートにおけるｔｍ２が、燃料ポンプ１４を停止し、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６を閉塞した時に相当する。なお、ここでは、燃料ポンプ１４の停止と同時に、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６を閉塞しているが、特にこれに限定されず、燃料ポンプ１４の停止後に、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６を閉塞してもよい。
【００４１】
以下に、本実施形態の燃料電池システム１の作用について説明する。
【００４２】
燃料電池システムが非常用電源として用いられる場合、燃料電池システムは、ユーザの電力需要に応じて起動停止して運用されるのが一般的である。このような燃料電池システムに対しては、ユーザからの電力要求がない場合に、燃料電池システムを停止させたまま長期間に亘り待機させても、燃料電池が劣化することなく電池性能を維持できることが求められる。
【００４３】
ここで、カソード側に供給され、高分子電解質膜を透過してアノードに至る酸化剤が原因で、アノード電位が局部的に異常に高くなり、アノード触媒層に含まれる触媒が溶出してしまうことがある。この触媒の溶出により、膜電極接合体（具体的には、アノード触媒層）が劣化し、燃料電池の発電効率が低下するなどの問題が生じることがある。
【００４４】
従来の燃料電池システムでは、燃料供給手段による液体燃料の供給を停止すると共に、酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止し、さらに、アノードに液体燃料を供給するアノード供給口を開閉する第１の開閉弁、カソードに酸化剤を供給するカソード供給口を開閉する第２の開閉弁、及びカソードの生成物を排出するカソード排出口を開閉する第３の開閉弁の全てを閉塞することで、カソードへのさらなる酸化剤の供給を停止して、アノード及びカソードを燃料電池１０の外部から絶縁することで、燃料電池電システムの不使用期間におけるアノード触媒層の劣化の抑制を図っていた。
【００４５】
しかしながら、上記の技術では、アノード及びカソードを燃料電池１０の外部から絶縁した後に、カソード側に残留する酸化剤のアノード側へのクロスオーバーを十分に抑えることができず、アノード触媒層における触媒の溶出が生じて、膜電極接合体が劣化し、燃料電池の発電効率の低下が生じる場合があった。
【００４６】
これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、制御装置４０が燃料電池１０の停止指示を受けた場合に、まず、ブロワ１６を停止して酸化剤の供給を停止すると共に、第３の開閉弁３４を閉塞し、燃料電池１０のカソードにさらなる酸化剤の供給を停止する。そして、アノードに対する液体燃料の供給を維持し、液体燃料の一部をカソードにクロスオーバーさせることで、カソードに残留する酸化剤と液体燃料とを反応させて当該酸化剤を除去する。これにより、カソードに残留する酸化剤を十分に除去できるので、酸化剤のアノード側へのクロスオーバーを十分に抑制できる。また、カソードにクロスオーバーした液体燃料に酸化剤を同伴させて、カソードに残留する酸化剤をカソード排出口１０Ｄから燃料電池１０の外部に排出することが可能である。これにより、カソードに残留する酸化剤をより一層除去できるので、酸化剤のアノード側へのクロスオーバーをより一層抑制できる。
【００４７】
そして、電位検出装置３８の検出結果に基づき、電位差Ｖが所定の許容値Ｖｃの範囲内となった場合に、カソードに残留する酸化剤が十分に除去されたと判断して、燃料ポンプ１４による液体燃料の供給を停止すると共に、第１の開閉弁３０、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６を閉塞して、アノード及びカソードを燃料電池１０の外部から絶縁する。ここで、アノード及びカソードを燃料電池１０の外部から絶縁することにより、燃料電池１０の外部から燃料電池１０への異物の混入を抑制することが可能となる。これにより、燃料電池システム１の不使用期間において、膜電極接合体１０４（特に、アノード触媒層１０６）の劣化が抑えられ、燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４８】
また、液体燃料がカソード側にクロスオーバーすることで、カソードの電位が低下し、酸化したカソード触媒が還元されるので、燃料電池１０の発電効率の低下をさらに抑制することができる。
【００４９】
本実施形態における「膜電極接合体１０４」が本発明における「膜電極接合体」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池１０」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「燃料ポンプ１４」が本発明における「燃料供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「ブロワ１６」が本発明における「酸化剤供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「電位検出装置３８」が本発明における「電位検出手段」の一例に相当し、本実施形態における「制御装置４０」が本発明における「制御手段」の一例に相当し、本実施形態における「第１の開閉弁３０」が本発明における「第１の開閉弁」の一例に相当し、本実施形態における「第２の開閉弁３２」が本発明における「第２の開閉弁」の一例に相当し、本実施形態における「第３の開閉弁３４」が本発明における「第３の開閉弁」の一例に相当し、本実施形態における「第４の開閉弁３６」が本発明における「第４の開閉弁」の一例に相当する。
【００５０】
図４は、本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。
【００５１】
図４に示す燃料電池システム１Ｂでは、不活性ガス供給装置５０が、第１の切換弁３１及び第５の流路Ｆ５を介してアノード供給口１０Ａに接続されている。また、不活性ガス供給装置５０は、第２の切換弁３５及び第６の流路Ｆ６を介してカソード供給口１０Ｃに接続されている。この不活性ガス供給装置５０は、燃料電池１０のアノード及びカソードに窒素ガス等の不活性ガスを供給することができる。
【００５２】
第１の切換弁３１は、第１の流路Ｆ１と第５の流路Ｆ５との合流点に設けられている。この第１の切換弁３１は、アノード供給口１０Ａを開閉する弁であり、アノード供給口１０Ａを開放する場合、アノード供給口１０Ａと燃料ポンプ１４とを接続する流路（以下、「燃料供給ルート」とも称する。）か、アノード供給口１０Ａと不活性ガス供給装置５０とを接続する流路（以下、「第１の不活性ガス供給ルート」とも称する。）のいずれかを選択できる。第１の切換弁３１によるアノード供給口１０Ａの接続先の選択は、制御装置４０からの制御信号に基づいて行われる。なお、後述する第２の切換弁３５も含めて、切換弁３１、３５は、電磁弁であってもよいし、手動弁であってもよい。
【００５３】
第２の切換弁３５は、第３の流路Ｆ３と第６の流路Ｆ６との合流点に設けられている。この第２の切換弁３５は、カソード供給口１０Ｃを開閉する弁であり、カソード供給口１０Ｃを開放する場合、カソード供給口１０Ｃとブロワ１６とを接続する流路（以下、「酸化剤供給ルート」とも称する。）か、カソード供給口１０Ｃと不活性ガス供給装置５０とを接続する流路（以下、「第２の不活性ガス供給ルート」とも称する。）のいずれかを選択できる。第２の切換弁３５によるカソード供給口１０Ｃの接続先の選択は、制御装置４０からの制御信号に基づいて行われる。
【００５４】
次に、本実施形態における燃料電池システム１Ｂの制御手順について説明する。
【００５５】
図５は図４の制御装置におけるデータ処理手順を示すタイムチャート、図６は図５のデータ処理手順のタイムチャートである。
【００５６】
まず、ステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２３において、上述した実施形態で説明したステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３と同様、燃料電池１０による発電を行う。この場合、ステップＳＴ２２では、燃料電池１０による発電を行うため、開放状態の第１の切換弁３１において燃料供給ルートが選択され、開放状態の第２の切換弁３５において酸化剤供給ルートが選択されている。図６のタイムチャートにおけるｔｍ３が、燃料電池１０による発電を開始した時に相当する。
【００５７】
そして、燃料電池システム１Ｂが作動中のステップＳＴ２４において、制御装置４０に停止スイッチのＯＮ信号（停止指示）が入力されるとステップＳＴ２５に進む。ステップＳＴ２５では、制御装置４０によりブロワ１６を停止させる（第１の制御、第１の工程）と同時に、第２の切換弁３５を閉塞させる（第３の制御、第３の工程）。これにより、カソードへのさらなる酸化剤の供給が停止される。なお、ステップＳＴ２５において、第１の切換弁３１、第２の開閉弁３２、及び第４の開閉弁３６は、開放状態を維持しており、燃料ポンプ１４は、作動状態を維持している。このため、ステップＳＴ２５では、アノードに対する液体燃料の供給は継続されている。図６のタイムチャートにおけるｔｍ４が、ブロワ６を停止し、第２の切換弁３５を閉塞した時に相当する。
【００５８】
次いで、ステップＳＴ２６において、制御装置４０は、電位差Ｖと、電位差閾値Ｖｃとを比較して、電位差Ｖが所定の許容値Ｖｃの範囲内であるか否かを判定する。そして、電位差Ｖが所定の許容値Ｖｃの範囲内となったら、ステップＳＴ２７に進み、制御装置４０が燃料ポンプ１４へ停止信号を出力する（第２の制御、第２の工程）。これにより、アノードへのさらなる液体燃料の供給が停止される。
【００５９】
燃料ポンプ１４が停止したら、ステップＳＴ２８に進む。ここでは、第１の切換弁３１において第１の不活性ガス供給ルートが選択されて、燃料電池１０のアノードに不活性ガスが供給されると共に、第２の切換え弁３５が開放状態とされ、この第２の切換弁３５において第２の不活性ガス供給ルートが選択され、燃料電池１０のカソードに不活性ガスが供給される（第５の制御、第５の工程）。これにより、アノード排出口１０Ｂからアノードに残留する液体燃料や、アノードの生成物が燃料電池１０の外部へ排出されると共に、カソード排出口１０Ｄからカソードに残留する液体燃料や、カソードの生成物が燃料電池１０の外部へ排出される。図６のタイムチャートにおけるｔｍ５が、不活性ガス供給装置５０により燃料電池１０のアノード及びカソードに不活性ガスの供給を開始した時に相当する。
【００６０】
そして、ステップＳＴ２９として、燃料電池１０のアノード及びカソードに対する不活性ガスの供給により、燃料電池１０の発電セル１０１内（具体的には、膜電極接合体１０４）が十分に乾燥するように予め設定された所定の時間Ｔｃを経過したら、ステップＳＴ３０に進む。ここでは、制御装置４０は、不活性ガス供給装置５０に停止信号を出力し、これにより、燃料電池１０のアノード及びカソードに対する不活性ガスの供給が停止する。
【００６１】
次いで、ステップＳＴ３１では、制御装置４０は、第１の切換弁３１、第２の開閉弁３２、第２の切換弁３５、第４の開閉弁３６を閉塞する制御信号を出力して、これらを閉塞する（第４の制御、第４の工程）。これにより、燃料電池１０のアノード及びカソードが燃料電池１０の外部から絶縁される。以上により、本実施形態の燃料電池システム１Ｂの停止処理が終了する。図６のタイムチャートにおけるｔｍ６が、燃料ポンプ１４を停止し、第１の切換弁３１、第２の開閉弁３２、第２の切換弁３５、及び第４の開閉弁３６を閉塞した時に相当する。
【００６２】
本実施形態の燃料電池システム１Ｂの作用について説明する。
【００６３】
本実施形態の燃料電池システム１Ｂも、上述した実施形態における燃料電池システム１と同様の作用・効果を得ることができる。
【００６４】
また、本実施形態では、燃料電池１０のアノード及びカソードに不活性ガスを供給して、発電セル１０１内に液体燃料を残存させることなく、発電セル１０１内を乾燥させている。このため、燃料電池システム１Ｂの不使用期間において、発電セル１０１内で凍結が生じる可能性がより一層低くなる。これにより、液体燃料の凍結膨潤に起因した発電セル１０１の破壊が抑えられ、燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することができる。
【００６５】
本実施形態における「第１の切換弁３１」が本発明における「第１の開閉弁」の一例に相当し、本実施形態における「第２の切換弁３５」が本発明における「第３の開閉弁」の一例に相当し、本実施形態における「不活性ガス供給装置５０」が本発明における「不活性ガス供給手段」の一例に相当する。
【００６６】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００６７】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１０１…発電セル
１０４…膜電極接合体
１０５…高分子電解質膜
１０６…アノード触媒層
１０７…カソード触媒層
１０２…集電体
１０３…エンドプレート
１０Ａ…アノード供給口
１０Ｂ…アノード排出口
１０Ｃ…カソード供給口
１０Ｄ…カソード排出口
１２…燃料タンク
１４…燃料ポンプ
１６…ブロワ
１８…凝縮器
２０…水タンク
２２…水ポンプ
２４…外部燃料タンク
２６…外部燃料ポンプ
３０…第１の開閉弁
３１…第１の切換弁
３２…第２の開閉弁
３４…第３の開閉弁
３５…第２の切換弁
３６…第４の開閉弁
３８…電位検出装置
４０…制御装置
５０…不活性ガス供給装置
Ｆ１〜Ｆ６…第１〜第６の流路
【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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