(57)【要約】【課題】停止中及び起動時において開回路電圧を抑制し、電極やセパレータの腐食を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード及びカソードを有する燃料電池１０と、ブロア２０と、燃料ガスタンク３０と、第１貯留部４１と、第２貯留部４２と、第１弁５１と、第２弁５２と、カソードと第１貯留部４１とを接続する配管を開閉する第１開閉手段６０と、アノードと第２貯留部４２とを接続する配管を開閉する第２開閉手段７０とを備え、燃料電池１０に酸化ガス又は燃料ガスが残留している残留状態で、燃料電池１０に負圧を発生させるべく第１弁５１、第２弁５２、第１開閉手段６０及び第２開閉手段７０を閉鎖する負圧発生制御を実行し、残留状態で所定時間経過した以後に、第１貯留部４１及び第２貯留部４２に貯留された水を燃料電池１０に供給するべく第１開閉手段６０及び第２開閉手段７０を開放する水供給制御を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード及びアノードを備える燃料電池と、
前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるガス中の水分を貯留する貯留部と、
前記燃料ガス供給手段と前記酸化ガス供給手段のうち少なくとも何れか一方と、前記燃料電池とを接続する配管に設けられた弁と、
前記燃料電池と前記貯留部とを接続する配管を開閉する開閉手段と、
前記弁及び前記開閉手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池に酸化ガス又は燃料ガスが残留している残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記弁及び前記開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、
前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記開閉手段を開放する水供給制御を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
前記貯留部は、前記カソードから排出された排ガス中の水分を貯留する第１貯留部を含み、
前記弁は、前記酸化ガス供給手段と、前記カソードとを接続する配管に設けられた第１弁を含み、
前記開閉手段は、前記カソードと前記第１貯留部とを接続する配管を開閉する第１開閉手段を含み、
前記制御手段は、
前記残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記第１弁及び前記第１開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、
前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記第１貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記第１開閉手段を開放する水供給制御を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載する燃料電池システムにおいて、
前記貯留部は、前記アノードから排出された排ガス中の水分を貯留する第２貯留部を含み、
前記弁は、前記燃料ガス供給手段と、前記アノードとを接続する配管に設けられた第２弁を含み、
前記開閉手段は、前記アノードと前記第２貯留部とを接続する配管を開閉する第２開閉手段を含み、
前記制御手段は、
前記残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記第２弁及び前記第２開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、
前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記第２貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記第２開閉手段を開放する水供給制御を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載する燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、
前記燃料電池の起動前に前記第２弁を開放した後、前記第１弁を開放する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する燃料電池システムにおいて、
前記貯留部に貯留された水を前記燃料電池へ圧送するポンプを備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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】
燃料電池システムの燃料電池としては、アノードとカソードとで固体高分子電解質膜を挟んだ接合体を形成し、その接合体の外側を一対のセパレータで挟持して形成したセルを複数積層して構成したスタックを備えたものがある。そして、アノードに燃料ガスとして水素、カソードに酸化ガスとして空気を供給することで燃料電池に発電させている。
このような
【０００３】
このような燃料電池の運転を停止したとき、セル内に残留した燃料ガス及び酸化ガスによって各セルで発電可能状態が継続する。このため、カソードの電極電位が高くなり、燃料電池には、１．０Ｖ以上の高い開回路電圧が発生する。このように開回路電圧が高くなると、アノード及びカソードの電極やセパレータが腐食する虞がある。
このような問題に対し、燃料電池に設けた外部抵抗で開回路電圧を低減させることで電極やセパレータの腐食を防止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）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池システムでは、燃料電池を停止し、開回路電圧を低減させた後、燃料電池を再び起動する際に燃料ガスを燃料電池に供給すると、停止後と同様に１．０Ｖ以上の開回路電圧がかかってしまい、電極やセパレータの腐食を抑制することができない。また、燃料電池に外部抵抗を設けなければならないため、部品のコストが上昇するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、停止中及び起動時において開回路電圧を抑制し、電極やセパレータの腐食を抑制することができる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】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、カソード及びアノードを備える燃料電池と、前記カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池から排出されるガス中の水分を貯留する貯留部と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化ガス供給手段のうち少なくとも何れか一方と、前記燃料電池とを接続する配管に設けられた弁と、前記燃料電池と前記貯留部とを接続する配管を開閉する開閉手段と、前記弁及び前記開閉手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池に酸化ガス又は燃料ガスが残留している残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記弁及び前記開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記開閉手段を開放する水供給制御を実行することを特徴とする燃料電池システムにある。
【０００８】
第１の態様では、停止中及び起動時において開回路電圧を抑制し、電極やセパレータの腐食を抑制することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記貯留部は、前記カソードから排出された排ガス中の水分を貯留する第１貯留部を含み、前記弁は、前記酸化ガス供給手段と、前記カソードとを接続する配管に設けられた第１弁を含み、前記開閉手段は、前記カソードと前記第１貯留部とを接続する配管を開閉する第１開閉手段を含み、前記制御手段は、前記残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記第１弁及び前記第１開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記第１貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記第１開閉手段を開放する水供給制御を実行することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１０】
第２の態様では、発電に供される酸化ガスが徐々にカソードを充填していくので、燃料電池の開回路電圧を緩やかに立ち上がらせることができる。高い開回路電圧、例えば１．０Ｖになる前に、燃料電池を負荷に接続することができる。この結果、高い開回路電圧により電極やセパレータが腐食してしまうことを抑制することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記貯留部は、前記アノードから排出された排ガス中の水分を貯留する第２貯留部を含み、前記弁は、前記燃料ガス供給手段と、前記アノードとを接続する配管に設けられた第２弁を含み、前記開閉手段は、前記アノードと前記第２貯留部とを接続する配管を開閉する第２開閉手段を含み、前記制御手段は、前記残留状態で、前記燃料電池に負圧を発生させるべく前記第２弁及び前記第２開閉手段を閉鎖する負圧発生制御を実行し、前記残留状態で所定時間経過した以後に、前記第２貯留部に貯留された水を前記燃料電池に供給するべく前記第２開閉手段を開放する水供給制御を実行することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１２】
第３の態様では、燃料電池の停止時においては、アノードは負圧とされ、実質的には水素が無い状態である。このようにアノードには実質的に水素がなく、空気もない。このため、アノード内で空気と水素とが混在することで電極電位が上昇してしまうことが回避できる。すなわち、燃料電池の開回路電圧が高くなることを回避することができる。これにより、アノードやカソードの電極及びセパレータが腐食することを抑制することができる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の起動前に前記第２弁を開放した後、前記第１弁を開放することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１４】
第４の態様では、起動時に燃料電池の開回路電圧をより一層緩やかに立ち上がらせることができる。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第１から第４の何れか一つの態様に記載する燃料電池システムにおいて、前記貯留部に貯留された水を前記燃料電池へ圧送するポンプを備えることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１６】
第５の態様では、より十分な量の水を、ドレンから電極に吸引させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、停止中及び起動時において開回路電圧を抑制し、電極やセパレータの腐食を抑制することができる燃料電池システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図３】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図４】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図５】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図６】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図７】燃料電池システムの動作を示す概略図である。
【図８】燃料電池のアノード及びカソードに供給されている燃料ガス及び酸化ガスの状態を示す概略図である。
【図９】燃料電池システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【図１０】燃料電池システムの起動時の動作を示すフロー図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池のアノード及びカソードに供給されている燃料ガス及び酸化ガスの状態を示す概略図である。
【図１２】第１開閉手段の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００２０】
〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施形態の燃料電池システム１は、電動車両（図示せず）に搭載されており、運転者の要求に応じて、主に電動車両の駆動力として用いられる電力を出力する。
【００２１】
燃料電池システム１は、燃料電池１０（図ではＦＣと略記している）と、ブロア２０と、燃料ガスタンク３０と、第１貯留部４１と、第２貯留部４２と、第１弁５１と、第２弁５２と、第１開閉手段６０と、第２開閉手段７０と、制御手段の一例であるＥＣＵ１００と、を備えている。さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、駆動モータ１０１と、二次電池１０２と、放電装置１０３とを備えている。
【００２２】
燃料電池１０は、燃料ガスとして水素と、酸化ガスとして空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０の具体的な構成は特に限定はないが、ここでは、複数のセル（図示せず）が積層されたスタック構造を有する。具体的には、各セルは、固体高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとを配置した膜電極接合体と、膜電極接合体の外側に設けられたガス拡散層とを備えている。また、各セルのアノード及びカソードには、触媒として白金が含まれている。このようなセルがセパレータを介して複数積層されることでスタック構造の燃料電池１０が形成されている。
【００２３】
ブロア２０は、酸化ガス供給手段の一例であり、酸化ガスとして外気を取り込んで圧縮した空気を燃料電池１０のカソードに供給する装置である。ブロア２０と、カソードとを接続する酸化ガス配管２１には、第１弁５１が設けられている。
【００２４】
第１弁５１は、通常、閉じた状態であり、ブロア２０から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管２１に供給されたときに開く。このような構成により、ブロア２０から燃料電池１０のカソードに、酸化ガスが一定圧力で供給される。第１弁５１は、ＥＣＵ１００によって開閉制御が可能となっている。
【００２５】
燃料ガスタンク３０は、燃料ガス供給手段の一例であり、燃料ガスとして高圧で貯蔵した水素を燃料電池１０のアノードに供給する装置である。燃料ガスタンク３０と、アノードとを接続する燃料ガス配管３１には、第２弁５２が設けられている。
【００２６】
第２弁５２は、燃料ガスタンク３０に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させ、一定圧力にするための弁である。このような構成により、燃料ガスタンク３０から燃料電池１０のアノードに、燃料ガスが一定圧力で供給される。もちろん、燃料ガス配管３１を閉じて水素の供給を停止することも可能である。第２弁５２は、ＥＣＵ１００によって開閉制御が可能となっている。
【００２７】
第１貯留部４１は、燃料電池１０のカソードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池１０のカソードと、第１貯留部４１とを接続する第１排気管８０には、第１開閉手段６０が設けられている。第１開閉手段６０は、第１排気管８０を開閉する手段であり、本実施形態では、第１上流側三方弁６１、及び第１下流側三方弁６２から構成されている。
【００２８】
第１排気管８０から分岐した第１循環用配管８１がブロア２０の上流側の一部分に接続されている。そして、第１排気管８０と第１循環用配管８１との分岐点には、第１上流側三方弁６１が設けられている。
【００２９】
第１排気管８０のうち、第１貯留部４１と第１上流側三方弁６１との間の一部分から分岐した第１給水用配管８２が第１貯留部４１に連結されている。第１排気管８０と第１給水用配管８２との分岐点には、第１下流側三方弁６２が設けられている。
【００３０】
また、第１循環用配管８１には第１開閉弁８３が設けられ、第１給水用配管８２には、第１ポンプ８４が設けられている。
【００３１】
これらの第１上流側三方弁６１、第１下流側三方弁６２、及び第１開閉弁８３は、ＥＣＵ１００により開閉制御が可能となっている。詳細は後述するが、第１開閉手段６０の開閉制御により、燃料電池１０のカソードから排出された排ガスは第１貯留部４１に送られ、第１貯留部４１では気液分離された排ガス中の水分が水として貯留される。また、第１開閉手段６０の開閉制御により、第１貯留部４１の水が第１ポンプ８４に圧送されて燃料電池１０のカソードへ送られる。また、第１開閉弁８３の開閉制御により排ガスの一部はブロア２０の上流側へ導かれる。
【００３２】
第２貯留部４２は、燃料電池１０のアノードから排出された排ガス中の水分を貯留する容器である。燃料電池１０のアノードと、第２貯留部４２とを接続する第２排気管９０には、第２開閉手段７０が設けられている。第２開閉手段７０は、第２排気管９０を開閉する手段であり、本実施形態では、第２上流側三方弁７１、及び第２下流側三方弁７２から構成されている。
【００３３】
第２排気管９０から分岐した第２循環用配管９１が燃料ガスタンク３０の下流側の一部分に接続されている。そして、第２排気管９０と第２循環用配管９１との分岐点には、第２上流側三方弁７１が設けられている。
【００３４】
第２排気管９０のうち、第２貯留部４２と第２上流側三方弁７１との間の一部分から分岐した第２給水用配管９２が第２貯留部４２に連結されている。第２排気管９０と第２給水用配管９２との分岐点には、第２下流側三方弁７２が設けられている。
【００３５】
また、第２循環用配管９１には第２開閉弁９３が設けられ、第２給水用配管９２には、第２ポンプ９４が設けられている。
【００３６】
これらの第２上流側三方弁７１、第２下流側三方弁７２、及び第２開閉弁９３は、ＥＣＵ１００により開閉制御が可能となっている。詳細は後述するが、第２開閉手段７０の開閉制御により、燃料電池１０のアノードから排出された排ガスは第２貯留部４２に送られ、第２貯留部４２では気液分離された排ガス中の水分が水として貯留される。また、第２開閉手段７０の開閉制御により、第２貯留部４２の水が第２ポンプ９４に圧送されて燃料電池１０のアノードへ送られる。また、第２開閉弁９３の開閉制御により排ガスの一部（未燃の燃料ガス）は燃料ガスタンク３０の下流側へ循環用ポンプ９５により昇圧されて導かれる。
なお、第１貯留部４１及び第２貯留部４２は、請求項に記載する貯留部の一例であり、第１弁５１及び第２弁５２は、請求項に記載する弁の一例である。
【００３７】
駆動モータ１０１は、燃料電池１０及び二次電池１０２からの電力によって、電動車両の駆動輪（図示せず）を駆動するためのプラス側の駆動力（トルク）を発生する。また、駆動モータ１０１は、減速時等には発電機として作動しマイナス側の回生力（トルク）を発生する。駆動モータ１０１は、インバータ（図示せず）を介して燃料電池１０及び二次電池１０２に接続されている。インバータは、燃料電池１０で発電された直流電力や、二次電池１０２に充電された直流電力を交流電力に変換して駆動モータ１０１に供給する。また、駆動モータ１０１で発電された回生電力は、インバータにより直流電力に変換され二次電池１０２に充電されるようになっている。
【００３８】
二次電池１０２は、例えばリチウムイオン電池であり、燃料電池１０で発電された電力や駆動モータ１０１で発電された回生電力を充電する。この二次電池１０２により充電された電力は、主として駆動モータ１０１の駆動に用いられる。ＥＣＵ１００により、二次電池１０２は燃料電池１０に電気的に接続され、又は燃料電池１０から電気的に切断される。
【００３９】
放電装置１０３は、燃料電池１０が発電した電力を放電する装置であり、例えば、アノードとカソードとに電気的に接続する放電抵抗である。ＥＣＵ１００により、放電装置１０３は燃料電池１０に電気的に接続され、又は燃料電池１０から電気的に切断される。
【００４０】
ＥＣＵ１００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成されている。ＥＣＵ１００は、各種センサから読み込んだ検知信号、出力要求、及び主記憶装置上のプログラムに基づいて、第１弁５１及び第２弁５２の開閉を制御したり、ブロア２０から供給される空気の流量を調整することによって燃料電池１０による発電を制御する。
【００４１】
また、ＥＣＵ１００は、アクセルの踏み込み量に応じて、二次電池１０２に電力を駆動モータ１０１に供給させ、駆動モータ１０１を駆動させる。ＥＣＵ１００は、出力要求に対して、二次電池１０２の電力だけでは足りない場合、第１弁５１や第２弁５２の開閉を制御し、ブロア２０から供給される空気の流量を制御して、燃料電池１０を運転状態とし発電させる。ＥＣＵ１００は、燃料電池１０が発電した電力を駆動モータ１０１に供給させる。ＥＣＵ１００が二次電池１０２のＳＯＣが所定値以下であることを検知したとき、燃料電池１０が発電した電力を二次電池１０２へ電力を供給させる。
【００４２】
さらに、ＥＣＵ１００は、第１弁５１、第２弁５２、第１開閉手段６０及び第２開閉手段７０を開閉制御することで、燃料電池１０の停止時及び起動時において開回路電圧が高くなることを抑制する。
【００４３】
図２から図７は、燃料電池システムの動作を示す概略図であり、図８は燃料電池のアノード及びカソードに供給されている燃料ガス等の状態を示す概略図である。図２から図７の各弁は、黒塗りであれば閉鎖した状態、白塗りであれば開放した状態を示している。また、図２から図７では、ＥＣＵ１００、駆動モータ１０１、二次電池１０２、放電装置１０３の図示は省略している。
【００４４】
まず、図２及び図８を用いて、燃料電池１０の運転状態について説明する。燃料電池１０の運転状態とは、燃料電池１０に燃料ガス及び酸化ガスを供給して発電させ、その電力を負荷に供給している状態をいう。
【００４５】
運転状態において、ＥＣＵ１００は、第１弁５１を開放する。また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０のカソード側から第１貯留部４１へ排気ガスが流通し、第１循環用配管８１及び第１給水用配管８２へは排気ガスが流通しないように第１上流側三方弁６１及び第１下流側三方弁６２の開閉を制御する。
【００４６】
これにより、ブロア２０から燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして空気が供給され、カソードから第１貯留部４１へ排気ガスが排出される。第１貯留部４１には排気ガス中の水分が貯留され、排気は燃料電池システム１の外部へ排出される。
【００４７】
また、運転状態において、ＥＣＵ１００は、第２弁５２及び第２開閉弁９３を開放する。また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０のアノード側から第２循環用配管９１へ排気ガスが流通し、第２貯留部４２へは排気ガスが流通しないように第２上流側三方弁７１の開閉を制御する。また、ＥＣＵ１００は、第２下流側三方弁７２の全てを閉じておく。
【００４８】
これにより、燃料ガスタンク３０から燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして水素が供給される。そして、燃料電池１０のアノードから排出された排気ガス（未燃の水素）は、第２循環用配管９１を通り、循環用ポンプ９５により昇圧されて燃料ガス配管３１から再びカソードに供給される。
【００４９】
燃料電池１０に供給される空気量および水素量は、いずれも、燃料電池１０から所望の電力を得るために必要となる量となるように第１弁５１及び第２弁５２の開度や、ブロア２０からの空気量が制御される。
【００５０】
図８（ａ）に示すように、運転状態においては、燃料電池１０のセル内にはアノード側に水素が充填され、カソード側に空気が充填された状態である。
【００５１】
次に、図３、図４及び図８に示すように、燃料電池１０が運転状態であり、イグニションスイッチがオフにされたときなど、燃料電池１０を停止させる指示を受けたとき、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０を停止させる制御を行う。
【００５２】
ここでは、段階的に燃料電池１０を停止させる例について説明する。図３に示すように、ＥＣＵ１００は、第１弁５１及び第１開閉弁８３を開放する。また、ＥＣＵ１００は、第１上流側三方弁６１については、第１貯留部４１側を閉鎖し、燃料電池１０側と第１循環用配管８１側とを開放する。また、ＥＣＵ１００は、第１下流側三方弁６２を閉じる。また、ブロア２０に外気が取り込まれないように、ブロア２０の上流側に設けられた弁（図示せず）を閉じる。
【００５３】
一方、ＥＣＵ１００は、第２弁５２及び第２開閉弁９３を開放する。また、ＥＣＵ１００は、第２上流側三方弁７１については、第２貯留部４２側を閉鎖し、燃料電池１０側と第２循環用配管９１側とを開放する。また、ＥＣＵ１００は、第２下流側三方弁７２を閉じる。さらに、ＥＣＵ１００は、燃料ガスタンク３０から燃料ガスの供給を弁（図示せず）を閉じるなどして停止させる。
【００５４】
また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０と負荷との接続を遮断して、出力電流を０とする。
【００５５】
このような制御により、ブロア２０、燃料電池１０のカソード、第１上流側三方弁６１、第１循環用配管８１は外気から遮断され、それらの内部に残留した酸化ガスが循環する。また、燃料電池１０のアノード、第２上流側三方弁７１、第２循環用配管９１は外気から遮断され、それらの内部に残留した燃料ガスが循環する。
【００５６】
図３のように停止させるための動作を開始してから、所定時間が経過した場合や、燃料電池１０のセル電圧が所定値を下回ったなどの条件が成立したとき、具体的には酸化ガス又は燃料ガスが燃料電池１０に残留している残留状態で、図４に示すように、ＥＣＵ１００は、第１弁５１、第２弁５２、第１上流側三方弁６１及び第２上流側三方弁７１を閉じることにより、負圧発生制御を実行する。
【００５７】
負圧発生制御により、燃料電池１０のカソードに酸化ガスを供給する流路と、燃料電池１０のカソードから排気ガスを排出する流路とは、第１弁５１及び第１上流側三方弁６１により外気から遮断されて閉空間（以降、カソード側閉空間とも称する）となる。同様に、燃料電池１０のアノードに燃料ガスを供給する流路と、燃料電池１０のアノードから排気ガスを排出する流路とは、第２弁５２及び第２上流側三方弁７１により外気から遮断されて閉空間（アノード側閉空間とも称する）となる。このような閉空間に残留した酸化ガス及び燃料ガスは、燃料電池１０で電気化学反応を生じ、徐々に減っていく。
【００５８】
図８（ｂ）に示すように、停止時（図４の状態）となり、すなわち残留状態となってから十分な時間が経過すると、アノードでは燃料ガス（水素）は消費しつくされ、水素は実質的に存在しない。このように、残留状態では、閉空間で水素が減少したのでアノード側は負圧となっている。同様に、カソード側では酸化ガスである空気中の酸素が消費しつくされ、窒素ガスが残留している。このように閉空間で酸素が減少したのでカソード側は負圧となっている。
【００５９】
次に、図５及び図８に示すように、燃料電池１０の残留状態で所定時間経過した以後に（停止後から起動前までの間では）、電極に水を充填するための水供給制御を行う。燃料電池１０の停止後とは、図４に示したように、燃料電池１０のカソード閉空間及びアノード閉空間を負圧にした後をいう。燃料電池１０の起動とは、燃料電池１０に負荷は接続しないが、燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池に供給する動作をいう。このような起動を行う直前までを起動前と称する。
【００６０】
図５に示すように、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０のカソード側から第１貯留部４１まで流路が形成されるように第１開閉手段６０を開放する。本実施形態では、第１上流側三方弁６１については、第１循環用配管８１側を閉鎖し、燃料電池１０側と第１下流側三方弁６２側とを開放させる。また、第１下流側三方弁６２については、第１上流側三方弁６１側と第１ポンプ８４側とを開放させ、第１貯留部４１側を閉鎖する。
【００６１】
一方、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０のアノード側から第２貯留部４２まで流路が形成されるように第２開閉手段７０を開放する。本実施形態では、第２上流側三方弁７１については、第２循環用配管９１側を閉鎖し、燃料電池１０側と第２下流側三方弁７２側とを開放させる。また、第２下流側三方弁７２については、第２上流側三方弁７１側と第２ポンプ９４側とを開放させ、第２貯留部４２側を閉鎖する。
【００６２】
このような制御により、カソード側閉空間は、開放され、第１ポンプ８４を介して第１貯留部４１に連通する。カソード側閉空間は負圧であったので、第１貯留部４１内の底部からの水がカソードへ吸い上げられる。本実施形態では、負圧だけではなく、第１給水用配管８２の途中に設けた第１ポンプ８４によっても水をカソードへ圧送するようになっている。すなわち、カソード側閉空間の負圧と、第１ポンプ８４により、第１貯留部４１から第１給水用配管８２、第１排気管８０を経由して、水が燃料電池１０のカソードに送られる。
【００６３】
同様に、アノード側閉空間は、開放され、第２ポンプ９４を介して第２貯留部４２に連通する。アノード側閉空間は負圧であったので、第２貯留部４２内の底部からの水がアノードへ吸い上げられる。本実施形態では、負圧だけではなく、第２給水用配管９２の途中に設けた第２ポンプ９４によっても水をアノードへ圧送するようになっている。すなわち、アノード側閉空間の負圧と、第２ポンプ９４により、第２貯留部４２から第２給水用配管９２、第２排気管９０を経由して、水が燃料電池１０のアノードに送られる。
【００６４】
図８（ｃ）に示すように、カソードに水が供給されると、カソードに残留していた窒素の一部（又は全部）が水により置換され、カソードは水及び窒素を含浸した状態となる。また、アノードに水が供給されると、アノードに残留していた燃料ガスが水に置換され、アノードは水を含浸した状態となる。
【００６５】
なお、上述したような燃料電池１０に水を供給するための制御は、停止後であればいつでもよく、遅くとも起動前までに行えばよい。
【００６６】
次に、図６から図８に示すように、燃料電池１０の起動を行う。
図６に示すように、ＥＣＵ１００は、第２弁５２及び第２開閉弁９３を開放する。また、ＥＣＵ１００は、第２上流側三方弁７１については、第２貯留部４２側を閉鎖し、燃料電池１０側と第２循環用配管９１とを開放する。また、ＥＣＵ１００は、第２下流側三方弁７２を閉じる。このような制御により、燃料電池１０のアノードには燃料ガスが供給される。
【００６７】
図８（ｄ）に示すように、燃料電池１０のアノードに燃料ガスが供給されると、アノードに含浸されていた水は燃料ガス（水素）によって置換され、十分な時間が経過すると図８（ｅ）に示すように、アノードは、水が排除され、水素で満たされる。
【００６８】
次に、図７に示すように、ＥＣＵ１００は、第１弁５１を開放する。また、ＥＣＵ１００は、第１上流側三方弁６１については、燃料電池１０側と第１貯留部４１側とを開放し、第１循環用配管８１側は閉鎖する。また、ＥＣＵ１００は、第１下流側三方弁６２については、燃料電池１０側と第１貯留部４１側とを開放し、第１給水用配管８２側を閉鎖する。このような制御により、燃料電池１０のカソードには酸化ガスが供給される。
【００６９】
図８（ｅ）に示すように、燃料電池１０のカソードに酸化ガス（空気）が供給されると、カソードに含浸されていた水及び窒素は酸化ガスによって置換され、十分な時間が経過すると、特に図示しないがカソードは、水が排除され、空気で満たされる。
そして、ＥＣＵ１００が燃料電池１０を起動させた後は、燃料電池１０を負荷に接続することで、発電した電力を負荷に供給することができる。
【００７０】
図９は、本実施形態の燃料電池システム１の停止時の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ＥＣＵ１００により実行される。
まず、燃料電池（図ではＦＣと略記）の停止指示があったかを判定する（ステップＳ１）。停止指示がない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。
【００７１】
停止指示があった場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、燃料電池１０のセル電圧を検出し（ステップＳ２）、発電によるガス消費を実行する（ステップＳ３）。発電によるガス消費とは、燃料電池１０のアノード及びカソードを負圧にし、燃料ガスを消費し、酸化ガス中の酸素を消費することをいう。具体的には、図３から図４に示した制御を行う。
【００７２】
次に、セル電圧が０．１Ｖ以下であるかを判定する（ステップＳ４）。この０．１Ｖは、ステップＳ３で十分ガスが消費されたと判断するための閾値である。ステップＳ３で残留した燃料ガスや酸化ガスが消費されるとセル電圧が低下するからである。この閾値は０．１Ｖに限定されず、例えば、０．６Ｖ以下の任意の値を設定すればよい。
【００７３】
セル電圧が０．１Ｖよりも高い場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。
【００７４】
セル電圧が０．１Ｖ以下の場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、燃料電池１０に残留した燃料ガス及び酸化ガスが十分消費され、負圧になったと判定し、水置換を行う（ステップＳ５）。
【００７５】
水置換は、カソード及びアノードに第１貯留部４１及び第２貯留部４２から水を供給して、カソード及びアノードに水を含浸させることであり、具体的には、図５に示した制御を行う。なお、水置換は、ステップＳ４がＹｅｓと判定された後、すなわち燃料電池１０のアノード閉空間及びカソード閉空間が負圧になった後であり、かつ、燃料電池１０を起動する前の任意のタイミングで行えばよい。
【００７６】
次に、セル電圧が０Ｖであるかを判定する（ステップＳ６）。この０Ｖは、水置換が十分に行われたと判断するための閾値である。水置換が十分に行われれば、セル電圧が０Ｖになるからである。この閾値は、０Ｖに限定されず、ステップＳ４で設定した閾値よりも低ければよい。
【００７７】
セル電圧が０Ｖではない場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。セル電圧が０Ｖである場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、燃料電池１０の停止処理を終了する。
【００７８】
図１０は、本実施形態の燃料電池システム１の起動時の動作を示すフロー図である。以下の処理は、ＥＣＵ１００により実行される。
まず、燃料電池（図ではＦＣと略記）の起動指示があったかを判定する（ステップＳ１０）。起動指示がない場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。
【００７９】
起動指示があった場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０のセル電圧を検出し（ステップＳ１１）、水素（燃料ガス）の供給を実行する（ステップＳ１２）。具体的には、図６に示した制御を行う。
【００８０】
次に、セル電圧が０．１Ｖ以上であり、かつ経過時間が閾値ａ以上であるかを判定する（ステップＳ１３）。この０．１Ｖは、ステップＳ１２でアノードから水が排除され、アノードに水素が供給されたと判断するための閾値である。アノードに水素が供給されるとセル電圧が上昇し始めるからである。この閾値は０．１Ｖに限定されず、例えば、０．６Ｖ以下の任意の値を設定すればよい。また、経過時間とは、水素供給を始めてからの経過時間であり、閾値ａは、アノードから水が排除され、水素が供給されたと判断するための閾値である。
【００８１】
セル電圧が０．１Ｖ未満、又は経過時間が閾値ａ未満である場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。セル電圧が０．１Ｖ以上かつ経過時間が閾値ａ以上の場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、空気供給を行う（ステップＳ１４）。空気供給は、具体的には、図７に示した制御を行う。
【００８２】
次に、セル電圧が閾値ｂ以上であるかを判定する（ステップＳ１５）。閾値ｂは、ステップＳ１３でカソードから水が排除され、カソードに空気が供給されたと判断するための閾値である。カソードに空気が供給されるとセル電圧が上昇し始めるからである。また、閾値ｂは、開回路電圧がアノードやカソード、さらにはセパレータなどを腐食させるおそれのある電圧よりも小さな値とし、ステップＳ１３の閾値（０．１Ｖ）以上とする。例えば、閾値ｂは０．９Ｖ未満、好ましくは、０．６Ｖ以下の任意の値を設定すればよい。
【００８３】
セル電圧が閾値ｂ未満である場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。セル電圧が閾値ｂ以上である場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、発電を開始する（ステップＳ１６）。具体的には、燃料電池１０を駆動モータ１０１や二次電池１０２に接続する。上述したように、開回路電圧が緩やかに立ち上がるので、高い開回路電圧となることを避けて発電を開始することができる。
【００８４】
ここで、上述した一連の制御を行う燃料電池システム１の作用効果について説明する。  図４及び図８（ｂ）に示すように、第１弁５１及び第１開閉手段６０を閉鎖することで、カソード閉空間を実質窒素のみで満たされた負圧の状態とした。そして、カソード閉空間を負圧とすることで、図５及び図８（ｃ）に示すように、第１貯留部４１から水をカソードに供給し、カソードには水と窒素を含浸する状態とした。
【００８５】
そして、図６、図７、図８（ｄ）及び図８（ｅ）に示すように、カソードに含まれている水及び窒素を酸化ガス（空気）で置換した。このように、発電に供される酸化ガスが徐々にカソードを充填していくので、燃料電池１０の開回路電圧を緩やかに立ち上がらせることができる。
【００８６】
したがって、高い開回路電圧、例えば１．０Ｖになる前に、燃料電池１０を負荷に接続することができる。この結果、高い開回路電圧により電極やセパレータが腐食してしまうことを抑制することができる。
【００８７】
さらに、図４及び図８（ｂ）に示すように、停止時においては、アノードは負圧とされ、実質的には水素が無い状態である。このようにアノードには実質的に水素がなく、空気もない。このため、アノード内で空気と水素とが混在することで電極電位が上昇してしまうことが回避できる。
【００８８】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、図８（ｂ）に示すように停止時においてアノードで残留した燃料ガスと酸素が反応して電極電位が上昇し、燃料電池１０の開回路電圧が高くなることを回避することができる。これにより、アノードやカソードの電極及びセパレータが腐食することを抑制することができる。
【００８９】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、図８（ｄ）及び図８（ｅ）に示すように、カソードに水及び窒素が充填された状態から徐々に空気に置換するので、開回路電圧の立ち上がりが急峻となることを避けることができる。これにより、燃料電池１０の開回路電圧をゆっくり立ち上がらせ、高い開回路電圧となることを回避することができる。これにより、アノードやカソードの電極及びセパレータが腐食することを抑制することができる。
【００９０】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、起動時には、アノードから先に充填した水を燃料ガスで置換し、その後、カソードの水及び窒素を酸化ガスで置換した。これにより、カソード、アノードの順に水を置換する場合よりも、燃料電池１０の開回路電圧をゆっくり立ち上がらせることができる。もちろん、カソードから先に充填した水及び窒素を酸化ガスで置換し、その後、アノードの水を燃料ガスで置換してもよい。
【００９１】
また、本実施形態では、図５に示したように、第１貯留部４１及び第２貯留部４２のそれぞれから、第１ポンプ８４及び第２ポンプ９４を用いて、カソード及びアノードに水を供給した。これにより、より十分な量の水を、第１貯留部４１及び第２貯留部４２からカソード及びアノードに吸引させることができる。
【００９２】
なお、第１ポンプ８４及び第２ポンプ９４は必須ではない。すなわち、カソード閉空間、及びアノード閉空間の負圧のみで、第１貯留部４１及び第２貯留部４２から水を吸引させてもよい。
【００９３】
なお、図１１に示すように、従来の燃料電池システムでは、開回路電圧が高くなることを抑制できない。図１１（ａ）に示すように、従来の燃料電池システムにおいて、運転状態では、アノードとカソードにはそれぞれ水素と空気が供給されている。図１１（ｂ）は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止したときの状態を示している。このとき、アノードには未燃の燃料ガス（水素）が残留している。そして、本実施形態の燃料電池システム１のように、負圧にはしないので、空気がアノードに混在することになる。このようにアノードに空気と水素とが混在すると、アノードで電気化学反応が生じ、電極電位が上昇する。この結果、停止時において開回路電圧が１．５Ｖ程度まで上昇してしまい、電極やセパレータを腐食させてしまう。
【００９４】
また、図１１（ｃ）に示すように、従来の燃料電池システムでは、カソードでは、水を充填させていない。つまり、停止後からカソードには空気が存在し続けている状態である。したがって、図１１（ｄ）に示すように、アノードに水素が供給されると、開回路電圧は直ちに立ち上がり、高い開回路電圧（例えば１．０Ｖ）を回避することができない。一般に燃料電池では０．９Ｖ〜１．０Ｖの開回路電圧が継続すると電極やセパレータが腐食するため、従来の燃料電池では、停止時や起動時において高い開回路電圧による腐食を回避することが困難であった。
【００９５】
〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００９６】
例えば、燃料ガスタンク３０の出口部とブロア２０の入口部には、負圧発生制御の実行時にガスの流入を防止する弁を有してもよい。
【００９７】
実施形態１に係る燃料電池システム１では、アノード及びカソードの両方について、負圧にし（図３、図４）、水で充填し（図５）、燃料ガス及び酸化ガスの供給を行った（図６、図７）。しかし、本発明はこのような態様に限定されず、アノードのみ、又はカソードのみについて、負圧にし、水で充填し、その後に燃料ガス及び酸化ガスの供給を行うようにしてもよい。
【００９８】
アノードのみを負圧にし、水で充填する場合では、図８（ｂ）に示すように、停止時において、アノードに残留した水素と空気とが接触することが避けられるので、アノードの電極電位が上昇することを避けることができ、高い開回路電圧となることを回避することができる。
【００９９】
カソードのみを負圧にし、水で充填する場合では、図８（ｄ）及び図８（ｅ）に示すように、起動時において、カソードに残留した水と窒素が徐々に空気で置換されていくので、開回路電圧が緩やかに立ち上がり、高い開回路電圧となることを避けて発電を開始することができる。
【０１００】
実施形態１に係る燃料電池システム１では、カソード及びアノードの両方について、第１貯留部４１及び第２貯留部４２がそれぞれ接続されていたが、このような態様に限定されない。例えば、カソード及びアノードの双方に共通の貯留部を設けてもよい。
【０１０１】
実施形態１に係る燃料電池システム１では、第１開閉手段６０として、第１上流側三方弁６１及び第１下流側三方弁６２を備えていたが、このような態様に限定されない。
【０１０２】
図１２は、第１開閉手段の一例を示す概略図である。なお、アノード側は図示を省略している。図示するように、第１開閉手段６０を、上流側開閉弁６１Ａ及び下流側開閉弁６２Ａから構成してもよい。第１排気管８０の途中に、燃料電池１０側から第１貯留部４１に向かって上流側開閉弁６１Ａ、下流側開閉弁６２Ａを設ける。そして、これらの上流側開閉弁６１Ａと下流側開閉弁６２Ａとの間に、第１給水用配管８２を連結する。このような態様であっても、燃料電池１０のカソードからの排気ガスを第１貯留部４１に送り、第１貯留部４１の水を燃料電池１０のカソードへ送ることができる。
【０１０３】
このように、第１開閉手段６０は、燃料電池１０のカソードから第１貯留部４１までの間を閉じることで、カソード側を閉空間とすることができ、第１貯留部４１の水を負圧又は第１ポンプ８４によってカソード側へ供給させることができる構成であればよい。特に図示しないが、第２開閉手段７０についても同様である。
【０１０４】
実施形態１に係る燃料電池システム１では、電動車両に搭載されていたが、このような態様に限定されず、電源として任意の用途に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１     燃料電池システム
１０   燃料電池
２０   ブロア（酸化ガス供給手段）
３０   燃料ガスタンク（燃料ガス供給手段）
４１   第１貯留部
４２   第２貯留部
５１   第１弁
５２   第２弁
６０   第１開閉手段
７０   第２開閉手段
８４   第１ポンプ
９４   第２ポンプ
【図１】
2018060687.tif 000003
【図２】
2018060687.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018060687.tif 000008
【図７】
2018060687.tif 000009
【図８】
2018060687.tif 000010
【図９】
2018060687.tif 000011
【図１０】
2018060687.tif 000012
【図１１】
2018060687.tif 000013
【図１２】
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