(57)【要約】【課題】触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止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】制御ユニット７０は、システム停止時にガスの置換と規制弁４１〜４３の弁閉とを行う。このため、燃料電池スタック１０の内部を燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方で置換して、システム起動時における触媒劣化反応を抑制することができる。さらに、システムが再起動されるまでのシステム停止期間中において検出された規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満である場合、規制弁４１〜４３を開ける。このため、規制弁４１〜４３に水が付着していたとしても、所定温度未満では規制弁４１〜４３が開けられることとなり、規制弁４１〜４３は開状態で固着することとなる。【選択図】図１
2008041622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
弁閉されることで燃料極側および酸化剤極側への外気の流入を規制する規制弁と、
前記燃料電池スタックの燃料極側及び酸化剤極側のガスを燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方によって置換する置換手段と、
前記規制弁の開閉及び置換手段によるガス置換を制御する制御手段と、
前記規制弁の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、システム停止時に前記置換手段によるガスの置換と前記規制弁の弁閉とを行い、システム停止からシステムが再起動されるまでのシステム停止期間中において前記温度検出手段により検出された温度が所定温度未満である場合、前記規制弁を開ける
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記置換手段は、前記燃料電池スタックの燃料極側及び酸化剤極側を少なくとも燃料ガスを含んだガスによって置換し、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が所定温度未満であって前記規制弁を開ける場合、酸化剤極側の弁を開けた後に、燃料極側の弁を開ける
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】
前記燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が所定温度未満であって前記規制弁を開ける場合、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を開始する
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの燃料極側において燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を開始する場合、前記燃料ガス循環手段による燃料ガスの循環を開始する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御する負荷取出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス循環手段による燃料ガスの循環開始後に、前記負荷取出手段により電流を取り出す
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、システムが再起動されるまでのシステム停止期間中において、前記規制弁が開けられるまでは燃料極側及び酸化剤極側の少なくとも一方を正圧の状態で保持する
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７】
前記制御手段は、規制弁を開ける場合、燃料極側の弁と酸化剤極側の弁とを同時に開けると共に、少なくとも一方の弁について開閉を繰り返す開閉制御をし、燃料極側の弁の開状態の時間を酸化剤極側の弁の開状態の時間よりも長くする
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８】
前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックのうち、前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給された場合に燃料ガスの流れの下流側から上流側への方向を規定方向としたとき、酸化剤極側の規制弁のうち前記規定方向側に存在する弁を開け、その後に他の規制弁を開ける
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９】
前記制御手段は、前記規制弁の開閉を繰り返す開閉制御をする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【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】
従来、システム停止時に酸化剤極側の酸化剤ガスの全部又は一部を不活性ガスで置換し、その後、置換した不活性ガスの全部又は一部をさらに燃料ガスで置換する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、不活性ガスの全部又は一部を燃料ガスで置換した後に、燃料極側の上流及び下流、並びに酸化剤極側の上流及び下流に設けられた遮断弁を閉じることで、両極側に燃料ガスを封入することとしている。これにより、両極側に酸化剤ガスが存在する状態で燃料極側に燃料ガスを供給することによる触媒劣化反応を抑制することとしている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−７１９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスを封入するべく遮断弁を閉じるため、システム停止後に外気温が低下して氷点下になった場合など、遮断弁に付着していた水が凍結して遮断弁を閉状態のまま固着させてしまう可能性がある。この場合、遮断弁を開くことができなくなり、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給できずにシステムを再起動できなくなってしまう。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、規制弁と、置換手段と、制御手段と、温度検出手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う。規制弁は、弁閉されることで燃料極側および酸化剤極側への外気の流入を規制する。置換手段は、燃料電池スタックの燃料極側及び酸化剤極側のガスを燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方によって置換する。制御手段は、規制弁の開閉及び置換手段によるガス置換を制御する。温度検出手段は、規制弁の温度を検出する。さらに、制御手段は、システム停止時に置換手段によるガスの置換と規制弁の弁閉とを行い、システム停止からシステムが再起動されるまでのシステム停止期間中において温度検出手段により検出された温度が所定温度未満である場合、規制弁を開ける。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、システム停止時にガスの置換と規制弁の弁閉とを行うため、燃料電池スタックを燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方で置換して、触媒劣化反応を抑制することができる。さらに、システムが再起動されるまでのシステム停止期間中において検出された規制弁の温度が所定温度未満である場合、規制弁を開ける。このため、規制弁に水が付着していたとしても、所定温度未満では規制弁が開けられることとなり、規制弁はたとえ固着したとしても開状態で固着することとなる。よって、規制弁は閉状態で固着することがなく、弁固着によって再起動ができなくなることを防止することができる。従って、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、酸化剤ガス供給系３０とを備えている。
【０００９】
燃料電池スタック１０は、燃料ガス（水素）の供給を受ける燃料極１１と、酸化剤ガス（酸素（具体的には酸素を含んだ空気））の供給を受ける酸化剤極１２とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料極１１と酸化剤極１２とは固体高分子電解質膜１３を挟んで重ね合わされて発電セルを構成している。燃料電池スタック１０は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
【００１０】
図２は、図１に示された燃料電池スタック１０の単位セルを示す構成図である。図２に示すように、燃料極１１と酸化剤極１２との間には固体高分子電解質膜１３が設けられている。この固体高分子電解質膜１３は、水素イオン導電性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸からなっている。燃料極１１は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン導電性を有する高分子電解質との混合物からなる燃料極触媒層１１ａと、燃料極触媒層１１ａの上に積層した通気性および電子導電性を有するガス拡散層１１ｂとを有している。同様に、酸化剤極１２は、触媒および高分子電解質との混合物からなる酸化剤極触媒層１２ａと、酸化剤極触媒層１２ａの上に積層した通気性および電子導電性を有するガス拡散層１２ｂとを有している。
【００１１】
また、両極１１，１２は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路１４ａ，１５ａを有するセパレータ１４，１５で挟持されている。これらのガス流路１４ａ，１５ａは、ガス供給口から排出口にかけてほぼ直線状となっている（いわゆるストレート流路となっている）。流路１４ａ，１５ａが直線状であるため、セルにおいて発生した水は、ガスの流れによって液相のままスタック外に排出し易くなる。
【００１２】
再度、図１を参照する。燃料ガス供給系２０は、水素タンク（燃料ガス供給手段）２１と、燃料極側供給配管２２と、シャットバルブ２３と、第１圧力調整弁２４と、燃料極側排出配管２５と、循環配管２６と、循環ポンプ（燃料ガス循環手段）２７とからなっている。
【００１３】
水素タンク２１は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスを供給するものである。燃料極側供給配管２２は水素タンク２１と燃料電池スタック１０の燃料極側入口とを接続し、水素タンク２１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０の燃料極１１まで導くものである。シャットバルブ２３は、燃料極側供給配管２２に設けられ、水素タンク２１の高圧水素ガスを機械的に所定圧力まで減圧するものである。
【００１４】
第１圧力調整弁２４は、燃料極側供給配管２２のうちシャットバルブ２３から燃料電池スタック１０の燃料極側入口までの部分に設けられ、水素タンク２１から燃料電池スタック１０の燃料極１１に供給される燃料ガスの供給量を制御できるようになっている。また、第１圧力調整弁２４は、燃料ガスの供給量を制御することにより燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力を調整可能となっている。
【００１５】
燃料極側排出配管２５は、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口に接続され、他端が外部につながっており、燃料極側のガスを外部に排出するものである。循環配管２６は、一端が燃料極側排出配管２５に接続され、他端が第１圧力調整弁２４から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの燃料極側供給配管２２に接続されている。循環配管２６は、燃料電池スタック１０の燃料極側下流のガスを燃料極側上流に戻すための流路となるものである。循環ポンプ２７は、燃料極側排出配管２５のうち、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から、燃料極側排出配管２５と循環配管２６との接続部Ａまでの部分に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを燃料極側上流に戻す循環動力源となるものである。
【００１６】
酸化剤ガス供給系３０は、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）３１と、酸化剤極側供給配管３２と、加湿器３３と、酸化剤極側排出配管３４と、第２圧力調整弁３５とからなっている。コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給するものである。酸化剤極側供給配管３２はコンプレッサ３１と燃料電池スタック１０の酸化剤極側入口とを接続し、コンプレッサ３１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０の酸化剤極１２まで導くものである。加湿器３３は、酸化剤極側供給配管３２に設けられ、コンプレッサ３１から送られる酸化剤ガスを加湿するものである。
【００１７】
酸化剤極側排出配管３４は、一端が燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口に接続され、他端が燃料極側排出配管２５のうち接続部Ａから外部までの部分に接続されている。この酸化剤極側排出配管３４は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側から排出されたガスを外部に導くものである。第２圧力調整弁３５は、酸化剤極側排出配管３４上に設けられ、外部に排出するガス量を制御するものである。なお、酸化剤ガス供給系３０では、コンプレッサ３１から酸化剤極１２に送られる酸化剤ガスの供給量と、第２圧力調整弁３５を通って外部に排出される酸化剤ガスの排出量とから圧力を調整可能となっている。また、燃料極側排出配管２５と酸化剤極側排出配管３４とが接続される部分を接続部Ｂとする。
【００１８】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、第１〜第３規制弁（規制弁）４１〜４３と、第１〜第３温度センサ（温度検出手段）５１〜５３と、負荷取出部（負荷取出手段）６０と、制御ユニット（置換手段、制御手段）７０とを備えている。
【００１９】
第１〜第３規制弁４１〜４３は、弁閉されることで燃料電池スタック１０の燃料極側および酸化剤極側への外気の流入を規制するものである。第１規制弁４１は、燃料極側排出配管２５のうち接続部Ａから接続部Ｂまでの部分に設けられ、燃料極側排出配管２５からの外気の流入を規制するようになっている。第２規制弁４２は、酸化剤極側供給配管３２のうち加湿器３３から燃料電池スタック１０の酸化剤極側入口までの部分に設けられ、酸化剤極側供給配管３２からの外気の流入を規制するようになっている。第３規制弁４３は、酸化剤極側排出配管３４のうち燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口から第２圧力調整弁３５までの部分に設けられ、酸化剤極側排出配管３４からの外気の流入を規制するようになっている。具体的に第１〜第３規制弁４１〜４３は、ノーマルオープンの電磁式シャットバルブによって構成され、全閉動作をすると全閉状態を維持し続ける構成となっている。
【００２０】
第１〜第３温度センサ５１〜５３は、第１〜第３規制弁４１〜４３の温度を検出するものである。第１温度センサ５１は第１規制弁４１の温度を検出し、第２温度センサ５２は第２規制弁４２の温度を検出し、第３温度センサ５３は第３規制弁４３の温度を検出する。負荷取出部６０は、燃料電池スタック１０から電流を取り出すときの電流値又は燃料電池スタック１０から電流を取り出すときの電圧値を制御するものである。
【００２１】
制御ユニット７０は、燃料電池スタック１０の燃料極側及び酸化剤極側のガスを燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方によって置換する機能を有し、この機能によるガスの置換を制御するようになっている。さらに、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３の開閉を制御するようになっている。
【００２２】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システムの動作の概略を説明する。燃料電池システムの停止動作、及び、燃料電池システム停止中の動作の順に説明する。
【００２３】
まず、燃料電池システムの停止動作を説明する。燃料電池システムを停止させて長時間放置した場合、燃料電池スタック１０の内部に空気が流入してくる。そして、燃料電池スタック１０の内部の水素と空気中の酸素とが反応して水が生成される。このため、燃料電池スタック１０の内部から水素が無くなっていく。故に、システム停止後、長時間経過すると燃料電池スタック１０内は空気で満たされることとなる。
【００２４】
そして、両極に空気が存在する状態で燃料電池システムを再起動させて燃料極側に水素を供給すると、燃料極側のうち水素と酸素との界面が存在する領域と対峙する酸化剤極側において、
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−                            （１）
という反応が生じ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタック１０を劣化させてしまう。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る燃料電池システムでは、両極が空気で満たされ難くなるように、システム停止時に両極を水素または不活性ガスである窒素の少なくとも一方で満たすようにする。
【００２６】
具体的に説明すると、制御ユニット７０は、シャットバルブ２３を開状態とする。また、制御ユニット７０は第１〜第３規制弁４１〜４３を閉状態とする。さらに、制御ユニット７０は、第１圧力調整弁２４の開度を制御し、水素を燃料電池スタック１０の燃料極側に供給する。また、燃料極側に供給された水素はクロスリークして酸化剤極側に至る。このため、酸化剤極にも水素を行き渡らせることとなる。このように、燃料電池システム１は、両極を水素雰囲気としたうえで、停止することとなる。
【００２７】
なお、燃料電池スタック１０の内部に空気が存在している場合、水素と酸素とが反応して水が生成されるため、窒素が残ることとなる。このため、両極を窒素雰囲気又は水素と窒素との混合ガスによる雰囲気とすることとなる。また、上記では、第１〜第３規制弁４１〜４３を閉じたうえで、ガス置換を行っているが、ガス置換の動作を先に行ってから第１〜第３規制弁４１〜４３を閉じるようにしてもよい。
【００２８】
次に、燃料電池システム停止中（すなわちシステム停止からシステムが再起動されるまでのシステム停止期間中）の動作について説明する。上記の如く、燃料電池スタック１０の両極を水素雰囲気、窒素雰囲気又は水素と窒素との混合ガスによる雰囲気にした後、第１〜第３温度センサ５１〜５３は第１〜第３規制弁４１〜４３の温度を検出する。そして、制御ユニット７０は、検出温度のうち少なくとも１つが所定温度（例えば０℃）未満である場合、第１〜第３規制弁４１〜４３のうち所定温度未満であるものを開動作させる。これにより、第１実施形態に係る燃料電池システム１は、生成水が弁に付着したまま凍結することによる弁閉状態の固着を防止するようにしている。
【００２９】
なお、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３のうちいずれかが所定温度である場合、第１〜第３規制弁４１〜４３のうち所定温度未満であるものを開動作させる場合に限らず、第１〜第３規制弁４１〜４３のすべてを開動作させるようにしてもよい。
【００３０】
さらに、制御ユニット７０は、システム停止期間中において、第１〜第３規制弁４１〜４３が開けられるまで燃料極側及び酸化剤極側を正圧で維持することが望ましい。正圧で維持することにより第１〜第３規制弁４１〜４３を開けた場合、弁開時には燃料電池スタック１０から外部へとガスが流れ、規制弁４１〜４３に付着した水を吹き飛ばすことができる。
【００３１】
なお、燃料電池スタック１０を正圧で維持するためには、まずシステム停止時において燃料極側に燃料ガスを供給して燃料極側の圧力を充分に大気圧より大きくなるようにする。これにより、燃料ガスがクロスリークして酸化剤極側に至り、酸化剤極側の圧力も高めることとなる。また、システム停止期間中において燃料電池スタック１０の圧力が低下した場合にも、同様に燃料極側に燃料ガスを供給して両極の圧力を高める。ここで、本実施形態では、両極の圧力を正圧に維持するようにしているが、これに限らず、いずれか一方のみの極の圧力を正圧に維持するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、第１〜第３規制弁４１〜４３の温度がすべて所定温度以上となった場合、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３を閉動作させるようにしてもよい。このとき、制御ユニット７０は、システム停止時と同様に、ガスの置換を行うことが望ましい。また、第１〜第３規制弁４１〜４３は、所定温度未満となると変形する材料（例えばバイメタルや双方向形状記憶合金）によって構成され、所定温度未満になると自動的に開状態となるようにされていもてよい。
【００３３】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１のシステム停止期間中における詳細動作をフローチャートを参照して説明する。図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１のシステム停止期間中における詳細動作を示すフローチャートである。
【００３４】
図３に示すように、第１〜第３温度センサ５１〜５３は、第１〜第３規制弁４１〜４３の温度を検出する（ＳＴ１）。次いで、制御ユニット７０は、検出温度が所定温度未満であるかを判断する（ＳＴ２）。検出温度が所定温度未満でないと判断された場合（ＳＴ２：ＮＯ）、燃料電池システム１は所定時間待機し（ＳＴ３）、その後処理はステップＳＴ１に移行する。
【００３５】
一方、検出温度が所定温度未満であると判断された場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける（ＳＴ４）。そして、図３に示す処理は終了する。
【００３６】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、システム停止時にガスの置換と規制弁４１〜４３の弁閉とを行うため、燃料電池スタック１０を燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方で置換して、触媒劣化反応を抑制することができる。さらに、システムが再起動されるまでのシステム停止期間中において検出された規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満である場合、規制弁４１〜４３を開ける。このため、規制弁４１〜４３に水が付着していたとしても、所定温度未満では規制弁４１〜４３が開けられることとなり、規制弁４１〜４３は開状態で固着することとなる。よって、規制弁４１〜４３はたとえ固着したとしても開状態で固着することとなる。故に、閉状態で固着することがなく、弁固着によって再起動ができなくなることを防止することができる。従って、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。
【００３７】
また、システムが再起動されるまでのシステム停止期間中において、規制弁４１〜４３が開けられるまでは燃料極側及び酸化剤極側の少なくとも一方を正圧の状態で保持する。このため、規制弁４１〜４３の開弁時には燃料電池スタック１０から外部へとガスが流れ、規制弁４１〜４３に付着した水を吹き飛ばすことができる。従って、規制弁４１〜４３の固着を防止することができる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００３９】
第２実施形態に係る燃料電池システム２では、第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける場合、その開け方が第１実施形態と異なっている。すなわち、第２実施形態において制御ユニット７０は、規制弁４１〜４３のうち燃料極側の弁４１と酸化剤極側の弁４２，４３とを同時に開けると共に、少なくとも一方の弁について開閉を繰り返す開閉制御をし、燃料極側の弁４１の開状態の時間を酸化剤極側の弁４２，４３の開状態の時間よりも長くする。なお、酸化剤極側の弁４２，４３である第２，第３規制弁４２，４３は、少なくとも一方が上記動作を行っていればよい。
【００４０】
ここで、第１規制弁４１と第３規制弁４３とを同時に開けると共に、第３規制弁４３について開閉を繰り返す開閉制御をし、第１規制弁４１の開状態の時間を第３規制弁４３の開状態の時間よりも長くする場合を例に説明する。
【００４１】
図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を示す図であり、（ａ）は第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を行わない場合を示し、（ｂ）は第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を行った場合を示している。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、通常の燃料電池システムでは、配管径や配管容積など、構成上燃料極側の方が酸化剤極側よりも外気が流入し難くなっている。このため、第１規制弁４１と第３規制弁４３とを同時に開けた場合、外気流入速度の差から図４（ａ）の領域Ａにおいて局部電池（一方の極側に燃料ガスと酸化剤ガスとが存在し、両ガスが混合してしまうことなく界面が存在する状態をいう）による触媒劣化が起こり得る。
【００４３】
これに対し、第２実施形態に係る燃料電池システム２において、制御ユニット７０は、第３規制弁を開閉制御する。そして、制御ユニット７０は、第１規制弁４１の開状態の時間を第３規制弁４３の開状態の時間よりも長くする。これにより、酸化剤極側へ流入する外気量が少なくなり、図４（ｂ）に示すように、燃料極側と酸化剤極側との外気流入速度をほぼ等しくすることが可能となる。この場合、一方の極側に存在する水素と酸素との界面が存在する領域と対峙する他方の極側に酸素が存在しないこととなり、局部電池による触媒劣化を防止することができる。
【００４４】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。
【００４５】
さらに、第２実施形態によれば、燃料極側の弁４１と酸化剤極側の弁４２，４３とを同時に開けるため、両極に同時に外気を流入させることとなる。ここで、通常の燃料電池システムでは、配管径や配管容積など、構成上燃料極側の方が酸化剤極側よりも外気流入し難くなっている。このため、外気流入速度の差から局部電池による触媒劣化が起こり得る。ところが、本実施形態では、少なくとも一方の弁（例えば第３規制弁４３）について開閉を繰り返す開閉制御をし、燃料極側の弁４１の開状態の時間を酸化剤極側の弁４２，４３の開状態の時間よりも長くする。このため、外気流入速度の差を調整し、局部電池による触媒劣化の発生を抑制することができる。
【００４６】
なお、第２実施形態では、第３規制弁４３を開ける場合を例示しているが、これに限らず、第２規制弁４２を開ける場合に適用してもよい。また、双方の弁４２，４３を開ける場合に適用してもよい。
【００４７】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４８】
第３実施形態に係る燃料電池システム３において、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける場合、酸化剤極側の弁４２，４３を開けた後に、燃料極側の弁４１を開けるようになっている。また、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける場合、コンプレッサ３１による酸化剤ガスの供給を開始すると共に、水素タンク２１による燃料ガスの供給を開始する。さらに、制御ユニット７０は、燃料ガスの供給開始後に、負荷取出部６０により電流を取り出す。
【００４９】
図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタック１０の第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタック１０の第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタック１０の第３の状態を示している。
【００５０】
図５（ａ）に示すように、システム停止時に燃料電池スタック１０の内部を燃料ガスで置換した場合、（特に停止直後には）酸化剤極側が燃料極側よりも燃料ガス濃度が低くなりやすい。この状態のまま長時間経過すると、次第に両極側の燃料ガス濃度は等しくなっていくが、長時間経過するまでは酸化剤極側が燃料極側よりも燃料ガス濃度が低くなっている。故に、先に酸化剤極側の弁４２，４３を開けることで、濃度が低い酸化剤極側の燃料ガスを外気と混合させることになり、速やかに酸化剤極側の燃料ガスを無くすことができる。これにより、酸化剤極側において長期に亘って燃料ガスと酸化剤ガスとが混在する状態を回避でき、長期に亘る局部電池の発生を抑制することができる。
【００５１】
特に、第３実施形態では第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける場合、コンプレッサ３１による酸化剤ガスの供給を開始する。これにより、酸化剤極側に酸化剤ガスを強制的に流入させて酸化剤極側のガスを混合させることとなる。よって、燃料ガスと酸化剤ガスとの界面が存在しにくくなって局部電池の発生を抑制することができる。特に、コンプレッサ３１によって多量の酸化剤ガスを流入させると、酸化剤極側は、図５（ｂ）に示すように外気で満たされることとなり、局部電池の発生を抑制することができる。
【００５２】
さらに、第３実施形態では酸化剤ガスの供給を開始する場合、循環ポンプ２７によるガスの強制循環を開始する。これにより、燃料極側に燃料ガスを強制的に流入させて燃料極側のガスを混合させることとなり、燃料ガスと酸化剤ガスとの界面が存在しにくくなって局部電池の発生を抑制することができる。特に、水素タンク２１によって多量の燃料ガスを流入させると、燃料極側は、図５（ｃ）に示すように燃料ガスで満たされることとなり、局部電池の発生を抑制することができる。
【００５３】
また、第３実施形態では燃料ガスの循環開始後に負荷取出部６０により電流を取り出す。これにより、燃料極側の燃料ガスを消費することとなる。燃料極側には燃料ガスが残留しており、この残留した燃料ガスを速やかに消費することができるので、劣化を抑制することができる。
【００５４】
図６は、第３実施形態に係る燃料電池システム３のシステム停止期間中における詳細動作を示すフローチャートである。なお、図６に示すステップＳＴ１０〜ＳＴ１２の処理は、図３に示すステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００５５】
検出温度が所定温度未満であると判断された場合（ＳＴ１１：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、システム停止からの積算時間が規定時間未満かを判断する（ＳＴ１３）。システム停止からの積算時間が規定時間未満でないと判断された場合（ＳＴ１３：ＮＯ）、制御ユニット７０は、第１〜第３規制弁４１〜４３を開ける（ＳＴ１４）。そして、図６に示す処理は終了する。
【００５６】
一方、システム停止からの積算時間が規定時間未満であると判断された場合（ＳＴ１３：ＹＥＳ）、制御ユニット７０は、第２および第３規制弁４２，４３を開ける（ＳＴ１５）。そして、燃料電池システム３は所定時間待機し（ＳＴ１６）、制御ユニット７０は、第１規制弁４１を開ける（ＳＴ１７）。
【００５７】
次いで、制御ユニット７０は、コンプレッサ３１を起動して酸化剤ガスを供給し（ＳＴ１８）、循環ポンプ２７を駆動させる（ＳＴ１９）。そして、制御ユニット７０は、負荷取出部６０によって電流を取り出す（ＳＴ２０）。その後、図６に示す処理は終了する。
【００５８】
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。また、規制弁４１〜４３の固着を防止することができる。
【００５９】
さらに、第３実施形態によれば、両極を燃料ガスを含んだガスで置換し、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満となり規制弁４１〜４３を開ける場合、酸化剤極側の弁４２，４３を開けた後に、燃料極側の弁４１を開ける。これにより、先に酸化剤極側に外気を流入させ、酸化剤極側の燃料ガスを燃料極側の燃料ガスよりも先に外気と混合させて消費させることとなる。ここで、システム停止時にスタック内を燃料ガスで置換した場合、（特に停止直後には）酸化剤極側が燃料極側よりも燃料ガス濃度が低くなりやすい。故に、先に酸化剤極側の弁４２，４３を開けることで、濃度が低い酸化剤極側の燃料ガスを外気と混合させることになり、速やかに酸化剤極側の燃料ガスを無くすことができる。これにより、酸化剤極側において長期に亘って燃料ガスと酸化剤ガスとが混在する状態を回避でき、長期に亘る局部電池の発生を抑制することができる。
【００６０】
また、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満となり規制弁４１〜４３を開ける場合、酸化剤極側への酸化剤ガスの供給を開始する。これにより、酸化剤極側に酸化剤ガスを強制的に流入させて酸化剤極側のガスを混合させることとなり、燃料ガスと酸化剤ガスとの界面が存在しにくくなって局部電池の発生を抑制することができる。特に、コンプレッサ３１によって多量の酸化剤ガスを流入させると、酸化剤極側は、図５（ｂ）に示すように外気で満たされることとなり、局部電池の発生を抑制することができる。
【００６１】
また、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満となり規制弁４１〜４３を開けて酸化剤ガスの供給を開始する場合、循環ポンプ２７を駆動させて燃料極側のガスを混合させることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの界面が存在しにくくなって局部電池の発生を抑制することができる。
【００６２】
また、負荷取出部６０により電流を取り出し、燃料極側の残留燃料ガスを速やかに消費することで、一層局部電池の発生を抑制することができる。
【００６３】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００６４】
まず、水素タンク２１によって燃料ガスが供給された場合、燃料電池スタック１０のうち燃料ガスの流れの下流側から上流側への方向を規定方向とすると、第４実施形態において制御ユニット７０は、酸化剤極側の規制弁４２，４３のうち規定方向側に存在する弁４３を開け、その後に他の規制弁４１，４２を開ける。すなわち、制御ユニット７０は、第３規制弁４３を先に開け、その後、第１および第２規制弁４１，４２を開ける。
【００６５】
図７は、全ての規制弁４１〜４３を同時に開け、その後燃料ガスを供給した場合の触媒劣化の様子を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタック１０の第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタック１０の第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタック１０の第３の状態を示している。
【００６６】
まず、図７（ａ）に示すように、全ての規制弁４１〜４３を同時に開けた場合、両極側は空気で満たされることとなる。その後、燃料ガスが供給されると、図７（ｂ）に示す領域ａにおいて触媒劣化が発生する。さらに、燃料ガスが供給されると、図７（ｃ）に示す領域ｂにおいて触媒劣化が発生する。この図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、燃料ガスの流れの下流側は、多く時間触媒劣化することとなる。故に、燃料ガスの流れの下流側は、触媒の劣化度合いが大きくなってしまう。
【００６７】
図８は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタック１０の第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタック１０の第２の状態を示している。
【００６８】
図８（ａ）に示すように、第３規制弁４３を先に開けた場合、酸化剤極側の出口側から外気が流入する。また、酸化剤極側に流入した外気の一部はクロスリークして燃料極側に至る。このため、図８（ａ）に示すように、燃料ガスの流れの上流側の領域ｃにおいて触媒劣化が発生することとなる。また、さらに時間が経過すると、図８（ｂ）に示すように、上流側のより広い領域ｄにおいて触媒劣化が発生することとなる。このように、第３規制弁４３を先に開けた場合、燃料ガスの流れの上流側から触媒劣化が発生することとなる。これにより、第４実施形態では、一定の個所のみの触媒の劣化度合いを大きくすることを防止している。
【００６９】
このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、第１実施形態と同様に、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。また、規制弁４１〜４３の固着を防止することができる。
【００７０】
さらに、第４実施形態によれば、規制弁４１〜４３を開ける場合、酸化剤極側の規制弁４２，４３のうち規定方向側に存在する弁４３を開け、その後に他の規制弁４１，４２を開ける。ここで、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満のときに全ての規制弁４１〜４３を同時に開けた場合、両極は外気流入により空気で満たされることとなる。その後、図７に示したように、燃料ガスが供給されると、燃料ガスの流れの下流側について触媒の劣化度合いが大きくなってしまう。ところが、酸化剤極側の規制弁４２，４３のうち規定方向側に存在する弁４３を開け、その後に他の規制弁４２を開けることにより、規定方向側から触媒劣化が発生することとなり、一定の個所のみの触媒の劣化度合いを大きくすることを防止することができる。従って、触媒劣化度合いの差によって生じる電流密度の差を小さくすることができ、燃料電池スタックの性能維持の長期化を図ることができる。
【００７１】
次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００７２】
第５実施形態において、制御ユニット７０は、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満となった場合、規制弁４１〜４３の開閉を繰り返す開閉制御を行うようになっている。図９は、第５実施形態に係る燃料電池システム５の動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタック１０の第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタック１０の第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタック１０の第３の状態を示し、（ｄ）は燃料電池スタック１０の第４の状態を示している。
【００７３】
まず、図９（ａ）に示すように、規制弁４１〜４３が開けられる前、両極側は水素と窒素によって満たされているものとする。ここで、規制弁４１〜４３の温度が所定温度未満となり、制御ユニット７０は、第１および第３規制弁４１，４３を開けたとする。このとき、制御ユニット７０は、第１および第３規制弁４１，４３について、開閉を繰り返す開閉制御を行う。これにより、第１および第３規制弁４１，４３の開時間が限定され、図９（ｂ）に示すように、少量の外気が燃料電池スタック１０に流入する。
【００７４】
この少量の外気は、燃料電池スタック１０の水素と反応して水となる。また、流入した外気が少量であることから、図９（ｃ）に示すように、第１および第３規制弁４１，４３の閉時間中に、外気中の酸素は消費されてしまう。これにより、局部電池が形成されにくくなる。その後、同様の動作が繰り返されることとなる。
【００７５】
このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システム５によれば、第１実施形態と同様に、触媒劣化反応を抑制しつつ低温環境下において弁固着により再起動できなくなってしまう事態を防止することができる。また、規制弁４１〜４３の固着を防止することができる。
【００７６】
さらに、第５実施形態によれば、規制弁４１〜４３の開閉を繰り返す開閉制御をする。このため、規制弁４１〜４３の開状態で維持されている場合よりも流入する外気量を少なくすることができる。これにより、流入した外気は燃料ガスと速やかに反応して消費されることとなる。従って、局部電池が形成されにくくすることができる。
【００７７】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、上記実施形態において規制弁４１〜４３は３つ設けられていたが、３つに限ることなく、他の数であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示された燃料電池スタックの単位セルを示す構成図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム停止期間中における詳細動作を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図であり、（ａ）は第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を行わない場合を示し、（ｂ）は第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を行った場合を示している。
【図５】第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタックの第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタックの第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの第３の状態を示している。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム停止期間中における詳細動作を示すフローチャートである。
【図７】全ての規制弁を同時に開け、その後燃料ガスを供給した場合の触媒劣化の様子を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタックの第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタックの第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの第３の状態を示している。
【図８】第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタックの第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタックの第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの第３の状態を示している。
【図９】第５実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図であり、（ａ）は燃料電池スタックの第１の状態を示し、（ｂ）は燃料電池スタックの第２の状態を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの第３の状態を示し、（ｄ）は燃料電池スタックの第４の状態を示している。
【符号の説明】
【００７９】
１〜５…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…燃料極
１１ａ…燃料極触媒層
１１ｂ…ガス拡散層
１２…酸化剤極
１１ａ…酸化剤極触媒層
１２ｂ…ガス拡散層
１３…固体高分子電解質膜
１４，１５…セパレータ
１４ａ，１５ａ…ガス流路
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２…燃料極側供給配管
２３…シャットバルブ
２４…第１圧力調整弁
２５…燃料極側排出配管
２６…循環配管
２７…循環ポンプ（燃料ガス循環手段）
３０…酸化剤ガス供給系
３１…コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２…酸化剤極側供給配管
３３…加湿器
３４…酸化剤極側排出配管
３５…第２圧力調整弁
４１〜４３…規制弁
５１〜５３…温度センサ（温度検出手段）
６０…負荷取出部（負荷取出手段）
７０…制御ユニット（置換手段、制御手段）
【図１】
2008041622.tif 000003
【図２】
2008041622.tif 000004
【図３】
2008041622.tif 000005
【図４】
2008041622.tif 000006
【図５】
2008041622.tif 000007
【図６】
2008041622.tif 000008
【図７】
2008041622.tif 000009
【図８】
2008041622.tif 000010
【図９】
2008041622.tif 000011