(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池に残留する水素と反応するように空気を供給する際に、効率よく触媒層の過熱を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする【解決手段】燃料電池１０のアノード側に連通するようにアノード空気供給管路７０を設ける。アノード空気供給管路７０に、凝縮器７２を設ける。凝縮器７２は、流入する空気中の水蒸気を凝縮して液体の水を得て、アノード側に流れる空気に液滴水を加える機能を有している。燃料電池１０の発電停止要求の後に、アノード空気供給管路７０を介して、加水された空気をアノードに供給することにより、アノードに空気と液滴水を供給する。【選択図】図１
2008053113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止要求の後に該燃料電池内に残留する水素と反応するように空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池の発電停止要求の後に該燃料電池の触媒層に到達するように液体の水を供給する水供給手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給手段は、前記空気供給手段により供給される空気に加水して前記燃料電池に液体の水を供給する加水手段を含む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】
前記燃料電池のアノードを含み該アノードを通ってガスが循環するガス循環系を有し、  前記水供給手段は、前記空気供給手段による前記空気の供給の後、前記ガス循環系を流通するガスに加水して前記アノードの触媒層に到達するように液体の水を供給する循環系水供給手段を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池のカソードから流出するカソードオフガスに含まれる水を得て空気を加湿する加湿モジュールと、
前記加湿モジュールによって加湿された空気に含まれる水蒸気を凝縮して液体の水を得る凝縮器と、
を有し、
前記水供給手段が前記燃料電池に供給する液体の水は前記凝縮器によって得られた液体の水を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両の搭載に好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許第２５４１２８８号公報に開示されているように、システムの運転停止時に、燃料電池内に残留する水素と反応するように空気を供給する燃料電池システムが知られている。上記従来の技術では、水素が残留するアノードに空気を供給することにより、水素と酸素をアノード触媒層で反応させ、アノード内を不活性ガスである窒素に置換することとしている。これにより、燃料電池内の水素の残留を避け、系の状態を安定させてシステムを停止することができる。
【０００３】
上記従来の技術において、アノードに空気を供給して、水素と酸素を触媒層で反応させる際には、触媒層において発熱を伴う。これに対処するため、燃料電池の冷却系において冷却水を増加し、触媒層を間接的に冷却するなどの措置がとられている。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５４１２８８号公報
【特許文献２】特許第２８８７３４６号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素と酸素の分布状態や混合状態等によっては、触媒層における発熱量が多くなる場合がある。この場合には、冷却水の増加などの方法のみでは、効率よく触媒層の発熱に対処できないことがある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池に残留する水素と反応するように空気を供給する際に、触媒層の過熱を効率よく防止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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止要求の後に該燃料電池内に残留する水素と反応するように空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池の発電停止要求の後に該燃料電池の触媒層に到達するように液体の水を供給する水供給手段と、
を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記水供給手段は、前記空気供給手段により供給される空気に加水して前記燃料電池に液体の水を供給する加水手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料電池のアノードを含み該アノードを通ってガスが循環するガス循環系を有し、  前記水供給手段は、前記空気供給手段による前記空気の供給の後、前記ガス循環系を流通するガスに加水して前記アノードの触媒層に到達するように液体の水を供給する循環系水供給手段を含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３の発明において、
前記燃料電池のカソードから流出するカソードオフガスに含まれる水を得て空気を加湿する加湿モジュールと、
前記加湿モジュールによって加湿された空気に含まれる水蒸気を凝縮して液体の水を得る凝縮器と、
を有し、
前記水供給手段が前記燃料電池に供給する液体の水は前記凝縮器によって得られた液体の水を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、水素と空気が触媒層上で反応する際に、液体の水を触媒層に到達させることによって、触媒層を冷却することができる。これにより、触媒層を水によって直接冷却し、水の蒸発潜熱を利用した冷却を行うことができるので、効率よく触媒層の過熱を防止することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、燃料電池へ供給される空気に付随させて、触媒層へ水を搬送することができる。これにより、効率よく、触媒層への水の供給を行うことができる。
【００１３】
第３の発明によれば、燃料電池のアノードを含む循環系内でガスを流通させて水素と空気を反応させる際に、効率よく、アノード側の触媒層の過熱を防止することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、凝縮器によって触媒層へ供給する水を得ることができる。これにより、別途水タンクなどを必要としないため、または、水タンクが必要となる場合であってもその大型化を避けることができるため、システムを簡素に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態１のシステムは、燃料電池１０を有している。燃料電池１０は、その内部に、電解質膜を含むＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を有している。燃料電池１０内部において、ＭＥＡの一方にはアノードが、他方にはカソードが設けられている。
【００１６】
アノードとカソードは、それぞれ触媒層を備えている（以下、アノードの触媒層をアノード触媒層とも呼称する）。そして、燃料電池１０は、アノードに水素の供給を、カソードに空気の供給をそれぞれ受け、内部で電気化学的反応を生ずることにより発電を行うことができる。
【００１７】
（エア系）
実施の形態１は、燃料電池１０のカソードに連通して、当該カソードに空気を供給するエア系（図１の点線矢印）を有している。エア系は、大気に連通するエア吸気口１４と、同じく大気に連通するエア排気口１６とに連通している。エア吸気口１４から流入した空気が、エア排気口１６側を下流としてエア系を流通することにより、燃料電池スタック１０のカソードに空気が供給される構成となっている。
【００１８】
エア吸気口１４は、エアコンプレッサ２２の吸入口に連通している。エアコンプレッサ２２の吐出口は、加湿モジュール２４に連通している。エアコンプレッサ２２は、エア吸気口１４から空気を吸入し、加湿モジュール２４へと供給する。
【００１９】
加湿モジュール２４は、燃料電池１０のカソードガス流入孔３０に連通している。加湿モジュール２４は、エアコンプレッサ２２からの空気の供給を受けて、この空気を加湿した後、燃料電池１０のカソードに供給する。カソードに至った空気は、燃料電池１０の発電のために消費される。加湿モジュール２４の下流には、カソード側の圧力を検知するためのカソード圧力センサ２６が備えられている。
【００２０】
カソードに供給された空気の一部は、カソードガス排出孔３２から燃料電池スタック１０の外部に流出する。カソードガス排出孔３２は、加湿モジュール２４に連通している。加湿モジュール２４には、カソードガス排出孔３２から排出された水および空気を含む混合ガス（以下、これをカソードオフガスとも呼称する）が流入する。加湿モジュール２４は、カソードオフガスから水分を取り入れ、エア吸気口１４側から流入する空気の加湿を行っている。
【００２１】
加湿モジュール２４は、エア調圧弁４６を介して、エア排気口１６に連通している。加湿モジュール２４を通過したガスは、エア調圧弁４６を通過してエア排気口１６に至る。エア調圧弁４６は、加湿モジュール２４側の圧力を適切に調節しつつ、燃料電池スタック１０のカソードからの排出ガスをエア排気口１６側に排出する。
【００２２】
（水素系）
実施の形態１は、燃料電池１０のアノードに連通して、当該アノードに水素を供給する水素系（図１における燃料電池１０に繋がる実線矢印）を有している。水素系は、水素供給系１８に連通している。水素供給系１８は、水素を高圧状態で貯留する水素タンクを含んでいる。この水素タンクから、水素系に対して、適宜水素を供給することができる。
【００２３】
水素系は、水素供給系１８の下流に水素調圧弁５０を有している。水素調圧弁５０は、水素供給系１８側からの高圧な水素を適当な圧力に減圧して、さらに下流側へ供給する。水素調圧弁５０は、水素入口弁５２に連通している。水素入口弁５２を閉状態とした場合には、水素供給系１８からの水素の供給が、水素入口弁５２の位置で塞き止められる。
【００２４】
水素入口弁５２は、燃料電池スタック１０のアノードガス流入孔６０に連通している。水素入口弁５２が開いている状態では、水素供給系１８から供給される水素が、アノードガス流入孔６０に流入して燃料電池スタック１０内のアノードへと至る。アノードに流入した水素の一部は、燃料電池スタック１０内の発電に消費される。
【００２５】
アノードに流入した水素のうち、発電に寄与しない水素は、アノードガス排出孔６２から燃料電池１０の外部へ流出する。アノードガス排出孔６２は、水素排気弁６６に連通している。水素排気弁６６は、アノードガス排出孔６２側からのガス流通を制御する弁である。水素排気弁６６が閉状態とされているときには、その上流側でガスが滞留する状態となる。
【００２６】
水素排気弁６６は、希釈器などを含む水素排気系（図示せず）に連通している。水素排気弁６６の開弁時には、水素を含むガスが水素排気系へと排出される。アノードガス排出孔６２と水素排気弁６６との間には、アノード圧力センサ５４と水素濃度センサ５６が備えられている。アノードガス圧力センサ５４はアノード側の圧力を、水素濃度センサ５６は当該位置を流れるガス中の水素濃度を、それぞれ検知できる。
【００２７】
（アノード空気供給管路）
実施の形態１のシステムは、エア系からの空気を水素系に供給するアノード空気供給管路７０を有している。アノード空気供給管路７０は、一方の端がエア系の加湿モジュール２４下流位置に、他方の端が水素系内のアノードガス流入孔６０の上流位置に連通している。アノード空気供給管路７０の下流端側には、アノード空気供給弁７４が備えられている。このような構成によれば、アノード空気供給弁７４を開くことにより、加湿モジュール２４下流の空気が水素系へと供給されることとなる。
【００２８】
（凝縮器）
アノード空気供給管路７０には、凝縮器７２が備えられている。凝縮器７２は、加湿モジュール２４により加湿された空気に含まれる水蒸気を凝縮して、液体の水を得ることができる。そして、凝縮器７２は、この水を用いて、アノード空気供給管路７０を流通するガスに液滴水を加え、液滴水を含んだ空気を下流側（水素系側）に供給する機能を含むように構成されている。
【００２９】
［実施の形態１の動作］
以下、図１を用いて、実施の形態１の燃料電池システムの動作について説明する。
【００３０】
（通常運転時）
通常運転時には、アノード空気供給弁７４が閉じられた状態で、エアコンプレッサ２２が作動する。これにより、エア系では、エアコンプレッサ２２によってエア吸気口１４から吸入された空気が、燃料電池１０のカソードへ供給される。
【００３１】
水素系では、水素入口弁５２が開かれ、水素排気弁６６が閉じられた状態とされる。この状態で水素調圧弁５０が適宜制御され、燃料電池１０のアノードに水素が供給されるとともに、アノード側が所定の圧力に保持される。アノードへ水素が、カソードへ空気がそれぞれ供給されることで、燃料電池１０の内部で発電が行われる。必要に応じ、アノード側の水素濃度を適切に保つ目的やフラッディング防止などの目的で、水素排気弁６６が開かれる。
【００３２】
（運転停止時）
運転停止時には、上述した水素および空気の供給が停止され、燃料電池１０の発電が停止される。その後、実施の形態１では、アノードへの水素の残留を避けるために、アノードに対して空気を供給することにより、アノード内を空気でパージする（アノード内を空気に置換する）こととする。
【００３３】
具体的には、燃料電池１０の発電停止要求の後に、水素入口弁５２を閉じ、アノード空気供給弁７４および水素排気弁６６を開いた状態とする。この状態でエアコンプレッサ２２を作動させることにより、アノード空気供給管路７０に空気が流入する。
アノードへ空気が流入するのに伴って、アノードに残留していた水素が押し流され、水素排気弁６６から図示しない希釈器側へと流れる。
【００３４】
アノード内で空気が水素を押し流す過程において、一部の空気と水素が混合する。この混合ガスがアノード触媒層上に位置すると、アノード触媒層において水素と酸素が反応する。この反応に伴って、アノード触媒層で発熱が生ずる。特に、空気が流入してくるアノードガス流入孔６０付近では水素と空気の混合ガスが多くなる傾向にあり、この位置のアノード触媒層の発熱量が局所的に多くなる場合がある。
【００３５】
実施の形態１では、このようなアノード触媒層の発熱に対処するために、アノードへ空気が供給されると共に、アノードに水が供給される構成となっている。具体的には、先ず、アノード空気供給管路７０を流通する空気が凝縮器７２に至った際に、当該空気に含まれる水蒸気が凝縮されて、液体の水が得られる。その後、凝縮により得られた水が、凝縮器７２を通過する空気に加えられる。このようにして加水された空気は、その後、水素系へ到達し、アノードガス流入孔６０に流入する。その結果、空気と水とがアノード触媒層に供給されることとなる。
【００３６】
このようにすることで、アノード内で空気と水素とが混合し触媒層で発熱が生じた場合に、水によって、直接、触媒層の冷却を行うことができる。特に、液体の水を供給することにより、水の蒸発潜熱を利用した冷却を行うことができ、高い冷却効果を得ることができる。
【００３７】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図２を用いて、実施の形態１のシステムの運転停止時に行われる具体的処理を説明する。図２は、実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。この処理は、図１に示した燃料電池システムが備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit、図示せず）によって実行される。
【００３８】
図２に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の発電停止の要求があったか否かが判別される（ステップ１００）。燃料電池１０の発電停止要求があったと判別されない場合には、燃料電池１０の状態が保持されたまま、停止要求が待たれる。
【００３９】
発電停止の要求があったと判別された場合には、水素消費制御が行われる（ステップ１０２）。具体的には、水素入口弁５２が閉じられ、燃料電池１０への水素の供給が停止される。そして、燃料電池１０が図示しないバッテリに接続され、燃料電池１０内に残留した水素を用いて発電が行われる。
【００４０】
これにより、燃料電池スタック１０内の水素が徐々に減少する。その後、水素消費が十分に行われたと判断したら、水素消費制御を終了する。具体的には、予め実験などにより定めたアノード内の水素量が適当に減少するまでの時間に基づいて、水素消費制御の終了時期を判断することができる。
【００４１】
その後、アノードへの空気供給が行われる（ステップ１２０）。具体的には、水素排気弁６６およびアノード空気供給弁７４を開いた状態で、エアコンプレッサ２２を作動させる。これにより、アノード空気供給管路７０を介して、エア系から水素系へと空気が供給される。その後、この空気がアノードに流れ込み、残留水素を水素排気弁６６側へ押し流すこととなる。
【００４２】
前述したように、実施の形態１のシステムでは、アノードに流れ込む空気が凝縮器７２を通過する際に、当該空気に液滴水が加水される。このため、アノードへの空気供給後、残留水素と空気がアノード触媒層で反応した際に、当該アノード触媒層の発熱が過大となることを防止できる。
【００４３】
なお、エアコンプレッサ２２が作動状態となっている間、カソードオフガスの排気も行われる。それに伴い、燃料電池１０の発電停止後にカソードに残留する水（発電反応に伴う生成水）が、カソードオフガスに含まれて排出される。排出された水は、加湿モジュール２４へと至り、エア吸気口１４側から流入する空気の加湿に利用される。加湿された空気は、アノード空気供給管路７０を通って凝縮器７２に至る。そして、凝縮器７２がこの加湿空気を凝縮することで得られた水が、アノードへ供給する空気の加水に利用されることとなる。
【００４４】
その後、ステップ１２０におけるアノードへの空気供給が開始されてから、所定時間が経過したか否かが判別される（ステップ１３０）。具体的には、予め実験などにより定められたアノードの空気パージが十分に行われる時間に基づいて、空気供給の開始後に十分な時間が経過したか否かが判断される。
【００４５】
所定時間が経過したと判別されない場合には、未だアノードへ空気を供給すべきとの判断がなされ、ステップ１２０の空気供給が継続される。所定時間が経過したと判別された場合には、残留水素が十分に除去されたと判断され、アノードへの空気供給が停止される（ステップ１４０）。その後、今回のルーチンが終了し、システムの停止処理が続行される。
【００４６】
以上の処理によれば、燃料電池１０のアノードにおける水素と空気の反応の際に、アノード触媒層へ直接水を供給することによって、触媒層を冷却することができる。そして、アノード触媒層に供給されている水が液滴状の水を含むことにより、水の蒸発潜熱を利用した冷却を行うことができる。このような直接的な冷却により、アノード触媒層を効率よく冷却でき、その過熱を効果的に抑制することができる。
【００４７】
また、実施の形態１では、燃料電池１０の発電に伴って生成された水が、加湿モジュール２４、アノード空気供給管路７０、凝縮器７２を経て、空気加水用の水として利用される。このように、実施の形態１によれば、燃料電池システム内に残留する水を効果的に利用し、大型の水タンクなどを要求することなく、簡素なシステムで、触媒層への水供給を行うことができる。
【００４８】
また、実施の形態１では、凝縮器７２が、凝縮によって得た水を空気に加水する機能も有している。そのため、アノード空気供給管路７０を流れる空気に対して加水することで、この空気によって液滴状の水をアノードまで搬送することができる。従って、効率よく、燃料電池に対する水供給を行い、触媒層の過熱を防止することができる。
【００４９】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池１０が、前記第１の発明における「燃料電池」に相当している。また、実施の形態１では、エア系の一部、水素系の一部、アノード空気供給管路７０、および上述した具体的処理におけるステップ１２０から１４０までの処理が、前記第１の発明における「空気供給手段」に相当している。また、実施の形態１では、凝縮器７２がアノード空気供給管路７０の流通空気に加水して燃料電池１０へ水供給を行う機構が、前記第１の発明における「水供給手段」に相当している。
【００５０】
また、上述した実施の形態１では、凝縮器７２が空気に加水する液滴水が、前記第１の発明における「液体の水」に相当し、凝縮器７２が、前記第２の発明における「加水手段」に相当している。また、実施の形態１では、加湿モジュール２４が、前記第４の発明における「加湿モジュール」に、凝縮器７２が、前記第４の発明における「凝縮器」にそれぞれ相当している。
【００５１】
［実施の形態１の変形例］
図３は、本発明の実施の形態１の変形例を説明するための図である。本変形例は、実施の形態１における凝縮器７２に替えて、アノード空気供給管路７０に、水インジェクタ２７２および水タンク２７１を備える構成となっている。このような構成において、エア系から水素系への空気供給を行う際に水インジェクタ２７２を制御して、アノード空気供給管路７０を流通する空気に対し、水タンク２７１内の液体水を、適宜、加水することとしてもよい。
【００５２】
なお、実施の形態１では、凝縮器７２によって液滴状の水を空気に加えることにより、アノードへ供給することとした。しかしながら、本発明における水供給の方法はこれに限られるものではない。本発明における触媒層の過熱防止用の水は、通常の経路を通ってアノードの触媒層へ到達する水（空気中に本来含まれる水分や、発電中に燃料電池内の電解質膜を透過してアノードへ到達する水）とは別のものである。それらの通常の経路を通る水とは別に、過熱防止用の水をアノード触媒層へ到達するように供給できる水供給機構を有する構成であればよい。
【００５３】
例えば、アノードへの空気供給とは完全に独立させて、触媒層へ直接、液体の水を供給するような構成としてもよい。具体的には、燃料電池内部において、電解質膜を含むＭＥＡの一端を液体の水に浸す構成とすることにより触媒層に液体の水を供給する方法を用いてもよい。また、燃料電池内部において触媒層へ連通する水供給通路を設け、外部の水タンクから、適宜、この水供給通路を介して液体の水を供給する構成としても良い。また、カソードとアノードの圧力差を増加させることにより、カソード側からアノード側への電解質膜を透過する水の量を増加させて、アノード触媒層へ液体の水を供給することとしてもよい。
【００５４】
また、実施の形態１では、燃料電池１０の発電停止後、アノードへの空気の供給と同時にアノードへの水の供給が行われる構成となっている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。アノード触媒層において水素と酸素が反応する際に液体の水が供給されているような状態を実現できればよく、水供給のタイミングは、燃料電池１０が完全に停止した後に限定されるものではない。
【００５５】
例えば、燃料電池１０の発電停止要求があったら、先に所定量の水供給を行って、発電停止、アノードへの空気供給と順次処理を進めても良い。それ以外にも、発電停止要求の直後、発電停止直後、発電停止から所定時間経過後など、種々のタイミングで、アノードへの水の供給を行うことができる。
【００５６】
また、実施の形態１では、燃料電池１０のアノードに対して水の供給を行った。しかし本発明はこれに限られるものではない。カソードにも同様に触媒層が存在することから、カソードに対しても実施の形態１の思想を利用することができる。すなわち、カソード触媒層上で水素と酸素が反応し発熱が生ずる場合においても、実施の形態１同様に、液体の水の供給によりカソード触媒層の過熱を防止することができる。
【００５７】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図４は、実施の形態２の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態２は、実施の形態１と同様に、燃料電池１０、エア系、水素系をそれぞれ有している。
【００５８】
実施の形態２は、主に、水素系の構成、および当該水素系に水タンク４５１および水インジェクション４５３が備えられている点において、実施の形態１に相違する。また、実施の形態２のエア系の構成は、実施の形態１と同様となっている。以下、実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００５９】
（水素系）
実施の形態２の水素系は、実施の形態１と同様に、水素入口弁５２の下流側と燃料電池１０のアノードガス流入孔６０とが連通している。水素入口弁５２とアノードガス流入孔６０との間には、水インジェクション４５３が接続されている。水インジェクション４５３は水タンク４５１に連通しており、水タンク４５１内の液体の水を、液滴状の水として噴射することができる。このような構成によれば、水インジェクタ４５３を制御することにより、当該位置を流れるガスに加水することができる。
【００６０】
アノードガス流出孔６２は、水素循環ポンプ４５８の吸入口に連通している。そして、水素循環ポンプ４５８の吐出口は、水素入口弁５２の下流位置に連通している。このような構成によれば、水素循環ポンプ４５８を作動させることで、アノードガス流出孔６２から流出するガスがアノードガス流入孔６０へと還流されることとなる。以下、このアノードを含んでガスが循環する系を、水素循環系とも呼称する。
【００６１】
アノードガス流出孔６２と水素循環ポンプ４５８との間には、アノード圧力センサ４５４、水素濃度センサ４５６が備えられている。これらは、実施の形態１のそれぞれのセンサと同様に、アノードの圧力、および当該位置を流通するガスに含まれる水素濃度を検知する機能を有する。また、実施の形態２は、アノードの温度を検知するための、図示しないアノード温度センサを有する。
【００６２】
また、水素循環ポンプ４５８の吸入口近傍位置は、水素排気弁４６６を介して希釈器などを含む水素排気系（図示せず）へと分岐している。必要に応じ、水素排気弁６６が開弁され、水素を含むガスが水素排気系へと排出される。
【００６３】
（アノード空気供給管路）
実施の形態２は、実施の形態１がアノード空気供給管路７０を有するのと同様に、エア系からの空気を水素系に供給するアノード空気供給管路４７０を有している。アノード空気供給管路４７０の下流端は、アノード空気供給弁４７４を介して、アノードガス流出孔６２近傍位置に連通している。このような構成によれば、アノード空気供給弁４７４を開くことにより、加湿モジュール２４下流の空気を水素循環系へと供給することができる。
【００６４】
［実施の形態２の動作］
以下、図４を用いて、実施の形態２の燃料電池システムの動作について説明する。
【００６５】
（通常運転時）
通常運転時には、アノード空気供給弁４７４、水素排気弁４６６が閉じられた状態とされる。この状態で、エア系においてはエアコンプレッサ２２が駆動され、燃料電池１０のカソードに空気が供給される。水素系においては、水素入口弁５２の開弁、および水素調圧弁５０が適宜制御されることにより、アノードに水素が供給される。その後、水素循環ポンプ４５８の作動によって水素循環系内を水素が循環することにより、アノードへの水素供給が円滑に行われる。
【００６６】
（運転停止時）
システムの運転停止時には、上述した水素および空気の供給が停止され、燃料電池１０の発電が停止される。その後、実施の形態２では、アノードの残留水素に対して空気を供給し、アノード内で水素と酸素を反応させ、アノード内を窒素に置換することとする。
【００６７】
具体的には、燃料電池１０の発電停止要求の後に、先ず、水素入口弁５２を閉じ、アノード空気供給弁４７４を開いた状態とする。この状態でエアコンプレッサ２２を作動させることにより、アノード空気供給管路４７０を介して水素循環系に空気が導入される。アノードに残留する水素と反応させるのに十分な空気が供給されたら、アノード空気供給弁４７４を閉じる。
【００６８】
その後、水素循環ポンプ４５８を作動させることにより、アノードを含む水素循環系内を、水素と空気を含むガスが混合しながら循環する。混合ガスがアノード触媒層上に至った際には、当該位置において水素と酸素が反応し、この反応に伴ってアノード触媒層で発熱が生ずる。
【００６９】
実施の形態２では、この発熱が過大となるのを避けるために、水素循環系内を流れるガスに加水することとする。具体的には、水インジェクション４５３を制御し、循環系内を流通するガスに対して液滴水を適宜加える。その結果、ガス流通に伴って液滴状の水が搬送され、アノード触媒層に液体の水が供給される。このようにすることで、実施の形態１と同様に、アノード触媒層で発熱が生じた場合に、液体の水によってアノード触媒層の冷却を行うことができる。
【００７０】
［実施の形態２の具体的処理］
以下、図５を用いて、実施の形態２のシステムの運転停止時に行われる具体的処理を説明する。図５は、実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。この処理は、図５のシステムが備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit、図示せず）によって実行される。
【００７１】
図５に示すルーチンでは、先ず、実施の形態１と同様に、燃料電池１０の発電停止の要求の判別（ステップ１００）および、水素入口弁５２が閉じられた状態で水素消費制御（ステップ１０２）が行われる。
【００７２】
その後、アノードへ所定量の空気が供給される（ステップ５００）。具体的には、先ず、水素が残留しているアノードを含む系（すなわち水素循環系）の容積、アノード圧力センサ４５４で検知された圧力値、水素濃度センサ４５６で検知された濃度値、および図示しないアノード温度センサで検知された温度に基づいて、水素循環系内に残留する水素量を推定する。
【００７３】
その後、推定された水素量に対しモル比で２（水素）：１（酸素）となる酸素量を含む空気を、水素循環系へと供給する。具体的には、アノード空気供給弁４７０を開き、エアコンプレッサ２２を作動させ、水素循環系に当該酸素量を含む空気を供給する。空気供給の際には、エアコンプレッサ２２の動作量（動作時間、回転数など）を制御することにより、必要量の空気供給を行うことができる。
【００７４】
所定量の空気が供給されたら、アノード空気供給弁４７４を閉じ、エアコンプレッサ２２を停止する。以上述べたステップ５００の処理によれば、水素循環系を窒素に置換するのに十分な空気を、確実に供給することができる。
【００７５】
続いて、アノードへの水供給がＯＮとされ、水素循環ポンプ４５８がＯＮ状態とされる（ステップ５２０）。具体的には、水素循環ポンプ４５８を作動状態にするとともに、水素循環系内を循環するガスに対して、適当なタイミングおよび噴射量で加水を行うように水インジェクタ４５３を制御する。
【００７６】
これにより、水素と空気の混合ガスが水素循環系内を循環するとともに、当該混合ガスによって液滴水が搬送され、アノード触媒層に液体の水が供給されることとなる。その結果、水素と酸素が反応する際にアノード触媒層を冷却することができ、当該アノード触媒層における発熱が過大となるのを防止することができる。
【００７７】
その後、ステップ５２０における水素循環ポンプの駆動開始から、所定時間が経過したか否かが判別される（ステップ５３０）。この所定時間は、予め実験などにより定められた、水素循環系内を循環する水素と酸素の反応が十分に行われる時間に基づいて定めることができる。
【００７８】
所定時間が経過したと判別された場合には、水素循環系内の窒素への置換が十分に行われたと判断され、アノードへの水供給および水素循環ポンプ４５８がＯＦＦ状態とされる（ステップ５４０）。その後、今回のルーチンが終了し、システムの停止処理が続行される。
【００７９】
以上の処理によれば、アノードを含む水素循環系を窒素に置換する際にも、実施の形態１と同様に、アノード触媒層への液体の水の供給によって触媒層を冷却することができる。
【００８０】
尚、上述した実施の形態２では、水素循環系が前記第３の発明の「ガス循環系」に相当し、水タンク４５１および水インジェクタ４５３が前記第３の発明の「循環系水供給手段」に相当する。
【００８１】
また、実施の形態２においても、実施の形態１で述べたような種々の変形が可能であり、例えば、水の供給のタイミングは上述した実施例に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１で実行されるルーチンのフローチャートである。
【図３】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図４】実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図５】実施の形態２で実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
燃料電池                  １０                    エアコンプレッサ        ２２
加湿モジュール            ２４
水素排気弁                ６６、４６６
アノード空気供給管路      ７０、４７０
アノード空気供給弁        ７４、４７４
凝縮器                    ７２
アノード空気供給弁        ７４、４７４
水タンク                  ２７１、４５１
水インジェクタ            ２７２、４５３
水素循環ポンプ            ４５８
【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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