(57)【要約】【課題】ラジカル類の発生を抑えて電解質膜の分解を抑制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】制御部１００は、燃料電池１０の電解質膜を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極側から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する。また、制御部１００は、この透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤極側の酸素を消費させる。このように、燃料電池システム１は、電解質膜を透過する透過ガス量が大きくなったときに酸化剤極側の酸素を消費させるため、酸素と水素との反応によるラジカル類の発生量を減少させることができる。【選択図】図１
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【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、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極および両極間に挟持された電解質膜を有し、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と、
前記燃料電池の燃料極側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と、
前記電解質膜を通して単位時間あたりに前記燃料極側から前記酸化剤極側に又は酸化剤極から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定手段と、
前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費手段と、
前記透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記透過ガス量推定手段は、前記燃料電池の電流密度から前記透過ガス量を推定し、
前記制御手段は、前記電流密度が所定電流密度を超える場合に、前記透過ガス量が所定量以上であると判断して、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる
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】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた後、前記電圧検出手段により検出される電圧を所定電圧以下に維持する
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】
前記燃料電池のセルに電流を流す電流制御手段と、
前記電流制御手段によって電流を流されたセルの電圧を検出する電圧検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記電流制御手段によって所定電流を流したときに前記電圧検出手段によって検出される電圧値に基づいて、前記燃料電池の電流密度が所定電流密度を超えるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電流制御手段によって流される所定電流は０アンペアである
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】
前記透過ガス量推定手段は、前記透過ガス量を推定するにあたり、前記燃料極側の圧力又は前記酸化剤極側の圧力を増加させる
ことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス消費手段は、酸化剤ガスの利用率を上げることにより、前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費する
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合で、前記燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段によってガス供給されている状態からシステムを停止させるときには、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を停止させた後、前記燃料極と前記酸化剤極とを短絡させ又は燃料電池から電流を取り出し、その後前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給を停止させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合で、システムを起動させるときには、前記燃料極と前記酸化剤極とを短絡させ又は燃料電池から電流を取り出し、その後前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給及び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させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定電流密度は、初期状態の前記燃料電池について前記電解質膜を通して単位時間あたりに透過する透過ガス量の３倍を基準に設定される
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所定電圧は、直列接続されるセル数に０．８８ボルトを乗じた電圧である
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【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】
燃料電池システムでは、燃料極側から酸化剤極側への燃料ガスが透過するクロスオーバーが発生する。このクロスオーバーによる燃料ガスの透過量は、燃料電池システムを長時間運転していると増加する傾向にある。燃料ガス透過量の増加は、燃料電池内の電解質膜の分解が原因の１つであると考えられている。電解質膜は、燃料ガスが水素であり、酸化剤ガスが酸素である場合、燃料電池内で発生した過酸化水素水により分解される。すなわち、酸化剤極側から酸素が透過し、燃料極側の触媒層において、
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏ２                        （１）
なる反応が起こる。ここで、過酸化水素水は、水酸化ラジカル（ＯＨ）を発生させ、このラジカル類が電解質膜を分解させる。さらに、電解質膜が分解されると酸素のクロスオーバー量が増加するため、より多くの過酸化水素水が発生して電解質膜の分解は一層促進される。
【０００３】
そこで、燃料極と酸化剤極との間に新たな触媒層が設けられ、この触媒層において水素と酸素との反応を促進させる燃料電池が提案されている。この燃料電池では、電解質膜内に、酸化剤極及び燃料極と電子導電的に絶縁された触媒層が形成され、触媒層において水素と酸素とを反応させて水を生成するため、上記式（１）の反応を抑制することとなり、電解質膜の分解を抑制することができる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１０３９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、一般的に電解質膜中の電位は低く、電位が０．６８〔Ｖ〕よりも低い場合、新たに設けた触媒層において上記式（１）の反応が発生してしまう。このため、従来の燃料電池システムは、過酸化水素水の発生により電解質膜が分解されることとなり、分解が進むと酸素のクロスオーバー量が増加し、より多くの過酸化水素水が発生して電解質膜の分解は一層促進されてしまう。なお、この問題は、燃料ガスが水素であり酸化剤ガスが酸素である場合に限らず、式（１）のような反応が起こり、ラジカル類を発生させてしまう場合に共通するものである。
【０００５】
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、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜の分解を抑制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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス供給手段と、透過ガス量推定手段と、酸化剤ガス消費手段と、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極および両極間に挟持された電解質膜を有し、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。燃料ガス供給手段は燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給手段は燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する。透過ガス量推定手段は電解質膜を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する。酸化剤ガス消費手段は酸化剤極側の酸化剤ガスを消費する。制御手段は透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費手段により酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電解質膜を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に透過する透過ガス量を推定し、推定した透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。このように、電解質膜を透過する透過ガス量が大きくなったときに酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させるため、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応によるラジカル類の発生量を減少させることができる。従って、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜の分解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】
【０００８】
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。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０（燃料ガス供給手段）と、燃料ガス排出系３０と、燃料ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系（酸化剤ガス供給手段）５０と、酸化剤ガス排出系６０と、燃焼触媒７０と、負荷系８０とを備えている。
【００１０】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素ガス）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む空気））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とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成し、燃料電池１０は、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。
【００１１】
図２は、図１に示した燃料電池１０の単位セルの詳細構成図である。図２に示すように、燃料電池１０は固体高分子電解質膜１３（以下単に電解質膜という）を有している。電解質膜１３が両極１１，１２に挟持されている。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の上に積層され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の上に積層され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。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。
【００１２】
再度、図１を参照する。燃料ガス供給系２０は、燃料電池の燃料極側に水素を供給するものであって、水素タンク２１と、水素供給配管２２と、減圧弁２３と、流量コントローラ２４とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素供給配管２２は水素タンク２１と燃料電池１０の燃料極側入口とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料極側入口まで導くものである。減圧弁２３は、水素タンク２１内の高圧水素ガスを機械的に所定圧まで減圧するものである。流量コントローラ２４は、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素流量を制御するものである。
【００１３】
燃料ガス排出系３０は、燃料電池１０の燃料極側から排出されたガスを外部に排出するものであって、ガス排出配管３１を備えている。ガス排出配管３１は、燃料電池１０の燃料極側出口と燃焼触媒７０とを接続するものであって、燃料電池１０の燃料極側から排出されたオフガスを燃焼触媒７０を介して外部に導くための流路となるものである。また、燃料ガス排出系３０は、パージ弁（不図示）を有している。パージ弁は、開閉自在に制御されるものであり、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてガスの外部への排出を制御するものである。なお、燃焼触媒７０は、燃料電池１０の燃料極側からの排水素及び酸化剤極側からの排空気を燃焼処理するものである。
【００１４】
燃料ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを再利用するためのものであって、循環配管４１と、水素ポンプ４２と、第１三方弁４３と、第２三方弁４４とを備えている。循環配管４１は、一端がガス排出配管３１に接続され、他端が水素供給配管２２に接続され、燃料電池１０の燃料極側から排出されたオフガスを循環させて再度燃料電池１０の燃料極側に送り込む流路となるものである。水素ポンプ４２は、循環配管４１上に設けられ、燃料電池１０の燃料極側から排出されたガスを循環させて再度燃料電池１０の燃料極側に送り込む動力源となるものである。第１三方弁４３は、循環配管４１の一端側に接続され、燃料電池１０の燃料極側から排出されたガスを燃焼触媒７０まで導くか、循環配管４１に導入させるかを切り替えるものである。第２三方弁４４は、循環配管４１の他端側に接続され、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極側に導くか、循環配管４１を通じて循環されるガスを燃料電池１０の燃料極側に導くかを切り替えるものである。
【００１５】
酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池１０の酸化剤極側に酸素を供給するものであって、空気供給配管５１と、コンプレッサ５２と、フィルタ５３とを備えている。空気供給配管５１は、外部と燃料電池１０の酸化剤極側入口とを接続するものであり、空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に導く流路となるものである。コンプレッサ５２は、空気供給配管５１上に設けられ、外気を取り込み圧縮して燃料電池１０の酸化剤極１２に送り込むものである。フィルタ５３は、コンプレッサ５２の動作によって外気と共に流入する塵などを除去するものである。
【００１６】
酸化剤ガス排出系６０は、空気排出配管６１とを備えている。空気排出配管６１は、燃料電池１０の酸化剤極側出口と燃焼触媒７０とを接続するものであって、燃料電池１０の酸化剤極側から排出されたガスを外部に導くための流路となるものである。また、酸化剤ガス排出系６０は圧力調整弁（不図示）を有している。圧力調整弁は、空気排出配管６１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。また、圧力調整弁は、ガスの排出量を制御することにより燃料電池１０の酸化剤極側の圧力を調整可能となっている。
【００１７】
負荷系８０は、負荷８１と、バッテリ８２と、スイッチ８３と、リレー８４とを備えている。負荷８１は、例えば燃料電池システム１が車両に搭載される場合、車両の駆動動力源となる駆動モータなどであり、燃料電池１０の発電電力により動作するものである。バッテリ８２は、要求された電力量のうち燃料電池１０から供給できない不足分の電力量を負荷８１に供給するものである。また、バッテリ８２は、燃料電池１０の発電電力が余剰になったときに電力を蓄電し、且つ、負荷８１が駆動モータである場合、駆動モータによる回生電力を蓄電するようになっている。スイッチ８３とリレー８４とは、燃料電池１０から負荷８１への電力供給、バッテリ８２から負荷への電力供給、及び負荷８１からバッテリ８２への充電動作に応じて制御されるものである。
【００１８】
さらに、上記の燃料電池システム１は、各種センサ９１〜９４と、制御部（透過ガス量推定手段、酸化剤ガス消費手段、制御手段、電流制御手段）１００とを備えている。各種センサ９１〜９４のうち第１圧力センサ９１は、燃料電池１０の燃料極側の水素圧力を測定するものであり、第２圧力センサ９２は、燃料電池１０の酸化剤極側の酸素圧力を測定するものである。電流センサ９３は、燃料電池１０の電流を検出するものである。電圧センサ（電圧検出手段）９４は、燃料電池１０の電圧を検出するものである。なお、この電圧センサ９４は、単位セルごとの電圧を測定可能な構成となっているものとする。
【００１９】
制御部１００は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）によって構成され、透過ガス量推定機能と、酸化剤ガス消費機能と、制御機能と、電流制御機能とを有する。
【００２０】
透過ガス量推定機能は、電解質膜１３を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極側から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する機能である。酸化剤ガス消費機能は、酸化剤極側の酸素を消費する機能である。制御機能は、透過ガス量推定機能により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費機能によって酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させるように制御を行う機能である。電流制御機能は、燃料電池１０のセルに電流を流す機能である。
【００２１】
燃料電池システムの運転中において、透過ガス量推定機能は、燃料電池１０の電解質膜１３の劣化によってクロスオーバーする透過ガス量が多大になっていないかをチェックしている。そして、制御機能は、クロスオーバーするガス量が多大になっている場合、すなわち透過ガス量推定機能により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費機能によって酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。これにより、上記（１）式の反応を抑制して水酸化ラジカル（ＯＨ）の発生を抑制するようにしている。
【００２２】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム１の起動、電解質膜の劣化確認、劣化時の運転動作、及び、劣化時のシステム停止動作までの一連の流れを示している。
【００２３】
まず、図３に示すように、制御部１００は、燃料ガス供給系２０を制御して水素供給を開始させる（ＳＴ１）。次に、制御部１００は、コンプレッサ５２を始動させて（ＳＴ２）、空気供給を開始させる。次いで、制御部１００は、一定時間経過したか否かを判断する（ＳＴ３）。一定時間経過していないと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、一定時間経過したと判断されるまで、この処理は繰り返される。
【００２４】
一方、一定時間経過したと判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、制御部１００の透過ガス量推定機能は水素利用率を減少させる（ＳＴ４）。このとき、透過ガス量推定機能は、燃料極側に供給する水素の流量を増加させることで、水素利用率を減少させる。これにより、燃料極側の圧力を増加させることとなり、クロスオーバーする気体の流量を増加させることとなる。なお、透過ガス量推定機能は、水素利用率を減少させるのに代えて、酸素利用率を減少させるようにしてもよい。
【００２５】
次に、制御部１００の制御機能は、電流センサ９３により検出された電流値から燃料電池の電流密度を求め、この電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断する（ＳＴ５）。ここで、電解質膜１３を通じて両極間を流れるガス量が大きくなると、正常な発電が行われず燃料電池１０の電圧は低下し、同時に電流は増加する傾向にある。故に、ステップＳＴ５において制御機能は、電流センサ９３の検出値から得られた電流密度と、所定電流密度Ｉ１とを比較することにより、クロスオーバー量が多大となっているか判断する。
【００２６】
なお、制御機能は、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断するのに代えて、燃料電池１０の電圧が規定の電圧値以下となるか否かを判断するようにしてもよい。この場合、電流制御機能は燃料電池１０のセルに所定電流を流す。そして、電流を流したセルの電圧を電圧センサ９４によって検出する。制御機能は、検出電圧が規定の電圧値Ｖ０以下であるかを判断して、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるかを判断するようにしてもよい。
【００２７】
さらに、制御機能は、上記の所定電流を「０」アンペアとすることが望ましい。すなわち、制御機能は、開放端電圧に基づいて、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断することが望ましい。これにより、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断するにあたり、電流を流す必要がなく、一層簡易に電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断することができる。
【００２８】
また、所定電流密度Ｉ１は、以下のようにして決定される。初期状態の燃料電池１０の電解質膜１３を通して単位時間あたりに流れるガス量をＡとした場合、所定電流密度Ｉ１はＡの３倍のガス量を基準に設定される。これにより、温度や湿度による変化や誤差を含めても有意な増加と考えることができる値を基準とすることができる。
【００２９】
ここで、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、制御部１００の透過ガス量推定機能は水素利用率を増加させる（ＳＴ６）。すなわち、透過ガス量推定機能は、ステップＳＴ４において減少させた水素利用率をもとに戻すように制御する。その後、処理はステップＳＴ３に移行する。
【００３０】
一方、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えたと判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、制御機能は、クロスオーバー量が多大になっていると判断する。そして、酸化剤ガス消費機能は、酸素利用率を増加させる（ＳＴ７）。すなわち、酸化剤ガス消費機能は、コンプレッサ５２の回転数を減少させて、燃料電池１０への酸素供給量を減少させる。これにより、燃料電池１０内では酸素が不足することとなり、結果として酸化剤極側の酸素を消費させていくこととなる。なお、燃料電池１０内では酸素が不足すると、燃料電池１０の電圧は減少していく。
【００３１】
そして、制御機能は、電圧センサ９４により検出される単位セルの電圧が所定電圧値Ｖ１以下か否かを判断する（ＳＴ８）。すなわち、制御機能は、検出電圧が所定電圧値Ｖ１以下かを判断することで、酸化剤極側の酸素が不足状態であるかを確認している。この酸素の不足状態によって、たとえ電解質膜１３の劣化によりクロスオーバー量が大きくなっていても、ラジカル類の発生を抑制することができる。
【００３２】
ここで、検出電圧が所定電圧値Ｖ１以下でないと判断した場合（ＳＴ８：ＮＯ）、処理はステップＳＴ７に移行する。一方、検出電圧が所定電圧値Ｖ１以下であると判断した場合（ＳＴ８：ＹＥＳ）、制御部１００は、運転モードを緊急運転モードに設定する（ＳＴ９）。運転モードを緊急運転モードに設定した場合、後の運転制御において制御機能は、電圧センサ９４により検出される電圧が所定電圧値Ｖ１以下となるように維持する。これにより、継続的にラジカル類の発生を抑制することができる。
【００３３】
緊急運転モードに設定した後、制御部１００は、燃料電池システム１の運転停止を示す停止信号が入力したか否かを判断する（ＳＴ１０）。停止信号が入力していない場合（ＳＴ１０：ＮＯ）、入力したと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、停止信号が入力したと判断した場合（ＳＴ１０：ＹＥＳ）、制御機能は、コンプレッサ５２を停止させ、酸化剤ガスの供給を停止させる（ＳＴ１１）。
【００３４】
その後、制御機能は、負荷系８０を制御して燃料電池１０から電流を取り出す（ＳＴ１２）。そして、制御機能は、燃料電池１０のセル電圧が「０．２」Ｖ以下であるか否かを判断する（ＳＴ１３）。セル電圧が「０．２」Ｖ以下でないと判断した場合（ＳＴ１３：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１２に移行する。
【００３５】
一方、セル電圧が「０．２」Ｖ以下であると判断した場合（ＳＴ１３：ＹＥＳ）、制御機能は、燃料ガス供給系２０からの水素供給を停止させる（ＳＴ１４）。そして、燃料電池システム１は停止し、処理は終了する。このように、ステップＳＴ１１で酸素供給を停止しステップＳＴ１２で電流を取り出したうえで燃料電池システム１を停止させる。このため、酸素を消費させたうえで燃料電池システム１を停止させることとなり、システム停止後にラジカル類の発生を抑えることができる。なお、電流取り出しに代えて、両極１１，１２を短絡させるようにしてもよい。
【００３６】
次に、ステップＳＴ８の所定電圧値Ｖ１について説明する。図４は、図３のステップＳＴ８の所定電圧値Ｖ１を示す図である。図４では、電流が流れていない状態（０Ａ／ｃｍ２）から１．２Ａ／ｃｍ２の負荷を取り出し、再度０Ａ／ｃｍ２に戻す操作を１サイクルとし、このサイクルを複数回行うという負荷変動試験を行い、４つの制御状態それぞれにおいて所定時間間隔で開放端電圧を測定した結果を示している。
【００３７】
４つの制御状態とは、ステップＳＴ８の所定電圧値Ｖ１を０．９Ｖとし、その後の運転においても電圧を０．９Ｖに維持した場合（方法１）、０．８８Ｖとし、その後の運転においても電圧を０．８８Ｖに維持した場合（方法２）、及び０．８５Ｖとし、その後の運転においても電圧を０．８５Ｖに維持した場合（方法３）、並びにステップＳＴ８の制御を行わずその後の運転においても電圧制御しなかった場合（方法４）をいう。
【００３８】
図４に示すように、ステップＳＴ８の制御を行わずその後の運転においても電圧制御しない方法４の場合、ある特定の時間帯において開放端電圧が急減少している。これは、クロスオーバー量の増大により、電解質膜１３が劣化して燃料電池１０の性能を維持できなくなったためと考えられる。
【００３９】
これに対し、電圧制御を行う方法１〜３の場合、方法４のように開放端電圧の急減少がなくなっており、電解質膜１３の劣化を抑制されていることがわかる。特に、０．８８Ｖに制御する方法２の場合が最も長時間に亘り高い電圧を維持している。このため、ステップＳＴ８の所定電圧値Ｖ１は０．８８Ｖであることが望ましいといえる。なお、電圧センサ９４が単位セルの電圧でなく、直列接続されるＮ個（Ｎは２以上の整数）のセルの電圧を一括して検出する場合、所定電圧値Ｖ１は０．８８ボルトにＮを乗じた電圧をとされることが望ましい。
【００４０】
図５は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートであり、緊急運転モードに設定されているときにシステム起動するときの処理を示している。図５に示すように、緊急運転モード設定時にシステム起動する場合、制御機能は、負荷系８０を制御して燃料電池１０から電流を取り出す（ＳＴ２１）。次に、制御機能は、燃料ガス供給系２０を制御して水素供給を開始させる（ＳＴ２２）。次に、制御機能は、コンプレッサ５２を始動させて（ＳＴ２３）、空気供給を開始させる。
【００４１】
その後、制御機能は、電圧センサ９４により検出されたセル電圧が「０．５」Ｖ以上であるか否かを判断する（ＳＴ２４）。セル電圧が「０．５」Ｖ以上でないと判断した場合（ＳＴ２４：ＮＯ）、セル電圧が「０．５」Ｖ以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。
【００４２】
一方、セル電圧が「０．５」Ｖ以上であると判断した場合（ＳＴ２４：ＹＥＳ）、図５に示す起動処理を終了する。ここで、ガス供給してから電流を取り出すと、一旦燃料電池１０の電圧が所定電圧値Ｖ１（例えば０．８８Ｖ）を超えてしまうことがある。すなわち、酸化剤極側の酸素を不足状態とできず、ラジカル類の発生を抑制できなくなってしまう。ところが、上記のように、電流を取り出しつつガス供給することで、燃料電池１０の電圧を所定電圧値Ｖ１以下に抑制し、起動時においてもラジカル類の発生を抑制することができる。
【００４３】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、電解質膜１３を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極側から燃料極側に透過する透過ガス量を推定し、推定した透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤極側の酸素を消費させる。このように、電解質膜１３を透過する透過ガス量が大きくなったときに酸化剤極側の酸素を消費させるため、酸素と水素との反応によるラジカル類の発生量を減少させることができる。従って、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜１３の分解を抑制することができる。
【００４４】
また、透過ガス量が大きくなると、正常な発電反応が行われず燃料電池１０の電圧が低下し、同時に電流密度は増加する。このため、燃料電池１０の電流密度から電解質膜１３を透過する透過ガス量を推定し、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超える場合に、透過ガス量が所定量以上であると判断して、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。これにより、透過ガス量を直接計測せず、電流状態から透過ガス量を求めることができ、簡易に透過ガス量を推定することができる。
【００４５】
また、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた後、燃料電池１０の電圧を所定電圧以下に維持する。これにより、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた状態を維持し、継続的にラジカル類の発生を抑えて電解質膜１３の分解を抑制することができる。
【００４６】
また、所定電流は０アンペアである。すなわち、開放端電圧に基づいて、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断する。これにより、電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断するにあたり、電流を流す必要がなく、一層簡易に電流密度が所定電流密度Ｉ１を超えるか否かを判断することができる。
【００４７】
また、透過ガス量を推定するにあたり、燃料極側の圧力又は酸化剤極側の圧力を増加させる。これにより、クロスオーバーする気体流量を大きくすることができ、燃料電池１０の電圧の低下を顕著とすることができる。従って、透過ガス量が所定量以上か否かの判断について精度を向上させることができる。
【００４８】
また、酸化剤ガス消費機能は、酸素の利用率を上げることにより、酸化剤極側の酸素を消費する。すなわち、燃料電池１０への酸素の供給流量を減少させて、酸素の利用率を上げることとし、酸素を不足状態にして酸化剤極側の酸素を消費する。これにより、簡易に酸素を消費させることができる。なお、燃料電池１０への酸素の供給流量を減少させた場合、電解質膜１３から持ち出される水の量が減るため、電解質膜１３を湿潤とすることもできる。さらには、電解質膜１３を湿潤とするため、一時的にクロスオーバーするガス量を減少させることができる。
【００４９】
また、透過ガス量が所定量以上の場合であってシステムを停止させるときには、酸素供給を停止させた後、燃料極１１と酸化剤極１２とを短絡させ又は燃料電池１０から電流を取り出し、その後水素供給を停止させる。ここで、燃料極１１と酸化剤極１２とを短絡させ又は燃料電池１０から電流を取り出すことにより、水素と酸素とを消費させることができる。よって、酸素供給を停止させた後に、上記を行うことで、酸素のみを消費させることとなる。その後、水素供給を停止させるため、酸素の消費が進んだうえで、燃料電池システム１を停止させることとなる。従って、システム停止後においてもラジカル類の発生を抑えることができる。
【００５０】
また、透過ガス量が所定量以上の場合であってシステムを起動させるときには、燃料極１１と酸化剤極１２とを短絡させ又は燃料電池１０から電流を取り出し、その後水素供給を開始させる。このように予め短絡又は電流取り出しを行うことで、酸素をなるべく消費したうえで、燃料電池システム１を起動させることとなる。従って、システム起動直後においてラジカル類の発生を抑えることができる。
【００５１】
また、所定電流密度Ｉ１は、初期の燃料電池の透過ガス量の３倍を基準に設定される。このため、温度や湿度による変化や誤差を含めても有意な増加と考えることができる透過水素量を基準とすることができる。
【００５２】
また、所定電圧Ｖ１は直列接続させるセル数に０．８８ボルトを乗じた電圧である。このため、図４に示すように、最も長期に亘り電圧の劣化を抑制することができる。
【００５３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の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に示した燃料電池の単位セルの詳細構成図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、燃料電池システムの始動、電解質膜の劣化確認、劣化時の運転動作、及び、劣化時のシステム停止動作までの一連の流れを示している。
【図４】図３のステップＳＴ８の所定電圧値Ｖ１を示す図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートであり、緊急運転モードに設定されているときにシステム起動するときの処理を示している。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１１ａ…燃料極触媒層
１１ｂ…ガス拡散層
１２…酸化剤極
１２ａ…酸化剤極触媒層
１２ｂ…ガス拡散層
１３…電解質膜
１４，１５…セパレータ
１４ａ，１５ａ…流路
２０…燃料ガス供給系（燃料ガス供給手段）
２１…水素タンク
２２…水素供給配管
２３…減圧弁
２４…流量コントローラ
３０…燃料ガス排出系
３１…ガス排出配管
４０…燃料ガス循環系
４１…循環配管
４２…水素ポンプ
４３…第１三方弁
４４…第２三方弁
５０…酸化剤ガス供給系（酸化剤ガス供給手段）
５１…空気供給配管
５２…コンプレッサ
５３…フィルタ
６０…酸化剤ガス排出系
６１…空気排出配管
７０…燃焼触媒
８０…負荷系
８１…負荷
８２…バッテリ
８３…スイッチ
８４…リレー
９１…第１圧力センサ
９２…第２圧力センサ
９３…電流センサ
９４…電圧センサ（電圧検出手段）
１００…制御部（透過ガス量推定手段、酸化剤ガス消費手段、制御手段、電流制御手段）
【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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