(57)【要約】【課題】０℃以下となる低温環境下でも拡散電極部の凍結による作動停止や再始動性の低下を招くことがなく安定的に電力供給が行なえ、かつ耐久性の高い燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード拡散電極１６およびカソード拡散電極１７で狭持された高分子電解質膜１１を更に一対のセパレータ２１，２２で狭持してなる単セル２０を含む燃料電池本体部１０ａを備え、燃料電池本体部１０ａによる電力供給が停止されたときに、アノード側に形成され燃料が給排される燃料流路２３およびカソード側に形成され酸化ガスが給排される酸化ガス流路２４の少なくとも一方に希硫酸を供給する燃料電池システムである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード拡散電極、カソード拡散電極、および前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、外部に電力を供給する燃料電池本体部と、
前記燃料流路に燃料を供給する第１供給手段と、
前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する第２供給手段と、
前記燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに、前記燃料流路および前記酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給する第３供給手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池本体部に並列接続された二次電池と、前記燃料電池本体部および前記二次電池の少なくとも一方から負荷に電力が供給されるように接続を切換える切換手段とを更に備え、前記切換手段によって前記負荷に前記二次電池から電力が供給されたときに、前記燃料電池本体部からの電力供給を停止する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムを備えた移動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび移動装置に関し、詳しくは、主として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）で構成され、電気自動車等の車両に搭載可能な燃料電池システム、および搭載された燃料電池システムからの電力供給を受けて移動する移動装置に関する。なお、本発明において、固体高分子形燃料電池には直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）が含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高い出力密度が得られ、作動温度域が低いなどの利点から自動車搭載用や家庭用、可搬用など利用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、一般に、水素イオンを透過するイオン交換性の高分子膜（高分子電解質膜）を電解質とし、この電解質を二枚の拡散電極（カソード、アノード）で狭持した膜電極接合体を備えており、膜電極接合体を更に狭持するセパレータと各拡散電極との間に形成された流路に燃料としての水素ガス（ＤＭＦＣの場合はメタノール溶液）と酸化剤としての空気（酸化ガス）とを供給することで、１００℃以下の低温域で作動するものである。
【０００４】
カソードおよびアノードの両電極を構成する拡散電極は、一般に触媒層と共に拡散層として物質拡散性を有する多孔質カーボンペーパーやカーボンクロス等を用いて構成されるが、アノードでは電解質中の水素イオン導電性を得るために加水（加湿）され、カソードでは空気中の酸素と高分子膜を通過した水素イオンと電子との反応により水が生成されるため、通常は湿潤状態にある。そのため、燃料電池の使用環境が０℃以下となる場合で、かつ燃料電池停止後など負荷への電力供給が行なわれないときには拡散電極、特に拡散層が凍結する問題がある。そして、特にカソード極側で凍結が起こったときには、再起動しようとしても凍結部分では酸化ガスの透過を阻害してシステム停止を招きやすく、停止後に再起動しようとしても良好に起動できないおそれがある。また、拡散電極近傍の温度を０℃以上に常に暖気状態で保つことは困難である。
【０００５】
このような凍結現象に対して、停止後に燃料電池内の水を排出したり、あるいは停止中は加温する等の手段が挙げられている（例えば、特許文献１〜２参照）が、残留水の凍結やエネルギー効率などの別の点で問題があった。また、自動車に広く利用されている不凍液（エチレングリコール等）の使用も考えられるが、燃料電池内部に不凍液が残存すると性能劣化を引き起こす問題がある。
【０００６】
これらとは別に、ＤＭＦＣにおいて燃料であるメタノールをアノードに供給する、あるいは停止直前にメタノールで湿潤させた後に停止する燃料電池システムがある（例えば、特許文献３参照）。これは、水の凝固点を降下させて凍結を防止しようとするものであるが、蒸発し易いメタノールを用いるため、長時間にわたって水の凝固点を降下させておくことは困難である。しかも、カソード極側も反応水で湿潤されるため凝固し易く、特にカソード側で凝固した場合にはシステム停止を引き起こし易いが、カソード側は考慮されておらずカソードにおける凍結を防止することはできない。
【０００７】
また、セパレータ板で形成された流路に希硫酸を注入することが記載されているものもある（例えば、特許文献４参照）。しかし、ここでの希硫酸は運転時に燃料電池内を洗浄する洗浄剤として用いられるものであり、洗浄後には希硫酸を排出すると共にさらに純水洗浄が必要とされている。上記以外にも、硫酸を用いて凍結を防止する記載がある（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
一方、自動車が信号待ちで停車しているときなど、いつでも出力可能な出力待機の状態（ＯＣＶ状態）で保持されている場合には、水素ガス（燃料）のリークに伴なう耐久性の点でも問題がある。すなわち、水素ガスと空気の内部供給が行なわれていないときには両分圧は低いが、ＯＣＶ状態での分圧は高く、水素ガスがカソード極側にリークして空気中の酸素と反応するクロスリークを生じ、膜が劣化してしまうおそれがあり、アノードおよびカソードの電位差を消去する必要がある。燃料電池内で生じるガスのリークについては、そのリーク防止技術が記載されたものがある（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献２】
特開平１１−２１４０２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１８４４３７公報
【特許文献４】
特開２００１−８５０３７公報
【特許文献５】
特開昭６３−１８４２６７号公報
【特許文献６】
特開平５−２６６９０７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気自動車等に搭載して主たる電力供給源としようとする場合には、想定されるあらゆる使用環境に対応した性能を備えている必要があり、氷点下となる低温域での作動性、再始動性の更なる安定化、耐久性の更なる向上が望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑み成されたもので、０℃以下となる低温環境下における拡散電極部の凍結による作動性や再始動性の低下の懸念がなく安定的に電力供給が行なえ、かつ耐久性の高い燃料電池システムを提供することを目的とし、
【００１２】
さらに、前記燃料電池システムを搭載し、０℃以下となる低温環境下で安定した始動性、走行性を発揮し、かつ長期耐久性を具えた移動装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の燃料電池システムは、アノード拡散電極、カソード拡散電極、および前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、外部に電力を供給する燃料電池本体部と、前記燃料流路に燃料を供給する第１供給手段と、前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する第２供給手段と、前記燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに、前記燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給する第３供給手段とで構成したものである。
【００１４】
第１の発明においては、水素ガス（またはメタノール溶液）などの燃料が通過する燃料流路、および前記燃料を酸化する酸化剤としての酸化ガス（空気など）が通過する酸化ガス流路の少なくとも一方において、電力供給を停止するときに希硫酸が供給され、電力供給を行なうときには排出して発電を開始する。
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、０℃以下となる低温環境下で使用された場合において、燃料電池停止後や一時的に発電が行なわれない状態（ＯＣＶ状態など）にあるときの拡散電極部（アノード拡散電極、カソード拡散電極；本明細書中において「拡散電極」ともいう。）、特に拡散電極部を一般に構成する拡散層での凍結が抑制され、拡散電極部での燃料や酸化ガスの透過性が良好となる。
すなわち、燃料への加湿によって湿潤されたアノード側および電池反応に伴なう水が存在するカソード側の少なくとも一方に、燃料流路又は酸化ガス流路を利用して希硫酸を供給することにより凍結が効果的に防止される。その結果、起動中の発電停止のおそれを回避できると共に燃料電池の発電効率が向上し、しかも一旦停止した後の再始動をも良好に行なうことができる。
【００１６】
また、自動車が信号待ちで停車しているときなど、いつでも出力可能なＯＣＶ状態で保持されているときにも、燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給しておくことによって水素ガスのリークが抑えられ、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
【００１７】
本発明において、燃料流路または酸化ガス流路、あるいは燃料流路および酸化ガス流路の両流路への希硫酸の供給は、流路内、特に拡散電極に希硫酸が存在する状態が形成される態様であればよく、例えば、流路内が満たされた状態や少なくとも拡散電極の拡散層が希硫酸を含む状態などの態様とすることで、いずれの態様でも拡散電極部の凍結を防止することができる。好ましくは、流路内がほぼ満たされた状態とすることによって、凍結防止と共に燃料電池システムの上記耐久性をも効果的に向上させることができる。
【００１８】
燃料電池本体部は、各セパレータの両面に流路を形成して単セルを複数積層することでスタック構造に構成することができ、スタック構造に構成する際のスタック構造の両端に位置する二枚のセパレータは拡散電極に接する側に流路が形成されるようにすることができる。
【００１９】
燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに供給する希硫酸は、燃料流路と酸化ガス流路のいずれか一方に供給されるように構成されるが、両流路に供給する構成も好適である。特にカソードでの凍結は燃料電池の発電停止を起こし易いことから、カソード側に設けられた酸化ガス流路に希硫酸を供給する構成が望ましい。
【００２０】
第１の発明に係る燃料は、固体高分子形燃料電池に一般に用いられる水素ガス、または直接メタノール形燃料電池に用いられるメタノール溶液である。また、酸化ガスは、アノードから高分子電解質膜を通ってカソード側に到達した水素イオンと外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成するための酸素であり、一般に大気中の空気が供給される。
【００２１】
第１の発明の燃料電池システムは、燃料電池本体部に並列接続された二次電池と、燃料電池本体部および二次電池の少なくとも一方から負荷（モータなど）に電力が供給されるように接続を切換える切換手段とを更に設け、この切換手段によって負荷に二次電池から電力が供給されたときに、燃料電池本体部からの電力供給が停止されるように構成することができる。すなわち、例えば負荷の要求電力が小さいなど、二次電池の残存電力量で賄えるときには燃料電池本体部による発電を停止し、二次電池による方が燃料電池本体部の発電効率との関係で有利なときには、燃料電池本体部から電力を供給せず、二次電池から負荷に電力供給が行なわれる。この場合も、外気温が低いと上記同様に燃料電池本体部内での凍結が起こり易いため、燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸の供給が行なわれるのが望ましい。また、燃料電池本体部から電力供給すると共に二次電池からも電力供給することもできる。
【００２２】
第２の発明の移動装置は、上記の第１の発明に係る燃料電池システムを用いて構成したものであり、これに燃料電池システムから電力供給を受けて車輪を駆動するモータなどの負荷を更に設けて構成することができる。
【００２３】
第２の発明においては、第１の発明に係る燃料電池システムが搭載され、車輪を駆動するモータなどの負荷に電力供給する主たる電力供給源として利用できる。これにより、走行環境が０℃以下となる低温環境下の場合でも、燃料電池システムの停止後や一時的に発電が行なわれない状態（ＯＣＶ状態など）にあるときの、燃料電池本体部における拡散電極部での凍結が効果的に抑制され、燃料電池システムの作動中の発電停止、すなわち走行不能となり易くなるのを防止できると共に発電効率をも向上させ得、また一旦停止した後の再始動性も良化する。しかも、燃料電池システム自体の耐久性向上に伴なって、上記性能を長期間維持することができる。
【００２４】
また、移動装置に上記第１の発明に係る燃料電池システムの燃料電池本体部に並列接続させて二次電池が更に搭載され、車輪を駆動するモータが燃料電池本体部および二次電池の少なくとも一方から電力供給を受け得るように切換手段によって切換えて駆動させることができる。燃料電池システムと二次電池との双方から電力供給を受けることもできるが、特に二次電池から電力供給が行なわれるときには燃料電池本体部は停止され、やはり拡散電極部で凍結が起こり易い状況となるため、上記のように燃料電池本体部を停止するときに燃料流路および酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸が供給される。
【００２５】
上記の第２の発明に係る移動装置は、例えば電気自動車など、電気エネルギーを利用して移動可能となる装置である。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、０℃以下の低温環境下での作動性、再始動性に優れており、発電運転を良好に行なうことが可能であり、電気自動車などに主電力源として搭載した場合の安定した始動性、走行性を確保することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態について説明し、該説明を通じて本発明の移動装置についても詳述する。なお、下記の実施形態において、発電運転に用いる燃料として水素ガスを用いたＰＥＦＣを中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。
【００２８】
（第１実施形態）
本発明の燃料電池システムの第１実施形態を図１を参照して説明する。本実施形態は、電気エネルギーの供給を受けて車輪を駆動するモータで移動可能な電気自動車に本発明の第１実施形態の燃料電池システムを搭載し、燃料電池システムが停止されるときに、燃料電池システムのアノード側に形成された水素ガス流路（燃料流路）を利用して希硫酸を供給し、アノード拡散電極に希硫酸が存在するようにしたものである。
【００２９】
本実施形態では、燃料電池システムと共に更に二次電池を搭載し、燃料電池システムを二次電池と並列に接続させて接続切換によって燃料電池システムおよび前記二次電池の少なくとも一方から電力供給が行なえるようにしたものである。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態は、単セルを複数積層してスタック構造に構成され、外部に電力を供給する燃料電池本体部１０と、燃料電池本体部１０の水素ガス流路に水素ガスを供給する水素供給系（第１供給手段）３０と、燃料電池本体部１０のエア流路に空気を供給するエア供給系（第２供給手段）４０と、燃料電池本体部１０による電力供給が停止されたときに水素ガス流路に希硫酸を供給する希硫酸給排系（第３供給手段）５０とを備えている。本実施形態では、希硫酸給排系５０は燃料電池本体部１０のアノード側に形成されている。
【００３１】
燃料電池本体部１０は、水素供給系３０から燃料である水素ガスが供給されると共にエア供給系４０から空気が供給されることによって発電することができ、発電しないときには希硫酸給排系によって希硫酸を供給し、再度発電するときには排出することができるように構成されている。また更に、燃料電池本体部には冷却系７０が接続されており、内部温度の調整が適宜可能なようになっている。
以下、燃料電池本体部１０について、さらに図２を参照して説明する。図２は、燃料電池本体部を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。
【００３２】
燃料電池本体部１０は、図２に示すように構成された単セル１０ａをセパレータを介在させて複数積層してなるものである。個々の単セル１０ａは、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１１がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１７との間に狭持されてなる膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を更に狭持すると共に、アノード拡散電極１６との間に水素ガスが通過する、即ち供給排出される水素ガス流路（燃料流路）２３と、カソード拡散電極１７との間に空気（エア）が通過する、即ち供給排出されるエア流路（酸化ガス流路）２４とを形成する一対のセパレータ２１、２２とで構成されている。
【００３３】
燃料電池本体部１０は、水素ガス流路２３に水素（Ｈ２）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２４に酸素（Ｏ２）を含む空気が供給され、下記式（１）〜（３）で表される電気化学反応（以下、「電池反応」ともいう。）によって外部に電力を供給する。なお、式（１）はアノード側における反応を示し、式（２）はカソード側での反応を示し、式（３）は燃料電池本体部における全反応を示す。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  …（３）
【００３４】
フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガスに加水（加湿）することによって形成できる。
【００３５】
アノード拡散電極１６およびカソード拡散電極１７は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極１６は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にアノード触媒層１２と拡散層１４とが積層されて構成されており、カソード拡散電極１は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にカソード触媒層１３と拡散層１５とが積層されて構成されている。
【００３６】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、フッ素系イオン交換樹脂膜１１上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートをフッ素系イオン交換樹脂膜１１上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、フッ素系イオン交換樹脂膜１１ではなく、フッ素系イオン交換樹脂膜１１と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。
【００３７】
拡散層１４、１５は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。
【００３８】
セパレータ２１、２２は、膜電極接合体２０を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体２０を構成するアノード拡散電極１６との間には水素ガス流路２３が形成され、カソード拡散電極１７との間にはエア流路２４が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。
【００３９】
セパレータ２１および２２は、図２に示す単セルのときにはそれぞれ片側の面にのみ流路が形成されているが、単セルを複数積層してスタック構造とするときには、一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの各々の両側の面において流路が形成される。すなわち、一つのセパレータの両側の面に凹部（リブ）が形成され、一方の側ではアノード拡散電極１６との間で水素ガス流路２３が形成され、他方の側では隣接する膜電極接合体のカソード拡散電極との間でエア流路２４が形成される。このように、セパレータ２１、２２は、流路を形成すると共に、隣接する単セル間における水素ガスと空気の流れを分離する機能を担っている。
【００４０】
また、隣接する単セルを構成するセパレータの両側の面に形成されたリブは、互いに平行に形成されてもよく、面毎に直行するなど所定の角度をなして形成されてもよい。また、リブ形状は、アノード又はカソード拡散電極に対して水素ガス又は空気の供給が可能であれば制限はなく、例えば平行な溝状に形成できる。
なお、上記のようにスタック構造を形成したときにスタック構造の両端に位置する二枚のセパレータは膜電極接合体と接する側の面にのみリブを形成するようにすればよい。
【００４１】
燃料電池本体部１０を組立てるときには、セパレータ２１、アノード拡散電極１６、フッ素系イオン交換樹脂膜１１、カソード拡散電極１７、セパレータ２２の順に構成された単セル１０ａ（図２参照）を複数組（本実施例では１００組）積層することによってスタック構造に構成される。このとき、セパレータ２１、２２は隣接する単セル間で共有される。
【００４２】
アノード拡散電極またはカソード拡散電極とセパレータとの間に形成された水素ガス流路２３、エア流路２４には、図２に示すように、通常の発電運転中の場合はそれぞれ水素ガス、空気が供給されるが、外部への電力供給が停止されたときには、水素ガス、空気の供給が停止されると共にアノード側の水素ガス流路に希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が供給される。また同時に、カソード側のエア流路に希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を供給するように構成することもできる。具体的には、以下の通りである。
【００４３】
燃料電池本体部１０のアノード側には、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通するように、水素供給系３０を構成するポンプＰ１およびバルブＶ１を備えた水素供給管３１の一端が接続されており、水素貯蔵タンク３２と連通されている。水素貯蔵タンク３２の壁面には、バルブを備えた配管３３の一端が接続されており、この配管３３の他端には水素充填用のコネクタが取り付けられ、水素貯蔵タンク内に水素ガスを高圧充填できるようになっている。
【００４４】
水素供給系３０は、水素貯蔵タンク３２と水素供給管３１とで構成されており、燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、水素ガス流路２３に供給する水素ガスの圧力はバルブＶ１の開閉状態を制御することで容易に調整可能なようになっている。
【００４５】
また、水素貯蔵タンク３２に取り付けられた水素充填用のコネクタを介して、あるいは水素貯蔵タンク３２に代えて、水素を生成する水素生成装置を接続して構成することもできる。例えば、メタノールを貯留するメタノールタンクと、メタノール供給用ポンプと、水を貯留する水タンクと、水供給用ポンプと、供給されたメタノールを水素生成用燃料として水蒸気改質法に基づく改質を行なう改質器とで構成された装置を接続し、改質器にメタノールタンクおよび水タンクからメタノール供給用ポンプ、水供給用ポンプによってメタノールおよび水を供給し、下記式（４）〜（６）による改質を行なうことで、生成された水素リッチガスを供給することができる。
ＣＨ３ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ２  …（４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２  …（５）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋３Ｈ２  …（６）
【００４６】
なお、上記のメタノールの改質反応において、式（４）はメタノール分解反応を、式（５）は一酸化炭素の変成反応を示し、式（４）及び（５）は同時に進行する。式（６）は全反応を示す。ここで、式（６）で示される全反応は吸熱反応であるため、外部からの熱の供給が必要である。この改質反応に必要な熱は、例えば、燃料電池本体部のアノード側から排出された排出水素ガスと、後述のようにエア流路供給用に加圧された空気（酸化ガス）の一部とを改質器に導入し、排出水素ガス中に残存する水素と加圧された空気中の酸素とを燃焼させることで得ることができる。
【００４７】
また、水素供給管３１を挿通して水素ガスを供給し電池反応に供しようとするときには、水素供給管３１に加湿器を設け、水素ガスを加湿した後に燃料電池本体部１０に供給することで、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の乾燥を防ぐようにすることもできる。なお、この加湿器は下記の周辺器に含まれる。
【００４８】
燃料電池本体部１０のアノード側には、スタック構造中の水素ガス流路２３の排出口と連通するように、更に希硫酸給排系５０を構成する排出管５１の一端が接続されている。希硫酸給排系５０は、温度センサＴ１およびバルブＶ３を備えた排出管５１と、電池反応により水素密度が低くなった水素ガス（排出水素ガス）を排出するバルブＶ５を備えた配管５４と、希硫酸を貯留する希硫酸貯留部５２と、希硫酸貯留部５２と水素供給管３１とを連通するポンプＰ２およびバルブＶ２を備えた配管５３と、希硫酸貯留部５２と配管５４とを連通するバルブＶ４を備えた配管５５とで構成されている。排出管５１には希硫酸検出センサ５６が取り付けられており、希硫酸の存在、すなわち希硫酸の排出（即ち回収）が完了したか否かを検出できるようになっている。
【００４９】
配管５４は、その一端が排出管５１と接続されると共に他端が排気管４５と接続され、配管５４によって排出管５１と排気管４５とは連通されており、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出水素ガスを排出できるようになっている。
なお、排出管５１の配管５４との接続部より排出方向上流側は排出水素ガスの排出にも利用される。希硫酸貯留部５２の底部には配管５３の一端が接続され、水素ガスの供給を停止し電力供給が停止されたときに水素供給管３１を介して燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に希硫酸を供給できるようになっている。また、希硫酸貯留部５２の上部壁面には、排出管５１の一端と配管５５の一端とが接続されており、水素ガス流路２３に供給された希硫酸を回収し、あるいは排出可能なようになっている。
【００５０】
燃料電池本体部１０のカソード側には、ポンプＰ３を備えたエア供給管４１の一端がスタック構造におけるエア流路２４の供給口と連通するように接続され、更にポンプＰ４およびエア調圧バルブＶ６を備えた排出管４２の一端がエア流路２４の排出口と連通するように接続され、燃料電池本体部１０のエア流路２４へのエアの供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気および生成水の排出が可能なようになっている。
【００５１】
エア供給系４０は、エア供給管４１および排出管４２と、エア流路２４に供給するエアの加湿を行なう加湿モジュール４３と、ポンプＰ５、温度センサＴ２、供給される空気を加圧するためのエアコンプレッサ、およびインタークーラを備えたエア供給管４４と、排気管４５とで構成されている。
【００５２】
加湿モジュール４３には、エア供給管４１の他端と、排出管４２の他端と、外部から空気を供給するエア供給管４４の一端と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気を排気する排気管４５の一端とが接続されている。大気中から吸引され、エア供給管４４の配管途中に設けられたエアコンプレッサによって加圧された空気は、必要によりインタークーラで冷却した後さらに加湿されて燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給されるようになっており、また、電池反応によって生じた生成水は加湿モジュールに貯えられると共に排出空気（水分を含んでもよい）は排気管４５の他端から浄化触媒を介して排気されるようになっている。一般に燃料電池は、供給される水素ガスおよび空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため、上記のように加圧される。
【００５３】
燃料電池本体部１０には、更にポンプＰ６を備えた冷却管７１の一端と冷却管７２の一端とが接続され、冷却系７０が構成されており、冷却水をポンプＰ６によって燃料電池本体部１０に循環しながら供給可能なようになっている。また、冷却管７１には供給前の液温を検知する温度センサＴ３が設けられ、冷却管７２には排出後の液温を検知する温度センサＴ４と冷却後の液温を検知する温度センサＴ５とが設けられている。
【００５４】
冷却管７１の他端は、３方バルブと接続されている。また、冷却管７２は３本に分岐され、３本に分岐された各々の分岐端は冷却管７１と繋がる３方バルブと接続されている。３本に分岐されたうちの２本の分岐管にはそれぞれメインラジエータ、サブラジエータが取り付けられており、他の１本の分岐管にはイオン交換器を備えた配管７３の一端が接続され、冷却管７１と連通されている。また、メインラジエータが取り付けられた分岐管には、更に補充用の水を貯えておくリザーブタンクと接続する配管の一端が接続され、必要に応じて水を補充できるようになっている。
【００５５】
燃料電池本体部１０は、ニッケル−水素蓄電池（二次電池）９と切換スイッチ（切換手段）１２を介して電気的に並列に接続されており、切換スイッチ１２によって燃料電池本体部１０とニッケル−水素蓄電池９との間で接続を切換えて車輪を駆動するモータ１３への電力供給を行なえるように構成されている。
【００５６】
二次電池には、ニッケル−水素蓄電池のほか、ニッケル−カドミウム蓄電池、鉛蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いることもできる。二次電池の容量は、燃料電池システム１を搭載する車両の大きさや走行条件、車両性能（最高速度や走行距離など）等によって適宜選択すればよい。
【００５７】
ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量は、図示しない検出装置によって検出することができるようになっている。検出装置には、充電・放電の電流値と時間とを積算して残存電力量を演算するＳＯＣメータや、電圧値の低下を検出する電圧センサを使用でき、また電解液の比重を測定して検出するように構成することもできる。
【００５８】
モータ１３は、三相同期モータであり、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを介して切換スイッチ１２に電気的に接続されている。モータ１３を駆動するのに必要な電圧は、通常２００〜３００Ｖ程度であり、燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９からはこれに見合う電圧が出力されるが、ポンプ等の補機類やエアコンプレッサ等の周辺器などの負荷を作動させるときの電圧は１２Ｖ程度であり、燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９からの出力電圧をそのまま供給することはできないため、ＤＣ／ＤＣコンバータによって燃料電池本体部等から出力された電気エネルギーの電圧を降下させて供給するようになっている。
【００５９】
また、インバータによって燃料電池本体部１０及び／又はニッケル−水素蓄電池９から供給される直流電流が三相交流に変換され、モータ１３や下記補機類およびエアコンプレッサ等の周辺器等の負荷に供給される。インバータは、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成され、スイッチング素子の各々は制御装置８０に接続されて制御装置８０の制御を受け、各スイッチング素子のスイッチング動作によって供給された直流電流を任意の振幅、周波数の三相交流に変換する。
【００６０】
モータ１３は、上記のように電気エネルギーの供給を受けて回転され、この回転力が車軸に伝えられることによって電気自動車の車輪が駆動されるようになっている。
【００６１】
切換スイッチ１２は、制御装置８０によってオン／オフ制御（出力制御）が行なわれ、モータ１３が接続されたインバータと燃料電池本体部１０及び／又はニッケル−水素蓄電池９とを接続する。すなわち、インバータと燃料電池本体部１０との接続、インバータとニッケル−水素蓄電池９との接続、インバータと燃料電池本体部１０およびニッケル−水素蓄電池９との同時接続のいずれもが可能となる。また、燃料電池本体部１０の出力制御（発電運転制御）およびニッケル−水素蓄電池９の出力制御（出力ＯＮ・出力ＯＦＦの制御）は、これらの接続状態の如何に関わらず任意に実行することができる。
【００６２】
燃料電池本体部１０は、接続される負荷の大きさに応じて水素ガスおよび空気の量を調節することによって出力を制御することができ、この制御は制御装置８０によって行なわれる。図３に示すように、上記の燃料電池本体部１０、ニッケル−水素蓄電池９、並びにスタートスイッチ、アクセルスイッチ、切換スイッチ１２、希硫酸検出センサ５６、温度センサＴ１〜Ｔ５、ポンプＰ１〜Ｐ７、バルブＶ１〜Ｖ８、三方バルブ、加湿モジュール４３、各種ラジエータなどの補機類、およびモータ１３や水素ガスを加湿する加湿器、エアコンプレッサなどの周辺器の各々は、マイクロコンピュータ等で構成された制御装置８０に接続されている。
【００６３】
なお、上記の補機類は、燃料電池システム１における燃料電池本体部１０の稼動中に電力を消費する負荷である。補機類の電力消費量は、モータ１３の電力消費量に比べて少ないものの、発電運転している状況下では発電量の大小に関わらず作動し、その消費量は燃料電池本体部の発電量が多くなるほど大きくなる。
【００６４】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムの制御装置８０による制御ルーチンについて図４〜８を参照して説明する。ここでは特に、燃料電池本体部での希硫酸充填排出制御ルーチン並びに燃料電池本体部および二次電池を切換えて電力供給を行なう割り込みルーチンを中心に説明する。
【００６５】
図４は、スタートスイッチＳｓｗのオンで実行される希硫酸充填排出制御ルーチンを示すものであり、まずＳｓｗオンにより燃料電池本体部（ＦＣ）１０が起動されると、まずステップ１００において図７に示すサブルーチン（希硫酸排出ルーチン）を実行し、希硫酸排出処理を行なう。
【００６６】
この希硫酸排出ルーチンが実行されると、ステップ４００においてアノード側のバルブＶ３およびＶ４を開けて希硫酸の排出を開始する。次のステップ４０２で水素供給管３１に設けられたバルブＶ１を開けてポンプＰ１を駆動し、水素ガスの燃料電池本体部１０内への供給を開始して水素ガス流路２３内の希硫酸を追い出し、次のステップ４０４で希硫酸の回収が完了したか否かを判断する。
【００６７】
水素ガス流路２３内に希硫酸がないことを希硫酸検出センサ５６により検出し、希硫酸の回収が完了したと判断した場合には、バルブＶ３およびＶ４を閉じ、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１０２に移行し、水素ガス流路２３内に未だ希硫酸が残っていると判断した場合は回収が完了するまで水素ガスの供給を継続する。これにより、燃料電池本体部の発電運転を行なうにあたり、燃料である水素ガスを供給する水素ガス流路２３内の希硫酸を希硫酸貯留タンク５２に回収する。このとき、回収後のアノード拡散電極１６（特に拡散層１４）には希硫酸が残存するが、希硫酸が残存することによって低温始動時の始動性も良好となる。
【００６８】
これと同時に燃料電池本体部１０のカソード側では、エア供給系４０が制御装置８０の制御を受けて作動し、エア流路２４に空気が供給される。すなわち、エア供給管４４に設けられたポンプＰ５を駆動して吸引された空気は、エアコンプレッサによって加圧されると共に、インタークーラで所定温度に調整され、加湿モジュール４３で加湿された後、ポンプＰ３の駆動によって燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給されている。インタークーラでは、検出した空気温度に応じて、ポンプＰ７およびインタークーラ用ラジエータを作動して冷却水が循環されている。
【００６９】
以上により、燃料電池本体部１０は起動状態にあり、かつ希硫酸の排出が完了し、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素ガス、空気（酸素）の供給が開始されており、発電運転可能な状態にある。
【００７０】
ステップ１０２では、燃料電池本体部１０に対する出力要求があるか否かを判断し、出力要求があった場合には、ステップ１０４において再度希硫酸が排出されているか否かを判断し、排出完了状態であると判断したときにはステップ１０８で燃料電池本体部１０の通常制御を実行し、未排出状態であると判断したときにはステップ１０６で上記同様に図７に示す希硫酸排出処理を実行した後、ステップ１０８において燃料電池本体部１０の通常制御を実行する。
【００７１】
ステップ１０８では、アノード側において、バルブＶ３およびバルブＶ４を閉じると共にバルブＶ１およびバルブＶ５を開け、ポンプＰ１を駆動して水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給し、電池反応後の排出水素ガスは水素ガス流路２３から排出管５１および配管５４を介して排気管４５の他端から排出する。また、カソード側において、エアコンプレッサおよびインタークーラを作動させながら、ポンプＰ３、Ｐ５を駆動して加圧した加湿空気を燃料電池本体部１０のエア流路２４に供給し、エア調圧バルブＶ６を開閉させて一定の圧力下で電池反応後の排出空気をエア流路から排気管４５の他端から排出する。
【００７２】
ステップ１０２において出力要求がない場合は、ステップ１１０において希硫酸が排出されているかを判断し、排出完了状態であると判断したときには、ステップ１１２において図８に示すサブルーチン（希硫酸充填ルーチン）を実行し、希硫酸充填処理を行ない、未排出状態であると判断したときには、ステップ１１４に移行する。
【００７３】
この希硫酸充填ルーチンが実行されると、ステップ５００においてアノード側のバルブＶ１およびバルブＶ５を閉じて水素ガスの供給を停止する。このとき、カソード側のポンプＰ３およびＰ５をエアコンプレッサやインタークーラ等と共に停止し、空気の供給を停止する。次にステップ５０２において、バルブＶ２、Ｖ３およびＶ４を開けてポンプＰ２を駆動し、希硫酸貯留タンク５２から水素供給管３１を通じて燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に希硫酸を供給し、ステップ５０４で希硫酸の供給を検出して希硫酸の充填を完了する。充填完了後、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１１４に移行する。
【００７４】
ステップ１１４では、スタートスイッチＳｓｗがオフであるか否かを判断し、Ｓｓｗオフであると判断した場合は、ステップ１１６で希硫酸が充填されているか否かが判断され、希硫酸が充填されていると判断したときにはステップ１２０で燃料電池本体部１０の起動を停止し、希硫酸が充填されていないと判断したときにはステップ１１８で上記同様に図８に示す希硫酸充填処理を行なった後にステップ１２０に移行して燃料電池本体部１０の起動を停止する。
【００７５】
以上により、燃料電池本体部１０への出力要求がない場合（ステップ１０２の否定判断）や、燃料電池本体部１０の起動を停止する場合（ステップ１１４の肯定判断）には、常に水素ガス流路２３内に希硫酸が供給されように制御されるため、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し得、安定的な電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークに起因する耐久性の低下をも効果的に解消することができる。
【００７６】
また、ステップ１１４においてＳｓｗオンであると判断された場合には、再びステップ１０２に戻って、燃料電池本体部１０に対する出力要求があるか否かが判断され、上記と同様の制御が繰り返し行なわれる。
【００７７】
図４に示す燃料電池本体部の出力処理および希硫酸の充填／排出処理が実行されている間に、負荷の大きさに応じて、二次電池使用条件が成立しているときには図５に示す割り込みルーチンが適宜実行される。
【００７８】
本ルーチンが実行されると、電気自動車のアクセルスイッチ操作を介して要求される駆動要求パワーの読み込みを行なうと共に、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量を読み込み、残存電力量が所定容量以上であるときには二次電池の使用条件を満たし、ステップ２００において図６に示すサブルーチンを実行して、燃料電池本体部１０を停止させるか否かを判断する。
【００７９】
このサブルーチンが実行されると、まずステップ３００において燃料電池本体部１０を間欠的に運転する間欠運転モードであることを示す間欠フラグｆｋのセット状態を判断する。この間欠フラグｆｋは、後述の処理によりセット／リセットされ、セット状態のときには燃料電池本体部１０を間欠運転させることを、リセット状態のときには燃料電池本体部１０を連続運転させることを表す。
【００８０】
ここで、間欠フラグｆｋ＝０（リセット状態）、すなわち連続運転であると判断した場合は、ステップ３０２において駆動要求パワーが所定の閾値パワーＸｐｗより小さいか否かの判断を行う。閾値パワーＸｐｗは、燃料電池本体部１０の出力が低いためにシステム効率が低くなる値（燃料電池出力）であり、本実施形態では燃料電池本体部１０の発電能力の約１０％に設定してある。
【００８１】
ステップ３０２において駆動要求パワーがＸｐｗより小さい場合は、燃料電池本体部１０を連続運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーがＸｐｗより小さいことになるため、燃料電池本体部１０の運転モードを連続運転モードから間欠運転モードに移行することを示すように、ステップ３０４において間欠フラグｆｋに値１を入れてこれをセットする。次に、ステップ３０６において、ステップ３００で読み込んだ残存電力量と駆動要求パワーとを対比し、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量だけの電力でモータ１３を駆動要求パワー通りに回転させることができるか否かを判断する。すなわち、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量で駆動要求パワーを充足できるかを判断する。
【００８２】
ステップ３０６において、残存電力量で駆動要求パワーを充足できると判断した場合は、ステップ３０８において上記した補機類やエアコンプレッサ等の周辺器と共に低い発電領域での燃料電池本体部１０の運転を停止し、ステップ３１０においてニッケル−水素蓄電池９から電力をモータ１３に供給して本サブルーチンを終了すると共に、図５に示す割りこみルーチンのステップ２０２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９のみからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。
【００８３】
ステップ２０２において、希硫酸が排出されているか否かが判断され、希硫酸が排出されている場合は、ステップ２０４において図８に示す希硫酸充填ルーチンが実行されて希硫酸充填処理が行なわれた後ステップ２１０に移行し、希硫酸が排出されていない場合は、そのままステップ２１０に移行する。希硫酸充填処理は上記同様に行なわれる。ステップ２１０において、二次電池使用条件を再度判断し、未だ条件成立状態であると判断した場合は、ステップ２００に戻って上記制御を繰り返し、燃料電池本体部と二次電池との間で電力供給が効率よく行われるように制御され、条件不成立であると判断した場合は、割り込みルーチンを終了する。
【００８４】
一方、図６に示すサブルーチンのステップ３０６において、残存電力量で駆動要求パワーを充足できないと判断した場合は、ニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０を併用する、すなわち燃料電池本体部１０を連続運転に移行させるために、ステップ３１２において間欠フラグｆｋをリセットし、本サブルーチンを終了すると共に、図５に示す割りこみルーチンのステップ２０６に移行する。
【００８５】
ステップ２０６では、希硫酸が排出されているか否かが判断され、希硫酸が排出されていると判断された場合は、ステップ２０８においてニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とによってモータ１３の回転、並びに駆動要求パワーによる車両駆動が可能となり（ＦＣ共用制御）、希硫酸が排出されていないと判断された場合は、ステップ２１０で図７に示す希硫酸排出ルーチンが実行されて希硫酸排出処理が行なわれた後、ステップ２０８でニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とによってモータ１３の回転、並びに駆動要求パワーによる車両駆動が可能となる（ＦＣ共用制御）。
【００８６】
また、既述のステップ３０２において、駆動要求パワーがＸｐｗ以上であると判断した場合は、駆動要求パワーを得るには燃料電池本体部１０を発電運転する必要があり、駆動要求パワーをニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力で賄うためにステップ３１２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動可能となる（ＦＣ共用制御）。
【００８７】
一方、既述のステップ３００において、間欠フラグｆｋ＝１（セット状態）、すなわち間欠運転であると判断した場合は、ステップ３１４において駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいか否かを判断する。駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより大きいと判断したときには、燃料電池本体部１０を間欠運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーがＸｐｗ＋αより大きいことからニッケル−水素蓄電池９の電力と燃料電池本体部１０の発電電力とで賄うべく、ステップ３１２に移行する。このとき、モータ１３はニッケル−水素蓄電池９と燃料電池本体部１０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動可能となる。
【００８８】
また、ステップ３１４において駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｗ＋αより小さいと判断したときには、駆動要求パワーが小さいことから燃料電池本体部１０および補機類や周辺器を停止した状態でステップ３０６に移行し、既述と同様にそれ以降の処理を実行する。
【００８９】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、アクセルスイッチ操作を介して要求された駆動要求パワーの大きさによって、燃料電池本体部１０とその補機類及び周辺器の運転／停止制御が行なわれる。そして、駆動要求パワーが燃料電池本体部１０に対して高負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップ３０２の否定判断）、燃料電池本体部１０で発電すると共にニッケル−水素蓄電池９の電力でモータ１３を回転し、車両を駆動する。これにより、燃料電池本体部１０を高負荷領域で効率よく発電運転することができる。
【００９０】
一方、駆動要求パワーが低負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップ３０２の肯定判断）、ニッケル−水素蓄電池９の残存電力量でモータ回転を賄うことができることを条件として、燃料電池本体部１０と補機類及び周辺器とを停止させて燃料電池本体部１０の水素ガス流路内に希硫酸を供給すると共に、ニッケル−水素蓄電池９単独での電力供給を行なう。これにより、燃料電池本体部１０を低負荷では発電運転しないようにできるので、燃料電池本体部の無駄な発電が抑えられ、燃料電池システムおよびこれを搭載した電気自動車のシステム効率を向上させることができる。
【００９１】
また本実施形態では、燃料電池本体部が通常に制御されている場合には、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に供給された水素ガスとエア流路２４に供給された空気（酸素）とによって電池反応が進行して発電運転される一方、燃料電池本体部の発電運転が停止状態に移行されると、希硫酸貯留タンクに貯留された希硫酸が水素ガスを供給するための水素供給管を利用して水素ガス流路に供給され、再度起動または出力要求されるまでそのままの状態で保持される。そして、再び起動または出力要求があると、希硫酸を水素ガス流路外に排出し回収すると共に水素ガスを供給して通常の発電運転で制御される。
【００９２】
これにより、停止状態にある場合において、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し、発電効率を高め、かつ安定した電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークを防止して耐久性を向上させることができる。
【００９３】
上記では、燃料電池本体部１０のアノード側にだけ希硫酸給排系を設け、燃料である水素ガスを供給する水素ガス流路に希硫酸を供給する態様を説明したが、本実施形態のように水素ガス流路に希硫酸を供給すると共に更にカソード側にも希硫酸給排系を設けてエア流路にも希硫酸を供給するように構成することも好適である。なお、エア流路に希硫酸を供給する形態の詳細については後述の第２実施形態と同様である。
【００９４】
（第２実施形態）
本発明の燃料電池システムの第２実施形態を図９を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の希硫酸給排系を燃料電池システムのアノード側ではなくカソード側に設け、燃料電池システムが停止されるときに、カソード側に形成されたエア流路（酸化ガス流路）を利用して希硫酸を供給排出し、カソード拡散電極に希硫酸が存在するようにしたものである。なお、燃料および酸化ガスは第１実施形態で使用した燃料および酸化ガスを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９５】
本実施形態では、燃料電池システムが停止されるときに希硫酸を燃料電池本体部１０内に供給する希硫酸給排系が燃料電池本体部１０のカソード側に形成されている。すなわち、発電運転を行なわないときに、酸化ガスとしての空気が供給されるエア流路に希硫酸を供給し、再度発電するときには排出することができるように構成されている。
【００９６】
図９に示すように、燃料電池本体部１０のカソード側において、スタック構造中のエア流路２４の排出口と連通するように希硫酸給排系６０を構成する排出管６１の一端が接続されている。希硫酸給排系６０は、ポンプＰ４およびバルブＶ３を備えた排出管６１と、電池反応により酸素量が少なくなった空気を排出するエア調圧バルブＶ６を備えた配管６４と、希硫酸を貯留する希硫酸貯留部６２と、希硫酸貯留部６２とエア供給管６５とを連通するポンプＰ２およびバルブＶ２を備えた配管６３と、希硫酸貯留部６２と配管６４とを連通するバルブＶ４を備えた配管６６とで構成されている。
【００９７】
配管６４は、その一端が排出管６１と接続されると共に他端が加湿モジュール４３と接続され、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出空気を排出すると共に加湿モジュール４３で電池反応により生じた水を貯え得るようになっている。希硫酸貯留部６２の底部には配管６３の一端が接続され、空気の供給を停止し電力供給が停止されたときにエア供給管６５を介して燃料電池本体部１０のエア流路に希硫酸を供給できるようになっている。エア供給管６５は、発電運転時には加湿された空気を挿通し、電力供給停止時には希硫酸を挿通する。また、希硫酸貯留部６２の上部壁面には、排出管６１の一端と配管６６の一端とが接続されており、エア流路に供給された希硫酸を回収し、あるいは排出可能なようになっている。
【００９８】
燃料電池本体部１０のアノード側には、バルブＶ８を備えた排出管５６の一端が接続され、スタック構造の水素ガス流路２３の排出口と連通されている。排出管５６の他端は、排気管４５に接続されており、電池反応後に水素ガス流路２３から排出された排出水素ガスは排出管５６を挿通し排気管４５の他端から浄化触媒を介して排出されるようになっている。また更に、水素供給系３０を構成する水素供給管３１の一端が接続されて、スタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通されている。
【００９９】
既述したように、Ｓｓｗオンにより燃料電池本体部（ＦＣ）１０が起動されると、まず図４に示す希硫酸充填排出制御ルーチンのステップ１００において、図７に示す希硫酸排出ルーチンが実行され、希硫酸排出処理を行なう。この希硫酸排出ルーチンが実行されると、ステップ４００でカソード側の排出管６１、配管６６に設けられたバルブＶ３およびバルブＶ４を開けて希硫酸の排出を開始する。次のステップ４０２においてエア供給管６５に設けられたバルブＶ７を開けてエアコンプレッサで加圧された加湿空気の燃料電池本体部１０内への供給を始め、エア流路２４内の希硫酸を追い出し、次のステップ４０４で希硫酸の有無を希硫酸検出センサ５６で検出し、希硫酸の回収が完了したか否かを判断する。
【０１００】
エア流路２４内に希硫酸がないことを希硫酸検出センサ５６で検出して希硫酸の回収が完了したと判断した場合は、バルブＶ３およびＶ４を閉じ、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻ってステップ１０２に移行し、エア流路２４内に未だ希硫酸が残っていると判断した場合は、回収が完了するまで加湿空気の供給を継続する。これにより、燃料電池本体部１０の発電運転を行なうにあたり、電池反応に用いる空気を供給するエア流路２４内の希硫酸を希硫酸貯留タンク６２に回収する。このとき、回収後のカソード拡散電極１７（特に拡散層１５）には希硫酸が残存するが、希硫酸が残存することによって低温始動時の始動性も良好となる。
【０１０１】
これと同時に燃用電池本体部１０のアノード側では、水素供給系３０が制御装置８０の制御を受けて作動し、既述のように水素ガス流路２３に水素ガスが供給される。つまり、バルブＶ１およびバルブＶ８を開けてポンプＰ１を駆動し、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に水素ガスを供給し、電池反応後の排出水素ガスは水素ガス流路２３から排出管５６を介して排気管４５の他端から排出される。
【０１０２】
以上により、燃料電池本体部１０は起動状態にあり、かつ希硫酸の排出が完了し、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素ガス、空気（酸素）の供給が開始されており、発電運転可能な状態となる。
【０１０３】
また、図８に示す希硫酸充填ルーチンが実行された場合には、次のように希硫酸充填処理を行なう。すなわち、希硫酸充填ルーチンが実行されると、ステップ５００においてカソード側のバルブＶ６およびＶ７を閉じて加湿空気の供給を停止する。このとき、アノード側のポンプＰ１を停止し水素ガスの供給を停止する。次にステップ５０２において、バルブＶ２、Ｖ３およびＶ４を開けてポンプＰ２を駆動し、希硫酸貯留タンク６２からエア供給管６５を通じて燃料電池本体部１０のエア流路２４に希硫酸を供給し、ステップ５０４で希硫酸の供給を検出して希硫酸の充填を完了する。充填完了後、希硫酸充填排出制御ルーチンに戻る。
【０１０４】
本実施形態は、上記した図７〜８に示す希硫酸充填ルーチンおよび希硫酸排出ルーチン以外の制御装置８０による他の制御は、図４〜６に示す流れに基づいて第１実施形態と同様にして実行される。
【０１０５】
本実施形態では、燃料電池本体部が通常に制御されている場合には、水素貯蔵タンク３２から燃料電池本体部１０の水素ガス流路２３に供給された水素ガスとエア流路２４に供給された空気（酸素）とによって電池反応が進行して発電運転され、燃料電池本体部の発電運転が停止状態に移行されると、希硫酸貯留タンクに貯留された希硫酸が空気を供給するためのエア供給管を利用してエア流路に供給され、再度起動または出力要求されるまでそのままの状態で保持される。そして、再び起動または出力要求があると、希硫酸をエア流路外に排出し回収すると共に加湿された空気を供給して通常の発電運転で制御される。
【０１０６】
これにより、停止状態にある場合において、０℃以下となる低温環境下での拡散電極部の凍結による、燃料電池本体部の作動不良や発電効率の低下、一旦停止した後の再始動不良を回避し、発電効率を高め、かつ安定した電力供給が可能であると共に、ＯＣＶ時などにおける水素ガスのリークを防止して耐久性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施形態においてもエア流路に希硫酸を供給すると共に、更にアノード側にも希硫酸給排系を設けて水素ガス流路に希硫酸を供給するように構成することも好適である。
【０１０８】
上述した実施形態では、燃料に水素ガスを用いた例を中心に説明したが、既述のメタノール溶液を用いた場合においても同様である。また、燃料電池システムを電気自動車に搭載した例を中心に説明したが、電気自動車以外の他の移動装置や、移動装置以外の電気エネルギーで作動する装置への電力供給源として適用することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明によれば、０℃以下となる低温環境下における拡散電極部の凍結による作動性や再始動性の低下の懸念がなく安定的に電力供給が行なえ、かつ耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。また更に、前記燃料電池システムを搭載し、０℃以下となる低温環境下で安定した始動性、走行性を発揮し、かつ長期耐久性を具えた移動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】燃料電池本体部を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の制御装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態の希硫酸充填排出制御ルーチンを示す流れ図である。
【図５】本発明の第１実施形態の燃料電池本体部および二次電池の接続を切換えて電力供給を行なう割り込みルーチンを示す流れ図である。
【図６】燃料電池本体部を運転制御するサブルーチンを示す流れ図である。
【図７】希硫酸排出処理を実行する希硫酸排出ルーチンを示す流れ図である。
【図８】希硫酸充填処理を実行する希硫酸充填ルーチンを示す流れ図である。
【図９】本発明の第２実施形態の一部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
９…ニッケル−水素蓄電池（二次電池）
１０…燃料電池本体部
１１…フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）
１２…切換スイッチ（切換手段）
１６…アノード拡散電極
１７…カソード拡散電極
２０…膜電極接合体
２１，２２…セパレータ
２３…水素ガス流路（燃料流路）
２４…エア流路（酸化ガス流路）
３０…水素供給系
４０…エア供給系
５０，６０…希硫酸給排系
７０…冷却系
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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