(57)【要約】【課題】駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素極１１ｂに燃料ガスを供給するための燃料室１２ａ、空気極１１ｃに空気を供給するための空気室１２ｂ並びに水素極１１ｂ及び空気極１１ｃ間に介在する電解質膜１１ａを有する固体高分子膜型のスタック１と、水素供給路２０を介してスタック１に燃料ガスを供給するための燃料供給手段と、水素排気流路３０を介して燃料電池で反応した後の燃料ガスを排気する燃料排気手段と、燃料電池の起動時に残留空気等と燃料ガスとを置換する燃料置換手段とを備えた燃料電池システムである。この燃料置換手段は、起動時における残留空気等の排出速度が通常駆動時における燃料ガスの排出速度より速くなるように構成されている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極、該水素極に燃料ガスを供給するための燃料室、空気極、該空気極に空気を供給するための空気室並びに該水素極及び該空気極間に介在する電解質膜を有し、少なくとも該空気極に触媒が担持された固体高分子膜型の燃料電池と、燃料ガス供給路を介して該燃料電池に該燃料ガスを供給するための燃料供給手段と、燃料ガス排気流路を介して燃料電池で反応した後の該燃料ガスを排気する燃料排気手段と、該燃料ガス排気流路に配置されるとともに、該燃料電池の起動時に該燃料室内に残留する残留ガス又は残留空気を排出し、新たに供給される該燃料ガスと置換する燃料ガス置換流路を備えた燃料置換手段とを備え、
該燃料置換手段の該燃料ガス置換流路は、該燃料ガス排気流路よりも流路の抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス置換流路を通過するガスの流速は、前記燃料ガス排気流路を通過するガスの流速よりも速くなるように前記燃料置換手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、起動時に前記空気極の劣化を防止可能な置換率かつ時間で前記燃料室内から前記残留ガスを排出し、前記空気と置換するように前記燃料置換手段を制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料置換手段は、電磁オンオフ弁と、該電磁オンオフ弁と並列に設けられた流路とを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料置換手段は、電磁可変絞り弁を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【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に関する。この燃料電池システムは電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ）が知られている。この燃料電池は、水素極（アノード極）と、この水素極に水素を含む燃料ガスを供給するための燃料室と、空気極（カソード極）と、この空気極に空気を供給するための空気室と、水素極及び空気極間に介在するイオン交換樹脂からなる電解質膜とを有している。また、この燃料電池では、水素極と空気極との間で電気化学反応を生じ、効果的に起電力を得るため、水素極及び空気極に各々反応層が形成され、各反応層には白金等の触媒が担持されている。
【０００３】
この燃料電池は燃料供給手段、燃料排気手段及び燃料置換手段等とともに燃料電池システムを構成する。燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給され、燃料排気手段により反応後の燃料ガスが排気され、燃料置換手段により燃料電池の起動時に燃料室内に残留する残留ガス又は空気が排出される。より詳細には、通常駆動時においては、燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給されて電気化学反応を生じさせるとともに、燃料排気手段により反応後の燃料ガスが間欠的に排出され、これによって連続して起電力を得ることができる。また、停止時においては、燃料供給手段による燃料ガスの燃料室内への供給が停止されるとともに、燃料置換手段により燃料室内に残留する残留ガスが排出され、空気と置換されて、電気化学反応を停止させることができる。さらに、起動時においては、燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給されるとともに、燃料置換手段により燃料室内の空気が排出されて、電気化学反応を開始することができる。こうして、この燃料電池システムでは、通常駆動の開始となる起動と、連続して起電力を得る通常駆動と、起電力を得ない停止とを繰り返すことができる。なお、駆動は起動と通常駆動とからなり、駆動時は起動時と通常駆動時とからなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池システムにおいては、駆動と停止とを繰り返すと、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化しやすいことが明らかとなった。
【０００５】
発明者らはこの原因を以下のように推測している。つまり、通常駆動時の燃料電池システムでは、水素極において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅの反応を生じ、空気極において、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ→２Ｈ２Ｏの反応を生じ、水素極と空気極との間に起電力を生じる。ところが、その燃料電池システムを停止し、再び起動する起動時において、水素極に燃料ガスである水素とともに空気が存在すると、水素極における水素で満たされている面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅの反応を生じ、水素極における水素で満たされておらず、空気が残留している面において、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ→Ｈ２Ｏの反応を生じる。その際、電解質内の酸性度が変化し、空気極においては、Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ、Ｐｔ＋２Ｈ２Ｏ→ＰｔＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ、Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ、２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ等の反応を生じる。こうして、起動時、燃料電池内において局部電池が発生し、その結果、空気極側の白金の溶出と電解質膜の変色とが生じることにより、空気極が劣化すると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、水素極、該水素極に燃料ガスを供給するための燃料室、空気極、該空気極に空気を供給するための空気室並びに該水素極及び該空気極間に介在する電解質膜を有し、少なくとも該空気極に触媒が担持された固体高分子膜型の燃料電池と、燃料ガス供給路を介して該燃料電池に該燃料ガスを供給するための燃料供給手段と、燃料ガス排気流路を介して燃料電池で反応した後の該燃料ガスを排気する燃料排気手段と、該燃料ガス排気流路に配置されるとともに、該燃料電池の起動時に該燃料室内に残留する残留ガス又は残留空気を排出し、新たに供給される該燃料ガスと置換する燃料ガス置換流路を備えた燃料置換手段とを備え、
該燃料置換手段の該燃料ガス置換流路は、該燃料ガス排気流路よりも流路の抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、起動時における燃料室内に残留している空気の排出速度が通常駆動時における燃料室内から排気される燃料ガスの排出速度より速くなるように排気流路が構成されているため、起動時において燃料置換手段により燃料室内の空気はごく短時間で排出される。また、この際、燃料供給手段により燃料室内に新たに燃料ガスが供給される。これにより、起動時において、水素極に残留していた空気もごく短時間で排出されるとともに、水素極が燃料ガスで迅速に満たされることになる。そのため、水素極に水素と空気とが存在する時間がほとんどなくなり、燃料電池内において局部電池が発生することを防止することができる。
【０００９】
したがって、本発明の燃料電池システムは、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、起動時における燃料室内から排気される残留空気の速度が通常駆動時における燃料室内から排気される燃料ガスの速度より速くなるように燃料置換手段を制御する制御手段を備えていることが好ましい。これにより、燃料電池内において局部電池が発生することを自動的に防止し、燃料電池の空気極及び電解質膜の劣化を自動的に防止することができる。
【００１１】
この制御手段は、起動時に空気極の劣化を防止可能な置換率かつ時間で燃料室内から残留ガスを排出し、空気と置換するように燃料置換手段を制御することが好ましい。これにより、燃料電池内において局部電池が発生することを確実に防止することができる。
【００１２】
燃料置換手段は、電磁オンオフ弁と、この電磁オンオフ弁と並列に設けられた燃料ガス排気流路とを有していることができる。電磁オンオフ弁と並列に設けられた燃料ガス排気流路のみにより通常駆動時の反応後の燃料ガスを間欠的に排出し、この流路に加え電磁オンオフ弁をオンすることにより弁を開き、起動時の残留空気を排出することができる。電磁オンオフ弁に直列に燃料ガス置換流路が形成され、燃料ガス置換流路は燃料ガス排気流路よりも抵抗が小さくなるように設定されている。これにより、起動時の空気の排出速度が通常駆動時の燃料ガスの排出速度より多くなる。
【００１３】
また、燃料置換手段は、電磁可変絞り弁を有していることもできる。電磁可変絞り弁を制御して、起動時の空気の排出速度を通常駆動時の残留ガスの排出速度より速くすることができるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを具体化した実施形態１、２を図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池スタック１（以下、単に「スタック」という。）が用いられる。このスタック１は、２枚のエンドプレート２ａ、２ｂ間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体１０が挟持されたものである。積層体１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１をセパレータ１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ１１は、イオン交換樹脂（「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）デュポン（株）製）からなる電解質膜１１ａと、この電界質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる水素極（アノード）１１ｂと、電界質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極（カソード）１１ｃとからなる。水素極１１ｂ及び空気極１１ｃは電解質膜１１ａと一体の反応層を有し、各反応層には触媒としての白金が担持されている。全ての水素極１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図１に示すように、両集電板の各端子１ａ、１ｂはスタック１から突出されている。
【００１６】
図２に示すように、各セパレータ１２の水素極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスが水素極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。燃料室１２ａは水平方向に開口されており、空気室１２ｂは燃料室１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体１０の両端のセパレータ１２には燃料室１２ａ又は空気室１２ｂだけが形成されている。こうして、一枚のＭＥＡ１１と一対のセパレータ１２とによって個々の燃料電池であるセル１０ａが構成されている。各セル１０ａの全ての燃料室１２ａは、図１に示すように、一方のエンドプレート２ａに形成された燃料ガス導入口３及び他方のエンドプレート２ｂに形成された図示しない燃料ガス導出口に連通している。燃料ガス導入口３及び燃料ガス導出口は燃料供給手段の一部である。また、各セル１０ａの全ての空気室１２ｂは上下に連通している。
【００１７】
このスタック１では、代表セル１０ａの空気極１１ｃの面内の電位を測定可能な電位センサ５が取付けられている。
【００１８】
そして、このスタック１を図３に示すように構成し、燃料電池システムを組付ける。この燃料電池システムでは、スタック１の燃料ガス導入口３に水素供給流路２０が接続され、燃料ガス導出口に水素排気流路３０が接続されている。水素供給流路２０には水素二次圧センサ２１、水素供給電磁弁２２、水素二次圧調整弁２３、水素元電磁弁２４、水素一次圧調整弁２５及び水素一次圧センサ２６を介して水素タンク２７が接続されている。水素排気流路３０には酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁オンオフ弁である起動電磁弁３７、流路３６、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が接続され、消音器３９を介して外気に開放されている。また、水素排気流路３０の水素ポンプ３４と逆止弁３５との間には循環路４０が接続されており、循環路４０は逆止弁４２を介してスタック１の燃料ガス導入口に接続されている。スタック１に接続された空気マニホールド５１には空気供給路５０が接続され、空気供給路５０はフィルタ５３を有する空気ファン５２に接続されている。また、スタック１に接続された空気マニホールド５１に配設されたノズル６１には配管６０が接続され、配管６０は水供給ポンプ６２を介して水位センサ６４を有する水タンク６３に接続されている。スタック１には空気排気流路７０が接続され、空気排気流路７０は排気温度センサ７１、水凝縮器７２、水回収ポンプ７３及び逆止弁７４を介して水タンク６３に接続されている。これらのうち、水素供給流路２０、水素二次圧センサ２１、水素供給電磁弁２２、水素二次圧調整弁２３、水素元電磁弁２４、水素一次圧調整弁２５、水素一次圧センサ２６及び水素タンク２７が燃料室１２ａ内に該燃料ガスを供給するための燃料供給手段である。また、水素排気流路３０、酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、流路３６、起動電磁弁３７、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９は、燃料電池の起動時に燃料室１２ａ内に残留する残留ガス又は残留空気を排出し、空気又は該燃料ガスと置換するための燃料置換手段としての機能と、通常駆動時に燃料室１２ａから排気される電池反応後の燃料ガスを間欠的に外部に排出する燃料排気手段としての機能との２つの機能を有するものである。燃料排気手段として機能する場合、水素ポンプ３４により吸引された燃料排気ガスは流路３６のみを通って外部に排出される。燃料置換手段として機能する場合、流路３６に追加して起動電磁弁３７を開けることにより、水素ポンプ３４で吸引された残留空気等は起動電磁弁３７及びこれに配設された流路を通って、すなわち２つの流路を介して外部に排出される。したがって、２つの流路を有することにより、排気流路の抵抗は流路３６のみを使用する場合よりも小さくなるので、残留ガスを排出するときの速度がより速くなる。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、制御手段である制御装置８０と燃料供給手段、燃料置換手段等とが電気的に接続されている。具体的には、制御装置８０の図示しないコンピュータの入出力ポートがインターフェイスを介して燃料供給手段、燃料置換手段の水素二次圧センサ２１、酸素濃度センサ３１等と電気的に接続されている。また、制御装置８０のコンピュータの入出力ポートはインターフェイスを介して燃料供給手段、燃料置換手段以外の電位センサ５、空気ファン５２、水供給ポンプ６２等とも電気的に接続されている。
【００２０】
以上の構成をした燃料電池システムにおける動作の概要を説明する。この燃料電池システムでは、通常駆動時において、空気ファン５２から空気室１２ｂに空気が供給されるとともに、水素タンク２７から燃料室１２ａに燃料ガスが供給される。これにより、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。この間、消音器３９から大気に燃料室１２ａ内の電池反応後の燃料ガスが間欠的に排出され、電気化学反応を連続的に生じさせている。また、水タンク６３の水が空気マニホールド５１のノズル６１からスタック１内に噴射され、これにより空気極１１ｃの乾燥が防止されるとともにスタック１が冷却される。さらに、スタック１から排出された水と空気は水凝縮器７２に回収される。そして、空気は大気に放出され、水は水回収ポンプ７３により水タンク６３に回収される。
【００２１】
また、停止時においては、水素タンク２７から燃料室１２ａへの燃料ガスの供給が停止されるとともに、水素ポンプ３４で燃料ガスを吸引して消音器３９から大気に燃料室１２ａ及び排気流路内に残留する燃料ガスが排出される。これにより、水素極１１ｂの水素の濃度が低下し、電気化学反応を停止させることができる。
【００２２】
さらに、起動時においては、空気ファン５２から空気室１２ｂに空気が供給されるとともに、水素タンク２７から燃料室１２ａに燃料ガスが供給される。また、同時に消音器３９から大気に燃料室１２ａ内の空気が排出され、燃料室１２ａ内の空気と燃料ガスとが置換される。これにより、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応が開始される。こうして、この燃料電池システムでは、通常駆動の開始となる起動と、連続して起電力を得る通常駆動と、起電力を得ない停止とを繰り返すことができる。
【００２３】
次に、この燃料電池システムにおける起動時の動作を詳細に説明する。この燃料電池システムに電源が投入されると、制御装置８０のコンピュータにより処理が開始され、図４に示すプログラムが実行される。
【００２４】
このプログラムが実行されると、まずステップＳ１において、燃料電池システムを初期化した後、イグニッション・スイッチがＯＮされるまで待機する。イグニッション・スイッチがＯＮされるとステップＳ３が実行される。ステップＳ３では、センサ類をＯＮし、各センサからの検出値の入力を可能にする。ステップＳ３の実行後、ステップＳ５を実行する。
【００２５】
ステップＳ５において、水素一次圧をチェックする。水素一次圧センサ２６から入力した水素一次圧の検出値が設定圧（例えば１ＭＰａ）より大きい場合（ＹＥＳ）、水素タンク２７に燃料ガスが十分充填されていると判断して、ステップＳ７を実行する。また、水素一次圧センサ２６から入力した水素一次圧の検出値が設定圧以下である場合（ＮＯ）、水素タンク２７の燃料ガスが不足していると判断して、ステップＳ９を実行する。
【００２６】
ステップＳ７において、水タンク６３の水量をチェックする。水位センサ６４から入力した水量の検出値が所定値以上である場合（ＹＥＳ）、水量が十分であると判断して、ステップＳ１１を実行する。また、水位センサ６４から入力した水量の検出値が所定値より小さい場合（ＮＯ）、水量が不足していると判断して、ステップＳ９を実行する。
【００２７】
ステップＳ９では、燃料電池システムを所定の出力状態とし、起動を停止する。水素タンク２７の燃料ガスが不足していたり、水タンク６３の水量が不足しているため、スタック１内で電気化学反応を開始させることができないからである。
【００２８】
ステップＳ１１では、水回収ポンプ７３をＯＮして、スタック１から水タンク６３への水の回収を開始する。また、ステップＳ１３では、水供給ポンプ６２をＯＮして、空気マニホールド５１のノズル６１からスタック１内に水を噴射する。同時に、水素元電磁弁２４を開く。さらに、ステップＳ１５では、空気ファン５２をＯＮし、大気よりフィルタ５３を通して空気をスタック１に供給する。これにより、スタック１の空気室１２ｂに空気と水とが供給される。ステップＳ１５の実行後、ステップＳ１７を実行する。
【００２９】
ステップＳ１７では起動電磁バルブ３７及びガス排出電磁弁３８を開き、ステップＳ１９では水素ポンプ３４をＯＮする。これにより、スタック１の燃料室１２ａ内が負圧になる。そして、ステップＳ２１では水素供給電磁弁２２を開く。これにより、燃料室１２ａ内に燃料ガスが供給され、燃料室１２ａ内の空気が燃料ガスで置換される。そして、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応が開始される。ステップＳ２３では、そのまま０．５秒待機して、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間の電気化学反応がある程度安定するのを待つ。０．５秒経過後、ステップＳ２５を実行する。
【００３０】
ステップＳ２５において、図示しない電圧センサにより、燃料電池システム全体の出力電圧をチェックする。電圧センサから入力した出力電圧の検出値が所定値以上である場合（ＹＥＳ）、出力電圧が十分であると判断して、ステップＳ２７を実行する。また、電圧センサから入力した出力電圧の検出値が所定値より小さい場合（ＮＯ）、出力電圧が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３１】
ステップＳ２７において、燃料室１２ａ内の水素濃度をチェックする。水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％以上である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が十分であると判断して、ステップＳ２９を実行する。また、水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％より小さい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３２】
ステップＳ２７において、スタック１から排出される残留ガスの水素濃度をチェックする。水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％以上である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が十分であると判断して、ステップＳ２９を実行する。また、水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％より小さい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３３】
ステップＳ２９において、スタック１から排出される残留ガスの酸素濃度をチェックする。酸素濃度センサ３１から入力した酸素濃度の検出値が１％以下である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内に酸素ガスがほとんど残っていないと判断して、ステップＳ３１を実行する。また、酸素濃度センサ３１から入力した酸素濃度の検出値が１％より大きい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内には酸素ガスが残っていると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３４】
ステップＳ３１において、セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位をチェックする。全ての電位センサ５から入力した電圧の検出値が１．１Ｖ以下である場合（ＹＥＳ）、全てのセル１０ａについての局部電位が正常であると判断して、ステップＳ３５を実行する。また、全ての電位センサ５から入力した電圧の検出値のうちの１つでも１．１Ｖより大きい場合（ＮＯ）、セル１０ａについての局部電位が異常であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３５】
ステップＳ３３では警告灯を点灯し、ステップＳ３５を実行する。燃料電池システム全体の出力電圧が不十分では、燃料電池システムから所定の出力が得られない虞があるためである。また、スタック１から排出される残留ガスの水素濃度が９５％より小さかったり、酸素濃度が１％より大きい場合、燃料室１２ａ内の空気が燃料ガスで十分には置換されていないと考えられるからである。さらに、各セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位のうちの１つでも１．１Ｖより大きい場合、その空気極１１ｃが劣化する虞があるためである。なお、残留ガスの水素濃度及び酸素濃度をチェックすることにより燃料室１２ａ全体のガス濃度を把握することができるが、各燃料室１２ａ毎のガスの偏在の程度は把握することはできない。そのため、各セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位をチェックして、各燃料室１２ａ毎のガスの偏在の程度を把握している。
【００３６】
ステップＳ３５では水素供給電磁弁２２を閉じる。また、ステップＳ３７では起動電磁バルブ３７及びガス排出電磁弁３８を閉じる。これにより、起動時のプログラムの実行が終了し、引き続いて通常駆動時のプログラムが実行される。
【００３７】
実施形態１の燃料電池システムでは、起動時における燃料室１２ａ内の空気の排出速度が通常駆動時における燃料室１２ａ内の残留ガスの排出速度より速くなるように構成されている。つまり、通常駆動時において燃料室１２ａ内の残留ガスは流路３６のみを通って消音器３９から大気に排出され、起動時において燃料室１２ａ内の空気は流路３６と起動電磁弁３７との両方を通って消音器３９から大気に排出される。そして、起動電磁弁３７等は制御装置８０によって制御されており、特に起動時においては空気極１１ｃの劣化を防止可能な置換率かつ時間で燃料室１２ａ内から残留ガスを排出し、空気と置換するように制御される。そのため、水素極１１ｂに水素と空気とが存在する時間がほとんどなくなり、燃料電池内において局部電池が発生することを防止することができる。
【００３８】
したがって、この燃料電池システムは、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａが劣化し難い。このため、この燃料電池システムは優れた耐久性を発揮することができる。
【００３９】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池システムでは、実施形態１と同様のスタック１を図５に示すように構成し、燃料電池システムを組付けている。この燃料電池システムでは、水素排気流路３０には酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁可変絞り弁８５、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が接続され、消音器３９を介して外気に開放されている。この水素排気流路３０、酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁可変絞り弁８５、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が燃料室１２ａ内に残留する残留ガス又は空気を排出し、空気又は該燃料ガスと置換するための燃料置換手段である。なお、実施形態１と同様の構成については同様の記号を用い、その説明を省略する。
【００４０】
また、この燃料電池システムでは、実施形態１における起動電磁弁３７の替わりに、電磁可変絞り弁８５が制御手段である制御装置８０に電気的に接続されている。その他の電気回路構成及びこの燃料電池システムの動作の概要は実施形態１と同様である。
【００４１】
以上の構成をした燃料電池システムにおける起動時の処理プログラムを図６に示す。このプログラムでは、ステップＳ４０において、ガス排出電磁弁３８を開き、電磁可変絞り弁８５を起動開度まで開く。また、ステップＳ４２において、ガス排出電磁弁３８を閉じ、電磁可変絞り弁８５を通常開度まで絞る。その他のステップの処理内容は図４に示す実施形態１のプログラムの処理内容と同様であり、その説明を省略する。
【００４２】
実施形態２の燃料電池システムでは、電磁可変絞り弁８５を制御して、水素排出流路３０の抵抗を可変とし、起動時の残留空気の排出速度を通常駆動時の排気される燃料ガスの排出速度より速くすることができる。その他の作用、効果は実施形態１と同様である。
【００４３】
したがって、実施形態２の燃料電池システムも、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａが劣化し難く、優れた耐久性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１、２の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】実施形態１、２の燃料電池システムに係る積層体の模式断面図である。
【図３】実施形態１の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図４】実施形態１の燃料電池システムに係る起動時の処理プログラムのフローチャートである。
【図５】実施形態２の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図６】実施形態２の燃料電池システムに係る起動時の処理プログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
１１ｂ…水素極
１２ａ…燃料室
１１ｃ…空気極
１２ｂ…空気室
１１ａ…電解質膜
１、１０ａ…燃料電池（１…スタック、１０ａ…セル）
３、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７…燃料供給手段（３…燃料ガス導入口、２０…配管、２１…水素二次圧センサ、２２…水素供給電磁弁、２３…水素二次圧調整弁、２４…水素元電磁弁、２５…水素一次圧調整弁、２６…水素一次圧センサ、２７…水素タンク）
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、８５…燃料置換手段（３０…配管、３１…酸素濃度センサ、３２…水素濃度センサ、３３…リリーフ弁、３４…水素ポンプ、３５…逆止弁、３６…流路、３７…電磁オンオフ弁（起動電磁弁）、３８…ガス排出電磁弁、３９…消音器、８５…電磁可変絞り弁）
８０…制御手段（制御装置）
【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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