(57)【要約】【課題】燃料電池の燃料ガス保持部内で生じるガスの偏在を抑制し、異常反応による電極の劣化を防止する。【解決手段】燃料電池スタックの燃料ガス保持部に水素ガスを供給する水素導入路１２と、水素を排出する水素導出路１３とを設け、水素導入路１３には、空気導入路１６を接続する。燃料ガス保持部内のガス圧を検出することによって、ガス偏在の発生を予知し、予知するまでは、水素ガスを燃料ガス保持部に残留させる。ガス偏在を予知した場合には、水素循環ポンプＰ１により、水素ガスを排出するとともに、空気導入路１６から空気を取り入れ、燃料ガス保持部内のガスを置換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガスの局部的な偏在を検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、燃料ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【請求項２】
酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガスの局部的な偏在を検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、置換ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【請求項３】
前記置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、前記燃料導出手段に設けられた排出ポンプと、一端には燃料導入手段が接続され、他端には外気に連通する開口部が設けられた空気導入手段とを備えている請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
さらに、前記空気導入手段は、開口部に設けられ、空気を燃料導入手段側へ強制的に送り込む空気導入ファンを有する請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、一端には燃料導入手段が接続され、他端には燃料導入手段側へ強制的に空気を送り込む空気導入ファンが設けられた空気導入手段を備えている請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
ガス偏在検出手段は、前記燃料室内のガス圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項７】
ガス偏在検出手段は、前記燃料室内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項８】
ガス偏在検出手段は、前記燃料電池の電極の電位を検出する電位検出手段と、電位検出手段の検出値が所定値以上となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池装置にかかり、詳しくは発電停止直後の燃料室内の燃料ガス置換方法に特徴を有する燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側での燃料ガス或いは酸化ガスの濃度差に起因して燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。従来では、燃料電池の運転を停止するためには、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止する。この場合、燃料電池内には、燃料ガスと酸化ガスが残存しているから、一方の残存ガスがなくなるまで両者の電気化学的な反応が継続する。燃料ガスや酸化ガスの供給を止めた後、残存ガスが燃料電池の内部で反応すると、その体積が減少し、燃料室（燃料ガス流路）側の圧力が次第に低下する。燃料室内の内部圧力が低下すると、酸化ガス流路から電解質膜を透過して燃料ガス流路内に酸化ガスが侵入する。その結果、燃料室内では、燃料ガスの濃度が特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが局部的に偏在した状態が発生することとなる。このガスの偏在が増大していくと、燃料ガスと酸化ガスの間で、通常の発電反応とは異なる位置で反応が起こり、電極触媒や高分子電解質膜が劣化する。
【０００３】
従来、このような異常反応による電極等の劣化を防止するため、燃料ガスや酸化ガスの供給を停止した際には、窒素等の不活性ガスを燃料室に供給し、燃料室内の雰囲気を不活性ガスに置換している。また、特開昭６０−２４１６６２や特開平８−１２４５８８に記載されているように、燃料電池内の残存水素ガスを、吸引して圧力調整用の別のガスを導入するものも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように燃料室に他のガスを置換するする構成では、燃料電池を停止する度にガスの置換を行うため、かえって不都合な場合がある。例えば、燃料電池を停止した後、直ぐに再起動する場合には、置換されたガスを再度燃料ガスに置き換える必要があり、置換ガスや燃料ガスを無駄に使用しなければならないという問題がある。
【０００５】
また、燃料ガスを再度供給して、燃料室に燃料ガスを満たすための準備動作が必要となり、再始動までに時間が掛かるといった問題もある。
この発明は、燃料ガスや酸化ガスの偏在を減少させて、電解質膜の劣化を抑制しつつ、停止直後の再始動が容易である燃料電池装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成する本発明は以下の構成を有する。
（１）　酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガスの局部的な偏在を検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、燃料ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【０００７】
（２）　酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガスの局部的な偏在を検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、置換ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【０００８】
（３）　前記置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、前記燃料導出手段に設けられた排出ポンプと、一端には燃料導入手段が接続され、他端には外気に連通する開口部が設けられた空気導入手段とを備えている上記（２）に記載の燃料電池装置。
【０００９】
（４）　さらに、前記空気導入手段は、開口部に設けられ、空気を燃料導入手段側へ強制的に送り込む空気導入ファンを有する上記（３）に記載の燃料電池装置。
【００１０】
（５）　置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、一端には燃料導入手段が接続され、他端には燃料導入手段側へ強制的に空気を送り込む空気導入ファンが設けられた空気導入手段を備えている上記（２）に記載の燃料電池装置。
【００１１】
（６）　ガス偏在検出手段は、前記燃料室内のガス圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１２】
（７）　ガス偏在検出手段は、前記燃料室内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１３】
（８）　ガス偏在検出手段は、前記燃料電池の電極の電位を検出する電位検出手段と、電位検出手段の検出値が所定値以上となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料供給装置１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池装置１を備えた燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給装置１１とを備えた燃料電池装置１を有し、さらに、燃料電池スタック１０へ空気を供給する空気供給系４０と、水循環系５０と、負荷系７とを備えている。
【００１５】
図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
【００１６】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンブラック、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１７】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料室３０が構成される。
【００１８】
燃料室３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料室３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料室３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１９】
各燃料室３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料室３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。
【００２０】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
【００２１】
次に、燃料供給装置１について説明する。図４は、燃料供給装置１の構成を示すブロック図である。図１及び図４に示されているように、燃料供給装置１は、燃料供給手段としての高圧水素ボンベ１１０と、燃料導入手段としての水素導入路１２と、燃料導出手段としての水素導出路１３と、循環路１４と、水素充填路１５と、空気導入路１６と、流量制御手段としての制御装置１７とを備えている。
【００２２】
高圧水素ボンベ１１０は、高圧の水素を収納しており、水素排出口には、水素導入路１２の一端が接続されている。水素導入路１２の他端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給通路３１９ａに接続されている。水素導入路１２には、高圧水素ボンベ１１０からの水素ガスの排出を制御する開閉弁（元栓）Ｖ２が設けられ、開閉弁Ｖ２から燃料電池スタック１０へ向けて、水素一次圧センサＳ１、水素調圧弁Ｖ３、水素供給電磁弁Ｖ４、水素二次圧センサＳ２の順に設けられている。
【００２３】
水素一次圧センサＳ１は、高圧水素ボンベ１１０から供給される水素ガス圧力を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。水素調圧弁Ｖ３は、高圧水素ボンベ１１０の圧力を、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガス圧に調整する。水素供給電磁弁Ｖ４は、開閉によって、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を制御する。水素二次圧センサＳ２は、水素調圧弁Ｖ３によって調整された、燃料電池スタック１０へ供給されるガス圧を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。
【００２４】
水素導出路１３の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出通路３１９ｂに接続され、他端は外気に連通した排出端となっている。この水素導出路１３を介して、燃料電池スタック１０内を通過した水素ガスは、外部に排出される。水素導出路１３には、燃料電池スタック１０側から、排出端へ向けて、順に、循環ポンプＰ１、水素停止排気電磁弁Ｖ７、逆止弁１３３、水素消音機１３４が設けられている。水素停止排気電磁弁Ｖ７は、燃料電池の発電停止時に開放され、残留水素ガスや生成水等を排出する弁である。逆止弁１３３は、水素や外気の逆流を防止する弁である。水素消音器１３４は、水素排出時の音を抑制する。
【００２５】
循環路１４は、一端は、水素導出路１３の循環ポンプＰ１と水素停止排気電磁弁Ｖ７の間に接続され、他端は、水素導入路１２の水素二次圧センサＳ２の下流側に接続されている。循環路１４には、水素循環電磁弁Ｖ８が設けられている。水素導入路１２と、水素導出路１３と、循環路１４と、燃料電池スタック１０とによって、循環回路が構成され、水素循環電磁弁Ｖ８が開状態の場合には、循環ポンプＰ１の駆動によって、該循環回路を水素ガスが循環する。
【００２６】
水素充填路１５の一端は、水素導入路１２において、開閉弁Ｖ２の下流側に接続されている。水素充填路１５の他端には、外部充填手段に接続するための、水素充填バルブ１５１が接続されている。また、水素導入路１２には、開閉弁Ｖ２と水素調圧弁Ｖ３の間に、水素パージバルブ１５２が接続されている。高圧水素ガスボンベ１１０に外部から水素ガスを充填する際に、水素充填バルブ１５１が開かれ、ここに外部充填手段の接続口が接続される。水素ガス充填時には、充填開始時において、水素パージバルブ１５２が開放され、経路内の残留ガスが排出され、その後水素パージバルブ１５２は閉じられる。
【００２７】
さらに、水素導入路１２には、水素二次圧センサＳ２の下流側に、空気導入路１６の一端が接続されている。空気導入路１６の他端には、空気導入フィルタ１６１が接続され、さらに、空気導入路１６には空気導入電磁弁Ｖ９が設けられている。空気導入電磁弁Ｖ９は、燃料電池の停止動作時において、燃料室３０に外気を導入する際に、開放される。
なお、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の電圧を検出する電圧センサＳ６と、特定の単位セル２において、酸素の電位を検出する電位センサＳ７と、燃料室３０の燃料ガス濃度を検出する濃度センサＳ５とが設けられている。検出された電圧値、電位値、濃度値は、制御装置１７に供給される。
【００２８】
図５は流量制御手段である制御装置１７の構成を示すブロック図である。制御装置１７は、制御部１７０と、制御部１７０等に電力を供給する電源回路１７４と、出力インターフェース回路１７６と、入力インターフェース回路１７５とを備えている。
出力インターフェース回路１７６には、水素供給電磁弁Ｖ４、水素停止排気電磁弁Ｖ７、水素循環ポンプＰ１、水素循環電磁弁Ｖ８、空気導入電磁弁Ｖ９が接続されており、これらの電磁弁の開閉や、ポンプの駆動と停止は、出力インターフェース回路１７６を介して、制御部１７０によって制御される。
【００２９】
入力インターフェース回路１７５には、水素一次圧センサＳ１と、水素二次圧センサＳ２と、水素濃度センサＳ５と、電圧センサＳ６と、電位センサＳ７とが接続されており、これらのセンサによって検出された各検出値は、入力インターフェース回路１７５を介して、制御部１７０に供給される。
電圧センサＳ６は、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する。水素濃度センサＳ５は、燃料室３０内の水素ガス濃度を検出する。水素濃度センサＳ５の設置位置は、燃料室３０内の他、水素導出路１３に設けられていてもよい。電位センサＳ７は、例えば、特定の単位セル２において、酸素極の表面に設置されている。
【００３０】
次に空気供給系４０について説明する。空気供給系４０は、空気入口フィルタ４１と、外気から空気を導入する空気供給ファン４２と、空気供給ファン４２で取り入れた空気を、燃料電池スタック１０へ導く空気導通路４３と、空気導通路４３によって導かれた外気を、燃料電池スタック１０に形成されている空気流入部３２６に分配する空気マニホールド４４と、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５と、燃料電池スタック１０の空気流出部３２７に一端が接続された凝縮器ダクト４５と、凝縮器ダクト４５の他端排出口に接続された凝縮器５４と、凝縮器５４の空気排出口に設けられた空気出口フィルタ４６と、空気排出路４７とで構成されており、空気は、上記順番で空気供給系４０内を流れる。上記空気流通路３２５を空気が流通する際に、酸素極２１に酸素を供給する。
【００３１】
水循環系５０は、水タンク５１と、水タンク５１に一端が接続されている水供給路５２と、水供給路５２の他端が接続され、空気マニホールド４４内に水を噴射する噴射ノズル５３と、水蒸気又は霧状となって空気とともに通過する空気流通路３２５と、凝縮器ダクト４５と、凝縮器５４と、凝縮器５４で回収された水を、水回収ポンプＰ３により水タンク５１へ導く回収路５５とから構成されている。そして、水供給路５２には、水タンク５１から噴射ノズル５３に向けて順に、水フィルター５６、直噴ポンプＰ２、直噴水供給電磁弁Ｖ１が設けられている。水タンク５１には、給水口５１１と、水位センサＳ３が設けられている。水タンク５１の水は、直噴ポンプＰ２によって吸い上げられ、噴射ノズル４５から空気マニホールド４４内に噴射され、空気とともに、空気流通路３２５内を通過する。この際、酸素極２１に付着して、酸素極２１を湿潤状態に保つ働きがあり、また、燃料電池スタック１０を冷やし、発電時の反応熱による過熱を抑制する。また、凝縮器５４にはファン５４１が設けられている。
【００３２】
負荷系７は、燃料電池スタック１０が電力を取り出し、インバータ７２を介して、モータ７３等の負荷を駆動させる。この負荷系７には、スイッチのためのリレー７１と、補助出力源となる二次電池であるキャパシタ７４が設けられている。
【００３３】
次に、本発明の燃料供給装置１の作動について説明する。図６は、燃料電池システム１００の発電停止処理動作を示すメインフローチャートである。イグニッションキーがオンであるかモニターし（ステップＳ１０１）、オンでない場合には、発電停止の指示があったものと判断し、発電停止処理動作が開始される。最初に、水素ガスの循環を止めるため、水素循環ポンプＰ１が停止される（ステップＳ１０３）。そして、水素循環電磁弁Ｖ８が閉じられる（ステップＳ１０５）。次にリレー７１がオフに切り換えられる（ステップＳ１０７）。これにより、燃料電池スタック１０から負荷系７への電力の出力は遮断される。そして、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を止めるために、水素供給電磁弁Ｖ４が閉じられ（ステップＳ１０９）、水素停止排気電磁弁（ステップＳ１１１）が閉じられる。
【００３４】
続いて水ポンプＰ２が停止され（ステップＳ１１３）、空気マニホールド４４への水の噴射が停止される。さらに、空気供給ファン４２が停止され（ステップＳ１１５）、燃料電池スタック１０への空気の供給も停止される。そして、凝縮器５４、水回収ポンプＰ３等の発電用補機が停止され（ステップＳ１１７）、発電停止後の制御動作に移行する。
【００３５】
発電停止後は、燃料室３０内に水素ガスが残留した状態となっており、この状態では、残留した水素ガスと空気流通路３２５内の空気との反応が続いており、水素ガスは消費され、燃料室３０内の圧力が下がるとともに、水素ガスの濃度が減少する。燃料室３０の圧力の低下によって、空気流通路３２５側から高分子電解質膜２３を透過して空気が燃料室３０内に侵入し、燃料室３０内に水素ガスと空気とが、均一に混合されない状態で偏在する結果となる。この偏在が一定の割合以上に存在すると、偏在している水素ガスと空気との間で、電気化学反応を起こし、単位セル２の電位が上がるなどの現象が発生する。以下に説明する構成は、上記のようなガスの偏在が起きる予兆である、燃料室３０内の水素濃度の低下やガス圧の低下、或いはガス偏在の結果生じる現象である単位セル２の電位の上昇などを検出することによって、ガスの偏在を解消し、ガス偏在の結果発生する異常反応による電極の劣化を抑制する。
【００３６】
以下、燃料室３０内におけるガスの偏在を抑制するための、発電停止後の制御動作について説明する。図７は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。発電停止後、電位センサＳ７によって、単位セル２の酸素極側の電位を監視する（ステップＳ２０１）。そして、イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ２０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００３７】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、燃料電池電位が設定電位１以上であるか判断する（ステップＳ２０５）。ガス偏在が生じると、電極の電位が上昇るので、電位上昇を検出した場合には、ガス偏在が生じると判断することができる。従って、この設定電位１は、ガスの偏在の結果発生する電位上昇に相当する値に設定されている。設定電位１に満たない場合には、ガスの偏在は生じていないので、ステップＳ２０１からステップＳ２０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００３８】
燃料電池電位が設定電位１以上となった場合には、ガスの偏在が生じ、異常反応が生じる可能性が高くなったことを意味するので、燃料室３０から強制的に水素ガスを除去する。即ち、空気導入電磁弁Ｖ９を開き（ステップＳ２０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開き（ステップＳ２０９）、水素循環ポンプＰ１を駆動させる（ステップＳ２１１）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは排出され、空気が送り込まれる。つまり、送り込まれた空気によって、燃料室３０内の水素ガスは空気に置換され、ガスの偏在が抑制される。
【００３９】
燃料電池電位が設定電位２以下となったか判断する（ステップＳ２１３）。設定電位１＞設定電位２の関係となっている。燃料電池電位が設定電位２以下でない場合には、十分にガスの偏在が解消されてないことを意味するので、ステップＳ２０７〜２１１を繰り返す。燃料電池電位が設定電位２以下となった場合には、ガスの偏在は十分に解消されたことを意味するので、水素循環ポンプＰ１は停止され（ステップＳ２１５）、水素排気電磁弁Ｖ７を閉じ（ステップＳ２１７）、空気導入電磁弁Ｖ９を閉じる（ステップＳ２１９）。最後に、全補機を停止する（ステップＳ２２１）。
【００４０】
以上のような制御動作の他、燃料電池の電位ではなく、燃料室３０内のガス圧の変化を監視することによって、ガスの偏在を検出する方法であってもよい。以下、ガス圧を監視する動作を図８に示されているフローチャートに基づいて説明する。
水素２次圧センサＳ２によって、燃料室３０内のガス圧を監視する（ステップＳ３０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ３０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００４１】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下であるか判断する（ステップＳ３０５）。設定圧力１は、ガスの偏在が生じうる圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ３０３〜３０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００４２】
水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ３０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ３０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。そして、ステップＳ３０７〜３０９の状態を６０秒間維持する（ステップＳ３１１）。ステップＳ３０７〜３１１の動作によって、燃料室３０内のガス圧は、負圧となる。ここで、空気導入電磁弁Ｖ９を開放する（ステップＳ３１３）。燃料室３０内のガス圧は負圧であるため、空気は急激に流入し、燃料室３０内のガスは攪拌されガスの偏在は解消される。
【００４３】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となったか判断する（ステップＳ３１５）。設定圧力２＞設定圧力１となっており、設定圧力２は、１気圧（絶対圧）に設定されている。
【００４４】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となるまで、ステップＳ３１３〜３１５が実行される。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となった場合には、ガスの偏在が解消されたものと判断し、全補機が停止される（ステップＳ３１７）。
【００４５】
他の実施形態の構成について説明する。図９は、他の実施形態の燃料供給装置１１Ａを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６が省略されており、他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１０は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００４６】
水素２次圧センサＳ２にて、燃料室３０の圧力が監視される（ステップＳ４０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ４０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力以上であるか判断する（ステップＳ４０５）。この設定圧力は、通常の発電開始に必要な圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力以上でない場合には、水素供給電磁弁Ｖ４が開かれ水素ガスが供給される（ステップＳ４０９）。また、水素２次圧ｐ２が設定圧力以上である場合には、水素ガス圧は十分なので、水素供給電磁弁Ｖ４は閉じられる（ステップＳ４０７）。
【００４７】
この構成では、燃料室３０に常時、水素ガスが充填された状態となるので、始動時に直ちに発電運転が可能となる。この実施形態では、空気流通路３２５側に透過した水素ガスが偏在しないように、空気供給ファン４２を作動させる構成とすることができる。また、燃料室３０内に他のガスの混入を防止するため、一時的に水素排気電磁弁Ｖ７を開放する構成としてもよい。
【００４８】
図１１には、他の実施形態の燃料供給装置１１Ｂを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６に空気導入ファン１６２が設けられ、水素導出路１３には、水素排出路１３１が接続され、水素排出路１３１には、水素停止排気電磁弁Ｖ５が設けられている。他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１２は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００４９】
水素２次圧センサＳ２によって、燃料室３０内のガス圧を監視する（ステップＳ５０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ５０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下であるか判断する（ステップＳ５０５）。設定圧力１は、ガスの偏在が生じうる圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ５０３〜５０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５０】
水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ５０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ５０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。同時に、燃料室３０内のガス圧は低下していく。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となったか判断する（ステップＳ５１１）。設定圧力１＞設定圧力２という関係になっている。つまり、設定圧力１よりも設定圧力２が、より負圧が強くなった状態を示している。
【００５１】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となるまで、ステップＳ５０７〜５０９を継続する。そして、水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となった場合には、空気導入ファン１６２を駆動させ（ステップＳ５１３）、空気導入電磁弁Ｖ９を開く（ステップＳ５１５）。これにより、負圧となっている燃料室３０内に急激に空気が流入し、ガスの偏在が解消される。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ５が開放されると（ステップＳ５１７）、空気導入ファン１６２によって燃料室３０に送り込まれた空気は、水素導出路１３の末端と、水素排出路１３１から水素ガスを押し出し、燃料室３０内のガス偏在を一層迅速に解消する。
燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ５１９）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ５２１）。
【００５２】
図１３は、上記構成において、水素ガス濃度によりガスの偏在を検出する構成とした場合の制御動作を示すフローチャートである。
濃度センサＳ５によって、燃料室３０内の水素ガス濃度を監視する（ステップＳ６０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ６０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００５３】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素濃度が設定濃度１以下であるか判断する（ステップＳ６０５）。発電停止後、燃料室３０に残留する水素ガスは、さらに発電反応を続け、燃料室３０内の水素ガス濃度が減少する。その結果、ガス圧が低下し、酸素の進入が発生するので、水素ガス濃度の低下、ガス偏在の予兆と判断できる。設定濃度１は、ガスの偏在が生じうる濃度に設定されている。水素濃度が設定濃度１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ６０３〜６０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５４】
水素濃度が設定濃度１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ６０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ６０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。同時に、燃料室３０内のガス圧は低下していく。ステップＳ６０７〜６０９を６０秒間維持する（ステップＳ６１１）。この間に、燃料室３０内のガス圧は十分に低下し、負圧となっている。
【００５５】
６０秒経過後、空気導入ファン１６２を駆動させ（ステップＳ６１３）、空気導入電磁弁Ｖ９を開く（ステップＳ６１５）。これにより、負圧となっている燃料室３０内に急激に空気が流入し、ガスの偏在が解消される。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ５が開放されると（ステップＳ６１７）、空気導入ファン１６２によって燃料室３０に送り込まれた空気は、水素導出路１３の末端と、水素排出路１３１から水素ガスを押し出し、燃料室３０内のガス偏在を一層迅速に解消する。
燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ６１９）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ６２１）。
【００５６】
図１４は、他の実施形態の燃料供給装置１１Ｃを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６ａが燃料電池スタック１０に直接接続され、フィルタ１６１ａと、空気導入電磁弁Ｖ９ａが設けられている。また、水素導出路１３には、真空バッファタンク１３２が設けられている。他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１５は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００５７】
単位セル２の電位を監視する（ステップＳ７０１）。そして、イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ７０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、燃料電池電位が設定電位１以上であるか判断する（ステップＳ７０５）。この設定電位１は、ガスの偏在の結果発生する電位差に相当する値に設定されている。設定電位１に満たない場合には、ガスの偏在は生じていないので、ステップＳ７０１からステップＳ７０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５８】
燃料電池電位が設定電位１以上となった場合には、ガスの偏在が生じ、異常反応が生じる可能性が高くなったことを意味するので、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ７０９）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ７１１）。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下であるか判断する（ステップＳ７１３）。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下でない場合には、燃料室３０内が十分な負圧となっていないと判断し、ステップＳ７０９〜７１１を繰り返す。
【００５９】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となった場合には、空気導入電磁弁Ｖ９ａを開く（ステップＳ７１５）。真空バッファタンク１３２によって、水素導出路１３の全体の容積が増加し、空気導入電磁弁Ｖ９ａの開放時に、外気を吸い込む吸引力が高まる。これにより、燃料室３０への空気の流入速度が高まり、より迅速確実にガスの偏在を解消することができる。燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ７１７）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ７１９）。
【００６０】
上記説明した構成においては、発電停止操作をした後において、水素ガス濃度、水素ガス圧、単位セルの電極の電位等、所定のパラメータをモニターしなければならない。また、ガス偏在の予兆等が確認された段階で、空気ファンの駆動や、水素循環ポンプＰ１の駆動、電磁弁の開閉など、補機を駆動させる必要がある。従って、停止操作時に、キャパシタ等の補助電源の蓄電量を検出し、所定値に達していない場合には、停止操作であっても、発電状態を維持して補助電源に充電する構成とすることが好ましい。この場合、補助電源の蓄電量が所定値に達した時点で、発電状態を停止する。
【００６１】
さらに、上記構成では外部から水素ガス、空気等の気体を送り込むことによりガスの偏在を解消する構成したが、水素循環ポンプＰ１を駆動させ、水素ガスを循環させることによりガスの偏在を抑制する構成とすることもできる。或いは、同時に負荷に通電させた状態（リレー７１をオンにした状態）としてもよい。このような構成とすると、水素ガスの循環によって、水素と酸素の偏在が抑制され、さらに水の生成が促されるとともに、負荷と通電させることによって、水素が消費され早急に空気への置換が可能となる。
【００６２】
なお、この実施形態の燃料電池スタック１０では、燃料室３０は、複数の燃料ガス流通路３１５で構成された構成となっている。このような構成は、燃料ガスが細長い流路で分割されているため、電極平面に沿った二次元方向のガスの対流は生じにくい。したがって、水素ガスと酸素ガスの偏在が生じると、偏在を解消することが難しくなるが、本発明のように、外部から気体を送り込む方法を取ることによって、有効にガスの偏在を解消させることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、燃料室内における燃料ガスと酸素ガスの偏在が抑制され、両者の異常反応による電極の劣化を防止することができる。また、ガスの偏在が生じる予兆を検出することによって、発電停止後も、ガスの偏在が生じるまでの間、燃料ガスを燃料室に残留させておくことができる。このため、発電停止直後の再起動も容易に可能となる。さらに、ガス偏在を解消するために燃料ガスを供給する構成とすることによって、燃料ガスの供給時間を待たずに再起動が可能となり、再起動のための時間を短縮することができる。
また、ガスの偏在を検出した際に、ポンプによって、燃料ガスを吸引する構成とした場合には、ガスの偏在を確実に解消することができる。さらに、空気導入手段によって空気を燃焼室に送り込む構成を加えることで、一層確実にガスの偏在を解消することができる。ポンプを設けず、空気導入手段のみによって空気を送り込む構成としても、ガスの偏在を確実に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図４】燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図５】燃料電池装置の制御置の構成を示すブロック図である。
【図６】停止処理を示すフローチャートである。
【図７】停止後処理を示すフローチャートである。
【図８】停止後処理を示すフローチャートである。
【図９】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１１】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１３】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１４】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料電池装置
１００　燃料電池システム
２　単位セル
３　セパレータ
３０　燃料室
【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】
2004079490.tif 000009
【図８】
2004079490.tif 000010
【図９】
2004079490.tif 000011
【図１０】
2004079490.tif 000012
【図１１】
2004079490.tif 000013
【図１２】
2004079490.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2004079490.tif 000016
【図１５】
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