(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と接する燃料室と、酸素極と接する酸素室とを備えた燃料電池と、
前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料を供給する燃料供給管路と、
該燃料供給管路に配設された空気導入装置と、
前記燃料室を介して前記燃料供給管路と接続され、前記燃料室の燃料を排出する燃料排出管路と、
該燃料排出管路に配設された燃料強制排出装置と、
該燃料強制排出装置と並列となるように前記燃料排出管路に接続された燃料排出弁と、
該燃料排出弁を開放して前記燃料電池内の燃料を排出し、前記燃料室内の圧力が負圧になる前に前記燃料排出弁を閉止するとともに前記燃料強制排出装置を作動させて前記燃料電池内の燃料を排出し、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料強制排出装置の位置は、前記燃料排出管路の最も低い位置よりも高い位置にある請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料電池の出力を停止する指示を受けた時、前記燃料電池内の燃料を排出させ、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する請求項１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】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【０００３】
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
【０００４】
図において、１０１は燃料電池であり、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。
【０００５】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方をアノード極とし、その表面に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方をカソード極とし、その表面に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００６】
また、１０２は凝縮器であり、燃料電池１０１の酸化剤排出口に配設され、排出される空気に含まれる水分が凝縮して除去され、排水管路１０８を通って図示されない水タンクに流入する。
【０００７】
そして、１０３は燃料としての水素ガスが貯蔵される水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段であり、水素ガスは、前記燃料貯蔵手段１０３から燃料供給管路１１１を通って、前記燃料電池１０１に供給される。なお、１１２は、外部から水素ガスを燃料貯蔵手段１０３に充填（てん）するための燃料充填管路であり、前記燃料供給管路１１１に接続される。ここで、前記燃料供給管路１１１には、供給される水素ガスの圧力を調節する燃料圧力調整弁１２０、供給される水素ガスの圧力を計測する圧力センサ１１９、及び、前記燃料供給管路１１１を開閉する燃料供給電磁弁１１５が配設される。
【０００８】
また、１１３は前記燃料電池１０１から排出された水素ガスを大気中に排出するための燃料排出管路である。そして、該燃料排出管路１１３には、水素ガスの逆流を防止する逆止弁１１６、及び、前記燃料排出管路１１３を開閉する燃料排出電磁弁１１７が配設される。
【０００９】
一方、１０５は、酸化剤供給管路１０７に配設された酸化剤供給源としての空気供給ファンであり、空気を燃料電池１０１の空気マニホールド１０４に供給する。また、１０６は、前記空気マニホールド１０４内に水をスプレーして、燃料電池１０１のカソード極である空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルである。
【００１０】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、燃料電池１０１に供給される水素ガスの圧力があらかじめ設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサ１１９で燃料供給管路１１１内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁１２０を調節して、水素ガスを燃料貯蔵手段１０３から供給する。なお、燃料供給管１１１内の水素ガスの圧力があらかじめ設定した一定の圧力になるように燃料圧力調整弁１２０調整した後、該燃料圧力調整弁１２０は燃料電池１０１の運転中は調整されることがなく、そのままの状態が保持される。
【００１１】
また、空気供給ファン１０５は必要量に応じて十分な量の空気を燃料電池１０１の空気極に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池１０１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００１２】
このように、前記燃料電池装置においては、常に必要かつ十分な量の水素ガスが燃料電池１０１に供給されるので、燃料電池１０１の構成部材が焼損してしまうことがなく、燃料電池１０１の出力が安定し、燃費も良く、燃料電池装置にかかるコストを低減させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、起動及び停止を繰り返す運転状況において、長期間が経過すると、燃料電池１０１の触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングして、触媒の有効面積が減少して、燃料電池１０１の出力電圧が低下してしまう。
【００１４】
図３は従来の燃料電池装置を停止させる動作を示すフローチャートである。
【００１５】
従来、燃料電池装置を停止させる場合、まず、空気供給ファン１０５が停止している時には、該空気供給ファン１０５作動させる（ステップＳ１）。なお、空気供給ファン１０５が作動している時は、作動を継続させる。
【００１６】
次に、燃料供給電磁弁１１５を閉じて、燃料電池１０１への水素ガスの供給を遮断する（ステップＳ２）。そして、燃料排出電磁弁１１７を開けて、燃料電池１０１内の水素ガスを燃料排出管路１１３から大気中に排出させる（ステップＳ３）。
【００１７】
そして、この状態で燃料電池１０１内の水素ガスが所定の圧力（例えば、１．１〔Ｐａ〕）以下となるまで待機する（ステップＳ４）。続いて、前記燃料排出電磁弁１１７を閉じ（ステップＳ５）、空気供給ファン１０５を停止させる（ステップＳ６）。
【００１８】
これにより、燃料電池１０１内の水素ガスが大気圧レベルまで下がった状態となり、前述された燃料電池１０１の電気化学反応は停止する。
【００１９】
この場合、燃料電池１０１内の水素ガスが大気圧レベルまで下がるまでに時間がかかってしまう。しかも、水素ガスは、燃料電池１０１から完全には排出されず、わずかではあるが、流路内及び触媒層内部に残留してしまう。
【００２０】
燃料電池１０１のアノード極である水素極に水素ガスが残留し、カソード極である酸素極に酸素を含む空気が残留した状態で、外部の負荷との電気的接続が遮断されると、水素極と酸素極との間に電位差が生じる。そして、該電位差によって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングするので、触媒の有効面積が減少してしまう。
【００２１】
また、前記水素極と酸素極とは極めて薄い固体高分子電解質膜によって隔てられているだけなので、水素極に残留する水素ガスが電解質を透過して酸素極に移動し、該酸素極に残留する空気中の酸素と混合し、爆発する危険性もある。
【００２２】
したがって、燃料電池装置を停止させる場合、燃料電池１０１から水素ガスを速やかに、かつ、確実に排出する必要がある。
【００２３】
このため、燃料電池装置を停止させた後に、燃料電池内の水素極及び酸素極の反応ガス通路に不活性ガスを導入して、反応性ガスをパージすることによって、水素極及び酸素極を不活性雰囲気とする方法が提案されている（特開平２−３３８６６号公報参照）。
【００２４】
しかし、前述された方法のように不活性ガスを導入しても、水素極と酸素極との間に生じた電位差は速やかに低下することがない。これは、燃料電池の触媒に付着した水素及び酸素は、不活性ガスを導入しても速やかにパージされないためと考えられる。さらに、車両用の燃料電池装置の場合、不活性ガスを貯留するタンクやボンベを車両に収納する必要があるが、スペースやコストの観点から、前記タンクやボンベを車両に収納することは困難である。
【００２５】
また、燃料電池装置を停止させた後に、燃料電池内の水素極の反応ガス通路に冷却水を導入して、水素ガスをパージした後、前記反応ガス通路に空気を導入することによって、水素極と酸素極との間の電位差を低下させる装置が提案されている（特開平７−２７２７３７号公報参照）。
【００２６】
しかし、車両用の燃料電池装置の場合、冷却水を導入するために配管や制御弁の配置が複雑となり、コストが高くなってしまう。しかも、車両用の冷却水には、通常、不凍液のような燃料電池の構成部材に影響を及ぼす不純物が含まれているので、燃料電池の構成部材が変質する危険性がある。
【００２７】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、燃料電池装置を停止させる際、水素極側に残留する水素ガスを速やかに排出するとともに、水素極側に空気を導入することによって、水素極と酸素極との間に生じる電位差を急速に低下させ、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングしたりせず、そのため、触媒の有効面積が減少せず、起動及び停止を繰り返す運転状況においても、長期間にわたり高い性能を維持することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、燃料極と接する燃料室と、酸素極と接する酸素室とを備えた燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料を供給する燃料供給管路と、該燃料供給管路に配設された空気導入装置と、前記燃料室を介して前記燃料供給管路と接続され、前記燃料室の燃料を排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設された燃料強制排出装置と、該燃料強制排出装置と並列となるように前記燃料排出管路に接続された燃料排出弁と、該燃料排出弁を開放して前記燃料電池内の燃料を排出し、前記燃料室内の圧力が負圧になる前に前記燃料排出弁を閉止するとともに前記燃料強制排出装置を作動させて前記燃料電池内の燃料を排出し、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する制御手段とを有する。
【００２９】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料強制排出装置の位置は、前記燃料排出管路の最も低い位置よりも高い位置にある。
【００３１】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の出力を停止する指示を受けた時、前記燃料電池内の燃料を排出させ、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【００３６】
図１において、１１は燃料電池（ＦＣ）であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池１１と図示されない蓄電手段としての２次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００３７】
そして、燃料電池１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３８】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００３９】
本実施の形態において、セル４０は、図４に示されるように、固体高分子電解質膜４５を２枚のガス拡散電極４３、４４で挟み、カーボンブラック等から成るセパレータ４６、４７で狭持して、接合する。また、該セパレータの一方４６には、複数の燃料室４８が、図において紙面に垂直方向に延在するように形成され、前記セパレータの他方４７には、複数の酸素室４９が、図において上下方向に延在するように形成される。なお、前記燃料室４８及び酸素室４９の一面は、ガス拡散電極４３、４４と接している。そして、該ガス拡散電極の一方４３を燃料極（アノード極）とし、前記燃料室４８内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜４５を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方４４を酸素極（カソード極）とし、前記酸素室４９内に酸化ガスとして空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００４０】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、４００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は３００〔ｃｍ 2〕であり、開放端子電圧は約３５０〔Ｖ〕、出力は約５０〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００４１】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００４２】
この場合、前記燃料電池１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００４３】
図１において、燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。水素ガスは、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３から、燃料供給管路２１を通って、燃料電池１１の燃料室４８（図４）に供給される。また、２２は外部から水素ガスを燃料貯蔵手段１３に充填するための燃料充填管路であり、前記燃料供給管路２１に接続される。そして、前記燃料供給管路２１には、燃料圧力調整弁２５、燃料供給電磁弁２６、逆止弁２４及び圧力センサ２７が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段１３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給できる能力を有するものである。
【００４４】
そして、燃料電池１１の燃料室４８から排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。また、前記燃料排出管路３１には、フィルタ３３、燃料排出電磁弁３４及び逆止弁３５が配設されるとともに、前記燃料排出電磁弁３４をバイパスするバイパス管路３２が接続される。そして、該バイパス管路３２には、燃料強制排出装置としての減圧ポンプ３６、及び、漏れ防止電磁弁３７が配設される。
【００４５】
なお、前記減圧ポンプ３６の位置は、燃料排出管３１の最も低い位置、すなわち、該燃料排出管３１を前記燃料室４８の出口に接続した位置、よりも高い位置にある。これによって、前記車両が走行中に傾いた時でも、燃料極（アノード極）４３において生成された水が減圧ポンプ３６内に進入して、水詰まりが発生するようなことがない。
【００４６】
ここで、前記燃料圧力調整弁２５は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整できるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等のアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００４７】
また、前記燃料供給電磁弁２６、燃料排出電磁弁３４及び漏れ防止電磁弁３７はいわゆるオン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等からなるアクチュエータによって、作動させられる。そして、前記逆止弁２４、３５は、通常の構造を有するものである。さらに、前記減圧ポンプ３６は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室４８内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００４８】
そして、前記圧力センサ２７は後述される燃料電池装置の制御手段に通信可能に接続され、前記燃料供給管路２１内を流れる水素ガスの圧力検出信号を前記制御手段に送信する。なお、前記圧力センサ２７は、燃料室４８、燃料排出管路３１等に配設されてもよい。この場合、水素ガスが流れる経路である燃料供給管路２１、燃料室４８及び燃料排出管路３１の中で、前記燃料供給電磁弁２６から燃料排出電磁弁３４又は減圧ポンプ３６までの範囲であれば、水素ガスの圧力は同一であると考えることができる。
【００４９】
また、前記燃料供給管路２１には、空気導入装置としての空気導入電磁弁２８が配設される。該空気導入電磁弁２８は、基本的に前記燃料供給電磁弁２６、燃料排出電磁弁３４及び漏れ防止電磁弁３７と同様の構成を有し、一端が前記燃料供給管路２１に接続され、他端がフィルタ２９を介して、大気に開放されている。なお、前記フィルタ２９及び３３は基本的に同様の構成を有し、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。
【００５０】
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源１５から、酸化剤供給管路１７及び、マニホールド１４を通って、燃料電池１１の酸素室４９（図４）に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室４９から排出される空気は、酸化剤排出管路１８を通って大気中へ排出される。また、前記マニホールド１４内には、水をスプレーして、燃料電池１１の酸素極（カソード極）４４を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル１６が配設される。さらに、前記燃料電池１１の酸化剤排出管路１８側には、排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するための凝縮器１２が配設され、水分は排水管路１９を通って図示されない水タンクに回収される。
【００５１】
なお、前記蓄電手段としての２次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池等が望ましい。
【００５２】
例えば、本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。
この場合、開放端子電圧は約２１０〔Ｖ〕であり、約１０〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００５３】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００５４】
また、前記燃料電池１１は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池１１又はバッテリからの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流がバッテリに供給されて該バッテリが充電される。
【００５５】
なお、本実施の形態において、燃料電池装置は図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ２７、その他のセンサから燃料電池１１の燃料室４８及び酸素室４９に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源１５、燃料圧力調整弁２５、燃料供給電磁弁２６、空気導入電磁弁２８、燃料排出電磁弁３４、減圧ポンプ３６及び漏れ防止電磁弁３７の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池１１に燃料及び酸化剤を供給する装置の動作を統括的に制御する。
【００５６】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【００５７】
図５は本実施の形態における燃料電池の出力を停止する時の燃料電池の特性を従来例との比較において示す図、図６は本実施の形態における燃料電池の出力の経時変化を従来例との比較において示す図、図７は本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第１のフローチャート、図８は本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【００５８】
本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料圧力調整弁２５は車両の運転中は調整されることがなく、そのままの状態が保持される。
【００５９】
また、酸化剤供給源１５は常に一定量の空気を燃料電池１１の酸素室４９に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００６０】
そして、運転者が車両を停止させ、該車両の動力源のスイッチをオフにすると、燃料電池１１の出力を停止する指示が、車両の制御装置から出され、燃料電池装置の制御手段に送信される。すると、前記制御手段は、酸化剤供給源１５である空気供給ファンを作動させる、すなわち、オンにする（ステップＳ１１）。なお、空気供給ファンが既に作動している時は、作動を継続させる。
【００６１】
これにより、水素ガスが燃料極（アノード極）４３から固体高分子電解質膜４５を透過して拡散してきても、酸素極（カソード極）４４に滞留することなく空気とともに排出される。このため、燃料室４８から拡散してきた水素ガスが空気極に局所的に滞留して、燃焼爆発することがない。
【００６２】
続いて、水供給ノズル１６からの水のスプレーを開始する（ステップＳ１２）。これにより、燃料極４３も冷却されるので、燃料室４８に残留する水素ガスが空気中の酸素と反応して燃焼しても、燃焼の発熱による前記燃料極４３の劣化を防止することができる。
【００６３】
次に、前記制御手段は、燃料供給電磁弁２６を閉じて、燃料室４８への水素ガスの供給を遮断する（ステップＳ１３）。そして、燃料排出電磁弁３４を開けて、燃料室４８内の水素ガスを燃料排出管路３１から大気中に排出させる（ステップＳ１４）。なお、大気中に排出される水素ガスは、酸素と結合させて水にしてから排出するようにしてもよい。
【００６４】
そして、この状態で燃料室４８内の水素ガスの圧力が所定圧力、例えば１．１〔Ｐａ〕以下となるか、または、所定時間、例えば３〔秒〕、が経過するまで、待機する（ステップＳ１５）。ただし、燃料室４８内の水素ガスの圧力が負圧となることがないようにする。ここで、前記燃料室４８内の水素ガスの圧力は、圧力センサ２７によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁２６から燃料排出電磁弁３４又は減圧ポンプ３６までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ２７が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ２７の検出する圧力は、燃料電池１１の燃料室４８の圧力に等しい。
【００６５】
なお、前記所定時間は、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力となるまでの時間であって、あらかじめ、実験によって求められる。
【００６６】
そして、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は、燃料排出電磁弁３４を閉じて燃料排出管路３１を遮断し（ステップＳ１６）、減圧ポンプ３６を作動させる（ステップＳ１７）とともに、漏れ防止電磁弁３７を開ける（ステップＳ１８）。
【００６７】
これにより、バイパス管路３２が開放され、前記燃料室４８内の水素ガスは、減圧ポンプ３６に吸引され、前記バイパス管路３２を経由して大気中に強制的に排出される。この場合、燃料室４８の内部が負圧となるので、燃料室４８内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。
【００６８】
続いて、この状態で燃料室４８内の水素ガスの圧力が所定圧力、例えば０．１〔ＭＰａ〕以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間、例えば４０〔秒〕、が経過するか、または、燃料電池の出力が所定電圧、例えば、３０〔Ｖ〕となるまで待機する（ステップＳ１９）。この場合、前記所定圧力は、相当の負圧であるので、前記燃料室４８内の燃料通路に水素ガスが実質的に残留していない状態である。
【００６９】
なお、前記所定時間は、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力となるまでの時間であり、前記所定電圧は前記水素ガスの圧力が前記所定圧力である時の燃料電池１１の出力電圧である。そして、前記所定時間及び所定電圧は、あらかじめ、実験によって求められる。
【００７０】
そして、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は空気導入電磁弁２８を開き、空気を燃料室４８内へ導入する（ステップＳ２０）。この場合、燃料供給電磁弁２６は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段１３の方へ流入することはない。これにより、前記燃料室４８内には空気が充満する。なお、前記空気はフィルタ２９を通過して濾過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料室４８における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００７１】
また、空気を導入することによって、触媒上において残留水素が空気中の酸素と反応して燃焼する。そのため、電位差がなくなって、燃料電池１１の出力電圧が低下する。その時、燃焼によって一時的に熱が発生するが、燃料電池１１の熱容量が十分に大きく、かつ、水供給ノズル１６から酸素室４９内に水をスプレーしているので、温度の急激な上昇を抑制することができる。
【００７２】
続いて、この状態で燃料電池１１の出力が所定電圧、例えば５〔Ｖ〕以下となるか、または、前記出力が所定電圧となるまでの時間である所定時間、例えば１０〔秒〕、が経過するまで、待機する（ステップＳ２１）。ここで、前記所定電圧は、燃料室４８に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極４３と酸素極４４との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。
【００７３】
そして、燃料電池１１の出力が前記所定電圧以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記水供給ノズル１６からの水のスプレーを停止させ（ステップＳ２２）、前記制御手段は減圧ポンプ３６を停止させ（ステップＳ２３）、空気導入電磁弁２８を閉じ（ステップＳ２４）、漏れ防止電磁弁３７を閉じ（ステップＳ２５）、最後に酸化剤供給源１５を停止させる（ステップＳ２６）。
【００７４】
これにより、燃料電池１１の出力が停止された状態となる。
【００７５】
この場合、燃料電池１１の出力を停止する指示が出されると、該燃料電池１１の出力は速やかに低下する。
【００７６】
図５において、４１は、本実施の形態の燃料電池装置における燃料電池１１を構成する多数のセル４０の中の１つのセル４０の出力電圧の変化を示す線であり、４２は、「従来の技術」において説明した従来の燃料電池装置における燃料電池１０１を構成する多数のセルの中の１つのセルの出力電圧の変化を示す線である。
【００７７】
図に示されるように、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の出力を停止する指示が出されて２０〔秒〕経過せずに、セルの出力電圧が低下し始める。これに対し、従来の燃料電池装置における燃料電池１０１のセルの出力電圧は、前記指示が出されてから４０分、すなわち、２４００〔秒〕経過した時点で、低下し始める。また、セルの出力電圧が低下し始めてからも、本実施の形態の燃料電池装置においては急速に低下するのに対して、従来の燃料電池装置においてはゆっくりと低下する。
【００７８】
このため、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１の出力を停止する度に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室に水素ガスが残留し、酸素室に酸素を含む空気が残留して、燃料極と酸素極との間に電位差が生じる状態が長時間継続してしまう。そして、該電位差によって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングするので、触媒の有効面積が減少してしまう。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返すと、燃料電池１０１の性能が劣化して、出力電圧が低下してしまう。
【００７９】
これに対し、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の出力を停止する際に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室４８に水素ガスが残留し、酸素室４９に酸素を含む空気が残留して、燃料極４３と酸素極４４との間に電位差が生じる状態が極めて短時間で終了する。そのため、該電位差により、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングすることがないので、触媒の有効面積が減少しない。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返しても、燃料電池１１の性能が劣化せず、出力電圧が低下することがない。
【００８０】
図６において、５１は、本実施の形態の燃料電池装置における燃料電池１１を構成する多数のセル４０の平均出力電圧の変化を示す線であり、５２は、「従来の技術」において説明した従来の燃料電池装置における燃料電池１０１を構成する多数のセルの平均出力電圧の変化を示す線である。
【００８１】
図に示されるように、従来の燃料電池装置における燃料電池１０１のセルの平均出力電圧は、停止回数の増加に伴って低下していくのに対して、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の平均出力電圧は、停止回数が増加してもほぼ一定に維持されることが分かる。
【００８２】
なお、前記燃料電池１１を起動させる場合には、まず、燃料排出電磁弁３４を開けて、燃料室４８内の空気が燃料排出管路３１を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁２６をオンして燃料貯蔵手段１３からの水素ガスが燃料供給管路２１を通って燃料室４８に供給されるようにする。この時、燃料排出電磁弁３４が開いているので、前記燃料室４８内の圧力が衝撃的に上昇することがなく、電解質膜等に損傷を与える恐れがない。また、燃料室４８内に残留する空気が供給された水素ガスによってパージされる（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００８３】
その後、燃料電池１１が定常運転になると、燃料排出電磁弁３４は間欠的にオン−オフを繰り返す。例えば、２秒間オンした後５８秒間オフするというサイクルを繰り返す。一方、燃料供給電磁弁２６はオンの状態を維持する。
【００８４】
このように、本実施の形態においては、燃料電池１１を停止させる指示が出されると、減圧ポンプ３６が作動して、燃料室４８内の水素ガスを吸引して燃料排出管路３１から強制的に排出する。その後、空気導入電磁弁２８が開き、空気が燃料供給管路２１から燃料室４８内に導入される。
【００８５】
したがって、燃料電池１１の出力を停止する際に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室４８に水素ガスが残留し、酸素室４９に酸素を含む空気が残留して、燃料極４３と酸素極４４との間に電位差が生じる状態が極めて短時間で終了する。そのため、該電位差により、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングすることがないので、触媒の有効面積が減少しない。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返しても、燃料電池１１の性能が劣化せず、出力電圧が低下することがなく、長期間にわたり高い性能を維持することができる。
【００８６】
また、本実施の形態においては、燃料室４８内の水素ガスを吸引して燃料排出管路３１から強制的に排出するためには、燃料排出管路３１に減圧ポンプ３６及び漏れ防止電磁弁３７が配設されたバイパス管路３２を接続し、空気を燃料供給管路２１から燃料室４８内に導入するために、空気導入電磁弁２８を燃料供給管路２１に接続しただけである。
【００８７】
そのため、管路や弁の配置が簡素であり、製造コスト及びメンテナンスコストを低くすることができる。
【００８８】
さらに、燃料室４８内に導入する空気は、フィルタ２９を通過して濾過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。
【００８９】
したがって、前記燃料室４８における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００９０】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、燃料極と接する燃料室と、酸素極と接する酸素室とを備えた燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料を供給する燃料供給管路と、該燃料供給管路に配設された空気導入装置と、前記燃料室を介して前記燃料供給管路と接続され、前記燃料室の燃料を排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設された燃料強制排出装置と、該燃料強制排出装置と並列となるように前記燃料排出管路に接続された燃料排出弁と、該燃料排出弁を開放して前記燃料電池内の燃料を排出し、前記燃料室内の圧力が負圧になる前に前記燃料排出弁を閉止するとともに前記燃料強制排出装置を作動させて前記燃料電池内の燃料を排出し、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する制御手段とを有する。
【００９３】
この場合、燃料電池装置を停止させる際に、燃料室に残留する水素ガスを速やかに排出するとともに、燃料室に空気を導入するので、燃料極と酸素極との間に生じる電位差を急速に低下させることができる。したがって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングしたりせず、触媒の有効面積が減少しないので、起動及び停止を繰り返す運転状況においても、長期間にわたり高い性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図２】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図３】従来の燃料電池装置を停止させる動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【図５】本実施の形態における燃料電池の出力を停止する時の燃料電池の特性を従来例との比較において示す図である。
【図６】本実施の形態における燃料電池の出力の経時変化を従来例との比較において示す図である。
【図７】本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【図８】本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【符号の説明】
１１    燃料電池
２１    燃料供給管路
２８    空気導入電磁源
３６    燃料排出ポンプ
【図１】
0004742444.tif 000002
【図２】
0004742444.tif 000003
【図３】
0004742444.tif 000004
【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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