(57)【要約】【課題】停止時に燃料電池の劣化を防ぐことのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、燃料電池１を停止する際に酸素極１ｂから排出された酸化剤ガスを循環させる排出酸化剤ガス循環系４２と、循環するにつれ不活性ガス濃度の高くなった排出酸化剤ガスを蓄えるガスタンク１３を備える。また、ガスタンク１３から水素極１へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給系４３を備える。そして燃料電池１の発電状態から、流量制御弁１５、１６と不活性ガス流量制御弁１４の開閉によって排出酸化剤ガス循環系４２と不活性ガス供給系４３とを選択的に切り換え、水素極１ａへ不活性ガスを充填する。【選択図】        図１
2005100846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極に供給される水素と酸素極に供給される酸化剤との反応によって発電する燃料電池を備えた、燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の停止処理時に前記水素極と前記酸素極の各排出流路を遮断する流路遮断手段と、
前記燃料電池の停止処理時に、前記酸素極から排出される不活性ガスを含む排出ガスを前記酸素極へ循環させる循環流路と、
前記循環流路と接続するガス蓄積手段と、
前記循環流路を循環し、不活性ガス濃度が高くなった排出ガスを前記ガス蓄積手段へ導入するガス導入手段と、
前記ガス蓄積手段と前記水素極を接続する排出ガス供給流路と、
前記循環流路と前記排出ガス供給流路とをそれぞれ遮断可能に切り換える流路切換手段と、
前記燃料電池への前記水素と前記酸化剤の供給を停止した後の前記燃料電池の発電状態を推定する発電状態推定手段と、
前記ガス蓄積手段から前記水素極へ前記排出ガスを送り込むガス送出手段と、
前記発電状態推定手段によって推定された前記燃料電池の発電量が所定値以下になると、前記流路切換手段によって前記循環流路を遮断し、かつ前記排出ガス供給流路を導通させ、前記ガス送出手段によって前記ガス蓄積手段から前記排出ガスを前記水素極へ送出、充填する排出ガス充填制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記発電状態推定手段は、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧に基づいて前記燃料電池の発電状態を推定す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】
前記排出ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
前記発電状態検出手段は、前記酸素濃度検出手段によって検出された前記排出ガスの酸素濃度に基づいて前記燃料電池の発電状態を推定す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４】
前記ガス蓄積手段の容積が、少なくとも前記水素極の容積と、前記排出ガス供給流路の流路容積との合計量以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス蓄積手段がガス収容室の容積変化可能なガスタンクであり、
前記ガス導入手段が前記ガス収容室の容積を拡大し、前記ガス送出手段が同じく容積を縮小することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガスタンクに収装され、前記ガス収容室を区画する摺動自由なピストンと、
前記ピストンを送り機構を介して移動させるモータと、を備え、
前記モータによって移動する前記ピストンによって、前記ガス収容室を拡大、または縮小することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素極の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ガス蓄積手段から前記水素極へ供給する前記排出ガスの流量を制御する流量制御手段と、を備え、
前記水素極へ前記排出ガスを充填するときに、前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記流量制御手段による前記排出ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素極への水素流量を検出する水素流量検出手段を備え、
前記燃料電池の停止処理に移行してからの前記水素流量検出手段によって検出された水素流量の積算値が、前記循環流路を流れる前記排出ガス中の酸素濃度を所定値以下に低下させる水素流量に達すると前記水素極への水素供給を停止することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水素極から排出された水素を前記水素極へ循環させる水素循環流路を備え、
前記排出ガスを前記ガス蓄積手段から前記水素極へ供給するときには、前記水素循環流路を閉塞することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つ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】
本発明は燃料電池の劣化防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の停止時に水素極の劣化を防止するために、排気水素及び供給水素を酸化剤ガスと混ぜ、燃焼器によって燃焼を行い、生成された不活性ガスを水素極へ充填させるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００９８３９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、燃料電池の停止時に水素をパージするために排気水素を酸化剤ガスと混ぜ、燃焼し、それによって生成された不活性ガスを水素極へ供給しているが、排気水素と酸化剤ガスとを燃焼させるために燃焼器を設けているので、重量の増加やコストの増加といった問題点がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、不活性ガスの充填により燃料電池の劣化を防止でき、燃焼器を必要とせずに燃料電池システムを小型にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止処理を行う際に、水素極と酸素極の各排出流路を遮断する流路遮断手段と、酸素極から排出される排出ガスを酸素極へ循環させる循環流路と、循環流路と接続するガス蓄積手段と、不活性ガスの濃度が高くなった排出ガスを蓄えるガス蓄積手段へ導入するガス導入手段と、ガス蓄積手段から水素極へ供給する排出酸化剤ガスが流れる排出ガス供給流路と、循環流路と排出ガス供給流路とをそれぞれ遮断可能に切り換える流路切換手段と、燃料電池への燃料供給を停止した後の燃料電池の発電状態を推定する発電状態推定手段と、その発電状態に基づいてガス蓄積手段から不活性ガスを水素極へ送り込むガス送出手段と、発電状態推定手段によって推定される燃料電池の発電量に基づいて循環流路と排出酸化剤ガス流路とを切り換え、ガス送出手段によって排出ガスを水素極へ充填する排出ガス充填制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池を停止する際に排出ガスを酸素極へ循環させることで排出ガス中の酸素を消費し、排出ガス中の不活性ガスの濃度を高め、その不活性ガスをガス蓄積手段へ蓄積し、水素極の水素がほぼ無くなると、そのガスを水素極へ供給し、充填することで水素極の劣化を防止することができる。また、燃焼器などを用いないために、システムを小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。
【０００８】
本発明の第１実施形態は、水素極１ａに供給された水素と酸素極１ｂに供給された酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１を備える。また、燃料電池１の発電量を検出する電圧検出手段として電圧検出装置１７を備える。
【０００９】
燃料系４０は、図示しない水素ボンベなどから供給される水素の流量を制御する水素供給弁３と、水素供給弁３によって流量を制御された水素を水素極１ａへ供給する流路となる水素供給流路２を備える。さらに、水素極１ａから排出される排出酸化剤ガスを外部へ排出する際の流路となる水素排出流路４と、排出ガスの流量を制御する流路遮断手段である水素排出弁５を備える。
【００１０】
また、酸化剤系４１は、図示しないコンプレッサなどから供給される酸化剤ガス、例えば空気、の流量を制御する酸化剤ガス供給弁７と、酸化剤ガス供給弁７によって流量を制御された酸化剤ガスを酸素極１ｂへ供給する流路となる酸化剤ガス供給流路６を備える。さらに、酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガス排出流路８と、排出酸化剤ガスの流量を制御する流路遮断手段である酸化剤ガス排出弁９を備える。
【００１１】
また、排出酸化剤ガス循環系４２は、酸化剤ガス排出流路８と酸化剤ガス供給流路６とを接続し、酸素極１ｂを循環する排出酸化剤ガスが通る循環流路である酸化剤ガス循環流路１０と、酸化剤ガス循環流路１０への排出酸化ガスの流入を制御する流量制御弁１５と、排出酸化剤ガスを循環させるポンプ１１と、酸素極１ｂへ供給する排出酸化剤ガスを制御する流量制御弁１６とを備える。
【００１２】
また、酸素極１ｂを循環することで酸素を消費して酸素濃度が低くなり、不活性ガス濃度が高くなった排出酸化剤ガスを蓄積するガス蓄積手段であるガスタンク１３を備える。ガスタンク１３は、内部にピストン１３ａで仕切られたガス収容室１３ｂを有しており、ピストン１３ａに連結したピストンロッド１３ｃをモータ２９で駆動することで、ピストン１３ａはモータ２９の動きと連動してガス収容室１３ｂの容積を変化させ、ガスタンク１３内に排出酸化剤ガスを吸引、またはガスタンク１３から排出する。例えば、ピストンロッド１３ｃにラックを形成し、モータ２９の回転軸にピニオンを設け、ラックとピニオンを噛み合わせピストン１３ａの動力機構とする。この場合排出酸化剤ガスを吸引するときにはガス吸入手段、また排出するときにはガス送出手段として、ピストン１３ａがガスタンク１３内に排出酸化剤ガスを吸入したり、押し出したりする。
【００１３】
また、不活性ガス供給系４３は、ガスタンク１３のガス収容室１３ｂから水素極１ａへ不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガスを供給するための排出ガス供給流路である不活性ガス供給流路１２と、その排出酸化剤ガス流量を制御する流量制御手段である不活性ガス流量制御弁１４とを備える。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムを制御する制御手段としてコントローラ３０を備える。コントローラ３０は燃料電池１の運転と停止とを原則的に次のように制御する。
【００１５】
通常運転時には、水素供給弁３によって流量を制御された水素は、水素供給流路２を通り燃料電池１の水素極１ａに供給され、燃料電池１の発電により消費された排出水素は水素排出弁５によって流量を調整され、外部へ排出される。
【００１６】
酸化剤ガス供給弁７によって流量を制御された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路６を通り燃料電池１の酸素極１ｂに供給され、燃料電池１での反応後に排出される排出酸化剤ガスは、通常時では酸化剤ガス排出流路８を通り、酸化剤ガス排出弁９によって流量を調整され、外部へ排出される。
【００１７】
これに対して、燃料電池１を停止するときに行う停止処理では、酸化剤ガス排出弁９を閉じ、流量制御弁１５、１６を開き、ポンプ１１を起動させることで、酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスは酸化剤ガス循環流路１０を通り、酸素極１ｂを循環させられる。排出酸化剤ガスを酸素極１ｂへ循環させることで、燃料電池１は発電量を減少させつつも、排出酸化剤ガス中の酸素が消費されるので酸素濃度が低くなり、酸素極１ｂで消費されない不活性ガス濃度が高くなる。そして、酸素濃度が十分に低くなるとモータ２９によってピストン１３ａ動かしてガスタンク１３のガス収容室１３ｂの容積を大きくし、ガス収容室１３ｂに不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガス（以下、ガスタンク１３に蓄えられた不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガスを不活性ガスとする）を蓄積する。ここでは不活性ガスは空気中に含まれる窒素である。
【００１８】
燃料電池１での発電量が所定値よりも小さくなると、流量制御弁１５、１６を閉じ、ポンプ１１を停止し、不活性ガス流量制御弁１４を開く（流量制御弁１５、１６、及び不活性ガス流量制御弁１４が流路切換手段を形成する）。そしてモータ２９によってピストン１３ａを動かしてガスタンク１３のガス収容室１３ｂの容積を小さくし、ガス収容室１３ｂに蓄えられた不活性ガスを水素極１ａへ供給し、残留水素を排出し、水素極１ａに不活性ガスを充填させる。
【００１９】
次にコントローラ３０の制御動作を図２のタイムチャートに従って詳しく説明する。なお、酸素濃度と不活性ガス濃度はコントローラ３０による制御から予測されるものである。
【００２０】
ｔ０において燃料電池１は稼働しており、この時には水素供給弁３と水素排出弁５、及び酸化剤ガス供給弁７と酸化剤ガス排出弁９は開いており、燃料電池１での発電に必要な水素と酸化剤ガスの流量をそれぞれの供給弁の開度によって制御している。また、流量制御弁１５、１６と不活性ガス流量制御弁１４は閉じている。これにより燃料電池１の水素極１ａ、酸素極１ｂから排出される発電後の余剰な水素、酸化剤を含む各排出ガスは外部へと排出される。
【００２１】
ｔ１において燃料電池１の停止処理が開始される。ここではまず、酸化剤ガス排出弁９を閉じ、流量制御弁１５、１６を開き、ポンプ１１を始動する。これにより酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス循環流路１０へ流入し、酸素極１ｂを循環する。
【００２２】
そしてｔ２において、ポンプ１１の回転数が十分に高くなり安定すると、モータ２９によってピストン１３ａを動かしてガスタンク１３のガス収容室１３ｂの容積を徐々に増やし、ガス収容室１３ｂに不活性ガスを蓄積させる。なお、ガス収容室１３ｂの容積分が増えるので、酸化剤ガス循環流路１０を含め循環する酸化剤ガスのボリュームが増え、また一時的に酸素濃度も高くなる。その後、循環を繰り返すうちに酸素極１ｂによって排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、酸素濃度は次第に低くなる。また、酸素濃度が低くなることで、燃料電池１での発電電力が減少し、電圧検出装置１７で検出される電圧が次第に低くなる。この場合、モータ２９によるピストン１３ａの移動速度を遅くすることにより、ガス収容室１３ｂの容積を徐々に増やし、酸素極１ｂ内の圧力変動を小さくし、圧力変動による酸素極１ｂの破損を防ぐようにする。更に、酸素極１ｂの圧力低下による酸素極１ｂの劣化を防ぐために外部より酸化剤ガスを供給し、酸素極１ｂの圧力を、酸素極１ｂが劣化しない圧力範囲に調整する。なお、酸素極１ｂの圧力は図示しない圧力計によって検出する。
【００２３】
循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池１の反応が小さくなる。ｔ３において電圧検出装置１７で検出される電圧が水素供給停止電圧Ｖ１より低くなると、水素極１ａに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁３を閉じて水素極１ａへの水素供給を停止する。ここで水素供給停止電圧Ｖ１は予め実験などにより求められた電圧である。また、酸化剤ガス供給弁７を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。その後、発電に使用する水素は水素極１ａ内の残留水素を使用する。これにより水素極１ａ内に水素を残留させることなく消費することができる。
【００２４】
そして排出酸化剤ガス中の酸素量が更に少なくなり、電圧検出装置１７で検出される電圧が更に低くなり、ｔ４において不活性ガス供給開始電圧Ｖ２になると、水素極１ａ内の残留水素が消費され、更に排出酸化剤ガス中の酸素も十分に消費され、またガス収容室１３ｂに不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁１５、１６を閉じ、ポンプ１１を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁１４を開き、モータ２９によってピストン１３ａを押して、ガス収容室１３ｂに蓄積した不活性ガスの水素極１ａへの供給を開始する。ここで不活性ガス供給開始電圧Ｖ２は予め実験などにより求められた値である。
【００２５】
その後ｔ５において水素極１ａでは、ほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁５と不活性ガス流量制御弁１４を閉じ停止処理を完了する（ｔ４からｔ５までが排出ガス充填制御手段を構成する）。
【００２６】
なお、この実施形態では燃料電池１の発電状態を計るために電圧検出装置１７を使用したが、その代わりにセル電圧のばらつき度合いを測定する装置を用いても良い。
【００２７】
また、ガス収容室１３ｂの最大容積Ｖｔは、図３に示すように水素極１ａの容積と、ガス収容室１３ｂから水素極１ａまでの流路容積と、燃料電池１から水素排出弁５までの水素排出流路４の流路容積との合計容積である水素極側容積Ｖｈと同じ、もしくはそれ以上とする。これによりガス収容室１３ｂに蓄えた不活性ガスによって水素極１ａを充填できる。この際、ガス収容室１３ｂの最大容積Ｖｔと水素極側容積Ｖｈが同じ場合は、水素排出側から空気が逆流する恐れがあるので、水素排出弁５を閉じる時期はｔ４より以前に閉じることも可能である。
【００２８】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２９】
燃料電池１を停止させるときに酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスを酸化剤ガス循環流路１０によって酸素極１ｂへ循環させ、循環するにつれて不活性ガス濃度の高くなった排出酸化剤ガスをガス収容室１３ｂへ蓄積し、その後ガス収容室１３ｂから水素極１ａへ不活性ガスを供給、充填することで、燃料電池１停止中の燃料電池１の劣化を防止することができる。また、燃焼器などを用いずに、酸化剤ガス循環流路１０にガスタンク１３を備えるという簡単な構成で燃料電池１の停止後の水素極１ａに不活性ガスを充填することができるので、燃料電池システムを小型にすることができる。
【００３０】
ガス収容室１３ｂに不活性ガスを蓄積する際に、ピストン１３ａの移動速度を小さくすることで、酸素極１ｂの圧力変動を小さくし、また排出酸化剤ガスの酸素が消費されても、外部より酸化剤ガスを供給し酸素極１ｂの圧力を調整するので、酸素極１ｂの劣化を防ぐことができる。
【００３１】
本発明の第２実施形態の構成を図４を用いて説明する。
【００３２】
第２実施形態については第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。この実施形態では第１実施形態の構成に加え、水素供給流路２に圧力検出手段である圧力計１８を設ける。この圧力計１８は水素極１ａの圧力を検出する。また、コントローラ３０には圧力計１８によって検出された圧力に基づいて水素極１ａの圧力変動が所定の範囲に収まるように不活性ガス流量制御弁１４の開度を調整する不活性ガス供給制御機能を有する。これにより、水素の消費、または不活性ガス流入による水素極１ａの圧力変動を規制する。制御方法としてはＰＩ制御などを用いる。
【００３３】
コントローラ３０による制御動作を図５のタイムチャートに従って説明する。
【００３４】
ここでｔ０からｔ２までの制御については、第１実施形態のｔ０からｔ２と同じなのでここでの説明は省略する。
【００３５】
循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池１の反応が小さくなる。ｔ３において電圧検出装置１７で検出される電圧が水素供給停止電圧Ｖ１より低くなると、水素極１ａに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁３を閉じて水素極１ａへの水素供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁７を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。ここで水素供給停止電圧Ｖ１は予め実験などにより求められた電圧である。その後、発電に使用する水素は水素極１ａ内の残留水素を使用する。これにより水素極１ａ内に水素を残留させることなく消費することができる。水素極１ａにおいて残留水素が消費されるとその消費された水素の圧力が減少するが、圧力計１８によって検出された水素極１ａの圧力に応じて不活性ガス流量制御弁１４の開度を調整し、排出酸化剤ガスを水素極１ａに供給し、水素極１ａ内の圧力を所定範囲内に収まるように制御する。
【００３６】
そして電圧検出装置１７で検出される電圧が更に低くなり、ｔ４において不活性ガス供給開始電圧Ｖ２になると、水素極１ａ内の残留水素が更に消費され、またガス収容室１３ｂ内に不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁１５、１６を閉じ、ポンプ１１を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁１４を更に開き、モータ２９によってピストン１３ａを押して、ガス収容室１３ｂ内に蓄積した不活性ガスの水素極１ａへの供給を開始する。これにより水素極１ａに不活性ガスを充填していくことができる。ガス収容室１３ｂから不活性ガスを水素極１ａに供給すると水素極１ａの圧力が高くなるが、圧力計１８によって水素極１ａの圧力を検出し、その圧力に応じて不活性ガス流量制御弁１４を徐々に開くことで水素極１ａの圧力が急激に高くならないように制御する。これにより水素極１ａの破損を防ぐことができる。
【００３７】
水素極１ａ内の圧力が安定し、残留水素が排出され、不活性ガスが充填されるとｔ５において水素排出弁５と不活性ガス流量制御弁１４を閉じ、燃料電池の停止処理を終了する。
【００３８】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３９】
水素供給弁３を閉じた後に水素極１ａの圧力低下に応じて、排気酸化剤ガスを水素極１ａに供給することで、水素極１ａの急激な圧力低下を防ぐことができ、またガス収容室１３ｂから不活性ガスを水素極１ａに充填するときには、不活性ガス流量制御弁１４を水素極１ａの圧力に応じて徐々に開くことで、水素極１ａの急激な圧力上昇を防ぐことができ、燃料電池１の破損を防ぐことができる。
【００４０】
本発明の第３実施形態の構成を図６を用いて説明する。
【００４１】
第３実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。この実施形態は第１実施形態の構成に加え、水素供給弁３の上流に水素流量検出手段として流量計１９を備える。コントローラ３０は、排出酸化剤ガスを循環させる場合に排出酸化剤ガス中に含まれる酸素を消費させるために必要な水素量を算出する。また、流量計１９によって検出される水素の流量を積算する。これにより、燃料電池１の停止処理において必要な水素のみを水素極１ａへ正確に供給し、不要な水素供給を防ぐようにする。
【００４２】
ここで、水素量の算出方法について説明する。
【００４３】
図３に示すように酸素極１ｂの容積と、排出酸化剤ガス循環系４２（ガス収容室１３ｂは最大容積）の流路容積と、排出酸化剤ガスが循環するときに通る酸化剤ガス供給流路６と酸化剤ガス排出流路８の流路容積の合計となる酸素側容積Ｖ０中の酸素を燃料電池１の発電によって消費するために必要な水素は、酸素側容積Ｖ０中の酸素のモル数より少なくとも２倍のモル数が必要となる。まず、酸素側容積Ｖ０の空気モル数Ｎ（Ａｉｒ）は、
Ｎ（Ａｉｒ）ｍｏｌ＝Ｖ０×Ｐ０／（Ｒ×Ｔ０）      （１）
ただし、Ｐ０：酸素極周りの平均圧力、Ｒ：気体定数、Ｔ０：平均温度、である。
と表すことができ、空気の比重を２８．９６ｇとして空気の比重を前記（１）にかけると排出酸化ガスの空気重量となり、排出酸化ガスの構成比率を窒素８０％、酸素２０％とすると、排出酸化ガス中の酸素モル数Ｎ（Ｏ２）は、
Ｎ（Ｏ２）ｍｏｌ＝Ｎ（Ａｉｒ）×２８．９６×０．２／３２    （２）
となる。この酸素を燃料電池１で消費するために必要な水素のモル数Ｎ（Ｈ２）は前記（２）式の２倍必要となるので、
Ｎ（Ｈ２）ｍｏｌ＝２Ｎ（Ｏ２）ｍｏｌ      （３）
となる。これにより排出酸化ガス中の酸素を消費するために必要な水素のモル数を算出することができる。ここで酸素極１ｂ周りの平均圧力と平均温度は、図示しない圧力計と温度計で測定する。
【００４４】
次にコントローラ３０による制御動作を図７のタイムチャートに従って説明する。
【００４５】
ｔ０において燃料電池１が稼働しており、この時には水素供給弁３と水素排出弁５、及び酸化剤ガス供給弁７と酸化剤ガス排出弁９は開いており、流量制御弁１５、１６と不活性ガス流量制御弁１４は閉じている。これにより燃料電池１の水素極１ａ、酸素極１ｂから排出される発電後の余剰水素、酸化剤を含む各排出ガスは外部へと排出される。
【００４６】
ｔ１において燃料電池１の停止処理が開始される。ここではまず、酸化剤ガス排出弁９を閉じ、流量制御弁１５、１６を開き、ポンプ１１が始動する。これにより酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス循環流路１０へ流入し、酸素極１ｂを循環する。また、流量計１９によって測定された水素流量の積算を開始する。
【００４７】
そしてｔ２において、ポンプ１１の回転数が十分に高くなり安定すると、モータ２９によってピストン１３ａを動かしてガス収容室１３ｂの容積を徐々に増やし、ガス収容室１３ｂに不活性ガスを蓄積させる。なお、ガス収容室１３ｂの容積分が増えるので、酸化剤ガス循環流路１０を含め循環する酸化剤ガスのボリュームが増え、また一時的に酸素濃度も高くなる。その後、循環を繰り返すうちに酸素極１ｂによって排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、酸素濃度は次第に低くなる。また、酸素濃度が低くなることで、燃料電池１での発電電力が減少し、電圧検出装置１７で検出される電圧が次第に低くなる。この場合、モータ２９によるピストン１３ａの移動速度を遅くすることにより、ガス収容室１３ｂの容積を徐々に増やし、酸素極１ｂ内の圧力変動を小さくし、圧力変動による酸素極１ｂの破損を防ぐようにする。更に、酸素極１ｂの圧力低下による酸素極１ｂの劣化を防ぐために外部より酸化剤ガスを供給し、酸素極１ｂの圧力を、酸素極１ｂが劣化しない圧力範囲に調整する。なお、酸素極１ｂの圧力は図示しない圧力計によって検出する。
【００４８】
次にｔ３において、時間ｔ１〜ｔ３までの間に流量計１９によって検出された水素流量を積算した水素量が、前記（３）式により算出された水素量に達すると、排出酸化ガス中の酸素を消費するために必要な水素が水素極１ａに供給されたと判断し、水素供給弁３を閉じて燃料電池１の水素極１ａへ水素の供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁７を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。その後、発電に使用する水素は水素極１ａ内の残留水素を使用する。これにより水素極１ａ内に水素を残留させることなく消費することができる。
【００４９】
その後のｔ４以降の制御については第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５０】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００５１】
排出酸化ガス中の酸素量に応じて、燃料電池１の停止処理に必要な水素量を算出し、また流量計１９によって検出した水素流量を積算し、積算した水素流量が算出した水素量に達すると水素極１ａへの水素供給を止め、必要な水素量だけを水素極１ａに供給するので、燃料電池１の停止における水素の不足量、または余剰量を少なくすることができ、燃料電池１の劣化を更に防ぐことができる。
【００５２】
本発明の第４実施形態の構成を図８を用いて説明する。
【００５３】
第４実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。この実施形態は第１実施形態の構成に加え、酸化剤ガス循環流路１０に排出酸化ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検出手段として酸素濃度センサ２０を備える。また、コントローラ３０には酸素濃度センサ２０に基づいて水素極１ａへの不活性ガス供給を判断し、不活性ガス供給制御弁１４を制御する不活性ガス供給制御機能を有する。これにより、排出酸化剤ガス中の酸素濃度を正確に測定し、酸素濃度が十分に低い不活性ガスを水素極１ａへ充填する。
【００５４】
次にコントローラ３０による制御動作を図９のタイムチャートに従って説明する。
【００５５】
ここでｔ０からｔ２までについては第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５６】
ｔ３において、ガス収容室１３ｂの容積が最大となると酸素濃度判定処理を開始する。この処理は、酸素濃度センサ２０によって排出酸化剤ガス中の酸素濃度を検出し、酸素極１ｂへの循環により排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、不活性ガス濃度が高まっているかを判断する。
【００５７】
酸素極１ｂを循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池１の反応が小さくなり、ｔ４において電圧検出装置１７で検出される電圧が水素供給停止電圧Ｖ１より低くなると、水素極１ａに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁３を閉じて水素極１ａへの水素供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁７を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。ここで水素供給停止電圧電圧Ｖ１は予め実験などにより求められた電圧である。その後、発電に使用する水素は水素極１ａ内の残留水素を使用する。これにより水素極１ａ内に水素を残留させることなく消費することができる。
【００５８】
そしてｔ５において、酸素濃度センサ２０によって検出された酸素濃度が不活性ガス供給濃度Ｎ１よりも低くなると、ガス収容室１３ｂに酸素を十分に消費した不活性ガスが蓄積されていると判断し、流量制御弁１５、１６を閉じ、ポンプ１１を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁１４を開き、モータ２９によりピストン１３ａを押してガス収容室１３ｂに蓄積した不活性ガスの水素極１ａへの供給を開始する。これにより水素極１ａに不活性ガスを充填させることができる。ここで不活性ガス供給濃度Ｎ１は予め実験などにより求められた酸素濃度である。
【００５９】
その後ｔ６において、水素極１ａではほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁４と不活性ガス流量制御弁１４を閉じ停止処理を完了する。
【００６０】
本発明の第４実施形態の効果について説明する。
【００６１】
酸素濃度センサ２０によって排出酸化剤ガス中の酸素濃度を検出するので、酸素極１ｂにおける酸素消費を正確に検出し、さらにその濃度に基づいてガス収容室１３ｂから不活性ガスを水素極１ａへ供給、充填を開始するので、正確な濃度の不活性ガスを素早く供給することができ、充填を開始するまでの時間を短縮することができる。
【００６２】
本発明の第５実施形態の構成を図１０を用いて説明する。
【００６３】
第５実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。この実施形態では第１実施形態の構成に加え、水素極１ａからの排出水素を循環させるポンプ２３と、ポンプ２３によって循環する排出水素の流路となる水素循環流路２４と、水素循環流路２４への排出水素流量を制御する流量制御弁２２と、ポンプ２３から水素供給流路２への排出水素流量を制御する流量制御弁２１とを備える。これにより、燃料電池１の停止処理を行う際に、水素極１ａから排出される排出水素を水素極１ａへ循環させ、残留水素を消費させる。
【００６４】
次にコントローラ３０による制御動作を図１１のタイムチャートに従って説明する。
【００６５】
ｔ０において燃料電池１が稼働しており、この時水素供給弁３と水素排出弁５、及び酸化剤ガス供給弁７と酸化剤ガス排出弁９は開いており、流量制御弁１５、１６と不活性ガス流量制御弁１４は閉じている。また、流量制御弁２１、２２は開いており、ポンプ２３は稼働している。これにより燃料電池１の酸素極１ｂから排出される排出酸化剤ガスは外部へと排出され、水素極１ａから排出される排出水素の一部は、水素循環流路２４を通り、水素極１ａへ再び供給され、消費される。
【００６６】
ｔ１からｔ４以前までについては、流量制御弁２１、２２とポンプ２３ではｔ０においての制御を継続させる。その他の制御については第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００６７】
そして更に排出酸化剤ガス中の酸素量が更に少なくなり、電圧検出装置１７で検出される電圧が更に低くなり、ｔ４において予め設定された不活性ガス供給開始電圧Ｖ２になると、水素極１ａ内の残留水素が消費され、更に酸化剤ガス中の酸素も消費され、またガスタンク１３内に不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁１５、１６を閉じ、ポンプ１１を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。さらに流量制御弁２１、２２を閉じ、ポンプ２３を停止する。また、不活性ガス流量制御弁１４を開き、モータ２９によってピストン１３ａを押して、ガス収容室１３ｂに蓄積した不活性ガスの水素極１ａへの供給を開始する。これにより水素極１ａに不活性ガスを充填させることができる。
【００６８】
その後ｔ５において、水素極１ａのほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁５と不活性ガス流量制御弁１４を閉じ停止処理を完了する。
【００６９】
本発明の第５実施形態の効果について説明する。
【００７０】
燃料電池１を停止する際に、水素循環流路２４に残留水素を循環させ、酸化剤ガスと同じく水素濃度を低減してから水素極１ａへ不活性ガスを充填するので、残留水素の外部への排出量を極力少なくしつつ、燃料電池１の劣化を防止することができる。
【００７１】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
燃料電池を使用する様々な分野で利用することができるが、特に起動、停止を頻繁に行う、燃料電池自動車に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態のタイムチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態のガスタンク容積と水素流路の容積の関係、及び第３実施形態の酸素極循環流路と水素流量との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態のタイムチャートである。
【図６】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態のタイムチャートである。
【図８】本発明の第４実施形態の構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態のタイムチャートである。
【図１０】本発明の第５実施形態の構成図である。
【図１１】本発明の第５実施形態のタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１      燃料電池
２      水素供給流路
３      水素供給弁
５      水素排出弁（流路遮断手段）
９      酸化剤排出弁（流路遮断手段）
１０    酸化剤ガス循環流路（循環流路）
１１    ポンプ
１２    不活性ガス供給流路
１３    ガスタンク（ガス蓄積手段）
１３ａ  ピストン
１３ｂ  ガス収容室
１４    不活性ガス流量制御弁（流量制御手段）
１７    電圧検出装置（発電状態推定手段）
１８    圧力計（圧力検出手段）
１９    流量計（水素流量検出手段）
２０    酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）
２４    水素循環流路
２９    モータ
【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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【図１０】
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【図１１】
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