(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時の始動性を向上させる。【解決手段】発電停止処理時に、乾燥工程Ｓ５において、乾燥ガスを反応ガス流路に通じて電解質膜を所定の乾燥程度まで乾燥させるとともに、反応ガス流路の水分を除去し、その後、加湿工程Ｓ６において、加湿ガスにより電解質膜を一定時間加湿するようにしているので、停止時には、反応ガス流路には水分がなく、かつ電解質膜が所望の湿潤状態に保持された状態になっている。ソーク後の再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には所望の水分が均一に残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に始動する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に反応ガス流路を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の制御方法において、
掃気信号の入力を検知する掃気信号検知工程と、
前記掃気信号の入力を検知したときに掃気処理を行う掃気処理工程とを有し、
前記掃気処理工程は、
前記掃気信号の入力を検知したとき、前記膜を乾燥させる乾燥工程と、
前記膜の乾燥後に、前記膜を加湿する加湿工程と
を備えることを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程中に、前記膜の乾燥程度を検知し、所定の乾燥程度に達したときに前記乾燥工程を終了する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程における前記膜の乾燥程度は、前記膜の膜抵抗値に基づき判定する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池の発電制御方法において、
前記乾燥工程における前記膜の乾燥程度は、前記膜の膜抵抗値の微分値に基づき判定する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程における前記膜の乾燥程度は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差に基づき判定する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程における前記膜の乾燥程度は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差の微分値に基づき判定する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項７】
請求項２記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程における前記膜の乾燥程度は、前記膜の膜抵抗値、前記膜抵抗値の微分値、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差、及び前記ガス圧力差の微分値のうち、少なくとも１つに基づき判定する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程では、前記反応ガス流路に乾燥ガスを供給して前記電解質膜を乾燥させる
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥工程における、前記乾燥ガスの供給時間を所定時間とする
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池の制御方法において、
前記乾燥ガスは、高温化工程を経て高温にされた乾燥ガスである
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１１】
請求項１記載の燃料電池の制御方法において、
前記加湿工程では、前記反応ガス流路に加湿ガスを供給して前記電解質膜を加湿する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池の制御方法において、
前記加湿工程における、前記反応ガス流路に供給する加湿ガスの供給時間を所定時間とする
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池の制御方法において、
前記加湿工程では、前記アノード電極と前記カソード電極に接続されている負荷を大きい負荷にして前記膜を加湿する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の制御方法において、
前記掃気信号は、前記燃料電池の停止時に入力される
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池の制御方法において、
前記燃料電池は、前記電解質膜を挟んで保持する前記アノード電極と前記カソード電極とを設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体がセパレータにより挟んで保持され、かつ前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対面する部分に前記反応ガス流路が設けられた発電セルを複数積層したスタック構造にされている
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１６】
電解質の膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に反応ガス流路を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の制御装置において、
掃気信号の入力を検知する掃気信号検知器と、
前記掃気信号の入力を検知したとき、前記膜を乾燥させる乾燥器と、
前記膜の乾燥後に、前記膜を加湿する加湿器と
を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に設けた反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を継続する燃料電池の発電停止時制御方法に関し、特に、掃気時における水分除去能力を向上させ、また発電停止後の再起動時における始動性を向上させる燃料電池の制御方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡともいう。)を、反応ガス流路が形成されたセパレータによって挟んで保持したセル（発電セル）構造とされている。
【０００３】
この燃料電池において、反応ガス流路を通じてアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、電極触媒上で水素が陽イオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード電極には、反応ガス流路を通じて、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、発電動作を停止したとき、反応ガス流路に乾燥したパージ用流体、例えば窒素ガスを供給して、反応ガス流路内の水を掃気する（パージする）ことが燃料電池の凍結時起動能力を向上させる点で好ましいと記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５１０７８６号公報（［００４７］、［００４８］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この特許文献１に係る技術では、単に、発電動作の停止時に、反応ガス流路を乾燥した非反応ガスである窒素ガスでパージすることが好ましいと記載されているに過ぎなく、このように制御した場合には、発電セル面内の反応ガスの入口近傍ではＭＥＡが極端に乾燥し、その一方、乾燥ガスがセパレータ内のガス流路を移動している間に加湿されてしまうことから、反応ガスの出口近傍の水分の除去、排出が不十分な状態になるという問題がある。
【０００８】
その結果、反応ガス入口部における電解質膜の膜抵抗値が増大し、反応ガス出口近傍のガス拡散性が阻害され、再起動時に、負荷を十分に印加することができず、再起動時の始動性が悪化してしまうという問題がある。
【０００９】
また、長期的に見れば、ＭＥＡが極端に乾燥する状態と、ＭＥＡが湿潤している状態が繰り返されることを原因として、ＭＥＡの耐久性が劣化する可能性もある。
【００１０】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、掃気時における水分の除去能力（排出能力）を向上させることを可能とする燃料電池の制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、この発明は、ＭＥＡの耐久性の劣化を防止することを可能とする燃料電池の制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、この発明は、発電停止後の再起動時の始動性を向上させることを可能とする燃料電池の時制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１３】
さらにまた、この発明は、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することが可能な燃料電池の制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この項では、この発明の理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１５】
この発明の燃料電池の制御方法は、電解質の膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に反応ガス流路（４６、４８）を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の制御方法において、掃気信号の入力を検知する掃気信号検知工程と、前記掃気信号の入力を検知したときに掃気処理を行う掃気処理工程（Ｓ５、Ｓ６）とを有し、前記掃気処理工程は、前記掃気信号の入力を検知したとき、前記膜を乾燥させる乾燥工程（Ｓ５）と、前記膜の乾燥後に、前記膜を加湿する加湿工程（Ｓ６）とを備えることを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１６】
この発明によれば、掃気処理時に、電解質膜を乾燥させることで反応ガス流路から水分を除去し、その後、電解質膜を加湿するようにしているので、掃気処理後には、反応ガス流路には水分がなく、かつ電解質膜が湿潤状態となる。このため、反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電を行うことが可能である。
【００１７】
なお、掃気処理は、後述する発電停止処理時以外に、一時停車中のアイドリング時等に行われる。掃気処理を行うことで、アイドリング時から走行時に円滑に移行することができる。なお、この発明は、車載以外の据え置き型あるいは可搬型の燃料電池にも適用できることは言うまでもない。
【００１８】
この場合、前記乾燥工程中に、前記電解質膜の乾燥程度を検知し（Ｓ５ｂ）、所定の乾燥程度に達したときに前記乾燥工程を終了することが好ましい（請求項２記載の発明）。
【００１９】
例えば、前記乾燥工程における前記電解質膜の乾燥程度は、前記電解質膜の膜抵抗値に基づき判定することができる（請求項３記載の発明）。
【００２０】
また、前記乾燥工程における前記電解質膜の乾燥程度は、前記電解質膜の膜抵抗値の微分値に基づき判定することができる（請求項４記載の発明）。
【００２１】
さらに、前記乾燥工程における前記電解質膜の乾燥程度は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差に基づき判定することができる（請求項５記載の発明）。
【００２２】
さらにまた、前記乾燥工程における前記電解質膜の乾燥程度は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差の微分値に基づき判定するができる（請求項６記載の発明）。
【００２３】
この場合、前記乾燥工程における前記電解質膜の乾燥程度は、前記電解質膜の膜抵抗値、前記膜抵抗値の微分値、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差、及び前記ガス圧力差の微分値のうち、少なくとも１つに基づき判定することでもよい（請求項７記載の発明）。
【００２４】
なお、前記乾燥工程では、前記反応ガス流路に乾燥ガスを供給して前記電解質膜を乾燥させることができる（請求項８記載の発明）。
【００２５】
ここで、前記乾燥工程における、前記乾燥ガスの供給時間を所定時間とすると、所望の乾燥程度までの制御が簡単である（請求項９記載の発明）。
【００２６】
前記乾燥ガスは、高温化工程（例えば、コンプレッサ１０２→直接供給流路１０１→空気供給流路９８）を経て高温にされた乾燥ガスであることが好ましい（請求項１０記載の発明）。
【００２７】
また、前記加湿工程では、前記反応ガス流路に加湿ガスを供給して前記電解質膜を加湿させることができる（請求項１１記載の発明）。
【００２８】
この場合においても、前記加湿工程における、前記反応ガス流路に供給する加湿ガスの供給時間を所定時間とすると所望の乾燥程度までの制御が簡単である（請求項１２記載の発明）。
【００２９】
また、前記加湿工程における加湿の仕方としては、前記アノード電極と前記カソード電極に接続されている負荷を大きい負荷にして前記電解質膜を加湿することができる（請求項１３記載の発明）。
【００３０】
なお、掃気信号は、燃料電池の停止時に入力されることが好ましい（請求項１４記載の発明）。この場合、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に反応ガス流路（４６、４８）を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行い、発電停止信号（Ｉｇ＝０）の入力に基づき発電停止時処理を行い発電を停止する燃料電池の発電停止時制御方法であって、前記発電停止時処理は、前記発電停止信号の入力を検知する発電停止信号検知工程（Ｓ３）と、発電停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜を乾燥させる乾燥工程（Ｓ５）と、前記電解質膜の乾燥後に、前記電解質膜を加湿する加湿工程（Ｓ６）とを備える。
【００３１】
この発明によれば、発電停止処理時に、電解質膜を乾燥させることで反応ガス流路から水分を除去し、その後、電解質膜を加湿するようにしているので、停止時には、反応ガス流路には水分がなく、かつ電解質膜が湿潤状態となる。したがって、再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が行われる。
【００３２】
すなわち、再起動時に十分な負荷を印加することが可能となって始動性が向上する。また、水の凍結温度以下の環境でも反応ガス流路での凍結が発生していることがなく、さらに、電解質膜には水分が残留しているので迅速な始動が確実に遂行され、直ちに通常運転に移行することができる。
【００３３】
上記した燃料電池は、前記電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持する前記アノード電極（２０ａ）と前記カソード電極（２０ｃ）とを設けた電解質膜・電極構造体（２０）を有し、前記電解質膜・電極構造体がセパレータ（２２、２４）により挟んで保持され、かつ前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対面する部分に前記反応ガス流路（４６、４８）が設けられた発電セル（１４）を複数積層したスタック構造にされている、いわゆる燃料電池スタック（１２）も含む（請求項１５記載の発明）。
【００３４】
この発明の燃料電池の制御装置は、電解質の膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に反応ガス流路（４６、４８）を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の制御装置において、掃気信号の入力を検知する掃気信号検知器（６０）と、前記掃気信号の入力を検知したとき、前記膜を乾燥させる乾燥器（１０２）と、前記膜の乾燥後に、前記膜を加湿する加湿器（１０３）とを備えることを特徴とする（請求項１６記載の発明）。
【００３５】
この発明によれば、掃気信号検知器により掃気信号の入力を検知したとき、乾燥器により電解質膜を乾燥させることで反応ガス流路から水分を除去し、その後、加湿器により電解質膜を加湿するようにしている。このため、掃気信号の入力に応じた処理を行った後に燃料電池の反応ガス流路には水分がなく、かつ電解質膜が湿潤状態となる。反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電を行うことが可能である。
【発明の効果】
【００３６】
この発明によれば、掃気時（例えば発電停止処理時）に、電解質膜を乾燥させることで反応ガス流路からも水分を除去し、その後、電解質膜を加湿するようにしているので、掃気終了時（例えば停止時）には、反応ガス流路には水分がなく、かつ電解質膜が湿潤状態となる。
【００３７】
したがって、掃気時における水分の除去能力（排出能力）を向上させることができる。
【００３８】
また、電解質膜が極端な乾燥状態と湿潤状態とを繰り返さないようになるので、電解質膜・電極構造体、すなわちＭＥＡの耐久性の劣化を防止することができる。
【００３９】
さらに、掃気終了後（例えば発電停止後）の再起動時には、反応ガス流路に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜には水分が残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が行われる（開始される）。
【００４０】
例えば、再起動時に十分な負荷を印加することが可能となって始動性が向上する。
【００４１】
また、水の凍結温度以下の環境でも反応ガス流路での凍結が発生していることがなく、さらに電解質膜には水分が残留しているので迅速な始動が確実に遂行され、直ちに通常運転に移行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の制御方法を実施し、かつ燃料電池の制御装置の一実施形態を含む燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
【００４３】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を有し、この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層した積層体として構成される。燃料電池スタック１２の積層方向両端部には、正極側ターミナルプレート１６ａ及び負極側ターミナルプレート１６ｂと、エンドプレート１８ａ、１８ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が形成される。
【００４４】
各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２０と、この電解質膜・電極構造体２０を挟持する金属のセパレータ２２、２４とを備える。セパレータ２２、２４には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、シール材が一体成形されている。
【００４５】
図２は、図１に示した燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１２の構成要素である発電セル１４の分解斜視説明図である。
【００４６】
図２に示すように、発電セル１４の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び他方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００４７】
発電セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００４８】
電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０ｂと、この固体高分子電解質膜２０ｂを挟んで保持するアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃとを備える（図１及び図２参照）。
【００４９】
アノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２０ｂの両面に接合されている。
【００５０】
セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とカソード電極２０ｃとの間に形成される。
【００５１】
セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極２０ａとの間に形成される。
【００５２】
セパレータ２２の面２２ｂとセパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａから供給される冷却媒体を冷却媒体排出連通孔３２ｂに導くための冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、金属セパレータ２２に設けられる複数の溝部と、セパレータ２４に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて一体的に構成される。
【００５３】
再び、図１において、燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、基本的には、燃料電池スタック１２と、この燃料電池システム１０全体を統括して制御する制御部６０と、燃料ガス供給系６２と、酸化剤ガス供給系６４とを備える。
【００５４】
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）１４が電気的に直列に接続され、正極側ターミナルプレート１６ａから発電電流Ｉｆが出力される。
【００５５】
この場合、各発電セル１４で発生した電圧（セパレータ２４と２２間の電圧）の電圧値Ｖｃは、電圧センサとしても機能する制御部６０に図示しない電線を介して取り込まれる。
【００５６】
正極側ターミナルプレート１６ａから出力された発電電流Ｉｆは、電流センサ６８を通じ、負荷制御器７０を介して走行用モータを含む負荷７２、及び補機（コンプレッサ１０２、切替バルブ１１８、各種バルブ等）に供給される。
【００５７】
この発電電流Ｉｆの電流値（符号はＩｆを使用する。）は、電流センサ６８により検出され、制御部６０に取り込まれる。制御部６０では、各発電セル１４の電圧値Ｖｃを加算することで燃料電池スタック１２の発電電圧Ｖｓ（ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ間の電圧）を計算し、発電電力をＶｓ×Ｉｆとして管理する。
【００５８】
一方のエンドプレート１８ａには、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じて空気を供給するための空気供給口７８ａと、発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して排出するための空気排出口７８ｂと、冷却媒体供給口１１２ａが設けられる。
【００５９】
他方のエンドプレート１８ｂには、各発電セル１４の燃料ガス流路４８に燃料ガス供給連通孔３４ａを介して水素ガスを供給するための水素供給口７６ａと、発電セル１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料ガス排出連通孔３４ｂを介して排出するための水素排出口７６ｂと、冷却媒体の排出口１１２ｂとが設けられる。
【００６０】
燃料ガス供給系６２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する水素供給流路８２と、燃料電池スタック１２から未使用の燃料ガスを含む排ガスを排出する水素排出流路８３と、排出ガス（水素含有ガス）を水素供給流路８２の途上に戻して燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。
【００６１】
水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、水素タンク８６から水素供給バルブ（ノーマルクローズのオンオフバルブ）８７を通じて供給される燃料ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ９０と、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ９２とが設けられる。圧力センサ９２により検出された燃料ガスの圧力値Ｐｈは、制御部６０に取り込まれる。
【００６２】
水素排出流路８３には、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを廃棄するためのパージバルブ９４が設けられる。
【００６３】
酸化剤ガス供給系６４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給流路９８と、燃料電池スタック１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路１００とを備える。
【００６４】
空気供給流路９８には、空気を圧縮して出力するためのコンプレッサ１０２と、コンプレッサ１０２から出力され高温化された圧縮空気を冷却する冷却装置としてのインタークーラ１０４と、冷却された圧縮空気に水分を与えて加湿空気として供給する加湿器１０３と、インタークーラ１０４及び加湿器１０３を通じて供給される低温化された加湿空気とコンプレッサ１０２から直接供給される高温の乾燥空気の混合割合を制御する切替バルブ１０５と、高温乾燥空気の直接供給流路１０１と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガス（空気）の圧力を検出する圧力センサ１０９とが設けられる。圧力センサ１０９により検出された酸化剤ガスの供給圧力値Ｐｉｎは制御部６０に取り込まれる。
【００６５】
空気排出流路１００には、燃料電池スタック１２の空気出口温度を検出する温度センサ１０６と、空気出口圧力を検出する圧力センサ１０７と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力を制御するための圧力調整バルブ１０８とが設けられる。温度センサ１０６と圧力センサ１０７によりそれぞれ検出された空気出口温度値Ｔａと空気出口圧力値Ｐｏｕｔは、制御部６０に取り込まれる。
【００６６】
制御部６０はＣＰＵ（Central Processing Unit）を有し、演算・制御・記憶・処理手段として機能する他、計時手段としてのタイマとしても機能する。
【００６７】
この制御部６０には、燃料電池システム１０のイグニッションスイッチとして機能する起動スイッチ１３８や図示していないアクセルの開度を示すアクセル開度センサも接続されている。発電停止信号検知器としても機能する制御部６０に対して、起動スイッチ１３８からオン状態に対応する発電開始信号（Ｉｇ＝１）が供給されることで発電運転の開始処理がなされ、オフ状態に対応する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が供給されることで発電運転の停止処理がなされる。なお、この実施形態において、発電停止信号（Ｉｇ＝０）は、この信号の入力を契機として後述する掃気処理が行われるので、広い意味では掃気信号と言える。
【００６８】
この場合、起動スイッチ１３８とは別に、掃気信号出力スイッチを設けて制御部６０に接続し、その掃気信号出力スイッチがオン状態となったときに掃気信号が入力されたとして、例えば一時停車中のアイドリング時等にも掃気処理ができるように構成を変更してもよい。
【００６９】
したがって、制御部６０は、発電停止信号検知器の意味を含む広い意味での掃気信号検知器としても機能する。なお、この実施形態では、上記したように、制御部６０は、発電停止信号検知器として機能している。
【００７０】
そして、制御部６０のＣＰＵは、各種入力（起動スイッチ１３８からの信号Ｉｇ、及び各セル電圧値Ｖｃ、発電電流値Ｉｆ、空気供給圧力値Ｐｉｎ、空気出口圧力値Ｐｏｕｔ、水素入口圧力値Ｐｈ、空気出口温度Ｔａ等）に対応して、プログラムを実行することで、コンプレッサ１０２の回転数、レギュレータ８８の開度、切替バルブ１０５の切替位置、負荷制御器７０の制御等を行い、所定の発電電流Ｉｆを発生して負荷制御器７０に供給するとともに、燃料電池システム１０全体を統括して制御する。
【００７１】
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には、以上のように構成されかつ動作するものであり、次に、この燃料電池システム１０のより詳しい動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００７２】
まず、ステップＳ１において、ユーザの操作により起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態にされると（Ｉｇ＝０→１）、ステップＳ２において、燃料電池システム１０が始動され燃料電池スタック１２の通常発電運転が行われる。
【００７３】
この通常発電運転の継続時には、燃料ガス供給系６２において、水素タンク８６から供給される燃料ガスが、レギュレータ８８を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ９０を介し水素供給流路８２を通じて燃料電池スタック１２の水素供給口７６ａに供給される。
【００７４】
水素供給口７６ａに供給された燃料ガスは、各発電セル１４を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａを通じて燃料ガス流路４８に沿ってアノード電極２０ａに供給されアノード電極２０ａに沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂを通じ水素排出口７６ｂから水素排出流路８３に排出されて水素循環流路８４に送られる。
【００７５】
水素循環流路８４に排出された排ガスは、エゼクタ９０の吸引作用下に、水素供給流路８２の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１２内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。
【００７６】
一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてコンプレッサ１０２から供給され、通常運転時には、切替バルブ１０５を介し、インタークーラ１０４、加湿器１０３を通じて低温化された加湿空気（加湿ガス）が空気供給流路９８に供給される。
【００７７】
この空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口７８ａから各発電セル１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ酸化剤ガス流路４６に沿ってカソード電極２０ｃに供給されカソード電極２０ｃに沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを通じ空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出される。
【００７８】
これにより、各発電セル１４では、アノード電極２０ａに供給される燃料ガスである水素と、カソード電極２０ｃに供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００７９】
この発電の過程について詳しく説明すると、アノード電極２０ａにおいて水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは電解質膜２０ｂ内を水分を伴ってカソード電極２０ｃ側に到達する。発生した電子は、アノード電極２０ａから負極側ターミナルプレート１６ｂを通じ外部負荷（負荷制御器７０、負荷７２及び補機等）を介し、電流センサ６８を通じ正極側ターミナルプレート１６ａを介してカソード電極２０ｃに到達する。そして、電解質膜２０ｂのカソード電極２０ｃ側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。
【００８０】
このように発電セル（燃料電池セルともいう。）１４では、アノード電極２０ａで生成された水素イオンが電解質膜２０ｂの中を通ってカソード電極２０ｃに移動するときには、水の分子を同伴する。したがって、水素イオンの導電性を維持するために、電解質膜２０ｂは、水分を含んだ湿潤の状態であることが必須の要件とされている。
【００８１】
この場合、酸化剤ガス供給系６４では、酸化剤ガスのガス圧力が、目標の発電電流値Ｉｆに基づき圧力調整バルブ１０８を介して所定の圧力に調整されるとともに、酸化剤ガスのガス流量がコンプレッサ１０２の回転数制御によって所定の流量に調整される。
【００８２】
一方、燃料ガス供給系６２では、水素ガスのガス圧力がレギュレータ８８を介して所定の圧力に調整されるとともに、水素ガスのガス流量がエゼクタ９０を介して所定の流量に調整されている。
【００８３】
以上の通常発電運転が行われているときに、ステップＳ３に示すように、ユーザが運転を停止するために起動スイッチ１３８を操作し起動スイッチ１３８がオン状態からオフ状態に切り替えられたことが制御部６０に入力される。すなわちハイレベル１からローレベル０に遷移する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が、制御部６０により検知されると、この発電停止信号検知工程を契機として以下に示す掃気処理工程を含む発電停止時処理が行われる。
【００８４】
発電停止信号（Ｉｇ＝０）の入力を検知したとき、ステップＳ４において、制御部６０は、水素タンク８６に取り付けられている水素供給バルブ８７を閉じ、水素タンク８６からの新たな燃料ガスの供給を停止する燃料ガス供給停止工程を行った後、ステップＳ５の乾燥工程及びステップＳ６の加湿工程からなる掃気処理工程である、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６の残留水分状態の最適化処理を行う。
【００８５】
この残留水分状態の最適化処理は、発電を完全に停止させる前に、各発電セル１４を構成する空気の流路である酸化剤ガス流路４６内の残留水分と電解質膜２０ｂの残留水分を確認し、電解質膜２０ｂに水分が所定量残留していて、かつ酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していない最適水分残留条件を成立させる処理工程である。
【００８６】
そして、最適水分残留条件が成立しているときに、次のステップＳ７に示す発電停止処理を行うことで、その発電停止処理がなされた時点の以降の時点で起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態に切り替えられた再起動時に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していないことから反応ガスの流れが阻害されないことを確実化し、また電解質膜２０ｂに水分が残留しているので水素イオン（陽イオン）が透過し易いことを確実化し、結果として確実に正常な発電を開始することができるようにするためである。すなわち、これらステップＳ５以降の発電停止時処理を行うことで、水の凍結温度以下の環境でも迅速な起動が確実に遂行され、通常発電運転に直ちに移行させることができる。
【００８７】
実際上、発電運転状況により、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６の残留水分状態が以下の３態様を有する可能性がある。
【００８８】
（ｉ）酸化剤ガス流路４６内に液滴の水が残留している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに湿潤状態）。（ｉｉ）電解質膜２０ｂ内に水分が残留している状態（電解質膜２０ｂのみが湿潤状態）。（ｉｉｉ）電解質膜２０ｂが乾燥している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに乾燥状態）。そして、発電停止時には、（ｉｉ）の状態（最適水分残留条件・最適停止条件）で停止されていることが好ましい。
【００８９】
この実施形態において、上記（ｉｉ）の最適水分残留条件は、第１に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気の供給圧力値Ｐｉｎと排出圧力値Ｐｏｕｔとの圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）が所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかで判定している（α≦ΔＰ）。第２に、電解質膜２０ｂの湿潤状態を判定するために、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかで判定している（Ｒｍ≦Ｒｔ）。
【００９０】
図４は、発電セル１４の内部残留水分が少ない状態（乾燥状態）から多い状態（加湿状態）に変化した場合の圧力差αと膜抵抗値Ｒｍの変化特性を示している。圧力差αは、発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路４６内の残留水分が多い場合に大きな値となり、少なくなるにしたがい小さな値になる。その一方、膜抵抗値Ｒｍは、電解質膜２０ｂ内の残留水分が少ない場合に大きな値となり、多くなるにしたがい小さな値となる。
【００９１】
図４中に、上述した判定基準である所定圧力値ΔＰと所定膜抵抗値Ｒｔを記載している。したがって、この実施形態において、発電停止時における最適水分残留条件範囲は、所定膜抵抗値Ｒｔと膜抵抗値Ｒｍとの交点から所定圧力値ΔＰと圧力差αとの交点までの範囲になる。
【００９２】
次に、上記のステップＳ３以降〜ステップＳ７までの処理例について、図５の波形図をも参照して説明する。
【００９３】
図５の（ａ）に示すように、時点ｔ０において、ハイレベル１からローレベル０に遷移する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が、制御部６０により検知されると（ステップＳ３）、発電停止時処理が実行開始され、制御部６０は、図５の（ｂ）に示すように、直ちに、水素タンク３６に取り付けられている水素供給バルブ８７を閉じ、水素タンク３６から燃料ガスである水素ガスの新たな供給を停止する（ステップＳ４）。
【００９４】
ステップＳ２の通常発電運転中において、各電解質膜２０ｂ（電解質膜・電極構造体２０）の水分含有量は、図６に示すように、ガス入口（酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス供給連通孔３４ａ）からガスの下流に向かってガス出口（酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス排出連通孔３４ｂ）まで、水分含有量がＷ２からＷ５に増加する湿潤分布状態となっており、しかも全体としてかなりの水分含有量になっている。したがって、ガス流路、特に酸化剤ガス流路４６にも水分が残留した状態となっている。
【００９５】
そこで、停止時処理として、まず、ステップＳ５において、余剰水分を除去するために、乾燥工程が実行され、ステップＳ５中、ステップＳ５ａにおいて、乾燥ガスによる乾燥処理が行われる。
【００９６】
このため、時点ｔ０において、空気の切替バルブ１０５により空気の流路を加湿器１０３側流路から直接供給流路１０１側に切り替えるとともに、圧力調整バルブ１０８を開放し、コンプレッサ１０２の回転数を最大にする。これにより、図５の（ｄ）に示すように、酸化剤ガスは、加湿ガスから高温の乾燥ガスとされる。すなわち、乾燥器として機能するコンプレッサ１０２から、インタークーラ１０４と加湿器１０３を迂回して、直接供給流路（迂回路）１０１を通じて直接的に供給される高温の乾燥された最大ガス流量の空気（高温乾燥ガス）が、空気供給流路９８を通じて空気供給口７８ａに供給される。
【００９７】
この高温の乾燥空気は、空気供給口７８ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に沿って移動し酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して空気排出口７８ｂから排出され、さらに空気排出流路１００を通じ圧力調整バルブ１０８を通じて車外の外気に排出される。このとき、酸化剤ガス流路４６の残留水分が乾燥ガスにより空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出される（パージされる）とともに、酸化剤ガス流路４６が乾燥される、すなわち乾燥掃気（乾燥パージ）が行われる。
【００９８】
なお、酸化剤ガス流路４６に乾燥ガスが供給されているとき、燃料ガス流路４８には、図５の（ｃ）に示すように、時点ｔ１までの間、エゼクタ９０により水素ガスが循環されているので、各発電セル１４では、所定の発電が継続されている。すなわち、時点ｔ０において、水素排出口７６ｂ、水素排出流路８３を通じてエゼクタ９０に供給された循環水素は、このエゼクタ９０から、時点ｔ１まで燃料電池スタック１２に供給される。
【００９９】
図５の（ｃ）に示す、水素ガスの圧力は、水素供給口７６ａで圧力センサ９２により検出した圧力であり、時点ｔ０で水素タンク８６からの水素ガスの供給が停止されているので、水素ガスの圧力は、その時点ｔ０から徐々に低下し、時点ｔ１における所定圧力値で安定するように設計されている。なお、この所定圧力値は大気圧より高い圧力に設計されている。時点ｔ０以降、パージバルブ９４が開かれることはないので、燃料ガス流路４８内のガス圧力値が大気圧より高い圧力となった状態が保持される。このようにして、ステップＳ５の乾燥工程が遂行される。
【０１００】
すなわち、図５の（ｄ）に示すように、時点ｔ０までは、燃料ガスと加湿された酸化剤ガスが反応ガス流路４６、４８に供給され、時点ｔ０以降時点ｔ４まで、燃料ガスと高温で乾燥した酸化剤ガスが反応ガス流路４６、４８に供給される。この時点ｔ０〜ｔ４までの時間は掃気期間あるいはパージ期間と呼ばれる。
【０１０１】
時点ｔ０において、さらに、ステップＳ５ｂの乾燥程度判定処理が行われる。この乾燥程度判定処理では、乾燥工程中に、電解質膜２０ｂの乾燥程度を検知し、所定の乾燥程度に達したかどうかが判定される。
【０１０２】
この電解質膜２０ｂの乾燥程度は、この実施形態では、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍに基づき判定している。
【０１０３】
この膜抵抗値Ｒｍは、負荷制御器７０内部で負荷の値、たとえば抵抗値を間欠的（パルス的）に小さくすることで（負荷を大きくすることで）、図５の（ｅ）に示すように、発電電流値Ｉｆをパルス的に増減させる。
【０１０４】
このとき、発電電流値Ｉｆの変動電流値ΔＩｆを計算し、さらに、図５の（ｆ）に示すように、セル電圧Ｖｃの対応する変動電圧値ΔＶｃを計算して、膜抵抗値ＲｍをＲｍ＝ΔＶｃ／ΔＩｆ（図５の（ｇ）参照）として求める。
【０１０５】
そして、求めた膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔを超える値であるかどうかを判定する（Ｒｍ＞Ｒｔ）。なお、膜抵抗値Ｒｍは、負荷を正弦的に変化させることで交流インピーダンスとしても求めることができる。
【０１０６】
この時点ｔ０近傍では、電解質膜２０ｂが十分な湿潤状態にあるので、膜抵抗値Ｒｍの値は、所定抵抗値Ｒｔ以下の値となっている。
【０１０７】
この時点ｔ０近傍では、ステップＳ５ｂの判定が成立しないので、以降、ステップＳ５ｂの判定が成立するまで、ステップＳ５ａの乾燥ガス処理及びステップＳ５ｂの乾燥程度判定処理、すなわちステップＳ５の乾燥工程が継続される。
【０１０８】
この実施例では、乾燥ガスの投入の継続により、時点ｔ３以降において膜抵抗値Ｒｍが上昇し、時点ｔ４において、膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔになり、ステップＳ５ｂの乾燥程度判定処理が成立する。
【０１０９】
なお、乾燥程度判定処理は、図５の（ｈ）に模式的に示すように、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍの時間微分値Ｒｍ´に基づき判定することもできる。この場合には、膜抵抗値Ｒｍの時間微分値Ｒｍ´が所定微分値Ｒｔ´を超えたかどうかで判定する（Ｒｍ´＞Ｒｔ´）。
【０１１０】
なお、ステップＳ５ｂの電解質膜２０ｂの乾燥程度は、反応ガス流路の供給口と吐出口との間のガス圧力差に基づき判定することもできる。例えば、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気供給口７８ａの供給圧力値Ｐｉｎと、空気排出口７８ｂの排出圧力値Ｐｏｕｔを、圧力センサ１０９、１０７を通じてそれぞれ測定し、ガス圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を計算し、計算したガス圧力差αが所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかを判定する（α≦ΔＰ）。
【０１１１】
図５の（ｉ）に示すように、時点ｔ０では、酸化剤ガス流路４６内に余剰水分が残留してるので、ガス圧力差αは、所定圧力値ΔＰより大きい値になっている。酸化剤ガス流路４６に乾燥ガスを投入することで、酸化剤ガス流路４６の残留水分のパージ処理が行われる。
【０１１２】
時点ｔ２において、ガス圧力差αが所定圧力差ΔＰ以下の値となることが判定されるので、予め定めた時間Ｔ２４経過後の時点ｔ４に乾燥ガスの供給を停止することで、その時点ｔ４で電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔになっていると推定される。
【０１１３】
なお、電解質膜２０ｂの乾燥程度は、図５の（ｊ）に示すように、ガス圧力差αの時間微分値α´に基づき判定することもできる。時点ｔ３において、時間微分値α´が所定微分値ΔＰ´となるので、予め定めた時間Ｔ３４の経過後の時点ｔ４に乾燥ガスの供給を停止することで、その時点ｔ４で電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔになっていると推定される。
【０１１４】
ステップＳ５の乾燥工程が終了した時点ｔ４において、各電解質膜２０ｂ（電解質膜・電極構造体２０）は、図７の水分含有量を模式的に示すように、ガス入口（酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス供給連通孔３４ａ）からガスの下流に向かってガス出口（酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス排出連通孔３４ｂ）まで、水分含有量がＷ１からＷ３に増加する分布状態となっているが、全体として乾燥した少ない水分含有量になっている（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ５）。
【０１１５】
そこで、ステップＳ５の乾燥工程が終了した時点ｔ４、すなわちステップＳ５ｂの乾燥程度判定処理が成立したとき、次に電解質膜２０ｂを一定程度（均一）に加湿する加湿工程Ｓ６を構成するステップＳ６ａの加湿ガス処理が実施される。
【０１１６】
加湿ガス処理を行うため、図５の（ｄ）等に示すように、時点ｔ４において、空気の切替バルブ１０５により空気の流路を直接供給流路側から加湿器１０３側流路に切り替えて、時点ｔ５までの所定時間Ｔ４５の間、加湿された酸化剤ガスと加湿された水素ガスをそれぞれ、反応ガス流路４６、４８に供給する、加湿掃気（加湿パージ）を行う。
【０１１７】
乾燥ガスを膜抵抗値Ｒｍが一定値Ｒｔとなるまで供給し、その後に一定時間Ｔ４５だけ加湿ガスを供給しているので、ステップＳ６ｂの加湿程度判定処理は、時点ｔ４以降の加湿時間が所定時間Ｔ４５経過した時点で加湿程度が適正と判定される。
【０１１８】
なお、加湿工程では、加湿ガス処理Ｓ６ａに代替して、図５の（ｅ）の時点ｔ４〜ｔ５での点線に示すように、負荷制御器７０に接続される負荷を大きくした一定負荷（発電電流値ｐＩｆ）とすることで、例えば乾燥ガス供給のままでも、発電セル１４が発電することにより電解質膜２０ｂを加湿し所定の湿潤状態にすることができる。
【０１１９】
ステップＳ６の乾燥工程が終了した時点ｔ５において、各電解質膜２０ｂ（電解質膜・電極構造体２０）は、図８に水分含有量を模式的に示すように、ガス入口（酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス供給連通孔３４ａ）からガスの下流に向かってガス出口（酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス排出連通孔３４ｂ）まで、水分含有量が所望の量Ｗ４でかつ均一な分布状態となっている（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４＜Ｗ５）。
【０１２０】
次に、ステップＳ７の発電停止処理では、時点ｔ５に、コンプレッサ１０２の停止等、全ての補機の動作を停止させる。したがって、時点ｔ５以降において、圧力差αはゼロ値となる。なお、時点ｔ５以降、制御部６０は、いわゆるスリープ状態になる。なお、時点ｔ０で、図５の（ａ）に示すハイレベルからローレベルに遷移する発電停止信号（Ｉｇ＝０）の入力を、制御部６０が検知したとき、その時点ｔ０で、制御部６０は、図５の（ｂ）に示したように水素供給バルブ８７を閉じることなく、水素タンク８６から水素ガスの供給を継続するようにし、図５の（ｄ）に示す酸化剤ガスの供給を停止する時点ｔ５あるいは時点ｔ４で、制御部６０は、水素供給バルブ８７を閉じて水素ガスの供給を停止するようにしてもよい。
【０１２１】
ただし、上記したように、時点ｔ０で水素タンク８６からの水素ガスの供給を停止する（図５の（ｂ）参照）あるいは少なくすることで、この時点ｔ０以降で、発電セル１４における化学反応が不活性化する方向に向かい、水分の生成が少なくなり、その分、起動スイッチ１３８をオフ状態にした時点ｔ０からの乾燥ガスの掃気期間Ｔ０２、すなわち乾燥時間を短くすることができる。
【０１２２】
図９は、この発明の他の実施形態の燃料電池システム１０Ａの構成を示している。この燃料電池システム１０Ａでは、図１例の燃料電池システム１０に対して、燃料ガス供給系６２側のレギュレータ８８とエゼクタ９０との間に加湿器１５０とヒータ１５２とこれらを切り替える切替バルブ１５４を設けている。
【０１２３】
この他の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａでは、時点ｔ０までの通常発電時には、酸化剤ガス供給系６４では、コンプレッサ１０２からの高温の圧縮空気がインタークーラ１０４、加湿器１０３、及び空気供給流路９８を通じて低温化され加湿された酸化剤ガスとして反応ガス流路４６に供給されるとともに、燃料ガス供給系６２では、水素タンク８６から供給される燃料ガスが加湿器１５０を通じて加湿され、この加湿された燃料ガスがエゼクタ９０、水素供給流路８２を通じて反応ガス流路４８に供給される。
【０１２４】
次に、時点ｔ０からｔ４の間では、酸化剤ガス供給系６４では、コンプレッサ１０２から供給される高温の乾燥した酸化剤ガス（高温乾燥ガス）が、直接供給流路１０１及び空気供給流路９８を通じて反応ガス流路４６に供給される一方、燃料ガス供給系６２では、水素タンク８６から供給される燃料ガスが、ヒータ１５２を通じ、高温かつ乾燥したガスとされ、エゼクタ９０及び水素供給流路８２を介して反応ガス流路４８に供給される。
【０１２５】
次いで、時点ｔ４からｔ５の間では、酸化剤ガス供給系６４では、コンプレッサ１０２からの高温の圧縮空気が、インタークーラ１０４、加湿器１０３及び空気供給流路９８を通じて低温化され加湿された酸化剤ガスとして反応ガス流路４６に供給されるとともに、水素タンク８６から供給される燃料ガスが加湿器１５０を通じて加湿され、この加湿された燃料ガスがエゼクタ９０、水素供給流路８２を通じて反応ガス流路４８に供給される。これにより、電解質膜２０ｂが所望の均一な湿潤状態に保持される。
【０１２６】
図１０は、この発明のさらに他の実施形態の燃料電池システム１０Ｂの構成を示している。この燃料電池システム１０Ｂでは、掃気ガスとして、化学的に安定なガス、ここでは、窒素ガスを用いる。そして、オンオフバルブ１７２、１７４、１７６、１７８、１８０が設けられ、さらに窒素タンク１６０の排出口に加湿器１６２とヒータ１６４が並列に設けられる。
【０１２７】
このさらに他の燃料電池システム１０Ｂでは、時点ｔ０までの通常発電時には、バルブ１７４、１７６、１７８、１８０は閉じられて遮断状態とされ、バルブ１７２は開かれて連通状態とされる。また、ヒータ１６４及び加湿器１６２は、ともに非作動状態とされる。
【０１２８】
そして、非作動状態において、低温の加湿された酸化剤ガスが、インタークーラ１０４、加湿器１０３、及び空気供給流路９８を通じて反応ガス流路４６に供給されるとともに、水素タンク８６から供給される燃料ガスが加湿器１５０を通じて加湿され、この加湿された燃料ガスがエゼクタ９０、水素供給流路８２を通じて反応ガス流路４８に供給されることが発電が行われる。
【０１２９】
次に、発電停止信号（Ｉｇ＝０）が入力された時点ｔ０からｔ４の間では、コンプレッサ１０２が非作動状態とされ、さらに、バルブ１７２とバルブ８７が閉じられて、酸化剤ガスと燃料ガスの供給が遮断される。
【０１３０】
このときバルブ１７８が閉じられる一方、バルブ１７４、１７６、１８０が開かれ、かつヒータ１６４が作動状態とされる。これにより、窒素タンク１６０から供給される窒素ガスが、高温乾燥ガスとして、空気供給流路９８及び水素供給流路８２を通じてそれぞれ反応ガス流路４６及び反応ガス流路４８に供給される。この場合、発電セル１４において発電が行われないので、水分が発生せず、乾燥掃気を短時間で行うことができる。
【０１３１】
次いで、時点ｔ４からｔ５の間では、ヒータ１６４が非作動状態にされるとともにバルブ１８０が閉じられる一方、加湿器１６２が作動状態にされるとともにバルブ１７８が開かれる。これにより、窒素タンク１６０から供給される窒素ガスが、加湿ガスとして、空気供給流路９８及び水素供給流路８２を通じて、それぞれ反応ガス流路４６及び反応ガス流路４８に供給される。これにより、電解質膜２０ｂが所望の均一な湿潤状態に保持される。
【０１３２】
このように上述した実施形態によれば、発電停止処理時に、乾燥ガスを反応ガス流路４６、４８に通じて電解質膜２０ｂを所定の乾燥程度まで乾燥させるとともに、反応ガス流路４６、４８からも水分を除去し、その後、電解質膜２０ｂを一定時間加湿するようにしているので、停止時には、反応ガス流路４６、４８には水分がなく、かつ電解質膜２０ｂが所望の均一な湿潤状態に保持された最適水分残留条件が成立している。
【０１３３】
したがって、任意の時間放置された後、いわゆるソーク後の再起動時には、反応ガス流路４６、４８に水分が残留していないので反応ガスの流れが阻害されることがなく、また、電解質膜２０ｂには適量の水分が均一に残留しているので、陽イオンが透過し易くなり、良好に発電が開始される。すなわち、再起動時に十分な負荷を印加することが可能となって始動性が向上する。また、水の凍結温度以下の環境でも迅速な始動が確実に遂行され、直ちに通常運転に移行することができる。
【０１３４】
実際に、再起動時の始動性に関し、最適水分残留条件が成立した場合、最適水分残留条件が非成立で酸化剤ガス流路４６の残留水分が多い場合、及び最適水分残留条件が非成立で電解質膜２０ｂが乾燥状態にある場合のそれぞれの場合についての実験例を図１１及び図１２に示す。
【０１３５】
図１１の特性２０１から分かるように、停止時に最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、各発電セル１４の電圧が安定し発電電流値Ｉｆは、直ちに所望の電流値に達するが、停止時に残留水分が多い場合には、特性２０２に示すように、再起動した場合、各発電セル１４の電圧が安定せず発電電流Ｉｆの上昇が緩やかで、時点ｔａで発電が停止してしまっていることが分かる。発電が停止してしまった状態において、酸化剤ガス流路４６内は、ほどんど水で満たされた状態になっている。また、特性２０３に示すように、停止時に乾燥状態であった場合には、再起動時には、発電電流Ｉｆがなかなか上昇せず、所望の電流値に達するまでの時間がきわめて長い時間となってしまう。
【０１３６】
また、図１２から分かるように、氷点下以下の温度で再起動した場合において、冷却媒体流路５０に冷却媒体を流し、エンドプレート１８ｂ側の冷却媒体排出口において温度センサにより検出した冷却媒体の出口温度Ｔｗは、特性２１１から分かるように、最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、比較的に短い時間で所定温度に到達する、すなわち低温起動時間が短縮されるが、停止時に残留水分が多い場合及び停止時に乾燥状態の場合、及び再起動時には、それぞれ特性２１２、２１３に示すように、冷却媒体の温度がなかなか上昇しないということが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】この発明の実施形態が適用された燃料電池システムのブロック図である。
【図２】発電セル内の酸化ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れ方の説明図である。
【図３】図１例の燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。
【図４】最適水分残留条件成立範囲の説明図である。
【図５】停止時処理の説明用波形図である。
【図６】発電中における電解質膜の水分含有量の面内分布を示す模式図である。
【図７】乾燥ガスを用いた掃気後の電解質膜の水分含有量の面内分布を示す模式図である。
【図８】加湿ガスを用いた掃気後の電解質膜の水分含有量の面内分布を示す模式図である。
【図９】この発明の他の実施形態が適用された燃料電池システムのブロック図である。
【図１０】この発明のさらに他の実施形態が適用された燃料電池システムのブロック図である。
【図１１】停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく発電電流特性の違いの実験例を示す特性図である。
【図１２】停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく冷却媒体の温度上昇特性の違いの実験例を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１３８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック              １４…発電セル
２０…電解質膜・電極構造体          ２０ａ…アノード電極
２０ｂ…固体高分子電解質膜（電解質膜）
２０ｃ…カソード電極                ２２、２４…セパレータ
４６…酸化剤ガス流路                ４８…燃料ガス流路
６０…制御部
【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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【図１２】
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