(57)【要約】【課題】運転開始時に、両極に酸化剤ガスが残留している状態で、アノード電極に燃料ガスを投入すると発電セルの入口側と出口側とで電位差が発生するが、この電位差を原因として発生する燃料電池構成材料の腐食を抑制する。【解決手段】発電停止時に燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスが含まれている状態で始動指令を検知した場合、燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２に、水素混入弁７０及び空気混入弁７２を操作し対極のガスを混入して供給する。混入ガスでは、燃料ガス及び酸化剤ガスの分圧を小さくすることができることから、電極２０、２２間で発生する電圧を低減でき、結果として、燃料電池１２の反応ガスの入口側と出口側の間で発生する電位差を低減できる。このため、腐食反応を防止できる。【選択図】図１
2005340004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に沿って形成された燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、カソード電極に沿って形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され、前記アノード電極及び前記カソード電極での両反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に対する始動指令の有無を検知する始動検知手段と、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路に前記反応ガスを供給するガス供給手段と、を備え、
前記ガス供給手段は、前記燃料電池の発電停止時に前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスが含まれている状態で、前記始動検知手段により始動指令を検知した場合、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスに前記酸化剤ガスを混入して供給するか、もしくは前記酸化剤ガス流路に対して前記酸化剤ガスに前記燃料ガスを混入して供給するかの少なくともいずれかにより混入ガスを供給した後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給し前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して前記燃料電池の発電を開始させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路の入口より上流側、もしくは前記酸化剤ガス流路の入口より上流側であって、前記混入された反応ガスが供給される流路上に前記混入された反応ガスを反応させる反応室を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給手段により前記混入された反応ガスが供給されている間、前記燃料電池に負荷を接続する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
アノード電極に沿って形成された燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、カソード電極に沿って形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され、前記アノード電極及び前記カソード電極での両反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の制御方法において、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスが含まれている状態での前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池に対する始動指令の有無を検知する始動指令検知工程と、
前記始動指令を検知したとき、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスに前記酸化剤ガスを混入して供給するか、もしくは前記酸化剤ガス流路に対して前記酸化剤ガスに前記燃料ガスを混入して供給するかの少なくともいずれかにより混入ガスを供給する混入ガス供給工程と、
前記混入ガスを供給した後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給し前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して前記燃料電池の発電を開始させる反応ガス供給工程と、を有する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を構成する電解質を挟む一方の電極であるアノード電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極であるカソード電極（酸化剤極）に酸化剤ガスを供給することで両反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池システム及び燃料電池の制御方法に関し、特に燃料電池の腐食を防止する燃料電池システム及び燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動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。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガス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、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、このような燃料電池システムでは、燃料電池の始動性を確保するため、燃料電池の始動時又は停止時に、カソード電極には通常の酸化剤ガスを、アノード電極には燃料ガスの代わりに酸化剤ガスを流通させて、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する、いわゆるアノード側酸化剤ガス掃気技術が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（図３）
【特許文献２】特開平８−２４１７２６号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１、２に係る燃料電池システムでは、掃気終了後、再び発電を開始させる際に、アノード電極側に燃料ガスを投入したとき、アノード電極の入口側と出口側とで異なる反応ガスが存在することを原因として、電解質膜・電極構造体を構成する電極部材やセパレータを腐食させる反応が起こってしまうという問題が発生する。
【０００７】
この問題について、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、詳しく説明する。燃料電池である発電セル１４は、電解質膜１８の両側にアノード電極２０とカソード電極２２とを配置した電解質膜・電極構造体２４と、電解質膜・電極構造体２４を挟んで保持する一対のセパレータ２６、２８とを備える。アノード電極２０とセパレータ２６との間には、燃料ガスとして、例えば、水素（Ｈ2）ガスを供給するための燃料ガス流路３０が形成される一方、カソード電極２２と金属セパレータ２８との間には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素（Ｏ2）を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路３２が形成される。
【０００８】
図９Ａは、酸化剤ガスによる掃気処理後に、発電を開始させるために、燃料ガス流路３０（アノード電極２０）の入口側から燃料ガスを投入した直後の状態を模式的に示している。
【０００９】
この状態のとき、電解質膜・電極構造体２４の反応ガスの出口側では両電極側に酸化剤ガスが存在することになるので反応が行われず出口側電極間電圧ＶｏはＶｏ＝０［Ｖ］になるが、反応ガスの入口側ではアノード電極２０に燃料ガスとカソード電極２２に酸化剤ガスが存在するために入口側電極間電圧Ｖｉは、一定の電圧Ｖ1［Ｖ］が発生する。このため、電解質膜・電極構造体２４、すなわち発電セル１４の反応ガスの入口側と出口側の間で、その一定の電圧Ｖ1分の電位差Ｖｄ＝Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｖ1が発生する。
【００１０】
この場合、図９Ｂに示すように、この始動時に発生する電位差Ｖｄが腐食電位を超えた場合には、この電位差Ｖｄにより形成される電子ｅ-の流れ（電解質膜・電極構造体２４の一端側で発生した一定の電圧Ｖ1を電池３３として、電子ｅ-がこの電池３３の負極側→一方のセパレータ２６→０［Ｖ］となっている電解質膜・電極構造体２４の他端側（抵抗器として描いている。）→他方のセパレータ２８→電池３３の正極側に至るループ）が、燃料電池である発電セル１４内の電解質膜・電極構造体２４、電極触媒やセパレータ２６、２８等の燃料電池構成材料を、特に、酸化剤ガスである空気のみが存在する太い点線で囲んだ部分３１で腐食反応を誘発し腐食を発生させるという問題が起こる。
【００１１】
なお、燃料電池である発電セル１４を長時間放置した場合にも、電解質膜１８間で反応ガスの濃度差を原因として反応ガスの移動が発生し、アノード電極２０とカソード電極２２の両方に酸化剤ガスが存在している場合が多々あり、この場合にも、始動時に、燃料ガス流路３０を介してアノード電極２０に燃料ガスを投入すると、同様に、図９Ａに示すように、燃料ガスの出口付近では電位が低く、燃料ガスの入口付近では電位が高くなる。したがって、この場合にも、電解質膜・電極構造体２４内で電位差が生じ、これを緩和させる方向に、図９Ｂに示したように、電子ｅ-の移動が起き、アノード電極２０側とカソード電極２２側に残留していた酸化剤ガスを介して、電解質膜・電極構造体２４、電極触媒やセパレータ２６、２８等の燃料電池構成材料を腐食させるという問題が発生する。
【００１２】
この発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の始動時において発生する可能性のある燃料電池構成材料の腐食を防止又は抑制することを可能とする燃料電池システム及び燃料電池の制御方法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】
【００１３】
この項では、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。
【００１４】
この発明に係る燃料電池システム（１０）は、アノード電極（２０）に沿って形成された燃料ガス流路（３０）に燃料ガスが供給され、カソード電極（２２）に沿って形成された酸化剤ガス流路（３２）に酸化剤ガスが供給され、アノード電極及びカソード電極での両反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（１２）と、燃料電池に対する始動指令の有無を検知する始動検知手段（６６）と、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に反応ガスを供給するガス供給手段（６６、７０、７２）と、を備え、ガス供給手段は、燃料電池の発電停止時に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが含まれている状態で、始動検知手段により始動指令を検知した場合、燃料ガス流路に対して燃料ガスに酸化剤ガスを混入して供給するか、もしくは酸化剤ガス流路に対して酸化剤ガスに燃料ガスを混入して供給するかの少なくともいずれかにより混入ガスを供給した後、燃料ガス流路に燃料ガスを供給し酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して燃料電池の発電を開始させることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明に係る燃料電池の制御方法は、アノード電極に沿って形成された燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、カソード電極に沿って形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され、前記アノード電極及び前記カソード電極での両反応ガスの反応により発電を行う燃料電池の制御方法において、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスが含まれている状態での前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池に対する始動指令の有無を検知する始動検知工程（Ｓ１）と、前記始動指令を検知したとき、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスに前記酸化剤ガスを混入して供給するか、もしくは前記酸化剤ガス流路に対して前記酸化剤ガスに前記燃料ガスを混入して供給するかの少なくともいずれかにより混入ガスを供給する混入ガス供給工程（Ｓ４〜Ｓ８）と、前記混入ガスを供給した後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給し前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して前記燃料電池の発電を開始させる反応ガス供給工程（Ｓ１１）と、有することを特徴とする。
【００１６】
この発明に係る燃料電池システム及び燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の発電停止時に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが含まれている状態で、始動指令を検知した場合、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路にそれぞれ対応する反応ガスを供給する際に、燃料ガス流路もしくは酸化剤ガス流路の少なくともいずれか一方に対極のガスを混入して供給するようにしているので、燃料ガス・酸化剤ガスの混入ガスにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの分圧を小さくすることができる。このため、電極間で発生する電圧を低減でき、結果として、燃料電池の反応ガスの入口側と出口側の間で発生する電位差を低減できる。この結果、腐食反応の誘発を防止又は抑制でき、燃料電池の始動時において発生する可能性のある燃料電池構成材料の腐食を防止又は抑制することができる。
【００１７】
混入ガスが、例えば反応ガス流路の出口側まで行き渡ったとき、換言すれば、混入ガスが供給されたガス流路内が酸化剤ガスから混入ガスに置換されたときに、燃料ガス流路に燃料ガスを供給し酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して燃料電池の発電を開始させることで、燃料電池の始動時において、腐食を防止又は抑制しながら発電を開始することができる。
【００１８】
この場合、前記燃料ガス流路の入口より上流側、もしくは前記酸化剤ガス流路の入口より上流側であって、前記混入された反応ガスが供給される流路上に前記混入された反応ガスを反応させる反応室（１１２、１１４）を設けることで、燃料ガス・酸化剤ガスの分圧をさらに小さくすることができ、そのため燃料電池に供給される電極間で発生する電圧をより低減でき、結果として、燃料電池の反応ガスの入口側と出口側の間で発生する電位差をより低減できる。そして、水素濃度もしくは酸素濃度の少なくとも一方を低減させた混入ガスで、ガス流路内の酸化剤ガスを置換させた後、対応する純粋なガスを両極に投入した場合、両極の燃料ガス・酸化剤ガスの混入ガスにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの分圧が小さくなっているため、電位差が大きくはならず、より腐食の防止又は抑制効果を上げることができる。
【００１９】
なお、前記ガス供給手段により前記混入された反応ガスが供給されている間、前記燃料電池に負荷（７４）を接続することで、電圧が発生したとしても、燃料電池の外部で電力を消費できることから発生電圧を小さくし、その結果、腐食の原因となる電位差を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、燃料電池の発電停止時に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが含まれている状態で、始動指令を検知した場合、燃料ガスと酸化剤ガスの混入ガスを供給し、混入ガスが供給されたガス流路内が酸化剤ガスから混入ガスに置換された後に、燃料ガス流路に燃料ガスを供給し酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して燃料電池の発電を開始させることで、燃料電池の始動時において、燃料ガス・酸化剤ガスの分圧を小さくすることができる。その結果、燃料電池（発電セル）の反応ガス入口側と出口側との間で発生する電位差を少なくできることから、腐食反応の誘発を防止又は抑制でき、燃料電池の始動時において発生する可能性のある燃料電池構成材料の腐食を防止又は抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に参照する図面において、上記図９Ａ、図９Ｂに示したものと対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。
【００２２】
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するための第１実施例に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２３】
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、燃料電池１２を備える。この燃料電池１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１６ａ、１６ｂが配置されており、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００２４】
発電セル１４は、例えば、固体高分子電解質膜１８の両側にアノード電極２０とカソード電極２２とを配置した電解質膜・電極構造体２４と、電解質膜・電極構造体２４を挟んで保持する一対の金属セパレータ２６、２８とを備える。アノード電極２０と金属セパレータ２６との間には、燃料ガスとして、例えば、水素（Ｈ2）ガスを供給するための燃料ガス流路３０が形成される一方、カソード電極２２と金属セパレータ２８との間には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素（Ｏ2）を含む空気（Ａｉｒ）を供給するための酸化剤ガス流路３２が形成される。
【００２５】
このように、燃料ガス流路３０はアノード電極２０に沿って形成され、酸化剤ガス流路３２はカソード電極２２に沿って形成されている。
【００２６】
エンドプレート１６ａには、各発電セル１４の燃料ガス流路３０に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、各発電セル１４の酸化剤ガス流路３２に空気を供給するための空気供給口３６ａとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、燃料ガス流路３０から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池１２から排出するための水素排出口３４ｂと、酸化剤ガス流路３２から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池１２から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。水素供給口３４ａには、水素供給口３４ａに供給される水素の圧力あるいは水素と空気の混入ガスの圧力を検出する圧力計４６が設けられる。
【００２７】
燃料電池システム１０は、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素供給流路３８と、排気弁５２を介して排ガスを図示していない希釈ボックスを通じて外部に放出する排気流路５４とを備える。
【００２８】
水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素ボンベ４２と、水素ボンベ４２からの水素ガスの供給・遮断を切り替える遮断弁４８と、供給される水素ガスの圧力を調圧するレギュレータ４４と、調圧された水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路４７から排ガスを吸引して燃料電池１２にもどすためのエゼクタ４５と、上述した圧力計４６とが設けられる。水素循環流路４７には、排気弁５２を介して排気流路５４が接続される。
【００２９】
また、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に空気を供給する空気供給流路５６と、燃料電池１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、大気に廃棄するための空気排出流路５８とを備える。空気供給流路５６には、大気からの空気を圧縮して供給するとともに空気の流量を調節するためのコンプレッサ６０が設けられる。
【００３０】
さらに、空気供給流路５６には、一方の入力側にコンプレッサ６０からの空気が供給され、他方の入力側にレギュレータ６１からの水素が供給される水素混入弁７０が設けられている。水素混入弁７０は、通常発電運転時には、空気供給流路５６を通じて燃料電池１２に空気のみを送るように切り替えられる。
【００３１】
また、水素供給流路３８には、一方の入力側にエゼクタ４５からの水素が供給され、他方の入力側にコンプレッサ６０からの空気が供給される空気混入弁（酸素混入弁）７２が設けられている。空気混入弁７２は、通常発電運転時には、水素供給流路３８を通じて燃料電池１２に水素のみを送るように切り替えられる。
【００３２】
燃料電池１２には、さらに、図示しないインバータを介して負荷である走行用のモータ（不図示）等が接続されるとともに、負荷である放電用抵抗器７４がスイッチ７６を介して接続される。
【００３３】
また、燃料電池１２には、各発電セル１４の発生電圧であるセル電圧を検出する電圧計６５が設けられる。電圧計６５は、セル電圧をコントローラ６６に送る。
【００３４】
コントローラ６６には、イグニッションスイッチ６８から運転開始信号（始動指令）であるＯＮ信号（例えばローレベルからハイレベルに遷移し、ハイレベルを維持する信号）及び運転停止信号であるＯＦＦ信号（ハイレベルからローレベルに遷移し、ローレベルを維持する信号）が送られる。
【００３５】
コントローラ６６は、マイクロコンピュータ等により構成され、ＣＰＵ、メモリ、計時手段であるタイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のインタフェースが搭載された制御基板により構成され、メモリに記憶されたプログラムを実行することで、レギュレータ４４、コンプレッサ６０、弁４８、５２、７０、７２、及びスイッチ７６等の燃料電池システム１０全体を制御するとともに、始動検知手段、ガス供給手段等の機能実現手段として機能する。
【００３６】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、この実施形態に係る燃料電池の制御方法との関連で、以下、Ａ．通常発電運転時の動作、Ｂ．始動時の動作（第１実施例）、及びＣ．始動時の動作（第２実施例）について説明する。
【００３７】
Ａ．通常発電運転時の動作の説明
イグニッションスイッチ６８がＯＮ状態となっている通常発電運転時には、水素混入弁７０は、水素の混入を遮断し、空気供給流路５６を通じて燃料電池１２にコンプレッサ６０から供給される空気のみを送る位置に切り替えられる。また、空気混入弁７２は、空気の混入を遮断し、水素供給流路３８を通じて燃料電池１２に水素ボンベ４２から遮断弁４８、レギュレータ４４及びエゼクタ４５を通じて供給される燃料ガスである水素のみを送るように切り替えられる。また、スイッチ７６は開状態とされ、放電用抵抗器７４は、燃料電池１２に非接続の状態（負荷とならない状態）になっている。
【００３８】
この通常発電時において、水素供給口３４ａ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流路３０に沿ってアノード電極２０に供給されアノード電極２０に沿って移動後、水分を含み水素ガスを含む排ガスは、水素排出口３４ｂから水素循環流路４７に送られる。水素循環流路４７に排出された排ガスは、エゼクタ４５の吸引作用下に水素供給流路３８の途上にもどされた後、再度、燃料電池１２内の燃料ガスとして供給される。なお、排気弁５２は、通常発電中、概ね、閉じられており、間欠的に開かれる。
【００３９】
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６０から供給され、酸化剤ガスとして空気供給流路５６を介して、空気供給口３６ａに供給される。この空気供給口３６ａから各発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路３２に沿ってカソード電極２２に供給されカソード電極２２に沿って移動後、未使用の空気と水分を含む排ガスが、空気排出口３６ｂから空気排出流路５８を通じて大気に排出される。
【００４０】
これにより、各発電セル１４ではアノード電極２０に供給される燃料ガスである水素と、カソード電極２２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。このとき、両電極２０、２２間に発生する電圧を通常発電電圧Ｖｎとする。
【００４１】
この発電運転中には、アノード電極２０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。水素イオンは固体高分子電解質膜１８内を水分を伴ってカソード電極２２に到達する。発生した電子は、アノード電極２０から外部の負荷（負荷としては、上述したモータの他、補機等が含まれる。）を介し、カソード電極２２に到達する。カソード電極２２に到達した電子と供給される酸素と水素イオンとが、電解質膜１８のカソード電極２２側で結合して水になる。
【００４２】
そして、発電運転が停止されたとき、アノード電極２０の燃料ガス流路３０に燃料ガスの代わりに酸化剤ガスが流通され、燃料電池１２１内の電解質膜・電極構造体２４やセパレータ２６に付着している生成水等を除去する、いわゆるアノード側酸化剤ガス掃気が行われる。この掃気により、燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２の両電極２０、２２側に酸化剤ガスが含まれた状態にされる。
【００４３】
Ｂ．始動時の動作（第１実施例）の説明
次に、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートを参照して始動時（発電運転開始時）の動作について説明する。
【００４４】
この場合、まず、図３の（ａ）の時点ｔ０に示すように、始動検知工程であるステップＳ１において、始動検知手段としても機能するコントローラ６６が、イグニッションスイッチ６８から運転開始信号（始動指令）であるＯＮ信号（ローレベルからハイレベルに遷移し、ハイレベルを維持する信号）を検知する。
【００４５】
このとき、この時点ｔ０において、以下に説明するステップＳ２〜Ｓ４の処理が行われる。
【００４６】
すなわち、図３の（ｂ）に示すように、ステップＳ２において、スイッチ７６が閉状態とされ、燃料電池１２に放電用抵抗器７４が接続された状態（オン状態）とされる。また、ステップＳ３にて、遮断弁４８が開放され、かつコンプレッサ６０が始動されて、水素と空気の供給が開始される。
【００４７】
この場合、ステップＳ４において、空気混入弁７２と水素混入弁７０の開度が調整され、アノード電極２０の燃料ガス流路３０に空気混入燃料ガス｛Ｈ2＋Ａｉｒ（Ｏ2）｝が投入されるとともに（図３の（ｃ）参照）、カソード電極２２の酸化剤ガス流路３２に水素混入酸化剤ガス｛Ａｉｒ（Ｏ2）＋Ｈ2｝が投入される（図３の（ｄ）参照）。
【００４８】
図４Ａは、始動指令を検知したときに、燃料ガス流路３０（アノード電極２０）の入口側である水素供給口３４ａから空気混入燃料ガスを投入すると同時に、酸化剤ガス流路３２（カソード電極２２）の入口側である空気供給口３６ａから水素混入酸化剤ガスを投入した直後の状態を模式的に示している。
【００４９】
この状態のとき、電解質膜・電極構造体２４の反応ガスの出口側では両電極側に酸化剤ガスが存在することになるので反応が行われず出口側電圧ＶｏはＶｏ＝０［Ｖ］になる。また、反応ガスの入口側ではカソード電極２２とアノード電極２０の両極に空気と水素が投入されることとなるため、酸素及び水素についての両電極間での濃度さが少なくなり、水素・酸素の分圧が小さくなることから、入口側電圧Ｖｉの電圧上昇が抑えられる。したがって、腐食の原因となる電位差Ｖｄ（Ｖｄ＝Ｖｉ−Ｖｏ）を小さくすることができる。
【００５０】
また、発生した電気は、外部に接続された放電用抵抗器７４で消費されるため、その分、入口側電圧Ｖｉの上昇を低下させることができる。この結果、腐食の原因となる電位差Ｖｄをより小さくすることができる。
【００５１】
次に、コントローラ６６は、ステップＳ５において、内蔵するタイマにより時点ｔ０から所定時間（第１所定時間）Ｔ１の計時を開始し、所定時間Ｔ１が経過したかどうかの計時終了を待つ。この所定時間Ｔ１は、アノード電極２０（燃料ガス流路３０）に残留していた空気が、空気混入燃料ガスで置換され、かつカソード電極２２（酸化剤ガス流路３２）内の酸素濃度が所定濃度以下まで低下するのに必要な時間である。この所定時間Ｔ１は、予めベンチテストにより、例えば、量産試作時に決定しておく。
【００５２】
図４Ｂは、所定時間Ｔ１経過時の状態を示している。燃料ガス流路３０（アノード電極２０）の入口側である水素供給口３４ａから出口側である水素排出口３４ｂまで空気混入燃料ガスが行き渡り、かつ酸化剤ガス流路３２（カソード電極）の入口側である空気供給口３６ａから出口側である空気排出口３６ｂまで水素混入酸化剤ガスが行き渡った状態を示している。この状態においては、図４Ｂ中にも示しているように、入口側電圧Ｖｉと出口側電圧Ｖｏは、ともに低く抑えられた電圧となり、発電セル１４の入口・出口間の電位差Ｖｄは０［Ｖ］となる。すなわち、腐食の原因となる電位差が発生していない。
【００５３】
次いで、ステップＳ６では、コントローラ６６は、空気混入弁７２を空気が水素供給流路３８に混入しない位置、すなわち空気遮断位置になるように、換言すれば、水素供給流路３８には水素のみが供給される位置となるように、図３の（ｃ）の時点ｔ１〜ｔ２に示すように、徐々に切り替える。
【００５４】
この場合、図４Ｃに示すように、図４Ｂの状態に比較して、アノード電極２０の入口側での燃料ガスである水素の濃度が徐々に上がり、入口側電圧Ｖｉが徐々に上昇するが、通常発電電圧Ｖｎを超えないように抑制され（Ｖｉ＜Ｖｎ）、発電セル１４の入口・出口間の腐食の原因となる電位差Ｖｄ（Ｖｄ＝Ｖｉ−Ｖｏ）は発生するが、その値は小さく腐食電位を超えないように制御される。
【００５５】
また、ステップＳ７において、コントローラ６６は、所定時間Ｔ１の経過時点ｔ１から内蔵するタイマにより時点ｔ１から所定時間（第２所定時間）Ｔ２の計時を開始し、所定時間Ｔ２が経過したかどうかの計時終了を待つ。この所定時間Ｔ２は、アノード電極２０（燃料ガス流路３０）に残留していた空気混入燃料ガスが燃料ガスのみに置換されるまでに必要な時間である。この所定時間Ｔ２も、予めベンチテストにより、例えば、量産試作時に決定しておく。
【００５６】
次いで、ステップＳ８では、コントローラ６６は、水素混入弁７０を燃料ガスが空気供給流路５６に混入しない位置、すなわち水素遮断位置になるように、換言すれば、空気供給流路５６には空気のみが供給される位置となるように、図３の（ｄ）の時点ｔ３〜ｔ４に示すように、徐々に切り替える。
【００５７】
この場合、図４Ｄに示すように、図４Ｃの状態に比較して、アノード電極２０側が全て水素に置換され、カソード電極２２側の入口側での酸化剤ガスである酸素の濃度が徐々に上がるが、この場合においても、発電セル１４の入口側電圧Ｖｉは、通常発電電圧Ｖｎとなるが、出口側電圧Ｖｏも通常発電電圧Ｖｎにはなっていないが電圧が上昇するので、発電セル１４の入口・出口間の腐食の原因となる電位差Ｖｄを小さい値に保持可能である。
【００５８】
ここで、時点ｔ４において、例えば、始動完了を表す表示あるいは音声をインストルメントルパネル上であるいはスピーカを通じて行う。
【００５９】
次いで、ステップＳ９において、これらの表示あるいは音声を認識したドライバが、例えば、時点ｔ５において、アクセルペダル等を踏み込むことにより、図３の（ｃ）、（ｄ）に示すように燃料ガスの供給量及び空気供給量が増加されることで、通常の発電運転が開始され図示しないモータ等の負荷に電気が供給され、同時に、図３の（ｂ）に示すように、スイッチ７６がオフ状態とされて、放電用抵抗器７４が燃料電池１２から切り離される。以降、反応ガス供給工程であるステップＳ１１に示す、上述した通常発電運転が行われる。
【００６０】
上述した第１実施例によれば、燃料電池１２の発電停止時に燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスが含まれている状態で、コントローラ６６が始動指令を検知した場合（ステップＳ１の始動指令検知工程）、燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２にそれぞれ対応する反応ガスを供給する際に、水素混入弁７０及び空気混入弁７２を操作し、燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２の両方に対極のガスを混入して供給する（ステップＳ４〜Ｓ８の混入ガス供給工程）ようにしているので、燃料ガス・酸化剤ガスの混入ガスにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの分圧を小さくすることができることから、アノード電極２０とカソード電極２２間で発生する電圧を低減でき、結果として、燃料電池１２の反応ガスの入口側と出口側の間で発生する電位差Ｖｄを低減できる。このため、腐食反応の誘発を防止又は抑制でき、燃料電池１２の始動時において発生する可能性のある燃料電池構成材料の腐食を防止又は抑制することができる。
【００６１】
なお、この第１実施例では、始動時において、燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２の両方に対極のガスを混入して供給するようにしているが、始動時において、燃料ガス流路３０もしくは酸化剤ガス流路３２の少なくともいずれか一方の流路に対極ガスを混入して供給することで、発生する電圧を所定程度低減でき、結果として、腐食反応の誘発を防止又は抑制できる。
【００６２】
また、ガス供給手段であるコントローラ６６、水素混入弁７０、及び空気混入弁７２により混入された反応ガスが供給されている間、燃料電池１２に放電用抵抗器７４を負荷として接続することで、電圧が発生したとしても、燃料電池１２に外部接続された放電用抵抗器７４で積極的に電力を消費できることから、発生電圧が小さくなり、その結果、腐食の原因となる電位差Ｖｄを、より小さくすることができる。
【００６３】
Ｃ．始動時の動作（第２実施例）の説明
図５は、第２実施例に係る燃料電池システム１１０の構成を示している。この燃料電池システム１１０は、図１に示した燃料電池システム１０に対して、空気混入弁７２と水素供給口３４ａとの間の水素供給流路３８に副燃焼室（反応室）１１２を設けるとともに、水素混入弁７０と空気供給口３６ａとの間の空気供給流路５６に副燃焼室（反応室）１１４を設けた点が異なり、その他の構成は同一である。副燃焼室１１２、１１４は、空気と水素の混合気である混入ガスが供給されたときに燃焼反応を行い、酸素の薄くなったガス（酸素濃度が低減されたガス）を燃料電池１２に供給する機能を有する。そして、副燃焼室１１２、１１４に、空気のみあるいは燃料ガスである水素のみが供給されたときには燃焼反応が起こらず、そのまま素通りさせて燃料電池１２に供給する。
【００６４】
次に、図６に示すフローチャート及び図７に示すタイムチャートを参照して、この燃料電池システム１１０の始動時（発電運転開始時）の動作について説明する。
【００６５】
この場合、まず、図７の（ａ）の時点ｔ１０に示すように、ステップＳ１１において、始動検知手段としても機能するコントローラ６６が、イグニッションスイッチ６８から運転開始信号（始動指令）であるＯＮ信号を検知する。
【００６６】
このとき、この時点ｔ１０において、以下に説明するステップＳ１２〜Ｓ１４の処理が行われる。
【００６７】
すなわち、図７の（ｂ）に示すように、ステップＳ１２において、スイッチ７６が閉状態とされ、燃料電池１２に放電用抵抗器７４が接続された状態とされる。また、ステップＳ１３にて、コンプレッサ６０が始動されて、空気の供給が開始されるとともに、遮断弁４８が開放され、ステップＳ１４にて、水素混入弁７０を通じて水素混入酸化剤ガスが副燃焼室１１４を通じて燃料電池１２のカソード電極２２に供給される（図７の（ｄ）参照）。ただし、空気混入弁７２は、水素供給流路３８、すなわち燃料電池１２のアノード電極２０に対して水素と空気の供給を遮断する位置に調整される（図７の（ｃ）参照）。
【００６８】
このとき、副燃焼室１１４を通じて燃料電池１２のカソード電極２２に対して供給されるガスは、副燃焼室１１４で水素と空気中の酸素とが反応しているので、窒素が多めで酸素が少なめとされた空気がカソード電極２２に投入される。なお、このとき、アノード電極２０側には酸化剤ガスが充満した状態となっているので、発電がなされることがない。
【００６９】
次に、コントローラ６６は、ステップＳ１５において、内蔵するタイマにより時点ｔ１０から所定時間（第１所定時間）Ｔ１１の計時を開始し、所定時間Ｔ１１が経過したかどうかの計時終了を待つ。この所定時間Ｔ１１は、カソード電極２２（酸化剤ガス流路３２）に残留していた空気が、上述した酸素の希薄な空気で置換されるのに必要な時間である。この所定時間Ｔ１１は、予めベンチテストにより、例えば、量産試作時に決定しておく。
【００７０】
図８Ａは、始動指令を検知した時点ｔ１０から所定時間Ｔ１１が経過したときの状態を模式的に示している。すなわち、予め副燃焼室１１４で水素と反応させた酸素濃度の低下した空気がカソード電極２２に投入され充満された状態を示している。この状態においては、電解質膜・電極構造体２４では何も反応が起こらず、電圧が発生しない（Ｖｉ＝Ｖｏ＝０［Ｖ］）。したがって、電極等の腐食に係わる電位差Ｖｄが発生することがない（Ｖｄ＝０［Ｖ］）。
【００７１】
所定時間Ｔ１１が経過した時点ｔ１１において、ステップＳ１６では、図７の（ｃ）に示すように、空気混入弁７２の開度が調整され、副燃焼室１１２に空気混入燃料ガス｛Ｈ2＋Ａｉｒ（Ｏ2）｝が投入される。このとき、副燃焼室１１２では、水素と空気中の酸素が反応し、酸素が少ない空気と濃度が薄くされた水素と水（Ｈ2（少）＋Ｈ2Ｏ＋空気（Ｏ2微量））が、エゼクタ４５の作用下に、水素供給流路３８を通じて燃料電池１２のアノード電極２０側に投入される。
【００７２】
図８Ｂは、時点ｔ１１の経過時点における発電セル１４内の状態を模式的に示している。
【００７３】
この状態のとき、電解質膜・電極構造体２４の反応ガスの出口側では両電極側に酸化剤ガスのみが存在することになるので反応が行われず、出口側電圧Ｖｏは０［Ｖ］になる。一方、反応ガスの入口側では、予め副燃焼室１１２で空気と反応させることで希釈された水素ガスがアノード電極２０の燃料ガス流路３０に投入され、カソード電極２２の酸化剤ガス流路３２には副燃焼室１１４で水素と反応させることで酸素が希釈された空気が投入されているので、入口側の電圧上昇が低く抑えられる（入口側電圧Ｖｉ：小）。この場合にも、腐食の原因となる電位差Ｖｄを小さくすることができる。この状態で、燃料ガス流路３０の出口側にアノード電極２０に残留している酸化剤ガスが押し出される。
【００７４】
また、発生した電気は、放電用抵抗器７４の接続により、この外部に接続された放電用抵抗器７４で消費されるため、その分、入口側電圧Ｖｉの上昇を低下させることができる。この結果、腐食の原因となる電位差Ｖｄをより小さくすることができる。放電用抵抗器７４は、この第２実施例においては、時点ｔ１０からではなく、時点ｔ１１から接続するようにしてもよい。
【００７５】
ステップＳ１７において、この時点ｔ１１から燃料ガス流路３０に残留している酸化剤ガスが空気混入燃料ガスにより置換されるまでの所定時間（第２所定時間）Ｔ１２が経過したかどうかが判定される。なお、この所定時間Ｔ２も予めベンチテストにより決定しておく。
【００７６】
次に、ステップＳ１８では、所定時間Ｔ１２が経過した時点ｔ１２において、図７の（ｃ）の時点ｔ１２〜ｔ１３に示すように、空気混入弁７２を空気が水素供給流路３８に混入しない位置、すなわち空気遮断位置になるように、換言すれば、水素供給流路３８には水素のみが供給される位置となるように徐々に切り替える。
【００７７】
この場合、図８Ｃに示すように、図８Ｂの状態に比較して、アノード電極２０の入口側での燃料ガスである水素の濃度が徐々に上がり、入口側電圧Ｖｉが徐々に上昇するが、通常発電電圧Ｖｎを超えないように抑制され（Ｖｉ＜Ｖｎ）、出口側電圧Ｖｏも発生しているが低い電圧であり、発電セル１４の入口・出口間の腐食の原因となる電位差Ｖｄ（Ｖｄ＝Ｖｉ−Ｖｏ）は多少発生するが、その値は小さく腐食電位を超えないように制御される。
【００７８】
次いで、ステップＳ１９において、コントローラ６６は、所定時間Ｔ１２の経過時点ｔ１２から内蔵するタイマにより所定時間（第３所定時間）Ｔ３の計時を開始し、所定時間Ｔ３が経過したかどうかの計時終了を待つ。この所定時間Ｔ１３は、アノード電極２０（燃料ガス流路３０）が燃料ガスのみに置換されるまでに必要な時間である。この所定時間Ｔ１３も、予めベンチテストにより決定しておく。
【００７９】
次いで、ステップＳ２０では、コントローラ６６は、水素混入弁７０を燃料ガスが空気供給流路５６に混入しない位置、すなわち水素遮断位置になるように、換言すれば、空気供給流路５６には空気のみが供給される位置となるように、図７の（ｄ）の時点ｔ１４〜ｔ１５に示すように、徐々に切り替える。
【００８０】
この場合、図８Ｄに示すように、図８Ｃの状態に比較して、アノード電極２０側が全て水素に置換され、カソード電極２２側の入口側での酸化剤ガスである酸素の濃度が徐々に上がるが、この場合においても、発電セル１４の入口側電圧Ｖｉは、通常発電電圧Ｖｎに近い電圧なるが、出口側電圧Ｖｏは通常発電電圧Ｖｎにはならないが電圧が上昇するので、発電セル１４の入口・出口間の腐食の原因となる電位差Ｖｄを小さい値に保持可能である。
【００８１】
ここで、時点ｔ１５において、例えば、始動完了を表す表示あるいは音声をインストルメントルパネル上であるいはスピーカを通じて行う。
【００８２】
次いで、ステップＳ２１において、これらの表示あるいは音声を認識したドライバが、例えば、時点ｔ１６において、アクセルペダル等を踏み込むことにより、図７の（ｃ）及び図７の（ｄ）に示すように燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が増加されることで、通常の発電運転が開始され図示しないモータ等の負荷に電気が供給され、同時に、図７の（ｂ）に示すように、スイッチ７６がオフ状態とされて、放電用抵抗器７４が燃料電池１２から切り離される。以降、反応ガス供給工程であるステップＳ２３に示す、上述した通常発電運転が行われる。
【００８３】
上述した第２実施例によれば、燃料ガス流路３０の入口より上流側及び酸化剤ガス流路３２の入口より上流側であって、混入された反応ガスが供給される流路上に混入された反応ガスを反応させる反応室である副燃焼室１１２、１１４を設け、始動時に、これら副燃焼室１１２、１１４で燃焼後の希薄な反応ガスを供給するようにしているので、燃料ガス・酸化剤ガスの分圧を小さくすることができ、そのため燃料電池１２の電極間で発生する電圧をより低減でき、結果として、燃料電池の反応ガスの入口側と出口側の間で発生する電位差をより低減できる。
【００８４】
そして、水素濃度と酸素濃度を低減させた混入ガスで、ガス流路３０、３２内の酸化剤ガスを置換させた後、対応する純粋なガスを両極２０、２２に投入するようにしているので、両極２０、２２の燃料ガス・酸化剤ガスの混入ガスにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの分圧が小さくなり、電位差Ｖｄが大きくはならず、より腐食の防止又は抑制効果を上げることができる。
【００８５】
すなわち、この第２実施例では、予め、副燃焼室１１２、１１４で生成した不活性に近いガスで活性ガスを追い出した後、活性ガスを投入するようにしているため、始動時に両極２０、２２を窒素で掃気した場合と同様な効果が期待でき、かつ腐食を防止できる。なお、副燃焼室１１２、１１４は水素供給流路３８あるいは空気供給流路５６のどちらか一方に設けても一定の効果を上げることができる。
【００８６】
以上説明した実施形態では、燃料電池１２の始動時（運転開始時）に少なくとも以下の１つの特徴的な構成を含んでいる。
【００８７】
第１に、アノード電極２０に、空気混入燃料ガスを投入する。
【００８８】
第２に、カソード電極２２に、水素混入酸化剤ガスを投入する。
【００８９】
第３に、カソード電極２２の酸素濃度が低い状態で、アノード電極２０に燃料ガスを投入する。
【００９０】
第４に、アノード電極２０に残留する酸素濃度が低い状態で、アノード電極２０に水素ガスを投入する。
【００９１】
第５に、上記第２〜第４の特徴的な構成を達成するために、燃料電池１２のガス上流側に副燃焼室１１２、１１４を設け、この副燃焼室１１２、１１４で予め反応させた反応ガスを燃料電池１２に投入する。
【００９２】
第６に、放電用抵抗器７４あるいはこれに類似する負荷を接続しながら、上記第２〜第４の操作のいずれか１つあるいは複数の操作を行う。
【００９３】
そして、上記特徴的な構成を有することにより、燃料電池１２の始動時（運転開始時）に以下の効果が達成される。
【００９４】
第１に、アノード電極２０に空気混入燃料ガスを投入した後、徐々に空気の混入割合を少なくして水素濃度を上げることで、アノード電極２０のガス入口部分でアノード電極電位が急激に低下することを抑制でき（電解質膜・電極構造体２４の長さ方向（通常、セル面内という。）の電位差Ｖｄを抑制でき）、腐食を防止できる。
【００９５】
第２に、カソード電極２２に水素混入酸化剤ガスを投入することで、カソード電極の電位を下げることができる。これにより、アノード電極２０への燃料ガス投入時に発生し得る急激な電圧上昇を抑制でき（セル面内の電位差を抑制でき）、腐食を防止できる。
【００９６】
第３に、燃料電池１２の反応ガスの入口の上流側に副燃焼室１１２、１１４を設け、この副燃焼室１１２、１１４で予め反応させたガスを燃料電池１２に投入することで、酸素濃度及び水素濃度を低減させたガスで燃料電池１２の内部を置換することができ、その後、実ガス（この実施形態では、水素と空気）を対応する電極（水素をアノード電極２０、空気をカソード電極２２）に投入することで生じる急激な電圧上昇時にそれぞれのガス出口付近において酸素が希薄となっているので、セル面内で電位差Ｖｄが生じても、腐食を防止できる。
【００９７】
第４に、通常発電を開始する前は、放電用抵抗器７４あるいはこれに類似する負荷を接続しながら、上述した始動時の処理を行うことで、より一層、セル面内に生じる電位差Ｖｄを抑制でき、腐食を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】この発明の一実施例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１例の燃料電池システムにおける始動時の処理の動作説明に供されるフローチャートである。
【図３】図１例の燃料電池システムにおける始動時の処理の動作説明に供されるタイムチャートである。
【図４】図４Ａは、始動時に両極に混入ガスを投入した直後の状態を示す説明図である。  図４Ｂは、混入ガスが両極の出口まで行き渡った状態を示す説明図である。  図４Ｃは、アノード電極に燃料ガス（水素）を投入した状態を示す説明図である。  図４Ｄは、カソード電極に酸化剤ガス（空気）を投入した状態を示す説明図である。
【図５】この発明の他の実施例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】図５例の燃料電池システムにおける始動時の処理の動作説明に供されるフローチャートである。
【図７】図５例の燃料電池システムにおける始動時の処理の動作説明に供されるタイムチャートである。
【図８】図８Ａは、始動時に水素と酸素を反応させた後の低酸素濃度のガスをカソード電極側に投入した直後の状態を示す説明図である。  図８Ｂは、酸素と水素を反応させた後の低水素濃度のガスをアノード電極側に投入した直後の状態を示す説明図である。  図８Ｃは、アノード電極に燃料ガス（水素）を投入した状態を示す説明図である。  図８Ｄは、カソード電極に酸化剤ガス（空気）を投入した状態を示す説明図である。
【図９】図９Ａは、酸化剤ガスによる掃気処理後に、発電を開始させるために、燃料ガス流路の入口側から燃料ガスを投入した直後の状態を示す説明図である。  図９Ｂは、電極触媒やセパレータ等の燃料電池構成材料に発生する可能性のある腐食の説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０、１１０…燃料電池システム      １２、１２１…燃料電池
１４…発電セル                      １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極                  ２２…カソード電極
２４…電解質膜・電極構造体          ２６、２８…セパレータ
３０…燃料ガス流路                  ３２…酸化剤ガス流路
３４ａ…水素供給口                  ３４ｂ…水素排出口
３６ａ…空気供給口                  ３６ｂ…空気排出口
３８…水素供給流路                  ４７…水素循環流路
５４…排気流路                      ５６…空気供給流路
５８…空気排出流路                  ７０…水素混入弁
７２…空気混入弁（酸素混入弁）      １１２、１１４…副燃焼室
【図１】
2005340004.tif 000003
【図２】
2005340004.tif 000004
【図３】
2005340004.tif 000005
【図４】
2005340004.tif 000006
【図５】
2005340004.tif 000007
【図６】
2005340004.tif 000008
【図７】
2005340004.tif 000009
【図８】
2005340004.tif 000010
【図９】
2005340004.tif 000011