(57)【要約】【課題】燃料電池システムに関し、燃料電池の機能を損なうことなく燃料電池を効率的に加熱できるようにする。【解決手段】膜電極接合体３０の両側に設けられる一対のガス流路のうち、少なくとも一方のガス流路には燃焼触媒を担持した多孔体層３２を配置する。好ましくは、この多孔体層３２によって膜電極接合体３０とセパレータ６０との間に形成されるガス流路の全部を構成する。そして、所定条件下、例えばシステム起動時やシステム停止時には、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを多孔体層３２が配置されたガス流路に供給する。【選択図】図２
2007250195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に少なくとも触媒層を積層してなる膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に設けられる一対のガス流路とを有する燃料電池と、前記ガス流路に反応ガスを供給するガス供給手段とを備える燃料電池システムにおいて、
少なくとも一方のガス流路には燃焼触媒を担持した多孔体層が配置され、
前記ガス供給手段は、所定条件下において、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記多孔体層は前記膜電極接合体に積層されて前記膜電極接合体とセパレータとの間に形成されるガス流路の全部を構成していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膜電極接合体は前記触媒層に積層されるガス拡散層を含み、前記多孔体層は前記ガス拡散層に積層されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔体層は金属多孔体により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス供給手段は、前記燃料電池システムが低温状態から起動するときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス供給手段は、前記燃料電池に負荷が投入された状態において前記一対のガス流路のそれぞれに反応ガスを供給するとともに、前記多孔体層が配置されたガス流路には他方のガス流路に供給される反応ガスも供給することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス供給手段は、前記燃料電池システムが停止するときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス供給手段は、前記燃料電池の温度が所定の基準温度よりも低いときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記多孔体層によって構成されるガス流路の入口温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
前記ガス供給手段は、前記入口温度が所定の基準温度を超えるときには前記混合ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項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、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池内のガス流路として多孔体層を用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池の作動温度は常温よりも高く、作動温度に満たない低温状態では、燃料電池は十分な発電性能を発揮することができない。このため、燃料電池システムを低温状態から起動させる時には、燃料電池の温度を作動温度まで速やかに昇温させることが要求される。
【０００３】
燃料電池の内部では発電に伴い水が生成される。燃料電池の使用環境によっては、運転停止後に内部温度が氷点下まで低下し、内部に残留した生成水が凍結してしまう場合がある。また、氷点下での起動時には、発電によって生じる生成水がそのまま凍結してしまう場合もある。凍結した生成水は膜電極接合体への反応ガスの供給を阻害し、発電の継続を不能にする。したがって、燃料電池システムの低温状態からの起動時には、電池内部での生成水の凍結を回避することも必要となる。
【０００４】
燃料電池システムの低温起動性の向上を目的とする技術としては、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。この従来技術は、アノードオフガスをカソードガスとともにカソードに供給し、この混合ガスをカソード上に担持された触媒を介して燃焼反応させるようにしたものである。特許文献１の記載によると、燃焼反応により生じる熱によってカソードを直接的に加熱することができ、燃料電池システムの低温起動性を向上させることができるとされている。
【特許文献１】特開２００５−２０３２６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６３０２０号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１０７４号公報
【特許文献４】特開２００４−３１９３６３号公報
【特許文献５】特開２００２−３１３３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池を暖機する方法としては、燃料電池の外部に触媒反応器を設置し、そこで燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼反応させ、その燃焼ガスを燃料電池内部に導入することも考えられる。しかし、この場合には、触媒に初期反応熱（触媒の活性に必要な熱）を供給する手段、例えば、電気ヒータ等が必要になる。これに対して、上記従来技術のように、カソードの触媒を用いて燃焼反応を起こす場合には、燃料電池の発電に伴い発生する熱を触媒の初期反応熱として利用することが可能となる。
【０００６】
ところが、カソードは電解質膜に直接積層されているため、カソード上で燃焼反応が起きると、その燃焼熱がそのまま電解質膜に伝わってしまい電解質膜の劣化や損傷を招くおそれがある。また、燃焼熱によってカソードの触媒がシンタリングしてしまい、触媒として機能しなくなってしまうおそれもある。つまり、上記従来技術では、燃焼熱の影響によって燃料電池としての機能が損なわれてしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の機能を損なうことなく燃料電池を効率的に加熱できるようにした燃料電池システム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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
電解質膜に少なくとも触媒層を積層してなる膜電極接合体と前記膜電極接合体の両側に設けられる一対のガス流路とを有する燃料電池と、前記ガス流路に反応ガスを供給するガス供給手段とを備える燃料電池システムにおいて、
少なくとも一方のガス流路には燃焼触媒を担持した多孔体層が配置され、
前記ガス供給手段は、所定条件下において、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴としている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において
前記多孔体層は前記膜電極接合体に積層されて前記膜電極接合体とセパレータとの間に形成されるガス流路の全部を構成していることを特徴としている。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において
前記膜電極接合体は前記触媒層に積層されるガス拡散層を含み、前記多孔体層は前記ガス拡散層に積層されていることを特徴としている。
【００１１】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において
前記多孔体層は金属多孔体により形成されていることを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において
前記ガス供給手段は、前記燃料電池システムが低温状態から起動するときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴としている。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、
前記ガス供給手段は、前記燃料電池に負荷が投入された状態において前記一対のガス流路のそれぞれに反応ガスを供給するとともに、前記多孔体層が配置されたガス流路には他方のガス流路に供給される反応ガスも供給することを特徴としている。
【００１４】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において
前記ガス供給手段は、前記燃料電池システムが停止するときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴としている。
【００１５】
第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において
前記ガス供給手段は、前記燃料電池の温度が所定の基準温度よりも低いときに、前記混合ガスを前記多孔体層が配置されたガス流路に供給することを特徴としている。
【００１６】
第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において
前記多孔体層によって構成されるガス流路の入口温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
前記ガス供給手段は、前記入口温度が所定の基準温度を超えるときには前記混合ガスの供給量を減少させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスは、多孔体層が配置されたガス流路を通過する際、多孔体層に担持される燃焼触媒によって燃焼反応を起こす。この燃焼反応による燃焼熱によって燃料電池の内部、特に、残留水が問題となるガス流路を効率的に加熱することができる。また、第１の発明によれば、混合ガスを多孔体層内で燃焼させることにより、触媒層上での燃焼反応は抑制され、燃焼熱の発生箇所が電解質膜から離れることになって電解質膜の損傷や劣化は抑制される。触媒層上での燃焼反応が抑制されることで、触媒層における触媒のシンタリングも抑制される。
【００１８】
第２の発明によれば、燃焼触媒が担持された多孔体層によってガス流路の全部が構成されることで、混合ガスをより確実にガス流路内で燃焼させることができ、触媒層上での燃焼反応をさらに抑制することができる。
【００１９】
第３の発明によれば、触媒層と多孔体層との間にガス拡散層が介装されることになるので、燃焼熱の発生箇所が電解質膜からより離れることになり、電解質膜の損傷や劣化はさらに抑制される。また、触媒層における触媒のシンタリングもさらに抑制される。
【００２０】
第４の発明によれば、触媒担体を金属とすることで燃焼熱による担体自体の燃焼を防止することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、燃焼触媒上で起きる燃焼反応によって多孔体層が配置されたガス流路内が加熱されることで、システム起動時における生成水の凍結を回避することができる。これにより、触媒層へのガスの供給を確保することができ、低温状態からのシステムの起動性を向上させることができる。
【００２２】
第６の発明によれば、各ガス流路のそれぞれに反応ガスが供給されることで膜電極接合体では発電反応が起きるので、燃焼反応による燃焼熱に加えて発電反応の自己発熱も利用して燃料電池をより効率的に加熱することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、燃焼触媒上で起きる燃焼反応によって多孔体層が配置されたガス流路内が加熱されることで、システム停止時における生成水の残留を抑制することができる。これにより、次回の起動時には触媒層へのガスの供給を確保することができるとともに、膜電極接合体の自己発熱による発熱量の低下を防止することができ、低温状態からのシステムの起動性を向上させることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、燃焼触媒上で起きる燃焼反応によって多孔体層が配置されたガス流路内が加熱されることで、膜電極接合体を効率的に暖機することができる。これにより、システム起動時であれば、燃料電池の温度を作動温度まで速やかに昇温させることが可能になる。また、システムの運転中であれば、燃料電池の負荷状況によらず燃料電池の温度を常に作動温度以上に維持することが可能になる。
【００２５】
第９の発明によれば、多孔体層が配置されたガス流路の入口温度を基準にして混合ガスの供給量が調整されるので、燃焼触媒上で起きる燃焼反応を制御して燃焼熱による電解質膜の損傷や劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
［本実施の形態の燃料電池システムの構成］
図１は本発明が適用される燃料電池システムの全体の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
【００２８】
図１に示す燃料電池システムでは、酸化剤ガスとして空気が燃料電池スタック２に供給され、燃料ガスとして水素が燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給される空気はコンプレッサによって大気から取り込まれる。一方、燃料電池スタック２に供給される水素は高圧水素タンクやメタルハイドライド等の貯蔵手段に貯蔵されている。若しくは、燃料改質装置によって炭化水素燃料を原料として生成される。
【００２９】
コンプレッサは空気供給管４によって燃料電池スタック２に接続されている。高圧水素タンクや改質装置等の水素供給源は水素供給管６によって燃料電池スタック２に接続されている。空気供給管４には空気の供給流量を調整するためのバルブ２０が設けられ、水素供給管６には水素の供給流量を調整するためのバルブ２２が設けられている。また、燃料電池スタック２には、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出管１０と、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出管１２も接続されている。
【００３０】
この燃料電池システムは、空気供給管４へ水素を混入するための水素混入管８を備えている。水素混入管８はバルブ２２の下流で水素供給管６から分岐し、空気供給管４におけるバルブ２０の下流に接続されている。水素混入管８にはバルブ２４が設けられている。水素供給管６内のガス圧力は空気供給管４内のガス圧力よりも高く、バルブ２４を開くことで水素供給管６から空気供給管４へ水素が流入する。空気供給管４内への水素の供給流量はバルブ２４の開度によって調整することができる。
【００３１】
さらに、この燃料電池システムでは、上記の各反応ガス（空気及び水素）とは別に、燃料電池スタック２を冷却するための冷媒（水、不凍液或いは空気等）も燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２には冷媒を供給するための冷媒供給管１４と冷媒を排出するための冷媒排出管１６とが接続されている。
【００３２】
燃料電池システムは、その動作を制御するための制御装置１００を備えている。各バルブ２０，２２，２４の開度は、制御装置１００によって制御されている。この制御装置１００には、燃料電池スタック２の温度、燃料電池スタック２を構成する燃料電池モジュールの内部温度、外気温等の温度情報を含む各種の情報が入力されている。
【００３３】
燃料電池スタック２は、複数の燃料電池モジュールが積層されて構成されている。本実施の形態にかかる燃料電池モジュールは、図２に示すような構成を有している。図２は燃料電池モジュールの構成を示す断面図である。
【００３４】
燃料電池モジュールには、膜電極接合体３０が備えられる。膜電極接合体３０は、電解質膜４０をカソード触媒層４２とアノード触媒層４４とで挟み、さらに各触媒層４２，４４の上にガス拡散層４６，４８を積層することによって構成されている。膜電極接合体３０の外周部には、膜電極接合体３０を囲むようにゴム製のシールガスケット５０が一体的に取り付けられている。シールガスケット５０は、例えば、射出成形によって膜電極接合体３０に直接成形されている。
【００３５】
膜電極接合体３０と隣接する燃料電池モジュールの膜電極接合体（図示しない）との間にはセパレータ６０が配置される。セパレータ６０は、二枚の表面プレート６２，６４とその間に配置される中間プレート６６とから構成されている。これらプレート６２，６４，６６は何れもチタンやカーボン等の導電性材料からできている。
【００３６】
膜電極接合体３０のカソード側ガス拡散層４６と、カソード側ガス拡散層４６に対向する表面プレート６２との間には、多孔体からなる層３２が設けられている。また、電極接合体３０のアノード側ガス拡散層４８と、アノード側ガス拡散層４８に対向する表面プレート６４との間にも、多孔体からなる層３４が設けられている。これらの層３２，３４は内部を流体の流通が可能であり、セパレータ６０と膜電極接合体３０との間において膜電極接合体３０に供給される反応ガスの流路を構成している。以下、これらの層３２，３４を多孔体流路層という。システムの運転時には、カソード側の多孔体流路層３２内を空気が流れ、アノード側の多孔体流路層３４内を水素が流れる。多孔体流路層３２，３４はガス拡散層４６，４８よりも空孔率を高く形成され、層内部を気体が流通する際の圧力損失を十分に低くされている。層３２，３４を構成する多孔体としては金属多孔体が好ましく、例えばチタンの発泡焼結体を用いることができる。
【００３７】
本実施の形態では、カソード側の多孔体流路層３２に燃焼触媒が担持されている。燃焼触媒としては、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応を促進できるものであればよく、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ或いはＩｒ等を成分とする触媒を用いることができる。多孔体に燃焼触媒を担持する方法としては、触媒メッキ液を多孔体の表面に分散付着する方法や、多孔体の表面に金メッキ或いはカーボンコートを施し、その上に触媒メッキ液を分散付着する方法等が挙げられる。
【００３８】
セパレータ６０とシールガスケット５０には、それぞれ開口部７２，７４が形成されている。シールガスケット５０の開口部７４の位置はセパレータ６０の開口部７２の位置に一致している。燃料電池モジュールが積層されてセパレータ６０の開口部７２とシールガスケット５０の開口部７４とが交互に重なっていくことにより、燃料電池スタック２を積層方向に貫通するマニホールド７０が形成される。図２に示すマニホールド７０は、膜電極接合体３０のカソードに空気を供給するための空気供給マニホールドとなっている。
【００３９】
２枚の表面プレート６２，６４の間には、空気供給マニホールド７０に連通する空間７６が形成されている。この空間７６は、表面プレート６４に形成された開口部７８を介してカソード側の多孔体流路層３２に連通している。空間７６及び開口部７８は、空気供給マニホールド７０と多孔体流路層３２とを連通させる連通路を構成し、図中に矢印で示すように、この連通路７６，７８を通って空気供給マニホールド７０から多孔体流路層３２へ空気が導入される。
【００４０】
多孔体流路層３２とガス拡散層４６との間であって、多孔体流路層３２への空気の導入部、すなわち、開口部７８の近傍には、微細熱電対３８が埋め込まれている。微細熱電対３８は図示しない電線によって制御装置１００に接続され、その温度に応じた信号を制御装置１００に出力している。
【００４１】
燃料電池スタック２には、上記の空気供給マニホールド７０に加え、多孔体流路層３２を通過したオフガスが排出されるカソードオフガス排出マニホールドも形成されている。さらに、アノード側の多孔体流路層３４に水素を供給するための水素供給マニホールドと、多孔体流路層３４からのオフガスが排出されるアノードオフガス排出マニホールドも形成されている。これらの図示しないマニホールドは、空気供給マニホールド７０と同じく、シールガスケット５０やセパレータ６０に形成された開口部（図示略）が交互に重なることによって構成されている。また、これら図示しないマニホールドと多孔体流路層とは、空気供給マニホールド７０が連通路７６，７８によって多孔体流路層３２に連通されるように、セパレータ６０に形成された連通路によって連通されている。これらの構成についての詳細な説明は省略する。
【００４２】
また、燃料電池スタック２には、反応ガスやそのオフガスが流れるマニホールドとは別に冷媒が流れるマニホールドも形成されている。この冷媒用のマニホールドには冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとがあり、何れも、シールガスケット５０やセパレータ６０に形成された開口部（図示略）が交互に重なることによって構成されている。冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとは、セパレータ６０内に形成された冷媒流路（図示略）によって接続されている。これらの構成についての詳細な説明は省略する。
【００４３】
［本実施の形態の燃料電池システムの動作］
上記のように構成された燃料電池システムの運転時、燃料電池モジュール内では膜電極接合体３０での発電反応にともなって水が生成される。発電時には燃料電池モジュール内は高温になるため、生成された水は蒸発してオフガスとともに排出されていくが、一部の生成水はシステム停止時に燃料電池モジュール内に残留する。特に、本実施の形態において反応ガスの流路を形成している多孔体は、穴径が小さく毛管力が発生するため、水を吸収しやすく排出しにくいといった特性を有している。このため、燃料電池モジュール内、特に、発電反応によって水が生成されるカソード側の多孔体流路層３２内に残留水が発生しやすい。
【００４４】
システム停止後に燃料電池モジュール内が氷点下にいたった場合、燃料電池モジュール内の多くの残留水が凍結してしまう。また、氷点下でのシステム起動時には、電解質膜４０の近傍は発電反応に伴う自己発熱によって凍結が起こりにくいものの、電解質膜４０から離れた多孔体流路層３２やガス拡散層４６内では、発電によって生じる生成水がそのまま凍結してしまう。凍結した生成水は反応サイトであるカソード触媒層４２への空気の供給を阻害するため、発電を継続することができず、システム起動が不能となってしまう。
【００４５】
また、残留水が凍結に至らずとも、システム起動時に多くの残留水が残っている場合には、その分、膜電極接合体３０の見かけの抵抗値が小さくなってしなう。見かけの抵抗値が小さくなれば膜電極接合体３０の自己発熱による発熱量が低下するため、燃料電池スタック２が作動温度に到達するまでの時間（始動時間）が長くなる。つまり、低温状態からのシステムの起動性が低下することになる。
【００４６】
そこで、本実施の形態にかかる燃料電池システムでは、低温状態からのシステムの起動性を向上させるため、システム起動時とシステム停止時のそれぞれについて以下に説明するような動作を実行することとしている。なお、前述のように、燃料電池システムの動作は制御装置１００によって制御されている。
【００４７】
（１）システム起動時
システム起動時には、図３のフローチャートに示すルーチンに従ってシステムの動作が制御される。このルーチンは、システムの起動スイッチがオンにされ、制御装置１００にシステム起動シグナルが入力された時点で開始される。
【００４８】
最初のステップＳ１００では、スタック温度Tsが０℃を下回っているか否か判定される。スタック温度Tsは、燃料電池スタック２から排出される冷媒の出口温度によって測定される。スタック温度Tsが０℃以上の場合にはステップＳ１０２に進み、０℃を下回っている場合にはステップＳ１０４に進む。
【００４９】
ステップＳ１０２では、常温での起動シーケンスによってシステムの起動が行われる。常温起動シーケンスでは、具体的には、バルブ２０が開かれて燃料電池スタック２に空気が供給されるとともに、バルブ２２が開かれて燃料電池スタック２に水素が供給される。また、燃料電池スタック２に電流負荷が投入される。これにより、燃料電池スタック２を構成する各燃料電池モジュール内で発電が開始される。このとき、バルブ２４は閉じられたままであり、カソード側への水素の混入は行われない。
【００５０】
常温起動シーケンスが実行された後はステップＳ１１２に進み、システムの起動が完了したことを示すフラグがオンにされる。これにより、システム起動ルーチンは終了する。
【００５１】
一方、ステップＳ１０４に進んだ場合には、氷点下での起動シーケンスによってシステムの起動が行われる。氷点下起動シーケンスでは、具体的には、バルブ２０，２２に加えてバルブ２４も開かれるとともに、燃料電池スタック２に電流負荷が投入される。バルブ２４が開かれることで空気供給管４内に水素が混入され、燃料電池スタック２のカソードには空気と水素との混合ガスが供給されることになる。
【００５２】
燃料電池スタック２に供給された混合ガスは、空気供給マニホールド７０を通って各燃料電池モジュールに分配される。各燃料電池モジュール内では、混合ガスはガス流路である多孔体流路層３２を通過する。多孔体流路層３２には燃焼触媒が担持されているため、混合ガス中の水素と酸素は多孔体流路層３２を通過する際に燃焼反応を起こす。なお、混合ガス中の空気と水素の混合比は、燃焼反応の理論混合比よりもリーンになるように、つまり、水素量に対して酸素量が余るように設定されている。このため、多孔体流路層３２内で燃焼反応が起きるのと同時に、膜電極接合体３０ではカソード側の余った酸素とアノード側に供給される水素とを用いた発電反応が起きる。この発電反応による自己発熱は、燃焼触媒上で燃焼反応が起きる際の初期反応熱として作用する。
【００５３】
氷点下起動シーケンスの実行により、多孔体流路層３２内では燃焼反応に伴う燃焼熱が発生し、また、膜電極接合体３０は発電反応によって自己発熱する。これらの熱によって燃料電池モジュール内の温度は上昇し、燃料電池モジュール内の残留水や、発電反応によって新たに生成された生成水の凍結は回避される。
【００５４】
次のステップＳ１０６では、モジュール内部温度Tmが基準温度Tmaを超えていないか否か判定される。モジュール内部温度Tmは、微細熱電対３８によって測定される多孔体流路層３２の入口温度によって代表される。基準温度Tmaは、電解質膜４０の材料や触媒層４２，４４の材料、及び膜電極接合体３０のホットプレス温度等を考慮して設定されている。具体的には、ホットプレス温度よりも若干低い温度に設定することが好ましい。例えば、ホットプレス温度が１４０℃程度であれば、基準温度Tmaは１３０℃程度に設定するのが好ましい。モジュール内部温度Tmが基準温度Tmaを下回る場合にはステップＳ１０８に進み、基準温度Tma以上の場合にはステップＳ１１０に進む。
【００５５】
ステップＳ１１０では、バルブ２２或いはバルブ２４の開度を絞ることによって、空気に混合される水素量が減らされる。水素の混合量が減らされることで燃焼触媒上での燃焼反応が抑制され、微細熱電対３８によって測定されるモジュール内部温度Tmは低下に向かう。ステップＳ１０６の判定でモジュール内部温度Tmが基準温度Tmaを下回るまで、ステップＳ１０４，Ｓ１１０の処理が繰り返し実行される。ステップＳ１０４，Ｓ１０６，Ｓ１１０の処理により、モジュール内部温度Tmが基準温度Tmaを超えることは防止される。混合ガスの燃焼反応は多孔体流路層３２の入口部で最も活発に起きるため、モジュール内部温度Tmとして多孔体流路層３２の入口温度を用いることで、燃焼熱による膜電極接合体３０の損傷や劣化を確実に防止することが可能になる。
【００５６】
ステップＳ１０８に進んだ場合には、スタック温度Tsが基準温度Tsaを下回っているか否か判定される。基準温度Tsaはシステムの通常運転が可能となる温度、車両用燃料電池システムであれば車両の走行が可能となる温度に設定されている。ステップＳ１０８の判定でスタック温度Tsが基準温度Tsa以上になるまで、ステップＳ１１０の処理、すなわち、氷点下起動シーケンスが実行される。
【００５７】
スタック温度Tsが基準温度Tsa以上になった場合にはステップＳ１１２に進み、システムの起動が完了したことを示すフラグがオンにされる。これにより、システム起動ルーチンは終了する。
【００５８】
（２）システム停止時
システム停止時には、図４のフローチャートに示すルーチンに従ってシステムの動作が制御される。このルーチンは、システムの停止スイッチがオンにされ、制御装置１００にシステム停止シグナルが入力された時点で開始される。
【００５９】
最初のステップＳ２００では、外気温Taが０℃を下回っているか否か判定される。現時点で外気温Taが０℃を下回っている場合には次回のシステム起動は氷点下からの起動になる可能性が高い。そこで、このルーチンでは、以下に説明するように外気温Taが０℃を下回っているか否かによってシステム停止時に実行するシーケンスを異ならせている。つまり、外気温Taが０℃以上の場合にはステップＳ２０２に進み、０℃を下回っている場合にはステップＳ２０４に進む。なお、将来の外気温の変動を予測する予測システムを備える場合には、その予測システムを用いて次回のシステム起動が氷点下からの起動になるか否か予測するようにしてもよい。
【００６０】
ステップＳ２０２では、通常の停止シーケンスによってシステムの停止が行われる。通常停止シーケンスでは、具体的には、燃料電池スタック２の電流負荷が無負荷にされ、その状態で燃料電池スタック２への各反応ガスの供給が継続される。無負荷にすることで燃料電池スタック２の発電は停止され、発電反応に伴う水の生成も停止する。また、各反応ガスの供給が継続されることで、燃料電池モジュール内に残留している生成水は反応ガスによってパージされる。このとき、バルブ２４は閉じられたままであり、カソード側への水素の混入は行われない。
【００６１】
通常停止シーケンスが実行された後はステップＳ２１０に進み、基準時間t0が経過するまで現状の制御状態が維持される。反応ガスの供給が継続されることで燃料電池モジュール内では乾燥が進むが、次回起動時の発電反応のためには電解質膜４０がある程度湿っている必要がある。上記の基準時間t0は、燃料電池モジュール内の残留水量が低温起動時に適した水分量になるまでに要する時間であり、膜電極接合体３０の諸元や流路構造等を考慮して設定される。
【００６２】
基準時間t0の経過後、次のステップＳ２１２では燃料電池スタック２への各反応ガスの供給が停止される。そしてステップＳ２１４に進み、システムの停止が完了したことを示すフラグがオンにされる。これにより、システム停止ルーチンは終了する。
【００６３】
一方、ステップＳ２０２の判定の結果、ステップＳ２０４に進んだ場合には、最初に乾燥シーケンスが実行される。乾燥シーケンスでは、具体的には、燃料電池スタック２の電流負荷が無負荷にされ、その状態で燃料電池スタック２への各反応ガスの供給が継続されるとともにバルブ２４が開かれる。バルブ２４が開かれることで空気供給管４内に水素が混入され、燃料電池スタック２のカソードには空気と水素との混合ガスが供給されることになる。
【００６４】
燃料電池スタック２に供給された混合ガスは、空気供給マニホールド７０を通って各燃料電池モジュールに分配される。各燃料電池モジュール内では、混合ガスはガス流路である多孔体流路層３２を通過する。多孔体流路層３２には燃焼触媒が担持されているため、混合ガス中の水素と酸素は多孔体流路層３２を通過する際に燃焼反応を起こす。この燃焼反応に伴う燃焼熱によって燃料電池モジュール内の温度は上昇し、燃料電池モジュール内の乾燥が促進される。
【００６５】
次のステップＳ２０６では、微細熱電対３８によって測定されるモジュール内部温度Tmが基準温度Tmbを超えているか否か判定される。基準温度Tmbは通常の運転温度よりも高い温度に設定されている。具体的には、残留水の蒸発を促進できるように１００℃よりも高く、且つ、膜電極接合体３０の劣化を招かないようにホットプレス温度よりも低い温度に設定されている。ステップＳ２０６の判定でモジュール内部温度Tmが基準温度Tmbを超えるまで、ステップＳ２０４の処理が実行される。
【００６６】
モジュール内部温度Tmが基準温度Tmbを超えた場合には、乾燥シーケンスを終了してステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、バルブ２４が閉じられて空気供給管４内への水素の混入が停止される。カソードへの空気の供給とアノードへの水素の供給はそのまま行われ、反応ガスを用いた残留水のパージは継続される。
【００６７】
ステップＳ２０８の処理の後はステップＳ２１０に進み、基準時間t0が経過するまで現状の制御状態が維持される。基準時間t0の経過後は、次のステップＳ２１２で燃料電池スタック２への各反応ガスの供給が停止される。そしてステップＳ２１４に進み、システムの停止が完了したことを示すフラグがオンにされる。これにより、システム停止ルーチンは終了する。
【００６８】
［本実施の形態の燃料電池システムの利点］
システム起動時に図３に示すシステム起動ルーチンが実行されることで、燃料電池モジュール内、特に、カソード側の多孔体流路層３２及びそれに隣接するガス拡散層４６を効率的に昇音させることができ、残留水や生成水の凍結を回避することができる。これにより、カソード触媒層４２への空気の供給を確保することができ、低温状態からのシステムの起動性を向上させることができる。
【００６９】
また、システム停止時には図４に示すシステム停止ルーチンが実行されることで、燃料電池モジュール内、特に、カソード側の多孔体流路層３２及びそれに隣接するガス拡散層４６を効率的に乾燥させることができ、システム停止時における生成水の残留を抑制することができる。これにより、次回の起動時にはカソード触媒層４２への空気の供給を確保することができるとともに、膜電極接合体３０の自己発熱による発熱量の低下を防止することができ、低温状態からのシステムの起動性を向上させることができる。
【００７０】
なお、カソードに混合ガスを供給したとき、混合ガス中の水素と酸素の燃焼反応はカソード触媒層４２上でも起こりうる。しかし、混合ガスの流路である多孔体流路層３４に燃焼触媒が担持され、しかも、カソード触媒層４２と多孔体流路層３４との間には多孔体流路層３４よりも流通抵抗が大きいガス拡散層４６が介装されているので、混入された水素のほとんどはカソード触媒層４２に到達する前に多孔体流路層３２内で燃焼する。これにより、カソード触媒層４２上での燃焼反応は抑制され、燃焼熱の発生箇所が電解質膜４０から離れることになって電解質膜４０の損傷や劣化は抑制される。また、カソード触媒層４２における触媒のシンタリングも抑制される。
【００７１】
［その他］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００７２】
図１に示す構成において空気供給管４に乾燥装置を備え、システム停止時には燃料電池スタック２に乾燥空気を供給するようにしてもよい。これによれば、燃料電池モジュール内の乾燥をより促進することが可能になる。
【００７３】
また、上記実施の形態では、システム起動時とシステム停止時に空気と水素の混合ガスを多孔体流路層３２に供給しているが、システムの運転中にスタック温度が低下したような場合にも混合ガスの供給を行ってもよい。これによれば、燃料電池スタック２の負荷状況によらず、スタック温度を常に作動温度以上に維持することが可能になる。
【００７４】
また、図２に示す構成においてアノード側の多孔体流路層３４にも燃焼触媒を担持させ、システム起動時やシステム停止時には、カソード側だけでなくアノード側の多孔体流路層３４にも空気と水素の混合ガスを供給するようにしてもよい。或いは、カソード側の多孔体流路層３２の代わりに、アノード側の多孔体流路層３４に混合ガスを供給するようにしてもよい。
【００７５】
図２に示す構成においてガス拡散層４６，４８を省略してもよい。つまり、触媒層４２，４４の上に直接、多孔体流路層３２，３４を積層してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】燃料電池システムの全体の概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する燃料電池モジュールの概略構成を示す断面図である。
【図３】システム起動時に実行されるルーチンを示すフローチャートである。
【図４】システム停止時に実行されるルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
２  燃料電池スタック
４  空気供給管
６  水素供給管
８  水素混入管
１０  カソードオフガス排出管
１２  アノードオフガス排出管
２０，２２，２４  バルブ
３０  膜電極接合体
３２  カソード側多孔体流路層（燃焼触媒付き）
３４  アノード側多孔体流路層
３８  微細熱電対
４０  電解質膜
４２  カソード触媒層
４４  アノード触媒層
４６  カソード側ガス拡散層
４８  アノード側ガス拡散層
５０  シールガスケット
６０  セパレータ
７０  空気供給マニホールド
１００  制御装置
【図１】
2007250195.tif 000003
【図２】
2007250195.tif 000004
【図３】
2007250195.tif 000005
【図４】
2007250195.tif 000006