(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池システムにおいて、システムの複雑化や効率悪化を招くことなく、発電停止後の高電位に起因するＭＥＡの劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池１から負荷装置２を切り離した発電停止状態、かつアノード１ａに燃料ガスを存在させた状態下にて、セル電位が目標電位となるように、カソードガス経路４内のカソードガス量を調節することでカソード１ｃの酸素分圧を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池において、
燃料電池のカソードの酸素分圧を検出する酸素分圧検出手段と、
負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、セル電位が目標電位となるように前記酸素分圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段を、酸素分圧の低下率を演算し、セル電位が前記目標電位未満である場合には、前記低下率からもとめた酸素消費量に相当する酸素量をカソードに供給するように構成した燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸素分圧検出手段は、酸素分圧の相関量としてカソードガス経路の酸素濃度を検出する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記酸素分圧検出手段は、酸素分圧の相関量として燃料電池のセル電位を検出する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、
前記酸素分圧検出手段として酸素ポンプ機能を有する酸素センサを備えると共に、
前記制御手段を、カソードへの酸素供給時に、前記酸素センサを酸素ポンプとして動作させるようにした燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１において、
前記制御手段を、酸素分圧の低下率を演算し、該低下率があらかじめ定めた基準値よりも大きいときには、アノードの液水除去処理を行うように構成した燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６において、
前記液水除去処理として、アノードガスの供給量を増大させる制御および／またはアノードガスの水分量を低下させる制御を行う燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１において、
燃料電池よりも上流側のカソードガス経路の途中に、該ガス経路に選択的に接続し途中に加湿容器を介装した加湿経路を設けると共に、前記加湿容器に水を供給または排出する水量調節手段を設け、
前記制御手段を、
負荷を切り離した発電停止状態下にて、前記加湿経路よりも上流からのカソードガスの供給を遮断すると共に前記加湿経路をカソードガス経路に接続し、
セル電位が目標電位よりも低下したときには前記水量制御手段により加湿容器内の水位を変化させてカソードガス経路内外の酸素を含有するガスをカソードに流通させ、セル電位が目標電位よりも上昇したときには外部からのガスの流入を遮断した状態で前記水量制御手段により加湿容器内の水位を低下させてカソード内のガスを加湿容器側に抜き取るように構成した燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８において、
前記加湿容器とカソードとの間のカソードガス経路の途中に、該カソードガス経路に選択的に接続する水除去装置を介装した燃料電池システム。
【請求項１０】
固体高分子型燃料電池において、
負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、
標準水素電極に対するカソード電位が目標電位となるように、カソードの酸素分圧を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１または請求項１１において、
前記目標電位は、０.６〜０.８Ｖの範囲内に設定されている燃料電池システム。
【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、特に固体高分子型燃料電池システムの発電停止後のセル電位制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子膜とその両側にそれぞれ配置されるアノードおよびカソードとからなる単位燃料電池セルをセパレータによって挟持することにより燃料電池スタックとして構成されている。アノードおよびカソードは、白金（Pt）系の金属触媒を炭素粉末に担持して得られる触媒体とプロトン導電性高分子電解質との混合物で構成される触媒層を有する。
【０００３】
燃料電池は、発電停止中のように開回路に近い状態では、０．９Ｖを超える高い電圧となる場合がある。このようにカソードが高電位状態となっている場合、カソードのＰｔ触媒の溶出、およびシンタリング（Ｐｔの粒子拡大）によるＰｔ触媒の反応面積の減少という問題が発生することが知られている。
【０００４】
また、燃料電池が開回路状態に近い高い電圧を保持している場合、高分子電解質が分解するという間題も発生することも知られている。これは次のような理由によるものと考えられている。すなわち水素と酸素とを反応種とする燃料電池の開回路電圧は、理論的には１.２３Ｖとされている。しかし、実際の開回路電圧は、アノードおよびカソードのそれぞれの極における不純物および吸着種との混成電位によることになり、約０.９３Ｖ〜１.１Ｖとなる。また、高分子電解質膜中に水素および酸素が若干拡散されていることに起因して、開回路電圧が理論値よりも低下することになる。
【０００５】
アノードの電位は、極端な金属種などの不純物の溶解がないとすると、カソードの吸着種による影響が大きく、非特許文献１に記述されているように反応式（１）から反応式（５）に示されるような化学反応の混成電位になると考えられている。なお、反応式に対応して示されている電圧は、当該反応式が示す反応が起きたときのＳＨＥ(Standard Hydrogen Electrode:標準水素電極)に対する標準電極電位を示している。
【０００６】
このようにアノードの電位が高い場合、水酸化ラジカル（ＯＨ・）、スーパーオキシド（Ｏ2-・）、および水素ラジカル（Ｈ・）が高濃度に発生した状態となり、これらラジカル類が高分子電解質の反応性の高い部分をアタックし、高分子電解質を分解させるものと考えられる。
（反応式１）Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-＝２Ｈ2Ｏ                １．２３Ｖ
（反応式２）ＰｔＯ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｐｔ（ＯＨ）2       １．１１Ｖ
（反応式３）Ｐｔ（ＯＨ）2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｐｔ＋２Ｈ2Ｏ  ０．９８Ｖ
（反応式４）ＰｔＯ＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｐｔ＋Ｈ2Ｏ            ０．８８Ｖ
（反応式５）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｈ2Ｏ2                 ０．６８Ｖ
前述したような燃料電池が開回路電圧になることにより発生する問題を回避するために、従来からいくつかの燃料電池システムの運転方法が提案されている。例えば、特許文献１には、燃料電池システム内に開回路電圧を抑制するための放電手段を設けることにより、燃料電池が開回路電圧になることを回避するようにした燃料電池システムの停止保管方法が開示されている。また、特許文献２には、外部電源を用いてアノードとカソードとの間に所定の電圧を印加することにより、カソードの電位を標準水素電極に対して０．６〜０．８Ｖの範囲内に制御することが提案されている。
【非特許文献１】H. Wroblowa, et al., J. Electroanal.  Chem., 15, p139-150 (1967), "Adosorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current"
【特許文献１】特開２００２−９３４４８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２１０５号公報
【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、特許文献１のもののように、酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソードの酸素を消費させてからアノードを不活性ガスでパージする場合、発電して強制的に酸素を消費させるためカソードの電位が一様でなく、燃料電池の発電を停止させる都度カソードの活性化状況が異なるため、起動時の電池電圧がばらつくという問題が生じる。また、特許文献２に提案されているような制御手法を適用するには、外部電源や電気配線がセル数だけ必要になり、装置が複雑かつエネルギ効率低下につながるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムの複雑化や効率悪化を招くことなく、発電停止後の高電位に起因するＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体)の劣化、すなわちカソードにおけるＰｔ触媒の溶出およびシンタリングによる触媒の反応面積の減少やラジカル類による高分子電解質の分解を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固体高分子型の燃料電池システムにおいて、発電停止後の燃料電池内の標準水素電極に対するカソード電位またはセル電位（以下、単に「セル電位」という。）がカソードの酸素分圧に強く相関するという知見に基づくものであり、すなわち本発明の要旨は、固体高分子型燃料電池において、負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、セル電位が目標電位となるように、カソードの酸素分圧を制御することにある。
【００１０】
前記目標電位は、固定高分子型燃料電池では通常０.６〜０.８Ｖの範囲内で設定する。セル電位が前記目標電位となるように酸素分圧を制御する制御手段としては、詳細は後に実施形態として説明するように種々の構成が適用可能であるが、基本的にはカソードに対する酸素量の制御であるので、カソードガスの給排等、燃料電池システムが本来的に装備している機器のみを使用して制御を行うことが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前述のとおり酸素分圧を操作することによりセル電位を制御する構成であるので、外部電源や電気配線は不要であり、またこれらによる電力消費が生じることもないので、システムの複雑化や効率悪化を招くことなしに、発電停止後のＭＥＡの劣化を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】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用可能な燃料電池システムの全体構成を概略的に示したものである。
【００１３】
図において、１は固体高分子型燃料電池の本体、１ａと１ｃはそれぞれそのアノード（燃料極）、カソード（酸素極）を表している。２は前記燃料電池を電力源とする負荷装置を表しており、例えば電動機、二次電池等がこれにあたる。３は前記アノード１ａに図示しないアノードガス供給源からのアノードガスを供給するためのアノードガス経路であり、アノード１ａよりも上流側に流量制御弁５が介装されている。４は前記カソード１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス経路であり、カソード１ｃよりも上流側と下流側にそれぞれ流量制御弁６，７が介装されている。８は酸素分圧検出手段としての酸素センサ、９はセル電位を検出する電圧計、１０は燃料電池１のスタック温度を検出する温度センサである。前記セル電位は、燃料電池１の特定のセルの電位、またはスタック全体の電位である。
【００１４】
１１は本発明の制御手段として機能するコントロールユニットであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。このコントロールユニット１１には、前記酸素センサ８からの酸素濃度Ｐｏ、電圧計９からのセル電位Ｖｃ、温度センサ１０からのスタック温度ＴＩがそれぞれ入力し、コントロールユニット１１は、これらの信号に基づいて、負荷装置２を切り離した発電停止後に、セル電位Ｖｃが前記目標電位となるように主としてカソード１ｃのガス量を制御する。この制御の詳細は後に述べる。
【００１５】
この燃料電池システムでは、アノードガスの加湿量を調整するための加湿調整装置を備えている。加湿調整装置は、前記流量制御弁５よりも下流側にてアノードガス経路３を迂回するように設けられた加湿経路１２と、その途中に介装された調整器１３とを主要な要素としている。調整器１３は加湿装置または水除去装置からなり、アノードガス経路３のアノードガスを必要に応じて前記調整器１３に通すことで、アノードガスの湿度を加減することができる。Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃは調整器１３を選択的にアノードガス経路３に接続するためのものであり、湿度調整を行わないときは、バルブＶａを開き、Ｖｂ、Ｖｃを閉ざすことで、アノードガスを調整器１３を通過させることなくアノード１ａに供給する。湿度調整をするときは、バルブＶａを閉ざし、Ｖｂ，Ｖｃを開くことで、アノードガスを加調整器１３に通過させてからアノード１ａに供給する。前記バルブＶａ〜Ｖｃの開閉はコントロールユニット１１により制御される。
【００１６】
次に、図２以下に示したフローチャートに沿って、前記構成下での燃料電池システムの発電停止後のセル電位制御につき説明する。なお、以下の説明およびフローチャート中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。また、各フローチャートに示した処理ルーチンに相当するプログラムは、前記コントロールユニット１１により例えば約１０ｍｓ毎に周期的に実行される。
【００１７】
図２は前記電圧制御の第１の実施形態を示している（請求項１，３，４，１０，１１に対応）。この制御ではまずＳ１にて燃料電池の停止時処理を行う。具体的には、負荷装置２を切り離すと共に、カソードガス経路４の流量制御弁６，７を閉ざしてカソード１ｃに対するカソードガスの供給を停止する。ただし、アノード１ａに対しては所定量のアノードガスが存在するようにアノードガスを供給する。これは、この制御のあいだアノード１ａをアノードガスに晒した状態に維持するためのものであり、例えばアノードガス経路３の流量制御弁５を開いてアノード１ａにアノードガスを少量流し続けるようにする。またはアノード１ａに所要量のアノードガスを充填した状態でアノードガス経路３を密封するようにしてもよい。
【００１８】
Ｓ２では温度センサ１０からの信号に基づき燃料電池温度ＴＩを検出し、次いでＳ３にて前記温度ＴＩを基準値Ｔｓと比較することで、燃料電池の温度状態を判定する。燃料電池温度が十分に低ければ劣化は起こらないので、燃料電池の特性や仕様に応じて予め定めた温度基準値Ｔｓよりも実温度ＴＩが低いときには、以下のセル電位制御の処理を迂回し、Ｓ８に移行して制御終了処理を行なう。制御終了処理においては、前記のアノードガス供給をしていた場合はこれを停止し、これにより今回のセル電位制御は終了する。燃料電池温度ＴＩが基準値Ｔｓ以上であるときには劣化のおそれがある条件下であるので、Ｓ４以降のセル電位制御に移行する。
【００１９】
Ｓ４では酸素分圧を検出する。酸素分圧はその相関量として酸素センサ８からの酸素濃度を検出するものとする。燃料電池によって、カソード１ｃの酸素濃度とセル電位の関係は決まってくるので、酸素濃度を検出することでセル電位を間接的に知ることができる。
【００２０】
Ｓ５では前記酸素濃度に相当する電位値Ｐｏと目標電位との比較を行う。目標電位としては、この場合、下限値を０.６Ｖ、上限値を０.８Ｖとして帯域的に設定してある。Ｓ５の比較処理において、Ｐｏ＞０.８Ｖであった場合には、セル電位を低下させるためにＳ６にてカソード１ｃに対する酸素供給を停止する操作を行ったのちＳ２に戻る。これに対して、Ｐｏ＜０.６Ｖであった場合には、セル電位を上昇させるためにＳ７にてカソード１ｃに酸素を供給する操作を行ったのちＳ２に戻る。０.６Ｖ≦Ｐｏ≦０.８Ｖであった場合には、セル電位が目標電位域内であるので、そのまま何もせずにＳ２に戻る。
【００２１】
カソードガスの供給を停止すると、このときアノード１ａにはアノードガスが存在しているので、その直後はカソード１ｃの残存酸素により発電が行われて、ある程度のセル電位が発生する。やがてカソード１ｃでの酸素の消費によりセル電位は低下してゆく。本発明では、このセル電位の変化の過程で、前記酸素供給制御を行うことでセル電位を目標電位域に維持している。前記セル電位の制御過程で燃料電池温度が基準値Ｔｓよりも低下したときはＳ８にて制御を終了する。
【００２２】
前記制御により、燃料電池１は発電停止からその温度が十分に低下するまでのあいだ、セル電位が適正な範囲内に維持されるので、発電停止後の高電位に原因するＭＥＡの劣化を回避することができる。また、前記カソード１ｃに対する酸素の供給または停止は、図１の構成下では流量制御弁６，７によるカソードガスの供給制御により、外部電源等の付加的な機器を要することなく実現することができ、したがってシステムの複雑化や効率悪化を招くこともない。
【００２３】
前記実施形態の構成において、酸素センサ８として酸素ポンプ機能を有するものをカソード１ｃまたはそれよりも上流側に設けるようにしてもよい。酸素センサ８を酸素ポンプとして作動させることで酸素供給または酸素供給停止を制御することができる（請求項５）。前記酸素ポンプ機能による酸素供給量は、酸素センサ８に供給する電流量に応じて精度よく制御できるので、セル電位についても高い制御精度を期待できる。
【００２４】
なお、この実施形態はカソードの酸素分圧がセル電位に影響する点に着目した本発明の特徴をよく表すものとして、酸素分圧に強く相関するカソード側の酸素濃度を検出してセル電位をフィードバック制御する構成を示したものである。本発明における制御手法としては、このように酸素濃度を検出するものに限られず、より具体的には後に他の実施形態として説明するが、例えば図１の電圧計９からの信号によりセル電位を直接的に検出してカソードへの酸素供給を制御する構成とすることも可能である。
【００２５】
図３は前記セル電位制御において酸素分圧検出処理（図２のＳ４）の前に付加的に実行するルーチンを示しており、ガス供給経路内の液水の影響により局所的な酸素供給不足を起こしている場合に、液水を除去してからセル電位の制御を行わせるためのものである（請求項６，７に対応）。まずＳ１にて酸素センサ８からの酸素分圧（酸素濃度）Ｐｏと電圧計８からのセル電位Ｖｃをサンプリングし、次いでＳ２にて、例えば所定期間または制御周期前後での差分からそれぞれの変化率ΔＰｏ，ΔＶｃを算出する。
【００２６】
Ｓ３では、前記変化率ΔＰｏとΔＶｃとの比から液水の影響を判定する。液水により酸素供給不足となっているときには発電停止後に急速にセル電位が低下し、その変化率ΔＶｃは正常時よりも負方向に大となるから、酸素分圧の変化率ΔＰｏとの比率（ΔＶｃ／ΔＰｏ）を正常時のそれと比較することにより、液水の影響の有無を判定することができる。セル電位の変化率ΔＶｃのみによってもある程度は液水の影響を判定可能であるが、セル電位の低下には酸素分圧も影響するところから、前述のように酸素分圧との比率に基づいて判定するほうがより高い判定精度が得られる。
【００２７】
前記ΔＶｃ/ΔＰｏが正常範囲であるときには、液水の影響はないものとして、そのまま図２のＳ４以降のセル電位制御に移行させる。これに対して、ΔＶｃ／ΔＰｏが大であるとき、すなわちセル電位Ｖｃの低下率が正常時よりも大であるときには、Ｓ４にてアノード側の液水除去処理を行う。液水除去は種々の手法で可能であるが、一例として、図１に示した燃料電池システムの構成下では、加湿調整装置（調整器１３）における加湿の停止または水分除去を行わせ、または制御弁５を開いてアノードガス供給量を増やすことで液水をアノード１ａから外部へと排出させる。このような液水除去処理をΔＶｃ／ΔＰｏが正常範囲となるまで、すなわちセル電位の低下率が小さくなるまで行い、その後に図２に示したセル電位制御を行わせる。これにより、液水の影響を排除してより的確にセル電位を制御することが可能となる。
【００２８】
図４は本発明によるセル電位制御の第２の実施形態である。これはセル電位が目標電位よりも低下したときにカソードに供給する酸素量を酸素濃度の変化率に基づいて算出することによりセル電位の制御精度を向上させたものである（請求項２に対応）。以下、図２との相違点を主に説明する。
【００２９】
図において、燃料電池の停止処理から温度判定に関わる処理（Ｓ１〜Ｓ３、Ｓ８）については図２と同様である。この制御では、前記温度判定の結果としてセル電位制御を開始するにあたり、まずＳ４にて、図３のＳ１〜Ｓ２と同様にして、酸素濃度とセル電位を検出してそれぞれの変化率ΔＰｏ、ΔＶｃを求める。次いでＳ５にて前記変化率ΔＰｏ、ΔＶｃがともにゼロ未満、すなわち酸素濃度、セル電位がともに低下傾向にあるか否かを判定する。何れかがゼロ以上すなわち低下傾向でない場合にはＳ２に戻る。
【００３０】
酸素濃度とセル電位の変化率ΔＰｏ、ΔＶｃが何れも低下傾向である場合には、次いでＳ６にて酸素濃度Ｐｏによるセル電位判定を行う。ここでは目標電位を０．８Ｖとして、Ｐｏ＞０.８Ｖ相当のときにはＳ７にて酸素供給を停止状態としてＳ２に戻る。Ｐｏ＝０.８Ｖ相当であるときは何もせずにＳ２に戻る。これに対して、Ｐｏ＜０.８ｖ相当であるときには、そのときの酸素濃度の変化率ΔＰｏに基づいてカソード１ｃにおける酸素消費量Ｑｏを算出する。この算出は、予め実験的に酸素消費量Ｑｏと酸素濃度低下率ΔＰｏとの関係をテーブル化しておき、これを参照することで求めるようにする。次にＳ１０にて、このようにして求めた酸素消費量Ｑｏに相当する量の酸素をカソード１ｃに供給する。供給酸素量の制御は、流量制御弁６，７によるカソードガスの流量制御によって、または前述した酸素ポンプ機能を有する酸素センサを制御して行うようにする。
【００３１】
図５と図６に、それぞれ本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムとそのセル電位制御のフローチャートを示す（請求項８，９に対応）。図５において、図１と異なる部分について説明すると、この燃料電池システムではカソードガス経路４の途中に加湿装置と水分除去装置とを設けてある。
【００３２】
前記加湿装置は、カソードガス経路４の流量制御弁６よりも下流の部分からバイパス状に分岐した加湿経路２０と、その途中に介装した加湿容器２１とを主要な構成要素とする。カソードガス経路４のカソードガスを、内部に水を貯溜した加湿容器２１に通すことで、カソードガスを加湿することができる。Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃは加湿容器２１を選択的にカソードガス経路４に接続するためのものであり、加湿を行わないときは、バルブＶａを開き、Ｖｂ、Ｖｃを閉ざすことでカソードガスを加湿容器２１を通過させることなくアノード１ａに供給する。加湿をするときは、バルブＶａを閉ざし、Ｖｂ，Ｖｃを開くことで、カソードガスを加湿容器２１に通過させてからアノード１ａに供給する。前記バルブＶａ〜Ｖｃの開閉はコントロールユニット１１により制御される。
【００３３】
前記加湿容器２１に貯溜した水の量を調節する水量調節手段として、加湿容器２１の上部に接続した加湿水供給経路１９の途中に、加湿水供給弁２５、圧力緩衝容器２２、流量計２３を設けている。また加湿容器２１には内部の水量を計測するための液面計２４と、水を外部に排出するための加湿水排水弁２６を設けている。前記加湿水供給弁２５を開くと、図示しない水供給源からの加圧された水が加湿水供給経路１９から圧力緩衝容器２２を介して加湿容器２１に注入される。この加湿容器２１の水の注入量または排出量は、基本的には流量計２３または液面計２４からの信号に基づいて所定の水量ないし液面位置となるように、コントロールユニット１１が供給弁２５または排出弁２６を開閉して制御する。
【００３４】
一方、前記水除去装置は、カソードガス経路４の前記加湿装置よりも下流の部分からバイパス状に分岐した水分離経路２８と、その途中に介装した水分離装置２９とを主要な構成要素とする。カソードガス経路４のカソードガスを水分離装置２９に通すことで、カソードガス中の水分を除去することができる。Ｖｄ，Ｖｅ，Ｖｆは水分離装置２９を選択的にカソードガス経路４に接続するためのものであり、水除去を行わないときは、バルブＶｄを開き、Ｖｅ、Ｖｆを閉ざすことでカソードガスを水分離装置２９を通過させることなくアノード１ａに供給する。水除去をするときは、バルブＶｃを閉ざし、Ｖｅ，Ｖｆを開くことで、カソードガスを水分離装置２９に通過させてからアノード１ａに供給する。前記バルブＶｄ〜Ｖｆの開閉はコントロールユニット１１により制御される。水分離装置２９には、分離した水分量が貯溜限界に達したことを検出する液面センサ３１と、この限界水位を検出したときに開放して内部の水を排出するための水排出弁３０とを備える。この水の排出制御もコントローラ１１によって行われる。
【００３５】
図６は前記構成下でのセル電位制御に係るフローチャートを示している。この制御は、温度計１０により検出した燃料電池温度が所定値以上であるあいだ、電圧計９によりセル電位を監視しながら前記加湿容器２１の水量を増減することで、カソードガス経路４内の酸素含有ガスを移動させてカソード１ｃ内の酸素量を制御するのであり、この制御はコントローラ１１により周期的に実行される。
【００３６】
図６において、燃料電池の停止処理から温度判定に関わる処理（Ｓ１〜Ｓ３、Ｓ１２）については図２と同様である。この制御では、前記温度判定の結果としてセル電位制御を開始するにあたり、まずＳ４にてセル電位Ｖｃを検出し、次いでＳ５にて前記セル電位Ｖｃが目標電位を満たしているか否かを判定する。目標電位は、下限値を０.６Ｖ、上限値を０.８Ｖとして帯域的に設定してある。Ｓ５の比較処理において、Ｖｃ＞０.８Ｖであった場合には、Ｓ６でのセル電位を低下させる処理を実行したのちＳ１０に移行する。Ｓ５の比較処理において、Ｖｃ＜０.６Ｖであった場合には、Ｓ７〜Ｓ９のセル電位を上昇させるための処理を実行したのちＳ１０に移行する。Ｓ５の比較処理において、０.６Ｖ≦Ｖｃ≦０.８Ｖであった場合には、セル電位が目標電位域内であるので、そのまま何もせずにＳ１０に移行する。
【００３７】
セル電位Ｖｃを低下させるためのＳ６での処理としては、図５においてカソードガス経路４の流量制御弁６と７、加湿水供給経路の加湿水供給弁２５を何れも閉ざした状態で水排出弁２６を開き、加湿容器２１内の水を外部に排出させる。これにより加湿容器２１内の水位が低下し、容器２１内の空間容積が増大するのに伴ってカソード１ｃ内のガスが容器２１側へと吸引されてカソード１ｃでの酸素分圧が減少することから、セル電位Ｖｃは低下する。これによりセル電位Ｖｃが０．８Ｖ以下となったときには排出弁２６を閉ざして加湿容器２１からの水の排出を停止する。なお、前記制御の過程で水分離装置２９をカソード経路４に接続しておいてもよいが、前記加湿容器２１内の容積変化をカソード１ｃ内の酸素分圧変化に応答よく反映させるためには水分離装置２９を接続しない状態、すなわちバルブＶｄを開き、バルブＶｅ，Ｖｆを閉ざした状態としておくことが望ましい。
【００３８】
これに対して、セル電位Ｖｃを上昇させるための処理としては、まずＳ７にて、カソードガス経路４の流量制御弁６を閉、流量制御弁７を開、加湿水排出弁２６を閉とした状態で加湿水供給弁２５を開き、加湿容器２１内に水を導入する。この操作により加湿容器２１内の水位が上昇すると、加湿容器２１内の空間部およびその下流のカソードガス経路４内に溜まっていたカソードガスがカソード１ｃに流れ込み、これによりセル電位Ｖｃが上昇する。この水供給制御の際、加湿容器２１内には加湿水供給弁２５の開閉に伴う圧力変動が生じるが、この実施形態では圧力緩衝容器４を加湿容器２１の最高水位よりも高位置に設けて、この水位差による圧力を利用することにより前記の圧力変動を低減し、供給流量の安定性を高めるようにしている。
【００３９】
また、前記の水供給制御の間、水分離装置２９は切り離しておいてもよいが、接続状態すなわちバルブＶｄを閉じ、バルブＶｅ，Ｖｆを開いた状態としておくことにより、加湿容器２１からカソード１ｃへと供給するカソードガス中の水分を除去することがより望ましい。これは、停止時に燃料電池内に加湿されたカソードガスが入ると、カソード触媒中の白金等反応性の高い金属とカソードガスに含まれる水とが反応して金属が酸化され、触媒活性が低下する現象が発生するおそれがあるからである。前記水分分離処理の過程で水分離装置２９内の水量が上限値に達した場合は、Ｓ１０にてこれを検知し、Ｓ１１にて排出弁２６を一定時間開いて装置内部の水を外部に排出したのちＳ２に戻る。
【００４０】
Ｓ７の処理にてセル電位Ｖｃが０．６Ｖ以上となったときには加湿水供給弁２５を閉ざした加湿容器２１への水の供給を停止したのちＳ２に戻る。ただし、Ｓ８では加湿容器２１内の水位を液面計２４にて測定し、前記加湿容器２１への水供給の過程で水位が上限値に達したときには、こんどは加湿水供給弁２５を閉じ、排出弁２６を開いて、加湿容器２１から水を排出させる。これにより、カソードガス経路４内のガスは加湿容器２１内へと吸い戻され、これに伴い外部の空気が流量制御弁７を通ってカソード１ｃへと逆流することから、カソード１ｃ内の酸素分圧を高く維持してセル電位を上昇させることが可能となる。
【００４１】
前記制御の繰り返しにより、燃料電池温度が所定の基準値Ｔｓ未満に低下するまでのあいだ、セル電位Ｖｃを目標電位に維持して、燃料電池の劣化を防止することができる。この制御は前記のとおり基本的には燃料電池システムに装備される加湿装置を操作することで実現できるので、付加的に複雑な機器を設ける必要がなく、エネルギ消費も少ない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明が適用可能な燃料電池システムの概略構成図。
【図２】本発明に係る制御の第１の実施形態を表すフローチャート。
【図３】図２の処理にて付加的に実行する制御を表すフローチャート。
【図４】本発明に係る制御の第２の実施形態を表すフローチャート。
【図５】本発明が適用可能な他の燃料電池システムの概略構成図。
【図６】本発明に係る制御の第３の実施形態を表すフローチャート。
【符号の説明】
【００４３】
１    燃料電池（本体）
１ａ  アノード
１ｃ  カソード
２    負荷装置
３    アノードガス経路
４    カソードガス経路
５，６，７  流量制御弁
８    酸素センサ（酸素分圧検出手段）
９    電圧計
１０    温度センサ
１１    コントロールユニット（制御手段）
２０    加湿経路
２１    加湿容器
２４    液面計
２５    加湿水供給弁
２６    加湿水排出弁
２８    水分離経路
２９    水分離装置
３０    排出弁
３１    液面センサ
【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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