(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転停止時に、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】第１セルブロック５１及び第２セルブロック５２を有する燃料電池１０１と、燃料ガス供給器１０２と、酸化剤ガス供給器１０３と、酸化剤ガス供給遮断機構１０４と、制御器１１０と、を備え、第１セルブロック５１と第２セルブロック５２は電気的に直列に接続され、第２セルブロック５２に含まれる第２カーボン粉末の結晶性は第１セルブロック５１に含まれる第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、制御器１１０は、酸化剤ガス供給遮断機構１０４により、第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料電池１０１及び燃料ガス供給器１０２を停止させる、燃料電池システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第１セルブロックを１以上有する第１セルブロック群及びアノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第２セルブロックを１以上有する第２セルブロック群を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池の第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、
制御器と、を備え、
前記第１セルブロック群と前記第２セルブロック群は、電気的に直列に接続され、
前記第１セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第１触媒担持体を有する第１カソード触媒層を有し、
前記第２セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第２触媒担持体を有する第２カソード触媒層を有し、
前記第２カーボン粉末の結晶性は前記第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動させ、かつ、前記酸化剤ガス供給遮断機構により、前記第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、
その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１触媒担持体のＧ−ｂａｎｄピーク半値幅が６０ｃｍ−１以下であり、前記第２触媒担持体のＧ−ｂａｎｄピーク半値幅が６０ｃｍ−１よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２触媒担持体の含水率は、前記第１触媒担持体の含水率よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
８０℃、９０％ＲＨ飽和水蒸気条件下における、前記第１触媒担持体の含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃ以下であり、前記第２触媒担持体の含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃより大きい、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記燃料電池の前記第２セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度の方が、前記第１セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度よりも低くなるように前記燃料電池の発電を制御するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記第２セルブロック群のカソード電位がアノード電位よりも低くなると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２セルブロック群の電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記電圧検出器が検出した電圧が反転すると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第２セルブロック群には、各セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記酸化剤ガスを流す第２セルブロック内部酸化剤ガス流路が設けられ、
前記燃料電池システムは、前記第２セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
前記制御器は、前記圧力検出器が検出する圧力が降下傾向から上昇傾向に変わると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１セルブロックには、該第１セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第１セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、
前記第２セルブロックには、該第２セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第２セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、
前記第１セルブロック内部冷却媒体流路と前記第２セルブロック内部冷却媒体流路は冷却媒体接続経路により直列に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第１セルブロック群及び第２セルブロック群を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池の第２セルブロックへの前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、を備え、
前記第１セルブロック群と前記第２セルブロック群は、電気的に直列に接続され、
前記第１セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第１触媒担持体を有する第１カソード触媒層を有し、
前記第２セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第２触媒担持体を有する第２カソード触媒層を有し、
前記第２カーボン粉末の結晶性は前記第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、
前記酸化剤ガス供給遮断機構が、前記第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断して劣化抑制発電を行い、
その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関し、特に、２つ以上のセルスタックを有する燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）という）は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、電解質層及び一対のガス拡散電極から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケットと、導電性で板状のセパレータと、を有している。セパレータのガス拡散電極と当接する主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状のガス流路が設けられていて、ガス拡散電極と当接する主面の反対側の主面には、発生した熱を回収し、セル内を冷却するための冷却媒体が通流する溝状の冷却媒体流路が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。セルスタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成されている。
【０００３】
このようなＰＥＦＣを家庭用燃料電池に用いる場合には、発生した熱を回収して、家庭の給湯に利用することで、エネルギーの利用効率を高める工夫がなされている。従来、家庭用燃料電池では、給湯に用いられる温水の温度は、６０℃前後であったが、貯湯槽のコンパクト化や床暖房への適用を考えた場合、より高温の温水を利用することが求められている。このような高温の温水を発生させるためには、セルスタック出口の冷却媒体の温度を高くする必要がある。
【０００４】
また、ＰＥＦＣを自動車用燃料電池に用いる場合には、家庭用燃料電池と比べて、高い出力を発生する必要があるため、大量の熱が発生する。したがって、限られた搭載スペースの中でセルスタックを効率よく冷却するためには、冷却媒体と外気との温度差を大きく取る必要がある。したがって、自動車用燃料電池においても、セルスタック出口の冷却媒体の温度をできるだけ高くすることが求められている。
【０００５】
しかしながら、燃料電池スタック出口の冷却媒体の温度を高くするには、セルスタックの運転温度を上げる必要があるが、運転温度を上げると、ＭＥＡ周囲の相対湿度の低下により、高分子電解質膜及び触媒層中に含まれる電解質が乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという問題が生じる。また、ＭＥＡ周囲の相対湿度を上げるには、反応ガスの加湿温度を高めることが有効であるが、このためには、加湿器の性能を上げる必要があり、燃料電池システムのコストアップや大型化につながるというデメリットが生じる。
【０００６】
このような問題に対して、本発明者等が鋭意検討した結果、カソード触媒層に用いるカーボン担体の含水性を大きくすることで、ＭＥＡ周囲の相対湿度が低下した場合においても、比較的高い発電効率が得られることを見出した。
【０００７】
ところで、含水性の大きなカーボンは、結晶性が低い場合が多く、燃料電池システムの停止時に高い電位にさらされることで劣化するため、充分な耐久性を確保することができないという問題があった。このような燃料電池の停止時におけるカーボン劣化の問題に対して、燃料電池停止時に、まず、酸素の供給を停止し、酸素分圧が予め定めた値に達した後、水素の供給を停止する高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法は、燃料電池の発電運転停止後のカソードに残留する酸素濃度を低く抑えることで、高分子電解質形燃料電池の構成部材の腐食を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０００−５１２０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている高分子電解質形燃料電池発電装置の運転方法では、残留酸素を完全に消費することができないため、結晶性の低いカーボンを触媒層に用いた場合には、触媒劣化を充分に防ぐことができず、耐久性を充分に確保できないという点で未だ改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＭＥＡ周囲の相対湿度が低下しやすい運転条件であっても高い性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転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】
【００１１】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第１セルブロックを１以上有する第１セルブロック群及びアノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第２セルブロックを１以上有する第２セルブロック群を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池の第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、制御器と、を備え、前記第１セルブロック群と前記第２セルブロック群は、電気的に直列に接続され、前記第１セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第１触媒担持体を有する第１カソード触媒層を有し、前記第２セルブロック群の前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第２触媒担持体を有する第２カソード触媒層を有し、前記第２カーボン粉末の結晶性は前記第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動させ、かつ、前記酸化剤ガス供給遮断機構により、前記第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる。
【００１２】
これにより、燃料電池システムの停止時に、第２セルブロック群のカソードに残存する酸素濃度を低く抑えることができ、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる。一方、第１セルブロック群には、結晶性の高いカーボンを用いているため、停止時に特別な処理をしなくても大きな劣化を起こすおそれはない。さらに、本発明の燃料電池システムを、低加湿条件で運転した場合、第２セルブロックにより、高い発電性能を発揮することができる。したがって、低加湿条件であっても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１触媒担持体のＧ−ｂａｎｄピーク半値幅が６０ｃｍ−１以下であり、前記第２触媒担持体のＧ−ｂａｎｄピーク半値幅が６０ｃｍ−１よりも大きくてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２触媒担持体の含水率は、前記第１触媒担持体の含水率よりも大きくてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、８０℃、９０％ＲＨ飽和水蒸気条件下における、前記第１触媒担持体の含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃ以下であり、前記第２触媒担持体の含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃより大きくてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料電池の前記第２セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度の方が、前記第１セルブロック群を通流する前記酸化剤ガスの相対湿度よりも低くなるように前記燃料電池の発電を制御するように構成されていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第２セルブロック群のカソード電位がアノード電位よりも低くなると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２セルブロック群の電圧を検出する電圧検出器をさらに備え、前記制御器は、前記電圧検出器が検出した電圧が反転すると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２セルブロック群には、各セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記酸化剤ガスを流す第２セルブロック内部酸化剤ガス流路が設けられ、前記燃料電池システムは、前記第２セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記圧力検出器が検出する圧力が降下傾向から上昇傾向に変わると、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に冷却媒体供給経路を介して冷却媒体を供給する冷却媒体供給器を備え、前記制御器は、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群を通流する前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群を通流する前記冷却媒体の温度よりも低くなるように制御してもよい。
【００２１】
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１セルブロックには、該第１セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第１セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、前記第２セルブロックには、該第２セルブロックを貫通し、かつ、各セルブロックの各セルを分流するようにして前記冷却媒体を流す第２セルブロック内部冷却媒体流路が設けられ、前記第１セルブロック内部冷却媒体流路と前記第２セルブロック内部冷却媒体流路は冷却媒体接続経路により直列に接続されていてもよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムが、アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挾持された電解質層と、を有するセルが積層されてなる第１セルブロック群及び第２セルブロック群を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の前記第１セルブロック群及び前記第２セルブロック群に酸化剤ガス供給経路を介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池の第２セルブロックへの前記酸化剤ガスの供給を遮断するように構成された酸化剤ガス供給遮断機構と、を備え、前記第１セルブロック群と前記第２セルブロック群は、電気的に直列に接続され、前記第１セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第１触媒担持体を有する第１カソード触媒層を有し、前記第２セルブロックの前記カソードは、電極触媒と該電極触媒を担持する第１カーボン粉末を含む第２触媒担持体を有する第２カソード触媒層を有し、前記第２カーボン粉末の結晶性は前記第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、前記酸化剤ガス供給遮断機構が、前記第２セルブロック群への前記酸化剤ガスの供給を遮断して劣化抑制発電を行い、その後、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止させる。
【００２３】
これにより、燃料電池システムの停止時に、第２セルブロック群のカソードに残存する酸素濃度を低く抑えることができ、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することができる。また、低加湿条件であっても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池システムの停止時に、結晶性の低いカーボンの劣化を抑制することが可能となる。また、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法では、低加湿条件で運転を行っても高い電池性能を発揮し、かつ、高い耐久性を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す燃料電池の第２セルブロックの概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、図３に示す第２セルブロックの第２セルの概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの停止動作を模式的に示すフローチャートである。
【図６】図６は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例１の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例２の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例３の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの停止動作を模式的に示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、評価試験１の結果を示した表である。
【図１２】図１２は、評価試験２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、第１セルブロック群と第２セルブロック群を有する燃料電池と、燃料ガス供給器と、酸化剤ガス供給器と、酸化剤ガス供給遮断機構と、制御器と、を備え、第２セルブロック群のカソードに含まれる第２カーボン粉末の結晶性が、第１セルブロック群のカソードに含まれる第１カーボン粉末の結晶性よりも低く、制御器が、酸化剤ガス供給遮断機構により第２セルブロック群への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料ガス供給器及び酸化剤ガス供給器を停止させる態様を例示するものである。
【００２８】
［燃料電池システムの構成］
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図１においては、燃料電池システムの発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示し、図２においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、第１セルブロック５１と第２セルブロック５２を有する燃料電池１０１と、燃料ガス供給器１０２と、酸化剤ガス供給器１０３と、酸化剤ガス供給遮断機構１０４と、制御器１１０と、を備えている。そして、制御器１１０が、酸化剤ガス供給遮断機構１０４により第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断させて劣化抑制発電を行い、その後、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止させる。
【００３０】
燃料ガス供給器１０２には、燃料ガス供給経路１３２を介して燃料電池１０１の第２セルブロック５２（正確には、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの入口）が接続されている。燃料ガス供給器１０２は、燃料電池１０１に燃料ガス（水素ガス）をその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態１においては、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等の水素ガスを供給するように構成された機器と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。
【００３１】
水素生成装置は、原料ガス（例えば、メタンガスやプロパンガス等）と水から燃料ガスを生成するように構成されている。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
【００３２】
酸化剤ガス供給器１０３には、酸化剤ガス供給経路１３３を介して、燃料電池１０１の第２セルブロック５２（正確には、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの入口）が接続されている。また、酸化剤ガス供給器１０３は、燃料電池１０１に酸化剤ガス（空気）を例えば、その流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。本実施の形態１においては、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。
【００３３】
加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、冷却媒体が水である場合、冷却媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
【００３４】
第２セルブロック５２の第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの出口には、燃料ガス接続経路１３４を介して第１セルブロック５１（正確には、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａの入口）が接続されている。第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａの出口には、燃料ガス排出経路１３６が接続されている。また、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの出口には、酸化剤ガス接続経路１３５を介して第１セルブロック５１（正確には、第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂの入口）が接続されている。第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂの出口には、酸化剤ガス排出経路１３７が接続されている。
【００３５】
これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路１３２を通流して、燃料電池１０１（正確には、第２セルブロック５２）に供給され、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路１３３を通流して、燃料電池１０１（正確には、第２セルブロック５２）に供給される。
【００３６】
第２セルブロック５２に供給された燃料ガスは、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａを通流して、燃料ガス接続経路１３４から第１セルブロック５１に供給される。また、第２セルブロック５２に供給された酸化剤ガスは、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂを通流して、酸化剤ガス接続経路１３５から第１セルブロック５１に供給される。
【００３７】
そして、第１セルブロック５１に供給された燃料ガスは、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａを通流する。第２セルブロック５２及び第１セルブロック５１で使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路１３６に排出される。また、第１セルブロック５１に供給された酸化剤ガスは、第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂを通流する。第１セルブロック５１及び第２セルブロック５２で使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３７に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから燃料電池システム１００外（大気中）に排出してもよく、燃料ガス供給器１０２が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器（図示せず）に供給されてもよい。
【００３８】
酸化剤ガス供給経路１３３と酸化剤ガス接続経路１３５の途中には、酸化剤ガス供給遮断機構１０４がこれらの経路を跨ぐようにして配設されている。酸化剤ガス供給遮断機構１０４は、燃料電池１０１の第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断するように構成されている。具体的には、酸化剤ガス供給遮断機構１０４は、酸化剤ガス供給切替器１０４Ａと酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂを有している。酸化剤ガス供給切替器１０４Ａは、本実施の形態１においては、三方弁で構成されていて、酸化剤ガス供給経路１３３を通流する酸化剤ガスの供給先（通流先）を第２セルブロック５２と酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂとの間で切替えるように構成されている。酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂは、その上流端が、酸化剤ガス供給切替器１０４Ａに接続されていて、その下流端が酸化剤ガス接続経路１３５の途中に接続されている。
【００３９】
また、燃料電池システム１００は、冷却媒体供給器１０５を備えている。冷却媒体供給器１０５は、燃料電池１０１の第２セルブロック５２（正確には、第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃの入口）が接続されている。冷却媒体供給器１０５は、例えば、外部から供給された冷却媒体を貯えるタンクと、冷却媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。冷却媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や冷却媒体を加熱するヒータ等の加熱器や冷却媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、冷却媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。なお、本実施の形態１においては、冷却媒体供給器１０５は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されず、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。
【００４０】
第２セルブロック５２の第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃの出口には、冷却媒体接続流路１３９を介して第１セルブロック５１（正確には、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの入口）が接続されている。第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの出口には、冷却媒体排出経路１４０が接続されている。
【００４１】
これにより、適宜の温度に調整された冷却媒体が、冷却媒体供給器１０５から冷却媒体供給経路１３８を通流して第２セルブロック５２に供給される。第２セルブロック５２に供給された冷却媒体は、第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃを通流して、冷却媒体接続流路１３９から第１セルブロック５１に供給される。第１セルブロック５１に供給された冷却媒体は、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃを通流して、冷却媒体排出経路１４０から燃料電池システム１００外に排出される。このようにして、燃料電池１０１の温度を冷却媒体供給器１０５によって調整される。なお、本実施の形態１においては、冷却媒体が、燃料電池システム１００外に排出する形態を採用したが、これに限定されず、冷却媒体供給器１０５と燃料電池１０１とを循環する形態を採用してもよい。
【００４２】
また、燃料電池１０１の第２セルブロック５２と第１セルブロック５１は、電気配線１６１により電気的に接続されている。第２セルブロック５２には、該第２セルブロック５２内の電圧を検出する電圧検出器１０６が設けられている。電圧検出器１０６は、検出した第２セルブロック５２の電圧を制御器１１０に出力するように構成されている。さらに、燃料電池１０１には、燃料電池１０１内で発電した電力を外部電力負荷に供給するための電力調整器１０７が設けられている。電力調整器１０７は、例えば、燃料電池１０１で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整器１０７は、制御器１１０の制御により、燃料電池１０１から取り出す電力を調整している。
【００４３】
また、制御器１１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、燃料電池システム１００の各機器を制御することにより、燃料電池システム１００の発電運転等の各制御を行うように構成されている。そして、制御器１１０は、例えば、ＣＰＵ、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。ここで、本発明において、制御器は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１１０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
【００４４】
なお、本実施の形態１においては、第２セルブロック５２の第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａと第１セルブロック５１の第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａとを直列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａと第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａとを並列に接続する形態を採用してもよい。ここで、２つの流路が直列に接続するとは、一方の流路の下流端（出口）と他方の流路の上流端（入口）とが接続することをいう。また、２つの流路が並列に接続するとは、一方の流路の上流端（入口）と他方の流路の上流端（入口）とが接続することをいう。
【００４５】
同様に、第２セルブロック５２の第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃと第１セルブロック５１の第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃとを直列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃと第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃとを並列に接続する形態を採用してもよい。なお、燃料電池１０１から排出される冷却媒体の温度を容易に高温にする観点から、第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃと第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃは直列に接続する形態を採用することが好ましい。
【００４６】
［燃料電池の構成］
次に、燃料電池１０１の第２セルブロック５２の構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示す燃料電池１０１の第２セルブロック５２の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、第１セルブロック５１は、第２セルブロック５２と基本的構成は同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
図３に示すように、板状の全体形状を有する第２セル２２がその厚み方向に積層されてなるセル積層体７０と、セル積層体７０の両端に配置された端板６１、６２と、端板６１、セル積層体７０、及び端板６２を第２セル２２の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、端板６１とセル積層体７０の間及び端板６２とセル積層体７０の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
【００４８】
セル積層体７０には、該セル積層体７０の第２セル２２の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド３２、燃料ガス排出マニホールド３４、酸化剤ガス供給マニホールド３３、酸化剤ガス排出マニホールド３５、冷却媒体供給マニホールド３８、及び冷却媒体排出マニホールド３９が設けられている。なお、第２セル２２の積層方向における酸化剤ガスと冷却媒体の通流方向は、面内の湿度分布をできるだけ小さくするという観点から、同じであることが好ましい。
【００４９】
そして、燃料ガス供給マニホールド３２、後述する第２セル２２に設けられた燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド３４が第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａを構成し、酸化剤ガス供給マニホールド３３、第２セル２２に設けられた酸化剤ガス流路９、及び酸化剤ガス排出マニホールド３５が第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂを構成する。また、冷却媒体供給マニホールド３８、第２セル２２に設けられた冷却媒体流路１０、及び冷却媒体排出マニホールド３９が第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃを構成する。
【００５０】
［セルの構成］
次に、第１セルブロック５１を構成する第１セル２１及び第２セルブロック５２を構成する第２セル２２の構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。なお、第１セル２１と第２セル２２は、基本的構成は同じであるため、第１セル２１については、第２セル２２との相違点のみを説明する。
【００５１】
図４は、図３に示す第２セルブロック５２の第２セル２２の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、一部を省略している。
【００５２】
図４に示すように、第２セル２２は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００５３】
まず、ＭＥＡ５について説明する。
【００５４】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００５５】
アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、電極触媒と、該電極触媒を担持した第２カーボン粉末と高分子電解質を含む第２触媒担持体と、を有するアノード触媒層２Ａと、アノード触媒層２Ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、電極触媒と、該電極触媒を担持した第２カーボン粉末と高分子電解質を含む第２触媒担持体と、を有するカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。
【００５６】
なお、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含んでもよい。また、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。また、触媒担持体として使用するカーボン粉末は、ラマン分光測定によるＤ−ｂａｎｄピーク半値幅が５〜２００ｃｍ−１の範囲のものであることが好ましい。また、触媒担持体は、水分吸脱着測定器を用いて、８０℃、９０％ＲＨ飽和水蒸気条件下で測定された含水率が、０．０１〜１０ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃであることが好ましい。ここで、触媒担持体の含水率（ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃ）は、電極触媒とカーボン粉末を含む触媒担持体を水分吸脱着測定器を用いて測定し、炭素元素あたりの水分量として換算したものである。
【００５７】
また、電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも１以上の金属であることが好ましい。なかでも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも１以上の金属との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノード触媒層２Ａにおいて触媒の活性が安定することから特に好ましい。
【００５８】
ところで、燃料電池１０１の触媒層（アノード触媒層２Ａとカソード触媒層２Ｂの両方を指す）は、その運転条件が低加湿条件になった場合でも高い発電効率を発揮させるためには、含水率が大きい方が好ましい。一般に、結晶性の高いカーボン粉末は、含水率が小さい場合が多く、逆に、結晶性の低いカーボン粉末は、含水率が大きい場合が多い。一方、燃料電池システム１００の運転停止時における触媒層の劣化を抑制する観点からは、結晶性の高いカーボン粉末を使用する方が好ましい。
【００５９】
そこで、本発明においては、後述するように、燃料電池システム１００の運転停止時に、第２セルブロック５２を高電位にさらさないようにして、触媒層の劣化を抑制している。そして、低加湿条件でも高い発電性能を発揮するように、第２セル２２のカソード触媒層２Ｂを構成する第２触媒担持体に含まれる第２カーボン粉末は、その結晶性が、第１セル２１のカソード触媒層２Ｂを構成する第１触媒担持体に含まれる第１カーボン粉末の結晶性よりも低いものを使用している。一方、第１セルブロック５１は、燃料電池システム１００の運転停止時に、高電位にさらされるおそれがあるため、第１セル２１のカソード触媒層２Ｂを構成する第１触媒担持体に含まれる第１カーボン粉末を結晶性の高いものを使用している。
【００６０】
具体的には、第１触媒担持体は、第１カーボン粉末の結晶性を高める観点から、ラマン分光測定によるＤ−ｂａｎｄピーク半値幅が小さい方が好ましく、６０ｃｍ−１以下であることが好ましく、５２ｃｍ−１以下であることがより好ましい。一方、第２触媒担持体は、低加湿条件でも高い発電性能を発揮させる観点から、ラマン分光測定によるＤ−ｂａｎｄピーク半値幅が６０ｃｍ−１よりも大きいことが好ましい。同様の観点から、第２触媒担持体は、第１触媒担持体よりもその含水率が大きいほうが好ましく、その含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃよりも大きいほうが好ましい。また、第１触媒担持体は、その含水率が０．３１ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−Ｃ以下であることが好ましい。
【００６１】
次に、第２セル２２の他の要素について説明する。
【００６２】
ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、第２セルブロック５２内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる酸化剤ガス排出マニホールド孔等のマニホールド孔（図示せず）が設けられている。
【００６３】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の第２セル２２をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００６４】
アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。
【００６５】
なお、燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路９は、いわゆる対向流となるように設けてられていてもよく、いわゆる並行流となるように設けられていてもよい。ここで、対向流とは、第１セル２１（又は第２セル２２）の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが並走するように流れる部分を有するが、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。また、並行流とは、第１セル２１（又は第２セル２２）の厚み方向から見て、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが反対になるように流れる部分を有するが、巨視的に（全体として）酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が一致するように構成されていることをいう。
【００６６】
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
【００６７】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図２及び図５を参照しながら説明する。図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の停止動作を模式的に示すフローチャートである。
【００６８】
なお、ここでは、燃料電池システム１００の停止動作について説明し、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転動作（発電動作）については、一般的な燃料電池システムの運転動作と同様に行われるため、その詳細な説明するが、以下のことを注記する。制御器１１０は、燃料電池システム１００の発電動作時には、第２セルブロック５２の第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂを通流する酸化剤ガスの方が、第１セルブロック５１の第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂを通流する酸化剤ガスよりも、その相対湿度が低くなるように、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、及び冷却媒体供給器１０５を制御している。
【００６９】
具体的には、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、及び冷却媒体供給器１０５から供給される燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流量と燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿量を制御することで、第２セルブロック５２の第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂを通流する酸化剤ガスの方が、第１セルブロック５１の第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂを通流する酸化剤ガスよりも、その相対湿度が低くすることができる。
【００７０】
まず、予め設定された燃料電池システム１００の運転停止時間になった場合や使用者がリモコンを操作して燃料電池システム１００の運転停止を指示したような場合、制御器１１０は、燃料電池システム１００の各機器に運転停止指令を出力する（ステップＳ１０１）。
【００７１】
次に、制御器１１０は、酸化剤ガス供給遮断機構１０４に第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給遮断指令を出力する（ステップＳ１０２）。これにより、酸化剤ガス供給遮断機構１０４の酸化剤ガス供給切替器１０４Ａは、酸化剤ガスの供給先を第２セルブロック５２から酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂに切替える。そして、燃料電池システム１００は、劣化抑制発電を行う。
【００７２】
ここで、劣化抑制発電とは、第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断した状態で、発電運転を行うことをいう。劣化抑制発電を行っている間、第１セルブロック５１では、電力が発生する。一方、第２セルブロック５２には、酸化剤ガスが供給されない。このため、第２セルブロック５２では、第１セルブロック５１で発生した電力を用いて、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の酸化剤ガスが、電気化学的な反応により消費される。
【００７３】
次に、制御器１１０は、電圧検出器１０６が検出した電圧を取得する（ステップＳ１０３）。ついで、制御器１１０は、ステップＳ１０３で取得した電圧が、反転したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。上述したように、第２セルブロック５２では、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の酸化剤ガスが消費される。そして、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内に残留する酸化剤ガスが充分に低減される（第２セルブロック５２内の酸化剤ガスがほぼ完全に消費される）と、カソード電極４Ｂでは、水素生成反応が生じるため、第２セルブロック５２の電圧が反転する。
【００７４】
すなわち、本実施の形態１においては、第２セルブロック５２の電圧を検出することで、第２セルブロック５２のカソード電極４Ｂの電位がアノード電極４Ａの電位よりも低くなった状態を検出するようにしている。なお、第２セルブロック５２の電圧の反転は、電圧検出器１０６の正極を第２セルブロック５２のカソード電極４Ｂに接続している場合には、電圧検出器１０６で検出された電圧がプラスの値からマイナスの値を示すと電圧が反転したと判断することができる。また、電圧検出器１０６の正極を第２セルブロック５２のアノード電極４Ａに接続している場合には、マイナスの値からプラスの値を示すと電圧が反転したと判断することができる。
【００７５】
制御器１１０は、電圧が反転していない場合には（ステップＳ１０４でＮｏ）、ステップＳ１０３に戻り、電圧が反転するまで、ステップＳ１０３とステップＳ１０４を繰り返す。一方、制御器１１０は、電圧が反転した場合には（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。
【００７６】
ステップＳ１０５では、制御器１１０は、電力調整器１０７に外部電力負荷への電力供給を停止させる。ついで、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３に燃料電池１０１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ１０６）。
【００７７】
［燃料電池システムの作用効果］
このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の停止時に、第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断させるとともに、第１セルブロック５１へは酸化剤ガスの供給を継続させることにより、第２セルブロック５２内に残存する酸化剤ガスをより充分に低減することができる。そして、上述したように、結晶性の低い第２カーボン粉末を使用している第２セルブロック５２では、残存する酸化剤ガスを充分に低減することにより、触媒層の劣化を充分に抑制することができる。一方、第１セルブロック５１の触媒層には、結晶性の高い第１カーボン粉末を用いているため、燃料電池システム１００の停止時に、触媒層が高い電位にさらされても、触媒層の劣化を抑制することができる。
【００７８】
さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、第２セルブロック５２に結晶性の低い第２カーボン粉末を使用することで、発電運転時には、高い発電性能を発揮することができ、特に、燃料電池１０１に供給する反応ガスを低加湿条件にした場合に、高い発電性能を発揮することができる。
【００７９】
なお、本実施の形態１においては、制御器１１０は、燃料電池１０１を通流する燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの露点が、燃料電池１０１を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、すなわち、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスが低加湿条件となるように、冷却媒体供給器１０５、燃料ガス供給器１０２及び／又は酸化剤ガス供給器１０３を制御してもよい。
【００８０】
また、本実施の形態１においては、酸化剤ガス供給遮断機構１０４は、三方弁で酸化剤ガス供給切替器１０４Ａを構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス供給経路１３３の酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂが接続された部分よりも下流側の部分と酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂのそれぞれに設けた開閉弁で酸化剤ガス供給切替器１０４Ａを構成してもよい。また、第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給の遮断をより確実に行うために、酸化剤ガス接続経路１３５の酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂが接続された部分よりも上流側に設けた開閉弁と、酸化剤ガス供給切替器１０４Ａと、酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂと、から酸化剤ガス供給遮断機構１０４を構成してもよい。
【００８１】
さらに、本実施の形態１においては、電圧検出器１０６が検出する電圧により、第２セルブロック５２のカソード電極４Ｂの電位が、アノード電極４Ａの電位よりも低くなったか否かを判断する形態を採用したが、これに限定されず、例えば、予め実験等で第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給を遮断してから、第２セルブロック５２のカソード電極４Ｂの電位が、アノード電極４Ａの電位よりも低くなる時間Ｔを求めておき、当該時間Ｔを過ぎると、外部電力負荷への電力供給を停止して、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止させる形態を採用してもよい。
【００８２】
［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の変形例について説明する。
【００８３】
図６は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例１の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図６においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
【００８４】
図６に示すように、本変形例１の燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック５１が第２セルブロック５２よりも上流側に配置されている点が異なる。このため、燃料ガス供給器１０２には、燃料ガス供給経路１３２を介して、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａの入口が接続されている。酸化剤ガス供給器１０３には、酸化剤ガス供給経路１３３を介して、第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂの入口が接続されている。冷却媒体供給器１０５には、冷却媒体供給経路１３８を介して、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの入口が接続されている。
【００８５】
また、燃料ガス接続経路１３４は、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａの出口と第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの入口を接続している。酸化剤ガス接続経路１３５は、第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂの出口と第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの入口を接続している。冷却媒体接続流路１３９は、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの出口と第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃの入口を接続している。
【００８６】
さらに、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの出口には、燃料ガス排出経路１３６が接続されている。第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの出口には、酸化剤ガス排出経路１３７が接続されている。第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃの出口には、冷却媒体排出経路１４０が接続されている。
【００８７】
そして、酸化剤ガス供給遮断機構１０４は、酸化剤ガス接続経路１３５と酸化剤ガス排出経路１３７を跨ぐように配設されている。具体的には、酸化剤ガス供給切替器１０４Ａが酸化剤ガス接続経路１３５の途中に設けられていて、酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂは、その上流端が、酸化剤ガス供給切替器１０４Ａに接続されていて、その下流端が酸化剤ガス排出経路１３７の途中に接続されている。
【００８８】
このように構成された本変形例１の燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００８９】
［変形例２］
図７は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例２の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図７においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
【００９０】
図７に示すように、本変形例２の燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック５１に設けられた各流路と第２セルブロック５２に設けられた各流路とが並列に接続されている点が異なる。
【００９１】
具体的には、燃料ガス接続経路１３４の上流端が、燃料ガス供給経路１３２の途中に接続されていて、燃料ガス供給経路１３２と燃料ガス接続経路１３４により、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの入口と第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａの入口とが並列に接続されている。また、第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａの出口には、燃料ガス排出経路１３６が接続されている。これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路１３２に供給された燃料ガスは、その一部が燃料ガス接続経路１３４に分流される。このようにして、燃料ガスが第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａと第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａのそれぞれに供給される。第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａ及び第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａに供給された燃料ガスは、それぞれ、燃料ガス排出経路１３６から排出される。
【００９２】
また、酸化剤ガス接続経路１３５の上流端は、酸化剤ガス供給経路１３３の途中に接続されていて、酸化剤ガス供給経路１３３と酸化剤ガス接続経路１３５により、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの入口と第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂの入口とが並列に接続されている。また、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂの出口には、酸化剤ガス排出経路１３７が接続されている。これにより、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路１３３に供給された酸化剤ガスは、その一部が酸化剤ガス接続経路１３５に分流される。このようにして、酸化剤ガスが第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂと第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂのそれぞれに供給される。第１セルブロック内部酸化剤ガス流路５１Ｂと第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂに供給された酸化剤ガスは、それぞれ、酸化剤ガス排出経路１３７から排出される。
【００９３】
さらに、冷却媒体接続流路１３９は、その上流端が冷却媒体供給経路１３８の途中に接続されていて、冷却媒体供給経路１３８と冷却媒体接続流路１３９により、第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃの入口と第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの入り口とが並列に接続されている。また、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃの出口には、冷却媒体排出経路１４０が接続されている。これにより、冷却媒体供給器１０５から冷却媒体供給経路１３８に供給された冷却媒体は、その一部が冷却媒体接続流路１３９に分流される。このようにして、冷却媒体が第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃと第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃに供給される。第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃと第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃに供給された冷却媒体は、それぞれ、冷却媒体排出経路１４０から排出される。
【００９４】
そして、本変形例２の燃料電池システム１００では、酸化剤ガス供給遮断機構１０４が開閉弁で構成されていて、酸化剤ガス供給経路１３３の途中に配設されている。また、酸化剤ガスバイパス経路１０４Ｂは、酸化剤ガス接続経路１３５が兼ねている。このため、燃料電池システム１００の運転停止動作では、酸化剤ガス供給遮断機構１０４である開閉弁が、その弁体を閉止することで、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂへの酸化剤ガスの供給を遮断する。
【００９５】
このように構成された本変形例２の燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００９６】
なお、本変形例２の燃料電池システム１００では、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃと第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃを並列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、第１セルブロック冷却媒体内部流路５１Ｃと第２セルブロック冷却媒体内部流路５２Ｃを直列に接続する形態を採用してもよい。また、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａと第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａを並列に接続する形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、第１セルブロック内部燃料ガス流路５１Ａと第２セルブロック内部燃料ガス流路５２Ａを直列に接続する形態を採用してもよい。
【００９７】
［変形例３］
図８は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例３の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図８においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
【００９８】
図８に示すように、本変形例３の燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１セルブロック５１が複数（ここでは２つ）設けられている点が異なる。具体的には、反応ガスの通流方向から見て、第１セルブロック５１の下流側に更に第１セルブロック５１が配置されていて、これらの第１セルブロック５１が直列に接続されている。
【００９９】
なお、以下の説明では、反応ガスの通流方向から見て、上流側に配置されている第１セルブロック５１を上流側第１セルブロック５１といい、下流側に配置されている第１セルブロック５１を下流側第１セルブロック５１という。
【０１００】
より詳細には、上流側第１セルブロック５１と下流側第１セルブロック５１は、燃料ガス接続経路１３４、酸化剤ガス接続経路１３５、及び冷却媒体接続流路１３９により直列に接続されている。また、下流側第１セルブロック５１には、燃料ガス排出経路１３６、酸化剤ガス排出経路１３７、及び冷却媒体排出経路１４０がそれぞれ接続されている。なお、本変形例３では、第２セルブロック５２と上流側第１セルブロック５１及び下流側第１セルブロック５１とを直列に接続したが、これに限定されず、第２セルブロック５２と上流側第１セルブロック５１及び下流側第１セルブロック５１とを並列に接続してもよく、上流側第１セルブロック５１又は下流側第１セルブロック５１のいずれか一方の第１セルブロック５１を、第２セルブロック５２と直列に接続して、他方の第１セルブロック５１２を第２セルブロック５２と並列に接続してもよい。
【０１０１】
このように構成された本変形例３の燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【０１０２】
なお、本変形例３の燃料電池システム１００では、複数の第１セルブロック５１、すなわち、第１セルブロック群を備える形態を採用したが、これに限定されず、複数の第２セルブロック５２、すなわち、第２セルブロック群を備える形態を採用してもよい。この場合、第２セルブロック群と１の第１セルブロック５１を備える形態を採用してもよく、本変形例のように、１の第２セルブロック５２と第１セルブロック群を備える形態を採用してもよく、また、第２セルブロック群と第１セルブロック群を備える形態を採用してもよい。また、第１セルブロック５１と第２セルブロック５２は直列に接続してもよく、並列に接続してもよい。さらに、第１セルブロック（群）と第２セルブロック（群）を直列に接続する場合、反応ガスの通流方向から見て、その並ぶ順は限定されない。
【０１０３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路の圧力を検出する圧力検出器を備える態様を例示するものである。
【０１０４】
［燃料電池システムの構成］
図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図９においては、燃料電池システムの劣化抑制発電運転時における反応ガス及び冷却媒体の流れを示している。
【０１０５】
図９に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、電圧検出器１０６に代えて、第２セルブロック５２の第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の圧力を検出する圧力検出器１０８が設けられている点が異なる。圧力検出器１０８は、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の圧力を検出して、検出した圧力を制御器１１０に出力することができればどのような形態であってもよい。
【０１０６】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の動作について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図１０は、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の停止動作を模式的に示すフローチャートである。
【０１０７】
図１０に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の停止動作は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の停止動作と基本的には同じであるが、ステップＳ１０３とステップＳ１０４に代えて、ステップＳ１０３ＡとステップＳ１０４Ａを行う点が異なる。具体的には、制御器１１０は、酸化剤ガス供給遮断機構１０４に第２セルブロック５２への酸化剤ガスの供給遮断指令を出力して（ステップＳ１０２）、劣化抑制発電を行わせた後に、圧力検出器１０８が検出した圧力を取得する（ステップＳ１０３Ａ）。
【０１０８】
次に、制御器１１０は、ステップＳ１０３Ａで取得した圧力が、下降傾向から上昇傾向に変わったか否かを判定する（ステップＳ１０４Ａ）。上述したように、第２セルブロック５２では、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の酸化剤ガスが消費される。そして、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内に残留する酸化剤ガスが充分に低減される（第２セルブロック５２内の酸化剤ガスがほぼ完全に消費される）と、カソード電極４Ｂでは、水素生成反応が生じる。このため、第２セルブロック５２の第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の圧力は、減少した後に増加する。
【０１０９】
すなわち、本実施の形態２においては、第２セルブロック内部酸化剤ガス流路５２Ｂ内の圧力を検出することで、第２セルブロック５２のカソード電極４Ｂの電位がアノード電極４Ａの電位よりも低くなった状態を検出するようにしている。
【０１１０】
そして、制御器１１０は、圧力が下降傾向から上昇傾向に変わっていない場合（圧力が増加していない場合）には（ステップＳ１０４ＡでＮｏ）、ステップＳ１０３Ａに戻り、圧力が増加するまで、ステップＳ１０３ＡとステップＳ１０４Ａを繰り返す。一方、制御器１１０は、圧力が増加した場合には（ステップＳ１０４ＡでＹｅｓ）、ステップＳ１０５に進んで、電圧検出器１０６に外部電力負荷への電力供給を停止させて、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止させる（ステップＳ１０６）。
【０１１１】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【０１１２】
次に、実験例について説明する。
【０１１３】
［実験例］
まず、以下のようにして、燃料電池（単セル）１０１を作製した。
【０１１４】
カソード触媒層２Ｂに用いる触媒担持体として、白金コバルト合金粒子（電気触媒）をそれぞれ種類の異なるカーボン粉末に担持した触媒担持体Ａ、触媒担持体Ｂ、及び触媒担持体Ｃを用意した。なお、触媒担持体Ａ〜Ｃの結晶性（Ｇ−ｂａｎｄピーク半値幅と含水率）については、後述する。そして、各触媒担持体と水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液（旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ）を、エタノールと水との混合分散媒（質量比１：１）に分散させてカソード触媒層形成用インクを調製した。このとき、カーボン粉末の質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）が０．８となるように、高分子電解質溶液の質量を調整した。
【０１１５】
次に、得られたカソード触媒層形成用インクを用い、高分子電解質膜１（ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳＩＩ）の一方の面に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ２で寸法が１４０ｍｍ×１４０ｍｍのカソード触媒層２Ｂを形成した。
【０１１６】
一方、アノード触媒層２Ａに用いる触媒担持体としては、白金ルテニウム合金粒子（電極触媒）を比表面積８００ｍ２／ｇのカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持体（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ６１Ｅ５４）を用いた。この触媒担持体と高分子電解質溶液（旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ）を、エタノールと水との混合分散媒（質量比１：１）に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製した。このとき、カソード触媒層２Ｂのときと同様に、カーボン粉末の質量ＷＣａｔ−Ｃに対する高分子電解質の質量ＷＰの比（ＷＰ／ＷＣａｔ−Ｃ）が０．８となるように、高分子電解質溶液の質量を調整した。
【０１１７】
次に、得られたアノード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜１のカソード触媒層２Ｂが形成された面とは反対側の面（高分子電解質膜１の他方の面）に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が０．１ｍｇ／ｃｍ２で寸法が１４０ｍｍ×１４０ｍｍのアノード触媒層２Ａを形成して、膜−触媒層接合体を作成した。
【０１１８】
上記のようにして作製した膜−触媒層接合体を用い、以下のようにして膜電極接合体を作製した。
【０１１９】
ガス拡散層を形成するために、厚みが２７０μｍのカーボンクロス（三菱化学（株）製のＳＫ−１）を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のＮＤ−１）に含浸した後、乾燥することで上記カーボンクロスに撥水性を付与した（撥水処理）。
【０１２０】
続いて、撥水処理後のカーボンクロスの一方の面（全面）に撥水カーボン層を形成した。具体的には、導電性カーボン粉末（電気化学工業（株）製のデンカブラック）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末を分散させた水溶液（ダイキン工業（株）製のＤ−１）とを混合し、撥水カーボン層形成用インクを調製した。この撥水カーボン層形成用インクを、ドクターブレード法によって、上記撥水処理後のカーボンクロスの一方の面に塗布し、撥水カーボン層を形成した。このとき、撥水カーボン層の一部は、上記カーボンクロスの中に埋めこまれていた。
【０１２１】
次に、撥水処理及び撥水カーボン層形成後のカーボンクロスを、ＰＴＦＥの融点以上の温度である３５０℃で３０分間焼成して、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層における撥水カーボン層の中央部分が、アノード触媒層２Ａ（又はカソード触媒層２Ｂ）に接するように、２枚のガス拡散層で膜−触媒層接合体を挟み、全体をホットプレス機で熱圧着（１２０℃、３０分、１０ｋｇｆ／ｃｍ２）することにより、ＭＥＡ５を得た。
【０１２２】
このようにして得られたＭＥＡ５の高分子電解質膜１の周辺部にガスケット７を配置し、ＭＥＡ５とガスケット７をアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂで挟持して、締結具で締結し、燃料電池１０１を作製した。
【０１２３】
（評価試験１）
評価試験１では、低加湿条件における燃料電池１０１の発電性能及び触媒担持体Ａ〜ＣのＧ−ｂａｎｄピーク半値幅と含水率を測定した。
【０１２４】
具体的には、燃料電池１０１の温度が９０℃になるように、冷却媒体流路１０に冷却媒体（ここでは、水）を通流させ、燃料ガスとして７５％水素＋２５％二酸化炭素の混合ガスを燃料ガス流路８に供給し、酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス流路９に供給した。このとき、燃料ガス及び空気の露点は、ともに６５℃となるように加湿してから供給した。
【０１２５】
そして、電流密度を０．１６ｍＡ／ｃｍ２、水素ガス利用率を７５％、空気利用率を５５％に設定し、１２時間経過後の燃料電池１０１の出力電圧を測定した。また、触媒担持体Ａ〜ＣのＧ−ｂａｎｄピーク半値幅をラマン分光測定装置にて測定した。さらに、触媒担持体Ａ〜Ｃの８０℃、９０％ＲＧ飽和水蒸気条件下での含水率を水分吸脱着測定器を用いて測定した。これらの結果を図１１に示す。
【０１２６】
図１１は、評価試験１の結果（触媒担持体Ａ〜Ｃを用いた燃料電池（単電池）の電圧（相対値）及び触媒担持体Ａ〜ＣのＧ−ｂａｎｄピーク半値幅、８０℃、９０％ＲＨ飽和水蒸気における含水率）を示した表である。図１１に示すように、含水率が大きい触媒担持体Ａは、Ｄ−ｂａｎｄピーク半値幅が大きく、結晶性が低いことがわかる。また、触媒担持体Ａを使用した燃料電池１０１では、電池性能は高いことがわかる。一方、含水率が小さい触媒担持体Ｂ及び触媒担持体Ｃは、結晶性が高いが、これらの触媒担持体を用いた燃料電池１０１は、電池性能は低いことがわかる。
【０１２７】
（評価試験２）
評価試験２では、上記のようにして作製した３種類の燃料電池１０１の起動（発電）／停止の繰り返しに伴う触媒劣化試験を燃料電池１０１の電圧を測定することにより行った。
【０１２８】
具体的には、燃料電池１０１の温度が６５℃になるように、冷却媒体供給器１０５から冷却媒体供給経路１３８を介して、冷却媒体内部流路に冷却媒体（ここでは、水）を通流させた。また、燃料ガスとして７５％水素＋２５％二酸化炭素の混合ガスを燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路１３２を介して、燃料ガス内部流路に供給した。酸化剤ガスとして空気を酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路１３３を介して、酸化剤ガス内部流路に供給した。このとき、燃料ガス及び空気の露点は、ともに６５℃となるように加湿してから供給した。
【０１２９】
そして、燃料ガス及び空気を供給した状態で、２分間、開回路状態を保った（燃料電池１０１の起動）。ついで、電流密度を０．１６ｍＡ／ｃｍ２、水素ガス利用率を７５％、空気利用率を５５％で発電し（燃料電池１０１の発電）、燃料電池１０１の出力電圧を測定した。そして、発電開始から２８分後に、再び、開回路状態に戻し、燃料ガス及び空気の供給を停止した。その際、燃料ガス内部流路及び酸化剤ガス内部流路の入口は、それぞれ、燃料ガス供給経路１３２及び酸化剤ガス供給経路１３３の途中に設けたバルブにより封止した。また、燃料ガス内部流路及び酸化剤ガス内部流路の出口は、それぞれの出口に接続された燃料ガス排出経路１３６及び酸化剤ガス排出経路１３７の下流端を水中に浸すことで封止した。この状態を３０分間継続した（燃料電池１０１の停止）。その後、再び燃料電池１０１を起動し、発電、及び停止といった一連の操作を繰り返した。この結果を図１２に示す。
【０１３０】
図１２は、評価試験２の結果を示すグラフである。図１２に示すように、触媒担持体Ｂ及び触媒担持体Ｃをそれぞれ使用した燃料電池１０１では、起動／停止繰り返し試験前の電圧と起動／停止繰り返しを４０００回行った後の電圧を比較した電圧劣化率が、５％以下であった。一方、触媒担持体Ａを使用した燃料電池１０１では、起動／停止繰り返し試験前の電圧と起動／停止繰り返しを１６００回行った後の電圧を比較した電圧劣化率が、８％以上低下した。したがって、触媒担持体Ｂ及び触媒担持体Ｃを用いた燃料電池１０１では、通常の停止処理を行っても実用に耐え得る耐久性を有するが、触媒担持体Ａを用いた燃料電池１０１では、特別な停止処理を行わなければ、充分な耐久性を確保することができないことが示唆された。
【０１３１】
これらの評価試験から、結晶性の低いカーボン粉末を使用した触媒担持体Ａの燃料電池１０１は、電池性能を充分に発揮することができるが、通常の停止処理では、劣化しやすいことがわかった。また、結晶性の高いカーボン粉末を使用した触媒担持体Ｂ及び触媒担持体Ｃの燃料電池１０１は、電池性能は低いが、通常の停止処理でも充分な耐久性を有することがわかった。
【０１３２】
そこで、本発明者等は、結晶性の異なるカーボン粉末を、異なるセル（セルスタック）に用いることで、電池性能の向上と耐久性の向上を両立することができることを見出し、本発明を想到した。すなわち、燃料電池システムの停止時に、結晶性の高いカーボン粉末を用いた第１セル（第１セルスタック（群））を使用することで、通常の停止処理を行っても耐久性を維持するとともに、結晶性の低いカーボン粉末を用いた第２セル（第２セルスタック（群））を用いることで、電池性能の向上を図り、かつ、燃料電池システムの停止時に、第２セルへの酸化剤ガスの供給を停止することで、第２セル内の酸化剤ガスを充分に低減させて、触媒劣化を抑制することで、耐久性の向上を図ることを見出した。
【０１３３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法では、燃料電池システムの停止時に、触媒層のカーボンの劣化を抑制することで、高い耐久性を実現することが可能であるので、燃料電池の分野において有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード触媒層
２Ｂ  カソード触媒層
３Ａ  アノードガス拡散層
３Ｂ  カソードガス拡散層
４Ａ  アノード電極
４Ｂ  カソード電極
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路
９  酸化剤ガス流路
１０  冷却媒体流路
２１  第１セル
２２  第２セル
３２  燃料ガス供給マニホールド
３３  酸化剤ガス供給マニホールド
３４  燃料ガス排出マニホールド
３５  酸化剤ガス排出マニホールド
３８  冷却媒体供給マニホールド
３９  冷却媒体排出マニホールド
５１  第１セルブロック
５１Ａ  第１セルブロック内部燃料ガス流路
５１Ｂ  第１セルブロック内部酸化剤ガス流路
５１Ｃ  第１セルブロック冷却媒体内部流路
５２  第２セルブロック
５２Ａ  第２セルブロック内部燃料ガス流路
５２Ｂ  第２セルブロック内部酸化剤ガス流路
５２Ｃ  第２セルブロック冷却媒体内部流路
６１  端板
６２  端板
７０  セル積層体
１００  燃料電池システム
１０１  燃料電池
１０２  燃料ガス供給器
１０３  酸化剤ガス供給器
１０４  酸化剤ガス供給遮断機構
１０４Ａ  酸化剤ガス供給切替器
１０４Ｂ  酸化剤ガスバイパス経路
１０５  冷却媒体供給器
１０６  電圧検出器
１０７  電力調整器
１０８  圧力検出器
１１０  制御器
１３２  燃料ガス供給経路
１３３  酸化剤ガス供給経路
１３４  燃料ガス接続経路
１３５  酸化剤ガス接続経路
１３６  燃料ガス排出経路
１３７  酸化剤ガス排出経路
１３８  冷却媒体供給経路
１３９  冷却媒体接続流路
１４０  冷却媒体排出経路
１６１  電気配線
【図１】
2012028115.tif 000003
【図２】
2012028115.tif 000004
【図３】
2012028115.tif 000005
【図４】
2012028115.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2012028115.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2012028115.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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