(57)【要約】      （修正有）【課題】カソード極におけるカーボン腐食を効率的に抑制するとともに、ＭＥＡに加わる機械的ストレスを低減する。【解決手段】単位セル１１のアノード極とカソード極に、アノードガスとカソードガスを分離して流接させることによる発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０にアノードガスを送給するアノードガス送給部３０と、燃料電池１０にカソードガスを送給するカソードガス送給部２０と有し、燃料電池１０に送給されるアノードガスの送給圧力を増減させるアノードガス圧力増減手段Ｃ１と、燃料電池１０に送給されるカソードガスの送給圧力を増減させるカソードガス圧力増減手段Ｃ２と、アノード極のカソードガス濃度を測定するカソードガス濃度測定手段Ｃ３と、測定したアノード極のカソードガス濃度の低下に従って、アノード極の圧力増加速度を低減させる圧力増加速度低減手段Ｃ４とを設けている。【選択図】図１
2012059429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にアノード極とカソード極とを積層した単位セルを有し、そのアノード極とカソード極とに、アノードガスとカソードガスを互いに分離して流接させることによる発電を行う燃料電池と、この燃料電池にアノードガスを送給するアノードガス送給部と、その燃料電池にカソードガスを送給するカソードガス送給部とを有する燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池に送給されるアノードガスの送給圧力を増減させるアノードガス圧力増減手段と、
その燃料電池に送給されるカソードガスの送給圧力を増減させるカソードガス圧力増減手段と、
上記アノード極におけるカソードガス濃度を測定するカソードガス濃度測定手段と、
測定したアノード極におけるカソードガス濃度の低下に従って、そのアノード極における圧力増加速度を低減させる圧力増加速度低減手段とを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記カソードガス濃度測定手段に代えて、アノード極におけるカソードガスの濃度を推定するカソードガス濃度推定手段を設け、
圧力増加速度低減手段は、推定したアノード極におけるカソードガス濃度の低下に従って、そのアノード極における圧力増加速度を低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
圧力増加速度低減手段に代えて、
アノード極におけるカソードガス濃度が所定値以下か否かを判定するガス濃度判定手段と、
当該カソードガス濃度が所定値以下と判定した場合には、アノード極のカソードガス濃度が所定値以上のときよりも、そのアノード極における圧力とカソード極における圧力差を縮小する圧力差縮小手段とを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
カソード極にカソードガスを導入するとき、新規のカソードガスがカソード極出口に到達する前に、アノード極にアノードガスを導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池のカソード極から排出されたカソードガスを、そのカソード極に返戻するためのカソードガス返戻路を形成しており、
カソード極にカソードガスを投入するとき、アノード極にアノードガスを導入するまでは、カソードガス返戻路を通じ、カソード極から排出されたカソードガスをカソード極に返戻させるカソードガス返戻手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか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、例えば固体高分子型の単位セルを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいては、カソード極側に空気等のカソードガスが存在し、また、アノード極側に空気等のカソードガスが存在する領域と、水素等のアノードガスとが存在する領域とが混在形成される場合がある。
【０００３】
例えばアノード極、カソード極ともに空気が混入している状態から燃料電池システムを起動させる場合、アノード極側のアノードガス流路へのアノードガスの送給を開始した初期には、アノードガス流路内にアノードガスが存在する領域と存在しない領域が形成される。
【０００４】
アノード極にアノードガスが存在する領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、カソード極側は１Ｖ以上の高電位にさらされる。
一方、アノード極にアノードガスが存在しない領域では、この領域と対峙するカソード極で、
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-                                    式（１）
という反応が生じる。
【０００５】
その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、カソード極の電極触媒の機能が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。
このときアノード極側のカソードガスが存在する領域においては、
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ                                          式（２）
という反応が起こり、水が生成されている。
【０００６】
従来の燃料電池システムにおいては、その現象によるカソード極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、アノード極内のアノードガスが存在する領域と存在しない領域の境界（以後、「水素／空気フロント」という。）が、アノードガス流路中を通過するようにアノードガスを供給するものが特許文献１に記載されている。
【０００７】
また、カーボン腐食以外の燃料電池システムの起動時の劣化モードとして、燃料電池のアノード極側の圧力とカソード極側の圧力との差（以下、「極間差圧」という。）が大きくなると、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）に加わる機械的ストレスが増大し、そのＭＥＡの劣化が促進されることが知られている。
上記の問題を解決するために、例えば、アノード，カソード極間の差圧を低減するように、アノードガス、カソードガスの供給制御を行う技術が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書
【特許文献２】特開２００８−２７７２１５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、特許文献２に記載された従来技術では、水素フロントが劣化しない条件でも、特許文献１に記載されているカーボン腐食を考慮して、水素／空気フロントを速く通過させるため、アノード極における圧力を急峻に増加させており、過剰に極間差圧がかかるという課題が未解決である。
【００１０】
本発明は、カソード極におけるカーボン腐食を効率的に抑制するとともに、ＭＥＡに加わる機械的ストレスを低減させられる燃料電池システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の両側にアノード極とカソード極とを積層した単位セルを有し、そのアノード極とカソード極とに、アノードガスとカソードガスを互いに分離して流接させることによる発電を行う燃料電池と、この燃料電池にアノードガスを送給するアノードガス送給部と、その燃料電池にカソードガスを送給するカソードガス送給部と有するものであり、上記燃料電池に送給されるアノードガスの送給圧力を増減させるアノードガス圧力増減手段と、その燃料電池に送給されるカソードガスの送給圧力を増減させるカソードガス圧力増減手段と、上記アノード極におけるカソードガスの濃度を測定するカソードガス濃度測定手段と、測定したアノード極におけるカソードガス濃度が低下するのに従って、そのアノード極における圧力増加速度を低減させる圧力増加速度低減手段とを設けている。
【００１２】
上記の構成においては、測定したアノード極におけるカソードガス濃度が低下するのに従い、そのアノード極における圧力増加速度を低減させているので、カソード極におけるカーボン腐食を効率的に抑制するとともに、ＭＥＡに加わる機械的ストレスを低減させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、カソード極におけるカーボン腐食を効率的に抑制するとともに、ＭＥＡに加わる機械的ストレスを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】同上の燃料電池システムの一部をなす燃料電池の単位セルの概略構成を示す説明図である。
【図３】同上の単位セルにおけるアノードガスとカソードガスの分布状態を示す説明図である。
【図４】本システムの起動時における一例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
【図５】本システムの起動時における他例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図７】本システムの起動時における別例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図、図２は、その燃料電池システムの一部をなす燃料電池の単位セルの概略構成を示す説明図、図３は、その単位セルにおけるアノードガスとカソードガスの分布状態を示す説明図である。
【００１６】
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、燃料電池１０の他、コンプレッサ２０、水素ボンベ３０、減圧弁３１、流量コントローラ３２、負荷４０、バッテリ５０、リサイクルコンプレッサ６０、電圧計７０、酸素濃度計等の酸素濃度検知センサ３３、水素消費装置８０、流量計１０１等とともに、コントロールユニットＣを主たるハードウェア構成としたものである。
【００１７】
燃料電池１０は、複数の単位セル１１を互いに積み重ねてなるセルスタック１５を、ケース１６に収容した構造のものであり、それら各単位セル１１…内外に、アノードガスとカソードガスを互いに分離して流接させることによる発電を行うようにしたものである。
本実施形態においては、「アノードガス」として「水素ガス」、また、「カソードガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
【００１８】
単位セル１１は、図２に示すように、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）１２と、この電解質膜１２の図示上下両側にカソード極層１３とアノード極層１４を積層形成するとともに、さらにその図示上下両外側に所要の間隔をおいてそれぞれセパレータ１７，１８を配設している。
【００１９】
カソード極１３は、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層１３ａと、触媒として白金を担持したカーボン担体から構成した触媒層１３ｂとから、また、アノード極１４は同じくガス拡散層１４ａと触媒層１４ｂとからそれぞれ構成されている。
【００２０】
また、カソード極１３、アノード極１４とセパレータ１７，１８の間には、それぞれカソードガス流路（以下、「空気流路」という。）１９ａ、アノードガス流路（以下、「ガス流路」という。）１９ｂが区画形成されている。
【００２１】
なお、上記した空気流路１９ａを流通する空気とガス流路１９ｂを流通する水素ガスが互いに略同一方向に流通するように、それら空気流路１９ａとガス流路１９ｂとを配設している。
これによって、通常運転時には単位セル１１のアノード極１４、カソード極１３において以下の反応を生じる。
【００２２】
アノード極１４側：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                                   式（３）
カソード極１３側：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ                      式（４）
アノード極１４では、式（３）に示すように水素ガスがプロトンと電子に分離される。
プロトンは電解質膜１２内部を拡散してカソード極１３側に到達し、電子は図示しない外部回路を流れ、出力として取り出される。
一方、カソード極１３側では、電解質膜１２内を拡散してきたプロトン、図示しない外部回路を介して移動してきた電子、及び空気中の酸素により形成される三相界面上で、式（４）に示す反応が生じる。
【００２３】
ところで、上記した燃料電池１０を移動体、例えば自動車用の動力源として適用した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返される。
燃料電池１０の運転停止中には、その燃料電池１０への水素ガス及び空気の供給が停止された状態で放置され、放置が長時間継続された場合には、ガス流路１９ｂ内に外部より空気が侵入して残存している可能性がある。
ガス流路１９ｂ内に空気が残存混入した状態から本システムを起動すると、起動初期に燃料電池１０内は、図３に示すような状態となる。
【００２４】
すなわち、図３に示す状態では、空気流路１９ａには空気が全領域において充満しているが、ガス流路１９ｂには水素ガスが存在している領域（領域Ａ）と、空気が存在している領域（領域Ｃ）が混在形成される。
また、領域Ａと領域Ｃの間には水素ガスと空気の界面Ｂ（以下、「水素／空気フロントＢ」という。）が形成される。
【００２５】
領域Ａにおいては、上記した式（３）、（４）の通常の発電時の反応が起こり、カソード１３では１Ｖ以上の高電位となる。
一方、水素／空気フロントＢを境に領域Ｃにおいては、カソード極１３で式（１）の反応が起こり、アノード１４で式（２）の反応が起こる。つまり、カソード極１３で白金を担持している触媒層１３ｂのカーボンに腐食劣化が生じる。
なお、式（１）に示す反応は、白金の表面上でかつカーボンに接した部分で生じる。これにより、カソード極１３とともに単位セル１１の劣化が生じることになる。
【００２６】
ところで、上記した水素ボンベ３０は、燃料電池１０に送給するための所要量の水素ガスを貯蔵するものであり、その水素ボンベ３０と燃料電池１０のガス受入部（図示しない）との間にガス送給パイプ３０ａ（図１参照）が連結されている。
本実施形態においては、水素ボンベ３０がアノードガス送給部である。
【００２７】
ガス送給パイプ３０ａには、これを流通する水素ガスを減圧するための上記した減圧弁３１、その水素ガスの流量を増減するための流量コントローラ３２及び三方弁３５が上流側から下流側にかけて順次配設されている。
減圧弁３１と流量コントローラ３２は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動されるようになっている。
【００２８】
水素消費装置８０は、燃料電池１０のガス排出部（図示しない）とガス排出パイプ３０ｂを介して接続されている。
この水素消費装置８０は、水素ガスを消費する触媒等を有しており、それには、燃料電池１０のカソード極１３から排出された排出ガスが供給され、その排出ガスによって水素ガスを消費することにより、水素ガスを含まないガスを本システムＡから系外に排出するようにしている。
【００２９】
ガス排出パイプ３０ｂには、酸素濃度検知センサ３３と、三方弁３４とが配設されており、また、その三方弁３４と、上記したガス送給パイプ３０ａの三方弁３５との間には、排出ガスを返戻循環させるためのガス循環パイプ３０ｃが配設されている。
なお、三方弁３４，３５は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて流路を切り替えるように駆動されるようになっている。
【００３０】
ガス循環パイプ３０ｃには、ガス排出パイプ３０ｂに排出された排出ガスをガス送給パイプ３０ａに返戻圧送するためのリサイクルコンプレッサ６０が配設されており、そのリサイクルコンプレッサ６０は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動されるようになっている。
【００３１】
すなわち、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスは、ガス排出パイプ３０ｂに配設した上記リサイクルコンプレッサ６０によって、三方弁３４、ガス排出パイプ３０ｂ、三方弁３５、ガス送給パイプ３０ａを介して燃料電池１０に返戻されて循環される。
なお、燃料電池１０から排出される水素ガス中にカソード極１３側から電解質膜１２を通り空気中の窒素ガスが多く混入した場合には、燃料電池１０から排出された水素ガスは三方弁３４によってガス排出パイプ３０ｂから水素消費装置８０に供給される。
【００３２】
燃料電池１０の空気受入れ部（図示しない）には、カソードガス送給パイプ（以下、「空気送給パイプ」という。）９０ａを介して、大気中の不純物を取り除くための空気フィルタ９０が接続されている。
【００３３】
空気送給パイプ９０ａには、空気フィルタ９０を通じて取り入れた空気を燃料電池１０に圧送するためのコンプレッサ２０とともに、上記した流量計１０３が配設されている。
コンプレッサ２０は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動されるようになっている。
本実施形態においては、コンプレッサ２０が、燃料電池１０にカソードガスを送給するカソードガス送給部である。
【００３４】
流量計１０３は、空気送給パイプ９０ａを燃料電池１０に向けて流通する空気の流量を測定するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されて、空気の流量が計測されるようになっている。
【００３５】
燃料電池１０の空気排出部（図示しない）には、カソードガス排出パイプ（以下、「空気排出パイプ」という。）９０ｂを介して、上記した水素消費装置８０が接続されている。
空気排出パイプ９０ｂには、このガス排出パイプ３０ｂを流通する酸素濃度を検知するための酸素濃度検知センサ３３が配設されており、それは、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００３６】
負荷４０は、燃料電池１０のカソード側電極板４１とアノード側電極板４２とに配線４０ａ，４０ｂを介して電気的に接続されており、その燃料電池１０で発電された電力を消費するようになっている。
【００３７】
配線４０ａには、燃料電池１０と負荷４０との接続をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチ４３が配設されているとともに、そのスイッチ４３は、コントロールユニットＣの出力側に接続されてＯＮ／ＯＦＦ切り替えされるようになっている。
【００３８】
配線４０ａ，４０ｂ間には、燃料電池１０と負荷４０に対し、スイッチ４４を介してバッテリ５０が接続されており、燃料電池１０によって発電された電力の一部（余剰電力）を蓄電するようになっている。
【００３９】
スイッチ４４は、燃料電池１０又は負荷４０とのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるものであり、コントロールユニットＣの出力側に接続されている。
すなわち、スイッチ４３、４４によって、燃料電池１０、負荷４０及びバッテリ５０をそれぞれ電気的に接断することができる。
なお、スイッチ４４を切り替えることによって、燃料電池１０又は負荷４０にバッテリ５０に蓄電した電力を供給することもできる。
【００４０】
電圧計７０は、上記配線４０ａ，４０ｂ間に接続されており、バッテリ５０によって印加される電圧又は燃料電池１０による発電電圧を検知するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００４１】
コントロールユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラと、ハードディスク，半導体メモリ等からなる記憶部（いずれも図示しない）とを有するものであり、その記憶部に記憶されている本システムに用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。
【００４２】
・燃料電池１０に送給されるアノードガスの送給圧力を増減する機能。この機能を「アノードガス圧力増減手段Ｃ１」という。
本実施形態においては、減圧弁３１を介して、当該アノードガスの送給圧力を増減している。
【００４３】
・燃料電池１０に送給されるカソードガスの送給圧力を増減する機能。この機能を「カソードガス圧力増減手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、コンプレッサ２０を介して、当該カソードガスの送給圧力を増減している。
【００４４】
・アノード１４におけるカソードガスの濃度を測定する機能。この機能を「カソードガス濃度測定手段Ｃ３」という。
本実施形態においては、酸素濃度検知センサ３３を介して、ガス排出パイプ３０ｂを流通する酸素濃度を検知している。
【００４５】
・測定したアノード極１４におけるカソードガス濃度の低下に従って、そのアノード極１４における圧力増加速度を低減させる機能。この機能を「圧力増加速度低減手段Ｃ４」という。
本実施形態においては、流量コントローラ３２を介して、圧力増加速度を低減させている。
具体的には、酸素濃度とアノード極１４における圧力増加速度が本システムに応じてマップ状に定義したルックアップテーブル（図示しない）が上記記憶部に記憶されている。そのルックアップテーブルを参照することにより、カソードガス濃度に対応するアノード極１４の圧力増加速度を求めているが、これに限るものではなく、カソードガス濃度に対応するアノード極１４の圧力増加速度を適宜演算して求めるようにしてもよい。
【００４６】
以上の構成からなる燃料電池システムＡ１の動作について、図４を参照して説明する。図４は、本システムＡ１の起動時における一例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
まず、本実施形態においては、カソード極１３にカソードガスを導入するとき、新規のカソードガスがカソード極１３出口に到達する前に、アノード極１４にアノードガスを導入している。
【００４７】
具体的には、化学劣化が生じない範囲内において、カソード極１３とアノード極１４とに差圧が生じないタイミング、換言すると時間差をもってアノードガスを導入している。その時間差は、例えばガスの流量毎に設定しておく。
【００４８】
すなわち、後述するＨ２システムの場合、カソード極の酸素濃度も燃料電池１０の停止とともに低下するが、カソード極１３にカソードガスを導入するとき、新規のカソードガスがカソード極１３出口に到達する前に、アノード極１４にアノードガスを導入することにより、カソード極１３の酸素濃度が低い状態で燃料電池１０を始動できるため、電極触媒のカーボン腐食を低減できるのである。
【００４９】
ステップ１（図４においては、単に「Ｓ１」と記載する。以下、同様。）：コントロールユニットＣが本システムＡ１の起動指令を検知すると、酸素濃度検知センサ３３を介して、アノード極１４における酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２を検出する。
【００５０】
ステップ２：アノード極１４における圧力増加速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１が、上記ステップＳ１において得た酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２に従って決定される。
【００５１】
ここで、圧力増加速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１は、アノード極１４の圧力の単位時間当たりの変化量を表し、速度が速いほど圧力が速く増加することを示している。
ステップ３：アノード極１４の圧力を速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１に従って増加させる。
【００５２】
次に、本システム起動時における他例に係る圧力動作制御について、図５を参照して説明する。図５は、本システムの起動時における他例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
なお、本実施形態においても、カソード極１３にカソードガスを導入するとき、新規のカソードガスがカソード極１３出口に到達する前に、アノード極１４にアノードガスを導入していることは、上記した燃料電池システムＡ１と同様である。
【００５３】
ステップ１（図５においては、単に「Ｓａ１」と示す。以下、同様。）：コントロールユニットＣが本システムの起動指令を検知すると、酸素濃度検知センサ３３を用いて、アノード極１４の酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２を検出する。
【００５４】
ステップ２：ステップ１において得た酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２を所定値Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２＿ｃｒｔと比較する。酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２が所定値Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２＿ｃｒｔ以上であった場合にはステップ３に進み、そうでなければステップ４に進む。
ステップ３：ステップ２において得たアノード極１４の圧力を速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１で増加させる。
ステップ４：酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２が所定値Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２＿ｃｒｔ未満であったので、アノード極１４の圧力を速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ２で増加させる。このとき、Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１＞Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ２という関係式とする。
一般的なシステム構成では、高圧力でアノードガスを貯蔵しているアノード極１４に比べて、コンプレッサ２０を用いて空気を供給するカソード極１３の方が圧力が増加するのが遅い。Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１＞Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ２とすることで、本ステップにおいてアノード極１４とカソード極１３の差圧を小さくすることが可能となる。
ここで速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ２は、速度Ｖ＿Ｐ＿Ａｎ１と同様にアノード極１４の圧力の単位時間当たりの変化量を表し、速度が速いほど圧力が速く増加することを示している。
【００５５】
次に、ガス流路の酸素濃度が本システムの運転状況により、どのように変化するか説明する。
ガス流路中の酸素濃度は通常運転時は略０となる。これはガス流路にはアノードガスが投入されており、カソード極からカソードガスのクロスリーク等、ガス流路の経路外から酸素が混入してきても、アノードガスと式５に示す反応を起こし消費されてしまうからである。
燃料電池１０の停止時、アノード極のガスをガス流路内に残したまま停止する制御（以下、「Ｈ２オンシステム」という。）が一般技術として知られている。これはアノードガスをガス流路内に残すことで電極触媒の電位を低く保ち、耐久性を向上させるためである。
このため、Ｈ２オンシステムでは、燃料電池１０はガス流路の酸素濃度が０％の状態で停止されることとなる。その後、カソード極のクロスリークやガス流路の経路外の混入により入ってきた酸素は、アノード極中に残存している水素と反応して消費される。
このようにして、システムの停止後、アノード極中のアノードガス濃度は、システム停止後徐々に低下していき最終的にアノード極・カソード極ともに内部の酸素濃度は０となる。
完全に燃料ガスが消費され尽すと、その後時間の経過とともに徐々に燃料電池１０の流路内の酸素濃度は増加していく。やがて、外気と燃料電池１０の流路内の酸素分圧が同一となったとき、カソードガスの混入は収束する。
【００５６】
次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２の概略構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２は、燃料電池１０のカソード極１３から排出されたカソードガスを、そのカソード極１３に返戻するためのカソードガス返戻路（以下、「バイパスパイプ」という。）１００を形成している点が、上記した燃料電池システムＡ１と相違している。
【００５８】
すなわち、パイパスパイプ１００は、空気送給パイプ９０ａであって流量計１０３の下流側の位置と、空気排出パイプ９０ｂとの間に架設されている。
具体的には、空気送給パイプ９０ａに三方弁１０１を、また、空気排出パイプ９０ｂに同じく三方弁１０２をそれぞれ配設するとともに、それら三方弁１０１，１０２間に架設している。
【００５９】
三方弁１０１，１０２は、コントロールユニットＣの出力側に接続されており、適宜流路が切り替えられるようになっている。
パイパスパイプ１００には、これを流通する排出ガスを返戻循環させるためのサーキュレータ１０４が配設されており、そのサーキュレータ１０４は、コントロールユニットＣの出力側に接続されている。
【００６０】
上記本システムＡ２のコントロールユニットＣは、上記した各機能とともに、下記の機能を発揮する。
・カソード極１３にカソードガスを導入するとき、アノード極１４にアノードガスを導入するまでは、カソードガス返戻路１００を通じ、カソード極１３から排出されたカソードガスをカソード極１３に返戻させる機能。この機能を「カソードガス返戻手段Ｃ５」という。
具体的には、サーキュレータ１０４を介してカソード極１３から排出されたカソードガスを、そのカソード極１３に返戻循環させている。
【００６１】
ところで、上記した各実施形態においては、測定したアノード極１４におけるカソードガス濃度の低下に従って、そのアノード極１４における圧力増加速度を低減させる圧力増加速度低減手段を設けた例について説明したが、その圧力増加速度低減手段に代えて、次の機能を有する構成としてもよい。
【００６２】
本システムのハードウェアの構成は、アノード極１４とカソード極１３における圧力を測定するための圧力センサ（図示しない）をそれぞれ配設している点を除けば、図１，６に示すものと同等のものであるので、ここでは、それらの説明を省略する。
なお、圧力センサ（図示しない）は、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００６３】
・アノード極１４におけるカソードガス濃度が所定値以下か否かを判定する機能。この機能を「ガス濃度判定手段Ｃ６」という。
アノード極１４におけるカソードガス濃度が所定値以下か否かの判定は、酸素分圧が大気中における酸素分圧よりも低いか否かによるものであり、具体的には、酸素分圧が大気中における酸素分圧の半分程度である。
すなわち、本実施形態における「所定値」は、大気中における酸素分圧である。
【００６４】
・カソードガス濃度が所定値以下と判定した場合には、アノード極１４の酸化剤ガス濃度が所定値以上のときよりも、そのアノード極１４における圧力とカソード極１３における圧力差を縮小する機能。この機能を「圧力差縮小手段Ｃ７」という。
本実施形態においては、減圧弁３１を介して、アノード極１４に送給される水素ガスの送給圧力を増減することより、アノード極１４とカソード極１３との差圧を小さくしている。
【００６５】
以上の機能を備えた燃料電池システムＡ３の動作について、図７を参照して説明する。図７は、本システムＡ３の起動時における別例に係る圧力動作制御を示すフローチャートである。
ステップ１（図７においては、単に「Ｓｂ１」と示す。以下、同様。）：コントロールユニットＣが本システムＡ３の起動指令を検知すると、酸素濃度検知センサ３３を介して、アノード極１４における酸素濃度Ｃ＿Ａｎ＿Ｏ２を検出する。
【００６６】
ステップ２：アノード極１４における酸素濃度が所定値以下か否かを判定し、当該酸素濃度が所定値以下であると判定したときにはステップ３に進み、そうでなければそのまま起動させる。
ステップ３：上記した圧力センサで取得した圧力に基づいて、アノード極１４とカソード極１３との差圧が小さくなるように減圧弁３１を開閉駆動させた後に起動させる。
【００６７】
上記した燃料電池システムＡ３によれば、前述した燃料電池システムＡ１，Ａ２で得られる効果に加え、カソード極１３の酸素濃度が低い状態で燃料電池１０を始動できるため、電極触媒のカーボン腐食を低減できる。さらには、アノード極１４とカソード極１３の差圧が小さい状態で燃料電池１０を始動できるため、差圧によってＭＥＡに加わる機械的ストレスを低減することもできる。
【００６８】
上述した各実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
水素／空気フロントが形成されたときのカソード極のカーボン腐食量は、水素／空気フロントの通過時間の他に、水素／空気フロント形成時のカソードガス濃度にも影響される。カソード極のカーボン腐食量は、電極触媒が晒される電位によって決まるがその電位が、アノード極のアノードガスの濃度、カソードガスの濃度及びカソード極のカソードガスの濃度によって決まるからである。
【００６９】
つまり、アノード極のアノードガス濃度とカソード極のカソードガスの濃度が高いほど高い電位差が発生するためカソード極のカーボン腐食量は増え、アノード極の酸化剤ガス濃度が高いほど反対側のカソード極における電極触媒の電位が高くなるためにカーボン腐食量が増える。
【００７０】
アノード極のカソードガス濃度は運転中は略０であるのに対し、燃料電池１０の運転停止後時間とともに増加する。特にアノード極のアノードガスを停止後も意図的に残しておく水素オンシステムでは、停止後略半日程度してからアノード極のカソードガス濃度が外部からの流入によって増加することになる。一方、既存の内燃機関車の一般的なエンジン停止から次の始動までの時間を調べると、かなりの頻度で半日以内に再始動していることが知られている。
【００７１】
以上から、燃料電池１０を停止した後、半日以下といった比較的短時間で再び燃料電池１０を始動する場合、アノード極のカソードガス濃度が低い場合が多く、その際はカソード極のカーボン腐食の影響が比較的に少ない条件であることが分る。
言い換えると、カソード極のカーボン腐食を無視できる条件での燃料電池１０の始動時は、アノードガスを必ずしも短時間で通過させる必要は無く、圧力増加速度を遅くすることが可能となる。これにより燃料電池１０の始動時の極間差圧を低減することが可能となり、機械的ストレスが低減される。
【００７２】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、カソードガス濃度測定手段を設けた構成のものを例として説明したが、そのカソードガス濃度測定手段に代えて、アノード極におけるカソードガス濃度を推定するカソードガス濃度推定手段を設けた構成にしてもよい。
カソードガス濃度の推定は、カソード極とアノード極との電位差やセルスタックを停止してからの経過時間等に基づいて行なうことができる。
この場合、圧力速度増減手段は、推定したアノード極におけるカソードガス濃度の低下に従って、圧力増加速度を低減させる。
【符号の説明】
【００７３】
１０            燃料電池
１１            単位セル
１２            電解質膜
１３            カソード極
１４            アノード極
２０            カソードガス送給部
３０            アノードガス送給部
Ａ１〜Ａ３      燃料電池システム
Ｃ１            アノードガス圧力増減手段
Ｃ２            カソードガス圧力増減手段
Ｃ３            カソードガス濃度測定手段
Ｃ４            圧力増加速度低減手段
Ｃ５            カソードガス返戻手段
Ｃ６            ガス濃度判定手段
Ｃ７            圧力差縮小手段
【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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