CN101682066A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统具备：燃料电池(1)、包含阳极侧气体通道(97)且将燃料气体提供给阳极(3)并排出的燃料气体通道、以及包含阴极侧气体通道(98)且将氧化剂气体提供给阴极(4)并排出的氧化剂气体通道，其中燃料电池(1)具有电解质膜(2)、夹持电解质膜(2)的阳极(3)以及阴极(4)、将氧化剂气体提供给阴极(4)并排出的阴极侧气体通道(98)以及将燃料气体提供给阳极(3)并排出的阳极侧气体通道(97)，该燃料电池系统被构成为：在发电停止时关闭燃料气体通道以及氧化剂气体通道，从阴极侧气体通道(98)的下游侧向氧化剂气体封入空间(112)提供气体，其中氧化剂气体封入空间(112)包括通过关闭氧化剂气体通道而实质上与外部相隔离的阴极侧气体通道(98)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。更为详细而言，涉及能够降低发电停止时的氢消耗量并且能够防止阴极催化剂劣化的燃料电池系统。
背景技术
在家庭用燃料电池系统中，通过白天进行运转而深夜停止运转的DSS(Daily Start&Stop or Daily Start-up&Shut-down)运转，从而有望提高节省电热费和削减二氧化碳的效果。在DSS运转过程中会频繁地停止燃料电池系统的运转。若实行所涉及的运转，在以往的燃料电池中，则存在着如下问题，即在非发电时，由于残存于电池堆内部的反应气体或从外部入侵的空气等而造成电极催化剂劣化，从而引起电池性能降低。
作为应对上述问题的燃料电池系统，在专利文献1中提出了一个如下的燃料电池系统方案：在燃料电池系统的发电停止过程中，在停止了燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出之后，将惰性气体注入到燃料电池的燃料气体通道和氧化剂气体通道中。在此，上述的所谓燃料气体通道是指提供给燃料电池的燃料气体供给路径以及排出路径，所谓氧化剂气体通道是指提供给燃料电池的氧化剂气体供给路径以及排出路径。
此外，在专利文献2中提出了一个如下的燃料电池系统方案：在非发电时，关闭燃料气体通道以及氧化剂气体通道，并将惰性气体提供给由通过关闭而实质上与外部相隔离的燃料电池内的燃料气体通道以及与其连通的空间所构成的燃料气体封入空间，将空气提供给由通过关闭而实质上与外部相隔离的燃料电池内的氧化剂气体通道以及与其连通的空间所构成的氧化剂气体封入空间。通常而言，在燃料气体封入空间以及氧化剂气体封入空间中，由于交叉泄漏等而引起的气体消耗和温度下降为压力降低的原因，而在专利文献2中所述的燃料电池系统中，向燃料气体封入空间提供惰性气体、向氧化剂气体封入空间中提供空气，以使燃料气体封入空间以及氧化剂气体封入空间的压力不降低。在氧化剂气体封入空间中，因为氧被消耗而只残留氮，所以可以将电极电位控制为较低。此外，由于将气体提供给燃料电池内部从而压力下降进行补充，所以不存在与大气的压力差，从而可以将将混入到燃料气体封入空间的氧抑制为极少量，并能够更进一步有效地抑制电极电位的上升。
专利文献1：日本专利申请公开2005-222707号公报
专利文献2：国际公开号WO2007/063826号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述专利文献1所述的燃料电池系统中，作为用于防止电极劣化的惰性气体，使用除去了杂质的原料气体。在燃料电池系统启动时，需要将被注入到燃料电池的燃料气体通道和氧化剂气体通道的未参与反应的原料气体经燃烧后向外部排出。为了实行未参与反应的惰性气体的燃烧而需要具备必要的配管和阀结构或装置，因此使系统变得复杂化。
此外，在专利文献2所述的燃料电池系统中，在非发电时关闭燃料气体通道以及氧化剂气体通道，向氧化剂气体封入空间提供空气，其中氧化剂气体封入空间由通过被关闭从而实质上与外部相隔离的燃料电池内的氧化剂气体通道以及与其连通的空间构成的。在此情况下，在燃料电池中，燃料气体中的氢和残留于被提供的空气中以及氧化剂气体封入空间的气体中的氧通过高分子电解质膜而进行反应，消耗了氢和氧。为此，从降低非发电时被消耗的燃料气体中的氢的量从而提高能量效率的观点出发，还有进一步改善的余地。即，进一步降低提供给氧化剂气体封入空间的空气中的氧的量，从而有望待降低非发电时被消耗的氢的消耗量。此外，从抑制非发电时的阴极催化剂的劣化并充分防止电极性能降低的观点出发，也有进一步改善的余地。
本发明正是为了解决上述课题而悉心研究的结果，目的在于提供一种能够降低非发电时被消耗的氢的消耗量，并能够提高能量效率，且能够充分防止非发电时阴极催化剂性能降低的燃料电池系统。
解决问题的手段
本发明人对降低燃料电池系统在非发电时燃料气体中的氢的消费量的方法进行了悉心的研究与探讨，发现如下结果。
由于实行燃料电池系统的发电(运转)，在燃料电池的阴极上，由于电化学反应而消耗了氧化剂气体中的氧。为此，从燃料电池的氧化剂气体出口排出的废氧化剂气体中的氧浓度小于提供给燃料电池的氧化剂气体入口的供给氧化剂气体中的氧浓度。一般而言，从由于扩散阻力而引起的电压降低和发电效率的观点出发，提供给阴极的氧化剂气体的利用率为40～60％左右。其结果，使用空气作为氧化剂气体的情况下，提供给燃料电池的氧化剂气体中的氧浓度大约为21％，与此相对，来自于燃料电池的废氧化剂气体中的氧浓度成为9～13％。因此，如果在发电停止后关闭氧化剂气体通道，则在氧化剂气体通道中，与向燃料电池供给的氧化剂气体入口侧相比，在氧化剂气体出口侧将更会滞留有氧浓度低的氧化剂气体。
在专利文献2所述的燃料电池系统中，对将空气提供给氧化剂气体封入空间的位置没有特别的限定，然而通过将该位置限定于燃料电池的氧化剂气体出口侧的下游侧，可以使在氧化剂气体通道中停滞于燃料电池的氧化剂气体出口侧的氧浓度低的氧化剂气体(废氧化剂气体)向燃料电池内回流。即，在封闭氧化剂气体通道的情况下，通过从氧化剂气体出口侧的下游侧提供气体，可以封闭比空气中的氧浓度低的氧化剂气体。通过封闭氧浓度低的氧化剂气体，可以降低非发电时被消耗的氢的消耗量。此外，与封闭氧浓度高的氧化剂气体的情况相比较，可以抑制由于非发电时阴极催化剂的凝聚和氧化等引起的劣化，从而能够防止电极性能的降低。
本发明所涉及的燃料电池系统具备：具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道的燃料电池、包含所述阳极侧气体通道且将燃料气体提供给所述阳极并排出的燃料气体通道、包含所述阴极侧气体通道且将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的氧化剂气体通道，该燃料电池系统被构成为：在发电停止时关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，从所述阴极侧气体通道的下游侧向氧化剂气体封入空间提供气体，所述氧化剂气体封入空间由通过关闭所述氧化剂气体通道从而实质上与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与该阴极侧气体通道相连通的空间所构成。
而且，所述燃料气体通道具有与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径、被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀、所述阳极侧气体通道、与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径以及被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀，
所述氧化剂气体通道具有与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径、被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀、所述阴极侧气体通道、与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径以及被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀，
所述燃料电池系统被构成为：通过关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀，关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，将气体提供给所述氧化剂气体封入空间中所述阴极侧气体通道的出口的下游的部分。
优选在所述氧化剂气体封入空间中，所述阴极侧气体通道的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
此外，本发明的燃料电池系统中，在所述阴极侧气体通道的出口和所述氧化剂气体排出通道之间还具备冷凝器，冷凝并去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
所述氧化剂气体封入空间中，优选冷凝器的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
优选，具有：被配置于所述氧化剂气体排出通道的下游，冷凝并去除从所述氧化剂气体排出通道排出的氧化剂气体中的水分的冷凝器、连接所述氧化剂排出阀和所述冷凝器的氧化剂排出阀-冷凝器路径以及被配置于所述冷凝器的下游，排出从所述冷凝器排出的氧化剂气体的第二氧化剂气体排出路径；第二氧化剂气体排出路径的体积大于所述氧化剂气体封入空间的体积与所述氧化剂排出阀-冷凝器路径的体积之和。
此外，本发明的燃料电池系统中还具备：连接所述氧化剂气体供给路径的位于所述氧化剂气体供给阀的上游侧的部分与所述氧化剂气体排出路径的位于所述氧化剂气体排出阀的上游侧的部分的旁通路径以及被配置于所述旁通路径并在发电停止时开放所述旁通路径的旁通阀。
优选，还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置，所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述氧化剂气体排出阀开放。
此外，本发明的燃料电池系统中，还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀的开闭的控制装置；所述控制装置被构成为：在发电停止时，使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭。
此外，本发明的燃料电池系统中，还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置；所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述旁通阀开放。
此外，本发明的燃料电池系统中，还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元；所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述旁通阀开放。
此外，本发明的燃料电池系统中，还具备检测所述氧化剂气体封入空间的压力的压力检测单元；所述控制装置被构成为：当所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述旁通阀开放。
所述控制装置可以被构成为：在使所述旁通阀开放之后关闭所述旁通阀。
此外，本发明的燃料电池系统中，还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元；所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述旁通阀关闭。
所述控制装置可以被构成为：在从所述旁通阀开放开始经过规定的阀开放时间之后，使所述旁通阀关闭。
此外，本发明的燃料电池系统，具备：具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道的燃料电池、与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径、被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀、与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径、被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀、与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径、被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀、与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径、被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀、外部空气供给路径，一端被连接于所述氧化剂气体排出路径中所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂排出阀之间、被配置于所述外部空气供给路径上的净化部、以及外部空气供给阀，被配置于所述外部空气供给路径中的连接于所述氧化剂气体排出路径的一端和所述净化部之间从而开闭其通道；该燃料电池系统被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述外部空气供给阀开放。
优选，在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述阴极侧气体通道的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
此外，本发明在所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂气体排出通道之间，具备冷凝器，冷凝去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
优选，在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述冷凝器的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
此外，本发明在所述燃料电池系统中，具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述外部空气供给阀的开闭的控制装置；所述控制装置被构成为：在发电停止时，在使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭之后，使所述外部空气供给阀开放。
为此，可以在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元；所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述外部空气供给阀开放。
此外，在所述燃料电池系统中可以具备压力检测单元，检测由通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间所构成的氧化剂气体封入空间的压力；所述控制装置被构成为：在所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述外部空气供给阀开放。
此外，本发明的所述控制装置被构成为：在使所述外部空气供给阀开放之后，再使所述外部空气供给阀关闭。
为此可以在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元；所述控制装置被构成为：在所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述外部空气供给阀关闭。
此外，所述控制装置可以被构成为：在从开放所述外部空气供给阀开始经过规定的阀开放时间之后，使所述外部空气供给阀关闭。
参照附图并利用以下优选的实施方式进行详细说明，可以明了本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点。
发明效果
本发明可以取得如下效果。
能够降低非发电时所消耗的氢的消耗量并充分提高燃料电池系统的能量效率。此外，能够抑制由于非发电时阴极催化剂的凝聚和氧化等而引起的劣化，从而能够充分防止电极性能的降低。
附图说明
图1为示意实施方式1所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图2为示意单电池构成的截面图。
图3为示意燃料电池的构成的立体图。
图4为用于说明燃料气体封入空间以及氧化剂气体封入空间的燃料电池系统的功能方块图的部分放大图。
图5为实施方式1所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制的流程图。
图6为阴极侧气体通道的气体体积减少量的计算例的示意图。
图7为示意实施方式2所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图8为实施方式2所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制的流程图。
图9为示意实施方式3所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图10为示意实施方式4所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图11为实施方式4所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制的流程图。
图12为示意实施方式5所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图13为示意单电池的构成的截面图。
图14为示意燃料电池的构成的立体图。
图15为用于说明燃料气体封入空间以及氧化剂气体封入空间的燃料电池系统的功能方块图的部分放大图。
图16为实施方式5所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制的流程图。
图17为阴极侧气体通道的气体体积减少量的计算例的示意图。
图18为示意实施方式6所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
图19为实施方式6所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制的流程图。
图20为示意实施方式7所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
符号说明
1.燃料电池；2.高分子电解质膜；3.阳极；4.阴极；5.阳极隔板；
6.阴极隔板；7，8.密封垫圈；9.单电池；10.单电池内燃料气体通道；
11.单电池内氧化剂气体通道；12.冷却水通道；13.冷却水密封垫圈；
21.燃料气体供给歧管；22.燃料气体排出歧管；
23.氧化剂气体供给歧管；24.氧化剂气体排出歧管；
25.冷却水供给歧管；26.冷却水排出歧管；
36.燃料气体入口；38.燃料气体出口；
40.燃烧废气排出路径；41.氧化剂气体供给部；42.鼓风机；
43.过滤器；45.未加湿氧化剂气体供给部；46.加湿器
49.氧化剂气体供给路径；50.氧化剂气体入口；51.氧化剂气体出口；
52.氧化剂气体排出路径；53.氧化剂废气排出路径；
56.氧化剂气体供给阀；57.氧化剂气体排出阀；
58.氧化剂排出阀-加湿器路径；64.输出控制装置；
65.控制装置；66.温度检测单元；
75.旁通路径；76.旁通阀；89.压力检测单元；
97.阳极侧气体通道；98.阴极侧气体通道；
100.燃料电池系统；111.燃料气体封入空间；
112.氧化剂气体封入空间；112a.排出化剂气体封入空间
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选的实施方式。其中，在以下的说明中对所有的附图以相同的参照符号标注相同或相当的要素，并省略复说明。
(实施方式1)
对本发明的实施方式1进行说明。以下，对实施方式1所涉及的燃料电池系统，将分成硬件和控制系统而。
[燃料电池系统100的硬件的结构]
首先说明燃料电池系统100的硬件的结构。图1为示意实施方式1所涉及的燃料电池系统100的构成的概要的功能方块图。
如图1所示，作为主要结构要素，本实施方式的燃料电池系统100具备燃料电池1、将燃料气体提供给燃料电池1并排出的燃料气体系统、将氧化剂气体提供给燃料电池1并排出的氧化剂气体系统、具有本发明特征的旁通系统、冷却燃料电池1的冷却系统、检测燃料电池1的温度的温度检测单元66、控制燃料电池系统100整体的动作的控制装置65、输出控制装置64。燃料电池系统100的大部分结构要素被容纳于框体67的内部，或被安装为暴露在框体67的外表面。以下详细说明燃料电池系统100的主要结构要素。
[燃料电池1]
利用图2以及图3说明燃料电池1(电池堆)的结构。图2为示意单电池的构成的截面图，图3为示意燃料电池的构成的立体图。
燃料电池1可以由高分子电解质型燃料电池结构，由于该构造为众所周知的结构，所以关于燃料电池1仅简单说明与本发明相关联的部分。燃料电池1在此作为高分子电解质型燃料电池。
如图3所示，燃料电池1具备多个被层叠了的单电池9，9……、夹持被层叠了的单电池9，9……的一对集电板28a，28c、使单电池9与外部电绝缘的一对绝缘板29，29、使用联结部件(图示省略)而将单电池9在层叠的状态进行联结的一对端板20，20。由于每一个单电池的电压较低通常只有0.75V左右，所以在燃料电池1中是将单电池9多个层叠为串联，从而达到高电压。在集电板28a，28c上分别配置有电输出端子27a，27c并通过集电板28a，28c从燃料电池1向外部输出电流。在电输出端子27a，27c上连接有输出控制装置64。输出控制装置64具备变流器，从而将从燃料电池1输出的直流电变换为交流电而输出。此外，输出控制装置64被构成为可以调整其输出，通过调整该输出而调整由燃料电池1所产生的电力。
如图2所示，单电池9具有作为电解质层的高分子电解质膜2，在除了该高分子电解质膜2的两个主面的周边部的部分上配置有阳极3和阴极4。由这些阳极3和高分子电解质膜2以及阴极4构成了MEA(膜-电极接合体)15。阳极3是由紧密附着而配置的阳极催化剂层3a和阳极气体扩散层3b构成的，阴极4是由紧密附着而配置的阴极催化剂层4a和阴极气体扩散层4b构成的。
高分子电解质膜2由，例如由全氟磺酸聚合物形成的氢离子传导性的固体高分子电解质膜结构，催化剂层3a，4a由，例如将白金-钌合金或白金等贵金属担载于多孔质碳的催化剂与具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物构成，气体扩散层3b，4b由，例如已施以拨水处理的碳纸或碳布构成。
以与MEA15的阳极3相接触的方式配置导电性且为板状的阳极隔板5，此外，以与阴极4相接触的方式配置导电性且为板状的阳极隔板6。然后，利用被配置于高分子电解质膜2的两个主面的周边部的一对环状密封垫圈7，8而密封MEA15和阳极隔板5以及密封MEA15和阴极隔板6。在与阳极隔板5内面的阳极3相接触的部分上形成有沟槽状的单电池内燃料气体通道10。在与阴极隔板6内面的阴极4相接触的部分上形成有沟槽状的单电池内氧化剂气体通道11。此外，在被相邻配置的阳极隔板5的外表面以及阴极隔板6的外表面的互相对应的部分上分别形成有沟槽，这些沟槽合在一起而形成冷却水通道12。
通过将上述构成的单电池9相邻放置并多个重叠而构成燃料电池1，各个单电池9，9……之间用环状的冷却水密封垫圈13进行密封。而且，如图3所示，在燃料电池1中，以在各个单电池9，9……的层叠方向上延伸的方式形成有燃料气体供给歧管21、燃料气体排出歧管22、氧化剂气体供给歧管23、氧化剂气体排出歧管24、冷却水供给歧管25以及冷却水排出歧管26。其中，氧化剂气体供给歧管23的入口连通于被配置于一方端板20的外表面的氧化剂气体入口50，氧化剂气体排出歧管24的出口连通于被配置于另一方端板20外表面的氧化剂气体出口51。此外，燃料气体供给歧管21的入口连通于被配置于一方端板20的外表面的燃料气体入口36，燃料气体排出歧管22的出口连通于被配置于另一方端板20的外表面的燃料气体出口38。
各个单电池9的单电池内燃料气体通道10的上游端被连接于燃料气体供给歧管21，同样下游端被连接于燃料气体排出歧管22。利用所述结构，从燃料气体入口36提供给燃料气体供给歧管21的燃料气体，在与阳极3接触的同时，在各个单电池9的单电池内燃料气体通道10中流动并经过燃料气体排出歧管22从燃料气体出口38排出。此外，各个单电池9的单电池内氧化剂气体通道11的上游端被连接于氧化剂气体供给歧管23，同样下游端被连接于氧化剂气体排出歧管24。利用所述结构，从氧化剂气体入口50提供给氧化剂气体供给歧管23的氧化剂气体，在与阴极4接触的同时，在各个单电池9的单电池内氧化剂气体通道11中流动并经过氧化剂气体排出歧管24从氧化剂气体出口51排出。此外，各个单电池9的冷却水通道的上游端被连接于冷却水供给歧管25，同样下游端被连接于冷却水排出歧管26。利用所述结构，被提供给冷却水供给歧管25的入口的冷却水在相邻的单电池9之间的冷却水通道12中流动并从冷却水排出歧管26的出口排出。
[燃料气体系统]
以下说明燃料气体系统的结构。燃料气体系统的通道是由通向燃料电池1的燃料气体供给系统的通道、燃料电池1内的阳极侧气体通道97以及从燃料电池1引出的燃料气体排出系统通道构成的。其中，在此所谓的“阳极侧气体通道97”是指由燃料气体供给歧管21、单电池内燃料气体通道10以及燃料气体排出歧管22形成于燃料电池1内部的一个通道。
首先，说明提供给燃料电池1气体的燃料气体供给系统的结构。燃料气体供给系统具备原料气体供给路径31、燃料气体供给部32、燃料气体供给路径35以及燃料气体供给阀71。燃料气体供给阀71是开闭燃料气体供给路径35的通道的开闭阀。本实施方式示意了家庭用燃料电池系统的方式，作为燃料气体供给部32使用了利用城市燃气而生成富氢燃料气体的重整装置。但是，在汽车用燃料电池系统中，作为燃料气体供给部32可以使用高压氢储罐等。
原料气体供给路径31的上游被连接于原料气体(例如由天然气形成的城市燃气)的配管，为了在调整流量的同时提供原料气体而配备有柱塞泵等原料气体供给器(图示省略)。在该原料气体供给路径31的下游端连接有燃料气体供给部32。
在燃料气体供给部32中，按处理气体的流动方向依次配备有重整器、变换器以及净化器(图示省略)。重整器具备重整催化剂，是使用水和热而从原料气体生成富氢重整气体的装置。该重整器被构成为能够从后述的燃烧器33提供燃烧热。变换器具备变换催化剂，是将重整气体中的CO转化成氢和CO2从而降低重整气体的CO浓度的装置。净化器具备氧化催化剂，使CO浓度降低了的重整气体氧化并将该重整气体的CO浓度降低至10ppm以下的装置。该重整气体作为燃料气体从燃料气体供给部32被提供给燃料气体供给路径35。在该燃料气体中包含有大量的在重整时被添加的水分。
燃料气体供给部32的燃料气体出口34被连接于燃料气体供给路径35的上游端，该燃料气体供给路径35的下游端被连接于燃料电池1的燃料气体入口36。燃料电池1的燃料气体入口36连通于燃料气体供给歧管21。利用所述结构，被提供给燃料电池1的燃料气体通过燃料气体供给歧管21以及单电池内燃料气体通道10到达阳极3，在此与氧化剂气体发生反应从而产生电和热并被消耗。
接着，说明从燃料电池1排出气体的燃料气体排出系统。燃料气体排出系统具备燃料气体排出路径37、燃料气体排出阀72、燃烧器33以及燃烧废气排出路径40。燃料气体排出阀72是开闭燃料气体排出路径37的通道的开闭阀。
燃料电池1的燃料气体排出歧管22与燃料气体出口38相连通，该燃料气体出口38经由燃料气体排出路径37而与燃烧器33的气体入口39相连接。在燃料电池1中没有被消耗的未参与反应的燃料气体通过单电池内燃料气体通道10以及燃料气体排出歧管22被排出至燃料气体排出路径37，并流入燃烧器33。燃烧器33在此被构成为喷烧器，是使从燃料电池1排出的燃料气体与燃烧用空气混合而燃烧的装置。在燃烧器33的气体出口连接有燃烧废气排出路径40，并被构成为将来自于燃烧器33的废气排出至燃料电池系统100之外。
在上述的燃料电池系统中，所谓“燃料气体封入空间111”是指以下部分的内部(图4中由双重线表示的部分)，如图4所示，即通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72而实质上与外部相隔离(被密封)的通道，即，燃料气体供给路径35中从燃料气体供给阀71到燃料电池1的燃料气体入口36的部分、阳极侧气体通道97、燃料气体排出路径37中从燃料电池1的燃料气体出口38到燃料气体排出阀72的部分。
[氧化剂气体系统]
接着，说明氧化剂气体系统的结构。氧化剂气体系统的通道是由通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统的通道、燃料电池1内的阴极侧气体通道(98)、由燃料电池1引出的氧化剂气体排出系统通道以及旁通系统的通道构成的。其中，在此所谓的“阴极侧气体通道98”是指由氧化剂气体供给歧管23、单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24在燃料电池1的内部形成的一个通道。
首先，说明通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统。氧化剂气体供给系统具备由鼓风机42和过滤器43构成的氧化剂气体供给部41、未加湿氧化剂气体供给路径45、加湿器46、氧化剂气体供给路径49以及氧化剂气体供给阀56。在此，作为氧化剂气体使用来自于外部的空气。
在鼓风机42的气体入口上连接有氧化剂气体摄入通道73，被构成为由鼓风机42摄入来自于外部的空气。鼓风机42的气体出口经由未净化氧化剂气体供给路径43a而与过滤器43的气体入口相连接。该过滤器43从由外部摄入的空气中除去成为影响燃料电池发电性能的外部空气中的杂质(NOx和SOx等)的装置。
氧化剂气体供给部41的气体出口44经由未加湿氧化剂气体供给路径45而与加湿器46的气体入口47相连接。在未加湿氧化剂气体供给路径45上连接有后述的旁通通道75的上游端。加湿器46是由离子交换膜或是中空线构成的全热交换器，是通过将从氧化剂气体供给部41摄入的空气与从燃料电池1排出的氧化剂气体进行热交换而加湿的装置。
加湿器46的气体出口48经由氧化剂气体供给路径49而与燃料电池1的氧化剂气体入口50相连接。在氧化剂气体供给路径49上配置有开闭该氧化剂气体供给路径49的通道的氧化剂气体供给阀56。氧化剂气体入口50连接于氧化剂气体供给歧管23，流入到燃料电池1的氧化剂气体通过氧化剂气体供给歧管23以及单电池内氧化剂气体通道11而到达阴极4，在此与燃料气体发生反应而产生电和热，并被消耗。
接着，说明通向燃料电池1的氧化剂气体排出系统。氧化剂气体排出系统具备氧化剂气体排出路径52、氧化剂气体排出阀57、加湿器46以及氧化剂废气排出路径53。
燃料电池1的氧化剂气体出口51经由氧化剂气体排出路径52而与加湿器46的气体入口54相连接。在氧化剂气体排出路径52上配置有开闭该氧化剂气体排出路径52的通道的氧化剂气体排出阀57。加湿器46的气体出口55被构成为连接于氧化剂废气排出路径53并能够将从加湿器46排出的氧化剂废气排出至系统外。
在燃料电池1中未参与反应的氧化剂气体通过单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24而从氧化剂气体出口51流出至氧化剂气体排出路径52。以下，将通过燃料电池1而流出至氧化剂气体排出路径52的氧化剂气体称为“排出氧化剂气体”。
在具有上述结构的氧化剂气体排出系统中，氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体流入加湿器46并实行热交换，该热量以及水分将被用于在氧化剂气体供给系统中流动的氧化剂气体的加湿。完成了热交换的排出氧化剂气体通过氧化剂废气排出路径53而向外部(大气)排出。
以下说明旁通系统。旁通系统具备旁通通道75以及关闭该旁通通道75的通道的旁通阀76。旁通通道75，上游端与连接氧化剂气体供给部41的气体出口44和加湿器46气体入口47的未加湿氧化剂气体供给路径45相连接，下游端与连接于燃料电池1的氧化剂气体出口51和加湿器46的气体入口54之间的氧化剂气体排出路径52相连接。旁通阀76为配置于靠附近通通道75下游端的位置的开闭阀。
以下说明氧化剂气体系统的特征。以下，在具有上述结构的氧化剂气体系统中，如图4所示，将通过关闭氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57以及旁通阀76从而实质上与外部相隔离(被密封)的通道内的空间，即在氧化剂气体供给路径49中从氧化剂气体供给阀56到燃料电池1的氧化剂气体入口50的部分、阴极侧气体通道98、在氧化剂气体排出路径52中从燃料电池1的氧化剂气体出口51到氧化剂气体排出阀57的部分、在旁通通道75中从与氧化剂气体排出路径52的连接的连接部到旁通阀76的部分的内部空间(图4中用斜线所表示的部分)称为“氧化剂气体封入空间112”。
在该氧化剂气体封入空间112，中将氧化剂气体出口51的下游侧称为“排出氧化剂气体封入空间112a”。即，由氧化剂气体排出路径52中从氧化剂气体出口51到氧化剂气体排出阀57的部分、旁通通道75中从与氧化剂气体排出路径52相连接的连接部到旁通阀76的部分构成的空间为排出氧化剂气体封入空间112a。
该排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上。总之，以使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上的方式来决定氧化剂气体排出路径52的通道直径、氧化剂气体排出阀57以及旁通阀76的位置。在此，排出氧化剂气体封入空间112a的体积的上限优在选设计可能的限度内尽量大。
[冷却系统]
以下说明冷却系统。在冷却系统中配备有由冷却器61和冷却水泵62构成的冷却水供给部60、冷却水循环回路63。
冷却器61具有冷却水的储存和冷却的功能，冷却水泵62具有将冷却水压送至冷却水循环回路63的功能。冷却水循环回路63是由冷却水供给部60、连接冷却水供给部60与燃料电池1的冷却水供给歧管25的入口的供给路径63a、冷却水供给歧管25、相邻的单电池9之间的冷却水通道12、冷却水排出歧管26、连接冷却水排出歧管26出口与冷却水供给部60的回流路径63b形成的冷却水循环回路。
在上述构成的冷却系统中，存在于冷却水供给部60的冷却器61中的冷却水被冷却水泵62压送到供给部63a，经由燃料电池1的冷却水供给歧管25、冷却水通道12以及冷却水排出歧管26而流向回流路径63b，并回流至冷却水供给部60。这样，在冷却水循环回路63中循环的冷却水回收来自于燃料电池1的废热从而冷却燃料电池1，并将燃料电池1维持在规定的温度。
[温度检测单元66]
燃料电池1具备检测燃料电池1运转时以及停止时的温度的温度检测单元66。在本实施方式中，在冷却水循环回路63中，具备检测从燃料电池1(冷却水排出歧管26的出口)流出的冷却水温度的热电偶或热敏电阻作为温度检测单元66，且被构成为从冷却水温度间接地检测燃料电池1温度。但是，温度检测单元66并不限定于本实施方式，只要是能够直接或间接地检测燃料电池1温度即可。例如，在冷却水循环回路63中，也可以具备检测流入到燃料电池1(冷却水供给歧管25的入口)的冷却水温度的热电偶或热敏电阻作为温度检测单元，并从冷却水温度间接地检测燃料电池1的温度。此外也可以，例如将沟槽形成于燃料电池1的阳极隔板5或阴极隔板6并将热电偶设置于此从而直接检测燃料电池1的温度。
[燃料电池系统100的控制系统的结构]
接着，说明燃料电池系统的控制系统的结构。燃料电池系统100的控制系统具备控制部81、存储部82、计时部83以及具有输入输出部84的控制装置65。控制部81接收来自于计时部83以及输入输出部84的信号，根据需要将运算结果等存储到存储部82。
控制部81接受来自于被配置于燃料气体供给部32的温度检测单元(图示省略)、燃料气体封入空间压力检测单元88、氧化剂气体封入空间压力检测单元89以及电压测定部90的检测信号，并根据存储于存储部82的程序或从输入输出部84接收的参数值来控制燃烧器33、燃料气体供给阀71、燃料气体排出阀72、氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57、旁通阀76的各个阀、鼓风机42、冷却水泵62以及电回路部91的动作。
控制装置65是由微机构成的，在控制部81中使用了CPU。在存储部82中使用例如内部储存器。在计时部83中使用例如附有日历的时钟电路。在本实施方式中分别设置了一个控制装置65以及控制部81而实行集中控制，然而也可以分别配置多个而实行分散控制。
[燃料电池系统100的基本动作]
接着，说明具有如上述结构的燃料电池系统100的基本动作。该动作是通过控制装置65控制燃料电池系统100而完成的。燃料电池系统100的动作被分为启动动作、发电(运转)动作、发电停止动作以及待机动作。启动时的控制装置65以顺利地向发电状态转移的方式利用规定的程序实行启动燃料电池系统100的启动控制。发电时的控制装置65实行用于利用燃料电池系统100进行发电的发电控制。发电停止时的控制装置65以规定的程序实行从发电状态顺利地停止燃料电池系统100的发电停止控制。于是，结束了发电停止控制之后就这样向待机时转移，待机时的控制装置65实行等待下一次启动指令的待机控制。
发电时的燃料电池系统100开放所有的燃料气体供给阀71、燃料气体排出阀72、氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57，同时关闭旁通阀76。将燃料气体和氧化剂气体提供给燃料电池1，输出控制装置64一旦开始输出电力，则通过在阳极3以及阴极4上发生电化学反应而实行发电。此外，在冷却系统中，通过使冷却水循环于冷却水循环回路63而回收由燃料电池1产生的热，从而调整燃料电池1的温度。
在燃料电池系统100发电时，在阴极4上氧化剂气体中的氧由于电化学反应而被消耗。为此，从氧化剂气体出口51排出的排出氧化剂气体中氧浓度比从氧化剂气体入口50提供的供给氧化剂气体中的氧浓度低。从由于扩散阻力而引起的电压降低和发电效率的观点出发，一般提供给阴极4的氧化剂气体的利用率为40～60％的左右。其结果，与所提供的氧化剂气体中的氧浓度大约为21％相对应，排出氧化剂气体中的氧浓度成为9～13％。在本实施方式中将氧化剂气体利用率设定在55％，排出氧化剂气体的氧浓度为10％。
接着，说明作为本实施方式1的特征动作的发电停止动作。图5为实施方式1所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制流程图。
接受了发电停止指令的控制装置65开始发电停止控制。控制装置65首先向输出控制装置64输出零输出指令(运转步骤S1)。输出控制装置64将从燃料电池1取出的电力作为零，由此停止由燃料电池系统100进行的发电。
接着，控制装置65向燃料气体供给部32输出控制信号，在停止从该燃料气体供给部32提供给燃料电池1的燃料气体的供给(运转步骤S2)的同时，向氧化剂气体供给部41输出控制信号，并停止从该氧化剂气体供给部41向燃料电池1提供氧化剂气体(运转步骤S3)。
接着，控制装置65向燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72输出控制信号并使这些阀关闭(运转步骤S4)。通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72，使由单电池内燃料气体通道10以及与此相连通的空间构成的燃料气体封入空间111实质上与外部相隔离。进一步，控制装置65向氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57输出控制信号并使这些阀关闭(运转步骤S5)。通过关闭氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57，使由单电池内氧化剂气体通道11以及与此相连通的空间构成的氧化剂气体封入空间112实质上与外部相隔离。然后，控制装置65向冷却水供给部60输出控制信号，停止冷却水的冷却与循环(运转步骤S6)。
在上述的流程中，针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出被停止的状态下，燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112均与外部相隔离。不久，在燃料电池1内，由于燃料气体中的氢与氧化剂气体中的氧发生反应以及由于燃料电池1的温度降低而引起的水的冷凝，在氧化剂气体封入空间112中发生负压现象。
在此，控制装置65取得由温度检测单元66检测的第一次检测温度T1(运转步骤S7)，并对旁通阀开温度Ta与第一次检测温度T1作比较运算(运转步骤S8)。
在此，将氧化剂气体封入空间112的压力在不能够保障密封垫圈7，8的气密性的程度下变成负压时的燃料电池1温度通过实验或理论值求出，将其作为旁通阀开温度Ta而被预先设定于控制装置65。例如，在运转时的燃料电池温度为70℃、在旁通阀开温度Ta＝60℃时的情况下，根据饱和水蒸汽曲线可知，由于温度从70℃降低到60℃而引起的水的冷凝导致的压力降低为10kPa的左右，以这种程度的压力变化可以确保密封垫圈7，8的气密性。但是，优选根据密封垫圈的耐压性适当调整旁通阀开温度Ta的值。
控制装置65对旁通阀开温度Ta和第一次检测温度T1作比较运算的结果，如果第一次检测温度T1比旁通阀开温度Ta大(T1＞Ta，运转步骤S8中的否)则返回到运转步骤S7。
此外，在第一次检测温度T1为旁通阀开温度Ta以下的情况下(T1≤Ta，运转步骤S8中的是)，则氧化剂气体封入空间112的压力在不能够保障密封垫圈7，8的气密性的程度下变成负压，因此需要负压缓和动作。在此，控制装置65向旁通阀76输出控制信号并开放旁通阀76(运转步骤S9)。旁通阀76被开放后，则被过滤瓷器43净化了的外部空气通过旁通通道75被吸入到氧化剂气体封入空间112。外部空气从位于阴极侧气体通道98的下游侧的氧化剂气体排出路径52流入到氧化剂气体封入空间112，使存在于氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体被该外部空气回推，其中与负压导致的体积减少相应的排出氧化剂气体流入到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。
接着，控制装置65取得由温度检测单元66检测的第二次检测温度T2(运转步骤S10)，并对旁通阀闭温度Tb和第二次检测温度T2作比较运算(运转步骤S11)。
在此，在燃料电池1成为旁通阀闭温度Tb时再次封闭氧化剂气体封入空间112，以即使温度变化至燃料电池1成为常温，氧化剂气体封入空间112的压力也能够充分保障密封垫圈7，8的密封性的方式，通过实验或以理论值求得旁通阀闭温度Tb并预先设定到控制装置65中。例如，在旁通阀闭温度为Tb＝40℃的情况下，从40℃到常温(25℃)的温度变化而引起的压力变化为5kPa以下，以这一程度的压力变化可以充分确保密封垫圈7，8的密封性。
控制装置65对旁通阀闭温度Tb和第二次检测温度T2作比较运算的结果，如果在第二次检测温度T2比旁通阀闭温度Tb大的情况下(T2＞Tb，运转步骤S11中的否)则返回至运转步骤S10。而如果在第二次检测温度T2是在旁通阀闭温度Tb以下的情况下(T2≤Tb，运转步骤S11中的是)，控制装置65将控制信号输出至旁通阀76并使旁通阀76关闭(运转步骤S12)，从而结束发电停止控制。
如上所述，在本实施方式1所涉及的燃料电池100中，在发电停止时，封闭燃料气体系统的通道以及氧化剂气体系统的通道，由此而在燃料电池1的阴极侧气体通道98中所产生的负压，通过将外部空气向位于燃料电池1的氧化剂气体出口51的下游侧的氧化剂气体排出路径52吸入，并将存在于该氧化剂气体排出路径52的氧浓度低的排出氧化剂气体向燃料电池1内的阴极侧气体通道98回推而进行缓和。这样，由于缓和了燃料电池1的阴极侧气体通道98的负压，因此可以抑制非发电时(启动时、发电停止时以及待机时)的阴极4的催化剂劣化。
通常，阴极4的催化剂，与下游侧相比较，在单电池内氧化剂气体通道11的上游侧劣化更为严重。对此，在本实施方式中，由于从阴极侧气体通道98的下游侧提供排出氧化剂气体，与该排出氧化剂气体发生反应的是阴极4的下游侧的催化剂，所以能够抑制非发电时的阴极4的上游侧的催化剂劣化，并能够防止作为阴极4整体的劣化。
此外，通向阴极侧气体通道98的排出氧化剂气体的供给，仅在燃料电池系统100的非发电时实行一次。因此涉及催化剂的电位循环也为一次，这样，能够防止由于非发电时要做重复电位循环而导致的阴极4的催化剂劣化。在此，针对阴极侧气体通道98的排出氧化剂气体的供给，优选包含于发电停止时的燃料电池系统100的发电停止动作中而进行，然而也可以在待机时进行。
然后，由于排出氧化剂气体封入空间112a的体积被构成为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上，所以在发电停止时，几乎所有从排出氧化剂气体封入空间112a被回推到阴极侧气体通道98的气体，成为相对于外部空气氧浓度低的排出氧化剂气体。因此，能够降低用于消耗流入到阴极侧气体通道98的氧而使用的交叉泄漏氢量，并能够减少对发电和热回收不作贡献的燃料气体的无为消耗，从而提高能量效率。而且，提供给阴极侧气体通道98的氧浓度低的排出氧化剂气体是在运转(发电)时产生的气体，因而在燃料电池系统100中没有必要具备特别的降氧机构。
在此，利用图6说明将排出氧化剂气体封入空间112a的体积构成为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上的理由。图6为示意阴极侧气体通道的气体体积减少量的计算例的图。
将燃料气体封入空间111中位于氧化剂气体出口51的上游侧、即阴极侧气体通道98以及氧化剂气体供给路径49中位于氧化剂气体供给阀56的上游侧的部分的空间体积作为电池堆体积A，使发电停止时的燃料电池1的温度为70℃、压力为1Pa(＝760mmHg)。在该状态下，推定向燃料电池1内的阴极侧气体通道98回推的排出氧化剂气体。然后，使排出氧化剂气体作为追加气体流入到所述电池堆体积A，计算燃料电池1的温度降低至常温(25℃)时的体积减少量，该过程示于图6中。根据该计算结果，则在将燃料电池1冷却至25℃时，追加气体占电池堆体积A的0.35倍。由于在排出氧化剂气体中含有较多的水分，所以如果考虑水分的冷凝，则估计在发电停止时流入到电池堆体积A的气体(追加气体)的体积至多为电池堆体积A的一倍左右。由于氧化剂气体供给阀56通常是被配置于氧化剂气体供给路径49上且在燃料电池1的氧化剂气体入口50的附近，所以可以认为电池堆体积A大约为阴极侧气体通道98的空间体积。总之，通过使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上，几乎所有向阴极侧气体通道98回推的大部分气体成为氧浓度低的排出氧化剂气体。
(实施方式2)
以下说明本发明的实施方式2。实施方式2所涉及的燃料电池系统100，除了控制系统的结构之外，其余与所述的实施方式1所涉及的燃料电池系统100的结构大致相同。因此，以下利用图7说明燃料电池系统100的控制系统的结构。图7为示意实施方式2所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
[燃料电池系统100的控制系统的结构]
如图7所示，实施方式2所涉及的燃料电池系统100具备检测氧化剂气体封入空间112的压力的压力检测单元89，即在燃料电池系统100中，具备检测氧化剂气体供给路径49中氧化剂气体供给阀56与氧化剂气体入口50之间的部分、阴极侧气体通道98、氧化剂气体排出路径52中氧化剂气体出口51与氧化剂气体排出阀57之间的部分以及旁通通道75中旁通阀76与和氧化剂气体排出路径52相连接的连接部之间的部分的一连串内部空间压力的压力检测单元89。在本实施方式中，作为该压力检测单元使用了用于燃料电池系统100的运转控制而具备的氧化剂气体封入空间压力检测单元。为此，没有必要额外具备其它的检测装置，经济实惠。然而，压力检测单元89可以与氧化剂气体封入空间压力检测单元设置为不同。
[燃料电池系统100的动作]
以下说明燃料电池系统100的动作。在此，燃料电池系统100启动时以及发电时的基本动作与上述实施方式1所涉及的燃料电池系统100的基本动作大致相同，因此省略其说明。利用图8说明作为本实施方式2所涉及的燃料电池系统100的特征动作的发电停止动作。图8是实施方式2所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制流程图。
接受了发电停止的指令的控制装置65，首先将零输出指令输出至输出控制装置64(运转步骤S21)。输出控制装置64将从燃料电池1取出的电力作为零，由此停止燃料电池系统100所进行的发电。
接着，控制装置65向燃料气体供给部32输出控制信号，在停止从该燃料气体供给部32通向燃料电池1的燃料气体的供给(运转步骤S22)的同时，向氧化剂气体供给部41输出控制信号，从而停止从该氧化剂气体供给部41通向燃料电池1的氧化剂气体的供给(运转步骤S23)。
接着，控制装置65向燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72输出控制信号并使这两个阀关闭(运转步骤S24)。通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72，使由单电池内燃料气体通道10以及与其连通的空间构成的燃料气体封入空间111实质上与外部相隔离。
进一步，控装置65向氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57输出控制信号并使这两个阀关闭(运转步骤S25)。通过关闭氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57，使由单电池内氧化剂气体通道11以及与其连通的空间构成的氧化剂气体封入空间112实质上与外部相隔离。接着，控制装置65向冷却水供给部60输出控制信号并使冷却水的冷却和循环停止(运转步骤S26)。
如上所述，停止针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出，并在封闭了燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112之后，控制装置65用计时部83开始计时(运转步骤S27)。
由于停止了针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出，且燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112被封闭，所以不久在燃料电池1内，由于燃料气体中的氢与氧化剂气体中的氧发生反应以及燃料电池1的温度降低而引起的水的冷凝，在氧化剂气体封入空间112中发生了负压现象。
在此，控制装置65读取由压力检测单元89检测的压力P1(运转步骤S28)，并对旁通阀开压力Pa和检测出的压力P1进行比较运算(运转步骤S29)。
在此，在本实施方式2中，由压力检测单元89检测的检测压力P1被作为与大气压之差。于是，将氧化剂气体封入空间112的压力与大气压的压力差在不能够保障密封垫圈7，8的气密性的程度下变成负压时的压力差通过实验或以理论值求出，并且将其作为旁通阀开压力Pa而预先设定于控制装置65。可以将旁通阀开压力Pa设定为，例如-10kPa，且优选对应于密封垫圈7，8的耐压性而适当设定旁通阀开压力Pa的值。但是，压力检测单元89并不限定于上述结构，只要能够对氧化剂气体封入空间112的压力和外部压力进行比较即可，例如也可以分别将压力计设置于未加湿氧化剂气体供给路径45和氧化剂气体供给路径49中氧化剂气体供给阀56的下游侧，并将这两个压力计的压差作为检测压力P1。
控制装置65对旁通阀开压力Pa和检测压力P1进行比较运算，其结果，在检测压力P1大于旁通阀开压力Pa的情况(P1＞Pa，运转步骤S29中的否)下，则返回到运转步骤S28。
而在检测压力P1为旁通阀开压力Pa以下的情况下(P1≤Pa，运转步骤S29中的是)，则由于氧化剂气体封入空间112的压力在不能够保障密封垫圈7，8的气体密封性的程度下成为负压，所以需要负压缓和动作。在此，控制装置65向旁通阀76输出控制信号并使旁通阀76开放(运转步骤S30)。旁通阀76被开放，则被过滤瓷器43净化了的外部空气通过旁通通道75被吸入到氧化剂气体封入空间112。外部空气从位于阴极侧气体通道98下游侧的氧化剂气体排出路径52流入到氧化剂气体封入空间112，使存在于氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体被该外部空气回推，其中与负压造成的体积减少相应的排出氧化剂气体流入到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。
接着，控制装置65读取从运转步骤S27开始计时的经过时间t1(运转步骤S31)，并对经过时间t1和旁通阀关闭时间ta进行比较运算(运转步骤S32)。在此，虽然从计时开始测定所经过的时间并作为经过时间t1，但是也可以通过计算出计时开始时和经过时间读取时的时间差而求得经过时间t1。
在旁通阀76被开放的状态下，由于氧化剂气体封入空间112的压力与大气压基本相同并为恒定，所以关闭旁通阀76的动作是根据开始计时后的经过时间来实行。在计时部83开始计时之后经过旁通阀关闭时间ta时，再封闭氧化剂气体封入空间112，以即使燃料电池1的温度变化至常温氧化剂气体封入空间112压力也可以能够充分保障密封垫圈7，8的气密性方式，通过实验或以理论值求得旁通阀关闭时间ta，并预先将其设定于控制装置65。例如，在设定为旁通阀关闭时间ta＝2小时的情况下，由于从开始计时之后经过2小时燃料电池1的温度降低至40℃左右，所以对应于从40℃到常温的温度变化而引起的氧化剂气体封入空间112的压力变化，可以充分确保密封垫圈7，8的气密性。
控制装置65对经过时间t1和旁通阀关闭时间ta进行比较运算，其结果，在经过时间t1比旁通阀关闭时间ta短，即，从计时开始还未经过旁通阀关闭时间ta的情况(t1＜ta，运转步骤S32中的否)下，则返回到运转步骤S31。
而在经过时间t1大于旁通阀关闭时间ta、即从计时开始经过了旁通阀关闭时间ta的情况(t1≥ta，运转步骤S32中的是下)，控制装置65向旁通阀76输出控制信号并使旁通阀76关闭(运转步骤S33)，从而结束停止动作。
如上所述，在本实施方式2所涉及的燃料电池系统100中，将外部空气吸入到位于燃料电池1的氧化剂气体出口51的下游侧的氧化剂气体排出路径52，并通过将存在于该氧化剂气体排出路径52的氧浓度低的排出氧化剂气体回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98，从而实施在发电停止时在燃料电池1的阴极侧气体通道98中产生的负压的缓和。这样，是在实施方式2所涉及的燃料电池系统100中也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池系统100相同的作用与效果。
除此之外，在本实施方式2所涉及的燃料电池系统100中，由于使用压力检测单元89直接检测氧化剂气体封入空间112的压力，并根据该压力值判断氧化剂气体封入空间112成为规定的负压状态的状况，所以能够进行更加切实的控制。
在此，氧化剂气体封入空间112变成规定的负压状态的状况，在实施方式1中是利用燃料电池1的温度而判断的，在实施方式2中是以氧化剂气体封入空间112的压力而判断的，然而也可以根据燃料电池1的温度和氧化剂气体封入空间112的压力两者而判断。
(实施方式3)
以下说明本发明的实施方式3。实施方式3所涉及的燃料电池系统100，除了氧化剂气体系统之外，其余与所述的实施方式1所涉及的燃料电池系统100的结构大致相同。因此，以下利用图9说明燃料电池系统100的氧化剂气体系统的结构，省略其他的说明。图9为示意实施方式3所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
[氧化剂气体系统的结构]
以下说明氧化剂气体系统的结构。氧化剂气体系统的通道由通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统的通道、燃料电池1内的阴极侧气体通道、从燃料电池1引出的氧化剂气体排出系统的通道以及旁通系统的通道构成。其中，在此所谓“阴极侧气体通道98”是指由氧化剂气体供给歧管23、单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24形成于燃料电池1内部的一个通道。
首先说明通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统。氧化剂气体供给系统具备由鼓风机42和过滤器43构成的氧化剂气体供给部41、未加湿氧化剂气体供给路径45、加湿器46以及氧化剂气体供给阀56。
在鼓风机42的气体入口上连接有氧化剂气体摄入通道73，被构成为利用鼓风机42摄入来自于外部的空气。鼓风机42的气体出口通过未净化氧化剂气体供给路径43a而与过滤器43的气体入口相连接。该过滤器43是从由外部摄入的空气中除去影响燃料电池发电性能的外部空气中的杂质(NOx和SOx等)的装置。
氧化剂气体供给部41的气体出口44通过未加湿氧化剂气体供给路径45而与加湿器46的气体入口47相连接。在未加湿氧化剂气体供给路径45上，连接有后述的旁通通道75的始端。此外，在未加湿氧化剂气体供给路径45上，具备开闭该未加湿氧化剂气体供给路径45的通道的氧化剂气体供给阀56。
加湿器46是由离子交换膜或是中空线构成的全热交换器，通过将氧化剂气体供给部41摄入的空气与燃料电池1排出的氧化剂气体进行热交换而进行加湿。总之，对于从燃料电池1排出的氧化剂气体，加湿器46起着作为冷凝去除氧化剂气体中的水分的冷凝器的作用。在本实施方式中，加湿器46被一体配置于燃料电池1。因此，加湿器46的气体出口被连结于燃料电池1的氧化剂气体入口50。氧化剂气体入口50被连接于氧化剂气体供给歧管23，流入到燃料电池1的氧化剂气体经由氧化剂气体供给歧管23以及单电池内氧化剂气体通道11而到达阴极4，在此与燃料气体发生反应而产生电和热，并被消耗。
以下说明通向燃料电池1的氧化剂气体排出系统。氧化剂气体排出系统具备加湿器46、氧化剂气体排出阀57以及氧化剂废气排出路径53。
燃料电池1的氧化剂气体出口51与加湿器46的气体入口相连结。加湿器46的气体出口55被构成为：连接氧化剂废气排出路径53并能够将从加湿器46排出的氧化剂废气排出至系统外。在氧化剂废气排出路径53上，配置有开闭该氧化剂废气排出路径53的通道的氧化剂气体排出阀57。
在燃料电池1中未参与反应的氧化剂气体经由单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24而从氧化剂气体出口51流入到加湿器46并进行热交换，该热能以及水分被用于对在氧化剂气体供给系统中流动的氧化剂气体进行加湿。完成了热交换的氧化剂气体通过氧化剂废气排出路径53而向外部(大气)排出。
以下说明旁通系统。旁通系统具备旁通通道75以及开闭该旁通通道75的通道的旁通阀76。旁通通道75的上游端与未加湿氧化剂气体供给路径45中氧化剂气体供给阀56的上游侧的部分相连接。旁通通道75的下游端与氧化剂废气排出路径53中氧化剂气体排出阀57的上游侧的部分相连接。旁通阀76是配置于接附近通通道75下游端的位置的开闭阀。
以下说明上述具有结构的氧化剂气体系统的特征。在该氧化剂气体系统中，将通过关闭氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57以及旁通阀76从而实质上与外部相隔离(被密封)的通道内的空间称为“氧化剂气体封入空间112”。即，未加湿氧化剂气体供给路径45中从氧化剂气体供给阀56到加湿器46的气体入口47的部分、加湿器46内的加湿侧通道、阴极侧气体通道98、加湿器46内的冷凝侧通道、氧化剂废气排出路径53中从加湿器46的气体出口55到氧化剂气体排出阀57的部分、旁通通道75中从与氧化剂废气排出路径53相连接的连接部到旁通阀76的部分的内部为氧化剂气体封入空间112。
以下，在该氧化剂气体封入空间112中，将加湿器46的气体出口55的下游侧(图9中斜线部分)称为“排出氧化剂气体封入空间112a”。即，由氧化剂废气排出路径53中从加湿器46的气体出口55到氧化剂气体排出阀57的部分、旁通通道75中从与氧化剂废气排出路径53相连接的连接部到旁通76的部分构成的空间为排出氧化剂气体封入空间112a。
该排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上。总之，以使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上的方式来决定氧化剂废气排出路径53的通道直径、氧化剂气体排出阀57以及旁通阀76的位置。但是，优选排出氧化剂气体封入空间112a的体积的上限优在选设计可能的限度内尽量大。
在此，利用图6说明以将排出氧化剂气体封入空间112a的体积构成为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上的理由。将组合了燃料气体封入空间111中加湿器46的气体出口55的上游侧、未加湿氧化剂气体供给路径45中位于氧化剂气体供给阀56的下游侧的部分、加湿器46的加湿侧通道、阴极侧气体通道98以及加湿器46的冷凝侧通道的空间体积作为电池堆体积A，使发电停止时的燃料电池1的温度为70℃、压力为1Pa(＝760mmHg)。在该状态下，被回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98的排出氧化剂气体作为追加气体流入到所述电池堆体积A，从而计算燃料电池1的温度冷却至常温(25℃)时的体积减少量。根据该计算结果，在将燃料电池1冷却至25℃时，追加气体占电池堆体积A的0.35倍。由于在排出氧化剂气体封入空间112a中的排出氧化剂气体通过加湿器46(冷凝器)而被除去了水分，所以没有必要考虑该水分的冷凝。因此，只要排出氧化剂气体封入空间112a的体积是电池堆体积A的0.35倍就足够了。由于氧化剂气体供给阀56通常是被配置于未加湿氧化剂气体供给路径45上且在加湿器46的气体入口47的附近，并且加湿器46内的通道空间体积与阴极侧气体通道98的空间体积相比足够小，所以可以认为电池堆体积A大致为阴极侧气体通道98的空间体积。总之，通过使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上，几乎所有从排出氧化剂气体封入空间112a被回推到阴极侧气体通道98的气体变成了氧浓度低的排出氧化剂气体。
(实施方式4)
以下说明本发明的实施方式4。图10为示意实施方式4所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。如图10所示，实施方式4所涉及的燃料电池系统100，除了氧化剂系统之外，其余虽然与上述的实施方式2所涉及的燃料电池系统100的结构大致相同，在氧化剂气体系统的结构中的不同在于不具备旁通通道75以及旁通阀76。具体为排出氧化剂气体封入空间112a是从氧化剂气体出口51到氧化剂气体排出阀57的部分，是由氧化剂气体排出路径52构成的，而检测氧化剂气体封入空间112压力的压力检测单元89则是被配置于氧化剂气体排出路径52的中途。压力检测单元89是检测氧化剂气体供给路径49中的氧化剂气体供给阀56与氧化剂气体入口50之间的部分、阴极侧气体通道98以及氧化剂气体排出路径52的一连串内部空间的压力。此外，以连接氧化剂气体排出阀57和加湿器46的气体入口54的方式配置氧化剂排出阀-加湿器路径58。
优选氧化剂废气排出路径53的体积大于氧化剂气体封入空间112a的体积与氧化剂排出阀-加湿器路径58的体积之和。通过以这样的方式构成，在发电停止时氧化剂废气排出路径53被氧化剂废气所充满，这样，通过发电停止时使外部空气吸入到位于氧化剂气体封入空间112a的下游侧的氧化剂废气排出路径53，并将存在于该氧化剂废气排出路径53的氧浓度低的排出氧化剂气体回推到燃料电池1的阴极侧气体通道98，可以实行在燃料电池1的阴极侧气体通道98中所产生的负压的缓和。为此，位于氧化剂废气排出路径53下游的空气难以进入到氧化剂气体封入空间112a。
[燃料电池系统100的动作]
以下说明燃料电池系统100的动作。在此，由于燃料电池系统100启动时以及发电时的基本动作与上述实施方式2所涉及的燃料电池系统100的基本动作大致相同，所以在此省略对其说明，利用图11说明作为本实施方式4所涉及的燃料电池系统100的特征动作的发电停止动作。图11为实施方式4所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制流程图。
控制装置65从运转步骤S21到运转步骤S28与实施方式2实行同样的控制(参照图7)。然后，控制装置65对与旁通阀开压力Pa相同的压力界限值的氧化剂气体排出阀(开压力)Pa和检测压力P1进行比较运算，其结果，在检测压力P1大于氧化剂气体排出阀开压力Pa的情况(P1＞Pa，运转步骤S29中的否)下，则返回到运转步骤S28。
而在检测压力P1在氧化剂气体排出阀开压力Pa以下的情况下(P1≤Pa，运转步骤S29中的是)，则由于氧化剂气体封入空间112的压力在不能保障密封垫圈7，8的气体密封性的程度下成为负压，所以有必要进行负压缓和动作。在此，控制装置65向氧化剂气体排出阀57输出控制信号并使氧化剂气体排出阀57开放(运转步骤S30)。氧化剂气体排出阀57被开放后，排出氧化剂气体从氧化剂气体排出阀57的下游侧被吸入到氧化剂气体封入空间112。其结果，与由于负压而引起的体积减少部分相当的排出氧化剂气体流入到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。
然后，控制装置65对经过时间t1和旁通阀关闭时间ta、相同时间界限值的氧化剂气体排出阀开启时间ta进行比较运算，其结果，在经过时间t1比氧化剂气体排出阀关闭时间ta短，即，从计时开始未经过氧化剂气体排出阀关闭时间ta的情况下(t1＜ta，运转步骤S32中的否)，则返回到运转步骤S31。
而在经过时间t1在氧化剂气体排出阀关闭时间ta以上，即，从计时开始经过了氧化剂气体排出阀关闭时间ta的情况(t1≥ta，运转步骤S32中的是)下，则控制装置65向氧化剂气体排出阀57输出控制信号并使氧化剂气体排出阀57关闭(运转步骤S33)，从而结束停止动作。
如上所述，在本实施方式4所涉及的燃料电池系统100中，通过在发电停止时开放氧化剂气体排出阀57并经由氧化剂排出阀-加湿器路径58，将存在于氧化剂废气排出路径53的氧浓度低的排出氧化剂气体导入到氧化剂气体封入空间112，从而实行在燃料电池1的阴极侧气体通道98中所产生的负压的缓和。如上所述，是在实施方式4所涉及的燃料电池系统100中，也能取得与实施方式1以及实施方式2所涉及的燃料电池系统100相同的作用与效果。
(实施方式5)
以下说明本发明的实施方式5。以下是说明实施方式5所涉及的燃料电池系统，分成为硬件和控制系统而说明。
[燃料电池系统100的硬件的构成]
首先说明燃料电池系统100的硬件的结构。图12为示意实施方式5所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图，图13为单电池结构的截面图，图14为燃料电池结构的立体图，图15是用于说明燃料气体封入空间以及氧化剂气体封入空间的燃料电池系统的功能方块图的部分放大图。
如图12所示，本实施方式的燃料电池系统100作为主要结构要素具备燃料电池1、将燃料气体提供给燃料电池1并排出的燃料气体系统、将氧化剂气体提供给燃料电池1并排出的氧化剂气体系统、作为本发明特征的外部空气供给系统、冷却燃料电池1的冷却系统、检测燃料电池1温度的温度检测单元66、控制燃料电池系统100整体的动作的控制装置65、输出控制装置64。燃料电池系统100的大部分结构要素被容纳于框体67的内部，或是以暴露于框体67的外表面的方式安装。以下是说明燃料电池系统100的主要结构要素作如下详细的说明。
[燃料电池1]
以下说明关燃料电池1(单电池堆)的结构。燃料电池1可以用高分子电解质型燃料电池构成，由于该结构为公知构造，所以对燃料电池1只就与本发明相关联部分简单说明。在此，燃料电池1在作为高分子电解质型燃料电池。
如图14所示，燃料电池1具备多个被层叠了的单电池9，9……、夹持被层叠了的单电池9，9……的一对集电板28a，28c、使单电池9与外部电绝缘的一对绝缘板29，29、使用联结部件(图示省略)在层叠的状态下联结单电池9的一对端板20，20。由于每一个单电池的较低，通常只有0.75V的左右，所以在燃料电池1中，串联层叠多个单电池9从而可以达到高电压。在集电板28a，28c上分别配置有电输出端子27a，27c，并通过集电板28a，28c从燃料电池1向外部引出电流。在电输出端子27a，27c上连接有输出控制装置64。输出控制装置64具备变流器，将从燃料电池1输出的直流电变换成为交流电而输出。此外，输出控制装置64为能够调整其输出，并通过调整该输出从而调整由燃料电池1所产生的电力的结构。
如图13所示，单电池9具有作为电解质层的高分子电解质膜2，在除了该高分子电解质膜2的两个主面的周边部的部分上，配置有阳极3和阴极4。由这些阳极3和高分子电解质膜2以及阴极4构成了MEA(膜-电极接合体)15。阳极3是由紧密附着而配置的阳极催化剂层3a和阳极气体扩散层3b构成的，阴极4是由紧密附着而配置的阴极催化剂层4a和阴极气体扩散层4b构成的。
高分子电解质膜2是由，例如由全氟磺酸聚合物形成的氢离子传导性的固体高分子电解质膜构成，催化剂层3a，4a是由，例如将白金-钌合金或白金等的贵金属担载于催化剂与具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物构成的，气体扩散层3b，4b是由，例如已施以拨水处理的碳纸或碳布构成的。
以与MEA15的阳极3相接触的方式配置导电性的板状阳极隔板5，此外，以与阴极4相接触的方式配置导电性的板状阳极隔板6。然后，利用被配置于高分子电解质膜2的两个主面的周边部的一对环状密封垫圈7，8密封MEA15和阳极隔板5以及密封MEA15和阴极隔板6。在阳极隔板5内面的与阳极3接触的部分上形成有沟槽状的单电池内燃料气体通道10。在阴极隔板6内面的与阴极4接触的部分上形成有沟槽状的单电池内氧化剂气体通道11。此外，在相邻配置的阳极隔板5的外表面以及阴极隔板6的外表面的互相对应的部分上分别形成有沟槽，这些沟槽相合后就形成了冷却水通道12。
通过将相邻的上述结构的单电池9合在一起并层叠，构成了燃料电池1，在各个单电池9，9……之间用环状的冷却水密封垫圈13密封。而且，如图14所示，在燃料电池1中，以在各个单电池9，9……的层叠方向上进行延伸的方式形成燃料气体供给歧管21、燃料气体排出歧管22、氧化剂气体供给歧管23、氧化剂气体排出歧管24、冷却水供给歧管25以及冷却水排出歧管26。其中，氧化剂气体供给歧管23的入口连通于被配置于一方端板20的外表面的氧化剂气体入口50(参照图12)，氧化剂气体排出歧管24的出口连通于被配置于另一方端板20外表面的氧化剂气体出口51。此外，燃料气体供给歧管21的入口连通于被配置于一方端板20外表面的燃料气体入口36，燃料气体排出歧管22的出口连通于被配置于另一方端板20外表面的燃料气体出口38。
各个单电池9的单电池内燃料气体通道10的上游端被连接于燃料气体供给歧管21，同样下游端被连接于燃料气体排出歧管22。利用所述结构，从燃料气体入口36提供给燃料气体供给歧管21的燃料气体在与阳极3接触的同时，在各个单电池9的单电池内燃料气体通道10中流动，并经由燃料气体排出歧管22从燃料气体出口38排出。此外，各个单电池9的单电池内氧化剂气体通道11的上游端被连接于氧化剂气体供给歧管23，同样下游端被连接于氧化剂气体排出歧管24。利用所述结构，从氧化剂气体入口50提供给氧化剂气体供给歧管23的氧化剂气体在与阴极4接触的同时，在各个单电池9的单电池内氧化剂气体通道11中流动，并经由氧化剂气体排出歧管24从氧化剂气体出口51排出。此外，各个单电池9的冷却水通道的上游端被连接于冷却水供给歧管25，同样下游端被连接于冷却水排出歧管26。利用所述结构，被提供给冷却水供给歧管25入口的冷却水在相邻的单电池9之间的冷却水通道12中流动并从冷却水排出歧管26的出口排出。
[燃料气体系统]
以下说明燃料气体系统的结构。燃料气体系统的通道由通向燃料电池1的燃料气体供给系统的通道、燃料电池1内的阳极侧气体通道97以及从燃料电池1引出的燃料气体排出系统通道构成。在此，所谓“阳极侧气体通道97”是指由燃料气体供给歧管21、单电池内燃料气体通道10以及燃料气体排出歧管22形成于燃料电池1内部的一个通道。
首先说明通向燃料电池1气体的燃料气体供给系统的结构。如图12所示，燃料气体供给系统具备原料气体供给路径31、燃料气体供给部32、燃料气体供给路径35以及燃料气体供给阀71。燃料气体供给阀71是开闭燃料气体供给路径35的通道的开闭阀。本实施方式为示意家庭用燃料电池系统的方式，作为燃料气体供给部32使用了利用城市燃气来生成富氢燃料气体的重整装置。但是，在汽车用燃料电池系统中，作为燃料气体供给部32可以使用高压氢储罐等。
原料气体供给路径31的上游被连接于原料气体(例如由天然气形成的城市燃气)的配管，为了在调整流量的同时提供原料气体而配备柱塞泵等的原料气体供给器(图示省略)。在该原料气体供给路径31的下游端连接有燃料气体供给部32。
在燃料气体供给部32中，按处理气体的流动方向依次配备有重整器、变换器以及净化器(图示省略)。重整器具备重整催化剂，是使用水和热从原料气体来生成富氢重整气体的装置。该重整器被构成为能够从后述的燃烧器33提供燃烧热。变换器具备变换催化剂，是将重整气体中的CO转化成氢和CO2从而降低重整气体CO浓度的装置。净化器具备氧化催化剂，是氧化CO浓度被减低了的重整气体并将该重整气体的CO浓度降低至10ppm以下的装置。该重整气体是作为燃料气体从燃料气体供给部32被提供给燃料气体供给路径35。在该燃料气体中包含有大量的在重整时被添加的水分。
燃料气体供给部32的燃料气体出口34被连接于燃料气体供给路径35的上游端，该燃料气体供给路径35的下游端被连接于燃料电池1的燃料气体入口36。燃料电池1的燃料气体入口36连通于燃料气体供给歧管21。利用所述结构，被提供给燃料电池1的燃料气体通过燃料气体供给歧管21以及单电池内燃料气体通道10到达阳极3，在此与氧化剂气体发生反应从而产生电和热并被消耗。
接着，说明从燃料电池1引出的燃料气体排出系统。燃料气体排出系统具备燃料气体排出路径37、燃料气体排出阀72、燃烧器33以及燃烧废气排出路径40。燃料气体排出阀72是开闭燃料气体排出路径37的通道的开闭阀。
燃料电池1的燃料气体排出歧管22与燃料气体出口38相连通，该燃料气体出口38通过燃料气体排出路径37从而与燃烧器33的气体入口39相连接。在燃料电池1中没有被消耗的未参与反应的燃料气体经由单电池内燃料气体通道10以及燃料气体排出歧管22被排出至燃料气体排出路径37，流入到燃烧器33。在此燃烧器33由喷烧器构成，是与燃烧用空气相混合来燃烧从燃料电池1排出的燃料气体的装置。在燃烧器33的气体出口连接有燃烧废气排出路径40，并被构成为能够将来自于燃烧器33的废气排出至燃料电池系统100之外。
在上述的燃料电池系统中，所谓“燃料气体封入空间111”是指以下部分的内部(图15中由双重线表示的部分)，即如图15所示的通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72从而实质上与外部相隔离(被密封)的通道、即在燃料气体供给路径35中从燃料气体供给阀71到燃料电池1的燃料气体入口36的部分、阳极侧气体通道97、在燃料气体排出路径37中从燃料电池1的燃料气体出口38到燃料气体排出阀72的部分。
[氧化剂气体系统]
接着，说明氧化剂气体系统的结构。氧化剂气体系统的通道是由通向给燃料电池1的氧化剂气体供给系统的通道、燃料电池1内的阴极侧气体通道、从燃料电池1引出的氧化剂气体排出系统通道以及外部空气供给系统通道构成的。在此，所谓“阴极侧气体通道98”是指由氧化剂气体供给歧管23、单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24形成于燃料电池1内部的一个通道。
首先，说明提供给燃料电池1的氧化剂气体供给系统。氧化剂气体供给系统具备由鼓风机42和过滤器43构成的氧化剂气体供给部41、未加湿氧化剂气体供给路径45、加湿器46、氧化剂气体供给路径49以及氧化剂气体供给阀56。作为氧化剂气体在此是使用来自于外部的空气。
在鼓风机42的气体入口连接有氧化剂气体摄入通道73，被构成为由鼓风机42摄入来自于外部的空气。鼓风机42的气体出口通过未净化氧化剂气体供给路径43a而与过滤器43的气体入口相连接。该过滤器43是从由外部摄入的空气中除去影响燃料电池发电性能的外部空气中的杂质(NOx和SOx等)的装置。
氧化剂气体供给部41的气体出口44通过未加湿氧化剂气体供给路径45而与加湿器46的气体入口47相连接。加湿器46是由离子交换膜或是中空线构成的全热交换器，是通过将从氧化剂气体供给部41摄入的空气与从燃料电池1排出的氧化剂气体进行热交换而加以加湿的装置。
加湿器46的气体出口48通过氧化剂气体供给路径49而与燃料电池1的氧化剂气体入口50相连接。在氧化剂气体供给路径49上配置有开闭该氧化剂气体供给路径49的通道的氧化剂气体供给阀56。氧化剂气体入口50连接于氧化剂气体供给歧管23，流入到燃料电池1的氧化剂气体通过氧化剂气体供给歧管23以及单电池内氧化剂气体通道11而到达阴极4，在此与燃料气体发生反应从而产生电和热，并被消耗。
接着，说明通向燃料电池1的氧化剂气体排出系统。氧化剂气体排出系统具备氧化剂气体排出路径52、氧化剂气体排出阀57、加湿器46以及氧化剂废气排出路径53。
燃料电池1的氧化剂气体出口51通过氧化剂气体排出路径52而与加湿器46的气体入口54相连接。在氧化剂气体排出路径52上配置有开闭该氧化剂气体排出路径52的氧化剂气体排出阀57。加湿器46的气体出口55被构成为连接于氧化剂废气排出路径53并能够将从加湿器46排出的氧化剂废气排出至系统外。
在燃料电池1中未参与反应的氧化剂气体，经由单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24而从氧化剂气体出口51流出至氧化剂气体排出路径52。以下，将通过燃料电池1而流出至氧化剂气体排出路径52的氧化剂气体称为“排出氧化剂气体”。
在具有上述结构的氧化剂气体排出系统中，氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体流入到加湿器46并实行热交换，该热量以及水分将被利用于在氧化剂气体供给系统中流动的氧化剂气体的加湿。完成了热交换的排出氧化剂气体通过氧化剂废气排出路径53而向外部(大气)排出。
以下说明外部空气供给系统。外部空气供给系统具备外部空气供给路径78、外部空气供给阀79以及过滤器77。外部空气供给路径78，一端连接于连接燃料电池1的氧化剂气体出口51与加湿器46的气体入口54之间的氧化剂气体排出路径52相连接，另一端向框体67的外侧开放。在此，外部空气供给路径78的另一端也可以向框体67的内部开放。在该外部空气供给路径78上，配置有作为净化部的过滤器77。而且，在与外部空气供给路径78的与氧化剂气体排出路径52相连接的一端和过滤器77之间，配置有接受控制装置65的控制并开闭外部空气供给路径78的通道的外部空气供给阀79。在此，外部空气供给阀79被配置于外部空气供给路径78上与氧化剂气体排出路径52相连接的一端较近的位置。
过滤器77是从通过外部空气供给路径78提供给氧化剂气体排出路径52的外部空气中除去成为影响燃料电池发电性能的杂质(NOx和SOx等)的装置。在本实施方式中，过滤器77是从上游开始按去除比较大的尘埃等的粗过滤器、去除酸性物质的酸性物质去除过滤器、去除碱性物质的碱性物质去除过滤器以及去除比较小的尘埃等的除尘过滤器的顺序配置的复合过滤器。所述酸性物质去除过滤器是，例如在以蜂窝状形成的活性炭纤维薄片上附着氢氧化钾等氢氧化物盐的物质，所述碱性物质去除过滤器是，例如在以蜂窝状形成的活性炭纤维薄片上附着磷酸等酸的物质，所述除尘过滤器例如是HEPA过滤器(High Efficiency Particulate Air Filter)。
以下说明氧化剂气体系统的特征。以下，在具有上述结构的氧化剂气体系统中，将如图15所示的通过关闭氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57以及供给阀76从而实质上与外部相隔离(被密封)的通道内的空间，即氧化剂气体供给路径49中从氧化剂气体供给阀56到燃料电池1的氧化剂气体入口50的部分、阴极侧气体通道98、在氧化剂气体排出路径52中从燃料电池1的氧化剂气体出口51到氧化剂气体排出阀57的部分、在外部空气供给路径78中从与氧化剂气体排出路径52相连接的连接部到外部空气供给阀79的部分的内部空间(图15中用斜线所表示的部分)称为“氧化剂气体封入空间112”。此外，以下将该氧化剂气体封入空间112中氧化剂气体出口51的下游侧称为“排出氧化剂气体封入空间112a”。这样，就将由氧化剂气体排出路径52中从氧化剂气体出口51到氧化剂气体排出阀57的部分、外部空气供给路径78中从与氧化剂气体排出路径52相连接的连接部到外部空气供给阀79的部分构成的空间称为排出氧化剂气体封入空间112a。
该排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98空间体积的1倍以上。总之，以使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的1倍以上的方式来决定氧化剂气体排出路径52的通道直径、氧化剂气体排出阀57以及外部空气供给阀79的位置。但是，排出氧化剂气体封入空间112a的体积的上限优选设计上尽可能大的值。
[冷却系统]
以下说明冷却系统。在冷却系统中配备有由冷却器61和冷却水泵62构成的冷却水供给部60、冷却水循环回路63。冷却器61具有冷却水的储存和冷却的功能，冷却水泵62具有将冷却水压送至冷却水循环回路63的功能。冷却水循环回路63是由冷却水供给部60、连接冷却水供给部60与燃料电池1的冷却水供给歧管25入口的供给路径63a、冷却水供给歧管25、相邻的单电池9之间的冷却水通道12、冷却水排出歧管26、连接冷却水排出歧管26出口与冷却水供给部60的回流路径63b形成的冷却水循环回路。
在上述构成的冷却系统中，存在于冷却水供给部60的冷却器61中的冷却水由冷却水泵62而被压送到供给部63a，并通过燃料电池1的冷却水供给歧管25、冷却水通道12以及冷却水排出歧管26而向回流路径63b流出并回流于冷却水供给部60。这样，利用在冷却水循环回路63中循环的冷却水回收来自于燃料电池1的废热从而冷却燃料电池1，并将燃料电池1维持在规定的温度。
[温度检测单元66]
燃料电池1具备检测燃料电池1的运转时以及停止时温度的温度检测单元66。在本实施方式中，在冷却水循环回路63中，作为温度检测单元66而具备检测从燃料电池1(冷却水排出歧管26的出口)流出的冷却水温度的热电偶或热敏电阻，并被构成为从冷却水温度间接地检测燃料电池1的温度。然而温度检测单元66并不限定于本实施方式，只要是能够直接或间接地检测燃料电池1的温度即可。例如，在冷却水循环回路63中，也可以作为温度检测单元而具备检测流入到燃料电池1(冷却水供给歧管25的入口)的冷却水温度的热电偶或热敏电阻，从冷却水温度间接地检测燃料电池1的温度。此外，例如也可以将沟槽形成于燃料电池1的阳极隔板5或阴极隔板6并在此设置热电偶，从而直接检测燃料电池1的温度。
[燃料电池系统100的控制系统的结构]
接着，说明燃料电池系统的控制系统的结构。燃料电池系统100的控制系统具备控制部81、存储部82、计时部83以及具有输入输出部84的控制装置65。控制部81接收从计时部83以及输入输出部84发出的信号，根据需要将运算结果等存储到存储部82。
控制部81读取来自于被配置于燃料气体供给部32的温度检测单元(图示省略)、燃料气体封入空间压力检测单元88、氧化剂气体封入空间压力检测单元89以及电压测定部90的检测信号，并根据存储于存储部82的程序或从输入输出部84读取的参数值而控制燃烧器33、燃料气体供给阀71、燃料气体排出阀72、氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57、外部空气供给阀79等各个阀、鼓风机42、冷却水泵62以及电回路部91的动作。
控制装置65是由微机构成的，在控制部81中使用了CPU，在存储部82中例如使用内部储存器，在计时部83中例如使用了附有日历的时钟电路。在本实施方式中分别设置一个控制装置65以及控制部81而实行集中控制，然而也可以分别配置多个而实行分散控制。
[燃料电池系统100的基本动作]
接着，说明如上所述构成的燃料电池系统100的基本动作。该动作是通过控制装置65控制燃料电池系统100而进行的。燃料电池系统100的动作被分成启动时、发电(运转)时、发电停止时。在启动时以顺利地向发电状态转移的方式按规定的程序启动燃料电池系统100。在发电时实行发电。在发电停止时从发电状态按规定程序顺利地使燃料电池系统100停止。
在发电时开放所有的燃料气体供给阀71、燃料气体排出阀72、氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57，同时关闭外部空气供给阀79。一旦燃料气体和氧化剂气体被提供给燃料电池1，且输出控制装置64开始电力的取出，在阳极3以及阴极4上就发生电化学反应从而实行发电。此外，在冷却系统中，通过将冷却水循环于冷却水循环回路63从而回收由燃料电池1所产生的热，并以此来调整燃料电池1的温度。
在燃料电池系统100发电时，在阴极4上氧化剂气体中的氧由于电化学反应而被消耗。为此，从氧化剂气体出口51排出的排出氧化剂气体中的氧浓度比从氧化剂气体入口50提供的供给氧化剂气体中的氧浓度有所降低。从扩散阻力引起的电压降低和发电效率的观点出发，一般提供给阴极4的氧化剂气体的利用率为40～60％的左右。其结果，与所提供的氧化剂气体中的氧浓度大约为21％相对应，排出氧化剂气体中的氧浓度成为9～13％。在本实施方式中，将氧化剂气体利用率设定在55％。则排出氧化剂气体的氧浓度大约为10％。
接着，说明作为本实施方式5的特征动作的发电停止动作。图16是实施方式5所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制流程图。
接受了发电停止指令的控制装置65，首先向输出控制装置64输出零输出指令(运转步骤S41)。输出控制装置64将从燃料电池1取出的电力作为零，由此停止由燃料电池系统100进行的发电。
接着，控制装置65向燃料气体供给部32输出控制信号，在停止从该燃料气体供给部32向燃料电池1的燃料气体的供给(运转步骤S42)的同时，向氧化剂气体供给部41输出控制信号，并停止从该氧化剂气体供给部41向燃料电池1提供氧化剂气体(运转步骤S43)。
接着，控制装置65向燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72输出控制信号，使这些阀关闭(运转步骤S44)。通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72，使由单电池内燃料气体通道10以及与此相连通的空间构成的燃料气体封入空间111实质上与外部相隔离。进一步，控制装置65向氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57输出控制信号，使这些阀关闭(运转步骤S45)。通过关闭氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57，使由单电池内氧化剂气体通道11以及与此相连通的空间构成的氧化剂气体封入空间112实质上与外部相隔离。然后，控制装置65向冷却水供给部60输出控制信号，停止冷却水的冷却与循环(运转步骤S46)。
利用上述的流程中，在针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出被停止的状态下，燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112均与外部相隔离。不久在燃料电池1内，由于燃料气体中的氢与氧化剂气体中的氧发生反应以及燃料电池1的温度降低而引起的水的冷凝，从而在氧化剂气体封入空间112中发生负压现象。
在此，控制装置65取得由温度检测单元66检测的第一次检测温度T1(运转步骤S47)，并对外部空气供给阀开温度Ta和第一次检测温度T1作比较运算(运转步骤S48)。
在此，通过实验或以理论值求出氧化剂气体封入空间112的压力在不能确保密封垫圈7，8的气密性的程度下变成负压时的燃料电池1温度，将其作为“外部空气供给阀开温度Ta”而预先设定于控制装置65。例如，在运转时的燃料电池温度为70℃、外部空气供给阀开温度Ta＝60℃的情况下，由饱和水蒸汽曲线可知，温度从70℃降低到60℃而导致的水的冷凝而引起的压力降低为10kPa左右，以该程度的压力变化可以确保密封垫圈7，8的气密性。但是，优选根据密封垫圈的耐压性适当调整外部空气供给阀开温度Ta的值。
控制装置65对外部空气供给阀开温度Ta和第一次检测温度T1作比较运算，其结果，在第一次检测温度T1比外部空气供给阀开温度Ta高的情况(T1＞Ta，运转步骤S48中的否)下，返回到运转步骤S47。
而在第一次检测温度T1为外部空气供给阀开温度Ta以下的情况(T1≤Ta，运转步骤S48中的是)下，氧化剂气体封入空间112的压力在不能确保密封垫圈7，8的气密性的程度下成为负压，所以有必要进行负压缓和动作。因此，控制装置65向外部空气供给阀79输出控制信号并开放外部空气供给阀79(运转步骤S49)。外部空气供给阀79被开放，则被过滤瓷器77净化了的外部空气通过外部空气供给路径78被吸入到氧化剂气体封入空间112。外部空气从位于阴极侧气体通道98的下游侧的氧化剂气体排出路径52流入到氧化剂气体封入空间112，使存在于氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体被该外部空气回推，其中与负压导致的体积减少相应的排出氧化剂气体流入到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。
接着，控制装置65取得由温度检测单元66检测的第二次检测温度T2(运转步骤S50)，并对外部空气供给阀闭温度Tb和第二次检测温度T2作比较运算(运转步骤S51)。
在此，在燃料电池1成为外部空气供给阀闭温度Tb时，再次封闭氧化剂气体封入空间112，以即使燃料电池1的温度变为变成常温，氧化剂气体封入空间112的压力也可以充分保障密封垫圈7，8的密封性的方式，通过实验或以理论值求得外部空气供给阀闭温度Tb，并预先设定到控制装置65中。例如，在外部空气供给阀闭温度为Tb＝40℃的情况下，由于从40℃到常温(25℃)的温度变化而引起的压力变化为5kPa以下，以这一程度的压力变化可以充分确保密封垫圈7，8的密封性。
控制装置65对外部空气供给阀闭温度Tb和第二次检测温度T2作比较运算，其结果，在第二次检测温度T2比外部空气供给阀闭温度Tb高的情况下(T2＞Tb，运转步骤S51中的否)，返回至运转步骤S50。而在第二次检测温度T2是在外部空气供给阀闭温度Tb以下的情况下(T2≤Tb，运转步骤S51中的是)控制装置65将控制信号输出至外部空气供给阀79并使外部空气供给阀79关闭(运转步骤S52)，从而结束发电停止时的控制。
如上所述，在本实施方式5所涉及的燃料电池100中，在发电停止时封闭燃料气体系统的通道以及氧化剂气体系统的通道，由此在燃料电池1的阴极侧气体通道98中所产生的负压，通过将外部空气吸入到位于燃料电池1的氧化剂气体出口51的下游侧的氧化剂气体排出路径52，将存在于该氧化剂气体排出路径52的氧浓度低的排出氧化剂气体回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98而进行缓和。如上所述，由于缓和了燃料电池1的阴极侧气体通道98的负压，所以能够抑制非发电时的阴极4的催化剂劣化。
此外，由于向氧化剂气体排出路径52提供外部空气的外部空气供给路径78与未加湿氧化剂气体供给路径45以及氧化剂气体供给路径49的提供氧化剂气体的通道为独立配置，所以对发电开始(再开)时对所使用的氧化剂气体的温度和露点等条件不产生影响。
通常，阴极4的催化剂在单电池内氧化剂气体通道11的上游侧比下游侧劣化更为严重。对此，在本实施方式中，由于从阴极侧气体通道98的下游侧提供排出氧化剂气体，与该排出氧化剂气体发生反应的是阴极4的下游侧的催化剂，所以能够抑制非发电时的阴极4的上游侧的催化剂劣化，并能够防止阴极4整体的劣化。
此外，针对阴极侧气体通道98的排出氧化剂气体的供给，只是在燃料电池系统100发电停止后实行一次。因此，涉及催化剂的电位循环只有一次，所以能够防止非发电时要做重复电位循环导致的阴极4催化剂劣化。
此外，由于排出氧化剂气体封入空间112a的体积被构成成为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上，所以几乎所有在发电停止时从排出氧化剂气体封入空间112a回推到阴极侧气体通道98的气体成为了与外部空气相比较氧浓度低的排出氧化剂气体。因此，可以减少用于消耗流入到阴极侧气体通道98的氧而使用的交叉泄漏氢量，并能够减少对发电和热回收不作贡献的燃料气体的无为消耗，从而提高能量效率。而且，提供给阴极侧气体通道98的氧浓度低的排出氧化剂气体是在运转(发电)时产生的气体，因而在燃料电池系统100中没有必要具备特别的降氧机构。
在此，利用图17说明将排出氧化剂气体封入空间112a的体积构成为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上的理由。图17为示意阴极侧气体通道的气体体积减少量的计算例子的图。
将燃料气体封入空间111中氧化剂气体出口51的上游侧，即阴极侧气体通道98以及氧化剂气体供给路径49中位于氧化剂气体供给阀56的上游侧的部分的空间体积作为电池堆体积A，使发电停止时的燃料电池1的温度为70℃、压力为1Pa(＝760mmHg)。在该状态下，推断排出氧化剂气体被回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。于是图17示意了使排出氧化剂气体作为追加气体而流入到所述电池堆体积A、燃料电池1的温度降低至常温(25℃)时的体积减少量的计算过程。根据该计算结果，在将燃料电池1冷却至25℃时，追加气体占电池堆体积A的0.35倍。由于在排出氧化剂气体中含有较多的水分，所以如果考虑冷凝这些水分，则推定在发电停止时流入到电池堆体积A的气体(追加气体)的体积至多为电池堆体积A的一倍左右。由于氧化剂气体供给阀56通常是被配置于氧化剂气体供给路径49上燃料电池1的氧化剂气体入口50的附近，所以可以大致认为电池堆体积A为阴极侧气体通道98的空间体积。总之，通过使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的一倍以上，几乎所有被回推到阴极侧气体通道98的气体成为氧浓度低的排出氧化剂气体。
(实施方式6)
以下说明本发明的实施方式6。实施方式6所涉及的燃料电池系统100，除了控制系统的结构之外其余与所述的实施方式5所涉及的燃料电池系统100的结构大致相同。因此，以下使用图18说明燃料电池系统100的控制系统的结构。图18为示意实施方式6所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
[燃料电池系统100的控制系统的结构]
如图18所示，实施方式2所涉及的燃料电池系统100具备检测氧化剂气体封入空间112压力的压力检测单元89。即，在燃料电池系统100中，具备检测氧化剂气体供给路径49中的氧化剂气体供给阀56与氧化剂气体入口50之间的部分、阴极侧气体通道98、氧化剂气体排出路径52中的氧化剂气体出口51与氧化剂气体排出阀57之间的部分以及外部空气供给路径78中外部空气供给阀79与和氧化剂气体排出路径52相连接的连接部之间的部分的一连串内部空间压力的压力检测单元89。在本实施方式中，作为该压力检测单元是使用了用于燃料电池系统100的运转控制而具备的氧化剂气体封入空间压力检测单元。为此，没有必要追加其它的检测装置，是比较经济实惠的。然而压力检测单元89可以和氧化剂气体封入空间压力检测单元分开进行设置。
[燃料电池系统100的动作]
以下说明燃料电池系统100的动作。在此，燃料电池系统100启动时以及发电时的基本动作由于与上述实施方式5所涉及的燃料电池系统100的基本动作大致相同，所以在此省略对其说明，使用图19说明有关作为本实施方式6所涉及的燃料电池系统100的特征动作的发电停止动作。图19是实施方式6所涉及的燃料电池系统的发电停止时的控制流程图。
接受了发电停止的指令的控制装置65，首先将零输出指令输出至输出控制装置64(运转步骤S61)。输出控制装置64将从燃料电池1取出的电力当作零，由此停止燃料电池系统100所进行的发电。
接着，控制装置65向燃料气体供给部32输出控制信号，在停止从该燃料气体供给部32到燃料电池1的燃料气体的供给(运转步骤S62)的同时，向氧化剂气体供给部41输出控制信号，停止从该氧化剂气体供给部41向燃料电池1的氧化剂气体的供给(运转步骤S63)。
接着，控制装置65向燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72输出控制信号并使这两个阀关闭(运转步骤S64)。通过关闭燃料气体供给阀71以及燃料气体排出阀72，使由单电池内燃料气体通道10以及与其连通的空间构成的燃料气体封入空间111实质上与外部相隔离。
进一步，控装置65向氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57输出控制信号，这两个阀关闭(运转步骤S65)。通过关闭氧化剂气体供给阀56以及氧化剂气体排出阀57使由单电池内氧化剂气体通道11以及与其连通的空间构成的氧化剂气体封入空间112实质上与外部相隔离。接着，控制装置65向冷却水供给部60输出控制信号，使冷却水的冷却和循环停止(运转步骤S66)。
如上所述，停止针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出，并在封闭了燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112之后，控制装置65用计时部83开始计时(运转步骤S67)。
由于停止了针对燃料电池1的燃料气体和氧化剂气体的供给以及排出，燃料气体封入空间111以及氧化剂气体封入空间112被封闭，所以不久在燃料电池1内，由于燃料气体中的氢与氧化剂气体中的氧发生反应以及燃料电池1的温度降低而引起的水的冷凝，从而在氧化剂气体封入空间112中发生了负压现象。
在此，控制装置65取得由压力检测单元89检测的压力P1(运转步骤S68)，并对外部空气供给阀开压力Pa和被检测的压力P1作比较运算(运转步骤S69)。
在此，在本实施方式中，由压力检测单元89检测的检测压力P1被作为与大气压之差。这样，通过实验或以理论值求出在氧化剂气体封入空间112的压力与大气压之压力差在不能确保封垫圈7，8的气体密封性的程度下成为负压时的压力差，并预先设定于控制装置65。可以将外部空气供给阀开压力Pa设定为，例如-10kPa，优选根据密封垫圈7，8的耐压性适当设定外部空气供给阀开压力Pa的值。然而压力检测单元89并不限定于上述结构，只要是能够对氧化剂气体封入空间112的压力和外部压力进行比较的压力检测单元即可，例如可以分别将压力计设置于未加湿氧化剂气体供给路径45、氧化剂气体供给路径49中氧化剂气体供给阀56的下游侧，并将这些压力计的压差作为检测压力P1。
控制装置65对外部空气供给阀开压力Pa和检测压力P1进行比较运算，其结果，在检测压力P1比外部空气供给阀开压力Pa大的情况(P1＞Pa，运转步骤S69中的否)，则返回到运转步骤S68。
而检测压力P1在外部空气供给阀开压力Pa以下的情况下(P1≤Pa，运转步骤S69中的是)，则由于氧化剂气体封入空间112的压力在不能确保密封垫圈7，8的气体密封性的程度下成为负压，所以负压缓和动作成为必要。在此，控制装置65向外部空气供给阀79输出控制信号，使外部空气供给阀79开放(运转步骤S70)。外部空气供给阀79被开放后，则被过滤瓷器43净化了的外部空气通过外部空气供给路径78被吸入到氧化剂气体封入空间112。外部空气从位于阴极侧气体通道98的下游侧的氧化剂气体排出路径52流入到氧化剂气体封入空间112，使存在于氧化剂气体排出路径52的排出氧化剂气体被该外部空气回推，其中与负压导致的体积减少相应的排出氧化剂气体流入到燃料电池1内的阴极侧气体通道98。
接着，控制装置65取得由运转步骤S27开始计时后的经过时间t1(运转步骤S71)，并对经过时间t1和外部空气供给阀关闭时间ta进行比较运算(运转步骤S72)。在此从计时开始就测定所经过的时间并将该时间作为经过时间t1，然而也可以通过计算出计时开始时和经过时间取得时的时间差从而也能够求得经过时间t1。
在外部空气供给阀79被开放的状态下，由于氧化剂气体封入空间112的压力成为基本上与大气压相同且为恒定，所以关闭外部空气供给阀79的动作是根据开始计时后所经过的时间而实行的。用计时部83开始计时之后在经过外部空气供给阀关闭时间ta时再封闭氧化剂气体封入空间112，实验或理论性地求出外部空气供给阀关闭时间ta并预先设定于控制装置65，使得即使燃料电池1的温度变化为常温，氧化剂气体封入空间112压力也可以充分确保密封垫圈7，8的气密性。例如，在设定外部空气供给阀关闭时间ta＝2小时的情况下，由于开始计时之后以2小时将燃料电池1的温度降低至40℃的左右，所以对于从40℃到常温的温度变化导致的氧化剂气体封入空间112的压力变化可以充分确保密封垫圈7，8的气密性。
控制装置65对经过时间t1和外部空气供给阀关闭时间ta进行比较运算，其结果，在经过时间t1比外部空气供给阀关闭时间ta短，即，从计时开始未经过外部空气供给阀关闭时间ta的情况(t1＜ta，运转步骤S72中的否)下，返回到运转步骤S71。
而在经过时间t1为外部空气供给阀关闭时间ta以上，即，从计时开始经过了外部空气供给阀关闭时间ta的情况(t1≥ta，运转步骤S72中的是)下，控制装置65向外部空气供给阀79输出控制信号并使外部空气供给阀79关闭(运转步骤S73)，从而结束停止动作。
如上所述，在本实施方式6所涉及的燃料电池系统100中，将外部空气吸入位于燃料电池1的氧化剂气体出口51的下游侧的氧化剂气体排出路径52，并通过将存在于该氧化剂气体排出路径52的氧浓度低的排出氧化剂气体回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98，从而实施在发电停止时在燃料电池1的阴极侧气体通道98中所产生的负压的缓和。这样，在实施方式6所涉及的燃料电池系统100中也能够取得与实施方式5所涉及的燃料电池系统100相同的作用与效果。
除此之外，在本实施方式6所涉及的燃料电池系统100中，由于是使用压力检测单元89直接检测氧化剂气体封入空间112的压力，并根据该压力值判断氧化剂气体封入空间112变成规定的负压状态的情况，所以能够进行更加切实的控制。
在此，氧化剂气体封入空间112变成规定的负压状态的情况，在实施方式5中是根据燃料电池1的温度而判断的，在实施方式6中是根据氧化剂气体封入空间112的压力而判断的，但是也可以构成为根据燃料电池1的温度和氧化剂气体封入空间112的压力的双方而进行判断。
(实施方式7)
以下说明本发明的实施方式7。实施方式7所涉及的燃料电池系统100，除了氧化剂气体系统之外其余与所述的实施方式1所涉及的燃料电池系统100的结构大致相同。因此，以下利用图20说明燃料电池系统100的氧化剂气体系统的结构，省略其他的说明。图20为示意实施方式7所涉及的燃料电池系统的结构概要的功能方块图。
[氧化剂气体系统的结构]
以下说明氧化剂气体系统的结构。氧化剂气体系统的通道由通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统的通道、燃料电池1内的阴极侧气体通道、从燃料电池1引出的氧化剂气体排出系统的通道以及外部空气供给系统的通道构成。在此，所谓“阴极侧气体通道98”是指由氧化剂气体供给歧管23、单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24形成于燃料电池1内部的一个通道。
首先说明通向燃料电池1的氧化剂气体供给系统。氧化剂气体供给系统具备由鼓风机42和过滤器43构成的氧化剂气体供给部41、未加湿氧化剂气体供给路径45、加湿器46以及氧化剂气体供给阀56。
在鼓风机42的气体入口连接有氧化剂气体摄入通道73，被构成为由鼓风机42摄入来自于外部的空气。鼓风机42的气体出口通过未净化氧化剂气体供给路径43a而与过滤器43的气体入口相连接。该过滤器43是从由外部摄入的空气中除去影响燃料电池发电性能的外部空气中的杂质(NOx和SOx等)的装置。
氧化剂气体供给部41的气体出口44通过未加湿氧化剂气体供给路径45而与加湿器46的气体入口47相连接。在未加湿氧化剂气体供给路径45上具备开闭该未加湿氧化剂气体供给路径45的通道的氧化剂气体供给阀56。
加湿器46是由离子交换膜或是中空线构成的全热交换器，是通过将由氧化剂气体供给部41摄入的空气与从燃料电池1排出的氧化剂气体进行热交换而加湿的装置。总之，针对从燃料电池1排出的氧化剂气体，加湿器46起着冷凝去除氧化剂气体中的水分的冷凝器的作用。在本实施方式中，加湿器46被一体性地配置于燃料电池1。因此，加湿器46的气体出口被连结于燃料电池1的氧化剂气体入口50。氧化剂气体入口50被连接于氧化剂气体供给歧管23，流入到燃料电池1的氧化剂气体通过氧化剂气体供给歧管23以及单电池内氧化剂气体通道11而到达阴极4，在这里与燃料气体发生反应而产生电和热，并被消耗。
接着，说明通向燃料电池1的氧化剂气体排出系统。氧化剂气体排出系统具备加湿器46、氧化剂气体排出阀57以及氧化剂废气排出路径53。
燃料电池1的氧化剂气体出口51与加湿器46的气体入口相连结。加湿器46的气体出口55被构成为：连接于氧化剂废气排出路径53并能够将从加湿器46排出的氧化剂废气排出至系统外。在氧化剂废气排出路径53上配置有开闭该氧化剂废气排出路径53的通道的氧化剂气体排出阀57。
在燃料电池1中未参与反应的氧化剂气体，通过单电池内氧化剂气体通道11以及氧化剂气体排出歧管24而从氧化剂气体出口51流入到加湿器46并进行热交换，该热能以及水分被用于对在氧化剂气体供给系统中流动的氧化剂气体进行加湿。完成了热交换的氧化剂气体通过氧化剂废气排出路径53而向外部(大气)排出。
以下说明外部空气供给系统。外部空气供给系统具备外部空气供给路径78、开闭该外部空气供给路径78的通道的外部空气供给阀79以及过滤器77。外部空气供给路径78，其一端与连接于燃料电池1的氧化剂气体出口51与加湿器46的气体入口54之间的氧化剂气体排出路径52相连接，另一端向框体67的外侧开放。然而外部空气供给路径78的另一端也可以向框体67的内部开放。在该外部空气供给路径78上，配置有作为净化部的过滤器77。而且，在外部空气供给路径78的与氧化剂气体排出路径52相连接的一端和过滤器77之间配置有接受控制装置65的控制并开闭外部空气供给路径78的通道的外部空气供给阀79。在此，外部空气供给阀79被配置在外部空气供给路径78上靠近与氧化剂气体排出路径52相连接的一端的位置上。
以下说明上述结构的氧化剂气体系统的特征。在该氧化剂气体系统中，将通过关闭氧化剂气体供给阀56、氧化剂气体排出阀57以及外部空气供给阀79从而实质上与外部相隔离(被密封)的通道内的空间称为“氧化剂气体封入空间112”。即，未加湿氧化剂气体供给路径45中从氧化剂气体供给阀56到加湿器46的气体入口47的部分、加湿器46内的加湿侧通道、阴极侧气体通道98、加湿器46内的冷凝侧通道、氧化剂废气排出路径53中从加湿器46的气体出口55到氧化剂气体排出阀57的部分、外部空气供给路径78中从与氧化剂废气排出路径53相连接的连接部到外部空气供给阀79的部分的内部为氧化剂气体封入空间112。
以下，在该氧化剂气体封入空间112中，将加湿器46的气体出口55的下游侧(图20中斜线的部分)称之“排出氧化剂气体封入空间112a”。即，由氧化剂废气排出路径53中从加湿器46的气体出口55到氧化剂气体排出阀57的部分、在外部空气供给路径78中从与氧化剂废气排出路径53相连接的连接部到外部空气供给阀79的部分构成的空间为排出氧化剂气体封入空间112a。
该排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上。总之，以排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上的方式，来决定氧化剂废气排出路径53的通道直径、氧化剂气体排出阀57以及外部空气供给79的位置。但是，优选排出氧化剂气体封入空间112a的体积的上限在设计可能的范围内尽量大。
在此，利用图17说明将排出氧化剂气体封入空间112a的体积构成为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上的理由。将组合了燃料气体封入空间111中加湿器46的气体出口55的上游侧、未加湿氧化剂气体供给路径45中氧化剂气体供给阀56的下游侧的部分、加湿器46的加湿侧通道、阴极侧气体通道98以及加湿器46的冷凝侧通道的空间体积作为电池堆体积A，设发电停止时的燃料电池1的温度为70℃、压力为1Pa(＝760mmHg)。在该状态下，被回推到燃料电池1内的阴极侧气体通道98的排出氧化剂气体作为追加气体流入到所述电池堆体积A，从而计算燃冷却至常温(25℃)时的体积减少量。根据该计算结果，在将燃料电池1冷却至25℃时，追加气体占电池堆体积A的0.35倍。由于在排出氧化剂气体封入空间112a中的排出氧化剂气体由于通过加湿器46(冷凝器)而被除去了水分，所以不必考虑该水分的冷凝。因此，排出氧化剂气体封入空间112a的体积为电池堆体积A的0.35倍足矣。由于氧化剂气体供给阀56通常是被配置于未加湿氧化剂气体供给路径45上的加湿器46的气体入口47的附近，并且由于加湿器46内的通道空间体积与阴极侧气体通道98的空间体积相比较相对足够的小，所以可以认为电池堆体积A大致为阴极侧气体通道98的空间体积。总之，通过使排出氧化剂气体封入空间112a的体积为阴极侧气体通道98的空间体积的0.35倍以上，从而几乎所有从排出氧化剂气体封入空间112a被回推到阴极侧气体通道98的气体变成了氧浓度低的排出氧化剂气体。
根据上述说明，对于本领域技术人员来说本发明的多处改良和其他的实施方式应该是非常明了的。因此，上述说明仅为例示，用于向本领域技术人员提供一个实行本发明的最佳方式的示教。在不脱离本发明的要旨的前提下，可以实质性地变更其构造以及/或功能的具体细节。此外，由在上述实施方式中所公开的多个结构要素的适当组合可以形成各种各样的发明。
产业上的利用可能性
本发明的燃料电池系统能量效率高，为即使反复操作启动停止也能够防止非发电时的电极劣化的燃料电池系统。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，所述燃料电池具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道；
包含所述阳极侧气体通道且将燃料气体提供给所述阳极并排出的燃料气体通道；以及
包含所述阴极侧气体通道且将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的氧化剂气体通道，
所述燃料电池系统被构成为：在发电停止时关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，从所述阴极侧气体通道的下游侧向氧化剂气体封入空间提供气体，所述氧化剂气体封入空间由通过关闭所述氧化剂气体通道从而实质上与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与该阴极侧气体通道相连通的空间构成，
所述燃料气体通道具有：与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径、被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀、所述阳极侧气体通道、与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径以及被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀，
所述氧化剂气体通道具有：与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径、被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀、所述阴极侧气体通道、与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径以及被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀，
所述燃料电池系统被构成为：通过关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，将气体提供给所述氧化剂气体封入空间中位于所述阴极侧气体通道的出口下游的部分。
2.(删除)
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述氧化剂气体封入空间中，位于所述阴极侧气体通道的出口下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述阴极侧气体通道的出口和所述氧化剂气体排出通道之间，还具备冷凝器，冷凝并去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述氧化剂气体封入空间中，冷凝器的出口下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具有：
冷凝器，被配置于所述氧化剂气体排出通道的下游，冷凝并去除从所述氧化剂气体排出通道排出的氧化剂气体中的水分；
连接所述氧化剂排出阀和所述冷凝器的氧化剂排出阀-冷凝器路径；以及
氧化剂废气排出路径，被配置于所述冷凝器的下游，排出从所述冷凝器排出的氧化剂气体，
氧化剂废气排出路径的体积大于所述氧化剂气体封入空间的体积与所述氧化剂排出阀-冷凝器路径的体积之和。
7.如权利要求1以及3～5中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备：
连接所述氧化剂气体供给路径的所述氧化剂气体供给阀的上游侧的部分与所述氧化剂气体排出路径的所述氧化剂气体排出阀的上游侧的部分的旁通路径；以及
被配置于所述旁通路径上并在发电停止时开放所述旁通路径的旁通阀。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备：控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述氧化剂气体排出阀开放。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭。
10.如权利要求7或8所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置；
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述旁通阀开放。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述旁通阀开放。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备检测所述氧化剂气体封入空间的压力的压力检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述旁通阀开放。
13.如权利要求10～12中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在使所述旁通阀开放之后关闭所述旁通阀。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述旁通阀关闭。
15.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在从所述旁通阀开放开始经过规定的阀开放时间之后，使所述旁通阀关闭。
16.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，该燃料电池具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道；
与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径；
被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀；
与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径；
被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀；
与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径；
被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀；
与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径；
被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀；
外部空气供给路径，其一端被连接于所述氧化剂气体排出路径中所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂排出阀之间；
被配置于所述外部空气供给路径上的净化部；以及
外部空气供给阀，被配置于所述外部空气供给路径中的连接于所述氧化剂气体排出路径的一端与所述净化部之间从而开闭其通道，
该燃料电池系统被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述外部空气供给阀开放。
17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于：
在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述阴极侧气体通道的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
18.如权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂气体排出通道之间，具备冷凝器，冷凝去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于：
在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述冷凝器的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
20.如权利要求16～19中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述外部空气供给阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭之后，使所述外部空气供给阀开放。
21.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述外部空气供给阀开放。
22.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备压力检测单元，检测由通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间所构成的氧化剂气体封入空间的压力，
所述控制装置被构成为：在所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述外部空气供给阀开放。
23.如权利要求20～22中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在使所述外部空气供给阀开放之后，再使所述外部空气供给阀关闭。
24.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：在所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述外部空气供给阀关闭。
25.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在从开放所述外部空气供给阀开始经过规定的阀开放时间之后，使所述外部空气供给阀关闭。

Claims (25)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，所述燃料电池具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道；
包含所述阳极侧气体通道且将燃料气体提供给所述阳极并排出的燃料气体通道；以及
包含所述阴极侧气体通道且将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的氧化剂气体通道，
所述燃料电池系统被构成为：在发电停止时关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，从所述阴极侧气体通道的下游侧向氧化剂气体封入空间提供气体，所述氧化剂气体封入空间由通过关闭所述氧化剂气体通道从而实质上与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与该阴极侧气体通道相连通的空间构成。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述燃料气体通道具有与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径、被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀、所述阳极侧气体通道、与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径以及被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀，
所述氧化剂气体通道具有：与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径、被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀、所述阴极侧气体通道、与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径以及被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀，
所述燃料电池系统被构成为：通过关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而关闭所述燃料气体通道以及所述氧化剂气体通道，将气体提供给所述氧化剂气体封入空间中位于所述阴极侧气体通道的出口下游的部分。
3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述氧化剂气体封入空间中，位于所述阴极侧气体通道的出口下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述阴极侧气体通道的出口和所述氧化剂气体排出通道之间，还具备冷凝器，冷凝并去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述氧化剂气体封入空间中，冷凝器的出口下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
6.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
具有：
冷凝器，被配置于所述氧化剂气体排出通道的下游，冷凝并去除从所述氧化剂气体排出通道排出的氧化剂气体中的水分；
连接所述氧化剂排出阀和所述冷凝器的氧化剂排出阀-冷凝器路径；以及
氧化剂废气排出路径，被配置于所述冷凝器的下游，排出从所述冷凝器排出的氧化剂气体，
氧化剂废气排出路径的体积大于所述氧化剂气体封入空间的体积与所述氧化剂排出阀-冷凝器路径的体积之和。
7.如权利要求2～5中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备：
连接所述氧化剂气体供给路径的所述氧化剂气体供给阀的上游侧的部分与所述氧化剂气体排出路径的所述氧化剂气体排出阀的上游侧的部分的旁通路径；以及
被配置于所述旁通路径上并在发电停止时开放所述旁通路径的旁通阀。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备：控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述氧化剂气体排出阀开放。
9.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭。
10.如权利要求7或8所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述旁通阀的开闭的控制装置；
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述旁通阀开放。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述旁通阀开放。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备检测所述氧化剂气体封入空间的压力的压力检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述旁通阀开放。
13.如权利要求10～12中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在使所述旁通阀开放之后关闭所述旁通阀。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中还具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述旁通阀关闭。
15.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在从所述旁通阀开放开始经过规定的阀开放时间之后，使所述旁通阀关闭。
16.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，该燃料电池具有电解质膜、夹持所述电解质膜的阳极以及阴极、将燃料气体提供给所述阳极并排出的阳极侧气体通道以及将氧化剂气体提供给所述阴极并排出的阴极侧气体通道；
与所述阳极侧气体通道的入口相连接的燃料气体供给路径；
被配置于所述燃料气体供给路径上从而开闭其通道的燃料气体供给阀；
与所述阳极侧气体通道的出口相连接的燃料气体排出路径；
被配置于所述燃料气体排出路径上从而开闭其通道的燃料气体排出阀；
与所述阴极侧气体通道的入口相连接的氧化剂气体供给路径；
被配置于所述氧化剂气体供给路径上从而开闭其通道的氧化剂气体供给阀；
与所述阴极侧气体通道的出口相连接的氧化剂气体排出路径；
被配置于所述氧化剂气体排出路径上从而开闭其通道的氧化剂气体排出阀；
外部空气供给路径，其一端被连接于所述氧化剂气体排出路径中所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂排出阀之间；
被配置于所述外部空气供给路径上的净化部；以及
外部空气供给阀，被配置于所述外部空气供给路径中的连接于所述氧化剂气体排出路径的一端与所述净化部之间从而开闭其通道，
该燃料电池系统被构成为：在发电停止时，在关闭所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀之后，使所述外部空气供给阀开放。
17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于：
在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述阴极侧气体通道的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的1倍以上。
18.如权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述阴极侧气体通道的出口与所述氧化剂气体排出通道之间，具备冷凝器，冷凝去除从所述阴极侧气体通道排出的氧化剂气体中的水分。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于：
在通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间中，所述冷凝器的出口的下游的部分的体积为所述阴极侧气体通道的空间体积的0.35倍以上。
20.如权利要求16～19中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备控制所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀、所述氧化剂气体排出阀以及所述外部空气供给阀的开闭的控制装置，
所述控制装置被构成为：在发电停止时，在使所述燃料气体供给阀、所述燃料气体排出阀、所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀关闭之后，使所述外部空气供给阀开放。
21.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：当所述燃料电池的温度变成规定的阀开放温度以下时，使所述外部空气供给阀开放。
22.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备压力检测单元，检测由通过关闭所述氧化剂气体供给阀以及所述氧化剂气体排出阀而与外部相隔离的所述阴极侧气体通道以及与其连通的空间所构成的氧化剂气体封入空间的压力，
所述控制装置被构成为：在所述氧化剂气体封入空间的压力变成规定的阀开放压力以下时，使所述外部空气供给阀开放。
23.如权利要求20～22中的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在使所述外部空气供给阀开放之后，再使所述外部空气供给阀关闭。
24.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池系统中具备直接或间接地检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测单元，
所述控制装置被构成为：在所述燃料电池的温度变成规定的阀关闭温度以下时，使所述外部空气供给阀关闭。
25.如权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在从开放所述外部空气供给阀开始经过规定的阀开放时间之后，使所述外部空气供给阀关闭。
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