JP2008078163A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜に過度の負担をかけず、これの損傷を未然にかつ確実に防止する。
【解決手段】燃料電池の燃料極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入系と、燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系とを備え、始動時、燃料ガス排出系を開いた後、燃料ガス導入系を開き、その後燃料ガス排出系を閉じる。燃料ガス導入系を開く前に燃料ガス排出系を開いておくので、燃料ガスの導入当初高い瞬時圧が燃料電池に印加されたとしても、この瞬時圧は開かれた燃料ガス排出系へ逃がされる。よって、電解質膜に過度の負担がかかることはなく、これの損傷を未然にかつ確実に防止できる。
【選択図】図５

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に詳しくは、始動時、定常時及び停止時における燃料電池システムの制御に関する。この燃料電池システムは例えば車輌用に好適に用いられる。

ＰＥＭ型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。
燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極器材からなる。
燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータが積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。

上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。
燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止するために、スタックに冷却板を内蔵させる。この冷却板には空気や水などの冷却媒体が流通されてスタックが冷却され、もって燃料電池本体が所望の温度に維持される。

このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。
即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンがプロトン（Ｈ^＋)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化学反応による電気エネルギーを取り出すことができるからである。

上記において、プロトンが燃料極より空気極に向かって電解質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。
よって、良好なイオン伝導を保つために固体電解質膜に水分を供給する必要があり、そのために燃料ガス及び酸化ガスを加湿して、水分を供給している。
また、アノード電極側では、電極反応を適正に継続させるために、より水素ガスの湿潤状態を維持する必要があり、燃料ガスの加湿方法については従来から様々な提案がある。

他方、プロセス空気を加湿する方法は従来から提案されているが、反応熱により昇温されている（通常８０℃程度である）空気極を確実に加湿するには、常温のプロセス空気を加湿器において予め加温しておく必要がある。飽和水蒸気量を空気極の周囲の環境と一致させるためである。そのため、加湿器は水の供給機能とプロセス空気の昇温機能とが求められる複雑な構成であった。
特開平７−１４５９９号公報に開示の燃料電池装置では、空気導入管に噴射ノズルを設けて加湿に必要な水がプロセス空気中に噴霧される。この噴射ノズルが圧縮機の上流側にある場合、噴霧された水はプロセス空気の圧縮にともなう熱で蒸発され、水蒸気の状態で空気極を加湿する。また、この装置でも、必要に応じて空気の加湿装置が更に付加される。
いずれにせよ従来の技術では空気へ水蒸気を混入させることにより電解質膜へ水分を補給していた。

更には、特開平９−２６６００４号公報に示される燃料電池装置では、排出される水素ガスの濃度を下げるため、燃料極から排出されるガス（この排気ガスには未反応の水素ガスが含まれている）を空気極側へ導入してその中の水素ガスを空気極において燃焼させている。当該燃焼において反応水（回収水）が生成されるため、このような燃料電池装置では加湿器を特に付加しなくても、電解質膜へ充分な水分を補給できることとなる。

（先の出願における開示の概要）
更なる研究により以下の事項が解った。
所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、プロトンが空気極において空気中の酸素と反応して生成された水が、電解質膜中を空気極から水素極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、水素極（アノード電極）側で水素（燃料ガス）を加湿する必要がない。
しかし、空気極（カソード電極）側において、導入される空気（酸化ガス）流により、電解質膜の空気極側の水分が蒸発するため、電解質膜の空気極側の水分が不足することが解った。

そこで先の出願では、燃料電池本体の空気極に水が液体の状態で供給される、水直噴タイプの燃料電池システムを提案した。
このように構成された燃料電池システムによれば、空気極の表面に供給された水が優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜から水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。よって、燃料電池システムの性能及び／又は耐久性が向上する。

さらには、水を液体の状態で空気極に供給すると、空気極の表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池本体の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタックへ冷却板を付加しなくても当該燃料電池本体を冷却することができる。

この発明の第１の目的は新規な構成の燃料電池システムを提供することにある。
水直噴タイプにおいて、その機能を発揮するには燃料電池の空気極に水を確実に供給することが前提である。特に始動時においては、燃料電池の電解質膜が乾燥している場合がある。始動を安定させるためにはこれを発電反応に好適な湿潤状態にする必要がある。
そこで第１の局面の発明の目的は、始動時に電解質膜へ効率よく水を供給し、これを迅速且つ確実に湿潤状態とすることにある。

第１の局面の発明は上記課題に解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
前記空気極に空気を供給する空気供給系と、
始動時に、前記空気供給系をオンとした後、前記水供給系をオンとする制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第１の局面の発明によれば、予め空気が供給されている状態、即ち空気が流れているところへ水が供給されるので、空気の流れにより水の分散が促進される。従って、燃料電池の空気極へより均一に水が液体の状態で供給される。これにより、始動時、燃料電池の電解質膜が乾燥状態にあったとしても、これを迅速且つ確実に湿潤状態とすることができる。よって、安定した始動が実現されるとともに、電解質膜の焼損が未然に防止される。
かかる第１の局面はまた次の様にも表現される。
即ち、燃料電池スタックの空気マニホールドに水を噴射し、空気極に水を液体の状態で供給する燃料電池システムにおいて、その始動時に、前記空気マニホールド内の空気が流動している状態で前記水を該空気マニホールド内へ噴射する、ことを特徴とする燃料電池システム。

水直噴タイプの燃料電池システムにおいて、燃料電池に対して水を確実に供給することは、当該システムを安定して始動させるために重要である。
この発明の第２の局面は、かかる見地に基づいてなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
始動時に、前記水供給系の水量を検出する水量検出手段と、
該水量検出手段により検出された前記水供給系の水量が所定の閾値を下回ったとき、前記燃料電池の始動を停止させる制御手段と、を備えている燃料電池システム。

このように構成された第２の局面の発明によれば、水供給系に十分な量の水がないとき、燃料電池システムの始動が停止される。水供給系に十分な量の水がないと燃料電池スタックの各空気極へ完全に水が行き渡らないおそれがあり、そうすると燃料電池システムの始動が不安定になりかねない。そこで第２の局面の発明では十分な量の水が無いときは燃料電池システムを始動させず、例えばアラームランプを点灯して運転者に水不足を知らせ、水の補給を促す。
水供給系の水量の検出は、例えば水供給系に付設されたタンクの水位をモニタすることにより行う。

燃料ガスとして水素ガスを用い、これを貯蔵するタンクとして水素吸蔵合金タンクを用いたときには、当該タンクの最大内圧は燃料電池の耐圧を上回る。そこで、当該水素吸蔵合金から燃料電池までの経路（燃料ガス導入系）には、水素吸蔵合金タンクの圧力を減圧する減圧弁が設けられている。
しかし、最初に水素吸蔵合金タンクを開いたときには減圧弁で十分に減圧することができず、高い瞬時圧が燃料電池にかかることがある。これが繰り返されると燃料電池の電解質膜に損傷の生じるおそれがある。
そこでこの発明の他の目的は、かかる電解質膜の損傷を未然且つ確実に防止することにある。

第３の局面の発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池の燃料極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入系と、
前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
始動時、前記燃料ガス排出系を開いた後、前記燃料ガス導入系を開き、その後前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第３の局面の燃料電池システムよれば、燃料ガス導入系を開く前に燃料ガス排出系を開いておくので、燃料ガスの導入当初高い瞬時圧が燃料電池に印加されたとしても、この瞬時圧は開かれた燃料ガス排出系へ逃がされる。よって、電解質膜に過度の負担がかかることはなく、これの損傷を未然にかつ確実に防止できる。
瞬時圧を燃料ガス排出系へ逃がした後に燃料ガス排出系を閉じ、その後、通常通り燃料ガスを供給し、排出する。

上記第３の局面の発明のように電解質膜に対する負担を除去しても、電解質膜自体の経時的な劣化は免れない。劣化した電解質膜を持つ燃料電池は交換する必要がある。本発明者らは電解質膜が劣化したか否かを判定する方法を検討をした。その結果、電解質膜の劣化が進むと燃料ガスが当該電解質膜からリークし易くなることに気が付いた。
この発明の他の目的は、燃料電池の電解質膜の劣化を検出する新規な構成を提供することにある。

第４の局面の発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池と、
前記燃料電池中の燃料ガス通路を前記燃料ガスにより加圧した状態で該燃料ガス流路を閉じる手段と、
前記燃料電池の燃料ガス流路の圧力を検出する手段と、を備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第４の局面の発明によれば、燃料電池の燃料ガス流路を加圧した状態で該燃料ガス流路が閉じられるので、電解質膜が劣化しておればこの膜を介して燃料ガスがリークする。従って、閉じられた燃料ガス流路の圧力は次第に低下する。この圧力の変化が圧力検出手段によって検出され、所定の規則に基づき電解質膜の劣化が判断される。

燃料電池に過剰な負荷がかかると燃料電池の劣化が促進され、また場合によっては電解質膜が破損するおそれもある。
第５の局面の発明はかかる課題にかんがみてなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池の出力電圧を検出する手段と、
検出された前記出力電圧が所定の条件を満足したとき、前記燃料電池を負荷系へ接続する制御手段、とを備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第５の局面の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電圧が所定の条件を満足した後に燃料電池の出力が負荷に供給されるので、当該燃料電池に過度の負荷のかかることがない。よって、燃料電池の劣化の促進が防止される。
上記において所定の条件の一例として次のものがある。燃料電池の単位ユニット若しくは単位ユニットの組の出力電圧が所定の電圧（例えば８Ｖ）を超え、燃料電池スタックの総出力電圧が所定の電圧（例えば３８Ｖ）を超える。ここに、単位ユニット若しくはその組の出力を検出するのは、燃料電池スタックの総出力のみを検出していたのでは、スタックを構成する各単位ユニットの状況が把握できないからである。スタックを構成する単位ユニットのいずれかの劣化が進みその発電能力が低下すれば、他の単位ユニットの負担が大きくなりその劣化が予定外に進行するからである。

水直噴タイプの燃料電池システムでは、空気導入系及び／又は燃料ガス導入系に水蒸気を供給する従来タイプの燃料電池システムに比べて、水の供給量が大きい。従って、水供給系で消費されるエネルギーが大きくなる。勿論、このエネルギーも燃料電池システムで発電されたものである。
そこでこの発明の他の目的は、水供給系で消費されるエネルギーを小さくし、もって燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることにある。

第６の局面の発明はかかる目的を達成するものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
前記燃料電池の温度を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された温度が所定の温度より低いとき前記水供給系を間欠的に駆動させる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第６の局面にかかる発明によれば、燃料電池の温度が所定の温度より低い場合に水供給系の駆動が間欠的となる。従って、水供給系で消費されるエネルギーが、常に駆動させる場合に比べて、削減されることとなる。
なお、燃料電池の温度が所定の温度を超えたときには、当該燃料電池を充分に冷却するために、水供給系を連続的に駆動して単位時間当たりに供給される水の量を多くすることが好ましい。

燃料電池は燃料ガスと酸素との化学反応を利用してエネルギーを取り出している。この場合、燃料ガスの供給を止めても燃料電池内においてしばらく反応が進行する。従って、燃料電池システムを停止するときはこの後反応を考慮しなければならない。即ち、この後反応で発生するエネルギーが大きくなると、燃料電池自体を劣化させるおそれがあるからである。
この発明の他の目的は、かかる本発明者らが新たに見出した課題を解決することにある。

第７の局面の発明はかかる課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池と、
該燃料電池の出力の供給を受ける負荷系と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入系と、
前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
停止時に、前記負荷系に対する出力をオフとし、続いて前記燃料ガス導入系を閉じ、続いて前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。

このように構成された第７の局面の発明によれば、負荷系に対する燃料電池からの出力がオフとされ、続いて燃料ガス導入系が閉じられ、続いて燃料ガス排出系が閉じられる。このように、まず燃料ガスの入口を閉じてからその出口を閉じると後反応で消費される燃料ガスの量が可及的に少なくなるので、逆の場合に比べて、後反応で発生するエネルギーをできる限り小さくすることができる。
なお、後反応による発熱を冷却し、燃料電池の劣化を更に抑制するためには、燃料ガス排出系の閉じられた後に空気の供給及び水の供給を停止することが好ましい。

（実施例）
次に、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１にこの発明の実施例の燃料電池システム１の構成を示す。図１に示すように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック２、燃料ガス供給系１０、空気供給系４０、水供給系５０及び負荷系７０から大略構成される。

燃料電池スタック２は燃料電池の単位ユニットＵを複数接続したものである。この単位ユニットＵは、図２に示すように、空気極３と燃料極４とで固体高分子電解質膜５を挟持した構成の燃料電池本体を、更にセパレータ６及び７で挟持した構成である。この単位ユニットＵの形状は特に限定されないが、セパレータ６と空気極３との間には空気を流通させる空気流路８が上下方向に形成される。セパレータ７と燃料極４との間には水素ガスを流通させる水素ガス流路９が形成されている。
燃料電池スタック２を構成する単位ユニットＵは、図３に示すように、それぞれ４〜５枚の組Ｇ１〜Ｇ５になって、各組Ｇ１〜Ｇ５の電圧が電圧計７６１〜７６５で測定される。スタック２全体の電圧は電圧計７６で測定される。

燃料ガス供給系１０は燃料ガス導入系１０ａと燃料ガス排出系１０ｂとからなる。燃料ガス導入系１０ａは水素供給路２０を介して水素吸蔵合金１１から放出された水素を燃料スタック２の各単位ユニットＵの水素ガス流路９へ送る。水素供給路２０には、水素調圧弁２１が配設され、水素吸蔵合金１１から放出された水素ガスを調圧(減圧）している。符号２３は水素供給電磁弁２３であって、水素供給路２０の開閉を制御している。
周知な構成の圧力計である水素元圧センサ２５で燃料電池スタック２へ供給される直前の水素ガス圧がモニタされている。

燃料ガス排出系１０ｂは水素排気路３０、逆止弁３１及び水素排気電磁弁３３から構成される。燃料電池スタック２から排出される水素ガスは水素排気路３０を介して大気へ放出される。水素排気路３０には逆止弁３１と水素排気電磁弁３３が設けられている。逆止弁３１は水素排気路３０を介して空気が燃料電池スタック２の燃料極に進入することを防止する。水素排気電磁弁３３は間欠的に駆動されて残留した水（及び無害化されたガス）を積極的に排出する。
図示はしないが配管３０内には、燃焼手段としての触媒燃焼器が配され、排出口より排出された水素と外部から導入される空気とを触媒燃焼させ水（及び無害化されたガス）の状態で、水素排気電磁弁３３を介して排出する。

空気供給系４０は大気から空気を燃料電池スタック２の空気流路に供給し、燃料電池スタック２から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気する。
空気供給路４１にはファン４３が備えられ、大気から空気を空気マニホールド４５へ送る。空気はマニホールド４５から燃料電池スタック２の空気流路８へ流入して空気極４へ酸素を供給する。燃料電池スタック２から排出された空気は水凝縮器５１（水回収装置）で水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。
燃料電池スタック２から排出される空気の温度は排気温度センサ４７によりモニタされている。この排気温度は燃料電池スタック２の温度と実質的に等しい。

この実施例では、空気マニホールド４５の側壁にノズル５５が配設されて、これより吸気中に水が液体の状態で供給される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま水凝縮器５１まで到達し、そのままタンク５３へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器５１において凝縮されて回収される。なお、排出空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック２の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えられる。
この水凝縮器５１は汎用的な熱交換器（図示せず）を備え、これをファンの風で冷却して排出空気中の水蒸気を凝縮させて回収する構成である。

水供給系５０はタンク５３の水をノズル５５から空気マニホールド４５へ供給し、この水を水凝縮器５１で回収してタンク５３に戻すという閉じられた系である。タンク５３の水位は常に水位センサ５６でモニタされている。水位センサにはフロート式のものを用いた。冬季にタンク５３中の水が凍結しないようにタンク５３にはヒータ５７と凍結防止電磁バルブ５８が取り付けられている。
水凝縮器５１とタンク５３を連結する配管には電磁バルブ６０が取り付けられてタンク５３内の水が蒸発するのを防止している。

タンク５３の水はポンプ６１により空気マニホールド内に配設されたノズル５５へ圧送され、ここから空気極の表面に対して連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック２の空気極に供給され、ここにおいて優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜からの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。
また、空気極の表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池スタック２の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタック２へ冷却水供給系を付加しなくても当該燃料電池スタック２を充分に冷却することができる。

負荷系７０は燃料電池スタック２の出力を外部に取り出して、モータ７７を駆動させる。この負荷系７０にはスイッチのためのリレー７１と補助出力源となるバッテリ７５が設けられ、バッテリ７５とリレー７１との間に整流用のダイオード７３が介在されている。
車輌の走行中、燃料電池スタック２の作動が何らかの事情により停止したとき、モータ７７にはバッテリ７５から電力が供給される。バッテリ７５からの電力のみでモータ７７が駆動されているとき、運転手にはその旨が図示しない表示装置によって報知される。そのとき併せて、バッテリ７５の残量も表示することが好ましい。

図４に、実施例の燃料電池システム１の制御系１５０の構成を示した。
図１に示した各要素には同一の符号が付してある。
制御装置１５１はＣＰＵ１５３とメモリ１５５を備える。ＣＰＵ１５３は各要素と図示しないインターフェースを介して接続されており、メモリ１５５に予め保存されている制御プログラムに基づいて各要素を制御する。よって、以下に説明するフローチャートは当該制御プログラムにそってＣＰＵ１５３が各要素を制御することにより実行される。

図５は実施例の燃料電池システム１の始動時の動作を示すフローチャートである。
実施例の燃料電池システム１を始動するときには、まず空気供給ファン４３を駆動して空気マニホールド４５へ空気を送る(ステップ１）。その後、水位センサ５６で水タンク５３の水位が予め定められた閾値より高いか否かをチェックする（ステップ２）。ここに閾値は、水タンク５６の最大容量の１０％の水量に対する水位とした。水タンク５６の水位が当該閾値の水位に満たないと水供給系５０の水量が不足であるとして、燃料電池システム１を停止させるために図７に示した終了処理へ進む。それとともに、アラームランプ１６０を点灯させる。

水タンク５６の水量が充分であったときは、ステップ３に進む。ステップ３ではポンプ６１を１０秒間駆動させてノズル５５から水を空気マニホールド４５内へ噴射する。これにより、予め燃料電池スタック２の空気極４側から電解質膜５に水が供給され、その湿潤状態が確保される。よって、後で水素ガスが供給されたとき急激な反応が起こったとしても、電解質膜５の焼損が未然に防止されることとなる。

次に、ステップ５〜８において燃料電池スタック２の水素ガス流路９内を水素ガスで充満させる。即ち、燃料電池システム１を暫く止めていると、電解質膜５を通して水素ガス流路に空気が入り込んでくる場合がある。従って、この空気を水素ガスで安全に置換する必要がある。
先ず、ステップ５において水素排気弁３３を開放しておく。これにより、後で水素供給弁２３を開いたときに、調圧弁２１の存在に関わらず、発生する瞬時圧を系外へ逃がすことができる。よって、電解質膜５に大きな負担がかからなくなる。これにより、電解質膜５の耐久性を設計通りとすることができる。

ステップ５の直後、ステップ６で水素供給弁２３を開く。
ステップ７において、ステップ５で開いておいた水素排気弁３３を３秒後に閉じる。なお、ステップ６における水素供給弁２３を開く動作は当該３秒間の間になされる。
ステップ８において、ステップ６で開いておいた水素供給弁２３を５秒後に閉じる。
ステップ５〜８の操作により、燃料電池スタック２の水素ガス流路９はもとより、水素ガス導入系１０ａ中の空気が水素ガスでパージされる。

ステップ８で水素供給弁２３を閉じた直後（このとき、水素排気弁３３も閉じられている。）に水素元圧センサ２５で水素導入系１０ａの圧力を検出する。その時の圧力が２０〜９０Ｋｐａの範囲から外れた場合、水素導入系１０ａに異常があったとして燃料電池システム１を停止させる（ステップ１０のＹＥＳ）。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。
燃料電池スタック２へ供給される水素ガスの圧力は調圧弁２１により５０〜６０Ｋｐａに調圧されている。ステップ１０で検出した圧力が２０Ｋｐａに満たない場合は水素導入系１０ａにおいてシール不良が発生して水素ガスがそこから洩れている可能性がある。また、検出した圧力が９０Ｋｐａを超えるものであったときには調圧弁２１に不良が発生している可能性がある。９０Ｋｐａを超える高い圧力を燃料電池スタック２へ印加すると、電解質膜５に損傷の生じるおそれがある。

ステップ１０において、水素元圧センサ２５で検出された圧力と参照圧力（２０〜９０Ｋｐａ）との比較は、制御装置１５１のクロックに応じて行われる（例えば１００ｍｓ毎）。その結果が３回続けて条件を満足していた場合、ＹＥＳと判断される。３回の測定結果に基づいて判断するのは、電気信号ノイズを除去するためである。
以降の各判断ステップにおいても同様な電気信号ノイズ対策が取られるものとする。

次に、ステップ８で水素供給弁２３が閉じられた１０秒後に（ステップ１２）、水素元圧センサ２５の圧力が１０Ｋｐａ未満であるか否かをチェックする（ステップ１３）。水素ガスは電解質膜５を介して空気中の酸素と反応して消費されるので、水素ガス導入系１０ａ内の水素分圧は次第に低下する。しかし、１０秒経過後、その圧力が１０Ｋｐａ未満であると、発電反応による消費とは別に電解質膜５の劣化によるリークの可能性が考えられる。なお、他の部分からのリークがあれば圧力低下の度合いが大きくステップ１０で検出されるはずである。
従って、ステップ１３において、水素元圧センサ２５による検出結果が１０Ｋｐａ未満であると（ステップ１３：ＹＥＳ）、電解質膜５の劣化の可能性があるとして、燃料電池システム１を停止させる。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。

水素元圧センサ２５による検出結果が１０Ｋｐａ以上であると（ステップ１３：ＮＯ）、ステップ１５に進む。ステップ１５では水素供給弁２３を再度開く。この水素供給弁２３の開の状態を維持したまま、ステップ１７では水素排気弁３３を１秒間開く−２秒間閉じる−１秒間開くー２秒間閉じる、を６０秒間繰り返す（ステップ１９）。この６０秒間の間に、燃料電池スタック２の電圧の状態が以下に示す第１の電圧条件を満足すると、図６に示す定常運転に進む(ステップ１８：ＹＥＳ)。一方、第１の電圧条件が満足されないときは、燃料電池システムを停止させる(ステップ１８：ＮＯ)。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。

第１の電圧条件として、例えば次なる条件を採用した。
（１） 燃料電池スタック２の電圧 ＞ 所定電位１
（２） 単位ユニットＵの第１の組Ｇ１の電圧 ＞ 所定電位２
（３） 単位ユニットＵの第２〜第５の組Ｇ２〜Ｇ５の電圧 ＞ 所定電位２
上記（１）〜（３）の全ての条件が満足されたとき、ステップ１８はＹＥＳとなる。一方、少なくとも１つの条件が満足されないと、ステップ１８はＮＯとなる。

図６は燃料電池システム１の定常運転時の動作を示す。
定常運転処理では、先ずステップ２１においてリレー７１がオンとなり、燃料電池スタック２の出力がモータ７７に印加される。
その時の燃料電池スタック２の電圧が電圧計７６で検出され、その検出結果が例えば３５Ｖ以下であると（ステップ２３：ＮＯ）、燃料電池システム１は停止される。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。モータ７７を駆動するのに十分な電力が得られていないからである。

燃料電池スタック２の出力電圧が３５Ｖを超えるものであると（ステップ２３：ＹＥＳ）、水素排気弁３３を２秒間開き、その後５８秒間閉じる（ステップ２５〜２９）。図６のルーチンを繰り返す限り、燃料ガス排出系１０ｂは１分間に２秒間開かれることとなる。

ステップ３１では、ステップ２９で水素排気弁３３を開いたときの燃料電池スタック２の電圧の状態を第２の電圧条件と比較する。燃料電池スタック２の電圧状態が第２の電圧条件を満足していないときは燃料電池システム１を停止する。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。一方、満足しているときはステップ３３に進む。

ここに第２の電圧条件として、次なる条件を採用した。
（１） 単位ユニットの第１の組Ｇ１の電圧 ＞ 所定電位３
（２） 単位ユニットの第２の組Ｇ２の電圧 ＞ 所定電位３
（３） 単位ユニットの第３の組Ｇ３の電圧 ＞ 所定電位３
（４） 単位ユニットの第４の組Ｇ４の電圧 ＞ 所定電位３
（５） 単位ユニットの第５の組Ｇ５の電圧 ＞ 所定電位３
そして、上記（１）〜（５）のいずれか１つの条件でも満足していないときステップ３１はＮＯとなる。

ステップ３３〜３５では、水素ガス導入系１０ａに十分な水素ガスが供給されているかをチェックする。このステップ３３〜３５はその目的及び動作において、始動時のフロー（図５参照）のステップ８及びステップ１０と同じである。

ステップ３７では排気温度センサ４７により検出された燃料電池スタック２の空気排気ガスの温度（スタック２自体の温度とほぼ等しい）が５０℃未満であるか否かをチェックする。
空気排気ガスの温度が５０℃未満のときは、ステップ３８〜４１において、ポンプ６１を３秒間駆動させた後、１０秒間休止させる。即ち、水を３秒間供給した後１０秒間休止するという、間欠的な水の供給パターンは空気排気ガスの温度が５０℃未満である限り維持される。

空気排気ガスの温度が５０℃以上のときはステップ４４に進む。さらに、空気排気ガスの温度が７０℃を超えるときは（ステップ４４：ＮＯ）、燃料電池システム１を停止させる。それとともにアラームランプ１６０を点灯させる。燃料電池スタック２において異常反応が進行しているおそれがあるからである。
空気排気ガスの温度が５０℃を超え且つ７０℃未満であるときは（ステップ４４：ＹＥＳ）、ポンプ６１を１０秒間連続して駆動させる。即ち、１０秒間連続して水を供給する（ステップ４６〜４８）。これにより、ステップ３８―４１（空気排気ガスが５０℃未満のとき）に比べ、単位時間当たりに供給される水の量が増大される。よって、燃料電池スタック２がより強く冷却されることとなる。

イグニッションキーがオフとされて停止信号が入力されると、燃料電池システム１は停止される（ステップ４３、５０）。

図７は燃料電池システム１を停止させるときの動作を示すフローチャートである。
ステップ６１で先ずリレー７１をオフとして、モータ７７から燃料電池スタック２を切り離す。次に、水素供給弁２３を閉じる（ステップ６２）。その後、水素排気弁３３を閉じる（ステップ６３）。このように、水素供給弁２３を閉じ後に水素排気弁３３を閉じることにより、燃料電池システム１において後反応で消費される水素ガスの量をできる限り少なくし、もって後反応により発生するエネルギーをできる限り削減することができる。

後反応による熱が電解質膜に蓄積されると、当該電解質膜の劣化が促進されるので好ましくない。そこで、電解質膜の冷却を促進する見地から、水素排気弁３３を閉じた後まで空気の流通を確保し（ステップ６４）、水の供給の停止は最後に行う（ステップ６５）。

制御装置１５１用の電源を閉じて（ステップ６７）、燃料電池システム１が完全に停止される。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

以下、次の事項を開示する。
（４０） 燃料電池の燃料ガス流路の排気弁を開放し、
その後、前記燃料電池に燃料ガスを供給し、
その後、前記排気弁を閉じる、ことを特徴とする燃料電池の始動方法。
（５０） 燃料電池スタックの出力電圧が下記条件を満足した後に該燃料電池スタックの出力を負荷系に印加する、ことを特徴とする燃料電池システムの始動方法、
前記燃料電池スタックを構成する単位ユニット若しくは単位ユニットの組の出力電圧が所定の第１の閾値を上回り、且つ前記燃料電池スタックの総出力電圧が所定の第２の閾値を上回る。
（６０） 燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水直噴型の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が第１の条件を満たすとき前記水を間欠的に供給し、前記燃料電池が第２の条件を満たすとき、前記水を連続的に供給する、ことを特徴とする燃料電池システム。

（７０） 燃料電池と、
該燃料電池から燃料ガスを排出させる燃料ガス排出系と、
該燃料ガス排出系を所定の規則に基づいて間欠的に開き、前記燃料電池から前記燃料ガスを排出させる制御装置と、を備えてなる燃料電池システム。
（８０） 燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入系と、
該燃料ガス導入系の圧力を検出する圧力計と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧計と、
前記燃料電池の温度を検出する温度計と、
下記条件を満足したとき、燃料電池システムを停止させる制御手段と、
前記圧力計で検出した前記燃料ガス導入系内の圧力が所定の閾値圧力を下回ったとき、
前記電圧計で検出した前記燃料電池の出力が所定の閾値電圧を下回ったとき、若しくは
前記温度計で検出した前記燃料電池の温度が所定の閾値温度を上回ったとき、
を備えてなる燃料電池システム。
（９０） 燃料電池システムと、
バッテリと、
前記燃料電池システムが停止したとき、前記バッテリーの電力でモータを駆動させる手段と、を備えてなる燃料電池車輌。
（９１） 前記バッテリーの電力のみで前記モータが駆動されているときに作動するアラームが更に備えられている、ことを特徴とする（９０）に記載の燃料電池車輌。

（１１０） 燃料電池から負荷系に対する出力を停止し、
続いて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入系を閉じ、
続いて、前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系を閉じる、ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
（１１１） 前記燃料ガス排出系を閉じることに続いて、前記燃料電池に空気を供給する空気供給系を閉じ、
続いて、前記燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系を閉じる、ことを特徴とする（１１０）に記載の燃料電池システムの停止方法。

以下の事項を開示する。
（請求項１）
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
前記空気極に空気を供給する空気供給系と、
始動時に、前記空気供給系をオンとした後、前記水供給系をオンとする制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
（請求項２）
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
始動時に、前記水供給系の水量を検出する水量検出手段と、
該水量検出手段により検出された前記水供給系の水量が所定の閾値を下回ったとき、前記燃料電池の始動を停止させる制御手段と、を備えている燃料電池システム。
（請求項３）
燃料電池の燃料極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入系と、
前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
始動時、前記燃料ガス排出系を開いた後、前記燃料ガス導入系を開き、その後前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
（請求項４）
燃料電池と、
前記燃料電池中の燃料ガス流路を前記燃料ガスにより加圧した状態で該燃料ガス流路を閉じる手段と、
前記燃料電池の燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、を備えてなる燃料電池システム。
（請求項５）
燃料電池の出力電圧を検出する手段と、
検出された前記出力電圧が所定の条件を満足したとき、前記燃料電池を負荷系へ接続する制御手段、とを備えてなる燃料電池システム。
（請求項６）
燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
前記燃料電池の温度を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された温度が所定の温度より低いとき前記水供給系を間欠的に駆動させる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
（請求項７）
前記制御手段は、前記検出手段により検出された温度が前記所定の温度を越えたとき、前記水供給系を連続的に駆動させる、ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置。
（請求項８）
燃料電池と、
該燃料電池の出力の供給を受ける負荷系と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入系と、
前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
停止時に、前記負荷系に対する出力をオフとし、続いて前記燃料ガス導入系を閉じ、続いて前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
（請求項９）
燃料電池スタックの空気マニホールドに水を噴射し、空気極に水を液体の状態で供給する燃料電池システムにおいて、その始動時に、前記空気マニホールド内の空気が流動している状態で前記水を該空気マニホールド内へ噴射する、ことを特徴とする燃料電池システム。

図１はこの発明の一の実施例の燃料電池システムの構成を示す概念図である。 図２は同じく燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。 図３は燃料電池スタックとこれを構成する単位ユニットの組を示す正面図である。 図４は同じく実施例の燃料電池システムの制御系を示すブロック図である。 図５は同じく燃料電池システムの始動時の動作を示すフローチャートである。 図６は同じく燃料電池システムの定常運転時の動作を示すフローチャートである。 図７は同じく燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
１０ 燃料ガス供給系
１０ａ 燃料ガス導入系
１０ｂ 燃料ガス排出系
２３ 水素供給弁
２５ 水素元圧センサ
３３ 水素排気弁
４０ 空気供給系
４７ 排気温度センサ
５０ 水供給系
７０ 負荷系
１５１ 制御装置

Claims (5)

1. 燃料電池の燃料極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入系と、
   前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
   始動時、前記燃料ガス排出系を開いた後、前記燃料ガス導入系を開き、その後前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池中の燃料ガス流路を前記燃料ガスにより加圧した状態で該燃料ガス流路を閉じる手段と、
   前記燃料電池の燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、を備えてなる燃料電池システム。
3. 燃料電池の空気極に水を液体の状態で供給する水供給系と、
   前記燃料電池の温度を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された温度が所定の温度より低いとき前記水供給系を間欠的に駆動させる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記検出手段により検出された温度が前記所定の温度を越えたとき、前記水供給系を連続的に駆動させる、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 燃料電池と、
   該燃料電池の出力の供給を受ける負荷系と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入系と、
   前記燃料電池から燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、
   停止時に、前記負荷系に対する出力をオフとし、続いて前記燃料ガス導入系を閉じ、続いて前記燃料ガス排出系を閉じる制御手段と、を備えてなる燃料電池システム。

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