JP4599461B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。より詳しくは、発電停止時における水素の消費量の低減が可能でかつカソード触媒の劣化を防止が可能な燃料電池システムに関する。

家庭用燃料電池システムにおいては、昼間に運転を行い深夜に運転を停止するＤＳＳ（Daily Start & Stop or Daily Start-up & Shut-down）運転により、光熱費メリットと二酸化炭素の削減効果を向上させることが望まれている。ＤＳＳ運転では、燃料電池システムの運転が頻繁に停止される。かかる運転を行うと、従来の燃料電池では、非発電時に、セルスタック内部に残存する反応ガスや外部から侵入する空気などにより電極触媒が劣化し、電池性能の低下が起こるという問題があった。

このような問題に対応する燃料電池システムとして、特許文献１では、燃料電池システムの発電停止中に、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出を停止したうえで、燃料電池の燃料ガス流路と酸化剤ガス流路に不活性ガスを注入する燃料電池システムが提案されている。なお、上記において燃料ガス流路とは、燃料電池への燃料ガス供給路及び排出路をいい、酸化剤ガス流路とは、燃料電池への酸化剤ガス供給路及び排出路をいう。

また、特許文献２では、非発電時に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を閉止し、閉止されることにより実質的に外部と隔離された燃料電池内の燃料ガス流路及びこれに連通する空間から成る燃料ガス封入空間に不活性ガスを供給し、閉止されることにより実質的に外部と隔離された燃料電池内の酸化剤ガス流路及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間に空気を供給する、燃料電池システムが提案されている。通常であれば、燃料ガス封入空間及び酸化剤ガス封入空間では、クロスリーク等によるガスの消費や温度低下を原因として圧力が低下するが、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料ガス封入空間及び酸化剤ガス封入空間において圧力が低下しないように、燃料ガス封入空間には不活性ガスが、酸化剤ガス封入空間には空気が供給される。酸化剤ガス封入空間では、酸素が消費されて窒素のみが残留するため、電極電位を低く抑えることが可能となり、また、圧力低下を補うようにガスが燃料電池内部に供給されるため、大気との圧力差がなくなって、燃料ガス封入空間への酸素の混入が極めて小さく抑えられて、電極電位の上昇はさらに効果的に抑制される。

特開２００５−２２２７０７号公報 国際公開番号ＷＯ２００７／０６３８２６号公報

上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、電極劣化防止のために使用する不活性ガスとして不純物を除去した原料ガスを使用している。燃料電池の燃料ガス流路と酸化剤ガス流路に注入された未反応の原料ガスは、燃料電池システムの起動の際には、燃焼してから外気へ排出する必要がある。未反応の不活性ガスの燃焼を行うために必要な配管や弁の構成或いは装置を具備するために、システムが複雑化するという課題があった。

また、特許文献２に記載された燃料電池システムでは、非発電時に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を閉止し、閉止されることにより実質的に外部と隔離された燃料電池内の酸化剤ガス流路及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間に空気を供給する。この場合、燃料電池では、燃料ガス中の水素と供給された空気中及び酸化剤ガス封入空間に残留している気体中の酸素とが高分子電解質膜を介して反応し、水素と酸素とが消費される。そのため、非発電時に消費される燃料ガス中の水素の量を低減してエネルギー効率を高めるという観点から、未だ改善の余地があった。即ち、酸化剤ガス封入空間に供給される空気中の酸素の量をより低減して、非発電時に消費される水素の消費量を減らすことが望ましい。また、非発電時におけるカソード触媒の劣化を抑制し、電極性能の低下を十分に防止するという観点からも、未だ改善の余地があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、非発電時に消費される水素の消費量を減らし、エネルギー効率を高めることができ、かつ非発電時におけるカソード触媒の性能低下を十分に防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

［発明に至る過程］
本発明者らは、燃料電池システムの非発電時の燃料ガス中の水素の消費量を低減する方法及び電極劣化を防止する方法について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。

燃料電池システムの発電（運転）を行うことによって、燃料電池のカソードでは酸化剤ガス中の酸素が電気化学反応により消費される。そのため、燃料電池の酸化剤ガス出口から排出される排出酸化剤ガス中の酸素濃度は燃料電池の酸化剤ガス入口へ供給される供給酸化剤ガス中の酸素濃度より減少している。一般的に、カソードへ供給される酸化剤ガスの利用率は、拡散抵抗による電圧低下と発電効率の観点から４０〜６０％程度である。この結果、酸化剤ガスとして空気を使用した場合に、燃料電池へ供給される酸化剤ガス中の酸素濃度は約２１％であるの対し、燃料電池からの排出酸化剤ガス中の酸素濃度は、９〜１３％となる。従って、発電停止後に酸化剤ガス流路が閉止されると、酸化剤ガス流路では、燃料電池への酸化剤ガス入口側よりも酸化剤ガス出口側の方が、酸素濃度の低い酸化剤ガスが滞留していることとなる。

特許文献２に記載された燃料電池システムでは、酸化剤ガス封入空間へ空気が供給される位置は特に定められていないが、これを燃料電池の酸化剤ガス出口側よりも下流側に限定することにより、酸化剤ガス流路において燃料電池の酸化剤ガス出口側に溜まっている酸素濃度の低い酸化剤ガス（排出酸化剤ガス）を燃料電池内に還流させることができる。即ち、酸化剤ガス流路を封止した場合に、酸化剤ガス出口側よりも下流側からガスを供給することにより、空気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度の酸化剤ガスを封止することができる。酸素濃度の低い酸化剤ガスを封止することで、非発電時に消費される水素の消費量を減らすことができる。また、酸素濃度が高い酸化剤ガスを封止した場合に比べ、非発電時におけるカソード触媒の凝集や酸化などによる劣化を抑制することができ、電極性能の低下を防止することができる。

［本発明の構成］
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜、前記電解質膜を挟持するアノード及びカソード、前記アノードに燃料ガスを供給し排出するアノード側ガス流路、及び前記カソードに酸化剤ガスを供給し排出するカソード側ガス流路を有する燃料電池と、前記アノード側ガス流路を含み前記アノードに燃料ガスを供給して排出する燃料ガス流路と、前記カソード側ガス流路を含み前記カソードに酸化剤ガスを供給して排出する酸化剤ガス流路とを、備え、発電停止時に、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路が閉止され、前記酸化剤ガス流路が閉止されることにより、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、実質的に外部と隔離された前記カソード側ガス流路及び当該カソード側ガス流路に連通する空間からなる酸化剤ガス封入空間に、前記カソード側ガス流路よりも下流側からガスが供給されるように構成されているものである。

そして、前記燃料ガス流路は、前記アノード側ガス流路の入口と接続された燃料ガス供給路、前記燃料ガス供給路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス供給弁、前記アノード側ガス流路、前記アノード側ガス流路の出口と接続された燃料ガス排出路、及び前記燃料ガス排出路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス排出弁を有し、
前記酸化剤ガス流路は、前記カソード側ガス流路の入口と接続された酸化剤ガス供給路、前記酸化剤ガス供給路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス供給弁、前記カソード側ガス流路、前記カソード側ガス流路の出口と接続された酸化剤ガス排出路、及び前記酸化剤ガス排出路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス排出弁を有し、
前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止することにより前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を閉止し、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、前記酸化剤ガス封入空間のうち前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分にガスが供給されるように構成されている。

前記酸化剤ガス封入空間のうち前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の１倍以上の大きさを有することが望ましい。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤ガス排出流路との間に、前記カソード側ガス流路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器を、さらに備えているものである。

前記酸化剤ガス封入空間のうち凝縮器の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有することが望ましい。

前記酸化剤ガス排出流路の下流に設けられた、前記酸化剤ガス排出流路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器と、前記酸化剤排出弁と前記凝縮器とを接続する酸化剤排出弁―凝縮器経路と、前記凝縮器の下流に設けられた、前記凝縮器から排出された酸化剤ガスを排出する第二の酸化剤ガス排出経路を有し、第二の酸化剤ガス排出経路の体積が、前記酸化剤ガス封入空間の体積と前記酸化剤排出弁―凝縮器経路の体積の和よりも大きいことが望ましい。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス供給路の前記酸化剤ガス供給弁よりも上流側の部分及び前記酸化剤ガス排出路の前記酸化剤ガス排出弁よりも上流側の部分を接続するバイパス路と、前記バイパス路に設けられて発電停止時に前記バイパス路を開放するバイパス弁とを、さらに備えているものである。

前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記バイパス弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記酸化剤ガス排出弁を開放させるように構成されていることが望ましい。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させるように構成されているものである。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記バイパス弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記バイパス弁を開放させるように構成されているものである。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁開放温度以下となったときに、前記バイパス弁を開放させるように構成されているものである。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス封入空間の圧力を検出する圧力検出手段を、さらに備え、前記制御装置は、前記酸化剤ガス封入空間の圧力が所定の弁開放圧力以下となったときに、前記バイパス弁を開放させるように構成されているものである。

前記制御装置は、前記バイパス弁を開放させたのち、前記バイパス弁を閉止させるように構成できる。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁閉止温度以下となったときに、前記バイパス弁を閉止させるように構成されているものである。

前記制御装置は、前記バイパス弁が開放してから所定の弁開放時間が経過したのち、前記バイパス弁を閉止させるように構成できる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜、前記電解質膜を挟持するアノード及びカソード、前記アノードに燃料ガスを供給し排出するアノード側ガス流路、及び前記カソードに酸化剤ガスを供給し排出するカソード側ガス流路を有する燃料電池と、前記アノード側ガス流路の入口と接続された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス供給弁と、前記アノード側ガス流路の出口と接続された燃料ガス排出路と、前記燃料ガス排出路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス排出弁と、前記カソード側ガス流路の入口と接続された酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス供給弁と、前記カソード側ガス流路の出口と接続された酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス排出路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス排出弁と、前記酸化剤ガス排出路において前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤排出弁との間に一端が接続された外気供給路と、前記外気供給路に設けられた浄化部と、前記外気供給路において前記酸化剤ガス排出路に接続された一端と前記浄化部との間に設けられてその流路を開閉する外気供給弁とを、備え、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されたのち、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、前記外気供給弁が開放されるように構成されているものである。

前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間のうち、前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の１倍以上の大きさを有していることが好ましい。

また、本発明は、前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤ガス排出流路との間に、前記カソード側ガス流路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器を備えているものである。

前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間のうち、前記凝縮器の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有していることが好ましい。

また、本発明は、前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記外気供給弁の開閉を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記外気供給弁を開放させるように構成されているものである。

このために、前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁開放温度以下となったときに、前記外気供給弁を開放させるように構成することができる。

または、前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御装置は、前記酸化剤ガス封入空間の圧力が所定の弁開放圧力以下となったときに、前記外気供給弁を開放させるように構成することができる。

また、本発明は、前記制御装置が、前記外気供給弁を開放させたのち、前記外気供給弁を閉止させるように構成されているものである。

このために、前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁閉止温度以下となったときに、前記外気供給弁を閉止させるように構成することができる。

または、前記制御装置は、前記外気供給弁を開放してから所定の弁開放時間が経過したのち、前記外気供給弁を閉止させるように構成することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

非発電時に消費される水素の消費量を減らし、燃料電池システムのエネルギー効率を十分に高めることができる。また、非発電時におけるカソード触媒の凝集や酸化などによる劣化を抑制することができ、電極性能の低下を十分に防止することができる。

図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図２は、セルの構成を示す断面図である。 図３は、燃料電池の構成を示す斜視図である。 図４は、燃料ガス封入空間及び酸化剤ガス封入空間を説明するための燃料電池システムの機能ブロック図の一部拡大図である。 図５は、実施の形態１に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。 図６は、カソード側ガス流路の気体の体積減少量の計算例を示す図である。 図７は、実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図８は、実施の形態２に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。 図９は、実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図１０は、実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図１１は、実施の形態４に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。 図１２は、実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図１３は、セルの構成を示す断面図である。 図１４は、燃料電池の構成を示す斜視図である。 図１５は、燃料ガス封入空間及び酸化剤ガス封入空間を説明するための燃料電池システムの機能ブロック図の一部拡大図である。 図１６は、実施の形態５に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。 図１７は、カソード側ガス流路の気体の体積減少量の計算例を示す図である。 図１８は、実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。 図１９は、実施の形態６に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。 図２０は、実施の形態７に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

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、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について説明する。以下、実施の形態１に係る燃料電池システムについて、ハードウェアと制御系統に分けて説明する。

［燃料電池システム１００のハードウェアの構成］
まず、燃料電池システムのハードウェアの構成について、説明する。図１は実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、主要な構成要素として、燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガスを供給して排出する燃料ガス系統と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給して排出する酸化剤ガス系統と、本発明の特徴であるバイパス系統と、燃料電池１を冷却する冷却系統と、燃料電池１の温度を検知する温度検出手段６６と、燃料電池システム１００全体の動作を制御する制御装置６５と、出力制御装置６４と、を備えている。燃料電池システム１００の大部分の構成要素は、筐体６７の内部に収容されているか、あるいは筐体６７の外面に露出するように取り付けられている。以下、燃料電池システム１００の主要な構成要素について詳細に説明する。

［燃料電池１］
図２及び図３を用いて、燃料電池１（セルスタック）の構成について説明する。図２はセルの構成を示す断面図、図３は燃料電池の構成を示す斜視図である。

燃料電池１は、高分子電解質型燃料電池で構成することができ、この構造は周知であるので、燃料電池１については本発明と関連する限度で簡単に説明する。燃料電池１は、ここでは高分子電解質型燃料電池とする。

図３に示すように、燃料電池１は、複数の積層されたセル９，９，，，と、積層されたセル９，９，，，を挟む一対の集電板２８ａ，２８ｃと、セル９と外部とを電気的に絶縁する一対の絶縁板２９，２９と、締結部材（図示略）を用いてセル９を積層した状態に締結する一対の端板２０，２０とを備えている。１セルあたりの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いために、燃料電池１ではセル９を直列に複数個積層し、高電圧を達成できるようにしている。集電板２８ａ，２８ｃには、それぞれ電気出力端子２７ａ，２７ｃが設けられ、集電板２８ａ，２８ｃを通じて燃料電池１から外部へ電流が取り出される。電気出力端子２７ａ，２７ｃには出力制御装置６４が接続されている。出力制御装置６４は、インバータを備えていて、燃料電池１から出力される直流の電力を交流の電力に変換して出力する。また、出力制御装置６４はその出力が調整可能であり、この出力を調整することにより燃料電池１で発生する電力が調整される構成となっている。

図２に示すように、セル９は電解質層としての高分子電解質膜２を有しており、この高分子電解質膜２の両方の主面の周縁部を除く部分にはアノード３とカソード４とが配置されている。これらのアノード３と高分子電解質膜２とカソード４とで、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１５が構成されている。アノード３は、密着して配置されたアノード触媒層３ａとアノードガス拡散層３ｂとで構成され、カソード４は、密着して配置されたカソード触媒層４ａとカソードガス拡散層４ｂとで構成されている。

高分子電解質膜２は、例えば、パーフルオルスルホン酸ポリマーからなる水素イオン導電性の固体高分子電解質膜で構成され、触媒層３ａ，４ａは、例えば、多孔質カーボンに白金−ルテニウム合金又は白金等の貴金属を担持した触媒と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物で構成され、ガス拡散層３ｂ，４ｂは、例えば、撥水処理が施されたカーボンペーパーやカーボンクロスで構成されている。

ＭＥＡ１５のアノード３に接触するように導電性で板状のアノードセパレータ５が配置され、また、カソード４に接触するように導電性で板状のカソードセパレータ６が配置されている。そして、高分子電解質膜２の両方の主面の周縁部に配置された１対の環状のガスケット７，８により、ＭＥＡ１５とアノードセパレータ５とが封止され、ＭＥＡ１５とカソードセパレータ６とが封止されている。アノードセパレータ５の内面のアノード３に接触する部分には溝状のセル内燃料ガス流路１０が形成されている。カソードセパレータ６の内面のカソード４に接触する部分には溝状のセル内酸化剤ガス流路１１が形成されている。また、隣接して配置されるアノードセパレータ５の外面及びカソードセパレータ６の外面の互いに対応する部分には各々に溝が形成され、これらの溝が合わさって冷却水流路１２が形成されている。

上記構成のセル９を隣合わせて複数積層することで燃料電池１が構成され、各セル９，９，，，間は、環状の冷却水ガスケット１３で封止されている。そして、図３に示すように、燃料電池１にはセル９，９，，，の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド２１、燃料ガス排出マニホールド２２、酸化剤ガス供給マニホールド２３、酸化剤ガス排出マニホールド２４、冷却水供給マニホールド２５、及び冷却水排出マニホールド２６が形成されている。なお、酸化剤ガス供給マニホールド２３の入口は、一方の端板２０の外面に設けられている酸化剤ガス入口５０に連通し、酸化剤ガス排出マニホールド２４の出口は、他方の端板２０の外面に設けられている酸化剤ガス出口５１に連通している。また、燃料ガス供給マニホールド２１の入口は、一方の端板２０の外面に設けられている燃料ガス入口３６に連通し、燃料ガス排出マニホールド２２の出口は、他方の端板２０の外面に設けられている燃料ガス出口３８に連通している。

各セル９のセル内燃料ガス流路１０の上流端は燃料ガス供給マニホールド２１に接続され、同じく下流端は燃料ガス排出マニホールド２２に接続されている。かかる構成により、燃料ガス入口３６から燃料ガス供給マニホールド２１に供給された燃料ガスが各セル９のセル内燃料ガス流路１０をアノード３に接触しながら流れて燃料ガス排出マニホールド２２を経て燃料ガス出口３８から排出される。また、各セル９のセル内酸化剤ガス流路１１の上流端は酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、同じく下流端は酸化剤ガス排出マニホールド２４に接続されている。かかる構成により、酸化剤ガス入口５０から酸化剤ガス供給マニホールド２３に供給された酸化剤ガスが各セル９のセル内酸化剤ガス流路１１をカソード４に接触しながら流れて酸化剤ガス排出マニホールド２４を経て酸化剤ガス出口５１から排出される。また、各セル９の冷却水流路の上流端は冷却水供給マニホールド２５に接続され、同じく下流端は冷却水排出マニホールド２６に接続されている。かかる構成により、冷却水供給マニホールド２５の入口に供給された冷却水が隣接するセル９の間の冷却水流路１２を流れて冷却水排出マニホールド２６の出口から排出される。

［燃料ガス系統］
以下、燃料ガス系統の構成について説明する。燃料ガス系統の流路は、燃料電池１への燃料ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のアノード側ガス流路９７と、燃料電池１からの燃料ガス排出系統の流路とにより構成されている。なお、ここで『アノード側ガス流路９７』とは、燃料ガス供給マニホールド２１、セル内燃料ガス流路１０、及び燃料ガス排出マニホールド２２により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への燃料ガス供給系統の構成について説明する。燃料ガス供給系統は、原料ガス供給路３１、燃料ガス供給部３２、燃料ガス供給路３５、及び燃料ガス供給弁７１を備えている。燃料ガス供給弁７１は、燃料ガス供給路３５の流路を開閉する開閉弁である。本実施の形態は、家庭用燃料電池システムの形態を示したものであり、燃料ガス供給部３２として都市ガスを用いて水素リッチな燃料ガスを生成する改質装置を用いている。但し、自動車用燃料電池システムでは、燃料ガス供給部３２として高圧水素タンクなどを用いることができる。

原料ガス供給路３１の上流は、原料ガス（例えば、天然ガスからなる都市ガス）の配管に接続され、原料ガスを流量を調整しながら供給するためにプランジャーポンプ等の原料ガス供給器（図示略）が備えられている。この原料ガス供給路３１の下流端には燃料ガス供給部３２が接続されている。

燃料ガス供給部３２には、処理ガスの流れ方向順に改質器、変成器、及び浄化器（図示略）が備えられている。改質器は、改質触媒を備え、水と熱とを用いて原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するものである。この改質器は、後述する燃焼器３３から燃焼熱を供給可能に構成されている。変成器は、変成触媒を備え、改質ガス中のＣＯを水素とＣＯ_２に転化して、改質ガスのＣＯ濃度を低減するものである。浄化器は、酸化触媒を備え、ＣＯ濃度が低減された改質ガスを酸化して、該改質ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減するものである。この改質ガスが、燃料ガス供給部３２から燃料ガス供給路３５に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスには、改質時に加えられた水分が多量に含まれている。

燃料ガス供給部３２の燃料ガス出口３４は、燃料ガス供給路３５の上流端に接続され、該燃料ガス供給路３５の下流端は燃料電池１の燃料ガス入口３６に接続されている。燃料電池１の燃料ガス入口３６は、燃料ガス供給マニホールド２１に連通している。かかる構成により、燃料電池１に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド２１及びセル内燃料ガス流路１０を通じてアノード３に至り、ここで酸化剤ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１からの燃料ガス排出系統について説明する。燃料ガス排出系統は、燃料ガス排出路３７、燃料ガス排出弁７２、燃焼器３３、燃焼排ガス排出路４０を備えている。燃料ガス排出弁７２は、燃料ガス排出路３７の流路を開閉する開閉弁である。

燃料電池１の燃料ガス排出マニホールド２２は燃料ガス出口３８と連通され、該燃料ガス出口３８は燃料ガス排出路３７を介して燃焼器３３のガス入口３９と接続されている。燃料電池１で消費されなかった未反応の燃料ガスは、セル内燃料ガス流路１０及び燃料ガス排出マニホールド２２を通じて燃料ガス排出路３７に排出され、燃焼器３３に流入する。燃焼器３３は、ここではバーナで構成されていて、燃料電池１から排出された燃料ガスを燃焼用空気と混合して燃焼するものである。燃焼器３３のガス出口には、燃焼排ガス排出路４０が接続され、燃焼器３３からの排ガスを燃料電池システム１００の外に排出できるように構成されている。

上述の燃料ガス系統において、図４に示すように、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより外部から実質的に隔離される（シールされる）流路、すなわち、燃料ガス供給路３５のうち燃料ガス供給弁７１から燃料電池１の燃料ガス入口３６までの部分と、アノード側ガス流路９７と、燃料ガス排出路３７のうち燃料電池１の燃料ガス出口３８から燃料ガス排出弁７２までの部分と、の内部（図４中、二重線で示された部分）を、以下、『燃料ガス封入空間１１１』という。

［酸化剤ガス系統］
次に、酸化剤ガス系統の構成について説明する。酸化剤ガス系統の流路は、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のカソード側ガス流路と、燃料電池１からの酸化剤ガス排出系統の流路と、バイパス系統の流路とにより構成されている。なお、ここで『カソード側ガス流路９８』とは、酸化剤ガス供給マニホールド２３、セル内酸化剤ガス流路１１、及び酸化剤ガス排出マニホールド２４により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統について説明する。酸化剤ガス供給系統は、ブロワ４２とフィルタ４３とから成る酸化剤ガス供給部４１、未加湿酸化剤ガス供給路４５、加湿器４６、酸化剤ガス供給路４９、及び酸化剤ガス供給弁５６を、備えている。酸化剤ガスとして、ここでは外気からの空気が用いられる。

ブロワ４２のガス入口には、酸化剤ガス取入流路７３が接続され、外部からの空気がブロワ４２により取り込めるように構成されている。ブロワ４２のガス出口は、未浄化酸化剤ガス供給路４３ａにより、フィルタ４３のガス入口と接続されている。このフィルタ４３は、外部より取り入れた空気から、燃料電池の発電性能の障害となる外気中の不純物（ＮＯｘやＳＯｘなど）を除去するものである。

酸化剤ガス供給部４１のガス出口４４は、未加湿酸化剤ガス供給路４５により、加湿器４６のガス入口４７と接続されている。未加湿酸化剤ガス供給路４５には、後述するバイパス流路７５の上流端が接続されている。加湿器４６は、イオン交換膜あるいは中空糸からなる全熱交換器であり、酸化剤ガス供給部４１より取り込まれた空気を燃料電池１より排出された酸化剤ガスと熱交換することで加湿するものである。

加湿器４６のガス出口４８は、酸化剤ガス供給路４９により、燃料電池１の酸化剤ガス入口５０と接続されている。酸化剤ガス供給路４９には、該酸化剤ガス供給路４９の流路を開閉する酸化剤ガス供給弁５６が設けられている。酸化剤ガス入口５０は、酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、燃料電池１に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド２３及びセル内酸化剤ガス流路１１を通じてカソード４に至り、ここで燃料ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１への酸化剤ガス排出系統について説明する。酸化剤ガス排出系統は、酸化剤ガス排出路５２、酸化剤ガス排出弁５７、加湿器４６、及び酸化剤排ガス排出路５３を、備えている。

燃料電池１の酸化剤ガス出口５１は、酸化剤ガス排出路５２により、加湿器４６のガス入口５４と接続されている。酸化剤ガス排出路５２には、該酸化剤ガス排出路５２の流路を開閉する酸化剤ガス排出弁５７が設けられている。加湿器４６のガス出口５５は、酸化剤排ガス排出路５３が接続され、加湿器４６から排出される酸化剤排ガスを系外に排出できるように構成されている。

燃料電池１で未反応の酸化剤ガスは、セル内酸化剤ガス流路１１及び酸化剤ガス排出マニホールド２４を通じて、酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出路５２に流出する。以下、燃料電池１を通じて酸化剤ガス排出路５２に流出した酸化剤ガスを、『排出酸化剤ガス』という。

上記構成の酸化剤ガス排出系統では、酸化剤ガス排出路５２の排出酸化剤ガスは、加湿器４６に流入して熱交換が行われ、その熱および水分が酸化剤ガス供給系統を流れる酸化剤ガスの加湿に利用される。熱交換を終了した排出酸化剤ガスは、酸化剤排ガス排出路５３を通じて外部（大気）へ排出される。

以下、バイパス系統について説明する。バイパス系統は、バイパス流路７５と、該バイパス流路７５の流路を開閉するバイパス弁７６を、備えている。バイパス流路７５は、上流端が酸化剤ガス供給部４１のガス出口４４と加湿器４６のガス入口４７とを接続する未加湿酸化剤ガス供給路４５と接続され、下流端が燃料電池１の酸化剤ガス出口５１と加湿器４６のガス入口５４との間を接続する酸化剤ガス排出路５２と接続されている。バイパス弁７６は、バイパス流路７５の下流端に近い位置に配置された開閉弁である。

以下、酸化剤ガス系統の特徴について説明する。上記構成の酸化剤ガス系統において、図４に示すように、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７、及びバイパス弁７６を閉止することにより、外部から実質的に隔離される（シールされる）流路内の空間、すなわち、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６から燃料電池１の酸化剤ガス入口５０までの部分と、カソード側ガス流路９８と、酸化剤ガス排出路５２のうち燃料電池１の酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、バイパス流路７５のうち酸化剤ガス排出路５２との接続部からバイパス弁７６までの部分との内部（図４中、斜線で示された部分）を、以下、『酸化剤ガス封入空間１１２』という。

この酸化剤ガス封入空間１１２のうち、酸化剤ガス出口５１より下流側を『排出酸化剤ガス封入空間１１２ａ』と呼ぶ。すなわち、酸化剤ガス排出路５２のうち酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、バイパス流路７５のうち酸化剤ガス排出路５２との接続部からバイパス弁７６までの部分とから成る空間が排出酸化剤ガス封入空間１１２ａである。

この排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上の大きさを有する。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積が、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上の大きさとなるように、酸化剤ガス排出路５２の流路径、酸化剤ガス排出弁５７及びバイパス弁７６の位置が定められている。但し、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積の上限は、設計上可能である限り大きい値とすることが望ましい。

［冷却系統］
以下、冷却系統について説明する。冷却系統には、冷却器６１と冷却水ポンプ６２から成る冷却水供給部６０と、冷却水循環回路６３とが、備えられている。

冷却器６１は冷却水の貯蔵と冷却の機能を有し、冷却水ポンプ６２は冷却水を冷却水循環回路６３に圧送する機能を有する。冷却水循環回路６３は、冷却水供給部６０と、冷却水供給部６０と燃料電池１の冷却水供給マニホールド２５の入口とを接続する供給路６３ａと、冷却水供給マニホールド２５と、隣接するセル９の間の冷却水流路１２と、冷却水排出マニホールド２６と、冷却水排出マニホールド２６の出口と冷却水供給部６０とを接続する還流路６３ｂとで、形成されている冷却水の循環回路である。

上記構成の冷却系統では、冷却水供給部６０の冷却器６１にある冷却水は、冷却水ポンプ６２により供給路６３ａへ圧送され、燃料電池１の冷却水供給マニホールド２５、冷却水流路１２、及び冷却水排出マニホールド２６を通じて、還流路６３ｂへ流出し、冷却水供給部６０に還流する。このように冷却水循環回路６３を循環する冷却水が燃料電池１から排熱を回収することにて燃料電池１が冷却され、燃料電池１が所定の温度に維持される。

［温度検出手段６６］
燃料電池１は、燃料電池１の運転時および停止時の温度を検出する温度検出手段６６を備えている。本実施の形態においては、冷却水循環回路６３において、燃料電池１（冷却水排出マニホールド２６の出口）から流出する冷却水の温度を検出する熱電対又はサーミスタを温度検出手段６６として備え、冷却水温度から燃料電池１の温度を間接的に検出するように構成されている。但し、温度検出手段６６は、本実施の形態に限定されるものではなく、燃料電池１の温度を直接的又は間接的に検出できるものであればよい。例えば、冷却水循環回路６３において、燃料電池１（冷却水供給マニホールド２５の入口）へ流入する冷却水の温度を検出する熱電対又はサーミスタを温度検出手段として備え、冷却水温度から燃料電池１の温度を間接的に検出してもよい。また、例えば、燃料電池１のアノードセパレータ５あるいはカソードセパレータ６に溝を形成し、そこへ熱電対を設置し、燃料電池１の温度を直接検出してもよい。

［燃料電池システム１００の制御系統の構成］
次に、燃料電池システムの制御系統の構成について説明する。燃料電池システム１００の制御系統は、制御部８１、記憶部８２、計時部８３、及び入出力部８４を有する制御装置６５を備えている。制御部８１は、計時部８３および入出力部８４から信号を受け取り、必要に応じて演算結果等を記憶部８２に記憶する。

制御部８１は、燃料ガス供給部３２に配設された温度検出手段（図示略）、燃料ガス封入空間圧力検出手段８８、酸化剤ガス封入空間圧力検出手段８９、及び電圧測定部９０からの検出信号を受け取り、記憶部８２に記憶されたプログラムや入出力部８４から受け取ったパラメータ値に基づいて、燃焼器３３、燃料ガス供給弁７１，燃料ガス排出弁７２，酸化剤ガス供給弁５６，酸化剤ガス排出弁５７，及びバイパス弁７６の各弁、ブロワ４２、冷却水ポンプ６２、及び電力回路部９１の動作を制御する。

制御装置６５は、マイクロコンピュータで構成され、制御部８１にはＣＰＵが用いられる。記憶部８２には、例えば内部メモリが用いられる。計時部８３には、例えばカレンダー付きクロック回路が用いられる。本実施形態においては、制御装置６５および制御部８１はそれぞれ１個ずつ設けられて集中制御が行われるが、それぞれが複数設けられて分散制御が行われてもよい。

［燃料電池システム１００の基本動作］
次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の基本動作を説明する。この動作は制御装置６５が燃料電池システム１００を制御することによって遂行される。燃料電池システム１００の動作は、起動動作、発電（運転）動作、発電停止動作、待機動作に分けられる。起動時の制御装置６５は、円滑に発電状態に移行するように所定の手順で燃料電池システム１００を立ち上げる起動制御を行う。発電時の制御装置６５は、燃料電池システム１００で発電を行うための発電制御を行う。発電停止時の制御装置６５は、発電状態から所定の手順で燃料電池システム１００を円滑に停止する発電停止制御を行う。そして、発電停止制御が終了するとそのまま待機時に移行し、待機時の制御装置６５は、次の起動指令を待機する待機制御を行う。

発電時の燃料電池システム１００は、燃料ガス供給弁７１、燃料ガス排出弁７２、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７はいずれも開放されており、バイパス弁７６は閉止されている。燃料電池１へ燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、出力制御装置６４にて電力の取り出しが開始されると、アノード３及びカソード４では電気化学反応により発電が行われる。また、冷却系統では、冷却水循環回路６３を冷却水が循環することにより、燃料電池１で発生する熱が回収され、燃料電池１の温度が調整される。

燃料電池システム１００の発電時に、カソード４では酸化剤ガス中の酸素は電気化学反応により消費される。このため、酸化剤ガス出口５１から排出される排出酸化剤ガス中の酸素濃度は酸化剤ガス入口５０より供給される供給酸化剤ガス中の酸素濃度より減少している。一般的にカソード４へ供給される酸化剤ガスの利用率は、拡散抵抗による電圧低下と発電効率の観点から利用率４０〜６０％程度である。その結果、供給酸化剤ガス中の酸素濃度は約２１％であるの対し、排出酸化剤ガス中の酸素濃度は、９〜１３％となる。本実施の形態では、酸化剤ガス利用率が５５％に設定されている。排出酸化剤ガスの酸素濃度は１０％となる。

次に、本実施の形態１の特徴的動作である発電停止動作について説明する。図５は実施の形態１に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。

発電停止の指令を受けた制御装置６５は、発電停止制御を開始する。制御装置６５は、まず、出力制御装置６４へ出力ゼロ指令を出力する（ステップＳ１）。出力制御装置６４は燃料電池１より取り出す電力をゼロとし、これにより燃料電池システム１００による発電が停止される。

続いて、制御装置６５は、燃料ガス供給部３２に制御信号を出力して、該燃料ガス供給部３２から燃料電池１への燃料ガスの供給を停止させるとともに（ステップＳ２）、酸化剤ガス供給部４１に制御信号を出力して、該酸化剤ガス供給部４１から燃料電池１へ酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ３）。

次に、制御装置６５は、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ４）。燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより、セル内燃料ガス流路１０及びこれに連通する空間から成る燃料ガス封入空間１１１が実質的に外部と隔離される。さらに、制御装置６５は、酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ５）。酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７が閉止されることにより、セル内酸化剤ガス流路１１及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間１１２が実質的に外部と隔離される。そして、制御装置６５は、冷却水供給部６０に制御信号を送信して、冷却水の冷却と循環を停止させる（ステップＳ６）。

上述の流れで、燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出が停止された状態で、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２がともに外部と隔離される。やがて燃料電池１内では、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応することと、燃料電池１の温度低下による水の凝縮とに起因して、酸化剤ガス封入空間１１２に負圧現象が発生する。

ここで、制御装置６５は、温度検出手段６６で検出された第一次検出温度Ｔ１を取得し（ステップＳ７）、バイパス弁開温度Ｔａと第一次検出温度Ｔ１とを比較演算する（ステップＳ８）。

なお、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力が、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となるときの燃料電池１の温度が、実験的又は理論的に求められて、これがバイパス弁開温度Ｔａとして予め制御装置６５に設定されている。例えば、運転時の燃料電池温度が７０℃であって、バイパス弁開温度Ｔａ＝６０℃である場合、７０℃から６０℃までの温度低下に起因する水の凝縮による圧力低下は飽和水蒸気曲線によれば１０ｋＰａ程度であり、この程度の圧力変化ではガスケット７，８によるガスシール性を確保できる。但し、ガスケットの耐圧性によってバイパス弁開温度Ｔａの値を適宜調整することが好適である。

制御装置６５は、バイパス弁開温度Ｔａと第一次検出温度Ｔ１とを比較演算した結果、第一次検出温度Ｔ１がバイパス弁開温度Ｔａより大きい場合は（Ｔ１＞Ｔａ、ステップＳ８のＮｏ）、ステップＳ７へ戻る。

一方、第一次検出温度Ｔ１が、バイパス弁開温度Ｔａ以下である場合は（Ｔ１≦Ｔａ、ステップＳ８のＹｅｓ）、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となっているため、負圧緩和動作が必要となる。そこで、制御装置６５は、バイパス弁７６に制御信号を出力して、バイパス弁７６を開放させる（ステップＳ９）。バイパス弁７６が開放されると、フィルタ４３にて浄化済みの外部空気がバイパス流路７５を通じて酸化剤ガス封入空間１１２へ吸入される。外部空気はカソード側ガス流路９８よりも下流側にある酸化剤ガス排出路５２より酸化剤ガス封入空間１１２に流入し、この外部空気に押し戻されるようにして、酸化剤ガス排出路５２に存在する排出酸化剤ガスが、負圧による体積減少分だけ燃料電池１内のカソード側ガス流路９８に流入する。

続いて、制御装置６５は、温度検出手段６６で検出された第二次検出温度Ｔ２を取得し（ステップＳ１０）、バイパス弁閉温度Ｔｂと第二次検出温度Ｔ２とを比較演算する（ステップＳ１１）。

なお、燃料電池１がバイパス弁閉温度Ｔｂとなったときに再び酸化剤ガス封入空間１１２を封止し、燃料電池１が常温となるまで温度変化しても、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力がガスケット７，８によるガスシール性を十分に保障できるように、バイパス弁閉温度Ｔｂが実験的又は理論的に求められて、予め制御装置６５に設定されている。例えば、バイパス弁閉温度Ｔｂ＝４０℃である場合、４０℃から常温（２５℃）までの温度変化による圧力変化は５ｋＰａ以下となり、この程度の圧力変化ではガスケット７，８によるガスシール性を十分に確保できる。

制御装置６５は、バイパス弁閉温度Ｔｂと第二次検出温度Ｔ２とを比較演算した結果、第二次検出温度Ｔ２がバイパス弁閉温度Ｔｂより大きい場合（Ｔ２＞Ｔｂ、ステップＳ１１のＮｏ）、ステップＳ１０へ戻る。一方、第二次検出温度Ｔ２がバイパス弁閉温度Ｔｂ以下である場合（Ｔ２≦Ｔｂ、ステップＳ１１のＹｅｓ）、制御装置６５は、バイパス弁７６に制御信号を出力し、バイパス弁７６を閉止させ（ステップＳ１２）、発電停止制御を終了する。

上述の通り、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、発電停止時に、燃料ガス系統の流路及び酸化剤ガス系統の流路を封止し、これにより生じる燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、燃料電池１の酸化剤ガス出口５１よりも下流側に位置する酸化剤ガス排出路５２へ外気を吸入して、この酸化剤ガス排出路５２に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻すことにより行う。このように、燃料電池１のカソード側ガス流路９８の負圧が緩和されるので、非発電時（起動時，発電停止時，および待機時）のカソード４の触媒劣化を抑制できる。

通常、カソード４の触媒はセル内酸化剤ガス流路１１の上流側の方が、下流側と比較して、より劣化している。これに対して、本実施の形態では、カソード側ガス流路９８の下流側から排出酸化ガスが供給されるので、この排出酸化ガスと反応するのはカソード４の下流側の触媒であり、非発電時のカソード４の上流側の触媒の劣化を抑制して、カソード４全体としての劣化を防止することができる。

また、カソード側ガス流路９８への排出酸化ガスの供給は、燃料電池システム１００の非発電時に一度だけ行われる。よって、触媒にかかる電位サイクルは一回となるので、非発電時に電位サイクルが繰り返しかかることに起因するカソード４の触媒の劣化を防止することができる。なお、カソード側ガス流路９８への排出酸化ガスの供給は、発電停止時の燃料電池システム１００の発電停止動作中に含めて行うことが望ましいが、待機時に行ってもよい。

そして、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上となるように構成されているので、発電停止時に、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａからカソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、外気と比較して酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなる。よって、カソード側ガス流路９８に流入した酸素を消費するために使用するクロスリーク水素量を低減して、発電や熱回収に寄与しない燃料ガスの無駄な消費を低減してエネルギー効率を向上させることができる。しかも、カソード側ガス流路９８に供給される酸素濃度の低い排出酸化ガスは、運転（発電）時に生じるものであり、燃料電池システム１００に特別な酸素低減機構を備える必要がない。

ここで、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積をカソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上となるように構成した理由を、図６を用いて説明する。図６はカソード側ガス流路の気体の体積減少量の計算例を示す図である。

燃料ガス封入空間１１１のうち、酸化剤ガス出口５１よりも上流側、すなわち、カソード側ガス流路９８及び酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも上流側の部分、の空間体積をスタック体積Ａとし、発電停止時の燃料電池１の温度を７０℃、圧力を１Ｐａ（＝７６０ｍｍＨｇ）とする。この状態において、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ排出酸化剤ガスが押し戻されたと想定する。そして、排出酸化剤ガスが追加ガスとして前記スタック体積Ａに流入して、常温（２５℃）まで燃料電池１の温度が低下したときの、体積減少量を計算した経過が図６に示されている。この計算結果によれば、燃料電池１を２５℃まで冷却したときに、追加ガスはスタック体積Ａの０．３５倍を占めている。排出酸化剤ガスには水分が多く含まれているため、この水分の凝縮を考慮すれば、発電停止時にスタック体積Ａに流入するガス（追加ガス）の体積は、多く見積もってスタック体積Ａの１倍程度である。酸化剤ガス供給弁５６は通常、酸化剤ガス供給路４９上であって燃料電池１の酸化剤ガス入口５０の近傍に設けられることから、スタック体積Ａは、ほぼカソード側ガス流路９８の空間体積と考えてよい。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積を、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上とすることにより、カソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなるのである。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、制御系統の構成を除いて前述の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と略同一である。よって、以下、燃料電池システム１００の制御系統の構成について、図７を用いて説明する。図７は実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

［燃料電池システム１００の制御系統の構成］
図７に示すように、実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力を検知する圧力検出手段８９を備えている。すなわち、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６と酸化剤ガス入口５０との間の部分、カソード側ガス流路９８、酸化剤ガス排出路５２のうち酸化剤ガス出口５１と酸化剤ガス排出弁５７との間の部分、及びバイパス流路７５のうちバイパス弁７６と酸化剤ガス排出路５２との接続部との間の部分、の一連の内部空間の圧力を検出する圧力検出手段８９が燃料電池システム１００に備えられている。本実施の形態では、この圧力検出手段として、燃料電池システム１００の運転制御のために備えられている酸化剤ガス封入空間圧力検出手段が用いられる。このため、別の検出装置を追加して備える必要が無く、経済的である。但し、圧力検出手段８９は、酸化剤ガス封入空間圧力検出手段とは別に設けることもできる。

［燃料電池システム１００の動作］
以下、燃料電池システム１００の動作について説明する。但し、燃料電池システム１００の起動時、発電時の基本動作は、前述の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の基本動作と略同一であるので説明を省略し、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の特徴的動作である発電停止動作について、図８を用いて説明する。図８は実施の形態２に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。

発電停止の指令を受けた制御装置６５は、まず、出力制御装置６４へ出力ゼロ指令を出力する（ステップＳ２１）。出力制御装置６４は燃料電池１より取り出す電力をゼロとし、これにより燃料電池システム１００による発電が停止される。

次に、制御装置６５は、燃料ガス供給部３２に制御信号を出力して、該燃料ガス供給部３２から燃料電池１への燃料ガスの供給を停止させるとともに（ステップＳ２２）、酸化剤ガス供給部４１に制御信号を出力して、該酸化剤ガス供給部４１から燃料電池１へ酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ２３）。

続いて、制御装置６５は、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ２４）。燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより、セル内燃料ガス流路１０及びこれに連通する空間から成る燃料ガス封入空間１１１が実質的に外部と隔離される。

さらに、制御装置６５は、酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ２５）。酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７が閉止されることにより、セル内酸化剤ガス流路１１及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間１１２が実質的に外部と隔離される。続いて、制御装置６５は、冷却水供給部６０に制御信号を送信して、冷却水の冷却と循環を停止させる（ステップＳ２６）。

上述のように、燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出を停止し、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２を封止したうえで、制御装置６５は、計時部８３にて時間計測を開始する（ステップＳ２７）。

燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出が停止され、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２が封止されているので、やがて燃料電池１内では、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応することと、燃料電池１の温度低下による水の凝縮とに起因して、酸化剤ガス封入空間１１２に負圧現象が発生する。

ここで、制御装置６５は、圧力検出手段８９で検出された圧力Ｐ１を取得し（ステップＳ２８）、バイパス弁開圧力Ｐａと検出された圧力Ｐ１とを比較演算する（ステップＳ２９）。

なお、本実施の形態では、圧力検出手段８９にて検出される検出圧力Ｐ１は、大気圧との差とした。そして、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力と大気圧との圧力差が、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となるときの圧力差が、実験的又は理論的に求められて、これがバイパス弁開圧力Ｐａとして予め制御装置６５に設定されている。バイパス弁開圧力Ｐａは、例えば、−１０ｋＰａと設定することができ、ガスケット７，８の耐圧性に応じてバイパス弁開圧力Ｐａの値は適宜設定されることが望ましい。但し、圧力検出手段８９は上記構成に限定されず、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力と外部の圧力とを比較することができるものであればよく、例えば、未加湿酸化剤ガス供給路４５と、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも下流側との各々に圧力計を設けて、これらの圧力計の差圧を検出圧力Ｐ１としてもよい。

制御装置６５は、バイパス弁開圧力Ｐａと検出圧力Ｐ１とを比較演算した結果、検出圧力Ｐ１がバイパス弁開圧力Ｐａより大きい場合は（Ｐ１＞Ｐａ、ステップＳ２９のＮｏ）、ステップＳ２８へ戻る。

一方、検出圧力Ｐ１が、バイパス弁開圧力Ｐａ以下である場合は（Ｐ１≦Ｐａ、ステップＳ２９のＹｅｓ）、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となっているため、負圧緩和動作が必要となる。そこで、制御装置６５は、バイパス弁７６に制御信号を出力して、バイパス弁７６を開放させる（ステップＳ３０）。バイパス弁７６が開放されると、フィルタ４３にて浄化済みの外部空気がバイパス流路７５を通じて酸化剤ガス封入空間１１２へ吸入される。外部空気はカソード側ガス流路９８よりも下流側にある酸化剤ガス排出路５２より酸化剤ガス封入空間１１２に流入し、この外部空気に押し戻されるようにして、酸化剤ガス排出路５２に存在する排出酸化剤ガスが、負圧による体積減少分だけ燃料電池１内のカソード側ガス流路９８に流入する。

続いて、制御装置６５は、ステップ２７にて時間計測を開始してからの経過時間ｔ１を取得し（ステップＳ３１）、経過時間ｔ１とバイパス弁閉時間ｔａとを比較演算する（ステップＳ３２）。ここでは、時間計測を開始したときから経過した時間を計測して経過時間ｔ１としているが、時間計測開始時と経過時間取得時との時間差を算出することにより経過時間ｔ１を求めることもできる。

バイパス弁７６が開放されている状態においては、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は大気圧とほぼ同一となり一定であるので、バイパス弁７６を閉止する動作は時間計測を開始してからの経過時間に基づいて行われる。計時部８３にて時間計測を開始してからバイパス弁閉時間ｔａが経過したときに再び酸化剤ガス封入空間１１２を封止し、燃料電池１が常温となるまで温度変化しても、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力がガスケット７，８によるガスシール性を十分に保障できるように、バイパス弁閉時間ｔａが実験的又は理論的に求められて、予め制御装置６５に設定されている。例えば、バイパス弁閉時間ｔａ＝２時間と設定した場合、時間計測を開始してから２時間で燃料電池１の温度は４０℃程度まで低下するので、４０℃から常温までの温度変化に起因する酸化剤ガス封入空間１１２の圧力変化に対してはガスケット７，８によるガスシール性を十分に確保できる。

制御装置６５は、経過時間ｔ１とバイパス弁閉時間ｔａとを比較演算した結果、経過時間ｔ１がバイパス弁閉時間ｔａより小さい、すなわち、時間計測からバイパス弁閉時間ｔａが経過していない場合（ｔ１＜ｔａ、ステップＳ３２のＮｏ）、ステップＳ３１へ戻る。

一方、経過時間ｔ１がバイパス弁閉時間ｔａ以上である、すなわち、時間計測からバイパス弁閉時間ｔａが経過した場合（ｔ１≧ｔａ、ステップＳ３２のＹｅｓ）、制御装置６５は、バイパス弁７６に制御信号を出力し、バイパス弁７６を閉止させ（ステップＳ３３）、停止動作を終了する。

上述の通り、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、発電停止時に燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、燃料電池１の酸化剤ガス出口５１よりも下流側に位置する酸化剤ガス排出路５２に外気を吸入して、この酸化剤ガス排出路５２に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻すことにより行う。このように、実施の形態２に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用と効果を奏する。

これに加え、実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、酸化剤ガス封入空間１１２が所定の負圧状態となったことを、圧力検出手段８９を用いて酸化剤ガス封入空間１１２の圧力を直接検出し、この圧力値に基づいて判断するので、より確実な制御ができる。

なお、酸化剤ガス封入空間１１２が所定の負圧状態となったことは、実施の形態１では燃料電池１の温度で判断し、実施の形態２では酸化剤ガス封入空間１１２の圧力で判断しているが、燃料電池１の温度と酸化剤ガス封入空間１１２の圧力の双方に基づいて判断するように構成することもできる。

＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、酸化剤ガス系統を除いて前述の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と略同一である。よって、以下、燃料電池システム１００の酸化剤ガス系統の構成について図９を用いて説明し、その他の説明は省略する。図９は実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

［酸化剤ガス系統の構成］
以下、酸化剤ガス系統の構成について説明する。酸化剤ガス系統の流路は、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のカソード側ガス流路と、燃料電池１からの酸化剤ガス排出系統の流路と、バイパス系統の流路とにより構成されている。なお、ここで『カソード側ガス流路９８』とは、酸化剤ガス供給マニホールド２３、セル内酸化剤ガス流路１１、及び酸化剤ガス排出マニホールド２４により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統について説明する。酸化剤ガス供給系統は、ブロワ４２とフィルタ４３とから成る酸化剤ガス供給部４１、未加湿酸化剤ガス供給路４５、加湿器４６、及び酸化剤ガス供給弁５６を、備えている。

ブロワ４２のガス入口には、酸化剤ガス取入流路７３が接続され、外部からの空気がブロワ４２により取り込めるように構成されている。ブロワ４２のガス出口は、未浄化酸化剤ガス供給路４３ａにより、フィルタ４３のガス入口と接続されている。このフィルタ４３は、外部より取り入れた空気から、燃料電池の発電性能の障害となる外気中の不純物（ＮＯｘやＳＯｘなど）を除去するものである。

酸化剤ガス供給部４１のガス出口４４は、未加湿酸化剤ガス供給路４５により、加湿器４６のガス入口４７と接続されている。未加湿酸化剤ガス供給路４５には、後述するバイパス流路７５の始端が接続されている。さらに、未加湿酸化剤ガス供給路４５には該未加湿酸化剤ガス供給路４５の流路を開閉する酸化剤ガス供給弁５６が備えられている。

加湿器４６は、イオン交換膜あるいは中空糸からなる全熱交換器であり、酸化剤ガス供給部４１より取り込まれた空気を燃料電池１より排出された酸化剤ガスと熱交換することで加湿するものである。つまり、加湿器４６は燃料電池１から排出された酸化剤ガスに対しては、酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器として機能することとなる。本実施の形態において、加湿器４６は燃料電池１に一体的に設けられている。従って、加湿器４６のガス出口は燃料電池１の酸化剤ガス入口５０に連結されている。酸化剤ガス入口５０は、酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、燃料電池１に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド２３及びセル内酸化剤ガス流路１１を通じてカソード４に至り、ここで燃料ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１への酸化剤ガス排出系統について説明する。酸化剤ガス排出系統は、加湿器４６、酸化剤ガス排出弁５７、及び酸化剤排ガス排出路５３を、備えている。

燃料電池１の酸化剤ガス出口５１は、加湿器４６のガス入口と連結されている。加湿器４６のガス出口５５は、酸化剤排ガス排出路５３が接続され、加湿器４６から排出される酸化剤排ガスを系外に排出できるように構成されている。酸化剤排ガス排出路５３には、該酸化剤排ガス排出路５３の流路を開閉する酸化剤ガス排出弁５７が設けられている。

燃料電池１で未反応の酸化剤ガスは、セル内酸化剤ガス流路１１及び酸化剤ガス排出マニホールド２４を通じて、酸化剤ガス出口５１から加湿器４６に流入して熱交換が行われ、その熱および水分が酸化剤ガス供給系統を流れる酸化剤ガスの加湿に利用される。熱交換を終了した酸化剤ガスは、酸化剤排ガス排出路５３を通じて外部（大気）へ排出される。

以下、バイパス系統について説明する。バイパス系統は、バイパス流路７５と、該バイパス流路７５の流路を開閉するバイパス弁７６を、備えている。バイパス流路７５の上流端は、未加湿酸化剤ガス供給路４５のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも上流側の部分と接続されている。バイパス流路７５の下流端は、酸化剤排ガス排出路５３のうち酸化剤ガス排出弁５７よりも上流側の部分と接続されている。バイパス弁７６は、バイパス流路７５の下流端に近い位置に配置された開閉弁である。

以下、上記構成の酸化剤ガス系統の特徴について説明する。この酸化剤ガス系統において、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７、及びバイパス弁７６を閉止することにより、外部から実質的に隔離される（シールされる）流路内の空間を、『酸化剤ガス封入空間１１２』という。すなわち、未加湿酸化剤ガス供給路４５のうち酸化剤ガス供給弁５６から加湿器４６のガス入口４７までの部分と、加湿器４６内の加湿側流路と、カソード側ガス流路９８と、加湿器４６内の凝縮側流路と、酸化剤排ガス排出路５３のうち加湿器４６のガス出口５５から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、バイパス流路７５のうち酸化剤排ガス排出路５３との接続部からバイパス弁７６までの部分との内部が、酸化剤ガス封入空間１１２となる。

この酸化剤ガス封入空間１１２のうち、加湿器４６のガス出口５５より下流側（図９中、斜線が施された部分）を、以下、『排出酸化剤ガス封入空間１１２ａ』という。すなわち、酸化剤排ガス排出路５３のうち加湿器４６のガス出口５５から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、バイパス流路７５のうち酸化剤排ガス排出路５３との接続部からバイパス弁７６までの部分とから成る空間が、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａである。

この排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有する。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積が、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上の大きさとなるように、酸化剤排ガス排出路５３の流路径、酸化剤ガス排出弁５７及びバイパス弁７６の位置が定められている。但し、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積の上限は、設計上可能である限り大きい値とすることが望ましい。

ここで、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積をカソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上となるように構成した理由を、図６を用いて説明する。燃料ガス封入空間１１１のうち、加湿器４６のガス出口５５よりも上流側、未加湿酸化剤ガス供給路４５のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも下流側の部分、加湿器４６の加湿側流路、カソード側ガス流路９８、及び加湿器４６の凝縮側流路を合わせた空間の体積をスタック体積Ａとし、発電停止時の燃料電池１の温度を７０℃、圧力を１Ｐａ（＝７６０ｍｍＨｇ）とする。この状態において、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻された排出酸化剤ガスが追加ガスとして前記スタック体積Ａに流入し、常温（２５℃）まで冷却したときの、体積減少量を計算する。この計算結果によれば、燃料電池１を２５℃まで冷却したときに、追加ガスはスタック体積Ａの０．３５倍を占めている。排出酸化剤ガス封入空間１１２ａにある排出酸化剤ガスは加湿器４６（凝縮器）を通じて水分が除去されているため、この水分の凝縮は考慮する必要がない。よって、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積はスタック体積Ａの０．３５倍あれば十分である。酸化剤ガス供給弁５６は通常、未加湿酸化剤ガス供給路４５上であって加湿器４６のガス入口４７の近傍に設けられ、加湿器４６内の流路の空間体積はカソード側ガス流路９８の空間体積と比較して十分に小さいことから、スタック体積Ａは、ほぼカソード側ガス流路９８の空間体積と考えてよい。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積を、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上とすることにより、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａからカソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなるのである。

＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４について説明する。図１０は実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。図１０に示すように、実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、酸化剤ガス系統を除いて前述の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の構成と略同一であるが、酸化剤ガス系統の構成において、バイパス流路７５およびバイパス弁７６を有さない点が異なっている。具体的には、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａが、酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出弁５７までの部分である、酸化剤ガス排出路５２で構成され、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力を検知する圧力検出手段８９が、酸化剤ガス排出路５２の途中に設けられている。圧力検出手段８９は、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６と酸化剤ガス入口５０との間の部分、カソード側ガス流路９８、及び酸化剤ガス排出路５２の一連の内部空間の圧力を検出する。また、酸化剤ガス排出弁５７と加湿器４６のガス入口５４を接続するように、酸化剤排出弁―加湿器経路５８が設けられている。

酸化剤排ガス排出路５３の体積は、酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積と酸化剤排出弁―加湿器経路５８の体積の和よりも大きくなるようにすることが望ましい。このように構成することにより、発電停止時には、酸化剤排ガス排出路５３は酸化剤排ガスで満たされているため、発電停止時に燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、酸化剤ガス封入空間１１２ａよりも下流側の酸化剤排ガス排出路５３に外気を吸入させて、この酸化剤排ガス排出路５３に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを燃料電池１のカソード側ガス流路９８に押し戻すことにより行うことができる。このため、酸化剤排ガス排出路５３より下流にある空気が酸化剤ガス封入空間１１２ａに入ることが起こりにくくなる。
［燃料電池システム１００の動作］
以下、燃料電池システム１００の動作について説明する。但し、燃料電池システム１００の起動時、発電時の基本動作は、前述の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の基本動作と略同一であるので説明を省略し、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００の特徴的動作である発電停止動作について、図１１を用いて説明する。図１１は実施の形態４に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。

制御装置６５は、ステップＳ２１からステップＳ２８まで、実施の形態２と同様に制御を行う（図７参照）。そして、制御装置６５は、バイパス弁開圧力Ｐａと同じ圧力閾値である酸化剤ガス排出弁Ｐａと検出圧力Ｐ１とを比較演算した結果、検出圧力Ｐ１が酸化剤ガス排出弁開圧力Ｐａより大きい場合は（Ｐ１＞Ｐａ、ステップＳ２９のＮｏ）、ステップＳ２８へ戻る。

一方、検出圧力Ｐ１が、酸化剤ガス排出弁開圧力Ｐａ以下である場合は（Ｐ１≦Ｐａ、ステップＳ２９のＹｅｓ）、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となっているため、負圧緩和動作が必要となる。そこで、制御装置６５は、酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を出力して、酸化剤ガス排出弁５７を開放させる（ステップＳ３０）。酸化剤ガス排出弁５７が開放されると、酸化剤ガス排出弁５７の下流側から排出酸化剤ガスが酸化剤ガス封入空間１１２へ吸入される。その結果、排出酸化剤ガスが、負圧による体積減少分だけ燃料電池１内のカソード側ガス流路９８に流入する。

そして、制御装置６５は、経過時間ｔ１とバイパス弁閉時間ｔａと、同じ時間閾値である酸化剤ガス排出弁開時間ｔａと、を比較演算した結果、経過時間ｔ１が酸化剤ガス排出弁閉時間ｔａより小さい、すなわち、時間計測から酸化剤ガス排出弁閉時間ｔａが経過していない場合（ｔ１＜ｔａ、ステップＳ３２のＮｏ）、ステップＳ３１へ戻る。

一方、経過時間ｔ１が酸化剤ガス排出弁閉時間ｔａ以上である、すなわち、時間計測から酸化剤ガス排出弁閉時間ｔａが経過した場合（ｔ１≧ｔａ、ステップＳ３２のＹｅｓ）、制御装置６５は、酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を出力し、酸化剤ガス排出弁５７を閉止させ（ステップＳ３３）、停止動作を終了する。

上述の通り、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、発電停止時に燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、酸化剤ガス排出弁５７を開放して酸化剤ガス封入空間１１２に酸化剤排ガス排出路５３に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを酸化剤排出弁―加湿器経路５８を介して導入することにより行う。このように、実施の形態４に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態１および２に係る燃料電池システム１００と同様の作用と効果を奏する。

＜実施の形態５＞
本発明の実施の形態５について説明する。以下、実施の形態５に係る燃料電池システムについて、ハードウェアと制御系統に分けて説明する。

［燃料電池システム１００のハードウェアの構成］
まず、燃料電池システムのハードウェアの構成について、説明する。図１２は実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図、図１３はセルの構成を示す断面図、図１４は燃料電池の構成を示す斜視図、図１５は燃料ガス封入空間及び酸化剤ガス封入空間を説明するための燃料電池システムの機能ブロック図の一部拡大図である。

図１２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、主要な構成要素として、燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガスを供給して排出する燃料ガス系統と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給して排出する酸化剤ガス系統と、本発明の特徴である外気供給系統と、燃料電池１を冷却する冷却系統と、燃料電池１の温度を検知する温度検出手段６６と、燃料電池システム１００全体の動作を制御する制御装置６５と、出力制御装置６４と、を備えている。燃料電池システム１００の大部分の構成要素は、筐体６７の内部に収容されているか、あるいは筐体６７の外面に露出するように取り付けられている。以下、燃料電池システム１００の主要な構成要素について詳細に説明する。

［燃料電池１］
以下、燃料電池１（セルスタック）の構成について説明する。燃料電池１は、高分子電解質型燃料電池で構成することができ、この構造は周知であるので、燃料電池１については本発明と関連する限度で簡単に説明する。燃料電池１は、ここでは高分子電解質型燃料電池とする。

図１４に示すように、燃料電池１は、複数の積層されたセル９，９，，，と、積層されたセル９，９，，，を挟む一対の集電板２８ａ，２８ｃと、セル９と外部とを電気的に絶縁する一対の絶縁板２９，２９と、締結部材（図示略）を用いてセル９を積層した状態に締結する一対の端板２０，２０とを備えている。１セルあたりの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いために、燃料電池１ではセル９を直列に複数個積層し、高電圧を達成できるようにしている。集電板２８ａ，２８ｃには、それぞれ電気出力端子２７ａ，２７ｃが設けられ、集電板２８ａ，２８ｃを通じて燃料電池１から外部へ電流が取り出される。電気出力端子２７ａ，２７ｃには出力制御装置６４が接続されている。出力制御装置６４は、インバータを備えていて、燃料電池１から出力される直流の電力を交流の電力に変換して出力する。また、出力制御装置６４はその出力が調整可能であり、この出力を調整することにより燃料電池１で発生する電力が調整される構成となっている。

図１３に示すように、セル９は電解質層としての高分子電解質膜２を有しており、この高分子電解質膜２の両方の主面の周縁部を除く部分にはアノード３とカソード４とが配置されている。これらのアノード３と高分子電解質膜２とカソード４とで、ＭＥＡ（膜−電極接合体）１５が構成されている。アノード３は、密着して配置されたアノード触媒層３ａとアノードガス拡散層３ｂとで構成され、カソード４は、密着して配置されたカソード触媒層４ａとカソードガス拡散層４ｂとで構成されている。

高分子電解質膜２は、例えば、パーフルオルスルホン酸ポリマーからなる水素イオン導電性の固体高分子電解質膜で構成され、触媒層３ａ，４ａは、例えば、多孔質カーボンに白金−ルテニウム合金又は白金等の貴金属を担持した触媒と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物で構成され、ガス拡散層３ｂ，４ｂは、例えば、撥水処理が施されたカーボンペーパーやカーボンクロスで構成されている。

ＭＥＡ１５のアノード３に接触するように導電性で板状のアノードセパレータ５が配置され、また、カソード４に接触するように導電性で板状のカソードセパレータ６が配置されている。そして、高分子電解質膜２の両方の主面の周縁部に配置された１対の環状のガスケット７，８により、ＭＥＡ１５とアノードセパレータ５とが封止され、ＭＥＡ１５とカソードセパレータ６とが封止されている。アノードセパレータ５の内面のアノード３に接触する部分には溝状のセル内燃料ガス流路１０が形成されている。カソードセパレータ６の内面のカソード４に接触する部分には溝状のセル内酸化剤ガス流路１１が形成されている。また、隣接して配置されるアノードセパレータ５の外面及びカソードセパレータ６の外面の互いに対応する部分には各々に溝が形成され、これらの溝が合わさって冷却水流路１２が形成されている。

上記構成のセル９を隣合わせて複数積層することで燃料電池１が構成され、各セル９，９，，，間は、環状の冷却水ガスケット１３で封止されている。そして、図１４に示すように、燃料電池１にはセル９，９，，，の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド２１、燃料ガス排出マニホールド２２、酸化剤ガス供給マニホールド２３、酸化剤ガス排出マニホールド２４、冷却水供給マニホールド２５、及び冷却水排出マニホールド２６が形成されている。なお、酸化剤ガス供給マニホールド２３の入口は、一方の端板２０の外面に設けられている酸化剤ガス入口５０（図１２参照）に連通し、酸化剤ガス排出マニホールド２４の出口は、他方の端板２０の外面に設けられている酸化剤ガス出口５１に連通している。また、燃料ガス供給マニホールド２１の入口は、一方の端板２０の外面に設けられている燃料ガス入口３６に連通し、燃料ガス排出マニホールド２２の出口は、他方の端板２０の外面に設けられている燃料ガス出口３８に連通している。

各セル９のセル内燃料ガス流路１０の上流端は燃料ガス供給マニホールド２１に接続され、同じく下流端は燃料ガス排出マニホールド２２に接続されている。かかる構成により、燃料ガス入口３６から燃料ガス供給マニホールド２１に供給された燃料ガスが各セル９のセル内燃料ガス流路１０をアノード３に接触しながら流れて燃料ガス排出マニホールド２２を経て燃料ガス出口３８から排出される。また、各セル９のセル内酸化剤ガス流路１１の上流端は酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、同じく下流端は酸化剤ガス排出マニホールド２４に接続されている。かかる構成により、酸化剤ガス入口５０から酸化剤ガス供給マニホールド２３に供給された酸化剤ガスが各セル９のセル内酸化剤ガス流路１１をカソード４に接触しながら流れて酸化剤ガス排出マニホールド２４を経て酸化剤ガス出口５１から排出される。また、各セル９の冷却水流路の上流端は冷却水供給マニホールド２５に接続され、同じく下流端は冷却水排出マニホールド２６に接続されている。かかる構成により、冷却水供給マニホールド２５の入口に供給された冷却水が隣接するセル９の間の冷却水流路１２を流れて冷却水排出マニホールド２６の出口から排出される。

［燃料ガス系統］
以下、燃料ガス系統の構成について説明する。燃料ガス系統の流路は、燃料電池１への燃料ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のアノード側ガス流路９７と、燃料電池１からの燃料ガス排出系統の流路とにより構成されている。なお、ここで「アノード側ガス流路９７」とは、燃料ガス供給マニホールド２１、セル内燃料ガス流路１０、及び燃料ガス排出マニホールド２２により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への燃料ガス供給系統の構成について説明する。図１２に示すように、燃料ガス供給系統は、原料ガス供給路３１、燃料ガス供給部３２、燃料ガス供給路３５、及び燃料ガス供給弁７１を備えている。燃料ガス供給弁７１は、燃料ガス供給路３５の流路を開閉する開閉弁である。本実施の形態は、家庭用燃料電池システムの形態を示したものであり、燃料ガス供給部３２として都市ガスを用いて水素リッチな燃料ガスを生成する改質装置を用いている。但し、自動車用燃料電池システムでは、燃料ガス供給部３２として高圧水素タンクなどを用いることができる。

原料ガス供給路３１の上流は、原料ガス（例えば、天然ガスからなる都市ガス）の配管に接続され、原料ガスを流量を調整しながら供給するためにプランジャーポンプ等の原料ガス供給器（図示略）が備えられている。この原料ガス供給路３１の下流端には燃料ガス供給部３２が接続されている。

燃料ガス供給部３２には、処理ガスの流れ方向順に改質器、変成器、及び浄化器（図示略）が備えられている。改質器は、改質触媒を備え、水と熱とを用いて原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するものである。この改質器は、後述する燃焼器３３から燃焼熱を供給可能に構成されている。変成器は、変成触媒を備え、改質ガス中のＣＯを水素とＣＯ_２に転化して、改質ガスのＣＯ濃度を低減するものである。浄化器は、酸化触媒を備え、ＣＯ濃度が低減された改質ガスを酸化して、該改質ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減するものである。この改質ガスが、燃料ガス供給部３２から燃料ガス供給路３５に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスには、改質時に加えられた水分が多量に含まれている。

燃料ガス供給部３２の燃料ガス出口３４は、燃料ガス供給路３５の上流端に接続され、該燃料ガス供給路３５の下流端は燃料電池１の燃料ガス入口３６に接続されている。燃料電池１の燃料ガス入口３６は、燃料ガス供給マニホールド２１に連通している。かかる構成により、燃料電池１に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド２１及びセル内燃料ガス流路１０を通じてアノード３に至り、ここで酸化剤ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１からの燃料ガス排出系統について説明する。燃料ガス排出系統は、燃料ガス排出路３７、燃料ガス排出弁７２、燃焼器３３、燃焼排ガス排出路４０を備えている。燃料ガス排出弁７２は、燃料ガス排出路３７の流路を開閉する開閉弁である。

燃料電池１の燃料ガス排出マニホールド２２は燃料ガス出口３８と連通され、該燃料ガス出口３８は燃料ガス排出路３７を介して燃焼器３３のガス入口３９と接続されている。燃料電池１で消費されなかった未反応の燃料ガスは、セル内燃料ガス流路１０及び燃料ガス排出マニホールド２２を通じて燃料ガス排出路３７に排出され、燃焼器３３に流入する。燃焼器３３は、ここではバーナで構成されていて、燃料電池１から排出された燃料ガスを燃焼用空気と混合して燃焼するものである。燃焼器３３のガス出口には、燃焼排ガス排出路４０が接続され、燃焼器３３からの排ガスを燃料電池システム１００の外に排出できるように構成されている。

上述の燃料ガス系統において、図１５に示すように、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより外部から実質的に隔離される（シールされる）流路、すなわち、燃料ガス供給路３５のうち燃料ガス供給弁７１から燃料電池１の燃料ガス入口３６までの部分と、アノード側ガス流路９７と、燃料ガス排出路３７のうち燃料電池１の燃料ガス出口３８から燃料ガス排出弁７２までの部分と、の内部（図１５中、二重線で示された部分）を、以下、「燃料ガス封入空間１１１」という。

［酸化剤ガス系統］
次に、酸化剤ガス系統の構成について説明する。酸化剤ガス系統の流路は、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のカソード側ガス流路と、燃料電池１からの酸化剤ガス排出系統の流路と、外気供給系統の流路とにより構成されている。なお、ここで「カソード側ガス流路９８」とは、酸化剤ガス供給マニホールド２３、セル内酸化剤ガス流路１１、及び酸化剤ガス排出マニホールド２４により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統について説明する。酸化剤ガス供給系統は、ブロワ４２とフィルタ４３とから成る酸化剤ガス供給部４１、未加湿酸化剤ガス供給路４５、加湿器４６、酸化剤ガス供給路４９、及び酸化剤ガス供給弁５６を、備えている。酸化剤ガスとして、ここでは外気からの空気が用いられる。

ブロワ４２のガス入口には、酸化剤ガス取入流路７３が接続され、ブロワ４２により外部からの空気が取り込めるように構成されている。ブロワ４２のガス出口は、未浄化酸化剤ガス供給路４３ａにより、フィルタ４３のガス入口と接続されている。このフィルタ４３は、外部より取り入れた空気から、燃料電池の発電性能の障害となる外気中の不純物（ＮＯｘやＳＯｘなど）を除去するものである。

酸化剤ガス供給部４１のガス出口４４は、未加湿酸化剤ガス供給路４５により、加湿器４６のガス入口４７と接続されている。加湿器４６は、イオン交換膜あるいは中空糸からなる全熱交換器であり、酸化剤ガス供給部４１より取り込まれた空気を燃料電池１より排出された酸化剤ガスと熱交換することで加湿するものである。

加湿器４６のガス出口４８は、酸化剤ガス供給路４９により、燃料電池１の酸化剤ガス入口５０と接続されている。酸化剤ガス供給路４９には、該酸化剤ガス供給路４９の流路を開閉する酸化剤ガス供給弁５６が設けられている。酸化剤ガス入口５０は、酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、燃料電池１に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド２３及びセル内酸化剤ガス流路１１を通じてカソード４に至り、ここで燃料ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１への酸化剤ガス排出系統について説明する。酸化剤ガス排出系統は、酸化剤ガス排出路５２、酸化剤ガス排出弁５７、加湿器４６、及び酸化剤排ガス排出路５３を、備えている。

燃料電池１の酸化剤ガス出口５１は、酸化剤ガス排出路５２により、加湿器４６のガス入口５４と接続されている。酸化剤ガス排出路５２には、該酸化剤ガス排出路５２の流路を開閉する酸化剤ガス排出弁５７が設けられている。加湿器４６のガス出口５５は、酸化剤排ガス排出路５３が接続され、加湿器４６から排出される酸化剤排ガスを系外に排出できるように構成されている。

燃料電池１で未反応の酸化剤ガスは、セル内酸化剤ガス流路１１及び酸化剤ガス排出マニホールド２４を通じて、酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出路５２に流出する。以下、燃料電池１を通じて酸化剤ガス排出路５２に流出した酸化剤ガスを、「排出酸化剤ガス」という。
上記構成の酸化剤ガス排出系統では、酸化剤ガス排出路５２の排出酸化剤ガスは、加湿器４６に流入して熱交換が行われ、その熱および水分が酸化剤ガス供給系統を流れる酸化剤ガスの加湿に利用される。熱交換を終了した排出酸化剤ガスは、酸化剤排ガス排出路５３を通じて外部（大気）へ排出される。

以下、外気供給系統について説明する。外気供給系統は、外気供給路７８と、外気供給弁７９と、フィルタ７７とを備えている。外気供給路７８は、一端が燃料電池１の酸化剤ガス出口５１と加湿器４６のガス入口５４との間を接続する酸化剤ガス排出路５２と接続され、他端が筐体６７の外側に開放されている。但し、外気供給路７８の他端は筐体６７の内部に開放されていてもよい。この外気供給路７８には、浄化部としてのフィルタ７７が設けられている。そして、外気供給路７８の酸化剤ガス排出路５２と接続されている一端とフィルタ７７との間には、制御装置６５の制御を受けて外気供給路７８の流路を開閉する外気供給弁７９が設けられている。なお、外気供給弁７９は、外気供給路７８上であって酸化剤ガス排出路５２と接続されている一端により近い位置に配置されている。

フィルタ７７は、外気供給路７８を通じて酸化剤ガス排出路５２に供給される外気から、燃料電池の発電性能の障害となる不純物（ＮＯｘやＳＯｘなど）を除去するものである。本実施の形態において、フィルタ７７は、上流から、比較的大きな塵等を除去する粗フィルタ、酸性物質を除去する酸性物質除去フィルタ、アルカリ性物質を除去するアルカリ性物質除去フィルタ、及び比較的小さな塵等を除去する除塵フィルタの順に配置された複合フィルタである。前記酸性物質除去フィルタは、例えば、ハニカム状に成形した活性炭繊維シートに水酸化カリウムなどの水酸化物塩を添着したものであり、前記アルカリ性物質除去フィルタは、例えば、ハニカム状に成形した活性炭繊維シートにリン酸などの酸を添着したものであり、前記除塵フィルタは、例えば、ＨＥＰＡフィルタ(Ｈｉｇｈ Ｅｆ
ｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ)である。

以下、酸化剤ガス系統の特徴について説明する。上記構成の酸化剤ガス系統において、図１５に示すように、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７、及び供給弁７６を閉止することにより、外部から実質的に隔離される（シールされる）流路内の空間、すなわち、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６から燃料電池１の酸化剤ガス入口５０までの部分と、カソード側ガス流路９８と、酸化剤ガス排出路５２のうち燃料電池１の酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、外気供給路７８のうち酸化剤ガス排出路５２との接続部から外気供給弁７９までの部分との内部空間（図１５中、斜線で示された部分）を、以下、「酸化剤ガス封入空間１１２」という。さらに、この酸化剤ガス封入空間１１２のうち、酸化剤ガス出口５１より下流側を、以下、「排出酸化剤ガス封入空間１１２ａ」という。よって、酸化剤ガス排出路５２のうち酸化剤ガス出口５１から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、外気供給路７８のうち酸化剤ガス排出路５２との接続部から外気供給弁７９までの部分とから成る空間が排出酸化剤ガス封入空間１１２ａということになる。

この排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上の大きさを有する。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積が、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上の大きさとなるように、酸化剤ガス排出路５２の流路径、酸化剤ガス排出弁５７及び外気供給弁７９の位置が定められている。但し、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積の上限は、設計上可能である限り大きい値とすることが望ましい。

［冷却系統］
以下、冷却系統について説明する。冷却系統には、冷却器６１と冷却水ポンプ６２から成る冷却水供給部６０と、冷却水循環回路６３とが、備えられている。冷却器６１は冷却水の貯蔵と冷却の機能を有し、冷却水ポンプ６２は冷却水を冷却水循環回路６３に圧送する機能を有する。冷却水循環回路６３は、冷却水供給部６０と、冷却水供給部６０と燃料電池１の冷却水供給マニホールド２５の入口とを接続する供給路６３ａと、冷却水供給マニホールド２５と、隣接するセル９の間の冷却水流路１２と、冷却水排出マニホールド２６と、冷却水排出マニホールド２６の出口と冷却水供給部６０とを接続する還流路６３ｂとで、形成されている冷却水の循環回路である。

上記構成の冷却系統では、冷却水供給部６０の冷却器６１にある冷却水は、冷却水ポンプ６２により供給路６３ａへ圧送され、燃料電池１の冷却水供給マニホールド２５、冷却水流路１２、及び冷却水排出マニホールド２６を通じて、還流路６３ｂへ流出し、冷却水供給部６０に還流する。このように冷却水循環回路６３を循環する冷却水が燃料電池１から排熱を回収することにて燃料電池１が冷却され、燃料電池１が所定の温度に維持される。

［温度検出手段６６］
燃料電池１は、燃料電池１の運転時および停止時の温度を検出する温度検出手段６６を備えている。本実施の形態においては、冷却水循環回路６３において、燃料電池１（冷却水排出マニホールド２６の出口）から流出する冷却水の温度を検出する熱電対又はサーミスタを温度検出手段６６として備え、冷却水温度から燃料電池１の温度を間接的に検出するように構成されている。但し、温度検出手段６６は、本実施の形態に限定されるものではなく、燃料電池１の温度を直接的又は間接的に検出できるものであればよい。例えば、冷却水循環回路６３において、燃料電池１（冷却水供給マニホールド２５の入口）へ流入する冷却水の温度を検出する熱電対又はサーミスタを温度検出手段として備え、冷却水温度から燃料電池１の温度を間接的に検出してもよい。また、例えば、燃料電池１のアノードセパレータ５あるいはカソードセパレータ６に溝を形成し、そこへ熱電対を設置し、燃料電池１の温度を直接検出してもよい。

［燃料電池システム１００の制御系統の構成］
次に、燃料電池システムの制御系統の構成について説明する。燃料電池システム１００の制御系統は、制御部８１、記憶部８２、計時部８３、及び入出力部８４を有する制御装置６５を備えている。制御部８１は、計時部８３および入出力部８４から信号を受け取り、必要に応じて演算結果等を記憶部８２に記憶する。

制御部８１は、燃料ガス供給部３２に配設された温度検出手段（図示略）、燃料ガス封入空間圧力検出手段８８、酸化剤ガス封入空間圧力検出手段８９、及び電圧測定部９０からの検出信号を受け取り、記憶部８２に記憶されたプログラムや入出力部８４から受け取ったパラメータ値に基づいて、燃焼器３３、燃料ガス供給弁７１，燃料ガス排出弁７２，酸化剤ガス供給弁５６，酸化剤ガス排出弁５７，及び外気供給弁７９の各弁、ブロワ４２、冷却水ポンプ６２、及び電力回路部９１の動作を制御する。

制御装置６５は、マイクロコンピュータで構成され、制御部８１にはＣＰＵが用いられ、記憶部８２には、例えば内部メモリが用いられ、計時部８３には、例えばカレンダー付きクロック回路が用いられている。本実施の形態においては、制御装置６５および制御部８１はそれぞれ１個ずつ設けられて集中制御が行われるが、それぞれが複数設けられて分散制御が行われてもよい。

［燃料電池システム１００の基本動作］
次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の基本動作を説明する。この動作は制御装置６５が燃料電池システム１００を制御することによって遂行される。燃料電池システム１００の動作は、起動時、発電（運転）時、発電停止時に分けられる。起動時には、円滑に発電状態に移行するように所定の手順で燃料電池システム１００が立ち上げられる。発電時には、発電が行われる。発電停止時には発電状態から所定の手順で燃料電池システム１００が円滑に停止される。

発電時は、燃料ガス供給弁７１、燃料ガス排出弁７２、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７はいずれも開放されており、外気供給弁７９は閉止されている。燃料電池１へ燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、出力制御装置６４にて電力の取り出しが開始されると、アノード３及びカソード４では電気化学反応により発電が行われる。また、冷却系統では、冷却水循環回路６３を冷却水が循環することにより、燃料電池１で発生する熱が回収され、燃料電池１の温度が調整される。

燃料電池システム１００の発電時に、カソード４では酸化剤ガス中の酸素は電気化学反応により消費される。このため、酸化剤ガス出口５１から排出される排出酸化剤ガス中の酸素濃度は酸化剤ガス入口５０より供給される供給酸化剤ガス中の酸素濃度より減少している。一般的にカソード４へ供給される酸化剤ガスの利用率は、拡散抵抗による電圧低下と発電効率の観点から利用率４０〜６０％程度である。その結果、供給酸化剤ガス中の酸素濃度は約２１％であるの対し、排出酸化剤ガス中の酸素濃度は、９〜１３％となる。本実施の形態では、酸化剤ガス利用率が５５％に設定されており、排出酸化剤ガスの酸素濃度は約１０％となる。

次に、本実施の形態５の特徴的動作である停止動作について説明する。図１６は実施の形態５に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。

発電停止の指令を受けた制御装置６５は、まず、出力制御装置６４へ出力ゼロ指令を出力する（ステップＳ４１）。出力制御装置６４は燃料電池１より取り出す電力をゼロとし、これにより燃料電池システム１００による発電が停止される。

続いて、制御装置６５は、燃料ガス供給部３２に制御信号を出力して、該燃料ガス供給部３２から燃料電池１への燃料ガスの供給を停止させるとともに（ステップＳ４２）、酸化剤ガス供給部４１に制御信号を出力して、該酸化剤ガス供給部４１から燃料電池１へ酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ４３）。

次に、制御装置６５は、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ４４）。燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより、セル内燃料ガス流路１０及びこれに連通する空間から成る燃料ガス封入空間１１１が実質的に外部と隔離される。さらに、制御装置６５は、酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ４５）。酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７が閉止されることにより、セル内酸化剤ガス流路１１及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間１１２が実質的に外部と隔離される。そして、制御装置６５は、冷却水供給部６０に制御信号を送信して、冷却水の冷却と循環を停止させる（ステップＳ４６）。

上述の流れで、燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出が停止された状態で、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２がともに外部と隔離される。やがて燃料電池１内では、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応することと、燃料電池１の温度低下による水の凝縮とに起因して、酸化剤ガス封入空間１１２に負圧現象が発生する。

ここで、制御装置６５は、温度検出手段６６で検出された第一次検出温度Ｔ１を取得し（ステップＳ４７）、外気供給弁開温度Ｔａと第一次検出温度Ｔ１とを比較演算する（ステップＳ４８）。

なお、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力が、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となるときの燃料電池１の温度が、実験的又は理論的に求められて、これが「外気供給弁開温度Ｔａ」として予め制御装置６５に設定されている。例えば、運転時の燃料電池温度が７０℃であって、外気供給弁開温度Ｔａ＝６０℃である場合、７０℃から６０℃までの温度低下に起因する水の凝縮による圧力低下は飽和水蒸気曲線によれば１０ｋＰａ程度であり、この程度の圧力変化ではガスケット７，８によるガスシール性を確保できる。但し、ガスケットの耐圧性によって外気供給弁開温度Ｔａの値を適宜調整することが好適である。

制御装置６５は、外気供給弁開温度Ｔａと第一次検出温度Ｔ１とを比較演算した結果、第一次検出温度Ｔ１が外気供給弁開温度Ｔａより大きい場合は（Ｔ１＞Ｔａ、ステップＳ４８のＮｏ）、ステップＳ４７へ戻る。

一方、第一次検出温度Ｔ１が、外気供給弁開温度Ｔａ以下である場合は（Ｔ１≦Ｔａ、ステップＳ４８のＹｅｓ）、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となっているため、負圧緩和動作が必要となる。そこで、制御装置６５は、外気供給弁７９に制御信号を出力して、外気供給弁７９を開放させる（ステップＳ４９）。外気供給弁７９が開放されると、フィルタ７７にて浄化済みの外部空気が外気供給路７８を通じて酸化剤ガス封入空間１１２へ吸入される。外部空気はカソード側ガス流路９８よりも下流側にある酸化剤ガス排出路５２より酸化剤ガス封入空間１１２に流入し、この外部空気に押し戻されるようにして、酸化剤ガス排出路５２に存在する排出酸化剤ガスが、負圧による体積減少分だけ燃料電池１内のカソード側ガス流路９８に流入する。

続いて、制御装置６５は、温度検出手段６６で検出された第二次検出温度Ｔ２を取得し（ステップＳ５０）、外気供給弁閉温度Ｔｂと第二次検出温度Ｔ２とを比較演算する（ステップＳ５１）。

なお、燃料電池１が外気供給弁閉温度Ｔｂとなったときに再び酸化剤ガス封入空間１１２を封止し、燃料電池１が常温となるまで温度変化しても、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力がガスケット７，８によるガスシール性を十分に保障できるように、外気供給弁閉温度Ｔｂが実験的又は理論的に求められて、予め制御装置６５に設定されている。例えば、外気供給弁閉温度Ｔｂ＝４０℃である場合、４０℃から常温（２５℃）までの温度変化による圧力変化は５ｋＰａ以下となり、この程度の圧力変化ではガスケット７，８によるガスシール性を十分に確保できる。

制御装置６５は、外気供給弁閉温度Ｔｂと第二次検出温度Ｔ２とを比較演算した結果、第二次検出温度Ｔ２が外気供給弁閉温度Ｔｂより大きい場合（Ｔ２＞Ｔｂ、ステップＳ５１のＮｏ）、ステップＳ５０へ戻る。一方、第二次検出温度Ｔ２が外気供給弁閉温度Ｔｂ以下である場合（Ｔ２≦Ｔｂ、ステップＳ５１のＹｅｓ）、制御装置６５は、外気供給弁７９に制御信号を出力し、外気供給弁７９を閉止させ（ステップＳ５２）、発電停止時の制御を終了する。

上述の通り、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、発電停止時に、燃料ガス系統の流路及び酸化剤ガス系統の流路を封止し、これにより生じる燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、燃料電池１の酸化剤ガス出口５１よりも下流側に位置する酸化剤ガス排出路５２へ外気を吸入して、この酸化剤ガス排出路５２に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻すことにより行う。このように、燃料電池１のカソード側ガス流路９８の負圧が緩和されるので、非発電時のカソード４の触媒劣化を抑制できる。

そして、酸化剤ガス排出路５２へ外気を供給する外気供給路７８は、未加湿酸化剤ガス供給路４５及び酸化剤ガス供給路４９の酸化剤ガスを供給する流路とは別に独立して設けられているので、発電開始（再開）時に使用される酸化剤ガスの温度や露点等の条件へ影響を及ぼすことがない。

通常、カソード４の触媒はセル内酸化剤ガス流路１１の上流側の方が、下流側と比較して、より劣化している。これに対して、本実施の形態では、カソード側ガス流路９８の下流側から排出酸化ガスが供給されるので、この排出酸化ガスと反応するのはカソード４の下流側の触媒であり、非発電時のカソード４の上流側の触媒の劣化を抑制して、カソード４全体としての劣化を防止することができる。

また、カソード側ガス流路９８への排出酸化ガスの供給は、燃料電池システム１００の発電停止後に一度だけ行われる。よって、触媒にかかる電位サイクルは一回となるので、非発電時に電位サイクルが繰り返しかかることに起因するカソード４の触媒の劣化を防止することができる。

そして、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上となるように構成されているので、発電停止時に、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａからカソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、外気と比較して酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなる。よって、カソード側ガス流路９８に流入した酸素を消費するために使用するクロスリーク水素量を低減して、発電や熱回収に寄与しない燃料ガスの無駄な消費を低減してエネルギー効率を向上させることができる。しかも、カソード側ガス流路９８に供給される酸素濃度の低い排出酸化ガスは、運転（発電）時に生じるものであり、燃料電池システム１００に特別な酸素低減機構を備える必要がない。

ここで、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積をカソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上となるように構成した理由を、図１７を用いて説明する。図１７はカソード側ガス流路の気体の体積減少量の計算例を示す図である。

燃料ガス封入空間１１１のうち、酸化剤ガス出口５１よりも上流側、すなわち、カソード側ガス流路９８及び酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも上流側の部分、の空間体積をスタック体積Ａとし、発電停止時の燃料電池１の温度を７０℃、圧力を１Ｐａ（＝７６０ｍｍＨｇ）とする。この状態において、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ排出酸化剤ガスが押し戻されたと想定する。そして、排出酸化剤ガスが追加ガスとして前記スタック体積Ａに流入して、常温（２５℃）まで燃料電池１の温度が低下したときの、体積減少量を計算した経過が図１７に示されている。この計算結果によれば、燃料電池１を２５℃まで冷却したときに、追加ガスはスタック体積Ａの０．３５倍を占めている。排出酸化剤ガスには水分が多く含まれているため、この水分の凝縮を考慮すれば、発電停止時にスタック体積Ａに流入するガス（追加ガス）の体積は、多く見積もってスタック体積Ａの１倍程度である。酸化剤ガス供給弁５６は通常、酸化剤ガス供給路４９上であって燃料電池１の酸化剤ガス入口５０の近傍に設けられることから、スタック体積Ａは、ほぼカソード側ガス流路９８の空間体積と考えてよい。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積を、カソード側ガス流路９８の空間体積の１倍以上とすることにより、カソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなるのである。

＜実施の形態６＞
本発明の実施の形態６について説明する。実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、制御系統の構成を除いて前述の実施の形態５に係る燃料電池システム１００の構成と略同一である。よって、以下、燃料電池システム１００の制御系統の構成について、図１８を用いて説明する。図１８は実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

［燃料電池システム１００の制御系統の構成］
図１８に示すように、実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力を検知する圧力検出手段８９を備えている。すなわち、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６と酸化剤ガス入口５０との間の部分、カソード側ガス流路９８、酸化剤ガス排出路５２のうち酸化剤ガス出口５１と酸化剤ガス排出弁５７との間の部分、及び外気供給路７８のうち外気供給弁７９と酸化剤ガス排出路５２との接続部との間の部分、の一連の内部空間の圧力を検出する圧力検出手段８９が燃料電池システム１００に備えられている。本実施の形態では、この圧力検出手段として、燃料電池システム１００の運転制御のために備えられている酸化剤ガス封入空間圧力検出手段が用いられる。このため、別の検出装置を追加して備える必要が無く、経済的である。但し、圧力検出手段８９は、酸化剤ガス封入空間圧力検出手段とは別に設けることもできる。

［燃料電池システム１００の動作］
以下、燃料電池システム１００の動作について説明する。但し、燃料電池システム１００の起動時、発電時の基本動作は、前述の実施の形態５に係る燃料電池システム１００の基本動作と略同一であるので説明を省略し、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００の特徴的動作である発電停止動作について、図１９を用いて説明する。図１９は実施の形態６に係る燃料電池システムの発電停止時の制御の流れ図である。

発電停止の指令を受けた制御装置６５は、まず、出力制御装置６４へ出力ゼロ指令を出力する（ステップＳ６１）。出力制御装置６４は燃料電池１より取り出す電力をゼロとし、これにより燃料電池システム１００による発電が停止される。

次に、制御装置６５は、燃料ガス供給部３２に制御信号を出力して、該燃料ガス供給部３２から燃料電池１への燃料ガスの供給を停止させるとともに（ステップＳ６２）、酸化剤ガス供給部４１に制御信号を出力して、該酸化剤ガス供給部４１から燃料電池１へ酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ６３）。

続いて、制御装置６５は、燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ６４）。燃料ガス供給弁７１及び燃料ガス排出弁７２が閉止されることにより、セル内燃料ガス流路１０及びこれに連通する空間から成る燃料ガス封入空間１１１が実質的に外部と隔離される。

さらに、制御装置６５は、酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７に制御信号を送信して、これらの弁を閉止させる（ステップＳ６５）。酸化剤ガス供給弁５６及び酸化剤ガス排出弁５７が閉止されることにより、セル内酸化剤ガス流路１１及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間１１２が実質的に外部と隔離される。続いて、制御装置６５は、冷却水供給部６０に制御信号を送信して、冷却水の冷却と循環を停止させる（ステップＳ６６）。

上述のように、燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出を停止し、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２を封止したうえで、制御装置６５は、計時部８３にて時間計測を開始する（ステップ６７）。

燃料電池１に対する燃料ガスと酸化剤ガスとの供給及び排出が停止され、燃料ガス封入空間１１１及び酸化剤ガス封入空間１１２が封止されているので、やがて燃料電池１内では、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応することと、燃料電池１の温度低下による水の凝縮とに起因して、酸化剤ガス封入空間１１２に負圧現象が発生する。

ここで、制御装置６５は、圧力検出手段８９で検出された圧力Ｐ１を取得し（ステップＳ６８）、外気供給弁開圧力Ｐａと検出された圧力Ｐ１とを比較演算する（ステップＳ６９）。

なお、本実施の形態では、圧力検出手段８９にて検出される検出圧力Ｐ１は、大気圧との差とした。そして、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力と大気圧との圧力差が、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となるときの圧力差が、実験的又は理論的に求められて、これが外気供給弁開圧力Ｐａとして予め制御装置６５に設定されている。外気供給弁開圧力Ｐａは、例えば、−１０ｋＰａと設定することができ、ガスケット７，８の耐圧性に応じて外気供給弁開圧力Ｐａの値は適宜設定されることが望ましい。但し、圧力検出手段８９は上記構成に限定されず、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力と外部の圧力とを比較することができるものであればよく、例えば、未加湿酸化剤ガス供給路４５と、酸化剤ガス供給路４９のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも下流側との各々に圧力計を設けて、これらの圧力計の差圧を検出圧力Ｐ１としてもよい。

制御装置６５は、外気供給弁開圧力Ｐａと検出圧力Ｐ１とを比較演算した結果、検出圧力Ｐ１が外気供給弁開圧力Ｐａより大きい場合は（Ｐ１＞Ｐａ、ステップＳ６９のＮｏ）、ステップＳ６８へ戻る。

一方、検出圧力Ｐ１が、外気供給弁開圧力Ｐａ以下である場合は（Ｐ１≦Ｐａ、ステップＳ６９のＹｅｓ）、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は、ガスケット７，８によるガスシール性を保障できない程度に負圧となっているため、負圧緩和動作が必要となる。そこで、制御装置６５は、外気供給弁７９に制御信号を出力して、外気供給弁７９を開放させる（ステップＳ７０）。外気供給弁７９が開放されると、フィルタ４３にて浄化済みの外部空気が外気供給路７８を通じて酸化剤ガス封入空間１１２へ吸入される。外部空気はカソード側ガス流路９８よりも下流側にある酸化剤ガス排出路５２より酸化剤ガス封入空間１１２に流入し、この外部空気に押し戻されるようにして、酸化剤ガス排出路５２に存在する排出酸化剤ガスが、負圧による体積減少分だけ燃料電池１内のカソード側ガス流路９８に流入する。

続いて、制御装置６５は、ステップＳ２７にて時間計測を開始してからの経過時間ｔ１を取得し（ステップＳ７１）、経過時間ｔ１と外気供給弁閉時間ｔａとを比較演算する（ステップＳ７２）。ここでは、時間計測を開始したときから経過した時間を計測して経過時間ｔ１としているが、時間計測開始時と経過時間取得時との時間差を算出することにより経過時間ｔ１を求めることもできる。

外気供給弁７９が開放されている状態においては、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力は大気圧とほぼ同一となり一定であるので、外気供給弁７９を閉止する動作は時間計測を開始してからの経過時間に基づいて行われる。計時部８３にて時間計測を開始してから外気供給弁閉時間ｔａが経過したときに再び酸化剤ガス封入空間１１２を封止し、燃料電池１が常温となるまで温度変化しても、酸化剤ガス封入空間１１２の圧力がガスケット７，８によるガスシール性を十分に保障できるように、外気供給弁閉時間ｔａが実験的又は理論的に求められて、予め制御装置６５に設定されている。例えば、外気供給弁閉時間ｔａ＝２時間と設定した場合、時間計測を開始してから２時間で燃料電池１の温度は４０℃程度まで低下するので、４０℃から常温までの温度変化に起因する酸化剤ガス封入空間１１２の圧力変化に対してはガスケット７，８によるガスシール性を十分に確保できる。

制御装置６５は、経過時間ｔ１と外気供給弁閉時間ｔａとを比較演算した結果、経過時間ｔ１が外気供給弁閉時間ｔａより小さい、すなわち、時間計測から外気供給弁閉時間ｔａが経過していない場合（ｔ１＜ｔａ、ステップＳ７２のＮｏ）、ステップＳ７１へ戻る。

一方、経過時間ｔ１が外気供給弁閉時間ｔａ以上である、すなわち、時間計測から外気供給弁閉時間ｔａが経過した場合（ｔ１≧ｔａ、ステップＳ７２のＹｅｓ）、制御装置６５は、外気供給弁７９に制御信号を出力し、外気供給弁７９を閉止させ（ステップＳ７３）、停止動作を終了する。

上述の通り、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、発電停止時に燃料電池１のカソード側ガス流路９８で発生する負圧の緩和を、燃料電池１の酸化剤ガス出口５１よりも下流側に位置する酸化剤ガス排出路５２に外気を吸入して、この酸化剤ガス排出路５２に存在していた酸素濃度の低い排出酸化剤ガスを、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻すことにより行う。このように、実施の形態６に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態５に係る燃料電池システム１００と同様の作用と効果を奏する。

これに加え、実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、酸化剤ガス封入空間１１２が所定の負圧状態となったことを、圧力検出手段８９を用いて酸化剤ガス封入空間１１２の圧力を直接検出し、この圧力値に基づいて判断するので、より確実な制御ができる。

なお、酸化剤ガス封入空間１１２が所定の負圧状態となったことは、実施の形態５では燃料電池１の温度で判断し、実施の形態６では酸化剤ガス封入空間１１２の圧力で判断しているが、燃料電池１の温度と酸化剤ガス封入空間１１２の圧力の双方に基づいて判断するように構成することもできる。

＜実施の形態７＞
本発明の実施の形態７について説明する。実施の形態７に係る燃料電池システム１００は、酸化剤ガス系統を除いて前述の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と略同一である。よって、以下、燃料電池システム１００の酸化剤ガス系統の構成について図２０を用いて説明し、その他の説明は省略する。図２０は実施の形態７に係る燃料電池システムの構成の概要を示す機能ブロック図である。

［酸化剤ガス系統の構成］
以下、酸化剤ガス系統の構成について説明する。酸化剤ガス系統の流路は、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統の流路と、燃料電池１内のカソード側ガス流路と、燃料電池１からの酸化剤ガス排出系統の流路と、外気供給系統の流路とにより構成されている。なお、ここで「カソード側ガス流路９８」とは、酸化剤ガス供給マニホールド２３、セル内酸化剤ガス流路１１、及び酸化剤ガス排出マニホールド２４により燃料電池１の内部に形成されている一つの流路をいう。

まず、燃料電池１への酸化剤ガス供給系統について説明する。酸化剤ガス供給系統は、ブロワ４２とフィルタ４３とから成る酸化剤ガス供給部４１、未加湿酸化剤ガス供給路４５、加湿器４６、及び酸化剤ガス供給弁５６を、備えている。

ブロワ４２のガス入口には、酸化剤ガス取入流路７３が接続され、外部からの空気がブロワ４２により取り込めるように構成されている。ブロワ４２のガス出口は、未浄化酸化剤ガス供給路４３ａにより、フィルタ４３のガス入口と接続されている。このフィルタ４３は、外部より取り入れた空気から、燃料電池の発電性能の障害となる外気中の不純物（ＮＯｘやＳＯｘなど）を除去するものである。

酸化剤ガス供給部４１のガス出口４４は、未加湿酸化剤ガス供給路４５により、加湿器４６のガス入口４７と接続されている。未加湿酸化剤ガス供給路４５には該未加湿酸化剤ガス供給路４５の流路を開閉する酸化剤ガス供給弁５６が備えられている。

加湿器４６は、イオン交換膜あるいは中空糸からなる全熱交換器であり、酸化剤ガス供給部４１より取り込まれた空気を燃料電池１より排出された酸化剤ガスと熱交換することで加湿するものである。つまり、加湿器４６は燃料電池１から排出された酸化剤ガスに対しては、酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器として機能することとなる。本実施の形態において、加湿器４６は燃料電池１に一体的に設けられている。従って、加湿器４６のガス出口は燃料電池１の酸化剤ガス入口５０に連結されている。酸化剤ガス入口５０は、酸化剤ガス供給マニホールド２３に接続され、燃料電池１に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド２３及びセル内酸化剤ガス流路１１を通じてカソード４に至り、ここで燃料ガスと反応して電気と熱とを発生し、消費される。

次に、燃料電池１への酸化剤ガス排出系統について説明する。酸化剤ガス排出系統は、加湿器４６、酸化剤ガス排出弁５７、及び酸化剤排ガス排出路５３を、備えている。

燃料電池１の酸化剤ガス出口５１は、加湿器４６のガス入口と連結されている。加湿器４６のガス出口５５は、酸化剤排ガス排出路５３が接続され、加湿器４６から排出される酸化剤排ガスを系外に排出できるように構成されている。酸化剤排ガス排出路５３には、該酸化剤排ガス排出路５３の流路を開閉する酸化剤ガス排出弁５７が設けられている。

燃料電池１で未反応の酸化剤ガスは、セル内酸化剤ガス流路１１及び酸化剤ガス排出マニホールド２４を通じて、酸化剤ガス出口５１から加湿器４６に流入して熱交換が行われ、その熱および水分が酸化剤ガス供給系統を流れる酸化剤ガスの加湿に利用される。熱交換を終了した酸化剤ガスは、酸化剤排ガス排出路５３を通じて外部（大気）へ排出される。

以下、外気供給系統について説明する。外気供給系統は、外気供給路７８と、該外気供給路７８の流路を開閉する外気供給弁７９と、フィルタ７７とを備えている。外気供給路７８は、一端が燃料電池１の酸化剤ガス出口５１と加湿器４６のガス入口５４との間を接続する酸化剤ガス排出路５２と接続され、他端が筐体６７の外側に開放されている。但し、外気供給路７８の他端は筐体６７の内部に開放されていてもよい。この外気供給路７８には、浄化部としてのフィルタ７７が設けられている。そして、外気供給路７８の酸化剤ガス排出路５２と接続されている一端とフィルタ７７との間には、制御装置６５の制御を受けて外気供給路７８の流路を開閉する外気供給弁７９が設けられている。なお、外気供給弁７９は、外気供給路７８上であって酸化剤ガス排出路５２と接続されている一端により近い位置に配置されている。

以下、上記構成の酸化剤ガス系統の特徴について説明する。この酸化剤ガス系統において、酸化剤ガス供給弁５６、酸化剤ガス排出弁５７、及び外気供給弁７９を閉止することにより、外部から実質的に隔離される（シールされる）流路内の空間を、「酸化剤ガス封入空間１１２」という。すなわち、未加湿酸化剤ガス供給路４５のうち酸化剤ガス供給弁５６から加湿器４６のガス入口４７までの部分と、加湿器４６内の加湿側流路と、カソード側ガス流路９８と、加湿器４６内の凝縮側流路と、酸化剤排ガス排出路５３のうち加湿器４６のガス出口５５から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、外気供給路７８のうち酸化剤排ガス排出路５３との接続部から外気供給弁７９までの部分との内部が、酸化剤ガス封入空間１１２となる。

この酸化剤ガス封入空間１１２のうち、加湿器４６のガス出口５５より下流側（図２０中、斜線が施された部分）を、以下、「排出酸化剤ガス封入空間１１２ａ」という。すなわち、酸化剤排ガス排出路５３のうち加湿器４６のガス出口５５から酸化剤ガス排出弁５７までの部分と、外気供給路７８のうち酸化剤排ガス排出路５３との接続部から外気供給弁７９までの部分とから成る空間が、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａである。

この排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積は、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有する。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積が、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上の大きさとなるように、酸化剤排ガス排出路５３の流路径、酸化剤ガス排出弁５７及び外気供給弁７９の位置が定められている。但し、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積の上限は、設計上可能である限り大きい値とすることが望ましい。

ここで、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積をカソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上となるように構成した理由を、図１７を用いて説明する。燃料ガス封入空間１１１のうち、加湿器４６のガス出口５５よりも上流側、未加湿酸化剤ガス供給路４５のうち酸化剤ガス供給弁５６よりも下流側の部分、加湿器４６の加湿側流路、カソード側ガス流路９８、及び加湿器４６の凝縮側流路を合わせた空間の体積をスタック体積Ａとし、発電停止時の燃料電池１の温度を７０℃、圧力を１Ｐａ（＝７６０ｍｍＨｇ）とする。この状態において、燃料電池１内のカソード側ガス流路９８へ押し戻された排出酸化剤ガスが追加ガスとして前記スタック体積Ａに流入し、常温（２５℃）まで冷却したときの、体積減少量を計算する。この計算結果によれば、燃料電池１を２５℃まで冷却したときに、追加ガスはスタック体積Ａの０．３５倍を占めている。排出酸化剤ガス封入空間１１２ａにある排出酸化剤ガスは加湿器４６（凝縮器）を通じて水分が除去されているため、この水分の凝縮は考慮する必要がない。よって、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積はスタック体積Ａの０．３５倍あれば十分である。酸化剤ガス供給弁５６は通常、未加湿酸化剤ガス供給路４５上であって加湿器４６のガス入口４７の近傍に設けられ、加湿器４６内の流路の空間体積はカソード側ガス流路９８の空間体積と比較して十分に小さいことから、スタック体積Ａは、ほぼカソード側ガス流路９８の空間体積と考えてよい。つまり、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａの体積を、カソード側ガス流路９８の空間体積の０．３５倍以上とすることにより、排出酸化剤ガス封入空間１１２ａからカソード側ガス流路９８へ押し戻される気体の殆どは、酸素濃度の低い排出酸化剤ガスとなるのである。

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。従って、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。

本発明の燃料電池システムは、エネルギー効率が高く、起動停止を繰り返しても非発電時における電極の劣化を防止することが可能な燃料電池システムとして有用である。

１ 燃料電池
２ 高分子電解質膜
３ アノード
４ カソード
５ アノードセパレータ
６ カソードセパレータ
７，８ ガスケット
９ セル
１０ セル内燃料ガス流路
１１ セル内酸化剤ガス流路
１２ 冷却水流路
１３ 冷却水ガスケット
２１ 燃料ガス供給マニホールド
２２ 燃料ガス排出マニホールド
２３ 酸化剤ガス供給マニホールド
２４ 酸化剤ガス排出マニホールド
２５ 冷却水供給マニホールド
２６ 冷却水排出マニホールド
３６ 燃料ガス入口
３８ 燃料ガス出口
４０ 燃焼排ガス排出路
４１ 酸化剤ガス供給部
４２ ブロワ
４３ フィルタ
４５ 未加湿酸化剤ガス供給路
４６ 加湿器
４９ 酸化剤ガス供給路
５０ 酸化剤ガス入口
５１ 酸化剤ガス出口
５２ 酸化剤ガス排出路
５３ 酸化剤排ガス排出路
５６ 酸化剤ガス供給弁
５７ 酸化剤ガス排出弁
５８ 酸化剤排出弁−加湿器経路
６４ 出力制御装置
６５ 制御装置
６６ 温度検出手段
７５ バイパス流路
７６ バイパス弁
８９ 圧力検出手段
９７ アノード側ガス流路
９８ カソード側ガス流路
１００ 燃料電池システム
１１１ 燃料ガス封入空間
１１２ 酸化剤ガス封入空間
１１２ａ 排出酸化剤ガス封入空間

Claims (24)

1. 電解質膜、前記電解質膜を挟持するアノード及びカソード、前記アノードに燃料ガスを供給し排出するアノード側ガス流路、及び前記カソードに酸化剤ガスを供給し排出するカソード側ガス流路を有する燃料電池と、
   前記アノード側ガス流路を含み前記アノードに燃料ガスを供給して排出する燃料ガス流路と、
   前記カソード側ガス流路を含み前記カソードに酸化剤ガスを供給して排出する酸化剤ガス流路とを、備え、
   発電停止時に、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路が閉止され、
   前記酸化剤ガス流路が閉止されることにより、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、実質的に外部と隔離された前記カソード側ガス流路及び当該カソード側ガス流路に連通する空間からなる酸化剤ガス封入空間に、前記カソード側ガス流路よりも下流側からガスが供給されるように構成され、
   前記燃料ガス流路は、前記アノード側ガス流路の入口と接続された燃料ガス供給路、前記燃料ガス供給路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス供給弁、前記アノード側ガス流路、前記アノード側ガス流路の出口と接続された燃料ガス排出路、及び前記燃料ガス排出路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス排出弁を有し、
   前記酸化剤ガス流路は、前記カソード側ガス流路の入口と接続された酸化剤ガス供給路、前記酸化剤ガス供給路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス供給弁、前記カソード側ガス流路、前記カソード側ガス流路の出口と接続された酸化剤ガス排出路、及び前記酸化剤ガス排出路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス排出弁を有し、
   前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止することにより前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を閉止し、前記酸化剤ガス供給弁を閉止した状態で、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、前記酸化剤ガス封入空間のうち前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分にガスが供給されるように構成されている、
   燃料電池システム。
2. 前記酸化剤ガス封入空間のうち前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の１倍以上の大きさを有している、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤ガス排出流路との間に、前記カソード側ガス流路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器を、さらに備えている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガス封入空間のうち凝縮器の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有している、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガス排出路の下流に設けられた、前記酸化剤ガス排出路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器と、
   前記酸化剤排出弁と前記凝縮器とを接続する酸化剤排出弁―凝縮器経路と、
   前記凝縮器の下流に設けられた、前記凝縮器から排出された酸化剤ガスを排出する酸化剤排ガス排出路を有し、
   酸化剤排ガス排出路の体積が、前記酸化剤ガス封入空間の体積と前記酸化剤排出弁―凝縮器経路の体積の和よりも大きい、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス供給路の前記酸化剤ガス供給弁よりも上流側の部分及び前記酸化剤ガス排出路の前記酸化剤ガス排出弁よりも上流側の部分を接続するバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられて発電停止時に前記バイパス路を開放するバイパス弁とを、さらに備えている、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記バイパス弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、
   前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記酸化剤ガス排出弁を開放させ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。
8. 前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、
   前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させ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。
9. 前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記バイパス弁の開閉を制御する制御装置を、さらに備え、
   前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記バイパス弁を開放させるように構成されている、
   請求項６または７に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁開放温度以下となったときに、前記バイパス弁を開放させるように構成されている、
    請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス封入空間の圧力を検出する圧力検出手段を、さらに備え、
    前記制御装置は、前記酸化剤ガス封入空間の圧力が所定の弁開放圧力以下となったときに、前記バイパス弁を開放させるように構成されている、
    請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御装置は、前記バイパス弁を開放させたのち、前記バイパス弁を閉止させるように構成されている、
    請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を、さらに備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁閉止温度以下となったときに、前記バイパス弁を閉止させるように構成されている、
    請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記制御装置は、前記バイパス弁が開放してから所定の弁開放時間が経過したのち、前記バイパス弁を閉止させるように構成されている、
    請求項１２に記載の燃料電池システム。
15. 電解質膜、前記電解質膜を挟持するアノード及びカソード、前記アノードに燃料ガスを供給し排出するアノード側ガス流路、及び前記カソードに酸化剤ガスを供給し排出するカソード側ガス流路を有する燃料電池と、
    前記アノード側ガス流路の入口と接続された燃料ガス供給路と、
    前記燃料ガス供給路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス供給弁と、
    前記アノード側ガス流路の出口と接続された燃料ガス排出路と、
    前記燃料ガス排出路に設けられてその流路を開閉する燃料ガス排出弁と、
    前記カソード側ガス流路の入口と接続された酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス供給弁と、
    前記カソード側ガス流路の出口と接続された酸化剤ガス排出路と、
    前記酸化剤ガス排出路に設けられてその流路を開閉する酸化剤ガス排出弁と、
    前記酸化剤ガス排出路において前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤排出弁との間に一端が接続された外気供給路と、
    前記外気供給路に設けられた浄化部と、
    前記外気供給路において前記酸化剤ガス排出路に接続された一端と前記浄化部との間に設けられてその流路を開閉する外気供給弁とを、備え、
    発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されたのち、前記燃料電池の前記カソード側ガス流路で負圧が発生すると、前記外気供給弁が開放されるように構成されている、
    燃料電池システム。
16. 前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間のうち、前記カソード側ガス流路の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の１倍以上の大きさを有している、
    請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記カソード側ガス流路の出口と前記酸化剤ガス排出流路との間に、前記カソード側ガス流路から排出された酸化剤ガス中の水分を凝縮除去する凝縮器を備えている、
    請求項１５に記載の燃料電池システム。
18. 前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間のうち、前記凝縮器の出口より下流の部分の体積は、前記カソード側ガス流路の空間体積の０．３５倍以上の大きさを有している、
    請求項１７に記載の燃料電池システム。
19. 前記燃料電池システムに、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、前記酸化剤ガス排出弁、及び前記外気供給弁の開閉を制御する制御装置を備え、
    前記制御装置は、発電停止時に、前記燃料ガス供給弁、前記燃料ガス排出弁、前記酸化剤ガス供給弁、及び前記酸化剤ガス排出弁を閉止させたのち、前記外気供給弁を開放させるように構成されている、
    請求項１５〜請求項１８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
20. 前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁開放温度以下となったときに、前記外気供給弁を開放させるように構成されている、
    請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記燃料電池システムに、前記酸化剤ガス供給弁及び前記酸化剤ガス排出弁が閉止されることにより外部と隔離される前記カソード側ガス流路及びこれに連通する空間から成る酸化剤ガス封入空間の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
    前記制御装置は、前記酸化剤ガス封入空間の圧力が所定の弁開放圧力以下となったときに、前記外気供給弁を開放させるように構成されている、
    請求項１９に記載の燃料電池システム。
22. 前記制御装置は、前記外気供給弁を開放させたのち、前記外気供給弁を閉止させるように構成されている、
    請求項１９〜請求項２１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
23. 前記燃料電池システムに、前記燃料電池の温度を直接的又は間接的に検出する燃料電池温度検出手段を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定の弁閉止温度以下となったときに、前記外気供給弁を閉止させるように構成されている、
    請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記制御装置は、前記外気供給弁を開放してから所定の弁開放時間が経過したのち、前記外気供給弁を閉止させるように構成されている、
    請求項２２に記載の燃料電池システム。

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