JP4992238B2 - 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。

従来、システムの停止後、燃料極側から酸化剤極側へのガス透過量、または酸化剤極側から燃料極側へのガス透過量を推定し、推定したガス透過量に応じてシステム起動時における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を補正する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、システム起動時に適切な量の燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるため、出力電圧の立ち上がり特性を改善することができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１７４８５５号公報

ここで、燃料電池システムが長時間放置された場合、燃料極側が空気で満たされることとなり、システム起動時に、燃料極側に存在する空気と新たに供給される水素ガスとの界面となる水素フロントの存在によって燃料電池スタックが劣化してしまう。具体的に説明すると、燃料極側において水素フロントが存在する場合、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （１）
という反応が生じ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタックを劣化させてしまう。

一方、燃料電池システムにおいて、上記式（１）による劣化を抑制するため、劣化抑制制御を行ったとしても、上記の式（１）による燃料電池スタックの劣化は、燃料電池システムが長時間放置され、燃料極側に酸素が存在する状態で、燃料極側に水素供給された場合に発生するものであり、燃料極側に酸素が存在しないような場合にまで、劣化抑制制御を行うと、システム起動完了までの起動時間が長くなってしまう。

なお、この問題は、水素ガス及び酸素を供給ガスとし白金等の触媒をカーボンにて担持する燃料電池システムに限らず、式（１）と同様の反応により燃料電池スタックが劣化する燃料電池システムに共通する問題である。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、起動時における燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に、起動時間の長期化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、計測手段と、最低セル電圧検出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。計測手段は、前回のシステム停止から今回のシステム起動までの放置時間を計測するものである。最低セル電圧検出手段は、燃料電池スタックを構成する複数セルの電圧のうち、最低のセル電圧を検出するものである。制御手段は、燃料電池スタックの両極に酸化剤ガスが存在するときに、燃料極に燃料ガスを供給することにより生じる触媒層の劣化を抑制する劣化抑制制御を実行するものである。さらに、制御手段は、計測手段により計測された放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行う構成となっている。また、制御手段は、最低セル電圧検出手段により検出された最低セル電圧が負であるときには、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、計測手段と、圧力検出検出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。計測手段は、前回のシステム停止から今回のシステム起動までの放置時間を計測するものである。圧力検出手段は、燃料極側の圧力を検出するものである。制御手段は、燃料電池スタックの両極に酸化剤ガスが存在するときに、燃料極に燃料ガスを供給することにより生じる触媒層の劣化を抑制する劣化抑制制御を実行するものである。さらに、制御手段は、計測手段により計測された放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行う構成となっている。また、制御手段は、システム停止時に燃料極側の圧力を、大気圧から所定圧力だけ減じた規定圧力未満とし、システム起動時に燃料極側の圧力が規定圧力以上である場合、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。

本発明によれば、計測された放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行う。ここで、式（１）による劣化反応を例にすると、式（１）による反応は燃料極側および酸化剤極側に酸素が存在する状態で、燃料極側に水素ガスが供給されることによって生じる。燃料電池システムは、放置されると酸化剤極側の酸素が燃料極側にクロスリークしてくるが、放置時間が短い段階では酸化剤極側の酸素が燃料極側にクロスリークしても、燃料極側に水素ガスが存在しているため、クロスリークした酸素と水素とが反応して水が生成される。このため、放置時間が短い場合、燃料極側に酸素は存在しないこととなる。故に、放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行うことで、起動時における燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に、起動時間の長期化を抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料極側排出系３０と、循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤極側排出系６０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものであり、燃料極と酸化剤極とを有している。燃料極には燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極には酸化剤ガスである酸素（空気）が供給され、電気化学反応により発電が行われる。また、燃料極と酸化剤極とは電解質を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、複数の発電セルが多段積層された構造となっている。さらに、燃料電池スタック１０では、白金等の触媒をカーボンにて担持している。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、高圧水素タンク２１と、水素ガス供給配管２２と、制御弁２３とからなっている。高圧水素タンク２１は、燃料ガスを或る一定の圧力で貯蔵するものである。水素ガス供給配管２２は、一端が高圧水素タンク２１に接続され他端が燃料電池スタック１０の燃料極側入口に接続され、高圧水素タンク２１の水素ガスを燃料電池スタック１０に導くものである。制御弁２３は、水素ガス供給配管２２上に設けられ、開度調節することにより、燃料極側に供給する水素ガス量を制御するものである。また、制御弁２３は、燃料極側に供給する水素ガス量を制御することで、燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。

燃料極側排出系３０は、燃料電池スタック１０の燃料極側からのガスを外部に排出するものであって、燃料極側排出配管３１と、燃料極側排出弁３２とを備えている。燃料極側排出配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口と後述の酸化剤極側排出配管６１とを接続し、燃料極側のガスを外部に導くための流路となるものである。燃料極側排出弁３２は、燃料極側排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極側のガスの排出を制御するものである。

循環系４０は、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを再度燃料電池スタック１０の燃料極側上流に循環させるものであって、循環配管４１と、循環ポンプ４２とを備えている。循環配管４１は、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口から燃料極側排出弁３２に至るまでの燃料極側排出配管３１に接続され、他端が制御弁２３から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの水素ガス供給配管２２に接続されており、燃料電池スタック１０の燃料極側下流のガスを燃料極側上流に戻すための流路となるものである。循環ポンプ４２は、循環配管４１に設けられて燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを燃料極側上流に戻す循環動力源となるものである。

酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスである酸素を含んだ空気を供給するものであって、コンプレッサ５１と、空気供給配管５２とを備えている。コンプレッサ５１は、空気を圧縮して燃料電池スタック１０の酸化剤極側に送り込むものである。空気供給配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池スタック１０の酸化剤極入口とを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池スタック１０の酸化剤極に導くものである。

酸化剤極側排出系６０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側からのガスを外部に排出するものであって、酸化剤極側排出配管６１と、酸化剤極側排出弁６２とを備えている。酸化剤極側排出配管６１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口と外部とを接続し、燃料電池スタック１０の酸化剤極側から排出されるガスを外部に導くための流路となるものである。酸化剤極側排出弁６２は、酸化剤極側排出配管６１に設けられ、開度調節することにより、酸化剤極側から排出されるガス量を制御するものである。また、酸化剤極側排出弁６２は、排出ガス量を制御することにより、酸化剤極側の圧力についても制御する構成となっている。なお、上記した燃料極側排出配管３１は、酸化剤極側排出配管６１のうち酸化剤極側排出弁６２の下流側に接続されている。

さらに、上記燃料電池システム１は、電流取出装置７０と、圧力センサ（圧力検出手段）８１と、電圧センサ（最低セル電圧検出手段）８２と、放電抵抗（放電手段）８３と、制御装置（計測手段、制御手段）９０とを有している。

電流取出装置７０は、燃料電池スタック１０から電流を取り出すものであり、放電や二次電池への蓄電を行うことで燃料電池スタック１０から電流を取り出す構成となっている。圧力センサ８１は、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力を検出するものであり、水素ガス供給配管２２のうち、水素ガス供給配管２２と循環配管４１との接続部から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの部分に設けられている。電圧センサ８２は、燃料電池スタック１０の各セル電圧を検出する構成となっており、且つ各セル電圧のうちから最低セル電圧についても検出する構成となっている。さらに、電圧センサ８２は、各セル電圧の合計から燃料電池スタック１０の総電圧を検出することができる構成となっている。放電抵抗８３は、燃料電池システム１の停止後に燃料電池スタック１０の電圧を放電させて零ボルトまで低下させるものである。この放電抵抗８３は、一定時間掛けて燃料電池スタック１０の電圧を零ボルトまで低下させる構成となっている。

制御装置９０は、燃料極側排出弁３２の開閉、制御弁２３及び酸化剤極側排出弁６２の開度調整、循環ポンプ４２及びコンプレッサ５１の駆動等を制御するものである。また、制御装置９０は、これらについて制御することにより、燃料ガス供給系２０及び酸化剤ガス供給系５０によるガス供給、燃料極側排出系３０及び酸化剤極側排出系６０によるガス排出、循環系４０によるガス循環、並びに燃料電池スタック１０の燃料極側圧力及び酸化剤極側圧力を制御する構成となっている。さらに、制御装置９０は、電流取出装置７０による電流の取出についても制御する構成となっている。

また、制御装置９０は、燃料電池スタック１０の少なくとも両極に酸素（空気）が存在するときに、燃料極に水素ガスを供給することにより生じる触媒層の劣化を抑制する劣化抑制制御を実行するようになっている。すなわち、制御装置９０は、上記式（１）によるカーボン劣化が生じないように劣化抑制制御を実行する構成となっている。

ここで、劣化抑制制御とは、燃料電池システム１の起動時に、酸化剤極側に空気を供給せず、燃料極側に水素ガスを供給したうえで、燃料電池スタック１０から電流を取り出し、その後規定の時間の経過後に酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する制御をいう。燃料電池システム１では、長時間放置されると燃料極側が空気で満たされる状態となる。この状態で、燃料極側に水素ガスが供給されると、燃料極側では水素フロントが移動し、式（１）の反応によって燃料電池スタック１０の劣化が生じようとしてしまう。ところが、制御装置９０は、劣化抑制制御を行うことにより（電流取出装置７０によって電流（電子）を取り出すことにより）、式（１）の反応を抑制することができ、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することとなる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、劣化抑制制御によって、燃料電池スタック１０の劣化を抑制可能な構成となっている。しかし、この劣化抑制制御は、通常の起動制御よりも起動完了までの時間が長くなってしまう。このため、例えば放置時間が短く燃料極側に空気が存在しないような場合にまで、劣化抑制制御を行うと、システム起動完了までの起動時間が長くなってしまう。

そこで、制御装置９０は、前回の燃料電池システム１の停止から今回の燃料電池システム１の起動までの放置時間を計測する機能を有し、計測した放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行う構成となっている。この構成により、本実施形態の燃料電池システム１では、起動時における燃料電池スタック１０の劣化を抑制すると共に、起動時間の長期化を抑制することとなっている。

図２を参照してより詳しく説明する。図２は、燃料極側および酸化剤極側における酸素濃度と放置時間との相関を示す図である。なお、図２において縦軸は酸素濃度であり、横軸は放置時間である。

式（１）による反応は、燃料極側および酸化剤極側に酸素が存在する状態で、燃料極側に水素ガスが供給されることによって生じる。ここで、燃料電池システム１が放置されると酸化剤極側の空気が燃料極側にクロスリークしてくるが、放置時間が短い段階では酸化剤極側の空気が燃料極側にクロスリークしても、燃料極側に水素ガスが存在しているため、クロスリークした酸素と水素とが反応して水が生成される。このため、放置時間が短い段階では、燃料極側に酸素が存在せず（放置時間０〜ｔ１１）、式（１）の反応も生じ得ない。

一方、放置時間が長くなるとクロスリークした酸素と水素とが反応することにより、燃料極側の水素ガスが完全に消費され、燃料極側の酸素濃度が徐々に上昇していくこととなる（放置時間ｔ１１〜ｔ１２）。そして、燃料極側の酸素濃度が或る程度高くなった場合（放置時間ｔ１２〜）において、起動時において水素ガスを燃料極側に供給すると式（１）の反応が顕著となり劣化を引き起こしてしまう。

このように、燃料電池システム１では、放置時間が短い段階（放置時間０〜ｔ１２）では劣化抑制制御を行う必要がなく、放置時間が長いとき（放置時間ｔ１２〜）にのみ劣化抑制制御を行えばよいこととなる。故に、放置時間が所定時間ｔ１２以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間ｔ１２未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行うことで、起動時における燃料電池スタック１０の劣化を抑制すると共に、起動時間の長期化を抑制することができる。なお、上記の所定時間ｔ１２は、燃料電池スタック１０の燃料極側および酸化剤極側のそれぞれに流入する空気量から定められるものであり、燃料極側および酸化剤極側のそれぞれに流入する空気量から予め所定時間ｔ１２を定めておくことで、劣化抑制制御の実行と非実行とを正確に決定することができる。

また、制御装置９０は、劣化抑制制御を行うか否かを放置時間によってのみ決定するだけでなく、以下の３つの基準をもとに劣化抑制制御を行うか否か判断する構成となっている。まず、１つ目について説明する。

図３は、最低セル電圧と放置時間との相関を示す図である。なお、図３において縦軸は最低セル電圧であり、横軸は放置時間である。同図に示すように、放置時間０〜ｔ２１の段階では、燃料極側において水素ガスが存在するため、最低セル電圧は正の値を示す。これに対し、放置時間が長くなると、上記したように燃料極側で水素が不足し、時刻ｔ２１以降では転極が生じる。転極時には燃料極側において水素ガスが不足し酸素が混入していることから、システム起動の際に燃料極側に水素ガスを供給すると、式（１）の反応が生じる。故に、本実施形態において制御装置９０は、最低のセル電圧が負である場合（すなわち転極が発生している場合）には、放置時間が所定時間ｔ１２未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。すなわち、図２および図３に示す例において、制御装置９０は、放置時間ｔ１２以降だけでなく、放置時間ｔ１１〜ｔ１２の間においても劣化抑制制御を実行し、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制するようにしている。

次に、２つ目の基準について説明する。図４は、燃料電池スタック１０の総電圧と放置時間との相関を示す図である。なお、図４において縦軸は燃料電池スタック１０の総電圧であり、横軸は放置時間である。本実施形態の燃料電池システム１では放電抵抗８３を備えるため、図４に示すように、システム停止後から燃料電池スタック１０の電圧が放電されることとなる。このため、燃料電池スタック１０の電圧は、一定時間ｔ３２を掛けて零ボルトまで低下することとなる。この放電によって燃料極側の水素と酸化剤極側の酸素とが消費されることとなる。故に、システム停止後に燃料電池スタック１０の電圧を放電させて零ボルトまで低下させる場合であっても、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下まで低下していないときには（放置時間０〜ｔ３１）、未だ燃料極側に水素が存在し酸化剤極側に空気が存在することを示し、この状態で燃料電池システム１を起動しても式（１）による劣化反応は生じないこととなる。逆に、放置時間が所定時間ｔ１２未満であったとしても、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下まで低下している場合（放置時間ｔ３１〜）には、式（１）の反応によって劣化が生じないこととなる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、スタック電圧が所定電圧以下まで低下している場合に劣化抑制制御を実行することで、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制するようにしている。

次に、３つ目の基準について説明する。図５は、燃料電池スタック１０の燃料極側圧力と放置時間との相関を示す図である。なお、図５において縦軸は燃料電池スタック１０の燃料極側圧力であり、横軸は放置時間である。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、システム停止時に燃料極側の圧力を、大気圧から所定圧力だけ減じた規定圧力未満とする。その後、制御装置９０は、圧力センサ８１により燃料極側の圧力を監視する。

ここで、システム停止時に燃料極側の圧力を規定圧力未満としても、燃料電池システム１を放置すれば徐々に燃料極側に空気が流入し、最終的には大気圧付近まで戻ることとなるが、放置時間が短い場合（放置時間０〜ｔ４１）には、燃料極側の圧力は規定圧力未満を維持する。この規定圧力未満を維持している場合、燃料極側にはそれほど空気が流入しておらず、未だ燃料極側に水素ガスを存在していると考えられ、式（１）による劣化は生じないと考えられる。

一方、システム停止時に規定圧力未満としても、放置時間が長くなった場合（放置時間ｔ４１〜）には、燃料極側の圧力が規定圧力以上となる。このとき、燃料極側は空気で満たされていると考えられ、式（１）による劣化反応が生じると考えられる。よって、システム起動時に燃料極側の圧力が規定圧力以上である場合、放置時間が所定時間ｔ１２未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。これにより、例えば、燃料電池システム１の長期の使用により燃料電池スタック１０の燃料極側への空気の流入量が多くなってしまったとしても、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制することができる。

なお、上記の規定圧力は、大気圧付近の圧力であることが望ましい。大気圧付近の圧力とすることにより、燃料極側が空気で満たされている状態をより正確に判断することができるためである。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池システム１の停止時から起動時にかけての詳細動作を示すフローチャートである。

図６に示すように、制御装置９０は、燃料電池スタック１０の燃料極側圧力を規定圧力未満まで低下させて、燃料電池システム１を停止させる（ＳＴ１）。停止完了後、制御装置９０は放置時間の計測を開始する。（ＳＴ２）。その後、制御装置９０は、燃料電池システム１の起動要求があったか否かを判断する（ＳＴ３）。燃料電池システム１の起動要求がなかったと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、起動要求があったと判断されるまで、この処理を繰り返すこととなる。

一方、燃料電池システム１の起動要求があったと判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、制御装置９０は、放置時間が所定時間未満であるか否かを判断する（ＳＴ４）。ここで、放置時間が所定時間未満でないと判断した場合（ＳＴ４：ＮＯ）、すなわち放置時間が所定時間以上である場合、燃料極側が空気で満たされている可能性があり、水素ガスを供給したときに水素フロントの存在によって式（１）の反応が生じると考えられる。このため、処理はステップＳＴ９に移行し、制御装置９０は、劣化抑制制御を実行する。

また、放置時間が所定時間未満であると判断した場合（ＳＴ４：ＹＥＳ）、制御装置９０は、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧を超えるか否かを判断する（ＳＴ５）。燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧を超えないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、すなわち燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下である場合、燃料極側の水素が消費され、後に燃料極側に水素ガスを供給したときに水素フロントの存在によって式（１）の反応が生じると考えられる。このため、処理はステップＳＴ９に移行し、制御装置９０は、劣化抑制制御を実行する。

他方、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧を超えると判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、制御装置９０は、最低セル電圧が「０」以上であるか否かを判断する（ＳＴ６）。最低セル電圧が「０」以上でないと判断した場合（ＳＴ６：ＮＯ）、すなわち最低セル電圧が「０」未満である場合、転極が発生していることから式（１）の反応が生じると考えられる。このため、処理はステップＳＴ９に移行し、制御装置９０は、劣化抑制制御を実行する。

最低セル電圧が「０」以上であると判断した場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、制御装置９０は、燃料極側の圧力が規定圧力未満であるか否かを判断する（ＳＴ７）。燃料極側の圧力が規定圧力未満でないと判断した場合（ＳＴ７：ＮＯ）、すなわち燃料極側の圧力が規定圧力以上である場合、燃料極側に空気が多く流入して燃料極側の圧力が大気圧付近まで戻ったと考えられる。このため、処理はステップＳＴ９に移行し、制御装置９０は、劣化抑制制御を実行する。

一方、燃料極側の圧力が規定圧力未満であると判断した場合（ＳＴ７：ＹＥＳ）、制御装置９０は、通常の起動制御を行う（ＳＴ８）。そして、図６に示す処理は終了する。なお、通常の起動制御とは、特開２００５−１７４８５５号公報に記載の起動方法など、公知の起動方法である。

また、ステップＳＴ９〜ＳＴ１２にかけて、制御装置９０は劣化抑制制御を行う。すなわち、制御装置９０は、制御弁２３を開ける（ＳＴ９）。これにより、燃料極側への水素ガスの供給を開始する。なお、この水素ガスの供給の際、制御装置９０は、コンプレッサ５１を起動せず、且つ酸化剤極側排出弁６２を閉じ、燃料電池スタック１０の酸化剤極側を密閉状態とする。さらに、制御装置９０は、燃料極側排出弁３２を閉じておく。また、この際に制御装置９０は、循環ポンプ４２を駆動させておくことが望ましい。

次いで、制御装置９０は、電流取出装置７０を制御して、燃料電池スタック１０から電流を取り出す（ＳＴ１０）。そして、燃料電池システム１は、この状態で一定時間待機する（ＳＴ１１）。これにより、上記式（１）の反応を抑制してカーボン等の劣化を抑制する。また、この際に制御装置９０は燃料極側への水素ガスの供給を始めたら速やかに電流を取り出すことが望ましい。あるいはスタック電圧が発生したら電流を取り出すような構成にしてもよい。

その後、制御装置９０は、コンプレッサ５１を起動して酸化剤極側に空気を供給する（ＳＴ１２）。この際、制御装置９０は、燃料極側排出弁３２を開け、不要なガスを排出して燃料極側の水素ガス濃度を上昇させる。その後、図６に示す処理は終了する。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、計測された放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行う。ここで、式（１）による反応は、燃料極側および酸化剤極側に酸素が存在する状態で、燃料極側に水素ガスが供給されることによって生じる。燃料電池システム１は、放置されると酸化剤極側の酸素が燃料極側にクロスリークしてくるが、放置時間が短い段階では酸化剤極側の酸素が燃料極側にクロスリークしても、燃料極側に水素ガスが存在しているため、クロスリークした酸素と水素とが反応して水が生成される。このため、放置時間が短い段階では燃料極側に酸素は存在しないこととなる。一方、放置時間が長くなるとクロスリークした酸素と水素とが反応することにより、燃料極側の水素ガスが完全に消費され、燃料極側の酸素濃度が上昇していくこととなる。故に、放置時間が所定時間以上となる場合に劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行うことで、起動時における燃料電池スタック１０の劣化を抑制すると共に、起動時間の長期化を抑制することができる。

また、所定時間は、燃料電池スタック１０の燃料極側および酸化剤極側のそれぞれに流入する酸化剤ガス量から定められる。このため、燃料極側および酸化剤極側に酸素が存在する状態で水素ガスが供給されて式（１）の反応が起こる状態であるか否かを判断するための所定時間を正確に決定することができる。これにより、劣化抑制制御の実行と非実行とを正確に決定することができる。

また、複数セルの電圧のうち最低のセル電圧が負であるときには、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。ここで、複数セルの電圧のうち最低のセル電圧が負である場合、負の電圧を有するセルについては転極が生じており、燃料極で水素が欠乏し酸素が存在していると考えられることから、燃料電池システム１の起動時に水素ガスを供給すると式（１）の反応が生じると言える。従って、最低のセル電圧が負であるときには、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行することで、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制することができる。

また、システム停止時に燃料極側の圧力を、大気圧から所定圧力だけ減じた規定圧力未満とし、システム起動時に燃料極側の圧力が規定圧力以上である場合、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。ここで、システム停止時に燃料極側の圧力を規定圧力未満としても、燃料電池システム１を放置すれば徐々に燃料極側に空気が流入し、最終的には大気圧付近まで戻ることとなる。このため、システム停止時に規定圧力未満とした場合であっても、システム起動時に規定圧力以上となっているときには、燃料極側に多くの空気が流入し燃料極側が空気で満たされていると考えられ、燃料電池システム１の起動時に水素ガスを供給すると式（１）の反応が生じると言える。よって、システム起動時に燃料極側の圧力が規定圧力以上である場合、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行することで、例えば、燃料電池システム１の長期の使用により燃料電池スタック１０の燃料極側への空気の流入量が多くなってしまった場合などにおいても、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制することができる。

また、システム停止後に燃料電池スタック１０の電圧を放電させて零ボルトまで低下させる放電抵抗８３を有し、システム起動時に燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下である場合には、放置時間が所定時間未満であったとしても劣化抑制制御を実行する。ここで、システム停止後に燃料電池スタック１０の電圧を放電させ、一定時間かけて零ボルトまで低下させる場合であっても、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下まで低下していないときには、未だ燃料極側に水素が存在し酸化剤極側に空気が存在する状態であるといえる。すなわち、システム停止後に燃料電池スタック１０の電圧を放電させることにより燃料極側の水素と酸化剤極側の酸素とを消費することとなるが、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下まで低下していない場合は、水素と酸素とを消費しきっていないと言える。このため、この状態で燃料電池システム１を起動しても式（１）による劣化反応は生じないこととなる。逆に、放置時間が所定時間未満であったとしても、燃料電池スタック１０の電圧が所定電圧以下まで低下している場合には、燃料極側および酸化剤極側が空気で満たされている場合があり、起動時に燃料極側に水素ガスを供給すると、式（１）の反応によって燃料電池スタック１０の劣化を招くこととなる。従って、スタック電圧が所定電圧以下まで低下している場合に劣化抑制制御を実行することで、起動時における燃料電池スタック１０の劣化をより適切に抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、燃料ガスを水素ガスとし、酸化剤ガスを酸素（空気）とし、白金等の触媒をカーボンにて担持した燃料電池スタック１０を例に説明したが、これに限らず、式（１）のような反応が発生し得る燃料電池スタック１０であれば、他の構成であってもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料極側および酸化剤極側における酸素濃度と放置時間との相関を示す図である。 最低セル電圧と放置時間との相関を示す図である。 燃料電池スタックの総電圧と放置時間との相関を示す図である。 燃料電池スタックの燃料極側圧力と放置時間との相関を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの停止時から起動時にかけての詳細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
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系
２１…高圧水素タンク
２２…水素ガス供給配管
２３…制御弁
３０…燃料極側排出系
３１…燃料極側排出配管
３２…燃料極側排出弁
４０…循環系
４１…循環配管
４２…循環ポンプ
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ
５２…空気供給配管
６０…酸化剤極側排出系
６１…酸化剤極側排出配管
６２…酸化剤極側排出弁
７０…電流取出装置
８１…圧力センサ（圧力検出手段）
８２…電圧センサ（最低セル電圧検出手段）
８３…放電抵抗（放電手段）
９０…制御装置（計測手段、制御手段）

Claims (4)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前回のシステム停止から今回のシステム起動までの放置時間を計測する計測手段と、
   燃料電池スタックを構成する複数セルの電圧のうち、最低のセル電圧を検出する最低セル電圧検出手段と、
   前記燃料電池スタックの両極に前記酸化剤ガスが存在するときに、前記燃料極に燃料ガスを供給することにより生じる触媒層の劣化を抑制する劣化抑制制御を実行する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記計測手段により計測された放置時間が所定時間以上となる場合に前記劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に前記劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行い、前記最低セル電圧検出手段により検出された最低セル電圧が負であるときには、前記放置時間が所定時間未満であったとしても前記劣化抑制制御を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前回のシステム停止から今回のシステム起動までの放置時間を計測する計測手段と、
   前記燃料極側の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記燃料電池スタックの両極に前記酸化剤ガスが存在するときに、前記燃料極に燃料ガスを供給することにより生じる触媒層の劣化を抑制する劣化抑制制御を実行する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記計測手段により計測された放置時間が所定時間以上となる場合に前記劣化抑制制御を実行し、該放置時間が所定時間未満である場合に前記劣化抑制制御を実行せずにシステム起動を行い、システム停止時に前記燃料極側の圧力を、大気圧から所定圧力だけ減じた規定圧力未満とし、システム起動時に前記燃料極側の圧力が前記規定圧力以上である場合、前記放置時間が所定時間未満であったとしても前記劣化抑制制御を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記所定時間は、前記燃料電池スタックの燃料極側および酸化剤極側のそれぞれに流入する酸化剤ガス量から定められることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかにに記載の燃料電池システム。
4. 前記劣化抑制制御は、システム起動時に酸化剤極側に酸化剤ガスを供給せず、燃料極側に燃料ガスを供給したうえで、燃料電池スタックから電流を取り出し、その後酸化剤極側に酸化剤ガス供給する制御であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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