JP2008004319A - 燃料電池システムおよびその運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな部品を追加せずともセル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにする。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、発電停止時、酸素対水素の供給比を通常より低くして運転した後に両極を短絡させる。掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することが好ましい。また、セルスタックの両極間の電圧を測定する電圧測定手段を備え、両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることが好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転停止方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの停止時における処理内容の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このような構成の燃料電池あるいはこれを含む燃料電池システムに関しては、運転を停止してから次の運転を開始するまでの放置状態の間、カソードにおいて異常電位が生じるといった事態を回避することが望まれている。そこで、このような事態を回避するべく、燃料電池システムの停止時に各セルを短絡させるといった処理技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１７７７０号公報

しかしながら、運転停止処理の際、上述のように各セルを短絡させると、当該短絡時に過大な電流が流れうる点で問題がある。このような問題を回避するための手段としては例えば各セルの短絡回路に値の大きな抵抗を設けるといったものがあるが、新たな部品の追加が必要になるという点では必ずしも好ましい手段ではない。

そこで、本発明は、新たな部品を追加せずともセル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにした燃料電池システムおよびその運転停止方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば、通常発電時と同様のガス組成での開路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）のようにセル電圧が高い状態から直接短絡すると、アノード側では水素、カソード側では酸素が当該短絡時に急減に反応し、この結果として過大な電流が流れることになる。この点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわち過大な電流が流れない状態を形成することについての着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、発電停止時、酸素対水素の供給比を通常より低くして運転した後に両極を短絡させることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、運転停止指令を受けた場合に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、前記セルスタックの両極間の電圧を低下させ、その後、前記短絡手段を用いて前記セルスタックの両極を短絡させることを特徴としている。

燃料電池システムにおける運転停止処理時、停止時に各セルを短絡させるといった処理技術が利用されているのは上述したとおりであるが、このように単純にセルを短絡させると過大な電流が流れる場合がある。この点、本発明においては運転停止命令を受けた後に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転する、つまりはいわゆるエアストイキ比を下げて運転することとし、これによって正極と負極との電位差を小さくさせる。そして、セル電圧の低下後、セルスタックの両極を短絡させる。すなわち、本発明においてはセル短絡に先立ってセル電圧を低下させる処理を実施し、その後でセルスタックの両極を短絡させることとしているから、短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能である。

しかも、本発明は運転停止時における新たな停止処理手順を構築することで過大な電流を効果的に抑えることを実現しているものであるから、短絡回路に値の大きな抵抗を設けるなど新たな部品を追加するような必要がないという利点もある。したがって、現状ないしは既存の設備においても容易に適用することが可能である。

この場合、掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することが好ましい。掃引されている電流に対して化学量論比よりも低い（エアストイキ比が１よりも低い）酸素もしくは空気を供給して運転することにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。

また、上述のごとき燃料電池システムは、前記セルスタックの両極間の電圧を測定する電圧測定手段を備え、両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させるものであることが好ましい。同様に、上述のごとき燃料電池システムの運転方法においては、前記セルスタックの両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることが好ましい。セル電圧を低下させる処理の実施後、電圧が所定値以下になったことを検出ないしは確認してから両極を短絡することによれば過大な電流が流れるのをより確実に抑制することができる。

本発明によれば、新たな部品を追加せずともセル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル２と、該セル２を積層してなるセルスタック３と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、セルスタック３の出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段４と、を備えたシステムとして構成されているものである。本実施形態の燃料電池システム１００は、運転停止指令を受けた場合に、セルスタック３に対して供給される燃料ガスと酸化ガスにおける酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、セルスタック３の両極間の電圧を低下させ、その後、短絡手段４を用いてセルスタック３の両極を短絡させるようにしている。

以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成、ならびに燃料電池１を構成するセル２の構成について説明し、その後、セル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにするための構成について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御手段としての制御部７００と、を備えている。

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている（図３参照）。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０（図２においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。

排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、図２に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は順次積層されてセル積層体を構成している（図３参照）。また、このように形成されたセル積層体は、例えばその両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

なお、このようなセル２等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図２においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図２参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されたいわゆるメタルセパレータである。この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されていることが好ましい。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図２参照）。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

燃料電池１の構成について簡単に説明すると以下のとおりである（図３等参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数の単セル２を積層したセル積層体を有し、セル積層体の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図３参照）。このようなセル積層体はテンションプレート９によって積層状態で拘束されている。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体の両側に対向するように配置されている。また、弾性力によってセル積層体に圧縮力を作用させるための弾性モジュールがさらに設けられている。弾性モジュールは、セル積層体が熱膨張もしくは熱収縮し、あるいは両者を繰り返しているような場合にも変化を吸収しつつ荷重を作用させ続けるようにするための部材であり、例えば本実施形態の場合には、互いに並列に配置される複数の弾性体（図示省略）、該複数の弾性体をセル２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート１２等で構成されている（図３参照）。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１００において、セル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにした構成について説明する（図４等参照）。

本実施形態の燃料電池システム１００においては、当該燃料電池１の運転停止中はセルスタック３の両極を短絡して同電位としておき、これによって放置状態の間に異常電位が生じるのを回避することとしている。また、運転停止指令を受けた場合には、酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、セルスタック３の両極間の電圧を低下させ、その後、短絡手段４を用いてセルスタック３の両極を短絡させるようにしている。具体的には、本実施形態においてはこのように酸素対水素の供給比を通常時より低くするにあたり掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くすることとしている。掃引されている電流に対して化学量論比よりも低い（つまり、エアストイキ比が１よりも低い）酸素供給量とすることにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。

上述のような運転停止時の処理を実現するための構成は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態では、酸化ガスのバイパス弁１１８や短絡手段４を用いて運転停止時の処理を実施することとしている（図１、図４等参照）。

酸化ガスのバイパス弁１１８は、燃料電池１に対する酸化ガスの供給量を必要に応じて減らすことを可能とするもので、酸素対水素の供給比を必要に応じて適宜減ずることを可能としている。例えば本実施形態の場合には、酸化ガスの供給路１１１と酸化オフガスの排出路１１２とを接続するバイパス１１７を設けるとともに、供給路１１１とバイパス１１７の分岐点に設けた三方弁をバイパス弁１１８として用いている（図１参照）。このバイパス弁１１８は、制御部７００の制御信号を受けて弁を開閉させ、燃料電池１側へのガス流量とバイパスさせるガス流量とを適宜変化させる。

短絡手段４は、燃料電池１の運転停止命令が発せられた場合にセルスタック３の両極を短絡させるための手段として設けられている。このような短絡手段４は、単に両極を短絡させるための部材によって構成することができるし、あるいは例えばセル電圧をセンシングするためのセルモニタといった他部材を利用して構成することもできる。ここでは、後者のようにセルモニタを利用して構成した短絡手段４（以下、セルモニタ４とも表現する）を例示する（図４参照）。

図４に示すセルモニタ４は積層された各セル２の発電状況を検出するために設けられているもので、各セル２に対応して設けられている端子４１、これら端子４１を各セル２の一部（例えばセパレータ２０）に接続するためのセルモニタケーブル４２を備えている。また、各端子４１は、それぞれに制限抵抗４３とリレー４４とが直列的に接続され、尚かつこれら制限抵抗４３とリレー４４を介して接続された状態となっている。なお、本実施形態の場合には、奇数番目に位置する端子４１どうしが接続され、複数番目に位置する端子４１どうしが接続されており、いわば複数の端子４１が１つおきに接続された状態となっている（図４参照）。なお、符号４５はコンデンサ、符号４６は別のリレーである。また、符号ＰＢは当該セルモニタ４の基板である。

続いて、燃料電池１の運転停止時における処理の内容についてフローチャートを用いて以下に説明する（図５参照）。

まず、燃料電池１に対する運転停止命令があった場合には（ステップ１においてＹｅｓ）、発電停止の直前にエアストイキ比を１以下にした状態で短時間運転する（ステップ２）。例えば本実施形態の場合には、バイパス弁１１８やコンプレッサ１１４などで構成される酸化ガス供給流量を制御する制御手段と、調圧弁１２７やポンプ１２４などで構成される燃料ガス供給流量を制御する制御手段とをそれぞれ制御部７００により制御し、酸素対水素の供給比を通常の運転時よりも低くした状態とする。なお、運転停止命令は例えばユーザがイグニッションスイッチをオフにする操作時に発せられる。

このように酸素対水素の供給比が通常運転時よりも低くなった場合、エアストイキ比１以下の状態、つまりは燃料ガスに対する酸化ガスの量が相対的に足りない状態となる。こうした場合、燃料電池１内での化学反応が通常運転時ほどは行われなくなる結果、セルスタック３の両端間の電圧が低下することになり、セル電圧が低下して正極と負極の電位差が小さくなる。また、好ましくは酸素供給量を掃引電流に対応する化学量論比よりも低くする（エアストイキ比を１よりも低くする）ことにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。

続いて、電圧測定手段を用いてセルスタック３の両極間の電圧を測定する。本実施形態では上述したセルモニタ４の端子４１を用いて両極間の電圧が所定値以下になったかどうかを判定する（ステップ３）。

セルスタック３の両極間の電圧が所定値以下になった場合には（ステップ３でＹｅｓ）、短絡手段によってセルスタック３の出力端子の正極および負極を短絡させる（ステップ４）。本実施形態では、上述したセルモニタ４における各リレー４４を閉じて所定のセル２どうしを短絡させる（図４参照）。

ここまで説明したように、セル電圧を低下させる処理を実施してからセルスタック３の両極を短絡するようにした本実施形態の燃料電池システム１によれば、短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することができる。しかも、一般的にセルモニタ４に利用する線は細いため電圧が高い状態で短絡すると溶断するおそれがあるが、本実施形態では両極間の電圧が所定値以下になったことを検出ないしは確認してから短絡するから、短絡時に利用するセルモニタケーブル４２といった線が溶断するようなこともない。

また、本実施形態では運転停止時における新たな停止処理手順ないしは手法を構築することで過大な電流を効果的に抑えることを実現しており、通常セル電圧をセンシングするのに用いるセルモニタ４（端子４１やリレー４４などを含む）の内部回路を利用して短絡回路を構成しているだけであるから、ハードの追加やロジック等の大きな変更を伴うことなくセルスタック３の短絡を実施することが可能となっている。したがって、現状ないしは既存の設備において適用することが可能であり、種々の抵抗といった他の部品等（ハード）を追加する必要がない。

加えて、本実施形態によれば以下のような作用効果も得られる。すなわち、一般に、カソードへの酸化ガスの供給が十分であれば（エアストイキ比が１を超えている状態）、酸素、水素イオンおよび電子から水が生成されるが、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比が１以下の状態）、不足する酸化ガス量に応じ、水素イオンと電子が再結合して水素（ポンピング水素）が生成される反応が生じる。したがって、本実施形態のように運転停止時において酸素対水素の供給比を通常より低くした運転を実施すると、カソードとアノードの両極がほぼ水素で満たされた状態となりうる。このような状態とした場合、電位差が小さくなって両極がほぼ同電位となるから、このような状況と相まって短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能である。なお、これとは逆にアノード側に酸化ガスを供給して満たすような処理を行うとカーボン素材が酸化してしまうといった劣化現象が避け難いのに対し、本実施形態のように水素で満たしたような状態とすればこのような劣化現象を抑えることができ、例えば再始動時において異常電位が少ないという利点もある。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、短絡手段として利用するセルモニタ４として複数の端子４１が１つおきに接続された構成のものを例示したがこれは一例に過ぎず、他の構成のセルモニタ４を利用することももちろん可能である。他の例を挙げれば、セルスタック３の正極と負極とを短絡するような短絡手段であってもよいし、これのみならず１セルずつ短絡するような短絡手段であってもよい。後者のように１セルずつ短絡するような短絡手段であれば、短絡時に流れる電流を各回路に分けて負担させることができるし、短絡状態下での各セル２の電位をスタック全体として平均化することもできる。

本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。 本実施形態のおける燃料電池のセルスタックの構成を示す斜視図である。 短絡手段を構成するセルモニタの回路を概略的に示す図である。 燃料電池の運転停止時における処理の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セルスタック、４…セルモニタ（短絡手段、電圧測定手段）、１００…燃料電池システム、７００…制御部（制御手段）

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   発電停止時、酸素対水素の供給比を通常より低くして運転した後に両極を短絡させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記セルスタックの両極間の電圧を測定する電圧測定手段を備え、両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、
   運転停止指令を受けた場合に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、
   前記セルスタックの両極間の電圧を低下させ、
   その後、前記短絡手段を用いて前記セルスタックの両極を短絡させる
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
5. 掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転停止方法。
6. 前記セルスタックの両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システムの運転停止方法。
   
   
   

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