(57)【要約】【課題】簡単な工程で、複数の燃料電池の放電処理を良好に遂行するとともに、電極触媒の劣化を可及的に阻止することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０の起動方法は、所定数の燃料電池２０毎に放電抵抗７０を接続する工程と、酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスを供給する一方、燃料ガス流路３４に燃料ガスを供給する工程と、前記所定数の燃料電池２０毎にセル電圧を検出する工程と、検出された前記セル電圧に基づいて、開閉スイッチ６８の開閉作用下に各放電抵抗７０の切断又は接続を行う工程とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックを備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で、運転停止される燃料電池システムの起動方法であって、
各燃料電池毎又は所定数の燃料電池毎に放電抵抗を接続する工程と、
前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する工程と、
前記各燃料電池毎又は前記所定数の燃料電池毎にセル電圧を検出する工程と、
検出された前記セル電圧に基づいて、各放電抵抗の切断又は接続を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
請求項１記載の起動方法において、検出された前記セル電圧が負になった際、前記放電抵抗を切断することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の起動方法において、前記燃料電池スタックは、積層方向一端側に少なくとも前記燃料ガスを供給するマニホールドを設け、
積層方向他端側に配置される前記燃料電池の電圧が負になった際、前記放電抵抗を切断することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックを備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で、運転停止される燃料電池システムの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒が劣化するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されてい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は、図６に示すように、燃料電池スタック１を備えており、前記燃料電池スタック１には、水素タンク２から燃料として水素が供給されるとともに、前記燃料電池スタック１から排出される未使用の水素は、循環ポンプ３を介して該燃料電池スタック１に循環供給されている。燃料電池スタック１の出力は、電力切替器４を介して負荷（図示せず）に繋がれる一方、前記電力切替器４を介して放電抵抗５ａ、５ｂに切り替えて繋がるように構成されている。
【０００６】
そして、システム停止時には、制御装置６により停止信号が検知されると、燃料電池スタック１の水素供給を停止し、前記燃料電池スタック１の出力を電力切替器４によって切り替え、放電抵抗５ａに接続している。さらに、放電抵抗を放電抵抗５ａから放電抵抗５ｂに切り替えることにより、残留水素濃度が略０％になるまで放電が継続して行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４５１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、燃料電池スタック１に放電抵抗５ａ、５ｂが接続されている。具体的に、図７に示すように、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池１ａが積層されており、前記燃料電池１ａは、ＭＥＡ７の両側に酸化剤ガス流路８ａ及び燃料ガス流路８ｂが設けられている。
【０００９】
燃料電池スタック１の燃料電池１ａの積層方向一端側には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスマニホールド９ａと、燃料ガスを供給する燃料ガスマニホールド９ｂとが設けられている。そこで、酸化剤ガスマニホールド９ａから各燃料電池１ａの酸化剤ガス流路８ａに酸化剤ガスが供給される一方、燃料ガスマニホールド９ｂから各燃料電池１ａの燃料ガス流路８ｂに燃料ガスが供給されている。
【００１０】
上記の特許文献１では、複数の燃料電池１ａの積層方向両端に、すなわち、前記複数の燃料電池１ａを一括して放電抵抗５ａ、５ｂが接続され、放電を行っている。
【００１１】
しかしながら、特に、燃料ガスマニホールド９ｂ側とは反対側（反マニホールド側）に配置されている燃料電池１ａでは、ガスマニホールド側の燃料電池１ａに比べて燃料ガスの供給が遅延してしまう。このため、反マニホールド側の燃料電池１ａは転極（セル電圧が負）するおそれがあり、アノード側電極が酸化により劣化するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、複数の燃料電池の放電処理を良好に行うとともに、電極触媒の劣化を可及的に阻止することが可能な燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックを備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で、運転停止される燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【００１４】
この起動方法は、各燃料電池毎又は所定数の燃料電池毎に放電抵抗を接続する工程と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する一方、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する工程と、前記各燃料電池毎又は前記所定数の燃料電池毎にセル電圧を検出する工程と、検出された前記セル電圧に基づいて、各放電抵抗の切断又は接続を行う工程とを有している。
【００１５】
また、この起動方法は、検出されたセル電圧が負になった際、放電抵抗を切断することが好ましい。
【００１６】
さらに、燃料電池スタックは、積層方向一端側に少なくとも燃料ガスを供給するマニホールドを設け、積層方向他端側に配置される燃料電池の電圧が負になった際、放電抵抗を切断することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、各燃料電池毎又は所定数の燃料電池毎にセル電圧を検出し、検出された前記セル電圧に基づいて、各放電抵抗の切断又は接続が行われている。このため、起動時に、燃料電池の転極を確実に阻止することができ、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。
【００２０】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を矢印Ａ方向に積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード側電極２４とアノード側電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体２８を備え、前記電解質膜・電極構造体２８を一対のセパレータ３０ａ、３０ｂで挟持する。
【００２１】
カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２２】
電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ａとの間には、カソード側電極２４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３２が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ｂとの間には、アノード側電極２６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３４が形成される。
【００２３】
燃料電池スタック１２の積層方向一端部（マニホールド側）には、エンドプレート３５ａが配設される。このエンドプレート３５ａには、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路３４に供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａとが形成される。
【００２４】
燃料電池スタック１２の積層方向他端部（反マニホールド側）には、エンドプレート３５ｂが配置される。このエンドプレート３５ｂには、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、燃料ガスを燃料ガス流路３４から排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂとが形成される。なお、燃料電池スタック１２内には、各燃料電池２０間又は複数の燃料電池２０毎に冷却媒体を流す冷却媒体流路（図示せず）が設けられる。
【００２５】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ４０を備え、前記エアコンプレッサ４０が空気供給流路４２に配設される。空気供給流路４２には、必要に応じてバルブ４４が配設されるとともに、前記空気供給流路４２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに連通する。
【００２６】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する空気排出流路４６を備える。この空気排出流路４６には、エアコンプレッサ４０から空気供給流路４２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能なバルブ（背圧制御弁）４８が設けられる。
【００２７】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素供給流路５２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３８ａに連通する。この水素供給流路５２には、バルブ５４とエゼクタ５６とが設けられる。水素供給流路５２と空気供給流路４２とは、連結流路５８を介して連通可能であり、この連結流路５８には、バルブ６０が配設される。
【００２８】
燃料ガス出口連通孔３８ｂには、オフガス流路６２が連通する。オフガス流路６２には、水素循環路６４が連通するとともに、前記水素循環路６４は、エゼクタ５６に連通する。オフガス流路６２には、燃料ガスを外部に排出する際に開放されるパージ弁６５が配設される。
【００２９】
エゼクタ５６は、水素タンク５０から供給される水素ガスを、水素供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６４から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００３０】
燃料電池スタック１２には、所定数の燃料電池２０毎に放電回路６６が設けられる（図２参照）。各放電回路６６は、開閉スイッチ６８と放電抵抗７０とを備える。放電回路６６は、コントローラ１８により制御される。このコントローラ１８は、各燃料電池２０のセル電圧を検出するとともに、各放電回路６６が接続される燃料電池ブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧を検出する。
【００３１】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の第１の実施形態に係る起動方法との関連で、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３２】
燃料電池システム１０の運転停止時には、後述するように、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４が、酸化剤ガス（以下、空気ともいう）により満たされている。
【００３３】
そこで、コントローラ１８に、燃料電池システム１０の起動信号（例えば、イグニッションＯＮ信号）が入力されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、各放電回路６６を開閉する開閉スイッチ６８が閉じられる（スイッチＯＮ）。
【００３４】
そして、酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６が駆動されて、燃料電池スタック１２に空気及び燃料ガスが供給される（ステップＳ３）。具体的には、バルブ６０が閉塞される一方、バルブ４４、５４が開放される。このため、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３２に供給される。
【００３５】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５０から水素供給流路５２に燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料電池スタック１２内の燃料電池２０に設けられている燃料ガス流路３４に供給される。
【００３６】
これにより、カソード側電極２４に供給される空気と、アノード側電極２６に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。
【００３７】
各燃料電池２０のセル電圧は、コントローラ１８により検出されており、このコントローラ１８は、各放電回路６６が接続される燃料電池ブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧を検出する。
【００３８】
次いで、ステップＳ５に進んで、検出された平均セル電圧又は最低セル電圧が、正であるか否かが判断される。いずれかの燃料電池ブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧が、負であると判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、この燃料電池ブロック７２に接続される放電回路６６の開閉スイッチ６８が開放される（スイッチＯＦＦ）。このため、起動時に、燃料電池２０に転極が発生することを確実に防止することができ、簡単な工程で、アノード側電極２６を構成する電極触媒の劣化を可及的に阻止することが可能になる。
【００３９】
ここで、燃料電池スタック１２では、複数の燃料電池２０が矢印Ａ方向に積層されている。反マニホールド側であるエンドプレート３５ｂ側に配置される燃料電池２０では、マニホールド側であるエンドプレート３５ａ側に配置される燃料電池２０に比べ、燃料ガス流路３４に供給される燃料ガスに遅れが発生し易い。このため、エンドプレート３５ｂ側に配置されている燃料電池２０では、燃料ガスの供給遅れによる転極が発生し易い。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、所定数の燃料電池２０毎に放電回路６６が設けられるとともに、各燃料電池２０のセル電圧がコントローラ１８により検出されている。従って、検出されたセル電圧が負となる燃料電池２０を含む燃料電池ブロック７２では、該燃料電池ブロック７２に接続されている放電回路６６の開閉スイッチ６８を開放させることにより、前記燃料電池２０の転極を有効に阻止することができる。
【００４１】
その際、全ての燃料電池２０のセル電圧を検出する必要はなく、例えば、積層方向略中央部からエンドプレート３５ｂ側に配置されている燃料電池２０のセル電圧を検出するだけでよい。燃料ガス供給遅れによる転極は、エンドプレート３５ｂ側の燃料電池２０に発生し易いからである。
【００４２】
一方、ステップＳ５において、検出された平均セル電圧又は最低セル電圧が正であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、全ての放電回路６６を構成する開閉スイッチ６８が閉じられる。
【００４３】
さらに、ステップＳ８に進んで、各燃料電池ブロック内の平均セル電圧又は最低セル電圧が閾値（例えば、０．２Ｖ〜０．８Ｖ）であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、各放電回路６６を構成する開閉スイッチ６８が開放される。これにより、燃料電池システム１０は、通常発電運転となり、所望の負荷に電力を供給することができる。
【００４４】
ところで、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には、図１に示すように、バルブ５４が閉塞されるとともに、バルブ６０が開放される。このため、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に供給される空気は、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３２に供給される一方、一部が連結流路５８を通って水素供給流路５２から前記燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路３４に供給される。従って、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４は、空気によりパージされて燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００４５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム８０を構成する燃料電池スタック１２及び放電回路８２の説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
燃料電池システム８０を構成する燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０毎に放電回路８２が設けられる。コントローラ１８は、各燃料電池２０のセル電圧を検出するとともに、各放電回路８２を構成する開閉スイッチ６８の開放制御を行う。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、図５に示すフローチャートに沿って起動される。
【００４８】
先ず、コントローラ１８に、燃料電池システム８０の起動信号が入力されると（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進んで、各放電回路８２を構成する開閉スイッチ６８が閉塞される。
【００４９】
さらに、燃料電池スタック１２に燃料ガス及び空気が供給されるとともに（ステップＳ１３）、コントローラ１８は、各燃料電池２０のセル電圧を検出する（ステップＳ１４）。そして、コントローラ１８では、各燃料電池２０毎のセル電圧を閾値（例えば、０．２Ｖ〜０．８Ｖ）と比較し、該セル電圧が閾値を超えていると判断された（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）燃料電池２０は、ステップＳ１６に進んで、開閉スイッチ６８が開放されることにより、放電処理が終了する。
【００５０】
これにより、第２の実施形態では、各燃料電池２０毎にセル電圧を検出するとともに、各燃料電池２０に接続される放電回路８２毎に、開閉スイッチ６８の開閉操作が行われている。従って、各燃料電池２０毎に所望の放電処理が効率的且つ確実に遂行され、燃料電池システム８０全体の起動性が良好に向上するという効果が得られる。
【００５１】
なお、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様に、各燃料電池２０のセル電圧が正であるか否かを判断し（ステップＳ５参照）、セル電圧が負であると判断された燃料電池２０では、開閉スイッチ６８を開閉することによって、該燃料電池２０の転極による電極触媒の劣化を阻止するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタック及び放電回路の説明図である。
【図３】前記起動方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムを構成する燃料電池スタック及び放電回路の説明図である。
【図５】前記起動方法を説明するフローチャートである。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【図７】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、８０…燃料電池システム        １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ                  ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極                ２８…電解質膜・電極構造体
３０ａ、３０ｂ…セパレータ          ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路                  ４０…エアコンプレッサ
４２…空気供給流路                  ４６…空気排出流路
５０…水素タンク                    ５２…水素供給流路
５６…エゼクタ                      ６２…オフガス流路
６６、８２…放電回路                ６８…開閉スイッチ
７０…放電抵抗                      ７２…燃料電池ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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