(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池スタックに関し、発電を停止させることなく反応ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止できるようにする。【解決手段】  反応ガスの供給状態を燃料電池スタック２を構成するセル（＃１〜＃６）毎に判定する。判定の結果、一部のセル（＃３）において反応ガスの供給が不足していると判断された場合には、短絡スイッチ１０によって当該セル（＃３）のカソードとアノードとを短絡させ、他のセル（＃１，＃２，＃４，＃５，＃６）から電気的に切り離す。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜型の燃料電池スタックにおいて、
反応ガスの供給状態を前記燃料電池スタックを構成するセル毎に判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足していると判断された場合に、当該セルのカソードとアノードとを短絡させる短絡手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記判定手段は、各セルのセル電圧と所定の基準電圧とを比較し、セル電圧が基準電圧以下になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記判定手段は、各セルのセル温度と所定の基準温度とを比較し、セル温度が基準温度以上になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記短絡手段は、当該セルのカソードとアノードとを短絡させてから所定の基準時間が経過した時点で短絡を解除し、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が続いていると判断される場合には、再び当該セルのカソードとアノードとを短絡させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルが積層された固体高分子膜型の燃料電池スタックに関し、特に、反応ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止するのに有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、複数のセルが積層された燃料電池スタックとして使用される。各セルは、膜電極接合体をその両側から導電性のセパレータで挟むことによって構成されている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、もう一方の面にカソード電極が接合された構造を有している。アノード電極に水素を含む燃料ガスが供給され、カソード電極に酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、セパレータ間に電位差が発生する仕組みになっている。
【０００３】
燃料電池スタックの両端部には、積層されたセルを両側から挟みこむためのエンドプレートが設けられている。一方のエンドプレートには、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給管がそれぞれ接続されている。燃料電池スタックへ供給された各反応ガス（燃料ガス及び酸化ガスを総称して反応ガスという）は、それぞれ燃料電池スタック内に形成されたマニホールドを介して各セルへ分配される。
【０００４】
各セルへ分配される反応ガスの量はセル間で均一であることが望ましい。しかし、発電に伴いセル内で生成された水によってセル内のガス流路が閉塞され、一部のセルにおいて反応ガスの供給量が不足する場合がある。また、氷点下からの冷間始動時には、前記の生成水がガス流路内で凍結して氷になり、この氷によってガス流路が閉塞されてしまう可能性がある。このように何等かの原因によって一部のセルで反応ガスの供給量が不足した場合、次のような問題が発生するおそれがある。
【０００５】
あるセルで燃料ガスの供給量が不足した場合、当該セルは燃料電池として機能することができない。このとき、他のセルが正常に働いていると、当該セルは外部から電圧を印加される状態になってアノード電極で電子を放出する反応が強制される。その結果、アノード電極がカソード電極よりも高電位となる負電圧が発生し、以下のような異常な反応が起こってしまう。
（カーボンの酸化反応）Ｃ＋２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
（Ｐｔの溶出反応）Ｐｔ  →  Ｐｔ2+＋２ｅ-
その他、発生する熱によって電解質膜に穴を開ける反応も起こる。これらの異常な反応は膜電極接合体を劣化させて当該セルを破損させてしまう。
【０００６】
また、あるセルで酸化ガスの供給量が不足した場合にも、当該セルは燃料電池として機能することができない。この場合は、当該セルのカソード電極で水素が生成される水素ポンプ現象が起こる。この水素ポンプ現象は、アノード電極側から電解質膜を通ってカソード電極側に移動した水素イオンが、酸化ガスの不足によって酸素と結合することができず、電子のみと再結合することによる。このとき発生するジュール熱やカソード電極上での酸素と水素の直接反応による燃焼熱によって当該セルの温度は上昇し、その結果、膜電極接合体の熱劣化を招いてしまう。
【０００７】
以上のように、一部のセルで反応ガスの不足が生じた場合、そのまま燃料電池スタックの運転を続行していると、当該セルを破損させてしまう可能性がある。そして、一部のセルの破損が燃料電池スタック全体の発電能力の低下を招く場合もある。このため、燃料電池スタックを用いたシステムの運用上、反応ガスの不足の検知と、反応ガスの不足を検知した後の対策が必要となる。例えば特許文献１には、セル毎に電圧を検出して異常の発生を検知し、異常が検知された場合には、燃料電池スタックの運転を停止させることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９６号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９６３６号公報
【特許文献３】特開平１１−２３３１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、セルの破損は防止できるものの、セルの交換等、再起動のための処理が完了するまでは、燃料電池スタックによる発電は停止されたままとなる。この間、燃料電池スタックから電力供給対象へ電力を供給することはできない。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発電を停止させることなく反応ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止できるようにした燃料電池スタック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】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、固体高分子膜型の燃料電池スタックにおいて、
反応ガスの供給状態を前記燃料電池スタックを構成するセル毎に判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足していると判断された場合に、当該セルのカソードとアノードとを短絡させる短絡手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記判定手段は、各セルのセル電圧と所定の基準電圧とを比較し、セル電圧が基準電圧以下になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴としている。
【００１２】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記判定手段は、各セルのセル温度と所定の基準温度とを比較し、セル温度が基準温度以上になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴としている。
【００１３】
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記短絡手段は、当該セルのカソードとアノードとを短絡させてから所定の基準時間が経過した時点で短絡を解除し、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が続いていると判断される場合には、再び当該セルのカソードとアノードとを短絡させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足しているときには、当該セルのカソードとアノードとが短絡されることにより、当該セルは燃料電池スタックから電気的に切り離される。これにより、当該セルを除いた残りのセルを用いて発電を続行することができるとともに、当該セルの破損を防止することができる。
【００１５】
反応ガスのうち燃料ガスの供給が不足すると、セルの電圧は大きく低下する。第２の発明によれば、燃料ガスの供給が不足しているセルを検知することでき、燃料ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止することができる。
【００１６】
反応ガスのうち酸化ガスの供給が不足すると、セルの温度は上昇する。第３の発明によれば、酸化ガスの供給が不足しているセルを検知することでき、酸化ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止することができる。
【００１７】
また、第４の発明によれば、反応ガスが不足しているセルを短絡させてから基準時間が経過した時点で一旦短絡が解除されることで、当該セルにおける反応ガスの供給不足が解消している場合には、それ以降は当該セルも含めて発電を行うことができるので、燃料電池スタックの出力不足を防止することができる。一方、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が解消されていない場合には、再びカソードとアノードの短絡が行われるので、当該セルの破損は防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池スタック２は、複数のセル４が一方向に積層されて構成されている。図１では、説明を簡単にするために、６つのセル４から燃料電池スタック２が構成されているものとする。ただし、実際の燃料電池スタックはより多数のセルから構成されている。図１中に示す番号＃１〜＃６は、各セル４の番号である。例えば、＃３は、それが付されたセル４が３番目のセル（第３セル）であることを示している。以下、特定のセル４を他のセル４から区別するときは、当該特定セルの番号＃ｎを用いて第ｎセルと呼ぶ。燃料電池スタック２の電力供給対象である負荷（例えば電動モータ）は、最外の第１セルと第６セルに接続されている。
【００１９】
各セル４は、図示は省略するが、膜電極接合体をその両側から導電性のセパレータで挟むことによって構成されている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、もう一方の面にカソード電極が接合された構造を有している。アノード電極とそれに接するセパレータとの間には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成され、カソード電極とそれに接するセパレータとの間には、酸化ガスが流れる酸化ガス流路が形成されている。また、燃料電池スタック２内には、図示は省略するが、各セル４の燃料ガス流路に燃料ガスを分配するための燃料ガスマニホールドと、各セル４の酸化ガス流路に酸化ガスを分配するための酸化ガスマニホールドが形成されている。
【００２０】
燃料電池スタック２には、セル４の電圧を測定するための電圧モニタ６と、セル４の温度を測定するための温度センサ８が各セル４に取り付けられている。各電圧モニタ６と各温度センサ８は、燃料電池スタック２の運転状態を監視する監視装置２０に接続されている。監視装置２０は、これら電圧モニタ６や温度センサ８からの測定情報に基づき、各セル４の電圧及び温度を監視している。
【００２１】
また、各セル４には、そのアノード側のセパレータとカソード側のセパレータとを短絡させる短絡スイッチ１０が設けられている。各セル４の短絡スイッチ１０は、通常は全てオフにされている（図１に示す状態）。この状態では、第１セルから第６セルまでの６つのセル４が直列に接続された状態で発電が行われる。この場合、各セル４の電圧の総和が、燃料電池スタック２の電圧となる。各セル４の短絡スイッチ１０は監視装置２０に接続されている。監視装置２０は、各短絡スイッチ１０をそれぞれ独立してオン／オフさせることができる。短絡スイッチ１０をオンにすることで、短絡スイッチ１０がオンにされたセル４は他のセル４から電気的に切り離される。図２は、第３セルの短絡スイッチ１０のみをオンにした状態を示している。この状態では、第３セルは他のセル４から電気的に切り離され、残りの第１，第２，第４，第５及び第６セルの電圧の総和が、燃料電池スタック２の電圧となる。他から切り離された第３セル内では、反応ガスの供給にかかわらず各電極上での電気化学反応は停止する。
【００２２】
監視装置２０は、電圧モニタ６で測定されるセル電圧と温度センサ８で測定されるセル温度から各セル４の異常、具体的には、反応ガスの供給不足を検知し、その結果に応じて各セル４の短絡スイッチ１０を制御している。監視装置２０は、図３のフローチャートに示すルーチンに従い短絡スイッチ１０を制御する。図３に示すルーチンは、各セル４について定期的に、或いは所定時期、例えば燃料電池スタック２の起動直後に実行される。
【００２３】
図３に示すルーチンの最初のステップ１００では、電圧モニタ６で測定されるセル電圧が０Ｖ以下か否か、つまり、負電圧が発生しているか否か判定される。判定の結果、負電圧が発生していない場合には、当該セル４は正常であると判断することができる。この場合、短絡スイッチ１０はオフのまま現状維持される（ステップ１１０）。
【００２４】
一方、負電圧が発生している場合には、さらに、電圧モニタ６で測定されるセル電圧が−０．５Ｖ以下か否か、つまり、大きな負電圧が発生しているか否か判定される（ステップ１０２）。燃料ガスに不足が発生した場合、セル電圧は急激に０Ｖを下回る。これに対し、酸化ガスの不足の場合には、セル電圧の低下は小さい。したがって、負電圧が発生したときのセル電圧をある基準値（ここでは一例として−０．５Ｖとしているが、基準値の値はこれには限定されない）と比較することで、負電圧の原因が燃料ガスの不足によるものか否か判断することができる。
【００２５】
ステップ１０２の判定の結果、セル電圧が−０．５Ｖ以下と判定された場合には、当該セル４の短絡スイッチ１０がオンにされる（ステップ１０４）。燃料ガスの不足の場合、異常な化学反応によって膜電極接合体が急激に劣化するため、直ちに当該セル４の発電を停止させる必要があるからである。短絡スイッチ１０をオンにすることで、当該セル４の膜電極接合体での電気化学反応は停止し、燃料ガスが不足した状態で発電を行うことによる膜電極接合体の劣化は防止される。また、発電が停止するのは当該セル４のみであり、他の残りのセル４での発電は継続されるので、燃料電池スタック２から負荷へ電力を供給し続けることができる。
【００２６】
ステップ１０２の判定の結果、電圧モニタ６で測定されるセル電圧が−０．５Ｖより大きい場合には、さらに、ステップ１０６の判定が実行される。ステップ１０６では、温度センサ８により測定されるセル温度が１２０℃以上か否か判定される。負電圧が発生したとき、その電圧値が０Ｖを大きく下回っていない場合には、酸化ガスの供給不足が負電圧の原因と考えられる。しかし、燃料ガスの供給不足の場合と異なり、酸化ガスの供給不足の場合には、膜電極接合体の急激な劣化は生じにくい。このため、膜電極接合体の過度な温度上昇による熱劣化が生じない限りでは、そのまま当該セル４の運転を続行することもできる。本ステップでは、負電圧が発生したときのセル温度をある基準値（ここでは一例として１２０℃としているが、基準値の値はこれには限定されない）と比較することで、膜電極接合体の熱劣化の可能性を判断している。
【００２７】
ステップ１０６の判定の結果、セル温度が１２０℃以上と判定された場合には、当該セル４の短絡スイッチ１０がオンにされる（ステップ１０８）。これにより、当該セル４の膜電極接合体での電気化学反応は停止し、酸化ガスが不足した状態で発電を行うことによる膜電極接合体の熱劣化は防止される。この場合も、発電が停止するのは当該セル４のみであり、他の残りのセル４での発電は継続されるので、燃料電池スタック２から負荷へ電力を供給し続けることができる。一方、ステップ１０６の判定の結果、セル温度が１２０℃未満と判定された場合には、短絡スイッチ１０はオフのまま現状維持され、当該セル４の運転は続行される（ステップ１１０）。
【００２８】
以上のルーチンが各セル４について実行されることで、反応ガスの供給不足が起きているセル４を検知することができるとともに、燃料電池スタック２の発電を停止させることなく、反応ガスの供給不足に起因するセル４の破損を防止することができる。
【００２９】
本実施形態においては、電圧モニタ６、温度センサ８、及び上記ルーチンの実行時の監視装置２０によって、第１の発明の「判定手段」が実現されている。また、短絡スイッチ１０、及び上記ルーチンの実行時の監視装置２０によって、第１の発明の「短絡手段」が実現されている。
【００３０】
なお、現在、反応ガスが不足しているセル４であっても、時間の経過によって反応ガスの不足が解消する場合もある。例えば、生成水によってガス流路が閉塞されることで反応ガスの不足が生じている場合、ガス流路を閉塞していた生成水が反応ガスによって押し流され、これにより反応ガスの流量が回復することがある。また、燃料電池スタック２の起動時、生成水が凍ってできた氷によってガス流路が閉塞されている場合、他のセル４の発電により発生する熱によって氷が融け、これにより反応ガスの流量が回復することがある。以上の例のように、短絡後に反応ガスの流量が回復した場合には、当該セル４の発電を再開しても当該セル４が破損することはない。また、当該セル４の発電を再開することで、高負荷時に燃料電池スタック２の出力が不足することを防止することができる。
【００３１】
そこで、監視装置２０は、反応ガスの供給不足に陥っているセル４を短絡させた後は、図４のフローチャートに示すルーチンに従い短絡スイッチ１０を制御する。図３に示すルーチンは、図３に示すルーチンにより短絡スイッチ１０をオンにされたセル４について実行される。
【００３２】
図４に示すルーチンの最初のステップ２００では、短絡スイッチ１０のオン後、所定の基準時間が経過したか否か判定される。基準時間が経過するまでは、短絡スイッチ１０はオンのまま現状維持される（ステップ２０８）。この間、当該セル４は、反応ガスの不足が生じていない正常なセル４から電気的に切り離され、正常なセル４のみで発電が行われる。
【００３３】
ステップ２００の判定の結果、短絡スイッチ１０のオンから基準時間が経過したときには、短絡スイッチ１０は一旦オフにされる（ステップ２０２）。これにより、当該セル４は再び他のセル４と電気的に接合され、当該セル４の発電が再開される。
【００３４】
次のステップ２０４では、発電再開後の当該セル４のセル電圧及びセル温度が測定され、その測定値に基づいて当該セル４の異常、つまり、反応ガスの供給不足が続いているか否か判定される。ステップ２０６で実行される判定の内容は、図３に示すルーチンで実行される判定、すなわち、ステップ１００，１０２，１０４の内容と同内容である。判定の結果、異常が無い場合、つまり、反応ガスの供給不足が解消している場合には、短絡スイッチ１０はオフのまま現状維持される（ステップ２０８）。これにより、当該セル４の発電による電力も燃料電池スタック２の電力の一部として出力することができ、高負荷時における燃料電池スタック２の出力不足を防止することができる。
【００３５】
一方、ステップ２０４の判定の結果、異常が有る場合、つまり、反応ガスの供給不足が続いている場合には、短絡スイッチ１０は再びオンにされる（ステップ２０６）。これにより、反応ガスが不足した状態で発電を続けることによる当該セル４の破損は防止される。短絡スイッチ１０が再度オンにされることで、当該セル４について再び本ルーチンが実行されることになる。本ルーチンは、当該セル４における反応ガスの供給不足が解消して短絡スイッチ１０がオフにされるまで、繰り返し実行される。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３７】
上記の実施の形態では、各セル４に温度センサ８を備えているが、２つのセル４に対して１つの温度センサ８を配置してもよい。例えば、２つのセル４を一組とし、その隣接するセパレータとセパレータとの間に温度センサ８を配置する。この場合も、電圧モニタ４によるセル電圧の測定値と組み合わせることで、２つのセル４のうち何れのセル４で異常が起きているのか判断することができる。
【００３８】
また、上記の実施の形態では、反応ガスの供給不足が解消するまで図４に示すルーチンを実行するようにしているが、実行回数の上限値を定め、上記ルーチンの実行回数が上限値に達したらその後は、短絡スイッチ１０をオンのまま維持するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおいて一部のセルを短絡させた状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において実行される短絡スイッチの制御のためのルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態において実行される短絡スイッチの制御のためのルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
２  燃料電池スタック
４  セル
６  電圧モニタ
８  温度センサ
１０  短絡スイッチ
２０  監視装置
＃１〜＃６  セル番号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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