(57)【要約】【課題】燃料電池停止後の保管時に燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって生じる触媒の劣化を防止する。【解決手段】  本発明は、燃料電池の作動停止時に、燃料ガス又は酸化剤ガスのいずれか一方のガスの供給を停止するとともに電力消費手段（２）を接続し、供給停止によって燃料電池内に残留するガスが他方のガスとの反応によって消費されてから他方のガスの供給を停止するように制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含んだ燃料ガスが供給される燃料極と酸素を含んだ酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池において、
前記燃料極と前記酸化剤極との間を接続することで前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの反応によって発生する電力を消費する電力消費手段と、
前記燃料電池の作動停止時に、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスのいずれか一方のガスの供給を停止するとともに前記電力消費手段を接続し、供給停止によって前記燃料電池内に残留するガスが他方のガスとの反応によって消費されてから他方のガスの供給を停止するように制御する停止制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記停止制御手段は、前記燃料電池の作動停止時に前記燃料ガスの供給を停止するとともに前記電力消費手段を接続し、前記燃料電池内に残留する前記燃料ガスが前記酸化剤ガスとの反応によって消費されてから前記酸化剤ガスの供給を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記停止制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下になったとき前記酸化剤ガスの供給を停止する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記停止制御手段は、前記燃料電池の作動停止時に前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに前記電力消費手段を接続し、前記燃料電池内に残留する前記酸化剤ガスが前記燃料ガスとの反応によって消費されてから前記燃料ガスの供給を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記停止制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下になったとき前記燃料ガスの供給を停止する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池の作動停止時に予測される停止時間が所定時間以上であるか否かを判定する停止時間判定手段を備え、
前記停止制御手段は、前記燃料電池の作動停止時に予測される停止時間が所定時間以上であるとき、前記燃料電池の作動停止時に前記燃料ガスの供給を停止するとともに前記電力消費手段を接続し、前記燃料電池内に残留する前記燃料ガスが前記酸化剤ガスとの反応によって消費されてから前記酸化剤ガスの供給を停止するように制御し、前記燃料電池の作動停止時に予測される停止時間が所定時間未満であるとき、前記燃料電池の作動停止時に前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに前記電力消費手段を接続し、前記燃料電池内に残留する前記酸化剤ガスが前記燃料ガスとの反応によって消費されてから前記燃料ガスの供給を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池の作動停止時に予測される停止時間が所定時間未満であった後に、前記燃料電池の作動停止時からの実停止時間が前記所定時間以上となったか否かを判定する実停止時間判定手段を備え、
前記停止制御手段は、前記燃料電池の作動停止時からの実停止時間が前記所定時間以上となったとき、前記燃料ガスの供給を停止した状態及び前記電力消費手段を接続した状態で、前記酸化剤ガスを供給し前記燃料電池内に残留する前記燃料ガスが前記酸化剤ガスとの反応によって消費されてから前記酸化剤ガスの供給を停止するように制御する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記停止制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下になったとき前記酸化剤ガスの供給を停止する、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の停止制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極と酸化剤極とを有しており、燃料極に供給される水素を含んだ燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとが化学反応することで発電を行う。例えば溶融炭酸塩型燃料電池においては、酸化剤極側の反応に二酸化炭素が必要となるので、燃料極側の排ガスは燃料処理装置で燃焼させて熱回収を行った後、凝縮器で水を分離してから炭酸ガスとして酸化剤極側へ供給される。
【０００３】
これにより、燃料電池停止時に酸化剤極側の圧力は急速に減少するのに対して、燃料極側では燃料ガスの圧力が燃料処理装置及び凝縮器を経てから開放されるので急速には減少しない。よって、燃料極側の圧力と酸化剤極側の圧力との間に差圧が発生し、この差圧が許容値を超えるおそれがある。
【０００４】
そこで、燃料電池が停止してから一定時間酸化剤極側に酸化剤ガスを供給することにより燃料極側と酸化剤極側との差圧を許容値以下に抑制することができる技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平８−４５５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし上記従来の技術では、燃料極側と酸化剤極側との差圧を許容値以下に抑制することを目的として燃料電池停止後の一定時間だけ酸化剤極側に酸化剤ガスを供給するので、燃料電池停止後の保管時に燃料極側に残留した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって触媒が劣化するおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池停止後の保管時に燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって生じる触媒の劣化を防止することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、水素を含んだ燃料ガスが供給される燃料極と酸素を含んだ酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有する燃料電池において、燃料極と酸化剤極との間を接続することで燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発生する電力を消費する電力消費手段（２）と、燃料電池の作動停止時に、燃料ガス又は酸化剤ガスのいずれか一方のガスの供給を停止するとともに電力消費手段（２）を接続し、供給停止によって燃料電池内に残留するガスが他方のガスとの反応によって消費されてから他方のガスの供給を停止するように制御する停止制御手段（Ｓ１０３〜Ｓ１１０）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池停止後の保管時に燃料極に残留する燃料ガスと燃料極に混入してくる酸化剤ガスとの反応を抑制することができるので、触媒層の劣化を防止して耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態における燃料電池を示す全体構成図である。本実施形態における燃料電池は、燃料電池スタック１と、放電装置２と、コントローラ３とを備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１は、燃料極と酸化剤極とを有するセルを集合化して構成されている。燃料電池スタック１には、燃料ガスを供給する燃料入口配管４及び反応後のガスを排出する燃料出口配管５が燃料極側に接続され、酸化剤ガスを供給する酸化剤入口配管６及び反応後のガスを排出する酸化剤出口配管７が酸化剤極側に接続される。また、燃料入口配管４には燃料を供給するための燃料用ブロアー８が接続され、燃料電池スタック１との間に燃料の供給を遮断するための遮断弁９が備えられる。さらに、燃料出口配管５には燃料の排出を遮断するための遮断弁１０が備えられる。同様に、酸化剤入口配管６には酸化剤を供給するための酸化剤用ブロアー１１が接続され、燃料電池スタック１との間に酸化剤の供給を遮断するための遮断弁１２が備えられる。また、酸化剤出口配管７には酸化剤を遮断するための遮断弁１３が備えられる。このように燃料電池スタック１は、燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを化学反応させることで発電を行う。
【００１３】
放電装置２（電力消費手段）は、燃料極と酸化剤極との間でスイッチ１４と電気導線１５とを介して電気的に接続された放電用抵抗である。放電装置２は、燃料電池の作動停止時にスイッチ１４を閉状態にすることで燃料極に残留する燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの反応によって発生する電力を消費する。
【００１４】
コントローラ３は、燃料電池の作動停止時に燃料電池の停止時間を予測し、予測した停止時間に基づいて放電装置２のスイッチ１４、燃料用ブロワー８、酸化剤用ブロワー１１、遮断弁９、１０、１２、１３を信号ケーブル１６を介して制御する。
【００１５】
次に、コントローラ３で行う制御について図２を参照しながら説明する。図２は本実施形態における燃料電池停止時の制御を示したフローチャートである。
【００１６】
ステップＳ１０１では、燃料電池の停止時間を予測する。停止時間とは、燃料電池の作動停止時から次回起動するまでの時間であり、例えば時間帯などに基づいて予測される。なお、燃料電池の作動停止時とは例えば燃料電池が搭載される車両の状態を運転者のキー操作によって運転状態から停止状態にした時である。
【００１７】
ステップＳ１０２では、予測した停止時間が所定時間以上か否かを判定する。予測した停止時間が所定時間以上であればステップＳ１０３へ進み、予測した時間が所定時間未満であればステップＳ１０７へ進む。所定時間は、燃料電池停止時に燃料極側の配管に酸化剤ガスが混入して酸化剤ガスの濃度が所定の濃度（例えば３％）になるまでに要する時間に設定される。これにより、停止時間が所定時間よりも長く、酸化剤ガスの濃度が所定の濃度に達する可能性があるときはステップＳ１０３に進み、所定の濃度に達する可能性がないときはステップＳ１０７に進むことになる。なお所定時間は、燃料電池スタック１のシールや弁のシールによって異なるので使用する燃料電池に応じて予め実験などによって求めておく。
【００１８】
予測した停止時間が所定時間以上と判定されるときに実行されるステップＳ１０３以降では、燃料電池内の燃料ガスを消費する処理を行う。これは、燃料電池停止後に燃料極に混入する酸化剤ガスの濃度が上昇し、残留する燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって触媒が劣化しないように、燃料電池内の燃料ガスの濃度を下げるためである。
【００１９】
ステップＳ１０３以降の処理について説明すると、ステップＳ１０３では、燃料ガスの供給を停止させる。燃料ガスの供給は、燃料用ブロアー８を停止して流量がゼロになった後に、遮断弁９、１０を閉弁することで停止させる。
【００２０】
ステップＳ１０４では、放電装置２のスイッチを閉状態にする。これにより、燃料極に残留する燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの反応によって燃料極と酸化剤極との間に発生する電力を消費させる。
【００２１】
ステップＳ１０５では、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さいか否かを判定する。放電装置２の電圧が所定電圧より小さければステップＳ１０６へ進み、放電装置２の電圧が所定電圧以上であれば再度ステップＳ１０５へ進む。ここで所定電圧とは、燃料電池スタック１の内部の燃料ガスがほぼ完全に消費されたときの燃料電池スタック１の電圧であり、予め実験などによって求めておく。また、燃料電池スタック１の電圧は燃料電池スタック１に設けた電圧センサで検出してもよいし、放電装置２に印加される電圧として検出してもよい。
【００２２】
ステップＳ１０６では、酸化剤ガスの供給を停止させる。酸化剤ガスの供給は、酸化剤用ブロアー１１を停止して流量がゼロになった後に、遮断弁１２、１３を閉弁することで停止させる。
【００２３】
一方、ステップＳ１０２において予測した停止時間が所定時間未満であるときに実行されるステップＳ１０７以降では、酸化剤ガスを消費する処理を行う。これは、予測した停止時間が所定時間未満であると判定されたときは燃料極における酸化剤ガスの濃度が所定の濃度以上となる前に燃料電池が起動されるので燃料電池保管時に触媒の劣化は生じないが、次回起動時に燃料極において燃料ガスと酸化剤ガスとが直接反応することにより触媒の劣化を生じるおそれがあり、燃料極に酸化剤ガスが混入しないように酸化剤ガスを消費させる必要があるからである。
【００２４】
ステップＳ１０７以降の処理について説明すると、ステップＳ１０７では、酸化剤ガスの供給を停止させる。酸化剤ガスの供給は、酸化剤用ブロアー１１を停止して流量がゼロになった後に、遮断弁１２、１３を閉弁することで停止させる。
【００２５】
ステップＳ１０８では、放電装置２のスイッチ１４を閉状態にする。これにより、酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応によって燃料極と酸化剤極との間に発生する電力を消費させる。
【００２６】
ステップＳ１０９では、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さいか否かを判定する。燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さければステップＳ１１０へ進み、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧以上であれば再度ステップＳ１０９へ進む。ここで所定電圧とは、燃料電池スタック１の内部の酸化剤ガスがほぼ完全に消費されたときの燃料電池スタック１の電圧であり、予め実験などによって求めておく。
【００２７】
ステップＳ１１０では、燃料ガスの供給を停止させる。燃料ガスの供給は、燃料用ブロアー８を停止して流量がゼロになった後に、遮断弁９、１０を閉弁することで停止させる。
【００２８】
ステップＳ１１１では、実停止時間が所定時間以上経過したか否かを判定する。実停止時間が所定時間以上経過していればステップＳ１１２へ進み、実停止時間が所定時間未満しか経過していなければステップＳ１０１へ進む。実停止時間とは燃料電池の作動停止時から現在までに経過した時間である。また、所定時間はステップＳ１０２で使用した所定時間である。すなわち、燃料極における酸化剤ガスの濃度が所定の濃度以上となることが予測され、前もって燃料電池内の酸化剤ガスを消費しておく必要があると判断される時間である。
【００２９】
ステップＳ１１２では、酸化剤ガスの供給を開始する。酸化剤ガスの供給は、遮断弁１２、１３を開弁して酸化剤用ブロアー１１を作動させることで開始させる。
【００３０】
ステップＳ１１３では、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さいか否かを判定する。燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さければステップＳ１１４へ進み、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧以上であれば再度ステップＳ１１３へ進む。ここで所定電圧とは、燃料電池スタック１の内部の燃料ガスがほぼ完全に消費されたときの燃料電池スタック１の電圧であり、予め実験などによって求めておく。
【００３１】
ステップＳ１１４では、酸化剤ガスの供給を停止させる。酸化剤ガスの供給は、酸化剤用ブロアー１１を停止して流量がゼロになった後に、遮断弁１２、１３を閉弁することで停止させる。
【００３２】
以上の制御をまとめて作用を説明する。本実施形態における燃料電池においては、燃料電池の作動停止時から次回起動するまでの時間を予測する。予測された時間が所定時間以上であれば燃料ガスの供給を停止して、燃料極に残留する燃料ガスを酸化剤極に供給される酸化剤ガスと反応させることで消費させる。このとき、燃料極と酸化剤極との間で発生する電力は放電装置２によって消費する。これにより燃料ガスが消費されて、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さくなれば酸化剤ガスの供給を停止させる。酸化剤ガスの供給停止後、燃料極近傍の燃料配管は酸化剤極近傍の酸化剤配管よりも低圧になっているので、酸化剤極側の酸化剤ガスが燃料極側に移動する。しかし、燃料ガスは消費されているので酸化剤ガスと燃料ガスとが反応することはなく、両極が酸化剤ガスによって満たされる。
【００３３】
また、予測された時間が所定時間未満であれば酸化剤ガスの供給を停止して、酸化剤極に残留する酸化剤ガスを燃料極に供給される燃料ガスと反応させることで消費させる。このとき、燃料極と酸化剤極との間で発生する電力は放電装置２によって消費する。これにより酸化剤ガスが消費されて、放電装置２の電圧が所定電圧より小さくなれば燃料ガスの供給を停止させる。燃料ガスの供給停止後、燃料極に移動してくる酸化剤ガスはないので、燃料電池の次回起動時に燃料極において燃料ガスと酸化剤ガスとが直接反応することを防止することができる。またこの状態で実際の停止時間が所定時間以上となったとき、停止していた酸化剤ガスの供給を開始する。これにより燃料ガスが消費されて、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧より小さくなれば酸化剤ガスの供給を停止させる。
【００３４】
以上のように本実施形態では、燃料電池の停止時に予測された停止時間が所定時間以上であるときには、燃料ガスの供給を停止させ燃料極と酸化剤極との間で発生した電力を放電装置２によって消費することで燃料極に残留する燃料ガスを消費する。これにより、燃料電池停止時及び停止後の保管時において燃料極に混入する酸化剤ガスと燃料ガスとの反応を抑制して触媒層の劣化を防止することができる。よって、燃料電池の耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００３５】
また、燃料電池の停止時に予測された停止時間が所定時間未満であるときには、酸化剤ガスを停止させ燃料極と酸化剤極との間で発生した電力を放電装置２によって消費することで酸化剤極に残留する酸化剤ガスを消費する。これにより、次回起動時に燃料極において燃料ガスと酸化剤ガスとが直接反応することを抑制して、触媒の劣化を防止することができる。
【００３６】
さらに、燃料電池の停止時に予測された停止時間は所定時間未満であったが、その後所定時間以上経過した場合には、燃料ガスを停止させた状態で酸化剤ガスを供給し、燃料極と酸化剤極との間で発生した電力を放電装置２によって消費することで燃料極に残留する燃料ガスを消費する。これにより、燃料電池の実際の停止時間が停止時に予測した停止時間以上経過したときでも、燃料電池停止後の保管時において燃料極に混入する酸化剤ガスと燃料ガスとの反応を抑制して触媒層の劣化を防止することができる。よって、燃料電池の耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００３７】
さらにまた、燃料ガス又は酸化剤ガスが消費されたことを燃料電池スタック１の電圧に基づいて判定してから酸化剤ガス又は燃料ガスの供給を停止させるので、燃料ガス又は酸化剤ガスを確実に消費させることができ、燃料電池保管時の酸化剤ガスと燃料ガスとの反応をより確実に抑制して触媒層の劣化を防止することができる。
【００３８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００３９】
本実施形態では、燃料電池の停止時間を時間帯に基づいて予測しているが、これに限定されることなく例えば、ＧＰＳナビゲーションシステムからの情報によって予め設定された駐車場からの距離を判定し、駐車場に近い場所での停止であれば停止時間は長期であると予測してもよい。さらに、学習機能を搭載することで日常的に停止する位置情報から停止時間が長期であると予測してもよい。さらにまた、運転者が入力するスイッチを設けて、停止時間が長期であるときに運転者がスイッチをＯＮにすることで停止時間が長期であると判定してもよい。さらにまた、これらの判断手段を組み合わせて停止時間が長期であると予測してもよい。これらの各種判断手段を用いることにより停止時間をより精度良く判断することができるので、それだけ触媒の劣化を防止して燃料電池の耐久性及び信頼性をさらに向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態では燃料用ブロワー８及び遮断弁９並びに酸化剤用ブロワー１１及び遮断弁１２はそれぞれ別々に設けられているが、燃料用ブロワー８に遮断弁９の機能を、酸化剤用ブロワー１１に遮断弁１２の機能をそれぞれ備えた構成としてもよい。これにより、装置をより簡素化することができる。
【００４１】
さらに、本実施形態では燃料電池停止時に予測される停止時間が所定時間以上となるか否かを判定して、この判定結果に応じて消費させるガスの種類を変えているが、制御の簡略化のために停止時間の判定を行わず燃料電池停止時は常に燃料ガスを消費させる（ステップＳ１０３〜Ｓ１０６）ようにしてもよいし、同様に常に酸化剤ガスを消費させる（ステップＳ１０７〜Ｓ１１０）ようにしてもよい。
【００４２】
さらにまた、本実施形態では燃料電池停止時に予測される停止時間が所定時間未満であって酸化剤ガスを消費させた後に、燃料電池の作動停止時からの実停止時間が所定時間以上となったときは、燃料ガスを消費させるように制御しているが、制御の簡略化のために燃料電池の作動停止時からの実停止時間が所定時間以上となった後の制御（ステップＳ１１１〜Ｓ１１４）は省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による燃料電池を示す全体構成図である。
【図２】本発明における燃料電池停止時の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池スタック
２  放電装置（電力消費手段）
３  コントローラ
４  燃料入口配管
５  燃料出口配管
６  酸化剤入口配管
７  酸化剤出口配管
８  燃料用ブロワー
９  遮断弁
１０  遮断弁
１１  酸化剤用ブロワー
１２  遮断弁
１３  遮断弁
１４  スイッチ
１５  電気導線
１６  信号ケーブル
【図１】
2006134741.tif 000003
【図２】
2006134741.tif 000004