(57)【要約】【課題】不活性ガスパージや特別な装置の追加を行う必要なしに、燃料電池システムの停止・保管・起動に伴う燃料電池性能の低下を抑制可能とする。【解決手段】プラント制御部１２は、停止手順として、燃料ガス供給手段５と酸化剤ガス供給手段６による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料ガス上流封入手段８、燃料ガス下流封入手段９、酸化剤ガス上流封入手段１０、酸化剤ガス下流封入手段１１を閉じて、燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池本体１に封入する。保管中は、４つの封入手段８〜１１は閉状態のままとする。起動手順として、燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９を開き、燃料ガス供給手段５による燃料ガスの供給を開始した後、酸化剤ガス上流封入手段１０と酸化剤ガス下流封入手段１１を開き、酸化剤ガス供給手段６による酸化剤ガスの供給を開始することにより、燃料電池本体１を発電開始状態とする。【選択図】図１
2006147550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、および酸化剤ガス流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムの停止、保管、起動を行う方法であって、
停止過程において、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じ、
保管時において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉状態に保ち、
起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した後に、前記酸化剤ガス封入手段を開き、前記酸化剤ガス供給手段による燃料電池本体に対する酸化剤ガスの供給を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項２】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却剤流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムの停止、保管、起動を行う方法であって、
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、および前記冷却剤流路を構成するセパレータとして、多孔質材料からなるセパレータを用いて、
停止過程において、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じ、
保管時において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉状態に保ち、
起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した後に、前記酸化剤ガス封入手段を開き、前記酸化剤ガス供給手段による燃料電池本体に対する酸化剤ガスの供給を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項３】
停止過程において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じた状態で、前記酸化剤極に存在する酸素を前記燃料極に存在する水素で消費させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項４】
停止過程において、前記酸化剤ガス封入手段のみを閉じ、前記燃料ガス封入手段を開いた状態で、前記酸化剤極に存在する酸素を前記燃料極に存在する水素で消費させた後に、燃料ガス封入手段を閉じる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項５】
停止過程において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を開いた状態で、前記酸化剤極に存在する酸素を前記燃料極に存在する水素で消費させた後に、燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段を閉じる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項６】
前記酸化剤極に存在する酸素を前記燃料極に存在する水素で消費させるために抵抗負荷を接続する
ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項７】
停止過程において、前記燃料ガス封入手段を閉じる前の、前記酸化剤極に存在する酸素を前記燃料極に存在する水素で消費させている間における任意の期間に水素を含んだガスを前記燃料極に供給する
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項８】
起動過程において、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した時点で、燃料電池本体の電圧を監視して、予め設定された設定電圧を超えたか否かを検出し、設定電圧を超えた場合には、燃料電池本体を停止させるかまたは警報を発生する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項９】
保管時において、前記燃料極と前記酸化剤極を電気的に短絡させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項１０】
起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した時点で前記燃料極と前記酸化剤極を電気的に短絡させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの停止保管起動方法。
【請求項１１】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、および酸化剤ガス流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムの停止、保管、起動を行うためのプログラムであって、
停止過程において、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じる機能と、
保管時において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉状態に保つ機能と、
起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した後に、前記酸化剤ガス封入手段を開き、前記酸化剤ガス供給手段による燃料電池本体に対する酸化剤ガスの供給を開始する機能
をコンピュータに実現させることを特徴とする燃料電池システムの停止保管起動プログラム。
【請求項１２】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却材流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムの停止、保管、起動を行うためのプログラムであって、
前記燃料電池本体が、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、および前記冷却剤流路を構成するセパレータとして、多孔質材料からなるセパレータを用いた場合に、
停止過程において、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じる機能と、
保管時において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉状態に保つ機能と、
起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した後に、前記酸化剤ガス封入手段を開き、前記酸化剤ガス供給手段による燃料電池本体に対する酸化剤ガスの供給を開始する機能
をコンピュータに実現させることを特徴とする燃料電池システムの停止保管起動プログラム。
【請求項１３】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、および酸化剤ガス流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムにおいて、
下流側の前記燃料ガス封入手段は、逆流を防止する逆流防止型の燃料ガス封入手段であり、
下流側の前記酸化剤ガス封入手段は、逆流を防止する逆流防止型の酸化剤ガス封入手段である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却剤流路を有する燃料電池本体と、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路と冷却剤流路のセパレータが多孔質材料であり、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、および前記冷却剤流路は、多孔質材料からなるセパレータから構成され、
下流側の前記燃料ガス封入手段は、逆流を防止する逆流防止型の燃料ガス封入手段であり、
下流側の前記酸化剤ガス封入手段は、逆流を防止する逆流防止型の酸化剤ガス封入手段である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
前記逆流防止型の燃料ガス封入手段および前記逆流防止型の酸化剤燃料ガス封入手段は、前記燃料電池本体のマニホールドに設けられる
ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、および酸化剤ガス流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムにおいて、
上下流２つの前記燃料ガス封入手段間の容積は、上下流２つの前記酸化剤ガス封入手段間の容積に対して、（酸化剤ガスの酸素濃度）×２／（燃料ガスの水素濃度）より大きい
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却剤流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、および前記冷却剤流路は、多孔質材料からなるセパレータから構成され、
上下流２つの前記燃料ガス封入手段間の容積は、上下流２つの前記酸化剤ガス封入手段間の容積に対して、（酸化剤ガスの酸素濃度）×２／（燃料ガスの水素濃度）より大きい
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスを導入して化学反応により発電を行う燃料電池システムとその停止、保管、起動を行うための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れていることから、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池において、その電気化学反応に用いられる燃料ガスの供給方法としては、水素ボンベあるいは水素吸蔵合金などから水素ガスを供給する場合と、炭化水素系の原燃料を触媒反応によって改質したガスを供給する場合がある。また、酸化剤ガスの供給方法としては、酸素ボンベから酸素ガスを供給する場合と、空気をブロワあるいはコンプレッサなどの手段を用いて供給する場合がある。
【０００４】
一方、燃料電池の運転が停止している時は、窒素などの不活性ガスを封入して保管している。しかし、このように不活性ガスを封入しても、外気である空気が燃料電池のガス流路に浸入し、ある程度の酸素が燃料極および酸化剤極の両極に含まれた状態になっている。例えば、特許文献１においては、このように酸素が燃料極と酸化剤極の両極に含まれた状態で燃料極に水素を含んだ燃料ガスを導入すると、部分電池による腐食反応が起き、電池電圧が低下するという課題が指摘されている。
【０００５】
ここで、図１１を参照して部分電池による腐食反応について説明する。この図１１は、起動時における電池面内での電流の流れを示す図であり、２１は燃料極、２２は酸化剤極、２３はこれら燃料極２１および酸化剤極２２間に存する電解質、２４は燃料ガス流路、２５は酸化剤ガス流路である。
【０００６】
燃料極２１と酸化剤極２２の両極が酸素を含む雰囲気である状態において、水素を含んだ燃料ガスが燃料ガス流路２４に導入されると、燃料入口付近は水素が存在するため水素電位（０Ｖ）であり、燃料出口付近は水素が到達しないため空気電位のままであり、燃料極２１面内には、燃料出口から燃料入口に向かって電位勾配が生じる。
【０００７】
この電位勾配に従って電流が燃料極２１面内に流れると、それを打ち消すように酸化剤極２２面内には逆方向の電流が流れる。この場合、燃料入口部では、水素が次の（１）式のようにプロトンに分解されて、燃料極２１から酸化剤極２２への電流を担う。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-      …（１）
【０００８】
また、燃料出口部では、電流の担い手であるプロトンは、次の（２）式の反応に従って炭素から生成される。この反応により触媒の担持カーボンが消失し、電池性能を低下させる。
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-      …（２）
【０００９】
このため、一般的には、起動時にまず窒素などの不活性ガスを導入して両極の酸素を取り除く、所謂不活性ガスパージを行った後、起動を行っている。
【００１０】
上述した燃料電池の起動方法においては、パージ用不活性ガスとして一般に窒素ガスをボンベから供給しているため、ボンベ交換の手間とランニングコストがかかるという課題があった。特に、一般家庭において使用する場合には、窒素ボンベの交換は避けたいという要求がある。また、自動車用においては、起動時にパージするために、起動時間が長くなるという課題もある。
【００１１】
また、このような部分電池反応を抑制する手段として、前述したように窒素ガスなどで燃料極をパージすることによって燃料極の酸素を除去する方法があるが、たとえ窒素ガスでパージしたとしても、燃料極の触媒層に吸着した酸素を完全に除去することはできないため、部分電池反応が生じて燃料電池の性能が低下する問題がある。
【００１２】
従来、起動停止による電池の劣化を防止する方法としては、特許文献２〜４に示すような方法が提案されている。
【００１３】
特許文献２においては、電池本体の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路に水を封入した状態もしくは加湿された不活性ガスを封入した状態で運転を停止し、保管することを特徴とする固体高分子電解質燃料電池の停止保管方法が記載されている。
【００１４】
特許文献３においては、燃料極に燃料を供給し酸化剤極に空気の供給を停止した状態で抵抗負荷により酸化剤極の酸素を消費した後に、酸化剤極を密閉し酸化剤極の電位を低く保持することで触媒層のカーボンの腐食や触媒の凝集を防止する方法が記載されている。
【００１５】
特許文献４においては、燃料極および酸化剤極の上流と下流に開閉手段を備えることにより、停止時に電池内部へのガスの混入を防止する方法が記載されている。
【特許文献１】米国特許第６５１４６３５号公報
【特許文献２】特許第３２９７１２５号
【特許文献３】特開平６−３３３５８６号公報
【特許文献４】特開２００２−９３４４８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述したような従来の燃料電池システムの停止保管起動方法には、次のような問題がある。
【００１７】
特許文献２の停止保管方法は、固体高分子膜の乾燥防止を念頭に置いており、触媒層に吸着した酸素を除去することが不可能であり、その結果、部分電池反応を防止することができないため、電池性能が劣化してしまう問題がある。
【００１８】
特許文献３の停止方法は、燃料極のみを不活性ガスでパージするため、不活性ガスの消
費量を低減することはできるが、依然として不活性ガスは必要であり不活性ガスボンベ自体を省くことができない。
【００１９】
特許文献４の方法は、酸化剤極のパージを必要とすることから、外部電源やパージガス用配管が必要なため、コスト増の要因となり、またプラントの小型化も困難となる。
【００２０】
本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、不活性ガスパージや特別な装置の追加を行う必要なしに、燃料電池システムの停止・保管・起動に伴う燃料電池性能の低下を抑制可能な燃料電池システムとその停止保管起動方法、停止保管起動プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上記のような目的を達成するために、燃料電池システムの停止過程と起動過程における燃料ガスと酸化剤ガスの停止・供給操作と、燃料電池本体の上下流に設けた燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段の開閉操作の操作手順を限定することにより、燃料極に水素が局所的に欠乏し、かつ、酸化剤極に酸素が存在する状態を回避できるようにしたものである。
【００２２】
本発明の停止保管起動方法は、燃料極、酸化剤極、燃料ガス流路、および酸化剤ガス流路を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体に封入する燃料ガス封入手段と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体に封入する酸化剤ガス封入手段を備えた燃料電池システムの停止、保管、起動を行う方法であって、次のような特徴を有するものである。
【００２３】
すなわち、停止過程において、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉じる。また、保管時において、前記燃料ガス封入手段と前記酸化剤ガス封入手段を閉状態に保つ。そして、起動過程において、前記燃料ガス封入手段を開き、前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した後に、前記酸化剤ガス封入手段を開き、前記酸化剤ガス供給手段による燃料電池本体に対する酸化剤ガスの供給を開始する。
【００２４】
このような操作手順により、停止時においては、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した状態で燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段を閉じることにより、燃料極の水素と酸化剤極の酸素が高分子膜を介して移動して反応した後に、燃料極に水素を残存させることができる。また、保管時においては、燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段を閉状態に保つことにより、燃料極に水素を残存させた状態を保つことができる。そして、起動時においては、燃料ガス封入手段を開いて燃料ガスの供給を開始した後に、酸化剤ガス封入手段を開いて酸化剤ガスの供給を開始することにより、燃料極に水素が確実に存在する状態で酸化剤ガスの供給を開始することができる。
【００２５】
したがって、停止・保管・起動のいずれの操作時においても、燃料極に水素が局所的に欠乏し、かつ、酸化剤極に酸素が存在するという不都合な状態を確実に回避することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明によれば、燃料電池システムの停止過程と起動過程における燃料ガスと酸化剤ガスの停止・供給操作と、燃料電池本体の上下流に設けた燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段の開閉操作の操作手順を限定することにより、不活性ガスパージや特別な装置の追加を行う必要なしに、燃料電池システムの停止・保管・起動に伴う燃料電池性能の低下を抑制可能な燃料電池システムとその停止保管起動方法、停止保管起動プログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２８】
［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２９】
この図１に示すように、第１の実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１を備えており、燃料電池本体１は、燃料極２、酸化剤極３、電池冷却部４を備えている。燃料ガスは、燃料ガス供給手段５から燃料電池本体１の燃料極２へ供給され、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給手段６から燃料電池本体１の酸化剤極３へ供給され、冷却水は冷却水ポンプ７によって電池冷却部へ供給される。
【００３０】
本発明に従い、燃料ガス供給手段５と燃料極２の間に燃料ガス上流封入手段８が、また、燃料極２の下流に燃料ガス下流封入手段９が、それぞれ設置されている。これらの燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９は、燃料電池本体１の燃料ガス系統の上下流を開閉して燃料ガスを燃料電池本体１に封入する。
【００３１】
同様に、酸化剤ガス供給手段６と酸化剤極３の間に酸化剤ガス上流封入手段１０が、また、酸化剤極３の下流に酸化剤ガス下流封入手段１１が、それぞれ設置されている。これらの酸化剤ガス上流封入手段１０と酸化剤ガス下流封入手段１１は、燃料電池本体１の酸化剤ガス系統の上下流を開閉して酸化剤ガスを燃料電池本体１に封入する。
【００３２】
なお、燃料ガス上流封入手段８、燃料ガス下流封入手段９、酸化剤ガス上流封入手段１０、および酸化剤ガス下流封入手段１１は、プラント制御部１２によって制御される。
【００３３】
［作用］
図２は、本実施形態の燃料電池システムによる停止保管起動手順を示すフローチャートである。
【００３４】
この図２に示すように、発電状態から発電停止指令が発せられると（Ｓ１１０のＹＥＳ）、プラント制御部１２は、停止手順として、燃料ガス供給手段５と酸化剤ガス供給手段６による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し（Ｓ１１１）、燃料ガス上流封入手段８、燃料ガス下流封入手段９、酸化剤ガス上流封入手段１０、および酸化剤ガス下流封入手段１１を閉じる（Ｓ１１２）。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスが燃料電池本体１に封入される。停止から起動までの保管中は、４つの封入手段８〜１１は閉状態のままである。
【００３５】
このような停止時から保管時における燃料ガスと酸化剤ガスの封入状態において、燃料極２中の一部の水素は、電解質を介して酸化剤極３へ透過し、逆に、酸化剤極３中の一部の酸素は、電解質を介して燃料極２に透過し、水素と酸素が触媒上で水を生成する反応が起きる。原燃料から水素を取り出す改質器を備えたプラントにおいて、水蒸気改質方式の場合、燃料ガス中の水素濃度は約８０％となる。一方、酸化剤ガスとしては一般的に空気を使用するので、酸化剤ガス中の酸素濃度は約２１％である。
【００３６】
燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９の間の空隙容積は、燃料極ガス流路、燃料極マニホールド、燃料極配管の容積の和で表されるが、ここでは、Ｖ-fuelと定義する。同様に酸化剤ガス上流封入手段８と酸化剤ガス下流封入手段９の間の空隙容積は酸化剤極ガス流路、酸化剤極マニホールド、酸化剤極配管の容積の和で表されるが、ここでは、Ｖ-airと定義する。
【００３７】
この場合に、発電停止直後の燃料極空隙容積中の水素量はＶ-fuel×０．８（＝水素濃度）、酸化剤極空隙容積中の酸素量はＶ-air×０．２１（＝酸素濃度）となる。水素２モルに対し酸素１モルが反応するため、理論的には下式（３）の条件で燃料極の水素と酸化剤極の酸素が高分子膜を介して移動して反応した後、燃料極に水素が残存することになる。
Ｖ-fuel×０．８＞２×Ｖ-air×０．２１      …（３）
（→Ｖ-fuel＞２×Ｖ-air×０．２１／０．８）
【００３８】
実際には、大気中からのバルブや配管の微小リークインやセル積層シールからのリークインがあるため、水素を燃料極に十分かつ長期間残存させるという観点からは、燃料極空隙容積Ｖ-fuelは、酸化剤極空隙容積に対して極力大きくすることが望ましい。またこの場合、燃料極への酸素リークインを抑制するだけでなく、酸化剤極への酸素リークインも同時に抑制することにより、燃料極における水素残存効果を持続させることができる。
【００３９】
次いで、起動手順について説明する。保管状態から起動指令が発せられると（Ｓ１２０のＹＥＳ）、プラント制御部１２は、起動手順としてまず、燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９を開き、燃料ガス供給手段５による燃料ガスの供給を開始する（Ｓ１２１）。その後、酸化剤ガス上流封入手段１０と酸化剤ガス下流封入手段１１を開き、酸化剤ガス供給手段６による酸化剤ガスの供給を開始することにより（Ｓ１２２）、燃料電池本体１は、発電開始状態となる（Ｓ１２３）。なお、電池冷却水については、起動指令から発電開始の任意の間に供給を開始すればよい。
【００４０】
このような一連の停止保管起動手順を実施することにより、停止・保管・起動のいずれの操作においても、「燃料極に水素が局所的に欠乏し、かつ酸化剤極に酸素が存在する」不都合な状態を確実に回避することが可能となる。
【００４１】
［効果］
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの停止過程と起動過程における燃料ガスと酸化剤ガスの停止・供給操作と、燃料電池本体の上下流に設けた燃料ガス封入手段と酸化剤ガス封入手段の開閉操作の操作手順を限定することにより、不活性ガスパージや特別な装置の追加を行う必要なしに、燃料電池システムの停止・保管・起動に伴う燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００４２】
図３は、以上のような本発明の方法による停止保管起動手順と比較例の方法による停止保管起動手順における起動停止回数と電圧の関係を示すグラフである。この図３に示すように、通常のＮ2パージなしの停止保管起動手順の場合、約２０回の起動停止で運転に必要な最低電圧を下回る。また、Ｎ2パージがあっても約５００回の起動停止によって運転に必要な最低電圧を下回る。したがって、週に１回程度以上の間隔で起動停止を行う場合は、Ｎ2パージを実施すれば、運転に必要な最低電圧を１０年程度は維持できるため、約５００回の起動停止起動停止による電圧低下量は問題になるレベルではない。
【００４３】
しかし、家庭向けの燃料電池プラントで通常想定される使い方としては、夜間や外出時に発電を停止するのが普通であるため、１日に１回ないしは２回の起動停止を実施するとになる。この場合、たとえ、Ｎ2パージを使用した停止保管起動手順を採用しても、１年ないしは２年で電池の電圧が低下し、運転ができなくなる。これに対して、本発明による停止保管起動手順法を実施した場合、起動停止回数５００回でもほとんど電圧低下がなく、起動停止による電池電圧低下を抑制する効果は大きい。
【００４４】
［多孔質材セパレータを使用した場合の効果］
また、図１２は燃料電池セパレータに多孔質材料を使用した場合の燃料電池の構成例を示している。この図１２においては、電極３１の両側に燃料ガス流路と酸化剤流路をそれぞれ構成するセパレータおよび冷却剤流路を構成するセパレータとして、いずれも、多孔質材料からなる多孔質材セパレータ、すなわち、燃料ガス流路多孔質材セパレータ３２、酸化剤ガス流路多孔質材セパレータ３３、および冷却剤流路多孔質材セパレータ３４が用いられている。なお、電極３１は、燃料極と酸化剤極を組み込んだ電極複合体である。
【００４５】
固体高分子型燃料電池の場合、多孔質材セパレータは通常の発電時に導入したガスを加湿する機能と、電池反応で生成した余剰水を電極より除去する機能という２つの機能を有している。これらの機能により、多孔質材セパレータ３２〜３４を用いた燃料電池においては、高分子膜への加湿が不要となり、かつ反応生成水によるフラッディングを防止することが可能となる。また、多孔質材セパレータを適用したダイレクトメタノール型燃料電池においては、多孔質材セパレータを介してメタノールを電極へ供給することができる。
【００４６】
このような多孔質材セパレータ３２〜３４を組み込んだ燃料電池において、第１の実施形態の停止保管起動手順を適用した場合の効果を説明する。まず、多孔質材セパレータ３２〜３４を使用しない場合は、停止保管時に燃料極と酸化剤極のガスが消費され、温度も低下するため、燃料極と酸化剤極ともに圧力が低下し、負圧になり、外部から微量の空気がリークインしてくるため、燃料電池内の水素が消費され、本発明の目的である燃料極の水素残存効果がわずかではあるが小さくなる。
【００４７】
これに対して、図１２に示したような多孔質材セパレータ３２〜３４を使用した場合は、停止保管時に燃料極と酸化剤極の圧力が低下しても、冷却剤と燃料極および冷却剤と酸化剤極との圧力差により冷却剤が燃料ガス流路と酸化剤ガス流路に移動するため、燃料極と酸化剤極の圧力低下が緩和される。このため、外部からの空気のリークインを抑制し、燃料極の水素残存効果を持続させることができる。また、圧力の低下が抑制できるため、電池材料の機械的な損傷を緩和する効果もある。
【００４８】
［第１の実施形態の変形例］
図４〜図６は、第１の実施形態における停止保管起動手順のうち、停止手順において、抵抗負荷を接続して酸化剤極の酸素を消費する操作（Ｓ１１３）を含む複数の変形例を示すフローチャートである。以下には、各手順について順次説明する。
【００４９】
図４に示す停止保管起動手順は、停止手順において、燃料ガス供給手段５と酸化剤ガス供給手段６による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し（Ｓ１１１）、燃料ガス上流封入手段８、燃料ガス下流封入手段９、酸化剤ガス上流封入手段１０、および酸化剤ガス下流封入手段１１を閉じた（Ｓ１１２）後、抵抗負荷を接続して酸化剤極の酸素を消費する（Ｓ１１３）。なお、保管状態および起動手順は、図２の停止保管起動手順と同様である。
【００５０】
この図４に示す停止保管起動手順は、主に系統電源異常等により外部電源が消失した場合に有用な手順であり、保管時も抵抗負荷を接続することにより、外部から電池内へ空気が混入した場合でも酸化剤極の電位の上昇を抑制し、部分電池反応による腐食が生じる状態を回避することが可能となる。
【００５１】
また、保管期間が長い場合や電池のシール性が悪い場合は、酸化剤極に空気が混入した状態となることがある。この場合は、酸化剤極に空気を供給する前にもかかわらず燃料極に燃料を導入する時に電池の電圧が上昇し、図１１に示すような部分電池反応が起きる。そこで単セルの場合は燃料導入時に抵抗を接続しておくことで電圧の上昇を抑え、電池の劣化を抑制できる。
【００５２】
ただし、複数の単電池が積層されている場合は、酸化剤極のガス溝内に空気が多く存在している状態で燃料導入時に抵抗を接続していると、複数の単電池間で燃料の導入に時間差がある。そのため、燃料が導入されたセルについては、電圧の上昇が抑えられて部分電池による電池の劣化を抑えることができるものの、燃料の導入が遅れるセルについては、燃料がない状態で電極に電流が強制的に流れるため、燃料欠乏となり、燃料極の腐食を招くことになる。
【００５３】
しかし、本発明のように燃料極２と酸化剤極３をガス封入手段８〜１１により外部空間から遮断している場合は、酸化剤極への空気混入量は限定的なものであり、積層セル間で燃料導入の時間差があってもセル毎の電圧上昇は抑制され、かつ、セル間の電圧分布は非常に小さくなるため、燃料導入時に抵抗を接続しない場合に比較して電池の劣化を抑えることが可能となる。さらに、微量の空気が酸化剤極に混入した状態で燃料導入時に抵抗を接続しない場合は、燃料導入時の電圧上昇により電池が劣化する懸念がある。
【００５４】
また、図５に示す停止保管起動手順は、停止手順において、燃料ガス供給手段５と酸化剤ガス供給手段６による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し（Ｓ１１１）、酸化剤ガス上流封入手段１０と酸化剤ガス下流封入手段１１を閉じた（Ｓ１１２１）後、抵抗負荷を接続して酸化剤極の酸素を消費し（Ｓ１１３）、その後に、燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９を閉じる（Ｓ１１２２）。なお、保管状態および起動手順は、図２の停止保管起動手順と同様である。
【００５５】
電池の劣化を防止するためには、燃料極を水素電位に維持することが重要であるが、この図５に示す停止保管起動手順では、抵抗負荷で酸化剤極の酸素を消費している時は、既に酸化剤ガス封入手段１０，１１が閉じられているので、外部から酸化剤極への空気流入を防ぐことができ、停止操作時の燃料極の水素消費量を低減できるため、保管時の水素残存時間を延ばすことが可能となる。
【００５６】
また、図６に示す停止保管起動手順は、停止手順において、燃料ガス供給手段５と酸化剤ガス供給手段６による燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し（Ｓ１１１）、抵抗負荷を接続して酸化剤極の酸素を消費した（Ｓ１１３）後に、燃料ガス上流封入手段８、燃料ガス下流封入手段９、酸化剤ガス上流封入手段１０、および酸化剤ガス下流封入手段１１を閉じる（Ｓ１１２）。なお、保管状態および起動手順は、図２の停止保管起動手順と同様である。
【００５７】
図６に示す停止保管起動手順と異なり、ガス封入手段を閉じた状態で抵抗負荷により燃料極の水素および酸化剤極の酸素を消費すると負圧になり、そのまま保管状態に移行すると負圧に維持されるので、外部から燃料極および酸化剤極へ空気が流入し、燃料極の水素が消費されてしまう懸念がある。これに対して、図６に示す停止保管起動手順では、保管時の圧力低下が低減され、外部からの空気流入を抑制することが可能となる。
【００５８】
［第２の実施形態］
図７は、本発明を適用した第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態の構成に、燃料リサイクルブロア１３を追加して、燃料極２の出口から排出されるガスを燃料極２の入口側に供給する燃料ガスのリサイクルラインを形成したものである。
【００５９】
このような構成を有する本実施形態の作用は次の通りである。すなわち、抵抗負荷で酸化剤極の酸素を燃料極の水素で消費しているときに、燃料極に十分な水素が存在しない場合は、燃料極の水素欠乏により燃料極または酸化剤極のカーボンが腐食する問題があるので、発電停止後から燃料極のガス封入手段が閉じられるまでの任意の期間に水素を含んだガスを流すことが、劣化防止や保管時の水素残存時間を延ばすことに有効である。
【００６０】
そのため、発電停止時に水素を含んだガスを燃料極に流すことが不可能または困難な場合は、図７に示すように燃料極から排出されるガスを燃料極のガスを燃料リサイクルブロア１３等で循環させておくことによって、配管やマニホールドに残存している水素を燃料極に供給することが可能となる。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、発電停止時に配管やマニホールドに残存している水素を燃料極に供給することにより、燃料極と酸化剤極の劣化を防止でき、保管時の水素残存時間を延ばすことができるという効果が得られる。
【００６２】
［第３の実施形態］
図８は、本発明を適用した第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態の構成に、電池電圧監視手段１４を追加して、起動過程において燃料極へ燃料ガスが導入された場合の電圧を監視するようにしたものである。
【００６３】
図９は、本実施形態の燃料電池システムによる停止保管起動手順を示すフローチャートである。この図９に示す停止保管起動手順は、起動手順において、燃料ガス上流封入手段８と燃料ガス下流封入手段９を開き、燃料ガス供給手段５による燃料ガスの供給を開始した（Ｓ１２１）後、電池電圧監視手段１４により燃料電池本体１の電圧を監視して、予め設定された設定電圧を超えているか否かを検出する（Ｓ１２４）。
【００６４】
そして、電池電圧が設定電圧を超えていない場合（Ｓ１２４のＮＯ）には、次に、酸化剤ガス上流封入手段１０と酸化剤ガス下流封入手段１１を開き、酸化剤ガス供給手段６による酸化剤ガスの供給を開始することにより（Ｓ１２２）、燃料電池本体１を発電開始状態とする（Ｓ１２３）。これに対して、電池電圧が設定電圧を超えた場合（Ｓ１２４のＹＥＳ）には、発電停止指令が発せられた場合（Ｓ１１０のＹＥＳ）と同様に、停止手順を行うかあるいは警報を発生する。なお、停止手順および保管状態は、図２の停止保管起動手順と同様である。
【００６５】
すなわち、燃料導入時に燃料極に水素が存在しない場合、部分電池反応による腐食が生じ電池が劣化する。燃料極に水素が存在しない原因としては電池本体のシール性が低下し外部から空気が酸化剤極もしくは燃料極に流入し燃料極の水素が消費されることが考えられる。
【００６６】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、起動時に電圧を監視することにより、このような電池内部へのガスリークを検出することが可能となり、この場合に、プラントを停止するかもしくは警報を発生することにより、何らかの対策を実施することができるため、さらなる電池の性能劣化を未然に防ぐことができるという効果が得られる。
【００６７】
［第４の実施形態］
図１０は、本発明を適用した第４の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態の構成において、燃料ガス下流封入手段９と酸化剤ガス下流封入手段１１を、逆流を防止する燃料ガス下流封入逆止弁１５と酸化剤ガス下流封入逆止弁１６としたものである。
【００６８】
このような構成を有する本実施形態の作用は次の通りである。すなわち、ガス封入手段を電磁弁とした場合は停止時に閉じておく必要があるため、停止時に電力を必要としないノーマルクローズを選択することになるが、発電中に何らかの異常で電磁弁駆動用電源が喪失した場合、電磁弁が閉じられ、燃料電池に供給ガスの圧力がかかり、電池を損傷する懸念がある。これに対して、本実施形態においては、燃料ガス下流封入手段と酸化剤ガス下流封入手段を逆止弁１５，１６とすることで、電池に過剰な圧力がかかることを防止することが可能となり、かつ停止・保管時に外部からの空気の流入を防ぐことができる。
【００６９】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、燃料電池性能の低下をより確実に抑制することができるという効果が得られる。
【００７０】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、前記第１の実施形態の変形例および第２〜第４の実施形態を選択的に適宜組み合わせることも可能であり、その場合には、前述した各効果を組み合わせた相乗的な効果が得られる。
【００７１】
また、保管時において、燃料極と酸化剤極を電気的に短絡させてもよいし、あるいは、起動過程において、燃料ガス封入手段を開き、燃料ガス供給手段による燃料電池本体に対する燃料ガスの供給を開始した時点で燃料極と酸化剤極を電気的に短絡させてもよい。さらには、これらの操作を両方行ってもよい。いずれの場合でも、燃料極と酸化剤極を電気的に短絡させることにより、仮に停止・保管時に外部から空気が流入した場合でも、電圧上昇を生じることはなく、電位勾配に起因する電池性能の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】図１の燃料電池システムによる停止保管起動手順を示すフローチャート。
【図３】本発明の方法による停止保管起動手順と比較例の方法による停止保管起動手順における起動停止回数と電圧の関係を示すグラフ。
【図４】図１の燃料電池システムによる停止保管起動手順の変形例を示すフローチャート。
【図５】図１の燃料電池システムによる停止保管起動手順の他の変形例を示すフローチャート。
【図６】図１の燃料電池システムによる停止保管起動手順の他の変形例を示すフローチャート。
【図７】本発明を適用した第２の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図８】本発明を適用した第３の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図９】図８の燃料電池システムによる停止保管起動手順を示すフローチャート。
【図１０】本発明を適用した第４の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図１１】起動時における電池面内での電流の流れを示す図。
【図１２】多孔質材セパレータを適用した燃料電池の構成を示す図。
【符号の説明】
【００７３】
１…燃料電池本体
２…燃料極
３…酸化剤極
４…電池冷却部
５…燃料ガス供給手段
６…酸化剤ガス供給手段
７…冷却水ポンプ
８…燃料ガス上流封入手段
９…燃料ガス下流封入手段
１０…酸化剤ガス上流封入手段
１１…酸化剤ガス下流封入手段
１２…プラント制御部
１３…燃料リサイクルブロア
１４…電池電圧監視手段
１５…燃料ガス下流封入逆止弁
１６…酸化剤ガス下流封入逆止弁
３１…電極
３２…燃料ガス流路多孔質材セパレータ
３３…酸化剤ガス流路多孔質材セパレータ
３４…冷却剤流路多孔質材セパレータ
【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】
2006147550.tif 000009
【図８】
2006147550.tif 000010
【図９】
2006147550.tif 000011
【図１０】
2006147550.tif 000012
【図１１】
2006147550.tif 000013
【図１２】
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