(57)【要約】      （修正有）【課題】無負荷及び軽負荷時における開回路電圧の上昇を防ぎ、触媒や触媒担体に損傷を防止する固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】複数個の燃料電池セル４がセパレータ１を介して積層する燃料電池スタックにおいて、各セパレータ１の外周に設けられた端子７同士を燃料電池セル４の外部で接続した外部回路８と、外部回路８上に負荷を与える放電抵抗６と、外部回路８上の電流を一方向のみに流すツェナーダイオード５と、を備える。【選択図】図１
2011003477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、
前記各セパレータの外周に設けられた端子同士を前記燃料電池セルの外部で接続した外部回路と、
前記外部回路上に負荷を与える放電抵抗と、
前記外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器と、を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記外部回路は、隣り合う前記セパレータの前記端子間で接続し、
前記放電抵抗と前記整流器は、前記端子間毎に１つずつ備えることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記放電抵抗と前記整流器は、前記外部回路上で直列に接続していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記整流器は、前記外部回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、所定電圧以下に前記電圧を保持する定電圧整流器であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が０．８Ｖ〜１．０Ｖであることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が０．８５Ｖ〜０．９５Ｖであることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記定電圧整流器は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、
前記各セパレータの外周に接続する接続端子を有する外部接続回路と、
前記外部接続回路上に負荷を与える放電抵抗と、
前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続又は切断する切換手段と、
前記燃料電池スタックが無負荷状態の時に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記制御手段は、前記外部接続回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に切断させる制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
前記外部接続回路は、隣り合う前記セパレータに対応する前記接続端子間で接続し、
前記放電抵抗は、前記接続端子間毎に１つずつ備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
前記切換手段は、前記制御手段の制御により前記外部接続回路全体を可動させて、前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを接続又は切断することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記切換手段は、前記制御手段の制御により可動する電動ばねであることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転始動及び運転停止時に生じる過大な開回路電圧が発生することを防止し、且つ、運転停止後の残留ガスにより生じる逆電圧によって構成部材が腐食されることを防止した固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質に高分子膜を用いる燃料電池であり、出力密度が高く、電池寿命が長い等の特徴を有している。この固体高分子形燃料電池は、燃料電池スタック、燃料改質装置、空気供給装置、及び冷却装置などで構成される。燃料電池スタックは燃料極（負極）と空気極（正極）とを有し、燃料極に燃料ガスを空気極に空気を連続的に供給することにより、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電気化学的に反応して発電が行なわれる。燃料電池スタックに供給される燃料ガスと空気とは、通常燃料電池スタックの発電効率を極端に低下させることがないように燃料電池スタックが消費する以上の流量に設定される。過剰に供給された燃料ガスと空気とは電池本体を通過した後、燃料改質装置で燃焼され燃料改質エネルギーの一部となる。
【０００３】
図３は、従来における固体高分子形燃料電池の燃料電池セル４の概略構造の一例を示す断面図である。燃料電池スタックは、この燃料電池セル４を複数枚積層したものである。この燃料電池セル４は、中央に配置される電解質膜２１の片面に接して燃料極（負極）となる燃料極触媒層２２と、電解質膜２１の他方の片面に接して空気極（正極）となる空気極触媒層２３が設けられている。また、燃料極触媒層２２は、電解質膜２１の反対面側に集電及び燃料ガスを拡散するための燃料極拡散層２６が設けられている。また同様に、空気極触媒層２３は、電解質膜２１の反対面側に空気や発生した水蒸気を拡散するための空気極拡散層２７が設けられている。更に、燃料極拡散層２６及び空気極拡散層２７の外側には、ガス流通溝３（燃料極側ガス流通溝３ａ、空気極側ガス流通溝３ｂ）が設けられたセパレータ１で両面を挟持している。また、電解質膜２１の周囲は、保護フィルム２４によって保護されている。尚、電解質膜２１、燃料極触媒層２２、及び空気極触媒層２３及び保護フィルム２４を含めた総称を膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２と呼ぶ。
【０００４】
燃料電池スタックに供給された燃料ガス中の水素は、燃料極側ガス流通溝３ａによって、略均等に燃料極拡散層２６へ送られる。燃料極（負極）となる燃料極触媒層２２では、燃料極拡散層２６から送られた水素を触媒の働きで電子を切り離して水素イオンとなる。切り離された電子は燃料極拡散層２６で集電されてセパレータ１へ出て行く。電解質膜２１を通過した水素イオンは、反対側の空気極（正極）となる空気極触媒層２３に送られた空気中の酸素と、セパレータ１から外部回路（図示せず）を通じて戻ってきた電子と反応して、水（水蒸気）となる。燃料電池スタックに供給された空気中の酸素は、空気極側ガス流通溝３ｂによって、略均等に空気極拡散層２７へ送られる。空気極拡散層２７では、空気極触媒層２３で生じた水蒸気と使用しなかった空気を空気極側ガス流通溝３ｂへ追い出し、燃料電池スタックの外部へ排気される。燃料極触媒層２２及び空気極触媒層２３は、一般的に白金族等の金属触媒を担持したカーボン粉末によって構成されている。この金属触媒を例えばパーフルオロスルホン酸ポリマーを溶解した溶液と混同することによりペースト状にして、燃料極触媒層２２及び空気極触媒層２３上に塗布して形成している。また、ポリマーと混合してあらかじめシート化した後に、熱プレス等によって燃料極触媒層２２及び空気極触媒層２３と一体化してもよい。
【０００５】
燃料電池スタックの発電停止後においては、燃料電池セル４の燃料極側ガス流通溝３ａに水素が、空気極側ガス流通溝３ｂには酸素が各々残留しているため開回路電圧が発生し、燃料電池セル４内に局部電池が形成され、燃料極触媒層２２及び空気極触媒層２３の触媒担体の腐食が起こり、触媒自体の劣化が誘発されて電池の出力電圧の劣化がもたらされることが一般的に知られている。このため、燃料電池セル４本体の電圧、特に空気極の電位は、常に許容値以下に保つ必要がある。そのため、燃料電池スタックの運転始動及び運転停止時に生じる過大な開回路電圧が発生することを防止する様々な対応技術が提案されている。そのうち、燃料電池スタックの開回路電圧が許容値を超えないように、燃料電池スタックの両端の端子に放電抵抗を接続した外部回路を設けて、この外部回路に電流を流すことにより燃料電池スタック内に残留する残留燃料ガスを消費して、開回路電圧を低減する方法が提案されている。
【０００６】
そのなかで、燃料電池スタックを複数のブロックに分けて、ブロック単位で放電抵抗、スイッチ、及び放電制御装置を接続した外部回路を設けて、各ブロック内の燃料電池セルに残留する残留燃料ガスを消費し、放電制御装置がブロック内の燃料電池セルが所定電圧以下に電圧が低下するとスイッチを切って、ブロック内の燃料電池セルに逆電圧がかからないようにして電極の触媒や触媒担体の劣化を防止させる技術が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
また、各燃料電池セルの両端の端子に放電抵抗、スイッチ、及び電圧測定装置を接続した外部回路を設けて、燃料電池セル毎に残留する残留燃料ガスを消費して開回路電圧を低減し、所定電圧以下に電圧が低下したことを電圧測定装置が検知するとスイッチを切って燃料電池セルに逆電圧がかからないようにして電極の触媒や触媒担体の劣化を防止させる技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２２３２４８号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、ブロック内で残留燃料ガスが少ない燃料電池セルでは、残留燃料ガスが消費した後でも外部抵抗を接続している状態が続くので、その燃料電池セルに逆電圧がかかり、触媒や触媒担体にダメージが生じるという問題があった。
【００１０】
また、特許文献２では、上述の問題を解決できるが、燃料電池セル毎に電圧測定装置を設けて制御する必要があるため、固体高分子形燃料電池装置を複雑化・大型化させてコストアップに繋がるという欠点があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料電池セルに残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池に係る複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータの外周に設けられた端子同士を前記燃料電池セルの外部で接続した外部回路と、前記外部回路上に負荷を与える放電抵抗と、前記外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上述の発明によれば、複数の燃料電池セルと各燃料電池セルの両側を挟持するセパレータから成る固体高分子形燃料電池において、各セパレータの外周に設けられた端子間に放電抵抗と整流器を接続した外部回路を備えている。そのため、外部回路の放電抵抗によって、セパレータと燃料電池セルとの間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セルに生じた開回路電圧を低減することができる。また、整流器を設けているので、逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象が始まる電圧である降伏電圧と呼んでいる。この降伏現象中では、電流の変化に比して電圧の変化がとても小さくなるので、逆方向電流が大きくなってもほぼ降伏電圧で開回路電圧を安定に保つことができる。すなわち、所定以下の降伏電圧を有する整流器の降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止して、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。また、外部回路は整流器を加えた簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【００１４】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記外部回路は、隣り合う前記セパレータの前記端子間で接続し、前記放電抵抗と前記整流器は、前記端子間毎に１つずつ備えることを特徴とする。
【００１５】
上述の発明によれば、隣り合うセパレータの端子間で放電抵抗と整流器を１つずつ備えた外部回路であるため、一つの燃料電池セルに対応した放電抵抗と整流器を備えている。そのため、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セルの残留燃料ガス量に応じて、外部回路の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、所定以下の降伏電圧を有する整流器を各々の燃料電池に対応できるので、降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００１６】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記放電抵抗と前記整流器は、前記外部回路上で直列に接続していることを特徴とする。
【００１７】
上述の発明によれば、外部回路上に放電抵抗と整流器が直列で接続しているので、燃料電池スタック運転時には、放電抵抗による電力のロスを低減することができる。また、燃料電池スタック起動時及び停止時には、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の上昇を整流器による降伏現象によって効果的に低減することができる。そのため、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００１８】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記整流器は、前記外部回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、所定電圧以下に前記電圧を保持する定電圧整流器であることを特徴とする。
【００１９】
上述の発明によれば、定電圧整流器は逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象を利用して燃料電池セルの開回路電圧をほぼ降伏電圧以下にすることができる。そのため、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００２０】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が０．８Ｖ〜１．０Ｖであることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が０．８５Ｖ〜０．９５Ｖであることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、ツェナーダイオードであることを特徴とする。
【００２３】
上述の発明によれば、定電圧整流器は降伏電圧が０．８Ｖ〜１．０Ｖ、好ましくは０．８５Ｖ〜０．９５Ｖであることが望ましい。また、このような小さな降伏電圧が設計可能なツェナーダイオードであることが望ましい。更にツェナーダイオードは降伏電圧の誤差が例えば０．１％以下といった精度の高いものが存在しており、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の精度を高めることもできる。これにより、燃料電池セル内に局部電池が形成されることなく、触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００２４】
また、本発明の固体高分子形燃料電池に係る複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータの外周に接続する接続端子を有する外部接続回路と、前記外部接続回路上に負荷を与える放電抵抗と、前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続又は切断する切換手段と、前記燃料電池スタックが無負荷状態の時に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータの端子とを機械的に接続させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
上述の発明によれば、複数の燃料電池セルと各燃料電池セルの両側を挟持するセパレータから成る固体高分子形燃料電池において、放電抵抗を接続した外部接続回路がセパレータに接続又は切断を機械的に切り換える切換手段と、無負荷状態の時に切換手段を外部回路がセパレータに接続するように制御する制御手段とで構成している。そのため、無負荷状態に放電抵抗を有した外部接続回路が接続して、放電抵抗によってセパレータと燃料電池セルとの間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セルに生じた開回路電圧を低減することができる。また、外部接続回路は簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【００２６】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記制御手段は、前記外部接続回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に切断させる制御を行うことを特徴とする。
【００２７】
上述の発明によれば、制御手段は、外部接続回路上の逆電圧が生じた際に、切換手段により外部接続回路をセパレータから切断し、燃料電池セルに逆電圧が発生することを防止することができる。各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスが不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セルは他の燃料電池セルとの電位差が生じて逆電圧が発生するが、外部接続回路を切断することで、逆電圧を防止することができて、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００２８】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記外部接続回路は、隣り合う前記セパレータに対応する前記接続端子間で接続し、前記放電抵抗は、前記接続端子間毎に１つずつ備えることを特徴とする。
【００２９】
上述の発明によれば、隣り合う各セパレータ間で放電抵抗を１つずつ備えた外部接続回路から成るので、一つの燃料電池セルに対応した放電抵抗を備えている。そのため、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セルの残留燃料ガス量に応じて、外部接続回路の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、逆電圧がかかる前に切換手段によって燃料電池セルから外部接続回路を切断することで、燃料電池セルに逆電圧が発生することを防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００３０】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記切換手段は、前記制御手段の制御により前記外部接続回路全体を可動させて、前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを接続又は切断することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記切換手段は、前記制御手段の制御により可動する電動ばねであることを特徴とする。
【００３２】
上述の発明によれば、切換手段は、外部接続回路全体を可動させてセパレータの端子と外部接続回路の接続端子とを接続又は切断を行っていて、好ましくは、切換手段は制御部からの制御によって可動する電動ばねが望ましい。機械的な切換手段であるため、例えば、電動ばね本体を燃料電池スタックの外側に配設することもでき、稼動状況を視認することが可能となる。また、外部接続回路は簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【発明の効果】
【００３３】
したがって、本発明によれば、燃料電池スタックが無負荷及び軽負荷時において、燃料電池セルに残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における実施形態１に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。
【図２】本発明における実施形態２に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。
【図３】従来における固体高分子形燃料電池の燃料電池セルの概略構造の一例を示す断面図である
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の２つの実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。尚、この実施例によって本発明を限定するものではない。
【００３６】
図１は、本発明における実施形態１に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。
【００３７】
図１に示すとおり、燃料電池セル４は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２を挟持するセパレータ１と、セパレータ１に設けられたガス流路溝３によって構成されている。膜電極接合体２やガス流路溝３については、従来例として説明した図３と同様であるため、説明を省略する。セパレータ１を介して複数の燃料電池セル４を積層して燃料電池スタックが構成されている。各セパレータ１の周囲部に端子７を設け、端子７同士を接続し燃料電池スタックの外部に設けられた外部回路８には、ツェナーダイオード５と放電抵抗６が備えられている。また、ツェナーダイオード５と放電抵抗６は、外部回路８上で直列に接続されている。更に、ここでは隣り合うセパレータ１の端子７間の外部回路８上に、ツェナーダイオード５と放電抵抗６を一つずつ設けた構成となっている。つまり、各燃料電池セル４に対応したツェナーダイオード５と放電抵抗６が設けられている。
【００３８】
ツェナーダイオード５は、外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器であり、特に、外部回路上で逆方向に電圧が生じた際に、所定電圧以下に開回路電圧を保持する定電圧整流器である。また、このツェナーダイオード５は、０．８Ｖ〜１．０Ｖ好ましくは０．８５Ｖ〜０．９５Ｖの降伏電圧である特性を持っている。ここでは、降伏電圧が０．８５Ｖのツェナーダイオード５を外部回路８に接続した。
【００３９】
放電抵抗６は、常時接続しているため、放電抵抗６の抵抗値は燃料電池スタックの出力特性に影響を与えないように十分に大きい値を設定する必要がある。例えば、放電抵抗６による消費電力が燃料電池スタックの出力の１％以下となるように設定する。ここでは、２００Ωの放電抵抗６を外部回路８に接続した。
【００４０】
燃料電池スタックが運転停止した際に、ガス流路溝３に残留する残留燃料ガスによって、停止後も燃料極側で水素ガスが電気分解して、燃料極と空気極との電位差が生じて、燃料電池セル４の電圧が上昇する。しかし、外部回路８が常時接続しているため、すぐに外部回路８に電子が流れ、燃料電池セル４の開回路電圧を下げることができる。
【００４１】
また、燃料電池スタックが運転停止した際に、各燃料電池セル４のガス流路溝３に残留する残留燃料ガスの量は不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池４は、他の燃料電池セル４との電位差が生じて、逆電圧がかかってしまう。この場合において、ツェナーダイオード５は、降伏電圧以上の逆電圧がかかった時に、ツェナー降下によって逆電流を流すようになり、燃料電池セル４の電圧を下げることができる。そのため、ツェナーダイオード５の降伏電圧と略同じ開回路電圧を維持することができる。
【００４２】
燃料電池スタックが運転停止した際に、燃料電池セル４の電圧を測定すると、０．９Ｖとなっていた。更に、燃料電池スタックが運転停止した後しばらくした無負荷時である開回路状態において、燃料電池セル４の電圧を測定すると、同様に０．９Ｖとなっていた。そのため、外部回路８による放電抵抗６とツェナーダイオード５の降伏現象により、燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止できて、且つ、燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
【００４３】
図２は、本発明における実施形態２に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。図２（ａ）は、燃料電池スタックが運転を停止した固体高分子形燃料電池の概要を示しており、図２（ｂ）は、燃料電池スタックが運転を停止後の開回路状態における固体高分子形燃料電池の概要を示している。
【００４４】
図２（ａ）で示すように、燃料電池セル４は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２を挟持するセパレータ１と、セパレータ１に設けられたガス流路溝３によって構成されている。図１と同様に、セパレータ１を介して複数の燃料電池セル４を積層して燃料電池スタックが構成されている。また、外部接続回路１０は、放電抵抗６、接続端子９、及び電動ばね１１で構成している。複数の接続端子９は、各セパレータ１に１つずつ対応していて、各セパレータ１の近傍に設けられている。また、外部接続回路１０は、隣り合う各セパレータ１に対応する接続端子９間で放電抵抗６を１つずつ備えている。つまり、燃料電池セル４毎に対応した放電抵抗６を１つずつ備えていることになる。電動ばね１１は、複数の放電抵抗６を有する外部接続回路１０に１つ備えている。電動ばね１１は、制御部１２からの信号回線によって、電動ばね１１のばね部を可動させることができる。ここで挙げた電動ばね１１は、各接続端子９とその対応する各セパレータ１とを機械的に接続又は切断する切換手段の一例であり、限定するものではない。
【００４５】
燃料電池スタックが運転を停止した時に、ガス流路溝３に残留する残留燃料ガスによって、停止後も燃料極側で水素ガスが電気分解して、燃料極と空気極との電位差が生じて、燃料電池セル４の電圧が上昇する。しかし、燃料電池スタックの運転停止信号を制御部１２が受信すると、制御部１２は、電動ばね１１のばね部を伸長させる信号を電動ばね１１に送信する。電動ばね１１は、制御部１２の信号を受信して、ばね部を伸長させて外部回路１０の接続端子をセパレータ１に押し付けて接続する。そのため、すぐに外部接続回路１０に電子が流れ、燃料電池セル４の開回路電圧を下げることができる。
【００４６】
図２（ｂ）で示すように、燃料電池スタックが運転停止した後、外部接続回路１０上において図２（ａ）で流れた電流とは逆方向に電圧が生じた際の固体高分子形燃料電池の概要を示している。燃料電池スタックが運転停止した際に、各燃料電池セル４のガス流路溝３に残留する残留燃料ガスの量は不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セル４は、他の燃料電池セル４との電位差が生じて、逆電圧がかかってしまう。この逆電圧を検知した信号を制御部１２が受信すると、制御部１２は、電動ばね１１のばね部を圧縮させる信号を電動ばね１１に送信する。電動ばね１１は、制御部１２の信号を受信して、ばね部を圧縮させて外部回路１０の接続端子９をセパレータ１から離す。そのため、すぐに外部接続回路１０が切断されるため、各燃料電池セル４の開回路電圧の変動を停止することができる。このとき、各燃料電池セル４の開回路電圧が所定電圧（例えば、１．０Ｖ）以下となり、燃料電池セル４内に局部電池が形成されること無く、電極の触媒又は触媒担体の劣化を防止することができる。
【００４７】
ここでは、燃料電池スタックが通常運転時には、図２（ａ）のように、外部接続回路１０がセパレータ１と接続しているとするが、特に限定はしていない。この場合、放電抵抗６の抵抗値は燃料電池スタックの出力特性に影響を与えないように十分に大きい値を設定する必要がある。例えば、放電抵抗６による消費電力が燃料電池スタックの出力の１％以下となるように設定する。ここでは、２００Ωの放電抵抗６を外部接続回路８に接続した。
【００４８】
燃料電池スタックが運転停止した図２（ａ）の状態において、燃料電池セル４の電圧を測定すると、０．９Ｖとなっていた。更に、燃料電池スタックが運転停止した後しばらくした無負荷時である図２（ｂ）の開回路状態において、燃料電池セル４の電圧を測定すると、同様に０．９Ｖとなっていた。そのため、外部接続回路１０による放電抵抗６、電動ばね１１、及び制御部１２により、燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止できて、且つ、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
【００４９】
このように、図１、図２で示した２つの実施形態において、簡便な装置を追加しただけで、燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスを、燃料電池スタックの外部で接続した回路の放電抵抗６によって消費して、燃料電池セル４の開回路電圧の上昇を防止することができる。また、残留燃料ガスが不均一であるために生じる逆電圧を低減して、燃料電池セル４の開回路電圧を正常に保持して、燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
【００５０】
以上のことから、本実施形態によれば、複数の燃料電池セル４と各燃料電池セル４の両側を挟持するセパレータ１から成る固体高分子形燃料電池において、各セパレータ１の外周に設けられた端子７間に放電抵抗６とツェナーダイオード（整流器）５を接続した外部回路１０を備えている。そのため、外部回路１０の放電抵抗によって、セパレータ１と燃料電池セル４との間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セル４に生じた開回路電圧を低減することができる。また、ツェナーダイオード（整流器）５を設けているので、逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象中では、電流の変化に比して電圧の変化がとても小さくなるので、逆方向電流が大きくなってもほぼ降伏電圧で開回路電圧を安定に保つことができる。すなわち、所定以下の降伏電圧を有するツェナーダイオード（整流器）５の降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止して、燃料電池セル４の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。また、外部回路８はツェナーダイオード（整流器）５を加えた簡便な構成であるため、燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、隣り合うセパレータ１の端子７間で放電抵抗６とツェナーダイオード（整流器）５を１つずつ備えた外部回路であるため、一つの燃料電池セル４に対応した放電抵抗６とツェナーダイオード（整流器）５を備えている。そのため、各燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セル４の残留燃料ガス量に応じて、外部回路８の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、所定以下の降伏電圧を有するツェナーダイオード（整流器）５を各々の燃料電池に対応できるので、降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セル４の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、外部回路８上に放電抵抗６とツェナーダイオード（整流器）５が直列で接続しているので、燃料電池スタック運転時には、放電抵抗６による電力のロスを低減することができる。また、燃料電池スタック起動時及び停止時には、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の上昇をツェナーダイオード（整流器）５による降伏現象によって効果的に低減することができる。そのため、燃料電池セル４の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００５３】
また、本実施形態によれば、ツェナーダイオード（整流器）５は０．８５Ｖ〜０．９５Ｖの降伏電圧を有している。更に、ツェナーダイオード（整流器）５は降伏電圧の誤差が例えば０．１％以下といった精度の高いものが存在しており、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の精度を高めることもできる。これにより、燃料電池セル４内に局部電池が形成されることなく、触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、複数の燃料電池セル４と各燃料電池セル４の両側を挟持するセパレータ１から成る固体高分子形燃料電池において、放電抵抗６を接続した外部接続回路１０がセパレータ１に接続又は切断を機械的に切り換える電動ばね（切換手段）１１と、無負荷状態の時に電動ばね（切換手段）１１を外部回路１０がセパレータ１に接続するように制御する制御部１２とで構成している。そのため、無負荷状態に放電抵抗６を有した外部接続回路１０が接続して、放電抵抗６によってセパレータ１と燃料電池セル４との間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セル４に生じた開回路電圧を低減することができる。また、外部接続回路１０は簡便な構成であるため、燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、制御部１２は、外部接続回路１０上の逆電圧が生じた際に、電動ばね（切換手段）１１により外部接続回路１０をセパレータ１から切断し、燃料電池セル４に逆電圧が発生することを防止することができる。各燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスが不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セル４は他の燃料電池セル４との電位差が生じて逆電圧が発生するが、外部接続回路１０を切断することで、逆電圧を防止することができて、燃料電池セル４の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、隣り合う各セパレータ１間で放電抵抗６を１つずつ備えた外部接続回路１０から成るので、一つの燃料電池セル４に対応した放電抵抗６を備えている。そのため、各燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セル４の残留燃料ガス量に応じて、外部接続回路１０の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、逆電圧がかかる前に電動ばね（切換手段）１１によって燃料電池セル４から外部接続回路８を切断することで、燃料電池セル４に逆電圧が発生することを防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セル４の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、電動ばね（切換手段）１１は、外部接続回路１０全体を可動させてセパレータ１と外部接続回路１０の接続端子９とを接続又は切断を行うことができる。そのため、簡便な構成でセパレータ１と外部接続回路１０とを接続又は切断できて、燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
【００５８】
このように、本発明によれば、燃料電池スタックが無負荷及び軽負荷時において、燃料電池セル４に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セル４の触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【００５９】
本実施形態において、切換手段として電動ばね１１を設けているが、特に限定していない。例えば、電動ソレノイドや電動モータで可動させてもよい。
【００６０】
また、本実施形態において、逆電圧又は逆方向の電流を検知して、制御部１２へ送信する検知装置も特に限定していない。また、検知装置の設置位置についても、燃料電池セル１の逆電圧又は逆方向の電流を検知できる箇所であればよい。例えば、外部接続回路１０上に検知装置として電圧計を設けて、常に制御部１２でその電圧計の値を監視し、制御部１２は、所定値以上の逆電圧を検知すると、切換手段である電動ばね１１を制御する信号を送信させてもよい。
【００６１】
また、本実施形態において、切換手段の設置個数についても限定していない。例えば、燃料電池セル４毎に放電抵抗６と切換手段１１を設けることで、燃料電池セル４毎に切換手段１１を切り換えることが可能になり、燃料電池スタック内不均一な残留燃料ガスであっても、燃料電池セル４毎に残留燃料ガスを消費させることができるので、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１      セパレータ
２      膜電極接合体（ＭＥＡ）
３      ガス流路溝
３ａ    燃料極側ガス流路溝
３ｂ    空気極側ガス流路溝
４      燃料電池セル
５      ツェナーダイオード
６      放電抵抗
７      端子
８      外部回路
９      接続端子
１０    外部接続回路
１１    電動ばね
１２    制御部
２１    電解質膜
２２    燃料極触媒層
２３    空気極触媒層
２４    保護フィルム
２６    燃料極拡散層
２７    空気極拡散層
【図１】
2011003477.tif 000003
【図２】
2011003477.tif 000004
【図３】
2011003477.tif 000005