(57)【要約】      （修正有）【課題】  水素透過性金属層を備える燃料電池が発電を停止した後の温度低下時において、水素透過性金属層の水素脆化を防止する。【解決手段】  燃料電池１０における燃料電池スタック１５は、水素透過性金属から成る水素透過性金属層およびアノード電極と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を有する発電部を備える。発電時には、発電部の第１の面側に形成される第１のガス流路に燃料ガスが供給され、発電部の第２の面側に形成される第２のガス流路に酸化ガスが供給される。燃料電池の停止に対応する所定の条件下においては、上記第２のガス流路に対して、水素を実質的に含有しないパージガスが供給される。さらに、燃料電池スタック１５のアノード電極とカソード電極とが短絡される。【選択図】  図１
2005228481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を備える発電部と、
前記発電部の一方の面側に形成される第１のガス流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部の他方の面側に形成される第２のガス流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第２のガス流路に対して、水素を実質的に含有しないパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
前記燃料電池のアノード電極とカソード電極とを短絡させることが可能な電極短絡部と、
前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせると共に、前記電極短絡部によって前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させる制御部と
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１のガス流路を掃気して、該第１のガス流路から前記燃料ガスを排出させる掃気部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、さらに、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止させると共に、前記掃気部による前記第１のガス流路の掃気を行なう
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記パージガス供給部は、前記第２のガス流路に加えて、前記第１のガス流路に対しても前記パージガスを供給する
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記酸化ガスおよび前記パージガスは空気である
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記酸化ガス供給部および前記パージガス供給部は、単一の空気供給部である
燃料電池。
【請求項６】
燃料電池装置であって、
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を備える発電部と、
前記発電部の一方の面側に形成される第１のガス流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部の他方の面側に形成される第２のガス流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第２のガス流路に対して、水素を実質的に含有しないパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
を備える燃料電池と、
正極および負極を備え、該正極および負極に接続される回路に対して電圧を印加可能な電圧発生部と、
前記燃料電池のアノード電極と前記電圧発生部の前記正極とが接続されると共に、前記燃料電池のカソード電極と前記電圧発生部の前記負極とが接続されるように、前記燃料電池における接続状態を切り替え可能な接続切り替え部と、
前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせると共に、前記接続切り替え部によって、前記アノード電極と前記正極との接続および前記カソード電極と前記負極との接続を行なわせる制御部と
を備える燃料電池装置。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池は、さらに、前記第１のガス流路を掃気して、該第１のガス流路から前記燃料ガスを排出させる掃気部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、さらに、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止させると共に、前記掃気部による前記第１のガス流路の掃気を行なう
燃料電池装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の燃料電池装置であって、
前記パージガス供給部は、前記第２のガス流路に加えて、前記第１のガス流路に対しても前記パージガスを供給する
燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な種類の燃料電池が提案されている。例えば、特許文献１には、プロトン伝導性を有する電解質層のアノード側に、水素透過性を有するパラジウム系金属膜を配設した燃料電池が開示されている。この特許文献１では、電解質膜のアノード側に水素透過性を有する金属膜を設けることによって、充分に精製されていない改質ガスを、燃料ガスとして直接アノードに供給可能としている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、パラジウムなどの水素透過性金属は、水素脆化を起こす可能性がある。水素透過性金属層を備える燃料電池において水素透過性金属層が水素脆化を起こすと、燃料電池の性能低下や耐久性の低下が引き起こされる。このような水素透過性金属の水素脆化は、特に低温時に起こりやすいため、燃料電池の発電を停止した後、燃料電池温度が低下したときに、燃料電池内で水素透過性金属層の水素脆化が進行しないことが望まれる。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層を備える燃料電池が発電を停止した後の温度低下時において、水素透過性金属層の水素脆化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を備える発電部と、
前記発電部の一方の面側に形成される第１のガス流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部の他方の面側に形成される第２のガス流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第２のガス流路に対して、水素を実質的に含有しないパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
前記燃料電池のアノード電極とカソード電極とを短絡させることが可能な電極短絡部と、
前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせると共に、前記電極短絡部によって前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させる制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、燃料電池の停止に対応する所定の条件下では、アノード電極とカソード電極とを短絡させることによって、アノード電極からカソード電極に電子が供給される。また、第２のガス流路に対してパージガスが供給されることで、第２のガス流路で水素濃度が低い状態が維持される。したがって、燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、発電部内にプロトンの状態で残留する水素をカソード電極から第２のガス流路に排出させる動作を、直ちに開始することができ、発電部から水素を排出する効率を向上させることができる。そのため、燃料電池による発電停止後に、燃料電池の温度が低下した場合にも、水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。
【０００８】
本発明の燃料電池において、さらに、
前記第１のガス流路を掃気して、該第１のガス流路から前記燃料ガスを排出させる掃気部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、さらに、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止させると共に、前記掃気部による前記第１のガス流路の掃気を行なうこととしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、第２のガス流路にパージガスを供給してカソード電極から第２のガス流路への水素排出を積極的に行なわせる際に、第１のガス流路側においても、水素濃度が低い状態とすることができる。このように第１のガス流路から水素を除去することで、新たに発電部内に水素が侵入するのを防止し、発電部からの水素排出効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、
前記パージガス供給部は、前記第２のガス流路に加えて、前記第１のガス流路に対しても前記パージガスを供給することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、第１のガス流路においても水素濃度が低い状態が維持されるため、発電部内にプロトンの状態で残留する水素をアノード電極から第１のガス流路に排出させる動作を促進することができ、発電部からの水素排出効率をより向上させることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、
前記酸化ガスおよび前記パージガスは空気であることとしても良い。
【００１３】
このような場合には、パージガスとして用いるガスを新たに用意する必要がない。特に、酸化ガス供給部およびパージガス供給部を、単一の空気供給部とするならば、装置全体の構成を簡素化することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池装置は、
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を備える発電部と、
前記発電部の一方の面側に形成される第１のガス流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部の他方の面側に形成される第２のガス流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第２のガス流路に対して、水素を実質的に含有しないパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
を備える燃料電池と、
正極および負極を備え、該正極および負極に接続される回路に対して電圧を印加可能な電圧発生部と、
前記燃料電池のアノード電極と前記電圧発生部の前記正極とが接続されると共に、前記燃料電池のカソード電極と前記電圧発生部の前記負極とが接続されるように、前記燃料電池における接続状態を切り替え可能な接続切り替え部と、
前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせると共に、前記接続切り替え部によって、前記アノード電極と前記正極との接続および前記カソード電極と前記負極との接続を行なわせる制御部と
を備えることを要旨とする。
【００１５】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池の停止に対応する所定の条件下では、燃料電池のアノード電極と電圧発生部の正極とが接続されると共に、燃料電池のカソード電極と電圧発生部の負極とが接続されることによって、カソード電極に電子が集中すると共に、発電部において電界が生じる。また、第２のガス流路に対してパージガスが供給されることで、第２のガス流路で水素濃度が低い状態が維持される。したがって、燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、発電部内にプロトンの状態で残留する水素をカソード電極から第２のガス流路に排出させる動作を、直ちに開始することができ、発電部から水素を排出する効率を向上させることができる。したがって、燃料電池による発電停止後に、燃料電池の温度が低下した場合にも、水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池装置において、
前記燃料電池は、さらに、前記第１のガス流路を掃気して、該第１のガス流路から前記燃料ガスを排出させる掃気部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止に対応する所定の条件下において、さらに、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止させると共に、前記掃気部による前記第１のガス流路の掃気を行なうこととしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、第２のガス流路にパージガスを供給してカソード電極から第２のガス流路への水素排出を積極的に行なわせる際に、第１のガス流路側においても、水素濃度が低い状態とすることができる。このように第１のガス流路から水素を除去することで、新たに発電部内に水素が侵入するのを防止し、発電部からの水素排出効率を向上させることができる。
【００１８】
なお、本発明の燃料電池あるいは本発明の燃料電池装置において、燃料電池の停止に対応する所定の条件とは、例えば、燃料電池による発電を停止する指示入力があったときとしても良いし、燃料電池から電力を供給される負荷がゼロになったときとしても良い。あるいは、このような丁度発電を停止する時期とは異なる状態を上記条件としても良い。例えば、上記負荷がゼロになってから所定時間経過したときとしても良く、発電停止後に燃料電池の温度が所定温度（例えば、水素透過性金属層が水素脆化すると予想される温度よりも高い温度として予め設定した温度）に低下したときとしても良い。
【００１９】
また、水素を実質的に含有しないとは、水素が残留する発電部との間で充分な水素濃度差を形成し、発電部からの水素排出を促すことができる水素濃度であることをいう。
【００２０】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の停止方法や、燃料電池を駆動用電源として搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例の構成：
Ｂ．水素排出の動作：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２２】
Ａ．第１実施例の構成：
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池１０は、発電の本体である燃料電池スタック１５と、燃料ガス供給部４０と、ブロワ４２と、制御部４６と、を備えている。燃料電池スタック１５は、配線６４を介して負荷６２に接続されている。
【００２３】
まず、燃料電池スタック１５の構成について説明する。燃料電池スタック１５は、単セル２０を複数積層した構造、すなわち、複数の単セル２０を直列に接続した構造を有している。図２は、単セル２０の概略構成を示す断面模式図である。単セル２０は、水素透過性金属層２２と、水素透過性金属層２２の一方の面上に形成されたアノード電極２３と、水素透過性金属層２２の他方の面上に形成された電解質層２１と、電解質層２１上に形成されたカソード電極２４と、から成る発電部２６を備えている。また、単セル２０は、発電部２６を、さらに両側から挟持する２つのガスセパレータ２７、２９を備えている。ガスセパレータ２７とアノード電極２３との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３０が形成されている。また、ガスセパレータ２９とカソード電極２４との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３２が形成されている。
【００２４】
水素透過性金属層２２は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、例えば、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金によって形成される。アノード電極２３は、水素分子を分離する活性と共に水素透過性を有する金属、例えばパラジウム（Ｐｄ）やＰｄ合金によって形成される。このアノード電極２３は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、めっきなどにより、水素透過性金属層２２上に形成する。
【００２５】
電解質層２１は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。電解質層２１を構成する固体電解質としては、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。この電解質層２１は、水素透過性金属層２２上に、上記固体酸化物を生成させることによって形成することができる。電解質層２１を形成する方法としては、例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤなど種々の手法を用いることができる。このように電解質層２１を、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜することにより、電解質層２１の充分な薄膜化が可能となる。電解質層２１を薄膜化することにより、電解質層２１の膜抵抗をより低減することができ、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することが可能となる。
【００２６】
カソード電極２４は、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属を備える層である。本実施例では、電解質層２１上にＰｔ層を形成することによってカソード電極２４を設けた。
【００２７】
本実施例では、アノード電極２３およびカソード電極２４は、貴金属の薄膜により形成したが、これらの電極とガスセパレータ２７，２９との間に、導電性およびガス透過性を有する集電部をさらに設けても良い。集電部は、例えば多孔質の発泡金属や金属メッシュの板材、あるいは、カーボンクロスやカーボンペーパ、あるいはセラミックス等によって形成することができる。なお、集電部は、この集電部と接するガスセパレータ２７，２９と同種の材料により形成することが望ましい。
【００２８】
ガスセパレータ２７，２９は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な板状部材である。図２に示すように、ガスセパレータ２７，２９の表面には、それぞれ、単セル内燃料ガス流路３０あるいは単セル内酸化ガス流路３２を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、実際の燃料電池スタック１５では、ガスセパレータ２７，２９の区別はなく、各ガスセパレータは、一方の面では、ガスセパレータ２７として所定の単セル２０の単セル内燃料ガス流路３０を形成し、他方の面では、ガスセパレータ２９として上記所定の単セル２０に隣接する単セルの単セル内酸化ガス流路３２を形成する。また、燃料電池スタック１５内において、隣り合う単セル２０間に冷媒流路を設けることとしても良い。
【００２９】
なお、図２では記載を省略しているが、燃料電池スタック１５内には、燃料電池スタック１５を積層方向を貫通して、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドが設けられている。燃料電池スタック１５に対して燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して各単セル内燃料ガス流路３０に分配されて電気化学反応に供され、その後燃料ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。また、燃料電池スタック１５に対して酸化ガスが供給されると、酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して各単セル内酸化ガス流路３２に分配されて電気化学反応に供され、その後酸化ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。
【００３０】
以上説明した燃料電池スタック１５を備える燃料電池１０において、燃料ガス供給部４０は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のアノード側に水素含有ガスである燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部４０として、水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベを用い、純度の高い水素ガスを燃料ガスとして用いることとしても良い。あるいは、燃料ガス供給部４０として、改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いることとしても良い。燃料ガス供給部４０と燃料電池スタック１５とは、燃料ガス供給路５０によって接続されている。燃料ガス供給部４０から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路５０を介して燃料電池スタック１５内の燃料ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。
【００３１】
ブロワ４２は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のカソード側に酸化ガスとして空気を供給する。すなわち、ブロワ４２は、酸化ガス供給部として働く。ブロワ４２と燃料電池スタック１５とは、酸化ガス供給路５２によって接続されている。ブロワ４２から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１５内の酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。なお、ブロワ４２は、後述するように、発電停止時にはパージガス供給部としても働く。
【００３２】
負荷６２は、燃料電池スタック１５から供給される電力を消費する装置である。燃料電池スタック１５の両端部には、燃料電池スタック１５から電力を取り出すための端子が設けられており（図示せず）、負荷６２は、これらの端子と配線６４を介して接続されている。また、配線６４から分岐して、負荷６２に接続することなく燃料電池スタック１５の上記両端子間を接続する（短絡させる）バイパス配線６５が設けられている。配線６４とバイパス配線６５との分岐部には、切り替えスイッチ６０が設けられている。切り替えスイッチ６０を切り替えることによって、燃料電池スタック１５が発電した電力を負荷６２に供給可能な配線状態と、燃料電池スタック１５の両端子間が短絡された配線状態とを切り替えることができる。
【００３３】
制御部４６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭタイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部４６は、燃料電池１０の発電の開始や停止に関わる情報や、燃料電池１０に対する負荷要求に関する情報、あるいは燃料電池１０各部の状態に関する情報を取得する。また、制御部４６は、取得した情報に基づいて、燃料ガス供給部４０やブロワ４２、あるいは切り替えスイッチ６０等、燃料電池１０の各部に駆動信号を出力する。
【００３４】
燃料電池１０では、制御部４６が発電開始の信号を取得すると共に負荷要求に関する信号を取得すると、発電のための制御が実行される。すなわち、制御部４６が、燃料ガス供給部４０およびブロワ４２を駆動して、負荷要求に応じた電力を発電するために要する量の燃料ガスおよび酸化ガスの供給を開始させると共に、切り替えスイッチ６０を切り替えて、負荷６２への電力供給を開始させる。以下、このような燃料電池１０の発電中に、制御部４６が発電停止の信号を取得して行なう動作について説明する。
【００３５】
図３は、制御部４６が実行する停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池１０において発電が開始されると起動され、発電を行なっている間実行される。
【００３６】
本ルーチンが起動されると、制御部４６は、まず、発電停止の信号が取得されたか否かを判断する（ステップＳ１００）。ここで、発電停止の信号とは、例えば、燃料電池１０に対する負荷要求がゼロになったという情報とすることができる。あるいは、燃料電池１０を電気自動車に搭載して車両の駆動用電源として用いる場合には、車両の所定のスタートスイッチ（イグニションスイッチ等）がオフになったという情報とすることができる。また、燃料電池１０の発電停止を指示する信号に代えて、発電停止によってその後に引き起こされる所定の状態を示す情報を取得しても良い。例えば、燃料電池スタック１５の温度を検出して、その温度が所定値以下になった情報を発電停止の信号として取得することとしても良い。
【００３７】
ステップＳ１００において発電停止の信号が取得されていないと判断すると、制御部４６は、発電のための制御を継続しつつ、発電停止の信号を取得するまでステップＳ１００の判断を繰り返す。ステップＳ１００において発電停止の信号を取得したと判断すると、制御部４６は、燃料ガス供給部４０を停止させると共に、切り替えスイッチ６０を切り替えて、燃料電池スタック１５の両端子間を短絡させる（ステップＳ１１０）。なお、このとき、ブロワ４２は駆動され続け、単セル内酸化ガス流路３２に対する酸化ガス（空気）の供給は続行される。
【００３８】
ここで、燃料電池スタック１５内における電子およびプロトンの分布状態について説明する。燃料電池スタック１５において発電が行なわれるときには、各単セル２０では以下に示す反応が進行する。（１）式はアノード側で進行する反応を表わし、（２）式はカソード側で進行する反応を表わし、（３）式は電池全体で進行する反応を表わす。
【００３９】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
【００４０】
このように、燃料電池スタック１５が発電するときには、各単セル２０のアノード電極２３では水素分子からプロトンと電子とを生じる反応が進行し、アノード電極２３で生じたプロトンは、水素透過性金属層２２および電解質層２１（以下、水素透過部２５と呼ぶ）内をカソード電極２４側に向かって移動する。したがって、燃料電池スタック１５で発電を停止するときには、各単セル２０の水素透過部２５内にはプロトンが残留すると共に、アノード電極２３では、水素透過部２５内に残留するプロトンに対応する電子が残留している。このような、発電停止時における発電部２６の様子を、図４に模式的に示す。
【００４１】
このような発電停止時に、ステップＳ１１０で燃料電池スタック１５の両端子間を短絡させたときの様子を、図５に示す。実際の動作は両端子間の短絡として行なわれるが、この動作は、各単セル２０においてアノード電極２３とカソード電極２４とを短絡させる動作に対応するため、図５では、一つの発電部２６において両電極を短絡させた様子として模式的に表わしている。
【００４２】
発電停止時に両電極を短絡させると、アノード電極２３に残留する電子は、電位差に従ってカソード電極２４に向かって移動する。このとき、既述したように単セル内酸化ガス流路３２には空気が供給され続けているため、単セル内酸化ガス流路３２では水素濃度が低い状態が維持される。したがって、水素透過部２５内に残留するプロトンは、カソード電極２４に移動した電子と速やかに反応して水素分子となり、水素濃度差に従って単セル内酸化ガス流路３２内へと排出される。水素透過部２５内に残留するプロトンと反応することで、カソード電極２４に移動した電子が消費されると、アノード電極２３とカソード電極２４との間の電子濃度差によって、アノード電極２３からカソード電極２４への電子の移動が続行される。これによって、水素透過部２５内のプロトンはカソード電極２４の電子と反応し続け、カソード電極２４から単セル内酸化ガス流路３２への水素排出が引き続き続行される。ステップＳ１１０を実行することによって、このような水素透過部２５からの水素排出の動作が開始される。本実施例では、発電時には酸化ガスとして用いられる空気を、発電停止時には水素排出を促すためのパージガスとして用いている。
【００４３】
ステップＳ１２０のパージ処理は、水素透過部２５内の残留水素を充分に排出させるための処理である。具体的には、例えば、充分に水素が排出される時間として予め設定した時間の間、電極間が短絡され、パージガスが単セル内酸化ガス流路３２に供給される動作を継続して行なう処理とすればよい。パージ処理の後、制御部４６は、パージガスの供給を停止、すなわち、ブロワ４２を停止させて（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。
【００４４】
なお、発電停止時にはアノード電極２３側に電子が残留しているため、上記パージ処理を行なう際には、単セル内燃料ガス流路３０への水素排出も可能である。単セル内燃料ガス流路３０側への水素排出も、発電部２６内と単セル内燃料ガス流路３０内との水素濃度差に従って進行する。そのため、発電停止時には、単セル内燃料ガス流路３０も一旦掃気して単セル内燃料ガス流路３０から水素を排出させ、発電部２６の周囲の水素濃度を全体的に低下させることが望ましい。
【００４５】
以上のように構成された本実施例の燃料電池１０によれば、発電停止時に両電極を短絡させてカソード電極２４に電子を供給すると共に単セル内酸化ガス流路３２にパージガスを供給し、発電部２６内にプロトンの状態で残留する水素を単セル内酸化ガス流路３２に排出させる動作を直ちに開始することにより、カソード電極２４側から積極的に水素を排出させることができる。したがって、発電部２６からの水素排出の効率を向上させることができる。発電部２６のうち、固体酸化物からなる電解質層２１は水素脆化のおそれがないが、電解質層２１内の水素（プロトン）を排出すれば、電解質層２１内の水素が拡散して水素透過性金属から成る層（水素透過性金属層２２およびアノード電極２３）の水素脆化を引き起こすこともない。このように効率よく発電部２６から残留水素を排出させることで、燃料電池１０の停止後に燃料電池スタック１５の温度が低下した場合にも、水素透過性金属から成る層の水素脆化を防止することができる。
【００４６】
特に、本実施例では、発電時には酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路３２に供給する空気を、パージガスとして用いているため、ブロワ４２の駆動を継続して行なうことにより、電極を短絡させると直ちに効率よく単セル内酸化ガス流路３２側への水素排出を開始することができる。また、酸化ガスとパージガスとを同種のガスとし、共通のブロワ４２によってこれらのガスを供給するため、装置の構成を簡素化することができる。
【００４７】
Ｃ．第２実施例：
図６は、第２実施例の燃料電池１１０の概略構成を表わすブロック図である。第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１０と同様の構造を有しているため、第１実施例の燃料電池１０と共通する部分には同じ参照番号を付している。第２実施例の燃料電池１１０は、第１実施例におけるバイパス配線６５に対応するバイパス配線１６５を備えている。このバイパス配線１６５は、２次電池６６を備えている。以下、燃料電池１１０において、発電停止時に実行される動作について説明する。
【００４８】
燃料電池１１０が備える制御部４６は、発電中には、図３に示した停止時処理ルーチンと同様の処理を実行する。このとき、ステップＳ１００において停止信号を取得すると、制御部４６は、ステップＳ１１０として、燃料ガス供給部４０を停止させ、切り替えスイッチ６０を切り替えて燃料電池スタック１５と負荷６２との接続を切断すると共に、燃料電池スタック１５と２次電池６６とを接続する。図７は、ステップＳ１１０で、燃料電池スタック１５と２次電池６６とを接続した様子を表わす模式図である。実際の動作は、燃料電池スタック１５の両端子と２次電池６６の電極との接続として行なわれるが、図７では、一つの発電部２６と２次電池６６とを接続した様子として模式的に表わしている。
【００４９】
図７に示すように、燃料電池スタック１５と２次電池６６との接続は、燃料電池スタック１５のアノードと２次電池６６の正極との接続、および、燃料電池スタック１５のカソードと２次電池６６の負極との接続として行なわれる。このように２次電池６６と接続して燃料電池スタック１５に電圧を印加することで、燃料電池スタック１５内では、各カソード電極２４に電子が集中する。このとき、アノード電極２３とカソード電極２４とがコンデンサの状態となり、発電部２６内に電界が生じるため、生じた電界によって発電部２６内（水素透過部２５内）のプロトンがカソード側に移動する。このようにカソード側に移動したプロトンは、カソード電極２４に集中する電子と反応して水素分子となり、カソード電極２４から排出可能となる。このとき、単セル内酸化ガス流路３２には、パージガスである空気が供給されているため、カソード電極２４から単セル内酸化ガス流路３２への水素の排出を、効率よく継続して行なうことができる。第２実施例の燃料電池１１０によれば、発電停止時に燃料電池スタック１５に電圧を印加して、カソード電極２４に電子を集中させることにより、カソード電極２４からの水素の排出を、第１実施例以上に促進することが可能となる。
【００５０】
図６では、２次電池６６は発電停止時に燃料電池スタック１５に電圧を印加するためだけに用いているが、２次電池６６を、燃料電池スタック１５と共に負荷６２に対して電力を供給するために用いる構成としても良い。負荷６２への電力供給を行なう際に、燃料電池スタック１５と２次電池６６とを並列に接続して用いる場合には、ステップＳ１１０においては、まず、燃料電池スタック１５および２次電池６６と負荷との接続を切断する。また、これと共に、正極同士、負極同士が接続されていた燃料電池スタック１５と２次電池６６との接続状態を、正極と負極とが接続される（燃料電池スタック１５のカソードと２次電池６６の負極、および、燃料電池スタック１５のアノードと２次電池６６の正極とが接続される）ように切り替えることとすればよい。あるいは、負荷６２への電力供給を行なう際に、燃料電池スタック１５と２次電池６６とを直列に接続して用いる場合には、ステップＳ１１０においては、直列に接続された燃料電池スタック１５と２次電池６６との端部電極間を短絡させればよい。例えば燃料電池スタック１５の負極（アノード）と２次電池６６の正極とを接続して電源として用いている場合には、発電時には負荷６２に接続していた燃料電池スタック１５の正極（カソード）と２次電池６６の負極とを短絡させればよい。
【００５１】
また、第２実施例では、発電停止時に燃料電池スタック１５に電圧を印加するための電圧発生部として２次電池６６を用いたが、異なる種類の電圧発生部を用いても良い。例えば、２次電池６６に代えて、交流電流を直流電流に変換して出力するためのＡＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、例えば商用電源に接続して用いることができる。
【００５２】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５３】
Ｄ１．変形例１：
第１および第２実施例では単セル内酸化ガス流路３２にパージガスを流すこととしたが、単セル内燃料ガス流路３０にも併せてパージガスを供給しても良い。この場合には、ブロワ４２と燃料ガス供給路５０とを接続する接続流路をさらに設け、発電停止時には、この接続流路を用いて、単セル内燃料ガス流路３０にも空気を供給することとすればよい。単セル内燃料ガス流路３０にもパージガスを供給することで、単セル内酸化ガス流路３２だけでなく単セル内燃料ガス流路３０においても水素濃度が低い状態を維持することができる。従って、単セル内燃料ガス流路３０側に対しても、水素透過性金属から成る層に残留する水素の排出を積極的に行なうことができ、より効率よく、より短期間で、残留水素の排出を行なうことができる。
【００５４】
Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、パージガスとして酸化ガスである空気を用いているため、燃料電池スタック１５にパージガスを供給するためのパージガス供給部を特別に設ける必要がないが、酸化ガスとは異なるガスをパージガスとして用いることとしても良い。パージガスは、実質的に水素を含有しないガス、すなわち、発電部２６内の水素（プロトン）が発電部２６外へと排出可能となる水素濃度差を、発電部２６との間で形成するガスであればよい。
【００５５】
Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、発電部２６は、水素透過性金属から成る層として、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３を備えることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、Ｖ等の５族金属あるいは５族金属合金により形成した水素透過性金属層２２のカソード側（電解質層２１と接する境界面）に、さらに、アノード電極２３と同様のＰｄ層を設けることとしても良い。
【００５６】
また、水素透過性金属層２２とアノード電極２３とを一体として、ＰｄあるいはＰｄ合金により形成し、このＰｄ層あるいはＰｄ合金層上に、電解質層２１を成膜することとしても良い。
【００５７】
あるいは、水素透過性金属から成る層（水素透過性金属層２２およびアノード電極２３）のアノード側（ガスセパレータ２７と接する側）の面上に、これらの水素透過性を有する金属層に加えてさらに、白金（Ｐｔ）等の貴金属からなる層（触媒層）を設けることとしても良い。
【００５８】
あるいは、発電部２６において、アノード側の配置とカソード側の配置とを入れ替えることとしても良い。すなわち、電解質層２１のカソード側に水素透過性金属層２２を配設することとしても良い。この場合には、電解質層２１とガスセパレータ２７との間には、ＰｄあるいはＰｔから成るアノード電極を設け、水素透過性金属層２２とガスセパレータ２９との間には、Ｐｔ等から成るカソード電極を設ければよい。その他、電解質層と水素透過性金属層とを備える水素透過部において、電解質層および／または水素透過性金属層を複数備える構成とすることもできる。これらの場合にも、発電停止時にカソード電極に電子を移動させ、発電部から単セル内酸化ガス流路へと効率よく水素を排出させることで、同様の効果が得られる。
【００５９】
Ｄ４．変形例４：
第１および第２実施例の燃料電池では、電解質層２１を固体酸化物によって形成したが、プロトン伝導性を有していれば他種の電解質によって形成しても良い。例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜によって電解質層を形成することができる。固体高分子膜の両面に緻密な水素透過性金属層を設けた燃料電池とすれば、水素透過性金属層によって固体高分子膜の水分を保持することによって、従来の固体高分子型燃料電池よりも高い動作温度を実現可能となる。あるいは、固体高分子膜に代えて、ヘテロポリ酸系や含水βアルミナ系などセラミック、ガラス、アルミナ系に水分を含ませた膜を電解質層として用いることとしても良い。プロトン伝導性を有する電解質層と、水素透過性金属層とを有する発電部を備える燃料電池に本願発明を適用することで、燃料電池の停止後に燃料電池温度が低下する場合にも、水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。
【図２】単セル２０の概略構成を示す断面模式図である。
【図３】停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】発電停止時における発電部２６の様子を表わす模式図である。
【図５】発電停止時に燃料電池スタック１５の両端子間を短絡させたときの様子を表わす模式図である。
【図６】燃料電池１１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図７】燃料電池スタック１５と２次電池６６とを接続した様子を表わす模式図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０，１１０…燃料電池
１５…燃料電池スタック
２０…単セル
２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２３…アノード電極
２４…カソード電極
２５…水素透過部
２６…発電部
２７，２９…ガスセパレータ
３０…単セル内燃料ガス流路
３２…単セル内酸化ガス流路
４０…燃料ガス供給部
４２…ブロワ
４６…制御部
５０…燃料ガス供給路
５２…酸化ガス供給路
６０…切り替えスイッチ
６２…負荷
６４…配線
６５…バイパス配線
１６５…バイパス配線
【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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