(57)【要約】【課題】より簡単に燃料電池の劣化を防止できる燃料電池の劣化防止構造、及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】短絡部材２の一の導電部３が、一のセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡させ、他の導電部３が、他のセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡させる。短絡部材２では、絶縁部４によって一の導電部３と他の導電部３とが絶縁されている。従って、一のセル６０と他のセル６０は、それぞれ個別にアノード２２とカソード２４が短絡した状態となる。導電部３と絶縁部４によるシンプルな構成の短絡部材２を移動させて、導電部３でセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡するだけで、燃料電池１０の劣化を防止できる。【選択図】図２
2013206868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、
を有するセルを複数備える燃料電池の劣化防止構造であって、
互いに積層された第１のセル、及び第２のセルと、
前記アノードと前記カソードを短絡させる短絡部材と、を備え、
前記短絡部材は、
前記第１のセルの前記アノードと前記カソードとを短絡させる第１の導電部と、
前記第２のセルの前記アノードと前記カソードとを短絡させる第２の導電部と、
前記第１の導電部と前記第２の導電部とを絶縁する絶縁部と、を備える燃料電池の劣化防止構造。
【請求項２】
前記第１のセル及び前記第２のセルは、
前記アノードに接続されたアノード用セパレータと、
前記カソードに接続されたカソード用セパレータと、を有し、
前記短絡部材の前記第１の導電部と前記第２の導電部とは、前記第１のセルと前記第２のセルとの積層方向に沿って並設され、
前記第１の導電部は、前記第１のセルの前記アノード用セパレータ及び前記カソード用セパレータの前記積層方向と交わる方向における外周部と接触することによって、前記アノードと前記カソードとを短絡させ、
前記第２の導電部は、前記第２のセルの前記アノード用セパレータ及び前記カソード用セパレータの前記積層方向と交わる方向における外周部と接触することによって、前記アノードと前記カソードとを短絡させる、請求項１記載の燃料電池の劣化防止構造。
【請求項３】
前記短絡部材は、弾性材料からなる前記絶縁部に、前記第１の導電部及び前記第２の導電部を設けることにより構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の劣化防止構造。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池の劣化防止構造を備える燃料電池システムであって、
システム停止時に、前記短絡部材で前記アノードと前記カソードを短絡させる燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池の劣化防止構造を備える燃料電池システムであって、
システム起動時に、前記短絡部材で前記アノードと前記カソードを短絡させ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、燃料電池の劣化防止構造、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムにおいては、セルにおいて転極が発生することにより電極が劣化し、燃料電池の性能が低下するという問題があった。このような問題を解決するものとして、従来より特許文献１に示すような燃料電池システムが知られている。特許文献１に示す燃料電池システムは、燃料電池全体のセルのうち、一のセル又は所定数のセルごとに、放電抵抗及びスイッチを有した回路を接続し、システム起動時にスイッチの開閉によって、放電抵抗の切断又は接続を行っている。これにより、燃料電池の劣化を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１８１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、燃料電池の劣化を防止するための構造又は制御が複雑になってしまうという問題があった。従って、より簡単に燃料電池の劣化を防止することが求められていた。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、より簡単に燃料電池の劣化を防止できる燃料電池の劣化防止構造、及び燃料電池システム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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池の劣化防止構造は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を有するセルを複数備える燃料電池の劣化防止構造であって、互いに積層された第１のセル、及び第２のセルと、アノードとカソードを短絡させる短絡部材と、を備え、短絡部材は、第１のセルのアノードとカソードとを短絡させる第１の導電部と、第２のセルのアノードとカソードとを短絡させる第２の導電部と、第１の導電部と第２の導電部とを絶縁する絶縁部と、を備える。
【０００７】
本発明に係る燃料電池の劣化防止構造によれば、短絡部材の第１の導電部が、第１のセルのアノードとカソードを短絡させ、第２の導電部が、第２のセルのアノードとカソードを短絡させる。短絡部材では、絶縁部によって第１の導電部と第２の導電部とが絶縁されている。従って、第１のセルと第２のセルは、それぞれ個別にアノードとカソードが短絡した状態となる。従って、転極を防止することで電極の劣化を防止することができる。また、複雑なスイッチ回路や複数の放電抵抗などを設けたり、それらのスイッチ回路を制御する必要はなく、導電部と絶縁部によるシンプルな構成の短絡部材を移動させて、導電部でセルのアノードとカソードを短絡するだけで、燃料電池の劣化を防止できる。以上により、より簡単に燃料電池の劣化を防止できる。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池の劣化防止構造において、第１のセル及び第２のセルは、アノードに接続されたアノード用セパレータと、カソードに接続されたカソード用セパレータと、を有し、短絡部材の第１の導電部と第２の導電部とは、第１のセルと第２のセルとの積層方向に沿って並設され、第１の導電部は、第１のセルのアノード用セパレータ及びカソード用セパレータの積層方向と交わる方向における外周部と接触することによって、アノードとカソードとを短絡させ、第２の導電部は、第２のセルのアノード用セパレータ及びカソード用セパレータの積層方向と交わる方向における外周部と接触することによって、アノードとカソードとを短絡させることが好ましい。セパレータの外周部と短絡部材の導電部とを接触させる構造とすることにより、短絡部材は各セルのアノードとカソードを容易に短絡させることができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池の劣化防止構造において、短絡部材は、弾性材料からなる絶縁部に、第１の導電部及び第２の導電部を設けることにより構成されていることが好ましい。このような構造により、第１のセルと第１の導電部との短絡位置と、第２のセルと第２の導電部との短絡位置との間にずれが生じていた場合であっても、弾性材料からなる絶縁部が変形することにより、このようなずれを吸収することができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の燃料電池の劣化防止構造を備える燃料電池システムであって、システム停止時に、短絡部材でアノードとカソードを短絡させる。システム停止時には、一部のセルにてアノードガスが不足することによる転極が起こり得る。従って、システム停止時に短絡部材でアノードとカソードを個別に短絡させることにより、アノードガスが不足しているセルにおいて、電極中の炭素が酸化するような電位になることを回避することにより、劣化を防止することができる。以上により、燃料電池の劣化を防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の燃料電池の劣化防止構造を備える燃料電池システムであって、システム起動時に、短絡部材でアノードとカソードを短絡させる。システム起動時には、アノードガス流路に水素と酸素（例えば、システム停止中に系内に入り込む）が共存することによる転極が起こり得る。また、一部のセルにてアノードガスが不足することによる転極が起こり得る。従って、システム停止時に短絡部材でアノードとカソードを短絡させることにより、各セルにおいて転極を回避することで、電極が劣化することを防止できる。以上により、燃料電池の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、逆電流の発生を抑制し、カソード触媒層の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の劣化防止構造を備える燃料電池システムのブロック構成を示すブロック構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池の劣化防止構造の構成を模式的に示す拡大図断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの起動から停止までの処理内容を示すフロー図である。
【図４】転極を説明するための模式図である。
【図５】転極を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１を備える燃料電池システム１００のブロック構成を示すブロック構成図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１の構成を模式的に示す拡大図断面図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、短絡部材２と、アノードガス供給部１０１と、カソードガス供給部１０２と、短絡部材駆動部１０３と、パワーコンディショナー１０４と、外部負荷１０６と、制御部１０７と、を備えている。本実施形態に係る劣化防止構造１は、燃料電池１０と、短絡部材２と、短絡部材駆動部１０３と、によって構成されている。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０は、複数のセル６０を積層させることによって構成されている。また、複数のセル６０が積層されたセルスタックの両端には集電板６１が設けられており、当該集電板６１から電力が取り出される。セル６０は、平板状の膜電極接合体５０を備え、この膜電極接合体５０の両側にはアノード用セパレータ３４及びカソード用セパレータ３６が設けられている。膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、当該固体高分子電解質膜２０の一方の面にアノード２２、および他方の面にカソード２４を有する。
【００１７】
アノード２２は、アノード触媒層及びアノードガス拡散層などからなる積層体を有する。一方、カソード２４は、カソード触媒層及びカソードガス拡散層などからなる積層体を有する。アノード２２のアノード触媒層とカソード２４のカソード触媒層は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１８】
アノード２２側に設けられるアノード用セパレータ３４にはアノードガス流路３８が形成されている。アノードガス供給用のマニホールド（図示せず）からアノードガスがアノードガス流路３８に分配され、アノードガス流路３８を通じて膜電極接合体５０にアノードガスが供給される。アノードガスは、水素を含有するガスであり、例えば、改質器から供給される改質ガスを用いることができる。
【００１９】
同様に、カソード２４側に設けられるカソード用セパレータ３６にはカソードガス流路４０が設けられている。カソードガス供給用のマニホールド（図示せず）からカソードガスがカソードガス流路４０に分配され、カソードガス流路４０を通じて膜電極接合体５０にカソードガスが供給される。カソードガスは、酸素を含有するガスであり、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。また、カソード用セパレータ３６の、カソードガス流路４０と反対側の面には、冷却水流路４１が設けられている。冷却水供給用のマニホールド（図示せず）から冷却水が冷却水流路４１に分配され、セル６０が冷却される。
【００２０】
以上のような構成により、セル６０は、アノード２２のアノード触媒層が固体高分子電解質膜２０の一方の面に設けられ、カソード２４のカソード触媒層が固体高分子電解質膜２０の他方の面に設けられ、アノードガス流路３８がアノード２２のアノードガス拡散層側に設けられ、カソードガス流路４０がカソード２４のカソードガス拡散層側に設けられる構成となる。
【００２１】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード２２およびカソード２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。固体高分子電解質膜２０の膜厚は５〜５０μｍである。
【００２２】
アノード２２を構成するアノード触媒層は、イオン伝導体（イオン交換樹脂）と、貴金属触媒やこれらの合金触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。アノード触媒層の膜厚は３〜３０μｍである。イオン伝導体は、合金触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。アノード触媒層に用いられる合金触媒は、たとえば、貴金属とルテニウムとからなる。この合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。また、合金触媒を担持する炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。アノード２２を構成するアノードガス拡散層は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる混練物（ペースト）である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。
【００２３】
カソード２４を構成するカソード触媒層は、イオン伝導体（イオン交換樹脂）と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン伝導体は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、たとえば白金合金を用いることができる。白金合金に用いられる金属として、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン、イリジウムなどが挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。カソード触媒層の膜厚は５〜４０μｍである。カソード２４を構成するカソードガス拡散層は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、例えば、アノードガス拡散基材において例示したフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。
【００２４】
短絡部材２は、燃料電池１０の各セル６０のアノード２２とカソード２４とを短絡させる部材である。短絡部材２は、各セル６０のアノード２２とカソード２４とを短絡させる複数の導電部３と、各導電部３同士を絶縁する絶縁部４と、を備えている。また、短絡部材駆動部１０３は、短絡部材２と各セル６０との接触と、当該接触の解除とを切り替えるために、短絡部材２を駆動させる機能を有している。短絡部材２及び短絡部材駆動部１０３の詳細な構成については後述する。
【００２５】
アノードガス供給部１０１は、燃料電池１０にアノードガスを供給する機能を有している。カソードガス供給部１０２は、燃料電池１０にカソードガスを供給する機能を有している。アノードガス供給部１０１から供給されるアノードガスは、流入部１２０ａから燃料電池１０へ流入する。当該アノードガスは、各セル６０のアノードガス流路３８を通過し、排出部１２０ｂから燃料電池１０外へ排出される。カソードガス供給部１０２から供給されるカソードガスは、流入部１１０ａから燃料電池１０へ流入する。当該カソードガスは、各セル６０のカソードガス流路４０を通過し、排出部１１０ｂから燃料電池１０外へ排出される。
【００２６】
パワーコンディショナー１０４は、燃料電池１０からの電力を、外部負荷での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０４は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２７】
制御部１０７は、燃料電池システム１００全体の制御処理を行う。制御部１０７は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１０７は、アノードガス供給部１０１、カソードガス供給部１０２、短絡部材駆動部１０３、パワーコンディショナー１０４、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１０７は、燃料電池システム１００内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１００内の各機器へ制御信号を出力する。本実施形態では、制御部１０７は、システム全体の起動や停止のための処理を実行すると共に、それらのタイミングに応じて短絡部材駆動部１０３を制御して短絡部材２を駆動させることで、各セル６０のアノード２２とカソード２４の短絡と当該短絡の解除を切り替える。
【００２８】
次に、図２を参照して、本実施形態に係る劣化防止構造１の詳細な構成について説明する。図２においては、図中に示されている各セル６０を、積層方向の順にセル６０Ａ、セル６０Ｂ、セル６０Ｃと称して説明する。なお、燃料電池１０は、図中に示されているセルより更に多くのセルを有してよいが、それらのセル、及び当該セルに対応する短絡部材２の部分も、図２に示される構成と同趣旨の構成を有するものとする。
【００２９】
図２に示すように、各セル６０Ａ〜６０Ｃにおいては、アノード２２に接続されたアノード用セパレータ３４の外周部３４ａ及びカソード２４に接続されたカソード用セパレータ３６の外周部３６ａが、セル６０Ａ〜６０Ｃにおける最も外周側に配置される構成となっている。外周部３４ａ，３６ａは、積層方向と直交する方向（交わる方向）における外周面を構成している。
【００３０】
短絡部材２は、セル６０Ａ〜６０Ｃの外周部３４ａ，３６ａ（燃料電池１０の外周面）と対向するように配置されている。短絡部材２は、セル６０Ａのアノード２２とカソード２４とを短絡させる導電部３Ａと、セル６０Ｂのアノード２２とカソード２４とを短絡させる導電部３Ｂと、セル６０Ｃのアノード２２とカソード２４とを短絡させる導電部３Ｃと、を備えている。各導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、セル６０の積層方向に沿って、互いに間隔を有して並設されている。各導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、直方体状の金属部材であり、それぞれ同じ形状、大きさ、材質で構成されている。導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃの材質は特に限定されず、銅などの良導電体を適用することができる。
【００３１】
導電部３Ａの接触面３ａは、セル６０Ａのセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと対向するように配置されている。また、接触面３ａを挟んで積層方向に対向する一方の側面３ｂは、セル６０Ａのカソード用セパレータ３６の積層方向に対向する一方の主面３６ｂ（冷却水流路４１が形成されている主面）と、他方の主面３６ｃ（カソード２４と接触する主面）との間の位置に配置される。一方、他方の側面３ｃは、セル６０Ａのアノード用セパレータ３４の積層方向に対向する他方の主面３４ｂ（隣のセル６０Ｂのカソード用セパレータ３６と接触する主面）と、一方の主面３４ｃ（アノード２２と接触する主面）との間の位置に配置される。導電部３Ｂの接触面３ａは、セル６０Ｂのセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと対向するように配置されている。また、接触面３ａを挟んで積層方向に対向する一方の側面３ｂは、セル６０Ｂのカソード用セパレータ３６の積層方向に対向する一方の主面３６ｂ（冷却水流路４１が形成され、隣のセル６０Ａのアノード用セパレータ３４と接触する主面）と、他方の主面３６ｃ（カソード２４と接触する主面）との間の位置に配置される。一方、他方の側面３ｃは、セル６０Ｂのアノード用セパレータ３４の積層方向に対向する他方の主面３４ｂ（隣のセル６０Ｃのカソード用セパレータ３６と接触する主面）と、一方の主面３４ｃ（アノード２２と接触する主面）との間の位置に配置される。導電部３Ｃの接触面３ａは、セル６０Ｃのセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと対向するように配置されている。また、接触面３ａを挟んで積層方向に対向する一方の側面３ｂは、セル６０Ｃのカソード用セパレータ３６の積層方向に対向する一方の主面３６ｂ（冷却水流路４１が形成され、隣のセル６０Ｂのアノード用セパレータ３４と接触する主面）と、他方の主面３６ｃ（カソード２４と接触する主面）との間の位置に配置される。一方、他方の側面３ｃは（図示されていないが、他の導電部と同様に）、セル６０Ｃのアノード用セパレータ３４の積層方向に対向する他方の主面３４ｂ（図示されない隣のセルのカソード用セパレータ３６と接触する主面）と、一方の主面３４ｃ（アノード２２と接触する主面）との間の位置に配置される。なお、導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃの長さ（図２における紙面表裏の方向における長さ）は、特に限定されないが、セパレータ３４，３６との接触量を増加させるために、長く設定することが好ましく、セパレータ３４，３６の長さと同程度に設定することが好ましい。
【００３２】
絶縁部４は、平板状に形成されており、当該平板の表面４ａ上に、各導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃが設けられている。導電部３Ａと導電部３Ｂとの間、すなわち、導電部３Ａの側面３ｃと導電部３Ｂの側面３ｂとの間の隙間には絶縁部４の一部が介在することで、導電部３Ａと導電部３Ｂとが確実に絶縁されている。なお、当該隙間の位置に、セル６０Ａとセル６０Ｂの境界部（セル６０Ａのアノード用セパレータ３４とセル６０Ｂのカソード用セパレータ３６との境界部）が配置される。導電部３Ｂと導電部３Ｃとの間の隙間、すなわち、導電部３Ｂの側面３ｃと導電部３Ｃの側面３ｂとの間には絶縁部４の一部が介在することで、導電部３Ｂと導電部３Ｃとが確実に絶縁されている。なお、当該隙間の位置に、セル６０Ｂとセル６０Ｃの境界部（セル６０Ｂのアノード用セパレータ３４とセル６０Ｃのカソード用セパレータ３６との境界部）が配置される。
【００３３】
絶縁部４の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、プラスチック板やゴム板を用いることができる。また、絶縁部４の材料として、弾性材料であるシリコンゴムやフッ素系ゴムを用いることが好ましい。このように弾力材料を用いた場合、各セル６０のセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａの面位置が互いに一致していなかったとしても、絶縁部４が弾性変形することによって、当該不一致を吸収することができるため、各導電部３は、各セル６０のセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと確実に接触することができる。なお、燃料電池１０の導電部３との接触面となるセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａに対しては、特に加工は不要であるが、例えば燃料電池１０の周りに樹脂コーティングなどが施されている場合は、当該コーティングを除去してもよく、または、当該接触部３４ａ，３６ａにめっきを施して導電部３に電気を流れ易くしてもよい。
【００３４】
以上のような構成により、短絡部材駆動部１０３が、短絡部材２全体を燃料電池１０に近づけることによって、各導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃの接触面３ａが、それぞれセル６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃのセパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと接触する。これにより、各セル６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃにおいて個別且つ同時に、アノード２２とカソード２４が短絡する。また、短絡部材駆動部１０３が、短絡部材２全体を燃料電池１０から遠ざけることによって、各導電部３Ａ，３Ｂ，３Ｃと各セル６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃとの接触が解除され、短絡が解除される。短絡部材駆動部１０３は、上述のような短絡部材２と各セル６０の接触と解除を繰り返し行うことができる構成であればどのようなものを採用してもよい。例えば、機械的なピストン運動によって短絡部材２を往復動させるアクチュエータや、磁気的な力によって短絡部材２を往復動させるアクチュエータを利用することができる。または、磁気的な力とバネを組み合わせることによって短絡部材２を往復動させる機構を採用できる。例えば、燃料電池１０から遠ざかる方向へ弾性力が作用するようにバネを配置しておき、短絡させるときは、電磁石を作動させて短絡部材２を燃料電池１０に引き寄せることで接触させ、解除するときは電磁石の力を解除することで、バネの弾性力によって短絡部材２を燃料電池１０から遠ざけることができる。
【００３５】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料電池システム１００は、少なくとも、電解質膜２０と、電解質膜２０の一方の面に設けられたアノード２２と、電解質膜２０の他方の面に設けられたカソード２４と、を有するセル６０を複数備える燃料電池１０と、燃料電池１０の一のセル６０のアノード２２とカソード２４とを短絡させる短絡部（本実施形態では、導電部３）を備えており、システム停止時に、当該短絡部で一のセル６０に係るアノード２２とカソード２４とを短絡させる。当該短絡部は、他のセル６０を短絡する短絡部とは絶縁されて、他のセル６０とは独立して一のセル６０においてアノード２２とカソード２４とを短絡させる。また、燃料電池システム１００は、システム起動時に、短絡部で一のセル６０に係るアノード２２とカソード２４とを短絡させる。
【００３６】
図３に示すように、制御部１０７は、まず燃料電池システム１００全体のシステム起動に係る処理を実行する（ステップＳ１０）。このとき、制御部１０７は、短絡部材駆動部１０３を制御して、短絡部材２を燃料電池１０に接触させる（ステップＳ２０）。これによって、燃料電池１０の各セル６０において、アノード２２とカソード２４とがセル６０ごとに個別に短絡する。制御部１０７は、アノードガス供給部１０１及びカソードガス供給部１０２を作動させて燃料電池１０の各セル６０にアノードガス及びカソードガスを供給する。
【００３７】
燃料電池１０の各セル６０にアノードガス及びカソードガスが安定して供給され、転極を生じることなく燃料電池１０が発電可能な状態となると、制御部１０７は、短絡部材駆動部１０３を制御して、短絡部材２と燃料電池１０との接触を解除する（ステップＳ３０）。これによって、燃料電池１０の各セル６０における、アノード２２とカソード２４との短絡が解除される。その後、燃料電池システム１００の通常運転に移行し（ステップＳ４０）、燃料電池１０から外部負荷に１０６に電力が供給される。
【００３８】
通常運転が終了して燃料電池システム１００のシステム停止段階になるとき、燃料電池システム１００は、システム停止準備に移行する（ステップＳ５０）。この段階では、制御部１０７が、システム内の各機器に制御信号を送信し、システム停止のための準備を行わせる。制御部１０７は、カソードガス供給部１０２を停止させ、カソードガスの供給を停止し、短絡部材駆動部１０３を制御して、短絡部材２を燃料電池１０に接触させる（ステップＳ６０）。これによって、燃料電池１０の各セル６０において、アノード２２とカソード２４とがセル６０ごとに個別且つ同時に短絡する。その後、別途検討で予め求めた一定時間の経過や、ガスセンサー等でスタック内部の酸素が消費された状態を検知したら、制御部１０７は、アノードガス供給部１０１を停止させ、各セル６０に対するアノードガスの供給を停止し、短絡部材駆動部１０３を制御して、短絡部材２と燃料電池１０との接触を解除する（ステップＳ７０）。これによって、燃料電池１０の各セル６０における、アノード２２とカソード２４との短絡が解除される。その後、燃料電池システム１００全体がシステム停止される（ステップＳ８０）。ただし、短絡部材２を短絡させたままシステムを停止してもよい。
【００３９】
次に、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１及び燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。
【００４０】
まず、燃料電池において課題となる転極について、図４及び図５を参照して説明する。アノード２２にアノードガスが供給されると、式（１）に示すように、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中をカソード２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード２４に流れ込む。一方、カソード２４に空気が供給されると、式（２）に示すように、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード２２からカソード２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００４１】
アノード：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  …（１）
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  …（２）
【００４２】
ここで、燃料電池の運転の停止後、長時間が経過すると、燃料電池システム１００の系内に空気が入り込むことにより、当該空気がアノードガス流路３８、アノード２２にまで及ぶ。この状態で運転を開始すると、アノード２２側において、新たに供給される水素と、停止時に入り込んだ酸素とが共存する状態となる。当該状態においては、図５に示すように、ガスの流路の入口側においては上記式（１）及び上記式（２）の反応が起こる一方、ガスの流路の出口側においては、式（３）及び式（４）に示す反応が起こる。このように、アノード２２とカソード２４の両方に酸素が存在することにより、アノード２２において本来カソード２４で起こるべき式（３）の反応が起き、カソード２４において触媒（ここでは白金）に担持された炭素が消失する式（４）の反応が起こる。これによって、燃料電池では、カソードが劣化するという問題が生じる。
【００４３】
アノード：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ  …（３）
カソード：Ｃ＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  …（４）
【００４４】
このような問題に対し、セルのアノードとカソードとを短絡させることで転極を防止することができる。しかしながら、図４に示すように、複数のセル６０が積層されている場合において、セルスタックの両端で短絡させた場合、次のような問題が生じる。すなわち、他のセル６０にアノードガスが供給されているにも関わらず、一部のセル６０へのアノードガスの供給が不十分となる場合がある（例えば、起動時にアノードガスを供給したときに、下流側の一部のセル６０に対してのアノードガスが不足する）。このような状態で、セルスタックの両端で短絡されていた場合、アノードガスが不足しているアノードにおいては、以下のような式（５）〜（７）の反応が起こる。これによって、アノードが劣化するという問題が生じる。
【００４５】
Ｐｔ  →  Ｐｔ２＋＋２ｅ−  …（５）
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  …（６）
２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  …（７）
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１は、上述で示したような転極を、以下のような構成によって防止することができる。燃料電池１０の劣化防止構造１によれば、短絡部材２の一の導電部３が、一のセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡させ、他の導電部３が、他のセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡させる。短絡部材２では、絶縁部４によって一の導電部３と他の導電部３とが絶縁されている。従って、一のセル６０と他のセル６０は、それぞれ個別にアノード２２とカソード２４が短絡した状態となる。このため、アノード２２とカソード２４での電位差を抑制することにより、上述の式（３）及び式（４）の反応が起きることを防止できる。また、セルスタックの両端で短絡させるのではなく、個々のセルについて個別で短絡している。従って、アノードガスが不足しているセル６０があったとしても、当該セル６０では、他のセル６０の影響によって式（５）〜（７）のように触媒中の炭素が消費されるような反応を起こさなくなる。以上によって、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１は、転極を防止することで電極の劣化を防止することができる。
【００４７】
また、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１は、導電部３と絶縁部４によるシンプルな構成の短絡部材２を移動させて、導電部３でセル６０のアノード２２とカソード２４を短絡するだけで、燃料電池１０の劣化を防止できる。例えば、セル６０に対して個別に放電抵抗及びスイッチを設ける場合、複雑なスイッチ回路や放電抵抗をセル６０の数だけ設ける必要があり、更に、セル６０ごとに集電板を設ける必要がある。また、それらのスイッチ回路を個別に制御する必要が生じる。しかしながら、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１を採用することにより、そのような複雑な構成や制御する必要が無くなる。以上により、より簡単に燃料電池１０の劣化を防止できる。
【００４８】
また、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１において、セル６０は、アノード２２に接続されたアノード用セパレータ３４と、カソード２４に接続されたカソード用セパレータ３６と、を有している。短絡部材２の複数の導電部３は、セル６０の積層方向に沿って並設され、導電部３は、セル６０のアノード用セパレータ３４及びカソード用セパレータ３６の積層方向と交わる方向における外周部３４ａ，３６ａと接触することによって、アノード２２とカソード２４とを短絡させることが好ましい。セパレータ３４，３６の外周部３４ａ，３６ａと短絡部材２の導電部３とを接触させる構造とすることにより、短絡部材２は各セル６０のアノード２２とカソード２４を容易に短絡させることができる。
【００４９】
また、本実施形態に係る燃料電池１０の劣化防止構造１において、短絡部材２は、弾性材料からなる絶縁部４に、各導電部３を設けることにより構成されている。このような構造により、例えば、セル６０Ａと導電部３Ａとの短絡位置と、セル６０Ｂと導電部３Ｂとの短絡位置との間にずれ（本実施形態では、一のセル６０のセパレータ３４，３６の短絡に係る面と他のセル６０のセパレータ３４，３６の短絡に係る面との間のずれ）が生じていた場合であっても、弾性材料からなる絶縁部４が変形することにより、このようなずれを吸収することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、上述の燃料電池１０の劣化防止構造１を備え、システム停止時に、短絡部材２でアノード２２とカソード２４を短絡させる。システム停止時には、セルスタックの両端を短絡させる従来の方式では、一部のセル６０にてアノードガスが不足することによって、上述の式（５）〜（７）に示す反応による転極が起こり得る。従って、システム停止時に短絡部材２でアノード２２とカソード２４を短絡させることにより、アノードガスが不足しているセル６０において、電極中の炭素が酸化するような電位になることを回避することにより、劣化を防止することができる。以上により、燃料電池１０の劣化を防止することができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、上述の燃料電池１０の劣化防止構造１を備え、システム起動時に、短絡部材２でアノード２２とカソード２４を短絡させる。システム起動時には、アノードガス流路３８に水素と酸素（例えば、システム停止中に系内に入り込む）が共存することによる、上述の式（３），（４）に示す反応による転極が起こり得る。また、一部のセル６０にてアノードガスが不足することによって、上述の式（５）〜（７）に示す反応による転極が起こり得る。従って、システム停止時に短絡部材２でアノード２２とカソード２４を短絡させることにより、各セル６０において転極を回避することで、電極が劣化することを防止できる。以上により、燃料電池１０の劣化を防止することができる。
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５３】
また、燃料電池１０のセル６０の積層数や形状や大きさも上述の実施形態に限定されない。
【００５４】
また、短絡部材２は、少なくとも複数の導電部３を有し、各導電部３が互いに絶縁されていれば、どのような構造としてもよい。例えば、導電部３と絶縁体の層とを交互に積層させることによって（すなわち、一の絶縁体の層は、他の絶縁体の層とは別体となっている）、短絡部材２を構成してもよい。
【００５５】
上述の実施形態においては、燃料電池１０の外周面の一つと接触するように平面状に形成された短絡部材２を設けていた。しかし、短絡部材２を断面コ字状や断面Ｌ字状に形成することにより、燃料電池１０の二つの外周面、または三つの外周面と接触するようにしてもよい。導電部の接触面積を増やすことによって、より確実に短絡することができる。あるいは、別体とされた短絡部材２を複数設け、それぞれの短絡部材２が燃料電池１０の外周面のうちの、互いに異なる面と接触するようにしてもよい。
【００５６】
また、上述の実施形態では、一つのセル６０に対して一つの導電部３が設けられ、一つのセル６０内のみにて短絡されていたが、転極が生じない範囲内にて、複数のセル６０を一グループとして、当該一グループを一つの導電部３で短絡してもよい。
【００５７】
また、システム停止時に、各セル６０ごとに個別にアノード２２とカソード２４とを短絡させる場合、短絡部材２ではなく、各セル６０に個別に設けられた短絡用のスイッチ回路を設けておき、当該スイッチ回路を閉じることによりアノード２２とカソード２４とを個別に短絡させてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…劣化防止構造、２…短絡部材、３…導電部、４…絶縁部、１０…燃料電池、２０…固体高分子電解質膜、２２…アノード、２４…カソード、３４…アノードガス用セパレータ、３６…アノードガス用セパレータ、３８…アノードガス流路、４０…カソードガス流路、６０…セル、１００…燃料電池システム。
【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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