JP2005276552A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止時に、アノード側電極を空気により掃気する際に発生する可能性のある燃料電池構成材料の腐食を抑制する。
【解決手段】
イグニッションスイッチがＯＦＦ信号を発生した運転停止の時点ｔ０以降において、セル電圧の最大値が閾値電圧（燃料電池構成部材の腐食が抑制できる電圧）以下になった時点ｔ２の後に、アノード側電極に空気を供給して掃気を開始する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されて燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持している。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、このような燃料電池システムでは、燃料電池の始動性を確保するため、燃料電池の発電停止時あるいは始動時に、カソード側電極には通常の酸化剤ガスを、アノード側電極には燃料ガスの代わりに酸化剤ガスを流通させて、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに蓄積された発電による生成水を除去する、いわゆるアノード側酸化剤ガス掃気技術が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開平８−２４１７２６号公報（図３） 特開２００３−３３１８９３号公報（図４）

しかしながら、上記した特許文献１、２に係る燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時における酸化剤ガスによる掃気開始の瞬間には、アノード側電極において燃料ガスに酸化剤ガスが混在することにより、電解質膜・電極構造体の掃気ガスの入口側では両電極側に酸化剤ガスが存在することになるので、０［Ｖ］になるが、掃気ガスの出口側ではアノード電極側には排気前の燃料ガスが残っているので、一定の電圧が発生し、結局、電解質膜・電極構造体の掃気ガスの入口側と出口側の間で、その一定の電圧分の電位差が発生する。同様に、始動時における燃料ガスの供給の瞬間には、酸化剤ガスに燃料ガスが混在することより電位差が発生する。この発電停止時及び始動時に発生する電位差により形成される電子の流れ（電解質膜・電極構造体の一端側で発生した一定の電圧を電池として、電子がこの電池の負極側→一方のセパレータ→０［Ｖ］となっている電解質膜・電極構造体の他端側→他方のセパレータ→前記電池の正極側に至るループ）が、燃料電池内の電解質膜・電極構造体、電極触媒やセパレータ等の燃料電池構成材料を腐食させるという問題が発生する。

この発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の発電停止時及び始動時における燃料ガスと酸化剤ガスの混入を原因として発生する燃料電池構成材料の腐食を防止あるいは抑制することを可能とする燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、運転中に運転停止信号を検知したときに（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ１１：ＹＥＳ）前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定するセル電圧判定過程（Ｓ３，Ｓ１４）と、前記セル電圧が前記閾値電圧以下となったとき、前記燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行う掃気過程（Ｓ４〜Ｓ６，Ｓ１６〜Ｓ１８）とを有することを特徴とする（請求項１記載の発明）。

この発明によれば、運転停止信号を検知したときに、発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったとき、燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行うようにしているので、アノード側電極において燃料ガスに酸化剤ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。

この場合、前記セル電圧判定過程では、前記運転停止信号を検知したとき前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止し（Ｓ２）、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい（請求項２記載の発明）。

あるいは、前記セル電圧判定過程では、前記運転停止信号を検知したとき前記酸化剤ガス流路へ前記酸化剤ガス流量を低減して供給し（Ｓ１２）、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい（請求項３記載の発明）。

なお、前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を継続する（時点ｔ１０〜時点ｔ１２）ことが好ましい（請求項４記載の発明）。

また、請求項３または４記載の運転方法において、前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、さらに前記発電セルの負荷を増大し（時点ｔ１１〜時点ｔ１３）、前記発電セルのセル電圧を低下させることが好ましい（請求項５記載の発明）。

また、この発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、運転開始信号を検知したときに（Ｓ２１：ＹＥＳ）前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態で、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程（Ｓ２３）を有することが好ましい（請求項６記載の発明）。

この発明によれば、運転開始信号を検知したときに発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態となるように制御して、燃料ガス流路に燃料ガスの供給を開始するようにしているので、アノード側電極において酸化剤ガスに燃料ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。

この場合、前記燃料ガス供給開始過程において、前記運転開始信号を検知したときに、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始したとき、前記酸化剤ガス流路に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給する（Ｓ２２）ようにすることで、たとえ酸化剤ガスが反応しても発電セルのセル電圧が閾値を超えることがなくなる（請求項７記載の発明）。

この場合において、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したとき、前記酸化剤ガス流路に供給する前記酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量する（Ｓ２５）ことで、始動時に燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制し、かつ短時間に通常発電状態とすることができる（請求項８記載の発明）。

なお、燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出の完了判断は、空気供給口（３６ａ）と空気排出口（３６ｂ）との間の圧力差、及び水素供給口（３４ａ）と水素排出口（３４ｂ）との間の圧力差、または燃料ガス流路内の燃料ガスの濃度あるいは燃料ガス流路内の燃料ガス流量を間接的に検出することで判断することができる。計時手段であるタイマにより判断することもできる。

この発明によれば、アノード側電極においてガス種が入れ替わるときのセル電圧を、閾値電圧以下となるように制御しているので、燃料電池の発電停止時又は始動時における燃料ガスと酸化剤ガスの混入を原因として発生する燃料電池構成材料の腐食を防止あるいは抑制することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１２を備える。この燃料電池１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１６ａ、１６ｂが配置されており、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

発電セル１４は、例えば、固体高分子電解質膜１８の両側にアノード側電極２０とカソード側電極２２とを配置した電解質膜・電極構造体２４と、電解質膜・電極構造体２４を挟んで保持する一対の金属セパレータ２６、２８とを備える。アノード側電極２０と金属セパレータ２６との間には、燃料ガスとして、例えば、水素（Ｈ₂）ガスを供給するための燃料ガス流路３０が形成される一方、カソード側電極２２と金属セパレータ２８との間には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素（Ｏ₂）を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路３２が形成される。

エンドプレート１６ａには、各発電セル１４の燃料ガス流路３０に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、各発電セル１４の酸化剤ガス流路３２に空気を供給するための空気供給口３６ａとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、燃料ガス流路３０から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池１２から排出するための水素排出口３４ｂと、酸化剤ガス流路３２から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池１２から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。空気供給口３６ａと空気排出口３６ｂには、それぞれ空気の圧力を検出する圧力計７２、７４が設けられる。また、水素供給口３４ａと水素排出口３４ｂには、それぞれ、運転中における水素の圧力あるいは掃気時における酸素の圧力を検出する圧力計４６、５５が設けられる。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素供給流路３８と、排気弁５２を介して排ガスを図示していない希釈ボックスを通じて外部に放出する排気流路５４とを備える。

水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素タンク４２と、水素タンク４２から供給される水素ガスの圧力を調圧する供給弁４４と、調圧された水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路４７から排ガスを吸引して燃料電池１２にもどすためのエゼクタ４５と、上述した圧力計４６とが設けられる。水素循環流路４７には、排気弁５２を介して排気流路５４が接続されるとともに、水素排出口３４ｂ側には、上述した圧力計５５の他、水素濃度を検出する濃度計４８と、水素の流量を検出する流量計５０とが設けられる。

また、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に空気を供給する空気供給流路５６と、燃料電池１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、大気に廃棄するための空気排出流路５８とを備える。空気供給流路５６には、大気からの空気を圧縮して供給するとともに空気の流量を調節するためのスーパーチャージャ（又はポンプ）６０が設けられる。

さらに、空気供給流路５６と水素供給流路３８との間には、運転停止時の掃気時に酸化剤ガスである空気を水素供給口３４ａから発電セル１４の燃料ガス流路３０に供給するための供給弁６２が設けられた空気掃気用流路６４が設けられている。

燃料電池１２には、発電停止時に、大きさが調節される負荷７０が接続されるとともに、各発電セル１４の発生電圧であるセル電圧を検出する電圧計６５が設けられる。電圧計６５は、セル電圧をコントローラ６６に送る。コントローラ６６には、イグニッションスイッチ６８から運転開始信号であるＯＮ信号（例えばローレベルからハイレベルに遷移する信号）及び運転停止信号であるＯＦＦ信号（したがって、ハイレベルからローレベルに遷移する信号）が送られる。

コントローラ６６は、マイクロコンピュータ等により構成され、ＣＰＵ、メモリ、計時手段であるタイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のインタフェースが搭載された制御基板により構成され、メモリに記憶されたプログラムを実行することで、供給弁４４、６２、排気弁５２及びスーパーチャージャ６０等の燃料電池システム１０全体を制御する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、この実施形態に係る燃料電池の運転方法との関連で、以下、Ａ．通常発電運転時の処理、Ｂ．発電運転停止時の処理（２つの処理例）、及びＣ．発電運転開始時、いわゆる始動時の処理について説明する。

Ａ．通常発電運転時の処理の説明
イグニッションスイッチ６８からＯＮ信号が供給される通常発電運転時には、供給弁６２が閉じられた状態で、すなわち、空気掃気用流路６４が閉じられた状態で、水素タンク４２から供給される燃料ガスが、供給弁４４を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ４５、水素供給流路３８を通じて水素供給口３４ａに供給される。

水素供給口３４ａに供給された燃料ガスは、各発電セル１４を構成する燃料ガス流路３０に沿ってアノード側電極２０に供給されアノード側電極２０に沿って移動後、水分を含み水素ガスを含む排ガスは、水素排出口３４ｂから水素循環流路４７に送られる。水素循環流路４７に排出された排ガスは、エゼクタ４５の吸引作用下に水素供給流路８２の途上にもどされた後、再度、燃料電池１２内の燃料ガスとして供給される。なお、排気弁５２は、通常発電中、概ね閉じられており、間欠的に開かれる。

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてスーパーチャージャ６０から供給され、酸化剤ガスとして空気供給流路５６を介して、空気供給口３６ａに供給される。この空気供給口３６ａから各発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路３２に沿ってカソード側電極２２に供給されカソード側電極２２に沿って移動後、未使用の空気と水分を含む排ガスが、空気排出口３６ｂから空気排出流路５８を通じて大気に排出される。

これにより、各発電セル１４ではアノード側電極２０に供給される燃料ガスである水素と、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。

この発電中には、アノード側電極２０において水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは固体高分子電解質膜１８内を水分を伴ってカソード側電極２２に到達する。発生した電子は、アノード側電極２０から外部の負荷７０（負荷としては、モータ、キャパシタ、補機等が含まれる。）を介し、カソード側電極２２に到達する。カソード側電極２２に到達した電子と供給される酸素と水素イオンとが、電解質膜１８のカソード側電極２２側で結合して水になる。

Ｂ．発電運転停止時の処理の説明
次に、図２に示すフローチャート及び図３示すタイムチャートに沿って、発電運転停止時の第１の処理について説明する。

通常発電運転中、ステップＳ１において、イグニッションスイッチ６８からＯＦＦ信号が供給されたことを検知したとき、ステップＳ２において、燃料ガスの供給弁４４と排気弁５２が閉じられて水素供給口３４ａからのアノード側電極２０に対する燃料ガスの供給が停止される（図３の（ａ）の時点ｔ０参照）。

この状態においては、図３の（ｂ）に示すように、カソード側電極２２には酸化剤ガスである空気の供給が継続されているので、発電セル１４内の燃料ガス流路３０に残留している水素と、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われてセル電圧が発生するが、図３の（ｄ）の時点ｔ１から分かるように、燃料ガスである水素が希薄になってきた時点ｔ１で、セル電圧が低下を開始する。

そこで、次に、ステップＳ３において、電圧計６５により検出される各発電セル１４のセル電圧中の最大値が閾値電圧以下になったかどうかが判定される。なお、この閾値電圧は、燃料電池１２内の電解質膜・電極構造体２４、電極触媒やセパレータ２６、２８等の燃料電池構成材料の腐食を抑制することができる所定電圧であり、燃料電池１２の開発・設計段階で、実験確認による追試等を含め、燃料電池１２の耐久性等を考慮した所定の電圧に予め決定することができる。なお、この所定電圧は、上述した、発電停止時の酸化剤ガスによる掃気開始の瞬間、及び始動時の燃料ガスの供給の瞬間において発生する一定の電圧より低い電圧である。

図３の（ｄ）の時点ｔ２に示すように、セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となったとき、ステップＳ３の判定が肯定的となる。

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった次の時点ｔ２＋αで、ステップＳ４では、供給弁６２と排気弁５２が開かれ、図３の（ａ）及び図３の（ｂ）に示すように、酸化剤ガスである空気がスーパーチャージャ６０から空気供給流路５６を通じて空気供給口３６ａからカソード側電極２２に供給されると同時に、空気掃気用流路６４、供給弁６２を通じて水素供給流路３８を介し水素供給口３４ａからアノード側電極２０に供給される。カソード側電極２２に供給された空気は空気排出流路５８を通じて外気に排出されるとともに、アノード側電極２０に供給された空気は水素排出口３４ｂから排気弁５２を通じて排気流路５４に排気される。

また、ステップＳ４の処理と同時に、図３の（ｃ）の時点ｔ２に示すように、オン状態にあった負荷７０がオン状態からオフ状態とされ、発電セル１４からの負荷７０への電流供給が停止され、発電運転が停止される。

発電運転が停止した時点ｔ２以降において、ステップＳ６に示すように、燃料ガス流路３０内及び酸化剤ガス流路３２内の空気による掃気が完了したかどうかが判定される。この掃気完了の判定は、空気供給口３６ａと空気排出口３６ｂにおいて計測される圧力計７２、７４による差圧が所定圧力値以下となっているかどうか、及び水素供給口３４ａと水素排出口３４ｂにおいて計測される圧力計４６、５５による差圧が所定圧力値以下となっているかどうかにより判定される。差圧が所定圧力値以下となっているとき、酸化剤ガス流路３２と燃料ガス流路３０内の水分が燃料電池１２の外に排出されたとみなされる。なお、このステップＳ６の判定は、コントローラ６６のタイマにより、予め決めておいた所定時間経過したかどうかにより判定することもできる。

ステップＳ６の掃気完了判定が肯定的となったとき、時点ｔ３に示すように、ステップ７において、スーパーチャージャ６０が停止され、アノード側電極２０及びカソード側電極２２に対する空気の供給が停止され、以下、燃料電池システム１０のシステムが停止される。

このように、この発電運転停止時の第１の処理では、通常運転中に運転停止信号であるイグニッションスイッチ６８からのＯＦＦ信号を検知したときに、セル電圧判定過程であるステップＳ３の処理で、発電セル１４のセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定し、セル電圧が閾値電圧以下となった時点ｔ２で、掃気過程であるステップＳ４以降において燃料ガス流路３０に酸化剤ガスである空気を供給して掃気を行うようにしている。

このようにアノード側電極２０においてガス種が、燃料ガスから酸化剤ガスに入れ替わるときのセル電圧を閾値電圧よりも低く抑えるようにしているので、セパレータ２６やアノード側電極２０での腐食を防止することができる。

この場合、セル電圧判定過程では、運転停止信号であるＯＦＦ信号を検知したときの時点ｔ０において燃料ガス流路３０への燃料ガスの供給を停止しているので、発電セル１４のセル電圧が上昇することがない。なお、燃料ガスの供給を停止しても燃料ガス流路３０には燃料ガスが残存しているので、この燃料ガスを消費するために図３の（ｃ）の時点ｔ０〜ｔ２に示すように、その時間内では負荷７０をＯＮ状態としておくことが好ましい。

次に、図４に示すフローチャート及び図５示すタイムチャートに沿って、発電運転停止時の第２の処理について説明する。

通常発電運転中、ステップＳ１１において、イグニッションスイッチ６８からＯＦＦ信号が供給されたことを検知したとき、ステップＳ１２において、スーパーチャージャ６０による空気の流量が調整され、空気供給口３６ａから発電セル１４の酸化剤ガス流路３２への酸化剤ガスの流量が低減して供給される（図５の（ｂ）の時点ｔ１０参照）。このため、図５の（ｄ）に示すように、時点ｔ１０以降において、セル電圧が徐々に減少を始める。

次いで、ステップＳ１３において、負荷７０を増大させる（図５の（ｃ）の時点ｔ１１参照）。

この状態においては、酸化剤ガス流量が低減されており（図５の（ｂ）参照）、かつ負荷７０が増大されているので、図５の（ｄ）の時点ｔ１１以降に示すように、セル電圧が急速に低下する。

そこで、次に、ステップＳ１４において、電圧計６５により検出される各発電セル１４のセル電圧中の最大値が上述した閾値電圧以下になったかどうかが判定される。

図５の（ｄ）の時点ｔ１２に示すように、セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となったとき、ステップＳ１４の判定が肯定的となる。

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった時点ｔ１２において、水素ガスの供給弁４４を閉じて、図５の（ａ）に示すように、発電セル１４のアノード側電極２０への燃料ガスの供給を停止する。なお、時点ｔ１２まで燃料ガスの供給を継続している理由は、負荷７０に大きな電流を流しているときに、燃料ガスの供給が少なくなると、アノード側電極２０での腐食が発生する可能性があるからである。

セル電圧の最大値が閾値電圧以下の値となった時点ｔ１２以降、次の時点ｔ１３の、ステップＳ１６では、供給弁６２が開かれ、図５の（ａ）に示すように、酸化剤ガスである空気がスーパーチャージャ６０から空気供給流路５６を通じ空気供給口３６ａからカソード側電極２２に供給されると同時に、空気掃気用流路６４、供給弁６２を通じて水素供給口３４ａからアノード側電極２０に供給される、いわゆるアノード側電極２０の酸化剤ガスによる掃気処理が開始される。

このステップＳ１５の処理と同時に、図５の（ｃ）に示すように、オン状態でかつ増量状態にあった負荷７０がオン状態からオフ状態とされ、発電セル１４からの負荷７０への電流供給が停止され、発電運転が停止される。

時点ｔ１３以降において、ステップＳ１８では、燃料ガス流路３０内及び酸化剤ガス流路３２内の空気による掃気が完了したかどうかが判定される。この掃気完了の判定は、空気供給口３６ａと空気排出口３６ｂにおいて検出される圧力計７２、７４による差圧が所定値以下となっているかどうか、及び水素供給口３４ａと水素排出口３４ｂにおいて検出される圧力計４６、５５による差圧が所定値以下となっているかどうかにより判定される。差圧が所定圧力値以下となっているとき、酸化剤ガス流路３２と燃料ガス流路３０内の水分が燃料電池１２の外に排出されたとみなされる。なお、このステップＳ１８の判定は、コントローラ６６のタイマにより、予め決めておいた所定時間経過したかどうかにより判定することもできる。

ステップＳ１８の掃気完了判定が肯定的となったとき、時点ｔ１４に示すように、ステップ１９において、スーパーチャージャ６０が停止され、アノード側電極２０及びカソード側電極２２に対する空気の供給が停止されて掃気処理が完了し、ステップＳ２０において、燃料電池システム１０のシステムが停止される。

このように、この発電運転停止時の第２の処理では、通常運転中に運転停止信号であるイグニッションスイッチ６８からのＯＦＦ信号を検知したときに、セル電圧判定過程であるステップＳ１４の処理で、発電セル１４のセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定し、セル電圧が閾値電圧以下となった時点ｔ１３で、掃気過程であるステップＳ１６以降において燃料ガス流路３０に酸化剤ガスである空気を供給して掃気を行うようにしている。

このようにアノード側電極２０においてガス種が、燃料ガスから酸化剤ガスに入れ替わるときのセル電圧を閾値電圧よりも低く抑えるようにしているので、セパレータ２６やアノード側電極２０での腐食を防止することができる。

この場合、セル電圧判定過程では、運転停止信号であるＯＦＦ信号を検知した時点ｔ１０において、酸化剤ガス流路３２へ酸化剤ガス流量を低減して供給しているので、発電セル１４のセル電圧を低下させることができる。

なお、酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、時点ｔ１０〜時点ｔ１２間に示すように、燃料ガス流路３０への燃料ガスの供給を継続することが好ましい。燃料ガスの供給を継続することにより、発電が継続している状態において、アノード側電極２０がいわゆるガス欠状態になると、アノード側電極２０のセパレータ２６が腐食されやすくなり発電性能を低下を引き起こすという、発電性能の低下を未然に回避することができる。

なお、時点ｔ１０〜時点ｔ１３に示すように、酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、図５の時点ｔ１１〜時点ｔ１３に示すように、発電セル１４の負荷７０を増大することで、発電セル１４のセル電圧を一次的に低下させることができるため応答性をよくすることができる。この場合、負荷７０として、スーパーチャージャ６０の動力や燃料電池１２を保温するための動力など、有効なエネルギとして用いることができる。もちろん、負荷７０として抵抗器を用いてもよい。

Ｃ．発電運転開始時の処理の説明
次に、図６に示すフローチャート及び図７示すタイムチャートに沿って、発電運転開始時の処理について説明する。

システムの停止中には、上記のステップＳ６あるいはステップＳ１８の処理により掃気が完了している状態となっているので、発電セル１４内の燃料ガス流路３０及び酸化剤ガス流路３２には空気が入っている状態になっている。

ステップＳ２１において、イグニッションスイッチ６８からＯＮ信号が供給されたことを検知したときに、直ちに燃料ガス流路３０に燃料ガスを投入すると、その燃料ガス流路３０内で酸化剤ガスと燃料ガスとが混在することになり、これと同時に酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスを所定量だけ投入するとセル電圧が急激に上昇し閾値電圧を超える可能性があるので、これを回避するため、ステップＳ２では、供給弁６２と供給弁４４を閉じた状態において、図７の（ｂ）の時点ｔ２１に示すように、スーパーチャージャ６０を弱く駆動し、カソード側電極２２に対して、通常発電時に比較して少量の酸化剤ガスを流通させる。

そして、時点ｔ２２に示すように、少量の酸化剤ガスを流通させた状態で、図７の（ａ）に示すように、ステップＳ２３では、供給弁４４を開きアノード側電極２０へ燃料ガスの供給を開始する。

次いで、この時点ｔ２２以降の状態において、ステップＳ２４にて、燃料ガス流路３０内の残ガスである酸化剤ガスの排出が完了したかどうかが判定される。この判定は、水素排出口３４ｂに設けられた濃度計４８により測定された水素の濃度が閾値濃度以上となったか、あるいは水素排出口３４ｂに設けられた流量計５０により測定された流量が閾値流量以上となったか、さらにはタイマによる計時時間が閾値時間を超えたかどうか等により判定することができる。

ステップＳ２４の判定が肯定的となったとき、ステップＳ２５において、スーパーチャージャ６０が通常運転駆動され、空気供給流路５６から空気供給口３６ａを介して酸化剤ガス流路３２に増量されて通常流量となった酸化剤ガスが供給されることで、カソード側電極２２に対して通常流量の酸化剤ガスが供給される（図８の（ｂ）の時点ｔ２３参照）。

この時点ｔ２３より、ステップＳ２６の上述した通常発電が開始され、発電セル１４のセル電圧が、上昇して通常発電時のセル電圧になる。

このように、この運転開始時の処理では、運転開始信号であるイグニッションスイッチ６８からのＯＮ信号を検知した時点ｔ２１で、発電セル１４のセル電圧が閾値電圧以下の状態で、燃料ガス流路３０に燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程（ステップＳ２３）を設けている。すなわち、運転開始信号であるＯＮ信号を検知したときに発電セル１４のセル電圧が閾値電圧以下の状態となるように制御して、燃料ガス流路３０に燃料ガスの供給を開始するようにしているので、アノード側電極２０において酸化剤ガスに燃料ガスが混在することにより電位差が発生したとしても、セル電圧が閾値電圧以下となっているので、セパレータ２６等の燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制することができる。

この場合、運転開始信号であるＯＮ信号を検知したときに、燃料ガス流路３０に燃料ガスの供給を開始したときの時点ｔ２１〜時点ｔ２３において、図７の（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路３２に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給するようにすることで、たとえ酸化剤ガスが反応しても発電セル１４のセル電圧が閾値を超えることがない。

この場合において、燃料ガス流路３０に燃料ガスの供給を開始した後、燃料ガス流路３０内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したときの時点ｔ２３において、図７の（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路３２に供給する酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量することで、始動時に燃料電池構成材料を腐食させる事態を防止あるいは抑制し、かつ短時間に通常発電状態とすることができる。

この発明に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。 運転停止時における掃気処理の第１の処理説明に供されるフローチャートである。 運転停止時における掃気処理の第１の処理説明に供されるタイムチャートである。 運転停止時における掃気処理の第２の処理説明に供されるフローチャートである。 運転停止時における掃気処理の第２の処理説明に供されるタイムチャートである。 掃気処理後の運転開始時における処理説明に供されるフローチャートである。 掃気処理後の運転開始時における処理説明に供されるタイミングチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…発電セル １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２２…カソード側電極
２４…電解質膜・電極構造体 ２６、２８…セパレータ
３０…燃料ガス流路 ３２…酸化剤ガス流路
３４ａ…水素供給口 ３４ｂ…水素排出口
３６ａ…空気供給口 ３６ｂ…空気排出口
３８…水素供給流路 ４７…水素循環流路
５４…排気流路 ５６…空気供給流路
５８…空気排出流路 ６４…空気掃気用流路

Claims (8)

1. 電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、
   運転中に運転停止信号を検知したときに前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下になったかどうかを判定するセル電圧判定過程と、
   前記セル電圧が前記閾値電圧以下となったとき、前記燃料ガス流路に酸化剤ガスを供給して掃気を行う掃気過程と
   を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、
   前記セル電圧判定過程では、
   前記運転停止信号を検知したとき前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止し、前記発電セルのセル電圧を低下させる
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
3. 請求項１記載の運転方法において、
   前記セル電圧判定過程では、
   前記運転停止信号を検知したとき前記酸化剤ガス流路へ前記酸化剤ガス流量を低減して供給し、前記発電セルのセル電圧を低下させる
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
4. 請求項３記載の運転方法において、
   前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を継続する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
5. 請求項３または４記載の運転方法において、
   前記酸化剤ガス流量を低減して供給するとき、さらに前記発電セルの負荷を増大して、前記発電セルのセル電圧を低下させる
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
6. 電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟んで保持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された発電セルを有し、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、
   運転開始信号を検知したときに前記発電セルのセル電圧が閾値電圧以下の状態で、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始する燃料ガス供給開始過程
   を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
7. 請求項６記載の燃料電池の運転方法において、
   前記燃料ガス供給開始過程において、前記運転開始信号を検知したときに、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始したとき、前記酸化剤ガス流路に通常発電時に供給する酸化剤ガスの流量より少ない流量の酸化剤ガスを供給する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
8. 請求項７記載の燃料電池の運転方法において、
   前記燃料ガス流路に前記燃料ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス流路内の酸化剤ガスの排出が完了したと判断したとき、前記酸化剤ガス流路に供給する前記酸化剤ガスの流量を通常発電時に供給する流量に増量する
   ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
   
   

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