JP2009151972A - 燃料電池の発電停止方法、その発電起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電停止時及び発電起動時に、腐食電流が流れることを良好に抑制することができ、耐久性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】発電停止方法は、燃料電池スタックから負荷を電気的に切断する工程と、アノード側電極の燃料ガス圧及びカソード側電極の酸化剤ガス圧を、大気圧近傍まで減圧させる工程と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を停止する工程と、前記燃料電池への印加荷重を低減又は解除する工程とを有し、固体高分子電解質膜とアノード側電極及び／又はカソード側電極との接触抵抗を増加させ、あるいは、互いに離間させることにより、腐食電流の流れを抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される燃料電池の発電停止方法、その発電起動方法及び燃料電池システムに関する。

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設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、車載用に使用されている。

燃料電池スタックでは、アノード側電極に燃料ガス（水素ガス）を供給するとともに、カソード側電極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、電気化学反応を介して発電が行われている。

そして、燃料電池スタックの発電が停止した状態では、前記燃料電池スタックへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池スタックの停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。

そこで、例えば、アノード側電極中に残存する燃料ガスを、空気や窒素等の不活性ガスで強制的にパージする方法が行われている。このため、燃料電池スタックの停止時には、カソード側電極及びアノード側電極には、例えば、空気が存在している。

また、上記のパージ処理を行わない場合にも、燃料電池スタックを長時間にわたって停止させていると、カソード側から電解質膜を透過した空気がアノード側に移動し、カソード側電極及びアノード側電極に空気が存在する状態になってしまう。

この状態で、燃料電池スタックを起動させると、アノード側電極に燃料ガスの供給を開始する際、水素と空気とが混在するため、カソード側電極が高電位となり易い。これにより、前記カソード側電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が惹起されるという問題がある（特許文献１）。

このため、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の積層方向に圧力を印加して変化させる荷重可変手段と、酸化剤極セパレータ及び燃料極セパレータに酸化剤を供給してドライガスパージを行うガスパージ手段とを備えている。

この燃料電池システムでは、荷重可変手段が圧力を印加することによって、触媒層及びガス拡散層から水を排出し、ガスパージ手段がドライガスパージを実施することによってセパレータから水を除去するので、燃料電池内を乾燥状態にすることができ、これによって燃料電池の停止時における劣化を防ぐことができる、としている。

特表２００６−５０７６４７号公報 特開２００６−１０７９０８号公報

しかしながら、上記の特許文献２では、燃料電池システムの停止時に、単位セルの積層方向に通常より大きな荷重を印加するため、ガス拡散層等のスタック部材が損傷を受けるおそれがある。

しかも、積層方向により大きな荷重が印加されるため、電解質膜と燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層との密着性が増加し、腐食電流が流れ易くなるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電停止時や発電起動時に、腐食電流が流れることを良好に抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池の発電停止方法、その発電起動方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層されるとともに、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に負荷を電気的に接続し、且つ積層方向に荷重を印加した状態で、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の発電停止方法に関するものである。

この発電停止方法は、燃料電池から負荷を電気的に切断する工程と、アノード側電極の燃料ガス圧及びカソード側電極の酸化剤ガス圧を、大気圧近傍まで減圧させる工程と、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止する工程と、前記燃料電池への印加荷重を低減又は解除する工程とを有している。

また、この発電停止方法は、燃料電池への印加荷重を低減又は解除することにより、シール部材の反発力を介して、少なくともアノード側電極又はカソード側電極を、セパレータと一体に電解質膜から離間させることが好ましい。

さらに、本発明は、電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される燃料電池の発電起動方法に関するものである。

この発電起動方法は、燃料電池に対して積層方向への印加荷重を低減又は解除した状態で、アノード側電極への燃料ガスの供給を開始する一方、カソード側電極への酸化剤ガスの供給を開始する工程と、前記燃料電池に対して前記印加荷重を増加させる工程と、前記印加荷重が設定荷重に至った際、前記アノード側電極の燃料ガス圧及び前記カソード側電極の酸化剤ガス圧を、発電に必要な設定圧まで昇圧させるとともに、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に負荷を電気的に接続して発電を開始する工程とを有している。

さらにまた、本発明は、電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層されるとともに、前記発電セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池と、前記燃料電池に積層方向に荷重を印加する一方、印加荷重を低減又は解除可能な荷重機構とを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムは、少なくともアノード側電極又はカソード側電極が、セパレータに一体に固着されるとともに、電解質膜から離間自在に構成されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の発電停止時に、この燃料電池への印加荷重が低減又は解除されるため、電解質膜とアノード側電極及び／又はカソード側電極との接触抵抗が増加する。従って、発電停止時に、簡単な工程で、腐食電流が流れることを良好に抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。

また、本発明によれば、燃料電池の発電起動時に、燃料電池に対して積層方向への印加荷重を低減又は解除した状態で、アノード側電極に燃料ガスが供給されている。すなわち、電解質膜とアノード側電極及び／又はカソード側電極との接触抵抗が増加した状態で、前記アノード側電極に燃料ガスが供給されている。これにより、発電起動時に、簡単な工程で、腐食電流が流れることを良好に抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。

さらに、本発明によれば、少なくともアノード側電極又はカソード側電極が、セパレータに一体に固着されるとともに、電解質膜から離間自在に構成されている。このため、燃料電池の発電停止時や発電起動時に、前記燃料電池への印加荷重を低減又は解除すると、シール部材の反発力を介して、アノード側電極又はカソード側電極がセパレータと一体に電解質膜から離間することができる。これにより、腐食電流が流れることを可及的に阻止することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電停止方法及び発電起動方法が実施される燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池スタック１２に積層方向に荷重を印加する一方、印加荷重を低減又は解除可能な荷重機構１８と、コントローラ２０とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（単セル）２２が矢印Ａ方向に積層された積層体２４を備える。積層体２４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。

積層体２４の積層方向他端には、ターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設されるとともに、必要に応じて、前記絶縁プレート２８ｂと前記エンドプレート３０ｂとの間に、皿ばね３１が介装される。ターミナルプレート２６ａ、２６ｂには、スイッチ３２を介して負荷３３が電気的に接続及び切断自在に連結される。

燃料電池スタック１２は、例えば、四角形状に構成されるエンドプレート３０ａ、３０ｂを端板として含む箱状ケーシング３４により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック１２は、ケーシング３４に代えて、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持するように構成してもよい。

図２及び図３に示すように、各発電セル２２は、電解質膜・電極構造体４０と、前記電解質膜・電極構造体４０を挟持する第１及び第２金属セパレータ４２、４４とを備える。第１及び第２金属セパレータ４２、４４は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

発電セル２２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４８ａが設けられる。

発電セル２２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４６ｂが設けられる。

発電セル２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔５０ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔５０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体４０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード側電極５４及びカソード側電極５６とを備える。アノード側電極５４は、カソード側電極５６よりも小さな表面積を有している。

図２に示すように、アノード側電極５４及びカソード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層５４ａ及び５６ａと、白金等の貴金属を含む触媒粒子が前記ガス拡散層５４ａ及び５６ａの表面に一様に塗布して形成される電極触媒層５４ｂ及び５６ｂとを有する。電極触媒層５４ｂは、固体高分子電解質膜５２の一方の面とは個別に構成されるとともに、電極触媒層５６ｂは、前記固体高分子電解質膜５２の他方の面に一体に構成される。

アノード側電極５４は、ガス拡散層５４ａが第１金属セパレータ４２に、例えば、レーザ溶接による接合部位５７を介して接合される。すなわち、アノード側電極５４は、第１金属セパレータ４２に一体に固着されるとともに、固体高分子電解質膜５２から離間自在に構成される。なお、ガス拡散層５４ａは、レーザ溶接が可能な金属材料で構成されることが好ましい。

図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとを連通して矢印Ｃ方向（重力方向）に延在する燃料ガス流路５８が形成される。第１金属セパレータ４２には、燃料ガス供給連通孔４８ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂの近傍に、それぞれ複数の供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂが形成される。供給孔部６０ａは、面４２ｂ側で燃料ガス供給連通孔４８ａに連通する一方、排出孔部６０ｂは、同様に前記面４２ｂ側で燃料ガス排出連通孔４８ｂに連通する。

第２金属セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとを連通して矢印Ｃ方向（重力方向）に延在する酸化剤ガス流路６２が形成される。第２金属セパレータ４４の面４４ｂと、第１金属セパレータ４２の面４２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔５０ａと冷却媒体排出連通孔５０ｂとに連通する冷却媒体流路６３が形成される（図２及び図３参照）。この冷却媒体流路６３は、燃料ガス流路５８の裏面形状と酸化剤ガス流路６２の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ４２の面４２ａ、４２ｂには、この第１金属セパレータ４２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。第２金属セパレータ４４の面４４ａ、４４ｂには、この第２金属セパレータ４４の外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形される。

第１及び第２シール部材６４、６６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図４に示すように、第１シール部材６４は、面４２ａ側に設けられて燃料ガス流路５８を囲繞する内側シール部６４ａを有する。この内側シール部６４ａの外周には、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂ、燃料ガス供給連通孔４８ａ、燃料ガス排出連通孔４８ｂ、冷却媒体供給連通孔５０ａ及び冷却媒体排出連通孔５０ｂを囲繞して外側シール部６４ｂが設けられる。

図３に示すように、第１シール部材６４は、面４２ｂ側に設けられ、内側シール部６４ａに対応するとともに、冷却媒体流路６３を冷却媒体供給連通孔５０ａ及び冷却媒体排出連通孔５０ｂに連通する内側シール部６４ｃと、外側シール部６４ｂに対応する外側シール部６４ｄとを有する。

第２シール部材６６は、第２金属セパレータ４４の両方の面４４ａ、４４ｂに形成される平坦シールで構成される。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気（酸化剤ガス）を圧縮して供給するエアコンプレッサ７０を備え、前記エアコンプレッサ７０が空気供給流路７２に配設される。空気供給流路７２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔４６ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに連通する空気排出流路７４を備える。この空気排出流路７４には、エアコンプレッサ７０から空気供給流路７２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧弁７６が設けられる。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク７８を備え、この水素タンク７８は、水素供給流路８０を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４８ａに連通する。この水素供給流路８０には、エゼクタ８２が設けられる。

エゼクタ８２は、水素タンク７８から供給される水素ガスを、水素供給流路８０を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、前記燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス排出連通孔４８ｂに連通する水素循環流路８４から吸引して前記燃料電池スタック１２に再度供給する。水素循環流路８４には、排ガスを大気放出するための三方弁（水素排出手段）８６が配置される。

荷重機構１８は、駆動源として、例えば、サーボモータ９０を備える。サーボモータ９０は、ボールねじ手段（ねじ軸及びナットによる送り機構）９２を介してプレスプレート９４に連結される。プレスプレート９４は、エンドプレート３０ｂに当接自在である。サーボモータ９０は、サーボアンプ９６を介してコントローラ２０により制御される。サーボアンプ９６は、燃料電池スタック１２から電力が供給される一方、サーボモータ９０に電力の供給を行う。

荷重機構１８は、プレスプレート９４により積層体２４に印加される積層方向の荷重（圧力）を検出する圧力センサ（圧力検出手段）９８と、前記プレスプレート９４の位置を検出する位置センサ（位置検出手段）１００とを備える。圧力センサ９８の検出信号及び位置センサ１００の検出信号は、コントローラ２０に送られる。

次に、燃料電池スタック１２を組み立てる作業について説明する。

先ず、電解質膜・電極構造体４０を製造する際には、白金触媒と純水とを混合し、仮攪拌を行った後、溶媒を添加して本攪拌を施すことによって触媒ペーストが作製される。そして、カーボンペーパを主体とするガス拡散層５４ａ、５６ａに、触媒ペーストを塗布してアノード側電極５４及びカソード側電極５６が得られる。

さらに、カソード側電極５６に固体高分子電解質膜５２が転写される一方、アノード側電極５４は、第１金属セパレータ４２にレーザ等を用いて接合固定され、接合部位５７が形成される（図２参照）。すなわち、アノード側電極５４は、第１金属セパレータ４２に一体化されるとともに、固体高分子電解質膜５２に対して、近接及び離間可能に構成される。

第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４との間に、固体高分子電解質膜５２を挟んでアノード側電極５４及びカソード側電極５６を有する電解質膜・電極構造体４０が配置されて、発電セル２２が構成される。発電セル２２は、所定数だけ積層されることにより、積層体２４が得られる。この積層体２４の積層方向両端に、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂ、絶縁プレート２８ａ、２８ｂ及びエンドプレート３０ａ、３０ｂが配設されるとともに、ケーシング３４に収容されて燃料電池スタック１２が構成される。

次いで、燃料電池システム１０の発電停止方法及び発電起動方法について、図５に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム１０の起動時には、先ず、背圧弁７６が閉塞されるとともに、三方弁８６を介して水素循環流路８４が水素供給流路８０に連通する（ステップＳ１）。さらに、ステップＳ２に進んで、反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスが、燃料電池スタック１２に供給される。

具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ７０が駆動される。このエアコンプレッサ７０から供給される圧縮空気は、空気供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔４６ａに供給される。また、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク７８から供給される水素ガス（燃料ガス）は、水素供給流路８０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４８ａに供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔５０ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、積層体２４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル２２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

この場合、第１の実施形態に係る発電起動方法では、燃料電池スタック１２を構成する積層体２４に積層方向に印加荷重が付与されていない状態で、水素ガスが燃料ガス供給連通孔４８ａに供給されている。その際、電解質膜・電極構造体４０を構成するアノード側電極５４は、固体高分子電解質膜５２とは個別に構成されており、第１金属セパレータ４２に対しレーザ溶接による接合部位５７を介して一体化されている。

従って、積層体２４では、積層方向に印加荷重が付与されていないため、アノード側電極５４は、固体高分子電解質膜５２から離間している。これにより、後述するように、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４８ａから燃料ガス流路５８に水素ガスが供給される際、前記燃料ガス流路５８に空気が存在していても、腐食電流が流れることを良好に阻止することができる。このため、簡単な工程で、耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

一方、荷重機構１８では、サーボアンプ９６からサーボモータ９０に電力が供給され、このサーボモータ９０が駆動される。従って、サーボモータ９０にボールねじ手段９２を介して連結されるプレスプレート９４は、エンドプレート３０ｂをエンドプレート３０ａ側に押圧する。

コントローラ２０は、圧力センサ９８によりプレスプレート９４を介して積層体２４に印加される荷重（圧力）を検出する。そして、検出される荷重が所定の荷重（設定荷重）、例えば、５００〜１５００ｋＰａになるまで、サーボモータ９０が駆動される（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ４に進んで、エアコンプレッサ７０を介して燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力が、所定の値、例えば、５０〜２００ｋＰａＧまで上昇されるとともに、水素タンク７８から前記燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力が、所定の値、例えば、５０〜２００ｋＰａＧまで上昇される。

この状態で、スイッチ３２が閉塞されて燃料電池スタック１２に負荷３３が電気的に接続されることにより、前記燃料電池スタック１２による発電が行われる（ステップＳ５）。具体的には、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａから第２金属セパレータ４４の酸化剤ガス流路６２に導入され、電解質膜・電極構造体４０のカソード側電極５６に供給される。

また、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ４２の面４２ｂ側で燃料ガス供給連通孔４８ａから複数の供給孔部６０ａを通って面４２ａ側に供給される。この燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路５８に沿って移動し、電解質膜・電極構造体４０のアノード側電極５４に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体４０では、カソード側電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が開始される。

次いで、カソード側電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに排出される。同様に、アノード側電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路５８の下部に連通する複数の排出孔部６０ｂを通って面４２ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔４８ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔５０ａから第１及び第２金属セパレータ４２、４４間の冷却媒体流路６３に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体４０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔５０ｂから排出される。

次に、燃料電池システム１０の発電停止要求がなされると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、スイッチ３２が開放されて燃料電池スタック１２から負荷３３が電気的に切断される。

さらに、エアコンプレッサ７０を介して燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力が、大気圧まで減圧される一方、水素タンク７８から前記燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力が、大気圧まで減圧される（ステップＳ８）。このため、燃料電池スタック１２の内部では、酸化剤ガス残圧及び水素ガス残圧が除去されて、カソード側電極５６とアノード側電極５４との間の差圧を取り除くことができる。

そして、ステップＳ９に進んで、酸化剤ガス及び水素ガスの供給が停止された後、荷重機構１８による印加荷重の解除が行われる（ステップＳ１０）。荷重機構１８では、サーボモータ９０が、前記とは逆方向に駆動され、ボールねじ手段９２を介してプレスプレート９４がエンドプレート３０ｂから離間する方向に移動する。

プレスプレート９４が所定の位置まで退避したことが、位置センサ１００を介して検出されると、サーボアンプ９６に停止指令が送られ、前記サーボモータ９０への電力の供給が停止される。従って、プレスプレート９４は、所定の位置まで退避されて、各発電セル２２への印加荷重が解除される。さらに、背圧弁７６及び三方弁８６は、大気開放側に操作されることにより、酸化剤ガス及び水素ガスのパージが行われる（ステップＳ１１）。

この場合、第１の実施形態に係る発電停止方法では、積層体２４への積層方向の印加荷重が解除されると、図６に示すように、第１シール部材６４を構成する内側シール部６４ａ及び外側シール部６４ｂの反発力を介して、第１金属セパレータ４２は、第２金属セパレータ４４から離間する方向に移動する。

従って、アノード側電極５４は、第１金属セパレータ４２と一体に移動し、固体高分子電解質膜５２から離間する。これにより、燃料電池スタック１２の発電が停止した状態で、腐食電流が流れることを良好に阻止することができる。このため、簡単な工程で、耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、ステップＳ１０において、各発電セル２２への印加荷重を解除しているが、この印加荷重を低減してもよい。その際、電解質膜・電極構造体４０に印加される積層方向の荷重が低減されるため、アノード側電極５４と固体高分子電解質膜５２との接触抵抗が増大する。

従って、燃料電池スタック１２の発電停止中に、腐食電流が流れることを良好に抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。同様に、発電起動時には、アノード側電極５４と固体高分子電解質膜５２との接触抵抗が増大しているため、燃料ガス流路５８に水素ガスを供給する際に、腐食電流が流れることを良好に抑制することができる。これにより、耐久性の向上を図ることが可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、アノード側電極５４を第１金属セパレータ４２に接合して一体化しているが、このアノード側電極５４と共に、又は、前記アノード側電極５４に代えて、カソード側電極５６を第２金属セパレータ４４に接合して一体化することも可能である。また、アノード側電極５４とカソード側電極５６とを入れ替えて構成してもよい。

これにより、燃料電池スタック１２の発電停止時に、印加荷重の低減又は解除が行われると、固体高分子電解質膜５２からアノード側電極５４及び／又はカソード側電極５６が離間し、あるいは、接触抵抗が増大する。このため、腐食電流が流れることを可及的に阻止することができる。

一方、燃料電池スタック１２の発電起動時には、印加荷重の低減又は解除が行われている状態で、燃料ガス流路５８への水素ガスの供給が開始される。従って、固体高分子電解質膜５２からアノード側電極５４及び／又はカソード側電極５６が離間し、あるいは、接触抵抗が増大した状態で、水素ガスの供給が行われ、腐食電流が流れることを可及的に阻止することが可能になる。

ここで、燃料電池スタック１２の発電停止時に、印加荷重の低減又は解除を行わない場合（比較例）と、第１の実施形態を行った場合とにおいて、サイクル数とセル電圧との関係を検出したところ、図７に示す結果が得られた。なお、起動、発電及び停止を１サイクルという。

従って、比較例では、印加荷重の低減又は解除が行われないため、発電停止中及び発電起動時に、腐食電流が発生して触媒層の劣化が惹起され、起動、発電及び停止のサイクルを繰り返すことにより、発電性能の低下が惹起されている。

これに対して、第１の実施形態では、腐食電流の流れを阻止することができ、サイクル数が増加してもセル電圧が一定に維持されており、所望の性能を確実に維持することが可能になる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する発電セル１１０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る発電セル２２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電セル１１０は、電解質膜・電極構造体１１２を備え、この電解質膜・電極構造体１１２は、固体高分子電解質膜５２の両面にアノード側電極５４とカソード側電極５６とが一体に設けられる。

このように構成される発電セル１１０は、発電セル２２に代えて燃料電池スタック１２に組み込むことにより、上記の発電停止方法及び発電起動方法を行うことができる。その際、発電停止運転に伴って、印加荷重の解除（又は、低減）が行われると（ステップＳ１０）、発電セル１１０を構成する電解質膜・電極構造体１１２への印加荷重の解除又は低減が行われる。

従って、電解質膜・電極構造体１１２では、固体高分子電解質膜５２とアノード側電極５４及びカソード側電極５６との接触抵抗が増加する。これにより、簡単な工程で、腐食電流が流れることを良好に抑制するとともに、耐久性の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、大面積発電セルが用いられる場合、固体高分子電解質膜と電極との分離に必要な反発力を得るために、シール部材を通常よりも増やすことが望ましい。例えば、図９に示す大面積発電セル１２０は、複数の固体高分子電解質膜５２ａを有しており、各固体高分子電解質膜５２ａの外周縁部を周回してシール部分１２２が配置される。

本発明の第１の実施形態に係る発電停止方法及び発電起動方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記発電停止方法及び前記発電起動方法を説明するフローチャートである。 印加荷重が解除された状態の前記発電セルの説明図である。 比較例及び実施形態におけるサイクル数とセル電圧との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視図である。 大面積発電セルの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…荷重機構 ２０…コントローラ
２２、１１０…発電セル ２４…積層体
４０、１１２…電解質膜・電極構造体 ４２、４４…金属セパレータ
５２、５２ａ…固体高分子電解質膜 ５４…アノード側電極
５４ａ、５６ａ…ガス拡散層 ５４ｂ、５６ｂ…電極触媒層
５６…カソード側電極 ５７…接合部位
５８…燃料ガス流路 ６２…酸化剤ガス流路
６３…冷却媒体流路 ６４、６６…シール部材
７０…エアコンプレッサ ７６…背圧弁
７８…水素タンク ８２…エゼクタ
８６…三方弁 ９０…サーボモータ
９２…ボールねじ手段 ９４…プレスプレート
９６…サーボアンプ ９８…圧力センサ
１００…位置センサ １２０…大面積発電セル
１２２…シール部分

Claims (4)

1. 電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層されるとともに、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に負荷を電気的に接続し、且つ積層方向に荷重を印加した状態で、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の発電停止方法であって、
   前記燃料電池から前記負荷を電気的に切断する工程と、
   前記アノード側電極の燃料ガス圧及び前記カソード側電極の酸化剤ガス圧を、大気圧近傍まで減圧させる工程と、
   前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を停止する工程と、
   前記燃料電池への印加荷重を低減又は解除する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の発電停止方法。
2. 請求項１記載の発電停止方法において、前記燃料電池への前記印加荷重を低減又は解除することにより、前記シール部材の反発力を介して、少なくとも前記アノード側電極又は前記カソード側電極を、前記セパレータと一体に前記電解質膜から離間させることを特徴とする燃料電池の発電停止方法。
3. 電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される燃料電池の発電起動方法であって、
   前記燃料電池に対して積層方向への印加荷重を低減又は解除した状態で、前記アノード側電極への燃料ガスの供給を開始する一方、前記カソード側電極への酸化剤ガスの供給を開始する工程と、
   前記燃料電池に対して前記印加荷重を増加させる工程と、
   前記印加荷重が設定荷重に至った際、前記アノード側電極の燃料ガス圧及び前記カソード側電極の酸化剤ガス圧を、発電に必要な設定圧まで昇圧させるとともに、前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に負荷を電気的に接続して発電を開始する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の発電起動方法。
4. 電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが、シール部材を介装して積層される発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層されるとともに、前記発電セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池と、
   前記燃料電池に積層方向に荷重を印加する一方、印加荷重を低減又は解除可能な荷重機構と、
   を備える燃料電池システムであって、
   少なくとも前記アノード側電極又は前記カソード側電極は、前記セパレータに一体に固着されるとともに、前記電解質膜から離間自在に構成されることを特徴とする燃料電池システム。

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