JP2013206868A - Deterioration prevention structure of fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a deterioration prevention structure of a fuel cell capable of preventing deterioration of a fuel cell more simply, and to provide a fuel cell system.SOLUTION: One conductive portion 3 of a short circuit member 2 short-circuits an anode 22 and a cathode 24 of one cell 60, and the other conductive portion 3 short-circuits an anode 22 and a cathode 24 of the other cell 60. In the short circuit member 2, one conductive portion 3 and the other conductive portion 3 are insulated by an insulating portion 4. Consequently, the one cell 60 and the other cell 60 are, individually, brought into a state where the anode 22 and the cathode 24 are short-circuited. Deterioration of a fuel cell 10 can be prevented by moving the short circuit member 2, having a simple constitution of the conductive portion 3 and the insulating portion 4, and short-circuiting the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60 by means of the conductive portion 3.

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell deterioration prevention structure and a fuel cell system.

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。   In the conventional fuel cell system, there has been a problem that the electrode deteriorates due to the occurrence of inversion in the cell and the performance of the fuel cell decreases. In order to solve such a problem, a fuel cell system as shown in Patent Document 1 has been conventionally known. In the fuel cell system shown in Patent Document 1, a circuit having a discharge resistor and a switch is connected to one cell or a predetermined number of cells among the cells of the entire fuel cell. The resistor is disconnected or connected. Thereby, deterioration of the fuel cell is prevented.

特開２０１０−１１８１７７号公報JP 2010-118177 A

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。   However, the conventional method has a problem that the structure or control for preventing deterioration of the fuel cell becomes complicated. Therefore, it has been required to more easily prevent the deterioration of the fuel cell.

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。   The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell deterioration prevention structure and a fuel cell system that can more easily prevent the deterioration of the fuel cell.

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。   A fuel cell deterioration preventing structure according to the present invention is a fuel cell comprising a plurality of cells each having an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane. The first cell and the second cell stacked together, and a short-circuit member that short-circuits the anode and the cathode, wherein the short-circuit member includes the anode and the cathode of the first cell. A first conductive portion that short-circuits the first conductive portion, a second conductive portion that short-circuits the anode and cathode of the second cell, and an insulating portion that insulates the first conductive portion from the second conductive portion. .

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。   According to the structure for preventing deterioration of a fuel cell according to the present invention, the first conductive portion of the short-circuit member short-circuits the anode and cathode of the first cell, and the second conductive portion is connected to the anode of the second cell. Short the cathode. In the short-circuit member, the first conductive portion and the second conductive portion are insulated by the insulating portion. Accordingly, the first cell and the second cell are individually short-circuited between the anode and the cathode. Therefore, deterioration of the electrode can be prevented by preventing inversion. In addition, it is not necessary to provide a complicated switch circuit or a plurality of discharge resistors, or to control these switch circuits. By moving a short-circuit member having a simple configuration of a conductive portion and an insulating portion, the conductive portion is connected to the anode of the cell. By simply short-circuiting the cathode, the deterioration of the fuel cell can be prevented. As described above, the deterioration of the fuel cell can be more easily prevented.

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。   In the fuel cell deterioration prevention structure according to the present invention, the first cell and the second cell each include an anode separator connected to the anode and a cathode separator connected to the cathode, and are short-circuited. The first conductive portion and the second conductive portion of the member are juxtaposed along the stacking direction of the first cell and the second cell, and the first conductive portion is for the anode of the first cell. The anode and the cathode are short-circuited by coming into contact with the outer peripheral portion in a direction crossing the stacking direction of the separator and the cathode separator, and the second conductive portion is stacked in the stacking direction of the anode separator and the cathode separator of the second cell. It is preferable to short-circuit the anode and the cathode by contacting the outer peripheral portion in the direction intersecting with the anode. By adopting a structure in which the outer peripheral portion of the separator is in contact with the conductive portion of the short-circuit member, the short-circuit member can easily short-circuit the anode and cathode of each cell.

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。   In the fuel cell deterioration preventing structure according to the present invention, the short-circuit member is preferably configured by providing a first conductive portion and a second conductive portion in an insulating portion made of an elastic material. With such a structure, even if there is a shift between the short circuit position between the first cell and the first conductive part and the short circuit position between the second cell and the second conductive part. Such a shift can be absorbed by the deformation of the insulating portion made of an elastic material.

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。   A fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system having the above-described structure for preventing deterioration of a fuel cell, and short-circuits the anode and the cathode with a short-circuit member when the system is stopped. When the system is stopped, inversion may occur due to a shortage of anode gas in some cells. Therefore, when the system is stopped, the anode and cathode are individually short-circuited by the short-circuit member, thereby avoiding deterioration in the cell where the anode gas is insufficient by avoiding a potential that oxidizes carbon in the electrode. Can be prevented. As described above, deterioration of the fuel cell can be prevented.

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。   A fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system having the above-described structure for preventing deterioration of a fuel cell, and the anode and the cathode are short-circuited by a short-circuit member when the system is activated. When the system is started, inversion may occur due to the coexistence of hydrogen and oxygen (for example, entering the system while the system is stopped) in the anode gas flow path. Also, inversion may occur due to a shortage of anode gas in some cells. Therefore, it is possible to prevent the electrodes from deteriorating by avoiding inversion in each cell by short-circuiting the anode and the cathode with the short-circuit member when the system is stopped. As described above, deterioration of the fuel cell can be prevented.

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。   According to the present invention, it is possible to suppress the generation of reverse current and suppress the deterioration of the cathode catalyst layer.

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。It is a block block diagram which shows the block configuration of a fuel cell system provided with the deterioration prevention structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 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。It is an enlarged view sectional view showing typically composition of a deterioration prevention structure of a fuel cell concerning this embodiment. 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。It is a flowchart which shows the processing content from starting to a stop of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 転極を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating inversion. 転極を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating inversion.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a block configuration diagram showing a block configuration of a fuel cell system 100 including a deterioration prevention structure 1 for a fuel cell 10 according to the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a configuration of the deterioration preventing structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, a short-circuit member 2, an anode gas supply unit 101, a cathode gas supply unit 102, a short-circuit member drive unit 103, a power conditioner 104, an external A load 106 and a control unit 107 are provided. The deterioration preventing structure 1 according to the present embodiment is configured by a fuel cell 10, a short-circuit member 2, and a short-circuit member driving unit 103.

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。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 according to the present embodiment is configured by stacking a plurality of cells 60. In addition, current collecting plates 61 are provided at both ends of the cell stack in which a plurality of cells 60 are stacked, and electric power is extracted from the current collecting plates 61. The cell 60 includes a flat membrane electrode assembly 50, and an anode separator 34 and a cathode separator 36 are provided on both sides of the membrane electrode assembly 50. The membrane electrode assembly 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode 22 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 20, and a cathode 24 on the other surface.

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。   The anode 22 has a laminate composed of an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer. On the other hand, the cathode 24 has a laminate including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer. The anode catalyst layer of the anode 22 and the cathode catalyst layer of the cathode 24 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.

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。   An anode gas flow path 38 is formed in the anode separator 34 provided on the anode 22 side. The anode gas is distributed to the anode gas flow path 38 from an anode gas supply manifold (not shown), and the anode gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the anode gas flow path 38. The anode gas is a gas containing hydrogen. For example, a reformed gas supplied from a reformer can be used.

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。   Similarly, a cathode gas flow path 40 is provided in the cathode separator 36 provided on the cathode 24 side. Cathode gas is distributed to the cathode gas flow channel 40 from a cathode gas supply manifold (not shown), and the cathode gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the cathode gas flow channel 40. The cathode gas is a gas containing oxygen, and includes, for example, pure oxygen gas, oxygen-enriched air, and air. Of these, air is preferable from the viewpoint of ease of handling and cost. A cooling water channel 41 is provided on the surface of the cathode separator 36 opposite to the cathode gas channel 40. Cooling water is distributed to the cooling water flow path 41 from a cooling water supply manifold (not shown), and the cell 60 is cooled.

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。   With the configuration as described above, in the cell 60, the anode catalyst layer of the anode 22 is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 20, and the cathode catalyst layer of the cathode 24 is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 20. The anode gas flow path 38 is provided on the anode gas diffusion layer side of the anode 22, and the cathode gas flow path 40 is provided on the cathode gas diffusion layer side of the cathode 24.

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。   The solid polymer electrolyte membrane 20 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 22 and the cathode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and is, for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, polysulfone resin, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group-containing perfluorocarbon polymer. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. The film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 20 is 5 to 50 μm.

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。   The anode catalyst layer constituting the anode 22 is composed of an ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles carrying a noble metal catalyst or an alloy catalyst thereof, that is, catalyst-carrying carbon particles. The film thickness of the anode catalyst layer is 3 to 30 μm. The ion conductor connects the carbon particles carrying the alloy catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. The alloy catalyst used for the anode catalyst layer is made of, for example, a noble metal and ruthenium. Examples of the noble metal used in the alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of the carbon particles supporting the alloy catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion. The anode gas diffusion layer constituting the anode 22 has an anode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the anode gas diffusion base material. The anode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used. The microporous layer applied to the anode gas diffusion base material is a kneaded product (paste) obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. In addition, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) or tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP) can be used. The water repellent agent preferably has binding properties. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

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。   The cathode catalyst layer constituting the cathode 24 is composed of an ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles supporting the catalyst, that is, catalyst-supporting carbon particles. The ionic conductor connects the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. For example, a platinum alloy can be used as the supported catalyst. Examples of the metal used for the platinum alloy include cobalt, nickel, iron, manganese, iridium and the like. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion. The film thickness of the cathode catalyst layer is 5 to 40 μm. The cathode gas diffusion layer constituting the cathode 24 has a cathode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the cathode gas diffusion base material. The cathode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used. The microporous layer applied to the cathode gas diffusion substrate is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. Moreover, as a water repellent, the fluorine-type resin illustrated in the anode gas diffusion base material can be used, for example. It is preferable that the water repellent has a binding property. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

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。   The short-circuit member 2 is a member that short-circuits the anode 22 and the cathode 24 of each cell 60 of the fuel cell 10. The short-circuit member 2 includes a plurality of conductive portions 3 that short-circuit the anode 22 and the cathode 24 of each cell 60 and an insulating portion 4 that insulates the conductive portions 3 from each other. Further, the short-circuit member driving unit 103 has a function of driving the short-circuit member 2 in order to switch between the contact between the short-circuit member 2 and each cell 60 and the release of the contact. Detailed configurations of the short-circuit member 2 and the short-circuit member driving unit 103 will be described later.

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。   The anode gas supply unit 101 has a function of supplying anode gas to the fuel cell 10. The cathode gas supply unit 102 has a function of supplying cathode gas to the fuel cell 10. The anode gas supplied from the anode gas supply unit 101 flows into the fuel cell 10 from the inflow unit 120a. The anode gas passes through the anode gas flow path 38 of each cell 60 and is discharged out of the fuel cell 10 from the discharge portion 120b. The cathode gas supplied from the cathode gas supply unit 102 flows into the fuel cell 10 from the inflow unit 110a. The cathode gas passes through the cathode gas flow path 40 of each cell 60 and is discharged out of the fuel cell 10 from the discharge portion 110b.

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。   The power conditioner 104 adjusts the power from the fuel cell 10 according to the power usage state at the external load. For example, the power conditioner 104 performs a process of converting a voltage and a process of converting DC power into AC power.

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。   The control unit 107 performs control processing for the entire fuel cell system 100. The control unit 107 includes, for example, a device including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an input / output interface. The control unit 107 is electrically connected to an anode gas supply unit 101, a cathode gas supply unit 102, a short-circuit member driving unit 103, a power conditioner 104, and other sensors and auxiliary equipment (not shown). The control unit 107 acquires various signals generated in the fuel cell system 100 and outputs a control signal to each device in the fuel cell system 100. In the present embodiment, the control unit 107 performs processing for starting and stopping the entire system, and controls the short-circuit member driving unit 103 according to those timings to drive the short-circuit member 2, thereby The short circuit between the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60 and the cancellation of the short circuit are switched.

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。   Next, a detailed configuration of the deterioration preventing structure 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 2, each cell 60 shown in the drawing will be described as a cell 60A, a cell 60B, and a cell 60C in the order of the stacking direction. The fuel cell 10 may have more cells than those shown in the figure, but those cells and the portion of the short-circuit member 2 corresponding to the cells are also shown in FIG. It shall have the structure of the same meaning.

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。   As shown in FIG. 2, in each of the cells 60A to 60C, the outer peripheral portion 34a of the anode separator 34 connected to the anode 22 and the outer peripheral portion 36a of the cathode separator 36 connected to the cathode 24 include cells 60A to 60C. It is the structure arrange | positioned at the outermost peripheral side. The outer peripheral portions 34a and 36a constitute an outer peripheral surface in a direction (intersection direction) orthogonal to the stacking direction.

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。   The short-circuit member 2 is disposed so as to face the outer peripheral portions 34a and 36a (the outer peripheral surface of the fuel cell 10) of the cells 60A to 60C. The short-circuit member 2 short-circuits the conductive portion 3A that short-circuits the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60A, the conductive portion 3B that short-circuits the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60B, and the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60C. A conductive portion 3C. The conductive portions 3A, 3B, and 3C are arranged in parallel with each other along the stacking direction of the cells 60. Each of the conductive portions 3A, 3B, and 3C is a rectangular parallelepiped metal member, and is configured with the same shape, size, and material. The material of the conductive portions 3A, 3B, 3C is not particularly limited, and a good conductor such as copper can be applied.

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。   The contact surface 3a of the conductive portion 3A is disposed so as to face the outer peripheral portions 34a and 36a of the separators 34 and 36 of the cell 60A. One side surface 3b facing the stacking direction across the contact surface 3a is one main surface 36b facing the stacking direction of the cathode separator 36 of the cell 60A (the main surface on which the cooling water channel 41 is formed). And the other main surface 36c (main surface in contact with the cathode 24). On the other hand, the other side surface 3c includes the other main surface 34b (the main surface in contact with the cathode separator 36 of the adjacent cell 60B) facing the stacking direction of the anode separator 34 of the cell 60A, and one main surface 34c ( Between the anode 22 and the main surface). The contact surface 3a of the conductive portion 3B is disposed so as to face the outer peripheral portions 34a and 36a of the separators 34 and 36 of the cell 60B. One side surface 3b facing the stacking direction across the contact surface 3a is one main surface 36b facing the stacking direction of the cathode separator 36 of the cell 60B (a cooling water channel 41 is formed, and the adjacent cell 60A The main surface that contacts the anode separator 34) and the other main surface 36c (main surface that contacts the cathode 24). On the other hand, the other side surface 3c includes the other main surface 34b (the main surface in contact with the cathode separator 36 of the adjacent cell 60C) facing the stacking direction of the anode separator 34 of the cell 60B, and one main surface 34c ( Between the anode 22 and the main surface). The contact surface 3a of the conductive portion 3C is disposed so as to face the outer peripheral portions 34a and 36a of the separators 34 and 36 of the cell 60C. Further, one side surface 3b facing the stacking direction across the contact surface 3a is one main surface 36b facing the stacking direction of the cathode separator 36 of the cell 60C (a cooling water channel 41 is formed and the adjacent cell 60B The main surface that contacts the anode separator 34) and the other main surface 36c (main surface that contacts the cathode 24). On the other hand, the other side surface 3c (not shown, but similar to the other conductive portions) is the other main surface 34b (for the cathode of the adjacent cell not shown) facing the stacking direction of the anode separator 34 of the cell 60C. It is arranged at a position between the main surface that contacts the separator 36) and one main surface 34c (the main surface that contacts the anode 22). The length of the conductive portions 3A, 3B, and 3C (the length in the front and back direction in FIG. 2) is not particularly limited, but may be set long in order to increase the amount of contact with the separators 34 and 36. Preferably, it is preferable to set the length approximately equal to the length of the separators 34 and 36.

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。   The insulating portion 4 is formed in a flat plate shape, and the conductive portions 3A, 3B, 3C are provided on the surface 4a of the flat plate. A part of the insulating portion 4 is interposed between the conductive portion 3A and the conductive portion 3B, that is, between the side surface 3c of the conductive portion 3A and the side surface 3b of the conductive portion 3B. The part 3B is reliably insulated. Note that a boundary portion between the cell 60A and the cell 60B (a boundary portion between the anode separator 34 of the cell 60A and the cathode separator 36 of the cell 60B) is disposed at the position of the gap. A portion of the insulating portion 4 is interposed between the conductive portion 3B and the conductive portion 3C, that is, between the side surface 3c of the conductive portion 3B and the side surface 3b of the conductive portion 3C. The part 3C is reliably insulated. Note that a boundary portion between the cell 60B and the cell 60C (a boundary portion between the anode separator 34 of the cell 60B and the cathode separator 36 of the cell 60C) is disposed at the position of the gap.

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。   Although the material of the insulation part 4 will not be specifically limited if it has insulation, For example, a plastic plate and a rubber plate can be used. Moreover, it is preferable to use silicon rubber or fluorine rubber, which is an elastic material, as the material of the insulating portion 4. When the elastic material is used in this way, even if the surface positions of the outer peripheral portions 34a and 36a of the separators 34 and 36 of each cell 60 do not coincide with each other, the insulating portion 4 is elastically deformed, so that the inconsistency is reduced. Since it can absorb, each conductive part 3 can reliably contact with the outer peripheral parts 34a, 36a of the separators 34, 36 of each cell 60. The outer peripheral portions 34a and 36a of the separators 34 and 36, which are contact surfaces with the conductive portion 3 of the fuel cell 10, do not require any particular processing, but for example, a resin coating or the like is applied around the fuel cell 10. If it is, the coating may be removed, or the contact portions 34a and 36a may be plated to facilitate the flow of electricity to the conductive portion 3.

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。   With the configuration as described above, the short-circuit member driving unit 103 brings the entire short-circuit member 2 close to the fuel cell 10 so that the contact surfaces 3a of the conductive portions 3A, 3B, and 3C are separators of the cells 60A, 60B, and 60C, respectively. The outer peripheral parts 34a and 36a of 34 and 36 are contacted. Thereby, in each cell 60A, 60B, 60C, the anode 22 and the cathode 24 are short-circuited individually and simultaneously. Further, when the short-circuit member driving unit 103 moves the entire short-circuit member 2 away from the fuel cell 10, the contact between each of the conductive portions 3A, 3B, 3C and each of the cells 60A, 60B, 60C is released, and the short-circuit is released. . The short-circuit member driving unit 103 may employ any configuration as long as it can repeatedly contact and release the short-circuit member 2 and each cell 60 as described above. For example, an actuator that reciprocates the short-circuit member 2 by mechanical piston movement or an actuator that reciprocates the short-circuit member 2 by magnetic force can be used. Alternatively, a mechanism for reciprocating the short-circuit member 2 by combining a magnetic force and a spring can be employed. For example, when a spring is arranged so that an elastic force acts in a direction away from the fuel cell 10 and short-circuited, the electromagnet is operated to bring the short-circuit member 2 into contact with the fuel cell 10 for release. By releasing the force of the electromagnet, the short-circuit member 2 can be moved away from the fuel cell 10 by the elastic force of the spring.

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。   Next, the operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The fuel cell system 100 includes a plurality of cells 60 having at least an electrolyte membrane 20, an anode 22 provided on one surface of the electrolyte membrane 20, and a cathode 24 provided on the other surface of the electrolyte membrane 20. The fuel cell 10 is provided with a short-circuit portion (the conductive portion 3 in the present embodiment) that short-circuits the anode 22 and the cathode 24 of one cell 60 of the fuel cell 10. The anode 22 and the cathode 24 related to the cell 60 are short-circuited. The short-circuit portion is insulated from the short-circuit portion that short-circuits the other cell 60, and short-circuits the anode 22 and the cathode 24 in one cell 60 independently of the other cell 60. In addition, the fuel cell system 100 short-circuits the anode 22 and the cathode 24 associated with one cell 60 at the short-circuit portion when the system is activated.

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。   As shown in FIG. 3, the control unit 107 first executes processing related to system activation of the entire fuel cell system 100 (step S <b> 10). At this time, the control part 107 controls the short circuit member drive part 103, and makes the short circuit member 2 contact the fuel cell 10 (step S20). Thereby, in each cell 60 of the fuel cell 10, the anode 22 and the cathode 24 are individually short-circuited for each cell 60. The control unit 107 operates the anode gas supply unit 101 and the cathode gas supply unit 102 to supply the anode gas and the cathode gas to each cell 60 of the fuel cell 10.

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。   When the anode gas and the cathode gas are stably supplied to each cell 60 of the fuel cell 10 and the fuel cell 10 can generate power without causing inversion, the control unit 107 controls the short-circuit member driving unit 103. Then, the contact between the short-circuit member 2 and the fuel cell 10 is released (step S30). As a result, the short circuit between the anode 22 and the cathode 24 in each cell 60 of the fuel cell 10 is released. Thereafter, the fuel cell system 100 shifts to normal operation (step S40), and power is supplied from the fuel cell 10 to the external load 106.

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。   When the normal operation is finished and the fuel cell system 100 enters the system stop stage, the fuel cell system 100 proceeds to system stop preparation (step S50). At this stage, the control unit 107 transmits a control signal to each device in the system to prepare for system stop. The control unit 107 stops the cathode gas supply unit 102, stops the supply of the cathode gas, controls the short circuit member driving unit 103, and brings the short circuit member 2 into contact with the fuel cell 10 (step S60). Thereby, in each cell 60 of the fuel cell 10, the anode 22 and the cathode 24 are individually and simultaneously short-circuited for each cell 60. After that, when the passage of a predetermined time determined in advance by examination or the state in which the oxygen in the stack is consumed is detected by a gas sensor or the like, the control unit 107 stops the anode gas supply unit 101, and the anode for each cell 60. The supply of gas is stopped, the short-circuit member driving unit 103 is controlled, and the contact between the short-circuit member 2 and the fuel cell 10 is released (step S70). As a result, the short circuit between the anode 22 and the cathode 24 in each cell 60 of the fuel cell 10 is released. Thereafter, the entire fuel cell system 100 is stopped (step S80). However, the system may be stopped while the short-circuit member 2 is short-circuited.

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。 Next, the operation and effect of the fuel cell 10 deterioration prevention structure 1 and the fuel cell system 100 according to the present embodiment will be described.

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。   First, pole reversal, which is a problem in a fuel cell, will be described with reference to FIGS. 4 and 5. When anode gas is supplied to the anode 22, as shown in the formula (1), hydrogen in the gas becomes protons, and these protons move through the solid polymer electrolyte membrane 20 toward the cathode 24. At this time, the emitted electrons move to the external circuit and flow into the cathode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the cathode 24, oxygen is combined with protons to become water as shown in the formula (2). As a result, electrons flow from the anode 22 toward the cathode 24 in the external circuit, and power can be taken out.

アノード：Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２） Anode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)

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。   Here, when a long time elapses after the operation of the fuel cell is stopped, the air enters the fuel cell system 100 and reaches the anode gas flow path 38 and the anode 22. When the operation is started in this state, the hydrogen 22 newly supplied and the oxygen that has entered at the time of stop coexist on the anode 22 side. In this state, as shown in FIG. 5, the reactions of the above formulas (1) and (2) occur on the inlet side of the gas flow path, while the formula (2) occurs on the outlet side of the gas flow path. The reactions shown in 3) and (4) occur. Thus, the presence of oxygen in both the anode 22 and the cathode 24 causes the reaction of the formula (3) that should occur at the cathode 24 at the anode 22, and is supported on the catalyst (here, platinum) at the cathode 24. The reaction of formula (4) where carbon disappears occurs. This causes a problem that the cathode deteriorates in the fuel cell.

アノード：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ …（３）
カソード：Ｃ＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（４） Anode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (3)
Cathode: C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − (4)

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。   With respect to such a problem, inversion can be prevented by short-circuiting the anode and cathode of the cell. However, as shown in FIG. 4, when a plurality of cells 60 are stacked, the following problem occurs when short-circuiting at both ends of the cell stack. In other words, the anode gas may be insufficiently supplied to some of the cells 60 even though the anode gas is supplied to the other cells 60 (for example, when the anode gas is supplied at startup). , The anode gas for some cells 60 on the downstream side is insufficient). In such a state, when short-circuited at both ends of the cell stack, reactions of the following formulas (5) to (7) occur at the anode where the anode gas is insufficient. This causes a problem that the anode deteriorates.

Ｐｔ → Ｐｔ２＋＋２ｅ− …（５）
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（６）
２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（７） Pt → Pt 2+ + 2e − (5)
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − (6)
2H 2 O → O2 + 4H + + 4e − (7)

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。   The deterioration prevention structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment can prevent the inversion as described above by the following configuration. According to the deterioration preventing structure 1 of the fuel cell 10, one conductive portion 3 of the short-circuit member 2 short-circuits the anode 22 and the cathode 24 of one cell 60, and the other conductive portion 3 serves as the anode of the other cell 60. 22 and the cathode 24 are short-circuited. In the short-circuit member 2, one conductive portion 3 and another conductive portion 3 are insulated by the insulating portion 4. Accordingly, one cell 60 and the other cell 60 are in a state where the anode 22 and the cathode 24 are individually short-circuited. For this reason, by suppressing the potential difference between the anode 22 and the cathode 24, it is possible to prevent the reactions of the above formulas (3) and (4) from occurring. In addition, each cell is short-circuited individually instead of being short-circuited at both ends of the cell stack. Therefore, even if there is a cell 60 in which the anode gas is insufficient, the carbon in the catalyst is consumed in the cell 60 as in the formulas (5) to (7) due to the influence of other cells 60. No reaction occurs. As described above, the deterioration preventing structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment can prevent electrode deterioration by preventing inversion.

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。   Further, the deterioration preventing structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment moves the short-circuit member 2 having a simple configuration by the conductive portion 3 and the insulating portion 4 so that the anode 22 and the cathode 24 of the cell 60 are moved by the conductive portion 3. Degradation of the fuel cell 10 can be prevented only by short-circuiting. For example, when the discharge resistors and switches are individually provided for the cells 60, it is necessary to provide as many complex switch circuits and discharge resistors as the number of the cells 60, and it is necessary to provide a current collecting plate for each cell 60. In addition, these switch circuits need to be individually controlled. However, by adopting the deterioration preventing structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment, such a complicated configuration and control need not be performed. As described above, the deterioration of the fuel cell 10 can be prevented more easily.

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。   Further, in the deterioration preventing structure 1 for the fuel cell 10 according to the present embodiment, the cell 60 includes the anode separator 34 connected to the anode 22 and the cathode separator 36 connected to the cathode 24. . The plurality of conductive portions 3 of the short-circuit member 2 are juxtaposed along the stacking direction of the cells 60, and the conductive portion 3 is an outer peripheral portion 34 a in a direction intersecting with the stacking direction of the anode separator 34 and the cathode separator 36 of the cell 60. , 36a, the anode 22 and the cathode 24 are preferably short-circuited. By adopting a structure in which the outer peripheral portions 34 a and 36 a of the separators 34 and 36 are in contact with the conductive portion 3 of the short-circuit member 2, the short-circuit member 2 can easily short-circuit the anode 22 and the cathode 24 of each cell 60.

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。   Moreover, in the deterioration prevention structure 1 of the fuel cell 10 according to the present embodiment, the short-circuit member 2 is configured by providing each conductive portion 3 on the insulating portion 4 made of an elastic material. With such a structure, for example, there is a shift between the short circuit position between the cell 60A and the conductive part 3A and the short circuit position between the cell 60B and the conductive part 3B (in this embodiment, the separators 34 and 36 of one cell 60). Even if the displacement between the surface related to the short circuit and the surface related to the short circuit of the separators 34 and 36 of the other cells 60 occurs, the insulating portion 4 made of an elastic material deforms, Such a shift can be absorbed.

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。   In addition, the fuel cell system 100 according to the present embodiment includes the deterioration prevention structure 1 for the fuel cell 10 described above, and the anode 22 and the cathode 24 are short-circuited by the short-circuit member 2 when the system is stopped. In the conventional method of short-circuiting both ends of the cell stack when the system is stopped, the anode gas is insufficient in some of the cells 60, so that the inversion can occur due to the reactions shown in the above formulas (5) to (7). . Therefore, by short-circuiting the anode 22 and the cathode 24 with the short-circuit member 2 when the system is stopped, in the cell 60 in which the anode gas is insufficient, it is possible to avoid a potential that oxidizes carbon in the electrode. Deterioration can be prevented. As described above, the deterioration of the fuel cell 10 can be prevented.

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。   In addition, the fuel cell system 100 according to the present embodiment includes the deterioration prevention structure 1 for the fuel cell 10 described above, and the anode 22 and the cathode 24 are short-circuited by the short-circuit member 2 when the system is activated. At the time of system startup, inversion of hydrogen and oxygen (for example, entering the system while the system is stopped) coexists in the anode gas flow path 38 due to the reaction shown in the above formulas (3) and (4). . Moreover, when the anode gas is insufficient in some of the cells 60, inversion can occur due to the reactions shown in the above formulas (5) to (7). Accordingly, the anode 22 and the cathode 24 are short-circuited by the short-circuit member 2 when the system is stopped, so that the electrodes can be prevented from deteriorating by avoiding the inversion in each cell 60. As described above, the deterioration of the fuel cell 10 can be prevented.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

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。   Further, the number, shape and size of the cells 60 of the fuel cell 10 are not limited to the above-described embodiment.

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。   The short-circuit member 2 may have any structure as long as it has at least a plurality of conductive portions 3 and the conductive portions 3 are insulated from each other. For example, the short-circuit member 2 is configured by alternately laminating the conductive portions 3 and the insulator layers (that is, one insulator layer is separate from the other insulator layers). May be.

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。   In the above-described embodiment, the short-circuit member 2 formed in a flat shape so as to be in contact with one of the outer peripheral surfaces of the fuel cell 10 is provided. However, the short-circuit member 2 may be in contact with two outer peripheral surfaces or three outer peripheral surfaces of the fuel cell 10 by forming a U-shaped cross section or an L-shaped cross section. By increasing the contact area of the conductive portion, it is possible to more reliably short-circuit. Alternatively, a plurality of separate short-circuit members 2 may be provided, and each short-circuit member 2 may be in contact with different surfaces of the outer peripheral surface of the fuel cell 10.

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。   Further, in the above-described embodiment, one conductive portion 3 is provided for one cell 60 and short-circuited only in one cell 60. The cells 60 may be regarded as one group, and the one group may be short-circuited by one conductive portion 3.

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。   In addition, when the anode 22 and the cathode 24 are individually short-circuited for each cell 60 when the system is stopped, a short-circuit switch circuit provided individually for each cell 60 instead of the short-circuit member 2 is provided. The anode 22 and the cathode 24 may be individually short-circuited by closing the switch circuit.

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Deterioration prevention structure, 2 ... Short circuit member, 3 ... Conductive part, 4 ... Insulating part, 10 ... Fuel cell, 20 ... Solid polymer electrolyte membrane, 22 ... Anode, 24 ... Cathode, 34 ... Anode gas separator, 36 ... Anode gas separator, 38 ... Anode gas flow path, 40 ... Cathode gas flow path, 60 ... Cell, 100 ... Fuel cell system.

Claims (5)

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。 An electrolyte membrane;
An anode provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane;
A structure for preventing deterioration of a fuel cell comprising a plurality of cells having
A first cell and a second cell stacked on each other;
A short-circuit member for short-circuiting the anode and the cathode,
The short-circuit member is
A first conductive portion that short-circuits the anode and the cathode of the first cell;
A second conductive portion that short-circuits the anode and the cathode of the second cell;
A structure for preventing deterioration of a fuel cell, comprising: an insulating portion that insulates the first conductive portion from the second conductive portion. 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。 The first cell and the second cell are:
An anode separator connected to the anode;
A cathode separator connected to the cathode,
The first conductive portion and the second conductive portion of the short-circuit member are juxtaposed along the stacking direction of the first cell and the second cell,
The first conductive portion is short-circuited between the anode and the cathode by contacting an outer peripheral portion in a direction intersecting the stacking direction of the anode separator and the cathode separator of the first cell;
The second conductive portion short-circuits the anode and the cathode by contacting an outer peripheral portion of the second cell in a direction intersecting with the stacking direction of the anode separator and the cathode separator. Item 2. A structure for preventing deterioration of a fuel cell according to Item 1. 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。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the short-circuit member is configured by providing the first conductive portion and the second conductive portion in the insulating portion made of an elastic material. 4. Deterioration prevention structure. 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。 A fuel cell system comprising the fuel cell deterioration prevention structure according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell system in which the anode and the cathode are short-circuited by the short-circuit member when the system is stopped. 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。 A fuel cell system comprising the fuel cell deterioration prevention structure according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell system in which the anode and the cathode are short-circuited by the short-circuit member when the system is started.
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