JP2023062256A - 燃料電池ユニット - Google Patents

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Abstract

Figure 2023062256000001
【課題】長時間保管された場合でも性能の低下を抑制できる燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】燃料電池ユニットは、スタックが外部負荷に給電していない状態において、空気供給弁により空気供給路を閉塞し（Ｓ１７）、空気排出弁により空気排出路を閉塞し（Ｓ１９）、カソード極への空気の供給を遮断する。燃料電池ユニットは、水素排出弁により水素排出路を閉塞し（Ｓ２１）、水素供給弁により水素供給路を開放し（Ｓ２３）、アノード極に水素を供給する。燃料電池ユニットは、水素供給弁により水素供給路を閉塞し（Ｓ２５）、アノード極への水素の供給を遮断する。燃料電池ユニットは、アノード極への水素の供給を遮断した後、電圧測定部が測定したスタック電圧が所定の電圧閾値未満となるまで待機する（Ｓ２７）。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。
燃料電池のカソード電極の触媒に酸化被膜が形成された場合、燃料電池の性能が低下する。このため、触媒の酸化被膜を除去して活性化する技術が提案されている。特許文献１は、燃料電池セルの触媒活性化方法を開示する。触媒活性化方法では、次の手順によりカソード電極の触媒が活性化される。はじめに、アノード極に水素が封入され、カソード極のエアの供給ライン側が封止され、カソード極のエアの排気ライン側が大気開放される。次いで、カソード極のエアの排気ライン側が封止され、この状態で維持される。これにより、カソード極の触媒に形成された酸化被膜の還元電位以下までセル電圧が低下し、カソード極の触媒が活性化される。
特許第６６１４１２０号公報
特許文献１に記載の触媒活性化方法では、カソード極のエアの排気ライン側が大気開放した状態で、アノード極に水素が封入される。このため、カソード極側に浸透した水素が排気ラインから排出されたり、排気ラインを介して燃料電池セル内にエアが侵入したりする場合がある。例えば、この状態で燃料電池セルが発電せずに長時間保管された場合、触媒が空気によって再度酸化され、燃料電池セルの性能が低下する場合があるという問題点がある。
本発明の目的は、長時間保管された場合でも性能の低下を抑制できる燃料電池ユニットを提供することである。
本発明に係る燃料電池ユニットは、アノード極、カソード極、及び触媒を有するセルを少なくとも１つ有するスタックと、前記アノード極に水素を供給する水素供給路、前記アノード極から水素を排出する水素排出路、前記カソード極に空気を供給する空気供給路、及び、前記カソード極から空気を排出する空気排出路を含む複数の流路と、前記水素供給路を開閉可能な水素供給弁、前記水素排出路を開閉可能な水素排出弁、前記空気供給路を開閉可能な空気供給弁、及び、前記空気排出路を開閉可能な空気排出弁を含む複数の弁と、前記スタックの前記アノード極と前記カソード極との間の電圧であるスタック電圧を測定する電圧測定部と、前記複数の弁を制御して前記複数の流路を開閉する制御部と、を備え、前記制御部は、前記スタックが外部負荷に給電していない状態において、前記空気供給弁により前記空気供給路を閉塞し、前記空気排出弁により前記空気排出路を閉塞し、前記カソード極への空気の供給を遮断する空気遮断処理と、前記空気遮断処理により前記カソード極への空気の供給を遮断した後、前記水素排出弁により前記水素排出路を閉塞し、前記水素供給弁により前記水素供給路を開放し、前記アノード極に水素を供給する水素供給処理と、前記水素供給処理により前記アノード極に水素を供給した後、前記水素供給弁により前記水素供給路を閉塞し、前記アノード極への水素の供給を遮断する水素遮断処理と、前記水素遮断処理により前記アノード極への水素の供給を遮断した後、前記電圧測定部が測定した前記スタック電圧が所定の電圧閾値未満となるまで待機する第１待機処理と、を実行することを特徴とする。
燃料電池ユニットは、水素及び空気がスタックに充填された状態で、スタック電圧が電圧閾値未満となるまで待機する。このとき、触媒のうち酸化した部分は水素によって還元され、活性化される。なお、水素がスタックに充填される過程で、空気供給路及び空気排出路は閉塞されるので、空気供給路及び空気排出路を介して空気はスタック内に進入しない。従って、燃料電池ユニットは、外部負荷に給電していない状態で長時間保管された場合でも、性能の低下を抑制できる。
燃料電池ユニット１の概要を示す図である。 燃料電池１Ａのスタック電力（最大）の経時変化を示すグラフである。 燃料電池１Ａの反応過電圧の経時変化を示すグラフである。 制御装置６の電気的構成を示すブロック図である。 メイン処理のフローチャートである。 燃料電池１Ａのスタック電圧の経時変化を示すグラフである。 燃料電池１Ａのスタック電力の経時変化を示すグラフである。 発電処理のフローチャートである。
本発明に係る燃料電池ユニット１の一実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されている装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
＜燃料電池ユニット１の概要＞
図１を参照し、燃料電池ユニット１の概要について説明する。燃料電池ユニット１は、燃料電池１Ａ、複数の流路２０、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、フィルタ３３、水素供給源４１、空気供給源４２、電圧測定部５、及び制御装置６を有する。
燃料電池１Ａは、セル１０を１６個積層したスタック構造を有する。隣接するセル１０間は、非図示のセパレータにより隔てられる。各セル１０は、アノード１１、カソード１２、及び電解質（例えば、固体高分子電解質膜）１３を有する。電解質１３は、アノード１１とカソード１２との間に挟まれる。アノード１１は、アノード極１１Ａとアノード触媒１１Ｂとを含む。カソード１２は、カソード極１２Ａとカソード触媒１２Ｂとを含む。アノード極１１Ａ及びカソード極１２Ａは電極である。アノード触媒１１Ｂ及びカソード触媒１２Ｂは、例えばアセチレンブラックに担持されたＰｔからなる。なお、アノード触媒１１Ｂ及びカソード触媒１２Ｂの材料は例示した材料に限定されず、他の材料でもよい。セパレータは、各セル１０の間に配置された板形状であり、一方の面にセル１０のアノード極１１Ａに面する水素流路を有し、他方の面にセル１０のカソード極１２Ａに面する酸化剤流路を有する。本実施形態では、酸化剤として空気を使用する。
１６個のセル１０は直列に接続される。燃料電池１Ａは、出力端子１００に電圧を出力する。出力端子１００に出力される電圧は、各セル１０のアノード極１１Ａとカソード極１２Ａとの間の電圧を加算した値と一致する。以下、この電圧を「スタック電圧」という。燃料電池ユニット１は、出力端子１００に対して外部から接続される外部負荷Ｌｄにスタック電圧を印加することで、外部負荷Ｌｄに給電できる。
水素供給源４１は水素の取り入れ口であり、燃料電池１Ａにて消費される水素の供給源として機能する。例えば、水素供給源４１は非図示の水素タンクに接続され、水素タンクに貯留された水素が取り入れられる。水素供給源４１は、水素タンクの他、水電解装置に接続されてもよい。空気供給源４２は空気の取り入れ口であり、燃料電池１Ａにて消費される空気の供給源として機能する。例えば、空気供給源４２には大気中の空気が取り入れられる。なお、空気供給源４２は、空気タンクに接続されてもよいし、水電解装置に接続されてもよい。水素供給源４１からの水素の圧力は、空気供給源４２からの空気の圧力よりも高く設定されている。
複数の流路２０は、水素供給路２１、水素排出路２２、空気供給路２３、空気排出路２４、及び水素循環路２５を含む。水素供給路２１、水素排出路２２、及び水素循環路２５は、水素が通流する管である。水素供給路２１は、水素供給源４１から各セル１０のアノード極１１Ａに水素を供給する。水素排出路２２は、各セル１０のアノード極１１Ａから水素を排出する。水素循環路２５は、燃料電池１Ａのスタックの外部において水素排出路２２の水素を水素供給路２１に向けて通流させることにより、セル１０で消費されなかった水素を水素供給路２１に循環する。空気供給路２３及び空気排出路２４は、空気が通流する管である。空気供給路２３は、空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに空気を供給する。空気排出路２４は、各セル１０のカソード極１２Ａから空気を排出する。
ポンプ３１は、水素循環路２５に介在する。ポンプ３１は、水素排出路２２から水素供給路２１に向けた水素の流れを、水素循環路２５に形成させる。ポンプ３２は、空気供給路２３に介在する。ポンプ３２は、空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに向けた空気の流れを、空気供給路２３に形成させる。フィルタ３３は、空気供給源４２とポンプ３２との間の空気供給路２３に設けられる。フィルタ３３は、空気供給路２３を通流する空気から不純物を除去する。
複数の弁２０Ａは、水素供給弁２１Ａ、水素排出弁２２Ａ、空気供給弁２３Ａ、及び空気排出弁２４Ａを含む。水素供給弁２１Ａは水素供給路２１に設けられる。水素供給弁２１Ａは、水素供給路２１を開閉可能な電磁弁である。水素排出弁２２Ａは水素排出路２２に設けられる。水素排出弁２２Ａは、水素排出路２２を開閉可能な電磁弁である。空気供給弁２３Ａは空気供給路２３に設けられる。空気供給弁２３Ａは、空気供給路２３を開閉可能な電磁弁である。空気排出弁２４Ａは空気排出路２４に設けられる。空気排出弁２４Ａは、空気排出路２４を開閉可能な電磁弁である。
電圧測定部５は、分圧抵抗及びＡＤコンバータを含む。分圧抵抗は、出力端子１００に接続され、スタック電圧を分圧する。ＡＤコンバータは、燃料電池１Ａが発電することにより生じる電力で駆動する。ＡＤコンバータが駆動可能となる電圧は、例えば約２Ｖである。ＡＤコンバータは分圧抵抗に接続し、分圧抵抗の両端部の間の電圧をデジタルデータに変換して出力する。なお、分圧抵抗及びＡＤコンバータは、燃料電池１Ａに対し、燃料電池ユニット１の内部で接続される内部負荷に対応する。制御装置６は周知のＰＣであり、燃料電池ユニット１の全体の制御を司る。
＜燃料電池１Ａの発電原理＞
アノード１１のアノード極１１Ａに対し、水素供給源４１から水素供給路２１を介して水素が供給される。水素は、アノード１１のアノード触媒１１Ｂにより水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、電解質１３を介してカソード１２に向けて流れる。電子は、出力端子１００及び外部負荷Ｌｄを介して、カソード１２のカソード極１２Ａに向けて流れる。これにより、外部負荷Ｌｄに給電される。
カソード１２のカソード極１２Ａに対し、空気供給源４２から空気供給路２３を介して空気が供給される。カソード１２のカソード触媒１２Ｂでは、電解質１３を介してアノード１１から流れてきた水素イオンと、出力端子１００を介して流れてきた電子と、空気の酸素分子とが結合し、水が発生する。
＜燃料電池１Ａの性能低下＞
出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されない状態で燃料電池１Ａが保管された場合、カソード触媒１２Ｂが空気により酸化し劣化する現象が発生する場合がある。この場合、燃料電池１Ａの性能が低下する。
図２は、燃料電池１Ａから出力される電力（以下、「スタック電力」という。）の最大値の経時変化を示す。図２の横軸は、燃料電池１Ａの初回発電時からの保管期間を示す。保管期間を１か月とした場合における燃料電池１Ａのスタック電力の最大値は、合計３回計測されている。
図２に示すように、燃料電池１Ａの保管期間を０か月、１か月、２か月の夫々とした場合におけるスタック電力の最大値は、約１６００Ｗでほぼ一定となる。燃料電池１Ａの保管期間を０か月、１か月、２か月の夫々とした場合におけるスタック電力の最大値の平均値を、一点鎖線で示す。一方、燃料電池１Ａの保管期間を３か月とした場合におけるスタック電力の最大値は、平均値に対して約１７％減少する。又、燃料電池１Ａの保管期間を６か月とした場合におけるスタック電力の最大値は、平均値に対して約２３％減少する。
図３は、燃料電池１Ａの反応過電圧の経時変化を示す。反応過電圧とは、燃料電池１Ａの状態を示す指標である。反応過電圧が小さい値である程、燃料電池１Ａの性能が良好であることを示す。
図３に示すように、燃料電池１Ａの保管期間を０か月、１か月の夫々とした場合における反応過電圧は、０．４３Ｖで一定となる。一方、燃料電池１Ａの保管期間を２か月、３か月、６か月とした場合における反応過電圧は、夫々、０．４５Ｖ、０．４８Ｖ、０．４９Ｖとなり、保管期間が０か月、１か月の夫々とした場合よりも値が大きくなる。
図２又は図３に示す各指標（スタック電力の最大値、反応過電圧）の変化の原因は、カソード触媒１２Ｂの酸化によるものと推定される。この結果から、燃料電池１Ａの保管期間が少なくとも３か月以上となる場合、カソード触媒１２Ｂの劣化が顕著になることが分かる。これに対し、本実施形態において、燃料電池ユニット１は、出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されない状態で燃料電池１Ａが保管されたときに性能が低下することを抑制するため、後述のメイン処理（図５参照）及び発電処理（図８参照）を実行する。
＜制御装置６の電気的構成＞
図４を参照し、制御装置６の電気的構成について説明する。制御装置６は、ＣＰＵ６１、記憶装置６２、入力部６３、及び出力部６４を含む。ＣＰＵ６１は、記憶装置６２、入力部６３、出力部６４、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、及び電圧測定部５と電気的に接続する。
ＣＰＵ６１は、制御装置６を含む燃料電池ユニット１の全体を制御する。記憶装置６２は、ＣＰＵ６１が後述するメイン処理（図５参照）及び発電処理（図８参照）を実行する為のプログラムを記憶する。又、記憶装置６２は、メイン処理及び発電処理において使用されるフラグを記憶する。フラグは、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態であるか否かを示す。以下、フラグに１が設定されていることを、「フラグがＯＮされている。」という。フラグに０が設定されていることを、「フラグがＯＦＦされている。」という。フラグがＯＮされている場合、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態であることを示す。フラグがＯＦＦされている場合、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態でないことを示す。
又、記憶装置６２は、予め決められた時間として所定時間Ｔｄを記憶する。所定時間Ｔｄの値は特段限定されないが、例えば、カソード触媒１２Ｂの劣化が顕著となる燃料電池１Ａの保管期間である３か月とされる。
又、記憶装置６２は、予め決められた電圧の閾値として、電圧閾値Ｖｈを記憶する。電圧閾値Ｖｈの値は特段限定されないが、例えば、燃料電池１Ａの発電下限値よりも大きい値とされる。より具体的には次の通りである。燃料電池１Ａに含まれる１６個のセル１０の夫々の発電下限値は０．１Ｖであるので、直列に接続された１６個のセル１０全体の発電下限値は、１．６Ｖ（＝０．１×１６）となる。このため、電圧閾値Ｖｈは、発電下限値１．６Ｖよりも大きい値（例えば、２．２Ｖ）とされる。
入力部６３はキーボードであり、燃料電池ユニット１に対する入力操作を受け付ける。出力部６４はディスプレイであり、燃料電池ユニット１の状態等を出力する。
ＣＰＵ６１は、ポンプ３１を制御することにより、水素循環路２５を介して水素排出路２２の水素を水素供給路２１に向けて通流させることが可能である。ＣＰＵ６１は、ポンプ３２を制御することにより、空気供給路２３を介して空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに向けて空気を通流させることが可能である。ＣＰＵ６１は、複数の弁２０Ａを制御することにより、複数の流路２０を開閉可能である。
ＣＰＵ６１は、電圧測定部５のＡＤコンバータから出力されるデジタルデータを取得する。ＣＰＵ６１は、取得したデジタルデータに基づき、電圧測定部５の分圧抵抗の両端部の間の電圧を特定し、特定した電圧に基づいて燃料電池１Ａのスタック電圧を特定可能である。
＜メイン処理＞
図５を参照し、メイン処理について説明する。メイン処理は、燃料電池１Ａの製造後の状態であって外部負荷Ｌｄに対する給電を一度も行っていない保管状態のとき、又は、発電が終了した後で、出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されていない保管状態のときに記憶装置６２に記憶されたプログラムをＣＰＵ６１が読み出して実行することにより開始される。このとき、水素供給路２１は水素供給弁２１Ａにより閉塞され、水素排出路２２は水素排出弁２２Ａにより閉塞され、空気供給路２３は空気供給弁２３Ａにより閉塞され、空気排出路２４は空気排出弁２４Ａにより閉塞されている。
ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態であることを示す為、記憶装置６２に記憶されたフラグをＯＮする（Ｓ１１）。ＣＰＵ６１は、Ｓ１１の処理によってフラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過したか判定する（Ｓ１３）。ＣＰＵ６１は、所定時間Ｔｄが経過していないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、処理をＳ１４に進める。ＣＰＵ６１は、後述する発電処理（図８参照）のＳ４５の処理により、発電が開始されたか判定する（Ｓ１４）。ＣＰＵ６１は、発電が開始されたと判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、メイン処理を終了させる。なおこの場合、後述する発電処理（図８参照）のＳ４９の処理により発電が終了した後、出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されていない保管状態のときに、メイン処理は開始される。一方、ＣＰＵ６１は、発電が開始されていないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、処理をＳ１３に戻す。ＣＰＵ６１は、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過するまで、Ｓ１４による判定を繰り返しながら待機する。この間、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態は維持される。
一方、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過した場合、燃料電池１Ａの保管期間が所定時間Ｔｄを経過しており、カソード触媒１２Ｂが酸化している可能性がある。このためＣＰＵ６１は、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過したと判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態でないことを示す為、フラグをＯＦＦする（Ｓ１５）。
ＣＰＵ６１は、酸化したカソード触媒１２Ｂを還元して活性化させる為、Ｓ１７～Ｓ２７の処理を実行する。ＣＰＵ６１は、空気供給弁２３Ａを制御し、空気供給路２３を一旦開放し、その後閉塞する（Ｓ１７）。次にＣＰＵ６１は、空気排出弁２４Ａを制御し、空気排出路２４を一旦開放し、その後閉塞する（Ｓ１９）。これによりＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａへの空気の供給を遮断する。
ＣＰＵ６１は、水素排出弁２２Ａを制御し、水素排出路２２を一旦開放し、その後閉塞する（Ｓ２１）。次にＣＰＵ６１は、水素供給弁２１Ａを制御し、水素供給路２１を開放する（Ｓ２３）。これによりＣＰＵ６１は、空気供給路２３及び空気排出路２４が閉塞された状態で、水素をアノード極１１Ａに供給する。なお、水素供給源４１には、少なくともカソード極１２Ａの空気の圧力よりも高圧の水素が貯留されている。このためアノード極１１Ａには、カソード極１２Ａの空気よりも高圧の水素が供給される。
その後、ＣＰＵ６１は、水素供給弁２１Ａを制御し、水素供給路２１を閉塞する（Ｓ２５）。これによりＣＰＵ６１は、アノード極１１Ａへの水素の供給を遮断する。
なお、燃料電池１Ａ内では、Ｓ２３～Ｓ２５の間にアノード極１１Ａに水素が供給された場合、カソード極１２Ａに残留する空気中の酸素および酸化により劣化したカソード触媒１２Ｂとアノード極１１Ａとの間で電位差が形成され、スタック電圧が一時的に上昇する。その後、アノード極１１Ａに供給された水素が分解して生成された水素イオンが、電解質１３を通過してカソード１２に到達し、酸化したカソード触媒１２Ｂは水素イオンと反応する。同時に、供給された水素分子の一部は電解質１３を透過しカソード極１２Ａに到達し、酸化により劣化したカソード触媒１２Ｂと接触して還元させる。これらの現象により、酸化したカソード触媒１２Ｂは還元され、カソード触媒１２Ｂは活性化する。アノード極１１Ａに供給した水素の圧力がカソード極１２Ａの空気の圧力よりも高圧のため、カソード触媒１２Ｂの活性化が進行すると、カソード極１２Ａには空気中の窒素だけでなく、アノード極１１Ａから透過した水素が充満することになり、カソード触媒１２Ｂの活性が保持され、スタック電圧は低下する。ＣＰＵ６１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満まで低下した場合、酸化したカソード触媒１２Ｂが十分還元されたと判定する。
図６は、Ｓ２３～Ｓ２５の間にアノード極１１Ａに水素が供給されてからの経過時間とスタック電圧との関係を示す。図６では、アノード極１１Ａに供給される水素の圧力を４５ＫＰａＧ、４０ＫＰａＧ、３０ＫＰａＧ、２０ＫＰａＧ、１０ＫＰａＧとした場合について、夫々のスタック電圧の経時変化が示されている。
図６に示すように、アノード極１１Ａに水素が供給された後、スタック電圧は一時的に約１５Ｖまで上昇し、その後、電圧閾値Ｖｈ未満となるまで低下する。ここで、水素の圧力が４５ＫＰａＧ、４０ＫＰａＧ、３０ＫＰａＧ、２０ＫＰａＧの場合と比べて、水素の圧力が１０ＫＰａＧの場合、スタック電圧が上昇開始するまでに要する時間、及び、その後電圧閾値Ｖｈ未満まで低下するまでに要する時間が長くなる。このため、酸化したカソード触媒１２Ｂを迅速に還元させて安定的に活性化させるために、Ｓ２３～Ｓ２５の間にアノード極１１Ａに供給される水素の圧力は、２０ＫＰａＧ以上であることが好ましい。
なお、Ｓ２３～Ｓ２５の間にアノード極１１Ａに水素が供給され、スタック電圧が一時的に上昇した場合、電圧測定部５のＡＤコンバータは、燃料電池１Ａの電力で駆動開始する。ＣＰＵ６１は、駆動開始したＡＤコンバータから出力されるデジタルデータを取得する。図５に示すように、ＣＰＵ６１は、取得したデジタルデータに基づき、燃料電池１Ａのスタック電圧を特定する。ＣＰＵ６１は、特定したスタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満であるか判定する（Ｓ２７）。ＣＰＵ６１は、特定したスタック電圧が電圧閾値Ｖｈ以上であると判定した場合（Ｓ２７：ＮＯ）、処理をＳ２７に戻す。ＣＰＵ６１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満となるまで待機する。
ＣＰＵ６１は、特定したスタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満であると判定した場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）、酸化したカソード触媒１２Ｂが十分還元されたと判定する。この場合、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態であることを示す為、フラグをＯＮする（Ｓ２９）。
ＣＰＵ６１は、Ｓ１１の処理によってフラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過したか判定する（Ｓ３１）。ＣＰＵ６１は、所定時間Ｔｄが経過していないと判定した場合（Ｓ３１：ＮＯ）、処理をＳ３２に進める。ＣＰＵ６１は、後述する発電処理（図８参照）のＳ４５の処理により、発電が開始されたか判定する（Ｓ３２）。ＣＰＵ６１は、発電が開始されたと判定した場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、メイン処理を終了させる。なおこの場合、後述する発電処理（図８参照）のＳ４９の処理により発電が終了した後、出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されていない保管状態のときに、メイン処理は開始される。一方、ＣＰＵ６１は、発電が開始されていないと判定した場合（Ｓ３２：ＮＯ）、処理をＳ３１に戻す。ＣＰＵ６１は、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過するまで、Ｓ３２による判定を繰り返しながら待機する。この間、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態は維持される。又、水素供給路２１、水素排出路２２、空気供給路２３、及び空気排出路２４が閉塞した状態は維持される。
ＣＰＵ６１は、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過したと判定した場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、処理をＳ１５に戻す。ＣＰＵ６１は、Ｓ１５～Ｓ２９の処理を再度繰り返し実行する。これにより、酸化したカソード触媒１２Ｂを還元する為の処理は、所定時間Ｔｄの周期で繰り返し実行される。
なお、カソード極１２Ａの封止力が不十分であったり、カソード極１２Ａの封止力が劣化したりした場合、カソード極１２Ａに外気が侵入してカソード触媒１２Ｂが酸化し、劣化する場合がある。このような場合でも、所定時間Ｔｄの周期でＳ１５～Ｓ２９の処理を繰り返すことで、燃料電池１Ａの保管期間中に、カソード触媒１２Ｂを再度活性化でき、長期間にわたって燃料電池１Ａの性能を維持できる。
図７は、燃料電池１Ａのスタック電力の経時変化を示す。図７の横軸は、燃料電池１Ａが発電を開始してからの経過時間を示す。
外部負荷Ｌｄに対する給電を一度も行っておらず且つ保管期間が０か月の燃料電池１Ａのスタック電力は、最大約１６００Ｗとなる。一方、外部負荷Ｌｄに対する給電を行わない状態で３か月保管した燃料電池１Ａについて、メイン処理を適用する前のスタック電力は最大約１２５０Ｗとなり、保管期間が０か月の場合と比べて約２２％減少する。一方、外部負荷Ｌｄに対する給電を行わない状態で３か月保管した燃料電池１Ａについて、メイン処理を適用した後のスタック電圧は最大約１６００Ｗとなり、保管期間が０か月の場合とほぼ同一となる。この結果から、外部負荷Ｌｄに対する給電を行わない状態で３か月保管した燃料電池１Ａであっても、メイン処理を実行することによって、酸化したカソード触媒１２Ｂは十分還元され、カソード触媒１２Ｂは活性化されることが分かる。
＜発電処理＞
図８を参照し、発電処理について説明する。発電処理は、メイン処理（図５参照）が開始されるタイミングと同じタイミングで、記憶装置６２に記憶されたプログラムをＣＰＵ６１が読み出して実行することにより開始される。発電処理は、メイン処理と並列して実行される。
ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａから外部負荷Ｌｄに対する給電を開始させるための開始指令を、入力部６３を介して受け付けたか判定する（Ｓ４１）。ＣＰＵ６１は、開始指令を受け付けていないと判定した場合（Ｓ４１：ＮＯ）、処理をＳ４１に戻す。ＣＰＵ６１は、開始指令を受け付けるまで待機する。
ＣＰＵ６１は、入力部６３を介して開始指令を受け付けたと判定した場合（Ｓ４１：ＹＥＳ）、フラグがＯＮであるか判定する（Ｓ４３）。ＣＰＵ６１は、フラグがＯＦＦであると判断した場合（Ｓ４３：ＮＯ）、燃料電池１Ａから外部負荷Ｌｄに対する給電が可能な状態でないことになるので、処理をＳ４１に戻す。この場合、燃料電池１Ａは発電を行わず、外部負荷Ｌｄに対する給電は行われない。一方、ＣＰＵ６１は、フラグがＯＮであると判断した場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、燃料電池１Ａから外部負荷Ｌｄに対する給電が可能な状態であることになるので、処理をＳ４５に進める。
出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続される。ＣＰＵ６１は、以下に示す処理を実行し、発電を開始する（Ｓ４５）。
ＣＰＵ６１は、空気供給弁２３Ａを制御し、空気供給路２３を開放し、ポンプ３２を駆動する。これにより、カソード極１２Ａへの空気の供給が開始される。ＣＰＵ６１は、空気排出弁２４Ａを制御し、空気排出路２４を開放する。これにより、カソード極１２Ａに残留する窒素と水素とが、供給された空気で排出される。又、ＣＰＵ６１は、水素供給弁２１Ａを制御し、水素供給路２１を開放する。これにより、アノード極１１Ａへの水素の供給が開始される。ＣＰＵ６１は、水素排出弁２２Ａを制御し、水素排出路２２を開放する。その後、水素排出弁２２Ａを閉塞し、ポンプ３１の駆動を開始することで、アノード極１１Ａへの水素の循環を開始する。これにより、アノード極１１Ａに供給された水素のうち未反応の水素が排出されることなく再利用される。
アノード極１１Ａに供給された水素は、アノード触媒１１Ｂにより水素イオンと電子に分解される。電子は、出力端子１００及び外部負荷Ｌｄを介してカソード極１２Ａに向けて流れる。これにより、外部負荷Ｌｄに電力が供給される。又、カソード触媒１２Ｂでは、電解質１３を介してアノード１１から流れてきた水素イオンと、出力端子１００を介して流れてきた電子と、カソード１２の空気の酸素分子とが結合し、水が発生する。
ＣＰＵ６１は、外部負荷Ｌｄに対する給電を終了させるための終了指令を、入力部６３を介して受け付けたか判定する（Ｓ４７）。ＣＰＵ６１は、終了指令を受け付けていないと判定した場合（Ｓ４７：ＮＯ）、処理をＳ４７に戻す。ＣＰＵ６１は、終了指令を受け付けるまで発電を継続する。
ＣＰＵ６１は、入力部６３を介して終了指令を受け付けたと判定した場合（Ｓ４７：ＹＥＳ）、空気供給弁２３Ａを制御し、空気供給路２３を閉塞する。ＣＰＵ６１は、空気排出弁２４Ａを制御し、空気排出路２４を閉塞する。これにより、カソード極１２Ａへの空気の供給は遮断される。又、ＣＰＵ６１は、水素供給弁２１Ａを制御し、水素供給路２１を閉塞する。ＣＰＵ６１は、水素排出弁２２Ａを制御し、水素排出路２２を閉塞する。これにより、アノード極１１Ａへの水素の供給が遮断される。以上により、ＣＰＵ６１は発電を終了させる（Ｓ４９）。ＣＰＵ６１は、処理をＳ４１に戻す。
＜本実施形態の作用、効果＞
燃料電池ユニット１は、水素及び空気がスタックに充填された状態で（Ｓ１７～Ｓ２５）、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満となるまで待機する（Ｓ２７）。このとき、酸化したカソード触媒１２Ｂは、水素イオンによって還元され、活性化される。なお、水素が燃料電池１Ａに供給される過程で、空気供給路２３及び空気排出路２４は閉塞されるので（Ｓ１７、Ｓ１９）、空気供給路２３及び空気排出路２４を介して空気は燃料電池１Ａ内に進入しない。従って、燃料電池ユニット１は、出力端子１００に外部負荷Ｌｄが接続されない状態で長時間保管された場合でも、性能の低下を抑制できる。
燃料電池ユニット１は、Ｓ２３の処理により、カソード極１２Ａの空気よりも高圧の水素をアノード極１１Ａに供給する。この場合、燃料電池ユニット１は、アノード極１１Ａに対して水素を適切に供給し、水素の逆流を防止できる。又、カソード極１２Ａの空気よりも高圧の水素がアノード極１１Ａに供給されるため、水素分子がカソード１２側に浸透し、酸化したカソード触媒１２Ｂと反応することができる。
燃料電池ユニット１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満であると判定した場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）、燃料電池１Ａが外部負荷Ｌｄに対して給電可能な状態であることを示す為、フラグをＯＮする（Ｓ２９）。燃料電池ユニット１は、この状態で所定時間Ｔｄが経過するまで待機する（Ｓ３１）。この間、水素供給路２１、水素排出路２２、空気供給路２３、及び空気排出路２４が閉塞した状態は維持される。この場合、酸化したカソード触媒１２Ｂが活性化してから、外部負荷Ｌｄに対する給電が開始されるまでの間、水素及び空気が燃料電池１Ａに充填された状態が維持され、燃料電池１Ａ内への空気の進入は抑制される。従って燃料電池ユニット１は、外部負荷Ｌｄに対する給電が開始されるまでの間にカソード触媒１２Ｂが空気により酸化することを抑制できる。
燃料電池ユニット１は、１６個のセル１０全体の発電下限値である１．６Ｖより大きい値である２．２Ｖを、電圧閾値Ｖｈとする。この場合、燃料電池ユニット１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ以下となることによりセル１０が破損することを防止できる。又、燃料電池ユニット１は、酸化したカソード触媒１２Ｂが水素イオンにより還元している最中（Ｓ２７）において、燃料電池１Ａが発電した状態を維持できる。この場合、酸化したカソード触媒１２Ｂの還元反応と発電反応との両方が生じることになるので、燃料電池１Ａの空気中の酸素を効率的に消費できる。この場合、保管期間中において燃料電池１Ａ中に残存する空気の量を抑制できるので、燃料電池ユニット１は、保管期間中にカソード触媒１２Ｂが空気により酸化されることを抑制できる。
メイン処理のＳ１７、Ｓ１９の処理と異なり、空気供給路２３よりも空気排出路２４が先に開閉された場合、空気中の不純物が空気排出路２４を介してカソード極１２Ａに進入する可能性がある。これに対し、燃料電池ユニット１は、空気排出路２４よりも空気供給路２３を先に開閉する。なお、空気供給路２３にはフィルタ３３が設けられており、空気供給路２３を通流する空気中の不純物は、フィルタ３３により除去される。このため、燃料電池ユニット１は、空気供給路２３を介してカソード極１２Ａに不純物が進入することを抑制できる。
燃料電池ユニット１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満となり（Ｓ２７：ＹＥＳ）、フラグをＯＮしてから所定時間Ｔｄが経過した場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、酸化したカソード触媒１２Ｂを還元する為の処理（Ｓ１５～Ｓ２９）を実行する。このため、燃料電池ユニット１が所定時間Ｔｄ以上保管される場合、所定時間Ｔｄの周期でカソード触媒１２Ｂは繰り返し活性化される。従って燃料電池ユニット１は、長時間保管された場合でも、燃料電池１Ａの性能の低下を抑制できる。
燃料電池ユニット１は、酸化したカソード触媒１２Ｂを水素イオンにより還元する最中に発電する燃料電池１Ａの電力で、電圧測定部５を駆動する。つまり、カソード触媒１２Ｂの活性化中における電力は、電圧測定部５により消費される。この場合、酸化したカソード触媒１２Ｂの還元反応と、発電反応との両方が生じることになるので、燃料電池１Ａ内の空気中の酸素を効率的に消費できる。このため燃料電池ユニット１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満となるまで待機する過程で、カソード触媒１２Ｂが酸素により酸化されることを抑制できる。
＜変形例＞
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。燃料電池１Ａのセル１０の数は上記実施形態に限定されず、１～１５、１７以上でもよい。複数の弁２０Ａは電磁弁に限定されず、複数の流路２０を開閉可能な他の機構であってもよい。燃料電池ユニット１の制御装置６はＰＣに限定されない。例えば制御装置６は、燃料電池ユニット１全体の制御を司る制御ボックスでもよい。
ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの１６個のセル１０のうち何れか１つのアノード極１１Ａとカソード極１２Ａとの間の電圧を、電圧測定部５から出力されるデジタルデータに基づいて特定してもよい。ＣＰＵ６１は、Ｓ２７の処理において、特定した電圧がセル１０単体の電圧下限値である０．１Ｖ未満となるまで待機してもよい。
ＣＰＵ６１は、メイン処理のＳ１７、Ｓ１９の処理を同時に実行してもよい。つまり、空気供給路２３と空気排出路２４は同時に閉塞されてもよい。ＣＰＵ６１は、メイン処理のＳ２１、Ｓ２３の処理を入れ替えてもよい。つまり、水素供給路２１が開放された後、水素排出路２２が閉塞されてもよい。
ＣＰＵ６１は、メイン処理のＳ２７の処理で、予め決められた時間以上継続してスタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満にならなかった場合、燃料電池１Ａに異常が発生した旨を報知するための画面を出力部６４に表示してもよい。
所定時間Ｔｄは３か月に限定されず、１、２、４か月等でもよい。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの保管期間の経過に応じ、異なる所定時間Ｔｄを設定してもよい。例えばＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの製造後の状態であって外部負荷Ｌｄに対する給電を一度も行っていない状態からの保管時間が長くなる程、所定時間Ｔｄも長くなるように、所定時間Ｔｄを設定してもよい。又、Ｓ１３にて判定基準とされる所定時間Ｔｄが、Ｓ３１にて判定基準とされる所定時間Ｔｄよりも長い期間で設定されてもよい。Ｓ１３にて判定基準とされる所定時間Ｔｄが、Ｓ３１にて判定基準とされる所定時間Ｔｄよりも短い期間で設定されてもよい。
電圧閾値Ｖｈは２．２Ｖに限定されない。例えば電圧閾値Ｖｈは、セル１０全体の発電下限値である１．６Ｖよりも大きい任意の値でもよい。又は、電圧閾値Ｖｈは１．６Ｖ以下でもよく、例えば０Ｖでもよい。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの保管期間の経過に応じ、異なる電圧閾値Ｖｈを設定してもよい。例えばＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの製造後の状態であって外部負荷Ｌｄに対する給電を一度も行っていない状態からの保管期間が長くなる程、電圧閾値Ｖｈが小さくなるように、電圧閾値Ｖｈを設定してもよい。
燃料電池ユニット１は、水素供給路２１にポンプを有してもよい。このポンプは、カソード極１２Ａの空気よりも高圧の水素がアノード極１１Ａに供給されるように、水素供給源４１の水素をアノード極１１Ａに送り出してもよい。
ＣＰＵ６１は、スタック電圧が電圧閾値Ｖｈ未満であると判定してから（Ｓ２７：ＹＥＳ）、所定時間Ｔｄが経過するまで（Ｓ３１）の間の何れかのタイミングで、水素排出路２２を開放し、燃料電池１Ａから水素を排出してもよい。
フィルタ３３として、スクリーンフィルタ、デプスフィルタ等、除去対象の不純物に応じた種類のフィルタが適宜用いられてよい。
ＣＰＵ６１は、メイン処理のＳ１５～Ｓ２９の処理を所定時間Ｔｄの周期で行わなくてもよい。例えばＣＰＵ６１は、発電の開始指令を受け付けた後、外部負荷Ｌｄに対する給電が開始されるまでの間に、Ｓ１５～Ｓ２９の処理を実行し、カソード触媒１２Ｂを活性化させてもよい。
電圧測定部５のＡＤコンバータは、燃料電池１Ａの電力により駆動しなくてもよい。例えば電圧測定部５は、制御装置６の電源により駆動してもよい。
ＣＰＵ６１は、メイン処理のＳ１１、Ｓ２９の処理によってフラグをＯＮした場合、入力部６３を介して開始指令を受け付けたか否かに関わらず発電を開始し、外部負荷Ｌｄに給電してもよい。
＜その他＞
ＣＰＵ６１は、本発明の「制御部」の一例である。Ｓ１７、Ｓ１９の処理は、本発明の「空気遮断処理」の一例である。Ｓ２１、Ｓ２３の処理は、本発明の「水素供給処理」の一例である。Ｓ２５の処理は、本発明の「水素遮断処理」の一例である。Ｓ２７の処理は、本発明の「第１待機処理」の一例である。
１ ：燃料電池ユニット
１Ａ ：燃料電池
５ ：電圧測定部
１０ ：セル
１１Ａ ：アノード極
１１Ｂ ：アノード触媒
１２Ａ ：カソード極
１２Ｂ ：カソード触媒
２１ ：水素供給路
２１Ａ ：水素供給弁
２２ ：水素排出路
２２Ａ ：水素排出弁
２３ ：空気供給路
２３Ａ ：空気供給弁
２４ ：空気排出路
２４Ａ ：空気排出弁
３３ ：フィルタ
６１ ：ＣＰＵ

Claims (7)

  1. アノード極、カソード極、及び触媒を有するセルを少なくとも１つ有するスタックと、
    前記アノード極に水素を供給する水素供給路、前記アノード極から水素を排出する水素排出路、前記カソード極に空気を供給する空気供給路、及び、前記カソード極から空気を排出する空気排出路を含む複数の流路と、
    前記水素供給路を開閉可能な水素供給弁、前記水素排出路を開閉可能な水素排出弁、前記空気供給路を開閉可能な空気供給弁、及び、前記空気排出路を開閉可能な空気排出弁を含む複数の弁と、
    前記スタックの前記アノード極と前記カソード極との間の電圧であるスタック電圧を測定する電圧測定部と、
    前記複数の弁を制御して前記複数の流路を開閉する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記スタックが外部負荷に給電していない状態において、
    前記空気供給弁により前記空気供給路を閉塞し、前記空気排出弁により前記空気排出路を閉塞し、前記カソード極への空気の供給を遮断する空気遮断処理と、
    前記空気遮断処理により前記カソード極への空気の供給を遮断した後、前記水素排出弁により前記水素排出路を閉塞し、前記水素供給弁により前記水素供給路を開放し、前記アノード極に水素を供給する水素供給処理と、
    前記水素供給処理により前記アノード極に水素を供給した後、前記水素供給弁により前記水素供給路を閉塞し、前記アノード極への水素の供給を遮断する水素遮断処理と、
    前記水素遮断処理により前記アノード極への水素の供給を遮断した後、前記電圧測定部が測定した前記スタック電圧が所定の電圧閾値未満となるまで待機する第１待機処理と、
    を実行することを特徴とする燃料電池ユニット。
  2. 前記水素供給処理は、
    前記カソード極の空気よりも高圧の水素を、前記アノード極に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記制御部は、
    前記第１待機処理により前記電圧が前記電圧閾値未満となるまで待機した後、前記スタックが前記外部負荷に給電可能な状態で待機する第２待機処理を更に実行し、
    前記第２待機処理により待機する間、前記複数の流路が閉塞した状態を維持する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池ユニット。
  4. 前記電圧閾値は、前記スタックの発電下限値より大きい値であることを特徴する請求項１から３の何れかに記載の燃料電池ユニット。
  5. 前記空気供給路にフィルタが設けられ、
    前記空気遮断処理は、
    前記空気供給弁により前記空気供給路を閉塞した後、前記空気排出弁により前記空気排出路を閉塞することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池ユニット。
  6. 前記制御部は、
    前記第１待機処理により前記電圧が前記電圧閾値未満となるまで待機した後、所定時間が経過したか判定する判定処理を更に実行し、
    前記判定処理により前記所定時間が経過したと判定した場合、前記空気遮断処理、前記水素供給処理、前記水素遮断処理、及び前記第１待機処理を再度実行することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料電池ユニット。
  7. 前記第１待機処理は、
    前記スタックが発電することにより生じる電力で駆動する前記電圧測定部が測定した前記スタック電圧が、前記電圧閾値未満となるまで待機することを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の燃料電池ユニット。
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