JP5304872B2 - 燃料電池パワープラントとその制御 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池スタックの電極の劣化防止のための、燃料電池パワープラントの運転停止後の制御に関する。

燃料電池スタックの運転停止後に、カソードからアノードへと空気が侵入し、アノードに残留する微量の燃料ガスと空気中の酸素が反応して、アノード内に局部的に電池が形成されることがある。アノードにおけるこうした局部的な電池の形成作用は、燃料電池のカソード触媒層を含む膜電極複合体（ＭＥＡ）の劣化を招く。

アノードにおける部分電池形成現象は図１１に説明される。ここでは、燃料ガスの主成分は水素（Ｈ₂）であり、酸化剤ガスは空気中の酸素（Ｏ₂）である。

アノード２の一部では、水素（Ｈ₂）が以下の化学式（１）に示すように水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分離される。

Ｈ₂→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻（１）
水素イオン（Ｈ^＋）は電解質膜を透過してカソード３に到達する。電子（ｅ⁻）はアノード２の他の部位へと移動し、化学式（２）に示すように水素イオン（Ｈ^＋）及び酸素（Ｏ₂）と反応して水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。

Ｏ₂＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ₂Ｏ （２）
この反応に用いられる水素イオン（Ｈ^＋）はカソード３から電解質膜１Ａを経由して供給される。

カソード３においては、酸素（Ｏ₂）がアノード２から供給された水素イオン（Ｈ^＋）及びカソード３の他の部位から供給される電子（ｅ⁻）と化学式（３）に示す反応を行なって水を生成する。

Ｏ₂＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ₂Ｏ （３）
カソード３の他の部位においては、化学式（４）と（５）に示す反応が起こる。

Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻（４）
２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻（５）
化学式（１）と（３）に示される反応は燃料電池の通常の反応である。化学式（２）、（４）、（５）に示される反応は通常の反応ではない。これらの反応はアノード２で生成された電子（ｅ⁻）を消費するため、あるいはカソード３で消費される電子（ｅ⁻）を生成するための反応である。

その結果、電子（ｅ⁻）がアノード２内及びカソード３内でそれぞれ移動し、アノード２内及びカソード３内にそれぞれ電流が形成される。

化学式（４）の反応には炭素（Ｃ）が用いられる。この炭素はカソード３の触媒層を構成しているカーボン材料から得られる。結果として、この反応はカソード３の触媒層の腐食をもたらす。カソード３の触媒層の腐食を部分電池腐食と称する。

部分電池腐食を含む膜電極複合体（ＭＥＡ）の劣化を防止するために、日本国特許庁が２００４年に発行したＪＰ２００４−１３９９５０Ａは、アノードとカソードの間に電機的負荷を接続して、スタック内に残存する燃料ガスと酸化剤ガスの発電を通じた消費を推進することを提案している。さらに、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路を連通し、これらの通路を密閉した状態で燃料電池スタックを保存している。

燃料電池スタックの運転停止後にガス通路を密閉すると、ガス通路内が負圧化する恐れがあり、運転停止が長時間にわたる場合には外部から空気が侵入する可能性がある。この状態でアノードに微量の燃料ガスが依然として残存していると、侵入した空気が燃料ガスと反応して局部電池を形成することが考えられる。つまり、従来技術では局部電池の形成を完全に阻止することはできない。

この発明の目的は、したがって、燃料電池スタックの運転停止後の、アノードにおける局部電池の形成を確実に防止することである。

この目的を達成するために、この発明は、燃料電池パワープラントにおいて、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの反応により発電を行なう燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、カソードに乾燥酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、アノードに乾燥酸化剤ガスを供給する燃料ガスパージ装置と、燃料電池スタックの発電電力を消費可能な電気負荷と、次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラと、を備えている。

コントローラは、外部から入力される運転停止命令に応じて、燃料ガス供給装置からアノードへの燃料ガスの供給を停止し、酸化剤ガス供給装置からカソードへ乾燥酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス供給装置からカソードへ所定時間に渡って乾燥酸化剤ガスが供給されてカソードが乾燥したか否かを判定し、カソード（３）が乾燥したと判定された後に、電気負荷に燃料電池スタックの発電電力を消費させ、アノードの残留燃料ガス量が所定量以下になった場合に、燃料ガスパージ装置からアノードに乾燥酸化剤ガスを供給し、アノードの残留燃料ガスが酸化剤ガスに置換された後に、燃料ガスパージ装置からアノードへの乾燥酸化剤ガスの供給を停止する、ようにプログラムされる。

この発明はまた、上記の燃料電池パワープラント、の制御方法を提供する。制御方法は、外部から入力される運転停止命令に応じて、燃料ガス供給装置からアノードへの燃料ガスの供給を停止し、酸化剤ガス供給装置からカソードへ乾燥酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス供給装置からカソードへ所定時間に渡って乾燥酸化剤ガスが供給されてカソードが乾燥したか否かを判定し、カソード（３）が乾燥したと判定された後に、電気負荷に燃料電池スタックの発電電力を消費させ、アノードの残留燃料ガス量が所定量以下になった場合に、燃料ガスパージ装置からアノードに乾燥酸化剤ガスを供給し、アノードの残留燃料ガスが酸化剤ガスに置換された後に、燃料ガスパージ装置からアノードへの乾燥酸化剤ガスの供給を停止する、ことからなる。

この発明の詳細及び他の特徴と利点は以下の明細書の記載と添付された図面により説明される。

この発明による燃料電池パワープラントの概略構成図である。 この発明によるコントローラが実行する燃料電池パワープラントの運転停止ルーチンを説明するフローチャートである。 図２に類似するが、この発明の第２の実施例を示す。 この発明の第３の実施例による燃料電池パワープラントの概略構成図である。 この発明の第４の実施例による燃料電池パワープラントの概略構成図である。 この発明の第５の実施例による燃料電池パワープラントの概略構成図である。 燃料電池パワープラントの運転停止後のアノード残留ガスの水素濃度と、ユニットセルの発電電圧及びカソード触媒層の劣化度合いとの関係を説明するダイアグラムである。 燃料電池パワープラントの運転停止後のユニットセル当たりの発電電圧変化を説明するタイミングチャートである。 燃料電池パワープラントの運転停止後にアノードに供給する乾燥酸化剤ガスの流量と、ユニットセルの電気抵抗の変化との関係を説明するタイミングチャートである。 この発明による燃料電池パワープラントと従来技術による燃料電池パワープラントとの、カソード触媒層の劣化の度合いを比較するダイアグラムである。 カソード触媒層に腐食をもたらす燃料電池内の部分電池形成現象を説明するダイアグラムである。

図面の図１を参照すると、この発明による燃料電池パワープラントは燃料電池スタック１を備える。燃料電池スタック１はアノード２とカソード３を備える。

図は簡略化して表現しているが、燃料電池スタック１は数多くのユニットセルの積層体であり、各ユニットセルがそれぞれアノードとカソードを備えている。図に示すアノード２はこれらの全てのユニットセルのアノードの集合的表現であり、図に示すカソード３はこれらの全てのユニットセルのカソードの集合的表現であることを注記する。

アノード２には燃料タンク４からの加圧燃料ガスが燃料ガス供給通路１０を介して供給される。燃料ガスは水素または水素含有ガスであり、燃料ガス供給通路１０には燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス流量制御弁５が設けられる。アノード２においては、水素が水素イオン（Ｈ^＋）と電荷（ｅ⁻）に分離される。水素イオン（Ｈ^＋）はアノード２とカソード３の間に配置された電解質膜を透過してカソード３へと移動する。電荷（ｅ⁻）は電流として取り出される。

アノード２で消費されなかった、水素を含む燃料ガスはアノード排ガスとしてアノード排ガス排出通路１１へと排出される。アノード排ガス排出通路１１はアノード排ガスパージ弁２０を介して大気に解放される。また、アノード排ガスを燃料ガス供給通路１０に環流する循環通路１２がアノード排ガスパージ弁２０の上流においてアノード排ガス排出通路１１に接続される。循環通路１２の途中には、循環ブロワ７とチェック弁２６とが設けられる。

燃料電池パワープラントの通常の運転状態では、アノード排ガスは、燃料循環ブロワ７の運転により、循環通路１２を通り、アノード排ガスパージ弁２０を介して燃料ガス供給通路１０に環流し、燃料タンク４から燃料ガス流量制御弁５を介して供給される燃料ガスと混合した後、再びアノード２へと供給される。

アノード２に供給される燃料ガスの水素濃度が低下すると、アノード排ガスパージ弁２０を解放し、アノード排ガスを燃料ガス供給通路１０に環流させずに大気中に放出する。その結果、燃料ガス供給通路１０のガスは全量が燃料タンク４から供給される燃料ガスとなり、アノード２に供給される燃料ガスの水素濃度が上昇する。なお、アノード排ガスを大気に放出する際は、アノード排ガスの水素濃度が所定濃度以下となるように希釈するか、またはアノード排ガスに含まれる水素を消費する。

カソード３には、酸化剤ガス供給ブロワ６を備える酸化剤ガス供給通路１３を介して酸化剤ガスとして空気が供給される。カソード３では供給された空気中の酸素と、電解質膜を透過して移動して来た水素イオンとの反応により水が生成される。この反応によりカソード３で酸素濃度を低下させた空気はカソード排ガスとして、カソード排ガス排出通路１４へと排出される。カソード排ガス排出通路１４はカソード排ガスパージ弁２４を介して大気に解放される。

燃料ガス供給通路１０と酸化剤ガス供給通路１３は、連通弁２３を備えた連通路１５により相互に接続される。

運転停止後の燃料電池スタック１の残存電力を速やかに消費させるために、この燃料電池パワープラントにおいては、二次電池３１が燃料電池スタック１の両端にそれぞれ位置する集電プレートに接続される。二次電池３１に代えて、酸化剤ガス供給ブロワ６を駆動する電動モータ、燃料ガス循環ブロワ７を駆動する電動モータ、電気抵抗など、電荷を消費可能ないかなる電気的負荷を用いても良い。

燃料ガス流量制御弁５と連通弁２３の開度、酸化剤ガス供給ブロワ６と循環ブロワ７の運転、パージ弁２０と２４の開閉、及び２次電池３１の接続と遮断は、それぞれコントローラ３０からのコマンド信号によって制御される。

コントローラ３０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

以上の制御のために、コントローラ３０には、燃料電池スタック１の端子電圧を計測する電圧計３３、燃料電池スタック１の各区間の電圧を計測する区間電圧計３６ａ−３６ｄ、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ３４、燃料電池スタック１のアノード２のガス圧力を検出する圧力センサ３５、及びカソード３の湿度を検出するカソード湿度計３７が信号回路で接続され、各センサの検出データが信号としてコントローラ３０に入力される。燃料電池スタック１は連続して積層された複数の単位セルからなる４つの区間に分けられ、各区間の出力電圧を計測するために、電圧計３６ａ−３６ｄが設けられている。ここでは、４つの区間の電圧を計測するために４つの電圧計３６ａ−３６ｄを設けているが、区間と電圧計の数は任意に設定することができる。

図１においては、燃料電池パワープラントを簡略化して記載している。燃料電池パワープラントは、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿器や排気圧力の調整装置などの補機をさらに備えるが、こうした補機はこの図では省略されている。

燃料電池パワープラントの以上の構成要件のうち、燃料タンク４、燃料ガス流量制御弁５、循環ブロワ７、燃料ガス供給通路１０及び循環通路１２が特許請求の範囲の燃料ガス供給装置を構成する。酸化剤ガス供給通路１３と酸化剤ガス供給ブロワ６が特許請求の範囲の酸化剤ガス供給装置を構成する。連通路１５と連通弁２３が特許請求の範囲の燃料ガスパージ装置を構成する。

次に図２のフローチャートと表１とを参照して、コントローラ３０が実行する、燃料電池パワープラントの運転停止ルーチンを説明する。コントローラ３０は燃料電池パワープラントの運転停止命令が入力されると、このルーチンを実行する。ルーチンの各ステップの処理内容は表１に示すリストにまとられる。

燃料電池スタック１の発電中、コントローラ３０は、燃料ガス流量制御弁５を発電負荷に応じて開き、循環ブロワ７を運転し、連通弁２３を閉じ、アノード排ガスパージ弁２０を閉じ、酸化剤ブロワ６を運転し、カソード排ガスパージ弁２４を開き、二次電池３１を遮断状態としている。この状態は表１のＳ１の行に示される。表中の電力消費の欄のＯＮとＯＦＦは、二次電池３１の接続と遮断にそれぞれ対応する。

図２を参照すると、ステップＳ１でコントローラ３０は燃料電池パワープラントの運転停止命令を認識し、ステップＳ２で燃料ガス流量制御弁５を閉鎖する。一方、循環ブロワ７、連通弁２３、アノード排ガスパージ弁２０、酸化剤ブロワ６、カソード排ガスパージ弁２４、二次電池３１に関しては、表１のＳ２の行に示すように、燃料電池スタック１の発電中の状態と同じ状態を保つ。

次のステップＳ３で、コントローラ３０は酸化剤ブロワ６を運転して、カソード３に乾燥した酸化剤ガスを最大流量で供給する。ここで、乾燥した酸化剤ガスとは、加湿装置を有するパワープラントにおいては加湿をしない酸化剤ガスを意味する。好ましくは吸湿剤等を用いて乾燥度を高めた酸化剤ガスを用いる。これにより、カソード３を短時間で乾燥させることができるので、ルーチンの実行所要時間を短縮するうえで好ましい。

一方、燃料ガス流量制御弁５、循環ブロワ７、連通弁２３、アノード排ガスパージ弁２０、カソード排ガスパージ弁２４、二次電池３１に関しては、表１のＳ３の行に示すように、ステップＳ２と同じ状態を保つ。

次のステップＳ４で、コントローラ３０は、カソード３が十分に乾燥したかどうかを判定する。具体的には、乾燥した酸化剤ガスの供給開始からの経過時間が所定時間に達することで、カソード３が十分に乾燥したと判定する。所定時間は、実験やシミュレーションにより予め設定しておく。カソード３に乾燥酸化剤ガスを最大流量で供給すると、燃料電池スタック１の内部電圧が高まり、カソード触媒層の劣化が懸念されるが、高電圧の持続期間が３０秒以内であれば、こうした劣化の恐れはない。したがって、所定時間は３０秒以内とすることが好ましい。あるいは、カソード湿度計３７が検出するカソード３の湿度を検出し、湿度が所定湿度まで低下することで、カソード３が十分に乾燥したと判定しても良い。カソード３を乾燥させるのは、残留水分によるカソード３の触媒層の劣化を防止するためである。

ステップＳ４の判定が否定的な場合には、コントローラ３はステップＳ４の判定が肯定的に転じるまで、ステップＳ３の処理を継続する。

ステップＳ４の判定が肯定的に転じると、コントローラ３はステップＳ５で、二次電池３１を燃料電池スタック１に接続する。燃料ガス流量制御弁５、循環ブロワ７、連通弁２３、アノード排ガスパージ弁２０、酸化剤ブロワ６、カソード排ガスパージ弁２４に関しては、表１のＳ５の行に示すように、ステップＳ３と同じ状態を保つ。

この処理により、カソード３に酸化剤ガスが供給され、循環ブロワ７が運転され、好ましくは各ユニットセルのアノード２の燃料濃度が均一な状態で、燃料電池スタック１に二次電池３１が接続される。この時、カソード３にはアノード２の残留燃料ガスに比べて十分な量の酸化剤ガスが存在している。したがって、燃料電池スタック１はアノード２に残留する燃料ガスを用いて発電を行なう。発電の結果生じる電荷は二次電池３１において蓄電という形で消費される。ステップＳ５の処理により、アノード２内の燃料は次第に減少する。

次のステップＳ６で、コントローラ３０は、カソード触媒層の劣化の恐れがなくなったかどうかを判定する。具体的には、圧力センサ３５が検出するアノード２のガス圧力に基づき、アノード２の燃料ガスの残量が通常発電時の１０パーセント以下になったかどうかを判定する。あるいは電圧計３３が検出する燃料電池スタック１の端子電圧が所定電圧以下になったかどうかを判定する。所定電圧はユニットセル当たり０．１−０．３ボルトの範囲に設定される。あるいは、区間電圧計３６ａ−３６ｄが検出する各区間の電位差の最低値がゼロボルトに達した時にカソード触媒層の劣化の恐れがなくなったと判定することも可能である。さらに、燃料電池スタック１の端子電圧が所定電圧以下になるか、あるいは各区間の電位差の最低値がゼロボルトに達するかのいずれかの条件が満たされた時に、カソード触媒層の劣化の恐れがなくなったと判定することも可能である。さらに、出力電圧に代えてアノード２の残留水素濃度を水素濃度センサ３４で検出することも可能である。

ステップＳ６の判定が否定的な場合、すなわち、カソード３の触媒層の劣化の恐れが存在する場合には、コントローラ３０はステップＳ６の判定が肯定的に転じるまで、ステップＳ５の処理を継続する。

ステップＳ６の判定が肯定的に転じると、コントローラ３０はステップＳ７で、循環ブロワ７を運転している状態で、アノード排ガスパージ弁２０と連通弁２３を略同時に開くことで、アノード２に乾燥した酸化剤ガスを供給する。燃料ガス流量制御弁５、アノード排ガスパージ弁２０、酸化剤ブロワ６、カソード排ガスパージ弁２４及び二次電池３１に関しては、表１のＳ７の行に示すように、ステップＳ５と同じ状態を保つ。

ただし、カソード排ガスパージ弁２４に関しては、次のように開度を調整することが好ましい。すなわち、アノード２における燃料ガスの酸化剤ガスによる置換速度と、カソード３の乾燥速度とをパラメータとして決定されるカソード３の触媒層の劣化速度が最も小さくなるように、あらかじめ酸化剤ガス供給通路１３から、アノード２とカソード３への酸化剤ガスの分配比率をあらかじめ実験により決定し、この分配比率が実現するようにカソード排ガスパージ弁２４の開度を調整する。このような分配比率のもとでアノード２に酸化剤ガスを供給することで、アノード２に残存する微量の燃料ガスの酸化剤ガスによる置換が促進される。

次のステップＳ８で、コントローラ３０は、アノード２の残留燃料ガスの酸化剤ガスによる置換が完了したかどうかを判定する。具体的には、電圧計３３が検出する燃料電池スタック１の出力電圧、もしくは、区間電圧計３６ａ−３６ｄが検出する各区間の出力電圧が、略ゼロボルトになった場合に、この条件が満たされたと判定する。

ステップＳ８の判定が否定的な場合、すなわち、アノード２の残留燃料ガスの酸化剤ガスによる置換が完了していない場合には、コントローラ３０はステップＳ７の処理を継続する。

ステップＳ８の判定が肯定的に転じると、コントローラ３０はステップＳ９で、酸化剤ガス供給ブロワ６と循環ブロワ７の運転を停止し、アノード排ガスパージ弁２０と連通弁２３とカソード排ガスパージ弁２４を閉じる。燃料ガス流量制御弁５と二次電池３１に関してはステップＳ７と同じ状態、すなわち、燃料ガス流量制御弁５の閉鎖と、二次電池３１の接続とを継続する。これらの処理は、表１のＳ９の行に示される。ステップＳ９の処理の後、コントローラ３０はルーチンを終了する。

なお、燃料電池パワープラントの運転停止後、停止状態を長時間にわたって継続する場合には、大きな電流が流れない電気抵抗の大きい電気配線抵抗を燃料電池スタック１に接続することで、常に電荷を消費させ、アノード２とカソード３の電位差を一定に保っておくことが望ましい。

このように、二次電池３１の接続によりアノード２の残留燃料ガスを消費し、燃料ガス残量が１０％以下となってから、残留燃料ガスの酸化剤ガスによる置換を行なうことで、燃料ガスと酸化剤ガスの混合を十分に抑制することができる。燃料ガスと酸化剤ガスの混合によるカソード触媒層の劣化が極力少ない状態で、燃料電池スタック１を保存できるため、耐久性の高い燃料電池パワープラントを得ることができる。

次に図３と表２を参照して、運転停止ルーチンに関するこの発明の第２の実施例を説明する。

この実施例では、運転停止後の燃料電池スタック１の残存電力を消費させるために、二次電池３１とともに、図１に示すようにより電力消費量の小さな電気配線抵抗３２を使用する。電気配線抵抗３２は燃料電池スタック１の両端の集電プレートに二次電池３１と並列に遮断可能な状態で接続される。この実施例では、二次電池３１と電気配線抵抗３２とが電気負荷を構成する。さらに、二次電池３１が第１の電気負荷を、電気配線抵抗３２が第２の電気負荷を構成する。

コントローラ３０は、図２の運転停止ルーチンに代えて、図３に示す運転停止ルーチンを実行する。図３のルーチンは、アノード２に酸化剤ガスを供給開始するまでの燃料電池スタック１の集電プレートへの電気負荷の接続をアノード２の燃料消費状態に応じて段階的に行う点で、図２のルーチンと異なっている。

具体的には、図２のルーチンのステップＳ５とＳ６を、ステップＳ５Ａ、Ｓ６Ａ、Ｓ５Ｂ及びＳ６Ｂに置き換えている。その他のステップにおける処理は図２のルーチンと同一である。

ステップＳ５Ａで、コントローラ３０は燃料電池スタック１に二次電池３１を接続する。二次電池３１に代えて、ブロワ６、７を駆動する電動モータ、電気抵抗など、電荷を消費可能な装置を用いることも可能である。二次電池３１を燃料電池スタック１に接続した状態が表２の電力消費の欄のＯＮ１に相当する。

ステップＳ６Ａで、コントローラ３０は、電圧計３３が検出する燃料電池スタック１の端子電圧がユニットセル当たり０．１−０．３ボルトまで低下したかどうか、あるいは区間電圧計３６ａ−３６ｄが検出する各区間の電位差の最低値がゼロボルトに達したかどうかを判定する。

ステップＳ６Ａの判定が否定的な場合には、コントローラ３０はステップＳ５Ａの処理を継続する。

ステップＳ６Ａの判定が肯定的に転じると、コントローラ３０はステップＳ５Ｂで燃料電池スタック１への二次電池３１の接続を遮断する。燃料電池スタック１の出力電力の消費を電動モータなどの補機や、電気抵抗を用いている場合には、これらの接続を遮断する。一方、電力消費量の小さな電気配線抵抗３２を燃料電池スタック１に接続する。この状態が表２の電力消費の欄のＯＮ２に相当する。

ステップＳ５Ｂの処理の後、コントローラ３０はステップＳ６Ｂで、燃料電池スタック１の端子電圧が実質ゼロボルトまで低下したかどうかを判定する。

ステップＳ６Ｂの判定が否定的な場合には、コントローラ３０はステップＳ５Ｂの処理を継続する。

ステップＳ６Ｂの判定が肯定的に転じると、コントローラ３０は図２のルーチンと同様のステップＳ７−Ｓ９の処理を行なう。ただし、ステップＳ９では二次電池３１の代わりに、電気配線抵抗３２を燃料電池スタック１に接続した状態、すなわち表２の電力消費の欄のＯＮ２の状態を維持する。

この実施例のように、燃料電池スタック１の電力消費を異なる電気抵抗を用いて２段階に分けて行なうと、電力消費速度が段階的に低下する。電力消費速度を段階的に低下させることは、各ユニットセルにおける残留燃料ガスの量のばらつきを緩和するのに役立つ。電力消費速度を段階的に低下させることは、アノード２における燃料ガスと酸化剤ガスの混合以外の要因で生じる触媒層の劣化を抑制するためにも好ましい。

燃料電池スタック１を運転停止状態で保管する場合に、電力消費量の小さな電気配線抵抗３２をそのまま接続状態とすれば、保管時にも電荷消費の可能な状態が継続する。したがって、保管時に燃料電池スタック１の一部になお燃料ガスが残留し、外部から燃料電池スタック１に侵入した酸化剤ガスと混合した場合でも、生成される電荷は電気配線抵抗３２に消費される。したがって、保管時に電力消費量の小さな電気配線抵抗３２を接続しておくことは、保管時におけるカソード触媒層の劣化防止にとって好ましい効果をもたらす。

次に図４−６を参照して、この発明の第３−第５の実施例を説明する。この実施例は燃料電池パワープラントの物理的な構成に関する。

図４に示すこの発明の第３の実施例による燃料電池パワープラントは、図１のパワープラントの連通弁２３を備えた連通路１５に代えて、循環弁２３Ａと空気導入通路１６と空気供給弁２３Ｂと、を備える。循環弁２３Ａはアノード排ガス排出通路１１と循環ブロワ７の間の循環通路１２に設けられる。空気導入通路１６は循環弁２３Ａと循環ブロワ７の間で循環通路１２に接続され、循環ブロワ７の運転に応じて循環通路１２に外部の空気を導入する。空気供給弁２３Ｂは空気導入通路１６を開閉する。

図５に示すこの発明の第４の実施例によるパワープラントと、図６に示すこの発明の第５の実施例によるパワープラントは、いずれも循環用ブロワ７の位置が第３の実施例と異なる。すなわち、図５に示すパワープラントでは、循環ブロワ７を燃料ガス供給通路１０の循環通路１２の合流点とアノード２の間に配置している。図６に示すパワープラントでは、循環ブロワ７をアノード排ガス排出通路１１の循環通路１２の分岐点とアノード２の間に配置している。

第３−第５の実施例において、燃料電池パワープラントの運転停止ルーチンには、図２のルーチンと図４のルーチンのいずれをも適用可能である。

すなわち、燃料電池スタック１の通常運転において、アノード２から排出されるアノード排ガスを循環利用する場合には、コントローラ３０は循環弁２３Ａを開き、空気供給弁２３Ｂを閉じて循環ブロワ７を駆動する。燃料電池スタック１の運転停止後にアノード２に酸化剤ガスを供給する場合、すなわち図２または図３のステップＳ７の処理においては、循環弁２３Ａを閉じ、空気供給弁２３Ｂを開いて循環ブロワ７を駆動する。

第３−第５の実施例による燃料電池パワープラントにおいては、燃料タンク４、燃料ガス流量制御弁５、循環ブロワ７、燃料ガス供給通路１０、循環通路１２及び循環弁２３Ａが請求項された燃料ガス供給装置を構成する。酸化剤ガス供給ブロワ６と酸化剤ガス供給通路１３が請求項された酸化剤ガス供給装置を構成する。空気導入通路１６と空気供給弁２３Ｂが請求項された燃料ガスパージ装置を構成する。

以上のように、この発明によれば、運転停止後の燃料電池スタック１の内部で燃料ガスと酸化剤ガスが混合するのを防止して、運転停止後の燃料電池スタック１内におけるカソード触媒層の劣化の機会を減らすことができる。

さらに、第１及び第２の実施例による燃料電池パワープラントにおいては、運転停止後のアノード２への酸化剤ガスの供給を、酸化剤ガス供給ブロワ６と循環ブロワ７の双方を用いて行うので、短時間でより多くの酸化剤ガスを供給して速やかにアノード２内を酸化剤雰囲気にすることができる。そのため、燃料電池スタックのカソード触媒層の劣化防止をより短時間で果たすことができる。

一方、第３−第５の実施例よる燃料電池パワープラントにおいては、運転停止後のカソード３への酸化剤ガスの供給は酸化剤ガス供給ブロワ６により行い、アノード２への酸化剤ガスの供給は循環ブロワ７により行うので、カソード３とアノード２への酸化剤ガスの供給流量を独立して調節可能である。そのため、劣化抑制のプロセスを最適化することができる。さらに、燃料供給経路内の燃料ガスの全量を酸化剤ガスに置換可能なので、パワープラントの運転停止状態で燃料電池スタック１内で燃料ガスと酸化剤が混合する可能性がより低くなり、燃料電池スタックのカソード触媒層の劣化防止をより確実に果たすことができる。

次に図７−１０を参照して、発明者らが燃料電池のアノードの残留水素ガスとカソード触媒層の劣化との関係について、実験あるいはシミュレーションを通じて行なったリサーチの結果を説明する。

図７はアノードに水素と空気の混合ガスが存在し、カソードが空気雰囲気である状態で、燃料電池パワープラントが運転を停止した場合の、各ユニットセルの出力電圧とカソード触媒層の劣化度合いを示す。カーブＡがアノードの劣化度合いを、カーブＢが出力電圧を表す。水素以外の燃料ガスや空気以外の酸化剤ガスに関しても、基本的な傾向は同じである。アノードに前述の局部電池が形成されると、カソードの一部において触媒層を構成するカーボンが腐食して二酸化炭素（ＣＯ₂）が発生する。発明者らはこの関係に着目して、図のカーブＡに示すカソードの劣化度合いをカソードにおける二酸化炭素の発生量で表した。

カーブＡによれば、アノードの残留水素ガスの水素濃度が２０−６０パーセントにおいて、カソード触媒層は高い劣化度合いを示す。カソード触媒層の劣化を防止するにはアノードの残留水素ガスの水素濃度は１０パーセント以下にすることが望ましい。

カーブＢによれば、アノードの残留水素ガスの水素濃度は、そのアノードの存在するユニットセルの出力電圧と密接に関係する。この図では、アノードの残留水素ガスの水素濃度が１０パーセントとなるのは、ユニットセルの出力電圧が０．３ボルトの場合であり、ユニットセルの出力電圧が０．３ボルト以下となるようにすることで、水素濃度を１０パーセント以下にすることができる。

理想的にはセル電圧をゼロボルトにすればカソード触媒層の劣化を最大限に抑制できるが、ユニットセルの出力電圧がゼロボルトに低下するのには時間がかかる。一方、電荷の消費時間が長いほどユニットセル間の出力電圧のばらつきが大きくなり、燃料ガスが欠乏するユニットセルでは、燃料ガスの欠乏に起因する劣化が生じる可能性がある。このような理由から、ユニットセルの出力電圧低下の目標値を、０．１ボルト以上の値に設定するとすることが現実的である。

図８は、燃料電池パワープラントの運転停止後の、ユニットセルの出力電圧の経時変化を示す。特性−１は本発明が目標とする理想的な電圧変化を、特性−２と特性−３は本発明を適用しない場合に起こり得る電圧変化を示す。燃料電池パワープラントの運転停止時に各セルの残留燃料ガス量にばらつきが存在すると、特性−２と特性−３に示すようにその後の出力電圧に大きな差異が発生する。特性−３は燃料ガスが欠乏しているにも関わらず、ユニットセルが電流を流そうとする結果、出力電圧が負の値となるケースである。出力電圧が負の値となることは、アノード触媒層の劣化が予測されるので、劣化防止の観点からは、ユニットセルの出力電圧ができるかぎり負の値とならないようにすることが望ましい。

図９はアノードの残留燃料ガスを置換すべく、アノードに供給する乾燥酸化剤ガスの流量と、ユニットセルの電気抵抗の経時変化を示す。ユニットセルの電気抵抗は電解質膜や触媒層の乾燥状態を定性的に示す指標として用いられる。すなわち、電気抵抗が高いほどＭＥＡの乾燥度が高く、電気抵抗が小さいほどＭＥＡは湿潤である。この図に示すように、短時間でアノードを乾燥させるには、アノードに大流量の乾燥酸化剤ガスを供給することが望ましい。その場合には、３０秒程度で電気抵抗を運転停止時点の約１０倍にすることができる。

図１０はこの発明による、燃料電池パワープラントの運転停止時の局部電池形成防止処理の効果を従来技術と比較した図である。従来技術＃１は、燃料電池パワープラントの運転停止時に局部電池形成阻止のためのいかなる処理も行なわない場合のカソード触媒層の劣化度合いを示す。例＃１は燃料電池パワープラントの運転停止時にカソードの乾燥操作のみを行なった場合のカソード触媒層の劣化度合いを示す。例＃２は燃料電池パワープラントの運転停止時にカソードの乾燥操作と二次電池による電力消費とを行なった場合のカソード触媒層の劣化度合いを示す。例＃２はカソード触媒層の劣化防止に好ましい効果をもたらすが、アノードの残留燃料ガス量が均一でないと、アノードの劣化を生じる恐れがある。

例＃３はさらに、例＃２と同様の処理の後に、乾燥酸化剤ガスでアノードの残留ガスを置換した場合のカソード触媒層の劣化度合いを示す。このように、乾燥酸化剤ガスでアノードの残留ガスを置換すると、ユニットセルの出力電圧を均一に低下させることができる。また、運転停止状態の燃料電池スタックを保管する場合の触媒層の劣化もほとんど生じない。

例＃４は例＃３の処理に加えて、さらに、燃料電池スタックの各種のバルブを閉鎖する場合を示す。すなわち、図１に示す燃料電池パワープラントに関して、図２のステップＳ９で燃料ガス流量制御弁５、アノード排ガスパージ弁２０、カソード排ガスパージ弁２４を閉じる場合に相当する。あるいは、図４−６の燃料電池パワープラントにおいて、さらに空気供給弁２３Ｂを閉じる場合に相当する。

このように、乾燥酸化剤ガスでアノード２の残留ガスを置換した後に、燃料電池スタックの各種のバルブを閉鎖することで、燃料電池パワープラントの運転停止後のカソード触媒層を含むＭＥＡの劣化防止を、例＃３よりさらに最適化することができる。

２００５年７月１４日を出願日とする日本国における特願２００５−２０５５０９号の内容をここに引用により合体する。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、請求の範囲に記載された技術の範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

以上説明したように、この発明は、燃料電池パワープラントの運転停止後の、カソード触媒層の腐食防止を含む燃料電池スタックのＭＥＡの劣化の防止に効果がある。したがって、この発明をパワープラントの運転の開始と運転の停止が頻繁に繰り返される車両用の燃料電池パワープラントに適用することで好ましい効果が期待できる。

Claims (18)

1. アノード（２）に供給された燃料ガスとカソード（３）に供給された酸化剤ガスの反応により発電を行なう燃料電池スタック（１）と；
   アノード（２）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（４、５、７、１０、１２、２３Ａ）と；
   カソード（３）に乾燥酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（６、１３）と；
   アノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給する燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）と；
   燃料電池スタック（１）の発電電力を消費可能な電気負荷（３１、３２）と；
   次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラ（３０）：
   外部から入力される運転停止命令に応じて、燃料ガス供給装置（４、５、７、１０、１２、２３Ａ）からアノード（２）への燃料ガスの供給を停止し（Ｓ２）；
   酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）へ乾燥酸化剤ガスを供給し（Ｓ３）；
   酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）へ所定時間に渡って乾燥酸化剤ガスが供給されてカソード（３）が乾燥したか否かを判定し（Ｓ４）；
   カソード（３）が乾燥したと判定された後に、電気負荷（３１、３２）に燃料電池スタック（１）の発電電力を消費させ（Ｓ５、Ｓ５Ａ、Ｓ５Ｂ）；
   アノード（２）の残留燃料ガス量が所定量以下になった場合に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給し（Ｓ６、Ｓ６Ｂ、７）；
   アノード（２）の残留燃料ガスが酸化剤ガスに置換された後に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を停止する（Ｓ８、Ｓ９）；
   と、を備えたことを特徴とする燃料電池パワープラント。
2. アノード（２）において反応した後の燃料ガスをアノード排ガスとして排出するアノード排ガスパージ弁（２０）を備えたアノード排ガス排出通路（１１）と、カソード（３）において反応した後の酸化剤ガスをカソード排ガスとして排出するカソード排ガスパージ弁（２４）を備えたカソード排ガス排出通路（１４）とをさらに備え、
   燃料ガス供給装置（４、５、１０、１２）は、アノード（２）に接続された燃料ガス供給通路（１０）と、アノード排ガス排出通路（１１）のアノード排ガスを燃料ガス供給通路（１０）に循環する循環通路（１２）と、循環通路（１２）の循環を促進する循環ブロワ（７）と、燃料ガス供給通路（１０）の流量を調整する燃料ガス流量制御弁（５）と、を備え、循環通路（１２）は燃料ガス流量制御弁（５）とアノード（２）の間で燃料ガス供給通路（１０）に接続され、アノード（２）とアノード排ガスパージ弁（２０）との間でアノード排ガス排出通路（１１）に接続され；
   酸化剤ガス供給装置（６、１３）は、カソード（３）に接続された酸化剤ガス供給通路（１３）と、酸化剤ガス供給通路（１３）に設けた酸化剤ガス供給ブロワ（６）と、を備え；
   燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）は、酸化剤ガス供給ブロワ（６）とカソード（３）の間の酸化剤ガス供給通路（１３）から分岐して燃料ガス流量制御弁（５）とアノード（２）の間で燃料ガス供給通路（１０）に接続される連通路（１５）と連通路（１５）を遮断可能な連通弁（２３）と、を備え；
   コントローラ（３０）は燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給する場合において、パワープラントの通常運転時には閉鎖されている連通弁（２３）を開くとともに、アノード排ガスパージ弁（２０）を開いた状態で、酸化剤ガス供給ブロワ（６）と循環ブロワ（７）とを駆動する（Ｓ７）、ようにさらにプログラムされた；
   請求項１に記載の燃料電池パワープラント。
3. アノード（２）において反応した後の燃料ガスをアノード排ガスとして排出するアノード排ガスパージ弁（２０）を備えたアノード排ガス排出通路（１１）と、カソード（３）において反応した後の酸化剤ガスをカソード排ガスとして排出するカソード排ガスパージ弁（２４）を備えたカソード排ガス排出通路（１４）とをさらに備え、
   燃料ガス供給装置（４、５、１０、１２）は、アノード（２）に接続された燃料ガス供給通路（１０）と、アノード排ガス排出通路（１１）のアノード排ガスを燃料ガス供給通路（１０）に循環する循環通路（１２）と、循環通路（１２）の循環を促進する循環ブロワ（７）と、循環通路（１２）に設けた循環弁（２３）と、燃料ガス供給通路（１０）の流量を調整する燃料ガス流量制御弁（５）と、を備え、循環通路（１２）は燃料ガス流量制御弁（５）とアノード（２）の間で燃料ガス供給通路（１０）に接続され、アノード（２）とアノード排ガスパージ弁（２０）との間でアノード排ガス排出通路（１１）に接続され；
   酸化剤ガス供給装置（６、１３）は、カソード（３）に接続された酸化剤ガス供給通路（１３）と、酸化剤ガス供給通路（１３）に設けた酸化剤ガス供給ブロワ（６）と、を備え；
   燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）は、循環通路（１２）に酸化剤ガスを導入する空気導入通路（１６）と、空気導入通路（１６）を開閉する空気供給弁（２３Ｂ）と、を備え；
   コントローラ（３０）は燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給する場合において、パワープラントの通常運転時には解放されている循環弁（２３Ａ）を閉じ、パワープラントの通常運転時には閉鎖されている空気供給弁（２３Ｂ）を開き、アノード排ガスパージ弁（２０）を開いた状態で、循環ブロワ（７）を駆動する（Ｓ７）、ようにプログラムされた：
   請求項１に記載の燃料電池パワープラント。
4. コントローラ（３０）はアノード（２）の残留燃料ガス量が通常運転時の１０パーセント以下となった場合に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を開始するようにさらにプログラムされた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
5. コントローラ（３０）は燃料電池スタック（１）の出力電圧に基づき燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を開始するように、さらにプログラムされた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
6. コントローラ（３０）は燃料電池スタック（１）を構成する各ユニットセルの平均出力電圧が０．１ボルトから０．３ボルトの範囲の値以下に低下した場合に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を開始するように、さらにプログラムされた、請求項５に記載の燃料電池パワープラント。
7. コントローラ（３０）は燃料電池スタック（１）を構成する各ユニットセルの平均出力電圧が０．１ボルトから０．３ボルトの範囲の値以下に低下する条件と、燃料電池スタック（１）の出力電圧を連続するユニットセルからなる複数の区間に分けた区間電圧の最低値がゼロボルトになる条件と、のいずれかが成立する場合に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を開始するように、さらにプログラムされた、請求項５に記載の燃料電池パワープラント。
8. コントローラ（３０）は電気負荷（３１、３２）に燃料電池スタック（１）の発電電力を消費させるのに先立ち、酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）への乾燥酸化剤ガスの供給を、最大流量のもとで所定時間に渡って行なうように（Ｓ３、Ｓ４）、さらにプログラムされた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
9. 電気負荷（３１、３２）は二次電池（３１）、酸化剤ガス供給ブロワ（６）を駆動する電動モータ、燃料ガス循環ブロワ（７）を駆動する電動モータ、電気配線抵抗（３２）のいずれかを含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
10. 電気負荷（３１、３２）は第１の電気負荷（３１）と、第１の電気負荷（３１）より電力消費速度が遅い第２の電気負荷（３２）と、を備え、コントローラ（３０）は、電気負荷（３１、３２）に燃料電池スタック（１）の発電電力を消費させる際に、最初に第１の電気負荷（３１）を燃料電池スタック（１）に接続した後（Ｓ５Ａ）、第１の電気負荷（３１）と燃料電池スタック（１）との接続を遮断するとともに、第２の電気負荷（３２）を燃料電池スタック（１）に接続するように（Ｓ５Ｂ）、さらにプログラムされた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
11. 第２の電気負荷（３２）は電気配線抵抗で構成される、請求項１０に記載の燃料電池パワープラント。
12. コントローラ（３０）は燃料電池スタック（１）の出力電圧と、燃料電池スタック（１）の出力電圧を連続するユニットセルからなる複数の区間に分けた各区間電圧のすべてと、のいずれかが略ゼロボルトまで低下した場合に、アノード（２）の残留燃料ガスが酸化剤ガスに置換されたと判定するように（Ｓ８）、さらにプログラムされた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池パワープラント。
13. コントローラ（３０）は、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を停止した後に、酸化剤ガス供給ブロワ（６）の運転と循環ブロワ（７）の運転とを停止し、燃料ガス流量制御弁（５）と、アノード排ガスパージ弁（２０）と、カソード排ガスパージ弁（２４）とを閉じるように（Ｓ９）、さらにプログラムされた、請求項２に記載の燃料電池パワープラント。
14. コントローラ（３０）は、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を停止した後に、酸化剤ガス供給ブロワ（６）の運転と循環ブロワ（７）の運転とを停止し、燃料ガス流量制御弁（５）と、アノード排ガスパージ弁（２０）と、空気供給弁（２３Ｂ）とを閉じるように（Ｓ９）、さらにプログラムされた、請求項３に記載の燃料電池パワープラント。
15. 循環ブロワ（７）は燃料ガス供給通路（１０）に設けられる、請求項３または１４に記載の燃料電池パワープラント。
16. 循環ブロワ（７）はアノード排ガス排出通路（１１）に設けられる、請求項３または１４に記載の燃料電池パワープラント。
17. コントローラ（３０）は酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）への乾燥酸化剤ガスの供給を３０秒以内に制限するように（Ｓ３）、さらにプログラムされた、請求項１から３に記載の燃料電池パワープラント。
18. アノード（２）に供給された燃料ガスとカソード（３）に供給された酸化剤ガスの反応により発電を行なう燃料電池スタック（１）と、アノード（２）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（４、５、７、１０、１２、２３Ａ）と、カソード（３）に乾燥酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（６、１３）と、アノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給する燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）と、燃料電池スタック（１）の発電電力を消費可能な電気負荷（３１、３２）とを備えた燃料電池パワープラント、の制御方法において次の処理を含む：
    外部から入力される運転停止命令に応じて、燃料ガス供給装置（４、５、７、１０、１２、２３Ａ）からアノード（２）への燃料ガスの供給を停止し（Ｓ２）；
    酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）へ乾燥酸化剤ガスを供給し（Ｓ３）；
    酸化剤ガス供給装置（６、１３）からカソード（３）へ所定時間に渡って乾燥酸化剤ガスが供給されてカソード（３）が乾燥したか否かを判定し（Ｓ４）；
    カソード（３）が乾燥したと判定された後に、電気負荷（３１、３２）に燃料電池スタック（１）の発電電力を消費させ（Ｓ５、Ｓ５Ａ、Ｓ５Ｂ）；
    アノード（２）の残留燃料ガス量が所定量以下になった場合に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）に乾燥酸化剤ガスを供給し（Ｓ６、Ｓ６Ｂ、７）；
    アノード（２）の残留燃料ガスが酸化剤ガスに置換された後に、燃料ガスパージ装置（１５、１６、２３、２３Ｂ）からアノード（２）への乾燥酸化剤ガスの供給を停止する（Ｓ８、Ｓ９）；
    ことを特徴とする燃料電池パワープラントの制御方法。

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