JPH08138709A

JPH08138709A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH08138709A
Application number: JP6279444A
Authority: JP
Inventors: Toru Yajima; 亨矢嶋; Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、燃料電池スタックの発電効率を低下
させることなく、またパージガスを必要以上に無駄に浪
費することなく、燃料電池スタックの損傷や劣化を確実
に防いで燃料電池スタックの特性低下を防止することを
目的とする。【構成】本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質層
を挟んで形成される単位電池を複数個積層してなる燃料
電池積層体と、燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池積層
体の各単位電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化
剤ガス供給手段とから構成される燃料電池発電装置にお
いて、燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の燃
料極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段
と、この測定された電位が予め設定された設定値よりも
大きくなった場合に、燃料電池積層体に供給する燃料ガ
スの量を増加させるように燃料ガス供給手段を制御する
制御手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に係
り、特に燃料電池積層体の特性意地機構を有する燃料電
池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の有する化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池
が知られている。この燃料電池は、一般的に、多孔質材
料を使用した一対の電極、すなわち燃料極と酸化剤極と
の間に、電解質を保持する電解質層を挟み、燃料極の背
面に反応ガスとして燃料ガスを接触させると共に、酸化
剤極の背面に反応ガスとして酸化剤ガスを接触させるこ
とにより、この時に生じる電気化学的反応を利用して、
上記各電極間から電気エネルギーを取り出すように構成
した装置である。

【０００３】ここで、電解質としては、酸性溶液、溶融
炭酸塩、アルカリ溶液等があるが、最近では、リン酸を
用いたリン酸型の燃料電池が、最も実用化に近いと考え
られてきている。

【０００４】図３は、この種の燃料電池のうち、電解質
としてリン酸を使用した一般的なリン酸型燃料電池の構
成例を示す分解斜視図である。図３に示すように、燃料
電池本体には、発電のための単位電池１が、ガス分離板
３を介して複数個積層されてなる燃料電池積層体（以
下、燃料電池スタックと称する）２が設けられている。

【０００５】単位電池１は、多孔質材料を使用した一対
の燃料極（以下、アノード電極と称する）１ａと、酸化
剤極（以下、カソード電極と称する）１ｂが、リン酸を
含有した電解質層１ｃを挟んで形成されている。

【０００６】また、このアノード電極１ａ，およびカソ
ード電極１ｂには、それぞれ電解質層１ｃと対向する面
に、白金等による触媒が塗布されている。さらに、アノ
ード電極１ａの背面には、水素等の燃料ガスが流通する
燃料流通溝が、またカソード電極１ｂの背面には、酸素
等の酸化剤ガスが流通する酸化剤流通溝が、それぞれ形
成されている。

【０００７】一方、この単位電池１とガス分離板３とを
交互に複数個積層し、一定数積層する毎に冷却板４を挿
入する。また、ガス分離板３は、アノード電極１ａとカ
ソード電極１ｂのそれぞれに供給されるガスを区分する
と共に、単位電池１間の電気的接続を確保するように構
成されている。さらに、冷却板４は、内部に水等の冷媒
を流すことにより、単位電池１で起こる電気化学的反応
に伴なって生じる熱を除去し、燃料電池スタック２の温
度を一定に保つように構成されている。

【０００８】また、このような燃料電池スタック２に
は、燃料電池スタック２で発生した電流を取り出すため
に、その上下の端部に集電板６が配置されている。さら
に、燃料電池スタック２の側面には、燃料電池スタック
２に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出するガ
スマニホールド５が配置されている。

【０００９】なお、一般に、アノード電極１ａおよびカ
ソード電極１ｂ、ガス分離板３、冷却板４は、いずれも
炭素を材料として作られている。この炭素を用いる理由
は、耐リン酸性（耐蝕性）、耐熱性、電気伝導性、熱伝
導性に優れ、かつ低コストで製作できるためである。

【００１０】さて、以上のような構成を有するリン酸型
の燃料電池では、各単位電池１において、アノード電極
１ａに供給された水素が、アノード電極１ａに塗布され
た触媒の作用によって、次のような反応が起こる。

【００１１】Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- この水素の解離反応により発生した水素イオン（Ｈ⁺ ）
は、電解質層１ｃに蓄えられたリン酸中を移動し、カソ
ード電極１ｂに達する。一方、電子（ｅ^- ）は、アノー
ド電極１ａから外部回路を流れ、電力負荷を通って仕事
をし、カソード電極１ｂに達する。そして、アノード電
極１ａから移動してきた水素イオン（Ｈ⁺ ）と、カソー
ド電極１ｂに供給された酸素（Ｏ₂ ）と、外部回路で仕
事をしてきた電子（ｅ^- ）とにより、カソード電極１ｂ
に塗布された触媒の作用によって、次のような反応が起
こる。

【００１２】４Ｈ⁺ ＋Ｏ₂ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ Ｏ従って、単位電池１では、水素が酸化されて水になると
共に、この時の化学エネルギーが外部の電力負荷に与え
る電気エネルギーとなる。このようにして、単位電池１
の電池としての全反応が完結する。

【００１３】なお、上記の単位電池１における反応は発
熱反応であるが、これは燃料電池スタック２の内部に挿
入されている冷却板４によって冷却される。また、実際
のリン酸型燃料電池では、通常、燃料ガスとしては、主
として、メタン（ＣＨ₄ ）からなる天然ガスに水蒸気
（Ｈ₂ Ｏ）を加えて加熱し、次のような反応によって発
生させた水素を用いる。

【００１４】ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ→３Ｈ₂ ＋ＣＯＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ この反応では、水素と共に二酸化炭素（ＣＯ₂ ）も同時
に発生する。

【００１５】従って、燃料電池に供給されるガスは、水
素と二酸化炭素の混合ガスである。また、未反応のメタ
ンや一酸化炭素（ＣＯ）も僅かながら含まれているが、
これらの量は無視できるほどである。なお、以下の説明
では、この混合ガスのことを燃料ガスと称する。二酸化
炭素は、電気化学的に不活性であるので、燃料電池に供
給されても上記の反応を阻害することはない。

【００１６】また、酸化剤ガスとしては、一般に空気が
用いられる。この空気は、主に窒素と酸素からなるが、
窒素も不活性ガスであるので、燃料電池に供給されても
問題はない。

【００１７】ところで、燃料電池が発電を行なうために
は、アノード電極１ａ，およびカソード電極１ｂに、そ
れぞれの反応ガスが十分に供給されている必要がある。
しかしながら、要求される電気エネルギー（発電量）に
対して、燃料ガスの供給が不足した場合には、燃料ガス
が燃料電池スタック２全体に行き渡らず、反応は燃料ガ
スの供給される付近（燃料ガス入口付近）に集中して、
この部分の発熱量が、正常な状態に比べて増加すること
になる。一方、燃料ガスが排出される付近（燃料ガス出
口付近）では、燃料ガスの供給が不十分となって反応は
余り起こらず、正常な状態に比べて発熱量が低下するこ
とになる。

【００１８】そして、このような燃料ガス入口付近での
温度上昇によってアノード電極１ａが高温になると、電
池に蓄えられているリン酸電解質の蒸発や、触媒等の劣
化が急速に進行して、電池の寿命を短縮する原因とな
る。

【００１９】また、このような現象は、カソード電極１
ｂで酸化剤ガスの供給が不足した場合にも同様に起こ
る。しかしながら、一般に、燃料ガスの供給量は、必要
量に対する余裕が少ない。このため、燃料ガスの供給不
足は、酸化剤ガスの供給不足の場合に比べて、起こる可
能性が大きい。

【００２０】しかも、燃料ガスの供給不足が著しい場
合、燃料ガス出口付近では、カソード電極１ｂに水素イ
オンが供給されないため、水の生成反応が起こらない。
そして、水の生成反応の代わりに、次のような電極１
ａ，１ｂ、ガス分離板３、及び冷却板４の材料である炭
素を腐食する反応が起こる。

【００２１】Ｃ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- この反応が進行すると、燃料電池の主な構成材料に欠損
が生じて、燃料電池の運転が不可能になる。

【００２２】ここで、燃料ガスの供給量が不足した場
合、電気エネルギー量（発電量）が低下する。すなわ
ち、燃料電池スタック２で発生する電圧が低下すること
になる。従って、従来の燃料電池では、上記のような異
常の発生を防止するために、例えば“特開平４−６１７
５５号公報”に開示されているように、燃料電池スタッ
ク２の電圧を検知し、その電圧がある一定値以下になっ
た時に、燃料電池に異常が発生したと判断する異常検知
方法が採られている。

【００２３】しかしながら、このような燃料電池スタッ
ク２の電圧による異常検知方法のみでは、燃料ガスの不
足によって電圧が低下したのか、あるいは他の原因、例
えば酸化剤ガスの不足等によって電圧が低下したのか、
特定することができない。また、“特開平４−６１７５
５号公報”に開示された発明では、異常と判断した時に
燃料電池の運転を一旦停止するとしているが、燃料電池
の運転を停止すると、発電信頼性が著しく低下すること
になる。

【００２４】一方、図４は、図３のリン酸型燃料電池の
燃料電池スタック２における燃料利用率（燃料電池スタ
ック２に供給される燃料ガス中の水素のうち、発電に利
用される率。この値が大きい程、燃料ガスの供給量に余
裕が無いことを表わす）と、燃料電池スタック２の電圧
との関係の一例を示す特性図である。

【００２５】この図４に示すように、電圧が大きく低下
するのは、燃料利用率が１００％に近くなった時、すな
わち燃料ガス量が発電可能限界近くまで減少した場合で
あり、電圧が低下して異常と判断された時には、既に燃
料電池スタック２に大きな悪影響が及んでいる可能性が
ある。

【００２６】さらに、燃料電池スタック２およびガスマ
ニホールド５の内部では、燃料ガス中の水素は必ずしも
均一には分布していない。前述のように、燃料ガスは水
素と二酸化炭素の混合ガスであり、水素の方が密度が小
さいため、水素は燃料電池スタック２の上方に集中する
傾向がある。従って、燃料電池スタック２全体の電圧
が、異常と判断される程低下していなくても、燃料電池
スタック２の下部に位置する単位電池１では水素の供給
不足が生じている可能性がある。

【００２７】そこで、このような燃料電池スタック２の
下部の単位電池の異常を検知する方法として、例えば
“特開平３−８４９５１号公報”で提案されているよう
に、燃料電池スタック２の下部から排出されるガス中の
二酸化炭素や一酸化炭素の濃度を測定し、炭素の腐食反
応が起こっていることを検知する方法がある。

【００２８】しかしながら、上記のように、燃料ガスに
は二酸化炭素や微量の一酸化炭素が含まれており、しか
も単位電池１で生じる反応によって水素が消費されるた
め、正常な状態でも燃料電池スタック２から排出される
ガス中の二酸化炭素と一酸化炭素の濃度は高い。従っ
て、異常と判断される程、二酸化炭素や一酸化炭素の濃
度が高まっている時には、既に相当量の炭素が腐食され
ていると考えられ、炭素の腐食を未然に防いだり、軽微
にとどめたりすることはできない。

【００２９】一方、燃料電池スタック２の下部の単位電
池１の異常を検知する別の方法として、燃料電池スタッ
ク２の下部の１個または複数個の単位電池１の電圧を測
定し、それが一定の値以下の時に異常と判断する方法が
考えられる。

【００３０】しかしながら、この方法でも、燃料電池ス
タック２全体の電圧によって異常を検知する方法と同様
に、燃料ガス量が発電限界近くまで減少しなければ、異
常と判断できる程電圧は低下しないという問題が残る。

【００３１】以上は、通常の発電運転に関して解決すべ
き課題であるが、さらに燃料電池発電装置の起動、停
止、あるいは保管状態においても、次のような解決すべ
き課題がある。

【００３２】すなわち、単位電池１のカソード電極１ｂ
の、水素標準電極を基準とした電位の値Ｅ_c は、カソー
ド電極１ｂに供給される酸化剤ガス中の酸素分圧をＰ
_o 、温度をＴ、気体定数をＲ、ファラデー定数をＦとす
ると、次のような式で表わされる。

【００３３】Ｅ_c ＝Ｅ₀ ＋（ＲＴ／４Ｆ）１ｎ（Ｐ_o ）−η_c ここで、Ｅ₀ は一定の値で、通常は０．９Ｖ以上であ
る。また、η_c はカソード分極と呼ばれ、単位電池１か
ら取り出す電流が大きい程大きくなる。

【００３４】また、単位電池１のアノード電極１ａの、
水素標準電極を基準とした電位の値Ｅ_A は、アノード電
極１ａに供給される燃料ガス中の水素分圧をＰ_H 、温度
をＴ、気体定数をＲ、ファラデー定数をＦとすると、次
のような式で表わされる。

【００３５】Ｅ_A ＝−（ＲＴ／２Ｆ）１ｎ（Ｐ_H ）＋η_A ここで、η_A はアノード分極と呼ばれ、単位電池１から
取り出す電流が大きい程大きくなる。

【００３６】通常の運転状態では、Ｅ_A は０．１Ｖ以下
であり、Ｅ_c は０．７〜０．８Ｖ程度である。また、Ｅ
_c −Ｅ_A が単位電池１の１個の電圧に等しい。さらに、
単位電池１から取り出す電流が小さくなると、アノード
電極１ａの電位が下がり、カソード電極１ｂの電位は上
がって、単位電池１の電圧は上昇する。また、アノード
電極１ａに供給される燃料ガス中の水素濃度（水素分圧
を燃料ガスの全圧で割った値に等しい）が高いと、アノ
ード電極１ａの電位は下がり、カソード電極１ｂに供給
される酸化剤ガス中の酸素濃度（酸素分圧を酸化剤ガス
の全圧で割った値に等しい）が高いと、カソード電極１
ｂの電位が上がって、単位電池１の電圧が上昇する。

【００３７】一方、単位電池１のアノード電極１ａ、お
よびカソード電極１ｂに塗布されている触媒は、水素標
準電極を基準とした電位が０．８Ｖ以上になると、急速
に劣化が進むことが知られている。そして、上記のよう
に、通常の運転時には、アノード電極１ａ、およびカソ
ード電極１ｂの電位は、触媒の劣化が急速に進行する値
には達しない。

【００３８】しかしながら、例えば単位電池１から取り
出す電流が小さい時や、電流が遮断された時には、カソ
ード電極１ｂの電位が０．８Ｖを超える。また、前述の
ような燃料ガスの供給不足が起こった時には、燃料ガス
出口付近では、アノード電極１ａ、およびカソード電極
１ｂ共に電位が上昇し、特にカソード電極１ｂの電位
は、１．０Ｖ以上になると言われている。

【００３９】そして、このような状態は、燃料電池発電
装置の起動や停止操作の際に生じ易い。すなわち、燃料
電池発電装置を起動する時は、燃料ガスと酸化剤ガスを
供給した後、燃料電池スタック２から電流を取り出すま
での間、カソード電極１ｂの電位が高くなっている。逆
に、燃料ガスや酸化剤ガスが十分に供給されないうちに
燃料電池スタック２から電流を取り出すと、燃料ガスあ
るいは酸化剤ガスの供給不足の状態となり、やはりカソ
ード電極１ｂの電位が上昇したり、電極の損傷を引き起
こしたりする。

【００４０】また、燃料電池発電装置を停止する時も同
様に、カソード電極１ｂの電位が上昇する現象が生じる
可能性がある。このため、例えば“特開平３−８１９７
０号公報”に開示されているように、発電停止と同時に
燃料電池スタック２に供給する酸化剤ガスを遮断すると
共に、カソード電極１ｂに窒素等の不活性ガスを供給し
て、燃料電池スタック２内に残留する酸化剤ガスを排出
するようにしている（この操作をパージと称し、このパ
ージを行なうために供給する不活性ガス等をパージガス
と称する）。その結果、カソード電極１ｂの酸素濃度が
下がり、カソード電極１ｂの電位は低下する。

【００４１】また同時に、燃料電池スタック２から減少
の電流（この電流をダミーロードと称する）を取り出し
て、燃料電池スタック２内に残留する水素および酸素を
消費することも行なわれる。この場合、水素は可燃性の
ため、燃料電池スタック２内に燃料ガスが残留している
と、安全性の点で問題がある。そのため、燃料電池スタ
ック２における発電が終了した後に、アノード電極１ａ
のパージを行なうようにしている。

【００４２】一般に、燃料電池発電装置では、このよう
な一連の操作の手順は、あらかじめ制御器に設定されて
おり、発電停止からの時間に従って自動的に操作が行な
われる。そして、この設定された手順は、触媒層の劣化
を小さくすると共に、パージに用いる不活性ガスの量が
少なくなるように決められる。これは、パージのために
大量の不活性ガスを貯蔵しておくことは、スペースやコ
ストの点で不利だからである。

【００４３】しかしながら、燃料電池スタック２の発電
特性は、製造の仕様や運転開始からの時間等によって変
化するため、燃料電池スタック２にとって最適の停止操
作手順は、個々の燃料電池スタック２によって異なる。

【００４４】また、パージのために供給される不活性ガ
スは、燃料電池スタック２内では一様には分布しない。
例えば、不活性ガスとして窒素を用いた場合には、カソ
ード電極１ｂにおいては燃料電池スタック２の上方がパ
ージされ易く、燃料電池スタック１の下方程酸素濃度が
高くなっている。そして、この時、燃料電池スタック２
から電流を取り出している場合には、燃料電池スタック
２の下方では酸素が十分に存在するため発電が行わな
れ、そこで生じた電流が燃料電池スタック２上方の単位
電池１にも流れるが、上方では酸素が不足して発電は行
なわれず、単位電池１の電圧が負になる、すなわちアノ
ード電極１ａの電位がカソード電極１ｂの電位よりも高
くなる現象（この現象を転極と称する）が生じる可能性
がある。特に、アノード電極１ａにおいては、燃料電池
スタック２の下方がパージされ易く、従って燃料電池ス
タック２の下方で燃料ガスの不足が生じ、アノード電極
１ａの電位が上昇して転極が生じる可能性がある。

【００４５】このような転極が生じると、単位電池１が
大きな損傷が受けるため、いかなる場合にも転極を生じ
ないように操作しなければならない。従って、実際に
は、あらゆる燃料電池スタック２において、また燃料電
池スタック２内の全ての単位電池１において、少なくと
も反応ガスの不足が生じないように、例えばダミーロー
ドを早目に遮断する等のように手順が決められるため、
燃料電池スタック２によっては、あるいは単位電池１に
よっては、カソード電極１ｂの電位が高い状態に保たれ
る可能性がある。

【００４６】そこで、このような問題を回避するために
は、燃料電池スタック２全体、あるいは一部の単位電池
１の電圧を監視し、その電圧に従って、パージガスの供
給・停止、ダミーロードの投入・遮断等の操作を行なう
ことが考えられる。

【００４７】しかしながら、上記のように、単位電池１
の電圧は、カソード電極１ｂとアノード電極１ａの電位
の差であるから、単位電池１の電圧が低くても、アノー
ド電極１ａの電位が高ければ、カソード電極１ｂの電位
も高い状態になっている。

【００４８】従って、単位電池１の電圧のみを監視した
だけでは、触媒の劣化や燃料電池スタック２の損傷を防
ぐことはできない。また、燃料電池スタック２の電圧
は、個々の単位電池１の電圧の和であるから、燃料電池
スタック２の電圧を監視しても、単位電池１の電圧を監
視する場合と同様の問題が生じる。

【００４９】一方、燃料電池発電装置を停止した後、次
回の起動までの間は、燃料電池スタック２内に不活性ガ
スを封入し、空気の流入による電極の電位の上昇を防ぐ
等の手段が採られる。

【００５０】しかしながら、保管期間が長くなると、僅
かずつではあるが封入した不活性ガスが漏出し、外部の
空気が侵入してくるため、電極の電位が上昇して触媒を
劣化させる。そして、この時は、アノード電極１ａ、カ
ソード電極１ｂ共に、電位が上昇している可能性があ
り、単位電池１あるいは燃料電池スタック２の電圧を監
視しても、空気の侵入を検知することは不可能である。

【００５１】一方、保管中の燃料電池スタック２の電極
の電位を低下させるため、例えば“特願平６−１７３８
４０号”に開示されているように、アノード電極１ａ、
またはカソード電極１ｂの少なくとも一方に、連続的ま
たは間欠的に不活性ガスあるいは水素を含むガスを供給
する方法がある。

【００５２】しかしながら、このような方法では、連続
的にガスを供給するためには、大量のガスを用意しなけ
ればならず、運用およびコストの面で不利である。ま
た、一定期間毎に間欠的にガスを供給する方法では、ガ
スを供給する間隔が長すぎれば触媒層の劣化が進行して
しまい、間隔が短かすぎればガスが必要量以上に無駄に
消費されてしまう。

【００５３】この点、“特願平６−１７３８４０号”の
発明では、燃料電池スタック２の交流抵抗を監視し、そ
の交流抵抗が所定値以下になった時にガスを供給する方
法を示している。しかしながら、交流抵抗が低下した時
には、既に触媒の劣化が始まっているため、このような
方法では、触媒の劣化を未然に防ぐことはできない。

【００５４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料電池発電装置においては、燃料電池スタックに供給
される燃料ガスの供給量が不足した時に、燃料電池スタ
ックの損傷や劣化を防止するために燃料電池スタックの
発電効率を低下させたり、あるいは装置の起動、停止、
または保管時に、電極の電位が上昇した時に、燃料電池
スタックの損傷や劣化を防止するためにパージガスが必
要以上に無駄に浪費されるという問題があった。

【００５５】本発明の第１の目的は、燃料電池スタック
に供給される燃料ガスの供給量が不足となる異常時に、
その異常を速やかにかつ確実に検知し、燃料電池スタッ
クの発電効率を低下させることなく、燃料電池スタック
の損傷や劣化を確実に防いで燃料電池スタックの特性低
下を防止することが可能な燃料電池発電装置を提供する
ことにある。

【００５６】また、本発明の第２の目的は、装置の起
動、停止、または保管時に、電極の電位が上昇して電極
の触媒の劣化が生じる可能性のある時に、その状態を速
やかにかつ確実に検知し、パージガスを必要以上に無駄
に浪費することなく、燃料電池スタックの損傷や劣化を
確実に防いで燃料電池スタックの特性低下を防止するこ
とが可能な燃料電池発電装置を提供することにある。

【００５７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、まず、請求項１に係る発明では、燃料極と酸化剤
極との間に電解質層を挟んで形成される単位電池を複数
個積層してなる燃料電池積層体と、当該燃料電池積層体
の各単位電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供
給手段と、燃料電池積層体の各単位電池の酸化剤極に酸
化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とから構成され
る燃料電池発電装置において、燃料電池積層体の少なく
とも１個の単位電池の燃料極の少なくとも一点の電位を
測定する電位測定手段と、電位測定手段により測定され
た電位があらかじめ設定された設定値よりも大きくなっ
た場合に、燃料電池積層体に供給する燃料ガスの量を増
加させるように燃料ガス供給手段を制御する制御手段と
を備えて成る。

【００５８】ここで、特に上記電位測定手段は、単位電
池における燃料ガスが排出される付近に設けることが望
ましい。また、請求項３に係る発明では、燃料極と酸化
剤極との間に電解質層を挟んで形成される単位電池を複
数個積層してなる燃料電池積層体と、当該燃料電池積層
体の各単位電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス
供給手段と、燃料電池積層体の各単位電池の酸化剤極に
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池
積層体の各単位電池の燃料極にパージガスを供給するパ
ージガス供給手段とから構成される燃料電池発電装置に
おいて、燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の
燃料極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段
と、電位測定手段により測定された電位があらかじめ設
定された上限値よりも大きくなった場合に、燃料電池積
層体の各単位電池の燃料極にパージガスを供給するよう
にパージガス供給手段を制御する制御手段とを備えて成
る。

【００５９】ここで、特に上記制御手段は、電位測定手
段により測定された電位があらかじめ設定された下限値
よりも小さくなった場合に、燃料電池積層体の各単位電
池の燃料極に供給するパージガスを停止するようにパー
ジガス供給手段を制御することが望ましい。

【００６０】さらに、請求項５に係る発明では、燃料極
と酸化剤極との間に電解質層を挟んで形成される単位電
池を複数個積層してなる燃料電池積層体と、当該燃料電
池積層体の各単位電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃
料ガス供給手段と、燃料電池積層体の各単位電池の酸化
剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃
料電池積層体の各単位電池の酸化剤極にパージガスを供
給するパージガス供給手段とから構成される燃料電池発
電装置において、燃料電池積層体の少なくとも１個の単
位電池の酸化剤極の少なくとも一点の電位を測定する電
位測定手段と、電位測定手段により測定された電位があ
らかじめ設定された上限値よりも大きくなった場合に、
燃料電池積層体の各単位電池の酸化剤極にパージガスを
供給するようにパージガス供給手段を制御する制御手段
とを備えて成る。

【００６１】ここで、特に上記制御手段は、電位測定手
段により測定された電位があらかじめ設定された下限値
よりも小さくなった場合に、燃料電池積層体の各単位電
池の酸化剤極に供給するパージガスを停止するようにパ
ージガス供給手段を制御することが望ましい。

【００６２】さらにまた、請求項７に係る発明では、燃
料極と酸化剤極との間に電解質層を挟んで形成される単
位電池を複数個積層してなる燃料電池積層体と、当該燃
料電池積層体の各単位電池の燃料極に燃料ガスを供給す
る燃料ガス供給手段と、燃料電池積層体の各単位電池の
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段
と、燃料電池積層体に流す電流を投入または遮断する開
閉器とから構成される燃料電池発電装置において、燃料
電池積層体の少なくとも１個の単位電池の酸化剤極の少
なくとも一点の電位を測定する電位測定手段と、電位測
定手段により測定された電位があらかじめ設定された上
限値よりも大きくなった場合に、燃料電池積層体に電流
を流すように開閉器を制御する制御手段とを備えて成
る。

【００６３】ここで、特に上記制御手段は、電位測定手
段により測定された電位があらかじめ設定された下限値
よりも小さくなった場合に、燃料電池積層体に流す電流
を遮断するように開閉器を制御することが望ましい。さ
らに、上記いずれの場合においても、特に電位測定手段
は、燃料電池積層体の下部に位置する単位電池に設ける
ことが望ましい。

【００６４】

【作用】従って、まず、請求項１に係る発明の燃料電池
発電装置においては、電位測定手段で測定した燃料極の
電位を、制御手段であらかじめ設定された設定値と比較
することにより、燃料ガスが不足しているか否かを判断
することができる。そして、制御手段では、燃料ガスが
不足していると判断した時に、燃料ガスの流量を制御し
て流量を増加させることにより、燃料電池積層体の発電
効率を低下させることなく、燃料電池積層体の損傷や劣
化を防止し、燃料電池積層体の性能を長期間に亘って維
持することができる。

【００６５】特にこの場合、電位測定手段を、単位電池
における、燃料ガス中の水素濃度が低くなる燃料ガス出
口付近に設けることにより、燃料ガスの供給不足をより
早期にかつ確実に検知することができる。また、電位測
定手段は、燃料ガスの流れ難くなる燃料電池積層体の下
部に位置する単位電池に設けることにより、燃料ガスの
供給不足をより早期に検知することができる。

【００６６】また、請求項３または請求項５に係る発明
の燃料電池発電装置においては、電位測定手段で測定し
た燃料極または酸化剤極の電位を、制御手段であらかじ
め設定された上限値と比較することにより、発電のため
の酸化剤極に供給した酸化剤ガスの残留や、外部の空気
の侵入等によって、燃料極または酸化剤極の電位が触媒
を劣化させる程度に上昇しているか否かを判断すること
ができる。そして、制御手段では、燃料極の電位が上昇
していると判断した時に、燃料極にパージガスを供給す
ることにより、燃料極の電位を下げることが可能とな
る。または、酸化剤極の電位が上昇していると判断した
時に、酸化剤極にパージガスを供給することにより、酸
化剤極の電位を下げることが可能となる。

【００６７】これにより、装置の発電停止に伴なう燃料
電池積層体の性能低下を防ぎ、燃料電池の性能を維持す
ることができる。特にこの場合、電位測定手段を、侵入
した空気が滞留し易く、またパージガスが流れ難く、従
って電位の低下が起こり難い燃料電池積層体の下部に位
置する単位電池に設けることにより、空気の侵入に伴な
う電位の上昇をより早期に検知することができる。

【００６８】また、電位測定手段で測定した燃料極また
は酸化剤極の電位を、制御手段であらかじめ設定された
上限値と比較することにより、燃料極または酸化剤極の
電位が触媒を劣化させる電位よりも十分に低下したと判
断した時に、燃料極または酸化剤極に供給しているパー
ジガスを停止することにより、パージガスの無駄な浪費
を防ぎ、経済的に有利な燃料電池発電装置を得ることが
できる。

【００６９】さらに、請求項７に係る発明の燃料電池発
電装置においては、酸化剤極の電位が上昇していると判
断した時に、燃料電池積層体に電流を流し、酸化剤極の
電位が触媒の劣化を生じない程度に下降した時に、燃料
電池積層体に流れる電流を遮断することにより、燃料電
池積層体の性能を維持することができる。

【００７０】特にこの場合、電位測定手段を、酸素濃度
が高くなり易く、従って電位が上昇し易い燃料電池積層
体の下部に位置する単位電池に設けることにより、電位
の上昇をより早期に検知することができる。

【００７１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。図１は、本発明による燃料電池発
電装置の全体構成例を示すブロック図であり、図３と同
一または対応する要素には同一符号を付してその説明を
省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００７２】なお、燃料電池スタック２は、図３に示す
ように、単位電池１、ガス分離板３、および冷却板４を
複数個積層して形成されるが、ここでは簡略化して１個
の単位電池１のみを示して燃料電池スタック２全体を代
表させる。また、図１では、燃料ガスと酸化剤ガスが燃
料電池スタック２内で同一方向に流れるように描かれて
いるが、実際には、燃料ガスと酸化剤ガスは、図３に示
すように互いに直交する方向に流れる。さらに、ガスマ
ニホールド５、および集電板６については、図１では省
略している。

【００７３】すなわち、本実施例の燃料電池発電装置
は、図１に示すように、燃料電池スタック２には、燃料
極１ａに燃料ガスの供給管２１と排出管３１が、酸化剤
極１ｂに酸化剤ガスの供給管２２と排出管３２が、それ
ぞれ接続されている。

【００７４】また、各供給管２１，２２には、それぞれ
の反応ガスの流量を調節する流量調節弁９，１０が設け
られている。さらに、各供給管２１，２２には、遮断弁
１１，１２を設けたパージガス供給管２３，２４が接続
されている。

【００７５】ここで、パージガスとしては、窒素を用い
るのが一般的であり、パージガスの供給源として、窒素
ボンベまたは液体窒素タンク等が、パージガス供給管２
３，２４に接続されている。

【００７６】一方、燃料電池スタック２から取り出され
た直流電流は、電流線２５を介し、第１の開閉器２８を
経てインバーター２６により交流電流に変換され、図示
しない外部の電力負荷に供給される。

【００７７】また、燃料電池スタック２の停止操作時等
にダミーロードとして微少な電流を流すための固定抵抗
器２７が、第２の開閉器２９を介して接続されている。
そして、第１の開閉器２８が閉じられている時は、燃料
電池スタック２はインバーター２６に接続され、第２の
開閉器２９が閉じられている時は、燃料電池スタック２
は固定抵抗器２７に接続され、二つの開閉器２８，２９
が共に開いている時は、燃料電池スタック２はどちらに
も接続されない状態になる。

【００７８】一方、本実施例の燃料電池発電装置では、
燃料電池スタック２の下部に位置する単位電池１の燃料
出口付近に、電位測定手段７ａ，７ｂが設けられてい
る。また、この電位測定手段７ａ，７ｂ、流量調節弁
９，１０、遮断弁１１，１２、インバーター２６、第１
の開閉器２８、および第２の開閉器２９は、それぞれ制
御手段８に接続されている。

【００７９】この制御手段８には、正常な運転が行なわ
れている場合（以下、運転状態と称する）に、電位測定
手段７ａで測定されるべき電位（基準電位）とその許容
範囲が、あらかじめ設定され、入力されている。

【００８０】すなわち、電位測定手段７ａで測定される
電位は、燃料ガスの流量が変化した場合には、図２に示
すように変化することが、あらかじめ実測または計算に
より確認されているので、この図２に基づいて基準電位
と許容範囲が決定され、制御手段８に入力される。

【００８１】また、制御手段８には、燃料電池スタック
２が発電を停止している場合（発電状態から停止状態へ
移行する間、および停止状態から発電状態へ移行する間
を含む。以下で、停止状態と称する場合は全て同様とす
る）、アノード電極１ａ、およびカソード電極１ｂの電
位が保たれるべき範囲の上限値（例えば０．８Ｖ）と下
限値（例えば０．３Ｖ）が、あらかじめ設定され、入力
されている。

【００８２】さらに、制御手段８には、燃料電池スタッ
ク２の電圧、温度、供給される反応ガスの圧力等のう
ち、少なくとも一つを監視して異常を検知する異常検知
手段１３が接続されている。

【００８３】そして、インバーター２６が出力要求信号
を出している時には、制御手段８は運転状態にあり、遮
断弁１１，１２が閉じられると共に、切替弁９，１０を
制御して、燃料電池スタック２に燃料ガスと酸化剤ガス
が供給されるようにし、かつ第１の開閉器２８が閉じる
ように制御してインバーター２６に接続するようにして
いる。

【００８４】また、制御手段８は、インバーター２６か
らの出力要求に応じて流量調節弁９，１０を制御し、燃
料ガスおよび酸化剤ガスの流量を制御する。さらに、制
御手段８は、電位測定手段７ａにより測定された電位が
入力されると、これを上記基準電位および許容範囲と比
較し、その結果に基づいて、流量調節弁９の状態を変化
させる制御信号を出力するようにしている。なお、この
制御信号は、インバーター２６からの出力要求に基づく
流量調節弁９の制御信号よりも優先されるようにしてい
る。

【００８５】一方、インバーター２６からの出力要求が
ゼロの時、あるいは異常検知手段１３が異常を検知した
時には、制御手段８は停止状態になり、第１の開閉器２
８が開かれると共に、流量調節弁９，１０が全閉にな
り、反応ガスの供給を停止するようにしている。

【００８６】また、制御手段８は、電位測定手段７ａ，
７ｂにより測定された電位が入力されると、これを上記
上限値および下限値と比較して、その結果に基づいて、
遮断弁１１，１２、または第２の開閉器２９のうち少な
くとも一つの状態を変化させる制御信号を出力するよう
にしている。

【００８７】一方、電位測定手段７ａ，７ｂは、どのよ
うな構成のものであってもよいが、特に燃料電池スタッ
ク２中への取り付けの容易さ等の点から、“特願平５−
２６５１９４号”に開示されている構成によるのが最も
望ましい。

【００８８】この場合、当該発明の構成によるセンサ
を、アノード電極１ａのガス流通溝に挿入する。このセ
ンサを、アノード電極１ａのガス流通溝に挿入するの
は、センサを挿入することによるガス流通阻害の影響
が、カソード電極１ｂに挿入した場合に比べて小さいか
らである。

【００８９】すなわち、酸素は水素よりも拡散性が悪い
ため、仮にセンサをカソード電極１ｂのガス流通溝に挿
入すると、そのカソード電極１ｂの裏側に塗布された触
媒の一部に酸素が供給されなくなる恐れがあるからであ
る。

【００９０】また、センサを挿入した付近で、アノード
電極１ａとそれに隣接するガス分離板３との間、および
カソード電極１ｂとそれに隣接するガス分離板３との間
に、それぞれ白金等の電解質に浸されない電気伝導性の
薄板を挟むか、あるいはアノード電極１ａ、カソード電
極１ｂのそれぞれに側面から穴を開けて、白金線等を差
し込み、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂの電
位を、燃料電池スタック２の外部で測定するためのリー
ド線とする。

【００９１】そして、このように配置された一つのセン
サと２本のリード線を用いて、センサの中の水素が発生
するワイヤと、アノード電極１ａに設けられたリード線
との間の電圧を測定することによって、アノード電極１
ａの電位が測定可能となり、またセンサの中の水素が発
生するワイヤと、カソード電極１ｂに設けられたリード
線との間の電圧を測定することによって、カソード電極
１ｂの電位が測定可能となる。

【００９２】次に、以上のように構成した本実施例の燃
料電池発電装置の作用について説明する。図１におい
て、まず、燃料電池発電装置が運転状態では、電位測定
手段７ａで測定された電位が、制御手段８に入力されて
いる許容範囲よりも高電位に変化した場合には、燃料ガ
ス流量が増加するように、流量調節弁９の状態を変化さ
せ、電位測定手段７ａで測定される電位の値が、制御手
段８に入力されている許容範囲以下になるまで、この操
作が続けられる。

【００９３】また、燃料電池発電装置が停止状態では、
流量調節弁９，１０は全閉の状態にあり、遮断弁１１が
閉じている時は、燃料電池スタック２のアノード電極１
ａにはいずれのガスも供給されない。同様に、遮断弁１
２が閉じている時は、カソード電極１ｂにはいずれのガ
スも供給されない。

【００９４】一方、この時、電位測定手段７ａ，７ｂで
測定された電位が、制御手段８に入力されている上限値
以上になるか、あるいは制御手段８に入力されている下
限値以下になると、制御手段８から、遮断弁１１，１
２、または第２の開閉器２９のうち少なくとも一つの状
態を変化させるように、制御信号が送られる。

【００９５】ここで、遮断弁１１，１２、および第２の
開閉器２９の現在の状態と、電位測定手段７ａ，７ｂで
測定された電位の値との組み合わせによって、制御手段
８から送られる制御信号は異なる。

【００９６】すなわち、この場合、具体的には、下記の
ような８通りの組み合わせが考えられる。（ａ）遮断弁１１が閉じており、かつ第２の開閉器２９
が開いており、さらに電位測定手段７ａで測定された電
位が、制御手段８に入力された上限値以上の時は、外部
からの空気の漏れ込み等によってアノード電極１ａの電
位が上昇していると判断され、制御手段８は、遮断弁１
１を開く制御信号を送り、アノード電極１ａにパージガ
スが供給される。

【００９７】（ｂ）遮断弁１１が開いており、かつ電位
測定手段７ａで測定された電位が、制御手段８に入力さ
れた下限値以下の時は、パージガスの供給によりアノー
ド電極１ａの電位が十分に低下したと判断され、第２の
開閉器２９の状態にかかわらず、制御手段８は、遮断弁
１１を閉じる制御信号を送り、パージガスの供給が停止
される。

【００９８】（ｃ）遮断弁１１の状態にかかわらず、第
２の開閉器２９が閉じており、かつ電位測定手段７ａで
測定された電位が、制御手段８に入力された上限値以上
の時は、固定抵抗器２７に流れる電流が過大のためアノ
ード電極１ａの電位が上昇していると判断され、制御手
段８は、第２の開閉器２９を開く制御信号を送り、燃料
電池スタック２に流れる電流が遮断される。

【００９９】（ｄ）遮断弁１２が閉じており、かつ電位
測定手段７ｂで測定された電位が、制御手段８に入力さ
れた上限値以上の時は、外部からの空気の漏れ込み等に
よってカソード電極１ｂの電位が上昇していると判断さ
れ、第２の開閉器２９の状態にかかわらず、制御手段８
は、遮断弁１２を開く制御信号を送り、カソード電極１
ｂにパージガスが供給される。

【０１００】（ｅ）遮断弁１２が開いており、かつ第２
の開閉器２９が開いており、さらに電位測定手段７ｂで
測定された電位が、制御手段８に入力された下限値以下
の時は、パージガスの供給によりカソード電極１ｂの電
位が十分に低下したと判断され、制御手段８は、遮断弁
１２を閉じる制御信号を送り、パージガスの供給が停止
される。

【０１０１】（ｆ）遮断弁１２がパージガス側に開いて
おり、かつ第２の開閉器２９が開いており、さらに電位
測定手段７ｂで測定された電位が、制御手段８に入力さ
れた上限値以上の時は、固定抵抗器２７に電流を流して
カソード電極１ｂの電位を低下させる必要があると判断
され、制御手段８は、第２の開閉器２９を閉じる制御信
号を送り、燃料電池スタック２に電流が流される。

【０１０２】（ｇ）遮断弁１２の状態にかかわらず、第
２の開閉器２９が閉じており、かつ電位測定手段７ｂで
測定された電位が、制御手段８に入力された下限値以下
の時は、固定抵抗器２７に流れる電流が過大のためカソ
ード電極１ｂの電位が低下していると判断され、制御手
段８は、第２の開閉器２９を開く制御信号を送り、燃料
電池スタック２に流れる電流が遮断される。

【０１０３】（ｈ）上記（ａ）から（ｇ）の条件を満た
す状態にない時は、アノード電極１ａおよびカソード電
極１ｂの電位が適正な値であるか、あるいは適正な値に
近付きつつあると判断され、制御手段８からは、遮断弁
１１，１２、および第２の開閉器２９の現在が状態を保
つように制御信号が送られる。

【０１０４】このようにして、本実施例の燃料電池発電
装置においては、アノード電極１ａおよびカソード電極
１ｂに、電位測定手段７ａおよび７ｂを設けて両電極１
ａ，１ｂの電位を測定し、運転状態にある時は、制御手
段８により、アノード電極１ａの電位と、制御手段８に
あらかじめ設定された基準電位およびその許容範囲とを
比較することにより、燃料ガスの不足を検知することが
できる。そして、燃料ガスの供給流量を制御することに
より、燃料ガス欠乏や温度上昇を防ぎ、燃料電池スタッ
ク２の劣化や損傷を防止することが可能となる。これに
より、安定して長期間運転可能な燃料電池発電装置とす
ることができる。

【０１０５】また、停止状態にある時は、制御手段８に
よりアノード電極１ａおよびカソード電極１ｂの電位
と、制御手段８にあらかじめ設定された上限値および下
限値とを比較することにより、両電極１ａ，１ｂの電位
の異常上昇あるいは異常低下を検知することができる。
そして、パージガスを供給するか停止するか、あるいは
ダミーロードを投入するか遮断するかの切り替えを行な
うことにより、パージガスを必要以上に消費することな
く、両電極１ａ，１ｂの電位を適正な値に保ち、両電極
１ａ，１ｂの接触の劣化を防止することが可能となる。
これにより、発電停止や保管に伴なう性能劣化を生じな
い、信頼性の高い燃料電池発電装置とすることができ
る。

【０１０６】ここで、単位電池１内においては、一般に
燃料ガスは出口側ほど濃度が小さくなることが知られて
いる。また、燃料電池スタック２内部では、一般に下部
の単位電池１程、燃料ガスは流れ難く、かつ酸化剤ガス
や空気が滞留し易いことが知られている。このため、本
実施例のように、電位測定手段７ａ，７ｂを、燃料電池
スタック２の下部に位置する単位電池１における、燃料
出口付近に設けることにより、燃料不足および電極１
ａ，１ｂの電位の異常を、より確実にかつ短時間のうち
に検知して対応することができる。

【０１０７】上述したしたように、本実施例では、アノ
ード電極１ａとカソード電極１ｂとの間に電解質層１ｃ
を挟んで形成される単位電池１を複数個積層してなる燃
料電池スタック２と、この燃料電池スタック２の各単位
電池１のアノード電極１ａに燃料ガスを供給する燃料ガ
ス供給手段と、燃料電池スタック２の各単位電池１のカ
ソード電極１ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給
手段とから構成される燃料電池発電装置において、アノ
ード電極１ａおよびカソード電極１ｂに電位測定手段７
ａおよび７ｂを設け、これにより測定された電位と、あ
らかじめ設定された基準電位およびその許容範囲、また
は電位の上限値および下限値とを比較して、燃料ガスの
不足や、両電極１ａ，１ｂの電位の異常上昇あるいは異
常低下を検知して、燃料ガスの供給流量の調節や、パー
ジガスの供給／停止、あるいはダミーロードの投入／遮
断の切り替えを行なうようにしているので、燃料電池ス
タック２の発電効率を低下させることなく、かつパージ
ガスを必要以上に無駄に消費することなく、燃料電池ス
タック２の損傷や劣化を防ぐことが可能となる。

【０１０８】これにより、燃料電池スタック２の特性低
下を防止することができる。尚、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、次のようにしても同様に実施
できるものである。

【０１０９】（ａ）上記実施例では、燃料電池発電装置
が停止状態の時にのみ、パージガスを供給し、またはダ
ミーロードを投入するようにする場合について説明した
が、これに限られるものではない。

【０１１０】すなわち、燃料電池発電装置が運転状態の
時においても、外部の電力負荷で用いる電力が小さく、
燃料電池スタック２から取り出す電流が小さい場合は、
カソード電極１ｂの電位が上昇し、触媒の劣化を生じる
可能性がある。従って、燃料電池発電装置が運転状態の
時においても、電位測定手段７ｂで測定された電位が、
制御手段８にあらかじめ設定された上限値以上になった
場合には、カソード電極１ｂに、酸化剤ガスと共にパー
ジガスを供給し、酸素濃度を下げることによってカソー
ド電極１ｂの電位を下げるように制御するか、あるいは
インバーター２６と並列に固定抵抗器２７を接続するよ
うに制御することも可能である。

【０１１１】ここで、酸化剤ガスと共にパージガスを供
給するためには、燃料電池発電装置が運転状態におい
て、電位測定手段７ｂで測定された電位が、制御手段８
にあらかじめ設定された上限値以上になった場合に、遮
断弁１２を開くように制御する信号を制御手段８から出
力する。

【０１１２】この場合、制御手段８にあらかじめ設定さ
れた、停止状態における電位の下限値よりも高い第２の
下限値（例えば０．６Ｖ）を制御手段８にあらかじめ設
定しておき、電位測定手段７ｂで測定されたカソード電
極１ｂの電位がこの第２の下限値以下になった場合に、
遮断弁１２を閉じるように制御する信号を制御手段８か
ら出力する。

【０１１３】また、遮断弁１２の代わりに、パージガス
流量調節弁を用いて、電位測定手段７ｂで測定された電
位に応じて、パージガス流量調節弁を制御手段８によっ
て制御し、カソード電極１ｂに供給されるガスの酸素濃
度を変化させることにより、カソード電極１ａの電位
を、制御手段８にあらかじめ設定された上限値以下で、
望ましい値（約０．７Ｖ）に保つようにすることも可能
である。

【０１１４】一方、インバーター２６と固定抵抗器２７
を並列に接続するためには、燃料電池発電装置が運転状
態において、電位測定手段７ｂで測定された電位が、制
御手段８にあらかじめ設定された上限値以上になった場
合に、第２の開閉器２９を閉じるように制御する信号を
制御手段８から出力する。

【０１１５】この場合にも、制御手段８にあらかじめ設
定された、停止状態における電位の下限値よりも高い第
２の下限値（例えば０．６Ｖ）を制御手段８にあらかじ
め設定しておき、電位測定手段７ｂで測定されたカソー
ド電極１ｂの電位がこの第２の下限値以下になった場合
に、第２の開閉器２９を開くように制御する信号を制御
手段８から出力する。

【０１１６】また、固定抵抗器２７の代わりに、可変抵
抗器または電子負荷装置を用いて、電位測定手段７ｂで
測定された電位に応じて、可変抵抗器または電子負荷装
置を制御手段８によって制御し、燃料電池スタック２か
ら取り出す電流を変化させることにより、カソード電極
１ｂの電位を、制御手段８にあらかじめ設定された上限
値以下で、望ましい値に保つようにすることも可能であ
る。

【０１１７】（ｂ）また、本発明は、上記実施例に限定
されず、具体的な構成は適宜変更することが可能であ
る。例えば、前記のように、燃料電池発電装置が運転状
態において、燃料電池スタック２にパージガスを供給す
るということを行なわない場合には、遮断弁１１，１２
の代わりに、燃料ガス供給管２１とパージガス供給管２
３の接続点、および酸化剤ガス供給管２２とパージガス
供給管２４の接続点に、それぞれ切替弁（三方弁）を設
け、アノード電極１ａには燃料ガスかパージガスのいず
れか一方のみを、またカソード電極１ｂには酸化剤ガス
かパージガスのいずれか一方のみを、それぞれ供給する
ようにすることも可能である。

【０１１８】また、前記のように、燃料電池発電装置が
運転状態において、インバーター２６と固定抵抗器２７
を並列に接続するということを行なわない場合には、第
１の開閉器２８と第２の開閉器２９の代わりに、一つの
３接点式開閉器を用い、燃料電池スタック２を、インバ
ーター２６に接続するか、固定抵抗器２７に接続する
か、あるいはどちらにも接続しないかのいずれかの状態
になるようにすることも可能である。

【０１１９】一方、パージガスとしては、窒素を用いる
ことがコスト等の点で有利であるが、二酸化炭素等を用
いることも考えられる。また、パージガス供給管２３，
２４を、それぞれ別個の供給源（ガスボンベ等）に接続
し、カソード電極１ｂに供給するパージガスには純粋な
不活性ガスを用い、アノード電極１ａに供給するパージ
ガスには不活性ガスに水素を混入したものを用いるよう
にすると、アノード電極１ａの電位を下げる効果がより
一層大きくなる。

【０１２０】この場合、水素の供給源としては、ガスボ
ンベの他、水素吸蔵合金を用いたり、あるいは燃料電池
スタック２の停止状態で固定抵抗器２７を接続する代わ
りに水電気分解装置を接続し、水の電気分解により生じ
た水素を貯蔵しておくこと等が考えられる。

【０１２１】さらに、カソード電極１ｂに、水素を混入
したガスを供給することも可能であるが、燃料電池発電
装置が運転状態から停止状態に移行する過程では、カソ
ード電極１ｂ内には酸素が残っており、そこに水素を含
むガスを供給することは安全性の点で問題がある。

【０１２２】従って、燃料電池発電装置が運転状態から
停止状態に移行する過程では、カソード電極１ｂには不
活性ガスのみを供給し、燃料電池発電装置が停止した後
に、燃料電池スタック２を保管している間のみ水素を混
入したパージガスを用いることが考えられる。

【０１２３】この具体的な方法としては、水素供給源か
らパージガス供給管２４に至る配管に遮断弁を設けてお
き、移行過程が終了して保管過程が始まる時に遮断弁を
開くという方法が考えられる。

【０１２４】一方、燃料電池スタック２に電流を流す手
段としては、上記実施例に示した固定抵抗器２７の他
に、上記の水電気分解装置や、蓄電池、あるいは外部の
電力負荷に接続するインバーター２６とは別個のインバ
ーターを設けて、燃料電池スタック２から取り出される
電流を有効に利用することが考えられる。

【０１２５】また、燃料電池スタック２に流す電流が過
大であるか否かは、上記実施例のように電位測定手段７
ａ，７ｂで測定した電位の値で判断する方法の他に、燃
料電池スタック１の１個または複数個の単位電池１の電
圧を測定し、制御手段８にはこの電圧の下限値をあらか
じめ設定しておき、測定された電圧がこの下限値以下に
なった場合に、電流が過大と判断する方法がある。

【０１２６】この場合、電圧の測定は、単位電池１のア
ノード電極１ａおよびカソード電極１ｂにリード線をそ
れぞれ取り付け、その２本のリード線を電圧計に接続す
ることによって可能であり、電位測定手段のようなセン
サは不要である。

【０１２７】従って、例えば燃料電池スタック２の上
部、中央部、下部というように、多数の単位電池１の電
圧を簡単に測定できるため、複数個の単位電池１の電圧
を測定することにより、転極を確実に防止することが可
能となる。

【０１２８】（ｃ）本発明では、電位測定手段７ａ，７
ｂによる電位の測定と、そこで測定された電位に基づく
流量調節弁９，１０、切替弁、および開閉器２８，２９
の制御を、例えば燃料電池発電装置が運転状態の時の
み、燃料電池発電装置が運転状態から停止状態への移行
過程のみ、あるいは燃料電池発電装置が保管過程のみと
いうように、運転の過程を限定して行なうことも可能で
ある。

【０１２９】この場合、制御されない過程では、各種の
弁および開閉器の制御は手動によって行なうこととなる
が、制御手段８における制御内容は簡易なものとなり、
それだけコストを低くすることが可能となる。

【０１３０】（ｄ）図３では、燃料ガスと酸化剤ガスが
共に一方向にのみ流れる型の燃料電池スタック２を示し
たが、本発明はこの型以外に、例えば同一単位電池の一
部の溝では、反応ガスが図３の矢印の方向に流れ、一旦
燃料電池スタック２を出た反応ガスがガスマニホールド
５で折り返して単位電池１の面の別の溝を逆方向に流れ
てくるという、いわゆるリターンフロー型の燃料電池ス
タックに対しても、同様に適用することが可能である。

【０１３１】この場合、電位測定手段７ａ，７ｂは、単
位電池１の中で燃料ガスが最後に排出される部分に設け
るのが望ましい。また、単位電池１を流れて一旦燃料電
池スタック２の外に出た反応ガスが、ガスマニホールド
５で折り返して、別の単位電池１を逆方向に流れてくる
という、シリアルフロー型の燃料電池スタックに対して
も、同様に適用することが可能である。この場合にも、
電位測定手段７ａ，７ｂは、燃料ガスが最後に通過する
単位電池１における、燃料ガス出口付近に設けるのが望
ましい。

【０１３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
料極と酸化剤極との間に電解質層を挟んで形成される単
位電池を複数個積層してなる燃料電池積層体と、当該燃
料電池積層体の各単位電池の燃料極に燃料ガスを供給す
る燃料ガス供給手段と、燃料電池積層体の各単位電池の
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段
と、必要に応じて、燃料電池積層体の各単位電池の燃料
極にパージガスを供給するパージガス供給手段と、燃料
電池積層体に流す電流を投入または遮断する開閉器とか
ら構成される燃料電池発電装置において、燃料電池積層
体の少なくとも１個の単位電池の燃料極の少なくとも一
点の電位を測定する電位測定手段と、電位測定手段によ
り測定された電位があらかじめ設定された設定値よりも
大きくなった場合に、燃料電池積層体に供給する燃料ガ
スの量を増加させるように燃料ガス供給手段を制御する
制御手段とを備えるか、または燃料電池積層体の少なく
とも１個の単位電池の燃料極の少なくとも一点の電位を
測定する電位測定手段と、電位測定手段により測定され
た電位があらかじめ設定された上限値よりも大きくなっ
た場合に、燃料電池積層体の各単位電池の燃料極にパー
ジガスを供給するようにパージガス供給手段を制御する
制御手段とを備えるか、あるいは燃料電池積層体の少な
くとも１個の単位電池の酸化剤極の少なくとも一点の電
位を測定する電位測定手段と、電位測定手段により測定
された電位があらかじめ設定された上限値よりも大きく
なった場合に、燃料電池積層体の各単位電池の酸化剤極
にパージガスを供給するようにパージガス供給手段を制
御する制御手段とを備えるか、もしくは燃料電池積層体
の少なくとも１個の単位電池の酸化剤極の少なくとも一
点の電位を測定する電位測定手段と、電位測定手段によ
り測定された電位があらかじめ設定された上限値よりも
大きくなった場合に、燃料電池積層体に電流を流すよう
に開閉器を制御する制御手段とを備えるようにしたの
で、燃料電池スタックの発電効率を低下させることな
く、燃料電池スタックの損傷や劣化を確実に防ぎ、また
装置の起動、停止、または保管時に、電極の電位が上昇
して電極の触媒の劣化が生じる可能性のある時に、パー
ジガスを必要以上に無駄に浪費することなく、燃料電池
スタックの損傷や劣化を確実に防いで燃料電池スタック
の特性低下を防止することが可能な燃料電池発電装置が
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電装置の一実施例を示
すブロック図。

【図２】同実施例の燃料電池発電装置における燃料電池
スタックに供給される燃料ガスの流量と、アノード電極
に設けられた電位測定手段で測定される電位との関係の
一例を示す特性図。

【図３】一般的なリン酸型燃料電池の構成例を示す分解
斜視図。

【図４】図３のリン酸型燃料電池における燃料利用率と
燃料電池スタックの電圧との関係の一例を示す特性図。

【符号の説明】

１…単位電池、２…燃料電池スタック、３…ガス分離板、４…冷却板、５…ガスマニホールド、６…集電板、７ａ，７ｂ…電位測定手段、８…制御手段、９…燃料ガス流量調節弁、１０…酸化剤ガス流量調節弁、１１…アノード電極パージガス遮断弁、１２…カソード電極パージガス遮断弁、１３…異常検知手段、２１…燃料ガス供給管、２２…酸化剤ガス供給管、２３，２４…パージガス供給管、２５…電流線、２６…インバーター、２７…固定抵抗器、２８…第１の開閉器、２９…第２の開閉器、３１…燃料ガス排出管、３２…酸化剤ガス排出管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成される単位電池を複数個積層してなる燃料電池
積層体と、当該燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池
積層体の各単位電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給手段とから構成される燃料電池発電装置
において、前記燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の燃料
極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段と、前記電位測定手段により測定された電位があらかじめ設
定された設定値よりも大きくなった場合に、前記燃料電
池積層体に供給する燃料ガスの量を増加させるように前
記燃料ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記電位測定手段は、前記単位電池にお
ける燃料ガスが排出される付近に設けるようにしたこと
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成される単位電池を複数個積層してなる燃料電池
積層体と、当該燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池
積層体の各単位電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池積層体の各単位電
池の燃料極にパージガスを供給するパージガス供給手段
とから構成される燃料電池発電装置において、前記燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の燃料
極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段と、前記電位測定手段により測定された電位があらかじめ設
定された上限値よりも大きくなった場合に、前記燃料電
池積層体の各単位電池の燃料極にパージガスを供給する
ように前記パージガス供給手段を制御する制御手段と、を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】前記請求項３に記載の燃料電池発電装置
において、前記制御手段は、前記電位測定手段により測定された電
位があらかじめ設定された下限値よりも小さくなった場
合に、前記燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に供給
するパージガスを停止するように前記パージガス供給手
段を制御することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成される単位電池を複数個積層してなる燃料電池
積層体と、当該燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池
積層体の各単位電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池積層体の各単位電
池の酸化剤極にパージガスを供給するパージガス供給手
段とから構成される燃料電池発電装置において、前記燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の酸化
剤極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段
と、前記電位測定手段により測定された電位があらかじめ設
定された上限値よりも大きくなった場合に、前記燃料電
池積層体の各単位電池の酸化剤極にパージガスを供給す
るように前記パージガス供給手段を制御する制御手段
と、を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項６】前記請求項５に記載の燃料電池発電装置
において、前記制御手段は、前記電位測定手段により測定された電
位があらかじめ設定された下限値よりも小さくなった場
合に、前記燃料電池積層体の各単位電池の酸化剤極に供
給するパージガスを停止するように前記パージガス供給
手段を制御することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟
んで形成される単位電池を複数個積層してなる燃料電池
積層体と、当該燃料電池積層体の各単位電池の燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池
積層体の各単位電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池積層体に流す電流
を投入または遮断する開閉器とから構成される燃料電池
発電装置において、前記燃料電池積層体の少なくとも１個の単位電池の酸化
剤極の少なくとも一点の電位を測定する電位測定手段
と、前記電位測定手段により測定された電位があらかじめ設
定された上限値よりも大きくなった場合に、前記燃料電
池積層体に電流を流すように前記開閉器を制御する制御
手段と、を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項８】前記請求項７に記載の燃料電池発電装置
において、前記制御手段は、前記電位測定手段により測定された電
位があらかじめ設定された下限値よりも小さくなった場
合に、前記燃料電池積層体に流す電流を遮断するように
前記開閉器を制御することを特徴とする燃料電池発電装
置。
【請求項９】前記電位測定手段は、前記燃料電池積層
体の下部に位置する単位電池に設けるようにしたことを
特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載
の燃料電池発電装置。