JP2006120351A

JP2006120351A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006120351A
Application number: JP2004304418A
Authority: JP
Inventors: Satoru Takaichi; 哲高市; Atsushi Oma; 敦史大間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】起動時の酸化剤極の劣化反応を簡便かつ効率的に抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化剤極１１と燃料極１２を有する燃料電池２を一つ以上備えた燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する水素供給機構２１と、燃料極１２を正として燃料電池２が所定の電荷量だけ蓄電するように燃料電池スタック１を帯電させる帯電手段（バッテリ３０１）を備える。起動時に、帯電手段（バッテリ３０１）で燃料電池スタック１を帯電させた後、燃料ガスを供給する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池の触媒腐食を抑制するための構成に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が存在し、燃料極側に空気が存在する領域と燃料ガスとしての水素が存在する領域とが形成される場合がある。例えば、燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させると、燃料極側のガス流路への水素の供給を開始した初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が存在する領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、以下の反応が生じる。

Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-・・・（１）
その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、以下の反応により水が生成される。

Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界（以後、水素／空気フロントと呼称）が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給することが提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。
米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書

しかしながら、短時間で水素／空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、水素を燃料極ガス流路に供給する配管流路の途中にコンプレッサ等の追加装置を配置することや、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路中の流速を速める方策等が必要となる。前者においては、追加の装置が必要となり、コストが高くなるとともに、燃料電池システムが大型化するという問題があり、後者では反応面が狭くなり、反応効率が著しく低下するという問題があった。

この他にも、水素／空気フロントを形成させないために、窒素等の不活性ガスを用いてパージを行う技術が知られているが、この場合もシステム中に窒素ボンベ等の不活性ガス貯蔵装置が必要となる、または、燃料器等の酸素消費装置をシステム中に持たせる必要があり、システムを複雑化および大型化してしまうという問題があった。

また、起動時に燃料極と酸化剤極を短絡させて起動することにより、酸化剤でのカーボン担体の腐食を低減させる方法があるが、以下のような問題があった。

燃料電池スタック両端の燃料極集電板と酸化剤極集電板を短絡させて水素供給を開始した場合、両端のセルに挟まれた中間のセルにおいて水素の供給が遅れると、燃料極側の担持カーボンの腐食反応が生じる。この燃料極側の担持カーボン腐食を抑えるためには、燃料電池スタックを構成する数十から数百枚のすべてのセルに、同時に水素を供給することが必要であるが、セル毎に圧力損失の違いがあり同時に供給することは非常に難しい。

また、この他にも燃料極と酸化剤極を短絡させて起動する方法として、セル１つ１つの燃料極と酸化剤極を短絡させて起動させる方法がある。この方法では、水素供給の遅いセルがあっても劣化させずに起動することが可能であるが、数十枚から数百枚のセルが積層された燃料電池スタック１枚づつにオンオフスイッチを付け、起動前には短絡状態に、水素供給後に開放状態に制御するには、配線やスイッチなどが非常に複雑になるという問題があった。

そこで本発明は、起動時の酸化剤極の劣化反応を簡便かつ効率的に抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤極と燃料極を有する燃料電池を一つ以上備えた第１の燃料電池スタックと、前記第１の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１の燃料供給手段と、前記燃料極を正として前記燃料電池が所定の電荷量だけ蓄電するように前記第１の燃料電池スタックを帯電させる帯電手段を備え、起動時に、前記帯電手段で前記第１の燃料電池スタックを帯電させた後、燃料ガスを供給する。

起電時に、帯電手段で第１の燃料電池スタックを帯電させた後、燃料ガスを供給することで、水素はプラスに帯電した燃料極で電子を失いプロトンとなる。一方、酸化剤極側では、帯電している電子と結合して水素が発生する。酸化剤極側に水素が存在する場合、担持カーボンよりも水素の方が酸化され易いため、カーボン腐食が抑制される。これにより、起動時の酸化剤極の劣化反応を簡便かつ効率的に抑制できる燃料電池システムを提供することができる。

第１の実施形態について説明する。図１に、燃料電池スタック１を構成する単位セルである燃料電池２の一般的な構成例を示す。

プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１０を、一対の電極である酸化剤極１１と燃料極１２により狭持する。ここでは、酸化剤極１１をカーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層１１ｂと、Ｐｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成した触媒層１１ａとから構成する。同様に、燃料極１２を、ガス拡散層１２ａと触媒層１２ｂとから構成する。

さらにその外側には、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６を配置する。酸化剤極１１と酸化剤ガスセパレータ１５との間には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１３を設け、燃料極１２と燃料ガスセパレータ１６との間には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路１４を設ける。ここでは、酸化剤ガス流路１３内を酸化剤ガスとしての空気が、燃料ガス流路１４内を流れる燃料ガスとしての水素と、略同一方向に流通するように構成する。

燃料電池スタック１を、このような燃料電池２を複数積層して構成した積層体とする。通常運転時には、酸化剤ガスが触媒層１１ａの触媒に接触し、燃料ガスが触媒層１２ｂの触媒に接触することにより、以下のような反応が生じる。

燃料極１２側：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（３）
酸化剤極１１側：２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・（４）
（３）式に示すように、燃料極１２では、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離され、プロトンは電解質膜１０内部を拡散して酸化剤極１１側に到達し、電子は外部回路を流れて、出力として取り出される。一方、酸化剤極１１では、電解質膜１０内を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で（４）式に示すような反応が生じる。

このような燃料電池２を積層して構成した燃料電池スタック１を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返される。燃料電池スタック１の停止中には、燃料電池スタック１への水素および空気の供給が停止された状態で放置される、または、不活性ガス等により充満された状態で放置される。燃料電池スタック１が長時間放置された場合には、外部から大気が浸入して燃料ガス流路１４内に空気が存在する可能性がある。または、停止時に空気により燃料ガス流路１４をパージした場合には、燃料ガス流路１４内には空気が残存する。

このように燃料ガス流路１４内に空気が存在する状態からシステムを起動すると、起動初期に燃料電池２内は、図２に示すような状態となる。

酸化剤ガス流路１３内には空気が充満する。燃料ガス流路１４には、導入が開始された水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｃが形成され、水素と空気の界面である水素／空気フロントＢが形成される。燃料ガス流路１４に水素が存在する領域Ａでは、通常の動作と同様の反応が起こり、酸化剤極１１側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、水素／空気フロントＢを境にして、燃料ガス流路１４に空気が存在する領域Ｃにおいては、酸化剤極１１側で、前述した（１）式のような反応が、燃料極１２側で、（２）式のような反応が生じる。つまり、酸化剤極１１側で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こる。これにより、酸化剤極１１が大きく劣化し、燃料電池２の性能を劣化させる原因となる。

そこで、本実施形態では、起動時に燃料電池スタック１を帯電させることにより、酸化剤極１１の触媒腐食を抑制する。燃料電池システムの構成を、図３を用いて説明する。

燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給機構２０として、フィルタ２０１と、外部からフィルタ２０１を介して空気を導入するコンプレッサー２０２を備える。また、燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給機構２１として、燃料電池スタック１の燃料ガス流路１４に水素を供給する水素ボンベ２１１と、水素ボンベ２１２から取り出した高圧水素を減圧する減圧弁２１２と、取り出す水素量を調整する流量コントローラ２１３を備える。また、燃料電池スタック１の燃料ガスの入口より上流側に三方弁２１４を、下流側に三方弁２１５と、三方弁２１４と２１５を接続する配管を流通させて、燃料電池スタック１から排出された未反応の水素ガスを燃料電池スタック１の入口側に還流するリサイクルコンプレッサ２１６を備える。さらに、燃料電池スタック１の後流には、燃料電池スタック１から排出された排空気と燃料排ガスを燃焼処理する燃焼触媒２３１を備える。

酸化剤極１１側の空気中に含まれる窒素ガスが、電解質膜１０を透過して燃料極１２側に移動し、燃料極１２内の水素濃度が低くなった場合には、三方弁２１５を切り替えて、水素を含む燃料排ガスを燃焼触媒２３１で燃焼処理した後、外部に排出する。

次に、燃料電池スタック１から負荷を取り出す電気回路について説明する。

燃料電池スタック１には、出力を取り出す端子として、酸化剤極１１側に酸化剤極側電極板３０６を備え、燃料極１２側に燃料極側電極板３０７を備える。また、燃料電池スタック１で発生した電気を消費する負荷に並列してバッテリ３０１を備える。バッテリ３０１と燃料電池スタック１とを接続する配線には、バッテリ３０１に直列してスイッチ３０２を備える。運転時に負荷で消費されない余剰電力はバッテリ３０１に蓄電され、スイッチ３０２のＯＮ／ＯＦＦ制御により、蓄電・放電が制御される。

また、バッテリ３０１と燃料電池スタック１との配線の切り替えを行うリレー３０３、３０４を備える。リレー３０３、３０４がＯＦＦの状態では、バッテリ３０１の負極側に接続する配線は、燃料電池スタック１の燃料極側電極板３０７に接続し、正極側に接続する配線は、酸化剤極側電極板３０６に接続する。このとき、燃料電池スタック１は負荷に接続される。

一方、リレー３０３、３０４がＯＮの状態では、バッテリ３０１の負極側に接続する配線は、燃料電池スタック１の酸化剤極側電極板３０６に接続し、正極側に接続する配線は、燃料極側電極板３０７に接続する。また、燃料電池スタック１とバッテリ３０１の間には、電流センサ３０５を備え、バッテリ３０１から燃料電池スタック１に供給される電流を検出可能に構成する。ここでは、電流センサ３０５を、リレー３０３、３０４がＯＮの状態で、バッテリ３０１の負極と燃料電池スタック１の酸化剤極側電極版３０６を接続する配線上に配置する。

さらに、コンプレッサー２０２、流量コントローラ２１３、スイッチ３０２、リレー３０３、３０４を制御するコントローラ４０１を備える。コントローラ４０１は、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、および入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０１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。また、ここでは詳細は省略するが、コントローラ４０１によって、三方弁２１４、２１５、リサイクルコンプレッサ２１６が制御され、燃料極側の水素ガスのパージが調整される。さらに、コントローラ４０１は、後述する制御に加えて他の複数の制御を実行する装置としてもよい。

次に、燃料電池システムの起動ルーチンを、図４のフローチャートを用いて説明する。

システムの起動を指示する信号が入力されたら、ステップＳ１において、リレー３０３、３０４をＯＮする。ステップＳ２で、スイッチ３０２をＯＮとすることにより、バッテリ３０１から燃料電池スタック１への電荷の供給を開始する。ステップＳ３において、燃料電池２の帯電が十分であるか否かを判断する。ここでは、電流センサ３０５の出力値を積算して、バッテリ３０１から燃料電池２に供給された電流値の総量が、判定値以下か否かを判断する。燃料電池２に帯電させる電荷量が、表面積１ｃｍ²当たり１Ｃ以下となるように、判定値を予め設定しておく。

なお、ここでは、燃料電池スタック１に供給された電荷量により帯電が十分であるか否かを判断したが、この限りではない。燃料電池２に蓄電される電荷速度は、経時的に大きく変化しないことから、予め電荷移動速度を測定しておき、十分な電荷が帯電されるまでに要する時間を所定時間として設定し、ステップＳ３において、所定時間が経過したか否かにより、帯電が十分であるか否かを判断してもよい。

また、蓄えられる電荷量は静電容量と電圧の関係で決まるため、静電容量が一定であれば電圧で制御することも可能である。例えば、バッテリ３０１によって与える電圧と電荷量の関係を予め求めておけば、電流計３０５に応じて電荷量を制御するのではなく、バッテリ３０１の印加電圧に応じて制御することもできる。

さらに、電流センサ３０５の出力が所定の判断値以下となったか否かで判断することもできる。燃料電池２には、印加直後には大きな電流が流れ、その後安定した小さな電流が流れる。そこで、この安定状態となったか否かを判断することにより、帯電の状態を判断してもよい。

燃料電池スタック１の帯電が十分であると判断されたら、ステップＳ４で、スイッチ３０２をＯＦＦにする。この状態で、ステップＳ５で、水素の供給を開始し、ステップＳ６で空気の供給を開始する。これにより発電が開始し、ステップＳ７において、リレー３０３、３０４をＯＦＦとすることで、燃料電池スタック１と負荷を接続して電力の取り出しを開始する。

次に、上述した制御により劣化が防止されるメカニズムについて図５を用いて説明する。

燃料電池２がステップＳ４にて帯電した状態を図５（ａ）に示す。図５（ａ）が燃料極１２側を正に、酸化剤極１１側を負に帯電している状態である。この状態から、ステップＳ５で水素供給を開始した状態が図５（ｂ）である。

水素の供給開始により、燃料電池２の酸化剤極１１２では次の反応が生じる。
酸化剤極：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ ・・・（５）
酸化剤極：Ｈ⁺ ＋ｅ^- → Ｈ・・・（６）
酸化剤極：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ・・・（７）
（３）式の反応により、燃料極１２で生じたプロトンは、電解質膜１０を透過して、酸化剤極１１に到達する。酸化剤極１１では、（５）式により再び水素を生成したり、（６）式の反応により水素原子が生成されて、触媒層１１ａに吸着したり、（７）式の反応により酸素の還元反応を生じることが想定される。

酸化剤極１１側は、（５）式の反応で生じた水素分子や、（６）式で触媒に吸着した水素原子により還元雰囲気となる。この状態で、水素／空気フロントＢが発生した場合には、（１）式で示した担持カーボンの腐食よりも、以下に示す（８）式、（９）式の水素分子若しくは水素原子の酸化が優先的に発生する。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（８）
Ｈ → Ｈ⁺ ＋ｅ^- ・・・（９）
つまり、カーボン担体が腐食される腐食量よりも十分な電荷量が蓄えられればカーボン担体の腐食は抑制される。

しかしながら、（７）式に示す酸素の還元反応が起こった場合には、水素の存在する還元雰囲気になることが阻害される。実際には、（５）式〜（７）式の反応が同時に起こることが想定され、その割合を厳密に分けることは困難であるが、（５）式と（６）式の反応が起これば、それはすなわちカーボン腐食の抑制に繋がる。

ここで、水素／空気フロントＢによるカーボン担体の腐食量は、セパレータ形状や触媒の種類、水素と酸素の混合状態が保持される時間によって異なる。本実施形態に示したストレート流路形状のセパレータ１５、１６と白金担持カーボン触媒を用いた燃料電池２の場合、水素供給時の燃料ガス流路１４内の線流速を５０〜０．２ｍ／ｓｅｃに変えると、担持カーボンの腐食量が０．１μｍｏｌ／（ｓｅｃ・ｃｍ²）以下となることが実験により求められた。この担持カーボンの腐食量を電流に換算すると、４０ｍＣ／（ｓｅｃ・ｃｍ²）以下となる。通常、燃料ガス流路１４内を水素／空気フロントＢが通過するのに要する時間は、０．５秒〜１秒程度であるから、一回の起動時における担持カーボンの腐食量を電流に換算すると４０ｍＣ／ｃｍ²以下となる。帯電させた電荷量のうち、（５）式と（６）式の反応に使用される割合を１０％程度と概算し、さらに測定のばらつきを考慮すると必要な電荷量は、１Ｃ／ｃｍ²以下であると算出できる。つまり、帯電させる電荷量を燃料電池２当たり１Ｃ／ｃｍ²以下の水素供給時の線流速に応じた値とすることで、効率的にカーボン担体の腐食を抑制することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

酸化剤極１１と燃料極１２を有する燃料電池２を一つ以上備えた燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する水素供給機構２１と、燃料極１２を正として燃料電池２が所定の電荷量だけ蓄電するように燃料電池スタック１を帯電させる帯電手段（バッテリ３０１）を備える。起動時に、帯電手段（バッテリ３０１）で燃料電池スタック１を帯電させた後、燃料ガスを供給する。

これにより、水素はプラスに帯電した燃料極１２で電子を失いプロトンとなる。一方、酸化剤極１１側では、帯電している電子と結合して水素が発生する。酸化剤極１１側に水素が存在する場合、担持カーボンよりも水素の方が酸化され易いため、カーボン腐食が抑制される。また、積層された燃料電池２への水素の供給が同時でなかった場合でも、上述の反応は１つの燃料電池２内で起こるため、カーボン担体の腐食を抑制することができる。

また、所定の電荷量を、燃料電池２の表面積１ｃｍ²当たり１Ｃ以下とする。さらに、燃料電池２に供給する燃料ガスの線流速を、０．２〜５０ｍ／ｓｅｃとする。このように、生じると予測される腐食反応に応じて燃料電池２に帯電させる電荷量を設定することで、効率的にカーボン担体の腐食を抑制することができる。

また、帯電手段としてバッテリ３０１を備える。バッテリ３０１により燃料電池スタック１を帯電させ、その後、燃料電池スタック１からバッテリ３０１を電気的に切り離して、燃料電池スタック１を起動する。これにより、既存の装置で帯電手段を構成することができる。

バッテリ３０１と燃料電池スタック１との間で、正極と負極の接続を切り替えるリレー３０３、３０４を備え、燃料電池スタック１の運転時には、バッテリ３０１を燃料電池スタック１で生じた過剰電力を蓄電する蓄電手段として使用し、燃料電池スタック１の起動時には、バッテリ３０１を燃料電池スタック１を帯電させる帯電手段として使用するように、リレー３０３、３０４を制御する（Ｓ１、Ｓ７）。これにより、燃料電池システムの備えた既存のバッテリ３０１で、運転時の蓄電と起動時の帯電の両方を行うことができる。

なお、バッテリ３０１に替わって、帯電手段としてキャパシタ、例えば電気二重層キャパシタを備えてもよい。これにより、起動時に燃料電池スタック１を帯電して、カーボン担体の腐食が生じるのを抑制することができる。

また、ここでは燃料電池スタック１を複数の燃料電池２を積層することにより構成した積層体としたが、一つの燃料電池２より構成してもよい。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

複数の燃料電池２を積層して、燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１の構成を図６に示す。

燃料電池スタック１には、コンプレッサー２０２（図３、参照）から供給された空気の導入部である酸化剤ガス入口５０３と、排空気の排出部である酸化剤ガス出口５０５を備える。酸化剤ガス入口５０３から導入された空気は、各燃料電池２に分配され、酸化剤ガス流路１３を通って発電に用いられ、その後、酸化剤ガス出口５０５から排出される。また、燃料電池スタック１には、水素ボンベ２１１（図３、参照）から供給された水素の導入部である燃料ガス入口５０４と、燃料排ガスの排出部である燃料ガス出口５０６を備える。燃料ガス入口５０４から導入された水素は、各燃料電池２に分配され、燃料ガス流路１４を通って発電に用いられ、その後、燃料ガス出口５０６から排出される。

また、各燃料電池２の電極面の外縁に沿って、外部へのガスリーク防止のためエッジシール５１０を備える。また、燃料電池スタック１の燃料電池２の積層方向両端には、それぞれ酸化剤極側集電板３０６と燃料極側集電板３０７を備え、さらにその外側には、絶縁体よりなるエンドプレート５０７、５０８を備える。また、このような積層体を、燃料電池２の積層方向に貫通して固定する絶縁体のロッド５０９を備える。

さらに、燃料電池スタック１の各燃料電池２に並列して、電気二重層キャパシタ６０１を接続する。燃料電池２に電気二重層キャパシタを並列に接続した場合、燃料電池２の持つ静電容量が小さい場合でも、電気二重層キャパシタ６０１を燃料電池２の代わりに蓄電させることができる。燃料電池２を帯電させるためには、燃料電池２に電圧が印加されることになるが、電気二重層キャパシタ６０１を並列に繋いだことにより、より低い電圧で必要量の電荷を蓄えることができる。

実際に、燃料電池２の静電容量は、電解質膜１０の厚さやカーボン、白金の量にもよるが、０．０１Ｆ／ｃｍ²〜０．５ｍＦ／ｃｍ²程度である。仮に、１Ｃ／ｃｍ²の電荷量を蓄電する場合、燃料電池２への印加電圧は２Ｖ以上が必要となるが、実際に２Ｖ以上の電圧を印加した場合、その印加電圧自体でカーボン担体の腐食を引き起こしてしまう。カーボン担体の腐食が始まる電位は約０．２Ｖであり、１Ｃ／ｃｍ²の電荷を０．２Ｖで蓄えるためには、５Ｆ／ｃｍ²が必要となる。そこで、電気二重層キャパシタ６０１の静電容量の最大値を５Ｆ／ｃｍ²とすることで確実に劣化を抑制することができる。

なお、電気二重層キャパシタ６０１の構成は、図６に示すものに限定するわけではない。

図７に示すように、各燃料電池２のエッジ部に取り付けられたガスケット５１１によりキャパシタを構成してもよい。これは、ガスケット５１１に誘電体を用いることにより、キャパシタとしての機能を与えることができる。その結果、部品を追加することなく蓄電する電荷量を増大させることができる。

なお、図６、図７では、積層方向中央に位置するセパレータ１５と１６を一体化しているが、この限りではなく、第１の実施形態と同様に二枚のプレートにより構成してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料電池２毎に並列してキャパシタ、ここでは電気二重層キャパシタ６０１を備える。これにより、帯電手段によって電圧を印加する場合、０．２Ｖ程度の微小電圧であっても炭素の腐食が起こるが、燃料電池２毎に電気二重層キャパシタ６０１を取り付けることにより、より低電圧で帯電させることが可能となるため、さらに劣化を抑制することができる。

キャパシタとして、燃料電池２の発電面の外縁に沿って、ガス漏れを防止し、誘電体よりなるガスケット５１１を備える。これにより、より簡単な構成で、劣化抑制の機能を向上することができる。

電気二重層キャパシタ６０１の静電容量を、０＜Ｃ＜５[Ｆ／ｃｍ²]とする。これにより、帯電させるための印加電圧により燃料電池２が劣化するのを抑制することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。図８を参照して、燃料電池システムの構成を説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料電池スタック１として、第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂを備える。また、燃料電池スタック１ａに空気を供給する空気供給機構２０ａとして、フィルタ２０１ａとコンプレッサー２０２ａを備え、燃料電池スタック１ｂに空気を供給する空気供給機構２０ｂとして、フィルタ２０１ｂとコンプレッサー２０２ｂを備える。

また、水素供給機構２１ａとして、水素ボンベ２１１、減圧弁２１２、流量コントローラ２１３、バルブ２１８および水素ボンベ２１１から燃料電池スタック１ａまでを接続する配管を備える。水素供給機構２１ｂとして、水素ボンベ２１１、減圧弁２１２、流量コントローラ２１３、および水素ボンベ２１１から燃料電池スタック１ｂまでを接続する配管を備える。ここでは、水素ボンベ２１１、減圧弁２１２、流量コントローラ２１３を燃料供給機構２１ａと２１ｂで共有し、流量コントローラ２１３の下流で、燃料電池スタック１ａ側と燃料電池スタック１ｂ側に分岐する配管を使用する。

流量コントローラ２１３に、流量をゼロとするように指示する信号が出力されることにより、水素の供給は停止する。流量がゼロ以外に設定された場合に、バルブ２１８を閉とすることにより、燃料電池スタック１ｂに水素が供給される。一方バルブ２１８を開とすることにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂに水素が導入される。

さらに、燃料電池スタック１ａと１ｂを電気的に直列に接続する。つまり、燃料電池スタック１ｂの陽極（プラス）を燃料電池スタック１ａの陰極（マイナス）側に接続し、燃料電池スタック１ｂの陰極（マイナス）と燃料電池スタック１ａの陽極（プラス）をチョッパー４０３に接続する。燃料電池スタック１ａ、１ｂで生じた電力はチョッパー４０３を介して取り出され、インバータ等の機器で交流に変換されて、モータ等の動力として使用される。

さらに、燃料電池スタック１ｂの陰極（マイナス）側と、燃料電池スタック１ａの陽極（プラス）側とを、選択的に接続するスイッチ４０２を備える。スイッチ４０２の切り替えは、コントローラ４０１で制御する。また、燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧を検出する電圧センサ４０５を備える。ここでは、電圧センサ４０５は、燃料電池スタック１ａと１ｂの合計の電圧を検出するが、燃料電池スタック１ａと１ｂのそれぞれの電圧を検出するように、二つの電圧センサを備えても良い。

次に、起動時の制御方法について図９のフローチャートを用いて説明する。

起動前には、燃料電池スタック１ｂにおける少なくとも酸化剤極１１には空気が満たされており、また、長時間の停止による外気の自然混入、あるいは、停止時の空気パージにより、燃料極１２にも空気が満たされている。このような状態で、起動を指示する信号が入力されたら、以下のルーチンを実行する。

ステップＳ１１において、スイッチ４０２をＯＮとして、燃料電池スタック１ｂの陽極側と、燃料電池スタック１ａの陰極側を接続させる。ステップＳ１２で、流量コントローラ２１３で流量を調整して、燃料電池スタック１ｂの燃料ガス流路１４に水素を導入する。水素の導入に伴い、燃料電池スタック１ｂには酸化剤極１１に存在する酸素量に応じて一時的に起電力が生じる。

そのため、燃料電池スタック１ｂを電源として、接続された燃料電池スタック１ａに電流が供給され、燃料電池スタック１ａはコンデンサーとしての機能により帯電される。つまり、燃料電池スタック１ａの酸化剤極１１に電子が蓄積される。この時、燃料電池スタック１ａの帯電量に応じて、燃料電池スタック１ｂの酸化剤極１１側に存在する空気中の酸素は消費され、その消費度合いに応じて燃料電池スタック１ｂの起電力は小さくなり、やがて酸素の欠乏により起電力がゼロ近傍となる。

そして、ステップＳ１３で、予め設定した所定時間Ｔ₀を経過後、ステップＳ１４でスイッチ４０２をＯＦＦとして、電気的接続を解除する。所定時間Ｔ₀は、燃料電池スタック１ｂの燃料ガス流路１４に水素が完全に導入されるまでの時間を少なくとも含んだ時間であり、それ以上の時間であれば構わない。

その後、ステップＳ１５で、バルブ２１８を開いて第１の燃料電池スタック１ａに水素を導入する。ステップＳ１６で、コンプレッサー２０２ｂを稼動して燃料電池スタック１ｂに空気を供給し、コンプレッサー２０２ａを稼動して燃料電池スタック１ａに空気を供給する。コンプレッサー２０２ａと２０２ｂの起動は順不同である。燃料電池スタック１ａ、１ｂにそれぞれ水素と空気が供給されることで、起電力が発生する。ステップＳ１７で、燃料電池スタック１ａ、１ｂが所定の電圧に達したことを確認したら、ステップＳ１８で、チョッパー４０３の先に接続されたインバータやモータの負荷を増大して、システムの発電を開始する。

次に、上述した制御を行った際の作用を説明する。

燃料電池スタック１ｂに水素を導入した際（Ｓ１２）に発生した一時的な起電力、並びに、導入前の燃料電池スタック１ａ、１ｂの電気的接続により、燃料電池スタック１ａは帯電されて、酸化剤極１１（陽極）側に電子が蓄積される。従って、燃料電池スタック１ｂにとっては、燃料電池スタック１ａが固定抵抗等のような自身の電圧を抑制する手段となるために、起動時の水素／空気フロントＢの移動に伴う酸化剤極１１の酸化腐食反応が抑制される。

また、燃料電池スタック１ａに水素を導入される際（Ｓ１５）には、燃料電池スタック１ｂから供給された電荷により帯電している。そのため、燃料電池スタック１ａでは、（３）式、（４）式に示す燃料極１２（陰極）から酸化剤極１１（陽極）へのプロトン移動反応または正電流反応のみ発生し、（１）式、（２）式に示す酸化剤極１１の酸化腐食によるプロトン移動反応または逆電流反応は抑制される。従って、酸化剤極１１の酸化腐食反応が抑制される。

帯電手段として、少なくとも一つ以上の燃料電池２を備えた燃料電池スタック１ｂを備え、また、燃料電池スタック１ｂに燃料ガスを導入する燃料供給機構２１ｂを備える。また、燃料電池スタック１ｂの陽極が、燃料電池スタック１ａの陰極に接続し、燃料電池スタック１ｂの陰極が、燃料電池スタック１ａの陽極に接続した閉ループを形成するように、燃料電池スタック１ｂの陽極と燃料電池スタック１ａの陰極との間の接続と非接続を切り替えるスイッチ４０２を備える。起動時には、スイッチ４０２を接続した状態で、燃料電池スタック１ｂに燃料ガスを供給することにより燃料電池スタック１ａを帯電させ、その後、スイッチ４０２を非接続とした状態で、燃料電池スタック１ａに燃料ガスを供給する。

これにより、燃料電池スタック１ａは、燃料電池スタック１ｂをバッテリ３０１と同様に帯電手段として用いることができるため、酸化剤極１１の触媒劣化を抑制することができる。また、燃料電池スタック１ｂで生じた電子は、コンデンサーとして機能する燃料電池スタック１ａに移動するので、燃料電池スタック１ｂの電圧を抑制することができ、触媒劣化を抑制することができる。

また、燃料電池スタック１ｂが、燃料電池スタック１ａに印加する電圧を、燃料電池２当たり０．７Ｖ／ｃｅｌｌ以下とする。これにより、燃料電池スタック１ｂと第１の燃料電池スタック１ａの耐久性をさらに向上することができる。

なお、本実施形態では、二つの燃料電池スタック１ａ、１ｂを備えたが、この限りではなく、さらに別の燃料電池スタックを備えてもよい。また、燃料電池スタック１ａ、１ｂそれぞれを複数の燃料電池スタックの組み合わせにより構成してもよい。さらには、燃料電池スタック１ａ、１ｂを、一つの燃料電池スタック内の、複数の燃料電池２を積層したユニットによりそれぞれ構成してもよい。

次に、第４の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。燃料電池システムの構成を、図１０を用いて説明する。

ここでは、第１の燃料電池スタック１ｃを複数の燃料電池２を積層して構成した第１の燃料電池ユニットにより構成し、第２の燃料電池スタック１ｄを複数の燃料電池２を積層して構成した第２の燃料電池ユニットにより構成する。燃料電池スタック１ｃと１ｄは、それぞれの端部が陽極（プラス）と陰極（マイナス）となっている。燃料電池スタック１ｃと１ｄは、電気的に直列に接続して一つの燃料電池スタック１００を構成する。なお、燃料電池スタック１００を三個以上のユニットより構成してもよい。燃料電池スタック１ｃの陽極と燃料電池スタック１ｄの陰極の間に共通の導電板４２３を備え、燃料電池スタック１ｃの陰極と燃料電池スタック１ｄの陽極から電力を取り出す。

また、燃料電池スタック１ｃに供給する水素量を調整するバルブ２１９と、燃料電池スタック１ｄに供給する水素量を調整するバルブ２２０を備える。水素ボンベ２１１から取り出された水素が分岐され、一方はバルブ２１９を介して燃料電池スタック１ｃに導入され、もう一方はバルブ２２０を介して燃料電池スタック１ｄに導入される。

また、コンプレッサー２０２により導入した空気を、燃料電池スタック１ｃと１ｄへ分配する割合を調整するバルブ２０３を備える。コンプレッサー２０２により導入された空気は、分岐して一方は燃料電池スタック１ｄに供給され、もう一方はバルブ２０３を介して、燃料電池スタック１ｃに供給される。

また、燃料電池スタック１ｃの陰極と燃料電池スタック１ｄの陽極の、電気的な接続／非接続を切換えるスイッチ４０９を備える。さらに、燃料電池スタック１ｄの陽極と陰極を、固定抵抗４１０を介して電気的に接続または非接続（切り離し）の状態に切換えるスイッチ４１１を備える。固定抵抗４１０は、燃料電池スタック１ｄに水素を導入した際の燃料電池スタック１ｃの燃料電池２当たりの平均電圧が０．７V/cell以下となるような抵抗値を予め実験により設定する。なお、固定抵抗４１０は他の電力消費手段、例えば、可変抵抗、コンデンサー、ヒーター等の電気機器でも構わない。

燃料電池スタック１ｄの陽極からチョッパー４０３やスイッチ４０９に接続する配線には、電流計測手段としてシャント抵抗４１２を備える。シャント抵抗４１２の両端の電圧（Ｖｓ）を検知することによりシャント抵抗４１２を流れる電流値をコントローラ４０１で推定する。バルブ２１９、２２０、コンプレッサー２０２、スイッチ４０９、４１０はコントローラ４０１により制御される。

次に、燃料電池システムの起動ルーチンを図１１のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池システムの起動を指令する信号が入力されたら、ステップＳ２１において、スイッチ４０９、４１１をＯＮとする。つまり、燃料電池スタック１ｄを固定抵抗４１０に接続し、燃料電池スタック１ｄの陽極と、燃料電池スタック１ｄの陰極を接続する。この状態で、ステップＳ２２で、バルブ２２０を開として、燃料電池スタック１ｄに水素を供給する。

水素の導入に伴い、燃料電池スタック１ｄには、酸化剤極１１に残存する酸素量に応じて一時的に起電力が生じる。そのため、燃料電池スタック１ｄを電源として、スイッチ４０９で接続された燃料電池スタック１ｃが、コンデンサーとして機能して帯電する。つまり、燃料電池スタック１ｃの酸化剤極１１に、電子が蓄電される。

また、固定抵抗４１０にもスイッチ４１１を介して電流が流れるので、燃料電池スタック１ｄの燃料電池２当たりの平均電圧の最大値が抑制される。ここでは、燃料電池２の平均電圧の最大値が０．７V/cell以下となるように、固定抵抗４１０を設定する。

燃料電池スタック１ｃが帯電した電荷量に応じて、燃料電池スタック１ｄの酸化剤極１１に存在する空気中の酸素が消費される。その消費度合いに応じて燃料電池スタック１ｄの起電力は小さくなり、やがて酸素の欠乏により起電力がゼロ近傍となる。

次に、ステップＳ２３で、シャント抵抗４１０の両端における電圧（Ｖｓ）から推定される電流値が所定値Ｉ₀以下となるまで待機する。電流値が所定値Ｉ₀以下であるか否かにより、燃料電池スタック１ｄの起電圧が所定値以下であるか、つまりは、酸化剤極１１に酸素が残存しているか否かを判断する。電流値が所定値以下となった場合には、ステップＳ２４で、スイッチ４０９、４１１をＯＦＦとする。次に、ステップＳ２５で、バルブ２２０を開いて燃料電池スタック１ｄに水素を導入し、更にステップＳ２６でバルブ２０３の開度を調整して燃料電池スタック１ｃ、１ｄに供給する空気の分配を調整する。ステップＳ２６で、コンプレッサー２０２を稼動させて燃料電池スタック１ｃと１ｄに空気を導入する。

これにより、燃料電池スタック１ｃ、１ｄには水素と空気がそれぞれ供給され、比較的大きな起電力が発生する。そこで、ステップＳ２７で、燃料電池スタック１ｃ、１ｄが所定の電圧（起電力）に達したか否かを判断し、所定電圧に達したら、ステップＳ２８で、チョッパー４０３の先に接続されたインバータやモータの負荷を増大して、発電を開始する。

このように、燃料電池スタック１ｄに発生する起電力により、燃料電池スタック１ｃをコンデンサーとして蓄電させる。また、燃料電池スタック１ｄに選択的に固定抵抗４１０を有する閉回路を接続することにより、起動時の燃料電池スタック１ｄの起電圧を抑制する。

なお、バルブ２０３の開度調整は、コンプレッサー２０２の稼動後に実施しても構わない。また、固定抵抗４１０で燃料電池２あたりの平均電圧を０．７V/cell以下としたが、可変抵抗等で０．７V/cell以下を維持するシステムや制御方法を用いても良い。

次に、上述のように燃料電池２当たりの平均電圧を、０．７V/cell以下に設定する根拠を説明する。

この数値を限定するにあたり、発明者等は多くの試料や条件において複数回の実験を重ねた上で結論付けた。その代表的な実験結果を図１２に示す。

図１２は、代表的な燃料電池２を使用して、外部直流電源（ポテンシォスタッド）により燃料電池２の酸化剤極１１側に所定の電圧を印加した際に、燃料電池２に流れる電流値（電流密度）を示したものである。

燃料電池２に関し、燃料極１２側には各温度において湿度が１００％となるように加湿した水素を、酸化剤極１１側には各温度において湿度が１００％となるように加湿した窒素をそれぞれ供給した。作用極を酸化剤極１１、参照極を燃料極１２として、燃料極１２に対して酸化剤極１１に所定の電圧を印加した。電流値は、印加直後に流れる電気二重層へのチャージ分（後述）は除き、所定時間経過後の安定した電流値をプロットした。このようなプロットを、２５℃、５０℃、７０℃、９０℃に設定された燃料電池２それぞれについて実験した。

この結果より、燃料電池２を７０℃と９０℃に設定した際に、印加電圧が０．７Ｖを超えると燃料電池２内に流れる電流値が加速的に増大することが確認された。これは、燃料電池２当たりの電圧が０．７Ｖを超えた場合、燃料極１２でカーボンの腐食反応が生じるためである。そこで、印加電圧を０．７Ｖ以下に設定することで、燃料極１２の酸化腐食を抑制し、燃料電池２の耐久性を維持する。

なお、違う仕様の膜電極複合体を含む他の燃料電池２でも実験を繰り返し行ったが、図４に示す代表的な実験結果と同様の傾向を示した。

また、図１３には上記の実験において燃料電池２に１．５Vの電圧を印加した時点から燃料電池２に流れる電流値（電流密度）の経時変化を示す。

印加直後、一時的に電流は多く流れるが、その後、急激に低下し安定する。この電流の急上昇は、上述した電気二重層へのチャージが支配的であり、後半の安定した電流値は作用極の腐食電流及び水の電気分解で発生する電流である。この後半の電流値をプロットしたのが、先程の図１２に示した結果である。このように、電流値は所定時間後に飽和するため、図１３に示すような後半の安定した電流値に応じた所定値を予め実験で求めておき、ステップＳ２３で、検知または推定された電流値が所定値以下となったら、ステップＳ２４でスイッチ４０９、４１１をＯＦＦにする。燃料電池スタック１ｃに流れる電流値が所定値以下であるかを判定基準とする（Ｓ２３）ことにより、第１の燃料電池スタック１ｄに十分蓄電された状態を正確、かつ、容易に判断することができる。

このように、燃料電池スタック１ｄは、起動時に起電力を抑制するための固定抵抗４１０と、固定抵抗やコンデンサーの役割を担う第１の燃料電池スタック１ｃを備え、燃料電池スタック１ｄに水素が導入された際に生じる電子を消費する。このため、燃料電池スタック１ｄの起電力を抑制することができる。

また、燃料電池スタック１ｃは、燃料電池スタック１ｄで生じた電力を帯電した状態で、水素が供給されるため、酸化剤極１１におけるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料電池スタック１ｃの陽極と、燃料電池スタック１ｄの陰極とを、電気的に直列に積層して一つの燃料電池スタックを構成する。このように、燃料電池スタック１ｃ、１ｄで一つの燃料電池スタック１００を構成している場合にも、同様に、燃料電池スタック１ｃと１ｄの触媒劣化を抑制することができる。

なお、ここでは、燃料電池ユニットを用いたが、第３の実施形態と同様に、複数の燃料電池スタックを用いてもよい。

次に、第５の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１４を用いて説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第１の燃料電池スタック１ｅと第２の燃料電池スタック１ｆを備える。燃料電池スタック１ｅを、Ｎ個の燃料電池２を積層して構成し、燃料電池スタック１ｆを、Ｎ×０．６個の燃料電池２を積層して構成する。つまり、燃料電池スタック１ｅに積層されている燃料電池２の数（Ｎ）に対して、燃料電池スタック１ｆはその６０％の燃料電池２から構成される。尚、各燃料電池スタック１ｅと１ｆの発電有効面積は同一である。

また、水素供給機構２１を以下のように構成する。

水素ボンベ２１１からは、流量コントローラ２１３を介して、燃料電池スタック１ｆに水素を導入する。燃料電池スタック１ｆの燃料極１２側の後流には、気水分離器２２３を備える。燃料電池スタック１ｆから排出された燃料ガスは、気水分離器２２３で水よりなる液相と水素を含む気相に分離され、さらに気相の水素は燃料電池スタック１ｅの燃料ガス流路１４に導入される。つまり、燃料スタック１００ｆの燃料ガス流路１４の出口側と、第１の燃料電池スタック１ｅの燃料ガス流路１４の入口側を連通する配管２２４を備える。気液分離器２２３に溜まった凝縮水は、バルブ２２２を介して選択的に排出され、燃料電池システムで再利用される。

つまり、本実施形態では、水素は、燃料電池スタック１ｆで発電に用いられ、その後、燃料電池スタック１ｅで発電に用いられるため、水素供給機構２１が比較的簡単な構成となる。

次に、図１５を用いて、燃料電池システムの起動方法を説明する。

ステップＳ３１〜Ｓ３４は、ステップＳ１〜Ｓ４と同様とする。つまり、ステップＳ３１でスイッチ４０２をＯＮとして、ステップＳ３２で流量コントローラ２１３を調整して第２の燃料電池スタック１ｆに水素の供給を開始する。導入される水素量を第２の燃料電池スタック１ｆ内で消費される範囲内に設定するのが好ましい。これにより、燃料電池スタック１ｆを電源として、接続された燃料電池スタック１ｅを帯電させる。ステップ３３で所定時間ｔ₁が経過したか否かを判断する。ステップＳ３３では、所定時間ｔ₁が経過したか否かによって、帯電を終了するか否かを判定しているが、所定時間ｔ₁は、第２の燃料電池スタック１ｅに水素が完全に導入されるまでの時間に設定する。ステップＳ３４でスイッチ４０２をＯＦＦとする。

ステップＳ３５で、コンプレッサー２０２ｆを稼動して燃料電池スタック１ｆに空気を導入する。ここで、燃料電池スタック１ｆには起電力が発生する。ステップＳ３６で、水素の供給を開始して（Ｓ３２）から、所定時間ｔ₂が経過したか否かを判断する。ただし、ｔ₁＜ｔ₂に設定する。所定時間ｔ₂は、水素の供給ラインの容量、気水分離器２２３の気相容量、水素供給流量等の要素から決定される。

所定時間ｔ₂が経過するまで待機し、経過したら、ステップＳ３７でコンプレッサー２０２ｅを稼動させて燃料電池スタック１ｅに空気を導入する。ここで、燃料電池スタック１ｅにも水素と空気がそれぞれ供給されたため、燃料電池スタック１ｅ、１ｆにおいて、比較的大きな起電力が発生する。ステップＳ３８で、燃料電池スタック１ｅ、１ｆが所定の電圧（起電力）に達したことが確認されたら、ステップＳ３９で、チョッパー４０３の先に接続したインバータやモータの負荷を増大して、発電を開始する。

このように、燃料電池スタック１ｆを構成する燃料電池２の積層数を、燃料電池スタック１ｅを構成する燃料電池２の積層数の６０％とする。これにより、燃料電池スタック１ｆに水素を導入した際に生じる最大起電力（平均１．２V/cell）を考慮すると、燃料電池スタック１ｅに印加される燃料電池２の平均電圧の最大値は、１．２×０．６＝０．７２V/cellに抑制することができる。

燃料電池スタック１ｆを構成する燃料電池２の積層数を、燃料電池スタック１ｅを構成する燃料電池２の積層数に対して６０％以下とする。これにより、燃料電池スタック１ｅの酸化剤極１１において酸化腐食をさらに抑制することができる。

また、水素ボンベ２１１により、燃料電池スタック１ｆに燃料ガスを供給し、その後、燃料電池スタック１ｆから排出された燃料ガスを燃料電池スタック１ｅに供給する。これにより、配管を少なくして簡素な構成とすることができ、よりコンパクトで省力化が可能な燃料電池システムを得ることができる。

なお、ここでは、複数の燃料電池スタック１ｅ、１ｆを用いたが、複数の燃料電池ユニットを用いた場合に適用しても良い。

次に、第６の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１６を用いて説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料電池スタック１ｇと燃料電池スタック１ｈを備える。高圧水素ボンベ２１１から流量コントローラ２１３を介して燃料電池スタック１ｈに水素が供給される。燃料電池スタック１ｈを通った水素は、バルブ２２５を介して燃料電池スタック１ｇに供給される。燃料電池スタック１ｇで発電に用いられた後、燃料排ガスとして排出される。つまり、燃料電池スタック１ｈの燃料ガス流路１４の出口側と、燃料電池スタック１ｇの燃料ガス流路１４の入口側を連通する配管２２４を備え、配管２２４にバルブ２２５を備える。また、配管２２４は、一部で分岐してバルブ２２６を介して外部に接続する。バルブ２２６を開とすることで、水素配管中に生じた凝縮水を排出可能に構成する。

また、コンプレッサー２０２により昇圧された空気は、燃料電池スタック１ｈに供給され、発電に用いられた後、燃料電池スタック１ｇに供給される。燃料電池スタック１ｈと燃料電池スタック１ｆを接続する配管は、一部で分岐してバルブ２０４を介して外部に接続する。バルブ２０４を開とすることで、空気配管中に生じた凝縮水を排出可能に構成する。

また、燃料電池スタック１ｈの陰極と、燃料電池スタック１ｇの陽極が常時接続されており、燃料電池スタック１ｈの陽極と燃料電池スタック１ｇの陰極から電力を取り出す。また、燃料電池スタック１ｈの陽極と燃料電池スタック１ｇの陰極との間の、電気的な接続／非接続を切換えるスイッチ４０４を備える。さらに、スイッチ４０４は、スイッチ４０４を流れる電流を検出する電流計測手段としてクランプメーター４０６を備え、クランプメーター４０６により検出した電流値をコントローラ４０１により送ることにより、燃料電池スタック１ｇの帯電状態を判定することができる。

次に、上記燃料電池システムの起動ルーチンを、図１７のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池システムの起動を指示する信号が入力されたら、ステップＳ４１において、スイッチ４０４をＯＮとする。ステップＳ４２で、バルブ２２５の開度を０より大きい最小制御値とし、僅かな水素が流れる開度とする。ステップＳ４３で、流量コントローラ２１３を調整して燃料電池スタック１ｈに水素を導入する。水素導入に伴い、燃料電池スタック１ｈには酸化剤極１１に存在する酸素量に応じて一時的に起電力が生じる。そのため、燃料電池スタック１ｈが電源となり、接続された燃料電池スタック１ｇはコンデンサーとして機能して帯電する。つまり、第１の燃料電池スタック１ｈの酸化剤極１１（陰極）には、電子が蓄電される。

この時、燃料電池スタック１ｈの酸化剤極１１に残存した空気中の酸素は消費され、その消費度合いに応じて燃料電池スタック１ｈの起電力は小さくなり、やがて酸素の欠乏により起電力がゼロ近傍となる。そこで、ステップＳ４４で、クランプメーター４０６から読み取る電流値が所定値以下となったか否かを判断し、電流値が所定値以下となったら、ステップＳ４５でスイッチ４０４をＯＦＦとして、電気的接続を解除する。

ステップＳ４６で、バルブ２２５の開度を最大として、燃料電池スタック１ｇに水素を導入し、ステップＳ４７で、コンプレッサー２０２を稼動させて燃料電池スタック１ｇ、１ｈそれぞれに空気を導入する。以下、第３の実施形態と同様とする。

このように、燃料電池スタック１ｈの燃料ガス流路１４の出口側と、燃料電池スタック１ｇの燃料ガス流路１４の入口側を配管２２４で接続した際に、配管２２４にバルブ２２５を備える。これにより、燃料電池スタック１ｈから燃料電池スタック１ｇに導入される水素量を抑制することができる。また、燃料電池スタック１ｈに水素を供給してから、燃料電池スタック１ｇに水素を供給するまでの時間遅れを調整することができる。その結果、燃料電池スタック１ｇが帯電した状態で、水素の供給を開始する制御をより確実に行うことができる。

加えて、燃料電池スタック１ｇに流れる電流値が所定値以下であるかを、燃料電池スタック１ｇの帯電状態が十分であるかどうかの判断基準とすることにより、燃料電池スタック１ｇに十分に蓄電された状態を正確かつ容易に判断することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。

燃料電池スタック１ｈから燃料電池スタック１ｇに燃料ガスを供給する配管２２４にバルブ２２５を備え、燃料電池スタック１ｈに燃料ガスが供給されている場合に、燃料電池スタック１ｇに供給する燃料ガスの流量、または、燃料電池スタック１ｈに燃料ガスが供給されてから燃料電池スタック１ｇに燃料ガスを供給するまでの時間の少なくとも何れかを、バルブ２２５により調整する。燃料電池スタック１ｈから燃料電池スタック１ｇに燃料ガスが供給される比較的簡単な構成としたときにも、燃料電池スタック１ｈに燃料ガスを供給するタイミングと燃料電池スタック１ｇに燃料ガスを供給するタイミングとの差を制御することができる。

スイッチ４０４に流れる電流値に応じて、スイッチ４０４を非接続の状態に切り替える（Ｓ４４）。これにより、燃料電池スタック１ｇに十分な電荷が帯電されたか否かを簡単に、かつ、正確に判断することができる。

なお、ここでは、複数の燃料電池スタック１ｇ、１ｈを用いたが、複数の燃料電池ユニットを用いた場合に適用しても良い。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、燃料電池システムに関する。特に、起動と停止が頻繁に繰り返される車両の動力として用いる燃料電池システムに適用することで、適切な効果を得ることができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。燃料電池で触媒劣化反応が生じる状態を示す図である。第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図を示す図である。第１の実施形態による起動ルーチンを示すフローチャートである。第１の実施形態による起動時の燃料電池内の帯電状態を示す図である。第２の実施形態に用いる燃料電池スタックの外観図である。第２の実施形態に用いる燃料電池スタックの別の例を示す図である。第３の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。第３の実施形態による起動ルーチンを示すフローチャートである。第４の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。第４の実施形態による起動ルーチンを示すフローチャートである。第４の実施形態の燃料電池における電流密度とセル電圧の関係を示す図である。第４の実施形態における電流密度の経時変化を示す図である。第５の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。第５の実施形態による起動ルーチンを示すフローチャートである。第６の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。第６の実施形態による起動ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池スタック（第１の燃料電池スタック）
１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ燃料電池スタック（第１の燃料電池スタック）
１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈ燃料電池スタック（第２の燃料電池スタック、帯電手段）
２燃料電池
１１酸化剤極
１２燃料極
２１水素供給手段
２２５バルブ（絞り機構）
３０１バッテリ（帯電手段）
３０３、３０４リレー（正極／負極切替手段）
４０２、４０４、４０９スイッチ（接続／非接続切替手段）
６０１電気二重層キャパシタ（第二のキャパシタ）
５１１ガスケット

Claims

酸化剤極と燃料極を有する燃料電池を一つ以上備えた第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する第１の燃料供給手段と、
前記燃料極を正として前記燃料電池が所定の電荷量だけ蓄電するように前記第１の燃料電池スタックを帯電させる帯電手段を備え、
起動時に、前記帯電手段で前記第１の燃料電池スタックを帯電させた後、燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記所定の電荷量を、前記燃料電池の表面積１ｃｍ²当たり１Ｃ以下とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に供給する燃料ガスの線流速を、０．２〜５０ｍ／ｓｅｃとする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記帯電手段として、蓄電池を備え、
前記蓄電池により前記第１の燃料電池スタックを帯電させ、その後、前記第１の燃料電池スタックから前記蓄電池を電気的に切り離して、前記第１の燃料電池スタックを起動する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記蓄電池と前記第１の燃料電池スタックとの間で、正極と負極の接続を切り替える正極／負極切替手段を備え、
前記第１の燃料電池スタックの運転時には、前記蓄電池を前記第１の燃料電池スタックで生じた過剰電力を蓄電する蓄電手段として使用し、
前記第１の燃料電池スタックの起動時には、前記蓄電池を前記第１の燃料電池スタックを帯電させる帯電手段として使用するように、前記正極／負極切替手段を制御する正極／負極切替制御手段を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
前記帯電手段として、第１のキャパシタを備える請求項１から３の何れか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池毎に並列して第２のキャパシタを備える請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記第２のキャパシタとして、前記燃料電池の発電面の外縁に沿って、ガス漏れを防止し、誘電体よりなるガスケットを備える請求項７に記載の燃料電池システム。
前記第２のキャパシタの静電容量を、
０＜Ｃ＜５[Ｆ／ｃｍ²]
とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
前記帯電手段として、少なくとも一つ以上の前記燃料電池を備えた第２の燃料電池スタックを備え、
また、前記第２の燃料電池スタックに燃料ガスを導入する第２の燃料供給手段と、
前記第２の燃料電池スタックの陽極が、前記第１の燃料電池スタックの陰極に接続し、前記第２の燃料電池スタックの陰極が、前記第１の燃料電池スタックの陽極に接続した閉ループを形成するように、前記第２の燃料電池スタックの陽極と前記第１の燃料電池スタックの陰極との間の接続と非接続を切り替える接続／非接続切替手段と、を備え、
起動時には、前記接続／非接続切替手段を接続した状態で、前記第２の燃料電池スタックに燃料ガスを供給することにより前記第１の燃料電池スタックを帯電させ、その後、前記接続／非接続切替手段を非接続とした状態で、前記第１の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックの陽極と、前記第２の燃料電池スタックの陰極とを、電気的に直列に積層して一つの燃料電池スタックを構成する請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記第２の燃料電池スタックが前記第１の燃料電池スタックに印加する電圧を、前記燃料電池当たり０．７Ｖ／ｃｅｌｌ以下とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記第２の燃料電池スタックを構成する前記燃料電池の積層数を、前記第１の燃料電池スタックを構成する前記燃料電池の積層数に対して６０％以下とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記第２の燃料供給手段は、前記第２の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する手段であり、
前記第１の燃料供給手段は、前記第２の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記第１の燃料電池スタックに導入するラインである請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記ラインに絞り機構を備え、
前記第２の燃料電池スタックに燃料ガスが供給されている場合に、前記第１の燃料電池スタックに供給する燃料ガスの流量、または、前記第２の燃料電池スタックに燃料ガスが供給されてから前記第１の燃料電池スタックに燃料ガスを供給するまでの時間の少なくとも何れかを、前記絞り機構により調整する請求項１４に記載の燃料電池システム。
前記接続／非接続切替手段に流れる電流値に応じて、前記接続／非接続切替手段を非接続の状態に切り替える請求項１０から１５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。