(57)【要約】【課題】高価な過酸化物ラジカルの分解触媒を用いることなく、燃料電池の電解質の劣化を効果的に抑制する。【解決手段】燃料電池を含む燃料電池システムであって、イオン交換可能な電解質膜を有するセルを介して酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、電解質膜に対して架橋可能な金属イオンを溶出可能な所定の金属材料で形成され、燃料電池での電気化学反応によって生成された生成水の少なくとも一部を貯留する金属タンクと、金属タンクに貯留されている貯留生成水を、燃料電池における電解質膜に対して添加する生成水添加部と、を備える。【選択図】図１
2010020931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換可能な電解質膜を有するセルを介して酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
前記電解質膜に対して架橋可能な金属イオンを溶出可能な所定の金属材料で形成され、前記燃料電池での電気化学反応によって生成された生成水の少なくとも一部を貯留する金属タンクと、
前記金属タンクに貯留されている貯留生成水を、前記燃料電池における電解質膜に対して添加する生成水添加部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記生成水添加部は、前記酸化剤を前記電解質膜に供給するための酸化剤供給通路、および前記燃料を該電解質膜に供給するための燃料供給通路のうち少なくとも一方の通路を介して、該電解質膜に前記貯留生成水を添加する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池において、燃料が供給される側の燃料極と酸化剤が供給される側の酸化剤極との間で、前記電気化学反応に供されないガスの透過量が所定値を超えるとき、前記生成水添加部による前記貯留生成水の添加が行われる、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力における開回路電圧が所定電圧を下回ったとき、前記ガスの透過量が前記所定値を超えたと判断され、前記生成水添加部による前記貯留生成水の添加が行われる、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として固体高分子型の燃料電池が注目されている。この燃料電池では電解質に炭化水素系電解質やフッ素系電解質等、種々の電解質が検討されている。しかし、これらの電解質は、過酸化物ラジカルによる劣化を多かれ少なかれ受けるため、使用とともに燃料電池の出力性能が低下していく。
【０００３】
そこで、このような電解質の劣化を抑制するために過酸化物ラジカルの分解を行う分解触媒を電解質に添加する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術では、過酸化物ラジカルに対して分解作用を及ぼす所定の炭酸塩を電解質や電極に固定し、または燃料電池に至る加湿経路に当該炭酸塩を固定することで、燃料電池における電解質の劣化抑制を図り、以て燃料電池の性能維持が図ろうとするものである。
【０００４】
また、特許文献２に開示された技術では、固体高分子型燃料電池において、電解質を形成するイオン交換膜の水透性の低下状態をその抵抗値に基づいて判断し、水透性の低下が見られるときは燃料電池の運転停止後にイオン交換膜を酸洗することで、該イオン交換膜の性能が回復され、以て燃料電池の性能維持が図ろうとするものである。このように燃料電池の電解質膜の性能低下を回避する種々の技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１３４６７８号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池において、電解質の過酸化物ラジカルによる劣化を抑制するためには、確かに過酸化物ラジカルに対して分解作用を発揮する分解触媒の使用は有用である。しかし、一度、この分解触媒を電解質に添加しても、使用とともに分解触媒の濃度が低下していくため、電解質の劣化を確実に抑制するには継続的な分解触媒の添加が必要となる。しかし、この過酸化物ラジカル分解触媒は、極めて高価なものであるので、その多用は好ましくない。一方で、過酸化物ラジカルは燃料電池における電気化学反応に起因して生じるものであり、燃料電池による効率的な発電の観点からも過酸化物ラジカルによる電解質劣化の対策は不可避的なものである。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高価な過酸化物ラジカルの分解触媒を用いることなく、燃料電池の電解質の劣化を効果的に抑制することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、燃料電池内の電解質に対して架橋が可能な金属イオンで形成されたタンクを設置し、その内部に貯留された水に当該金属イオンが溶出した状態で、それを燃料電池の電解質側に添加することにする。その結果、電解質を構成するイオン交換膜に対し上記金属イオンが架橋作用を及ぼし、電解質の膜強度の向上が図られ、以て過酸化物ラジカルによる劣化に対応可能となる。
【０００８】
そこで、詳細には、本発明は、燃料電池システムであって、イオン交換可能な電解質膜を有するセルを介して酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって発電
を行う燃料電池と、前記電解質膜に対して架橋可能な金属イオンを溶出可能な所定の金属材料で形成され、前記燃料電池での電気化学反応によって生成された生成水の少なくとも一部を貯留する金属タンクと、前記金属タンクに貯留されている貯留生成水を、前記燃料電池における電解質膜に対して添加する生成水添加部と、を備える。
【０００９】
上記燃料電池システムでは、発電のための電気化学反応によって生じた生成水の少なくとも一部は、システム外に排出されるのではなく、金属タンク内に貯留される。その結果、貯留された生成水（貯留生成水）には、金属タンクを形成する所定の金属の一部が金属イオンの形で溶出し、該金属イオンを含む溶液が生成されることになる。ここで、この金属タンクの材料である所定の金属は、燃料電池の電解質膜に使用されているイオン交換膜に対して、架橋可能な金属である。即ち、該金属は、燃料電池のイオン交換膜のイオン交換基部分に取り込まれることで、そのイオン交換基同士の架橋を形成するものである。
【００１０】
そのため、生成水添加部による貯留生成水の添加が行われると、それに含まれる金属イオンが燃料電池の電解質膜に供給され、以て電解質膜内でのイオン交換基の架橋が形成される。その結果、過酸化物ラジカルによって劣化された電解質膜の再生を図ることが可能となり、例えば、電解質膜強度の向上、いわゆるクロスリークガス量の低減等、電解質膜の劣化に起因する弊害を抑制することができる。
【００１１】
また、上記燃料電池システムにおいて、前記生成水添加部は、前記酸化剤を前記電解質膜に供給するための酸化剤供給通路、および前記燃料を該電解質膜に供給するための燃料供給通路のうち少なくとも一方の通路を介して、該電解質膜に前記貯留生成水を添加するように構成してもよい。このように燃料電池に既存の燃料供給通路又は酸化剤供給通路を利用することで、当該システムの構築に際して余計な構成を追加する必要がなく、また上記通路を介することで、電解質膜に確実に上記金属イオンを含む貯留生成水を届けることができる。
【００１２】
ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記燃料電池において、燃料が供給される側の燃料極と酸化剤が供給される側の酸化剤極との間で、前記電気化学反応に供されないガスの透過量が所定値を超えるとき、前記生成水添加部による前記貯留生成水の添加が行われるように構成してもよい。
【００１３】
過酸化物ラジカルによる電解質の劣化に起因して、燃料極と酸化剤極との間で、発電のための電気化学反応に供されないガスの透過、いわゆるクロスリークが発生し、当該劣化の程度が大きくなるほど、そのクロスリーク量は増加する傾向がある。このクロスリークが生じると、燃料電池に供給された燃料や酸化剤が無駄に消費されるため、結果的に燃料電池の発電効率の低下につながる。そこで、このクロスリーク量をパラメータとして、過酸化物ラジカルによる電解質の劣化の程度を判断することで、的確なタイミング、即ち、電解質の劣化を修正する必要のあるタイミングで、貯留生成水の添加を行うことができ、以て燃料電池の発電性能の維持に資する。
【００１４】
また、上記クロスリーク量の検出については、燃料電池の出力における開回路電圧を利用することができる。これは、クロスリーク量が増加することで燃料電池の開回路電圧が低下してくることを利用するものである。そこで、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力における開回路電圧が所定電圧を下回ったとき、前記ガスの透過量が前記所定値を超えたと判断され、前記生成水添加部による前記貯留生成水の添加が行われるように構成してもよい。即ち、開回路電圧が所定電圧を下回ったことをもって、クロスリーク量が貯留生成水添加開始の閾値である所定値を超えた判断するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムによれば、高価な過酸化物ラジカルの分解触媒を用いることなく、燃料電池の電解質の劣化を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電システム１０は、移動体である車両の駆動装置である駆動モータに対して電力を供給する供給源として、船舶やロボット等の車両以外の移動体での電力供給源として、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対する電力供給源として採用が可能である。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１０は、固体高分子型の燃料電池１を有し、燃料としての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１のアノードに水素供給路２１を介して燃料を供給する高圧水素タンク２が設けられている。この高圧水素タンク２には、その内圧を調整するための調整弁３が設けられ、また高圧水素タンク２から水素供給路２１への供給は、供給バルブ４の開閉に従って行われる。更に、水素供給路２１の途中には流量計３が設けられ、これにより燃料電池１に供給される水素の流量が検出される。
【００１８】
そして、燃料電池１のアノードに供給された水素は、後述するカソードへの供給酸化剤との電気化学反応に供されることで、該燃料電池での発電が行われる。その後、燃料電池１のアノードから排出されるアノードオフガスは、オフガス排出路２２に送り込まれ、その一部は減圧装置２３を経て外部へ排気される。また、このアノードオフガスには供給された水素であって燃料電池での電気化学反応に供される使用されなかった水素が含まれているため、これを効率的に使用するために、バイパス路２５が、オフガス排出路２２から水素供給路２１に向かって分岐して設けられている。このバイパス路２５にはポンプ２４が設置されており、これによりバイパス路２５を流れる水素を含むオフガスの流量が調整される。
【００１９】
次に、燃料電池１のカソードには、酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ６が設けられている。コンプレッサ６によって圧縮空気が空気供給路２６を介して、燃料電池１へ供給される。そして、上記供給された水素とこの圧縮空気中の酸素が燃料電池１の電解質を介して電気化学反応を起こすことで、発電が行われる。以下に、その電気化学反応の反応式を示す。
（アノード）：２Ｈ2  →  ４Ｈ+＋４ｅ-
（カソード）：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ
【００２０】
このようにカソード側では、発電のための電気化学反応において水が生成され、これを以下では単に「生成水」と呼ぶ。カソードからのオフガスは、オフガス排出路２７に送り込まれ、その一部は減圧装置３４を経て外部に排気される。また、このカソード側のオフガスには、上記生成水や、図には示されていないが固定高分子型の燃料電池である燃料電池１の電解質を、良好な発電のために湿潤させる加湿装置から供給された水分が含まれている。そこで、燃料電池１から排出されたカソード側のオフガスから、そこに含まれている水分を分離させるために気液分離器３３が、オフガス排出路２７上に設けられている。この気液分離器３３によって分離された生成水等は、生成水収集路２８を経て金属製のタンク３１内に集められる。
【００２１】
ここで、金属タンク３１を構成する金属は、燃料電池１の電解質を形成するイオン交換膜に対して、架橋可能な金属である。即ち、該金属は、燃料電池１のイオン交換膜のイオン交換基部分に取り込まれることで、そのイオン交換基同士の架橋を形成するものである。例えば、燃料電池１のイオン交換膜としてナフィオン（Nafion）（登録商標）が使用さ
れている場合、それに対する架橋可能な金属である鉄、アルミ、SUS、銅等によって金属
タンク３１を形成すればよい。
【００２２】
このように金属タンク３１が所定の金属で形成されることによって、そこで生成水等が貯留されると、その中に金属タンク３１を形成する金属がイオンの形で溶出し、結果として金属イオンを含む生成水等となる。なお、この金属タンク３１の容量も限られているため、必要以上の生成水は、調整バルブ３２の開閉に従ってタンク内から外部に排水される。
【００２３】
ここで、上記金属イオンを含む生成水等が、空気供給路２６を介して燃料電池１の電解質に対して供給可能となるように、金属タンク３１と空気供給路２６が連結路２９によって連結されている。そして、この連結路２９を流れる、金属イオンを含む生成水等の量は、調整バルブ３０によって制御される。
【００２４】
そして、連結路２９及び空気供給路２６を介して燃料電池１のカソードに供給された金属イオンを含む生成水等は、燃料電池１のセル内の電解質であるイオン交換膜に至る。すると、イオン交換膜中のイオン交換基部分にその金属イオンが取り込まれ、架橋状態が形成されることになる。すると、イオン交換膜の強度が上昇し、当該膜の破損等が予防もしくは回復され、以て燃料電池１におけるクロスリークを抑制、低減することが可能となる。
【００２５】
このように構成される燃料電池システム１０には、システム全体の運転制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が備えられている。ＥＣＵ８は、図示しない出力要求受付部（燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、アクセルペダルの開度を検知する開度センサがこれに相当する。）が受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池１出力を制御するべく、コンプレッサ６による圧縮空気の供給や、高圧水素タンク２からの水素の供給が制御される。それとともに、ＥＣＵ８は、燃料電池１におけるクロスリークの抑制、低減を図るために、上記金属タンク３１内に貯留されている生成水等を燃料電池１に添加する制御も行う。そこで、ＥＣＵ８によって行われる生成水添加制御について、図２に基づいて説明する。図２に示す生成水制御は、ＥＣＵ８によって、所定のタイミングで、例えば一定間隔のタイミングで実行される。
【００２６】
先ず、Ｓ１０１では、発電を行っている燃料電池１から排出されるカソードオフガスに含まれる生成水等の金属タンク３１内への貯留が行われる。オフガス中の生成水等は、気液分離器３３によってオフガスから分離された上で、金属タンク３１内に貯留され、このとき調整バルブ３０は閉弁状態とされる。また、Ｓ１０１の処理は、金属タンク３１内の容量が許す限り、燃料電池１の運転中は継続される。
【００２７】
次に、Ｓ１０２では、燃料電池１のセルの開回路電圧が検出される。具体的には、燃料電池１のセルの開回路電圧を検出する電圧センサ７がＥＣＵ８に接続されており、ＥＣＵ８は当該電圧センサ７の検出値を取得する。この取得された開回路電圧は、燃料電池１のセルにおける過酸化物ラジカルによる電解質の劣化の程度を示すパラメータである。過酸化物ラジカルによって電解質の劣化が進行すると、燃料電池１のアノード側とカソード側との間で、燃料の水素ガス等が対極側の電極に透過するクロスリーク量が増加する傾向にある。このクロスリークによって透過した水素ガス等は、アノードとカソードの両電極間における電気化学反応には供されないため、燃料電池１の発電効率を低下させる大きな要因となる。そこで、Ｓ１０３以降の処理においては、電解質の劣化に起因して燃料電池１の発電性能の低下の回避処理が行われる。
【００２８】
Ｓ１０３では、Ｓ１０２で検出された燃料電池１のセルの開回路電圧が基準値Ｖ０より
も低いか否かが判定される。この基準値Ｖ０は、上記のようにクロスリークにより低下した燃料電池１の発電性能を示す閾値である。ここで肯定判定されるとＳ１０４へ進み、否定判定されると本生成水添加制御を終了する。
【００２９】
Ｓ１０４では、燃料電池１の運転が停止されているか否かが判定される。ここで燃料電池１の運転が停止されていると判定されると、Ｓ１０５へ進み、調整バルブ３０が開弁され、金属タンク３１内に貯留されていて且つ該タンクを形成する金属のイオンが溶出している貯留生成水が、空気供給路２６に添加される。そして、この添加された貯留生成水は、空気供給路２６を経て、カソードを介して燃料電池１のセルの電解質まで到達する。その結果、該電解質を形成するイオン交換膜のイオン交換基部分に該金属イオンが取り込まれ、イオン交換基部分同士の架橋が形成されることになる。
【００３０】
なお、Ｓ１０４で否定判定されると、そこで肯定判定が行われるまで、処理はＳ１０５には進まない。
【００３１】
このように本生成水添加制御によると、燃料電池１において電解質の劣化がある程度進み、その回復を図る必要がある適正なタイミングにて、金属タンク３１内に貯留されている生成水等が燃料電池１の電解質に提供されることになる。その結果、電解室内でイオン交換基部分の架橋が進み、電解質の機能回復が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムで実行される、生成水添加制御のためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・・燃料電池
２・・・・水素高圧タンク
６・・・・コンプレッサ
７・・・・電圧センサ
８・・・・電子制御装置（ＥＣＵ）
３０・・・・調整バルブ
３１・・・・金属タンク
３３・・・・気液分離器
【図１】
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【図２】
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