(57)【要約】【課題】膜電極接合体のアノード側に生成される炭酸ガスによって発電電力が低下することを抑制する技術を提供することを課題とする。【解決手段】炭化水素系の燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システム１であって、陰イオンを透過する電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体７であって、陰イオンと反応して炭酸ガスを生成する化合物を含む炭化水素系の燃料と酸化剤が供給されると発電する膜電極接合体７と、アノード側の触媒電極の表面のうち燃料との境界に付着する、電気化学反応によって生成された炭酸ガスの気泡を、炭酸ガスの気泡とアノード側の触媒電極との間に力を加えてアノード側の触媒電極の表面から分離するガス分離手段４，５と、を備える。【選択図】図１
2010003607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
陰イオンを透過する電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体であって、該膜電極接合体のアノード側の触媒電極に陰イオンと反応して炭酸ガスを生成する化合物を含む前記炭化水素系の燃料が供給され、且つ該膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤が供給されると発電する膜電極接合体と、
前記アノード側の触媒電極の表面のうち前記燃料との境界に付着する、前記電気化学反応によって生成された前記炭酸ガスの気泡を、該炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から分離するガス分離手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記膜電極接合体を積層した積層体である燃料電池スタックを備え、
前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のアノード側の触媒電極に前記燃料を供給する、前記燃料電池スタックの表面に固定された燃料供給ポンプを有し、該燃料供給ポンプの駆動に伴い生ずる振動で該燃料電池スタックを揺らすことで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給ポンプは、ポンプの回転軸の方向と前記燃料電池スタックの積層方向とが略直交するように該燃料電池スタックの表面に固定される、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記膜電極接合体を積層した積層体である燃料電池スタックを備え、
前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤を含む空気を供給する、前記燃料電池スタックの表面に固定された空気ファンを有し、該空気ファンの駆動に伴い生ずる振動で該燃料電池スタックを揺らすことで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離する、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のアノード側の触媒電極に前記燃料を供給する燃料供給ポンプを有し、該燃料供給ポンプの回転数を増減して該燃料の流速を変更することで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離する、
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体の電気出力が低下すると、前記燃料供給ポンプの回転数を増減する、
請求項５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燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。燃料電池の電気化学反応は、イオン交換膜を陽イオンや陰イオンが透過することで実現される。
【０００３】
ここで、陽イオンを透過する酸性の電解質膜によって電気化学反応を実現する場合、強酸性の環境下においても優れた耐食性を発揮する白金等の貴金属触媒を使う必要がある。しかし、貴金属触媒は希少であるため、量産化やコスト削減の観点から、卑金属触媒を使った電気化学反応によって燃料電池の発電が実現されることが望まれる。そこで、触媒に耐食性を要しないアルカリ性の電解質膜で陰イオンを透過し、電気化学反応を実現する燃料電池の開発が望まれる。例えば、特許文献１には、アニオン透過膜を使った燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−２９４２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
陰イオンを透過する電解質膜を使った膜電極接合体のカソード側へ酸化剤を与え、陰イオンと反応して炭酸ガスを生成する化合物を含む炭化水素系の燃料をアノード側へ与えると、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ透過した陰イオンによってアノード側の燃料が反応し、炭酸ガスを生成する。アノード側の電極触媒に炭酸ガスが付着すると、燃料と陰イオンの電気化学反応が阻害されて電気出力が低下する。本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、膜電極接合体のアノード側に生成される炭酸ガスによって発電電力が低下することを抑制する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、炭酸ガスの気泡と触媒電極との間に力を加えて該触媒電極の表面から炭酸ガスの気泡を分離する。
【０００６】
詳細には、炭化水素系の燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、陰イオンを透過する電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体であって、該膜電極接合体のアノード側の触媒電極に陰イオンと反応して炭酸ガスを生成する化合物を含む前記炭化水素系の燃料が供給され、且つ該膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤が供給されると発電する膜電極接合体と、前記アノード側の触媒電極の表面のうち前記燃料との境界に付着する、前記電気化学反応によって生成された前記炭酸ガスの気泡を、該炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から分離するガス分離手段と、を備える。
【０００７】
上記燃料電池システムは、膜電極接合体のアノード側に炭化水素系の燃料を供給して発電することを前提としている。なお、本願において、炭化水素系の燃料とは、水酸化物イオン等の陰イオンと反応して二酸化炭素を発生する化合物を含む燃料であって、炭素原子と水素原子のみで構成される化合物である炭化水素のみならず、炭素原子及び水素原子以外の原子を有する化合物を含み得る燃料である。このような燃料を膜電極接合体のアノード側に供給し且つ酸化剤をカソード側に供給すると、カソード側で生成された陰イオンが電解質膜を透過してアノード側へ流れ、燃料と反応して炭酸ガスが不可避的に生成される
。液体の燃料或いは反応生成水が付着することで液相になっている膜電極接合体のアノード側の触媒電極の表面に炭酸ガスが発生し付着すると、気体である炭酸ガスによって燃料の電極触媒への接触や反応生成水のカソード側への移動が阻害される。更に、炭酸ガスの存在により、アルカリ性の水酸化物イオンのカソード側からアノード側への移動が阻害される。
【０００８】
ここで、一般的に、物体の表面に付着する気泡は衝撃等に弱いため、アノード側の触媒電極の表面に付着している炭酸ガスの気泡も振動等の衝撃を加えることにより触媒電極から容易に除去することが可能である。上記燃料電池システムは、気泡のこのような特性に着目し、ガス分離手段が気泡と触媒電極との間に力を加えることで触媒電極の表面から炭酸ガスの気泡を分離する。なお、ガス分離手段が加える力とは、炭酸ガスの気泡とアノード側の触媒電極とを離間させ得る力であり、例えば、炭酸ガスの気泡およびアノード側の触媒電極の少なくとも何れかに直接的に、或いは間接的に力を加えることにより、気泡と触媒電極とを相対的に離間させる力である。触媒電極から一旦離間した炭酸ガスの気泡は、燃料の流れによって触媒電極から離れ、除去される。よって、炭酸ガスの気泡と触媒電極との結合を分離させる力を作用させるだけで、電極触媒への炭酸ガスの付着による電気化学反応の阻害が解消され、膜電極接合体の電気出力を回復させることが可能になる。
【０００９】
また、上記燃料電池システムは、前記膜電極接合体を積層した積層体である燃料電池スタックを備え、前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のアノード側の触媒電極に前記燃料を供給する、前記燃料電池スタックの表面に固定された燃料供給ポンプを有し、該燃料供給ポンプの駆動に伴い生ずる振動で該燃料電池スタックを揺らすことで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離するようにしてもよい。
【００１０】
燃料電池システムでは、一般的に、各種燃料や酸化剤を制御するための駆動機構を備えた補機類が備えられている。燃料や酸化剤を供給する流体ポンプ等の駆動装置類は、発電中は常に駆動し、振動を発生している。よって、上記燃料電池システムは、膜電極接合体を積層することで積層体となす燃料電池スタックを備え、燃料を供給する燃料供給ポンプをスタックの表面に固定することでこれをガス分離手段とする。燃料供給ポンプがスタックの表面に固定されることにより、ポンプの振動がスタックを構成する膜電極接合体のアノード側の触媒電極に伝わり、振動によって炭酸ガスの気泡と触媒電極との間に力が加わって気泡が分離される。
【００１１】
また、前記燃料供給ポンプは、ポンプの回転軸の方向と前記燃料電池スタックの積層方向とが略直交するように該燃料電池スタックの表面に固定されるようにしてもよい。ポンプ等の回転駆動機器類は、回転軸に対し回転子が偏心していることにより、振動を発生する。よって、回転駆動機器の振動の多くは、回転軸に対し略直交する方向に発生する。そこで、上記燃料電池システムは、ポンプの回転軸が燃料電池スタックの積層方向と略直交するように燃料電池スタックの表面に固定される。燃料電池スタックの積層方向に沿う方向に振動を発生させると、スタック全体に振動が行き渡りやすく且つ炭酸ガスの気泡と触媒電極とを離間させる方向に作用する力が加わりやすいため、触媒電極に付着する気泡を効果的に分離させることができる。
【００１２】
また、上記燃料電池システムは、前記膜電極接合体を積層した積層体である燃料電池スタックを備え、前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤を含む空気を供給する、前記燃料電池スタックの表面に固定された空気ファンを有し、該空気ファンの駆動に伴い生ずる振動で該燃料電池スタックを揺らすことで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離するようにしてもよい。
【００１３】
この燃料電池システムは、燃料供給ポンプの振動で気泡を分離し、触媒電極から除去する上記燃料電池システムと同様、膜電極接合体のカソード側の触媒電極に酸化剤を含む空気を供給する空気ファンの振動を使い、触媒電極の表面から炭酸ガスの気泡を分離する。このような空気ファンがスタックの表面に固定されることにより、ファンの振動がスタックを構成する膜電極接合体のアノード側の触媒電極に伝わり、振動によって炭酸ガスの気泡と触媒電極との間に力が加わって気泡が分離される。
【００１４】
また、前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体のアノード側の触媒電極に前記燃料を供給する燃料供給ポンプを有し、該燃料供給ポンプの回転数を増減して該燃料の流速を変更することで、前記炭酸ガスの気泡と該アノード側の触媒電極との間に力を加えて該アノード側の触媒電極の表面から該炭酸ガスの気泡を分離するようにしてもよい。
【００１５】
この燃料電池システムは、燃料電池スタックの表面に取り付けた駆動装置類の振動によって炭酸ガスの気泡を分離し、除去する前述までの燃料電池システムと異なり、気泡が付着している触媒電極の表面を流れる燃料の流速を変更することで気泡を除去する。流体中に存在する気泡は、流体の流れの障害となるものであり、流体からの力を受ける。よって、流体の流速が変われば気泡に加わる力も当然に変化する。そこで、この燃料電池システムは、燃料の流速を変更することで気泡に加わる力を変化させ、気泡と触媒電極との間に互いを離間させる力を作用させる。
【００１６】
また、前記ガス分離手段は、前記膜電極接合体の電気出力が低下すると、前記燃料供給ポンプの回転数を増減するようにしてもよい。触媒電極の表面に炭酸ガスの気泡が付着すると電気化学反応が阻害されて電気出力が低下するため、膜電極接合体の電気出力の低下をもってアノード側の触媒電極の表面に炭酸ガスの気泡が付着したものとみなし、ポンプの回転数を増減する。これにより、膜電極接合体の電気出力が安定しているときは安定した燃料の供給が行われると共に、電気出力が低下したときはこれを解消する処理が速やかに実行される。
【発明の効果】
【００１７】
膜電極接合体のアノード側に生成される炭酸ガスによって発電電力が低下することを抑制する技術を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１９】
＜実施形態の構成＞
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１を正面から構造図であり、図２は燃料電池システム１を側面から見た構造図である。図１および２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、燃料電池スタック２のアノード側に供給する液体の燃料を蓄える燃料タンク３、燃料電池スタック２のカソード側に供給する空気を送るファン４（本発明でいう、ガス分離手段の一態様である空気ファンに相当する）、液体の燃料を循環させる燃料循環ポンプ５（本発明でいう、ガス分離手段の一態様である燃料供給ポンプに相当する）、及びシステムを構成する各機器を制御する電子制御装置６を備える。
【００２０】
燃料電池スタック２は、陰イオンを透過するアニオン交換膜型の燃料電池スタックであり、常温で液体もしくは１０気圧以下で液化する炭化水素系燃料（以下、単に燃料といい、本実施形態においては特にメタノールを示しているものとする）を改質せずに、発電に直接利用することできる。なお、本実施形態に係る燃料電池スタック２に適用可能な燃料
としては、メタノールの他、エタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノールといったアルコール類、エーテル類、炭化水素類等が例示できる。燃料電池スタック２は、陰イオンを透過するアニオン交換膜をアノード触媒電極層とカソード触媒電極層で挟持するように接合した膜電極接合体７を複数有しており、これら複数の膜電極接合体７がセパレータ１２を介して積層されることにより、所望の電圧を出力し得るように構成されている。燃料電池スタック２は、アノード触媒電極層に燃料が供給され（本実施形態では液体を供給することを前提とするが、本発明は気体を供給するものであってもよい）、カソード触媒電極層に酸化剤ガスが供給されることで、以下のような電気化学反応が生じ、電気エネルギを発生する。
（アノード側）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ―→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
（カソード側）  ３／２Ｏ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−→６ＯＨ−
すなわち、燃料電池スタック２は、カソード触媒電極層の触媒反応によって生成された陰イオンをアニオン交換膜がアノード触媒電極層に透過させることで、アノード側における燃料と陰イオンとの電気化学反応が実現される。なお、この電気化学反応によってアノード側に生成される水の多くはカソード側に透過し、カソード側における陰イオンの生成に寄与する。なお、膜電極接合体７におけるクロスリークを抑制するため、燃料は１０〜３０％のメタノール水溶液として構成されている。水を含むことにより、メタノールのカソード側へのクロスリークが抑制される。
【００２１】
なお、アノード触媒電極層やカソード触媒電極層は、触媒を担持した触媒担持カーボンで構成されている。触媒担持カーボンに担持されている触媒は、膜電極接合体７の電解質膜が水酸化物イオンを透過するアルカリ性のアニオン交換膜であるため、プロトンを透過する強酸性のカチオン交換膜を使った膜電極接合体に使われるような耐食性のあるプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属触媒ではなく、ニッケル等の卑金属触媒で構成されている。また、アニオン交換膜と各触媒電極層との間にはアイオノマが塗布されている。
【００２２】
燃料循環ポンプ５は、燃料電池スタック２の内部に設けられる下流側燃料マニホールド８から上流側燃料マニホールド９へ燃料を送るポンプであり、膜電極接合体７のアノード触媒電極層を通過する循環経路の燃料を循環させる。すなわち、燃料循環ポンプ５は、吸込側が下流側燃料マニホールド８に接続されており、吐出側が上流側燃料マニホールド９に接続されていることにより、燃料電池スタック２内の燃料を循環させる。燃料循環ポンプ５の駆動により、反応済の燃料がアノード触媒電極層に滞留することによる電気化学反応の低下が防止される。
【００２３】
燃料循環ポンプ５から送られた燃料を各膜電極接合体７へ分岐させる上流側燃料マニホールド９は、燃料電池スタック２内をセルの積層方向に沿って貫くように構成されており、且つ燃料電池スタック２内の上面に近い部分に設けられている。また、上流側燃料マニホールド９によって各膜電極接合体７へ分岐された燃料を合流させる下流側燃料マニホールド８は、上流側燃料マニホールド９と同様、燃料電池スタック２内をセルの積層方向に沿って貫くように構成されており、且つ燃料電池スタック２内の下面に近い部分に設けられている。上流側燃料マニホールド９と下流側燃料マニホールド８が燃料電池スタック２内でこのように配置されていることに鑑み、燃料循環ポンプ５は、配管の取り回しを簡潔にするため、燃料電池スタック２の積層方向における端部にある陽極側エンドプレート１０に取り付けられている。これにより、燃料循環ポンプ５の振動が燃料電池スタック２に伝わるようになっている。なお、燃料循環ポンプ５の回転軸の方向と燃料電池スタック２の積層方向とは、略直交するようになっており、ポンプの振動が効果的に伝達されるようになっている。
【００２４】
燃料タンク３は、上述した燃料を蓄えるタンクであり、燃料電池スタック２の積層方向の両端にある陽極側エンドプレート１０と陰極側エンドプレート１１とに支持される形で
燃料電池スタック２の上に搭載されている。燃料タンク３の下側にはタンク内の燃料を抜き出す配管が設けられており、該配管の他端が燃料循環ポンプ５と上流側燃料マニホールド９とを繋ぐ配管に接続されている。燃料タンク３は、燃料電池スタック２の上に搭載されているため、燃料循環ポンプ５や燃料電池スタック２、配管類で構成される燃料循環系統のヘッドタンク的や役割を果たす。すなわち、燃料循環系統内の燃料が電気化学反応によって消費されたり、或いは燃料の温度変化によって膨張収縮をした場合に、その体積の変化を燃料タンク３内の燃料が吸収する。
【００２５】
ファン４は、図示しない電動機によって回転されることで、燃料電池スタック２のカソード側に酸化剤ガスである空気を流す。ファン４は、セルの積層体である燃料電池スタック２の積層方向と交差する方向の面に設けられており、電動機によって回転されることで、積層された各膜電極接合体７のカソード側に空気を流すと共に、自身の振動が燃料電池スタック２に伝わるようになっている。
【００２６】
図３は、燃料電池スタック２内を流れる燃料、及び酸化剤ガスである空気の流れを示す説明図である。図３に示すように、燃料循環ポンプ５によって循環される燃料がセパレータ１２に設けられた燃料流路１３を通過することによって、膜電極接合体７のアノード触媒電極層に燃料が供給される。また、ファン４によって流れる空気がセパレータ１２に設けられた空気流路１４を通過することによって、膜電極接合体７のカソード触媒電極層に酸化剤ガスが供給される。
【００２７】
電子制御装置６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び入出力インターフェース等で構成されており、ファン４や燃料循環ポンプ５を制御する。また、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を検出する図示しないセンサと電気的に接続されており、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を計測する。電子制御装置６は、燃料電池スタック２と電気的に接続される図示しない負荷や二次電池の各種データを取得し、これらのデータに基づいて燃料電池スタック２の発電を制御することで電力の供給を制御する。
【００２８】
＜実施形態の動作＞
次に、燃料電池システム１の動作について説明する。図示しない燃料電池システム１のメインスイッチがオンにされると、電子制御装置６は、次のような処理を行ってシステムを起動する。すなわち、燃料電池システム１のメインスイッチがオンにされると、電子制御装置６は、燃料循環ポンプ５の電動機に二次電池からの電力を供給する。これにより、燃料循環ポンプ５が駆動し、燃料が循環し始める。換言すると、燃料電池スタック２の膜電極接合体７のアノード側を燃料が流れ始める。燃料循環ポンプ５は、回転数制御等が特に施されることは無く、電動機の定格能力で駆動する。また、電子制御装置６は、燃料循環ポンプ５の駆動と同時に、ファン４の電動機に二次電池からの電力を供給する。これにより、ファン４が駆動し、燃料電池スタック２の膜電極接合体のカソード側を空気が流れ始める。更に、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の電気出力を負荷と接続する。これにより、燃料電池スタック２では、アノード触媒電極層に供給される燃料、カソード触媒電極層に供給される空気中に含まれる酸素、及びアノード側から透過してきたカソード触媒電極層の表面に付着している水によって電気化学反応が生じ、電気エネルギが発生する。すなわち、燃料電池システム１が起動し、電力の供給が開始される。
【００２９】
なお、ファン４は、電子制御装置６に制御される図示しないインバータ装置によって回転数が制御可能な電動機によって駆動されており、電子制御装置６からの指令に応じて通風量を調整することが可能である。電子制御装置６は、燃料電池スタック２の温度を計測する図示しない温度センサからの信号を受けて燃料電池スタック２の温度を検知し、燃料電池スタック２が過熱しないようにファン４の回転数を調整する。すなわち、ファン４は
、燃料電池スタック２のカソード側に酸化剤を含む空気を供給すると共に、燃料電池スタック２の冷却も兼ね備える。
【００３０】
ところで、膜電極接合体７を介した燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応により、膜電極接合体７のアノード側では次のような現象が生じる。図４は、発電中の膜電極接合体７の状態を示す図である。膜電極接合体７のカソード触媒電極層では、触媒の作用によって陰イオンである水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは、アニオン交換膜を通ってアノード側に移動する。アノード側に移動した水酸化物イオンは、アノード触媒電極層の触媒作用によってメタノールと反応し、二酸化炭素と水を生成する。なお、アノード側における化学反応によって発生した電子が負荷を介してカソード側に流れることで電力が発生する。ここで、アノード側に発生した水の多くはアニオン交換膜を介してカソード側に透過する一方、アノード側に発生した二酸化炭素はガスとしてアノード触媒電極層に付着する。
【００３１】
ここで、アノード触媒電極層やカソード触媒電極層は、図４に示すように触媒を担持した触媒担持カーボンで構成されている。よって、触媒における電気化学反応によって生成された二酸化炭素のガスが触媒担持カーボンと親和して触媒に大量に付着すると、触媒への燃料や水酸化物イオンの流れが阻害され、電気化学反応が低下する。よって、これらをアノード触媒電極層から除去してやることが燃料電池スタック２の電気出力の増加に寄与する。そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１は、アノード触媒電極層に付着する二酸化炭素のガスを除去するため、燃料循環ポンプ５およびファン４の振動でこれらのガスを振り払う。振動によって振り払われたこれらのガスは、燃料循環ポンプ５によって生み出される燃料の流れと共に移動し、燃料タンク３内の気相部分に移動する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料循環ポンプ５やファン４の振動が燃料電池スタック２に伝わりやすくするため、燃料循環ポンプ５を陽極側エンドプレート１０に固定し、ファン４を陽極側エンドプレート１０と陰極側エンドプレート１１とに固定している。また、燃料循環ポンプ５やファン４の固定箇所にはゴム等で構成されるインシュレータが設けられておらず、これら駆動装置類の機械的な振動が燃料電池スタック２のアノード触媒電極層に伝達されやすいようになっている。
【００３２】
＜実施形態の効果＞
以上、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料循環ポンプ５やファン４が燃料電池スタック２に直接取り付けられているため、電気化学反応によって発生しアノード触媒電極層に付着する二酸化炭素のガスが、燃料循環ポンプ５やファン４の振動によって除去される。すなわち、アノード触媒電極層に付着した二酸化炭素のガスを除去するための装置類を特別に設けなくても、燃料電池システムの構成要素として必須な駆動装置類の振動を用いることで、これらのガスを除去することが可能である。よって、本実施形態によれば、システムの構成を複雑にすることなく、アノード側における二酸化炭素の発生による電気出力の低下を抑制することが可能である。
【００３３】
＜変形例１＞
以下、上述した実施形態の第一変形例について説明する。上述した実施形態では、駆動装置類の振動を使って二酸化炭素を除去していたが、二酸化炭素の量に応じた駆動装置類の制御等は施していなかった。本変形例では、アノード側の二酸化炭素の量に応じて駆動装置類を制御し、燃料電池スタック２に伝える振動を調整する。なお、本変形例は、上述した実施形態に示す燃料電池システム１と構成がほとんど同じであり、電子制御装置６が行う処理の内容が異なるだけであるため、本変形例の構成に関する説明は省略する。また、機器の名称及び符号についても上述した実施形態と同じものを用いる。
【００３４】
図５は、本変形例に係る燃料電池システム１の動作フロー図である。電子制御装置６は
、燃料循環ポンプ５およびファン４の起動によって燃料電池スタック２の発電を開始したら（Ｓ１０１）、以下のような処理を行う。
【００３５】
（ステップＳ１０２）電子制御装置６は、ステップＳ１０１の処理を実行して発電を開始したのち、図示しない電圧センサおよび電流センサで燃料電池スタック２の電気出力に関するパラメータを取得する。
【００３６】
（ステップＳ１０３）電子制御装置６は、ステップＳ１０３で燃料電池スタック２の電気出力に関するパラメータを取得したら、取得したパラメータに基づいて燃料電池スタック２が規定の電気出力を出力しているか否かを判定する。すなわち、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の出力電圧及び出力電流と、自身のメモリに予め記憶されている燃料電池の電流―電圧特性マップ（以下、Ｉ−Ｖ特性マップという）を比較する。燃料電池スタック２の電気出力が、既定の電流―電圧特性マップが示す燃料電池スタック２の性能を満たしていない場合、膜電極接合体７のアノード触媒電極層に二酸化炭素が付着していることにより、電気出力が低下する。よって、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の電気出力が既定の電流―電圧特性マップが示す性能を満たしていない場合、二酸化炭素を除去するため、後述するステップＳ１０４の処理を実行する。他方、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の電気出力が既定の電流―電圧特性マップが示す性能を満たしている場合、ステップＳ１０５以降の処理を実行する。
【００３７】
（ステップＳ１０４）電子制御装置６は、ステップＳ１０３の処理によって二酸化炭素の除去処理を実行することを決定すると、ファン４の電動機の回転数を制御する図示しないインバータを制御してファン４の回転数を上げ下げし、燃料電池スタック２に伝わる振動を変化させる。燃料電池スタック２に伝わる振動が変化することにより、今まで振るい落とされていなかったアノード触媒電極層に付着のガスが振るい落とされる。電子制御装置６は、ファン４の回転数の上げ下げを開始してから所定の時間が経過したら、ファン４の回転数を再び元の回転数に戻す。なお、本実施形態では、ファン４の回転数を増減することでガスの振るい落としを励起しているが、本発明は、このような態様に限定されるものではない。例えば、ファン４の振幅が大きくなる共振回転数を実験的に予め調べて設定しておき、ガスの振るい落としに際してはファン４をこのような共振回転数になるように制御しても良い。
【００３８】
ここで、所定の時間とは、振動源の制御による二酸化炭素の除去に要する時間であり、例えば、本変形例であれば、ファン４の回転数の上げ下げを開始してから二酸化炭素が除去されるまでに要する時間である。本変形例では、電子制御装置６のメモリに、経験的に決定された時間が予め設定されており、これに基づいてファン４の回転数制御を実行する。
【００３９】
（ステップＳ１０５）上述したステップＳ１０３、或いはステップＳ１０４の処理が完了したら、電子制御装置６は、発電を継続するか否かを判定する。すなわち、電子制御装置６は、燃料電池システム１のメインスイッチがオンのままであれば、上述したステップＳ１０２以降の処理を再び実行する。他方、電子制御装置６は、燃料電池システム１のメインスイッチがオフになれば、次のステップＳ１０６の処理を実行することにより燃料電池システム１の発電を停止する。
【００４０】
（ステップＳ１０６）上述したステップＳ１０５の処理によって燃料電池システム１の発電の停止処理が選択されると、電子制御装置６は、燃料電池スタック２に接続されている電気的な負荷を切り離すと共に、燃料循環ポンプ５およびファン４を停止する。これにより、電気化学反応が止まり、燃料電池システム１の停止処理が完了する。
【００４１】
本変形例によれば、燃料電池スタック２の電気出力に基づいて振動源であるファン４の制御を行い、二酸化炭素の除去を促進しているため、一定の振動では除去できない二酸化炭素がアノード触媒電極層に付着している場合であっても、このような二酸化炭素の除去が促進され、燃料電池スタック２の電気出力を既定の出力に回復させることが可能となる。
【００４２】
＜変形例２＞
以下、上述した第一変形例の更なる変形例について説明する。上述した第一変形例では、ファン４の回転数を上げ下げし、ファン４の振動を変えてやることで二酸化炭素の除去を促進していた。しかし、本発明は、このような形態に限定されるものでなく、例えば、以下のように変形してもよい。
【００４３】
すなわち、上述した第一変形例では、ステップＳ１０４においてファン４の回転数を上げ下げし、二酸化炭素の除去を促進していたが、本変形例では燃料循環ポンプ５の回転数を上げ下げして二酸化炭素の除去を促進する。本変形例と上述した第一変形例との間における構成上の差異は、燃料循環ポンプ５を駆動する電動機の回転数を制御するインバータの有無について特に限定していなかった。本変形例では、燃料循環ポンプ５の回転数を調整可能なようにするため、燃料循環ポンプ５の電動機の回転数を制御するインバータを設ける。その他の構成要素については、上述した実施形態や第一変形例と同様である。
【００４４】
本変形例は、上述した第一変形例と同様の動作を行うが、ステップＳ１０４の動作のみが若干異なる。そのため、本変形例の動作フローについては、第一変形例の動作フローとの差異点のみを説明し、その他の動作に関する説明については省略する。
【００４５】
本変形例に係る燃料電池システム１の電子制御装置６は、ステップＳ１０３の処理によって二酸化炭素の除去処理を実行することを決定すると、燃料循環ポンプ５の電動機の回転数を制御する図示しないインバータを制御して燃料循環ポンプ５の回転数を上げ下げし、燃料電池スタック２に伝わる振動を変化させる。燃料電池スタック２に伝わる振動が変化することにより、今まで振るい落とされていなかったアノード触媒電極層に付着のガスが振るい落とされる。また、燃料循環ポンプ５の回転数が変動すると、燃料電池スタック２内を流れる燃料の流速が変化する。よって、アノード触媒電極層を流れる燃料の流速の変化により、アノード触媒電極層に付着している二酸化炭素ガスの気泡が燃料から受ける力が変化する。これにより、燃料の流速が一定の場合にはアノード触媒電極層から振るい落とされなかった二酸化炭素のガスがアノード触媒電極層から振るい落とされる。電子制御装置６は、燃料循環ポンプ５の回転数の上げ下げを開始してから所定の時間が経過したら、燃料循環ポンプ５の回転数を再び元の回転数に戻す。
【００４６】
ここで、所定の時間とは、振動源の制御による二酸化炭素の除去に要する時間であり、例えば、本変形例であれば、燃料循環ポンプ５の回転数の上げ下げを開始してから二酸化炭素が除去されるまでに要する時間である。本変形例では、電子制御装置６のメモリに、経験的に決定された時間が予め設定されており、これに基づいて燃料循環ポンプ５の回転数制御を実行する。なお、これ以降の処理は、上述した第一変形例のステップＳ１０５以降の処理と同様である。
【００４７】
本変形例によれば、燃料電池スタック２の電気出力に基づいて振動源である燃料循環ポンプ５の制御を行い、二酸化炭素の除去を促進しているため、一定の振動では除去できない二酸化炭素がアノード触媒電極層に付着している場合であっても、このような二酸化炭素の除去が促進され、燃料電池スタック２の電気出力を既定の出力に回復させることが可能となる。
【００４８】
＜その他の変形例＞
なお、上記実施形態や各変形例は、次のように変形してもよい。すなわち、上記実施形態や各変形例は、燃料循環ポンプ５とファン４の回転数を同時に上げ下げすることで二酸化炭素を振るい落とすようにしてもよい。また、二酸化炭素を燃料電池スタック２のアノード触媒電極層から振るい落とす振動源としては、燃料循環ポンプ５やファン４を燃料や酸化剤ガスの供給源としてのみならず燃料電池スタック２の振動源として併用したものの他、燃料電池スタック２の振動源として専用に設けられるバイブレータを用いるものであっても良い。この場合、バイブレータは、電動機の回転軸と偏心した重りを回転させることで振動源とし、バイブレータの電動機を電子制御装置によってオンオフ可能なように構成すればよい。燃料電池スタック２における電気化学反応を精密に制御する観点から、燃料循環ポンプ５やファン４の回転数を容易に変化させられないような場合であっても、燃料電池スタック２に振動を与えて二酸化炭素を除去することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】燃料電池システムを正面から見た構造図。
【図２】燃料電池システムを側面から見た構造図。
【図３】燃料と空気の流れを示す説明図。
【図４】発電中の膜電極接合体の状態図。
【図５】燃料電池システムの動作フロー図。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・燃料電池システム
２・・・燃料電池スタック
３・・・燃料タンク
４・・・ファン
５・・・燃料循環ポンプ
６・・・電子制御装置
７・・・膜電極接合体
８・・・下流側燃料マニホールド
９・・・上流側燃料マニホールド
１０・・・陽極側エンドプレート
１１・・・陰極側エンドプレート
１２・・・セパレータ
１３・・・燃料流路
１４・・・空気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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