(57)【要約】【課題】追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止する。【解決手段】システムを起動する際、コントロールユニット１９が、燃料極１ａ側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック１内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極１ａ側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック１内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極１ｂ側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック１内部を乾燥させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
システム起動時、前回運転を停止した際の停止操作履歴、及び運転停止後から再起動時までの燃料電池温度と外気湿度履歴に基づいて、前記燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させる制御部を備えること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出するための温度検出部と、
前記燃料電池内部の湿度を検出するための湿度検出部とを備え、
前記制御部は、前記温度検出部及び前記湿度検出部の検出値が所定値以上である場合、前回運転を停止した際の停止操作履歴に基づいて前記燃料極側に酸素が存在するか否かを判別し、当該燃料極に酸素が存在すると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料極側の酸素濃度を検出するための酸素濃度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部、前記湿度検出部、及び前記酸素濃度検出部の検出値が所定値以上である場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記湿度検出部は、前記燃料電池内部の湿度として、前記膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層内部の湿度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記湿度検出部は、前記燃料電池内部の湿度として、前記膜電極接合体の交流抵抗を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料極側及び前記酸化剤極側の少なくとも一方から乾燥した酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、乾燥した酸化剤ガスを加熱して前記燃料極側及び酸化剤極側の少なくとも一方に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の温度を高めることにより、前記燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする燃料電池システム。
【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し、より詳しくは、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）を挟持する燃料極及び酸化剤極を有し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。ところで、一般に、このような燃料電池システムは、システムが停止している際、酸化剤極側から燃料極側に空気が侵入することによって、燃料極側と酸化剤極側の双方に空気が存在する状態になる。そして、このような状態でシステムを再起動して燃料極側に水素を供給した場合、燃料極側の空気存在領域に対向する酸化剤極側において、ＭＥＡの触媒層を担持しているカーボン担体の酸化反応（以下、カーボン腐蝕反応と表記）が生じることにより、膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層が劣化する。このような背景から、従来までの燃料電池システムでは、カーボン腐蝕反応の進行を抑えるために、システム起動時、１秒以下の短時間で水素を燃料極ガス流路に供給することにより、短時間のうちに燃料極側の空気を系外に排出するようにしている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来までの燃料電池システムによれば、カーボン腐蝕反応が完全に防げるわけではなく、また、燃料極側ガス流路に水素を短時間で供給するためには、燃料極側ガス流路に水素を供給する配管にコンプレッサ等の追加装置を設ける必要がある。また、従来までの燃料電池システムによれば、水素供給時、燃料極側と酸化剤極側のガス圧力を調整しないと、燃料極と酸化剤極の差圧が大きくなることによって、ＭＥＡが破損する等の不具合が発生する可能性がある。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、システム起動時、前回運転を停止した際の停止操作履歴、及び運転停止後から起動時までの燃料電池温度と外気湿度履歴に基づいて、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料電池内部を乾燥させた後に燃料極側に燃料ガスを供給するので、追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
【実施例１】
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂにそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式（１）〜（３）による。また、図示しないが、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂが挟持するプロトン伝導性を有する固体電解質膜表面には、化学反応を促進するために、Ｐｔ等の貴金属を主成分とする触媒層が形成され、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）を形成している。
【０００９】
〔燃料極〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔酸化剤極〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システムは、燃料タンク２及び燃料供給量調節弁３を備え、燃料供給量調節弁３によって燃料ガスの供給量を調節して燃料供給配管４を介して燃料電池スタック１の燃料極１ａに燃料ガスを供給する。また、燃料電池スタック１の燃料極１ａから排出された燃料ガスは、安全な範囲まで濃度が低下された後、燃料排気配管５を介して系外に排出される。また、燃料供給配管４には、燃料供給量調節弁３からの燃料ガスを直接燃料極１ａに供給する燃料ガス流路と、燃料供給量調節弁３からの燃料ガスを燃料ガス加湿器６を介して燃料極１ａに供給する燃料ガス流路との間で燃料ガスの流路を切り替える切替弁７が設けられ、切替弁７を制御することにより燃料極１ａに供給される燃料ガスの加湿／無加湿を切り替え可能なように構成されている。
【００１０】
〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システムは、ブロアー８を備え、ブロアー８は酸化剤ガス供給配管９を介して燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂに酸化剤ガスを供給する。また、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂから排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排気配管１０を介して系外へ排出される。また、酸化剤ガス供給配管９には、ブロアー８からの酸化剤ガスを直接酸化剤極１ｂに供給する酸化剤ガス流路と、ブロアー８からの酸化剤ガスを酸化剤ガス加湿器１１を介して酸化剤極１ｂに供給する酸化剤ガス流路との間で酸化剤ガスの流路を切り替える切替弁１２が設けられ、切替弁１２を制御することにより酸化剤極１ｂに供給される酸化剤ガスの加湿／無加湿を切り替え可能なように構成されている。
【００１１】
また、切替弁１２の入口側の酸化剤ガス供給配管９と燃料極１ａの入口側の燃料ガス供給配管４は、燃料極用酸化剤ガス供給配管１３を介して接続され、燃料極用酸化剤ガス供給配管１３には、燃料極１ｂへの酸化剤ガスの供給量を制御するための配管弁１４が設けられている。なお、ブロアー８からの酸化剤ガスの供給量を調整する調節弁を酸化剤ガス供給配管９に設けるようにしてもよい。
【００１２】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムにおける制御系は、システム停止中の際に燃料電池スタック１内部の燃料ガスを消費する電荷消費部１５と、燃料電池スタック１の温度として燃料電池のＭＥＡの温度を検出する温度センサ１６と、燃料電池スタック１内部の湿度として燃料電池のＭＥＡの交流抵抗を検出する検出する抵抗センサ１７と、燃料極１ａ側の酸素濃度として燃料極１ａのガス配管中の湿度を検出する酸素濃度センサ１８と、燃料電池システムの動作を制御するコントロールユニット１９とを備える。
【００１３】
なお、この実施形態では、燃料電池スタック１の温度として燃料電池のＭＥＡの温度を検出するが、燃料電池スタック１内部の循環水の温度を燃料電池スタック１の温度として検出してもよい。また、燃料電池スタック１内部の湿度としてＭＥＡの交流抵抗を検出するが、ＭＥＡの酸化剤極１ｂ側の触媒層又はガス配管中の湿度を燃料電池スタック１内部の湿度として検出してもよい。また、コントロールユニット１９は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００１４】
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、システム起動時、コントロールユニット１９が以下に示す起動制御処理を実行することにより、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、カーボン腐蝕反応によってＭＥＡの酸化剤極１ｂ側の触媒層が劣化することを防止する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この起動制御処理を実行する際のコントロールユニット１９の動作について詳しく説明する。
【００１５】
［起動制御処理］
図２に示すフローチャートは、コントロールユニット１９に起動命令信号が入力されるのに応じて開始となり、起動制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ１の処理では、コントロールユニット１９が、起動操作判断として、温度センサ１６，抵抗センサ１７，及び酸素濃度センサ１８の検出結果を参照して、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上、ＭＥＡの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極１ａ側の酸素濃度が所定濃度以上であるか否かを判別する。
【００１７】
そして、判別の結果、燃料電池の温度が所定温度以上、ＭＥＡの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極１ａ側の酸素濃度が所定濃度以上である場合、コントロールユニット１９は、起動制御処理をステップＳ５の処理に進める。一方、燃料電池の温度が所定温度以上、ＭＥＡの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極１ａ側の酸素濃度が所定濃度以上でない場合には、コントロールユニット１９は起動制御処理をステップＳ２の処理に進める。
【００１８】
ステップ２の処理では、コントロールユニット１９が、切替弁１２を制御することにより、酸化剤極１ｂにブロアー８からの乾燥した酸化剤ガスを供給することにより酸化剤極１ｂをパージ（乾燥）する。また、コントロールユニット１９は、配管弁１４を開くことにより、燃料極１ａ側に乾燥した酸化剤ガスを供給することにより燃料極１ａをパージする。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、起動制御処理はステップＳ２の処理からステップ３の処理に進む。
【００１９】
ステップＳ３の処理では、コントロールユニット１９が、抵抗センサ１７の検出結果を参照して、ＭＥＡの交流抵抗が所定値以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、ＭＥＡの交流抵抗が所定値以上になるのに応じて、コントロールユニット１９は、燃料電池スタック１が乾燥したと判断し、起動制御処理をステップＳ４の処理に進める。なお、コントロールユニット１９は、ＭＥＡが所定の交流抵抗になる時間を実験によって予め算出しておき、算出された時間が経過するのに応じて起動制御処理をステップＳ４の処理に進めるようにしてもよい。
【００２０】
ステップＳ４の処理では、コントロールユニット１９が、配管弁１４を閉じることにより燃料極１ａへの酸化剤ガスの供給を停止する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、起動制御処理はステップＳ４の処理からステップＳ５の処理に進む。
【００２１】
ステップＳ５の処理では、コントロールユニット１９が、切替弁７を制御することにより、燃料極１ａに乾燥した燃料ガスを供給する。なお、この処理の際、コントロールユニット１９は、電荷消費部１５を動作状態にし、燃料ガスを消費させることが望ましい。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、一連の起動制御処理は終了する。
【００２２】
一般に、図３（ａ）に示すように、燃料極側ガス流路１ｃと酸化剤極側ガス流路１ｄの双方に空気が存在する状態でシステムを起動し、燃料極１ａ側に水素を供給した場合には、燃料電池システムは、一時的に図３（ｂ）に示すように状態になる。すなわち、燃料極１ａの水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極１ｂ側には１［Ｖ］程度の電位が生じる。
【００２３】
一方、燃料極１ａ側の水素と空気の界面（以下、水素フロントと表記）Ｆを境として、燃料極１ａ側の空気存在領域に対向する酸化剤極１ｂにおいては、以下に示す化学反応式（４）のカーボン腐蝕反応が生じる。なお、この時、燃料極１ａ側の空気が存在する領域においては、以下に示す化学反応式（５）のカーボン腐蝕反応によって水が生成される。従って、図３（ｂ）に示す状態では、ＭＥＡの触媒層を担持しているカーボン担体の酸化反応が生じることにより、酸化剤極１ｂ側の触媒層１ｆが劣化し、燃料電池性能が低下する等の不具合が発生する可能性がある。
【００２４】
〔カーボン腐蝕反応〕  Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→  ＣＯ2＋４Ｈ+  ＋４ｅ-       …（４）
〔燃料極側の反応〕  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→  ２Ｈ2Ｏ      …（５）
そこで、本願発明の発明者は、精力的な研究を重ねてきた結果、水素フロントＦに起因するカーボン腐蝕反応は燃料電池内部の含水量が低い程抑制されるという知見を得るに至った。より具体的には、発明者は、燃料極側及び酸化剤極側の双方を空気で置換した状態から燃料極に水素を導入し、その際に排出される二酸化炭素量をガス分析器により測定した結果、図４に示すように、燃料極に水素（アノードガス）を導入する直前に燃料電池の抵抗（セル抵抗）が高くなる、換言すれば、燃料電池内部が乾燥している程、二酸化炭素排出量、すなわちカーボン腐蝕量が少ないことを知見した。そして、発明者はこのような知見に基づき上述の燃料電池システムを想到するに至った。
【００２５】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、システムを起動する際、コントロールユニット１９が、燃料極１ａ側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック１内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極１ａ側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック１内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極１ａ側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック１内部を乾燥させる。
【００２６】
このような構成によれば、燃料電池スタック１内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料電池スタック１内部を乾燥させた後に燃料極１ａ側に燃料ガスが供給されるので、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、システム起動時にＭＥＡの酸化剤極１ｂ側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを抑制できる。
【００２７】
また、このような構成によれば、燃料電池システムの停止時間が極めて短時間で燃料極１ａ側に酸素が混入していない場合や、停止時間が長時間で燃料電池スタック１内部が乾燥状態にある場合には、コントロールユニット１９は、燃料電池スタック１内部を乾燥させる動作を行わないので、無駄のない適切な起動処理を行うことができる。
【００２８】
なお、コントロールユニット１９は、温度センサ１６及び抵抗センサ１７の検出値が所定値以上である場合、前回運転を停止した際の停止操作履歴に基づいて燃料極１ａ側に酸素が存在するか否かを判別し、燃料極１ａ側に酸素が存在すると判別された場合、燃料極１ａ側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック１内部を乾燥させてもよい。このような構成によれば、乾燥操作の時間や手段を的確に、且つ、必要十分に行うことができるので、ＭＥＡの酸化剤極１ｂ側の触媒層の劣化をより効果的に抑制できる。
【００２９】
また、コントロールユニット１９は、温度センサ１６，抵抗センサ１７，及び酸素濃度センサ１８の検出値が所定値以上である場合、燃料極１ａ側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック１内部を乾燥させてもよい。このような構成によれば、起動操作を行うか否かの判断を的確に行うことができるので、無駄のない適切な起動操作を行うことができる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図５に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、燃料電池スタック１に循環水を供給する循環水供給配管２１と、循環水を加熱するための循環水加熱部２２と、酸化剤ガスを加熱するための酸化剤ガス加熱部２３とを備える。そして、この燃料電池システムでは、上記ステップＳ２の処理の際、コントロールユニット１９が、乾燥し、且つ、酸化剤ガス加熱部２３により加熱された酸化剤ガスを燃料極１ａと酸化剤極１ｂに供給すると共に、循環水加熱部２２により加熱された循環水を循環水供給配管２１を介して燃料電池スタック１に供給する。このような構成によれば、燃料電池スタック１内部、特に、酸化剤極１ｂ側の触媒層をより短時間で乾燥させることができるので、起動時に燃料電池を劣化させることなく、より短時間で起動可能な燃料電池システムを実現することができる。
【００３１】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態となる起動制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】従来までの燃料電池システムの構成を説明するための燃料電池の断面構成図である。
【図４】ガス置換後のカソード二酸化炭素排出量とガス置換直前のセル抵抗の関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：燃料電池スタック
１ａ：燃料極
１ｂ：酸化剤極
２：燃料タンク
３：燃料供給量調節弁
４：燃料供給配管
５：燃料排気配管
６：燃料ガス加湿器
７，１２：切替弁
８：ブロアー
９：酸化剤ガス供給配管
１０：酸化剤ガス排気配管
１１：酸化剤ガス加湿器
１３：燃料極用酸化剤ガス供給配管
１４：配管弁
１５：電荷消費部
１６：温度センサ
１７：抵抗センサ
１８：酸素濃度センサ
１９：コントロールユニット
【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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