(57)【要約】【課題】酸化剤極の炭素酸化を抑制できる燃料電池および燃料電池システムを提供する。【解決手段】スタック２を構成する単位セル２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極層３２１ｃと、第二カソード電極層３２２ｃと、電解質膜２１のもう一方の面に隣接し、少なくとも第一カソード電極層３２１ｃに重なる領域に設けられたアノード電極層３２ａを備える。また、第一カソード電極層３２１ｃに隣接して形成されたカソードガス流路２８ｃと、第二カソードガス電極層３２２ｃに隣接して形成されたカソード側起動用流路２９と、アノード電極層３２ａに隣接して形成されたアノードガス流路２８ａと、を備える。【選択図】      図１
2006040611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、
前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、
前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、
前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、
前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第一アノード電極を、前記第一カソード電極に重なる領域のみに形成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第二カソード電極に重なる領域に設けられ、前記第一アノード電極との間のガス移動が妨げられるように独立して構成された第二アノード電極と、
前記第二アノード電極に隣接して形成された第二アノードガス流路と、を備える請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜と、
前記電解質の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、
前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、
前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、
前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、
前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備えた燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
前記カソードガス供給手段から前記第一カソードガス流路へのカソードガスの導入を選択する第一選択手段と、
前記アノードガス供給手段から前記第一アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第二選択手段と、
前記アノードガス供給手段から前記第二カソードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第三選択手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
起動時には、前記アノードガス供給手段から前記第一アノードガス流路と前記第二カソードガス流路へアノードガスを供給し、
前記第一アノードガス流路全体にアノードガスが導入された後に、前記第二カソードガス流路へのアノードガスの供給を停止する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードガス供給手段から前記第二カソードガス流路へのカソードガスの導入を選択する第四選択手段を備え、
前記第一アノードガス流路全体にアノードガスが導入された後に、前記第二カソードガス流路へのアノードガスの供給を停止して、前記第二カソードガス流路にカソードガスを導入してアノードガスをパージする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第二カソード電極を、前記第一アノード電極の一部と積層方向に重なるように構成するとともに、
前記第一アノードガス流路と前記第二カソードガス流路を互いに並行に構成し、
起動時に、前記アノードガス供給手段から、前記第一アノードガス流路と前記第二カソードガス流路とに略同時にアノードガスを流通させる請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第二カソード電極を、前記第一アノード電極と重なる領域の外部に構成し、
起動時に、前記アノード供給手段から、前記第二カソードガス流路にアノードガスを供給した後、前記第一アノードガス流路にアノードガスを供給する請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は、前記第二カソード電極に重なる領域に設けられ、前記第一アノード電極との間のガス移動が妨げられるように独立して構成された第二アノード電極と、
前記第二アノード電極に隣接して形成された第二アノードガス流路と、を備え、
さらに、前記アノードガス供給手段から前記第二アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第五選択手段を備え、
起動時には、前記アノード供給手段から前記第二カソードガス流路と前記第二アノードガス流路にアノードガスを供給した後、前記第一アノードガス流路にアノードガスを導入する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第二カソードガス流路と前記第二アノードガス流路とを互いに並行に構成し、
起動時に、前記アノード供給手段から前記第二カソードガス流路と前記第二アノードガス流路に略同時にアノードガスを流通させる請求項９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、燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、固体高分子型燃料電池を有する燃料電池システムの触媒劣化を抑制するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、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場合、燃料極側のガス流路に水素を供給し始めた初期には、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、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。そのため、燃料極の水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- ・・・（１）
という反応が生じる。その結果、Ｐｔ等の触媒を担持す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、
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
という反応が起こり、水が生成される。
【０００３】
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したものが提案されている（例えば、特許文献１、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】
【０００４】
しかしながら、水素／空気フロントの滞在時間を短縮するためには、燃料ガス入口と出口の圧力差が大きくなるように設定する必要がある。この場合には、電解質膜のそれぞれの主面に形成された極間圧力差の制御が困難となる。そのため、水素／空気フロントの滞在期間の短縮には限界があり、カソード側の炭素の酸化を十分に抑えるのは困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、酸化剤極の炭素酸化を抑制できる燃料電池および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】
【０００６】
本発明による燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極を備える。また、前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備える。
【０００７】
また、本発明による燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を有する燃料電池を備える。また、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段から前記第一カソードガス流路へのカソードガスの導入を選択する第一選択手段を備える。また、前記アノードガス供給手段から前記第一アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第二選択手段と、前記アノードガス供給手段から前記第二カソードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第三選択手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
第一カソード電極に独立して第二カソード電極を備え、それぞれにガスを供給する第一カソードガス流路、第二カソードガス流路を備えることで、第一アノードガス流路に水素が存在する領域と水素が存在しない領域が形成された場合に、カソード側に水素を存在させることができるので、触媒の劣化を抑制することができる。
【０００９】
また、第二カソードガス流路にアノードガスを選択的に供給する第三選択手段を備えることで、アノードにアノードガスを供給する際に第二カソードガス流路にもアノードガスを導入して、触媒の劣化を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】
【００１０】
図１を参照して、第１の実施形態による燃料電池スタック（以下、スタック）２を構成する単位セル２０の構成について説明する。スタック２は、複数の単位セル２０を積層して構成される。
【００１１】
単位セル２０は、プロトン伝導性を有する電解質膜２１と、電解質膜２１の両主面に設けられた触媒層２２ａ、２２ｃと、さらにその外側に設けられたガス拡散層２３ａ、２３ｃからなる膜電極接合体(membrane electrode assembly:ＭＥＡ)２４を備える。触媒層２２は、カーボン担体に白金（Ｐｔ）を担持することにより構成する。ガス拡散層２３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等より構成する。触媒層２２とガス拡散層２３により電極層３２を構成する。
【００１２】
また、単位セル２０は、ＭＥＡ２４に隣接し、さらにＭＥＡ２４に接触する面に溝状のガス流路２８を有するセパレータ２７と、ＭＥＡ２４の外周に沿って設けられ、ガスの漏洩と電極間の短絡を防ぐガスシール部２５を備える。
【００１３】
このような単位セル２０において、通常運転時には、カソードガス流路２８ｃに酸化剤ガスとしての空気を、アノードガス流路２８ａには燃料ガスとしての水素を供給し、ガス拡散層２３ｃ、２３ａを介して触媒層２２ｃと２２ａにそれぞれ酸素と水素を接触させることにより、以下の反応を生じる。
【００１４】
アノード側  ：  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（３）
カソード側：  ２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（４）
アノード触媒層２２ａでは、（３）式に示すように、水素がプロトンと電子に電離する。プロトンは電解質膜２１の内部を拡散してカソード触媒層２２ｃに到達し、電子は図示しない外部回路を流れて出力として取り出される。
【００１５】
一方、カソード触媒層２２ｃでは、電解質膜２１を拡散したプロトンと、図示しない外部回路を介して移動した電子と、空気中の酸素により形成される三相界面上で（４）式に示す反応を生じる。
【００１６】
このような単位セル２０を複数積層したスタック２を移動体、例えば自動車の動力源として活用する場合には、起動／停止が頻繁に繰り返される。運転停止中には、スタック２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。スタック２が長時間放置された場合には、外部から大気が浸入してアノードガス流路２８ａ内に空気が存在する可能性がある。
【００１７】
アノード側に空気が存在する状態からシステムを起動すると、起動初期に単位セル２０内は図２に示すような状態となる。
【００１８】
カソードガス流路２８ｃには全領域に空気が充満する。また、アノードガス流路２８ａは、水素が導入されることで、水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｃが形成される。アノードガス流路２８ａ内には、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。領域Ａにおいては、通常の動作と同様の反応が起り、カソード側には０.８Ｖ以上の電位が立つ。つまり、領域Ａに局所的に電池が形成される。このようにカソード側が比較的高電圧となることで、水素／空気フロントＢを境にして領域Ｃ側においては、カソード触媒層２２ｃで前述した（１）式のような反応が、アノード触媒層２２ａで前述した（２）式のような反応が生じる。つまり、カソード触媒層２２ｃで、Ｐｔ触媒を担持するカーボン担体の腐食が生じる。これにより、カソード触媒層２２ｃが大きく劣化し、単位セル２０の性能を劣化させる原因となる。
【００１９】
そこで本実施形態では、図１に示すように、カソード側に、ＭＥＡ２４に対峙し、かつカソードガス流路２８ｃとは独立したカソード側起動用流路２９を設ける。ここでは、カソード側セパレータ２７ｃのＭＥＡ２４に対峙する面に設けた溝により、カソード側起動用流路２９を設ける。カソード側起動用流路２９は、アノードガス流路２８ａと軸が平行となる溝により構成される。また、カソード側起動用流路２９は、カソードガス流路２８ｃと軸が平行となる溝により構成される。ここでは、カソード側起動用流路２９を連続する一つの溝により構成するが、並列する複数の溝により構成してもよい。また、カソード側起動用流路２９を単位セル２０の積層面の外縁近傍に設ける。つまり、複数の並列するカソードガス流路２８ｃを形成した領域の外側にカソード側起動用流路２９を設ける。
【００２０】
カソード側起動用流路２９は、ＭＥＡ２４の一部に対峙して構成する。ただし、反応ガスの混合を避けるため、カソード触媒層２２ｃとカソードガス拡散層２３ｃよりなるカソード電極層３２ｃを、カソードガス流路２８ｃに対峙する第一カソード電極層３２１ｃと、カソード側起動用流路２９に対峙する第二カソード電極層３２２ｃとに隔離するガスシール部２６ｃを備える。つまり、ガスシール部２６ｃは、積層面方向について第一カソード電極層３２１ｃと第二カソード電極層３２２ｃの間に配置され、また、積層方向についてカソード側セパレータ２７ｃと電解質膜２１の間に配置される。
【００２１】
なお、図１に示すように、ここでは、単位セル２０は、カソード側起動用流路２９、第二カソード電極層３２２ｃに重なる領域についても、アノード電極層３２ａおよびアノードガス流路２８ａを設ける。
【００２２】
次に、図３を参照して、スタック２に空気および水素を供給する燃料電池システム１について説明する。スタック２は、上述した単位セル２０を複数積層することにより構成するが、図３では、便宜上、カソード側起動用流路３、カソードガス流路４、アノードガス流路５のみを概略的に描いている。
【００２３】
カソードガスとして用いる空気を供給する空気供給装置１０を備える。空気供給装置１０は、大気を昇圧して所定の圧力まで上昇させるコンプレッサ等により構成される。空気供給装置１０の下流は、スタック２のカソードガス流路４側とカソード側起動用流路３側に分岐し、それぞれに空気を導入するか否かを選択するバルブ９、８を備える。
【００２４】
なお、図３のカソードガス流路４は、図１に示したカソードガス流路２８ｃと、各単位セル２０のカソードガス流路２８ｃに連通する図示しない空気入口マニホールドと空気出口マニホールドよりなる。また、図３のカソード側起動用流路３は、図１に示したカソード側起動用流路２９と、各単位セル２０のカソード側起動用流路２９に連通する図示しないカソード側起動用入口、出口マニホールドよりなる。
【００２５】
また、アノードガスとして用いる水素を供給する水素供給装置１１を備える。水素供給装置１１は、高圧タンクまたは改質システムおよび圧力調整装置等で構成される。水素供給装置１１の下流は、スタック２のアノードガス流路５側とカソード側起動用流路３側に分岐し、それぞれに水素を導入するか否かを選択するバルブ７、６を備える。なお、アノードガス流路５は、図１に示したアノードガス流路２８ａと、各単位セル２０のアノードガス流路２８ａに連通する図示しない燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドよりなる。
【００２６】
カソードガス流路４、アノードガス流路５、カソード側流路３それぞれのガスの流通方向を略同一方向とする。特に、各単位セル２０内のカソードガス流路２８ｃ、アノードガス流路２８ａ、カソード側起動用流路２９内のガスの流通方向が並行となるように構成する。
【００２７】
ここで、水素供給装置１１から、カソード側起動用流路３側、アノードガス流路５側に分岐して燃料電池に至るまでのガス配管の長さ、もしくは管断面積（断面半径）は、カソード側起動用流路３およびアノードガス流路５の圧力損失に応じて設定する。例えば、本実施例のように、水素供給装置から燃料電池に至る配管長さは、燃料電池供給装置と燃料電池とのレイアウト関係上が異なる場合が多い。このような場合には後述するように、スタック２の起動時に、バルブ６、７を開くことにより導入された水素が、各単位セル２０のカソード側起動用流路２９、アノードガス流路２８ａの入口に略同時に到達し、かつそれらの内部を略同じ速さで進むように前記管断面積（断面半径）を設定することが好ましい。
【００２８】
また、反応ガスの供給を制御するコントロールユニット１２を備える。コントロールユニット１２は、空気供給装置１０、水素供給装置１１、バルブ６〜９の開度を制御することにより、スタック２に供給する反応ガスを制御する。コントロールユニット１２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。コントロールユニット１２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。
【００２９】
次に、図４のフローチャートを参照して、スタック２の起動方法について説明する。
【００３０】
スタック２の起動を指示する信号が検知されたら、ステップＳ１でバルブ６、７を同時に開くことによりカソード側起動用流路３、アノードガス流路５への水素の供給を開始する。次に、ステップＳ２において、水素の供給を開始してからの経過時間ｔ1をカウントする。ステップＳ３において、経過時間ｔ1が所定時間ｔaに達したか否かを判断する。ここで、所定時間ｔaを、単位セル２０内のアノードガス流路２８ａ全体に水素が行き渡るのに要する時間、またはそれ以上の時間とする。
【００３１】
経過時間ｔ1が所定時間ｔaに達するまでカウントを継続し、所定時間ｔaが経過したら、ステップＳ４でバルブ６を閉として、カソード側起動用流路３への水素の導入を終了する。次に、ステップＳ５で、バルブ８を開くことにより、カソード側起動用流路３に空気を導入して、カソード側起動用流路３に残留する水素をパージする。
【００３２】
ステップＳ６において、パージを開始してからの経過時間ｔ2をカウントする。次に、ステップＳ７において、経過時間ｔ2が所定時間ｔbに達したか否かを判断する。ここで、所定時間ｔbは、単位セル２０内のカソード側起動用流路２９全域について水素をパージするのに要する時間であり、予め実験等により求めておく。
【００３３】
パージ開始から所定時間ｔbが経過するまでカウントを継続し、所定時間ｔbが経過したら、ステップＳ８でバルブ８を閉じてパージを終了する。次に、ステップＳ９においてバルブ９を開いて、カソードガス流路４への空気の導入を開始し、起動制御を終了する。
【００３４】
なお、本ルーチンでは、空気供給装置１０、水素供給装置１１の制御については記載していないが、起動時の水素および空気の流量や、カソード側起動用流路２９をパージする際の空気流量は、予め実験等により設定しておき、これに応じて空気供給装置１０、水素供給装置１１の制御を行う。
【００３５】
また、ステップＳ２とステップＳ６では、カウントの間隔をｔ0としているが、これは同じである必要はなく、ステップＳ２、Ｓ６それぞれが繰り返される時間に応じて設定すればよい。
【００３６】
次に、図５を参照して、上述した制御を行った場合の単位セル２０内の状態を説明する。
【００３７】
起動前は、図５（ａ）に示すようにカソード側起動用流路２９、カソードガス流路２８ｃ、アノードガス流路２８ａ内には酸素が存在する。起動を開始して、図５（ｂ）に示すようにカソード側起動用流路２９とアノードガス流路２８ａに同時に水素を導入する。このとき、第二カソード電極層３２２ｃに水素が存在し、水素の酸化反応を生じることでカーボンの腐食反応が抑制される。その後、アノードガス流路２８ａ全体に水素が行き渡ったら、図５（ｃ）に示すようにカソード側起動用流路２９の水素が空気によりパージされ、カソードガス流路２８ｃに空気が導入される。
【００３８】
なお、本実施形態では、水素がアノードガス流路２８ａ内に行き渡ったか否かを、水素の供給を開始してからの経過時間ｔ1により判断したがこの限りではない。アノードガス流路２８ａの出口、またはその近傍に水素センサを備え、水素センサにより水素が検知されたらアノードガス流路２８ａに水素が行き渡ったと判断してもよい。
【００３９】
また、パージの終了をパージ開始からの経過時間ｔ2により判断しているがこの限りではない。カソード側起動用流路２９の出口、またはその近傍に水素センサを備え、水素が検出されなくなったらパージ終了を判断してもよい。
【００４０】
また、カソード側起動用流路２９の水素をパージするラインとバルブ８とプロセスを設けたが、これは省略することもできる。つまり空気供給装置１０の下流側をカソードガス流路４のみに接続して構成してもよい。この場合には、カソードガス流路４に空気が導入されることにより、カソード側起動用流路２９内の水素が消費される。ただし、パージを行うことで、起動時間を短縮することができる。
【００４１】
さらに、本実施形態では、停止時には、バルブ７とアノードガス流路２８ａの下流に設けた図示しないバルブによりアノードガス流路２８ａを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路２８ａ内の水素をパージしてもよい。
【００４２】
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置１０の下流をアノードガス流路５側に分岐し、アノードガス流路５に選択的に空気を導入するバルブ１５（図示せず）を備える。そして、燃料電池システム１停止時には、まず、バルブ７、９を閉じて、アノードガス流路５、カソードガス流路４への水素および空気の供給を終了する。次に、バルブ６を開いてカソード側起動用流路３に水素を供給し、カソード側起動用流路３に水素が行き渡ったらバルブ６を閉じる。次に、バルブ８とバルブ１５（図示せず）を開いて、カソード側起動用流路３とアノードガス流路５に同時に空気を導入し、スタック２内に残存する水素をパージする。水素がパージされたら、バルブ８と１５（図示せず）を閉じて停止制御を終了する。これにより、停止時にカソード側の腐食反応を抑制しながら、アノードガス流路５の水素をパージすることができる。
【００４３】
次に本実施形態の効果について説明する。
【００４４】
スタック２を構成する単位セル２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極層３２１ｃと、第二カソード電極層３２２ｃと、電解質膜２１のもう一方の面に隣接し、少なくとも第一カソード電極層３２１ｃに重なる領域に設けられたアノード電極層３２ａを備える。また、第一カソード電極層３２１ｃに隣接して形成されたカソードガス流路２８ｃと、第二カソードガス電極層３２２ｃに隣接して形成されたカソード側起動用流路２９と、アノード電極層３２ａに隣接して形成されたアノードガス流路２８ａと、を備える。このように第一カソード電極層３２１ｃに独立した第二カソード電極層３２２ｃを備えることで、アノードガス流路２８ａ内に水素／空気フロントＢが形成される際に、カソード側に水素を存在させることができるので、カソード側のカーボン腐食反応を抑制することができる。
【００４５】
燃料電池システム１は、このようなスタック２と、スタック２に空気を供給する空気供給装置１０と、スタックに水素を供給する水素供給装置１１と、空気供給装置１０からカソードガス流路２８ｃ（４）への空気の導入を選択するバルブ９を備える。また、水素供給装置１１からアノードガス流路２８ａ（５）への水素の導入を選択するバルブ７と、水素供給装置１１からカソード側起動用流路２９（３）への水素の導入を選択するバルブ６と、を備える。このように、第一カソード電極層３２１ｃに独立した第二カソード電極層３２２ｃを備えた単位セル２０を有するスタック２に、第二カソード電極層３２２ｃに隣接するカソード側起動用流路２９（３）に選択的に水素を導入可能な構成とする。これにより、水素／空気フロントＢが形成される際に、カソード側に水素を導入してカソード腐食反応が生じるのを抑制することができる。
【００４６】
また、起動時には、水素供給装置１１からアノードガス流路２８ａ（４）とカソード側起動用流路２９（３）へ水素を供給し、アノードガス流路２８ａ全体にアノードガスが導入された後に、カソード側起動用流路２９（３）への水素の供給を停止する。このように、起動時に、単位セル２０内のカソード側起動用流路２９に水素が存在することにより、アノードガス流路２８ａ内で水素／空気フロントＢが形成された場合にも、腐食反応を抑制することができる。
【００４７】
また、空気供給装置１０からカソード側起動用流路２９（３）への空気の導入を選択するバルブ８を備え、単位セル２０内のアノードガス流路２８ａ全体にアノードガスが導入された後に、カソード側起動用流路２９（３）への水素の供給を停止して、カソード側起動用流路２９（３）に空気を導入して水素をパージする。これにより、速やかに起動制御を終了することができる。
【００４８】
また、第二カソード電極層３２２ｃを、アノード電極層３２ａの一部と積層方向に重なるように構成するとともに、アノードガス流路２８ａとカソード側起動用流路２９を互いに並行に構成する。このようなスタック２に対して、起動時に、水素供給装置１１から、アノードガス流路２８ａとカソード側起動用流路２９とに略同時に水素を流通させる。これにより、流路断面内でアノード側のみに水素が存在するのを避け、カソード側に水素が存在せずにカーボンの腐食反応が生じるのを抑制することができる。
【００４９】
次に、図６を参照して、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。
【００５０】
単位セル２０のアノード側において、カソード側起動用流路２９に対向する位置にガスシール部３１ａを設ける。ここでは、ガスシール部３１ａを、カソード側のガスシール部２６ｃ、２５ｃと、これらに挟まれた第二カソード電極層３２２ｃに積層方向に重なる領域に設ける。またガスシール部３１ａは、積層方向については、電解質膜２１とアノード側セパレータ２７ａとの間に挟まれて配置される。つまり、カソード側起動用流路２９からガスが供給される第二カソード電極層３２２ｃに重なる領域にはアノード電極層３２ａを設けず、電極反応が生じないように構成する。
【００５１】
次に、図７を参照して、このような単位セル２０を積層したスタック２の起動方法を説明する。
【００５２】
ステップＳ１１で、バルブ６を開く。これによりカソード側起動用流路３に水素を導入する。ステップＳ１２で、バルブ７を開くことによりアノードガス流路５に水素を導入する。以下、ステップＳ１３〜Ｓ２０にかけては、ステップＳ２〜Ｓ９と同様とする。
【００５３】
このように制御した際の単位セル２０の状態を図８に示す。
【００５４】
図８（ａ）に示すように、起動制御を開始する前には、各流路２８、２９内には酸素が存在する。起動制御開始後、カソード側起動用流路２９に水素を導入することにより、図８（ｂ）に示す状態となる。ここで、カソードガス流路２８ｃと、カソード側起動用流路２９は、第一、第二カソード電極層３２１ｃ、３２２ｃを介して電解質膜２１で連続している。そのため、カソード側起動用流路２９に重なる第二カソード電極層３２２ｃでは、式（３）の反応によりプロトンが生じる。プロトンは、電解質膜２１を通って、カソードガス流路２８ｃに重なる第一カソード電極層３２１ｃに到達し、ここで式（４）の反応が生じる。このとき、カソード側の電位は、水素酸化電流と酸素還元電流とが釣り合った図９に示す混成電位になる。
【００５５】
図９に示すように、水素酸化反応は、酸素還元反応より進行し易いので、混成電位はカソード側に空気が単独に存在する電位よりも遥かに小さくなる。また、図１０に示すように、カーボン腐食反応は高電圧となるほど生じ易くなる。混成電位が形成された後、アノードガス流路２８ａに水素を供給する際に、水素／空気フロントＢが形成されても、カソード側の電位が小さいためにカーボン腐食反応が抑制される。
【００５６】
次に、図８（ｃ）に示すように、カソード側起動用流路２９内の水素をパージし、アノードガス流路２８ａに水素を導入して起動制御を終了し、通常運転に移行する。
【００５７】
なお、本実施形態では、停止時には、バルブ７と、アノードガス流路２８ａの下流に設けた図しないバルブにより、アノードガス流路２８ａを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路２８ａ内の水素をパージしてもよい。
【００５８】
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置１０の下流をアノードガス流路５側に分岐し、アノードガス流路５に選択的に空気を導入するバルブ１５（図示せず）を備える。そして、燃料電池システム１停止時には、まず、バルブ９とバルブ７を閉じて、スタック２への空気と水素の供給を停止する。次にバルブ６を開いて、カソード側起動用流路３に水素を導入する。単位セル２０内のカソード側起動用流路２９全体に水素が行き渡ったら、バルブ６を閉じて水素の供給を停止する。次にバルブ１５（図示せず）を開くことによりアノードガス流路５に空気を導入して、残留する水素のパージを行う。単位セル２０内のアノードガス流路２８ａの水素がパージされたら、バルブ１５（図示せず）を閉じ、バルブ８を開くことによりカソード側起動用流路３に空気を導入して水素をパージする。単位セル２０内のカソード側起動用流路２９内の水素がパージされたら、停止制御を終了する。これにより、停止時に水素のパージを行うことにより生じるカソード側の腐食反応を抑制することができる。
【００５９】
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。
【００６０】
アノード電極層３２ａを、第一カソード電極層３２１ｃに重なる領域のみに形成する。これにより、カソード側の電位が、水素酸化電流と酸素還流電流とが釣り合う混成電位となるので、アノードガス流路２８ａ内に水素／空気フロントＢが発生しても、カーボンの腐食反応の駆動電位が小さくなるので、カソード触媒層２２ｃの劣化を抑制することができる。
【００６１】
また、第二カソード電極層３２２ｃを、アノード電極層３２ａと重なる領域の外部に構成し、起動時に、水素供給装置１１からカソード側起動用流路２９に水素を供給した後、アノードガス流路２８ａに水素を供給する。これにより、カソード側起動用流路２９とアノードガス流路２８ａへの水素の供給を同時にする必要がなくなるので、起動時の制御を容易にすることができる。
【００６２】
次に、図１１を参照して、第３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。
【００６３】
単位セル２０のアノード側の、カソード側起動用流路２９に対向する位置にアノード側起動用流路３０を設ける。また、アノード電極層３２ａを、アノードガス流路２８ａに重なる第一アノード電極層３２１ａと、アノード側起動用流路３０に重なる第二アノード電極層３２２ａとの隔壁となるガスシール部２６ａを備える。ガスシール部２６ａは、アノード側起動用流路３０とアノードガス流路２８ａそれぞれを流通するガスの混合を妨げる役割を担う。
【００６４】
次に、図１２を参照して、スタック２に空気および水素を供給するシステムについて説明する。スタック２は、上述した単位セル２０を複数積層することにより構成するが、図１２では、便宜上、カソード側起動用流路３、カソードガス流路４、アノードガス流路５、アノード側起動用流路１３のみを概略的に描いている。
【００６５】
水素供給装置１１の下流側をアノード側起動用流路１３に接続し、水素をアノード側起動用流路１３に導入するか否かを選択するバルブ１４を備える。なお、アノード側起動用流路１３は、アノード側起動用流路３０と、各単位セル２０のアノード側起動用流路３０に接続する図示しないアノード側起動用入口、出口マニホールドからなる。
【００６６】
次に、図１３のフローチャートを参照して、このようなスタック２の起動方法について説明する。
【００６７】
ステップＳ２１において、バルブ６と１４を同時に開く。これにより、カソード側起動用流路３とアノード側起動用流路１３に水素が供給される。このとき、単位セル２０内部のアノード側起動用流路３０をカソード側起動用流路２９との本数を同じとすることで、流路抵抗を略同じとする。また、各単位セル２０のカソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０のそれぞれの入口を、水素供給装置１１の吐出口からの距離が略同じ位置に設けることができる。そのため、カソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０には、水素を比較的容易に同時に導入することができる。そのため、カソード側、アノード側の両方で、カーボン腐食反応が生じるのを抑制することができる。
【００６８】
次に、ステップＳ２２において、バルブ７を開くことによりアノードガス流路５に水死を供給する。このとき、既にカソード側に水素が供給されているので、主にカーボン腐食反応より生じ易い水素の酸化反応が生じる。
【００６９】
ステップＳ２３、Ｓ２４において、アノードガス流路５への水素の供給を所定時間ｔa行って、アノードガス流路２８ａ（５）全体に水素が行き渡ったら、ステップＳ２５で、バルブ６と１４を閉じる。これにより、カソード側起動用流路３、アノード側起動用流路１３への水素の供給を終了する。次に、ステップＳ２６でバルブ８を開くことにより、カソード側起動用流路３に空気を導入して残留する水素をパージする。
【００７０】
ステップＳ２７、Ｓ２８で所定時間ｔb、パージを継続したら、ステップＳ２９において、バルブ８を閉じる。これによりパージを終了し、ステップＳ３０でバルブ９を開くことによりカソードガス流路４に空気を導入して、通常運転に移行する。
【００７１】
このように制御した際の単位セル２０の状態を図１４に示す。
【００７２】
図１４（ａ）に示すように、起動制御を開始する前には、各流路２８、２９、３０内には酸素が存在する。起動制御開始後、図１４（ｂ）に示すように、スタック２のカソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０に、同時に水素を供給した後に、アノードガス流路２８ａに水素を供給する。これにより、水素をアノードガス流路２８ａに供給した際に、カソード触媒層２２ｃでカーボンの腐食反応が発生するのを抑制することができる。その後、図１４（ｃ）に示すようにカソード側起動用流路２９の水素を空気によってパージし、カソードガス流路２８ｃに空気を導入する。
【００７３】
このような制御を行った場合には、図１５に示すように、起動停止の制御を繰り返し行った場合に、スタック２の性能低下を抑制することができる。なお、図１５における従来例では、起動時にアノードガス流路に水素を、カソードガス流路に空気を同時に導入した場合を示している。
【００７４】
なお、本実施形態では、停止時には、バルブ７とアノードガス流路２８ａの下流に設けた図示しないバルブにより、アノードガス流路２８ａを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路２８ａ内の水素をパージしてもよい。
【００７５】
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置１０の下流でアノードガス流路５側に分岐する流路を設け、さらに、アノードガス流路５に選択的に空気を導入するバルブ１５（図示せず）を備える。また、空気供給装置１０の下流でアノード側起動用流路１３に分岐する流路を設け、さらに、アノード側起動用流路１３に選択的に空気を導入するバルブ１６（図示せず）を備える。そして、燃料電池システム１停止時には、まず、バルブ９とバルブ７を閉じて、スタック２への空気と水素の供給を停止する。次にバルブ６と１４を開いて、カソード側起動用流路３、アノード側起動用流路１３に水素を導入する。カソード側起動用流路２９（３）とアノード側起動用流路３０（１３）全体に水素が行き渡ったら、バルブ６と１４を閉じて水素の供給を停止する。次にバルブ１５（図示せず）を開くことによりアノードガス流路５に空気を導入して、残留する水素のパージを行う。アノードガス流路２８ａ（５）の水素がパージされたら、バルブ１５（図示せず）を閉じ、バルブ８とバルブ１６（図示せず）を開くことによりカソード側起動用流路３とアノード側起動用流路１３に略同時に空気を導入して水素をパージする。カソード側起動用流路２９（３）およびアノード側起動用流路３０（１３）内の水素がパージされたら、バルブ８とバルブ１６（図示なし）を閉じて停止制御を終了する。このように制御することで、停止時に水素のパージを行うことにより生じる腐食反応を抑制することができる。
【００７６】
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。
【００７７】
第二カソード電極層３２２ｃに重なる領域に設けられ、第一アノード電極層３２１ａとの間のガス移動が妨げられるように独立して構成された第二アノード電極層３２２ａと、第二アノード電極層３２２ａに隣接して形成されたアノード側起動用流路３０と、を備える。ここでは、さらに、水素供給装置１１からアノード側起動用流路３０への水素の導入を選択するバルブ１４を備え、起動時には、水素供給装置１１からカソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０に水素を供給した後、アノードガス流路２８ａに水素を導入する。なお、カソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０とを互いに並行に構成し、起動時に、水素供給装置１１からカソード側起動用流路２９とアノード側起動用流路３０に略同時に水素を流通させる。このように構成することで、アノード側とカソード側とに、比較的容易に同時に水素を供給することができるので、さらに触媒層２２の劣化を抑制することができる。
【００７８】
なお、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。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、燃料電池に適用することができる。特に、起動と停止を繰り返し行う自動車の駆動源として搭載され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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施形態による燃料電池の断面図である。
【図２】燃料電池で生じるカーボン腐食を説明する図である。
【図３】第１の実施形態による燃料電池システムの構成図である。
【図４】第１の実施形態による起動時の制御を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態による起動時の燃料電池内の状態を示す図である。
【図６】第２の実施形態による燃料電池の断面図である。
【図７】第２の実施形態による起動時の制御を示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態による起動時の燃料電池内の状態を示す図である。
【図９】第２の実施形態で生じる混成電位の説明図である。
【図１０】セル電圧に応じたカーボン腐食反応による電流変化示す図である。
【図１１】第３の実施形態による燃料電池の断面図である。
【図１２】第３の実施形態による燃料電池システムの構成図である。
【図１３】第３の実施形態による起動時の制御を示すフローチャートである。
【図１４】第３の実施液体による起動時の燃料電池内の状態を示す図である。
【図１５】第３の実施形態の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１    燃料電池システム
２    スタック
３、２９    カソード側起動用流路（第二カソードガス流路）
４、２８ｃ    カソードガス流路（第一カソードガス流路）
５、２８ａ    アノードガス流路（第一アノードガス流路）
６    バルブ（第三選択手段）
７    バルブ（第二選択手段）
８    バルブ（第四選択手段）
９    バルブ（第一選択手段）
１０  空気供給装置(カソードガス供給手段)
１１  水素供給装置（アノードガス供給手段）
１２  コントロールユニット
１３、３０  アノード側起動用流路（第二アノードガス流路）
１４  バルブ（第五選択手段）
２１  電解質膜
３２１ｃ  第一カソード電極層
３２２ｃ  第二カソード電極層
３２１ａ  第一アノード電極層
３２２ａ  第二アノード電極層
【図１】
2006040611.tif 000003
【図２】
2006040611.tif 000004
【図３】
2006040611.tif 000005
【図４】
2006040611.tif 000006
【図５】
2006040611.tif 000007
【図６】
2006040611.tif 000008
【図７】
2006040611.tif 000009
【図８】
2006040611.tif 000010
【図９】
2006040611.tif 000011
【図１０】
2006040611.tif 000012
【図１１】
2006040611.tif 000013
【図１２】
2006040611.tif 000014
【図１３】
2006040611.tif 000015
【図１４】
2006040611.tif 000016
【図１５】
2006040611.tif 000017