(57)【要約】【課題】触媒劣化反応を抑制することができる燃料電池を提供する【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜４の両主面に触媒層５を有し、さらにその外側に燃料極１４ａのガス拡散電極６ａおよび酸化剤極１４ｃのガス拡散電極６ｃをそれぞれ配置してなる膜電極接合体１６と、ガス拡散電極６ａおよびガス拡散電極６ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路８を備えたセパレータ３ａ、３ｃと、を有する燃料電池２を備える。このような燃料電池システムにおいて、ガス拡散電極６ａ、ガス拡散電極６ｃ、およびセパレータ３ａ、３ｃを、燃料ガスの流れ方向に対して垂直に、絶縁部材１０により複数に分割された分割体１７ａと１７ｃにより構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両主面に触媒層を有し、さらにその両側に燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、
前記燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータと、を有する燃料電池を備え、
前記燃料ガス拡散電極、前記酸化剤ガス拡散電極、および、前記セパレータを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記分割体と外部負荷とを結ぶ電気回路に、前記分割体毎にスイッチを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分割体と外部負荷とを結ぶ電気回路に、前記分割体毎にコイルを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分割体と外部負荷とを結ぶ電気回路に、前記分割体毎にダイオードを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
起動時に、前記スイッチを全部開とした状態で、燃料ガスの供給を開始する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
停止時に、前記スイッチを全部開とした状態で、燃料ガスの空気パージを行う請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分割体を複数積層してなる分割スタックに、それぞれ電圧検出手段を備え、
前記スイッチは、想定されたガスが供給されたと判断される電圧となった分割スタックから順に外部負荷にスイッチが接続される請求項２、５、６のいずれか一つ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、燃料電池システムの改良に関する。特に、起動／停止時の燃料電池の劣化を抑制するための制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池として、複数の分割された分割電極を平面に並べて単位セルを積層して構成されたものが知られている。分割電極により構成された燃料極と酸化剤極により、一枚からなるマトリックスを狭持している。燃料ガスと空気の混合がマトリックスにて防止され、分割電極間は反応面内を仕切り板等の部材を用いなくとも、電気容量の低下及びコストの増大を招くことなく、組み立て時におけるハンドリング性を向上している（例えば、特許文献１、参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−６７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の起動／停止時には、燃料極側の反応ガス流路において、燃料ガスと酸化剤ガスが混在して局部電池が形成されることにより、触媒層の劣化反応が生じる。特に、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が並行に構成された場合には、酸化剤極流路出口側における触媒層劣化が顕著になる傾向があり、燃料電池耐久性を決める要因の一つとなっている。
【０００５】
上記従来技術においては、各分割電極間が電気的に接続しているため、従来の燃料電池と同様に、起動／停止時に触媒層の劣化反応を抑制することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、触媒層の劣化反応を抑制することができる燃料電池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】
本発明は、電解質膜の両主面に触媒層を有し、さらにその両側に燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータと、を有する燃料電池を備え、前記燃料ガス拡散電極、前記酸化剤ガス拡散電極、および前記セパレータを、燃料ガスの流れ方向対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成する。
【発明の効果】
【０００８】
燃料ガス拡散電極、酸化剤ガス拡散電極、およびセパレータを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成する。これにより、分割体間の電子の移動を妨げることができるので、触媒層の劣化反応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】
【０００９】
図１、図２を参照して、本発明の第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の概略構成を、図２に、局部電池の発生状況を示す。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池スタック１を、複数の単位セル２を積層して構成する。単位セル２は、高分子電解質膜４の一方の面に、触媒層５ａとガス拡散電極６ａよりなる燃料極１４ａを、もう一方の面に触媒層５ｃとガス拡散電極６ｃよりなる酸化剤極１４ｃを接合した膜電極接合体１６を備える。膜電極接合体１６の一方の面には、燃料ガスを流通する燃料ガス流路７を設けたセパレータ３ａを備え、ガス拡散電極６ａを介して触媒層５ａに燃料ガスを供給する。もう一方の面には、酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路８を設けたセパレータ３ｃを備え、ガス拡散電極６ｃを介して触媒層５ｃに酸化剤ガスを供給する。図１に示すように、燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路８を、互いに平行に構成する。また、燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路８の入口部および出口部を、互いに積層方向に略重なる位置に設け、通常の運転時には、燃料ガスと酸化剤ガスが略同一方向に流通するように構成する。さらに、単位セル２は、膜電極接合体１６の外縁に沿ってシール９を備え、電極１４ａと１４ｃの間の短絡を防止するとともに、反応ガスの混合を防止する。
【００１１】
燃料極１４ａのガス拡散電極６ａを、燃料ガス流路７の流れ方向に略垂直に分割した分割電極６１ａにより構成する。また、カソード側のガス拡散電極６ｃを、酸化剤ガス流路８の流れ方向に略垂直に分割した分割電極６１ｃにより構成する。ここでは、ガス拡散電極６ａを構成する分割電極６１ａと、ガス拡散電極６ｃを構成する分割電極６１ｃは、略同形状に分割される。
【００１２】
また、アノード側のセパレータ３ａを燃料ガス流路７の流れ方向に垂直に分割した分割セパレータ３１ａにより構成する。また、カソード側のセパレータ３ｃを酸化剤ガス流路８の流れ方向に略垂直に分割した分割セパレータ３１ｃにより構成する。ここでは、セパレータ３ａを構成する分割セパレータ３１ａと、セパレータ３ｃを構成する分割セパレータ３１ｃは、略同形状に分割される。
【００１３】
さらに、ガス拡散電極６ａとセパレータ３ａは、燃料ガス流路７の流路軸方向について同じ箇所で分割される。また、ガス拡散電極６ｃとセパレータ３ｃは、酸化剤ガス流路８の流路軸方向について同じ箇所で分割される。
【００１４】
つまり、セパレータ３ａと３ｃおよびガス拡散電極６ａと６ｃを、反応ガスの流れ方向について、複数に分割して構成する。言い換えれば、積層方向に重ねられた分割セパレータ３１ａと３１ｃおよび分割電極６１ａと６１ｃは、反応ガス流路７と８の流れ方向に関する長さが同一となる。また、ガス拡散電極６とセパレータ３の分割部分には、分割電極６１および分割セパレータ３１間の電気絶縁性を保つために、絶縁部材１０を備える。分割セパレータ３１ａ、３１ｃおよび分割電極６１ａ、６１ｃにより分割体１７ａ、１７ｃを構成し、複数の分割体１７ａ、１７ｃを絶縁体１０を介して配置することで、単位セル２を構成する。
【００１５】
このような分割体１７ａ、１７ｃは、積層された単位セル２間でも同形状とし、分割体１７ａ、１７ｃが積層されて分割スタック１５が形成される。分割スタック１５は、それぞれスイッチ１１ａを介して外部負荷１２に接続される。
【００１６】
なお、図１においては、セパレータ３ａと３ｃおよびガス拡散電極６ａと６ｃの分割数を三個としている。つまり、燃料電池スタック１を三つの分割スタック１５から構成しているがこの限りではない。
【００１７】
また、触媒層５は、ガス拡散電極６に触媒担持カーボンを塗布することで、分割電極６１と同様に分割して構成される。または、電解質膜４に塗布する場合には、絶縁部材１０に対向する部分には触媒担持カーボンを塗布するのを避けるのが好ましい。または、触媒層５を他の部材を用いて形成する場合には、その構成部材を分割して構成してもよい。
【００１８】
次に、本実施形態の起動・停止時の状態について説明する。まず、通常の分割していない単位セル１０２を用いた際の、起動時の局部電極発生のメカニズムを図２を用いて説明する。
【００１９】
燃料ガス流路１０７と酸化剤ガス流路１０８に酸素が混入している状態から、燃料ガス流路１０７に燃料ガスを導入すると、燃料ガス流路１０７内は上流側に水素を含む燃料ガスが、下流側に酸素を含む空気が存在して燃料極１１４ａ側に局部電池が形成される。これにより、燃料ガス流路１０７の下流領域における電解質膜１０４でプロトンが欠乏し、電解質膜１０４内でプロトンの濃度勾配が発生する。これにより、触媒層１０５と電解質膜１０４の電位差が増大し、下流領域で、次式（１）に示すような、触媒担持カーボンの腐食および触媒金属の溶解が発生する。
【００２０】
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-                    ・・・（１）
なお、停止時にも、例えば空気により燃料ガスをパージする場合などには、燃料ガス流路１０７内に、燃料ガスが存在する領域と、存在しない領域が生じて、起動時と同様に局部電池が形成される。
【００２１】
そこで、本実施形態では、酸化剤ガス流路８内のガスが、空気から燃料ガスに、または、燃料ガスから空気に置換されるような条件においては、スイッチ１１ａを開放する。これにより、燃料極１４ａ側のセパレータ３ａや、ガス拡散電極６ａを通って、アノード側の分割体１７ａ間を電子ｅ-が移動できなくなる。同様に、カソード側のセパレータ３ｃや、ガス拡散電極６ｃを通ってカソード側の分割体１７ｃｃ間を電子ｅ−が移動できなくなる。そのため、局部電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの境界（水素／空気フロント）がそれぞれの分割体１７ａ、１７ｃに沿って流れる間のみ発生し、その電位差も小さなものとなる。
【００２２】
これにより、燃料電池スタック１の起動・停止時の、局部電池の発生による、局所的な触媒層５の劣化を防止することができるため、燃料電池スタック１の耐久性を向上することができる。
【００２３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２４】
燃料電池システムは、電解質膜４の両主面に触媒層５を有し、その外側に燃料極１４ａのガス拡散電極６ａおよび酸化剤極１４ｃのガス拡散電極６ｃをそれぞれ配置してなる膜電極接合体１６と、ガス拡散電極６ａおよびガス拡散電極６ｃにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路８を備えたセパレータ３ａ、３ｃと、を有する燃料電池２を備える。このような燃料電池システムにおいて、ガス拡散電極６ａ、ガス拡散電極６ｃ、およびセパレータ３ａ、３ｃを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に絶縁部材１０により複数に分割された分割体１７ａ、１７ｃにより構成する。これにより、起動時や停止時の局所的な触媒層５の劣化を防止することができる。
【００２５】
分割体１７と外部負荷１２とを結ぶ電気回路に、分割体１７毎にスイッチ１１ａを備える。スイッチ１１ａを開放することで、局部電池発生時に、分割体１７間を流れる腐食電流を遮断することができる。
【００２６】
次に、第２の実施形態について、図３を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。分割体１７と外部負荷１２とを結ぶ電気回路に、分割電極６１毎にコイル１１ｂを備える。
【００２７】
起動・停止時に、分割体１７間の電気的な接続を遮断する手段として、スイッチ１１ａの替わりに、コイル１１ｂを用いる。燃料電池スタック１の起動・停止時の局部電池発生による腐食電流は１／１０秒レベルの短時間で発生する。そこで、各分割体１７間をコイル１１ｂを介して接続することにより、複雑な制御を必要とせずに局部電池発生による電子移動を抑制することができる。コイル１１ｂのサイズ（巻数）は、分割体１７に沿ったガス流路７、８の長さに応じて設定することができ、ここでは予め実験等により設定しておく。その結果、燃料電池スタック１の起動・停止時の局部電池発生による局所的な触媒層５の劣化を防止することができ、燃料電池スタック１の耐久性を向上することができる。
【００２８】
次に、第３の実施形態について、図４を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２９】
起動・停止時に、分割体１７間の電気的な接続を遮断する手段として、スイッチ１１ａの替わりに、ダイオード１１ｃを用いる。つまり、分割体１７と外部負荷１２とを結ぶ電気回路に、分割体１７毎にダイオード１１ｃを備える。
【００３０】
ダイオード１１ｃを用いることで、外部負荷１２への電子移動は確保しつつ、他の分割体１７への電子移動を防止することができる。その結果、複雑な制御を必要とせずに、燃料電池スタック１の起動・停止時の局部電池発生による局所的な触媒層５の劣化を防止することができ、燃料電池スタック１の耐久性を向上することができる。
【００３１】
次に、第４の実施形態について説明する。第１の実施形態に示した燃料電池スタック１を用いて、図５と図６に示すようなタイミングでスイッチ１１ａの切替を行う。
【００３２】
まず、起動時のスイッチ１１ａの切替について、図５を用いて説明する。
【００３３】
燃料電池スタック１の停止・保管時には、燃料電池スタック１は開回路電圧を防止するためにスイッチ１１ａが接続され、外部負荷１２へと接続される。起動開始直後に、スイッチ１１ａを開放し、分割体１７間の電気的接続を遮断した状態で、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
【００３４】
所定の時間ｔ1経過後に、スイッチ１１ａを接続して電力の取り出しを開始する。なお、所定時間ｔ1は、ガスの供給が安定するまでに要する時間であり、ここでは、燃料ガス流路７に燃料ガスが行き渡るまでの時間とする。所定時間ｔ1は、燃料ガス流量Ｍｆと燃料電池スタック１内の燃料極合計流路体積Ｖc,cellから以下のように求められる。
【００３５】
ｔ1＝Ｖc,cell／Ｍｆ
または、実験により、燃料ガスが行き渡るまでの時間を予め求めておき、これを所定時間ｔ1として設定してもよい。または、燃料ガス流路７の出口側に水素センサを設置し、水素が検知されたら、燃料ガス流路７に燃料ガスが行き渡ったと判断して、スイッチ１１ａを接続してもよい。
【００３６】
次に、停止時のスイッチ１１ａの切替について、図６を用いて説明する。
【００３７】
燃料電池スタック１の運転時には、スイッチ１１ａを接続し、外部負荷１２に接続することにより、電力を取り出す。燃料電池スタック１の運転の停止制御が開始したら、スイッチ１１ａは開放される。この状態で、酸化剤ガス流路８と燃料ガス流路７に空気を導入して、パージを行う。所定時間ｔ2が経過したら空気の導入を停止してパージを終了し、また、スイッチ１１ａを接続して開回路電圧を防止した状態で運転を停止する。
【００３８】
所定時間ｔ2は、酸化剤ガス流路８と燃料ガス流路７に酸化剤ガスが行き渡たるのに要する時間である。例えば、燃料極１４ａに供給される酸化剤ガス流量Ｍｏと、燃料電池スタック１内の燃料極合計流路体積Ｖc,cellから以下のように求められる。
【００３９】
ｔ２＝Ｖc,cell／Ｍｏ
または、実験により、燃料ガス流路７に空気が行き渡るまでの時間を予め求めておき、これを所定時間ｔ2として設定してもよい。または、燃料ガス流路７の出口側に水素センサを設置し、水素が検知されなくなったら、燃料ガス流路７に酸化剤ガスが行き渡ったと判断して、パージを終了してスイッチ１１ａを接続してもよい。
【００４０】
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。
【００４１】
起動時に、スイッチ１１ａを全部開とした状態で、燃料ガスの供給を開始する。これにより、起動時の局部電池発生時に、分割電極６１間を流れる腐食電流を遮断することができる。
【００４２】
また、停止時に、スイッチ１１ａを全部開とした状態で、燃料ガス流路７ａの空気パージを行う。これにより、停止時の局部電池発生時に、分割電極６１間を流れる腐食電流を遮断することができる。
【００４３】
次に、第５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。
【００４４】
燃料電池スタック１において、分割体１７を積層した分割スタック１５にそれぞれ電圧センサ１３を備える。ここでは、燃料電池スタック１のガス拡散電極６およびセパレータ３を三つに分割して三つの分割スタック１５を備え、さらに、三つの電圧センサ１３を備える。
【００４５】
燃料電池スタック１の起動には、スイッチ１１ａが開放されている場合、一般に単位セル２の電圧は、０Ｖ程度から０．９５Ｖ程度へ上昇する。なお、燃料電池スタック１は、単位セル２が積層されていることにより、電圧センサ１３の出力は、単位セル２の積層分の和となる。例えば、起動時には、スイッチ１１ａを開放した状態で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を開始して、電圧センサ１３の出力が０．９５×積層数（Ｖ）以上となった分割スタック１５から、スイッチ１１ａを接続して、電力の取り出しを開始する。これにより、開回路電圧状態の保持時間を極力減少させることができる。
【００４６】
同様に、停止時には、パージガスとして空気を導入してから所定の電圧まで低下したら、スイッチ１１ａを接続する。
【００４７】
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。
【００４８】
分割体１７を複数積層してなる分割スタック１５に、それぞれ電圧センサ１３を備え、スイッチ１１ａは、想定されたガスが供給されたと判断される電圧となった分割スタック１５から順に外部負荷１２にスイッチ１１ａが接続される。ここでは、起動時には想定されたガスは燃料ガスであり、停止時には想定されたガスは空気である。また、供給されたと判断される電圧は、燃料ガスまたは空気が燃料ガス流路７に充満した状態であると推測できる電圧を指す。これにより、開回路電圧の保持時間を短時間とすることが可能となり、開回路電圧による触媒層５の劣化を抑制することができる。
【００４９】
なお、上記実施形態では、ガス拡散電極６と触媒層５とセパレータ３の全てを分割形状としているが、この限りではなく、少なくともガス拡散電極６とセパレータ３を分割形状に構成する。
【００５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、起動・停止を繰り返し行う車両搭載用の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】
【００５２】
【図１】第１の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】起動・停止時における極分電池発生の状況を示す図である。
【図３】第２の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】第３の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第４の実施形態による起動時のスイッチ切替のタイミングチャートである。
【図６】第４の実施形態による停止時のスイッチ切替のタイミングチャートである。
【図７】第５の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    燃料電池スタック
２    単位セル
３    セパレータ
３１  分割セパレータ
４    電解質膜
５    触媒層
６    ガス拡散電極
６１  分割電極
７    酸化剤ガス流路
８    燃料ガス流路
１０  絶縁部材
１１ａ  スイッチ
１１ｂ  コイル
１１ｃ  ダイオード
１２    外部負荷
１３    電圧検出手段
１５    分割スタック
１６    膜電極接合体
１７    分割体
【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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【図６】
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【図７】
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