(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転開始時に、燃料電池の発電出力を速やかに立ち上げることができる、燃料電池の状態調整方法を提供する。また、その状態調整方法を実施することができる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】エア排出路４６の途中部には、流路切替弁５１が介装されている。流路切替弁５１には、電解液充填路５２の一端が接続されている。電解液充填路５２の他端は、電解液タンク２２に接続されている。電解液タンク２２は、電解液充填路５２との接続部位が燃料電池２のエア出口１９と同じ高さに位置するように配置されている。電解液充填路５２の途中部には、電解液充填路５２を開閉する電解液弁５４が介装されている。【選択図】図１
2015069821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソードと、前記アノードに供給される液体燃料と電解液との混合液が流通する燃料流路と、前記カソードに供給される空気が流通する空気流路とを有する燃料電池を含む燃料電池システムの運転停止中に、前記燃料電池の状態を調整する方法であって、
前記空気流路に電解液を充填する工程と、
前記空気流路に充填された電解液を排除する工程とを含む、燃料電池の状態調整方法。
【請求項２】
電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソード、前記アノードに供給される液体燃料と電解液との混合液が流通する燃料流路、ならびに前記カソードに供給される空気が流通する空気流路を有する燃料電池と、
前記空気流路の出口から排出される空気が流通する空気排出路と、
前記燃料電池に供給される電解液を貯留する電解液タンクと、
前記電解液タンクと前記空気排出路とに接続された電解液充填路と、
前記電解液充填路を開閉する開閉弁とを含み、
前記空気流路の入口は、前記空気流路の出口よりも高い位置に配置され、
前記電解液タンクは、前記電解液充填路の接続部位が前記空気流路の入口と同じ高さに位置するように配置されている、燃料電池システム。
【請求項３】
液体燃料と前記電解液タンクから供給される電解液との混合液を貯留する燃料タンクと、
前記燃料タンクに貯留された混合液を前記燃料流路に供給する燃料供給路と、
前記空気流路から排除された電解液を前記燃料タンクに排出するための電解液排出路とをさらに含む、請求項２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、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転停止中における燃料電池の状態を調整する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を使用する燃料電池は、たとえば、電解質膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。電解液と混合された液体燃料がアノードに供給され、空気がカソードに供給されると、発電反応が生じる。
【０００３】
液体燃料がヒドラジンである場合、発電反応により、アノードでは、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路を介して、カソードに移動する。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応による起電力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９２５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の運転が長時間停止していると、カソードおよび電解質膜に残存する水酸化イオン（ＯＨ−）が炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）に変化する。そのため、燃料電池には、運転の長時間停止からの再開時に、燃料電池の発電出力の立ち上がりが遅くなる、あるいは、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）が発生して、発電反応の反応速度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池システムの運転開始時に、燃料電池の発電出力を速やかに立ち上げることができる、燃料電池の状態調整方法を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、その燃料電池の状態調整方法を実施することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る燃料電池の状態調整方法は、電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソードと、アノードに供給される液体燃料と電解液との混合液が流通する燃料流路と、カソードに供給される空気が流通する空気流路とを有する燃料電池を含む燃料電池システムの運転停止中に、燃料電池の状態を調整する方法であって、空気流路に電解液を充填する工程と、空気流路に充填された電解液を排除する工程とを含む。
【０００９】
この方法によれば、燃料電池システムの運転停止後、燃料電池の空気流路に液体燃料と混合される電解液を充填することができる。そして、燃料電池システムの運転開始前に、空気流路に充填された電解液を排除することができる。これにより、燃料電池システムの運転停止中、空気流路を電解液で満たしておくことができるので、カソードおよび電解質膜に残存するアニオンが電解液に含まれるアニオン以外のアニオンに変化することを抑制できる。その結果、燃料電池システムの運転開始時に、燃料電池の発電出力を速やかに立ち上げることができる。
【００１０】
また、カソードおよび電解質膜を電解液で湿らせておくことができるので、電解質膜およびカソードが乾燥した状態で燃料電池システムの運転が開始されることを抑制できる。そのため、電解質膜が発電反応による熱ダメージを受けることを抑制でき、電解質膜の劣化を抑制できる。
【００１１】
燃料電池では、セルの組立て後に、発電特性を安定化させるため、コンディショニング（エージング）が必要である。コンディショニングの際に、燃料電池の空気流路に液体燃料と混合される電解液を充填することにより、カソードおよび電解質膜に電解液を供給することができ、カソードおよび電解質膜に電解液に含まれるアニオンを付着させることができる。その結果、コンディショニングに要する時間を短縮することができる。
【００１２】
本発明の他の局面に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソード、アノードに供給される液体燃料と電解液との混合液が流通する燃料流路、ならびにカソードに供給される空気が流通する空気流路を有する燃料電池と、空気流路の出口から排出される空気が流通する空気排出路と、燃料電池に供給される電解液を貯留する電解液タンクと、電解液タンクと空気排出路とに接続された電解液充填路と、電解液充填路を開閉する開閉弁とを含み、空気流路の入口は、空気流路の出口よりも高い位置に配置され、電解液タンクは、電解液充填路の接続部位が空気流路の入口と同じ高さに位置するように配置されている。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池の空気流路を流通する空気は、空気流路の出口から空気排出路に排出される。空気排出路に、燃料電池に供給される電解液を貯留する電解液タンクから延びる電解液充填路が接続されている。電解液充填路には、開閉弁が介裝されている。
【００１４】
空気流路の入口は、空気流路の出口よりも高い位置に配置されている。また、電解液タンクは、電解液充填路の接続部位が空気流路の入口と同じ高さに位置するように配置されている。そのため、開閉弁が開かれると、電解液タンクと空気流路の出口との高低差により、電解液タンクに貯留されている電解液が電解液充填路および空気排出路を通して空気流路の出口に供給される。そして、空気流路の出口に供給される電解液は、空気流路に流入する。空気流路には、液面が空気流路内に電解液タンクと同じ高さ、つまり空気流路の入口に達するまで、電解液が流入する。その結果、空気流路に電解液が充填される。
【００１５】
また、開閉弁が閉じられて、空気流路の入口から空気が供給されると、空気流路に充填されている電解液が空気排出路に押し出され、空気流路から電解液が排除される。
【００１６】
よって、この燃料電池システムにおいて、前記した燃料電池の状態調整方法を実施することができる。しかも、電解液タンクにおける電解液充填路の接続部位と空気流路の出口との高低差を利用する簡易な構成により、燃料電池の空気流路に電解液を充填することができる。
【００１７】
なお、電解液タンクにおける電解液充填路の接続部位と空気流路の出口との高低差を利用して、空気流路にその入口付近まで電解液を充填することができれば、電解液充填路の接続部位と空気流路の入口との高さ位置が多少ずれていてもよい。
【００１８】
また、燃料電池システムの運転が停止されている状態には、少なくとも燃料電池の発電が停止されている状態が含まれる。
【００１９】
燃料電池システムは、液体燃料と電解液タンクから供給される電解液との混合液を貯留する燃料タンクと、燃料タンクに貯留された混合液を燃料流路に供給する燃料供給路と、空気流路から排除された電解液を燃料タンクに排出するための電解液排出路とを含むことが好ましい。
【００２０】
この場合、空気流路から排除された電解液は、電解液排出路を通して燃料タンクに排出され、燃料タンクで液体燃料と混合される。そして、燃料タンク内の液体燃料と電解液との混合液が燃料供給路を通して燃料電池の燃料流路に供給される。よって、空気流路から排除された電解液を燃料電池の発電に使用することができ、電解液の無駄な消費を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムの運転開始時に、燃料電池の発電出力を速やかに立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】状態調整処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。
【００２５】
燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料循環機構３および給排気機構４を備えている。
【００２６】
燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００２７】
膜／電極接合体は、電解質膜１１の両側にアノード（燃料極）１２およびカソード（酸素極）１３を貼り合わせて一体化したものである。電解質膜１１は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。アノード１２およびカソード１３は、触媒を担持する触媒担体により形成されている。触媒担体には、たとえば、アイオノマーがバインダとして混入されている。
【００２８】
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。アノード１２に対向する凹溝は、燃料流路１４として形成されている。燃料流路１４の一端および他端は、それぞれ燃料入口１５および燃料出口１６に接続されている。燃料入口１５および燃料出口１６は、それぞれ燃料電池２の下端部および上端部に配置されている。膜／電極接合体のカソード１３に対向する凹溝は、エア流路１７として形成されている。エア流路１７の一端および他端は、それぞれエア入口１８およびエア出口１９に接続されている。エア入口１８およびエア出口１９は、それぞれ燃料電池２の上端部および下端部に配置されている。
【００２９】
燃料循環機構３には、燃料補給タンク２１、電解液タンク２２および燃料循環タンク２３が含まれる。
【００３０】
燃料補給タンク２１には、電解液と混合されていない液体燃料が貯留されている。燃料補給タンク２１には、燃料補給路２４の一端が接続されている。燃料補給路２４の他端は、燃料循環タンク２３に接続されている。燃料補給路２４の途中部には、燃料補給ポンプ２５が介装されている。
【００３１】
電解液タンク２２には、電解液が貯留されている。電解液タンク２２には、電解液供給路２６の一端が接続されている。電解液供給路２６の他端は、燃料循環タンク２３に接続されている。電解液供給路２６の途中部には、電解液ポンプ２７が介装されている。
【００３２】
燃料循環タンク２３には、液体燃料が電解液と混合された状態で貯留されている。燃料循環タンク２３には、燃料供給路２８の一端が接続されている。燃料供給路２８の他端は、燃料電池２の燃料入口１５に接続されている。燃料供給路２８の途中部には、燃料循環ポンプ２９が介装されている。
【００３３】
なお、以下では、特に言及がない限り、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。また、液体燃料が水加ヒドラジンであり、電解液が水酸化カリウム水溶液である場合を例にとって説明する。
【００３４】
燃料電池２の燃料出口１６には、燃料排出路３０の一端が接続されている。燃料排出路３０は、燃料循環タンク２３と連通している。
【００３５】
給排気機構４には、エアコンプレッサ４１および気液分離器４２が含まれる。
【００３６】
エアコンプレッサ４１の吐出口には、エア供給路４３の一端が接続されている。エア供給路４３の他端は、燃料電池２のエア入口１８に接続されている。エア供給路４３の途中部には、逆止弁４４およびリリーフ弁４５がエアコンプレッサ４１側からこの順に介装されている。
【００３７】
燃料電池２のエア出口１９には、エア排出路４６の一端が接続されている。エア排出路４６の他端は、気液分離器４２に接続されている。
【００３８】
気液分離器４２の底部には、還流路４７の一端が接続されている。還流路４７は、燃料循環タンク２３と連通している。
【００３９】
燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ２９が駆動される。燃料循環ポンプ２９が駆動されると、燃料循環タンク２３に貯留されている液体燃料が燃料供給路２８に吸い出される。そして、燃料供給路２８を液体燃料が流通し、その液体燃料が燃料電池２の燃料入口１５から燃料電池２の燃料流路１４に供給される。
【００４０】
また、燃料電池２による発電のために、エアコンプレッサ４１が駆動される。エアコンプレッサ４１が駆動されると、エアコンプレッサ４１からエア供給路４３に圧縮エアが送り出される。そして、エア供給路４３を流通するエアが燃料電池２のエア入口１８から燃料電池２のエア流路１７に供給される。
【００４１】
燃料電池２の燃料流路１４を液体燃料が流通し、エア流路１７をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００４２】
具体的には、アノード１２において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード１３に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路１４から燃料出口１６を通して燃料排出路３０に流出する。一方、カソード１３では、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質膜１１を透過して、アノード１２に移動する。
【００４３】
Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００４４】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００４５】
この結果、アノード１２とカソード１３との間に、発電反応による起電力が発生する。
【００４６】
このとき、燃料排出路３０には、未反応の液体燃料とともに、発電反応によって生成された気体などが燃料電池２の燃料出口１６から排出される。燃料排出路３０に排出された液体燃料および気体は、燃料排出路３０を流通し、気液分離器（図示せず）に流入する。そして、その気液分離器において、液体燃料と気体とに分離され、液体燃料は、燃料循環タンク２３に戻され、気体は、排ガス処理器（図示せず）を通して大気に放出される。
【００４７】
こうして、液体燃料は、燃料循環タンク２３、燃料供給路２８および燃料排出路３０を含む燃料循環路を循環する。
【００４８】
燃料電池２のエア流路１７を流通したエアは、エア出口１９からエア排出路４６に排出される。
【００４９】
エア排出路４６に流出した気体は、エア排出路４６を流通して、気液分離器４２に流入する。気液分離器４２では、エア排出路４６から流入する気体とそのエアに含まれる液体とが分離される。液体が除去された気体は、排ガス処理器（図示せず）を通して大気に放出される。脱気された液体は、還流路４７を通して、燃料循環タンク２３に戻される。
【００５０】
燃料電池システム１の稼働中に、燃料循環タンク２３に電解液と混合されていない液体燃料を補給する必要が生じると、燃料補給ポンプ２５が駆動されて、電解液と混合されていない液体燃料が燃料補給タンク２１から燃料補給路２４を通して燃料循環タンク２３に供給される。また、燃料循環タンク２３に電解液を補給する必要が生じると、電解液ポンプ２７が駆動されて、電解液が電解液タンク２２から電解液供給路２６を通して燃料循環タンク２３に供給される。
【００５１】
エア排出路４６の途中部には、流路切替弁５１が介装されている。流路切替弁５１には、電解液充填路５２の一端が接続されている。電解液充填路５２の他端は、電解液タンク２２に接続されている。電解液タンク２２は、図１に二点鎖線で示されるように、電解液充填路５２との接続部位が燃料電池２のエア出口１９と同じ高さに位置するように配置されている。
【００５２】
流路切替弁５１には、弁体５３が内蔵されている。弁体５３は、エア排出路４６と電解液充填路５２との連通を遮断する排出側位置（図１に破線で示される位置）と、エア排出路４６における電解液充填路５２の接続部分よりもエア排出方向上流側と電解液充填路５２とを連通し、エア排出路４６における電解液充填路５２の接続部分よりもエア排出方向下流側を閉鎖する供給側位置（図１に実線で示される位置）とに変位可能に設けられている。また、電解液充填路５２の途中部には、電解液充填路５２を開閉する電解液弁５４が介装されている。
【００５３】
また、燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成の制御部６１を備えている。制御部６１には、燃料電池システム１に設けられた各種センサが接続されており、各種センサの検出信号が入力される。制御部６１は、各種センサから入力される検出信号などに基づいて、流路切替弁５１および電解液弁５４を含む各部を制御する。
【００５４】
図２は、状態調整処理の流れを示すフローチャートである。
【００５５】
状態調整処理では、制御部６１により、燃料電池システム１が運転停止状態に入ったか否かが繰り返し判断される（ステップＳ１）。燃料電池システム１は、たとえば、燃料電池２への液体燃料およびエアの供給が停止され、燃料電池２からの液体燃料などのパージが完了すると、運転停止状態となる。
【００５６】
燃料電池システム１の運転中は、流路切替弁５１の弁体５３が排出側位置に位置している。運転停止状態になると（ステップＳ１のＹＥＳ）、流路切替弁５１の弁体５３の位置が排出側位置から供給側位置に切り換えられる（ステップＳ２）。
【００５７】
その後、電解液弁５４が開かれる（ステップＳ３）。電解液弁５４が開かれると、燃料電池２のエア入口１８は、エア出口１９よりも高い位置に配置されている。また、電解液タンク２２は、電解液充填路５２の接続部位がエア入口１８と同じ高さに位置するように配置されている。そのため、電解液弁５４が開かれると、電解液タンク２２とエア出口１９との高低差により、電解液タンク２２に貯留されている電解液が電解液充填路５２およびエア排出路４６を通してエア出口１９に供給される。そして、エア出口１９に供給される電解液は、エア流路１７に流入する。エア流路１７には、液面がエア流路１７内に電解液タンク２２と同じ高さ、つまりエア入口１８に達するまで、電解液が流入する。その結果、エア流路１７に電解液が充填される。
【００５８】
エア流路１７に電解液が流入することにより、エア流路１７およびエア供給路４３の内圧が高まるが、その内圧が一定圧に達すると、リリーフ弁４５が開放されて、エア供給路４３内の気体が外部に放出される。また、エア供給路４３に逆止弁４４が介装されているので、たとえ電解液がエア流路１７を越えてエア供給路４３に流入しても、その電解液がエアコンプレッサ４１に到達することはない。
【００５９】
その後は、エア流路１７に電解液が充填された状態が維持される。また、燃料電池システム１の運転開始が指示されたか（運転開始の指令が制御部６１に入力されたか）否かが繰り返し判断される（ステップＳ４）。
【００６０】
燃料電池システム１の運転開始が指示されると、電解液弁５４が閉じられる（ステップＳ５）。
【００６１】
また、流路切替弁５１の弁体５３の位置が供給側位置から排出側位置に切り換えられる（ステップＳ６）。これにより、エア排出路４６が全長にわたって開通し、燃料電池２のエア流路１７に充填されている電解液は、エア排出路４６に排出され、エア排出路４６を通して気液分離器４２に流入する。
【００６２】
さらに、エアコンプレッサ４１が駆動される（ステップＳ７）。エアコンプレッサ４１の駆動により、エアコンプレッサ４１からエア供給路４３に圧縮エアが送り出され、この圧縮エアが燃料電池２のエア流路１７に供給されて、エア流路１７から電解液が強制的に排出される。
【００６３】
気液分離器４２に流入した電解液は、還流路４７を通して、燃料循環タンク２３に戻される。
【００６４】
以上のように、燃料電池システム１の運転停止後、燃料電池２のエア流路１７に液体燃料と混合される電解液である水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を充填することができる。そして、燃料電池システム１の運転開始前に、エア流路１７に充填された電解液を排除することができる。これにより、燃料電池システム１の運転停止中、エア流路１７を電解液で満たしておくことができるので、カソード１３および電解質膜１１に残存する水酸化イオン（ＯＨ−）がそれ以外のアニオンに変化することを抑制でき、また、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）が発生することを抑制できる。その結果、燃料電池システム１の運転開始時に、燃料電池２の発電出力を速やかに立ち上げることができる。
【００６５】
また、カソード１３および電解質膜１１を電解液で湿らせておくことができるので、電解質膜１１およびカソード１３が乾燥した状態で燃料電池システム１の運転が開始されることを抑制できる。そのため、電解質膜１１が発電反応による熱ダメージを受けることを抑制でき、電解質膜１１の劣化を抑制できる。
【００６６】
また、電解液タンク２２における電解液充填路５２の接続部位とエア出口１９との高低差を利用する簡易な構成により、燃料電池２のエア流路１７に電解液を充填することができる。
【００６７】
なお、電解液タンク２２とエア出口１９との高低差を利用して、エア流路１７にエア入口１８付近まで電解液を充填することができれば、電解液充填路５２の接続部位とエア入口１８との高さ位置が多少ずれていてもよい。
【００６８】
エア流路１７から排除された電解液は、還流路４７を通して燃料循環タンク２３に排出され、燃料循環タンク２３で液体燃料と混合される。そして、燃料循環タンク２３内の液体燃料と電解液との混合液が燃料供給路２８を通して燃料電池２の燃料流路１４に供給される。よって、エア流路１７から排除された電解液を燃料電池２の発電に使用することができ、電解液の無駄な消費を抑制することができる。
【００６９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００７０】
前述の実施形態では、燃料電池システム１の運転停止時に、本発明に係る状態調整方法が実施される場合を取り上げた。しかしながら、それ以外のときに、本発明に係る状態調整方法が実施されてもよい。
【００７１】
たとえば、燃料電池２では、セルの組立て後に、発電特性を安定化させるため、コンディショニング（エージング）が必要である。コンディショニングの際に、本発明に係る状態調整方法を実施して、燃料電池２のエア流路１７に液体燃料と混合される電解液を充填することにより、カソード１３および電解質膜１１に電解液を供給することができ、カソード１３および電解質膜１１に電解液に含まれるアニオンを付着させることができる。その結果、コンディショニングに要する時間を短縮することができる。
【００７２】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
１１  電解質膜
１２  アノード
１３  カソード
１４  燃料流路
１７  エア流路（空気流路）
２２  電解液タンク
２３  燃料循環タンク（燃料タンク）
２８  燃料供給路
４６  エア排出路（空気排出路）
４７  還流路（電解液排出路）
５２  電解液充填路
５４  電解液弁（開閉弁）
【図１】
2015069821.tif 000003
【図２】
2015069821.tif 000004