(57)【要約】【課題】  炭素の水素分離膜と電解質膜との界面における析出を抑制できる水素分離膜の処理方法および燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素分離膜処理方法は、水素透過性を有する水素分離膜（１２）の上にプロトン伝導性を有する電解質膜（１４）が成膜された水素分離膜−電解質膜接合体（１０）において、水素分離膜（１２）の電解質膜（１４）側から電解質膜（１４）と反対側に水素を透過させる水素透過工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜処理方法によれば、水素分離膜（１２）の電解質膜（１４）側から電解質膜（１４）と反対側に透過する水素が、水素分離膜（１２）内に溶解している炭素と反応してメタンを生成する。このメタンは、水素分離膜（１２）の下面から排出される。それにより、水素分離膜（１２）から除去され、水素分離膜（１２）と電解質膜（１４）との界面における炭素の析出を抑制することができる。【選択図】        図１
2008226611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性を有する水素分離膜の上にプロトン伝導性を有する電解質膜が成膜された水素分離膜−電解質膜接合体において、前記水素分離膜の前記電解質膜側から前記電解質膜と反対側に水素を透過させる水素透過工程を含むことを特徴とする水素分離膜処理方法。
【請求項２】
前記水素分離膜−電解質膜接合体においては、前記水素分離膜の前記電解質膜と反対側の面と前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側の面とが接続手段により電気的に接続され、
前記水素透過工程は、前記水素分離膜−電解質膜接合体の前記電解質膜側の水素分圧を前記水素分離膜側の前記水素分圧よりも高くする水素分圧差発生工程を含むことを特徴とする請求項１記載の水素分離膜処理方法。
【請求項３】
前記水素分圧差発生工程は、前記水素分離膜−電解質膜接合体の前記電解質膜側に水素を供給し、前記水素分離膜側に不活性ガスを供給する工程であることを特徴とする請求項２記載の水素分離膜処理方法。
【請求項４】
前記水素分圧差発生工程は、前記水素分離膜−電解質膜接合体の前記電解質膜側に水素を供給し、前記水素分離膜側に酸素を供給する工程であることを特徴とする請求項２記載の水素分離膜処理方法。
【請求項５】
前記水素分離膜−電解質膜接合体においては、前記水素分離膜の前記電解質膜と反対側の面と前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側の面とが接続手段により電気的に接続され、
前記水素透過工程は、前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側の面に水素化合物を供給する供給工程と、前記電解質膜側の電位が前記水素分離膜側の電位よりも高くなるように電位を印加する電位印加工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の水素分離膜処理方法。
【請求項６】
前記水素化合物は、水であることを特徴とする請求項５記載の水素分離膜処理方法。
【請求項７】
水素透過性を有する水素分離膜と、前記水素分離膜の上に成膜されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の上に形成されたカソードと、を備える燃料電池と、
前記水素分離膜の前記電解質膜側から前記電解質膜と反対側に水素を透過させる水素透過手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素透過手段は、前記燃料電池の前記カソード側と前記水素分離膜側との水素分圧差を調整する分圧差調整手段と、前記分圧差調整手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の前記カソード側の水素分圧が前記水素分離膜側の前記水素分圧よりも高くなるように前記分圧差調整手段を制御することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記分圧差調整手段は、前記カソードに水素を供給し、前記水素分離膜に酸素を供給することによって水素分圧差を調整することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記分圧差調整手段は、前記カソードに水素を供給し、前記水素分離膜に不活性ガスを供給することによって水素分圧差を調整することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素透過手段は、前記水素分離膜と前記カソードとの電位差を調整する電位差調整手段と、前記電位差調整手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記カソードの電位が前記水素分離膜の電位よりも高くなるように前記電位差調整手段を制御することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素透過手段は、前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側の面に水素化合物を供給する供給手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側の面に前記水素化合物が供給されるように前記供給手段を制御しつつ、前記カソードの電位が前記水素分離膜の電位よりも高くなるように前記電位差調整手段を制御することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記水素化合物は、水であることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池の出力要求が停止されているか否かを判定する判定手段をさらに備え、
前記水素透過手段は、前記燃料電池の出力要求が停止されていると判定手段によって判定された場合に、前記水素分離膜の前記電解質膜側から前記電解質膜と反対側に水素を透過させることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか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、水素分離膜の処理方法および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）等により積層された構造をとっている（例えば、特許文献１参照）。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような水素分離膜電池においては、水素分離膜と電解質膜との界面に、炭素、炭素化合物等からなる炭素含有層が形成されるおそれがある。この場合、電解質膜のプロトン伝導性が低下するおそれがある。また、水素分離膜と電解質膜とが剥離するおそれがある。
【０００６】
本発明は、水素分離膜と電解質膜との界面における炭素の析出を抑制することができる水素分離膜の処理方法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】
【０００７】
本発明に係る水素分離膜処理方法は、水素透過性を有する水素分離膜の上にプロトン伝導性を有する電解質膜が成膜された水素分離膜−電解質膜接合体において、水素分離膜の電解質膜側から電解質膜と反対側に水素を透過させる水素透過工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜処理方法によれば、水素分離膜の電解質膜側から電解質膜と反対側に透過する水素が、水素分離膜内に溶解している炭素と反応してメタンを生成する。このメタンは、水素分離膜の電解質膜と反対側の面から排出される。それにより、水素分離膜から炭素が除去される。その結果、水素分離膜と電解質膜との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【０００８】
上記方法において、水素分離膜−電解質膜接合体においては、水素分離膜の電解質膜と反対側の面と電解質膜の水素分離膜と反対側の面とが接続手段により電気的に接続され、水素透過工程は、水素分離膜−電解質膜接合体の電解質膜側の水素分圧を水素分離膜側の水素分圧よりも高くする水素分圧差発生工程を含むものであってもよい。この方法によれば、電解質膜側に供給された水素が電解質膜上面においてプロトンと電子とに解離する。電子は接続手段によって回収される。プロトンは、電解質膜を伝導し、水素分離膜に到達する。電解質膜と水素分離膜との界面においては、接続手段から水素分離膜を介して供給される電子とプロトンとから水素が生成される。この生成された水素は、水素分離膜を透過する。この過程において、水素分離膜から炭素が除去される。
【０００９】
上記方法において、水素分圧差発生工程は、水素分離膜−電解質膜接合体の電解質膜側に水素を供給し、水素分離膜側に不活性ガスを供給する工程であってもよい。また、上記方法において、水素分圧差発生工程は、水素分離膜−電解質膜接合体の電解質膜側に水素を供給し、水素分離膜側に酸素を供給する工程であってもよい。この方法によれば、水素分離膜側に供給された酸素と水素分離膜の下面から排出される水素との反応によって、電解質膜を加熱することができる。それにより、電解質膜におけるプロトン伝導性が向上し、水素分離膜における水素透過効率が向上する。その結果、水素分離膜から効率よく炭素を除去することができる。
【００１０】
上記方法において、水素分離膜−電解質膜接合体においては、水素分離膜の電解質膜と反対側の面と電解質膜の水素分離膜と反対側の面とが接続手段により電気的に接続され、水素透過工程は、電解質膜の水素分離膜と反対側の面に水素化合物を供給する供給工程と、電解質膜側の電位が水素分離膜側の電位よりも高くなるように電位を印加する電位印加工程と、を含むものであってもよい。上記方法において、水素化合物は、水であってもよい。この方法によれば、電解質膜側に供給された水は、電位差に起因してプロトンと電子と酸素とに電気分解される。電子は、接続手段によって回収される。プロトンは、電解質膜を伝導し、水素分離膜に到達する。電解質膜と水素分離膜との界面においては、接続手段から水素分離膜を介して供給される電子とプロトンとから水素が生成される。この生成された水素は、水素分離膜を透過する。それにより、水素分離膜の炭素を除去することができる。また、上記方法においては、電位差を用いて電解質膜側にプロトンを発生させていることから、電解質膜側の水素分圧が水素分離膜側の水素分圧よりも低くても水素分離膜の電解質膜側から反対側へ水素を透過させることができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、水素透過性を有する水素分離膜と、水素分離膜の上に成膜されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の上に形成されたカソードと、を備える燃料電池と、水素分離膜の電解質膜側から電解質膜と反対側に水素を透過させる水素透過手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、水素透過手段が、水素分離膜処理を行うことから、水素分離膜と電解質膜との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【００１２】
上記構成において、水素透過手段は、燃料電池のカソード側と水素分離膜側との水素分圧差を調整する分圧差調整手段と、分圧差調整手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池のカソード側の水素分圧が水素分離膜側の水素分圧よりも高くなるように分圧差調整手段を制御するものであってもよい。
【００１３】
上記構成において、分圧差調整手段は、カソードに水素を供給し、水素分離膜に酸素を供給することによって水素分圧差を調整するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜側に供給された酸素と水素分離膜の下面から排出される水素との反応によって、電解質膜を加熱することができる。
【００１４】
上記構成において、分圧差調整手段は、カソードに水素を供給し、水素分離膜に不活性ガスを供給することによって水素分圧差を調整するものであってもよい。
【００１５】
上記構成において、水素透過手段は、水素分離膜とカソードとの電位差を調整する電位差調整手段と、電位差調整手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、カソードの電位が水素分離膜の電位よりも高くなるように電位差調整手段を制御するものであってもよい。この構成によれば、燃料電池の発電中にカソード側に発生した水を電気分解してプロトンを発生させることができる。
【００１６】
上記構成において、水素透過手段は、電解質膜の水素分離膜と反対側の面に水素化合物を供給する供給手段をさらに備え、制御手段は、電解質膜の水素分離膜と反対側の面に水素化合物が供給されるように供給手段を制御しつつ、カソードの電位が水素分離膜の電位よりも高くなるように電位差調整手段を制御するものであってもよい。上記構成において、水素化合物は、水であってもよい。この構成によれば、カソード側に残存する水が不足している場合であっても、電解質膜においてプロトンを発生させることができる。
【００１７】
上記構成において、燃料電池の出力要求が停止されているか否かを判定する判定手段をさらに備え、水素透過手段は、燃料電池の出力要求が停止されていると判定手段によって判定された場合に、水素分離膜の電解質膜側から電解質膜と反対側に水素を透過させるものであってもよい。この構成によれば、炭素の水素分離膜と電解質膜との界面における析出を長期にわたって抑制することができる。また、燃料電池の出力要求が停止されていると判定手段により判定された場合に水素分離膜処理を行うことから、燃料電池の発電に支障を生じさせることなく水素分離膜処理を行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水素分離膜と電解質膜との界面における炭素の析出を抑制できる水素分離膜の処理方法および燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、第１実施例に係る水素分離膜処理方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１０を準備する。水素分離膜−電解質膜接合体１０は、水素分離膜１２および電解質膜１４を備える。電解質膜１４の上面と水素分離膜１２の下面とは、接続手段１６によって電気的に接続されている。
【００２１】
水素分離膜１２は、水素を選択的に透過する水素透過性金属からなる。水素分離膜１２としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）、Ｐｄ合金等を用いることができる。水素分離膜１２の膜厚は、特に限定されないが、例えば数十μｍ程度である。
【００２２】
電解質膜１４は、プロトン伝導性電解質からなり、水素分離膜１２の上面に成膜されている。電解質膜１４としては、プロトン伝導性電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３等）、パイロクロア型電解質（Ｌｎ２Ｚｒ２Ｏ７（Ｌｎ：Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）等））、モナザイト型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ、Ｓｍ等））、ゼニタイプ型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類メタリン酸塩電解質（ＬｎＰ３Ｏ９（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類オキシリン酸塩電解質（Ｌｎ７Ｐ３Ｏ１８（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））等を用いることができる。また、電解質膜１４の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。電解質膜１４の成膜方法としては、ＰＶＤ、化学蒸着（ＣＶＤ）等の方法を用いることができる。
【００２３】
接続手段１６は、例えば、電解質膜１４の上面に配置された集電材と、この集電材と水素分離膜１２の下面とを接続する配線とからなる。集電材は、電解質膜１４の上面の全体にわたって設けられていることが好ましい。電解質膜１４の上面の全体から電子を回収することができるからである。
【００２４】
続いて、図１（ｂ）に示すように、水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に水素を透過させる。具体的には、電解質膜１４がさらされる雰囲気の水素分圧を水素分離膜１２がさらされる雰囲気の水素分圧よりも高くする。例えば、電解質膜１４側に水素分圧の高いガスを供給しかつ水素分離膜１２側に水素分圧の低いガスを供給してもよい。また、電解質膜１４側に水素を供給しかつ水素分離膜１２側に窒素等の不活性ガスを供給することによって水素分圧差を生じさせてもよい。
【００２５】
電解質膜１４側の水素分圧が水素分離膜１２側の水素分圧よりも高くなると、電解質膜１４側に供給された水素が電解質膜１４の上面においてプロトンと電子とに解離する。電子は、接続手段１６によって回収される。プロトンは、電解質膜１４を伝導し、水素分離膜１２に到達する。電解質膜１４と水素分離膜１２との界面においては、接続手段１６から水素分離膜１２を介して供給される電子とプロトンとから水素が生成される。この生成された水素は、水素分離膜１２を透過する。
【００２６】
この場合、水素分離膜１２内に溶解している炭素は、水素と反応してメタンを生成する。このメタンは、水素分離膜１２の下面から排出される。それにより、水素分離膜１２から炭素が除去される。その結果、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【００２７】
なお、図１（ｂ）の工程においては、水素分離膜−電解質膜接合体１０は、加熱されていることが好ましい。電解質膜１４のプロトン伝導性が向上するからである。例えば、水素分離膜−電解質膜接合体１０は、数百度まで加熱されていることが好ましい。また、図１（ｂ）の工程においては、水素分離膜１２において炭素が十分に拡散することが好ましい。具体的には、図１（ｂ）の工程は、炭素が水素分離膜１２の上面から下面に拡散するために必要な時間以上行われることが好ましい。炭素の拡散に必要な時間は、炭素の拡散係数から求められる。以上のことから、例えば、水素分離膜−電解質膜接合体１０が３００℃〜５００℃に加熱される場合、図１（ｂ）の工程は、約１時間行われることが好ましい。
【００２８】
また、図１（ｂ）の工程において、水素分離膜１２側に不活性ガスの代わりに酸素を供給してもよい。この場合、水素分離膜１２側に供給された酸素と水素分離膜１２の下面から排出される水素とが反応することにより、水が生成されるとともに熱が発生する。この熱を、水素分離膜−電解質膜接合体１０の温度維持に利用することができる。この場合、水素分離膜処理にかかるコストが低減される。
【実施例２】
【００２９】
続いて、本発明の第２実施例に係る水素分離膜処理方法について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、第２実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。まず、図２（ａ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１０を準備する。本実施例においては、接続手段１６の途中に電位差調整手段１８が設けられている。
【００３０】
続いて、図２（ｂ）に示すように、水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に水素を透過させる。具体的には、電解質膜１４の水素分離膜１２と反対側の面に水素化合物を供給し、電解質膜１４側の電位が水素分離膜１２側の電位よりも高くなるように電位差調整手段１８により電位を調整する。本実施例においては、水素化合物として水を用いている。また、水素分離膜１２の電解質膜１４と反対側の面には、例えば不活性ガスを供給する。電位差調整手段１８としては、例えば、電池等を用いることができる。
【００３１】
本実施例に係る水素分離膜処理方法によれば、電解質膜１４側に供給された水は、電位差に起因してプロトンと電子と酸素とに電気分解される。酸素は、酸素分子となって外部に排出される。電子は、接続手段１６によって回収される。プロトンは、電解質膜１４を伝導し、水素分離膜１２に到達する。電解質膜１４と水素分離膜１２との界面においては、接続手段１６から水素分離膜１２を介して供給される電子とプロトンとから水素が生成される。この生成された水素は、水素分離膜１２を透過する。それにより、水素分離膜１２の炭素を除去することができる。以上のことから、本実施例に係る水素分離膜処理方法によれば、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【００３２】
なお、図２（ｂ）の工程において、不活性ガスの代わりに、酸素を水素分離膜１２側に供給してもよい。この場合、水素分離膜１２側に供給された酸素と水素分離膜１２の下面から排出される水素とが反応することにより、水が生成されるとともに熱が発生する。この熱を、水素分離膜−電解質膜接合体１０の温度維持に利用することができる。この場合、水素分離膜処理にかかるコストが低減される。また、図２（ｂ）の工程において、水の代わりに炭化水素等の他の水素化合物を供給してもよい。この場合においても、炭化水素の電気分解により発生した水素を水素分離膜処理に利用することができる。
【００３３】
また、本実施例においては、電位差を用いて電解質膜１４側にプロトンを発生させていることから、電解質膜１４側の水素分圧が水素分離膜１２側の水素分圧より低くても水素分離膜１２の電解質膜１４側から反対側へ水素を透過させることができる。
【実施例３】
【００３４】
続いて、本発明の第３実施例に係る水素分離膜処理方法について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、第３実施例に係る水素分離膜の処理方法を示す模式図である。まず、図３（ａ）に示すように、燃料電池２０を準備する。図３（ａ）に示す燃料電池２０は、図１（ａ）に示す水素分離膜−電解質膜接合体１０およびカソード２４を備える。
【００３５】
カソード２４は、電解質膜１４の水素分離膜１２と反対側の面に形成されている。カソード２４としては、例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のセラミックスを用いることができる。カソード２４は、例えば、ＰＶＤ等により形成することができる。なお、燃料電池２０において、水素分離膜１２は、電解質膜１４を支持および補強する支持体として機能するとともに、アノードとしても機能する。水素分離膜１２の下面とカソード２４の上面とは、接続手段１６により電気的に接続されている。
【００３６】
続いて、図３（ｂ）に示すように、水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に水素を透過させる。例えば、カソード２４がさらされる雰囲気の水素分圧を水素分離膜１２がさらされる雰囲気の水素分圧よりも高くする。それにより、水素が水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に透過する。それにより、水素分離膜１２の炭素を除去することができる。
【００３７】
また、図３（ｂ）の工程において、カソード２４側に水素を供給する代わりに水素化合物を供給し、カソード２４側の電位が水素分離膜１２側の電位よりも高くなるような電位を印加してもよい。
【実施例４】
【００３８】
続いて、本発明の第４実施例に係る水素分離膜処理方法について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、第４実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。まず、図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック３０を準備する。燃料電池スタック３０は、図３（ａ）に示す燃料電池２０が複数積層された構造を有する。燃料電池スタック３０においては、カソード２４の上面にセパレータを介して（図示せず）他の燃料電池２０の水素分離膜１２が積層されている。最下段の燃料電池２０の水素分離膜１２の下面と最上段の燃料電池２０のカソード２４の上面とは、接続手段１６によって接続されている。
【００３９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、燃料電池スタック３０の各燃料電池２０の水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に水素を透過させる。例えば、カソード２４がさらされる雰囲気の水素分圧を水素分離膜１２がさらされる雰囲気の水素分圧よりも高くする。それにより、各燃料電池２０において、水素が水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に透過する。それにより、水素分離膜１２の炭素を除去することができる。
【００４０】
また、図４（ｂ）の工程において、水素を供給する代わりに水素化合物を供給し、カソード２４側の電位が水素分離膜１２側の電位よりも高くなるような電位を印加してもよい。
【実施例５】
【００４１】
続いて、本発明の第５実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。図５は、第５実施例に係る燃料電池システム１００を示す模式図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック３０および水素透過手段を備える。
【００４２】
水素透過手段は、各燃料電池２０の水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に水素を透過させる手段である。水素透過手段は、分圧差調整手段４０および制御手段５０を備える。
【００４３】
分圧差調整手段４０は、燃料電池スタック３０のカソード２４側と水素分離膜１２側との水素分圧差を調整する手段である。分圧差調整手段４０は、各燃料電池２０に水素を供給するための水素供給手段４２および各燃料電池２０に酸素を供給するための酸素供給手段４４を備える。水素供給手段４２は、制御手段５０の指示に従って、各燃料電池２０の水素分離膜１２またはカソード２４に水素を供給する。酸素供給手段４４は、制御手段５０の指示に従って、各燃料電池２０のカソード２４または水素分離膜１２に酸素を供給する。
【００４４】
制御手段５０は、分圧差調整手段４０を制御するための制御手段である。制御手段５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、判定手段等から構成される（図示せず）。判定手段は、燃料電池スタック３０の出力が要求されているか否かを判定する手段である。出力が要求されていない場合とは、例えば、燃料電池スタック３０の起動時、燃料電池スタック３０が搭載された自動車のアイドリング時等のことをいう。
【００４５】
制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されている場合には、水素が各燃料電池２０の水素分離膜１２側に供給されかつ酸素がカソード２４側に供給されるように、分圧差調整手段４０を制御する。それにより、各燃料電池２０は、発電を行って電力を出力する。
【００４６】
一方、制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されていない場合には、水素分離膜処理を行う。具体的には、制御手段５０は、水素が各燃料電池２０のカソード２４側に供給されかつ酸素が水素分離膜１２側に供給されるように、分圧差調整手段４０を制御する。この場合、各燃料電池２０のカソード２４側の水素分圧が水素分離膜１２側の水素分圧よりも高くなる。それにより、水素が水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に透過する。その結果、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【００４７】
なお、水素分離膜処理を行う際には、各燃料電池２０は、加熱されていることが好ましい。電解質膜１４のプロトン伝導性が向上するからである。ここで、燃料電池２０は、発電によって暖機される。したがって、燃料電池２０の発電後に上記水素分離膜処理を行えば、電解質膜１４を新たに加熱する必要がない。したがって、加熱工程を省略することができる。本実施例においては、水素分離膜１２側に供給された酸素と水素分離膜１２の下面から排出される水素とが反応することにより、水が生成されるとともに熱が発生する。この熱を、各燃料電池２０の温度維持に利用することができる。また、水素分離膜処理を行う際には、水素分離膜１２において炭素が十分に拡散することが好ましい。具体的には、水素分離膜処理は、炭素が水素分離膜１２の上面から下面に拡散するために必要な時間以上行われることが好ましい。
【００４８】
図６は、燃料電池システム１００の水素分離膜処理時におけるフローチャートの一例を示す図である。まず、制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されているか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において燃料電池スタック３０の出力が要求されていると判定されなかった場合、制御手段５０は、燃料電池スタック３０が発電中か否かを判定する（ステップＳ２）。
【００４９】
ステップＳ２において燃料電池スタック３０が発電中であると判定された場合、制御手段５０は、各燃料電池２０への水素および酸素の供給が停止されるように分圧差調整手段４０を制御して、燃料電池スタック３０の発電を停止させる（ステップＳ３）。
【００５０】
続いて、制御手段５０は、各燃料電池２０のカソード２４側に水素が供給され、水素分離膜１２側に酸素が供給されるように分圧差調整手段４０を制御する（ステップＳ４）。それにより、水素分離膜処理が行われる。その後、制御手段５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５１】
なお、ステップＳ１において燃料電池スタック３０の出力が要求されていると判定された場合、制御手段５０は、フローチャートの実行を終了する。また、ステップＳ２において燃料電池スタック３０が発電中であると判定されなかった場合、制御手段５０は、ステップＳ４を実行する。
【００５２】
ここで、長時間経過すると、水素分離膜１２に再度炭素が溶解するおそれがある。しかしながら、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、出力が要求されない場合に水素分離膜処理が行われる。それにより、水素分離膜１２内の炭素を定期的に除去することができる。その結果、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を長期間にわたって抑制することができる。
【００５３】
なお、制御手段５０は、図６のフローチャートを一度実行した後、所定の期間が経過するまでは図６のフローチャートを再度実行しなくてもよい。例えば、制御手段５０は、水素分離膜１２内に炭素が所定量溶解する期間が経過するまで図６のフローチャートを実行しなくてもよい。それにより、フローチャートの必要以上の実行を抑制することができる。
【実施例６】
【００５４】
続いて、本発明の第６実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図７は、第６実施例に係る燃料電池システム１００ａを示す模式図である。図７に示す燃料電池システム１００ａは、分圧差調整手段４０の代わりに分圧差調整手段４０ａを備えている点で図５に示す燃料電池システム１００と異なる。その他の構成は、図５に示す燃料電池システム１００と同じため説明を省略する。
【００５５】
図７に示す分圧差調整手段４０ａは、不活性ガス供給手段４６をさらに備えている点で図５に示す分圧差調整手段４０と異なる。不活性ガス供給手段４６は、制御手段５０の指示に従って、各燃料電池２０の水素分離膜１２に不活性ガスを供給する。不活性ガスとしては、例えば、窒素等を用いることができる。
【００５６】
制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されている場合には、水素が各燃料電池２０の水素分離膜１２側に供給されかつ酸素がカソード２４側に供給されるように、分圧差調整手段４０ａを制御する。それにより、各燃料電池２０は、発電を行って電力を出力する。
【００５７】
一方、制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されていない場合には、水素が各燃料電池２０のカソード２４側に供給されかつ不活性ガスが水素分離膜１２側に供給されるように、分圧差調整手段４０ａを制御する。この場合、各燃料電池２０のカソード２４側の水素分圧が水素分離膜１２側の水素分圧よりも高くなる。それにより、水素が水素分離膜１２の電解質膜１４側から電解質膜１４と反対側に透過する。その結果、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【実施例７】
【００５８】
続いて、本発明の第７実施例に係る燃料電池システム１００ｂについて説明する。図８は、第７実施例に係る燃料電池システム１００ｂを示す模式図である。図８に示す燃料電池システム１００ｂは、電位差調整手段１８をさらに備えている点、および分圧差調整手段４０の代わりに分圧差調整手段４０ｂを備えている点で図５に示す燃料電池システム１００と異なる。その他の構成は、図５に示す燃料電池システム１００と同じため説明を省略する。
【００５９】
電位差調整手段１８は、燃料電池スタック３０の各燃料電池２０における水素分離膜１２とカソード２４との電位差を調整する手段である。本実施例においては、接続手段１６の途中に電位差調整手段１８が設けられている。電位差調整手段１８としては、例えば、電池等を用いることができる。
【００６０】
分圧差調整手段４０ｂは、燃料電池スタック３０のカソード２４側と水素分離膜１２側との水素分圧差を調整する手段である。分圧差調整手段４０は、各燃料電池２０に水素を供給するための水素供給手段４２および各燃料電池２０に酸素を供給するための酸素供給手段４４を備える。水素供給手段４２は、制御手段５０の指示に従って、各燃料電池２０の水素分離膜１２に水素を供給する。酸素供給手段４４は、制御手段５０の指示に従って、各燃料電池２０のカソード２４に酸素を供給する。
【００６１】
制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されている場合には、水素が各燃料電池２０の水素分離膜１２側に供給されかつ酸素がカソード２４側に供給されるように、分圧差調整手段４０ｂを制御する。それにより、各燃料電池２０は、発電を行って電力を出力する。
【００６２】
一方、制御手段５０は、燃料電池スタック３０の出力が要求されていない場合には、水素および酸素の供給が停止されるように分圧差調整手段４０ｂを制御するとともに、各燃料電池２０のカソード２４側の電位が水素分離膜１２側の電位よりも高くなるように電位差調整手段１８を制御する。それによって、発電によって生成された水は、カソード２４において、電位差に起因してプロトンと電子と酸素とに電気分解される。酸素は、酸素分子となって外部に排出される。電子は、接続手段１６によって回収される。プロトンは、電解質膜１４を伝導し、水素分離膜１２に到達する。電解質膜１４と水素分離膜１２との界面においては、接続手段１６から水素分離膜１２を介して供給される電子とプロトンとから水素が生成される。この生成された水素は、水素分離膜１２を透過する。それにより、水素分離膜１２の炭素を除去することができる。したがって、燃料電池システム１００ｂによれば、水素分離膜１２と電解質膜１４との界面における炭素の析出を抑制することができる。
【００６３】
また、燃料電池システム１００ｂによれば、燃料電池スタック３０の出力が要求されていない場合に、水素および酸素の供給が停止される。それにより、水素および酸素の消費量が抑制されるため、燃料電池スタック３０の燃費を向上させることができる。
【００６４】
なお、燃料電池システム１００ｂは、各燃料電池２０のカソード２４側に水素化合物を供給するための水素化合物供給手段をさらに備えていてもよい。この場合、カソード２４に残存する水が不足している場合であっても、カソード２４に水素化合物を十分に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。
【図２】第２実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。
【図３】第３実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。
【図４】第４実施例に係る水素分離膜処理方法を示す模式図である。
【図５】第５実施例に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図６】第５実施例に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図７】第６実施例に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図８】第７実施例に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  水素分離膜−電解質膜接合体
１２  水素分離膜
１４  電解質膜
１６  接続手段
１８  電位差調整手段
２０  燃料電池
２４  カソード
３０  燃料電池スタック
４０  分圧差調整手段
４２  水素供給手段
４４  酸素供給手段
４６  不活性ガス供給手段
５０  制御手段
１００  燃料電池システム
【図１】
2008226611.tif 000003
【図２】
2008226611.tif 000004
【図３】
2008226611.tif 000005
【図４】
2008226611.tif 000006
【図５】
2008226611.tif 000007
【図６】
2008226611.tif 000008
【図７】
2008226611.tif 000009
【図８】
2008226611.tif 000010