(57)【要約】【課題】触媒層の劣化及び燃料電池の燃費の悪化を抑制する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、前記燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるように前記カソード極の電位を制御する制御手段とを含む。【選択図】図３
2008282611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、前記燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるように前記カソード極の電位を制御する制御装置と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
アノード極及びカソード極を有する燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、
前記温度検出ステップにより検出された前記燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、前記燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるように前記カソード極の電位を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜の両側を挟持する一対の電極（アノード極、カソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。アノード極は、アノード極触媒層及び拡散層、カソード極は、カソード極触媒層及び拡散層を有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
燃料電池を自動車用動力源等に使用する場合には、車輌の加速・減速等の負荷変動が頻繁に実行される。これにより、燃料電池のカソード極の電位は、開回路電位（又はそれに近い電位）まで上昇し、カソード極触媒層の劣化が起こる場合がある。また、燃料電池の発電停止時にも、カソード極の電位は、開回路電位又はそれに近い電位まで上昇し、カソード極触媒層の劣化が起こる場合がある。
【０００４】
上記カソード極触媒層の劣化には、触媒層に用いられる触媒金属の溶出、シンタリングによる触媒金属の反応面積の減少等がある。
【０００５】
例えば、車輌の加速・減速等の負荷変動により、カソード極の電位が開回路電位まで上昇することを回避し、カソード極触媒層の劣化を防ぐ燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００６】
また、例えば、燃料電池の発電停止時にカソード極の電位が開回路電位まで上昇することを回避し、カソード極触媒層の劣化を防ぐ燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。
【０００７】
上記カソード極触媒層の劣化は、温度に影響され易い。すなわち、燃料電池の発電により燃料電池の温度が高くなり、且つカソード極の電位が開回路電位まで上昇すると、カソード極触媒層の劣化が起こる。しかし、燃料電池の温度が低い場合には、カソード極の電位が開回路電位まで上昇したとしてもカソード極触媒層の劣化は起こり難い。また、カソード極の電位が開回路電位まで上昇することを回避するには、燃料電池の発電が必要であるため、カソード極触媒層の劣化が起こり難い低温時に、燃料電池のカソード極電位が開回路電位まで上昇することを回避しようとすると、燃料電池の燃費が悪化する場合がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１８７８１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９２４２号公報
【特許文献３】特開２００５−３０２３０４号公報
【特許文献４】特開２００４−１７２１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、触媒層の劣化及び燃料電池の燃費の悪化を抑制する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、前記燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるように前記カソード極の電位を制御する制御手段と、を含む。
【００１１】
また、本発明は、アノード極及びカソード極を有する燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、前記温度検出ステップにより検出された前記燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、前記燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるように前記カソード極の電位を制御する制御ステップとを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムでは、アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるようにカソード極の電位を制御する制御手段を備えることによって、触媒層の劣化及び燃料電池の燃費の悪化を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、アノード極及びカソード極を有する燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、温度検出ステップにより検出された燃料電池の温度が閾値温度より高い場合に、燃料電池のカソード極の電位が開回路電位より低くなるようにカソード極の電位を制御する制御ステップを含むことによって、触媒層の劣化及び燃料電池の燃費の悪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】
【００１４】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、温度センサ１２と、制御装置１４と、負荷装置１６、内部負荷１８、分配器１９、アノードガス供給系、カソードガス供給系とを有するものである。
【００１６】
図２は、本発明に用いられる燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜２０の両側をアノード極２２、カソード極２４により挟持した膜−電極アッセンブリ２６と、膜−電極アッセンブリ２６の両外側を挟持する燃料電池用セパレータ２８とを有する。また、本実施形態の燃料電池は、上記燃料電池１０を単位セルとし、複数積層したものであってもよい。アノード極２２はアノード極触媒層３０ａ及び拡散層３２、カソード極２４はカソード極触媒層３０ｂ及び拡散層３２を有する。
【００１７】
アノード極触媒層３０ａ、カソード極触媒層３０ｂは、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層３２又は電解質膜２０上に成膜することにより形成される。拡散層３２は、カーボンクロス等の多孔質材料等が用いられる。電解質膜２０は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜等が用いられる。燃料電池用セパレータ２８は、反応ガス流路３４を介してアノード極２２又はカソード極２４に反応ガスを供給するものであり、金属板、カーボン板等が用いられる。
【００１８】
アノードガス供給系は、図１に示すようにアノードガスボンベ３６、バルブ３８、アノードガス供給管４０を有する。アノードガス供給管４０は、アノードガスボンベ３６と燃料電池１０とを接続している。アノードガスは、水素ガス等である。カソードガス供給系は、図１に示すようにコンプレッサ４２、バルブ４４、カソードガス供給管４６を有する。カソードガス供給管４６は、コンプレッサ４２と燃料電池１０とを接続している。カソードガスは、空気等である。
【００１９】
負荷装置１６は、燃料電池１０を電力源とするものであり、分配器１９を介して燃料電池１０と電気的に接続されている。負荷装置１６は、例えば、電動機等が挙げられる。また、内部負荷１８は、燃料電池１０の余剰分の電力を消費するものであり、分配器１９を介して燃料電池１０と電気的に接続されている。内部負荷１８は、例えば、二次電池等が挙げられる。
【００２０】
温度センサ１２は、燃料電池１０の温度を検出し制御装置１４に温度データを送るものであり、制御装置１４と電気的に接続されている。燃料電池１０の温度は、燃料電池１０自体の温度を用いてもよいし、燃料電池１０に供給される冷却水（図２に示す燃料電池用セパレータ２８の反応ガス流路３４と反対側に形成される冷却水流路（不図示）を流れる）の温度等であってもよい。
【００２１】
制御装置１４は、所定の閾値温度をメモリに記憶したマイクロコンピュータ等である。制御装置１４の動作の詳細は後述するが、温度センサ１２により検出した燃料電池１０の温度と予め設定した閾値温度とを比較して、燃料電池１０の温度が閾値温度より高い場合には、燃料電池１０のカソード極電位が開回路電位より低くなるようにカソード極電位を制御し（高電位回避処理）、閾値温度以下の場合には、カソード極電位の制御を行わないものである。制御装置１４に記録される閾値温度以下の場合には、カソード極電位が開回路電位に達してもカソード極触媒層３０ｂの劣化が起こり難い。閾値温度は、電極の大きさ、電極の仕様、電極に使用する材料等により適宜設定されるものである。例えば、閾値温度を８０℃に設定することが好ましい。また、制御装置１４は、分配器１９を制御して、負荷装置１６及び内部負荷１８への電力の分配（供給）量を決定するものである。
【００２２】
カソード極２４の開回路電位は、理論上１．２３Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）であるが、実発電において、約１．Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）近傍になる。また、燃料電池の発電停止等により、開回路電位は、１．２３Ｖより上昇する場合がある。すなわち、本実施形態における開回路電位とは、上記約１．０Ｖ以上の範囲である。燃料電池１０の温度が閾値温度より高い場合に、燃料電池１０の発電停止、負荷変動等によりカソード極電位が上記開回路電位に達すると、カソード極触媒層３０ｂの劣化は起こり易いが、燃料電池１０の温度が閾値温度より低い場合には、上記開回路電位に達しても、カソード極触媒層３０ｂの劣化は起こり難い。そこで、本実施形態では、制御装置１４により、燃料電池１０の温度が閾値温度より高い場合には、開回路電位より低くなるようにカソード極電位を制御し、燃料電池１０の温度が閾値温度以下の場合には、カソード極電位の制御を行わないようにする。
【００２３】
燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００２４】
図１に示す燃料電池１０の発電において、アノード極側では、アノードガス供給管４０のバルブ３８を開き、アノードガスボンベ３６からアノードガスが供給される。そして、アノードガスは、アノードガス供給管４０を通り、燃料電池１０に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかったアノードガスはアノードオフガスとして、アノードガス排出管４８から燃料電池１０外へ排出される。一方カソード極側では、カソードガス供給管４６のバルブ４４を開き、コンプレッサ４２からカソードガスが供給される。そして、カソードガスは、カソードガス供給管４６を通り、燃料電池１０に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードガス排出管５０から燃料電池１０外へ排出される。燃料電池１０の発電により生じた電力は、分配器１９を介して、負荷装置１６により消費される。
【００２５】
図３は、燃料電池の停止時の燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。燃料電池の発電停止時においては、図３に示すように、まず、ステップＳ１０では、温度センサ１２により燃料電池１０の温度（Ｔ１）が検出される。制御装置１４により、閾値温度（Ｔ０）と温度センサ１２により検出した燃料電池１０の温度（Ｔ１）とが比較され、温度センサ１２により検出した燃料電池１０の温度が閾値温度より高い場合には、ステップＳ１２において、カソード極２４の高電位回避処理が行なわれ、ステップＳ１４では、燃料電池１０の発電が停止される。一方、検出した燃料電池１０の温度が閾値温度以下の場合には、カソード極２４の高電位回避処理が行われず、燃料電池１０の発電が停止される（ステップＳ１４）。
【００２６】
燃料電池の停止時におけるカソード極の高電位回避処理は、上記でも説明したように、カソード極電位が開回路電位より低くなるようにカソード極電位を制御する処理である。具体的には、制御装置１４の指示により、カソードガス供給管４６のバルブ４４を閉じ、燃料電池１０へのカソードガスの供給を停止させる。この時、燃料電池１０へのアノードガスの供給は停止せず、継続させる。これにより、燃料電池１０が発電して燃料電池１０内に残存するカソードガスが消費され、燃料電池１０の電圧が低下する。そのため、カソード極２４が開回路電位まで上昇することを回避することができる。また、残存するカソードガス及びアノードガスそれぞれの反応によって生じる燃料電池１０の電力は、分配器１９を介して内部負荷１８により消費される。
【００２７】
その後、制御装置１４の指示によりアノードガス供給管４０のバルブ３８を閉じ、燃料電池１０へのアノードガスの供給を停止する。アノードガスの供給時間は、制御装置１４のメモリに予めアノードガスの供給時間を設定させてもよいし、制御装置１４に電圧センサを設けて、燃料電池１０の電圧が所定以下となった段階で、アノードガスの供給を停止させてもよい。
【００２８】
このように、本実施形態では、温度センサにより検出される燃料電池の温度が制御部で設定される閾値温度より高い場合には、高電位回避処理を行うため、燃料電池のカソード極触媒層の劣化を抑制することができる。また、温度センサにより検出される燃料電池の温度が制御部で設定される閾値温度より低い場合には、高電位回避処理を行わずに燃料電池を停止させるため、アノードガスの消費を抑え燃料電池の燃費を向上させることができる。閾値温度より低い場合には、高電位回避処理を行わなくても、カソード極触媒層の劣化は起こり難い。
【００２９】
図４は、負荷変動時の燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。負荷変動が起こると燃料電池に余剰な電力が発生するため、燃料電池の電圧は上昇し、カソード極電位は上昇する。このような場合も、図４に示すように、ステップＳ２０において、温度センサ１２により燃料電池１０の温度が検出される。制御装置１４により、閾値温度と温度センサ１２により検出した燃料電池１０の温度とが比較され、温度センサ１２により検出した燃料電池１０の温度が閾値温度より高い場合には、ステップＳ２２において、カソード極２４の高電位回避処理が行なわれ、ステップＳ２４では、燃料電池１０の発電が継続される。一方、検出した温度が閾値温度以下の場合には、カソード極２４の高電位回避処理が行われず、燃料電池１０の発電が継続される（ステップＳ２４）。
【００３０】
発電中の電位変動による高電位回避処理は、制御装置１４により分配器１９を制御し、燃料電池１０の通常発電時の電力を内部負荷１８に分配し消費（充電）させる。そして、内部負荷１８が満充電に達した後、燃料電池１０の発電を停止させる。これにより燃料電池１０の電圧は低下し、カソード極電位が開回路電位まで上昇することを抑えることができる。
【００３１】
上記同様に、本実施形態では、温度センサにより検出される燃料電池の温度が制御部で設定される閾値温度より高い場合には、高電位回避処理を行うため、燃料電池のカソード極触媒層の劣化を抑制することができる。また、閾値温度より低い場合には、高電位回避処理を行わずに発電を継続させ、余分なガス消費、余分な補機損失を抑制することができるため燃料電池の燃費を向上させることができる。
【００３２】
上記本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に用いられる燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
【図３】燃料電池の停止時の燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。
【図４】負荷変動時の燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池システム、１０  燃料電池、１２  温度センサ、１４  制御装置、１６  負荷装置、１８  内部負荷、１９  分配器、２０  電解質膜、２２  アノード極、２４  カソード極、２６  膜−電極アッセンブリ、２８  燃料電池用セパレータ、３０ａ  アノード極触媒層、３０ｂ  カソード極触媒層、３２  拡散層、３４  反応ガス流路、３６  アノードガスボンベ、３８  バルブ、４０  アノードガス供給管、４２  コンプレッサ、
４４  バルブ、４６  カソードガス供給管、４８  アノードガス排出管、５０  カソードガス排出管。
【図１】
2008282611.tif 000003
【図２】
2008282611.tif 000004
【図３】
2008282611.tif 000005
【図４】
2008282611.tif 000006