(57)【要約】【課題】簡単な構成および制御で、単位セルの電圧低下を有効に抑制して、発電性能の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１２は、複数の単位セル１４が矢印Ａ方向に積層されており、積層方向一端側のエンドプレート１６ａから燃料ガスが供給される。積層方向他端側のエンドプレート１６ｂに近接して配置される少なくとも１つの端部セル１４ａの開回路電圧が測定され、この測定された開回路電圧が、予め設定された設定電圧以上であると判断された際、前記燃料電池１２から負荷電流を取り出して、該燃料電池１２の始動が開始される。【選択図】図１
2004134199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持された単位セルを複数積層するとともに、反応ガスを積層方向の一端側から供給する燃料電池の始動方法であって、
前記積層方向の他端側に配設される少なくとも１つの単位セルの開回路電圧を測定する工程と、
前記測定された開回路電圧が、予め設定された設定電圧以上であるか否かを判断する工程と、
前記測定された開回路電圧が前記設定電圧以上であると判断された際、前記燃料電池から負荷電流を取り出す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の始動方法。
【請求項２】
請求項１記載の始動方法において、前記設定電圧は、少なくとも運転を停止してから再始動するまでの時間に基づいて変更されることを特徴とする燃料電池の始動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持された単位セルを複数積層するとともに、反応ガスを積層方向の一端側から供給する燃料電池の始動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。この種の燃料電池は、通常、複数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、始動直後に外部負荷に電力を供給すると、積されている単位セルの中には、燃料ガスの供給が不十分となったり、水が滞留して燃料ガスの流れが妨げられたりし、発電電圧が低下し易い単位セルが存在する場合が多い。この種の不具合を解消するため、例えば、特許文献１に開示された固体高分子型燃料電池の起動方法が知られている。
【０００５】
上記の起動方法は、固体高分子型燃料電池の発電電圧を測定する電圧測定ステップと、前記電圧測定ステップで測定した電圧値が、前記固体高分子型燃料電池の正常な運転状態のときに示す発電電圧に基づいて設定された設定電圧以上であるか否かを判断する電圧比較ステップと、前記電圧比較ステップで設定電圧以上でないと判断された場合には、複数のチャネルへの水の供給を停止し、設定電圧以上であると判断された場合には、前記複数のチャネルへ燃料ガスとともに水の供給を開始する供給燃料制御ステップとを備えている。
【０００６】
その際、設定電圧は、固体高分子型燃料電池の正常な運転状態のときに示す開回路電圧に基づいて設定されるとともに、供給燃料制御ステップでは、電圧比較ステップで設定電圧以上でないと判断された場合に、外部への電力供給を停止する一方、設定電圧以上であると判断された場合には、外部への電力供給を開始する。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３２１３５０９号公報（図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セルの積層数が多くなるのに伴って、各セルの電圧変化が電池本体の電圧変化に及ぼす影響が小さくなり、検出感度が低下してしまう。このため、上記の特許文献１では、例えば、セルの積層数が１００の場合、各積層ブロックに５つのセルが含まれるように、２０個の積層ブロックに分割して、各積層ブロック毎に発電電圧を測定している。
【０００９】
従って、特に、車載用として多数のセルを積層する場合には、分割される積層ブロック数が多数となり、各積層ブロック毎に電圧測定ステップ、電圧比較ステップおよび供給燃料制御ステップを行わなければならない。これにより、燃料電池全体の構成および制御が相当に複雑化するという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成および制御で、単位セルの電圧低下を有効に抑制して発電性能の向上を図ることが可能な燃料電池の始動方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池の始動方法では、反応ガスが単位セルの積層方向の一端側から供給される燃料電池において、前記積層方向の他端側に配設される少なくとも１つの単位セルの開回路電圧（ｏｐｅｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｖｏｌｔａｇｅ）が測定される。開回路電圧とは、負荷電流が取り出されない状態で発電された際に出力される電圧をいう。
【００１２】
次いで、測定された開回路電圧が、予め設定された設定電圧以上であるか否かが判断される。そして、測定された開回路電圧が設定電圧以上であると判断された際には、燃料電池から外部負荷への電流の取り出し、すなわち、前記燃料電池の始動が開始される。
【００１３】
ここで、積層方向の他端側に配設される単位セル（以下、端部セルともいう）は、燃料ガスが不足し易く、しかも前記端部セル側に燃料ガスが流動し難い。このため、端部セルに燃料ガスが十分に供給される前に燃料電池の発電が開始されると、前記端部セルは、燃料ガスが欠乏した状態であるために、電圧が低下してしまう。すなわち、積層された単位セルの中、端部セルの電圧低下が最も著しくなり、この端部セルで測定された開回路電圧が設定電圧以上であれば、他の全ての単位セルの開回路電圧が設定電圧以上となっている。
【００１４】
従って、多数の単位セルが積層されていても、端部セルの開回路電圧を測定するだけで、全ての単位セルが始動可能な状態であるか否かを確実に検出することができる。これにより、簡単な構成および制御で、単位セルの電圧低下を有効に抑制して発電性能の向上を図ることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池の始動方法では、設定電圧は、少なくとも運転を停止してから再始動するまでの時間、すなわち、待機時間に基づいて変更される。
【００１６】
待機時間が短いと、燃料ガスの消費量が減少して端部セルの燃料ガス不足が解消される傾向にある。従って、設定電圧が低くても、端部セルの電圧低下が有効に抑制される。一方、待機時間が長いと、燃料ガスの消費量が増加し、端部セルの燃料ガス不足が発生し易い。このため、設定電圧を高く設定することにより、端部セルに燃料ガスが十分に供給された後、始動を開始して前記端部セルの電圧低下を抑制することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の始動方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
【００１８】
燃料電池システム１０は、例えば、車載用として使用されており、燃料電池１２を備えている。この燃料電池１２は、複数の単位セル１４を矢印Ａ方向に積層してスタックを構成するとともに、積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設されており、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ間に所定の締め付け荷重が付与されている。
【００１９】
図２に示すように、単位セル１４は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１および第２セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体２２と第１および第２セパレータ２４、２６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。
【００２０】
単位セル１４の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
単位セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２３】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４４が形成されている。
【００２４】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を備える。
【００２５】
第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を備える。第２セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部５２と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部（図示せず）と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給部（図示せず）とを備える。
【００２７】
燃料ガス供給部５２は、燃料ガス、例えば、水素ガスを高圧状態で充填する高圧タンク５４を備える。この高圧タンク５４は、燃料ガス供給管５６を介して燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３４ａに連通するとともに、この燃料ガス供給管５６の途上には、イジェクタ５８が接続される。燃料電池１２には、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通して燃料ガス排出管６０が接続される。この燃料ガス排出管６０には、パージバルブ６２が設けられるとともに、イジェクタ５８が接続される。
【００２８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００２９】
図１に示すように、燃料電池１２内には、燃料ガス供給部５２、酸化剤ガス供給部（図示せず）および冷却媒体供給部（図示せず）を介して水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００３０】
このため、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３１】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３３】
さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２６の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３４】
次いで、本実施形態に係る燃料電池の始動方法について、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００３５】
まず、燃料電池１２の運転が停止してから再起動するまでの時間、すなわち待機時間が検出され（ステップＳ１）、この待機時間に基づいて、設定電圧（閾値）が設定される（ステップＳ２）。例えば、再起動までに１２時間以上の時間が経過している際には、設定電圧が１Ｖに設定される。
【００３６】
そこで、パージバルブ６２が閉じられて、燃料ガス出口である燃料ガス排出管６０が閉塞される（ステップＳ３）。このため、燃料電池１２内では、燃料ガスの流れが阻止されて、開回路電圧（ＯＣＶ）の検出が可能な状態となっている。その際、燃料電池１２において、燃料ガスが供給される積層方向一端側（エンドプレート１６ａ側）とは反対の他端側（エンドプレート１６ｂ側）に配置される少なくとも１つの単位セル（以下、端部セル１４ａという）の開回路電圧が測定される（ステップＳ４）。
【００３７】
端部セル１４ａの開回路電圧は、燃料電池１２の発電時から上昇し、この開回路電圧が設定電圧（例えば、１Ｖ）以上となった際に（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、パージバルブ６２が開放される。このため、燃料電池１２内には、燃料ガスが導入されてこの燃料電池１２の始動が開始され、図示しない外部負荷に電流を取り出すことができる（ステップＳ７）。
【００３８】
この場合、本実施形態では、燃料電池１２において、燃料ガスの供給側から最も離間した他端部側であるエンドプレート１６ｂに隣接して配置される端部セル１４ａの開回路電圧を測定し、測定された開回路電圧が設定電圧以上となった際に、前記燃料電池１２からの負荷電流の取り出し、すなわち、始動が開始される。
【００３９】
ここで、端部セル１４ａは、燃料ガス供給側から最も離間しているために、燃料ガスが不足し易く、しかも前記端部セル１４ａ側に燃料ガスが流動し難い。従って、積層された単位セル１４の中、端部セル１４ａの電圧低下が最も著しくなり、この端部セル１４ａで測定された開回路電圧が設定電圧以上であれば、他の全ての単位セル１４の開回路電圧も設定電圧以上となる。
【００４０】
これにより、多数の単位セル１４が積層されていても、端部セル１４ａの開回路電圧を測定するだけで、全ての単位セル１４が始動可能な状態であるか否かを確実に検出することができる。このため、簡単な構成および制御で、単位セル１４および端部セル１４ａの電圧低下を確実に抑制して、燃料電池１２全体の発電性能を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００４１】
具体的には、燃料電池１２を２日間運転停止（待機）させて、負荷電流の取り出し用閾値として設定電圧を、例えば、０．８Ｖに設定した。その結果、図４に示すように、端部セル１４ｂの出力電圧（セル電圧）は、電流取り出しから１５秒経過後に著しく低下した。すなわち、端部セル１４ｂでは、燃料ガスの供給遅れによる燃料ガスの欠乏、長期間の停止による燃料ガスの消費、燃料ガスの流動性の低下および低温始動時における電極活性の低下等の要因によって、出力電圧が低下した。
【００４２】
また、図５には、１２時間の運転停止後に、燃料電池１２を常温で始動させるとともに、電流取り出しの閾値である設定電圧を、例えば、０．９Ｖに設定した場合の実験結果が示されている。これにより、端部セル１４ａでは、電流取り出し後１２秒間、燃料ガスが欠乏した状態であるために、出力電圧が低下してしまった。
【００４３】
これに対して、図６には、１２時間の運転停止後に再起動するととともに、電流取り出しの閾値である設定電圧を、例えば、１．０Ｖに設定した際の端部セル１４ａにおける出力電圧が示されている。この結果、設定電圧が１．０Ｖに設定されることにより、燃料電池１２では、端部セル１４ａにも燃料ガスが十分に供給された後に始動、すなわち、負荷電流の取り出しが行われる。
【００４４】
これによって、特に、端部セル１４ａでの出力電圧が低下することを確実に阻止することができる。このため、簡単な構成および制御で確実な始動状態を得ることが可能になり、燃料電池１２の発電性能を有効に向上させることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、再起動までの時間が変更されると、設定電圧である閾値が変更される。例えば、図４に示す実験の後、１３分間だけ運転を停止して再起動を行う際には、閾値である設定電圧が０．８Ｖに設定された。その結果、図７に示すように、端部セル１４ａでは、負荷電流の取り出し後に電圧低下があるものの、電圧が復帰して出力電圧の著しい低下を回避することができた。
【００４６】
これは、単位セル１４の発電によって端部セル１４ａの触媒近傍に燃料ガスが供給され、燃料ガスの欠乏状態が若干解消されたからである。従って、待機時間が短い際には、設定電圧を低く設定することが可能になり、短時間で良好な始動を開始することができるという利点がある。
【００４７】
さらにまた、燃料電池１２に供給される燃料ガスのストイキ比（供給燃料ガス量と実際に消費される燃料ガス量との比）が０．８になると、図８に示すように、負荷電流の取り出し後に６分間が経過した際に、全ての単位セル１４で電圧低下が惹起した。これにより、燃料ガスのストイキ比を０．８以上に設定しなければ、設定電圧が１．０Ｖであっても、燃料ガスが欠乏状態となってセル電圧の低下が発生してしまう。このため、供給される燃料ガスのストイキ比によって、設定電圧を変更してもよい。
【００４８】
なお、本実施形態では、図１および図２に示すように、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体は、エンドプレート１６ａ側から供給されてエンドプレート１６ｂ側で折り返し、さらに前記エンドプレート１６ａ側から排出されるＵターン流路を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレート１６ａ側から供給された後、エンドプレート１６ｂ側から燃料電池１２の外部に排出される直流型であっても、同様の効果が得られる。
【００４９】
また、本実施形態では、酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路４８が複数本のサーペンタイン溝部を備えているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数本の直線状溝部であってもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池の始動方法では、多数の単位セルが積層されていても、反応ガスの供給側とは反対の端部に配置されている単位セルの開回路電圧を測定するだけで、全ての単位セルが始動可能な状態であるか否かを確実に検出することができる。これにより、簡単な構成および制御で、単位セルの電圧低下を有効に抑制して発電性能の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の始動方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記始動方法を説明するフローチャートである。
【図４】２日間運転停止した後、閾値電圧が０．８Ｖの場合の端部セルのセル電圧説明図である。
【図５】１２時間運転停止した後、閾値電圧が０．９Ｖの場合の前記端部セルのセル電圧説明図である。
【図６】１２時間運転停止した後、閾値電圧が１．０Ｖの場合の前記端部セルのセル電圧説明図である。
【図７】１３分後に再起動するとともに、閾値電圧が０．８Ｖの場合の前記端部セルのセル電圧説明図である。
【図８】燃料ガスのストイキ比が０．８に設定された際の前記端部セルのセル電圧説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム　　　　　１２…燃料電池
１４…単位セル　　　　　　　　　１６ａ、１６ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体　　　２４、２６…セパレータ
３４ａ…燃料ガス供給連通孔　　　３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜　　　　３８…アノード側電極
４０…カソード側電極　　　　　　４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路　　　　　　　５０…冷却媒体流路
５２…燃料ガス供給部　　　　　　５４…高圧タンク
５６…燃料ガス供給管　　　　　　５８…イジェクタ
６０…燃料ガス排出管　　　　　　６２…パージバルブ
【図１】
2004134199.tif 000003
【図２】
2004134199.tif 000004
【図３】
2004134199.tif 000005
【図４】
2004134199.tif 000006
【図５】
2004134199.tif 000007
【図６】
2004134199.tif 000008
【図７】
2004134199.tif 000009
【図８】
2004134199.tif 000010