(57)【要約】【課題】駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極が劣化し難い燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子膜型のスタック１と、駆動時に燃料室１２ａに水素を導入するための燃料導入手段と、停止時に燃料室１２ａ内に残留する水素を空気と置換する燃料置換手段と、制御手段６０とを備えている。制御手段６０は、始動時に９５％以上の置換率かつ０．６秒以内の時間で燃料室１２ａ内に水素を導入する。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極、該水素極に燃料ガスを供給するための燃料室、空気極、該空気極に空気を供給するための空気室並びに該水素極及び該空気極間に介在する電解質膜を有し、少なくとも該空気極に触媒が担持された固体高分子膜型の燃料電池と、
駆動時に該燃料室に該燃料ガスを導入するための燃料導入手段と、
停止時に該燃料室内に残留する該燃料ガスを該空気と置換する燃料置換手段と、
始動時に該空気極の劣化を防止可能な置換率かつ時間で該燃料室内に該燃料ガスを導入すべく該燃料導入手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記置換率は８５％以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記置換率は９５％以上であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記時間は１．０秒以内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記時間は０．６秒以内であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ:Polymer Electrolyte Fuel Cells）が知られている。この燃料電池は、水素極（アノード極）と、この水素極に水素を含む燃料ガスを供給するための燃料室と、空気極（カソード極）と、この空気極に空気を供給するための空気室と、水素極及び空気極間に介在するイオン交換樹脂からなる電解質膜とを有している。また、この燃料電池では、水素極と酸素極との間で効果的に電気化学反応を生じ、効果的に起電力を得るため、水素極及び空気極に各々電解質が形成され、各電解質には白金等の触媒が担持されている。
【０００３】
この燃料電池は、起電力を得る駆動時に燃料室に燃料ガスを導入するための燃料導入手段等とともに燃料電池システムを構成する。燃料導入手段としては、水素ボンベ、ポンプ、バルブ、配管等が採用される。
【０００４】
この燃料電池システムでは、駆動時において、燃料導入手段により燃料室に燃料ガスを導入し、かつ空気室に空気を導入する等により、水素極と空気極との間で起電力を生じることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池システムにおいては、起電力を得る駆動と、起電力を得ない停止とを繰り返すと、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化しやすいことが明らかとなった。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、駆動と停止とを繰り返すことにより燃料電池の空気極が劣化する原因が以下の二つの理由によることをほぼ確信した。すなわち、停止時に燃料室内に残留する燃料ガスを空気と置換することが一つの理由である。また、駆動の始まりである始動時に燃料室内に燃料ガスを導入する際、燃料室内の空気から燃料ガスへの置換率と、その置換率を達成するための時間とが二つ目の理由となり得る。
【０００８】
つまり、駆動時の燃料電池システムでは、水素極において、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅの反応を生じ、空気極において、Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏの反応を生じ、水素極と空気極との間に起電力を生じる。ところが、その燃料電池システムを停止し、再び始動する際、水素極に燃料ガスである水素とともに空気が存在すると、水素極における水素で満たされている面において、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅの反応を生じ、水素極における水素で満たされておらず、空気が残留している面において、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ→Ｈ2Ｏの反応を生じる。その際、電解質内の酸性度が変化し、空気極においては、Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ、Ｐｔ＋２Ｈ2Ｏ→ＰｔＯ＋２Ｈ+＋２ｅ、Ｐｔ→Ｐｔ2+＋２ｅ、２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ等の反応を生じる。こうして、停止時、燃料電池内において局部電池が発生し、その結果、空気極側の白金の溶出と電解質膜の変色とが生じることにより、空気極が劣化すると考えられる。この推察を経て、発明者らは以下の発明を完成させるに至った。
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、水素極、該水素極に燃料ガスを供給するための燃料室、空気極、該空気極に空気を供給するための空気室並びに該水素極及び該空気極間に介在する電解質膜を有し、少なくとも該空気極に触媒が担持された固体高分子膜型の燃料電池と、
駆動時に該燃料室に該燃料ガスを導入するための燃料導入手段と、
停止時に該燃料室内に残留する該燃料ガスを該空気と置換する燃料置換手段と、
始動時に該空気極の劣化を防止可能な置換率かつ時間で該燃料室内に該燃料ガスを導入すべく該燃料導入手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、燃料置換手段により、停止時に燃料室内に残留する燃料ガスを空気と置換するのであるが、制御手段は、始動時に燃料導入手段を制御し、燃料室内（燃料室内の容積）の空気から燃料ガスへの置換率と、その置換率を達成するための時間とを空気極の劣化を防止可能なものとする。
【００１１】
したがって、この燃料電池システムでは、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極が劣化し難い。
【００１２】
発明者らの試験結果によれば、置換率は８５％以上であることが好ましい。置換率が９５％以上であればより好ましい。また、発明者らの試験結果によれば、時間は１．０秒以内であることが好ましい。時間が０．６秒以内であることがより好ましい。置換率が８５％以上であり、時間が１．０秒以内であることが好ましく、置換率が９５％以上であり、時間が０．６秒以内であることがより好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（試験）
まず図１に示す燃料電池スタック１（以下、単に「スタック」という。）を用意する。このスタック１は、２枚のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体１０が挟持されたものである。積層体１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１１をセパレータ１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ１１は、イオン交換樹脂（「Nafion」（登録商標）デュポン（株）製）からなる電解質膜１１ａと、この電界質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる水素極（アノード）１１ｂと、電界質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極（カソード）１１ｃとからなる。水素極１１ｂ及び空気極１１ｃは電解質膜１１ａと一体の電解質を有し、各電解質には触媒としての白金が担持されている。全ての水素極１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図１に示すように、両集電板の各端子１ａ、１ｂはスタック１から突出されている。
【００１４】
図２に示すように、各セパレータ１２の水素極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスが水素極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって燃料ガスが空気極１１ｃに供給されるようになっている。燃料室１２ａは水平方向に開口されており、空気室１２ｂは燃料室１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体１０の両端のセパレータ１２には燃料室１２ａ又は空気室１２ｂだけが形成されている。こうして、一枚のＭＥＡ１１と一対のセパレータ１２とによって個々の燃料電池であるセル１０ａが構成されている。各セル１０ａの全ての燃料室１２ａは、図１に示すように、一方のエンドプレート２０ａに形成された燃料ガス導入口２１及び他方のエンドプレート２０ｂに形成された図示しない燃料ガス導出口に連通している。燃料ガス導入口２１及び燃料ガス導出口は燃料導入手段の一部である。また、各セル１０ａの全ての空気室１２ｂは上下に連通している。
【００１５】
このスタック１では、空気室１２ｂだけが形成されたセパレータ１２と、このセパレータ１２の外側に位置するエンドプレート２０ｂとを貫通する８個の貫通孔３０が形成されており、各貫通孔３０には空気極１１ｃの電位を測定可能な電位センサ３１が取付けられている。
【００１６】
そして、このスタック１を図３に示すように構成し、燃料電池システムを組付ける。この燃料電池システムでは、スタック１の燃料ガス導入口２１に配管４１が接続され、燃料ガス導出口に配管４２が接続されている。配管４１には圧力計４３、電磁弁４４及び調圧弁４５を介して水素ボンベ４６が接続されている。配管４２は電磁弁４７を介して外気に開放されている。配管４１の電磁弁４４と調圧弁４５との間には配管４８が接続され、配管４８には調圧弁４９、電磁弁５０及び圧力計５１が設けられている。また、配管４１の圧力計４３と電磁弁４４との間にも配管５２が接続されており、配管５２には電磁弁５３が設けられている。配管４８の圧力計５１よりも下流は配管５２の電磁弁５３と配管４１との間に接続されている。また、配管５２の電磁弁５３と配管４１との間には配管５４が接続されており、配管５４は電磁弁５５を介して外気に開放されている。配管４２の電磁弁４７とスタック１との間には配管５６が接続されており、配管５６はポンプ５７、電磁弁５８及び逆止弁５９を介して外気に開放されている。配管５２の電磁弁５３より上流は配管５６のポンプ５７と電磁弁５８との間に接続されている。これらのうち、水素ボンベ４６、調圧弁４５、４９、電磁弁４４、５０、圧力計４３、５１及び配管４１、４８、５２が起電力を得る駆動時に燃料室１２ａに燃料ガスを導入するための燃料導入手段である。また、逆止弁５９、電磁弁５８、５５、５３、４７、ポンプ５７及び配管４２、５６、５４、５２が停止時に燃料室１２ａ内に残留する燃料ガスを空気と置換する燃料置換手段である。
【００１７】
そして、図４に示すように、燃料電池システムの燃料導入手段にコンピュータからなる制御手段６０を接続する。以上のように構成された燃料電池システムにおいて、停止時に燃料室１２ａ内に置換された空気を始動によって再度燃料ガスとしての水素で置換する燃料室１２ａの置換率（％）と、初期性能からの出力変化（％）との関係を測定する。この際、燃料置換手段により、停止時に燃料室１２ａ内に残留する水素を空気と置換する。そして、制御手段６０によって所定時間（０．６秒）の間に置換率が８０％、８５％又は９５％以上になるように制御する。
【００１８】
また、上記燃料電池システムにおいて、一定の置換率までの到達時間（ｓｅｃ）と、異常反応発生時間（ｓｅｃ／始動毎）との関係を測定する。この際、制御手段６０によって燃料導入手段による水素の流速を変更し、最も燃料ガス導入口２１に近いセルである入口側セル１０ａと、最も燃料ガス導出口に近いセルである出口側セル１０ｂとについて、水素の流速の順に入口側セル１０ａをＡ〜Ｆ、出口側セル１０ａをａ〜ｆとする。結果を図５に示す。図５において、横軸は、９５％置換までの到達時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は、異常反応発生時間（ｓｅｃ／始動毎）を示す。なお、異常反応発生時間の０．１秒未満は切り捨てる。
【００１９】
図５より、一番水素の流速が早い条件Ａ−ａでは、最初のセル１０ａも最後のセル１０ａも異常反応が発生しないことがわかる。また、条件Ａ−ａよりも水素の流速が遅い条件Ｂ−ｂ、条件Ｃ−ｃでは、最初のセル１０ａで異常反応を生じないものの、最後のセル１０ａでは、水素の到達まで時間がかかるため、異常反応が起こることがわかる。条件Ｄ−ｄ、条件Ｅ−ｅ、条件Ｆ−ｆでは、最初のセル１０ａ及び最後のセル１０ａで水素の到達に時間がかかって異常反応が起こり易いことがわかる。このため、始動時の燃料室１２ａ内の空気から水素への置換率が９５％以上であり、時間が１．０秒以内、より好ましくは０．６秒以内であれば、駆動と停止とを繰り返しても、スタック１の空気極１１ｃが劣化し難いことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】試験に係る積層体の模式断面図である。
【図３】試験に係る燃料電池システムの模式構成図である。
【図４】試験に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【図５】試験に係り、９５％の置換率までの到達時間と異常反応発生時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ｂ…水素極
１２ａ…燃料室
１１ｃ…空気極
１２ｂ…空気室
１１ａ…電解質膜
１、１０ａ…燃料電池（１…スタック、１０ａ…セル）
２１、４６、４５、４９、４４、５０、４３、５１、４１、４８、５２…燃料導入手段（２１…燃料ガス導入口、４６…水素ボンベ、４５、４９…調圧弁、４４、５０…電磁弁、４３、５１…圧力計、４１、４８、５２…配管）
５９、５８、５５、５３、４７、５７、４２、５６、５４、５２…燃料置換手段（５９…逆止弁、５８、５５、５３、４７…電磁弁、５７…ポンプ、４２、５６、５４、５２…配管）
６０…制御手段
【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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