(57)【要約】【課題】燃料電池の運転停止時に、再起動に最適な水分分布を第一の電極１１と第二の電極１２との間に形成する。【解決手段】燃料電池システムの運転停止時に、パージガス供給装置２１から供給するパージガスにより両極のガス供給ラインをパージした後、燃料ガス分岐バルブ１４と酸化剤ガス分岐バルブ１８を切り替え、燃料ガスを第二の電極１２へ、酸化剤ガスを第一の電極１１へ供給する。遮断スイッチ２５を閉じて燃料電池本体１０から第二の負荷装置２６へ出力する。これにより、燃料電池本体１０の内部には、通常運転状態と逆方向に電流が流れ、第二の電極から水素イオンは高分子電解質膜１を通過して第一の電極１１へ移動し、第二の電極１２に存在していた水分は電気随伴水として水素イオンと共に第一の電極１１へ移動する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟持する第一及び第二の電極を備えた燃料電池本体と、
該燃料電池本体の通常運転時に第一の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
該燃料電池本体の通常運転時に第二の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
第二の電極側に存在する水分を前記高分子電解質膜を介して第一の電極側に移動させる機能を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第二の電極側に存在する水分を前記第一の電極側に移動させる際に、水素イオンの随伴水として前記水分を移動させることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給装置から前記第二の電極へ燃料ガスを供給するための燃料ガス分岐ラインと、
前記酸化剤供給装置から前記第一の電極へ空気を供給するための酸化剤ガス分岐ラインと、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の第一の電極と第二の電極との間のインピーダンスを測定する抵抗測定手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料供給装置から前記第二の電極へ燃料を供給するための燃料ガス分岐ラインと、
前記第一の電極に負電位、前記第二の電極に正電位を供給可能な外部直流電源と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の第一の電極と第二の電極との間のインピーダンスを測定する抵抗測定手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項９】
請求項３記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料分岐ラインを介して燃料を前記第二の電極に、前記酸化剤ガス分岐ラインを介して酸化剤を前記第一の電極に、それぞれ供給しながら、燃料電池に発生した電力を消費する逆極性発電過程と、を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記逆極性発電過程において、その発電電流による電荷移動量が、水素イオンの随伴水として所望の量の水を移動させる電荷量に達したと推定されたときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記酸化剤ガス分岐ラインを介した前記第一の電極への酸化剤供給、または燃料電池に発生した電力の消費の少なくとも一つを終了することを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
請求項４記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料分岐ラインを介して燃料を前記第二の電極に、前記酸化剤ガス分岐ラインを介して酸化剤を前記第一の電極に、それぞれ供給しながら、燃料電池に発生した電力を消費する逆極性発電過程と、を備え
前記逆極性発電過程において、電圧測定手段が測定した燃料電池の電圧が所定値以下に低下したときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記酸化剤ガス分岐ラインを介した前記第一の電極への酸化剤供給、または燃料電池に発生した電力の消費の少なくとも一つを終了することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
請求項５記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料分岐ラインを介して燃料を前記第二の電極に、前記酸化剤ガス分岐ラインを介して酸化剤を前記第一の電極に、それぞれ供給しながら、燃料電池に発生した電力を消費する逆極性発電過程と、を備え
前記逆極性発電過程において、抵抗測定手段が測定した前記第一の電極と前記第二の電極との間のインピーダンスが所定値以上となったときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記酸化剤ガス分岐ラインを介した前記第一の電極への酸化剤供給、または燃料電池に発生した電力の消費の少なくとも一つを終了することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
請求項６記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料ガス分岐ラインを介して前記第二の電極へ燃料ガスを供給しながら、前記外部直流電源から前記第一の電極に負電位、前記第二の電極に正電位を供給して通電する逆方向通電過程と、
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記逆方向通電過程において、その通電電流による電荷移動量値が、水素イオンの随伴水として所望の量の水を移動させる電荷量に達したと推定されたときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記外部直流電源からの燃料電池への電流供給の少なくとも一方を終了することを特徴とする請求項１３記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
請求項７記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料ガス分岐ラインを介して前記第二の電極へ燃料ガスを供給しながら、前記外部直流電源から前記第一の電極に負電位、前記第二の電極に正電位を供給して通電する逆方向通電過程と、を備え、
前記逆方向通電過程において、燃料電池の電圧が所定値以上に上昇したときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記外部直流電源からの燃料電池への電流供給の少なくとも一方を終了することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
請求項８記載の固体高分子型燃料電池システムの運転方法であって、
運転停止操作時において、燃料電池の負荷への電力供給並びに前記第一の電極への燃料供給及び前記第二の電極への酸化剤供給を停止する発電停止過程と、
前記第一の電極及び前記第二の電極へパージガスを供給するパージ過程と、
前記燃料ガス分岐ラインを介して前記第二の電極へ燃料ガスを供給しながら、前記外部直流電源から前記第一の電極に負電位、前記第二の電極に正電位を供給して通電する逆方向通電過程と、を備え、
前記逆極性発電過程において、前記第一の電極と前記第二の電極との間の抵抗値が所定値以上となったときに、前記燃料分岐ラインを介した前記第二の電極への燃料供給、または前記外部直流電源からの燃料電池への電流供給の少なくとも一方を終了することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法に係り、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動用に好適な固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
このときの燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の化学式に示す通りである。
【０００４】
【化１】
燃料極    ：  ２Ｈ２  →４Ｈ＋  ＋４ｅ−                …（１）
酸化剤極  ：  ４Ｈ＋  ＋４ｅ−  ＋Ｏ２  →２Ｈ２Ｏ      …（２）
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では（１）の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、電子は燃料極から外部回路（負荷）を介して酸化剤極に至る。この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）の反応式が進行する。この（１）、（２）式の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００５】
例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下するという問題がある。
【０００６】
このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガスの進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。さらに、反応ガス流路内で結露した水分の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。
【０００７】
燃料電池内部での凍結を防止して低温起動性を向上させるためには、低温環境下に凍結する余剰水分を予め燃料電池内部から除去しておくことが望まれるが、この際、水素イオンが電解質膜を移動するためには、電解質膜は含水した状態を保っていることが必要となる。さらに、発電によって燃料極から酸化剤極へと移動する水素イオンと共に移動する随伴水相当の水が燃料極には必要となるが、低温環境下の起動では燃料ガス中に含まれる含水量が少ないため、電解質膜の燃料極側が乾燥することとなる。
【０００８】
これらを防ぐには、低温環境下の起動においては、電解質膜の湿潤と共に、随伴水量相当の水分を燃料極側触媒層近傍に保持していることが必要である。
【０００９】
例えば特許文献１では、このような低温環境下で燃料電池を起動する際、運転停止時に燃料極および酸化剤極に乾燥ガスを流し、かつ燃料電池を加熱することにより水分の蒸発を促進する燃料電池を提案している。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２４６０５４号公報（第４ページ、図２）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、反応ガス流路およびガス拡散層に含まれた水分を除去するために、長時間乾燥ガスを流すことや加熱により水分の蒸発を促進することによって電解質膜が乾燥する可能性があるという問題点があった。
【００１２】
また、燃料極側の水分も蒸発することから、燃料電池起動後の発電によって燃料極側の電解質膜の過度の乾燥を招くという問題点があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟持する第一及び第二の電極を備えた燃料電池本体と、該燃料電池本体の通常運転時に第一の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、該燃料電池本体の通常運転時に第二の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、第二の電極側に存在する水分を前記高分子電解質膜を介して第一の電極側に移動させる機能を有することを要旨とする。
【００１４】
第二の電極側に存在する水分を前記高分子電解質膜を介して第一の電極側に移動させる機能を具体的に実現する方法としては、燃料電池の逆極性発電による水素イオンの随伴水移動と、外部直流電源から燃料電池へ逆方向通電による水素イオンの随伴水移動とがある。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟持する第一及び第二の電極を備えた燃料電池本体と、該燃料電池本体の通常運転時に第一の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、該燃料電池本体の通常運転時に第二の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、第二の電極側に存在する水分を前記高分子電解質膜を介して第一の電極側に移動させる機能を有することにより、低温環境下においても水分の凍結前に第二の電極側に存在する水を第一の電極側に移動させることができ、低温環境下の起動に最適な水分の分布状態を実現し、固体高分子型燃料電池システムの起動時間を短縮することができるという効果がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに用いられる燃料電池セルの構造を示す模式断面図である。図１において、燃料電池の一単位であるセルは、含水すると水素イオン伝導性を有する固体高分子を用いた高分子電解質膜１と、この高分子電解質膜１の両面に形成された第一の電極の触媒層２，第二の電極の触媒層５と、これら触媒層２、５の外側にそれぞれ配設された第一の電極のガス拡散層３、第二の電極のガス拡散層６と、これらのガス拡散層へガスを供給する第一の電極のガス流路４、第二の電極のガス流路７とを備えている。
【００１７】
高分子電解質膜１は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この膜の両面に配設される二つの電極は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層２、５と、ガス拡散層３、６からなり、触媒の存在する面が電解質膜と接触するように形成されている。ガス流路４、７は、ガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
【００１８】
燃料電池システムの通常運転時における燃料ガスが供給される電極を第一の電極（通常運転時の燃料極）、酸化剤ガスが供給される電極を第二の電極（通常運転時の酸化剤極）と呼ぶ。
【００１９】
燃料電池システムの低温環境下における起動時においては、高分子電解質膜１が湿潤であることに加え、第一の電極の触媒層２にも、発電時に電気随伴水として第二の電極に移動する水分に相当する水分を蓄えていることを必要とし、一方、第二の電極の触媒層５、双方の電極のガス拡散層３，６及びガス流路４，７には水分が含まれていないことが望ましい。
【００２０】
図２は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システム（以下、燃料電池システムとも呼ぶ）の第一実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に戸外で使用される燃料電池車両用の燃料電池システムとして好適なものである。第一実施形態の特徴は、燃料電池システムの運転停止時に、パージガスにより第一及び第二電極のガス流路、ガス拡散層の水分を除去した後に、第一の電極に酸化剤ガス、第二の電極に燃料ガスである水素を供給しながら負荷に電流を供給する。これにより、通常運転時とは逆極性の発電である逆極性発電を行う過程を有する。これにより、高分子電解質膜には通常発電時とは逆方向の水素イオンの移動が生じ、この水素イオンの随伴水の移動により、第二の電極側から第一の電極側へ水分を移動させることにある。
【００２１】
図２において、燃料電池システムは、第一の電極１１及び第二の電極１２を備える燃料電池本体１０と、燃料ガスを供給する燃料供給装置１３と、燃料供給装置１３から第一の電極１１へ燃料ガスを供給するか第二の電極１２へ燃料ガスを供給するかを切り替える燃料ガス分岐バルブ１４と、燃料ガス分岐バルブ１４から第二の電極１２へ燃料ガスを供給する燃料ガス分岐ライン１５と、第一の電極１１で使用済みの燃料ガスを排出する排出ライン１６と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１７と、酸化剤供給装置１７から第二の電極１２へ酸化剤ガスを供給するか第一の電極１１へ酸化剤ガスを供給するかを切り替える酸化剤ガス分岐バルブ１８と、酸化剤ガス分岐バルブ１８から第一の電極１１へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス分岐ライン１９と、第二の電極１２で使用済みの酸化剤ガスを排出する排出ライン２０と、パージガスを供給するパージガス供給装置２１と、パージガス供給を制御するパージガス供給バルブ２２と、遮断スイッチ２３を介して燃料電池本体１０に接続された第一の負荷装置２４と、遮断スイッチ２５を介して燃料電池本体１０に接続された第二の負荷装置２６と、燃料電池本体１０の電圧を測定する電圧計２７と、電圧計２７の測定結果に基づいて燃料電池システムを制御するコントロールユニット２８とを備えている。
【００２２】
第一の電極１１は、図１に示したように、触媒層２、ガス拡散層３、ガス流路４を備えている。同様に、第二の電極１２は、触媒層５、ガス拡散層６、ガス流路７を備えている。
【００２３】
燃料供給装置１３は、例えば、高圧水素タンク、液体水素貯蔵タンク、水素吸蔵合金タンク等を備えて、燃料ガスとして水素を燃料電池本体１０に供給する装置である。
【００２４】
酸化剤供給装置１７は、例えば、コンプレッサやブロアを備えて、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池本体１０に供給する装置である。
【００２５】
パージガス供給装置２１は、パージガスとしての空気、または窒素等の不活性ガスを燃料電池本体１０に供給する装置である。
【００２６】
第一の負荷装置２４は、本燃料電池システムを燃料電池車両に適用する場合、車両駆動モータに電流を供給するインバータ等が考えられる。同様に、第二の負荷装置は、ヒータや低電圧バッテリーに充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等が考えられる。
【００２７】
電圧計２７は、燃料電池本体１０の第一の電極１１と第二の電極１２との間の電圧を測定する電圧測定手段である。電圧計２７が測定した電圧は、コントロールユニット２８に入力され、通常運転時の制御に利用されるとともに、本発明の燃料電池システムの運転方法を実施する場合に、逆極性発電の終了条件を判定するのに用いられる。
【００２８】
コントロールユニット２８は、燃料電池システム全体の制御を行うとともに、燃料電池システムの運転停止時に、電圧計２７の測定値に基づいて、燃料供給装置１３，パージガス供給装置２１，酸化剤供給装置１７，燃料ガス分岐バルブ１４，パージガス供給バルブ２２，酸化剤ガス分岐バルブ１８，遮断スイッチ２３，２５を制御して、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの運転方法を実現する。
【００２９】
また、コントロールユニット２８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００３０】
次に、上記構成による本実施形態の動作を説明する。燃料電池システムの通常運転時は、燃料ガスは燃料供給装置１３から燃料電池本体１０の第一の電極１１へ、酸化剤ガスは酸化剤供給装置１７から第二の電極１２へ供給され、発電後のガスは排出ライン１６、２０を経て排出される。このとき第一の負荷装置２４への遮断スイッチ２３が閉じられており、燃料電池本体１０の発電電力は第一の負荷装置２４で消費される。
【００３１】
燃料電池システムの運転を停止させる時は、燃料供給装置１３から第一の電極１１へ、酸化剤供給装置１７から第二の電極１２への反応ガスの供給がそれぞれ停止され、第一の負荷装置２４への遮断スイッチ２３が開かれる。次いで、パージガス供給装置２１からパージガス供給バルブ２２を介して、双方のガス供給ラインがパージガスにより充填される。
【００３２】
その後、燃料ガス分岐バルブ１４と酸化剤ガス分岐バルブ１８が切り替わり、燃料ガスは燃料ガス分岐ライン１５を通って第二の電極１２へ、酸化剤ガスは酸化剤ガス分岐ライン１７を通って第一の電極１１へと供給される。また燃料電池本体１０と第二の負荷装置２６を電気的に接続する遮断スイッチ２５が接続される。
【００３３】
これにより、第一の電極１１が正極、第二の電極１２が負極となって発電する通常の運転状態とは逆極性の発電が行われ、燃料電池本体１０の内部には、通常運転状態と逆方向に電流が流れるとともに、第二の負荷装置２６へ電流が供給される。
【００３４】
燃料電池本体１０の内部では、第二の電極１２へ供給された燃料ガスから水素イオンが生成され、この水素イオンは高分子電解質膜１を通過して第一の電極１１へ移動し、第二の電極１２に存在していた水分は電気随伴水として水素イオンと共に第一の電極１１へ移動することとなる。
【００３５】
本燃料電池システムは、燃料電池本体１０の発電電圧を検出する電圧計２７を備え、電圧計２７の検出値が一定値以下に低下すると、第二の電極１２に存在していた水分のうち必要十分な量が第一の電極１１へ移動したと判断し、燃料ガス供給および酸化剤ガス供給を終了し、遮断スイッチ２５の接続を解除する。
【００３６】
本実施形態では、第一の負荷装置２４と第二の負荷装置２６とを並列に配置された別の負荷装置としたが、第一の負荷装置２４の少なくとも一部が第二の負荷装置２６を兼ねても構わない。この場合、第一の負荷装置２４に逆方向電圧が印加されるのが好ましくなければ、燃料電池本体１０と第一の負荷装置２４との間に周知のダイオードブリッジを設ければよい。
【００３７】
図４は、第一実施形態における燃料電池システムの運転停止のためのコントロールユニット２８の制御動作を説明するフローチャートである。
【００３８】
図４において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料供給装置１３から第一の電極１１への燃料ガス供給を停止し、酸化剤供給装置１７から第二の電極１２への酸化剤ガスの供給を停止し、遮断スイッチ２３を開いて第一の負荷装置２４への電力供給を停止する。
【００３９】
次いで、Ｓ１２で、パージガス供給バルブ２２を開いてパージガス供給装置２１から第一の電極１１及び第二の電極１２へパージガスの供給を開始する。Ｓ１４でパージガスの供給開始から所定時間が経過するまで待機する。この所定時間は実験的に求めてコントロールユニットに記憶させておくことができる。所定時間が経過すると、第一の電極１１及び第二の電極１２のガス流路４、７及びガス拡散層３、６中の水分が十分追い出されたとして、Ｓ１６へ進む。Ｓ１６では、パージガス供給バルブ２２を閉じて、第一の電極１１及び第二の電極１２へのパージガスの供給を停止する。
【００４０】
次いで、Ｓ１８で、燃料ガス分岐バルブ１４を第一の電極１１から第二の電極１２へ切り替えるとともに、酸化剤ガス分岐バルブ１８を第二の電極１２から第一の電極１１へ切り替え、燃料ガスを燃料供給装置１３から第二の電極１２へ、酸化剤ガスを酸化剤供給装置１７から第一の電極１１へ、それぞれ供給開始する。Ｓ２０で遮断スイッチ２５を閉じて第二の負荷装置２６へ電力供給を開始する。これにより、燃料電池本体１０は、通常運転時とは逆極性の逆極性発電を開始し、第一の電極が正極、第二の電極が負極となる。このとき、燃料電池本体１０の内部では、第二の電極１２で水素が電離して水素イオンとなり、この水素イオンが電気随伴水を伴って、第二の電極１２から高分子電解質膜１を通って第一の電極１１へ移動する。これにより第二の電極１２の触媒層５に含まれる水分が第一の電極１１の触媒層２へ移動する。
【００４１】
Ｓ２２では、逆極性発電を終了する終了条件が成立しているか否かを判定する。本実施形態では、電圧計２７による第一の電極１１と第二の電極１２との間の電圧測定値が所定値以下になった時を終了条件としている。この所定値は、実験的に求めて、コントロールユニットに記憶させることができる。
【００４２】
これは、第二の電極１２の触媒層５の水分が第一の電極１１へ移動して、触媒層５の水分が少なくなると、触媒層５での水素の電離が困難となるとともに、第二の電極側の高分子電解質膜１の含水量が少なくなって、水素イオン伝導性が低下するため、逆極性発電の電圧が低下するためである。
【００４３】
これにより、水素ガスを逆極性発電に必要以上に消費することなく、また第二の電極に存在する水分を第一の電極に必要以上に移動させることなく、低温環境下の起動に最適な水分の分布状態を実現することができるという効果がある。
【００４４】
Ｓ２２で終了条件が成立すると、Ｓ２４へ進み、第一の電極１１への酸化剤ガスの供給を停止するとともに、第二の電極１２への燃料ガスの供給を停止する。次いで、Ｓ２６で遮断スイッチ２５を開いて第二の負荷装置２６への電力供給を停止して、システム停止動作を終了する。
【００４５】
尚、Ｓ２４及びＳ２６における酸化剤ガスの供給停止、燃料ガスの供給停止、及び負荷への電力供給の停止の順序は、この順序に限らず、システムに応じて適宜変更してもよい。
【００４６】
さらに、Ｓ２２で判定する逆極性発電の終了条件としては、本実施形態で用いた電圧計による電圧測定以外に、第二の電極１２から第一の電極１１へ移動させるべき水分量の移動に必要な電荷量を逆極性発電で発電したと推定できたことを終了条件としてもよい。
【００４７】
この場合、移動させるべき水分量Ｑｗと、高分子電解質膜１の特性によって決まる電気随伴水分子数／水素イオン数の比ｎと、逆極性発電により負荷に通電する電流値ｉとから、終了条件が成立するまでの時間ｔを次に示す数式（１）により定めることができる。
【００４８】
【数１】
ｔ＝ｋ×Ｑｗ／（ｎ×ｉ）      …（１）
ここで、比例定数ｋは、単位系の取り方と、電子の電荷によって定まる。
【００４９】
〔第二実施形態〕
図３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第二実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、第一実施形態と同様に、特に戸外で使用される燃料電池車両用の燃料電池システムとして好適なものである。
【００５０】
第一実施形態と第二実施形態との相違は、逆極性発電の終了条件の検出のために、第一実施形態の電圧計２７に代えて、第一の電極１１と第二の電極１２との間のインピーダンスを測定する抵抗測定手段として、抵抗計２９を備えたことである。
【００５１】
例えば、抵抗計２９は、逆極性発電時の燃料電池本体１０と第二の負荷装置２６とを接続する線路に交流電圧を重畳して、回路に流れる交流電流値により燃料電池本体１０の第一の電極１１と第二の電極１２とのインピーダンスを測定するものである。
【００５２】
これにより本実施形態のコントロールユニット３０は、抵抗計２９が測定したインピーダンス値により、逆極性発電の終了条件を判定する。その他の構成は、図２に示した第一実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００５３】
固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜１は、含水状態で水素イオン伝導性を示すが、高分子電解質膜１が乾き始めると抵抗値が上昇する。本実施形態は、この高分子電解質膜１の性質を利用して、逆極性発電の終了条件を判定している。
【００５４】
即ち、抵抗計２９が測定したインピーダンス値が一定値以上に上昇すると、第二の電極１２に存在していた水分のうち必要十分な量が第一の電極１１へ移動したと判断し、燃料ガス供給および酸化剤ガス供給を終了し、遮断スイッチ２５の接続を解除する。
【００５５】
本実施形態によれば、水素ガスを逆極性発電に必要以上に消費することなく、また第二の電極に存在する水分を第一の電極に必要以上に移動させることなく、低温環境下の起動に最適な水分の分布状態を実現することができるという効果がある。
【００５６】
第二実施形態におけるコントロールユニット３０の動作は、図４に示した第一実施形態における制御動作とほぼ同様である。第一実施形態との相違は、逆極性発電の終了条件を判定する図４のＳ２２において、第一実施形態では電圧計２７の検出値が所定値以下になったこととしていたが、本実施形態では、抵抗計２９が検出する第一電極１１と第二電極１２との間のインピーダンスが所定値以上になったときとしていることである。このインピーダンスの所定値も実験的に求めて、コントロールユニットに記憶させておくことができる。
【００５７】
〔第三実施形態〕
図５は、第三及び第四実施形態における電気および水の移動を示す概念図である。第三及び第四実施形態の特徴は、燃料電池システムの運転停止時に、パージガスにより第一及び第二電極のガス流路４、７、ガス拡散層３、６の水分を除去した後に、第二の電極のガス流路７へ燃料ガスである水素を供給するとともに、外部直流電源３３から第一の電極１１に負電位、第二の電極１２に正電位を印加して、高分子電解質膜１に通常発電時とは逆方向の電流を流す逆方向通電過程を有する。これにより、この電流を担う水素イオンの随伴水の移動により、第二の電極１２側から第一の電極１１側へ水分を移動させることにある。
【００５８】
即ち、第二の電極１２へ供給された燃料ガス５３から第二の電極１２における水素が電離する反応５２が生じ、水素イオンが生成される。水素イオンは外部直流電源３３による電界によって、高分子電解質膜１を通過して第一の電極１１へ移動する。第二の電極１２に存在していた水分は電気随伴水として水素イオンと共に第一の電極１１へ移動することとなる。第一の電極１１に到達した水素イオンは、外部直流電源から供給される電子との反応５１によって水素へと変化する。電子は外部直流電源３３の働きにより電子の移動５５の方向へ移動する。
【００５９】
図６は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第三実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に戸外で使用される燃料電池車両用の燃料電池システムとして好適なものである。
【００６０】
図６において、燃料電池システムは、第一の電極１１及び第二の電極１２を備える燃料電池本体１０と、第一の電極１１及び燃料ガスバルブ３１へ燃料ガスを供給する燃料供給装置１３と、燃料ガスバルブ３１から第二の電極１２へ燃料ガスを供給する燃料ガス分岐ライン１５と、第一の電極１１で使用済みの燃料ガスを排出する排出ライン１６と、第二の電極１２へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１７と、第二の電極１２で使用済みの酸化剤ガスを排出する排出ライン２０と、パージガスを供給するパージガス供給装置２１と、パージガス供給を制御するパージガス供給バルブ２２と、遮断スイッチ２３を介して燃料電池本体１０に接続された負荷装置２４と、遮断スイッチ３２を介して燃料電池本体１０に接続された外部直流電源３３と、燃料電池本体１０の電圧を測定する電圧計２７と、電圧計２７の測定結果に基づいて燃料電池システムを制御するコントロールユニット３４とを備えている。
【００６１】
燃料ガスバルブ３１は、燃料電池システムの運転停止時に、第二の電極１２へ燃料ガスである水素ガスを供給するためのものである。
【００６２】
外部直流電源３３は、燃料電池システムの運転停止時に、外部直流電源３３から第一の電極１１に負電位、第二の電極１２に正電位を印加して、高分子電解質膜１に通常発電時とは逆方向の電流を流す逆方向通電過程のためのものである。
【００６３】
外部直流電源３３に必要な電圧は、燃料電池本体１０のセル当たり５０〜１００［ｍＶ］程度であり、燃料電池本体１０の発電電圧より充分低い値である。また一回の運転停止動作当たりの外部直流電源３３から供給すべき電荷量Ｑは、運転停止時に第二の電極から第一の電極へ移動させるべき水のモル数をｍとしたとき数式（２）で示され、外部直流電源３３が供給すべき電流Ｉは、数式（３）で示される。
【００６４】
【数２】
Ｑ＝（ｍ×ｅ）／ｎ      …（２）
Ｉ＝Ｑ／ｔ              …（３）
ここでｎは、数式（１）におけるｎと同じ高分子電解質膜１の特性によって決まる電気随伴水分子数／水素イオン数の比ｎであり、ｅは電子の電荷量、ｔは逆方向通電時間である。
【００６５】
燃料電池システムを燃料電池車両に適用する場合、外部直流電源３３は、燃料電池補機用または車両補機用の低電圧（例えば、１２Ｖ、２４Ｖ、３６Ｖ）バッテリと昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータとの組み合わせ、或いは、キャパシタ（蓄電器）とＤＣ／ＤＣコンバータとの組み合わせ等である。
【００６６】
コントロールユニット３４は、燃料電池システム全体の制御を行うとともに、燃料電池システムの運転停止時に、電圧計２７の測定値に基づいて、燃料供給装置１３，酸化剤供給装置１７、パージガス供給装置２１，パージガス供給バルブ２２，燃料ガスバルブ３１，遮断スイッチ２３，３２、外部直流電源３３を制御して、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの運転方法を実現する。
【００６７】
また、コントロールユニット３４は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００６８】
その他の構成要素は、図２に示した第一実施形態と同様であるので、同一構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００６９】
通常運転時は、燃料ガスは燃料供給装置１３から燃料電池本体１０の第一の電極１１へ、酸化剤ガスは酸化剤供給装置１７から第二の電極１２へ供給され、発電後のガスは排出ライン１６、２０を経て排出される。このとき負荷装置２４への遮断スイッチ２３が閉じられており、発電電力は負荷装置２４で消費される。
【００７０】
燃料電池システムの運転を停止させる時は、燃料供給装置１３から第一の電極１１へ、酸化剤供給装置１７から第二の電極１２への反応ガスの供給がそれぞれ停止され、負荷装置２４への遮断スイッチ２３が開かれる。次いで、パージガス供給装置２１からパージガス供給バルブ２２を介して、双方のガス供給ラインがパージガスにより充填される。
【００７１】
その後、燃料ガスバルブ３１が開き、燃料ガスは燃料ガス分岐ライン１５を通って第二の電極１２へ供給される。また燃料電池本体１０と外部直流電源３３を電気的に接続する遮断スイッチ３２が閉じられる。
【００７２】
これにより、外部直流電源３３から燃料電池本体１０の第一の電極１１に負電位、第二の電極１２に正電位が印加され、燃料電池本体１０には通常の運転状態とは逆方向の電流が流れる逆方向通電状態となる。
【００７３】
燃料電池本体１０の内部では、第二の電極１２へ供給された燃料ガスから水素イオンが生成され、この水素イオンは高分子電解質膜１を通過して第一の電極１１へ移動し、第二の電極１２に存在していた水分は電気随伴水として水素イオンと共に第一の電極１１へ移動することとなる。
【００７４】
本実施形態では、燃料電池本体１０の電圧を検出する電圧計２７を備え、燃料電池の電圧値が一定値以上に上昇すると、第二の電極１２に存在していた水分のうち必要十分な量が第一の電極１１へ移動して、第二の電極１２付近の高分子電解質膜１が乾き始めたと判断して、燃料ガス供給を終了し、遮断スイッチ３２の接続を解除する。
【００７５】
図８は、第三実施形態における燃料電池システムの運転停止のためのコントロールユニット３４の制御動作を説明するフローチャートである。
【００７６】
図８において、Ｓ１０からＳ１６までは、図４に示した第一実施形態のフローチャートと同じであるので、同一のステップには、同じステップ番号を付与して、重複する説明を省略する。Ｓ１６の次に、Ｓ３０では、燃料ガスバルブ３１を開いて、燃料ガスを燃料供給装置１３から第二の電極１２へ供給開始する。
【００７７】
Ｓ３２で遮断スイッチ３２を閉じて、外部直流電源３３から燃料電池本体１０の第一の電極へ負電位、第二の電極へ正電位の電圧印加を開始する。これにより、燃料電池本体１０は、通常運転時の電流方向とは逆方向の逆方向通電が開始される。
【００７８】
このとき、燃料電池本体１０の内部では、第二の電極１２で水素が電離して水素イオンとなり、この水素イオンが電気随伴水を伴って、第二の電極１２から高分子電解質膜１を通って第一の電極１１へ移動する。これにより第二の電極１２の触媒層５に含まれる水分が第一の電極１１の触媒層２へ移動する。
【００７９】
Ｓ３４では、逆方向通電を終了する終了条件が成立しているか否かを判定する。本実施形態では、電圧計２７による第一の電極１１と第二の電極１２との間の電圧測定値が所定値以上になった時を終了条件としている。この所定値は、実験的に求めてコントロールユニットに記憶させておくことができる。
【００８０】
水分移動の終了条件として電圧測定値が所定値以上になったときとするのは、第二の電極１２の触媒層５の水分が第一の電極１１へ移動して、触媒層５の水分が少なくなると、触媒層５での水素の電離が困難となるとともに、第二の電極側の高分子電解質膜１の含水量が少なくなって、水素イオン伝導性が低下するため、逆方向通電の電圧が上昇するためである。
【００８１】
これにより、水素ガスを水移動用ガスとして必要以上に消費することなく、また第二の電極に存在する水分を第一の電極に必要以上に移動させることなく、低温環境下の起動に最適な水分の分布状態を実現することが可能となる。
【００８２】
Ｓ３４で終了条件が成立すると、Ｓ３６へ進み、第二の電極１２への燃料ガスの供給を停止する。次いで、Ｓ３８で遮断スイッチ３２を開いて外部直流電源３３からの通電を停止して、システム停止動作を終了する。
【００８３】
尚、Ｓ３６及びＳ３８における燃料ガスの供給停止及び負荷への電力供給の停止の順序は、この順序に限らず、システムに応じて適宜変更してもよい。
【００８４】
さらに、Ｓ３４で判定する逆方向通電の終了条件としては、本実施形態で用いた電圧計による電圧測定以外に、Ｓ１６までのパージガスによる水分のパージ後に、第二の電極１２から第一の電極１１へ移動させるべき水分量の移動に必要な電荷量を逆方向通電したと推定できたことを終了条件としてもよい。
【００８５】
この場合、移動させるべき水分量Ｑｗと、高分子電解質膜１の特性によって決まる電気随伴水分子数／水素イオン数の比ｎと、逆方向通電により外部直流電源から燃料電池本体に通電する電流値ｉとから、終了条件が成立するまでの時間ｔを第一実施形態で示した数式（１）により定めることができる。
【００８６】
〔第四実施形態〕
図７は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第四実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、第三実施形態と同様に、特に戸外で使用される燃料電池車両用の燃料電池システムとして好適なものである。
【００８７】
第四実施形態と第三実施形態との相違は、逆方向通電の終了条件の検出のために、第三実施形態の電圧計２７に代えて、第一の電極１１と第二の電極１２との間のインピーダンスを測定する抵抗測定手段として、抵抗計２９を備えたことである。
【００８８】
例えば、抵抗計２９は、逆方向通電時の燃料電池本体１０と外部直流電源３３とを接続する線路に交流電圧を重畳して、回路に流れる交流電流値により燃料電池本体１０の第一の電極１１と第二の電極１２とのインピーダンスを測定するものである。
【００８９】
これにより本実施形態のコントロールユニット３５は、抵抗計２９が測定したインピーダンス値により、逆方向通電の終了条件を判定する。その他の構成は、図６に示した第三実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００９０】
固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜１は、含水状態で水素イオン伝導性を示すが、高分子電解質膜１が乾き始めると抵抗値が上昇する。本実施形態は、この高分子電解質膜１の性質を利用して、逆方向通電の終了条件を判定している。
【００９１】
即ち、抵抗計２９が測定したインピーダンス値が一定値以上に上昇すると、第二の電極１２に存在していた水分のうち必要十分な量が第一の電極１１へ移動して、第二の電極１２付近の高分子電解質１が乾き始めたと判断し、燃料ガス供給および酸化剤ガス供給を終了し、遮断スイッチ３２の接続を解除する。
【００９２】
本実施形態によれば、水素ガスを水移動用ガスとして必要以上に消費することなく、また第二の電極に存在する水分を第一の電極に必要以上に移動させることなく、低温環境下の起動に最適な水分の分布状態を実現することが可能となる。
【００９３】
第四実施形態におけるコントロールユニット３５の動作は、図８に示した第三実施形態における制御動作とほぼ同様である。第三実施形態との相違は、逆方向通電の終了条件を判定する図８のＳ３４において、第三実施形態では電圧計２７の検出値が所定値以上になったこととしていたが、本実施形態では、抵抗計２９が検出する第一電極１１と第二電極１２との間のインピーダンスが所定値以上になったときとしていることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される固体高分子型燃料電池セルの構造を説明する模式断面図である。
【図２】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第一実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第二実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】第一、第二実施形態におけるコントロール・ユニットの制御動作を説明するフローチャートである。
【図５】第三、第四実施形態における電気、および水の移動を示す概念図である。
【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第三実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図７】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第四実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】第三、第四実施形態におけるコントロール・ユニットの制御動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池本体
１１…第一の電極
１２…第二の電極
１３…燃料供給装置
１４…燃料ガス分岐バルブ
１５…燃料ガス分岐ライン
１６…排出ライン
１７…酸化剤供給装置
１８…酸化剤ガス分岐バルブ
１９…酸化剤ガス分岐ライン
２０…排出ライン
２１…パージガス供給装置
２２…パージガス供給バルブ
２３…遮断スイッチ
２４…第一の負荷装置
２５…遮断スイッチ
２６…第二の負荷装置
２７…電圧計
２８…コントロールユニット
【図１】
2004179086.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004179086.tif 000007
【図６】
2004179086.tif 000008
【図７】
2004179086.tif 000009
【図８】
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