(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの起動時又は停止時に、燃料極側から酸化剤極へ固体高分子電解質膜を透過する水素を抑制する。【解決手段】  燃料電池システムの起動時または停止時に、酸化剤極５への空気供給を停止し燃料極３に水素ガスを導入しながら燃料電池スタック２から切替器１１及び擬似負荷装置１２で構成される回路により放電するとともに、液化二酸化炭素タンク６から供給される液化二酸化炭素を気化器７で気化させて、氷点下の温度を有する二酸化炭素ガス（不活性ガス）を酸化剤極入口５ａから酸化剤極５に供給する。これにより固体高分子電解質膜４が含む生成水が凍結し、水素ガスが燃料極３から酸化剤極５へ固体高分子電解質膜４を透過することを抑制できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極を持つ燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの起動時または停止時に、前記燃料極に燃料ガスを導入しながら前記燃料電池本体から擬似負荷装置へ通電するとともに、
前記酸化剤極に氷点下の不活性ガスを導入することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記氷点下の不活性ガスを前記酸化剤極の入口側に導入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不活性ガスに二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項１または請求項２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、燃料電池システムに係り、特に触媒担持体として炭素を使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型の燃料電池では、次に示す反応が起きることにより、燃料極から外部回路を通り酸化剤極に電子が流れる。
【０００４】
（化１）
アノード（燃料極  ）：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ       …（２）
ところで、燃料電池の運転停止時に水素及び空気の供給を停止しても、それらの供給手段と燃料電池とを接続する配管内及び燃料電池内には水素及び空気が残留する。このとき燃料電池と外部回路との電気的接続が絶たれると、単セルの燃料極と酸化剤極との間には１〔Ｖ〕近い電位差が生じ、その結果電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等が起こる。例えば、燃料電池に炭素製セパレータを用いた場合、下記式（式中、ＣＯs は、carbon surface oxideを表す）の反応が起こり得る。
【０００５】
（化２）
Ｃ ＋ [Ｏ2- ]    → ＣＯs ＋ ２ｅ-                          …（３）
ＣＯs ＋ [Ｏ2- ] → ＣＯ2 ＋ ２ｅ-                           …（４）
このような反応により、触媒担持体の炭素が二酸化炭素となって放散すると触媒のＰｔ微粒子が凝集して有効表面積が縮小し、燃料電池性能が低下する現象は触媒シンタリングと呼ばれている。
【０００６】
燃料電池の起動停止時に上記のような触媒シンタリングを防止する従来技術として、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池出力と擬似負荷手段との接続状態を調整する調整手段を設け、起動停止時のガス導入時に、燃料電池の出力電圧が設定電圧以下になるように、調整手段を調整することにより、燃料極と酸化剤極との間の電圧を抑制し、触媒シンタリングを防止するものである。
【特許文献１】特開平７−０４５２９８号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上記従来技術においては、起動停止時の触媒シンタリング防止のためにダミー抵抗を接続するときに、水素不足による劣化防止対策として燃料極に水素を流していると、電解質膜を透過した水素が酸化剤極側に到達してしまう。そして次回起動時に、燃料電池内酸化剤極触媒で燃焼反応を起こし、酸化剤極触媒が劣化して、燃料電池の性能が低下する虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するため、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極を持つ燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時または停止時に、前記燃料極に燃料ガスを導入しながら前記燃料電池本体から擬似負荷装置を介して放電するとともに、前記酸化剤極に氷点下の不活性ガスを導入することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時または停止時に、酸化剤極側に氷点下の不活性ガスを導入するので、酸化剤極の固体高分子電解質膜近辺にある生成水を凍結させることで燃料極側から酸化剤極へ水素が固体高分子電解質膜を透過することを抑制し、次回起動時の酸化剤極触媒による水素の燃焼を防止することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の一実施例を説明する要部構成図である。同図において、燃料電池システム１は、燃料極３及び酸化剤極５を備える燃料電池スタック２と、液化二酸化炭素を貯蔵する液化二酸化炭素タンク６と、液化二酸化炭素を蒸発させる気化器７と、気化器７から供給される二酸化炭素の流量を調整して酸化剤極入口５あへ供給する流量調整弁８と、酸化剤極入口５ａに空気を供給するコンプレッサ９と、酸化剤極出口５ｂから排出される空気の圧力を調整する空気圧調整弁１０と、燃料電池スタック２に擬似負荷装置１２を任意に接続／切離ができる切替器１１と、燃料電池スタック２から通電するための擬似負荷装置１２と、通常運転時に燃料電池スタック２から電力供給を受ける外部負荷装置１３とを備えている。
【００１２】
外部負荷装置１３は、本燃料電池システム１を燃料電池車両に適用した場合には、駆動モータに電力を供給するインバータ、或いは燃料電池の発電電力を補助するバッテリへの充電回路等である。擬似負荷装置１２は、単に固定抵抗器でもよいが、抵抗値を可変して消費電力を変えられる可変抵抗器でもよい。
【００１３】
燃料電池スタック２は、固体高分子電解質膜４を挟んで燃料極３と酸化剤極５が対設された単セルが複数積層されているが、図１では模式的に表示してある。
【００１４】
通常運転時には、燃料極３には、図示しない燃料供給装置から燃料である水素ガスが供給され、酸化剤極５には、酸化剤供給装置としてのコンプレッサ９から空気が供給される。水素ガス及び空気ともに、図中左側から燃料極３及び酸化剤極５に供給され、図中右側から排出される並向流型のガス供給を行うものとする。
【００１５】
酸化剤極入口５ａには、コンプレッサ９の出口と流量調整弁８の出口が合流接続されている。酸化剤極出口５ｂには、通常運転時の酸化剤極５の空気圧力を調整する空気圧調整弁１０が接続されている。通常運転時は、コンプレッサ９の回転速度と空気圧調整弁１０の開度を制御することにより、酸化剤極の空気圧力及び空気流量を制御している。
【００１６】
次に、上記構成による燃料電池システム１の作用を説明する。  
液化二酸化炭素タンク６は、液化した不活性ガスを貯蔵するタンクであり、本実施例では、不活性ガスとして二酸化炭素を用いるが窒素等の不活性ガスを用いても、燃料極側から酸化剤極へ水素が固体高分子電解質膜を透過することを抑制し、次回起動時の酸化剤極触媒による水素の燃焼を防止することができるという効果がある。
【００１７】
気化器７は、液化二酸化炭素タンク６から供給された液体の二酸化炭素を蒸発させて、氷点下の二酸化炭素ガスを発生する。流量調整弁８は、気化器７で気化した氷点下の二酸化炭素ガスの流量を調整して酸化剤極入口５ａから酸化剤極５に供給できるようになっている。
【００１８】
次に、上記構成による本燃料電池システムの起動時または停止時の動作を説明する。  
燃料電池システムの起動時または停止時に、図示しない燃料供給装置から燃料ガス（水素）を燃料極３に供給しながら、コンプレッサ９を停止して酸化剤ガスである空気の酸化剤極５への供給を停止して、液化二酸化炭素タンク６から気化器７へ液化二酸化炭素を供給する。そして、気化器７で気化した氷点下の二酸化炭素ガスを流量調整弁８で流量調整しながら酸化剤極入口５ａに導入する。このとき、空気圧調整弁１０を適度な開度で開いて、酸化剤極出口５ｂから酸化剤極５内部の空気を追い出す。
【００１９】
また同時に、或いは必要に応じて燃料電池スタック２の電圧を図示しない電圧計で監視しながら、燃料電池スタック２の電圧が触媒シンタリングが起きない最高限度電圧を超えないように、切替器１１を閉として、燃料電池スタック２に擬似負荷装置１２を接続し、燃料電池スタック２が発電する電力を消費させることで、燃料電池スタック２の電圧を制限する。
【００２０】
このように燃料電池システムの起動時又は停止時に、氷点下の二酸化炭素ガスが酸化剤極５に供給されるので、酸化剤極５の多孔質電極部及び固体高分子電解質膜４が含む生成水に二酸化炭素が溶け込みながら生成水が凍結する。これにより固体高分子電解質膜のガス透過性が低下し、燃料極から酸化剤極へ水素が透過することを抑制することができるという効果がある。
【００２１】
また、氷点下の不活性ガスを酸化剤極入口側に導入するので、酸化剤ガス流路内の液水が生成水や結露水として比較的少ない酸化剤極入口での水素透過を効果的に防止できる。
【００２２】
また、氷点下の炭酸ガスを酸化剤極凍結ガスとして使用することにより、酸化剤極中の生成水に炭酸ガスが溶け込みやすくなり、凍結した生成水が溶解すると炭酸水が酸化剤極で生成できる。この炭酸水中では、次のような平衡反応により水中に水素イオンを供給することが可能である。  
（化３）
Ｈ2Ｏ ＋ ＣＯ2  ⇔ Ｈ2ＣＯ3  ⇔ Ｈ+  ＋ ＨＣＯ3-          …（５）
【００２３】
そして、次回の燃料電池システム起動時に、燃料極の空気がある対面の酸化剤極側で、水素欠乏により水素イオンを必要とする反応が生じても、炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、触媒担持炭素が腐食することを抑制できるという効果がある。
【００２４】
以上好ましい実施の形態について説明したが、これは本発明を限定するものではない。例えば実施例においては、氷点下の不活性ガスを酸化剤極に導入するために、液化不活性ガスを気化して氷点下の温度を有する不活性ガスを得ているが、特に寒冷な地域で使用される場合、不活性ガスを高圧ガスタンクに貯蔵し、使用時に高圧不活性ガスを断熱的に膨張させて圧力及び温度を低下させることにより、氷点下の不活性ガスを得て酸化剤極へ供給するように変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施例を説明する要部構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…燃料極
４…固体高分子電解質膜
５…酸化剤極
５ａ…酸化剤極入口
５ｂ…酸化剤極出口
６…液化二酸化炭素タンク
７…気化器
８…流量調整弁
９…コンプレッサ
１０…空気圧調整弁
１１…切替器
１２…擬似負荷装置
１３…外部負荷装置
【図１】
2005183024.tif 000003