(57)【要約】【課題】システムの重量を増大することなく、かつ、カーボン腐食を抑制して掃気を行うことができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質を含む電極層（ＭＥＡ２）の一方の面にアノードガス流路６を、他方の面にカソードガス流路５を構成した燃料電池１において、停止運転時にアノードガス流路６を掃気するための空気を流通する掃気用流路７を備える。さらに、掃気用流路７からアノードガス流路６に、流路軸方向に略均等に空気を供給する複数の孔（連通孔８）を備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を含む電極層の一方の面にアノードガス流路を、他方の面にカソードガス流路を構成した燃料電池において、
停止運転時に前記アノードガス流路を掃気するための酸素含有ガスを流通する掃気用流路を備え、
さらに、前記掃気用流路から前記アノードガス流路に、流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給する複数の孔を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記掃気用流路を、前記アノードガス流路に対して前記電極層の反対側に位置するように構成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガス流路に略沿って前記掃気用流路を形成し、
少なくとも前記掃気用流路と前記アノードガス流路を隔てる部材を多孔質部材により構成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードガス流路の導入口および導出口を選択的に閉鎖する閉鎖手段を備え、
停止運転時に、前記掃気用流路から前記アノードガス流路への酸素含有ガスの供給を開始する前に、前記アノードガス流路の導入口および導出口を閉鎖する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記掃気用流路から前記アノードガス流路への酸素含有ガスの供給を開始する前に、前記掃気用流路を酸素含有ガスにより掃気する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記掃気用流路から前記アノードガス流路に酸素含有ガスを供給する際に、前記カソードガス流路にも酸素含有ガスを供給することにより、前記アノードガス流路と前記カソードガス流路の圧力を略同じに調整する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
運転時には、前記掃気用流路に冷却液を流通させる請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。特に燃料電池停止時にアノード側を掃気するための燃料電池の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギを取り出す燃料電池は、排出物が無害な水だけであること、高効率であることから、将来の自動車用の動力源として注目されている。
【０００３】
燃料電池は、運転停止時にアノード側流路内で水素領域と空気領域が混在すると、通常の発電状態よりも高い電圧が発生し、カーボンの腐食が促進されるという問題点があった。この問題に対し、定置用燃料電池では、停止運転時にガス流路を窒素により掃気することで、アノード側流路において水素と酸素が反応するのを防止する対策をとっている。しかしながら、移動体においては、窒素の供給源を搭載することは難しく、窒素による掃気に替わる対応策が必要であった。
【０００４】
この対応策として、従来の技術では、アノード側流路に対して空気による掃気を短時間で行うことで、過剰な電圧が発生する時間を短縮することにより、カーボン腐食を低減している（例えば、特許文献１、参照）。
【特許文献１】米国特許出願公開２００２／００７６５８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術に要求される空気の供給量は非常に多く、要求を満たすのに必要な空気供給装置を自動車に搭載すると重量の増大により車両の性能が低下する。あるいは、空気供給装置を能力の低い小型、軽量のものにすると、十分な効果が得られないという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボン腐食を抑制して掃気を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質を含む電極層の一方の面にアノードガス流路を、他方の面にカソードガス流路を構成した燃料電池において、停止運転時に前記アノードガス流路を掃気するための酸素含有ガスを流通する掃気用流路を備える。さらに、前記掃気用流路から前記アノードガス流路に、流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給する複数の孔を備える。
【発明の効果】
【０００８】
アノードガス流路に流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給して、掃気を行うことができるので、アノードで水素領域と空気領域が混在するのを抑制することができる。その結果、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボン腐食を抑制して掃気を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。ここでは、燃料電池システムとして、移動体、例えば自動車の動力源として使用する燃料電池システムについて説明する。
【００１０】
酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素を用いて発電を行う燃料電池１を備える。燃料電池１には、後述するように空気が供給されるカソードガス流路５、水素が供給されるアノードガス流路６、冷却液または掃気用の空気が流通する掃気用流路７を備える。
【００１１】
また、カソードガス流路５の上流側には、カソード上流側バルブ９を、下流側にはカソード下流側バルブ１０を備える。このカソード上流側バルブ９、カソード下流側バルブ１０により、カソードガス流路５内を閉空間とするか否かを選択可能とする。また、カソード下流側バルブ１０により、カソードガス流路５内の空気圧力を調整可能とする。カソード上流側バルブ９のさらに上流側には、カソードガス流路５に空気を供給する空気供給装置１５を備える。空気供給装置１５としては例えばコンプレッサ等を用い、圧縮空気をカソードガス流路５に供給する。
【００１２】
また、アノードガス流路６の上流側には、アノード上流側バルブ１１を、下流側にはアノード下流側バルブ１２を備える。このアノード上流側バルブ１１、アノード下流側バルブ１２により、アノードガス流路６内を閉空間とするか否かを選択可能とする。また、アノード下流側バルブ１２により、アノードガス流路６内の水素圧力を調整可能とする。アノード上流側バルブ１１のさらに上流には、アノードガス流路６に水素を供給する水素供給装置１６を備える。水素供給装置１６では、図示しない水素タンク等から供給された高圧水素の圧力を調整して、水素をアノードガス流路６に供給する。または、水素供給装置１６として燃料改質システムを用いてもよい。
【００１３】
掃気用流路７の上流側には、掃気上流側バルブ１３を、下流側には掃気下流側バルブ１４を備える。ここでは、掃気用流路７に通常運転時には冷却液を流通させ、停止運転時には掃気用空気を流通させる。そこで、掃気上流側バルブ１３として、掃気用流路７に冷却液を流通させるか否かを選択する掃気上流側バルブ１３ｗと、掃気用空気を流通させるか否かを選択する掃気上流側バルブ１３ａを備える。
【００１４】
掃気用流路７に冷却液を循環させることにより燃料電池１の温度を調整する冷却系を、冷却液ポンプ１７、冷却液タンク１８、ラジエータ１９から構成する。また、冷却液として純水を用いる。冷却液タンク１８内に貯蔵された冷却液を冷却液ポンプ１７により取り出し、掃気上流側バルブ１３ｗを介して掃気用流路７に循環させる。燃料電池１内で、発電に伴って生じた熱を吸収することにより高温となった冷却液を、掃気下流側バルブ１４を介してラジエータ１９に流通させることにより温度調整し、再び冷却液タンク１８に回収する。なお、冷却液タンク１８を、タンク内圧力を調整可能なタンクとする。例えば、冷却液タンク１８の上方に開放バルブ１８ａを備え、これを開とすることにより、冷却液タンク１８内のガスを排出可能な構成とする。
【００１５】
一方、掃気用流路７に掃気用空気を流通させるために、掃気ガス配管２０を備える。ここでは、掃気ガス配管２０を、空気供給装置１５からカソードガス流路５に接続される配管から分岐して、掃気用流路７に接続する配管とする。掃気ガス配管２０には、掃気上流側バルブ１３ａを備える。なお、ここでは掃気用空気を供給する空気供給装置として、カソード上流側バルブ９の上流に配置した空気供給装置１５を用いたがこの限りではなく、掃気用の空気供給装置を別に備えても良い。
【００１６】
次に、このような燃料電池システムに用いる燃料電池１の概略を図２に示す。図２には、燃料電池１を単一の燃料電池セルで示しているが、必要とされる発電量に応じて複数の燃料電池セルを積層することにより構成してもよい。
【００１７】
燃料電池１を、電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなるＭＥＡ２と、ＭＥＡ２を狭持するカソード側セパレータ３、アノード側セパレータ４と、から構成する。カソード側セパレータ３とＭＥＡ２との間にカソードガス流路５を形成する。例えば、カソード側セパレータ３のＭＥＡ２に対峙する面に溝を形成することによりカソードガス流路５を形成する。カソードガス流路５に、空気供給装置１５から供給された空気を流通させることにより、ＭＥＡ２カソード側のガス拡散層および触媒層に空気を供給して電極反応を生じる。
【００１８】
一方、アノード側セパレータ４とＭＥＡ２との間にアノードガス流路６を形成する。例えば、アノード側セパレータ４のＭＥＡ２に対峙する面に溝を形成することによりアノードガス流路６を形成する。アノードガス流路６に、水素供給装置１６から供給された水素を流通させることにより、ＭＥＡ２のアノード側のガス拡散層および触媒層に水素を供給して電極反応を生じる。
【００１９】
また、アノード側セパレータ４の内部に、掃気用流路７を形成する。掃気用流路７は、アノードガス流路６に平行に、かつ、アノードガス流路６に対してＭＥＡ２と反対側に位置するように構成する。つまり、アノード側セパレータ４を、ＭＥＡ２およびアノードガス流路６と掃気用流路７とに挟まれる領域４ａと、掃気用流路７のさらに外側の領域４ｂと、から構成する。
【００２０】
アノード側セパレータ４の領域４ａには、アノードガス流路６と掃気用流路７を連通する複数の孔８を構成する。ここでは、領域４ａを、ガスを透過する多孔質体で形成することにより孔８を構成する。このとき、領域４ｂも同様に多孔質体により形成してもよい。つまり、アノード側セパレータ４を多孔質体により構成してもよい。
【００２１】
次に、このような燃料電池１の制御方法について説明する。
【００２２】
起動・停止プロセス以外の運転時には、掃気用流路７に燃料電池１の温度を調整する冷却液を流通させる。つまり、掃気上流側バルブ１３ａを閉とし、掃気上流側バルブ１３ｗを開とする。冷却液ポンプ１７を駆動することにより冷却液タンク１８内の冷却液を取り出し、燃料電池１の掃気用流路７に循環させる。
【００２３】
また、要求負荷に応じてカソードガス流路５に空気を、アノードガス流路６に水素を供給する。この空気と水素を用いてＭＥＡ２において電気化学反応を生じることにより発電を行う。このとき発電に伴って熱が生じて燃料電池１の温度が上昇するが、掃気用流路７を流通する冷却液と熱交換を行うことにより、燃料電池１を運転に適した温度に維持することができる。熱交換により温度上昇した冷却液を、ラジエータ１９において温度調整してから再び冷却液タンク１８に回収する。なお、ここでは、領域４ａを多孔質体により構成し、かつ、冷却液として純水を用いているので、冷却液圧力を調整することにより、アノードガス流路６を流通する水素を、掃気用流路７を流通する純水により加湿することができる。
【００２４】
停止信号が検知されたら、アノードガス流路６への水素の供給を停止する。また、燃料電池１を図示しない放電用負荷に接続する。さらにアノードの掃気を要求する信号が検知されたら、アノード上流側バルブ１１とアノード下流側バルブ１２を閉とする。つまり、アノードガス流路６を閉空間とする。一方、カソードガス流路５への空気の供給は継続しておく。このとき、カソードガス流路５内の圧力を、アノードガス流路６内の圧力と略同じに維持されるように空気供給装置１５およびカソード下流側バルブ１０を制御する。
【００２５】
次に、掃気用流路７内の冷却液を空気により掃気する。ここでは、掃気上流側バルブ１３ｗを閉とし、掃気上流側バルブ１３ａを開とすることにより、冷却液の循環を停止して掃気用空気の供給を開始する。また、掃気下流側バルブ１４を開とする。これにより、空気供給装置１６により掃気用流路７内の冷却液を冷却液タンク１８内に回収する。このとき、冷却液タンク１８内の圧力が過剰に上昇しないように、開放バルブ部１８ａを開としておく。
【００２６】
掃気用流路７から冷却液が掃気されたら掃気下流側バルブ１４を閉じる。掃気上流側バルブ１３ａを介して供給される空気の圧力が、アノードガス流路６内の水素の圧力と同程度となるように調整する。これにより、アノードガス流路６内の水素がカソードガス流路５側の酸素と電気化学反応を生じることにより消費され、アノードガス流路６内は孔８を通って領域４ａを透過した空気に置換される。このとき、空気は発電面に沿って略均一にアノードガス流路６内に供給される。そのため、置換開始時には、アノードガス流路６内は、アノード側セパレータ４側に空気、ＭＥＡ２側に燃料ガスが存在する。つまり、アノードガス流路６内で、反応面に沿った水素の層と空気の層が形成される。水素が消費されるに従って、徐々に空気が占める空間が広がる。このとき、アノードガス流路６内の水素濃度は小さくなり、水素と空気の境界がぼやけて水素・空気の境界は存在しなくなる。このため、ＭＥＡ２内で水素と空気との界面が存在することによりアノード側の反応領域内で電池が形成されるのを避けることができる。
【００２７】
なお、掃気用流路７に供給する空気を、水素の消費量以上に設定してもよい。この場合には、アノードガス流路６内は短時間の間に水素と空気の混合気に置換されるため、ＭＥＡ２のアノード側の触媒上で水素と酸素が直接反応する。そのため、アノード側の反応領域内に電池が形成されるのを防ぐことができ、カーボン腐食を抑制することができる。なお、このときアノードガス流路６内の水素量が、水素と空気の混合気が燃料リーンの状態となる程度まで水素が低減されてから空気の供給量を増大して混合気を生成するのが望ましい。
【００２８】
また、ここでは、領域４ａを多孔質体に形成し、冷却液として純水を用いるので、掃気用流路７からアノードガス流路６に空気が透過するに先立って、領域４ａ内に残留していた純水がアノードガス流路６に押し出される。このとき、ＭＥＡ２における反応は継続して行われているので、発電反応に伴う熱を用いて純水が蒸発し、燃料ガスと空気との間に水蒸気層が形成される。これにより、水素と空気の界面がＭＥＡ２上に存在する頻度をさらに低減して、アノード側の反応領域内に電池が形成されてカーボンが腐食するのを防ぐことができる。
【００２９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３０】
電解質を含む電極層（ＭＥＡ２）の一方の面にアノードガス流路６を、他方の面にカソードガス流路５を構成した燃料電池１において、停止運転時にアノードガス流路６を掃気するための空気を流通する掃気用流路７を備える。さらに、掃気用流路７からアノードガス流路６に、流路軸方向に略均等に空気を供給する複数の連通孔（孔８）を備える。これにより、アノードガス流路６の軸方向に略均等に空気を供給することができるので、アノード側の反応領域内に水素領域と酸素領域が形成されるのを防いで電池が形成されるのを防ぐことができる。その結果、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボンの腐食を抑制しつつ掃気を行うことができる。
【００３１】
特に孔８を軸方向に複数備え、総断面積が大きくなっている連通孔から水素の消費量よりも多量の空気を供給する。これにより、アノードガス流路６内の水素を短時間に水素と空気の混合気に置換することにより、アノード側の反応領域内に電池が形成されるのを防止して、カーボンの腐食を抑制することができる。
【００３２】
また、掃気用流路７を、アノードガス流路６に対してＭＥＡ２の反対側に位置するように構成する。これにより、反応面上に水素と空気が界面を形成して存在することなくアノードガス流路６内の水素を空気に置換することができる。その結果、アノード側の反応領域において電池が形成されるのを防止して、カーボンの腐食を抑制することができる。
【００３３】
また、アノードガス流路６に略沿って掃気用流路７を形成し、少なくとも掃気用流路７とアノードガス流路６を隔てる部材を多孔質部材により構成する。これにより、掃気のための空気を供給する連通孔の配置が緻密になるため、より均等に流路軸に沿って空気を供給することができるので、さらにＭＥＡ２のアノード側の反応領域において水素領域と酸素領域が形成されるのを防ぐことができる。
【００３４】
アノードガス流路６の導入口および導出口を選択的に閉鎖するアノード上流側バルブ１１、アノード下流側バルブ１２を備える。停止運転時に、掃気用流路７からアノードガス流路６への空気の供給を開始する前に、アノードガス流路６の導入口および導出口を閉鎖する。これにより、アノードガス流路６に残存する水素が掃気のために供給される空気によって反応面（ＭＥＡ２）に向かって押されながら、反応面で発電により消費される。その結果、水素と空気が界面を形成した状態でアノード側の反応領域に混在することを防止し、カーボン腐食を抑制することができる。
【００３５】
掃気用流路７からアノードガス流路６に空気を供給する際に、カソードガス流路５にも空気を供給することにより、アノードガス流路６とカソードガス流路５の圧力を略同じに調整する。このように、両極の流路５、６内の圧力を同等に保つことが可能となるため、電解質層が損傷することを防止することができる。
【００３６】
運転時には、掃気用流路７に冷却液を流通させる。掃気用の空気の流路と冷却液の流路が一体化されるため、燃料電池１を大型化することなくカーボン腐食を抑制しつつ掃気を行うことができる。
【００３７】
さらに、掃気用流路７からアノードガス流路６への酸素含有ガスの供給を開始する前に、掃気用流路７を酸素含有ガスにより掃気する。これにより、掃気用流路７からアノードガス流路６に空気が供給されるに先立って、孔８、ここでは多孔質体の孔８に残留していた水による水蒸気層が形成される。その結果、ＭＥＡ２で水素領域と酸素領域が形成されるのをさらに抑制することができるので、カーボン腐食を抑制することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態においては、燃料電池１内の冷却液の流路と、掃気用空気の流路を同一の流路（掃気用流路７）としたがこの限りではない。掃気用空気の流通する流路を独自に形成してもよい。この場合には、孔８をアノードガス流路６に沿って均等に設けた、掃気用空気の流路とアノードガス流路６を連通する複数の孔としてもよい。なお、掃気用流路６に冷却液を流通させない場合にも、掃気用流路７からアノードガス流路６へ空気の供給を開始する前に、掃気用流路７を空気により掃気するのが好ましい。これにより、孔８を介して掃気用流路７に混入した水素を排出することができる。その結果、掃気用流路７からアノードガス流路６に軸方向により均等に空気を供給することができる。
【００３９】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
小型化、軽量化が望まれる燃料電池、例えば、駆動源として移動体に搭載する燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    燃料電池
２    ＭＥＡ（電極層）
５    カソードガス流路
６    アノードガス流路
７    掃気用流路
８    連通孔（孔）
１１  アノード上流側バルブ（閉鎖手段）
１２  アノード下流側バルブ（閉鎖手段）
【図１】
2005085477.tif 000003
【図２】
2005085477.tif 000004