(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの起動時又は停止時に、酸化剤極触媒担持炭素の腐食を防止する。【解決手段】  燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において酸化剤極出口４ｂの圧力調節弁８を閉じた後、炭酸水の流量調節弁１０を開き炭酸水ポンプ１１を駆動して、炭酸水タンク９から燃料電池スタック１の酸化剤極４内に炭酸水を導入する。このとき、炭酸水は、酸化剤極出口４ｂから酸化剤極４へ供給されるので、燃料極出口に近い酸化剤極の部分から炭酸水が供給されることになる。これにより、外部からの空気侵入により酸素が導入し易い燃料極出口に近い側の酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を効果的に防ぐことができる。【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備えた燃料電池システムにおいて、
炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、
燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤極に前記炭酸水貯蔵手段から炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
炭酸水を燃料極出口に近い酸化剤極に導入す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】
固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極と、前記酸化剤極の酸化剤ガス流路と多孔質体を介して隣接する純水流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、
燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤ガス流路の圧力よりも高い圧力で前記純水流路に炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
酸化剤ガス流路と純水流路の流れ方向が互いに対向することを特徴とする請求項３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カーボン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）
【０００５】
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。
【０００６】
（化２）
Ｃ ＋ [Ｏ2- ]    → ＣＯs ＋ ２ｅ-                          …（３）
ＣＯs ＋ [Ｏ2- ] → ＣＯ2 ＋ ２ｅ-                           …（４）
また、残留した空気中の酸素と水素が反応すると１〔mol〕の酸素に対して２〔mol〕の水素が消費されるので、燃料極の圧力低下が酸化剤極の圧力低下より大きく、燃料極と酸化剤極との間に圧力差が生じ固体電解質膜が劣化する恐れがある。
【０００７】
この解決策として、従来の燃料電池の停止時に残留ガスをパージする方法が採られている。例えば、窒素等の不活性ガスボンベを燃料電池システムに備え、燃料電池の運転停止時に、不活性ガスボンベから供給した不活性ガスで燃料電池内部を置換する方法が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−２７２７４０号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上記パージ方法は、主に燃料電池内のガス経路内のガスをパージするのみで多孔質体に担持された触媒近傍の残留ガスは除去しにくい。よって、パージ後空気雰囲気で燃料電池システムを保管する場合、燃料極側および酸化剤極側経路が空気置換される過程において、燃料極側触媒で局所的に触媒に水素と酸素が付加している状態が混在することがある。このときに酸化剤極側触媒付近に酸素が残留する場合、膜を介して燃料極側に酸素がある領域の反対にある酸化剤極側で逆電流により水素イオンを必要とする反応がおこる。酸化剤極側では基本的に水素がないため、水から水素イオンが取り出され、残った酸素イオンは、触媒担持体の炭素と反応して二酸化炭素となる反応を起こす。反応により生成された二酸化炭素ガスは、酸化剤ガス通路中へ放散してしまい触媒担持炭素の腐食が発生し、触媒のＰｔ微粒子が凝集して触媒有効表面積が著しく減少するという問題点があった。
【０００９】
同様の現象は燃料極側が停止中に充分空気置換されたあとの水素導入起動時にも発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極を備えた燃料電池システムにおいて、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤極に前記炭酸水貯蔵手段から炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
【００１２】
具体的には、二酸化炭素を水に溶かすと、次のような平衡反応により炭酸を生じて酸性を呈する。
【００１３】
（化３）
Ｈ2Ｏ ＋ ＣＯ2  ⇔ Ｈ2ＣＯ3  ⇔ Ｈ+  ＋ ＨＣＯ3-          …（５）
この炭酸水を燃料電池の運転停止時に酸化剤極へ導入すると、酸化剤極へ水素イオンが供給され、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する要部構成図であり、請求項１及び２に対応する。  
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜３を挟んで燃料極２と酸化剤極４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。
【００１６】
燃料極２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る。酸化剤極４には、酸化剤供給装置としてのブロアやコンプレッサ等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２及び酸化剤極４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。
【００１７】
酸化剤極入口４ａには、運転停止時に炭酸水を注入したときの圧力を逃がすための圧力開放弁７が接続されている。酸化剤極出口４ｂには、運転時の空気圧力を調整する空気圧力調整弁８が接続されている。
【００１８】
炭酸水タンク９は、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段である。炭酸水タンク９から流量調整弁１０及び炭酸水ポンプ１１を介して、空気圧力調整弁８の上流部の酸化剤極出口配管に炭酸水供給管１２が合流接続されている。流量調整弁１０、炭酸水ポンプ１１及び炭酸水供給管１２が炭酸水導入手段である。
【００１９】
次に、上記構成による燃料電池システムの作用を説明する。  
燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において酸化剤極出口４ｂの圧力調節弁８を閉じた後、炭酸水の流量調節弁１０を開き炭酸水ポンプ１１を駆動して、炭酸水タンク９から燃料電池スタック１の酸化剤極４内に炭酸水を導入する。このとき、炭酸水は、酸化剤極出口４ｂから酸化剤極４へ供給されるので、燃料極出口に近い酸化剤極の部分から炭酸水が供給されることになる。
【００２０】
これにより、外部からの空気侵入により酸素が導入し易い燃料極出口に近い側の酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を効果的に防ぐことができる。また、必要に応じて酸化剤極の圧力を監視して酸化剤極入口４ａから分岐した圧力開放弁７を調節することによって酸化剤極圧力が制御可能となる。
【００２１】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
【実施例２】
【００２２】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する要部構成図であり、請求項３及び４に対応する。  
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜３を挟んで燃料極２と酸化剤極４が対設された単セルが複数積層されているが、図２では模式的に表示してある。酸化剤極４の固体高分子電解質膜３側と反対側には、多孔質セパレータ５を介して純水経路６が設けられている。
【００２３】
純水経路６は、燃料電池スタック１の冷却と酸化剤極４での生成水回収による高電流域での発電性能向上を目的としている。酸化剤極４での生成水回収は、酸化剤極４の圧力に対して純水経路６の圧力が低くなるよう差圧を設定することで可能となる。
【００２４】
燃料極２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る。酸化剤極４には、酸化剤供給装置としてのブロアやコンプレッサ等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２及び酸化剤極４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。
【００２５】
酸化剤極入口４ａには、運転停止時に炭酸水を注入したときの圧力を逃がすための圧力開放弁７が接続されている。酸化剤極出口４ｂには、運転時の空気圧力を調整する空気圧力調整弁８が接続されている。
【００２６】
炭酸水タンク９は、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段である。純水を貯蔵する純水タンク２０と、炭酸水タンク９とは、三方弁２１により選択的にポンプ２２の入口側と連通可能となっている。ポンプ２２の出口側は、純水供給管２６を介して燃料電池スタック１の純水経路入口６ａに接続されている。
【００２７】
純水経路出口６ｂは、純水の圧力を調整する圧力調整弁２５を介して純水タンク２０の入口で接続されている。また、ポンプ２２の出口に接続されている純水供給管２６から分岐して純水タンク２０に戻るバイパス経路２３と、バイパス経路２３の流量を調整する流量調整弁２４が設けられている。
【００２８】
通常運転時の純水の流れは、純水タンク２０から三方弁２１を介してポンプ２２に吸い込まれ、ポンプ２２の出口から純水供給管２６を介して純水経路入口６ａから燃料電池スタック１に供給される。純水経路６の純水は、多孔質セパレータ５を介して酸化剤極４と水分交換する。
【００２９】
純水経路６と酸化剤極４との水分交換は、運転条件にもよるが、酸化剤極出口４ｂ側では、酸化剤極４から純水経路６への生成水の回収が支配的であり、酸化剤極入口４ａ側では、純水経路６から酸化剤極４への加湿による純水消費が支配的である。余剰の純水は純水経路出口６ｂから排出され、圧力調整弁２５を介して純水タンク２０へ戻る。
【００３０】
通常運転時には、燃料電池スタック１において、燃料ガス及び空気は図中左から右へ流れ、純水は図中右から左へ流れるようになっている。即ち、燃料電池スタックへのガス供給に関しては並向流型であり、このガスと水分交換する純水は、ガスの流れ方向と対向する対向流型である。
【００３１】
次に、上記構成による燃料電池システムの作用を説明する。  
燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において、ポンプ２２上流の三方弁２１を炭酸水タンク９とポンプ２２が連通するよう切換え、ポンプ２２により炭酸水を燃料電池スタック１の純水経路６に供給する。そして純水経路６の圧力を調整する圧力調節弁２５を調整することにより、酸化剤極４と純水経路６の差圧を減少するよう制御することで酸化剤極４側に炭酸水を供給可能となる。尚、必要に応じて酸化剤極４の圧力を監視して酸化剤極４上流から分岐した圧力開放弁７を調節することによって酸化剤極圧力が制御可能となる。
【００３２】
本実施例によれば、実施例１と同様に、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
【００３３】
また、純水循環用のポンプを炭酸水導入用に共用することができ、炭酸水導入経路を新規に構成するための部品点数を低減できるという効果がある。
【００３４】
さらに、本実施例によれば、酸化剤ガス流路と純水流路の流れ方向が互いに対向するので、純水流路圧力上昇の際に圧力が上昇しやすく酸化剤ガス流路に炭酸水が浸透しやすい純水入口から触媒担持炭素が腐食し易い酸化剤ガス流路出口に効果的に炭酸水を供給することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する要部構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する要部構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池スタック
２…燃料極
３…固体高分子電解質膜
４…酸化剤極
４ａ…酸化剤極入口
４ｂ…酸化剤極出口
７…圧力開放弁
８…空気圧力調整弁
９…炭酸水タンク
１０…流量調整弁
１１…炭酸水ポンプ
【図１】
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【図２】
2005174748.tif 000004