(57)【要約】【課題】  結露水の生成・濃縮を防ぎ、金属セパレータ１７，１８の腐食を抑えた固体高分子型燃料電池システムを構築する。【解決手段】  燃料極側，酸化極側セル内流路１９に燃料Ｈ2，酸化剤Ｏ2を送りこむ給気管２２，３２の途中にガス排出管２４，３４を開口させ、セル内から余剰燃料res.Ｈ2，余剰酸素Ｏ2を排出する排気管２３，３３の途中に注水管２６，３６を開口させる。燃料電池の運転休止時、給気管２２，３２のチェックバルブ２２a，３２aを閉じ、ガス排出管２４，３４のガス抜きバルブ２４a，３４a及び注水管２６，３６のチェックバルブ２６a，３６aを開放してセル内に水を送り込み、セル内を満水状態に維持する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料，酸化剤をセル内流路に送りこむ燃料極側及び酸化極側給気管それぞれの途中にガス抜き用の開口を設け、燃料極側及び酸化極側から余剰燃料，余剰酸化剤を排出する燃料極側及び酸化極側排気管の途中にチェックバルブを備えた注水管を開口させており、運転休止時に燃料極側及び酸化極側給気管のチェックバルブを閉じ、ガス抜き用開口及び注水管のチェックバルブを開放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】
燃料極側及び酸化極側給気管それぞれに組み込まれた加湿器に注水管が接続されている請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
チェックバルブとセルとの間の給気管に一端が接続され、チェックバルブを備えた排気管の他端がガス抜き用開口になっている請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
燃料極側及び酸化極側給気管それぞれに組み込まれたチェックバルブにガス抜き用開口が設けられている請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属セパレータを用いた固体高分子型燃料電池を長時間にわたり安定条件下で高出力運転する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜１１の両面に触媒電極層１２，１３を形成し、多孔質カーボン製のガス拡散電極１４，１５で挟んだ膜−電極接合体１０（図１）で構成される複数の燃料電池セルをスタックしている。触媒電極層１２（燃料極）側にＨ2含有燃料を送り込むと、燃料極１２上でＨ2がプロトンＨ+となる。プロトンＨ+は、水の存在下で高分子イオン交換膜１１を透過して触媒電極層１３（酸化極）に移動し、酸化極１３側に送り込まれてきた酸化剤中のＯ2及び外部回路１６から流れてきた電子ｅ-と反応し、水（反応生成物）として系外に排出される。外部回路１６に沿った電子ｅ-の流れが電気エネルギーとして取り出される。
【０００３】
セル内を高加湿状態に維持することにより、プロトンＨ+が高分子イオン交換膜１１中を効率よく透過する。セル内の高湿潤化には、燃料，酸化剤ガス等の反応ガスを加湿して膜−電極接合体１０に送り込む方法が採用されている（特許文献１，２）
【特許文献１】特開2001−216989号公報
【特許文献２】特開2001−266919号公報
【０００４】
セル内の高湿潤雰囲気は、燃料電池システムの運転休止後にセル温度が低下すると結露水が生成する原因である。セル流路内には高分子イオン交換膜１１や触媒電極層１２，１３から流出した硫酸，フッ酸等を含む蒸気が充満しており、該蒸気を取り込んだ結露水は酸性になる。しかも、運転中では保水状態に維持されていた高分子イオン交換膜１１から、セル温度の低下に伴って酸性イオン含有水がセルの流路に滲み出てくる。更には、セル内に発生した結露水が運転休止期間に水分を次第に蒸発させ、酸性イオン濃度が高く腐食作用の強い液体になる。その結果、金属セパレータを用いた燃料電池では、運転休止後にセル内が強酸性の雰囲気に曝され、セパレータを構成する金属材料が著しく腐食されやすい環境にある。金属セパレータが腐食すると、高分子イオン交換膜１１が腐食生成物で汚染され発電効率を低下させ、極端な場合にはセパレータ機能が損なわれる虞もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、運転休止後のセル内に生じる結露水の高濃度化が金属セパレータの腐食促進原因であるとの前提で、燃料電池の運転休止期間中にセル内からガスを排出し、且つセル内に注水することにより結露水の生成・濃縮を防ぎ、金属セパレータの腐食や発電効率の低下を防止した燃料電池システム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】
【０００６】
本発明の固体高分子型燃料電池システムは、燃料，酸化剤をセル内流路に送りこむ燃料極側及び酸化極側給気管それぞれの途中にガス抜き用の開口を設け、燃料極側及び酸化極側から余剰燃料，余剰酸化剤を排出する燃料極側及び酸化極側排気管の途中にチェックバルブを備えた注水管を開口させており、運転休止時に燃料極側及び酸化極側給気管のチェックバルブを閉じ、ガス抜き用開口及び注水管のチェックバルブを開放することを特徴とする。
【０００７】
注水機構は、別途設けた注水ポットを排気管に接続する注水管でも良いが、燃料極側及び酸化極側給気管それぞれに組み込まれた加湿器を注水ポットにも兼用できる。また、燃料極側及び酸化極側給気管それぞれに組み込まれたチェックバルブにガス放出用開口を設けると、チェックバルブとセルとの間の給気管に開口したガス排出管を省略できる。この場合、反応ガス供給源からセル内流路に至るガス供給経路とセル内流路から系外に至るガス排出経路とを切り替えるため、三方弁をチェックバルブに使用することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
固体高分子型燃料電池は、運転中に高分子イオン交換膜１１を保水状態に維持しているが、運転を停止するとセル内が極めて高い湿潤状態になり、高分子イオン交換膜１１からセル内流路１９に滲み出る水もある。本発明では、燃料電池の運転休止期間にセル内を満水状態に維持することにより、セル内の腐食環境を和らげ、金属セパレータ１７，１８の腐食や高分子イオン交換膜１１の劣化を防止している。その結果、長期間にわたって金属セパレータ１７，１８が当初の機能を維持し、高効率での発電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に従った燃料電池システムは、膜−電極接合体１０と金属セパレータ１７，１８との間に形成されるセル内流路１９を燃料供給機構２０，酸化剤供給機構３０それぞれに接続している（図２）。供給機構２０，３０は、燃料Ｈ2及び酸化剤Ｏ2を加湿器２１，３１でバブリングした後、給気管２２，３２を経てそれぞれのセル内流路１９に送り込む。給気管２２，３２に組み込んだチェックバルブ２２a，３２aの開閉により、燃料Ｈ2及び酸化剤Ｏ2がセル内に供給され、或いは供給停止される。余剰燃料res.Ｈ2及び余剰酸化剤res.Ｏ2は、チェックバルブ２３a，３３aを備えた排気管２３，３３から系外に排出される。電池反応で生成した水は、余剰酸化剤res.Ｏ2と共に排気管３３から排出される。
【００１０】
チェックバルブ２２a，３２aからセルまでの途中で、ガス抜きバルブ２４a，３４aを設けたガス排出管２４，３４を給気管２２，３２に開口している。セル出側では、注水ポット２５，３５から延びチェックバルブ２６a，３６aを備えた注水管２６，３６を排気管２３，３３に開口している。加湿器２１，３１を注水ポット２５，３５に代用することも可能である（図３）。排気管２４，３４を省略し、チェックバルブ２２a，３２aにガス抜き用開口２７，３７を設けても良い。
【００１１】
燃料電池の運転休止に際しては、チェックバルブ２２a，３２aを閉じてセル内流路１９への燃料Ｈ2，酸化剤Ｏ2の供給を停止し、チェックバルブ２６a，３６aを開放して注水ポット２５，３５からセル内に水を送り込む。注水に合わせ、ガス抜きバルブ２４a，３４aを開放してセル内から燃料Ｈ2，酸化剤Ｏ2を排気すると、セル内流路１９に滞留していたガスが排気管２３，３３から排出され、セル内のガスが水で置換される。セル内に水が満たされた時点で、チェックバルブ２６a，３６a及びガス抜きバルブ２４a，３４aを閉じる。
【００１２】
運転休止中のセル内は、注水ポット２５，３５から供給された水で満水状態になっているので結露しがたい環境にある。仮に結露してもセル内の水で希釈されるため、結露水の硫酸やフッ酸濃度の上昇が抑えられる。また、チェックバルブ２２a，３２a，ガス抜きバルブ２４a，３４a，チェックバルブ２６a，３６aが閉じられた密封状態にあり、多量の水が存在することも相俟って水分蒸発に起因した結露水の濃縮も少なくなる。
運転休止中のセル内が結露しがたく且つ結露水の濃縮が生じがたい雰囲気に維持されるので、金属セパレータ１７，１８の腐食が抑えられ、腐食生成物による高分子イオン交換膜１１の汚染も防止される。その結果、セパレータ素材の耐食性に関する要求が緩和され、高分子イオン交換膜１１の劣化も少なくなるので、長期間にわたって高位に安定した発電効率で燃料電池を運転できる。
【実施例】
【００１３】
カーボンペーパ（TGP-H-120：東レ株式会社製）に白金触媒をコーティングした電極を高分子イオン交換膜（ナフィオン１１５：デュポン社製）にホットプレスで接合し、反応面積２５ｃｍ2の膜−電極接合体１０を作製した。膜−電極接合体１０を組み込んだセルの燃料極側，酸化極側それぞれに０.５リットル／分の流量で加湿水素（燃料），加湿酸素（酸化剤）を送り込み、作動圧力を常圧とし、電子負荷装置で出力を調整しながら燃料電池を電流密度０.５Ａ／ｃｍ2で定電流運転したところ、電流密度０.５Ａ／ｃｍ2，セル電圧０.５Ｖが得られた。
【００１４】
燃料電池の運転休止に際し、給気管２２，３２のチェックバルブ２２a，３２aを閉じ，ガス排出管２４，３４のガス抜きバルブ２４a，３４a及び注水管２６，３６のチェックバルブ２６a，３６aを開放した。注水開始から１分経過したとき、ガス排出管２４，３４からの排水が検出されたのでセル内が満水状態と判定し、ガス抜きバルブ２４a，３４a及びチェックバルブ２６a，３６aを閉じてセル内を密閉した。
密閉状態を１６時間維持した後、チェックバルブ２３a，３３aを開放してセル内を排水し、給気管２２，３２のチェックバルブ２２a，３２aを開いてセル内に燃料Ｈ2，酸化剤Ｏ2を送り込み、同じ運転条件下で燃料電池を再起動した。
【００１５】
８時間の連続運転，１６時間の運転休止を１０回繰り返した後で燃料電池を解体し、金属セパレータ１７，１８の表面を観察したところ、結露水起因の腐食が検出されなかった。因みに、運転休止中に注水しないことを除き同じ条件下で連続運転，運転休止を繰り返した場合、繰返し回数が１０に達した時点で金属セパレータ１７，１８が腐食しており、なかでも酸化極側セパレータ１８では僅かの繰返し回数で腐食が生じていた。
金属セパレータ１７，１８が腐食しないため、長時間の運転後にも高い発電能力が維持されていた。実際、運転休止中の注水を伴った場合には連続運転，運転休止の繰返し回数が１０に達した時点でも電流密度，セル電圧共に初期値からの低下が極僅かであったのに対し、運転休止中の注水を省略した場合には連続運転，運転休止の繰返し回数が５に達した時点で電流密度，セル電圧共に初期値からの低下が確認された。また、高分子イオン交換膜１１が常に保水状態に維持されているので、再起動時の立上げも円滑であった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上に説明したように、燃料電池の運転休止中にセル内を満水状態にすることにより、結露水の生成や濃縮がなくなり、セル内の腐食環境が緩和される。そのため、高耐食材料でなくても金属セパレータ１７，１８の腐食が抑えられ、高分子イオン交換膜１１の汚染も防止されるので、長期間にわたって発電能力が高位に維持される。しかも、セパレータ素材に対する耐食性の要求が緩和されるため、比較的安価な材料で金属セパレータ１７，１８を作製でき、燃料電池の低コスト化も図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】固体高分子型燃料電池の膜−電極接合体を示す概略図
【図２】本発明に従った固体高分子型燃料電池システムの一例
【図３】本発明に従った固体高分子型燃料電池システムの他の例
【符号の説明】
【００１８】
１０：膜−電極接合体    １１：高分子イオン交換膜    １２，１３：触媒電極層    １４，１５：ガス拡散電極    １６：外部回路    １７，１８：金属セパレータ    １９：セル内流路
２０：燃料供給機構    ３０：酸化剤供給機構    ２１，３１：加湿器    ２２，３２：給気管    ２２a，３２a：チェックバルブ    ２３，３３：排気管    ２３a，３３a：チェックバルブ    ２４，３４：ガス排出管    ２４a，３４a：ガス抜きバルブ    ２５，３５：注水ポット    ２６，３６：注水管    ２６a，３６a：チェックバルブ    ２７，３７：ガス抜き用開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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