(57)【要約】【課題】アノードオフガスに含まれる水素を確実に処理することのできる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】プロトン導電性の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、通常運転時に燃料電池１２からのアノードオフガスの排出を停止するアノードパージ弁２４と、所定条件でカソードストイキ比を増加させるポンプ２０と、を備える。カソードストイキ比を増加させることでアノードとカソードの間に水分の濃度勾配が生じるため、アノードに滞留している水分をカソードに吸い上げて排出することが可能となり、燃料電池の発電効率を向上することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、アノード側を閉塞した状態で発電を行う燃料電池と、
所定条件でカソードストイキ比を増加させるカソードストイキ比制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を更に備えた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】
前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、
前記カソードストイキ比制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、
前記アノードオフガス排出手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記燃料電池内からアノードオフガスをパージすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行っても前記燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行った後、前記燃料電池の電圧が再び前記所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージが行われるタイミングで前記カソードストイキ比を増加させることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記カソードストイキ比制御手段は、予め定められた所定のタイミングで前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の前記アノードガスの流路が多孔体から構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか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】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００２−９３４３８号公報には、燃料電池の水素循環系システムにおいて、燃料電池内部で生成された水分を排出するためのパージ手段を備えたシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−９３４３８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０３７１７号公報
【特許文献３】特開２００４−６３０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池からのアノードオフガスの排出を停止するシステム（アノードデッドエンドシステム）では、水素循環系システムに比べてアノードに水分が溜まり易くなる。このため、パージ手段を作動させても十分に水分を排出できないという問題が生じ、燃料電池の反応効率が低下するという問題が生じる。また、アノードガス流路を多孔体で構成した場合、アノードから水分が排出され難くなるため、やはり燃料電池の反応効率が低下するという問題が発生する。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、アノードオフガスに含まれる水素を確実に処理することのできる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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、プロトン導電性の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、アノード側を閉塞した状態で発電を行う燃料電池と、所定条件でカソードストイキ比を増加させるカソードストイキ比制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を更に備えたことを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、前記カソードストイキ比制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、前記アノードオフガス排出手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記燃料電池内からアノードオフガスをパージすることを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行っても前記燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第４の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行った後、前記燃料電池の電圧が再び前記所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第４〜第６の発明のいずれかにおいて、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージが行われるタイミングで前記カソードストイキ比を増加させることを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１又は第２の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、予め定められた所定のタイミングで前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の前記アノードガスの流路が多孔体から構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、カソードストイキ比を増加させることでアノードとカソードの間に水分の濃度勾配が生じるため、アノードに滞留している水分をカソードに吸い上げて排出することが可能となる。従って、燃料電池の発電効率を向上することが可能となる。
【００１６】
第２の発明によれば、アノードオフガスを排出する手段を備えた燃料電池において、アノードに滞留している水分をカソードに吸い上げて排出することが可能となる。従って、アノードオフガスを排出する手段を備えた燃料電池の発電効率を向上することが可能となる。
【００１７】
第３の発明によれば、燃料電池の電圧が所定値以下となった場合にカソードストイキ比を増加するため、燃料電池の電圧低下を確実に抑止することができる。
【００１８】
第４の発明によれば、アノードオフガスをパージすることでアノードから水分、窒素などの不純物を排出することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、アノードオフガスのパージを行っても燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみカソードストイキ比を増加するため、カソードストイキ比を増加するための補機駆動エネルギー消費を抑えることが可能となる。
【００２０】
第６の発明によれば、アノードオフガスのパージを行った後、燃料電池の電圧が再び所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみカソードストイキ比を増加するため、カソードストイキ比を増加するための補機駆動エネルギー消費を抑えることが可能となる。
【００２１】
第７の発明によれば、アノードオフガスのパージが行われるタイミングでカソードストイキ比を増加させるため、パージとカソードストイキ比の増加との相乗効果でアノードから確実に水分を排出することができる。
【００２２】
第８の発明によれば、予め定められた所定のタイミングでカソードストイキ比を増加するため、アノードに溜まった水分を定期的に吸い上げることができ、アノードにおける水溜まりを回避することができる。
【００２３】
第９の発明によれば、アノードガスの流路が多孔体から構成されている場合はアノードに水が保持され易くなるが、カソードストイキ比を増加することで、流路が多孔体から構成される場合であってもアノードの水分を排出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池１２とその周辺の構成を示す模式図である。燃料電池１２は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、複数の単位セルを積層して構成されている。各単位セルは、電解質膜、アノード電極、カソード電極、およびセパレータを有して構成されている。
【００２６】
燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から燃料電池１２のアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０が接続されており、ポンプ２０の駆動により燃料電池１２のカソードへ酸素を含む酸化ガス（カソードガス）が送られる。
【００２７】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオン（プロトン：Ｈ＋）を生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成する。そして、アノードで生成されたプロトン（Ｈ＋）はカソードへ移動し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００２８】
なお、本実施形態では、燃料電池１２として固体高分子型分離膜を備えたＰＥＭＦＣを例示しているが、本発明はプロトン導電性の電解質膜を備えた燃料電池に広く適用することができ、燃料電池１２は、例えばガラス電解質膜、フラーレン等の電解質膜を備えたものであっても良い。
【００２９】
アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２に送られる。アノードオフガス流路２２には、アノードオフガスの流量を制御するアノードパージ弁２４が設けられている。
【００３０】
一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２６を通って排出される。カソードオフガス流路２６には、カソードオフガスの圧力を調整する調圧弁２８が設けられている。
【００３１】
本実施形態の燃料電池１２は、アノードパージ弁２４を閉じた状態でアノードデッドエンド運転を行う。アノードデッドエンド運転では、アノードから無駄に水素が排出されることを抑えることができるため、燃料電池１２内における水素の利用効率を高めることができる。
【００３２】
上述したように、燃料電池１２内の反応によりカソード側で水分が生成される。一方、アノード側では水分が殆ど生成されないため、アノードとカソードの間で水分の濃度勾配が生じる。このため、カソード側で生成された水分の一部が電解質膜を透過し、アノード側に送られるという現象が発生する。
【００３３】
アノードデッドエンド運転によりアノードパージ弁２４を閉じた状態を長時間継続すると、電解質膜を透過した水分がアノードに滞留し、また、窒素などの不純物もアノードに滞留する。このため、アノードデッドエンド運転では、適度なタイミングでアノードパージ弁２４を開き、アノードに滞留した水分、窒素等を排出する必要がある。
【００３４】
図２は、アノードデッド運転を行った場合に、水素、窒素等の滞留により電圧が低下する様子を示す特性図である。図２に示すように、時刻ｔ０で運転を開始した後、水分、窒素などの不純物がアノードに溜まっていくと、時間の経過とともに電圧が低下する。このため、電圧が所定のしきい値Ｖｔｈに到達した時刻ｔ１の時点でアノードパージ弁２４を一時的に開き、これらの不純物をパージする処理を行う。
【００３５】
アノードパージ弁２４を開くと、アノードに溜まった窒素は排出されるが、水分の一部はアノードに残留する。このため、燃料電池１２の電圧は一時的に回復するが、パージ後は再び水分が溜まっていくため、時刻ｔ１後も電圧は低下し、時刻ｔ２で再び電圧がしきい値Ｖｔｈに到達する。時刻ｔ２でパージを行った際も水分の一部はアノードに残留するため、アノードに滞留する水分量は次第に増加していく。このように、アノードパージ弁２４によるパージのみでは、アノードに溜まる水分が次第に増加していき、パージを行う周期Ｔが次第に短くなるという現象が生じる。なお、パージの時間を長くして水分を排出することも考えられるが、未反応の水素が多く排出されるため現実的ではない。
【００３６】
このため、本実施形態では、アノードパージ弁２４を開いてパージを行う際に、カソードガスのストイキ比（カソードストイキ比）を一時的に増加させ、アノードに溜まった水分をカソード側へ吸い上げる処理を行う。ここで、カソードストイキ比は、燃料電池１２が必要とするカソードガス量の理論値に対する、実際のカソードガス供給量の比率である。通常の運転では、カソードストイキ比は１．５程度の値に設定される。
【００３７】
図３は、本実施形態のシステムで行われる制御を示すタイミングチャートである。ここで、図３（Ａ）は燃料電池１２の電圧の変化を、図３（Ｂ）はアノードパージ弁２４の状態を、図３（Ｃ）はカソードストイキ比をそれぞれ示している。
【００３８】
図３（Ａ）に示すように、アノードデッドエンド運転を継続すると、燃料電池１２の電圧が低下していく。そして、燃料電池１２の電圧が所定のしきい値Ｖｔｈよりも低下した場合は、図３（Ｂ）に示すように、アノードパージ弁２４を開き、パージを行う。これにより、図２の場合と同様に、アノードから窒素を排出することができ、またアノードに溜まった水分の一部を排出することができる。
【００３９】
また、図３（Ｃ）に示すように、アノードパージ弁２４を開くタイミングで、カソードストイキ比を一時的に高くする制御を行う。カソードストイキ比の制御は、ポンプ２０の駆動量、調圧弁２８の開度などを制御することで行う。図３（Ｃ）の例では、通常時に１．５のカソードストイキ比を２．０程度まで増加させている。このように、増量時のカソードストイキ比は通常時の１．５倍程度が好ましく、通常時のカソードストイキ比が１．５の場合、２．０〜２．５程度まで増加することが好適である。これにより、アノード側の水分をカソード側へ確実に吸い上げることができる。
【００４０】
カソードストイキ比を増加すると、アノード側に溜まった水分をカソード側へ吸い上げることができる。図４は、カソードストイキ比の上昇によりアノードに滞留している水分が排出される様子を示す図であって、燃料電池１２内の単位セルの断面を拡大して示している。図４に示すように、燃料電池１２の単位セルは電解質膜３０を備えており、電解質膜３０のカソード側には触媒層３２が、アノード側には触媒層３４がそれぞれ設けられている。また、カソード側の触媒層３２と隣接して拡散層３６が、アノード側の触媒層３４と隣接して拡散層３８がそれぞれ設けられている。また、カソード側の拡散層３６と隣接してカソードガス流路４０が設けられ、アノード側の拡散層３８と隣接してアノードガス流路４２が設けられている。
【００４１】
図４は、アノードデッドエンド運転によりアノード側に水分が溜まった状態を示している。図４に示すように、アノードに水分が溜まると、触媒層３４と拡散層３８の界面近傍に水分が滞留する。
【００４２】
このとき、図３（Ｃ）に示すタイミングでカソードストイキ比を上げると、カソードとアノードの間で圧力差が生じ、またカソードストイキ比の上昇によりカソードから水分が排出されるため、カソードとアノードの間で水分の濃度勾配が生じる。このため、図４に示すように、アノード側に溜まっていた水分が、水分の濃度の低いカソード側に透過する。従って、アノード側に溜まった水分をカソード側に吸い上げることができ、アノード側に滞留した水分を確実に排出することが可能となる。
【００４３】
なお、図４の例では、アノードパージを行うタイミングでカソードストイキ比を増加しているが、カソードストイキ比を増加するタイミングは任意に設定することができる。
【００４４】
すなわち、アノードにおける窒素の滞留に起因して電圧が低下している場合はアノードガスのパージで電圧を回復させることができるため、通常時はアノードパージのみを行い、アノードパージを行っても燃料電池１２の電圧が十分に回復しない場合にのみ、任意のタイミングでカソードストイキ比を増加させても良い。また、アノードパージにより燃料電池１２の電圧は回復するが、図２で説明したように、燃料電池１２の電圧がしきい値Ｖｔｈに到達する周期Ｔが次第に短くなる場合にのみカソードストイキ比を増加させても良い。この場合、周期Ｔが所定値以下となった場合にカソードストイキ比を増加させることが好適である。このような制御によれば、カソードストイキ比を増加させるタイミングを必要最小限に抑えることができ、ポンプ２０の駆動負荷を低減できる。
【００４５】
更に、所定時間毎にカソードストイキ比を増加することで、定期的にアノードの水分をカソードに吸い上げるようにしても良い。
【００４６】
また、本実施形態の燃料電池１２では、図４に示すようにアノードガス流路４２が所定の空間から構成されているが、多孔体がアノードガス流路４２に埋め込まれた燃料電池１２への適用することも可能である。多孔体が埋め込まれた流路の場合、流路が空間の場合に比べてアノードに水が保持され易くなるが、本実施形態のようにカソードストイキ比を増加することで、水分の排出を確実に行うことができる。
【００４７】
図５は、カソードストイキ比の増加する際の各種パターンを示す特性図である。図５に示すように、カソードストイキ比を増加する際には、様々なパターンを用いることができる。
【００４８】
図５（Ａ）は、パルス状にカソードストイキ比を増加した例を示している。カソードストイキ比をパルス状に増加した場合、カソード側で脈動が発生するため、アノードからカソードへの水分の吸い上げを容易に行うことができる。
【００４９】
また、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）は、カソードストイキ比を増加する過程、又は減少する過程で、カソードストイキ比を徐々に変化させた例を示している。図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）の制御によれば、カソードストイキ比の急激な変化に起因する燃料電池１２内部の機械的ストレスの発生を抑えることができる。
【００５０】
また、図５（Ｅ）はカソードストイキ比をパルス状にして段階的に増加させた例を示している。図５（Ｅ）の制御によれば、カソード側で脈動を発生させることができるため、アノードからの水分の吸い上げを確実に行うことができ、またカソードストイキ比が段階的に増加するため、燃料電池１２内部の機械的ストレスの発生を抑えることができる。
【００５１】
以上説明したように本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転を行うシステムにおいて、所定の場合にカソードストイキ比を増加するため、アノードに溜まった水分をカソード側に吸い上げて排出することが可能となる。従って、燃料電池１２の発電効率を向上することが可能となる。
【００５２】
なお、本発明はアノードデッドエンドシステムに限定されるものではなく、アノードオフガスを再度アノードに送るアノード循環系など、アノードオフガスを排出するシステムに適用することも可能である。アノードオフガスを排出するシステムに適用した場合においても、カソードストイキ比を増加することで、アノードに溜まった水分をカソード側に吸い上げて排出することができ、燃料電池１２の発電効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池とその周辺の構成を示す模式図である。
【図２】アノードデッド運転を行った場合に、水素、窒素等の滞留により電圧が低下する様子を示す特性図である。
【図３】本実施形態のシステムで行われる制御を示すタイミングチャートである。
【図４】カソードストイキ比の上昇によりアノードに滞留している水分が排出される様子を示す模式図である。
【図５】カソードストイキ比の増加する際の各種パターンを示す特性図である。
【符号の説明】
【００５４】
１２  燃料電池
２０  ポンプ
２４  アノードパージ弁
２８  調圧弁
３０  電解質膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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