(57)【要約】【課題】  アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池の電解質膜の劣化を抑制した燃料電池システムを提供する。【解決手段】  高分子電解質膜１０を挟んで配置された燃料極１２および酸化剤極１１を備え、該燃料極１２および酸化剤極１１にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料極１２に水素を含有する燃料ガスを供給する水素供給系２１と、酸化剤極１１に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する空気供給系２０と、を備え、コントローラ４０１のガス供給制御手段により、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、水素量−２×酸素量＞０を満たすように、水素供給系２１または空気供給系２０による供給量を制御する。【選択図】    図１
2007048517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数１）
水素量−２×酸素量＞０                                           （１）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段による供給量を制御するガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給制御手段は、燃料極水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、電解質膜厚をｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層厚をｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層厚をｔca［ｃｍ］とし、１［ｋＰａ］当たりのガス透過量を酸素についてＣO2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ2／ｓｅｃ／ｋＰａ］、水素についてＣH2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ2／ｓｅｃ／ｋＰａ］とするとき、前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数２）
ＰH2×ＣH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ＣO2 ×ｔca＞０               （２）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段によるガス圧を制御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】
前記ガス供給制御手段は、燃料極水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、電解質膜厚をｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層厚をｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層厚をｔca［ｃｍ］とするとき、前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数３）
1.25×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−ＰO2×ｔca＞０                         （３）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段によるガス圧を制御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４】
前記燃料極に燃料ガスを再利用して供給する循環コンプレッサを有し、
前記ガス供給制御手段は、前記循環コンプレッサにより燃料極水素分圧を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項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、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池の電解質膜の劣化を抑制した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池の単電池（セル）が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図を図２に示す。ここで、従来のＭＥＡ構成と本発明のＭＥＡ構成とはその断面構造がほぼ同等であるため同一の図面を用いる。
【０００４】
図２に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０の両面に、１対の電極である酸化剤極１１と燃料極１２が配置されている。ここでは、Ｐｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成した酸化剤極触媒層１１ａと、酸化剤極１１をカーボン繊維等の多孔質体から構成した酸化剤極ガス拡散層１１ｂとから構成する。また同様に、燃料極１２を、燃料極触媒層１２ａと燃料極ガス拡散層１２ｂとから構成する。
【０００５】
現在、高分子電解質膜１０としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ膜など）が一般的に使用されている。
【０００６】
さらに、両電極１１，１２の外側には、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６が配置されており、酸化剤極１１と酸化剤ガスセパレータ１５との間には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１３が設けられ、燃料極１２と燃料ガスセパレータ１６との間には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路１４が設けられている。ここでは、酸化剤ガス流路１３内を酸化剤ガスとしての空気が、燃料ガス流路１４内を流れる燃料ガスとしての水素と、略同一方向に流通するように構成する。
【０００７】
このように、１対のセパレータ板１５，１６でＭＥＡを固定し、片側の酸化剤ガス流路１３ に酸化剤ガスを供給し、他方の燃料ガス流路１４ に燃料ガスを供給することで、数十から数千［ｍＡ／ｃｍ２］の実用電流密度通電時において、１つのセルで０．５〜０．８［Ｖ］ 程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、燃料電池を電源として使うときは、数十から数百［Ｖ］の電圧が必要とされるため、実際には、セルを必要とする個数だけ直列に連結することになる。
【０００８】
燃料電池スタックを、このような構造のＭＥＡ２を複数積層して構成した積層体とする。通常運転時には、酸化剤ガスが酸化剤極触媒層１１ａの触媒に接触し、燃料ガスが燃料極触媒層１２ａの触媒に接触することにより、以下のような反応が生じる。
【０００９】
（数４）
燃料極１２側  ：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                               （４）
（数５）
酸化剤極１１側：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ                 （５）
式（４）に示すように、燃料極１２では、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離され、プロトンは高分子電解質膜１０内部を拡散して酸化剤極１１側に到達し、電子は外部回路を流れて、出力として取り出される。一方、酸化剤極１１では、高分子電解質膜１０内を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、並びに空気中の酸素により形成される三相界面上で式（５）に示すような反応が生じる。
【００１０】
以上のように構成された燃料電池において、燃料電池が開放端電圧状態に近い非常に高い電圧を保持している場合、高分子電解質が分解するという問題が発生する。これは次のような理由によるものと考えられる。
【００１１】
高分子電解質膜１０中では、水素および酸素が若干拡散されている。このため、燃料極触媒層１２ａ上で、酸化剤極１１側より拡散してきた酸素が式（６）のような２電子反応によって還元反応を起こす。
【００１２】
（数６）
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏ２ ０．６８Ｖ                            （６）
燃料極１２で形成された過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）は、水酸化ラジカル（ＯＨ・）を発生し、これらラジカル類が高分子電解質を分解させると考えられている。
【００１３】
このような燃料電池が開放端電圧になることにより発生する問題を回避するために、電解質膜の材料を変更し、酸素拡散量を減らす研究が続けられている。また、このような材料研究の他に、燃料電池システムの制御方法による劣化回避方法も提案されている。
【００１４】
例えば、燃料電池システム内に開放端電圧を抑制するための放電手段を設けることにより、燃料電池が開回路電圧になることを回避する方法がある。これは、放電手段により、酸化剤極１１で式（５）の酸素還元反応を起こすことにより、高分子電解質膜１０を透過する酸素量を減少させるものである。しかしながら、このような運転により高分子電解質が分解される問題を回避することができるが、酸素の還元反応を起こすためには、式（４）の水素酸化反応が同時に起こっており、燃費が悪くなることや、電圧が下がることによって直に再起動できなくなるなど、別の問題が発生する。
【００１５】
また、特開平６−１０３９９２号公報に開示の「高分子固体電解質型燃料電池」では、燃料極１２と酸化剤極１１との間に新たに触媒層を設け、この触媒層で水素と酸素の反応を促進させる方法が提案されている。すなわち、高分子固体電解質（イオン交換膜）内に酸化剤極および燃料極と電子導電的に絶縁された触媒層を形成することにより、高分子固体電解質（イオン交換膜）内をクロスオーバーする水素ガスと酸素ガスを触媒層により反応させて水に変換し、該水素ガスと酸素ガスが対極へ移動してセル電圧が低下することを抑制し、効率的な運転を可能にするものである。
【特許文献１】特開平６−１０３９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、新たに設けた触媒層で水素と酸素の反応を促進させ、燃料極および酸化剤極間のクロスリーク量を減らすことはできるが、一般的に高分子電解質膜中の電位は低く、０．６８［Ｖ］よりも低い場合においては新たに設けた触媒層上で式（６）の反応を誘発し、結果的に高分子電解質膜の劣化が促進されてしまうという問題があった。
【００１７】
すなわち、従来の燃料電池システムにおいては、アイドリング時若しくは開放端電圧時に、酸素が酸化剤極側から燃料極側に拡散することで過酸化水素が生成されるため、電解質膜が劣化するという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池の電解質膜の劣化を抑制した燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を解決するため、本発明は、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、水素量−２×酸素量＞０を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段による供給量を制御するガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料極より電解質膜を透過した水素は、酸化剤極から透過してくる酸素と酸化剤極触媒上で反応し、電解質膜に到達する酸素量を減少させることが可能となる。電解質膜に到達する酸素量が減少することは、燃料極触媒に到達する酸素量が減少することであり、燃料極触媒での酸素量減少によって過酸化水素生成が抑制され、結果的に過酸化水素による電解質膜へのアタックを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
図１は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００２３】
また、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０として、フィルタ２０１、コンプレッサ２０２、空気供給流路、酸素分圧センサ２０３および空気排気流路を備え、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１として、水素ボンベ２１１、減圧弁２１２、流量コントローラ２１３、水素供給流路、三方弁２１４，２１５、水素分圧センサ２１７、水素循環流路、水素排気流路およびリサイクルコンプレッサ２１６を備えている。
【００２４】
また、負荷系として、負荷３００、バッテリ３０１、スイッチ３０２、リレー３０３および電流センサ３０５を備え、さらに制御系として、水素供給系、空気供給系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ４０１を備えた構成である。なお、冷却機構については、本発明の特徴的部分に直接関係しないために省略している。
【００２５】
燃料電池スタック１の構造等（図２）については、背景技術において詳述した通りであり、説明を省略する。
【００２６】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極１２や酸化剤極１１に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。
【００２７】
燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給系２０においては、外部からフィルタ２０１を介して空気を導入するコンプレッサ２０２により、空気供給流路に空気が送り込まれて燃料電池スタック１の酸化剤極１１へと供給される。また、コンプレッサ２０２と燃料電池スタック１とを繋ぐ配管には酸素分圧センサ２０３が設置されており、酸素圧力をモニタリングする。
【００２８】
燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給系２１においては、水素ボンベ２１１にから取り出した高圧水素を減圧弁２１２によって減圧し、流量コントローラ２１３により取り出す水素量を調整しつつ、燃料電池スタック１の燃料ガス流路１４に水素を供給する。また、燃料電池スタック１の燃料ガス入口より上流側に三方弁２１４を、下流側に三方弁２１５を備え、また、三方弁２１４および２１５を接続する配管を流通させて、リサイクルコンプレッサ２１６により燃料電池スタック１から排出された未反応の水素ガスを燃料電池スタック１の入口側に還流する。さらに、三方弁２１４と燃料電池スタック１とを繋ぐ配管には水素分圧センサ２１７が設置されており、水素圧力をモニタリングする。
【００２９】
さらに、燃料電池スタック１の後流には、燃料電池スタック１から排出された排空気と燃料排ガスを燃焼処理する燃焼触媒２３１を備えており、燃料電池スタック１の酸化剤極１１側の空気中に含まれる窒素ガスが、高分子電解質膜１０を透過して燃料極１２側に移動し、燃料極１２内の水素濃度が低くなった場合には、三方弁２１５を切り替えて、水素を含む燃料排ガスを燃焼触媒２３１で燃焼処理した後、外部に排出する。
【００３０】
次に、燃料電池スタック１から負荷を取り出す負荷系（電気回路）について説明する。
【００３１】
燃料電池スタック１は、出力を取り出す端子として、酸化剤極１１側に酸化剤極側電極板３０６を備え、燃料極１２側に燃料極側電極板３０７を備える。負荷系には、燃料電池スタック１で発生した電気を消費する負荷３００と、該負荷３００に並列接続されるバッテリ３０１を備えている。
【００３２】
バッテリ３０１と燃料電池スタック１とを接続する配線には、バッテリ３０１に対して直列にスイッチ３０２が、負荷３００に対して直列にリレー３０３がそれぞれ設置されている。運転時に負荷３００で消費されない余剰電力はバッテリ３０１に蓄電され、スイッチ３０２のＯＮ／ＯＦＦ制御により、蓄電・放電が制御される。また、リレー３０３によって負荷３００と燃料電池スタック１のＯＮ／ＯＦＦ切り替えが行われ、ＯＮの時には負荷取り出しが可能な状態となり、またＯＦＦの時には負荷取り出しは行われない。
【００３３】
さらに、コンプレッサ２０２、流量コントローラ２１３、スイッチ３０２およびリレー３０３を制御するコントローラ４０１は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、および入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０１を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。また、ここでは詳細は省略するが、コントローラ４０１によって、三方弁２１４，２１５、リサイクルコンプレッサ２１６が制御され、燃料極側の水素ガスのパージが調整される。さらに、コントローラ４０１は、後述する制御に加えて他の複数の制御を実行する装置としてもよい。
【００３４】
コントローラ４０１は、構成要素として特許請求の範囲にいうガス供給制御手段を備えているが、これはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、ガス供給制御手段は、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（１）：水素量−２×酸素量＞０」を満たすように、燃料ガス供給手段（水素供給系）２１または酸化剤ガス供給手段（空気供給系）２０による供給量を制御する。
【００３５】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムにおけるガス供給制御について、図２〜図５を参照しながらより具体的に説明する。ここで、図３は水素および酸素のガス透過係数の温度変化に対する推移を例示する説明図、図４は水素および酸素のガス透過係数比の温度変化に対する推移を例示する説明図、図５は分圧差に対する電圧低下量の推移を例示する説明図である。
【００３６】
上述したように、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極触媒層１１ａにおける水素量が酸素量の２倍より多くなるようガス供給量を制御するが、これについて図２を用いて説明する。
【００３７】
燃料極１２より高分子電解質膜１０を透過した水素は、式（７）に示すように酸化剤極触媒層１１ａ上で酸化される。一方、酸素は酸化剤極触媒層１１ａを透過する過程で、式（８）に示す酸素の還元反応が起こる。両反応は同一触媒上で同時に起こるため、反応の収支は見かけ上、式（９）となる。
【００３８】
（数７）
燃料ガス  ：２Ｈ２            →４Ｈ＋＋４ｅ−                    （７）
（数８）
酸化剤ガス：４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ                        （８）
（数９）
反応収支  ：２Ｈ２＋Ｏ２        →２Ｈ２Ｏ                        （９）
この式（９）の反応は水素２分子に対し、酸素１分子の反応であるため、式（１）に示したように水素量が酸素量の２倍より多ければ、高分子電解質膜１０に到達する酸素はなくなる。この結果、酸化剤極触媒層１１ａ上での過酸化水素生成が抑制されこととなる。
【００３９】
特に、燃料極１２の水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極１１の酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、高分子電解質膜１０の厚さをｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層１２ａの厚さをｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層１１ａの厚さをｔca［ｃｍ］とし、１［ｋＰａ］当たりのガス透過量を酸素についてＣO2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ2／ｓｅｃ／ｋＰａ］、水素についてＣH2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ2／ｓｅｃ／ｋＰａ］とするとき、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（２）：ＰH2×ＣH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ＣO2 ×ｔca＞０」を満たすように制御を行う。
【００４０】
式（２）は、ガス透過量は膜厚と反比例の関係にあること、高分子電解質膜１０と触媒層のガス透過量が近いことから、式（１）より導くことができる。
【００４１】
また特に、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（３）：1.25×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−ＰO2×ｔca＞０」を満たすように制御を行う。
【００４２】
本実施例における高分子電解質膜１０の水素透過量および酸素透過量の測定を行った結果を図３に、また水素透過量を酸素透過量で割ったガス透過係数比（水素/酸素透過比）を図４に示す。図３に示すように、温度に対して水素および酸素のそれぞれの透過量は変化するが、図４に示すように、水素と酸素の透過比率は２．５で、温度によらずほぼ一定とみなすことができる。これは、水素と酸素の透過量は、水素分子と酸素分子の大きさや、水への溶解度によってきまる関数であり、温度や湿度、電解質膜の化学構造に依存するが、水素と酸素の透過比率は、温度や湿度、電解質膜の化学構造との関係はきわめて小さいことによるものである。つまり、「水素と酸素の透過比率＝２．５」は、上記実施例の実験で使用した電解質膜以外の様々な電解質膜においても利用できる。
【００４３】
このことから、式（２）を変形して、式（１０）とし、
（数１０）
（ＣH2／ＣO2）×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ｔca＞０          （１０）
（ＣH2／ＣO2）＝２．５を代入すると式（３）を得ることができる。
【００４４】
本実施例において、高分子電解質膜１０の厚さｔは３０［μｍ］、燃料極触媒層１２ａの厚さｔanは５［μｍ］、酸化剤極触媒層１１ａの厚さｔcaは５［μｍ］であるので、これらの値を代入すると、
（数１１）
ＰH2×8.75−ＰO2＞０                                            （１１）
となる。
【００４５】
このように、燃料極１２の水素分圧ＰH2と酸化剤極１１の酸素分圧ＰO2のみ制御すればよいので、より簡易的に圧力制御を行うことができる。
【００４６】
さらに、燃料電池スタック１の燃料極１２に燃料ガスを再利用して供給する循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を備えて、コントローラ４０１のガス供給制御手段によって、循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）により燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御することが可能である。
【００４７】
例えば、コントローラ４０１のガス供給制御手段において、燃料極１２の水素分圧ＰH2が式（１１）を満たさなくなった場合、リサイクルコンプレッサ２１６を起動することにより、式（１１）を満たすように燃料極１２の水素分圧ＰH2を上昇させることができる。また、既にシステム内に組み込まれているリサイクルコンプレッサ２１６を使用することで、新たに構成要素を追加することなく、小型で容易な圧力制御が可能となる。
【００４８】
次に、本実施例に示す制御を行った場合と行わない場合の結果について図５を用いて説明する。横軸が分圧差、即ち式（１１）の左辺であり、０以下（負の領域）のプロットは本実施例の制御を行っていない場合である。また、縦軸は電圧低下量、即ち所定時間あたりの劣化量である。本実施例による圧力制御を行った場合、つまり横軸の分圧差が０以上（正の領域）となるように制御した場合には、行わない場合（負の領域）と比較して著しく電圧低下が抑えられていることがわかる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、高分子電解質膜１０を挟んで配置された燃料極１２および酸化剤極１１を備え、該燃料極１２および酸化剤極１１にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料極１２に水素を含有する燃料ガスを供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）２１と、酸化剤極１１に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０と、を備え、コントローラ４０１のガス供給制御手段により、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、水素量−２×酸素量＞０を満たすように、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１または空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０による供給量を制御する。
【００５０】
より具体的には、コントローラ４０１のガス供給制御手段により、燃料電池スタック１の燃料極１２に水素（燃料ガス）を再利用して供給する循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を用いて、燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御する。
【００５１】
本実施例の燃料電池システムによれば、燃料極１２より高分子電解質膜１０を透過した水素は、酸化剤極１１から透過してくる酸素と酸化剤極触媒層１１ａ上で反応し、高分子電解質膜１０に到達する酸素量を減少させることが可能となる。高分子電解質膜１０に到達する酸素量が減少することは、燃料極触媒層１２ａに到達する酸素量が減少することであり、燃料極触媒層１２ａでの酸素量減少によって過酸化水素生成が抑制され、結果的に過酸化水素による高分子電解質膜１０へのアタックを抑制することができ、結果として、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池スタック１の高分子電解質膜１０の劣化を抑制できる。
【００５２】
〔変形例〕
なお、実施例では、コントローラ４０１のガス供給制御手段が水素供給系（燃料ガス供給手段）２１または空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０による供給量を制御する構成として、循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を用いて、燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御する構成を示したが、変形例として、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０に圧力制御弁を備えて、燃料電池スタック１の酸化剤極酸素分圧を酸素分圧センサ２０３によって検出し、コントローラ４０１が酸素分圧センサ２０３の検出値をフィードバックして圧力制御弁の動作を制御することで、燃料電池スタック１の酸化剤極酸素分圧を所望の圧力に制御する構成も考えられる。
【００５３】
また、他の変形例として、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１に圧力制御弁を備えて、燃料電池スタック１の燃料極極水素分圧を水素分圧センサ２１７によって検出し、コントローラ４０１が水素分圧センサ２１７の検出値をフィードバックして圧力制御弁の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極水素分圧を所望の圧力に制御する構成も考えられる。さらに、実施例およびこれら変形例の複合的な構成も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】固体高分子電解質型燃料電池の単電池（セル）が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】水素および酸素のガス透過係数の温度変化に対する推移を例示する説明図である。
【図４】水素および酸素のガス透過係数比の温度変化に対する推移を例示する説明図である。
【図５】分圧差に対する電圧低下量の推移を例示する説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    燃料電池スタック
２    ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）
１０    高分子電解質膜
１１    酸化剤極
１１ａ    酸化剤極触媒層
１１ｂ    酸化剤極ガス拡散層
１２    燃料極
１２ａ    燃料極触媒層
１２ｂ  燃料極ガス拡散層
１３    酸化剤ガス流路
１４    燃料ガス流路
１５    酸化剤ガスセパレータ
１６    燃料ガスセパレータ
２０    空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
２１    水素供給系（燃料ガス供給手段）
２０１    フィルタ
２０２    コンプレッサ
２０３    酸素分圧センサ
２１１    水素ボンベ
２１２    減圧弁
２１３    流量コントローラ
２１４，２１５    三方弁
２１６    リサイクルコンプレッサ（循環コンプレッサ）
２１７    水素分圧センサ
２３１    燃焼触媒
３００    負荷
３０１    バッテリ
３０２    スイッチ
３０３    リレー
３０５    電流センサ
４０１    コントローラ
【図１】
2007048517.tif 000003
【図２】
2007048517.tif 000004
【図３】
2007048517.tif 000005
【図４】
2007048517.tif 000006
【図５】
2007048517.tif 000007