(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の水素不足時に、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、電解質膜４２を挟む形でアノード４４とカソード４６を備える。アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池セル４０を備える。燃料電池セルを複数積層した燃料電池を備える。アノードにおいて水素不足が発生しているか否かを検知する水素不足検知手段を備える。前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、アノードの水を増量させるアノード水増量手段を備える。【選択図】図２
2007317634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟む形でアノードとカソードを備え、アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池と、
アノードにおいて水素不足が発生しているか否かを検知する水素不足検知手段と、
前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、アノードの水を増量させるアノード水増量手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノード水増量手段は、カソードから前記燃料電池の電解質膜を通過してアノードへ流入する逆拡散水を増量する逆拡散水増量手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、カソードガスを加湿する第１加湿手段を含み、前記第１加湿手段によりカソードガスの加湿量を増量することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２もしくは３記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、カソードガスの圧力を上げることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段により燃料電池を冷却させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記アノード水増量手段は、アノードガスを加湿する第２加湿手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、前記第２加湿手段によりアノードガスを加湿し、アノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、アノードとカソードを挟む形で、多孔体より構成されてガス流路と冷却水路を有するセパレータを備え、前記セパレータを挟む形で冷却水通路を冷却水が流れる燃料電池セルを複数積層したものであって、前記アノード水増量手段は、前記燃料電池の冷却水の圧力を増加させる冷却水圧増加手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されると、前記冷却水圧増加手段により冷却水の圧力を増加させてアノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、アノードに多孔体から構成される水導入層を備え、
前記アノード水分増量手段は、水導入層に水を導入する水導入手段を含み、前記水素検知手段により水素不足が検知されたときに、前記水導入手段により水を導入してアノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。
【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し、特に、燃料電池の劣化を抑制することのできる
燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。ア
ノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることで、発電反応が起きる。
【０００３】
このような燃料電池においては、燃料電池システムの発電要求に応じて必要な量のアノードガスおよびカソードガスが供給される。しかしながら、例えば、燃料電池に接続される負荷の急激な上昇の場合に、ガス供給量を負荷上昇に追従させて増加させようとしても、ガス流通の遅れにより増加できない場合がある。このとき、燃料電池は一時的に水素不足となる場合がある。水素不足となった燃料電池では、十分な発電反応が行われず、良好な電池性能が得られない場合がある。
【０００４】
従来、例えば特開２００５−９３１１１号公報に開示されるように、燃料電池の水素不足状態の発生を検出し、燃料電池の水素不足を解消する燃料電池システムが開示されている。上記従来の公報によれば、水素不足を検出した場合に、加湿量の減量を行い、燃料電池での水素の利用される割合を低下させて、水素不足を解消している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９３１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池に水素不足が生じると、アノードの触媒付近で水の電気分解反応が行われる。このとき、例えばアノード触媒付近の水が不足する場合に、水の分解反応がおこりにくく、電極と水による化学反応が行われやすい。電極と水による化学反応がおこると、電極が腐食する。このため、上記従来の公報では、燃料電池の水素不足の際に加湿量を減量する処理を行うと、アノード触媒付近の水が不足しやすくなり、電極が腐食し、燃料電池が劣化してしまうおそれがあった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の水素不足時に、燃料電池の劣化を抑制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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、電解質膜を挟む形でアノードとカソードを備え、アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池と、アノードにおいて水素不足が発生しているか否かを検知する水素不足検知手段と、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、アノードの水を増量させるアノード水増量手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明記載の燃料電池システムであって、前記アノード水増量手段は、カソードから前記燃料電池の電解質膜を通過してアノードへ流入する逆拡散水を増量する逆拡散水増量手段を含むことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、カソードガスを加湿する第１加湿手段を含み、前記第１加湿手段によりカソードガスの加湿量を増量することを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２もしくは第３の発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、カソードガスの圧力を上げることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第２から第４の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段により燃料電池を冷却させることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記アノード水増量手段は、アノードガスを加湿する第２加湿手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、前記第２加湿手段によりアノードガスを加湿し、アノードの水分を増量させることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第１から第６の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、アノードとカソードを挟む形で、多孔体より構成されてガス流路と冷却水路を有するセパレータを備え、前記セパレータを挟む形で冷却水通路を冷却水が流れる燃料電池セルを複数積層したものであって、前記アノード水増量手段は、前記燃料電池の冷却水の圧力を増加させる冷却水圧増加手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されると、前記冷却水圧増加手段により冷却水の圧力を増加させてアノードの水分を増量させることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第１から第７の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、アノードに多孔体から構成される水導入層を備え、前記アノード水分増量手段は、水導入層に水を導入する水導入手段を含み、前記水素検知手段により水素不足が検知されたときに、前記水導入手段により水を導入してアノードの水分を増量させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、燃料電池において、水素不足が発生している場合にアノード付近の水分を増量する。このため、本発明によれば、アノード触媒での水の電気分解反応を継続させ、電極が腐食される反応を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができ
る。
【００１７】
第２の発明によれば、カソードからアノードに向かい燃料電池セル内を移動する水分（
以下、「逆拡散水」と称す）を増量する。このため、本発明によれば、カソードから逆拡散水を流入させることによりアノードの水分を増量することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、カソードガスの加湿量を増量することにより、カソードから燃料
電池内部に流入する水分を増量する。このため、本発明によれば、アノードに流入する逆
拡散水を増量することができる。
【００１９】
第４の発明によれば、カソードガスの圧力を増量することにより、カソードガスの加湿
量が増量され、カソードから燃料電池内部に流入する水分を増量することができる。また、カソードとアノードの圧力差が大きくなるため、カソードからアノードに流入する逆拡
散水を増量することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、燃料電池の冷却量を増量することにより、カソードガスの飽和水
蒸気量を燃料電池内部において低下させ、カソードから排出されるカソードオフガスの持
ち去り水分を減少させることができる。このため、本発明によれば、アノードに流入する
逆拡散水を増量することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、アノードガスの加湿を増量する。アノードガスの加湿量を増量させることより、アノードの水分量を増加させることができる。
【００２２】
第７の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、冷却水の圧力を増加させる。冷却水の圧力を増加させると、冷却水がセパレータを通過してアノードに移行する。よって、本発明によれば、アノードの水分量を増加させることができる。
【００２３】
第８の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、水導入層に水が導入される。水導入層の水は、多孔を通過し、すみやかにアノードの触媒付近に移動する。したがって、本発明によれば、アノードの水量を増加することができる。
【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実施の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】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層して構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性を有する電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。燃料電池スタック１０は、電圧計３８を備える。電圧計３８は各燃料電池セルの電圧を測定する。電圧計３８はＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）４１と接続され、各燃料電池セルの電圧をＥＣＵ４１に送信する。
【００２６】
燃料電池スタック１０には、アノードガスを供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後、外部に放出される。
【００２７】
また、燃料電池スタック１０には、カソードガスを供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介して燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁３０が配置されている。調圧弁３０は、ＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、燃料電池スタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。
【００２８】
コンプレッサ２６の下流には、カソードガス流路２０に連通するように加湿器２８が配
置されている。加湿器２８は、カソードオフガス流路２２とも連通しており、燃料電池ス
タック１０内の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと
、外部より取り込んだ低湿潤状態のカソードガスとの間で水分交換が行われる。
【００２９】
さらに、燃料電池スタック１０には、冷却器３４、およびポンプ３６が配置されている
冷却媒体循環流路３２が接続されている。冷却器３４はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、冷却水の温度を調整する役割を持つ。燃料電池スタック１０内には、冷却媒体が通過するための図示しない流路が形成されており、ポンプ３６の作動によって、燃料電池スタック１０内と冷却器３４間で冷却媒体が循環される。燃料電池スタック１０内を通過して昇温した冷却媒体は、冷却器３４によって冷却され、再び冷却媒体循環流路３２に戻される。
【００３０】
［燃料電池の水素欠に伴う腐食反応］
次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、燃料電池の発電中における水素欠の発生時
の反応について説明する。図２の燃料電池セル４０は、電解質膜４２をアノード４４およびカソード４６で挟んだ構造を有している。尚、燃料電池セル４０は、燃料電池スタック１０に積層されている複数枚の燃料電池セルの中の一枚を示す。
【００３１】
図２（ａ）に示すとおり、燃料電池スタック１０において発電が行われる場合、水素を
含むアノードガスが燃料電池セル４０のアノード４４に供給され、酸素を含む空気が燃料
電池セル４０のカソード４６に供給される。燃料電池セル４０に水素と酸素とが供給され
ると、アノード４４付近では次式（１）、およびカソード４６付近では次式（２）に示す
電気化学反応（発電反応）が起きる。
（アノード）  ：２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-            ・・・（１）
（カソード）  ：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【００３２】
燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量は、要求される出力が上記の発電反応によって得られるように設定される。しかしながら、アノード４４へのアノードガス供給量を、急激な出力変化要求に応じて直ちに増減させることは、ガス供給の遅れにより困難である。また、アノードガス流路の凍結、或いは閉塞等によりアノードガスがアノード４４へ供給されない場合も想定される。このように、燃料電池スタック１０の発電中には、何れかの燃料電池セルにおいて、水素不足の状態（以下、「水素欠」と称す）が生じる場合がある。
【００３３】
図２（ｂ）は水素欠が発生した燃料電池セル（以下、「水素欠セル」と称す）５０にて
起こる反応を説明するための図である。図２（ｂ）に示すとおり、水素欠セル５０では、
アノード４４の水素が不足している。このような状態においては、仮に水素欠セル５０の
みであれば、上述した式（１）および（２）の発電反応が起こらない。しかしながら、上
述したとおり、燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されてい
る。このため、水素欠セル５０にも強制的に電流が流れることとなり、水素欠セル５０の
アノード４４では、触媒の作用によって次式（３）のように水の電気分解反応（水分解反応）が開始され、不足している水素が作り出される。また、カソード４６では、次式（４）のように、カソード４６の触媒の作用によってカソード４６に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２）、負荷を通った電子、および電解質膜４２内部を移動したプロトンが結合して、水分子（Ｈ2Ｏ）が生成される。
（アノード）  ：２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-        ・・・（３）
（カソード）  ：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ        ・・・（４）
【００３４】
ここで、上述した式（３）に示すアノード４４での水分解反応には、アノード４４の触媒付近の水が使用される。このため、アノード４４の水分が不足、或いは水分解反応により発生する酸素が触媒を覆うことにより触媒上の水が不足すると、上記水分解反応を継続することが困難となる。このような状態となると、水素欠セル５０のアノード４４付近では、次に、次式（５）に示すアノード４４中の炭素の反応（アノード腐食反応）が開始される。
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-        ・・・（５）
【００３５】
以上、説明したとおり、水素欠セル５０のアノード４４の水が不足すると、上式（５）に示すアノード４４の不可逆な腐食反応が進行し、アノードの腐食が起こる。ここで、上述した水分解反応が行われている水素欠セル５０は、燃料電池スタック１０全体で見ると抵抗体となっており、他の燃料電池セル４０とは逆電位のマイナス電圧となっている。そこで、水素欠セルが存在するか否かを検知するために、燃料電池セルの電位をそれぞれ検知する。そして、逆電位が検知されたセルある場合、アノード４４の水を増量させる処理を行うこととする。これにより、上述した水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制することが可能となる。
【００３６】
［本実施の形態１における特徴的動作］
本実施の形態では、燃料電池スタック１０のカソード４６からの逆拡散水を利用する。カソード４６の水は燃料電池セルの電解質膜４２を移行してアノード４４へ移行することができる。このため、カソードガスの加湿量を増量することとすれば、カソード４６からアノード４４へ水を移動させることによって、効果的にアノードの水を増量することができる。
【００３７】
図３は、カソードガスの加湿温度を変化させた場合の燃料電池セルの電圧の変化を示す図である。図３によれば、カソードガスの加湿温度が高い場合（加湿温度７０℃の場合）、加湿温度が低い場合（加湿温度５５℃の場合）に比して、安定した発電が行われていることが分かる。つまり、カソードガスの加湿過程において、加湿温度が高いほどカソードガスの加湿量は増量される。このため、カソード４６からアノード４４への逆拡散水を増量することができ、燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制することが可能となる。
【００３８】
ところで、上述した燃料電池スタック１０においては、燃料電池セルの一部に水素欠が発生した場合、かかる燃料電池セルのカソード４６付近において腐食反応が生じる場合がある。図４は、アノード４４の一部に水素欠が生じた燃料電池セル６０（以下、「一部水素欠セル」と称す）の状態を示す図である。このような状態は、例えば、水素欠セルに再び水素が流入し始めた時、或いは水素欠セルが存在する状態のまま負荷が切られて発電が停止した時等に発生する場合が考えられる。図４に示すとおり、一部水素欠セル６０のアノード４４には、一部に水素欠が生じているため、水素が存在する範囲と存在しない範囲がある。水素が存在する範囲においては、アノード４４付近では上式（１）、およびカソード４６付近では上式（２）に示す電気化学反応（発電反応）が起きる。
【００３９】
一方、水素が存在しない範囲においては、次式（６）に示すとおり、アノード４４に滞留する酸素と、電解質膜４２を移動して供給されるプロトンとが反応して水を発生させる反応が起きると共に、カソード４６では、次式（７）に示す水の分解反応に加えて、次式（８）に示すカソード４６に含まれる炭素の腐食反応、および（９）に示す触媒の溶出反応が同時に起きる場合がある。
（アノード）  ：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ        ・・・（６）
（カソード）  ：Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-        ・・・（７）
：Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋ＣＯ2＋４ｅ-      ・・・（８）
：Ｐｔ→Ｐｔ2+＋２ｅ-                   ・・・（９）
【００４０】
以上説明したとおり、燃料電池セルのアノードの一部に水素欠が発生した場合、カソー
ド４６の水分が不足するとカソード４６付近において腐食反応が起きる。このため、上述
したアノードの腐食反応を抑制するためのカソードガスの加湿量を増量する処理は、カソ
ード４６の腐食反応を抑制する面においても効果的である。
【００４１】
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態１において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反
応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図５のルーチンは、
燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図５に示すルーチ
ンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ１００）。ここでは、具体的
には、燃料電池スタック１０の備える燃料電池セルの電圧が、セル毎にそれぞれ検出され
る。
【００４２】
次に、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ１０
２）。前述のとおり、燃料電池セルの電圧が負の値となれば、かかるセルに水素欠が発生
していると判定することができる。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において
検出された各燃料電池セルの電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される。上記ス
テップ１０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素
欠が発生しているセルがないと判断し、本ルーチンは速やかに終了する。
【００４３】
一方、上記ステップ１０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、カソードガスの加湿を増量する処理が実行される（ステップ１０４）。本ステップ１０４では、カソードガスの加湿を、ステップ１０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より、増量する。前述のとおり、カソードガスの加湿を増量すると、カソード４６からアノード４４への逆拡散水を増量することができ、効果的にアノード４４の水を増量することができる。ここでは、具体的には、加湿器２８での加湿温度を上昇させる。これにより、加湿器２８を通過するカソードガスの飽和水蒸気量を上昇させ、カソードガスの加湿量を増量することができる。
【００４４】
以上説明したとおり、実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの加湿量を増量する処理を行う。カソードガスの加湿量が増量されると、カソード４６からアノード４４への逆拡散水が増量される。このため、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタックの劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【００４５】
なお、実施の形態１では、ステップ１０４において、カソードガスの加湿は、ステップ１０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より増量するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときの加湿量の範囲の上限よりも、水素不足のときの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。例えば、水素不足でないときの加湿量の平均より、水素不足のときの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。例えば、加湿器の加湿能力が最大となるように、加湿を増量してもよい。
【００４６】
なお、上述した実施の形態においては、加湿器２８の加湿温度を上げることにより、カソードガスの加湿量を効果的に増量させることとしているが、カソードガスの加湿手法はこれに限定されない。すなわち、カソードガスの加湿量を増量することができるのであれば、インジェクタ等を用いてカソードガスに直接水を噴射する加湿方法でもよいし、コンプレッサ２６の出口のカソードガス温度を昇温させ、加湿量を増量する方法でもよい。また、カソードオフガスを燃料電池のカソードガス入口に再度循環させるカソードガス循環型のシステムにおいては、高湿潤のカソードオフガスの循環量を増量し、加湿量を増量することとしてもよい。
【００４７】
尚、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。
【００４８】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。
【００４９】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「加湿手段」が、実現されている。
【００５０】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００５１】
［実施の形態２における具体的処理］
図６は、この発明の実施の形態２において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図６のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図６に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ２００）。そして、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。上記ステップ２０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素欠が発生しているセルがないと判定し、本ルーチンは速やかに終了する。
【００５２】
一方、上記ステップ２０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、カソードガスの圧力を上げる処理が実行される（ステップ２０４）。本ステップでは、カソードガスの圧力は、セル電圧が負となるセルが存在すると判断した直前の圧力より高くなるように、調圧弁３０を調節して増圧する。前述のとおり、カソードガスの圧力を上げると、カソードガスの加湿量が増量される。ここでは、具体的には、調圧弁３０を制御することにより、カソードオフガス流路２２内の圧力を上昇させる。これにより、加湿器２８を通過するカソードガスの飽和水蒸気量を上昇させ、カソードガスの加湿量を増量することができる。
【００５３】
以上説明したとおり、実施の形態２のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの圧力を上げる処理を行う。カソードガスの圧力が上がると、カソードガスの加湿量が増量されるとともに、カソード４６とアノード４４の内圧差が大きくなることにより、逆拡散水が増量される。これにより、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタック１０の劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【００５４】
なお、実施の形態２では、ステップ２０４において、カソードガスの圧力は、ステップ２０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より増圧するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときのカソードガスの圧力範囲の上限より、水素不足のときのガス圧力が高くなるように、カソードガスの圧力を上げてもよい。例えば、水素不足でないときのカソードガスの圧力平均より、水素不足のときのカソードガスの圧力が高くなるように、カソードガスを増圧してもよい。
【００５５】
なお、上述した実施の形態においては、カソードガスの圧力を上げることにより、カソードガスの加湿量を効果的に増量させることとしているが、カソードガスの加湿手法はこれに限定されない。すなわち、カソードガスの加湿量を増量することができるのであれば、実施の形態１と組み合わせて実行することとしてもよい。
【００５６】
なお、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。
【００５７】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。
【００５８】
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
実施の形態３のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００５９】
［実施の形態３における具体的処理］
図７は、この発明の実施の形態３において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図７のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図７に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ３００）。そして、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。上記ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素欠が発生しているセルがないと判定し、本ルーチンは速やかに終了する。
【００６０】
一方、上記ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、燃料電池スタック１０のセル温度を下げる処理が実行される（ステップ３０４）。本ステップでは、ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断する直前のセル温度より、セル温度を低くする。カソード４６の温度を下げると、カソード４６から放出されるカソードオフガスの飽和水蒸気圧が減少する。飽和水蒸気圧が減少すると、カソード４６から燃料電池外部へ持ち去られる水（以下、持ち去り水と称す）の量が少なくなる。ここで、冷却器３４は燃料電池スタック１０内を循環する冷却媒体の温度を制御することにより、燃料電池スタック１０を所望の温度に制御することができる。本ステップ３０２において、具体的には、燃料電池スタック１０の性能が低下しない範囲内において、燃料電池スタック１０の温度を低下させるように冷却器３４が制御される。
【００６１】
以上説明したとおり、実施の形態３のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、燃料電池スタック１０の温度を低下させる処理を行う。燃料電池スタック１０の温度が下がると、カソードオフガスによる持ち去り水が減少する。このため、アノード４４への逆拡散水が増量し、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタックの劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【００６２】
なお、実施の形態３では、ステップ３０４おいて、ステップ３０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断したときの直前より、セル温度は低下するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときのセル温度の下限よりも、水素不足のときにのセル温度が低くなるように、セル温度を下げてもよい。例えば、水素不足でないときのセル温度平均より、水素不足のときのセル温度が低くなるように、セル温度を下げてもよい。
【００６３】
なお、上述した実施の形態においては、燃料電池スタック１０内に冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を低下させることとしているが、燃料電池スタックの冷却手法はこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタック１０の温度を低下させることができるのであれば、他の手法を用いて行うこととしてもよい。例えば、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスもしくはカソードガスの温度を低下させてもよい。
【００６４】
尚、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ３０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。
【００６５】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０４の処理を実行
することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。
【００６６】
また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０４の処理を実行
することにより、前記第５の発明における「冷却手段」が、実現されている。
【００６７】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４の燃料電池システムを説明するための図である。図８に示す燃料電池システムにおいて図１と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図８に示す燃料電池システムは、燃料電池スタック１０のアノードオフガス流路１４に気液分離器４３を備える。気液分離器４３は、気液分離器４３内に流入するガスを液体と気体に分離する。気液分離器４３は、管路４５を介して水タンク４７と接続される。水タンク４７は水を貯蔵する役割を持つ。また、カソードオフガス流路２２に気液分離器４８を備える。気液分離器４８は、管路４９を介して水タンク４７と接続される。水タンク４７は管路５０を介してポンプ５１と接続される。ポンプ５１は水タンク４７に貯蔵される水を管路５２に送る機能を有する。ポンプ５１は管路５２を介してインジェクタ５４と接続される。インジェクタ５４は電流駆動式開閉弁である。インジェクタ５４は管路５６を介してアノードガス流路１２に接続される。インジェクタ５４は水タンク４７に貯蔵された水をアノードガス流路１２に噴射する役割を持つ。また、アノードオフガス流路１４は湿度計３９を備える。湿度計３９はアノードオフガス流路１４のガス湿度を測定する。ここで、ガス湿度は、所定の温度での飽和水蒸気分圧に対する割合を示す。湿度計３９はＥＣＵ４１と接続され、湿度計３９で測定されたガス湿度をＥＣＵ４１に送信する。
【００６８】
燃料電池の動作の際、アノードオフガスに含まれる水は、気液分離器４３で分離されて水タンク４７に貯蔵される。カソードオフガスに含まれる水は、気液分離器４８で分離されて水タンク４７に貯蔵される。水タンク４７の水はインジェクタ５４により噴射され、アノードガスを加湿する。
【００６９】
[実施の形態４の具体的処理]
図９は実施の形態４のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図９において図１と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図９に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、アノードガスの加湿を行う（ステップ１０６）。本ステップ１０６では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池が水素欠と判断し、インジェクタ５４より所定の水量を供給し、アノードガスを加湿する。アノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加する。
【００７０】
続いて、湿度計３９の出力によりアノードオフガスの湿度が１００％か否かを判断する（ステップ１０７）。ステップ１０６でアノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加し、アノードオフガスに含まれる水量が増加する。アノードオフガスの湿度が１００％より少ないと、アノード４４に所在する水量は十分ではない。アノードオフガスの湿度が１００％になると、湿度は飽和しており、アノード４４に十分な水量が所在している。さらには、アノードオフガスの湿度が１００％であるとき、アノード４４より液水が排水されている場合がある。このとき、液水の分、過度の加湿が行われていると考えられる。本ステップ１０７では、アノードオフガスの湿度が１００％未満であると、加湿が必要と考え、アノードガスの加湿を続ける。アノードオフガスの湿度が１００％であると、加湿は十分であると考え、アノードガスの加湿をやめる（ステップ１０７）。
【００７１】
実施の形態４の構成によれば、アノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加する。アノード４４に所在する水量が多いと、アノード４４で水分解反応が生じやすい。よって、アノードでの腐食反応が抑制され、燃料電池スタック１０の劣化が抑制される。
【００７２】
実施の形態４の構成によれば、アノードオフガスの湿度が１００％になるように加湿することにより、過不足なく加湿を行うことができる。
【００７３】
なお、実施の形態４において、ステップ１０２では、電圧が負となるセルが存在すると、アノードガスの加湿を行うが、これに限られるものではない。水素不足でないときのアノードガスの加湿量より水素不足のときのアノードガスの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。
【００７４】
なお、実施の形態４において、ステップ１０７では、アノードガスの加湿をやめるが、これに限られるものではない。例えば、アノードガスの加湿量を減少させてもよい。
【００７５】
なお、実施の形態４において、アノードガスへの加湿はインジェクタ５４より行っているが、これに限られるものではない。アノードガスを加湿する手段であればよい。例えば、カソードオフガスに含まれる水をアノードガスに移行させる平膜形の加湿器を用いてもよいし、中空糸形の加湿器を用いてもよい。また、アノードガスへの加湿の代わりにアノードガスを増圧させて、アノード４４から持ち去られる水量を減少させてもよい。
【００７６】
実施の形態５．
実施の形態５の燃料電池システムを説明する。実施の形態５の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システムと同様である部分には同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。ポンプ３６はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、ポンプ３６を流通する冷却水の圧力を調整する役割を持つ。図１０は、燃料電池スタック１０のうち、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。図１０において、燃料電池セルは電解質膜４２を備える。電解質膜に接する形でアノード４４を備える。アノード４４に接する形でセパレータ５８を備える。セパレータ５８はカーボンセパレータであり、多孔を備えている。セパレータ５８は、アノード４４と接する側に、ガス通路５９を備える。セパレータは、冷却水と接し、冷却水と接する側に冷却水路を備えている。冷却水は、セパレータ５８の多孔を通過し、アノード４４に到達し得る。燃料電池の動作の際、アノードガス源からアノードガスが供給され、アノードガスはセパレータ５８のガス通路５９を流れる。アノードガスはアノード４４に到達し、発電反応が生じる。
【００７７】
[実施の形態５の具体的処理]
図１１は実施の形態５のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図１１において図５と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、冷却水圧を上げる（ステップ１０６）。本ステップ１０６では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池が水素欠と判断し、ポンプ３６により冷却水圧を上げる。冷却水圧が高いと、セパレータ５８を通過する水量は多い。冷却水圧が低いと、セパレータ５８を通過する水量は少ない。ポンプ３６を動作させると、冷却水の圧力が高くなり、セパレータ５８を移行する水量は多くなる。
【００７８】
続いて、水素ストイキ比を増やす（ステップ１０９）。ここで、水素ストイキ比は、発電反応に用いられる水素モル数に対する、アノード４４に供給される水素モル数の比である。水素を含むアノードガスは、セパレータ５４に備えられたガス通路５９からアノード４４に供給される。セパレータ５４を通過する水はアノードガスに含まれる形でアノードに移行する。水素ストイキ比が大きいと、アノード４４に供給される水素量は多く、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量は多い。水素ストイキ比が小さいと、アノード４４に供給される水素量は少なく、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量は少ない。よって、水素ストイキ比を大きくすると、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量が多くなり、アノード４４に所在する水量は多くなる。本ステップ１０９では、具体的には、アノードガスの流量を増やし、水素ストイキ比を増やす。
【００７９】
本実施の構成によれば、水素不足の際に、冷却水の圧力を上げると、アノードに所在する水量が多くなる。よって、アノード４４で水分解反応が生じやすくなり、アノードでの腐食を抑制できる。さらに、水素不足のときに、冷却水の圧力を上げるとともに水素ストイキ比を上昇させると、セパレータ５８を通過した水がアノードに移行しやすくなる。よって、アノードに所在する水量を多くできる。
【００８０】
なお、本実施の形態において、冷却水は一般的に用いられるものを使用してよい。例えば、純水でもよいし、エチレングリコールを含むものでもよい。エチレングリコールはアノード４４の触媒上で分解することが知られており、エチレングリコールを含む冷却水をアノード４４に供給してもよい。
【００８１】
実施の形態６．
図１２は、実施の形態６の燃料電池システムを説明するための図である。図１２に示す燃料電池システムにおいて図１と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図１２に示す燃料電池システムでは、冷却媒体循環流路３２は管路６２を介して遮断弁６４と接続される。遮断弁６４は、遮断弁６４を閉じると冷却水の流れを遮断し、遮断弁６４を開くと冷却水を流通させる役割を持つ。遮断弁６４はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、開閉することができる。遮断弁６６は管路６６を介して外部マニホールド６７と接続される。外部マニホールド６７は、燃料電池スタック１０に備えられ、各燃料電池セルと接続されている。遮断弁６４を開くと、冷却水は外部マニホールド６７に供給される。外部マニホールド６７の水は各燃料電池セルに移行する。
【００８２】
図１３は、実施の形態６において、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。燃料電池セルは電解質膜４２を備える。電解質膜４２の上にアノード４４を備える。アノード４４は触媒層６８と水導入層７０と拡散層７２とを積層して構成される。触媒層６８は、電解質膜４２の上に配置されている層であり、電解質膜１２の表面全体に白金を担持させたカーボンと電解質とを塗布して、形成されている。水導入層７０は、カーボンとガラス管により構成されている。カーボンとガラス管の存在しない部分に適度な空隙を備えている。水導入層７０は外部マニホールド６７と接続され、外部マニホールド６７内の水が水導入層に流入するようになっている。また、水導入層７０は、水導入層７０の空隙にガスを拡散する役割を持つ。拡散層７２は、多孔を有し、ガスを拡散する役割を有する。アノード４４の上にセパレータ５８が備えられる。
【００８３】
外部マニホールド６７の水は各燃料電池セルに移行し、アノード４４の水導入層７０に供給される。水導入層７０に供給された水は、ガラス管を通り、水導入層７０全体に移行しやすい。水導入層７０の水は、水導入層７０の細孔を通り、触媒層６８に移行する。水導入層７０全体に水が所在すると、触媒層６８全体へ水が移行しやすい。
【００８４】
[実施の形態６の具体的処理]
図１４は実施の形態６のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図１４において図５と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、水導入層に水を導入する（ステップ１１０）。本ステップ１１０では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池には水素不足の燃料電池セルが所在すると考え、遮断弁６４を開弁させ、水導入層７０に水を導入させる。水導入層７０に導入された水は、水導入層７０全体に移行し、水導入層７０を通過して触媒層６８に移行する。触媒層６８の水は触媒付近での水分解反応に用いられる。触媒層６８の水が多いと、水分解反応がおこりやすく、アノードでの腐食を抑制することができる。
【００８５】
なお、実施の形態６において、ステップ１１０では、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、水導入層に水を導入するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときにも水を導入し、水素不足のときに水導入層７０に導入する水量を増加させてもよい。
【００８６】
なお、実施の形態６において、ステップ１１０では、水の導入は遮断弁６４を開弁させて行っているが、これに限られるものではない。遮断弁６４の開弁とともに、ポンプ３６を増加させて冷却水の圧力を高めてもよい。このとき、高圧の水が水導入層７０に導入され、触媒層７０全体へ水が移行しやすい。
【００８７】
なお、実施の形態６において、水導入層７０への水の導入は、冷却媒体循環流路３２と接続された遮断弁６４を開弁して行っているが、これに限られるものではなく、水導入層７０に水を供給できればよい。例えば、カソードオフガス流路２２に気液分離器を備え、カソードオフガスに含まれる水を外部マニホールド６７に供給する形で、水導入層７０に水を導入してもよい。アノードオフガスに含まれる水を用いて、水導入層７０に水を導入してもよい。水を貯蔵する水貯蔵器を備え、水貯蔵器より水導入層７０に水を供給してもよい。
【００８８】
なお、実施の形態６において、水導入層７０にガラス管が備えられているが、これに限られるものではない。水を透過するものであればよい。例えばガラス管のかわりに、ポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、発泡金属の棒状物、シリカゲル、もしくは、ステンレス鋼の棒状物を用いて、水導入層７０を構成してもよい。例えば、これらを混合して、水導入層７０を構成してもよい。
【００８９】
なお、実施の形態６において、水導入層７０にカーボンが備えられている。一般的に燃料電池に用いられる細孔材であればよい。具体的には、アセチレンブラック、チャネルブラック、サーマブラック、カーボンブラック、カーボンペーパー等を使用してもよい。例えば、フッ素処理されたカーボンを使用してもよい。
【００９０】
なお、実施の形態６において、水導入層７０は、触媒層６８と拡散層７２の間に備えられているが、これに限られるものではない。水導入層７０は、触媒層６８と電解質膜４２との間に備えられてもよいし、拡散層７２とセパレータ５８との間に備えられてもよい。例えば、水導入層７０は、拡散層７２もしくは触媒層６８の一部として備えられてもよい。
【００９１】
なお、実施の形態６において、外部マニホールド６７からの水の導入が水導入層に行われているが、これに限定されるものではない。例えば、拡散層７０または/もしくは触媒層６８に水の導入を行ってもよい。このとき、拡散層７０または/もしくは触媒層６８が水導入層と考えられる。
【００９２】
なお、実施の形態６において、水導入層７０は、アノードに備えられ、孔を有し、水を導入される層である。
【００９３】
なお、実施の形態６において、アノード４４は触媒層６８と水導入層７０と拡散層７２とを積層して構成されるが、これに限られるものではない。例えば、アノード４４の一部に、撥水性物質を備えて水を撥水する撥水層を備えてもよいし、親水性物質を有して水を保水する保水層を備えてもよいし、水電気分解を行う触媒を有する層を備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】実施の実施１の構成を説明するための図である。
【図２】実施の実施１の燃料電池セルの水素欠発生時に起こる反応を説明するための模式図である。
【図３】カソードガスの加湿量を増量した場合のセル電圧の変化を説明するための図である。
【図４】燃料電池セル内の一部に水素欠が生じた場合に起こる反応を説明するための模式図である。
【図５】実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】図８は、実施の形態４の燃料電池システムを説明するための図である。
【図９】図９は実施の形態４のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。
【図１０】図１０は、燃料電池スタック１０のうち、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。
【図１１】図１１は実施の形態５のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。
【図１２】図１２は、実施の形態６の燃料電池システムを説明するための図である。
【図１３】図１３は、実施の形態６において、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。
【図１４】図１４は実施の形態６のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１０  燃料電池スタック
１２  アノードガス流路
１４  アノードオフガス流路
１６  アノードガス供給源
１８  調圧弁
２０  カソードガス流路
２２  カソードオフガス流路
２４  エアクリーナ
２６  コンプレッサ
２８  加湿器
３０  調圧弁
３２  冷却媒体循環流路
３４  冷却器
３６  ポンプ
３８  電圧計
３９  湿度計
４０  燃料電池セル
４２  電解質膜
４４  アノード
４６  カソード
５０  水素欠セル
５４  インジェクタ
５８  セパレータ
６０  一部水素欠セル
６４  遮断弁
６７  外部マニホールド
６８  触媒層
７０  水導入層
７２  拡散層
【図１】
2007317634.tif 000003
【図２】
2007317634.tif 000004
【図３】
2007317634.tif 000005
【図４】
2007317634.tif 000006
【図５】
2007317634.tif 000007
【図６】
2007317634.tif 000008
【図７】
2007317634.tif 000009
【図８】
2007317634.tif 000010
【図９】
2007317634.tif 000011
【図１０】
2007317634.tif 000012
【図１１】
2007317634.tif 000013
【図１２】
2007317634.tif 000014
【図１３】
2007317634.tif 000015
【図１４】
2007317634.tif 000016