(57)【要約】【課題】電極触媒の形態変化による燃料電池の性能低下を抑制することのできる燃料電池、およびこれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】ＭＥＡ１２のアノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電を行う燃料電池１０において、ＭＥＡ１２は、プロトン伝導性を有する電解質膜１４と、電解質膜１４における発電面に対向して積層された複数の電極触媒層１６と、を含み、各電極触媒層は、それぞれ積層面方向に出し入れ可能に構成されている。このような燃料電池１０を用いたシステムとして、好ましくは、燃料電池１０の発電性能が低下した場合に、電解質膜１４と接している電極触媒層１６１と電解質膜１４に直接接していない電極触媒層１６２，１６３との入れ替えを行う。【選択図】図１
2009301745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体のアノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電を行う燃料電池において、
前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する電解質膜層と、
前記電解質膜層における発電面に対向して積層された複数の電極触媒層と、を含み、
前記複数の電極触媒層は、それぞれ積層面方向に出し入れするための構造を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記膜電極接合体を積層方向に押圧する押圧機構を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
膜電極接合体のアノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する電解質膜層と、
前記電解質膜層における発電面に対向して積層された複数の電極触媒層と、を含み、
前記複数の電極触媒層は、それぞれ積層面方向に出し入れするための構造を有しており、
前記燃料電池の発電性能の低下を判定する判定手段と、
前記発電性能の低下が判定された場合に、前記電解質膜層と接している前記電極触媒層と前記電解質膜層に直接接していない前記電極触媒層との入れ替えを行う入れ替え手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段は、前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段を備え、前記出力が基準量以上低下した場合に、前記燃料電池の発電性能の低下を判定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】
この発明は、燃料電池または燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位電池」と称する）が複数積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜を電極触媒層で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池において、ＭＥＡが長時間高電位環境に晒されると、電極触媒層に含まれる触媒粒子が溶解・溶出するおそれがある。特に、カソード側の電極触媒層については、触媒粒子の溶解・溶出が顕著に発生し、該ＭＥＡの性能低下の原因となっている。
【０００４】
そこで、従来、例えば、特開２００６−７９９１７号公報には、長期にわたって所望の発電性能を維持することのできるＭＥＡが提案されている。より具体的には、このＭＥＡは、カソード側の電極触媒層を２層以上で構成し、電解質膜側の電極触媒層を構成する電極触媒の粒子径が、ガス拡散層側のそれよりも大きくなるように構成されている。粒子径が比較的大きい触媒粒子は溶出速度が遅い。上記従来のＭＥＡによれば、触媒粒子が溶解し易い電解質膜側に、粒子径が大きい触媒粒子が配置されるので、ＭＥＡの耐久性を向上させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７９９１７号公報
【特許文献２】特開２００７−３０５４２７号公報
【特許文献３】特開２００６−２３６６３１号公報
【特許文献４】特開２００５−３５３４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電極触媒層における電解質膜近傍の領域は、発電反応が活発に行われる。このため、かかる領域においては、上記従来の技術のような対策を講じていても、徐々にカーボンの腐食や触媒粒子の溶出が起きてしまう。このため、このような電極触媒の形態変化が進行するにつれて、燃料電池の出力が徐々に低下してしまう。
【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、電極触媒の形態変化による燃料電池の性能低下を抑制することのできる燃料電池、およびこれを用い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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
膜電極接合体のアノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電を行う燃料電池において、
前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する電解質膜層と、
前記電解質膜層における発電面に対向して積層された複数の電極触媒層と、を含み、
前記複数の電極触媒層は、それぞれ積層面方向に出し入れするための構造を有していることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、前記膜電極接合体を積層方向に押圧する押圧機構を含むことを特徴とする。
【００１０】
第３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、
膜電極接合体のアノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する電解質膜層と、
前記電解質膜層における発電面に対向して積層された複数の電極触媒層と、を含み、
前記複数の電極触媒層は、それぞれ積層面方向に出し入れするための構造を有しており、
前記燃料電池の発電性能の低下を判定する判定手段と、
前記発電性能の低下が判定された場合に、前記電解質膜層と接している前記電極触媒層と前記電解質膜層に直接接していない前記電極触媒層との入れ替えを行う入れ替え手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、
前記判定手段は、前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段を備え、前記出力が基準量以上低下した場合に、前記燃料電池の発電性能の低下を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明の膜電極接合体は、複数の電極触媒層が積層されて構成されている。そして、これらの電極触媒層を積層面方向に出し入れするための構造を有している。電解質膜層の近傍の電極触媒層は、発電反応が活発に行われる領域であるため、触媒の形態変化が起こりやすい。本発明によれば、形態変化が起こり易い電極触媒層のみを簡易に交換することができるので、メンテナンス性を向上させることができる。また、形態変化した電極触媒を交換することで、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００１３】
第２の発明の燃料電池は、膜電極接合体を積層方向に押圧する押圧機構を有している。このため、本発明によれば、積層された複数の電極触媒層間の接触抵抗を効果的に低減することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、膜電極接合体を構成する複数の電極触媒層をそれぞれ出し入れするための構造を有し、燃料電池の発電性能が低下した場合に、電解質膜層に接している電極触媒層と、直接接していない電極触媒層との配置が入れ替えられる。電解質膜層の近傍の電極触媒層は、発電反応が活発に行われる領域であるため、触媒の形態変化が起こりやすい。本発明によれば、電解質膜層近傍の形態変化した電極触媒と形態変化していない電極触媒とを入れ替えることができるので、燃料電池の出力低下を効果的に抑制することができる。
【００１５】
燃料電池の発電性能が低下すると、該燃料電池の出力が低下する。このため、第４の発明によれば、燃料電池の出力が規定量以上低下したか否かを判定することにより、燃料電池の発電性能の低下を高精度に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつか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。また、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。
【００１７】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本実施の形態１における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２を有している、ＭＥＡ１２は、電解質膜１４、カソード側の電極触媒層１６、およびアノード側の電極触媒層１８によって構成されている。電極触媒層１６は、より具体的には、３層の電極触媒層１６１，１６２，１６３が積層された構造を有している。各電極触媒層１６１，１６２，１６３は、積層面方向に出し入れ自在なカートリッジ形状に構成されており、アクチュエータ３２を用いてこれらを出し入れ可能な仕組みになっている。
【００１８】
電極触媒層１６，１８の外側には、ガス拡散層２０，２２、ガス流路２４，２６、およびセパレータ２８，３０が、それぞれ積層されている。燃料電池１０は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに酸化剤ガス（空気）の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。
【００１９】
［実施の形態１の特徴］
カソード側の電極触媒層１６は、高電位（１Ｖ程度）に晒される環境にある。このため、かかる環境下においては、触媒粒子が溶解してイオン化してしまうおそれがある。特に、電極触媒層１６における電解質膜１４の近傍の領域で触媒の溶解が起きると、金属イオン濃度が低い電解質膜１６内に拡散して、該電解質膜１６内で析出してしまうおそれがある。また、溶解した触媒が電極触媒層１６内で再析出すると、触媒粒径が成長して、発電反応を行うことができる触媒の表面積が減少してしまうおそれがある。このように、電極触媒層１６が電解質膜１４の近傍で溶解することにより、該電極触媒層１６の形態変化が顕著に現れる。このため、このような電極触媒層１６の形態変化が進行すると、燃料電池１０の発電性能が低下してしまうおそれがある。
【００２０】
そこで、本実施の形態１の燃料電池１０は、電極触媒層１６を出し入れ自在なカートリッジ形状としている。より具体的には、電極触媒層１６１，１６２，１６３がそれぞれＭＥＡ１２から積層面方向に出し入れ自在に構成されている。そして、これらの電極触媒層１６１，１６２，１６３の出し入れは、アクチュエータ３２を駆動することにより行われる。電極触媒層１６は、電解質膜１４近傍の領域、すなわち、電極触媒層１６１の形態が最も変化する。このため、アクチュエータ３２を駆動して、例えば、電極触媒層１６１と電極触媒層１６２または１６２とを入れ替えることとすれば、燃料電池１０の発電性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２１】
図２は、図１に示す燃料電池１０の一部を示す斜視図である。電極触媒層１６の入れ替えは、例えば、この図に示す方法によって、アクチュエータ３２を駆動することにより行われる。この図に示すとおり、先ず、カソード側のセパレータ２８に設けられているカバー２８１が開かれる(図中（１）)。次いで、セパレータ２８、および電極触媒層１６２，１６３が、積層方向に上昇される(図中（２）)。次いで、電極触媒層１６１が一旦引き出されて、セパレータ２８と電極触媒層１６３との間に挿入される。(図中（３）)。そして、セパレータ２８、および電極触媒層１６２，１６３が、積層方向に下降して、再び積層方向に押圧される(図中（４）)。
【００２２】
以上説明したとおり、本実施の形態１の燃料電池１０によれば、アクチュエータ３２を駆動することにより、電解質膜１４側の電極触媒層１６１と、ガス拡散層２０側の電極触媒層１６２，１６３とを入れ替えることができる。これにより、触媒の形態変化が進行し易い電極触媒層１６１と形態変化の進行し難い他の電極触媒層１６２，１６３とを入れ替えることができるので、燃料電池１０の発電性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２３】
また、本実施の形態１の燃料電池１０によれば、積層された複数の電極触媒層１６１，１６２，１６３を相互に入れ替えることとしているので、電極触媒層１６全体を交換する場合に比して、触媒の使用効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本実施の形態１の燃料電池１０によれば、アクチュエータ３２の作用により、ＭＥＡ１４が積層方向に確実に押圧されている。このため、複数の電極触媒層１６１，１６２，１６３を積層した構成において、積層界面で接触抵抗が増大する事態を効果的に抑制することができる。
【００２５】
ところで、上述した実施の形態１においては、３枚の電極触媒層１６１，１６２，１６３を、それぞれ出し入れ可能な構造で積層することとしているが、積層する電極触媒層の枚数はこれに限られない。すなわち、複数の電極触媒層を積層して、これらをそれぞれ出し入れ可能であれば、特に枚数に限定はない。
【００２６】
また、上述した実施の形態１においては、アクチュエータ３２によって電極触媒層１６１，１６２，１６３の配置を入れ替えることとしているが、これらの入れ替えに使用される機構はこれに限られない。すなわち、積層された複数の電極触媒層１６１，１６２，１６３を入れ替えできるのであれば、他の公知の機構を用いて行うこととしてもよい。
【００２７】
また、上述した実施の形態１においては、単一のＭＥＡ１４からなる燃料電池１０において、本発明を適用することとしているが、ＭＥＡ１４を複数積層したスタック状の燃料電池において、本発明を適用することとしてもよい。
【００２８】
また、上述した実施の形態１においては、カソード側の電極触媒層１６において、本発明を適用することとしているが、アノード側の電極触媒層１８に本発明を適用することとしてもよい。
【００２９】
また、上述した実施の形態１においては、アクチュエータ３２によって、ＭＥＡ１４を積層方向に押圧することとしているが、ＭＥＡ１４を押圧する方法はこれに限らず、他の公知の機構を用いて行うこととしてもよい。
【００３０】
尚、上述した実施の形態１においては、電解質膜１４が前記第１の発明における「電解質膜層」に相当している。
【００３１】
また、上述した実施の形態１においては、アクチュエータ３２が前記第２の発明における「押圧機構」に相当している。
【００３２】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示す燃料電池１０を用いて、システムに後述する図３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。
【００３３】
上述した実施の形態１における燃料電池１０では、カソード側の電極触媒層１６が、複数の電極触媒層１６１，１６２，１６３を積層することにより構成されている。そして、これらの積層された電極触媒層１６１，１６２，１６３の配置を入れ替えることにより、燃料電池１０の出力低下を抑制できるものである。
【００３４】
ここで、実施の形態１において上述したとおり、カソード側の電極触媒層１６の形態が変化すると、燃料電池１０の発電性能が低下する。そこで、本実施の形態２では、燃料電池１０の出力低下が認められた場合に、電極触媒層１６の配置を入れ替えることとする。より具体的には、燃料電池１０の出力Ｐを検出し、当該検出された出力Ｐが、正常時の出力Ｐ０よりも所定の閾値以上の減少している場合に、電極触媒層１６の配置を入れ替えることとする。これにより、燃料電池１０の出力低下を効果的に抑制することができる。
【００３５】
［実施の形態２における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、システムが、電極触媒層１６を入れ替えるために実行するルーチンのフローチャートである。
【００３６】
図３に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の出力Ｐが取得される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、燃料電池１０に接続された各種センサの検出信号に基づいて取得される。次に、出力低下量ΔＰが演算される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、出力初期値Ｐ０と上記ステップ１００において取得された出力Ｐとの偏差が、出力低下量ΔＰとして演算される。出力初期値Ｐ０は、後述するステップ１０８において更新された値が使用される。
【００３７】
次に、出力低下量ΔＰが所定の閾値Ｌ以上か否かが判定される（ステップ１０４）。閾値Ｌは、燃料電池１０の出力低下を判定するための閾値として、予め設定された値が使用される。その結果、出力低下量ΔＰ≧閾値Ｌの成立が認められない場合には、燃料電池１０の出力低下量が許容範囲内であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
【００３８】
一方、上記ステップ１０４において、出力低下量ΔＰ≧閾値Ｌの成立が認められた場合には、燃料電池１０の出力が許容範囲を超えて低下していると判断されて、次のステップに移行し、電極触媒層１６の入れ替え制御が実行される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、アクチュエータ３２が駆動されて、電解質膜１４と接触している電極触媒層１６１とガス拡散層２０側の電極触媒層１６２，１６３とが入れ替えられる。
【００３９】
次に、燃料電池１０の出力初期値Ｐ０が更新される。ここでは、具体的には、電極触媒層１６の入れ替えが行われた直後の燃料電池１０の出力Ｐが、出力初期値Ｐ０として更新される。
【００４０】
以上説明したとおり、本実施の形態２によれば、燃料電池１０の出力Ｐが出力初期値Ｐ０から所定の閾値Ｌ以上に低下した場合に、電極触媒層１６の入れ替え制御が実行される。電極触媒層１６は、電解質膜１４の近傍の領域、すなわち、電極触媒層１６１の形態が最も変化する。このため、該電極触媒層１６１をガス拡散層２０側の電極触媒層１６２，１６３と入れ替えることで、発電性能に影響を与える電極領域の形態変化を効果的に回復させることができる。
【００４１】
ところで、上述した実施の形態２においては、３枚の電極触媒層１６１，１６２，１６３を、それぞれ出し入れ可能な構造で積層することとしているが、積層する電極触媒層の枚数はこれに限られない。すなわち、複数の電極触媒層を積層して、これらをそれぞれ出し入れ可能であれば、特に枚数に限定はない。
【００４２】
また、上述した実施の形態２においては、アクチュエータ３２によって電極触媒層１６１，１６２，１６３の配置を入れ替えることとしているが、これらの入れ替えに使用される機構はこれに限られない。すなわち、積層された複数の電極触媒層１６１，１６２，１６３を入れ替えできるのであれば、他の公知の機構を用いて行うこととしてもよい。
【００４３】
また、上述した実施の形態２においては、単一のＭＥＡ１４からなる燃料電池１０において、本発明を適用することとしているが、ＭＥＡ１４を複数積層したスタック状の燃料電池において、本発明を適用することとしてもよい。
【００４４】
また、上述した実施の形態２においては、カソード側の電極触媒層１６において、本発明を適用することとしているが、アノード側の電極触媒層１８に本発明を適用することとしてもよい。
【００４５】
また、上述した実施の形態２においては、アクチュエータ３２によって、ＭＥＡ１４を積層方向に押圧することとしているが、ＭＥＡ１４を押圧する方法はこれに限らず、他の公知の機構を用いて行うこととしてもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態２においては、燃料電池１０の出力Ｐに基づいて、電極触媒層１６の形態変化の状態を判定することとしているが、電極触媒層１６の形態変化を判定する方法はこれに限られない。すなわち、燃料電池１０の発電性能と相関を有する値であれば、例えば、電圧値、電流値、或いはインピーダンス等の変化に基づいて判断することとしてもよい。
【００４７】
尚、上述した実施の形態２においては、電解質膜１４が前記第１の発明における「電解質膜層」に相当している。
【００４８】
また、上述した実施の形態２においては、アクチュエータ３２が前記第２の発明における「押圧機構」に相当している。
【００４９】
また、上述した実施の形態２においては、電解質膜１４が前記第３の発明における「電解質膜層」に相当しているとともに、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「判定手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「入れ替え手段」が、それぞれ実現されている。
【００５０】
また、上述した実施の形態２においては、システムが、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第４の発明における「出力検出手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第４の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施の形態１における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池１０の一部を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態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。
【符号の説明】
【００５２】
１０  燃料電池
１２  ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）
１４  電解質膜
１６，１６１，１６２，１６３，１８  電極触媒層
２０，２２  ガス拡散層
２４，２６  ガス流路
２８，３０  セパレータ
３２  アクチュエータ
【図１】
2009301745.tif 000003
【図２】
2009301745.tif 000004
【図３】
2009301745.tif 000005