(57)【要約】【課題】起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を不足した状態から通常運転に足る量へと自発的に制御するための通気機構を備えた燃料電池装置を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた燃料極に燃料を供給し、他方の面に設けられた酸化剤極に通気孔から空気を供給して発電を行なう燃料電池と、  前記燃料極と酸化剤極の間の電位差を、前記酸化剤極に使用された触媒の酸化皮膜を還元する値に制御する制御部と、を備えた燃料電池装置であって、  前記通気孔から供給された空気が流通する流路に通気機構を備え、該通気機構は周囲の環境に応じて通気量の制御が可能な部材によって構成する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた燃料極に燃料を供給し、他方の面に設けられた酸化剤極に通気孔から空気を供給して発電を行なう燃料電池と、
前記燃料極と酸化剤極の間の電位差を、前記酸化剤極に使用された触媒の酸化皮膜を還元する値に制御する制御部と、を備えた燃料電池装置であって、
前記通気孔から供給された空気が流通する流路に通気機構を備え、該通気機構は周囲の環境に応じて通気量の制御が可能な部材によって構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記通気量の制御が可能な部材が、温度に感応することで自発的に動作し、高温時において低温時よりも通気性の増加が可能な部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記通気性の増加が可能な部材が、昇温に応じて通気性を増す方向に形状が変化するバイメタルあるいは形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記通気量の制御が可能な部材が、湿度あるいは水に感応することで自発的に動作し、湿潤時において乾燥時よりも通気性の増加が可能な部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記通気性の増加が可能な部材が、湿潤状態に応じて通気性を増す方向に形状が変化する吸水膨潤材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記燃料極と前記酸化剤極の間の電位差を前記酸化剤極で水素生成反応が生じる値に制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記通気機構には、燃焼触媒が近接配置され、該燃焼触媒における酸素と水素の反応により生じる熱に感応して通気性の増加が可能に構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記通気機構には、燃焼触媒が近接配置され、該燃焼触媒における酸素と水素の反応により生じる水に感応して通気性の増加が可能に構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記通気機構には、前記燃料電池から発生する水を供給する水供給機構が配設されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃料電池は、前記酸化剤極に酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる大気開放型の燃料電池であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
特に、燃料電池の起動時に、触媒表面の酸化皮膜を還元させる前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと変化させる通気機構、及びそれを用いた燃料電池装置について言及したものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、基本的にはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の電極からなる。
電極は、主に白金或いは白金族金属触媒からなる触媒層、触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散電極から構成される。
この電極及び固体高分子電解質膜を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）と言い、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われる。
燃料が供給された燃料極では下記（式１）の反応が生じ、水素からプロトンと電子が生成される。
また、酸化剤が供給された酸化剤極では下記（式２）の反応が生じ、酸素とプロトンと電子とから水が生成される。
このとき、プロトンは固体高分子電解質膜中を通って燃料極から酸化剤極へと移動する。
また、電子は外部負荷を通って燃料極から酸化剤極へと移動し、この過程で電力が得られる。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  （式１）
酸化剤極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  （式２）
燃料電池の理論電圧は約１．２３Ｖであるが、通常の運転状態では０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
この電圧の降下分には電池内部の様々な損失（分極）が関わっている。
前記分極の内、触媒活性の低下の理由として、燃料電池の両極間を０．８Ｖ以上の高い値に保持した場合に、酸化剤極に用いた白金触媒表面に酸化皮膜が形成されることが知られている。
燃料電池の特性を運転開始直後から高く安定な状態にするため、この触媒表面の酸化皮膜を除去する必要がある。
【０００３】
従来から、触媒表面の酸化皮膜の除去のために、燃料電池の両極間をショートさせる方法が知られている。
特許文献１では、燃料電池の起動時に、両極間をショートさせて電圧を０Ｖ近傍に保持している。結果として、酸化皮膜は電気的に還元される。
この場合、燃料電池をショートさせることで流れる電流の大きさは空気の供給量に依存し、電流が大きいほど燃料の消費量も多くなる。
酸化皮膜の還元のみを目的とする場合には、なるべく空気の供給量が少ない状態で上記のショートをさせた方が、燃料の消費を少なくでき有利である。
また、特許文献２では、起動時において、燃料極に燃料を供給し、酸化剤極に酸化剤を供給していない状態で、燃料電池の両極間をショートさせることによって、前記触媒表面の酸化皮膜を除去する方法が開示されている。
酸化剤が不足した状態で燃料電池の電圧が０Ｖ近傍にある場合、酸化剤極では（式２）の反応とは別に下記（式３）の反応が生じている。
酸化剤極：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2  （式３）
上記（式３）により酸化剤極では水素が生成し、酸化剤極を還元雰囲気にするため、触媒表面の酸化皮膜の還元がより全体的に進行すると考えられる。
この場合、還元処理の前後において、酸化剤の供給量を、不足した状態から通常運転に足る量へと制御するための機構が必要となる。
【特許文献１】特開２００５−９３１４３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８５５３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、上記従来例における特許文献１、２のような燃料電池システムにおいては、還元処理の前後において、酸化剤の供給量を不足した状態から通常運転に足る量へと制御するため、大掛かりな機構が必要であった。
従来例では、還元処理時に酸化剤の供給量が不足するよう制御するために、窒素などの不活性ガスを酸化剤に導入する方法、或いは、ファンやコンプレッサ等の送風手段を停止して酸化剤の供給量を少なくする方法などが行なわれていた。
そして、還元処理後に窒素ガスを酸化剤ガスに切り替える、或いは、送風手段を駆動させるなどして通常運転に足る量を供給する方法が行なわれていた。
そのため、還元処理時の酸化剤量の制御に、補器等を用いた大掛かりな機構が必要であった。
これらの機構はシステムの大型化や消費電力の増大を招く恐れがあり、小型の燃料電池、特に大気開放型の燃料電池には適していない。
【０００５】
本発明は、上記課題を踏まえ、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を不足した状態から通常運転に足る量へと自発的に制御するための通気機構を備えた燃料電池装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した燃料電池装置を提供するものである。
本発明の燃料電池装置は、固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた燃料極に燃料を供給し、他方の面に設けられた酸化剤極に通気孔から空気を供給して発電を行なう燃料電池と、
前記燃料極と酸化剤極の間の電位差を、前記酸化剤極に使用された触媒の酸化皮膜を還元する値に制御する制御部と、を備えた燃料電池装置であって、
前記通気孔から供給された空気が流通する流路に通気機構を備え、該通気機構は周囲の環境に応じて通気量の制御が可能な部材によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気量の制御が可能な部材が、温度に感応することで自発的に動作し、高温時において低温時よりも通気性の増加が可能な部材であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気性の増加が可能な部材が、昇温に応じて通気性を増す方向に形状が変化するバイメタルあるいは形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気量の制御が可能な部材が、湿度あるいは水に感応することで自発的に動作し、湿潤時において乾燥時よりも通気性の増加が可能な部材であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気性の増加が可能な部材が、湿潤状態に応じて通気性を増す方向に形状が変化する吸水膨潤材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記制御部が、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記燃料極と前記酸化剤極の間の電位差を前記酸化剤極で水素生成反応が生じる値に制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気機構には、燃焼触媒が近接配置され、該燃焼触媒における酸素と水素の反応により生じる熱に感応して通気性の増加が可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気機構には、燃焼触媒が近接配置され、該燃焼触媒における酸素と水素の反応により生じる水に感応して通気性の増加が可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記通気機構には、前記燃料電池から発生する水を供給する水供給機構が配設されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池が、前記酸化剤極に酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる大気開放型の燃料電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を不足した状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能な通気機構を備えた燃料電池装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１に、本実施形態における燃料電池装置の構成を説明する概略図を示す。
図１において、１は燃料電池装置、２は燃料タンク、３は燃料流路、４は酸化剤流路、５は燃料電池セル、６は固体高分子電解質膜、７は燃料極、８は酸化剤極、９は電子機器、１０は負荷制御部、１１は通気機構である。
【０００９】
本実施形態において、燃料電池装置１は、固体高分子電解質膜６の両側に燃料極７と酸化剤極８を設けた構造の膜電極接合体を有する燃料電池セル５、あるいは燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えている。
また、燃料極７に燃料を供給する燃料流路３と、酸化剤極８に酸化剤を供給する酸化剤流路４を備えている。
酸化剤流路４には酸化剤の供給量を調整する通気機構１１が設けられている。
また、燃料極７および酸化剤極８と接続される負荷制御部１０を備えている。
【００１０】
実施形態の燃料電池セル５は、燃料として純水素やメタノール等、様々な燃料を用いることができるが、出力が高く、燃料極での分極が小さい水素を燃料に用いるのが好ましい。
燃料極７には例えば燃料タンク２から燃料流路を通じて水素燃料が供給される。燃料タンク７としては、水素燃料を燃料電池に供給できるものならばどのようなものを用いても良く、高圧充填した水素や水素吸蔵合金材料に吸蔵された水素を保持するものが好適に用いられ得る。
また、燃料タンク２にメタノールやエタノールなどの液体燃料を保持しておき、該液体燃料を改質器に通すことで水素ガスの形にして燃料電池に供給する方式でも構わない。
燃料流路３及び燃料極７は、燃料タンク２から供給された燃料を系外にリークさせることのないよう、部品間の接続部分や燃料極の外周縁にはシール部材が配置されている。
【００１１】
酸化剤極８には、通気孔から取り入れられた空気が自然拡散により供給される。また、ファンなどの補器を使用して供給しても良い。
通気機構１１は、通気孔から供給された空気が流通する流路に設けられ、周囲の環境に応じて通気量の制御を行うものである。
このような通気機構１１としては、例えば、温度に感応して、高温時において低温時よりも通気性を増加させる部材によって構成することができる。
また、このような通気機構を構成する際には、該通気機構の構成材料としてバイメタルあるいは形状記憶合金を用いることができる。
これにより、燃料電池装置の昇温に応じてバイメタルあるいは形状記憶合金の形状が変化し、該変化を受けて通気機構が通気性を増すように構成されることで、酸化剤の供給量を多くすることができる。
好ましくは、燃料電池の起動時における温度に対しては、通気孔が閉じられて空気の供給を遮断し、燃料電池の通常運転における温度よりも低い任意の温度で通気孔が開いて酸化剤の供給量が増加する構成である。
【００１２】
燃料電池セル５は、発電による出力を供給する外部負荷である電子機器９とは別に、負荷制御部１０に接続されている。
負荷制御部１０は、燃料極７と酸化剤極８の間の電位差を制御する機能を有すものである。
負荷制御部１０は、燃料極７と酸化剤極８の間の電位差を、前記酸化剤極に使用された触媒の酸化皮膜を還元する値に制御する。
通常、白金を触媒に用いた場合には、燃料電池の電圧で０．４Ｖ以下、より好ましくは０Ｖ近傍に制御することで還元が行われる。
このような値を経験させるための機構としては、外部電源を用いて燃料電池の電圧を制御する機構、あるいはスイッチなどの手段で両極間をショートさせる機構が考えられる。
【００１３】
燃料電池の起動時においては、発電に伴う熱が発生していない状態のため、装置全体で温度が低い。
そのため、通気機構１１は、発電開始時には通気量を小さく絞っている。この状態で、燃料供給後に、負荷制御部１０の動作によって燃料電池の両極間をショートさせて還元処理を行うと、発電に伴い熱が発生して装置全体の温度が高くなる。
空気供給量を絞った状態のため、ショート時に流れる電流は小さいが、燃料電池の電圧を０Ｖ近傍にまで下げることで、発生する熱量としては通常運転（例えば０．７Ｖ）時のそれと大きく変わらない。
このため、通気機構１１によって空気の供給量が絞られた状態であっても、装置全体は十分に暖機され、通気機構１１は温度の上昇を受けて通気量を増し、最終的に通常運転に必要な空気量を供給可能となる。
また、通気量の増加の過程で負荷制御部１０は還元処理の動作を停止し、通常運転に切り替わる。
通気機構１１は、燃料電池から発生する熱をより確実かつ素早く伝えるための伝熱機構を間に有していてもよい。
上記構成によって、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【００１４】
また、通気機構１１は、湿度あるいは水に感応して、湿潤時において乾燥時よりも通気性を増加させる部材によっても構成することができる。
このような通気機構を構成する際には、該通気機構を構成する材料として吸水膨潤材料を用いることができる。
具体的には、通気孔に水分により膨潤するフィルムと、膨潤しないフィルムとを張り合わせることにより、湿潤状態に応じて、フィルムが変位することを利用したものなどが挙げられる。
フィルムの変位が湿潤時に通気量を増す方向に動作するよう構成されればよい。また、吸水により伸長し、乾燥により収縮するようなファイバーからなる織布を用いてもよい。
また、これら材料を湿潤させるための水は、燃料電池の発電で生成する水を利用すればよい。
好ましくは、燃料電池の起動時においては、通気孔が閉じられて空気の供給を遮断し、燃料電池の発電で生成する水の供給を受けると素早く通気孔が開いて酸化剤の供給量が増加する構成である。
【００１５】
燃料電池の起動時においては、発電に伴う水が発生していない状態のため、燃料電池は通常運転時に比べて乾燥状態にある。
そのため、通気機構１１は、発電開始時には通気量を小さく絞っている。
この状態で、燃料供給後に、負荷制御部１０の動作によって燃料電池の両極間をショートさせて還元処理を行うと、発電に伴い水が発生する。
この場合、空気供給量を絞った状態のため、ショート時に流れる電流は小さく、発生する水の量も小さく制限される。
しかしながら、通気量が少ないために、生成した水の蒸散は小さく抑えられ、少ない水で燃料電池及び通気機構を有効に湿潤させることが可能と成る。
もちろん、速やかなる還元処理の完了のために、起動時の通気量は、通常運転時の通気量よりも少ない範囲であれば、ある程度の通気量を有していてもよい。
また、通気量の増加の過程で負荷制御部１０は還元処理の動作を停止し、通常運転に切り替わる。
通気機構１１は、燃料電池から発生する水をより確実かつ素早く該通気機構に供給するための水供給機構を間に配設するようにしてもよい。
ここで言う水供給機構とは、繊維状のものや発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象で、水を通気機構まで輸送するようなものを指す。
上記構成によって、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【００１６】
また、負荷制御部１０は、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記燃料極７と前記酸化剤極８の間の電位差を前記酸化剤極で水素生成反応が生じる値に制御可能に構成されていてもよい。
酸化剤極で水素が生成する反応は、空気が供給されていない状態で、燃料電池の電圧を０Ｖ近傍にすることで生じる。
これは、燃料電池の転極の結果に起こる現象である。空気が供給された状態であっても、燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加することで水素が生成する。
この場合、燃料電池材料の劣化を引き起こさないために、印加する逆極性の電圧は０．６Ｖ以下であることが好ましい。
空気存在下で燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加すると、（式２）で示した燃料電池反応と（式３）で示した水素生成反応が同時に行なわれるため、発熱量はさらに大きくなる利点があり、温度によって通気量を増す通気機構には有利である。
【００１７】
また、負荷制御部１０の動作として燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加するような場合、通気機構１１には燃焼触媒を近接配置する構成を採ることができる。
還元処理において、負荷制御部１０が燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加し、酸化剤極で水素が生成すると、燃焼触媒上で酸化剤極で生成した水素と、大気から通気孔を通って流入してきた空気とが触媒燃焼を引き起こす。
この触媒燃焼反応の結果、放出されるのは熱と水である。通気機構はこの熱あるいは水に感応することで通気性を増す構成をとることが可能となる。
触媒燃焼による発熱は通常の燃料電池反応に比べて格段に高く、通気機構の周囲の温度環境を速やかに高めるため、温度によって通気量を増す通気機構には有利である。
また、通気量が絞られた状態のため、還元処理時に燃料電池反応で生成する水の量が少なくても、触媒燃焼を利用して生成した水素から水を生み出すことが可能となるため、湿潤によって通気量を増す通気機構にとっても有利となる。
上記構成によって、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【実施例】
【００１８】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、燃料として水素を供給し、酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルを備えた燃料電池装置について説明する。
図２に本実施例における燃料電池装置の構成を説明する概略図を、また図３に本実施例における燃料電池セルの構成を説明する概略図を示す。
図２において、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２５はショート回路、２６は電子機器などの外部負荷、２７はスイッチ、２８は通気機構、２９は形状記憶合金部材である。
図３において、４３は膜電極接合体、４１、４５はカーボンクロス、４０、４７は集電板、４２はシール材、４６は発泡金属、４４は支持部材である。
【００１９】
本実施例の燃料電池セル２０は、膜電極接合体４３を間に挟む形で、燃料極側には集電板４０、カーボンクロス４１、シール材４２が、酸化剤極側にはカーボンクロス４５、発泡金属４６、支持部材４４、集電板４７が配置されている。
ここで、カーボンクロス４１、４５はガス拡散層であり、発泡金属４６は空気を燃料電池セルの側面から取り入れるための流路形成部材である。
また、支持部材４４はシール材４２に対向し、締結の圧力をシール材に均一にかけることで燃料極の封止をより確実にするものである。
また、集電板４０、シール材４２、膜電極接合体４３、支持部材４４、集電板４７はボルト穴を有している。これらの部材を位置合わせしながら積み重ね、不図示のボルトおよび絶縁部材により両集電板４０、４７間を、絶縁した状態で締結する。
【００２０】
通気機構２８は、発泡金属４６の大気に露出した両側面に張り合わされるようにして配置される。
また、通気機構２８は、形状記憶合金部材２９が温度に感応することで、その通気孔を開く構成となっている。
このような構成の通気機構としては、例えば、住居などに用いられるルーバーなどが同一構成のものとして用いることができる。
このようなルーバーには温度によって収縮する形状記憶合金が用いられ、通気孔は形状記憶合金の形状変化を受けて、ある温度以下で全閉となり、ある温度以上で全開となる機構を有している。
また、バイメタルのように、熱膨張係数の異なる材料を張り合わせた素材で、膨張率の差を利用してそり返しを発生させ、通気孔を開かせるようなものであっても構わない。
これら温度によって変形する材料は、材質によってその動作温度を広い範囲で調整することが可能である。
通常、燃料電池は発電によって外気に対して２０℃〜３０℃程度は高温となる。外気温度に対して通気孔を閉じ、外気温度よりも高く、通常運転時の燃料電池の温度よりも低い、任意の温度で通気孔を開くように動作する形状記憶合金部材を選択すればよい。
【００２１】
上記構成の燃料電池装置は、起動時において、触媒表面の酸化被膜を還元するため、スイッチ２７を燃料電池の両極間とショート回路２５とを接続するよう動作させる。
このとき、通気機構２８によって空気の供給量が絞られているため、ショート時に流れる電流は抑えられ、還元処理に対する燃料の消費量を抑えることができる。
還元処理時に燃料電池の温度は発電により徐々に高くなっていき、所定の温度到達をもって形状記憶合金部材２９が通気孔を開くよう動作し、通常運転に足る空気を供給するようになる。
この過程で、スイッチ２７は燃料電池の両極間との接続を、ショート回路２５から、外部負荷２６側へと切り替え、通常運転が行われるようになる。
これにより、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【００２２】
［実施例２］
実施例２においては、燃料に水素を、酸化剤に空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルを備えた実施例１とは別の形態の燃料電池装置について説明する。
図４に、本実施例における燃料電池装置の構成を説明する概略図を示す。
本実施例の燃料電池の構成は、基本的には図２および図３に示した実施例１と同様であるので、これらと共通する構成についての説明は省略する。
図４において、３０は燃焼触媒、３１は外部電源である。
【００２３】
本実施例において、通気機構２８の形状記憶合金部材２９の近傍には燃焼触媒３０が配置されている。
また、ショート回路２５の替わりに、燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加する外部電源３１が配置されている。
燃焼触媒３０は、水素と酸素とで燃焼反応を生じさせるものならどのような材料を用いても構わないが、好適には白金触媒を用いたものである。
また、外部電源３１が印加する電圧の大きさは０Ｖ以上０．６Ｖ以下であることが好ましい。また、空気の供給を可及的に遮断できるシステムであれば外部電源でなくショートさせる機構であっても構わない。
【００２４】
燃焼触媒３０の通気機構２８への配置は、触媒スラリーを塗布する形で行った。
スラリーは、触媒に白金黒粉末を使用し、それにナフィオンアルコール系溶液を添加し、混合することで作製した。
燃料電池セルの両極間に外部電源３１により、逆極性の電圧０．３Ｖを印加すると、酸化剤極では水素が生成して、触媒表面の酸化被膜を還元する。
また、生成した水素は通気機構２８の燃焼触媒３０にまで到達し、燃焼触媒上で外気からの酸素と燃焼反応を生じた。
このときの通気機構２８の大気側表面の温度を放射温度計で測定したところ、１００℃以上の値を示していた。
【００２５】
温度の上昇は還元処理初期から急激に上昇するため、形状記憶合金部材２９の動作をより素早く行うことが可能である。
また、冬季などで外気温度が低い場合では、燃料電池の駆動に伴う発熱のみでは、燃料電池の暖気に時間がかかることも想定される。
しかし、本実施例では、触媒燃焼反応による高熱を利用できるため、外気温度に関わらず、形状記憶合金部材の動作に必要な温度環境をもたらすことが可能である。
これにより、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【００２６】
［実施例３］
実施例３においては、燃料に水素を、酸化剤に空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルを備えた上記各実施例とは別の形態の燃料電池装置について説明する。
図５に、本実施例における燃料電池装置の構成を説明する概略図を示す。
本実施例の燃料電池の構成は、基本的には図２および図３に示した実施例１と同様であるが、通気機構２８は形状記憶合金部材２９をもたず、自己調湿機能部材３２を有する。
通気機構２８は、自己調湿機能部材３２が湿度あるいは水に感応して伸縮し、その形状を変化させることで、通気孔を開く構成となっている。
【００２７】
自己調湿機能部材３２として用いられる材料としては、例えば、帝人ファイバー株式会社の自己調節機能繊維「ＭＲＴファイバー」などが挙げられる。
このようなファイバーは吸水すると伸張し、放水（乾燥）すると収縮するという可逆的に伸縮する性質を有し、乾燥時には通気性を低減させ、湿潤時には通気性を増加させる。
自己調湿機能部材３２は、酸化剤流路中に設けられるが、酸化剤流路中の湿度に、より敏感に感応するためには、燃料電池で生成した水が結露しやすい個所に配置することが好ましい。
あるいは、燃料電池で生成した水を自己調湿機能部材３２まで導く水供給機構を設けてもよい。
ここで言う水供給機構とは、繊維状のものや発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象で、水を通気機構まで輸送するようなものを指す。これらの構成によって、通気量の制御が可能となる。
【００２８】
上記構成の燃料電池装置は、起動時において、触媒表面の酸化被膜を還元するため、スイッチ２７を燃料電池の両極間とショート回路２５とを接続するよう動作させる。
このとき、通気機構２８によって空気の供給量が絞られているため、ショート時に流れる電流は抑えられ、還元処理に対する燃料の消費量を抑えることができる。
還元処理時に燃料電池は発電により水を生成していき、水の吸水をもって自己調湿機能部材３２が通気孔を開くよう動作し、通常運転に足る空気を供給するようになる。
この過程で、スイッチ２７は燃料電池の両極間との接続を、ショート回路２５から、外部負荷２６側へと切り替え、通常運転が行われるようになる。
この場合、空気供給量を絞った状態のため、ショート時に流れる電流は小さく、発生する水の量も小さく制限される。しかしながら、通気量が少ないために、生成した水の蒸散は小さく抑えられ、少ない水で燃料電池及び通気機構を有効に湿潤させることが可能と成る。
本実施例の構成によれば、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【００２９】
［実施例４］
実施例４においては、燃料に水素を、酸化剤に空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルを備えた上記各実施例とは別の形態の燃料電池装置について説明する。
図６に、本実施例における燃料電池装置の構成を説明する概略図を示す。
本実施例の燃料電池の構成は、基本的には図５に示した実施例３と同様であるが、通気機構２８の自己調湿機能部材３２の近傍には燃焼触媒３０が配置されている。
また、ショート回路２５の替わりに、燃料電池の両極間に逆極性の電圧を印加する外部電源３１が配置されている。
【００３０】
燃料電池セルの両極間に配置された外部電源３１により、逆極性の電圧０．３Ｖを印加すると、酸化剤極では水素が生成して、触媒表面の酸化被膜を還元する。
また、生成した水素は通気機構２８の燃焼触媒３０にまで到達し、燃焼触媒上で外気からの酸素とで燃焼反応を生じる。
このとき放出される水を自己調湿機能部材３２が吸水することで、通気機構２８は通気量を増やすことが可能となる。
また、触媒活性が高すぎると、触媒燃焼で生じた水は周囲の高温のため、水蒸気として外部へ蒸散してしまう場合がある。そのような場合は、燃焼触媒の表面積を減らして活性を下げるなどしても良い。
【００３１】
上記構成により、通気量が絞られた状態のため、還元処理時に燃料電池反応で生成する水の量が少なくても、触媒燃焼を利用して生成した水素から水を生み出すことが可能となるため、湿潤によって通気量を増す通気機構にとっても有利となる。
本実施例の構成によれば、起動時の還元処理の前後において、酸化剤の供給量を絞った状態から通常運転に足る量へと自発的に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１における燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例１における燃料電池セルの構成を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例２における燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例３における燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例４における燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：燃料電池装置
２：燃料タンク
３：燃料流路
４：酸化剤流路
５：燃料電池セル
６：固体高分子電解質膜
７：燃料極
８：酸化剤極
９：電子機器
１０：負荷制御部
１１：通気機構
２０：燃料電池セル
２１：燃料極
２２：固体高分子電解質膜
２３：酸化剤極
２４：燃料タンク
２５：ショート回路
２６：外部負荷
２７：スイッチ
２８：通気機構
２９：形状記憶合金部材
３０：燃焼触媒
３１：外部電源
３２：自己調湿機能部材
４０：集電板（燃料極）
４１：カーボンクロス
４２：シール材
４３：膜電極接合体
４４：支持部材
４５：カーボンクロス
４６：発泡金属
４７：集電板（酸化剤極）
【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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【図６】
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