JP2005158603A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒の劣化を抑制し、触媒反応の活性を維持することを課題とする。
【解決手段】 アノード極とセパレータ間に設けられたアノードガス流路の入口から燃料電池スタック１１に燃料ガスを供給し、燃料電池システムの運転停止時に、少なくともアノードガス流路に燃料ガスをパージする空気ガスを流通させる供給手段は、燃料電池システムの運転停止時にアノードガス流路の出口側から空気ガスを導入して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、システムの非運転時には、アノードガス流路がパージガスで満たされる燃料電池システムに関する。

一般的に燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックは、運転をせずに保管もしくは放置されているとき（非運転時）には、燃料となる水素ガスは燃料電池スタック中、および燃料電池スタックに接続して燃料を燃料電池スタックに導入する配管の中に存在させないようにしている。このため、燃料電池システムの保管中は、燃料電池スタックのアノード極に燃料ガス（アノードガス）を導入し運転中に水素ガスが存在しているアノードガス流路や、アノードガス流路に通ずる配管内では、空気などの扱いやすいパージガスで水素ガスが置換される。また、燃料電池システムを運転するとアノード極側に水が生成されるため、アノードガス流路内にも水が残留している。

しかし、燃料電池システムの運転を開始しようとする準備段階である起動時には、パージガスの例えば空気ガスで満たされたアノード極の空間に水素ガスを導入するため、導入を始めてから空気ガスが水素ガスに完全に置き換わるまでには時間を要し、その間空気ガスと水素ガスが共存して混合ガスとなる。

このような置換過程において、アノードガス流路内に存在する空気ガスを水素ガスで置換しようとすると、アノードガス流路内に存在していた空気ガスはアノードガス流路の出口付近に押しやられ、アノードガス流路の入口付近には水素ガスが存在することになり、アノードガス流路の入口から出口にかけて、水素ガスおよび空気ガスの濃度分布が存在する。つまり、アノードガス流路の入口付近で水素ガスが高濃度となり、出口付近で空気ガスに含まれる酸素が高濃度となる。

このような状態になると、アノードガス流路に隣接する触媒担持体の炭素および触媒を含む電極を通じて、アノードガス流路の入口から出口に亘って数Ｖ程度の電位差が発生し、アノードガス流路の出口付近で高い電位となる。

一方、電解質を挟んでアノード極と反対側に位置するカソードガス流路では、空気ガスで満たされている状態であるので、カソード極側の電位は変わっていない。このような状態では、アノード極側とカソード極側とで、燃料電池内部に電位差が生じる、これにより、以下の式１で示す、電子（ｅ⁻ ）を放出する酸化反応が生じる。

（式１）
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２（ｇ）＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋０．２０６Ｖ （式１）
このため、アノード極側では、上記酸化反応で触媒担持体の炭素が消耗し、触媒表面積がシンタリングにより減少し、触媒劣化を招いていた。さらには、アノード極に隣接する部品の材料に炭素が用いられている場合には、この部品も劣化することになる。

そこで、例えば以下の文献に示すように、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックに外部回路を接続して、上述した電位差を抑制し、触媒の劣化を緩和するようにした技術が知られている。
特開平１０−２８４１０４号公報

上述したような従来の燃料電池システムにおいて、運転状態から停止に向う停止時について考えると、運転時に水素ガスが満たされていたアノードガス流路に、パージガスの例えば空気ガスを導入してゆく。このとき、やはりアノードガス流路内では、起動時と同様に水素ガスと空気ガスの混合ガスが存在し、水素ガスおよび空気ガスの濃度分布が存在する。このため、前述した起動時と同様な電位差が生じ、アノード極側での触媒および炭素部品の劣化を招くという問題があった。

このように、燃料電池システムの起動と運転停止を繰り返す毎に、燃料電池内の触媒や構造物が劣化していくことになる。このため、利用（運転）と保管（非運転）を繰り返すことが多い車両のような移動体に設置された燃料電池システムの場合には、劣化する頻度が増大するといった不具合を招いていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒の劣化を抑制し、触媒反応の活性を維持するようにした燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、電解質を挟持して互いに向き合うように配置されたアノード極及びカソード極からなる単位電池セルを、セパレータを介して複数積層して構成された燃料電池スタックと、前記アノード極と前記セパレータ間に設けられたアノードガス流路の入口から前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、前記カソード極と前記セパレータ間に設けられたカソードガス流路の入口から前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給し、燃料電池システムの運転停止時に、少なくとも前記アノードガス流路に燃料ガスをパージするパージガスを流通させる供給手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記供給手段は、前記燃料電池システムの運転停止時に前記アノードガス流路の出口側から前記パージガスを導入することを特徴とする。

本発明によれば、システムの起動時や停止時に、単位電池セル面内に発生する電圧分布を、起動時と停止時とも同様な分布を形成することができる。これにより、触媒が劣化する位置を劣化の影響の少ないアノードガス流路の出口付近だけに限定することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、セパレータを介して単電池セルを積層して構成され、水素ガス又は水素ガスを含む混合ガスの燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１の両端部に配設されたエンドプレート１２と、燃料電池スタック１１に供給される燃料ガスならびに酸化剤ガスを燃料電池スタック１１に導入し、燃料電池スタック１１から排出される燃料ガスならびに酸化剤ガスを燃料電池スタック１１外に導出するマニフォルド１３ならびに外部配管１４を備えている。

燃料電池スタック１１の両エンドプレート１２には、抵抗１５ならびにスイッチＳ１から構成され、背景技術の欄で説明した、システムの起動時にアノード極とカソード極間に生じる電位差を解消する外部バイパス回路が接続され、さらに燃料電池スタック１１の発電で得られた電圧を測定する電圧計１６が接続されている。また、燃料電池スタック１１の両エンドプレート１２には、スイッチＳ２を介して燃料電池スタック１１で得られた電力を消費する負荷回路１７が接続されている。

燃料電池スタック１１の外部配管１４には、燃料電池スタック１１に対して燃料ガスの水素ガスならびに酸化剤ガスの空気ガスを供給、排出する供給排出手段（図示せず）が接続されている。

燃料電池スタック１１を含む燃料電池システムは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される制御手段（図示せず）を備えている。この制御手段は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに基づいて、本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの運転／停止に必要なすべての動作を制御する。

図２は燃料電池スタック１１に対して燃料ガスの水素ガスならびに酸化剤ガスの空気ガスを供給、排出する供給排出手段の概略構成を示す図である。図２において、燃料電池スタック１１の運転時には、制御手段により開閉制御されるバルブ２１を介して水素ガス供給源２２から燃料電池スタック１１のアノードガス流路の入口に水素ガスが導入されてアノード極に供給され、燃料電池スタック１１のアノードガス流路の出口から排出された水素ガスは、制御手段により開閉制御されるバルブ２３を介して燃料電池スタック１１外に排出される。また、制御手段により開閉制御されるバルブ２４を介して空気ガス供給源２５から燃料電池スタック１１のカソードガス流路の入口に空気ガスが導入されてカソード極に供給される。

一方、実施例１における燃料電池システムの運転停止時には、バルブ２３ならびにバルブ２４を閉じて、制御手段により開閉制御されるバルブ２６を介して空気ガス供給源２５から燃料電池スタック１１のアノードガス流路の出口に空気ガスが導入され、燃料電池スタック１１に残存する水素ガスならびに残存する水素ガスと導入された空気ガスとの混合ガスは、アノードガス流路の入口から排出される。排出されたガスは、図２には図示されていないが、バルブを介して燃焼器等に供給されて燃焼されシステム外に排出される。これにより、燃料電池スタック１１に残存する水素ガスがパージガスの空気ガスでパージされ、燃料電池スタック１１に残存する水素ガスが空気ガスで置換される。

このように、燃料電池スタック１１の内部では、燃料電池システムの保管時（非運転時）は、運転時に水素ガスが流通し満たされる空間、つまりアノード極のアノードガス流路には水素ガスではなく、パージガス（空気ガス）が満たされている。このような状態において、燃料電池システムの運転を開始する際に、まず空気ガスで満たされたアノードガス流路へ水素ガスを導入するが、この時、背景技術の欄で説明したように、アノード極で電位が発生する。このため、発生した電位を燃料電池スタック１１の両エンドプレート１２間に接続された電圧計１６で検出し、検出した電位が例えば０．２Ｖ程度となったときに、スイッチＳ１をオンして外部バイパス回路を燃料電池スタック１１に接続し、燃料電池スタック１１から外部バイパス回路へ電流を流し、前述した（式１）で示す酸化反応が進むことを抑制する。

この後、水素ガスがアノードガス流路に充満すると、上記の電位差は発生しなくなり、電圧計１６で検出される電位の下降傾向が収まったと判断された時に、スイッチＳ１をオフして燃料電池スタック１１から外部バイパス回路を切り離す。

このような状態になって初めて、各流体流路に対応した流体、例えばカソードガス流路に空気ガスを、純水管理流路に水を、冷却流路にエチレングリコールなどの冷却液の供給を開始し、スイッチＳ２をオンして負荷回路に燃料電池スタック１１を接続し、燃料電池スタック１１の発電運転が開始される。

なお、前述した（式１）で示す酸化反応は、システムの停止時にも発生するため、起動時とは逆の手順で燃料電池スタック１１と外部バイパス回路との接続／切断を実施する。

次に、この実施例１における特徴的な燃料電池システムの起動ならびに停止方法について説明する。

燃料電池システムの起動時に、アノードガス流路へ水素ガスを導入すると、図３に示すように、アノードガス流路内に残留していた空気ガスはアノードガス流路の出口付近に移動する。この時、アノードガス流路の位置（Ｘ１（入口側）〜Ｘ２（出口側））における水素ガスと酸素の濃度分布は、時間の経過と共に図４に示すように（同図の上から下に向かって）変化する。またこの時、アノード極で発生する電位の値ならびに発生する電位に対応したアノードガス流路の位置（Ｘ１〜Ｘ２）は、時間の経過と共に図５に示すように（同図の上から下に向かって）変化し、発生する電位の位置は、図５から分かるように酸素濃度の高いアノードガス流路の出口付近に集中する。

一方、燃料電池システムの停止時には、システムの保管のためアノードガス流路へ空気ガスを充満させるが、この時起動時と同じ側、すなわちアノードガス流路の入口側から空気ガスをアノードガス流路に導入すると、起動時とは逆に、アノードガス流路の入口付近に対応したアノード極に電位が発生し、アノードガス流路の入口付近で炭素の侵食が起こりやすくなる。

そこで、この実施例１においては、システムの停止時に図６に示すように、図２に示す供給排出手段によりアノードガス流路の出口側から空気ガスを導入するようにしている。これにより、アノードガス流路内に充満していた水素ガスはアノードガス流路の出口から入口に向かって移動することになる。この時、アノードガス流路の位置（Ｘ１〜Ｘ２）における水素ガスと酸素の濃度分布は、時間の経過と共に図４に示すように（同図下から上に向かって）変化する。またこの時、アノード極で発生する電位の値ならびに発生する電位に対応したアノードガス流路の位置（Ｘ１〜Ｘ２）は、時間の経過と共に図５に示すように（同図下から上に向かって）変化し、発生する電位の位置は、図５から分かるように起動時と同様に酸素濃度の高いアノードガス流路の出口付近に集中する。

これにより、上述した電位が発生するシステムの起動操作時ならびに停止操作時における、アノードガス流路の水素ガスと酸素との濃度分布は、図７に示すように、アノードガス流路の入口側に近づくにつれて水素ガスの濃度が高くなり、アノードガス流路の出口側に近づくにつれて酸素の濃度が高くなる。すなわち、アノード流路における水素ガスと酸素との濃度分布勾配は、システムの起動時操作時ならびに停止操作時共に同様なものとなる。

したがって、システムの停止時に電位が発生する位置は、起動時と同様にアノードガス流路の出口付近となり、炭素が侵食しやすくなる位置はアノードガス流路の出口付近に限定されることになる。ここで、アノード極の電極触媒上では、以下の（式２）で示す還元反応が行われている。

（式２）
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
なお、この還元反応の速度を支配する水素ガス（Ｈ_２ ）の分圧は、アノードガス流路の入口付近の方が出口付近に比べてより高く、（式２）で示す還元反応が活発に行われる。このため、アノードガス流路の出口付近の反応活性が低下するよりも、アノードガス流路の入口付近の反応活性が低下することの方が、燃料電池の発電性能に対して大きな影響を与えることになる。すなわち、アノードガス流路の入口付近の触媒を保護することが重要である。

したがって、この実施例１では、図７に示すような濃度分布勾配を呈することで、アノードガス流路の入口付近のアノード極に発生する上述した電位が抑制されて、アノードガス流路の入口付近の炭素の侵食が抑制され、アノードガス流路の入口付近に対応したアノード極での触媒の活性を維持し、燃料電池システムの性能維持への寄与度が大きくなる。

図８は燃料電池システムの起動操作時における外部バイパス回路の接続、ならびに反応ガス供給の手順を示すフローチャートである。

図８において、先ずアノードガス流路に水素ガスの供給を開始した後（ステップＳ８１）、前述したようにアノード極で発生して電圧計１６で検出される電位が上昇しているか否かを判断する（ステップＳ８２）。判断の結果、電位が上昇して所定の電位になった場合には、スイッチＳ１をオンして燃料電池スタック１１に外部バイパス回路を接続する（ステップＳ８３）。

これにより、電位が下降し、下降傾向が収まったか否かを判断する（ステップＳ８４）。判断の結果、電位の下降傾向が収まった場合には、スイッチＳ１をオフして燃料電池スタック１１から外部バイパス回路を切り離す一方、カソードガス流路に空気ガスの供給を開始し、さらにスイッチＳ２をオンして燃料電池スタック１１に負荷回路１７を接続して（ステップＳ８５）、終了する。

図９は燃料電池システムの停止操作時における外部バイパス回路の接続、ならびに反応ガス供給停止の手順を示すフローチャートである。

図９において、先ず水素ガスならびに空気ガスの供給を停止した後（ステップＳ９１）、アノードガス流路の出口から空気ガスを導入し、アノードガス流路に残存する水素ガスをパージして空気ガスで置換する（ステップＳ９２）。続いて、スイッチＳ２をオフして燃料電池スタック１１から負荷回路１７を切り離す一方、スイッチＳ１をオンして燃料電池スタック１１に外部バイパス回路を接続する（ステップＳ９３）。

このような状態において、アノード極で発生した電位が下降し、下降傾向が収まったか否かを判断する（ステップＳ９４）。判断の結果、電位の下降傾向が収まった場合には、スイッチＳ１をオフして燃料電池スタック１１から外部バイパス回路を切り離す一方、カソードガス流路に空気ガスの供給を停止し（ステップＳ９５）、終了する。

以上説明したように、上記実施例１では、システムの起動時や停止時に燃料電池スタック１１の単電池セルの面内に発生する電圧分布を、起動時と停止時とも同様な分布とすることができる。これにより、アノード極における触媒が劣化する位置を劣化の影響の少ないアノードガス流路の出口付近に限定するすることが可能となる。したがって、従来に比べて、燃料電池の発電に大きな影響を及ぼす、アノードガス流路の入口付近の触媒の劣化を抑制し、触媒反応の活性を維持することができる。

また、燃料電池システムの起動時や停止時に単電池セルの面内に発生する電位差を、外部バイパス回路へ電流を流すことで低減することができる。これにより、触媒担持体である炭素の消耗を低減し、触媒の劣化を低減することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池スタックに供給される燃料ガスならびに空気ガスの流路を示す図である。 システムの起動操作時におけるアノード極の燃料ガスならびに空気ガスの流れを示す図である。 アノード極における燃料ガスならびに空気ガスの濃度分布の変化を示す図である。 アノード極おける電位変化を示す図である。 システムの運転停止操作時におけるアノード極の燃料ガスならびに空気ガスの流れを示す図である。 システムの起動操作時ならびに運転停止操作時におけるアノード極の燃料ガスならびに空気ガスの濃度分布を示す図である。 システムの起動操作時の処理手順を示すフローチャートである。 システムの運転停止操作時の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１１…燃料電池スタック
１２…エンドプレート
１３…マニフォルド
１４…外部配管
１５…抵抗
１６…電圧計
１７…負荷回路
２１，２３，２４，２６…バルブ
２２…水素ガス供給源
２５…空気ガス供給源
Ｓ１，Ｓ２…スイッチ

Claims (2)

1. 電解質を挟持して互いに向き合うように配置されたアノード極及びカソード極からなる単位電池セルを、セパレータを介して複数積層して構成された燃料電池スタックと、
   前記アノード極と前記セパレータ間に設けられたアノードガス流路の入口から前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、前記カソード極と前記セパレータ間に設けられたカソードガス流路の入口から前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給し、燃料電池システムの運転停止時に、少なくとも前記アノードガス流路に燃料ガスをパージするパージガスを流通させる供給手段と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記供給手段は、前記燃料電池システムの運転停止時に前記アノードガス流路の出口側から前記パージガスを導入する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池システムの運転開始時、又は前記燃料電池システムの運転停止時の少なくとも何れか一方で、前記アノード極と前記カソード極間に電流を流す外部バイパス回路を
   有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。