JP2005166596A

JP2005166596A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005166596A
Application number: JP2003407401A
Authority: JP
Inventors: Satoru Takaichi; 哲高市
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】酸化剤極の劣化反応を効率的に抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜１０を狭持する酸化剤極触媒層１１と、燃料極触媒層１２と、酸化剤極触媒層１１に接する酸化剤極ガス拡散層１３と、燃料極触媒層１２に接する燃料極ガス拡散層１４と、酸化剤極ガス拡散層１３との間に酸化剤ガス流路１７を有する酸化剤ガスセパレータ１５と、燃料極ガス拡散層１４との間に燃料ガス流路１８を有する燃料ガスセパレータ１６と、からなる燃料電池セル１ａを一つ以上備える。さらに、ガス拡散層１３、１４を積層方向に圧縮する圧縮器２１と、圧縮器２１の圧縮と除圧を制御するコントローラ２６を備える。燃料ガス流路１８内に水素／空気フロントが形成される場合には、ガス拡散層１３、１４を圧縮して多孔性を低減する。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに関する。特に、電解質として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池において、触媒劣化を抑制するための構成に関する。

燃料電池システムにおいて、酸化剤極側に空気等の酸化剤ガスが存在し、燃料極側に空気等の酸化剤ガスが存在する領域と水素等の燃料ガスとが存在する領域とが形成される場合がある。例えば、燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側のガス流路への水素の供給を開始した初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が存在する領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-・・・（１）
という反応が生じる。その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
という反応が起こり、水が生成される。

従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界（以後、水素／空気フロントと呼称）が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給することが提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。
米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書

しかしながら、短時間で水素／空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路中の流速を速める方策等が必要となる。しかしながら、燃料ガス流路の断面積を小さくしてしまうと、通常運転時の圧損が増加するという問題があった。

また、水素／空気フロントを形成させないために、窒素等の不活性ガスを用いてパージを行う技術が知られているが、この場合もシステム中に窒素ボンベ等の不活性ガス貯蔵装置が必要となる、または、燃料器等の酸素消費装置をシステム中に持たせる必要があり、システムを複雑化および大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、酸化剤極の劣化反応を効率的に抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜を狭持する酸化剤極触媒と、燃料極触媒と、前記酸化剤極触媒に接する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極触媒に接する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極ガス拡散層との間に酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガスセパレータと、前記燃料極ガス拡散層との間に燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、からなる燃料電池セルを一つ以上備える。さらに、少なくとも前記ガス拡散層を積層方向に圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段と、を備える。

圧縮手段により少なくともガス拡散層を圧縮することにより、ガス拡散層内に含有されるガスの量を低減することができる。つまり、触媒とガスとの接触を抑制することができる。その結果、燃料極ガス拡散層内に、水素が存在する領域と酸素が存在する領域が形成される際に、対極間で反応が生じるのを抑制することができ、酸化剤極の劣化反応を効率的に抑制することができる。

第１の実施形態について説明する。図１に、燃料電池１００を構成する単位セルである燃料電池セル１００ａの一般的な構成を示す。

プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１１０を、一対の触媒層である酸化剤極触媒層１１１と燃料極触媒層１１２により狭持する。例えば、触媒層１１１、１１２を、カーボン等にＰｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成する。触媒層１１１、１１２を、触媒層１１１、１１２に反応ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層１１３、燃料極ガス拡散層１１４によって、さらに狭持する。ガス拡散層１１３、１１４をそれぞれ多孔質体により構成する。

さらにその外側から、酸化剤ガスセパレータ１１５、燃料ガスセパレータ１１６で狭持することにより燃料電池セル１００ａを構成する。ガス拡散層１１３、１１４とセパレータ１１５、１１６との間には、それぞれ酸化剤ガス流路１１７、燃料ガス流路１１８を設ける。

通常運転時には、酸化剤ガス流路１１７に酸化剤ガスとして、例えば空気を供給し、燃料ガス流路１１８に燃料ガスとして、例えば水素ガスを供給する。酸化剤ガス流路１１７、燃料ガス流路１１８を通る空気または水素ガスは、ガス拡散層１１３、１１４を介して触媒層１１１、１１２の触媒に接触し、以下のような反応を生じる。

燃料極側：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（３）
酸化剤極側：２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・（４）
（３）式に示すように、燃料極触媒層１１２では、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは、高分子電解質膜１１０内部を拡散して酸化剤極触媒層１１０側に到達し、電子は図示しない外部回路を通って出力として取り出される。一方、酸化剤極触媒層１１１では、高分子電解質膜１１０内を拡散してきたプロトン、図示しない外部回路を介して移動してきた電子、および、空気中の酸素により形成される三相界面上で（４）式に示すような反応が生じる。

このような燃料電池１００を移動体、例えば自動車用のエネルギ源として活用した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返されることになる。燃料電池１００停止中には、燃料電池１００への水素および空気の供給が停止された状態で放置される、または、不活性ガス等により充満された状態で放置される。放置が長時間継続された場合には、外部より大気が浸入して燃料ガス流路１１４内に空気が存在する状態となる可能性がある。

このように放置時に燃料ガス流路１１４内に空気が混入した場合、このような状態からシステムを起動すると、燃料電池１００内では図２に示すような反応を生じる。

酸化剤ガス流路１１７内には空気が充満する。燃料ガス流路１１８には水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｃが形成され、水素と空気の界面である水素／空気フロントＢが形成される。燃料ガス流路１１７に水素が存在する領域Ａにおいては、通常の動作と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、水素／空気フロントＢを境にして、燃料ガス流路１１８に空気が存在する領域Ｃにおいては、酸化剤極触媒層１１１側で前述した（１）式のような反応が、燃料触媒層１１２側で（２）式のような反応が生じる。つまり、酸化剤極触媒層１１１側で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こる。これにより、酸化剤極触媒層１１１が大きく劣化し、燃料電池セル１００ａの性能を劣化させる原因となる。

同様に、燃料電池１００の停止時に、燃料ガス流路１１８内を空気等の酸素含有ガスによりパージすると、燃料極触媒層１１２内に水素／空気フロントＢが形成され、カーボン担体の腐食反応が生じる可能性がある。

そこで本実施形態では、図３に示すように燃料電池１を構成することで、カーボン腐食を抑制して燃料電池１の劣化を抑制する。なお、ここでは燃料電池１として、一つの燃料電池セル１ａを有する場合について説明する。

燃料電池セル１ａを、酸化剤極触媒層１１と燃料極触媒層１２で狭持された電解質膜１０を、酸化剤極ガス拡散層１３と燃料極ガス拡散層１４で狭持し、さらに、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６で狭持することにより構成する。

電解質膜１０としては、プロトン伝導性を有するものを用い、例えばパーフルオロスルホン酸の膜を用いる。また、酸化剤極触媒層１１、燃料極触媒層１２には、カーボン等導電性のある担体にＰｔ等の触媒を担持したものを用いる。ガス拡散層１３、１４としては、多孔性の部材、例えばカーボン繊維から構成されたものを用いる。特にガス拡散層１３、１４としては、弾性が高い部材を用いるのが好ましい。例えば、布状のカーボンクロスを用いる。

また、セパレータ１５、１６には、加工が比較的容易な炭素部材を用いる。ガス拡散層１３、１４とセパレータ１５、１６との間には、それぞれ酸化剤ガス流路１７、燃料ガス流路１８を設ける。酸化剤ガス流路１７は、燃料電池セル１ａ内に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガスマニホールド２７ａと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガスマニホールド２７ｂに連通する。また、燃料ガス流路１８は、燃料電池セル１ａ内に燃料ガスを導入する燃料ガスマニホールド２８ａと、燃料ガスを排出する燃料ガスマニホールド２８ｂに連通する。また、積層面の外縁部からのガス漏れを防止するため、固体高分子電解質膜１０を中心に、触媒層１１、１２とガス拡散層１３、１４の外縁部をガスケット２５によりシールする。

さらに、両極のセパレータ１５、１６から外部負荷回路に電力を取り出すため、酸化剤極集電板１９、燃料極集電板２０をそれぞれのセパレータ１５、１６に接続する。集電板１９、２０は、セパレータ１５、１６との接触抵抗が低いものが好ましく、例えば、金属電極を金メッキした部材で構成する。酸化剤極集電板１９と燃料極集電板２０を、さらに外側から一対のエンドプレート２２、２３によって狭持、固定するように構成する。ここでは、一対のエンドプレート２２、２３間は締結ロッド２４において積層方向に一定の厚みをもつように固定される。

このとき、本実施形態では、ガス拡散層１３、１４を圧縮する圧縮器２１を備える。図３に示すように、圧縮器２１を燃料電池セル１ａの一方の端部とエンドプレート２２または２３の間に設ける。ここでは、酸化剤極集電板１９とエンドプレート２２との間に圧縮器２１を備える。圧縮器２１で燃料電池セル１ａを積層方向に圧縮することにより、ガス拡散層１３、１４が積層方向について圧縮されるように構成する。

圧縮器２１としては、ここでは油圧式ジャッキを用いるが、空気圧による圧縮器やネジの締結力によって圧力をかける機械式等、燃料電池セル１ａに圧力をかけるものであれば特に限定しない。また、圧縮器２１としては、少なくともガス拡散層１３、１４全体に、略均一に圧力をかけることができるものが好ましい。例えば、ここでは、燃料電池セル１ａの積層面全体に均一に圧力をかけることができるものが好ましい。

また、圧縮器２１を制御するコントローラ２６を備える。コントローラ２６は、圧縮器２１の圧縮と除圧を制御する。燃料ガス流路１８内に水素が存在する領域と酸素が存在する領域が形成される際に、圧縮器２１により燃料電池セル１ａを圧縮し、ひいてはガス拡散層１３、１４を圧縮する。これにより、燃料極ガス拡散層１４内に水素／空気フロントが形成されるのを抑制し、カーボン腐食反応が生じるのを抑制する。また、酸化剤極ガス拡散層１３内に酸素が存在するのを抑制し、（４）式に示す反応が生じるのを抑制することができるので、カーボン腐食反応が生じるのを抑制する。

さらに、吐出側が酸化剤マニホールド２７ａに連通し、燃料電池１に酸化剤ガスとしての空気を供給するコンプレッサ２０を備える。また、放出側が燃料ガスマニホールド２８ａに連通し、燃料電池１に供給する燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵するボンベ３０を備える。なお、コンプレッサ２０からは、燃料ガスマニホールド２８ａにも空気を選択的に供給できるように構成する。または、コンプレッサ２０とは別に空気の導入手段を備え、これにより、燃料ガスマニホールド２８ａへ選択的に空気を導入できるように構成してもよい。システム停止時に、燃料ガスマニホールド２８ａへ空気を導入することにより、燃料ガス流路１８内の燃料ガスを、空気を用いてパージする。

次に、このような燃料電池システムにおける制御方法について説明する。図４（ａ）にシステム起動時のフローチャートを示す。

システムの起動指令の信号を検知したら、ステップＳ１において、圧縮器２１による圧縮を開始する。次に、ステップＳ２において、ボンベ３０から燃料ガス流路１８へ燃料ガスの供給を開始する。燃料ガスが燃料ガス流路１８に行き渡ったら、ステップＳ３において圧縮器２１の除圧する。なお、燃料ガスが燃料ガス流路１８に行き渡ったかどうかは、予め実験等により燃料ガスが燃料ガス流路１８内に充満するまでの時間を求めておき、この時間が経過したか否かで判断することができる。または、燃料ガス流路１８の出口側に水素センサ等を備え、これが水素ガスを検知したら、燃料ガス流路１８に燃料ガスが行き渡ったと判断してもよい。ステップＳ３において圧縮器２１の除圧を行ったら、本フローを終了して発電を開始する。

上述したように起動制御した場合の燃料電池セル１ａ内の状態を図５に示す。

燃料電池システム停止時には、図５(ａ)に示すような状態となる。つまり、燃料ガス流路１８および燃料極ガス拡散層１４内に空気が充満している状態となる。ステップＳ１において圧縮器２１で圧縮を行うことにより、燃料極ガス拡散層１４は圧縮された状態となり、燃料ガスが供給される以前に燃料極ガス拡散層１４の多孔性が低減される。このような状態で、ステップＳ２において燃料ガス流路１８に燃料ガスを導入すると、図５（ｂ）に示すように、燃料極ガス拡散層１４中に存在する空気と燃料ガスの量が抑制され、燃料極ガス拡散層１４内で水素／空気フロントが形成されるのを抑制することができる。その結果、燃料極触媒層１２に接触する酸素および水素を抑制することができ、（１）式に示すカーボンの腐食反応を抑制することができる。さらに、燃料ガス流路１８内に燃料ガスを満たした後、ステップＳ４において圧縮器２１の除圧を行うことにより、図５（ｃ）に示すように、燃料ガスが燃料極ガス拡散層１４中に同一に、且つ、均一に広がる。この結果、除圧時にも水素／空気フロントが生じるのを抑制することができる。

また、図示しないが、圧縮器２１により燃料電池セル１ａを圧縮することにより酸化剤極ガス拡散層１３も圧縮される。これにより酸化剤極ガス拡散層１３の多孔性が低減されるので、酸化剤極触媒層１１に接触する酸素量を低減することができ、（４）式に示す反応を抑制することにより、酸化剤極のカーボン腐食反応が生じるのを抑制することができる。

次に、システム停止時の制御方法について、図４（ｂ）のフローチャートを用いて説明する。

システム停止指令の信号を検知したら、ステップＳ１１において、圧縮器２１による圧縮を開始する。これにより、ガス拡散層１３、１４内への反応ガスの拡散が阻害され、発電反応がほぼ終了する。次に、ステップＳ１２において、燃料ガスの供給を停止する。ステップＳ１３において、燃料ガス流路１８内の燃料ガスを、パージガス、例えば空気を用いてパージする。パージが終了したら、ステップＳ１４に進み、圧縮器２１の除圧を行う。なお、パージが終了したか否かは、予め実験等によりパージに必要な時間を求めておき、この時間が経過したか否かにより判断することができる。または、燃料ガス流路１８の出口側に水素検知器等を備え、この水素検知器により水素が検知されなくなったら、パージが完了したと判断してもよい。

停止時に、上述したような制御を行った場合の燃料電池セル１ａ内の状態を図６に示す。

燃料電池システム運転時には、図６（ａ）に示すように、燃料ガス流路１８内には燃料ガスが充満した状態となる。ステップＳ１１において圧縮器２１で圧縮を開始することにより、ガス拡散層１４が圧縮されて多孔性が低減される。この状態で、燃料ガスの供給を停止して空気パージを開始すると、図６（ｂ）に示すように燃料極ガス拡散層１４中に存在する空気と水素のそれぞれの量が低減される。その結果、燃料極ガス拡散層１４内に水素／空気フロントが形成されるのを抑制することができ、（１）式に示すようなカーボンの腐食反応を抑制することができる。次に、燃料ガス流路１８内の燃料ガスがパージされてから、ステップＳ１４において圧縮器２１の除圧を行うことにより、図６（ｃ）に示すように、空気が燃料極ガス拡散層１４内に同一に、且つ、均一に広がる。この結果、システム停止時に、カーボンの腐食反応を低減することができる。

また、起動時と同様に、酸化剤極ガス拡散層１３も圧縮されることで、酸化剤極触媒層１１に接触する酸素量を低減することができ、（４）式に示す反応を抑制することができるので、酸化剤極のカーボン腐食反応が生じるのを抑制することができる。

このように、本実施形態では、燃料ガス流路１８内に水素／空気フロントが形成される場合に、ガス拡散層１３、１４を圧縮して触媒層１１、１２に接触する反応ガス量を低減することで、カーボンの腐食反応を抑制する。

次に、本実施形態の効果について説明する。

固体高分子電解質膜１０を狭持する酸化剤極触媒層１１と、燃料極触媒層１２と、酸化剤極触媒層１１に接する酸化剤極ガス拡散層１３と、燃料極触媒層１２に接する燃料極ガス拡散層１４と、酸化剤極ガス拡散層１３との間に酸化剤ガス流路１７を有する酸化剤ガスセパレータ１５と、燃料極ガス拡散層１４との間に燃料ガス流路１８を有する燃料ガスセパレータ１６と、からなる燃料電池セル１ａを一つ以上備える。さらに、少なくともガス拡散層１３、１４を積層方向に圧縮する圧縮器２１と、圧縮器２１による圧縮と除圧を制御するコントローラ２６を備える。燃料ガス流路１８内に水素の存在する領域と酸素が存在する領域とが形成される際に、圧縮器２１により燃料極ガス拡散層１４を圧縮することで、燃料極ガス拡散層１４の多孔性が低減され、燃料極ガス拡散層１４への水素および酸素の拡散を抑制することができる。また、燃料ガス流路１８内に水素の存在する領域と酸素が存在する領域とが形成される際に、圧縮器２１により酸化剤ガス拡散層１３を圧縮することで、酸化剤極ガス拡散層１３の多孔性が低減され、酸化剤極ガス拡散層１３内に含まれる酸素量を低減することができる。その結果、触媒層１１、１２と水素または酸素との接触を抑制し、カーボンの腐食反応を低減することができる。

特に、圧縮器２１により燃料極ガス拡散層１４を圧縮可能に構成する。これにより、導入されるガスが燃料ガス拡散層１４内に拡散し難いので、燃料極ガス拡散層１４内での水素／空気フロントの形成を抑制することができる。

システム起動時に、燃料ガス流路１８への燃料ガス供給前に、圧縮器２１によりガス拡散層１３、１４を圧縮し、燃料ガス供給後、圧縮器２１の圧縮負荷を取り除く。ガス拡散層１３、１４を圧縮した状態においては、ガス拡散層１３、１４の多孔性が失われる。そのため、燃料極ガス拡散層１４中に存在する酸素量が少なくなると同時に、燃料極ガス拡散層１４を圧縮した状態で燃料ガスを供給すると、燃料ガスの燃料極ガス拡散層１４への拡散も抑制される。このため、水素／空気フロントにおけるカーボン腐食を起こす原因となる、燃料極触媒層１２に接する空気および水素のそれぞれの量を減らすことが可能となり、水素／空気フロントの発生を抑制することができる。また、酸化剤極ガス拡散層１３内に含有される酸素量が低減され、（４）式に示す反応を抑制することができるので、カーボンの腐食を生じ難くすることができる。さらに，燃料ガス供給後に圧縮を取り除くことで、燃料ガス拡散層１４内が負圧となり、燃料ガスを燃料ガス拡散層１４平面内に同時かつ均一に分配することができるため、酸化剤極側のカーボン腐食を抑制しつつ、起動することができる。

また、システム停止時には、圧縮器２１によりガス拡散層１３、１４を圧縮してから、燃料ガス流路１８への燃料ガスの供給を停止する。このように、ガス拡散層１３、１４を圧縮して多孔性が低減された状態で燃料ガスの供給を停止するので、ガス拡散層１３、１４中に含まれる燃料ガス量を低減することができる。つまり、触媒層１１、１２に接触する空気および燃料ガス量を低減することができ、発電反応を速やかに停止することができる。

また、システム停止時に、圧縮器２１によりガス拡散層１３、１４を圧縮してから、燃料ガス流路１８への燃料ガスの供給を停止し、その後、燃料ガス流路１８を酸化剤ガスでパージしてから、圧縮器２１の圧縮負荷を取り除く。このように、圧縮器２１で燃料極ガス拡散層１４が圧縮された状態でパージガスとして酸素を含有するガスを供給するので、燃料極ガス拡散層１４内への酸素含有ガスの拡散を抑制することができ、水素／空気フロントが生じるのを抑制することができる。そのため、パージガスとして空気等の酸素含有ガスを用いることができ、パージガスの貯蔵手段や生成手段を備えなくても良いので、システムをコンパクト化することができる。

さらに、ガス拡散層１３、１４を、カーボン繊維からなる布状材質で構成する。これにより、ガス拡散層１３、１４の弾性を向上することができ、圧縮・変形する際に破損が生じるのを抑制しつつ、除圧された際には多孔性を有する燃料極ガス拡散層１３、１４を構成することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。ここでは燃料電池１として、複数の燃料電池セル１ａを積層することにより構成したスタック２を有する場合について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック２の構成を、図７に示す。図７（ａ）に燃料ガスセパレータ１６の表面図を、図７（ｂ）には燃料電池セル１ａを積層した際のスタック２の一部を示す。

図７（ａ）に示すように、燃料ガスセパレータ１６に蛇行形状の燃料ガス流路１８を構成する。また、燃料ガス流路１８に燃料ガスを供給する燃料ガスマニホールド２８ａと、燃料ガス流路１８から燃料ガスを回収する燃料ガスマニホールド２８ｂを備える。燃料ガスマニホールド２８ａ、２８ｂを、スタック２を積層方向に貫通し、積層方向についての変形が可能な弾性体により構成する。

図７（ｂ）に示すように、燃料ガスマニホールド２８ａ内に導入された燃料ガスは、積層方向に流通する際に、それぞれの燃料電池セル１ａに構成された燃料ガス流路１８に分配される。燃料ガスは燃料ガス流路１８を流通する際に、燃料極ガス拡散層１４内部に拡散して発電反応に用いられる。燃料ガス流路１８を流通後、発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料ガスマニホールド２８ｂに回収され、スタック２の外部に排出される。

なお、ここでは酸化剤ガスセパレータ１７については図示しないが、燃料ガスセパレータ１８と略同じ形状に構成する。また、酸化剤ガスとしての空気を、それぞれの燃料電池セル１ａに形成した酸化剤ガス流路１７に分配・回収する酸化剤ガスマニホールド２７ａ、２７ｂについても、積層方向に変形可能な弾性体により構成する。さらに、ここには図示しないが、スタック２の温度調整を行う、または加湿を行うために冷却水や純水を分配・回収するマニホールドを備えた場合には、このマニホールドも積層方向に変形可能な弾性体により構成する。

また、ここでは一つの流路により燃料ガス流路１８を構成しているがこの限りではない。燃料ガスセパレータ１６の表面に複数の並列した流路を構成し、さらに、各流路に燃料ガスを分配・回収するマニホールドを設けることにより燃料ガス流路１８を構成してもよい。さらに、燃料ガス流路１８は蛇行形状に限らず、ストレート形状、インターディジテット形状等、任意の形状とすることができる。

このようなスタック２を用いた燃料電池１の構成を図８に示す。ここでは、スタック２として燃料電池セル１ａを１００セル積層したものを用いる。

第１の実施形態と同様に、スタック２の端部から外部負荷回路に電力を取り出すため、酸化剤極集電板１９、燃料極集電板２０をスタック２の端部に接続する。さらに、集電板１９、２０の外側から絶縁板３４で狭持し、さらにその外側からスタック２を積層方向に貫通する内部締結ロッド３３により、スタック２が一定の厚み以下に維持されるように締結される。

このようなスタック２を、一対のエンドプレート２２、２３間に収容し、エンドプレート２２、２３を締結ロッド２４によって積層方向に一定の厚みを持つように固定する。さらに、スタック２とエンドプレート２２との間に、スタック２を積層方向に圧縮する圧縮器２１を備える。圧縮器２１としては、第１の実施形態と同様に油圧式ジャッキを用いるがこの限りではない。さらに、圧縮器２１を制御するコントローラ２６を備える。コントローラ２６は、圧縮器２１の加圧と除圧を制御する。

また、第１の実施形態と同様に、酸化剤マニホールド２７ａに酸化剤ガスとしての空気を供給するコンプレッサ２０と、燃料ガスマニホールド２８ａに供給する燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵するボンベ３０も備えるが、図８では省略する。

このような燃料電池システムにおいて、第１の実施形態と同様に、起動時には図４（ａ）に示すフロー、停止時には図４（ｂ）に示すフローに従って圧縮器２１を制御する。つまり、起動時には、圧縮器２１により圧縮した状態で燃料ガスを供給し、燃料ガス流路１８に燃料ガスが行き渡ったら除圧する。これにより、各燃料電池セル１ａの燃料極ガス拡散層１４が圧縮されて多孔性が低減された状態で燃料ガスの導入が行われるので、燃料極ガス拡散層１４内に水素／空気フロントが形成されるのを抑制することができる。また、酸化剤極ガス拡散層１３内に存在する酸素量を抑制して、酸化剤極触媒層１１と酸素との接触を抑制することができる。

一方、停止時には、圧縮器２１により圧縮した状態で燃料ガスの供給を停止し、空気によるパージを行う。これにより、各燃料電池セル１ａの燃料極ガス拡散層１４が圧縮されて多孔性が低減された状態で空気が導入されるので、燃料極ガス拡散層１４内に水素／空気フロントが生じるのを抑制することができる。また、酸化剤極ガス拡散層１３内に存在する酸素量を抑制して、酸化剤極触媒層１１と酸素との接触を抑制することができる。

このように、燃料ガス流路１８内に水素／空気フロントが形成される場合に、ガス拡散層１３、１４を圧縮して触媒層１１、１２に接触する反応ガス量を低減することで、カーボンの腐食反応を抑制する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料電池１を、複数の燃料電池セル１ａを積層することにより形成したスタック２により構成し、さらに、スタック２を積層方向に貫通し、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・回収を行うガスマニホールド２７、２８を備える。ここでは、ガスマニホールド２７、２８を弾性体により構成する。これにより、圧縮器２１により圧力を加えた際に、スタック２に変形が生じた場合にも、ガスマニホールド２７、２８の破損を防ぎ、反応ガス漏れが生じるのを防ぐことができる。または、燃料ガスマニホールド２８、酸化剤ガスマニホールド２７を、各燃料電池セル１ａ内において積層方向の変化が可能となるように構成してもよい。つまり、圧縮器２１の加圧により積層方向の変形が生じた際に、積層方向に連通する燃料ガスマニホールド２８や酸化剤ガスマニホールド２７において破損が生じるのを防ぐことができるように構成する。

なお、ここでは酸化剤ガスとして空気を用いているがこの限りではない。その他の酸素含有ガスを用いることもでき、この場合にはパージガスとしてこの酸化剤ガスや空気を用いることができる。

また、圧縮器２１を、燃料電池１内部に備えたがこの限りではなく、燃料電池１外部から加圧を加えるように構成してもよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムに適用することができる。

一般的な燃料電池セルの構成を示す図である。燃料電池セル内でカーボン腐食反応が発生する状態を示す図である。第１の実施形態に用いる燃料電池の構成を示す図である。第１の実施形態における起動時・停止制御のフローチャートである。第１の実施形態における起動時の燃料電池セル内の状態を示す図である。第１の実施形態における停止時の燃料電池セル内の状態を示す図である。第２の実施形態に用いる燃料電池スタックの概略を示す図である。第２の実施形態に用いる燃料電池の構成を示す図である。

符号の説明

１燃料電池
１ａ燃料電池セル
２スタック
１０電解質膜
１１酸化剤極触媒層
１２燃料極触媒層
１３酸化剤極ガス拡散層
１４燃料極ガス拡散層
１５酸化剤ガスセパレータ
１６燃料ガスセパレータ
１７酸化剤ガス流路
１８燃料ガス流路
２１圧縮器
２６コントローラ
２７酸化剤ガスマニホールド
２８燃料ガスマニホールド

Claims

電解質膜を狭持する酸化剤極触媒と、燃料極触媒と、
前記酸化剤極触媒に接する酸化剤極ガス拡散層と、
前記燃料極触媒に接する燃料極ガス拡散層と、
前記酸化剤極ガス拡散層との間に酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガスセパレータと、
前記燃料極ガス拡散層との間に燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、からなる燃料電池セルを一つ以上備え、
さらに、少なくとも前記ガス拡散層を積層方向に圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
システム起動時に、前記燃料ガス流路への燃料ガス供給前に、前記圧縮手段により少なくとも前記ガス拡散層を圧縮し、燃料ガス供給後、前記圧縮手段の圧縮負荷を取り除く請求項１に記載の燃料電池システム。
システム停止時に、前記圧縮手段により少なくとも前記ガス拡散層を圧縮してから、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止する請求項１に記載の燃料電池システム。
システム停止時に、前記圧縮手段により少なくとも前記ガス拡散層を圧縮してから、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止し、その後、前記燃料ガス流路を酸化剤ガスでパージしてから、前記圧縮手段の圧縮負荷を取り除く請求項３に記載の燃料電池システム。
前記圧縮手段により圧縮される少なくとも前記ガス拡散層を、カーボン繊維からなる布状材質で構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池を、複数の前記燃料電池セルを積層することにより形成したスタックにより構成し、
さらに、前記スタックを積層方向に貫通し、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・回収を行うガスマニホールドを備える請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記ガスマニホールドを弾性体により構成する請求項６に記載の燃料電池システム。