JP2005332768A - 固体高分子電解質型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池で生成される生成水中にイオンが溶出するのを抑えることができる固体高分子電解質型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体高分子電解質型燃料電池システムは、固体高分子電解質型燃料電池１から排出された生成水中のイオンをイオン検知センサ４１で検知する。ＥＣＵ４２は、イオン検知センサで検知されるイオンの濃度や排出量が所定値よりも高い場合には、燃料電池１の目標温度をイオン濃度や排出量が所定値以下である場合の目標温度に比べて低下させる。これによって、燃料電池１の固体高分子電解質膜から生成水中にフッ素イオンが溶出するのを抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。

固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)は、電解質に水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜を用いている。ＰＥＦＣに対する負荷、運転状態、その他の条件によって、燃料電池の発電時に生成される生成水中に電解質膜からのフッ素化合物(例えばフッ酸)やフッ素イオンが溶出することがある。フッ素化合物やフッ素イオンは、生成水の排出経路を構成する金属配管から金属イオン(金属配管が例えばステンレス(ＳＵＳ)であれば、Ｆ
ｅ(鉄)，Ｎｉ(ニッケル)，Ｃｒ(クロム)等)が生成水中に溶出する要因の一つとなる。

本発明に関連する先行技術として、冷却水中のイオン濃度が高い場合に、生成水を冷却水に混合して冷却水のイオン濃度を低下させる技術がある(例えば、特許文献１参照)。また、冷却水中のイオン濃度が高いときに、冷却水をイオン交換器に通水させる技術がある(例えば、特許文献２参照)。また、燃料極及び酸化剤極からの生成水中のフッ素イオン濃度を測定することにより故障を検出する技術がある(例えば、特許文献３参照)。
特開２００２−３４３３９０号公報 特開２０００−２０８１５７号公報 特開昭６２−１１５６７０号公報

しかしながら、上述した従来技術では、いずれも生成水中へイオンが溶出することを抑えることについては提案されていない。

本発明の目的は、生成水中へのイオンの溶出を抑えることが可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することである。

本発明は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。

即ち、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池と、
前記固体高分子電解質型燃料電池で生成される生成水に含まれるイオン濃度及び／又はイオン排出量を検出するイオン検出手段と、
前記イオン検出手段により検出されるイオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値よりも高い場合に、前記固体高分子電解質型燃料電池の目標温度を前記イオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値以下である場合の目標温度と比べて低下させる目標温度調整手段とを備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池システムである。

本発明によれば、生成水中のイオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値より高い場合に燃料電池の目標温度が前記イオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値以下である場合の目標温度と比べて下げられる。これによって、燃料電池の固体高分子電解質膜などからのイオンの溶出が低減される。

本発明は、一部が金属配管で構成された前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される燃料ガスの循環経路と、
前記燃料ガスの循環経路に設けられる燃料ガス冷却器と、
前記金属配管を流れる前記生成水を含む燃料ガスの温度が所定温度以下になるように前記冷却器を制御する燃料ガス冷却器制御手段と
をさらに備えるように構成することができる。

このようにすれば、燃料ガスの循環経路に存在する生成水が金属配管と反応して金属イオンが溶出することを抑制することができる。

また、本発明は、一部が金属配管で前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される酸化剤ガスの循環経路と、
前記酸化剤ガスの循環経路に設けられる酸化剤ガス冷却器と、
前記金属配管を流れる前記生成水を含む酸化剤ガスの温度が所定温度以下になるように前記酸化剤ガス冷却器を制御する酸化剤ガス冷却器制御手段と
をさらに備えるように構成することができる。

このようにすれば、酸化剤ガスの循環経路に存在する生成水が金属配管と反応して金属イオンが溶出することを抑制することができる。

本発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池で生成される生成水中にイオンが溶出することを抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明による固体高分子電解質型燃料電池システムの実施形態の構成例を示す図である。図１において、固体高分子電解質型燃料電池(以下、単に「燃料電池」という)１は、複数のセルが積層されてなるセルスタックを備えている。各セルは、固体高分子電解質膜を燃料極(水素極)及び酸化剤極(酸素極)が挟み、これらがさらに水素極側のセパレータ及び酸素極側のセパレータで挟まれることによって構成されている。

燃料極及び酸化剤極は、それぞれ、触媒層と拡散層とを有し、各触媒層は固体高分子電解質膜と接触し、各拡散層はセパレータにそれぞれ接触するように配置される。触媒層は、カーボン粒子に触媒としての白金粒子が担持された構造を持つ。拡散層には、例えばカーボンペーパやカーボンクロスが適用される。

燃料電池１は、燃料入口と燃料出口とを有し、燃料入口と燃料出口との間には、各セルの燃料極を経由する燃料流路が設けられている。燃料極には、燃料ガスとして、水素又は水素リッチな混合ガスが供給される。また、燃料電池１は、酸化剤入口と酸化剤出口とを有し、酸化剤入口と酸化剤出口との間には、各セルの酸化剤極を経由する酸化剤流路が設けられている。酸化剤極には、酸化剤ガスとして、酸素又は酸素を含む混合ガス、例えば空気が供給される。

燃料極に供給された水素は、燃料極を構成する触媒層における酸化反応によりプロトン(水素イオン)と電子とに分離され、水素イオンは固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に移動し、電子は外部回路を通って酸化剤極に移動する。酸化剤極では、酸化剤極を構成する触媒層において、酸素と水素イオンと電子とによる還元反応が行われ水が生成される。このような燃料極及び酸化剤極における酸化及び還元反応の際に外部回路を通る電子(電
荷)が外部回路に接続される負荷に対する電力として使用される。

図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１の燃料極に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系と、燃料電池１を目標温度で運転するために燃料電池１を冷却する冷却系とを備えている。

図１において、燃料供給系は、燃料供給装置２と、燃料供給装置２と燃料電池１に設けられた燃料入口とを結ぶ配管３と、燃料電池１に設けられた燃料出口と冷却器４とを結ぶ配管５と、冷却器４と気液分離器６とを結ぶ配管７と、気液分離器６と循環ポンプ(又は
コンプレッサ)８とを結ぶ配管９と、ポンプ８と配管３とを逆止弁１０を介して接続する
配管１１とを備えている。配管５及び７、並びに配管３，９及び１１の少なくとも一つは、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の配管である。

燃料供給装置２から送り出される燃料ガスは、配管３を通って燃料電池１の燃料極に供給され、燃料極での反応に使用される。燃料極を通過した燃料ガスは、燃料電池１の燃料出口から配管５に排出される。配管５に排出された燃料ガスは、冷却器４で必要に応じて冷却された後、配管７を介して気液分離器６に到達する。気液分離器６で液層成分が除去された燃料ガス６は、循環ポンプ８により配管１１に送出され、再び配管３を通じて燃料電池１の燃料極へ供給される。このようにして、燃料電池１から排出される燃料ガスに含まれる燃料極での反応に使用されなかった残存水素が再び燃料電池１へ供給される水素循環系(燃料ガスの循環経路)が構成されている。

また、図１において、酸化剤供給系は、酸化剤供給装置１２と、酸化剤供給装置１２と燃料電池１に設けられた酸化剤入口とを結ぶ配管１３と、燃料電池１に設けられた酸化剤出口と冷却器１４とを結ぶ配管１５と、冷却器１４と気液分離器１６とを結ぶ配管１７と、気液分離器１６と循環ポンプ(又はコンプレッサ)１８とを結ぶ配管１９と、ポンプ１８と配管１３とを逆止弁２０を介して接続する配管２１とを備えている。配管１５及び１７、並びに配管１３，１９及び２１の少なくとも一つは、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の配管である。

酸化剤供給装置２から送り出される酸化剤ガスは、配管１３を通って燃料電池１の酸化剤極に供給され、酸化剤極での反応に使用される。酸化剤極を通過した酸化剤ガスは、燃料電池１の酸化剤出口から配管１５に排出される。配管１５に排出された酸化剤ガスは、冷却器１４で必要に応じて冷却された後、配管１７を介して気液分離器１６に到達する。気液分離器１６で液層成分が除去された酸化剤ガス１６は、循環ポンプ１８により配管２１に送出され、再び配管１３を通じて燃料電池１の酸化剤極へ供給される。このようにして、燃料電池１から排出された酸化剤ガスに含まれる酸化剤極での反応に使用されなかった残存酸素が再び燃料電池１へ供給される酸素循環系(酸化剤ガスの循環経路)が構成されている。

また、図１において、燃料電池１の冷却系は、次のような構成を備えている。燃料電池１は、冷却水入口と冷却水出口とを有し、冷却水入口と冷却水出口とは燃料電池１の内部を冷却水が流れる冷却水流路で接続されている。冷却水入口は、配管２５を介して循環ポンプ２６の入口と接続されている。冷却水入口は、配管２７を介して冷却水を冷却するラジエータ(熱交換器)２８の入口に接続されている。ラジエータ２８の出口は、配管２９を介して三方弁３０に接続されている。三方弁３０は第１及び第２の入口と出口とを有し、第１の入口は配管２９を介してラジエータ２８の出口に接続され、第２の入口はバイパス管３１を介して配管２７(燃料電池１の冷却水出口)に接続されており、出口は配管３２を介して循環ポンプ２６の入口に接続されている。

このように、燃料電池１の冷却系は、循環ポンプ２６によって燃料電池１へ供給される
冷却水の通路として、ラジエータ２８を経由して循環する第１の循環経路と、バイパス管３１を通ってラジエータ２８を経由することなく循環する第２の循環経路とを有している。そして、冷却系は、第１及び第２の循環経路を流れる冷却水の流量が流量調整手段としての三方弁３０によって調整されるように構成されている。

三方弁３０は、電磁弁を用いて構成されており、三方弁３０を構成する弁の開度は、後述するＥＣＵ４２により、燃料電池１の冷却水出口から排出される冷却水の温度を検知する温度検知センサ３３からの出力信号に基づいて制御される。

ところで、燃料電池１では、酸化剤極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は固体高分子電解質膜を通じて酸化剤極から燃料極に到達する。ここで、固体高分子電解質膜には、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ素化合物(例えばフッ酸)やフッ素イオンが溶出することがある。

燃料極へ到達した生成水は、燃料ガスとともに、燃料電池１の外部(配管５)に排出される。このとき、燃料電池１から排出される生成水中のフッ素化合物やフッ素イオンは、配管５，７等を構成する金属と反応し金属イオン(ステンレスであれば、鉄，ニッケル，ク
ロム等の各イオン)が溶出する要因となる。また、フッ素化合物やフッ素イオンの溶出は
、燃料電池１の温度に依存し、温度が高くなると増加する傾向にある。

上記問題に鑑み、図１に示す燃料電池システムは、イオン検知センサ４１と、制御手段としてのＥＣＵ(Electric Control Unit)４２とを備える。イオン検知センサ４１は、気
液分離器６によって分離された生成水中のフッ素イオンの濃度を検知するフッ素イオン検知センサと、生成水中の金属イオンの濃度を検知する金属イオン検知センサと、生成水の排出流量を検知する流量検知センサとを備えている。

フッ素イオン検知センサは、例えばイオン電極法を用いて生成水中のフッ素イオン濃度を検知する。金属イオン検知センサは、例えば原子吸光法を用いて生成水中の金属イオン濃度を検知する。イオン検知センサ４１を構成する各センサの出力信号は、ＥＣＵ４２に与えられる。

ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)，メモリ，入出力インタフェース等
を用いて構成されており、ＣＰＵがメモリに格納された制御プログラムを実行することによって、イオン検知センサ４１からのセンサ出力に基づく生成水中の第１のイオン溶出低減処理を行う。

図２は、ＥＣＵ４２によって実行される第１のイオン溶出低減処理の例を示すフローチャートである。図２に示す処理は、例えば、燃料電池１が起動されることによって開始する。図２に示す処理が開始されると、ＥＣＵ４２は、燃料電池１の目標温度を初期化する(Ｓ０１)。即ち、ＥＣＵ４２は、燃料電池１の温度が目標温度初期値(例えば発電性能や
冷却性能等に基づいて規定される)になり、その後は、目標温度初期値が維持されるよう
に、温度検知センサ３３から得られる冷却水の温度を参照しつつ、三方弁３０の動作を制御する。

次に、ＥＣＵ４２は、単位時間あたりのイオン濃度を検出する(Ｓ０２)。即ち、ＥＣＵ４２は、イオン検知センサ４１からのセンサ出力を得て、フッ素イオン検知センサで検知されたフッ素イオン濃度と、金属イオン検知センサで検知された金属イオン濃度とを検出する。

次に、ＥＣＵ４２は、単位時間あたりのイオン排出量を検出する(Ｓ０３)。即ち、ＥＣ
Ｕ４２は、ステップＳ０２で得られたフッ素イオン濃度と、金属イオン濃度と、イオン検知センサ４１からのセンサ出力に含まれる生成水の排出量とを用いて、フッ素イオン排出量と金属イオン排出量とをそれぞれ求める。

次に、ＥＣＵ４２は、イオン濃度が所定の濃度規定値以上か否かを判定する(Ｓ０４)。即ち、ＥＣＵ４２は、フッ素イオン濃度及び金属イオン濃度がそれぞれに対して用意された濃度規定値(本発明の「所定値」に相当)以上か否かを判定する。このとき、フッ素イオン濃度及び金属イオン濃度の少なくとも一方が濃度規定値以上であれば(Ｓ０４；Ｙｅｓ)、処理をステップＳ０６に進め、そうでなければ(Ｓ０４；Ｎｏ)、処理をステップＳ０５に進める。

ステップＳ０５では、ＥＣＵ４２は、イオン排出量が所定の排出量規定値以上か否かを判定する(Ｓ０５)。即ち、ＥＣＵ４２は、フッ素イオン排出量及び金属イオン排出量がそれぞれに対して用意された排出量規定値(本発明の「所定値」に相当)以上か否かを判定する。このとき、フッ素イオン排出量及び金属イオン排出量の少なくとも一方が排出量規定値以上であれば(Ｓ０５；Ｙｅｓ)、処理をステップＳ０６に進め、そうでなければ(Ｓ０
５；Ｎｏ)、処理をステップＳ０２に戻す。

ステップＳ０６では、ＥＣＵ４２は、燃料電池１の目標温度を変更する(低下させる)。即ち、ＥＣＵ４２は、ラジエータ２８に制御信号を与えて、ラジエータ２８が備えるファンの回転数を増加させる。また、ＥＣＵ４２は、可能であれば、三方弁３０に制御信号を与え、ラジエータ２８を流れる冷却水の量を増加させる。このようにして、ＥＣＵ４２は、冷却水の温度を下げて、燃料電池１が目標温度初期値よりも低い目標温度で発電を行うようにラジエータ２８及び三方弁３０の動作を制御する。

この変更後の目標温度は、固体高分子電解質膜からのフッ素の溶出を抑えることができると認められる温度(イオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値以下である場合の目標
温度)で設定することができる。ここに、変更後の目標温度は、燃料電池１の目標温度が
イオン濃度や排出量が所定値以下である場合の或る目標温度になるように設定しても良く、イオン濃度や排出量が所定値以下である場合の目標温度の範囲において、或る目標温度よりも高い又は低い目標温度になるように設定しても良い。

ステップＳ０７では、ＥＣＵ４２は、イオン検知センサ４１で検知される単位時間あたりのイオン濃度(フッ素イオン濃度及び金属イオン濃度)が濃度規定値未満か否かを判定し、そうであれば(Ｓ０７；Ｙｅｓ)、当該処理を終了し、そうでなければ(Ｓ０７；Ｎｏ)、処理をステップＳ０８に進める。

ステップＳ０８では、ＥＣＵ４２は、イオン検知センサ４１で検知される単位時間あたりのイオン排出量(フッ素イオン排出量及び金属イオン排出量)が排出量規定値未満か否かを判定し、そうであれば(Ｓ０８；Ｙｅｓ)、当該処理を終了し、そうでなければ(Ｓ０８
；Ｎｏ)、処理をステップＳ０６に戻す。

なお、二巡目以降のステップＳ０６は、処理をスルーとして一回目のＳ０６で変更された目標温度による運転が継続されるようにしても良く、前回のステップＳ０６で設定した目標温度よりもさらに低い目標温度が設定されるようにしても良い。即ち、目標温度を急速に低下させても良く、徐々に又は次第に低下するようにしても良い。

第１のイオン溶出低減処理が終了すると、ＥＣＵ４２が燃料電池１の目標温度を目標温度初期値に戻すように構成することが可能である。この場合、燃料電池１の温度の上昇によって、短い時間でイオン濃度やイオン排出量が目標温度を変更する規定値以上に成らな
いように、ステップＳ０７やＳ０８で使用される規定値は、ステップＳ０４やＳ０５で使用される規定値よりも低く設定されるのが好ましい。もちろん、ステップＳ０７やＳ０８で使用される規定値はステップＳ０４やＳ０５で使用される規定値と同じであっても良い。

以上のような第１のイオン溶出低減処理において、ＥＣＵ４２は、イオン検知センサ４１とともにイオン検出手段として機能し、且つ燃料電池１の目標温度調整手段として機能し、イオン濃度(フッ素イオン濃度及び金属イオン濃度)と、イオン排出量(フッ素イオン
排出量及び金属イオン排出量)との一方が対応する規定値以上である場合に、イオン濃度
や排出量が規定値以下になるように燃料電池１の目標温度を低下させる(目標温度を低い
温度に変更する)。即ち、燃料電池１の目標温度をイオン濃度や排出量が規定値以下であ
る場合の目標温度に変更することで、イオン濃度や排出量が規定値よりも高い場合の目標温度をイオン濃度や排出量が規定値以下である場合の目標温度と比べて低下させる。

これによって、燃料電池１の温度が低下し、燃料電池１の固体高分子電解質膜からのフッ素イオンやフッ素化合物の溶出が抑制される。フッ素イオンやフッ素化合物の溶出が抑制されることで、これらの燃料電池１からの排出量が減少し、これらと金属配管との反応量が低減する。これによって、金属イオンの溶出も抑制される。したがって、生成水に含まれるイオンの低減を図ることができる。

第１のイオン溶出低減処理は、次のような変形が可能である。即ち、第１のイオン溶出低減処理は、イオン濃度に係る処理(ステップＳ０２，Ｓ０４，及びＳ０７)と、イオン排出量に係る処理(ステップＳ０３，Ｓ０５，Ｓ０８)との双方を行うようにしているが、一方のみが行われるようにしても良い。イオン濃度に係る処理が省略される場合には、図２のステップＳ０４及びＳ０７が省略される。

一方、イオン排出量に係る処理が省略される場合には、図２のステップＳ０５及びＳ０８が省略され、且つステップＳ０４及びＳ０７のＮｏ判定において、処理がそれぞれステップＳ０２、Ｓ０６に戻るように変形される。イオン排出量に係る処理が省略される場合には、イオン検知センサ４１から流量検知センサを省略することができる。

また、第１のイオン溶出低減処理は、イオン濃度及びイオン排出量の双方が規定値以上であることを条件として目標温度が変更されるように変形することができる。この場合、例えば、図２のステップＳ０４のＹｅｓ判定で処理がステップＳ０２に戻るように変形される。さらに、ステップＳ０７のＹｅｓ判定において、処理がステップＳ０６に戻るように変形することもできる。

また、第１のイオン溶出低減処理は、フッ素イオン及び金属イオンの濃度や排出量を対象としているが、フッ素イオンと金属イオンとの一方のみを対象とするように変形することができる。

また、第１のイオン溶出低減処理は、単位時間あたりのイオン濃度やイオン排出量の累計値の一方又は双方がそれぞれの累計値に対応する規定値以上になった場合に、燃料電池１の目標温度を低下させるように構成されていても良い。

ところで、外気温が高い地域での高負荷定常運転等、燃料電池１の運転条件によっては冷却水による冷却能力が足りず、燃料電池１の温度が一時的に目標温度を超えてしまうことがある。図１に示す燃料電池システムは、燃料ガスが燃料電池１を経由して循環する水素循環系を有している。燃料電池１の温度が高温になると、水素循環系を循環する燃料ガスの温度も高くなる。すると、燃料電池１から排出される燃料ガス中の生成水に含まれる
フッ素化合物やフッ素イオンが水素循環系を構成する配管５，７等の金属配管と反応する速度が速くなる。これによって、単位時間あたりの金属イオンの溶出量が多くなる可能性がある。

このような問題に鑑み、図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１から排出される燃料ガスの温度を検知する温度検知センサ４３と、燃料電池１から排出される燃料ガスを冷却する燃料ガス冷却器としての冷却器４と、冷却器４により冷却された燃料ガスの温度を検知する温度検知センサ４４と、温度検知センサ４３及び４４とともに燃料ガス冷却器制御手段として機能し、冷却器４の動作を制御するＥＣＵ４２とを備えている。

ＥＣＵ４２は、ＣＰＵによるプログラムの実行によって、温度検知センサ４３及び４４からの燃料ガスの温度を示すセンサ出力信号に基づいて冷却器４の動作を制御する第２のイオン溶出低減処理を行う。

図３は、ＥＣＵ４２による第２のイオン溶出低減処理の例を示すフローチャートである。第２のイオン溶出低減処理は、例えば、燃料電池１の起動によって開始される。当該処理の開始時では、冷却器４は停止状態(オフ状態)にある。

第２のイオン溶出低減処理が開始すると、ＥＣＵ４２は、燃料電池１の目標温度の初期化を行う(Ｓ１１)。即ち、ＥＣＵ４２は、目標温度初期値で燃料電池１が運転されるように、三方弁３０の制御を行う。

次に、ＥＣＵ４２は、温度検知センサ４３で検知される燃料ガスの温度(温度Ｔ１)を検出する(Ｓ１２)。続いて、ＥＣＵ４２は、温度Ｔ１が所定の第１の温度規定値(規定値１)以上か否かを判定する(Ｓ１３)。このとき、温度Ｔ１が規定値１以上であれば(Ｓ１３；
Ｙｅｓ)、ＥＣＵ４２は処理をステップＳ１４に進め、そうでなければ(Ｓ１３；Ｎｏ)、
処理をステップＳ１２に戻す。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ４２は、冷却器４に作動信号を与えて冷却器４を作動状態(オン状態)にする。そして、ＥＣＵ４２は、燃料ガスの温度が所定の燃料ガス目標温度に低下するように、冷却器４を制御する。

即ち、ＥＣＵ４２は、温度検知センサ４４で検知される燃料ガスの温度(温度Ｔ２)が所定の第２の温度規定値(規定値２)未満か否かを判断し(Ｓ１５)、温度Ｔ２が規定値２未満になるまで冷却器４による冷却動作を継続させる(Ｓ１４〜Ｓ１５のループ処理)。温度Ｔ２が規定値２未満になると(Ｓ１５；Ｙｅｓ)、冷却器４をオフにする(Ｓ１６)。その後、当該処理が終了する。

第２のイオン溶出低減処理によると、ＥＣＵ４２は、燃料電池１から排出される燃料ガスの温度が規定値１以上になると、冷却器４を作動させて燃料ガスの冷却を行い、水素循環系を流れる燃料ガスの温度が目標温度まで低下するように制御を行う。水素循環系を流れる燃料ガスの温度が低下することで、水素循環系に存在するフッ素化合物やフッ素イオンと配管５，７等を構成する金属との反応速度を抑えることができる。これによって、金属イオンの溶出量の低減を図ることができる。

また、金属イオンが燃料ガスの循環によって燃料電池１に侵入すると、フッ素イオンやフッ素化合物の溶出量が増えることがある。これに対し、第２のイオン溶出低減処理によれば、フッ素化合物やフッ素イオンと金属との反応速度を抑制することで、金属イオンの溶出を抑制するので、金属イオンが循環する燃料ガスとともに燃料電池１に侵入することを抑制することができる。

なお、第２のイオン溶出低減処理は、第１のイオン溶出低減処理から独立に行われる。但し、ステップＳ１１の処理を、図２のステップＳ０１の処理と共通化することができる。また、図３では、第２のイオン溶出低減処理は、ステップＳ１６の後で終了するように構成されているが、その後、処理がステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２とＳ１３のループ処理が継続されるようにしても良い。また、冷却器４は、できるだけ燃料電池１の燃料出口の近くに設けられるようにするのが好ましい。

上述した第１及び第２のイオン溶出低減処理に係る構成は、酸化剤極で生成された生成水が固体高分子電解質膜を通って燃料極に移動するときに、生成水中にフッ素化合物やフッ素イオンが溶出することに着目してなされたものである。ここで、燃料極での反応により固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に移動する水素イオンは、水と一体になって酸化剤極に移動することが知られている。したがって、フッ素化合物やフッ素イオンが溶出した生成水が、酸化剤極に到達し、酸化剤ガスとともに燃料電池１の外部(配管１５)に排出され、金属製の配管１５や１７と反応して金属イオンが溶出する可能性がある。また、燃料電池１の温度上昇に伴って酸素循環系を循環する酸化剤ガスの温度が上昇し、フッ素化合物やフッ素イオンと金属(例えば配管１５，１７)との反応速度が速まることで、金属イオンの溶出量が増加する可能性もある。

この問題に対し、図１に示すように、酸素循環系に配置された気液分離器１６で分離された生成水中のイオンを検知するイオン検知センサ５１と、燃料電池１から排出された酸化剤ガスの温度を検知する温度検知センサ５３と、酸化剤ガスを冷却する冷却器１４と、冷却器４で冷却された酸化剤ガスの温度を検知する温度検知センサ５４とを用意する。これらは、水素循環系に設けられたイオン検知センサ４１，冷却器４，温度検知センサ４３及び４４と同じ構成を適用することができる。そして、ＥＣＵ４２が、上述した第１及び第２のイオン溶出低減処理と同様の処理をイオン検知センサ５１，冷却器１４，温度検知センサ５３及び５４を用いて行うように構成することができる。

即ち、ＥＣＵ４２がイオン検知センサ５１とともにイオン検出手段として機能し、且つ目標温度調整手段として機能したり、温度検知センサ５３及び５４とともに、酸化剤ガス冷却器としての冷却器１４の動作を制御する酸化剤ガス冷却器制御手段として機能したりすることによって、金属イオンの溶出量を低減でき、酸素循環系を通じて金属イオンが燃料電池１の内部に侵入することを防止することができる。

但し、本発明は、燃料供給系と酸化剤供給系との双方に上述したような構成を持つことが必須の要件となるものではない。上記した生成水と金属との反応速度を抑える構成は、燃料供給系と酸化剤供給系との一方のみに設けることができる。

上述した実施形態の構成は、本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることができる。

図１は、本発明による燃料電池システムの実施形態の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施形態における第１のイオン溶出低減処理の例を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施形態における第２のイオン溶出低減処理の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 固体高分子電解質型燃料電池
４，１４ 冷却器
２８ ラジエータ
３０ 三方弁
４１，５１ イオン検知センサ
４２ ＥＣＵ
３３，４３，４４，５３，５４ 温度検知センサ

Claims (3)

1. 固体高分子電解質型燃料電池と、
   前記固体高分子電解質型燃料電池で生成される生成水に含まれるイオン濃度及び／又はイオン排出量を検出するイオン検出手段と、
   前記イオン検出手段により検出されるイオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値よりも高い場合に、前記固体高分子電解質型燃料電池の目標温度を前記イオン濃度及び／又はイオン排出量が所定値以下である場合の目標温度と比べて低下させる目標温度調整手段とを備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池システム。
2. 一部が金属配管で構成された前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される燃料ガスの循環経路と、
   前記燃料ガスの循環経路に設けられる燃料ガス冷却器と、
   前記金属配管を流れる前記生成水を含む燃料ガスの温度が所定温度以下になるように前記冷却器を制御する燃料ガス冷却器制御手段と
   をさらに備える請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
3. 一部が金属配管で構成された前記固体高分子電解質型燃料電池に供給される酸化剤ガスの循環経路と、
   前記酸化剤ガスの循環経路に設けられる酸化剤ガス冷却器と、
   前記金属配管を流れる前記生成水を含む酸化剤ガスの温度が所定温度以下になるように前記酸化剤ガス冷却器を制御する酸化剤ガス冷却器制御手段と
   をさらに備える請求項１又は２記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。

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