JP2006107908A

JP2006107908A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006107908A
Application number: JP2004292444A
Authority: JP
Inventors: Souhei Suga; 創平須賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】自動車等の移動体に利用される燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時における劣化を防止する。
【解決手段】燃料電池システム１は、固体高分子電解質膜３１を挟んで触媒層３２、３３を形成した膜電極接合体と、触媒層３２、３３に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス拡散層３４、３５と、ガス拡散層３４、３５に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するセパレータ３７、３９とを積層して形成された単位セル２を備えており、電動ジャッキ４９が単位セル２の積層方向に圧力を印加して触媒層３２、３３及びガス拡散層３４、３５からの水分をセパレータ３７、３９のガス流路３６、３８に排出し、この水分をドライガスパージによって除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の停止時における劣化を防止する燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとしては、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を燃料極及び酸化剤極とで挟持するように配置して単セルを構成し、この単セルを複数個積層することによって燃料電池本体（スタック）を構成していた。このような燃料電池システムでは、例えば高圧の水素ボンベを水素供給源として利用し、燃料極を備えた燃料極側ガス流路に燃料としての水素を供給する一方で、酸化剤極を備えた酸化剤極側ガス流路には酸化剤としての空気を例えばコンプレッサもしくはブロアを利用することによって大気から供給している。燃料極と酸化剤極には反応を促進するために白金（Ｐｔ）等の貴金属を主とした触媒層が形成されており、燃料極においては
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・・・・（１）
という反応を起こし、燃料としての水素が水素イオンと電子に分離される。水素イオンは高分子電解質膜の内部を拡散して酸化剤極に到達し、電子は外部回路を流れ燃料電池の出力として取り出される。

一方、酸化剤極においては、燃料極から高分子電解質膜中を拡散してきた水素イオンと、燃料極から外部回路を通じて移動してきた電子と、空気中の酸素とによって酸化剤極の触媒層中に形成されている三相界面上において
２Ｈ⁺＋¹/₂Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・・・・（２）
の反応により水が生成される。

この種の燃料電池を移動体、例えば自動車用の動力源として活用するときにおいては、起動及び停止が頻繁に行われることになる。燃料電池停止中においては当然のことながら燃料極、酸化剤極ともに供給されるべき燃料（水素）及び空気の供給が停止した状態で放置されることになる。従来の停止操作手順としては燃料極中の残留水素を強制的に排気するために空気や窒素等の不活性ガスでパージする方法や、燃料極中の残留水素を酸素等と反応させて消費するなどの停止方法があるが、いずれの場合においても長時間の停止中には燃料極にも大気が侵入して燃料極中に酸素（空気）が存在する状態になるのが一般的である。

この状態、すなわち燃料極と酸化剤極の両方に空気が混入した状態からシステムを起動させる場合において、燃料極側ガス流路に水素を供給し始めた初期の段階では、燃料極側ガス流路及び酸化剤極側ガス流路は一時的に図１３に示すような状態にさらされることになる。この場合に、燃料極に水素が供給されてい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以上の電位が生じる。このとき燃料極側の水素と空気の界面（以後、水素／空気フロントと呼ぶ）を境に燃料極側の空気存在領域に対向する酸化剤極においては
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・・・・（３）
という反応が起こることで、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の酸化が起こり、酸化剤極の電極触媒層性能が劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このことは米国特許ＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＮｏ．２００２／００７６５８２Ａ１でも指摘されている（特許文献１）。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・・・・・・（４）
の反応が起こり水を生成している。
ＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＮｏ．２００２／００７６５８２Ａ１

上述したように、従来の燃料電池においては、停止時にアノード側に水素、カソード側に空気を残した状態で停止することになるため、カソードが高電位に保持され触媒層が劣化してしまうという課題があった。

また、アノード側とカソード側の両方に水素を保持することによって劣化を抑制することも可能ではあるが、保管時間が長い場合や安全性の面において自動車用等の小型分散型電源としては適さない。

さらに、このような課題を解決するために、燃料電池停止後にアノード側を空気でパージする方法も考えられるが、起動時には水素フロントが発生して酸化剤極の触媒層が劣化してしまうという課題があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータとを積層して形成された燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の積層方向に圧力を印加して変化させる荷重可変手段と、前記酸化剤極セパレータ及び前記燃料極セパレータに酸化剤を供給してドライガスパージを行うガスパージ手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、荷重可変手段が圧力を印加することによって触媒層及びガス拡散層から水を排出し、ガスパージ手段がドライガスパージを実施することによってセパレータから水を除去するので、燃料電池内を乾燥状態にすることができ、これによって燃料電池の停止時における劣化を防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態となる実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料電池の単位セル２と、この単位セル２に酸化剤を供給し、ガスパージを実施する酸化剤コンプレッサ（ガスパージ手段）３と、供給される酸化剤に湿度を与える加湿装置４と、加湿装置４で与えられる酸化剤への湿度をコントロールする加湿装置切り替え弁５と、酸化剤コンプレッサ３から単位セル２に酸化剤を供給する酸化剤供給配管６と、単位セル２に燃料を供給する燃料供給装置７と、単位セル２への燃料の供給をコントロールする燃料供給弁８と、燃料供給装置７から単位セル２に燃料を供給する燃料供給配管９と、単位セル２の燃料極に供給される酸化剤をコントロールする燃料極用酸化剤供給弁１０と、酸化剤供給配管６と燃料供給配管９とを接続する燃料極用酸化剤供給配管１１と、単位セル２からの燃料の排気をコントロールする燃料排気弁１２と、単位セル２から燃料を排気する燃料排気配管１３と、単位セル２から排気された燃料を供給側に循環させる燃料循環ポンプ１４と、燃料排気配管１３から燃料供給配管９へと燃料を循環させる燃料循環配管１５と、単位セル２からの酸化剤の排気をコントロールする酸化剤排気弁１６と、単位セル２から酸化剤を排気する酸化剤排気配管１７と、単位セル２に電力を供給する電源１８とを備えており、単位セル２は発電した電力を可変負荷装置１９に供給し、供給される電力の電圧は電圧センサ２０で監視されている。

また、燃料電池システム１の制御はコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）２１によって処理されている。

このように構成された燃料電池システム１において、燃料電池の単位セル２は、燃料が供給される燃料極および酸化剤が供給される酸化剤極を備えており、燃料は燃料供給装置７から燃料供給弁８を通じて燃料供給配管９により燃料極に供給される。

一方、酸化剤は酸化剤コンプレッサ３から酸化剤供給配管６により酸化剤極に供給されている。なお、酸化剤の供給量を調節するための装置を酸化剤供給配管６に配置してもよい。また、酸化剤供給配管６には、加湿装置切り替え弁５が設置されており、加湿装置４による酸化剤への加湿と無加湿が切り替えられている。

こうして供給された燃料と酸化剤とは、単位セル２で反応して電力を発生し、この電力は可変負荷装置１９に供給される。

そして、燃料電池の単位セル２の燃料極を通過した燃料は、燃料排気弁１２が開いている場合には燃料排気配管１３を通じて、燃料濃度を安全範囲に抑えた後に外気に排出され、燃料排気弁１２が閉じている場合には燃料循環ポンプ１４によって燃料循環配管１５に供給され、燃料供給配管９を通じて再び単位セル２の燃料極に供給される。なお、燃料排気弁１２の開度をコントロールすることによって、燃料ガスの排気量と再循環量を制御することが可能である。

一方、単位セル２の酸化剤極を通過した酸化剤は、酸化剤排気配管１７を通じて外気に排出される。

また、酸化剤供給配管６と燃料供給配管９とをつなぐ燃料極用酸化剤供給配管１１には、酸化剤ガスを遮断するための燃料極用酸化剤供給弁１０が配置されている。

次に、図１で示した燃料電池の単位セル２の詳細な構成を図２に基づいて説明する。図２は本実施例に係る燃料電池の単位セル２の構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施例の燃料電池の単位セル２は、固体高分子電解質膜３１の両面に、それぞれカソード触媒層３２とアノード触媒層３３とが形成されている。カソード触媒層３２に接してカソードガス拡散層３４、アノード触媒層３３に接してアノードガス拡散層３５がそれぞれ積層されている。さらに、その外側にはカソードガス流路３６を有するカソードセパレータ３７、アノードガス流路３８を有するアノードセパレータ３９がそれぞれ積層されている。

固体高分子電解質膜３１、両極触媒層３２、３３、両極ガス拡散層３４、３５の外周はエッジシール４０によって被覆され、このエッジシール４０は絶縁されており、両極セパレータ３７、３９と接するように配置されて燃料電池の単位セル２を構成している。

この燃料電池の単位セル２の外側には、カソードセパレータ３７の外面にカソード集電板４１が配置され、アノードセパレータ３９の外面にアノード集電板４２が配置されている。

さらに、各集電板４１、４２の外側にはカソードエンドプレート４３とアノードエンドプレート４４がそれぞれ配置されている。

また、カソード側にはカソードガスを供給するカソード入口４５と、カソードガスを排出するカソード出口４６が配置され、アノード側にはアノードガスを供給するアノード入口４７と、アノードガスを排出するアノード出口４８が配置されている。

アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層３４は、例えばカーボンペーパーやカーボンフェルト等の導電性かつ多孔質の耐酸性物質を薄板状に成形したものに撥水処理を施して用いられている。本発明においては少なくともカソードガス拡散層３４は、その厚さ方向に印加される圧力（面圧）の増減に対して示す弾性が大きい方が好ましい。即ちカソードガス拡散層３４は、面圧が増加すると、圧縮して気孔率が低下し、逆に面圧が低減すると、膨張して気孔率が増加するような特性を有するものとする。

さらに、燃料電池の単位セル２の上部には、少なくともカソードガス拡散層（酸化剤ガス拡散層）３４に対して、積層方向に圧力を印加して変化させる圧力可変手段としての電動ジャッキ４９が上部フレーム５０に設置されている。この電動ジャッキ４９は、燃料電池の単位セル２の上下に配置された各フレーム５０、５１とガイド５２によって、積層方向に可動するように設置されている。

この電動ジャッキ４９によって単位セル２に印加された積層方向への面圧は、アノードエンドプレート４４の下部に設置された圧力センサ５３によって検出されている。また、積層方向の変位量についてはカソードエンドプレート４３の上部に設置された歪ゲージセンサ５４によって検出されている。

また、可変負荷装置１９は、単位セル２から可変負荷装置１９に供給される電圧値及び電流値を検出するとともに、可変負荷装置１９内部に設けられた交流電源及び交流インピーダンス測定器によって単位セル２の内部抵抗を交流信号によって検出する。そして、検出された電圧、電流、内部抵抗のデータは、コントロールユニット２１によって収集されて単位セル２の保水量が推定され、この推定に基づいて圧力可変手段である電動ジャッキ４９により単位セル２の積層方向に圧力を印加する。

さらに、圧力センサ５３及び歪ゲージセンサ５４により得られた面荷重と変位量とのデータを、予めデータベースに格納されているデータと比較して電動ジャッキ４９を制御し、単位セル２に印加される圧力を変化させることによってアノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層３４の内部の水分を排出するように制御する。

次に、本実施例に係る燃料電池システム１による操作停止時における制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。

図３に示すように、まず燃料電池の単位セル２を停止させて停止操作が開始されると、コントロールユニット２１は予め設定された積層方向の変位（基準位置）に電動ジャッキ４９が位置するように制御する。そして、可変負荷装置１９で検出された基準位置における内部抵抗を収集し、予めデータベースに格納されている基準位置における内部抵抗と電極含水量との関係を示す図４のデータに基づいて電極含水量を算出する。図４に示すように、電極含水量は基準位置における内部抵抗が大きくなるのにしたがって上昇していき、ある一定値に無限に近づいていくような特性をもつ。

こうして基準位置における内部抵抗に基づいて電極含水量を算出すると、コントロールユニット２１は、加湿装置切り替え弁５を、酸化剤コンプレッサ３から酸化剤供給配管６へと接続するように開弁操作を行い、さらに酸化剤排気弁１６を開くことにより、酸化剤コンプレッサ３から無加湿の酸化剤を単位セル２の酸化剤極に導入してカソードドライガスパージを開始する（Ｓ１０１）。

次に、コントロールユニット２１は、現在の含水量が目標含水量となるように、予めデータベースに格納されている基準位置からの変位と水除去率との関係を示す図５のデータに基づいて基準位置からの変位を決定する。図５に示すように、水除去率は基準位置からの変位が大きくなるのにしたがって上昇していき、ある一定値に無限に近づいていくような特性をもつ。

そして、基準位置からの変位が決定したら、次にコントロールユニット２１は予めデータベースに格納されている基準位置からの変位と面荷重との関係を示す図６のデータに基づいて面荷重を決定する。図６に示すように、面荷重は変位が大きくなるにしたがって無限に大きくなるのに対して、変位はある一定値よりは大きくならない特性をもつ。

こうして基準位置からの変位と面荷重とが決定すると、コントロールユニット２１は電動ジャッキ４９による積層方向への圧縮を開始する（Ｓ１０２）。

そして、目標とする基準位置からの変位に達したところで、０．１秒から１０秒以下の範囲で電動ジャッキ４９を保持し、このときの内部抵抗を検出する。コントロールユニット２１は、検出された内部抵抗によりデータベースに格納されている基準位置からの変位と理想乾燥状態における内部抵抗との関係を示す図７のデータに基づいて理想乾燥状態に達したか否かを判定する。図７に示すように、理想乾燥状態における内部抵抗は、基準位置からの変位が大きくなるにしたがって大きくなっていき、ある一定値に無限に近づいていくような特性をもつ。

ここで、理想乾燥状態に達していないと判定されたときには、ステップＳ１０２における圧縮操作を繰り返し行い、理想乾燥状態に達したと判定されたときには単位セルを圧縮した状態に保持したままで圧縮を終了する（Ｓ１０３）。

続いて、コントロールユニット２１は酸化剤排気弁１６を閉じてカソードドライガスパージを終了させ（Ｓ１０４）、次に燃料極用酸化剤供給弁１０を開いて無加湿の酸化剤を０．１秒から６０秒以下の間、単位セル２の燃料極に供給してアノードドライガスパージを開始する（Ｓ１０５）。

そして、所定時間が経過すると、コントロールユニット２１は、酸化剤コンプレッサ３を停止し、電動ジャッキ４９を運転時における変位に戻してアノードドライガスパージを終了して（Ｓ１０６）、本実施例の燃料電池システム１による操作停止時における制御処理を終了する。

次に、本実施例に係る燃料電池システム１による起動操作開始時における制御処理を図８のフローチャートに基づいて説明する。

図８に示すように、まず燃料電池の単位セル２を起動させて起動操作が開始されると、コントロールユニット２１は予め設定された積層方向の変位（基準位置）に電動ジャッキ４９が位置するように制御する。そして、可変負荷装置１９で検出された基準位置における内部抵抗のデータを収集し、予めデータベースに格納されている基準位置における内部抵抗と電極含水量との関係を示す図４のデータに基づいて電極含水量を算出する。

そして、この電極含水量が算出されると、コントロールユニット２１は、加湿装置切り替え弁５を、酸化剤コンプレッサ３から酸化剤供給配管６へと接続するように開弁操作を行い、さらに酸化剤排気弁１６を開くことにより、酸化剤コンプレッサ３から無加湿の酸化剤を単位セル２の酸化剤極に導入してカソードドライガスパージを開始する（Ｓ２０１）。

次に、コントロールユニット２１は、現在の含水量が目標含水量となるように、予めデータベースに格納されている基準位置からの変位と水除去率との関係を示す図５のデータに基づいて基準位置からの変位を決定する。

そして、基準位置からの変位が決定したら、次にコントロールユニット２１は予めデータベースに格納されている基準位置からの変位と面荷重との関係を示す図６のデータに基づいて面荷重を決定する。

こうして基準位置からの変位と面荷重とが決定すると、コントロールユニット２１は電動ジャッキ４９による積層方向への圧縮を開始する（Ｓ２０２）。

そして、目標とする基準位置からの変位に達したところで、０．１秒から１０秒以下の範囲で電動ジャッキ４９を保持し、このときの内部抵抗を検出する。コントロールユニット２１は、検出された内部抵抗によりデータベースに格納されている基準位置からの変位と理想乾燥状態における内部抵抗との関係を示す図７のデータに基づいて理想乾燥状態に達したか否かを判定する。ここで、理想乾燥状態に達していないと判定されたときには、ステップＳ２０２における圧縮操作を繰り返し行い、理想乾燥状態に達したと判定されたときには単位セルを圧縮した状態に保持したままで圧縮を終了する（Ｓ２０３）。

続いて、コントロールユニット２１は酸化剤排気弁１６を閉じてカソードドライガスパージを終了させ（Ｓ２０４）、次に燃料循環ポンプ１４を稼動し、燃料供給弁８を開いて燃料供給装置７から単位セル２の燃料極に燃料を供給してアノードの水素置換を開始する（Ｓ２０５）。このとき、コントロールユニット２１は、燃料極と酸化剤極との差圧が５０ｋＰａ以下となるように、酸化剤コンプレッサ３と燃料供給弁８とをコントロールする。

そして、コントロールユニット２１は、燃料極、酸化剤極ともに運転圧力に達した時点で燃料供給弁８を閉じ、同時に酸化剤コンプレッサ３を停止してアノードの水素置換を終了し（Ｓ２０６）、本実施例の燃料電池システム１による起動操作開始時における制御処理を終了する。

次に、本実施例の燃料電池システム１による効果について説明する。

まず、本発明者は実験によって水素／空気フロントによる劣化は低湿度にするほど抑制することができるという結果を得た。この実験結果を図９に示す。図９は、アノードガス置換直前のセル抵抗とガス置換後のカソード二酸化炭素排出量との関係を示したもので、アノード極及びカソード極ともに空気ガスにより置換されている状態からアノード極に水素ガスを導入し、ガス置換した際の二酸化炭素発生量を測定したものである。

図９に示すように、アノードガス置換直前のセル抵抗が高い、すなわちセルが乾燥した状態であるほど、カソードにおける二酸化炭素の発生量は少なくなり、すなわち劣化を抑制することができるという結果になっている。つまり、従来技術で説明した式（３）の反応側の水分圧が低圧であれば、劣化が抑制される結果となった。

そこで、本発明では単位セル２（特にカソード触媒層内）の含水量が低いほど停止時における触媒層の劣化が少なくなることを利用してカソード触媒層の劣化を抑制するようにしている。

本発明の効果を図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）において、カソード触媒層３２で反応により生成した生成水、または図外のアノードから水素イオンに伴って固体高分子電解質膜３１中をカソード触媒層３２へ移動してきた電気浸透水は、カソードガス拡散層３４を介してカソードセパレータ３７に設けられたカソードガス流路３６に排出される。

しかしながら、燃料電池の停止時においては、生成水及び電気浸透水は、触媒層及びガス拡散層における材料の親和性や水の表面張力などさまざまな影響によって、カソード触媒層３２及びカソードガス拡散層３４の気孔内に留まることが多かった。

そこで、本発明においては、荷重可変手段である電動ジャッキ４９を設置し、燃料電池の停止時において単位セル２を電動ジャッキ４９で積層方向に加圧し、カソードガス拡散層３４及びカソード触媒層３２に加わる積層方向の圧力を変化させて、カソードガス拡散層３４及びカソード触媒層３２内に滞留している水分を図１０（ｂ）に示すように、カソードセパレータ３７のカソードガス流路３６に排出させる。

次に、カソードガス流路３６に乾燥空気を供給してカソードガス流路３６内の水分を単位セル２の外部に排出する。その後、アノード側に空気を供給することで停止時の劣化を極力抑制できるようにする。このときカソードガス流路３６に排出された水分が再度カソードガス拡散層３４及びカソード触媒層３２に戻ってしまうことを防止するために、図１０（ｃ）に示すようにカソードセパレータ３７のカソードガス流路３６の表面、特にカソードガス拡散層３４に接するセパレータリブ表面及びチャネル部は親水的な機能を有する表面処理を施すことにより、カソードガス流路３６内に保水することが望ましく、さらにカソードガス拡散層３４及びカソード触媒層３２は撥水的な機能を有する処理を施すことにより、水分を滞流させないことが望ましい。

また、従来のガスの供給による乾燥方法では、供給するガスの加熱や気液平衡に達するまでの応答時間、蒸発速度（気液界面表面積）など応答性の問題が生じていたが、本発明によれば迅速な乾燥が可能であるため、アノード極及びカソード極を素早く空気に置換することが可能であり、これにより自動車等の移動体に適する素早い停止手段が得られるのと同時に、停止時の劣化を抑制することができる。

このように、本実施例に係る燃料電池システム１では、電動ジャッキ４９が圧力を印加することによって触媒層及びガス拡散層から水を排出し、酸化剤コンプレッサ３がドライガスパージを実施することによってセパレータから水を除去するので、燃料電池内を乾燥状態にすることができ、これによって燃料電池の停止時における劣化を防ぐことができる（請求項１の効果）。

また、触媒層とガス拡散層に撥水処理を施すとともに、セパレータに親水処理を施しているので、触媒層及びガス拡散層からセパレータに排出された水分が、再び触媒層及びガス拡散層に戻ることを防ぐことができる（請求項２の効果）。

さらに、電動ジャッキ４９は変動する圧力を繰り返し印加するので、１回の荷重操作で触媒層及びガス拡散層から除去できなかった水分を、２回目以降の荷重操作で確実に除去することができ、これによって乾燥状態の信頼性を向上させることができる（請求項３の効果）。

また、燃料電池の起動時には、燃料極に対して圧力の印加とドライガスパージとを実施した後に燃料ガスを供給するので、燃料電池の停止直後や保管中に電極が何らかの理由で含水して酸化剤電極が保水した状態になってしまった場合でも、水素／空気フロントによる劣化を抑制することができる（請求項４の効果）。

さらに、燃料電池の停止操作時には、圧力の印加とドライガスパージとを実施した後に、燃料極の燃料ガスを酸化剤ガスで置換するので、保管時において水素と空気が混合することによって生じる劣化を防ぐことができ、これによって停止時や保管時に劣化の少ない燃料電池を実現することができる（請求項５の効果）。

次に、本発明の実施例２を図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１は本実施例に係る燃料電池システム７１の構成を示す断面図、図１２は本実施例に係る燃料電池のスタック７２における酸化剤の流れを説明するための図である。

本実施例の燃料電池システム７１は、実施例１における単位セル２を多数積層することによってスタック７２を構成し、このスタック７２を実施例１の燃料電池システム１に適用したものである。したがって、実施例１と同一の構成については詳しい説明を省略する。

図１１に示すように、本実施例の燃料電池システム７１は、単位セル２を多数積層したスタック７２を備えており、このスタック７２の両端は２枚の集電板７３、７４によって挟持され、各集電板７３、７４は、正極または陰極として可変負荷装置７５に接続されている。

スタック７２は内部マニホールド構造によって形成されており、このマニホールド構造によって、スタック７２の積層方向への圧力可変制御が可能となっている。

可変負荷装置７５は、スタック７２から供給される電圧値及び電流値を検出するとともに、可変負荷装置７５の内部に設けられた交流電源及び交流インピーダンス測定器によりスタック７２の内部抵抗を交流信号によって検出する。

また、燃料はアノード入口７６から導入され、アノード出口７７から排気される。一方、酸化剤はカソード入口７８から導入され、カソード出口７９から排気される。アノードとカソードの間は絶縁性の配管８０で接合されている。このように、両極間は絶縁性の配管８０によって接続されているため、異極間で短絡することはない。

また、上方の集電板７３の外側にはエンドプレートを介して圧力可変手段としての電動ジャッキ８１が配置され、下方の集電板７４の外側にはエンドプレートを介してスタック７２の積層方向への圧力を検出する圧力センサ８２が設置されている。また、電動ジャッキ８１のスタック７２の積層方向への変位は、フレーム８３に取り付けられた歪ゲージセンサ８４によって検出される。

データログ装置８５は、可変負荷装置７５で得られた電圧、電流、内部抵抗のデータを収集して演算制御装置８６に送信しており、演算制御装置８６はこれらのデータに基づいて、内蔵するデータベースを参照して、スタック７２の電極における含水量を推定する。

次いで、演算制御装置８６は、この演算の結果に基づいて、目的とするスタック７２の電極における含水量に到達させるための変位量及び圧力を算出し、バッテリー８７を動力源として電動ジャッキ８１を駆動制御して、スタック７２に加える圧力を変化させる。スタック７２にかかる圧力は圧力センサ８２が検出し、また電動ジャッキ８１によるスタック７２の積層方向への変位は歪ゲージセンサ８４が検出し、目的とする圧力、変位となっているかを判断する。

次に、スタック７２における酸化剤の流れを図１２に基づいて説明する。図１２（ａ）はスタック７２の平面図、図１２（ｂ）はスタック７２の断面図である。

図１２（ｂ）に示すように、燃料はアノード入口７６から導入され、アノード出口７７から排気される。一方、酸化剤はカソード入口７８から導入され、カソード出口７９から排気される。ここで、酸化剤の流れについて説明すると、カソード入口７８から導入された酸化剤ガスは、セパレータ８８に形成されたガス流路８９へと流入し、このガス流路８９に流入した酸化剤ガスは図１２（ａ）に示すようにしてガス流路８９内を流れていき、カソード出口７９から排気される。

また、図１２では、酸化剤の流れについて説明しているが燃料についても同様に流通している。

上述したように構成された本実施例の燃料電池システム７１は、実施例１の燃料電池システム１と同様に図３のフローチャートに基づいて操作停止時における制御処理を行い、図８のフローチャートに基づいて起動操作開始時における制御処理を行う。

このように、本実施例に係る燃料電池システム７１では、単位セル２を積層して形成したスタック７２においても、実施例１と同様に電動ジャッキ８１が圧力を印加することによって触媒層及びガス拡散層から水を排出し、ドライガスパージを実施することによってセパレータから水を除去するので、燃料電池内を乾燥状態にすることができ、これによって燃料電池の停止時における劣化を防ぐことができる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、例えば、自動車等の移動体に利用される燃料電池システムに係るものであり、特に燃料電池の停止時における劣化を防止するための技術として極めて有用である。

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。実施例１に係る燃料電池システムの単位セルの構成を示す断面図である。実施例１に係る燃料電池システムによる操作停止時における制御処理を説明するためのフローチャートである。基準位置における内部抵抗と電極含水量との関係を示す図である。基準位置からの変位と水除去率との関係を示す図である。基準位置からの変位と面荷重との関係を示す図である。基準位置からの変位と理想乾燥状態における内部抵抗との関係を示す図である。実施例１に係る燃料電池システムによる起動操作開始時における制御処理を説明するためのフローチャートである。アノードガス置換直前のセル抵抗とガス置換後のカソード二酸化炭素排出量との関係の実験結果を示す図である。本発明の効果を説明するための図である。実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す断面図である。実施例２に係る燃料電池システムにおける酸化剤ガスの流れを説明するための図である。従来の燃料電池における起動開始時の反応を説明するための図である。

符号の説明

１、７１燃料電池システム
２単位セル
３酸化剤コンプレッサ（ガスパージ手段）
４加湿装置
５加湿装置切り替え弁
６酸化剤供給配管
７燃料供給装置
８燃料供給弁
９燃料供給配管
１０燃料極用酸化剤供給弁
１１燃料極用酸化剤供給配管
１２燃料排気弁
１３燃料排気配管
１４燃料循環ポンプ
１５燃料循環配管
１６酸化剤排気弁
１７酸化剤排気配管
１８電源
１９、７５可変負荷装置
２０電圧センサ
２１コントロールユニット
３１高分子電解質膜
３２カソード触媒層
３２ａ白金粒子
３２ｂ炭素担体
３３アノード触媒層
３４カソードガス拡散層
３５アノードガス拡散層
３６カソードガス流路
３７カソードセパレータ
３８アノードガス流路
３９アノードセパレータ
４０エッジシール
４１カソード集電板
４２アノード集電板
４３カソードエンドプレート
４４アノードエンドプレート
４５、７８カソード入口
４６、７９カソード出口
４７、７６アノード入口
４８、７７アノード出口
４９、８１電動ジャッキ
５０上部フレーム
５１下部フレーム
５２ガイド
５３圧力センサ
５４、８４歪ゲージセンサ
７２スタック
７３、７４集電板
８０配管
８３フレーム
８５データログ装置
８６演算制御装置
８７バッテリー

Claims

高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータとを積層して形成された燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の積層方向に圧力を印加して変化させる荷重可変手段と、
前記酸化剤極セパレータ及び前記燃料極セパレータに酸化剤を供給してドライガスパージを行うガスパージ手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料極と前記酸化剤極の少なくとも一方は、触媒層とガス拡散層とが撥水処理を施されており、前記撥水処理の施されたガス拡散層に接するセパレータは親水処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記荷重可変手段は、変動する圧力を繰り返し印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の起動時において、前記燃料極に対して前記荷重可変手段による圧力印加と前記ドライガスパージとを実施した後に、前記燃料極に燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の停止操作時において、前記荷重可変手段による圧力印加と前記ドライガスパージとを実施した後に、前記燃料極の燃料ガスを酸化剤ガスで置換することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。