JP2007035489A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムを再起動する際に必要な触媒の量を削減することにより小型化可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する
【解決手段】 燃料電池システムを起動する際、まず酸化剤供給手段の運転を開始し、次に所定の時間後に酸化剤の供給量を増加し、続いて燃料供給手段の運転を開始した後に起電部を負荷へ接続する。
【選択図】 図４

Description

本発明は燃料電池システム及びその運転方法に係り、特に燃料電池システムから排出される排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部を有する燃料電池システム及びその制御方法に関する。

近年は、直接型メタノール燃料電池のような液体燃料電池が注目を集めている。この直接型メタノール燃料電池の起電部単位は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極の間に配置されたプロトン導電性電解質膜（例えば、パーフルフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが好ましく用いられる）とを備える。この燃料電池を駆動するには、アノード電極側にメタノールと水、カソード電極に酸化剤、例えば酸素ガスあるいは空気を導入することにより、アノード電極及びカソード電極それぞれで化学反応を生じさせる。

化学反応が生じた結果、電子とプロトンと二酸化炭素が生成し、生成した二酸化炭素は大気中に放出される。電子は外部回路により取り出されて電気エネルギーとして用いられる。また、プロトンはプロトン導電性電解質膜を移動してカソード電極に到達する。カソード電極触媒層中では、電気エネルギーとして用いられた電子および酸素と反応して水が生成する。これによって発電が行われる。

このメタノールのアノードでの電極反応においては、水素をアノード電極側に供給するのとは別に、完全酸化されるまでの反応中間体と考えられているホルムアルデヒドや蟻酸などが、副生成物として未反応のまま電極から排出される可能性がある。また、アノード極側に供給された燃料中のメタノールが、拡散などによりプロトン導電性電解質膜や触媒層中を通過してカソード極側へ移動し、カソード極に供給されている酸化剤により酸化を受け、その過程においてもホルムアルデヒドや蟻酸などの副生成物を生成する可能性がある。

そこで、燃料電池システムから二酸化炭素や水、副生成物を排出する経路に、副生成物を無害化するための触媒を用いた燃料電池システムが開示されている。（特許文献１）
特開２００５−１８３０１４ 図１９

しかし、燃料電池システムが停止する際には、カソード電極に供給される酸化剤の供給も停止するため、カソード電極に残存した副生成物の大部分は未反応の状態で燃料電池システムが再起動されるまでカソード電極付近に滞留する。

また、燃料電池システムが停止状態の際には、プロトン導電性電解質膜を通じてカソード電極へ向かって拡散したメタノールは、カソード電極への酸化剤の供給が停止しているため、その大部分が未反応の状態で燃料電池システムが再起動されるまでカソード電極付近に滞留する。

従って、燃料電池システムを再起動する際には、非常に高濃度の副生成物とメタノールが触媒に供給されるため、燃料電池システムの継続的な発電状態に必要な触媒の量に比べ、過大な量の触媒を設けなければならず、燃料電池システムの小型化、低コスト化が困難であった。

本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、燃料電池システムを再起動する際に必要な触媒の量を削減することにより小型化可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料が供給されるアノード電極と、空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、前記酸化剤を前記カソード電極に供給する量を制御するための制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記酸化剤供給手段の運転を開始する際、前記カソード電極に前記酸化剤を供給する量が徐々に増加する様に前記酸化剤供給手段を制御することを特徴とすることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料が供給されるアノード電極と、空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記酸化剤供給手段の運転を開始し、Ｑ０＜Ｑｔとなる様に前記酸化剤供給手段を制御することを特徴とする。但し、Ｑ０は前記酸化剤供給手段の運転開始直後における前記カソード電極への前記酸化剤の供給量、Ｑｔは前記酸化剤供給手段の運転開始後あらかじめ定められた時間が経過した後における前記カソード電極への前記酸化剤の供給量である。

また、上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料が供給されるアノード電極と、空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、前記燃料を前記アノード電極に供給するための燃料供給手段と、前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムの運転開始の際に、前記酸化剤供給手段の運転を開始し、前記酸化剤供給手段の運転を開始した後あらかじめ定められた時間が経過した後に、前記酸化剤供給手段の前記カソード電極へ供給する前記酸化剤の供給量を増加し、前記酸化剤の供給量を増加した後に、前記燃料供給手段の運転を開始し、前記燃料供給手段の運転を開始した後に、前記アノード電極、前記カソード電極、前記電解質膜によって発電された電力を負荷へ供給することを特徴とする。

本発明は、燃料電池システムを再起動する際に必要な触媒の量を削減することにより小型化可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（本発明の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。図中の実線矢印は、後述する燃料２や排出物等の流体の流れを示し、一点鎖線は出力信号や制御信号等の情報の流れを示す。

燃料電池システムには、起電部１が設けられている。起電部１は、例えば図２に示すような起電部単位セル２１を複数積層したものを用いることができる。

起電部単位セル２１には、アノード電極２２と、カソード電極２３と、プロトン導電性電解質の膜２４（電解質膜）とが設けられている。プロトン導電性電解質の膜２４はアノード電極２２とカソード電極２３の間に配置されている。プロトン導電性電解質の膜２４には例えば、パーフルフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。

アノード電極２２は、基板２５と、基板２５に積層されたアノード触媒層２６とが設けられている。一方、カソード電極２３は、基板２７と、基板２７に積層されたカソード触媒層２８とが設けられている。アノード触媒層２６とカソード触媒層２８は、触媒とプロトン導電性電解質の樹脂とをそれぞれ含む。触媒は一般に貴金属触媒あるいはその合金で、カーボンブラックなどの担体に担持して用いられたり、あるいは担持しないで用いられたりする。アノード電極２２の触媒としては、例えば、Ｐｔ−Ｒｕ合金を挙げることができる。また、カソード電極２３の触媒としては、例えば、Ｐｔを挙げることができる。

起電部単位セル２１のカソード電極２３側の面には、カソード電極用流路板（図示しない）が設けられている。一方、起電部単位セル２１のアノード電極２２側の面には、アノード電極用流路板（図示しない）が設けられている。さらに、起電部１には、起電部単位セル２１の加熱を行うためのヒーター（図示せず）が設けられている。起電部単位セル２１は、カソード電極用流路板に例えば空気などの酸素を含む気体（酸化剤）、アノード電極用流路板に例えばメタノール水溶液などの燃料２、が供給されることにより発電を行う。

燃料電池システムには混合タンク３が設けられている。混合タンク３には起電部１に供給するための燃料２が収容されている。混合タンク３と起電部１とは循環流路４にて接続されている。循環流路４は、燃料２を起電部１へ供給し、起電部１にて発電に用いられた燃料２を再度混合タンク３へと戻すために設けられている。燃料２は、燃料循環用ポンプ５（燃料供給手段）にて起電部１へ供給および混合タンク３へと戻される。

混合タンク３には、燃料濃度検知手段６と気液分離手段７が設けられている。燃料濃度検知手段６には、例えば燃料２の誘電率や屈折率を測定することにより、メタノール濃度を測定する濃度センサを用いることができる。

気液分離手段７には、例えばメタノール水溶液は透過することはできないが、起電部１にて発電の結果アノード電極２２から排出される、排出物の気体成分は透過可能な気液分離膜を用いることができる。気液分離膜にはポリテトラフルオロエチレン膜の様に撥水性の膜を用いることができる。ポリテトラフルオロエチレン膜の様に撥水性の膜は、発電の際に生成される二酸化炭素のほか、排出物に含まれるホルムアルデヒド、蟻酸、一酸化炭素などの反応副生成物も透過可能であるため、気液分離手段に好適である。反応副生成物を燃料２から分離できることにより、燃料２の屈曲率の測定精度が向上する。

混合タンク３と後述するカソード側排出路９とは配管８にて接続されている。配管８は、気液分離手段７にて分離されたアノード電極２２から排出される排出物の気体成分をカソード側排出路９へと排出するために設けられている。

混合タンク３は濃縮燃料タンク１０と接続されている。濃縮燃料タンク１０には濃度の高い燃料が収容されている。混合タンク３の燃料２は、起電部１の発電に伴い、濃度が減少する。燃料２にメタノール水溶液を用いた場合、起電部２にて発電が行われると、水とメタノールが消費される。この消費されたメタノールを補充するために、発電で用いられる燃料２よりも濃度の高いメタノールが濃縮燃料タンク１０には収容されている。

混合タンク３と濃縮燃料タンク１０との間には、濃縮燃料ポンプ１１が設けられている。濃縮燃料ポンプ１１は、混合タンクに濃度の高い燃料を供給するために設けられている。濃度検知手段６にて検出された燃料２の濃度に応じて、後述する制御手段１９にて、燃料２の濃度が予め定められた濃度範囲となるように、濃縮燃料ポンプ１１は制御される。

燃料電池システムには酸化剤供給手段１２が設けられている。酸化剤供給手段１２は起電部１に酸化剤を供給するために設けられている。酸化剤供給手段１２には、例えば燃料電池システム外部の空気を起電部１に供給するための空気ポンプを用いることができる。具体的には、ベーン型、ブロワー型、コンプレッサー型のポンプや、電動ファン、自然対流の流量を制御するためのスリット等、起電部１に酸化剤を供給する量を制御するためのものを用いることができる。

起電部１に供給された酸化剤は、発電に用いられた後、起電部１からカソード側排出路９を通じて、後述する凝縮器１３へと排出される。前述の通り、カソード側排出路９は配管８とが接続されているため、はカソード電極２３から排出される排出物のほかに、アノード電極２２から排出される排出物の気体成分も同時に、後述する凝縮器１３に向かって排出される。

燃料電池システムには凝縮器１３が設けられている。凝縮器１３には例えば熱交換器を用いることができる。凝縮器１３に向かって排出される排出物の一部は、凝縮器１３にて凝縮される。ここで、凝縮される排出物は、例えば起電部１の発電に伴って生成された水蒸気や、プロトン導電性電解質の膜２４を透過（クロスオーバー）したり、混合タンク３から蒸発したりしたメタノールの蒸気である。再び発電に用いるために、凝縮された排出物の一部は、回収ポンプ１４にて配管１５を通じて混合タンク３へ供給される。凝縮器１３は凝縮器１３に向かって排出された排出物のうち、液体成分を分離する。ここで、液体成分には凝縮されて液化した排出物を含む。

燃料電池システムには触媒部１６が設けられている。凝縮器１３にて液体成分が分離され、凝縮器１３に向かって排出された排出物のうち残った気体成分は、触媒部１６を通じて燃料電池システム外部へと排出される。触媒部１６はカソード電極２３からの排出物及び前記アノード電極２２からの排出物の一部の化学反応を促進するための触媒が、その内部に設けられている。例えば、凝縮器１３に向かって排出された排出物のうち残った気体成分の一部の酸化反応を促進するために、触媒は設けられている。ここで、酸化反応が促進される気体成分は、例えば一酸化炭素、ホルムアルデヒド、蟻酸、メタノールである。

触媒部１６の凝縮器１３側と燃料電池システム外部側のそれぞれには、温度センサ１７、１８を設けることができる。温度センサ１７と１８によって測定される温度の差を用いて、触媒部１６にて促進される化学反応の度合いを検出することができる。例えば、温度センサ１７と１８によって測定される温度の差が、予め定められた値を超えた場合、触媒部１６にて促進される化学反応の許容量を超える可能性があるとして、燃料電池システムの非常停止を促すアラームを発することができる。また、検出された化学反応の度合いから、触媒部１６にて化学反応が促進される気体成分の量を推測することができる。

触媒部１６の詳細について図３を用いて説明する。触媒部１６には、排気管３１内に配置される筒形の筐体３２と、筐体３２内に充填された触媒３４が設けられている。促進する化学反応によって生じる熱が排気管３１へと伝達することを抑制するために筐体３２と触媒３４との間に断熱材３３を設けることができる。断熱材３３を設けることにより、温度センサ１７と１８によって測定される温度の差の、排気管３１へと伝達する熱による影響が減少され、促進される化学反応の度合いをより正確に検出することができる。

触媒３４には、例えば活性炭、活性アルミナ等の担体に白金や白金とルテニウムの合金等の貴金属が担持された触媒を用いることができる。触媒３４は、排気管３１内を通過する排出物の一部の酸化反応を促進するために設けられている。触媒３４が収納される容積は、例えば燃料電池システムの最大定格発電量が２０Ｗの場合、１０ｃｃ程度となる。ここで、定格とは燃料電池システムが安定して外部に電力を供給可能な発電量における状態を意味し、最大定格発電量とは、燃料電池システムが安定して外部に供給可能な発電量の最大値を意味する。

触媒３４は、脱落防止部材３５、３６にて筐体３２外部への脱落が防止される。脱落防止部材３５、３６は、例えば金属製の網を用いることができる。

制御部１９（制御手段）の詳細について説明する。制御部１９は燃料電池システムの運転を制御するために設けられている。制御部１９は、例えば電圧値や電流値などの、起電部１の発電した電力に関する情報を取得する。制御部１９は、起電部１の発電した電力に関する情報に基づいて、燃料電池システムが要求された電力を起電部１が発電できるように制御する。

アノード電極２２に供給する燃料２の流量、カソード電極２３に供給する酸化剤の流量、また必要に応じて起電部１の温度等を制御することにより、制御部１９は燃料電池システムが要求された電力を起電部１が発電できるように制御する。制御部１９は、燃料循環用ポンプ５を制御することにより、燃料２の流量を制御する。制御部１９は、酸化剤供給手段１２を制御することにより、酸化剤の流量を制御する。燃料２の流量は例えば１．２ｍｌ／ｍｉｎ、酸化剤の流量は例えば１００ｍｌ／ｍｉｎ、起電部１の温度は例えば４０℃〜６０℃に制御することができる。

制御部１９は、燃料濃度検知手段６によって検知された燃料濃度に関する情報を取得する。燃料２にメタノール水溶液を用いた場合、制御部１９は燃料濃度検知手段６の出力、例えば燃料２の誘電率や屈折率に応じて変化する出力値を取得し、制御部１９の内部に予め記憶された燃料濃度検知手段６の出力値とメタノール濃度との関係から、メタノール濃度に関する情報を算出する。

取得した燃料濃度に関する情報に基づいて、混合タンク３内部に収容された燃料２の濃度が、予め定められた濃度の範囲となるように、制御部１９は濃縮燃料ポンプ１１と回収ポンプ１４を制御する。必要に応じて、混合タンク３内部に収容された燃料２の濃度が、予め定められた濃度の範囲となるように、さらに燃料循環用ポンプ５と酸化剤供給手段１２を制御することができる。

燃料２にメタノール水溶液を用いる場合、制御部１９は濃縮燃料ポンプ１１を制御し、混合タンク３内部に供給する濃度の高いメタノールを供給する量を増加させ、燃料２のメタノール濃度をより高くする。また、制御部１９は回収ポンプ１４を制御し、混合タンク３内部に供給する凝縮された排出物の一部の量を増加させ、燃料２のメタノール濃度をより低くする。さらに、例えば凝縮器１３を冷却する冷却手段（図示せず）の冷却能力を増加させることにより、凝縮器１３が凝縮する水を主とした排出物の回収量を増加させることができる。

制御部１９が、酸化剤供給手段１２の運転を開始する際に行う制御の詳細について説明する。ここで、酸化剤供給手段１２の運転の開始とは、酸化剤供給手段１２がカソード電極２３に対して、酸化剤の供給を停止した状態から酸化剤を供給する状態へと変化するように、酸化剤供給手段１２の状態が変更されることを意味する。また、酸化剤の供給を停止した状態とは、カソード電極２３に供給される酸化剤の流量がゼロ、または発電状態の流量に比べて非常に少ない状態を意味する。例えば、酸化剤供給手段１２が電動ポンプや電動ファンの場合は、駆動のための電力の供給の開始、自然対流の流量を制御するためのスリットの場合は、スリットの略閉状態から開状態への開度の変更である。ここで略閉状態とは、スリットの開度が最も小さい状態、またはスリットの開度が最も小さい状態からスリットの開度調整の際の繰り返し誤差分開いた状態をいう。

制御部１９は、酸化剤供給手段１２の運転を開始する際、酸化剤供給手段１２を以下の様に制御する。制御手段１９は、カソード電極２３に酸化剤を供給する量が徐々に増加する様に酸化剤供給手段１２を制御する。ここで、徐々にとは酸化剤供給手段１２の運転を開始した直後の酸化剤の供給量を、時間の経過と共に増加させる事を意味する。例えば、酸化剤供給手段１２の運転を開始してから予め定められた時間経過後に、供給量を増加させる様な２段以上の段階的に増加、または時間経過と共に供給量を連続的に増加させる場合である。

酸化剤供給手段１２の運転を開始する場合として、例えば燃料電池システムが外部に接された電力の供給対象や燃料電池システムに設けられた二次電池等の負荷へ、電力の供給を開始する場合が挙げられる。また、例えば燃料電池システムが何らかの原因によって非常停止された後、非常停止が解除される場合が挙げられる。

図４に、制御部１９が酸化剤供給手段１２の運転を開始する際の制御の一例を示す。

まず、制御部１９は停止状態にある酸化剤供給手段１２を、カソード電極２３への酸化剤の供給量ＱがＱ０となる条件となる様に制御する（Ｓ１）。酸化剤供給手段１２が電動ポンプや電動ファンの場合、カソード電極２３への酸化剤の供給量がＱ０となる駆動条件の電力が、酸化剤供給手段１２に供給されるように、制御部１９は制御を行う。酸化剤供給手段１２が自然対流の流量を制御するためのスリットの場合は、カソード電極２３への酸化剤の供給量がＱ０となるスリットの開度となるように、制御部１９は制御を行う。

次に、カソード電極２３への酸化剤の供給量ＱがＱ０となる条件を予め定められた時間Ｔの間維持されるように、制御部１９は酸化剤供給手段１２を制御する（Ｓ２）。酸化剤供給手段１２が電動ポンプや電動ファンの場合、Ｓ１にて酸化剤供給手段１２へ供給された電力を、時間Ｔの間継続して供給し続けるように、制御部１９は制御を行う。酸化剤供給手段１２が自然対流の流量を制御するためのスリットの場合、Ｓ１にて制御されたスリットの開度を、時間Ｔの間継続して続けるように、制御部１９は制御を行う。

時間Ｔの経過後、制御部１９は酸化剤供給手段１２を、カソード電極２３への酸化剤の供給量ＱがＱｔとなる条件となる様に制御する（Ｓ３）。酸化剤供給手段１２が電動ポンプや電動ファンの場合、カソード電極２３への酸化剤の供給量がＱｔとなる駆動条件の電力が、酸化剤供給手段１２に供給されるように、制御部１９は制御を行う。酸化剤供給手段１２が自然対流の流量を制御するためのスリットの場合は、カソード電極２３への酸化剤の供給量がＱｔとなるスリットの開度となるように、制御部１９は制御を行う。

Ｑｔは、Ｑ０に比べ多い量であって、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量である。例えば、ＱｔとＱ０の関係は、Ｑ０≦Ｑｔ／１０とすることができる。

続いて、制御部１９は燃料循環用ポンプ５の運転を開始する（Ｓ４）。ここで、燃料循環用ポンプ５の運転の開始とは、燃料循環用ポンプ５がアノード電極２２へ燃料２を供給する供給量を、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量に増加させることを意味する。

最後に、制御部１９は、起電部１にて発電された電力を負荷に供給可能となるように、起電部１と負荷とを接続する（Ｓ５）。

この様に、制御部１９によって燃料電池システムを制御した場合の、起電部１および触媒部１６において起こる現象について説明する。

酸化剤供給手段１２がカソード電極２３へ供給する酸化剤の供給量がＱｔである場合（以下Ａの場合）には、カソード電極２３に供給される酸素の量が多いため、反応副生成物やクロスオーバーによるメタノールの、カソード触媒層にて酸化反応が促進される量も多い。従って、触媒部１６に到達する酸化反応が促進される気体成分の量が抑制される。

一方、酸化剤供給手段１２がカソード電極２３への酸化剤の供給を停止した状態（以下Ｂの場合）では、カソード電極２３に供給される酸素の量がＡの場合に比べて極めて少ないため、反応副生成物やクロスオーバーによるメタノールの、カソード触媒層２８における酸化反応がほとんど促進されない。

また、Ｂの場合は触媒部１６における酸化剤の量も少ないため、カソード電極２３付近の反応副生成物やクロスオーバーにより滞留したメタノールは、触媒部１６による酸化反応が促進されず、カソード電極２３付近の反応副生成物やクロスオーバーによるメタノール濃度は非常に高くなる。

Ｂの場合から直接Ａの場合となる様に制御部１９が制御する場合、高い濃度の反応副生成物やクロスオーバーによるメタノールが、急激に触媒部１６に供給されてしまう。その後さらに、カソード電極２３付近に滞留する液体状態のメタノールが蒸発し、滞留する液体状態のメタノールの量が許容範囲となるまで、大量のメタノールが触媒部１６に供給され続けてしまう。

そこで、本実施の形態の様に、Ｂの場合から直接Ａの場合でなく、まずＢの場合から酸化剤供給手段１２がカソード電極２３へ供給する酸化剤の供給量がＱ０である場合（以下Ｃの場合）となる様に制御部１９が制御した場合、高い濃度の反応副生成物やクロスオーバーによるメタノールは、少ない流量にてに触媒部１６に供給される。その後さらに、カソード電極２３付近に滞留する液体状態のメタノールが蒸発し、滞留する液体状態のメタノールの量が許容範囲となるまで、少ない流量にてメタノールが触媒部１６に供給される。従って、触媒部１６に求められる反応副生成物やメタノールの単位時間あたりの促進される化学反応の能力が削減される。これは必要な触媒３４の量の削減につながり、最終的に燃料電池システムの小型化に寄与する。

以下、本発明の実施の形態において実験をした結果について説明する。

まず、本発明の実施の形態における燃料電池システムを用いて、１時間発電を行った後に、燃料電池システムの運転を停止した。

次に、起電部１の表面に接続した温度計が室温となるまで燃料電池システムを放置した後、カソード電極２３に供給される酸化剤の供給量が、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量の１０％となる様に、本発明の実施の形態の酸化剤供給手段１２に相当するベーン型ポンプを制御部１９にて制御した。

続いて、ベーン型ポンプの運転開始後１５０秒後、カソード電極２３に供給される酸化剤の供給量が、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量となる様に、ベーン型ポンプを制御部１９にて制御した。

図５はこの時における触媒部１６の前後におけるメタノール濃度を示す図である。図５中の実線は触媒部１６に供給される前の、気体成分のメタノール濃度を示す。図５中の破線は触媒部１６に供給された後に排出される、気体成分のメタノール濃度を示す。メタノール濃度は赤外吸収分光器にて測定した。

なお、触媒部１６には、カソード電極２３に供給される酸化剤の供給量が、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量の時、凝縮器１３に向かって排出された排出物のうち残った気体成分のメタノール濃度が、最大２０００ｐｐｍの場合に２００ｐｐｍ前後まで酸化反応を促進させることができるものを用いた。

図５に示す様に、触媒部１６から排出される気体成分のメタノール濃度は略一定（平均約２００ｐｐｍ）になるまで、酸化反応が促進されていることが確認できた。

（比較例）
まず実施例と同様に、本発明の実施の形態における燃料電池システムを用いて、１時間発電を行った後に、燃料電池システムの運転を停止した。

次に、起電部１の表面に接続した温度計が室温となるまで燃料電池システムを放置した後、カソード電極２３に供給される酸化剤の供給量が、燃料電池システムの定格とする出力にて起電部１が発電可能な酸化剤の供給量となる様に、本発明の実施の形態の酸化剤供給手段１２に相当するベーン型ポンプを制御部１９にて制御した。

図６はこの時における触媒部１６の前後におけるメタノール濃度を示す図である。図６中の実線は触媒部１６に供給される前の、気体成分のメタノール濃度を示す。図６中の破線は触媒部１６に供給された後に排出される、気体成分のメタノール濃度を示す。メタノール濃度は赤外吸収分光器にて測定した。

図６に示す様に、酸化剤供給手段１２が酸化剤をカソード電極２３に開始してから１分を経過するまでの間、触媒部１６から排出される気体成分のメタノール濃度は高い値で検出されている。これは、触媒部１６が酸化反応を促進させることができる量を超えたメタノールが触媒部１６に供給されてしまったためと思われる。

このようにしてできた燃料電池システムは、実施例にて実証されている通り、触媒部１６に求められる反応副生成物やメタノールの単位時間あたりの促進される化学反応の能力を削減することができる。これは必要な触媒３４の量の削減につながり、最終的に燃料電池システムの小型化に寄与する。

なお、このようにしてできた燃料電池システムは、酸化剤供給手段１２の運転を開始する際、触媒部１６にかかる温度ストレスをも低減することができる。

図７は、実施例と比較例における温度センサ１８によって測定された温度の推移をプロットした図である。破線は実施例における温度センサ１８の温度、実線は比較例における温度センサ１８の温度である。

図７に示す通り、実施例における温度センサ１８の温度の方が、酸化剤供給手段１２の運転を開始した後の温度の上昇が急激となる。これは、触媒部１６から放熱される量に対し、触媒部１６にて促進される酸化反応の際の発熱が過大であるために生じた現象と考えられる。

燃料電池システムにおいては、起電部１への金属イオンの混入が、起電部１に対して致命的なダメージを与えることが知られている。従って、特に燃料および酸化剤の供給経路および排出経路の材質に、できるだけ非金属材料を用いることが好ましい。特に樹脂材料は安価で成形性に優れるため、筐体３２や排気管３１に好適である。

しかし、触媒部１６にて促進される酸化反応の際の発熱が過大であると、筐体３２や排気管３１に歪を生じ、回復不可能なダメージが生じる可能性を高くしてしまう。これは、酸化剤供給手段１２の運転を開始する際の触媒部１６の温度が高ければ高いほど顕著である。実施例における燃料電池システムでは、触媒部１６の温度上昇が緩和されるため、このような触媒３４の回復不可能なダメージが生じる可能性を低減することができる。

また、このようにしてできた燃料電池システムは、長時間運転を停止した後に再起動を行い、再び負荷に電力が供給可能な状態となるまでの再起動時間をも短縮することができる。

図８は、実施例と比較例における起電部１の表面に接続した温度計によって測定された温度の推移をプロットした図である。破線は実施例における起電部１の温度、実線は比較例における起電部１の温度である。

図８に示す通り、比較例に比べ実施例の方が、より短時間で起電部１の温度が上昇する。これは、カソード電極２３に流れる酸化剤の流量が小さいため、酸化剤によって起電部１から奪われる熱量が小さいためであると考えられる。また、これはカソード電極２３に流れる酸化剤の流量が小さいため、カソード触媒層２８によって酸化反応が促進されずに排出されるメタノールの量が少なく、カソード触媒層２８によって酸化反応が促進されるメタノールの比率が高いためであると考えられる。

すなわち、起電部１の発電効率の高い温度まで、より短時間で起電部１の温度を上昇させることができる。すなわち、再び負荷に電力が供給可能な状態となるまでの再起動時間をも短縮することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す図 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起電部の詳細を示す図 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの触媒部の詳細を示す図 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの制御を示す図 本発明の実施例に係るメタノール濃度を示す図 本発明の比較例に係るメタノール濃度を示す図 本発明の実施例に係る温度の推移を示す図 本発明の実施例に係る温度の推移を示す図

符号の説明

１ 起電部
２ 燃料
３ 混合タンク
４ 循環流路
５ 燃料循環用ポンプ
６ 燃料濃度検知手段
７ 気液分離手段
８、１５ 配管
９ カソード側排出路
１０ 濃縮燃料タンク
１１ 濃縮燃料ポンプ
１２ 酸化剤供給手段
１３ 凝縮器
１４ 回収ポンプ
１６ 触媒部
１７、１８ 温度センサ
２１ 起電部単位セル
２２ アノード電極
２３ カソード電極２３
２４ プロトン導電性電解質の膜
２５、２７ 基板
２６ アノード触媒層
２８ カソード触媒層
３１ 排気管
３２ 筐体
３３ 断熱材
３４ 触媒
３５、３６ 脱落防止部材

Claims (4)

1. 燃料が供給されるアノード電極と、
   空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、
   前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、
   前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、
   前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、
   前記酸化剤を前記カソード電極に供給する量を制御するための制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記酸化剤供給手段の運転を開始する際、前記カソード電極に前記酸化剤を供給する量が徐々に増加する様に前記酸化剤供給手段を制御することを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記触媒部は、酸化反応を促進するための触媒を有す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。
3. 燃料が供給されるアノード電極と、
   空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、
   前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、
   前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、
   前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、
   を有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記酸化剤供給手段の運転を開始し、
   Ｑ０＜Ｑｔとなる様に前記酸化剤供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
   但し、Ｑ０は前記酸化剤供給手段の運転開始直後における前記カソード電極への前記酸化剤の供給量、Ｑｔは前記酸化剤供給手段の運転開始後あらかじめ定められた時間が経過した後における前記カソード電極への前記酸化剤の供給量である。
4. 燃料が供給されるアノード電極と、
   空気もしくは酸素を含む酸化剤が供給されるカソード電極と、
   前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜と、
   前記カソード電極からの排出物及び前記アノード電極からの排出物の少なくとも一部の化学反応を促進するための触媒部と、
   前記燃料を前記アノード電極に供給するための燃料供給手段と、
   前記酸化剤を前記カソード電極に供給するための酸化剤供給手段と、
   を有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムの運転開始の際に、前記酸化剤供給手段の運転を開始し、
   前記酸化剤供給手段の運転を開始した後あらかじめ定められた時間が経過した後に、前記酸化剤供給手段の前記カソード電極へ供給する前記酸化剤の供給量を増加し、
   前記酸化剤の供給量を増加した後に、前記燃料供給手段の運転を開始し、
   前記燃料供給手段の運転を開始した後に、前記アノード電極、前記カソード電極、前記電解質膜によって発電された電力を負荷へ供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
   
   

Images