JP2007265921A - 燃料電池システムおよび燃料電池セルの運転方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池セルの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃料欠乏時において電解質膜を劣化させずに水の電気分解を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、固体高分子電解質膜と水電解触媒を備えるアノード触媒層とを含む燃料電池セル（１０）と、燃料電池セルの酸素極の水を燃料極側に移動する移動手段（３２，５０）と、固体高分子電解質膜の含水量を検出する含水量検出手段（３５）と、含水量検出手段の検出結果に基づいて移動手段を制御する制御手段（６０）とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池セルの運転方法に関する。
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
例えば、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に積層された構造を有する。このような固体高分子型燃料電池においては、燃料欠乏時にはアノード側においてプロトン生成のために発電生成水の電気分解反応が起こる。この電気分解反応によって電解質膜にプロトンを供給することができる。しかしながら、水の電気分解反応が進行しなくなると燃料極が酸化によって劣化するおそれがある。そこで、燃料極に水電解触媒を混合する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、水電解触媒を介して発電生成水の電気分解反応を促進することができる。
特表２００３−５０８８７７号公報
しかしながら、氷点下においては水が凍結している。したがって、氷点下で燃料が欠乏した場合には、電気分解するための水が存在しない。この場合、固体高分子電解質膜に含まれる水分が燃料極に引き抜かれて電気分解される。その結果、固体高分子電解質膜が劣化するおそれがある。
本発明は、燃料欠乏時において固体高分子電解質膜を劣化させずに水の電気分解を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜と水電解触媒を備えるアノード触媒層とを含む燃料電池セルと、燃料電池セルの酸素極の水を燃料極側に移動する移動手段と、固体高分子電解質膜の含水量を検出する含水量検出手段と、含水量検出手段の検出結果に基づいて移動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
本発明に係る燃料電池システムにおいては、アノード触媒層に水電解触媒が含まれることから、アノード触媒層に保持された水の電気分解が促進される。したがって、燃料欠乏時においても、アノード触媒層の不可逆な劣化を抑制することができる。また、固体高分子電解質膜の含水量に基づいて、移動手段によって酸素極の水が燃料極側に移動する。この場合、燃料極側において水が不足する場合においても、酸素極側の水が固体高分子電解質膜および燃料極に供給される。したがって、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。その結果、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
固体高分子電解質膜の含水量が低下するか否かを判定する第１の判定手段をさらに備え、制御手段は固体高分子電解質膜の含水量が低下すると第１の判定手段によって判定された場合に酸素極の水を燃料極に移動するように移動手段を制御してもよい。この場合、固体高分子電解質膜の含水量が低下する場合に、酸素極側から燃料極側に水が移動する。それにより、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。また、移動手段の不必要な動作を省略することができる。
移動手段は、燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの背圧を調整する背圧調整手段を含んでいてもよい。この場合、移動手段は、酸化剤ガスの背圧を増加させることによって、酸素極の水を燃料極側に移動することができる。また、制御手段は、固体高分子電解質膜の含水量が低下すると第１の判定手段によって判定された場合に、酸化剤ガスの背圧が増加するように背圧調整手段を制御してもよい。この場合、固体高分子電解質膜の含水量が低下する場合に、酸素極側から燃料極側に水が移動する。それにより、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。また、背圧調整手段の不必要な動作を省略することができる。
移動手段は、燃料電池セルを加熱するヒータを含んでいてもよい。この場合、ヒータによって燃料電池セルを加熱することによって、固体高分子電解質膜の水透過速度が増加する。それにより、固体高分子電解質膜中を水が移動しやすくなる。その結果、移動手段は、酸素極の水を燃料極側に移動することができる。また、制御手段は、固体高分子電解質膜の含水量が低下すると第１の判定手段によって判定された場合に、燃料電池セルの温度が上昇するようにヒータを制御してもよい。この場合、固体高分子電解質膜の含水量が低下する場合に、酸素極側から燃料極側に水が移動する。それにより、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。また、ヒータの不必要な動作を省略することができる。
含水量検出手段は、固体高分子電解質膜の電気抵抗を検出する抵抗検出手段を含み、第１の判定手段は、固体高分子電解質膜の電気抵抗が増加する場合に固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定してもよい。また、燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックをさらに備え、含水量検出手段は燃料電池スタックの締結荷重を検出する荷重検出手段を含み、第１の判定手段は燃料電池スタックの締結荷重が低下する場合に固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定してもよい。
燃料電池セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する第２の判定手段をさらに備え、制御手段は、燃料電池セルが燃料欠乏状態にあると第２の判定手段によって判定されかつ固体高分子電解質膜の含水量が低下すると第１の判定手段によって判定された場合に、酸素極の水を燃料極に移動するように移動手段を制御してもよい。この場合、燃料欠乏状態にある場合に、燃料極に電気分解するための十分な水を移動することができる。それにより、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができるとともに、燃料極の酸化劣化を抑制することができる。
燃料電池セルの発電電圧を検出する発電電圧検出手段をさらに備え、第２の判定手段は、燃料電池セルの発電電圧が所定値以下である場合に、燃料電池セルが燃料欠乏状態にあると判定してもよい。また、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、制御手段は、燃料電池セルの温度が氷点下でありかつ固体高分子電解質膜の含水量が低下すると第１の判定手段によって判定された場合に、酸素極の水を燃料極に移動するように移動手段を制御してもよい。
本発明に係る燃料電池セルの運転方法は、固体高分子電解質膜と水電解触媒を備えるアノード触媒層とを含む燃料電池セルの固体高分子電解質膜の含水量を検出する含水量検出ステップと、固体高分子電解質膜の含水量が低下するか否かを判定する判定ステップと、判定ステップにおいて固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定された場合に燃料電池セルの酸素極の水を燃料極側に移動する移動ステップとを含むことを特徴とするものである。
本発明に係る燃料電池セルの運転方法においては、アノード触媒層に水電解触媒が含まれることから、アノード触媒層に保持された水の電気分解が促進される。したがって、燃料欠乏時においても、アノード触媒層の不可逆な劣化を抑制することができる。また、固体高分子電解質膜の含水量が低下する場合に、酸素極の水が燃料極側に移動する。この場合、燃料極側において水が不足する場合においても酸素極側の水を電気分解することができる。したがって、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。その結果、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
移動ステップは、燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの背圧を調整する背圧調整手段によって酸化剤ガスの背圧を増加させるステップを含んでいてもよい。この場合、酸化剤ガスの背圧を増加させることによって、酸素極側の水を燃料極側に移動することができる。それにより、固体高分子電解質膜の含水量低下を抑制することができるとともに、燃料極における水の電気分解反応を継続させることができる。
移動ステップは、ヒータによって燃料電池セルの温度を上昇させるステップを含んでいてもよい。この場合、ヒータによって燃料電池セルの温度を上昇させることによって、固体高分子電解質膜の水透過速度が増加する。それにより、固体高分子電解質膜中を水が移動しやすくなる。その結果、固体高分子電解質膜の含水量低下を抑制することができるとともに、燃料極における水の電気分解反応を継続させることができる。
判定ステップは、固体高分子電解質膜の電気抵抗が増加する場合に固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定するステップを含んでいてもよい。また、判定ステップは、燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックの締結荷重が低下する場合に固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定するステップを含んでいてもよい。
含水量検出ステップは、燃料電池セルの発電電圧が所定値以下である場合になされるステップであってもよい。また、含水量検出ステップは、燃料電池セルの温度が氷点下である場合になされるステップであってもよい。
本発明によれば、燃料極側において水が不足する場合においても酸素極側の水を電気分解することができる。したがって、固体高分子電解質膜中の水分量の低下を抑制することができる。その結果、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の説明を行う。まず、燃料電池システム１００に含まれる燃料電池スタック３１を構成する燃料電池セル１０について説明する。図１は、燃料電池セル１０の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池セル１０は、セパレータ１、燃料極２、電解質膜３、酸素極４およびセパレータ５が順に積層された構造を有する。燃料極２は、セパレータ１側からガス拡散層２１および触媒層２２が順に積層された構造を有する。酸素極４は、セパレータ５側からガス拡散層４１および触媒層４２が順に積層された構造を有する。
セパレータ１，５は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１の燃料極２側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路が形成されている。セパレータ５の酸素極４側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路が形成されている。
ガス拡散層２１は、燃料ガスを拡散させるための層であり、カーボンペーパ等の導電性材料から構成される。触媒層２２は、水素のプロトン化を促進するためのＰｔ（白金）、Ｐｔ合金等の触媒を含有する。また、触媒層２２は、水の電気分解を促進するための水電解触媒を含有する。水電解触媒としては、Ｐｔ，Ｒｕ（ルテニウム），Ｉｒ（イリジウム），Ａｕ（金），Ｎｉ（ニッケル），Ａｇ等の金属、Ｐｔ−Ｒｕ，Ｐｔ−Ｉｒ等の合金、ＲｕＯ２，ＩｒＯ２等の金属酸化物等を用いることができる。触媒層２２は、例えば、Ｐｔ担持カーボン、Ｐｔ合金担持カーボン、白金ブラック等に上記水電解触媒が添加された構造を有する。なお、担持カーボンは、高結晶化カーボンであることが好ましい。触媒層２２の耐酸化性が向上するからである。
電解質膜３は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマーであるｎａｆｉｏｎ（登録商標）等の固体高分子電解質からなる。含水状態で、−３０℃における電解質膜３の水透過速度は、５×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以上であることが好ましい。
ガス拡散層４１は、酸化剤ガスを拡散させるための層であり、カーボンペーパ等の導電性材料から構成される。触媒層４２は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。触媒層４２における触媒は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。本実施例においては、触媒層４２は白金担持カーボンから構成される。
続いて、燃料電池セル１０の動作の概要について説明する。まず、水素ガス、メタノールガス等の水素を含有する燃料ガスは、セパレータ１の燃料ガス流路を流動しつつガス拡散層２１に供給される。ガス拡散層２１に供給された燃料ガスは、ガス拡散層２１を透過して触媒層２２に到達する。触媒層２２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに解離する。この場合の反応式としては、下記の式（１）、（２）等が考えられる。プロトンは、電解質膜３を伝導し、酸素極４に到達する。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （１）
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （２）
一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、セパレータ５の酸化剤ガス流路を流動しつつガス拡散層４１に供給される。ガス拡散層４１に供給された酸化剤ガスは、ガス拡散層４１を透過して触媒層４２に到達する。触媒層４２に到達した酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１，５によって回収される。以上の動作によって、燃料電池セル１０は発電を行う。
続いて、配流不良時、起動時等の燃料欠乏時における燃料電池セル１０の作用について説明する。燃料が欠乏すると、燃料極２においてプロトンに解離する水素が欠乏することになる。したがって、燃料電池セル１０において発電を継続するためには水素以外の材料からプロトンが解離することになる。この場合、主として燃料極２に保持された水が解離する。反応式としては、下記式（３）、（４）が考えられる。
２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− ＋ Ｏ２ （３）
２Ｈ２Ｏ ＋ Ｃ → ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− ＋ ＣＯ２ （４）
本実施例においては、触媒層２２に水電解触媒が含有されていることから、水の電気分解が促進される。したがって、式（３）の反応が優先して行われる。それにより、燃料極２に含まれるカーボン等の不可逆な酸化劣化を抑制することができる。
続いて、本実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。図２は、本実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図２に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池２０、燃料ガス供給手段３０、酸化剤ガス供給手段４０、背圧制御弁５０および制御部６０を備える。
燃料電池２０は、燃料電池スタック３１、ヒータ３２、電圧センサ３３、温度センサ３４および荷重センサ３５を備える。燃料電池スタック３１は、図１の燃料電池セル１０が複数積層されて締結された構造を有する。ヒータ３２は、燃料電池スタック３１を覆っている。ヒータ３２は、制御部６０の指示に従って、燃料電池スタック３１の温度を制御する。
電圧センサ３３は、各燃料電池セル１０の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。温度センサ３４は、各燃料電池セル１０の温度を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。荷重センサ３５は、燃料電池スタック３１における締結荷重を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。荷重センサ３５は、それぞれの燃料電池セル１０に１つずつ設けられていてもよく、燃料電池スタック３１に１つ設けられていてもよい。
燃料ガス供給手段３０および酸化剤ガス供給手段４０は、ポンプ等から構成される。燃料ガス供給手段３０は、燃料電池２０の燃料ガス入口に接続されている。酸化剤ガス供給手段４０は、燃料電池２０の酸化剤ガス入口に接続されている。燃料ガス供給手段３０は、制御部６０の指示に従って、水素を含有する燃料ガスを燃料電池２０の入口に供給する。燃料ガスとしては、水素ガス、メタノールガス等を用いることができる。酸化剤ガス供給手段４０は、制御部６０の指示に従って、酸化剤ガスを燃料電池２０の酸化剤入口に供給する。酸化剤ガスとしては、エア等を用いることができる。
背圧制御弁５０は、燃料電池２０の酸化剤ガス出口に設けられている。背圧制御弁５０は、制御部６０の指示に従って、燃料電池２０内を流動する酸化剤ガスの背圧を制御する。制御部６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部６０は、電圧センサ３３、温度センサ３４および荷重センサ３５の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。
続いて、制御部６０による燃料電池システム１００の制御について図３〜図７を参照しつつ説明する。まず、制御部６０は、燃料電池２０に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるように燃料ガス供給手段３０および酸化剤ガス供給手段４０を制御する。それにより、燃料電池２０において発電が行われる。次に、制御部６０は、燃料電池２０において燃料が欠乏していないか否かを判定する。ここで、燃料が欠乏している燃料電池セル１０においては、発電電圧がマイナスになる。図３を参照して詳細を説明する。
図３は、燃料が欠乏している燃料電池セル１０の発電電圧を示す図である。図３の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図３の横軸は経過時間を示す。図３に示すように、燃料が欠乏すると急激に発電電圧が低下する。これは、燃料以外の材料からプロトンを解離させるためである。その後、発電電圧の低下幅は小さくなる。これは、水電解触媒を介して上記式（３）の反応が起こり、プロトンが継続して電解質膜３に供給されるからである。さらに燃料欠乏状態が継続すると、発電電圧は急激に低下する。これは、水電解触媒の劣化によって上記式（３）の反応の代わりに上記式（４）の反応が行われるからである。以上のことから、制御部６０は、いずれかの燃料電池セル１０の発電電圧が０Ｖ以下である場合に、その燃料電池セル１０において燃料が欠乏していると判定することができる。
燃料が欠乏していると判定された場合、制御部６０は、その燃料電池セル１０の温度が氷点下になっているか否かを判定する。制御部６０は、温度センサ３４の検出結果に基づいて判定する。氷点下においては水が凍結するため、触媒層２２への水の供給がなされない。この場合、電解質膜３に保持される水が触媒層２２へ移動して、水電解触媒を介して電気分解される。したがって、電解質膜３の膜厚が小さくなる。その結果、燃料電池スタック３１の締結荷重が低下する。
ここで、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合の燃料電池セル１０の発電電圧と燃料電池スタック３１の締結荷重との関係について説明する。図４は、燃料電池セル１０の発電電圧と燃料電池スタック３１の締結荷重との関係を示す図である。この場合、燃料極２および酸素極４のいずれにも窒素ガスが供給され、燃料電池セル１０の温度は−２０℃に設定してあり、燃料電池セル１０の電流密度は０．１Ａ／ｃｍ２に設定してある。図４の左側の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図４の右側の縦軸は燃料電池スタック３１の締結荷重を示し、図４の横軸は経過時間を示す。
図４に示すように、燃料欠乏状態が継続すると、燃料電池スタック３１の締結荷重は徐々に低下する。したがって、荷重センサ３５の検出荷重が低下すれば、燃料欠乏状態かつ氷点下の電解質膜３の水分量が低下していると判定することができる。そこで、制御部６０は、荷重センサ３５の検出荷重が低下するか否かを判定する。この場合、制御部６０は、荷重センサ３５の検出荷重が継続して低下するか否か判定してもよく、所定の時間間隔を空けて荷重センサ３５の検出荷重が低下するか否かを判定してもよい。
荷重センサ３５の検出荷重が低下すると判定された場合、制御部６０は、背圧制御弁５０を制御して、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの背圧を増大させる。この場合、酸素極４において生成された発電生成水が電解質膜３および燃料極２側へ移動する。それにより、電解質膜３が十分に吸水することができるとともに、燃料極２における水の電気分解反応を継続させることができる。
ここで、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合の酸化剤ガスの背圧と燃料電池セル１０の発電電圧との関係について説明する。図５は、酸化剤ガスの背圧と燃料電池セル１０の発電電圧との関係を示す図である。この場合、燃料極２には窒素ガスが供給され、酸素極４にはエアが供給され、燃料電池セル１０の温度は−２０℃に設定され、燃料電池セル１０の電流密度は０．１５Ａ／ｃｍ２に設定されている。図５の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図５の横軸は経過時間を示す。実線は酸化剤ガスの背圧が０．２ＭＰａの場合を示し、破線は酸化剤ガスの背圧が０．１ＭＰａの場合を示す。
図５に示すように、背圧が０．１ＭＰａの場合には、発電電圧が急激に低下する。これは、酸化剤ガスの背圧が小さいために酸素極４から燃料極２に水が供給されないからであると考えられる。一方、背圧が０．２ＭＰａの場合には、発電電圧は一定の範囲内の値に長時間にわたって維持される。これは、酸素極４から燃料極２に水が供給されて水の電気分解反応が継続するからであると考えられる。
なお、酸素極４から燃料極２に水が速やかに移動するためには、電解質膜３の水透過速度が所定の値よりも大きいことが必要である。ここで、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合における電解質膜３の水透過速度と燃料電池セル１０の発電電圧との関係について説明する。
図６は、電解質膜３の水透過速度と燃料電池セル１０の発電電圧との関係を示す図である。この場合、燃料極２には窒素ガスが供給され、酸素極４にはエアが供給され、燃料電池セル１０の温度は−３０℃に設定され、燃料電池セル１０の電流密度は０．１Ａ／ｃｍに設定されている。図６の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図６の横軸は経過時間を示す。実線は電解質膜３の水透過速度が５×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの場合を示し、破線は電解質膜３の水透過速度が１×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの場合を示す。
図６に示すように、水透過速度が１×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの場合には発電電圧が急激に低下する。これは、水透過速度が小さいために酸素極４から燃料極２への水の供給が十分になされないからであると考えられる。一方、水透過速度が５×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの場合には、発電電圧は一定の範囲内の値を長時間にわたって維持する。これは、酸素極４から燃料極２に水が十分に供給されて水の電気分解反応が継続するからであると考えられる。したがって、電解質膜３の水透過速度は、５×１０−４ｍｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以上であることが好ましい。
制御部６０は、酸化剤ガスの背圧を増加させた後に燃料電池スタック３１の締結荷重が低下しているか否かを再度判定する。酸化剤ガスの背圧を増加させても燃料電池スタック３１の締結荷重が低下する場合には、制御部６０は、ヒータ３２を制御して燃料電池スタック３１を加熱する。この場合、電解質膜３における水透過速度が増大する。それにより、酸素極４側から燃料極２側に水が移動しやすくなる。その結果、燃料極２における水の電気分解反応が継続する。
ここで、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合における燃料電池セル１０の温度と燃料電池セル１０の発電電圧との関係について説明する。図７は、燃料電池セル１０の温度と燃料電池セル１０の発電電圧との関係を示す図である。この場合、燃料極２には窒素ガスが供給され、酸素極４にはエアが供給され、燃料電池セル１０の電流密度は０．１Ａ／ｃｍ２に設定されている。図７の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図７の横軸は経過時間を示す。実線は燃料電池セル１０の温度が−２０℃である場合を示し、破線は燃料電池セル１０の温度が−２６℃である場合を示し、点線は燃料電池セル１０の温度が−３０℃である場合を示す。
図７に示すように、燃料電池セル１０の温度が−３０℃または−２６℃である場合には、燃料電池セル１０の発電電圧は急激に低下する。これは、電解質膜３の水透過速度が小さく、燃料極２に水が十分に供給されないからであると考えられる。一方、燃料電池セル１０の温度が−２０℃である場合には、燃料電池セル１０の発電電圧は一定の範囲内の値に長時間にわたって維持される。これは、電解質膜３の水透過速度が増加し、燃料極２に水が十分に供給されるからであると考えられる。
このように、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合であっても、電解質膜３の温度を増大させることによって酸素極４から燃料極２に水を十分に供給することができる。それにより、燃料極２の劣化を抑制することができるとともに、電解質膜３の劣化も抑制することができる。特に、ｎａｆｉｏｎ等のフッ素系電解質膜は、−２６℃を境に水透過速度が急激に増加する。したがって、電解質膜３を−２６℃以上に加熱することが好ましい。
図８は、燃料電池２０の発電中における制御部６０による燃料電池システム１００の制御の一例を示すフローチャートである。制御部６０は、所定の周期で図８のフローチャートを実行する。図８に示すように、まず制御部６０は、いずれかの燃料電池セル１０が燃料欠乏状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、制御部６０は、電圧センサ３３の検出結果に基づいて、いずれかの燃料電池セル１０の発電電圧が０Ｖ以下であるか否かによって判定する。
ステップＳ１においていずれかの燃料電池セル１０において燃料欠乏状態にあると判定された場合、制御部６０は、その燃料電池セル１０の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この場合、制御部６０は、温度センサ３４の検出結果に基づいて判定する。ステップＳ２において燃料電池２０の温度が氷点下であると判定された場合、制御部６０は、燃料電池スタック３１の締結荷重が低下傾向にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。この場合、制御部６０は、荷重センサ３５の検出結果に基づいて、所定の時間間隔で締結荷重が低下しているか否かによって判定する。
ステップＳ３において燃料電池スタック３１の締結荷重が低下傾向にあると判定された場合、制御部６０は、背圧制御弁５０を制御して酸化剤ガスの背圧を例えば０．２ＭＰａまで増加させる（ステップＳ４）。次に、制御部６０は、燃料電池スタック３１の締結荷重が低下傾向にあるか否かを再度判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において燃料電池スタック３１の締結荷重が低下傾向にあると判定された場合、制御部６０は、ヒータ３２を制御して燃料電池スタック３１を加熱する（ステップＳ６）。この場合、制御部６０は、燃料電池スタック３１の温度が−２６℃以上になるようにヒータ３２による加熱を継続させる。その後、制御部６０は、ステップＳ２の動作から繰り返す。
なお、ステップＳ１においていずれかの燃料電池セル１０が燃料欠乏状態にあると判定されなかった場合およびステップＳ２において燃料電池セル１０の温度が氷点下であると判定されなかった場合、制御部６０は、動作を終了する。それにより、燃料電池２０は、発電を継続する。ステップＳ３およびステップＳ５において燃料電池スタック３１の締結荷重が低下傾向にあると判定されなかった場合、制御部６０は、ステップＳ２の動作から繰り返す。
このように、図８のフローチャートに従った制御によって、いずれかの燃料電池セル１０において燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合であっても、電解質膜３に保持された水以外の水を用いて電気分解反応を継続させることができる。それにより、燃料極２の劣化を抑制することができるとともに、電解質膜３の劣化も抑制することができる。
本実施例においては、背圧制御弁５０が移動手段および背圧調整手段に相当し、荷重センサ３５が含水量検出手段および荷重検出手段に相当し、制御部６０が第１の判定手段、第２の判定手段および制御手段に相当し、電圧センサ３３が発電電圧検出手段に相当し、温度センサ３４が温度検出手段に相当する。
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図９は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図９に示すように、燃料電池システム１００ａが図２の燃料電池システム１００と異なる点は、荷重センサ３５の代わりに抵抗センサ３６が設けられている点である。抵抗センサ３６は、各燃料電池セル１０の電解質膜３の電気抵抗を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。
ここで、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合の燃料電池セル１０の発電電圧と電解質膜３の電気抵抗との関係について説明する。図１０は、燃料電池セル１０の発電電圧と電解質膜３の電気抵抗との関係を示す図である。この場合、燃料極２および酸素極４のいずれにも窒素ガスが供給され、燃料電池セル１０の温度は−２０℃に設定され、燃料電池セル１０の電流密度は０．１Ａ／ｃｍ２に設定されている。また、各電解質膜３の電気抵抗は、保持水量を変化させることによって変化させてある。なお、電解質膜３の電気抵抗は、保持水量が多ければ小さく、保持水量が少なければ大きい。
図１０の縦軸は燃料電池セル１０の発電電圧を示し、図１０の横軸は経過時間を示す。図１０に示すように、電解質膜３の電気抵抗が大きくなるにしたがって、発電電圧の低下幅が小さくなる時間が短くなる。したがって、電解質膜３の電気抵抗が大きければ電解質膜３の劣化が進行するとともに、燃料極２の劣化も進行する。以上のことから、電解質膜３の電気抵抗が大きい場合には、電解質膜３および燃料極２に水分を供給する必要がある。
本実施例においては、制御部６０は、燃料が欠乏しかつ温度が氷点下である場合に、電解質膜３の電気抵抗に基づいて電解質膜３の保持水が減少しているか否かを判定する。この場合、制御部６０は、抵抗センサ３６の検出抵抗が継続して増加するか否かに基づいて判定してもよく、所定の時間間隔を空けて抵抗センサ３６の検出抵抗が低下するか否かに基づいて判定してもよい。
電解質膜３の保持水が減少していると判定された場合、制御部６０は、背圧制御弁５０を制御して、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの背圧を増大させる。この場合、酸素極４において生成された発電生成水が電解質膜３および燃料極２側へ移動する。それにより、電解質膜３が十分に吸水することができるとともに、燃料極２における水の電気分解反応が継続して行われる。
図１１は、燃料電池２０の発電中における制御部６０による燃料電池システム１００ａの制御の一例を示すフローチャートである。制御部６０は、所定の周期で図１１のフローチャートを実行する。図１１に示すように、まず制御部６０は、いずれかの燃料電池セル１０が燃料欠乏状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１においていずれかの燃料電池セル１０が燃料欠乏状態にあると判定された場合、制御部６０は、その燃料電池セル１０の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２において燃料電池セル１０の温度が氷点下であると判定された場合、制御部６０は、その燃料電池セル１０に含まれる電解質膜３の電気抵抗が増加傾向にあるか否かを判定する（ステップＳ１３）。この場合、制御部６０は、抵抗センサ３６の検出結果に基づいて、所定の時間間隔で電解質膜３の電気抵抗が増加しているか否かによって判定する。
ステップＳ１３において電解質膜３の電気抵抗が増加傾向にあると判定された場合、制御部６０は、背圧制御弁５０を制御して酸化剤ガスの背圧を増加させる（ステップＳ１４）。次に、制御部６０は、ステップＳ１３において電気抵抗が低下傾向にあると判定された電解質膜３の電気抵抗が、増加傾向にあるか否かを再度判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５においてその電解質膜３の電気抵抗が増加傾向にあると判定された場合、制御部６０は、ヒータ３２を制御して燃料電池スタック３１を加熱する（ステップＳ１６）。その後、制御部６０は、ステップＳ１２の動作から繰り返す。
なお、ステップＳ１１においていずれかの燃料電池セル１０が燃料欠乏状態にあると判定されなかった場合およびステップＳ１２において燃料電池セル１０の温度が氷点下であると判定されなかった場合、制御部６０は、動作を終了する。それにより、燃料電池２０は発電を継続させる。ステップＳ１３およびステップＳ１５におい電解質膜３の電気抵抗が増加傾向にあると判定されなかった場合、制御部６０は、ステップＳ１２の動作から繰り返す。
このように、図１１のフローチャートに従った制御によって、燃料が欠乏しかつ燃料電池セル１０の温度が氷点下である場合であっても、電解質膜３に保持された水以外の水を用いて電気分解反応を継続させることができる。それにより、燃料極２の劣化を抑制することができるとともに、電解質膜３の劣化も抑制することができる。
なお、本実施例においては、抵抗センサ３６が抵抗検出手段に相当する。
燃料電池セルの模式的断面図である。 本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 燃料が欠乏している燃料電池セルの発電電圧を示す図である。 燃料電池セルの発電電圧と燃料電池スタックの締結荷重との関係を示す図である。 酸化剤ガスの背圧と燃料電池セルの発電電圧との関係を示す図である。 電解質膜の水透過速度と燃料電池セルの発電電圧との関係を示す図である。 燃料電池セルの温度と燃料電池セルの発電電圧との関係を示す図である。 燃料電池の発電中における制御部による燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。 第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 燃料電池セルの発電電圧と電解質膜の電気抵抗との関係を示す図である。 燃料電池の発電中における制御部による燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
符号の説明
２ 燃料極
３ 電解質膜
４ 酸素極
１０ 燃料電池セル
２０ 燃料電池
２２ アノード触媒層
３０ 燃料ガス供給手段
３１ 燃料電池スタック
３２ ヒータ
３３ 電圧センサ
３４ 温度センサ
３５ 荷重センサ
３６ 抵抗センサ
４０ 酸化剤ガス供給手段
５０ 背圧調整手段
６０ 制御部
１００，１００ａ 燃料電池システム

Claims (18)

  1. 固体高分子電解質膜と水電解触媒を備えるアノード触媒層とを含む燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルの酸素極の水を燃料極側に移動する移動手段と、
    前記固体高分子電解質膜の含水量を検出する含水量検出手段と、
    前記含水量検出手段の検出結果に基づいて、前記移動手段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。
  2. 前記固体高分子電解質膜の含水量が低下するか否かを判定する第１の判定手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると前記第１の判定手段によって判定された場合に、前記酸素極の水を前記燃料極に移動するように前記移動手段を制御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。
  3. 前記移動手段は、前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの背圧を調整する背圧調整手段を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると前記第１の判定手段によって判定された場合に、前記酸化剤ガスの背圧が増加するように前記背圧調整手段を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 前記移動手段は、前記燃料電池セルを加熱するヒータを含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると前記第１の判定手段によって判定された場合に、前記燃料電池セルの温度が上昇するように前記ヒータを制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 前記含水量検出手段は、前記固体高分子電解質膜の電気抵抗を検出する抵抗検出手段を含み、
    前記第１の判定手段は、前記固体高分子電解質膜の電気抵抗が増加する場合に前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックをさらに備え、
    前記含水量検出手段は、前記燃料電池スタックの締結荷重を検出する荷重検出手段を含み、
    前記第１の判定手段は、前記燃料電池スタックの締結荷重が低下する場合に前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定することを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する第２の判定手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあると前記第２の判定手段によって判定されかつ前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると前記第１の判定手段によって判定された場合に、前記酸素極の水を前記燃料極に移動するように前記移動手段を制御することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池セルの発電電圧を検出する発電電圧検出手段をさらに備え、
    前記第２の判定手段は、前記燃料電池セルの発電電圧が所定値以下である場合に、前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあると判定することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池セルの温度が氷点下でありかつ前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると前記第１の判定手段によって判定された場合に、前記酸素極の水を前記燃料極に移動するように前記移動手段を制御することを特徴とする請求項２〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 固体高分子電解質膜と水電解触媒を備えるアノード触媒層とを含む燃料電池セルの前記固体高分子電解質膜の含水量を検出する含水量検出ステップと、
    前記固体高分子電解質膜の含水量が低下するか否かを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップにおいて前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定された場合に、前記燃料電池セルの酸素極の水を燃料極側に移動する移動ステップとを含むことを特徴とする燃料電池セルの運転方法。
  13. 前記移動ステップは、前記燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの背圧を調整する背圧調整手段によって前記酸化剤ガスの背圧を増加させるステップを含むことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池セルの運転方法。
  14. 前記移動ステップは、ヒータによって前記燃料電池セルの温度を上昇させるステップを含むことを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池セルの運転方法。
  15. 前記判定ステップは、前記固体高分子電解質膜の電気抵抗が増加する場合に前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定するステップを含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池セルの運転方法。
  16. 前記判定ステップは、前記燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックの締結荷重が低下する場合に前記固体高分子電解質膜の含水量が低下すると判定するステップを含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の燃料電池セルの運転方法。
  17. 前記含水量検出ステップは、前記燃料電池セルの発電電圧が所定値以下である場合になされるステップであることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の燃料電池セルの運転方法。
  18. 前記含水量検出ステップは、前記燃料電池セルの温度が氷点下である場合になされるステップであることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の燃料電池セルの運転方法。

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