JP2008235014A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電動作停止中におけるカソードの異常電位を素早く解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜１１と、該電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード１２及びカソード１３とを含み、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１０と、該燃料電池の発電動作の停止中に燃料ガスをアノード１２に導入する燃料ガス導入路２２と、該燃料ガス導入路に設けられた弁であって、アノード１２とカソード１３との間の電位差に応じて開閉する弁５０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。

近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池が、エネルギー源として注目されている。例えば、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（以下、「アノード」という場合がある。）と酸素極（以下、「カソード」という場合がある。）とで両側から挟み込んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）を含むセルを積層したスタック（「燃料電池スタック」ともいう）を備えている。

アノード及びカソードは、拡散層及び触媒層を備えている。拡散層は、例えば、多孔質カーボン材料のように、ガス透過性と導電性を有する材料によって形成されている。また、触媒層は、固体電解質と、カーボン担体と、このカーボン担体に担持された白金（Ｐｔ）等の触媒とを含んでいる。
このようなＭＥＡのアノードには、燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給され、カソードには酸化ガスとして、例えば外部から取り込まれた空気が供給される。

ところで、燃料電池の運転を停止している間には、燃料ガスの供給が止められる。ところが、その間に、外部から流入した酸化ガス（空気）や、使用済みの酸化ガス（酸化オフガスとも呼ばれる）が、カソード側からアノード側に拡散してしまう場合がある。すると、運転停止中にもかかわらず電気化学反応が生じ、カソードの電位が異常に上昇してしまう（以下において、「異常電位」という）。その結果、カソードを形成しているカーボン担体の酸化が促進され、そこから白金（Ｐｔ）が脱離してしまう等、燃料電池の性能の低下を招くことになる。そのため、カソード側の異常電位を速やかに解消できるようなシステムが望まれている。

関連する技術として、特許文献１には、参照電極とアノード側電極との電位差が規定値を超えた際に、そのアノード極と他のアノード極との電位が比較され、それらの電位差が規定以上になったものと判定された場合に、アノードガスの供給条件を制御する燃料電池スタックの制御方法が開示されている。また、特許文献２には、セルから外部に排出されるガスの量を調節する排出ガス調整手段と、燃料電池内の少なくとも１つのセルにおいて、燃料ガスの入口側のセルと出口側のセルとの電位差を検出する電位差検出手段と、該電位差が所定の範囲にない場合に、排出ガス調整手段により排出ガスを燃料電池本体の外部に排出させる排出ガス制御手段とを備える燃料電池が開示されている。さらに、特許文献３には、参照極と燃料極との電位差、又は、参照極と空気極との電位差に基づいて、燃料電池の作動条件（例えば、燃料の供給量、供給圧）を制御することが開示されている。
特開２００６−２７８２４６号公報 特開２００５−３４７２１８号公報 特開２００１−３３８６６７号公報

しかしながら、特許文献１〜３においては、カソードの電位を常にモニタしておく必要があるので、システムが煩雑となる。また、これらのシステムにおいて、セルに燃料ガスを供給する流路には一般的なガス弁が備えられており、それらの開閉を行う際には、電気的な制御信号及び外部エネルギーを利用しなくてはならない。そのため、応答性やシステムのエネルギー効率はあまり良いとは言えない。

そこで、本発明は、燃料電池の発電動作停止中におけるカソードの異常電位を素早く解消できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、電解質と、該電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード及びカソードとを含み、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電動作の停止中に、燃料ガスを前記アノードに導入する導入路と、前記導入路に設けられた弁であって、前記アノードと前記カソードとの間の電位差に応じて開閉する弁とを備える。

かかる構成とすることにより、カソードの電位が異常電位となった場合に、弁が自発的に開いてアノードに燃料ガスが導入され、酸化ガスが掃気される。また、異常電位が解消されると、弁が自発的に閉じて燃料ガスが遮断される。

ここで、前記弁は、前記電位差が所定の値以上である場合に前記導入路を開き、前記電位差が所定の値未満である場合に前記導入路を閉じる。それにより、カソードの電位が必要以上に上昇した場合にのみ、燃料ガスがアノードに導入されるようになる。

また、前記弁は、前記電位差に応じて変形する高分子アクチュエータを含んでも良く、このように弾性に富む部材を用いて弁を形成することにより、弁の機密性が高くなる。

前記高分子アクチュエータは２つの電極を有しており、前記２つの電極の内の一方を前記アノードに電気的に接続し、前記２つの電極の内の他方を前記カソードに電気的に接続することにより、高分子アクチュエータがアノード及びカソード間の電位差に基づいて自発的に動作する。

また、前記燃料電池システムは、前記導入路に燃料ガスを導入する燃料ガス供給源をさらに備えても良い。

本発明によれば、燃料電池の発電動作停止中にカソードが異常電位になっても、燃料ガスをアノードに導入して酸化ガスを掃気することにより、カソードの電位を下げることができる。その際に、アノードとカソードとの間の電位差に基づいて、弁を自発的に開閉させるので、システムの構成が簡単となると共に、素早い応答を得ることができる。また、カソードの異常電位が解消されれば弁が閉じられるので、燃料ガスの消費を抑えることができる。さらに、弁を開閉するためのエネルギーを外部から投入する必要がなくなるので、システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セル１と、該燃料電池セル１に導入される燃料ガスの導入路と、この導入路を開閉する弁５０とを含んでいる。本実施形態においては、固体高分子電解質型の燃料電池が採用されており、燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては空気が用いられる。

燃料電池セル１は、電解質膜１１及びその両側にそれぞれ配置されたアノード１２及びカソード１３を有するＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）１０と、アノード１２側に配置されたセパレータ２０と、カソード１３側に配置されたセパレータ３０とを含んでいる。

ＭＥＡ１０の電解質膜１１は、高分子材料のイオン交換膜によって形成されている。また、アノード１２及びカソード１３は、白金（Ｐｔ）等の触媒が結着された、例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）によって形成されている。このようなＭＥＡ１０は、イオン交換体として作用する。なお、本実施形態においては、膜状の電解質を用いているが、電解質の形状は特に限定されない。

セパレータ２０及び３０は、カーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）のように、ガス不透過性又はガス難透過性を有する導電性材料によって構成されている。

セパレータ２０には、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路２１が形成されている。この燃料ガス流路２１には、燃料ガス供給管等を介して、燃料ガス供給源（燃料ガスタンク等）が接続されている（いずれも図示せず）。

また、セパレータ２０には、発電動作の停止中におけるカソード１３の異常電位を抑制する機構として、燃料ガス導入路２２及び弁５０が設けられている。ここで、本願において、発電動作の停止とは、電気化学反応に用いられる燃料ガスの供給を停止することを言い、酸化ガスの供給機構（後述するコンプレッサ等）の運転については継続していても良く、停止していても良い。

弁５０には、燃料ガス導入管２ａを介して、燃料ガス供給源としての燃料ガスタンク２が接続されている。一方、燃料ガス導入路２２は燃料ガス流路２１に通じており、弁５０が開いている場合に、燃料ガスタンク２からの燃料ガスがアノード１２に導入される。さらに、弁５０と燃料ガス導入管２ａとの間には、シール部材２ｂが配置されている。

なお、カソード１３の異常電位抑制に用いられる燃料ガスの供給源と、発電用の燃料ガスの供給源とを兼用しても良い。その場合には、燃料ガス導入路２２とは別に、燃料ガスの供給源から弁５０を介さないで燃料ガス流路２１に通じる流路を、さらに形成することが望ましい。

一方、セパレータ３０には、酸化ガスを流通させる酸化ガス流路３１が形成されている。この酸化ガス流路３１には、酸化ガス供給管等を介して、外部から酸化ガスとしての空気を取り込むコンプレッサや、酸化ガスを適切な湿度まで加湿する加湿器等が接続されている（いずれも図示せず）。

さらに、セパレータ２０及び３０に挟まれたＭＥＡ１０の周囲には、ガスケット４０が配置されており、それによって、燃料ガスや酸化ガスの外部への漏れや、互いの流路への漏れが抑制される。

次に、図２〜図４を参照しながら、弁５０の構造及び動作について説明する。図２は、弁５０の構造を示す平面図であり、図３及び図４は、同断面図である。
弁５０は、２つの高分子アクチュエータ５１及び５２を含んでいる。また、これらの高分子アクチュエータ５１及び５２に周囲には、シール部材５３が配置されている。

高分子アクチュエータ５１及び５２は、閉弁時（図２及び図３）には各々の一部が互いに密着して重なるように配置されており、それにより、燃料ガス導入管２ａが封止されている（図３参照）。なお、弁５０の気密性をさらに高めるために、高分子アクチュエータ５１と高分子アクチュエータ５２との間に、シール部材をさらに配置しても良い。

図３に示すように、各高分子アクチュエータ５１及び５２は、ポリピロール等の導電性高分子５１ａ、５２ａの両面に電極５１ｂ及び５１ｃ、及び、５２ｂ及び５２ｃをそれぞれ配置した構造を有している。このような高分子アクチュエータの２つの電極間に所定の電位差（例えば、１．２Ｖ程度）を与えると、導電性高分子５１ａ及び５２ａは、電界の向き及び大きさに応じて屈曲する。例えば、ポリピロールは、電位の高い側が収縮し、電位の低い側が伸張するので、電界と反対の向きに屈曲する。

ここで、高分子アクチュエータ５１及び５２の屈曲動作開始に必要な電位差や、屈曲時の変位量については、導電性高分子に添加されるドーパントの量や、サイズ（厚さや長さ）等に基づいて、所望の値を設定することができる。
また、高分子イオンアクチュエータとしては、ポリピロール等の代わりに、イオン導電性高分子フィルム（ＩＣＰＦ：ionic conducting polymer film）や、高分子ゲル等を用いたものでも良い。

高分子アクチュエータ５１の一方の電極５１ｂ（図の下側）は、セパレータ２０（図１）を介してアノード１２に電気的に接続されており、他方の電極５１ｃ（図の上側）は、セパレータ３０を介してカソード１３に電気的に接続されている。また、高分子アクチュエータ５２の一方の電極５２ｂ（図の上側）は、セパレータ２０を介してアノード１２に電気的に接続されており、他方の電極５２ｃ（図の下側）は、セパレータ３０を介してカソード１３に電気的に接続されている。このように接続することにより、高分子アクチュエータ５１及び５２は、アノード１２とカソード１３との間の電位差に基づいて動作するようになる。

図１に示す燃料電池セル１の発電動作中には、燃料ガスタンク２の開閉弁（図示せず）は閉じておく。そして、燃料電池セル１（図１）の発電動作を停止する際には、発電用の燃料ガスの供給を止めると共に、図１に示す燃料ガスタンク２の開閉弁を開く。

発電動作の停止中に、外部から流入した酸化ガスや滞留した酸化オフガスが、カソード１３からアノード１２まで拡散し、意図しない電気化学反応が生じてカソード１３の電位が上昇する場合がある。その場合に、アノード１２とカソード１３の電位差が所定の設定値（例えば、１．２Ｖ）以上になると、高分子アクチュエータ５１及び５２が屈曲して弁５０が開く。それにより、燃料ガスタンク２からの燃料ガスが、弁５０を通過してアノード１２に導入される。すると、燃料ガスによって酸化ガスが掃気され、アノード１２及びカソード１３の近傍は、酸化ガスがほとんど存在しない状態になる。その結果、電気化学反応が抑制され、カソード１３の電位が低下してくる。そして、アノード１２とカソード１３との電位差が上記設定値を下回ると、高分子アクチュエータ５１及び５２の形状が元に戻り、弁５０は再び閉じられる。

以上説明した本実施形態においては、カソードの異常電位を抑制する機構としての弁を、２つの高分子アクチュエータを用いて形成したが、高分子アクチュエータの数や形状は特に限定されない。例えば、１つの高分子アクチュエータを用いて、片開きの弁を形成しても良いし、３つ以上の高分子アクチュエータを用いて、カメラの絞り構造や、バラ等の花弁が開閉する構造と同様の構造を有する弁を形成しても良い。

また、以上においては、説明を簡単にするために、本発明を単セルの燃料電池に適用する例を示したが、本発明は、複数のセルを積層した燃料電池スタックにも適用することができる。この場合には、積層された各セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに対して、高分子アクチュエータを有する弁と、この弁を介して導入される燃料ガスの供給源（燃料ガスタンク等）とを設けることが好ましい。その際に、高分子アクチュエータの電極は、いずれのセルに接続しても良いが、外部から取り込まれる酸化ガスの影響をより受け易い端部のセルに接続することがより好ましい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 図１に示す弁の構造を示す平面図である。 図１に示す弁の閉弁時の構造を示す断面図である。 図１に示す弁の開弁時の構造を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池セル、２…燃料ガスタンク、１０…ＭＥＡ、１１…電解質膜、１２…アノード、１３…カソード、２０、３０…セパレータ、２２…燃料ガス導入路、５０…弁、５１、５２…高分子アクチュエータ、５１ａ、５２ａ…導電性高分子、５１ｂ、５１ｃ、５２ｂ、５２ｃ…電極

Claims (5)

1. 電解質と、該電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード及びカソードとを含み、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電動作の停止中に、燃料ガスを前記アノードに導入する導入路と、
   前記導入路に設けられた弁であって、前記アノードと前記カソードとの間の電位差に応じて開閉する弁と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記弁は、前記電位差が所定の値以上である場合に前記導入路を開き、前記電位差が所定の値未満である場合に前記導入路を閉じる、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記弁は、前記電位差に応じて変形する高分子アクチュエータを含む、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記高分子アクチュエータは２つの電極を有しており、前記２つの電極の内の一方は前記アノードに電気的に接続されており、前記２つの電極の内の他方は前記カソードに電気的に接続されている、請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記導入路に燃料ガスを導入する燃料ガス供給源をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システム。

Images