JP2018120805A - 燃料電池システムと燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池システムにおいて、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制する。【解決手段】燃料電池システム５０は、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された一対の電極と、電極の両外面に配置され、電極に反応ガスを供給するアノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃを有する一対の導電性セパレータと、を有し、電解質膜と、一対の電極の両方にフッ素を含む燃料電池３０と、アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃの両方にオゾンガスを供給する親水性向上化流体供給器５１と、非発電時にのみアノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃの両方にオゾンガスを供給するように親水性向上化流体供給器５１を制御する制御器５２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムとその運転方法に関するものであり、さらに詳しくは、長時間発電を行うことによるセパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、水の流路閉塞による電圧低下を抑制する燃料電池システムとその運転方法に関するものである。

一般に燃料電池は複数のセルを直列に重ねて構成されるスタックから成り、これにより所定の電圧を得る。

セルの最も基本的な構造は、「セパレータ／電極（アノード）／電解質膜／電極（カソード）／セパレータ」という構成を有している。このセルにおいては、電解質膜の両面に配置された一対の電極（アノード、カソード）に、アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスである反応ガスが供給され、電気化学反応により燃料が酸化されることで、反応の化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。

このような燃料電池は、電解質膜の種類により、いくつかのタイプに分類されるが、自動車用や定置用の燃料電池として、電解質膜に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が一般的である。固体高分子電解質膜は、水素イオンを選択的に輸送するものであり、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜のような、フッ素を含む高分子イオン交換膜が用いられる。

固体高分子型燃料電池は次のようにして製造される。まず、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層が形成される。次に、この触媒層の外面に、反応ガスの通気性と、電子導電性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパーを用いたガス拡散層が形成される。

なお、このガス拡散層と触媒層とを合わせて電極と呼ばれ、燃料ガスが供給される電極がアノード、酸化剤ガスが供給される電極がカソードと呼ばれる。

次に、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には電解質膜を挟んでガスケットが配置される。

このガスケットは、電極及び電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これを、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。

セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための反応ガス流路が形成される。この反応ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けて反応ガス流路とする方式が一般的である。

燃料電池は運転中に発熱するので、燃料電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１から３セル毎に冷却水を流す冷却部がセパレータとセパレータとの間に挿入されるが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。

これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部が交互に重ねられ、積層された後、集電板と絶縁板とを介し、端板でこれらが挟まれ、締結ボルトで両端を固定され製造されるのが一般的な固体高分子型燃料電池である。

このような固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータは、導電性が高く、かつ反応ガスに対して高いガス気密性を持ち、更に燃料ガス／酸化剤ガスを酸化還元する際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要がある。

このような理由で従来のセパレータは、樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工で反応ガス流路を形成したり、また反応ガス流路溝を形成したプレス金型にバインダと共に黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、加熱処理することで作製したりしている。

また、近年、前記セパレータの材料としてカーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが行われている。

金属板を用いたセパレータは、金属板が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解が起きる可能性がある。金属板が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、燃料電池の出力が低下する。

また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオンが電解質膜に拡散し、結果的に電解質膜自身のイオン電導性が低下する。このような劣化を避けるため金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッキを施すことが通例である。

次に、固体高分子型燃料電池の発電時の状態について説明する。

固体高分子型燃料電池は、電解質膜内を電離した水素が移動しやすくするため、燃料ガスとしての水素を含むガスや、酸化剤ガスとしての酸素を含むガスに水蒸気を混合して供給することが一般的である。

一方、発電時の電気化学反応により水分（水蒸気）が生成するため、セパレータに形成された反応ガス流路には、燃料ガスや酸化剤ガスと混合する水蒸気と、発電により生成する水分（水蒸気）とが通過する。

セパレータ表面は生成した水が必要以上に結露しないように一定の温度に制御されるのが一般的であるが、発電する電力の消費量や反応ガス供給量の変化により、燃料電池内部の発生熱量が変化し、内部温度が変動して結露する水の量が変動することがある。例えば温度が低下した場合などにはセパレータ表面が結露しやすくなることがあり、このような現象を完全に排除することは不可能である。

結露が発生すると、水滴が反応ガス流路を塞ぎ、その塞いだ場所以降の電極に対し反応ガス供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下するという課題がある。

このような課題を解決するために、セパレータ表面の親水性を高め、結露した水を薄い膜状に広げることで排水性を高めるという方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２１８１７１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、セパレータ表面の親水性を高め、結露した水を薄い膜状に広げ、セパレータの反応ガス流路の排水性を高めることにより、発電初期の電圧低下は抑制できるが、長時間発電を行うと、セパレータの反応ガス流路の親水性が低下して、電圧低下が発生しやすい知見を新たに得た。

長時間発電を行うと、セパレータの反応ガス流路の親水性が低下する要因は、発電により燃料電池の電解質膜や、電極中の電解質に含まれるフッ素成分等が化学的ダメージを受け、発電時に生成される水分に溶出し、フッ素成分等を含む水分がセパレータの反応ガス流路を通過することにより、セパレータの反応ガス流路にフッ素が蓄積しているためと推察される。

以上より、電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池において、長時間発電を行うことにより、セパレータの反応ガス流路の親水性が低下し、電圧低下が発生しやすいという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池の電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池システムにおいて、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、少なくとも、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された一対の電極と、電極の両外面に配置され、電極に反応ガスを供給する反応ガス流路を有する一対のセパレータと、を有し、電解質膜と、一対の電極のいずれかにフッ素を含む燃料電池と、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性を向上させるための親水性向上化流体を供給する親水性向上化流体供給器と、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性向上化流体を供給するように親水性向上化流体供給器を制御する制御器と、を備えたものである。

これにより、燃料電池の電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池システムにおいて、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

本発明の、燃料電池システムは、電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池において、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。また、反応ガスの安定した供給ができ、優れた発電特性を有することができる。また、長期間に渡って、優れた発電特性を維持することができ、優れた耐久特性を有することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池の内部構造を示す概略図 本発明の実施の形態１および実施の形態２に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す斜視図 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図

第１の発明は、少なくとも、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された一対の電極と、電極の両外面に配置され、電極に反応ガスを供給する反応ガス流路を有する一対のセパレータと、を有し、電解質膜と、一対の電極のいずれかにフッ素を含む燃料電池と、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性を向上させるための親水性向上化流体を供給する親水性向上化流体供給器と、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性向上化流体を供給するように親水性向上化流体供給器を制御する制御器と、を備えた燃料電池システムである。

これによって、燃料電池の電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池システムにおいて、長時間発電を行うことよる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、反応ガス流路から流出した親水性向上化流体を、燃料電池システムの外部に排出する親水性向上化流体排出路を備えたものである。

これによって、セパレータの反応ガス流路に、燃料電池の発電時に流す反応ガスを供給した際の反応ガスを排出する経路と、セパレータの反応ガス流路に、親水性向上化流体を供給した際の親水性向上化流体を排出する経路とを分けることができ、反応ガスや親水性向上化流体を独立して排出することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、親水性向上化流体にオゾンガス、もしくは、オゾン水を用いるものである。

これによって、酸化性の強いオゾンガス、もしくは、オゾン水が、セパレータの反応ガス流路の内部に蓄積したフッ素成分や有機物の結合を酸化分解し、フッ素成分や有機物を除去することにより、セパレータの反応ガス流路の親水性が向上し、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下をより確実に抑制して、電圧低下をより確実に抑制することができる。

第４の発明は、特に第１の発明において、制御器が、非発電時にのみ、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性向上化流体を供給するように親水性向上化流体供給器を制御するものである。

これによって、発電時は、アノード側のセパレータの反応ガス流路に燃料ガス、カソード側のセパレータの反応ガス流路に酸化剤ガスを通過させ、非発電時は、アノード側、カソード側のセパレータの反応ガス流路の少なくとも一方の反応ガス流路に親水性向上化流体を通過させることで、発電時の電圧を低下させることなく、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

第５の発明は、少なくとも、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された一対の電極と、電極の両外面に配置され、電極に反応ガスを供給する反応ガス流路を有する一対のセパレータと、を有し、電解質膜と、一対の電極のいずれかにフッ素を含む燃料電池と、少なくとも一方の反応ガス流路に親水性を向上させるための親水性向上化流体を供給する親水性向上化流体供給器と、を備えた、燃料電池システムの運転方法であって、親水性向上化流体供給器が、少なくとも一方の反応ガス流路に前記親水性向上化流体を供給するものである。

これによって、燃料電池の電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池システムにおいて、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の内部構造を示す概略図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。

以下、実施の形態１に係る燃料電池システム５０について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池システム５０は、燃料電池３０と、親水性向上化流体供給器５１と、制御器５２と、外筐体５３と、開閉弁６１と、開閉弁６４と、開閉弁７１と、開閉弁７４と、開閉弁８２と、開閉弁８３と、を備え、配管で接続されている。

制御器５２と各デバイスとの信号線は省略するが、制御器５２は、親水性向上化流体供給器５１、開閉弁６１、開閉弁６４、開閉弁７１、開閉弁７４、開閉弁８２、開閉弁８３と接続され、制御器５２が、親水性向上化流体供給器５１、開閉弁６１、開閉弁６４、開閉弁７１、開閉弁７４、開閉弁８２、開閉弁８３の動作を制御する。

アノード側の流体系統について詳細に説明する。流体流路を開閉する開閉弁６１は、配管６０により、水素ガス供給源と接続されている。開閉弁６１は、配管６２により、燃料電池３０のアノード流体流路２０ａの供給側に接続されている。

燃料電池３０のアノード流体流路２０ａの排出側は、配管６３により、流体流路を開閉する開閉弁６４に接続されている。開閉弁６４は、配管６５が接続され、燃料電池３０のアノード流体流路２０ａから排出される流体を燃料電池システム５０の外部に排出できるように構成されている。

次に、カソード側の流体系統について詳細に説明する。流体流路を開閉する開閉弁７１は、配管７０により、燃料電池システム５０の外部からの空気を取り込めるように構成されている。開閉弁７１は、配管７２により、燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃの供給側に接続されている。

燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃの排出側は、配管７３により、流体流路を開閉する開閉弁７４に接続されている。開閉弁７４は、配管７５が接続され、燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃから排出される流体を燃料電池システム５０の外部に排出できるように構成されている。

次に、親水性向上化流体の系統について詳細に説明する。親水性向上化流体供給器５１は、配管８０により、親水性向上化流体供給源と接続されている。親水性向上化流体供給器５１は、配管８１により、流体流路を開閉する開閉弁８２と、流体流路を開閉する開閉弁８３に接続されている。

開閉弁８２は、アノード側の流体系統の配管６２に接続されている。開閉弁８３は、カソード側の流体系統の配管７２に接続されている。親水性向上化流体供給器５１は、流体流路を開閉する開閉弁である。親水性向上化流体はオゾンガスである。

冷却水の流体系統は、図示されていないが、燃料電池３０の冷却水流路の供給側、燃料電池３０の冷却水流路の排出側、冷却水放熱器を配管で接続し、冷却水が燃料電池３０と冷却水放熱器の間で循環するように構成されている。

以上のような構成により、燃料電池システム５０は構成されている。

次に、燃料電池３０の構造について説明する。

図２に示すように、実施の形態１に係る燃料電池３０の内部構造は、電解質膜１１と、触媒層１２ａと、触媒層１２ｃと、ガス拡散層１３ａと、ガス拡散層１３ｃと、導電性セパレータ１６ａと、導電性セパレータ１６ｃと、ＭＥＡガスケット１７ａと、ＭＥＡガスケット１７ｃと、セパレータガスケット１８とを有する。

電解質膜１１の両面には、触媒層１２ａおよび触媒層１２ｃが密着して配置される。触媒層１２ａおよび触媒層１２ｃの両外面（電解質膜１１と反対側の面）には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層１３ａおよびガス拡散層１３ｃがそれぞれ密着して配置される。ガス拡散層１３ａと触媒層１２ａにより電極１４ａが、ガス拡散層１３ｃと触媒層１２ｃにより電極１４ｃが構成される。

電極１４ａおよび電極１４ｃと電解質膜１１とで、ＭＥＡ１５が構成される。ＭＥＡ１５は、一対の導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃに挟持される。導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃは、ＭＥＡ１５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ１５同士を互いに電気的に直列に接続する。

電解質膜１１と、電解質膜１１を挟持する電極１４ａおよび電極１４ｃと、一対の導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃと、ＭＥＡガスケット１７ａおよびＭＥＡガスケット１７ｃとで、燃料電池の基本単位であるセル１９が形成される。

ＭＥＡ１５と導電性セパレータ１６ａはＭＥＡガスケット１７ａで封止され、ＭＥＡ１５と導電性セパレータ１６ｃはＭＥＡガスケット１７ｃで封止される。導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃには、ＭＥＡ１５とは反対側の面に、それぞれ隣接するセル１９の導電性セパレータ１６ｃおよび導電性セパレータ１６ａが接する。導電性セパレータ１６ａと導電性セパレータ１６ｃはセパレータガスケット１８で封止される。

導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃには、ＭＥＡ１５に接する主面に、電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るために、それぞれアノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃが形成されている。

導電性セパレータ１６ａおよび導電性セパレータ１６ｃには、隣接するセル１９の境界面に冷却水流路２１が設けられる。

冷却水流路２１の内部には冷却水が通流される。冷却水は導電性セパレータ１６ａと導電性セパレータ１６ｃを介して、ＭＥＡ１５で発生する熱を除去する。

電解質膜１１は、米国ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１２膜で構成される。触媒層１２ａと触媒層１２ｃは、Ｐｔ触媒を担持させたケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ ＥＣ、粒径３０ｎｍ）と、水素イオン伝導材であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製のＮａｆｉｏｎ分散液）で構成される。

ガス拡散層１３ａとガス拡散層１３ｃは、カーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰＨ０６０Ｈ）で構成される。導電性セパレータ１６ａと導電性セパレータ１６ｃは、２０ｃｍ×３２ｃｍ×１．３ｍｍの外寸を有し、かつ深さ０．５ｍｍの溝状のガス流路および溝状の冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板で構成される。

ＭＥＡガスケット１７ａとＭＥＡガスケット１７ｃとセパレータガスケット１８は、フッ素ゴムで構成される。

図３に示すように、実施の形態１に係る燃料電池３０の構造は、セルを３０枚積層したセル積層体３４と、一対の集電板３１ａおよび集電板３１ｃと、一対の絶縁板３２と、一対の端板３３とを備えている。

燃料電池３０からは、集電板３１ａおよび集電板３１ｃを通じて外部へ電流が取り出される。絶縁板３２により、セル積層体３４と外部とが電気的に絶縁される。端板３３により、セルを積層した燃料電池３０は締結され、機械的に保持される。

次に、実施の形態１に係る燃料電池システム５０の基本的な動作について説明する。

＜発電時の動作＞
燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気を燃料電池３０に供給し、親水性向上化流体は供給しない。

発電動作に先だって、燃料電池システム５０を停止（非発電）状態にし、開閉弁６１、開閉弁６４、開閉弁７１、開閉弁７４、開閉弁８２、開閉弁８３は全て閉じておく。

開閉弁６１と開閉弁６４を開くことにより、外部から配管６０を通じて水素ガスが取り入れられ、配管６２を通じて燃料電池３０のアノード側に導かれる。燃料電池３０のアノード流体流路２０ａを通過した水素ガスは、配管６５を通じて、燃料電池システム５０の外に排出される。

開閉弁７１と開閉弁７４を開くことにより、外部から配管７０を通じて空気が取り入れられ、配管７２を通じて燃料電池３０のカソード側に導かれる。燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃを通過した空気は、配管７５を通じて、燃料電池システム５０の外に排出される。

実施の形態１に係る運転条件は以下の通りである。燃料電池３０の温度は７０℃、水素ガス利用率（Ｕｆ）は７５％、酸素ガス利用率（Ｕｏ）は５０％とする。水素ガスおよび空気は、それぞれ６６℃および６６℃の露点を有するように加湿器を用いて加湿し、電力としてある電圧の電流を取り出す。

電流は、電極の見かけ面積に対して、０．２Ａ／ｃｍ^２の電流密度となるように調整する。冷却水は、燃料電池３０への入口温度が６０℃、燃料電池３０からの出口温度が６８℃となるように運転を調節する。

＜親水性向上化流体供給時の動作＞
発電に伴い、セパレータの反応ガス流路の親水性が低下し、燃料電池システム５０の電圧低下が顕著になる前に、以下の動作を実施する。

親水性向上化流体を燃料電池３０に供給し、水素ガスと空気と冷却水は供給しない。

親水性向上化流体供給動作に先だって、燃料電池システム５０を停止（非発電）状態にし、開閉弁である親水性向上化流体供給器５１、開閉弁６１、開閉弁６４、開閉弁７１、開閉弁７４、開閉弁８２、開閉弁８３は全て閉じておく。

開閉弁である親水性向上化流体供給器５１と開閉弁８２と開閉弁８３と開閉弁６４と開閉弁７４を開くことにより、外部から配管８０を通じて、親水性向上化流体であるオゾンガスが取り入れられ、配管６２を通じて燃料電池３０のアノード側に、配管７２を通じて燃料電池３０のカソード側に導かれる。
燃料電池３０のアノード側を通過したオゾンガスは、配管６５を通じて、燃料電池システム５０の外に排出され、燃料電池３０のカソード側を通過したオゾンガスは、配管７５を通じて、燃料電池システム５０の外に排出される。

燃料電池３０のアノード側、燃料電池３０のカソード側にオゾンガスを流すことで、アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃにオゾンガスが流れる。

実施の形態１におけるオゾンガスは、毎分１リットルの流量で流すように運転を調節する。

また、実施の形態１においては、燃料電池システム５０の初期からの電圧低下量が、燃料電池システム５０の初期の電圧の２０％を超える前に、親水性向上化流体供給動作を実施する。

以上のように本実施の形態の燃料電池システム５０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に配置された一対の電極１４ａ、１４ｃと、電極１４ａ、１４ｃの両外面に配置され、電極１４ａ、１４ｃに反応ガスを供給する反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）を有する一対の導電性セパレータ１６ａ、１６ｃと、を有し、電解質膜１１と、一対の電極１４ａ、１４ｃの両方にフッ素を含む燃料電池３０と、一対の反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の両方にオゾンガスを供給する親水性向上化流体供給器５１と、非発電時にのみ一対の反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の両方にオゾンガスを供給するように親水性向上化流体供給器５１を制御する制御器５２と、を備えたことにより、発電時の電圧を低下させることなく、長時間発電を行うことによる、導電性セパレータ１６ａ、１６ｃの反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態２の燃料電池の内部構造を示す概略図は、図２に示す実施の形態１の燃料電池の内部構造を示す概略図と同じである。また、本発明の実施の形態２のセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す斜視図は、図３に示す実施の形態１のセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す斜視図と同じである。

以下、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０について、図面を参照しながら説明する。

図４に示すように、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０は、燃料電池３０と、親水性向上化流体供給器１５１と、制御器１５２と、外筐体１５３と、開閉弁１６１と、
開閉弁１６４と、開閉弁１７１と、開閉弁１７４と、開閉弁１８２と、開閉弁１８３と、開閉弁１９０と、開閉弁１９１と、を備え、配管で接続されている。

制御器１５２と各デバイスとの信号線は省略するが、制御器１５２は、親水性向上化流体供給器１５１、開閉弁１６１、開閉弁１６４、開閉弁１７１、開閉弁１７４、開閉弁１８２、開閉弁１８３、開閉弁１９０、開閉弁１９１と接続され、制御器１５２が、親水性向上化流体供給器１５１、開閉弁１６１、開閉弁１６４、開閉弁１７１、開閉弁１７４、開閉弁１８２、開閉弁１８３、開閉弁１９０、開閉弁１９１の動作を制御する。

アノード側の流体系統について詳細に説明する。流体流路を開閉する開閉弁１６１は、配管１６０により、水素ガス供給源と接続されている。開閉弁１６１は、配管１６２により、燃料電池３０のアノード流体流路２０ａの供給側に接続されている。

燃料電池３０のアノード流体流路２０ａの排出側は、配管１６３により、流体流路を開閉する開閉弁１６４に接続されている。開閉弁１６４は、配管１６５が接続され、燃料電池３０のアノード流体流路２０ａから排出される流体を燃料電池システム１５０の外部に排出できるように構成されている。

次に、カソード側の流体系統について詳細に説明する。流体流路を開閉する開閉弁１７１は、配管１７０により、燃料電池システム１５０の外部からの空気を取り込めるように構成されている。開閉弁１７１は、配管１７２により、燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃの供給側に接続されている。

燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃの排出側は、配管１７３により、流体流路を開閉する開閉弁１７４に接続されている。開閉弁１７４は、配管１７５が接続され、燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃから排出される流体を燃料電池システム１５０の外部に排出できるように構成されている。

次に、親水性向上化流体の系統について詳細に説明する。親水性向上化流体供給器１５１は、配管１８０により、親水性向上化流体供給源と接続されている。親水性向上化流体供給器１５１は、配管１８１により、流体流路を開閉する開閉弁１８２と、流体流路を開閉する開閉弁１８３に接続されている。

開閉弁１８２は、アノード側の流体系統の配管１６２に接続されている。開閉弁１８３は、カソード側の流体系統の配管１７２に接続されている。アノード側の流体系統の配管１６３は、アノード流体流路２０ａの排出側と開閉弁１６４の間で分岐され、流体流路を開閉する開閉弁１９０に接続されている。

カソード側の流体系統の配管１７３は、カソード流体流路２０ｃの排出側と開閉弁１７４の間で分岐され、流体流路を開閉する開閉弁１９１に接続されている。開閉弁１９０と開閉弁１９１は、配管１９２により接続され、流体を燃料電池システム１５０の外部に排出できるように構成されている。親水性向上化流体供給器１５１は、流体流路を開閉する開閉弁である。親水性向上化流体はオゾン水である。

冷却水の流体系統は、図示されていないが、燃料電池３０の冷却水流路の供給側、燃料電池３０の冷却水流路の排出側、冷却水放熱器を配管で接続し、冷却水が燃料電池３０と冷却水放熱器の間で循環するように構成されている。

以上のような構成により、燃料電池システム１５０は構成されている。

燃料電池３０の構造は、実施の形態１と同じであるため、説明は省略する。

次に、実施の形態２に係る燃料電池システム１５０の基本的な動作について説明する。

＜発電時の動作＞
燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気を燃料電池３０に供給し、親水性向上化流体は供給しない。

発電動作に先だって、燃料電池システム１５０を停止（非発電）状態にし、開閉弁１６１、開閉弁１６４、開閉弁１７１、開閉弁１７４、開閉弁１８２、開閉弁１８３、開閉弁１９０、開閉弁１９１は全て閉じておく。

開閉弁１６１と開閉弁１６４を開くことにより、外部から配管１６０を通じて水素ガスが取り入れられ、配管１６２を通じて燃料電池３０のアノード側に導かれる。燃料電池３０のアノード流体流路２０ａを通過した水素ガスは、配管１６５を通じて、燃料電池システム１５０の外に排出される。

開閉弁１７１と開閉弁１７４を開くことにより、外部から配管１７０を通じて空気が取り入れられ、配管１７２を通じて燃料電池３０のカソード側に導かれる。燃料電池３０のカソード流体流路２０ｃを通過した空気は、配管１７５を通じて、燃料電池システム１５０の外に排出される。

実施の形態２に係る運転条件は以下の通りである。燃料電池３０の温度は７０℃、水素ガス利用率（Ｕｆ）は７５％、酸素ガス利用率（Ｕｏ）は５０％とする。水素ガスおよび空気は、それぞれ６６℃および６６℃の露点を有するように加湿器を用いて加湿し、電力としてある電圧の電流を取り出す。

電流は、電極の見かけ面積に対して、０．２Ａ／ｃｍ^２の電流密度となるように調整する。冷却水は、燃料電池３０への入口温度が６０℃、燃料電池３０からの出口温度が６８℃となるように運転を調節する。

＜親水性向上化流体供給時の動作＞
燃料電池システム１５０の累計の発電時間が一定時間経過するごとに、以下の動作を実施する。

親水性向上化流体を燃料電池３０に供給し、水素ガスと空気と冷却水は供給しない。

親水性向上化流体供給動作に先だって、燃料電池システム１５０を停止（非発電）状態にし、開閉弁である親水性向上化流体供給器１５１、開閉弁１６１、開閉弁１６４、開閉弁１７１、開閉弁１７４、開閉弁１８２、開閉弁１８３、開閉弁１９０、開閉弁１９１は全て閉じておく。

開閉弁である親水性向上化流体供給器１５１と開閉弁１８２と開閉弁１８３と開閉弁１９０と開閉弁１９１を開くことにより、外部から配管１８０を通じて、親水性向上化流体であるオゾン水が取り入れられ、配管１６２を通じて燃料電池３０のアノード側に、配管１７２を通じて燃料電池３０のカソード側に導かれる。

燃料電池３０のアノード側を通過したオゾン水は配管１６３を通じ、カソード側を通過したオゾン水は配管１７３を通じ、配管１９２で合流して燃料電池システム１５０の外に排出される。

燃料電池３０のアノード側、燃料電池３０のカソード側にオゾン水を流すことで、アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃにオゾン水が流れる。

実施の形態２に係るオゾン水は、毎分１リットルの流量で流すように運転を調節する。

以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１５０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に配置された一対の電極１４ａ、１４ｃと、電極１４ａ、１４ｃの両外面に配置され、電極１４ａ、１４ｃに反応ガスを供給する反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）を有する一対の導電性セパレータ１６ａ、１６ｃと、を有し、電解質膜１１と、一対の電極１４ａ、１４ｃの両方にフッ素を含む燃料電池３０と、一対の反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の両方にオゾン水を供給する親水性向上化流体供給器１５１と、非発電時にのみ一対の反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の両方にオゾン水を供給するように親水性向上化流体供給器１５１を制御する制御器１５２と、反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）から流出したオゾン水を燃料電池システム１５０の外部に排出する親水性向上化流体排出路（開閉弁１９０を介して配管１６３に接続されると共に、開閉弁１９１を介して配管１７３に接続される配管１９２）と、を備えたことにより、発電時の電圧を低下させることなく、長時間発電を行うことによる、導電性セパレータ１６ａ、１６ｃの反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することができる。

また、導電性セパレータ１６ａ、１６ｃの反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）に反応ガスを供給した際の反応ガスを排出する経路と、オゾン水を供給した際のオゾン水を排出する経路と、を分けることができ、反応ガスとオゾン水を独立して排出することができる。

なお、親水性向上化流体は、オゾンガス、オゾン水に限定されるものではなく、導電性セパレータ１６ａ、１６ｃの反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）のフッ素成分を除去することができるものであれば良い。例えば、フッ素成分を溶解させるようなフッ素含有水にしても良い。

また、制御器１５２が、非発電時にのみ、反応ガス流路（アノード流体流路２０ａ、カソード流体流路２０ｃ）に親水性向上化流体を供給するように親水性向上化流体供給器１５１を制御する必要は無く、発電時に、反応ガスに親水性向上化流体を混合しても良い。

また、親水性向上化流体の供給は必要に応じて実施すれば良く、例えば、発電時の電圧を監視し、電圧が一定値以下になった時に親水性向上化流体を供給したり、合計の発電時間が一定値を超えた時に親水性向上化流体を供給したりしても良い。

また、燃料ガスとして水素ガスが用いられるが、水素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いてもよい。酸化剤ガスとして空気が用いられるが、酸素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いてもよい。

不活性ガスは、燃料電池３０部において電極反応を起こさず（電極１４ａ、１４ｃの酸化還元反応に寄与せず）、かつ電極１４ａ、１４ｃを侵さない、化学的に安定性を有するガスであればどのようなものであってもよく、例えば窒素、アルゴンなどを使用することができる。

また、親水性向上化流体供給器５１、開閉弁６１、開閉弁６４、開閉弁７１、開閉弁７
４、開閉弁８２、開閉弁８３、親水性向上化流体供給器１５１、開閉弁１６１、開閉弁１６４、開閉弁１７１、開閉弁１７４、開閉弁１８２、開閉弁１８３、開閉弁１９０、開閉弁１９１は、配管中の流路を閉止できるものであればどのようなものでもよく、例えば電磁弁、電動ボール弁等が使用される。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、電解質膜や電極中の電解質にフッ素が含まれる燃料電池において、長時間発電を行うことによる、セパレータの反応ガス流路の親水性の低下を抑制して、電圧低下を抑制することが可能になり、これを用いた高性能な発電システムを提供することができる。

１１ 電解質膜
１２ａ、１２ｃ 触媒層
１３ａ、１３ｃ ガス拡散層
１４ａ、１４ｃ 電極
１５ ＭＥＡ
１６ａ、１６ｃ 導電性セパレータ
１７ａ、１７ｃ ＭＥＡガスケット
１８ セパレータガスケット
１９ セル
２０ａ アノード流体流路
２０ｃ カソード流体流路
２１ 冷却水流路
３０ 燃料電池
３１ａ、３１ｃ 集電板
３２ 絶縁板
３３ 端板
３４ セル積層体
５０ 燃料電池システム
５１ 親水性向上化流体供給器
５２ 制御器
５３ 外筐体
６０、６２、６３、６５ 配管
６１、６４ 開閉弁
７０、７２、７３、７５ 配管
７１、７４ 開閉弁
８０、８１ 配管
８２、８３ 開閉弁
１５０ 燃料電池システム
１５１ 親水性向上化流体供給器
１５２ 制御器
１５３ 外筐体
１６０、１６２、１６３、１６５ 配管
１６１、１６４ 開閉弁
１７０、１７２、１７３、１７５ 配管
１７１、１７４ 開閉弁
１８０、１８１ 配管
１８２、１８３ 開閉弁
１９０、１９１ 開閉弁
１９２ 配管

Claims (5)

1. 少なくとも、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された一対の電極と、前記電極の両外面に配置され、前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路を有する一対のセパレータと、を有し、前記電解質膜と、前記一対の電極のいずれかにフッ素を含む燃料電池と、
   少なくとも一方の前記反応ガス流路に親水性を向上させるための親水性向上化流体を供給する親水性向上化流体供給器と、
   少なくとも一方の前記反応ガス流路に前記親水性向上化流体を供給するように前記親水性向上化流体供給器を制御する制御器と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記反応ガス流路から流出した前記親水性向上化流体を、前記燃料電池システムの外部に排出する親水性向上化流体排出路を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記親水性向上化流体が、オゾンガス、もしくは、オゾン水である、請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器が、非発電時にのみ、少なくとも一方の前記反応ガス流路に前記親水性向上化流体を供給するように前記親水性向上化流体供給器を制御する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 少なくとも、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された一対の電極と、前記電極の両外面に配置され、前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路を有する一対のセパレータと、を有し、前記電解質膜と、前記一対の電極のいずれかにフッ素を含む燃料電池と、
   少なくとも一方の前記反応ガス流路に親水性を向上させるための親水性向上化流体を供給する親水性向上化流体供給器と、
   を備えた、燃料電池システムの運転方法であって、
   前記親水性向上化流体供給器が、少なくとも一方の前記反応ガス流路に前記親水性向上化流体を供給する、燃料電池システムの運転方法。

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