JP2022123230A - 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】本開示は、燃料電池のカソードシール部材の不純物を、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、外部に排出することによって、発電運転時の電池性能の低下を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】本開示における燃料電池システムは、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、燃料ガス供給手段と電源とを動作させて、アノードに燃料ガスが供給されている状態で、アノードから高分子電解質膜を介してカソードに電流を流して、カソードにおいて水素ガスを生成させる。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムと燃料電池システムの運転方法に関する。

特許文献１は、発電性能および耐久性を向上できる燃料電池を開示する。この燃料電池は、膜電極接合体と一対のセパレータと一対のシール部材とを有する燃料電池において、セパレータの厚み方向から見て、一対のシール部材のうちの少なくとも一方と接触するように、膜電極接合体及びセパレータの間に配置される不純物吸着部材をさらに有する。

特開２０１２－２２６９３３号公報

本開示は、燃料電池のカソードシール部材の不純物を、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、外部に排出することによって、発電運転時の電池性能の低下を抑制する燃料電池システムと燃料電池システムの運転方法を提供する。

本開示における燃料電池システムは、電解質膜－電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータとアノードシール部材とカソードシール部材とを備えた燃料電池と、燃料ガス供給手段と、電源と、制御器と、を備えている。

電解質膜－電極接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと、他方の主面に配置されるカソードと、で構成されている。

アノードセパレータは、アノードと当接する面にアノードガス流路が形成され、カソードセパレータは、カソードと当接する面にカソードガス流路が形成されている。

アノードシール部材は、アノードガス流路を通流するガスが高分子電解質膜とアノードセパレータとの間から漏れ出ないように、高分子電解質膜とアノードセパレータとの間でアノードを囲むように配置されている。

カソードシール部材は、揮発性の不純物を含有する部材であって、カソードガス流路を通流するガスが高分子電解質膜とカソードセパレータとの間から漏れ出ないように、高分子電解質膜とカソードセパレータとの間でカソードを囲むように配置されている。

燃料ガス供給手段は、アノードガス流路を介してアノードに、水素を含む燃料ガスを供給するように構成されている。電源は、アノードから高分子電解質膜を介してカソードに電流を流すように構成されている。

制御器は、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、燃料ガス供給手段と電源とを動作させて、アノードに燃料ガスが供給されている状態で、アノードとカソードとの間に電流を流して、カソードにおいて水素ガスを生成させるように構成されている。

本開示における燃料電池システムは、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、カソードにおいて水素ガスを生成させることにより、組立後のカソードシール部材の不純物を、カソードにおいて生成される水素ガスとともに、カソードに付着させることなく外部に排出することができる。そのため、運転時の電池性能の低下を抑制することができる。

実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図 実施の形態１における燃料電池システムの動作を示すフローチャート

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、燃料電池の組立後においてカソードシール部材は不純物を含有しており、燃料電池の運転時にカソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、カソードシール部材の不純物がカソードに移送され付着して電池性能が低下していた。そのため、燃料電池の運転前に、慣らし運転を行って、カソードに付着する不純物を除去することで電池性能を回復していた。

しかしながら、慣らし運転では、カソードに付着した不純物を完全に除去することができず、徐々に不純物が蓄積し、電池性能が低下することを課題として、カソードシール部材と接触するように電解質膜－電極接合体とセパレータとの間に不純物吸着部材を配置することで、運転時にカソードシール部材の不純物がカソードに移送され難くして電池性能の低下を抑制していた。

そうした状況下において、発明者らは、組立後のカソードシール部材の不純物は、カソードにガスを供給したときに、カソードに移送されてカソードに付着することをヒントにして、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、燃料電池の組立後に、初めてカソードにガスが供給されるよりも前に、アノードに燃料ガスが供給されている状態で、アノードとカソードとの間に電流を流して、カソードにおいて水素ガスを生成させる燃料電池システムを提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面及び以下の説明は、当事者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１および図２を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池１００と、燃料ガス供給手段１２１と、温度調節手段１２３と、不純物量検出手段１２４と、電源１２５と、制御器１５０と、を備える。

そして、燃料電池１００は、電解質膜－電極接合体１０４と、アノードセパレータ１０５と、カソードセパレータ１０６と、アノードシール部材１１４と、カソードシール部材１１５と、を備える。

電解質膜－電極接合体１０４は、高分子電解質膜１０１と、アノード１０２と、カソード１０３と、を備える。アノード１０２とカソード１０３は、高分子電解質膜１０１よりも面積が小さく、高分子電解質膜１０１を挟んで高分子電解質膜１０１の両主面の略中央部に配置された一対の電極である。

アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６は、電解質膜－電極接合体１０４と厚み以外は略同じ大きさの板状に形成されて、電解質膜－電極接合体１０４の両外側に配置される。

電解質膜－電極接合体１０４は、高分子電解質膜１０１の両主面が鉛直方向と略平行となる向きで、アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６との間に挟まれる。アノードセパレータ１０５はアノード１０２に接触し、カソードセパレータ１０６はカソード１０３に接触する。

アノードセパレータ１０５には、アノードセパレータ１０５における外側の面から内側の面にわたって貫通するように、アノード流路入口１０７と、アノード流路出口１０８とが、それぞれ設けられる。

アノード流路入口１０７は、反応ガスとしての燃料ガスをアノード１０２に供給するための孔である。アノード流路出口１０８は、アノード１０２に供給された燃料ガスのうちでアノード１０２において消費されなかったガスをアノード１０２から排出するための孔である。

また、アノードセパレータ１０５におけるアノード１０２と対向する面には、上流側端部でアノード流路入口１０７と連通し、下流側端部でアノード流路出口１０８と連通する溝状のアノードガス流路１０９が形成されている。

なお、アノードセパレータ１０５において、アノード流路入口１０７はアノードガス流路１０９の上端部に位置し、アノード流路出口１０８はアノードガス流路１０９の下端部に位置する。また、アノードガス流路１０９は、アノード流路入口１０７からアノードガス流路１０９に流入した燃料ガスが、蛇行しながら重力に逆らわずにアノード流路出口１０８に向かって流れるように形成されている。

一方、カソードセパレータ１０６には、カソードセパレータ１０６における外側の面から内側の面にわたって貫通するように、カソード流路入口１１０とカソード流路出口１１１とが、それぞれ設けられる。

カソード流路入口１１０は、反応ガスとしての酸化剤ガスをカソード１０３に供給するための孔である。カソード流路出口１１１は、カソード１０３に供給された酸化剤ガスのうちでカソード１０３において消費されなかったガスと、カソード１０３において電気化学反応で生成された水と、をカソード１０３から排出するための孔である。

また、カソードセパレータ１０６におけるカソード１０３と対向する面には、上流側端部でカソード流路入口１１０と連通し、下流側端部でカソード流路出口１１１と連通する溝状のカソードガス流路１１２が形成されている。

なお、カソードセパレータ１０６において、カソード流路入口１１０はカソードガス流路１１２の上端部に位置し、カソード流路出口１１１はカソードガス流路１１２の下端部に位置する。また、カソードガス流路１１２は、カソード流路入口１１０からカソードガス流路１１２に流入した酸化剤ガスと、カソード１０３において生成された水とが、蛇行しながら重力に逆らわずにカソード流路出口１１１に向かって流れるように形成されている。

アノードシール部材１１４は、一対のアノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とで電解質膜－電極接合体１０４を挟んだときに、アノード１０２を囲むように、且つ、高分子電解質膜１０１と接触して弾性変形するようにアノードセパレータ１０５に設けられる。

カソードシール部材１１５は、一対のアノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とで電解質膜－電極接合体１０４を挟んだときに、カソード１０３を囲むように、且つ、高分子電解質膜１０１と接触して弾性変形するようにカソードセパレータ１０６に設けられる。

燃料電池１００は、アノードセパレータ１０５におけるアノード流路入口１０７とアノードガス流路１０９とを通ってアノード１０２に燃料ガスが供給され、カソードセパレータ１０６におけるカソード流路入口１１０とカソードガス流路１１２とを通ってカソード１０３に酸化剤ガスが供給された場合に、発電するように構成されている。

このとき、アノード１０２に供給された燃料ガスに含まれる水素と、カソード１０３に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素と、により電気化学反応が進行して起電力が生じ、アノード１０２とカソード１０３とが外部回路によって電気的に接続されると、アノード１０２の電子が外部回路を通ってカソード１０３に流れることによって、外部回路に電流が流れる。

なお、アノード１０２に供給された燃料ガスのうちでアノード１０２において消費されなかったガスは、アノード１０２からアノードガス流路１０９を通ってアノード流路出口１０８から排出される。また、カソード１０３に供給された酸化剤ガスのうちでカソード１０３において消費されなかったガスとカソード１０３において電気化学反応で生成された水とは、カソード１０３からカソードガス流路１１２を通ってカソード流路出口１１１から排出される。

高分子電解質膜１０１は、アノード１０２で生成する水素イオンをカソード１０３に輸送する機能を果たすものである。高分子電解質膜１０１は、水素イオン伝導性を有する高分子材料で構成されている。具体的には、高分子電解質膜１０１は、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子材料によって構成されている。

アノード１０２は、アノードセパレータ１０５のアノードガス流路１０９からアノード１０２に供給される燃料ガスに含まれる水素を、水素イオンと電子とに解離する電気化学反応を促進する機能を果たす。

カソード１０３は、アノード１０２から高分子電解質膜１０１を通ってカソード１０３に移動する水素イオンと、アノード１０２から外部回路を通ってカソード１０３に移動する電子と、カソードセパレータ１０６のカソードガス流路１１２からカソード１０３に供給される酸化剤ガスに含まれる酸素と、から水を生成する電気化学反応を促進する機能を
果たす。

アノード１０２、カソード１０３は、触媒層とガス拡散層とで構成されている。触媒層は、触媒を担持した導電性材料と、水素イオン伝導性を有する高分子材料と、分散媒との混合物を、カーボン製フェルト上に塗布して乾燥させて分散媒を除去したものを用いている。触媒層は高分子電解質膜１０１と対向する面側に配置されている。

具体的には、触媒は、白金で構成されている。導電性材料は、ケッチェンブラックで構成されている。水素イオン伝導性を有する高分子材料は、水素イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子材料で構成されている。

アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。

アノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５とは、反応ガスの燃料電池１００から外部への漏出を遮断又は抑制するために、弾性変形可能なゴム材によって構成されている。本実施の形態では、ゴム材として、耐久性に優れたフッ素ゴムを用いている。

アノードシール部材１１４は、アノードセパレータ１０５に圧接着される。アノードシール部材１１４は、燃料電池１００の組立て時にアノードセパレータ１０５と高分子電解質膜１０１との間で圧縮されて反力を発生して、燃料ガスが燃料電池１００の外部に漏洩しないように燃料ガスを封止するシールとしての機能を果たす。

カソードシール部材１１５は、カソードセパレータ１０６に圧接着される。カソードシール部材１１５は、燃料電池１００の組立て時にカソードセパレータ１０６と高分子電解質膜１０１との間で圧縮されて反力を発生して、酸化剤ガスが燃料電池１００の外部に漏洩しないように酸化剤ガスを封止するシールとしての機能を果たす。

アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とにアノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５とを圧接着によって一体化する手法は、アノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５との原料である未架橋のゴム材を、アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とに直接形成して転写成型した後、加圧加熱処理をして架橋反応を行い、架橋したゴム材とする。

このとき、架橋反応を促進させるために、架橋剤をあらかじめゴム材中に配合しておくことが必要である。架橋剤は、高い架橋効率や反応性を考慮して、有機過酸化物架橋剤を用いている。架橋剤に有機過酸化物架橋剤を用いたアノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５とは、架橋剤分解生成物として揮発性の不純物を含有する。

以上のような燃料電池１００を用いて燃料電池システム２００を構成する。そして、燃料電池システム２００を構成する時に用いる燃料電池１００は、組立後に、カソード１０３にガスを供給したことがないものとする。

燃料ガス供給手段１２１は、アノード供給経路１３１を介してアノードセパレータ１０５に設けられたアノード流路入口１０７と連通する。

アノードセパレータ１０５に設けられたアノード流路出口１０８は、アノード排出経路１３２を介して燃料電池１００の外部と連通する。

カソードセパレータ１０６に設けられたカソード流路入口１１０は、カソード第一供給
経路１３３を介して不純物量検出手段１２４と連通する。さらに、不純物量検出手段１２４は、カソード第二供給経路１３４を介して燃料電池１００の外部と連通する。

カソードセパレータ１０６に設けられたカソード流路出口１１１は、燃料電池１００から遠い側の端部が閉塞されたカソード排出経路１３５が接続され、燃料電池１００の外部と連通しない。

温度調節手段１２３は、カソードシール部材１１５と熱伝達可能に燃料電池１００の外側に設けられ、カソードシール部材１１５の温度を制御器１５０から指示された温度に調節できるように構成されている。本実施の形態では、温度調節手段１２３として、カソードシール部材１１５を、制御器１５０から指示された温度に加熱または冷却するペルチェ素子を用いている。

燃料ガス供給手段１２１は、燃料電池１００のアノード１０２に燃料ガスを供給するためのもので、制御器１５０によって供給動作と供給流量を制御可能に構成されている。本実施の形態の燃料ガス供給手段１２１は、燃料ガスを貯蔵するボンベと、その燃料ガスを制御器１５０からの指示流量で供給するマスフローコントローラと、で構成されている。

不純物量検出手段１２４は、カソードシール部材１１５から揮発してカソード１０３から燃料電池１００の外部に排出されるガスに含まれる不純物の量を検出し、検出した不純物量を制御器１５０に送るように構成されている。不純物量検出手段１２４は、不純物量検出に四重極質量分析計を用いている。

電源１２５は、アノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とに電気的に接続され、アノード１０２がカソード１０３よりも高電位になるようにアノード１０２とカソード１０３との間に電圧を印加して、アノード１０２から高分子電解質膜１０１を介してカソード１０３へ電流を流すように構成されている。

本実施の形態では、電源１２５として、電流量を調節可能に構成された直流電源を用いている。電源１２５のＯＮとＯＦＦと電流量は、制御器１５０によって制御される。

制御器１５０は、燃料ガス供給手段１２１が供給する燃料ガスの供給量を制御できるように、燃料ガス供給手段１２１と接続されている。また、制御器１５０は、電源１２５が流す電流量を制御できるように、電源１２５と接続されている。また、制御器１５０は、カソードシール部材１１５の温度を制御できるように、温度調節手段１２３と接続されている。また、制御器１５０は、不純物量検出手段１２４から送られる不純物量を受け取れるように、不純物量検出手段１２４と接続されている。また、制御器１５０は、時間を管理するためのタイマー機能を有している。

［１－２．動作］
以上のように構成された燃料電池システム２００において、以下、図１および図２に基づいて、その動作、作用を以下に説明する。

図２は、実施の形態１における燃料電池システム２００の動作を示すフローチャートである。

まず、制御器１５０は、燃料ガス供給手段１２１から所定流量（毎分５リットル）の燃料ガスが供給されるように、燃料ガス供給手段１２１を動作させる（Ｓ００１）。このとき、燃料ガス供給手段１２１から供給された燃料ガスは、アノード供給経路１３１、アノード流路入口１０７、アノードガス流路１０９を経由してアノード１０２に供給される。

Ｓ００１を実行してから、所定時間（１分間）待機（Ｓ００２）した後に、制御器１５０は、アノード１０２から高分子電解質膜１０１を介してカソード１０３へ所定量（１００アンペア）の電流が流れるように電源１２５をＯＮにする（Ｓ００３）。

これにより、アノード１０２において、アノード１０２に供給された燃料ガスに含まれる水素ガスが、水素イオンと電子とに解離し、その電子は、アノード１０２から電源１２５を通ってカソード１０３に移動し、アノード１０２の水素イオンは、高分子電解質膜１０１を透過してカソード１０３に移動し、カソード１０３において、水素イオンが電子と結びついて、水素ガスが生成される。

また、アノード１０２に供給された燃料ガスのうち、燃料電池１００の電気化学反応に使われない（アノード１０２から高分子電解質膜１０１を介してカソード１０３に透過しなかった）燃料ガスは、アノードガス流路１０９、アノード流路出口１０８、アノード排出経路１３２を経由して燃料電池１００の外部に排出され、適切に処理される。

そして、カソード１０３において生成した水素ガスは、カソードシール部材１１５から揮発する不純物をパージし、不純物を含んだガスが、カソードガス流路１１２、カソード流路入口１１０、カソード第一供給経路１３３、不純物量検出手段１２４、カソード第二供給経路１３４を経由して燃料電池１００の外部に排出され、適切に処理される。

次に、制御器１５０は、カソードシール部材１１５の温度が所定温度（２５℃）になるように温度調節手段１２３を動作させる（Ｓ００４）。

これにより、カソードシール部材１１５の温度が２５℃の時に揮発する不純物が、カソード１０３に付着することなく、カソードガス流路１１２、カソード流路入口１１０、カソード第一供給経路１３３、不純物量検出手段１２４、カソード第二供給経路１３４を経由して燃料電池１００の外部に排出される。

次に、制御器１５０は、不純物量検出手段１２４において検出した不純物の量のデータを不純物量検出手段１２４から取得する（Ｓ００５）。

これにより、カソードシール部材１１５の温度が２５℃の時の、燃料電池１００の外部に排出されるガス中に含まれる不純物量のデータが取得される。

次に、制御器１５０は、カソードシール部材１１５の温度が所定温度（８０℃）になるように温度調節手段１２３を動作させる（Ｓ００６）。

これにより、カソードシール部材１１５の温度が８０℃の時に揮発する不純物が、カソード１０３に付着することなく、カソードガス流路１１２、カソード流路入口１１０、カソード第一供給経路１３３、不純物量検出手段１２４、カソード第二供給経路１３４を経由して燃料電池１００の外部に排出される。

Ｓ００６を実行してから、所定時間（１分間）待機（Ｓ００７）した後に、制御器１５０は、不純物量検出手段１２４において検出した不純物の量のデータを不純物量検出手段１２４から取得する（Ｓ００８）。

これにより、カソードシール部材１１５の温度が８０℃の時の、燃料電池１００の外部に排出されるガス中に含まれる不純物量のデータが取得される。

次に、制御器１５０は、Ｓ００８で取得した不純物量が所定量（Ｓ００５で取得した不純物量）より多いかを確認する（Ｓ００９）。

Ｓ００９の確認の結果、Ｓ００８で取得した不純物量が所定量より多ければ、Ｓ００９をＹｅｓ側に分岐してＳ００７に戻る。

Ｓ００９の確認の結果、Ｓ００８で取得した不純物量が所定量以下になれば、Ｓ００９をＮｏ側に分岐してＳ０１０に移行する。

Ｓ０１０では、制御器１５０は、電源１２５をＯＦＦにするとともに、燃料ガス供給手段１２１、温度調節手段１２３、不純物量検出手段１２４の動作を、それぞれ停止させる（Ｓ０１０）。

これにより、燃料電池システム２００は、カソード１０３で水素ガスを生成する動作を終了する。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム２００は、電解質膜－電極接合体１０４とアノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とアノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５とを備えた燃料電池１００と、燃料ガス供給手段１２１と、電源１２５と、制御器１５０と、を備えている。

電解質膜－電極接合体１０４は、高分子電解質膜１０１と、高分子電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２と、他方の主面に配置されるカソード１０３と、で構成されている。

アノードセパレータ１０５は、アノード１０２と当接する面にアノードガス流路１０９が形成され、カソードセパレータ１０６は、カソード１０３と当接する面にカソードガス流路１１２が形成されている。

アノードシール部材１１４は、アノードガス流路１０９を通流するガスが高分子電解質膜１０１とアノードセパレータ１０５との間から漏れ出ないように、高分子電解質膜１０１とアノードセパレータ１０５との間でアノード１０２を囲むように配置されている。

カソードシール部材１１５は、揮発性の不純物を含有する部材であって、カソードガス流路１１２を通流するガスが高分子電解質膜１０１とカソードセパレータ１０６との間から漏れ出ないように、高分子電解質膜１０１とカソードセパレータ１０６との間でカソード１０３を囲むように配置されている。

燃料ガス供給手段１２１は、アノードガス流路１０９を介してアノード１０２に、水素を含む燃料ガスを供給するように構成されている。電源１２５は、アノード１０２から高分子電解質膜１０１を介してカソード１０３に電流を流すように構成されている。

制御器１５０は、燃料電池１００の組立後に、初めてカソード１０３にガスが供給されるよりも前に、燃料ガス供給手段１２１と電源１２５とを動作させて、アノード１０２に燃料ガスが供給されている状態で、アノード１０２とカソード１０３との間に電流を流して、カソード１０３において水素ガスを生成させるように構成されている、
これにより、本実施の形態における燃料電池システム２００は、燃料電池１００の組立後に、初めてカソード１０３にガスが供給されるよりも前に、カソード１０３において水素ガスを生成させることにより、組立後のカソードシール部材１１５の不純物を、カソー
ド１０３において生成される水素ガスとともに、カソード１０３に付着させることなく燃料電池１００の外部に排出することができる。

そのため、燃料電池１００を運転した時の、カソードシール部材１１５の不純物が燃料電池１００のカソード１０３に付着することを抑制し、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態における、燃料電池システム２００のように、さらに、カソードシール部材１１５の温度を調節する温度調節手段１２３を備え、カソード１０３において水素ガスを生成させているときは、温度調節手段１２３によりカソードシール部材１１５の温度を高くするように、制御器１５０を構成してもよい。

これにより、カソードシール部材１１５の温度を高くしない場合よりも、カソードシール部材１１５から揮発する不純物が増加して、より多くのカソードシール部材１１５の不純物を、カソード１０３が生成する水素ガスとともにカソード１０３に付着させることなく燃料電池１００の外部に排出することができる。

そのため、燃料電池１００を運転した時の、カソードシール部材１１５の不純物が燃料電池１００のカソード１０３に付着することを抑制する効果を高め、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制する効果を高めることができる。

また、本実施の形態における、燃料電池システム２００のように、さらに、カソードガス流路１１２から燃料電池１００の外部に排出される水素ガスに含まれる不純物量を検出する不純物量検出手段１２４を備え、不純物量検出手段１２４によって検出される不純物量が所定値以下になると、カソード１０３において水素ガスを生成させる運転を終了するように制御器１５０を構成してもよい。

これにより、カソードシール部材１１５の不純物を、カソード１０３が生成する水素ガスとともにカソード１０３に付着させることなく燃料電池１００の外部に排出する動作の過剰な実施を無くすことができる。

そして、カソードシール部材１１５の不純物を、カソード１０３が生成するガスとともにカソード１０３に付着させることなく燃料電池１００の外部に排出する動作に掛かる時間を短縮することができる。そのため、効率よく燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態における、燃料電池システム２００の運転方法は、電解質膜－電極接合体１０４とアノードセパレータ１０５とカソードセパレータ１０６とアノードシール部材１１４とカソードシール部材１１５とを備えた燃料電池１００と、燃料ガス供給手段１２１と、電源１２５と、を備えた燃料電池システム２００の運転方法である。

電解質膜－電極接合体１０４は、高分子電解質膜１０１と、高分子電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２と、他方の主面に配置されるカソード１０３と、で構成されている。

アノードセパレータ１０５は、アノード１０２と当接する面にアノードガス流路１０９が形成され、カソードセパレータ１０６は、カソード１０３と当接する面にカソードガス流路１１２が形成されている。

アノードシール部材１１４は、アノードガス流路１０９を通流するガスが高分子電解質
膜１０１とアノードセパレータ１０５との間から漏れ出ないように、高分子電解質膜１０１とアノードセパレータ１０５との間でアノード１０２を囲むように配置されている。

カソードシール部材１１５は、揮発性の不純物を含有する部材であって、カソードガス流路１１２を通流するガスが高分子電解質膜１０１とカソードセパレータ１０６との間から漏れ出ないように、高分子電解質膜１０１とカソードセパレータ１０６との間でカソード１０３を囲むように配置されている。

燃料ガス供給手段１２１は、アノードガス流路１０９を介してアノード１０２に、水素を含む燃料ガスを供給するように構成されている。電源１２５は、アノード１０２から高分子電解質膜１０１を介してカソード１０３に電流を流すように構成されている。

上記構成の燃料電池システム２００の運転方法の特徴は、燃料電池１００の組立後に、初めてカソード１０３にガスが供給されるよりも前に、燃料ガス供給手段１２１と電源１２５とを動作させて、アノード１０２に燃料ガスが供給されている状態で、アノード１０２とカソード１０３との間に電流を流して、カソード１０３において水素ガスを生成させることである。

燃料電池１００の組立後に、初めてカソード１０３にガスが供給されるよりも前に、カソード１０３において水素ガスを生成させることにより、組立後のカソードシール部材１１５の不純物を、カソード１０３において生成される水素ガスとともに、カソード１０３に付着させることなく燃料電池１００の外部に排出することができる。

そのため、燃料電池１００を運転した時の、カソードシール部材１１５の不純物が燃料電池１００のカソード１０３に付着することを抑制し、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、燃料ガス供給手段１２１は、アノードセパレータ１０５に設けられたアノード流路入口１０７と連通するが、連通するのはアノード流路入口１０７に限定されず、燃料ガスがアノード１０２に供給されるものであればよい。

実施の形態１では、カソードセパレータ１０６に設けられたカソード流路出口１１１には、燃料電池１００から遠い側の端部が閉塞されたカソード排出経路１３５が接続され、カソード流路出口１１１は燃料電池１００の外部と連通しないが、燃料電池１００の外部と連通させてもよい。その場合、カソード１０３において生成した水素ガスは、カソードシール部材１１５から揮発する不純物をパージし、不純物を含んだガスが、カソード流路出口１１１を経由して、燃料電池１００の外部に排出される。

実施の形態１では、燃料ガス供給手段１２１は、水素を含有する燃料ガスを供給するものであるが、水素ガスを供給するものであってもよい。

実施の形態１では、アノード１０２の触媒として白金を用いたが、アノード１０２の触媒は、白金に限定されず、水素を水素イオンと電子とに解離する電気化学反応を促進する
ものであればよい。

ただし、アノード１０２の触媒として白金を用いれば、電気化学反応を促進する効果が高く、燃料電池１００の発電電圧を高めることができる。また、アノード１０２の触媒として、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン等金属や、これらの合金を用いてもよい。

実施の形態１では、カソード１０３との触媒として白金を用いたが、カソード１０３の触媒は、白金に限定されず、水素イオンと電子と酸素とから水を生成する電気化学反応を促進するものであればよい。

ただし、カソード１０３の触媒として白金を用いれば、電気化学反応を促進する効果が高く、燃料電池１００の発電電圧を高めることができる。また、カソード１０３の触媒として、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン等金属や、これらの合金を用いてもよい。

実施の形態１では、アノード１０２、カソード１０３の導電性材料としてケッチェンブラックを用いたが、アノード１０２、カソード１０３の導電性材料は、ケッチェンブラックに限定されず、連なることによって電子の経路を形成するものであればよい。

ただし、アノード１０２、カソード１０３の導電性材料としてケッチェンブラックを用いれば、電気伝導性が高く、燃料電池１００の発電電圧を高めることができる。また、アノード１０２、カソード１０３の導電性材料としてカーボンナノチューブなどの繊維状炭素、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等や、これらの混合物を用いてもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、固体高分子形電解質を用いた燃料電池に適用可能である。具体的には、燃料電池車や定置型燃料電池等の燃料電池などに、本開示は適用可能である。

１００ 燃料電池
１０１ 高分子電解質膜
１０２ アノード
１０３ カソード
１０４ 電解質膜－電極接合体
１０５ アノードセパレータ
１０６ カソードセパレータ
１０７ アノード流路入口
１０８ アノード流路出口
１０９ アノードガス流路
１１０ カソード流路入口
１１１ カソード流路出口
１１２ カソードガス流路
１１４ アノードシール部材
１１５ カソードシール部材
１２１ 燃料ガス供給手段
１２３ 温度調節手段
１２４ 不純物量検出手段
１２５ 電源
１３１ アノード供給経路
１３２ アノード排出経路
１３３ カソード第一供給経路
１３４ カソード第二供給経路
１３５ カソード排出経路
１５０ 制御器
２００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと他方の主面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、前記アノードと当接する面にアノードガス流路が形成されたアノードセパレータと、前記カソードと当接する面にカソードガス流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードガス流路を通流するガスが前記高分子電解質膜と前記アノードセパレータとの間から漏れ出ないように前記高分子電解質膜と前記アノードセパレータとの間で前記アノードを囲むように配置されるアノードシール部材と、前記カソードガス流路を通流するガスが前記高分子電解質膜と前記カソードセパレータとの間から漏れ出ないように前記高分子電解質膜と前記カソードセパレータとの間で前記カソードを囲むように配置されるカソードシール部材と、を備え、前記カソードシール部材が揮発性の不純物を含有する燃料電池と、
   前記アノードガス流路を介して前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するように構成された燃料ガス供給手段と、
   前記アノードから前記高分子電解質膜を介して前記カソードに電流を流すように構成された電源と、
   制御器と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御器は、前記燃料電池の組立後に、初めて前記カソードにガスが供給されるよりも前に、前記燃料ガス供給手段と前記電源とを動作させて、前記アノードに前記燃料ガスが供給されている状態で、前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流して、前記カソードにおいて水素ガスを生成させるように構成されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソードシール部材の温度を調節する温度調節手段を備え、
   前記制御器は、前記カソードにおいて水素ガスを生成させているときは、前記温度調節手段により前記カソードシール部材の温度を高くする、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. 前記カソードガス流路から前記燃料電池の外部に排出される水素ガスに含まれる不純物量を検出する不純物量検出手段を備え、
   前記制御器は、前記不純物量検出手段によって検出される不純物量が所定値以下になると、前記カソードにおいて水素ガスを生成させる運転を終了する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと他方の主面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体と、前記アノードと当接する面にアノードガス流路が形成されたアノードセパレータと、前記カソードと当接する面にカソードガス流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードガス流路を通流するガスが前記高分子電解質膜と前記アノードセパレータとの間から漏れ出ないように前記高分子電解質膜と前記アノードセパレータとの間で前記アノードを囲むように配置されるアノードシール部材と、前記カソードガス流路を通流するガスが前記高分子電解質膜と前記カソードセパレータとの間から漏れ出ないように前記高分子電解質膜と前記カソードセパレータとの間で前記カソードを囲むように配置されるカソードシール部材と、を備え、前記カソードシール部材が揮発性の不純物を含有する燃料電池と、
   前記アノードガス流路を介して前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するように構成された燃料ガス供給手段と、
   前記アノードから前記高分子電解質膜を介して前記カソードに電流を流すように構成された電源と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池の組立後に、初めて前記カソードにガスが供給されるよりも前に、前記燃料ガス供給手段と前記電源とを動作させて、前記アノードに前記燃料ガスが供給されてい
   る状態で、前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流して、前記カソードにおいて水素ガスを生成させる、ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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