JP4772470B2

JP4772470B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4772470B2
Application number: JP2005336798A
Authority: JP
Inventors: 宏徳栗木; 久敏福本; 隆西村; 秀一松本; 和典土野; 佳明尾台
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: JP2007141758A

Description

この発明は、燃料として水素等を、酸化剤として酸素や空気等を用いて発電する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池を停止するとき、酸素極（カソード）への酸素含有ガス（酸化剤ガス）の供給を停止した状態で、セルを発電させて、酸素極の酸素を消費する酸素消費処理を行い、その後、酸素極にパージ用ガスを存在させるパージ処理を行って保管している。また、酸素含有ガスを前記酸素極を経由して通流させる酸素含有ガス供給路における、前記酸素極よりも上流側箇所及び下流側箇所の夫々を開閉する一対の開閉手段が設けられて、前記パージ処理において、それら開閉手段を閉じることにより、前記パージ用ガスを封入状態に保持させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２-９３４４８号公報

従来の燃料電池では、燃料電池の停止時にカソードをパージ用ガスで置換しているが、燃料電池の停止後にセル温度が低下してセル内が負圧になったり、保管中にガスが拡散したりすることによって、セル内に外気が侵入する。セル内に外気が侵入すると、電極が劣化するという問題がある。具体的には、電極の触媒層を構成する白金触媒粒子がカーボン粒子に担持されている場合、カーボン粒子が侵入してきた空気中の酸素により酸化されて一酸化炭素に変わり消失してしまい、白金触媒粒子が遊離して白金触媒粒子同士が凝集し、電極の集電層との導通を失って触媒として機能しなくなる、また、白金触媒粒子自身が酸化されるなどの現象が生じる。そして、燃料電池の起動、停止、保管の動作を繰り返すと、安定した性能を維持することができないという問題がある。

また、パージ用ガスを封入しておくために、燃料電池の停止時にガス流路の入出口を封止しており、封止した状態で発電してカソード中に存在する酸素を消費し、それからカソード内を水素雰囲気にして電極の酸化劣化を防いでいる。このとき、アノード側からカソード側に水素が移行するために、カソード内のガス圧が大気圧より大きくなり、アノード内のガス圧が大気圧より小さくなる。カソード内のガス圧が大気圧より大きくなると、カソード内から電池外部へ水素がリークする。一方、アノード内のガス圧が大気圧より小さくなると、電池外部から空気が侵入し、その空気の酸素がアノード内に滞留する水素を消費する。このようにして、電極の酸化防止のために封入された水素が著しく消費されるという問題がある。

また、アノード内とカソード内のガス圧の均衡が崩れた状態になると、電解質膜に圧力が加わり、その結果電解質膜が破損し、ガスのクロスリークや電極間の短絡が生じるという問題がある。
また、触媒層と電解質膜の接合界面での損傷によって電池抵抗が増大するといった問題がある。

この発明の目的は、燃料電池の停止保管時において、電極酸化防止のために電池内に封入した水素が効率よく保存され、かつ空気侵入による電極の酸化劣化と電池内のガス圧の不均衡による電解質膜の破損を防止し、起動、停止、保管を繰り返しても安定した性能を維持する燃料電池システムを提供することである。

この発明に係わる燃料電池システムは、電解質膜を両面から挟持するアノードおよびカソードを具備する燃料電池と、上記アノードに燃料ガスを供給排出する燃料供給手段および燃料排出手段を具備する燃料供給排出手段と、上記カソードに酸化剤ガスを供給排出する酸化剤供給手段および酸化剤排出手段を具備する酸化剤供給排出手段と、を備える燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の下流領域に配置され、上記燃料供給排出手段と上記酸化剤供給排出手段とを連通して、上記カソード内のガス圧と上記アノード内のガス圧とが等しくなるように調整する圧力調整機構と、上記燃料供給手段に接続され、上記燃料ガスまたは還元性ガスまたは不活性ガスを補充して、上記燃料電池の内圧を大気圧に維持するガス補充手段と、を備え、上記圧力調整機構は、上記燃料供給排出手段の上記燃料電池より下流側と上記酸化剤供給排出手段の上記燃料電池の下流側とを連通するアノードカソード連通ラインを備えるものである。

この発明に係わる燃料電池システムは、圧力調整機構が備えられているために、アノード内の空間の減圧による外部から電池内への空気混入とカソード内の空間の陽圧による水素ガスリークを防ぐことができ、結果として電池内に滞留させている水素の消費を防止し、電極の酸化劣化を防止することができるし、高分子電解質膜の破損を防止することもできる。

実施の形態１．
図１は、この発明に関連した参考例１に係わる燃料電池システムの構成図である。
参考例１に係わる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２、酸化剤ガスを燃料電池２に供給する酸化剤ガス供給ライン３、燃料ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス供給ライン４、燃料電池２の発電において残った酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出ライン５および燃料電池２の発電において残った燃料ガスを排出する燃料ガス排出ライン６を備える。
これら酸化剤ガス供給ライン３、燃料ガス供給ライン４、酸化剤ガス排出ライン５および燃料ガス排出ライン６には、それぞれ途中に酸化剤ガス入口バルブ７、燃料ガス入口バルブ８、酸化剤ガス出口バルブ９および燃料ガス出口バルブ１０が介設されている。
なお、酸化剤ガス供給ライン３、酸化剤ガス排出ライン５、酸化剤ガス入口バルブ７おとび酸化剤ガス出口バルブ９をまとめて酸化剤供給排出手段、燃料ガス供給ライン４、燃料ガス排出ライン６、燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０をまとめて燃料供給排出手段と称す。

この燃料電池２は、プロトンを伝導する高分子電解質膜１２、高分子電解質膜１２をそれぞれ片面から挟持するアノード１３とカソード１４、アノード１３とカソード１４とをそれぞれ囲繞するガスシール部１５、１６およびアノード１３とカソード１４とにそれぞれ面する面にガス流路１７、１８が設けられ、アノード１３とカソード１４とにそれぞれ接するように配設されるセパレータ板１９、２０を備える。
このアノード１３とカソード１４は、それぞれ高分子電解質膜１２に面する面に図示しない触媒層および触媒層とセパレータ板１９、２０との間に多孔質の電気伝導性の図示しない拡散層を備える。
このガスシール部１５、１６には、セパレータ板１９、２０のガス流路１７、１８に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給または排出する図示しないマニホールド穴が設けられており、このマニホールド穴に酸化剤ガス供給ライン３、燃料ガス供給ライン４、酸化剤ガス排出ライン５および燃料ガス排出ライン６が接続されている。

また、燃料電池システム１は、酸化剤ガス排出ライン５と燃料ガス排出ライン６を連通するアノードカソード連通ライン２２、アノードカソード連通ライン２２の途中に介設されている電磁弁２３、スイッチ２５により切り換えられてアノード１３とカソード１４とを接続する外部負荷２６および抵抗２７、燃料電池２の発電電圧を計測する電圧計２８、燃料電池２の起動、停止および保管を制御する制御装置２９を備える。
このアノードカソード連通ライン２２は、酸化剤ガス排出ライン５の酸化剤ガス出口バルブ９の上流側と燃料ガス排出ライン６の燃料ガス出口バルブ１０の上流側とを連通し、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間が空間的につながった状態にある。
この電磁弁２３は、両側の差圧が生じたときに開かれ、それにともなってカソード１４内からアノード１３内へ適量のガスが移動し、アノード１３内とカソード１４内のガス圧をともに大気圧に保つことができる。
この制御装置２９は、燃料電池２を起動するとき、酸化剤ガス入口バルブ７、燃料ガス入口バルブ８、酸化剤ガス出口バルブ９、燃料ガス出口バルブ１０およびスイッチ２５を制御して所定の発電条件で発電を開始し、燃料電池２の発電を停止するとき、電圧計２８からの発電電圧に基づいて、酸化剤ガス入口バルブ７、燃料ガス入口バルブ８、酸化剤ガス出口バルブ９、燃料ガス出口バルブ１０およびスイッチ２５を制御して発電を停止する。
なお、アノードカソード連通ライン２２と電磁弁２３をまとめて圧力調整機構、スイッチ２５、外部負荷２６および抵抗２７をまとめて抵抗回路と称す。

次に、参考例１に係わる燃料電池システム１の運転方法について説明する。
燃料電池２の運転を開始する方法は一般的であるので、簡略化して説明する。
運転開始前の燃料電池２では、アノード１３とカソード１４が抵抗２７を介して接続されている。なお、セパレータ板１９、２０は導電性の例えばカーボン板で構成されているので、アノード１３に積層されたセパレータ板１９とカソード１４に積層されたセパレータ板２０とが抵抗２７に接続されている。
また、アノード１３およびカソード１４の有効面積（触媒層が形成された面積）は約１００ｃｍ^２である。

次に、燃料電池２を７５℃に保った状態で、燃料ガス供給ライン４からガス流路１７を経由して、燃料ガスとして例えば露点７０℃の水素ガスを、発電したときの通電電流が２５Ａとなるように、利用率８０％相当の流量（約３４０ｍｌ／ｍｉｎ）でアノード１３へ流す。
また、酸化剤ガス供給ライン３からガス流路１８を経由して、酸化剤ガスとして例えば露点７０℃の空気を、利用率５０％相当の流量（約９７０ｍｌ／ｍｉｎ）でカソード１４へ流す。これらの燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜１２が湿潤することによってはじめてプロトン伝導性を発現するので、水分を多く含んだ状態で流される。また、このガスの利用率とは、ガスの供給量に対して、発電に利用されるガス量の割合で定義される。
このとき、酸化剤ガス入口バルブ７、燃料ガス入口バルブ８、酸化剤ガス出口バルブ９および燃料ガス出口バルブ１０は、すべて必要なガス流量で燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れるように制御装置２９により調整される。

次に、アノード１３とカソード１４とが外部負荷２６を介して接続されるようにスイッチ２５を切り換え、燃料電池２を通常運転の状態にする。運転開始時の燃料電池２の発電電圧は０．７３Ｖである。

このようにして運転が開始され、例えば１００時間の連続運転後に燃料電池２の運転を停止する方法について説明する。
まず、アノード１３とカソード１４とをスイッチ２５を切り換えて抵抗２７（３０ｍΩ）を介して接続するように切り換える。
次に、酸化剤ガス入口バルブ７と酸化剤ガス出口バルブ９とを閉じて空気の供給を停止する。このとき、カソード１４内に残存する空気中の酸素は水素と反応して水に変わるため、カソード１４内の空間につながった酸化剤ガス供給ライン３は、ほぼ窒素だけで満たされる。そのため、カソード１４の電位は、徐々に低下し、酸素の拡散律速による濃度分極の増大により０．１Ｖ以下となる。このとき、アノード１３およびカソード１４では、式（１）、式（２）に示す反応が起こり、水素／水素の濃淡電池が形成されてカソード１４で水素が発生される。このときのカソード１４の電位を水素の発生電位という。

アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２・・・（２）

水素の発生が始まる電位は、式（３）に示すネルンストの式によって決まり、温度、カソード１４の水素ガス濃度などにより変化する。（３）式において、Ｅは発電電圧、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、ＰＨ_２−ｃはカソード１４内の空間における水素分圧、ＰＨ_２−ａはアノード１３内の空間における水素分圧を表す。

Ｅ＝−（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ＰＨ_２−ｃ／ＰＨ_２−ａ）・・・（３）

参考例１においては、水素の発生電位は０．１Ｖ以下であった。確実に水素を発生させるためには、好ましくは０．０５Ｖ以下まで電位を低下させることが好ましい。このとき、燃料ガス供給ライン４から水素ガスが供給されているので、アノード１３内の空間に連なる空間は水素雰囲気になっている。そして、発電電圧が０．１Ｖになったことを判断して、カソード１４で水素が発生したことを確認した後、燃料ガス入口バルブ８と燃料ガス出口バルブ１０を閉じて水素ガスの供給を停止する。従って、保管時はアノード１３とカソード１４のガス供給／排出ラインの各バルブ７、８、９、１０は閉じられており、アノード１３に連なる空間およびカソード１４に連なる空間はアノードカソード連通ライン２２を電磁弁２３が開いたときだけ連通する。

このようにして停止された後、保管状態へ移行する。燃料ガス入口バルブ８と燃料ガス出口バルブ１０を閉じた直後における、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間の水素濃度を比較すると、アノード１３内の空間の水素濃度がカソード１４内の空間の水素濃度より濃い状態にある。この状態において、アノード１３とカソード１４が抵抗２７を介して電気的に接続されているので、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間の水素濃度が等しくなるまでアノード１３内の空間からカソード１４内の空間に水素が移動する。その結果、カソード１４内のガス圧が大気圧より高くなり、アノード１３内のガス圧が大気圧より低くなる。このときアノードカソード連通ライン２２が通り、カソード１４内の空間からアノード１３の空間にガスが移動する。

そして、アノード１３内とカソード１４内の水素濃度および内圧が等しくなってから、外部からの空気が混入した場合、この空気中の酸素がセル内の水素と反応するためにアノードカソードいずれかの極内の空間の水素濃度が減少し、他方極の空間から水素が移動することになる。

このように電磁弁２３を経由してガスを移動させることによって、カソード１４内のガス圧の増加分がアノード１３内のガス圧の減少分を補うことになり、カソード１４内とアノード１３内のガス圧は常に均衡が保たれる。

また、起動直前の燃料電池２内の雰囲気について、ガスクロマトグラフィ分析によって調べたところ、水素濃度は８６体積％であり、酸素濃度については検出限界濃度以下であった。この結果より、参考例１の燃料電池システム１では、燃料電池２内が停止および保管中において常に水素雰囲気に保たれていることが分かる。

もし、アノードカソード連通ライン２２が備えられていないときに、カソード１４内のガス圧が大気圧より高くなると、電極の酸化劣化、高分子電解質膜１２の破損または高分子電解質膜１２と触媒層との接合面の損傷が生じ、電池抵抗が増大し、燃料電池２の性能が低下する。すなわち、カソード１４内のガス圧が大気圧より大きくなると、カソード１４とガスシール部１５、１６の界面のうち密閉度の低い箇所から水素または水素と窒素の混合ガスがリークする。このリークはカソード１４内のガス圧が大気圧に等しくなるまで継続する。
そして、カソード１４内のガス圧が大気圧に等しくなってから、燃料電池２を冷却すると、カソード１４内のガス圧が大気圧より低くなるので、燃料電池２の外部からの空気混入量が多くなる。この空気中の酸素が水素と反応するためにカソード１４内の空間の水素濃度が薄くなり、アノード１３内の空間から水素が移動することになる。

一方、停止時におけるアノード１３では、ガス圧が大気圧よりも低下するため、アノード１３とガスシール部１５、１６の界面のうち密閉度の低い箇所を経由して電池外部から空気が混入する。空気が混入すると滞留している水素と反応するために水素はさらに消費される。これらの結果として燃料電池２内の水素が著しく消費されることとなり、水素欠乏と空気混入による電極の酸化劣化が生じる。

また、アノード１３内のガス圧が大気圧より低く、かつカソード１４内のガス圧が大気圧より高くなると、アノード１３内の空間とカソード間１４内の空間との間で圧力差が生じる。高分子電解質膜１２、アノード１３およびカソード１４を一体として接合して形成されている膜電極接合体の内部に強度が不充分なところが存在した場合、その部分にこの圧力差による応力が集中し高分子電解質膜１２が破損する、または高分子電解質膜１２と触媒層との接合面に損傷が生じ、電池抵抗が増大し、燃料電池２の性能は低下する。
このようにアノードカソード連通ライン２２を備えることにより、停止および保管中における電極の酸化劣化、電池抵抗の増大などを防止することができる。

なお、このアノード-カソード連通ライン２２は、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間を繋ぐことができれば何れの場所に取り付けることも可能であるが、燃料電池２の通常負荷運転時の安全性を考慮すると、燃料電池２の下流領域に配置することが好ましい。その理由として、燃料電池２の上流域にアノードカソード連通ライン２２が配置されると、通常負荷運転時に燃料ガスと酸化剤ガスが混合した運転ガスが燃料電池２に供給される可能性があるからである。

また、参考例１では、アノードカソード連通ライン２２に介設される圧力調整機構として電磁弁２３を用いたが、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間のガス圧のバランスを保つ機構を有したものであれば使用可能である。
また、上述と同様、燃料電池２の通常負荷運転時の安全性を考慮すると、圧力調整弁、逆止弁、差圧弁、またはアノードカソード連通ライン２２に直接流体を封入する機構などといった、負荷運転時には両極のガスが混ざらないよう隔離した状態を保ち、かつ、停止保管時に両極の圧力バランスを調整する機構であることが好ましい。

次に、参考例１に係わる燃料電池システム１の性能を評価した結果について説明する。評価は、１日のうち８時間連続で発電した後、上述したようにして燃料電池２を停止し、１６時間保管する試験（ＤａｉｌｙＳｔａｒｔｕｐａｎｄＳｈｕｔｄｏｗｎ試験：ＤＳＳ試験）を５０日間繰り返し、燃料電池２の発電電圧の経時変化を測定した。測定方法は、発電を開始してから４時間後の燃料電池２の発電電圧を測定した。図２は、ＤＳＳ試験による燃料電池２の発電電圧の変化を示したグラフである。
このように、５０日間運転、停止、保管を繰り返しても燃料電池２の発電電圧の低下はほとんど認められなかった。

また、参考例１に係わる燃料電池システム１と比較するために、参考例１に係わる燃料電池システム１からアノードカソード連通ライン２２を取り除いた燃料電池システムに対してＤＳＳ試験を行って評価した。その結果、燃料電池２の発電電圧の低下量は５０日間で２０ｍＶとなった。これは停止時において、参考例１に係わる燃料電池システム１に比較して、電池外部への水素漏れ量と電池内部への空気混入量が多いために、電極の酸化劣化防止のために滞留させている水素が多量に消費されることになり、結果として電極の酸化劣化を抑制できなかったものと考えられる。

このように、停止時にアノード１３とカソード１４とが抵抗２７を介して接続し、かつ燃料電池２が密閉されていることによってアノード１３内の空間のガス圧が大気圧より低くなり、カソード１４内の空間のガス圧が大気圧より高くなっても、アノードカソード連通ライン２２によってカソード１４内の空間からアノード１３内の空間へガスが移動するために、アノード１３内の空間とカソード１４内の空間のガス圧が平衡状態で維持される。従って、アノード１３内の空間の減圧による外部から電池内への空気混入とカソード１４内の空間の陽圧による水素ガスリークを防ぐことができ、結果として電池内に滞留させている水素の消費を防止し、電極の酸化劣化を防止することができる。

また、万が一に電池外部からアノード１３内の空間、カソード１４内の空間のいずれかに空気が混入した場合、片方の電極内の空間の水素が消費されるために両極間の圧力バランスの均衡が崩れ、高分子電解質膜１２に機械的負荷がかかり、結果として高分子電解質膜１２が破損する恐れがあるが、参考例１による燃料電池２の運転方法においては、アノードカソード連通ライン２２及び圧力調整機構があるために、上記で述べたような高分子電解質膜１２の破損を防止することができる。

参考例２における燃料電池システム１は、参考例１と同様であり、燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じる時点が参考例１と異なるだけで、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
参考例１に係わる燃料電池２の運転を停止する方法では、酸化剤ガス入口バルブ７および酸化剤ガス出口バルブ９を閉じ、カソード１４で水素が発生したことを確認した直後に燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じるが、参考例２に係わる停止方法では、カソード１４内の空間の水素濃度がアノード１３内の空間の水素濃度と同等になった後で燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じる。すなわち、カソード１４内で水素発生が充分に行われる時間を考慮している。

次に、参考例２に係わる燃料電池システム１の停止方法および保管方法について説明する。
参考例１の説明において述べたようにして、参考例１に係わる燃料電池システム１の運転を開始し、１００時間の連続運転後、燃料電池２の運転を停止する。
まず、スイッチ２５を切り換えることにより、アノード１３とカソード１４とを抵抗２７を介して接続する。
それから、酸化剤ガス入口バルブ７と酸化剤ガス出口バルブ９とを閉じて空気の供給を停止する。このとき、カソード１４内の空間に残存する酸素は水素と反応して水になるため、カソード１４内の空間につながる酸化剤ガス供給ライン３はほぼ窒素だけで充満され、カソード１４の電位は、水素の発生電位（約０．１Ｖ）以下となる。そして、アノード１３とカソード１４とが抵抗２７を介して電気的に接続されているため、カソード１４内のガスの水素濃度がアノード１３内のガスの水素濃度と同濃度になるまでアノード１３内の空間からカソード１４内の空間に高分子電解質膜１２を介して水素が移動する。このようにして、アノード１３内のガスの水素濃度とカソード１４内のガスの水素濃度が同濃度になると、式（１）で示すように、発電電圧がほぼ０ｍＶとなる。従って、発電電圧がほぼ０ｍＶになるまで水素ガスを流し続け、その後燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じる。

参考例１では、発電電圧が０．１Ｖになった時点で、燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じたが、参考例２では、発電電圧が０．１Ｖ以下になってもカソード１４内のガスの水素濃度がアノード１３内のガスの水素濃度と同じくなるまで水素でパージしている。そして、同じ水素濃度になるまでアノード１３内の空間からカソード１４内の空間へ高分子電解質膜１２を介して水素が移動するために、カソード１４内のガス圧がいったん上昇するが、アノードカソード連通ライン２２の電磁弁２３が働くことにより、アノードカソード連通ライン２２を経由して、カソード１４内の空間からアノード１３内の空間に水素を含んだ混合ガスが移動するためにカソード１４内のガス圧は大気圧に保たれる。このような状態で燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じるので、燃料電池２内のガス圧は大気圧に保たれたまま保管状態に移行する。

この状態で保管されていた燃料電池２は、参考例１と同様の方法により発電が再開される。なお、起動直前の燃料電池２内のガス成分について、ガスクロマトグラフィ分析によって調べたところ、水素濃度は９０体積％であり、酸素濃度については検出限界濃度以下であった。この結果より、参考例２のようにして燃料電池２を停止することにより、燃料電池２内が停止保管中において常に水素雰囲気に保たれていることが分かる。
また、燃料電池２の起動、停止、保管において、起動、保管は参考例１のように行い、停止だけ参考例２のように行って、参考例１と同様なＤＳＳ試験を１００日間実施したが、燃料電池２の発電電圧の低下量はほとんど０ｍＶであった。

このように、燃料電池２の運転を停止するとき、カソード１４内のガスの水素濃度がアノード１３内のガスの水素濃度と同濃度になるまで充分に燃料電池２に燃料ガスを送り込んだ後に燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じているため、燃料電池２内のガス圧が常に大気圧に保たれている状態のまま保管プロセスに移行する。従って、保管中に外部から空気が混入することなく、電極の酸化劣化を防止することができる。
また、アノード１３内とカソード１４内のガス圧が平衡されているために、高分子電解質膜１２への破損を防止することができる。

図３は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムの構成図である。
この発明の実施の形態１に係わる燃料電池システム１Ｃは、参考例１に係わる燃料電池システム１の燃料ガス供給ライン４にガス補充手段が追加されることが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態１に係わるガス補充手段は、図３に示すように、燃料ガスが充填され、充填されている燃料ガスのガス圧が常に大気圧になるように燃料ガスの体積の変化に追随して内容積が変化するアルミガスパック３１、アルミガスパック３１と燃料ガス供給ライン４の燃料ガス入口バルブ８より下流側とを連通するアノードガス連通ライン３２、アノードガス連通ライン３２に介設される調整バルブ３３を備える。

実施の形態１に係わる燃料電池システム１Ｃを発電する方法は、参考例１と同じ方法であるので、ここでは停止方法および保管方法についてだけ説明する。
参考例１の説明において述べたようにして、実施の形態１に係わる燃料電池システム１Ｃの運転を開始し、１００時間の運転後、燃料電池２の運転を停止する。
まず、スイッチ２５を切り換えることにより、アノード１３とカソード１４とを抵抗２７を介して接続する。
それから、酸化剤ガス入口バルブ７と酸化剤ガス出口バルブ９とを閉じて空気の供給を停止する。このとき、カソード１４内の空間に残存する酸素は水素と反応して水になるため、カソード１４内の空間につながる酸化剤ガス供給ライン３はほぼ窒素だけで充満され、カソード１４の電位は、水素の発生電位（約０．１Ｖ）以下へと低下する。そして、発電電圧が０．１Ｖになったとき、燃料ガス入口バルブ８および燃料ガス出口バルブ１０を閉じて燃料電池２の運転を中止し、保管状態に移行する。

次に、燃料ガスが充填されているアルミガスパック３１と燃料ガス供給ライン４とを調整バルブ３３を開くことにより連通する。この状態においては、電池の降温に伴うガスの体積減少、水の凝縮に伴う体積減少に対してもアルミガスパック３１が同体積分収縮するために、電池全体として大気圧より低くなることがない。

このように、アルミガスパック３１を燃料ガス供給ライン４に接続することができるので、このアルミガスパック３１内の燃料ガスによって電池内が負圧になることがないために、アノード１３及びカソード１４が酸素雰囲気に曝されることなく保管することができる。この現象について確かめるために、保管時における電池内の各部分における圧力変化について調べた。図４は、保管時における電池の温度変化とガス圧の変化を示すグラフである。

停止直後においては、電池の入口と出口が密閉された状態でカソード１４内の空間の酸素が消費されるが、アノードカソード連通ライン２２に取り付けられた電磁弁２３が動作することにより、カソード１４内の空間のガス圧はほとんど変化しない。
その後、図４に示すように、カソード１４内の空間の酸素が消費されたカソード内酸素消費時点直後では、アノード１３内の空間からカソード１４内の空間に水素が移動するために、カソード１４内のガス圧がいったん上昇する。しかし、アノードカソード連通ライン２２を経由して圧力上昇は緩和されるので、アノード１３内、カソード１４内のガス圧が大気圧付近で均衡が保たれていることがわかる。

その後は、電池温度の下降に伴い電池内体積が収縮したり、カソード１４内の空間の酸素が消費されたり、さらに酸素消費に伴い水素も減少したりすることによりアノード１３内とカソード１４内のガスの体積は減少する。しかし、内容積がガスの体積に比例して変形するアルミガスパック３１が燃料ガス供給ライン４に設置されているためにその減少分が補填され、ガス圧が大気圧に保たれている。
さらに、圧力調整機構がアノードカソード連通ライン２２に組み込まれているために、保管中に両極が圧力差を生じることなく均衡を保ちながら保管されていることが確認できた。

また、電池の停止保管中において、万が一、アノード１３内の空間に連なる空間またはカソード１４内の空間に連なる空間内に空気が混入した場合についても、実施の形態１によれば空気混入による電極の酸化劣化を防止できる。すなわち、カソード１４内の空間に連なる空間内に空気が混入した場合、その空気中の酸素はカソード１４内の空間に連なる空間内に存在する水素との酸化還元反応により消費される。そして、水素が消費され、さらに空気が混入した場合には、アノード１３とカソード１４とが抵抗２７によって電気的に接続されているために、アノード１３において水素が水素イオンに酸化され、この水素イオンが高分子電解質膜１２を介してカソード１４に移動し、水素イオンが混入した空気中の酸素を還元する。空気を消費した後は両極における水素濃度の差がなくなるように水素が高分子電解質膜１２を介して両極間を電気的に移動する。例えば、アノード１３内の空間の水素濃度よりもカソード１４内の空間の水素濃度が小さい場合、アノード１３で水素が水素イオンに酸化され、その水素イオンが高分子電解質膜１２を介してカソード１４に移動し、カソード１４で水素に還元し、還元された水素によりアノード１３内とカソード１４内のガスの水素濃度の均衡を保つ。このようにして、アノード１３内とカソード１４内は常に水素雰囲気で保たれる。

起動直前の電極内のガス成分をガスクロマトグラフィ分析によって調べたところ、水素濃度は８９体積％であり、酸素濃度については検出限界濃度以下であった。この結果より、実施の形態１に係わる燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池２内が停止保管中において常に水素雰囲気に保たれていることがわかった。
また、実施の形態１に係わる燃料電池システム１Ｃの性能を評価するために、実施の参考例１と同様にＤＳＳ試験を１００日間実施した。その結果、燃料電池２の発電電圧の低下量はほとんど０ｍＶであった。

このようにアルミガスパック３１から燃料ガスが供給されているので、アノード１３内の空間に連なる空間に存在する水素量が多くなり、長期間に亘って保管するとき、電池外部からの空気混入による電極劣化をより防止できる。

なお、実施の形態１では、燃料ガス供給ライン４に燃料ガスを供給するアルミガスパック３１が設置されているが、このガス補充手段として内部圧力の増減に伴い変形自在な容器を用いることが可能である。
また、内部圧力の減少を感知してその燃料の減少分を補充するようなガス補充手段を用いることも可能である。

また、アルミガスパック３１に充填するガスとして、実施の形態１では、燃料ガスを用いたが、電極の酸化劣化に影響を与えない不活性なものであれば良く、例えば、窒素ガス、二酸化炭素、アルゴンガスなどが使用可能である。
さらに好ましくは、電池内に空気混入した場合にその空気を酸化還元反応により消費することのできる還元性を有するものであれば良く、例えば水素、一酸化炭素、メタンガス、あるいはこれらと不活性ガスの混合ガス等が使用可能である。
また、ガス補充手段は燃料ガス供給排出ライン、または燃料電池アノード内のいずれの場所に設けることも可能であるが、実施の形態１で記載したように、アルミガスパック３１を燃料ガス供給排出ラインのうち燃料電池よりも上流側に設けることが好ましい。その理由としては、燃料電池の運転時においては、燃料ガス供給排出ラインの上流側ほど水素濃度が高く、停止保管時に燃料電池内により高濃度の水素を滞留させることができるからである。

なお、実施の形態１では、燃料電池２として固体高分子形燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、アルカリ形燃料電池などに適用することができ、同様の効果が得られる。

この発明に関連した参考例１に係わる燃料電池システムの構成図である。参考例１におけるＤＳＳ試験回数と発電電圧の関係を示すグラフである。この発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムの構成図である。この発明の実施の形態１の燃料電池の保管時における電池の温度変化とガス圧の変化を示すグラフである。

符号の説明

１、１Ｃ燃料電池システム、２燃料電池、３酸化剤ガス供給ライン、４燃料ガス供給ライン、５酸化剤ガス排出ライン、６燃料ガス排出ライン、７酸化剤ガス入口バルブ、８燃料ガス入口バルブ、９酸化剤ガス出口バルブ、１０燃料ガス出口バルブ、１２高分子電解質膜、１３アノード、１４カソード、１５、１６ガスシール部、１７、１８ガス流路、１９、２０セパレータ板、２２アノードカソード連通ライン、２３電磁弁、２５スイッチ、２６外部負荷、２７抵抗、２８電圧計、２９制御装置、３１アルミガスパック、３２アノードガス連通ライン、３３調整バルブ。

Claims

電解質膜を両面から挟持するアノードおよびカソードを具備する燃料電池と、
上記アノードに燃料ガスを供給排出する燃料供給手段および燃料排出手段を具備する燃料供給排出手段と、
上記カソードに酸化剤ガスを供給排出する酸化剤供給手段および酸化剤排出手段を具備する酸化剤供給排出手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池の下流領域に配置され、上記燃料供給排出手段と上記酸化剤供給排出手段とを連通して、上記カソード内のガス圧と上記アノード内のガス圧とが等しくなるように調整する圧力調整機構と、
上記燃料供給手段に接続され、上記燃料ガスまたは還元性ガスまたは不活性ガスを補充して、上記燃料電池の内圧を大気圧に維持するガス補充手段と、を備え、
上記圧力調整機構は、上記燃料供給排出手段の上記燃料電池より下流側と上記酸化剤供給排出手段の上記燃料電池の下流側とを連通するアノードカソード連通ラインを備えることを特徴とする燃料電池システム。
上記アノードと上記カソードとを接続する抵抗回路と、上記燃料供給排出手段、上記酸化剤供給排出手段および上記抵抗回路を制御する制御回路と、上記燃料電池の発電電圧を検出する電圧計とを備え、
上記制御回路は、上記アノードと上記カソードとを抵抗を介して接続してから、上記酸化剤供給手段および酸化剤排出手段の両方を閉じて、上記発電電圧が水素の発生電位に対応した所定の電圧以下に達した時、上記燃料供給手段および燃料排出手段の両方を閉じて上記燃料電池を停止することを特徴とする請求項１に記載する燃料電池システム。
上記ガス補充手段が上記燃料供給手段に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載する燃料電池システム。