JP5370200B2

JP5370200B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5370200B2
Application number: JP2010031288A
Authority: JP
Inventors: 修浜野井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: JP2011170995A

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池の発電停止中においては、アノード面内に水素ガス分布の偏りが発生することによって、カーボンの酸化反応等の異常反応が起きることが知られている。そこで、従来、例えば、特開２００７−２４２４０８号公報には、燃料電池の発電停止中に燃料極の水素を除去するシステムが提案されている。この燃料電池システムでは、より具体的には、燃料電池の発電停止中に燃料極（アノード）の出口付近の水素濃度が検知される。そして、この水素濃度が所定値以下になった場合に、水素循環ポンプを駆動して燃料ガスの循環が行われる。これにより、燃料極の触媒において水素と酸素とを反応させることができるので、燃料極の水素を有効に除去することができる。

特開２００７−２４２４０８号公報特開２００４−１３９９８４号公報特開２００９−９３８００号公報

しかしながら、上記従来の技術では、アノード系内の水素は、カソード側からクロスリークによって透過してくる酸素と順次反応することとなる。このため、アノード系内から水素を除去するまでに長時間を要することとなり、水素循環ポンプを駆動するための電力消費が増大してしまう。また、上記従来の技術では、水素濃度が所定値以下となった場合に水素循環ポンプが駆動されるため、水素濃度が低下するまでの間にカーボン酸化による劣化反応が進行してしまうことが想定される。このように、上記従来の技術では、燃料電池の発電停止時に速やかにアノード系内から水素を除去することができず、改善が望まれていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の発電停止中において、カーボン酸化による燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを供給側へ再循環させるための循環流路と、
前記循環流路に配置された循環ポンプと、
前記カソードオフガス流路と前記循環流路とに連通するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記カソードオフガス流路の前記循環流路に対する圧力差が所定値よりも大きい場合に開弁される制御弁と、
前記燃料電池の発電停止中に前記制御弁が開弁された場合に、前記循環ポンプを駆動する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、発電停止中にアノードの水素ガスが消費されると、循環流路の圧力が負圧になる。そして、カソードオフガス流路の循環流路に対する圧力差が所定値よりも大きくなると、制御弁が開弁されるとともに、循環ポンプが駆動される。このため、酸素を含むカソードオフガスがバイパス流路を介して循環流路内へ導入されるとともに、水素ガスを含むアノードオフガスと該カソードオフガスとの混合ガスがアノードを循環する。これにより、アノード面内における水素ガス分布の偏りを抑制しつつ、カソードオフガスに含まれる多量の酸素を用いて水素ガスを触媒上で有効に消費させることができる。これにより、異常電位によるカーボン酸化を有効に抑止することができる。

本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。燃料電池内にて部分的に水素ガスが欠乏したときの様子を模式的に示した図である。水素循環ポンプ２２を駆動した場合の燃料電池内の様子を模式的に示した図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などの車両に搭載されるものである。燃料電池１０は複数枚の単位電池１２を積層されて構成されている。各単位電池１２は、発電体、カソードガスおよびアノードガスが流れるガス流路、および隣接する発電体を隔離するセパレータ（何れも図示せず）によって構成されている。発電体は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）の外側に、ガス拡散層をガスケットゴムで囲んで一体として形成されている。

燃料電池１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路１４と、アノードオフガス流路１６とが接続されている。アノードガス流路１４の上流端は、水素ボンベ１８に接続され、その下流には調圧弁（図示せず）が配置されている。アノードガスは調圧弁で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池１０に供給される。燃料電池１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１６に排気される。アノードオフガス流路１６の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。

また、本実施の形態のシステムは、アノードオフガス流路１６とアノードガス流路１４とを接続する循環流路２０を備えている。循環流路の途中には、水素循環ポンプ２２が配置されている。水素循環ポンプ２２が駆動されると、アノードオフガス流路１６を流通するガスが再度アノードへ循環される。

また、燃料電池１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路２４と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２６とが接続されている。カソードガス流路２４の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアフィルタが配置され、その下流にはコンプレッサが配置されている（何れも図示せず）。コンプレッサの作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２４を介して燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２６へ排気される。

また、本実施の形態のシステムは、カソードオフガス流路２６とアノードオフガス流路１６を接続するバイパス流路３０を備えている。バイパス流路の途中には、制御弁３２が配置されている。制御弁３２は、カソードオフガス流路２６のアノードオフガス流路１６に対する圧力差（差圧）が所定値よりも大きくなった場合に開弁されるように構成されている。このため、制御弁が開弁されると、カソードオフガス流路２６を流通するガスがアノードオフガス流路１６へ流通される。

［実施の形態の特徴的動作］
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。燃料電池１０の発電が停止されると、アノードに残存している水素ガスがクロスリーク等で徐々に消費される。このため、水素ガスの残存量が低下するに従ってアノード面上での水素ガスの分布にムラが生じやすくなる。その結果、アノード面上において水素ガスが存在する部分と、水素ガスが欠乏している部分とができてしまう可能性がある。

図２は、燃料電池内にて部分的に水素ガスが欠乏したときの様子を模式的に示した図である。この図に示すように、水素ガスが足りている部分と水素ガスが欠乏した部分とがある場合、燃料電池内部で部分電池が発生してしまう。その結果、異常電位が発生して以下のようなカーボンの酸化反応が起きてしまう。
（カーボンの酸化反応）１／２Ｃ＋Ｈ_２Ｏ → １／２ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

そこで、本実施の形態では、燃料電池１０の発電停止後、部分電池が形成される前に、アノード面上の水素ガスの分布ムラを抑制するための処理を行うこととする。以下、具体的な処理方法について詳細に説明する。

先ず、燃料電池１０の発電が停止されると、アノードの水素ガスはクロスリーク等により消費される。このため、アノード側の圧力、すなわちアノードオフガス流路１６の圧力は徐々に負圧になる。

ここで、上述したとおり、制御弁３２は、カソードオフガス流路２６のアノードオフガス流路１６に対する圧力差（差圧）が所定のしきい値に到達した場合に開弁されるように構成されている。このため、アノード側の負圧度合が進行して、上記差圧が所定のしきい値に達すると、制御弁３２が自動的に開弁される。これにより、カソードオフガス流路２６内に滞留していた空気が、バイパス流路３０を介してアノードオフガス流路１６内へ流れ込む。

制御弁３２の開弁を検知すると、次に、水素循環ポンプ２２が駆動される。水素循環ポンプ２２が駆動されると、水素ガスを含むアノードオフガスに酸素を含むカソードオフガスが混合されて、アノード内に循環する。図３は、水素循環ポンプ２２を駆動した場合の燃料電池内の様子を模式的に示した図である。図３（ａ）に示すとおり、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合気がアノード系に循環すると、アノードにおける水素ガスの分布のムラは生じない。また、アノード系の水素ガスは、カソードオフガスに含まれる多量の酸素と触媒上で反応して消費される。このため、図３（ｂ）に示すとおり、アノード面内は、速やかに空気で満たされた状態となる。

このように、本実施の形態のシステムによれば、燃料電池１０の発電停止中において、アノードにおける水素ガスの分布ムラの発生を抑制することができる。これにより、異常電位の発生によるカーボン酸化を有効に抑制することができる。

また、本実施の形態のシステムによれば、カソードオフガスに含まれる酸素が水素ガスの消費に使用される。このため、燃料電池１０のアノードの水素ガスを速やかに消費することができる。

ところで、上述した実施の形態では、カソードオフガス流路２６の下流側が外部に開放されているが、カソード系の構造はこれに限られない。すなわち、バイパス流路３０との連通部の下流側にシャットバルブを配置して、発電の停止時にカソード系の圧力を高く設定することとしてもよい。これにより、アノード循環時にアノード系へ導入されるカソードオフガス量を増大させることができるので、水素ガスの消費・希釈を促進させることができる。

１０燃料電池
１２単位電池
１４アノードガス流路
１６アノードオフガス流路
１８水素ボンベ
２０循環流路
２２水素循環ポンプ
２４カソードガス流路
２６カソードオフガス流路
３０バイパス流路
３２制御弁

Claims

アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを供給側へ再循環させるための循環流路と、
前記循環流路に配置された循環ポンプと、
前記カソードオフガス流路と前記循環流路とに連通するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記カソードオフガス流路の前記循環流路に対する圧力差が所定値よりも大きい場合に開弁される制御弁と、
前記燃料電池の発電停止中に前記制御弁が開弁された場合に、前記循環ポンプを駆動する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。