JP2005222840A

JP2005222840A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005222840A
Application number: JP2004030595A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Tajiri; 和也田尻; Naoya Matsuoka; 直哉松岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】燃料ガスをカソードに供給する配管やバルブ等を設けることなく、燃料電池の電極面を均一に暖機する。
【解決手段】外部直流電源装置１７は、遮断スイッチ１６を介して燃料電池本体２に接続されている。燃料電池本体２の暖機が必要な場合、コントローラ１５は、アノード３へ水素を供給しながら、遮断スイッチ１６をオンして、外部直流電源装置１７の正極から燃料電池本体２のアノード３へ電流供給する。アノード３でイオン化した水素は、負電位のカソードに到達し、電子と再結合して水素となる。この水素は、カソード４に存在する空気中の酸素と燃焼反応して燃料電池本体２の温度を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池を備えて構成される燃料電池システムに係り、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体に好適な燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池が知られている。

固体高分子電解質型燃料電池のアノード、カソードの各電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード（燃料極）：２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード（酸化剤極）：４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ …(２)
そして、アノードに水素ガスが供給されると、アノードでは（１）の反応式が進行して水素イオンと電子が生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）してカソードに至る。一方電子は、アノードから外部負荷装置を通ってカソードに至る。このカソードに酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは（２）の反応式が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。ここで、水素イオンが固体高分子電解質中を移動するためには、電解質が含水していることが必要となる。

しかしながら、燃料電池の氷点下環境での運転においては、この水の存在が不都合を生じることになる。電解質膜は水分を含有している必要があるが、余剰な水分がガス通流路あるいは電極触媒表面上に存在して凍結した場合、発電に必要な燃料ガスや酸化剤ガスは触媒への供給を阻害され、発電を行うことができない。また、発電によりカソードで水が生成するが、この生成水が凍結することによっても同様に酸化剤ガスの供給が阻害され発電できなくなる。

このため、氷点下環境からの固体高分子電解質型燃料電池の始動には、予め燃料電池を発電可能な温度まで上昇させた状態で発電を開始する方法が考えられている。たとえば特許文献１では、アノード及び又はカソードに水素ガスと酸素を含むガスとを供給し、電極触媒上で水素と酸素とを反応させて、この反応熱により燃料電池温度を上昇させる方法を提案している。
特開２００１−１８９１６４号公報（第５頁、図１）

しかしながら、カソードガス配管に水素ガスを導入、あるいはアノードガス配管に酸化剤ガスを導入して、水素ガスと酸化剤ガスとが混合したガスを電極触媒に供給する方法では、両ガスを導入、混合するための配管やバルブ等が必要となり、燃料電池システムの構成が複雑化するという問題点があった。

また、燃料電池のガス流路上流から混合ガスを導入するため、流路上流部での水素酸化の反応量が多く、下流での反応量が少ないという面内不均一が生じ、上流部のみで温度が上昇、極端な場合にはヒートスポットが発生し電解質膜の機能が損なわれる、という問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するため、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを形成した燃料電池本体と、前記アノードに水素ガスを供給する燃料供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、遮断スイッチを介して前記燃料電池本体に接続される外部直流電源を備え、前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池本体の温度上昇が必要な場合に、前記燃料供給手段から前記アノードに水素ガスを供給し、かつ前記外部直流電源の正極を前記アノードに、負極を前記カソードにそれぞれ接続して、前記外部直流電源から前記燃料電池本体に電流を供給することを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池アノードに水素または水素を含む混合ガスが供給され、かつ外部直流電源の正極が燃料電池のアノードに、外部直流電源の負極が燃料電池のカソードに接続され、外部電源の正極から燃料電池のアノードに電流を供給する。

これによって、アノードに供給された水素は電極触媒において水素イオンとなり、外部電源より供給される電流値の時間積分値、すなわち電気量を賄うだけの量の水素イオンが電解質膜中をアノードからカソードへ移動する。このようにしてカソードへ移動した水素イオンは、燃料電池の通常発電時には酸素と反応して水を生じるのであるが、その場合には酸素の電気化学反応に必要な過電圧が必要とされ、アノードに対するカソードの電位は高く保たれている必要がある。

本発明では、外部直流電源の接続によりカソードの電位はアノードよりも低く保たれており、水素イオンは酸素と電気化学反応を生じることができず、外部電源より供給される電子を受け取って水素ガスへと変化する。以上の各電極での反応を式で示せば、（３）、（４）式となる。

アノード（燃料極）：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …(３)
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ …(４)
以下、本発明によるアノードからカソードへの水素輸送を、電気化学的水素輸送法と呼ぶ。

こうして生じた水素ガスは、カソードガス流路に滞留していた、あるいは酸化剤供給手段より供給された酸素と共に電極触媒付近に存在するため、触媒による水素の酸化反応、すなわち（５）式の燃焼を起こす。

カソード（酸化剤極）：Ｈ₂ ＋ 1/2Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …(５)
このようにして水素の燃焼による反応熱で燃料電池温度が上昇し、発電に適当な温度まで燃料電池を温めることで燃料電池の低温環境からの発電を可能とする。ここで外部直流電源とは、蓄電池等のバッテリや発電機のみならず、別途設けた燃料電池であっても同様の効果が期待できる。

本発明によれば、水素ガス及び酸化剤ガスの配管は、アノードまたはカソードへの配管のままで実現でき、従来技術のように相手側電極に至るガス配管を設ける必要が無く、燃料電池システムの構成が複雑化するということはない。

また、アノードからカソードに移動する水素イオンは電極面内でほぼ均一となるので、カソードにおける水素燃焼による温度上昇も均一となり、従来のような、水素ガス上流部のみで温度が上昇し、極端な場合にはヒートスポットが発生して電解質膜の機能が損なわれるという問題点が抑制される。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、固体高分子電解質の両面にアノード３及びカソード４を形成した燃料電池本体２と、高圧で水素ガスを貯蔵する水素タンク５と、高圧水素ガスを所望の運転圧力まで減圧してアノード３に供給する水素圧力調整弁６と、アノード３の出口から不純物を含む水素ガスを系外へ放出する水素パージ弁７と、アノード３の出口から入口へ水素を循環させる管路である水素循環路８と、アノード３及び水素循環路８内の水素を循環させる水素循環ポンプ９と、カソード４へ空気を供給するコンプレッサ１０と、カソード４出口から系外へ放出される空気を絞る空気圧力調整弁１１と、負荷スイッチ１２と、燃料電池本体２は発電した電力を消費する負荷装置１３と、燃料電池本体２の温度を検出する温度センサ１４と、燃料電池始動前に水素圧力調整弁６を制御して水素タンク５からアノード３へ水素ガスを供給しながら遮断スイッチ１６を介して外部直流電源装置１７の正極からアノード３へ電流を供給するように制御するコントローラ１５と、遮断スイッチ１６を介して燃料電池本体に接続され正極からアノード３へ電流供給可能な外部直流電源装置１７とを備えている。

温度センサ１４は、燃料電池本体２の内部または近傍の温度を検出または推定する温度検出手段であり、その検出値を代表温度とする。温度センサ１４の検出値は、コントローラ１５へ入力され、コントローラが外部直流電源装置１７から燃料電池本体２への直流電流供給の停止を判断することに用いられる。

遮断スイッチ１６は、コントローラ１５の制御によりオン／オフが制御されるリレーまたは半導体スイッチ等を用いた開閉器である。

コントローラ１５は、温度センサ１４が検出した代表温度が所定温度まで上昇したときに、遮断スイッチ１６をオフすることにより、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２への電流供給を停止させる。

燃料電池本体２は、負荷装置１３に供給すべき電圧を得るために必要数の単位電池を直列接続したスタックとして構成されている。

図２は、実施例１の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。

単位電池は、固体高分子膜からなる高分子電解質膜２０と、この高分子電解質膜２０を挟持するようにその両面に配設されるアノード３及びカソード４を備えている。

アノード３は、固体高分子電解質２０の一方の面に形成されたアノード触媒層３ｃと、アノード触媒層３ｃの外側に形成されたアノードガス拡散層３ｂと、アノードガス拡散層３ｂへ水素ガスを供給する流路であるアノードガス流路３ａを備えている。

カソード４は、固体高分子電解質２０の他方の面に形成されたカソード触媒層４ｃと、カソード触媒層４ｃの外側に形成されたカソードガス拡散層４ｂと、カソードガス拡散層４ｂへ水素ガスを供給する流路であるカソードガス流路４ａを備えている。

高分子電解質膜２０は、例えばフッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。

この高分子電解質膜２０の両面に配設されるアノード触媒層３ｃ、カソード触媒層４ｃは、それぞれ、白金または、白金とその他の金属（Ｐｄなど）の合金の微粒子をカーボンで担持している。アノードガス拡散層３ｂ及びカソードガス拡散層４ｂは、カーボンペーパ等の多孔質導電性部材を用いている。

アノードガス流路３ａ、カソードガス流路４ａは、それぞれガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。

水素または水素を含むガスである燃料ガスは、アノード３へ導入され、アノード３における水素の電離反応が起こる。これにより生じた水素イオンは高分子電解質膜２０中をアノード３からカソード４の方向へと移動し、カソード４における反応によって再び水素へと変化する。

一方、アノードにおける反応によって燃料ガスから生じた電子は外部電源を含む回路を通過してカソードへと移動し、カソードにおける反応に寄与する。

この時、カソードの触媒近傍には酸素も存在しているが、外部電源によりカソードの電位がアノードよりも低く制御されているため、水素イオンと酸素との電気化学反応は発生せず、水素イオンと電子の反応により水素の生成反応が起こる。

ここで改めて水素と酸素が電極触媒近傍に存在しているために燃焼反応が起こり、水の生成と共に熱が発生し、燃料電池の温度を上昇させることになる。このとき、水素の燃焼による化学反応熱とともに、外部直流電源から燃料電池に供給された電流によるジュール熱も燃料電池の温度上昇に寄与すると考えられる。

従って、燃料電池の温度上昇をΔＴ、燃料電池の平均比熱をｃ、燃料電池の質量をＭ、外部直流電源から供給される電流が通過するセル数をｎ、外部直流電源から供給される電荷量をＱ、ファラデー定数をＦ（＝素電荷量ｅ×アボガドロ数ＮA ）、水素の標準状態における燃焼熱の熱量を２８６〔ｋＪ／mol 〕とすれば、以下の（６）式が成立する。

ｃ×Ｍ×ΔＴ＝ｎ×（Ｑ／Ｆ）×（１／２）×２８６−α＋β …（６）
ここで、
α：熱損失（燃料電池本体からの伝導熱、対流熱、輻射熱の合計）
β：外部直流電源から燃料電池本体に供給される電流によるジュール熱による熱量
である。

以下、燃料電池本体２の発電開始前に、燃料電池本体２の温度を上昇させることを燃料電池の暖機と呼ぶことにする。

図３は、実施例１におけるコントローラ１５による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。図３において、まずステップＳ１０で、コントローラ１５は、水素タンク５の図示しない元弁を開く制御信号を出力するとともに、水素圧力調整弁６に対して所定の暖機用圧力で水素供給するように制御信号を出力する。これにより、燃料電池本体２のアノード３へ水素ガスの供給が開始される。

次いでコントローラ１５は、ステップＳ１２で、温度センサ１４の検出値Ｔを読み込み、ステップＳ１４で、所定温度値Ｔ0 より温度センサの検出値Ｔが大きいか否かを判定する。ステップＳ１４の判定で、検出値Ｔが所定温度値Ｔ0 を超えていれば、燃料電池本体の暖機は不要であるので、暖機終了とする。所定温度値Ｔ0 は、燃料電池本体の暖機が必要か否かを判定するための燃料電池代表温度の判定値であり、例えば、１〔℃〕や２〔℃〕に設定される。暖機終了以後は、カソード４にコンプレッサ１０から空気供給を開始して、発電が始められる。

ステップＳ１４の判定で、検出値Ｔが所定温度値Ｔ0 以下であれば、ステップＳ１６へ進み、遮断スイッチ１６をオンして、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ直流電流の供給を開始する。このときの極性は、外部直流電源装置１７の正極を燃料電池本体２のアノード３に接続し、外部直流電源装置１７の負極を燃料電池本体２のカソード４に接続して、外部直流電源装置１７の正極からアノード３へ電流が流れ込む方向である。この電流により、燃料電池本体２の内部では、アノード３からカソード４へ固体高分子電解質膜内を水素イオン（Ｈ⁺ ）が移動して、電気化学的水素輸送が行われる。カソード４に達した水素イオンは、電子と再結合して水素となり、さらに水素は、カソード４の電極触媒を介して酸素と反応して水となり、反応熱を放出して燃料電池本体２を内部から暖機する。

次いでコントローラ１５は、ステップＳ１８で、温度センサ１４の検出値Ｔを読み込み、ステップＳ２０で、所定温度値Ｔ1 より温度センサの検出値Ｔが大きいか否かを判定する。この暖機終了判定用の所定温度値Ｔ1 は、ステップＳ１４で用いた所定温度値Ｔ0 と等しくてもよいが、燃料電池本体２の部位による温度上昇のばらつきが大きい場合には、Ｔ0 よりＴ1 を大きな値に設定する方が好ましい。

ステップＳ２０の判定で、検出値Ｔが所定温度値Ｔ1 を超えていなければ、暖機を継続すべく、ステップＳ１８へ戻る。ステップＳ２０の判定で、検出値Ｔが所定温度値Ｔ1 を超えていれば、ステップＳ２２へ進み、コントローラ１５は、遮断スイッチ１６をオフして、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２のアノード３への電流供給を停止させる。次いで、コントローラ１５は、ステップＳ２４で、カソード４へパージガスを供給開始して、カソード４で生成された水を燃料電池本体２の外部へ放出させる。このパージによって、燃焼反応によって生じた水分を除去し、再凍結によるガス供給の阻害や構造破壊を防ぐ。

本実施例の構成では、コントローラ１５は、コンプレッサ１０を駆動して空気をパージガスとして用いる。尚、パージガスとして不活性ガスを貯蔵するガスボンベとこのガスボンベからカソードに至る配管とを備えて、コントローラ１５の制御により、不活性ガスをパージガスとして供給してもよい。

次いで、コントローラ１５は、ステップＳ２６で、パージガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ、Ｓ２６のセルフループで待機する。所定時間が経過すれば、ステップＳ２８へ進み、コントローラ１５は、コンプレッサ１０からのパージガスガスの供給を停止して、燃料電池本体２の暖機を終了する。尚、ステップＳ２４で不活性ガスでパージした場合には、ステップＳ２８でカソード４に対する不活性ガスの供給を停止して、燃料電池本体２の暖機を終了する。

ここでは外部電源による電流の供給を停止した後もアノードに水素が供給されつづけるプロセス図を例示したが、電流の供給を停止した後はいつでも水素の供給を停止できる。また同じく、電流の供給を停止した後にカソードのパージを開始しているが、電流を供給し燃焼反応が起こっている期間にカソードをパージしても構わない。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池本体の内部あるいは近傍で燃料電池本体の代表温度を検出または推定する温度検出手段を備え、この温度検出手段による代表温度が燃料電池本体の発電開始に適当な温度まで上昇したことにより、外部直流電源装置の正極からアノードへの電流供給を停止させ、カソードで水素を燃焼させる暖機を終了する。これによって、不必要に燃料電池本体の温度を上昇させることなく、速やかに通常発電へと移行することが可能となるという効果がある。

また本実施例によれば、外部直流電源装置からの電流供給停止後に不活性ガスや空気をカソードに供給してパージを実施する。電気化学的水素輸送法で水素をカソードに導入する際には水は生成されないが、その後の酸素との化学反応では反応熱と共に水が生成する。この水が再び凍結することになれば、カソードでの酸化剤ガスの供給が阻害され発電ができなくなるばかりか、凍結する際の氷の膨張が原因となって、回復不能の性能劣化を招くおそれがある。本実施例におけるパージによって、化学反応で生じた水を速やかに除去することにより、そのような再凍結を防ぐことが可能となる。

図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。図４において、燃料電池システム１は、固体高分子電解質の両面にアノード３及びカソード４を形成した燃料電池本体２と、高圧で水素ガスを貯蔵する水素タンク５と、高圧水素ガスを所望の運転圧力まで減圧してアノード３に供給する水素圧力調整弁６と、アノード３の出口から不純物を含む水素ガスを系外へ放出する水素パージ弁７と、アノード３の出口から入口へ水素を循環させる管路である水素循環路８と、アノード３及び水素循環路８内の水素を循環させる水素循環ポンプ９と、カソード４へ空気を供給するコンプレッサ１０と、カソード４出口から系外へ放出される空気を絞る空気圧力調整弁１１と、負荷スイッチ１２と、燃料電池本体２は発電した電力を消費する負荷装置１３と、燃料電池本体２の温度を検出する温度センサ１４と、燃料電池始動前に水素圧力調整弁６を制御して水素タンク５からアノード３へ水素ガスを供給しながら遮断スイッチ１６を介して外部直流電源装置１７の正極からアノード３へ電流を供給するように制御するコントローラ１５と、遮断スイッチ１６を介して燃料電池本体に接続され正極からアノード３へ電流供給可能な外部直流電源装置１７と、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ供給される電流値を検出してコントローラ１５へ出力する電流計１８を備えている。

温度センサ１４は、燃料電池本体２の内部または近傍の温度を検出または推定する温度検出手段であり、その検出値を代表温度とする。温度センサ１４の検出値は、コントローラ１５へ入力される。

電流計１８が検出した電流値は、コントローラ１５へ入力され、コントローラ１５により、時間積分ないしは、一定時間毎の積算により積分近似が行われ、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ供給した電気量（電荷量）が計算される。コントローラ１５は、こうして計算した電気量に基づいて、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ供給する電流の停止を判断する。

図５は、実施例２におけるコントローラ１５による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。図５において、コントローラ１５は、まずステップＳ４０で、温度センサ１４の検出値Ｔを読み込み、ステップＳ４２で、所定温度値Ｔ0 より温度センサの検出値Ｔが大きいか否かを判定する。ステップＳ４２の判定で、温度検出値Ｔが所定温度値Ｔ0 を超えていれば、燃料電池本体の暖機は不要であるので、暖機終了とする。所定温度値Ｔ0 は、燃料電池本体の暖機が必要か否かを判定するための燃料電池代表温度の判定値であり、例えば、１〔℃〕や２〔℃〕に設定される。暖機終了以後は、カソード４にコンプレッサ１０から空気供給を開始して、発電が始められる。

ステップＳ４２の判定で、温度検出値Ｔが所定温度値Ｔ0 以下であれば、ステップＳ４４へ進み、コントローラ１５は、温度検出値Ｔに基づいて燃料電池本体２の暖機に必要な電気量Ｑr を計算する。燃料電池本体２の暖機のために外部直流電源装置１７から供給する必要電気量Ｑr は、ステップＳ４０で検出した燃料電池温度Ｔから所定の温度、例えば１〔℃〕まで燃料電池の温度を上昇させるために必要な電気量であり、温度上昇幅をΔＴとすれば、実施例１で説明した式（６）より、以下の式（７）が導かれる。

Ｑr ＝（２／２８６）（Ｆ／ｎ）（ｃ×Ｍ×ΔＴ＋α−β） …（７）
ここで、
ΔＴ：燃料電池の必要温度上昇幅
ｃ：燃料電池の平均比熱
Ｍ：燃料電池の質量
ｎ：外部直流電源から供給される電流が通過するセル数
Ｆ：ファラデー定数
α：熱損失（燃料電池本体からの伝導熱、対流熱、輻射熱の合計）
β：外部直流電源から燃料電池本体に供給される電流によるジュール熱による熱量
である。

尚、α，βは、ΔＴの温度上昇に要する時間にも関係するため、実験的に求めたα，βの近似関数を使用してＱr を算出すればよい。

また、外部直流電源から供給する電流値の概略値に大きな変動がなければ、実験的に求めた始動前の温度検出値Ｔに対する必要電気量Ｑr のマップを使用して、Ｑr を求めてもよい。

次いで、コントローラ１５は、ステップＳ４６で、水素タンク５の図示しない元弁を開く制御信号を出力するとともに、水素圧力調整弁６に対して所定の暖機用圧力で水素供給するように制御信号を出力する。これにより、燃料電池本体２のアノード３へ水素ガスの供給が開始される。

ステップＳ４８では、コントローラ１５は、遮断スイッチ１６をオンして、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ直流電流の供給を開始する。このときの極性は、外部直流電源装置１７の正極を燃料電池本体２のアノード３に接続し、外部直流電源装置１７の負極を燃料電池本体２のカソード４に接続して、外部直流電源装置１７の正極からアノード３へ電流が流れ込む方向である。この電流により、燃料電池本体２の内部では、アノード３からカソード４へ固体高分子電解質膜内を水素イオン（Ｈ⁺ ）が移動して、電気化学的水素輸送が行われる。カソード４に達した水素イオンは、電子と再結合して水素となり、さらに水素は、カソード４の電極触媒を介して酸素と反応して水となり、反応熱を放出して燃料電池本体２を内部から暖機する。

次いでコントローラ１５は、ステップＳ５０で、電流計１８が検出した電流値ｉを読み込み、ステップＳ５２で、電流値ｉを時間積分して、これまでに外部直流電源装置１７から燃料電池本体２へ供給した供給電気量Ｑs を算出する。この時間積分は、実際には、サンプル時間毎の電流値の積算によって行われる。

ステップＳ５４では、必要電気量Ｑr より供給電気量Ｑs が大きいか否かを判定する。ステップＳ５４の判定で、供給電気量Ｑs が必要電気量Ｑr を超えていなければ、暖機を継続すべく、ステップＳ５０へ戻る。ステップＳ５４の判定で、供給電気量Ｑs が必要電気量Ｑr を超えていれば、ステップＳ５６へ進み、コントローラ１５は、遮断スイッチ１６をオフして、外部直流電源装置１７から燃料電池本体２のアノード３への電流供給を停止させる。次いで、コントローラ１５は、ステップＳ５８で、カソード４へパージガスを供給開始して、カソード４で生成された水を燃料電池本体２の外部へ放出させる。このパージによって、燃焼反応によって生じた水分を除去し、再凍結によるガス供給の阻害や構造破壊を防ぐ。

次いで、コントローラ１５は、ステップＳ６０で、パージガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ、Ｓ６０のセルフループで待機する。所定時間が経過すれば、ステップＳ６２へ進み、コントローラ１５は、コンプレッサ１０からのパージガスガスの供給を停止して、燃料電池本体２の暖機を終了する。尚、ステップＳ５８で不活性ガスでパージした場合には、ステップＳ６２でカソード４に対する不活性ガスの供給を停止して、燃料電池本体２の暖機を終了する。

図６は、燃料電池本体２の始動時（暖機前）の温度に対する必要電気量Ｑr を算出するマップの例である。始動時温度が所定温度Ｔｃ（例えばＴｃ＝１〔℃〕）未満の場合に、暖機を行うようにしている。図６に示されるように、始動時の温度が低いほど、所定の温度まで燃料電池温度を上昇させるために必要とされる熱量は増加し、それに伴って外部直流電源から供給すべき必要電気量Ｑr も増加することになる。電気化学的水素輸送とそれに続く燃焼によって燃料電池温度を上昇させるが、電気量推定手段によって得られた供給電気量Ｑs と予め計算された必要電気量Ｑr とを比較して、必要電気量Ｑr を供給電気量Ｑs が超えた時点で外部直流電源装置からの電流供給を停止し、通常発電に移行する。

本実施例によれば、外部直流電源装置より燃料電池本体に供給される電気量を検出または推定する電気量検出手段を備え、この電気量情報をもって電気化学的水素輸送法の終了時期を決定する。燃料電池本体の温度上昇はカソードにおける水素−酸素の反応熱量によって定まるが、この反応熱量はカソードに導入された水素の量、さらには電解質膜を通ってアノードからカソードに移動した水素イオンの数によって定まる。すなわち、燃料電池に供給された電流とその時間の積によって表される電気量によって決められる。したがって、電気量検出手段からの情報をもって終了時期を決定することで、水素消費量を必要最小限に抑え、発電に適当な温度まで燃料電池温度を上げることが可能となる。

また本実施例によれば、燃料電池本体の内部あるいは近傍で燃料電池の代表温度を検出または推定する温度検出手段を備え、電気化学的水素輸送法を実施する前の温度情報から燃料電池温度を適当な値まで上昇させるのに必要な電気量を算出し、この電気量を供給することでより効率の良い燃料電池温度上昇を実現することが可能となる。

図７は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する要部構成図である。実施例３は、燃料電池スタックの端部の単位電池（セル）、または端部単位電池を含む一部の単位電池に外部直流電源装置から電流を供給する例である。

積層された燃料電池においては、端部またはその近傍に位置する単位電池は外部への熱の散逸が生じるため、中央部に位置する単位電池に比べ温度が低い傾向がある。したがって、氷点下環境においては、端部の単位電池内で生成水が凍結して酸化剤ガスの供給が阻害される恐れがあり、生成水の凍結を防ぐために温度を速やかに上昇させることが望ましい。

本実施例では、図７に示すように、燃料電池スタック３１の図中左側の端部単位電池３２，及び右側の端部単位電池３３に、それぞれ遮断スイッチ３８，３９を介して、外部直流電源装置３６，３７が接続可能となっている。

燃料電池スタック３１の最も左側の端部単位電池３２のアノード３２ａは、燃料電池スタック３１のアノード３と共通の電極であり、このアノード３に遮断スイッチ３８を介して外部直流電源装置３６の正極が接続されている。端部単位電池３２のカソード３２ｂとこれに隣接する単位電池のアノードとの間には、補助電極３４が設けられ、この補助電極３４に外部直流電源装置３６の負極が接続されている。

同様に、燃料電池スタック３１の最も右側の端部単位電池３３のアノード３３ａとこれに隣接する単位電池のカソードとの間には、補助電極３５が設けられ、この補助電極３５に遮断スイッチ３９を介して外部直流電源装置３７の正極が接続されている。端部単位電池３３のカソード３３ｂは、燃料電池スタック３１のカソード４と共通の電極であり、このカソード４に外部直流電源装置３７の負極が接続されている。その他の燃料電池の補機として、図１、または図４と同様の構成要素を備えるが、図７においては、図示を省略してある。

そして、燃料電池スタック３１の暖機時に、図示しないコントローラから遮断スイッチ３８，３９を制御して、外部直流電源装置３６，３７から燃料電池スタック３１の端部単位電池３２，３３へ電流供給する制御内容は、実施例１または実施例２と同様である。

尚、本実施例では、燃料電池スタックの最も外側に位置する最端部単位電池に外部直流電源装置から電流を供給するように構成したが、燃料電池スタックの両端部において、それぞれ最端部単位電池を含む複数個の端部単位電池に外部直流電源装置から電流供給するように構成してもよい。

本実施例によれば、積層された燃料電池スタックの端部に位置する単位電池、あるいは端部単位電池を含むいくつかの単位電池群に対して、電気化学的水素輸送法とそれに続く反応熱による昇温を実施する。積層された燃料電池では、外界への熱の散逸のため、端部あるいはその近傍に位置する単位電池は中央部に位置する単位電池に比べ温度が低く、発電による温度上昇も少ないため生成水が凍結しやすい。したがって端部の単位電池を昇温しておくことで生成水の凍結を防ぐことが可能となる。さらに、積層された燃料電池のすべての単位電池に対して電気化学的水素輸送法を実施する場合に比べ、水素の消費量が少なく、外部直流電源装置から燃料電池本体に印加する印加電圧も小さくてすむという利点がある。

図８は、実施例４の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。

図８において、燃料電池は電極以外の領域、例えばカソードガス流路表面に水素酸化触媒２１を備える。その他の構成は、実施例１の図２で示した概略図と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

水素酸化触媒２１としては、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、プラチナとパラジウム（Ｐｄ）との合金等の微粉末をカーボン又はセラミック等の多孔質材料に担持させたものである。

本実施例によれば、電極触媒で酸化されずに通過した水素をその他の領域に設けた水素酸化触媒２１で燃焼、発熱させ、より効率の良い温度上昇を実現することが可能となる。なおここでは流路面への触媒の塗布のみを記したが、その他の領域、たとえばガス拡散層に上記微粉末を適当な溶媒により塗布することによっても同様の効果が得られる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。実施例１の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。実施例１におけるコントローラ１５による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。実施例２におけるコントローラ１５による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。実施例２における始動時の燃料電池温度に対する必要電気量Ｑr の関係を示すマップ例である。本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する要部構成図である。実施例４の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池本体
３…アノード
４…カソード
５…水素タンク
６…水素圧力調整弁
７…水素パージ弁
８…水素循環路
９…水素循環ポンプ
１０…コンプレッサ
１１…空気圧力調整弁
１２…負荷スイッチ
１３…負荷装置
１４…温度センサ
１５…コントローラ
１６…遮断スイッチ
１７…外部直流電源装置
１８…電流計

Claims

固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを形成した燃料電池本体と、
前記アノードに水素ガスを供給する燃料供給手段と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
遮断スイッチを介して前記燃料電池本体に接続される外部直流電源を備え、
前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池本体の温度上昇が必要な場合に、前記燃料供給手段から前記アノードに水素ガスを供給し、かつ前記外部直流電源の正極を前記アノードに、負極を前記カソードにそれぞれ接続して、前記外部直流電源から前記燃料電池本体に電流を供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池本体の内部あるいは近傍の温度を検出または推定する温度検出手段を備え、
該温度検出手段が検出または推定した温度値が所定値まで上昇した場合に、前記外部直流電源から燃料電池本体への電流供給を停止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。
前記外部直流電源より前記燃料電池本体に供給する電気量を検出または推定する電気量検出手段を備え、
該電気量検出手段が検出または推定した電気量が設定値に達した場合に、前記外部直流電源からの電流供給を停止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。
前記燃料電池本体の内部あるいは近傍の温度を検出または推定する温度検出手段と、
前記外部直流電源からの電流供給開始前に、前記温度検出手段が検出または推定した温度値に基づいて前記設定値を計算する必要電気量計算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記電流供給停止後に、前記カソードに空気または不活性ガスを供給してパージを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池本体は、複数の単位電池が積層された燃料電池スタックであり、
該燃料電池スタックの端部に位置する端部単位電池、あるいは該端部単位電池を含む一部の単位電池に前記外部直流電源から電流を供給することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池本体の電極触媒以外の領域に水素酸化触媒を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。