JP2005322570A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池スタックを構成する各発電セルにおける急激な電圧変動を抑制して、燃料電池スタックの耐久性向上を図る。
【解決手段】燃料電池スタック１の各発電セル２毎、又は複数の発電セル２からなるセル集合体毎に蓄電装置１１を各々接続して、これら各発電セル２と蓄電装置１１との間で電荷を移動させることで、発電セル２毎に電圧制御を行えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックを構成する各発電セルの燃料極（アノード）に水素ガス等の燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給して、燃料電池スタックにおいて水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックとしては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池スタックが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池スタックは、燃料極と酸化剤極との間に膜状の固体高分子膜が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。
以上のように燃料電池スタックでの水素と酸素との電気化学的反応により発電電力を得る燃料電池システムは、燃料電池スタックでの発電応答性が必ずしも十分ではなく、特に燃料電池自動車等のように高い応答性が要求される環境で使用する場合には、何らかのかたちでこれを補助する必要がある。このため、自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池スタックに二次電池等の蓄電手段を接続することで、外部の電力負荷に対して燃料電池スタックでの出力電力が余るときはその余剰分を蓄電手段に蓄え、一方、外部の電力負荷に対して燃料電池スタックでの出力電力が不足するときは、その不足分を蓄電手段に蓄えている電力で補うようにしている（例えば、特許文献１等を参照。）。
特許文献１には、燃料電池スタックのバッファとして蓄電部を設けて電力負荷の急激な変動に対応できるようにし、この蓄電部を二次電池とキャパシタとを併設した構成とすることにより、二次電池のセル数削減を図りながら必要な蓄電容量を確保できるようにした技術が記載されている。
特開２００１−２０２９７３号公報
しかしながら、前記特許文献１記載の技術では、燃料電池スタック全体の急激な電圧変動に対する補助は可能であるが、燃料電池スタックを構成する個々の発電セルの急激な電圧変動には対応できない。その結果、燃料電池スタック内部において、発電セルごとに異なる電圧が印加されることになり、例えば水素の欠乏に起因するカーボンコロージョン等、触媒層を劣化させる現象が生じて、燃料電池スタックの耐久性を低下させるおそれがある。
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解決すべく提案されたものであり、燃料電池スタックを構成する各発電セルにおける急激な電圧変動を抑制し、燃料電池スタックの耐久性向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極が配置され、これらを一対のセパレータで挟持してなる発電セルを複数積層して構成される燃料電池スタックを有しており、この燃料電池スタックの各発電セル毎、又は複数の発電セルからなるセル集合体毎に、蓄電装置が各々接続された構成としている。
燃料電池スタックを構成する個々の発電セル、又は、複数の発電セルからなるセル集合体に対して各々蓄電装置を接続することにより、各発電セル又はセル集合体と蓄電装置との間で電荷の移動が行われる。従来のように、燃料電池スタック全体に対して蓄電部を接続する場合、燃料電池スタックを構成する発電セル単位での電圧変動に対応できないという問題点があったが、本発明では、発電セル又はセル集合体単位で蓄電装置を接続することで、発電セル又はセル集合体毎に独立して電圧を制御することが可能となる。例えば燃料電池スタックのうち、特定の発電セルの電圧が低下した場合には、この発電セルに接続された蓄電装置から電子が移動してくることにより、急激な電圧低下が抑制される。逆に、特定の発電セルの電圧が上昇した場合には、この発電セルに並列に接続された蓄電装置へ電子が移動することにより、急激な電圧上昇が抑制される。したがって、発電セル又はセル集合体単位での急激な電圧変動が抑制される。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックを構成する各発電セル毎、又は複数の発電セルからなるセル集合体毎に蓄電装置が接続されているので、各発電セル又はセル集合体単位での急激な電圧変動が抑制される。したがって、このような各発電セル又はセル集合体単位での急激な電圧変動に起因する燃料電池スタックの触媒層の劣化を有効に防止することができ、耐久性の高い燃料電池システムを実現できる。
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
先ず、本発明を適用した燃料電池システムの第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図であり、図２は図１に示した部分の電気回路図である。
本実施形態の燃料電池システムは、発電手段としての燃料電池スタック１を備えている。この燃料電池スタック１は、酸化剤極に供給される空気中の酸素と燃料極に供給される燃料ガスとしての水素とを電気化学的に反応させて発電するものであり、発電単位である発電セル２を複数積層することにより構成されている。
燃料電池スタック１を構成する各発電セル２は、固体高分子膜等よりなる電解質膜３と、その両側に配置された一対のガス拡散電極４とからなる膜電極体接合体を、ガス流路５が形成された一対のセパレータ６で両側から挟持した構造となっている。一対のガス拡散電極４は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層とガス拡散層からなり、触媒の存在する面が電解質膜３と接触するように形成されている。各発電セル２では、このガス拡散電極４の一方が燃料極（アノード）、他方が酸化剤極（カソード）となり、燃料極側のガス拡散電極４には燃料ガス、酸化剤極側のガス拡散電極４には酸化剤ガスが、セパレータ６に形成されたガス流路５を介してそれぞれ供給される。なお、ガス拡散電極４の外周端部にはシール材７が設けられ、ここからのガスリークが防止されている。
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように構成される燃料電池スタック１の各発電セル２に対して、電気導線１０を介して蓄電装置１１が各々接続されている。各蓄電装置１１は、対応する発電セル２に対して並列に接続される。
蓄電装置１１は、蓄電機能を有するものであり、例えば、アルミ電解コンデンサ等のコンデンサや、小型電気二重層キャパシタ等のキャパシタ等が用いられる。蓄電装置１１にコンデンサを用いた場合には、蓄電装置１１を安価且つ容易に作製でき、また、高い信頼性を得ることができる。また、蓄電装置１１に高出力なキャパシタを用いた場合には、蓄電装置１１の小型化が可能である。なお、蓄電装置１１には、予め計算によって算出した最適な容量のものを用いることが望ましく、その容量は、対応する発電セル２の発電面積に比例して大きくすることが望ましい。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１での発電を行う際には、燃料電池スタック１に対して、図示しない燃料供給系から燃料ガスとしての水素を、図示しない酸化剤極供給系から酸化剤ガスとしての空気をそれぞれ供給する。燃料電池スタック１に供給された水素は、各発電セル２のセパレータ６に形成されたガス流路５を流通して燃料極側のガス拡散電極４に導かれ、また、燃料電池スタック１に供給された空気は、各発電セル２のセパレータ６に形成されたガス流路５を流通して酸化剤極側のガス拡散電極４に導かれる。各発電セル２の燃料極側では、供給された水素が水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜３を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、酸化剤極側にそれぞれ移動する。酸化剤極側では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子とが反応して水が生成される。
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電を行っている間、各発電セル２に対して蓄電装置１１を各々並列に接続させておくことで、発電セル２単位での急激な電圧変動を抑制するようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムにおいては、ある特定の発電セル２の電圧が低下した場合には、この発電セル２に接続された蓄電装置１１から電子が移動することにより、当該発電セル２の急激な電圧低下が抑制される。逆に、ある特定のセル２の電圧が上昇した場合には、この発電セル２から蓄電装置１１へ電子が移動して蓄電装置１１へ電荷が蓄積されるため、当該発電セル２の急激な電圧上昇が抑制される。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１での発電中に特定の発電セル２が急激な電圧変動を起こすことに起因して生じる触媒層の劣化を防止し、高い耐久性を実現できる。また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電中における電圧変動が小さいので、安定した運転が可能である。
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について、図３及び図４を参照して説明する。図３は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図であり、図４は図３に示した部分の電気回路図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態のように燃料電池スタック１を構成する各発電セル２毎にそれぞれ蓄電装置１１を接続するのではなく、複数の発電セル２の組み合わせであるセル集合体毎に蓄電装置１１を接続するようにしたものである。なお、本実施形態の燃料電池システムにおける基本的な構成は上述した第１の実施形態と同じであるため、ここでは本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の２つの発電セル２からなるセル集合体に対して、電気導線１０を介して蓄電装置１１が各々接続されている。各蓄電装置１１は、対応するセル集合体に対して並列に接続される。なお、ここでは一例として、２つの発電セル２からなるセル集合体に対して１つの蓄電装置１１を接続しているが、セル集合体を構成する発電セル２の個数は３つ以上としてもよい。ただし、セル集合体を構成する発電セル２は、各発電セル２における燃料ガス又は酸化剤ガスの導入のタイミングがほぼ同時刻であると考えてよい距離である、燃料電池スタック１のガス流入部から各セパレータ６のガス排出口までの距離が２ｃｍ程度までの発電セル２で構成されることが望ましい。また、燃料電池スタック１全体におけるセル集合体の数は、少なくとも１０以上とされることが望ましい。
本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック１で発電を行っている間、各セル集合体に対して蓄電装置１１を各々並列に接続させておくことで、セル集合体単位での急激な電圧変動を抑制することができ、燃料電池スタック１の触媒層の劣化を有効に防止して耐久性の向上を実現できる。
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第３の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は本実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。
本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、各蓄電装置１１に対してダイオード２１，２２と抵抗２３，２４とを直列に接続したものである。なお、ここでは、各発電セル２毎に蓄電装置１１を接続した構成の燃料電池システム（第１の実施形態の構成）への適用例を説明するが、複数の発電セル２からなるセル集合体毎に蓄電装置１１を接続した構成の燃料電池システム（第２の実施形態の構成）においても有効に適用可能である。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、図５に示すように、燃料電池スタック１の各発電セル２に対して電気導線１０を介して蓄電装置１１が並列に接続されており、また、各蓄電装置１１に対して、抵抗値の異なる抵抗２３、抵抗２４と、互いに向きの異なるダイオード２１、ダイオード２２とが、それぞれ直列に接続されている。なお、抵抗２３及びダイオード２１と、抵抗２４及びダイオード２２とは互いに並列に接続される。
本実施形態の燃料電池システムでは、各蓄電装置１１に対して直列に、抵抗値の異なる抵抗２３，２４と向きの異なる２つのダイオード２４，２５とを接続することで、蓄電装置１１の充放電速度を変化させることが可能となっている。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電セル２の電圧低下時には電荷が素早く移動できるようにして、発電セル２の急激な電圧低下を抑制することができ、一方、発電セル２の電圧上昇時には、電荷がゆっくり移動できるようにして電圧上昇を妨げないことで、発電セル２の電圧回復速度を上昇させることができる。したがって、燃料電池スタック１の性能を更に安定化させることができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第４の実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１に用いられるセパレータ６の斜視図である。
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電セル２に対する蓄電装置１１の接続位置を、セパレータ６に形成されたガス流路５のうちの酸化剤ガスが流れる流路（酸化剤ガス流路）の排出部付近としたものである。
図６に示すセパレータ６には、酸化剤極となるガス拡散電極４に接する面に、酸化剤ガス流路３１が蛇行する形状で形成されている。また、このセパレータ６には、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３１に流すための酸化剤ガス流入部３２と、酸化剤ガス流路３１から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出部３３とが厚み方向に貫通するように形成されている。なお、セパレータ６に形成される酸化剤ガス流路３１の形状は特に限定されるものではなく、例えば図７に示すような平行流路形状とされていてもよい。また、セパレータ６の形状は、図６及び図７に示すような正方形に近い形状に限らず、一方向に長い長方形とされていてもかまわない。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、蓄電装置１１が、以上のようなセパレータ６の外周壁面６ａの酸化剤ガス排出部３３に近い位置に接続されている。このように、通常、電流密度が低い傾向にあるセパレータ６の酸化剤ガス排出部３３付近に蓄電装置１１を接続することで、ある特定の発電セル２の電圧が低下したときに、電流密度が低下し易い酸化剤ガス排出部３３近傍の位置に、損失をできるだけ抑えつつ電荷を移動させることができる。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、発電セル２の急激な電圧低下をより効果的に抑制することが可能となる。
（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第５の実施形態について、図８を参照して説明する。図８は本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１に用いられるセパレータ６の斜視図である。
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１の各発電セル２又はセル集合体に対してそれぞれ２つの蓄電装置１１を接続するようにし、その接続位置をセパレータ６の対辺となる位置としたものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、図８に示すように、セパレータ６の対辺となる外周壁面６ａに、蓄電装置１１をそれぞれ接続している。なお、蓄電装置１１の接続個数を３個以上とする場合には、セパレータ６の各辺の外周壁面６ａに蓄電装置１１をそれぞれ接続することが望ましい。特に、セパレータ６が矩形状に形成されている場合、四辺全てに蓄電装置１１を接続することが望ましく、また、セパレータ６の一辺に、複数の蓄電装置１１を接続してもかまわない。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、セパレータ６の対辺となる外周壁面６ａにそれぞれ蓄電装置１１を接続するようにしているので、電荷供給先である発電セル２の全体に、損失をできるだけ抑えつつ電荷を移動することができ、発電セル２の急激な電圧低下をより効果的に抑制することが可能となる。
（第６の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第６の実施形態について、図９を参照して説明する。図９は本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１の積層構造を模式的に示す図である。
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１の積層方向における両端部近傍に位置する発電セル２（以下、端部セル１ａという。）に接続される蓄電装置１１の総容量が、それ以外の部分に位置する発電セル２（以下、中央部セル１ｂという。）に接続される蓄電装置１１の総容量よりも大きくなるようにしたものである。
燃料電池スタック１では、ガス中の水分が凝縮してガス流路に液水が滞留すると、この液水によってガスの流通が阻害され、セル電圧の低下を招く。このような現象はフラッディングと呼ばれ、このフラッディングは、積層方向両端部に位置する端部セル１ａにおいて生じ易いという傾向がある。
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、フラッディングが生じ易い端部セル１ａに接続される蓄電装置１１の総容量を、その他の中央部セル１ｂに接続される蓄電装置１１の総容量よりも大きくなるようにして、端部セル１ａでのフラッディングによる急激な電圧低下をより有効に抑制できるようにしている。なお、燃料電池スタック１における端部セル１ａの数は、両端部それぞれ２〜５個程度とすることが望ましいが、それ以上であってもかまわない。また、端部セル１ａに接続される蓄電装置１１の総容量を大きくする方法としては、蓄電装置１１自体の容量を大きくするという手法を採用してもよいし、接続する蓄電装置１１の個数を増やすという手法を採用してもよい。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、フラッディングが生じ易い端部セル１ａに接続される蓄電装置１１の総容量を、その他の中央部セル１ｂに接続される蓄電装置１１の総容量よりも大きくなるようにしているので、全ての蓄電装置１１の容量を大きくした場合に懸念されるコストの大幅な上昇を抑えつつ、フラッディングによる端部セル１ｂの急激な電圧低下を効果的に抑制して、触媒層の劣化を有効に防止することができる。
（第７の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第７の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は本実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。
本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、各蓄電装置１１に対して並列に、蓄電装置１１の電荷を移動させて蓄電装置１１を放電するための放電装置としての放電抵抗４１と、蓄電装置１１と放電抵抗４１との電気的な接続を開閉するための第１のスイッチ４２とを接続したものである。なお、ここでは、各発電セル２毎に蓄電装置１１を接続した構成の燃料電池システム（第１の実施形態の構成）への適用例を説明するが、複数の発電セル２からなるセル集合体毎に蓄電装置１１を接続した構成の燃料電池システム（第２の実施形態の構成）においても有効に適用可能である。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、第１のスイッチ４２は、蓄電装置１１と放電抵抗４１との接続を開閉する機能に加えて、蓄電装置１１と燃料電池スタック１の各発電セル２との接続を開閉する機能も有している。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１により発電を行う間は、第１のスイッチ４２で各発電セル２と蓄電装置１１とを並列に接続することにより、上述した第１の実施形態と同様に発電セル２の電圧の制御を行う。また、燃料電池スタック１の運転停止時には、第１のスイッチ４２を切り替えて、蓄電装置１１と放電抵抗４１とを接続する。これにより、燃料電池スタック１での発電に伴って蓄電装置１１に蓄積されていた電荷を、放電抵抗４１で容易に放電することができる。
（第８の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第８の実施形態について、図１１を参照して説明する。図１１は本実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第７の実施形態のように燃料電池スタック１を構成する各発電セル２及びこれに接続される蓄電装置１１毎にそれぞれ放電装置としての放電抵抗４１を接続するのではなく、燃料電池スタック１全体及び蓄電装置１１全体に放電装置が接続されるようにし、この放電装置として二次電池５１を用いるようにしたものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、発電セル２と各発電セル２に並列に接続された蓄電装置１１との間に、これら発電セル２と蓄電装置１１との電気的な接続を開閉するための第２のスイッチ５２が各々設置される。また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の全体に、放電装置として二次電池５１が接続される。なお、二次電池５１に代えてキャパシタを放電装置として用いてもよい。
蓄電装置１１と二次電池５２との間には、これら蓄電装置１１と二次電池５１との電気的な接続を開閉するための第１のスイッチ５３が接続されており、また、燃料電池スタック１と二次電池５２との間には、これら燃料電池スタック１と二次電池５２との電気的な接続を開閉するための第３のスイッチ５４が接続されている。
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１による発電を行う際には、第２のスイッチ５２を閉じて燃料電池スタック１の各発電セル２と蓄電装置１１とを接続し、各発電セル２と蓄電装置１１との間で電荷の移動が行われるようにする。このとき、第３のスイッチ５４及び第１のスイッチ５３は開いた状態とする。ここで、二次電池５１への充電が要求される場合、通常は、第２のスイッチ５２を開、第３のスイッチ５４を閉に切り替え、燃料電池スタック１を二次電池５１に接続させて二次電池５１の充電を行うが、より多くのエネルギを必要とする場合や蓄電装置１１の放電が必要な場合には、第１のスイッチ５３を閉に切り替えて、蓄電装置１１を二次電池５２に接続させることで、燃料電池スタック１での発電時に蓄電装置１１に蓄積されていた電荷を二次電池５２に移動させて、二次電池５２に充電することができる。なお、蓄電装置１１の電荷が減少するか、或いはゼロとなった場合には、再び第１のスイッチ５３を開き、第２のスイッチ５２を閉じることで蓄電装置１１の充電を行う。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、第１のスイッチ５３を介して蓄電装置１１と放電装置としての二次電池５２とを接続しており、必要に応じて蓄電装置１１に蓄積された電荷を二次電池５２に移動させることができるので、蓄電装置１１に蓄積された電荷が任意のタイミングで使用可能となり、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
（第９の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第９の実施形態について、図１２を参照して説明する。図１２は本実施形態の燃料電池システムにおける要部構成を示す概略構成図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第８の実施形態の応用例であり、蓄電装置１１に蓄積された電荷を二次電池５２に移動させた後、外部負荷で消費するようにしたものである。例えば図１２に示すように、燃料電池スタック１及び二次電池５２に外部負荷としてモータ５５が接続されている場合、モータ５５には、燃料電池スタック１や二次電池５１からの電力が供給される。このとき、燃料電池スタック１での発電に伴って蓄電装置１１に蓄積された電荷を、必要に応じて二次電池５２に移動させて、二次電池５２を充電しておく。これにより、蓄電装置１１に蓄積されて二次電池５２に移動した電荷を、任意のタイミングでモータ５５に供給してモータ５５で消費することができ、エネルギ効率の向上を図ることができる。
（第１０の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１０の実施形態について、図１３を参照して説明する。図１３は本実施形態の燃料電池システムにおける要部構成を示す概略構成図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第９の実施形態の変形例であり、蓄電装置１１に蓄積された電荷を二次電池５２を介さずに、外部負荷に直接供給して外部負荷で消費するようにしたものである。例えば図１３に示すように、燃料電池スタック１及び二次電池５２に外部負荷としてモータ５５が接続されている場合、通常は、モータ５５には、燃料電池スタック１や二次電池５１からの電力が供給される。このとき、燃料電池スタック１での発電に伴って蓄電装置１１に電荷が蓄積されるが、この電荷を必要に応じてモータ５５に直接供給することで、モータ５５への供給電力を一時的に増加させることができる。したがって、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車の急加速時等、モータ５５で要求する出力が一時的に増加した場合等に極めて有効である。
（第１１の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１１の実施形態について、図１４を参照して説明する。図１４は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の各発電セル２に、当該発電セル２に直列に接続された第２のスイッチ６２を介して、蓄電装置１１が並列に設置されている。また、各蓄電装置１１には放電装置６１が各々並列に接続され、各蓄電装置１１と放電装置６１との間には、第１のスイッチ６３が直列に接続されている。
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の各発電セル２と蓄電装置１１との間に設けられた第２のスイッチ６２が各々個別に切り換えが可能であるため、各発電セル２毎に、必要な場合に蓄電装置１１へと電荷を移動させることができる。同様に、各蓄電装置１１と放電装置６１との間に設けられた第１のスイッチ６３も各々個別に切り換え可能であるので、各蓄電装置１１毎に、必要な場合に放電装置６１へと電荷を移動させることが可能である。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の各発電セル２に第２のスイッチ６２を介して蓄電装置１１を並列に接続し、各蓄電装置１１に第１のスイッチ６３を介して放電装置６１を並列に接続して、第２のスイッチ６２や第１のスイッチ６３各々の切り替えを個別に行えるようにしているので、燃料電池スタック１の各発電セル２における発電状況に合わせて任意のタイミングで、各発電セル２から蓄電装置１１への電荷の移動、蓄電装置１１から放電装置６１への電荷の移動を行うことができる。したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の各発電セル２毎の細かい電圧制御が可能となると共にエネルギの有効利用を図ることができ、耐久性が高くエネルギ効率を向上させたシステムを実現することができる。
（第１２の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１２の実施形態について、図１５を参照して説明する。図１５は本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム起動時の操作手順を示すタイミングチャートである。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１１の実施形態と同様の構成を有し、システム起動時における操作手順に特徴を有するものである。本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム起動時に、先ず、第１のスイッチ６３を閉じると共に第２のスイッチ６２を開く制御を行うことで、各蓄電装置１１を放電装置６１にそれぞれ接続して、蓄電装置１１に溜まっている電荷を放電装置６１にて放電させる。次に、第２のスイッチ６２を閉じると共に第１のスイッチ６３を開く制御を行うことで、放電済みの蓄電装置１１を燃料電池スタック１の各発電セル２に接続する。その後、燃料電池スタック１の各発電セル２に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給して発電を行う。
一般に、燃料電池システム停止後の保管時には、ガス流路流入部から燃料電池スタック内部に侵入してきた空気が各発電セルの燃料極側のガス流路に存在した状態となっている。そして、この状態でシステム起動を行って、燃料電池スタックの各発電セルに燃料ガスを導入すると、燃料極において局部電池が形成され、その結果、酸化剤極の電位が上昇して触媒層が劣化するという問題が生じる。
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に、燃料電池スタック１の各発電セル２に対して燃料ガスや酸化剤ガスを供給する前に、各発電セル２に放電済みの蓄電装置１１を接続し、電荷の移動先を確保するようにしている。これにより、各発電セル２の酸化剤極における電位上昇を効果的に抑制して、触媒層の劣化を防止することができ、燃料電池システムの耐久性を向上することができる。
（第１３の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１３の実施形態について、図１６を参照して説明する。図１６は本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム停止時の操作手順を示すタイミングチャートである。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１１の実施形態と同様の構成を有し、システム停止時における操作手順に特徴を有するものである。本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム停止時に、先ず、第１のスイッチ６３を閉じる制御を行い、各蓄電装置１１を放電装置６１にそれぞれ接続して、蓄電装置１１に溜まっている電荷を放電装置６１にて放電させる。次に、燃料電池スタック１の各発電セル２に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させた後、或いはこれと同時に第２のスイッチ６２を開く制御を行い、放電済みの蓄電装置１１を燃料電池スタック１の各発電セル２に各々接続させる。
一般に、燃料電池システムの運転を停止させた直後は、燃料電池スタックの各発電セルにおける開回路電圧は過剰に高くなっており、この状態のままでは保管時に燃料電池スタックの触媒層が劣化するおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に燃料電池スタック１の各発電セル２に放電済みの蓄電装置１１を接続し、各発電セル２の電荷を蓄電装置１１へ移動させることで該電圧を低下させ、触媒層の劣化を防止できるようにしている。また、上述したように、システム停止後の保管時には燃料電池スタックの各発電セルの燃料極側ガス流路に空気が侵入してくるので、この空気と燃料極の残留燃料ガスとが反応して局部電池を形成することにより酸化剤極電位が高くなり、触媒層の劣化を招くことが懸念されるが、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の各セル２の電荷を蓄電装置１１へと移動をさせることができるため、酸化剤極の電位を低下させることが可能であり、触媒層の劣化を有効に抑制することができる。
（第１４の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１４の実施形態について、図１７を参照して説明する。図１７は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１１の実施形態と同様とし、各蓄電装置１１に対して並列に電圧検出器６４を接続したものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の各発電セル２に接続された各蓄電装置１１の電圧が、対応する電圧検出器６４によってそれぞれ検出される。そして、これら電圧検出器６４による検出値は、燃料電池システムの動作制御を司る制御部６５へと送られるようになっている。
制御部６５は、電圧検出器６４による検出値を監視して、蓄電装置１１の電圧が所定値を超えると判断した場合に、当該蓄電装置１１と放電装置６１との間の第１のスイッチ６３を閉じる制御を行い、蓄電装置１１を放電装置６１に接続して蓄電装置１１に溜まっている電荷を放電装置６１にて放電させるようにする。ここで、前記所定値としては、燃料電池スタック１の触媒層においてカーボンコロージョン等が生じ易くなる電圧、例えば０．６Ｖに設定する。これにより、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の触媒層の劣化が懸念される状況となったときに、蓄電装置１１の電圧を低下させて発電セル２の電荷の移動先を確保することができ、燃料電池スタック１の触媒層の劣化をより確実に抑制できる。
（第１５の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１５の実施形態について、図１８を参照して説明する。図１８は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１１の実施形態の応用例であり、システム起動時に、蓄電装置１１を電源として水素ポンプ操作を行うようにしたものである。ここで、水素ポンプ操作とは、電源の負極を燃料電池スタック１の発電セル２の燃料極側に、正極を酸化剤極側にそれぞれ接続して発電セル２に電圧を印加するとともに、酸化剤ガス流路に水素ガスを導入することで、電解質膜３内のプロトンの移動に伴って水を燃料極側へと移動させ、酸化剤極側に多量に存在している水を平均化させる処理をいう。
本実施形態の燃料電池システムでは、蓄電装置１１を電源とした水素ポンプ操作を行えるようにするために、蓄電装置１１全体に対して第３のスイッチ６６を介して二次電池６７を接続し、制御部６５の制御により第３のスイッチ６６を閉じることで、二次電池６７の電荷を各蓄電装置１１に移動させて、これらの蓄電装置１１を充電できるようにしている。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム起動時に、先ず、制御部６５が第３のスイッチ６６を閉じるとともに第２のスイッチ６２を開く制御を行い、各蓄電装置１１に対して二次電池６７を直列に接続して各蓄電装置１１を充電する。次に、第３のスイッチ６６を開くと共に第２のスイッチ６２を閉じる制御を行い、充電された蓄電装置１１を燃料電池スタック１の各発電セル２に並列に接続して、水素ポンプ操作を行う。詳しくは、各蓄電装置１１の負極が発電セル２の燃料極側に、蓄電装置１１の正極が発電セル２の酸化剤極側に接続されるように、これら各蓄電装置１１と発電セル２とを接続し、各発電セル２に電圧を印加するとともに、酸化剤ガス流路に水素ガスを導入する。これにより、各発電セル２の電解質膜３内の水がプロトンに引き連れられて燃料極側に移動し、酸化剤極側に多量に存在している水を、平均化させることができる。
従来の燃料電池システムにおいては、電解質膜内の水を平均化するに際し、燃料電池スタック全体に対して蓄電装置を設置し、燃料電池スタック全体に電流を流していた。このような操作を行った場合、電解質膜等の発電セルの構成要素の条件により、各発電セルに対して異なる電圧が印加されてしまい、触媒層の劣化につながる懸念があった。これに対して、本実施形態の燃料電池システムにおいては、各発電セル２に並列に接続された蓄電装置１１を電源として水素ポンプ操作を行うようにしているので、蓄電装置１１により各発電セル２に対して均一な電圧を印加することができ、水素ポンプ操作の実施に伴う触媒層の劣化を抑制することができる。また、水素ポンプ操作によって、各発電セル２間で電解質膜３の含水状態を一様に良好なものとすることができ、劣化に強い安定した起動を実現できる。
（第１６の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１６の実施形態について、図１９を参照して説明する。図１９は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１５の実施形態の変形例であり、各蓄電装置１１と発電セル２とを接続する第２のスイッチとして、燃料電池スタック１の各発電セル２に対して蓄電装置１１の正負極を反転させて接続させることが可能なスイッチ６８を用いるようにしたものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の各発電セル２と蓄電装置１１との間に、これら発電セル２と蓄電装置１１との間で正極・負極を反転させて接続可能なスイッチ６８を設けている。具体的には、スイッチ６８は、蓄電装置１１の負極を発電セル２の燃料極側に、蓄電装置１１の正極を発電セル２の酸化剤極側に接続する状態と、蓄電装置１１の負極を発電セル２の酸化剤極側に、蓄電装置１１の正極を発電セルの燃料極側に接続する状態との２つの状態に切り替え可能となっている。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム起動時に上述した第１５の実施形態と同様、蓄電装置１１を電源とした水素ポンプ操作を実施する。すなわち、先ず、第３のスイッチ６６を閉じると共に第２のスイッチ６２を開く制御を行い、各蓄電装置１１に対して二次電池６７を直列に接続して各蓄電装置１１を充電する。次に、第３のスイッチ６６を開くと共に、蓄電装置１１の負極が発電セル２の燃料極側に、蓄電装置１１の正極が発電セル２の酸化剤極側に接続されるようにスイッチ６８を制御し、充電された蓄電装置１１を各発電セル２に並列に接続する。また、各発電セル２の酸化剤ガス流路に水素ガスを導入する。これにより、各発電セル２の電解質膜３内の水がプロトンに引き連れられて燃料極側に移動し、酸化剤極側に多量に存在している水を、平均化させることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、各発電セル２の燃料極側ガス流路に燃料ガスである水素ガスが満たされているとき、スイッチ６８を反転させて、蓄電装置１１の負極が発電セル２の酸化剤極側に、蓄電装置１１の正極が発電セル２の燃料極側に接続されるように制御する。このように、発電セル２の燃料極側ガス流路に燃料ガスである水素ガスが満たされている状態で各発電セル２に前述の方向とは逆方向の電圧を印加することで、前述の方向とは逆方向の水素ポンプ、すなわち電解質膜３内の水をプロトンの移動に伴って酸化剤極側へと移動させることができ、各発電セル２の酸化剤極の電位を低下させることができる。これにより、酸化剤極の触媒層が還元され、触媒層の劣化を抑制することが可能となる。
（第１７の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１７の実施形態について、図２０を参照して説明する。図２０は本実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１５の実施形態と同様とし、各蓄電装置１１に対して並列に電圧検出器６４を接続したものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の各発電セル２に接続された各蓄電装置１１の電圧が、対応する電圧検出器６４によってそれぞれ検出される。そして、これら電圧検出器６４による検出値は制御部６５へと送られるようになっている。
制御部６５は、システム起動時に上述した水素ポンプ操作を実施するのに先立ち、電圧検出器６４による検出値を読み込んで、各蓄電装置１１の電圧を判定する。そして、電圧値が所定値、例えば０．５Ｖ以上となっている蓄電装置１１に対応する発電セル２に対してのみ、上述した水素ポンプ操作を実施し、電圧値が前記所定値に満たない蓄電装置１１に対応する発電セル２に対しては、上述した水素ポンプ操作を実施しないようにする。
燃料電池スタック中のある発電セルにおいて、何らかの原因により水素ガスの供給が滞った場合、上述した水素ポンプ操作によって所定の電圧を当該発電セルに対して印加すると、プロトンの移動元の触媒層においてカーボンと水とが反応して、二酸化炭素、プロトン及び電子を生成する。そして、この反応によって、当該触媒層に腐食が発生して著しい劣化を招く場合がある。これに対して、本実施形態の燃料電池システムにおいては、前もって蓄電装置１１の電圧を検出しておき、所定電圧に満たない蓄電装置１１に対応する発電セル２に対しては水素ポンプ操作を実施しないようにしているので、水素ポンプ操作に伴うカーボンの溶出等の問題を有効に回避して触媒層の劣化を防止することができ、耐久性の向上を図ることができる。
（第１８の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第１８の実施形態について説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１７の実施形態の応用例であり、水素ポンプ操作を行っている間に、蓄電装置１１の電圧変化を検出して、電圧変化の速度が所定値以下である蓄電装置１１に対応する発電セル２に対しては、水素ポンプ操作を再度行うようにしたものである。
本実施形態の燃料電池システムにおいては、システム起動時の水素ポンプ操作を実施している間、制御部６５が電圧検出器６４による検出値を監視して、各蓄電装置１１の電圧変化を判定する。そして、例えば図２１に示すように、水素ポンプ操作を実施している蓄電装置１１の電圧変化速度が所定値以下となっている場合、すなわち、所定の放電時間（基準放電時間）を経過しても蓄電装置１１の電圧値が十分に低下しない場合には、当該蓄電装置１１に対応する発電セル２の電解質膜３の膜抵抗が大きくなっているものと判断して、再度、水素ポンプ操作を実施する。
一般に、発電セル２における電解質膜３の厚さ方向の含水状態が充分に均一でない場合、均一な含水状態の電解質膜３よりも抵抗が大きくなるため、水素ポンプ操作を開始した直後の蓄電装置１１の電圧変化は遅くなる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、電圧変化の速度が所定速度以下の蓄電装置１１に対応する発電セル２に対しては、電解質膜３が厚さ方向に充分に均一な含水状態にないと判断して、再度、水素ポンプ操作を実施するようにしている。これを繰り返すことで、燃料電池スタック１中の各発電セル２における電解質膜３が厚さ方向に均一な含水状態となり、各発電セル２間で均一な発電が行われるようになる。これにより、安定した起動と耐久性の高い燃料電池システムを実現することができる。
第１の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 図１に示す部分の電気回路図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 図３に示す部分の電気回路図である。 第３の実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。 第４の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、蓄電装置が接続されたセパレータの一例を示す斜視図である。 第４の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、蓄電装置が接続されたセパレータの他の例を示す斜視図である。 第５の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、蓄電装置が接続されたセパレータの斜視図である。 第６の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、燃料電池スタックの積層構造を模式的に示す図である。 第７の実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。 第８の実施形態の燃料電池システムにおける要部の電気回路図である。 第９の実施形態の燃料電池システムにおける要部構成を示す概略構成図である。 第１０の実施形態の燃料電池システムにおける要部構成を示す概略構成図である。 第１１の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 第１２の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、システム起動時の操作手順を示すタイミングチャートである。 第１３の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、システム停止時の操作手順を示すタイミングチャートである。 第１４の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 第１５の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 第１６の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 第１７の実施形態の燃料電池システムにおける要部を示す概略図である。 第１８の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、水素ポンプ操作を行っている間の放電時間と蓄電装置の電圧との関係を示す特性図である。
符号の説明
１ 燃料電池スタック
２ 発電セル
３ 電解質膜
４ ガス拡散電極
５ ガス流路
６ セパレータ
１０ 電気導線
１１ 蓄電装置
２１，２２ ダイオード
２３，２４ 抵抗
４１ 放電抵抗
４２ 第１のスイッチ
５１ 二次電池
５２ 第２のスイッチ
５３ 第１のスイッチ
６１ 放電装置
６２ 第２のスイッチ
６３ 第１のスイッチ
６４ 電圧検出器
６５ 制御部
６７ 二次電池
６８ スイッチ

Claims (18)

  1. 電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極が配置され、これらを一対のセパレータで挟持してなる発電セルを複数積層して構成される燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの各発電セル毎、又は複数の発電セルからなるセル集合体毎に接続された複数の蓄電装置とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記蓄電装置がアルミ電解コンデンサであ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. 前記蓄電装置が電気二重層キャパシタであ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。
  4. 第１の抵抗及び第１のダイオードと、前記第１の抵抗及び第１のダイオードと並列に配される第２の抵抗及び第２のダイオードとが前記蓄電装置に対して直列に接続され、
    前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは互いに逆向きに接続されてい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。
  5. 前記セパレータに、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成され、
    前記蓄電装置が、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路の排出部付近に接続されてい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。
  6. 前記発電セルの外周における対辺となる位置に、前記蓄電装置がそれぞれ接続されてい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。
  7. 前記燃料電池スタックの両端部近傍に位置する発電セルに接続される前記蓄電装置の総容量が、前記燃料電池スタックの他の部分に位置する発電セルに接続される前記蓄電装置の総容量に比して大とされてい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。
  8. 前記蓄電装置に、当該蓄電装置との接続を開閉する第１のスイッチを介して当該蓄電装置を放電するための放電装置が並列に接続されてい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。
  9. 前記放電装置は、各蓄電装置及びこれに対応する前記発電セル又はセル集合体毎に、各々個別に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記放電装置は、全ての蓄電装置及び前記燃料電池スタック全体に接続されるように設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記発電セル又はセル集合体と前記蓄電装置との間に第２のスイッチが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  12. システム起動時に、前記第１のスイッチを閉じて前記蓄電装置に溜まっている電荷を前記放電装置にて放電しておき、前記第２のスイッチを閉じて前記発電セル又はセル集合体と前記蓄電装置とを接続した後に、前記発電セルに対して燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. システム停止時に、前記第１のスイッチを閉じて前記蓄電装置に溜まっている電荷を前記放電装置にて放電しておき、前記発電セルに対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記第１のスイッチを閉じて前記発電セル又はセル集合体と前記蓄電装置とを接続する制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  14. 前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記電圧検出手段により電圧が所定値を超えたことが検出された蓄電装置に対して、前記第１のスイッチを閉じて当該蓄電装置を前記放電装置に接続する制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  15. システム起動時に、前記蓄電装置の負極が燃料極側、正極が酸化剤極側に接続されるように、電荷が蓄積された状態の前記蓄電装置と前記発電セル又はセル集合体とを接続し、且つ前記発電セルに燃料ガスを導入する水素ポンプ操作を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  16. 前記発電セル又はセル集合体と前記蓄電装置との間に、前記蓄電装置の正負極を反転させて前記発電セル又はセル集合体に接続させることが可能なスイッチが設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記電圧検出手段により電圧が所定値未満であることが検出された蓄電装置が対象とする前記発電セル又はセル集合体に対しては、前記水素ポンプ操作を行わないことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
  18. 前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記水素ポンプ操作を行っている間に前記電圧検出手段により検出される電圧の変化の速度が所定値以下である蓄電装置が対象とする前記発電セル又はセル集合体に対しては、前記水素ポンプ操作を再度行うことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
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