WO2006040999A1

WO2006040999A1 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: WO2006040999A1
Application number: PCT/JP2005/018526
Authority: WO
Inventors: Kazuhito Hatoh; Teruhisa Kanbara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2007-04-08

Abstract

実質的に水素ガスで構成される燃料ガスを貯蔵し、これを供給する燃料ガス貯蔵器(3)と、空気を供給する空気供給装置(4)と、燃料ガス及び空気をアノード及びカソードにそれぞれ供給され、該供給された燃料ガスと空気との化学反応により発電する燃料電池(2)と、を備えた燃料電池発電装置(1)において、燃料電池発電装置(1)は、カソードに空気を封止するとともにその状態で発電を継続しながら該空気中の酸素を消費して該カソードから酸素を除去し、その後、発電を停止し、その後、アノードに燃料ガス又は該燃料ガスと不活性ガスとの混合ガスを封止するとともにカソード内に残留するガスを燃料ガス又は該燃料ガスと不活性ガスとの混合ガスで置換して該カソードにこの置き換わった燃料ガス又は混合ガスを封止し、その後、運転を停止し、その運転停止期間において、その開放電圧を０Ｖ以上かつ０．８５Ｖ以下に維持する。

Description

明細書

燃料電池発電装置

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池発電装置に関し、特に高分子電解質型燃料電池を備えたものに関する。

背景技術

[0002] 典型的な燃料電池として高分子電解質型燃料電池が知られて!/ヽる。この高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜を挟む一対の電極、すなわちアノード及びカソードに燃料及び酸化剤をそれぞれ供給され、この供給された燃料と酸化剤との化学反応により発電する。

[0003] ところで、この高分子電解質型燃料電池の電極は高分子電解質膜に接する側の触媒層と、セパレータに接する側のガス拡散層とを積層したものであり、この触媒層は酸ィ匕により性能が劣化するため、例えば、運転停止時に酸化剤流路及び燃料ガス流路に不活性ガスを封止する高分子電解質型燃料電池が提案されて!ヽる (例えば、特許文献 1参照)。つまり、通常、触媒層は、白金などの貴金属を担持した導電性炭素粒子と、パーフルォロスルホン酸などの水素イオン伝導性高分子電解質膜とを混合して形成されている。そこで、酸素を含有しないガスで封止すると、白金表面の酸ィ匕が防止できるため、電池性能の劣化を抑制することができると考えられる。

[0004] このように、この高分子電解質型燃料電池によれば、運転停止中に電極の触媒層が不活性ガス雰囲気中に置かれるので、この電極の触媒層の酸化が抑制され、それにより、高分子電解質型燃料電池の性能の劣化を防止することができる。

特許文献 1：特開平 7— 272738号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] ところで、電気自動車では、燃料電池は頻繁に起動と停止とを繰り返すよう運転 (以下、高頻度起動停止運転という)される。このような電気自動車に用いられる燃料電池においては、連続運転による単なる性能の劣化ではなぐ高頻度起動停止運転下における寿命という観点から燃料電池を評価する必要がある。そこで、このような観点から燃料電池を評価したところ、停止時に燃料ガス及び酸化剤を置換しなヽ従来の高分子型燃料電池においては、高頻度起動停止運転により、燃料電池の寿命がさらに短くなることが判明した。

課題を解決するための手段

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、高頻度起動停止運転下における寿命を長くすることが可能な燃料電池発電装置を提供することを目的としている。

本件発明者は、上記目的を達成するために、高頻度起動停止運転による燃料電池の短寿命化について、鋭意、そのメカニズムを調べた。その結果、以下の事実が判明した。

すなわち、高分子電解質型燃料電池の電極の触媒層の材料が燃料電池の停止中に酸化されて高分子電解質膜中に溶出し、この溶出した触媒層の材料が燃料電池の発電 (運転）中に還元されて高分子電解質膜中に析出する。そして、この触媒層の材料の溶出と析出が繰り返されて触媒層を構成する触媒粒子の粒径が増大し、それにより、触媒層の触媒性能が劣化する。

そこで、本発明に係る燃料電池発電装置は、実質的に水素ガスで構成される燃料ガスを貯蔵し、これを供給する燃料ガス貯蔵器と、空気を供給する空気供給装置と、前記燃料ガス貯蔵器からの前記燃料ガス及び前記空気供給装置からの前記空気を、電解質膜を挟むアノード及び力ソードにそれぞれ供給され、該供給された燃料ガスと空気との化学反応により発電する燃料電池と、を備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池発電装置は、前記力ソードに前記空気を封止するとともにその状態で前記発電を継続しながら該空気中の酸素を消費して該カソードから酸素を除去し、その後、前記発電を停止し、その後、前記アノードに前記燃料ガス又は該燃料ガスと不活性ガスとの混合ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器からの燃料ガス又は該燃料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスで置換して該カソードにこの置き換わった燃料ガス又は混合ガスを封止し、その後、前記運転を停止し、その運転停止期間において、その開放電圧を OV以上かつ 0. 85V以下に維持する。このような構成とすると、燃料電池発電装置の運転停止中にアノード及び力ソードが還元電位に維持されるので、アノード及び力ソードの触媒層の材料の酸化による溶出を的確に防止することができ、その結果、高頻度起動停止運転化における燃料電池の寿命を長くすることができる。また、運転停止時に、燃料ガスと空気とが混合して非触媒燃焼することを防止しつつ力ソードに燃料ガスを含むガスを封止することができる。ここで、本明細書及び請求の範囲において、「不活性ガス」には、 N、

2

Ar等のガス以外に、 CO、 CO、水蒸気、及びメタン、ェタン、プロパン、ブタン等の

2

ガスハイド口カーボンを含む。

前記アノードが前記化学反応のための触媒として白金を含み、前記維持される前記開放電圧が 0V以上かつ 0. 85V以下であることが好まし、。

前記燃料電池発電装置は、前記発電を停止した後、前記アノードに前記燃料ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器力ゝらの燃料ガスで置換して該カソードにこの置き換わった燃料ガスを封止し、その後、前記運転を停止してもよい。このような構成とすると、燃料ガスを力ソードの置換ガスに用いるので、別途置換ガスの供給手段を設ける必要がなくなり、余分な物を搭載したくない電気自動車の電源として好適なものとなる。

前記燃料電池発電装置は不活性ガスを供給する不活性ガス供給器を備え、前記発電を停止した後、前記アノードに残留するガスを前記燃料ガスと前記不活性ガス供給器からの不活性ガスとの混合ガスで置換して該アノードにこの置き換わった混合ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器力ゝらの燃料ガスと前記不活性ガス供給器からの不活性ガスとの混合ガスで置換して該カソードにこの置き換わった混合ガスを封止し、その後、前記運転を停止してもよい。

前記燃料電池発電装置は、前記運転の停止の後その運転を開始する場合に、前記アノードに封止されたガスの封止を解除して該アノードに前記燃料ガスを供給し、かつ前記力ソードから該カソードに封止されたガスを排出した後該カソードに前記空気を供給するようにして前記発電を開始してもよい。このような構成とすると、燃料電池の起動時に、燃料ガスと空気とが混合して非触媒燃焼することを防止しつつ力ソードに空気を供給することができる。前記燃料電池発電装置は電気自動車に駆動用電源として搭載されるものであってもよい。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

発明の効果

[0008] 本発明は以上のような構成を有し、燃料電池発電装置において、高頻度起動停止運転下における寿命を長くすることができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示すブロック図である。

[図 2]図 2は図 1の燃料電池のセルの概略の構成を示す断面図である。

[図 3]図 3は図 1の燃料電池発電装置の停止モードの概容を示すフローチャートである。

[図 4]図 4は停止モードにおける燃料電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである

[図 5]図 5は図 1の燃料電池発電装置の起動モードの概容を示すフローチャートである。

[図 6]図 6は本発明の実施の形態 2に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示すブロック図である。符号の説明

[0010] 1 燃料電池発電装置

2 燃料電池

2a, 2b 電気出力端子

3 燃料源

4 空気供給装置

5 負荷切換回路

6 起動停止用抵抗

7 制御装置 - -13, 16 開閉弁

ノッテリ

負荷

セル

高分子電解質膜

アノード

力ソード

MEA

ガスケット

アノードセパレータ

力ソードセパレータ

, 31 触媒層

, 32 ガス拡散電極層

燃料ガス流路

酸化剤ガス流路

A, 36B 冷却水流路

A 燃料ガス供給マ-フォールド孔B 燃料ガス排出マ-フォールド孔A 酸化剤ガス供給マ-フォールド孔B 酸化剤ガス排出マ-フォールド孔A 冷却水供給マ-フォールド孔B 冷却水排出マ-フォールド孔燃料ガス供給路

燃料ガス排出路

酸化剤ガス供給路

酸化剤ガス排出路

封止ガス供給路

加湿器 62 不活性ガス供給装置

63, 64 開閉弁

65 第 1の封止ガス供給路

66 第 2の封止ガス供給路

発明を実施するための最良の形態

[0011] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

(実施の形態 1)

図 1は本発明の実施の形態 1に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示すブロック図である。

[0012] 図 1に示すように、本実施の形態の燃料電池発電装置 1は、主な構成要素として、燃料電池 2と、燃料源 3と、空気供給装置 4と、負荷切換回路 5と、起動停止用抵抗 6 と、制御装置 7と、封止ガス排出ポンプ 8と、燃料電池 2を冷却する冷却システム（図示せず）とを備えている。

[0013] 燃料電池発電装置 1は、本実施の形態では、電気自動車 (electric vehicle)用のものである。燃料電池 2は、高分子電解質型燃料電池で構成され、アノードに燃料が供給され、力ソードに酸化剤が供給される。燃料として、本実施の形態では、純水素ガスが用いられる。なお、燃料は、実質的に水素ガスで構成されていればよぐ微量の不純物を含んでいても構わない。酸化剤として、本実施の形態では、空気が用いられる。もちろんこれ以外の酸化剤を用いても構わない。

燃料源 3は、ここでは水素ボンべ (燃料ガス貯蔵器)で構成されている。燃料源 3の水素ガス (以下、燃料ガスという）は燃料供給路 51を通じてアノードに供給され、そこで発電に用いられて消費され、消費されなカゝつた余剰の燃料ガスは燃料電池 2から燃料ガス排出路 52を通じて大気中に放出される。以下では、燃料電池 2に供給される燃料ガスを供給燃料ガスと!/ ヽ、燃料電池 2から排出される燃料ガスを排出燃料ガスという場合がある。燃料ガス供給路 10には開閉弁 10が配設され、燃料ガス排出路 5 2には開閉弁 11が配設されている。これにより、開閉弁 10, 11を閉じてアノード 23を密閉することができる。

ここで、燃料供給路 51に燃料ガスを加湿するための加湿器を設けてもよい。この加湿器は、例えば、供給燃料ガスと排出燃料ガスとの全熱交換により供給燃料ガスを加湿及び加熱するよう構成され、あるいは排出燃料ガスを供給燃料ガスに直接混入して加湿及び加熱するよう構成される。また、この全熱交換型の加湿器を燃料電池² のスタックと一体ィ匕して内部全熱交^^として構成してもよい。また、全熱交換型の加湿器を、供給燃料ガスが後述する冷却媒体と熱交換して加熱されるよう構成してもよい。さらに、冷却媒体が水である場合には、冷却水循環流路の燃料電池 2からの出口における冷却水と供給燃料ガスとを全熱交換するよう、加湿器を構成してもよい。また、燃料ガスの通流システムを、燃料電池 2に供給した燃料ガスが大気中に放出されない、出口のないシステムとして構成してもよい。すなわち、燃料ガスが純水素である場合には、燃料ガスを 100%使い切り、外部に排出しないシステムが考えられる。この場合には、燃料ガスの加湿器が不要である場合がある。

空気供給装置 4は、ここではブロワで構成され、酸化剤ガス供給路 53を通じて空気（以下、酸化剤ガスという）を燃料電池 2の力ソードに供給する。

力ソードに供給された酸化剤ガス (以下、供給酸化剤ガスという場合がある）はそこで発電に用いられて消費され、消費されなかった余剰の酸化剤ガス（以下、排出酸ィ匕剤ガスという場合がある）は燃料電池 2から酸化剤排出路 54を通じて大気中に放出される。酸化剤ガス供給路 53には開閉弁 12が配設され、酸化剤ガス排出路 54〖こは開閉弁 13が配設されている。これにより、開閉弁 12, 13と後述する封止ガス供給路 55の開閉弁 16とを閉じて力ソード 24を密閉することができる。

また、酸化剤ガス供給路 53及び酸化剤ガス排出路 54には酸化剤ガスを加湿するための加湿器 61が設けられている。この加湿器 61は、供給酸化剤ガスと排出酸化剤ガスとの全熱交換により供給酸化剤ガスを加湿及び加熱するよう構成されてヽる。なお、この全熱交換型の加湿器 61を燃料電池 2のスタックと一体ィ匕して内部全熱交換器として構成してもよい。また、加湿器 61を、供給酸化剤ガスが後述する冷却媒体と熱交換して加熱されるよう構成してもよい。さらに、冷却媒体が水である場合には、冷却水循環流路の燃料電池 2からの出口における冷却水と供給酸化剤ガスとを全熱交換するよう、加湿器 61を構成してもよい。本実施の形態のように、酸化剤ガスが空気である場合には、酸化剤ガスの加湿はほぼ必要であり、この全熱交換型の加湿器 61 は不可欠と考えられる。

また、酸化剤ガス供給路 53の空気供給装置 4と開閉弁 12との間の部分には三方弁 9が配設されている。三方弁 9は、 3つのポートのうち、 2つのポートが酸化剤ガス流路 53に接続され、残りの 1つのポートが封止ガス排出ポンプ 8の吸入ポートに接続されている。封止ガス排出ポンプ 8の吐出ポートは大気に開放されている。封止ガス排出ポンプ 8は、ここでは真空ポンプで構成されて!、る。

さらに、酸化剤ガス供給路 53の燃料電池 2と開閉弁 12との間の部分には、燃料ガス供給路 51の燃料源 3と開閉弁 10との間の部分力も分岐した封止ガス供給路 55が接続されている。この封止ガス供給路 55には開閉弁 16が配設されている。

なお、この燃料電池発電装置 1には、燃料電池 2を通るように冷却水を循環させて該燃料電池 2を冷却する冷却水循環路が形成されているが、説明を簡略ィ匕するために図示を省略する。

負荷切換回路 5は、燃料電池 2の一対の電気出力端子 2a, 2bのうちの一方 2aに接続され、この負荷切換回路と燃料電池燃料電池 2の一対の電気出力端子 2a, 2bのうちの他方 2bとの間に起動停止用抵抗 6、バッテリ 14、及び負荷 15が接続されている。負荷切換回路 5は、図示されない開閉スィッチ群を有し、この開閉スィッチをオンォフして、起動停止用抵抗 6、バッテリ 14、及び負荷 15を、それぞれ、燃料電池 2の一対の電気出力端子 2a, 2b間に接続し又は接続しないことが可能なように構成されている。

起動用抵抗 6は、可変抵抗で構成され、燃料電池発電装置 2の起動時及び停止時に燃料電池 2の発電量を徐々に増大させ及び低減させるための負荷として用いられる。バッテリ 14は燃料電池発電装置 1が搭載される電気自動車の駆動用電力以外の電力を賄うためのものである。負荷 15は、燃料電池発電装置 1が搭載される電気自動車を駆動するモータである。

制御装置 7は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池発電装置 1の所要の構成要素を制御して該燃料電池発電装置 1の動作を制御する。ここで、本明細書においては、制御装置とは、単独の制御装置だけでなぐ複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。よって、制御装置 7は、必ずしも単独の制御装置で構成される必要はなぐ複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池発電装置 1の動作を制御するよう構成されていてもよい。

[0015] 次に、燃料電池 2の構成を説明する。燃料電池 2は周知のもので構成されているので、その詳細な説明は省略し、本発明と関連する部分のみ説明する。

[0016] 図 2は図 1の燃料電池 2のセルの概略の構成を示す断面図である。

[0017] 図 1及び図 2において、燃料電池 2 (正確にはスタック）は、セル 21が多数積層され、その両端に一対の端板（図示せず)が配置され、かつその一対の端板に一対の電気出力端子 2a, 2bが配設されるようにして構成されて、る。

[0018] 図 2に示すように、セル 21は、 MEA (Membrane Electrode Assembly:高分子電解質膜電極接合体) 25を有している。 MEA25は、高分子電解質膜 22と、この高分子電解質膜 22の周縁部を除く部分（内側部分)の両面にそれぞれ形成されたァノード 23及び力ソード 24とを有している。アノード 23は、高分子電解質膜 22の上に形成された触媒層 29とこの触媒層 29の上に形成されたガス拡散電極層 30とで構成されている。力ソード 24は、高分子電解質膜 22の上に形成された触媒層 31とこの触媒層 31の上に形成されたガス拡散電極層 32とで構成されている。そして、この MEA25 の高分子電解質膜 22の周縁部 (外側部分)の両面に、中央部に開口を有する一対のガスケット 26, 26力その開口にそれぞれアノード 23及び力ソード 24が位置するようにして、配設されている。従って、アノード 23及び力ソード 24はこの MEA25とガスケット 26, 26との接合体（以下、 MEA ガスケット接合体という）の両面の中央部（内側部分）に露出している。この MEA ガスケット接合体のアノード側の主面に接するようにアノードセパレータ 27が配設され、 MEA ガスケット接合体の力ソード側の主面に接するように力ソードセパレータ 28が配設されて!/、る。アノードセパレータ 27 には、その内面に溝状の燃料ガス流路 34が形成され、その外面に溝状の冷却水流路 36 Aが形成されている。アノードセパレータ 27の周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マ-フォールド孔 41 A、酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42A 、冷却水供給マ-フォールド孔 43A、燃料ガス排出マ-フォールド孔 41B、酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42B、及び冷却水排出マ-フォールド孔 43Bがそれぞれ形成されている。そして、燃料ガス流路 34は燃料ガス供給マ-フォールド孔 41 Aと燃料ガス排出マ-フォールド孔 41Bとを接続するように形成され、冷却水流路 36Aは冷却水供給マ-フォールド孔 43Aと冷却水排出マ-フォールド孔 43Bとを接続するように形成されている。また、力ソードセパレータ 28は、その内面に溝状の酸化剤ガス流路 35が形成され、その外面に溝状の冷却水流路 36Bが形成されている。カソードセパレータ 28の周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マ-フォールド孔 41A、酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42A、冷却水供給マ-フォールド孔 4 3A、燃料ガス排出マ-フォールド孔 41B、酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42B、及び冷却水排出マ-フォールド孔 43Bがそれぞれ形成されている。そして、酸化剤ガス流路 35は酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42Aと酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42Bとを接続するように形成され、冷却水流路 36Bは冷却水供給マ-フォールド孔 43Aと冷却水排出マ-フォールド孔 43Bとを接続するように形成されて、る。そして、 MEA—ガスケット接合体の周縁部にも、アノードセパレータ 27及び力ソードセパレータ 28に対応するように、該周縁部を貫通するようにして燃料ガス供給マ-フォールド孔 41A、酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42A、冷却水供給マ-フォールド孔 4 3A、燃料ガス排出マ-フォールド孔 41B、酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42B、及び冷却水排出マ-フォールド孔 43Bが形成されている。これにより、燃料電池 2には、各セル 21の燃料ガス供給マ-フォールド孔 41 A、酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42A、冷却水供給マ-フォールド孔 43A、燃料ガス排出マ-フォールド孔 41B、酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42B、及び冷却水排出マ-フォールド孔 43Bがそれぞれ繋がって燃料ガス供給マ-フォールド、酸化剤ガス供給マ-フォールド、冷却水供給マ-フォールド、燃料ガス排出マ-フォールド、酸化剤ガス排出マ-フォールド、及び冷却水排出マ-フォールドが形成されている。また、アノードセパレータ 27の外面の冷却水流路 36Aと力ソードセパレータ 28の外面の冷却水流路 36Bとが合わさって、隣接する 2つのセル 21の間に 1つの冷却水流路が形成されている。

そして、図 1に示すように、燃料ガス供給マ-フォールドに燃料ガス供給路 51が接続され、燃料ガス排出マ-フォールドに燃料ガス排出路 52が接続されている。また、酸化剤ガス供給マ-フォールドに酸化剤ガス供給路 53が接続され、酸化剤ガス排出マ-フォールドに酸化剤ガス排出路 54が接続されている。さらに、冷却水供給マ-フオールドに及び冷却水排出マニフォ一ルドに図示されない冷却水循環路が接続されている。

なお、図 2には、燃料ガス供給マ-フォールド孔 41 A、酸化剤ガス供給マ-フォールド孔 42A、及び冷却水供給マ-フォールド孔 43Aが 2本の破線で示され、同様に燃料ガス排出マ-フォールド孔 41B、酸化剤ガス排出マ-フォールド孔 42B、及び冷却水排出マ-フォールド孔 43Bが 2本の破線で示されて!/、る力これは図 2の断面視にお!/、てこれらが重なって!/、ることを示して!/、るのであり、これらが 1つのマニフォ一ルド孔を共用しているのではなく個別に形成されているのは言うまでもない。また、各マ-フォールド孔 41A〜43A, 41B〜43Bを任意に配置することができることは言うまでもない。

[0020] 高分子電解質膜 22は、ここでは、パーフルォロカーボンスルホン酸膜（DUPONT製 Nafionll2 (登録商標））で構成されている。ガス拡散電極層 30, 32は、ここでは、力一ボンぺーパ（TORAY製 TGP-H- 090)で構成されている。このカーボンぺーパに触媒粉末が塗布されて触媒層 29, 31が形成されている。アノード 23の触媒層 29の触媒粉末として、ここでは、アセチレンブラック系カーボン粉末 (電気化学工業株式会社製 DENKA BLACKFX-35)に、平均粒径約 30 μ mの白金を 25%担持した触媒粉末が用いられている。力ソード 24の触媒層 31の触媒粉末として、ここでは、アセチレンブラック系カーボン粉末 (電気化学工業株式会社製 DENKA BLACKFX-35)に、平均粒径約 30 μ mの白金粒子を 25%担持した触媒粉末が用いられて、る。

[0021] アノードセパレータ 27及び力ソードセパレータ 28は、カーボン等の導電性材料で構成されている。

[0022] 次に、以上のように構成された燃料電池発電装置 1の動作を説明する。この燃料電池発電装置 1の動作は、既述のように制御装置 7の制御により遂行される。燃料電池発電装置 1は、燃料電池発電装置 1を起動して円滑に発電動状態に移行させる起動モードと、発電を行う発電モードと、発電状態から燃料電池発電装置 1を円滑に停止させる停止モードとを有して、る。

[0023] まず、発電モードを説明する。

[0024] 図 1及び図 2において、発電時には、燃料ガス供給路 51の開閉弁 10及び燃料ガス排出路 52の開閉弁 11は開かれている。また、酸化剤ガス供給路 53の開閉弁 12及び酸化剤ガス排出路 54の開閉弁 11は開かれている。また、三方弁 9は酸化剤ガス供給路が連通するように切り換えられている。また、封止ガス供給路 55の開閉弁 16 は閉じられている。そして、負荷切換回路 5は、燃料電池 2の一対の電気出力端子 2 a, 2b間にバッテリ 14及び負荷 15を負荷として接続して、る。

この状態で、燃料源 3から燃料ガスが燃料電池 2に供給される。この供給された燃料ガスは燃料ガス供給マ-フォールド (41 A)を通って燃料ガス流路 34に流入する。そして、アノード 23と接触しながら燃料ガス流路 34を流れる。そして、この過程で、触媒層 29の触媒作用によって水素がイオン化され、水素イオンは高分子電解質膜 22を通って力ソード 24に輸送される。また、水素から電離した電子はガス拡散電極層 30 から燃料電池 2及び外部負荷により形成される電気回路を通って力ソード 24のガス拡散電極層 32に移動する。一方、空気供給装置 4から酸化剤ガスが燃料電池 2に供給される。この供給された酸化剤ガスは酸化剤ガス供給マ-フォールド (42A)を通つて酸化剤ガス流路 35に流入する。そして、力ソード 24と接触しながら酸化剤ガス流路 35を流れる。そして、この過程で、力ソード 24では、該カソード 24に輸送されてきた水素イオンがガス拡散電極層 32に移動してきた電子と結合して水素に戻り、この水素が触媒層 31の触媒作用の下で酸化剤ガス中の酸素と反応して水が生成される oこの反応により、電気が発生するとともに熱が発生する。この発生した電気は一対の電気出力端子 2a, 2bから出力されて負荷 15で消費され、それにより電気自動車が駆動される。また、電気出力端子 2a, 2bから出力される電力が余る場合にはその余剰の電力がバッテリ 14に蓄積される。一方、発生した熱は冷却水流路 36A, 36B を流れる冷却水に伝達され、それにより、燃料電池 2が冷却されて適宜な温度に維持される。また、上記反応に用いられなカゝつた燃料ガスは、燃料ガス排出マ-フォールド (41B)を通って燃料ガス排出路 52から大気中に放出される。また、上記反応に用いられな力つた酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マ-フォールド (42B)を通って酸ィ匕剤ガス排出路 54から大気中に放出される。

次に、停止モードを説明する。図 3は、図 1の燃料電池発電装置 1の停止モードの概容を示すフローチャート、図 4は停止モードにおける燃料電池 2の出力電圧の経時変化を示すグラフである。

図 1〜図 4に示すように、発電状態 (ステップ S14)において、まず、酸化剤ガス供給路 53の開閉弁 12が閉じられ、次いで、酸化剤ガス排出路 54の開閉弁 13が閉じられる。これにより、力ソード 24 (正確には力ソード 24と、開閉弁 12と開閉弁 13との間の酸化剤ガス流路と、この酸化剤ガス流路と開閉弁 16との間の封止ガス供給路 55)に酸化剤ガスとしての空気が封止される (ステップ S 1)。

次いで、負荷切換回路 5によって、負荷 15及びバッテリ 14が燃料電池 2の電気出力端子 2a, 2bから切り離され、これらに代わって起動停止用抵抗 6が該電気出力端子 2a, 2bの間に接続される（ステップ S2)。

次いで、起動停止用抵抗 6の抵抗値が徐々に増大させられて (すなわち負荷が徐々に減少させられて)発電量が徐々に減少させられる。なお、以下に説明するよう〖こ発電は自動的に止まるので、必ずしも起動停止用抵抗 6の抵抗値を増大させる必要はなぐこれを一定に維持してもよい。この過程で、力ソード 24においては、封止された空気中の酸素が発電の反応により消費されて減少し、この酸素の減少に伴って燃料電池 2の出力電圧 (電気出力端子 2a, 2b間の電圧）が、例えば図 4に示すように低下する。そして、酸素が消費され尽くされた時点で出力電圧が零となって発電が止まる（電気が発生しなくなる）（ステップ S3)。この状態で、力ソード 24は、封止された空気中の酸素が消費され尽くしているので、大気に対し負圧になっている。

そして、この出力電圧が制御装置 7によって監視されており、制御装置 7によってこの出力電圧が零になったこと (発電の停止）が検知されると、まず、燃料ガス供給路 51 の開閉弁 10が閉じられ、次いで、燃料ガス排出路 52の開閉弁 11が閉じられる。これにより、アノード 23に燃料ガスとしての水素ガスが封止される（ステップ S4)。

次いで、封止ガス供給路 55の開閉弁 16が開かれ、負圧となっている力ソード 24に燃料源 3から燃料ガスである水素ガスが導入される。その後、酸化剤排出流路 54の開閉弁 13が開かれ、力ソード中に残留するガス (空気中の酸素以外のガス）が水素ガスでパージされる。その後、開閉弁 13及び開閉弁 16が順次閉じられ、それにより、カソード 24に水素ガスが封止される。このように、力ソード 24に封止された空気中の酸素を発電により消費し尽くした後に力ソード 24に水素ガスを導入することによって、空気と水素ガスとの混合による非触媒燃焼を防止しつつ、力ソード 24に水素を封止することがでさる。

かくして、停止モードが終了し、燃料電池発電装置 1が停止する。これにより、燃料電池 2のアノード 23及び力ソード 24力燃料電池発電装置 1の停止期間の間、各々の触媒層 29, 31の材料と各々の雰囲気である水素ガスとで定まる電位に維持される。ここでは、アノード 23の触媒層 29が白金で構成されているので、アノード 23の触媒層 29は還元電位である OVに維持される。また、力ソード 24の触媒層 31が白金で構成されているので、力ソード 24の触媒層 31は還元電位である OVに維持される。この場合の燃料電池 2の開放電圧は OVとなる。

その結果、燃料電池 2の停止中における触媒層 29, 31の劣化が防止され、高頻度起動停止運転下における燃料電池 1の寿命を長くすることができる。

次に、起動モードを説明する。図 5は図 1の燃料電池発電装置 1の起動モードの概容を示すフローチャートである。

図 1、図 2及び図 5に示すように、燃料電池発電装置 1を起動するには、まず、カソード 24の水素ガスが排出される (ステップ Sl l)。具体的には、まず、三方弁 9が、酸ィ匕剤ガス供給路 53の開閉弁 12側の部分が封止ガス排出ポンプ 8に連通するように切り換えられ、その後、封止ガス排出ポンプ 8が起動される。次いで、開閉弁 12が開かれ、力ソード 24から該カソード 24に封入されていた水素ガスが封止ガス排出ポンプ 8によって吸引されて大気中に排出される。そして、力ソード 24が所定の程度に減圧されると、開閉弁 12が閉じられ、その後、封止ガス排出ポンプ 8が停止される。次いで、三方弁 9が、酸化剤ガス供給路 53が連通するように切り換えられる。なお、力ソード 24 の上記所定の程度の減圧状態は、例えば、力ソード 24に圧力センサを設け、この圧力センサを通じて制御装置 7により検知される。

次いで、燃料ガス供給路 51の開閉弁 10と燃料ガス排出路 52の開閉弁 11とが開かれ、燃料源 3から燃料ガス (水素ガス）が燃料電池 2のアノード 23に供給される (ステツプ S12)。

次いで、酸化剤ガス供給路 53の開閉弁 12が開かれ、空気供給装置 4から力ソード 2 4に酸化剤ガス (空気）が導入される。その後、酸化剤ガス排出路 54の開閉弁 13が開かれ、それにより、空気供給装置 4から酸化剤ガスが力ソード 24に引き続き供給される (ステップ S13)。このように、力ソード 24に封止された水素ガスを吸引して排出した後に力ソード 24に空気を供給することによって、水素ガスと空気との混合による非触媒燃焼を防止しつつ、力ソード 24に空気を供給することができる。

そして、起動停止用抵抗 6の抵抗値が徐々に減少され、それにより、燃料電池 2の発電量が徐々に増大させられる。そして、発電量が所定値に達すると、負荷切換回路 5 によって、起動停止用抵抗 6が燃料電池 2の電気出力端子 2a, 2bから切り離され、これらに代わって、負荷 15及びバッテリ 14が燃料電池 2の電気出力端子 2a, 2bの間に接続される。

かくして、起動モードが終了し、燃料電池発電装置 1は発電状態 (発電モード）に移行する (ステップ S 14)。

次に、以上のように構成された燃料電池発電装置 1の作用効果を説明する。

本実施の形態の燃料電池発電装置 1では、前述のように、燃料電池 2のアノード 23 及び力ソード 24が、燃料電池発電装置 1の停止期間の間、各々の触媒層 29, 31の材料と各々の雰囲気である燃料ガスとで定まる電位に維持される。本実施の形態では、アノードの触媒層 29の材料として白金が用いられ、また力ソード 24の触媒層 31 の材料として白金が用いられ、燃料ガスとして純水素ガスが用いられたが、本発明はこの構成には限定されない。

但し、本件発明者の検討結果によれば、本発明においては、アノード 23の触媒層 29 及び力ソード 24の触媒層 31の材料としてそれぞれ白金を用い、かつ燃料ガス及び酸化剤ガスとして、燃料電池 2の開放電圧が OV以上 0. 85V以下となるようなものを用いることが好ましい。開放電圧が 0. 85Vを超えると、白金が酸化状態となって溶けやすくなる。従って、このような条件が満たされる場合に、触媒層 29, 31の材料が燃料電池 2の停止中に酸化されて高分子電解質膜 22中に溶出することが抑制され、それにより、酸化と還元の繰り返しによる触媒層 29, 31の触媒性能の劣化を抑制して高頻度起動停止運転下における燃料電池 2の長寿命化を図ることができるからである。

(実施の形態 2) 図 6は本発明の実施の形態 2に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示すブロック図である。図 6において、図 1と同一符号は同一又は相当する部分を示す。

[0025] 図 6に示すように、本実施の形態では、置換ガス供給手段として不活性ガス供給装置 (不活性ガス供給器) 62が設けられ、燃料電池発電装置 1の運転停止の際、燃料電池 2のアノード及び力ソードに燃料ガスと不活性ガスとの混合ガスが封止される。これ以外の点は実施の形態 1と同様である。

[0026] 具体的には、不活性ガス供給装置 62は、ここでは、不活性ガスとして Nガスを貯蔵

2 及び供給する窒素ボンベで構成されている。なお、不活性ガスとして、この他に、 Ar 、 CO、水蒸気、及びメタン、ェタン、プロパン、ブタン等のガスハイド口カーボンを用

2

いてもよい。

[0027] 不活性ガス供給装置 62は、途中に開閉弁 63が配設された第 1の不活性ガス供給路 65を通じて不活性ガスを燃料電池 2のアノードに供給可能であり、また、途中に開閉弁 64が配設された第 2の不活性ガス供給路 66を通じて不活性ガスを燃料電池 2 の力ソードに供給可能である。

[0028] そして、実施の形態 1の燃料電池発電装置 1の停止モードにおいて、図 3のステツプ S4で開閉弁 63を開放して不活性ガスを不活性ガス供給装置 62から不活性ガス供給路 65に送出し、それにより、この不活性ガスと燃料源 3からの水素ガスとの混合ガスをアノードに供給し、その後、開閉弁 10, 11とともに開閉弁 63を閉止することにより、この混合ガスをアノードに封止する。そして、ステップ S5で開閉弁 64を開放して不活性ガスを不活性ガス供給装置 62から不活性ガス供給路 66に送出し、それにより、この不活性ガスと燃料源 3から封止ガス供給路 55を通じて供給される水素ガスとの混合ガスを力ソードに供給し、その後、開閉弁 12, 16とともに開閉弁 64を閉止することにより、この混合ガスを力ソードに封止する。

これ以降の動作は、実施の形態 1と同様である。

以上に説明した本実施の形態によっても、実施の形態 1と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態 1及び 2では、電気自動車用の燃料電池発電装置に本発明を適用する場合を説明したが、他の用途の燃料電池発電装置にも本発明を同様に適用することができる。例えば、非常用電源として用いられる燃料電池発電装置は、燃料源として水素ボンべを備えているので、実施の形態 1の燃料電池発電装置をこれに用いると、置換用不活性ガスが不要となって特に好適である。

また、実施の形態 1及び 2では、燃料電池発電装置 1の起動時において力ソードから該カソードに封止されているガスをポンプ 8で排出した力これに代えて、力ソードに所定のパージガス (例えば不活性ガス）を供給して該カソードに封止されて！/ヽるガスをパージしてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

本発明の燃料電池発電装置は、電気自動車等に用いられる燃料電池発電装置として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 実質的に水素ガスで構成される燃料ガスを貯蔵し、これを供給する燃料ガス貯蔵器と、

空気を供給する空気供給装置と、

前記燃料ガス貯蔵器からの前記燃料ガス及び前記空気供給装置からの前記空気を、電解質膜を挟むアノード及び力ソードにそれぞれ供給され、該供給された燃料ガスと空気との化学反応により発電する燃料電池と、を備えた燃料電池発電装置において、

前記燃料電池発電装置は、前記力ソードに前記空気を封止するとともにその状態で前記発電を継続しながら該空気中の酸素を消費して該カソードから酸素を除去し、その後、前記発電を停止し、その後、前記アノードに前記燃料ガス又は該燃料ガスと不活性ガスとの混合ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器からの燃料ガス又は該燃料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスで置換して該カソードにこの置き換わった燃料ガス又は混合ガスを封止し、その後、前記運転を停止し、

その運転停止期間において、その開放電圧を OV以上かつ 0. 85V以下に維持する

、燃料電池発電装置。

[2] 前記アノードが前記化学反応のための触媒として白金を含み、

前記燃料電池発電装置が維持する前記開放電圧が OV以上かつ 0. 85V以下である

、請求項 1記載の燃料電池発電装置。

[3] 前記燃料電池発電装置は、前記発電を停止した後、前記アノードに前記燃料ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器力ゝらの燃料ガスで置換して該カソードにこの置き換わった燃料ガスを封止し、その後、前記運転を停止する、請求項 1に記載の燃料電池発電装置。

[4] 不活性ガスを供給する不活性ガス供給器を備え、

前記燃料電池発電装置は、前記発電を停止した後、前記アノードに残留するガスを前記燃料ガスと前記不活性ガス供給器力ゝらの不活性ガスとの混合ガスで置換して該アノードにこの置き換わった混合ガスを封止するとともに前記力ソード内に残留するガスを前記燃料貯蔵器力ゝらの燃料ガスと前記不活性ガス供給器からの不活性ガスとの混合ガスで置換して該カソードにこの置き換わった混合ガスを封止し、その後、前記運転を停止する、請求項 1に記載の燃料電池発電装置。

[5] 前記燃料電池発電装置は、前記運転の停止の後その運転を開始する場合に、前記アノードに封止されたガスの封止を解除して該アノードに前記燃料ガスを供給し、かつ前記力ソードから該カソードに封止されたガスを排出した後該カソードに前記空気を供給するようにして前記発電を開始する、請求項 1に記載の燃料電池発電装置。

[6] 前記燃料電池発電装置は電気自動車に駆動用電源として搭載されるものである、請求項 1に記載の燃料電池発電装置。