燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法
【課題】中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池の発電性能を改良する。
【解決手段】燃料電池システム２０は、複数の燃料電池３１が積層された燃料電池スタック３０を備えている。燃料電池３１は、電解質膜にイオン液体を用いた燃料電池である。燃料電池システム２０は、燃料電池３１の電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下に低下すると、出力要求９５よりも大きい電流を流す。また、ヒータ７５を起動して、１００℃以上の酸化ガスを燃料電池スタック３０に供給する。また、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替えて、ドライエアを燃料電池スタック３０に供給する。また、供給する酸化ガスの流速を速くする。
【解決手段】燃料電池システム２０は、複数の燃料電池３１が積層された燃料電池スタック３０を備えている。燃料電池３１は、電解質膜にイオン液体を用いた燃料電池である。燃料電池システム２０は、燃料電池３１の電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下に低下すると、出力要求９５よりも大きい電流を流す。また、ヒータ７５を起動して、１００℃以上の酸化ガスを燃料電池スタック３０に供給する。また、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替えて、ドライエアを燃料電池スタック３０に供給する。また、供給する酸化ガスの流速を速くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、更に詳しくは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の形式の燃料電池が開発されている。そのうちの１つに、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた燃料電池がある。こうした電解質としては、例えば、イオン液体を挙げることができる。イオン液体は、イオン性物質でありながら常温で液体であるという性質を有しており、不揮発性で、熱安定性が高く、加湿する必要がないことから、中温域（例えば、１００〜１５０℃）で高効率の発電を行う燃料電池の電解質として注目されている。
【０００３】
しかしながら、イオン液体を電解質として利用する燃料電池は、他の形式の燃料電池と比べて、開発の歴史が比較的浅く、さらなる改良が望まれていた。かかる課題は、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池に共通する課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池の発電性能を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段とを備えた燃料電池システム。
【０００８】
かかる構成の燃料電池システムは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を備える燃料電池において、被毒抑制処理によってカソードの水分被毒を抑制できるので、カソードの活性低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。なお、カソードの水分被毒とは、カソードに所定量の水分が付着すると、カソードの活性が急激に低下することであり、かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。
【００１０】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、被毒抑制処理を行って、活性を回復させることができるので、効率的に、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、前記被毒抑制処理の１つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。
【００１２】
かかる構成の燃料電池システムは、脱水手段によって水分量が低減された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、前記被毒抑制処理の１つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。
【００１４】
かかる構成の燃料電池システムは、加熱手段によって加熱された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１５】
［適用例５］前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システム。
【００１６】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードに供給する酸化ガスの流速を速くすることで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１７】
［適用例６］前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる適用例１ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池。
【００１８】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を燃料電池に発生させ、発電反応による自己発熱によって、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１９】
［適用例７］前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う適用例３または適用例４記載の燃料電池システム。
【００２０】
かかる構成の燃料電池システムは、発電運転の起動前に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び／または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行うので、前回の発電運転時にカソードに残留した水分を発電運転前に事前に乾燥、除去し、カソードの水分被毒を抑制して、好適な発電運転を行うことができる。
【００２１】
［適用例８］前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う適用例３または適用例４記載の燃料電池システム。
【００２２】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電運転の停止後に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び／または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行う。したがって、カソードの周辺の水分を乾燥、除去して、残留させないので、次回の発電運転開始時において、カソードの水分被毒を抑制して、好適に発電運転を行うことができる。
【００２３】
［適用例９］燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段とを備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。
【００２４】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に被毒抑制処理を行うので、システム全体として、カソードの活性低下による発電性能の低下を抑制した運転を行うことができる。また、発電運転を停止して被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、または、短時間で、活性の低下を回復させることができる。
【００２５】
［適用例１０］前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む適用例１ないし適用例９のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２６】
かかる構成の燃料電池システムは、無水電解質をトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むものとすれば、高いプロトン伝導度を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。
【００２７】
［適用例１１］前記カソードは、少なくとも白金を含む適用例１ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２８】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードに白金を含む構成とすれば、高い触媒活性を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。
【００２９】
また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、適用例１２の燃料電池の運転方法、そのプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。
［適用例１２］無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記カソードの活性を監視し、前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する燃料電池システムの運転方法。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック３０の概略構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システム２０におけるカソード被毒抑制処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】電解質にイオン液体を用いた従来型燃料電池における、イオン液体への水の添加量と酸素還元電流密度（電圧０．８Ｖ時）との関係を示す説明図である。
【図５】第２実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例としての燃料電池システム２０における運転切替処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】第３実施例としての燃料電池システム２０における起動・停止処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の概略構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム２０は、電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック３０、燃料電池スタック３０に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器６０、燃料電池スタック３０に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器７０、燃料電池スタック３０を冷却する冷却系機器８０、燃料電池システム２０を制御する制御ユニット９０を備えている。
【００３２】
燃料電池スタック３０は、アノード、カソード、電解質膜、セパレータ等を備える燃料電池３１を複数積層して構成される。燃料電池スタック３０の構成の詳細については、後述する。燃料電池スタック３０には、電圧計３５が設けられている。電圧計３５は、各々の燃料電池３１の出力電圧と、燃料電池スタック３０の全体出力電圧とを測定可能である。
【００３３】
燃料ガス系機器６０は、水素タンク６１、シャットバルブ６２、レギュレータ６３、希釈器６６、配管６４，６５，６８を備えている。水素タンク６１に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ６２、レギュレータ６３によって圧力及び供給量が調整されて、配管６４を介して燃料電池スタック３０のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスともいう）は、配管６５を介して希釈器６６に導かれた後、配管６８を介して、燃料電池システム２０の系外に排出される。
【００３４】
酸化ガス系機器７０は、エアクリーナ７１、エアコンプレッサ７２、三方弁７３、脱水装置７４、ヒータ７５、配管７６，７８、バイパス配管７７を備えている。エアクリーナ７１から吸入された空気は、エアコンプレッサ７２によって圧縮され、三方弁７３、脱水装置７４、ヒータ７５及び配管７６を介して、燃料電池スタック３０のカソードに酸化ガスとして供給される。また、吸入された空気は、三方弁７３を制御することにより、バイパス配管７７を介して、つまり、脱水装置７４をバイパスして、ヒータ７５に導くこともできる。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスともいう）は、配管７８を介して希釈器６６に導入される。
【００３５】
脱水装置７４は、供給空気中の水分量を低減させる。本実施例では、吸着方式を採用した。具体的には、活性炭が充填された層に空気を通過させることにより、水分を吸着させることとした。ただし、吸着性部材は、活性炭に限るものではなく、例えば、吸水性ポリマーなどであってもよい。また、脱水方式は、吸着式に限らず、冷却や加圧によって脱水する形式であってもよい。脱水装置７４は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム２０の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、供給空気は、バイパス配管７７を介してヒータ７５に導かれるように、三方弁７３が制御される。
【００３６】
ヒータ７５は、本実施例では、電熱式ヒータであり、供給空気の流路に設けられた加熱器によって、供給空気を加熱する。本実施例では、ヒータ７５を起動すると、空気を１００℃以上に加熱することができる。ヒータ７５は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム２０の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、ヒータ７５は、停止（ＯＦＦ）状態にある。なお、本実施例のように、ヒータ７５を、脱水装置７４と燃料電池スタック３０との間の経路に設ければ、脱水装置７４を経由するルートで供給された空気をヒータ７５で加熱する際には、供給空気の水分が少ないので、効率的に加熱することができる。ただし、脱水装置７４及びヒータ７５の配列順序は逆であってもよい。
【００３７】
希釈器６６は、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を希釈する。希釈器６６から排出された排出ガスは、配管６８を介して、燃料電池システム２０の系外へ排出される。なお、燃料ガス系機器６０は、アノードオフガスを、再度、配管６４に導いて、燃料電池スタック３０で循環使用する構成としてもよい。また、燃料ガス系機器６０は、アノードオフガスの排出経路を持たない、いわゆるアノードデッドエンドの構成としてもよい。また、燃料ガス系機器６０と酸化ガス系機器７０とは、それぞれ個別的にオフガスの排出経路を備えていてもよい。
【００３８】
冷却系機器８０は、ラジエータ８１、循環ポンプ８２、配管８３を備えている。冷却水は、配管８３を介して循環ポンプ８２によって燃料電池スタック３０とラジエータ８１との間を循環する。これにより、燃料電池スタック３０の電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ８１で放熱することで、燃料電池スタック３０の温度を適正に保つことができる。
【００３９】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求９５と燃料電池システム２０の各種センサ９７からの信号を受けて、レギュレータ６３、エアコンプレッサ７２、ヒータ７５等や、燃料電池システム２０の各種アクチュエータ９６に駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。また、制御ユニット９０は、監視部９１、水分除去制御部９２としても機能する。この監視部９１及び水分除去制御部９２の詳細については、「Ａ−３．カソード被毒抑制処理」で後述する。
【００４０】
Ａ−２．燃料電池スタック３０の概略構成：
上述した燃料電池スタック３０の構成について、図２を用いて説明する。本実施例の燃料電池スタック３０は、電解質膜・電極接合体４１、ガス拡散層４６、セパレータ５０を備える燃料電池３１が複数積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて構成される。なお、燃料電池スタック３０は、燃料電池３１を複数積層した構成に限らず、勿論、単一の燃料電池３１で構成されてもよい。
【００４１】
電解質膜・電極接合体４１は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード４２、電解質膜４３、カソード４４を備えている。電解質膜４３は、イオン液体を利用した、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質である。本実施例においては、電解質膜４３は、イオン液体をゲル化して形成した。こうしたゲル化材としては、種々の高分子材などを用いることができるが、本実施例では、環状ジペプチド誘導体（ｃｙｃｌｏ（Ｌ−Ａｓｐ（ＯＲ）−Ｌ−Ｐｈｅ））を用いた。
【００４２】
また、イオン液体は、常温で液体となる塩であり、種々の公知のものを用いることができる。例えば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体であってもよいし、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンとを含むイオン液体であってもよい。本実施例では、プロトン伝導性に優れたトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むイオン液体を用いた。
【００４３】
アノード４２及びカソード４４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成され、触媒、電解質及び反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の三相界面を形成する。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子を上述のイオン液体に浸漬し、アイオノマー（ここでは、ポリテトラフルオロエチレン）で固着させたものを用いた。本実施例では、触媒として活性が高い白金を用いたが、触媒の種類は、特に限定するものではなく、例えば、白金とニッケルやコバルトとの合金を用いてもよいし、ニッケルやルテニウムなどを用いてもよい。
【００４４】
ガス拡散層４６は、電解質膜・電極接合体４１での電気化学反応に供される反応ガスの流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層４６は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。本実施例においては、カーボンクロスを用いた。
【００４５】
また、上述の電解質膜・電極接合体４１及びガス拡散層４６の外周部には、ガス拡散層４６によって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部４７が設けられている。シール部４７には、図示するとおり、いくつかの貫通孔が設けられている。当該貫通孔は、セパレータ５０にも同様に設けられており、セパレータ５０の説明と共に以下に述べる。
【００４６】
セパレータ５０は、反応ガスの流路となるガス拡散層４６の壁面を成す部位である。本実施例においては、ステンレス鋼を用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンなどであってもよい。セパレータ５０及び上述のシール部４７には、その外周部にいくつかの貫通孔が設けられている。これらの貫通孔が連通することで、図示するように、燃料ガスの流路としての燃料ガス供給マニホールド５１及び燃料ガス排出マニホールド５２、酸化ガスの流路としての酸化ガス供給マニホールド５３及び酸化ガス排出マニホールド５４、冷却水の流路としての冷却水供給マニホールド５５及び冷却水排出マニホールド５６が形成されている。
【００４７】
上述した燃料ガス系機器６０の配管６４から燃料ガス供給マニホールド５１に供給された燃料ガスは、セパレータ５０の内部に形成された流路及び孔部（図示せず）を介して、ガス拡散層４６に供給され、ガス拡散層４６からアノード４２に供給される。そして、アノードオフガスは、ガス拡散層４６からセパレータ５０の孔部及び内部に形成された流路（図示せず）を介して、燃料ガス排出マニホールド５２に排出され、燃料ガス系機器６０の配管６５に導かれる。
【００４８】
また、上述した酸化ガス系機器７０の配管７６から酸化ガス供給マニホールド５３に供給された酸化ガスは、セパレータ５０の内部に形成された流路及び孔部（図示せず）を介して、ガス拡散層４６に供給され、ガス拡散層４６からカソード４４に供給される。そして、カソードオフガスは、ガス拡散層４６からセパレータ５０の孔部及び内部に形成された流路（図示せず）を介して、酸化ガス排出マニホールド５４に排出され、酸化ガス系機器７０の配管７８に導かれる。
【００４９】
また、上述した冷却系機器８０から冷却水供給マニホールド５５に供給された冷却水は、セパレータ５０の内部に形成された流路（図示せず）を介して、冷却水排出マニホールド５６に排出され、再び、冷却系機器８０に導かれる。
【００５０】
上述した燃料電池システム２０は、電解質膜４３が、無水条件でプロトン伝導性を有することから、１００℃以上での運転が可能である。本実施例においては、燃料電池システム２０の運転温度は、１００℃以上、具体的には、１２０℃である。このように、運転温度を高めに設定するのは、触媒に白金を用いる場合には、触媒にイオン液体が吸着し、酸素還元反応が阻害されて過電圧が増大するおそれがあり、高温化によって過電圧の増大を抑制できるからである。ただし、燃料電池システム２０の運転の温度は、中温域であればよく、例えば、常温から１８０℃程度の範囲であってもよい。
【００５１】
Ａ−３．カソード被毒抑制処理：
燃料電池システム２０におけるカソード被毒抑制処理について図３を用いて説明する。ここでのカソード被毒抑制処理とは、カソード４４に供給される酸化ガス中に含まれる水分や、カソード４４で発電反応により生成される生成水によって、カソード４４が被毒し、活性が低下することを抑制する処理である。本実施例では、カソード被毒抑制処理は、燃料電池システム２０の発電運転が定常運転に達したときに開始され、繰返し実行される。ここでの定常運転とは、燃料電池システム２０の起動モードの運転が終了した後に、停止モードの運転が開始されるまでに行われる運転をいう。
【００５２】
カソード被毒抑制処理が開始されると、制御ユニット９０は、監視部９１の処理として、電圧計３５が検出した電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。本実施例においては、電圧Ｖとは、燃料電池スタック３０を構成する各々の燃料電池３１の出力電圧であり、いずれかの燃料電池３１の出力電圧が所定値Ｔｈ以下となれば、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下になったと判断する。こうすれば、より安全側で燃料電池スタック３０の出力低下を検知できるからである。ただし、電圧Ｖは、燃料電池スタック３０の全体電圧としてもよい。あるいは、制御ユニット９０は、所定数の燃料電池３１の出力電圧が所定値Ｔｈ以下となった場合に、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下になったと判断してもよい。
【００５３】
ステップＳ１１０での判断は、カソード４４の活性が低下しているか否かの判断を行うものであり、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下となった際に、カソード４４の活性が所定以下に低下したと判断する。ただし、カソード４４の活性低下の判断基準は、このような例に限るものではない。本実施例の燃料電池システム２０においては、燃料電池３１の出力電圧が低下する主な要因は、カソード４４の活性低下と、燃料電池３１の運転温度Ｔの低下である。したがって、例えば、燃料電池スタック３０が運転温度Ｔを検知する温度センサを備える構成とし、制御ユニット９０は、運転温度Ｔが所定値以上であり、かつ、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下の場合にのみ、カソード４４の活性が低下したと判断してもよい。
【００５４】
その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈよりも大きければ（ステップＳ１１０：ＮＯ）、カソード４４の活性は低下していないということであり、制御ユニット９０は、処理を元に戻す。一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は低下しているということであり、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、出力要求９５よりも大きい電流を流す制御を行う（ステップＳ１２０）。具体的には、シャットバルブ６２、レギュレータ６３及びエアコンプレッサ７２を制御して、出力要求９５に対応する反応ガスの供給量よりも多量の反応ガスを燃料電池スタック３０に供給する。このように大きい電流を流すのは、燃料電池スタック３０の発電反応による発熱量を増加させて、自己発熱によって、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためである。
【００５５】
出力要求９５よりも大きい電流を流すと、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。ここでの所定値Ｔｈは、上述のステップＳ１１０における所定値Ｔｈと同じ値である。また、後述するステップＳ１５０及びステップＳ１７０における所定値Ｔｈも同様である。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、ヒータ７５を起動（ＯＮ）し、１００℃以上の酸化ガス（以下、高温酸化ガスともいう）を燃料電池スタック３０に供給する（ステップＳ１４０）。本実施例では、ヒータ７５によって、酸化ガスが１１０℃まで加熱される。
【００５６】
このように、高温酸化ガスを供給するのは、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためであり、酸化ガスの温度を水の沸点（１００℃）以上にすることで、乾燥、除去効果が大きくなる。ただし、酸化ガスの加熱温度は、１００℃以下であってもよい。１００℃以下であっても、加熱しない場合と比べて、水の飽和蒸気圧が大きくなり、水分の乾燥、除去効果がある程度期待できるからである。
【００５７】
また、ヒータ７５の電源として、ステップＳ１２０において出力要求９５よりも大きな出力の発電を行う際の余剰電力を利用することができる。つまり、ステップＳ１２０の処理とステップＳ１４０の処理とを組み合わせることで、効率的な処理を実現できる。ただし、ヒータ７５の電源として、燃料電池システム２０が備えるバッテリの電力などを利用してもよい。
【００５８】
ヒータ７５を起動すると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、三方弁７３を制御して、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替える（ステップＳ１６０）。これにより、脱水装置７４によって、水分量が低減された酸化ガス（以下、ドライエアともいう）が燃料電池スタック３０に供給される。
【００５９】
ドライエアを供給すると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、エアコンプレッサ７２を制御して、供給する酸化ガスの流速を速くする（ステップＳ１８０）。
【００６０】
酸化ガスの流速を速くすると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１９０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、発電運転を行いながら、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理を継続する。
【００６１】
一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈより大きければ（ステップＳ１９０：ＮＯ）、あるいは、上記ステップＳ１３０，Ｓ１５０，Ｓ１７０において電圧Ｖが所定値Ｔｈより大きければ（ステップＳ１３０，Ｓ１５０，Ｓ１７０のいずれか：ＮＯ）、カソード４４の活性は回復したので、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理を停止し、燃料電池スタック３０の運転を通常運転に戻す（ステップＳ２００）。こうして、カソード被毒抑制処理は、終了となる。
【００６２】
上述のカソード被毒抑制処理においては、制御ユニット９０は、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の４つの処理を、当該順序で、所定の経過期間を経て、段階的に実行する構成としたが、４つの処理の処理順序は、特に限定するものではなく、任意に入れ替えてもよい。また、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下である場合に、４つの処理のうちの少なくとも２つを同時に実行する構成としてもよい。また、制御ユニット９０は、４つの処理を全て実行する必要はなく、これらの処理のうちの少なくとも１つを実行する構成としてもよい。また、４つの処理の実行の可否の判断基準となる所定値Ｔｈは、上述のように全てを同一の値にする必要はなく、それぞれが異なる値であってもよい。また、制御ユニット９０は、電圧Ｖの値に応じて、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理のうちから実行する処理を選択してもよい。
【００６３】
Ａ−４．効果：
本実施例の効果について説明する前に、イオン液体を電解質に用いた従来の燃料電池（以下、従来型燃料電池という）における課題について説明する。図４は、従来型燃料電池における電解質としてのイオン液体に水を添加し、その水の添加量と酸素還元電流密度（電圧０．８Ｖ時）との関係をプロットした図である。図示するように、従来型燃料電池の酸素還元電流密度は、水添加量が１０００ｐｐｍまでは０．１５〜０．１６ｍＡ／ｃｍ2の範囲で推移しているのに対して、水添加量が約１００００ｐｐｍでは、約０．０４ｍＡ／ｃｍ2、１０００００ｐｐｍでは、ほぼ０ｍＡ／ｃｍ2となる。
【００６４】
つまり、水添加量が所定以上増加すると、酸素還元電流密度は、急激に低下するのである。このことは、従来型燃料電池においては、酸化ガス中に含まれる水分や発電反応による生成水がカソードに所定以上残留すると、カソードの活性を急激に低下させること（カソードの水分被毒）を示している。かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。
【００６５】
かかる課題を踏まえ、上述した本実施例の燃料電池システム２０は、燃料電池３１の電圧Ｖが低下したことを検知すると、すなわち、カソード４４の活性が水分被毒によって低下したことを検知すると、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去する処理、具体的には、以下の４つの処理を実行する。
（１）出力要求９５よりも大きな電流を流す。
（２）高温酸化ガスを燃料電池３１に供給する。
（３）ドライエアを燃料電池３１に供給する。
（４）酸化ガスの流速を速くする。
燃料電池システム２０は、こうした処理によって、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去して、水分によるカソード４４の被毒を回復させ、発電性能の低下を抑制することができる。
【００６６】
また、上述の４つの処理を段階的に実行するので、処理の内容が過大となることがなく、効率的である。また、カソード４４の活性が低下した場合にのみ、上述の４つの処理を実行するので、効率的である。
【００６７】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、第１実施例と異なる点について説明する。第２実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を図５に示す。図示するように、第２実施例としての燃料電池システム２０は、第１系統２０ａと、第２系統２０ｂと、制御ユニット９０とを備えている。第１系統２０ａは、燃料電池スタック３０ａ、燃料ガス系機器６０ａ、酸化ガス系機器７０ａ、冷却系機器８０ａを備えている。燃料電池スタック３０ａ，燃料ガス系機器６０ａ、酸化ガス系機器７０ａ、冷却系機器８０ａの各々の構成は、上述した第１実施例の燃料電池スタック３０，燃料ガス系機器６０、酸化ガス系機器７０、冷却系機器８０と同様であり、図示を簡略化している。第２系統２０ｂの構成は、第１系統２０ａと同様である。つまり、燃料電池システム２０は、２系列の燃料電池スタックを備えている。なお、以降、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂの構成機器については、第１実施例で用いた構成機器の符号の末尾に「ａ」，「ｂ」を付して表現するものとする。
【００６８】
制御ユニット９０の構成は、基本的には第１実施例と同様であるが、出力要求９５と、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの各種センサ９７ａ，９７ｂからの信号とを受けて、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの各種アクチュエータ９６ａ，９６ｂに駆動信号を出力し、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの両方の運転全般を制御する。また、本実施例においては、制御ユニット９０は、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのいずれか一方を用いて、発電運転を行う。つまり、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのいずれか一方は、予備機として機能する。なお、制御ユニット９０は、各系統ごとに個別的に設けられていてもよい。
【００６９】
かかる燃料電池システム２０における運転切替処理について図６を用いて説明する。運転切替処理とは、カソード４４ａ，４４ｂの水分被毒を抑制しながら、第１系統２０ａと第２系統２０ｂとの発電運転を切り替えて制御する処理である。この処理は、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂのいずれか一方の発電運転が起動され、定常運転に達したときに開始される。ここでは、第１系統２０ａが定常運転に達したものとして説明する。なお、第２系統２０ｂは、停止した状態である。
【００７０】
運転切替処理が開始されると、制御ユニット９０は、図６に示すように、監視部９１の処理として、発電運転中の第１系統２０ａの電圧計３５ａが検出した電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈよりも大きければ（ステップＳ３１０：ＮＯ）、カソード４４ａの活性は低下していないので、制御ユニット９０は、定常運転を継続する。
【００７１】
一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、カソード４４ａの活性は低下しているので、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、運転停止中の第２系統２０ｂの発電運転を起動させ（ステップＳ３２０）、起動した第２系統２０ｂの発電運転が定常運転に達するまで待機する（ステップＳ３３０）。
【００７２】
そして、起動した第２系統２０ｂの発電運転が定常運転に達すると（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、当初、発電運転を行っていた第１系統２０ａの発電運転を停止し、ヒータ７５ａを起動（ＯＮ）すると共に、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替えて、１００℃以上のドライエアを所定期間、燃料電池スタック３０ａに供給する（ステップＳ３４０）。なお、ここでの処理は、ドライエアの供給と、高温酸化ガスの供給のいずれか一方であってもよい。
【００７３】
１００℃以上のドライエアの供給が終了すると、制御ユニット９０は、当初、発電運転を行っていた第１系統２０ａの運転を停止する（ステップＳ３５０）。こうして、運転切替処理は終了となる。なお、次回の運転切替処理では、第１系統２０ａをステップＳ３２０で起動し、第２系統２０ｂをステップＳ３５０で停止する処理となる。
【００７４】
上述の例では、ステップＳ３４０において、発電運転を停止した状態で、所定期間、１００℃以上のドライエアを第１系統２０ａに供給したが、第１系統２０ａの発電運転を行いながら、１００℃以上のドライエアを供給し、電圧Ｖが所定値よりも大きくなった時点で、当該供給を停止してもよい。こうすれば、カソード４４ａが回復したことを確実に確認してから、第１系統２０ａを停止することができる。また、燃料電池システム２０は、３系列以上の燃料電池スタックを備えていてもよい。少なくとも１系列が予備機として機能すれば、上述の例と同様の制御が可能である。
【００７５】
かかる構成の燃料電池システム２０は、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂのうちのいずれか一方を発電運転させる。そして、発電運転中の系統のカソードの活性が低下すると、発電運転を行う系統を切り替えると共に、活性が低下した系統に対して、高温のドライエアを供給し、活性を回復させる。つまり、活性が低下していない燃料電池スタックによって好適な発電を行いながら、活性が低下した燃料電池スタックのカソードの活性を回復させることができる。したがって、システム全体として、発電性能の低下を抑制することができる。また、新たに起動する系統は、活性が回復した状態で発電運転を開始することが可能である。また、発電運転を停止した状態で、すなわち、カソード４４に生成水が生成されない状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。また、発電運転を停止した後も、高温のドライエアで残留水素を完全に消費（発電）できるので、高温のドライエアによるカソード４４の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。
【００７６】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について第１実施例と異なる点について説明する。第３実施例としての燃料電池システム２０の構成は、第１実施例と同様であり、後述する起動・停止処理を行う点が、第１実施例と異なる。以下、起動・停止処理について図７を用いて説明する。起動・停止処理とは、カソード４４の活性低下を抑制するための燃料電池システム２０の起動及び停止制御を行う処理である。本実施例においては、起動・停止処理は、燃料電池システム２０の電源を投入した際に開始される。
【００７７】
起動・停止処理が開始されると、制御ユニット９０は、図７に示すように、燃料電池システム２０の発電運転の起動の指示を待機する（ステップＳ４１０）。かかる指示は、燃料電池システム２０が備えるユーザインタフェースから受け付けてもよいし、燃料電池システム２０が搭載される車両や機器のＣＰＵ等から受け付けてもよい。
【００７８】
そして、燃料電池システム２０の発電運転の起動指示を受け付けると（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、ドライエアを燃料電池３１に所定期間供給し、前回の発電運転終了時にカソード４４の周辺に残留した水分を乾燥、除去する（ステップＳ４２０）。ドライエアを供給すると、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の発電運転を起動する（ステップＳ４３０）。
【００７９】
発電運転を起動すると、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の発電運転の停止の指示を待機する（ステップＳ４４０）。そして、発電運転の停止指示を受け付けると（ステップＳ４４０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、燃料ガスの供給を停止した後、ドライエアを燃料電池３１に供給して、燃料電池３１内に残留する水素を完全に消費（発電）させる（ステップＳ４５０）。なお、上記ステップＳ４２０及びＳ４５０においては、ドライエアの供給に代えて、または加えて、高温酸化ガスを供給してもよい。また、発電運転の起動前、または、発電運転の停止後のいずれか一方で、上述の処理を実行してもよい。
【００８０】
かかる構成の燃料電池システム２０は、燃料電池システム２０の発電運転の起動前や停止後に、ドライエアを供給することで、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するので、発電運転の起動後や、次回起動時のカソード４４の水分被毒を抑制し、発電性能の低下を抑制することができる。また、発電運転の停止後には、ドライエアで残留水素を完全に消費するために、ドライエアによるカソード４４の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。また、発電運転を停止した状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。
【００８１】
Ｄ．変形例：
上述した実施例の変形例について説明する。
Ｄ−１．変形例１：
上述の第１実施例や第２実施例においては、制御ユニット９０は、カソード４４の活性が低下したと判断した場合に、ドライエアの供給など、カソード４４の水分被毒を抑制する処理を実行する構成としたが、かかる処理は、カソード４４の活性にかかわらず、常時行ってもよい。こうすれば、より確実に、カソード４４の水分被毒を抑制することができる。また、かかる処理を常時行う場合には、通常時と、カソード４４の活性低下の検知時とで、処理の程度や数に差を設けてもよい。例えば、制御ユニット９０は、ヒータ７５を用いて酸化ガスを常時加熱する場合には、通常時には、酸化ガスが５０℃となるように加熱し、カソード４４の活性低下時には、酸化ガスが１００℃以上となるように制御してもよい。こうすれば、状況に応じて効率的な処理を行うことができる。
【００８２】
あるいは、制御ユニット９０は、所定のタイミングで間欠的に、カソード４４の水分被毒を抑制する処理を実行してもよい。所定のタイミングは、例えば、所定の期間ごととすることができる。こうした期間としては、例えば、発電運転時間が所定時間に達した時や延べ出力が所定値に達した時などとすることができる。こうすれば、処理を効率化できる。
【００８３】
また、第３実施例においては、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのうちの発電運転を行う系統を所定のタイミング、例えば、所定期間ごとに切り替えて、発電運転を停止する系統に対して、ドライエアの供給を行ってもよい。なお、上述した各々の構成において、電圧計３５によるカソード４４の活性低下の検知を処理の実行契機としない場合には、電圧計３５は必須ではない。
【００８４】
Ｄ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、電解質膜４３にイオン液体を保持させる方法として、イオン液体を高分子材でゲル化して形成した電解質膜４３を用いたが、イオン液体の保持方法は、かかる例に限られるものではない。例えば、シリコンカーバイドなどの微粒子で形成されたマトリックス層にイオン液体を含浸させて、マトリックス層にイオン液体を保持させるマトリックス型としてもよいし、アノード４２とカソード４４との間にダイヤフラム膜などにより形成された電解液室に、イオン液体を循環させる自由電解液型としてもよい。これらの方法は、アルカリ形燃料電池やリン酸形燃料電池において一般的に用いられている方法である。
【００８５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた種々の燃料電池システムに適用することができる。また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、燃料電池の運転方法、そのコンピュータプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。
【符号の説明】
【００８６】
２０…燃料電池システム
２０ａ…第１系統
２０ｂ…第２系統
３０，３０ａ，３０ｂ…燃料電池スタック
３１…燃料電池
３５…電圧計
４１…電解質膜・電極接合体
４２…アノード
４３…電解質膜
４４…カソード
４６…ガス拡散層
４７…シール部
５０…セパレータ
５１…燃料ガス供給マニホールド
５２…燃料ガス排出マニホールド
５３…酸化ガス供給マニホールド
５４…酸化ガス排出マニホールド
５５…冷却水供給マニホールド
５６…冷却水排出マニホールド
６０，６０ａ，６０ｂ…燃料ガス系機器
６１…水素タンク
６２…シャットバルブ
６３…レギュレータ
６４，６５，６８…配管
６６…希釈器
７０，７０ａ，７０ｂ…酸化ガス系機器
７１…エアクリーナ
７２…エアコンプレッサ
７３…三方弁
７４…脱水装置
７５…ヒータ
７６，７８…配管
７７…バイパス配管
８０，８０ａ，８０ｂ…冷却系機器
８１…ラジエータ
８２…循環ポンプ
８３…配管
９０…制御ユニット
９１…監視部
９２…水分除去制御部
９５…出力要求
９６，９６ａ，９６ｂ…各種アクチュエータ
９７，９７ａ，９７ｂ…各種センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、更に詳しくは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の形式の燃料電池が開発されている。そのうちの１つに、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた燃料電池がある。こうした電解質としては、例えば、イオン液体を挙げることができる。イオン液体は、イオン性物質でありながら常温で液体であるという性質を有しており、不揮発性で、熱安定性が高く、加湿する必要がないことから、中温域（例えば、１００〜１５０℃）で高効率の発電を行う燃料電池の電解質として注目されている。
【０００３】
しかしながら、イオン液体を電解質として利用する燃料電池は、他の形式の燃料電池と比べて、開発の歴史が比較的浅く、さらなる改良が望まれていた。かかる課題は、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池に共通する課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池の発電性能を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段とを備えた燃料電池システム。
【０００８】
かかる構成の燃料電池システムは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を備える燃料電池において、被毒抑制処理によってカソードの水分被毒を抑制できるので、カソードの活性低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。なお、カソードの水分被毒とは、カソードに所定量の水分が付着すると、カソードの活性が急激に低下することであり、かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。
【００１０】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、被毒抑制処理を行って、活性を回復させることができるので、効率的に、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、前記被毒抑制処理の１つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。
【００１２】
かかる構成の燃料電池システムは、脱水手段によって水分量が低減された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、前記被毒抑制処理の１つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。
【００１４】
かかる構成の燃料電池システムは、加熱手段によって加熱された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１５】
［適用例５］前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システム。
【００１６】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードに供給する酸化ガスの流速を速くすることで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１７】
［適用例６］前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる適用例１ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池。
【００１８】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を燃料電池に発生させ、発電反応による自己発熱によって、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。
【００１９】
［適用例７］前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う適用例３または適用例４記載の燃料電池システム。
【００２０】
かかる構成の燃料電池システムは、発電運転の起動前に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び／または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行うので、前回の発電運転時にカソードに残留した水分を発電運転前に事前に乾燥、除去し、カソードの水分被毒を抑制して、好適な発電運転を行うことができる。
【００２１】
［適用例８］前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う適用例３または適用例４記載の燃料電池システム。
【００２２】
かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電運転の停止後に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び／または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行う。したがって、カソードの周辺の水分を乾燥、除去して、残留させないので、次回の発電運転開始時において、カソードの水分被毒を抑制して、好適に発電運転を行うことができる。
【００２３】
［適用例９］燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段とを備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。
【００２４】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に被毒抑制処理を行うので、システム全体として、カソードの活性低下による発電性能の低下を抑制した運転を行うことができる。また、発電運転を停止して被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、または、短時間で、活性の低下を回復させることができる。
【００２５】
［適用例１０］前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む適用例１ないし適用例９のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２６】
かかる構成の燃料電池システムは、無水電解質をトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むものとすれば、高いプロトン伝導度を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。
【００２７】
［適用例１１］前記カソードは、少なくとも白金を含む適用例１ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２８】
かかる構成の燃料電池システムは、カソードに白金を含む構成とすれば、高い触媒活性を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。
【００２９】
また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、適用例１２の燃料電池の運転方法、そのプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。
［適用例１２］無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記カソードの活性を監視し、前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する燃料電池システムの運転方法。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック３０の概略構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システム２０におけるカソード被毒抑制処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】電解質にイオン液体を用いた従来型燃料電池における、イオン液体への水の添加量と酸素還元電流密度（電圧０．８Ｖ時）との関係を示す説明図である。
【図５】第２実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例としての燃料電池システム２０における運転切替処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】第３実施例としての燃料電池システム２０における起動・停止処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の概略構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム２０は、電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック３０、燃料電池スタック３０に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器６０、燃料電池スタック３０に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器７０、燃料電池スタック３０を冷却する冷却系機器８０、燃料電池システム２０を制御する制御ユニット９０を備えている。
【００３２】
燃料電池スタック３０は、アノード、カソード、電解質膜、セパレータ等を備える燃料電池３１を複数積層して構成される。燃料電池スタック３０の構成の詳細については、後述する。燃料電池スタック３０には、電圧計３５が設けられている。電圧計３５は、各々の燃料電池３１の出力電圧と、燃料電池スタック３０の全体出力電圧とを測定可能である。
【００３３】
燃料ガス系機器６０は、水素タンク６１、シャットバルブ６２、レギュレータ６３、希釈器６６、配管６４，６５，６８を備えている。水素タンク６１に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ６２、レギュレータ６３によって圧力及び供給量が調整されて、配管６４を介して燃料電池スタック３０のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスともいう）は、配管６５を介して希釈器６６に導かれた後、配管６８を介して、燃料電池システム２０の系外に排出される。
【００３４】
酸化ガス系機器７０は、エアクリーナ７１、エアコンプレッサ７２、三方弁７３、脱水装置７４、ヒータ７５、配管７６，７８、バイパス配管７７を備えている。エアクリーナ７１から吸入された空気は、エアコンプレッサ７２によって圧縮され、三方弁７３、脱水装置７４、ヒータ７５及び配管７６を介して、燃料電池スタック３０のカソードに酸化ガスとして供給される。また、吸入された空気は、三方弁７３を制御することにより、バイパス配管７７を介して、つまり、脱水装置７４をバイパスして、ヒータ７５に導くこともできる。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスともいう）は、配管７８を介して希釈器６６に導入される。
【００３５】
脱水装置７４は、供給空気中の水分量を低減させる。本実施例では、吸着方式を採用した。具体的には、活性炭が充填された層に空気を通過させることにより、水分を吸着させることとした。ただし、吸着性部材は、活性炭に限るものではなく、例えば、吸水性ポリマーなどであってもよい。また、脱水方式は、吸着式に限らず、冷却や加圧によって脱水する形式であってもよい。脱水装置７４は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム２０の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、供給空気は、バイパス配管７７を介してヒータ７５に導かれるように、三方弁７３が制御される。
【００３６】
ヒータ７５は、本実施例では、電熱式ヒータであり、供給空気の流路に設けられた加熱器によって、供給空気を加熱する。本実施例では、ヒータ７５を起動すると、空気を１００℃以上に加熱することができる。ヒータ７５は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム２０の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、ヒータ７５は、停止（ＯＦＦ）状態にある。なお、本実施例のように、ヒータ７５を、脱水装置７４と燃料電池スタック３０との間の経路に設ければ、脱水装置７４を経由するルートで供給された空気をヒータ７５で加熱する際には、供給空気の水分が少ないので、効率的に加熱することができる。ただし、脱水装置７４及びヒータ７５の配列順序は逆であってもよい。
【００３７】
希釈器６６は、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を希釈する。希釈器６６から排出された排出ガスは、配管６８を介して、燃料電池システム２０の系外へ排出される。なお、燃料ガス系機器６０は、アノードオフガスを、再度、配管６４に導いて、燃料電池スタック３０で循環使用する構成としてもよい。また、燃料ガス系機器６０は、アノードオフガスの排出経路を持たない、いわゆるアノードデッドエンドの構成としてもよい。また、燃料ガス系機器６０と酸化ガス系機器７０とは、それぞれ個別的にオフガスの排出経路を備えていてもよい。
【００３８】
冷却系機器８０は、ラジエータ８１、循環ポンプ８２、配管８３を備えている。冷却水は、配管８３を介して循環ポンプ８２によって燃料電池スタック３０とラジエータ８１との間を循環する。これにより、燃料電池スタック３０の電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ８１で放熱することで、燃料電池スタック３０の温度を適正に保つことができる。
【００３９】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求９５と燃料電池システム２０の各種センサ９７からの信号を受けて、レギュレータ６３、エアコンプレッサ７２、ヒータ７５等や、燃料電池システム２０の各種アクチュエータ９６に駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。また、制御ユニット９０は、監視部９１、水分除去制御部９２としても機能する。この監視部９１及び水分除去制御部９２の詳細については、「Ａ−３．カソード被毒抑制処理」で後述する。
【００４０】
Ａ−２．燃料電池スタック３０の概略構成：
上述した燃料電池スタック３０の構成について、図２を用いて説明する。本実施例の燃料電池スタック３０は、電解質膜・電極接合体４１、ガス拡散層４６、セパレータ５０を備える燃料電池３１が複数積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて構成される。なお、燃料電池スタック３０は、燃料電池３１を複数積層した構成に限らず、勿論、単一の燃料電池３１で構成されてもよい。
【００４１】
電解質膜・電極接合体４１は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード４２、電解質膜４３、カソード４４を備えている。電解質膜４３は、イオン液体を利用した、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質である。本実施例においては、電解質膜４３は、イオン液体をゲル化して形成した。こうしたゲル化材としては、種々の高分子材などを用いることができるが、本実施例では、環状ジペプチド誘導体（ｃｙｃｌｏ（Ｌ−Ａｓｐ（ＯＲ）−Ｌ−Ｐｈｅ））を用いた。
【００４２】
また、イオン液体は、常温で液体となる塩であり、種々の公知のものを用いることができる。例えば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体であってもよいし、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンとを含むイオン液体であってもよい。本実施例では、プロトン伝導性に優れたトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むイオン液体を用いた。
【００４３】
アノード４２及びカソード４４は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成され、触媒、電解質及び反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の三相界面を形成する。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子を上述のイオン液体に浸漬し、アイオノマー（ここでは、ポリテトラフルオロエチレン）で固着させたものを用いた。本実施例では、触媒として活性が高い白金を用いたが、触媒の種類は、特に限定するものではなく、例えば、白金とニッケルやコバルトとの合金を用いてもよいし、ニッケルやルテニウムなどを用いてもよい。
【００４４】
ガス拡散層４６は、電解質膜・電極接合体４１での電気化学反応に供される反応ガスの流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層４６は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。本実施例においては、カーボンクロスを用いた。
【００４５】
また、上述の電解質膜・電極接合体４１及びガス拡散層４６の外周部には、ガス拡散層４６によって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部４７が設けられている。シール部４７には、図示するとおり、いくつかの貫通孔が設けられている。当該貫通孔は、セパレータ５０にも同様に設けられており、セパレータ５０の説明と共に以下に述べる。
【００４６】
セパレータ５０は、反応ガスの流路となるガス拡散層４６の壁面を成す部位である。本実施例においては、ステンレス鋼を用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンなどであってもよい。セパレータ５０及び上述のシール部４７には、その外周部にいくつかの貫通孔が設けられている。これらの貫通孔が連通することで、図示するように、燃料ガスの流路としての燃料ガス供給マニホールド５１及び燃料ガス排出マニホールド５２、酸化ガスの流路としての酸化ガス供給マニホールド５３及び酸化ガス排出マニホールド５４、冷却水の流路としての冷却水供給マニホールド５５及び冷却水排出マニホールド５６が形成されている。
【００４７】
上述した燃料ガス系機器６０の配管６４から燃料ガス供給マニホールド５１に供給された燃料ガスは、セパレータ５０の内部に形成された流路及び孔部（図示せず）を介して、ガス拡散層４６に供給され、ガス拡散層４６からアノード４２に供給される。そして、アノードオフガスは、ガス拡散層４６からセパレータ５０の孔部及び内部に形成された流路（図示せず）を介して、燃料ガス排出マニホールド５２に排出され、燃料ガス系機器６０の配管６５に導かれる。
【００４８】
また、上述した酸化ガス系機器７０の配管７６から酸化ガス供給マニホールド５３に供給された酸化ガスは、セパレータ５０の内部に形成された流路及び孔部（図示せず）を介して、ガス拡散層４６に供給され、ガス拡散層４６からカソード４４に供給される。そして、カソードオフガスは、ガス拡散層４６からセパレータ５０の孔部及び内部に形成された流路（図示せず）を介して、酸化ガス排出マニホールド５４に排出され、酸化ガス系機器７０の配管７８に導かれる。
【００４９】
また、上述した冷却系機器８０から冷却水供給マニホールド５５に供給された冷却水は、セパレータ５０の内部に形成された流路（図示せず）を介して、冷却水排出マニホールド５６に排出され、再び、冷却系機器８０に導かれる。
【００５０】
上述した燃料電池システム２０は、電解質膜４３が、無水条件でプロトン伝導性を有することから、１００℃以上での運転が可能である。本実施例においては、燃料電池システム２０の運転温度は、１００℃以上、具体的には、１２０℃である。このように、運転温度を高めに設定するのは、触媒に白金を用いる場合には、触媒にイオン液体が吸着し、酸素還元反応が阻害されて過電圧が増大するおそれがあり、高温化によって過電圧の増大を抑制できるからである。ただし、燃料電池システム２０の運転の温度は、中温域であればよく、例えば、常温から１８０℃程度の範囲であってもよい。
【００５１】
Ａ−３．カソード被毒抑制処理：
燃料電池システム２０におけるカソード被毒抑制処理について図３を用いて説明する。ここでのカソード被毒抑制処理とは、カソード４４に供給される酸化ガス中に含まれる水分や、カソード４４で発電反応により生成される生成水によって、カソード４４が被毒し、活性が低下することを抑制する処理である。本実施例では、カソード被毒抑制処理は、燃料電池システム２０の発電運転が定常運転に達したときに開始され、繰返し実行される。ここでの定常運転とは、燃料電池システム２０の起動モードの運転が終了した後に、停止モードの運転が開始されるまでに行われる運転をいう。
【００５２】
カソード被毒抑制処理が開始されると、制御ユニット９０は、監視部９１の処理として、電圧計３５が検出した電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。本実施例においては、電圧Ｖとは、燃料電池スタック３０を構成する各々の燃料電池３１の出力電圧であり、いずれかの燃料電池３１の出力電圧が所定値Ｔｈ以下となれば、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下になったと判断する。こうすれば、より安全側で燃料電池スタック３０の出力低下を検知できるからである。ただし、電圧Ｖは、燃料電池スタック３０の全体電圧としてもよい。あるいは、制御ユニット９０は、所定数の燃料電池３１の出力電圧が所定値Ｔｈ以下となった場合に、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下になったと判断してもよい。
【００５３】
ステップＳ１１０での判断は、カソード４４の活性が低下しているか否かの判断を行うものであり、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下となった際に、カソード４４の活性が所定以下に低下したと判断する。ただし、カソード４４の活性低下の判断基準は、このような例に限るものではない。本実施例の燃料電池システム２０においては、燃料電池３１の出力電圧が低下する主な要因は、カソード４４の活性低下と、燃料電池３１の運転温度Ｔの低下である。したがって、例えば、燃料電池スタック３０が運転温度Ｔを検知する温度センサを備える構成とし、制御ユニット９０は、運転温度Ｔが所定値以上であり、かつ、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下の場合にのみ、カソード４４の活性が低下したと判断してもよい。
【００５４】
その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈよりも大きければ（ステップＳ１１０：ＮＯ）、カソード４４の活性は低下していないということであり、制御ユニット９０は、処理を元に戻す。一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は低下しているということであり、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、出力要求９５よりも大きい電流を流す制御を行う（ステップＳ１２０）。具体的には、シャットバルブ６２、レギュレータ６３及びエアコンプレッサ７２を制御して、出力要求９５に対応する反応ガスの供給量よりも多量の反応ガスを燃料電池スタック３０に供給する。このように大きい電流を流すのは、燃料電池スタック３０の発電反応による発熱量を増加させて、自己発熱によって、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためである。
【００５５】
出力要求９５よりも大きい電流を流すと、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。ここでの所定値Ｔｈは、上述のステップＳ１１０における所定値Ｔｈと同じ値である。また、後述するステップＳ１５０及びステップＳ１７０における所定値Ｔｈも同様である。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、ヒータ７５を起動（ＯＮ）し、１００℃以上の酸化ガス（以下、高温酸化ガスともいう）を燃料電池スタック３０に供給する（ステップＳ１４０）。本実施例では、ヒータ７５によって、酸化ガスが１１０℃まで加熱される。
【００５６】
このように、高温酸化ガスを供給するのは、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためであり、酸化ガスの温度を水の沸点（１００℃）以上にすることで、乾燥、除去効果が大きくなる。ただし、酸化ガスの加熱温度は、１００℃以下であってもよい。１００℃以下であっても、加熱しない場合と比べて、水の飽和蒸気圧が大きくなり、水分の乾燥、除去効果がある程度期待できるからである。
【００５７】
また、ヒータ７５の電源として、ステップＳ１２０において出力要求９５よりも大きな出力の発電を行う際の余剰電力を利用することができる。つまり、ステップＳ１２０の処理とステップＳ１４０の処理とを組み合わせることで、効率的な処理を実現できる。ただし、ヒータ７５の電源として、燃料電池システム２０が備えるバッテリの電力などを利用してもよい。
【００５８】
ヒータ７５を起動すると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、三方弁７３を制御して、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替える（ステップＳ１６０）。これにより、脱水装置７４によって、水分量が低減された酸化ガス（以下、ドライエアともいう）が燃料電池スタック３０に供給される。
【００５９】
ドライエアを供給すると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、更に、水分除去制御部９２の処理として、エアコンプレッサ７２を制御して、供給する酸化ガスの流速を速くする（ステップＳ１８０）。
【００６０】
酸化ガスの流速を速くすると、制御ユニット９０は、所定期間の経過後、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１９０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、カソード４４の活性は回復していないので、制御ユニット９０は、発電運転を行いながら、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理を継続する。
【００６１】
一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈより大きければ（ステップＳ１９０：ＮＯ）、あるいは、上記ステップＳ１３０，Ｓ１５０，Ｓ１７０において電圧Ｖが所定値Ｔｈより大きければ（ステップＳ１３０，Ｓ１５０，Ｓ１７０のいずれか：ＮＯ）、カソード４４の活性は回復したので、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理を停止し、燃料電池スタック３０の運転を通常運転に戻す（ステップＳ２００）。こうして、カソード被毒抑制処理は、終了となる。
【００６２】
上述のカソード被毒抑制処理においては、制御ユニット９０は、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の４つの処理を、当該順序で、所定の経過期間を経て、段階的に実行する構成としたが、４つの処理の処理順序は、特に限定するものではなく、任意に入れ替えてもよい。また、制御ユニット９０は、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下である場合に、４つの処理のうちの少なくとも２つを同時に実行する構成としてもよい。また、制御ユニット９０は、４つの処理を全て実行する必要はなく、これらの処理のうちの少なくとも１つを実行する構成としてもよい。また、４つの処理の実行の可否の判断基準となる所定値Ｔｈは、上述のように全てを同一の値にする必要はなく、それぞれが異なる値であってもよい。また、制御ユニット９０は、電圧Ｖの値に応じて、上記ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ１８０の処理のうちから実行する処理を選択してもよい。
【００６３】
Ａ−４．効果：
本実施例の効果について説明する前に、イオン液体を電解質に用いた従来の燃料電池（以下、従来型燃料電池という）における課題について説明する。図４は、従来型燃料電池における電解質としてのイオン液体に水を添加し、その水の添加量と酸素還元電流密度（電圧０．８Ｖ時）との関係をプロットした図である。図示するように、従来型燃料電池の酸素還元電流密度は、水添加量が１０００ｐｐｍまでは０．１５〜０．１６ｍＡ／ｃｍ2の範囲で推移しているのに対して、水添加量が約１００００ｐｐｍでは、約０．０４ｍＡ／ｃｍ2、１０００００ｐｐｍでは、ほぼ０ｍＡ／ｃｍ2となる。
【００６４】
つまり、水添加量が所定以上増加すると、酸素還元電流密度は、急激に低下するのである。このことは、従来型燃料電池においては、酸化ガス中に含まれる水分や発電反応による生成水がカソードに所定以上残留すると、カソードの活性を急激に低下させること（カソードの水分被毒）を示している。かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。
【００６５】
かかる課題を踏まえ、上述した本実施例の燃料電池システム２０は、燃料電池３１の電圧Ｖが低下したことを検知すると、すなわち、カソード４４の活性が水分被毒によって低下したことを検知すると、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去する処理、具体的には、以下の４つの処理を実行する。
（１）出力要求９５よりも大きな電流を流す。
（２）高温酸化ガスを燃料電池３１に供給する。
（３）ドライエアを燃料電池３１に供給する。
（４）酸化ガスの流速を速くする。
燃料電池システム２０は、こうした処理によって、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去して、水分によるカソード４４の被毒を回復させ、発電性能の低下を抑制することができる。
【００６６】
また、上述の４つの処理を段階的に実行するので、処理の内容が過大となることがなく、効率的である。また、カソード４４の活性が低下した場合にのみ、上述の４つの処理を実行するので、効率的である。
【００６７】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、第１実施例と異なる点について説明する。第２実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を図５に示す。図示するように、第２実施例としての燃料電池システム２０は、第１系統２０ａと、第２系統２０ｂと、制御ユニット９０とを備えている。第１系統２０ａは、燃料電池スタック３０ａ、燃料ガス系機器６０ａ、酸化ガス系機器７０ａ、冷却系機器８０ａを備えている。燃料電池スタック３０ａ，燃料ガス系機器６０ａ、酸化ガス系機器７０ａ、冷却系機器８０ａの各々の構成は、上述した第１実施例の燃料電池スタック３０，燃料ガス系機器６０、酸化ガス系機器７０、冷却系機器８０と同様であり、図示を簡略化している。第２系統２０ｂの構成は、第１系統２０ａと同様である。つまり、燃料電池システム２０は、２系列の燃料電池スタックを備えている。なお、以降、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂの構成機器については、第１実施例で用いた構成機器の符号の末尾に「ａ」，「ｂ」を付して表現するものとする。
【００６８】
制御ユニット９０の構成は、基本的には第１実施例と同様であるが、出力要求９５と、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの各種センサ９７ａ，９７ｂからの信号とを受けて、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの各種アクチュエータ９６ａ，９６ｂに駆動信号を出力し、第１系統２０ａと第２系統２０ｂの両方の運転全般を制御する。また、本実施例においては、制御ユニット９０は、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのいずれか一方を用いて、発電運転を行う。つまり、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのいずれか一方は、予備機として機能する。なお、制御ユニット９０は、各系統ごとに個別的に設けられていてもよい。
【００６９】
かかる燃料電池システム２０における運転切替処理について図６を用いて説明する。運転切替処理とは、カソード４４ａ，４４ｂの水分被毒を抑制しながら、第１系統２０ａと第２系統２０ｂとの発電運転を切り替えて制御する処理である。この処理は、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂのいずれか一方の発電運転が起動され、定常運転に達したときに開始される。ここでは、第１系統２０ａが定常運転に達したものとして説明する。なお、第２系統２０ｂは、停止した状態である。
【００７０】
運転切替処理が開始されると、制御ユニット９０は、図６に示すように、監視部９１の処理として、発電運転中の第１系統２０ａの電圧計３５ａが検出した電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。その結果、電圧Ｖが所定値Ｔｈよりも大きければ（ステップＳ３１０：ＮＯ）、カソード４４ａの活性は低下していないので、制御ユニット９０は、定常運転を継続する。
【００７１】
一方、電圧Ｖが所定値Ｔｈ以下であれば（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、カソード４４ａの活性は低下しているので、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、運転停止中の第２系統２０ｂの発電運転を起動させ（ステップＳ３２０）、起動した第２系統２０ｂの発電運転が定常運転に達するまで待機する（ステップＳ３３０）。
【００７２】
そして、起動した第２系統２０ｂの発電運転が定常運転に達すると（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、当初、発電運転を行っていた第１系統２０ａの発電運転を停止し、ヒータ７５ａを起動（ＯＮ）すると共に、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管７７を経由するルートから脱水装置７４を経由するルートに切り替えて、１００℃以上のドライエアを所定期間、燃料電池スタック３０ａに供給する（ステップＳ３４０）。なお、ここでの処理は、ドライエアの供給と、高温酸化ガスの供給のいずれか一方であってもよい。
【００７３】
１００℃以上のドライエアの供給が終了すると、制御ユニット９０は、当初、発電運転を行っていた第１系統２０ａの運転を停止する（ステップＳ３５０）。こうして、運転切替処理は終了となる。なお、次回の運転切替処理では、第１系統２０ａをステップＳ３２０で起動し、第２系統２０ｂをステップＳ３５０で停止する処理となる。
【００７４】
上述の例では、ステップＳ３４０において、発電運転を停止した状態で、所定期間、１００℃以上のドライエアを第１系統２０ａに供給したが、第１系統２０ａの発電運転を行いながら、１００℃以上のドライエアを供給し、電圧Ｖが所定値よりも大きくなった時点で、当該供給を停止してもよい。こうすれば、カソード４４ａが回復したことを確実に確認してから、第１系統２０ａを停止することができる。また、燃料電池システム２０は、３系列以上の燃料電池スタックを備えていてもよい。少なくとも１系列が予備機として機能すれば、上述の例と同様の制御が可能である。
【００７５】
かかる構成の燃料電池システム２０は、第１系統２０ａ及び第２系統２０ｂのうちのいずれか一方を発電運転させる。そして、発電運転中の系統のカソードの活性が低下すると、発電運転を行う系統を切り替えると共に、活性が低下した系統に対して、高温のドライエアを供給し、活性を回復させる。つまり、活性が低下していない燃料電池スタックによって好適な発電を行いながら、活性が低下した燃料電池スタックのカソードの活性を回復させることができる。したがって、システム全体として、発電性能の低下を抑制することができる。また、新たに起動する系統は、活性が回復した状態で発電運転を開始することが可能である。また、発電運転を停止した状態で、すなわち、カソード４４に生成水が生成されない状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。また、発電運転を停止した後も、高温のドライエアで残留水素を完全に消費（発電）できるので、高温のドライエアによるカソード４４の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。
【００７６】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について第１実施例と異なる点について説明する。第３実施例としての燃料電池システム２０の構成は、第１実施例と同様であり、後述する起動・停止処理を行う点が、第１実施例と異なる。以下、起動・停止処理について図７を用いて説明する。起動・停止処理とは、カソード４４の活性低下を抑制するための燃料電池システム２０の起動及び停止制御を行う処理である。本実施例においては、起動・停止処理は、燃料電池システム２０の電源を投入した際に開始される。
【００７７】
起動・停止処理が開始されると、制御ユニット９０は、図７に示すように、燃料電池システム２０の発電運転の起動の指示を待機する（ステップＳ４１０）。かかる指示は、燃料電池システム２０が備えるユーザインタフェースから受け付けてもよいし、燃料電池システム２０が搭載される車両や機器のＣＰＵ等から受け付けてもよい。
【００７８】
そして、燃料電池システム２０の発電運転の起動指示を受け付けると（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、ドライエアを燃料電池３１に所定期間供給し、前回の発電運転終了時にカソード４４の周辺に残留した水分を乾燥、除去する（ステップＳ４２０）。ドライエアを供給すると、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の発電運転を起動する（ステップＳ４３０）。
【００７９】
発電運転を起動すると、制御ユニット９０は、燃料電池システム２０の発電運転の停止の指示を待機する（ステップＳ４４０）。そして、発電運転の停止指示を受け付けると（ステップＳ４４０：ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、水分除去制御部９２の処理として、燃料ガスの供給を停止した後、ドライエアを燃料電池３１に供給して、燃料電池３１内に残留する水素を完全に消費（発電）させる（ステップＳ４５０）。なお、上記ステップＳ４２０及びＳ４５０においては、ドライエアの供給に代えて、または加えて、高温酸化ガスを供給してもよい。また、発電運転の起動前、または、発電運転の停止後のいずれか一方で、上述の処理を実行してもよい。
【００８０】
かかる構成の燃料電池システム２０は、燃料電池システム２０の発電運転の起動前や停止後に、ドライエアを供給することで、カソード４４の周辺に存在する水分を乾燥、除去するので、発電運転の起動後や、次回起動時のカソード４４の水分被毒を抑制し、発電性能の低下を抑制することができる。また、発電運転の停止後には、ドライエアで残留水素を完全に消費するために、ドライエアによるカソード４４の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。また、発電運転を停止した状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。
【００８１】
Ｄ．変形例：
上述した実施例の変形例について説明する。
Ｄ−１．変形例１：
上述の第１実施例や第２実施例においては、制御ユニット９０は、カソード４４の活性が低下したと判断した場合に、ドライエアの供給など、カソード４４の水分被毒を抑制する処理を実行する構成としたが、かかる処理は、カソード４４の活性にかかわらず、常時行ってもよい。こうすれば、より確実に、カソード４４の水分被毒を抑制することができる。また、かかる処理を常時行う場合には、通常時と、カソード４４の活性低下の検知時とで、処理の程度や数に差を設けてもよい。例えば、制御ユニット９０は、ヒータ７５を用いて酸化ガスを常時加熱する場合には、通常時には、酸化ガスが５０℃となるように加熱し、カソード４４の活性低下時には、酸化ガスが１００℃以上となるように制御してもよい。こうすれば、状況に応じて効率的な処理を行うことができる。
【００８２】
あるいは、制御ユニット９０は、所定のタイミングで間欠的に、カソード４４の水分被毒を抑制する処理を実行してもよい。所定のタイミングは、例えば、所定の期間ごととすることができる。こうした期間としては、例えば、発電運転時間が所定時間に達した時や延べ出力が所定値に達した時などとすることができる。こうすれば、処理を効率化できる。
【００８３】
また、第３実施例においては、第１系統２０ａと第２系統２０ｂのうちの発電運転を行う系統を所定のタイミング、例えば、所定期間ごとに切り替えて、発電運転を停止する系統に対して、ドライエアの供給を行ってもよい。なお、上述した各々の構成において、電圧計３５によるカソード４４の活性低下の検知を処理の実行契機としない場合には、電圧計３５は必須ではない。
【００８４】
Ｄ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、電解質膜４３にイオン液体を保持させる方法として、イオン液体を高分子材でゲル化して形成した電解質膜４３を用いたが、イオン液体の保持方法は、かかる例に限られるものではない。例えば、シリコンカーバイドなどの微粒子で形成されたマトリックス層にイオン液体を含浸させて、マトリックス層にイオン液体を保持させるマトリックス型としてもよいし、アノード４２とカソード４４との間にダイヤフラム膜などにより形成された電解液室に、イオン液体を循環させる自由電解液型としてもよい。これらの方法は、アルカリ形燃料電池やリン酸形燃料電池において一般的に用いられている方法である。
【００８５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた種々の燃料電池システムに適用することができる。また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、燃料電池の運転方法、そのコンピュータプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。
【符号の説明】
【００８６】
２０…燃料電池システム
２０ａ…第１系統
２０ｂ…第２系統
３０，３０ａ，３０ｂ…燃料電池スタック
３１…燃料電池
３５…電圧計
４１…電解質膜・電極接合体
４２…アノード
４３…電解質膜
４４…カソード
４６…ガス拡散層
４７…シール部
５０…セパレータ
５１…燃料ガス供給マニホールド
５２…燃料ガス排出マニホールド
５３…酸化ガス供給マニホールド
５４…酸化ガス排出マニホールド
５５…冷却水供給マニホールド
５６…冷却水排出マニホールド
６０，６０ａ，６０ｂ…燃料ガス系機器
６１…水素タンク
６２…シャットバルブ
６３…レギュレータ
６４，６５，６８…配管
６６…希釈器
７０，７０ａ，７０ｂ…酸化ガス系機器
７１…エアクリーナ
７２…エアコンプレッサ
７３…三方弁
７４…脱水装置
７５…ヒータ
７６，７８…配管
７７…バイパス配管
８０，８０ａ，８０ｂ…冷却系機器
８１…ラジエータ
８２…循環ポンプ
８３…配管
９０…制御ユニット
９１…監視部
９２…水分除去制御部
９５…出力要求
９６，９６ａ，９６ｂ…各種アクチュエータ
９７，９７ａ，９７ｂ…各種センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、
前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、
前記被毒抑制処理の１つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、
前記被毒抑制処理の１つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
【請求項５】
前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段と
を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む請求項１ないし請求項９のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソードは、少なくとも白金を含む請求項１ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記カソードの活性を監視し、
前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、
前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、
前記被毒抑制処理の１つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、
前記被毒抑制処理の１つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
【請求項５】
前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の１つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段と
を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む請求項１ないし請求項９のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソードは、少なくとも白金を含む請求項１ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記カソードの活性を監視し、
前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する
燃料電池システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５１２１９（Ｐ２０１０−２５１２１９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０１５５７（Ｐ２００９−１０１５５７）
【出願日】平成２１年４月２０日（２００９．４．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２０日（２００９．４．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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