JP2003031254A - 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転停止時に、ガス流通溝における湿潤ガス
の滞留および水分の凝縮を防止し、再度発電を開始した
際に停止前と同等の高い電池出力を得ることが可能な固
体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法を提
供する。 【解決手段】 燃料電池への反応ガスの供給を停止後所
定時間内に、少なくとも一方の反応ガスの排出側から当
該加湿装置を経由して燃料電池外部へ、不活性ガスまた
は未加湿の当該反応ガスを、燃料電池内の水分低減のた
めに所定時間通流する。例えば、電池１の発電を停止し
反応ガスの供給を停止した後、１分後に空気供給系の４
方バルブ８および排気系の３方バルブ９を切り換えて、
空気を、４方バルブ８，接続配管１０，３方バルブ９を
経由して、通常の流通方向とは逆方向に流して、電池の
空気排出側から導入し、空気加湿装置３を流通した後に
４方バルブ８を介して、外部に排気する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高分子電解質型
燃料電池発電装置、特に、内部加湿型の燃料ガス加湿装
置および空気加湿装置を備える固体高分子電解質型燃料
電池発電装置とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池発電装置
は、燃料電池の最小単位である単セルを多数積層した燃
料電池スタック（以下、単に「電池」，「燃料電池」と
もいう。）と、この燃料電池に反応ガス（水素を含有す
る燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガス、通常は空
気）を必要量供給するためのガス供給装置と、その他周
辺装置および制御装置とを基本として構成される。

【０００３】図２は、従来の一般的な固体高分子電解質
型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図を示す。原
燃料として例えば、天然ガス，メタノール等を供給する
場合、原燃料は、図示しない脱硫器，改質器，CO変成
器，CO除去器等から構成される燃料処理装置により数十
ppm程度のCOおよび２０％程度のCO₂を含む水素を主成分
とする燃料ガスに改質され、電池１に供給される。電池
１には図示しない空気ブロアから空気が供給され、電池
１において水素と酸素の電気化学反応により発電を行
う。

【０００４】電池１で消費されなかった空気は大気中に
排気され、燃料ガスは図示しない燃料処理装置に戻され
て改質反応に必要な熱の供給源として燃焼消費される。
電池１の温度を適度に保つため、通常電池冷却媒体が供
給され、冷却媒体としては一般的に水が使用されるが空
冷の場合もある。電池冷却媒体は図示しない熱交換器で
冷却された後、循環ポンプにより電池１に供給される。
電池出力はDCであるため、AC出力が必要な場合にはイン
バータが組込まれる。

【０００５】図２において、燃料ガス加湿装置２および
空気加湿装置３は、それぞれ、燃料ガスおよび空気を電
池１に導入する前に加湿し、ガス中の水蒸気分圧を上昇
させる装置である。これは、後に詳述するように、電池
１の各単電池の構成材である電解質膜６が乾燥し、イオ
ン伝導性が低下するのを防ぐ目的で設けられる。

【０００６】ところで、固体高分子電解質型燃料電池の
最小発電単位であるセルの構成は、一般に、図４のよう
に表わされる。膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎ
ｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質
膜３１の両面に貴金属（主として白金）を含む触媒層４
０（以下、電極触媒層ともいう。）を接合して形成され
る。ＭＥＡの外側には多孔質の拡散層３３（以下、拡散
電極層ともいう。）があって、反応ガスとしての燃料ガ
スと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝
える働きをする。

【０００７】多孔質の拡散層３３と触媒層４０とを合わ
せて、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤
ガスが通流される側をカソード電極という。また、広義
のＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極
を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレ
ータ３２で挟むことにより、セルが構成される。

【０００８】電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も
一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜には
Nafion^TM（米国・デュポン社製商品名）がある。これら
の電解質膜の特徴は、他の高分子電解質と比較してプロ
トン伝導性が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激に
プロトン伝導性が低下することである。このため固体高
分子電解質型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状
態に制御することが求められる。通常は反応ガスを加湿
することによって電解質膜の乾燥を防止する。

【０００９】図３は、図４とはセパレータのガス通流溝
が一部異なるものの、図４と同様なセル構成の模式的断
面図である。図３において、４は空気極（カソード電
極）、５は燃料極（アノード電極）、６は固体高分子の
電解質膜を示す。空気極４は、空気極触媒層４１，空気
極拡散層４２，空気極セパレータ４３からなる。また、
燃料極５は、燃料極触媒層５１，燃料極拡散層５２，燃
料極セパレータ５３からなる。７は各セパレータが備え
るガス通流溝である。

【００１０】ところで、前述のように、固体高分子電解
質型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、水を
含んだ湿潤状態において高いイオン（プロトン）伝導性
を示すため、反応ガスを水で加湿することにより高い電
池特性が得られる。図２に示す燃料ガス加湿装置２およ
び空気加湿装置３は、加湿装置を燃料電池発電装置の一
構成部材として示したが、実際には電池１に内蔵させた
り、また電池反応の生成水や改質燃料ガス中の水蒸気を
活用することにより、その一方または両方を省略するこ
ともある。

【００１１】通常、反応ガスを加湿する方法としては、
スタックの外部に設けた加湿用タンクなどで反応ガスを
加湿してから供給する方法（外部加湿方式）や、単電池
と類似の寸法/形状の加湿セルをスタックの一部に組み
込み、加湿セルを通った反応ガスを発電部に供給する方
法（内部加湿方式）が考えられている。

【００１２】例えば、外部加湿方式としては、バブリン
グタンク方式と呼称される方式で、加湿用容器に貯留さ
れた水の中に反応ガスを散気し、水中から脱気した反応
ガスを積層燃料電池へ通流するように構成したもの、ま
た、内部加湿方式としては、ガス流通溝を有するセパレ
ータと、加湿水流通溝を有するセパレータとで多孔質支
持体を介して水透過膜を挟持し、全体で加湿板を構成
し、加湿膜としての水透過膜を介して反応ガスの加湿を
行うように構成したもの等である。

【００１３】図５は、前記加湿板の構成を示す模式的断
面図である。図５に示す加湿板は、加湿膜としての水透
過膜７１を介して反応ガスの加湿を行うもので、ガス流
通溝７４を有するセパレータＡ７２と、加湿水流通溝７
５を有するセパレータＢ７３とで多孔質支持体７６を介
して水透過膜７１を挟持し、全体で加湿板を構成する。
加湿水は、水透過膜７１を透過し、ガス流通溝でガスと
接触して反応ガスを加湿する。この加湿板を１個または
複数個積層しスタック状にして加湿器とする。この加湿
板は、燃料電池スタックにビルトインされ、セルととも
に積層されることもある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、反応ガスを
加湿する燃料電池発電装置、特に内部加湿型の燃料ガス
加湿装置および空気加湿装置を備える燃料電池発電装置
においては、下記のような問題がある。

【００１５】燃料および空気の水蒸気分圧が、電池１の
各単電池の運転温度における飽和水蒸気圧よりも低い
と、燃料あるいは空気が電解質膜６より水分を奪い、そ
の結果、電解質膜の水分含有量が減少し電解質膜６のイ
オン伝導性が低下する。従って、電解質膜６を十分に湿
潤に保つ観点からは、燃料ガスおよび空気の水蒸気分圧
が電池入口において、電池１の各単電池の運転温度にお
ける飽和水蒸気圧相当以上の水蒸気分圧を有しているこ
とが望ましい。

【００１６】一方、水蒸気分圧の高い反応ガスを電池１
に導入すると、図３中のセパレータ４３，５３に形成さ
れたガス流通溝７に過飽和となった水分が水滴となって
滞留し、反応ガスの流通を阻害し、電池出力の低下を招
くことがある。特にガス流通溝７の出口側では、反応ガ
ス中の水素または酸素が電池反応により消費されてガス
流量が減るが、一方で水分量は維持されるばかりか電池
反応による生成水が加わるため、過飽和となり水滴とし
て凝縮しやすい。そのため、水滴ができても、ガス流の
動圧力により溝外へ排出できるように、ガス流通溝７の
形状を最適化している。

【００１７】しかしながら、電池１の運転を停止する際
には、反応ガスの供給を停止するため、ガス流通溝７中
に水分を多量に含むガスが滞留し、しかも電池１の温度
が低下していって過飽和度が増すために、多くの水分が
凝縮し、ガス流通溝７に蓄積することとなる。再起動時
には電池１の温度を上げてから発電を開始するが、凝結
して大きな水滴となった部位においては、容易には、水
滴は消散しない。

【００１８】これを防ぐためには、停止時に相対湿度が
低く十分に乾燥したガスでガス流通溝７を置換しておく
ことが有効であるが、電池内部の反応ガス入口側に加湿
部を設けたいわゆる内部加湿型の燃料ガス加湿装置およ
び空気加湿装置を備える燃料電池発電装置においては、
加湿部と発電部とを切り放して置換ガスを導入すること
が難しく、置換ガスは、発電部に到達するまでに内部加
湿器で加湿された湿潤ガスとなり、やはりガス流通溝７
に、湿潤したガスが滞留することとなる。

【００１９】この発明は、上記の点に鑑みてなされたも
ので、この発明の課題は、燃料電池発電装置の運転停止
時に、ガス流通溝における湿潤ガスの滞留および水分の
凝縮を防止し、再度発電を開始した際に停止前と同等の
高い電池出力を得ることが可能な固体高分子電解質型燃
料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明においては、固体高分子電解質膜を挟ん
で配設した電極触媒層を備えるアノード電極およびカソ
ード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガ
スを、前記カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を通
流するようにしてなる燃料電池を備え、前記燃料ガスお
よび空気の少なくとも一方が内部加湿型加湿装置を通流
後電極に供給される構成とした固体高分子電解質型燃料
電池発電装置の運転方法において、前記燃料電池への反
応ガス（前記燃料ガスおよび空気）の供給を停止後所定
時間内に、前記少なくとも一方の反応ガスの排出側から
当該加湿装置を経由して燃料電池外部へ、不活性ガスま
たは未加湿の当該反応ガスを、燃料電池内の水分低減の
ために所定時間通流することとする（請求項１の発
明）。

【００２１】上記により、燃料電池発電装置の運転停止
後において、ガス流通溝に湿潤ガスが滞留し、水分が凝
縮する問題が解消できる。なお、空気極と燃料極の両方
に通流することが望ましいが、一方だけでも有効であ
る。また、置換作業は発電を停止して反応ガスの流通を
停止した直後に行うことが最も効果的であるが、再度電
池を運転するために反応ガスを導入するまでの間の適時
に実施すれば有効である。

【００２２】操作を簡便にし、かつより効果的にする観
点から、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、少なく
とも空気の加湿装置を備えた請求項１記載の固体高分子
電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、前記停
止後供給するガスは未加湿の空気とし、前記停止後直ち
に、燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方
向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流す
ることとする（請求項２の発明）。

【００２３】また、前記運転方法を実施するための装置
としては、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請
求項２記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装
置であって、前記燃料電池へ反応ガスとしての空気を供
給する配管は四方バルブを備え、前記空気を燃料電池か
ら排出する配管は三方バルブを備えてなり、さらに、前
記停止後直ちに燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空
気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定
時間通流するための、制御装置ならびに前記四方バルブ
と三方バルブとの接続配管を備えてなるものとする。

【００２４】さらに、請求項３の発明の実施態様とし
て、下記請求項４の発明が好適である。即ち、請求項３
記載の燃料電池発電装置において、前記内部加湿型加湿
装置は、加湿板をスタック状に組立ててなるものとす
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】図面に基づき、この発明の実施例
について以下にのべる。

【００２６】図１は、この発明の実施例に関わる固体高
分子電解質型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図
を示し、図１（ａ）は、通常運転時のガス供給の模式図
を示し、図１（ｂ）は、パージ実施時のガス供給の模式
図を示す。図１において、図２と同一の機能部材に関し
ては、同一番号を付して詳細説明を省略する。

【００２７】図１に示す実施例においては、燃料ガス加
湿装置２および空気加湿装置３は、電池１に、図５に示
すような加湿板からなる加湿スタツクを内蔵させた内部
加湿方式とした。また、空気供給系には４方バルブ８を
設け、空気排気系には３方バルブ９を設け、その間を接
続配管１０で接続した。

【００２８】図１（ａ）に示すように、加湿した水素と
空気を電池１に供給し、電池１の温度を７０℃に制御し
て発電を行った。その後、電池１の発電を停止し、反応
ガスの供給を停止した。１分後に空気供給系の４方バル
ブ８および排気系の３方バルブ９を切り換えて、図１
（ｂ）に示すように、空気を、４方バルブ８，接続配管
１０，３方バルブ９を経由して、通常の流通方向とは逆
方向に流して、電池の空気排出側から導入し、空気加湿
装置３を流通した後に４方バルブ８を介して、外部に排
気した。

【００２９】前述のような空気供給を５分間継続した
後、空気の供給を停止した。翌日、電池１の温度を７０
℃に上げた後、空気供給系の４方バルブ８および排気系
の３方バルブ９を元の状態に戻して、空気の流通経路を
図１（ａ）に示すように通常の発電状態にし、水素およ
び空気を導入して発電を再開したところ、停止前と同等
の発電出力にて安定した発電ができた。

【００３０】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、固体
高分子電解質膜を挟んで配設した電極触媒層を備えるア
ノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電
極に水素を含む燃料ガスを、前記カソード電極に酸化剤
ガスとしての空気を通流するようにしてなる燃料電池を
備え、前記燃料ガスおよび空気の少なくとも一方が内部
加湿型加湿装置を通流後電極に供給される構成とした固
体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法におい
て、前記燃料電池への反応ガス（前記燃料ガスおよび空
気）の供給を停止後所定時間内に、前記少なくとも一方
の反応ガスの排出側から当該加湿装置を経由して燃料電
池外部へ、不活性ガスまたは未加湿の当該反応ガスを、
燃料電池内の水分低減のために所定時間通流することと
したので、燃料電池発電装置の運転停止時に、ガス流通
溝における湿潤ガスの滞留および水分の凝縮を防止し、
再度発電を開始した際に停止前と同等の高い電池出力を
得ることが可能となる。

【００３１】また、前記方法を実施するための装置とし
て、例えば、少なくとも空気の加湿装置を有する燃料電
池へ反応ガスとしての空気を供給する配管は四方バルブ
を備え、前記空気を燃料電池から排出する配管は三方バ
ルブを備えてなり、さらに、前記停止後直ちに燃料電池
へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前
と逆方向に切り替えて前記所定時間通流するための、制
御装置ならびに前記四方バルブと三方バルブとの接続配
管を備えてなるものとしたので、前記方法が、簡便かつ
効果的に実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わる固体高分子電解質型
燃料電池発電装置のシステム構成の模式図

【図２】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の
システム構成の模式図

【図３】従来の燃料電池のセル構成を示す模式的断面図

【図４】従来の燃料電池のセル構成を示す斜視図

【図５】加湿板の構成を示す模式的断面図

【符号の説明】

１：電池、２：燃料ガス加湿装置、３：空気加湿装置、
４：空気極、５：燃料極、６：電解質膜、７：ガス流通
溝、８：四方バルブ、９：三方バルブ、１０：接続配
管。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟んで配設した電
   極触媒層を備えるアノード電極およびカソード電極を有
   し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを、前記カ
   ソード電極に酸化剤ガスとしての空気を通流するように
   してなる燃料電池を備え、前記燃料ガスおよび空気の少
   なくとも一方が内部加湿型加湿装置を通流後電極に供給
   される構成とした固体高分子電解質型燃料電池発電装置
   の運転方法において、 前記燃料電池への反応ガス（前記燃料ガスおよび空気）
   の供給を停止後所定時間内に、前記少なくとも一方の反
   応ガスの排出側から当該加湿装置を経由して燃料電池外
   部へ、不活性ガスまたは未加湿の当該反応ガスを、燃料
   電池内の水分低減のために所定時間通流することを特徴
   とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方
   法。
2. 【請求項２】 少なくとも空気の加湿装置を備えた請求
   項１記載の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転
   方法において、前記停止後供給するガスは未加湿の空気
   とし、前記停止後直ちに、燃料電池へ供給中の反応ガス
   としての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替え
   て前記所定時間通流することをことを特徴とする固体高
   分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の運転方法を実施するため
   の燃料電池発電装置であって、前記燃料電池へ反応ガス
   としての空気を供給する配管は四方バルブを備え、前記
   空気を燃料電池から排出する配管は三方バルブを備えて
   なり、さらに、前記停止後直ちに燃料電池へ供給中の反
   応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切
   り替えて前記所定時間通流するための、制御装置ならび
   に前記四方バルブと三方バルブとの接続配管を備えてな
   ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の燃料電池発電装置におい
   て、前記内部加湿型加湿装置は、加湿板をスタック状に
   組立ててなるものとすることを特徴とする固体高分子電
   解質型燃料電池発電装置。