JP2005071778A - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質1と、一対の電極4aおよび4c、一対のセパレータ7aおよび7cからなる燃料電池と、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換し、スタック内には燃料ガスと不活性ガスを封入した状態で停止するので、電極4aおよび4cの電位は低く保たれるので、酸化および溶解による劣化を抑制し、燃料電池システムの耐久性を向上させるものである。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施例1における燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池の基本構成を示している。燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2を密着して配置してある。この触媒反応層2aと2cで(化学式1)と(化学式2)に示す反応が発生する。少なくとも水素を含む燃料ガスは(式1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと触媒反応層2で(式2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではaを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではCを付け表した。さらに触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層3aと触媒反応層2aにより電極4aを、拡散層3cと触媒反応層2cにより電極4cを構成する。電極電解質接合体(以降、MEAと称する)5は、電極4aと4cと電解質1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6aと6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7aと7cを配置する。電解質1と、1対の触媒反応層2aと2cと、一対の拡散層3aと3cと、一対の電極4aと4cと、一対のセパレータ7aと7cで基本の燃料電池(以降、セルと称する)を形成する。セパレータ7aと7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cと7aが接する。セパレータ7aと7cが接する側には冷却水通路8が設けられており、ここに冷却水9が流れる。冷却水9はセパレータ7aと7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。MEA5とセパレータ7aまたは7cはMEAガスケット10で封止され、セパレータ7aと7cはセパレータガスケット11で封止される。
燃料電池のセルで反応した後の動作について図3を用いて説明する。酸化剤ガスの使用されなかった排ガスは加湿器41を介し、熱と水分をブロワー39から送られてきた酸化剤ガスに移動させた後、外部へ排出される。燃料ガスの使用されなかったオフガスはオフガス管48により再び、燃料生成器35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃料生成器35中では燃焼などに用いられる。原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(化学式9)で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。電力回路43は燃料電池が発電を開始した後スタック38から直流の電力を引き出す役割をする。制御部44は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。燃料電池の運転を停止したい場合は、分配弁56と分配弁61を動作させ、ガス浄化部32で浄化した後の原料ガスをスタック38へ流し込むのである。本実施例では図1において、MEA5は以下のように作成した。
本実施の形態の運転方法を図5のフローチャートを用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1と同じである。詳細な運転方法を以下に示す。(運転工程)は実施の形態1と同じである。次に(停止工程1)を行った。(停止工程1)では、まずブロワー39を停止させるとともに、分配弁61で浄化後の燃料ガスをバイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流れるようにし、分配弁56でスタック38に流れ込むガスはバイパス管55からのガスがすべてになるように調節する。これにより燃料ガスはスタック38に流れたまま、スタック38内の酸化剤ガスは不活性ガスとしての原料ガスに置換されるのである。所定時間後(停止工程2)にうつる。(停止工程2)では、遮断弁57と58を閉じ、スタック38内部に不活性ガスとしての原料ガスを封入する。(停止工程2)では、燃料ガスは供給されているので水素も供給されている。原料ガスは封入されているので、燃料ガスから電解質1を拡散して原料ガス側に移動した水素は触媒反応層2c付近で滞留する。これにより、電極4cの電位はより早く、確実に下げることができるので、より確実に電極の劣化を抑えることができる。(停止工程2)はあらかじめ定められた時間行っても良いが、本実施例ではスタックの単セルあたりの電圧が0.1V以下となったあと、(停止工程3)にうつることとした。本実施例の(停止工程2)では電極4aは常に0Vであるので、セルの電圧が電極4cの電位に等しい。電極4cが0.1Vとなると、拡散した水素で電極4cの電位は確実に下がったと言えるからで、燃料ガスを過不足なく利用できるので、エネルギーあたりの発電効率が高くなるのである。次の(停止工程3)では遮断弁49と51を閉じスタック内に燃料ガスを封入する。本実施例では、燃料ガスおよび原料ガスは遮断弁で封入されているため、(停止工程3)の状態では対流等によりガスの出入りがないので、電極4aと4cの電位を低いまま保持できるため、より酸化や溶解による劣化が少ないので、より長期間性能を維持することができるのである。さらに(停止工程4)にうつる。遮断弁49、51、57および58によりスタック38は外部とガスの対流等による出入りは無いが、わずかに酸素等が外部から拡散してくる。そこで、一定時間ごとに、ガス清浄部32により清浄化した原料ガスを、分配弁61により、バイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流す。ここで、遮断弁57と58をわずかに開き、バイパス館55を通過した原料ガスをスタック38に送り込み、封入してあるガスとわずかに入れ替える。清浄ガス配管36を通過した原料ガスは燃料生成器35に送り込まれるが、燃料生成器35で反応が起きない構成または温度になるよう一定時間を選択することにより、原料ガスのまま燃料生成器35を通過させることができる。ここで、遮断弁49と51をわずかに開き、封入してある燃料ガスを原料ガスでわずかに置き換える。これにより、封入中に外部から拡散等で進入してきた酸素等のガス濃度を低減させることができ、電極4aと4cの電位上昇を長期間抑えることができるので、長期停止中でも電極4aと4cの酸化または溶解による劣化を抑制でき、長期間性能が維持することができるのである。
本実施の形態の運転方法を図6のフローチャートを用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1または2と同じである。詳細な運転方法を以下に示す。発電および発熱を行う(運転工程)の基本条件は実施の形態1と同じである。ここで、電力回路部43でスタック38から引き抜かれる電流は、家庭等での電力の消費の大小に従って、制御部44で制御される。燃料電池システムから発電される電力を消費しなくなると、スタック38から引き抜かれる電流が減少するため、電圧が上昇する。電圧が0.88Vを超えると電極4cの酸化や溶解が発生してしまうので、(停止工程1)にうつる。つまり電圧が0.88Vを超える状態での運転を無くすことができるので、長期間性能を維持できるのである。(停止工程1)ではまずブロワー39を停止させるとともに、分配弁61で浄化後の燃料ガスをバイパス管55と清浄ガス配管36のいずれにも流れるようにし、分配弁57でスタック38に流れ込むガスはバイパス管55からのガスがすべてになるように調節する。これにより燃料ガスはスタック38に流れたまま、スタック38内の酸化剤ガスは不活性ガスとしての原料ガスに置換されるのである。所定時間後(停止工程2)にうつる。(停止工程2)では、原料ガスを流したまま、遮断弁49と51を閉じ、スタック38に燃料ガスを封入する。これにより、燃料ガスの使用を少なくすることができる。さらに(停止工程3)にうつる。遮断弁57と58を閉じ、スタック38内部に不活性ガスとしての原料ガスを封入する。燃料ガスから電解質1を拡散して原料ガス側に移動した水素は触媒反応層2c付近で滞留する。これにより、電極4cの電位は確実に下げることができるので、確実に電極の劣化を抑えることができる。(停止工程3)の状態では対流等によりガスの出入りがないので、電極4aと4cの電位を低いまま保持できるため、酸化や溶解による劣化が少ないので、長期間性能を維持することができるのである。さらに(停止工程4)にうつる。
2a 触媒反応層(アノード側)
2c 触媒反応層(カソード側)
3a 拡散層(アノード側)
3c 拡散層(カソード側)
4a 電極(アノード側)
4c 電極(カソード側)
7a セパレータ(アノード側)
7c セパレータ(カソード側)
32 清浄部
35 燃料生成器
41 加湿器
43 電力回路部
44 制御部
52 電圧測定部
49、51、57、58 遮断弁
59、60 圧力測定部
Claims (10)
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システム。
- 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を備え、燃料電池の停止時に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置換して、前記遮断弁を閉じ、前記燃料ガスおよび燃料電池に対して不活性なガスを燃料電池内に封入できる請求項1記載の燃料電池システム。
- 酸化剤ガスおよび原料ガスの通過経路に加湿器を設け、加湿した酸化剤ガスおよび原料ガスを燃料電池に供給することができる請求項1または2記載の燃料電池システム。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の電圧が0.88Vを超えると燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時または燃料ガスを停止した後酸化剤ガスを停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスを燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換える燃料電池システムの運転方法。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換えた後、遮断弁で不活性なガスを封入し、一定時間後に、燃料ガス封入部および不活性ガス封入部に不活性ガスを注入する燃料電池システムの運転方法。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、燃料電池の内部の圧力を測定する圧力測定部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガスは燃料電池に対し不活性なガスで一部または全部を置き換えた後、遮断弁で不活性なガスを封入し、燃料電池の内部の圧力が一定以上変化した時は、燃料ガス封入部および不活性ガス封入部に不活性ガスを注入または遮断弁を開け燃料電池内部の空間を外部に開放する燃料電池システムの運転方法。
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータと、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に遮断弁を具備した燃料電池と、原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、ガスや電力回路部などを制御する制御部とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止時に、燃料ガスは供給を停止した後、遮断弁で燃料電池内部に燃料ガスを封入し、酸化剤ガスは供給を停止し、燃料電池内部の酸化剤ガス経路には燃料電池に対し不活性なガスを流し、燃料電池の電圧が所定の電圧になった後、遮断弁で不活性なガスを封入する燃料電池システムの運転方法。
- 燃料電池に対して不活性なガスとして、燃料電池に悪影響を与える成分ガス清浄部で除去した原料ガスを用いる請求項1から9のいずれか1項記載の燃料電池システムまたは燃料電池システムの運転方法。
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