JP2005203222A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成を有効に小型化且つ簡素化するとともに、発電性能及び耐久性を向上させることを可能にする。
【解決手段】先ず、イグニションスイッチがＯＮされると（ステップＳ１）、水素供給流路に設けられた濃度計を介して、燃料ガス流路に透過して残留する対極ガスである酸素の濃度が検出される（ステップＳ２）。この検出された酸素濃度が所定値よりも大きいと判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、減圧排気処理が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されて燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、このような燃料電池では、運転を停止した時に燃料ガス流路に燃料ガスが残留していると、酸化剤ガス流路に残留する酸化剤ガスとの間で反応して高電位が保持され、セパレータや電極触媒が腐食するという問題がある。

しかも、電解質膜自体がガス透過性を有するために、発電停止時には、ガスの透過により燃料ガスと酸化剤ガスとが同一極に混在するおそれがある。これにより、始動時に、例えば、燃料ガス流路に透過していた酸化剤ガスに燃料ガスが混入し、アノード側電極で燃焼及び高電位による腐食が惹起されるという問題がある。特に、車載用燃料電池では、始動及び停止が繰り返し行われるため、同一極で燃料ガスと酸化剤ガスとの混合が頻繁に発生し、性能や耐久性が著しく低下するという問題が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御装置が知られている。この制御装置では、窒素等の不活性ガスボンベを有しており、運転を停止するときには、反応ガス供給用開閉弁が閉じられて燃料電池に対する反応ガスの供給が停止される。その後、直ちに不活性ガス供給用開閉弁及び排気用開閉弁が一定時間だけ開かれ、燃料電池内の反応ガスが不活性ガスにより置換されて発電が停止される。

特開平７−２７２７４０号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、不活性ガスボンベのような大型な設備が搭載されており、燃料電池システム全体が相当に大型化してしまう。これにより、特に、小型化が望まれる車載用燃料電池としての使用には適さないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、構成を有効に小型化且つ簡素化するとともに、発電性能及び耐久性を向上させることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されて燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法である。そして、燃料電池を起動する際に、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方に残留するガスを強制的に排気処理している。

また、燃料ガス流路に透過して残留する酸化剤ガス又は酸化剤ガス流路に透過して残留する燃料ガスの少なくとも一方の残留量が所定量以下になったと判断された際、排気処理を解除して前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して発電を行うことが好ましい。

さらに、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方の残留ガス圧力が所定値以下になったと判断された際、排気処理を解除して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給して発電を行うことが好ましい。

さらにまた、燃料電池の停止期間が所定期間を超えたと判断された際、前記燃料電池の起動時に燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方に残留するガスを強制的に排気処理することが好ましい。

また、燃料電池を停止する際に、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を停止した状態で、所定の時間だけ発電を行うことが好ましい。

本発明によれば、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の少なくとも一方に残留するガスが強制的に排気処理されるため、発電停止後に一方の極側から他方の極側に透過したガス（以下、対極ガスともいう）が存在していても、該対極ガスを確実に排気することができる。これにより、始動時には、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合することがなく、燃焼や高電位によるセパレータ及び電極触媒の腐食が良好に阻止されるとともに、発電性能及び耐久性を向上させることが可能になる。しかも、対極ガスを強制的に排気処理する際に、残留水の除去も行われるため、始動性の向上が図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１２を備える。この燃料電池１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１６ａ、１６ｂが配置されており、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

発電セル１４は、例えば、固体高分子電解質膜１８の両側にアノード側電極２０とカソード側電極２２とを配置した電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する一対の金属セパレータ２６、２８とを備える。アノード側電極２０と金属セパレータ２６との間には、燃料ガスとして、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス流路３０が形成される一方、カソード側電極２２と金属セパレータ２８との間には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路３２が形成される。

エンドプレート１６ａには、各発電セル１４の燃料ガス流路３０に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、前記燃料ガス流路３０から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池１２から排出するための水素排出口３４ｂとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、各発電セル１４の酸化剤ガス流路３２に空気を供給するための空気供給口３６ａと、前記酸化剤ガス流路３２から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池１２から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素供給流路３８と、前記燃料電池１２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３８の途上に戻して該燃料電池１２に供給するための水素循環流路４０とを備える。

水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素タンク４２と、前記水素タンク４２から供給される水素ガスの圧力を調圧する供給弁４４と、調圧された前記水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路４０から排ガスを吸引して前記燃料電池１２に戻すためのエゼクタ４６と、燃料ガス流路３０に透過して残留する酸素（対極ガス）の濃度を検出するための濃度計４８とが配設される。水素循環流路４０には、排気流路５０が接続されるとともに、前記排気流路５０には、バルブ５２を介して減圧排気用ポンプ５４が連結される。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２に空気を供給する空気供給流路５６と、前記燃料電池１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、外部に廃棄するための空気排出流路５８とを備える。空気供給流路５６には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）６０が設けられる。

燃料電池１２には、キャパシタ６２が接続されるとともに、各発電セル１４の発生電圧を検出する電圧計６４が設けられる。電圧計６４は、検出電圧をコントローラ６６に送る一方、前記コントローラ６６には、イグニションスイッチ６８からＯＮ信号及びＯＦＦ信号が送られる。このコントローラ６６は、供給弁４４、ポンプ５４及びスーパーチャージャ６０等を制御する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る燃料電池の運転方法との関連で、図２及び図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、イグニションスイッチ６８がＯＮされると（図２中、ステップＳ１）、水素供給流路３８に設けられた濃度計４８を介して、燃料ガス流路３０に透過して残留する酸素の濃度が検出される（ステップＳ２）。この検出された酸素濃度が所定値よりも大きいと判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、減圧排気処理が行われる。

すなわち、図１に示すように、スーパーチャージャ６０がＯＦＦされるとともに、供給弁４４が閉じられ且つバルブ５２が開放された状態で、ポンプ５４が駆動される。このため、水素循環流路４０が吸引され、この水素循環流路４０に水素排出口３４ｂを介して連通する燃料ガス流路３０が吸引される。従って、酸化剤ガス流路３２から固体高分子電解質膜１８を透過して燃料ガス流路３０に残存している空気は、この燃料ガス流路３０から強制的に排気処理されて排気流路５０を介し外部に放出される。

次いで、濃度計４８により検出される酸素濃度が所定値以下になると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、起動処理に移行する（ステップＳ５）。この起動処理では、供給弁４４が開放されるとともに（ステップＳ６）、スーパーチャージャ６０がＯＮされる（ステップＳ７）。これにより、燃料ガス流路３０に水素ガスが供給される一方、酸化剤ガス流路３２に空気が供給されて燃料電池１２の発電が開始される（ステップＳ８）。

上記の起動時には、水素タンク４２から水素供給流路３８に供給される水素ガスは、供給弁４４を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ４６を通って燃料電池１２の水素供給口３４ａに供給される。水素供給口３４ａに供給された水素は、各発電セル１４を構成する燃料ガス流路３０に供給されてアノード側電極２０に沿って移動する。そして、未使用の水素を含む排ガスは、水素排出口３４ｂから水素循環流路４０に排出され、エゼクタ４６の吸引作用下に、水素供給流路３８の途上に戻された後、再度、燃料電池１２内に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ６０を介して空気供給流路５６に空気が供給される。この空気は、空気供給口３６ａから各発電セル１４の酸化剤ガス流路３２に供給されてカソード側電極２２に沿って移動する。さらに、未使用の空気を含む排ガスは、空気排出口３６ｂから空気排出流路５８に排出される。これにより、各発電セル１４では、アノード側電極２０に供給される水素と、カソード側電極２２に供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

この場合、第１の実施形態では、特に燃料電池１２を長期間にわたって停止することにより燃料ガス流路３０に空気が透過して残留していても、対極ガスであるこの空気がポンプ５４の減圧作用下に前記燃料ガス流路３０から強制的に排気処理される。これにより、始動時には、燃料ガス流路３０で水素ガスと空気とが混合することがなく、燃焼や高電位による金属セパレータ２６及びアノード側電極２０の腐食が良好に阻止されるとともに、発電性能及び耐久性を向上させることが可能になる。

しかも、対極ガスを強制的に排気処理する際に、残留水の除去も行われるため、始動性の向上が図られるという効果が得られる。さらに、不活性ガスボンベ等の大型な設備が不要になり、燃料電池システム１０全体が相当に小型化され、車載用に適するという利点がある。

次いで、燃料電池１２の発電を停止させる際には、図３に示すように、先ず、イグニションスイッチ６８がＯＦＦされる（ステップＳ１１）。コントローラ６６は、供給弁４４を閉じて水素ガスの供給を停止させる（ステップＳ１２）。このため、燃料電池１２では、残存する水素ガスとスーパーチャージャ６０を介して供給される空気とにより反応が継続され、前記水素ガスが減少するに従って発生する電圧が低下する。

そこで、電圧計６４により各発電セル１４又は所定の発電セル１４の発生電圧を検出し、その検出結果がコントローラ６６に送られる。コントローラ６６では、残電圧が所定値よりも高いと判断すると（ステップＳ１３、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、キャパシタ６２による回生（充電）が行われる。そして、残電圧が所定値以下になると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１５に進んで、スーパーチャージャ６０がＯＦＦされて燃料電池１２の発電が停止される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池１２の停止時に、燃料ガス流路３０に残存する水素ガスが良好に消費される。このため、燃料電池１２の停止後に、燃料ガス流路３０に酸素が透過しても、この燃料ガス流路３０で水素ガスと酸素とが混合することがない。これにより、燃焼や高電位が発生することがなく、発電性能及び耐久性を向上させることが可能になる。特に、車載用燃料電池システム１０のように始動及び停止が繰り返し行われる際、良好に機能することができる。

なお、第１の実施形態では、燃料ガス流路３０に透過して残存する酸素（対極ガス）の量を検出するために濃度計４８を設けているが、これに代えて、あるいはこれと共に、例えば、酸化剤ガス流路３２に透過して残存する水素ガス（対極ガス）の量を検出してもよい。その際、空気排出流路５８にも減圧排気用ポンプ（図示せず）を設け、酸化剤ガス流路３２に透過して残存する水素ガスを強制的に排気処理すればよい。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム８０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム８０は、濃度計４８に代えて圧力計８２を備え、燃料ガス流路３０に残留するガス圧力を検出する。具体的には、図５のフローチャートに示すように、イグニションスイッチ６８がＯＮされた後（ステップＳ１ａ）、圧力計８２を介して燃料ガス流路３０の残留ガス圧力が検出される（ステップＳ２ａ）。

そして、検出される残留ガス圧力が所定値以下になるまで、ポンプ５４を介して燃料ガス流路３０内の減圧排気処理が行われた後、起動が開始される（ステップＳ２ａ〜Ｓ５ａ）。さらに、ステップＳ６ａ〜Ｓ８ａに進んで、燃料電池１２の発電が行われる。

このように、第２の実施形態では、対極ガスが良好に排気されるため、燃料ガス流路３０で水素ガスと空気とが混合することがなく、簡単な設備で、発電性能及び耐久性を向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム９０の概略構成図である。

燃料電池システム９０は、コントローラ６６にタイマ９２を設けており、燃料電池１２の停止時間を経時する。具体的には、図７のフローチャートに示すように、イグニションスイッチ６８がＯＮされた後（ステップＳ１ｂ）、タイマ９２による経時時間、すなわち、燃料電池１２の停止時間が所定時間を超えたか否かが判断される（ステップＳ２ｂ）。

そして、停止時間が所定時間を超えたと判断された際（ステップＳ２ｂ中、ＹＥＳ）、ステップＳ３ｂに進んで、燃料ガス流路３０内の減圧排気処理が行われる。減圧排気処理が設定時間だけ遂行された後（ステップＳ４ｂ）、起動が開始されて発電が行われる（ステップＳ５ｂ〜Ｓ８ｂ）。

このように、第３の実施形態では、燃料電池１２の発電が長期間にわたって停止された際にも、対極ガスが確実に排気されるため、燃料ガス流路３０で水素ガスと空気とが混合することがない。これにより、簡単な設備で、発電性能及び耐久性を向上させることが可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池を起動させる際のフローチャートである。 前記燃料電池を停止させる際のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池を起動させる際のフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池を起動させる際のフローチャートである。

符号の説明

１０、８０、９０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…発電セル １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極 ２２…カソード側電極
２４…電解質膜・電極構造体 ２６、２８…金属セパレータ
３０…燃料ガス流路 ３２…酸化剤ガス流路
３４ａ…水素供給口 ３４ｂ…水素排出口
３６ａ…空気供給口 ３６ｂ…空気排出口
３８…水素供給流路 ４０…水素循環流路
４２…水素タンク ４４…供給弁
４６…エゼクタ ４８…濃度計
５０…排気流路 ５２…バルブ
５４…ポンプ ５６…空気供給流路
５８…空気排出流路 ６０…スーパーチャージャ
６２…キャパシタ ６４…電圧計
６６…コントローラ ６８…イグニションスイッチ
８２…圧力計 ９２…タイマ

Claims (5)

1. 電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極と前記セパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、前記カソード側電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されて燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池の運転方法であって、
   前記燃料電池を起動する際に、前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方に残留するガスを強制的に排気処理することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料ガス流路に透過して残留する酸化剤ガス又は前記酸化剤ガス流路に透過して残留する燃料ガスの少なくとも一方の残留量が所定量以下になったと判断された際、前記排気処理を解除して前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して発電を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
3. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方の残留ガス圧力が所定値以下になったと判断された際、前記排気処理を解除して前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して発電を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
4. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池の停止期間が所定期間を超えたと判断された際、前記燃料電池の起動時に前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方に残留するガスを強制的に排気処理することを特徴とする燃料電池の運転方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の運転方法において、前記燃料電池を停止する際に、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を停止した状態で、所定の時間だけ発電を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
   

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