JP2005235750A - 固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オフ空気を用いて反応空気を加湿する加湿器を用いた固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法において、再起動時に燃料電池スタツクに湿潤した反応空気を供給でき、しかも空気流路の閉塞を生じない運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１に導入する反応空気を、燃料電池スタック１から導出されるオフ空気中の水分を利用し、平板状の隔膜４を介して加湿する加湿器２を備えた固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法において、反応空気導入ライン上の、前記加湿器２と燃料電池スタック１との間と、オフ空気導出ライン上の加湿器出口とに、それぞれ開閉弁（３および５）を設け、燃料電池発電装置の運転停止時に、前記二つの開閉弁を閉とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池スタツクに供給する反応ガスを加湿する加湿器を備えた固体高分子形燃料電池の運転方法に関する。

固体高分子形燃料電池発電装置は単セルを多数積層した電池スタツクと、それに反応ガス（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）を必要量供給するためのガス供給装置、および制御装置を基本として構成される。酸化剤ガスは一般にブロワ等により送られる空気を用いる。定置型の用途においては、一般に燃料として都市ガスやLPGなどのガスまたは灯油やナフサ等の液体燃料が原燃料として使用され、発電装置に組み込まれた燃料改質系機器を用いて得られた改質ガス（水素を主成分とするガス）を電池スタックに供給する。改質系機器は一般に、脱硫器、改質器、CO変成器、CO除去器から構成される。なお、電池スタックで得られる電池出力は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。また、発電に伴い発生した熱は、有効に利用するために湯として回収され、貯湯槽に60〜70℃程度の湯が貯えられる。

固体高分子形燃料電池の電解質膜には一般にパーフルオロスルホン酸の膜が使用される。パーフルオロスルホン酸電解質膜は、膜中の含水率が高く維持されないとイオン伝導度が低下し、発電出力が低下する。そのため、電池スタツクに供給する反応ガスの水蒸気分圧を予め高くして導入する。反応ガス中の水蒸気分圧を高める（加湿する）ために、反応ガスを加湿器を介して供給する。加湿器の機能は、水を入れたタンク中に反応ガスをバブリングすることによっても得られるが、小型化を図るために水あるいは水蒸気透過性の隔膜を介して片面に反応ガスを、他方の面に水（一般には電池冷却水）や電池オフガス（反応後のAirや燃料ガスで高露点）を流通して反応ガスを加湿することが多い。特に電池オフガスで加湿する方式は、電池オフガスのもつ熱量を有効に使って反応ガスの加湿を行えるため、熱エネルギーの活用の点で有効である。

ところで、電池スタックの発電開始時には、電池スタックに反応ガスを供給した後に発電を開始するが、反応ガスを先行導入し発電を開始するまでの間は電池反応による生成水がない。従つて、電池オフガス中には、反応ガスを加湿する水分が含まれていないため、電池オフガスで反応ガスを加湿する方式では有効に反応ガスを加湿することができない。

上述の問題を解決するために、特許文献１では電池スタックの発電停止時に、中空糸膜を用いた加湿器の入り口配管と出口配管の間で閉ループを形成し、電池スタック、加湿器および配管に残存する湿潤ガス中の水分を凝結させて閉じ込め、運転再開時にはその水分をヒータで過熱・蒸発させて反応ガスを加湿する技術が記載されている。
特開２００１−２１６９８９号公報

しかしながら、上述の方法で発電装置の運転を停止すると、湿潤したガスが冷却される際に加湿器内に過飽和になった水分が凝結し、一部のガス流路が閉塞し、再起動時に反応ガスが流通しない問題が生ずる。そのため、凝縮水を予め加熱蒸発させることが必要になるが、その際に加熱のエネルギーを浪費することになる。

本発明は、オフ空気を用いて反応空気を加湿する加湿器を用いた固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法において、再起動時に燃料電池スタツクに湿潤した反応空気を供給でき、しかも空気流路の閉塞を生じない運転方法を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、燃料電池スタックに導入する反応空気を、燃料電池スタックから導出されるオフ空気中の水分を利用し、平板状の隔膜を介して加湿する加湿器を備えた固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法において、前記反応空気導入ライン上の、前記加湿器と燃料電池スタックとの間と、前記オフ空気導出ライン上の前記加湿器出口とに、それぞれ開閉弁を設け、前記燃料電池発電装置の運転停止時に、前記二つの開閉弁を閉とすることを特徴とする（請求項１）。

燃料電池スタックは温度が高い上に熱容量が大きいため、運転停止後は室温に下がるまで、常に加湿器の方が温度が低く、従って、前記請求項１の発明によれば、運転停止時に燃料電池スタツクおよび加湿器に溜まった空気中の水分は加湿器側で凝結することになり、水分の凝結による閉塞問題が解消できる。また、隔膜が十分に湿潤しだ状態で停止、保管できるため、再起動時には隔膜中の水分により導入空気を加湿して供給することができる。

なお、上記請求項１の発明においては、前記反応空気導入ライン上の、前記加湿器の前段には、開閉弁を設けることなく装置の簡略化を図っている。その理由は、開閉弁を閉とした場合に、反応空気導入ラインのオープンサイドから消失する隔膜中の水分は、自然拡散に基づく消失のみであるので、実用上問題がない。長期間の停止に及ぶ場合には、弁を設けた方が良いが、設けない場合であっても、平板状の隔膜を用いる場合、中空糸膜のように、加湿による湿潤膨張と乾燥収縮の繰り返しに伴うダメージの発生を受け難いため、機能回復が困難に至るような基本的な問題が生ずることはない。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、前記請求項１の運転方法において、前記加湿器に設けた平板状の隔膜は、その主面を水平に設置し、前記隔膜主面の上側に前記オフ空気を供給し、下側に前記燃料電池スタックに導入する反応空気を供給することを特徴とする（請求項２）。

上記のような構成とすることにより、オフ空気流路側で凝結した水は、重力で隔膜上に落ち、隔膜に吸収されるため流路が水滴で閉塞されることがなく、また、凝結した水は、再起動時の導入空気の加湿に寄与する。

なお、本願発明によれば、前記特許文献１に記載のように起動時に加熱をしなくても、湿潤した空気を燃料電池スタツクに供給することができるが、ヒーターや湯、改質器オフガスなどで加湿器を加熱すれば、更に湿潤した反応空気を供給することができる。

この発明によれば、再起動時に電池スタツクに湿潤した反応空気を供給でき、しかも空気流路の閉塞を生じない運転方法を提供することができる。

次に、この発明の実施例に関して、図１に基いて説明する。図１は、本発明に関わる燃料電池発電装置の模式的概略構成図である。図１において、反応Airを、オフ空気で加湿する加湿器２により所定の水蒸気分圧に加湿して電池スタック１に供給して発電を行った。加湿器の隔膜４にはパーフルオロスルホン酸膜である平板状のNafion膜（米国，デュポン社の商品名）（厚さ50μｍ）を使用した。

燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池の負荷を遮断した後に、反応空気導入側については、加湿器２と電池スタック１間のバルブ３を閉じ、オフ空気側は、加湿器２出口のバルブ５を閉じて空気流路を封止した。翌日、再起動時には空気流路封止に用いた双方のバルブ３および５を開き、所定流量の空気および燃料ガスを流通したのち、燃料電池の負荷を取り発電を開始した。水滴の滞留により空気の圧力損失が大きくなったり、流量が不安定になったりすることはなく安定に起動できた。

本発明に関わる燃料電池発電装置の模式的概略構成図。

符号の説明

１ 電池スタック
２ 加湿器
３，５ バルブ
４ 隔膜

Claims (2)

1. 燃料電池スタックに導入する反応空気を、燃料電池スタックから導出されるオフ空気中の水分を利用し、平板状の隔膜を介して加湿する加湿器を備えた固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法において、前記反応空気導入ライン上の、前記加湿器と燃料電池スタックとの間と、前記オフ空気導出ライン上の前記加湿器出口とに、それぞれ開閉弁を設け、前記燃料電池発電装置の運転停止時に、前記二つの開閉弁を閉とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法。
2. 前記加湿器に設けた平板状の隔膜は、その主面を水平に設置し、前記隔膜主面の上側に前記オフ空気を供給し、下側に前記燃料電池スタックに導入する反応空気を供給することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置の運転方法。
   
   

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