JP2005317421A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電圧低下を防止して発電効率を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 固体高分子膜16の一面に燃料極3が、他面に酸化剤極4が配置され、上記一面に燃料ガス流路19が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路20が形成されたセパレータ21とを対向させて構成され、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池15を複数積層して積層体Sを形成し、当該積層体Sの両端に端末部材33を備えた燃料電池1において、上記端末部材33に、触媒および坦持基材からなる燃焼器24と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを上記燃焼器24へと供給するためのガス供給流路22、23と、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を制御するバルブ26、27とを設けた。
【選択図】 図3
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel cell)の電圧低下を防止する技術に適用して好適なものである。
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、これらガスを電解質膜を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。
ここで、燃料電池スタックは、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する(起電力を生じる)燃料電池セルとしての単位燃料電池(以下、これを単に単電池と称する)を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して構成されている。
そして、この燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池自動車としても近年注目されている。
しかしながら、従来の燃料電池では、燃料電池スタックの起動時、積層体の中心部における単電池は温度が上昇していくのに対して、両端部における単電池は熱伝導率に優れた集電板やエンドプレートなどに近接していることから、熱が放散されて温度が低下する傾向がある。このような積層体における積層方向での各単電池の温度ばらつきは、燃料電池中の固体高分子膜の湿潤状態や、電極触媒の電気化学的活性のばらつきのもととなるので好ましくない。
このため、例えば、前記積層体の両端(すなわち、積層体を構成する最外層の単電池におけるセパレータの外側面)と、当該両端に当接されている集電板との間に、燃料電池スタックが出力する電流によって加熱される薄板状の抵抗材料からなる発熱体等を挟挿する構造の燃料電池が考案されている(例えば、特許文献1参照)。
かかる特許文献1は、発熱体に、燃料電池スタックから出力される電流が通流されることになり、発熱体が持つ電気抵抗値と、発熱体に通流される電流値の二乗値との積に比例する値のジュール熱が発生するので、この発熱体で発生されるジュール熱の値を、燃料電池スタックにおける各単電池の積層方向の端部から放散される熱量に見合った値に設定することにより、単電池(すなわち、燃料電池セル)の積層方向における温度分布の均一化を図ることを可能とした技術である。
ところが、かかる特許文献1のような構成の燃料電池においては、燃料電池が0〔℃〕以上の環境下において、積層体の両端に位置する単電池の温度低下を抑制する効果が得られるが、これを0〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下(特に、運転開始時)において適用しようとすると以下のような問題があった。
すなわち、燃料電池における発電効率の低下を促す主な原因は、経時的な活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による燃料電池の電圧低下であると考えられ、これら活性化分極、拡散分極の増大は、電極反応に伴う生成水や、燃料極からのプロトン(H+)の移動に付随する移動水によって酸化剤極の濡れが進行し、実際に電極反応が生じている触媒の活性サイト近傍の気孔が徐々に水で閉塞されることに起因している。
特に0〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下においては、電極反応に伴う生成水や燃料極からのプロトン(H+)の移動に付随する移動水が酸化剤極表面で速やかに凍結してしまうため、このような状態で燃料電池の運転を継続すると酸化剤極の触媒の活性サイト近傍の気孔の閉塞が極めて強く起こり、結果として燃料電池の発電能力を大きく低下させてしまう。
そして、このような発電能力の低下がいったん生じると、通常の運転条件で燃料電池を運転していても元の状態には戻り難いことが懸念されており、例えば特許文献2に提案されているような、発電の停止状態で、燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す特殊な再活性化処理が必要となる。
特開平8−167424号公報(第9頁、第1図)
特開2003−272686号公報(第5頁、第2図)
しかしながら、かかる特許文献2のような再活性化処理は、煩雑な構成であることから、実際のシステムに採用すると、システム全体を複雑にしてしまう上、酸化剤極に水素含有ガスを供給するため、燃料電池の電極触媒あるいは触媒坦持カーボンを劣化させてしまう恐れがある。
加えて、従来より、燃料電池の運転を停止させる際に、外部負荷との遮断の後、水素と、空気の供給を止めた直後においては、燃料電池温度が約70〔℃〕〜100〔℃〕、電圧が約1.0〔V/cell〕となるが、このような高温状態で、0.8〔V/cell〕以上の高い電圧が燃料電池内部にかかると、燃料電池内の酸化剤極側に設けられている触媒層のカーボンの腐食、貴金属粒子の溶解、凝縮等により、触媒能力の低下を招きかねない問題があった。
かかる問題を解決する手法として、例えば、燃料電池中に残った酸化剤ガスを、燃料電池の運転停止時に強制的に消費させるなどして電池電圧を下げる技術が考えられるものの、燃料ガス/酸化剤ガスの特殊な供給を制御するためのバルブ・センサー類や複雑な制御ロジックが必要である未だ不十分な問題があった。
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、電圧低下を防止して発電効率を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材を備えた燃料電池において、上記端末部材に、触媒および坦持基材からなる燃焼器と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを上記燃焼器へと供給するためのガス供給流路と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給量を制御するバルブとを設けたことを特徴としている。
本発明によれば、積層体の両端に位置する単位燃料電池の温度低下を、端末部材に設けた燃焼器中の触媒上における燃料ガスおよび酸化剤ガスの直接燃焼によって得られる熱を利用して抑制するので、積層体の積層方向における温度分布の均一化を図ることができる。なお、このときには、積層体の両端に位置する単位燃料電池の昇温中に燃料電池から電流を取り出す必要がないため活性化分極、拡散分極の問題は生じない。
これにより、電極反応に伴う生成水や、燃料極からのプロトン(H+)の移動に付随する移動水によって酸化剤極の濡れが進行したり、実際に電極反応が生じている触媒近傍に開口される気孔が徐々に水で閉塞されたりすることを回避することができるため、燃料電池の電圧低下を防止することができ、燃料電池における発電効率を向上させることができる。
以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、ここで説明する燃料電池は、例えば、固体高分子形燃料電池システムに用いられる。
図1〜図4は、本発明にかかる燃料電池の一実施の形態を示し、図1は本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図、図2は図1の固体高分子形燃料電池システムにおける燃料電池スタックのA−A断面を示す断面図、図3は本発明にかかる燃料電池を概略的に示す部分的断面図、図4は図3の燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出流路の説明に供する概念図である。
図1に示すように、固体高分子形燃料電池1には燃料電池スタック2が備えられ、この燃料電池スタック2には燃料極3と酸化剤極4とが配置される。燃料電池スタック2の燃料極3には燃料ガス用のガス供給流路である燃料供給ライン6が接続される一方、燃料極3に供給されて反応したガスを排気する燃料ガス用のガス排出流路である燃料排気ライン7が接続される。燃料供給ライン6には燃料としての水素を供給する水素供給源8が備えられる一方、燃料排気ライン7には水素含有ガス処理装置9が備えられる。
また、燃料電池スタック2の酸化剤極4には酸化剤ガス用のガス供給流路である酸化剤供給ライン10が接続される一方、酸化剤極4に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤ガス用のガス排出流路である酸化剤排気ライン11が接続される。酸化剤供給ライン10には酸化剤を供給する酸化剤供給源12が備えられる。さらに、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4とには、電気制御装置13を介して電気配線14が接続される。
因みに、図1では、固体高分子形燃料電池1の発電時の燃料ガスと酸化剤ガスとの流れを、それぞれ実線矢印a、bを用いて示しているとともに、固体高分子形燃料電池1の発電時の電流の流れを破線矢印cを用いて示している。
固体高分子形燃料電池1の発電では、燃料電池スタック2の燃料極3に水素供給源8から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極4に酸化剤供給源12から酸化剤ガスとして酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置13にて回収し出力させる設計である。
燃料電池スタック2は、図2に示すように、単位燃料電池としての単電池15が複数積層された積層体によって構成されている。この単電池15には燃料極3と酸化剤極4とが備わっており、これら燃料極3と酸化剤極4に固体高分子電解質膜16が挟持されている。また、これら燃料極3および酸化剤極4には、ガス拡散層17と触媒層18とがそれぞれ備わっている。さらに、単電池15の燃料極3には燃料ガス流路19が備えられる一方、酸化剤極4には酸化剤ガス流路20が備えられる。
なお、燃料電池スタック2を構成する単電池15は、燃料極3と酸化剤極4とが交互に積層され、燃料極3と酸化剤極4とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池15間にセパレータ21が挟持されている。
さて、燃料供給ライン6(図1参照)から燃料電池スタック2に水素含有ガスが供給されると、図2に示す燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の燃料極3に備えられる燃料ガス流路19に水素含有ガスが供給される。同時に、酸化剤供給ライン10(図1参照)から燃料電池スタック2に酸素供給ガスが供給されると、図2に示す燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の酸化剤極4に備えられる酸化剤ガス流路20に酸素含有ガスが供給される。これにより、固体高分子形燃料電池1の発電が行われる。
かかる構成に加えて、本実施の形態の場合、固体高分子形燃料電池1を構成する単電池15の積層体Sは、図3に示すように、その両端に位置する端末部材としてのエンドプレート33を備え、当該エンドプレート33は触媒および坦持基材からなる燃焼器24を備えている。
ここで、端末部材とは、それ自体で発電はしないものであり、燃料電池スタック2にて発電される電力を外部へ取り出す集電機能、単電池15の積層体Sを積層方向に加圧する加圧機能、外部の図示しないガス配管から単電池15へ供給される各ガスの接続(すなわち、後述する燃料ガス供給流路22および酸化剤ガス供給流路23)を行うマニホールド機能の少なくとも一つの機能を有している。
エンドプレート33には、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給流路22と、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路23と、前記燃焼器24で生成された水もしくは水蒸気を排出するための排出流路25を備えている。
さらに、エンドプレート33には、水素含有ガスの供給を操作するための燃料ガス切り替えバルブ26と、酸素含有ガスの供給を操作するための酸化剤ガス切り替えバルブ27と、前記単電池15の温度を検出して昇温動作の要否を判断するための温度センサ28とが備えられている。
そして、かかる固体高分子形燃料電池1では、例えば0〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下において運転を開始する際、燃料供給ライン6から水素含有ガスが供給され、また酸化剤供給ライン10から酸素含有ガスが供給される。このとき、水素含有ガスは燃料ガス切り替えバルブ26によって燃料ガス供給流路22および固体高分子形燃料電池1中の燃料ガス流路19に供給されるが、酸素含有ガスは酸化剤ガス切り替えバルブ27によって酸化剤ガス供給流路23にのみ供給され、固体高分子形燃料電池1中の酸化剤ガス流路20には供給されない。また、水素含有ガスは燃料ガス流路19に供給されなくてもよいが、酸素含有ガスは酸化剤ガス流路20に供給されないことが望ましい。
この状態においては、水素含有ガスおよび酸素含有ガスが燃焼器24に供給されるので、燃焼器24中の図示しない触媒坦持基材上の触媒表面で水素含有ガスと酸素含有ガスが直接燃焼し発熱する。これによって、固体高分子形燃料電池1における積層体Sの両端に位置する単電池15の温度が上昇するので、温度センサ28によって所望の温度に到達した時点で酸化剤ガス切り替えバルブ27を切り替えることで酸化剤ガス流路20に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。
この後、固体高分子形燃料電池1の発熱によって積層体Sの両端に位置する単電池15の昇温が必要なくなったことが温度センサ28によって確認されたら、燃料ガス切り替えバルブ26を操作して燃料ガス供給流路22への水素含有ガスの供給を停止し、同時に酸化剤ガス切り替えバルブ27を操作して酸化剤ガス供給流路23への酸素含有ガスの供給を停止する。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Sの両端に位置する単電池15の温度低下を、エンドプレート33に設けた燃焼器24中の触媒上における水素含有ガスおよび酸素含有ガスの直接燃焼によって得られる熱を利用して抑制するので、積層体Sの積層方向における温度分布の均一化を図ることができる。なお、このときには、積層体Sの両端に位置する単電池15の昇温中に燃料電池から電流を取り出す必要がないため活性化分極、拡散分極の問題は生じない。これにより、電極反応に伴う生成水や、燃料極3からのプロトン(H+)の移動に付随する移動水によって酸化剤極4の濡れが進行したり、実際に電極反応が生じている触媒近傍に開口される気孔が徐々に水で閉塞されたりすることを回避することができるため、固体高分子形燃料電池1の電圧低下を防止することができ、固体高分子形燃料電池1における発電効率を向上させることができる。
また、本実施の形態の燃料電池では、燃焼器24中に生成した水または水蒸気と副生成物とを、排出流路25を介して積極的に排出することができるため、燃焼器24の昇温性能をより好適に維持することができる。
さらに、本実施の形態の燃料電池によれば、単電池15の温度を検出して昇温動作の要否を判断するための温度センサ28が設けられているので、単電池15の過剰な昇温を抑制することができるとともに、燃焼触媒の劣化を抑制することができる。
以上、本発明における燃料電池について、上述した一実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。例えば、図4に示すように、燃料電池スタック2の燃料供給ライン6、燃料排出ライン7、酸化剤供給ライン10および酸化剤排出ライン11に、それぞれ燃料供給ラインバルブ29、燃料排出ラインバルブ30、酸化剤供給ラインバルブ31、酸化剤排出ラインバルブ32を備えるようにしてもよい。
この場合、固体高分子形燃料電池1(図1参照)の運転を停止する際に、燃料供給ラインバルブ29、燃料排出ラインバルブ30、酸化剤供給ラインバルブ31、酸化剤排出ラインバルブ32を全て閉じて、且つ、燃料ガス切り替えバルブ26および酸化剤ガス切り替えバルブ27を燃焼器24に対して開放にしておけば、燃料電池スタック2中に残った水素含有ガスおよび酸素含有ガスを燃焼器24上で直接燃焼させることができる。従って、燃料電池スタック2の燃料ガス流路19中に残った水素含有燃料ガスおよび酸化剤ガス流路20中に残った酸素含有ガスを確実に消費することができ、電池電圧を速やかに低下させることができるため、電極触媒の劣化を抑制することができる。
1…固体高分子形燃料電池(燃料電池)
2…燃料電池スタック
3…燃料極
4…酸化剤極
6…燃料供給ライン
7…燃料排気ライン
8…水素供給源
9…水素含有ガス処理装置
10…酸化剤供給ライン
11…酸化剤排気ライン
12…酸化剤供給源
13…電気制御装置
14…電気配線
15…単電池(単位燃料電池)
16…固体高分子電解質膜(固体高分子膜)
17…ガス拡散層
18…触媒層
19…燃料ガス流路
20…酸化剤ガス流路
21…セパレータ
22…燃料ガス供給路
23…酸化剤ガス供給路
24…燃焼器
25…排出流路
26…燃料ガス切り替えバルブ
27…酸化剤ガス切り替えバルブ
28…温度センサ
29…燃料供給ラインバルブ
30…燃料排気ラインバルブ
31…酸化剤供給ラインバルブ
32…酸化剤排気ラインバルブ
33…エンドプレート
S…積層体
2…燃料電池スタック
3…燃料極
4…酸化剤極
6…燃料供給ライン
7…燃料排気ライン
8…水素供給源
9…水素含有ガス処理装置
10…酸化剤供給ライン
11…酸化剤排気ライン
12…酸化剤供給源
13…電気制御装置
14…電気配線
15…単電池(単位燃料電池)
16…固体高分子電解質膜(固体高分子膜)
17…ガス拡散層
18…触媒層
19…燃料ガス流路
20…酸化剤ガス流路
21…セパレータ
22…燃料ガス供給路
23…酸化剤ガス供給路
24…燃焼器
25…排出流路
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27…酸化剤ガス切り替えバルブ
28…温度センサ
29…燃料供給ラインバルブ
30…燃料排気ラインバルブ
31…酸化剤供給ラインバルブ
32…酸化剤排気ラインバルブ
33…エンドプレート
S…積層体
Claims (4)
- 固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材を備えた燃料電池において、
上記端末部材に、触媒および坦持基材からなる燃焼器と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを上記燃焼器へと供給するためのガス供給流路と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給量を制御するバルブとを設けた
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
上記端末部材に、上記燃焼器で生成された水または水蒸気を排出するための排出流路を設けた
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
上記端末部材に、上記単位燃料電池の温度を検出する温度センサを設けた
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
上記燃焼器に供給した上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを排出するためのガス排出流路と、
上記ガス供給流路および上記ガス排出流路とにそれぞれ設けられるバルブとを備え、
上記ガス供給流路と上記ガス排出流路とを前記バルブにてそれぞれ個別に密閉可能とする
ことを特徴とする燃料電池。
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