JP2006080005A - 燃料電池のガス供給方法、及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 かかるコストの上昇を抑え、且つ安定性や信頼性を維持しつつ、連続運転を継続しながらセルの低下した発電効率（ガスの供給条件を一定とした場合のセル電圧）の回復を行えるようにする技術を提供する。
【解決手段】 コンプレッサー６からの空気は導管５を通ってセルＣＬの酸化剤極３に供給される。セルＣＬの低下した発電効率を回復させる場合、導管５を流れる空気に、燃料ガスをコンプレッサー１３により、酸化剤極３から排出された空気をコンプレッサー１０により混入させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池を用いて発電を行わせるための技術に関する。

近年、燃料電池は、高効率、クリーン、資源が豊富、といった優れた特長が注目され、その商品開発が進められている。その燃料電池は普通、セルと呼ばれるものを複数、用いて所望の電圧を得る構成となっている。

図３は、燃料電池（個体高分子形燃料電池）への基本的なガス供給方法を説明する図である。
燃料電池は、セルを複数、積層して所望の電圧を得られるようにするのが普通である。そのセルは、図３に示すように、固体高分子電解質膜３１を、それぞれ拡散層と触媒層を有する燃料極３２、及び酸化剤極３３の２つの電極の間に配置した構成となっている。各電極は、例えば電極反応に重要な役割を持つ白金触媒とフッ素樹脂を混合した酸化剤極用、燃料極用触媒ペーストを多孔質なカーボンペーパー上に塗布、または散布などして成型される。

発電は、燃料極３２には燃料（例えば水素）を含む燃料ガス、酸化剤極３３には酸化剤（例えば酸素）を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給することで行わせる。水素以外の燃料、例えば都市ガスやメタノールなどでは、改質器で水素に改質してその燃料ガスを得るようになっている。都市ガスでは、水蒸気を加えた後、改質器により水素を含む燃料ガスに改質している。その未反応水蒸気により、燃料極３２側は加湿されるようにしている。更なる加湿が必要な場合は、改質器から排出された燃料ガスを加湿する加湿器が配置される。そのような燃料ガスが導管３４を通り、燃料極３２に供給される。

酸化剤ガスとしては酸素が酸化剤となる空気が用いられるのが普通である。その空気は、加湿器により加湿し、コンプレッサー３６により導管３５を通して酸化剤極３３に供給される。

そのようなガスが燃料極３２、酸化剤極３３に供給される燃料電池では、連続運転中に、スタックのセルの電圧が低下することが知られている。そのセル電圧が低下すると、発電効率も低下し、場合によっては連続運転ができなくなる。このことから、燃料電池では連続運転中にセル電圧が低下しない構造のセルを設計するか、或いはセル電圧が低下しても回復させることができる燃料電池発電システムを設計することが望まれていた。

後者を実現できる従来の技術としては、特許文献１に記載されたものがある。その特許文献１に記載された技術では、或る時間、酸化剤極（カソード）の電位を低下させることでセル電圧を回復させるようにしている。その理由として、「全く確実ではないが、本発明が周期的に反転させることを意図されている電池の減衰は、通常の電池作動中にカソード白金触媒が酸化白金に転化された結果である、と思われる。酸化白金は、白金が有するほど酸化還元（oxygen reduction）に対する高い触媒活性を有していない。結果として、徐々に電池性能が低下する。白金の酸化白金への転化がゆっくり生じ、数百時間の電池作動の進行中に、好ましくない水準に高まる、という証拠がある。本発明の教示に従って約０．６ボルトより下のカソード電位で電池を作動させることにより、酸化白金が還元される結果となり（すなわち、純粋な白金が戻り）、それによって、通常の電池作動が再開するとき、電池性能が向上される、と思われる。」という説明が記載されている（段落０００９）。

特許文献１には、発電（運転）中にカソードの電位を低下させる方法として、負荷電流を増大させる、カソード（酸化剤極）に供給する酸素（酸化剤）の利用率を増加させる（酸化剤ガスの流量を低下させる）、といった方法が記載されている。発電を停止させる場合には、酸化剤極に対し、窒素等の不活性ガスを供給するといった方法があると記載されている。しかし、それらの方法には、以下のような問題点があった。

負荷電流を増大させる方法では、実際には定格負荷の倍以上の電流密度にする必要があると考えられる。そのように流れる電流を増大させるためには、各電極に供給する燃料、酸化剤の量も通常より増やせるようにする必要がある。このため、ガス供給用のコンプレッサー（ブロワー）等は吐出量のより大きいものを採用しなければならない。改質器やインバータ等の他の装置も定格以上の性能が要求されるため、同様である。これらのことから、製造コストは大きく上昇し、サイズは大型化することになる。従ってその方法を採用することは現実的ではない。

酸素の利用率を増加させる方法では、単位体積（単位質量）当たりの酸素の消費量を増やすために酸化剤ガスの流量を低下させる必要がある。燃料電池では、上述のように、各電極に対して加湿したガスを供給するようになっている。このため、流量を低下させると、飽和状態となる部位が発生し、その部位に水が凝縮して滞留する可能性が高くなる。

実際の設計では、水が凝縮しても押し流せるだけの流量が得られるようにしている。しかし、酸素の利用率を増加させるために流量を低下させると、凝縮した水を押し流せる流量が得られない部位が発生する可能性は高くなる。水の滞留は、電極における化学反応を抑制すると考えられるから非常に望ましくない。

一方、ガスが流れない、或いはその流量が比較的に小さいセルは、電位が大きく低下する。転極を起こすと、セルに大きなダメージを与えて、連続運転ができなくなる可能性が生じる。このように、酸素の利用率を増加させる方法は、安定性の他に、信頼性の低下を招く可能性もあることから、採用しないことが無難であると言える。

酸化剤極に不活性ガスを供給する方法では、不活性ガスを別置きで用意し、そのガスを供給する経路を設けなくてはならない。このため、その方法を採用すると、製造コストは大きく上昇し、サイズは大型化することになる。また、不活性ガスの補充を必要に応じて行わなければならないため、メンテナンスコストも上昇する。

上述したようなことから、何れの方法を採用しても、燃料電池発電システムにかかるコスト（製造コストやメンテナンスコスト、など）は大きく上昇するか、安定性や信頼性の低下が考えられる。セルの低下した発電効率（ガスの供給条件を一定とした場合のセル電圧）の回復は、連続運転の継続はもとより、コストの上昇を抑え、且つ安定性や信頼性の低下を回避しつつ行えるようにすることが重要であると考えられる。
特表２００３−５３６２３２号公報

本発明は、かかるコストの上昇を抑え、且つ安定性や信頼性を維持しつつ、連続運転を継続しながらセルの低下した発電効率（ガスの供給条件を一定とした場合のセル電圧）の回復を行えるようにする技術を提供することを目的とする。

本発明の第１、及び第２の態様の燃料電池のガス供給方法は共に、燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池にガスを供給するために用いられる方法であって、それぞれ以下のようにガスを供給する。

第１の態様の燃料電池のガス供給方法では、酸化剤極に対して供給する酸化剤を含む酸化剤ガスを少なくとも制御して、セルの電圧を０．１〜０．３ボルトの範囲で発電させる。

第２の態様の燃料電池のガス供給方法では、酸化剤極に対する酸化剤を含む酸化剤ガスの供給により該酸化剤極から排出される排出ガスの一部を抽出し、該抽出した排出ガスを酸化剤極に新たに供給される酸化剤ガスと合わせて該酸化剤極に供給する。

なお、上記第２の態様では、燃料極に対して供給される燃料を含む燃料ガス、及び該供給により該燃料極から排出されるガスのうちの少なくとも一方の一部を新たに供給される酸化剤ガスと更に合わせて酸化剤極に供給する、ことが望ましい。

本発明の第１、及び第２の態様の燃料電池発電システムは共に、燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池を用いて発電を行うことを前提とし、それぞれ以下の手段を具備する。

第１の態様の燃料電池発電システムは、酸化剤極に対して酸化剤を含む酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、ガス供給手段による酸化剤ガスの供給により該酸化剤極から排出される排出ガスの一部を抽出して、該ガス供給手段が供給する酸化剤ガスに混合するガス抽出手段と、を具備する。

第２の態様の燃料電池発電システムは、上記第１の態様における構成に加えて、燃料極に対して供給され、燃料を含む燃料ガス、及び該供給により該燃料極から排出されるガスのうちの少なくとも一方の一部を抽出して、ガス供給手段が供給する酸化剤ガスに混合する他のガス抽出手段、を更に具備する。

本発明は、酸化剤極に対する酸化剤を含む酸化剤ガスの供給によりその酸化剤極から排出される排出ガスの一部を抽出し、抽出した排出ガスを酸化剤極に新たに供給される酸化剤ガスと合わせてその酸化剤極に供給する。

排出ガスを酸化剤ガスに混入することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガスの酸化剤濃度は低下する。その低下により、セル電圧を低下させられることから、運転（発電）を継続させつつ、低下した発電効率を回復させることができる。その回復は、セルを０．１〜０．３ボルトの範囲で発電させることにより、信頼性を維持しつつ、効率的に行うことができる。

燃料極に対して供給される燃料を含む燃料ガス、及びその供給により燃料極から排出されるガスのうちの少なくとも一方の一部を新たに供給される酸化剤ガスと更に合わせて酸化剤極に供給するようにした場合には、酸化剤極上の酸化被は燃料ガスによってより効率的に除去されることから、発電効率をより効率的に回復させることができる。何れにしても酸化剤濃度の低下は、流量を低下させず、且つ不活性ガス等を別に用意することなく行えることから、かかるコストの上昇は抑えることができ、安定性や信頼性は維持させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態による燃料電池発電システムで実現される燃料電池へのガス供給を説明する図である。

燃料電池を構成するセルＣＬは、図１に示すように、固体高分子電解質膜１を、それぞれ拡散層と触媒層を有する燃料極２、及び酸化剤極３の２つの電極の間に配置した構成となっている。各電極２、３は、例えば電極反応に重要な役割を持つ白金触媒とフッ素樹脂を混合した酸化剤極用、燃料極用触媒ペーストを多孔質なカーボンペーパー上に塗布、または散布などして成型される。ここではセルＣＬを一つだけ示しているが、そのセルＣＬは複数、積層して所望の電圧を得られるようにしているのが普通である。

発電は、燃料極２には燃料（例えば水素）を含む燃料ガス、酸化剤極３には酸化剤（例えば酸素）を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給することで行わせる。水素以外の燃料、例えば都市ガスやメタノールなどでは、不図示の改質器で水素に改質してその燃料ガスを得るようになっている。都市ガスでは、水蒸気を加えた後、改質器により水素を含む燃料ガスに改質している。その未反応水蒸気により、燃料極２側は加湿されるようにしている。更なる加湿が必要な場合は、改質器から排出された燃料ガスを加湿する加湿器が配置される。そのような燃料ガスが導管４を通り、燃料極２に供給される。

燃料極２に供給されて通過した燃料ガスは排気ガスとして導管７を介して排気される。その排気ガスには未使用の水素が含まれている。このことから、その排気ガスは再利用される。

酸化剤ガスとしては酸素を酸化剤とする空気が用いられている。その空気は、加湿器により加湿し、コンプレッサー６により導管５を通して酸化剤極３３に供給される。供給されて酸化剤極３を通過した空気は排気ガスとして導管８を介して外部に排出される。

燃料ガスを燃料極２に導く導管４には、導管１２の一方の端が継合されている。他方の端にはコンプレッサー１３が継合され、そのコンプレッサー１３から排出される燃料ガスは導管１４を通り導管５内に導かれるようになっている。

導管８には、導管９の一方の端が継合されている。その他方の端にもコンプレッサー１０が継合され、そのコンプレッサー１０から排出される排気ガスは導管１１を通り導管５内に導かれるようになっている。ここでは便宜的に、各コンプレッサー６、１０、１３から流れる（吐出される）ガスの吐出流量（体積流量：Ｌ／ｍｉｎ）をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚと表記する。燃料ガス、空気の各排気ガスについては混乱を避けるために、燃料ガスのそれを「燃料排気ガス」、空気のそれを「空気排気ガス」とそれぞれ呼ぶことにする。

このようにして、本実施の形態では、空気排気ガス、及び燃料ガスの少なくとも一方を必要に応じて空気に混入できるようにしている。それにより、酸化剤極３に供給される空気の酸素濃度の低下を制御できるようにさせている。

空気の酸素濃度を低下させることで、セル電圧は低下する。そのセル電圧の低下により、セルＣＬの低下した発電効率（ガスの供給条件を一定とした場合のセル電圧）を回復させることができる。酸化剤極３に供給される空気の酸素濃度を低下させつつ、燃料極２への燃料ガスの供給を行うため、運転（発電）は継続されることになる。燃料ガスを空気に混入させた場合には、空気に混入した水素が酸化剤極３上の酸化被膜（酸化白金）と反応することから、その酸化被膜をより効率的に除去することができる。それにより、発電効率をより効率的に回復させることができる。

空気の酸素濃度の低下は、その流量を下げることなく行うことができる。このため、セルＣＬ内に水が凝縮して滞留する危険性は確実に回避させることができる。ガスが流れない、或いはその流量が比較的に小さいことで生じる転極も確実に回避させることができる。これらのことから、安定性や信頼性も確実に維持することができる。不活性ガス等を別に用意するような場合と比較すると、製造コスト、メンテナンスコストともにより抑えることができる。

燃料ガス、或いは空気排気ガスの空気への混入は、自動的、或いは手動で必要に応じて、或いは予め定めたタイミングで行う。連続運転５００〜５０００時間毎に、５分間〜３時間の間で実施する（コンプレッサー１０、１３を運転させる）ことが望ましい。それにより、低下した発電効率は回復させられるため、長時間出力を維持させることが求められる用途にも広く適用することができる。

図２は、燃料電池に供給する空気の酸素濃度とセル電圧の関係を示す説明図である。そのセル電圧は、スタックされたセルＣＬの平均のセル電圧、そのなかで最低のセル電圧、或いはモニターしているセルＣＬのセル電圧、である。

そのセル電圧を０．２ボルトまで下げたときの空気の酸素濃度をＰ０２（０．２Ｖ）と表記する。コンプレッサー６、１０から供給される空気の流量Ｘ、空気排気ガスの流量Ｙは、それらを混入させたときの酸素濃度がＰ０２（０．２Ｖ）となり、且つ酸化剤極３の利用率が通常の定格運転時と同じとなるように決定している。それにより、セルＣＬの発電効率を回復させている間も通常時と同じように利用できるようにさせている。

燃料ガスの空気への混入では、水素の空気中の爆発限界を考慮する必要がある。つまり水素ガスが占める体積を全体の４％以下にする必要がある。コンプレッサー１３から供給される燃料ガスの流量Ｚは、その４％以下となる条件を満たすよう決定している。

本実施の形態では、セル電圧が０．２ボルトになるように空気の酸素濃度を制御しているが、その制御は、セル電圧を０．１〜０．３ボルトの範囲内に設定して行うことが望ましい。その理由は、０．１ボルトより低く設定すると、多く積層されたセルＣＬのなかでセル電圧が０ボルトを下回るものが生じる可能性が考えられ、０．３ボルトより高く設定すると、発電効率を回復させる効率が低くなるからである。０．３ボルトより高い電圧では、効果が著しく低下した。

なお、本実施の形態では、酸化剤極３に供給する空気に空気排気ガス、及び燃料ガスの両方を必要に応じて混入できるようにしているが、そのうちの一方のみを混入できるようにしても良い。空気への水素の混入は、燃料ガスではなく、燃料排気ガスを空気に混入させることで行っても良い。

本実施の形態による燃料電池発電システムで実現される燃料電池へのガス供給を説明する図である。 燃料電池に供給する空気の酸素濃度とセル電圧の関係を示す説明図である。 燃料電池（個体高分子形燃料電池）への基本的なガス供給方法を説明する図である。

符号の説明

ＣＬ セル
１ 電解質膜
２ 燃料極
３ 酸化剤極
４、５、７〜９、１１、１２、１４ 導管
６、１０、１３ コンプレッサー（ブロワー）

Claims (5)

1. 燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池にガスを供給するために用いられる方法であって、
   前記酸化剤極に対して供給する酸化剤を含む酸化剤ガスを少なくとも制御して、前記セルの電圧を０．１〜０．３ボルトの範囲で発電させる、
   ことを特徴とする燃料電池のガス供給方法。
2. 燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池にガスを供給するために用いられる方法であって、
   前記酸化剤極に対する酸化剤を含む酸化剤ガスの供給により該酸化剤極から排出される排出ガスの一部を抽出し、
   該抽出した排出ガスを前記酸化剤極に新たに供給される酸化剤ガスと合わせて該酸化剤極に供給する、
   ことを特徴とする燃料電池のガス供給方法。
3. 前記燃料極に対して供給される燃料を含む燃料ガス、及び該供給により該燃料極から排出されるガスのうちの少なくとも一方の一部を前記新たに供給される酸化剤ガスと更に合わせて前記酸化剤極に供給する、
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池のガス供給方法。
4. 燃料極と酸化剤極の間に電解質層を狭持させたセルを一つ以上、有する燃料電池を用いて発電を行うシステムにおいて、
   前記酸化剤極に対して酸化剤を含む酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、
   前記ガス供給手段による前記酸化剤ガスの供給により該酸化剤極から排出される排出ガスの一部を抽出して、該ガス供給手段が供給する酸化剤ガスに混合するガス抽出手段と、
   を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 前記燃料極に対して供給され、燃料を含む燃料ガス、及び該供給により該燃料極から排出されるガスのうちの少なくとも一方の一部を抽出して、前記ガス供給手段が供給する酸化剤ガスに混合する他のガス抽出手段、
   を更に具備することを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。

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