JP2007234573A - 燃料電池スタックの起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池スタックを効率的に予熱し、迅速に起動させることが可能な燃料電池スタックの起動方法及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料を改質して水素が含有された改質ガスを発生させ、改質ガスの生成のための熱エネルギーが供給されて廃ガスを排出する燃料改質器３０と、改質ガスに含有された水素を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックに結合され、伝導熱を用いて燃料電池スタックを予熱する予熱装置２０と、燃料電池スタックの温度を検知する温度センサ５１と、温度センサで検出されたスタック温度が基準温度以上であるとき、予熱装置の作動を中止し、燃料電池スタックに廃ガスを供給して燃料電池スタックを追加的に予熱させる制御装置５０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの起動方法及び燃料電池システムに関する。
高分子電解質形燃料電池は、水素イオン交換特性を有する高分子膜を電解質として使用する燃料電池であって、固体高分子電解質形燃料電池（solid polymer electrolyte fuel cell; SPEFC）、固体高分子形燃料電池（solid polymer fuel cell; SPFC）、高分子電解質形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell; PEFC）、プロトン交換膜燃料電池（proton-exchange membrane fuel cell; PEMFC）、又は高分子電解質膜燃料電池（polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC）といった種々の名前で呼ばれている。
高分子電解質形燃料電池は、使用される電解質（electrolyte）の種類に応じて分類したリン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池等のような他の構成の燃料電池に比べて作動温度が低いため、効率が高く、電流密度及び出力密度が大きく、始動時間が短いとともに、負荷の変化に対する応答特性が速いという長所がある。特に、電解質として高分子膜を使用するため、電解質の損失がほとんどなく、既存の確認された技術であるメタノール改質器の適用が可能であり、反応気体の圧力変化にもより敏感ではない。また、デザインが簡単で製作が容易であり、燃料電池本体の材料として様々なものを使用することができる。同時に、多様な範囲の出力を出すことができるため、無公害車両の動力源、現地設置型発電源、宇宙船用電源、移動用電源、軍事用電源など、非常に様々な分野に応用することができる。
高分子電解質形燃料電池は、通常、高出力に適合するようにスタック構造で製造される。スタックは、カソードとアノードとを分離し、電気化学反応によって生成されたイオン物質を通過させ、カソードとアノードとに発生する起電力によって電気を発生させる膜電極アセンブリ（membrane-electrode assembly; MEA）と、この膜電極アセンブリの電極に結合され、電極間の電子の伝達機能とともに、燃料と酸化剤との供給及び反応生成物を排出する役割、及び各電極の集電体の役割をするセパレータが交互に積層された構造を有する。
上述の膜電極アセンブリは、高分子電解質膜とその両面に位置する多孔質のアノード電極とカソード電極とで構成される。高分子電解質膜として現在多く使用されている材料は、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有するペルフルオロスルホン酸系のイオン交換膜であり、スルホン化高分子に固有のプロトン伝導特性を用いる。例えば、Nafion（登録商標）膜、Gore（登録商標）膜、Flemion（登録商標）膜、Aciplex（登録商標）膜などが主に使用されている。イオン交換当量当たりの膜の重量（equivalent weight; EW）は、膜の種類に応じて異なるが、約1,000（ｇ／重量）程度である。スルホン酸基１モル当たり最大約10モルの水を吸収して約0.1Ｓｃｍ−１の高いプロトン伝導率を示す。上述の高分子電解質形燃料電池は、スルホン酸高分子の特性上、動作温度が約60〜80℃であり、外部からの加湿がなければ良い性能を発揮することができない。
特開２００５−３４７０１３号公報
しかし、高分子電解質形燃料電池の電解質として使用する高分子膜は、非常に高く、運転中に高分子膜の水分含量調節が難しいという短所がある。しかも、高分子電解質形燃料電池は、運転中に電解質膜に適切な水分を供給するための加湿器が求められるため、燃料電池システムの小型化及び単純化に応じることができないという短所がある。同時に、高分子電解質形燃料電池は、低い温度で作動するため、廃熱をほとんど活用することができず、高温で作動する燃料改質器と連携し難いという問題がある。また、電極触媒として白金（Ｐｔ）を使用するため、反応気体内における一酸化炭素（ＣＯ）の許容値が低くなければならず、その一方で、製造費用を減らすために触媒含浸量を下げなければならないという困難がある。
上述した短所を克服するため、最近では、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない高分子電解質形燃料電池が新たに研究されている。例えば、既存のスルホン化高分子ではない、酸（リン酸）ドープしたポリベンズイミダゾール（polybenzimidazole; PBI）を用いる高温高分子電解質形燃料電池は、120〜200℃の高温で外部からの加湿なしに駆動することができると報告されている。
しかし、高温高分子電解質形燃料電池は、120〜200℃の作動温度を有するため、一般的な高分子電解質形燃料電池より始動時間が非常に長いという短所がある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックを効率的に予熱し、迅速に起動させることが可能な、新規かつ改良された燃料電池スタックの起動方法及び燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料改質器から受けた燃料を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない燃料電池における燃料電池スタックの起動方法において、燃料電池スタックに結合された加熱ブロックを介して、燃料電池スタックを予熱する段階と、燃料電池スタックの温度を検知する段階と、燃料電池スタックの温度を基準温度と比較する段階と、比較結果に応じて、燃料電池スタックの内部に燃料改質器の廃ガスを供給する段階と、を含むことを特徴とする、燃料電池スタックの起動方法が提供される。
上記燃料改質器の廃ガスを供給する段階は、燃料電池スタックの温度が100℃以上であるとき行われるとすることができる。かかる構成により、燃料電池スタックの温度が100℃未満であるときに、燃料電池スタック内部に主要成分がＣＯ２とＮ２である非常に高い温度の改質器の廃ガスを供給すると、燃料電池スタック内部の電解質膜に含浸されたリン酸が溶出することを防止できる。
上記比較結果に応じて、加熱ブロックの作動を中止する段階を更に含んでもよい。
上記燃料電池スタックの温度が作動温度に達すると、燃料改質器と燃料電池スタックとの間に設けられた弁の作動を通じて、廃ガスの供給を遮断する段階を更に含んでもよい。
上記加熱ブロックは、伝導熱を用いて燃料電池スタックを加熱する装置を含むとすることができる。
上記廃ガスは、燃料電池スタックの温度調節のための冷却チャネルに供給されるとすることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料を改質して水素が含有された改質ガスを発生させ、改質ガスの生成のための熱エネルギーが供給されて廃ガスを排出する燃料改質器と、改質ガスに含有された水素を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない燃料電池スタックと、燃料電池スタックに結合され、伝導熱を用いて燃料電池スタックを予熱する予熱装置と、燃料電池スタックの温度を検知する温度センサと、温度センサで検出されたスタック温度が基準温度以上であるとき、予熱装置の作動を中止し、燃料電池スタックに廃ガスを供給して燃料電池スタックを追加的に予熱させる制御装置と、を備えることを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
上記基準温度は、100℃であるとすることができる。かかる構成により、燃料電池スタックの温度が100℃未満であるときに、燃料電池スタック内部に主要成分がＣＯ２とＮ２である非常に高い温度の改質器の廃ガスを供給すると、燃料電池スタック内部の電解質膜に含浸されたリン酸が溶出することを防止できる。
上記燃料電池スタック内部を通過する冷却チャネルを有し、燃料電池スタックの温度を調節する冷却装置を更に備え、廃ガスは、冷却チャネルに供給されるとすることができる。
上記燃料電池スタックは、酸ドープしたポリベンズイミダゾールを用いた電解質膜を有してもよい。
上記燃料電池スタックは、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール、リン酸含有アクリルモノマー重合体、ポリベンズイミダゾール／強酸複合体、塩基性高分子／酸性高分子複合体及びこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも１つを用いた電解質膜を有してもよい。
上記燃料電池スタックは、エンジニアリングプラスチックにスルホン基を導入したスルホン化ポリフェニレン誘導体又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを用いた電解質膜を有してもよい。
上記燃料電池スタックは、ナノホールを備えたプロトン伝導性電解質膜、有機−無機プロトン伝導性電解質膜、ナフィオン−ジルコニウムホスフェート電解質膜、リン酸ドープしたナフィオン１１７及びアパタイトで強化した電解質膜のうち少なくともいずれか１つを有してもよい。
上記予熱装置は、伝導熱を用いて燃料電池スタックを加熱する装置を有してもよい。
上記燃料改質器は、燃料を燃焼させて高温の廃ガスを発生させる熱源部と、熱源部の熱を用いて燃料を水蒸気改質する改質部と、を有してもよい。
本発明によれば、燃料電池スタックを効率的に予熱し、迅速に起動させることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
まず、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
図１を参照すると、本実施形態に係る燃料電池システムは、高温高分子電解質形燃料電池スタック１０と、予熱装置２０と、燃料改質器３０とを含む。そして、選択的に冷却装置４０を更に含むことができる。また、本実施形態に係る燃料電池システムは、起動時、予熱装置２０の伝導熱と燃料改質器３０の廃ガスとを適切に用いて、燃料電池スタック１０内の電解質膜１１の損傷を防止しながら、迅速に予熱される。
各構成要素を中心として本実施形態を具体的に説明すると、まず、燃料電池スタック１０は、電解質膜１１と、アノード電極１２ａ、１２ｂと、カソード電極１３ａ、１３ｂと、ガスケット（gasket）１４と、セパレータ（separator）１５、１５ａ、１５ｂと、エンドプレート（end plate）１６と、締結手段１７とを備える。そして、改質ガスの流入のためのアノード流入口１８ａと、酸化剤の流入のためのカソード流入口１９ａと、未反応改質ガスなどの排出のためのアノード排出口１８ｂと、水などの排出のためのカソード排出口１９ｂとを備える。そして、上述の電解質膜１１とその両面に位置するアノード電極１２ａ、１２ｂ及びカソード電極１３ａ、１３ｂは、単位燃料電池である膜電極アセンブリ（membrane-electrode assembly; MEA）を構成する。
電解質膜１１は、無加湿の条件で２００℃の高温でも正常に作動する酸（リン酸）ドープしたポリベンズイミダゾールで形成されることが好ましい。例えば、酸、又はリン酸は、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４を含む。一方で、電解質膜１１は、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール、リン酸含有アクリルモノマー重合体、ポリベンズイミダゾール／強酸複合体、塩基性高分子／酸性高分子複合体及びこれらの誘導体からなるグループから選ばれる少なくとも１つで形成されることができる。他方で、電解質膜１１は、エンジニアリングプラスチックにスルホン基を導入したスルホン化ポリフェニレン誘導体又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトンで形成されることができる。更に他方で、電解質膜１１は、ナノホールを備えたプロトン伝導性電解質膜、有機−無機プロトン伝導性電解質膜、ナフィオン−ジルコニウムホスフェート電解質膜、リン酸ドープしたナフィオン117及びアパタイトで強化した電解質膜のうち少なくともいずれか１つで形成されることができる。
アノード電極１２ａ、１２ｂ及びカソード電極１３ａ、１３ｂは、触媒層（catalyst layer）１２ａ、１３ａと、拡散層（diffusing layer）１２ｂ、１３ｂとを備える。拡散層１２ｂ、１３ｂは、微多孔層（microporous layer）と支持層（backing layer）とで形成されることができる。触媒層１２ａ、１３ａは、各電極に供給される燃料又は酸化剤が化学的に速やかに反応できるように反応促進の役割を担当する。微多孔層は、触媒層１２ａ、１３ａに燃料又は酸化剤が均一に分散供給されるように機能し、カソード触媒層１３ａで生成された水が円滑に排出できるように機能する。上述の微多孔層は、支持層上にコーティングされたカーボン層（carbon layer）で形成されることができる。支持層は、各電極を支持する役割をしながら、燃料、水、空気などの分散作用と、生成された電気の集電作用、及び触媒層１２ａ、１３ａ物質の消失防止作用をする。上述の支持層は、カーボンクロス（carbon cloth）、カーボン紙（carbon paper）のような炭素基材で形成されることができる。
触媒層１２ａ、１３ａは、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選ばれる１種以上の遷移金属）からなる群から選ばれる１種以上の金属触媒を含むことが好ましい。他方で、触媒層は、担持体に担持された白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選ばれる１種以上の遷移金属）からなる群から選ばれる１種以上の金属触媒を含むことができる。担持体は、伝導性を有するいずれの物質でもよいが、炭素担持体であることが好ましい。
微多孔層は、黒鉛、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン（Ｃ６０）、活性炭素、バルカン、ケッチェンブラック、カーボンブラック及びカーボンナノホーン（carbon nano horn）からなる群から選ばれる１種以上の炭素物質を含むことが好ましく、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（テトラフロオロエチレン）及びフッ化エチレンプロピレンからなる群から選ばれる１種以上のバインダを更に含むことができる。
ガスケット１４は、燃料電池スタック１０のアクティブ領域の周囲で密封が求められる部分に直接塗布されるか又は一体に製作された板状として膜電極アセンブリとセパレータ１５、１５ａ、１５ｂとの間に挿設され、燃料電池スタック１０内部を通過する流体の漏れを防止する。上述のガスケット１４は、ゴム、シリコーンなどの弾性を有する部材や金属板で形成されることができる。
セパレータ１５、１５ａ、１５ｂは、個々の膜電極アセンブリを直列に連結することにより、所望の電圧を出力するスタック構造を形成する。また、セパレータ１５、１５ａ、１５ｂは、電子を収集し、アノード電極１２ａ、１２ｂから別の導線を介してカソード電極１３ａ、１３ｂに電子を伝達し、チャネルを介してアノード電極１２ａ、１２ｂに水素に富む改質ガスを伝達し、カソード電極１３ａ、１３ｂに酸素を含有する空気を伝達する。そして、セパレータ１５、１５ａ、１５ｂは、薄い高分子電解質膜と電極とを支持する。上述のセパレータ１５、１５ａ、１５ｂは、燃料と酸化剤とを分離する非多孔性、優れた電気伝導性、及び燃料電池スタック１０の温度制御のための十分な熱伝導率を有する任意の材料で形成される。同時に、セパレータ１５、１５ａ、１５ｂは、燃料電池スタック１０をクランピング（clamping）する力に耐えるほどの十分な機械的強度と水素イオンに対する耐腐食性とを有する任意の材料で形成される。
つまり、燃料電池スタック１０は、膜電極アセンブリと、ガスケット１４と、セパレータ１５、１５ａ、１５ｂとを積層し、積層された構造の両側端面に一対のエンドプレート１６を位置させた後、ボルトやナットなどの締結手段１７によって２つのエンドプレート１６を所定の締結圧で連結することにより製造される。
そして、燃料電池スタック１０は、アノード流入口１８ａに流入する改質ガスとカソード流入口１９ａに流入する酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギーと熱とを発生させる。燃料電池スタック１０は、略120〜200℃の高温で作動する。また、アノード排出口１８ｂとカソード排出口１９ｂにアノード流出物とカソード流出物、例えば、未反応燃料と反応生成物を排出する。上述の燃料電池スタック１０の反応式を表わすと、次の通りである。
（反応式１）
アノード：Ｈ２（ｇ）→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード：１／２Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（ｌ）
全体反応式：Ｈ２（ｇ）＋１／２Ｏ２（ｇ）→Ｈ２Ｏ（ｌ）＋電気＋熱
反応式１を参照すると、セパレータ１５、１５ａ、１５ｂを介して膜電極アセンブリのアノード電極１２ａ、１２ｂに改質ガスが供給され、カソード電極１３ａ、１３ｂに酸化剤（空気）が供給されると、改質ガスに含有された水素は、アノード電極１２ａ、１２ｂに流れながら触媒層１２ａで電子とプロトン（水素イオン）とに分解される。プロトンは、電解質膜１１を介して移動し、カソード電極１３ａ、１３ｂで生成された酸素イオンと外部導線（図示せず）を介して移動する電子と混合され、水を生成する。そして、燃料電池スタック１０のアノードとカソードでは、アノード流出物（未反応改質ガス）とカソード流出物（水、空気）が排出される。同時に、外部導線を介して移動する電子によって電気が生成され、改質ガスに含有された水素と酸素との化学反応によって付随的に熱が発生するようになる。
予熱装置２０は、燃料電池スタック１０の一次予熱のためのものであって、スタック温度が100℃未満であるとき、動作することが好ましい。その理由は、スタック温度が100℃未満であるとき、燃料電池スタック１０内部に主要成分がＣＯ２とＮ２である非常に高い温度の改質器３０の廃ガスを供給すると、燃料電池スタック１０内部の電解質膜１１に含浸されたリン酸が溶出するおそれがあるためである。従って、廃ガスを用いる前に、予熱装置２０によって、100℃になるまで燃料電池スタック１０を迅速に予熱することが好ましいためである。上述の予熱装置２０は、燃料電池スタック１０に結合される加熱ブロック（heating block）２１を備え、加熱ブロック２１の伝導熱を通じて燃料電池スタック１０を加熱する。予熱装置２０は、例えば、構造及び設置が容易な電気ヒータで形成されることが好ましく、この場合、加熱ブロック２１は、燃料電池スタック１０の外表面に巻回されたコイル部を含む。図１に示すように、加熱ブロック２１のうち円とその中心の黒点からなる記号で示した加熱ブロック２１は、燃料電池スタック１０を取り囲むコイル部が地面上に突出する部分を表し、加熱ブロック２１のうち円とＸ印からなる記号で示した加熱ブロック２１は、燃料電池スタック１０を取り囲むコイル部が地面中に入る部分を表わす。
燃料改質器３０は、熱源部３１と改質部３２とを備える。そして、選択的に一酸化炭素低減部（図示せず。）を更に備えることができる。熱源部３１は、その内部に燃焼触媒を備え、熱源部３１に供給される空気を用いて燃料を燃焼させ、熱と廃ガス（off gas）とを発生させる。発生した廃ガスは、燃料電池スタック１０の起動時、燃料電池スタックの予熱のために燃料電池スタック内部に供給される。改質部３２は、その内部に改質触媒を備え、熱源部３１の熱を用いて燃料を水蒸気改質し、水素に富む改質ガスを発生させる。発生した改質ガスは、燃料電池スタック１０に供給する。改質触媒としては、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３、Ｒｕ／ＺｒＯ２、Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３／Ｒｕ／ＣｅＯ２−Ａｌ２Ｏ３からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を用いることができる。上述の改質部３２は、炭化水素燃料と水蒸気との反応によって高濃度の水素を得ることができる水蒸気改質方式で構成されることが好ましいが、水蒸気改質方式以外に、部分酸化、自熱改質、炭化水素の分解、これらの組み合わせなどの方式のうち少なくともいずれか１つの方式で構成されることもできる。
上述の燃料改質器３０に一酸化炭素低減部が更に備えられる場合、一酸化炭素低減部は、改質部３２と燃料電池スタック１０との間に配置され、改質ガス内の有害物質、例えば、一酸化炭素を除去する。例えば、一酸化炭素低減部は、約200℃以下の温度条件で添加された水蒸気によって一酸化炭素を水素と二酸化炭素とに転換する水性ガス転換（water gas shift; WGS）反応部で構成されることができる。この場合、一酸化炭素低減部は、その内部にＣｒ２Ｏ３／Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３などの触媒を備えることができる。他方で、一酸化炭素低減部は、約100〜200℃の温度条件で酸化反応によって一酸化炭素を二酸化炭素に転換する選択的酸化（preferential CO oxidation; PROX）反応部で構成されるか、又は水性ガス転換反応部と組み合わせられた一酸化炭素反応部で構成されることができる。
冷却装置４０は、燃料電池スタック１０が最適の作動温度で運転できるようにスタック温度を調節する機能をする。冷却装置４０は、燃料電池スタック１０の内部を通過するチャネルを備え、チャネルに冷却流体を供給することにより、過度の温度に達した燃料電池スタック１０を冷却する。冷却装置４０は、燃料電池スタック１０が過度の温度状態に達した場合に、過度の温度より低い温度を有する液体や気体を供給することができる既存の多様な装置で構成されることができる。
制御装置５０は、燃料電池スタック１０の温度を測定する温度センサなどの温度測定装置５１から電気的信号を受け、この電気的信号に基づいてスタック温度を検知する。そして、制御装置５０は、予熱装置２０、弁４１、４２、４３、冷却装置４０などの制御のための制御信号、例えば、ＣＳ０、ＣＳ１、ＣＳ２を生成する。例えば、制御装置５０は、スタック温度が100℃未満の間は、燃料電池スタック１０の一次予熱のために予熱装置２０を動作させ、熱源部３１から排出された廃ガスが大気中に排気できるように第１弁４１の流路を大気中に開放しながら、第２弁４２及び第３弁４３の流路を遮断する。スタック温度が100℃以上であり、燃料電池スタック１０の限界温度、例えば、200℃未満であるとき、熱源部３１から排出された廃ガスが燃料電池スタック１０の加熱に利用できるように、第１弁４１の流路を燃料電池スタック１０側に開放して第２弁４２の流路を大気中に開放しながら、第３弁４３を遮断する。そして、スタック温度が燃料電池スタック10の限界温度以上であるとき、冷却装置４０からの冷媒が燃料電池スタック１０を循環して供給されるように第２チャネル４２及び第３チャネル４３を開放しながら、第１チャネル４１を遮断する。
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の起動時、予熱装置２０で燃料電池スタック１０を予熱し、次いで、弁４１、４２、４３を調節して冷却流体の移送のためのチャネル（以下、冷却チャネルともいう）に燃料改質器３０の廃ガスを供給して燃料電池スタック１０を追加的に予熱する。そして、その後、燃料電池スタック１０の作動時に、冷却流体を供給するように構成される。
一方、本実施形態の上述の説明では、冷却装置４０を用いる高温高分子電解質形燃料電池において、燃料電池スタック１０の起動時、燃料電池スタック１０に備えられた冷却チャネルを介して燃料改質器３０の廃ガスを供給するように構成されたが、本実施形態は、上述の構成に限らず、例えば、冷却装置を用いない高温高分子形燃料電池スタックにおいても、セパレータなどに別のチャネルを形成して廃ガスを供給する構成とすることもできる。
次に、本実施形態に係る燃料電池システムの起動過程を、図２を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る高温高分子電解質形燃料電池スタックの起動方法を示すフローチャートである。
図２を参照すると、まず、予熱装置２０が作動し、予熱装置２０の加熱ブロック２１によって燃料電池スタック１０が予熱される（ステップＳ１０）。本段階は、例えば、燃料改質器３０から受けた燃料を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない高分子電解質形燃料電池スタック１０を起動するための所定の起動要求信号が燃料電池システムの制御装置５０に入力された後、制御装置５０から印加された所定の制御信号に応答して予熱装置２０が作動するように構成されることができる。次に、制御装置５０は、燃料電池スタック１０の温度を測定するための温度測定装置５１、例えば温度センサを通じて燃料電池スタック１０の温度を検知する（ステップＳ１２）。温度センサは、例えば、サーミスタ（thermistor）センサで構成されることができる。
次に、制御装置５０は、検知されたスタック温度と基準温度とを比較する（ステップＳ１４）。本段階は、スタック温度が基準温度、例えば、水が蒸発する温度である100℃に達したか否かを判断するためのものである。
次に、前段階（ステップＳ１４）で検知されたスタック温度が100℃に達したと判断されると、制御装置５０は、加熱ブロック２１の作動を中止させる（ステップＳ１６）。そして、前段階（ステップＳ１４）で検知されたスタック温度が100℃に達していなければ、制御装置５０は、スタック温度が100℃に達するまで一定の時間間隔、又はほぼ連続的にスタックの温度を検知する。
次に、スタック温度が約100℃であるときから、燃料改質器３０の高温の廃ガスを燃料電池スタック１０内部に供給する（ステップＳ１８）。本段階は、廃ガスを用いて、既にある程度安定的に予熱されている燃料電池スタック１０を更に迅速に予熱するためのものである。廃ガスは、燃料電池スタック１０を効率的に予熱することが可能な、多様な形態と構造を有する内部チャネル及び外部チャネルの少なくともいずれか一方を介して供給されることができる。高温の廃ガスを供給するためのチャネルとしては、スタックの過度の温度上昇を防止するための冷却チャネルなどのように他の用途のためにスタックに設けられたチャネルを用いるように構成されることが好ましい。しかし、上述のチャネルは、スタックの予熱だけのために別に設けられることもできる。
次に、スタックの温度が作動温度に達すると、廃ガスの供給を遮断する（ステップＳ２０）。本段階は、例えば、スタックの温度が180℃に達した時、制御装置５０が燃料改質器３０と燃料電池スタック１０との間に設けられた弁４１を作動させて廃ガスの供給を遮断するように構成することができる。
一方、上述の起動方法において、スタックの予熱初期から燃料改質器３０の廃ガスを用いて、予熱前のスタック温度に比べて非常に高い温度を有する高温の廃ガスが燃料電池スタック１０内部に供給されると、スタック温度と廃ガスの温度との差によって燃料電池スタック１０内部に凝縮された水が流入するおそれがある。そして、流入した水は、高温の燃料電池スタック１０内の電解質膜１１に含浸されている酸（リン酸）を排出させて電解質膜１１に損傷を与えてしまう。他方で、上述の電解質膜１１の損傷を考慮して、燃料電池スタック１０の外部から燃料電池スタック１０を加熱するための配管を考慮して設けることができるが、このような構造は、少なくとも燃料電池スタック１０の一部分を取り囲む別の配管を設けなければならないため、構造が複雑になり、費用が増加するという短所がある。
また、上述の起動方法において、加熱ブロック２１の伝導熱を用いて燃料電池スタック１０を100℃まで予熱したことは、燃料電池スタック１０内に凝縮された水が流入しないように予熱装置２０を通じて加熱ブロック２１の温度を制御することができるからである。そして、燃料電池スタック１０の予熱中、スタック温度が100℃以上になったときから加熱ブロック２１の作動を中止させた理由は、加熱ブロック２１の作動によって消費する費用を減少させるためである。
次に、本実施形態に係る高温高分子電解質形燃料電池スタックの起動方法と、比較例によるスタック起動方法の予熱時間について比較説明する。図３は、本実施形態に係る高温高分子電解質形燃料電池スタックの起動方法と、比較例によるスタック起動方法の各スタックの予熱時間とを比較して示すグラフである。
本実施形態に係る燃料電池スタック１０の起動方法を用いる燃料電池システムでは、図３の曲線Ａで示されるように、燃料電池スタック１０が起動した後、第１時間ｔ１まで加熱ブロックの伝導熱によって予熱され、第２時間ｔ１〜ｔ２の間に燃料改質器の廃ガスによって予熱される。これに対比して、予熱手段としてヒータを備えた比較例の燃料電池システムでは、図３の曲線Ｂで示されるように、高温スタックが起動後、所定時間ｔ３の間予熱される。
上記のグラフから分かるように、燃料電池スタック１０の起動方法は、比較例による高温スタックの起動方法に比べて非常に迅速に燃料電池スタック１０を予熱することができる。同時に、燃料電池スタック１０の起動方法は、高温高分子電解質形燃料電池スタック１０の起動時、高温の廃ガスの利用による電解質膜１１の損傷を防止するだけでなく、第１時間ｔ１の後に予熱装置の作動を中止させることにより、比較例に比べて燃料電池スタック１０を迅速に起動させながらも、費用を節減することができる。
一方、本実施形態に係る高温燃料電池スタック１０の起動方法を用いる燃料電池システムは、酸化剤供給のための酸化剤供給手段と、燃料電池スタック１０の温度を検知し、検知された温度を基準温度と比較し、比較結果に応じて、所定の制御信号を発生させるための制御手段などの周辺装置を追加で備えることができる。そして、燃料改質器３０に供給される燃焼燃料及び改質燃料は、ガソリン、ディーゼル、メタノール、エタノール、天然ガス、都市ガスなどの炭化水素係燃料を含み、酸化剤は、空気や純酸素を含む。
以上のとおり、本発明によれば、設置が容易な加熱ブロック（予熱装置）の伝導熱と、既存の装置である燃料改質器の廃ガス（廃熱）とを適切に用いて、燃料電池スタックを２段階で予熱することにより、燃料電池スタック内の電解質膜の損傷を防止し、燃料電池スタックを迅速に起動させることができ、費用を節減することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、本発明の技術的思想によって燃料電池スタックに結合される予熱装置、燃料電池スタックに高温の廃ガス供給のためのチャネルなどの構成を多様に形成することができる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 同実施形態に係る高温高分子電解質形燃料電池スタックの起動方法を示すフローチャートである。 同実施形態に係る高温高分子電解質形燃料電池スタックの起動方法と、比較例によるスタック起動方法の各スタックの予熱時間とを比較して示すグラフである。
符号の説明
１０ 燃料電池スタック
１１ 電解質膜
１２ａ、１２ｂ アノード電極
１３ａ、１３ｂ カソード電極
１４ ガスケット
１５、１５ａ、１５ｂ セパレータ
１６ エンドプレート
１７ 締結手段
１８ａ アノード流入口
１８ｂ アノード排出口
１９ａ カソード流入口
１９ｂ カソード排出口
２０ 予熱装置
２１ 加熱ブロック
３０ 燃料改質器
３１ 熱源部
３２ 改質部
４０ 冷却装置
４１、４２、４３ 弁
５１ 温度測定装置

Claims (15)

  1. 燃料改質器から受けた燃料を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない燃料電池における燃料電池スタックの起動方法において：
    前記燃料電池スタックに結合された加熱ブロックを介して、前記燃料電池スタックを予熱する段階と；
    前記燃料電池スタックの温度を検知する段階と；
    前記燃料電池スタックの温度を基準温度と比較する段階と；
    前記比較結果に応じて、前記燃料電池スタックの内部に前記燃料改質器の廃ガスを供給する段階と；
    を含むことを特徴とする、燃料電池スタックの起動方法。
  2. 前記燃料改質器の廃ガスを供給する段階は、前記燃料電池スタックの温度が100℃以上であるとき行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタックの起動方法。
  3. 前記比較結果に応じて、前記加熱ブロックの作動を中止する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタックの起動方法。
  4. 前記燃料電池スタックの温度が作動温度に達すると、前記燃料改質器と前記燃料電池スタックとの間に設けられた弁の作動を通じて、前記廃ガスの供給を遮断する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池スタックの起動方法。
  5. 前記加熱ブロックは、伝導熱を用いて前記燃料電池スタックを加熱する装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタックの起動方法。
  6. 前記廃ガスは、前記燃料電池スタックの温度調節のための冷却チャネルに供給されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタックの起動方法。
  7. 燃料を改質して水素が含有された改質ガスを発生させ、前記改質ガスの生成のための熱エネルギーが供給されて廃ガスを排出する燃料改質器と；
    前記改質ガスに含有された水素を電気化学的に酸化させて電気を発生させ、高温で作動し、外部からの加湿を必要としない燃料電池スタックと；
    前記燃料電池スタックに結合され、伝導熱を用いて前記燃料電池スタックを予熱する予熱装置と；
    前記燃料電池スタックの温度を検知する温度センサと；
    前記温度センサで検出されたスタック温度が基準温度以上であるとき、前記予熱装置の作動を中止し、前記燃料電池スタックに前記廃ガスを供給して前記燃料電池スタックを追加的に予熱させる制御装置と；
    を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  8. 前記基準温度は、100℃であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池スタック内部を通過する冷却チャネルを有し、前記燃料電池スタックの温度を調節する冷却装置を更に備え、
    前記廃ガスは、前記冷却チャネルに供給されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池スタックは、酸ドープしたポリベンズイミダゾールを用いた電解質膜を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池スタックは、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール、リン酸含有アクリルモノマー重合体、ポリベンズイミダゾール／強酸複合体、塩基性高分子／酸性高分子複合体及びこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも１つを用いた電解質膜を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池スタックは、エンジニアリングプラスチックにスルホン基を導入したスルホン化ポリフェニレン誘導体又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを用いた電解質膜を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池スタックは、ナノホールを備えたプロトン伝導性電解質膜、有機−無機プロトン伝導性電解質膜、ナフィオン−ジルコニウムホスフェート電解質膜、リン酸ドープしたナフィオン１１７及びアパタイトで強化した電解質膜のうち少なくともいずれか１つを有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  14. 前記予熱装置は、伝導熱を用いて前記燃料電池スタックを加熱する装置を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料改質器は、燃料を燃焼させて高温の廃ガスを発生させる熱源部と、前記熱源部の熱を用いて燃料を水蒸気改質する改質部と、を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。



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