JP2007258020A - 固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】停止工程移行後に燃料電池スタック内での結露を防いで次回の起動時の水詰りの原因をなくすと共に、電池性能を長期に亘って良好に維持できるシステム停止方法を提供すること。
【解決手段】固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック１によって発電する発電工程から、発電を停止させる停止工程に移行する前に、燃料電池スタック１に導入される燃料ガス及び／又は空気の露点を発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムを停止させる方法に関し、詳しくは、停止工程移行後に燃料電池スタック内の結露を防止するための技術に関するものである。

従来より、図３に示すように、水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ空気とを加湿器２０,２１によりそれぞれ加湿し、反応ガスとして固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック１に導入して発電を行なうと共に、発電に伴い発生する熱を熱交換器３を介して貯湯槽２に回収して外部への熱供給に有効利用するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック１においては、発電運転中に電解質層におけるイオン導電性を確保することが必要である。つまり、高分子イオン交換膜のような電解質層においてイオン透過性を保持するためには充分に加湿させておく必要がある。ところが、燃料ガスから供給される水素や空気から供給される酸素には、殆ど水分が含まれていないため、前記特許文献１にみられる従来例では、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスや空気供給手段から供給される空気を予め加湿器２０,２１で加湿して燃料電池スタック１に導入することで、高分子イオン交換膜を保湿すると共に電極板を湿潤状態に維持して安定した発電を確保している。

ところが発電を停止させる方法として、従来は、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度のままで、負荷電流を停止し、燃料ガス・空気の供給を停止し、燃料電池スタック１を冷却（自然冷却など）する停止工程を実行する。このため、発電状態から停止工程に移行する際に高加湿の燃料ガス・空気に含まれる水蒸気が燃料電池スタック１内に残存するようになり、停止工程において燃料電池スタック１の温度が室温状態まで下がると残存した水蒸気が結露し、これが次回の起動時に水詰りの原因となる。つまり、水詰り状態のままでシステムを起動させると、燃料電池スタック１内の流路抵抗が大きくなって燃料ガス・空気が一様に行き渡らなくなり、そのため発電状態が安定せず、システムが停止する恐れがある。しかも、発電状態から停止工程に移行する際には、加湿された燃料ガス・空気のほかに、水滴などが不定期に燃料電池スタック１内に持ち込まれることもあり、水滴などが持ち込まれたタイミングで停止工程に移行すると、この水滴なども次回の起動時の水詰りの原因となる。また停止状態において、燃料電池スタック１内に残存した結露水などは電極内へ拡散してしまい、電池性能を劣化させる原因ともなる。
特開２００４−２９６３８４号公報

本発明は前記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、停止工程移行後に燃料電池スタック内での結露を防いで次回の起動時の水詰りの原因をなくすことができるようにし、さらに停止期間中に燃料電池スタック内を乾燥状態に保つことで電池性能を長期に亘って良好に維持できるようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ空気とをそれぞれ加湿し、反応ガスとして固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック１に導入して発電を行なうと共に、燃料電池スタック１の発電に伴い発生する熱を貯湯槽２に回収して外部への熱供給に有効利用するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムを停止させる方法であって、発電工程から発電を停止させる停止工程に移行する前に、燃料電池スタック１に導入される燃料ガス及び／又は空気の露点を発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行することを特徴としている。

このような構成とすることで、発電状態から停止工程に移行する前の段階で、燃料電池スタック１に導入される燃料ガス・空気の露点を発電時の露点よりも十分に下げ、且つ、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度よりも十分に下げることによって、停止工程移行時には燃料電池スタック１内に水蒸気が残存しなくなり、しかも停止直前に従来のように水滴などが不定期に燃料電池スタック１内に持ち込まれることもなくなる。従って、停止工程において燃料電池スタック１が冷却されても結露が発生しなくなり、次回の起動時に水詰りによる悪影響をなくすことができる。また停止期間中は燃料電池スタック１内は乾燥状態に保たれるので、結露水による電池性能の劣化をきたさなくなる。

また前記発電工程では燃料電池スタック１に導入される燃料ガス及び／又は空気を加湿用バブリングタンク４,５内の水に通すことにより加湿し、前記露点制御工程では加湿用バブリングタンク４,５内の水を抜くことにより燃料ガス及び／又は空気の露点を下げるのが好ましく、この場合、発電状態では燃料ガス・空気の高い露点を容易に確保できると共に、露点制御工程においては水抜きによって燃料ガス及び／又は空気の露点を一気に下げることができ、燃料電池スタック１内をより短時間で乾燥状態にすることができる。

本発明は、発電工程から停止工程に移行する前に、燃料電池スタックに導入される燃料ガス及び／又は空気の露点を発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタックの温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行することにより、停止工程移行後に燃料電池スタックが冷却されても結露が発生しないので、次回の起動時には燃料電池スタック内に燃料ガス・空気が一様に行き渡るようになり、発電状態が安定化する結果、システムの安定した運転を長期に亘って継続できる効果が得られる。また停止期間中は燃料電池スタック内は乾燥状態に保たれるので、電池の劣化を誘発することもなく、電池性能を長期に亘って良好に維持できる効果も得られる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１は本発明の固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示し、図２は、発電工程から停止工程に移行する前の露点制御工程、温度制御工程の説明図である。
固体高分子電解質膜型の燃料電池スタック１は、図示省略した高分子イオン交換膜からなる電解質層の一方の面に酸素極を備え、他方の面に水素極を備えて単位セルを形成すると共にこの単位セルをセパレータを介して複数個積層して構成されている。水素極側に供給された水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質層を介して酸素極側へと移動し、その間に生じた電子が外部の電力消費機器の電気回路に取り出されて、直流の電気エネルギとして利用される。

前記燃料電池スタック１には、電気化学反応の反応熱などで燃料電池本体部が過熱しないようにするため、燃料電池本体部に冷却水を流す冷却水循環経路６が設けられている。発電に伴い発生する熱は冷却水循環経路６に設けられる熱交換器３を介して貯湯槽２側に回収される。つまり、燃料電池スタック１から出る高温水をポンプで冷却水循環経路６に移送して貯湯水循環経路７内の貯湯水と熱交換した後に、電池冷却水として燃料電池本体部に循環させることで発電に適した温度に保つことができるようになり、一方、貯湯水循環経路７内の貯湯水は高温水となって貯湯槽２に回収されて外部への熱供給に有効利用されるようになる。なお、貯湯槽２中の温水がなくなった場合は、バックアップボイラーからなる排熱回収装置（図示せず）からの温水が供給される仕組みとなっている。

前記燃料電池スタック１の燃料ガス用接続部８には燃料ガス供給路９が接続され、空気用接続部１０には空気供給路１１が接続される。燃料ガス供給路９の上流には、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器等を備えた燃料改質装置が設けられており、改質された燃料ガスが燃料ガス供給路９に供給される。この燃料ガス供給路９及び空気供給路１１の途中には、それぞれ、燃料ガス用の加湿器と空気用の加湿器とが設けられている。
燃料ガス用と空気用の各加湿器は同じ構造をした加湿用バブリングタンク４,５で構成されている。加湿用バブリングタンク４,５は燃料ガスと空気とを個別に加湿用の水中でバブリングさせて水分を添加するものであり、加湿用バブリングタンク４,５の下部は液相部、上部は気相部となっている。エアコンプレッサ等を用いて燃料ガス(又は空気)を加湿用バブリングタンク４(５)の底部から液相部に噴出させることで、バブリングにより燃料ガスに水分が補給され、加湿された燃料ガスとなって燃料ガス供給路９へと送られる。また、加湿用バブリングタンク４,５の底部には水抜き孔が設けられ、この水抜き孔は水抜き用バルブ１２（例えば電磁開閉弁）を介して排水経路に連通しており、後述の露点制御工程では水抜き用バルブ１２を開くことで水抜きがされる。なお、水の補給は水供給バルブ１４を有する水補給経路１３から行なわれる。

ここで、本発明の発電停止方法は、図２に示すように、発電工程から停止工程に移行する前に、燃料ガスの露点及び空気の露点をそれぞれ発電時の露点よりもT１[℃],T２[℃]よりも十分に低い露点t１(<T１) [℃]、t２(<T２) [℃]まで下げるための露点制御工程と、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度D[℃]よりも十分に低い温度d (<D ) [℃]まで下げるための温度制御工程とをそれぞれ実行する。

先ず、発電工程では、燃料ガス及び空気をそれぞれ加湿用バブリングタンク４,５内の水に通すことにより加湿する。このとき加湿用の水に燃料ガス(又は空気)を噴出させてバブリングを起こすことにより、燃料ガスに十分な水分補給が行なわれ、加湿された反応ガスとして燃料電池スタック１に導入することで、高分子イオン交換膜が保湿されると共に電極板が湿潤状態に維持され、安定した発電が行なわれる。

露点制御工程では、加湿用バブリングタンク４,５内の水を抜くことにより燃料ガスの露点t１及び空気の露点t２をそれぞれ発電時の露点T１,T２よりも下げる。つまり水抜きによって燃料ガス・空気への水分補給が停止されることにより、停止工程に移行する前に燃料電池スタック１に導入される燃料ガス・空気の露点t１, t２を十分に低くすることができる。

温度制御工程では、強制冷却によって燃料電池スタック１の温度を下げる。つまり、停止工程で燃料電池スタック１を室温状態まで自然冷却する方式とは異なる。温度制御工程の一例として、燃料電池スタック１に供給される冷却水量を発電時の冷却水量よりも増加することで、燃料電池スタック１の温度を発電時の温度D[℃]よりも十分に低い温度d(<D) [℃]まで下げる。ちなみに発電状態では、循環ポンプ(図示せず)によって燃料電池スタック１に供給される単位時間あたりの冷却水量を調整することで、燃料電池スタック１の温度を発電のための最適な温度Dに調整されているが、温度制御工程では循環ポンプの回転数を上げて燃料電池スタック１に供給される冷却水量を発電時の冷却水量よりも増加させるものである。なお冷却水量を増やす方法以外に、例えばラジエータ及び冷却用ファンを備えた冷却装置を用いて冷却することも可能であり、冷却方法については適宜設計変更自在とする。

なお、前記発電工程から、露点制御工程、温度制御工程を経て停止工程に至る実行手順は制御装置からの指令に従ったものとされる。また露点制御工程において水抜き用バルブ１２を開放して水抜きをする露点制御や、温度制御工程において冷却水量等を制御して燃料電池スタック１の温度dを低下させる温度制御も、制御装置からの指令に従ったものとされる。

しかして、発電状態から停止工程に移行する前に、燃料ガス・空気の露点を発電時の露点よりも十分に下げ、且つ燃料電池スタック１の温度を発電時の温度よりも十分に下げるようにしたので、停止工程移行時には燃料電池スタック１内が高加湿の湿潤状態から低加湿の乾燥状態となり、燃料電池スタック１内に水蒸気が残存しなくなる。また従来のように停止直前に水滴などが不定期に燃料電池スタック１内に持ち込まれることもなくなる。従って、停止工程後も燃料電池スタック１内は乾燥状態に保たれるので、燃料電池スタック１の温度が室温状態まで下がっても結露が発生せず、次回の起動時に水詰りによる悪影響をなくすことができる。つまり、次回の起動時には燃料電池スタック１内に燃料ガス・空気が一様に行き渡るようになり、発電状態が安定化する結果、システムの安定した運転を長期に亘って継続できる効果が得られる。

また本例では、発電状態で燃料ガス・空気をそれぞれ加湿する手段として、加湿用バブリング方式を用いたので、燃料ガス・空気の高い露点を容易に確保できる利点があり、また、停止工程に移行する前に燃料ガス・空気の露点を下げる方法として加湿用バブリングタンク４,５内を水抜きする方式を採用したので、燃料ガス・空気の露点を一気に下げることができ、燃料電池スタック１内を短時間で乾燥状態にできる利点がある。

また、本実施形態のバブリングによる加湿方式では、露点制御工程を温度制御工程よりも先に実行するのが望ましい。つまり、燃料電池スタック１の温度を下げる前から水抜きによって燃料ガス・空気の露点を十分に下げることで燃料電池スタック１内をいち早く乾燥状態とすることができ、この状態で燃料電池スタック１の温度を下げることで、結露の発生をより確実に防止できるようになる。

また、停止工程移行後には燃料電池スタック１内が乾燥状態に保たれるので、高分子イオン交換膜からなる電解質層に対しても加湿作用が施されなくなる。従って、運転停止期間に結露水が電極内等に進入したりすることもないので、電池の劣化を誘発することがなく、電池性能を長期に亘って良好に維持できるものとなる。そのうえ次回の起動時までに加湿用バブリングタンク４,５内に水補給経路１３から水を補給しておくことにより、起動時点から燃料ガス・空気が素早く加湿されることで燃料電池スタック１の高分子イオン交換膜や電極内が短時間で最適な加湿状態となるので、起動時から所定の出力に達するまでの時間を短縮できると共に、発電開始・発電停止の繰り返しに強い耐久性に優れた燃料電池が得られる利点もある。

また、上記加湿用バブリングタンク４,５内の水温を調整するための電気ヒーター等の加熱手段（図示せず）を付設してもよい。例えば、最大負荷で運転される場合のように燃料ガス・空気の供給量が多いときは水温を高く保つことで多量の燃料ガス・空気への水分補給が十分になされるようになり、一方、最大負荷より低い負荷で運転される場合のように燃料ガス・空気の供給量が少ないときは水温を低く保つことで、燃料ガス・空気への水分補給を最適に抑えることができる。従って発電状況に応じて電気ヒーターの加熱を制御することで、消費電力を節約しながら安定した発電を持続することが可能となる。

なお、前記露点制御工程では、２つの加湿用バブリングタンク４,５をそれぞれ水抜きして燃料ガスと空気の両方の露点を同時に下げるようにしたが、勿論これに限らず、本発明は、一方の加湿用バブリングタンク４又は５のみを水抜きして、燃料ガスと空気のいずれか一方の露点だけを下げる場合も含むものである。

本発明の一実施形態の固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの説明図である。 同上の発電工程から停止工程に移行する前に、露点制御工程と温度制御工程とを実行する場合の説明図である。 従来の固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 貯湯槽
３ 熱交換器
４,５ 加湿用バブリングタンク
１２ 水抜き用バルブ

Claims (4)

1. 水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ空気とをそれぞれ加湿し、反応ガスとして固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックに導入して発電を行なうと共に、燃料電池スタックの発電に伴い発生する熱を貯湯槽に回収して外部への熱供給に有効利用するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムを停止させる方法であって、発電工程から発電を停止させる停止工程に移行する前に、燃料電池スタックに導入される燃料ガスの露点を発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタックの温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行することを特徴とする固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法。
2. 水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ空気とをそれぞれ加湿し、反応ガスとして固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックに導入して発電を行なうと共に、燃料電池スタックの発電に伴い発生する熱を貯湯槽に回収して外部への熱供給に有効利用するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムを停止させる方法であって、発電工程から発電を停止させる停止工程に移行する前に、燃料電池スタックに導入される空気の露点を発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタックの温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行することを特徴とする固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法。
3. 水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ空気とをそれぞれ加湿し、反応ガスとして固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックに導入して発電を行なうと共に、燃料電池スタックの発電に伴い発生する熱を貯湯槽に回収して外部への熱供給に有効利用するようにした固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムを停止させる方法であって、発電工程から発電を停止させる停止工程に移行する前に、燃料電池スタックに導入される燃料ガスの露点及び空気の露点をそれぞれ発電時の露点よりも下げるための露点制御工程と、燃料電池スタックの温度を発電時の温度よりも下げるための温度制御工程とを実行することを特徴とする固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法。
4. 前記発電工程では燃料電池スタックに導入される燃料ガス及び／又は空気を加湿用バブリングタンク内の水に通すことにより加湿し、前記露点制御工程では加湿用バブリングタンク内の水を抜くことにより燃料ガス及び／又は空気の露点を下げることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法。
   
   

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