JP2008004485A - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒中のＰｔ-Ｒｕ量を増大することなく又ガス配管構成を複雑化することなく、長時間安定した連続運転を実現すること。
【解決手段】この固体高分子形燃料電池は、第１のガス分配板３２−１中において空気供給ガス入口３５が形成された空気極ガスマニホールド３３−１から燃料供給ガス入口３６が形成された燃料極ガスマニホールド３４−１へ空気ブリードライン３９を形成し、燃料極１１と空気極１２との差圧を利用して空気ブリードライン３９経由で空気の一部を燃料極１１へ供給するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料極と空気極とで固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）を狭持してセルを構成する固体高分子形燃料電池に関する。

図６は固体高分子形燃料電池におけるガス供給システムを示す図である。燃料電池スタック１００は、燃料極拡散層及び燃料極触媒層からなる燃料極１０１と空気極拡散層及び空気極触媒層からなる空気極１０２とで電解質膜１０３を狭持してなるセルを複数積層して構成される。空気極１０２には空気ブロアー１０４から空気が供給される。一方、燃料極１０１には、改質器１０５において都市ガス等の原燃料から水素を含む燃料ガスに改質した改質ガスが、ＣＯ変成器１０６及びＣＯ除去器１０７を経由して供給される。改質器１０５において原燃料を燃料ガスへと改質する際にＣＯ_２及びＣＯが生成される。燃料ガスに含まれたＣＯは、燃料極触媒層の触媒であるｐｔに吸着して特性を著しく低下させるおそれがあるので、ＣＯ変成器１０６及びＣＯ除去器１０７においてＣＯをある程度除去してから燃料極１０１へ供給するように構成されている。そして、燃料極１０１に供給された水素と空気極１０２に供給された空気中の酸素とが化学反応することにより、電気と熱を得ている。

ところで、燃料電池スタックを構成する各セルの燃料極に供給する燃料ガス中のＣＯ濃度が高くなると、各セルのセル特性が大幅に低下する問題がある。図７は燃料極にＣＯを含むガスを供給した場合における単セルのセル電圧特性を示す図である。同図に示すように、燃料ガス中のＣＯ濃度が高くなるのに応じてセル電圧が大幅に低下していることが判る。

そこで、現在は、燃料ガスに含まれたＣＯによるセル電圧低下を防止するために、燃料極触媒層に耐ＣＯの高いＰｔ-Ｒｕ触媒を用いている。

また、燃料極への空気供給量を増加させることにより燃料電池スタックにおける燃料極触媒のＣＯによる被毒を防止するガス供給システムが提案されている(例えば、特許文献１参照)。特許文献１記載のガス供給システムでは、燃料極に改質ガスを供給する改質ガス供給路と空気極にコンプレッサから圧縮空気を供給する空気供給経路とが、燃料電池スタック前段において接続配管にて連結され、その接続配管に流量調整弁と逆止弁とが設けられている。そして、改質器内の改質ガスの圧力が上昇したときに、燃料極に要求される最適な空気供給量を算出し、この空気供給量となるように流量調整弁を制御して空気供給経路から改質ガス供給路へ空気を供給するようにしている。
特開２００１−５２７２８号公報

しかしながら、燃料電池を連続運転する過程で燃料極触媒層の触媒中からＲｕが溶出する可能性があり、Ｒｕが溶出した場合にはＰｔ-Ｒｕ触媒による耐ＣＯ特性が低下し、セル特性が大きく低下する可能性がある。触媒中のＰｔ-Ｒｕ量を増やして長時間耐ＣＯ特性を維持することも考えられるが、コストダウンを図る上では貴金属であるＰｔ-Ｒｕ量を増やすには限界がある。

また、特許文献１記載のガス供給システムは、改質ガス供給路と空気供給経路との間を接続配管にて連結して当該接続配管に流量調整弁及び逆止弁を設けるので、燃料電池スタックにガス供給するための配管構成が複雑になると共に燃料電池の小型化の障害になるといった問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、触媒中のＰｔ-Ｒｕ量を増大することなく又ガス配管構成を複雑化することなく、燃料極に混入したＣＯによるセル特性低下を長時間に亙って防ぐことができ、長時間安定した連続運転が可能で小型化を図ることのできる固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体高分子形燃料電池は、燃料極と空気極とで固体高分子電解質膜を狭持したセルを複数積層してなるセル積層体と、燃料ガス供給ラインと空気供給ラインとが接続され、前記燃料ガス供給ラインから供給される燃料ガスを前記各セルの燃料極へ分配すると共に前記空気供給ラインから供給される空気を前記各セルの空気極へ分配するガス分配板と、前記ガス分配板中において前記空気供給ラインから供給される空気の一部を前記燃料極へ送る空気ブリード構造とを具備し、前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ空気を供給することを特徴とする。

この構成によれば、空気ブリード構造を介して燃料極へ空気を供給することができるので、燃料極に混入したＣＯによるセル特性低下を長時間に亙って防ぐことができ、長時間安定した連続運転が可能となる。また、ガス分配板中に空気ブリード構造を設けたので、省スペース化が可能であり、燃料電池スタック前段でガス配管構成を改良して燃料極に空気を供給する場合に比べ、小型化が容易である。

また、上記固体高分子形燃料電池において、前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ送られる空気ブリード量を、前記燃料極と前記空気極との差圧を利用して制御することが望ましい。

また、上記固体高分子形燃料電池において、前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ送られる空気ブリード量を、前記燃料極への全供給ガス量の１％〜１０％とすることが望ましい。

本発明によれば、触媒中のＰｔ-Ｒｕ量を増大することなく又ガス配管構成を複雑化することなく、燃料極に混入したＣＯによるセル特性低下を長時間に亙って防ぐことができ、長時間安定した連続運転を実現することができると共に小型化を図ることができる。

以下、本発明の一実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池スタック１０は、燃料極拡散層及び燃料極触媒層からなる燃料極１１と空気極拡散層及び空気極触媒層からなる空気極１２とで電解質膜１３を狭持してなる単セルを複数積層（セル積層体）して構成されている。

空気極１２は、空気ブロアー１４から空気が供給されるように構成されている。空気ブロアー１４の空気出口が空気供給ラインとしての空気供給路２１を介して燃料電池スタック１０の空気極１２側のガス入口に連結されている。

燃料極１１は、天然ガス等の原燃料を改質反応により水素リッチな燃料ガスへと変える改質器１５と、改質器１５から出力される燃料ガス中のＣＯをシフト反応により例えば水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素に変えるＣＯ変成器１６と、ＣＯ変成器１６から出力される燃料ガス中に残留しているＣＯを除去するＣＯ除去器１７とが順次連結されている。改質器１５の改質ガス出口が改質ガス供給路２２を介してＣＯ変成器１６に連結され、ＣＯ変成器１６の改質ガス出口が改質ガス供給路２３を介してＣＯ除去器１７に連結されている。さらに、ＣＯ除去器１７の改質ガス出口が改質ガス供給路２４を介して燃料電池スタック１０の燃料極１１側のガス入口に連結されている。改質ガス供給路２４が燃料ガス供給ラインの下流端となる。

燃料電池スタック１０から排出される排出ガスは改質器１５に併設される燃焼器２６へ循環させるように構成されている。図１では燃料極１１のガス排出口が排出改質ガス供給路２５を経由して燃焼器２６に連結される構成を示している。

図２は燃料電池スタック１０の概念図である。同図に示すように、燃料極１１、空気極１２及び電解質膜１３からなる単位セルを積層してなるセル積層体３１のガス供給側端部に第１のガス分配板３２−１が設置され、セル積層体３１のガス排出側端部に第２のガス分配板３２−２が設置されている。本実施の形態は、第１のガス分配板３２−１の内部において、空気極１２へ供給する空気の一部を燃料極１１へ送る空気ブリード構造が備えられている。

第１のガス分配板３２−１には、空気極ガスマニホールド３３−１及び燃料極ガスマニホールド３４−１が設けられている。空気極ガスマニホールド３３−１は空気供給路２１に連通する空気供給ガス入口３５が形成されている。空気供給路２１から供給される空気は空気極ガスマニホールド３３−１を介してセル積層体３１を構成する各セルの空気極１２へ分配される。また、燃料極ガスマニホールド３４−１は改質ガス供給路２４に連通する燃料供給ガス入口３６が形成されている。改質ガス供給路２４から供給される燃料ガスは燃料極ガスマニホールド３４−１を介してセル積層体３１を構成する各セルの燃料極１１へ分配される。空気極ガスマニホールド３３−１と燃料極ガスマニホールド３４−１とを空気ブリードライン３９を介して連通させている。

第２のガス分配板３２−２には、空気極ガスマニホールド３３−２及び燃料極ガスマニホールド３４−２が設けられている。空気極ガスマニホールド３３−２は、ガス排出系に繋がる空気供給ガス出口３７が形成されている。各セルから空気極ガスマニホールド３３−２へ排出される排出ガスは燃料電池スタック１外へ排出される。また、燃料極ガスマニホールド３４−２はガス排出系の一部である排出改質ガス供給路２５に連通する燃料供給ガス出口３８が形成されている。このように燃料電池スタック１から排出される排出ガスは第２のガス分配板３２−２を介して外部へ排出されるように構成されている。

図３は空気ブリードライン３９における第１のガス分配板３２−１の断面を示す概略的な断面図である。第１のガス分配板３２−１の内部に形成された空気ブリードライン３９は、空気極ガスマニホールド３３−１の空気供給ガス入口３５−１近傍位置から燃料極ガスマニホールド３４−１の燃料供給ガス入口３６−１近傍位置までを連通している。本実施の形態は、燃料極１１と空気極１２の差圧を利用して空気ブリードライン３９経由で燃料極１１へ空気を供給するようにしている。

また、本実施の形態は、燃料電池スタック１０のガス入口側において燃料極１１と空気極１２との差圧を検出する差圧計１８を備えており、差圧検出信号を制御装置１９へ入力している。制御装置１９は空気ブリードライン３９を介して燃料極１１へ適量の空気が供給されるような差圧を実現するように差圧制御バルブ２０の開度を制御する。差圧制御バルブ２０は、空気供給ガス出口３７に連結されたガス排出系の排出経路２７に設けられている。差圧制御バルブ２０の開度を小さくすれば（バルブ閉方向）、燃料極１１への空気供給量は増大する。また、差圧制御バルブ２０の開度を大きくすれば（バルブ開方向）、燃料極１１への空気供給量は減少する。なお、燃料極１１と空気極１２との差圧は燃料電池スタック１の出口側において測定するようにしても良い。

次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
改質器１５に供給される天然ガス等の原燃料が水素リッチな燃料ガスに改質される。改質器１５からＣＯ変成器１６へ水素リッチな燃料ガスが導入され、当該燃料ガス中のＣＯがシフト反応によりある程度除去される。さらにＣＯ変成器１６からＣＯ除去器１７へ燃料ガスが導入され、ＣＯ除去器１７において燃料ガス中に残留しているＣＯが除去される。このように、ＣＯ変成器１６及びＣＯ除去器１７にて燃料ガス中のＣＯ濃度が所定値以下となるようにＣＯ除去される。ＣＯ除去器１７でＣＯ除去された燃料ガスが第１のガス分配板３２−１の燃料供給ガス入口３６から燃料極ガスマニホールド３４−１を介してセル積層体３１の各燃料極１１へ導入される。

一方、空気ブロアー１０４から空気供給路２１へ送り込まれた空気は第１のガス分配板３２−１の空気供給ガス入口３５から空気極ガスマニホールド３３−１を介してセル積層体３１の各空気極１２へ導入される。

このとき、図２，３に示すように空気極ガスマニホールド３３−１と燃料極ガスマニホールド３４−１とは空気ブリードライン３９を介して連通しているので、燃料極１１側よりも空気極１２側の内圧が高ければ、空気ブリードライン３９を介して燃料極ガスマニホールド３４−１へ空気供給路２１の空気が流入する。本実施の形態では、制御装置１９が空気極ガスマニホールド３３−１から燃料極ガスマニホールド３４−１へ空気が流入するような差圧に制御している。

ここで、空気ブリードライン３９を介した燃料極１１への空気ブリード量について詳しく説明する。
図４はＣＯを含む燃料ガスと空気とを混合させたガスを燃料極１１に供給した時のセル電圧特性を示す図である。同図より、燃料ガスに混入させる空気ブリード量を、燃料極１１に供給するガス量の１ｖｏｌ．％以上にすることによりセル電圧が十分に回復することが判る。また、安全上、水素中の空気の爆発限界は約２５％であるので、空気ブリード量は燃料極１１に供給するガス量の２５ｖｏｌ．％未満にしなければならない。

一方、燃料極１１に空気が供給された場合には、燃料ガス中の水素と空気との反応により、反応熱が発生するか又は過酸化水素が発生する可能性がある。熱や過酸化水素は、電池を構成する電解質樹脂を分解させる効果があるので、空気ブリード量が大き過ぎるとセル電圧特性が大きく低下する可能性がある。

図５は燃料極１１へ空気ブリードを行わない状態で２５００時間以上連続運転した場合のセル電圧低下率と、燃料極１１の供給ガスの１０ｖｏｌ．％の空気を混入させて２５００時間以上連続運転した場合のセル電圧低下率とを示す図である。同図の実験結果より、燃料極１１の供給ガスの１０ｖｏｌ．％の空気を混入させても顕著な性能低下は認められないことが確認された。少なくとも、空気ブリード量は１ｖｏｌ．％から１０ｖｏｌ．％の範囲であれば、熱や過酸化水素によるセル電圧低下を生じないことになる。

本実施の形態は、差圧計１８による差圧検出結果に基づいて、空気ブリードライン３９から燃料極１１への空気ブリード量が、燃料極１１への全供給ガス量の１ｖｏｌ．％〜１０ｖｏｌ．％の範囲内に収まるように調整する。燃料極１１への空気ブリード量は、空気ブリードライン３９の直径が十分に細ければ、空気極ガスマニホールド３３−１の内圧と燃料極ガスマニホールド３４−１の内圧との差（差圧）によって決まる。空気ブリード量が燃料極１１への全供給ガス量の１ｖｏｌ．％〜１０ｖｏｌ．％の範囲内に収まるような差圧を予め求めて差圧ターゲット（所定幅がある）として制御装置１９に設定しておくものとする。

制御装置１９は、所定のサンプリング間隔で差圧計１８から差圧検出信号を取り込み、差圧ターゲットと比較する。差圧検出信号の示す差圧が差圧ターゲットよりも上側になっていれば、差圧制御バルブ２０の開度を大きくして空気極１２側の内圧を下げるように差圧を制御する。また、差圧検出信号の示す差圧が差圧ターゲットよりも下側になっていれば、差圧制御バルブ２０の開度を小さくして空気極１２側の内圧を上げるように差圧を制御する。

制御装置１９が差圧制御バルブ２０の開度を調整して差圧検出信号の示す差圧を差圧ターゲットの許容範囲内に制御することにより、空気ブリード量を燃料極１１への全供給ガス量の１ｖｏｌ．％〜１０ｖｏｌ．％の範囲内に収めることができる。

以上のように、連続運転期間中は適切な量の空気が空気ブリードライン３９を介して空気極ガスマニホールド３３−１から燃料極ガスマニホールド３４−１へ供給されるので、燃料ガスに含まれたＣＯが、供給された空気中のＯ_２と反応してＣＯが除去されることとなり、燃料極１１における燃料極触媒層の触媒がＣＯで被毒されるのを防止することができる。この結果、燃料極１１に供給する燃料ガス中に含まれるＣＯによる電池特性の低下を長時間に亙って防ぐことができる。さらに、Ｐｔ−Ｒｕ等の高価な触媒を増やさなくても電池特性の低下を防止できるので、燃料電池全体の大幅な低価格化に寄与することができる。なお、本発明は、運転中の空気ブリードに限定されるものではなく、停止中の空気ブリードにも同様に適用可能である。燃料電池の運転停止中に、空気極ガスマニホールド３３−１から燃料極ガスマニホールド３４−１へ空気ブリードライン３９を介して空気ブリードすることにより、停止時のＣＯ吸着を除去することができる。

また、本実施の形態では、空気極ガスマニホールド３３−１から燃料極ガスマニホールド３４−１へ空気を供給する空気ブリードライン３９を第１のガス分配板３２−１の中に形成したので、新たに空気ブリード用に配管設置スペースを確保する必要がなく、省スペース化を図ることができる。

また、本実施の形態では、燃料極１１と空気極１２の差圧を利用しているので、空気極１２の空気供給ガス出口に設けた差圧制御バルブ２０の開度を制御するだけで空気ブリード量を所望の範囲内に収めることができ、空気ブリード量を制御するための構成が極めて簡素化されると共に長時間に亙り安定した運転が可能になる。

なお、本発明は上記一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明は、燃料極にＣＯによる被毒防止のために空気を供給する燃料電池システムに適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成図 上記一実施の形態における燃料電池スタックの概略的な構成を示す概念図 上記一実施の形態における第１のガス分配板の概略的な断面図 燃料極に供給する空気供給量とセル電圧との関係を示すセル電圧特性図 燃料極に空気ブリードした時のセル電圧低下率を示す図 従来の燃料電池システムの全体構成図 燃料ガスに含まれるＣＯ濃度とセル電圧との関係を示すセル電圧特性図

符号の説明

１０、１００ 燃料電池スタック
１１、１０１ 燃料極
１２、１０２ 空気極
１３、１０３ 電解質膜
１４、１０４ 空気ブロアー
１５、１０５ 改質器
１６、１０６ ＣＯ変成器
１７、１０７ ＣＯ除去器
２０ 差圧制御バルブ
２１ 空気供給路
２２，２３，２４ 改質ガス供給路
２５ 排出改質ガス供給路
２６ 燃焼器
２７ ガス排出系の排出経路
３１ セル積層体
３２−１ 第１のガス分配板
３２−２ 第２のガス分配板
３３−１、３３−２ 空気極ガスマニホールド
３４−１、３４−２ 燃料極ガスマニホールド
３５ 空気供給ガス入口
３６ 燃料供給ガス入口
３７ 空気供給ガス出口
３８ 燃料供給ガス出口
３９ 空気ブリードライン

Claims (3)

1. 燃料極と空気極とで固体高分子電解質膜を狭持したセルを複数積層してなるセル積層体と、
   燃料ガス供給ラインと空気供給ラインとが接続され、前記燃料ガス供給ラインから供給される燃料ガスを前記各セルの燃料極へ分配すると共に前記空気供給ラインから供給される空気を前記各セルの空気極へ分配するガス分配板と、
   前記ガス分配板中において前記空気供給ラインから供給される空気の一部を前記燃料極へ送る空気ブリード構造と、を具備し、
   前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ空気を供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ送られる空気ブリード量を、前記燃料極と前記空気極との差圧を利用して制御することを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池。
3. 前記空気ブリード構造を介して前記燃料極へ送られる空気ブリード量を、前記燃料極への全供給ガス量の１％〜１０％としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体高分子形燃料電池。
   

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