JP2008108667A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池内でクロスリークが発生した場合でも、酸化剤極からの排ガス中に含まれる水素濃度を低減し、安全に運転することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化剤ガスのラインにおいて、燃料電池スタック２０及び熱交換器４２の下流側に触媒燃焼器３０を設ける。この触媒燃焼器３０には、そのケーシング内に触媒を担持した担体が設けられている。また、この触媒としては、例えば、水素の酸化反応を促進する白金を用いることが好ましい。また、触媒を担持する担体としては、ガスの流れに対して触媒を接触させる面積をできるだけ大きくする必要があるため、金属酸化物の粒子や金属ハニカムを用いることが好ましい。また、触媒燃焼器３０に、熱電対のような温度測定手段３１を設け、触媒燃焼器３０の温度をモニターする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、電池内でクロスリークが発生した場合でも、酸化剤極からの排ガス中の水素濃度を低減することができるように改良を施した燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスから、電気化学反応によって電気と熱を作り出す装置である。図４は、従来の燃料電池システム１０の簡単な構成図を示したものである。なお、図４においては、酸化剤ガスの流れを示している。

また、酸化剤ガスとしては、通常、空気が用いられ、この空気が空気ブロア４０により燃料電池スタック２０の酸化剤極２２に導入されるように構成されている。また、燃料電池スタック２０からの排ガスは、燃料電池スタック２０の下流側に設けられた熱交換器４２に導入され、ガス中に含まれる湿分を凝縮させた後に、排気ファン４１を介してシステム外に排気されるように構成されている。

通常、燃料排ガス中に残った水素は、改質器のバーナーに導入して燃焼させている。これは、可燃性ガスである水素を燃料電池システムの外に排気しないためである。また、車載用などの水素を燃料とするシステムにおいては、改質器が設けられていないため、残燃料を燃焼させるための触媒燃焼器が設けられている。また、燃焼反応に必要な酸素を供給するために、酸化剤極からの排ガスを導入することもある（特許文献１〜３参照）。

また、固体高分子形燃料電池あるいはリン酸形燃料電池においては、両電極の間に挟まれた電解質は、プロトン伝導体としての機能と、燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止する機能を兼ね備えている。しかしながら、高分子膜が破損するなどの理由で、ガスをシールする機能が損なわれると、これらのガスがクロスリークする。ガスがクロスリークすると電池性能が低下し、さらに破損が進むと運転不能な状態となる。

このように電池内でクロスリークが生じても、リーク量が少ない場合には、触媒上で反応するため、燃料電池スタック外に排出される量は少ない。しかし、クロスリークが進行してリーク量が多くなった場合には、燃料電池スタック外に排出される量が多くなる。また、起動停止時など、酸化剤極側に空気が導入されない状態で、燃料極側に燃料ガスが導入されている場合には、クロスリークした燃料ガスが酸化剤極からの排ガス中に混入して、燃料電池スタック外へと排出される。

また、特許文献４には、運転停止時に、燃料ガスを導入したまま電流を燃料極から酸化剤極方向へと流し、この操作によって酸化剤極を水素雰囲気に保った後に、酸化剤極中に水素を封入し、両極間の電位差をほぼ０Ｖに保って保管することによって、電池部材の劣化を抑えることができるという技術が示されている。しかしながら、特許文献４に示された方法でも、起動時においては、酸化剤極に保持された水素が、そのまま燃料電池システム外へと排気される。

特開２００１−２３６６９ 特開２００４−２５３２１２ 特開２００５−７１６３６ 特開２００６−１４７２５０

上述したように、従来の燃料電池システムでは、ガスがクロスリークした状態において、起動停止時などに、酸化剤極からの排ガス中に可燃性ガスが漏洩する恐れがあった。さらに、停止時に酸化剤極に水素を封入する燃料電池システムにおいては、起動時に酸化剤極からの排ガス中に水素が混入したまま排気される恐れがあった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであって、その目的は、電池内でクロスリークが発生した場合でも、酸化剤極からの排ガス中に含まれる水素濃度を低減し、安全に運転することのできる燃料電池システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池スタックと、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する手段と、燃料電池スタックからの酸化剤ガスの排ガスを外部に排気する手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスを排気する手段に、該排ガス中に含まれる可燃性ガス濃度を低減する手段を備えたことを特徴とする。また、請求項２に記載の発明は、この可燃性ガス濃度を低減する手段が、触媒燃焼器であることを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項１あるいは請求項２に記載の発明によれば、酸化剤極からの排ガス中に含まれる可燃性ガスを、触媒燃焼器等の可燃性ガス濃度を低減する手段を用いて燃焼させることにより、燃料電池システム外への可燃性ガスの排気を大幅に低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒燃焼器に温度測定手段が設けられ、この温度測定手段により燃料電池スタックにおけるガスクロスリークを検知するように構成されていることを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、触媒燃焼器に設けられた温度測定手段によって触媒燃焼器の温度変化をモニターすることにより、触媒燃焼器の温度上昇を直ちに検出することができるので、ガスクロスリークの検出が容易に行えるようになる。

本発明によれば、電池内でクロスリークが発生した場合でも、酸化剤極からの排ガス中に含まれる水素濃度を低減し、安全に運転することのできる燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の燃料電池システムに係る実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図４に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態においては、図１に示すように、酸化剤ガスのラインにおいて、燃料電池スタック２０及び熱交換器４２の下流側に触媒燃焼器３０が設けられている。この触媒燃焼器３０には、そのケーシング内に触媒を担持した担体が設けられている。また、この触媒としては、例えば、水素の酸化反応を促進する白金を用いることが好ましい。また、触媒を担持する担体としては、ガスの流れに対して触媒を接触させる面積をできるだけ大きくする必要があるため、金属酸化物の粒子や金属ハニカムを用いることが好ましい。

ここで、酸化剤極からの排ガス中に含まれる水素を燃焼させるための燃焼器として触媒燃焼器を用いた理由について説明する。すなわち、燃焼器として火炎による燃焼器を用いた場合には、常に燃料を供給する必要があるが、燃料電池が正常に運転されている場合には、酸化剤極２２の排ガスは窒素と酸素が主成分であり、可燃性ガスは含まれていないため、燃焼器における燃焼を継続することはできない。

これに対して、本発明で用いられる触媒燃焼器３０は、反応を継続する必要がなく、酸化剤極からの排ガス中に可燃性ガスが含まれている場合にのみ機能することができる。

（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムは、以下のように作用する。すなわち、高分子膜が破損してガスがクロスリークすると酸化剤極に水素が漏れるが、本実施形態においては、酸化剤極からの排ガス中に含まれる水素は、燃料電池スタック２０の下流に配設された触媒燃焼器３０によって燃焼される。その結果、燃料電池システム１０外への水素の排気を大幅に低減することができる。

また、発電時においては、酸化剤極２２には電池反応によって水が生成するため、酸化剤極からの排ガス中には蒸気が多く含まれている。そこで、燃料電池スタック２０と触媒燃焼器３０の間に、排ガスを冷却するための熱交換器４２を設けることによって、排ガス中の蒸気を凝縮させて除去し、排ガス中の水分量を低減することができる。これにより、触媒燃焼器３０における反応効率を向上させることができる。なお、熱交換器４２によって凝縮された水は、回収して、冷却水あるいは加湿水として再利用することができる。

（２）第２実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、触媒燃焼器３０に温度測定手段を設けたものである。

（２−１）構成
すなわち、本実施形態においては、図２に示すように、燃料電池スタック２０及び熱交換器４２の下流側に設けられた触媒燃焼器３０に、例えば、熱電対のような温度測定手段３１が設けられ、触媒燃焼器３０の温度をモニターすることができるように構成されている。

（２−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムは、以下のように作用する。すなわち、クロスリークがない状態では、酸化剤極からの排ガス中に含まれる成分は主に窒素と酸素であるため、触媒燃焼器３０は反応せず、温度上昇もない。

一方、クロスリークした場合には、排ガス中に含まれる水素が触媒燃焼器３０において燃焼するため、触媒燃焼器３０の温度が上昇する。すなわち、触媒燃焼器３０に設置した温度測定手段３１によって、触媒燃焼器３０の温度上昇を検出したときには、クロスリークが発生している、言い換えれば、高分子膜が破損していると判断することができるようになる。

（３）第３実施形態
本実施形態は、電池内でクロスリークが生じた後の運転方法に関するものである。クロスリークが生じたままで運転を続けると、リーク箇所の周辺でリークしたガスが反応して炭素材料が燃焼するために、リーク箇所がさらに広がる恐れがあるため、新たな運転方法を検討したものである。

なお、クロスリークが生じた場合に、リークしたセルを交換することもできるが、そのためには燃料電池スタック２０の締め付けを一度緩めて、リークしたセルを抜き出して交換しなければならない。しかしながら、燃料電池スタック２０の締め付けを緩めると、電池の接触状態が変わってしまい、抵抗が大きくなったり、シールがずれて別のセルがリークしたりする可能性がある。

（３−１）構成
通常、燃料電池システムは、図３に示すように、単電池２３を挟んで燃料ガス流路２４と酸化剤ガス流路２５が設けられ、この燃料ガス流路２４には、燃料ガスライン２７を介して、燃料ガスが供給・排出されるように構成されている。また、前記酸化剤ガス流路２５には、酸化剤ガスライン２８を介して、酸化剤ガスが供給・排出されるように構成されている。

本実施形態においては、リークしたセルを特定した後に、該当するセルの酸化剤ガス流路２５ａの入口部にシール材２６を充填して、該酸化剤ガス流路２５ａを閉塞させる。なお、このシール材２６としては、シリコン系接着剤等を用いることができる。

（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムは、以下のように作用する。すなわち、リークしたセルの酸化剤ガス流路２５ａの入口部にシール材２６を充填した場合、燃料極側には燃料ガスが流れているが、酸化剤極側には酸化剤ガスが供給されないので起電力は生じない。

また、燃料ガスが供給されているため、電解質をプロトンが移動し、電解質部の電気抵抗は小さい。そのため、該当するセルを含めて電流が印加されても、大きく電気抵抗が増加することはなく、燃料電池スタック全体の性能低下を最小限に抑えたまま、運転を継続することができる。

本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す概略図。 本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す概略図。 本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を示す概略図。 従来の燃料電池システムの構成を示す概略図。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…燃料極
２２…酸化剤極
２３…単電池
２４…燃料ガス流路
２５…酸化剤ガス流路
２６…シール材
２７…燃料ガスライン
２８…酸化剤ガスライン
３０…触媒燃焼器
３１…熱電対
４０…空気ブロア
４１…排気ファン
４２…熱交換器

Claims (4)

1. 燃料電池スタックと、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する手段と、燃料電池スタックからの酸化剤ガスの排ガスを外部に排気する手段を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガスを排気する手段に、該排ガス中に含まれる可燃性ガス濃度を低減する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記可燃性ガス濃度を低減する手段が、触媒燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記触媒燃焼器に温度測定手段が設けられ、
   この温度測定手段により燃料電池スタックにおけるガスクロスリークを検知するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. クロスリークしたセルの酸化剤極のガス流路入口を塞いで運転することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の燃料電池システム。

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