JP2010015868A

JP2010015868A - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法

Info

Publication number: JP2010015868A
Application number: JP2008175644A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Aoki; 伸雄青木
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】冷却水セパレータの流路内に残存する水分を効率良く排除することができ、特定の単セルが損傷することがない、安定でかつ耐久性のある燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供する。
【解決手段】固体高分子膜14と、燃料極13と、酸化剤極15と、酸化剤ガス供給手段と、酸化剤ガス排出手段と、燃料極および酸化剤極に接して設けられる多孔質体20を有し、燃料極および酸化剤極を冷却するための冷却水が通流する流路19を有する冷却水セパレータ11と、給水手段と、排水手段と、冷却水セパレータへの冷却水の通流を停止させた後に、酸化剤ガスが酸化剤極のなかを通流しないように酸化剤極を気密な状態にする手段27,29,33,38と、酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料との反応を促進させ、残留酸化剤ガスを消費させることにより酸化剤極の内部を負圧の状態とし、酸化剤極15と冷却水セパレータの流路19との圧力差により冷却水セパレータの流路内に残留する水を多孔質体に移動吸収させる水除去手段40と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法に関する。

燃料電池は、固体高分子膜、触媒層、導電層を有する膜電極接合体に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電気化学的に反応させることにより、反応ガスの持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。しかし、膜電極接合体での反応において、全ての化学エネルギーが電気エネルギーに変換されるわけではなく、その半分以上は熱エネルギーに変換される。この発電時の反応熱により燃料電池（特に膜電極接合体）の温度が上昇する。そこで、従来の燃料電池では、反応熱を外部に放出するために、膜電極接合体の両面に冷却水セパレータを設けている。冷却水セパレータは、内部に冷却水を通流させるための流路を有し、膜電極接合体を効率よく水冷却する。また、冷却水セパレータは、多孔質の材料からなり、反応ガスおよび固体高分子膜をそれぞれ湿潤させる機能も備えている。

燃料電池の発電状態において、外気の温度が氷点下の温度に下がった場合であっても、燃料電池それ自体が反応熱を生成する発熱体であるため、燃料電池の内部で冷却水が凍結するおそれはない。しかし、燃料電池の停止状態において、外気の温度が氷点下の温度に下がると、冷却水セパレータの流路内に残留している水が凍結するため、冷却水セパレータが損傷を受けるとともに、発電再開時に冷却水が冷却水セパレータの流路を通流できず、発電性能に悪影響を及ぼすという問題を生じる。

そこで、冷却水セパレータの流路内で冷却水が凍結するのを防止するために、冷却水セパレータに外部から熱を供給する加熱手段を設けることが考えられるが、この方策では加熱手段から常に熱を供給する必要があり、非常にコストがかかる。

また、冷却水セパレータを多孔質体で形成している場合、冷却水は、多孔質体の細孔を通して反応ガスや固体高分子膜の湿潤にも用いられるため、冷却水への不純物の混入を避けなければならない。冷却水への不純物の混入により、固体高分子膜や触媒層等の劣化を生じるばかりでなく、冷却水の電導度が低下し、短絡して電食を引き起こすおそれがある。このため、冷却水は低い電導度の純水である必要があり、冷却水に不凍液を添加することができない。

さらに、発電停止中に冷却水が流路内で凍結するのを回避するための方策として、冷却水セパレータの流路から残留水を排除するいくつかの提案がなされている。特許文献１の燃料電池では、冷却水系に気体（酸素もしくは空気）を圧送し、冷却水セパレータの流路内の水を冷却水系の外部に排出している。しかし、特許文献１の燃料電池では、冷却水セパレータの流路内の水分を排出するために、ブロアの消費電力と十分なパージ用の気体（酸素もしくは空気）が必要となる。また、冷却水セパレータの流路が蛇行経路の場合は、その形状が複雑になればなるほど、また流路が長くなればなるほど、流路内に残留する水分を十分に排出することは困難になる。

また、特許文献２の燃料電池では、冷却水系に設けられた大気開放弁を開けて、冷却水系を大気開放した後、冷却水系の循環ポンプを駆動させ、冷却水セパレータの流路内の水を系外へ排出している。しかし、特許文献２の燃料電池では、循環ポンプを駆動させる電力を消費するため、運転コストがかかる。また、冷却水セパレータの流路が蛇行形状である場合は、その形状が複雑になればなるほど、また流路が長くなればなるほど、流路内に残留する水分を十分に排出することは困難になる。
特開平６−２２３８５５号公報特開平１１−２７３７０４号公報

本発明は上記の課題を解決するものであって、冷却水セパレータの流路内に残存する水分を効率良く排除することができ、特定の単セルが損傷することがない、安定でかつ耐久性のある燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池発電システムは、イオン導電性の固体高分子膜と、前記固体高分子膜の一方側の面に設けられた燃料極と、前記固体高分子膜の他方側の面に設けられた酸化剤極と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する手段と、前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する手段と、前記燃料極および酸化剤極にそれぞれ接して設けられる多孔質体を有し、前記多孔質体により周囲を規定され、前記燃料極および酸化剤極を冷却するための冷却水が通流する流路を有する冷却水セパレータと、前記冷却水セパレータに冷却水を供給する給水手段と、前記冷却水セパレータから冷却水を排出する排水手段と、
前記給水手段に前記冷却水セパレータへの冷却水の供給を停止させ、かつ前記排水手段に前記冷却水セパレータから冷却水を排水させた後に、前記酸化剤ガス供給手段に前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止させ、かつ前記酸化剤ガス排出手段に前記酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を停止させ、酸化剤ガスが前記酸化剤極のなかを通流しないように前記酸化剤極を気密な状態にする手段と、
前記酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料との反応を促進させ、前記残留酸化剤ガスを消費させることにより前記酸化剤極の内部を負圧の状態とし、前記酸化剤極と前記冷却水セパレータの流路との圧力差により前記冷却水セパレータの流路内に残留する水を前記多孔質体に移動吸収させる手段と、を具備することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電方法は、固体高分子膜と、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極および酸化剤極にそれぞれ接する多孔質体を有し、前記多孔質体により周囲を規定され、前記燃料極および酸化剤極を冷却するための冷却水が通流する流路を有する冷却水セパレータと、を具備する固体高分子形燃料電池を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
（i）前記固体高分子形燃料電池の発電停止操作中において、前記燃料極への燃料の供給を続行しながら、前記冷却水セパレータへの冷却水の供給を停止し、前記冷却水セパレータから冷却水を排水し、
（ii）前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止し、かつ前記酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を停止し、酸化剤ガスが前記酸化剤極のなかを通流しないように前記酸化剤極を気密な状態とし、
（iii）前記酸化剤極と前記燃料極とを短絡させ、前記酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料との反応を促進させ、前記残留酸化剤ガスを消費させることにより前記酸化剤極の内部を負圧の状態とし、前記酸化剤極と前記冷却水セパレータの流路との圧力差により前記冷却水セパレータの流路内に残留する水を前記多孔質体に移動吸収させる、ことを特徴とする。

上記の水除去手段として、酸化剤極を燃料極に短絡させる短絡スイッチを用いることができる。短絡スイッチを閉じて燃料極と酸化剤極とを短絡させると、両極間に電子が容易に移動する経路が形成され、水素リッチな燃料ガスを供給することにより強制的に水素イオンが燃料極から酸化剤極に移動するようになる。この酸化剤極に移動した水素イオンと酸化剤極に残存する酸素との間で化学反応を生じて、酸化剤極に残存する酸素が消費される。残存酸素が減少すると、酸化剤極の内部が負圧となり、冷却水セパレータの流路の内圧と酸化剤極の内圧との間に圧力差を生じる。この圧力差により流路内に残留する水分が酸化剤極のほうに吸引され、流路から多孔質体へ移動して吸収され、実質的に流路から水分が除去される。なお、多孔質体に保持された水は、流路内に残存する水と比べて凍結しにくい。

さらに、上記の排水手段は、冷却水セパレータへ水を供給するラインに設けられた大気開放弁と、冷却水セパレータから水を排出するラインに設けられた排水弁と、周囲環境の温度を検出する環境温度測定器と、この環境温度測定器からの温度検出信号に基づいて大気開放弁および排水弁をそれぞれ開放させる制御部と、を有することができる。外気の温度が下がり、環境温度測定器からの温度検出信号が設定値を下回ると、大気開放弁および排水弁をそれぞれ開け、冷却水供給ラインおよび冷却水排出ラインをそれぞれ通して冷却水を水タンクに戻し、冷却セパレータの流路から水を抜き取る。これにより、外気温度が氷点下まで下がる地域や冬期においても、燃料電池の内部で水が凍結しなくなり、故障のない安定した運転を続けることができる。

また、冷却水セパレータの流路を水平面に対して傾けることができる。冷却水セパレータの流路を傾けることにより、流路からの排水が円滑かつ迅速になる。

また、冷却水セパレータの多孔質体は、ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，ＳｎＯ₂，ＺｒＯ₂のうちの１種又は２種以上の親水性成分を含むことが好ましい。これらの親水性成分を含有することにより、多孔質体の吸湿性や保水性が向上し、より多量の水をより迅速に吸収することができる。

また、燃料極に燃料ガスを供給しているガスパージ中か、または燃料極への燃料ガスの供給を停止した後のガスパージ終了後に、冷却水セパレータの流路から冷却水を排出することができる。ガスパージ中に冷却水を流路から抜き取ると、より短時間で燃料電池の発電停止動作を終了することができる。一方、ガスパージ終了後に冷却水を流路から抜き取ると、発電中の燃料電池の過熱をより確実に防止できる。

本発明によれば、ポンプやブロア等を駆動させるための電力を用いることがないため従来技術と比較して省電力化することができ、かつ、ポンプやブロア等で冷却水セパレータ内に抜くことができず、残存する水分を効率よく流路内から排除することができ、特定のセルが損傷することがない、安定でかつ耐久性のある燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供することが可能となる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。

燃料電池発電システム１は、図１に示すように、発電部として燃料電池の最小単位となる単セル３を複数積層した燃料電池積層体２を備えている。燃料電池積層体２は、図示しない燃料供給源（例えば燃料改質器）に連通する燃料ガス流路１７をもつアノード流路板１２、および図示しない酸化剤供給源（例えば送風ファン）に連通された酸化剤ガス流路１８をもつカソード流路板１６を有する。

単セル３は、イオン電導性の固体高分子膜１４と、固体高分子膜１４の一方側の面に設けられた燃料極１３と、固体高分子膜１４の他方側の面に設けられた酸化剤極１５と、燃料極１３および酸化剤極１５にそれぞれ接して設けられ、流路１９を有する冷却水セパレータ１１と、を備えている。これらの部材１１，１３，１４，１５は、熱プレス法によって成形され、一体に接合された膜電極接合体（MEA）を形成している。

冷却水セパレータ１１は、多孔質体からなり、図２に示すように、複数の流路１９が同一水平面に沿って平行に並んで配置されている。これら複数の流路１９に冷却水を通流させることにより、酸化剤極側２２で発生する熱エネルギーが外部に放出される。また、複数の流路１９に冷却水を通流させると、冷却水が多孔質の周壁に浸み込み、多孔質体の細孔を通って燃料極側２１と酸化剤極側２２へそれぞれ水が供給され、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）および固体高分子膜１４を湿潤状態にする。

次に、図３を参照して本実施形態の燃料電池発電システムを説明する。図３では代表して単セルを示して説明するが、単セルを複数枚積層した燃料電池の積層体においても単セルと同様に本発明の効果が得られる。

燃料極１３および酸化剤極１５は、内側にイオン電導性の固体高分子膜１４を挟み込み、外側を多孔質体の冷却水セパレータ１１によって挟持されている。燃料極１３および酸化剤極１５は、それぞれ触媒層、ガス拡散層および導電層（集電体）を重ね合わせて接合した積層複合体である。触媒層は、例えば白金系触媒が担持された多孔質のカーボン担体からなり、固体高分子膜１４に接触している。ガス拡散層は、例えば炭素繊維シートやカーボンペーパーからなり、触媒層に隣接して設けられる。また、導電性を有し、かつガスや水を通さない緻密なカーボン板で単セル３を両端から挟持し、前記緻密なカーボン板には図示しない外部回路が接続され、外部回路を通って図示しないインバータを経由して燃料電池の発電電力が図示しない負荷に出力されるようになっている。

さらに、単セル３の各々に、酸化剤極１５を燃料極１３に短絡させるための短絡スイッチ４０をもつ回路が取り付けられている。短絡スイッチ４０には例えば押しボタン式の可動接点と固定接点を備えたものを用いることができる。なお、短絡スイッチ４０を単セル毎に取り付ける代わりに、燃料電池発電システム１の全ての単セル３に共通の短絡回路をリード線で接続して共通の１つのスイッチを取り付け、１つのスイッチを操作することによりシステム１に属する全ての単セル３を同時に短絡させるようにすることが望ましい。

酸化剤極１５の一端側には酸化剤ガス供給ラインＬ１が接続され、図示しないエア供給源からラインＬ１を通って酸化剤ガスとしての空気が供給されるようになっている。酸化剤極１５の他端側には酸化剤ガス排出ラインＬ３が接続され、ラインＬ３を通って空気が酸化剤極１５から排出されるようになっている。

燃料極１３の一端側には燃料ガス供給ラインＬ２が接続され、図示しない改質器から燃料ガスとして水素含有ガス（改質ガス）が供給されるようになっている。燃料極１３の一端側には燃料ガス排出ラインＬ４が接続され、ラインＬ４を通って燃料ガスが燃料極１３から排出されるようになっている。なお、酸化剤ガス供給ラインＬ１には弁２７が、燃料ガス供給ラインＬ２には弁２８が、酸化剤ガス排出ラインＬ３には弁２９が、燃料ガス排出ラインＬ４には弁３０がそれぞれ設けられている。

冷却水セパレータ１１は、循環回路を形成するラインＬ５，Ｌ７により水タンク３９に接続されている。冷却水供給ラインＬ５を通って水タンク３９から冷却水セパレータ１１に冷却水が供給され、冷却水セパレータ１１内で反応ガスの湿潤に用いられた後に、余った水が冷却水排出ラインＬ７を通って冷却水セパレータ１１から水タンク３９に冷却水が戻るようになっている。なお、水タンク３９は、冷却水の温度を調整するための熱交換器（図示せず）およびゴミや汚れを除去するためのフィルタ（図示せず）を備えている。

冷却水供給ラインＬ５には、上流側から順に循環ポンプ３７、弁３５、弁３３が設けられている。冷却水セパレータ側の弁３３と循環ポンプ側の弁３５との間において大気開放ラインＬ６が冷却水供給ラインＬ５から分岐している。大気開放ラインＬ６には大気開放弁３４が設けられ、弁３４を開けるとラインＬ６が大気中に開放される。燃料電池発電システム１の運転停止時において、循環ポンプ側の弁３５を開けた状態で、循環ポンプ３７を停止させ、冷却水セパレータ側の弁３３を閉じ、大気開放弁３４を開けると、ラインＬ５内の冷却水が水タンク３９のほうに戻るようになっている。なお、循環ポンプ３７に正逆回転切り替え機能を持たせ、ポンプ３７を逆回転駆動させ、ラインＬ５内の冷却水を水タンク３９側へ逆流させて強制的に戻すようにしてもよい。

本実施形態において、弁２７，２８，２９，３０，３３，３４，３５，３８はそれぞれ手動で開閉されるようになっているが、後述する第２の実施形態のようにこれらの弁を自動で開閉させるようにすることもできる。

次に、図４を参照して上記の燃料電池発電システム１を発電運転操作した後、発電停止操作するときの動作を説明する。

先ず弁２７，２９を開け、図示しないガス供給源から酸化剤ガス供給ラインＬ１を介して酸化剤極１５に酸化剤ガス（空気）を供給しながら、酸化剤ガス排出ラインＬ３を介して酸化剤極１５から余った空気を排出する（工程Ｋ１）。また、弁２８，３０を開け、図示しない燃料改質器から燃料ガス供給ラインＬ２を介して燃料極１３に水素リッチな燃料ガスを供給しながら、燃料ガス排出ラインＬ４を介して燃料極１３から余った燃料ガスを排出する（工程Ｍ１）。燃料極１３に燃料ガスを供給すると、燃料ガスに含まれる水素は燃料極１３の触媒作用により水素イオンと電子に電離する。電離した水素イオンは水と共にイオン導電性の固体高分子膜１４内を移動し、電子は燃料極１３と酸化剤極１５をつなぐ外部回路を経由して酸化剤極１５に移動する。酸化剤極１５では、空気に含まれる酸素と、酸化剤極１５に移動した水素イオンと、外部回路を経由して酸化剤極１５に移動した電子と、が触媒作用により化学反応を起こして水が生成される。

水素イオンが固体高分子膜中を移動するために必要な水は、冷却水セパレータ１１の多孔質体の細孔部分を経由して供給される。大気開放弁３４を閉じた状態で、弁３３，３５，３８を開け、循環ポンプ３７を駆動させて冷却水セパレータ１１に冷却水を供給する（工程Ｎ１）。冷却水セパレータ１１から供給される水は、固体高分子膜１４を湿潤状態にするだけでなく、反応時に発生する熱を単セル３の外部に排出して単セル３の内部を冷却する。

以上のようにして燃料電池発電システム１の発電運転操作が行われ、外部回路とインバータを経由して発電電力が負荷に出力されるが、システム１の発電動作を停止するときは以下のようにして発電停止操作を行う。

発電停止操作においては、燃料極１３には燃料ガスを流し続けるが、酸化剤極１５のほうは酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤ガス供給弁２７と酸化剤ガス閉止弁２９を閉じ、封じ切り操作を行う（工程Ｋ２）。そして、短絡スイッチ４０を閉じ、燃料極１３と酸化剤極１５とを短絡させる（工程Ｋ３）。両極１３，１５を短絡させることによって電子の移動する経路を形成し、水素リッチな燃料ガスを供給することにより強制的に水素イオンを燃料極１３から酸化剤極１５に移動させる。酸化剤極１５に移動した水素イオンと酸化剤極に残存する酸素と化学反応を起こさせて酸化剤極１５の酸素を消費させる。

一方、冷却水循環ラインＬ５，Ｌ７においては、ポンプ３７を停止する（工程Ｎ２）。ポンプ停止後、冷却水供給ラインＬ５の下流側の弁３３を閉じ、冷却水供給ラインＬ５を燃料電池側と循環ポンプ側とに分離する（工程Ｎ３）。次いで、大気開放弁３４を開け、循環ポンプ側の冷却水供給ラインＬ５内の水をタンク３９に戻す（工程Ｎ４）。循環ポンプ側の冷却水の排出が終了した後に、上流側の弁３５を閉じ、下流側の弁３３を開け、冷却水セパレータ１１の流路１９内から冷却水を水タンク３９に排出する（工程Ｎ５）。

冷却水供給ラインＬ５内の水の水タンク３９への排出作業は、前記発電停止後の燃料極への燃料ガスの供給及び酸化剤極の封じ切り作業が十分になされた後に行うこととする。封じ切られた酸化剤極１５は、上記工程Ｋ３の短絡操作により酸素が消費され、負圧状態になる。酸化剤極１５と冷却水セパレータ１１との圧力差により、冷却水セパレータの流路１９内の水は酸化剤極１３側に吸引され、冷却水セパレータ１１の多孔質体の細孔部分に吸収される（工程Ｋ４）。細孔部に吸収された水分は、外気が氷点下の温度に下がった場合であっても、凍結しない。

その後、燃料極１３への燃料ガスの供給を停止し（工程Ｍ２）、図示しない他の補機の駆動も停止し、これにより最終的に燃料電池発電システム１の運転が停止する。

以上のように、本実施形態によれば、発電停止時において、冷却水セパレータの流路内に残留する水を迅速かつ確実に排除できるため、外気の温度が氷点下になる冬期においても冷却水セパレータの流路の閉塞が発生せず、発電性能の劣化を生じなくなる。

本実施形態によれば、冷却水セパレータ流路からの水の排除操作を、燃料電池の停止操作と組み合わせることにより、冷却水セパレータ流路に残留する水を従来の方法よりも少ないエネルギーでかつ効果的に排除することが可能となる。そのため、冷却水セパレータ流路内に残留する水が凍結することによる損傷を回避することとなり、安定でかつ耐久性のある燃料電池を提供することが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に図５と図６を参照して第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の燃料電池発電システム１Ａは、環境の温度を測定する環境温度測定器４１と、自動開閉弁Ｖ１〜Ｖ４と、制御部５０と、を備えている。本実施形態において、自動開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、制御部５０によって開閉動作が制御されるようになっている。

燃料電池発電システム１Ａは外側を筐体４３で取り囲まれている。筐体４３の適所には環境温度測定器４１が取り付けられ、環境温度として外気の温度が測定され、測定温度信号が制御部５０に送られるようになっている。制御部５０は、各種のプロセスデータをデータベースとして随時読み出し可能に格納したメモリ部と、各種の入力信号と読み出したプロセスデータとを比較して演算を行い各種駆動部に制御信号を送るＣＰＵと、を備えている。例えば、制御部５０は、環境温度測定器４１から測定信号Ｓ１が入力されると、温度相関プロセスデータベースのうちから適合するデータを読み出し、読み出したデータと入力信号データとに基づき演算を実行して最適の制御量を求め、求めた制御量に応じた制御信号Ｓ２〜Ｓ８を自動開閉弁Ｖ１〜Ｖ４にそれぞれ送り、各弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉動作を制御する。

冷却水供給ラインＬ５には、上流側から順に循環ポンプ３７、弁Ｖ３、弁Ｖ１が設けられている。冷却水セパレータ側（下流側）の弁Ｖ１と循環ポンプ側（上流側）の弁Ｖ３との間において大気開放ラインＬ６が冷却水供給ラインＬ５から分岐している。大気開放ラインＬ６には大気開放弁Ｖ２が設けられ、弁Ｖ２を開けるとラインＬ６が大気中に開放される。燃料電池発電システム１Ａの運転停止時において、循環ポンプ側の弁Ｖ３を開けた状態で、循環ポンプ３７を停止させ、冷却水セパレータ側の弁Ｖ１を閉じ、大気開放弁Ｖ２を開けると、ラインＬ５内の冷却水が水タンク３９のほうに戻るようになっている。なお、循環ポンプ３７に正逆回転切り替え機能を持たせ、ポンプ３７を逆回転駆動させ、ラインＬ５内の冷却水を水タンク３９側へ逆流させて強制的に戻すようにしてもよい。

次に、図６を参照して上記の燃料電池発電システム１Ａを発電運転操作した後、発電停止操作するときの動作を説明する。

タイミングｔ１に、大気開放弁Ｖ２を閉じた状態で、弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４を開け、循環ポンプ３７を駆動させて冷却水セパレータ１１に冷却水を循環供給する。冷却水セパレータ１１から供給される水は、固体高分子膜１４を湿潤状態にするだけでなく、反応時に発生する熱を単セル３の外部に排出して単セル３の内部を冷却する。また、タイミングｔ２に弁２８，３０を開け、図示しない燃料改質器から燃料ガス供給ラインＬ２を介して燃料極１３に水素リッチな燃料ガスを供給しながら、燃料ガス排出ラインＬ４を介して燃料極１３から余った燃料ガスを排出する。さらに、タイミングｔ３に弁２７，２９を開け、図示しないガス供給源から酸化剤ガス供給ラインＬ１を介して酸化剤極１５に酸化剤ガス（空気）を供給しながら、酸化剤ガス排出ラインＬ３を介して酸化剤極１５から余った空気を排出する。

燃料極１３に燃料ガスを供給すると、燃料ガスに含まれる水素は燃料極１３の触媒作用により水素イオンと電子に電離する。電離した水素イオンは水と共にイオン導電性の固体高分子膜１４内を移動し、電子は燃料極１３と酸化剤極１５をつなぐ外部回路を経由して酸化剤極１５に移動する。酸化剤極１５では、空気に含まれる酸素と、酸化剤極１５に移動した水素イオンと、外部回路を経由して酸化剤極１５に移動した電子と、が触媒作用により化学反応を起こして水が生成される。

以上のようにして燃料電池発電システム１Ａの発電運転操作が行われ、外部回路とインバータを経由して発電電力が負荷に出力されるが、システム１Ａの発電動作を停止するときは以下のようにして発電停止操作を行う。

発電停止操作においては、燃料極１３には燃料ガスを流し続けるが、酸化剤極１５のほうではタイミングｔ４に酸化剤ガスの供給を停止し、タイミングｔ５に酸化剤ガス供給弁２７と酸化剤ガス閉止弁２９を閉じ、封じ切り操作を行う。タイミングｔ６に短絡スイッチ４０を閉じ、燃料極１３と酸化剤極１５とを短絡させる。両極１３，１５を短絡させることによって電子の移動する経路を形成し、水素リッチな燃料ガスを供給することにより強制的に水素イオンを燃料極１３から酸化剤極１５に移動させる。酸化剤極１５に移動した水素イオンと酸化剤極に残存する酸素と化学反応を起こさせて酸化剤極１５の酸素を消費させる。

冷却水循環ラインＬ５，Ｌ７においては、タイミングｔ７にポンプ３７を停止する。ポンプ停止後のタイミングｔ８に、冷却水供給ラインＬ５の下流側の弁Ｖ１を閉じ、冷却水供給ラインＬ５を燃料電池側と循環ポンプ側とに分離する。

冷却水供給ラインＬ５内の残留水の水タンク３９への排出作業は、燃料電池発電システムの筐体４３に設置された環境温度測定器４１によって測定された温度が規定値以下の場合であって、かつ前記発電停止後の燃料極への燃料ガスの供給及び酸化剤極の封じ切り作業が十分になされた後に行う。制御部５０は、外気温度測定器４１によって測定された温度と規定値を比較して、測定温度が規定値より低い場合は制御信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５を弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にそれぞれ送り、これらの開閉動作をそれぞれ制御する。すなわち、タイミングｔ９に大気開放弁Ｖ２を開け、循環ポンプ側の冷却水供給ラインＬ５内の水をタンク３９に戻す。循環ポンプ側の冷却水の排出が終了した後、タイミングｔ１０に上流側の弁Ｖ３を閉じ、タイミングｔ１０に下流側の弁Ｖ１を開け、冷却水セパレータ１１の流路１９内から冷却水を水タンク３９に排出する。

冷却水供給ラインＬ５内の水の水タンク３９への排出作業は、前記発電停止後の燃料極への燃料ガスの供給及び酸化剤極の封じ切り作業が十分になされた後に行うこととする。封じ切られた酸化剤極１５は、上記の短絡操作により酸素が消費され、負圧状態になる。酸化剤極１５と冷却水セパレータ１１との圧力差により、冷却水セパレータの流路１９内の水は酸化剤極１３側に吸引され、冷却水セパレータ１１の多孔質体の細孔部分に吸収される。細孔部に吸収された水分は、外気が氷点下の温度に下がった場合であっても、凍結しない。

その後、燃料極１３への燃料ガスの供給を停止し、図示しない他の補機の駆動も停止し、これにより最終的に燃料電池発電システム１Ａの運転が停止する。

以上のように、本実施形態によれば、環境温度の測定結果に基づいて冷却水の排出の有無を制御することにより、冷却水セパレータの流路に残留する水を従来の方法よりも少ないエネルギーでかつ効果的に排除することが可能となる。このため、冷却水セパレータ１１の流路内に残留する水が凍結することによる損傷を回避することができ、安定でかつ耐久性のある燃料電池が提供される。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。

燃料電池積層体の概要を示す断面模式図。冷却水セパレータの概要を示す内部透視斜視図。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成ブロック図。第１の実施形態の燃料電池発電方法を説明するためのフローチャート。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成ブロック図。第２の実施形態の燃料電池発電方法を説明するためのタイミングチャート。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…燃料電池発電システム、
２…燃料電池積層体、３…単セル、
１１…冷却水セパレータ、１２…アノード流路板、１３…燃料極、
１４…固体高分子膜、１５…酸化剤極、１６…カソード流路板、
１７…燃料ガス流路、１８…酸化剤ガス流路、１９…冷却水流路、
２０…冷却水セパレータの多孔質体、
２１…燃料極側、２２…酸化剤極側、２４…冷却水の流れ、
２７，２８，２９，３０，３３，３４，３５，３８…弁、
３７…循環ポンプ、３９…水タンク、
４０…短絡スイッチ、
４１…環境温度測定器、４３…筐体、
５０…制御部、
Ｌ１…酸化剤ガス供給ライン、Ｌ２…燃料ガス供給ライン、
Ｌ３…酸化剤ガス排出ライン、Ｌ４…燃料ガス排出ライン、
Ｌ５…冷却水供給ライン、Ｌ６…大気開放ライン、Ｌ７…冷却水排出ライン、
Ｖ１〜Ｖ４…自動開閉弁、
Ｓ１〜Ｓ８…信号。

Claims

イオン導電性の固体高分子膜と、
前記固体高分子膜の一方側の面に設けられた燃料極と、
前記固体高分子膜の他方側の面に設けられた酸化剤極と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する手段と、
前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する手段と、
前記燃料極および酸化剤極にそれぞれ接して設けられる多孔質体を有し、前記多孔質体により周囲を規定され、前記燃料極および酸化剤極を冷却するための冷却水が通流する流路を有する冷却水セパレータと、
前記冷却水セパレータに冷却水を供給する給水手段と、
前記冷却水セパレータから冷却水を排出する排水手段と、
前記給水手段に前記冷却水セパレータへの冷却水の供給を停止させ、かつ前記排水手段に前記冷却水セパレータから冷却水を排水させた後に、前記酸化剤ガス供給手段に前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止させ、かつ前記酸化剤ガス排出手段に前記酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を停止させ、酸化剤ガスが前記酸化剤極のなかを通流しないように前記酸化剤極を気密な状態にする手段と、
前記酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料との反応を促進させ、前記残留酸化剤ガスを消費させることにより前記酸化剤極の内部を負圧の状態とし、前記酸化剤極と前記冷却水セパレータの流路との圧力差により前記冷却水セパレータの流路内に残留する水を前記多孔質体に移動吸収させる水除去手段と、
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記水除去手段は、前記酸化剤極を前記燃料極に短絡させる短絡スイッチであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記排水手段は、
前記冷却水セパレータへ水を供給するラインに設けられた大気開放弁と、
前記冷却水セパレータから水を排出するラインに設けられた排水弁と、
周囲環境の温度を検出する環境温度測定器と、
前記環境温度測定器からの温度検出信号に基づいて前記大気開放弁および前記排水弁をそれぞれ開放させる制御部と、
を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
固体高分子膜と、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極および酸化剤極にそれぞれ接する多孔質体を有し、前記多孔質体により周囲を規定され、前記燃料極および酸化剤極を冷却するための冷却水が通流する流路を有する冷却水セパレータと、を具備する固体高分子形燃料電池を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
（i）前記固体高分子形燃料電池の発電停止操作中において、前記燃料極への燃料の供給を続行しながら、前記冷却水セパレータへの冷却水の供給を停止し、前記冷却水セパレータから冷却水を排水し、
（ii）前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止し、かつ前記酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を停止し、酸化剤ガスが前記酸化剤極のなかを通流しないように前記酸化剤極を気密な状態とし、
（iii）前記酸化剤極と前記燃料極とを短絡させ、前記酸化剤極に残留する酸化剤ガスと燃料との反応を促進させ、前記残留酸化剤ガスを消費させることにより前記酸化剤極の内部を負圧の状態とし、前記酸化剤極と前記冷却水セパレータの流路との圧力差により前記冷却水セパレータの流路内に残留する水を前記多孔質体に移動吸収させる、ことを特徴とする燃料電池発電方法。
前記燃料極に燃料ガスを供給しているガスパージ中か、または前記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後のガスパージ終了後に、前記冷却水セパレータの流路から冷却水を排出することを特徴とする請求項４記載の方法。