JP2011076728A - 燃料電池およびその水抜き方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止時に電池が凍結環境に置かれても、損傷・劣化を防止する。
【解決手段】燃料電池システムの運転時に、燃料電池本体１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給する。冷却水は冷却水循環手段４より燃料電池本体１に供給され、冷却水循環手段４に戻る。運転停止状態では、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止し、冷却水排出バルブ１３を切り替え、燃料電池本体１からの冷却水をドレンタンク１１へ流す。吸引手段１０により冷却水流路７を負圧とし、燃料電池本体１内の冷却水をドレンタンク１１に貯める。燃料ガス流路５と酸化剤ガス流路６に存在する水は、多孔質セパレータを介して冷却水流路７、冷却水排出ライン９を通ってドレンタンク１１に貯める。燃料電池本体１内のすべての水が排出されるのに必要な所定の時間を経過した後に、吸引手段１０を停止する。ドレンタンク１１に貯めた水は冷却水ポンプ２４により冷却水循環手段４に戻す。
【選択図】図１

Description

この発明は、セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池において、燃料電池内の水を効果的に除去し、運転停止時に電池が凍結しても燃料電池の劣化を防止する燃料電池およびその水抜き方法に関する。

燃料電池発電設備は、燃料電池本体で水素と酸素とを反応させて発電する。この反応は発熱反応であるため、冷却水を用いて燃料電池本体（特に、固体高分子型燃料電池の場合には、固体高分子電解質膜）の冷却が行われている。

ところが、このような燃料電池発電設備を、例えば冬季や寒冷地で利用する場合、当該燃料電池発電設備の運転停止中に冷却水等の水が凍結してしまう場合がある。冷却水等の水が凍結すると、凍結による体積膨張に伴う応力が、この水の流路に作用して、例えば燃料電池本体の故障原因になる場合がある。また、凍結により燃料ガスや空気の流動性が阻害されて、燃料電池発電設備の運転開始がスムースに行えなくなる場合が生じる。

凍結による故障や劣化を防止するためには、凍結しないように保温しておく方法、あるいは電池内から水を抜いてしまう方法の２つがある。前者は保温のためのヒータ等の追加の設備が必要であることや、保温するためにエネルギーが必要となり現実的ではない。後者については運転停止時に保温に必要なエネルギーが不要ということで、以下のような提案がされている。

特許文献１および２では、アノードおよびカソードを真空ポンプやブロアで負圧にすることで、燃料電池内のアノードおよびカソード系統の水を除去することが提案されている。

特許文献３では、セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池において、冷却水系統を負圧に維持し反応ガス系統の水を除去することが提案されている。

特許文献４では、セパレータが多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池において、反応ガス系統を閉止し負圧とし、冷却水系統の水を反応ガス系統に移動させ、その後に反応ガス系統をパージして、冷却水系統、反応ガス系統の水を除去することが提案されている。

特許文献５では、セパレータが多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池において、冷却水系統を負圧とし、反応ガス系統の水を冷却水系統に移動させ、冷却水系統、反応ガス系統の水を除去することが提案されている。

特許文献６では、反応ガス系統を負圧とし、反応ガス系統内の水を除去・蒸発させることが提案されている。

特許文献７では、反応ガス系統の水をドレンタンク（水タンク）に回収することが提案されている。

特開２００５−２５１４１１号公報 特開２００７−３５４６４号公報 特開２００８−５３６２８７号公報 特開２００５−１５８５０３号公報 特開２００４−１１１０６０号公報 特許第３４５５７２５号公報 特開２００３−３１７７５４号公報

しかしながら、セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池に特許文献１、２、６を適用する場合は、冷却水系統の水が抜けない、反応ガス系統が寸止めタイプのガス流路の場合には水が抜けにくい問題があり、凍結による電池の損傷および劣化を完全に抑えることが不可能であった。

特許文献３では、セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池に適用することを想定しているが、冷却水系統を停止中のいかなる場合も負圧に維持しておく必要があり、電源が随時必要である。また冷却水系統の水は完全に抜けないので、凍結し燃料電池が損傷する恐れがある。

特許文献４では、負圧のコントロールが不可であり、水抜きが不確実になる恐れがあること、反応ガス系統が寸止めタイプのガス流路の場合には水が抜けにくい問題があり、凍結による電池の損傷および劣化を完全に抑えることが不可能であった。

特許文献５では、冷却水ポンプを用いて冷却水系統に負圧にしているが、冷却水系統に水枯れが生じた場合に十分に水を除去することができず、電池内の水を十分に除去することができない恐れがある。

特許文献７では、冷却水の回収系統に単にドレンタンクを設けただけであるため、冷却水系統から水を効果的に回収することはできない。特に、反応ガス系統と冷却水系統間で水やガスが双方で移動しない緻密質材料のセパレータが一般的であるが、その場合反応ガス系統と冷却水系統を個別に水抜きする必要がある。また反応ガス系統が寸止めタイプのガス流路の場合には水が抜けにくい問題がある。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、反応ガス系統と冷却水系統間で水移動が可能な燃料電池において、反応ガス系統と冷却水系統の双方に存在する燃料電池内の水を効率的かつ効果的に除去し、運転停止時に電池が凍結しても燃料電池の劣化を防止もしくは抑制することが可能な燃料電池およびその水抜き方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明では、燃料電池の冷却水系統の電池下流に水落しと真空ポンプが接続され、燃料極系統、酸化剤極系統、冷却水系統の少なくともいずれか一つにガスを導入可能とすることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水系統の下流の吸引手段を作動させることにより、冷却水系統および燃料極系統、酸化剤極系統の水を除去することが可能となる。電池内の水を除去することによって、運転停止時に電池が凍結環境に置かれても、損傷・劣化を防止もしくは抑制することが可能な燃料電池の水抜き方法を提供することができる。

本発明に係る第１実施形態の燃料電池システムの構成図。 本発明に係る第２実施形態の燃料電池システムの構成図。 本発明に係る第３実施形態の燃料電池システムの構成図。 本発明に係る第４実施形態の燃料電池システムの構成図。 本発明に係る第５実施形態の燃料電池システムの構成図。 本発明を適用する燃料電池のスタックの一例を示す断面図。

本発明を以下に示す各実施形態に基づいて、図面を参照して説明する。ここで、各実施形態において同一または類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

（１）第１実施形態
図１及び図６を参照して第１実施形態の構成を説明する。ここに、図１は第１実施形態における燃料電池のシステム構成を示す図、図６は燃料電池のスタックの一部断面を示す図である。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムでは、図１および図６に示すように水素を含む燃料ガスを燃料ガス供給手段２より燃料ガス流路５に供給し、酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段３より酸化剤ガス流路６に供給して発電を行う。

この場合、層状の燃料極３１、固体高分子電解質膜３３及び酸化剤極３２に対し、燃料ガスと酸化剤ガスはセパレータ３４に設けられた燃料ガス流路５及び酸化剤ガス流路６に沿って供給される。電池反応によって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が消費され、反応生成物の水が水蒸気として排出される。

固体高分子電解質膜３３は平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性があり、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには固体高分子電解質膜に水分を加える、つまり加湿が必要になる。セパレータ３５とセパレータ３６は多孔質の材料で構成されており、冷却水流路７よりセパレータを介して燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６を水により加湿する。この加湿方式を内部加湿方式と呼ぶ。

冷却水は、冷却水を貯める機能、冷却水を浄化する機能及び冷却水を循環させる機能を有する冷却水循環手段４より、冷却水供給ライン８を介して燃料電池本体１の冷却水流路７を通り、冷却水排出ライン９を介して冷却水循環手段４に戻る。冷却水排出ライン８に冷却水排出切替えバルブ１３があり、ドレンタンク１１を介し吸引手段１０につながっている。ドレンタンク１１にはドレン排出バルブ１２が付いている。

以上の構成を有する第１実施形態の作用について説明する。
燃料電池システムの運転時には、燃料電池本体１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されており、冷却水は先述のごとく冷却水循環手段４より燃料電池本体１に供給され、冷却水循環手段４に戻っている。

長期間運転を停止し、停止期間中に燃料電池が凍結状態で保管されることが想定される場合、通常の運転停止と異なり、以下のような手順にて停止操作が行われる。運転状態より運転停止状態に切り替えられると、燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止する。次いで、冷却水排出バルブ１３が切り替わり燃料電池本体１からの冷却水はドレンタンク１１へと流れる。

その状態で吸引手段１０を動作させると冷却水流路７は負圧となり、燃料電池本体１内の冷却水がドレンタンク１１に貯められる。その際に燃料ガス流路５と酸化剤ガス流路６に存在する水も水を通す機能を有する多孔質セパレータを介して冷却水流路７、冷却水排出ライン９を通ってドレンタンク１１に貯められる。燃料電池本体１内のすべての水が排出されるのに必要な所定の時間を経過した後に、吸引手段を１０停止する。ドレンタンク１１に貯められた水は、必要に応じて冷却水ポンプ２４により冷却水循環手段４に戻される。

上記のような構成並びに作用を有する第１実施例においては、吸引ポンプ２４によって、燃料電池本体１内の燃料ガス系統、酸化剤ガス系統、冷却水系統の水がすべて排出される。その結果、運転停止時に電池が凍結環境に置かれても、損傷・劣化を防止もしくは抑制できる効果がある。

（２）第２実施形態
図２を用いて、本発明の第２実施形態の構成を説明する。図２は第２実施形態における燃料電池のシステム構成を示す図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給ラインに燃料ガス系統パージガス切替えバルブ１４を、酸化剤ガスの供給ラインに酸化剤ガス系統パージガス切替えバルブ１５を、冷却水供給ライン８に冷却水系統パージガス切替えバルブ１６を付加した構成となっている。

以上の構成になる第２実施形態の燃料電池システムにおいて、長期間運転を停止し、停止期間中に燃料電池が凍結状態で保管されることが想定される場合、通常の運転停止と異なり以下のような手順にて停止操作が行われる。

運転状態より運転停止状態に切り替えられると、第１実施形態と同様に燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止し、次いで、冷却水排出バルブ１３が切り替わり、燃料電池本体１からの冷却水はドレンタンク１１へと流れる。この場合、燃料ガス系統パージガス切替えバルブ１４、酸化剤ガス系統パージガス切替えバルブ１５及び冷却水系統パージガス切替えバルブ１６がそれぞれ切り替わり、パージガスが燃料電池本体１１に供給される。

パージガスは電池の劣化を防止する観点から不活性ガスが望ましいが、電池内に残留する水の凍結による電池の劣化と比較して劣化が軽微であれば、その他のガス（例えば原燃料ガスであるメタンなど）をパージガスとして使用可能である。

この第２実施形態において、第１実施形態と同様に吸引手段１０を動作させると冷却水流路７は負圧となり、燃料電池本体１内の冷却水がドレンタンク１１に貯められる。同時に、燃料ガス系統、酸化剤ガス系統及び冷却水系統にパージガスが燃料電池内の流路に溜まっている水を排出するのに必要な圧力をかけて流れるため、効率的かつ効果的に燃料電池内の水がドレンタンク１１に排出される。

（３）第３実施形態
図３は、本発明の第３実施形態を示すものである。この第３実施形態は、酸化剤ガスの供給ラインに酸化剤ガス系統パージガス切替えバルブ１５を、冷却水供給ライン８に冷却水系統パージガス切替えバルブ１６をそれぞれ設け、これら各バルブ１５，１６に対して、パージガスとして原燃料ガスのメタンを供給している。

このような構成の第３実施形態においても、前記第２実施形態と同様に、吸引手段１０を動作させると冷却水流路７は負圧となり、燃料電池本体１内の冷却水がドレンタンク１１に貯められる。同時に、燃料ガス系統、酸化剤ガス系統及び冷却水系統にパージガスである燃料ガスが供給され、燃料電池内の流路に溜まっている水を排出するため、効率的かつ効果的に燃料電池内の水がドレンタンク１１に排出される。

（４）第４実施形態
図４を用いて、本発明の第４実施形態の構成を説明する。図４は第４実施形態における燃料電池のシステム構成を示す図である。第４実施形態の燃料電池システムは、前記第１実施形態の燃料電池システムにおいて、冷却水排出切替えバルブ１３の代わりに冷却水系統排出ライン用コネクタ２２を設置した構成となっている。また、ドレンタンク１１、ドレン排出バルブ１２、吸引手段１０から構成された吸引装置ユニット２３が別途用意され、この吸引装置ユニット２３は、燃料電池の運転時及び通常の運転停止時には、冷却水排出ラインより切り離されている。

以上の構成になる第４実施形態のシステムでは、運転状態より運転停止状態に切り替えられると、燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止される。次いで、冷却水系統排出ライン用コネクタ２２を切り離し、燃料電池本体１側の冷却水排出ライン９に吸引装置ユニット２３を接続する。その後、この吸引装置ユニット２３の吸引手段１０により冷却水排出ライン９から、冷却水を吸引し、回収する。吸引装置ユニット２３の接続後の作用については、前記第１実施形態と同様である。

（５）第５実施形態
図５を用いて本発明の第５実施形態の構成を説明する。図５は第５実施形態における燃料電池のシステム構成を示す図である。第５実施形態の燃料電池システムは、前記第２実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給ラインに燃料ガス系統パージガス供給用コネクタ１９を、酸化剤ガスの供給ラインに酸化剤ガス系統パージガス供給用コネクタ２０を、冷却水供給ライン８に冷却水系統パージガス供給用コネクタ２１を付与した構成となっている。

以上の構成になる燃料電池システムの作用について説明する。運転状態より運転停止状態に切り替えられると、燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止する。次いで、冷却水系統排出ライン用コネクタ２２を切り離し、燃料電池本体１側の冷却水排出ライン９に吸引装置ユニット２３を接続する。また燃料ガス系統パージガス供給用コネクタ１９、酸化剤ガス系統パージガス供給用コネクタ２０、冷却水系統パージガス供給用コネクタ２１を切り離し、パージガス（望ましくは不活性ガスもしくは燃料電池の劣化が軽微なガスなど）を導入するためのガスボンベなどを接続する。

このような構成を有する第５実施形態では、前記第２実施形態と同様に、燃料ガス系統、酸化剤ガス系統及び冷却水系統にパージガスを供給して、その圧力を利用すると共に、吸引手段１０による負圧の作用を利用することで、各系統内部の水を効果的に回収することができる。しかも、パージガスの供給源と吸引装置ユニット２３を一時的に接続できる構成のため、燃料電池システムを簡素化できる効果がある。

（６）各実施形態の効果
第１実施形態から第５実施形態は長期間運転を停止し、停止期間中に燃料電池が凍結状態で保管されることが想定される場合の停止方法である。具体的には製造後の出荷試験時、ユーザーサイドに設置後の長期間運転停止時などに行われる。第１実施形態乃至第３実施形態は燃料電池システム自体に吸引手段１０、ドレンタンク１１などが設置されており、水抜き機能を有しているため、長期間運転停止が予定される場合はいつでも操作することが可能である。特にユーザー自身が操作（長期間停止モードスイッチを押すなど）することで、水抜きを行うことが可能であり、利便性に優れる。

第４実施形態および第５実施形態は、吸引装置ユニット２３を一時的に接続する方法であるため、製造後の出荷試験時に設備の整った場所での実施が容易である。また、ユーザーサイドに設置後において、停止期間中に燃料電池が凍結状態で保管されることが想定される場合、専門のメンテナンスサービスを利用することにより吸引装置ユニット２３を一時的に接続することで水抜きが実施可能となる。そのため、燃料電池システム自体に水抜き機能は有さなくても特段に問題はなく、かつ燃料電池システムのコストを低減することが可能である。特に、煩雑に燃料電池本体の水抜きを実施する必要がない場合には、コスト面から有利となる。

以下、図４に示す第５実施形態を例に挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

燃料電池の運転が停止された後、冷却水系統排出ライン用コネクタ２２を外し、吸引手段１０、ドレンタンク１１、ドレン排出バルブ１２からなる吸引装置ユニット２３を冷却水系統の燃料電池側に接続する。酸化剤ガス系統パージガス供給用コネクタ２０を外し、燃料電池側に窒素ガスボンベと流量計を取り付ける。吸引手段１０を動作させた状態で１ＮＬ/ｍｉｎで１分間窒素を流し燃料電池本体１内の酸化剤ガスおよび酸化剤ガス流路６内の残留水の大部分を排出した後に、窒素ガス流量を３５Ｎ/ｍｉｎまで増やし、酸化剤ガス流路６内の残留水をほぼ完全に取り除く。

このときの吸引手段１０の動作による燃料電池本体１内の負圧度は−５〜−５０ｋＰａの範囲（望ましくは−１０〜−３０ｋＰａ）であり、上限の−５ｋＰａは水抜きに必要な圧力から求められ、燃料電池の系統の圧力損失や水抜きに要す時間などから決まる値である。また下限値−５０ｋＰａは多孔質セパレータの水封によるガスシール耐圧の基準から決まる値である。以上の負圧度の値は、各燃料電池システム毎に最適な値があり、上記の範囲に限定されるものではない。

このときの酸化剤ガス流路６の圧力損失は１０ｋＰａであることをあらかじめ実験的に求めており、３５ＮＬ/ｍｉｎでこの圧力になればほぼ酸化剤ガス流路６内には残留水がないことを事前に確かめている。

今後説明する燃料ガス系統と冷却水系統の水抜きについても同様の方法で窒素ガス流量と圧力損失の値を決めている。また窒素ガス流量と圧力損失の値も上記の負圧度同様、各燃料電池システム毎に最適な値があり、上記の範囲に限定されるものではない。

酸化剤ガス流路６の水抜き完了後、酸化剤ガス系統パージガス供給用コネクタ２０を元通りに接続する。その後、燃料ガス系統パージガス供給用コネクタ２０を外し、燃料電池側に窒素ガスボンベと流量計を取り付ける。吸引手段１０を動作させた状態で１ＮＬ/ｍｉｎで１分間窒素を流し燃料電池本体１内の燃料ガスおよび燃料ガス流路５内の残留水の大部分を排出した後に、窒素ガス流量を３Ｎ/ｍｉｎまで増やし、燃料ガス流路５内の残留水をほぼ完全に取り除く。このときの燃料ガス流路５の圧力損失は３ｋＰａである。

燃料ガス流路５の水抜き完了後、燃料ガス系統パージガス供給用コネクタ１９を元通りに接続する。その後、冷却水ガス系統パージガス供給用コネクタ２１を外し、燃料電池側に窒素ガスボンベと流量計を取り付ける。吸引手段１０を動作させた状態で１ＮＬ/ｍｉｎで１分間窒素を流し燃料電池本体１内の冷却水および冷却水流路７内の残留水の大部分を排出した後に、窒素ガス流量を１４Ｎ/ｍｉｎまで増やし、冷却水流路７内の残留水をほぼ完全に取り除く。このときの冷却水流路７の圧力損失は２．５ｋＰａである。

冷却水流路７の水抜き完了後、冷却水系統パージガス供給用コネクタ２１を元通りに接続する。吸引装置ユニット２３を取り外し、冷却水系統排出ライン用コネクタ２２を元通りに接続する。なお上記の実施例は酸化剤ガス系統、燃料ガス系統、冷却水系統の順に水抜きを実施しているが、特に水抜きの順番に限定はなく、また窒素ガスボンベを複数準備すれば３つの系統を同時に水抜きすることも可能であり、水抜き時間の短縮を図ることができる。

なお、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、セパレータの一部が多孔質材料から成り、各系統間でセパレータの多孔質部分を通じて水の移動が可能な燃料電池にも適用可能である。

１：燃料電池本体
２：燃料ガス供給手段
３：酸化剤ガス供給手段
４：冷却水循環手段
５：燃料ガス流路
６：酸化剤ガス流路
７：冷却水流路
８：冷却水供給ライン
９：冷却水排出ライン
１０：吸引手段
１１：ドレンタンク
１２：ドレン排出バルブ
１３：冷却水排出切替えバルブ
１４：燃料ガス系統パージガス切替えバルブ
１５：酸化剤ガス系統パージガス切替えバルブ
１６：冷却水系統パージガス切替えバルブ
１７：酸化剤ガス系統原燃料ガスパージライン
１８：冷却水系統酸化剤ガスパージライン
１９：燃料ガス系統パージガス供給用コネクタ
２０：酸化剤ガス系統パージガス供給用コネクタ
２１：冷却水系統パージガス供給用コネクタ
２２：冷却水系統排出ライン用コネクタ
２３：吸引装置ユニット
２４：冷却水ポンプ
２５：改質器
２６：改質器バイパスラインバルブ
３１：燃料極
３２：酸化剤極
３３：固体高分子電解質膜
３４：セパレータ
３５：片面反応ガス流路/他面冷却水流路を有するセパレータを構成するための部品プレート
３６：片面反応ガス流路を有するセパレータを構成するための部品プレート
３７：端部シールシート固定用段差

Claims (5)

1. セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、燃料極系統と冷却水系統間および酸化剤極系統と前記冷却水系統間の少なくとも一部で水移動が可能な燃料電池において、
   前記燃料電池の前記冷却水系統の電池下流にドレンタンクと、このドレンタンクに冷却水系統の水を回収する吸引手段が接続されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料極系統、前記酸化剤極系統、前記冷却水系統の少なくともいずれか一つにガスを導入し、そのガスの圧力と前記吸引手段の負圧とにより前記系統中の水を前記ドレンタンクに回収することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ドレンタンクと吸引手段とを備えた吸引装置ユニットを備え、前記冷却水系統には、この吸引装置ユニットを接続するコネクタが設けられ、燃料電池装置内部の水抜き時において、前記吸引装置が冷却水系統に対して前記コネクタを介して接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. セパレータの少なくとも一部が多孔質であり、燃料極系統と冷却水系統間および酸化剤極系統と前記冷却水系統間の少なくとも一部で水移動が可能な燃料電池の水抜き方法において、
   前記燃料電池の前記冷却水系統の電池下流にドレンタンクと、このドレンタンクに冷却水系統の水を回収する吸引手段を接続し、
   燃料電池の停止時において、前記吸引手段からの負圧により、冷却水系統及び多孔質セパレータを介して前記系統内の水をドレンタンクに吸引して回収することを特徴とする燃料電池の水抜き方法。
5. 前記冷却水系統と水移動が可能な系統に対してパージガスを導入し、このパージガスの圧力と前記吸引手段の負圧とにより、前記系統内部の水をドレンタンクに回収することを特徴とする請求項４記載の燃料電池の水抜き方法。

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