JP2013161599A - 固体高分子形燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】セル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】積層したセルとセパレータからなる第一のサブスタック１１１，第二のサブスタック１１２を、燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続し、水素ガスボンベ１３０を第一のサブスタック，第二のサブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続し、水素ガスボンベと第一のサブスタック，第二のサブスタックの燃料ガス受入口との間にバルブ１０１，１０２を設け、第一のサブスタック，第二のサブスタック間の燃料ガスの流通経路にバルブ１０３，１０４を設けた固体高分子形燃料電池発電システム１００において、セルの燃料極のガス拡散層が、下記の式（１）の条件を満たすものである。ただし、Ｗはガス拡散層の空隙における水占有率（％）、Ｌはガス拡散層の圧損係数である。Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８（１）
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。

固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とでプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスを流通させる燃料ガス流路及び酸素を含有する酸化ガスを流通させる酸化ガス流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池を有し、燃料ガス供給手段から固体高分子形燃料電池の上記セパレータの燃料ガス流路を介して上記セルの燃料極に燃料ガスを供給すると共に、酸化ガス供給手段から固体高分子形燃料電池の上記セパレータの酸化ガス流路を介して上記セルの酸化極に酸化ガスを供給して、燃料ガス中の水素ガスと酸化ガス中の酸素ガスとを当該セルで電気化学的に反応させることにより、水の生成を伴いながら電力を発生させるようにしたものである。

このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、燃料ガスとして水素ガスそのものを使用すると共に、酸化ガスとして酸素ガスそのものを使用するときには、前記固体高分子形燃料電池内で消費される量よりも多い水素ガス及び酸素ガスを前記供給手段から固体高分子形燃料電池内に供給して、当該固体高分子形燃料電池内で消費されずに残った上記ガスを前記ガス流路に流通させて固体高分子形燃料電池から排出することにより、電気化学反応に伴って生成した水を当該ガス流路に滞留させることなく固体高分子形燃料電池内から排出すると共に、消費されずに当該固体高分子形燃料電池から排出された上記ガスをブロアにより当該固体高分子形燃料電池の内部に再び供給して循環利用するようにしている。

このようにブロアを用いて前記ガスを循環再利用すると、当該ブロアの作動に電力を要してしまうと共に当該ブロアの設置にスペースを要してしまうことから、例えば、下記特許文献１，２においては、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路及び前記酸化ガスの流通経路をそれぞれ直列ループ状にするように複数接続し、上記ガスの流通方向最下流側に位置する上記サブスタックを当該ガスの流通方向上流側に位置させるように順次切り換えて、最下流側に位置していたサブスタックに当該サブスタックでの消費量以上の当該ガスを供給して、当該サブスタック内に滞留している水を当該サブスタック内から排出することにより、前記ブロアを省略できるようにしている。

特開２００８−１４７１７８号公報 特開２００８−１４７１７９号公報 特開２００９−０２１２３０号公報 特開２００９−２５２５６０号公報

しかしながら、前記特許文献１，２に記載されている固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、発電運転を連続して行っていると、サブスタックのセル電圧が次第に低下して不安定になってしまう場合があった。

このようなことから、本発明は、ガスの流通経路を直列ループ状にするようにサブスタックを複数接続して、ガスの流通方向最下流側に位置するサブスタックをガスの流通方向上流側に位置させるように順次切り換えるように発電運転を連続して行っていても、セル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記セルの前記燃料極の前記ガス拡散層が、下記の式（１）の条件を満たすものであることを特徴とする。

Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８ （１）

ただし、Ｗはガス拡散層の空隙における水占有率（％）、Ｌはガス拡散層の圧損係数（ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）である。

また、前述した課題を解決するための、第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層が、下記の式（１）の条件を満たすものであることを特徴とする。

Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８ （１）

ただし、Ｗはガス拡散層の空隙における水占有率（％）、Ｌはガス拡散層の圧損係数（ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）である。

また、第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段とを備え、前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層が、前記式（１）の条件を満たすものであることを特徴とする。

また、第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第三番目の発明において、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。

また、第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目又は第三番目の発明において、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、セルのガス拡散層が、前記式（１）の条件を満たすものとなっていることから、発電運転を連続して行っても、セルのガス拡散層の空隙内に水を滞留させることなく排出して、ガスを触媒層に確実に到達させることができるので、サブスタックのセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態のセル及びセパレータの概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の燃料ガスの流通系統側の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の酸化ガスの流通系統側の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の燃料ガスの流通系統側の作動説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の酸化ガスの流通系統側の作動説明図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の触媒層の空隙における水占有率と圧損係数との関係を表すグラフである。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図１〜６に基づいて説明する。

図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質１１の一方面側（図１中、左側）には、導電性及びガス透過性を有する燃料極１２が配設されている。前記固体高分子電解質１２の他方面側（図１中、右側）には、導電性及びガス透過性を有する酸化極１３が配設されている。前記燃料極１２の一方面側（図１中、左側）には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１を流通させる燃料ガス流路２０ａを他方面側（図１中、右側）に形成されて酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス２を流通させる酸化ガス流路２０ｂを一方面側（図１中、左側）に形成された導電性を有するセパレータ２０が他方面側を当該燃料極１２側へ向けるようにして配設されている。前記酸化極１３の他方面側（図１中、右側）には、前記セパレータ２０が一方面側を当該酸化極１３側へ向けるようにして配設されている。

前記燃料極１２は、前記固体高分子電解質１１側（他方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有すると共に触媒を含有する触媒層１２ａと、前記セパレータ２０側（一方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有するガス拡散層１２ｂとからなっている。前記酸化極１３は、前記固体高分子電解質１１側（一方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有すると共に触媒を含有する触媒層１３ａと、前記セパレータ２０側（他方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有するガス拡散層１３ｂとからなっている。

前記燃料極１２及び前記酸化極１３の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂは、ガスや水の透過を可能とする空隙を有するように、カーボンファイバがクロス（織布）状やフェルト（不織布）状やペーパ状に形成されたものであり、下記の式（１）の条件を満たすものとなっている。

Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８ （１）

なお、Ｗは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの前記空隙における水占有率（％）、Ｌは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの圧損係数（ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）である。

ここで、前記水占有率Ｗは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの重量を計測してから、水を入れたバット内に当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂを浸漬し、当該バットを密閉容器に入れて当該密閉容器内を減圧吸引することにより、上記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの前記空隙内の脱気（脱泡）を十分に行った後、当該密閉容器から当該バットを取り出すと共に当該バットから当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂを取り出して、当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの重量を計測することにより、含有した水の重量を算出して、当該水の容量Ｖを算出し、予め求められている当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの空隙の容量Ｓと併せて、下記の式（２）に基づいて求められる値である。

Ｗ＝（Ｖ／Ｓ）×１００（％） （２）

また、前記圧損係数Ｌは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに対して厚さ方向に各種の流量Ｑ（ｃｍ³／ｍｉｎ．）で水を送給したときの当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂへの送給水圧Ｐ１（ｋＰａ）と当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂからの排出水圧Ｐ２（ｋＰａ）との差圧（圧損）ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を各流量Ｑごとにそれぞれ求め、これらの流量Ｑと差圧（圧損）ΔＰとの関係をグラフにプロットしたときに得られる直線の傾き（ｋＰａ・ｍｉｎ．／ｃｍ³）から求められる値である。

このような前記燃料極１２と前記酸化極１３とで前記固体高分子電解質１１を挟んだセル１０と前記セパレータ２０とを交互に複数積層することにより、図２，３に示すように、複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２が構成され、当該サブスタック１１１，１１２の燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続すると共に酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続することにより、固体高分子形燃料電池（スタック）１１０が構成されている。

図２に示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各燃料ガス受入口には、燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ１３０が電磁式の二方型のバルブ１０１，１０２を介してそれぞれ接続している。

前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式の二方型のバルブ１０３が介在している。前記ドレントラップ１２１の下部には、電磁式の二方型のバルブ１０５が設けられている。

前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式の二方型のバルブ１０４が介在している。前記ドレントラップ１２２の下部には、電磁式の二方型のバルブ１０６が設けられている。

図３に示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各酸化ガス受入口には、酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ１６０が電磁式の二方型のバルブ１４１，１４２を介してそれぞれ接続している。

前記第一のサブスタック１１１の酸化ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５１及び電磁式の二方型のバルブ１４３が介在している。前記ドレントラップ１５１の下部には、電磁式の二方型のバルブ１４５が設けられている。

前記第二のサブスタック１１２の酸化ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５２及び電磁式の二方型のバルブ１４４が介在している。前記ドレントラップ１５２の下部には、電磁式の二方型のバルブ１４６が設けられている。

図２，３に示すように、前記バルブ１０１〜１０６，１４１〜１４６は、制御手段である制御装置１７０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置１７０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該バルブ１０１〜１０６，１４１〜１４６の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態では、前記バルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４１，１４２等により酸化ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４３，１４４等により酸化ガス用最下流位置切換手段を構成している。

なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図２，３において、固体高分子形燃料電池発電システム１００の温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、燃料ガス系統や酸化ガス系統等の主要部のみを記載しているが、温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。

このようにして構成される本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。

前記制御装置１７０を作動させると、当該制御装置１７０は、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を開放するように、これらバルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ａ，図５Ａ参照）。

これにより、水素ガスボンベ１３０内の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０内の酸素ガス２が、前記バルブ１４１を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って上記セル１０で生成した水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２１で当該水３を分離された後、前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って上記セル１０で生成した水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１５１で当該水３を分離された後、前記バルブ１４３を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。

このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、供給された水素ガス１及び酸素ガス２（残りの約１／２）のほとんどが消費されて、前記ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で生成した水３が、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置１７０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ｂ，図５Ｂ参照）。

つまり、前記制御装置１７０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の前記ガス１，２の供給先を、第一のサブスタック１１１から第二のサブスタック１１２に切り換えると共に、第一のサブスタック１１１を前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック１１２から切り換えるのである。

これにより、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０２を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０からの全流量の酸素ガス２が、前記バルブ１４２を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、当該セパレータ２０の当該ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３を押し出しながら、上記水素ガス１と上記酸素ガス２とが、前述したように、前記セル１０の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに供給され、拡散されながら前記触媒層１２ａ，１３ａに送り込まれて、電気化学的に反応して電力を発生する。

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２２で当該水３を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１５２で当該水３を分離された後、前記バルブ１４４を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。

このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の水素ガス１及び酸素ガス２が供給されるようになるので、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３が押し出されて、電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第一のサブスタック１１１において、供給された水素ガス１及び酸素ガス２のほとんどが消費されて、前記ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるので、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３が、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。

ここで、前記制御装置１７０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ａ，図５Ａ参照）。

つまり、前記制御装置１７０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の前記ガス１，２の供給先を、第二のサブスタック１１２から第一のサブスタック１１１に切り換えると共に、第二のサブスタック１１２を前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック１１１から切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。

これにより、先に説明した当初の状態の場合と同様に、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０からの全流量の酸素ガス２が、前記バルブ１４１を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、当該セパレータ２０の当該ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３を押し出しながら、上記水素ガス１と上記酸素ガス２とが、前述したように、前記セル１０の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに供給され、拡散されながら前記触媒層１２ａ，１３ａに送り込まれて、電気化学的に反応して電力を発生する。

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該水３を分離された後、前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ１５１で当該水３を分離された後、前記バルブ１４３を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。

以下、制御装置１７０は、上述した前記バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４の制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池１１０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４が切り換え制御される。

このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、ブロア等を用いて前記ガス１，２を循環再利用しなくても、前記固体高分子形燃料電池１１０の前記サブスタック１１１，１１２内に滞留している水３を当該サブスタック１１１，１１２内から排出することができる（詳細は前記特許文献１，２等参照）。

なお、前記ドレントラップ１２１，１２２，１５１，１５２内に回収された水３は、前記制御装置１７０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０５，１０６，１４５，１４６の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記セル１０の前記燃料極１２及び前記酸化極１３の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂが、前記式（１）の条件を満たすものとなっていることから、上述したように発電運転を連続して行っても、前記サブスタック１１１，１１２のセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。この理由を以下に説明する。

先に説明したように、前記ガス１，２の流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続して、当該ガス１，２の流通方向最下流側に位置するサブスタックを当該ガス１，２の流通方向上流側に位置させるように順次切り換えるように発電運転を行う（以下「ブロアレスタイプ」という。）固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、発電運転を連続して行っていると、サブスタックのセル電圧が次第に低下して不安定になってしまう場合があった。

このため、本発明者らが鋭意調査したところ、ブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、ブロアを備えた従来のものよりも、サブスタックの内部から水を排出させる吐出力が小さいため、発電運転を行っていくうちに、セルのガス拡散層の空隙内に水が少しずつ溜まってしまい、前記ガス１，２が触媒層に次第に到達できなくなってしまうことが判明した。

そこで、本発明者らがさらに鋭意研究した結果、セルのガス拡散層の前記空隙における前記水占有率Ｗとガス拡散層の前記圧損係数Ｌとの間が前記式（１）の関係を満たすと、ブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムで発電運転を連続して行っても、セルのガス拡散層の空隙内に水を滞留させることなく排出して、前記ガス１，２を触媒層に確実に到達させられることを見出して、本発明を完成するに至ったのである。

ここで、下記の表１に示す前記水占有率Ｗ及び前記圧損係数Ｌを有するガス拡散層（試験体Ａ〜Ｉ）を用意し、これらガス拡散層（試験体Ａ〜Ｉ）を適用して燃料極及び酸化極を構成し、当該燃料極及び当該酸化極を用いたセルを使用してサブスタックを構成し、当該サブスタックを２組備えたブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムを上述したように発電運転して、セル電圧の安定性（セル電圧の低下の有無）を確認した結果を下記の表１及び図６に示す。

上記表１及び図６からわかるように、前記式（１）の関係を満足しない上記試験体Ａは、発電運転を連続して行っていくと、セル電圧が次第に低下して不安定になってしまった。これに対し、前記式（１）の関係を満足する上記試験体Ｂ〜Ｉは、発電運転を連続して行っても、セル電圧の低下が見られず、安定して発電運転することができた。

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、発電運転を連続して行っていても、前記サブスタック１１１，１１２のセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。

［他の実施形態］
なお、前述した実施形態では、燃料ガス供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を充填した水素ガスボンベ１３０を適用し、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を充填した酸素ガスボンベ１６０を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燃料ガス供給手段や燃料ガス補助供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を発生させる水素ガス発生装置や、濃度９９％以上の水素ガス１を製造する水素ガス製造装置等を適用することや、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を発生させる酸素ガス発生装置や、濃度９９％以上の酸素ガス２を製造する酸素ガス製造装置等を適用することも可能である。

また、前述した実施形態では、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス以外の成分を比較的多く含む酸化ガス（酸素ガス濃度９９％未満、例えば空気等）を使用する場合には、燃料ガス系統のみ前述した実施形態のように構成することや、水素ガス以外の成分を比較的多く含む燃料ガス（水素ガス濃度９９％未満、例えば炭化水素の改質ガス等）を使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合には、酸化ガス系統のみ前述した実施形態のように構成することも可能である。

さらに、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合であっても、燃料ガス系統及び酸化ガス系統のいずれか一方のみを前述した実施形態のように構成することも可能である。このとき、水素ガス１側よりも酸素ガス２側の方が水３を多く生成しやすいため、少なくとも酸化ガス系統を前記した各実施形態のように構成することが好ましい。

しかしながら、燃料ガス系統及び酸化ガス系統の両方共に前述した実施形態のように構成すれば、酸化ガス系統側よりも少ないながらも燃料ガス系統側に生成する水３も確実に排出することができるので、非常に好ましい。

また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した固体高分子形燃料電池１１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、発電運転を連続して行っても、サブスタックのセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。

１ 水素ガス
２ 酸素ガス
３ 水
１０セル
１１ 固体高分子電解質
１２ 燃料極
１２ａ 触媒層
１２ｂ ガス拡散層
１３ 酸化極
１３ａ 触媒層
１３ｂ 触媒層
２０ セパレータ
２０ａ 燃料ガス流路
２０ｂ 酸化ガス流路
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０６，１４１〜１４６ バルブ
１１０ 固体高分子形燃料電池（スタック）
１１１ 第一のスタック
１１２ 第二のスタック
１２１，１２２，１５１，１５２ ドレントラップ
１３０ 水素ガスボンベ
１６０ 酸素ガスボンベ
１７０ 制御装置

Claims (5)

1. 触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
   前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
   を備え、
   前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
   前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、
   前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記セルの前記燃料極の前記ガス拡散層が、下記の式（１）の条件を満たすものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
   Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８ （１）
   ただし、Ｗはガス拡散層の空隙における水占有率（％）、Ｌはガス拡散層の圧損係数（ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）である。
2. 触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、
   前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
   を備え、
   前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、
   前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
   前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層が、下記の式（１）の条件を満たすものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
   Ｗ≦−０．３Ｌ＋５０．８ （１）
   ただし、Ｗはガス拡散層の空隙における水占有率（％）、Ｌはガス拡散層の圧損係数（ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）である。
3. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記固体高分子形燃料電池が、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、
   前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、
   前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、
   前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段とを備え、
   前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層が、前記式（１）の条件を満たすものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
4. 請求項１又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
5. 請求項２又は請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。

Images