JP2621435B2 - 燃料電池の運転停止方法 - Google Patents

燃料電池の運転停止方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明方法は化石燃料の改質ガスと酸素を含む酸化
剤ガス例えば空気などを原料として電気化学的に発電を
行う燃料電池の運転停止方法に関する。
〔従来の技術〕
積層形燃料電池は電解質としての例えばりん酸液を保
持するマトリックスを燃料電極および酸化剤電極で挟持
した単セル多数枚を層間にガス不透過性のセパレータを
介在させて積層したものからなり、燃料電極および酸化
剤電極にそれぞれ水素リッチな改質ガスおよび酸化剤ガ
スとしての例えば空気を供給するとともに、各単セルの
温度を電気化学反応に好適な作動温度例えば190℃に保
持することにより、各単セル電圧Eを定格電流において
例えば0.7V程度に保持して発電運転が行われる。
第2図は燃料電池の従来の運転停止方法を示すタイム
チャートであり、外部負荷に電流Iを供給していた燃料
電池の発電を停止する指令が時刻t1で出されると、負荷
電流Iを遮断し、燃料ガスおよび酸化剤ガス流量Qを零
に絞り、代わりに置換用不活性ガスとしての窒素を流量
qで供給する置換操作が時間t1からt2にかけて行われる
とともに、燃料電池の電極触媒層に吸蔵されている反応
ガスを消費させて停止時間を短縮するために、吸蔵反応
ガスの電気化学的エネルギー量の消費に見合う容量の放
電抵抗Rを燃料電池の出力側にタイマースイッチのオン
・オフ制御により接続し、吸着ガスを短時間で消費かつ
除去する方法が知られており、単セル電圧Eが時刻t3
零になるとともに、燃料電池温度Tは時刻t4で保管に好
適な温度である50℃程度に低下する。
〔発明が解決しようとする課題〕
積層燃料電池の反応ガスを不活性ガスを供給してガス
置換する場合、置換の遅れ時間が単セルまたは一つの単
セルでもその面積中の場所によって異なるために、置換
遅れの少ない単セルまたはその部分では単セル電圧が速
やかに低下するのに対し、置換遅れの大きいセルまたは
部分では吸蔵反応ガスによる電気化学的エネルギーが放
電抵抗により消費されるのに時間がかかり、この間単セ
ルは高い発電電圧(図では1.0V)にさらされる。ことに
従来の停止方法においては、作動温度190℃で運転中の
燃料電池の電流を遮断すると同時にガス置換を開始する
ので、置換遅れの大きい単セルの電極触媒層は作動温度
に近い高温と高電位にさらされることになる。電極触媒
が高温かつ高電位にさらされると、貴金属粒子が溶出あ
るいは粗大化するいわゆるシンタリング現象が発生する
ことが知られており、電極触媒の有効反応面積が運転停
止のたびに徐々に減少するために電極触媒の老化が促進
され、発電運転時の出力特性である電圧−電流特性の低
下が促進され、燃料電池の寿命に悪影響を及ぼすという
事態が発生する。また、放電特性Rは積層燃料電池をマ
クロに見てその抵抗値および熱容量が決められるので、
局部的に発電する単セル電圧の上昇を抑制するに至らな
い場合が多い。
この発明方法の目的は、シンタリング現象が単セル温
度および単セル電圧の低下とともに起こりにくくなるこ
とを利用して燃料電池の出力特性の低下を防止すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、この発明方法によれば、
電解質を保持するマトリックスを燃料電極と酸化剤電極
で挟持した単セルを多数枚積層してなる積層燃料電池
と、低減電流レベルのダミー負荷と、放電抵抗と、前記
単セルの電圧および温度を検出する手段と、不活性ガス
置換手段とを有する燃料電池の運転停止方法において、
作動温度で発電運転中の燃料電池に停止指令が出された
とき前記ダミー負荷に切換えて前記単セルの電圧を所定
電圧に保持して発電を継続して前記単セルの温度を所定
温度まで低下せしめ、該所定温度に低下した時点で不活
性ガスによる置換を開始すると同時に前記ダミー抵抗を
前記放電抵抗に切換えて燃料電池の発生電力を消費した
後、運転を停止する手順を含み、前記所定電圧は定格電
圧より高い電圧でありまた前記所定温度は前記作動温度
より低い温度であり、さらに前記所定温度の上限および
前記所定温度の上限は触媒の粒子のシンタリングによる
電池寿命への影響が実用上問題とならない電圧および温
度に選定されることとする。
〔作用〕
上記方法において、停止指令により外部負荷をダミー
負荷に切換えて単セル電圧を定格電圧より高い所定電圧
例えば0.8Vを保持するよう出力電流を絞って運転を継続
し、燃料電池の温度が作動温度より低い所定温度例えば
130℃に低下した時点でガス置換を開始すると同時にダ
ミー負荷を放電抵抗に切換えて運転を停止するように構
成したことにより、ガス置換の遅れの大きい単セルに残
存する吸蔵反応ガスにより高い発生電圧を生じても、燃
料電池温度が低いので電極触媒の貴金属粒子の溶出ある
いは粒子の粗大化が生じにくく、したがって電極触媒の
有効面積の減少と、これに起因する出力特性の低下が回
避される。
〔実施例〕
以下この発明を実施例方法に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例方法を説明するためのタイ
ムチャートである。図において、外部負荷に電流I(定
格出力電流)を供給する発電運転中の燃料電池に、時刻
t11で停止指令が出されたと仮定する。このとき、停止
指令に基づいて外部負荷電流Iが遮断されるとともに、
燃料電池の出力側はダミー負荷に切換えられ、反応ガス
流量もQ1からのに絞られることにより、ダミー負荷に
は定格出力電流の25%ないし50%に絞られたダミー負荷
電流iが継続して供給される。ダミー負荷電流が上述の
ように絞られることにより、燃料電池の電圧−電流特性
に基づいて各単セル電圧は定格負荷時の出力電圧例えば
0.7Vより上昇し0.8V以下に保持される。なお、ダミー負
荷としては例えば起動用の蓄電池あるいは冷却ポンプの
電源などが好適であり、ダミー負荷運転期間中の発電電
力を有効に利用することができる。
ダミー負荷運転中単セル電圧が0.8Vあるいはそれ以下
に保持されることにより、電極触媒が高温,高電圧にさ
らされることが回避され、かつ燃料電池温度が徐々に低
下する。各単セル温度がすべて130℃以下に低下したこ
とを温度センサによって確認した時点t12でダミー負荷
電流iは遮断され、反応ガス流量Q1を零に絞るととも
に、置換用の不活性ガスとしての例えば窒素を時刻t13
にかけて流量q1で供給してガス置換を開始するととも
に、放電抵抗を燃料電池の出力側に接続する。このと
き、置換遅れの差に基づいて単セル電圧が無負荷電圧1V
程度に高まる単セルが現れるが、すべての単セル温度が
130℃以下に低下した状態にあるのでシンタリング現象
は抑制され、これに基づく出力特性の低下などの悪影響
は排除され、電極の吸蔵ガスの電気化学的エネルギーが
放電抵抗で消費されるにしたがい単セル電圧は低下し、
時刻t14で零になる。不活性ガスは置換がほぼ終了する
時刻t13で流量がq2に絞られ、時刻t15で保管温度50℃程
度に降温する。
〔発明の効果〕
この発明は、電解質を保持するマトリックスを燃料電
極と酸化剤電極で挟持した単セルを多数枚積層してなる
積層燃料電池と、低減電流レベルのダミー負荷と、放電
抵抗と、前記単セルの電圧および温度を検出する手段
と、不活性ガス置換手段とを有する燃料電池の運転停止
方法であって、作動温度で発電運転中の燃料電池に停止
指令が出されたとき前記ダミー負荷に切換えて前記単セ
ルの電圧を所定電圧に保持して発電を継続して前記単セ
ルの温度を所定温度まで低下せしめ、該所定温度に低下
した時点で不活性ガスによる置換を開始すると同時に前
記ダミー抵抗を前記放電抵抗に切換えて燃料電池の発生
電力を消費した後、運転を停止する手順を含み、前記所
定電圧は定格電圧より高い電圧でありまた前記所定温度
は前記作動温度より低い温度であり、さらに前記所定電
圧の上限および前記所定温度の上限は触媒の粒子のシン
タリンクによる電池寿命への影響が実用上問題とならな
い電圧および温度に選定されてなることとした。その結
果、ガス置換を開始する時点では単セル温度がすべてシ
ンタリングを回避するに十分な所定温度例えば130℃に
降温しているので、燃料電池の作動温度例えば190℃で
ガス置換を開始する従来方法で問題となったシンタリン
グ現象を抑制することが可能となり、シンタリング現象
による電極触媒の有効反応面積の減少と、これに基づく
燃料電池の出力特性の低下が排除され、したがって燃料
電池の起動停止の繰返しに基づく寿命低下の少ない燃料
電池の運転停止方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例方法を説明するためのタイム
チャート、第2図は従来方法を説明するためのタイムチ
ャートである。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電解質を保持するマトリックスを燃料電極
    と酸化剤電極で挟持した単セルを多数枚積層してなる積
    層燃料電池と、低減電流レベルのダミー負荷と、放電抵
    抗と、前記単セルの電圧および温度を検出する手段と、
    不活性ガス置換手段とを有する燃料電池の運転停止方法
    であって、作動温度で発電運転中の燃料電池に停止指令
    が出されたとき前記ダミー負荷に切換えて前記単セルの
    電圧を所定電圧に保持して発電を継続して前記単セルの
    温度を所定温度まで低下せしめ、該所定温度に低下した
    時点で不活性ガスによる置換を開始すると同時に前記ダ
    ミー抵抗を前記放電抵抗に切換えて燃料電池の発生電力
    を消費した後、運転を停止する手順を含み、前記所定電
    圧は定格電圧より高い電圧でありまた前記所定温度は前
    記作動温度より低い温度であり、さらに前記所定電圧の
    上限および前記所定温度の上限は触媒の粒子のシンタリ
    ングによる電池寿命への影響が実用上問題とならない電
    圧および温度に選定されてなることを特徴とする燃料電
    池の運転停止方法。
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