JP3878551B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、保護容器内に配置された多数の燃料電池を備える燃料電池装置の運転方法に関する。また本発明はそのような燃料電池装置に関する。
【０００２】
燃料電池は環境に優しく電力を発生するために使われる。つまり燃料電池において、電解と逆の過程が進行する。そのため燃料電池では、陽極に水素を含む燃料が、陰極に酸素を含む補助剤が夫々供給される。その陽極と陰極は電気的に電解層を介して分離され、その電解層は燃料と酸素との間のイオン交換を許しているが、燃料と補助剤との気密分離を保障している。燃料に含まれる水素は、イオン交換により酸素と反応して水となり、その場合、燃料側電極、即ち陽極において電子が増え、補助剤側電極、即ち陰極に電子が吸収される。従って、燃料電池の運転中、陽極と陰極との間に有用な電位差、即ち電圧が生ずる。その際、電気発生過程における廃棄物として水しか生じない。電解層は、高温燃料電池の場合、固体電解セラミックとして形成され、常温燃料電池の場合、ポリマー薄膜として形成されている。従ってその電解層は、反応物質を互いに分離し、イオンの形をした電荷を移送し、電子短絡を防止する機能を果たす。
【０００３】
かかる燃料電池では、通常利用される物質の電気化学ポテンシャルに基づき、正常な運転条件下で約０．６〜１．０Ｖの電圧が発生し、運転中維持される。従って、使用目的や設計負荷に関係し、大きな総電圧が必要な工業的用途では、通常多数の燃料電池が、各電池から夫々供給される電極電圧の合計が必要な総電圧に相当するかそれを超えるよう、燃料電池スタックの形に電気的に直列接続される。この種燃料電池スタックの燃料電池の数は、必要な総電圧に応じて例えば５０個以上である。
【０００４】
燃料電池装置で、燃料電池や燃料電池スタックの形にまとめられた多数の燃料電池は、機械的損傷および／又は例えば水やほこり等の外界の影響から保護するため、保護容器内に組み込まれる。この容器は、通常その内部空間を気密および／又は水密に包む。その場合、燃料電池や燃料電池スタックの形にまとめられた燃料電池は、保護容器の内部空間内に配置される。
【０００５】
本発明の課題は、高い運転信頼性で特に長い寿命を持ち、保護容器内に配置された多数の燃料電池を備える燃料電池装置の運転方法を提供することにある。また、その運転方法に特に適した燃料電池装置を提供することにある。
【０００６】
方法に関する課題は、本発明に基づき、保護容器で包囲した内部空間に存在するガスの少なくとも一部を内部空間から排出し、純ガスにより置換することで解決される。
【０００７】
本発明は、燃料電池装置の特に長い寿命を得るには、保護容器の内部空間内に配置した燃料電池を、その運転信頼性に対し害となる作用からできるだけ保護すべきという考えから出発する。共通の保護容器内に配置した多数の燃料電池の場合、非常に多くの接続端子と各燃料電池に運転物質を供給する供給管とが存在する。それら供給管に高度な漏れ止めを施しても、損傷や劣化に伴い漏れが生ずる。その漏れのため、例えば酸素を含む補助剤と燃料との混合物や水が、保護容器で包囲された内部空間内に侵入してしまう。このため、保護容器内に配置した燃料電池が腐食により寿命を害されたり、分子水素と分子酸素とから成る点火性爆発性混合気が生じたりする。保護容器内部の含水量が増大した際、絶縁物質の絶縁作用が悪化し、短絡が生じてしまう。燃料電池装置の寿命を害するかかる要因を排除するため、保護容器の内部空間の雰囲気は定期的に交換しおよび／又は燃料電池の寿命を害する成分を除去しなければならない。
【０００８】
純ガスの導入は、純ガスを十分な圧力で保護容器に供給する、例えば圧縮機や送風機により、特に簡単に行える。その十分な圧力は、車両で燃料電池装置を運転する際、走行中に受ける風に伴い発生する。その際、入口側で、ほこりのような粒子を、粒子フィルタにより除去するのが目的に適っている。
【０００９】
特に高い運転信頼性と運転安定性に対し、純ガスによる内部空間内ガスの置換は、定期的に行うとよい。そのため、本発明の有利な実施態様では、純ガスによる内部空間内ガスの置換を、純ガスの調整可能な体積流の連続的な供給により連続して行う。その体積流量は、例えば標準条件下での漏れにより内部空間内に存在するガスの有害成分の負荷を、純ガスの供給により少なくとも補償するよう決めるのが目的に適っている。
【００１０】
本発明の他の実施態様では、純ガスによる内部空間内ガスの置換が、所定の点検時間間隔の経過後に、内部空間を満たす雰囲気全部を交換することで行う。その場合、本発明の他の実施態様では、点検時間間隔経過前の内部空間への補給ガスの導入に伴い或いは温度変化によって生ずる内部空間内の圧力上昇が、内部空間のガス側に接続された平衡タンクを介して補償される。
【００１１】
保護容器内に配置した多数の燃料電池を備える燃料電池装置に関する課題は、本発明に基づき、保護容器で包囲された内部空間のガス側を、第１調整弁により遮断できる供給管と第２調整弁により遮断可能な排出管に接続することで解決される。
【００１２】
内部空間への補給ガスの流入や温度変化により生ずる内部空間内の圧力上昇を補償するため、内部空間のガス側に補償タンクを接続するとよい。
【００１３】
かかる圧力上昇は、特に加熱されて温度が変化するために生じ、その際内部空間内に存在するガスの一部が補償タンクに移される。その後温度が低下した際、内部空間内の圧力は再び低下し、補償タンクからガスの一部が内部空間に戻される。内部空間と補償タンクの間でのガス交換を、内部空間内の雰囲気を清浄に保つべく特に有利に利用するには、内部空間と平衡タンクとの間に一方向粒子フィルタを接続するのが目的に適う。このフィルタは、内部空間の構造物にとり有害な、例えば水分等の成分は補償タンクに向けて貫流できるが、逆方向には貫流できないよう形成してある。
【００１４】
センサが保護容器の内部空間内でのガスの所定状態のパラメータを監視し、該パラメータ値を超過した際、純ガスによる内部空間内ガスの交換を行うと目的に適う。それに適用する状態パラメータは、例えば水素ガス（Ｈ₂）の含有量、ガス内の湿度、ガスの温度や圧力である。ガス内の水素含有量が過度に大きい際、そのガスを交換することで、保護容器内に可燃性や爆発性の混合気が生じなくなり、高い安全基準が保障される。ガスの湿度の監視は、例えば燃料電池装置の腐食を抑えるという利点を生ずる。また、所定の温度を超過した際、ガス交換にて冷却することで、燃料電池装置の過熱を防止できる。
【００１５】
本発明の利点は、特に保護容器の内部空間を満たす雰囲気の少なくとも部分的な交換で、該雰囲気を確実且つ永続的に清浄に保てることにある。例えば燃料電池装置に燃料や補助剤を供給する際に僅かな漏れが生じても、特に乾いた純ガスを連続的又は規則的に導入することで、内部空間の雰囲気の含水量を非常に低いレベルに保ち、この結果、保護容器の内部空間内に配置した構造物の激しい腐食を防げる。また、内部空間から規則的に分子水素および／又は分子酸素を除去することで、保護容器の内部空間内での爆発性点火性混合気の発生を確実に防止できる。従って、この燃料電池装置は、高い運転信頼性と特に長い寿命を持つ。
【００１６】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００１７】
図１の燃料電池装置１は、略示する燃料電池ブロック２の形にまとめられた多数の燃料電池を有する。各燃料電池は各々電極対として陽極と陰極を有し、供給系（図示せず）を経て、陽極に水素を含む燃料、陰極に酸素を含む補助剤が夫々供給される。各燃料電池の陽極と陰極は電気的に電解層で分離され、かつ電解層は燃料と補助剤とを気密に分離するが、燃料と補助剤とのイオン交換を許す。
【００１８】
このイオン交換により、各燃料電池に０．６〜１．０Ｖの電極電圧が生ずる。所定の使用目的に関係して設定された設計電圧を発生するため、燃料電池は燃料電池ブロック２内で、それらの電極電圧の合計が必要な出力電圧に達するかそれを超過するよう、電気的に直列接続されている。
【００１９】
機械的損傷或いは水やほこり等の外界の影響から保護するため、燃料電池ブロック２は保護容器４で囲まれている。保護容器４はそれにより包囲された内部空間６を有し、該空間６内に燃料電池ブロック２が配置されている。保護容器４は内部空間６を包囲し、従って、その中に配置された燃料電池ブロック２を気・水密にしている。その際、燃料電池ブロック２の燃料電池に燃料と補助剤を供給するのに必要な供給管や燃料電池ブロック２で発生した電力を取り出しかつ制御信号を導入するため電気接続線を、保護容器４の外壁を貫通して導いている。
【００２０】
この燃料電池装置１は、高い運転信頼性と共に、特に長い寿命とを持つ。そのため、内部空間６を満たすガス雰囲気が非常に乾燥し、内部空間６内に配置した燃料電池ブロック２を腐食させる成分が存在しないようにする。一方で上述の供給管や電気接続線が保護容器４の外壁を貫通することで起こり得る漏れのため、大気が内部空間６に到達することがある。他方で燃料電池ブロック２自体で燃料電池への供給時の漏れが考えられ、例えば水、燃料および補助剤の少なくとも１つが内部空間６に到達し得る。その際、特に比較的長期の無点検運転経過後に、内部空間６の雰囲気が或る含水量に達し、含有水が、内部空間６の構造物および特に燃料電池ブロック２の構成要素に大きな腐食作用をし、これに伴い、それらの寿命を低下させる。内部空間６の雰囲気の含水量が増大すると、必要絶縁抵抗が低下し又は絶縁物質の絶縁作用が悪化し、このため場合により短絡も生ずる。また、その代わりに又はそれに加えて、内部空間６内に燃料や補助剤が漏れ出た場合、内部空間６内に分子水素と分子酸素とから成る点火性混合気が生ずる。
【００２１】
燃料電池装置１の寿命および／又は運転信頼性に対する上述の害を安全且つ確実に防止すべく、この燃料電池装置１は、保護容器４で包囲した内部空間６に純ガスを供給するよう設計している。そのため、内部空間６はガス側を、第１調整弁８により遮断可能な供給管１０に接続している。例えば温度変化、導入された純ガスＦ或いは漏れにより生ずる内部空間６内での圧力上昇を補償するため、内部空間６はガス側が圧力平衡タンク１２に接続している。
【００２２】
図１の燃料電池装置１の運転中、保護容器４の内部空間６に、必要に応じ或いは現象に関係して純ガスＦを供給する。そのため、内部空間６内に存在するガスの一部を圧力平衡タンク１２に転流させる。そこで、例えば水分等の内部空間６の構造物に害を与える成分やガスの分離が行える。圧力平衡タンク１２に一方向粒子フィルタ１４を設けおり、このフィルタ１４で上述の成分は内部空間６から平衡タンク１２に転流させるが、逆方向への転流は阻止する。その際、例えば温度低下による内部空間６内の圧力低下のため、平衡タンク１２から内部空間６にガスが逆流する際も、内部空間６内で有害な成分やガスは、平衡タンク１２内に留められる。平衡タンク１２は、図１の燃料電池装置の運転中、定期的な点検時間間隔をおいて空にする。
【００２３】
図２の燃料電池装置１′は、図１の燃料電池装置１と同様に、保護容器４で包囲した内部空間６に純ガスＦを供給すべく設計している。そのため、燃料電池装置１′も同様に第１調整弁８により遮断できる供給管１０に接続し、更に出口側を第２調整弁１６により遮断可能な排出管１８に接続している。該第２調整弁１６は、内部空間６のガス側に接続し、圧力センサとして形成したセンサ２０で調整する。なお該センサは、温度、湿度又は水素感知センサとして形成できる。
【００２４】
これに伴い、連続運転方式で燃料電池装置１′に純ガスＦを、単位時間当たりほぼ一定に設定した体積流量で供給できる。第２調整弁１６に作用する圧力センサ２０により、保護容器４の内圧をほぼ一定に保ち、その際内部空間１６からの余剰ガスは排出管１８を経て排出する。換言すれば、連続運転状態で内部空間６に、純ガスＦを単位時間毎にほぼ一定に設定した体積流量で供給し、内部空間６内に存在するガスと置換する。そのため、内部空間６から純ガスＦの体積流量に対応した量のガスを、排出管１８を経て排出する。
【００２５】
燃料電池装置１、１′の運転中、保護容器４で包囲した内部空間６内に存在するガス雰囲気を、点検時間の間隔で又は連続して、少なくとも部分的に純ガスＦで置換する。その際、不所望の不純物や燃料電池装置１の寿命と運転信頼性にとり有害な、特に水分や分子水素等の成分を、内部空間６の雰囲気から除去する。この結果、長い運転期間ででも、内部空間６内に配置した個々の構成要素の腐食やその機能を害する上述した成分の豊富化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく燃料電池装置の概略構成図。
【図２】 本発明に基づく燃料電池装置の異なった実施例の概略構成図。
【符号の説明】
１ 燃料電池装置、４ 保護容器、６ 内部空間、８ 第１調整弁、
１０ 供給管、１４ 粒子フィルタ、１６ 第２調整弁、１８ 排出管

Claims (3)

1. 保護容器（４）内に配置された多数の燃料電池を備えた燃料電池装置（１）において、保護容器（４）で包囲された内部空間（６）のガス側に、第１調整弁（８）によって遮断できる純ガス（Ｆ）の供給管（１０）を接続し、かつ、前記純ガス（Ｆ）の導入又は温度変化により生ずる内部空間（６）内の圧力上昇および圧力低下を補償する平衡タンク（１２）を前記保護容器の内部空間（６）のガス側に接続し、保護容器（４）で包囲された内部空間（６）内に存在するガスの少なくとも一部を、前記内部空間（６）から平衡タンク（１２）内へ排出して純ガスによって置換する構成を備えるものとし、さらに、前記内部空間（６）と平衡タンク（１２）との間に、一方向粒子フィルタ（１４）を接続し、前記一方向粒子フィルタ（１４）は、水分を前記内部空間（６）から平衡タンク（１２）へ転流させるが、逆方向への転流は阻止するものとしたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 純ガスによる内部空間（６）内ガスの置換を、純ガスの調整可能な体積流の連続的な供給により連続して行う構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 純ガスによる内部空間（６）内ガスの置換を、所定の点検時間間隔の経過後に、内部空間（６）を満たす雰囲気全部を交換することによって行う構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の装置。

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