JP3985317B2

JP3985317B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3985317B2
Application number: JP37053797A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 慎之高田; 清市片平; 剛一白石; 正隆上野
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11191428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池装置、特にその燃料極の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の燃料電池は電解質膜を燃料極と空気極とで挟持した構成であり、水素ガスを燃料ガスとして燃料極へ供給し、一方、空気を空気極へ供給して電解質膜を介して両者を電気化学的に反応させ、電力を得ている。
【０００３】
燃料極から排出される燃料排気ガスには燃料ガスの成分（水素）が含まれているので、これを再利用するタイプの燃料電池装置が本出願人によって特開平９−２６６００４号公報に示されている。
その開示によれば、燃料極に供給された水素ガスは、発電反応に利用されてその多くが消費されるが、なお残存する余剰水素ガスは閉ループライン（燃料排気ガス路）を流れて空気極へ直接導入される。
【０００４】
このように構成された燃料電池装置によれば、次の作用効果が得られる。
即ち、空気極へ導入された水素ガスは、空気極の触媒層（Ｐｔ）上で燃焼して水に転化する。これにより、電解質に高分子固体イオン交換膜が用いられる高分子固体電解質型燃料電池の場合に、空気極及び電解質膜の空気極側での通常の電池反応による生成水および余剰水素ガスの燃焼による回収水が、水の濃度差により、水濃度が希釈である電解質膜の燃料極側に向けて流れる。これにより燃料極側への電解質膜の湿潤状態の維持及び均一化が図れる。即ち、高分子固体電解質膜の加湿を、従来の燃料極側からの加湿に加えて空気極側から行うことができ、あるいは空気極側からのみ行うことも可能となる。燃料極側から加湿を行わない場合には、燃料極に供給する水素ガス中に水蒸気を導入して加湿する必要がなくなるため、水素ガスの利用効率が更に向上され且つ安定される。
また、燃料極側の加湿器の必要がなくなるので、そのための補器を簡略することができ、燃料電池装置の軽量化、高効率化が可能となる。
更には、燃料排気ガスをそこに残存する余剰水素ガスがそのまま含まれた状態で排出することは好ましくない。水素ガスは活性が高いため、排出後に燃料電池装置系外で好ましくない反応を起こすおそれがあるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料排気ガスを再利用するタイプの燃料電池装置では次のように運転される場合がある。即ち、燃料ガスの効率的な利用を図るために燃料ガスの流通を一旦止めて、発電反応が進むにつれて空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水の影響で電池の出力が不安定になると燃料ガスを排気する。これにより、燃料極の周囲の燃料ガスがリフレッシュされるので、燃料電池の出力は概ね回復する。
しかし、本発明者らの検討によれば、しばしば、燃料電池の出力の回復が不完全となる場合があった。
【０００６】
【発明を解決するための手段】
本願発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、燃料極の表面に生成水、二酸化炭素、窒素等の不純物が付着して若しくは燃料極の表面の周囲の空間においてこれら不純物の濃度が高くなって、反応に寄与する電極面積が減少し、これが出力を不安定にする一因となることに気が付いた。
この発明は、このような本発明者らによる新たな知見に基づいてなされた。
請求項１に記載の発明は次の通りである。即ち、
燃料ガスが所定圧力で供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有する燃料電池装置において、前記燃料極の表面に付着した或いは周囲の空間における不純物を、衝撃力を与えて除去する除去手段が備えられている、ことを特徴とする燃料電池装置である
請求項２に記載の発明は次の通りである。即ち、
前記除去手段は、前記燃料極表面への前記不純物の被覆による出力低下を検出する手段と、出力低下を検出した場合、衝撃力を与える手段と、を有する請求項 1 記載の燃料電池装置である。
請求項３に記載の発明は次の通りである。即ち、
前記除去手段は前記燃料ガスの供給圧力を前記圧力よりも高くなるように制御して衝撃力を与える制御装置を有する請求項１又は２に記載の燃料電池装置である。
請求項４に記載の発明は次の通りである。即ち、
前記除去手段は燃料ガスを前記燃料極の表面に沿って流通させる案内板を有する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池装置である。
【０００７】
【発明の作用・効果】
請求項１に記載の発明によると、燃料極の表面の被覆物が除去される。これにより、燃料極の実効表面積が除去以前より大きくなり、もって燃料電池の出力が回復する。
請求項２に記載の発明によると、請求項１に記載の発明と同様の効果が奏される。
請求項３に記載の発明によると、強い流れの燃料ガスを排気することができるため、より好適に不純物の被覆を除去することができる。
請求項４に記載の発明によると、案内板によって燃料ガス流を流通させることにより、燃料極の表面の不純物の被覆を除去することができる。
なお、燃料極の表面の被覆物を除去することにより燃料電池の出力を回復させることは、燃料排気ガスを間欠的に空気極に導入するタイプの装置において特に有効であることは既述の通りであるが、この発明の技術を他のタイプ、即ち燃料排気ガスを燃料電池装置の系外へ直接排出するものに適用できることは言うまでもない。この場合においても、燃料極の実効表面積が除去以前より大きくなるので、燃料電池の出力が安定する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記において、燃料極表面の被覆物を除去する方法は当該表面の被覆物の性質に応じて適宜選択できる。除去の方法には大別して物理的な方法と化学的な方法とがある。
燃料極表面の被覆物とは燃料極表面に付着した生成水、二酸化炭素、窒素等の不純物及び燃料極の表面の周囲の空間におけるこれら不純物の高濃度雰囲気を指す。
【０００９】
物理的な方法としては、燃料極表面に衝撃力を与えてその表面被覆物を除去する方法と燃料極表面の被覆物を他の部材に吸着させる方法がある。
【００１０】
前者の方法として、実施例では水素ガスを燃料極表面に向けて吹き込み、当該燃料極表面に沿って流通させるようにした。これにより、水素ガスの流れによって当該燃料極表面から燃料極表面の被覆物が除去される。
その他、超音波を燃料極の表面に照射することにより、被覆物を当該表面からふるい落とすことができる。更には、燃料極自体を振動させても良い。
これらの方法は併用することができる。
【００１１】
後者の方法として、燃料極の表面へ紙などの吸着シートを押圧し、このシートに表面被覆物を吸い取らせる方法がある。また、燃料極の表面を水やアルコールなどの液体で洗浄することもできる。
これらの方法は、既述の前者の方法とともに、併用することができる。
【００１２】
化学的な方法としては、燃料極の表面被覆物を溶解できる液体で当該表面を洗浄する。被覆物が水分である場合はこれを蒸発させる。
化学的な方法と物理的な方法とを併用することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、この発明の実施例を図面を参照にして説明する。
図１は実施例の燃料電池装置１の概略構成を示す。図２は燃料電池本体１０の基本ユニットを示す。
図１に示すように、この装置１は燃料電池本体１０、燃料ガスとしての水素ガス供給系２０、空気供給系３０、水供給系４０から概略構成される。
【００１４】
燃料電池本体１０の単位ユニットは空気極１１と燃料極１３とで固体高分子電解質膜１２を挟持した構成である。実際の装置ではこの単位ユニットが複数枚積層されている（燃料電池スタック）。空気極１１の上方及び下方には空気マニホールド１４、１５が形成されている。上方のマニホールド１４にはノズル４１を取り付けるための取付孔が形成されている。
【００１５】
図２に示すように、上記空気極１１−固体高分子電解質膜１２−燃料極１３の単位ユニットは一対のカーボン製コネクタ板１６、１７で挟持されている。空気極１１に対向するコネクタ板１６の面には空気を流通させるための溝１８が複数条形成されている。各溝１８は上下方向に形成されてマニホールド１４、１５を連通している。その結果、ノズル４１より供給される霧状の水は当該溝１８に沿って空気極１１の下側部分まで達する。
【００１６】
同様に、燃料極１３に対向するコネクタ板１７の面には水素ガスを流通させるための溝１９が形成されている。実施例ではこの溝１９を水平方向に複数条形成した。
この溝１９は、水素ガスが流通するとき、燃料極１３の表面での流速が高くなるようにその流路抵抗を可及的に小さくする。
【００１７】
空気極１１には水が供給されるのでこれは耐水性のある材料で形成される。また、そこに水の膜ができると空気極１１の実効面積が減少するので空気極１１の材料には高い撥水性も要求される。かかる材料として、カーボンクロスを基材にガス供給層（Ｃ＋ＰＴＦＥ）を塗りこんだガス拡散層を使用した。
固体高分子電解質膜１２には汎用的なナフィオン（商品名：デュポン社）の薄膜を使用した。
尚、膜の厚さは空気極側からの生成水の逆浸透が可能であればその数値は特に問わない。
燃料極１３は空気極１１と同じ材料で形成されている。部品の共通化の為である。
【００１８】
空気極１１及び燃料極１３において、電解質膜１２と接触する方の面には、ある程度の厚さでもって酸素と水素の反応を促進するために用いられる周知の白金系触媒がそれぞれ均一に分散されていて、空気極１１及び燃料極１３における触媒層として形成される。
【００１９】
水素ガス供給系２０の水素源２１として、この実施例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用した。その他、水／メタノール混合液等の改質原料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。勿論、燃料電池装置１を室内で固定して使用する場合には、水素配管を水素源とすることができる。
水素源２１と燃料極１３とは水素供給調圧弁２３を介して水素ガス供給路２２により接続されている。調圧弁２３は燃料極１３に供給する水素ガスの圧力を調整するものであり、汎用的な構成のものを利用できる。
【００２０】
燃料極１３からの排気ガスは排気ガス路２４を通じて空気マニホールド１４へ供給され、ここで空気と混合される。排気ガス路２４にはこれを開閉するための水素排気弁２５が配設されている。
【００２１】
燃料極１３に供給された水素ガスは発電反応に利用されてその大部分が消費されるが、なお残存する余剰水素ガスは排気ガス路２４を流れ、排気弁２５を介して空気極１１へ導入される。
このようにして空気極１１に供給された余剰水素ガスは触媒上で燃焼して水に転化する。この水は電解質膜１２に供給される。このようにして、通常の電池反応による生成水と余剰水素ガスの燃焼による回収水が利用できる燃料電池装置１では、水素ガス系２０及び空気系３０の各ガス路に従来型の加湿器が何ら必要とされない。
【００２２】
空気極１１には図示しないブロアによって大気中より空気が供給される。図の符号３１は空気の供給路であり空気極１１のマニホールド１４に連結される。下側のマニホールド１５には空気極１１を通過した空気を循環若しくは排気するための空気路３２が連結され、水を分離する凝縮器３３を介して排気ガスは循環路３５及び排気路３６へ送られる。空気排気調圧弁３４の開度により循環路３５と排気路３６とへ分配される排気ガスの割合が調節される。排気ガスを循環させるのは空気極１１へ導入された余剰水素ガスを完全に燃焼させるためである。
循環路３５及び排気調圧弁３４を省略し、排気ガスをそのまま大気へ排出する構成とすることもできる。
【００２３】
凝縮器３３で分離された水はタンク４２へ送られる。タンク４２には水位センサ４３が付設される。この水位センサ４３により、タンク４２の水位が所定の値以下となると、アラーム４４が点滅してオペレータに水不足を知らせる。
【００２４】
実施例の水供給系４０では、タンク４２から水供給路４５がポンプ４６、水圧センサ４７及び調圧弁４８を介して、ノズル４１まで連結されている。調圧弁４８により所望の水圧に調節された水はノズル４１から吹き出して空気マニホールド１４内では霧状になる。そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および空気流等によって空気極１１の実質的な全面に霧状の水が供給される。
【００２５】
このようにして空気極１１の表面に供給された水はそこで周囲の空気から潜熱を奪って蒸発する。これにより、電解質膜１２の水分の蒸発が防止される。
また、空気極１１へ供給された水は空気極１１からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もある。特に、始動時に水を供給すると、水素と空気の燃焼により膜、触媒がダメージを受けることを予防できる。
更には、空気極１１へ供給された水は空気極１１の表面をパージする作用（及びパージする手段としての機能）も奏する。即ち、この水により空気極１１の表面の被覆物が除去される。
【００２６】
図中の符号５０は電圧計であり、空気極１１と燃料極１３との間の電圧を計測する。
【００２７】
次ぎに、図３を参照にして、実施例の燃料電池装置１の動作を説明する。
制御装置７０及びメモリ７３は燃料電池装置１のコントロールボックス（図１に示されていない）に収納されている。メモリ７３にはコンピュータからなる制御装置７０の動作を規定するコントロールプログラム及び各種制御を実行するときのパラメータやルックアップテーブルが収納されている。
【００２８】
まず、水素ガス供給系２０の動作について説明する。
起動時には、水素排気弁２５を閉に保持しておいて、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１３に供給されるように水素供給調圧弁２３を調整する。排気弁２５を閉じた状態で燃料電池装置１を運転すると、空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水の影響が発生する。更には燃料極１３の表面にそれが付着して当該表面の実効面積を低減させる。これにより安定した電圧が得られなくなる。
【００２９】
そこで、予め定めれた規則に基づいて弁２５を解放して水素分圧の低下したガスを排気し、燃料極１３の雰囲気ガスをリフレッシュする。このとき、水素供給調圧弁２３を調整して導入する水素の圧力を所定値より高くして、強い流れの水素ガスを燃料極１３の表面に流す（このとき、燃料極１３の表面がパージされ、その表面の被覆物が除去される。）。これにより、燃料極１３表面の被覆物が水素ガスの流れにより剥離される。また、水分は蒸発する。勿論、全ての被覆物が燃料極表面から除去されるわけではないが、水素流を導入しない以前に比べると燃料極表面の被覆物の濃度は低下することとなる。
このように大量の水素ガスを用いて燃料極の表面をパージしたときには、流した水素ガスを有効に利用し、且つ、燃料電池装置の系外に高い濃度の水素ガスを排出することを防止するため、実施例のように水素排気ガスを空気極１１側に導入しこれを再利用することが好ましい。
【００３０】
予め定めれた規則はメモリ７３に保存されており、弁２５の開閉及び調圧弁２３の調整は制御装置７０が当該規則をメモり７３から読み出して実行する。
【００３１】
この実施例では、電圧計５０で出力電圧をモニタし、出力電圧が所定の閾値を超えて低下したら所定の時間（例えば、０．２ｋｇ／平方センチメートル、１秒間）排気弁２５を解放する。
あるいは、排気弁２５を閉とした状態で燃料電池装置１を運転したときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測しておき、その時間間隔と実質的に同一又は若干短い周期で排気弁２５を解放するように、排気弁２５を間欠的に開閉制御する。
【００３２】
次ぎに、空気供給系３０の動作について説明する。
外気が空気供給路３１より一定の圧力で空気マニホールド１４へ供給される。一方、排気ガスの一部は空気排気調圧弁３４の開度に応じて系外へ排出され、残部は循環路３５を通って循環される。即ち、排気ガスには水素が含まれるのでこの水素を燃焼させることにより生成される水分が電解質膜１２を湿潤状態を維持するのに適当な量となるよう、換言すれば燃料電池本体の水分バランスが最適となるように調圧弁３４の開度を調節することができる。
【００３３】
空気排気調圧弁３４の開度の調節も予め定められた規則に基づき制御装置７０により制御される。予め定められた規則はメモリ７３に保存されている。
この実施例では、燃料電池本体１０の水分バランスは主として後述する水供給系４０により調整されるので、調圧弁３４の開度は固定しておいても良い。
【００３４】
次ぎに、水供給系４０の動作について説明する。
タンク４２の水がポンプ４６で圧送される。そして、噴射圧力調整弁４８でその圧力が調整されてノズル４１から噴霧される。これにより、水が液体の状態（霧の状態）で空気極１１に供給されることとなる。
【００３５】
水の供給量は予め定められた規則に基づき制御装置７０により制御される。予め定められた規則はメモリ７３に保存されている。
この実施例では、所定の時間経過（例えば５〜１０秒）ごとに、一定の水圧で水供給系４０を稼働させる。
【００３６】
次ぎに、他の実施例の燃料電池装置１０１について説明する。なお、図１と同様の作用を奏するものには同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
この装置１０１では、図４に示すように、燃料極１３に対向するコネクタ板１１７に上下方向の溝１１９が形成され、この溝１１９の上側から水素ガスが導入される。水素ガスの導入口付近には案内板１２１が設けられ、導入された水素ガスはこの案内板１２１に導かれて燃料極１３の表面に吹き付けられ、かつ当該表面に沿って流れる。この案内板１２１が燃料極１３の表面の被覆物を除去する手段として作用する。これにより、燃料極１３の表面がパージされ、その被覆物１２５が除去される。
また、このパージを行う場合、図示しない水素供給調圧弁（図１における２３）を調整して、通常よりも高い圧力でもって水素ガスを導入すると、さらに好適である。
【００３７】
水素排気ガスはコネクタ板１１７の下側から排出され、水素排気ガス路１２４を介して空気導入路３１へ導入される。
【００３８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【図２】同じく燃料電池本体の基本構成を示す断面図である。
【図３】同じく燃料電池装置の制御系を示す模式図である。
【図４】この発明の他の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１０１燃料電池装置
１０燃料電池本体
１１空気極
１２電解質膜
１３燃料極
２０水素供給系
３０空気供給系
４０水供給系
１２１案内板
１２５被覆物

Claims

燃料ガスを燃料極へ供給し、排ガス流路に排気弁を備える閉ループラインの燃料ガス供給系と、
空気を空気極へ供給する空気供給系と、
前記排気弁を解放したときに前記燃料ガス供給の供給圧力を前記排気弁が閉のときの前記燃料ガスの供給圧力より高くし、前記燃料極の表面に付着した或いは周囲の空間における不純物を、衝撃力を与えて除去する制御装置と、
を備える、ことを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料ガスを前記燃料極の表面に沿って流通させる案内板を有する請求項１に記載の燃料電池装置。