JP4665353B2

JP4665353B2 - 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法

Info

Publication number: JP4665353B2
Application number: JP2001214857A
Authority: JP
Inventors: 信青木
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: JP2003031254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高分子電解質型燃料電池発電装置、特に、内部加湿型の燃料ガス加湿装置および空気加湿装置を備える固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池発電装置は、燃料電池の最小単位である単セルを多数積層した燃料電池スタック（以下、単に「電池」，「燃料電池」ともいう。）と、この燃料電池に反応ガス（水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガス、通常は空気）を必要量供給するためのガス供給装置と、その他周辺装置および制御装置とを基本として構成される。
【０００３】
図２は、従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図を示す。原燃料として例えば、天然ガス，メタノール等を供給する場合、原燃料は、図示しない脱硫器，改質器，CO変成器，CO除去器等から構成される燃料処理装置により数十ppm程度のCOおよび２０％程度のCO₂を含む水素を主成分とする燃料ガスに改質され、電池１に供給される。電池１には図示しない空気ブロアから空気が供給され、電池１において水素と酸素の電気化学反応により発電を行う。
【０００４】
電池１で消費されなかった空気は大気中に排気され、燃料ガスは図示しない燃料処理装置に戻されて改質反応に必要な熱の供給源として燃焼消費される。電池１の温度を適度に保つため、通常電池冷却媒体が供給され、冷却媒体としては一般的に水が使用されるが空冷の場合もある。電池冷却媒体は図示しない熱交換器で冷却された後、循環ポンプにより電池１に供給される。電池出力はDCであるため、AC出力が必要な場合にはインバータが組込まれる。
【０００５】
図２において、燃料ガス加湿装置２および空気加湿装置３は、それぞれ、燃料ガスおよび空気を電池１に導入する前に加湿し、ガス中の水蒸気分圧を上昇させる装置である。これは、後に詳述するように、電池１の各単電池の構成材である電解質膜６が乾燥し、イオン伝導性が低下するのを防ぐ目的で設けられる。
【０００６】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位であるセルの構成は、一般に、図４のように表わされる。膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜３１の両面に貴金属（主として白金）を含む触媒層４０（以下、電極触媒層ともいう。）を接合して形成される。ＭＥＡの外側には多孔質の拡散層３３（以下、拡散電極層ともいう。）があって、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。
【０００７】
多孔質の拡散層３３と触媒層４０とを合わせて、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤ガスが通流される側をカソード電極という。また、広義のＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレータ３２で挟むことにより、セルが構成される。
【０００８】
電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜にはNafion^TM（米国・デュポン社製商品名）がある。これらの電解質膜の特徴は、他の高分子電解質と比較してプロトン伝導性が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下することである。このため固体高分子電解質型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状態に制御することが求められる。通常は反応ガスを加湿することによって電解質膜の乾燥を防止する。
【０００９】
図３は、図４とはセパレータのガス通流溝が一部異なるものの、図４と同様なセル構成の模式的断面図である。図３において、４は空気極（カソード電極）、５は燃料極（アノード電極）、６は固体高分子の電解質膜を示す。空気極４は、空気極触媒層４１，空気極拡散層４２，空気極セパレータ４３からなる。また、燃料極５は、燃料極触媒層５１，燃料極拡散層５２，燃料極セパレータ５３からなる。７は各セパレータが備えるガス通流溝である。
【００１０】
ところで、前述のように、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、水を含んだ湿潤状態において高いイオン（プロトン）伝導性を示すため、反応ガスを水で加湿することにより高い電池特性が得られる。図２に示す燃料ガス加湿装置２および空気加湿装置３は、加湿装置を燃料電池発電装置の一構成部材として示したが、実際には電池１に内蔵させたり、また電池反応の生成水や改質燃料ガス中の水蒸気を活用することにより、その一方または両方を省略することもある。
【００１１】
通常、反応ガスを加湿する方法としては、スタックの外部に設けた加湿用タンクなどで反応ガスを加湿してから供給する方法（外部加湿方式）や、単電池と類似の寸法/形状の加湿セルをスタックの一部に組み込み、加湿セルを通った反応ガスを発電部に供給する方法（内部加湿方式）が考えられている。
【００１２】
例えば、外部加湿方式としては、バブリングタンク方式と呼称される方式で、加湿用容器に貯留された水の中に反応ガスを散気し、水中から脱気した反応ガスを積層燃料電池へ通流するように構成したもの、また、内部加湿方式としては、ガス流通溝を有するセパレータと、加湿水流通溝を有するセパレータとで多孔質支持体を介して水透過膜を挟持し、全体で加湿板を構成し、加湿膜としての水透過膜を介して反応ガスの加湿を行うように構成したもの等である。
【００１３】
図５は、前記加湿板の構成を示す模式的断面図である。図５に示す加湿板は、加湿膜としての水透過膜７１を介して反応ガスの加湿を行うもので、ガス流通溝７４を有するセパレータＡ７２と、加湿水流通溝７５を有するセパレータＢ７３とで多孔質支持体７６を介して水透過膜７１を挟持し、全体で加湿板を構成する。加湿水は、水透過膜７１を透過し、ガス流通溝でガスと接触して反応ガスを加湿する。この加湿板を１個または複数個積層しスタック状にして加湿器とする。この加湿板は、燃料電池スタックにビルトインされ、セルとともに積層されることもある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、反応ガスを加湿する燃料電池発電装置、特に内部加湿型の燃料ガス加湿装置および空気加湿装置を備える燃料電池発電装置においては、下記のような問題がある。
【００１５】
燃料および空気の水蒸気分圧が、電池１の各単電池の運転温度における飽和水蒸気圧よりも低いと、燃料あるいは空気が電解質膜６より水分を奪い、その結果、電解質膜の水分含有量が減少し電解質膜６のイオン伝導性が低下する。従って、電解質膜６を十分に湿潤に保つ観点からは、燃料ガスおよび空気の水蒸気分圧が電池入口において、電池１の各単電池の運転温度における飽和水蒸気圧相当以上の水蒸気分圧を有していることが望ましい。
【００１６】
一方、水蒸気分圧の高い反応ガスを電池１に導入すると、図３中のセパレータ４３，５３に形成されたガス流通溝７に過飽和となった水分が水滴となって滞留し、反応ガスの流通を阻害し、電池出力の低下を招くことがある。特にガス流通溝７の出口側では、反応ガス中の水素または酸素が電池反応により消費されてガス流量が減るが、一方で水分量は維持されるばかりか電池反応による生成水が加わるため、過飽和となり水滴として凝縮しやすい。そのため、水滴ができても、ガス流の動圧力により溝外へ排出できるように、ガス流通溝７の形状を最適化している。
【００１７】
しかしながら、電池１の運転を停止する際には、反応ガスの供給を停止するため、ガス流通溝７中に水分を多量に含むガスが滞留し、しかも電池１の温度が低下していって過飽和度が増すために、多くの水分が凝縮し、ガス流通溝７に蓄積することとなる。再起動時には電池１の温度を上げてから発電を開始するが、凝結して大きな水滴となった部位においては、容易には、水滴は消散しない。
【００１８】
これを防ぐためには、停止時に相対湿度が低く十分に乾燥したガスでガス流通溝７を置換しておくことが有効であるが、電池内部の反応ガス入口側に加湿部を設けたいわゆる内部加湿型の燃料ガス加湿装置および空気加湿装置を備える燃料電池発電装置においては、加湿部と発電部とを切り放して置換ガスを導入することが難しく、置換ガスは、発電部に到達するまでに内部加湿器で加湿された湿潤ガスとなり、やはりガス流通溝７に、湿潤したガスが滞留することとなる。
【００１９】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、燃料電池発電装置の運転停止時に、ガス流通溝における湿潤ガスの滞留および水分の凝縮を防止し、再度発電を開始した際に停止前と同等の高い電池出力を得ることが可能な固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、固体高分子電解質膜を挟んで配設した電極触媒層を備えるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを、前記カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を通流するようにしてなる燃料電池を備え、前記燃料ガスおよび空気の内の少なくとも一方の反応ガスが内部加湿型加湿装置を通流後電極に供給される構成とし、前記内部加湿型加湿装置は、燃料電池の発電部の反応ガス入口側に配置され、ガス流通溝を有するセパレータと加湿水流通溝を有するセパレータとにより、多孔質支持体を介して水透過膜を挟持して加湿板を構成し、前記水透過膜を介して反応ガスの加湿を行うものとした固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止後所定時間内に、前記少なくとも一方の反応ガスの排出側から、前記加湿装置を経由して燃料電池外部へ、不活性ガスまたは未加湿の当該反応ガスを、燃料電池内の水分低減のために所定時間通流することとする（請求項１の発明）。
【００２１】
上記により、燃料電池発電装置の運転停止後において、ガス流通溝に湿潤ガスが滞留し、水分が凝縮する問題が解消できる。なお、空気極と燃料極の両方に通流することが望ましいが、一方だけでも有効である。また、置換作業は発電を停止して反応ガスの流通を停止した直後に行うことが最も効果的であるが、再度電池を運転するために反応ガスを導入するまでの間の適時に実施すれば有効である。
【００２２】
操作を簡便にし、かつより効果的にする観点から、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、少なくとも空気の加湿装置を備えた請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、前記停止後供給するガスは未加湿の空気とし、前記停止後直ちに、燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流することとする（請求項２の発明）。
【００２３】
また、前記運転方法を実施するための装置としては、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請求項２記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、前記燃料電池へ反応ガスとしての空気を供給する配管は四方バルブを備え、前記空気を燃料電池から排出する配管は三方バルブを備えてなり、さらに、前記停止後直ちに燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流するための、制御装置ならびに前記四方バルブと三方バルブとの接続配管を備えてなるものとする。
【００２４】
さらに、請求項３の発明の実施態様として、下記請求項４の発明が好適である。即ち、請求項３記載の燃料電池発電装置において、前記内部加湿型加湿装置は、加湿板をスタック状に組立ててなるものとする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、この発明の実施例について以下にのべる。
【００２６】
図１は、この発明の実施例に関わる固体高分子電解質型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図を示し、図１（ａ）は、通常運転時のガス供給の模式図を示し、図１（ｂ）は、パージ実施時のガス供給の模式図を示す。図１において、図２と同一の機能部材に関しては、同一番号を付して詳細説明を省略する。
【００２７】
図１に示す実施例においては、燃料ガス加湿装置２および空気加湿装置３は、電池１に、図５に示すような加湿板からなる加湿スタツクを内蔵させた内部加湿方式とした。また、空気供給系には４方バルブ８を設け、空気排気系には３方バルブ９を設け、その間を接続配管１０で接続した。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、加湿した水素と空気を電池１に供給し、電池１の温度を７０℃に制御して発電を行った。その後、電池１の発電を停止し、反応ガスの供給を停止した。１分後に空気供給系の４方バルブ８および排気系の３方バルブ９を切り換えて、図１（ｂ）に示すように、空気を、４方バルブ８，接続配管１０，３方バルブ９を経由して、通常の流通方向とは逆方向に流して、電池の空気排出側から導入し、空気加湿装置３を流通した後に４方バルブ８を介して、外部に排気した。
【００２９】
前述のような空気供給を５分間継続した後、空気の供給を停止した。翌日、電池１の温度を７０℃に上げた後、空気供給系の４方バルブ８および排気系の３方バルブ９を元の状態に戻して、空気の流通経路を図１（ａ）に示すように通常の発電状態にし、水素および空気を導入して発電を再開したところ、停止前と同等の発電出力にて安定した発電ができた。
【００３０】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、固体高分子電解質膜を挟んで配設した電極触媒層を備えるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを、前記カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を通流するようにしてなる燃料電池を備え、前記燃料ガスおよび空気の内の少なくとも一方の反応ガスが内部加湿型加湿装置を通流後電極に供給される構成とし、前記内部加湿型加湿装置は、燃料電池の発電部の反応ガス入口側に配置され、ガス流通溝を有するセパレータと加湿水流通溝を有するセパレータとにより、多孔質支持体を介して水透過膜を挟持して加湿板を構成し、前記水透過膜を介して反応ガスの加湿を行うものとした固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止後所定時間内に、前記少なくとも一方の反応ガスの排出側から、前記加湿装置を経由して燃料電池外部へ、不活性ガスまたは未加湿の当該反応ガスを、燃料電池内の水分低減のために所定時間通流することとしたので、
燃料電池発電装置の運転停止時に、ガス流通溝における湿潤ガスの滞留および水分の凝縮を防止し、再度発電を開始した際に停止前と同等の高い電池出力を得ることが可能となる。
【００３１】
また、前記方法を実施するための装置として、例えば、少なくとも空気の加湿装置を有する燃料電池へ反応ガスとしての空気を供給する配管は四方バルブを備え、前記空気を燃料電池から排出する配管は三方バルブを備えてなり、さらに、前記停止後直ちに燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流するための、制御装置ならびに前記四方バルブと三方バルブとの接続配管を備えてなるものとしたので、前記方法が、簡便かつ効果的に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる固体高分子電解質型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図
【図２】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置のシステム構成の模式図
【図３】従来の燃料電池のセル構成を示す模式的断面図
【図４】従来の燃料電池のセル構成を示す斜視図
【図５】加湿板の構成を示す模式的断面図
【符号の説明】
１：電池、２：燃料ガス加湿装置、３：空気加湿装置、４：空気極、５：燃料極、６：電解質膜、７：ガス流通溝、８：四方バルブ、９：三方バルブ、１０：接続配管。

Claims

固体高分子電解質膜を挟んで配設した電極触媒層を備えるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを、前記カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を通流するようにしてなる燃料電池を備え、前記燃料ガスおよび空気の内の少なくとも一方の反応ガスが内部加湿型加湿装置を通流後電極に供給される構成とし、前記内部加湿型加湿装置は、燃料電池の発電部の反応ガス入口側に配置され、ガス流通溝を有するセパレータと加湿水流通溝を有するセパレータとにより、多孔質支持体を介して水透過膜を挟持して加湿板を構成し、前記水透過膜を介して反応ガスの加湿を行うものとした固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、
前記燃料電池への反応ガスの供給を停止後所定時間内に、前記少なくとも一方の反応ガスの排出側から、前記加湿装置を経由して燃料電池外部へ、不活性ガスまたは未加湿の当該反応ガスを、燃料電池内の水分低減のために所定時間通流することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法。
少なくとも空気の加湿装置を備えた請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、前記停止後供給するガスは未加湿の空気とし、前記停止後直ちに、燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流することをことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法。
請求項２記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、前記燃料電池へ反応ガスとしての空気を供給する配管は四方バルブを備え、前記空気を燃料電池から排出する配管は三方バルブを備えてなり、さらに、前記停止後直ちに燃料電池へ供給中の反応ガスとしての空気の通流方向を、停止前と逆方向に切り替えて前記所定時間通流するための、制御装置ならびに前記四方バルブと三方バルブとの接続配管を備えてなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
請求項３記載の燃料電池発電装置において、前記内部加湿型加湿装置は、加湿板をスタック状に組立ててなるものとすることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。