JP5119569B2 - 固体高分子型燃料電池発電方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部門で用いる燃料電池のうち、特に、固体高分子電解質を用いた定置式燃料電池の発電方法及び装置に関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行なわれ、出力密度が高く、低温で作動するので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、自動車等の輸送体の動力源や小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）の一般的な構成は以下のようにしてある。すなわち、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し積層してスタックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部を備えてなる構成として固体高分子型燃料電池を形成する。上記固体高分子型燃料電池におけるアノードの入口側には、改質器、シフトコンバータ、ＣＯ除去器（ＣＯ選択酸化反応器）を上流側から順に備えた燃料処理装置と、加湿器とを設けて、燃料供給部より供給される天然ガスやメタノール等の原料を、水蒸気と共に上記改質器へ供給して水蒸気改質を行わせ、得られる改質ガス（燃料ガス）を、シフトコンバータに導いてシフト反応させ、更に、上記ＣＯ除去器にてＣＯ除去処理した後、加湿器を経て上記固体高分子型燃料電池のアノードへ供給されるようにしてある。一方、上記カソードの入口側には、酸化ガスとして空気が、圧縮器（空気ブロワ）で圧縮された後、加湿器を経てから供給されるようにしてある。

かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池にて、アノード側に供給される燃料ガス中の水素と、カソード側に供給される空気中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。又、上記燃料電池反応は発熱反応であることから、運転時には固体高分子型燃料電池の冷却部に冷却水を循環させて、上記燃料電池反応で生成する熱を冷却させるようにしてある。

ところで、上記固体高分子型燃料電池のアノードへ供給される燃料ガスは、上述したように、天然ガスやメタノール等の原料を水蒸気改質したものであると共に、アノードの入口側に加湿器を設けて加湿するようにしてあることから、水蒸気を含んだガスとなっている。

そのために、たとえば、図３に示す如く、固体高分子型燃料電池１におけるアノード（図示せず）の入口側に、天然ガス等の原料ガス２を水蒸気３を用いて水蒸気改質し、水素リッチな燃料ガス４を生成するようにしてある燃料処理装置５と、燃料ガス４を加湿する加湿器６とを順に備えた燃料ガスライン７を接続し、上記固体高分子型燃料電池１のアノードの出口側に、排出されるアノードオフガス（排気燃料ガス）８を導くアノードオフガスライン９を接続し、更に、燃料ガス４中の一酸化炭素濃度が高い場合に、この一酸化炭素濃度が高い燃料ガス４を固体高分子型燃料電池１を迂回させてアノードオフガスライン９へ導くための切替弁１０及びバイパス路１１を設けた構成において、アノードオフガスライン９上に、凝縮器１２を設け、更に、この凝縮器１２にドレンを回収するためのドレンタンク１３を接続してなる構成として、上記固体高分子型燃料電池１へ供給される燃料ガス４中に含まれていた水蒸気がアノードオフガス８と共に排出されるときに、アノードオフガスライン９上の凝縮器１２で水蒸気分を凝縮させてドレンとしてドレンタンク１３へ導くことができるようにし、これにより、ドレンがアノードオフガスライン９に停留して、ガス流路が閉塞されてしまうことで燃料ガス４の不安定供給が生じる虞を防止させるようにすることが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、図３における符号１４は上記凝縮器１２を通過したアノードオフガス８と、天然ガス等の燃焼ガス１５とを燃焼させるためのバーナであり、該バーナ１４にて、上記燃料処理装置５における原料ガス２の改質反応を進行させるための熱供給を行なうようにしてある。又、１６はバイパス路１１へ迂回させた燃料ガス４が固体高分子型燃料電池１側へ逆流することを防止するためにアノードオフガスライン９における上記バイパスライン１１の接続位置よりも上流側（電池側）に設けた開閉弁であり、該開閉弁１６に代えて、逆止弁を設ける考えも示されている。１７は上記固体高分子型燃料電池１のカソード（図示せず）へ供給する空気、１８はカソードオフガス、１９は固体高分子型燃料電池１へ循環供給させる冷却水である。

又、固体高分子型燃料電池のアノードオフガスライン上に設けた凝縮器でドレンを凝縮させてドレンタンク（凝縮水タンク）へ回収し、この回収された水を固体高分子型燃料電池の冷却用の冷却水として利用したり、この回収されるドレンの温度を利用して、上記冷却水が固体高分子型燃料電池の廃熱を回収して熱膨張するときに冷却水路より排出される余剰の湿り気体中の水蒸気を凝縮させて、水分を回収できるようにすることも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００４−７１４７１号公報 特開２００２−１４１０９５号公報

ところが、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気分が凝縮することで生じるドレンは、固体高分子型燃料電池のアノード側のガス流路内でも常時多少は発生しているものであるが、このアノード側のガス流路内で生じたドレンは、通常は供給される燃料ガスのガス圧により吹き飛ばされて、固体高分子型燃料電池の下流側、すなわち、アノードオフガスラインへ排出されている。しかし、起動当初や発電負荷が低い場合等の電池温度が低い場合には、固体高分子型燃料電池の内部にて燃料ガス中の水蒸気分がドレンとしてより凝縮し易くなるため、ドレンの発生量が多くなり、このために、発生したドレンが、アノード側のガス流路を閉塞する虞がある。

又、電池温度が高い場合であっても、燃料ガスの流量が少ない場合には、固体高分子型燃料電池内で発生するドレンが燃料ガスのガス圧で吹き飛ばされ難く、下流側へ排出され難くなるため、この場合もドレンがアノード側のガス流路を閉塞する虞が生じる。

更に、電池構成材料が水はけの悪い材質である場合等、電池構成材料の材質的な特性としてドレンが発生し易い場合や、燃料ガスの流路構造上の特性等によってもドレンが発生し易くなることがあり、この場合にも発生したドレンがアノード側のガス流路を閉塞する虞が生じる。

このようにして、固体高分子型燃料電池内にてドレンによるアノード側のガス流路の閉塞が生じるようになると、この閉塞されたガス流路部分ではアノードに燃料ガスの供給が良好に行われなくなって燃料電池反応が阻害され、これにより、固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧が不安定になって電池性能の不安定性が生じるようになるという問題がある。

なお、特許文献１及び特許文献２に記載されたものは、いずれも、固体高分子型燃料電池の出口側に接続してあるアノードオフガスライン上に設けた凝縮器で水蒸気分を凝縮させてドレンとしてドレンタンクへ回収させるものであって、上述したような固体高分子型燃料電池の電池温度が低い場合、供給される燃料ガス流量が少ない場合、電池構成材料や流路構造の特性上ドレンが発生し易い場合等に、燃料ガス中の水蒸気分が凝縮して生じるドレンがアノード側のガス流路を閉塞してしまうという現象を解消するための考えは何ら示されておらず、したがって、上記のような場合に生じる電池電圧の不安定性を改善できるものではない。

そこで、本発明は、固体高分子型燃料電池の電池温度が低い場合、供給される燃料ガス流量が少ない場合、電池構成材料や流路構造の特性上ドレンが発生し易い場合等に、燃料ガス中の水蒸気分が凝縮して生じるドレンがアノード側のガス流路を閉塞しても、該ドレンを速やかに排除できて、電池性能の不安定性を改善できる固体高分子型燃料電池発電方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を制御器で常時監視して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下している場合に、アノードオフガスリサイクルラインに備えたリサイクルブロワを運転させて、上記固体高分子型燃料電池より排出されるアノードオフガスの一部を、該固体高分子型燃料電池のアノードの入口側へ導くようにし、上記リサイクルブロワを間欠的に運転してアノードオフガスの一部を間欠的にアノード入口へ強制的に投入させることにより該アノードへ供給するガス量を増加させて、アノード側のガス流路のドレンを排除させる固体高分子型燃料電池発電方法とする。

更に、請求項２に係る発明に対応して、アノード入口側に燃料ガスを供給するための燃料ガスラインを接続し、且つアノード出口側にアノードオフガスを排出するためのアノードオフガスラインが接続してある固体高分子型燃料電池における上記アノードオフガスラインと燃料ガスラインとを、リサイクルブロワを備えたアノードオフガスリサイクルラインで接続し、更に、固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を監視して検出した該電池電圧と設定電池電圧とを比較して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下していると判断すると、上記リサイクルブロワを運転させ、更に該リサイクルブロワを間欠運転させる機能を有する制御器を備えてなる構成を有する固体高分子型燃料電池発電装置とする。

本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を制御器で常時監視して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下している場合に、アノードオフガスリサイクルラインに備えたリサイクルブロワを運転させて、上記固体高分子型燃料電池より排出されるアノードオフガスの一部を、該固体高分子型燃料電池のアノードの入口側へ導くようにし、上記リサイクルブロワを間欠的に運転してアノードオフガスの一部を間欠的にアノード入口へ強制的に投入させることにより該アノードへ供給するガス量を増加させて、アノード側のガス流路のドレンを排除させる固体高分子型燃料電池発電方法としてあるので、燃料ガス中に含まれている水蒸気分が凝結して発生するドレンが固体高分子型燃料電池内でアノード側のガス流路を閉塞するようになったとしても、これを固体高分子型燃料電池の電池電圧を検出して、検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下している場合に、アノード側へ供給されるガス量を増加させてアノード側ガス流路へ供給されるガス圧を高めることができるため、該アノード側のガス流路を閉塞させているドレンを速やかに除去できる。したがって、固体高分子型燃料電池の電池温度が低い場合、供給される燃料ガスの流量が少ない場合、電池構成材料や流路構造の特性上、ドレンが発生し易い場合等であっても、電池電圧の不安定性を改善することができる。
（２）固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を検出して、検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下している場合における上記固体高分子型燃料電池のアノードへ供給するガス量の増加を、間欠的に行なわせるようにしてあるので、固体高分子型燃料電池のアノード側のガス流路へ供給されるガス圧を間欠的に変化させることができて、該アノード側のガス流路を閉塞させているドレンを効率よく排出させることができる。
（３）アノード入口側に燃料ガスを供給するための燃料ガスラインを接続し、且つアノード出口側にアノードオフガスを排出するためのアノードオフガスラインが接続してある固体高分子型燃料電池における上記アノードオフガスラインと燃料ガスラインとを、リサイクルブロワを備えたアノードオフガスリサイクルラインで接続し、更に、固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を監視して検出した該電池電圧と設定電池電圧とを比較して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下していると判断すると、上記リサイクルブロワを運転させ、更に該リサイクルブロワを間欠運転させる機能を有する制御器を備えてなる構成を有する固体高分子型燃料電池発電装置とすることにより、上記（１）（２）と同様の効果を得ることができ、更に、アノード入口への投入用のガスを別途準備する必要はなく、ランニングコストを抑えることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の固体高分子型燃料電池発電方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。

すなわち、図３に示す従来方式と同様に、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータを介し積層してスタックとし、且つ数セルに１つずつの冷却部を備えてなる構成としてある固体高分子型燃料電池１を設ける。

上記固体高分子型燃料電池１のアノード（図示せず）の入口側には、図示しない改質器、シフトコンバータ、ＣＯ除去器（ＣＯ選択酸化反応器）を上流側より順に備えてなる燃料処理装置や加湿器を備えて水素リッチな燃料ガス４を供給できるようにしてある燃料ガスライン７を接続する。上記固体高分子型燃料電池１のアノードの出口側には、アノードオフガスライン９を接続する。更に、該アノードオフガスライン９における上記固体高分子型燃料電池１の直後位置となる上流側端部位置と、上記燃料ガスライン７における上記固体高分子型燃料電池１の直前位置となる下流側端部位置とを、途中にリサイクルブロワ２１を備えたアノードオフガスリサイクルライン２０にて接続して、上記リサイクルブロワ２１の運転時には、固体高分子型燃料電池１のアノードよりアノードオフガスライン９へ排出されるアノードオフガス８の一部が、図１に二点鎖線で示す如く、アノードオフガスリサイクルライン２０へ取り出されて循環させられて、燃料ガスライン７を通し上記固体高分子型燃料電池１へ供給される燃料ガス４とともにアノードの入口側へ投入されるようにしてある。

なお、図示してはいないが、上記固体高分子型燃料電池１のカソードの入口側には、酸化ガスとしての空気が、圧縮器（空気ブロワ）で圧縮された後、加湿器を経てから供給されるようにしてあり、これにより、上記固体高分子型燃料電池１にて、アノード側に供給される燃料ガス４中の水素と、カソード側に供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発生する起電力を取り出すことができるようにしてあるものとする。又、上記固体高分子型燃料電池１の冷却部に冷却水を循環させる冷却機構も備えてあるものとする。

更に、固体高分子型燃料電池１より出力される電池電圧（直流電圧）を常時監視すると共に、検出される電池電圧に応じて上記リサイクルブロワ２１へ指令を与える制御器２２を備える。

上記制御器２２は、たとえば、図２に示す如き制御則に従って上記リサイクルブロワ２１の運転を制御する機能を有するものとする。すなわち、上記制御器２２は固体高分子型燃料電池１より出力される電池電圧の監視を常時行ない、或る時点において上記固体高分子型燃料電池１より出力されて上記制御器２２にて検出される電池電圧（以下、検出電池電圧という）と、該時点における固体高分子型燃料電池１に設定してある運転条件から本来出力されるべき電池電圧（以下、設定電池電圧という）とを比較して、上記検出電池電圧が設定電池電圧よりも低下しているか否かを判断する（ステップ１：Ｓ１）。なお、上記設定電池電圧は、固体高分子型燃料電池１の運転時に生じる多少の電圧変動は許容できるよう電池電圧の許容範囲の下限値として設定するようにすればよい。

上記ステップ１にて検出電池電圧が設定電池電圧よりも低下していると判断された場合には、リサイクルブロワ２１へ起動指令を与える（ステップ２：Ｓ２）。次に、上記リサイクルブロワ２１の起動と同時に作動が開始されるようにしてある運転タイマ部に予め設定されている運転時間のカウントを行い（ステップ３：Ｓ３）、該設定された運転時間が経過すると、上記リサイクルブロワ２１へ停止指令を発するようにする（ステップ４：Ｓ４）。その後、上記リサイクルブロワ２１の停止と同時に作動が開始されるようにしてある停止タイマ部に予め設定されている停止時間のカウントを行ない（ステップ５：Ｓ５）、該設定された停止時間が経過すると、上記ステップ１へ戻って再び検出電池電圧と設定電池電圧との比較を行なうようにしてある。

一方、上記ステップ１にて検出電池電圧が設定電池電圧に達している場合には何ら処理を行わず、固体高分子型燃料電池１より出力される電池電圧の監視を継続するようにしてある。

上記運転タイマ部と停止タイマ部にそれぞれ設定する運転時間と停止時間としては、たとえば、運転時間を２分間とし、停止時間を３分間として設定するようにすればよい。

上記本発明の固体高分子型燃料電池発電装置によれば、運転中に固体高分子型燃料電池１内にてアノード側に供給された燃料ガス４中の水蒸気分が凝縮してドレンが発生し、このドレンによりアノード側のガス流路が閉塞されるようになると、このガス流路の閉塞に伴って固体高分子型燃料電池１より出力される電池電圧が低下（変動）する。この電池電圧の低下は、上記制御器２２にて検出電池電圧が設定電池電圧よりも低くなることで直ちに検出され、図２に示した如き制御則に基づいて制御器２２からの指令によりリサイクルブロワ２１が直ちに起動される。

このリサイクルブロワ２１の起動により、固体高分子型燃料電池１のアノードよりアノードオフガスライン９へ排出されるアノードオフガス８の一部が、図１に二点鎖線で示す如く、アノードオフガスリサイクルライン２０を経て燃料ガスライン７を通して固体高分子型燃料電池１へ供給される燃料ガス４へ投入される。このため、上記固体高分子型燃料電池１のアノードの入口側へは、燃料ガス４に加えて上記アノードオフガスリサイクルライン２０を経て導かれるアノードオフガス８の一部が強制的に投入されて一緒に供給されるようになるため、供給されるガスのガス圧が高められるようになる。このためガス圧の高められたガスがアノードへ供給されることで、上記固体高分子型燃料電池１のアノード側のガス流路を閉塞させていたドレンは速やかに下流側へ吹き飛ばされて排除されるようになる。

万一、上記リサイクルブロワ２１の起動から停止までの一回の運転、すなわち、運転タイマ部に設定された２分間の運転によりアノードオフガス８が、固体高分子型燃料電池１のアノード入口側へ投入されてアノード側へ供給されるガスのガス圧を増加させるようにすることができても、アノード側のガス流路を閉塞させているドレンを排除することができない場合には、検出電池電圧が設定電池電圧まで回復されない虞が生じる。この場合には、上記制御器２２にて図２に示したステップ１からステップ５の手順でリサイクルブロワ２１の制御が繰り返されるため、上記リサイクルブロワ２１は、５分間のうち２分間運転状態となるように間欠運転される。このため、アノードオフガス８のアノード入口側への投入が間欠的に行なわれることにより、固体高分子型燃料電池１のアノードのガス圧が高められて、該アノード側のガス流路を閉塞させていたドレンは効率よく吹き飛ばされて排除されるようになる。

このように、本発明の固体高分子型燃料電池発電方法及び装置によれば、たとえ、燃料ガス４中に含まれている水蒸気分が凝結して発生するドレンが固体高分子型燃料電池１内でアノード側のガス流路を閉塞しても、該アノード側のガス流路を閉塞させているドレンを速やかに除去できる。したがって、固体高分子型燃料電池１の電池温度が低い場合、供給される燃料ガス４の流量が少ない場合、電池構成材料や流路構造の特性上、ドレンが発生し易い場合等であっても、電池電圧の不安定性を改善することができる。

又、上記リサイクルブロワ２１は間欠運転するようにしてあることから、固体高分子型燃料電池１のアノード側のガス流路へ供給するガス圧を間欠的に変化させることができて、該アノード側のガス流路を閉塞させているドレンを効率よく排出させることができる。又、連続運転する場合に比して運転に要するランニングコストを抑えることができる。

更に、上記固体高分子型燃料電池１のアノード側のガス流路が閉塞された場合に、該アノードへ供給されるガス圧を高めるためにアノードオフガス８をリサイクルさせて用いるようにしてあることから、そのためのガスを別途準備する必要はなく、このことによってもコストを削減できる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、制御器２２の指令によるリサイクルブロワ２１の運転は、アノード側のガス流路内を閉塞させているドレンの排出を促す効率や、該リサイクルブロワ２１の運転に要するランニングコストの面からは間欠的に運転させることが望ましいが、上記アノード側のガス流路を閉塞させているドレンが排出されて、検出電池電圧が設定電池電圧に戻るまでリサイクルブロワ２１を連続運転させるようにしてもよい。固体高分子型燃料電池１のアノードへ供給されるガス圧を高めるためのガスとしては、アノードにおける燃料電池反応を阻害する虞のないガスであれば、アノードオフガス８以外のいかなるガスを用いるようにしてもよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の固体高分子型燃料電池発電方法及び装置の実施の一形態を示す概要図である。 図１の装置における制御器によるリサイクルブロワの制御則の一例のフローを示す図である。 従来提案されている固体高分子型燃料電池を用いた発電装置の一例を示す概要図である。

符号の説明

１ 固体高分子型燃料電池
４ 燃料ガス
７ 燃料ガスライン
８ アノードオフガス
９ アノードオフガスライン
２０ アノードオフガスリサイクルライン
２１ リサイクルブロワ
２２ 制御器

Claims (2)

1. 固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を制御器で常時監視して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下している場合に、アノードオフガスリサイクルラインに備えたリサイクルブロワを運転させて、上記固体高分子型燃料電池より排出されるアノードオフガスの一部を、該固体高分子型燃料電池のアノードの入口側へ導くようにし、上記リサイクルブロワを間欠的に運転してアノードオフガスの一部を間欠的にアノード入口へ強制的に投入させることにより該アノードへ供給するガス量を増加させて、アノード側のガス流路のドレンを排除させることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電方法。
2. アノード入口側に燃料ガスを供給するための燃料ガスラインを接続し、且つアノード出口側にアノードオフガスを排出するためのアノードオフガスラインが接続してある固体高分子型燃料電池における上記アノードオフガスラインと燃料ガスラインとを、リサイクルブロワを備えたアノードオフガスリサイクルラインで接続し、更に、固体高分子型燃料電池より出力される電池電圧を監視して検出した該電池電圧と設定電池電圧とを比較して検出した電池電圧が設定電池電圧よりも低下していると判断すると、上記リサイクルブロワを運転させ、更に該リサイクルブロワを間欠運転させる機能を有する制御器を備えてなる構成を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。

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