JP5158398B2 - 燃料電池の運転方法 - Google Patents
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Description
前記燃料電池の運転前、前記燃料電池の運転終了のうちの少なくともいずれかにおいて、
前記酸化剤極側に残存する酸素のモル数に対して2倍を超えるモル数を有する水素を前記燃料極側に存在させる水素残存工程と、
前記燃料電池の前記燃料極と前記酸化剤極とを電力消費部を介して電気的に繋ぎ、前記酸化剤極に残存する酸素を消費させる放電工程とを順に実施し、
その後、前記燃料電池と前記電力消費部との電気的接続を遮断し、外部電源を用い、前記外部電源の正極と前記燃料電池の前記酸化剤極とを電気的に繋ぐと共に、前記外部電源の負極と前記燃料電池の前記燃料極とを電気的に繋ぐことにより、前記燃料電池の前記酸化剤極に残存する燃料の水素を前記酸化剤極側において酸化させてプロトンを生成すると共に、前記酸化剤極から前記電解質膜を介して前記燃料極側に移行したプロトンを還元させて水素とする水素帰還工程を実施し、前記水素帰還工程における前記外部電源の電圧は、水の電気分解の開始電圧よりも低く且つ単セル自身の電圧よりも高い電圧が、前記燃料電池の単セルに印加されるように設定されていることを特徴とするものである。
ここで、『燃料極11側に残存する水素の量が酸化剤極12側に残存する酸素の量よりも化学当量的に豊富である』とは、2H 2 +O 2 =2H 2 Oの式に基づけば、1モルのO 2 と2モルのH 2 とが化学量論的に当量であるといえる。したがって、『水素の量が酸素の量よりも化学当量的に豊富である』とは、酸化剤極12側のO 2 のモル数に対して2倍を越えるモル数のH 2 が燃料極11側に存在することを意味する。
水素残存工程は、発電運転停止後の燃料電池の燃料極と酸化剤極とを電力消費部を介して電気的に繋ぎ、酸化剤極に残存する酸素を消費させる放電工程を含む形態を採用することができる。放電工程において、燃料極と酸化剤極とを流れる電流が電流用しきい値以下となったこと、燃料極と酸化剤極との間における電位差が電位用しきい値以下となったことの条件のうちの少なくとも一つが満足されたとき、放電工程を終了し、水素帰還工程を実施する形態を採用することができる。
本発明方法の効果を確認する試験を行った。本試験例では燃料電池単セル評価装置を用いた。この場合、燃料電池1の燃料極11及び酸化剤極12の電極面積はそれぞれ59cm2に設定されており、燃料電池1の燃料極11側及び酸化剤極12側の容積はそれぞれ186ccとされている。そしてセル温度75℃において、天然ガスを改質した模擬ガス(流量比でH2:CO2:N2=76:19:5)を燃料極11側に供給すると共に、空気を酸化剤極12にそれぞれ常圧で供給して発電した。発電を停止させから、燃料電池1の両極端子を、0.1オームの放電抵抗50を有する放電回路5に切り替えて放電工程を実施すると同時に、燃料極11のガスの入口側及び出口側の弁装置を閉じてバルブ閉鎖工程を実施した。これにより酸化剤極12のガスの入口側及び出口側の弁装置を閉じ、ガスを燃料電池1の内部に封入した。放電回路5に流れる電流がゼロアンペアになると、燃料電池1の両極端子を、鉛電池からなる外部電源60及び可変抵抗を有する外部電源回路6に切り替え、水素帰還工程を実施した。
比較例として、上記した試験例と同様な装置を用い同様な手順で実験を行った。但し、放電抵抗50と燃料電池1とを繋ぐ放電工程を実施したものの、水素帰還工程は実施しなかった。即ち、外部電源回路6への切り替えは実施せず、放電回路5と燃料電池1とを繋いだ状態に維持した。放電回路5に流れる電流がゼロアンペアになると、酸化剤極12側及び燃料極11のガス組成をガスクロマトグラフィ装置により前述同様に測定した。測定結果によれば、酸化剤極12側では、酸素は検出されなかったものの、18体積%の水素が検出された。燃料極11側では水素が検出された。
Claims (8)
- プロトン伝導性をもち不可避的に水素を透過させる電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟んだ燃料電池を用い、前記燃料極に水素を含有する燃料を供給すると共に前記酸化剤極に酸化剤を供給して発電し、電力負荷に給電する燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の運転前、前記燃料電池の運転終了のうちの少なくともいずれかにおいて、
前記酸化剤極側に残存する酸素のモル数に対して2倍を超えるモル数を有する水素を前記燃料極側に存在させる水素残存工程と、
前記燃料電池の前記燃料極と前記酸化剤極とを電力消費部を介して電気的に繋ぎ、前記酸化剤極に残存する酸素を消費させる放電工程とを順に実施し、
その後、前記燃料電池と前記電力消費部との電気的接続を遮断し、外部電源を用い、前記外部電源の正極と前記燃料電池の前記酸化剤極とを電気的に繋ぐと共に、前記外部電源の負極と前記燃料電池の前記燃料極とを電気的に繋ぐことにより、前記燃料電池の前記酸化剤極に残存する燃料の水素を前記酸化剤極側において酸化させてプロトンを生成すると共に、前記酸化剤極から前記電解質膜を介して前記燃料極側に移行したプロトンを還元させて水素とする水素帰還工程を実施し、前記水素帰還工程における前記外部電源の電圧は、水の電気分解の開始電圧よりも低く且つ単セル自身の電圧よりも高い電圧が、前記燃料電池の単セルに印加されるように設定されていることを特徴とする燃料電池の運転方法。 - 請求項1において、前記水素残存工程に先立ち、前記燃料電池と前記電力負荷との電気的接続を遮断する遮断工程を実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 請求項1または請求項2において、前記水素帰還工程を時間を隔てて間欠的に実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 請求項1〜請求項3のうちのいずれか一項において、前記燃料電池は、前記燃料極側に燃料を供給する燃料用バルブと、前記燃料極側からの燃料の排出を遮断する燃料出口遮断バルブと、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤用バルブと、前記酸化剤極側からの酸化剤の排出を遮断する酸化剤出口遮断バルブとを有しており、
前記水素残存工程は、前記酸化剤極側に残存する酸素のモル数に対して2倍を超えるモル数を有する水素を前記燃料極側に存在させるように、前記燃料用バルブ、前記燃料出口遮断バルブ、前記酸化剤用バルブ及び酸化剤出口遮断バルブを閉鎖するバルブ閉鎖工程を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。 - 請求項1〜請求項4のうちのいずれか一項において、前記放電工程において、前記燃料極と前記酸化剤極とを流れる電流が電流用しきい値以下となったこと、または、前記燃料極と前記酸化剤極との間における電位差が電位用しきい値以下となったことのいずれかの条件が満足されたとき、前記放電工程を終了し、前記水素帰還工程を実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 請求項1〜請求項5のうちのいずれか一項において、前記電力消費部は放電抵抗を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 請求項1〜請求項6のうちのいずれか一項において、前記電力消費部は、前記放電抵抗と、前記燃料電池から放出される電気エネルギを充電する充電部とを備えていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
- 請求項1〜請求項7のうちのいずれか一項において、前記燃料電池は、前記燃料電池に対して前記電力負荷の接続及び非接続を切り替える第1スイッチング素子と、前記燃料電池に対して前記電力消費部の接続及び非接続を切り替える第2スイッチング素子と、前記燃料電池に対して前記外部電源の接続及び非接続を切り替える第3スイッチング素子とを備えており、前記電力負荷、前記電力消費部および前記外部電源は前記燃料電池に対して並列に接続されていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
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