JP5191462B2

JP5191462B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5191462B2
Application number: JP2009198501A
Authority: JP
Inventors: 将一干鯛; 洋知沢
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2010003702A

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置に関する。

一般に、固体高分子電解質型燃料電池積層体においては、プロトン導電性を有する高分子膜を電解質とし、その両面に燃料極および酸化剤極を配した単電池を複数枚積層したものである。燃料電池は、燃料極に水素を含んだ燃料気体を導入し、酸化剤極に酸素を含んだ酸化剤気体を導入する。

ここで、燃料極では次の（１）式に示すような反応が起こる。

Ｈ _２ →２Ｈ ^＋＋２ｅ ⁻ …（１）

また、酸化剤極では次の（２）式に示すような反応が起こる。

Ｏ _２＋４Ｈ ^＋＋４ｅ ⁻ →２Ｈ _２Ｏ …（２）

すなわち、燃料電池における反応では、水素と酸素から水を生成する。同時に電気と熱が発生する。

発電装置として燃料電池を使用する際には、単電池を複数積層して直列につないだ燃料電池積層体を形成する。

図６に従来の固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの図を示す。

同図において、固体高分子電解質型燃料電池の単電池を複数積層した積層体１の両面は、締め付け板２，３で挟みこまれている。また、この固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡには、外部から燃料電池に水素を含んだ燃料気体および、酸素を含んだ酸化剤気体を送り込むとともに、反応後の気体を排気するための配管群３が配置される。また、電気化学反応によって発生した電力は、電流取り出し端子４，５から、取り出し線６，７を通して外部に供給される。

さて、燃料電池は発電効率の高い発電装置であり、振動や騒音が少ない、様々な燃料が使えるといった利点を有する。特に、固体高分子電解質型燃料電池は、６０℃〜８０℃の比較的低い温度領域で運転することから、家庭用や自動車用の電源としての用途が考えられている。こういった一般の消費者が屋外で使用する場合においては、幅広い気象条件で使用することを想定した構成が望まれる。すなわち、外気温が−３０℃から４０℃までの気象条件で使用されることがありうる。

例えば、運転停止時に外気温が下がって、燃料電池積層体ＣＳＡの温度が０℃以下になると、燃料電池内に残っていた生成水が電極あるいは電解質膜の中で凍結する。凍結によって氷（水）の体積が膨張するため、触媒や電極の微細構造が破壊されたり、あるいは電極と高分子膜との間の接触が悪くなることによって、燃料電池内の抵抗が増大し、発電性能が低下することが課題であった。なお、運転時には、上述したように、固体高分子電解質型燃料電池は６０℃〜８０℃で稼働するので、外気温がいくら下がったところで、不具合は生じない。

そこで、例えば、運転停止時において、燃料電池内の配管を減圧排気して、燃料電池内に残る水分を取り除くことで、燃料電池を氷点下条件で保管しようとする提案があった（例えば、特許文献１参照）

特開２００１−１８５１７９号公報

しかしながら、このような従来方法では、微細構造の触媒に入り込んだ水が十分に抜けなければ、効果が薄いという不具合を生じるおそれがあった。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、固体高分子電解質型燃料電池積層体の周囲の温度が氷点下になっても、燃料電池内に存在する水の凍結によって性能が劣化するような事態を防止することのできる燃料電池装置を提供すること目的とする。

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置において、固体高分子電解質型燃料電池積層体を真空断熱二重構造を有する筺体に収納し、上記筺体内を大気圧に対して減圧し、前記筺体内の圧力を測定する圧力計と、上記筺体内より排気する排気手段と、上記筺体内の温度を測定する温度計と、上記温度計の測定温度が０度以下に低下した場合、上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、樹脂を材料として形成したものである。

また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、ゴムを材料として形成したものである。

また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、真空断熱二重構造に形成したものである。

また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管と、前記筺体との間にガスシールを設けたものである。

また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体を前記筺体に固定する構造体の材料として、樹脂を用いたものである。

したがって、本発明によれば、筺体の内部を減圧したので、筺体は、断熱効果を得ることができ、その結果、外気温が氷点下に低下した場合でも、筺体内の温度が０℃以下に低下することを抑制することができ、固体高分子電解質型燃料電池積層体の構造を破壊するような事態を回避することができて、燃料電池の性能を保持することができるという効果を得る。

本発明の一実施例にかかる燃料電池収容体の構成例を示した概略斜視図。本発明の他の実施例にかかる燃料電池収容体の構成例を示した概略図。本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池収容体の構成例を示した概略図。本発明のまたさらに他の実施例にかかる燃料電池収容体の構成例を示した概略図。本発明の別な他の実施例にかかる燃料電池収容体の構成例を示した概略図。従来の固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの構成例を示した概略斜視図。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図６と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

同図において、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡは、略円筒状の筺体３０に収容されているとともに、台座部材１１，１２の上に載置固定されている。筺体３０の上部には、配管群３を構成する配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆが延びており、取り出し線６，７は、電極１３，１４に接続されている。また、配管群３のそれぞれの配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆと、筺体３０との間には、ガスシール（図示略）が設けられている。

筺体３０には、排気用の配管１５が設けられており、この配管１５は、排気用のポンプ１６に接続されている。

この実施例１では、底付の円筒状の形状を持つ筺体３０に、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡを収容し、筺体３０の開口部を蓋体３０ａで閉止しており、筺体３０として、壁が二重構造になっているものを用いる。また、筺体３０には、二重構造の壁の隙間の空気を抜くための配管３１が設けられており、配管３１には、ポンプ３２が連結されている。

本実施例では、ポンプ３２を作動して、筺体３０の二重構造壁の間の空気を真空減圧する。例えば、０．１Ｐａ以下の圧力まで減圧する。これにより、筺体３０は、いわゆる、真空断熱二重構造となり、非常に断熱効果が高いものとなり、その結果、収容されている固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡは、外気温の影響をほとんど受けることがない。

したがって、外気温が氷点下に低下したところで、筺体３０の内部の温度は、０℃以下には下がることがなく、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部が破損するような事態を回避することができる。

筺体３０の真空断熱二重構造は、筺体３０の製造時に形成することができる。また、筺体３０の開口部を閉止する蓋体３０ａの断熱性が問題となる可能性があるので、蓋体３０ａの材質としては、熱伝導率の低いものを用いる必要がある。

以上の構成を有する本実施例では、燃料電池を停止する際には、ポンプ１６を起動して、筺体３０の内部の気圧を大気圧に対して減圧する。このように、筺体３０の気圧を減圧したので、筺体３０は外部に対して断熱効果を有する。

例えば、通常用いられる断熱材と比べると、例えば硬質ウレタンフォームの熱伝導率が０．０２ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃であるのに対して、同じ厚みの真空層の熱伝導率は０．００５ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃であり断熱性に優れる。また、圧力を常圧に戻すことによって、通常運転時の放熱を行うこともできる。すなわち、運転状態に合わせた熱伝導率の調整が可能である。

ここで、筺体３０の断熱性能を上げるためには、筺体３０の内部気圧は０．１Ｐａ以下の高真空であることが望ましい。しかし、高真空状態にするためには、ポンプ１６として、油ロータリーポンプに加えてターボポンプあるいはディフュージョンポンプなどの高真空ポンプが必要である。これらの高真空ポンプは簡便に使えるものとは言い難い。

そこで、筺体３０として断熱性を有する材質のもの（例えば、熱伝導率の低い樹脂等）を用いるとともに、ポンプ１６として、１００Ｐａ程度の低真空を形成できる油ロータリーポンプ等を使用する。

これにより、筺体３０の総合的な断熱効果として、本実施例の目的に叶う十分な断熱性能を得ることができる。

このようにして、本実施例では、運転停止時に、筺体３０の内部気圧を減圧して、筺体３０の断熱性能を発揮するようにしたので、例えば、外気温が氷点下に低下した場合でも、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が０℃以下に低下するようなことがなくなり、その結果、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部の触媒等の微細構造が破壊されることはなく、燃料電池の性能が低下するような事態を回避することができる。なお、燃料電池の運転時には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度は６０℃〜８０℃程度となるので、外気温が低くても固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造が破壊されるような事態は生じない。

また、本実施例では、運転停止時に筺体３０の内部気圧を減圧するので、筺体３０の形状としては、強度を十分に保持できるように、円筒形とすることが好ましい。

また、筺体３０の断熱性能を損なわないためには、配管群３の各配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆとしては、熱伝導率の低い材質、または、構造のものを用いることが好ましい。例えば、熱伝導率の低い材質としては、バイトンゴム（登録商標）や、テフロン（登録商標）などのゴム材料や樹脂等を用いることができる。また、熱伝導率の低い構造としては、管を二重に形成してなる二重管や、二重管の中空部を真空に形成した、いわゆる、真空断熱二重構造の管などを用いることできる。

さらに、台座部材１１，１２としても、熱伝導率の小さい材質のものを用いることが好ましい。すなわち、台座部材１１，１２は、筐体３０を貫通していない場合においても、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡと筐体３０の両者に接触していることから、熱伝導の媒体となる。したがって、筺体３０の断熱性能を損なわないようにするためには、構造部材にも熱伝導率の低い材料を使う必要がある。
［実施例２］

ところで、筺体３０の内部気圧を減圧した際に、積層体１が受ける外気圧との圧力差を解消するためには、筺体３０の内部を真空減圧する前あるいは真空減圧するのと同時に、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧することが望ましい。

図２は、この場合の燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１および図６と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

この場合には、筺体３０の外側の位置で、管３ａ，３ｂ，３ｃに弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃを設けるとともに、管３ｄ，３ｅ，３ｆには、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃを設け、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃの分岐側は、配管１９へ連通させた状態で、ポンプ２０へと連絡する。

したがって、この場合には、燃料電池システムを停止する際には、弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃを閉じるとともに、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃを分岐側へ切換え、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡへの気体の供給を停止するとともに、ポンプ２０を作動して、管３ｄ，３ｅ，３ｆを介し、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部を真空排気する。また、このポンプ２０と同時または、ポンプ２０による排気が完了した後に、ポンプ１６を作動して、筺体３０の内部を真空減圧する。

このようにすることで、運転停止時に筺体３０の内部を真空減圧する際には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧されており、それにより、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内外の気圧差が解消され、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造の破損を回避することができる。

図３は、燃料電池収容体のさらに他の例を示している。なお、同図において、図２と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

この場合には、筺体３０の外側の位置で、管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆに弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆを設けるとともに、筺体３０の内側の位置で、管３ｆに開放弁２１を設けている。

したがって、この場合には、燃料電池システムを停止する際には、弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆを閉じ、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡへの気体の供給を停止し、その後に、開放弁２１を開放し、さらに、ポンプ１６を作動して、筺体３０の内部を真空減圧する。

ここで、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部は、開放弁２１を介して筺体３０の内部に連通するので、ポンプ１６の作用により、筺体３０の内部および固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部は、ともに減圧される。

このようにすることで、運転停止時に筺体３０の内部を真空減圧する際には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧されるので、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内外の気圧差が解消され、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造の破損を回避することができる。また、この場合には、筺体３０と固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部を別々に真空減圧する場合に比べて、減圧程度の差が生じることがないので、より安全に真空減圧することができる。

図４は、本発明の他の実施例にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

この場合には、筺体３０の内部の圧力を測定する圧力計２２と、圧力計２２の測定値に応じてポンプ１６を作動する制御装置２３を設けている。そして、制御装置２３は、運転停止時には、圧力計２２の測定値が所定の真空値よりも大きい場合には、ポンプ１６を作動して、筺体３０の内部を真空減圧する。

したがって、この場合には、運転停止時における筺体３０の内部の圧力が、規定された真空値に保持されるので、特に、運転停止が長期間にわたった場合で、筺体３０の内部に空気がリークし、そのために、筺体３０の内部の真空度が低下して、収容している固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が外気温に影響されるような事態を防止することができる。

図５は、本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１および図４と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

この場合には、筺体３０の内部の温度を測定する温度計２５と、温度計２５の測定値に応じてポンプ１６を作動する制御装置２６を設けている。そして、制御装置２６は、運転停止時には、温度計２５の測定値が所定値（例えば、０℃）よりも下がった場合には、ポンプ１６を作動して、筺体３０の内部を真空減圧する。

これにより、筺体３０の内部の真空度が上がるので、筺体３０の断熱性能が上がり、その結果、筺体３０の内部の温度は、所定値よりも下がることはなくなる。

したがって、この場合には、運転停止時における筺体３０の内部の温度が、規定された値に保持されるので、特に、運転停止が長期間にわたった場合に、収容している固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が低くなる事態を防止することができる。

ＣＳＡ…固体高分子電解質型燃料電池積層体
３０…筐体
１１，１２…台座部材
１５，１９，３１…配管
１６，２０，３２…ポンプ
２２…圧力計
２３，２６…制御装置
２５…温度計

Claims

固体高分子電解質型燃料電池積層体を真空断熱二重構造を有する筺体に収納し、上記筺体内を大気圧に対して減圧し、
前記筺体内の圧力を測定する圧力計と、
上記筺体内より排気する排気手段と、
上記筺体内の温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定温度が０度以下に低下した場合、上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池装置。
前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、樹脂を材料として形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、ゴムを材料として形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、真空断熱二重構造に形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管と、前記筺体との間にガスシールを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載の燃料電池装置。
前記固体高分子電解質型燃料電池積層体を前記筺体に固定する構造体の材料として、樹脂を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５記載の燃料電池装置。