JP5428561B2 - 直接形燃料電池システム及びその運転停止方法 - Google Patents
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Description
本発明の直接形燃料電池システムには、固体高分子電解質膜を電解質とする直接形燃料電池を使用する。固体高分子電解質膜は、通常はプロトン伝導性を持つものが使用される。また、固体高分子電解質膜は、有機物あるいは有機物溶液の透過性を有している。プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜としては、デュポン社のナフィオン膜等のスルホン酸基を持つパーフルオロカーボンスルホン酸系膜が好ましい。
(A)CH3OH+H2O→6H++6e−+CO2
(B)6H++6e−+3/2O2→3H2O
(C)6H++6e−→3H2
(D)CH3OH+H2O→6H++6e−+CO2
図5は、本発明に係る燃料電池システムの発電の停止操作を示すフローチャートである。ブロア31及びポンプ32により酸化剤としての空気及び燃料としてのメタノール水溶液を燃料電池スタック1に供給を継続した状態で発電の停止を開始する(ステップS1)。このとき、直接形燃料電池の積層方向の間隔の長さは、通常運転時の所定値となっている。次に、油圧ポンプ6で油圧シリンダ5を動かして、その積層方向の間隔の長さを停止時の所定値に設定する(ステップS2)。次に、ブロア31及びポンプ32を停止し、燃料電池スタック1への空気及びメタノール水溶液の供給を停止する(ステップS3)。次に、油圧ポンプ6で油圧シリンダ5を伸縮させて直接形燃料電池の積層方向の間隔の長さを通常運転時の所定値に戻し(ステップS4)、その積層方向の間隔の長さが通常運転時の所定値であることを確認して燃料電池システムの発電の停止操作を終了する(ステップS5)。この燃料電池システムの発電停止操作により、アノードの水素発生を抑制して燃料電池スタック1の発電を停止することができる。酸化剤ガスを停止してからカソードで酸素不足が生じるまでには時間がかかる。この時間以内であれば、酸化剤ガスの停止が油圧シリンダ作動よりも前に行われても本発明の効果が得られる。なお、図5には図示されていないが、燃料電池システムの発電停止では、上記操作により負荷への電力供給を停止した後、補機類の電源をオフにすることも含む。
以下、本発明の実施形態の一例として実施例を説明する。先ず、実施例による水素発生量を評価するために、まず以下の手順により燃料電池スタックを製作した。
白金とルテニウムとを活性炭素に担持させてなるアノード触媒に、テフロン(登録商標)分散液及びナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製したアノードペーストを、カーボンペーパー上に塗布してアノードを得た。このアノードの電極面積は64cm2とし、触媒担持量は1mg/cm2とした。
白金を活性炭素に担持させてなるカソード触媒に、テフロン(登録商標)分散液およびナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製したカソードペーストを、カーボンペーパーに塗布してカソードを得た。このカソードの電極面積は64cm2とし、触媒担持量は1mg/cm2とした。
上記1.及び2.で作製したアノードとカソードとでナフィオン115(登録商標)からなる電解質膜を挟持した後ホットプレスで接合しMEAを得た。このMEAの厚さは約650μmであった。
(1)上記3.で作製したMEAのカソード及びアノードの外周部をシリコンゴム製のガスケットで囲い、それをグラファイト製のバイポーラ型セパレータで挟持して単位電池を形成した。
(2)上記(1)の単位電池を1セルとして10セル積層し、この積層体を金属製集電板で挾持し、さらに、シリコンゴム製の絶縁板を介して金属性エンドプレートで挾持した。
(3)上記(2)のエンドプレート同士をボルトとナットで結合し,さらに,セパレータ間の積層方向の長さを変えるための長さ調節手段を備えることによって、燃料電池スタックを作製した。
上記手順によって製作された燃料電池スタックを用いた燃料電池システムにおいて、燃料を150ml/minの流量でアノードに、空気を8000ml/minの流量でカソードに1時間供給した。このとき、燃料電池スタックでは、60Wの電力が発生した。その後、負荷を外してエンドプレート間、つまり、セパレータ間の積層方向の長さを変化させ、燃料及び空気の供給を停止した。この停止の際に、燃料電池スタックの燃料の排出口から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析した。
燃料電池の発電停止の際、燃料電池スタックからの水素の発生量は、セパレータ間の積層方向の長さによって変化する。そして、その水素の発生量は、セパレータ間の長さが短くなると多く、セパレータ間の長さが長くなる、つまり、酸化剤極と酸化剤極側セパレータとの押し合う力が小さくなると少なくなることがわかった。したがって、燃料電池の停止の際にその長さを調整することで、水素の発生量を抑えることができると考えられる。
2a,2b エンドプレート
3 ボルト
4 ナット
5 油圧シリンダー
6 油圧ポンプ
7 単位電池の積層体
10 単位電池
11 電解質膜
12a アノードガスケット
12b カソードガスケット
13a アノード
13b カソード
14a アノード側セパレータ
14b カソード側セパレータ
14c 畝部分
15 流路
31 ブロア
32 ポンプ
33 ラジエータ
34 水タンク
35 高濃度燃料タンク
36 燃料タンク
40 制御装置
41、42 バルブ
43、44 電力端子
45 排気口
46 ベント
50、51、52、53、54、56 信号
55 運転停止命令
Claims (6)
- 酸化剤が流れるための溝を設けた導電性のある板状の部材を単セルの酸化剤極に押し付けた構造を有する直接形燃料電池と、
前記直接形燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記直接形燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力を調整する手段と、
前記調整する手段の動作を制御する制御手段と、
を備えた直接形燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止する際に、前記押し合う力を調整する手段によって酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力を水素発生量が許容量以下となるように予め設定した力よりも小さくする
ことを特徴とする直接形燃料電池システム。 - 酸化剤が流れるための溝を設けた導電性のある板状の部材を単セルの酸化剤極に押し付けた構造を有するとともに、単セルの積層を積層方向の両端で保持するエンドプレートを有する直接形燃料電池と、
前記直接形燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記直接形燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記エンドプレート間の間隔を調節するための間隔調節手段と、
前記間隔調節手段の動作を制御する制御手段と、
を備えた直接形燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止する際に、
水素発生量が許容量以下となるように、
前記間隔調節手段によってエンドプレート間の間隔を、前記直接形燃料電池が発電していたときの長さよりも長くする
ことを特徴とする直接形燃料電池システム。 - 前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止するタイミングは、
酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力が、水素発生量が許容量以下となるように予め設定した力よりも小さくされたあと、
または、エンドプレート間の間隔が直接形燃料電池が発電していたときの長さよりも長くされたあとである
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の直接形燃料電池システム。 - 酸化剤が流れるための溝を設けた導電性のある板状の部材を単セルの酸化剤極に押し付けた構造を有する直接形燃料電池と、
前記直接形燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記直接形燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力を調整する手段と、
前記調節する手段の動作を制御する制御手段と、
を備えた直接形燃料電池システムであって、
酸化剤の供給を停止する際に、前記酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力を水素発生量が許容量以下となるように予め設定した力よりも小さくする工程
を含むことを特徴とする直接形燃料電池システムの停止方法。 - 酸化剤が流れるための溝を設けた導電性のある板状の部材を単セルの酸化剤極に押し付けた構造を有するとともに、単セルの積層を積層方向の両端で保持するエンドプレートを有する直接形燃料電池と、
前記直接形燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記直接形燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記エンドプレート間の間隔を調節するための間隔調節手段と、
前記間隔調節手段の動作を制御する制御手段と、
を備えた直接形燃料電池システムであって、
酸化剤の供給を停止する際に、水素発生量が許容量以下となるように、前記エンドプレート間の間隔を、前記直接形燃料電池が発電していたときの長さよりも長くする工程
を含むことを特徴とする直接形燃料電池システムの停止方法。 - 前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給を停止するタイミングは、
酸化剤極と前記導電性のある板状の部材とが互いに押し合う力が、水素発生量が許容量以下となるように予め設定した力よりも小さくされたあと、
または、エンドプレート間の間隔が直接形燃料電池が発電していたときの長さよりも長くされたあとである
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の直接形燃料電池システムの停止方法。
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