JPH0494062A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料極と空気極と電解質マトリックスから
なる単電池を多数積層してスタックを構成する燃料電池
を停止する際、燃料電池に供給する不活性ガスの供給方
式に関する。

〔従来の技術〕

９ん酸型燃料電池は、数十オングストローム程度の微小
粒径にした白金等の貴金属をカーボン粉末の表面に担持
した触媒とふっ素樹脂とで作られる厚さが０．１■程度
の触媒層を、多孔質カーボン基材の片面に積層した７ノ
ード及びカソードの二つの電極、これらの電極に挟持さ
れて電解質を保持するマトリックス、及び前記多孔質カ
ーボン基材の触媒層形成面と反対側の面に接触し電極基
材との間でガス区画室を形成するガス不透過性のセパレ
ータ板から構成される単電池を、複数個直列に積層８例
えば数百セル積層したスタックとして実用に供される。

この単電池は厚さが敷部で面積が１０００〜１００００
−であル、スタックはその高さが数ｍＫなる。

りん酸型燃料電池は、燃料として水素、酸化剤として酸
素を用いる。水素と酸素はそれぞれアノード及びカソー
ドの白金触媒上において次式の反応が生ずる。

アノード：Ｈｓ→２Ｈ＋２ｅ カソード：　％　Ｏ，＋２Ｈ＋＋　２ｅ−−＋Ｈ，０こ
の水素、酸素燃料電池の端子電圧は酸素極（カソード）
側の電位（高）と水素極（７ノード）側の電位（低ンの
差として得られ、前者の電位は電流ＶＢ度が増加すると
ともに低下し、後者の電位は電流密度が増加するととも
に上昇するので、単電池の発生する電圧は電流密度の増
加とともに低下する垂下特性を示す。

シん酸型燃料電池の効率を向上するためには、前記白金
触媒上における反応速度を高める必要がある。このため
には白金の表面積を増やす、即ち白金の粒子径を小さく
しなければ々らない。一方運転条件としては運転温度が
高いほどシん酸型燃料電池の効率は高くなるが、構成材
料の制約から通常は２００℃以下で運転される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術においては、数百セル積層した大規模スタック
の運転を停止する場合、電極電位を下げ且つスタック内
に残留する活性ガス濃度を下げるために要するダミー負
荷の容量が大きくなるとともに、パージ用不活性ガスの
使用量が多くなるので、前記の停止方法を容易にとれな
い場合がある。

更に、高さが数ｍに達するスタック内ではノ５−ジ用不
活性ガスが偏流するため、スタックを構成する単電池相
互間に電位の差が生ずる。すなわち不活性ガスの流れや
すいセルでは電位が容量に低下するが、不活性ガスの流
れにくいセルでＦｉ電位２５Ｘ低下しにく〈高電位に長
時間さらされることと表ハ電極特性の低下が生じやすぐ
なる。不活性ガスの偏流を防ぐためには不活性ガスを大
量に流す必要があるが、高価な不活性ガスを大量に要し
、運転コストが増大するという問題が発生する・この発
明の目的は、少い不活性ガスの供給量で電極電位を抑制
し、燃料電池の発電運転を停止することＫある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、電解質
層とこれを挟む燃料極および空気極とを有する単［池の
積層体からなるスタックが、燃料ガスおよび反応空気の
供給系それぞれに弁を介して連通ずる不活性ガスの供給
系と、前記燃料電池の出力側に開閉器を介して接続され
たダミー負荷とを備え、前記スタックの発電運転の停止
に際して前記開閉器を閉じて発電電力を前記ダミー負荷
で消費しつつ、前記燃料ガス、反応空気等反応ガスの供
給系を不活性ガスの供給系に切９換えて残存反応ガスを
パージするものにおいて、前記スタックの反応ガスの出
口側から不活性ガスを反応ガスの入口側に戻す不活性ガ
スの循環通路を備えてなるものとし、さらに必要に応じ
て循環通路が循環する不活性ガス中の水分を除去する除
湿器を備えてなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、燃料電池の発電運転を停止す
る際スタックの燃料室および空気室に送られる不活性ガ
スを各室を介して循環する循環通路を設けるよう構成し
たことにより、循環による不活性ガスの流量の増加と攪
拌作用によって不活性ガスの流れＫ〈い単電池を含むス
タック全体のガス置換が均等化され、かつ発電電力をダ
ミー負荷が消費することＫよって速やかに電極電位が低
下するとともに、不活性ガスが流れ難い単電池のパージ
を促進するために多量の不活性ガスを供給する必要もな
くなるので、不活性ガスの供給量を低減する機能が得ら
れる。

また、循環通路に除湿器を設けるよう構成すれば、ガス
パージ中に発電によって生成した水分を除去して電極お
よび電解質の吸湿を防止できるので、吸湿を防止するた
めに不活性ガスを流す時間および量を低減することが可
能になシ、したがって少い不活性ガスの消費量で電極電
位を抑制し、かつ効率よく反応ガスを不活性ガス忙置換
することができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電システム
の要部を簡略化して示すシステムフロー図である１図に
おいて、単電池の積層体からなる燃料電池（スタック）
１は、りん酸を保持する！トリックスなどからなる電解
質層を挟む燃料極１Ａおよび空気極１Ｂに水素リッチな
燃料ガスおよび反応空気を供給する念めの燃料室および
空気室を備え、弁２″ｆｔ−有する燃料供給系４を介し
て燃料室に供給される燃料ガスと、弁３を有する空気供
給系５を介して空気室に送られる反応空気とが、一対の
電極１Ａ、　１Ｂで電気化学反応に基づく発電反応を行
うよう構成され、反応に寄与した燃料オフガスおよびオ
フ空気は排気口６，７から排出される。また、スタック
の発電電力は負荷開閉器１０を介して例えば外部負荷９
に供給される。

また、弁１３Ａ、１３Ｂを介して燃料供給系４および空
気供給系５に連通ずる不活性ガスの供給系１３と、開閉
器１１を介して燃料！池の出力回路８に接続されるダミ
ー負荷１２とが設けられ、燃料電池１が発電運転を停止
する際、開閉器１０全開き、開閉器１１を閉じて燃料を
池の発電電力全ダン−負荷１２で消費するとともに、弁
２および３を閉じ、弁１３Ａ、１３Ｂを開いて不活性ガ
スの供給系１３から不活性ガスとしての例えば窒素（Ｎ
、）を燃料電池１の燃料室および空気室（両者を併せて
反応ガス室とも呼ぶ）に供給し、反応ガス室に残存する
反応ガスをパージする。

この実施例においては、弁１４および循環プロワ１６を
含み、燃料室を通過し走不活性ガスの一部を燃料室の入
口側に戻す循環通路１８と、弁１５および循環プロワ１
７を含み、空気室を通過した不活性ガスの一部を空気室
の入口側に戻す循環通路１９とが設けられる。したがっ
て、不活性ガスの供給系１３から供給され、排出口６，
７から排出される不活性ガスの流量に比べ、燃料室およ
び空気室を通過する不活性ガス量は循環通ｉ１ｉ！１８
および１９それぞれを循環する流量だけ多くなり、不活
性ガスが通り離い単電池の不活性ガス流量も増加する。

また、供給される不活性ガス量によって両室内に残存す
る燃料ガス中の可燃性ガス濃度および空気中の酸素濃度
が低下すると同時に％両室の出口側で各単電池を通過し
た不活性ガスが攪拌し、混合され、かっ各単電池の拗電
反応によって残存水素および残存酸素が消ｉ７ｔされて
その８度が低下するので、不や性ガスの通り易い単電池
はもとより、不活性ガスが通り難い単を池においても可
燃性ガスのパージが促進かつ均等化され、電極電位を速
やかに低下させることができる。不活性ガスの供給は電
極電位が低下し２発電生成水が生じなくなるまで持続し
、かつスタックの電池温度が電極触媒のシンタリングが
活性化しなぐなる塩度９例えば１５０ｔ：以下に低下す
るまで持続される。

なお、実施例では循環通路を燃料室および空気室の双方
に設けた場合を例に説明したが、いずれか一方何９例え
ばｔ極触媒層への拡散速度が遅い空気室側にのみ設けて
もよい。

第２図はこの発明の異なる実施例を簡略化して尽すシス
テム７０−図であや、不活性ガスの循環通路１８および
１９がそれぞれ除湿器２ｏを備えた点が前述の実施例と
異なっている。除湿器２゜は、水冷式の冷却除湿装置、
あるいは除湿剤としての例えばシリカゲルを内蔵した吸
着式の除湿装置であってよく、ガスバージ中車を池が残
存水素および残存酸素を消費することによって生ずる発
電生成水を吸着または除去し、不活性ガスの湿度を下げ
ることくより、発電を停止したスタックの単を池、こと
に電解質が水分を吸収してその濃度が低下することを防
止する。したがって、前述の実施例で発電生成水を排出
するために排出口６および７から持続して排出していた
余分な不活性ガス量を、水素、酸素のパージに要する量
のみに低減することができる。なお、除湿器は発電生成
水の放出量が多い空気室側にのみ設けるよう構成しても
よく、循環通路を空気室側のみに設けることと併せて装
置を大幅に簡素化できる利点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、反応ガス室出口側の不活性ガ
スを反応ガス室の入口側に戻す循環通路を少くとも空気
室側に設けるよう構成した。その結果、循環ガスにより
各単電池の反応ガス室を通過する不活性ガス量が増し、
その稀釈作用および攪拌作用によって各単電池の反応ガ
スのパージが促進かつ均等化されるので、従来ガスが通
夛難い単電池の電極電位が下がりにくく、これが原因で
生ずる電極触媒粒子の粗大化（シンタリング現象）ヤ、
これｔ−阻止するために必要とした不活性ガスの供給量
の増大などの従来の問題点が排除され、したがって不活
性ガスの供給量が少く経済的に有利で、かつ各単電池の
電極電位が均等かつ速やかに低減されて電極劣化が少く
、長寿命化された燃料電池発電システムを提供すること
ができる。

また、循環通路に除湿器を設けて発電生成水を吸着また
は除去するよう構成すれば、不活性ガスの排出量を発電
生成水を排出する必要が無くなる分減らすことができる
ので、運転コス）１−層低減できるとともに、発電生成
水により電解質が稀釈されるなどの悪影響を不活性ガス
の供給量を増すことなく排除できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電システム
の要部を簡略化して示すシステム７０−図、第２図はこ
の発明の異なる実施例を示すシステム７０−図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電解質層とこれを挟む燃料極および空気極とを有す
   る単電池の積層体からなるスタックが、燃料ガスおよび
   反応空気の供給系それぞれに弁を介して連通する不活性
   ガスの供給系と、前記燃料電池の出力側に開閉器を介し
   て接続されたダミー負荷とを備え、前記スタックの発電
   運転の停止に際して前記開閉器を閉じて発電電力を前記
   ダミー負荷で消費しつつ、前記燃料ガス、反応空気等反
   応ガスの供給系を不活性ガスの供給系に切り換えて残存
   反応ガスをパージするものにおいて、前記スタックの反
   応ガスの出口側から不活性ガスを反応ガスの入口側に戻
   す不活性ガスの循環通路を備えてなることを特徴とする
   燃料電池発電システム。 ２）循環通路が循環する不活性ガス中の水分を除去する
   除湿器を備えてなることを特徴とする請求項１記載の燃
   料電池発電システム。