JPH11185788A

JPH11185788A - 固体高分子型燃料電池及びその起動方法

Info

Publication number: JPH11185788A
Application number: JP9357098A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Taniguchi; 俊輔谷口; Koji Yasuo; 耕司安尾; Yasunori Yoshimoto; 保則吉本; Akira Hamada; 陽濱田; Yasuo Miyake; 泰夫三宅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】起動時の昇温をさらに速やかに行なうことの
できる固体高分子型燃料電池及びその起動方法を提供す
る。【解決手段】水通路18はガス流路14.16の少なくとも
一方に連通路20を介して接続し、合流部分又はその近傍
にはガス及び循環水の供給及び停止を制御する切替手段
22を設ける。切替手段は、ガス流路の合流部分よりも上
流側から下流側へのガスの供給を止めると共に、連通路
と下流側のガス流路を連通させてガス流路の下流側に循
環水を導入する第１の位置と、連通路を閉じて合流部分
よりも下流側のガス流路への循環水の供給を止めると共
に、ガス流路の上流側と下流側を連通させて下流側のガ
ス流路にガスを導入する第２の位置に切替可能な２位置
切替式のものを挙げることができる。電池起動時には、
切替手段を第１の位置にして、循環水を下流側のガス流
路に導入し、発電時には、切替手段を第２の位置にし
て、ガスをガス流路の下流側に導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関するものであり、具体的には起動時の昇温を速
やかに行なうことのできる固体高分子型燃料電池及びそ
の起動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池(30)は、図４に示
すように、固体高分子電解質膜(32)の一方の側にアノー
ド(34)、他方の側にカソード(36)を配したセルに対し、
アノード側には燃料室(40)、カソード側に酸化剤室(42)
を形成したセルユニット(10)を複数積層した電池スタッ
ク(12)から構成される。なお、図では１セルユニットの
み示している。電池スタック(12)の各燃料室(40)は、燃
料ガス流路(14)に連通しており、水素ガスを含む燃料ガ
スが供給される。また、各酸化剤室(42)は、酸化剤ガス
流路(16)に連通しており、酸素ガスを含む酸化剤ガスが
供給される。燃料ガスと酸化剤ガスが供給されると、ア
ノード側では、燃料ガス中の水素ガスがＨ₂→２Ｈ⁺＋２
ｅ^-の反応によってプロトンと電子を生成する。プロト
ンは固体高分子電解質膜(32)を通ってカソード(36)に進
み、電子は外部回路(44)を流れる。カソード(36)では、
酸化剤中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜(32)を通っ
て移動したプロトン、及び外部回路(44)を通って流入し
た電子が、１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏの反応によ
り、水を生ずるとともに起電力を発生する。固体高分子
型燃料電池は、小型でエネルギー効率が高く、また動作
音も小さいため、据え置き型に限らず携帯型の電源とし
ても期待されている。

【０００３】ところで、固体高分子型燃料電池の電気化
学反応は発熱反応である。そこで、電池の適正作動温度
(約８０〜１００℃)を超える昇温を防止するために、電
池スタック(12)の内部には、各セルユニット間又は複数
のセルユニット毎に、図４に示すように冷却用の循環水
が流通する冷却室(48)を形成した固体高分子型燃料電池
がある。冷却室(48)には、冷却用循環水の流通する水通
路(18)が接続され、ポンプなどの循環手段(50)によって
冷却用循環水が冷却室(48)に供給されて、電池スタック
(12)が冷却される。

【０００４】電池反応により生じた燃料排ガスと、循環
水は、気水分離手段(52)に導入され、排ガスは外部に放
出されて、循環水は再度循環する。

【０００５】ところで、固体高分子型燃料電池に供給さ
れる燃料ガスとして、都市ガスなどの炭化水素系燃料ガ
スを改質器で改質した水素リッチな燃料ガスを使用する
ことがある。改質燃料ガスは、改質中に生じた一酸化炭
素をＣＯ変成器によって二酸化炭素に変成しているが、
通常ごく微量の一酸化炭素がガス中に残留する。このよ
うに一酸化炭素を含む改質燃料ガスを燃料電池に供給す
る場合、電池スタックが適正な温度(約８０〜１００℃)
よりも低温であると、とくにアノード(34)に分散された
白金触媒がＣＯ被毒され、電池性能が大きく劣化するお
それがあった。電池の内部が低温となる状態は、とくに
電池の起動時に生じやすい。このため、電池起動時にお
ける電池スタックの速やかな昇温が求められていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、電池スタック
内を循環する冷却用循環水の通路(18)にバーナーなどの
加熱器(54)を配備し、電池起動時のみバーナーを作動さ
せて循環水を加熱し、加熱された循環水を冷却室(48)に
供給して、電池スタックの昇温を図る固体高分子型燃料
電池も提案されている。

【０００７】しかしながら、電池スタック内部を急速に
昇温させるには、加熱された循環水をある程度多量に供
給する必要がある。電池スタック内部に多量の循環水を
供給するには、冷却室(48)の容積を大きくしたり、循環
水を送り出すポンプの大型化や可変式のポンプを使用す
る必要がある。冷却室の容積を大きくすると、電池スタ
ック容積に対する非発電部分の容積が大きくなり、電池
出力の低下又は電池の大型化の問題がある。さらに、発
電時には、そのような大容積の冷却室は不要となる。ま
た、ポンプの大型化や可変式のポンプの利用は、コスト
の増大や、電池の大型化に繋がり、さらに、ポンプで消
費されるエネルギーが増大してしまう問題があった。

【０００８】本発明の目的は、起動時の昇温をさらに速
やかに行なうことのできる固体高分子型燃料電池及びそ
の起動方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、セルユニット(10)を複数積層した電池ス
タック(12)に、燃料ガス及び酸化剤ガス供給用のガス流
路(14)(16)と、冷却用循環水の流通する水通路(18)が接
続された固体高分子型燃料電池において、水通路(18)
は、前記ガス流路(14)(16)の少なくとも一方に連通路(2
0)を介して接続し、ガス流路と連通路(20)との合流部分
又はその近傍に、合流部分よりも下流側のガス流路への
ガス及び循環水の供給及び停止を制御する切替手段(22)
を設けるものである。切替手段(22)として、ガス流路の
合流部分よりも上流側から下流側へのガスの供給を止め
ると共に、連通路(20)と合流部分よりも下流側のガス流
路を連通させてガス流路の下流側に循環水を導入する第
１の位置と、連通路(20)を閉じて合流部分よりも下流側
のガス流路への循環水の供給を止めると共に、ガス流路
の上流側と下流側を連通させてガス流路の下流側にガス
を導入する第２の位置に切替可能な２位置切替式のもの
を挙げることができる。上記構成の固体高分子型燃料電
池において、電池起動時には、切替手段(22)を第１の位
置にして、循環水を合流部分よりも下流側のガス流路に
導入する。電池発電時には、切替手段(22)を第２の位置
にして、ガスを合流部分よりも下流側のガス流路に導入
する。なお、水通路(18)には、電池スタック(12)の昇温
効率を高めるために、循環水を加熱するバーナーなどの
加熱器(54)を配備することが望ましい。

【００１０】切替手段(22)を切り替えて、ガス流路に循
環水を供給する場合、水通路(18)に供給される循環水
を、すべてガス流路に供給するのではなく、水通路(18)
に供給される循環水の一部を連通路(20)を介してガス流
路に供給し、水通路(18)とガス流路に循環水を流通させ
ることが望ましい。

【００１１】

【作用及び効果】電池起動時には、切替手段(22)を第１
の位置にして、合流部分の下流側のガス流路に循環水の
みを供給すると共に、同時に水通路(18)中に配備された
加熱器(54)を作動させ、循環水を加熱する。これによ
り、水通路(18)を循環する循環水の一部が連通路(20)を
介してガス流路に供給される。水通路(18)から電池スタ
ック(12)に供給された循環水は冷却室(48)だけでなく、
連通路(20)を介してガス流路から燃料室(40)又は酸化剤
室(42)に流入し、電池スタック(12)を昇温させる。

【００１２】加熱循環水は、冷却室(48)だけでなく燃料
室(40)又は酸化剤室(42)にも流入するから、電池スタッ
ク(12)の速やかな昇温を図ることができる。

【００１３】電池スタック内部の温度が所定の作動温度
域に達すると、切替手段(22)を第２の位置に切り替え
て、合流部分よりも下流側のガス流路にガスのみを供給
すると、発電が開始される。なお、切替手段(22)を第２
の位置にした後は、加熱器(54)を止めてもよい。

【００１４】本発明の固体高分子型燃料電池(30)によれ
ば、電池起動時に予め電池スタック(12)を所定の作動温
度域まで急速に昇温できるから、発電開始時から定常状
態に近い状態で運転させることができ、電池出力の安定
化を図ることができる。

【００１５】また、発電開始前に予め燃料室(40)又は酸
化剤室(42)に循環水を導入できるから、発電開始時に固
体高分子電解質膜(32)を湿潤させておくことができる。
さらに、発電開始時までに循環水を水通路(18)の中で循
環させることによって、水通路(18)の内部全体が湿潤し
た状態となるから、発電時に、水通路(18)が局部的に乾
いた部分が存在して循環水が流れ難くなることもない。

【００１６】燃料ガスとして改質燃料ガスを使用する場
合、改質器の立上りに数分程度の時間を要するため、そ
の間に電池スタック(12)を所定の作動温度域まで昇温さ
せることができる。つまり、改質器から改質燃料ガスが
固体高分子型燃料電池(30)に供給されるときには、すで
に電池スタック(12)が所定の作動温度域まで昇温されて
いるから、改質燃料ガス中に、ごく微量の一酸化炭素ガ
スが含まれていても、白金触媒がＣＯ被毒されることも
ない。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子型燃
料電池(30)の系統図である。なお、従来例で説明した構
成には同じ符号を付し、その説明は省略する。循環水の
流通する水通路(18)と燃料ガス及び酸化剤ガスの流通す
るガス流路(14)(16)は、連通路(20)で接続される。以下
では、水通路(18)と燃料ガス流路（１４）を連通路（２
０）で接続した例について説明するが、水通路(18)と酸
化剤ガス流路(16)を接続してもよいし、水通路(18)を燃
料ガス流路(14)と酸化剤ガス流路(16)の両方に接続する
ようにしてもよい。

【００１８】連通路(20)と燃料ガス流路(14)が合流する
箇所には、流路を切り替える切替手段(22)が配備され
る。切替手段(22)は、２位置切替式のバルブなどが用い
られる。切替手段(22)の「第１の位置」は、図１の(ａ)
で示すように、起動時に循環水をガス流路にも供給する
位置であり、第１の位置では、ガス流路(14)の上流側が
閉じられ、連通路(20)と合流部分よりも下流側のガス流
路(14)が連通するから、水通路(18)を循環する循環水の
一部が連通路(20)を介してガス流路(14)に供給され、燃
料室(40)へ流入する。切替手段(22)の「第２の位置」
は、図１の(ｂ)で示すように、発電時に燃料ガスをガス
流路(14)に供給する位置であり、第２の位置では、連通
路(20)が閉じられ、ガス流路(14)は上流側から下流側ま
で連通するから、ガス流路(14)に供給された燃料ガス
は、ガス流路(14)を通って燃料室(40)へ流入する。

【００１９】以下、本発明の固体高分子型燃料電池(30)
の動作について説明する。＜電池起動時＞電池起動時には、切替手段(22)を第１の
位置に切り替えて、水通路(18)とガス流路(14)の下流側
とを連通路(20)を介して連通させる。循環手段(50)と加
熱器(54)を作動させて、加熱された循環水を水通路(18)
内を循環させる。このとき、加熱された循環水は、電池
スタック内部の冷却室(48)に供給されると共に、一部が
連通路(20)を通って合流部分よりも下流側のガス流路(1
4)に供給され、ガス流路(14)から燃料室(40)に供給され
る。加熱された循環水は、冷却室(48)だけでなく、燃料
室(40)にも供給されるので、電池スタック(12)は、冷却
室(48)と燃料室(40)の両方から昇温できる。従って、昇
温に必要な時間を短縮することができる。

【００２０】＜電池発電時＞電池スタック(12)が所定の
作動温度まで昇温すると、切替手段(22)を第１の位置か
ら第２の位置に切り替え、連通路(20)を閉じ、ガス流路
(14)の上流側と下流側を連通させる。また、これと共に
加熱器(54)の作動を停止させる。連通路(20)を閉じ、ガ
ス流路(14)の上流側と下流側を連通させると、燃料ガス
がガス流路(14)を通って燃料室(40)に供給される。燃料
ガスが燃料室(40)に供給されるときには、すでに電池ス
タック(12)が昇温されているので、燃料ガスに一酸化炭
素が含まれていても、アノード(34)の白金触媒がＣＯ被
毒されることはない。ガス流路(14)を通って電池スタッ
ク(12)に供給された燃料ガスは、燃料室(40)に供給され
て、発電が行なわれる。

【００２１】なお、電池(30)を作動させていないときに
は、切替手段(22)の位置は、第１又は第２の何れの位置
でもよい。

【００２２】切替手段(22)の位置の切り替えや、加熱器
(54)の作動及び停止は、手動で行なってもよいし、電池
スタック(12)に温度センサーを取り付けて、温度センサ
ーの検知温度に基づいて、切替手段(22)と加熱器(54)の
制御を行なうようにしてもよい。また、タイマーなどに
よってこれらを制御してもよい。

【００２３】発電時には、燃料室(40)から排出された排
ガスと冷却室(48)から排出された循環水は、気水分離手
段(52)によって気水分離され、ガスは外部に放出され、
水は循環手段(50)に送られて水通路(18)内を循環する。

【００２４】燃料ガスを電池スタック(12)の内部で加湿
する場合には、燃料室(40)と冷却室(48)との間を水透過
性の材料で仕切ればよい。

【００２５】なお、切替手段(22)の異なる実施形態とし
て、２位置切替式のバルブに代えて、図２に示すよう
に、ガス流路(14)の合流部分よりも上流側と連通路(20)
に、それぞれ開閉式の弁装置(24)(26)を配備してもよ
い。この場合、電池起動時にはガス流路側の弁装置(24)
を閉じ、連通路側の弁装置(26)を開けて、循環水を燃料
室(40)に供給して電池スタックの昇温を図り、発電時に
はガス流路側の弁装置(24)を開け、連通路側の弁装置(2
6)を閉じて、循環水のガス流路への供給を止め、ガスを
燃料室(40)に供給して発電を行えばよい。

【００２６】

【実施例】図１に示す本発明の固体高分子型燃料電池
(発明例)と、図４に示す従来型の固体高分子型燃料電池
(比較例)を作製し、起動時における電池スタック(12)の
昇温速度を比較した。電池スタックは、１００ｃｍ²の
セルを１６積層したものを用い、セル中央部の温度を測
定した。なお、外気温は１８℃であった。

【００２７】なお、発明例について、切替手段(22)は第
１の位置とし、発明例、比較例の何れも燃料ガスは供給
せずに、９０℃に加熱された循環水を循環させた。循環
水の流量は、発明例については合計３５４cc/min、比較
例については145cc/minとした。電池スタック(12)の中
央のセルに温度センサーを取り付けて、電池スタック(1
2)の温度をモニターした。結果を図３に示す。

【００２８】図３を参照すると、発明例は、比較例に比
べて電池スタック(12)の昇温が速いことがわかる。これ
は、冷却室(48)だけでなく、燃料室(40)にも加熱された
循環水が供給されているためである。

【００２９】例えば、発電開始に適した電池温度を６０
℃とすると、発明例は、約２分程度であるのに対し、比
較例は、発明例の倍以上の約５分程度の時間が必要であ
る。つまり、本発明によって、所定の作動温度で発電を
開始させるまでに必要な時間を大幅に短縮することがで
きる。

【００３０】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の系統図であ
る。

【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施形
態を示す系統図である。

【図３】電池起動開始後の電池スタックの温度変化を示
すグラフである。

【図４】従来の固体高分子型燃料電池の系統図である。

【符号の説明】

(12) 電池スタック (14) 燃料ガス流路 (16) 酸化剤ガス流路 (18) 水通路 (20) 連通路 (22) 切替手段 (40) 燃料室 (42) 酸化剤室 (48) 冷却室 (54) 加熱器

フロントページの続き (72)発明者濱田陽大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者三宅泰夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セルユニット(10)を複数積層した電池ス
タック(12)に、燃料ガス及び酸化剤ガス供給用のガス流
路(14)(16)と、冷却用循環水の流通する水通路(18)が接
続された固体高分子型燃料電池において、水通路(18)は、前記ガス流路(14)(16)の少なくとも一方
に連通路(20)を介して接続されており、ガス流路と連通
路(20)との合流部分又はその近傍に、前記合流部分より
も下流側のガス流路へのガス及び循環水の供給及び停止
を制御する切替手段(22)が配備されることを特徴とする
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】切替手段(22)は、ガス流路の合流部分よ
りも上流側から下流側へのガスの供給を止めると共に、
連通路(20)とガス流路の下流側を連通させて合流部分よ
りも下流側のガス流路に循環水を導入する第１の位置
と、連通路(20)を閉じてガス流路の下流側への循環水の
供給を止めると共に、ガス流路の上流側と下流側を連通
させて合流部分よりも下流側のガス流路にガスを導入す
る第２の位置に切替可能であることを特徴とする請求項
１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】切替手段(22)は、合流部分よりも上流側
のガス流路と連通路(20)に夫々設けられた弁装置(24)(2
6)であって、一方の弁装置が開いているとき他方の弁装
置は閉じるように連動する請求項１に記載の固体高分子
型燃料電池。
【請求項４】水通路(18)には、循環水を加熱する加熱
器(54)が配備され、水通路(18)から連通路(20)を介して
ガス流路に循環水を供給する際に、加熱器(54)を作動さ
せて、加熱された循環水をガス流路に供給するようにし
ている請求項１乃至請求項３の何れかに記載の固体高分
子型燃料電池。
【請求項５】セルユニット(10)を複数積層した電池ス
タック(12)に、燃料ガス及び酸化剤ガス供給用のガス流
路(14)(16)と、冷却用循環水の流通する水通路(18)が接
続された固体高分子型燃料電池を起動する方法であっ
て、水通路(18)は、前記ガス流路(14)(16)の少なくとも一方
に連通路(20)を介して接続されており、ガス流路と連通
路(20)との合流部分又はその近傍に、前記合流部分より
も下流側のガス流路へのガス及び循環水の供給及び停止
を制御する切替手段(22)が配備され、電池起動時には、切替手段(22)を制御して、ガス流路の
合流部分よりも上流側から下流側へのガスの供給を止め
ると共に、連通路(20)と下流側のガス流路を連通させ
て、合流部分よりも下流側のガス流路に循環水を導入
し、発電開始時には、切替手段(22)を制御して、連通路(20)
を閉じて下流側のガス流路への循環水の供給を止めると
共に、ガス流路の上流側と下流側を連通させて合流部分
よりも下流側のガス流路にガスを導入することを特徴と
する固体高分子型燃料電池の起動方法。
【請求項６】水通路(18)には、循環水を加熱する加熱
器(54)が配備されており、電池起動時のみ加熱器(54)を
作動させて、加熱された循環水をガス流路を介して電池
スタック(12)に導入する請求項５に記載の固体高分子型
燃料電池の起動方法。