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JP2009140725A - 固体高分子形燃料電池発電システム - Google Patents

固体高分子形燃料電池発電システム Download PDF

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JP2009140725A
JP2009140725A JP2007315372A JP2007315372A JP2009140725A JP 2009140725 A JP2009140725 A JP 2009140725A JP 2007315372 A JP2007315372 A JP 2007315372A JP 2007315372 A JP2007315372 A JP 2007315372A JP 2009140725 A JP2009140725 A JP 2009140725A
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Takuya Moriga
卓也 森賀
Eiki Ito
栄基 伊藤
Tamotsu Yamada
保 山田
Setsuo Omoto
節男 大本
Toshihiro Tani
俊宏 谷
Mitsuyoshi Iwata
光由 岩田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

【課題】発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制できる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体110の発電運転を停止するときに、制御装置160が、燃料電池本体100への燃料ガス1及び酸化ガス2の供給を停止するようにバルブ101,102を閉鎖すると共に、燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に存在する水素に対して、酸化ガス2の流通経路内に存在する酸素を1/2以下とするようにバルブ107を制御して燃料電池本体110にパージガス5を供給し、燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路及び酸化ガス2の流通経路を封じ切るようにバルブ103〜106を閉鎖する。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体に対して、水素を含有する燃料ガスを上記燃料極側に供給すると共に、酸素を含有する酸化ガスを上記酸化極側に供給して、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを上記セルで電気化学的に反応させることにより、電力を得られるようにしたものである。
このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、発電運転を停止する場合には、上記燃料電池本体への燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃焼排ガス等の二酸化炭素ガスや窒素ガス等のようなパージガスを当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側に送給して、当該燃料電池本体の燃料極側の燃料ガス(水素ガス)を当該燃料極側から当該燃料電池本体の外部へパージすると共に、当該燃料電池本体の酸化極側の酸化ガス(酸素ガス)を当該酸化極側から当該燃料電池本体の外部へパージして、当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側を上記パージガスに置換しておくことにより、当該燃料電池本体内に残存する水素ガスや酸素ガスによる前記セルの性能劣化を抑制するようにしている。
特開平6−203862号公報
しかしながら、前述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、発電運転停止の際に、前述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、燃料電池本体の前記セルの性能劣化を十分に抑制しきれず、発電運転の停止と開始との繰り返しに伴って、燃料電池本体の電圧が次第に低下してしまっていた。
このようなことから、本発明は、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記燃料極側に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該燃料ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路を封じ切る燃料ガス流通経路遮断手段と、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該酸化ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路を封じ切る酸化ガス流通経路遮断手段と、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路及び前記燃料ガスの流通経路の少なくとも前記酸化ガスの流通経路に不活性なパージガスを供給するパージガス供給手段と、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、前記燃料電池本体への前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化ガス供給手段を制御すると共に、当該燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路内に存在する前記水素に対して、前記酸化ガスの流通経路内に存在する前記酸素を1/2以下とするように前記パージガス供給手段を制御して当該燃料電池本体に前記パージガスを供給し、当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路及び当該酸化ガスの流通経路を封じ切るように前記燃料ガス流通経路遮断手段及び前記酸化ガス流通経路遮断手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記パージガスを加湿するパージガス加湿手段を備えていることを特徴とする。
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記パージガス加湿手段が、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段及び前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段の少なくとも前記酸化ガス加湿手段と兼ねられていることを特徴とする。
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記パージガス加湿手段が、前記燃料電池本体を温調する温調手段であり、前記制御手段が、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、さらに、前記燃料電池本体を冷却するように前記温調手段を制御するものであることを特徴とする。
第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記パージガス供給手段が、前記燃料電池本体の前記スタック内の前記酸化ガスの流通経路のみに前記パージガスを供給するものであり、前記制御手段が、前記パージガス供給手段から前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路に前記パージガスを供給して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路内を前記パージガスに置換するように当該パージガス供給手段を制御するものであることを特徴とする。
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、発電運転を停止すると、燃料電池本体の燃料ガスの流通経路内に存在する当該燃料ガス中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体の酸化ガスの流通経路内に存在する当該酸化ガス中の酸素ガス量の割合が1/2以下にすることにより、燃料電池本体の酸化極側に残留した酸素ガスが燃料極側に透過したとしても、当該燃料極側に存在する水素ガスと当該酸素ガスをほとんどすべて反応させて水にしてしまい、当該燃料極に形成されてしまう高酸素濃度部分を著しく低減できるので、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができる。
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態の場合のみに限定されるものではない。
[第一番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図1に基づいて説明する。図1は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。
図1に示すように、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体110の燃料ガス受入口には、水素を含有する燃料ガス1を供給する燃料ガス供給源121が接続されている。燃料ガス供給源121と燃料電池本体110の燃料ガス受入口との間には、当該燃料ガス供給源121からの上記燃料ガス1を水3により加湿する燃料ガス加湿手段である燃料ガス用加湿器122が配設されている。燃料ガス供給源121と燃料ガス用加湿器122との間及び燃料ガス用加湿器122と燃料電池本体110の燃料ガス受入口との間には、バルブ101,103がそれぞれ介在している。
前記燃料電池本体110の酸化ガス受入口には、酸素を含有する酸化ガス2を供給する酸化ガス供給源131が接続されている。酸化ガス供給源131と燃料電池本体110の酸化ガス受入口との間には、当該酸化ガス供給源131からの上記酸化ガス2を水3により加湿する酸化ガス加湿手段である酸化ガス用加湿器132が配設されている。酸化ガス供給源131と酸化ガス用加湿器132との間及び酸化ガス用加湿器132と燃料電池本体110の酸化ガス受入口との間には、バルブ102,104がそれぞれ介在している。
前記燃料電池本体110の燃料ガス排出口は、当該燃料電池本体110から排出された使用済みの前記燃料ガス1から水3を分離回収する燃料ガス用気液分離器123の受入口にバルブ105を介して接続している。燃料ガス用気液分離器123の送出口は、系外へ連絡している。
前記燃料電池本体110の酸化ガス排出口は、当該燃料電池本体110から排出された使用済みの前記酸化ガス2から水3を分離回収する酸化ガス用気液分離器133の受入口にバルブ106を介して接続している。酸化ガス用気液分離器133の送出口は、系外へ連絡している。
前記燃料電池本体110の温調水受入口には、温調水4を貯留する温調水タンク141が送給ポンプ143を介して接続されている。温調水タンク141には、当該タンク141内の温調水4を温調する温調器142が設けられている。燃料電池本体110の温調水排出口は、上記温調水タンク141に接続されている。
前記酸化ガス用加湿器132と前記バルブ104との間には、燃焼排ガス等の二酸化炭素ガスや窒素ガス等のようなパージガス5を供給するパージガス供給源151がマスフロー計152及びバルブ107を介して接続されている。
前記マスフロー計152は、制御手段である制御装置160の入力部に電気的に接続されている。この制御装置160の出力部には、前記バルブ101〜107、前記温調器142、前記送給ポンプ143がそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置160は、外部から入力された指令及び上記マスフロー計152からの信号に基づいて、前記バルブ101〜107、前記温調器142、前記送給ポンプ143をそれぞれ制御することができるようになっている(詳細は後述する)。
なお、本実施形態においては、前記バルブ101、前記燃料ガス供給源121、前記燃料ガス用加湿器122等により、燃料ガス供給手段を構成し、前記バルブ102、前記酸化ガス供給源131、前記酸化ガス用加湿器122等により、酸化ガス供給手段を構成し、前記温調水タンク141、前記温調器142、前記送給ポンプ143等により、温調手段を構成し、前記バルブ103,105等により、燃料ガス流通経路遮断手段を構成し、前記バルブ104,106等により、酸化ガス流通経路遮断手段を構成し、前記バルブ107、前記パージガス供給源151、前記マスフロー計152等により、パージガス供給手段を構成している。
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100の作動を次に説明する。
前記制御装置160に発電運転開始の指令が入力されると、当該制御装置160は、当該指令に基づいて、前記温調水タンク141内の前記温調水4が規定の温度となるように前記温調器142を制御すると共に、当該温調水タンク141内の当該温調水4を前記燃料電池本体110内へ送給するように前記送給ポンプ143を作動させる。これにより、上記温調水タンク141内の上記温調水4は、上記燃料電池本体110内を流通して当該燃料電池本体110内を温調した後、当該燃料電池本体110内から上記温調水タンク141内に戻されて、上記温調器142で規定の温度に再び温調されて再度送給される。
さらに、前記制御装置160は、上記指令に基づいて、前記バルブ101〜106を開放する(前記バルブ107は閉鎖状態)。これにより、燃料ガス供給源121からの燃料ガス1が、燃料ガス用加湿器122内の水3中でバブリングされて飽和状態にまで加湿された後、燃料電池本体110内に供給されると共に、酸化ガス供給源131からの酸化ガス2が、酸化ガス用加湿器132内の水3中でバブリングされて飽和状態にまで加湿された後、燃料電池本体110内に供給され、当該燃料電池本体110のスタックの各セルにおいて、上記燃料ガス1中の水素と上記酸化ガス2中の酸素とが電気化学的に反応して、当該燃料電池本体110から電力が得られる。
前記セルで前記反応に利用されずに残った使用済みの上記燃料ガス1及び上記酸化ガス2は、前記反応に伴って生じた水3と共に燃料電池本体110から送出され、前記気液分離器123,133で上記水3を分離回収された後、系外へ排出されて後処理される。
このようにして発電運転を行なって、前記制御装置160に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置160は、前記バルブ101,103を閉鎖するように当該バルブ101,103を制御して、前記ガス源121,131から前記燃料電池本体110への前記ガス1,2の供給を停止すると共に、前記温調器142及び前記送給ポンプ143を停止させるように当該温調器142及び当該送給ポンプ143を制御して、前記温調水タンク141内の前記温調水4の前記燃料電池本体110内への送給を停止する。
引き続き、前記制御装置160は、前記バルブ103,105を閉鎖するように当該バルブ103,105を制御して、前記燃料電池本体110内の燃料ガス1の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ107を開放するように当該バルブ107を制御して、前記パージガス供給源151から前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路にパージガス5を供給して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内から上記酸化ガス2をパージする。
このようにして前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路にパージガス5を所定流量供給して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内がパージガス5で置換される、すなわち、当該燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に存在する前記燃料ガス1中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内に存在する前記酸化ガス2中の酸素ガス量の割合が1/2以下になったら、前記制御装置160は、前記マスフロー計152からの信号に基づいて、前記バルブ104,106,107を閉鎖するように当該バルブ104,106,107を制御して、前記パージガス供給源151からのパージガス5の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路を封じ切る。
これにより、燃料電池本体110は、燃料ガス1の流通経路内が当該燃料ガス1の雰囲気になると共に、酸化ガス2の流通経路内が上記パージガス5の雰囲気になる、すなわち、燃料ガス1の流通経路内に存在する当該燃料ガス1中の水素ガス量に対して、酸化ガス2の流通経路内に存在する当該酸化ガス2中の酸素ガス量の割合が1/2以下になる、言い換えれば、酸化ガス2の流通経路内に存在する当該酸化ガス2中の酸素ガス量に対して、燃料ガス1の流通経路内に存在する当該燃料ガス1中の水素ガス量の割合が2倍以上になって、発電運転停止状態となる。
そして、前記制御装置160に発電運転開始の指令が入力されることにより、上述と同様にして発電運転が再び行なわれる。以下、上述した作動を繰り返すことにより、発電運転の停止及び開始が繰り返し行われる。
ここで、発電運転停止の際に、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内が前記パージガス5で置換され、燃料ガス1の流通経路内が当該燃料ガス1の雰囲気のままとしている、すなわち、燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に存在する当該燃料ガス1中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内に存在する当該酸化ガス2中の酸素ガス量の割合が1/2以下になる、言い換えれば、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内に存在する当該酸化ガス2中の酸素ガス量に対して、当該燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に存在する当該燃料ガス1中の水素ガス量の割合が2倍以上になっているので、発電運転再開の際に、燃料電池本体110の前記スタックの前記セルの性能劣化を大幅に抑制することができる。
この理由は、正確には明らかになっていないが、以下のように考えられる。
燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に燃料ガス1(水素ガス)が存在して、酸化ガス1の流通経路内に酸化ガス2(酸素ガス)が存在する状態で発電運転を停止すると、上記酸化ガス2(酸素ガス)は、セルの酸化極及び固体高分子電解質膜を徐々に透過して燃料極に到達し、その大部分が、当該燃料極側の水素ガスと触媒を介して接触して水となる一方、上記水素ガスと接触しなかった一部が燃料極にそのまま残存して、高酸素濃度部分を形成すると考えられる。
他方、上記燃料ガス1(水素ガス)も、上記酸化ガス2(酸素ガス)の場合と同様に、セルの燃料極及び固体高分子電解質膜を徐々に透過して酸化極に到達し、その大部分が、当該酸化極側の酸素ガスと触媒を介して接触して水となる一方、上記酸素ガスと接触しなかった一部が酸化極にそのまま残存して高水素濃度部分を形成すると考えられる。
このような状態で発電運転を再開して運転条件が整うと、燃料電池本体110のスタックのセル間が開回路電圧(Open Circuit Voltage:OCV)Vc(例えば、約1V)のときに、燃料極の高酸素濃度部分と他の部分(高水素濃度部分)との間に電位差ΔV1(例えば、約0.3V)が生じて、当該燃料極の高酸素濃度部分が、当該燃料極の他の部分(高水素濃度部分)の電位(標準電位Vs:0V)よりも高くなってしまうと考えられる。
他方、酸素極の高水素濃度部分と他の部分(高酸素濃度部分)との間にも電位差ΔV2(例えば、約0.3V)が生じて、当該酸化極の高水素濃度部分が、当該酸化極の他の部分(高酸素濃度部分)の電位(例えば、約1V)よりも低くなってしまうと考えられる。
このため、燃料極の上記高酸素濃度部分と対面する酸化極の部分は、上記開回路電圧Vc(例えば、約1V)よりも上記電位差ΔV1(例えば、約0.3V)だけ上昇した大きさの電圧Vc+ΔV1(例えば、約1.3V)となってしまうと考えられる。
他方、酸化極の上記高水素濃度部分と対面する燃料極の部分は、上記標準電位Vs(0V)よりも上記電位差ΔV2(例えば、約0.3V)だけ低下した大きさの電圧Vs−ΔV2(例えば、約−0.3V)となってしまうと考えられる。
このような状態を生じると、過剰電圧部分、すなわち、酸化極の上記高電圧部分(例えば、約1.3V)において、含有するカーボンが水と反応して二酸化炭素となって分解することや、含有する触媒(例えば、Pt等)がイオン化して溶出すること等のような電位腐食を起こして、前記セルが性能劣化してしまうと考えられる。
そのため、従来は、背景技術でも説明したように、燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側にパージガスを送給して、当該燃料電池本体の燃料極側の燃料ガス(水素ガス)を当該燃料極側から当該燃料電池本体の外部へパージすると共に、当該燃料電池本体の酸化極側の酸化ガス(酸素ガス)を当該酸化極側から当該燃料電池本体の外部へパージして、当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側を上記パージガスに置換しておくことにより、当該燃料電池本体内に残存する水素ガスや酸素ガスによる上記セルの性能劣化を抑制するようにしていた。
しかしながら、上述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、先に説明した通り、燃料電池本体の前記セルの性能劣化を十分に抑制しきれず、発電運転の停止と開始との繰り返しに伴って、燃料電池本体の電圧が次第に低下していた。
そこで、本発明者らが各種検討を鋭意行った結果、上述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、当該燃料極側のすべての水素ガス及び当該酸化極側のすべての酸素ガスが当該パージガスで置換されずに、ごく一部(約1%程度)がそれぞれ残留してしまい、その残留した酸素ガスが、上述したような問題を引き起こしていることが考えられた。
このような考えに基づき、本発明者らがさらなる検討を鋭意行った結果、燃料電池本体110の発電運転の停止の際に、燃料電池本体110の前記燃料ガス1の流通経路内に存在する水素ガスに対して、酸化ガス2の流通経路内に存在する酸素ガスを1/2以下とするように当該燃料電池本体110内にパージガス5を供給し、当該燃料電池本体110の当該燃料ガス1の流通経路及び酸化ガス2の流通経路を封じ切るようにすれば、当該燃料電池本体110の当該酸化極側に残留した酸素ガスが燃料極側に透過したとしても、当該燃料極側に存在する水素ガスと当該酸素ガスをほとんどすべて反応させて水にしてしまい、当該燃料極に形成されてしまう高酸素濃度部分を著しく低減できることを見出したのである。
つまり、水素ガスと酸素ガスとは、2:1の割合で反応して水を生成するものの、従来のようにパージすると、燃料電池本体110の内部に残留してしまう量がほとんど等しく(1:1)なってしまうことから、燃料電池本体110内は、残留した酸素ガスをすべて水にしてしまうだけの水素ガスが存在していないため、燃料極に高酸素濃度部分が形成されてしまっていたと考えられる。
これに対し、燃料電池本体110の前記燃料ガス1の流通経路内に存在する水素ガスに対して、酸化ガス2の流通経路内に存在する酸素ガスを1/2以下とするように当該燃料電池本体110内をパージすると、燃料電池本体110内は、残留した酸素ガスをすべて水にしてしまうだけの水素ガスが存在しているため、燃料極に形成される高酸素濃度部分が著しく減少できたと考えられる。
ここで、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100の効果を確認するために行った実証試験の結果を図2に示す。図2において、横軸は、発電運転の停止と開始を繰り返したときの発電運転停止回数を表し、縦軸は、燃料電池本体110の当初の電圧値に対して、発電運転停止回数が300回になったときの電圧値の変化比を「−1」とした場合の電圧変化比を表している。なお、比較のため、上述した従来の場合(燃料ガス及び酸化ガスの両方をすべてパージ)も行った。
図2からわかるように、従来の場合においては、発電運転停止回数が増えていくにしたがって、電圧変化比が次第に大きくなっていってしまうのに対し、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100においては、発電運転停止回数が増えても、電圧変化比がそれほど大きく変化しないことが確認できた。
したがって、本実施形態によれば、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制することができ、燃料電池本体110の電圧低下を大幅に抑制することができる。
[第二番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図3に基づいて説明する。図3は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図3に示すように、前記パージガス供給源151は、前記バルブ102と前記酸化ガス用加湿器132との間に前記マスフロー計152及び前記バルブ107を介して接続している。
なお、本実施形態においては、前記酸化ガス用加湿器132等により、酸化ガス加湿手段だけでなくパージガス加湿手段を兼ねるように構成している。
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして作動させることにより、発電運転を行うことができる。
そして、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記制御装置160に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置160は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ101,103を閉鎖するように当該バルブ101,103を制御して、前記ガス源121,131から前記燃料電池本体110への前記ガス1,2の供給を停止すると共に、前記温調器142及び前記送給ポンプ143を停止させるように当該温調器142及び当該送給ポンプ143を制御して、前記温調水タンク141内の前記温調水4の前記燃料電池本体110内への送給を停止する。
引き続き、前記制御装置160は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ103,105を閉鎖するように当該バルブ103,105を制御して、前記燃料電池本体110内の燃料ガス1の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ107を開放するように当該バルブ107を制御する。これにより、前記パージガス供給源151から前記酸化ガス用加湿器132にパージガス5が供給されて飽和状態にまで加湿された後、前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路に供給され、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内から上記酸化ガス2をパージする。
このようにして前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路に飽和状態にまで加湿したパージガス5を所定流量供給して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス5で置換されると、前記制御装置160は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記マスフロー計152からの信号に基づいて、前記バルブ104,106,107を閉鎖するように当該バルブ104,106,107を制御して、前記パージガス供給源151からのパージガス5の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路を封じ切る。
これにより、燃料電池本体110は、燃料ガス1の流通経路内が当該燃料ガス1の雰囲気になると共に、酸化ガス2の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス5の雰囲気になって、発電運転停止状態となる。
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100においては、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内を乾燥したパージガス5でパージするようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200においては、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内を飽和状態にまで加湿したパージガス5でパージするようにしたのである。
このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200においては、発電運転停止中における燃料電池本体110の前記スタックの前記セルの前記固体高分子電解質膜の乾燥を抑制することができる。
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態の場合よりも運転再開の際の立ち上げを迅速に行うことができると共に、前記セルの前記固体高分子電解質膜の劣化抑制をさらに確実に行うことができる。
[第三番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図4に基づいて説明する。図4は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。なお、前述した第一,二番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一,二番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一,二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図4に示すように、前記マスフロー計152は、制御手段である制御装置360の入力部に電気的に接続されている。この制御装置360の出力部には、前記バルブ101〜107、前記温調器142、前記送給ポンプ143がそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置360は、外部から入力された指令及び上記マスフロー計152からの信号に基づいて、前記バルブ101〜107、前記温調器142、前記送給ポンプ143をそれぞれ制御することができるようになっている(詳細は後述する)。
なお、本実施形態においては、前記温調水タンク141、前記温調器142、前記送給ポンプ143等により、温調手段を構成するだけでなくパージガス加湿手段も兼ねるように構成している。
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム300においては、前述した第一,二番目の実施形態の場合と同様にして作動させることにより、発電運転を行うことができる。
そして、前述した第一,二番目の実施形態の場合と同様に、前記制御装置360に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置360は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ101,103を閉鎖するように当該バルブ101,103を制御して、前記ガス源121,131から前記燃料電池本体110への前記ガス1,2の供給を停止する。そして、上記制御装置360は、前記温調水タンク141内の前記温調水4を室温にまで低下させるように前記温調器142を制御して、前記燃料電池本体110内を室温にまで急速に低下させる。
引き続き、前記制御装置360は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ103,105を閉鎖するように当該バルブ103,105を制御して、前記燃料電池本体110内の燃料ガス1の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ107を開放するように当該バルブ107を制御して、前記パージガス供給源151から前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路にパージガス5を供給して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内から上記酸化ガス2をパージする。
このとき、上記燃料電池本体110は、前記温調水4により室温にまで急速に冷却されることから、内部の飽和蒸気圧が低下して前記パージガス5が加湿されるようになる。
このようにして前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路に前記パージガス5を所定流量供給して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内が上記パージガス5で置換されると、前記制御装置160は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記マスフロー計152からの信号に基づいて、前記バルブ104,106,107を閉鎖するように当該バルブ104,106,107を制御して、前記パージガス供給源151からのパージガス5の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体110内の酸化ガス2の流通経路を封じ切った後、前記温調器142及び前記送給ポンプ143を停止させるように当該温調器142及び当該送給ポンプ143を制御して、前記温調水タンク141内の前記温調水4の前記燃料電池本体110内への送給を停止する。
これにより、燃料電池本体110は、燃料ガス1の流通経路内が当該燃料ガス1の雰囲気になると共に、酸化ガス2の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス5の雰囲気になって、発電運転停止状態となる。
つまり、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200においては、前記パージガス5を前記酸化ガス用加湿器132で加湿してから燃料電池本体110内に供給するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム300においては、前記燃料電池本体110内を温調水4で室温にまで急速に冷却することにより当該燃料電池本体110内の前記パージガス5を加湿するようにしたのである。
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、前述した第二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
[他の実施形態]
なお、前述した各実施形態においては、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内をパージガス5に置換すると共に、燃料ガス1の流通経路内を当該燃料ガス1の雰囲気のままとして、これらガス1,2の流通経路を封じ切るようにしたが、本発明はこれに限らず、燃料電池本体110の燃料ガス1の流通経路内に存在する前記燃料ガス1中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内に存在する前記酸化ガス2中の酸素ガス量の割合が1/2以下となるように当該燃料電池本体110の前記スタックの上記ガス1,2の流通経路にパージガス5を供給して、これらガス1,2の流通経路を封じ切るようにすれば、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を発現することができる。
具体的には、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内の酸化ガス2の半分だけをパージガス5に置換すると共に、燃料ガス1の流通経路内を当該燃料ガス1の雰囲気のままとして、これらガス1,2の流通経路を封じ切るようにすることや、燃料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内をパージガス5に置換すると共に、燃料ガス1の流通経路内の水素ガス濃度が2〜4%の範囲(爆発限界値以下)となるように当該燃料ガス1の流通経路内をパージガス5に置換して、これらガス1,2の流通経路を封じ切るようにすることも可能である。
しかしながら、前述した各実施形態の場合のように、料電池本体110の酸化ガス2の流通経路内をパージガス5で置換すると共に、燃料ガス1の流通経路内を当該燃料ガス1の雰囲気のままとして、これらガス1,2の流通経路を封じ切るようにすれば、前述した効果を最も確実に得ることが最も簡単にできるので、実用上、非常に好ましい。
また、前述した第二番目の実施形態では、前記バルブ102と酸化ガス用加湿器132との間にマスフロー計152及び前記バルブ107を介してパージガス供給源151を接続することにより、パージガス5を加湿して燃料電池本体110の酸化極側に供給するようにした、すなわち、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにしたが、他の実施形態として、例えば、パージガス供給源151と燃料電池本体110の酸化ガス受入口との間にパージガス用加湿器を別途設ける、すなわち、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とをそれぞれ別個に設けることも可能である。しかしながら、前述した第二番目の実施形態のように、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにすると、設置スペースの削減を図ることができるので、非常に好ましい。
また、前述した第二番目の実施形態では、燃料電池本体110の酸化極側に供給するパージガス5を加湿するようにしたが、他の実施形態として、例えば、加湿したパージガス5を燃料電池本体110の燃料極側にも供給する場合には、前記バルブ101と燃料ガス用加湿器122との間にマスフロー計及びバルブ等を別途介して前記パージガス供給源151を接続する、すなわち、燃料ガス加湿手段でもパージガス加湿手段を兼ねるようにすることにより対応可能となる。
このとき、上述と同様に、パージガス供給源151と燃料電池本体110の燃料ガス受入口との間にパージガス用加湿器を別途設ける、すなわち、燃料ガス加湿手段とパージガス加湿手段とをそれぞれ別個に設けることも可能である。この場合には、パージガス供給源151からのパージガス5を独立した単一のパージガス加湿手段で加湿して燃料電池本体110の燃料ガス受入口及び酸化ガス受入口にそれぞれ分流して送給すると、設置スペースの削減を図ることができるので、好ましい。しかしながら、燃料ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにすると、設置スペースの削減をさらに図ることができるので、非常に好ましい。
なお、前記パージガス5としては、灯油や天然ガス等の炭化水素系燃料を空気や酸素と共に燃焼させて発生した燃焼排ガス(二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガス)や、窒素ガスやヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガス等を利用することができる。
また、前記燃料ガス1としては、灯油や天然ガス等の炭化水素系燃料を水と共に改質させて(水蒸気改質反応)水素リッチにした改質ガスや、水素ガスそのものを利用することができ、前記酸化ガス2としては、空気や酸素ガスそのものを利用することができる。
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の要部の概略構成図である。 第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システムの効果を確認するために行った実証試験の結果を表すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の要部の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の要部の概略構成図である。
符号の説明
1 燃料ガス
2 酸化ガス
3 水
4 温調水
5 パージガス
100 固体高分子形燃料電池発電システム
101〜107 バルブ
110 燃料電池本体
121 燃料ガス供給源
122 燃料ガス用加湿器
123 燃料ガス用気液分離器
131 酸化料ガス供給源
132 酸化ガス用加湿器
133 酸化ガス用気液分離器
141 温調水タンク
142 温調器
143 送給ポンプ
151 パージガス供給源
152 マスフロー計
160 制御装置
200 固体高分子形燃料電池発電システム
300 固体高分子形燃料電池発電システム
360 制御装置

Claims (5)

  1. 固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体と、
    前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記燃料極側に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
    を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該燃料ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路を封じ切る燃料ガス流通経路遮断手段と、
    前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該酸化ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路を封じ切る酸化ガス流通経路遮断手段と、
    前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路及び前記燃料ガスの流通経路の少なくとも前記酸化ガスの流通経路に不活性なパージガスを供給するパージガス供給手段と、
    前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、前記燃料電池本体への前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化ガス供給手段を制御すると共に、当該燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路内に存在する前記水素に対して、前記酸化ガスの流通経路内に存在する前記酸素を1/2以下とするように前記パージガス供給手段を制御して当該燃料電池本体に前記パージガスを供給し、当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路及び当該酸化ガスの流通経路を封じ切るように前記燃料ガス流通経路遮断手段及び前記酸化ガス流通経路遮断手段を制御する制御手段と
    を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  2. 請求項1に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記パージガスを加湿するパージガス加湿手段を備えている
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  3. 請求項2に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記パージガス加湿手段が、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段及び前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段の少なくとも前記酸化ガス加湿手段と兼ねられている
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  4. 請求項2に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記パージガス加湿手段が、前記燃料電池本体を温調する温調手段であり、
    前記制御手段が、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、さらに、前記燃料電池本体を冷却するように前記温調手段を制御するものである
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
    前記パージガス供給手段が、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路のみに前記パージガスを供給するものであり、
    前記制御手段が、前記パージガス供給手段から前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路に前記パージガスを供給して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路内を前記パージガスに置換するように当該パージガス供給手段を制御するものである
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
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