(57)【要約】【課題】電解質の保温に起因して輸送コストが増大することを抑制でき、かつ、常設後に燃料電池発電装置の運転を速やかに開始することができる燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】図１に示す燃料電池発電装置は、燃料電池積層体１００、電気ヒータ１４０、化学反応発熱部１５０、及び化学反応制御部を備える。化学反応制御部は、ポンプ制御部２００、バッテリー２１０、及びポンプ２３０を有している。燃料電池積層体１００は、空気極、電解質層、及び燃料極を積層した構造を有している。電気ヒータ１４０は、燃料電池積層体１００の電解質層を保温する。化学反応発熱部１５０は、化学反応により電解質層を保温する。化学反応制御部は、電気ヒータ１４０への通電の有無を監視し、通電が中断したことを検出したときに、化学反応発熱部１５０で化学反応を生じさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極、電解質層、及び燃料極を積層した燃料電池積層体と、
前記電解質層を保温する電気ヒータと、
化学反応により前記電解質層を保温する化学反応発熱部と、
前記電気ヒータへの通電の有無を監視し、前記通電が中断したことを検出したときに、前記化学反応発熱部で前記化学反応を生じさせる化学反応制御部と、
を備える燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記化学反応は金属の酸化反応であり、
前記化学反応発熱部は内部に金属粉を保持している燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記化学反応制御部は、
前記電気ヒータへの通電の有無を監視し、前記通電が中断したことを検出したときに前記化学反応発熱部の内部に酸素含有気体を送る酸素搬送部を備える燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池発電装置において、
前記酸素搬送部は、
前記酸素含有気体である空気を前記化学反応発熱部の内部に送るポンプと、
前記ポンプを制御するポンプ制御部と、
前記ポンプに電力を供給するバッテリーと、
を備え、
前記ポンプ制御部は、前記電気ヒータへの通電の有無を監視し、前記通電が中断したことを検出したときに、前記バッテリーを電源として前記ポンプを稼動させる燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池積層体の温度を測定する温度測定部を備え、
前記酸素搬送部は、前記酸素含有気体の搬送を開始した後、前記温度測定部の測定結果に基づいて、前記化学反応発熱部への前記酸素含有気体の供給を制御する燃料電池発電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池積層体及び前記化学反応発熱部を収容する搬送用の収容部を備える燃料電池発電装置。
【請求項７】
空気極、電解質層、及び燃料極を積層した燃料電池積層体を有する燃料電池発電装置に、前記電解質層を保温する電気ヒータ、及び化学反応により前記電解質層を保温する化学反応発熱部を設け、
前記電気ヒータへ通電することにより、前記電解質層を保温しておき、
前記電気ヒータへの通電が中断したときに、前記化学反応発熱部で前記化学反応を生じさせることにより、前記電解質層を保温する燃料電池発電装置の保温方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池発電装置の保温方法において、
前記化学反応は金属の酸化反応であり、
前記化学反応発熱部は金属粉を保持している燃料電池発電装置の保温方法。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池発電装置の保温方法において、
前記燃料電池発電装置に、前記化学反応発熱部に空気を送るポンプと、前記ポンプに電力を供給するバッテリーとを設け、
前記通電が中断したときに、前記バッテリーを電源として前記ポンプを駆動させる燃料電池発電装置の保温方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池発電装置に、前記燃料電池積層体の温度を測定する温度測定部と、前記通電が中断したときに前記ポンプを駆動させるポンプ制御部とを設け、
前記ポンプ制御部が、前記ポンプを駆動させた後、前記温度測定部の測定結果に基づいて、前記ポンプを制御して前記化学反応発熱部への空気の供給を制御する燃料電池発電装置の保温方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池が有する電解質層が凍結することを防止する燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の保温方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一種であるりん酸形燃料電池は、電解質層にリン酸を保持している。そして、反応ガスとしての燃料ガス（例えば、水素）および酸化剤ガス（例えば、空気）が燃料極および空気極に連続的に供給されることにより、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する。りん酸形燃料電池を用いた発電装置は、発電を停止している間に、電解質であるリン酸が凍結して体積が膨張し、これによりリン酸を保持する多孔体のマトリックスが破損する可能性がある。このため、発電を停止している間、たとえば発電装置や周辺設備の工事や保守を行っている間や、発電装置を輸送している間は、電解質層を保温する必要がある。
【０００３】
例えば特許文献１には、燃料電池積層体の上下締付け部材やマニホールドに電気ヒータを設けて、外部電源により保温することにより、燃料電池積層体の温度低下を防ぐ方法が提案されている。また特許文献２には、外部電源からの電力供給が中断したときに電気ヒータへの通電を継続するために、バッテリーを設けることが開示されている。また特許文献３には、燃料電池の冷却水を加熱して循環させ、燃料電池の冷却板を介して燃料電池積層体へ熱を供給することにより、燃料電池積層体の温度の低下を防ぐ方法が提案されている。また特許文献４には、燃料電池の発電を停止する際、リン酸を加湿してリン酸濃度を低下させてリン酸の凍結温度を下げることにより、周囲温度が低下しても燃料電池内のリン酸が凍結しないようにする方法が開示されている。
【特許文献１】特開２０００-２７７１３５号公報
【特許文献２】特開２００６-３３８９７４号公報
【特許文献３】特開２００５-１８３２３７号公報
【特許文献４】特開平９-２９３５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電気ヒータで燃料電池積層体を加熱する場合、外部から電力が供給されない間の燃料電池積層体の温度低下を抑制するためには、特許文献２に記載するようにバッテリーを設ける必要がある。しかしこの場合は、バッテリーの容量を一定以上確保する必要があるため、バッテリーが大型化して輸送コストが高くなる。
【０００５】
燃料電池の冷却水を加熱して循環させる方法は、常設後の燃料電池発電装置が停止している間に燃料電池積層体を保温する方法としては好適である。しかし、輸送中の保温に適用するためには、冷却水を過熱するための熱源を設ける必要がある。この熱源は、例えば電気ヒータであるため、上記した問題が生じてしまう。
【０００６】
また、リン酸濃度を調整して凍結温度を周囲環境温度以下にする場合、低濃度となったリン酸を運転に適した濃度に復帰させるためにはリン酸内の水分を蒸発させる必要があるため、設置後に燃料電池発電装置の運転を速やかに開始することはできない。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質の保温に起因して輸送コストが増大することを抑制でき、かつ、常設後に燃料電池発電装置の運転を速やかに開始することができる燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の保温方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、空気極、電解質層、及び燃料極を積層した燃料電池積層体と、
前記電解質層を保温する電気ヒータと、
化学反応により前記電解質層を保温する化学反応発熱部と、
前記電気ヒータへの通電の有無を監視し、前記通電が中断したことを検出したときに、前記化学反応発熱部で前記化学反応を生じさせる化学反応制御部と、
を備える燃料電池発電装置が提供される。
【０００９】
本発明によれば、空気極、電解質層、及び燃料極を積層した燃料電池積層体を有する燃料電池発電装置に、前記電解質層を保温する電気ヒータ、及び化学反応により前記電解質層を保温する化学反応発熱部を設け、
前記電気ヒータへ通電することにより、前記電解質層を保温しておき、
前記電気ヒータへの通電が中断したときに、前記化学反応発熱部で前記化学反応を生じさせることにより、前記電解質層を保温する燃料電池発電装置の保温方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電解質の保温に起因して輸送コストが増大することを抑制でき、かつ、設置後に燃料電池発電装置の運転を速やかに開始することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１２】
図１は、第１の実施形態における燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、燃料電池積層体１００、電気ヒータ１４０、化学反応発熱部１５０、及び化学反応制御部を備える。本図に示す例において化学反応制御部は、ポンプ制御部２００、バッテリー２１０、及びポンプ２３０を有している。燃料電池積層体１００は、空気極、電解質層、及び燃料極を積層した構造を有している。電気ヒータ１４０は、燃料電池積層体の電解質層を保温する。化学反応発熱部１５０は、化学反応により電解質層を保温する。化学反応制御部は、電気ヒータ１４０への通電の有無を監視し、通電が中断したことを検出したときに、化学反応発熱部１５０で化学反応を生じさせる。以下、詳細に説明する。
【００１３】
燃料電池発電装置は、複数の燃料電池積層体１００を有している。複数の燃料電池積層体１００は、上締付板１３０及び下締付板１３２の間で締め付けられて一体化している。一体化した複数の燃料電池積層体１００の側面には、燃料ガスを燃料電池積層体１００に供給する燃料マニホールド１１０、及び空気を燃料電池積層体１００に供給する空気マニホールド１２０が取り付けられている。
【００１４】
燃料マニホールド１１０、空気マニホールド１２０、上締付板１３０、及び下締付板１３２には、電気ヒータ１４０が複数取り付けられている。電気ヒータ１４０は、燃料電池発電装置の外部電源４００から電力を供給されることにより発熱し、燃料マニホールド１１０、空気マニホールド１２０、上締付板１３０、又は下締付板１３２を介して燃料電池積層体１００の電解質層を保温する。電気ヒータ１４０は、例えばラバーヒータや平板ヒータであり、燃料マニホールド１１０等に密着しやすい形状を有している。
【００１５】
燃料マニホールド１１０、空気マニホールド１２０、上締付板１３０、及び下締付板１３２には、さらに化学反応発熱部１５０が複数取り付けられている。化学反応発熱部１５０は、化学反応により発熱し、燃料マニホールド１１０、空気マニホールド１２０、上締付板１３０、又は下締付板１３２を介して燃料電池積層体１００の電解質層を保温する。本実施形態において、化学反応は金属（例えば鉄）の酸化反応であり、化学反応発熱部１５０は金属粉、たとえば鉄粉を保持している。
【００１６】
化学反応発熱部１５０は、密閉容器または密閉袋であり、内部に化学反応を起こす物質を保持している。化学反応発熱部１５０の内部雰囲気は、保持されている物質と反応しない気体（例えば鉄粉が保持されている場合は窒素や二酸化炭素）で置換されている。化学反応発熱部１５０は、燃料マニホールド１１０等に密着しやすい形状を有している。なお、化学反応発熱部１５０は、例えば熱伝導性のよい材料（例えばステンレスなどの金属）で形成されているが、耐熱樹脂製であってもよい。また化学反応発熱部１５０が密閉袋である場合は、ポリテトラフルオロエチレン製シート、又はガラス繊維基材のシリコーンゴム引きシートで形成されていてもよい。
【００１７】
本実施形態において、燃料電池発電装置は、化学反応を制御する機構として、化学反応発熱部１５０に酸素含有気体を送る酸素搬送部を備える。本実施形態において酸素搬送部は、空気を送るポンプ２３０、ポンプ２３０を制御するポンプ制御部２００、及びポンプに電力を供給するバッテリー２１０を備える。ポンプ制御部２００は、電気ヒータ１４０への通電の有無を監視し、通電が中断したことを検出したときに、バッテリー２１０を電源としてポンプ２３０を駆動させる。本実施形態においてポンプ制御部２００は、バッテリー２１０とポンプ２３０の間に設けられたスイッチ２２０を制御することにより、ポンプ２３０の駆動開始及び停止を制御する。ポンプ制御部２００は、また、外部電源４００と電気ヒータ１４０の間に設けられたスイッチ４１０を制御することにより、電気ヒータ１４０への電力の供給を制御し、かつ電気ヒータ１４０への電力の供給を監視する。
【００１８】
ポンプ２３０によって送り出された空気は、配管２４０及びバルブ２５０を介して化学反応発熱部１５０に供給され、その後、バルブ２６０を介して化学反応発熱部１５０から排気される。バルブ２５０，２６０は電磁弁を有している。これら電磁弁は、ポンプ制御部２００によって制御されている。すなわちポンプ制御部２００は、ポンプ２３０を停止している間は電磁弁を閉じておき、ポンプ２３０を動作させている間は電磁弁を開いておく。
【００１９】
また本実施形態では、上記した各部のうち、ポンプ制御部２００、バッテリー２１０、スイッチ２２０，４１０、及びポンプ２３０を除いて、搬送用の断熱ケース３００（収容部）に収容されている。
【００２０】
なお、化学反応発熱部１５０、バッテリー２１０、ポンプ２３０、配管２４０、並びにバルブ２５０，２６０は、燃料電池発電装置が常設された後は、燃料電池発電装置から取り外されるのが好ましい。
【００２１】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態において、外部電源４００から電気ヒータ１４０に電力が供給されている間、燃料電池積層体１００の電解質層は電気ヒータ１４０によって保温されている。そして、例えば車両や船舶に燃料電池発電装置を乗せかえるときなど、外部電源から電気ヒータ１４０に電力が供給されなくなると、電気ヒータ１４０の代わりに化学反応発熱部１５０で化学反応が生じて発熱が生じる。具体的には、ポンプ制御部２００は、スイッチ４１０を切断した場合、スイッチ２２０をＯＮにして、バッテリー２１０からポンプ２３０に電力を供給し、かつバルブ２５０，２６０の電磁弁を開にする。すると化学反応発熱部１５０には空気が供給される。化学反応発熱部１５０には鉄粉が保持されているため、化学反応発熱部１５０では鉄の酸化反応が生じ、反応熱が生じる。そしてこの熱によって燃料電池積層体１００の電解質層が保温される。
【００２２】
従って、車両や船舶による輸送中において電気ヒータ１４０への電力供給が中断したときでも、燃料電池積層体１００の保温を自動で継続することができる。また化学反応発熱部１５０、バッテリー２１０、ポンプ２３０、配管２４０、並びにバルブ２５０，２６０に必要なコストは少ないため、輸送コストの増大を抑制することができる。また燃料電池積層体１００を含めて発電に必要な部材に手を加える必要が無いため、常設後に燃料電池発電装置の運転を速やかに開始することができる。
【００２３】
特に、化学反応として鉄の酸化反応を用いた場合、反応の継続時間が長いため、保温効果を長く得ることができる。また最高温度が適温であるため、燃料電池積層体１００の品質が劣化しない。また、副生成物がないため、燃料電池発電装置の取り扱いが容易になる。
【００２４】
また化学反応発熱部１５０では、ポンプ２３０によって空気が供給されることにより鉄の酸化反応が生じる。従って、一旦化学反応発熱部１５０において化学反応が生じても、ポンプ制御部２００がポンプ２３０を停止させ、かつバルブ２５０，２６０の電磁バルブを閉じることにより、化学反応を中断させることができる。さらにその後、ポンプ制御部２００がポンプ２３０を再稼動させ、かつバルブ２５０，２６０を開くと、化学反応が再開し、これにより化学反応発熱部１５０による保温を再開することができる。従って、電気ヒータ１４０への電力の供給が断続的である場合においても、電気ヒータ１４０への電力の供給が中断している間は、化学反応発熱部１５０が燃料電池積層体１００の電解質層を保温することができる。
【００２５】
また、本実施形態においてバッテリー２１０はポンプ２３０を動作させるために必要な容量を有していればよいため、バッテリー２１０から電気ヒータ１４０に電力を供給して保温する場合と比較して、バッテリー２１０を小型化することができる。
【００２６】
なお、本実施形態及び後述する各実施形態において、酸素搬送部は、酸素含有気体を高圧で保持するボンベ、ボンベと化学反応発熱部１５０を接続する配管、この配管に設けられたバルブ、及びバルブの開閉を制御する制御部から構成されていても良い。この場合、制御部は、ポンプ制御部２００と同様に、スイッチ４１０を切断した場合、バルブを開いて化学反応発熱部１５０に酸素含有気体を供給する。
【００２７】
また、化学反応は、生石灰又はアルミニウムと水との反応であってもよい。この場合、化学反応発熱部１５０は生石灰又はアルミニウムを保持しておき、ポンプ２３０が水または霧状の水を含有する気体を搬送する。
【００２８】
図２は、第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、燃料電池積層体１００の温度を測定する温度測定部２７０を備える点、及びポンプ制御部２００が、ポンプを駆動させた後、温度測定部２７０の測定結果に基づいて、ポンプ２３０を制御して化学反応発熱部１５０への空気の供給を制御する点を除いて、第１の実施形態にかかる燃料電池発電装置と同様の構成である。ポンプ制御部２００は、例えば温度測定部２７０の測定結果が一定の温度になるように、ポンプ２３０を制御する。具体的には、ポンプ制御部２００は、スイッチ２２０のオンオフを制御することで、化学反応発熱部１５０への空気の供給を制御してもよいし、ポンプ２３０に供給される電流量を制御して、化学反応発熱部１５０に供給される空気の量を制御してもよい。
【００２９】
本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また化学反応発熱部１５０に過剰に空気が供給されて化学反応が過剰な速度で進行することを抑制できるため、化学反応発熱部１５０による保温可能時間を長くすることができる。
【００３０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００ 燃料電池積層体
１１０ 燃料マニホールド
１２０ 空気マニホールド
１３０ 上締付板
１３２ 下締付板
１４０ 電気ヒータ
１５０ 化学反応発熱部
２００ ポンプ制御部
２１０ バッテリー
２２０ スイッチ
２３０ ポンプ
２４０ 配管
２５０ バルブ
２６０ バルブ
２７０ 温度測定部
３００ 断熱ケース
４００ 外部電源
４１０ スイッチ
【図１】
2010073450.tif 000003
【図２】
2010073450.tif 000004