(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルが複数接続されたスタックを備えた発電装置において、
前記複数の燃料電池セルの燃料極間を直列に接続し、各セルの燃料極を順次水素が流れるよう形成された水素流路と、
前記空気極に空気を供給する空気導入ラインと、
前記水素流路の端部に接続され、該水素流路からの排出ガスを前記空気極に導入可能とするための閉ラインと、
前記閉ラインに設けられたバルブ手段と、
燃料電池の発電時に前記バルブ手段を間欠的に開くことにより前記水素流路からの排出ガスを前記閉ラインを介して前記空気極に導入し、排出量に応じた量の水素が燃料極に供給されるようにするためのバルブ制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定手段をさらに有し、前記バルブ制御手段は、前記出力電圧が低下したときに、前記バルブ手段を開けるよう制御することを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記バルブ制御手段は、前記バルブ手段を閉として燃料電池を運転したときの出力電圧低下が生じるまでの時間間隔のデータを予め作成しておき、この時間間隔に基づき前記バルブ手段を開とするように制御することを特徴とする請求項２の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記バルブ制御手段は、前記バルブ手段を閉として起動運転して発電を開始した後、所定の周期で所定時間間欠的に前記バルブ手段を開いて水素極から空気極に水素を供給して燃焼させることを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子固体電解質型燃料電池またはリン酸型燃料電池等の燃料電池は水素を燃料ガスとして利用し、これを酸化剤ガスである酸素と電気化学的に反応させて発電している。
【０００３】
従来技術においては、水素ガスとして水素ボンベからの純水素が一般に用いられており、この水素ガスを燃料電池スタックの各セルに並列的に分配供給するように構成されている。
【０００４】
また、特に高分子固体電解質型燃料電池においては、安定した電池性能を得るためには高分子固体電解質膜を所定の湿潤状態に維持することが必要とされ、このために、水素ガスをバブリング装置等で加湿した後に燃料極に供給して、燃料極側から電解質膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によるときは、発電反応後に残存する余剰水素ガスを燃料電池から系外に排出していた。しかしながら、このような水素ガスのいわば垂れ流しは、水素ガスの利用効率の面で好ましくないだけでなく、燃料電池が電気自動車の駆動源として利用される場合には、ガレージや地下駐車場等の空気循環の悪い空間に水素を排出することとなり、爆発の危険がある。
【０００６】
余剰水素ガスを燃料電池から排出させないようにシステム構成することは可能であるが、この場合には燃料ガス中の窒素や水蒸気の分圧が徐々に上昇し、相対的に水素分圧が減少するため、発電性能が劣化する。
【０００７】
また、加湿された水素ガスが燃料電池の燃料極に供給される場合、特に運転開始時等においてセル温度が供給される水素ガスよりも低いときに、水素ガス中の水蒸気がスタック内で凝結し、この水滴が燃料極におけるガス流路を閉塞し、出力電圧を低下させるという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、水素ガスを外気に放出しないクローズドシステムを採用することにより安全性および水素の利用効率を向上させ、しかも安定した発電性能を維持することのできる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
すなわち請求項１に係る本発明は、固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルが複数接続されたスタックを備えた発電装置において、前記複数の燃料電池セルの燃料極間を直列に接続し、各セルの燃料極を順次水素が流れるよう形成された水素流路と、前記空気極に空気を供給する空気導入ラインと、前記水素流路の端部に接続され、該水素流路からの排出ガスを前記空気極に導入可能とするための閉ラインと、前記閉ラインに設けられたバルブ手段と、燃料電池の発電時に前記バルブ手段を間欠的に開くことにより前記水素流路からの排出ガスを前記閉ラインを介して前記空気極に導入し、排出量に応じた量の水素が燃料極に供給されるようにするためのバルブ制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
ここに閉ラインとは、バルブ手段以外には出口のない流路を意味している。したがって、燃料極から排出された燃料極排出ガスは、バルブ手段が開とされることにより空気極に供給され、その排出量に応じた量の新たな燃料ガスが水素供給源から燃料極に供給される。
【００１１】
請求項２に係る本発明は、請求項１記載の燃料電池発電装置において、燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定手段をさらに有し、前記バルブ制御手段は、前記出力電圧が低下したときに、前記バルブ手段を開けるよう制御する。
【００１２】
請求項３に係る本発明は、請求項２記載の燃料電池発電装置において、前記バルブ制御手段は、前記バルブ手段を閉として燃料電池を運転したときの出力電圧低下が生じるまでの時間間隔のデータを予め作成しておき、この時間間隔に基づき前記バルブ手段を開とするように制御する。
【００１３】
請求項４に係る本発明は、請求項１記載の燃料電池発電装置において、前記バルブ制御手段は、前記バルブ手段を閉として起動運転して発電を開始した後、所定の周期で所定時間間欠的に前記バルブ手段を開いて水素極から空気極に水素を供給して燃焼させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による燃料電池発電装置の構成例を示す概略図であり、燃料電池スタック１の燃料極２には水素ガスボンベ５からの純水素ガスが調圧弁６を介して供給されるとともに、空気極３には酸化剤ガスとしての酸素が供給される。公知のように、燃料極２で得られる水素イオンがプロトンの形態で電解質４中を空気極３へと伝達されることにより発電が行われる。
【００１５】
燃料極２に供給された水素ガスは、発電反応に利用されて消費されるが、なお残存する未消費の余剰水素ガスは閉ライン７を流れてバルブ８を介して空気極３に導入される。
【００１６】
空気極３に導入された水素ガスは、空気触媒（Ｐｔ）上で燃焼して水に転化する。これにより、電解質４に高分子固体イオン交換膜が用いられる高分子固体電解質型燃料電池の場合に、空気極３での通常の電池反応による生成水および余剰水素ガスの燃焼による回収水が、水の濃度差により、水濃度が希薄である電解質膜４に向けて流れるため、電解質膜４が加湿される。
【００１７】
すなわち、高分子固体電解質膜４の加湿を、従来の燃料極２側からの加湿に加えて空気極３側から行うことができ、あるいは空気極３側からのみ行うことも可能となる。燃料極２側からの加湿を行わない場合には、燃料極２に供給する水素ガス中に水蒸気を導入して加湿する必要がなくなるため、水素ガスの利用効率が更に向上され且つ安定される。
【００１８】
燃料電池１の出力電圧は電圧計９で監視される。制御装置１０は、後述のようにして、調圧弁６およびバルブ８の開閉および開度を制御する。
【００１９】
図１に示される燃料電池発電装置の運転について説明すると、まず起動時には、バルブ８を閉に保持し、調圧弁６で爆発限界以下の一定の流速で水素が燃料極２に供給されるよう微調整する。
【００２０】
バルブ８を閉とした状態で燃料電池１を運転すると、水素ガス中に微量含まれる窒素および水蒸気の分圧が徐々に上昇する。すなわち、燃料極２で消費される水素の分圧は反対に徐々に低下するため、これに伴って出力電圧も低下し、安定した出力が得られなくなる。
【００２１】
そこで、バルブ８を閉とした状態で燃料電池１を運転したときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測しておき、その時間間隔と実質的に同一または若干短い周期でバルブ８を開とするように、バルブ８を間欠的に開閉制御しながら、燃料電池１を運転する。
【００２２】
あるいは、制御装置１０は、出力電圧を常時監視する電圧計９からの入力データを解析して、出力電圧の低下開始と同時にバルブ８を一定時間開とするように制御してもよい。
【００２３】
閉ライン７においてバルブ８が開とされると、その排出量に応じた量の水素が水素ボンベ５から調圧弁６による所定圧力にて燃料極２に供給される。すなわち、バルブ８の間欠的開放に伴って水素が燃料極２に間欠的に供給されることになる。
【００２４】
燃料電池スタック１における各セル間の水素流路は、図４に模式的に示されるように、直列に接続される。このため、燃料電池運転中または運転開始時に、スタック１の燃料極２で結露した水分を排出させることができる。また、電池反応により生成される炭化水素系等の不純物も、閉ライン７上のバルブ８を開くことにより、系外に排出される。
【００２５】
さらに、燃料電池の運転停止時には窒素ガス等の不活性ガスで水素流路をパージすることが行われているが、水素流路を直列とすることにより、起動時にこのパージガスが短時間で水素と置換されるため、起動性が向上する。
【００２６】
図２は本発明の他の実施例による燃料電池発電装置の構成を示し、図１の実施例が水素ガスボンベ５からの純水素ガスを燃料ガスとして供給するのに対して、水／メタノール混合液等の改質原料を改質器１２にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンク１３に貯留しておいて、調圧弁６を介して燃料極２に供給するものである。
【００２７】
この実施例による燃料電池発電装置の運転方法も図１に関連して前述したところと同様であるので説明を省略するが、改質ガスを燃料ガスとして用いる場合には水素ガス以外に水蒸気、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素等が比較的多量に含まれており、バルブ８を閉として燃料電池１を運転するときの水素分圧低下およびそれに起因する出力電圧低下が比較的短時間に開始されるため、閉とされているバルブ８を開とするまでの周期を短く設定する必要がある。
【００２８】
図３は図１または図２に示す実施例の変形として、空気極３から排出される排出ガスを空気極３に循環させる循環流路として構成した実施例を示す。このような構成は、電解質４として高分子固体電解質膜が用いられ、且つ、この電解質膜に対する加湿を専ら空気極３側から行う場合に好適に採用される。
【００２９】
すなわち、空気極３からの排出ガスは空気排出ライン１４に送り込まれるが、この空気排出ライン１４は空気導入ライン１５に合流して循環路１６を形成しているため、電池反応により空気極３で生成される反応生成水を含む排出ガスを空気極３に導入して、電解質膜３を加湿することが可能とされる。
【００３０】
循環路１６に接続して排気バルブ１７が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうちの排気バルブ１７の開度に応じた一定量が系外に排出され、残量は循環路１６および空気導入ライン１５を介して空気極３に再導入される。排気バルブ１７の開度は、燃料電池１に最適な水バランス条件を与えるよう、前述の制御装置１０により制御される。
【００３１】
このような構成によれば、バルブ８が開のときに閉ライン７を通って空気極３に導入される水素ガスが空気触媒上で燃焼することにより生成される水に加えて、循環路１６を経て空気極３に再導入される排気ガス中に含まれる反応生成水が空気極３において水分として存在し、これが水濃度差により電解質膜４に浸透して燃料極２側へと移動し、さらに燃料極２側に移動した水分は電気浸透水として空気極３側へと移動することとなり、これら水分の往復移動によって電解質膜４の加湿が効率的且つ平均的に行われる。このため、燃料極２側からの加湿は不要となり、燃料ガス自体を加湿する必要がないため、水素分圧を高め、発電効率の向上を図ることができる。
【００３２】
また、別法として、バルブ８の開度を任意の開度に保持し、調圧弁６で爆発限界以下の一定の流速で水素が燃料極２に供給されるよう微調整してもよく、また、間欠的にその開度を一定時間増加させてもよい。
【００３３】
この場合、バルブ８を任意の開度とした状態で燃料電池１を運転したときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測しておき、その時間間隔と実質的に同一または若干短い周期でバルブ８を開とするように、バルブ８の開度を間欠的に一定時間増加させる。この制御方法によるときは、バルブ８の開度を増加させる周期は比較的長くなる。
【００３４】
なお、図１ないし図３に示す実施例においては、いずれも、バルブ８が開とされたときに燃料極２から閉ループライン７を通じて送り込まれる余剰水素ガスが、酸素とは別の経路で空気極３に導入されるように図示されているが、この余剰水素ガスを酸素導入ラインに合流させるように構成してもよい。特に、空気極３に隣接して設けられる空気供給用マニホールド（図示せず）に余剰水素ガスを導入して空気（酸素）と共に空気極３に導入するよう構成することが、構成の簡略化および小型化の上で好ましい。
【００３５】
また、水素供給源として、水素ボンベ５や改質ガスタンク１３のほか、水素吸蔵合金を用いることができる。水素吸蔵合金とは発熱反応により水素を吸蔵し、吸熱反応により水素を放出する合金であり、ＬａＮｉ5、ＴｉＦｅ、ＺｒＭｎ2、Ｍｇ2Ｎｉ等の二元合金が代表的なものである。ＬａＮｉ5の場合には、５０〜８０℃程度に加熱されると、ＬａＮｉ5Ｈ6→ＬａＮｉ5＋３Ｈ2の吸熱反応により１時間当たり約３００リットルの水素ガスを放出する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電池反応において未消費の余剰水素ガスを燃料極より外気に放出することなく、燃料電池発電装置の系内において消費するため、きわめて安全性が高く、特に電気自動車の駆動源として搭載するに適している。
【００３７】
また、燃料極に供給する燃料ガス中の水蒸気や窒素等、水素以外の成分の分圧増加が抑制され、燃料ガス中の水素利用効率が向上し、且つ安定化する。
【００３８】
さらに、高分子固体イオン交換膜を電解質に用いる高分子固体電解質型燃料電池においては、空気極に導入される余剰水素ガスが空気触媒上で燃焼して水に転化し、これを利用して電解質膜を加湿することができるため、燃料極側からの加湿が不要となる。したがって、燃料ガス中の水素分圧を高め、発電効率の向上および安定化により一層寄与することができる。
【００３９】
また、スタック内におけるセル間の水素流路が直列とされるため、結露水や不純物、さらにはパージガスを短時間で円滑に排除することができ、安定した出力を確保すると共に起動性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の変形例による燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】本発明のさらに別の実施例による燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図４】燃料電池スタック内におけるセル間の直列水素流路を示す模式図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料極
３  空気極
４  電解質
５  水素ガスボンベ
６  調圧弁
７  閉ライン
８  バルブ
９  電圧計
１０  制御装置
１２  改質器
１３  改質ガスタンク
１４  空気排出ライン
１５  空気導入ライン
１６  循環路
１７  バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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