(57)【要約】【課題】簡単な構成で燃料電池内に残存する水素を消費し、窒素で充填する。【解決手段】燃料電池１０であって、燃料電池スタック１００と、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２１０と、前記燃料電池スタックから燃料排ガスを排出するための燃料排ガス排出管２２０と、を含む燃料ガス側配管と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給管３１０と、前記燃料電池スタックから酸化排ガスを排出するための酸化排ガス排出管３２０と、を含む酸化ガス側配と、前記燃料ガス側配管と、前記酸化ガス側配管と、の間に配置され、前記燃料電池の運転停止時に、燃料ガス側の残存水素を酸化ガス中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガス中の窒素を燃料ガス側に透過させて、前記燃料電池スタック内に窒素を充填するガス交換部４００と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を酸化ガスとして用いる燃料電池であって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、前記燃料電池スタックから燃料排ガスを排出するための燃料排ガス排出管と、を含む燃料ガス側配管と、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給管と、前記燃料電池スタックから酸化排ガスを排出するための酸化排ガス排出管と、を含む酸化ガス側配管と、
前記燃料ガス側配管と、前記酸化ガス側配管と、の間に配置され、前記燃料電池の運転停止時に、燃料ガス側の残存水素を酸化ガス中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガス中の窒素を燃料ガス側に透過させて、前記燃料電池スタック内に窒素を充填するガス交換部と、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ガス交換部は、
前記燃料ガス側配管と接続される第１の部屋と、
前記酸化ガス側配管と接続される第２の部屋と、
前記第１と前記第２の部屋の境界部に配置される膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置される触媒と、
を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記ガス交換部の電解質膜のガス透過性は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜のガス透過性よりも大きい、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記ガス交換部の電解質膜の膜厚は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜の膜厚よりも薄い、燃料電池。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記ガス交換部の電解質膜の密度は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜の密度よりも小さい、燃料電池。
【請求項６】
燃料電池であって、
複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記各セルに燃料ガスを分配しするための燃料ガスマニホールドと、
前記各セルに酸化ガスを分配するための酸化ガスマニホールドと、
前記燃料ガスマニホールと前記酸化ガスマニホールドの境界に設けられたガス交換部であって、前記燃料電池の運転停止時に、燃料ガスマニホールドの残存水素を酸化ガスマニホールドの空気中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガスマニホールドの窒素を燃料ガスマニホールドに透過させることにより、前記燃料電池スタック内に窒素を充填するガス交換部と、
を備える、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池停止時における燃料電池内への窒素の充填に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と空気中の酸素とを反応させて、発電を行っており、燃料電池を停止した時には、燃料電池スタック内に水素が残存している。燃料電池の停止中に燃料電池スタック内の一部に水素が残存していると、異常電位が生じ、燃料電池が劣化する可能性がある。このような燃料電池の劣化を抑制するために、空気から反応部で酸素を除去した窒素を用いて、燃料電池内に残存する水素を置換するものが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−７８１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の方法では、燃料電池停止後もポンプを駆動して空気を反応部に送るため、エネルギー効率が悪いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決し、簡単な構成で燃料電池内に残存する水素を消費し、窒素で充填することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
空気を酸化ガスとして用いる燃料電池であって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、前記燃料電池スタックから燃料排ガスを排出するための燃料排ガス排出管と、を含む燃料ガス側配管と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給管と、前記燃料電池スタックから酸化排ガスを排出するための酸化排ガス排出管と、を含む酸化ガス側配管と、前記燃料ガス側配管と、前記酸化ガス側配管と、の間に配置され、前記燃料電池の運転停止時に、燃料ガス側の残存水素を酸化ガス中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガス中の窒素を燃料ガス側に透過させて、前記燃料電池スタック内に窒素を充填するガス交換部と、を備える、燃料電池。
この適用例によれば、燃料ガス側の管と酸化ガス側の管の間にガス交換部を設けるという簡単な構成で、燃料電池の運転停止時に、燃料ガス側の残存水素を酸化ガス中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガス中の窒素を燃料ガス側に透過させて、燃料電池スタック内に窒素を充填することができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記ガス交換部は、前記燃料ガス側配管と接続される第１の部屋と、前記酸化ガス側配管と接続される第２の部屋と、前記第１と前記第２の部屋の境界部に配置される膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置される触媒と、を有する、燃料電池。
第２の適用例によれば、残存水素を消費することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池において、前記ガス交換部の電解質膜のガス透過性は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜のガス透過性よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、燃料電池スタック内に充填する窒素を、主としてガス交換部から供給することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
請求項３に記載の燃料電池において、前記ガス交換部の電解質膜の膜厚は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜の膜厚よりも薄い、燃料電池。
この適用例によれば、ガス交換部の電解質膜のガス透過性を、燃料電池スタックに用いられている電解質膜のガス透過性よりも大きくすることが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
請求項３に記載の燃料電池において、前記ガス交換部の電解質膜の密度は、前記燃料電池スタックに用いられている電解質膜の密度よりも小さい、燃料電池。
この適用例によれば、ガス交換部の電解質膜のガス透過性を、燃料電池スタックに用いられている電解質膜のガス透過性よりも大きくすることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
燃料電池であって、複数のセルを有する燃料電池スタックと、前記各セルに燃料ガスを分配しするための燃料ガスマニホールドと、前記各セルに酸化ガスを分配するための酸化ガスマニホールドと、前記燃料ガスマニホールと前記酸化ガスマニホールドの境界に設けられたガス交換部であって、前記燃料電池の運転停止時に、燃料ガスマニホールドの残存水素を酸化ガスマニホールドの空気中の酸素と反応させて消費するとともに、酸化ガスマニホールドの窒素を燃料ガスマニホールドに透過させることにより、前記燃料電池スタック内に窒素を充填するガス交換部と、を備える、燃料電池。
この適用例によれば、マニホールドがガス交換機能を有しているので、別途ガス交換部を設けなくてもよい。
【００１３】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池内に水素置換方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例を示す説明図である。
【図２】ガス交換部の構成を示す説明図である。
【図３】ガス交換部の他の接続例を示す説明図である。
【図４】ガス交換部の他の接続例を示す説明図である。
【図５】ガス交換部の他の接続例を示す説明図である。
【図６】第２の実施例を示す説明図である。
【図７】第３の実施例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、第１の実施例を示す説明図である。第１の実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料タンク２００と、エアーコンプレッサ３００と、ガス交換部４００と、を備える。
【００１６】
本実施例では、燃料ガスとして、水素を用いており、燃料タンク２００は水素を貯蔵している。燃料電池スタック１００と燃料タンク２００とは、燃料ガス供給管２１０により接続されている。燃料ガス供給管２１０には、燃料ガスの燃料電池スタック１００への供給量を調整するためのバルブ２３０が設けられている。燃料電池スタック１００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排出管２２０が接続されている。燃料ガス排出管２２０には、燃料電池スタック１００内の水素圧を調整するためバルブ２４０が設けられている。
【００１７】
エアーコンプレッサ３００は、大気中から取り入れられた空気を圧縮し、燃料電池スタック１００に供給するために用いられる。燃料電池スタック１００とエアーコンプレッサ３００とは、酸化ガス供給管３１０により接続されている。燃料電池スタック１００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排出管３２０が接続されている。
【００１８】
ガス交換部４００は、燃料ガス排出管２２０と、酸化ガス排出管３２０とに接続されている。図２は、ガス交換部の構成を示す説明図である。ガス交換部４００は、第１の部屋４１０と第２の部屋４２０とを備える。第１の部屋４１０は、燃料ガス排出管２２０と接続され、第２の部屋４２０は、酸化ガス排出管３２０と接続されている。第１の部屋４１０と、第２の部屋４２０との間には、電解質膜４３０が設けられている。
【００１９】
電解質膜４３０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂を用いることができる。すなわち、電解質膜４３０は、燃料電池スタック１００のセル（図示せず）に用いられている電解質膜と同じ材料であってもよい。ただし、電解質膜４３０は、燃料電池スタック１００で用いられている電解質膜よりもガス透過性が大きいことが好ましい。そのため、電解質膜４３０は、燃料電池スタック１００で用いられている電解質膜よりも、膜厚が薄くてもよく、また、密度が小さくてもよい。
【００２０】
電解質膜４３０の両面には、触媒４３１が設けられている。触媒４３１として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることができる。これらの触媒４３１は、例えばカーボンなどの担持体に担持されていてもよく、また、担持体に担持されていない白金ブラックであってもよい。
【００２１】
燃料電池システム１０（図１）の停止時には、バルブ２３０が閉じられ、燃料ガスの燃料電池スタックへの供給が停止する。このとき、バルブ２４０も閉じられることが好ましい。これにより、燃料ガス供給管２１０、燃料ガス排出管２２０、及び第１の部屋４１０（図２）は閉じた空間となる。
【００２２】
図２に示すように、燃料ガス排出管２２０及び第１の部屋４１０内には水素ガスが存在している。一方、酸化ガス排出管３２０及び第２の部屋４２０には空気が存在している。電解質膜４３０の第１の部屋４１０側表面において、水素は、触媒により電気化学反応を起こし、プロトンと電子とが生じる。生じたプロトンは、電解質膜４３０の中を第２の部屋４２０側に移動し、電解質膜４３０の第１の部屋４１０側表面において触媒により空気中の酸素と電気化学反応を起こす。電子は、電極や負荷（図２には図示せず）により、電流として外部に取り出される。第１の部屋４１０には、燃料ガス排出管２２０や、燃料電池スタック１００に残存する水素が供給される。これにより、第１の部屋４１０や、燃料ガス供給管２１０、燃料ガス排出管２２０に残留する水素が消費される。
【００２３】
本実施例では、ガス交換部４００内部では、燃料電池スタックと同様の電気化学反応を起こさせているが、燃焼反応を起こさせてもよい。燃焼反応の場合には、生じたエネルギーにより、ガス交換部４００が発熱するが、電極や負荷を備えなくてもよい。一方、電気化学反応の場合には、生じた電気エネルギーを、外部の負荷で消費することが可能となるので、ガス交換部４００の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００２４】
窒素は、分圧の差により、第２の部屋４２０から、電解質膜４３０を通り、第１の部屋４１０に移動する。これにより、第１の部屋４１０中に窒素が充填される。窒素は、第１の部屋４１０から燃料ガス排出管２２０を通り、燃料電池スタック１００に充填される。なお、酸素との反応により第１の部屋４１０や燃料電池スタック１００から水素が存在しなくなると、酸素は、電解質膜４３０を通り、第１の部屋や燃料電池スタック１００のアノード側に移動する、しかし、第１の部屋や燃料電池スタック１００のアノード側に水素が存在しないため、燃料電池スタック１００内に異常な電位が発生することを抑制することが可能となる。
【００２５】
このように、本実施例によれば、ガス交換部４００を用いるという簡単な構成で、燃料電池内の残存水素を消費することが出来ると共に、空気中の窒素で燃料電池スタック１００内を充填することができる。燃料電池内の残存水素が消費されるので、燃料電池内に異常な電位が発生することを抑制することが可能となる。
【００２６】
図３〜５は、ガス交換部の他の接続例を示す説明図である。図３に示す例では、ガス交換部４００は、燃料ガス供給管２１０と酸化ガス供給管３１０とに接続されている。図４に示す例では、ガス交換部４００は、燃料ガス供給管２１０と酸化ガス排出管３２０とに接続されている。図５に示す例では、ガス交換部４００は、燃料ガス排出管２２０と酸化ガス供給管３１０とに接続されている。このように、ガス交換部４００に接続される管については、様々な組み合わせが可能である。
【００２７】
図６は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例は、燃料電池スタック１００の外部に、燃料ガスや酸化ガスを燃料電池スタック１００の各セル１１０に分配するマニホールド５００と、各セルからの排ガスを集めるマニホールド５５０と、を備えている。第２の実施例では、マニホールド５００、あるいはマニホールド５５０が、ガス交換部能を有している。
【００２８】
図６（Ｂ）は、マニホールド５００の断面を示す説明図である。マニホールド５００は、燃料ガスの分配に用いられる第１の部屋５１０と、酸化ガスの分配に用いられる第２の部屋５２０を備えている。第１の部屋５１０と、第２の部屋５２０の間には、電解質膜５３０が設けられている。マニホールド５００は、燃料ガスや酸化ガスを各セルに分配するとともに、第１の実施例で説明したガス交換部４００の機能を備えている。
【００２９】
以上、第２の実施例によれば、マニホールド５００にガス交換部の機能を持たせることにより、簡単な構成で、燃料電池内の残存水素を消費することが出来ると共に、空気中の窒素で燃料電池スタック１００内を充填することができる。なお、本実施例では、反応ガスを供給するマニホールド５００にガス交換部の機能を持たせているが、各セルからの排ガスを集めるマニホールド５５０にガス交換部の機能を持たせてもよい。
【００３０】
図７は、第３の実施例を示す説明図である。第３の実施例は、ガス交換部４００を燃料ガス循環系の燃料電池システムに適用したものである。第３の実施例では、燃料ガス排出管２２０は、燃料ガス供給管２１０に接続されている。なお、燃料ガス排出管２２０上には、ポンプ２５０が配置されている。ガス交換部４００は、バルブ２６０、３３０を介して、燃料ガス排出管２２０、酸化ガス排出管３２０に接続されている。バルブ２６０、３３０は、燃料電池システム１０が通常運転している時には、閉じた状態にし、燃料電池システム１０が停止した後に開くようにすることが好ましい。こうすれば、燃料電池システム１０が停止した後にのみ、ガス交換部４００を機能させることができる。なお、このときの動作は、第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。また、バルブ３３０は、省略可能である。
【００３１】
以上のように、第３の実施例においても、簡単な構成で、燃料電池内の残存水素を消費することが出来ると共に、空気中の窒素で燃料電池スタック１００内を充填することができる。
【００３２】
なお、第１の実施例においても、第３の実施例と同様に、ガス交換部４００を、バルブ２６０、３３０を介して、燃料ガス排出管２２０、酸化ガス排出管３２０に接続してもよい。
【００３３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…セル
２００…燃料タンク
２１０…燃料ガス供給管
２２０…燃料ガス排出管
２３０…バルブ
２４０…バルブ
２５０…ポンプ
２６０…バルブ
３００…エアーコンプレッサ
３１０…酸化ガス供給管
３２０…酸化ガス排出管
３３０…バルブ
４００…ガス交換部
４１０…第１の部屋
４２０…第２の部屋
４３０…電解質膜
４３１…触媒
５００…マニホールド
５１０…第１の部屋
５２０…第２の部屋
５３０…電解質膜
５５０…マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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