(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池発電システムにおいて、頻繁な起動停止に伴う電池材料の劣化を抑制する。【解決手段】発電部から排出されるオフガスと供給ガスを加湿材料を介して接触させ、供給ガスに水蒸気を添加する加湿部と冷却水による冷却機能を有する発電部とを連結した燃料電池において冷却水が流れる冷却水ラインを分岐した冷却水の一部が少なくともアノードライン，カソードラインに接続されていることを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード，カソード，電解質およびセパレータから基本構成を成す燃料電池単セルが複数セル積層されかつ冷却機能を有する発電部と、発電部から排出されるオフガスと供給ガスを加湿材料を介して接触させ供給ガスに水蒸気を添加する加湿部とを連結した燃料電池において冷却水が流れる冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がアノードもしくはカソードガスラインに接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部が、発電部を構成する各セルのアノードもしくはカソードオフガスが集合した集合部から加湿部の発電部オフガス入口部の間に位置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
アノードもしくはカソードガスラインに接続する一部の冷却水について、その温度を制御可能とする調節機構を設けたことを特徴とする請求項１，２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部に流量調節弁を有し、少なくとも発電部電圧，発電部負荷電流，発電部温度，供給ガス種類およびガス流量の一つの信号から該弁の開閉を判断する機構を備えたことを特徴とする請求項１〜３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を用いた発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池，固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣと略する），アルカリ型燃料電池に大別される。
【０００３】
これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能なため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。
【０００４】
ＰＥＦＣの電解質には、膜厚数十から百数十μｍのイオン交換膜を用いる。イオン交換膜は、主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルホン酸基を有する側鎖が結合した構造が一般的である。イオン交換膜はプロトン伝導性を有するが、そのためには膜材料に水分を含有せねばならない。これは、スルホン酸基が材料内でクラスター構造をとり、クラスター同士がチャネルによって連結しチャネル内をプロトン（Ｈ３Ｏ＋）が伝導することによるものである。よって本材料がプロトン伝導性を示すためには、水の存在が必須である。
【０００５】
そのため、ＰＥＦＣを用いた発電システムにおいて、電池を動作させる際には供給するガスに電解質を加湿させるための水分を含有させる方式が一般的である。ＰＥＦＣ発電時は、その化学反応により水が生成するが、電解質を湿潤させるには十分でないため外部からの水分を全く供給しないシステムを構築させるのは現在のところ困難である。
【０００６】
電池へ供給するガスを加湿させるための手段としては、バブラー方式や材料透過方式が挙げられる。このうちバブラー方式は熱ロスや設置スペースの問題から、小型高効率電源システムの加湿器としては採用が難しい。よって、水透過材料を用いたガス加湿方式が広く用いられている。これは、水透過材料を介して加湿流体と被加湿流体を流し、水分圧の差を駆動力として水分子が被加湿流体に移動する特性を利用して加湿を行う方式である。
【０００７】
加湿流体に水を用いると、透過材料を移動した水が被加湿流体との接触面で蒸発し、蒸発熱が奪われる。そのため、加湿流体として温度の高い水を用いたほうが高加湿を実現できる。これらのことから、電池に供給するガスを加湿するための加湿器として水透過材料を介して、加湿流体に電池冷却水を、被加湿流体に乾燥ガスを用いるシステムが報告されている。
【０００８】
しかし、電源システムとして電力に加えて熱（温水）も供給する、いわゆる熱電併給を行う場合、本加湿方式では発生した熱の一部を加湿器の蒸発熱によって消費されてしまうために総合効率が低下する課題があった。
【０００９】
そこで、加湿流体として、電池の熱を熱交換した冷却水ではなく、カソード排ガス（オフガス）を用いる方法が提案されている。発電に伴い、発生する水は理論上カソード上で生じるため、この方式ではその水を加湿に利用する。本方式の報告例の一つとして、特開平６−１３２０３８号が挙げられる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−１３２０３８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、オフガスを利用する加湿方式では、発電していない場合、すなわち電池起動時のウオーミングアップ中、または電池停止時のクールダウン中に供給するガスに対する加湿が不十分となったり、全く加湿を行えなかったりする問題があった。とくに、電源システムを電力や温水の供給状態によって停止させるシーケンスの場合、起動／停止の回数が増えるため、これに伴う供給ガスの加湿不足は電解質材料の劣化を招き、電池を短命化させる主要因の一つになっていた。本発明の目的は、頻繁なシステム起動停止に対しても劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、発電部から排出されるオフガスと供給ガスを加湿材料を介して接触させ、供給ガスに水蒸気を添加する加湿部と冷却水による冷却機能を有する発電部とを連結した燃料電池において冷却水が流れる冷却水ラインを分岐した冷却水の一部が少なくともアノードライン，カソードラインに接続されている構造を提案している。
【００１３】
本構造では供給ガスへの加湿が不十分となる電池の起動／停止時に冷却水ラインからの水を加湿流体であるオフガスに添加し、加湿流体の水分圧を向上させ、被加湿流体である電池供給ガスの加湿度を十分なものにすることができる。
【００１４】
また、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部が、発電部を構成する各セルのアノードもしくはカソードオフガスが集合した集合部から加湿部の発電部オフガス入口部の間に位置する構造を提案している。
【００１５】
本構造では、冷却水ラインから分岐した冷却水が直接電池に供給されず、加湿器により水蒸気として供給ガスへ加湿することが可能となる。ＰＥＦＣでは液体の水が電池内部の電極反応部近傍に存在すると、反応種である酸素（空気）あるいは水素の拡散が阻害されて電池性能が急激に劣化する場合がある。このため本構造の通り、供給ガスに水蒸気の形で添加する加湿形態をとりえることは、電池性能安定化のために有効である。なお、請求項２における冷却水とガスラインが接続する接続部は、各セルの排ガスが集合した集合部から下流側に設定すればよく、例えば発電部と加湿部が一体化した形態においても発電部を流れる排ガスマニホールド構造部に外部から直接水インジェクターを取り付ければ同様の効果が得られるのは自明である。
【００１６】
また、アノードもしくはカソードガスラインに接続する一部の冷却水について、その温度を制御可能とする調節機構を設けた構造について提案している。
【００１７】
本構造によれば、加湿流体の温度を任意に制御でき加湿流体中の水分圧を増加できることから、湿器における被加湿流体中の加湿量も効果的に増加することが出来、電解質材料の加湿不足による劣化を大幅に抑制することが可能となる。温度を制御する方法としては冷却水を直接加熱するヒーターやセンサーおよび温度調節器などによっても良いし、電池の熱を回収し高温となった冷却水をバッファタンク等にリザーブしておき、必要に応じて低温の冷却水と混合し温度調節を行って用いても良い。
【００１８】
また、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部に流量調節弁を有し、少なくとも発電部電圧，発電部負荷電流，発電部温度，供給ガス種類およびガス流量の一つの信号から該弁の開閉を判断する機構を備えた構造を提案している。
【００１９】
本構造によれば起動／停止に伴う電池および加湿部の状況を各種センサーによって制御部が加湿不足か否かを判断し、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がガスラインに接続する接続部の弁によって水量を適時最適にコントロールすることが可能となるため、電解質の加湿不足の状況が殆ど生じなく、結果電池の劣化を極めて小さくすることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
本発明に係わる実施例１の燃料電池システム構成を図１に示す。図１における燃料電池発電部１は水素リッチガスを供給するためのアノードガスラインが接続されており、アノードガスはアノードガス流量調節器３により所定量に制限されている。さらに、酸素を含むガスを供給するためのカソードガスラインも接続されており、その供給量はカソードガス流量調節器４で制御されている。流量を制御されたカソードガスは加湿部２においてその内部に配置された水透過材料表面より水蒸気を添加され、発電部１のカソードに導入される。発電部１でカソードガス中の酸素は電極反応に消費されるが、反応に与らなかったガスはオフガスとして発電部より排出される。このとき、カソードオフガスには反応生成水が加わるため、水蒸気を多く含んだ状態にある。このカソードオフガスは加湿器２に供給され、加湿器内に配置されている水透過材料に接触し、含有している水分を水透過材料に受け渡した後、加湿部出口より放出される。
【００２２】
電池内で生じる電極反応は発熱反応であるため電池は高温になる。電池の構成材料のひとつである電解質膜は高温状態で劣化するため、冷却手段が必要になる。本システムでは冷却水を循環させて冷却する水冷方式を採用している。前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は５の水量調節器１によりその水量を制御され、発電部に供給されている。冷却水は発電部で熱交換を行った後一部が分岐され、６の水量調節器２でその流量を制御された後、発電部に供給されるカソードガスに添加される。
【００２３】
（実施例２）
本発明に係わる実施例２の燃料電池システム構成を図２に示す。本システムでは、前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は５の水量調節器１によりその水量を制御され、発電部に供給されている。ここで冷却水は発電部におけるカソードガスの集合部よりもガス流れで下流側に位置し、加湿部オフガス入口部よりも上流側に接続されている。本システムにおける他の構成は実施例１に準じている。
【００２４】
（実施例３）
本発明に係わる実施例３の燃料電池システム構成を図３に示す。本システムでは、６の水量調節器２によりその水量を制御され、加湿部２に供給される冷却水分岐ラインに温度制御ヒーターを装備している。本システムにおける他の構成は実施例２に準じている。
【００２５】
（実施例４）
本発明に係わる実施例４の燃料電池システム構成を図４に示す。本システムでは、その水量を制御し、加湿部２に供給する冷却水分岐ラインに設置された６の水量調節器２に関し、その水量を自動的に制御する水量調節器１が接続されている。水量調節器２は発電部温度信号線１４により発電部温度を、発電部電圧信号線１５により発電部の電圧を、負荷信号線１３により負荷検出器１１の負荷値を、加湿部温度信号線１７により加湿部２の温度を、流量信号線１６により供給ガス流量をそれぞれモニタリングし、少なくとも一つの信号を基に電池電解質材料の劣化を抑制するための必要となる水量を求め、その流量を確保するべく水量調節器２を制御している。本システムにおける他の構成は実施例３に準じている。
【００２６】
（比較例）
比較例の燃料電池システム構成を図５に示す。図５における燃料電池発電部１は水素リッチガスを供給するためのアノードガスラインが接続されており、アノードガスはアノードガス流量調節器３により所定量に制限されている。さらに、酸素を含むガスを供給するためのカソードガスラインも接続されており、その供給量はカソードガス流量調節器４で制御されている。流量を制御されたカソードガスは加湿部２においてその内部に配置された加湿膜表面より水蒸気を添加され、発電部１のカソードに導入される。発電部１でカソードガス中の酸素は電極反応に消費されるが、反応に与らなかったガスはオフガスとして発電部より排出される。このとき、カソードオフガスには反応生成水が加わるため、水蒸気を多く含んだ状態にある。このカソードオフガスは加湿器２に供給され、加湿器内に配置されている水透過材料に接触し、含有している水分を水透過材料に受け渡した後、加湿部出口より放出される。
【００２７】
電池内で生じる電極反応は発熱反応であるため電池は高温になる。電池の構成材料のひとつである電解質膜は高温状態で劣化するため、冷却手段が必要になる。本システムでは冷却水を循環させて冷却する水冷方式を採用している。前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は５の水量調節器１によりその水量を制御され、発電部に供給されている。
【００２８】
上記の実施例，比較例に示したシステムを基本構造とする積層数６０セル、出力０．８ｋＷ  の燃料電池発電システムを製作し、発電試験を行った。発電は典型的な一般家庭の電力使用パターンを参考とし、毎日２４時にシステムを停止、６時にシステムを起動する運転モードを採用した。発電パターンは６時から９時まで、１１時から１５時まで、１８時から２１時までが１００％の負荷量で、そのほかは５０％負荷で発電を行った。このパターンを２ヶ月実施し、電池の開回路電圧（ＯＣＶ），電極面積あたりの電流値が０．３３Ａ／ｃｍ２時の電池電圧，発電部を構成している各単位電池の電圧ばらつきを比較した。図６にその結果を示す。
【００２９】
比較例は初期のセルあたり平均ＯＣＶが９９０ｍＶから試験後では９４０ｍＶと、５０ｍＶの低下が見られた。０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧は初期の７２０ｍＶから６５０ｍＶへ７０ｍＶ低下した。このときの各単位電圧のばらつきは±１５ｍＶであった。本比較例において試験後の電池性能が劣化した要因としては、システム起動時および停止時に発電部に供給する絶対水分量が不足し、電解質材料の劣化が進行する結果、内部抵抗の増加や膜のガスセパレート性低下が引き起こされたためと考えられる。
【００３０】
実施例１はＯＣＶの試験後の低下は−３０ｍＶであり、０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧は初期の７２０ｍＶから６７０ｍＶへ５０ｍＶ低下した。各単位電池のばらつきは±２５ｍＶであった。実施例１は比較例よりもＯＣＶおよび０．３３Ａ／ｃｍ２  時の平均電池電圧値で劣化の抑制が確認された。これはシステム起動時および停止時に発電部に供給する絶対水分量の不足が緩和されるためと考えられる。電圧ばらつきが大きいことは、冷却水分岐ラインを発電部よりもガス流れで上流側に接続したため、液体の水が発電部に供給され、電池内でガスチャネルを閉塞させるため電極反応に寄与するガスの拡散の妨げになり（フラッディング）、一時的に電圧が低下する現象によるものと考えられる。
【００３１】
実施例２はＯＣＶの試験後の低下は−２０ｍＶであり、０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧は初期の７２０ｍＶから７００ｍＶへ２０ｍＶ低下した。各単位電池のばらつきは±１６ｍＶであった。実施例２は実施例１に比較しＯＣＶおよび０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧値で劣化の抑制が確認された。さらに電圧ばらつきが改善されている。これは、実施例２に示される構造では、冷却水ラインから分岐した冷却水が直接電池に供給されず、加湿器により加湿膜を介して水蒸気として供給ガスへ加湿することが可能となり、フラッディングを抑制できるためと考えられる。
【００３２】
実施例３ではＯＣＶの試験後の低下は−２ｍＶであり、０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧は初期の７２０ｍＶから７１０ｍＶへ１０ｍＶ低下した。各単位電池のばらつきは±５ｍＶであった。実施例３は実施例２に比較しＯＣＶおよび０．３３Ａ／ｃｍ２  時の平均電池電圧値、および電圧ばらつきでさらに改善が可能となった。これは、加湿部に供給される冷却水の温度がヒーターにより任意に制御でき、加湿器における加湿流体のエネルギーを増加できることから、水透過材料を透過する水分量を増大できるため被加湿流体中の加湿量も効果的に増加させることが可能となる。その結果電解質材料の加湿不足による劣化を大幅に抑制することが可能となったためと考えられる。
【００３３】
実施例４ではＯＣＶの試験後の低下は−０．５ｍＶ  であり、０．３３Ａ／ｃｍ２時の平均電池電圧は初期値と同等であった。各単位電池のばらつきは±３ｍＶへの抑制が可能となった。これは本構造がシステムの起動／停止に伴う発電部および加湿部の状況を各種センサーによって制御部が加湿不足か否かを判断し、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がガスラインに接続する部分の調整器によって水量を適時最適、自動的にきめ細かくコントロールすることが可能となるため、電解質の加湿不足を招くことが無く、結果電池の劣化を極めて小さくすることが可能となるためと考えられる。
【００３４】
本実施内容では主としてカソード側の排ガスを利用した試験を行った。しかし、供給するアノードガスも電解質の乾燥防止のためあらかじめ水分が添加されていること、また発電に伴い生じる生成水はその一部が電解質膜を透過してアノードガスに添加されることから、アノードオフガスにも水分は十分に含有されている。また、本提案構造はアノードとカソードに同じく適用できるため、カソードに限らず、アノード側への構造にも用いることができることは言うまでもない。
【００３５】
燃料電池を用いた電源システムとして電力に加えて熱（温水）も供給する、いわゆる熱電併給を行う場合、総合効率を向上させるため、加湿流体として、電池排ガス（オフガス）を利用する方法が提案されている。この方式は、発電していない場合すなわち電池起動時のウオーミングアップ中、または電池停止時のクールダウン中に供給するガスに対する加湿が不十分となったり、全く加湿を行えなかったりする問題があり、その結果供給ガスへの加湿が不足して電解質材料の劣化を招き、電池を短命化させていた。本発明によれば、システムのウオーミングアップ中、またはクールダウンにおいて電池冷却水を利用して効果的に電解質材料を湿潤できるので、頻繁なシステム起動停止に対しても劣化がごく少ない燃料電池発電システムを提供できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により頻繁なシステムの起動停止に対しても劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる実施例１の発電システム構成の一部を示す図である。
【図２】本発明に関わる実施例２の発電システム構成の一部を示す図である。
【図３】本発明に関わる実施例３の発電システム構成の一部を示す図である。
【図４】本発明に関わる実施例４の発電システム構成の一部を示す図である。
【図５】比較例における発電システム構成の一部を示す図である。
【図６】実施例および比較例の試験前後の性能を示した図である。
【符号の説明】
１…発電部、２…加湿部、３…アノードガス流量調節器、４…カソードガス流量調節器、５…水量調節器１、６…水量調節器２、７…ヒーター、１１…負荷検出器、１２…制御器、１３…負荷信号線、１４…発電部温度信号線、１５…発電部電圧信号線、１６…流量信号線、１７…加湿部温度信号線。
【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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