(57)【要約】【課題】運転停止時に、燃料極に水を封入する方法において、水の供給動力を必要とせず、簡便かつ安全に停止、保管する固体高分子形燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】固体高分子膜３１を挟んで燃料極３２および空気極３３を備えた固体高分子形燃料電池の運転方法において、燃料電池の運転停止時に、前記燃料極に通じる配管上に設けられた燃料ガス入口弁１１および出口弁１２を閉じ、燃料電池の温度低下および燃料ガスの消費によって燃料極内の圧力の減少に伴い発生する負圧力によって、燃料電池外部の純水タンク４から燃料極３２のガス流路内に純水を導入して運転を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を挟んで燃料極および空気極を備えた固体高分子形燃料電池の運転方法において、燃料電池の運転停止時に、前記燃料極に通じる配管上に設けられた燃料ガス入口弁および出口弁を閉じ、燃料電池の温度低下および燃料ガスの消費によって燃料極内の圧力の減少に伴い発生する負圧力によって、燃料電池外部から燃料極ガス流路内に純水を吸引導入して運転を停止することを特徴とする固体高分子形燃料電池の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記純水を導入する際、前記空気極における空気入口弁および出口弁の少なくとも一方は開とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池の運転方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の運転方法において、前記純水は純粋タンクから供給して導入し、前記純粋タンク内の水位は、少なくとも前記燃料極より高い位置とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子膜を挟んで燃料極および空気極を備えた固体高分子形燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電装置は単セルを多数積層した電池スタツクと、それに反応ガス（水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガスあるいは空気）を必要量供給するためのガス供給装置、および制御装置を基本として構成される。酸化剤ガスは一般にブロワ等により送られる空気を用いる。定置型の用途においては、一般に燃料として都市ガスやLPGなどのガスまたは灯油やナフサ等の液体燃料が原燃料として使用され、発電装置に組み込まれた燃料改質系機器を用いて得られた改質ガス（水素を主成分とするガス）を電池スタックに供給する。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の電解質膜には、一般にパーフルオロスルホン酸の膜が使用される。パーフルオロスルホン酸電解質膜は、膜中の含水率が高く維持されないとイオン伝導度が低下し、発電出力が低下する。そのため電池スタツクに供給する反応ガスの水蒸気分圧を予め高くして導入する。反応ガス中の水蒸気分圧を高める（加湿する）ために、通常、反応ガスを加湿器を介して供給する。固体高分子電解質膜の両面には、電極、拡散層を配し、ガス流通溝を備えたセパレータで挟み単セルが構成されている。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示された、従来の一般的な固体高分子電解質形燃料電池のシステム構成を示す概略図であり、部番を一部変更して示す。図５について、特許文献１の記載を引用して以下に説明する。即ち、
「燃料供給装置１１ａは、燃料側加湿器１２ａを通してアノード極１３に連結されている。酸化剤供給装置１４ａは、酸化剤側加湿器１５ａを通してカソード極１６に連結されている。イオン交換膜からなる電解質１７は、前記アノード極１３およびカソード極１６の間に介在されている。不活性ガス供給装置１８は、前記燃料供給装置１１ａと前記燃料側加湿器１２ａの間、前記酸化剤供給装置１４ａと前記酸化剤側加湿器１５ａの間の配管にそれぞれ配管を介して連結されている。」
「また、２つの第１仕切弁１９ａ、１９ｂは、前記燃料供給装置１１ａおよび前記酸化剤供給装置１４ａの下流側の配管にそれぞれ介装されている。２つの第２仕切弁２０ａ、２０ｂは、前記燃料側加湿器１２ａおよび酸化剤側加湿器１５ａの下流側の配管にそれぞれ介装されている。２つの第３仕切弁２１ａ、２１ｂは、前記アノード極１３および前記カソード極１６の下流側の配管にそれぞれ介装されている。２つの第４仕切弁２２ａ、２２ｂは、前記不活性ガス供給装置１８近傍の前記配管にそれぞれ介装されている。」
上記図５のシステムにおいては、前述のように、固体高分子電解質が水を含んだ状態で高いイオン導電性を示すため、燃料ガス又は酸化剤としての空気は加湿して供給される。供給された反応ガスは発電量に応じた量が消費される。未発電の場合でも、反応ガスは電解質中を拡散し僅かに消費される。
【０００５】
ところで、燃料電池の停止時には、燃料極への燃料ガスの供給を止め、不活性ガスによるパージを行い、未反応燃料ガスを排することにより電池内部での燃焼を防ぎ停止を行っている。また、停止後の保管は、特許文献１に記載されたように、不活性ガスを封入する方法や、同公報に併記して記載されたように、停止時に燃料極に水を封入することによってイオン交換膜を保水状態に保つ方法がある。
【０００６】
さらに、特許文献２に開示されたように、燃料電池停止後に、所定の時間間隔毎に、水供給用のポンプを作動させて、電解質膜に水を供給して加湿状態を維持する方法も知られている。
【特許文献１】特開平６−２５１７８８号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記特許文献１に開示されたような、不活性ガスによる燃料パージで運転を停止する方法では、発電に必要な燃料ガスと空気以外に、不活性ガスが必要となり不活性ガスの供給システム、補充を行わなければならない。また不活性ガスを使用せず、燃料ガス供給を止めた状態で停止した場合、未反応燃料ガスと排気管の外の空気とが、拡散や燃料ガスの消費または電池温度の低下により、電池内のガス体積が減少することによる引き込みにより混合し、燃焼する恐れがある。
【０００８】
さらに、不活性ガスを使用せず、燃料ガス供給を止め、空気混入を防ぐために排気側の燃料ガス出口を閉じて停止した場合には、燃料ガスの消費または電池温度の低下により、電池内のガス体積が減少し燃料極内の圧力が下がり、空気極と差圧が発生することにより電解質膜を損傷することがある。
【０００９】
また、前記特許文献１や特許文献２に開示された方法であって、燃料極に水を封入する方法においては、水がポンプにより送り込まれていたため、そのためのシステム構成部品や動力を必要としていた。さらにまた、水を封入する方法では、温度変化による水の収縮、膨張による水の体積変化による、イオン交換膜への影響がある。
【００１０】
この発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、運転停止時に、燃料極に水を封入する方法において、水の供給動力を必要とせず、簡便かつ安全に停止、保管する固体高分子形燃料電池の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、以下により達成される。即ち、固体高分子膜を挟んで燃料極および空気極を備えた固体高分子形燃料電池の運転方法において、燃料電池の運転停止時に、前記燃料極に通じる配管上に設けられた燃料ガス入口弁および出口弁を閉じ、燃料電池の温度低下および燃料ガスの消費によって燃料極内の圧力の減少に伴い発生する負圧力によって、燃料電池外部から燃料極ガス流路内に純水を吸引導入して運転を停止することを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
また、請求項１の運転方法において、前記純水を導入する際、前記空気極における空気入口弁および出口弁の少なくとも一方は開とすることを特徴とする（請求項２）。本発明により、燃料極と空気極との間の差圧の発生を防ぐことができる。
【００１３】
さらに、請求項１または２に記載の運転方法において、前記純水は純粋タンクから供給して導入し、前記純粋タンク内の水位は、少なくとも前記燃料極より高い位置とすることを特徴とする（請求項３）。
【００１４】
前記本発明によれば、燃料電池の運転停止の際に、燃料電池の燃料極内の圧力変化によって純水を吸引し導入する。たとえば、燃料ガス中の水素濃度が75％であった場合、運転を停止し燃料ガスの供給を止めた時に未反応燃料ガスが消費されると燃料電池内の燃料ガスの体積は75％減少する。ガス体積が減少することにより燃料電池の燃料極内部は負圧となる。運転を停止し燃料ガス入口、出口を閉めたときに純水タンクと接続すると、燃料電池内部の圧力の減少とともに純水が燃料電池の燃料極側に引き込まれ内部が湿潤状態となる。更に温度変化により燃料極内の残ガスの体積が減少した場合にも、体積変化に応じた水が供給排出され、空気極との間に差圧が発生することはない。なお、前記請求項３のように、純水タンクの水面が、比較的高い位置にある場合には、燃料電池内部の圧力の減小による吸引圧力に供給水の位置のポテンシャルが供給圧力として加わるので、供給速度が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、不活性ガスを使用せずに、また特別な動力を使用することなく簡便かつ安全に水封して、燃料電池の運転を停止し保管することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、この発明の実施形態に関して、図１ないし図４に基いて説明する。図１は、本発明の実施例に係る固体高分子形燃料電池の模式的概略構成図である。図１において、固体高分子電解質膜３１の両側に燃料極３２と空気極３３を配して構成されている。燃料極３２には燃料供給装置１から燃料ガスが供給され、空気極３２へは空気供給装置２から空気が供給されることにより発電を行う。燃料電池の運転停止時は、燃料供給装置１からの燃料の供給を停止し、燃料入口弁１１を閉め、燃料出口弁１２を閉める。
【００１７】
ここで燃料配管に接続された純水配管５の仕切弁４１を開けることにより、燃料極３２内の圧力の減少とともに、水が燃料極３２に移動する。純水配管５は、燃料電池本体の燃料極３２に直接接続されるか、あるいは燃料電池本体近傍の燃料ガス入口または燃料ガス出口側に接続する。これにより、燃料電池の運転を停止したときに、燃料極３２へ水が供給され安全に停止することができる。また、純水タンク内４の圧力は、大気圧または空気極側の圧力に保たれ、純水配管５の純水タンク側端部は、純水が燃料電池側に移動しても水封される位置に取付けることにより、燃料電池内の圧力変化に応じ、自由に水が出入りできるため、差圧が発生することなく保管することができる。
【００１８】
図２は、燃料電池スタックと純水タンクとの概略接続構成の一例を示す斜視図である。図２において、図１と同一機能部材には、同一番号を付して示す。図２の実施形態の場合、純水タンク水位５１が、純水配管５より低位であるので、図１に示した純水仕切弁を省略することができる。なお、図２に示す燃料電池スタックの場合、純水は、水素ガスライン用の図示しない燃料電池内部マニホールドを介して、各燃料極に移動する。
【００１９】
次に、図３および図４について述べる。図３は、前記請求項３に関わる実施形態を示す固体高分子形燃料電池の模式的概略構成図である。また、図４は、図３に相応する燃料電池スタックと純水タンクとの概略接続構成の一例を示す斜視図である。図３のシステム構成は図１と同様であるが、図４に示すように、純水タンク水位５１を燃料電池本体の、少なくとも燃料極３２より高い位置としている。これにより、水位差と燃料電池内の吸引圧をあわせた圧力が、水供給圧力として作用するので、速やかに燃料極に純水を送り込むことができる。なお、図４の場合には、純水仕切弁４１が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の模式的概略構成図。
【図２】本発明に係る燃料電池スタックと純水タンクとの概略接続構成の一例を示す斜視図。
【図３】図１とは異なる実施形態を示す固体高分子形燃料電池の模式的概略構成図。
【図４】図２とは異なる燃料電池スタックと純水タンクとの概略接続構成の一例を示す斜視図。
【図５】特許文献１に開示された従来の固体高分子形燃料電池の模式的概略構成図。
【符号の説明】
【００２１】
１    燃料供給装置
２    空気供給装置
４    純水タンク
５    純水配管
１１    燃料入口弁
１２    燃料出口弁
２１    空気入口弁
２２    空気出口弁
３１    固体高分子電解質膜
３２    燃料極
３３    空気極
４１    純水仕切弁
５１    純水タンク水位
【図１】
2005243613.tif 000003
【図２】
2005243613.tif 000004
【図３】
2005243613.tif 000005
【図４】
2005243613.tif 000006
【図５】
2005243613.tif 000007