(57)【要約】【課題】運転停止時に純水流路の純水を適切に排出する。【解決手段】ガス流路７，９と純水流路６，８との間に多孔質体セパレータ３，５を配置する燃料電池において、純水流路６，８を排水用路２０、２１に開放する開放弁２２、２３を備え、ガス流路７，９の燃料電池の入口および出口に流路を全閉可能な入口バルブ１４，１７および出口バルブ１４，１７を備える。運転停止時に、純水流路６，８を排水用路２０、２１に開放した後に、ガス流路７，９の入口バルブ１４，１７および出口バルブ１４，１７を全閉する制御手段３０を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路と純水流路との間に多孔質体セパレータを配置する燃料電池において、
純水流路を排水用路に開放する開放弁を備え、
ガス流路の燃料電池の入口および出口に流路を全閉可能な入口バルブおよび出口バルブを備え、
運転停止時に、純水流路を排水用路に開放した後に、ガス流路の入口バルブおよび出口バルブを全閉する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記制御手段は、運転停止時に、ガス流路の入口バルブおよび出口バルブを全閉にした後に、これらのバルブを開いてガス流路にガスを導入してガス流路をパージすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
ガス流路の入口、出口バルブ間の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、運転停止時に、全閉にしたガス流路の入口バルブおよび出口バルブを、前記圧力センサの検出圧力が所定圧力になったときに開くことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
ガス流路の入口、出口バルブ間の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、運転停止時に、全閉にしたガス流路の入口バルブおよび出口バルブを、前記圧力センサの検出値に基づくガス流路の圧力低下代の時間積分値が所定値を超えたときに開くことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記制御手段は、運転停止時に、全閉にしたガス流路の入口バルブおよび出口バルブを、所定時間経過後に開くことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記所定時間は、運転停止時の燃料電池温度と外気温に基づいて決定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記所定時間は、運転停止時の燃料電池温度と外気温に基づいて、運転停止後の電池温度低下代を推定し、この推定によりガス流路の圧力低下代が所定値になるまでの時間を推定して、決定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料ガスのガス流路と純水流路との間ならびに酸化剤ガスのガス流路と純水流路との間に多孔質体セパレータを配置して、
それぞれのガス流路の燃料電池の入口および出口に流路を全閉可能な入口バルブおよび出口バルブを備えると共に、
燃料ガスのガス流路と酸化剤ガスのガス流路とをそれぞれ入口、出口バルブ間にて弁手段を介して連通可能に形成し、
前記制御手段は、運転停止時に、それぞれのガス流路の入口バルブおよび出口バルブを全閉すると共に、前記弁手段を開いて燃料ガスのガス流路と酸化剤ガスのガス流路とを連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
ガス流路と純水流路との間に多孔質体セパレータを配置する燃料電池において、
純水流路を排水用路に開放する開放弁を備え、
ガス流路の燃料電池の入口および出口に流路を全閉可能な入口バルブおよび出口バルブを備え、
運転停止時に、純水流路を排水用路に開放した後にガス流路の入口バルブおよび出口バルブを全閉にして、燃料電池の温度低下によるガス流路の圧力低下によって純水流路中の純水を多孔質体セパレータを介してガス流路中に吸引することを特徴とする燃料電池の運転休止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池および燃料電池の運転休止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜を効率良く加湿する、あるいは発電の結果生じた反応生成水を効率良く排除するために、ガス流路を形成するガス配流板に多孔質材料を用いて、その裏面に水流路を配置している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
この凍結防止のため、運転停止時に水流路の水を抜く水抜き手段（ポンプ）を設けるものがある（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開平６−３３８３３８号
【特許文献２】特開平１１−２７３７０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高分子電解質膜は各種有機物を始め金属イオン、酸塩基物質などによって汚染されやすく、その結果プロトン伝導性や物理的強度など高分子電解質膜として必要な機能が著しく低下することがわかっているので、前述のような構成の固体高分子型燃料電池において、ガス流路と多孔質ガス配流板を隔てて配置された流路中を流すことができるのは純水のみである。
【０００５】
こうした燃料電池あるいは燃料電池システムを実際に用いるにあたってはその設置場所が屋外であったり屋外に駐車され得る車両の内部であったりすることが多く、その場合運転を停止している間に電池温度が氷点下に達する可能性がある。電池温度が氷点下に達すると純水流路中の純水が凍結することによって体積膨張し、ガス配流板や高分子電解質膜を破壊する恐れがあるため、このような場合運転停止時に純水流路中の純水を燃料電池外部へ抜き取る必要がある。この純水抜き取りの方法は、前述のようにポンプを用いて吸い出す方法のほか、純水流路下方を開放して重力にまかせて抜き取る、あるいはパージガスを吹き込んで排出する、などの考えがある。
【０００６】
一方、固体高分子型燃料電池においては、加湿あるいは反応生成水除去のために、純水流路を設けるのであるが、実際に発電に必要とされる水の量、反応生成水の量は非常に小さいので、純水流路の断面積は小さくすることができる。したがって、燃料電池の実際に発電する部分を大きくすることができ、高出力密度化やコンパクト化を図れる。
【０００７】
しかしながら、燃料電池中の純水流路の断面積を非常に小さくすると、燃料電池の高出力密度化やコンパクト化を図れるものの、前述のようなポンプ、重力、あるいはパージガスによる抜き取り方法では、純水流路の圧力損失が非常に大きくなってしまい、純水を適切に排出するのが困難になるという問題があった。
【０００８】
この発明は、運転停止時に純水流路の純水をガス流路に向かわせて、適切に排出することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ガス流路と純水流路との間に多孔質体セパレータを配置する燃料電池において、純水流路を排水用路に開放する開放弁を備え、ガス流路の燃料電池の入口および出口に流路を全閉可能な入口バルブおよび出口バルブを備える。運転停止時に、純水流路を排水用路に開放した後に、ガス流路の入口バルブおよび出口バルブを全閉する制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、純水流路中の純水を完全に除去することができ、純水流路中の純水の凍結、体積膨張によって燃料電池を破壊するのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は固体高分子型燃料電池の燃料電池スタック１１の単層部位の概略構成図、図２は固体高分子型燃料電池の運転中を表すモデル図である。
【００１３】
図１のように燃料電池スタック１１の単層部位は、高分子電解質膜を間に挟んだ膜電極接合体４の両面を多孔質燃料ガス配流板３（多孔質体セパレータ）および多孔質酸化剤ガス配流板５（多孔質体セパレータ）で挟持し、膜電極接合体４に面して多孔質燃料ガス配流板３に燃料ガス流路７を、膜電極接合体４に面して多孔質酸化剤ガス配流板５に酸化剤ガス流路９を形成している。
【００１４】
多孔質燃料ガス配流板３の外側に配置された燃料ガス側純水配流板１には多孔質燃料ガス配流板３に面して燃料ガス側純水流路６を、多孔質酸化剤ガス配流板５の外側に配置された酸化剤ガス側純水配流板２には多孔質酸化剤ガス配流板５に面して酸化剤ガス側純水流路８を形成しており、純水流路６、８は多孔質燃料ガス配流板３および多孔質酸化剤ガス配流板５を介して燃料ガス流路７および酸化剤ガス流路９に通じている。
【００１５】
図２のように燃料電池スタック１１の燃料ガス流路７の入口１２および出口１３には流路を全閉可能な燃料ガスバルブ１４（入口および出口の両バルブを構成）を設ける。
【００１６】
燃料ガスとしては、高圧タンク等の水素貯蔵手段（図示しない）に貯蔵された水素ガスを用いる。水素貯蔵手段の水素ガスは、燃料ガスバルブ１４の入口バルブを介して燃料ガス流路７に導入され、燃料ガス流路７を通った燃料排ガスは、燃料ガスバルブ１４の出口バルブを介して排ガス流路（図示しない）に導出される。
【００１７】
なお、燃料ガスとして、改質装置により改質された水素含有ガス等を用いることもできる。また、燃料排ガスは、排ガス流路の気液分離装置等を介して燃料ガスバルブ１４の入口バルブ上流に還流する。
【００１８】
燃料電池スタック１１の酸化剤ガス流路９の入口１５および出口１６には流路を全閉可能な酸化剤ガスバルブ１７（入口および出口の両バルブを構成）を設ける。
【００１９】
酸化剤ガスとしては、空気を用いる。空気は、コンプレッサ（図示しない）より送られ、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブを介して酸化剤ガス流路９に導入され、酸化剤ガス流路９を通った排ガスは、酸化剤ガスバルブ１７の出口バルブを介して排ガス流路（図示しない）に導出される。
【００２０】
なお、酸化剤ガスとして、酸素等を用いることもできる。また、排ガスは、排ガス流路の触媒装置等を介して、浄化して排出する。
【００２１】
燃料電池スタック１１の純水流路６、８は、酸化剤ガス側純水流路８を上流に、燃料ガス側純水流路６を下流に連結して、その入口１８および出口１９には、純水流路６、８を遮断ならびに排水用路２０、２１に開放するための開放弁２２、２３を設ける。
【００２２】
純水は、純水タンク（図示しない）よりポンプ等によって供給路に送られ、供給路から開放弁２２を介して純水流路６、８に導入され、純水流路６、８を通った純水は、開放弁２３を介して戻し路に導出される。
【００２３】
排水用路２０には図示しないバルブを介して圧気等を導入するように形成して、排水用路２１は図示しない純水タンク等に接続する。
【００２４】
この場合、開放弁２２、２３は純水流路６、８を開放するのみとして、純水流路６、８の下部に排水用路（図示しない）を設けて、この排水用路に開放弁（図示しない）を設けて純水タンク等に接続するようにして良い。
【００２５】
図中３０は、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７、開放弁２２、２３等を制御するための制御装置である。
【００２６】
燃料ガス流路７の入口バルブと出口バルブとの間の圧力または酸化剤ガス流路９の入口バルブと出口バルブとの間の圧力を検出する圧力センサ３１を設ける。
【００２７】
また、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサ３２、外気温を検出する外気温度センサ３３を設ける。
【００２８】
制御装置３０は、燃料電池の運転が停止すると、これらのセンサ３１〜３３の検出値に基づいて燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７、開放弁２２、２３等を制御する。
【００２９】
図３に制御装置３０の制御内容を示す。
【００３０】
燃料電池の運転が停止すると、ステップＳ１では、図４のように開放弁２２、２３によって純水流路を排水用路２０、２１に開放すると共に、排水用路２０に一定時間圧気等を導入して純水流路６、８の純水の排出を行う。この場合、純水流路６、８の下部に排水用路を設けた場合は、開放弁２２、２３は純水流路６、８を開放するのみとして、その排水用路の開放弁を開放して、純水流路６、８の純水の排出を行う。
【００３１】
ステップＳ２では、図４のように燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを全閉する。
【００３２】
ステップＳ３では、圧力センサ３１の検出圧力が所定圧力に低下したかどうかを見る。
【００３３】
圧力センサ３１の検出圧力が所定圧力より高いときは、所定圧力に低下するまで待つ。
【００３４】
圧力センサ３１の検出圧力が所定圧力に低下すると、ステップＳ４にて燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを開き、燃料ガス流路７にパージ用のガスを、酸化剤ガス流路９にパージ用のガスを、それぞれ一定量導入して、処理を終了する。
【００３５】
このように、燃料電池の運転停止時に、純水流路６、８を排水用路に開放して純水流路６、８の純水の排出を行うと、ある程度純水は排出されると共に、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを全閉すると、燃料電池の温度の低下にしたがって燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路９内の圧力が低下していき、その圧力低下によって純水流路６、８中に残留している純水が、多孔質燃料ガス配流板３、多孔質酸化剤ガス配流板５を通して燃料ガス流路７内、酸化剤ガス流路９内に吸引され、抜き取られていく。
【００３６】
また、燃料ガス流路７内の燃料ガスが高分子電解質膜を通り、酸化剤ガス側にクロスリークする。そのため、燃料ガス中の水素が酸化剤ガス極触媒上で燃焼して、液体となり、酸化剤ガス流路９内の圧力低下が促進される。
【００３７】
そして、燃料ガス流路７内、酸化剤ガス流路９内の圧力が所定圧力になると、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを開き、燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路９それぞれにパージ用のガスが導入される。
【００３８】
このため、純水流路６、８中の純水は完全に除去され、燃料ガス流路７内、酸化剤ガス流路９内の純水も完全に除去される。
【００３９】
この場合、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを開く際の燃料ガス流路７内、酸化剤ガス流路９内の圧力を、燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路９の容積等によって設定することで、多孔質燃料ガス配流板３、多孔質酸化剤ガス配流板５中に保持されている純水まで抜き取られることは避けられる。
【００４０】
したがって、純水流路６、８中の純水ならびに純水流路６、８より燃料ガス流路７、酸化剤ガス流路９に抜き取った純水が凍結、体積膨張してガス配流板３、５や高分子電解質膜を破壊する恐れを解消でき、燃料電池の高い信頼性を確保できる。
【００４１】
また、多孔質燃料ガス配流板３、多孔質酸化剤ガス配流板５中に純水が保持されることによって、燃料電池の起動時等にガスのリークを十分に低減できる。
【００４２】
複数の電池を積層する燃料電池スタック１１にあって、純水流路６、８の純水をポンプや圧気等によって抜き取ろうとしても、各層の純水流路６、８の圧力損失がばらつくので、すべて純水流路６、８中の純水を完全に排出するのは困難であるが、このように燃料電池の温度の低下により生じるガス流路７、９の圧力低下を利用して純水流路６、８中の純水を多孔質ガス配流板３、５を介してガス流路７、９中に抜き取るようにすれば、純水流路６、８の流路方向に抜き取るのに対して、純水の移動しなければならない距離が短く、その間の圧力損失も小さいので純水流路６、８中に残った純水を完全に除去できる。
【００４３】
多孔質ガス配流板３、５を用いる燃料電池の構成においてはガス流路７、９の断面積は純水流路６、８のそれに比べて十分に大きいので、純水流路６、８から抜き取った純水をガス流路７、９中にそのまま保持しておいてもそれが凍結して体積膨張してもガス配流板３、５や高分子電解質膜を破壊する恐れは少ないと考えられるが、燃料電池の高出力密度化やコンパクト化のためにガス流路７、９についてもその断面積が小さくなるとその限りではなく、これに対して、純水流路６、８から抜き取った純水をパージ用のガスによってガス流路７、９から電池外部に排出するので、ガス流路７、９中の純水が凍結して体積膨張することによってガス配流板３、５や高分子電解質膜を破壊する恐れを的確に減じることができる。
【００４４】
次に、制御装置３０の制御の別の形態を記す。
【００４５】
１つは、燃料電池の運転停止時に、前記のように全閉した燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを、圧力センサ３１の検出値に基づくガス流路の圧力低下代の時間積分値が所定値を越えたときに開くように制御する。
【００４６】
すなわち、ガス流路の圧力低下の変遷によって、純水の抜き取り量を推定して、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブの開時期を制御する。
【００４７】
このようにすれば、純水流路６、８中の純水をより完全に除去することができる。
【００４８】
１つは、燃料電池の運転停止時に、前記のように全閉した燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを、所定時間経過したときに開くように制御する。
【００４９】
このようにすれば、簡便なタイマにより、容易に純水流路６、８中の純水を除去することができる。
【００５０】
１つは、前記の所定時間を、運転停止時の燃料電池温度と外気温に基づいて決定する。
【００５１】
これは、前記の所定時間は、運転停止時の燃料電池温度と外気温に基づいて、運転停止後の電池温度低下代を推定し、この推定によりガス流路７、９の圧力低下代が所定値になるまでの時間を推定して、決定する。
【００５２】
運転停止後到達するであろう電池温度を運転停止時の電池温度と外気温から推定し、電池温度低下の結果生じるガス流路７、９の圧力低下代が規定の値になるまでにかかる時間を算出して、運転停止後その時間が経過した後に燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを開き、ガス流路７、９のパージを開始するので、ガス圧力センサのような特別な構成なしに純水流路６、８中に残った純水を完全に除去することができる。
【００５３】
次に、図５に示す別の実施形態を説明する。
【００５４】
これは、燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路９とを、それぞれの燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の内方にて連通する連通路４０を形成して、連通路４０に連通バルブ４１を設ける。
【００５５】
制御装置３０は、燃料電池の運転停止時に、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを全閉する一方、連通バルブ４１を開いて燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路９とを連通する。連通バルブ４１の閉は、燃料ガスバルブ１４、酸化剤ガスバルブ１７の入口バルブ、出口バルブを開く前に行う。
【００５６】
その他の構成、制御は、前記形態と同じである。
【００５７】
閉じたガス流路７、９の圧力低下代ΔＰは、そこに密閉されたガスを理想気体と仮定す
れば電池温度の低下代ΔＴとは、
ΔＰＶ＝nＲΔＴ（Ｒはガス定数）
の関係にあると考えられる。そのため、運転停止時の電池温度と雰囲気温度あるいは運転停止後到達するであろう電池温度との差が小さい場合には純水流路６、８中の純水を十分除去できない可能性があるが、このように燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路９とを連通すると、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応して、圧力低下を促進する。また、燃料ガス流路７および酸化剤ガス流路９を互いに等しい圧力とすることができる。
【００５８】
したがって、純水流路６、８中の純水を的確に完全に除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
燃料電池のほか、多孔質材を用いて水流路を形成するものに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックの単層部位の概略構成図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の運転中を表すモデル図である。
【図３】制御フローチャートである。
【図４】運転停止時の動作説明モデル図である。
【図５】別の実施形態のモデル図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料ガス側純水配流板
２  酸化剤ガス側純水配流板
３  多孔質燃料ガス配流板
４  膜電極接合体
５  多孔質酸化剤ガス配流板
６  燃料ガス側純水流路
７  燃料ガス流路
８  酸化剤ガス側純水流路
９  酸化剤ガス流路
１１  燃料電池スタック
１２  入口
１３  出口
１４  燃料ガスバルブ
１５  入口
１６  出口
１７  酸化剤ガスバルブ
２０、２１  排水用路
２２、２３  開放弁
３０  制御装置
３１  圧力センサ
３２  燃料電池温度センサ
３３  外気温度センサ
４０  連通路
４１  連通バルブ
【図１】
2005158503.tif 000003
【図２】
2005158503.tif 000004
【図３】
2005158503.tif 000005
【図４】
2005158503.tif 000006
【図５】
2005158503.tif 000007