(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルが構成される燃料電池スタックと、前記燃料極に水素を含む燃料ガスを供給する燃料極ガス供給管と、前記燃料極より燃料極オフガスを排出する燃料極ガス排出管と、前記空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給する空気極ガス供給管と、前記空気極より空気極オフガスを排出する空気極ガス排出管とを備え、前記の燃料極ガス供給管と燃料極ガス排出管と空気極ガス供給管と空気極ガス排出管のそれぞれに、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される弁が備えられている燃料電池発電装置において、
燃料極ガス排出管の前記弁と前記燃料極のガス排出口との間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、該脱酸素処理手段と前記空気極ガス排出管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管が備えられている燃料電池発電装置。
【請求項２】
電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルが構成される燃料電池スタックと、前記燃料極に水素を含む燃料ガスを供給する燃料極ガス供給管と、前記燃料極より燃料極オフガスを排出する燃料極ガス排出管と、前記空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給する空気極ガス供給管と、前記空気極より空気極オフガスを排出する空気極ガス排出管とを備え、前記の燃料極ガス供給管と燃料極ガス排出管と空気極ガス供給管と空気極ガス排出管のそれぞれに、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される弁が備えられている燃料電池発電装置において、
燃料極ガス供給管の前記弁と前記燃料極のガス供給口との間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、該脱酸素処理手段と前記空気極ガス供給管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管が備えられている燃料電池発電装置。
【請求項３】
脱酸素処理手段が脱酸素剤を充填した脱酸素剤充填層よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置、特に発電運転と運転停止を繰り返しても長期にわたり優れた特性が得られる固体高分子形の燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜を燃料極と空気極とで挟持して形成した単位セルを用途に合わせて複数層積層したスタックより構成されている。発電運転の際には、燃料極に、水素ガスや、都市ガスを改質して得た水素濃度の高い燃料ガスが、また空気極に、酸素ガスや大気空気等の酸化剤ガスが供給される。このとき、燃料極（アノード）および空気極（カソード）では以下のごとき反応が生じて両極間に電気エネルギーが取り出される。
【０００３】
[化１]
アノード；    Ｈ2   →  ２Ｈ+ ＋  ２ｅ―                    （１）
カソード；  （1/2）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ― →  Ｈ2Ｏ        （２）
燃料電池の発電運転の停止操作は、燃料極への燃料ガスの供給および空気極への酸化剤ガスの供給を停止することにより実行される。しかしながら、この停止操作に際して、供給していた燃料ガスの通流を停止したのち、燃料極のガスの出口を大気開放状態に放置すると、燃料極に空気が混入して酸素が満たされた状態に保たれる可能性がある。この場合、再起動させるために燃料極へ燃料ガスを送り込むと、燃料極に水素と酸素が偏在した状態となって電池反応部の面内に局部電池が形成されるので、燃料極に酸素が存在する部位の空気極が高電位となり、高電位に曝された空気極の触媒層中の担体カーボンが腐食して電池の性能が大幅に低下してしまうという恐れがある。したがって、燃料極のガスの出口を大気開放状態に保持することに伴って生じるこの不具合を回避するために、燃料極のガス入口配管とガス出口配管にそれぞれ電磁弁を組み込み、発電運転の停止の際には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するとともに、これらの電磁弁を閉止して燃料極のガス系統を封止する方式が一般に用いられている。
【０００４】
また、特許文献１には、燃料電池スタックの燃料極ガス入口とガス入口配管との間、および燃料極ガス出口とガス出口配管との間の少なくともいずれか一方に、選択的に酸素を除去する酸素トラップボックスを組み込むことによって、非発電時にガス入口配管やガス出口配管から燃料極へと侵入する酸素を除去し、再起動時の特性低下を回避する方式の燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−７９８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、燃料電池、特に発電運転と発電停止運転とを頻繁に繰り返す燃料電池にあっては、発電停止運転時に燃料極へ侵入する酸素を抑制し、除去することが電池の特性を維持するために必要、不可欠である。このため、上述のように、ガス出口に電磁弁を設置し、発電停止時には閉止して外部からの酸素の侵入を抑制するとか、あるいは酸素トラップボックスを組み込んで選択的に酸素を除去する等の方策が採られている。
しかしながら、燃料極には上記のごとく外部に連通する配管を通して酸素が侵入するばかりでなく、空気極に供給された酸化剤ガス中の酸素が電解質膜を介して燃料極へと絶えず流入するので、この酸素の流入を抑えて除去しなければ、再起動運転時に燃料極に酸素が残存して、電池の特性が低下することとなる。本発明は、このような従来技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、発電運転停止時に外部や空気極等から燃料極へと侵入する酸素量が微少に抑えられ、かつ効果的に除去されて、再起動運転時に燃料極に残存する酸素による特性劣化を引き起こす恐れがなく、長期間、安定して運転できる燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記の目的を達成するために、
電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルが構成される燃料電池スタックと、燃料極ガス供給管、燃料極ガス排出管、空気極ガス供給管、空気極ガス排出管を備え、かつ、これらの供給管と排出管のそれぞれに、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される弁が備えられている燃料電池発電装置において、
（１）燃料極ガス排出管の弁と燃料極のガス排出口の間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、この脱酸素処理手段と空気極ガス排出管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管を備えることとする。
（２）あるいは、燃料極ガス供給管の弁と燃料極のガス供給口との間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、この脱酸素処理手段と前記空気極ガス供給管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管を備えることとする。
【発明の効果】
【０００７】
上述のように燃料電池スタックの燃料極に連結された燃料極ガス供給管および燃料極ガス排出管に、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される弁を備えれば、運転停止時の外部の空気の燃料極の内部への侵入が阻止される。また、空気極に連結された空気極ガス供給管および空気極ガス排出管に、同様に発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される弁を備え、さらに（１）のように、燃料極ガス排出管の弁と燃料極のガス排出口の間に脱酸素処理手段を備え、かつ、脱酸素処理手段と空気極ガス排出管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管を備えれば、運転停止時には燃料極と空気極と脱酸素処理手段とが連通し、かつ、密封された空間が形成されるので、空気極から電解質膜を介して燃料極へ侵入する酸素が存在しても、脱酸素処理手段により吸着されて処理されるので、運転再開時に燃料極に残存する酸素量は微量となり、特性の低下は回避される。また、この運転停止時に脱酸素処理手段に吸着された酸素は、運転再開時に流通する燃料極排ガス中に残存する水素によって脱離されて系外へと取り出されるので、脱酸素処理手段の処理性能は低下することなく維持される。
また、上記の（１）に替えて、上記（２）のように、燃料極ガス供給管の弁と燃料極のガス供給口との間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、この脱酸素処理手段と空気極ガス供給管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される弁を組み込んだ連通管が備えることとしても、運転停止時には燃料極と空気極と脱酸素処理手段とが連通し、かつ、密封された空間が形成されるので、空気極から電解質膜を介して燃料極へ侵入する酸素が存在しても、脱酸素処理手段により吸着されて処理されるので、運転再開時に燃料極に残存する酸素量は微量となり、特性の低下は回避される。また、この場合、運転停止時に脱酸素処理手段に吸着された酸素は、運転再開時に流通する燃料ガス中の水素によって脱離されて系外へ取り出されるので、脱酸素処理手段の処理性能は十分に維持されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の最良の実施形態は、電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルが構成される燃料電池スタックと、燃料極ガス供給管、燃料極ガス排出管、空気極ガス供給管、空気極ガス排出管を備え、かつ、これらの供給管と排出管のそれぞれに、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される電磁弁が備えられている燃料電池発電装置において、燃料極ガス排出管の電磁弁と燃料極のガス排出口の間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段、例えば脱酸素剤を充填した脱酸素剤充填層を備え、かつ、この脱酸素処理手段と空気極ガス排出管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される電磁弁を組み込んだ連通管を備えた形態にある。
本発明の他の最良の実施形態は、電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルが構成される燃料電池スタックと、燃料極ガス供給管、燃料極ガス排出管、空気極ガス供給管、空気極ガス排出管を備え、かつ、これらの供給管と排出管のそれぞれに、発電運転時に開状態に保持され、運転停止時に閉状態に保持される電磁弁が備えられている燃料電池発電装置において、燃料極ガス供給管の電磁弁と燃料極のガス供給口との間に、通流するガスの脱酸素処理を行う脱酸素処理手段を備え、かつ、この脱酸素処理手段と空気極ガス供給管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される電磁弁を組み込んだ連通管を備えた形態にある。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の実施例１の主要部の概略構成を示すフロー図で、（ａ）は発電運転時、（ｂ）は発電停止時である。本図において、１０は、電解質膜１を燃料極２と空気極３とで挟持して形成されたセルを積層して構成した燃料電池スタックである。また、１１，１２，１３，１４は、それぞれ電磁弁４，５，６，７を備えた燃料極ガス供給管、空気極ガス供給管、燃料極ガス排出管、空気極ガス排出管である。これらの電磁弁４，５，６，７は、図に見られるように、発電運転時には開放状態に、また発電停止時には閉止状態に保持されるよう設定されている。
本実施例の構成の特徴は、燃料極ガス排出管１３の電磁弁６と燃料極２のガス排出口の間に、脱酸素剤を充填した脱酸素剤充填層２０を備え、かつ、この脱酸素剤充填層２０と空気極ガス排出管１４との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される電磁弁８を組み込んだ連通管を備えた点にある。したがって、運転停止時には、電磁弁４，５，６，７は閉じ、電磁弁８は開くので、燃料極２と空気極３と脱酸素剤充填層２０は、互いに流通し、かつ密封された空間を形成する。したがって、この空間内に通流するガスは、酸素が脱酸素剤充填層２０に吸着され、酸素濃度が低く抑えられる。発電運転を再開すると燃料極オフガスに残存する水素が脱酸素剤充填層２０を通流し、吸着された酸素に作用して脱離させて系外へ取り出すので、脱酸素剤充填層２０の脱酸素剤は再生され、再び運転停止状態へと変化しても十分な脱酸素処理性能を保持することとなる。
【実施例２】
【００１０】
図２は、本発明の燃料電池発電装置の実施例２の主要部の概略構成を示すフロー図である。図２の実施例２においても、図１の実施例１と同一機能を有する構成要素には同一符号を付して説明は省略する。実施例２の燃料電池発電装置の特徴は、実施例１の脱酸素剤充填層２０と電磁弁８を組み込んだ連通管に替わって、燃料極ガス供給管１１の電磁弁４と燃料極のガス供給口との間に、脱酸素処理手段としての脱酸素剤充填層２１を備え、かつ、この脱酸素剤充填層２１と空気極ガス供給管との間に、発電運転時に閉状態に保持され、運転停止時に開状態に保持される電磁弁９を組み込んだ連通管を備えた点にある。
したがって、本構成においても、運転停止時には燃料極２と空気極３と脱酸素剤充填層２１は、互いに流通する密封された空間を形成するので、この空間内に通流するガスは、酸素が脱酸素剤充填層２１に吸着され、酸素濃度が低く抑えられる。また、発電運転を再開すると燃料極供給ガスに含まれる水素が脱酸素剤充填層２１を通流し、吸着された酸素に作用して脱離させて系外へ取り出す。したがって、脱酸素剤充填層２１の脱酸素剤は再生され、再び運転停止状態へと変化しても十分な脱酸素処理性能を保持する。
【実施例３】
【００１１】
図３は、本発明の燃料電池発電装置の実施例３の主要部の概略構成を示すフロー図である。本実施例の特徴は、実施例１と同様に燃料電池スタック１０のガス排出側に脱酸素剤充填層２０と電磁弁８を組み込んだ連通管を備え、同時に、実施例２と同様に燃料電池スタック１０のガス供給側に脱酸素剤充填層２１と電磁弁９を組み込んだ連通管を備えた点にある。したがって、本構成では、運転停止時には燃料極２と空気極３と脱酸素剤充填層２０と脱酸素剤充填層２１は、互いに流通する密封された空間を形成し、この空間内に通流するガスの酸素は脱酸素剤充填層２０および２１に吸着されるので、酸素濃度が低く抑えられる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
上述のように、本発明による燃料電池発電装置では、発電運転停止時に燃料極に酸素が侵入しても、備えられた脱酸素処理手段によってこの酸素が吸着され、確実に除去されるので、運転再開時に燃料極に残存する酸素量は微量となり、残存酸素に起因する特性の低下は効果的に回避されるので、長期に渡り安定した発電運転が期待できる。したがって、本発明は、燃料電池発電装置、特に発電運転と運転停止とが頻繁に繰り返される固体高分子電解質形の燃料電池発電装置に効果的に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施例１の主要部の概略構成を示すフロー図で、（ａ）は発電運転時、（ｂ）は発電停止時である。
【図２】本発明の燃料電池発電装置の実施例２の主要部の概略構成を示すフロー図。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の実施例３の主要部の概略構成を示すフロー図
【符号の説明】
【００１４】
１    電解質膜
２    燃料極
３    空気極
４    電磁弁（燃料極ガス供給管）
５    電磁弁（空気極ガス供給管）
６    電磁弁（燃料極ガス排出管）
７    電磁弁（空気極ガス排出管）
８    電磁弁（排出側連通管）
９    電磁弁（供給側連通管）
１０    燃料電池スタック
２０    脱酸素剤充填層（排出側連通管）
２１    脱酸素剤充填層（供給側連通管）
【図１】
0005261999.tif 000002
【図２】
0005261999.tif 000003
【図３】
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