(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する燃料電池システムであって、
燃料と空気から改質ガスを生成する改質器と、
該改質器により生成された改質ガスから水素のみを分離する水素分離膜と、
該水素分離膜から精製された水素を燃料電池に供給する水素供給ラインと、
改質器に空気を供給する空気供給ラインと、
燃料電池に酸素又は空気を供給する酸素供給ラインと、
水素分離膜及び燃料電池の排気ラインに接続された燃焼器と、
を備え、燃料電池システムの停止時に、改質器への燃料の供給を停止するとともに、水素供給ラインの開閉弁を閉弁し、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入することにより、水素分離膜の改質ガス側及び透過側の水素を除去することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムの停止時に、改質器への燃料の供給を停止するとともに、水素供給ラインの開閉弁を閉弁し、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入することにより、水素分離膜の透過側の水素を、水素分離膜の改質ガス側に逆透過させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池内の水素を、燃料電池システム停止時に、空気で置換する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池の燃料極側と酸素極側との圧力を、ほぼ等しくなるようにした請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する水素分離膜を用いた燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池システムの停止時に、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入し、水素分離膜の透過側の水素を水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることにより、水素分離膜内の水素を除去することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する水素分離膜を用いた燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池システムの停止時に、燃料電池内の水素を空気で置換するとともに、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入し、水素分離膜の透過側の水素を水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることにより、水素分離膜内の水素を除去することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
燃料電池の燃料極側と酸素極側との圧力を、ほぼ等しくなるように制御した請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素分離膜を用いた燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、開発が進められている燃料電池システムは、水素と、酸素又は空気とを反応させて発電する固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が主に用いられており、通常、燃料電池システムの停止と同時に、燃料電池の発電が停止することが求められている。
また、固体高分子電解質型燃料電池の場合、１モルのＨ2と１／２モルのＯ2とが反応して１モルのＨ2Ｏが生成する。
これにより、燃料電池の酸化極側の空気（酸素）と比較して、燃料電池の燃料極側の水素の消費量が大きくなり、燃料電池システムの停止時に、燃料極側の圧力が相対的に大きく低下するため、電解質層を挟む燃料極側と酸化極側との間に大きな圧力差が発生し、燃料電池の電池構成要素が劣化してしまうという問題点があった。
【０００３】
これらの点を解消するため、例えば、特開平７−２７２７４０号公報では、燃料電池システム停止時に、燃料電池内の反応ガス（主に、水素）を不活性ガス（例えば、Ｎ2等）や反応済空気で置換することが開示されており、また、特開平１１−１１１３１９号公報では、不活性ガスの浪費を防止するため、不活性ガスによる置換完了を温度センサーで検知するシステムが開示されている。
【０００４】
また、上記燃料電池で用いる反応ガスは、主成分である水素の濃度が高ければ、高いほど燃料電池の発電効率を向上させることができるだけでなく、被毒作用があるＣＯを除去するため、特開平４−１２１９７３号公報のように、改質ガスを水素分離膜を用いて精製、ＣＯ除去した純水素ガスを燃料電池へ供給するシステムが開示されている。
【０００５】
しかしながら、燃料電池システムに水素分離膜を適用した場合、水素雰囲気下で降温すると、水素分離膜が劣化してしまうため、燃料電池システム停止時に、水素分離膜内から水素を除去する必要があった。
このため、従来の燃料電池システム（特開平７−２７２７４０号公報及び特開平１１−１１１３１９号公報参照）に水素分離膜を組み込む場合、水素分離膜の改質ガス側と透過側の両方から水素を除去しなければならないため、燃料電池システムが煩雑になり、コストも高くなるという問題点があった。
また、特開平４−１２１９７３号公報では、燃料電池システムの停止と同時に、燃料電池の発電を停止させることについて十分考慮がなされていなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの停止時に、不活性ガスを用いることなく、水素分離膜の劣化の原因となる水素分離膜内の水素を確実且つ簡便に除去することができるとともに、燃料電池の電池構成要素の劣化を引き起こす燃料電池の両極間の圧力差の発生を抑制することができる水素分離膜を用いた燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する燃料電池システムであって、燃料と空気から改質ガスを生成する改質器と、該改質器により生成された改質ガスから水素のみを分離する水素分離膜と、該水素分離膜から精製された水素を燃料電池に供給する水素供給ラインと、改質器に空気を供給する空気供給ラインと、燃料電池に酸素又は空気を供給する酸素供給ラインと、水素分離膜及び燃料電池の排気ラインに接続された燃焼器とを備え、燃料電池システムの停止時に、改質器への燃料の供給を停止するとともに、水素供給ラインの開閉弁を閉弁し、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入することにより、水素分離膜の改質ガス側及び透過側の水素を除去することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
このとき、燃料電池システムの停止時に、改質器への燃料の供給を停止するとともに、水素供給ラインの開閉弁を閉弁し、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入することにより、水素分離膜の透過側の水素は、水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることが好ましい。
【０００８】
尚、本発明では、燃料電池内の水素を、燃料電池システム停止時に、空気で置換することが好ましく、燃料電池の燃料極側と酸素極側との圧力を、ほぼ等しくなるようにすることが好ましい。
【０００９】
また、本発明によれば、水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する水素分離膜を用いた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池システムの停止時に、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入し、水素分離膜の透過側の水素を水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることにより、水素分離膜内の水素を除去することを特徴とする燃料電池システムの制御方法が提供される。
【００１０】
更に、本発明によれば、水素と酸素又は空気とを反応させることにより発電する水素分離膜を用いた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池内の水素を空気で置換するとともに、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入し、水素分離膜の透過側の水素を水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることにより、水素分離膜内の水素を除去することを特徴とする燃料電池システムの制御方法が提供される。
このとき、本発明では、燃料電池の燃料極側と酸素極側との圧力を、ほぼ等しくなるように制御することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの停止時に、改質器への燃料の供給を停止するとともに、水素供給ラインの開閉弁を閉弁し、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入することにより、水素分離膜の改質ガス側及び透過側の水素を除去するものである。
これにより、燃料電池システムの停止時に、水素分離膜の劣化の原因となる水素分離膜内の水素を確実且つ簡便に除去することができるとともに、不活性ガスを用いることなく、燃料電池の電池構成要素の劣化を引き起こす燃料電池の両極間の圧力差の発生を抑制することができる。
【００１２】
ここで、本発明の燃料電池システムの主な特徴は、水素分離膜内の水素を除去する際に、水素分離膜の改質ガス側に残存する水素を空気で置換することにより、水素分離膜の改質ガス側の水素分圧を低下させ、水素分離膜の透過側の水素を水素分離膜の改質ガス側に逆透過させることにある。
これにより、水素分離膜の透過側にパージラインを設けることなく、水素分離膜の改質ガス側に空気を導入するだけで、降温時における水素分離膜の劣化の原因となる水素分離膜内の水素を確実且つ簡便に除去することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システム停止時に、燃料電池内の水素を空気で置換することが好ましい。
これにより、燃料電池システム停止時に、燃料電池の発電を直ちに停止することができるだけでなく、燃料電池の電池構成要素の劣化を引き起こす燃料電池の両極（燃料極と酸化極）間の圧力差の発生を抑制することができる。
尚、燃料電池の燃料極側と酸素極側との圧力は、ほぼ等しくなるように制御することが好ましい。
【００１４】
更に、本発明の燃料電池システムは、置換用ガスとして、不活性ガスの代わりに空気を用いることが好ましい。
これにより、不活性ガスを貯蔵するボンベが不要であるため、燃料電池システムの軽量化及びランニングコストの低減に寄与することができる。
【００１５】
以下、図面に基づき本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示した概略構成図である。
本発明の燃料電池システムの一例は、図１に示すように、燃料と空気から改質ガスを生成する改質器１０と、改質器１０により生成された改質ガスから水素のみを分離する水素分離膜２０と、水素分離膜２０から精製された水素を燃料電池３０に供給する水素供給ライン２４と、改質器１０及び燃料電池３０に空気を供給する空気供給ライン１６，１８と、水素分離膜２０及び燃料電池３０の排気ライン２６，３２に接続された燃焼器４０とを備えたものである。
尚、燃焼器４０は、改質燃料と空気との燃焼雰囲気中に、改質器１０、水素分離膜２０及び燃料電池３０からの排気ガスを導入することにより、排気ガス中の余剰な水素や酸素等を処理するものである。
また、燃焼器４０への改質燃料供給ライン１４は、必ずしも必要でなく、排気ライン２６から供給される改質ガスの未透過ガスの燃焼により改質器１０の運転温度が保持されれば問題ない。
【００１６】
ここで、上記に示す燃料電池システムは、燃料電池システムを停止させる場合、以下のような手順で行なわれる。
まず、燃料供給ライン１２の第１開閉弁５０を閉弁し、改質器１０への燃料供給を停止すると同時に、水素供給ライン２４の第５開閉弁５４を閉弁し、燃料電池３０への水素供給を停止する。
【００１７】
次に、第４開閉弁５３と第６開閉弁５５を開弁し、改質器１０内及び水素分離膜２０の改質ガス側２１に空気を導入し、改質器１０内の改質ガス、水素分離膜２０内及び燃料電池３０内の水素を空気で置換することにより、改質器１０及び燃料電池３０の機能を停止させる。
このとき、水素分離膜２０の改質ガス側２１の水素分圧の低下により、水素分離膜２０の透過側２２の水素は、水素分離膜２０の改質ガス側２１へ逆透過するため、水素分離膜２０内の水素を実質０に近い水素分圧まで除去することができる。
尚、改質器１０、水素分離膜２０及び燃料電池３０から排出された排気ガスは、燃焼器４０で燃焼処理された後、系外に排出される。
【００１８】
最後に、第４開閉弁５３、第６開閉弁５５及び第７開閉弁５６を閉弁した後、改質燃料供給ライン１４の第２開閉弁５１と空気供給ライン１６の第３開閉弁５２を閉弁し、燃焼器４０を停止させ、燃料電池システムを降温させる。
【００１９】
尚、それぞれの開閉弁５０〜５６、燃料供給ライン１２に接続された燃料ポンプ（図示せず）、改質燃料供給ライン１４に接続された改質燃料ポンプ（図示せず）及び空気供給ライン１６，１８に接続されたコンプレッサ（図示せず）は、電気的に接続され、これらの動作が制御手段（図示せず）でコントロールされている。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
（実施例）
本発明の燃料電池システムにおける水素分離膜内の水素除去方法を検証するため、図２に示す装置を用いて実験を行った。
反応管６４（ステンレス製、内容積：０．５ｌ）に水素分離膜６０を設置した後、反応管６４を電気炉６２で４００℃に加熱した。
次に、バルブＶ１を開け、マスフローコントローラＭ１を用いて、８気圧（ゲージ圧）、６ｌ／ｍｉｎのメタノール改質模擬ガス（水素：６５％、二酸化炭素：２３％、一酸化炭素：２％、水蒸気１０％）を反応器６４内に供給した。
尚、供給ガスラインは、水蒸気が凝縮しないように、リボンヒーターにて１３０℃に加熱した。
【００２１】
このとき、透過水素量は、流量計Ｍ３で測定した結果、３ｌ／ｍｉｎであり、水素回収率は、８０％であった。
尚、上記測定時は、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４が開放状態であった。
【００２２】
更に、図２に示す装置を上記の実験条件で１時間運転した後、バルブＶ４を開けた状態で、バルブＶ１，Ｖ３を閉じ、バルブＶ２を開けて、空気をゲージ圧：０．２気圧、マスフローコントローラＭ２で１０ｌ／ｍｉｎで反応器６４内に導入した。
このとき、反応管６４内に空気を導入すると、圧力計Ｐが示すように、水素分離膜６０の透過側の圧力が下がり始め、１ｍｉｎ以内に絶対圧でほとんど０気圧となった。
【００２３】
以上のことから、水素分離膜６０内の水素除去は、水素分離膜６０の改質ガス側の水素分圧を著しく低下させ、水素分離膜６０の透過側に大気圧で残存していた水素ガス（濃度：ほぼ９９％以上）を水素分離膜６０の改質ガス側に逆透過させることにより行われていることを確認した。
尚、上記水素分離膜は、外径：１７ｍｍ、長さ：１００ｍｍのアルミナ多孔質基体（細孔径：０．６μｍ）の表面に、メッキ法で５μｍのＰｄ薄膜を成膜したものを用いた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システム及びその制御方法は、燃料電池システムの停止時に、不活性ガスを用いることなく、水素分離膜の劣化の原因となる水素分離膜内の水素を確実且つ簡便に除去することができるとともに、燃料電池の電池構成要素の劣化を引き起こす燃料電池の両極間の圧力差の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】  本発明の燃料電池システムにおける水素分離膜内の水素除去実験装置の一例を示す概略模式図である。
【符号の説明】
１０…改質器、１２…燃料供給ライン、１４…改質燃料供給ライン、１６…空気供給ライン，１８…空気供給ライン（酸素供給ライン）、２０…水素分離膜、２１…改質ガス側（水素分離膜）、２２…透過側（水素分離膜）、２４…水素供給ライン、２６…排気ライン、３０…燃料電池、３２…排気ライン、４０…燃焼器、５０…第１開閉弁、５１…第２開閉弁、５２…第３開閉弁、５３…第４開閉弁、５４…第５開閉弁、５５…第６開閉弁、５６…第７開閉弁、６０…水素分離膜、６２…電気炉、６４…反応管、Ｖ１〜Ｖ４…バルブ、Ｍ１〜Ｍ２…マスフローコントローラ、Ｍ３…流量計、Ｐ…圧力計。
【図１】
0004519225.tif 000002
【図２】
0004519225.tif 000003