(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルを構成し、燃料極に燃料ガスを、また空気極に空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池の運転方法において、
前記の燃料ガスと空気のうち少なくともいずれか一方のガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、
前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧を下回ったとき、前記第１の加湿装置を通流後の前記ガスをさらに第２の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、
さらに前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧より高い第２の規定電圧以上となったとき、再び、前記ガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行う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】
固体高分子膜電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルを構成し、燃料極に燃料ガスを、また空気極に空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池の運転方法において、
前記の燃料ガスと空気のうち少なくともいずれか一方のガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、
前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧以下となったとき、前記第１の加湿装置を通流後の前記ガスをさらに第２の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、当該運転を規定時間行ったのち、再び、前記ガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行う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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子形燃料電池の運転方法、特に、反応ガスの加湿方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子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固体高分子形燃料電池において、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、空気極に酸素を含む酸化剤ガス（空気）を供給すると、燃料極では供給された水素が燃料極触媒層中の触媒金属により水素イオンとなる。生じた水素イオンは燃料極触媒層中の電解質皮膜から固体高分子電解質膜へと移動し、さらに、空気極触媒層中の電解質皮膜を通って空気極触媒層中の触媒金属へと到達し、空気極に供給された酸素と反応して水を生成する。この電気化学反応に伴って外部に電気エネルギーが取出される。
【０００３】
固体高分子電解質膜および電解質皮膜は湿潤になるほど高い導電性を示し、含水率が高いほど水素イオンの移動速度が速くなるので、これらの膜は湿潤に保持して使用される。固体高分子電解質膜および電解質皮膜を湿潤に保持する方法としては、燃料ガスおよび／あるいは酸化剤ガス（空気）を予め加湿してセルへ供給する方法が一般に採られている。
【０００４】
図３は、従来の固体高分子形燃料電池の反応ガスの加湿方法の一例を模式的に示す要部のフロー図である。図において、１は燃料電池本体を構成する燃料極、２は同じく燃料電池本体を構成する空気極、３は、燃料電池本体を所定の運転温度に保持するためにくみ込まれた冷却機構であり、４は、冷却機構３に冷却水を循環供給するための冷却システムである。また、５は燃料極側加湿タンク、６は空気極側加湿タンクで、いずれにも常に一定量の純水が貯水されている。本構成では、外部より導入された燃料ガスは、まず燃料極側加湿タンク５へと送られ、純水中を通過させて十分に加湿させたのち燃料極１へ供給される。同様に、空気は、空気極側加湿タンク６へと送られ、十分に加湿させたのち空気極２へと供給される。このとき、各ガスの加湿量は各タンクの貯水の温度を制御することによって調整される。
【０００５】
図４は、従来の固体高分子形燃料電池の反応ガスの加湿方法の他の例を模式的に示す要部のフロー図である。図において、１，２，３は、図３と同じく、電池本体を構成する燃料極、空気極、冷却機構であり、４は冷却システムである。本例の特徴は、図３の例で用いられていた加湿タンク５，６に替わって、水蒸気透過膜９を備えた加湿装置が使用されていることにある。これらの加湿装置は、ガスを流すガス側空間と加湿水を流す温水側空間、およびこれら二つの空間を隔てる水蒸気透過膜９により構成されており、水蒸気透過膜９を通して温水側からガス側へと透過する水蒸気によってガス側空間を流れるガスの加湿が行われる。このとき、ガス側空間を流れるガスの加湿量は、供給ガスと水蒸気透過膜９の接触面積により制御される。なお、図４に示した例では、電池本体の冷却機構３を冷却する冷却水が燃料極側加湿装置７、空気極側加湿装置８の加湿用温水として用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、固体高分子形燃料電池においては、供給ガス、すなわち燃料ガスおよび／あるいは酸化剤ガス（空気）を加湿して電極に供給することによって、固体高分子電解質膜および触媒層中の電解質皮膜を湿潤に保持して導電性を高め、電池性能の向上を図っている。しかしながら、このような方策を講じた固体高分子形燃料電池においても、なお、以下のごとき難点がある。
【０００７】
すなわち、供給ガスを加湿して送る方式を採れば、固体高分子電解質膜および触媒層中の電解質皮膜が湿潤となり導電性が高くなるので、供給ガスの加湿量を高めれば高めるほど運転初期のセル電圧が高まるが、一方、このように供給ガスの加湿量を高めれば、固体高分子電解質膜および触媒層中の電解質皮膜が含水率の上昇によって膨潤し、触媒層中の空孔の割合の低下をもたらすので、運転の継続とともに触媒層中での供給ガスの拡散性能が低下し、セル電圧が大きく低下するという問題がある。
【０００８】
図５は、従来の固体高分子形燃料電池の運転方法におけるセル電圧の時間変化を示す特性図である。図には、ガス加湿量を高くして運転した場合の特性Ａと、相対的に低いガス加湿量で運転した場合の特性Ｂが図示されている。図に見られるように、ガス加湿量を高くして運転した場合（Ａ）には、運転初期のセル電圧は高くなるが、運転時間の経過とともにセル電圧は大幅に低下する。これに対して、相対的に低いガス加湿量で運転した場合（Ｂ）には、セル電圧の低下率は低く抑えられるが、運転初期のセル電圧は低くなる。なお、特性Ｂのごとくガス加湿量を低く抑えれば、固体高分子電解質膜等の膨潤に起因する触媒層中での供給ガスの拡散性能の低下によりもたらされるセル電圧の低下を生じる危険性は低く抑えられるが、長時間運転を持続すると固体高分子電解質膜等の含水率が下がり、導電性が低下して、セル電圧が低下する。
【０００９】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を克服し、固体高分子電解質膜等の含水率が適正に保持されて、所定のセル電圧が長時間にわたり安定して得られ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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子電解質膜を燃料極と空気極で挟持してセルを構成し、燃料極に燃料ガスを、また空気極に空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池の運転方法において、
（１）前記の燃料ガスと空気のうち少なくともいずれか一方のガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧を下回ったとき、前記第１の加湿装置を通流後の前記ガスをさらに第２の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、さらに前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧より高い第２の規定電圧以上となったとき、再び、前記ガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行うこととする。
【００１１】
（２）あるいは、前記の燃料ガスと空気のうち少なくともいずれか一方のガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、前記のセルの出力電圧が第１の規定電圧以下となったとき、前記第１の加湿装置を通流後の前記ガスをさらに第２の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行い、当該運転を規定時間行ったのち、再び、前記ガスを第１の加湿装置に通流させた後前記セルに供給する運転を行うこととする。
こととする。
【００１３】
燃料ガスと空気のうち少なくともいずれか一方の加湿量を第１の加湿レベルに調整して運転すれば、固体高分子電解質膜および触媒層中の電解質皮膜が湿潤に保持されて所定のセル電圧が得られる。運転を継続するとセル電圧は低下するが、上記の（１）または（２）のごとく、セル電圧が第１の規定電圧を下回ったとき、加湿量をより加湿量の高い第２の加湿レベルに調整して運転すれば、ガスにより持ち込まれる水分量が増加し、固体高分子電解質膜および触媒層中の電解質皮膜の含水率が運転初期と同程度に戻ることによってセル電圧は回復する。引き続き、上記の（１）のごとく、セル電圧が第２の規定電圧を上回ったとき加湿量を再び第１の加湿レベルに調整して運転するか、あるいは上記の（２）のごとく、第２の加湿レベルでの運転を規定時間行ったのち、加湿量を再び第１の加湿レベルに下げて運転することとすれば、固体高分子電解質膜等の膨潤に起因する触媒層中での供給ガスの拡散性能の低下が回避され、セル電圧の低下率を小さく抑えて運転することができ、このサイクルの継続によって、固体高分子形燃料電池を長時間安定して運転できることとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例を挙げて説明する。
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池の運転方法における反応ガスの加湿方法を示すフロー図である。また、図２は、本実施例におけるガス加湿量とセル電圧の時間変化を示す特性図である。
【００１６】
本実施例の固体高分子形燃料電池には、図１に示したように、燃料電池本体の燃料極１に供給する燃料ガスの加湿手段として、水蒸気透過膜９を備えた第１の加湿装置７および同じく水蒸気透過膜９を備えた第２の加湿装置１０が、また、空気極２に供給する酸化剤ガス（空気) の加湿手段として、水蒸気透過膜９を備えた第１の加湿装置８および同じく水蒸気透過膜９を備えた第２の加湿装置１１が備えられており、電池本体の冷却機構３を冷却する冷却システム４の冷却水がこれらの加湿装置の加湿用温水として用いられている。
【００１７】
本実施例の運転方法においては、通常運転時には、図１（ａ）のごとく、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）ともに、第１の加湿装置７、８のみにより加湿して、それぞれ燃料極、酸化剤極に供給し、燃料電池の発生電圧が規定値Ｖ1を下回ると、図１（ｂ）のごとく、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）とも、第２の加湿装置１０，１１、および第１の加湿装置７、８を通して加湿量を高くする高加湿運転を行って、燃料極、酸化剤極に供給する。この高加湿運転により燃料電池の発生電圧が上昇し、規定値Ｖ2 を上回ると、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）とも、第２の加湿装置１０，１１への通流を停止して、図１（ａ）のごとき構成に復して通常運転を行うこととする。
【００１８】
このように反応ガスの加湿量を切り換えて固体高分子形燃料電池を運転すれば、図２に見られるごとく、セル電圧は、通常運転（ガス加湿量Ｘ1 ）においては緩やかに減少し、規定値Ｖ1 を下回ると高加湿運転（ガス加湿量Ｘ2 ）への移行とともに急激に上昇、回復し、規定値Ｖ2 を上回るとともに再び通常運転（ガス加湿量Ｘ1 ）に復するサイクルを繰り返すこととなる。したがって、本運転方法により運転すれば、固体高分子形燃料電池のセル電圧はＶ1 とＶ2 との間に制御され、安定して運転されることとなる。
【００１９】
なお、上記の実施例においては、燃料極１に供給する燃料ガスの加湿手段に第２の加湿装置１０を付加するとともに、空気極２に供給する酸化剤ガス（空気) の加湿手段にも第２の加湿装置１１を付加して通常運転と高加湿運転を切り換えて運転しているが、燃料ガスの加湿手段にのみ第２の加湿装置１０を付加して通常運転と高加湿運転を切り換えて運転することとしてもよく、また酸化剤ガス（空気) の加湿手段にのみ第２の加湿装置１１を付加して通常運転と高加湿運転を切り換えて運転することとしてもよい。
【００２０】
また、上記の実施例においては、高加湿運転へ移行したのち、セル電圧が規定値Ｖ2 を上回ると再び通常運転へと復しているが、高加湿運転を規定時間行ったのち、加湿量を再び第１の加湿レベルに調整して運転することとしても、セル電圧はＶ1 以上の電圧に保持される。このとき、高加湿運転を持続させる規定時間は、その固体高分子形燃料電池の特性に合わせて選定されるもので、規定時間が長いほどセル電圧の上限値が高くなる。
【００２１】
また、上記の実施例においては水蒸気透過膜９を透過する水蒸気によってガスの加湿を行う方式の加湿装置が加湿手段としてに用いられているが、この方式の加湿装置に替えて、図３に示したような純水中を通過させてガスを加湿する方式の加湿タンクを用いることとしてもよい。なお、この方式においては、加湿タンク中の温水の温度の切り換えによって通常運転と高加湿運転の切り換えが行われる。
【００２２】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
固体高分子形燃料電池を、請求項１または請求項２に記載のごとき方法を用いて運転することとしたので、運転中のセル電圧の低下が抑制され、所定のセル電圧が長時間にわたり安定して得られることとなった。
【００２３】
したがって、固体高分子形燃料電池を本方法のごとく運転するよう構成すれば、長時間安定して効率良く運転できるので、例えば一般家庭用等の定置型電源としての使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池の運転方法の実施例における反応ガスの加湿方法を示すフロー図で、（ａ）は通常運転時のフロー図、（ｂ）は高加湿運転時フロー図
【図２】本発明の固体高分子形燃料電池の運転方法の実施例におけるガス加湿量とセル電圧の時間変化を示す特性図
【図３】従来の固体高分子形燃料電池の運転方法における反応ガスの加湿方法の一例を模式的に示すフロー図
【図４】従来の固体高分子形燃料電池の運転方法における反応ガスの加湿方法の他の例を模式的に示すフロー図
【図５】従来の固体高分子形燃料電池の運転方法におけるセル電圧の時間変化を示す特性図
【符号の説明】
１    燃料極
２    空気極
３    冷却機構
４    冷却システム
７    第１の加湿装置（燃料極側）
８    第１の加湿装置（空気極側）
９    水蒸気透過膜
１０    第２の加湿装置（燃料極側）
１１    第２の加湿装置（空気極側）
【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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