(57)【要約】 【課題】電解質膜の耐久性の低下を抑制することができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供する。【解決手段】本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池セルを複数積層した燃料電池セルスタック１５と、燃料電池セルスタック１５に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部１３と、燃料電池セルスタック１５に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１３と、燃料電池セルスタック１５の連続発電時間を計測する発電時間計測部２１と、発電時間計測部２１によって計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断する判断部２２と、判断部２２によって連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、酸化剤ガス供給部１３から燃料電池セルスタック１５に供給される酸化剤ガス及び燃料ガス供給部１１から燃料電池セルスタック１５に供給される燃料ガスを停止する制御部２０とを具備する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを複数積層した燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池セルスタックの連続発電時間を計測する発電時間計測手段と、
前記発電時間計測手段によって計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段によって連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、前記酸化剤ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガス及び前記燃料ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスを停止する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記所定の時間は、２２０時間以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルは、固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料電池セルを複数積層した燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記燃料電池セルスタックの連続発電時間を計測し、
前記計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断し、
前記連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、前記酸化剤ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガス及び前記燃料ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスを停止することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の本実施形態は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、アノード側に水素を含むアノードガス、カソード側に酸素を含むカソードガスを夫々供給し、水素と酸素を反応させて発電を行う。カソードガスには一般に空気が用いられ、アノードガスには純水素ガスのほか、天然ガスやナフサ等の炭化水素など原燃料を改質して水素リッチな改質ガスとしたものが用いられる。
【０００３】
燃料電池には様々な種類があるが、固体高分子膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell；ＰＥＦＣ）の研究が積極的になされている。ＰＥＦＣは、例えば図９に示す従来のセル周辺構成の厚さ方向断面図のように、陽イオン交換樹脂等からなる固体高分子電解質膜１の一方の面にアノード触媒層２を配し、他方の面にカソード触媒層３を配し、これをアノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５の間に配した膜・電極接合体６の構成とする。
【０００４】
この膜・電極接合体６のアノード側の外側には上記アノードガスを膜・電極接合体６のアノード側平面内に一様に供給するためのアノードセパレータ７を配し、カソード側の外側には同様に上記カソードガスを膜・電極接合体６のカソード側平面内に供給するためのカソードセパレータ８を配する。
【０００５】
各々のセパレータ７、８にはガスを流通するためのアノード溝９、およびカソード溝１０が形成され、各々の溝９、１０の面が前記ガス拡散層４、５とそれぞれ接するように配置される。このような膜・電極接合体６とセパレータを基本構造とした単セル１１を多数積層し、高出力を得る。
【０００６】
固体高分子形燃料電池は運転時において、固体高分子電解質膜１のイオン導電性を高めて内部抵抗を下げるために固体高分子電解質膜１を湿潤させなければならない。膜・電極接合体６のカソード触媒層３側では発電の反応による生成水が生じるが、アノードガスやカソードガスをそのままで用いると、電池冷却水温度に比べてこれらのアノードガス、カソードガスの露点が低いために、生成水はガス中へ蒸発する。固体高分子電解質膜を湿潤させるために、例えば燃料電池に供給するアノードガス、カソードガスを予め加湿器等によって加湿する外部加湿方式が一般的に取られてきた。
【０００７】
しかしながら燃料電池システムを普及させるためには、コスト低減、信頼性向上が必要で、この加湿器は燃料電池システムのコスト低減の為にその制御などの簡略化が望まれている。
【０００８】
具体的には、燃料電池システムは給湯として熱を供給するための熱源として冷却水温度は約７０℃以上である。そこで電池スタックに供給する燃料、および空気の露点を７０℃とする必要があるが、燃料については改質器から供給されるアノードガスの露点が約６０℃、空気については燃料電池システムの周辺温度約２５℃の相対湿度５０％程度に相当する露点１５℃程度であり、加湿器による水分補給は大きなエネルギーを必要とする。従って、加湿器による水蒸気の供給量を減らし、加湿器による露点温度が冷却水温度よりも低い未飽和状態のガスで、運転できる電池スタックが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２５９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記膜・電極接合体６の構成によるセルスタックに電池の冷却水温度よりも低い露点のアノードガス、カソードガスを供給して発電した。１２５０時間後に発電を停止し、アノードカソード間の水素透過量を測定したところ、許容値と設定している値を超える水素透過量であった。
【００１１】
水素の透過量を測定する方法は、主に次の２通りあるが、本測定では電気化学的手法により測定した。一つは、アノードに水素ガスを供給し、カソードには窒素ガスを供給し、アノードとカソードの間にアノードを基準にポテンショスタットによって０．４〜０．６Vの電圧を掛け、この時の電流値を測定する方法である。もう一つは、アノードに水素ガスを供給し、カソードに窒素ガスを供給し、カソードのガス出口の水素濃度をガスクロマトグラフにて測定する方法である。
【００１２】
試験を行ったセルの断面観察などから、水素透過量が膜・電極接合体の平面内に関して場所により異なり、水素透過量が相対的に多いと考えられる箇所は、アノードガス入口およびカソードガス入口などのガス入口部であった。ガス入口部の水素透過量が多いと判断される理由は、ガス入口部の電解質膜の厚さが薄い、膜が破断しているなどの観察からである。
【００１３】
ガス入口部の電解質膜の劣化が相対的に大きくなる理由は、電解質膜が晒される湿度がガス入口部では相対的に低いからであると考えられる。一般に電解質膜の化学的な劣化速度は、電解質膜が晒されている湿度が低くなるに従って速くなる。このため電解質膜の劣化速度は平面内に関して異なり、セルとしての耐久性は湿度の低い箇所の膜耐久性によって決まる。
【００１４】
ところで湿度の低下に伴って膜の劣化速度が上昇する物理的機構はまだ明確にはなっていない。但し、ＯＣＶ試験、発電試験に関らず電解質膜、特にフッ素系電解質膜が化学的に劣化する機構については、アノード触媒層、カソード触媒層夫々において、触媒である白金上での酸素の還元反応に付随して過酸化水素が生成され、生成した過酸化水素が触媒上または電解質膜中においてヒドロキシラジカルを生成して、このヒドロキシラジカルが膜を直接攻撃すると考えられている。
【００１５】
従来技術において述べたように、供給されるアノードガス、カソードガスが未飽和の場合、カソード側では、膜・電極接合体からカソードセパレータのカソード溝へ水分が蒸発する。この時の蒸発速度は計算によると生成水の生成速度よりも多い水が蒸発している。
【００１６】
不足する水分の一部はアノード側から発電に伴うプロトンの随伴水により供給される。
【００１７】
しかし、これら生成水の量と、アノードからカソードへの随伴水の量を併せても蒸発による水の移動量を賄えない場合、膜・電極接合体のガス入口部の膜の含水率が時間と共に減少する。つまり膜が徐々に乾燥状態に変化していく。
【００１８】
このような乾燥が起こる場合、含水率の低下する領域が時間と共にガスの流れ方向の下流側へ拡大していく。その理由は以下のように考えられる。クラスター構造を有する電解質膜は、ある一定以上の含水率を有する場合は、液体の水でネットワークが形成され、含水率の差が生じた場合、含水率の高い場所から低い場所へ容易に移動する。
【００１９】
しかしながら、ある含水率以下となった場合、液体による水移動が不可能となるために、一旦水のネットワークが切れてしまうとネットワークが分断された箇所の含水率は回復しない。このような含水率の低下が起こる場所からの水の蒸発速度は時間の経過と共に含水率の低下に伴って減少するため、カソード溝内の流路に沿ったガスの湿度上昇が緩やかとなり、その結果ガス入口部で起こっていた乾燥現象が下流側にシフトする。
【００２０】
このような低加湿条件で運転される燃料電池に対して、カソード電極の撥水性を高めてカソード溝への水分の移動を抑制して、膜電極接合体の乾燥を防ぐ方法が種々提案されているが、このような水蒸気の透過速度を抑えた電極をカソードに適用すると、セルの平面内で湿度が高い箇所ではフラッディングが生じ電圧性能の低下を起こすことが考えられる。
【００２１】
このための対策として、セルの平面内について電極の撥水性を変える方法が提案されている。具体的には、乾燥しやすい箇所では撥水性を高め、フラッディングが起こりやすい箇所には撥水性を低くする。しかしながら、この方法は製造方法に関して複雑な工程が必要となりコスト増となることが考えられる。
【００２２】
発明が解決しようとする課題は、電解質膜の耐久性の低下を抑制することができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池セルを複数積層した燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池セルスタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池セルスタックの連続発電時間を計測する発電時間計測手段と、前記発電時間計測手段によって計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、前記酸化剤ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガス及び前記燃料ガス供給部から前記燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスを停止する制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電解質膜の耐久性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池発電システムのＰＥＦＣの厚さ方向断面図である。
【図２】各種運転方法にしたがったＰＥＦＣの電解質膜の寿命と平均連続発電時間との関係を示す図である。
【図３】各運転方法Ｉ乃至ＩＩＩにおける累積運転時間に対するＰＥＦＣの電解質膜の水素透過量を示す図である。
【図４】各運転方法Ｉ乃至ＩＶにおけるＰＥＦＣの電解質膜の寿命と連続発電時間との関係を示す図である。
【図５】図４に示されたデータを連続発電時間及び電解質膜の寿命について各々規格化した図である。
【図６】図５に示したフィッティングした点線の傾きの大きさ（絶対値）をプロットした図である。
【図７】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図８】本実施の形態の燃料電池発電システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】従来のＰＥＦＣの厚さ方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムのＰＥＦＣの厚さ方向断面図である。なお、図９と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００２８】
同図において、１は固体高分子電解質膜であり、固体高分子電解質膜１のアノード側には白金とルテニウムの合金触媒からなるアノード触媒層２が接合されている。固体高分子電解質膜１のカソード側には白金触媒からなるカソード触媒層３が接合されている。アノード触媒層２の膜と反対の面には電極基板となるアノードガス拡散層４が配置され、カソード触媒層３の膜と反対の面にも同様にカソードガス拡散層５が配置されている。これにより夫々アノード、およびカソードが構成される。
【００２９】
これらガス拡散層は、アノードでは原燃料ガスである天然ガス、LPガス、都市ガスなどを改質して得られた水素リッチなガスを通過させ、カソードでは酸化剤ガス（空気）を通過させる働きをする。更にアノードセパレータ７−ａおよびカソードセパレータ８−ｂは多孔質体であり、アノードセパレータ、カソードセパレータのセルと反対の面に冷却水を流通させる冷却板（図示せず）を配する。これら単セルと冷却板を交互に繰り返して積層してセルスタックを構成する。
【００３０】
このセルスタックに、アノードには改質模擬ガスとして水素８０％、二酸化炭素ガス２０％、一酸化炭素ガス１０ｐｐｍの混合ガスを流し、カソードには空気を流して発電を行った。上記改質模擬ガス、空気は加湿器を通さず供給される。また、アノードセパレータ７−ａ、カソードセパレータ８−ａは多孔質体であり、この細孔を通って冷却水が改質模擬ガスおよびカソード空気中へ拡散する。その結果改質模擬ガス、カソード空気は加湿される。但し、セルのガス入口部分では供給されたガスの湿度は飽和には至っていない。
【００３１】
図２は、各種運転方法にしたがったＰＥＦＣの電解質膜の寿命と平均連続発電時間との関係を示す図である。
【００３２】
ここで、運転方法Ｉはセルスタックを連続で発電を行なう方法であり、運転方法ＩＩは、セルスタックを約１週間に一度発電を停止する方法であり、運転方法ＩＩＩは連続発電時間を運転方法ＩＩよりも更に短く、毎日起動・停止を繰り返して発電を行なう方法であり、運転方法ＩＶは、定格電流と部分負荷電流との間で電流サイクルを掛けて発電を行なう方法である。
【００３３】
運転方法ＩＩ、ＩＩＩの停止方法は、以下のように行なった。負荷電流を遮断した後、カソードの空気を窒素ガスでパージしてセル電圧を下げる。電圧が安定した後、窒素ガスの流量を発電時の空気流量よりも少なくし、電池の冷却水加温用ヒーター電源を切る。
【００３４】
冷却水は、室温の水との熱交換により温度が下がり、約３０分で室温まで降温した。発電開始は、まず冷却水加温用ヒーター電源を投入し、セルスタックの冷却水出口温度が所定の温度に到達した後、カソードへ空気を供給して、電圧が上昇したのを確認して負荷電流を取る。このような手順により発電を行った。耐久性試験の途中で、膜の劣化状態を確認するために水素透過量を測定した。水素透過量測定は、発電停止のタイミングにおいて前述の電気化学的手法によって測定した。
【００３５】
図２に示すように、運転方法ＩＩにおける平均連続発電時間は８９時間、運転方法ＩＩＩにおける平均連続発電時間は１６時間であった。連続で発電する時間を短くすることによりガス入口部の乾燥領域の拡大の抑制、乾燥状態の乾燥度の低減が図られると共に、停止時において含水率の低いガス入口部へ水が移動し、含水率が上昇、回復する。この停止時の窒素ガス流量を発電時の流量よりも少なくして供給した窒素ガスによる水分の蒸発を小さくした。
【００３６】
外部加湿方式の場合は、水分を短時間にガス入口部に供給するために、加湿した窒素ガスを供給することが望ましい。また、時間の短縮のためには過飽和のガスを供給すると更に良いと考えられる。
【００３７】
図３は、各運転方法Ｉ乃至ＩＩＩにおける累積運転時間に対するＰＥＦＣの電解質膜の水素透過量を示す図である。図４は各運転方法Ｉ乃至ＩＶにおけるＰＥＦＣの電解質膜の寿命と連続発電時間との関係を示す図である。なお、図４においては、図２及び図３に示した膜種Ａとは異なる膜種Ｂについての実験結果についても示している。
【００３８】
運転方法ＩＩによれば、連続で発電を行ったスタック（運転方法Ｉ）に比べて膜の耐久性が向上したことが示された。
【００３９】
運転方法ＩＩＩによれば、運転方法ＩＩに比べて連続発電時間を更に短くしたことにより、乾燥領域が更に小さくなり、乾燥状態も緩和される。連続発電時間を短くしたことで、電解質膜の含水率を回復させるための停止時間も運転方法ＩＩの場合の約８０時間よりも短い８時間でも十分であると考えられる。運転方法ＩＩＩによれば、連続発電時間を短くしたことにより、乾燥領域の低減、乾燥状態の緩和が図られた結果、図３に示すように電解質膜の耐久性は運転方法Ｉ、ＩＩに比べて更に向上する。
【００４０】
なお、本実施の形態では、セルスタックのみを用いて試験装置にて行った試験であるが、燃料電池システムにおいては、燃料電池システムが外部へ出力している時間を計時することで同様の効果が得られる。
【００４１】
運転方法ＩＶによれば、部分負荷電流時にはガス供給流量を減少させているので、膜の延命化に効果があることがわかる。
【００４２】
図５は、図４に示されたデータを連続発電時間及び電解質膜の寿命について各々規格化した図である。図５において、連続発電時間は、運転方法Ｉを基準（＝１）とし、電解質膜の寿命も運転方法Ｉを基準（＝１．０）とした。同図において、点線は、プロットした４つのデータをある関数でフィッティングしたものを示している。
【００４３】
図６は、図５に示したフィッティングした点線の傾きの大きさ（絶対値）をプロットした図である。図６に示すように、電解質膜の寿命増加の変化率は、連続発電時間が約０．２付近で増加が表われる。このポイント０．２は、実際の試験時間では、膜Ａでは２５０時間、膜Ｂでは２２０時間となる。
【００４４】
すなわち、連続発電時間が２２０時間以下であれば、電解質膜の延命化に有効であることがわかる。
【００４５】
なお、従来技術においては、発電時間と電解質膜の寿命との関係についての課題の認識さえされていないことに留意されるべきである。
【００４６】
図７は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【００４７】
同図に示すように、燃料ガス供給部１１から供給される燃料ガス（原燃料）は改質器１２によって改質された後、燃料電池セルスタック１５のアノード１５ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給部１３から供給される酸化剤ガスは、加湿器１４によって加湿された後、燃料電池セルスタック１５のカソード１５ｂに供給される。
【００４８】
冷却水系は、熱交換器１６、水タンク１７、水ポンプ１８を備え、燃料電池セルスタック１５に冷却水を供給する。具体的には、燃料電池セルスタック１５の冷却水出口配管に熱交換器１６が接続される。熱交換器１６は、燃料電池セルスタック１５から発生した熱の熱交換を行なう。熱交換器１６によって熱交換され、温度が低下した水は水タンク１７に供給され、水ポンプ１８によって、再度、燃料電池セルスタック１５に供給される。
【００４９】
制御部２０は、連続発電時間計測部２１、判断部２２及び制御信号生成部２３を有する。
【００５０】
連続発電時間計測部２１は、燃料電池セルスタック１５が発電しているか否かの判断を行い、発電をしていると判断された場合には、燃料電池セルスタック１５の連続発電時間を計測する。なお、発電しているか否かの判断は、燃料電池セルスタック１５の出力を直接測定しても良いし、燃料電池セルスタック１５に接続されるインバータの出力を測定しても良いし、その方法は問わない。
【００５１】
判断部２２は、連続発電時間計測部２１によって計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断する。具体的には、連続発電時間が、２２０時間以下であるか否かを判断する。
【００５２】
制御信号生成部２３は、連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、燃料ガス供給部１１から燃料電池セルスタック１５のアノード１５ａへの燃料ガスの供給を停止するための制御信号を燃料ガス供給部１１に出力し、燃料ガスの供給を停止する。なお、燃料ガスを供給する方法はこれに限られるものではなく、例えば、燃料ガスを供給するための配管にバルブを設け、このバルブの開度を制御してもよく、その制御方法は問わない。
【００５３】
また、制御信号生成部２３は、連続発電時間が所定の時間に達したと判断された場合に、酸化剤ガス供給部１３から燃料電池セルスタック１５のカソード１５ｂへの酸化剤ガスの供給を停止するための制御信号を酸化剤ガス供給部１３に出力し、酸化剤ガスの供給を停止する。なお、酸化剤ガスを供給する方法はこれに限られるものではなく、例えば、酸化剤ガスを供給するための配管にバルブを設け、このバルブの開度を制御してもよく、その制御方法は問わない。
【００５４】
図８は、本実施の形態の燃料電池発電システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【００５５】
連続発電時間計測部２１により、燃料電池セルスタック１５が発電しているか否かの判断が行なわれ（Ｓ１）、燃料電池セルスタック１５が発電していると判断された場合には、燃料電池セルスタック１５の連続発電時間が計測される（Ｓ２）。
【００５６】
その後、判断部２２により、連続発電時間計測部２１によって計測された連続発電時間が所定の時間に達したか否かを判断する（Ｓ３）。Ｓ３において、所定時間が経過したと判断された場合には、制御信号生成部２３により、燃料ガス供給部１１から燃料電池セルスタック１５のアノード１５ａへの燃料ガスの供給を停止するための制御信号を燃料ガス供給部１１に出力し、燃料ガスの供給を停止する。また、制御信号生成部２３により、酸化剤ガス供給部１３から燃料電池セルスタック１５のカソード１５ｂへの酸化剤ガスの供給を停止するための制御信号を酸化剤ガス供給部１３に出力し、酸化剤ガスの供給を停止する。
【００５７】
本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、出力開始から連続で発電した時間が所定の時間に達する前にシステムが停止しなかった場合には、予め定められた所定時間で停止する。所定時間は、膜・電極接合体のガス入口部が乾燥状態となることを防ぐ時間であり、２２０時間以下とする。
【００５８】
このように、連続発電時間を２２０時間以下に制限することにより、膜・電極接合体のガス入口部の電解質膜が乾燥状態となる前に、膜の含水率を上昇させることができるので、膜の劣化速度の増大を抑制できる。
【００５９】
なお、本実施の形態においては、好適な例として２２０時間を例として挙げたが、２２０時間より少ない時間であれば、より電荷質膜の耐久性を向上させることができることはいうまでもない。
【００６０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１…固体高分子電解質膜、２…アノード触媒層、３…カソード触媒層、４…アノードガス拡散層、５…カソードガス拡散層、６…膜・電極接合体、７、７ａ…アノードセパレータ、８、８ａ…カソードセパレータ、９…アノード溝、１０…カソード溝、１１…燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部１３、セルスタック１５、２０…制御部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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