(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置とを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿空気の供給を行って前記燃料電池本体を低負荷状態で運転し、電解質膜の乾燥により燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で、燃料電池発電装置の運転を停止することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置と、燃料電池発電装置の運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し，カソード電極に無加湿空気の供給を行って燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で，燃料電池発電装置の運転を停止する制御装置とを備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池発電装置において、空気を加湿する加湿装置は、加湿膜を有し、かつこの加湿膜主面の一側に水を貯留する空間を備え、他側に空気を通流する空間を備えたものとし、前記空気の加湿停止は、貯留された水を排出することにより行うように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池発電装置において、空気を加湿する加湿装置は、加湿用容器に貯留された水の中に空気を散気し、水中から脱気した空気を燃料電池本体へ通流する構成を有し、前記空気の加湿停止は、貯留された水を排出することにより行うように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池発電装置において、加湿装置は、加湿膜主面の一側に貯留する水または加湿用容器に貯留される水を、別置の貯水タンクからポンプ手段により導入・排出入するように構成してなり、さらにこのポンプ手段は、少なくとも４つの弁からなる流通方向切替手段を備え、前記制御装置は、燃料電池発電装置の運転停止時に、前記流通方向切替により、貯留された水を排出するように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項６】
請求項３または４に記載の燃料電池発電装置において、加湿装置は、さらに、無加湿空気を燃料電池本体へ直接通流するバイパス回路とバイパス回路への切替装置とを備え、前記空気の加湿停止は、空気の通流をこのバイパス回路へ切り替えることにより行うように構成したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位であるセルの構成は図６のように表わされる。膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜３１の両面に貴金属（主として白金）を含む触媒層４０を接合して形成される。ＭＥＡの外側には多孔質の拡散層３３があって、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。
【０００３】
多孔質の拡散層３３と触媒層４０とを合わせて、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤ガスが通流される側をカソード電極という。また、広義のＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレータ３２で挟むことにより、セルが構成される。このセルを多数積層したものをスタックという。
【０００４】
電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜にはNafionTM（米国・デュポン社製商品名）がある。これらの電解質膜の特徴は、他の高分子電解質と比較してプロトン伝導性が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下することである。このため固体高分子電解質型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状態に制御することが求められる。通常は反応ガスを加湿することによって電解質膜の乾燥を防止する。
【０００５】
加湿のための水は生成水を回収して利用するか、または外部より供給する。電解質は金属イオンを吸着するので、加湿に使用する水はイオン交換などの方法によって金属イオンが除去されている必要がある。また生成水を回収して利用するには付加的な装置が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜は高分子イオン交換膜であり、運転時には湿潤状態にする必要があるため、燃料電池に供給する反応ガスには加湿手段により水分が添加される。また燃料電池の発電によっても水が発生する。固体高分子電解質型燃料電池は、運転圧力での水の沸点以下の温度で運転されるため、これらの水分が電池の内部で液状となって存在する場合が多い。
【０００７】
寒冷地では、固体高分子電解質型燃料電池の内部に残留する上記液状の水が運転停止後に凍結し、触媒層や拡散層内部の微細構造を破壊する恐れがある。
【０００８】
上記問題に対処するため、反応ガスとしての燃料ガスに水を吹き込んで気液混合物を生成して加湿するタイプの固体高分子電解質型燃料電池発電装置においては、燃料電池停止時に、反応空気用ブロワとは別に設けられた空気ポンプを備えた燃料電池内水排出手段により、冷却水タンクに水を回収する方式、あるいは、燃料ガスポンプのみを継続運転させて冷却水タンクに水を回収する方式などが提案されている（特開平９−１４７８９２号公報参照）。
【０００９】
しかしながら、上記特開平９−１４７８９２号公報に記載された方式は、全体として、システム構成および操作手順が複雑であり、特に前記二方式の内、前者の方式は、反応空気用ブロワとは別に空気ポンプを設ける必要があり、その分過剰設備となる問題がある。
【００１０】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、装置構成および操作手順が簡単で、かつ発電装置停止時において電池内部の合理的な乾燥状態が得られる固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、燃料電池発電装置が外部への電気出力を終了し停止状態に入る際に、ある程度の時間だけ燃料電池本体に乾燥ガスを供給する。
【００１２】
乾燥ガスとしては空気を用いるのが簡便である。空気に対する加湿を停止することで電池の運転温度では充分な乾燥効果を持ったガスが得られる。加湿を停止する方法は加湿手段によって異なるが、加湿水の供給を停止し、加湿装置内部の水を抜く、加湿装置をバイパスするといった方法がある。
【００１３】
空気を用いた場合には燃料電池が空気の供給装置へ電力を供給しつづけられるので、系統接続を行わない小型の発電装置でも適用可能である。また系統接続が行われている場合には燃料電池本体が完全に発電を停止した状態で空気を乾燥ガスとして導入することも可能である。
【００１４】
乾燥ガスを供給する時間は、乾燥ガスの流量に応じてあらかじめ適当な値を定めることができる。また電解質膜の乾燥による出力電圧の低下を監視することで乾燥ガスの供給時間を決めることも可能である。このように乾燥時間を制限する理由は、乾燥時間が長すぎると再起動に要する時間が長くなるからである。
【００１５】
上記の考え方を基礎として、請求項１の発明は、固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置とを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿空気の供給を行って前記燃料電池本体を低負荷状態で運転し、電解質膜の乾燥により燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で、燃料電池発電装置の運転を停止することとする。
【００１６】
上記により、燃料電池停止時に、加湿を停止した上で反応空気用ブロワを、固体高分子電解質膜の乾燥に好ましい時間運転を継続するのみで所期の目的を達成できるので、構成および操作手順が簡略となる。
【００１７】
なお、電解質膜の最適乾燥状態は、前述のように燃料電池の出力電圧によって評価できるので、過乾燥や無駄時間を避ける観点から、前記のようにカソード電極に無加湿空気の供給を行って前記燃料電池本体を低負荷状態で運転し、電解質膜の乾燥により燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で、燃料電池発電装置の運転を停止することとする。
【００１８】
さらに、上記請求項１の発明の方法を実施するための固体高分子電解質型燃料電池発電装置としては、固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置と、燃料電池発電装置の運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し，カソード電極に無加湿空気の供給を行って燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で，燃料電池発電装置の運転を停止する制御装置とを備えたものとする（請求項２の発明）。
【００１９】
前記加湿装置の実施態様としては、下記の請求項３ないし６の発明が好適である。即ち、まず請求項２記載の燃料電池発電装置において、空気を加湿する加湿装置は、加湿膜を有し、かつこの加湿膜主面の一側に水を貯留する空間を備え、他側に空気を通流する空間を備えたものとし、前記空気の加湿停止は、貯留された水を排出することにより行うように構成したものとする（請求項３の発明）。
【００２０】
また、請求項２記載の燃料電池発電装置において、空気を加湿する加湿装置は、加湿用容器に貯留された水の中に空気を散気し、水中から脱気した空気を燃料電池本体へ通流する構成を有し、前記空気の加湿停止は、貯留された水を排出することにより行うように構成したものとする（請求項４の発明）。
【００２１】
さらに、請求項３または４に記載の燃料電池発電装置において、加湿装置は、加湿膜主面の一側に貯留する水または加湿用容器に貯留される水を、別置の貯水タンクからポンプ手段により導入・排出入するように構成してなり、さらにこのポンプ手段は、少なくとも４つの弁からなる流通方向切替手段を備え、前記制御装置は、燃料電池発電装置の運転停止時に、前記流通方向切替により、貯留された水を排出するように構成したものとする（請求項５の発明）。
【００２２】
さらにまた、請求項３または４に記載の燃料電池発電装置において、加湿装置は、さらに、無加湿空気を燃料電池本体へ直接通流するバイパス回路とバイパス回路への切替装置とを備え、前記空気の加湿停止は、空気の通流をこのバイパス回路へ切り替えることにより行うように構成したものとする（請求項６の発明）。
【００２３】
上記加湿装置の実施態様は、燃料電池発電装置の容量や顧客ニーズに基づく仕様によって使い分けられる。特に、加湿用の水を導入・排出する手段，手順を簡略化するためには、請求項５の発明が好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００２５】
図１は、この発明の実施例、特に請求項５の発明に関わる概略システム系統図を示す。図１に示す燃料電池発電装置は、燃料電池本体１と、この燃料電池本体に水素リッチな改質燃料ガス８を供給する改質装置３と、反応空気７を供給するブロワ４と、この空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置２と、燃料電池発電装置の運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し，カソード電極に無加湿空気の供給を行なって燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で，燃料電池発電装置の運転を停止する制御装置２０とを備える。
【００２６】
さらに、加湿装置２は、加湿膜主面の一側に貯留する水または加湿用容器に貯留される水を、別置の貯水タンク６からポンプ手段５により導入・排出入するように構成されており、さらにこのポンプ手段５は、４つの弁１０、１１からなる流通方向切替手段を備え、前記制御装置２０は、燃料電池発電装置の運転停止時に、前記流通方向切替により、加湿膜主面の一側に貯留された水または加湿用容器に貯留された水を、排出するように構成されている。
【００２７】
図１において、通常運転時においては、燃料電池本体１と加湿装置２の本体部２１には、ポンプ手段５によってタンク６から水が通流され、配管９を介し還流する。ポンプ手段５は、開閉弁１０（２個）と開閉弁１１（２個）とを切り替えることにより、送液方向を逆転させることができる。即ち、開閉弁１０（２個）を開、開閉弁１１（２個）を閉の状態で運転する時には、タンク６の水が加湿装置２の本体部２１に通流される。逆に、開閉弁１０（２個）を閉、開閉弁１１（２個）を開の状態で運転する時には、流れが逆方向となり、加湿装置２の本体部２１内の水は、タンク６内へ排出される。
【００２８】
ブロワ４で供給される空気は加湿装置２で加湿された後、燃料電池本体１を通過する。燃料ガス８は改質装置３から燃料電池本体１を通過し、残余が再び改質装置３に戻り燃焼し、改質反応用の熱として利用される。
【００２９】
燃料電池発電装置の停止時の動作は、例えば、図２のようになる。外部への電力出力を止めた後、ポンプ手段５の送液方向を逆転させて加湿装置２の本体内部から水を排出する。このとき燃料ガスと空気の供給は続けられ、燃料電池本体１は低負荷で運転状態となる。加湿水が排出されたことで空気が乾燥状態で電池本体に供給されるようになり、電極内部の水が排出される。電解質膜の乾燥により、同時に電池本体１の出力電圧が低下する。出力電圧が所定の値に低下した時点で、（例えば３分間後に）燃料ガスと空気の供給が停止され、燃料電池発電装置は完全な停止状態に移行する。
【００３０】
次に、加湿装置の実施の形態について、装置を概念的に示した図３ないし５により説明する。
【００３１】
図３に示す加湿装置は、加湿膜５１を挟んで水を貯留する空間５２と空気を通流する空間５３とを備え、加湿膜５１を介して空気の加湿を行うように構成されたものを示す。貯留された水を排出することにより、空気の加湿は停止する。
【００３２】
図４に示す加湿装置は、加湿用容器６１に貯留された水の中に空気を、散気装置６２を介して散気し、水中から脱気した空気を燃料電池本体へ通流するように構成されたものを示す。この場合も、空気の加湿停止は、貯留された水を排出することにより行われる。
【００３３】
図５に示す加湿装置は、図４に示す加湿装置に、さらに、無加湿空気を燃料電池本体へ直接通流するバイパス回路７１とバイパス回路への切替装置としての切替弁７２を備えたものを示す。空気の加湿停止は、空気の通流をこのバイパス回路７１へ切り替えることにより行われる。なお、図３に示すものに、バイパス回路を設けることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極およびカソード電極を有し、前記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給し、前記カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池本体と、前記空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を加湿する加湿装置とを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、運転停止時に、まず前記空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿空気の供給を行って前記燃料電池本体を低負荷状態で運転し、電解質膜の乾燥により燃料電池本体の出力電圧が所定の値に低下した時点で、燃料電池発電装置の運転を停止することとしたので、装置構成および操作手順が簡単で、かつ発電装置停止時において電池内部の合理的な乾燥状態が得られる固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法を提供することができる。上記により、燃料電池の電極内部に存在する過剰な水分を乾燥ガスによって蒸発させて、寒冷時に電極内部の凍結による構造破壊を防止することができ、寒冷地での起動・停止の繰り返しによる出力電圧の長期的な低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の燃料電池発電装置の実施例に関わる概略システム系統図
【図２】  この発明の燃料電池発電装置停止時の動作手順の一例を示す図
【図３】  この発明の加湿膜を備えた加湿装置の概念図
【図４】  この発明の加湿用容器を備えた加湿装置の概念図
【図５】  図４の加湿装置に対しバイパス回路を備えた加湿装置の概念図
【図６】  固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す斜視図
【符号の説明】
１：燃料電池本体、２：加湿装置、３：改質装置、４：ブロワ、５：ポンプ手段、６：タンク、７：空気、８：燃料ガス、１０，１１：開閉弁、２０：制御装置、３１：電解質膜、３２：セパレータ、３３：拡散層、４０：触媒層、５１：加湿膜、６１：加湿用容器、７１：バイパス回路。
【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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