(57)【要約】    【課題】停止時にアノードの圧力が低下しても、酸素等の流入が防止され、局部電池形成による電池性能の低下が回避されて、長期にわたり高い出力が得られるものを得る。    【解決手段】  固体高分子電解質膜をアノードとカソードで挟持して構成される単位セルを積層した燃料電池スタック１を用いる固体高分子形燃料電池発電装置において、前記の燃料電池スタック１を容器８に収納し、発電装置の運転停止時に、この容器に原燃料ガスを導入して運転することとし、さらに、この容器８に導入する原燃料ガスに、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガスの原料ガスを供給配管から分岐して導入したガスを用いる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して構成される単位セルを積層した燃料電池スタックを用いる固体高分子形燃料電池発電装置において、前記燃料電池スタックが容器に収納され、発電装置の運転停止時に、該容器に原燃料ガスが導入されることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記容器に導入される原燃料ガスが、前記燃料電池スタックのアノード電極に供給される改質ガスの原料ガスを供給配管から分岐して導入したガスであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子からなる電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池発電装置に関わり、特に起動停止操作に伴う電池の劣化が抑制されて、長時間にわたり高い出力が得られる固体高分子形燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は、従来の固体高分子形燃料電池発電装置の基本構成を示す模式図である。燃料電池本体は、固体高分子からなる電解質膜１１をアノード電極１２とカソード電極１３で挟持した単位セルから構成される。使用条件に対応させて複数個の単位セルを積層して燃料電池スタックを形成し、発電するのが一般的である。発電の際、アノード電極１２には、外部より供給した都市ガスを改質器１５により改質して得た高濃度の水素を含む改質ガスが供給され、カソード電極１３には、空気ブロワ１７によって取り込まれた大気中の酸素が供給される。これらのガスの供給により、アノード電極１２とカソード電極１３ではそれぞれ以下のごとき電気化学反応が生じる。
[化１]
アノード電極；      Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-
カソード電極；  （1/2）Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ
【０００３】
この電気化学反応により得られた直流電流はインバータ３２によって交流へと変換され、一般用途へと使用される。また、運転停止時に負荷を開放すると、カソード電極が高電位に曝されて、カソード電極中のカーボンが腐食し、劣化する可能性がある。したがって、負荷を開放する際には、燃料電池スタックを新たに放電抵抗３１に接続して通電させることにより、カソード電極の電位を下げる処理を行う。
【０００４】
また、従来の固体高分子形燃料電池にあっては、燃料電池発電装置の運転停止時や、保管時、あるいは起動時（運転開始時）に、カソード電極で、電解質膜上の炭素と水が反応して炭素被毒が起こり、電解質膜および電極触媒が劣化するという問題点があった。図３は、この現象を説明するために示した図で、燃料電池の起動／停止時のセル内の様子を説明する模式図である。図において、３１は電解質膜、３２、３３は、それぞれプラチナ触媒と炭素担体からなる触媒層３２ａ、３３ａを備えたアノード電極、およびカソード電極である。燃料電池発電装置の運転を停止する際に、カソード電極３３とアノード電極３２にそれぞれ酸素と水素が残った状態で負荷の接続を切り離して放置したときや、アノード電極３２に酸素が満たされている状態において、起動するために水素を含む改質ガスを送り込んだとき、アノード電極３２に水素と酸素が偏在した状態となる。このように水素と酸素が偏在した状態になると、図３に示したごとく、セルの電池反応部面内に局部電池が形成され、アノード電極３２に酸素が存在する側のカソード電極３３が高電位になる可能性が強い。このように高電位に曝されたカソード電極３３の触媒層３３ａ中の担体カーボンが腐食すると、電池の性能が大幅に低下する可能性が高くなる。
【０００５】
燃料電池発電装置の運転停止時や起動時の上記のごときカソード電極の電極触媒の劣化による電池特性の低下を回避するために、以下のごとき種々の方策が提案されている。例えば、特許文献１には、水素の供給と酸素の供給とを調整する装置を有する燃料電池モジュールを備え、供給を停止するために、第１ステップで酸素の供給を停止し、第２ステップで水素の供給を停止し、第２ステップにおいて燃料電池モジュールのカソード部の酸素分圧が予め定めた値に達したとき水素の供給を停止する運転方法が開示されている。また特許文献２には、燃料電池発電装置の運転停止時や起動時に、カソード電極への空気供給を停止した状態でアノード電極への水素供給を行って電力を取り出すよう制御するとともに、電圧フィードバック制御部により電圧センサによって検出された電圧値に応じて目標取り出し電力値を演算する運転方法が提案されている。
【０００６】
一方、燃料電池発電装置の運転停止時や、保管時には、アノード電極のガスの入口と出口は封止される場合が多く、封止された状態で停止した直後にアノード電極内の圧力が低下し、カソード電極内の酸素が流入したり、スタックのシール部から酸素を含むガスが流入したりする等の問題が生じている。このアノード電極内の圧力低下の発生要因としては、アノード電極内の水素の電解質膜を介してのカソード電極側への拡散、停止中あるいは保管中のスタックの温度低下に伴うアノード電極内の水蒸気の凝縮、アノード電極内に流入した酸素とアノード電極内の水素との直接反応の発生等が考えられる。このアノード電極内の圧力低下により生じる不具合を防止する方策としては、特許文献３に、封止圧力が所定値未満となったときに原燃料を封入する方法が、特許文献４に、停止後に、アノード電極内とカソード電極内に純水を封入する方法が、特許文献５に、アノード電極側に脱酸素機能を有する部位を設けて、流入した酸素濃度を低減する方法が示されている。
【０００７】
また、燃料電池発電装置の運転停止時や、保管時に、アノード電極内の圧力が低下して、酸素を含むガスが流入するのを防止する方策として、特許文献６には、燃料電池スタックを圧力容器に収納し、この圧力容器内に燃料改質器の排ガスをパージガスとして導いて酸素の流入を防止する方法が開示されている。また、特許文献７には、燃料電池スタックとメタノール改質装置とを同一パッケージシェルに収納し、メタノール改質装置の排ガスをこのパッケージシェル内に排出して、排ガスである二酸化炭素により充満した環境とする方法が開示されている。
【特許文献１】特許第3761583号公報
【特許文献２】特開2005―158557号公報
【特許文献３】特開2005―259663号公報
【特許文献４】特開2005―276669号公報
【特許文献５】特開2004―281268号公報
【特許文献６】特開平5−174854号公報
【特許文献７】特開平8−203548号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のごとく、燃料電池発電装置の運転停止時や、保管時には、封止された状態で停止した直後にアノード電極内の圧力が低下し、カソード電極内の酸素が流入したり、スタックのシール部から酸素を含むガスが流入したりする等の問題が生じている。このようにアノード電極側に空気が入ると、電池反応部面内に局部電池が形成され、カソード極触媒層中の担体カーボンが腐食し、電池の性能が大きく低下する可能性が強い。このため、アノード電極内の圧力低下による酸素を含むガスの流入を防止する方策として、前記のように、種々の方法が開示されているが、特に特許文献６、７に開示されている燃料電池スタックを収納した容器内へ燃焼排ガスを導入した場合、ガスの温度が高く、燃料電池スタックに悪影響を及ぼす可能性があり、また、排ガス中の水分が凝縮して容器内に貯まり容器の腐食等の不具合が発生するという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、運転停止時や保管時に、封止された状態で停止した直後にアノード電極内の圧力が低下しても、カソード電極内の酸素の流入や、スタックのシール部からの酸素を含むガスの流入が防止され、局部電池形成による電池性能の低下が回避されて、長時間にわたり高い出力が得られる固体高分子形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】
【００１０】
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アノード電極とカソード電極で挟持して構成される単位セルを積層した燃料電池スタックを用いる固体高分子形燃料電池発電装置において、前記の燃料電池スタックを容器に収納し、発電装置の運転停止時に、この容器に原燃料ガスを導入して運転することとし、さらに、容器に導入する原燃料ガスを、前記燃料電池スタックのアノード電極に供給する改質ガスの原料ガスを供給配管から分岐して導入したガスとする。
【発明の効果】
【００１１】
上記のごとく、燃料電池スタックを容器に収納し、発電装置の運転停止時に、この容器に原燃料ガスを導入して運転することとすれば、停止時にアノード電極側が負圧となり、燃料電池スタックのシール部を通じて燃料電池スタック外からアノード電極側にガスが流入する状態になっても、燃料電池スタックは原燃料ガス雰囲気下にあるため、空気や酸素が流入する危険性はない。したがって、局部電池形成による電池性能の低下が回避され、長期にわたり高い出力が得られることとなる。
【００１２】
なお、特許文献６、特許文献７に開示されている方法においても、燃料電池スタックを空気や酸素を含まないガス雰囲気下におくことによって空気や酸素の流入を防止しているが、これらの方法では、前述のごとく、高温のガスが燃料電池スタックに悪影響を及ぼす可能性があり、また、排ガス中の水分が凝縮して容器内に貯まり容器が腐食する等の不具合が生じる難点があるのに対して、本発明によればこれらの難点が回避されるので、長時間にわたり高い出力が得られる固体高分子形燃料電池発電装置として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の最良の実施形態は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して構成される単位セルを積層した燃料電池スタックを用いる固体高分子形燃料電池発電装置において、前記燃料電池スタックを容器に収納し、発電装置の運転停止時に、この容器に原燃料ガスを導入して運転することとした実施形態にある。また、容器に導入する原燃料ガスとして、前記の燃料電池スタックのアノード電極に供給される改質ガスの原料ガスを供給配管から分岐して導入したガスを用いれば好適である。
【実施例】
【００１４】
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の実施例の基本構成を示す模式図である。燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して構成された単位セルを積層して形成されており、容器８の中に収納されている。空気ブロワ３によって各単位セルのカソード電極に空気を供給し、原燃料ガスの都市ガスを改質器２で高水素濃度の改質ガスに改質してアノード電極に供給することによって発電が行われる。
【００１５】
本発明の固体高分子形燃料電池発電装置において発電運転を停止する際には、まず、都市ガスを改質器２へ供給する供給配管からの分岐配管に組み込まれたバルブ５を開き、この分岐配管を通して容器入口８ａから容器８の中へと原燃料ガスの都市ガスを導入して充満させる。このようにして容器８の中を都市ガス雰囲気としたのち、発電運転を停止する。このように対処すれば、運転停止に伴い何らかの要因によりアノード電極側が負圧となり、燃料電池スタック外からガスが流入する状況となっても、燃料電池スタックは空気や酸素を含まない都市ガス雰囲気下にあるため、空気流入による局部電池の形成が防止でき、電池性能の大幅な低下が回避され、長期にわたり高い出力が得られることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上述べたように、固体高分子形燃料電池発電装置を本発明のごとく構成すれば、運転停止時や保管時に、何らかの要因によりアノード電極内の圧力が低下しても、酸素や空気の流入が防止され、局部電池形成による電池性能の低下が回避されるので、長時間にわたり高い出力を得ることができることとなる。したがって、本発明は、各種の固体高分子形燃料電池発電装置、特に、発電と停止とを繰り返して運転される固体高分子形燃料電池発電装置に効果的に使用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の実施例の基本構成を示す模式図
【図２】従来の固体高分子形燃料電池発電装置の基本構成を示す模式図
【図３】セルの電池反応部面内に局部電池が形成された燃料電池の様子を説明する模式図
【符号の説明】
【００１８】
１    燃料電池スタック
２    改質器
３    空気ブロワ
５    バルブ
６    バルブ
８    容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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