JP2005317421A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧低下を防止して発電効率を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 固体高分子膜１６の一面に燃料極３が、他面に酸化剤極４が配置され、上記一面に燃料ガス流路１９が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路２０が形成されたセパレータ２１とを対向させて構成され、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池１５を複数積層して積層体Ｓを形成し、当該積層体Ｓの両端に端末部材３３を備えた燃料電池１において、上記端末部材３３に、触媒および坦持基材からなる燃焼器２４と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを上記燃焼器２４へと供給するためのガス供給流路２２、２３と、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を制御するバルブ２６、２７とを設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel cell）の電圧低下を防止する技術に適用して好適なものである。

従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、これらガスを電解質膜を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。

ここで、燃料電池スタックは、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する（起電力を生じる）燃料電池セルとしての単位燃料電池（以下、これを単に単電池と称する）を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して構成されている。

そして、この燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池自動車としても近年注目されている。

しかしながら、従来の燃料電池では、燃料電池スタックの起動時、積層体の中心部における単電池は温度が上昇していくのに対して、両端部における単電池は熱伝導率に優れた集電板やエンドプレートなどに近接していることから、熱が放散されて温度が低下する傾向がある。このような積層体における積層方向での各単電池の温度ばらつきは、燃料電池中の固体高分子膜の湿潤状態や、電極触媒の電気化学的活性のばらつきのもととなるので好ましくない。

このため、例えば、前記積層体の両端（すなわち、積層体を構成する最外層の単電池におけるセパレータの外側面）と、当該両端に当接されている集電板との間に、燃料電池スタックが出力する電流によって加熱される薄板状の抵抗材料からなる発熱体等を挟挿する構造の燃料電池が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

かかる特許文献１は、発熱体に、燃料電池スタックから出力される電流が通流されることになり、発熱体が持つ電気抵抗値と、発熱体に通流される電流値の二乗値との積に比例する値のジュール熱が発生するので、この発熱体で発生されるジュール熱の値を、燃料電池スタックにおける各単電池の積層方向の端部から放散される熱量に見合った値に設定することにより、単電池（すなわち、燃料電池セル）の積層方向における温度分布の均一化を図ることを可能とした技術である。

ところが、かかる特許文献１のような構成の燃料電池においては、燃料電池が０〔℃〕以上の環境下において、積層体の両端に位置する単電池の温度低下を抑制する効果が得られるが、これを０〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下（特に、運転開始時）において適用しようとすると以下のような問題があった。

すなわち、燃料電池における発電効率の低下を促す主な原因は、経時的な活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による燃料電池の電圧低下であると考えられ、これら活性化分極、拡散分極の増大は、電極反応に伴う生成水や、燃料極からのプロトン（Ｈ＋）の移動に付随する移動水によって酸化剤極の濡れが進行し、実際に電極反応が生じている触媒の活性サイト近傍の気孔が徐々に水で閉塞されることに起因している。

特に０〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下においては、電極反応に伴う生成水や燃料極からのプロトン（Ｈ＋）の移動に付随する移動水が酸化剤極表面で速やかに凍結してしまうため、このような状態で燃料電池の運転を継続すると酸化剤極の触媒の活性サイト近傍の気孔の閉塞が極めて強く起こり、結果として燃料電池の発電能力を大きく低下させてしまう。

そして、このような発電能力の低下がいったん生じると、通常の運転条件で燃料電池を運転していても元の状態には戻り難いことが懸念されており、例えば特許文献２に提案されているような、発電の停止状態で、燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す特殊な再活性化処理が必要となる。
特開平８−１６７４２４号公報（第９頁、第１図） 特開２００３−２７２６８６号公報（第５頁、第２図）

しかしながら、かかる特許文献２のような再活性化処理は、煩雑な構成であることから、実際のシステムに採用すると、システム全体を複雑にしてしまう上、酸化剤極に水素含有ガスを供給するため、燃料電池の電極触媒あるいは触媒坦持カーボンを劣化させてしまう恐れがある。

加えて、従来より、燃料電池の運転を停止させる際に、外部負荷との遮断の後、水素と、空気の供給を止めた直後においては、燃料電池温度が約７０〔℃〕〜１００〔℃〕、電圧が約１．０〔Ｖ／ｃｅｌｌ〕となるが、このような高温状態で、０．８〔Ｖ／ｃｅｌｌ〕以上の高い電圧が燃料電池内部にかかると、燃料電池内の酸化剤極側に設けられている触媒層のカーボンの腐食、貴金属粒子の溶解、凝縮等により、触媒能力の低下を招きかねない問題があった。

かかる問題を解決する手法として、例えば、燃料電池中に残った酸化剤ガスを、燃料電池の運転停止時に強制的に消費させるなどして電池電圧を下げる技術が考えられるものの、燃料ガス／酸化剤ガスの特殊な供給を制御するためのバルブ・センサー類や複雑な制御ロジックが必要である未だ不十分な問題があった。

そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、電圧低下を防止して発電効率を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材を備えた燃料電池において、上記端末部材に、触媒および坦持基材からなる燃焼器と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを上記燃焼器へと供給するためのガス供給流路と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給量を制御するバルブとを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、積層体の両端に位置する単位燃料電池の温度低下を、端末部材に設けた燃焼器中の触媒上における燃料ガスおよび酸化剤ガスの直接燃焼によって得られる熱を利用して抑制するので、積層体の積層方向における温度分布の均一化を図ることができる。なお、このときには、積層体の両端に位置する単位燃料電池の昇温中に燃料電池から電流を取り出す必要がないため活性化分極、拡散分極の問題は生じない。

これにより、電極反応に伴う生成水や、燃料極からのプロトン（Ｈ＋）の移動に付随する移動水によって酸化剤極の濡れが進行したり、実際に電極反応が生じている触媒近傍に開口される気孔が徐々に水で閉塞されたりすることを回避することができるため、燃料電池の電圧低下を防止することができ、燃料電池における発電効率を向上させることができる。

以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、ここで説明する燃料電池は、例えば、固体高分子形燃料電池システムに用いられる。

図１〜図４は、本発明にかかる燃料電池の一実施の形態を示し、図１は本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図、図２は図１の固体高分子形燃料電池システムにおける燃料電池スタックのＡ−Ａ断面を示す断面図、図３は本発明にかかる燃料電池を概略的に示す部分的断面図、図４は図３の燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出流路の説明に供する概念図である。

図１に示すように、固体高分子形燃料電池１には燃料電池スタック２が備えられ、この燃料電池スタック２には燃料極３と酸化剤極４とが配置される。燃料電池スタック２の燃料極３には燃料ガス用のガス供給流路である燃料供給ライン６が接続される一方、燃料極３に供給されて反応したガスを排気する燃料ガス用のガス排出流路である燃料排気ライン７が接続される。燃料供給ライン６には燃料としての水素を供給する水素供給源８が備えられる一方、燃料排気ライン７には水素含有ガス処理装置９が備えられる。

また、燃料電池スタック２の酸化剤極４には酸化剤ガス用のガス供給流路である酸化剤供給ライン１０が接続される一方、酸化剤極４に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤ガス用のガス排出流路である酸化剤排気ライン１１が接続される。酸化剤供給ライン１０には酸化剤を供給する酸化剤供給源１２が備えられる。さらに、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４とには、電気制御装置１３を介して電気配線１４が接続される。

因みに、図１では、固体高分子形燃料電池１の発電時の燃料ガスと酸化剤ガスとの流れを、それぞれ実線矢印ａ、ｂを用いて示しているとともに、固体高分子形燃料電池１の発電時の電流の流れを破線矢印ｃを用いて示している。

固体高分子形燃料電池１の発電では、燃料電池スタック２の燃料極３に水素供給源８から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極４に酸化剤供給源１２から酸化剤ガスとして酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置１３にて回収し出力させる設計である。

燃料電池スタック２は、図２に示すように、単位燃料電池としての単電池１５が複数積層された積層体によって構成されている。この単電池１５には燃料極３と酸化剤極４とが備わっており、これら燃料極３と酸化剤極４に固体高分子電解質膜１６が挟持されている。また、これら燃料極３および酸化剤極４には、ガス拡散層１７と触媒層１８とがそれぞれ備わっている。さらに、単電池１５の燃料極３には燃料ガス流路１９が備えられる一方、酸化剤極４には酸化剤ガス流路２０が備えられる。

なお、燃料電池スタック２を構成する単電池１５は、燃料極３と酸化剤極４とが交互に積層され、燃料極３と酸化剤極４とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池１５間にセパレータ２１が挟持されている。

さて、燃料供給ライン６（図１参照）から燃料電池スタック２に水素含有ガスが供給されると、図２に示す燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の燃料極３に備えられる燃料ガス流路１９に水素含有ガスが供給される。同時に、酸化剤供給ライン１０（図１参照）から燃料電池スタック２に酸素供給ガスが供給されると、図２に示す燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の酸化剤極４に備えられる酸化剤ガス流路２０に酸素含有ガスが供給される。これにより、固体高分子形燃料電池１の発電が行われる。

かかる構成に加えて、本実施の形態の場合、固体高分子形燃料電池１を構成する単電池１５の積層体Ｓは、図３に示すように、その両端に位置する端末部材としてのエンドプレート３３を備え、当該エンドプレート３３は触媒および坦持基材からなる燃焼器２４を備えている。

ここで、端末部材とは、それ自体で発電はしないものであり、燃料電池スタック２にて発電される電力を外部へ取り出す集電機能、単電池１５の積層体Ｓを積層方向に加圧する加圧機能、外部の図示しないガス配管から単電池１５へ供給される各ガスの接続（すなわち、後述する燃料ガス供給流路２２および酸化剤ガス供給流路２３）を行うマニホールド機能の少なくとも一つの機能を有している。

エンドプレート３３には、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給流路２２と、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路２３と、前記燃焼器２４で生成された水もしくは水蒸気を排出するための排出流路２５を備えている。

さらに、エンドプレート３３には、水素含有ガスの供給を操作するための燃料ガス切り替えバルブ２６と、酸素含有ガスの供給を操作するための酸化剤ガス切り替えバルブ２７と、前記単電池１５の温度を検出して昇温動作の要否を判断するための温度センサ２８とが備えられている。

そして、かかる固体高分子形燃料電池１では、例えば０〔℃〕以下の極めて温度の低い環境下において運転を開始する際、燃料供給ライン６から水素含有ガスが供給され、また酸化剤供給ライン１０から酸素含有ガスが供給される。このとき、水素含有ガスは燃料ガス切り替えバルブ２６によって燃料ガス供給流路２２および固体高分子形燃料電池１中の燃料ガス流路１９に供給されるが、酸素含有ガスは酸化剤ガス切り替えバルブ２７によって酸化剤ガス供給流路２３にのみ供給され、固体高分子形燃料電池１中の酸化剤ガス流路２０には供給されない。また、水素含有ガスは燃料ガス流路１９に供給されなくてもよいが、酸素含有ガスは酸化剤ガス流路２０に供給されないことが望ましい。

この状態においては、水素含有ガスおよび酸素含有ガスが燃焼器２４に供給されるので、燃焼器２４中の図示しない触媒坦持基材上の触媒表面で水素含有ガスと酸素含有ガスが直接燃焼し発熱する。これによって、固体高分子形燃料電池１における積層体Ｓの両端に位置する単電池１５の温度が上昇するので、温度センサ２８によって所望の温度に到達した時点で酸化剤ガス切り替えバルブ２７を切り替えることで酸化剤ガス流路２０に酸化剤ガスを供給して発電を開始する。

この後、固体高分子形燃料電池１の発熱によって積層体Ｓの両端に位置する単電池１５の昇温が必要なくなったことが温度センサ２８によって確認されたら、燃料ガス切り替えバルブ２６を操作して燃料ガス供給流路２２への水素含有ガスの供給を停止し、同時に酸化剤ガス切り替えバルブ２７を操作して酸化剤ガス供給流路２３への酸素含有ガスの供給を停止する。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Ｓの両端に位置する単電池１５の温度低下を、エンドプレート３３に設けた燃焼器２４中の触媒上における水素含有ガスおよび酸素含有ガスの直接燃焼によって得られる熱を利用して抑制するので、積層体Ｓの積層方向における温度分布の均一化を図ることができる。なお、このときには、積層体Ｓの両端に位置する単電池１５の昇温中に燃料電池から電流を取り出す必要がないため活性化分極、拡散分極の問題は生じない。これにより、電極反応に伴う生成水や、燃料極３からのプロトン（Ｈ＋）の移動に付随する移動水によって酸化剤極４の濡れが進行したり、実際に電極反応が生じている触媒近傍に開口される気孔が徐々に水で閉塞されたりすることを回避することができるため、固体高分子形燃料電池１の電圧低下を防止することができ、固体高分子形燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

また、本実施の形態の燃料電池では、燃焼器２４中に生成した水または水蒸気と副生成物とを、排出流路２５を介して積極的に排出することができるため、燃焼器２４の昇温性能をより好適に維持することができる。

さらに、本実施の形態の燃料電池によれば、単電池１５の温度を検出して昇温動作の要否を判断するための温度センサ２８が設けられているので、単電池１５の過剰な昇温を抑制することができるとともに、燃焼触媒の劣化を抑制することができる。

以上、本発明における燃料電池について、上述した一実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。例えば、図４に示すように、燃料電池スタック２の燃料供給ライン６、燃料排出ライン７、酸化剤供給ライン１０および酸化剤排出ライン１１に、それぞれ燃料供給ラインバルブ２９、燃料排出ラインバルブ３０、酸化剤供給ラインバルブ３１、酸化剤排出ラインバルブ３２を備えるようにしてもよい。

この場合、固体高分子形燃料電池１（図１参照）の運転を停止する際に、燃料供給ラインバルブ２９、燃料排出ラインバルブ３０、酸化剤供給ラインバルブ３１、酸化剤排出ラインバルブ３２を全て閉じて、且つ、燃料ガス切り替えバルブ２６および酸化剤ガス切り替えバルブ２７を燃焼器２４に対して開放にしておけば、燃料電池スタック２中に残った水素含有ガスおよび酸素含有ガスを燃焼器２４上で直接燃焼させることができる。従って、燃料電池スタック２の燃料ガス流路１９中に残った水素含有燃料ガスおよび酸化剤ガス流路２０中に残った酸素含有ガスを確実に消費することができ、電池電圧を速やかに低下させることができるため、電極触媒の劣化を抑制することができる。

本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。 図１の固体高分子形燃料電池システムにおける燃料電池スタックのＡ−Ａ断面を示す断面図である。 本発明にかかる燃料電池を概略的に示す部分的断面図である。 図３の燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出流路の説明に供する概念図である。

符号の説明

１…固体高分子形燃料電池（燃料電池）
２…燃料電池スタック
３…燃料極
４…酸化剤極
６…燃料供給ライン
７…燃料排気ライン
８…水素供給源
９…水素含有ガス処理装置
１０…酸化剤供給ライン
１１…酸化剤排気ライン
１２…酸化剤供給源
１３…電気制御装置
１４…電気配線
１５…単電池（単位燃料電池）
１６…固体高分子電解質膜（固体高分子膜）
１７…ガス拡散層
１８…触媒層
１９…燃料ガス流路
２０…酸化剤ガス流路
２１…セパレータ
２２…燃料ガス供給路
２３…酸化剤ガス供給路
２４…燃焼器
２５…排出流路
２６…燃料ガス切り替えバルブ
２７…酸化剤ガス切り替えバルブ
２８…温度センサ
２９…燃料供給ラインバルブ
３０…燃料排気ラインバルブ
３１…酸化剤供給ラインバルブ
３２…酸化剤排気ラインバルブ
３３…エンドプレート
Ｓ…積層体

Claims (4)

1. 固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材を備えた燃料電池において、
   上記端末部材に、触媒および坦持基材からなる燃焼器と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを上記燃焼器へと供給するためのガス供給流路と、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給量を制御するバルブとを設けた
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   上記端末部材に、上記燃焼器で生成された水または水蒸気を排出するための排出流路を設けた
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   上記端末部材に、上記単位燃料電池の温度を検出する温度センサを設けた
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   上記燃焼器に供給した上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスを排出するためのガス排出流路と、
   上記ガス供給流路および上記ガス排出流路とにそれぞれ設けられるバルブとを備え、
   上記ガス供給流路と上記ガス排出流路とを前記バルブにてそれぞれ個別に密閉可能とする
   ことを特徴とする燃料電池。