JPH044570A - 燃料電池の運転方法及びその発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、電池本体を作動温度に保持したもとで外部へ
の送電を実質的に停止するポットスタンバイ状態をとる
ことができるようにされた燃料電池の運転方法及びその
発電システムに関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムにおいては、電力が余剰となる夜
間等に比較的短期間だけその運転を停止させることがあ
るが、かがる停止時には、電池本体における熱応力の発
生を防止するため、及び再起動する際の起動時間短縮の
ため、電池を作動温度に維持した状態、換言すれば電池
本体内に配された電解質の温度を融点以上に保持したも
とで外部への送電を実質的に停止する、いわゆるホット
スタンバイ状態とすることが要求される。

−ａに、電池の運転を一時的に停止する際には、例えば
、特開昭５８−１６３１８２号公報や特開昭６１−２８
１４７２号公等に記数のように、窒素ガス等の不活性ガ
スを電池本体に供給して電池本体内や配管系に残留する
反応ガスをパージすることが知られているが、特にホッ
トスタンバイ時に限って言えば電池本体内に供給するガ
スの種類について言及したものは見当たらない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ホットスタンバイ時に、上述の公報に記載されているよ
うに不活性ガスを電池本体内に供給して反応ガスをパー
ジした場合、電池本体内に供給されるガスの種類の変化
に起因して電池反応部が最適状態に維持できなくなり、
電池特性に悪影響を及ぼすことになって、電池性能の低
下や電池の短寿命化を招来し、さらに、再起動する際に
も電池本体内のガスを不活性ガスがら反応ガスに切り換
える必要があることがら、電池出力が安定するまでに比
較的長時間を要し、電池の効率的な運転が少なからず阻
害されるという問題を生じる。

特に、燃料電池がピーク負荷対応電源として使用され、
その起動・停止が頻繁に繰り返される場合には上述の問
題が顕著にあられれることになる。

かかる点に鑑み本発明は、ホットスタンバイ時において
電池反応部を最適状態に維持することができて、電池性
能の低下や電池の短寿命化が可及的に抑えられ、かつ、
優れた起動特性がもたらされるとともに効率的な運転を
達成することができる燃料電池の運転方法及びその発電
システムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成すべく、本願の発明者等が鋭意研究を
重ねたところ、次の如くの究明結果を得た。

すなわち、燃料電池ににおける電池反応は固相（電極）
、液相（電解質）、気相（反応ガス）の３相界面で行わ
れるため、この反応場を適切な状態で維持しなければな
らず、そのためには、電極部分を電解質で適度に濡らす
必要がある。

電極の濡れ性は、そこに供給されるガスの種類によって
異なり、ホットスタンバイ時に窒素等の不活性ガスを供
給することによってガスの種類が変化すると、電極が濡
れ過ぎたり、電極中の電解質が押し出されたりして電解
質の移動現象が生じ、反応場が適切な状態から逸脱する
。

従って、電池を再起動するにあたり再び反応ガスを供給
しても、電解質が元の適切な状態に戻るまでにある程度
の時間を要し、起動時間が長くなってしまい、さらに、
電解質の移動に伴い、電解質の漏れ出しやセパレータ等
の電池構成部の腐食が発生して電解質が消耗し、電池性
能の低下や電池の主要部の劣化が進んでその寿命が短く
なってしまうのである。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、上述の如くの究明
結果及びそれに基づく考察に立脚してなされたもので、
その基本構成を概略的に述べれば、ホットスタンバイ時
においても、電池本体内に少量の反応ガスを供給し、燃
料電池を発電状態に維持するようにしたものである。

この場合、ホットスタンバイ時に電池本体内に供給する
反応ガスとしては、通常発電時に用いられるものと同種
の、天然ガスやメタンガス等の燃料ガスあるいはそれを
改質して得られる水素を主成分とするガスと、酸素及び
二酸化炭素を含む酸化剤ガスとが挙げられる。

また、上述のようにホットスタンバイ時に反応ガスを供
給することによって電池から得られる電力を、ホットス
タンバイ状態を維持するために必要とされる、電池本体
加熱用のヒーターや供給する反応ガスを昇温させるため
の加熱機器等の電池保温手段の電源に用いることができ
る。

さらに、電池本体内に燃料改質触媒が配された燃料電池
においては、通常発電時には電池本体内に、燃料改質用
のリブオーマ−によって改質された反応ガスを供給し、
ホットスタンバイ時には上記電池本体内に未改質の反応
ガスを供給するようになしてもよい。

またさらに、ホットスタンバイ時における電池本体内へ
の反応ガスの供給量は通常発電時の１０％以下で充分で
あり、また、ホットスタンバイ時には電池本体内から排
出された反応ガスを上記電池本体内に戻してリサイクル
させてもよく、さらに、ホットスタンバイ時には電池本
体に対する反応ガスの給排を行うための配管系を閉止状
態にして、電池本体内に反応ガスを封入するようにして
もよい。

それに加えて、ホットスタンバイ時に反応ガスをリサイ
クルさせるようにした場合には、リサイクルループ中に
おいて反応ガス中の反応物質の濃度が設定値以下となっ
て発電状態の維持が困難になったとき、電池本体内に反
応物質の濃度が上記設定値を越える新しい反応ガスを供
給するようになすことが好ましい。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムは、通常発電
時において要求される容量の３０％以下の容量を有する
補助リブオーマ−が設置され、ホットスタンバイ時に、
上記補助リブオーマ−によって改質された反応ガスを電
池本体内に供給するようにされる。

また、本発明に係る他の燃料電池発電システムは、リブ
オーマが複数台設置され、ホットスタンバイ時に、上記
複数のリブオーマ−のうちの一部のみを使用して反応ガ
スを改質し、その改質された反応ガスを上記電池本体内
に供給するようにされる。

〔作用〕

上述の如くの構成を有する本発明に係る燃料電池の運転
方法によれば、ホットスタンバイ時には不活性ガスによ
る反応ガスのパージを行わず、反応ガスを電池本体内に
供給するようにされるので、電池本体内におけるガスの
種類の変化に起因する電解質移動現象が防止され、電池
の反応場が常時適切な状態に維持される。

そのため、電池性能の低下を抑えることが可能となると
ともに、電池の長寿命化が図れ、かつ、優れた起動特性
がもたらされるとともに効率的な運転が達成される。

また、ホットスタンバイ時に電池から得られる電力は、
電池保温手段の電源に用いることでその有効利用が図れ
、さらに、ホットスタンバイ時に必要とされる反応ガス
は通常発電時に比して極めて少量でよく、また、反応ガ
スをリサイクルさせる、あるいは、電池本体内に封入す
るようにされた場合には、反応ガスの無駄な消費が回避
されて、より省資源化が図れる。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムにおいては、
通常発電時において要求される容量の３０％以下の容量
を有する補助リブオーマ−が設置され、ホットスタンバ
イ時に、上記補助リブオーマ−によって改質された反応
ガスを電池本体内に供給するようにされるので、通常発
電時に必要とされる容量の３０％以下で運転することが
難しい通常のリブオーマ−を備えた燃料電池発電システ
ムにおいても、ホットスタンバイ時において上述した如
くの効果的な運転が可能となり、また、補助リブオーマ
−の設置に代えて、複数のリブオーマ−を設置し、ホッ
トスタンバイ時にそれらのうちの一部のみを使用するよ
うにした場合についても同様である。

なお、電池本体内に燃料改質触媒が配されたいわゆる内
部改質方式をとる燃料電池では、補助リブオーマ−等を
使用する必要はない。また、ホットスタンバイ時に必ず
しも電池を負荷運転する必要はなく、開路状態（ＯＣＶ
）でも同様な作用効果が得られる。

上述の如くの構成を有する本発明に係る運転方法と、ホ
ットスタンバイ時に電池本体内の反応ガスを不活性ガス
でパージする従来の運転方法とを比較すべく、小型の燃
料電池を用意し、同一条件のもとで、昼間発電−夜間ホ
ットスタンバイ状態の間欠運転を行ってセル電圧（Ｖ）
を測定したところ、第５図に示される如くの結果が得ら
れた。なお、燃料電池は開路状態とした。

第５図より明らかなように、本発明に係る運転方法によ
れば、従来の運転方法による場合に比して、電池性能の
劣化が抑制され、長時間経過してもセル電圧の低下がさ
ほど生じないことが理解される。さらに、ホットスタン
バイ後の再起動に要する時間が従来の運転方法による場
合より短縮されることも確認された。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

実施例１： 第１図は本発明に係る燃料電池の運転方法の一例が実施
される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部Φ例を模式的に示
す。

図において、燃料電池は、アノード１（燃料電極）及び
カソード２（酸化側電極）や図示されていない電解質を
含浸保持するマトリックスやセパレータ等の各構成部材
が既知の態様をもって配された電池本体３を有し、さら
に、電池本体３の保温用のヒーター４、及び、天然ガス
やメタンガス等の燃料ガスを水素に改質する図示されて
いない通常発電時に用いられるリブオーマ−と通常発電
時に必要とされる容量の３０％以下の容量とされた補助
リブオーマ−５とが備えられている。

かかる構成のもとで、燃料電池を作動させて通常発電を
行う際には、燃料ガスを通常発電用のリブオーマ−によ
り改質し、得られた水素を主成分とするガスを電池本体
３のアノード１側に供給するとともに、酸素と二酸化炭
素とを含むガスをカソード２側に供給する。それにより
、燃料電池が発電状態となり、かかる発電により得られ
た電力が外部に送電される。

一方、ホットスタンバイ時には、補助リブオーマ−５に
より通常発電時の１０％以下の流量の燃料ガスを改質し
て得られた水素を主成分とするガスを電池本体３のアノ
ード１側に供給するとともに、かかる水素に対応した流
量の酸素と二酸化炭素とを含むガスを電池本体３のカソ
ード２側に供給する。それにより、電池が微弱発電状態
となり、それによって得られた電力をヒーター４の電源
に用いるようにされる。

上述の如くに、ホットスタンバイ時には不活性ガスによ
る反応ガスのパージを行わず、反応ガス（この例では、
水素を主成分とするガスと酸素及び二酸化炭素を含むガ
ス）を電池本体３内に供給するようにされることにより
、電池本体３内におけるガスの種類の変化に起因する電
解質移動現象が防止され、電池の反応場が常時適切な状
態に維持され、そのため、電池性能の低下を抑えること
が可能となるとともに、電池の長寿命化が図れ、かつ、
優れた起動特性がもたらされるとともに効率的な運転が
達成されることになる。

なお、この実施例では、ホットスタンバイ時に補助リブ
オーマ−５により改質すべき燃料ガスの流量は、ヒータ
ー４の容量、換言すれば電池本体３で必要とされる熱量
とのバランス上通常発電時のそれの４〜８％が最適であ
った。

また、ヒーター４の電源を燃料電池からとらず、外部電
源を利用するようにしてもよく、かかる場合には、反応
ガスの流量を大幅に低減できる。

実施例２： 第２図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の例が実
施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に
示す。

この例の燃料電池は、電池本体３のアノード側ガスヘッ
ダー内に燃料改質触媒６が配されており、いわゆる間接
型内部改質方式をとる燃料電池である。

かかる構成のもとで、燃料電池を作動させて通常発電が
行う際には、図示されていないが、燃料ガスを通常発電
用のリブオーマ−により改質し、得られた水素を主成分
とするガスを電池本体３のアノードｌ側に供給するとと
もに、酸素と二酸化炭素とを含むガスをカソード２側に
供給し、それによって得られた電力を外部に送電するよ
うにされる。

一方、ホットスタンバイ時には、リブオーマ−を通さな
い未改質の燃料ガス（反応ガス）を電池本体３のアノー
ド側ガスヘッダーに直接供給するとともに、かかる燃料
ガスに対応した流量の酸素と二酸化炭素とを含むガスを
電池本体３のカソード２側に供給する。アノード側ガス
ヘッダーに供給された未改質の燃料ガスはそこに配され
た燃料改質触媒により水素を主成分とするガスに改質さ
れて電池本体３のアノード１側に導かれ、電池の発電状
態が維持される。そして、得られた電池出力をヒーター
４の電源に用いるようにされる。

従って、本例においては、補助リブオーマ−が不要とな
ること以外は、上述した実施例１と略同様な作用効果が
得られる。

なお、燃料改質触媒を設置する場所を、電池本体３内部
のアノード近傍に位置する部位にして、改質反応と電池
反応とを同時に行わせる直接内部改質方式をとるように
することもでき、かかる方式が採られる方が改質効率は
高くなるが、燃料ガスが電解質と接触するため、燃料改
質触媒が劣化し易くなって電池寿命が短くなる欠点を伴
う。従って、本例のように、燃料改質触媒をホットスタ
ンバイ時における燃料の改質のみに用いる場合には、電
池出力がさほど必要とされないので、間接内部改質方式
を採るようにして、改質反応と電池反応とを別々に行わ
せ、電池の長寿命化を図った方が有利であると考えられ
る。

実施例３： 第３図は本発明に係る燃料電池の運転方法の別の例が実
施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に
示す。

この例の燃料電池は、第１図に示されるものと同様に、
アノード１及びカソード２や図示されていない電解質を
含浸保持するマトリックスやセパレータ等の各構成部材
が既知の態様をもって配された電池本体３を有し、さら
に、電池本体３の保温用のヒーター４、及び、天然ガス
やメタンガス等の燃料ガスを水素に改質する図示されて
いない通常発電時に用いられるリフォ−マー等が備えら
れる。

また、反応ガス給排用の配管系には切り換え用のバルブ
９が介装されるとともに、ホットスタンバイ時に電池本
体３内から排出された反応ガスを上記電池本体３内に戻
してリサイクルさせるための配管中にプロワ−７及び反
応ガス中の反応物質の濃度を検出する濃度センサー８が
配されている。

かかる構成のもとでは、上述した例と同様にして通常発
電が行われるが、ホットスタンバイ時には、ブロワ−７
を駆動させて電池本体３内から排出された反応ガスを再
び電池本体３内に戻してリサイクルさせ、濃度センサー
８により監視される反応ガス中の反応物質の濃度が設定
値以下となって発電状態の維持が困難になったとき、各
バルブ９を開いて電池本体３内に反応物質の濃度が上記
設定値を越える新しい反応ガスを供給するようにされる
。

従って、本例にあっては、ホットスタンバイ時において
反応ガスを入れ換えるときには通常発電用のリブオーマ
−を作動させればよいので、低流量用の特別な補助リブ
オーマ−が不要となるとともに、反応ガスを無駄に消費
することもなく、上述の実施例１と略同様な作用効果が
得られる。

なお、リサイクルループの途中にバッファタンクを設け
、リサイクルループの配管系の容積を増加させると、反
応ガスの入れ換え周期を長くすることか可能となるので
運転コストの低減等が図られる。

実施例４： 第４図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の別の例
が実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式
的に示す。

この例の燃料電池は、第１図及び第３図に示されるもの
と同様な構成を有した電池本体３とリブオーマ−とが備
えられ、反応ガスの電池本体３に対する入口部と出口部
とにバルブ９が設けられて、反応ガスを電池本体３内に
封入することができるようにされている。

かかる構成のもとでは、上述した例と同様にして通常発
電が行われるが、ホットスタンバイ時には、バルブ９を
閉じて電池本体３内に反応ガスを封入するようにされる
。

この例の運転方法は、ホットスタンバイ時間が比較的短
く、その間に電池温度が電解質の融点以下に低下せず、
保温用のヒーター等を必要としない場合に特に好適であ
る。すなわち、かかる場合には、電池を開路状態とする
ことができるので、反応ガスがほとんど消費されず、そ
のため、電池本体３内に封入された量の反応ガスだけで
充分に発電状態を維持することができ、補助リブオーマ
−やヒーターが不要となる。

なお、前述の例と同様にヒーター４を設け、それを外部
電源で作動させるようになせば、電池本体３の温度低下
が防止でき、ホットスタンバイ時間を延長することが可
能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く、本発明に係る燃料電池の
運転方法によれば、ホットスタンバイ時において電池反
応部を最適状態に維持することができ、それにより、電
池性能の劣化が可及的に抑えられて電池の長寿命化が図
れ、がっ、優れた起動特性がもたらされるとともに効率
的な運転を達成することができる。

また、ホットスタンバイ時に得られる電力を、電池保温
手段の電源に用いることでその有効利用を図ることがで
き、さらに、ホットスタンバイ時に必要とされる反応ガ
スは通常発電時に比して極めて少量でよく、また、反応
ガスをリサイクルさせること、あるいは、電池本体内に
封入してお（ことにより反応ガスを無駄に消費すること
も回避できる。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムは、通常発電
時において要求される容量の３０％以下の容量を有する
補助リブオーマ−が設置され、ホットスタンバイ時に、
補助リブオーマ−によって改質された反応ガスを電池本
体内に供給するようにされるので、通常発電時に必要と
される容量の３０％以下で運転することが難しい通常の
リブオーマ−を備えた燃料電池発電システムにおいても
、ホットスタンバイ時において上述した如くの効果的な
運転が可能となり、また、補助リブオーマ−の設置に代
えて、複数のリブオーマ−を設置し、ホットスタンバイ
時にそれらのうちの一部のみを使用するようにした場合
についても同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池の運転方法の一例が実施
される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に示
す概略構成図、第２図は本発明に係る燃料電池の運転方
法の他の例が実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部
の例を模式的に示す概略構成図、第３図は本発明に係る
燃料電池の運転方法の別の例が実施される溶融炭酸塩型
燃料電池の主要部の例を模式的に示す概略構成図、第４
図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の別の例が実
施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に
示す概略構成図、第５図は本発明に係る燃料電池の運転
方法と従来のそれとの比較結果の説明に供される図であ
る。 図における符号と各部の名称は次のように対応する。 １−アノード、２−カソード。３−電池本体。 ４−　ヒーター、５−補助リフォーマ−３６−燃料改質
触媒、フープロワー、８−濃度センサー。 ９−バルブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保
   持したもとで外部への送電を実質的に停止するホットス
   タンバイ時に、上記電池本体内に反応ガスを供給するこ
   とを特徴とする燃料電池の運転方法。 ２、電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保
   持したもとで外部への送電を実質的に停止するホットス
   タンバイ時に、上記電池本体を発電状態に維持すること
   を特徴とする燃料電池の運転方法。 ３、ホットスタンバイ時に得られる電力を電池保温手段
   の電源に用いることを特徴とする請求項２記載の燃料電
   池の運転方法。 ４、電池本体内に燃料改質触媒が配された燃料電池にお
   いて、通常発電時には上記電池本体内に燃料ガス改質用
   のリフォーマーによって改質された反応ガスを供給し、
   上記電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保
   持したもとで外部への送電を実質的に停止するホットス
   タンバイ時には上記電池本体内に未改質の反応ガスを供
   給することを特徴とする燃料電池の運転方法。 ５、ホットスタンバイ時に電池本体内に供給する反応ガ
   スの流量を、通常発電時の１０％以下としたことを特徴
   とする請求項１又は４記載の燃料電池の運転方法。 ６、電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保
   持したもとで外部への送電を実質的に停止するホットス
   タンバイ時に、上記電池本体内から排出された反応ガス
   を上記電池本体内に戻してリサイクルさせることを特徴
   とする燃料電池の運転方法。 ７、電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保
   持したもとで外部への送電を実質的に停止するホットス
   タンバイ時に、上記電池本体に対する反応ガスの給排を
   行うための配管系を閉止状態にして、上記電池本体内に
   反応ガスを封入することを特徴とする燃料電池の運転方
   法。 ８、リサイクルループ中において反応ガス中の反応物質
   の濃度が設定値以下となったとき、上記電池本体内に反
   応物質の濃度が上記設定値を越える新しい反応ガスを供
   給することを特徴とする請求項６記載の燃料電池の運転
   方法。 ９、通常発電時において要求される容量の３０％以下の
   容量を有する燃料ガス改質用の補助リフォーマーが設置
   され、電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に
   保持したもとで外部への送電を実質的に停止するホット
   スタンバイ時に、上記補助リフォーマーによって改質さ
   れた反応ガスを上記電池本体内に供給するようにされて
   いることを特徴とする燃料電池発電システム。 １０、燃料ガス改質用のリブオーマが複数台設置され、
   電池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保持し
   たもとで外部への送電を実質的に停止するホットスタン
   バイ時に、上記複数のリフォーマーのうちの一部のみを
   使用して反応ガスを改質し、その改質された反応ガスを
   上記電池本体内に供給するようにされていることを特徴
   とする燃料電池発電システム。