JPH05251102A - リン酸型燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】起動・停止操作中における燃料電池本体の触媒
劣化を最小限に抑えたリン酸型燃料電池発電プラントを
提供する。 【構成】アノード電極２に水素ガス供給と同時にアノー
ドリサイクルライン３３内の水素ガス濃度が水素ガス検
出手段２４で検出され、この水素ガス検出手段２４の出
力が制御装置２５に入力される。これにより制御装置２
５は、アノード電極２が所定の水素ガス濃度（例えば２
％水素ガス濃度）を維持するようにアノード水素ガス供
給弁２１に指令を与える。カソード電極３に空気の供給
と同時にカソードリサイクルライン３４内の酸素ガス濃
度が酸素ガス検出手段２６で検出され、この酸素ガス検
出手段２６の出力が制御装置２７に入力される。これに
より制御装置２７は、カソード電極３が所定の酸素ガス
濃度（例えば０．５％酸素ガス濃度）を維持するように
カソード酸素ガス供給弁２３に指令を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸型燃料電池発電
プラントに関するもので、特に、起動・停止操作中にお
ける燃料電池本体の触媒の劣化防止手段に改良を施した
リン酸型燃料電池発電プラントに係る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、石炭や石油などのような燃料
が持っている化学エネルギーを等温のもとで、連続的に
直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が
知られている。この燃料電池は、通常、一対の多孔質電
極で電界質を保有するマトリックスを挟んで、一方の電
極の背面に水素などの燃料ガスを接触させて、他方の電
極の背面に空気などの酸化剤を接触させて、このとき起
きる電気化学反応により生じる電気エネルギーを上記電
極間から取出すものである。この場合、燃料ガスとして
水素または天然ガスを改質して得られる改質ガスが用い
られ、酸化剤として空気または酸素が用いられる。ま
た、電界質としては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性
溶液、固体高分子、固体酸化物などが用いられるが、最
近ではリン酸を電界質としたリン酸型燃料電池が注目さ
れている。

【０００３】図３は、従来のリン酸型燃料電池発電プラ
ントの概略構成を示したものである。同図において、燃
料電池本体１の単位電池は、背面に水素などの燃料を接
触させたアノード電極２と、背面に酸素などの酸化剤を
接触させたカソード電極３とを電界質を含浸したマトリ
ックスを挟んで両側に配置して構成されている。この単
位電池がガス分離板を介して交互に複数個積層されて、
燃料電池本体１が構成されている。

【０００４】改質装置６において天然ガス４と水蒸気５
との混合ガスが水蒸気改質反応により水素リッチガスと
されて、この水素リッチガスがアノード電極２に供給さ
れ、カソード電極３には圧縮空気７が供給される。アノ
ード電極２に供給された水素リッチガスは、カソード電
極３に供給された圧縮空気７と電気化学的に反応して、
電気、水及び熱となる。

【０００５】アノード電極２を出たガスは、アノード出
口リン酸吸着器８、アノード出口凝縮器９及び改質器バ
ーナー１０を介して、大気１１に放出される。カソード
電極３を出たガスは、カソード出口リン酸吸着器１２、
カソード出口凝縮器１３及び改質器バーナー１０を介し
て、大気に放出される。アノード電極２及びカソード電
極３内のガスは、アノードリサイクルライン３３及びカ
ソードリサイクルライン３４に設けられたアノードリサ
イクルブロア１４及びカソードリサイクルブロア１５に
より、それぞれ各電極の出口ラインから入口ラインに循
環され、再利用される。なお、１６，１７及び１８は、
それぞれアノード燃料供給弁、カソード空気供給弁およ
び大気遮断弁である。

【０００６】ところで、リン酸型燃料電池は、高温状態
で電池電圧が単位セル当り０．８Ｖ以上に維持される
と、電池触媒のシンタリングが増長し、電池特性の低下
につながる。一方、電池電圧が単位セル当り０Ｖ以下、
つまり転極現象が生じた場合には電気分解が発生し、電
池に大きな損傷を与えることも知られている。

【０００７】このため、発電中はもちろんのこと、起動
・停止操作中も、電池電圧の管理が必要となってくる。
そこで、発電中においては、インバータの電圧保護制御
により、許容値内（通常は０．６−０．８Ｖ／セル）に
電圧が保持され、もし電池電圧が許容値を越える場合に
は、緊急停止などの電池保護対策が施されている。

【０００８】一方、起動・停止操作中、特に停止操作に
おいては、カソード電極３内に発電中供給された空気が
残留するため、次のような電圧抑制手段が施されてい
る。すなわち、発電停止指令に従ってカソード供給空気
は遮断され、これと同時にカソード窒素ガス供給ライン
２８及びアノード窒素ガス供給ライン３１に設けられた
供給弁２９，３２を開放し、不活性ガス、例えば窒素が
アノード電極２及びカソード電極３に供給され、残留空
気中の酸素ガスパージが実施される。

【０００９】また、インバータは、発電停止指令によ
り、ＡＣ出力を低減させ、インバータの運転が不可能に
なる微少出力のところでダミー抵抗３０と切替える。前
記したダミー抵抗３０は、任意電圧、例えば０．５Ｖ／
セル以上でオンするように制御されている。このダミー
抵抗３０とカソードの窒素ガスパージにより電池電圧は
抑制され、最後にアノード電極２の窒素ガスパージが実
施され、停止中の電池電圧の管理は完了する。なお、起
動・停止中は、ダミー抵抗の電圧抑制制御を作動状態と
しているため、何らかの理由で電池電圧が発生し、ダミ
ー抵抗投入条件、例えば電池電圧＞０．５Ｖ／セルが成
立した場合には、ダミー抵抗３０がオンして電圧抑制が
実行される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常リン酸
型燃料電池本体は、一対のアノード電極とカソード電極
から成る単位電池の出力電圧が約１Ｖ以下であるため、
多数の単位電池を直列に積層して構成されている。しか
しながら、停止操作中にカソード電極３の窒素ガスパー
ジを実施した場合、窒素ガスを個々の単位電池に均一に
供給することがきわめて困難なため、個々の単位電池の
カソード電極３に存在する酸素ガス量が異なってくる。

【００１１】この状態でダミー抵抗を投入すると、電池
電圧は、設定値、例えば平均セル電圧０．５Ｖ／セル相
当まで全体の電池電圧が抑制される。ところが、個々の
単位電池の均一な電圧抑制は不可能となり、個々の単位
電池に電圧のばらつきが生じ、ダミー抵抗が切れる条件
に達しても、一部の単位電池電圧は高い状態、例えば
０．８Ｖ／セル以上のまま保持される。このため、この
一部の高電圧が維持されたままの単位電池は、燃料電池
運転温度が下がるまでシンタリング現象が進み、燃料電
池特性劣化が増長する。従って、起動・停止の操作が行
われるごとに燃料電池特性は大きく低下し、燃料電池保
証期間前に定格出力を満足しなくなるという大きな問題
点があった。

【００１２】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、起動
・停止操作中における燃料電池本体の触媒劣化を最小限
に抑えることのできるリン酸型燃料電池発電プラントを
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１のリン酸型燃料電池発電プラントは、燃
料及び酸化剤をそれぞれアノード電極及びカソード電極
に導き、前記アノード電極の出口ライン及び前記カソー
ド電極の出口ラインからそれぞれ前記アノード電極の入
口ライン及び前記カソード電極の入口ラインに循環する
アノードリサイクルライン及びカソードリサイクルライ
ンを有し、前記燃料及び前記酸化剤の電気化学反応によ
って発電するリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、
前記アノードリサイクルラインの内側に水素供給ライン
を接続し、この水素供給ラインには、前記アノードリサ
イクルラインの内側に配置した水素ガス濃度検出手段の
出力により、前記アノード電極の水素濃度を所定値に制
御するガス供給弁を設けたことを特徴する。

【００１４】請求項２のリン酸型燃料電池発電プラント
は、前記カソードリサイクルラインの内側に空気供給ラ
インを接続し、この空気供給ラインには、前記カソード
リサイクルラインの内側に配置した酸素ガス濃度検出手
段の出力により、前記カソード電極の酸素濃度を所定値
に制御するガス供給弁を設けたことを特徴とする。請求
項３のリン酸型燃料電池発電プラントは、前記アノード
電極とカソード電極間に、所定の電池電圧値を越える場
合に投入される抵抗が設けられていることを特徴とす
る。

【００１５】

【作用】上記のような構成を有する本発明のリン酸型燃
料電池発電プラントにおいては、その起動・停止操作中
に、アノードリサイクルライン及びカソードリサイクル
ラインにおいて窒素ガスによる循環運転を実施し、この
ときアノード電極には、請求項１の通り、水素ガスを供
給し所定の水素ガス濃度に維持し、カソード電極には、
請求項２の通り、空気を供給し所定の酸素ガス濃度に維
持することで、所定の電池電圧を保持することができ
る。更に、所定の電池電圧を越える場合には、請求項３
の通り、アノード電極とカソード電極との間に抵抗を投
入することで、電池電圧を所定値に抑制制御する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により具体的
に説明する。なお、前記図３と同一部分には同一符号を
付し、説明は省略する。

【００１７】（１）実施例の構成・・・図１ 本実施例において、２０はアノード電極２の入口側の前
記アノードリサイクルラインの内側に接続されるアノー
ド水素ガス供給ラインで、ここにはアノード水素ガス供
給弁２１が接続されている。２２はカソード電極３の入
口側の前記カソードリサイクルラインの内側に接続され
るカソード空気（酸素ガス）供給ラインで、カソード酸
素ガス供給弁２３が接続されている。

【００１８】アノード電極２には、その内部のガス濃度
を検出するガス検知器などの水素ガス検出手段２４が設
けられ、この水素ガス検出手段２４の出力端はその検出
濃度に応じて前記アノード水素ガス供給弁２１の弁開度
を制御する制御装置２５に接続されている。カソード電
極３にも、その内部のガス濃度を検出する酸素ガス検出
手段２６が設けられ、この酸素ガス検出手段２６の出力
端はその検出濃度に応じて前記カソード酸素ガス供給弁
２３の弁開度を制御する制御装置２７に接続されてい
る。

【００１９】（２）実施例の作用効果 上記のような構成を有する本実施例のリン酸型燃料電池
発電プラントにおいて、まず、起動操作の場合には、燃
料電池の温度上昇過程中において、セル温度が所定温度
（電池触媒がシンタリングを促進する温度、例えば１０
０℃）に達した時、アノードリサイクルブロア１４及び
カソードリサイクルブロア１５を駆動させる。このと
き、アノードリサイクルライン３３及びカソードリサイ
クルライン３４は窒素ガスの保圧状態であるので、燃料
電池本体１に積層された単位電池のアノード電極２及び
カソード電極３に均一に窒素ガスが供給され、攪拌循環
運転が実施される。このとき、同時にアノード水素ガス
供給弁２１及びカソード酸素ガス供給弁２３が開き、ア
ノード電極２及びカソード電極３にそれぞれ水素ガス及
び空気が供給される。

【００２０】アノード電極２に水素ガス供給と同時にア
ノードリサイクルライン３３内の水素ガス濃度が水素ガ
ス検出手段２４で検出され、この水素ガス検出手段２４
の出力が制御装置２５に入力される。これにより制御装
置２５は、アノード電極２が所定の水素ガス濃度（水素
ガスの爆発限界以下、例えば２％水素ガス濃度）を維持
するようにアノード水素ガス供給弁２１に指令を与え
る。上述の起動時のアノード電極２を所定の水素ガス濃
度に維持する制御は、図２に示す待機状態におけるカソ
ード改質ガス導入直前まで実施される。

【００２１】また、カソード電極３に空気の供給と同時
にカソードリサイクルライン３４内の酸素ガス濃度が酸
素ガス検出手段２６で検出され、この酸素ガス検出手段
２６の出力が制御装置２７に入力される。これにより制
御装置２７は、カソード電極３が所定の酸素ガス濃度
（例えば０．５％酸素ガス濃度）を維持するようにカソ
ード酸素ガス供給弁２３に指令を与える。上述の起動時
のカソード電極３を所定の酸素ガス濃度に維持する制御
は、図２に示す待機状態におけるカソード空気導入直前
まで実施される。

【００２２】このようにすると、アノード電極２及びカ
ソード電極３にそれぞれ水素ガス及び酸素ガスが供給さ
れるので、電池電圧が発生し、カソード電極電位が所定
値（０．８Ｖ／セル）以上となるので、燃料電池のアノ
ード電極２とカソード電極３間にダミー抵抗３０を投入
することにより、カソード電極電位を所定値（０．８Ｖ
／セル以下）に抑制制御することができる。この場合、
アノードリサイクルブロア４及びカソードリサイクルブ
ロア１５による循環運転が実施されているので、積層し
てある個々の単位電池に均一にガスが供給されることか
ら、個々の単位電池の電圧も均一に制御できる。また、
アノード電極２及びカソード電極３に供給される水素ガ
ス及び酸素ガスは微少濃度であることから、抵抗容量自
体も大きなものを用いなくても十分に電圧抑制制御が達
成できる。図４は、小型のリン酸型燃料電池における供
給酸素ガス低濃度下における電流−電圧特性を示す測定
例である。各電流において、次式の関係が得られた。 Ｖ＝Ｖ0 ＋ｋ＊Ｌｏｇ（ＰＯ2 ） ここで、ｋは電流Ｉの関数：ｋ＝ｆ（Ｉ）、ＰＯ2 は酸
素ガス濃度である。

【００２３】この関係から、所定の電池電圧制御に要す
るカソード酸素ガス濃度とダミー抵抗値が決定される。
実際、ダミー抵抗値は小さい方が現実的であるが、カソ
ード酸素ガス濃度が小さい方が設備上効率が良好であ
る。また、この場合、温度上昇に伴う電池電圧上昇が見
込まれるため、供給ガス条件はほぼ一定値となる。

【００２４】次に、停止操作の場合は、カソード電極３
は、図２に示すように発電状態から待機状態への移行に
伴い、カソード供給空気７は遮断され、同時にカソード
窒素ガス供給弁２９を開きカソード電極３中に残留して
いる空気中の酸素ガスを窒素ガスによりパージする。こ
の待機状態中、アノード電極２には改質ガスが未だ供給
されている状態にあり、カソード側に残留酸素ガスが存
在することにより、電池電圧が発生する。そこで、アノ
ード電極２とカソード電極３間のダミー抵抗３０を投入
することにより、カソード電位を所定値（０．８Ｖ／セ
ル以下）に制御する操作を施す。

【００２５】このようなダミー抵抗３０の投入により実
施される電圧抑制は、燃料電池本体１の全電圧を所定の
電圧範囲に制御するものであるから、積層している個々
の単位電池に注目すると、従来技術で説明したように単
位電池電圧のばらつきが生じ、一部の単位電池は触媒シ
ンタリングが促進する０．８Ｖ／セル以上の電圧を維持
したままの状態が長時間続く恐れがある。しかし、本実
施例においては、停止操作中においてもカソードリサイ
クルブロア１５を循環運転することで、積層してある個
々の単位電池のカソード電極３に対して均一にガスを供
給する。その結果、本実施例では、カソード電極３の窒
素ガスによる空気（酸素）のパージは均一に実施され、
ダミー抵抗３０により電池電圧の抑制も個々の単位電池
にばらつきなく実施される。

【００２６】この時、カソードリサイクルライン３４内
の酸素ガス濃度が酸素ガス検出手段２６で検出され、こ
の酸素ガス検出手段２６の出力が制御装置２７に入力さ
れる。これにより、制御装置２７は、起動操作中と同様
に、カソード電極３が所定の酸素ガス濃度（例えば２
％）を維持するようにカソード酸素ガス供給弁２３に指
令を与える。従って、発電停止直後のカソード電極３の
窒素ガスパージ後も、所定の酸素ガス濃度に維持する制
御が、セル温度が所定温度（電池触媒がシンタリングを
促進する温度、例えば１００℃程度）に低下するまで実
施される。

【００２７】一方、停止中のアノード電極２は、図２に
示すように、待機状態から停止状態への移行に伴い、ア
ノード供給改質ガスが遮断された後にアノード窒素ガス
供給ライン３１のアノード供給弁３２を開き、アノード
電極２中に残留する水素ガスを窒素ガスによりパージす
る。この操作により、アノード電極２中の水素ガス濃度
は低下するが、ガス検出手段２４により水素ガス濃度を
検出して制御手段２５に信号を送る。制御装置２５は、
アノードリサイクルラインが所定の水素ガス濃度を維持
するようにアノード水素ガス供給弁２１に指令を与え
る。このような停止操作中に実施されるアノード電極２
中の水素ガス濃度制御も、セル温度が所定温度に低下す
るまで実施される。

【００２８】（３）実施例の効果 以上のように構成された本実施例では、起動・停止過程
の特に燃料電池が高温状態にあるとき、アノード電極及
びカソード電極中をそれぞれ微少水素ガス濃度雰囲気及
び微少酸素ガス濃度雰囲気に制御し、さらにアノード電
極とかで間にダミー抵抗を投入することによってね電池
電圧を所定値に連続的かつ安定に制御することができ
る。その結果、従来生じていた局部的に残留する酸素ガ
スにより起動・停止過程中に生じる一部単位電池の０．
８Ｖ／セル以上の高電位状態を避けることができ、それ
による触媒のシンタリング現象を防止して、燃料電池特
性の長寿命化を図ることができる。

【００２９】（４）他の実施例 本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、請求
項１または請求項２のいずれかを実施するのみでも、電
極内の燃料あるいは酸化剤ガスの濃度を制御して、触媒
のシンタリングを防止することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、起動・停
止操作中の電池温度が高い状態下において、燃料電池の
電池電圧を所定値に制御することができるので、残留酸
素ガスによる高い電極電位から生じる電極触媒のシンタ
リングを防止することができ、燃料電池特性の長寿命化
を可能とした優れたリン酸型燃料電池発電プラントを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリン酸型燃料電池発電プラントの一実
施例を示すブロック図。

【図２】図１の作用を説明するタイムチャート。

【図３】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの一例を
示すブロック図。

【図４】燃料電池の水素ガス及び酸素ガス濃度特性を示
すグラフ。

【符号の説明】

１；燃料電池本体 ２；アノード電極 ３；カソード電極 ４；天然ガス ５；水蒸気 ７；圧縮空気 １１；大気 １４；アノードリサイクルブロア １５；カソードリサイクルブロア ２０；アノード水素ガス供給ライン ２１；アノード水素ガス供給弁 ２２；カソード酸素ガス供給ライン ２３；カソード酸素ガス供給弁 ２４，２６；ガス検出手段 ２５，２７；弁の制御手段 ３３；アノードリサイクルライン ３４；カソードリサイクルライン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料及び酸化剤をそれぞれアノード電極及
   びカソード電極に導き、前記アノード電極の出口ライン
   及び前記カソード電極の出口ラインからそれぞれ前記ア
   ノード電極の入口ライン及び前記カソード電極の入口ラ
   インに循環するアノードリサイクルライン及びカソード
   リサイクルラインを有し、前記燃料及び前記酸化剤の電
   気化学反応によって発電するリン酸型燃料電池発電プラ
   ントにおいて、 前記アノードリサイクルラインの内側に水素供給ライン
   を接続し、この水素供給ラインには、前記アノードリサ
   イクルラインの内側に配置した水素ガス濃度検出手段の
   出力により、前記アノード電極の水素濃度を所定値に制
   御するガス供給弁を備えていることを特徴とするリン酸
   型燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】燃料及び酸化剤をそれぞれアノード電極及
   びカソード電極に導き、前記アノード電極の出口ライン
   及び前記カソード電極の出口ラインからそれぞれ前記ア
   ノード電極の入口ライン及び前記カソード電極の入口ラ
   インに循環するアノードリサイクルライン及びカソード
   リサイクルラインを有し、前記燃料及び前記酸化剤の電
   気化学反応によって発電するリン酸型燃料電池発電プラ
   ントにおいて、 前記カソードリサイクルラインの内側に空気供給ライン
   を接続し、この空気供給ラインには、前記カソードリサ
   イクルラインの内側に配置した酸素ガス濃度検出手段の
   出力により、前記カソード電極の酸素濃度を所定値に制
   御するガス供給弁を備えていることを特徴とするリン酸
   型燃料電池発電プラント。
3. 【請求項３】前記アノード電極とカソード電極間に、所
   定の電池電圧値を越える場合に投入される抵抗が設けら
   れていることを特徴とする請求項１または請求項２のリ
   ン酸型燃料電池発電プラント。