JPH0837014A - リン酸型燃料電池発電プラントおよびその保管方法 - Google Patents

リン酸型燃料電池発電プラントおよびその保管方法

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JPH0837014A
JPH0837014A JP6173840A JP17384094A JPH0837014A JP H0837014 A JPH0837014 A JP H0837014A JP 6173840 A JP6173840 A JP 6173840A JP 17384094 A JP17384094 A JP 17384094A JP H0837014 A JPH0837014 A JP H0837014A
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electrode
voltage
phosphoric acid
fuel
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JP6173840A
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Katsunori Sakai
勝則 酒井
Tadahiko Taniguchi
忠彦 谷口
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、リン酸型燃料電池発電プラントの運
転停止中の電池保管状態における燃料電池本体内のリン
酸移動を最小限に抑えて、リン酸を所定の位置に保持管
理することを最も主要な目的としている。 【構成】本発明は、運転停止中の電池保管状態時に、燃
料極および酸化剤極に乾燥不活性ガスを連続的または間
欠的に供給し、また燃料電池本体の交流抵抗の値が所定
値を逸脱した場合には、燃料極に水素を含む乾燥ガスを
供給し、さらにこの乾燥ガスの供給時における燃料電池
本体の発生電圧が所定値以上である場合には、燃料電池
本体の燃料極と酸化剤極との間を電圧抑制抵抗を介して
電気的に短絡することを特徴としている。

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
プラントおよびその保管方法に係り、特にリン酸型燃料
電池発電プラントの発電運転（以下、単に運転と称す
る）停止中の電池保管状態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
ラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、石炭や石油等のような燃料が
有している化学エネルギーを、等温の下で連続的に直接
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、電解質を保有する電
解質層（以下、マトリックス層と称する）を一対の多孔
質電極で挟んで、一方の電極の背面に水素等の燃料ガス
を接触させると共に、他方の電極の背面に空気等の酸化
剤を接触させて、この時に起こる電気化学反応により生
じる電気エネルギーを、上記各電極間から取り出すよう
にしたものである。
【０００３】この場合、燃料ガスとしては、水素または
天然ガスを改良して得られる改質ガスが用いられ、酸化
剤としては、空気または酸素が用いられる。また、電解
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、固体酸化物等が用いられるが、最近では、リ
ン酸を電解質としたリン酸型燃料電池が注目されてきて
いる。
【０００４】この種のリン酸型燃料電池は、図４に分解
斜視図を示すように、電解質であるリン酸を含浸させた
マトリックス層１ｃを挟んで、一対の多孔質電極１ａ，
１ｂを配置し、一方の多孔質電極である燃料極（以下、
アノード電極と称する）１ａの背面に水素等の燃料ガス
を接触させると共に、他方の多孔質電極である酸化剤極
（以下、カソード電極と称する）１ｂの背面に酸素等の
酸化剤を接触させ、この時に起こる電気化学反応を利用
して、上記各電極１ａ，１ｂ間から電気エネルギーを取
り出している。
【０００５】この場合、一対のアノード電極１ａとカソ
ード電極１ｂからなる電池（以下、単位セルと称する）
１の出力電圧は、通常の運転条件で０．６〜０．８Ｖと
非常に低いため、実用機では図４に示すように、数百枚
の単位セル１を、電気伝導性かつガス不透過性のセパレ
ータ２、または冷却板３を介して積層して、燃料電池本
体（通常、セルスタックと称される）を形成し、所定の
出力電圧を得るようにしている。
【０００６】ところで、この種のリン酸型燃料電池にお
いて、各単位セル１で起こる電気化学反応は発熱反応で
あるため、燃料電池を継続して運転するには、セルの温
度上昇を防止する必要がある。そのため、上述のような
燃料電池本体においては、数枚の単位セル１毎に冷却板
３を挿入し、その内部に冷却媒体を循環させることによ
り、セルから発生する熱を外部に取り出すようにしてい
る。
【０００７】また、この冷却板３は、高い熱伝導性、電
気伝導性、耐電解質性、耐熱性が要求されることから、
一般的には、図５に部分拡大図を示すように、電気伝導
性混合物で製作され、その内部には冷却管３ａが埋設さ
れている。さらに、冷却管３ａとしては、一般的に、熱
伝導性、耐電解質性に比較的優れたステンレス管等が使
用され、さらに他の冷却板３間との絶縁を保つために、
絶縁部３ｂを介して冷却一次管と接続されている。
【０００８】次に、図６は、従来のリン酸型燃料電池発
電プラントの概略構成例を示すブロック図である。図６
において、改質装置６では、天然ガス４と水蒸気５との
混合ガスが、水蒸気改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１ａに供給さ
れ、カソード電極１ｂには圧縮空気７が供給される。そ
して、アノード電極１ａに供給された水素リッチガス
は、カソード電極１ｂ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、および熱となる。
【０００９】アノード電極１ａ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、および改
質装置バーナー１０を介して、大気１１中に放出され
る。また、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、および改
質装置バーナー１０を介して、大気１１中に放出され
る。
【００１０】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１個当たり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て、電池特
性の低下につながる。一方、電池電圧が単位セル１個当
たり０Ｖ以下、すなわち転極現象が生じた場合には、電
解質電気分解が発生して、電池に大きな損傷を与えるこ
とも知られている。このため、リン酸型燃料電池の運転
中はもちろんのこと、起動・停止操作中にも、電圧の管
理が必要となってくる。
【００１１】そこで、リン酸型燃料電池の運転中におい
ては、インバーターの電圧保護制御により、許容値内
（通常は０．７〜０．８Ｖ／セル）に電圧が保持され、
もし電池電圧が許容値を超える場合には、緊急運転停止
等の電池の保護対策が施されている。
【００１２】一方、リン酸型燃料電池の起動・停止操作
中、特に停止操作においては、カソード電極１ｂ内に運
転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。
【００１３】すなわち、運転停止指令に従って、電池温
度降温操作が実施されると共に、カソード供給空気およ
びアノード供給燃料が遮断され、これと同時にカソード
窒素ガス供給ライン２０およびアノード窒素ガス供給ラ
イン２１に設けられた供給弁２２，２３を解放し、不活
性ガス、例えば窒素がアノード電極１ａおよびカソード
電極１ｂに供給され、残留空気および燃料ガスのガスパ
ージが実施される。
【００１４】また、インバーターは、運転停止指令によ
り、交流出力を低減させてインバーター運転が不可能に
なる微少出力のところで、ダミー抵抗２５と切替える。
ダミー抵抗２５は、任意電圧、例えば０．５Ｖ／セル以
上で投入するように制御されている。そして、このダミ
ー抵抗２５とカソード電極１ｂの窒素ガスパージによっ
て電池電圧が抑制され、運転停止操作中の電池電圧の管
理は完了する。その後、燃料電池本体の温度は、保管温
度（例えば摂氏５０度）まで降温されて、その保管温度
で保管される。
【００１５】ところで、このようなリン酸型燃料電池に
おいて、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂ、さ
らには両者に挟まれたマトリックス層１ｃは多孔質体で
あり、この中に多量のリン酸が蓄えられ、電解質として
の機能や、燃料ガスと酸化剤との直接接触、混合するこ
とを防止するためのシール機能に当てられている。そし
て、このリン酸は、温度およびその雰囲気の湿度によっ
て、体積が変化する性質を有する。
【００１６】従って、リン酸型燃料電池の保管中に、湿
分を有する空気がプラントライン内に混入したような場
合には、燃料電池本体中のリン酸が、プラントライン内
に混入してきた空気中の湿分を吸収して、その体積が増
大する。
【００１７】この場合、多孔質体であるアノード電極１
ａ、カソード電極１ｂ、およびマトリックス層１ｃに充
填してあるリン酸が、電極周囲に溢流し、その結果、上
記シール機能の不良、および電解質減少に伴うイオン伝
導性の低下によって、電池寿命の短命化に至る。
【００１８】また、単位セル１外へリン酸が漏洩したよ
うな場合には、燃料電池本体の積層面に垂れ落ち、燃料
電池本体とアノード電極１ａおよびカソード電極１ｂの
ガス供給排出配管ライン間で液絡状態が生じ、その結
果、絶縁不良に至ることで大きなトラブルを起こす危険
性がある。
【００１９】さらに、アノード電極１ａおよびカソード
電極１ｂは、多孔質体からなるガス拡散電極であり、マ
トリックス層１ｃと接する面には触媒層が形成してあ
る。そして、燃料ガスおよび酸化剤は、上記多孔質体の
細孔部を拡散して触媒層まで移動するので、アノード電
極１ａおよびカソード電極１ｂの多孔質部に、ガス拡散
を妨げない程度にリン酸が充填されるように設計してあ
るが、上述のプラントライン内に混入してきた空気中の
湿分を吸収して、その体積増大に起因したリン酸移動が
生じ、上述の触媒層を含めた多孔質体の細孔部に、所定
以上のリン酸が滞留してしまう現象（以下、フラッディ
ング現象と称する）が発生する。
【００２０】この結果、燃料ガスおよび酸化剤のガス拡
散不良に伴う電池特性の低下が発生し、電池寿命の短命
化の問題が生じる。一方、本発明者等の研究では、リン
酸型燃料電池の保管中に、プラントライン内に空気が混
入して、空気雰囲気に燃料電池本体がさらされたような
場合、フラッディング現象が加速する結果を得ている。
【００２１】図７は、リン酸型燃料電池の保管時の不活
性ガス雰囲気の場合と空気雰囲気の場合における起動停
止特性試験の結果の一例を示す特性図である。図７よ
り、リン酸型燃料電池の保管時、空気雰囲気の場合に
は、起動停止特性の低下が顕著であり、その要因はフラ
ッディング現象が加速していることが明らかになってい
る。これは、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂ
共に、空気中の酸素によって、約１Ｖの高電位状態（Ｏ
2 電位）に保持されるため、電気的吸引力によるリン酸
の移動に伴って、前述の触媒層を含めた多孔質体の細孔
部に所定以上のリン酸が侵入してしまい、結果的にフラ
ッディング現象が加速することによるものと考えられ
る。
【００２２】その結果、前述のリン酸体積変化に伴うリ
ン酸移動の場合と同様に、燃料ガスおよび酸化剤のガス
拡散不良に伴う電池特性の低下が発生して、電池寿命の
短命化につながるという問題点がある。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
リン酸型燃料電池発電プラントにおいては、長期間の保
管に際して電池特性の低下が発生するという問題があっ
た。本発明の目的は、リン酸型燃料電池発電プラントの
運転停止中の電池保管状態における燃料電池本体内のリ
ン酸移動を最小限に抑えて、リン酸を所定の位置に保持
管理することができ、もって長期間の保管においても電
池特性を低下させることなく安定に維持することが可能
なリン酸型燃料電池発電プラントおよびその保管方法を
提供することにある。
【００２４】
【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、電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料極および
酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこの単位セ
ルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環させる冷
却管が埋設された冷却板を介して複数個積層して燃料電
池本体を形成し、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよ
び酸化剤をそれぞれ供給することにより、この時に起こ
る電気化学反応によって電気出力を得るようにしたリン
酸型燃料電池発電プラントを保管する方法において、ま
ず、請求項１に係る発明では、リン酸型燃料電池発電プ
ラントの運転停止中の電池保管時に、燃料極および酸化
剤極の少なくともいずれか一方に、連続的または間欠的
に乾燥不活性ガスを供給するようにしている。
【００２５】また、請求項２に係る発明では、リン酸型
燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管時に、燃
料電池本体の交流抵抗を測定してその経時変化を監視
し、当該交流抵抗の値があらかじめ定められた管理値以
下になった時に、燃料極に水素を含む乾燥ガスを供給し
て燃料電池本体の発生電圧を測定し、かつ当該測定され
た電池電圧が所定値以上になった時に、燃料電池本体の
燃料極と酸化剤極との間を電圧抑制抵抗を介して電気的
に短絡するようにしている。
【００２６】さらに、請求項３に係る発明では、リン酸
型燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管時に、
燃料極および酸化剤極の少なくともいずれか一方に、連
続的または間欠的に乾燥不活性ガスを供給するように
し、また燃料電池本体の交流抵抗を測定してその経時変
化を監視し、当該交流抵抗の値があらかじめ定められた
管理値以下になった時に、燃料極に水素を含む乾燥ガス
を供給して燃料電池本体の発生電圧を測定し、かつ当該
測定された電池電圧が所定値以上になった時に、燃料電
池本体の燃料極と酸化剤極との間を電圧抑制抵抗を介し
て電気的に短絡するようにしている。
【００２７】ここで、特に上記燃料電池本体の電池電圧
が所定値以上になった時に、当該燃料電池本体中の過大
電圧発生部分に電圧抑制抵抗を投入するようにしてい
る。また、上記燃料電池本体の各冷却板間の電圧をそれ
ぞれ測定し、当該電圧が所定値以上になった任意の冷却
板間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するようにし
ている。
【００２８】一方、電解質を含浸した電解質層を挟んで
燃料極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、か
つこの単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を
循環させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積
層して燃料電池本体を形成し、燃料極および酸化剤極に
燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
うにしたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、ま
ず、請求項６に係る発明では、燃料極および酸化剤極の
入口側ラインにそれぞれ配置され、燃料電池発電プラン
ト本体の運転停止中の電池保管時に全閉される遮断弁
と、燃料極側の遮断弁と燃料極との間、および酸化剤極
側の遮断弁と酸化剤極との間にそれぞれ接続され、燃料
極および酸化剤極に乾燥不活性ガスをそれぞれ供給する
乾燥不活性ガス供給ラインと、各乾燥不活性ガス供給ラ
インにそれぞれ配置され、リン酸型燃料電池発電プラン
ト本体の運転停止中の電池保管時に開制御される供給制
御弁とを備えて成る。
【００２９】また、請求項７に係る発明では、燃料極側
の遮断弁と燃料極との間に接続され、燃料極に水素を含
む乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給ラインと、乾燥ガス
供給ラインに配置された供給制御弁と、リン酸型燃料電
池発電プラント本体の運転停止中の電池保管時における
燃料電池本体の交流抵抗を測定する交流抵抗検出手段
と、燃料電池本体の発生電圧を測定する電圧検出手段
と、交流抵抗検出手段により測定された交流抵抗の値が
あらかじめ定められた管理値以下になった場合に、供給
制御弁を開制御すると共に、当該第２の供給制御弁の開
制御時に電圧検出手段により測定された電池電圧が所定
値以上になった場合に、燃料電池本体の燃料極と酸化剤
極との間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するよう
に制御する電圧抑制制御手段とを備えて成る。
【００３０】さらに、請求項８に係る発明では、燃料極
および酸化剤極の入口側ラインにそれぞれ配置され、リ
ン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の電池保
管時に全閉される遮断弁と、燃料極側の遮断弁と燃料極
との間、および酸化剤極側の遮断弁と酸化剤極との間に
それぞれ接続され、燃料極および酸化剤極に乾燥不活性
ガスをそれぞれ供給する乾燥不活性ガス供給ラインと、
各乾燥不活性ガス供給ラインにそれぞれ配置され、燃料
電池発電プラント本体の運転停止中の電池保管時に開制
御される第１の供給制御弁と、燃料極側の遮断弁と燃料
極との間に接続され、燃料極に水素を含む乾燥ガスを供
給する乾燥ガス供給ラインと、乾燥ガス供給ラインに配
置された第２の供給制御弁と、燃料電池発電プラント本
体の運転停止中の電池保管時における燃料電池本体の交
流抵抗を測定する交流抵抗検出手段と、燃料電池本体の
発生電圧を測定する電圧検出手段と、交流抵抗検出手段
により測定された交流抵抗の値があらかじめ定められた
管理値以下になった場合に、第２の供給制御弁を開制御
すると共に、当該第２の供給制御弁の開制御時に電圧検
出手段により測定された電池電圧が所定値以上になった
場合に、燃料電池本体の燃料極と酸化剤極との間を電圧
抑制抵抗を介して電気的に短絡するように制御する電圧
抑制制御手段とを備えて成る。
【００３１】ここで、特に上記電圧抑制制御手段として
は、燃料電池本体の電池電圧が所定値以上になった場合
に、当該燃料電池本体中の過大電圧発生部分に電圧抑制
抵抗を投入するように制御する。
【００３２】また、上記電圧抑制制御手段としては、燃
料電池本体の各冷却板間の電圧をそれぞれ測定し、当該
電圧が所定値以上になった任意の冷却板間を電圧抑制抵
抗を介して電気的に短絡するように制御する。
【００３３】さらに、上記各冷却板に埋設されている冷
却管に電圧測定信号線および電気的導線を接続し、各冷
却板間の電圧をそれぞれ測定する電圧測定回路と、任意
の冷却板間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡する電
気回路を備えて成る。
【００３４】
【作用】従って、本発明のリン酸型燃料電池発電プラン
トおよびその保管方法においては、リン酸型燃料電池発
電プラント本体の運転停止中の電池保管状態時に、燃料
極および酸化剤極の直前の入口側に配置した遮断弁を全
閉し、かつ遮断弁の下流で燃料極および酸化剤極の入口
側に配置した乾燥不活性ガス供給制御弁を開制御するこ
とにより、燃料極および酸化剤極に乾燥不活性ガスが連
続的または間欠的に供給されるため、燃料極および酸化
剤極を乾燥不活性ガス雰囲気に維持して、外部の空気が
燃料電池本体内へ混入することを防止することができ
る。
【００３５】また、リン酸型燃料電池発電プラント本体
の運転停止中の電池保管状態時に、燃料電池本体の交流
抵抗を測定して、その交流抵抗の値が所定値を逸脱した
場合には、燃料極の入口側の乾燥ガス供給ラインに設け
られた供給制御弁を開制御して、燃料極に水素を含む乾
燥ガスを供給し、さらにこの乾燥ガスが供給された時の
燃料電池本体の発生電圧を測定して、その電池電圧が所
定値以上である場合には、燃料電池本体の燃料極と酸化
剤極との間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡する、
すなわち燃料電池本体中の過大電圧発生部分（任意の冷
却板間で局部的に電池電圧が所定値以上発生している部
分）に電圧抑制抵抗を投入することにより、燃料電池本
体の燃料極と酸化剤極との間の電圧を抑制することがで
きる。
【００３６】以上により、リン酸型燃料電池発電プラン
トの運転停止中の燃料電池本体の電極電位とリン酸体積
を所定の値に管理することができ、もって長期間の保管
においても電池特性を低下させることなく安定に維持す
ることが可能となる。
【００３７】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。図１は本発明によるリン酸型燃料
電池発電プラントの全体構成例を示すブロック図、図２
は図１における燃料電池本体冷却板の電気回路の一例を
示す拡大図であり、図４ないし図６と同一部分には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
【００３８】図１において、アノード電極１ａおよびカ
ソード電極１ｂの入口ラインには、アノード入口遮断弁
２８およびカソード入口遮断弁２９をそれぞれ設けてい
る。このアノード入口遮断弁２８，カソード入口遮断弁
２９は、本リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中
の電池保管時に、手動により、または自動的に全閉され
るものである。
【００３９】また、アノード入口遮断弁２８とアノード
電極１ａとの間のラインには、乾燥不活性ガス（本例で
は乾燥Ｎ2 ガス）を供給する乾燥Ｎ2 ガス供給ライン２
１、および水素を含む乾燥ガスを供給する乾燥水素供給
ライン２６をそれぞれ接続している。
【００４０】さらに、この乾燥Ｎ2 ガス供給ライン２１
および乾燥水素供給ライン２６には、供給制御弁２３お
よび２７をそれぞれ配置している。この供給制御弁２３
は、本燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管時
に、手動により、または自動的に開制御されるものであ
る。
【００４１】なお、上記乾燥水素供給ライン２６には、
運用面の安全を考慮して、微小濃度水素と不活性ガス
（例えば、１％Ｈ2 、９９％Ｎ2 組成）とから成る水素
混合ガスを使用する。
【００４２】一方、カソード入口遮断弁２９とカソード
電極１ｂとの間のラインには、乾燥不活性ガス（本例で
は乾燥Ｎ2 ガス）を供給する乾燥Ｎ2 ガス供給ライン２
０を接続している。
【００４３】また、この乾燥Ｎ2 ガス供給ライン２０に
は、供給制御弁２２を配置している。この供給制御弁２
２は、本燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管
時に、手動により、または自動的に開制御されるもので
ある。
【００４４】一方、燃料電池本体には、その交流抵抗を
測定する交流抵抗検出器３０を設けており、この交流抵
抗検出器３０の出力信号を、交流抵抗実測値に応じてア
ノード電極入口側の乾燥水素供給ライン２６に配置され
た供給制御弁２７の弁開度を制御する電圧抑制制御装置
３１に入力するようにしている。
【００４５】また、図２に示すように、燃料電池本体の
各冷却板３に埋設された冷却管３ａには、それぞれ電圧
測定線３２を接続し、電圧検出器３３に配線するように
している。
【００４６】さらに、各冷却管３ａには、それぞれ電気
的導線３４を接続し、電圧抑制抵抗３５を介して電気的
短絡回路３６を配置している。さらにまた、電圧検出器
３３の出力信号を、電圧抑制制御装置３１に入力し、そ
の電圧測定値に応じて電気的短絡回路３６を制御するよ
うにしている。
【００４７】次に、以上のように構成した本実施例のリ
ン酸型燃料電池発電プラントの保管方法について説明す
る。いま、リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中
の電池保管状態においては、アノード電極１ａおよびカ
ソード電極１ｂの入口側にそれぞれ配置したアノード入
口遮断弁２８，カソード入口遮断弁２９を全閉し、かつ
このアノード入口遮断弁２８，カソード入口遮断弁２９
の下流側で、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂ
の入口側にそれぞれ配置した乾燥Ｎ2 ガス供給制御弁２
２および２３に開信号を与えることにより、アノード電
極１ａおよびカソード電極１ｂに、乾燥Ｎ2 ガスが供給
される。
【００４８】これにより、アノード電極１ａおよびカソ
ード電極１ｂを乾燥Ｎ2 ガス雰囲気に維持して、外部の
空気が燃料電池本体内へ混入することを防止することが
できる。
【００４９】なお、上記において、乾燥Ｎ2 ガスを連続
的に供給した場合には、コスト面の問題が生じるため、
乾燥Ｎ2 ガス供給制御弁２２，２３の開閉制御を定期的
に行なうことにより、アノード電極１ａおよびカソード
電極１ｂに乾燥Ｎ2 ガスを間欠的に供給するようにして
も、同等の効果を得ることができる。
【００５０】一方、リン酸型燃料電池発電プラントの運
転停止中の電池保管状態においては、燃料電池本体の交
流抵抗が、交流抵抗検出器３０により検出され、その出
力信号が電圧抑制制御装置３１に与えられる。
【００５１】なお、この場合、燃料電池本体の交流抵抗
を測定するのは、直流抵抗測定のために直流電源を用い
ると、燃料電池電極上で電極反応が進行して分極が生じ
るため、正しい抵抗が測定できないからである。しか
し、電源として、１〜１０ｋＨｚの交流抵抗を用いる
と、電流の方向が速く変化するので、このような分極は
取り除かれ、正確な抵抗が測定される。従って、交流抵
抗検出器３０は、１〜１０ｋＨｚの交流電源を有するも
のである。
【００５２】ところで、燃料電池本体の温度が一定の場
合、燃料電池本体の交流抵抗は、アノード電極１ａおよ
びカソード電極１ｂのリン酸濡れ状態に伴う接触抵抗に
大きく依存するため、燃料電池本体の保管中に外部空気
が混入し、燃料電池本体内のリン酸が吸湿により体積変
化（リン酸濃度変化）が生じたような場合、または空気
中Ｏ2 の存在に伴う電極高電位発生状態に起因した電気
吸引力によるリン酸移動が生じたような場合には、図３
に示すように交流抵抗に変化（減少）が見られる。
【００５３】通常、リン酸型燃料電池発電プラントの運
転停止中、燃料電池本体は温度が摂氏５０度程度に保持
され、保管当初は、アノード電極１ａおよびカソード電
極１ｂが、乾燥Ｎ2 ガス雰囲気に保持される。
【００５４】以上のような点から、電圧抑制制御装置３
１では、燃料電池本体の保管当初の交流抵抗Ｒac（初期
値）と、その後の保管中に検出した交流抵抗Ｒac（検出
値）との比較が実施される。
【００５５】この結果、経時的に交流抵抗に減少傾向が
見られた場合、例えば下記のような関係が成立した場合
には、アノード電極１ａまたはカソード電極１ｂに、外
部の空気が混入している状態であると判断し、以下に示
すような電極電圧抑制操作に移行する。
【００５６】Ｒac（初期値）×０．９＞Ｒac（検出値）
（初期値より１０％が減少した場合） なお、先に述べたように、外部の空気中の湿分を吸収し
て、燃料電池本体の電極内のリン酸体積が変化（増大）
した場合にも、燃料電池本体の交流抵抗の減少が見られ
るが、前述したアノード電極１ａおよびカソード電極１
ｂへの乾燥Ｎ2ガスの連続的または間欠的な供給によっ
て、電極中水蒸気分圧の上昇が抑制され、燃料電池本体
の電極内リン酸体積変化を抑える操作が実施される。
【００５７】従って、アノード電極１ａおよびカソード
電極１ｂへの乾燥Ｎ2 ガスの供給を実施中に、燃料電池
本体の交流抵抗が減少する現象は、外部空気が燃料電池
本体内に混入して、Ｏ2 が電極触媒に吸着し、電極の高
電位（約１Ｖ）状態が生じているものと判断できる。
【００５８】一方、電圧抑制操作移行と判断した電圧抑
制制御装置３１は、アノード電極１ａ入口側の乾燥水素
供給ライン２６上の供給制御弁２７に開信号を与えて、
アノード電極１ａに乾燥水素が供給される。そして、ア
ノード電極１ａに供給された乾燥水素は、先にアノード
電極１ａに混入、吸着している酸素（Ｏ2 ）に置き替わ
り、触媒に吸着して、アノード電極１ａの電位が０Ｖ
（水素電位）に保持される。
【００５９】この時、カソード電極１ｂに混入、吸着し
ている酸素（Ｏ2 ）によって、燃料電池本体に電圧が発
生する。そして、この発生電圧は、カソード電極１ｂに
混入している酸素（０2 ）濃度に依存する。
【００６０】一方、冷却管３ａに配置した電圧測定線３
２を介して、各冷却板３間の電圧が電圧検出器３３によ
り測定され、その測定値は電圧抑制制御装置３１に与え
られる。
【００６１】これにより、電圧抑制制御装置３１では、
各冷却板３間の電圧が所定値を満足しているかの比較が
実施される。すなわち、例えば下記のような関係が成立
するかの検出が実施される。
【００６２】（各冷却板３間の電圧）／（冷却板３間の
単位セル１数）＜０．８Ｖ（セル管理最大値） 以上により、燃料電池本体の全体、または燃料電池本体
内の複数積層した単位セル１の一部に、上記の関係が成
立しない所定値以上の電圧が発生していることが検出さ
れた場合、電圧抑制制御装置３１は、その電圧発生部分
に対応する電気短絡回路３６に制御信号を出力して、電
圧抑制抵抗３５を介した短絡回路が形成される。
【００６３】この結果、所定値以上の電圧が発生した部
分の電力は、電圧抑制抵抗３５によって消費され（カソ
ード電極１ｂの酸素（Ｏ2 ）が電気化学反応で消費さ
れ）、電池電圧を所定値内に抑制管理することができ
る。
【００６４】なお、上記において、局部的に所定値以上
の電圧が発生した場合に、燃料電池本体の全体に電圧抑
制抵抗３５を介した短絡回路を形成すると、電圧発生が
生じていない単位セル１において、転極現象が生じる恐
れがある。従って、前述したように、局部的な所定値以
上の電圧が発生した部分だけの電圧を抑制する操作を行
うことが好ましい。
【００６５】上述したように、本実施例では、リン酸型
燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管状態にお
いて、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂの直前
の入口側に配置したアノード入口遮断弁２８およびカソ
ード入口遮断弁２９をそれぞれ全閉し、かつこのアノー
ド入口遮断弁２８，カソード入口遮断弁２９の下流側
で、アノード電極１ａおよびカソード電極１ｂの入口側
に配置した乾燥Ｎ2 ガス供給制御弁２２および２３に開
信号を与えるようにしているので、アノード電極１ａお
よびカソード電極１ｂに乾燥Ｎ2 ガスを連続的または間
欠的に供給して、アノード電極１ａおよびカソード電極
１ｂを乾燥Ｎ2 ガス雰囲気に維持することができるた
め、外部の空気が燃料電池本体内へ混入することを防止
することが可能となる。
【００６６】これにより、燃料電池本体中のリン酸が外
部の空気の湿分を吸収し、リン酸の体積増大に伴う、リ
ン酸の燃料電池本体外への漏洩を回避し、それによるシ
ール機能の不良、電解質減少に伴うイオン伝導性の低下
を防止することができる。
【００６７】また、上記リン酸の体積変化に伴う、リン
酸移動で生じる触媒層を含めた多孔質体の細孔部に所定
以上のリン酸が侵入してしまうフラッディング現象をも
抑制することができる。
【００６８】さらに、混入空気中の酸素（Ｏ2 ）が電極
に吸着して高電位（約１Ｖ）状態が保持される場合に、
電気的吸引力によるリン酸の移動に伴う、触媒層を含め
た多孔質体の細孔部に所定以上のリン酸が侵入してしま
うフラッディング現象を抑制することができる。
【００６９】一方、リン酸型燃料電池発電プラントの運
転停止中の電池保管状態において、燃料電池本体の交流
抵抗を検出し、その交流抵抗の値が所定の管理値を逸脱
した場合に、燃料電池本体内に空気が混入した状態と判
断して、アノード電極１ａに乾燥水素を供給すること
で、燃料電池本体内の各冷却板３間の電圧発生状況を検
出する。そして、この時、燃料電池本体の全体、または
任意の冷却板３間で局部的に電池電圧が所定値以上発生
している場合には、上記電圧発生の冷却板３間に電圧抑
制抵抗３５を介して電気的短絡回路を形成させるように
しているので、所定値以上の電圧発生部分の電力は、電
圧抑制抵抗３５によって消費され（カソード電極１ｂの
酸素（Ｏ2 ）が電気化学反応で消費され）、燃料電池本
体の電圧を所定値内に管理することが可能となる。
【００７０】これにより、仮に燃料電池本体内に外部の
空気中の酸素（Ｏ2 ）が混入した場合でも、速やかにそ
の状態を検知して、酸素（Ｏ2 ）消費除去操作を実施で
きるため、前述した電極高電位状態で起きるフラッディ
ング現象に至るようなことがなく、燃料電池本体を安全
に保管することができる。
【００７１】以上の結果、長期間にわたる電池保管にお
いても、電池特性を低下させることなく、極めて信頼性
の高いリン酸型燃料電池発電プラントを得ることが可能
となる。
【００７２】次に、本実施例の効果について、さらに詳
細に説明する。すなわち、リン酸型燃料電池発電プラン
トの運転停止中の電池保管中に、燃料電池本体のアノー
ド電極２ａおよびカソード電極１ｂに乾燥Ｎ2 ガスを連
続的または間欠的に供給して、アノード電極１ａおよび
カソード電極１ｂを乾燥Ｎ2 ガス雰囲気に維持すること
ができるため、外部から空気が燃料電池本体内へ侵入す
るのを防止することができる。
【００７３】この結果、燃料電池本体中のリン酸が外部
の空気の湿分を吸収し、リン酸の体積増大に伴う、リン
酸の燃料電池本体外への漏洩を回避し、それによるシー
ル機能の不良、電解質減少に伴うイオン伝導性の低下を
防止することができる。
【００７４】また、上記リン酸の体積変化に伴う、リン
酸移動で生じる触媒層を含めた多孔質体の細孔部に所定
以上のリン酸が侵入してしまうフラッディング現象をも
抑制することができる。
【００７５】さらに、混入空気中の酸素（Ｏ2 ）が、電
極に吸着して高電位（約１Ｖ）状態に保持される場合
に、電気的吸引力によるリン酸の移動に伴う、触媒層を
含めた多孔質体の細孔部に所定以上のリン酸が侵入して
しまうフラッディング現象を抑制することができる。
【００７６】一方、リン酸型燃料電池発電プラントの運
転停止中の電池保管中に、燃料電池本体の交流抵抗を検
出し、その交流抵抗値が所定の管理値を逸脱した場合
に、燃料電池本体内に空気が混入状態と判断し、アノー
ド電極１ａに乾燥水素を供給することで、燃料電池本体
内の各冷却板３間の電圧発生状況を検出し、この時、燃
料電池本体の全体、または任意の冷却板３間で局部的に
電池電圧が所定値以上発生している場合には、上記電圧
発生の冷却板３間に電圧抑制抵抗３５を介して電気的短
絡回路を形成して、所定値以上の電圧発生部分の電力
を、電圧抑制抵抗３５により消費させ（カソード電極１
ｂの酸素（Ｏ2 ）を電気化学反応で消費させ）、燃料電
池本体の電圧を所定値内に管理することができる。
【００７７】この結果、仮に燃料電池本体内に外部の空
気中の酸素（Ｏ2 ）が混入した場合でも、速やかにその
状態を検知し、Ｏ2 消費除去操作を実施できるので、前
述した電極高電位状態で起きるフラッディング現象に至
ることなく、燃料電池本体を安全に保管することができ
る。以上により、長期間にわたる電池保管においても、
電池特性を低下させることなく、極めて信頼性の高いリ
ン酸型燃料電池発電プラントを得ることができる。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
料極および酸化剤極の入口側ラインにそれぞれ配置さ
れ、リン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
電池保管時に全閉される遮断弁と、燃料極側の遮断弁と
燃料極との間、および酸化剤極側の遮断弁と酸化剤極と
の間にそれぞれ接続され、燃料極および酸化剤極に乾燥
不活性ガスをそれぞれ供給する乾燥不活性ガス供給ライ
ンと、さらに各乾燥不活性ガス供給ラインにそれぞれ配
置され、燃料電池発電プラント本体の運転停止中の電池
保管時に開制御される第１の供給制御弁と、燃料極側の
遮断弁と燃料極との間に接続され、燃料極に水素を含む
乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給ラインと、乾燥ガス供
給ラインに配置された第２の供給制御弁と、燃料電池発
電プラント本体の運転停止中の電池保管時における燃料
電池本体の交流抵抗を測定する交流抵抗検出手段と、燃
料電池本体の発生電圧を測定する電圧検出手段と、交流
抵抗検出手段により測定された交流抵抗の値があらかじ
め定められた管理値以下になった場合に、第２の供給制
御弁を開制御すると共に、当該第２の供給制御弁の開制
御時に電圧検出手段により測定された電池電圧が所定値
以上になった場合に、燃料電池本体の燃料極と酸化剤極
との間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するように
制御する電圧抑制制御手段とを備えるようにしたので、
リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保管
状態における燃料電池本体内のリン酸移動を最小限に抑
えて、リン酸を所定の位置に保持管理することができ、
もって長期間の保管においても電池特性を低下させるこ
となく安定に維持することが可能なリン酸型燃料電池発
電プラントおよびその保管方法が提供できる。
【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】同実施例のリン酸型燃料電池プラントにおける
燃料電池本体冷却板の電気回路の構成例を示す拡大図。
【図３】同実施例のリン酸型燃料電池プラントにおける
電池保管中の交流抵抗の変化の一例を示す特性図。
【図４】リン酸型燃料電池本体の構成例を示す分解斜視
図図。
【図５】燃料電池本体の冷却板の構成例を示す拡大図。
【図６】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの構成例
を示すブロック図。
【図７】リン酸型燃料電池の発電プラントの起動停止特
性の一例を示す特性図。
【符号の説明】
１…単位セル、２０…乾燥Ｎ2 ガス供給ライン、２１…
乾燥Ｎ2 ガス供給ライン、２２…供給制御弁、２３…供
給制御弁、２６…乾燥水素供給ライン、２７…供給制御
弁、２８…アノード入口遮断弁、２９…カソード入口遮
断弁、３０…交流抵抗検出器、３１…電圧抑制制御装
置、３２…電圧測定線、３３…電圧検出器、３４…電気
的導線、３５…電圧抑制抵抗、３６…電気的短絡回路。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントを保管する方法
    において、 前記リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中の電池
    保管時に、前記燃料極および酸化剤極の少なくともいず
    れか一方に、連続的または間欠的に乾燥不活性ガスを供
    給するようにしたことを特徴とするリン酸型燃料電池発
    電プラントの保管方法。
  2. 【請求項２】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントを保管する方法
    において、 前記リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中の電池
    保管時に、前記燃料電池本体の交流抵抗を測定してその
    経時変化を監視し、当該交流抵抗の値があらかじめ定め
    られた管理値以下になった時に、前記燃料極に水素を含
    む乾燥ガスを供給して前記燃料電池本体の発生電圧を測
    定し、かつ当該測定された電池電圧が所定値以上になっ
    た時に、前記燃料電池本体の燃料極と酸化剤極との間を
    電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するようにしたこと
    を特徴とするリン酸型燃料電池発電プラントの保管方
    法。
  3. 【請求項３】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントを保管する方法
    において、 前記リン酸型燃料電池発電プラントの運転停止中の電池
    保管時に、前記燃料極および酸化剤極の少なくともいず
    れか一方に、連続的または間欠的に乾燥不活性ガスを供
    給するようにし、 また、前記燃料電池発電プラントの運転停止中の電池保
    管時に、前記燃料電池本体の交流抵抗を測定してその経
    時変化を監視し、当該交流抵抗の値があらかじめ定めら
    れた管理値以下になった時に、前記燃料極に水素を含む
    乾燥ガスを供給して前記燃料電池本体の発生電圧を測定
    し、かつ当該測定された電池電圧が所定値以上になった
    時に、前記燃料電池本体の燃料極と酸化剤極との間を電
    圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するようにしたことを
    特徴とするリン酸型燃料電池発電プラントの保管方法。
  4. 【請求項４】 前記燃料電池本体の電池電圧が所定値以
    上になった時に、当該燃料電池本体中の過大電圧発生部
    分に電圧抑制抵抗を投入するようにしたことを特徴とす
    る請求項１または請求項２に記載のリン酸型燃料電池発
    電プラントの保管方法。
  5. 【請求項５】 前記燃料電池本体の各冷却板間の電圧を
    それぞれ測定し、当該電圧が所定値以上になった任意の
    冷却板間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡するよう
    にしたことを特徴とする請求項４に記載のリン酸型燃料
    電池発電プラントの保管方法。
  6. 【請求項６】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、 前記燃料極および酸化剤極の入口側ラインにそれぞれ配
    置され、前記燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時に全閉される遮断弁と、 前記燃料極側の遮断弁と燃料極との間、および前記酸化
    剤極側の遮断弁と酸化剤極との間にそれぞれ接続され、
    前記燃料極および酸化剤極に乾燥不活性ガスをそれぞれ
    供給する乾燥不活性ガス供給ラインと、 前記各乾燥不活性ガス供給ラインにそれぞれ配置され、
    前記リン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時に開制御される供給制御弁と、 を備えて成ることを特徴とするリン酸型燃料電池発電プ
    ラント。
  7. 【請求項７】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、 前記燃料極側の遮断弁と燃料極との間に接続され、前記
    燃料極に水素を含む乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給ラ
    インと、 前記乾燥ガス供給ラインに配置された供給制御弁と、 前記リン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時における前記燃料電池本体の交流抵抗を測定
    する交流抵抗検出手段と、 前記燃料電池本体の発生電圧を測定する電圧検出手段
    と、 前記交流抵抗検出手段により測定された交流抵抗の値が
    あらかじめ定められた管理値以下になった場合に、前記
    供給制御弁を開制御すると共に、当該第２の供給制御弁
    の開制御時に前記電圧検出手段により測定された電池電
    圧が所定値以上になった場合に、前記燃料電池本体の燃
    料極と酸化剤極との間を電圧抑制抵抗を介して電気的に
    短絡するように制御する電圧抑制制御手段と、 を備えて成ることを特徴とするリン酸型燃料電池発電プ
    ラント。
  8. 【請求項８】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
    極および酸化剤極を配置して単位セルを構成し、かつこ
    の単位セルを、セパレーター、または内部に冷媒を循環
    させる冷却管が埋設された冷却板を介して複数個積層し
    て燃料電池本体を形成し、前記燃料極および酸化剤極に
    燃料ガスおよび酸化剤をそれぞれ供給することにより、
    この時に起こる電気化学反応によって電気出力を得るよ
    うにしたリン酸型燃料電池発電プラントにおいて、 前記燃料極および酸化剤極の入口側ラインにそれぞれ配
    置され、前記燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時に全閉される遮断弁と、 前記燃料極側の遮断弁と燃料極との間、および前記酸化
    剤極側の遮断弁と酸化剤極との間にそれぞれ接続され、
    前記燃料極および酸化剤極に乾燥不活性ガスをそれぞれ
    供給する乾燥不活性ガス供給ラインと、 前記各乾燥不活性ガス供給ラインにそれぞれ配置され、
    前記リン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時に開制御される第１の供給制御弁と、 前記燃料極側の遮断弁と燃料極との間に接続され、前記
    燃料極に水素を含む乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給ラ
    インと、 前記乾燥ガス供給ラインに配置された第２の供給制御弁
    と、 前記リン酸型燃料電池発電プラント本体の運転停止中の
    電池保管時における前記燃料電池本体の交流抵抗を測定
    する交流抵抗検出手段と、 前記燃料電池本体の発生電圧を測定する電圧検出手段
    と、 前記交流抵抗検出手段により測定された交流抵抗の値が
    あらかじめ定められた管理値以下になった場合に、前記
    第２の供給制御弁を開制御すると共に、当該第２の供給
    制御弁の開制御時に前記電圧検出手段により測定された
    電池電圧が所定値以上になった場合に、前記燃料電池本
    体の燃料極と酸化剤極との間を電圧抑制抵抗を介して電
    気的に短絡するように制御する電圧抑制制御手段と、 を備えて成ることを特徴とするリン酸型燃料電池発電プ
    ラント。
  9. 【請求項９】 前記電圧抑制制御手段としては、燃料電
    池本体の電池電圧が所定値以上になった場合に、当該燃
    料電池本体中の過大電圧発生部分に電圧抑制抵抗を投入
    するように制御することを特徴とする請求項７または請
    求項８に記載のリン酸型燃料電池発電プラント。
  10. 【請求項１０】 前記電圧抑制制御手段としては、燃料
    電池本体の各冷却板間の電圧をそれぞれ測定し、当該電
    圧が所定値以上になった任意の冷却板間を電圧抑制抵抗
    を介して電気的に短絡するように制御することを特徴と
    する請求項９に記載のリン酸型燃料電池発電プラント。
  11. 【請求項１１】 前記各冷却板に埋設されている冷却管
    に電圧測定信号線および電気的導線を接続し、各冷却板
    間の電圧をそれぞれ測定する電圧測定回路と、任意の冷
    却板間を電圧抑制抵抗を介して電気的に短絡する電気回
    路とを備えて成ることを特徴とすることを特徴とする請
    求項１０に記載のリン酸型燃料電池発電プラント。
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