JPH0878037A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

燃料電池発電システム及びその運転方法

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JPH0878037A
JPH0878037A JP6232047A JP23204794A JPH0878037A JP H0878037 A JPH0878037 A JP H0878037A JP 6232047 A JP6232047 A JP 6232047A JP 23204794 A JP23204794 A JP 23204794A JP H0878037 A JPH0878037 A JP H0878037A
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gas
fuel cell
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reformed gas
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Takeshi Hara
毅 原
Kenji Kato
憲二 加藤
Chikayuki Takada
慎之 高田
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Equos Research Co Ltd
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Aisin AW Co Ltd
Equos Research Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 システム再起動時における安全性が高く、し
かも小型，軽量で発電コストも低く、電気自動車などの
輸送機器に最適な燃料電池発電システムを提供する。 【構成】 燃料改質装置１の排気路２０と、燃料改質装
置１，一酸化炭素除去装置２，燃料電池５を結ぶ改質ガ
ス流路２１〜２３とに、３方電磁バルブから成るガス切
換バルブＶ１１〜Ｖ１３を設けるとともに、燃料電池５
の陰極側排気路２６にガス排気バルブＶ２１を設け、シ
ステムの運転停止時に、残留改質ガスを排気した後、改
質装置１の燃焼器６からの燃焼排ガスを、各装置１〜
３，５に充填する。このように、燃焼排ガスを用いて残
留改質ガスと置換することにより、置換用の不活性ガス
の充填設備が不要となり、燃料電池発電システムを小型
化，軽量化することが可能となる。また、発電コストも
低く抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水素リッチな改質ガス
を燃料として発電を行う燃料電池発電システム、および
その発電システムの運転方法、特に運転停止時の運転方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池と燃料改質装置とを含む燃料電
池発電システムにおいては、運転停止操作により燃料電
池への空気および燃料ガスである水素リッチな改質ガス
の供給を停止した後も、燃料電池内あるいは改質装置内
に改質ガス（水素ガス）が残留している。もし、その残
留改質ガスが燃料電池や各装置、あるいはそれらを結ぶ
改質ガス流路から漏洩した場合には、システムの再起動
時に、新たに供給された空気とシステム内外で混合し
て、爆発的に反応する危険がある。
【０００３】また、燃料改質装置内に上記残留改質ガス
を放置しておくと、改質触媒との低温度での改質反応に
よりカーボン析出が起こり、それにより触媒が劣化して
しまう。さらに、燃料電池においても、残留改質ガスの
ために電池電位が低下せず、それによって電池が劣化し
てしまう。
【０００４】そこで従来は、例えば特開平４−５１４６
９号公報に開示されているように、燃料電池発電システ
ムの運転停止時には、空気および改質ガスの供給を停止
した後、残留改質ガスを排気するとともに、窒素等の不
活性ガスを充填してその残留改質ガスと置換することに
より、システム再起動時の安全性確保と、燃料改質装置
および燃料電池の性能維持とを図っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように不活性ガスを用いる場合には、窒素ボンベ等のガ
ス充填設備が必要であるため、システムが大型化すると
ともに、ボンベ交換等のメンテナンスに手間がかかると
いう問題があった。従って、特に電気自動車などの輸送
機器に搭載する燃料電池発電システムとしては、不適当
なものであった。
【０００６】また、不活性ガスは一般に高価であるた
め、発電コストがかかるという問題もあった。
【０００７】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたもので、システム再起動時における安全性が高
く、しかも小型，軽量で発電コストも低く、電気自動車
などの輸送機器に最適な燃料電池発電システム、および
その運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る燃料電池発電システムでは、システム
の運転停止時に、燃料改質装置（１）と一酸化炭素除去
装置（２）と燃料電池（５）との少なくとも一つに残留
する改質ガスを、燃料改質装置（１）の燃焼器（６）か
らの燃焼排ガスに置換するガス置換手段（Ｖ１１〜Ｖ１
４，Ｖ２１〜Ｖ２３）を設けた。
【０００９】また、本発明に係る燃料電池発電システム
の運転方法では、システムの運転停止時に、燃料改質装
置（１）と一酸化炭素除去装置（２）と燃料電池（５）
とに残留する改質ガスを排気した後、燃料改質装置
（１）から排気される燃焼排ガスを、その燃料改質装置
（１）への改質燃料導入路（１９）、あるいは燃料改質
装置（１）と一酸化炭素除去装置（２）と燃料電池
（５）とを結ぶ改質ガス流路（２１〜２３）を通して、
その燃料改質装置（１）と一酸化炭素除去装置（２）と
燃料電池（５）とに充填する。
【００１０】
【作用】上記ガス置換手段（Ｖ１１〜Ｖ１４，Ｖ２１〜
Ｖ２３）を備えた燃料電池発電システム、および上記運
転方法によれば、システムの運転停止時に、燃料改質装
置（１）の燃焼器（６）からの燃焼排ガスを用いて残留
改質ガスと置換するため、不活性ガスの充填設備が不要
となる。従って、燃料電池発電システムを小型化，軽量
化することが可能となる。
【００１１】なお、上記括弧内の符号は、図面と対照す
るためのものであり、何等本発明の構成を限定するもの
ではない。
【００１２】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。 〈実施例１〉図１は、本発明に係る燃料電池発電システ
ムの実施例１を示す構成図である。
【００１３】図のように、この燃料電池発電システム
は、燃料改質装置１と一酸化炭素（ＣＯ）除去装置２と
水供給装置３と燃料電池５とを備えている。以下に、こ
れらの装置の機能について、その他の構成と共に説明す
る。
【００１４】［燃料改質装置］燃料改質装置１は、燃焼
器６とともに、改質部７と変成部９とを備えている。
【００１５】燃焼器６では、例えば、燃料タンク１０か
ら送液ポンプ１１により燃料導入路１２を通して導入さ
れる液体メタノールを燃料とし、エアポンプ１３から電
磁開閉バルブＶ１を介して送られる空気を燃焼助剤とし
て、バーナーにより燃焼させる。あるいは、燃料タンク
１０からの液体メタノールを、燃焼触媒と接触させるこ
とにより、触媒上で燃焼させる。この触媒燃焼の場合に
は、触媒の活性温度までの加熱はヒータ１５によって行
う。
【００１６】そしてこの燃焼器６にて生成される燃焼排
ガスは、改質部７および変成部９の熱源として用いられ
る。
【００１７】改質部７では、改質燃料タンク１６から送
液ポンプ１７により改質燃料導入路１９を通して導入さ
れる改質燃料（例えば液体メタノールと水とを１：１．
２の割合で混合した液体燃料）を、上記燃焼器６からの
燃焼排ガスにより、１１０〜１５０℃の温度で気化して
改質燃料ガスとする。さらにその改質燃料ガスを、改質
触媒（例えばＣｕ／Ｚｕから成る）との改質反応により
水素リッチな改質ガスを生成する。この改質反応は、改
質部６の構造体を、上記燃焼器６からの燃焼排ガスによ
り、２５０〜３５０℃の活性温度範囲に保持することで
行われる。こうして生成された改質ガスには、水素のほ
かに、二酸化炭素および微量の一酸化炭素が含まれる。
【００１８】この一酸化炭素については、水素を燃料と
する燃料電池５の電極上の触媒（Ｐｔ）を被毒するた
め、その濃度を１００ｐｐｍ未満に低減する必要があ
る。
【００１９】そこで変成部９では、上記改質ガス中の一
酸化炭素の濃度を、シフト触媒との変成反応を利用した
一酸化炭素低減化処理（通常二段階）により、１００ｐ
ｐｍ程度にまで低減する。変成反応の活性温度範囲は１
５０〜２００℃であり、その熱源として、上記燃焼器６
からの燃焼排ガスが利用される。
【００２０】上記改質部７および変成部９で利用された
燃焼器６からの燃焼排ガスは、この発電システムの運転
中は、排気路２０を通して排気される。
【００２１】［ＣＯ除去装置］ＣＯ除去装置２では、上
記燃料改質装置１の変成部９から、改質ガス流路２１を
通して送られてくる改質ガス中の一酸化炭素を、選択酸
化触媒を用いた酸化反応により二酸化炭素に酸化除去す
る。選択酸化触媒は、温度コントロールにより水素を酸
化させずに、つまり水が生成する反応を抑制して、一酸
化炭素との酸化反応を選択的に推進する機能を有する触
媒であり、この一酸化炭素選択酸化触媒としては、Ａｕ
／α−Ｆｅ2 Ｏ3 ／γ−Ａｌ2 Ｏ3 が専ら用いられる。
またこの選択酸化反応が活性化される温度範囲は、室温
〜１００℃である。そしてこの酸化反応には、エアポン
プ１３から電磁開閉バルブＶ２を介して送られる空気が
用いられる。
【００２２】上記燃料改質装置１からの改質ガスを、こ
のＣＯ除去装置２に通すことにより、その改質ガス中の
一酸化炭素の濃度を１００ｐｐｍ未満に低減し、燃料電
池５での使用が可能な状態とする。
【００２３】［水供給装置］燃料電池５が高分子電解質
型の場合、その作動温度は５０〜１００℃であり、さら
に電解質に定常的に水を補給することが不可欠である。
そこでこの水供給装置３では、上記ＣＯ除去装置２から
改質ガス流路２２を通して送られてくる改質ガスを冷却
するとともに加湿する。この水供給装置３は、恒温水槽
およびヒータ（いずれも図示せず）を備えている。この
水供給装置３で冷却，加湿された改質ガスは、改質ガス
流路２３を通して燃料電池５の陰極側に供給される。
【００２４】［燃料電池］そして、燃料電池５は、陰極
側に改質ガスが供給されるとともに、陽極側にエアポン
プ１３から電磁開閉バルブＶ３を介して空気が供給され
て発電を行い、その電力を、電気自動車の駆動モータ等
の負荷２５に、スイッチＳＷを介して供給する。
【００２５】本発明に係る燃料電池発電システムには、
上記構成以外に、システムの運転停止時に、燃料改質装
置１とＣＯ除去装置２と燃料電池５との少なくとも一つ
に残留する改質ガスを、燃料改質装置１の燃焼器６から
の燃焼排ガスに置換するガス置換手段が設けられてい
る。
【００２６】本実施例１の場合には、そのガス置換手段
として、燃料改質装置１からの排気路２０と、燃料改質
装置１，ＣＯ除去装置２間の改質ガス流路２１と、ＣＯ
除去装置２，水供給装置３間の改質ガス流路２２とに、
それぞれ３方電磁バルブから成るガス切換バルブＶ１
１，Ｖ１２，Ｖ１３が設けられ、さらに燃料電池５の陰
極側排気路２６には、２方電磁バルブから成るガス排気
バルブＶ２１が設けられている。
【００２７】上記燃料改質装置１からの排気路２０のガ
ス切換バルブＶ１１は、燃料改質装置１から排気する燃
焼排ガスの流路を切り換えて、燃料改質装置１の上流側
の改質燃料導入路１９へ戻すようになっている。また、
上記各改質ガス流路２１，２２のガス切換バルブＶ１
２，Ｖ１３は、燃料改質装置１およびＣＯ除去装置２か
らの改質ガスの流路を切り換えて排気するようになって
いる。
【００２８】次に、上記構成の発電システムにおける運
転停止時の運転方法を、図１、および図２のフローチャ
ートを用いて説明する。なお、この運転の制御は、コン
ピュータ（図示せず）により自動的に行われるようにな
っている。
【００２９】先ず、各改質ガス流路２１，２２のガス切
換バルブＶ１２，Ｖ１３を切り換えて、その各改質ガス
流路２１，２２を遮断するとともに、燃料改質装置１と
ＣＯ除去装置２とから残留改質ガスを排気する（Ｓ
１）。その際、各ガス排気バルブＶ１２，Ｖ１３を通し
て排気される残留改質ガスの流量を、それぞれ熱伝対式
の流量計Ｍ１，Ｍ２で監視する。
【００３０】また、燃料電池５内の残留改質ガスを、陰
極側排気路２６からガス排気バルブＶ２１を通して排気
する。その残留改質ガスの排気流量についても、流量計
Ｍ３によって監視する。ただし、この燃料電池５の陰極
側排気路２６からは、システム運転中にも定常的に改質
ガスが排気されている。
【００３１】次いで、スイッチＳＷを切って、燃料電池
５の負荷２２を遮断する（Ｓ２）。
【００３２】次いで、２つの送液ポンプ１１，１７を停
止して、燃焼器６への燃料の供給と、改質部７への改質
燃料の供給とを停止する（Ｓ３）。
【００３３】次いで、電磁開閉バルブＶ２を閉じて、エ
アポンプ１３からＣＯ除去装置２への空気の供給を停止
するとともに、電磁開閉バルブＶ３を閉じて、エアポン
プ１３から燃料電池５への空気の供給を停止する（Ｓ
４）。
【００３４】次いで、各流量計Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３により
監視している燃料改質装置１とＣＯ除去装置２と燃料電
池５とからの残留改質ガスの排気が認められなくなった
時点で、各改質ガス流路２１，２２のガス切換バルブＶ
１２，Ｖ１３を切り換えて、その各改質ガス流路２１，
２２を開通させる（Ｓ５）。
【００３５】この後、燃料改質装置１からの排気路２０
のガス切換バルブＶ１１を切り換えて、燃料改質装置１
から排気する燃焼排ガスを、燃料改質装置１の上流側の
改質燃料導入路１９へ戻す。これにより、燃焼排ガス
を、燃料改質装置１の改質部７および変成部９に充填
し、さらに改質ガス流路２１、ＣＯ除去装置２、改質ガ
ス流路２２、水供給装置３、改質ガス流路２３、燃料電
池５の陰極室内に、順次充填する（Ｓ６）。
【００３６】その際、燃料電池５の陰極室内に充填され
る燃焼排ガスは、水供給装置３を通過することで冷却さ
れるため、陰極室内の温度は、システム運転中より上昇
することはない。また、燃焼排ガスを冷却するための熱
交換器を設ける必要もない。
【００３７】そして燃焼排ガス充填後、各改質ガス流路
２１，２２のガス切換バルブＶ１２，Ｖ１３、および燃
料電池５の陰極側排気路２６のガス排気バルブＶ２１を
閉状態にして、燃焼排ガスのパージ状態を保持する（Ｓ
７）。
【００３８】以上の運転により、この発電システムの運
転停止時に、各装置１，２，３，５およびそれらを結ぶ
各改質ガス流路２１，２２，２３に残留していた改質ガ
スは、燃料改質装置１の燃焼器６からの燃焼排ガスに置
換され、その状態が保持されることになる。
【００３９】従って、システムの再起動時に、残留改質
ガスが、新たに供給される空気と混合して爆発的に反応
する危険もなく、また燃料改質装置１内の改質触媒や燃
料電池が劣化することもない。
【００４０】さらに、燃焼器６からの燃焼排ガスを利用
するため、従来例のような不活性ガスの充填設備が不要
となり、燃料電池発電システムを小型化，軽量化するこ
とができるとともに、メンテナンスの手間も省くことが
できる。しかも発電コストも低く抑えることができる。
【００４１】また、従来例のように不活性ガスを用いて
置換する方法では、２５０〜３５０℃もの高温で作動し
ていた改質部に、それより低温度の不活性ガスを充填す
ると構造体に熱ひずみが生じるため、運転停止後、改質
部が１００℃未満に冷却されるまでガスの充填を開始す
ることはできない。これに対し、本発明に係るシステム
では、運転中に改質部の加熱用に利用していた燃焼排ガ
スを導入するため、改質部を冷却させる必要がない。従
って、残留改質ガスを燃焼排ガスに迅速に置換して、シ
ステムを安全に停止し、保持することができる。 〈実施例２〉図３の構成図に示すように、本実施例２の
上記実施例１との相違は、ＣＯ除去装置２，水供給装置
３間の改質ガス流路２２にガス排気バルブＶ２２および
流量計Ｍ５が設けられ、システムの運転停止時に、ガス
切換バルブＶ１２と２つのガス排気バルブＶ２１，２２
とから残留改質ガスを排気した後、燃料改質装置１から
の燃焼排ガスを、排気路２０のガス切換バルブＶ１１か
ら、ガス切換バルブＶ１３を介してＣＯ除去装置２，水
供給装置３間の改質ガス流路２２に導いている。これに
より、燃焼排ガスを、ＣＯ除去装置２，水供給装置３間
の改質ガス流路２２を通して、上流側のＣＯ除去装置
２、改質ガス流路２１、燃料改質装置１に順次充填する
とともに、下流側の水供給装置３、改質ガス流路２３、
燃料電池５の陰極室内に順次充填し、残留改質ガスと燃
焼排ガスとの置換を行うようにしている。
【００４２】この構成のように、燃焼排ガスを、ＣＯ除
去装置２，水供給装置３間の改質ガス流路２２から、上
流側と下流側とに分岐させて充填することにより、上記
実施例１の場合より素早く充填することができる。 〈実施例３〉図４の構成図に示すように、本実施例３の
上記実施例２との相違は、燃料改質装置１からの排気路
２０に、３方電磁バルブの代わりに４方電磁バルブから
成るガス切換バルブＶ１４が設けられるとともに、燃料
改質装置１，ＣＯ除去装置２間の改質ガス流路２１に、
ガス排気バルブＶ２３および流量計Ｍ６が設けられた点
にある。そして、システムの運転停止時に、３つのガス
排気バルブＶ２１，２２，２３から残留改質ガスを排気
した後、燃料改質装置１からの燃焼排ガスを、排気路２
０のガス切換バルブＶ１４から、燃料改質装置１の上流
側の改質燃料導入路１９へ戻すと同時に、２つのガス切
換バルブＶ１２，Ｖ１３を介して、燃料改質装置１，Ｃ
Ｏ除去装置２間の改質ガス流路２１と、ＣＯ除去装置
２，水供給装置３間の改質ガス流路２２とに導く。これ
により、燃焼排ガスを、改質燃料導入路１９および各改
質ガス流路２１，２２を通して、燃料改質装置１、とＣ
Ｏ除去装置２、および改質ガス流路２３と燃料電池５の
陰極室内とに充填し、残留改質ガスと燃焼排ガスとの置
換を行うようにしている。
【００４３】この構成のように、燃焼排ガスを、改質燃
料導入路１９および各改質ガス流路２１，２２から充填
することにより、上記実施例２の場合より、さらに素早
く充填することができる。 〈実施例４〉図５の構成図に示すように、本実施例４で
は、システムの運転停止時に、３つのガス排気バルブＶ
２１，２２，２３から残留改質ガスを排気した後、燃料
改質装置１からの燃焼排ガスを、排気路２０のガス切換
バルブＶ１４から、燃料改質装置１の上流側の改質燃料
導入路１９へ戻すと同時に、上記実施例３と異なり、ガ
ス切換バルブＶ１３を介して、ＣＯ除去装置２，水供給
装置３間の改質ガス流路２２だけに導く。そして、水供
給装置３を通過した燃焼排ガスを、水供給装置３，燃料
電池５間の改質ガス流路２３から、燃料電池５に送ると
ともに、ガス切換バルブＶ１２を介して、燃料改質装置
１，ＣＯ除去装置２間の改質ガス流路２１に導き、その
燃焼排ガスの一部を、燃料改質装置１にも送るようにし
ている。
【００４４】この方法によれば、燃料改質装置１には、
水供給装置３を通過することで加湿された燃焼排ガス
が、改質燃料導入路１９からの燃焼排ガスと共に充填さ
れることになる。このため、改質部７内に未反応のメタ
ノールが残存している場合でも、改質触媒上での炭素の
析出を抑制することができる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池発電システム、およびその運転方法によれば、シス
テムの運転停止時に、残留改質ガスを燃焼排ガスに置換
するため、システム再起動時における安全性を確保し、
かつ燃料改質装置内の改質触媒や燃料電池の劣化を防止
し得ることはもちろん、燃焼器からの燃焼排ガスを利用
するため、従来例のような不活性ガスの充填設備が不要
となるため、燃料電池発電システムを小型化，軽量化す
ることができるとともに、メンテナンスの手間も省くこ
とができる。しかも発電コストも低く抑えることができ
る。
【００４６】即ち、本発明によれば、電気自動車などの
輸送機器に最適な燃料電池発電システム、およびその運
転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの実施例１
を示す構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池発電システムにおける運転
停止時の運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの実施例２
を示す構成図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムの実施例３
を示す構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池発電システムの実施例４
を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質装置 ２ 一酸化炭素除去装置 ５ 燃料電池 ６ 燃焼器 １９ 改質燃料導入路 ２０ 排気路 ２１〜２３ 改質ガス流路 ２６ 陰極側排気路 Ｖ１１〜Ｖ１４ ガス切換バルブ（ガス置換手段） Ｖ２１〜Ｖ２３ ガス排気バルブ（ガス置換手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高田 慎之 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼器を備え、該燃焼器からの燃焼排ガ
    スを利用して改質燃料から水素リッチな改質ガスを生成
    する燃料改質装置と、該燃料改質装置からの改質ガス中
    に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置
    と、該一酸化炭素除去装置を通過した改質ガスを燃料と
    して発電する燃料電池と、を含む燃料電池発電システム
    において、 この燃料電池発電システムの運転停止時に、前記燃料改
    質装置と一酸化炭素除去装置と燃料電池との少なくとも
    一つに残留する改質ガスを、前記燃料改質装置の燃焼器
    からの燃焼排ガスに置換するガス置換手段を設けたこと
    を特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 【請求項２】 前記ガス置換手段として、前記燃料改質
    装置から燃焼排ガスを排気する排気路と、前記燃料改質
    装置，一酸化炭素除去装置，燃料電池を結ぶ改質ガス流
    路と、前記燃料電池の陰極側排気路とに、前記残留改質
    ガスの排気と前記燃焼排ガスの充填とを切り換えて行う
    バルブを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電
    池発電システム。
  3. 【請求項３】 燃焼器を備え、該燃焼器からの燃焼排ガ
    スを利用して改質燃料から水素リッチな改質ガスを生成
    する燃料改質装置と、該燃料改質装置からの改質ガス中
    に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置
    と、該一酸化炭素除去装置を通過した改質ガスを燃料と
    して発電する燃料電池と、を含む燃料電池発電システム
    において、 この燃料電池発電システムの運転停止時に、前記燃料改
    質装置と一酸化炭素除去装置と燃料電池とに残留する改
    質ガスを排気した後、 前記燃料改質装置から排気される燃焼排ガスを、該燃料
    改質装置への改質燃料導入路、あるいは前記燃料改質装
    置と一酸化炭素除去装置と燃料電池とを結ぶ改質ガス流
    路を通して、該燃料改質装置と一酸化炭素除去装置と燃
    料電池とに充填する、 ことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
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