JPH09298065A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電装置Info
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- JPH09298065A JPH09298065A JP8132592A JP13259296A JPH09298065A JP H09298065 A JPH09298065 A JP H09298065A JP 8132592 A JP8132592 A JP 8132592A JP 13259296 A JP13259296 A JP 13259296A JP H09298065 A JPH09298065 A JP H09298065A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池発電装置の起動時およびホットホー
ルド時に、酸化剤極の残存酸素と燃料極の残存水素が原
因で、酸化剤極と燃料極との間に電位差が生じることに
よって酸化剤極が劣化する点を改善する。 【解決手段】 燃料電池発電装置の停止時に水素を含む
反応ガスの貯蔵設備から酸化剤極に水素を供給し、その
水素と酸化剤極の残存酸素とを反応させてその残存酸素
を除去する。
ルド時に、酸化剤極の残存酸素と燃料極の残存水素が原
因で、酸化剤極と燃料極との間に電位差が生じることに
よって酸化剤極が劣化する点を改善する。 【解決手段】 燃料電池発電装置の停止時に水素を含む
反応ガスの貯蔵設備から酸化剤極に水素を供給し、その
水素と酸化剤極の残存酸素とを反応させてその残存酸素
を除去する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、起動時における燃
料電池セルスタックの酸化剤極の劣化を抑制できるよう
にした燃料電池発電装置に関するものである。
料電池セルスタックの酸化剤極の劣化を抑制できるよう
にした燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３に従来の技術として、都市ガスを燃
料とした燃料電池発電装置の構成の系統図を示す。図３
において、１は都市ガス、２は都市ガス１に含まれる硫
黄分を除去するための脱硫装置、３は都市ガス１を改質
用水蒸気と混合するエジェクタ、４は都市ガス１と水蒸
気を改質触媒上で反応させて水素リッチな改質ガス（反
応ガス）を得るための改質装置である。この改質装置４
は改質触媒が充填された改質部４ａ、起動用バーナ４
ｂ、改質バーナ４ｃを有する。
料とした燃料電池発電装置の構成の系統図を示す。図３
において、１は都市ガス、２は都市ガス１に含まれる硫
黄分を除去するための脱硫装置、３は都市ガス１を改質
用水蒸気と混合するエジェクタ、４は都市ガス１と水蒸
気を改質触媒上で反応させて水素リッチな改質ガス（反
応ガス）を得るための改質装置である。この改質装置４
は改質触媒が充填された改質部４ａ、起動用バーナ４
ｂ、改質バーナ４ｃを有する。
【０００３】また、５は水素リッチな改質ガス中の一酸
化炭素濃度を低減させるためのシフトコンバータ、６は
外気を取り込んで送り出す空気ブロア、７は燃料極７ａ
と酸化剤極７ｂとが電解質７ｃを挟んで配置されたセル
を複数組積層してなる燃料電池セルスタック、８は燃料
電池出力Ｐｏを電圧変換或いは直流／交流変換する変換
装置、９は改質装置４の燃焼排ガスや燃料電池セルスタ
ック７の酸化剤極排ガスから凝縮水を得るための凝縮
器、１０はヒータ１０ａにより水を加熱して水蒸気を発
生させる気水分離器、１１はそのヒータ１０ａ用の電
源、１２は蒸発器、１３は排熱利用システム、１４は負
荷、１５は補給水のポンプ、１６は制御部１６ａや比較
演算部１６ｂを有し燃料電池発電装置の全体を制御する
制御装置である。
化炭素濃度を低減させるためのシフトコンバータ、６は
外気を取り込んで送り出す空気ブロア、７は燃料極７ａ
と酸化剤極７ｂとが電解質７ｃを挟んで配置されたセル
を複数組積層してなる燃料電池セルスタック、８は燃料
電池出力Ｐｏを電圧変換或いは直流／交流変換する変換
装置、９は改質装置４の燃焼排ガスや燃料電池セルスタ
ック７の酸化剤極排ガスから凝縮水を得るための凝縮
器、１０はヒータ１０ａにより水を加熱して水蒸気を発
生させる気水分離器、１１はそのヒータ１０ａ用の電
源、１２は蒸発器、１３は排熱利用システム、１４は負
荷、１５は補給水のポンプ、１６は制御部１６ａや比較
演算部１６ｂを有し燃料電池発電装置の全体を制御する
制御装置である。
【０００４】また、Ｂ２、Ｂ３は遮断弁、Ｃ１〜Ｃ５は
流量制御弁、Ｓ２は液面センサ、Ｓ３、Ｓ４は温度セン
サ、Ｓ５は圧力センサ、Ｓ６は電圧センサ、Ｓ７は電流
センサである。
流量制御弁、Ｓ２は液面センサ、Ｓ３、Ｓ４は温度セン
サ、Ｓ５は圧力センサ、Ｓ６は電圧センサ、Ｓ７は電流
センサである。
【０００５】以下、図３を用いて従来の燃料電池発電装
置の発電作用について説明する。制御装置１６の制御部
１６ａから制御信号ａを送信することによって遮断弁Ｂ
２を開くことにより、都市ガス１が脱硫装置２に供給さ
れる。その脱硫装置２において、改質装置４および燃料
電池セルスタック７の燃料極７ａの触媒の劣化原因とな
る都市ガス１中の腐臭剤に含まれる硫黄分が除去され
る。
置の発電作用について説明する。制御装置１６の制御部
１６ａから制御信号ａを送信することによって遮断弁Ｂ
２を開くことにより、都市ガス１が脱硫装置２に供給さ
れる。その脱硫装置２において、改質装置４および燃料
電池セルスタック７の燃料極７ａの触媒の劣化原因とな
る都市ガス１中の腐臭剤に含まれる硫黄分が除去され
る。
【０００６】遮断弁Ｂ３は、制御装置１６の制御部１６
ａから送信された制御信号ｃにより、燃料電池発電装置
の起動時のみ開き、改質装置４の起動用バーナ４ｂに対
して改質装置４の昇温のために都市ガス１を供給して燃
焼させ、それ以外は閉じておく。
ａから送信された制御信号ｃにより、燃料電池発電装置
の起動時のみ開き、改質装置４の起動用バーナ４ｂに対
して改質装置４の昇温のために都市ガス１を供給して燃
焼させ、それ以外は閉じておく。
【０００７】都市ガス１の供給量は、電圧センサＳ６と
電流センサＳ７で検出した燃料電池出力Ｐｏを検出信号
Ａ、Ｂとして制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
し、また温度センサＳ３で検出した改質装置４の温度を
検出信号Ｃとして同比較演算部１６ｂに送信し、予め設
定記憶された燃料電池出力Ｐｏおよび改質装置４の温度
と、流量制御弁Ｃ１の開度（すなわち、都市ガス供給
量）の関係に基づき、制御装置１６の制御部１６ａから
制御信号ｂを送信し、その流量制御弁Ｃ１の開度を調節
することにより、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に設定
する。
電流センサＳ７で検出した燃料電池出力Ｐｏを検出信号
Ａ、Ｂとして制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
し、また温度センサＳ３で検出した改質装置４の温度を
検出信号Ｃとして同比較演算部１６ｂに送信し、予め設
定記憶された燃料電池出力Ｐｏおよび改質装置４の温度
と、流量制御弁Ｃ１の開度（すなわち、都市ガス供給
量）の関係に基づき、制御装置１６の制御部１６ａから
制御信号ｂを送信し、その流量制御弁Ｃ１の開度を調節
することにより、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に設定
する。
【０００８】脱硫装置２で硫黄分が吸着除去された都市
ガス１は、エジェクタ３で気水分離器１０から供給され
た改質用水蒸気と混合され、改質装置４の改質触媒が充
填された改質部４ａに供給される。エジェクタ３への改
質用水蒸気供給量は、予め設定記憶された流量制御弁Ｃ
１の開度（すなわち、都市ガス供給量）とエジェクタ３
の開度の関係に基づいて、制御装置１６の制御部１６ａ
から制御信号ｄを送信してエジェクタ３の開度を調整す
ることで、予め設定記憶された所定のスチームカーボン
比となるように設定される。
ガス１は、エジェクタ３で気水分離器１０から供給され
た改質用水蒸気と混合され、改質装置４の改質触媒が充
填された改質部４ａに供給される。エジェクタ３への改
質用水蒸気供給量は、予め設定記憶された流量制御弁Ｃ
１の開度（すなわち、都市ガス供給量）とエジェクタ３
の開度の関係に基づいて、制御装置１６の制御部１６ａ
から制御信号ｄを送信してエジェクタ３の開度を調整す
ることで、予め設定記憶された所定のスチームカーボン
比となるように設定される。
【０００９】改質装置４では、燃料ガスである都市ガス
１の水蒸気改質が行なわれ、水素リッチな改質ガス（水
素を含む反応ガス）がつくられる。都市ガスの主成分で
あるメタンの水蒸気改質反応は次の式（１）で表され
る。 ＣＨ4 ＋ Ｈ2 Ｏ ←→ ＣＯ ＋ ３Ｈ2 ・・・・（１）
１の水蒸気改質が行なわれ、水素リッチな改質ガス（水
素を含む反応ガス）がつくられる。都市ガスの主成分で
あるメタンの水蒸気改質反応は次の式（１）で表され
る。 ＣＨ4 ＋ Ｈ2 Ｏ ←→ ＣＯ ＋ ３Ｈ2 ・・・・（１）
【００１０】この水素リッチな改質ガスには、燃料電池
セルスタック７の燃料極７ａの触媒の劣化原因となる一
酸化炭素が含まれているので、シフト触媒を充填したシ
フトコンバータ５に送られ、次の式（２）に示すシフト
反応により、改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変
換される。 ＣＯ ＋ Ｈ2 Ｏ ←→ ＣＯ2 ＋ Ｈ2 ・・・・（２）
セルスタック７の燃料極７ａの触媒の劣化原因となる一
酸化炭素が含まれているので、シフト触媒を充填したシ
フトコンバータ５に送られ、次の式（２）に示すシフト
反応により、改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変
換される。 ＣＯ ＋ Ｈ2 Ｏ ←→ ＣＯ2 ＋ Ｈ2 ・・・・（２）
【００１１】改質ガス中の一酸化炭素含有量は、シフト
コンバータ５におけるこのような反応により１％以下ま
で低減される。シフトコンバータ５で一酸化炭素が下げ
られた水素リッチな改質ガスは、配管１８（第１の配
管）により燃料電池セルスタック７の燃料極７ａに供給
されるとともに、その一部はリサイクル配管１７を経由
することにより脱硫装置２にリサイクルされ、そのリサ
イクルガス中の水素が脱硫反応に使用される。
コンバータ５におけるこのような反応により１％以下ま
で低減される。シフトコンバータ５で一酸化炭素が下げ
られた水素リッチな改質ガスは、配管１８（第１の配
管）により燃料電池セルスタック７の燃料極７ａに供給
されるとともに、その一部はリサイクル配管１７を経由
することにより脱硫装置２にリサイクルされ、そのリサ
イクルガス中の水素が脱硫反応に使用される。
【００１２】このリサイクルガスの供給量は、予め設定
記憶された流量制御弁Ｃ１の開度（すなわち、都市ガス
供給量）と流量制御弁Ｃ４の開度（すわなち、リサイク
ルガス供給量）の関係に基づき、制御装置１６の制御部
１６ａから制御信号ｅをその流量制御弁Ｃ４に送信し、
開度を調整することによって、予め設定記憶された所定
の供給量に設定される。
記憶された流量制御弁Ｃ１の開度（すなわち、都市ガス
供給量）と流量制御弁Ｃ４の開度（すわなち、リサイク
ルガス供給量）の関係に基づき、制御装置１６の制御部
１６ａから制御信号ｅをその流量制御弁Ｃ４に送信し、
開度を調整することによって、予め設定記憶された所定
の供給量に設定される。
【００１３】一方、燃料電池セルスタック７の酸化剤極
７ｂには、空気ブロア６を用いて取り込んだ外気が、発
電用エア（酸素を含む酸化剤ガス）として配管１９（第
２の配管）を介して供給される。この発電用エアの供給
量は、電圧センサＳ６と電流センサＳ７で検出した燃料
電池出力Ｐｏを検出信号Ａ、Ｂとして制御装置１６の比
較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃料電池
出力Ｐｏと空気ブロア６の回転数および流量制御弁Ｃ３
の開度（すなわち、発電用エアー供給量）の関係に基づ
いて、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｆを送
信して空気ブロア６の回転数を調節し、また制御装置１
６の制御部１６ａから制御信号ｇを送信して流量制御弁
Ｃ３の開度を調整し、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に
設定される。
７ｂには、空気ブロア６を用いて取り込んだ外気が、発
電用エア（酸素を含む酸化剤ガス）として配管１９（第
２の配管）を介して供給される。この発電用エアの供給
量は、電圧センサＳ６と電流センサＳ７で検出した燃料
電池出力Ｐｏを検出信号Ａ、Ｂとして制御装置１６の比
較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃料電池
出力Ｐｏと空気ブロア６の回転数および流量制御弁Ｃ３
の開度（すなわち、発電用エアー供給量）の関係に基づ
いて、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｆを送
信して空気ブロア６の回転数を調節し、また制御装置１
６の制御部１６ａから制御信号ｇを送信して流量制御弁
Ｃ３の開度を調整し、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に
設定される。
【００１４】燃料電池セルスタック７の燃料極７ａで
は、次の式（３）により改質ガス中の水素が水素イオン
と電子に変る。水素イオンは電解質７ｃの内部を拡散し
て酸化剤極７ｂに到達し、電子は外部回路を流れ、燃料
電池出力Ｐｏとして取り出される。 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ・・・・（３）
は、次の式（３）により改質ガス中の水素が水素イオン
と電子に変る。水素イオンは電解質７ｃの内部を拡散し
て酸化剤極７ｂに到達し、電子は外部回路を流れ、燃料
電池出力Ｐｏとして取り出される。 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ・・・・（３）
【００１５】酸化剤極７ｂでは、次の式（４）に示す反
応により、燃料極７ａから電解質７ｃの中を拡散してき
た水素イオン、燃料極７ａから外部回路を通じて移動し
てきた電子、および空気中の酸素が三相界面で反応し、
水が生成する。 ２Ｈ+ ＋ 1/2 Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2 Ｏ ・・・・（４）
応により、燃料極７ａから電解質７ｃの中を拡散してき
た水素イオン、燃料極７ａから外部回路を通じて移動し
てきた電子、および空気中の酸素が三相界面で反応し、
水が生成する。 ２Ｈ+ ＋ 1/2 Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2 Ｏ ・・・・（４）
【００１６】以上の式（３）と（４）をまとめると、燃
料電池セルスタック７の全電池反応は、次の式（５）に
示す水素と酸素から水ができる単純な反応として表すこ
とができる。 Ｈ2 ＋ 1/2 Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ ・・・・（５） 発電によって得られた燃料電池出力Ｐｏは、変換装置８
で電圧変換あるいは直流／交流変換が行なわれた後、負
荷１４に供給される。
料電池セルスタック７の全電池反応は、次の式（５）に
示す水素と酸素から水ができる単純な反応として表すこ
とができる。 Ｈ2 ＋ 1/2 Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ ・・・・（５） 発電によって得られた燃料電池出力Ｐｏは、変換装置８
で電圧変換あるいは直流／交流変換が行なわれた後、負
荷１４に供給される。
【００１７】燃料極７ａでは、改質ガス中の水素がすべ
て式（４）に示した電極反応で消費されるわけではな
く、全体の８０％程度の水素が使われるだけである。残
りの約２０％の水素が未反応水素として、燃料極排ガス
中に残存する。これは、燃料極７ａで改質ガス中の水素
をすべて電極反応で消費しようとすると、ガスの出口付
近で局所的に水素が不足し、水素の代わりに燃料極基板
のカーボンが反応することによって燃料電池セルスタッ
ク７が劣化することを防止するためである。未反応水素
を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス配管２０を経由し
て改質装置４の改質バーナ４ｃに供給され、バーナ燃料
として使用される。
て式（４）に示した電極反応で消費されるわけではな
く、全体の８０％程度の水素が使われるだけである。残
りの約２０％の水素が未反応水素として、燃料極排ガス
中に残存する。これは、燃料極７ａで改質ガス中の水素
をすべて電極反応で消費しようとすると、ガスの出口付
近で局所的に水素が不足し、水素の代わりに燃料極基板
のカーボンが反応することによって燃料電池セルスタッ
ク７が劣化することを防止するためである。未反応水素
を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス配管２０を経由し
て改質装置４の改質バーナ４ｃに供給され、バーナ燃料
として使用される。
【００１８】前記式（１）に示したメタンの水蒸気改質
反応は、吸熱反応であるので、外部から反応熱に見合う
熱を改質装置４の改質部４ａに与える必要がある。この
ために、改質バーナ４ｃにおいて燃料極排ガス中の水素
を燃焼用エアーとともに燃焼させることにより、改質装
置４の改質部４ａの温度を摂氏で最大７００度程度まで
昇温する。
反応は、吸熱反応であるので、外部から反応熱に見合う
熱を改質装置４の改質部４ａに与える必要がある。この
ために、改質バーナ４ｃにおいて燃料極排ガス中の水素
を燃焼用エアーとともに燃焼させることにより、改質装
置４の改質部４ａの温度を摂氏で最大７００度程度まで
昇温する。
【００１９】このとき、空気ブロア６からの燃焼用エア
ーの供給量は、流量制御弁Ｃ２の開度と空気ブロア６の
回転数を一定にすることによって一定値に設定しても良
いし、また温度センサＳ３で検出した改質装置４の温度
の検出信号Ｃを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
し、予め設定記憶された改質装置温度と空気ブロア６の
回転数および流量制御弁Ｃ２の開度（すなわち、燃焼用
エアー供給量）の関係に基づいて、制御装置１６の制御
部１６ａから制御信号ｆとｈを送信することによって、
空気ブロア６の回転数と流量制御弁Ｃ２の開度を調整し
て設定しても良い。
ーの供給量は、流量制御弁Ｃ２の開度と空気ブロア６の
回転数を一定にすることによって一定値に設定しても良
いし、また温度センサＳ３で検出した改質装置４の温度
の検出信号Ｃを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
し、予め設定記憶された改質装置温度と空気ブロア６の
回転数および流量制御弁Ｃ２の開度（すなわち、燃焼用
エアー供給量）の関係に基づいて、制御装置１６の制御
部１６ａから制御信号ｆとｈを送信することによって、
空気ブロア６の回転数と流量制御弁Ｃ２の開度を調整し
て設定しても良い。
【００２０】燃料極排ガス中の未反応水素の燃焼反応に
より生成した水蒸気と未反応水蒸気を含む改質バーナ４
ｃでの燃焼排ガスと、前記式（５）に示した電池反応に
より生成した水蒸気を含む酸化剤極排ガスは、凝縮器９
に送られ、水蒸気が凝縮水として除去された後に、排ガ
スとして大気中に放出される。凝縮水は気水分離器１０
に戻され、電池冷却水、改質用水蒸気、排熱回収用水蒸
気等に利用される。
より生成した水蒸気と未反応水蒸気を含む改質バーナ４
ｃでの燃焼排ガスと、前記式（５）に示した電池反応に
より生成した水蒸気を含む酸化剤極排ガスは、凝縮器９
に送られ、水蒸気が凝縮水として除去された後に、排ガ
スとして大気中に放出される。凝縮水は気水分離器１０
に戻され、電池冷却水、改質用水蒸気、排熱回収用水蒸
気等に利用される。
【００２１】前記の式（５）に示した電池反応は発熱反
応であるので、燃料電池セルスタック７の温度は、発電
時間の経過とともに上昇する。燃料電池セルスタック７
の温度上昇が起こると、電解質の水素イオン伝導率が上
がるために抵抗が減少し、出力特性が一時的に向上する
が、劣化が起こり易くなり、寿命低下が生じる。そこ
で、気水分離器１０から電池冷却水を循環させて燃料電
池セルスタック７の冷却を行なう。
応であるので、燃料電池セルスタック７の温度は、発電
時間の経過とともに上昇する。燃料電池セルスタック７
の温度上昇が起こると、電解質の水素イオン伝導率が上
がるために抵抗が減少し、出力特性が一時的に向上する
が、劣化が起こり易くなり、寿命低下が生じる。そこ
で、気水分離器１０から電池冷却水を循環させて燃料電
池セルスタック７の冷却を行なう。
【００２２】この燃料電池セルスタック７の動作温度
は、寿命と性能の両方を勘案して、摂氏１９０度前後に
設定されるのが一般的である。電池冷却水の燃料電池セ
ルスタック７の出口温度は温度センサＳ４で検出し、そ
の検出信号Ｄを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
する。
は、寿命と性能の両方を勘案して、摂氏１９０度前後に
設定されるのが一般的である。電池冷却水の燃料電池セ
ルスタック７の出口温度は温度センサＳ４で検出し、そ
の検出信号Ｄを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信
する。
【００２３】電池冷却水の供給量は、温度センサＳ４で
検出した燃料電池セルスタック７の出口温度が予め設定
記憶された所定の温度範囲となるように、制御信号ｉを
制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ５に送信
し、その流量制御弁Ｃ５の開度を調整することによって
設定する。燃料電池セルスタック７を出た電池冷却水
は、水と水蒸気の混合物の形で気水気分離器１０に戻さ
れる。
検出した燃料電池セルスタック７の出口温度が予め設定
記憶された所定の温度範囲となるように、制御信号ｉを
制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ５に送信
し、その流量制御弁Ｃ５の開度を調整することによって
設定する。燃料電池セルスタック７を出た電池冷却水
は、水と水蒸気の混合物の形で気水気分離器１０に戻さ
れる。
【００２４】気水分離器圧力は圧力センサＳ５で検出
し、その圧力検出信号Ｅを制御装置１６の比較演算部１
６ｂに送信する。また、気水分離器内の水位は液面セン
サＳ２で検出し、その水位検出信号Ｆを制御装置１６の
比較演算部１６ｂに送信する。起動時および圧力センサ
Ｓ５が気水分離器１０の圧力が予め設定記憶された所定
の圧力より低下したことを検出した場合には、制御装置
１６の制御部１６ａから制御信号ｊをヒータ電源１１に
対して、圧力センサＳ５による検出圧力が予め設定記憶
された所定の圧力を超えることを検出するまで供給し、
予め設定記憶された所定の電力を供給して、水蒸気を発
生させる。
し、その圧力検出信号Ｅを制御装置１６の比較演算部１
６ｂに送信する。また、気水分離器内の水位は液面セン
サＳ２で検出し、その水位検出信号Ｆを制御装置１６の
比較演算部１６ｂに送信する。起動時および圧力センサ
Ｓ５が気水分離器１０の圧力が予め設定記憶された所定
の圧力より低下したことを検出した場合には、制御装置
１６の制御部１６ａから制御信号ｊをヒータ電源１１に
対して、圧力センサＳ５による検出圧力が予め設定記憶
された所定の圧力を超えることを検出するまで供給し、
予め設定記憶された所定の電力を供給して、水蒸気を発
生させる。
【００２５】また、液面センサＳ２により、気水分離器
１０の水位が予め設定記憶された所定の水位より低下し
たことを検出した場合には、制御装置１６の制御部１６
ａから制御信号ｋを補給水ポンプ１５に送信し、液面セ
ンサＳ２による検出水位が予め設定記憶された所定の水
位を超えるまで、その補給水ポンプ１５を動作させて気
水分離器１０に補給水を供給する。
１０の水位が予め設定記憶された所定の水位より低下し
たことを検出した場合には、制御装置１６の制御部１６
ａから制御信号ｋを補給水ポンプ１５に送信し、液面セ
ンサＳ２による検出水位が予め設定記憶された所定の水
位を超えるまで、その補給水ポンプ１５を動作させて気
水分離器１０に補給水を供給する。
【００２６】燃料電池セルスタック７から気水分離器１
０に供給された水蒸気あるいは気水分離器１０で発生さ
せた水蒸気のうち、改質用水蒸気として使用する以外の
水蒸気は、排熱回収用水蒸気として蒸発器１２に供給さ
れ、排熱利用システム１３の冷媒の蒸発に使用される。
蒸発器１２で凝縮した排熱回収用水蒸気の凝縮水は気水
分離器１０に戻される。
０に供給された水蒸気あるいは気水分離器１０で発生さ
せた水蒸気のうち、改質用水蒸気として使用する以外の
水蒸気は、排熱回収用水蒸気として蒸発器１２に供給さ
れ、排熱利用システム１３の冷媒の蒸発に使用される。
蒸発器１２で凝縮した排熱回収用水蒸気の凝縮水は気水
分離器１０に戻される。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】次に、従来の燃料電池
発電装置の問題点について説明する。従来の燃料電池発
電装置では、燃料電池セルスタック７の劣化防止のた
め、運転停止時に燃料極７ａに残存する水素を含む改質
ガスと酸化剤極７ｂに残存する酸素の窒素パージを行な
っている。これは、燃料極７ａに残存する水素と酸化剤
極７ｂに残存する酸素により、両極の間に起電力が生
じ、酸化剤極７ｂが０．８Ｖ以上の高電位となり、電極
触媒の白金粒子の溶出および凝集と電極基材であるカー
ボンの腐蝕が起こるのを避けるためである。
発電装置の問題点について説明する。従来の燃料電池発
電装置では、燃料電池セルスタック７の劣化防止のた
め、運転停止時に燃料極７ａに残存する水素を含む改質
ガスと酸化剤極７ｂに残存する酸素の窒素パージを行な
っている。これは、燃料極７ａに残存する水素と酸化剤
極７ｂに残存する酸素により、両極の間に起電力が生
じ、酸化剤極７ｂが０．８Ｖ以上の高電位となり、電極
触媒の白金粒子の溶出および凝集と電極基材であるカー
ボンの腐蝕が起こるのを避けるためである。
【００２８】しかし、上記した窒素パージによっても、
燃料極７ａに残存する水素および酸化剤極７Ｂに残存す
る酸素は、完全に除去されるわけではなく、電極表面に
吸着水素および吸着酸素が残存する。これらの吸着水素
および吸着酸素が原因で発電を行なわずに高温状態に維
持される再起動時あるいはホットホールド時に、酸化剤
極７ｂが０．８Ｖ／セル以上の高電位となり、電極の劣
化が起こり、燃料電池セルスタック７の発電電圧が低下
する。
燃料極７ａに残存する水素および酸化剤極７Ｂに残存す
る酸素は、完全に除去されるわけではなく、電極表面に
吸着水素および吸着酸素が残存する。これらの吸着水素
および吸着酸素が原因で発電を行なわずに高温状態に維
持される再起動時あるいはホットホールド時に、酸化剤
極７ｂが０．８Ｖ／セル以上の高電位となり、電極の劣
化が起こり、燃料電池セルスタック７の発電電圧が低下
する。
【００２９】本発明の目的は、燃料電池発電装置の起動
時およびホットホールド時に、酸化剤極の残存酸素と燃
料極の残存水素が原因で、酸化剤極と燃料極との間に電
位差が生じることによって酸化剤極が劣化するという点
を改善することである。
時およびホットホールド時に、酸化剤極の残存酸素と燃
料極の残存水素が原因で、酸化剤極と燃料極との間に電
位差が生じることによって酸化剤極が劣化するという点
を改善することである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで
配置されたセルを複数組積層してなる燃料電池セルスタ
ックと、前記燃料極と第１の配管で接続され水素を含む
反応ガスを前記燃料極に供給する第１の供給設備と、前
記酸化剤極と第２の配管で接続され酸素を含む酸化剤ガ
スを前記酸化剤極に供給する第２の供給設備とを有する
燃料電池発電装置において、水素を含む反応ガスを貯蔵
する貯蔵設備と、該貯蔵設備と前記酸化剤極との間を接
続する第３の配管とを設けたことを特徴とする燃料電池
発電装置として構成した。
に第１の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで
配置されたセルを複数組積層してなる燃料電池セルスタ
ックと、前記燃料極と第１の配管で接続され水素を含む
反応ガスを前記燃料極に供給する第１の供給設備と、前
記酸化剤極と第２の配管で接続され酸素を含む酸化剤ガ
スを前記酸化剤極に供給する第２の供給設備とを有する
燃料電池発電装置において、水素を含む反応ガスを貯蔵
する貯蔵設備と、該貯蔵設備と前記酸化剤極との間を接
続する第３の配管とを設けたことを特徴とする燃料電池
発電装置として構成した。
【００３１】第２の発明は、第１の発明において、前記
貯蔵設備が水素ボンベであることを特徴とする燃料電池
発電装置として構成した。
貯蔵設備が水素ボンベであることを特徴とする燃料電池
発電装置として構成した。
【００３２】第３の発明は、第１の発明において、前記
貯蔵設備が水素吸蔵合金タンクであることを特徴とする
燃料電池発電装置として構成した。
貯蔵設備が水素吸蔵合金タンクであることを特徴とする
燃料電池発電装置として構成した。
【００３３】第４の発明は、第１の発明において、前記
第１の供給設備と前記貯蔵設備との間を接続する第４の
配管を設けたことを特徴とする燃料電池発電装置として
構成した。
第１の供給設備と前記貯蔵設備との間を接続する第４の
配管を設けたことを特徴とする燃料電池発電装置として
構成した。
【００３４】
［第１の実施の形態］図１は本発明の燃料電池発電装置
の第１の実施の形態を示す系統図である。図３で説明し
たものと同一のものには同一の符号を付してその詳しい
説明は省略する。本実施の形態では、図３に示したもの
とは、水素ガスを含む反応ガスの貯蔵設備２１、その貯
蔵設備２１と酸化剤極７ｂとの間を接続する配管２２
（第３の配管）、該配管２２上に設けた遮断弁Ｂ１、流
量制御弁Ｃ６を有し、燃料電池発電装置の発電停止時
に、水素ガスを含む反応ガスを貯蔵設備２１から一定期
間燃料電池セルスタック７の酸化剤極７ｂに供給し、残
存酸素を水素と反応させることによって除去する点が異
なる。
の第１の実施の形態を示す系統図である。図３で説明し
たものと同一のものには同一の符号を付してその詳しい
説明は省略する。本実施の形態では、図３に示したもの
とは、水素ガスを含む反応ガスの貯蔵設備２１、その貯
蔵設備２１と酸化剤極７ｂとの間を接続する配管２２
（第３の配管）、該配管２２上に設けた遮断弁Ｂ１、流
量制御弁Ｃ６を有し、燃料電池発電装置の発電停止時
に、水素ガスを含む反応ガスを貯蔵設備２１から一定期
間燃料電池セルスタック７の酸化剤極７ｂに供給し、残
存酸素を水素と反応させることによって除去する点が異
なる。
【００３５】次に、この実施の形態の作用について説明
する。ここでは、燃料電池発電装置の運転停止時に（例
えば、停止直後に）制御装置１６の制御部１６ａから制
御信号ｍを遮断弁Ｂ１に送信してその遮断弁Ｂ１を開
き、貯蔵設備２１から水素ガスを含む反応ガスを酸化剤
極７ｂに供給し、酸化剤極７ｂの表面に吸着した残存酸
素と水素を反応させることにより、その残存酸素を除去
する。水素ガスを含む反応ガスの酸化剤極７ｂへの供給
量は、制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ６
に制御信号ｎを送信して、予め制御部１６ｂに設定記憶
された供給量と弁開度との関係に基づいて、流量制御弁
Ｃ６の開度を調節することによって、行なう。
する。ここでは、燃料電池発電装置の運転停止時に（例
えば、停止直後に）制御装置１６の制御部１６ａから制
御信号ｍを遮断弁Ｂ１に送信してその遮断弁Ｂ１を開
き、貯蔵設備２１から水素ガスを含む反応ガスを酸化剤
極７ｂに供給し、酸化剤極７ｂの表面に吸着した残存酸
素と水素を反応させることにより、その残存酸素を除去
する。水素ガスを含む反応ガスの酸化剤極７ｂへの供給
量は、制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ６
に制御信号ｎを送信して、予め制御部１６ｂに設定記憶
された供給量と弁開度との関係に基づいて、流量制御弁
Ｃ６の開度を調節することによって、行なう。
【００３６】酸化剤極７ｂの温度は、運転停止時には摂
氏約１９０度であり、酸化剤触媒の白金粒子の触媒作用
により酸素は水素と容易に反応し、水を生成する。 Ｈ2 ＋ 1/2 Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ ・・・・・・（６）
氏約１９０度であり、酸化剤触媒の白金粒子の触媒作用
により酸素は水素と容易に反応し、水を生成する。 Ｈ2 ＋ 1/2 Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ ・・・・・・（６）
【００３７】こうして、酸化剤極７ｂの残存酸素を完全
に除去することが可能であるので、高温状態に保たれる
燃料電池発電装置の起動時およびホットホールド時に、
酸化剤極７ｂに残存した酸素と燃料極７ａに残存した水
素が原因で、酸化剤極７ｂと燃料極７ａとの間に電位差
が生じることによって酸化剤極７ｂが劣化するのを防ぐ
ことができる。
に除去することが可能であるので、高温状態に保たれる
燃料電池発電装置の起動時およびホットホールド時に、
酸化剤極７ｂに残存した酸素と燃料極７ａに残存した水
素が原因で、酸化剤極７ｂと燃料極７ａとの間に電位差
が生じることによって酸化剤極７ｂが劣化するのを防ぐ
ことができる。
【００３８】この場合、例え燃料極７ａに水素が残存し
ていても、酸化剤極７ｂに酸素が残存していないので、
燃料極７ａと酸化剤極７ｂとの間に電位差は生じず、酸
化剤極７ｂが高電位におかれ劣化することはない。
ていても、酸化剤極７ｂに酸素が残存していないので、
燃料極７ａと酸化剤極７ｂとの間に電位差は生じず、酸
化剤極７ｂが高電位におかれ劣化することはない。
【００３９】水素ガスを含む反応ガスの貯蔵設備２１と
しては、水素ガスボンベが入手性と価格の面から優れて
おり、交換も容易である。また、この貯蔵設備２１とし
て、水素吸蔵合金タンクも適用可能である。この水素吸
蔵合金タンクを用いると、貯蔵設備２１のコンパクト化
が期待できる。吸熱反応である水素吸蔵合金からの水素
放出反応に必要な反応熱には、燃料電池排熱の有効利用
が可能である。
しては、水素ガスボンベが入手性と価格の面から優れて
おり、交換も容易である。また、この貯蔵設備２１とし
て、水素吸蔵合金タンクも適用可能である。この水素吸
蔵合金タンクを用いると、貯蔵設備２１のコンパクト化
が期待できる。吸熱反応である水素吸蔵合金からの水素
放出反応に必要な反応熱には、燃料電池排熱の有効利用
が可能である。
【００４０】［第２の実施の形態］図２は本発明の燃料
電池発電装置の第２の実施の形態を示す系統図である。
図１で説明したものと同一のものには同一の符号を付し
てその詳しい説明は省略する。この第２の実施の形態
は、図１に示した第１の実施の形態とは、水素を含む反
応ガスの第１の供給設備（改質装置４やシフトコンバー
タ４等）と反応ガスの貯蔵設備２１を接続する配管２３
と、その配管２３上に設けた凝縮器２４を具備し、燃料
電池発電装置の発電動作時に水素ガスを含む反応ガスの
一部を配管２３を介して貯蔵設備２１に貯蔵し、燃料電
池発電装置の運転停止時にこの水素を含む反応ガスを残
存酸素を除去するために酸化剤極７ｂに供給する点が異
なる。
電池発電装置の第２の実施の形態を示す系統図である。
図１で説明したものと同一のものには同一の符号を付し
てその詳しい説明は省略する。この第２の実施の形態
は、図１に示した第１の実施の形態とは、水素を含む反
応ガスの第１の供給設備（改質装置４やシフトコンバー
タ４等）と反応ガスの貯蔵設備２１を接続する配管２３
と、その配管２３上に設けた凝縮器２４を具備し、燃料
電池発電装置の発電動作時に水素ガスを含む反応ガスの
一部を配管２３を介して貯蔵設備２１に貯蔵し、燃料電
池発電装置の運転停止時にこの水素を含む反応ガスを残
存酸素を除去するために酸化剤極７ｂに供給する点が異
なる。
【００４１】この実施の形態では、改質装置４で作られ
た水素ガスを含む反応ガス（水素リッチな改質ガス）の
一部を、燃料電池発電装置の発電時に貯蔵設備２１に貯
蔵しその運転停止時に酸化剤極劣化抑制に使用するの
で、その貯蔵設備２１に水素を含む反応ガスを補給する
必要がなく、極めて実用的になる利点がある。
た水素ガスを含む反応ガス（水素リッチな改質ガス）の
一部を、燃料電池発電装置の発電時に貯蔵設備２１に貯
蔵しその運転停止時に酸化剤極劣化抑制に使用するの
で、その貯蔵設備２１に水素を含む反応ガスを補給する
必要がなく、極めて実用的になる利点がある。
【００４２】なお、改質装置４でつくられた水素ガスを
含む反応ガスは、水蒸気改質を行なうために水蒸気を多
量に含んでいるので、貯蔵設備２１に貯蔵する前に、水
蒸気を凝縮器２４で除去する。その他は、第１の実施の
形態におけるものと同じである。
含む反応ガスは、水蒸気改質を行なうために水蒸気を多
量に含んでいるので、貯蔵設備２１に貯蔵する前に、水
蒸気を凝縮器２４で除去する。その他は、第１の実施の
形態におけるものと同じである。
【００４３】
【発明の効果】以上から、第１の発明によれば、燃料電
池発電装置の停止時に水素を含む反応ガスの貯蔵設備か
ら酸化剤極に水素を供給するので、その水素と酸化剤極
に残存した酸素とが反応して、その残存酸素が除去され
る。このため、燃料電池発電装置の起動時およびホット
ホールド時に酸化剤極の残存酸素と燃料極の残存水素が
原因で酸化剤極が劣化することは無くなる。また、第２
の発明によれば、水素を含む反応ガスを容易・安価に得
ることができ、第３の発明によれば貯蔵設備をコンパク
ト化できるようになる。さらに、第４の発明によれば、
水素を含む反応ガスを特別に外部から供給する必要がな
くなり、より実用的となる。
池発電装置の停止時に水素を含む反応ガスの貯蔵設備か
ら酸化剤極に水素を供給するので、その水素と酸化剤極
に残存した酸素とが反応して、その残存酸素が除去され
る。このため、燃料電池発電装置の起動時およびホット
ホールド時に酸化剤極の残存酸素と燃料極の残存水素が
原因で酸化剤極が劣化することは無くなる。また、第２
の発明によれば、水素を含む反応ガスを容易・安価に得
ることができ、第３の発明によれば貯蔵設備をコンパク
ト化できるようになる。さらに、第４の発明によれば、
水素を含む反応ガスを特別に外部から供給する必要がな
くなり、より実用的となる。
【図１】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電装
置の構成を示す系統図である。
置の構成を示す系統図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電装
置の構成を示す系統図である。
置の構成を示す系統図である。
【図３】 従来の燃料電池発電装置の構成を示す系統図
である。
である。
１：都市ガス、２：脱硫装置、３：エジェクタ、４：改
質装置、５：シフトコンバータ、６：空気ブロア、７：
燃料電池セルスタック、８：変換装置、９：凝縮器、１
０：気水分離器、１１：ヒータ用電源、１２：蒸発器、
１３：排熱利用システム、１４：負荷、１５：補給水の
ポンプ、１６：制御装置、１７：リサイクル配管、１
８：第１の配管、１９：第２の配管、２０：燃料極排ガ
ス配管、２１：水素を含む反応ガスの貯蔵設備、２２：
第３の配管、２３：第４の配管、２４：凝縮器、Ｓ２：
液面センサ、Ｓ３、Ｓ４：温度センサ、Ｓ５：圧力セン
サ、Ｓ６：電圧センサ、Ｓ７：電流センサ、Ｂ１〜Ｂ
３：遮断弁、Ｃ１〜Ｃ６：流量制御弁。
質装置、５：シフトコンバータ、６：空気ブロア、７：
燃料電池セルスタック、８：変換装置、９：凝縮器、１
０：気水分離器、１１：ヒータ用電源、１２：蒸発器、
１３：排熱利用システム、１４：負荷、１５：補給水の
ポンプ、１６：制御装置、１７：リサイクル配管、１
８：第１の配管、１９：第２の配管、２０：燃料極排ガ
ス配管、２１：水素を含む反応ガスの貯蔵設備、２２：
第３の配管、２３：第４の配管、２４：凝縮器、Ｓ２：
液面センサ、Ｓ３、Ｓ４：温度センサ、Ｓ５：圧力セン
サ、Ｓ６：電圧センサ、Ｓ７：電流センサ、Ｂ１〜Ｂ
３：遮断弁、Ｃ１〜Ｃ６：流量制御弁。
Claims (4)
- 【請求項１】燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで配置
されたセルを複数組積層してなる燃料電池セルスタック
と、前記燃料極と第１の配管で接続され水素を含む反応
ガスを前記燃料極に供給する第１の供給設備と、前記酸
化剤極と第２の配管で接続され酸素を含む酸化剤ガスを
前記酸化剤極に供給する第２の供給設備とを有する燃料
電池発電装置において、 水素を含む反応ガスを貯蔵する貯蔵設備と、該貯蔵設備
と前記酸化剤極との間を接続する第３の配管とを設けた
ことを特徴とする燃料電池発電装置。 - 【請求項２】前記貯蔵設備が水素ボンベであることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。 - 【請求項３】前記貯蔵設備が水素吸蔵合金タンクである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。 - 【請求項４】前記第１の供給設備と前記貯蔵設備との間
を接続する第４の配管を設けたことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8132592A JPH09298065A (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8132592A JPH09298065A (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 燃料電池発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09298065A true JPH09298065A (ja) | 1997-11-18 |
Family
ID=15084954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8132592A Pending JPH09298065A (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09298065A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005020359A1 (ja) * | 2003-08-25 | 2005-03-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法 |
| JP2005071778A (ja) * | 2003-08-25 | 2005-03-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池システムとその運転方法 |
| CN100446319C (zh) * | 2003-08-25 | 2008-12-24 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统、燃料电池系统的停止方法 |
| JP2010177211A (ja) * | 2004-11-08 | 2010-08-12 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| US8372552B2 (en) | 2008-12-16 | 2013-02-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of removing residual oxygen in fuel cell by electrochemical purging |
| US8530104B2 (en) | 2003-12-12 | 2013-09-10 | Panasonic Corporation | Method of operating a fuel cell system |
| US8765314B2 (en) | 2003-08-25 | 2014-07-01 | Panasonic Corporation | Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system |
-
1996
- 1996-05-01 JP JP8132592A patent/JPH09298065A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005020359A1 (ja) * | 2003-08-25 | 2005-03-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法 |
| JP2005071778A (ja) * | 2003-08-25 | 2005-03-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池システムとその運転方法 |
| CN100446319C (zh) * | 2003-08-25 | 2008-12-24 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统、燃料电池系统的停止方法 |
| US8765314B2 (en) | 2003-08-25 | 2014-07-01 | Panasonic Corporation | Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system |
| US8530104B2 (en) | 2003-12-12 | 2013-09-10 | Panasonic Corporation | Method of operating a fuel cell system |
| JP2010177211A (ja) * | 2004-11-08 | 2010-08-12 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
| US8728675B2 (en) | 2004-11-08 | 2014-05-20 | Panasonic Corporation | Fuel cell system |
| US8372552B2 (en) | 2008-12-16 | 2013-02-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of removing residual oxygen in fuel cell by electrochemical purging |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030212 |