JPS60177565A - 燃料電池発電システムの運転方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池発電システムの運転方法に関するもの
である。

〔発明の背景〕

第１図には一般的な燃料電池発電システムの従来例が示
されている。同図に示されているように燃料電池発電シ
ステムは電池本体１、この電池本体１に反応ガスを給排
する反応ガス供給系統２すなわち燃料を給排する燃料改
質供給系統２ａおよび空気を給排する空気供給系統２ｂ
、電池本体１の温度を制御する温度制御系統３等より構
成されている。そして電池本体１は貴金属触媒（白金ま
たは白金系合金）を有する一対のガス拡散電極間に電解
質（酸性電解質）を保持した単電池（いずれも図示せず
）から構成されている。なお同図において４．５は気水
分離器、６は水処理装置、７は空気供給ライン、８は燃
料供給ライン、９は燃料改質器、１０はシフトコンバー
タである。

このように構成された燃料電池発電システムで燃料電池
の一般的な電流密度−電圧特性およびこれに対応した電
流密度−出力特性の一例が第２図および第３図に示され
ている。第２図は縦軸に単電池の電圧である単セル電圧
をとり、横軸に電流密度をとって電流密度による単セル
電圧の変化特性を示したものであり、第３図は縦軸に単
セルの出力をとり、横軸に電流密度をとって電流密度に
よる単セルの出力の変化特性を示したものである。

これら両図に示されているように燃料電池においては低
負荷時には単セル電圧が高く、高負荷時にはその電圧が
低くなる。なお第２図においてＳは定格点である。

ところでガス拡散電極の触媒である電極触媒に用いられ
る貴金属系触媒は、酸性電解液中の高温・高電位雰囲気
において貴金属粒子が凝集し、触媒活性の劣化を生じる
ことが知られており、白金触媒の場合には０．７９Ｖ／
セルが単セルの許容電圧Ｖ１と云われている。従って同
図から明らかなように出力が０１以下の低負荷時にはこ
の許容電圧ｖ１を越える場合が生じるが、許容電圧ｖ１
を越えると貴金属触媒が凝集劣化するようになる。

この問題を解決するため従来の燃料電池発電システムに
おいては直流または交流側にダミー負荷を設け、系統の
要求負荷に関係なく単セル出力がセル許容電圧ｖ１に達
する０１以上の発電を行ない単セル電圧とりもなおさず
電池電圧の高電圧化を防止していた。このため要求負荷
が単セル出力０１よシ低い場合にはその差分だけ無駄な
発電を行なうことになυ、熱効率が低下する。またこの
差分すなわち余剰分を燃料電池発電システム内で消費さ
せる場合でも、熱効率に寄与しない用途もあるため低負
荷での効率が悪かった。そしてまた系統側の事故などで
直流側はいつでも送電可能な状態を維持する、いわばホ
ットスタンバイモードの時に燃料電池は保護用のダミー
負荷、すなわち最低負荷で運転されるが、このモードで
の必要な負荷抵抗値が大きいという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点に鑑みなされたものであシ、低負荷時
での貴金属触媒の凝集劣化防止を可能とした燃１！電池
発電システムの運転方法を提供することを目的とするも
のである。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は貴金属触媒を有する一対のガス拡散電
極間に電解質を保持した単電池から構成される電池本体
およびこの電池本体に酸化剤、燃料の反応ガスを夫々給
排する反応ガス供給系統並びに前記電池本体の温度を制
御する温度制御系統を備え比燃料電池発電システムを、
低負荷運転時には前記貴金属触媒が凝集劣化を開始する
前記単電池の許容電圧を越えない制御手段をもって運転
させるようにしたことを特徴とするものであシ、これに
よって燃料電池発電システムは低負荷運転時でも貴金属
触媒が凝集劣化を生じない電池電圧で運転されるように
なる。

発明者はどのような制御手段が有効であるかを検討した
が、検討に当っては運転圧力、反応ガス分圧、ガス流量
（ガス利用率）、運転温度等に着目した。燃料電池発電
システムは一般に常圧よル高い圧力（４から６Ｋｆ／ｉ
Ｇ程度）で運転されるが、電流密度が一定の場合の単セ
ル電圧の圧力依存性の一例が縦横に単セル電圧をとシ、
横転に圧力の対数をとって示した第４図に示されている
。

同図に示されているように電流密度が一定の場合に単セ
ル電圧は圧力の対数に比例して上昇している。従ってこ
れを上述の第２図および第３図のように単′電池の電流
密度−電圧特性および電流密度−出力特性を圧力をパラ
メータとして示すと第５図および第６図のように示され
る。第５図は圧力をパラメータとして縦横に単セル電圧
をとシ、横軸に電流密度をとって電流密度−電圧特性の
圧力依存性が、第６図は圧力をパラメータとして縦軸に
出力をとυ、横軸に電流密度をとって第５図に対応した
電流密度−出力の圧力依存性が夫々示されている。これ
ら両図から明らかなように定格圧力曲線ｐｉで２５チ（
第６図のＢ点）の低負荷運転をすると、単セル電圧は第
５図の定格圧力曲線ｐ１のＡ点の電圧となってセル許容
電圧■１を越えてしまう。そこで２５チの低負荷で単電
池の許容電圧Ｖｓを越えないような圧力（第６図の圧力
曲線ｐ２のＤ点）をめ、この圧力以下で運転すれば単セ
ル電圧は第５図の圧力曲線ｐ２の０点以下の電圧となっ
て低負荷でも許容電圧Ｖｌを越えないので、貴金属触媒
の凝集劣化が防止できる。

次いで反応ガス分圧について検討した。一般にり゛ン酸
型燃料電池では酸化剤として空気、燃料としてメタンを
主成分とする天然ガスを改質した水素リッチな改質ガス
が用いられるが、電池電圧は第７図に示されているよう
に空気中の酸素濃度や燃料中の水素濃度によって変化す
る。第７図縦軸に単セル電圧をとり、横軸に酸素、水素
濃度の対数をとって電流密度が一定の場合の酸素、水素
濃度による単セル電圧の変化特性を示したものである。

同図から明らかなように単セル電圧は酸素、水素濃度の
対数に比例して酸素は直線Ｇ１水素は直線Ｈのよりに上
昇している。従って上述の圧力の場合と同様にこれら酸
素、水素のガス濃度をパラメータとして上述の第５図お
よび第６図と同様な関係特性曲線（図示せず）が得られ
、圧力の場合と同様な手法によシ低負荷での最適な水素
濃度、酸素濃度またはこれらの組合わせが決定できる。

更にガス流量について検討した。燃料電池では実際の電
流を取９出すのに必要なファラデーの法則から計算され
る理論ガス量よシも多く、酸素、水素などの反応ガスが
電池内に供給される。この理論址と実際のガス供給量と
の比をガスの利用率と称し、このガス利用率と単セル賦
圧との関係を第８図に示した。これは縦軸に幣セル電圧
をと９、横軸にガス利用率およびガス流量をとって電流
密度が一定の場合のガス利用率またはガス流量による単
セル電圧の変化特性を示したものであるが、ガス利用率
は図中右側にゆくに従って大きく、ガス流量は図中右側
にゆくに従って小さくなるようにして図示した。同図か
ら明らかなように単セル電圧はガス流−駄の減少と共に
、酸素は曲線ＧＯ１水素は曲線Ｈ６のように共に低下し
、またガス利用率の増加と共に、共に低下する。従って
この場合も上述の圧力の場合と同様にこれらガス流量ま
たはガス利用率をパラメータとして上述の第５図および
第６図と同様な関係特性曲線（図示せず）が得られ、圧
力の場合と同様な手法により低負荷での最適な空気利用
率、燃料利用率またはこれらの組合わせが決定できる。

更に運転温度である電池温度について検討した。

燃料電池での電気化学的反応は発熱反応であシ、電池温
度を一定に制御するために冷却系統が設けられているが
、電池電圧と電池温度との関係が第９図に示されている
。第９図は縦軸に電池電圧をとり、横軸に電池温度をと
って電池温度と電圧との関係を示したものであるが、同
図から明らかなように、ある温度範囲で電池電圧は電池
温度に比例して上昇する。従ってこの場合も上述の圧力
の場合と同様に電池温度をパラメータとして上述の第５
図および第６図と同様な関係特性曲線（図示せず）が得
られ、圧力の場合と同様な手法によシ低負荷での電池電
圧の上昇を抑制した電池温度が決定できる。

これらのことからこれら圧力、反応ガス分圧、ガス流量
および運転温度等の制御手段が、低負荷運転時に貴金属
触媒が凝集劣化を開始する単電池の許容電圧を越えない
制御手段として有効でアｐ１この制御手段をもって運転
させれば低負荷運転時でも効率よく貴金属触媒を凝集劣
化させずに運転できることが確められた。そこで本発明
では燃料電池発電システムを、低負荷運転時には貴金属
触媒が凝集劣化を開始する単電池の許容電圧を越えない
制御手段をもって運転させるようにした。このようにす
ることによシ低負荷時での貴金属触媒の凝集劣化防止を
可能とした燃料電池発車システムの運転方法を得ること
を可能としたものである。

〔発明の実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
１０図には本発明の一実施例の制御手段が示されている
。なお従来と同じ部品には同じ符号を付したもので説明
を省略する。本実施例は制御手段に上述の運転圧力を用
い、空気供給系統２ｂの圧力を□低下させた場合である
。

すなわち電池本体１に出力検出器１１を、空気供給系統
２ｂのコンプレッサ２Ｃには回転数制御装置１２を設け
、これら回転数制御装置１２と出力検出器１１との間に
は演算器１３を設けた。このようにすることによシ図中
点線表示の電気信号回路により電池本体１に取シ付けた
出力検出器１１からの電気信号を演算器１３に取シ込み
、演算器１３から予め上述の方法（圧力を制御手段とし
て検討した場合の方法）によシ設定された負荷に応じた
圧力バターンにより、コンプレッサ２Ｃの回転数制御装
置１２へ回転数の指令を出すと共に、電池入口圧力制御
装置１４へ設定圧力の信号を出し、圧力調節バルブ１５
によって設定圧力になるように制御される。また中央制
御系統１６から予めスケジューリングされた低負荷運転
の指令が演算器１３に入力される場合も同様に、コンプ
レッサ２Ｃの回転数を制御することなどによシ運転圧力
が制御される。

この演算器１３の入出力特性の例を第１図に示した。こ
れは縦軸に電池圧力および単セル電圧をとシ、横軸に電
池出力をとって電池出力による電池圧力および単セル電
圧の変化特性を示したものであるが、同図に示されてい
る電池圧力曲線に１単セル電圧曲ｉＬのように低負荷時
においては電池圧力を小さくして単セル電圧が小さくな
るように設定しである。このようにして運転圧力を制御
することによｐ１低負荷時の電池電圧を低くすることが
できるようになって、低負荷時での貴金属触媒の凝集劣
化防止を可能とした燃料電池発電システムの運転方法を
得ることができる。

なお一般的な燃料電池発電システムの燃料改質供給系統
にはコンプレッサは無いが、空気供給系統と同調させ、
負荷に応じて投入原料ガスの元圧制御などにより圧力制
御が実施できる。また燃料改質供給系統は低圧力で水素
生成の効率が高くなる効果もあシ、高効率のまま貴金属
触媒の劣化を防止した低負荷運転ができるようになる。

第１２図には本発明の他の実施例の制御手段が示されて
いる。本実施例は制御手段に上述の反応ガス分圧を用い
た場合で、電池本体１から排出されたガスを再度電池本
体１入口へ、リサイクルして、反応ガス成分の濃度を下
げるようにしたものである。

すなわち電池本体１に直列に出力検出器１１および演算
器１３ａを、この演算器１３ａと気水分離器４との間に
ストップパルプ１７を、このストップパルプ１７と空気
供給ライン７との間に直列にリサイクルブロワ−１８、
流量計１９および流量制御パルプ２０を、この流量計１
９と演算器１３ａとの間に流量制御装置２１を夫々設け
た。

このようにすることによシ図中点線表示の電気信号回路
によって通常は空気供給ライン７から供給された空気は
電池本体１を出て気水分離器４で生成水が除去された後
に燃料改質器に供給されるが、′電池本体１が低負荷運
転になったことを出力検出器１１で検出するか、中央制
御系統１６から負荷低減の先行指令が演算器１３ａに送
られると、ストップパルプ１７が開き、リサイクルブロ
ワ−１８が作動し、負荷に応じた演算器１３Ｈのリサイ
クルガス量指令に従って流量計１９、流量制御装置２１
および流量制御パルプ２０によってリサイクル量すなわ
ち酸素濃度が自動制御される。

この演算器１３ａの入出力の例を第１３図に、これに対
応した供給空気中の酸素濃度を第１４図に示した。すな
わち第１３図は縦軸に反応ガスのリサイクル比をと９、
横軸に電池出力をとって電池出力と反応ガスのリサイク
ル比との関係を示したものであり、第１４図は縦軸に供
給空気中の酸素濃度をとシ、横軸に電池出力をとって電
池出力による酸素濃度の変化特性を示したものである。

同図に示されているように排出ガスをリサイクルして低
負荷時の反応ガスである酸素の濃度を下げるように設定
しておる。このようにして排出ガスをリサイクルして低
負荷時の反応ガスの濃度を下げることにより、低負荷時
の電池電圧を低くすることができるようになって、前述
の場合と同様な作用効果を奏することができる。

なお本実施例では空気供給ラインの場合について説明し
たが、燃料供給ラインについてもこれと同様にしてリサ
イクル制御をすることができる。

第１５図には本発明の更に他の実施例の制御手段が示さ
れている。本実施例は制御手段に前述の場合と同様に反
応ガス分圧を用いた場合であるが、リサイクルをしない
で反応ガスの成分の濃度を下げた場合である。同図に示
されている燃料供給系統で燃料供給ライン８においては
、天然ガスなどの原料ガスが燃料改質器９で水蒸気を加
えて改質する新開水蒸気改質されて水素リッチなガスと
なり、さらに−酸化炭素を除去するためのシフトコンバ
ータ１０、熱交換器２２およびガス中の水魚気分をとっ
て水素濃度を高くするための気水分離器５を通って電池
本体ｌに供給される。この気水分離器５でのガス温度は
熱交換器２２に供給される冷却水２３の量で制御され、
この気水分離器５でのガス温度が低い程水素濃度の高い
燃料が得ら５の温度を上げることにより燃料中の水蒸気
濃度が高くなシ、水素濃度を下げることができるが、本
実施例では電池本体１愕直列に出力検出器１１および演
算器１３ｂを設けたので、図中点線表示の電気信号回路
によって電池本体１が低負荷運転　ｊになったことを出
力検出器１１で検出するか、中央制御系統１６から負荷
低減の先行指令が演算器１３ｂに送られると、予め設定
された負荷と水素濃度とからめた気水分離器５の温度と
の関係に従ッて温度制御器２４および冷却水流量調節パ
ルプ２５によシ気水分離器５の温度が上げられる。

この演算器１３ｂの入出力の例を第１６図に示したが、
これは縦軸に気水分離器の温度をとり、横軸に電池出力
をとって電池出力による気水分離器の温度変化を示した
ものである。同図から明らかなように低負荷時における
気水分離器の温度が高くなるように設定しである。この
ようにして燃料入口の気水分離器の温度を制御して燃料
中の水素濃度を下げることによシ、低負荷時の電池電圧
を低くすることができるようになって、前述の場合と同
様な作用効果を奏することができる。

第１７図には本発明の更に他の実施例の制御手段が示さ
れている。本実施例は上述のガス流量（ガス利用率）を
用いた場合である。空気供給ライン７からの空気はガス
流量計２６、流量調節バルブ２７を通って電池本体１に
供給され、燃料供給ライン８からの燃料も同様にガス流
〜緻計２８、流量調節バルブ２９を通って電池本体１に
供給さ−れるが、本実施例では電池本体１に直列に出力
検出器１１および演算器１３Ｃを設けたので図中点線表
示の電気信号回路によって、電池本体１が低負荷運転に
なったことを出力検出器１１で検出するか、中央制御系
統１６から負荷低減の先行指令が演算器１３Ｃに送られ
ると、予め演算器１３ｃに設定された負荷とガス流量と
の関係に従ってガス流量制御器３０，３１、ガス流量計
２６．２８および流量調節バルブ２７．２９によってガ
ス流量が制御される。

この演算器１３Ｃの入出力の例を第１８図に示したが、
これは縦軸にガス利用率およびガス供給量をと９、横軸
に電池出力をとって電池出力によるガス利用率およびガ
ス供給量の変化を示したものである。同図のガス利用率
曲線Ｎ１ガス供給量曲線Ｍから明らかなように低負荷時
におけるガス供給量を低くしてガス利用率が大きくなる
ように設定しである。このようにして電池本体へ供給さ
れるガス量を制御して低負荷時のガス利用率を上げるこ
とによシ、低負荷時の電池電圧の上昇を抑制することが
できるよつになって、前述の場合と同様な作用効果を秦
することができる。

第１９図には本発明の更に他の実施例の制御手段が示さ
れている。本実施例は上述の電池温度（運転温度）を用
いた場合である。電池冷却系統は電池本体１内に積層さ
れている冷却器３２、冷却水温度検出器３３、冷却水温
度制御装置３４、冷却水流量調節パルプ３５、冷却水循
環ポンプ３６およびスチームセパレータ３７等から構成
されており、スチームセパレータ３７で発生する水蒸気
を燃料の水蒸気改質に用いている。本実施例ではこのよ
うに構成された電池冷却系統の電池本体１に直列に出力
検出器１１および演算器１３ｄを設けたので図中点線表
示の電気信号回路によって、電池本体１が低負荷運転に
なったことを出力検出器１１で検出するか、中央制御系
統１６から負荷低減の先行指令が演算器１３ｄに送られ
ると、予め演算器１３ｄに設定された負荷と電池温度と
の関係に従って冷却水温度検出器３３、冷却水温度制御
装置３４および冷却水流量調節バルブ３５によって冷却
水流量を増やし、電池温度が下げられる。

この演算器１３ｄの入出力の例を第２０図に示したが、
これは縦軸に電池温度および冷却水流量をとシ、横軸に
電池出力をとって電池出力による電池温度および冷却水
流量の変化を示したものである。同図の電池温度曲線Ｐ
１冷却水流量曲線Ｑから明らかなように、低負荷時にお
ける冷却水流量を大きくして電池温度が低くなるように
設定しである。このようにして冷却水流量を制御して低
負荷時の電池温度を下げることによシ、低負荷時の電池
電圧が下げられるようになるのみならず、スチームセパ
レータでのスチーム発生量を低負荷時に減少させること
ができ、余剰スチーム量が低減できる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は低負荷時においても貴金属触媒が
凝集劣化をしない電池電圧で運転することができるよう
になって、低負荷時における貴金属触媒の凝集劣化が防
止されるようになシ、低負荷時での貴金属触媒の凝集劣
化防止を可能とし念燃料電池発電システムの運転方法を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電システムの運転方法による
発電システムの構成図、第２図は従来の燃料電池発電シ
ステムの運転方法の燃料電池の電流密度−直圧特性図、
第３図は第２図に対応した電流密度−出力特性図、第４
図は燃料電池発電システムの運転方法の電池圧力と電池
電圧との関係を示す特性図、第５図は燃料電池発電シス
テムの運転方法の電流密度−電圧特性の圧力依存性を示
す説明図、第６図は第５図に対応した環流密度−出力特
性の圧力依存性を示す説明図、第７図は燃料電池発電シ
ステムの運転方法のガス濃度と電池電圧との関係を示す
特性図、第８図は燃料電池発電システムの運転方法のガ
ス流量およびガス利用率と電池電圧との関係を示す特性
図、第９図は燃料電池発電システムの運転方法の電池温
度と電池電圧との関係を示す特性図、第１０図は本発明
の燃料電池発電システムの運転方法の一実施例の空気圧
力制御による運転を示す空気圧力制御系統図、第１１図
は第１０図に対応した演算器の入出力特性図、第１２図
は本発明の燃料電池発電システムの運転方法の他の実施
例の空気供給制御による運転を示す空気供給制御系統図
、第１３図は第１２図に対応した演算器の入出力特性図
、第１４図は第１３図に対応した濃度制御結果を示す電
池出力−酸素濃度特性図、第１５図は本発明の燃料電池
発電システムの運転方法の更に他の実施例の燃料供給制
御による運転を示す燃料供給制御系統図、第１６図は第
１５図に対応した演算器の入出力特性図、第１７図は本
発明の燃料電池発電システムの運転方法の更に他の実施
例の空気および燃料供給制御による運転を示す空気およ
び燃料供給制御系統図、第１８図は第１７図に対応した
演算器の入出力特性および制御結果を示す特性図、第１
９図は本発明の燃料電池発電システムの運転方法の更に
他の実施例の電池冷却制御による運転を示す電池冷却制
御系統図、第２０図は第１９図に対応した演算器の入出
力特性および制御結果を示す特性図である。 １・・・電池本体、２・・・反応ガス給排系統、２ａ・
・・燃料改質供給系統、２ｂ・・・空気供給系統、３・
・・温度制御系統、４，５・・・気水分離器、６・・・
水処理装置、７・・・空気供給ライン、８・・・燃料供
給ライン、９・・・燃料改質器、１０・・・シフトコン
バータ、１１・・・出力検出器、１２・・・回転数制御
装置、１３，１３ａ。 １３ｂ、１３Ｃ，１３ｄ・・・演算器、１６・・・中央
制御系統、１７・・・ストップバルブ、１８・・・リサ
イクルブロワ−１１９・・・流量計、２０・・・流量制
御バルブ、２１・・・流量制御装置、２３・・・冷却水
、２５・・・冷却水流量調節バルブ、２６．２８・・・
ガス流量計、３０．３１・・・ガス流量制御器、３２・
・・冷却器、３４・・・冷却水温度制御装置、３５・・
・冷却水流量調節バルブ、３７・・・スチームセパレー
タ。 代理人　弁理士　高橋明夫く 活？霞 電ンＩＪ　、鍬 高７０ 電氾渫戻 高ｌＯ口 ？Ｃ 活！１霧 電り己二力（乞） 消１３Ｉ２］ ； コ 右／４１２］ 電把云力（ｙｅ＞ 冶１Ｓ（２］ γ も１６０ 電う二ご力（ｚ） め１１　Ｊ お１８　Ｘ 電工上力（％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、貴金属触媒を有する一対のガス拡散電極間に電解質
   を保持した単電池から構成される電池本体およびこの電
   池本体に酸化剤、燃料の反応ガスを夫々給排する反応ガ
   ス供給系統並びに前記電池本体の温度を制御する温度制
   御系統を備え念燃料電池発電システムを、低負荷運転時
   には前記貴金属触媒が凝集劣化を開始する前記単電池の
   許容電圧を越えない制御手段をもって運転させるように
   したことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法
   。 ２、前記制御手段が、前記反応ガス供給系統のガス圧力
   を低下させたものである特許請求の範囲第１項記載の燃
   料電池発電システムの運転方法。 ３、前記制御手段が、前記反応ガスの濃度を前記反応ガ
   ス供給系統から排出された前記反応ガスを前記反応ガス
   供給系統ヘリサイクルする、または前記反応ガス供給系
   統に不活性ガスを混入して低下させたものである特許請
   求の範囲第１項記載の燃料電池発電システムの運転方法
   。 ４、前記制御手段が、前記反応ガス供給系統からの前記
   反応ガスの供給量を減らして前記反応ガスの利用率をあ
   げたものでおる特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発
   電システムの運転方法。 ５、前記制御手段が、前記温度制御系統の前記電池本体
   の運転温度を低下させたものである特許請求の範囲第１
   項記載の燃料電池発電システムの運転方法。 ６、前記貴金属触媒が、白金または白金系合金である特
   許請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記載の燃料
   ！池発電システムの運転方法。 ７、前記電解質が、酸性電解質である特許請求の範囲第
   １項から第５項のいずれかに記載の燃料電池発電システ
   ムの運転方法。