JP2000285944A - 燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置

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JP2000285944A JP11092069A JP9206999A JP2000285944A JP 2000285944 A JP2000285944 A JP 2000285944A JP 11092069 A JP11092069 A JP 11092069A JP 9206999 A JP9206999 A JP 9206999A JP 2000285944 A JP2000285944 A JP 2000285944A
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修 山崎
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稔 鈴木
Mitsuaki Echigo
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス生成部をパージするためのパージ用ガス
の補給作業にかかわる負担を軽減し得る燃料電池発電装
置の運転方法、及び、その運転方法を実行することがで
きる燃料電池発電装置を提供する。 【解決手段】 炭化水素を原料として水素含有ガスを生
成するガス生成部Ｒと、そのガス生成部Ｒにて生成され
た水素含有ガスを用いて、高分子電解質層を備えたセル
にて発電する発電部ＮＣが設けられた燃料電池発電装置
において、セルの発電が停止された発電停止状態におい
て、セルに供給されている水分を電気分解するための電
流をセルに流す電流通流手段Ｓと、セルにおいて電気分
解により発生した水素ガスを、ガス生成部Ｒにパージ用
として供給するパージ用ガス供給手段Ｐが設けられてい
る燃料電池発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素を原料と
して水素含有ガスを生成するガス生成部と、そのガス生
成部にて生成された水素含有ガスを用いて、高分子電解
質層を備えたセルにて発電する発電部が設けられた燃料
電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】かかる燃料電池発電装置において、ガス
生成部は、例えば、炭化水素系の原料を触媒を用いて水
素含有ガスに改質処理するように構成するが、ガス生成
部内の触媒が、セルの発電が停止された発電停止状態の
間に失活するのを防止するために、発電停止状態におい
て、ガス生成部を不活性ガス等のパージ用ガスを用いて
パージする必要がある。そこで、従来では、パージ用ガ
スを充填したパージ用ガス容器（ボンベ等）を設けてい
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、パージ用ガス容器を設ける必要があるため、燃料電
池発電装置の小型化の面で改善の余地があり、又、パー
ジ用ガスの補給のために、パージ用ガス容器内にパージ
用ガスを充填したり、新しいパージ用ガス容器に交換し
たりする必要があるので、パージ用ガスの補給作業にか
かわる負担が重いという問題があった。
【０００４】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、ガス生成部をパージするための
パージ用ガスの補給作業にかかわる負担を軽減し得る燃
料電池発電装置の運転方法、及び、その運転方法を実行
することができる燃料電池発電装置を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の特徴構成は、前記セルの発電が停止さ
れた発電停止状態において、前記セルに電流を流して、
前記セルに供給されている水分を電気分解し、発生した
水素ガスを前記ガス生成部にパージ用として供給するパ
ージ運転を実行することにある。
【０００６】発電停止状態においてパージ運転を実行す
ると、セルに供給されている水が電気分解され、その電
気分解において発生した水素ガスがガス生成部に供給さ
れて、ガス生成部がパージされる。従って、ガス生成部
をパージするためのパージ用ガスを補給する必要がなく
なるので、パージ用ガスの補給作業にかかわる負担を軽
減し得る燃料電池発電装置の運転方法を提供することが
できるようになった。又、従来の如きパージ用ガス容器
が不要となることにより、燃料電池発電装置の小型化を
図ることができる。
【０００７】又、起動直前にパージ運転を実行するよう
にすると、セルは水の電気分解による発熱により温度が
上昇するので、起動に要する時間を短縮することができ
る。
【０００８】又、パージ運転によってセルで発生した水
素ガスにより、セル自体がパージされるので、セルに備
えられている電極触媒の失活を防止することができるよ
うになり、セルの発電性能の低下を抑制して、燃料電池
発電装置の耐久性を向上することができるようになっ
た。
【０００９】〔請求項２記載の発明〕請求項２に記載の
特徴構成は、前記セルの発電が停止された発電停止状態
において、前記セルに供給されている水分を電気分解す
るための電流を前記セルに流す電流通流手段と、前記セ
ルにおいて電気分解により発生した水素ガスを、前記ガ
ス生成部にパージ用として供給するパージ用ガス供給手
段が設けられていることにある。
【００１０】請求項２に記載の特徴構成によれば、電流
通流手段により、セルの発電が停止された発電停止状態
において、セルに供給されている水分を電気分解するた
めの電流がセルに流され、パージ用ガス供給手段によ
り、セルにおいて電気分解により発生した水素ガスがガ
ス生成部にパージ用として供給されて、ガス生成部がパ
ージされる。従って、ガス生成部をパージするためのパ
ージ用ガスを補給する必要がなくなるので、パージ用ガ
スの補給作業にかかわる負担を軽減し得るパージ運転の
実行が可能な燃料電池発電装置を提供することができる
ようになった。又、燃料電池発電装置において、従来の
如きパージ用ガス容器が不要となることにより、燃料電
池発電装置の小型化を図ることができるようになった。
【００１１】又、起動直前にパージ運転を実行するよう
にすると、セルは電気分解による発熱により温度が上昇
するので、起動に要する時間を短縮することができる。
【００１２】又、電流通流手段による電流の通流によっ
てセルで発生した水素ガスにより、セル自体がパージさ
れるので、セルに備えられている電極触媒の失活を防止
することができるようになり、セルの発電性能の低下を
抑制して、燃料電池発電装置の耐久性を向上することが
できるようになった
【００１３】〔請求項３記載の発明〕請求項３に記載の
特徴構成は、前記電流通流手段が、外部電源装置にて構
成されていることにある。
【００１４】従って、パージ運転用の電流通流手段とし
て、新たに専用のもの設計製作するのではなく、広く普
及している市販の安価な外部電源装置にて構成すること
ができるので、本発明を実施するためのコストを低減す
ることができる。
【００１５】〔請求項４記載の発明〕請求項４に記載の
特徴構成は、前記発電部が複数設けられ、それら複数の
発電部が、その一部を前記発電停止状態として、その発
電停止状態の発電部に対して、他の発電状態の発電部に
て発電された発電電流を電気分解のために供給する状態
に切り換え自在に構成されて、前記発電部が前記電流通
流手段に兼用されるように構成され、前記パージ用ガス
供給手段が、前記セルにおいて電気分解により発生した
水素ガスを一時的に貯蔵しておいて、全ての発電部が前
記発電停止状態になった状態で、前記ガス生成部にパー
ジ用として供給するように構成されていることにある。
【００１６】請求項４に記載の特徴構成によれば、電流
通流手段として専用のものを設けることなくパージ運転
の実行が可能な具体構成を提供することができるように
なったので、燃料電池発電装置の小型化並びに本発明の
実施コスト低減の面での効果を一層顕著なものにするこ
とができる。尚、発電部に対する電気負荷は変動するの
が通常であるので、例えば、電気負荷が、複数の発電部
のうちの一部を発電停止状態にできる程度にまで小さく
なったときに、一部の発電部を発電停止状態として、そ
の発電停止状態の発電部に対して、他の発電部の発電電
流を電気分解のために供給する状態に切り換えるように
する。そうすることにより、パージ運転を実行している
ために電気負荷に対応できなくなるといった不具合を回
避することができるので、好ましい。
【００１７】〔請求項５記載の発明〕請求項５に記載の
特徴構成は、前記高分子電解質層を湿らせるための水分
を前記セルに供給する加湿用水分供給手段にて、電気分
解用の水分が前記セルに供給されるように構成されてい
ることにある。
【００１８】つまり、かかる燃料電池発電装置において
は、高分子電解質層にイオン導電性を備えさせるために
高分子電解質層を湿らせる必要があるので、本来、高分
子電解質層を湿らせるための水分をセルに供給するため
の加湿用水分供給手段を設けてある。そこで、加湿用水
分供給手段を用いて、電気分解用の水分をセルに供給す
ることができる。従って、電気分解用の水分をセルに供
給するための手段を新たに設けることなく本発明を実施
することができるので、本発明を実施するためのコスト
を低減することができるようになった。
【００１９】
【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕以下、図１ない
し図７に基づいて、本発明の第１の実施の形態を説明す
る。図１に示すように、燃料電池発電装置は、炭化水素
を原料として水素含有ガスを生成するガス生成部Ｒ、及
び、そのガス生成部Ｒにて生成された水素含有ガスと送
風機１１から供給される空気とを用いて、高分子膜１
（高分子電解質層に相当する）を備えたセルＣ（図２参
照）にて発電するセルスタックＮＣ（発電部に相当す
る）を設けてある。セルスタックＮＣで発電された電力
は、負荷装置Ｌにて消費される。
【００２０】本発明においては、セルＣの発電が停止さ
れた発電停止状態において、セルＣに供給されている水
分を電気分解するための電流をセルＣに流す電流通流手
段Ｓと、セルＣにおいて電気分解により発生した水素ガ
スを、ガス生成部Ｒにパージ用として供給するパージ用
ガス供給手段Ｐを設けてある。
【００２１】図２ないし図６に基づいて、セルスタック
ＮＣについて説明を加える。先ず、セルＣについて説明
を加える。セルＣは、高分子膜１の一方の面に酸素極
２、集電板４及び酸素極側セパレータ５を配置し、且
つ、他方の面に燃料極３、集電板４及び燃料極側セパレ
ータ６を配置して構成してある。そして、そのようなセ
ルＣの複数を、積層状態に並置し、並びに、積層方向の
両端部夫々に電力取り出し用の集電部７を設けて、セル
スタックＮＣを構成してある。
【００２２】酸素極側セパレータ５は、酸素極２側の面
に、酸素極側ガスを通流させる酸素極側流路を形成する
酸素極側ガス通流溝５ｓを形成し、反対側の面に、冷却
水流路を形成する冷却水通流溝５ｗを形成してある。燃
料極側セパレータ６は、燃料極３側の面に、燃料極側ガ
スを通流させる燃料極側流路を形成する燃料極側ガス通
流溝６ｆを形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ
５の冷却水通流溝５ｗと面対称となる冷却水流路形成用
の冷却水通流溝６ｗを形成してある。
【００２３】更に、高分子膜１、酸素極側セパレータ５
及び燃料極側セパレータ６の夫々には、それらを重ねた
ときに夫々が積層方向に連なる状態で、厚さ方向に貫通
する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈを形成してある。積層方
向視において、高分子膜１、酸素極側セパレータ５及び
燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６個の孔１ｈ，
５ｈ，６ｈのうち、２個は酸素極側ガス通流溝５ｓの通
流経路の両端部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガ
ス通流溝６ｆの通流経路の両端部に各別に重なり、残り
の２個は冷却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に
各別に重なる。
【００２４】従って、セルスタックＮＣには、高分子膜
１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６夫
々の孔１ｈ，５ｈ，６ｈが積層方向に連なって形成され
る通路が６本形成されるが、それらのうちの２本は、各
酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の両端部に各別に連
通し、別の２本は、各燃料極側ガス通流溝６ｓの通流経
路の両端部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水通
流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に各別に連通してい
る。尚、各酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の両端部
に各別に連通する２本の通路を、酸素極側連通路Ｔｓ
と、各燃料極側ガス通流溝６ｆの通流経路の両端部に各
別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷
却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に各別に連通
する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。
【００２５】高分子膜１は、フッ素樹脂系のイオン交換
膜（ナフィオン等）にて形成してある。酸素極２及び燃
料極３は、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成
し、白金から成る電極触媒を担持してある。集電板４
は、多孔状のカーボンペーパ等にて形成し、酸素極側セ
パレータ５はカーボン等から成る気密性の導電材にて形
成し、燃料極側セパレータ６は、カーボン等から成る多
孔状の導電材にて形成してある。そして、冷却水通流溝
５ｗ，６ｗにて形成される冷却水流路を通流する冷却水
の圧力が、燃料極側ガス通流溝６ｆにて形成される燃料
極側流路を通流する燃料極側ガスの圧力よりも高くなる
ようにして、図７にも示すように、冷却水流路を通流す
る冷却水の一部を燃料極側流路側に燃料極側セパレータ
６を通過させ、そのように燃料極側セパレータ６を通過
させた水によって高分子膜１を湿らせるようにしてあ
る。
【００２６】更に、図６に示すように、セルスタックＮ
Ｃの積層方向の両端部夫々に端板９を設けてある。一方
の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方
の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本
の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続す
る燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通
路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続
部８ｗを備えてある。又、他方の端板９には、２本の酸
素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸
素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆの
うちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部
８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端
部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。
【００２７】尚、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓのう
ち、一方は酸素極側ガスの供給用として、他方は酸素極
側ガスの排出用として用い、２個の燃料極側ガス用接続
部８ｆのうち、一方は燃料極側ガスの供給用として、他
方は燃料極側ガスの排出用として用い、並びに、２個の
冷却水用接続部８ｗのうち、一方は冷却水の供給用とし
て、他方は冷却水の排出用として用いる。
【００２８】そして、供給用の酸素極側ガス用接続部８
ｓから酸素極側ガスを、供給用の燃料極側ガス用接続部
８ｆから燃料極側ガスを、並びに、供給用の冷却水用接
続部８ｗから冷却水を夫々供給する。すると、酸素極側
ガスは、各図中において実線矢印にて示すように、一方
の酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側流路に供
給され、酸素極側流路を通流してから、他方の酸素極側
連通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流し
て排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出される。
又、冷却水は、各図中において一点鎖線矢印にて示すよ
うに、一方の冷却水連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流
路に供給されて、冷却水流路を通流し、その一部は燃料
極側セパレータ６を燃料極側流路側に通過し（図６及び
図７参照）、残部が他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、
その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続
部８ｗから排出される。又、燃料極側ガスは、各図中に
おいて二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連
通路Ｔｆから各セルＣの燃料極側流路に供給されて、燃
料極側流路を通流し、燃料極側セパレータ６を通過して
きた冷却水とともに、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出
し、冷却水と共に、その燃料極側連通路Ｔｆを通流して
排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出される。
【００２９】そして、各セルＣにおいては、燃料極側セ
パレータ６を燃料極側流路に通過してきた冷却水によっ
て高分子膜１が湿らされる状態で、酸素極側ガス中の酸
素と燃料極側ガス中の水素との電気化学反応により発電
される。又、冷却水の通流により、各セルＣの温度が所
定の温度に維持される。
【００３０】尚、各セルＣの酸素極側流路を通流して、
酸素極側ガス用接続部８ｓから排出される酸素極側ガス
には、各セルＣでの発電反応により生じた水蒸気が含ま
れている。詳細は後述するが、排出用の冷却水用接続部
８ｗから排出される水、排出用の酸素極側ガス用接続部
８ｓから排出される酸素極側ガスから回収した水、及
び、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出される
水を、冷却水供給路２５を通じて、供給用の冷却水用接
続部８ｗから各セルＣに冷却用並びに高分子膜１の加湿
用として循環供給するようにしてある。
【００３１】図１に示すように、供給用の酸素極側ガス
用接続部８ｓに酸素極側ガスとして空気を供給すべく、
送風機１１と供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓとを酸
素極側ガス供給路１２にて接続してある。ガス生成部Ｒ
にて生成された水素含有ガスを燃料極側ガスとして供給
用の燃料極側ガス用接続部８ｆに供給すべく、ガス生成
部Ｒと供給用の燃料極側ガス用接続部８ｆとを燃料極側
ガス供給路１３にて接続してある。
【００３２】図１に示すように、ガス生成部Ｒは、原燃
料供給路１４を通じて供給される原燃料ガスとしての天
然ガスを脱硫処理する脱硫器１５、その脱硫器１５から
排出される脱硫原燃料ガスと水蒸気路１６を通じて供給
される水蒸気とを改質処理して水素ガスと一酸化炭素ガ
スを生成する改質器１７、その改質器１７から排出され
るガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とを変成処理して水
素ガスと二酸化炭素ガスを生成する変成器１８、及び、
その変成器１８から排出されるガス中から一酸化炭素ガ
スを除去するＣＯ除去器１９を備えて構成してある。そ
して、一酸化炭素ガスの含有量の少ない水素含有ガスを
生成するように構成してある。改質器１７には、改質反
応用の熱を与えるためのバーナ１７ｂを備えてある。
尚、ＣＯ除去器１９は、一酸化炭素ガスのみを選択的に
酸化するように構成したり、一酸化炭素ガスのみを選択
的にメタン化するように構成する。
【００３３】次に、図１に基づいて、排出用の冷却水用
接続部８ｗから排出される水、排出用の酸素極側ガス用
接続部８ｓから排出される酸素極側ガスから回収した
水、及び、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出
される水を、冷却水供給路２５を通じて、供給用の冷却
水用接続部８ｗから各セルＣに冷却用並びに高分子膜１
の加湿用として循環供給するための構成について説明を
加える。
【００３４】水蒸気を凝結させて水を回収する凝結器２
０を設け、その凝結器２０の気相部と排出用の酸素極側
ガス用接続部８ｓとを酸素極側ガス排出路２１にて接続
し、前記気相部と排出用の冷却水用接続部８ｗとを冷却
水排出路２２にて接続し、前記気相部と排出用の燃料極
側ガス用接続部８ｆとを燃料極側ガス排出路２４にて接
続し、その燃料極側ガス排出路２４に気液分離器２３を
介装してある。凝結器２０の液相部と供給用の冷却水用
接続部８ｗとを冷却水供給路２５にて接続するととも
に、その冷却水供給路２５に冷却水ポンプ２６を設けて
ある。冷却水供給路２５には、そこを通流する冷却水の
流量を調節する流量調節弁Ｂを設けてある。
【００３５】又、気液分離器２３で分離された燃料極側
ガスを改質装置１７のバーナ１７ｂに供給すべく、気液
分離器２３の気相部とバーナ１７ｂとを燃焼用ガス路２
７にて接続し、並びに、凝結器２０で分離された空気を
バーナ１７ｂに供給すべく、凝結器２０の気相部とバー
ナ１７ｂとを燃焼用空気路２８にて接続してある。燃料
用ガス路２７には、燃焼ガス用開閉弁Ｖｂを設けてあ
る。更に、凝結器２０を通じて純水を冷却水として補給
すべく、純水タンク２９と凝結器２０とを補給水路３０
にて接続してある。
【００３６】つまり、排出用の冷却水用接続部８ｗから
排出された冷却水を冷却水排出路２２を通じて凝結器２
０に供給して、その液相部で貯留し、排出用の酸素極側
ガス用接続部８ｓから排出された酸素極側ガスを酸素極
側ガス排出路２１を通じて凝結器２０の気相部に供給し
て、そこで酸素極側ガス中に含まれる水蒸気を凝結させ
て、その凝結水を液相部で貯留し、排出用の燃料極側ガ
ス用接続部８ｆから排出された燃料極側ガスと冷却水を
気液分離器２３で気液分離して、冷却水を燃料極側ガス
排出路２４を通じて凝結器２０に供給して、その液相部
で貯留し、並びに、凝結器２０に貯留されている冷却水
を冷却水ポンプ２６によって冷却水供給路２５を通じ
て、供給用の冷却水用接続部８ｗに圧送して、各セルＣ
に供給するのである。
【００３７】気液分離器２３で分離された燃料極側ガス
を燃焼用ガス路２７にて改質装置１７のバーナ１７ｂに
供給し、並びに、凝結器２０で分離された空気を燃焼用
空気路２８にてバーナ１７ｂに供給し、バーナ１７ｂに
おいて、各セルＣから排出された燃料極側ガスを各セル
Ｃから排出された酸素極側ガスにより燃焼させて、改質
反応用の熱を与えるのである
【００３８】次に、図１に基づいて、セルＣの発電が停
止された発電停止状態において、セルＣに電流を流し
て、セルＣに供給されている水分を電気分解し、発生し
た水素ガスをガス生成部Ｒにパージ用として供給するパ
ージ運転を実行するための構成について、説明する。各
セルＣにおいて直流電流が高分子膜１を酸素極２側から
燃料極３側へ流れるように、直流の外部電源装置３１を
スイッチ３２を介して一対の集電部７に接続してある。
つまり、電流通流手段Ｓは、外部電源装置３１にて構成
してある。
【００３９】気液分離器２３の気相部をパージ用ガス供
給路３３にて原燃料供給路１４に接続し、そのパージ用
ガス供給路３３にパージガス用開閉弁Ｖｐを設けて、後
述するように、各セルＣでの水の電気分解により発生し
た水素ガスと電解されなかった水を気液分離器２３にて
気液分離して、分離された水素ガスを原燃料供給路１４
を通じてガス生成部Ｒにパージ用として供給するように
構成してある。つまり、燃料極側ガス排出路２４、気液
分離器２３、パージ用ガス供給路３３及びパージガス用
開閉弁Ｖｐにより、パージ用ガス供給手段Ｐを構成して
ある。
【００４０】次に、パージ運転を実行するための操作方
法について説明する。通常の発電状態では、燃焼ガス用
開閉弁Ｖｂを開弁し、パージガス用開閉弁Ｖｐを閉弁
し、原燃料供給路１４を通じて原燃料ガスを供給し、ガ
ス生成部Ｒ、送風機１１及び冷却水ポンプ２６夫々を作
動させ、スイッチ３２をオフ状態とする。従って、上述
のように、各セルＣに、酸素極側ガス、燃料極側ガス及
び冷却水が供給されて、各セルＣにて発電される。セル
Ｃでの発電を停止させて、発電停止状態にするには、原
燃料供給路１４を通じての原燃料ガスを供給を停止し、
ガス生成部Ｒ、送風機１１及び冷却水ポンプ２６夫々を
停止して、各セルＣへの酸素極側ガス、燃料極側ガス及
び冷却水の供給を停止する。
【００４１】パージ運転を実行するには、上記の発電停
止状態において、燃焼ガス用開閉弁Ｖｂを閉弁し、パー
ジガス用開閉弁Ｖｐを開弁し、冷却水ポンプ２６を作動
させ、スイッチ３２をオン状態にする。そして、外部電
源装置３１の調節により、セルＣに所定の電気分解用の
電流を流し、並びに、流量調節弁Ｂの調節により、セル
Ｃに所定流量の電気分解用の水を供給する。尚、凝結器
２０内の水が不足すると、純水タンク２９から補給す
る。
【００４２】そして、上述のように、冷却水流路を通流
する水の一部が燃料極側セパレータ６を燃料極流路側に
通過することにより、高分子膜１に保持される水分が、
高分子膜１を流れる電流によって電気分解されて、燃料
極３側に水素ガスが発生し、酸素極２側に酸素ガスが発
生する。各セルＣの燃料極３側に発生した水素ガスは電
解されなかった水と共に、燃料極側連通路Ｔｆを通流し
て排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出され、気
液分離器２３にて気液分離され、そこで分離された水素
ガスは、パージ用ガス供給路３３及び原燃料供給路１４
を通じて、ガス生成部Ｒにパージ用として供給される。
パージ用の水素ガスは、脱硫器１５、改質器１７、変成
器１８、及び、ＣＯ除去器１９を順次通流して、それら
がパージされるので、脱硫器１５、改質器１７、変成器
１８及びＣＯ除去器１９夫々に備えられている触媒の失
活が防止されるとともに、活性化されるのである。
【００４３】つまり、高分子膜１を湿らせるための水分
をセルＣに供給する加湿用水分供給手段は、冷却水供給
路２５及び冷却水ポンプ２６にて構成してあり、その加
湿用水分供給手段にて、電気分解用の水分をセルＣに供
給するように構成してある。
【００４４】パージ運転は、発電停止状態において行う
が、例えば、発電を停止させた直後に行うと、触媒を活
性な状態に維持させた状態で停止させることができる。
又、起動直前に行うと、触媒の活性化を促進させること
ができることに加えて、下記のように、起動時間を短縮
することができる。即ち、セルＣは電気分解による発熱
により温度が上昇している。ちなみに、図８は、電気分
解の継続時間とセル温度の室温からの上昇との関係を計
測した結果を示し、８分程度で、セル温度は運転温度に
近い７０°Ｃ程度にまで上昇することが分かる。又、上
述のガス生成部Ｒのように、天然ガスを改質処理して水
素含有ガスを生成する構成では、生成ガス中には、微量
であるが一酸化炭素ガスが含有されている。従って、電
極触媒の被毒を防止するために、セル温度を適切な温度
（例えば、８０°Ｃ程度）にまで上昇させてから、ガス
生成部Ｒからのガス供給を開始する必要がある。これに
対して、起動直前に行うと、ガス生成部Ｒ内にはパージ
用ガスである高純度の水素ガスが充満していて、ガス生
成部Ｒからのガス供給開始当初は、内部に充満している
高純度の水素ガスがセルＣに供給されるので、従来より
も低い温度で発電を開始しても、電極触媒の被毒を防止
することができる。従って、セルＣの温度が電気分解に
よる発熱により上昇していること、及び、ガス供給開始
当初は高純度の水素ガスを供給できることの相乗効果に
より、起動時間を大幅に短縮することができる。
【００４５】又、１０分間程度のパージ運転の実行で、
ガス生成部Ｒをパージするのに充分な量の水素ガスを生
成することができることが分かった。
【００４６】〔第２実施形態〕以下、図９に基づいて、
本発明の第２の実施の形態を説明する。第２実施形態に
おいては、上述の第１実施形態と同様に構成したセルス
タックＮＣを３台設け、それら３台のセルスタックＮＣ
を負荷装置Ｌに対して並列接続してある。各セルスタッ
クＮＣに対して、負荷装置Ｌとの電気的な接続を断続す
るスイッチ３４を設けてある。
【００４７】３台のセルスタックＮＣを燃料極側ガス供
給路１３にてガス生成部Ｒに並列接続すると共に、セル
スタックＮＣ夫々に対して、燃料極側ガス供給を断続す
る燃料極側ガス用開閉弁Ｖｆを設けてある。又、３台の
セルスタックＮＣを酸素極側ガス供給路１２にて送風機
１１に並列接続すると共に、セルスタックＮＣ夫々に対
して、酸素極側ガス供給を断続する酸素極側ガス用開閉
弁Ｖｓを設けてある。更に、３台のセルスタックＮＣを
冷却水供給路２５にて凝結器２０に並列接続すると共
に、セルスタックＮＣ夫々に対して、冷却水の供給量を
調節する流量調節弁Ｂを設けてある。冷却水ポンプ２６
は、冷却水を３台のセルスタックＮＣに並行して供給で
きるように冷却水供給路２５に設けてある。
【００４８】３台のセルスタックＮＣ夫々に接続した酸
素極側ガス排出路２１を凝結器２０の気相部に接続し、
３台のセルスタックＮＣ夫々に接続した冷却水排出路２
２を凝結器２０の気相部に接続し、並びに、３台のセル
スタックＮＣ夫々に接続した燃料極側ガス排出路２４を
発電用気液分離器２３の気相部に接続すると共に、その
発電用気液分離器２３の液相部を燃料極側ガス排出路２
４にて凝結器２０の気相部に接続してある。第１実施形
態と同様に、発電用気液分離器２３の気相部とガス生成
部Ｒの改質器１７のバーナ１７ｂとを燃焼用ガス路２７
にて接続し、並びに、凝結器２０の気相部とバーナ１７
ｂとを燃焼用空気路２８にて接続し、純水タンク２９を
補給水路３０にて凝結器２０に接続してある。
【００４９】つまり、セルスタックＮＣ毎に、燃料極側
ガス、酸素極側ガス及び冷却水の供給を断続可能にし
て、セルスタックＮＣ毎に発電状態と発電停止状態とに
切り換え自在に構成してある。又、各スイッチ３４のオ
ンオフ操作により、発電状態のセルスタックＮＣの発電
電流を電気分解用として、発電停止状態のセルスタック
ＮＣに供給する状態に切り換え自在に構成してある。
【００５０】３台のセルスタックＮＣ夫々に接続した燃
料極側ガス排出路２４夫々に、三方弁Ｔを介してパージ
用ガス回収路３５を接続し、それら３本のパージ用ガス
回収路３５をパージ用気液分離器３６の気相部に接続
し、そのパージ用気液分離器３６の気相部をパージ用ガ
ス供給路３３にて原燃料供給路１４に接続し、並びに、
パージ用気液分離器３６の液相部を水回収路３７にて凝
結器２０に接続してある。更に、パージ用ガス供給路３
３の途中には、通流ガスを貯蔵するパージ用ガス貯蔵部
３８を設け、パージ用ガス供給路３３において、パージ
用ガス貯蔵部３８よりも下流側にパージガス用開閉弁Ｖ
ｐを設け、上流側に逆止弁３９を設けてある。
【００５１】つまり、各セルＣでの水の電気分解により
発生した水素ガスと電解されなかった水をパージ用気液
分離器３６にて気液分離して、分離された水素ガスをパ
ージ用ガス貯蔵部３８にて一時的に貯蔵しておいて、必
要時に、ガス生成部Ｒにパージ用として供給するように
構成してある。又、パージ用気液分離器３６にて分離さ
れた水は、水回収路３７を通じて凝結器２０に供給して
回収するように構成してある。
【００５２】従って、パージ用ガス供給手段Ｐは、３台
のセルスタックＮＣ夫々に接続した三方弁Ｔと、それら
３個の三方弁Ｔ夫々に接続したパージ用ガス回収路３５
と、それら３本のパージ用ガス回収路３５に接続したパ
ージ用気液分離器３６と、そのパージ用気液分離器３６
の気相部と原燃料供給路１４とに接続したパージ用ガス
供給路３３と、そのパージ用ガス供給路３３に設けた逆
止弁３９、パージ用ガス貯蔵部３８及びパージガス用開
閉弁Ｖｐとにより構成してある。
【００５３】次に、パージ運転を実行するための操作方
法について説明する。３台のセルスタックＮＣを発電状
態にして、３台のセルスタックＮＣの発電電力を負荷装
置Ｌに供給するときは、以下のように操作する。即ち、
ガス生成部Ｒ、送風機１１及び冷却水ポンプ２６夫々を
作動させ、３個の燃料極側ガス用開閉弁Ｖｆ及び３個の
酸素極側ガス用開閉弁Ｖｓを開弁状態とし、３個の三方
弁Ｔを発電用気液分離器２３側の流路に切り換え、３個
のスイッチ３４をオン状態とする。従って、３台のセル
スタックＮＣ夫々に、酸素極側ガス、燃料極側ガス及び
冷却水が供給されて、３台のセルスタックＮＣにて発電
され、３台のセルスタックＮＣの発電電力が負荷装置Ｌ
に供給される。
【００５４】３台のセルスタックＮＣ夫々の冷却水用接
続部８ｗから排出された冷却水、及び、３台のセルスタ
ックＮＣ夫々の排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから
排出された酸素極側ガスは凝結器２０の気相部に供給さ
れ、３台のセルスタックＮＣ夫々の排出用の燃料極側ガ
ス用接続部８ｆから排出された燃料極側ガスと冷却水は
発電用気液分離器２３で気液分離され、分離された冷却
水は凝結器２０に供給され、並びに、凝結器２０に貯留
されている冷却水が冷却水ポンプ２６によって３台のセ
ルスタックＮＣ夫々に供給される。又、発電用気液分離
器２３で分離された燃料極側ガス、及び、凝結器２０で
分離された空気がガス生成部Ｒの改質器１７のバーナ１
７ｂに供給され、そこで、燃料極側ガスが燃焼する。
【００５５】電気負荷が小さくなって、３台のセルスタ
ックＮＣのうちの１台を発電停止状態にするときは、以
下のように操作する。即ち、発電停止状態にするセルス
タックＮＣに対応するスイッチ３４をオフ状態にし、燃
料極側ガス用開閉弁Ｖｆ及び酸素極側ガス用開閉弁Ｖｓ
を閉弁状態にする。従って、セルスタックＮＣに対する
燃料極側ガス及び酸素極側ガスの供給が停止するので、
発電停止状態となる。
【００５６】発電停止状態のセルスタックＮＣを用いて
水を電気分解するときは、以下のように操作する。即
ち、発電停止状態のセルスタックＮＣに対応する三方弁
Ｔを、パージ用気液分離器３６側の流路に切り換え、パ
ージガス用開閉弁Ｖｐを閉弁状態とし、スイッチ３４を
オン状態とする。すると、発電停止状態のセルスタック
ＮＣにおいては、継続して冷却水が供給され、並びに、
他の発電状態のセルスタックＮＣの発電電流が流れ、そ
の電流によって、高分子膜１に保持されている水分が電
気分解されて、燃料極３側に水素ガスが発生し、酸素極
２側に酸素ガスが発生する。各セルＣの燃料極３側にて
発生した水素ガスと電解されなかった水は共に、燃料極
側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部
８ｆから排出され、三方弁Ｔ及びパージ用ガス回収路３
５を経てパージ用気液分離器３６に供給されて、そこで
気液分離され、分離された水素ガスは、パージ用ガス供
給路３３を通流してパージ用ガス貯蔵部３８で貯蔵され
る。
【００５７】電力需要がなくなって、３台のセルスタッ
クＮＣ全てを発電停止状態にするには、以下のように操
作する。即ち、原燃料供給路１４を通じての原燃料ガス
を供給を停止し、ガス生成部Ｒ、送風機１１及び冷却水
ポンプ２６夫々を停止して、３台のセルスタックＮＣへ
の酸素極側ガス、燃料極側ガス及び冷却水の供給を停止
する。
【００５８】そして、３台のセルスタックＮＣの全てが
発電停止状態になっている状態で、パージガス用開閉弁
Ｖｐを開弁状態に切換えると、パージ用ガス貯蔵部３８
内の水素ガスは、原燃料供給路１４を通じてガス生成部
Ｒにパージ用として供給されて、ガス生成部Ｒがパージ
される。
【００５９】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 （イ） 上記の各実施形態においては、セルＣに対する
電気分解用の水の供給は、冷却水流路により行う場合に
ついて例示したが、燃料極側流路又は酸素極側流路によ
り行っても良い。 （ロ） 電気分解用としてセルに供給する水分として
は、上記の各実施形態で例示した水の他に、水蒸気でも
良い。 （ハ） 上記の各実施形態においては、パージ運転を実
行するに当たって、電気分解用として新たにセルＣに水
分を供給する場合について例示した。これに代えて、パ
ージ運転を実行するに当たって、電気分解用として新た
にセルＣに水分を供給せずに、発電の停止時にセルＣに
残留している水分を用いても良い。
【００６０】（ニ） 上記の各実施形態においては、電
気分解により発生した水素ガスにてガス生成部Ｒをパー
ジするに当たっては、水素ガスを原燃料供給路１４から
供給して、脱硫器１５、改質器１７、変成器１８及びＣ
Ｏ除去器１９の全てをパージする場合について例示し
た。これに代えて、例えば、水素ガスを改質器１７から
供給して、改質器１７、変成器１８及びＣＯ除去器１９
をパージするようにしても良い。
【００６１】（ホ） 上記の第１実施形態において、第
２実施形態のように、電気分解により発生した水素ガス
を一次貯蔵するパージ用ガス貯蔵部３８を設けても良
い。 （ヘ） 上記の第２実施形態においては、セルスタック
ＮＣの設置台数は、３台に限定されるものではない。
又、同時に電気分解用として作動させるセルスタックＮ
Ｃの台数は、１台に限定されるものではなく、設置して
いる複数のセルスタックＮＣのうちの一部であれば、複
数台でも良い。
【００６２】（ト） 上記の各実施形態において、指令
に基づいて、パージ運転を実行するための各部（ガス生
成部Ｒ、送風機１１、冷却水ポンプ２６、スイッチ類、
開閉弁類等）の作動制御を自動的に実行する制御装置を
設けて、操作性の向上を図っても良い。
【００６３】（チ） 上記の各実施形態においては、電
気分解用の電流を、高分子膜１を酸素極２側から燃料極
３側へ流す場合について例示したが、逆向きに流しても
良い。但し、この場合は、酸素極側ガス排出路２１に気
液分離器を設ける必要がある。
【００６４】（リ） 本発明は、上記の実施形態におい
て例示した如き、高分子膜１を加湿するための水を直接
にセルＣに供給するように構成した内部加湿方式の燃料
電池以外にも、種々の型式の燃料電池に適用することが
できる。例えば、以下に説明するように構成した内部加
湿方式の燃料電池にも適用することができる。即ち、燃
料極側セパレータ６は気密状に形成する。そして、高分
子膜１の一方の側に水の流路を、且つ、他方の側に燃料
極側ガスの流路を備えた燃料極側ガス加湿部と、高分子
膜１の一方の側に水の流路を、且つ、他方の側に酸素極
側ガスの流路を備えた酸素極側ガス加湿部とをセルスタ
ックＮＣの積層方向の端部に設ける。更に、燃料極側ガ
ス加湿部及び酸素極側ガス加湿部の各水流路の流入側夫
々を、排出用の冷却水側連通路Ｔｗの終端部に連通接続
し、燃料極側ガス加湿部における燃料極側流路の流出部
を、供給用の燃料極側連通路Ｔｆの始端部に連通接続
し、並びに、酸素極側ガス加湿部における酸素極側流路
の流出部を、供給用の酸素極側連通路Ｔｓの始端部に連
通接続する。そして、供給用の酸素極側ガス用接続部８
ｓを前記酸素極側ガス加湿部における酸素極側流路の流
入部に対して接続し、供給用の燃料極側ガス用接続部８
ｆを前記燃料極側ガス加湿部における燃料極側流路に対
して接続する。
【００６５】つまり、燃料極側ガス加湿部において、高
分子膜１を透過した水蒸気により、燃料極側ガスが加湿
され、そのように加湿された燃料極側ガスが、燃料極側
連通路Ｔｆを通じて各セルＣの燃料極側流路に供給され
て、各セルＣの高分子膜１が加湿される。並びに、酸素
極側ガス加湿部において、高分子膜１を透過した水蒸気
により、酸素極側ガスが加湿され、そのように加湿され
た酸素極側ガスが、酸素極側連通路Ｔｓを通じて各セル
Ｃの酸素極側流路に供給されて、各セルＣの高分子膜１
が加湿される。
【００６６】あるいは、セルスタックＮＣの外部で加湿
した燃料極側ガスや酸素極側ガスをセルスタックＮＣに
供給して、燃料極側ガスや酸素極側ガスに含まれる水分
により高分子膜１を加湿する外部加湿方式の燃料電池に
も適用することができる。但し、これらの場合は、セル
Ｃに対する電気分解用の水の供給は、燃料極側流路又は
酸素極側流路により行う必要がある。
【００６７】（ヌ） 燃料極側ガスとして用いる水素含
有ガスは、上記の実施形態において例示した天然ガス以
外に、アルコール等種々の炭化水素系の原料を改質処理
して生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態にかかる燃料電池発電装置の全体
構成を示すブロック図
【図２】セルの分解斜視図
【図３】セルスタックの要部の分解斜視図
【図４】セルスタックの要部の分解斜視図
【図５】セルスタックの要部の分解斜視図
【図６】セルスタックの全体概略構成を示す図
【図７】セルスタックの要部のセル積層方向での断面図
【図８】電気分解の継続時間とセル温度の上昇との関係
を示す図
【図９】第２実施形態にかかる燃料電池発電装置の全体
構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 高分子電解質層 ２５，２６ 加湿用水分供給手段 ３１ 外部電源装置 Ｃ セル ＮＣ 発電部 Ｐ パージ用ガス供給手段 Ｒ ガス生成部 Ｓ 電流通流手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 越後 満秋 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 5H027 AA06 BA01 BA09 BA10 BA17 BA20 BC06 CC06 MM01 MM26

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素を原料として水素含有ガスを生
    成するガス生成部と、 そのガス生成部にて生成された水素含有ガスを用いて、
    高分子電解質層を備えたセルにて発電する発電部が設け
    られた燃料電池発電装置の運転方法であって、 前記セルの発電が停止された発電停止状態において、前
    記セルに電流を流して、前記セルに供給されている水分
    を電気分解し、発生した水素ガスを前記ガス生成部にパ
    ージ用として供給するパージ運転を実行する燃料電池発
    電装置の運転方法。
  2. 【請求項２】 炭化水素を原料として水素含有ガスを生
    成するガス生成部と、 そのガス生成部にて生成された水素含有ガスを用いて、
    高分子電解質層を備えたセルにて発電する発電部が設け
    られた燃料電池発電装置であって、 前記セルの発電が停止された発電停止状態において、前
    記セルに供給されている水分を電気分解するための電流
    を前記セルに流す電流通流手段と、 前記セルにおいて電気分解により発生した水素ガスを、
    前記ガス生成部にパージ用として供給するパージ用ガス
    供給手段が設けられている燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】 前記電流通流手段が、外部電源装置にて
    構成されている請求項２記載の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項４】 前記発電部が複数設けられ、 それら複数の発電部が、その一部を前記発電停止状態と
    して、その発電停止状態の発電部に対して、他の発電状
    態の発電部にて発電された発電電流を電気分解のために
    供給する状態に切り換え自在に構成されて、前記発電部
    が前記電流通流手段に兼用されるように構成され、 前記パージ用ガス供給手段が、前記セルにおいて電気分
    解により発生した水素ガスを一時的に貯蔵しておいて、
    全ての発電部が前記発電停止状態になった状態で、前記
    ガス生成部にパージ用として供給するように構成されて
    いる請求項２記載の燃料電池発電装置。
  5. 【請求項５】 前記高分子電解質層を湿らせるための水
    分を前記セルに供給する加湿用水分供給手段にて、電気
    分解用の水分が前記セルに供給されるように構成されて
    いる請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電
    装置。
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