JP2007141476A

JP2007141476A - 燃料電池システムの運転停止方法

Info

Publication number: JP2007141476A
Application number: JP2005329485A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Murahashi; 俊明村橋
Original assignee: Kanai Educational Institution
Current assignee: Kanai Educational Institution
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】本発明は、装置の停止動作に伴う外気の侵入や一酸化炭素の滞留による触媒の劣化を抑えて長期にわたって安定した出力を維持することができる燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】システムの運転停止時に、電磁弁１０及び１１を閉じて変成器３からの燃料ガス及び空気供給装置７からの空気のＰＥＦＣ４への供給を停止するとともにＰＥＦＣ４の排出側の電磁弁１２及び１３を閉じる。そして、電磁弁１４を開いて水素吸蔵合金タンク６からＰＥＦＣ４内への水素の供給を行う。燃料ガス及び空気の供給停止に伴いＰＥＦＣ４内の温度が低下して気体圧力が低下するが、水素吸蔵合金タンク６から水素ガスを供給してほぼ大気圧状態に維持することで外気の侵入が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む燃料ガスを燃料電池本体に供給して発電を行うとともに燃料電池本体からの排出ガスに含まれる水素を分離して回収する燃料電池システムの運転停止方法に関する。

燃料電池は、排出ガスに環境に影響を与える有害物質がほとんどないことから、家庭用又はビル用の発電装置や電気自動車等の電源として開発が進められている。燃料電池の中で固体高分子形燃料電池は天然ガス等を用い常温でも運転可能なことから、主に自動車用や家庭用発電装置として実用化が進められている。

固体高分子形燃料電池を用いたシステムとしては、例えば、特許文献１では、メタノール等の炭化水素を改質して水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池本体に供給され、一方酸化剤として空気が燃料電池本体に供給されることで、水素と酸素から水が生成する電気化学反応が燃料電池本体内で生じて発電が行われるようになっている。そして、燃料電池本体から排出される燃料排出ガスの中に含まれる水素を水素生成器で選択的に濃縮して水素貯蔵部に蓄積しておき、蓄積した水素を必要に応じて燃料電池本体に供給するようにした点が記載されている。また、特許文献２では、燃料ガスとして水素ガスを供給し酸化ガスとして空気を供給して発電を行うとともに運転停止時には貯留しておいた燃料ガス又は排出ガスを燃料電池内に供給して外気の侵入を防止するとともに内部の残存酸素を消費し尽くすようにした点が記載されている。また、特許文献３では、燃料ガスの燃焼を不完全燃焼として燃焼排ガスに還元性を持たせ、発電停止時に燃料極の通路内に還元性を有する燃焼排ガスを供給して燃料極の還元性を保持させるようにした点が記載されている。また、特許文献４では、燃料電池内の正極において水素を発生させた後運転を停止するようにした点が記載されている。
特開平５−１３０９４号公報特許平８−１９５２１０号公報特開平１１−１６２４９２号公報特許第２５４２０９６号公報

上述した特許文献２〜４では、燃料電池の運転停止時における外気の侵入を防止するために燃料ガスや排出ガスを供給するようにしているが、メタノール等の炭化水素を改質して燃料ガスを生成する場合に含まれる一酸化炭素が触媒として用いられる白金を被毒して出力を低下させるため、燃料ガスをそのまま停止状態における低い温度の燃料電池本体内に滞留させておくことは好ましくない。また、排出ガスをそのまま用いる場合にも未燃焼の一酸化炭素が含まれている場合があるため、同様に燃料電池の出力を低下させるおそれがある。

家庭用発電装置として燃料電池を用いる場合、装置を使用しない時間帯（夜間など）に装置の運転停止を行うため、装置の起動動作及び停止動作を頻繁に繰り返し行うようになる。そして、停止動作のたびに燃料電池内の温度が低下し、動作温度（８０℃）で膨張していた気体の体積が収縮して内部が大気圧より低い負圧状態となるため、燃料電池内に外気が侵入して触媒の劣化が進み、出力低下が大きくなる。例えば、燃料極側に外気が侵入すると、空気中の酸素により燃料極側の電位が上昇するようになる。また、燃料電池内の温度が低下すると、白金等の触媒が一酸化炭素を強く吸着しやすくなるため、触媒の劣化が進みやすくなる。

したがって、家庭用発電装置では、繰り返し行われる停止動作に伴う外気の侵入や一酸化炭素の滞留を排除して触媒の劣化を極力抑え安定した出力を維持する必要がある。

そこで、本発明は、装置の停止動作に伴う外気の侵入や一酸化炭素の滞留による触媒の劣化を抑えて長期にわたって安定した出力を維持することができる燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、水素を含む燃料ガスを燃料電池本体に供給して発電を行うとともに燃料電池本体からの排出ガスに含まれる水素を分離して回収する燃料電池システムの運転停止方法であって、燃料電池本体への燃料ガスの供給停止時に、運転中に回収された水素を燃料電池本体に供給して少なくとも燃料極内がほぼ大気圧状態を保ちながら水素ガス雰囲気中となるように水素ガスを充填することを特徴とする。さらに、運転中に回収された水素は、水素吸蔵合金に蓄積されることを特徴とする。

本発明は、上記の構成を備えることで、運転停止時に燃料電池本体からの排出ガスに含まれる水素のみを燃料電池本体に供給してほぼ大気圧状態となるように水素ガスで充填するようにしているので、運転停止中に触媒劣化の要因となる外気の侵入や一酸化炭素の滞留を排除した状態が維持されて、触媒劣化に伴う燃料電池の出力低下を抑えることが可能となる。

また、排出ガス中に含まれる水素を用いているので、別途充填用のガスボンベ等の追加設備を設ける必要がなく、追加コスト負担も生じない。そして、運転中に排出ガスから水素が回収されるので、家庭用発電装置として用いた場合に繰り返し停止動作が行われても停止動作毎に常時十分な量の水素を供給できるため、長期にわたって安定した運転を行うことができる。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る実施形態に関する燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システムは、燃料タンク１、改質器２、変成器３、固体高分子電解質形燃料電池本体４（以下「ＰＥＦＣ」と略称する。）、分離セル５、水素吸蔵合金タンク６及び空気供給装置７を備えている。

燃料タンク１には、燃料ガスの原料として炭化水素燃料が貯留されており、例えばメタノール、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、軽油等が挙げられる。改質器２では、燃料タンク１から供給された燃料を改質反応により水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。そして、変成器３では、一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素に変成させて一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を低くする。こうして炭化水素燃料から水素を含む燃料ガスを生成する工程は、公知のものである。さらに、図示されていないが、変成器３とＰＥＦＣ４との間に設置する選択酸化装置により、残存するＣＯを１０ｐｐｍ程度にまで減少させることが行われている。

生成された燃料ガスは、ＰＥＦＣ４に供給される。一方、酸化剤として空気が空気供給装置７よりＰＥＦＣ４に供給される。ＰＥＦＣ４は、図２に示すような単セルを多数積層したスタックで構成される。単セルは、固体高分子電解質膜２０の両側に、白金等の触媒層及び拡散層を備えた燃料極２１及び空気極２２がそれぞれ積層されており、燃料極２１及び空気極２２の外表面にはセパレータ２３及び２４が配設されている。そして、燃料極２１とセパレータ２３との間には燃料ガスが流通する流路２５が形成されており、空気極２２とセパレータ２４との間には空気が流通する流路２６が形成されている。燃料極２１に供給された燃料ガスに含まれる水素は触媒によりプロトン（Ｈ⁺）となり、生成されたプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜を通り空気極２２に到達して空気中の酸素と反応して水が生成されるようになる。水が生成する際に電気エネルギーと熱エネルギーが発生するが、発生された電気エネルギーを起電力として外部負荷８に供給する。

こうしてＰＥＦＣ４内で電気化学的反応に用いられた燃料ガス及び空気は排出ガスとして外部に放出されるが、燃料ガスの排出ガスには未反応の水素が含まれているため分離セル５で未反応の水素を分離・回収した後外部に放出される。分離セル５では、図３に模式的に示すように、排出ガスに含まれる水素が触媒を備えたアノード電極５１でプロトンとなり、外部の直流電源５３により生成されたプロトンは固体高分子電解質膜５０を通り触媒を備えたカソード電極５２で電子と会合して再び水素に戻る。そのため、分離セル５により純粋な水素が分離・回収されるようになる。

こうして回収された水素は、水素吸蔵合金タンク６に導入されて内蔵された水素吸蔵合金内に貯留される。水素吸蔵合金タンク６に貯留された水素は、後述する電磁弁を開閉することで必要に応じてＰＥＦＣ４に供給される。また、システムの起動時に水素吸蔵合金タンク６からＰＥＦＣ４に水素を供給することで、短時間にシステムの起動動作を行うことができる。

ＰＥＦＣ４に空気を供給する管路には電磁弁１０が配設されている。また、変成器３からＰＥＦＣ４に燃料ガスを供給する管路には電磁弁１１が配設されており、電磁弁１１は、水素吸蔵合金タンク６からの合流ポイントよりも上流側に配置されている。ＰＥＦＣ４からの空気排出ガスが排出される管路には電磁弁１２が配設されている。また、ＰＥＦＣ４からの燃料排出ガスが排出される管路には電磁弁１３が配設されており、分離セル５は電磁弁１３を介してＰＥＦＣ４に接続されている。分離セル５で水素が回収された残りの排出ガスが排出される管路には電磁弁１５が配設されており、水素吸蔵合金タンク６からＰＥＦＣ４に水素を供給する管路には電磁弁１４が配設されている。

次に、これらの電磁弁を用いた燃料電池システムの停止動作を説明する。燃料電池システムの停止制御信号が入力されると、まず、電磁弁１０、１１、１２及び１３が閉鎖されて燃料ガス及び空気のＰＥＦＣ４への供給が停止されるとともに排出側の管路についても外部と遮断される。そして、電磁弁１４を開いて水素吸蔵合金タンク６とＰＥＦＣ４が接続した状態とする。燃料ガス及び空気の供給停止によりＰＥＦＣ４内の電気化学的な反応は停止するため、熱の発生はなくなって徐々に内部温度が低下するようになる。そのため、ＰＥＦＣ４内部の気体圧力が低下していき大気圧レベルよりも低下するようになるが、電磁弁１４が開いた状態となっているため水素吸蔵合金タンク６より水素が放出されてＰＥＦＣ４の燃料極側内部に水素ガスが供給されるようになる。そして、水素吸蔵合金タンク６からの水素ガスの供給をＰＥＦＣ４内部の圧力がほぼ大気圧状態となるように制御する。制御方法としては、例えばＰＥＦＣ４内の圧力を検知して電磁弁１４の開閉を制御するようにしてもよい。こうして、停止中のＰＥＦＣ４の燃料極側内部に十分な量の水素ガスが供給されてほぼ大気圧状態に安定維持されるようになる。したがって、ＰＥＦＣ４内部の圧力低下に伴う外気の侵入が防止されるとともに燃料ガスが水素ガスにより置換されることで燃料ガスに含まれる一酸化炭素による触媒の劣化を防止することが可能となる。

また、長時間停止する場合でも水素吸蔵合金タンク６に水素が貯留されている限り外気の侵入が防止されるので、家庭用発電装置に用いる場合に特に好適である。そして、頻繁に停止動作を行う場合でも運転中に水素吸蔵合金タンク６に水素が貯留されていくため、停止動作の際には常時十分な量の水素をＰＥＦＣ４に供給することが可能となる。

本発明に係る実施形態に関する燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池の単セルの模式説明図である。分離セルの模式説明図である。

符号の説明

１燃料タンク
２改質器
３変成器
４ＰＥＦＣ
５分離セル
６水素吸蔵合金タンク
７空気供給装置
８外部負荷

Claims

水素を含む燃料ガスを燃料電池本体に供給して発電を行うとともに燃料電池本体からの排出ガスに含まれる水素を分離して回収する燃料電池システムの運転停止方法であって、燃料電池本体への燃料ガスの供給停止時に、運転中に回収された水素を燃料電池本体に供給して少なくとも燃料極内がほぼ大気圧状態を保ちながら水素ガス雰囲気となるように水素ガスを充填することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
運転中に回収された水素は、水素吸蔵合金に蓄積されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。