JP2009087862A - 燃料電池の運転停止方法および燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】緊急停止時における発電セルの破損を防止する。
【解決手段】発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池の運転停止方法であって、緊急停止の際、上記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、上記空気極に酸化剤ガスを供給する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池の異常発生時の緊急停止方法、および、そのための機構に関するものである。

従来、酸化物イオン導電体から成る固体電解質を両側から空気極と燃料極で挟み込んだ構造の燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率でクリーンな発電装置として注目されている。

係る燃料電池では、発電セルの空気極に空気（Ｏ₂）が、また燃料極に燃料ガス(Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給され、電極反応により発電が行われる。
すなわち、空気極に供給された酸素は、空気極内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質内を拡散移動して燃料極との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して燃料極に電子を放出すると共に、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応生成物を発電セルの外に放出する。この電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、燃料電池の運転中に地震、落雷等による系統電源の停電、或いは、燃料電池出力の極端な低下や燃料電池モジュールの過度の温度上昇等の異常事態が発生した場合、運転は緊急停止される。

通常、緊急時における燃料電池の運転停止は、燃料電池へ供給する燃料ガスと空気を直ちに遮断して、発電出力をゼロにすることにより行われるが、この際、燃料ガスと空気を同時に遮断すると、発電セルが破損するという不具合があった。

このような発電セルの破損は、以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、緊急停止時に燃料ガスの供給が停止されても、多少の燃料ガスが燃料電池モジュール内部の、例えば、改質器の内部等に残存している。そして、空気極へ供給される空気が遮断されたことにより、発電セル内において酸素分子のイオン化ができない状態において、モジュール内に残存する燃料ガスが発電セル内に流入すると、固体電解質中の酸素が結晶構造から解離して燃料極側の水素と反応して固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される現象が生じることがあり、その結果、発電セルが破損してしまうのである。

このように、固体酸化物が極僅かでも金属に還元されると、電解質としての構造が崩壊して発電反応が起こらなくなる。上記現象は不可逆反応であり、一度この現象が起こると、再度空気極に空気を供給しても発電セルの性能を回復することは不可能であり、このことは、燃料電池にとって致命的となる。

尚、異常停止時における燃料電池の発電性能の低下を抑制する先行技術として、特許文献１が開示されている。特許文献１には、異常停止時に酸化剤が燃料電池内部に流入することを防止することで、電極電位の上昇を防止する技術が開示されている。
特開２００６− ２２１８３６号公報

本発明は、上記不具合に鑑み成されたもので、緊急停止時における発電セルの破損を防止できる燃料電池の好ましい運転停止方法と、そのための運転停止制御を実現した信頼性の高い燃料電池発電装置を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の燃料電池の運転停止方法は、発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池の運転停止方法であって、緊急停止の際、上記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、上記空気極に酸化剤ガスを供給することを特徴としている。
ここで、緊急とは、燃料電池の運転中に地震や落雷等により系統電源の停電が発生した場合や、燃料電池出力の極端な低下や燃料電池モジュールの過度の温度上昇等の異常事態が発生した場合を言う。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の運転停止方法において、上記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、上記空気極に少なくとも１秒間以上酸化剤ガスを供給することを特徴としている。

また、請求項３に記載の燃料電池発電装置は、発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、空気ブロアが設けられ、その送風力により上記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、上記燃料電池の出力電力を蓄電する蓄電器を備えて成り、緊急時に、上記蓄電器の蓄電電力により上記空気ブロアを作動することにより、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴としている。

また、請求項４に記載の燃料電池発電装置は、発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、空気ブロアが設けられ、その送風力により上記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、上記酸化剤ガス供給ラインの上記空気ブロアと上記燃料電池の間に設けられて、酸化剤ガスを一時貯留するバッファタンクを備えて成り、緊急時に、上記空気ブロアが停止した際に、上記バッファタンク内の酸化剤ガスを上記空気極に供給することで、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電装置において、上記酸化剤ガス供給ラインは、緊急時に上記空気ブロアが停止した際に、上記バッファタンクから上流側へ向かう酸化剤ガスの流れを防止する逆止弁を備えることを特徴としている。

また、請求項６に記載の燃料電池発電装置は、発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、当該コンプレッサからの酸化剤ガスを一時貯留する空気タンクと、当該空気タンクと上記燃料電池の間に設けられて酸化剤ガスの流量を制御するマスフローコントローラとを有し、上記コンプレッサからの酸化剤ガスを上記空気極に供給する酸化剤ガス供給ラインと、上記マスフローコントローラをバイパスするように設けられ、緊急時に、上記マスフローコントローラが停止した際に開路して、上記空気極に酸化剤ガスを供給するバイパスラインを備えて成り、緊急時に、上記バイパスラインを通して上記空気タンク内の酸化剤ガスを上記空気極に供給することで、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池発電装置において、上記バイパスラインは、ノーマルオープン型の電磁バルブを備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、緊急停止の際、燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、空気極に酸化剤ガスを供給するようにしたので、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール内に多少残存する燃料ガスが燃料極に流入したとしても、空気極に供給される酸化剤ガスにより発電セル内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セルの破損を防止できる。

また、燃料電池モジュール内の残存ガスが燃料極へ流入する時間は、高々０．５秒間程度であるから、請求項２に記載の発明のように、燃料ガスの供給停止後、空気極に少なくとも１秒間以上、酸化剤ガスを継続供給することにより、上記した酸素不足による発電セルの破損を確実に防止できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、燃料電池の出力電力を蓄電する蓄電器を備えたので、緊急停止の際も、その蓄電電力により空気ブロアを継続作動して空気極に酸化剤ガスを供給することが可能となり、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール内に多少残存する燃料ガスが燃料極に流入したとしても、空気ブロアによって空気極に供給される酸化剤ガスにより発電セル内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セルの破損を防止できる。

また、請求項４に記載の発明によれば、空気ブロアより送られる酸化剤ガスを一時貯留するバッファタンクを備えたので、緊急時に空気ブロアが停止しても、バッファタンクに貯留された酸化剤ガスが空気極に供給される。よって、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール内に多少残存する燃料ガスが燃料極に流入したとしても、バッファタンク内の酸化剤ガスが空気極に供給されることにより、発電セル内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セルの破損を防止できる。

また、請求項５に記載の発明によれば、逆止弁を備えることより、空気ブロアが停止した際に、バッファタンク内の酸化剤ガスが上流側へ逆流する不具合が防止され、酸化剤ガスを効率良く空気極に供給することができる。

また、請求項６、７に記載の発明によれば、酸化剤ガスのマスフローコントローラをバイパスするバイパスラインを備えたので、緊急時にマスフローコントローラ停止しても、バイパスラインを通して空気タンク内の酸化剤ガスを空気極に供給することが可能となり、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール内に残存する多少の燃料ガスが燃料極に流入したとしても、上記バイパスラインを通して空気極に供給される酸化剤ガスにより発電セル内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セルの破損を防止できる。

本発明は、反応用ガスとして、燃料極に燃料ガス（水素）を供給し、空気極に酸化剤ガス（空気）を供給して発電を行う燃料電池において、運転中に地震や落雷等により系統電源（電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源）が停電した場合、或いは、燃料電池出力の極端な低下や燃料電池モジュールの過度の温度上昇が発生した場合等、異常事態が発生した場合（緊急時という）に、燃料電池への反応用ガスの供給を直ちに停止して出力をゼロにする、緊急時における燃料電池の運転停止方法である。

既述したように、緊急停止の際に燃料ガスの供給が停止されても、燃料電池モジュールの内部には多少の燃料ガスが残存しており、緊急停止により空気の供給が停止された状態、すなわち、空気不足で発電セル内において酸素分子のイオン化ができない状態において、モジュール内に残存する燃料ガスが発電セル内に流入した場合、固体電解質中の酸素が結晶構造から解離して燃料極の水素と反応し、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元され、発電セルが破損するという問題が生じる。

図５は、緊急停止時における発電セルの破損を防止するための燃料電池の運転停止方法の実施形態を示している。図５において、縦軸は燃料電池に供給する反応用ガスの量を示し、横軸は経過時間を示している。（イ）は空気流量を示し、（ロ）は燃料ガス（水素）流量を示し、（ハ）は燃料電池モジュール内に残存する燃料ガスの量を示している。

本実施形態の運転停止方法において特筆すべき点は、図５に示すように、緊急停止の際、燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、空気極に空気を供給するようにした緊急停止時の空気供給制御である。当空気供給制御によれば、緊急停止後も空気極に空気が供給されることにより、発電セル内において酸素分子のイオン化が継続され、その結果、固体電解質中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セルの破損を防止できるのである。

緊急停止後の空気の供給量は、定格量（発電時の空気供給量）でも良いが、発電反応が生じない定格量の１／１０程度でも構わない。要は、発電セル内において酸素分子のイオン化が継続できる空気量であれば構わない。
また、燃料電池モジュール内に残存する燃料ガスの量は極僅かであって、燃料ガスが燃料極へ流入する時間は、高々０．５秒間程度であるから、燃料ガスの供給停止後、空気極に少なくとも１秒間以上（２〜３秒間）継続して空気を供給できれば燃料極に流入する残余の燃料ガスを完全に反応させることができ、上述した空気（酸素）不足による発電セルの破損は確実に防止できる。

次に、上述した緊急停止時の空気供給制御を実現する燃料電池発電装置の構成を図１〜図４に基づいて説明する。

図１は本発明の第１の実施形態による燃料電池発電装置の構成を示している。 第１実施形態による燃料電池発電装置１は、図１に示すように、燃料ガスと空気を供給して直流出力を得る固体酸化物形燃料電池３（以下、単に燃料電池３という）を、図示しない改質器（都市ガスの改質用）等とともに断熱ハウジング内に収容した燃料電池モジュール２と、図示しない脱硫器や改質器を備え、燃料電池３に燃料ガス（水素、都市ガス等）を供給する燃料ガス供給ライン４０と、最上流側に空気ブロア２１が配設され、その送風力により燃料電池３に空気を供給する空気供給ライン２０と、燃料電池３の直流出力を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の直流出力を交流出力に変換して外部負荷（図示せず）に供給するインバータ１９と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の直流出力を蓄電する蓄電器２２（例えば、バッテリ、或いは大容量キャパシタ等）とを備えている。
また、上記空気ブロア２１には、駆動用電源として系統電源５０とともに上記蓄電器２２の出力が接続されている。

上記燃料電池３は、図４に示すように、固体電解質４の両面に燃料極５と空気極６を配した発電セル７と、燃料極５の外側の燃料極集電体８と、空気極６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。

また、この積層体の上下両端に端板１５ａ、１５ｂが配置されていると共に、上端板１５ａに上記空気供給ライン２０の下流端が接続され、下端板１５ｂに上記燃料ガス供給ライン４０の下流端が接続されている。また、積層体の内部には、絶縁性部材で成る管状の空気マニホールド１４と燃料ガスマニホールド１３が積層方向に延設されている。
そして、上記空気供給ライン２０は、上端板１５ａ内のガス通路（図示せず）を介して上記空気マニホールド１４に接続され、上記燃料ガス供給ライン４０は、下端板５ｂ内のガス通路（図示せず）を介して上記燃料ガスマニホールド１３に接続されている。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、空気マニホールド１４を介して供給される空気を、セパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出して空気極に供給する空気通路１２と、燃料ガスマニホールド１３を介して供給される燃料ガスを、セパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出して燃料極５に供給する燃料ガス通路１１とを備えている。

上記構成の燃料電池発電装置１において、特筆すべきは、空気ブロア２１の駆動電源として、系統電源５０の他に、燃料電池３の出力電力を蓄電する蓄電器２２が接続されている点である。
このように構成することにより、緊急停止時においても、蓄電器２２からの蓄電電力により空気ブロア２１を継続作動して空気極６に空気を供給することが可能となり、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール２内に多少残存する燃料ガスが燃料極５に流入したとしても、空気ブロア２１の送風力によって空気極６に供給される空気により発電セル７内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質４中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セル７の破損を防止できる。これにより、信頼性の高い燃料電池発電装置１を実現できる。

次に、図２は燃料電池発電装置の第２の実施形態を示している。
第２実施形態による燃料電池発電装置１の空気供給ライン２０は、最上流側の空気ブロア２１と、空気の逆流を防止する逆止弁２４と、空気ブロア２１からの空気を一時貯留しておくバッファタンク２３と、バッファタンク２３からの空気を発電に必要な好適圧力に調整する減圧器２５を備えている。
また、空気ブロア２１には、駆動電源として系統電源５０が接続されている。

上記構成で特筆すべきは、空気ブロア２１の下流側に空気を一時貯留しておくバッファタンク２３を設けた点である。
このように構成することにより、停電により空気ブロア２１が停止し、送風力が失われても、バッファタンク２３内に貯留された空気を数秒間程度であれば空気極６に供給することが可能となる。よって、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール２内に多少残存する燃料ガスが燃料極５に流入したとしても、バッファータンク２３内の空気を空気極６に供給することにより発電セル７内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質４中の固体酸化物が一部金属に還元される不都合が回避でき、発電セル７の破損を防止できる。

加えて、第２実施形態では、空気ブロア２１とバッファタンク２３の間に逆止弁２４を備えているため、空気ブロア２１が停止した際に、バッファタンク２３内の空気が上流側へ逆流するのを防止でき、バッファタンク２３内の空気を効率良く空気極６に供給することができる。

次に、図３は燃料電池発電装置１の第３の実施形態を示している。
第３実施形態による燃料電池発電装置１の空気供給ライン２０は、最上流側のコンプレッサ２６と、コンプレッサ２６からの圧縮空気を一時貯留する空気タンク２７と、空気タンク２７と燃料電池３の間に配設された空気用のマスフローコントローラ２８と、マスフローコントローラ２８をバイパスするバイパスライン３０を備えている。マスフローコントローラ２８は、空気タンク２７からの空気の流量制御を行い、発電に必要な好適流量の空気を燃料電池３に供給する。

バイパスライン３０は、ノーマルオープン型（非通電時に開路状態となる）の電磁バルブ３１と、バイパスライン３０の空気流を一定に保持するフロート式流量計３２を備えている。尚、このフロート式流量計３２については、流量調節機能付きの電磁バルブ３１で代用することも可能である。
また、コンプレッサ２６、マスフローコントローラ２８、電磁バルブ３１には、それぞれ系統電源５０が接続されている。

上記構成で特筆すべきは、マスフローコントローラ２８をバイパスするバイパスライン３０を備える点である。
このように構成することにより、停電によりマスフローコントローラ２８が停止した時、電磁バルブ３１が開路するため、数秒間程度であれば、バイパスライン３０を通して空気タンク２７内の空気を空気極６に供給することが可能となる。よって、燃料ガスの供給停止後に、燃料電池モジュール２内に多少残存する燃料ガスが燃料極５に流入したとしても、空気極６に供給される空気により発電セル７内において酸素分子のイオン化が継続されるため、固体電解質４中の固体酸化物が一部金属に還元される不具合が回避でき、発電セル７の破損を防止できる。

本発明による燃料電池発電装置の第１の実施形態を示す概略構成図。 同、燃料電池発電装置の第２の実施形態を示す要部構成図。 同、燃料電池発電装置の第３の実施形態を示す要部構成図。 本発明の燃料電池発電装置に用いた固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。 本発明による燃料電池の緊急停止時における反応用ガスの供給制御を示す図。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
３ 燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
５ 燃料極
６ 空気極
７ 発電セル
２０ 酸化剤ガス供給ライン（空気供給ライン）
２１ 空気ブロア
２２ 蓄電器
２３ バッファタンク
２４ 逆止弁
２６ コンプレッサ
２７ 空気タンク
２８ マスフローコントローラ
３０ バイパスライン
３１ 電磁バルブ
４０ 燃料ガス供給ライン

Claims (7)

1. 発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池の運転停止方法であって、
   緊急停止の際、上記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、上記空気極に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池の運転停止方法。
2. 上記燃料極への燃料ガスの供給を停止した後も、上記空気極に少なくとも１秒間以上酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転停止方法。
3. 発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   空気ブロアが設けられ、その送風力により上記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、
   上記燃料電池の出力電力を蓄電する蓄電器を備えて成り、
   緊急時に、上記蓄電器の蓄電電力により上記空気ブロアを作動することで、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   空気ブロアが設けられ、その送風力により上記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、
   上記酸化剤ガス供給ラインの上記空気ブロアと上記燃料電池の間に設けられて、酸化剤ガスを一時貯留するバッファタンクを備えて成り、
   緊急時に、上記空気ブロアが停止した際に、上記バッファタンク内の酸化剤ガスを上記空気極に供給することで、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
5. 上記酸化剤ガス供給ラインは、緊急時に上記空気ブロアが停止した際に、上記バッファタンクから上流側に向かう酸化剤ガスの流れを防止する逆止弁を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装置。
6. 発電セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   上記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、当該コンプレッサからの酸化剤ガスを一時貯留する空気タンクと、当該空気タンクと上記燃料電池の間に設けられて酸化剤ガスの流量を制御するマスフローコントローラとを有し、上記コンプレッサからの酸化剤ガスを上記空気極に供給する酸化剤ガス供給ラインと、
   上記マスフローコントローラをバイパスするように設けられ、緊急時に、上記マスフローコントローラが停止した際に開路して、上記空気極に酸化剤ガスを供給するバイパスラインを備えて成り、
   緊急時に、上記バイパスラインを通して上記空気タンク内の酸化剤ガスを上記空気極に供給することで、請求項１または請求項２に記載の運転停止制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
7. 上記バイパスラインは、ノーマルオープン型の電磁バルブを備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置。

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