JP2009123629A

JP2009123629A - 燃料電池発電システム及びその発電起動方法

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Publication number: JP2009123629A
Application number: JP2007298657A
Authority: JP
Inventors: Yoji Nakamori; 洋二中森; Naotoshi Suzuki; 直俊鈴木
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP5366066B2

Abstract

【課題】燃料極の触媒層のＣＯ被毒を抑制し、また酸化剤極から高分子電解質膜を介して燃料極にクロスリークしてきた酸素、もしくは燃料極に直接供給された酸素が、燃料極の触媒層に吸着する多量のＣＯと化学反応する過程で引き起こされる当該触媒層の耐ＣＯ性低下を抑制する。
【解決手段】遮断弁制御装置４は、燃料電池発電システムの発電に際し、第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂを開放するよう制御し、パージガス供給源２ｈからパージガスを燃料ガス供給配管２ｄを通じて燃料極１ａに供給する。そして、電位制御装置５は、燃料極１ａの電位を酸化剤極１ｂの電位に対して高電位に上昇させる。このとき、燃料極１ａの電位が酸化剤極１ｂの電位より、望ましくは０．８Ｖ以上に上昇するよう制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを導入して化学反応により発電を行う燃料電池発電システムに係り、発電起動前における触媒のＣＯ被毒を抑制し、燃料極触媒の耐ＣＯ性低下を抑制可能な燃料電池発電システムに関する。

近年、発電効率の高いエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。燃料電池発電システムとは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを、燃料電池本体において直接電気エネルギーに変換するものであり、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置である。

この燃料電池発電システムは比較的小型であるにもかかわらず、上記の通り、高効率かつ環境性にも優れており、また発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能とされている。つまり、燃料電池発電システムからの排熱を熱交換することにより温水等として回収できるので、工場や病院等の業務用、一般家庭用、自動車用などの幅広い用途への採用が期待されている。

また、固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側から燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟持した構成を有している。

また、燃料極及び酸化剤極の一部を形成する触媒層は、白金や白金合金等の金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体から構成されており、当該触媒層がガスを透過する導電性の多孔質体を基材とする酸化剤極と燃料極の表面に成すよう保持されている。なお、この触媒層は他方で高分子電解質膜と接合している。そして、燃料電池は、一般に、このような構造を備えた単位セルを多数積層してなるスタックから構成されている。

このような燃料電池発電システムでは、前記スタック内の燃料極に導入される燃料ガスとして、都市ガス等の炭化水素系ガスを予め改質器により改質してなる改質ガスを用いる方法が一般的であるが、当該改質ガスにはＣＯが包含されている。このＣＯは、燃料極中の白金や白金合金等の金属触媒を担持した触媒層表面を被毒することで、電気エネルギーを生成するに際し、高効率かつ環境性能に優れた燃料電池発電システムの特性を損なうものである。

そこで、燃料電池の発電運転中においては、燃料極に酸化剤ガスを供給し、ＣＯをＣＯ２に酸化して除去することによって、ＣＯ被毒による燃料電池発電システムの発電運転中の特性低下を抑制する方法が提案されている。（特許文献１参照）。
特開２００４−２４１２３９号公報

ところで、上記特許文献１に記載された方法は、燃料電池発電システムの発電運転中において、燃料極へ酸化剤を供給する際に、酸化剤供給路の圧力調整をすることにより燃料極の触媒に被毒したＣＯの酸化除去に関するものである。そのため、燃料電池発電システムの発電運転中においては上記ＣＯの酸化除去処理によりＣＯ被毒を解消することができるが、燃料電池システムの発電停止保管時では燃料極の触媒はＣＯに被毒された状態のままである。

また、燃料電池発電システムの発電停止保管時においては、燃料極中の水素が酸化剤極中の酸素と高分子電解質膜を介して反応し水を生成するため、当該水素がこの反応により消費されることでＣＯの濃度が相対的に高くなる。さらに、燃料電池発電システムの発電停止保管時の温度は、発電時の温度よりも低いので、燃料極の触媒層はＣＯを吸着しやすい環境にある。

また、上述した通り、燃料極の触媒層には白金とルテニウムの合金触媒が担持されており、この白金とルテニウムの合金触媒が多量のＣＯに被毒されている状況下にＯ_２が供給されると、触媒層上でＣＯとＯ_２が［化１］の化学反応によってＣＯ_２を生成する。しかしながら、このＣＯ_２を生成する反応過程では触媒層における耐ＣＯ性が低下する恐れがある。
［化１］
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２

なお、触媒層の耐ＣＯ性が低下すると、燃料電池発電システムの発電運転中において、上記のように燃料極に酸化剤ガスを供給してもＣＯの酸化除去が不充分となり、その結果、触媒としての機能を喪失し、発電が行われなくなることにより燃料電池発電システムの特性が低下する。これにより、当該システム運転が停止する恐れがある。

本発明は、上記課題を解消するために提案されたものであり、その目的は、燃料電池発電システムの発電起動時において、燃料極もしくは酸化剤極に酸化剤ガスを供給する以前に燃料極のＣＯ除去を電気化学的に進行させることで触媒層のＣＯ被毒を抑制し、また酸化剤極から高分子電解質膜を介して燃料極にクロスリークしてきた酸素、もしくは燃料極に直接供給された酸素が、燃料極の触媒層に吸着する多量のＣＯと化学反応する過程で引き起こされる当該触媒層の耐ＣＯ性低下を抑制可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、当該燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極及び酸化剤極の電位を検知し制御する電位制御装置を備え、前記電位制御装置は、前記燃料電池の発電停止時において、前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御することを特徴とする。

また下記の点も本発明の一態様である。前記燃料ガス供給系に前記燃料極への燃料ガスの供給を操作する燃料遮断弁を配設し、前記酸化剤ガス供給系に前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を操作する酸化剤遮断弁を配設し、前記燃料遮断弁と前記酸化剤遮断弁の開閉を制御する遮断弁制御装置を備え、前記遮断弁制御装置を通じて前記燃料ガス遮断弁及び酸化剤ガス遮断弁を閉止した状況下において、前記電位制御装置は、前記遮断弁制御装置により前記燃料遮断弁を開放させ、前記燃料極に原燃料ガスもしくはバーナー排ガスを供給させた場合に、前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御することを特徴とする。

なお、前記電位制御装置は、前記燃料極の電位を前記酸化剤極の電位に対して、０．８Ｖ以上に制御することを特徴とする。

以上のような本発明によれば、燃料電池発電システムの発電起動時において、スタック内に酸化剤ガスを供給する以前に燃料極における触媒層のＣＯ除去を電気化学酸化反応によって促進させることができ、また当該発電起動時における触媒層上のＣＯとＯ_２の化学反応を抑制し、さらに燃料極の触媒層の耐ＣＯ性の低下を抑制させることが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

[１．本実施形態]
[１．１．構成]
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの構成について、図１を参照して以下に説明する。図１の通り、本実施形態に係る燃料電池発電システムは、大別すると燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂを有する燃料電池スタック１と、当該燃料電池スタック１内の燃料極１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系２と、当該燃料電池スタック１内の酸化剤極１ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系３と、から構成されている。

また、本燃料電池発電システムは、後述するが燃料ガス供給配管２ｄに設置された第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び燃料ガス排出配管２ｅに設置された第２の燃料ガス遮断弁２ｂと、酸化剤ガス供給配管３ｄに設置された第１の酸化剤ガス遮断弁３ａ及び酸化剤排出配管３ｅに設置された第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂの開閉を制御する遮断弁制御装置４を備えている。さらに、燃料電池スタック１内の燃料極１ａと酸化剤極１ｂの電位差を制御する電位制御装置５が設けられている。

ここで、燃料電池スタック１は、固体高分子形燃料電池を備えており、当該固体高分子形燃料電池は、一般的なものと同様で、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟持した構成を有している。

また、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂの一部を構成する触媒層は、金属触媒を担持した担体と高分子電解質との複合体から構成されており、高分子電解質膜と接触している。なお、この燃料電池スタック１は、一般に上記のような膜電極接合体をセパレータで挟持した単位セルが多数積層されてなるものである。

また、燃料ガス供給系２は、燃料極１ａへ供給する燃料ガスである改質ガスの供給源となる燃料ガス供給源２ｃと、燃料極１ａへ供給するパージガスの供給源となるパージガス供給源２ｈと、改質ガスが燃料極１ａへ供給される流路となる燃料ガス供給配管２ｄとから構成され、さらに当該燃料ガス供給配管２ｄに、燃料ガスの燃料極１ａへの供給を閉止する第１の燃料ガス遮断弁２ａが配設されている。パージガスは原燃料ガスもしくはバーナー排ガス、また窒素ガス等の不活性ガスでも良い。

なお、燃料極１ａには、当該燃料極１ａからの燃料ガス及びパージガスを排出する燃料ガス排出配管２ｅが接続され、この燃料ガス排出配管２ｅには、燃料ガスの排出を閉止する第２の燃料ガス遮断弁２ｂが配設されている。つまり、燃料ガス供給源２ｃから供給された改質ガス及びパージガス供給源２ｈから供給されたパージガスは、燃料ガス供給配管２ｄを通じて燃料電池スタック１内の燃料極１ａに供給され、燃料ガス排出配管２ｅを通じて当該燃料ガス及びパージガスが排出されるよう構成されている。

一方、酸化剤ガス供給系３は、酸化剤極１ｂに供給する酸化剤ガスである空気の供給源となる酸化剤ガス供給源３ｃと、酸化剤ガスが酸化剤極１ｂへ供給される流路となる酸化剤ガス供給配管３ｄとから構成され、さらに当該酸化剤ガス供給配管３ｄに、酸化剤ガスの酸化剤極１ｂへの供給を閉止する第１の酸化剤極１ｂ遮断弁３ａが配設されている。

また、酸化剤極１ｂには、当該酸化剤極１ｂからの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管３ｅが接続され、この酸化剤ガス排出配管３ｅには、酸化剤ガスの排出を閉止する第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂが配設されている。つまり、酸化剤ガス供給源３ｃから供給された空気は、酸化剤ガス供給配管３ｄを通じて燃料電池スタック１内の酸化剤極１ｂに供給され、酸化剤ガス排出配管３ｅを通じて当該酸化剤ガスが排出されるよう構成されている。

遮断弁制御装置４は、上述した通り、燃料ガス供給配管２ｄに設置された第１の燃料ガス遮断弁２ａと燃料ガス排出配管２ｅに設置された第２の燃料ガス遮断弁２ｂと、酸化剤ガス供給配管３ｄに設置された第１の酸化剤ガス遮断弁３ａ及び酸化剤排出配管３ｅに設置された第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂの開閉を制御する。

具体的には、燃料電池スタック１が発電停止保管時である場合には、第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂと第１の酸化剤ガス遮断弁３a及び第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂを閉止するよう制御する。また、燃料電池スタック１が発電時である場合には、遮断弁制御装置４は、第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂと第１の酸化剤ガス遮断弁３a及び第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂを閉止するよう制御する。

電位制御装置５は、上記の通り、燃料極１ａの電位と酸化剤極１ｂの電位を検知し、両極の電位差を制御するように構成されている。また、図示しないが、燃料電池スタック１内には、燃料ガス供給系２から供給される燃料ガスを各単位セルの燃料極１ａに均等に配流するために燃料極入口マニホールド２ｆが配設されると共に、各単セルの燃料極１ａから排出される燃料ガスは配設した燃料極出口マニホールド２ｇに集められ、燃料ガス排出配管２ｅに排出されるように構成されている。

［１．２．作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
ここで、燃料電池発電システムが発電停止保管時である場合の処理手順を説明する。

まず、電位制御装置５は、燃料電池スタック１の発電停止保管時である場合には、遮断弁制御装置４が、第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂと第１の酸化剤ガス遮断弁３a及び第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂを閉止するよう制御する。なお、この状況においても、燃料電池スタック１内の燃料極１ａには、発電停止保管時前に供給された燃料ガスと生成された水とが存在している。

つまり、燃料極１ａへの燃料ガスの供給が第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂにより閉止されている場合でも、燃料極１ａの燃料ガスと酸化剤極１ｂの酸化剤ガスは、高分子電解質膜を介してクロスリークし、触媒層上で反応してしまう。そのため、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素は消費されるので、燃料極１ａ中のＣＯ濃度は高くなる。このとき燃料極中の触媒に多量のＣＯが吸着し、燃料電池スタック１の通常起動時において燃料極への追加空気もしくは酸化剤極に供給される空気が高分子電解質膜を介して燃料極に透過し、燃料極中の触媒上に吸着している多量のＣＯと反応してＣＯ２となる過程で触媒層の耐ＣＯ性劣化が起こる可能性がある。また、燃料電池スタックの発電停止時において、酸化剤極１ｂでは酸化剤ガスは燃料ガスとの反応によって消費され、残留した燃料ガスと水と不活性ガスが存在している。

そこで、燃料電池発電システムの発電起動時における燃料極１ａのＣＯ除去処理について図３に示す。まず、上記発電停止保管時（ＳＴＥＰ３０１）において、遮断弁制御装置４は、当該システムの発電に際し、第１の燃料ガス遮断弁２ａ及び第２の燃料ガス遮断弁２ｂを開放するよう制御し（ＳＴＥＰ３０２）、さらにパージガス供給源２ｈからバーナー排ガスを燃料ガス供給配管２ｄを通じて燃料極１ａに供給する（ＳＴＥＰ３０３）。なお、パージガスは原燃料ガスや、窒素ガス等の不活性ガスであっても良い。

そして、電位制御装置５は、燃料極１ａの電位を酸化剤極１ｂの電位に対して高電位に上昇させる（ＳＴＥＰ３０４）。このとき、燃料極１ａの電位が酸化剤極１ｂの電位より、望ましくは０．８Ｖ以上に上昇するよう制御する。これにより、燃料極１ａの触媒層に吸着しているＣＯは完全に除去される。

電位制御装置５により燃料極１ａの電位が酸化剤極１ｂの電位に対して高電位となるように制御されると、パージガス供給源２ｈから燃料極１aへのバーナー排ガス供給を停止し（ＳＴＥＰ３０５）、燃料ガス供給源２ｃから燃料極１aへの燃料ガス供給を開始する（ＳＴＥＰ３０６）。そして、遮断弁制御装置４は、第１の酸化剤ガス遮断弁３ａ及び第２の酸化剤ガス遮断弁３ｂを開放するよう制御することで（ＳＴＥＰ３０７）、酸化剤極１ｂへの酸化剤ガスの供給を開始する（ＳＴＥＰ３０８）。これにより、燃料電池スタック１における発電反応が開始され、電気エネルギーを生成される（ＳＴＥＰ３０９）。

なお、燃料極１ａの触媒層に対する高電位操作の有無による耐ＣＯ性劣化度の比較を図２に示している。この図２によれば、燃料極１ａの触媒層の吸着ＣＯに対して、電位制御装置５を通じて燃料極１ａの高電位操作を行った燃料電池は、当該操作を行わなかった燃料電池と比較して触媒層の耐ＣＯ性の劣化度が抑制されていることが明らかである。

以上のような本実施形態によれば、燃料電池発電システムの発電起動時において、スタック内に酸化剤ガスを供給する以前に燃料極における触媒層のＣＯ除去を電気化学酸化反応によって促進させることができるので、当該燃料極における触媒層のＣＯ被毒による劣化を回避可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

［２．他の実施形態］
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、以下のような燃料極１ａに酸化剤を追加供給する実施形態も包含する。すなわち、酸化剤ガス供給源３ｃから酸化剤ガス供給配管３ｄを通じて酸化剤極１ｂに供給される酸化剤ガスの一部を燃料極１ａに供給する実施形態を本発明は含んでいる。

具体的には、酸化剤ガス供給源３ｃから供給する酸化剤ガスの一部を燃料極１ａへ直接供給するための酸化剤ガス追加供給配管を、酸化剤ガス供給配管３ｄ途中から当該燃料極１ａに接続するよう配設する。これにより、燃料電池スタック１内の燃料極１ａの触媒層に吸着したＣＯに対してＯ_２を供給することにより酸化反応を促進させた場合においても、耐ＣＯ性の低下を抑制させることが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る全体構成図本発明の実施形態に係る燃料極の高電位制御の有無による耐ＣＯ性劣化度を示す図本発明の発電起動方法のフローチャート図

符号の説明

１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極
１ｂ…酸化剤極
２…燃料ガス供給系
２ａ…第１の燃料ガス遮断弁
２ｂ…第２の燃料ガス遮断弁
２ｃ…燃料ガス供給源
２ｄ…燃料ガス供給配管
２ｅ…燃料ガス排出配管
２ｆ…燃料極入口マニホールド
２ｇ…燃料極出口マニホールド
２ｈ…パージガス供給源
３…酸化剤ガス供給系
３ａ…第１の酸化剤ガス遮断弁
３ｂ…第２の酸化剤ガス遮断弁
３ｃ…酸化剤ガス供給源
３ｄ…酸化剤ガス供給配管
３ｅ…酸化剤ガス排出配管
４…遮断弁制御装置
５…電位制御装置

Claims

燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、当該燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料極及び酸化剤極の電位を検知し制御する電位制御装置を備え、
前記電位制御装置は、前記燃料電池の発電停止時に前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記燃料ガス供給系に前記燃料極への燃料ガスの供給を操作する燃料遮断弁を配設し、
前記酸化剤ガス供給系に前記酸化剤極への酸化剤ガスの供給を操作する酸化剤遮断弁を配設し、
前記燃料遮断弁と前記酸化剤遮断弁の開閉を制御する遮断弁制御装置を備え、
前記遮断弁制御装置を通じて前記燃料ガス遮断弁及び酸化剤ガス遮断弁を閉止した状況下において、
前記電位制御装置は、前記遮断弁制御装置により前記燃料遮断弁を開放させ前記燃料極にパージガスを供給させた場合に、前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記遮断弁制御装置は、前記電位制御装置により前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御させた後に、前記酸化剤遮断弁を開放することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
前記電位制御装置は、前記燃料極の電位を前記酸化剤極の電位に対して、０．８Ｖ以上に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス追加供給系を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、当該燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、を備えた燃料電池発電システムの発電起動方法において、
燃料遮断弁を開けて前記燃料極にパージガスを供給する操作と、前記燃料極を前記酸化剤極に対して高電位に制御する電位制御操作と、前記燃料極にパージガスの供給を停止する操作と、前記燃料極に燃料ガスを供給する操作と、酸化剤遮断弁を開けて前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する操作、を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの発電起動方法。
前記電位制御操作は、前記燃料極を前記酸化剤極に対して０．８Ｖ以上に制御することを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システムの発電起動方法。