JP2009245741A - 燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動停止を繰り返したとしても、長期間安定した発電出力を得ることが可能な燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】電気式脱イオン装置３１の濃縮水排出側から伸びた濃縮水ラインＬ２４が、燃料電池本体１のアノード電極１ａ及び／又はカソード電極１ｂに連結され、燃料電池発電装置の停止時に、アノード電極１ａ及びカソード電極１ｂを封止して、濃縮水排水ラインＬ２４と、燃料電池本体１のアノード電極１ａ及び／又はカソード電極１ｂとが連通するように制御される燃料電池発電装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、長期間安定した発電出力を得ることが可能な燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置に関する。

燃料電池本体から排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでおり、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）を維持するため、燃料電池排ガスや燃焼排ガスから凝縮水を回収し、再利用することが一般的に行われている。そして、凝縮水には、炭酸イオンや、配管から溶出した金属イオン等が含まれており、これらのイオンは、電極触媒や、改質触媒に悪影響を及ぼす恐れがある。このため、この凝縮水は脱イオン処理を行った後、再利用するようにしている。
凝縮水の脱イオン処理方法としては、例えば、下記特許文献１，２に開示されているように、電気式脱イオン装置を用いて凝縮水を脱イオン処理する試みが近年行われている。

ところで、燃料電池発電装置は、電力の需要に応じて起動・停止する、いわゆるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ ａｎｄ Ｓｔｏｐ）運転が行われている。特に、家庭用や輸送機器用の燃料電池発電装置では、頻繁な起動停止をすることが予想される。

燃料電池発電装置の停止時は各電極へのガスの供給を停止するが、停止中にアノード電極内に酸素が混入すると、再起動時にアノード電極側に水素と酸素が混在することによって局部電池が形成され、カソード電極のカーボン担体などを腐食して、電池特性が低下するおそれがある。

そこで、燃料電池発電装置の停止時においては、アノード電極側の流路及びカソード電極側の流路を遮断して保管することが行われているものの、燃料電池本体の降温や水素ガス等のガス拡散によってセルの内圧が低下して負圧となり、封止したガス流路内に大気が流入することがあった。

燃料電池発電装置の停止時に、セルの内圧低下を防止して、アノード電極内に酸素が混入しないようにするにあたり、例えば、下記特許文献３では、アノード電極側の流路及び／又はカソード電極側の流路に圧力緩和部を設けて燃料電池本体内の圧力変化を緩和させつつ、再起動時まで保管することが開示されている。
特表２００４−５２６２８０号公報 特開２００１−２３２３９４号公報 特開２００７−１９４１５７号公報

上記特許文献３では、圧力緩和の方法としては、水の出し入れによってガス経路の体積を変化させることにより圧力変化を緩和する方法や、ダイヤフラムの動きによりガス経路の体積を変化させることにより圧力変化を緩和する方法が挙げられている。

しかしながら、水を導入して体積を変化させる場合、再起動時にガス流路内に導入した水を排出する必要があるので、速やかに再起動することは困難であった。また、ガス流路内で水つまりが生じて局所的にガス欠が発生し、電池特性が損なわれるおそれもあった。

また、ダイヤフラムを設置する場合には、圧力の緩和量を大きくすればするほど大きなダイヤフラムを設置する必要があるので、装置全体が大型になる傾向にあった。また、部品点数が増加するので、装置コストがかさむ問題があった。

したがって、本発明の目的は、簡単な装置構成で、起動停止を繰り返したとしても、長期間安定した発電出力を得ることが可能な燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の停止方法は、
水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、システムから排出される排ガスから凝縮水を回収して貯留する回収水タンクと、前記回収水タンク内の凝縮水を脱イオン処理して脱イオン水及び濃縮水を生成する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置の停止方法であって、
前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止し、
前記電気式脱イオン装置の濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池発電装置は、
水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、システムから排出される排ガスから凝縮水を回収して貯留する回収水タンクと、前記回収水タンク内の凝縮水を脱イオン処理して脱イオン水及び濃縮水を生成する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置であって、
前記電気式脱イオン装置の濃縮水排出側から伸びた濃縮水ラインが、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極に連結され、
前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及び前記カソード電極を封止して、前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とが連通するように制御されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止すると共に、濃縮水排水ラインと、燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通するようにしたことで、燃料電池発電装置の停止中に燃料電池本体のセル内の圧力が低下しても、濃縮水と混在している気体状の二酸化炭素や、濃縮水に溶解している二酸化炭素が、アノード電極やカソード電極に供給される。このため、セル内が負圧になるのを防止でき、外部から酸素が流入しにくくなる。その結果、局所電池の形成を防ぐことができる。また、濃縮水と混在している二酸化炭素や、濃縮水に溶解している二酸化炭素は、純度の高い不活性ガスであるので、セル特性に及ぼす影響は極めて少ない。したがって、本発明によれば、起動停止を繰り返し行ったとしても、局所電池が形成されにくいので、電極などが劣化しにくく、長期にわたって安定した発電を行うことができる。

本発明においては、
前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを接続するライン上に、二酸化炭素回収タンクを配置し、
前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止し、
前記二酸化炭素回収タンクと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させることが好ましい。

この態様によれば、濃縮水と混在している二酸化炭素や、濃縮水に溶解している二酸化炭素を、二酸化炭素回収タンクに貯留できるので、燃料電池発電装置の停止中に燃料電池本体のセル内の圧力が低下しても、速やかに、二酸化炭素回収タンクに貯留された二酸化炭素を、アノード電極及び／又はカソード電極に供給できる。このため、より確実に局所電池の形成を防ぐことができる。

本発明においては、
前記燃料電池発電装置の停止時に、前記カソード電極への空気の供給を停止して、カソード電極を封止した状態で、前記アノード電極への水素含有ガスの供給を継続して、前記燃料電池本体からの電力の取り出しを行い、
前記燃料電池本体の電圧が予め定めた設定値を下回った後、又は、前記燃料電池発電装置の停止から所定時間経過した後、前記アノード電極を封止すると共に、前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させることが好ましい。

この態様によれば、アノード電極への水素含有ガスの供給を継続した状態で、カソード電極への空気の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体から電力を取り出すことで、カソード電極に残留している酸素を電気化学反応によって消費できる。このため、燃料電池本体内の酸素濃度を、電解質膜や電極を損傷することなく低減できる。そして、燃料電池本体の電圧が予め定めた設定値を下回った後、又は、燃料電池発電装置の停止から所定時間経過した後、濃縮水排水ラインと、燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通することで、セルの内圧が低下して負圧になっても、濃縮水と混在している二酸化炭素や濃縮水に溶解している二酸化炭素が、アノード電極やカソード電極に導入されるので、外部から酸素の流入を防止でき、局所電池の形成をより効果的に防止できる。

本発明によれば、燃料電池発電装置の停止時に、アノード電極及びカソード電極を封止して、濃縮水排水ラインと、燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通するようにしたことで、燃料電池発電装置の停止中に燃料電池本体のセル内の圧力が低下しても、濃縮水と混在している気体状の二酸化炭素や、濃縮水に溶解している二酸化炭素が、アノード電極やカソード電極に供給されるので、燃料電池本体内が負圧になりにくく、外部から酸素が流入しにくくなるので、運転停止時における局所電池の形成を効果的に防ぐことができる。このため、起動停止を繰り返したとしても、電極が劣化しにくく、長期にわたって安定した発電を行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の燃料電池発電装置の実施形態を説明する。図１に、本発明の燃料電池発電装置の概略構成図を示す。

図１中の１は、燃料電池本体であって、電解質１ｃを挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極１ｂと、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却系１ｄとで構成されている。

燃料電池本体１には、ＯＮ，ＯＦＦ可能な放電抵抗１ｅが接続している。また、図示しない電力取り出し手段が取り付けられており、電気化学反応によって得られた直流電力を取り出すことができるように構成されている。

アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置３から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。この改質ガス供給ラインＬ１には、上流側から、開閉弁Ｖ１、改質ガスドレントラップＱ１が配置されている。この改質ガスドレントラップＱ１の凝縮水貯留部からは、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。また、改質ガス供給ラインＬ１の開閉弁Ｖ１の上流側からは、開閉弁Ｖ９が介装された配管が接続しており、後述するアノードオフガス排出ラインＬ３に連結している。
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ３が伸びて、その先端側は燃焼用燃料供給ラインＬ１２に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３には、上流側から開閉弁Ｖ２、アノードオフガスドレントラップＱ２が配置されている。このアノードオフガスドレントラップＱ２の凝縮水貯留部からは、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４が伸びて、脱炭酸装置５に連結している。また、アノードオフガス排出ラインＬ３の開閉弁Ｖ２よりも上流側には、開閉弁Ｖ３が介装された配管Ｌ３０が接続し、後述する濃縮水取出しラインＬ２４に連結している。

カソード電極１ｂの空気供給側は、空気供給源から伸びた空気供給ラインＬ５が連結している。空気供給ラインＬ５には上流側から、開閉弁Ｖ４、加湿器２が配置されている。
カソード電極１ｂの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ６が伸びて、水タンク４に連結している。カソードオフガス排出ラインＬ６には、上流側から、開閉弁Ｖ５、カソードオフガス熱交換器Ｑ３が配置されている。また、カソードオフガス排出ラインＬ６の開閉弁Ｖ５よりも上流側には、開閉弁Ｖ６が介装された配管Ｌ３１が接続し、後述する濃縮水取出しラインＬ２４に連結している。

冷却系１ｄの冷却水供給側は、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水供給ラインＬ７が連結している。
冷却系１ｄの冷却水排出側からは、電池冷却水排出ラインＬ８が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。

改質装置３は、水蒸気改質触媒をはじめとする改質系触媒が充填された改質系触媒層群３ａと、バーナが配置された燃焼部３ｂとを備え、バーナで燃焼用燃料を燃焼した際に発生する燃焼熱及び燃焼排ガスで前記改質系触媒層群３ａを加熱するように構成されている。なお、本形態において改質装置とは複数の改質系触媒が充填された一体型改質装置を意図しているが、発明の形態としては複数の反応器から構成される改質装置を使用されることを妨げない。

改質系触媒層群３ａの改質原料の投入側は、原燃料源から伸びた原燃料供給ラインＬ９と、電池冷却水タンク１２から伸びた改質水供給ラインＬ１０が連結している。
改質系触媒層群３ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。

燃焼部３ｂの燃焼燃料導入口側は、燃焼用燃料供給ラインＬ１２と、燃焼空気供給ラインＬ１１とが連結しており、燃焼部３ｂに配置されたバーナに燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給できるように構成されている。燃焼用燃料供給ラインＬ１２の上流側は、アノードオフガス排出ラインＬ３及び原燃料供給ラインＬ９が接続している。
燃焼部３ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１３が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。燃焼排ガスラインＬ１３には、途中燃焼排ガス熱交換器Ｑ４が配置されている。

脱炭酸装置５は、水タンク４の上部に隣接して配設されており、ドレン口６を介して連通している。脱炭酸装置５の上部には、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４、燃焼排ガスラインＬ１３、及び後述する濃縮水取出しラインＬ２４が連結している。また、脱炭酸装置５からは、排気ラインＬ１７が伸びている。

脱炭酸装置５としては特に限定はなく、凝縮水と脱炭酸用空気とを接触させて凝縮水中の炭酸ガスを気中拡散して脱気できるような構成のものが好ましく用いることができる。このような構成の脱気装置としては、ＳＵＳ等のラッシヒリングが充填された脱気部を備え、該脱気部の上部に凝縮水を供給すると共に、脱気部の下部から脱炭酸用空気を供給し、凝縮水を重力落下させながら脱炭酸用空気と接触させて脱炭酸処理するような構成のものや、例えば、特開２００７−３２３９６９号に開示されているような、多孔質材料で構成された傾斜板が配置された脱気部を備え、傾斜板の下部側から上部側へ脱炭酸用空気を流通させると共に、傾斜板の上部側から下部側へ向けて凝縮水を流下させて、凝縮水を脱炭酸処理するような構成のものなどが一例として挙げられる。

水タンク４には、カソードオフガス排出ラインＬ６と、電池冷却水タンク１２から伸びた電池冷却水オーバフローラインＬ１８が接続している。また、水タンク４の側壁には、タンク水オーバフローラインＬ１９が伸びて、タンク内の水位が一定水位を超えないようにされている。また、水タンク４の下部からは、回収水取出しラインＬ２０が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。この回収水取出しラインＬ２０には、電気式脱イオン装置３１が配置されている。また回収水取り出しラインＬ２０には、電気式脱イオン装置３１の前段に回収水の取り出しを行うためのポンプが接続されている場合がある。

電気式脱イオン装置３１は、陽極と陰極との間に、イオン交換膜によって区画された脱塩室と濃縮室とを有し、脱塩室にはイオン交換樹脂が充填された装置であって、従来公知の電気式脱イオン装置を用いることができる。
そして、回収水取出しラインＬ２０の先端は、電気式脱イオン装置３１の脱塩室に接続する被処理水供給ラインＬ２１と、電気式脱イオン装置３１の濃縮室に接続する濃縮水供給ラインＬ２２とに分岐している。

本発明において、電気式脱イオン装置３１と、水タンク４との間には、フィルタや金属イオン除去装置などを配置してもよく、上流側からフィルタ、金属イオン除去装置を配置することがより好ましい。
フィルタを配置することで、水タンク４で回収した回収水に含まれている煤や粉塵等の不純物を除去でき、電気式脱イオン装置３１に煤などが付着するのを防止できる。フィルタとしては、特に限定はなく、金属除去フィルタ、微粒子除去フィルタ等が好ましく挙げられる。
金属イオン除去装置を配置することで、配管などから溶出した金属イオンを除去できるので、電気式脱イオン装置３１にかかる負荷をより低減でき、装置寿命を長期化できる。金属イオン除去装置としては、特に限定はなく、キレート樹脂等が好ましく挙げられる。

電気式脱イオン装置３１の脱イオン水排出側からは、脱イオン水供給ラインＬ２３が伸びて、電池冷却水タンク１２に接続している。脱イオン水供給ラインＬ２３には、イオン交換樹脂などの水処理樹脂が配置されていてもよい。水処理樹脂を配置することで、電気式脱イオン装置３１で処理しきれなかったイオンを除去できるので、よりイオンが低減された脱イオン水を電池冷却水タンク１２に供給できる。
電気式脱イオン装置３１の濃縮水排出側からは、濃縮水取出しラインＬ２４が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。濃縮水取出しラインＬ２４には、前述した開閉弁Ｖ３が介装された配管Ｌ３０と、開閉弁Ｖ６が介装された配管Ｌ３１とが接続しており、それぞれ、アノードオフガス排出ラインＬ３、カソードオフガス排出ラインＬ６に連結している。

次に、このような構成の燃料電池発電装置を用いた、本発明の燃料電池発電装置の停止方法を含めた燃料電池発電装置の動作について説明する。

まず、起動時の動作について説明すると、起動時は、放電抵抗１ｅをＯＦＦ状態とし、燃焼部３ｂに原燃料と燃焼用空気の供給を行い、これらを燃焼させて改質系触媒層群３ａを昇温する。改質系触媒層群３ａが所定温度（例えば５５０℃）まで達したら、開閉弁Ｖ９を開く。
改質装置３では、原燃料供給ラインＬ９から供給される原燃料を、改質水供給ラインＬ１０から供給される改質水と混合して、改質系触媒層群３ａに供給し、水蒸気改質反応をはじめとする化学反応により水素に富む改質ガスを生成させる。ここで電気式脱イオン装置３１に通電開始する。
水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、改質装置３の燃焼部３ｂに、燃焼用燃料供給ラインＬ１２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ１１から燃焼空気を供給し、これらを燃焼して改質系触媒層群３ａを加熱する。生成した改質ガスも燃焼部３ｂで燃焼させて改質系触媒層群３ａを昇温する。燃焼部３ｂでの燃焼状態が安定し、改質系触媒層群３ａが十分加熱されたら、原燃料は全て改質系触媒層群３ａに供給し、生成した改質ガスのみ燃焼部３ｂで燃焼させる。改質系触媒層群３ａが所定温度（例えば６００℃）まで達したら開閉弁Ｖ９を閉じ、開閉弁Ｖ１、Ｖ２を開く。

そして、改質装置３で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。改質ガスに含まれる凝縮水は、改質ガス供給ラインＬ１の途中に配置された改質ガスドレントラップＱ１にて回収され、改質ガス凝縮水供給ラインＬ２を通って脱炭酸装置５に供給される。

燃料電池本体１では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｂに供給された空気とを電解質１ｃの界面で電気化学反応させて発電し、この発電出力を電力系統に供給する。

カソード電極１ｂから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ３で冷却されて、カソードオフガス凝縮水とカソードガスと共に、カソードオフガス排出ラインＬ６を通って水タンク４に供給される。

アノード電極１ａから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出ラインＬ３を通って燃焼部３ｂへと供せられ、燃焼用燃料として用いられる。アノードオフガスに含まれる凝縮水は、アノードオフガス排出ラインＬ３の途中に配置されたアノードオフガスドレントラップＱ２にて回収され、アノードオフガス凝縮水供給ラインＬ４を通って脱炭酸装置５に供給される。

改質装置３の燃焼部３ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器Ｑ４で冷却されて、燃焼排ガスと共に脱炭酸装置５に供給される。

水タンク４に回収された凝縮水は、電気式脱イオン装置３１に送られて脱イオン処理がなされ、電気式脱イオン装置３１の脱塩室から排出される脱イオン水は、脱イオン水供給ラインＬ２３を通って電池冷却水タンク１２に送られて、電池冷却水、加湿水、改質水などに使用される。また、電気式脱イオン装置３１の濃縮室から排出される濃縮水は、濃縮水取出しラインＬ２４を通って脱炭酸装置５に返送される。

一方、夜間など、電力の需要量が低下して、燃料電池発電装置の発電運転を停止させる必要が生じた場合には、原燃料供給ラインＬ９への原燃料の供給と、燃焼空気供給ラインＬ１１への燃焼空気の供給を停止し、燃料電池本体１からの電力の取り出しを停止し、燃焼部３ｂのバーナを消火し、電気式脱イオン装置３１を停止する。そして、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５を閉じて、アノード電極１ａ側のガス経路とカソード電極１ｂ側のガス経路を封止させ、開閉弁Ｖ３，Ｖ６を開いて、濃縮水取出しラインＬ２４を、アノードオフガス排出ラインＬ３及びカソードオフガス排出ラインＬ６と連通させる。

燃料電池発電装置の運転停止後は、燃料電池本体１の降温や、水素ガス等のガス拡散によってセルの内圧が低下して負圧になる。このため、アノード電極１ａ側のガス経路とカソード電極１ｂ側のガス経路を封止して保管しても、外部から大気が流入することがあった。

しかし、本実施形態では、燃料電池発電装置の運転停止時に、濃縮水取出しラインＬ２４を、アノードオフガス排出ラインＬ３及びカソードオフガス排出ラインＬ６と連通させるようにしたことで、セルの内圧が低下しても、濃縮水取出しラインＬ２４に存在するガス状の二酸化炭素や、濃縮水から脱気された二酸化炭素が、配管Ｌ３０やＬ３１を通って、アノード電極１ａやカソード電極１ｂに供給されるので、運転停止時におけるセル内の負圧化を緩和することができ、外部からの大気が混入しにくくなる。このため、局所電池が形成されにくくなり、燃料電池発電装置の起動停止を繰り返したとしても、長期にわたって安定した発電出力を得ることができる。

なお、電気式脱イオン装置３１から排出される濃縮水には、凝縮水中の二酸化炭素がイオン化され、分離濃縮された状態で含まれている。そして、過飽和となった炭酸イオンあるいは重炭酸イオンは、気体状の二酸化炭素として解離している。このため、電気式脱イオン装置３１の濃縮室からは、気体状の二酸化炭素と濃縮水とが混在した状態で排出されるので、濃縮水取出しラインＬ２４には、気体状の二酸化炭素が濃縮水と混在している。そして、この濃縮水と混在した状態で排出される二酸化炭素は、水中の炭酸イオンや重炭酸イオンが飽和して解離したものであるので、極めて純度の高い気体の二酸化炭素であり、セル特性に及ぼす影響は極めて少ない。

また、この実施形態では、濃縮水取出しラインＬ２４を、アノードオフガス排出ラインＬ３及びカソードオフガス排出ラインＬ６と連通させるような構成にしたが、濃縮水取出しラインＬ２４を、改質ガス供給ラインＬ１や空気供給ラインＬ５と連通させるような構成にしても同様の効果は得られる。更には、濃縮水取出しラインＬ２４をアノードオフガス排出ラインＬ３又はカソードオフガス排出ラインＬ６のいずれか一方のラインのみに連結するような構成にしてもよい。いずれか一方の電極に供給された二酸化炭素は、電解質膜１ｃを透過して濃度拡散するので、濃縮水取出しラインＬ２４と接続していない側のガス流路の負圧化も緩和することができる。この態様では、配管や弁体の個数を削減できるので、装置全体をよりコンパクト化できる。

以下、運転停止時における開閉弁Ｖ１〜Ｖ６の開閉制御の一例を、図２のフローチャート図を用いて説明する。

まず、ステップＳ１にて、開閉弁Ｖ４，Ｖ５を閉じ、放電抵抗１ｅをＯＮとして、カソード電極１ｂのガスの経路を封止して空気の供給を停止すると共に、カソード電極１ｂに残存している酸素を電気化学反応によって消費させる。

次に、ステップＳ２にて、燃料電池本体１の単セル電圧が設定値（Ｘ）を下回っているかどうかの判断が行われ、設定値（Ｘ）を下回っていればステップＳ４へと進み、放電抵抗１ｅがＯＦＦとされる。単セル電圧が設定値（Ｘ）を上回っている場合、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、燃料電池発電装置の運転停止から、所定時間（ｔ）を経過したかどうかの判断が行われ、所定時間（ｔ）を経過していれば、ステップＳ４へと進み、放電抵抗１ｅがＯＦＦとされる。一方、運転停止時間が、所定時間（ｔ）未満の場合は、単セル電圧が設定値（Ｘ）を下回るまで、もしくは、運転停止時間が所定時間（ｔ）を経過するまで放電抵抗１ｅはＯＮ状態とされる。

ステップＳ２における、上記設定値（Ｘ）は、１００ｍＶ／単セル以下とすることが好ましく、１０ｍＶ／単セルがより好ましい。単セル電圧が、１００ｍＶ／単セル以下であれば、カソード電極内の酸素濃度は１０％以下まで低減している可能性が高く、１０ｍＶ／単セルを下回っていれば、カソード電極１ｂ内の酸素濃度は１％以下にまで低減している可能性が高いので、局所電池の形成を抑制できる。

ステップＳ３における、上記所定時間（ｔ）は、５〜１５分が好ましい。カソード電極１ｂへの酸素の供給を停止した状態で５〜１５分間、放電抵抗１ｅをＯＮにすることで、カソード電極に残存している酸素を電気化学反応によって消費させて、酸素濃度を極めて低減できる。

そして、ステップＳ４にて、電抵抗１ｅをＯＦＦとした後、ステップＳ５に移る。

ステップＳ５では、開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉じて、アノード電極１ａのガスの経路を封止して改質ガスの供給を停止すると共に、開閉弁Ｖ３，Ｖ６を開いて、濃縮水取出しラインＬ２４を、アノードオフガス排出ラインＬ３及びカソードオフガス排出ラインＬ６と連通させて、制御終了となる。

図３に、本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態を示す。なお、上記第一の実施形態と実質的に同一箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。

この実施形態では、カソードオフガス排出ラインＬ６の開閉弁Ｖ５よりも上流側に、配管Ｌ３２が接続して、濃縮水取出しラインＬ２４に連結している。この配管Ｌ３２には、カソードオフガス排出ラインＬ６側から順に、開閉弁Ｖ７、二酸化炭素回収容器３３、気液分離器３２が配置されている。

気液分離器３２としては、濃縮水と混在している気体状の二酸化炭素や、濃縮水に溶解している二酸化炭素を気液分離して、ガス成分を回収する装置であれば特に限定はない。例えば、図４に示すような、濃縮水引き抜きラインＬ２４の先端が、気液分離器３２内に貯められた水中まで伸び、液体成分とガス成分との混成物を水中に投下してバブリングすることで、該混成物に含まれる液体成分を水中に落とし、液体成分を含まない気体状の二酸化炭素を回収する装置や、図５に示すような、液体成分とガス成分との混成物をデミスタに接触させて、該混成物に含まれる液体成分を凝縮させて、液体成分を含まない気体状の二酸化炭素を回収する装置などが挙げられる。

気液分離器３２の下部からは、濃縮水排水ラインＬ２５が伸びて、脱炭酸装置５に接続している。濃縮水排水ラインＬ２５には、気液分離器３２内の水位が一定範囲を維持するように、電磁弁やドレントラップなどが配置されていることが好ましい。この実施形態では、濃縮水取出しラインＬ２４、濃縮水排水ラインＬ２５及び気液分離器３２が、本発明の「濃縮水排出ライン」を構成している。
気液分離器３２の上部からは、配管Ｌ３２が伸びて二酸化炭素回収容器３３に接続している。

二酸化炭素回収容器３３としては、二酸化炭素を回収できる容器であれば特に限定はないが、例えば、図６，７に示すような、内圧に応じて容積が変動しうる容器が好ましく用いられる。

図６に示す二酸化炭素回収容器３３ａは、シリンダ４０内にピストン４１が配置された容器であって、二酸化炭素導入口４２から、シリンダ４０内に二酸化炭素が供給されると、ピストン４１を押し上げて、その内容積を変化させるように構成されている。なお、この実施形態では、二酸化炭素導入口４２が二酸化炭素の取り出し口と共通する構成をなしているが、シリンダ４０の側壁に、二酸化炭素の取り出し口と導入口とをそれぞれ別個設けるようにしてもよい。

図７に示す二酸化炭素回収容器３３ｂは、ハウジング５０内に、気体不透過性の素材からなる袋５１が配置された容器であって、二酸化炭素導入口５２から袋５１内に二酸化炭素が供給されると、ハウジング５０の容積内で自由にその内容積を変化させるように構成されている。なお、この実施形態では、二酸化炭素導入口５２が二酸化炭素の取り出し口と共通する構成をなしているが、ハウジング５０側壁に、二酸化炭素の取り出し口と導入口とをそれぞれ別個設けるようにしてもよい。

このような、内圧に応じて容積が変動しうる容器を用い、濃縮水に含まれる気体状の二酸化炭素を回収する前の容積をゼロとしてから、二酸化炭素の回収を行うようにすることで、二酸化炭素を回収する過程で空気等の気体が混入しにくくなり、より純度の高い二酸化炭素を回収することができる。

なお、この実施形態では、気液分離器３２と、二酸化炭素回収容器３３とを、それぞれ別個に設けているが、気液分離器３２の上部に、二酸化炭素回収容器３３を連設して、気液分離器３２と二酸化炭素回収容器３３とが一体となった装置を用いてもよい。このような装置としては、例えば図７に示すものが一例として挙げられる。

図８は、ハウジング６０の下部は濃縮水の貯留部６１をなしており、該貯留部６１の側壁には、濃縮水引き抜きラインＬ２４が接続している。また、貯留部６１の側壁であって、濃縮水引き抜きラインＬ２４よりも上方には、濃縮水排水ラインＬ２５が接続している。この濃縮水排水ラインＬ２５には、電磁弁Ｖ８が配置されており、貯留部６１に配置されたフロートスイッチ６５からの出力に応じて、電磁弁Ｖ８を開閉させ、貯留部６１内の水位が一定範囲を維持するように構成されている。貯留部６１の上部には、ピストン６２が配置されており、ピストン６２が配置された位置よりも下方側の側壁には、配管Ｌ３２が連結している。濃縮水引き抜きラインＬ２４から、気体状の二酸化炭素を含む濃縮水が供給されると、貯留部６１でバブリングされ、液体成分である濃縮水は、貯留部６１で回収される。また、気体状の二酸化炭素は、ピストン６２を押し上げつつ、貯留部６１の上部の空間６３に回収される。

本実施形態では、燃料電池発電装置の起動時においては、電気式脱イオン装置３１の濃縮室から排出される濃縮水を、気液分離して濃縮水と混在している二酸化炭素を、二酸化炭素回収容器３３で回収して貯留する。

そして、燃料電池発電装置の停止時においては、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５を閉じて、アノード電極１ａ側のガス流路と、カソード電極１ｂ側のガス流路を封止すると共に、開閉弁Ｖ７を開いて、二酸化炭素回収容器３３と、カソードオフガス排出ラインＬ６とを連通させる。二酸化炭素回収容器３３には、電気式脱イオン装置３１の濃縮室から、濃縮水とともに排出される二酸化炭素が貯留されているので、燃料電池発電装置の停止中に燃料電池本体１のセル内の圧力が低下しても、二酸化炭素回収容器３３に貯留された二酸化炭素が、速やかにカソード電極１ｂ側のガス流路に供給される。このため、より確実に局所電池の形成を防ぐことができる。

この実施形態においては、濃縮水引き抜きラインＬ２４上に、ヒータなどの加熱手段を配置することが好ましい。濃縮水を加熱してから気液分離器３２に導入するように構成した場合、濃縮水が加熱されることで、二酸化炭素の溶存量が小さくなって濃縮水中に溶存している二酸化炭素がガス化して放散されやすくなるので、二酸化炭素回収容器３３での二酸化炭素の回収効率が向上する。

本発明の燃料電池発電装置の第一の実施形態の概略構成図である。 開閉弁制御の一例を示すフローチャート図である。 本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態の概略構成図である。 気液分離器の一実施形態の概略構成図である。 気液分離器の他の実施形態の概略構成図である。 二酸化炭素回収容器の一実施形態の概略構成図である。 二酸化炭素回収容器の他の実施形態の概略構成図である。 気液分離器と二酸化炭素回収容器とを一体化した装置の概略構成図である。

符号の説明

１：燃料電池本体
１ａ：アノード電極
１ｂ：カソード電極
１ｃ：電解質
１ｄ：冷却系
１ｅ：放電抵抗
２：加湿器
３：改質装置
３ａ：改質系触媒層群
３ｂ：燃焼部
４：水タンク
５：脱炭酸装置
６：ドレン口
１２：電池冷却水タンク
３１：電気式脱イオン装置
３２：気液分離器
３３，３３ａ，３３ｂ：二酸化炭素回収容器
Ｌ１：改質ガス供給ライン
Ｌ２：改質ガス凝縮水供給ライン
Ｌ３：アノードオフガス排出ライン
Ｌ４：アノードオフガス凝縮水供給ライン
Ｌ５：空気供給ライン
Ｌ６：カソードオフガス排出ライン
Ｌ７：電池冷却水供給ライン
Ｌ８：電池冷却水排出ライン
Ｌ９：原燃料供給ライン
Ｌ１０：改質水供給ライン
Ｌ１１：燃焼空気供給ライン
Ｌ１２：燃焼用燃料供給ライン
Ｌ１３：燃焼排ガスライン
Ｌ１７：排気ライン
Ｌ１８：電池冷却水オーバフローライン
Ｌ１９：タンク水オーバフローライン
Ｌ２０：回収水取出しライン
Ｌ２１：被処理水供給ライン
Ｌ２２：濃縮水供給ライン
Ｌ２３：脱イオン水供給ライン
Ｌ２４：濃縮水取出しライン
Ｌ２５：濃縮水排水ライン
Ｌ３０〜Ｌ３２：配管
Ｑ１：改質ガスドレントラップ
Ｑ２：アノードオフガスドレントラップ
Ｑ３：カソードオフガス熱交換器
Ｑ４：燃焼排ガス熱交換器
Ｖ１〜Ｖ９：弁

Claims (6)

1. 水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、システムから排出される排ガスから凝縮水を回収して貯留する回収水タンクと、前記回収水タンク内の凝縮水を脱イオン処理して脱イオン水及び濃縮水を生成する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置の停止方法であって、
   前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止し、
   前記電気式脱イオン装置の濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させることを特徴とする燃料電池発電装置の停止方法。
2. 前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを接続するライン上に、二酸化炭素回収タンクを配置し、
   前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止し、
   前記二酸化炭素回収タンクと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させる、請求項１に記載の燃料電池発電装置の停止方法。
3. 前記燃料電池発電装置の停止時に、前記カソード電極への空気の供給を停止して、カソード電極を封止した状態で、前記アノード電極への水素含有ガスの供給を継続して、前記燃料電池本体からの電力の取り出しを行い、
   前記燃料電池本体の電圧が予め定めた設定値を下回った後、又は、前記燃料電池発電装置の停止から所定時間経過した後、前記アノード電極を封止すると共に、前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを連通させる、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置の停止方法。
4. 水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、システムから排出される排ガスから凝縮水を回収して貯留する回収水タンクと、前記回収水タンク内の凝縮水を脱イオン処理して脱イオン水及び濃縮水を生成する電気式脱イオン装置とを備えた燃料電池発電装置であって、
   前記電気式脱イオン装置の濃縮水排出側から伸びた濃縮水ラインが、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極に連結され、
   前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及び前記カソード電極を封止させ、前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とが連通するように制御される、
   ことを特徴とする燃料電池発電装置。
5. 前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とを接続するライン上に、二酸化炭素回収タンクが配置され、
   前記燃料電池発電装置の停止時に、前記アノード電極及びカソード電極を封止させ、前記二酸化炭素回収タンクと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とが連通するように制御される、請求項４に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記燃料電池発電装置の停止時に、前記カソード電極への空気の供給を停止して、カソード電極を封止した状態で、前記アノード電極への水素含有ガスの供給を継続して、前記燃料電池本体からの電力の取り出しを行い、
   前記燃料電池本体の電圧が予め定めた設定値を下回った後、又は、前記燃料電池発電装置の停止から所定時間経過した後、前記アノード電極を封止させ、前記濃縮水排水ラインと、前記燃料電池本体のアノード電極及び／又はカソード電極とが連通するように制御される、請求項４又は５に記載の燃料電池発電装置。

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