JP2791951B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池に関するものである。
〔従来の技術〕
燃料電池は例えばメタノールと水とを混合させた原料
を水素ガスに改質する改質装置と、この改質装置で発生
した水素ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させ
て電気エネルギに変換する燃料電池本体などから構成さ
れている。
ところで、このような燃料電池においては、運転停止
後、改質装置をそのまま放置しておくと、改質装置の温
度が徐々に低下して改質装置中の気体状態にあるメタノ
ールおよび水が凝縮して液体になり、それに伴って改質
装置系統内が負圧レベルが高い状態になる。そのため、
弁類の締りが不十分であったり、配管等のシール状態が
不十分であったりすると、外気を吸い込んでしまい、外
気中の酸素によって触媒が酸化され、改質能力が低下す
るようになる。この触媒は一般に耐熱性が悪く、高温時
に酸化されるとその熱によって著しく劣化してしまう。
このため、従来、燃料電池の停止時に、改質装置系統
内へ窒素ガスなどの不活性ガスを触媒温度が低下するま
でパージし続けることによって触媒が酸化するのを防止
しようとしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このように触媒の温度が下がるまでパージし
続ける方法では、パージ中に大気中に排出される不活性
ガスの量が多くなってしまい、停止時に使用する不活性
ガスの消費量が多くなる。このため、大きな容量のボン
ベが必要になり、装置を小型、軽量化するのが困難であ
った。
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、装置
を小型、軽量化することができる燃料電池を提供するも
のである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る燃料電池は、触媒層内に充填した触媒で
原料を化学反応させる改質装置を備えた燃料電池におい
て、触媒層に開閉弁を介して蓄積装置を接続してなり、
この蓄積装置を、前記触媒で生成された生成ガスが触媒
層内に存在する状態で前記開閉弁を開いて生成ガスを蓄
積するとともに、燃料電池停止後に触媒を冷却する工程
で前記開閉弁を開いて生成ガスを前記触媒層に供給する
構成としたものである。
〔作用〕
本発明においては、燃料電池停止後に蓄積装置に蓄積
された生成ガスで触媒にパージが行えるようになる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図により詳細に説明する。
第1図は本発明に係る燃料電池を示す構成図である。同
図において符号1で示すものは改質装置を示し、中央部
には後述する原料を化学反応させる改質用の触媒が充填
された触媒層2が設けられている。触媒としては例えば
銅系,銅−亜鉛系,銅−クロム系触媒などを用いること
ができる。改質装置1の下部には気化器3が配設されて
おり、気化器3の入口側は改質装置入口弁4および供給
ポンプ5を備えた原料供給管路6を経てメタノールと水
とを所定の比率で混合した原料を溜めた原料タンク7に
接続され、出口側は前記触媒層2の入口側に接続されて
いる。前記気化器3の下方には水素バーナ8およびメタ
ノールバーナ9が配設されている。メタノールバーナ9
はバーナ入口弁11およびバーナポンプ12を備えた燃料供
給管路13を経てメタノールを溜めた燃料タンク14に接続
されている。15は改質装置1内に外気を供給するバーナ
ブロワである。
16は燃料電池本体であり、陽極と陰極との間に電解質
を介在させた電池セルを多数個積層して構成されてお
り、陽極の入口側は酸素入口弁17、セルブロワ18、四方
弁19が備えられた酸素供給管路20で改質装置1の燃料空
気出口に接続されている。四方弁19は第2図に拡大して
示すように、燃料電池本体16を昇温させるときは破線で
示すようにセルブロワ18に改質装置1で加熱された加熱
ガスを供給し、冷却時には外気をセルブロワ18に供給す
るように酸素供給管路20を切り換えるものである。一
方、陰極の入口側は水素入口弁21およびリザーブタンク
22が備えられた水素供給管路23で触媒層2の出口側に接
続されている。24は陽極の出口側に接続された排気管路
で、酸素出口弁25を介して大気中に開放されている。26
は陰極の出口側に接続された水素回収管路であり、燃料
電池本体16で反応しなかった水素を熱源として利用する
ために前記改質装置1へ戻すものであり、リン酸回収器
27および水素出口弁28を介して前記水素バーナ8に接続
されている。29はバイパス弁30を有するバイパス管路
で、水素出口弁28の出口側と前記リザーブタンク22との
間を互いに連通している。前記燃料電池本体16の出力側
には、ダイオード31を介して負荷としてのモータ32およ
びバッテリ33が接続されている。
34は触媒で生成された生成ガスを蓄積する蓄積装置で
あり、本実施例においては、ポンプ35と、このポンプ35
の吐出側に接続管路36で接続された蓄積用タンク37とで
構成されている。38は前記蓄積装置34の蓄積用タンク37
に生成ガスを触媒層2の出口側から回収する生成ガス回
収管路であり、一端は水素ガス供給管路23のリザーブタ
ンク22の上流側に接続され、他端は生成ガス出口弁39を
介してポンプ35の吸込側に接続されている。
41は蓄積用タンク37に蓄積された生成ガスを触媒層2
に入口側から供給する生成ガス供給管路である。この生
成ガス供給管路41の一端は生成ガス入口弁42を介して蓄
積用タンク37の出口側に接続され、他端は触媒層2の入
口側に接続されている。この実施例では前記生成ガス出
口弁39と生成ガス入口弁42とが本発明に係る開閉弁を構
成している。
このように構成された燃料電池においては、バーナポ
ンプ12で加圧されたメタノールがメタノールバーナ9に
供給され、バーナブロワ15で供給される外気によって燃
焼する。このため、この燃焼によって加熱ガスが発生
し、加熱ガスは改質装置1内を気化器3および触媒層2
を加熱しながら流れて、燃料電池本体16に供給される。
一方、原料タンク7内のメタノールと水とが混合された
原料は気化器3へ供給され、ここで気化されて触媒層2
に送られ、触媒によって化学反応して水素と炭素ガスを
主成分とするガスに改質され生成ガスとなった後に燃料
電池本体16へ供給される。そして、燃料電池本体16にお
いて、生成ガス中の水素ガスとセルブロワ18で供給され
る空気中の酸素とが触媒によって電気化学反応し、電気
エネルギが発生する。
次に、この燃料電池の停止時の動作を第3図に基づい
て説明する。第3図は燃料電池停止時における触媒層2
の温度Kと時間Tとの関係を示すグラフであり、図中実
線Aは触媒の温度状態を示す。先ず、燃料電池の停止操
作開始時である第1の時点T1で生成ガス出口弁39を開き
ポンプ35を始動すると共に水素入口弁21を閉じ、ポンプ
35で生成ガスを蓄積用タンク37に加圧した状態に蓄積す
る。そして、生成ガスの蓄積が終了した第2の時点T2
おいて、生成ガス出口弁39を閉じポンプ35を停止し、供
給ポンプ5およびバーナポンプ12を停止する。このと
き、バイパス弁30を開いて水素出口弁28を閉じ、生成ガ
スを水素バーナ8に供給するようにし、改質装置1から
水素ガスの発生がなくなり、触媒層2内の圧力が上昇し
なくなった時点においてバイパス弁30を閉じる、一方、
バーナブロワ15は運転をし続けるようにし、バーナブロ
ワ15で送られる外気によって、図中矢印Fで強制空冷域
を示すように触媒層2を強制空冷する。
そして、触媒層2が冷却されて温度が触媒の活性温度
領域以下(110〜180℃)まで低下し、触媒層2内の生成
ガスが収縮して触媒層2内が負圧になった第3の時点T3
において、生成ガス入口弁42を開き蓄積用タンク37内の
生成ガスを触媒層2に供給する。このため、触媒に生成
ガスでパージを行うことができる。パージが終了した第
4の時点T4において、生成ガス入口弁42を閉じて触媒層
2内に生成ガスが充填されている状態に保持し、バーナ
ブロワ15を停止して停止操作を終了する。これ以降、触
媒層2は図中矢印Nで自然空冷域を示すように自然空冷
される。なお、停止操作終了後の改質装置1は、改質装
置入口弁4,水素入口弁21,バイパス弁30,生成ガス出口弁
39,生成ガス入口弁42によって生成ガスが封入された状
態に密閉されている。
したがって、触媒層2が生成ガスを生成している間
に、生成ガスを蓄積用タンク37に蓄積し、燃料電池停止
後において、蓄積用タンク37に蓄積された生成ガスで触
媒層2にパージを行うことができる。そして、これによ
り触媒近辺に外気が侵入するのを抑え、触媒が酸化する
のを防止することができる。
このように本発明は、燃料電池で生成された生成ガス
を溜める蓄積装置34を設けたことをその内容とするもの
であるから、蓄積装置としては、上述した蓄積用タンク
37とポンプ35とを組合わせたものに限定されるものでは
なく、適宜変更することができる。第4図ないし第6図
は燃料電池の他の実施例の要部を示す構成図であり、こ
れらの図において第1図に示すものと同一あるいは同等
な部材には同一符号を付し、その説明は省略する。
第4図に示す第2の実施例においては、生成ガスを溜
める特別なタンクが設けられておらず、ポンプ35の吐出
側に接続された生成ガス供給管路41のうちポンプ35と生
成ガス入口弁42との間の部分41aに生成ガスが加圧され
た状態に蓄積される。一方、生成ガスを触媒層2に供給
するときは、ポンプ35によって、強制的に供給する。
また、第5図に示す第3の実施例においては、生成ガ
ス出口弁39を有する生成ガス回収管路38が直接蓄積用タ
ンク37に接続されており、触媒層2から吐出された生成
ガスはその圧力によって蓄積用タンク37内に供給ポンプ
5により加圧された状態で溜められる。そして、生成ガ
スの触媒層2への供給は、触媒層2が冷却されると触媒
層2内が負圧になるのを利用して行われる。すなわち、
生成ガスは圧力差によって触媒層2内へ圧送され充填さ
れる。
第6図に示す第4の実施例においては、蓄積用タンク
37に生成ガス回収管路38のみが接続されており、この生
成ガス回収管路38が生成ガスを蓄積用タンク37へ蓄積す
るための管路、および蓄積用タンク37に蓄積された生成
ガスを触媒層2へ供給するための管路として使用されて
いる。このため、蓄積用の管路と供給用の管路とを別々
に設ける構造に比較して構造を簡素化することができ
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明に係る燃料電池は、触媒層
内に充填した触媒で原料を化学反応させる改質装置を備
えた燃料電池において、触媒層に開閉弁を介して蓄積装
置を接続してなり、この蓄積装置を、前記触媒で生成さ
れた生成ガスが触媒層内に存在する状態で前記開閉弁を
開いて生成ガスを蓄積するとともに、燃料電池停止後に
触媒を冷却する工程で前記開閉弁を開いて生成ガスを前
記触媒層に供給する構成としたため、蓄積装置に蓄積さ
れた生成ガスで燃料電池停止後に触媒にパージを行うこ
とができる。
したがって、生成ガスを利用して触媒近辺に外気が侵
入するのを抑え、触媒が劣化するのを防止することがで
きる。その結果、特別な不活性ガスをボンベ等に蓄えて
おく必要がなくなり、しかも、蓄積装置には停止する都
度生成ガスを蓄積すればよく、多量の生成ガスを蓄積す
る必要がないから、装置を小型、軽量化することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る燃料電池を示す構成図、第2図は
四方弁を示す構成図、第3図は停止時における触媒温度
と時間との関係を示すグラフ、第4図ないし第6図は他
の実施例の要部を示す構成図である。 1……改質装置、2……触媒層、3……気化器、9……
メタノールバーナ、15……バーナブロワ、34……蓄積装
置、35……ポンプ、37……蓄積用タンク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−145276(JP,A) 特開 昭63−44934(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24 C01B 3/38 - 3/44

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】触媒層内に充填した触媒で原料を化学反応
    させる改質装置を備えた燃料電池において、前記触媒層
    に開閉弁を介して蓄積装置を接続してなり、この蓄積装
    置を、前記触媒で生成された生成ガスが触媒層内に存在
    する状態で前記開閉弁を開いて生成ガスを蓄積するとと
    もに、燃料電池停止後に触媒を冷却する工程で前記開閉
    弁を開いて生成ガスを前記触媒層に供給する構成とした
    ことを特徴とする燃料電池。
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