JP4442163B2

JP4442163B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4442163B2
Application number: JP2003306621A
Authority: JP
Inventors: 正高尾関; 彰成中村; 良和田中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005078900A

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

以下に、従来の燃料電池システムについて説明する。

図３に示すように、従来の燃料電池システムは、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤を用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１と、原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する燃焼生成器２と、燃料生成器２に水を供給する水供給手段３と、燃料電池１からの排出燃料ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア５と、パージ用空気供給手段６とを備える。

燃料電池システムは、運転時以外は安全上、燃料ガス経路から水素に富んだ燃料ガスを追い出しておくことが必要なので、燃料電池システムを停止する際には燃焼生成器２の天然ガス供給経路より窒素を流入せしめ、燃焼生成器２、燃料電池１を経由して燃焼器４から排出することが一般的であるが、窒素の貯蔵装置を省略するための技術として、燃料電池システムの停止時に燃焼生成器２に水供給手段３を用いて水のみを供給して生成した水蒸気を用いて燃料ガス経路内の水素に富んだ燃料ガスを追い出した後、パージ用空気供給手段６より空気を流入せしめて燃料ガス経路を空気でパージする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第０１／９７３１２号パンフレット

しかしながら、上記従来例の燃料電池システムにおいて、水蒸気で装置内の燃料ガス経路の水素を追い出した後に空気を燃料電池へ供給するとアノードの電は酸化雰囲気にさらされる。固体高分子形燃料電池の場合、アノードの電には、白金とルテニウムの合金が触媒として一般的に用いられるが、この合金触媒は酸化雰囲気に晒されることにより触媒性能が徐々に劣化していくことが分かっている。そのため、燃料電池システムの起動停止に際して、アノードに空気を流通させる事は燃料電池システムの耐久性を低下させる原因となる。

上記課題を解決するために、
第１の本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に水を供給する水供給手段と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段と、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記アノード閉止手段はアノードの入口及び出口を閉止し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする。

第２の本発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に水を供給する水供給手段と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料電池のアノードに原料を供給する原料アノード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする。

第３の本発明は、遅くとも前記燃料電池の電圧が開放電圧に到達する時以前に、前記燃料電池の発電を停止する時に行う動作を開始すること。

第４の本発明は、前記原料アノード供給手段は、前記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料の供給を開始した後に、前記燃料電池のアノードに原料の供給を開始することを特徴とする。

第５の本発明は、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段を備え、前記アノード閉止手段は記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給した後、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止することを特徴とする。

第６の本発明は、前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止するカソード閉止手段を備え、前記カソード閉止手段は記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料を供給した後、前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止することを特徴とする。

第７の本発明は、原料と、前記燃料電池のアノードから排出される残余燃料と、前記燃料生成器から前記バイパス手段を経由して供給される燃料との少なくとも１つ、または、混合物を燃焼する燃焼器を備え、装置の起動時には、前記燃焼器にて燃焼が開始された後に、前記アノード閉止手段は前記燃料電池のアノードの入口及び出口を開放することを特徴とする。

以上から明らかなように、本発明は、窒素の貯蔵装置を省略し窒素以外の代替流体でパージを行なう燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノードが酸素の存在する酸化雰囲気に晒される状況が発生しないため、耐久性の低下を招く事のない燃料電池システムを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。従来例と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１と、原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する燃焼生成器２と、燃料生成器２に水を供給する水供給手段３と、燃料電池１からの排出燃料ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤としての空気を燃料電池１のカソードに供給するブロア５と、パージ用空気供給手段６と、燃料生成器２から送出される流体を燃料電池１のアノードへ供給する燃料ガス供給流路と、燃料生成器２から送出される流体を燃料電池をバイパスして排出燃焼ガスを燃焼器へ供給するための経路へ導くためのバイパス管７への切り換えを行なう流路切換手段８と、燃料電池１から残余燃料ガスが排出される経路上の開閉弁９と、原料を燃料電池１のカソードへ供給する原料カソード供給手段１０と、ブロア５から燃料電池１への空気の入口側と燃料電池１から排出される空気の出口側を開閉する開閉弁を有するカソード閉止手段１１とを備える。なお、ここで上記原料は、天然ガスに限定されるものでなく、都市ガス、メタン、プロパン等の炭化水素、メタン、エタノール等のアルコールに例示される少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むものであればいずれの材料でも構わない。ただし、アルコール等の液体原料は気化された原料ガスが好ましい。

また、流路切換手段８がバイパス流路を形成し、燃料生成器２から送出される流体をバイパス管７へ供給するように設定された場合は燃料電池１への燃料ガスの入口側が閉止状態となるため、流路切換手段８と開閉弁９とからアノード閉止手段１２が構成される。

燃料電池システムの運転時は、燃料生成器２は約７００℃程度の温度に維持されて天然ガスと水から水素に富んだ燃料ガスを生成し、燃料ガスは供給流路を形成した流路切換手段８を経由して燃料電池１へ送られる。燃料電池１では燃料ガス中の水素とブロア５から開放状態のカソード閉止手段を経由して供給される空気中の酸素とを用いて発電が行われ、発電で消費されなかった残余燃料ガスは開放状態の開閉弁９を経由して燃焼器４へ送られ燃焼され燃料生成器２の温度維持を行うための熱源に用いられる。

燃料電池システムが発電を停止する際には、ブロア５を停止して燃料電池１のカソードへの空気供給を停止し、燃料電池１の電圧が開放電圧になる前に、原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給を開始する。原料が燃料電池１のカソード内の空気をほぼ全量追い出したときにカソード閉止手段１１を閉止状態にし、原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給するのを停止する。

また、流路切換手段８はバイパス管７側へ切り替えられ、バイパス流路を形成するとともに開閉弁９を閉止状態にすることにより、燃料電池１のアノードに存在する燃料ガスを封入し、燃料生成器２への原料の供給を停止する。一方、水供給手段３による燃料生成器２への水の供給は継続させる。燃料生成器２へ供給された水は燃料生成器２の熱で水蒸気となり、燃料生成器２内に残っている水素に富んだ燃料ガスを押し出し流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４で燃焼させる。その後、次第に水素に富んだ燃料ガスの量が減少してくため燃焼器４での燃焼は停止するが、燃料生成器２の余熱で水蒸気の生成は継続される。

燃料生成器２で生成された水蒸気の量が燃料生成器２内の水素に富んだ燃料ガスを十分追い出す量に達し、かつ、燃料生成器２の温度が４００℃程度まで低下した時、水供給手段３による水の供給を停止してパージ用空気供給手段６により空気を供給することにより燃料生成器２の中の水蒸気を押し出し流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４から排出する。燃料生成器２や各部配管内部の水蒸気を追い出し切ったときパージ用空気供給手段６は空気の供給を停止し、燃料電池システムの停止処理を完了する。

前記の４００℃という温度は燃料生成器２に用いられる触媒がルテニウムを主成分としている場合を想定しており、触媒が高温時に空気に触れて酸化することにより性能劣化を引き起こさないためにある程度の安全率を見込んで設定した温度である。そのため安全率の設定によっては温度は変化することは当然であり、また、触媒の種類が異なればおのずと違った温度に設定されるべきである。

次に、燃料電池システムを起動する場合は、流路切換手段８はバイパス流路を形成したまま原料を燃料生成器２、流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４へ供給し燃焼を行なう。と同時に、水供給手段３は燃料生成器２へ水の供給を行なう。そして、燃焼器４により燃料生成器２が約７００℃に加熱され、原料から水素に富んだ燃料ガスに変換される。燃料生成器２に含まれる一酸化炭素除去部（図示せず）の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が燃料電池１のアノード電を劣化させない程度（約20ppm）まで低下した時点で、開閉弁９を開き、流路切換手段８は燃料ガス供給流路側へ切替えられ、燃料ガスを流路切換手段８、燃料電池１、開閉弁９を経由して燃焼器４へ供給する。

同時にカソード閉止手段１１を開放状態にし、ブロア５は燃料電池１のカソードへ空気の供給を開始し、燃料電池１での発電を開始する。

以上のように、燃料電池システムの停止時おいて、流路切換手段８はバイパス流路を形成し開閉弁９を閉止状態にして燃料電池１のアノードに燃料ガスを封入することにより、窒素を用いない場合でも燃料電池１のカソードへ空気を流入させる事無く安全に停止できるので、燃料電池１のアノードを酸素の存在する酸化雰囲気に晒す事はない。さらに、原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給しカソードの空気を追い出してから停止するため、燃料電池１が固体高分子形であり固体高分子からなる電膜を介してカソードからアノードへのガス拡散が発生しても、アノードに空気が混入しないため、燃料電池システムの耐久性低下を招く事はない。かつ、上記の原料によるカソードの空気排出動作を燃料電池１が開放電圧に到達する以前に開始するため、燃料電池１のカソード、アノード間に高い電位差が発生し、微弱電流がながれることによる電の溶出も発生せず、燃料電池システムの耐久性低下を招かない。

また、カソード閉止手段１１を閉止状態にすることにより、原料カソード供給手段１０により燃料電池１のカソードへ供給した原料は封入されるため、停止期間が長くなっても外部から空気が燃料電池１へ到達する事は無く、長期停止時を含めて燃料電池システムの耐久性の低下を招く心配はない。

一方、燃料生成器２は最初に水蒸気で内部の燃料ガスを押し出し、温度が十分低下してから空気で水蒸気を追い出すため、高温状況下で可燃性ガスを内部に滞留させる危険性もなく、停止時に内部に水を滞留させないため、次回起動時に配管中に水がたまり燃料ガスの供給を不安定にすることもない。

そして起動時には、燃焼器４での燃焼を開始した後に流路切換手段８を燃料ガス供給流路側に切り替え、開閉弁９を開いて、燃料電池１に封入されていた燃料ガスを燃焼器４で燃焼させる事により、燃料電池１に封入されていた燃料ガスを外部へ放出する事がなく、燃料ガスが外部に排出される危険性は生じない。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。従来例もしくは本発明の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池１と、原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する燃焼生成器２と、燃料生成器２に水を供給する水供給手段３と、燃料電池１からの排出ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤としての空気を燃料電池１のカソードに供給するブロア５と、パージ用空気供給手段６と、燃料生成器２から送出される流体を燃料電池１のアノードへ供給する燃料ガス供給流路と、燃料生成器２から送出される流体を燃料電池をバイパスして排出燃焼ガスを燃焼器へ供給するための経路へ導くためのバイパス管７への切り換えを行なう流路切換手段８と、燃料電池１から残余燃料ガスが排出される経路上の開閉弁９と、原料を燃料電池１のカソードへ供給する原料カソード供給手段１０と、ブロア５から燃料電池１への空気の入口側と燃料電池から排出される空気の出口側を開閉する開閉弁かを有するカソード閉止手段１１と、原料を燃料電池１のアノードへ供給する原料アノード供給手段１３とを備える。

燃料電池システムが発電を停止する際には、まず、ブロア５を停止して燃料電池１のカソードへの空気供給を停止し、燃料電池１の電圧が開放電圧になる前に、原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給を開始する。原料が燃料電池１のカソード内の空気をほぼ全量追い出したときにカソード閉止手段１１を閉止状態にし、原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給するのを停止する。

次に、流路切換手段８はバイパス管７側へ切替えられ、バイパス流路を形成するとともに開閉弁９を開放状態のまま維持し、アノード閉止手段１２は原料を燃料電池１のアノードへ供給する。原料が燃料電池１のアノード内の燃料ガスをほぼ全量追い出したときに開閉弁９を閉止状態にし、原料アノード供給手段１３は原料を燃料電池１のアノードへ供給するのを停止する。

一方、燃料生成器２への原料の供給を停止し、水供給手段３による燃料生成器２への水の供給は継続させる。燃料生成器２へ供給された水は燃料生成器２の熱で水蒸気となり、燃料生成器２内に残っている水素に富んだ燃料ガスを押し出し流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４で燃焼させる。その後次第に水素に富んだ燃料ガスの量が減少してくため燃焼器４での燃焼は停止するが、燃料生成器２の余熱で水蒸気の生成は継続される。

燃料生成器２で生成された水蒸気の量が燃料生成器２内の水素に富んだ燃料ガスを十分追い出す量に達し、かつ、燃料生成器２の温度が４００℃程度まで低下した時、水供給手段３による水の供給を停止してパージ用空気供給手段６により空気を供給することにより燃料生成器２の中の水蒸気を押し出し流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４から排出する。燃料生成器２や各部配管内部の水蒸気を追い出し切ったときパージ用空気供給手段６は空気の供給を停止し、燃料電池システムの停止生成を完了する。

次に燃料電池システムを起動する場合は、流路切換手段８はバイパス流路を形成したまま原料を燃料生成器２、流路切換手段８、バイパス管７を経由して燃焼器４へ供給し燃焼を行なう。と同時に、水供給手段３は燃料生成器２へ水の供給を行なう。そして、燃焼器４により燃料生成器２が約７００℃に加熱され、原料から水素に富んだ燃料ガスに変換される。燃料生成器２に含まれる一酸化炭素除去部（図示せず）の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が燃料電池１のアノード電を劣化させない程度（約20ppm）まで低下した時点で、開閉弁９を開き、流路切換手段８は燃料ガス供給流路側へ切替えられ、燃料ガスを流路切換手段８、燃料電池１、開閉弁９を経由して燃焼器４へ供給する。

以上のように、燃料電池システムの停止時おいて、アノード閉止手段１２は原料を燃料電池１のアノードへ供給し、原料が燃料電池１のアノード内の燃料ガスをほぼ全量追い出したときに開閉弁９を閉止状態にして原料を封入する事により、窒素を用いない場合でも燃料電池１のカソードへ空気を流入させる事無く安全に停止できるので、燃料電池１のアノードを酸素の存在する酸化雰囲気に晒す事はない。

さらに、発電停止時の最初に原料カソード供給手段１０は原料を燃料電池１のカソードへ供給しカソードの空気を追い出してから停止するため、燃料電池１が固体高分子形であり固体高分子からなる電膜を介してカソードからアノードへのガス拡散が発生しても、アノードに空気が混入しないため、燃料電池システムの耐久性低下を招く事はない。かつ、上記の原料によるカソードの空気排出動作を燃料電池１が開放電圧に到達する以前に開始するため、燃料電池１のカソード、アノード間に高い電位差が発生し、微弱電流がながれることによる電の溶出も発生せず、燃料電池システムの耐久性低下を招かない。

そして起動時には、燃焼器４での燃焼を開始した後に流路切換手段８は燃料ガス供給流路を形成し開閉弁９を開いて、燃料電池１に封入されていた燃料ガスを燃焼器４で燃焼させる事により、燃料電池１に封入されていた燃料ガスを外部へ放出する事がなく、燃料ガスが外部に排出される危険性は生じない。

本発明の燃料電池システムは、窒素の貯蔵装置を省略し窒素以外の代替流体でパージを行なう場合でも、耐久性の低下を招く事がないという効果を有し、燃料電池を用いた発電設備等として有用である。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図従来の燃料電池システムを示す構成図

符号の説明

１燃料電池
２燃焼生成器
３水供給手段
４燃焼器
５ブロア
６パージ用空気供給手段
７バイパス管
８流路切換手段
９開閉弁
１０原料カソード供給手段
１１カソード閉止手段
１２アノード閉止手段

Claims

水素を含む燃料ガスと酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に水を供給する水供給手段と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段と、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記アノード閉止手段はアノードの入口及び出口を閉止し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。
水素を含む燃料ガスと酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、原料から前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器に水を供給する水供給手段と、前記燃料生成器に空気を供給するパージ空気供給手段と、前記燃料電池のカソードに原料を供給する原料カソード供給手段と、前記燃料電池のアノードに原料を供給する原料アノード供給手段と、前記燃料生成手段から前記燃料電池までの燃料ガス経路上に前記燃料電池をバイパスするバイパス手段と、前記燃料生成器から排出されるガスの経路を前記燃料ガス経路またはパイバス手段にいずれかに切替える切替手段とを備え、前記燃料電池の発電を停止する際に、前記原料カソード供給手段は前記燃料電池のカソードに原料を供給し、前記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給し、かつ前記切替手段によりバイパス手段側に切替え、前記水供給手段により水を供給した後、前記パージ空気供給手段により空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。
遅くとも前記燃料電池の電圧が開放電圧に到達する以前に、前記燃料電池の停止動作を開始することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
前記原料アノード供給手段は、前記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料の供給を開始した後に、前記燃料電池のアノードに原料の供給を開始することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止するアノード閉止手段を備え、前記アノード閉止手段は記原料アノード供給手段が前記燃料電池のアノードに原料を供給した後、前記燃料電池のアノードの入口及び出口を閉止することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止するカソード閉止手段を備え、前記カソード閉止手段は記原料カソード供給手段が前記燃料電池のカソードに原料を供給した後、前記燃料電池のカソードの入口及び出口を閉止することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
原料と、前記燃料電池のアノードから排出される残余燃料と、前記燃料生成器から前記バイパス手段を経由して供給される燃料との少なくとも１つを燃焼する燃焼器を備え、装置の起動時に、前記燃焼器にて燃焼が開始された後に、前記アノード閉止手段は前記燃料電池のアノードの入口及び出口を開放することを特徴とする請求項１、５または６のいずれかに記載の燃料電池システム。