JP4593119B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
1/2O2+ 2H+ + 2e− → H2O (2)
H2 + 1/2O2 → H2O (3)
即ち、(1)式の反応で生成した水素イオンを、電解質膜を介してアノードからカソードに輸送させると共に、外部回路を介してアノードからカソードに電子を移動させ、カソードでは酸素ガスおよび水素イオン並びに電子が(3)式のように反応して水を生成すると共に、触媒反応による反応熱を得ることができる。
続いてCO変成部23fにおいて、このCOガスは二酸化炭素に酸化され、その濃度が約5000ppmまで減少させられる((5)式参照)。変成部23fの下流側のCO除去部23gにおいてもCOガスを酸化によって排除できるが、CO除去部23gは、COガスの他、有用な水素ガスまでも酸化させるため、CO変成部23fにおいて可能な限りCOガス濃度を低下させる方が望ましい。
変成部23fで除去しきれなかった残留するCOガスは、CO除去部23gで酸化して除去されその濃度を約10ppm以下まで低下させられる((6)式参照)。こうして、燃料電池21に用いられる燃料ガスとして使用に耐え得るCOガス濃度レベルに到達できる。因みに、燃料生成器23の全反応式を(7)式に示しておく。
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 (7)
次に、燃料電池発電装置100の起動開始時の動作について説明する。
通常運転時(発電時)および起動開始時並びに運転停止時について燃料電池発電装置の基本構成のガス供給系の動作を概説したが、停止期間および発電期間を有して停止と発電を頻繁に交互に反復する燃料電池発電装置(例えば、家庭用の燃料電池発電装置)においては、燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池の内部を加湿した原料ガスの雰囲気に曝すことによって、燃料電池の停止時における電解質膜の乾燥化や長期保管でもたらされる酸素ガス混入に起因する燃料電池の局所燃焼という燃料電池の起動および停止の反復動作に関する技術的な課題を解消することができる。
燃料電池発電装置100の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って燃料電池発電装置100を長期保管させる。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS401)。
後ほど説明する加湿原料ガスによって燃料電池21の内部をパージ処理させるため、最初に燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS402)。
燃料生成器23の内部を700℃以上に昇温させた後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS418およびステップS419)。
以下、燃料電池21の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すようにした燃料電池発電装置100のガス供給系の他の構成例を説明する。
燃料電池発電装置の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS801)。
最初に、燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化の処置を行う(ステップS802)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態1と同様である。
更に、第六の切り替え弁54を動作させてガス清浄部22pを燃料生成器23と連通させる一方、ガス清浄部22pを原料ガス分岐配管51と遮断させる。
燃料生成器23を700℃以上に昇温させた後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS815およびステップS816)。
以下、燃料電池21の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すことを特徴とする燃料電池発電装置のガス供給系の他の構成例を説明する。
燃料電池発電装置100の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS1001)。
燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS1002)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態1と同様である。
燃料生成器23の昇温完了の後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
上記の確認動作が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の内部温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS1018およびステップS1019)。
12a アノードの触媒反応層
12c カソードの触媒反応層
13a アノードのガス拡散層
13c カソードのガス拡散層
14a アノード
14c カソード
15a アノードの側のMEAガスケット
15c カソードの側のMEAガスケット
16a アノードに対する導電性セパレータ板
16c カソードに対する導電性セパレータ板
17 MEA
18a 燃料ガス流路
18c 酸化剤ガス流路
19a 導電性セパレータ板16aに形成された溝
19c 導電性セパレータ板16cに形成された溝
20 燃料電池セル
21 燃料電池
22 原料ガス供給手段
22p ガス清浄部
23 燃料生成器
23e 改質部
23f 変成部
23g CO除去部
24 加湿部
25 回路部
26 測定部
27 制御部
28 ブロア
29 第一の切り替え弁
30 第一の遮断弁
31 第二の遮断弁
32 第三の遮断弁
33 水除去部
34 全熱交換加湿器
35 温水加湿器
41 第一の逆止弁
42 第二の切り替え弁
43 第三の切り替え弁
44 第四の切り替え弁
45 第一の循環配管
46 第二の循環配管
47 アノード排気配管
48 第二の逆止弁
51 原料ガス分岐配管
52 第五の切り替え弁
53 第二の連結配管
54 第六の切り替え弁
55 分流弁
60 カソード排気配管
61 燃料ガス供給配管
62 酸化剤ガス供給配管
63 原料ガス供給配管
64 第一の連結配管
70a アノードのマスフローメータ
70c カソードのマスフローメータ
71 温度検知手段
72a アノードの出力端子
72c カソードの出力端子
73 インピーダンス測定器
74 第一の水供給手段
75 第二の水供給手段
Claims (15)
- 燃料ガス流路を有する燃料電池と、原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、
前記燃料電池の発電期間には、前記燃料ガス流路に前記原料ガスから生成される燃料ガスを供給することによって前記燃料電池を発電させ、停止と発電を交互に反復する燃料電池における停止期間から発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間には、前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを加湿して、この加湿された原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す燃料電池発電装置。 - 前記燃料ガス流路に前記原料ガスを流通させることによって前記燃料電池の内部の電解質膜を前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガスの露点を前記燃料電池の稼働温度以上に維持できるように、前記原料ガスを加湿する請求項2記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガス供給手段はガス清浄部を備え、前記ガス清浄部によって前記原料ガス中のイオウ成分を除去した後、前記原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガスは、メタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガスのうちの何れかのガスである請求項4記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記移行期間に前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを、前記燃料生成器の内部で加湿する際に、前記燃料生成器において前記原料ガスを炭化させる下限温度よりも低く、前記燃料生成器の温度を維持する請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料生成器の温度を300℃以下に維持する請求項6記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記カソードに供給する、前記燃料ガスとの発電反応用の酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記原料ガスを前記加湿器で加湿する請求項10記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスから分流する前記第一の原料ガスの雰囲気に曝すと共に、前記アノードを前記原料ガスから分流する前記第二の原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器および前記カソードに供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第一の原料ガスを前記加湿器の内部で加湿し、前記第二の原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する請求項12記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池の内部に電解質膜を備え、前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池の内部における所定の相対湿度に対応する前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる請求項14記載の燃料電池発電装置。
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