JP5703706B2 - 燃料電池の運転方法および燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の運転方法、特に長時間高い出力を得ることを可能とする燃料電池の運転制御方法、ならびに燃料電池発電装置に関する。

都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質し、この改質された燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料極および酸化剤極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する燃料電池発電装置が周知であり、かかる燃料電池発電装置としては通常、図２に示すようなシステムが採用されている（特許文献１参照）。

図２は、従来のリン酸形燃料電池発電装置の概略システム系統図の一例を示すもので、燃料電池は、電解質であるリン酸が含有されている電解質膜１を、図示しない電極触媒を備えたアノード２とカソード３とで挟持している。発電装置として上記燃料電池を適用する場合には、単セルを複数セル積層してなる燃料電池スタックを構成して発電するのが一般的である。

上記燃料電池スタックは、通常、複数セルを積層する毎に、水や油等の溶媒や空気等のガスを冷却媒体として通流する冷却板を積層してなる。上記燃料電池スタックの模式的構成を図３に示す。図２および図３において、前記冷却板は冷却部４として示され、冷却媒体として冷却水を用いる場合には、通常、図示しない水蒸気分離器から図示しないポンプおよび熱交換器６を介して燃料電池の冷却部４に供給される。図３の燃料電池スタックは、nセル積層されたセル部８と冷却部４とが交互に積層され、積層されたスタックにおけるセルの総数はＮセルであり、スタック電圧がＹ（Ｖ）である例として示されている。

図２において、アノード２へは、例えば都市ガスを改質器５にて改質した水素リッチな改質ガスを供給する。通常、都市ガスなどの原燃料は腐臭剤としてイオウ成分を含んでいるので、これを除去するために、図示しない脱硫器が改質器の前に設けられる。また、改質ガスは、通常、ＣＯ濃度を低下させるために図示しないＣＯ変成器を介してアノード２へ供給される。カソード３へは、酸素や大気中の空気を空気ブロアー７により供給して発電を行う。

アノード電極、カソード電極共に、触媒としてPt又は、Pt合金が使われている。触媒の表面積を増やすために、高比表面積カーボンにPt触媒を直径２から１０nmの微粒状に担持させている。

発電時におけるアノード２およびカソード３における電池反応は下記のとおりである。

アノード： H₂ → ２H⁺ + ２e^-
カソード： 1/2 O₂ + ２H⁺ + ２e^- → H₂O
電池反応により得られた直流電流は、図示しないインバータで交流に変換される。電池反応は発熱反応であるため、前述のように、電池には冷却板が数セル間隔で設けられ、冷却板は、水や油等の溶媒や空気等のガスを冷却媒体として流量と温度を制御しながら、電池の温度を一定に制御している。

ところで、電池の発生電圧の値（セル電圧）は、供給するガス不足、電極触媒の劣化、電解質であるリン酸不足によるガスクロスリークの発生等に起因して、低下する。そこで、上記事態に対処して、セル電圧（またはスタック電圧）が所定のレベル以下に低下した場合に、アラーム信号を出す、もしくは、さらに燃料電池の負荷を下げる、又は、停止する運転制御を行なうことが、従来から行なわれている（前記特許文献１の段落［００１３］参照）。

図４は、上記従来の燃料電池の運転制御方法の一例を概念的に説明する図（フローチャート）である。図４において、Ｘ（Ｖ）は、前記スタック電圧の所定の下限レベルを示し、スタック電圧がＸ（Ｖ）以上であるか否かを監視して、Yesであるならば運転を継続（連続運転）とし、Noならば、アラーム信号を送る、場合により燃料電池の負荷を例えば３０％に下げる、又は、停止する運転制御を行なっている。

特開平９−５５２１９号公報

上記図４に示すような従来の燃料電池の運転制御方法においては、以下のような問題があった。

セル間に配設されている冷却板が有する冷却媒体の通流配管内に汚染物質（コンタミ）等が詰まると、冷却媒体の流量が減少する。冷却媒体の流量が減少した場合には、冷却板の冷却能力が低下して、通常、セル温度が上昇する。

ところで、電極触媒の劣化は主に、触媒金属であるPtがシンタリングによってPt表面積の低下を生じることに起因する場合が多い。そして、温度が高いほど、シンタリングし易く、セル電圧低下率が増大する。図５は、リン酸形燃料電池における運転温度（セル温度℃）とセル電圧低下率（μＶ／ｈ）の関係の一例を示す。

図５によれば、通常のリン酸形燃料電池の運転温度（セル温度）190℃に対して、セル温度が20℃上昇した210℃では、セル電圧低下率が約３倍増加する。一方、セル温度とセル電圧の関係は、約1mV/℃の関係があるため、セル温度が高くなった場合には、一時的にセル電圧は上昇する。

前述のように、従来のリン酸形燃料電池の運転制御方法においては、セル電圧（またはスタック電圧）を監視して、セル電圧（またはスタック電圧）が所定の下限セル電圧（またはスタック電圧）まで低下した場合に、燃料電池の負荷を下げるか、又は、停止動作に移行するように制御されているので、冷却媒体の流量が減少してセル温度が上昇した場合にも拘わらず、前記所定の下限セル電圧まで低下しない場合には、運転は正常とみなされて、温度が通常より高いまま継続運転されることとなり、前述のシンタリングによりPt表面積が低下して、セル電圧が所定の電圧に下がるまで運転が継続される事態が発生する。

上記問題点に鑑み、本発明の課題は、長時間、電極触媒が高温に曝されることを防止してシンタリングによる電極触媒の劣化を抑制し、長期間安定して運転できる燃料電池の運転方法ならびに燃料電池発電装置を提供することにある。

前記の課題を達成するために、この発明によれば、電極触媒を有し燃料ガスが供給されるアノード電極と、電極触媒を有し酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで、電解質膜を挟持して燃料電池セルを構成し、前記燃料電池セルにおける反応熱を冷却する冷却部を備えた燃料電池の運転方法において、前記燃料電池を負荷一定で運転中に、燃料電池セルのセル電圧が、前記冷却部の媒体の詰まり方による燃料電池セル温度の温度上昇速度に伴うセル電圧の上昇速度を考慮して予め定めた所定の設定時間前に比べて、前記電極触媒の劣化防止のために予め定めた所定のセル電圧以上となった際に、アラーム信号を発信することを特徴とする。

上記において、「燃料電池を負荷一定で運転中に」の意義は、運転負荷を変動させるとセル電圧が変動するからである。また、反応ガス供給量の変動によってもセル電圧が変動するので、前記負荷一定の場合、その負荷に応じた一定の反応ガス供給量で運転することを意味する。

また、前記運転方法において、前記アラーム信号に基づき、場合により燃料電池の負荷を下げるか、または、燃料電池の運転を停止することが好ましい。さらに、上記の運転方法において、前記所定のセル電圧は、単セル換算で０．０１〜０．１Ｖとすることが好ましい。

具体的には、前記所定のセル電圧は、単セル換算で0.01V以上0.02V未満の場合にはアラームを、更に、触媒の劣化が進行する0.02V以上0.1V未満の時は負荷を下げ、触媒以外の構成部材が劣化する可能性のある0.1V以上の場合は、電池を停止するのが望ましい。

また、前記発明において、燃料電池を、セル数ｎ毎に前記冷却部を備えてなる燃料電池スタックとした場合に、前記燃料電池スタックにおける全セルの電圧値（スタック電圧Ｙ（Ｖ））が、ΔＹ（Ｖ）増加した際に、ΔＹ≧ａ×ｎ （ここで、ａ＝０．０１〜０．１）を満たすときにアラーム信号を発信することが好ましい。上記において、例えば、負荷一定で運転中の、ある時間ｔにおけるスタック電圧Ｙ（ｔ）（Ｖ）が、ｔ時間前のスタック電圧Ｙ（Ｖ）にａ×ｎ（Ｖ）を加算した値以上になった際に、アラーム信号を発信する。このｔ時間は、詳細は後述するが、冷却部の媒体の詰まり方による温度上昇速度に伴うセル電圧の上昇速度を考慮して、例えば、１０分〜１週間（１６８時間）の範囲内で設定する。

さらに、上記運転方法を実施するための燃料電池発電装置の発明としては、セル数ｎ毎に冷却部を備えてなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを負荷一定で運転中に、前記スタック電圧Ｙ（Ｖ）が、ΔＹ（Ｖ）増加した際に、ΔＹ≧ａ×ｎ （ここで、ａ＝０．０１〜０．１）を満たすときにアラーム信号を発信する制御手段とを備えることを特徴する。

本発明によれば、セル温度が上昇した時に生じるセル電圧上昇分を検知して信号を発信する、さらには電池の負荷を下げるか、または、停止動作に移るため、セル中の電極触媒が長時間高温に曝されることを防ぐことができる。これにより、長時間安定した出力を得ることが可能な燃料電池の運転方法ならびに燃料電池発電装置を提供することができる。

この発明の実施例に係る燃料電池の運転制御方法を概念的に説明する図。 従来のリン酸形燃料電池発電装置の概略システム系統図の一例を示す図。 燃料電池スタックの模式的構成を示す図。 従来のリン酸形燃料電池の運転制御方法の一例を概念的に説明する図。 リン酸形燃料電池における運転温度（セル温度）とセル電圧低下率の関係の一例を示す図。

以下、この発明の実施形態について、図１の実施例に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池の運転制御方法の一例を概念的に説明する図（フローチャート）である。この実施例に係る燃料電池スタックは、前述の図３に示すような構成を備える。即ち、全セル数はＮで、ｎセル毎に冷却部４が設けられる。

連続運転時に、スタック電圧Ｙを計測する。従来の運転制御方法と同じようにスタック電圧が、例えば、運転初期の10％の電圧を下回る所定の電圧Ｘ（Ｖ）を下限値として設定する。さらに、スタック電圧の上限値を、本発明に基づいて、例えば、Ｙ＋０．０２ｎ（Ｖ）に設定する。Ｙは、計測した現時間からｔ時間前のスタック電圧値である。ｔ時間前から増加したスタック電圧分０．０２ｎ（Ｖ）は、図３における冷却部４を挟んで上下に積層されたセル部８，８の上側半分のセルおよび下側半分からなる計ｎ個の単セルが、冷却媒体の流量の減少に基づくセル温度上昇などの要因により、それぞれ０．０２（Ｖ）づつ増加した電圧値である。

スタック全電圧Ｙが、t時間前に比べて０．０２ｎ（Ｖ）以上上昇したことをスタック電圧で感知するために、前記ｔ時間は、冷却部の媒体の詰まり方による温度上昇速度に伴うセル電圧の上昇速度を考慮して、１０ｍｉｎ〜１６８ｈの範囲で設定する。設定時間は１つではなく、例えば、１０ｍｉｎ前、１ｈ前、１０ｈ前、１６８ｈ前の４点とし、いずれかの時点のスタック電圧が上限値Ｙ＋０．０２ｎ（Ｖ）以上となった時点で、アラーム信号を送るようにすることができる。また、アラーム信号を送信すると同時に、運転中の負荷を例えば３０％下げた運転動作に切り替えることができる。さらに、アラーム信号とともに運転を停止することもできる。

上記においては、冷却部４を挟んだ上下セル部８の計ｎ個の単セルが、t時間前に比べて０．０２ｎ（Ｖ）以上上昇した実施例について述べたが、電池の性能に応じて、前記０．０２ｎ（Ｖ）における０．０２を、０．０１〜０．１の範囲内で変更することができる。この場合、前述のように、スタック電圧が上限値Ｙ＋ａ×ｎ（Ｖ）（ここで、ａ＝０．０１〜０．１の範囲内で予め設定した任意の値）以上となった時点で、アラーム信号のみを発信するようにするか、負荷を下げるか、運転を停止するいずれかの制御をすることとなる。

上記のように、セル温度が上昇した時に生じるセル電圧上昇分を検知してアラームを発信する、さらには電池の負荷を下げる、又は、停止動作に切替えるため、長時間、電極触媒が高温に曝されることを防げる。そして電極触媒中のＰｔのシンタリングを抑制することで、長時間安定した出力を得ることができる。

１：電解質膜、２：アノード、３：カソード、４：冷却部、５：改質器、６：熱交換器、７：空気ブロアー、８：セル部。

Claims (5)

1. 電極触媒を有し燃料ガスが供給されるアノード電極と、電極触媒を有し酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで、電解質膜を挟持して燃料電池セルを構成し、前記燃料電池セルにおける反応熱を冷却する冷却部を備えた燃料電池の運転方法において、
   前記燃料電池を負荷一定で運転中に、燃料電池セルのセル電圧が、前記冷却部の媒体の詰まり方による燃料電池セル温度の温度上昇速度に伴うセル電圧の上昇速度を考慮して予め定めた所定の設定時間前に比べて、前記電極触媒の劣化防止のために予め定めた所定のセル電圧以上となった際に、アラーム信号を発信することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記アラーム信号に基づき、燃料電池の負荷を下げるか、または、燃料電池の運転を停止することを特徴とする燃料電池の運転方法。
3. 請求項１又は２記載の運転方法において、前記所定の設定時間は１０分〜1週間（１６８時間）とし、前記所定のセル電圧は、単セル換算で０．０１〜０．１Ｖとすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
4. 請求項３記載の運転方法において、燃料電池は、セル数ｎ毎に前記冷却部を備えてなる燃料電池スタックとした場合に、前記燃料電池スタックにおける全セルの電圧値（スタック電圧Ｙ（Ｖ））が、ΔＹ（Ｖ）増加した際に、ΔＹ≧ａ×ｎ （ここで、ａ＝０．０１〜０．１）を満たすときにアラーム信号を発信することを特徴する燃料電池の運転方法。
5. 請求項３に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、セル数ｎ毎に冷却部を備えてなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを負荷一定で運転中に、前記スタック電圧Ｙ（Ｖ）が、ΔＹ（Ｖ）増加した際に、ΔＹ≧ａ×ｎ （ここで、ａ＝０．０１〜０．１）を満たすときにアラーム信号を発信する制御手段とを備えることを特徴する燃料電池発電装置。

Images