JPH02132766A - 燃料電池システムの停止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池システムの停止方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

燃料電池システム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システムにおいては、運
転停止後、改質装置は放熱によって温度が徐々に低下す
る。このため、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。その結果、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、外気を吸い込む場合があり、改質
装置内の改質用の触媒が外気中に含まれる酸素によって
酸化されてしまい、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
熱により著しく劣化してしまう。

このため、従来、燃料電池システムの停止時に、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たり、あるいは特開昭６２−１４
８３０２号公報に開示された改質装置のように原料タン
ク中の原料を改質装置内に溜めて触媒を原料中に浸漬さ
せるようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前者においては、不活性ガスを溜めておくボン
ベなど特別な装置が必要になるために、装置が複雑にな
る．一方、後者においては、再起動時に触媒内に浸透し
ている原料が蒸発して膨張するために、触媒が破壊した
り、触媒の充填状態が変化し、改質能力が低下するおそ
れがあった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、装置を
複雑にすることなく、触媒の改質能力が低下するのを防
止することができる燃料電池システムの停止方法を提供
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システムの停止方法は、改質装置
を加熱する加熱手段により供給される加熱エネルギを減
らす操作後、ある一定の時間経過した後に原料供給を停
止するものである。ここで、ある一定の時間とは、原料
が改質される際の吸熱反応によって安全温度にまで冷却
される時間を言い、安全温度とは、何らかの理由で侵入
した空気によって触媒が酸化発熱反応するようなことが
あっても、触媒が使用温度範囲の上限側の臨界温度を越
えて著しく劣化するようなことがない温度を言う。安全
温度の最高値は通常運転時（効率の良い臨界温度付近）
より２０〜５０℃低い温度であり、最低値は使用温度よ
りも約２０℃低い温度である。

〔作用〕

本発明においては、原料が水蒸気改質反応するときに生
ずる吸熱作用によって、触媒が速やかに冷却されるよう
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システムの停止方法を説明
するために示す燃料電池システムの構成図である。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，銅一亜鉛系，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の人口側は改質装置入口弁４および供給ボ
ンブ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の下方には加熱手段を構成する水素バ
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およびバーナボン
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内に燃焼空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人口弁１７、セルプロワ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
燃焼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
ヮ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人口弁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および水素出目弁
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、水素出目弁
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。

なお、３１は燃料電池本体１６の出力側にダイオード３
２を介して接続された負荷としてのモータ、３３はモー
タ３１と同様に接続されたバッテリである。

このような燃料電池システムは、先ずバーナ入口弁１１
を開いてバーナボンプ１２で加圧されたメタノールをメ
タノールバーナ９に供給し、バーナブロワ１５で供給さ
れる外気によって燃焼させ、触媒層２を加熱する。そし
て、触媒層２の触媒が原料を化学反応させることができ
る温度に達したときに、改質装置人口弁４を開いてメタ
ノールと水とが混合された原料を原料タンク７から気化
器３へ供給する。気化器３に供給された原料は気化され
て触媒Ｎ２に送られ、触媒によって化学反応して水素と
炭酸ガスを主成分とするガスに改質され改質ガスとなる
。

ここで、起動時においては、燃料電池本体１６が発電可
能温度に到達するまでの間は、バイパス弁３０を開いて
水素バーナ８に供給して燃焼させる。改質装置１内を上
昇した加熱ガスは燃料電池本体１６を加熱するためにセ
ルプロワ１８で燃料電池本体１６に供給し酸素出口弁２
５から大気中に排出させる． このようにして、触媒層２の温度が所定の温度（１８０
〜３２０℃）にまで上昇し、燃料電池本体１６の温度が
所定の温度（１２０〜２００℃）にまで上昇した時点に
おいて、バイパス弁３０を閉じて水素人口弁２１を開き
、水素を燃料電池本体１６に供給する．燃料電池本体１
６では、水素人口弁２１から供給される水素とセルブロ
ワ１８により供給される空気中の酸素とが電気化学反応
して電気エネルギを発生する．この電気化学反応に供さ
れなかった改質ガスは水素回収管路２６で改質装置１を
加熱する熱源として利用される。

次にこのような燃料電池システムの停止方法について説
明する。第３図は燃料電池システムの停止状態について
説明するための触媒層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は停止操作開始時である第
１の時点Ｔ１で供給ポンプ５およびバーナボンブ１２を
停止し、そのまま放置した場合の温度状態を示し、鎖線
Ｂは本発明の停止方法に基づいて停止操作を行った場合
の温度状態を示す． 先ず停止操作開始時である第１の時点Ｔ．において、供
給ボンプ５およびバーナボンブ１２の停止操作を開始し
、これらポンプが停止操作開始後ある一定の時間後に完
全に停止するようにボンブ出力を段階的あるいは連続的
に徐々に低下させ、気化器３に供給される原料およびメ
タノールバーナ９に供給されるメタノールの供給量を徐
々に少なくする。このとき、メタノールバーナ９による
発熱量は小さく抑えながら、次式に示すように気化され
た原料ガスが化学反応する時に発生する吸熱作用を利用
して、触媒層２を冷却する。

Ｃ４１３０Ｈ　＋ＨｚＯ　＝３Ｈｚ＋ＣＯｚ　−１１．
８　Ｋｃａｌなお、四方弁１９は冷却側として外気を供
給して燃料電池本体１６を冷却する。

吸熱による改質装置１の冷却を行いながらある時間経過
した第２の時点Ｔ２で、バイパス弁３０を開いて水素人
口弁２ｌおよび水素出口弁２８を閉じ、改質ガスを水素
バーナ８に供給するようにする。第２の時点Ｔ２までの
時間は燃料電池システムの出力レベルおよび改質装置の
温度等によって決定される。そして、さらにある時間経
過した第３の時点Ｔ３において、供給ボンプ５およびバ
ーナボンプ１２を完全に停止し、改質装置人口弁４およ
びバーナ入口弁ｌ１を閉じる。第３の時点Ｔ，までの時
間は、最大でも触媒層２の温度が原料をほとんど化学反
応させない温度にまで低下するまでの時間である。この
温度は通常１１０〜１８０℃程度である。すなわち、何
らかの理由で空気が改質装置１内に侵入し、触媒層２が
酸化発熱反応するようなことがあっても、触媒層２が使
用温度範囲の上限側の臨界温度を越えて著しく劣化する
ようなことがないような安全な温度である。

詳述すれば、この安全な温度の最高値は通常運転温度（
効率の良い使用温度の上限付近）よりも２０〜５０℃低
い温度であり、最低値は使用温度の下限よりも約２０℃
低い温度である。

さらに、改質装置１から水素の発生がなくなった第４の
時点Ｔ４において、バイパス弁３０を閉じる。この状態
でバーナブロワ１５はそのまま運転をしつづけ、触媒層
２の温度が触媒活性温度領域よりも低くなった第５の時
点Ｔ．においてバーナプロワ１５を停止し、セル温度が
所定の温度にまで低下した時点でセルプロワ１８を停止
し、燃料電池システムの停止操作を終了する。停止操作
終了後の改質装置１は、改質装置人口弁４と水素人口弁
２１とバイパス弁３０とによって密閉されているために
、流入する空気は全く生じないかあってもきわめて少量
であり、酸化発熱によって生じる劣化はなく、終了後の
保存も問題はない。

したがって、燃料電池システムの停止操作の初期におい
て、触媒層２を原料が化学反応するときに発生する吸熱
作用によって冷却し、速やかに温度を低《することがで
きる。すなわち、第１の時点Ｔ１から供給ポンプ５およ
びバーナポンプ１２を停止するまでの第３の時点Ｔ，の
間において温度が速やかに低下している．なお、第３の
時点Ｔ，と第５の時点Ｔ，との間においては、触媒層２
はバーナプロワ１５によって強制空冷されている。

第４図は燃料電池システムの停止方法の他の実施例につ
いて説明するための燃料電池システムの要部を示す構成
図で、供給ボンブ５の吐出側に接続された冷却用管４１
が冷却用弁４２を介して改質装置１内へ導かれ触媒層２
の上端部に接続されている。すなわち、停止時に触媒層
２の下部および上部から原料を供給することによって、
触媒層２の両側において吸熱反応を起こさせる。このよ
うにすれば、触媒層２を全体的に冷却することができる
から、より速やかに触媒層２の温度を低下させることが
できる。

本実施例においては、バーナポンブ１２の停止後におい
ても、バーナブロワ１５を運転し続けるようにしたので
、このバーナプロワ１５で改質装置１内に送風される外
気によってより効果的に触媒層２を冷却することができ
る。

なお、加熱エネルギを減少させる操作後において、原料
を供給し続ける時間は、燃料電池システムの出力等に応
じて適宜変更することができる。

例えば、出力がＩＯＯＫＷ以下、特に数ＫＷ〜２０ＫＷ
程度の燃料電池システムにおいては、最短で１分間程度
、最長で６０分程度とすることができ、２〜２０分程度
とするのが好ましい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、改質装置を加熱す
る加熱手段により供給される加熱エネルギを減らす操作
後、ある一定の時間経過した後に原料供給を停止するか
ら、原料が水蒸気改質反応するときに生ずる吸熱作用を
利用することによって、触媒を速やかに冷却することが
できる。

したがって、燃料電池システムに備えられた装置を利用
して触媒を冷却し保存することができるから、装置を複
雑にすることなく、触媒の改質能力が低下するのを防止
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システムの停止方法を説
明するために示す燃料電池システムの構成図、第２図は
四方弁を示す構成図、第３図は停止状態について説明す
るために触媒温度と時間との関係を示すグラフ、第４図
は燃料電池システムの停止方法の他の実施例について説
明するための燃料電池システム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、５・・・・供給ポンプ、９・・・・メタノールバ
ーナ、１２・・・・バーナボンプ、１５・・・・バーナ
ブロワ、１６・・・・燃料電池本体。 特許出願人　ヤマハ発動機株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 供給された原料を触媒で改質する改質装置を備えた燃料
   電池システムにおいて、前記改質装置を加熱する加熱手
   段により供給される加熱エネルギを減らす操作後、ある
   一定の時間経過した後に原料供給を停止する燃料電池シ
   ステムの停止方法。