JPH08111228A

JPH08111228A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH08111228A
Application number: JP6246409A
Authority: JP
Inventors: Toru Yajima; 嶋亨矢; Katsunori Sakai; 井勝則酒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】安全性を保ちつつ、緊急停止操作が行われて
も電池電圧を低下させない手段を備えた燃料電池発電プ
ラントを得ること。【構成】原燃料を加熱して燃料ガスを生成する改質器
１３と、改質器を加熱するためのバーナー１５と、酸化
剤ガスと上記燃料ガスを用いて電気エネルギーを発生す
る燃料電池１０と、燃料電池の停止操作時に不活性ガス
を燃料電池１０に供給して燃料電池内の燃料ガス及び酸
化剤ガスを不活性ガスで置換する手段を備えた燃料電池
発電プラントにおいて、上記燃料電池１０に供給する不
活性ガスを加熱する加熱器１８を設けたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を利用して発
電を行う燃料電池発電プラントに係り、特にリン酸型燃
料電池の緊急停止操作に伴う特性低下を防止するように
した燃料電池発電プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを、直接電気エネルギーに変換する装置であ
る。燃料電池は通常、電解質を挟んで一対の多孔質電極
を配置するとともに、一方の電極の背面に水素など気体
燃料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素など酸化
剤を接触させ、気体燃料と酸化剤によって起こる電気化
学的反応により発生する電気エネルギーを、上記一対の
電極から取り出すようにしたものである。

【０００３】電解質としては、酸性溶液、アルカリ性溶
液、溶融炭酸塩などがあるが、燃料電池として代表的
な、リン酸を電解質とする燃料電池の原理を説明する。

【０００４】図６は、リン酸型燃料電池の単電池を示し
たものである。図６において、電解質層はマトリックス
１と称し、繊維質シートまたは鉱物質粉末にリン酸を含
浸して形成したものである。２はアノード極、３はカソ
ード極で、炭素質の多孔性の電極であり、マトリックス
１に接する面に、通常白金触媒４を塗布してある。５は
燃料即ち水素を含むガスの流路で、６は酸化剤即ち空気
の流路となる溝である。燃料、酸化剤の各反応ガスは各
々の流路を流れ、多孔質であるアノード極２、或はカソ
ード極３中を拡散し、白金触媒４に到達して、反応が進
行する。

【０００５】燃料中の水素は、多孔性のアノード極２の
空孔に拡散して触媒４に達する。ここで、水素ガスは白
金触媒の作用で水素イオンと電子に解離する。反応式
は、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅである。水素イオンはリン酸を蓄えたマトリックス中を
移動し、カソード極３の白金触媒４に達し、一方、水素
ガスの解離により生じた電子は、アノード極２から外部
回路を流れ、電力負荷を通って仕事をし、カソード極３
の白金触媒４へ到達する。アノード極２から移動してき
た水素イオンと、酸化剤流路からカソード触媒に多孔質
カソード極３中を拡散してきた酸素と、外部回路で仕事
をしてきた電子の三者が、カソードの白金触媒の作用に
よって、４Ｈ⁺＋２ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏなる反応を起こす。かくして、水素が酸化されて水にな
る反応と、このときの化学的エネルギーが電気エネルギ
ーとなって外部の電気負荷に電気エネルギーを与える、
電池としての全反応が完成する。

【０００６】燃料電池の電圧は、原則として水素と酸素
の持つ化学ポテンシャルの差によって決まる。リン酸型
燃料電池の通常の運転温度である２００°前後では、水
素分圧、酸素分圧が共に１気圧のとき、この化学ポテン
シャルの差は１．１４Ｖである。しかし、実際に観察さ
れる電圧の値はこれより低い。その原因は、先ず、白金
触媒上で上記の水生成反応が起こるとき、純粋にこの反
応のみが起こるのではなく、中間生成物が生じる反応や
白金の溶解反応など、別の反応も同時に起こっており、
電極で生じる電位はいわゆる混成電位となるためと考え
られている。次に、電流が流れているとき、上記の反応
で生じた電子やイオンの流れに対し抵抗が存在し、ま
た、燃料や酸化剤のガスが白金触媒に達するまでの拡散
の過程でもガス拡散抵抗が存在することにより電圧が低
下する。前者の抵抗によって生じる電圧の低下を抵抗分
極、後者の抵抗によって生じる電圧低下を拡散分極と呼
ぶ。さらに、白金触媒において上記のイオン解離反応及
び水生成反応が起きる際にも抵抗が存在し、これに伴う
電圧の低下を活性化分極と呼ぶ。これらの分極が存在す
ることにより、通常、燃料電池の運転時の電圧は、単電
池１個当たり０．７Ｖ前後となる。

【０００７】燃料電池は通常、上記単電池を複数積層し
て構成されている。これをスタックと呼ぶ。積層するに
際して、各単位セル間には、単電池間の電気的接続を確
保すると同時に、アノード、カソードガス流路を分離す
るためのセパレーターが必要である。また、上記のカソ
ードにおける反応は発熱を伴うので、その熱を除去し電
池の温度を一定に保つために、単電池とセパレーターを
数枚ずつ積層するごとに、水などの冷媒を内部に流通さ
せる冷却板を挿入する。また、アノード、カソードガス
流路に反応ガスを流すためのガスマニホールドを取付け
ている。

【０００８】燃料電池で発電を行うためには、燃料ガス
である水素を供給しなければならない。この水素を生成
するために、ＬＮＧ（液化天然ガス）や都市ガスなどの
いわゆる原燃料に水蒸気を加え、約８５０℃に加熱し
て、原燃料に含まれるメタンの改質反応ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→４Ｈ₂＋ＣＯ₂ を起こす。この反応を進行させるために、改質器と称す
る装置をバーナーなどで加熱する必要がある。このバー
ナーの燃料としては、燃料電池のアノード極の排気中
に、アノード極で使用された残りの水素が含まれている
ので、この水素を用いる。

【０００９】燃料電池で用いられる水素は、可燃性のガ
スである。したがって、仮に燃料電池に異常が生じ、温
度が上昇したような場合には、安全を図るために発電を
停止し、窒素などの不活性ガスを供給して燃料電池内に
存在する燃料を外部に排出することが行なわれている。
この操作をパージと呼ぶ。また、カソードに酸化剤を供
給した状態で発電を行わないでいると、前記の抵抗分
極、拡散分極、活性化分極が生じないため、カソード電
極の電位が高くなり過ぎ、白金触媒を劣化させる。した
がって、発電を停止した際には、カソードにも不活性ガ
スを供給し、酸化剤ガスを外部に排出する。このような
パージ操作は、通常の発電停止や、温度上昇あるいは温
度低下、電圧上昇または低下、その他の異常による緊急
停止の際に行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
緊急停止操作では、燃料電池における電気化学的反応が
停止し、反応に伴う発熱が起こらなくなる。したがっ
て、電池の温度が急激に低下する。このような温度の急
激な変化が生じると、発電を再開した後の電池の電圧
が、停止前の電圧より低下するという現象が起こる。こ
のような停止操作に伴う電圧低下が繰り返されると、電
池本体として使用可能な最低限の電圧に早期に達してし
まい、電池本体の寿命が短縮される結果となる。電圧低
下が起こる理由は必ずしも明らかにはされていないが、
一説には、温度の急激な変化に伴ってリン酸の濃度が変
化し、したがってリン酸の体積が変化して、多孔質電極
の気孔中にリン酸が侵入し、ガスの拡散の抵抗が大きく
なり、したがって拡散分極が増大するためといわれてい
る。この説によれば、リン酸と周囲のガスとの間の水蒸
気分圧の平衡を保ち、リン酸の濃度が一定に保たれるよ
う、徐々に温度を変化させれば、電圧低下は起こらない
ことになる。実際、温度変化の速度が遅い程、電圧の低
下は小さくなることが知られている。しかし、異常事態
に伴う緊急停止の際には、安全のため、可燃物はできる
だけ早くプラント外に排出しなければならず、また、外
部電源も切ることが多い。したがって従来の技術では、
燃焼器やヒーターなどを用いて温度を制御する方法によ
り電圧低下を防ぐことは困難であった。そこで本発明
は、安全性を保ちつつ、上記のような緊急停止操作が行
われても電池電圧を低下させない手段を備えた燃料電池
発電プラントを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明は、燃料電池発電プラントに、不活性ガス
を加熱する加熱器を設け、燃料電池の緊急停止操作時に
この加熱器で加熱された不活性ガスを燃料電池に供給す
るようにしたことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】燃料電池の緊急停止が発生すると、不活性ガス
が加熱器に供給され、そこで加熱された高温の不活性ガ
スが燃料電池に供給される。したがって発電が停止し発
熱反応が起こらなくなっても、燃料電池の温度が高温に
保たれ、電圧低下を生じない速さで燃料電池の温度を降
下させることができ、かつ安全性を損なわないようにす
ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１４】図１において、符号１０は図６で示した単
電池とセパレーター及び冷却板を積層した燃料電池であ
る。なお、前述のように燃料電池は単電池を複数積層し
て構成されるが、簡単のため単電池１個のみを代表して
示す。

【００１５】ところで、上記燃料電池１０のカソード極
１０ａには、ブロワ１１により送給された空気が切換弁
１２を介して供給され、一方アノード極１０ｂには、改
質器１３において原燃料から改質生成された燃料ガスが
切換弁１４を介して供給され、上記燃料電池１０におい
て前述のようにして発電が行われる。そして、上記カソ
ード極１０ａの排ガスは大気中に放出され、一方アノー
ド極１０ｂの排気はバーナ１５に送られ、排気中に含ま
れる水素が前記ブロワ１１により供給された空気ととも
に燃焼され、改質器１３の加熱が行われる。

【００１６】また、図中符号１６は燃料電池の停止時に
その燃料電池に供給する不活性ガスを貯留する不活性ガ
スタンクであり、その不活性ガスタンク１６に接続され
た不活性ガス供給管１７が加熱器１８を介して前記切換
弁１２及び１４に接続されており、上記加熱器１８には
前記バーナ１５からの排気ガスが供給され、上記不活性
ガスタンク１６から送られる不活性ガスと熱交換しその
不活性ガスを加熱するようにしてある。

【００１７】上記不活性ガスとしては二酸化炭素などを
用いてもよいが、コストの面からは窒素を用いるのが最
もよく、さらに保管や運搬の点を考慮すると、液体窒素
をタンクに溜めておき、蒸発させて用いるのがよい。ま
た、アノード極に供給する不活性ガスに水素を濃度が４
％以下になるように添加し、或はカソード極に供給する
不活性ガスに酸素を濃度１％以下になるように添加し
て、燃料電池のアノード極またはカソード極の電位を適
正な値に制御することも考えられるが、本発明ではこれ
らも含めて不活性ガスと称する。

【００１８】前記切換弁１２及び１４は、それぞれ電源
を投入すると空気側或は燃焼ガス側に開き、電源を遮断
するとバネなどの作用により不活性ガスが流れる側に開
く方式としてあり、緊急時等電源が遮断された際に必ず
不活性ガスが燃料電池１０に供給されるようにしてあ
る。

【００１９】燃料電池１０を負荷１９に接続する電気回
路には電池全体の電圧を測定する電圧計２０が設けられ
ており、燃料電池１０には特定の点（通常は、燃料電池
のうち運転中の温度が最も高くなる点）の温度を検出す
る温度センサ２１が設けられ、この電圧計２０及び温度
センサ２１で検出された電圧信号及び温度信号が制御器
２２に入力されるようにしてある。そして、上記電圧信
号及び温度信号に応じて上記制御器２２により、燃料電
池で生じる電力を使用する電力負荷の回路に設けられて
いるスイッチ２３の投入、切断が行われるとともに、切
換弁１２，１４の切換動作が行われる。

【００２０】ここで用いる温度センサ２１としては、熱
電対、測温抵抗体、サーミスタ測温体等が電気的な信号
が直接得られるという点で適当である。また、制御器２
２に入力する情報としては、上記の他、燃料電池に供給
されるガスまたは燃料電池から排出されるガスの流量、
圧力、ガス組成、冷却水の温度または流量、或は燃料電
池のうち特定の１つまたは複数の単電池の電圧等があ
り、これらの信号によって燃料電池の異常を検知するこ
とができる。

【００２１】そこで、上記制御器２２に入力されている
電圧または温度が予め入力してある許容範囲を超えて上
昇または下降すると、緊急停止操作として、電力負荷の
回路に設けられているスイッチ２３が切断されるととも
に、切換弁１２，１４が不活性ガス側に切換えられる。

【００２２】したがって、不活性ガスタンク１６に貯留
されている不活性ガスが加熱器１８で所定温度で加熱さ
れた後、切換弁１２，１４を介してカソード極１０ａ及
びアノード極１０ｂにそれぞれ供給され、それらの中の
空気及び燃焼ガスが不活性ガスによって置換される。

【００２３】ところで、燃料電池における発電が停止し
た後も、燃料電池のアノード極１０ｂと、アノード極１
０ｂからバーナ１５に至るまでの配管中に存在した燃焼
ガスが全て不活性ガスによって置換されるまでは、バー
ナ１５に燃料が供給され、燃焼が継続される。したがっ
て、加熱器１８でバーナ排気と不活性ガスが熱交換する
ことにより、発電停止後も高温の不活性ガスが得られ
る。しかして、この高温の不活性ガスが燃料電池内に供
給されることにより、燃料電池の温度が運転時と同じに
保たれる。

【００２４】燃料電池のアノード極１０ｂと、アノード
極１０ｂからバーナ１５に至るまでの配管中に存在した
燃焼ガスが全て不活性ガスによって置換されると、バー
ナ１５における燃焼は停止する。或は全ての電源が遮断
された場合には、ブロワ１１も停止するので、燃料が無
くなる前に空気の欠乏により燃焼が停止する。しかし、
このように燃焼が停止してもバーナの温度は急激には下
がらず徐々に低下するので、そのバーナの温度低下に対
応して不活性ガスの温度も低下していき、燃料電池の温
度も電圧低下を起こさない程度の速さで降下する。

【００２５】図２は、本発明の他の実施例を示す図であ
り、改質器１３の内部に不活性ガスを加熱する加熱器１
８が設けられており、その加熱器１８で、改質器１３に
供給された原燃料、水蒸気、及びそれらが改質反応を起
して生じた燃焼ガスと、不活性ガスタンク１６から供給
された不活性ガスとの間で熱交換が行われ、不活性ガス
の加熱が行われる。

【００２６】しかして、燃料電池の緊急停止に際し、切
換弁１４が不活性ガス側に切り換えられると、改質器１
３で生じた燃焼ガスの流通が止められ、改質器内部に存
在する原燃料、水蒸気、及び燃焼ガスは外部に排出され
ることも外部から新たなガスの供給もなくなる。一方、
バーナ１５での燃焼はまだ続いているため、その燃焼に
よって不活性ガスが加熱され、その加熱された不活性ガ
スが燃料電池に供給されることによって燃料電池の温度
が一定に保たれる。そして、バーナ１５での燃焼が停止
した後、改質器１３内の温度が徐々に低下すると、それ
に伴って不活性ガスの温度が低下し、燃料電池の温度も
電圧低下を起さない程度の速さで徐々に降下する。

【００２７】なお、この場合、改質器１３への原燃料等
の供給が停止された際には、バーナ１５の燃焼によって
過熱状態となり、改質用の触媒や内部の構造物を劣化さ
せる可能性もあるが、このとき不活性ガスが改質器内の
加熱器に流通されるので、上記過熱が防がれ、過熱によ
る劣化を防ぐ効果も奏する。

【００２８】図３は本発明のさらに他の実施例を示す図
であって、不活性ガス供給管１７に設けられた加熱器１
８には、アノード極１０ｂからの排ガスを切換弁２４を
介して選択的に供給し得るようにしてある。

【００２９】上記切換弁２４は通常の運転時にはバーナ
１５側に開いており、電流が切断されたときは上記加熱
器１８側に開くようにしてある。しかして、電流が切断
されたときには、アノード極１０ｂからの排ガスが加熱
器１８に供給され、そこで燃焼させられ不活性ガスタン
ク１６から供給される不活性ガスが加熱される。

【００３０】ここで、燃焼を起すためには空気を供給し
なければならないが、緊急停止の際はブロワが停止する
場合があるので、自然通風により燃焼が継続するように
してある。また、この図では一般のリン酸型燃料電池発
電プラントの例にしたがって、改質器で燃焼ガスを生成
する構造になっているが、他の場所で生成した燃焼ガス
をボンベ等に貯蔵しておき発電に使用することもでき
る。

【００３１】しかして、この実施例においても緊急停止
時においては、切換弁２４、切換弁１２，１４が切り換
えられ、加熱器１８でアノード極１０ｂからの排ガスが
燃焼され、不活性ガスが加熱される。そして上記加熱さ
れた高温の不活性ガスが燃料電池に供給され、燃料電池
の温度が一定に保持される。その後アノード極が不活性
ガスで満され、アノード排気ガス中に燃料が含まれなく
なり、加熱器１８での燃焼が停止すると、不活性ガスの
温度が低下し、燃料電池の温度が電圧低下を起さない程
度の速さで徐々に降下される。

【００３２】また図４は本発明の他の実施例を示す図で
あって、不活性ガス供給管１７に設けられている加熱器
１８には、切換弁２５を介して原燃料が選択的に供給さ
れるようにしてある。すなわち、改質器１３への原燃料
供給管２６に切換弁２５が設けられており、通常の運転
時には原燃料が改質器１３に供給される方向に切換弁２
５が開かれており、電流が遮断されたときには加熱器１
８側に開くようにしてある。

【００３３】したがって、この場合も緊急停止時等にお
いて、不活性ガスが加熱器１８における原燃料の燃焼に
よって加熱され、その加熱された不活性ガスが燃料電池
に供給される。そのため加熱器１８での燃焼を継続させ
ることにより、燃料電池での発電を再開するまで燃料電
池の温度を一定に保つことができる。そして、温度を下
げる必要がある場合には、加熱器１８への原燃料及び空
気の供給を手動或は自動で調節することによって、加熱
器１８での燃焼を徐々に弱め、不活性ガスの温度を下
げ、燃料電池の温度を低下させることができる。

【００３４】図５は本発明のさらに他の実施例を示す図
であり、改質器１３の入口部には改質器１３に供給され
るガスを原燃料と不活性ガスとに切り換える切換弁２５
が設けられており、また燃料電池１０の燃焼ガス及び空
気供給口部にはカソード極１０ａ及びアノード極１０ｂ
に供給されるガスを加熱する加熱器２７が設けられてい
る。そして、この加熱器２７には切換弁２８を介してバ
ーナ１５からの排ガスを選択的に供給し得るようにして
ある。また、バーナ１５には自然通風を選択的に取り入
れるための切換弁２９が設けられている。

【００３５】ところで、図５においてはアノード極側の
ガスとカソード極側のガスとを同一加熱器２７で同時に
加熱するようにしているが、別個の２つの加熱器を用い
てもよい。

【００３６】しかして、燃料電池の緊急停止が行われる
と、切換弁１２，２５が切り換えられ、不活性ガスタン
ク１６からの不活性ガスが切換弁１２、加熱器２７を介
してカソード極１０ａに供給されるとともに、不活性ガ
スが切換弁２５を介して改質器１３に供給され、そこで
加熱され、さらに加熱器２７で再熱された後アノード極
１０ｂに供給される。

【００３７】一方、切換弁２８，２９も同時に切り換え
られ、バーナ１５で燃焼した排ガスが加熱器２７に供給
され、そこでカソード極１０ａ及びアノード極１０ｂに
供給される不活性ガスが加熱される。

【００３８】このようにして、燃料電池には加熱された
不活性ガスが供給され、燃料電池の温度が一定に保持さ
れ、その後徐々に温度が低下される。

【００３９】しかして、改質器及び改質器から燃料電池
に至るまでの配管も不活性ガスによってパージされ、不
活性ガスによって置換される燃焼ガスの量が図１〜４の
構成によるプラントよりも増加し、パージを開始してか
らバーナ１５に送られる燃料が全てなくなり燃焼が停止
するまでの時間を長くすることができる。

【００４０】したがって、不活性ガスが高温である時間
を長くでき、燃料電池の温度降下速度を遅くすることが
できる。また、この構成によれば、改質器内に導入され
た不活性ガスはバーナ１５によって直接加熱することが
できるので、図２に示すように加熱器を改質器内に組み
込む必要もない。ただし、不活性ガスが改質器から燃料
電池に至るまでの間に温度が或程度下がってしまうの
で、加熱器２７で再度加熱してから燃料電池に供給する
ようにする。

【００４１】また、改質器に常に温度の低いガスが供給
されるので、改質器の温度の過剰な上昇を防ぎ、改質器
の劣化を防ぐことができる。さらに、アノード極より先
にカソード極がパージされるため、カソード極の電位が
上昇することによる燃料電池の劣化を防ぐこともでき
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
緊急停止操作の際に、改質器を加熱するバーナの排気ガ
ス、改質器内に存在するガス、アノード極排気ガスを燃
焼させて得られる高温のガス、または原燃料を燃焼させ
て得られる高温のガス等により不活性ガスを加熱し、そ
の加熱された不活性ガスを燃料電池に供給するようにし
たので、燃料電池の温度を保つことができ、燃料電池の
急激な温度低下を防ぐことができ、急激な温度低下に伴
う電圧の低下を防ぎ、発電装置としての寿命を長くしか
つ信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電プラントの一実施例を示
す概略構成図。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略構成図。

【図３】本発明のさらに他の実施例を示す概略構成図。

【図４】本発明の他の実施例を示す概略構成図。

【図５】本発明のさらに他の実施例を示す概略構成図。

【図６】燃料電池の単電池の構造を示す斜視図。

【符号の説明】

１０燃料電池１０ａカソード極１０ｂアノード極１１ブロワ１２，１４，２４，２５，２８，２９切換弁１３改質器１５バーナ１６不活性ガスタンク１８，２７加熱器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料を加熱して燃料ガスを生成する改質
器と、改質器を加熱するためのバーナーと、酸化剤ガス
と上記燃料ガスを用いて電気エネルギーを発生する燃料
電池と、燃料電池の停止操作時に不活性ガスを燃料電池
に供給して燃料電池内の燃料ガス及び酸化剤ガスを不活
性ガスで置換する手段と、上記燃料電池に供給する不活
性ガスを加熱する加熱器とを設けたことを特徴とする、
燃料電池発電プラント。
【請求項２】加熱器は、上記バーナーの排ガスによって
不活性ガスを加熱するものであることを特徴とする、請
求項１記載の燃料電池発電プラント。
【請求項３】加熱器は、改質器内に配設され、改質器内
の改質ガスによって不活性ガスを加熱するものであるこ
とを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電プラン
ト。
【請求項４】加熱器は、燃料電池のアノード極から排出
されるガスを燃焼させて不活性ガスを加熱するものであ
ることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電プラ
ント。
【請求項５】加熱器は、原燃料を燃焼させて不活性ガス
を加熱するものであることを特徴とする、請求項１記載
の燃料電池発電プラント。