JPH0828230B2 - 燃料電池の運転方法及びその発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電池本体を作動温度に保持したもとで外部
への送電を実質的に停止するホットスタンバイ状態をと
ることができるようにされた燃料電池の運転方法及びそ
の発電システムに関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムにおいては、電力が余剰となる
夜間等に比較的短期間だけその運転を停止させることが
あるが、かかる停止時には、電池本体における熱応力の
発生を防止するため、及び再起動する際の起動時間短縮
のため、電池を作動温度に維持した状態、換言すれば電
池本体内に配された電解質の温度を融点以上に保持した
もとで外部への送電を実質的に停止する、いわゆるホッ
トスタンバイ状態とすることが要求される。

一般に、電池の運転を一時的に停止する際には、例え
ば、特開昭58−163182号公報や特開昭61−281472号公等
に記載のように、窒素ガス等の不活性ガスを電池本体に
供給して電池本体内や配管系に残留する反応ガスをパー
ジすることが知られているが、特にホットスタンバイ時
に限って言えば電池本体内に供給するガスの種類につい
て言及したものは見当たらない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ホットスタンバイ時に、上述の公報に記載されている
ように不活性ガスを電池本体内に供給して反応ガスをパ
ージした場合、電池本体内に供給されるガスの種類の変
化に起因して電池反応部が最適状態に維持できなくな
り、電池特性に悪影響を及ぼすことになって、電池性能
の低下や電池の短寿命化を招来し、さらに、再起動する
際にも電池本体内のガスを不活性ガスから反応ガスに切
り換える必要があることから、電池出力が安定するまで
に比較的長時間を要し、電池の効率的な運転が少なから
ず阻害されるという問題を生じる。

特に、燃料電池がピーク負荷対応電源として使用さ
れ、その起動・停止が頻繁に繰り返される場合には上述
の問題が顕著にあらわれることになる。

かかる点に鑑み本発明は、ホットスタンバイ時におい
て電池反応部を最適状態に維持することができて、電池
性能の低下や電池の短寿命化が可及的に抑えられ、か
つ、優れた起動特性がもたらされるとともに効率的な運
転を達成することができる燃料電池の運転方法及びその
発電システムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成すべく、本願の発明者等が鋭意研究
を重ねたところ、次の如くの究明結果を得た。

すなわち、燃料電池における電池反応は固相（電
極），液相（電解質），気相（反応ガス）の３相界面で
行われるため、この反応場を適切な状態で維持しなけれ
ばならず、そのためには、電極部分を電解質で適度に濡
らす必要がある。電極の濡れ性は、そこに供給されるガ
スの種類によって異なり、ホットスタンバイ時に窒素等
の不活性ガスを供給することによってガスの種類が変化
すると、電極が濡れ過ぎたり、電極中の電解質が押し出
されたりして電解質の移動現象が生じ、反応場が適切な
状態から逸脱する。従って、電池を再起動するにあたり
再び反応ガスを供給しても、電解質が元の適切な状態に
戻るまでにある程度の時間を要し、起動時間が長くなっ
てしまい、さらに、電解質の移動に伴い、電解質の漏れ
出しやセパレータ等の電池構成部の腐食が発生して電解
質が消耗し、電池性能の低下や電池の主要部の劣化が進
んでその寿命が短くなってしまうのである。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、上述の如くの究
明結果及びそれに基づく考察に立脚してなされたもの
で、その基本構成を概略的に述べれば、ホットスタンバ
イ時においても、電池本体内に少量の反応ガスを供給
し、燃料電池を発電状態に維持するようにしたものであ
る。

この場合、ホットスタンバイ時に電池本体内に供給す
る反応ガスとしては、通常発電時に用いられるものと同
種の、天然ガスやメタンガス等の燃料ガスあるいはそれ
を改質して得られる水素を主成分とするガスと、酸素及
び二酸化炭素を含む酸化剤ガスとが挙げられる。

また、上述のようにホットスタンバイ時に反応ガスを
供給することによって電池から得られる電力を、ホット
スタンバイ状態を維持するために必要とされる、電池本
体加熱用のヒーターや供給する反応ガスを昇温させるた
めの加熱機器等の電池保温手段の電源に用いることがで
きる。

さらに、電池本体内に燃料改質触媒が配された燃料電
池においては、通常発電時には電池本体内に、燃料改質
用のリフォーマーによって改質された反応ガスを供給
し、ホットスタンバイ時には上記電池本体内に未改質の
反応ガスを供給するようになしてもよい。

またさらに、ホットスタンバイ時における電池本体内
への反応ガスの供給量は通常発電時の10％以下で充分で
あり、また、ホットスタンバイ時には電池本体内から排
出された反応ガスを上記電池本体内に戻してリサイクル
させてもよく、さらに、ホットスタンバイ時には電池本
体に対する反応ガスの給排を行うための配管系を閉止状
態にして、電池本体内に反応ガスを封入するようにして
もよい。

それに加えて、ホットスタンバイ時に反応ガスをリサ
イクルさせるようにした場合には、リサイクルループ中
において反応ガス中の反応物質の濃度が設定値以下とな
って発電状態の維持が困難になったとき、電池本体内に
反応物質の濃度が上記設定値を越える新しい反応ガスを
供給するようになすことが好ましい。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムは、通常発
電時において要求される容量の30％以下の容量を有する
補助リフォーマーが設置され、ホットスタンバイ時に、
上記補助リフォーマーによって改質された反応ガスを電
池本体内に供給するようにされる。

また、本発明に係る他の燃料電池発電システムは、リ
フォーマが複数台設置され、ホットスタンバイ時に、上
記複数のリフォーマーのうちの一部のみを使用して反応
ガスを改質し、その改質された反応ガスを上記電池本体
内に供給するようにされる。

〔作用〕

上述の如くの構成を有する本発明に係る燃料電池の運
転方法によれば、ホットスタンバイ時には不活性ガスに
よる反応ガスのパージを行わず、反応ガスを電池本体内
に供給するようにされるので、電池本体内におけるガス
の種類の変化に起因する電解質移動現象が防止され、電
池の反応場が常時適切な状態に維持される。

そのため、電池性能の低下を抑えることが可能となる
とともに、電池の長寿命化が図れ、かつ、優れた起動特
性がもたらされるとともに効率的な運転が達成される。

また、ホットスタンバイ時に電池から得られる電力
は、電池保温手段の電源に用いることでその有効利用が
図れ、さらに、ホットスタンバイ時に必要とされる反応
ガスは通常発電時に比して極めて少量でよく、また、反
応ガスをリサイクルさせる、あるいは、電池本体内に封
入するようにされた場合には、反応ガスの無駄な消費が
回避されて、より省資源化が図れる。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムにおいて
は、通常発電時において要求される容量の30％以下の容
量を有する補助リフォーマーが設置され、ホットスタン
バイ時に、上記補助リフォーマーによって改質された反
応ガスを電池本体内に供給するようにされるので、通常
発電時に必要とされる容量の30％以下で運転することが
難しい通常のリフォーマーを備えた燃料電池発電システ
ムにおいても、ホットスタンバイ時において上述した如
くの効果的な運転が可能となり、また、補助リフォーマ
ーの設置に代えて、複数のリフォーマーを設置し、ホッ
トスタンバイ時にそれらのうちの一部のみを使用するよ
うにした場合についても同様である。

なお、電池本体内に燃料改質触媒が配されたいわゆる
内部改質方式をとる燃料電池では、補助リフォーマー等
を使用する必要はない。また、ホットスタンバイ時に必
ずしも電池を負荷運転する必要はなく、開路状態（0C
V）でも同様な作用効果が得られる。

上述の如くの構成を有する本発明に係る運転方法と、
ホットスタンバイ時に電池本体内の反応ガスを不活性ガ
スでパージする従来の運転方法とを比較すべく、小型の
燃料電池を用意し、同一条件のもとで、昼間発電−夜間
ホットスタンバイ状態の間欠運転を行ってセル電圧
（Ｖ）を測定したところ、第５図に示される如くの結果
が得られた。なお、燃料電池は開路状態とした。

第５図より明らかなように、本発明に係る運転方法に
よれば、従来の運転方法による場合に比して、電池性能
の劣化が抑制され、長時間経過してもセル電圧の低下が
さほど生じないことが理解される。さらに、ホットスタ
ンバイ後の再起動に要する時間が従来の運転方法による
場合より短縮されることも確認された。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

実施例1: 第１図は本発明に係る燃料電池の運転方法の一例が実
施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に
示す。

図において、燃料電池は、アノード１（燃料電極）及
びカソード２（酸化剤電極）や図示されていない電解質
を含浸保持するマトリックスやセパレータ等の各構成部
材が既知の態様をもって配された電池本体３を有し、さ
らに、電池本体３の保温用のヒーター４、及び、天然ガ
スやメタンガス等の燃料ガスを水素に改質する図示され
ていない通常発電時に用いられるリフォーマーと通常発
電時に必要とされる容量の30％以下の容量とされた補助
リフォーマー５とが備えられている。

かかる構成のもとで、燃料電池を作動させて通常発電
を行う際には、燃料ガスを通常発電用のリフォーマーに
より改質し、得られた水素を主成分とするガスを電池本
体３のアノード１側に供給するとともに、酸素と二酸化
炭素とを含むガスをカソード２側に供給する。それによ
り、燃料電池が発電状態となり、かかる発電により得ら
れた電力が外部に送電される。

一方、ホットスタンバイ時には、補助リフォーマー５
により通常発電時の10％以下の流量の燃料ガスを改質し
て得られた水素を主成分とするガスを電池本体３のアノ
ード１側に供給するとともに、かかる水素に対応した流
量の酸素と二酸化炭素とを含むガスを電池本体３のカソ
ード２側に供給する。それにより、電池が微弱発電状態
となり、それによって得られた電力をヒーター４の電源
に用いるようにされる。

上述の如くに、ホットスタンバイ時には不活性ガスに
よる反応ガスのパージを行わず、反応ガス（この例で
は、水素を主成分とするガスと酸素及び二酸化炭素を含
むガス）を電池本体３内に供給するようにされることに
より、電池本体３内におけるガスの種類の変化に起因す
る電解質移動現象が防止され、電池の反応場が常時適切
な状態に維持され、そのため、電池性能の低下を抑える
ことが可能となるとともに、電池の長寿命化が図れ、か
つ、優れた起動特性がもたらされるとともに効率的な運
転が達成されることになる。

なお、この実施例では、ホットスタンバイ時に補助リ
フォーマー５により改質すべき燃料ガスの流量は、ヒー
ター４の容量、換言すれば電池本体３で必要とされる熱
量とのバランス上通常発電時のそれの４〜８％が最適で
あった。

実施例2: 第２図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の例が
実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的
に示す。

この例の燃料電池は、電池本体３のアノード側ガスヘ
ッダー内に燃料改質触媒６が配されており、いわゆる間
接型内部改質方式をとる燃料電池である。

かかる構成のもとで、燃料電池を作動させて通常発電
が行う際には、図示されていないが、燃料ガスを通常発
電用のリフォーマーにより改質し、得られた水素を主成
分とするガスを電池本体３のアノード１側に供給すると
ともに、酸素と二酸化炭素とを含むガスをカソード２側
に供給し、それによって得られた電力を外部に送電する
ようにされる。

一方、ホットスタンバイ時には、リフォーマーを通さ
ない未改質の燃料ガス（反応ガス）を電池本体３のアノ
ード側ガスヘッダーに直接供給するとともに、かかる燃
料ガスに対応した流量の酸素と二酸化炭素とを含むガス
を電池本体３のカソード２側に供給する。アノード側ガ
スヘッダーに供給された未改質の燃料ガスはそこに配さ
れた燃料改質触媒により水素を主成分とするガスに改質
されて電池本体３のアノード１側に導かれ、電池の発電
状態が維持される。そして、得られた電池出力をヒータ
ー４の電源に用いるようにされる。

従って、本例においては、補助リフォーマーが不要と
なること以外は、上述した実施例１と略同様な作用効果
が得られる。

なお、燃料改質触媒を設置する場所を、電池本体３内
部のアノード近傍に位置する部位にして、改質反応と電
池反応とを同時に行わせる直接内部改質方式をとるよう
にすることもでき、かかる方式が採られる方が改質効率
は高くなるが、燃料ガスが電改質と接触するため、燃料
改質触媒が劣化し易くなって電池寿命が短くなる欠点を
伴う。従って、本例のように、燃料改質触媒をホットス
タンバイ時における燃料の改質のみに用いる場合には、
電池出力がさほど必要とされないので、間接内部改質方
式を採るようにして、改質反応と電池反応とを別々に行
わせ、電池の長寿命化を図った方が有利であると考えら
れる。

実施例3: 第３図は本発明に係る燃料電池の運転方法の別の例が
実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的
に示す。

この例の燃料電池は、第１図に示されるものと同様
に、アノード１及びカソード２や図示されていない電解
質を含浸保持するマトリックスやセパレータ等の各構成
部材が既知の態様をもって配された電池本体３を有し、
さらに、電池本体３の保温用のヒーター４、及び、天然
ガスやメタンガス等の燃料ガスを水素に改質する図示さ
れていない通常発電時に用いられるリフォーマー等が備
えられる。

また、反応ガス給排用の配管系には切り換え用のバル
ブ９が介装されるとともに、ホットスタンバイ時に電池
本体３内から排出された反応ガスを上記電池本体３内に
戻してリサイクルさせるための配管中にブロワー７及び
反応ガス中の反応物質の濃度を検出する濃度センサー８
が配されている。

かかる構成のもとでは、上述した例と同様にして通常
発電が行われるが、ホットスタンバイ時には、ブロワー
７を駆動させて電池本体３内から排出された反応ガスを
再び電池本体３内に戻してリサイクルさせ、濃度センサ
ー８により監視される反応ガス中の反応物質の濃度が設
定値以下となって発電状態の維持が困難になったとき、
各バルブ９を開いて電池本体３内に反応物質の濃度が上
記設定値を越える新しい反応ガスを供給するようにされ
る。

従って、本例にあっては、ホットスタンバイ時におい
て反応ガスを入れ換えるときには通常発電用のリフォー
マーを作動させればよいので、低流量用の特別な補助リ
フォーマーが不要となるとともに、反応ガスを無駄に消
費することもなく、上述の実施例１と略同様な作用効果
が得られる。

なお、リサイクルループの途中にバッファタンクを設
け、リサイクルループの配管系の容積を増加させると、
反応ガスの入れ換え周期を長くすることか可能となるの
で運転コストの低減等が図られる。

実施例4: 第４図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の別の
例が実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模
式的に示す。

この例の燃料電池は、第１図及び第３図に示されるも
のと同様な構成を有した電池本体３とリフォーマーとが
備えられ、反応ガスの電池本体３に対する入口部と出口
部とにバルブ９が設けられて、反応ガスを電池本体３内
に封入することができるようにされている。

かかる構成のもとでは、上述した例と同様にして通常
発電が行われるが、ホットスタンバイ時には、バルブ９
を閉じて電池本体３内に反応ガスを封入するようにされ
る。

この例の運転方法は、ホットスタンバイ時間が比較的
短く、その間に電池温度が電解質の融点以下に低下せ
ず、保温用のヒーター等を必要としない場合に特に好適
である。すなわち、かかる場合には、電池を開路状態と
することができるので、反応ガスがほとんど消費され
ず、そのため、電池本体３内に封入された量の反応ガス
だけで充分に発電状態を維持することができ、補助リフ
ォーマーやヒーターが不要となる。なお、前述の例と同
様にヒーター４を設け、それを外部電源で作動させるよ
うになせば、電池本体３の温度低下が防止でき、ホット
スタンバイ時間を延長することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く、本発明に係る燃料電池
の運転方法によれば、ホットスタンバイ時において電池
反応部を最適状態に維持することができ、それにより、
電池性能の劣化が可及的に抑えられて電池の長寿命化が
図れ、かつ、優れた起動特性がもたらされるとともに効
率的な運転を達成することができる。

また、ホットスタンバイ時に得られる電力を、電池保
温手段の電源に用いることでその有効利用を図ることが
でき、さらに、ホットスタンバイ時に必要とされる反応
ガスは通常発電時に比して極めて少量でよく、また、反
応ガスをリサイクルさせること、あるいは、電池本体内
に封入しておくことにより反応ガスを無駄に消費するこ
とも回避できる。

一方、本発明に係る燃料電池発電システムは、通常発
電時において要求される容量の30％以下の容量を有する
補助リフォーマーが設置され、ホットスタンバイ時に、
補助リフォーマーによって改質された反応ガスを電池本
体内に供給するようにされるので、通常発電時に必要と
される容量の30％以下で運転することが難しい通常のリ
フォーマーを備えた燃料電池発電システムにおいても、
ホットスタンバイ時において上述した如くの効果的な運
転が可能となり、また、補助リフォーマーの設置に代え
て、複数のリフォーマーを設置し、ホットスタンバイ時
にそれらのうちの一部のみを使用するようにした場合に
ついても同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池の運転方法の一例が実施
される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に示
す概略構成図、第２図は本発明に係る燃料電池の運転方
法の他の例が実施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部
の例を模式的に示す概略構成図、第３図は本発明に係る
燃料電池の運転方法の別の例が実施される溶融炭酸塩型
燃料電池の主要部の例を模式的に示す概略構成図、第４
図は本発明に係る燃料電池の運転方法の他の別の例が実
施される溶融炭酸塩型燃料電池の主要部の例を模式的に
示す概略構成図、第５図は本発明に係る燃料電池の運転
方法と従来のそれとの比較結果の説明に供される図であ
る。 図における符号と各部の名称は次のように対応する。 １……アノード,2……カソード,3……電池本体,4……ヒ
ーター,5……補助リフォーマー,6……燃料改質触媒,7…
…ブロワー,8……濃度センサー,9……バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 聡 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 平１−128362（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電池本体内に配された電解質の温度を融点
   以上に保持したもとで外部への送電を実質的に停止する
   ホットスタンバイ時に、上記電池本体内に少量の反応ガ
   スを供給して発電状態を維持し、得られた電力を電池保
   温手段の電源に用いることを特徴とする燃料電池の運転
   方法。
2. 【請求項２】燃料電池は電池本体内に燃料改質触媒が配
   されており、通常発電時には上記電池本体内に燃料ガス
   改質用のリフォーマーによって改質された反応ガスを供
   給し、ホットスタンバイ時には上記電池本体内に未改質
   の反応ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の
   燃料電池の運転方法。
3. 【請求項３】ホットスタンバイ時に電池本体内に供給す
   る反応ガスの流量を、通常発電時の10％以下としたこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の運転方
   法。
4. 【請求項４】ホットスタンバイ時に、上記電池本体内か
   ら排出された反応ガスを上記電池本体内に戻してリサイ
   クルさせることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の
   運転方法。
5. 【請求項５】ホットスタンバイ時に、上記電池本体に対
   する反応ガスの給排を行うための配管系を閉止状態にし
   て、上記電池本体内に反応ガスを封入することを特徴と
   する請求項１記載の燃料電池の運転方法。
6. 【請求項６】リサイクルループ中において反応ガス中の
   反応物質の濃度が設定値以下となったとき、上記電池本
   体内に反応物質の濃度が上記設定値を越える新しい反応
   ガスを供給することを特徴とする請求項４記載の燃料電
   池の運転方法。
7. 【請求項７】通常発電時において要求される容量の30％
   以下の容量を有する燃料ガス改質用の補助リフォーマー
   及び電池本体加熱用ヒーターを備え、電池本体内に配さ
   れた電解質の温度を融点以上に保持したもとで外部への
   送電を実質的に停止するホットスタンバイ時に、上記補
   助リフォーマーによって改質された反応ガスを上記電池
   本体内に供給し、得られた電力を上記電池本体加熱用ヒ
   ーターに供給することを特徴とする燃料電池発電システ
   ム。
8. 【請求項８】複数台の燃料ガス改質用のリフォーマ及び
   電池本体加熱用ヒーターを備え、電池本体内に配された
   電解質の温度を融点以上に保持したもとで外部への送電
   を実質的に停止するホットスタンバイ時に、上記複数の
   リフォーマーのうちの一部のみを使用して反応ガスを改
   質し、その改質された反応ガスを上記電池本体内に供給
   し、得られた電力を上記電池本体加熱用ヒーターに供給
   することを特徴とする燃料電池発電システム。