JPH0945351A

JPH0945351A - 燃料電池発電装置およびその停止方法

Info

Publication number: JPH0945351A
Application number: JP7191885A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の負荷運転停止に起因する電池特性の
劣化を抑制できると共に、不活性ガスによるパージに必
要な不活性ガス量を低減する。【解決手段】燃料電池発電装置は、リン酸を蓄えたマト
リックス層１０を挟む位置にアノード極１１及びカソー
ド極１２を配置した燃料電池１と、アノード極１１に燃
料用流路２２を介して水素を含む燃料ガスを流通させる
と共に、カソード極１２に空気用流路２３を介して酸素
を含む酸化剤ガスを流通させる反応ガス供給システム２
とを備えた構成で、空気用流路２３におけるカソード極
１２を流通した酸化剤ガスが排出される下流側にバルブ
３５ａを介してカソード極１２に不活性ガスを導入する
流入用ライン３５を設けると共に、空気用流路２３にお
けるカソード極１２へ酸化剤ガスを導入する上流側にバ
ルブ３６ａを介してカソード極１２からの不活性ガスを
排出する排出用ライン３６とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リン酸を電解質
とした燃料電池を備えた燃料電池発電装置およびその停
止方法に係り、特に燃料電池の負荷運転停止時のパージ
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料のもつ化学的エネルギーを直
接、電気エネルギーに変換する燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は、通常、対を成す電極（「アノード
極」及び「カソード極」）をリン酸などに代表される電
解質を挟んで配置し、その電解質に接する側に白金など
の触媒を層状に形成した構成で、アノード極（「燃料
極」）に水素などの反応ガス（「燃料ガス」）を接触さ
せると共に、カソード極（「空気極」）に酸素などの反
応ガス（「酸化剤ガス」）を接触させることにより、両
電極側に両反応ガス（気相）、触媒（固相）、及び電解
質（液相）からなる三相界面を形成し、その三相界面で
生じる電気化学的反応を利用して、両電極間から電気エ
ネルギーを取り出して発電するようになっている。

【０００３】この燃料電池は、通常、発電時には両反応
ガスが供給され、かつ、２００℃前後の作動温度に加熱
された状態で負荷運転を行うと共に、発電停止時には負
荷運転を停止して両反応ガスの供給を止める。しかし、
両反応ガスの供給を停止しても、両電極の触媒に吸着し
た水素や酸素がそのまま電池内に残留してしまうので、
このように残留した水素や酸素の解離反応により両電極
間には電解質に対する電位が維持される。特に、カソー
ド極では、触媒を担うカーボン粉末の腐食が進んだり、
触媒自体の結晶粒子径が成長（シンタリング）したりす
る。このことが、触媒の活性を低下させ、電池の特性を
劣化させる要因となっていた。

【０００４】そこで、近年、負荷運転停止時に燃料電池
内に残留した電位による電池特性劣化を防止するため、
通常、燃料電池の負荷運転を停止するときに、窒素ボン
ベ（加圧ボンベ）から供給される窒素で燃料電池の上流
側から下流側にパージを実施すると共に、電極間に電気
抵抗を接続して負荷を取って触媒層内に吸着された反応
ガスを除去するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た負荷運転停止時のパージ方法にあっては、カソード極
側に残留した酸素を十分に除去するために多量の窒素を
供給する必要があった。このため、供給窒素量に比例し
て窒素ボンベの本数が増加し、その窒素ボンベが占める
設置容積が大きくなって、燃料電池発電装置が大型化
し、又はパージに必要な窒素を確保できないといった不
都合があった。特に、ビルの地下などの限られた空間内
に配置される、例えば都市型を志向した燃料電池発電装
置では、配置上の物理的制約を受けて、設置できる窒素
ボンベの本数も制限されてしまうので、反応ガスを十分
にパージできない。

【０００６】この発明は、このような従来の問題を改善
するもので、燃料電池の負荷運転停止に起因する電池特
性の劣化を抑制できると共に、不活性ガスによるパージ
に必要な不活性ガス量を低減できる燃料電池発電装置お
よびその停止方法を提供することを、目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明に係る燃料電池発電装置は、リ
ン酸を電解質として形成された電解質層を挟む位置にア
ノード極及びカソード極を配置した燃料電池セルに、上
記アノード極に第１の流路を介して水素を含む燃料ガス
を流通させると共に、上記カソード極に第２の流路を介
して酸素を含む酸化剤ガスを流通させることにより、上
記アノード極及びカソード極間から電気エネルギーを取
り出して上記燃料電池セルの負荷運転を行う構成とし、
上記第２の流路における上記カソード極を流通した酸化
剤ガスが排出される下流側にバルブを介して上記カソー
ド極に不活性ガスを導入する不活性ガス流入ラインを設
けると共に、上記第２の流路における上記カソード極へ
酸化剤ガスを導入する上流側にバルブを介して上記カソ
ード極からの不活性ガスを排出する不活性ガス排出ライ
ンを設けている。

【０００８】請求項２記載の発明では、前記燃料電池セ
ルの負荷運転を停止したときに前記不活性ガスを前記不
活性ガス流入ラインから前記第２の流路を介して前記カ
ソード極に流入させ且つその流入させた不活性ガスを上
記第２の流路を介して上記不活性ガス排出ラインから排
出させると共に、上記不活性ガスを前記第１の流路を介
して上記アノード極の上流側から当該アノード極に流入
させる不活性ガス供給手段と、この不活性ガス供給手段
により上記不活性ガスが上記アノード極に流入されてい
る間に当該アノード極及びカソード極間に負荷を与える
負荷手段とを更に備えている。

【０００９】請求項３記載の発明では、前記不活性ガス
供給手段は、前記カソード極への不活性ガスの流入時間
よりも長い時間、前記アノード極に不活性ガスを流入さ
せる手段である。

【００１０】請求項４記載の発明では、前記不活性ガス
供給手段は、前記カソード極への不活性ガスの流入停止
前に前記アノード極に流入させていた不活性ガスの流入
量よりも小さい流入量で上記流入停止後にアノード極に
不活性ガスを流入させる手段である。

【００１１】請求項５記載の発明では、前記不活性ガス
供給手段は、前記カソード極及びアノード極への前記不
活性ガスの流入停止後にカソード極及びアノード極の内
の少なくとも一方に不活性ガスを間欠的に流入させる手
段を備えた請求項３記載の燃料電池発電装置。

【００１２】請求項６記載の発明では、前記不活性ガス
供給手段は、前記燃料電池セルの電圧が所定電圧を超え
たときに前記不活性ガスを前記カソード極及びアノード
極の内の少なくとも一方に流入させる手段を備えてい
る。

【００１３】請求項７記載の発明では、前記燃料電池セ
ルの負荷運転を停止する前にその燃料電池セルに与えて
いる負荷を下げ且つその下げた負荷における許容電流範
囲内で前記酸素の利用率を上げる手段を更に備えてい
る。

【００１４】また、上記目的を達成するために、請求項
８記載の発明に係る燃料電池発電装置の停止方法は、リ
ン酸を電解質として形成された電解質層を挟む位置にア
ノード極及びカソード極を配置した燃料電池セルに、上
記アノード極に第１の流路を介して水素を含む燃料ガス
を流通させると共に、上記カソード極に第２の流路を介
して酸素を含む酸化剤ガスを流通させることにより、上
記アノード極及びカソード極間から電気エネルギーを取
り出して上記燃料電池セルの負荷運転を行う構成とし、
上記燃料電池セルの負荷運転を停止するときに、上記不
活性ガスを上記第２の流路を介して上記カソード極の上
流側から当該カソード極に流入させるステップと、上記
不活性ガスを上記第１の流路を介して上記アノード極の
上流側から当該アノード極に流入させるステップと、上
記不活性ガスが上記アノード極に流入されている間に当
該アノード極及びカソード極間に負荷を与えるステップ
とを同時に開始するようになっている。

【００１５】請求項９記載の発明では、前記燃料電池セ
ルの負荷運転を停止する前に当該燃料電池セルに与えて
いる負荷を下げ、その下げた負荷における許容電流範囲
内で前記酸素の利用率を上げるステップを実施するよう
になっている。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、この発明の第１実施形態を図１
〜図４に基づき説明する。

【００１７】図１に示す燃料電池発電装置は、燃料電池
（本発明の燃料電池セル）１と、この燃料電池１の負荷
運転に使用される反応ガスの供給に関する反応ガス供給
システム２と、燃料電池１の負荷運転停止時のパージに
関する不活性ガス供給システム３とを備える。

【００１８】燃料電池１は、容器（スタック）内にセル
を積層配置するリン酸型の燃料電池を適用したもので、
図２に示すように、電解質であるリン酸を蓄えたマトリ
ックス層１０と、このマトリックス層１０を挟む対を成
す電極、即ちアノード極１１及びカソード極１２とでセ
ルを構成し、そのセルを炭素材料などの導電性及び気密
性を有する図示しない仕切り板（セパレータプレート）
を介して複数枚、積層配置して形成されている。この燃
料電池１には、アノード極１１に通流可能に接続される
燃料供給用のマニホールド（以下、「燃料マニホール
ド」）１３と、カソード極１２に通流可能に接続される
酸化剤供給用のマニホールド（以下、「空気マニホール
ド」）１４とが配設されている。

【００１９】マトリックス層１０は、繊維質シートまた
はシリコンカーバイトなどの鉱物質粉末をポリテトラフ
ルオロチレン（ＰＴＦＥ）等の結着剤で成型して成る、
細孔を有する薄板状の多孔質体であり、この多孔質体内
の多数の細孔中にリン酸をしみ込ませた状態で保持する
ようになっている。

【００２０】アノード極１１及びカソード極１２は、カ
ーボンなどから成る薄板状の多孔質体であり、この多孔
質体の細孔が燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）をマトリ
ックス層側に効率良く拡散させるための拡散経路となっ
ている。この両電極１１、１２のマトリックス層１０側
には触媒、例えばカーボン粉末に白金粉末を層状に分散
させて成る触媒層１１ａ、１２ａが設けられている。こ
の触媒層１１ａ、１２ａの細孔内には、燃料ガス又は酸
化剤ガスの反応ガス（気体）、リン酸（液体）、及び白
金触媒（固体）からなる三相界面が形成される。

【００２１】反応ガス供給システム２は、図示しない制
御装置による制御の元で、燃料電池１に両反応ガスを個
別に供給するもので、燃料ガスの供給に関する燃料供給
系２０と、酸化剤ガスの供給に関する空気供給系２１と
を備える。

【００２２】燃料供給系２０は、天然ガスなどの水素源
を改質反応させて水素濃度の高い燃料ガスを生成する改
質器（図示しない）及び燃料マニホールド１３に通流可
能な燃料用流路２２を要部に備え、図１に示すように、
改質器による改質後の燃料ガスを燃料用流路２２内の電
池入口側の遮断弁２２ａを介してアノード極１１に流入
させると共に、そのアノード極１１における反応後の燃
料ガスを燃料用流路２２内の電池出口側の遮断弁２２ｂ
を介して燃料電池１の外部に排出させるようになってい
る。

【００２３】空気供給系２１は、酸素源である酸化剤
（空気）を供給する空気ブロア（図示しない）及び空気
マニホールド１４に通流可能な酸化剤用流路２３を要部
に備え、空気ブロアからの空気を酸化剤用流路２３内の
電池入口側の遮断弁２３ａを介してカソード極１２に流
入させると共に、そのカソード極１２における反応後の
空気を酸化剤用流路２３内の電池出口側の遮断弁２３ｂ
を介して燃料電池１の外部に排出させるようになってい
る。遮断弁２３ａ、２３ｂは、後述の不活性ガス供給シ
ステム３の一部を成すものである。

【００２４】ここで、燃料電池１の発電原理を説明す
る。

【００２５】まず、アノード極１１には、反応ガス供給
システム２からの改質後の燃料ガスが燃料マニホールド
１３を介して供給される。そこで、燃料ガス中の水素が
アノード極１１内を拡散し、これが触媒層１１ａ内の触
媒及びマトリックス層１０内のリン酸と共に三相界面を
形成し、ここで水素ガス（Ｈ₂）は白金の触媒作用によ
り水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに解離する。こ
のときの水素ガスの解離反応は、

【数１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- の式で示される。この水素ガスの解離反応で形成された
水素イオンはマトリックス層１０内のリン酸中をカソー
ド極１２側に移動し、カソード極１２の触媒層１２ａ内
に形成された三相界面に達する。電子は、アノード極１
１から外部回路（図示しない）に流れて電力負荷（図示
しない）を作動させ、カソード極１２の触媒層１２ａ内
に形成された三相界面に達する。

【００２６】従って、カソード極１２には、反応ガス供
給システム２から空気マニホールド１４を介して供給さ
れる空気中の酸素が拡散して触媒層１２ａ内の触媒及び
マトリックス層１０内のリン酸と共に三相界面を形成
し、ここで酸素（Ｏ）がアノード極１１からマトリック
ス層を通って移動してきた水素イオン（Ｈ⁺）と、外部
回路で仕事してきた電子（ｅ^-）と反応して水に変化す
る。このときの水素イオンが酸化される反応は、

【数２】４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏの式で示される。このように水素イオンが酸化されて水
に変化するときの化学エネルギーが電気エネルギー（直
流電力）に変換されるようになっている。

【００２７】不活性ガス供給システム３は、上述の発電
原理に基づいて負荷運転される燃料電池１を停止すると
きに電池１内に残留した反応ガスを不活性ガス（以下、
「窒素」と呼ぶ）を用いてパージするもので、停止手順
に関する全体動作を総括する制御部３ａと、この制御部
３ａによる制御の元で作動する、窒素を封入した加圧ボ
ンベ３０と、この加圧ボンベ３０からの窒素を通流可能
な窒素用流路３１と、燃料電池１内の両電極間に残留し
た電位を下げるために両電極１１、１２間に負荷を与え
る電気回路３２とを備える。

【００２８】制御部３ａは、例えばＣＰＵなどのマイク
ロコンピュータを搭載して成り、燃料電池発電装置の停
止方法に関するアルゴリズムを実行して、システム３内
の各部３０〜３２の動作時期などを制御する動作指令Ｓ
１を出力する。

【００２９】窒素用流路３１は、アノード極１１側のラ
イン（以下、便宜上、「水素極側ライン」）３３と、カ
ソード極１２側のライン（「酸素極側ライン」）３４と
を備える。

【００３０】水素極側ライン３３は、燃料用流路２２に
おける燃料電池１の上流側に窒素の流入用ラインをバル
ブ（図示しない）を介して通流可能に連絡した構成で、
燃料電池１の負荷運転停止時に制御部３ａから動作指令
Ｓ１を受けてバルブを開け、流入用ラインを介して燃料
電池１の上流側の燃料用流路２２から窒素と共に配管２
２内に残留した改質後の水素をアノード極１１内に流入
させるようになっている。ここで、アノード極１１への
窒素流入量は、アノード極１１の上流側に残留する燃料
量（水素量）に基づいて設定されている。

【００３１】酸素極側ライン３４は、酸化剤用流路２３
における燃料電池１の下流側及び上流側に窒素の流入用
ライン３５及び排出用ライン３６とをバルブ３５ａ、３
６ａを介して通流可能に連絡した構成で、燃料電池１の
負荷運転停止時に制御部３ａから動作指令Ｓ１を受けて
バルブ３５ａ、３６ａを開け、流入用ライン３５を介し
て燃料電池１の下流側の酸化剤用流路２３から窒素をカ
ソード極１２に流入させることにより、カソード極１２
に接する気相中の酸素を上流側の酸化剤用流路２３から
排出用ライン３６に除去する。ここで、カソード極１２
への窒素流入量は、アノード極１１への水素の流れが維
持される時間内にカソード極１２の酸素を除去可能な量
に予め設定されている。

【００３２】電気回路３２は、アノード極１１及びカソ
ード極１２間に接続される所定負荷量の電気抵抗（放電
用抵抗）を要部に備え、燃料電池１の負荷運転停止時に
おける水素極側ライン３２による残留した水素のアノー
ド極１１への流れが維持されている間に燃料電池１の電
圧が所定電圧まで低下するように、制御部３ａから動作
指令Ｓ１を受けてアノード極１１及びカソード極１２間
に電気抵抗を接続して負荷を与える。ここで、両電極１
１、１２間に与える負荷の大きさ及びその負荷時間は、
アノード極１１への窒素流入量に基づいて予め設定され
ている。

【００３３】ここで、この発明に係る燃料電池発電装置
の停止方法の原理を説明する。

【００３４】燃料電池１の電圧は酸素濃度で決まる。こ
の酸素濃度としては、カソード極１２に接する気相中の
酸素濃度のほか、カソード極１２の触媒表面に吸着した
酸素量を考慮する必要がある。従って、負荷運転停止時
における燃料電池１の電圧低下に要する時間を短くする
には、カソード極１２に接する気相中の酸素濃度低減に
要する時間と、カソード極１２の触媒に吸着した酸素除
去に要する時間との両方を短くする必要がある。

【００３５】そこで、カソード極１２に接する気相中の
酸素濃度の低減に関しては、カソード極１２の上流側よ
りも下流側の方が酸素濃度が低い点に着目した。即ち、
燃料電池は上述したように空気中の酸素を消費して発電
しているので、カソード極１２の下流側の排出ガス中の
酸素濃度は、電池内の消費酸素量（反応ガスの利用率）
で変動するものの、いずれの利用率であっても少なくと
も上流側の燃料ガス中の酸素濃度よりは低い。

【００３６】従って、パージ時に窒素をカソード極１２
の下流側から流入させることにより、上流側よりも低い
酸素濃度を有するガスをカソード極１２に送り込むこと
ができ、これにより、上流側から酸素をパージするより
も少ない窒素流入量でより短時間にカソード極１２に接
する気相中の酸素濃度を低減できる。

【００３７】次に、触媒に吸着した酸素の除去に関して
は、上述のカソード極１２の下流側からのパージに加
え、アノード極１１への水素の流れを維持させる点と、
燃料電池に負荷を与えて電池電圧を下げる点に着目し
た。即ち、パージ時に窒素をアノード極１１の上流側か
ら流入させると、上流側の流路内に蓄積された水素を含
む改質後の燃料ガスがアノード極１１に流れ込み、その
水素蓄積量に応じた時間、アノード極１１への燃料ガス
の流れが維持される。

【００３８】従って、アノード極１１への燃料ガスの流
れが維持される間に燃料電池１に微小負荷を与えて電圧
を低下させることにより、カソード極１２内の酸素が除
去された状態でアノード極１１に水素の流れを残すこと
ができ、この水素が水素イオンに解離してリン酸に溶解
してカソード極１２側に到達し、カソード極１２の触媒
表面に吸着した酸素と反応して水となることから触媒表
面に吸着した酸素を除去できる。これに加えて、アノー
ド極１１の電位上昇による転極現象が回避されることか
ら、電圧低下に起因した燃料電池１に対するダメージも
防止できる。

【００３９】ここで、上述の停止方法の原理に基づくパ
ージ時間の設定例を図３及び図４に基づき設定する。

【００４０】図３及び図４は、パージ時間を変えて燃料
電池１の負荷運転停止時の両電極１１、１２へのパージ
による電池電圧の変化状態を調べたものである。図３に
示すパージ時間Ｔ１では、負荷運転停止後の燃料電池１
に与える微小負荷を開放したときに電池電圧が立上って
しまう。これに対し、図４に示すパージ時間Ｔ２では、
燃料電池１に与える微小負荷を開放したときでも電池電
圧が立上がらない。このようなパージ時間Ｔ１、Ｔ２の
違いによる電池電圧の立上り有無は、カソード極１２内
に残留している酸素のパージ状態に関係している。

【００４１】即ち、図３に示すパージ時間Ｔ１ではパー
ジが不十分で酸素が未だカソード極１２に残ってしまう
のに対し、図４に示すパージ時間Ｔ２では酸素がカソー
ド極１２から十分にパージされている。従って、この実
施形態では、負荷運転停止後に与える負荷を開放したと
きに電池電圧の立上がりが発生しない酸素濃度となるパ
ージ時間Ｔ２に設定した。

【００４２】次に、この実施形態に戻り、燃料電池の負
荷運転停止時の作用を説明する。

【００４３】まず、燃料電池１の負荷運転を実施した後
で停止させたとする。このとき、電池負荷を遮断すると
共に、反応ガスパージ・システム３が作動してパージを
開始する。このパージ開始に際して、酸化剤用流路２３
内の両バルブ２３ａ、２３ｂを閉じてから空気極側ライ
ン３４の両バルブ３５ａ、３６ａを開けると共に、アノ
ード極１１及びカソード極１２間に電気抵抗を接続して
負荷を与える。これにより、カソード極１２の下流側か
ら窒素が流入して酸素濃度の低いガスが、カソード極１
２に流れ込むと共に、アノード極１２の上流側から窒素
を流入して改質後の水素がアノード極１１に送り込まれ
る。

【００４４】従って、酸素濃度の低いガスがカソード極
１２に送り込まれることから、従来よりも少量の窒素で
カソード極１１内の酸素が確実にパージされ、電池電圧
を迅速にかつ確実に低下できる。これに加えて、アノー
ド極１１には水素の流れを設けているので、電池電圧を
下げるのに必要な電気抵抗による微小負荷量を大きく設
定でき、カソード極１２の触媒に吸着した酸素をより確
実に除去でき、この点からも電池電圧を比較的速やかに
且つ電池特性にダメージを受けることなく確実に低下さ
せることができる。

【００４５】以上のようにパージ用の窒素量を低減でき
るので、窒素ボンベの本数も減って、その設置容積も小
さくなり、燃料電池発電装置を比較的コンパクトに構築
できる。例えば、ビルの地下などの限られた空間内でも
設置できる。また、従来と同量の窒素を常備させる場合
には、１本あたりの窒素ボンベの使用時間が増えて、交
換頻度を大幅に減少できる利点もある。

【００４６】なお、上記実施形態では、制御部が停止方
法に関するアルゴリズムを実行して自動制御する構成と
したが、この発明はこれに限定されるものではなく、上
述の停止方法の原理を実行可能な構成であればよい。例
えば、手動で操作可能な構成であってもよく、手動及び
自動の両方を兼ね備えた構成でもよい。

【００４７】（第２実施形態）次に、この発明の第２実
施形態を図５に基づき説明する。

【００４８】この実施形態は、図５に示すように、反応
ガスパージ・システム３によるアノード極１１へのパー
ジ時間Ｔ３をカソード極１２へのパージ時間Ｔ２よりも
長く設定して実施するものである。これにより、アノー
ド極１１内の水素濃度を電気抵抗を解放した時点のアノ
ード極１１内の水素濃度よりも高い濃度に維持できるた
め、上述の第１実施形態と同等の作用効果に加え、水素
のリン酸への溶解及び拡散がより一層促進されて、カソ
ード極１２の触媒に吸着した酸素をより効果的に除去で
き、カソード極１２の電位をより確実に低下できる。従
って、窒素の使用量を減らしても、カソード極１２の電
位を確実に低下でき、装置をコンパクト化できる。

【００４９】なお、この実施形態の変形例として、図６
に示すように、アノード極１１への窒素流入量をカソー
ド極１２へのパージ終了後に小さく設定して実施しても
よい。この場合には、上記効果に加え、窒素量をより低
減できる利点がある。

【００５０】また、上記第１又は第２実施形態の変形例
として、図７に示すように、アノード極１１内の水素濃
度を高濃度に維持したり、カソード極１２に未だ残留し
ている酸素をパージするために、窒素流入終了後に再び
間欠的にパージを実施してもよい。この場合には、上記
効果に加え、カソード極１２の触媒に吸着した酸素をよ
り一層確実に除去できる利点がある。さらに、燃料電池
の電圧が所定電圧を超えたときに前記カソード極１２及
びアノード極１１の内の少なくとも一方に窒素を間欠的
に流入させてもよい。

【００５１】（第３実施形態）次に、この発明の第３実
施形態を説明する。

【００５２】一般にカソード極１２の出口側の酸素濃度
は酸素の利用率で決まるため、その酸素利用率を高める
ことで電池の下流側の酸素濃度を低減できる。しかし、
酸素利用率を高めると、高負荷であれば電池内の電流分
布に許容範囲を超えた大きな変動（ばらつき）が生じ
る。そこで、この実施形態では、酸素利用率を高めても
電流分布が許容範囲内となるように燃料電池１に与える
負荷を低下させてから、酸素利用率を上げる点に着目し
た。

【００５３】例えば、定格電流で運転中の燃料電池を停
止するときに、その停止前に定格負荷を１／４倍に下げ
てから、酸素利用率を定格利用率５０〜６０％から９０
％に上昇させる。これにより、カソード極１２の出口側
に酸素濃度がより一層低くなったガスを生成させること
ができる。

【００５４】この状態で燃料電池１の負荷運転を止め
て、上記第１又は第２実施形態と同様にカソード極１２
の下流側から窒素によるパージを行うと、酸素濃度がよ
り一層低くなったガスをカソード極１２の下流側から送
り込むことができるので、上記第１又は第２実施形態と
同等の作用効果に加え、カソード極１２の窒素によるパ
ージ時間をより一層短縮でき、使用窒素量を大幅に低減
できる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る燃
料電池発電装置にあっては、カソード極への不活性ガス
の導入を燃料電池セルの下流側から行うための配管構成
（不活性ガス流入ライン、不活性ガス排出ライン）とし
たため、第２の流路におけるカソード極の上流側よりも
酸素濃度の低い下流側の酸化剤ガスを不活性ガスと共に
カソード極に送り込むことができる。従って、燃料電池
セルの負荷運転停止時のカソード極の酸素濃度の低減時
間を大幅に短縮できるので、電池電圧をすばやく低下で
き、これにより、パージ用の不活性ガス量を大幅に低減
できる。従って、不活性ガス用のボンベの交換頻度が減
って長期使用が可能となると共に、ボンベ置き場の配置
面積が減ることから燃料電池発電装置を比較的コンパク
トに構築でき、このようなコンパクト化の利点は、ビル
の地下等の限られた空間内に設置する場合により一層発
揮される。

【００５６】例えば、請求項２〜９記載の発明に係る燃
料電池発電装置またはその停止方法では、上記に加え、
第１の流路におけるアノード極の上流側から不活性ガス
と共に残留した燃料ガスをアノード極に送り込むと共
に、この燃料ガスの流れが維持される間にアノード極及
びカソード極間に負荷を与えるようにしたため、上記効
果に加え、燃料ガス中の水素がリン酸中に溶解・拡散し
てカソード極側の触媒に付着した酸素を除去することか
ら、電池特性に殆どダメージを与えることなく迅速に電
池電圧を低下させることができ、カソード極の酸素濃度
低減に関する上記利点をより一層効果的に発揮させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１〜第３実施形態の燃料電池発電装置の要部
構成を示す概略全体図。

【図２】第１〜第３実施形態の燃料電池の要部構成を示
す概略図。

【図３】第１実施形態の負荷運停止後のカソード極への
パージが不十分な場合の電池電圧の変化を説明する図。

【図４】第１実施形態の負荷運停止後のカソード極への
パージが十分な場合の電池電圧の変化を説明する図。

【図５】第２実施形態のパージ方法を説明する図。

【図６】第２実施形態の変形例のパージ方法を説明する
図。

【図７】第１又は第２実施形態の変形例のパージ方法を
説明する図。

【符号の説明】

１燃料電池２反応ガス供給システム３不活性ガス供給システム３ａ制御部１０マトリックス層１１アノード極１２カソード極１１ａ、１２ａ触媒層１３燃料マニホールド１４空気マニホールド２０燃料供給系２１空気供給系２２燃料用流路（第１の流路）２２ａ遮断弁（アノード極入口側）２２ｂ遮断弁（アノード極出口側）２３酸化剤用流路（第２の流路）２３ａ遮断弁（カソード極入口側）２３ｂ遮断弁（カソード極出口側）３０加圧ボンベ３１窒素用流路３２電気回路３３水素極側ライン３４酸素極側ライン３５流入用ライン（本発明の不活性ガス流入ライン）３５ａバルブ（流入用）３６排出用ライン（本発明の不活性ガス排出ライン）３６ａバルブ（排出用）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リン酸を電解質として形成された電解質
層を挟む位置にアノード極及びカソード極を配置した燃
料電池セルに、上記アノード極に第１の流路を介して水
素を含む燃料ガスを流通させると共に、上記カソード極
に第２の流路を介して酸素を含む酸化剤ガスを流通させ
ることにより、上記アノード極及びカソード極間から電
気エネルギーを取り出して上記燃料電池セルの負荷運転
を行う燃料電池発電装置において、上記第２の流路における上記カソード極を流通した酸化
剤ガスが排出される下流側にバルブを介して上記カソー
ド極に不活性ガスを導入する不活性ガス流入ラインを設
けると共に、上記第２の流路における上記カソード極へ
酸化剤ガスを導入する上流側にバルブを介して上記カソ
ード極からの不活性ガスを排出する不活性ガス排出ライ
ンを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記燃料電池セルの負荷運転を停止した
ときに前記不活性ガスを前記不活性ガス流入ラインから
前記第２の流路を介して前記カソード極に流入させ且つ
その流入させた不活性ガスを上記第２の流路を介して上
記不活性ガス排出ラインから排出させると共に、上記不
活性ガスを前記第１の流路を介して上記アノード極の上
流側から当該アノード極に流入させる不活性ガス供給手
段と、この不活性ガス供給手段により上記不活性ガスが
上記アノード極に流入されている間に当該アノード極及
びカソード極間に負荷を与える負荷手段とを更に備えた
請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記不活性ガス供給手段は、前記カソー
ド極への不活性ガスの流入時間よりも長い時間、前記ア
ノード極に不活性ガスを流入させる手段である請求項２
記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】前記不活性ガス供給手段は、前記カソー
ド極への不活性ガスの流入停止前に前記アノード極に流
入させていた不活性ガスの流入量よりも小さい流入量で
上記流入停止後にアノード極に不活性ガスを流入させる
手段である請求項３記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】前記不活性ガス供給手段は、前記カソー
ド極及びアノード極への前記不活性ガスの流入停止後に
カソード極及びアノード極の内の少なくとも一方に不活
性ガスを間欠的に流入させる手段を備えた請求項２記載
の燃料電池発電装置。
【請求項６】前記不活性ガス供給手段は、前記燃料電
池セルの電圧が所定電圧を超えたときに前記不活性ガス
を前記カソード極及びアノード極の内の少なくとも一方
に流入させる手段を備えた請求項５記載の燃料電池発電
装置。
【請求項７】前記燃料電池セルの負荷運転を停止する
前にその燃料電池に与えている負荷を下げ且つその下げ
た負荷における許容電流範囲内で前記酸素の利用率を上
げる手段を更に備えた請求項２〜６のいずれか１項に記
載の燃料電池発電装置。
【請求項８】リン酸を電解質として形成された電解質
層を挟む位置にアノード極及びカソード極を配置した燃
料電池セルに、上記アノード極に第１の流路を介して水
素を含む燃料ガスを流通させると共に、上記カソード極
に第２の流路を介して酸素を含む酸化剤ガスを流通させ
ることにより、上記アノード極及びカソード極間から電
気エネルギーを取り出して上記燃料電池セルの負荷運転
を行う燃料電池発電装置の停止方法において、上記燃料電池セルの負荷運転を停止するときに、上記不
活性ガスを上記第２の流路を介して上記カソード極の上
流側から当該カソード極に流入させるステップと、上記
不活性ガスを上記第１の流路を介して上記アノード極の
上流側から当該アノード極に流入させるステップと、上
記不活性ガスが上記アノード極に流入されている間に当
該アノード極及びカソード極間に負荷を与えるステップ
とを同時に開始することを特徴とする燃料電池発電装置
の停止方法。
【請求項９】上記燃料電池セルの負荷運転を停止する
前に当該燃料電池セルに与えている負荷を下げ、その下
げた負荷における許容電流範囲内で前記酸素の利用率を
上げるステップを実施する請求項８記載の燃料電池発電
装置の停止方法。