JPS62283564A - 燃料電池発電システム - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［発明の目的１ （産業上の利用分野） 本発明は再循環装置および保全装置を備えて構成される
燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池の保護とシ
ステムの安全確保の双方の観点から最適な再循環運転お
よび保全運転を行ない得るようにした燃料電池発電シス
テムに関するものである。

（従来の反未） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料Ｎ池は通常、霜解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤極の一対の多孔質１１Ｍを配置すると共に、燃
料極の背面に水素等の燃料を接触させ、また酸化剤極の
背面に空気等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電気
化学的反応を利用して上記一対の電極間から電気エネル
ギーを取り出すようにしたものであり、上記燃料と酸化
剤が供給されている限り高い変換効率で電気エネルギー
を取出すことができるものである。

そして、通常この種の燃料電池は、燃料電池で発電に使
用する酸化剤としての空気を得るための空気処理装置と
、同じく燃料電池で発電に使用する水素リッチな燃料を
得るための燃料改質装置とを備えて燃料電池発電システ
ムを構成していることが多い。

さて、この種の燃料電池発電システムにおいては、シス
テムを発電状態つまり負荷運転状態とするまでの間に、
発電に必要な温度と圧力を有する空気および水素リッチ
な燃料を冑なければならないことから、数十段階のシー
ケンスに従って、ｉ′ｉ２動時から発電！１！備まで運
転状態を移行させていくのが普通である。その内容とし
ては、例えば不活性ガスによる系内の昇圧５昇温、燃料
改質装置による原燃料の改質の開始、圧縮空気供給装置
による燃料電池への空気の導入、燃料電池への燃料供給
開始等である。また、何らかの原因による発電停止や緊
急停止の際における。燃料供給および空気供給のしゃ断
と、その後の不活性ガスによる配管系の残存ガスパージ
、系内の降圧、ｉｉの運転も、所定のシーケンスに従っ
て行なわれる。

すなわち、燃料電池発電システムにおける発電は、燃料
電池の酸化剤極および燃料極に対して。

夫々のラインから空気および水素リッチな燃料を導入し
、これらが電気化学的に反応することによって行なわれ
る。この場合、もし燃料電池から取出す負荷電流値が低
い時には燃料電池の電圧が高くなり、１！極に塗着され
た触媒が電解質中へ溶解しまうおそれがある。そこでこ
れを防ぐためには、燃料電池の酸化剤極入口の酸素濃度
を低くしてやらなければならない。一方、燃料Ｎ池の燃
料極側においても、燃料電池の負荷電流が高くなった時
には燃料電池での燃料利用率が高くなり、転Ｉのおそれ
が生じるためにこれを防ぐ必要がある。このため、燃料
電池の燃料極および酸化剤極の出口から排出される排ガ
ス燃料および空気の一部を。

再循環ラインを介し燃料電池の燃料極みよび酸化剤極の
入口側へ再び戻して未反応ガス分を再利用する。いわゆ
る再循環（リサイクル）を行なうようになっている。こ
れは、燃料電池の酸化剤極側においては、電池入口の酸
素濃度を低くして電池電圧の過渡上昇を防止し、また燃
料電池の燃料極側においては、外部から供給する燃料の
母を変えずに電池入口からみた供給口を増やして電池で
の燃料利用率を低く抑制するためである。つまり、外部
からの供給燃料量を増やすことは非常に不経済であるか
らである。

一方、上述のような燃料電池発電システムの発電（負荷
運転）前の時点においても、電池冷却水の加熱によって
燃料電池の温度がかなり上昇することから、この場合に
は本格的な発電を行なう前に、燃料極保全装置および酸
化剤極保全装置により、燃料電池の燃料極入口側および
酸化剤極入口側に保全用の水素および空気を夫々供給し
て微量の発電を行ない、水を生成させて燃料電池内の電
解質の蒸発を防止する。いわゆる保全（パッシベーショ
ン）を行なうようにしている。そしてかかる保全時にも
、燃料電池内のガス分布を均一とするために上述の再循
環運転を必要とする場合がある。

ところで、従来では上述したような再循環運転および保
全運転は、第４図に示したような方法により行なってい
る。すなわら、保全運転は、負荷運転中にはＯＦＦとし
それ以外の場合に燃料電池゛　　の温度条件によって行
なう、すなわち燃料電池の温度が所定温度以上であれば
、燃料極出口側＠お孝び酸化剤極保全装置によって燃料
電池の燃料極および酸化剤極の入口側に保全用の水素お
よび空気の供給を行ないくこの供給は、燃料極側では燃
料極大口水Ｘ１度を、ｉＩ化化種極側は電池電圧をそれ
ぞれ目ＩＩＩに制御するように行なう）、燃料電池の温
度が所定温度以下であれば、燃料極保全装置および酸化
剤極保全装置の運転を停止しておき、そしてこの保全用
水素および空気の供給中には、燃料極保全装置および酸
化剤極保全装置によって再循環運転も行なうというもの
であり、結果的に負荷運転時以外には温度条件のみによ
って保全運転、いわゆる保全許可状態となる。

従って、燃料電池が高温の状態にある時に、燃料電池発
電システムに何らかの異常で緊急停止が起きた場合には
、燃料電池の燃料極および酸化剤極に対する水素および
空気の供給を迅速に停止し。

不活性ガスによるパージを行なわなければならないにも
かかわらず、保全用の水素および空気は相変わらず供給
されているという矛盾が生じ、かつこの矛盾は燃料電池
発電システムの安全確保上好ましいことではない。また
、再循環の流口は燃料電池の保全時、負荷運転時を通じ
て一定としているが、この再循環の流量は燃料（空気〉
の利用率や、燃料電池内での流速あるいは入口での濃度
。

そして再循環に必要な動力等を考慮して最適な量に定め
ることが望ましい。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来の燃料電池発電システムにおける再
循環運転および保全運転では、燃料電池の保護とシステ
ムの安全確保との双方を考慮した再循環運転および保全
運転を行なっておらず、非常に運転効率の低いものとな
っていた。

そこで本発明は、燃料電池の保護とシステムの安全確保
の双方の観点から最適な再循環運転および保全運転を自
動的に行ない、もって運転効率の向上を図ることが可能
な信頼性の高い燃料電池発電システムを促供することを
目的とするものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を連成するために本発明では、電解質層を挟
んで燃料極および酸化剤極の一対の電極を配置すると共
に、上記燃料極に燃料を供給しまた上記酸化剤極に酸化
剤を供給して、このとき起こる電気化学的反応により上
記両電極間から電気エネルギーを取り出す燃料電池と、
この燃料電池の燃料極出口側から排出される排気燃料の
一部を再循環ラインを介して上記燃料極の入口側へ再循
環させるための燃料極再循環装置と、この燃料電池の酸
化剤極出口側から排出される排気酸化剤の一部を再循環
ラインを介して上記酸化剤極の入口側へ再循環させるた
めの酸化剤極再循環装置と、上記燃料電池の燃料極入口
側に保全用の燃料を供給するための燃料極保全装置と、
上記燃料電池の酸化剤極入口側に保全用の酸化剤を供給
するための酸化剤極保全装置と、上記燃料電池の運転が
停止した場合に、上記燃料電池の燃料極ラインとその再
循環ライン、および酸化剤極ラインとその再循環ライン
に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給装置と、
以下の（ａ）〜（ｃ）の各制御手段を有する制御装置と
を歯えて構成するようにしたことを特徴とする。

（ａ）　　上記燃料電池の停止段階ならびに燃料電池の
停止移行段階には、上記燃料極再循環装置。

酸化剤極再循環装置および燃ｎ極保全装置、酸化剤極保
全装置の運転を停止する制御手段（ｂ）　　上記燃料電
池の起動から待機運転段階には、燃料電池の温度が所定
温度以上に達したことを条件に、各再循環ラインの流量
が一定の再循環流量となるように上記燃料極再循環装置
および酸化剤極再循環装置の運転を行なうと共に、上記
燃料電池の燃料極入口側の燃料濃度が一定となるように
上記燃料極保全装置の運転を行ない、また上記燃料電池
の電圧が一定となるように上記酸化剤極保全装置の運転
を行なう制創手段 （ｃ）　　上記燃料電池の負荷運転段階には、上記燃料
極保全装置および酸化剤極保全装置の運転を停止すると
共に、上記燃料電池の負荷電流の関数として設定された
再循環流ｍとなるように上記燃料極再循環装置および酸
化剤極再循環装置の運転を行なう制御手段。

（作用） 上述の燃料電池発電システムにおいては、再循環運転に
際し、保全時には一定再循環流量、負荷運転段階には燃
料電池の負荷電流の関数として設定された再循環流量に
追従するように再循環装置の運転制御が行なわれ、また
保全運転に際しては、燃料電池の温度が所定温度以上で
、かつ負荷運転段階でなり、シかも停止段階あるいは停
止移行段階でないという条件の下で保全装置の運転制御
が行なわれることになる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
をブロック的に示すものである。なお第１図では、燃料
改質装置、圧縮空気供給装置等についてはその図示を省
略している。

第１図において、１は電解質層を挟んで酸化剤極１ａお
よび燃料極１ｂの一対の電極を配置してなる燃料電池１
であり、上記燃料極１ｂに水素リッチな燃料を供給し、
また上記酸化剤極１ａに酸化剤としての空気を供給して
、このとき起こる電気化学的反応により上記両賞ｔｉ１
ａ、ｌｂ間から電気エネルギーを取り出すものである。

また、２ａは上記燃料電池１の酸化剤極１ａの出口側か
ら排出される排気空気の一部を分岐し、再循環ブロワ３
ａを介して上記酸化剤１１ａの入口側ラインヘリサイク
ルさせるための酸化剤極再循環ラインであり、これらに
より酸化剤極再循環装置を構成している。２ｂは上記燃
料電池１の燃料極１ｂの出口側から排出される排気燃料
の一部を分岐し。

再循環ブロワ３ｂを介して上記燃料ｉ１ｂの入口側ライ
ンへリサイクルさせるための燃料極再循環ラインであり
、これらにより燃料極再循環装置を構成している。ざら
に、４ａは上記燃料電池１の酸化剤極１ａ入口側に保全
用の空気を供給するための酸化剤極保全装置、４ｂは上
記燃料電池１の燃料１４１ｂ入口側に保全用の水素を供
給するための燃料極保全装置、５ａは上記燃料電池１の
運転が停止した場合に、燃料電池１の酸化剤極ラインと
その再循環ライン２ａに不活性ガス（例えば窒素ガス）
を供給するための酸化剤極不活性ガス供給装置、５ｂは
同様に上記燃ｒ４電池１の運転が停止した場合に、燃料
電池１の燃料極ラインとその再循環ライン２ｂに不活性
ガス（例えば窒素ガス）を供給するための燃料極不活性
ガス供給装置である。

一方、６ａは上記酸化剤極再循環ライン２ａの再循環流
ｍを検出するための酸化剤極再循環流量検出器、６ｂは
上記燃料極再循環ライン２ｂの再循環流山を検出するた
めの燃料極再循環流量検出器、７は上記燃料電池１の電
圧を検出するための電池電圧検出器、８は上記燃料電池
１の電流な検出するための電池電流検出器、９は上記燃
料′Ｒ池１の温度を検出するための電池温度検出器、１
０は上記燃料電池１の発生する直流電力を交流に変換し
て図示しない負荷へ供給するための電力変換器、１１は
上記燃料電池１の燃料極１ｂ入口側の水素濃度を検出す
るための水素濃度検出器である。

また、１２は上記酸化剤極再循環流量検出器５ａ。

燃料極再循環流量検出器６ｂ、電池電圧検出器７゜電池
電流検出器８．電池温度検出器９．水素濃度検出器１１
からの各検出信号を夫々入力とする制御Ｉｌ装置であり
、以下の＜ａ）〜（ｃ）の各制御手段を備えて構成して
いるものである。

（ａ）　　上記燃料電池１の停止段階ならびに燃料電池
１の停止移行段階には、上記燃料極再循環装置の再循環
ブロワ３ｂ、酸化剤極再循環装置の再循環ブロワ３ａお
よび燃料極保全装置４１）、酸化剤極保全装置４ａの運
転を停止する制御手段（ｂ）　　上記燃料電池１の起動
から特開運転段階には、燃料電池１の温度が所定温度以
上に達したことを条件に、各再循環ライン２ａ、２ｂの
流Ｉが一定の再循環流量となるように、上記燃料極再循
環装置の再循環ブロワ３ｂおよび酸化剤極再循環装置の
再循環ブロワ３ａの運転を行なうと共に、上記燃料電池
１の燃料極１ｂ入口側の燃料濃度が一定となるように上
記燃料極保全装置４ｂの運転を行ない、また上記燃料電
池１の電圧が一定となるように上記酸化剤極保全装置４
ａの運転を行なう制御手段 （ｃ）　　上記燃料電池１の負荷運転段階には、上記燃
料極保全装置４ｂおよび酸化剤極保全装置４ａの運転を
停止すると共に、上記燃料電池の負荷′Ｒ流の関数とし
て例えば第２図の如く任意に設定された再循環流量とな
るように、上記燃料極再循環装置の再循環ブロワ３ｂお
よび酸化剤極再循環装置の再循環ブロワ３ａの運転を行
なう制御手段 次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムにおい
て、再循環運転および保全運転について第３図により述
べる。

まず、燃料電池発電システムの停止段階、すなわち酸化
剤系および燃料系内の昇圧も昇温も行なっていない最初
の段階においては、酸化剤極再循環ライン２ａ、再循環
ブロワ３ａよりなる酸化剤極再循環装置、および燃料極
再循環ライン２ｂ。

再循環ブロワ３ｂよりなる燃料極再循環装置の機能は停
止させておき、また酸化剤極保全装置４ａおよび燃料極
保全装置４ｂもその機能を停止させておく。従って、保
全用の空気および水素は供給されず、再循環によるガス
の循環も行なわれていない。

次に、起動から待礪運転の段階においては、酸化剤系お
よび燃料系の昇温と昇圧が行なわれ、燃料電池１での圧
力、温度が例えば４気圧、２００℃付近（リン酸型瓢料
電池の場合）まで遷移していり、、（この昇圧は図示し
ない圧縮空気供給装置により、また昇温は図示しない電
池冷却水の加熱によって行なわれるが、これらの詳細に
ついては本発明の内容と直接関係ないので、ここではそ
の説明を省略する。）このようにして、電池温度検出器
９により検出される燃料電池１の温度がある設定温度に
達すると、制御装置１２によって保全運転が行なわれる
。すなわち、酸化剤極保全装置４ａおよび燃料極保全装
置４ｂにより、それぞれ設定電池電圧および酸化剤極入
口水素濃度設定値を目標に制御しつつ、保全用の空気お
よび水素が燃料電池１の酸化剤極１ａおよび燃料極１ｂ
へ供給される。また、酸化剤型再循環ライン２ａ、再循
環ブロワ３ａよりなる酸化剤極再循環装置、および燃料
型再循環ライン２ｂ、再循環ブロワ３ｂよりなる燃料極
再循環装置は、予め設定された再循環流量に従って再循
環運転を行ない、電池通過ガスの攪はんが行なわれる。

次に、負荷運転段階（発電時）においては、従来ではそ
のまま一定の再循環流量で運転を行なっていだが、本実
施例では電池電流検出器８により検出される負荷電流つ
まり燃料電池１から出力される直流電流の大きさに応じ
て２例えば第２図に示すように再循環流量を任意に設定
し得るものとし、ユーザーが最適な条件を選択できるよ
うにする。また、負荷運転中は保全の必要がないので、
酸化剤極保全装置４ａおよび燃料極保全装置４ｂは停止
状態となる。

次に、シャットダウンあるいは何らかの原因によって、
負荷運転く発電）を停止しシステム内から反応用ガスで
ある空気および水素をパージしなければならなくなった
場合には、停止移行段階のシーケンスに移行する。この
停止移行段階においては、従来では酸化剤極不活性ガス
供給装置５ａ。

燃料極不活性ガス供給装置５ｂによる不活性ガスのパー
ジ中であるにも係わらず、保全用の空気および水素が燃
料電池１に流れ込み、かつこれを再循環していたために
、燃料電池１のラインから可燃性ガスである水素および
支燃性ガスである空気が完全にパージされるまでに長い
時間を要していた。これに対し本実施例では、不活性ガ
スのパージ中は酸化剤極保全装置４ａ、燃料極保全装置
４ｂによる保全運転、ｆ３よび酸化剤極再循環装置。

燃料極再循環装置による再循環運転を停止し、酸化剤極
不活性ガス供給装置５ａ、燃料極不活性ガス供給装置５
ｂからの不活性ガスを、ｌ他剤ｉ−再循環ライン２ａ、
燃料極再循環ライン２ｂおよび燃料電池１の酸化剤極１
ａライン、燃料極１ｂラインへ同時に供給することによ
って、燃料電池１の酸化剤極１ａライン、燃料極１ｂラ
インおよび酸化剤極再循環ライン２ａ、燃料極再循環ラ
イン２ｂ共に、確実にパージが行なわれることになる。

上述したように、本実施例による燃料電池発電システム
においては、負荷運転段階では燃料電池１の負荷ＭＲの
大きざに応じて再循環流量を自助的に増減すると共に、
パージ中には保全運転および再循環運転を行なわないよ
うにしていることから、再循環の目的である低負荷域に
おける電池電圧の過大化の抑制、ならびに高負荷域にお
ける電池燃料利用率の上昇の防止を、負荷域毎に人手に
よる再調整を行なうことなく自動的に行なうことが可能
となり、燃料電池発電システムの運転コストの低減なら
びに運転効率の向上を図ることができると共に、停止移
行段階においては確実にパージを行なってシステムの安
全を確保することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても実施することができるものである。

上記実施例では、保全用の空気および水素の供給を、酸
化剤極再循環ライン２ａ、燃料極再循環ライン２ｂのル
ープの外側から行なう場合について述べたが、これに限
らず保全用の空気および水素の供給を、ｌ！！化剤極再
循環ライン２ａ、燃料極再循環ライン２ｂのループの内
側（例えば酸化剤極再循環ライン２ａ、燃料極再循環ラ
イン２ｂ上）から行なうようにしてもよいことは言うま
でもない。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、燃料電池の保護と
システムの安全確保の双方の観点から思通な再循環運転
および保全運転を行ない、もって運転効率の向上を図る
ことが可能な極めて信頼性の高い燃料電池発電システム
が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図は同実施例における負荷運転時の再循環流量の設定方
法の一例を示す図、第３図は同実施例における再循環運
転および保全運転の作用を説明するための図、第４図は
従来の燃料電池発電システムにおける再循環運転および
保全運転の方法を説明するための図である。 １・・・燃料電池、１ａ・・・酸化剤極、１ｂ・・・燃
料極、２ａ・・・酸化剤極再循環ライン、２ｂ・・・燃
料極再循環ライン、３ａ・・・再（Ｉ環ブロワ、３ｂ・
・・再循環ブロワ、４ａ・・・酸化剤極保全装置、４ｂ
・・・燃料極保全装置、５ａ・・・酸化剤ル不活性ガス
供給装置、５ｂ・・・燃料極不活性ガス供給装置、６ａ
・・・酸化剤極再循環流量検出器、６ｂ・・・燃料極再
循環流量検出器、７・・・電池電圧検出器、８・・・電
池電流検出器、９・・・電池温度検出器、１０・・・電
力変換器、１１・・・水素濃度検出器、１２・・・制御
装置。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 負荷電ス 第２ａｌ 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の電極を
   配置すると共に、前記燃料極に燃料を供給しまた前記酸
   化剤極に酸化剤を供給して、このとき起こる電気化学的
   反応により前記両電極間から電気エネルギーを取り出す
   燃料電池と、この燃料電池の燃料極出口側から排出され
   る排気燃料の一部を再循環ラインを介して前記燃料極の
   入口側へ再循環させるための燃料極再循環装置と、この
   燃料電池の酸化剤極出口側から排出される排気酸化剤の
   一部を再循環ラインを介して前記酸化剤極の入口側へ再
   循環させるための酸化剤極再循環装置と、前記燃料電池
   の燃料極入口側に保全用の燃料を供給するための燃料極
   保全装置と、前記燃料電池の酸化剤極入口側に保全用の
   酸化剤を供給するための酸化剤極保全装置と、前記燃料
   電池の運転が停止した場合に、前記燃料電池の燃料極ラ
   インとその再循環ライン、および酸化剤極ラインとその
   再循環ラインに不活性ガスを供給するための不活性ガス
   供給装置と、以下の（ａ）〜（ｃ）の各制御手段を有す
   る制御装置とを備えて構成するようにしたことを特徴と
   する燃料電池発電システム。 （ａ）前記燃料電池の停止段階ならびに燃料電池の停止
   移行段階には、前記燃料極再循環装置酸化剤極再循環装
   置および燃料極保全装置、酸化剤極保全装置の運転を停
   止する制御手段 （ｂ）前記燃料電池の起動から待機運転段階には、燃料
   電池の温度が所定温度以上に達したことを条件に、各再
   循環ラインの流量が一定の再循環流量となるように前記
   燃料極再循環装置および酸化剤極再循環装置の運転を行
   なうと共に、前記燃料電池の燃料極入口側の燃料濃度が
   一定となるように前記燃料極保全装置の運転を行ない、
   また前記燃料電池の電圧が一定となるように前記酸化剤
   極保全装置の運転を行なう制御手段 （ｃ）前記燃料電池の負荷運転段階には、前記燃料極保
   全装置および酸化剤極保全装置の運転を停止すると共に
   、前記燃料電池の負荷電流の関数として設定された再循
   環流量となるように前記燃料極再循環装置および酸化剤
   極再循環装置の運転を行なう制御手段