JP2931372B2 - 燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、燃料電池発電システムの運転方法に関
し、もう少し詳しくいうと、少なくとも燃料電池本体と
燃料改質処理装置を含む燃料電池発電システムの運転停
止時を主眼とした燃料電池発電システムの運転方法に関
するものである。

［従来の技術］ 第３図は、例えば特開昭60−138854号公報に示された
従来の燃料電池発電システムであり、図において、燃料
電池（１）と並列に抵抗器（２）が接続され、開閉器
（３）が燃料電池（１）と抵抗器（２）とを接続してい
る。（６）は直流遮断器、（７）は負荷装置である。空
気供給路（４）および燃料供給路（５）は、空気と燃料
を燃料電池（１）の空気極、燃料極にそれぞれ供給し、
化学反応により直流電力を発する。

次に運転方法について説明する。いま、燃料電池発電
システムが定常運転を行っていると、直流遮断器（６）
が投入されており、燃料電池（１）に負荷装置（７）が
接続されている。ここで、負荷装置（７）に短絡事故が
発生したとすると制御装置（図示せず）からの信号によ
り、直流遮断器（６）をトリップして負荷装置（７）を
切離す。それと同時に開閉器（３）を投入し、抵抗器
（２）に燃料電池（１）の出力を与える。また、燃料電
池の運転を停止するため、空気供給路（４）と燃料供給
路（５）より供給される反応ガスの流量を徐々に絞って
いく。流量が零になった後、開閉器（３）を開き、抵抗
器（２）を切離し、停止動作を終了する。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の燃料電池発電システムの運転方法
では、負荷遮断が以上のように行われるので、空気およ
び燃料供給量が零となった制御動作終了後も、電池本体
内に残った（電極に付着したものを含む）反応ガスによ
り空気極は高い電位におかれ（以降、残留電圧と呼
ぶ）、電池劣化の要因となるなどの問題があった。これ
は、負荷遮断に限らず、一般の停止時にも問題となる。

この問題を改善するため、この発明者は特開昭63−18
1268号公報において残留電圧を放電抵抗で解消するシス
テムを開示した。

燃料電池発電システム全体における負荷遮断、停止時
の問題点をまとめると、（１）燃料改質処理装置中に負
荷遮断・停止直後には原燃料ガスが存在し、水蒸気の供
給なしにパージのみを行うと原燃料ガスの分解などによ
り改質処理装置の触媒が劣化する。（２）燃料電池空気
極には空気（酸化剤）が残留し電極が高い電位におかれ
るため電極の触媒が劣化する。また、残留電圧解消のた
め放電負荷を取った場合、一部のセルで燃料の欠乏が生
じるとその部分のセルの電極が反応し劣化する。（３）
システムの各機器および配管内に可燃性ガスが残留し安
全性が十分でない。また、各機器別に不活性ガスにより
パージすると不活性ガスの消費量が多くなる。などが考
えられる。

また、上記（１）の問題解決のため改質処理装置へ不
活性パージガスと共に水蒸気を供給する場合、水蒸気が
過剰な条件でパージされると電極本体の電解質に水蒸気
が吸収され電池性能に悪い影響を与えるおそれがある。

この発明は上記のようた問題を解消するためになされ
たもので、燃料改質処理装置系統の触媒を劣化させるこ
となく、かつ、電池本体の残留電圧対策を行うことによ
り、電池に悪影響を与えることなく速やかに、また、燃
料電池発電システムの系内に可燃性ガスを残すことなく
安全に停止するとともに、不活性パージガスの使用量を
減らすことができる燃料電池発電システムの運転方法を
得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池
本体と燃料改質処理装置を含む燃料電池発電システムの
運転停止時に前記燃料改質処理装置の上流ラインより前
記燃料電池本体の燃料極を経由し前記燃料改質処理装置
中の燃焼器および燃焼炉内をシリースに不活性ガスでパ
ージすると共に、初期の一定時間および前記パージの期
間のいずれかの期間中、前記燃料改質処理装置へ水蒸気
の供給も行い、かつ前記燃料改質処理装置への前記水蒸
気の供給量を不活性ガスパージ流量および原燃料ガス濃
度のいずれかに対し制御するようになっているものであ
る。

［作用］ この発明においては、システムの運転停止時に燃料改
質処理装置の上流ラインより燃料電池本体の燃料極を経
由し燃料改質処理装置中の燃焼器および燃焼炉内をシリ
ースに不活性ガスでパージすると共に、初期の一定期間
および前記パージの期間のいずれかの期間中、前記燃料
改質処理装置へ水蒸気の供給も行うことにより、燃料改
質処理装置の触媒へのカーボン析出などによる劣化を防
止する。このとき、不活性ガスにより空気系統および燃
料系統のパージをすると同時に、燃料電池と並列に接続
された放電負荷で電池電圧を監視し、その開閉器を制御
することにより残留電圧を低下させ、電池（電極）の劣
化を防止する。また、運転停止時の改質処理装置へ供給
する水蒸気量は不活性ガスパージ流量もしくは原燃料ガ
ス濃度に応じた流量で流すことにより、電池本体燃料極
へ過度の水蒸気を含むガスが流れないようにする。

［実施例］ 以下、この各発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。第１図は燃料電池発電システムを示し、（8a）は改
質炉、（8b）は改質反応器、（8c）は燃焼器（バー
ナ）、（８）はこれからなる改質器、（９）は改質器
（８）で改質されたガスをさらに水素リッチに転化反応
させる転化器である。（10）は燃料電池本体で、空気極
（10a）、燃料極（10b）、出力端子（10c）、冷却器（1
0d）などからなっている。（11）は気水分離器、（12）
は冷却水を燃料電池（10）に循環させるポンプである。
（13）は燃料電池（10）および改質器（８）に必要な空
気を供給する空気ブロアである。（14）および（15）は
燃料電池出力端に並列に接続された開閉器および放電負
荷である。（16）は燃料電池（10）で発生した直流出力
に交流出力に変換する直交変換器である。（17）および
（18）は燃料電池の反応に必要な燃料ガスを製造するた
めの原燃料ガスおよび水蒸気、（19）は同じく反応に必
要な空気、（20），（21）は燃料電池発電システムの停
止時に流す空気系および燃料系不活性パージガスであ
る。（22）は燃料改質処理装置である。

なお、この図は概要を示すもので、バルブその他の機
器について省略している。

次に運転方法について説明する。この発明では、燃料
電池発電システムの運転停止は、直交交換器（16）の交
流出力を低下させると共に出力に見合った反応ガス量に
するよう、原燃料（17）、水蒸気（18）および反応用空
気（19a）の流量を低下させる。さらに、直交交換器（1
6）への直流入力を零とすると同時に電気系統では開閉
器（14）を閉じて燃料電池（10）の出力を放電負荷（1
5）に消費させる。このとき、燃料電池（10）の電圧値
より判定し、開閉器（15）を開放させる。一方、ガス系
統では、空気系統の反応用空気（19a）の流量を零と
し、空気系不活性パージガス（例N₂など）（20）で空気
極（10a）を直接に、また燃料系統の原燃料（17）（例C
H₄など）の流量を零とし、燃料系不活性パージガス（2
1）で燃料改質装置（22）の上流ラインより燃料極（10
b）を経由してバーナ（8c）に達し、改質炉（8a）内ま
でパージする。

また、燃料系統のパージにおいて、水蒸気（18）はそ
れより上流の配管内の原燃料（17）が燃料系不活性パー
ジガス（21）でパージされるまで不活性パージガス（2
1）の流量もしくは残留原燃料ガス量に見合った量を供
給し続け、同部分のパージがされた以降はその供給を停
止する。不活性パージガス（20）および（21）によるパ
ージはそれぞれの系統が充分パージされるまで供給し、
その後供給を止める。

この間、燃料改質処理装置（22）には、パージガスで
押出された原燃料ガス（17）とそれに見合った量の水蒸
気（18）が供給されるので、燃料改質処理装置（22）で
は原燃料ガスが無くなるまで運転中と同じ改質反応が続
けられ、その後、不活性パージガス（21）もしくは不活
性パージガス（21）と水蒸気（18）でパージされる。

第１図でもわかるように、空気系統は短かく容積が小
さいので短時間でパージされる。燃料系統はパージが始
っても改質反応器（8b）の上流のパージが終るまでは改
質反応が続けられることと、燃料改質処理装置（22）の
系の容積が大きく空気系統のパージに要する時間に比べ
長くなる。この結果、放電負荷（15）で残留電圧を放電
させている間、燃料極（10b）側では燃料ガスの欠乏を
生じることなしに空気極（10a）側の空気（酸化剤）の
パージと消費が行われる。

なお、負荷遮断後の出力電圧と空気極および燃料極入
口での酸素および燃料のガス濃度変化の説明図を第２図
に例示した。

なお、上記実施例では、燃料系統のパージにおける水
蒸気流量の制御の詳細については記述していないが、次
のいずれかの方法で達成できる。

（１）燃料系統の不活性ガスパージにおいて、改質器入
口配管中の可燃性ガス濃度変化をあらかじめ測定調査
し、この濃度に見合った水蒸気流量をプログラム制御す
る。

（２）燃料系統の不活性ガスパージにおいて、改質器入
口あるいは出口配管中の可燃性ガス濃度を測定し、この
濃度出力に応じて水蒸気流量を制御する。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、運転停止時に燃料
改質処理装置の上流ラインより燃料電池本体の燃料極を
経由し燃料改質処理装置中の燃焼器および燃料炉内をシ
リースに不活性ガスでパージすると共に、原燃料ガスが
無くなるまでの期間もしくはパージの間中、燃料改質処
理装置へ水蒸気の供給も行うようにしたので、燃料改質
処理装置の触媒の劣化を防止できる効果がある。

また、燃料改質処理装置へ供給する水蒸気量を不活性
ガスパージ流量もしくは原燃料ガス濃度に応じた量に制
御することにより、燃料電池の燃料極へ過剰な水蒸気濃
度のガスを送り込まないので、電池性能に悪い影響を与
えない効果がある。

さらに、上記いずれの発明においても、運転停止時に
空気極は直接に、燃料系統は燃料改質処理装置の上流ラ
インより燃料極を経由し燃料改質装置中の燃焼器および
燃料炉内をシリースに不活性ガスでパージするように
し、かつ、燃料電池の残留電圧を速やかに放電するよう
にすれば、電池に悪影響を与えることなく、また発電シ
ステムの系内に可燃性ガスを残すことなく速やかに安全
に停止できるし、不活性パージガスの使用量を減らす効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を説明するための燃料電池シ
ステムの回路構成図、第２図は上記実施例における負荷
遮断後の燃料電池の出力電圧と空気極および燃料極の入
口の酸素および燃料ガスの濃度変化の特性線図、第３図
は従来の燃料電池システムの運転方法を説明するための
回路構成図である。 （８）……改質器、（8c）……燃焼器、（10）……燃料
電池本体、（10b）……燃料極、（17）……原燃料ガ
ス、（18）……水蒸気、（19）……空気、（20）……空
気系不活性パージガス、（21）……燃料系不活性パージ
ガス、（22）……燃料改質処理装置。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−212774（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−26070（ＪＰ，Ａ) ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ ＨＡＮＤＢＯＯ Ｋ（1998）第113頁 ＦＩＧ．１−４ ＯＮＳＩＴＥ 40−ＫＩＬＯＷＡＴＴ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ ＰＯＷＥＲ Ｐ ＬＡＮＴ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＡＮＤ ＦＩＥＬＤ ＴＥＳＴ ＰＲ ＯＧＲＡＭ（1985）第２−24頁 ＦＩ Ｇ．２−13 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池本体と燃料改質処理装置を含む燃
   料電池発電システムの運転停止時に前記燃料改質処理装
   置の上流ラインより前記燃料電池本体の燃料極を経由し
   前記燃料改質処理装置中の燃焼器および燃焼炉内をシリ
   ースに不活性ガスでパージすると共に、初期の一定時間
   および前記パージの期間のいずれかの期間中、前記燃料
   改質処理装置へ水蒸気の供給も行い、かつ前記燃料改質
   処理装置への前記水蒸気の供給量を不活性ガスパージ流
   量および原燃料ガス濃度のいずれかに対し制御するよう
   になっている燃料電池発電システムの運転方法。