(57)【要約】本発明は、燃料電池、特に高温燃料電池の陽極を不活性化し保護する方法及び燃料電池設備自体に関する。動作の中断時に、緊急時又は待機動作時の陽極に対する燃焼ガスの供給が中断されている時に、水蒸気がこれらの陽極に供給され、外部電圧を燃料電池に印加することによって、還元雰囲気が電気分解によってこれらの陽極に対して提供されることが本発明にしたがって提唱されている。これによって、バージガス又は保護ガスを特に保持する必要なしに、燃料電池設備（２）の不活性化が可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池、特に高温燃料電池の陽極を不活性化する方法において、水蒸気が、燃料電池の陽極に供給され、これらの陽極面に接する還元雰囲気を生成する外部電圧が電気分解によって燃料電池に印加されることを特徴とする方法。
【請求項２】
水蒸気に加えてＣＯ2 が、燃焼ガス入力部（３）を通じて陽極に供給される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
陽極を迅速に不活性化するため、まず主にＣＯ2 が供給されること、及び、このとき供給されたＣＯ2 の量が、水蒸気の増大する供給と共に減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
陽極と陰極を１つずつ有する１つ又は多数の燃料電池（２）を備え、陽極ガスを陽極に供給する陽極入力部（３）を備える燃料電池設備、特に高温燃料電池設備において、これらの陽極を不活性化するため、水蒸気をこれらの陽極に供給する水蒸気生成装置（６）が設けられていること、及び、これらの陽極に接する還元雰囲気を生成するこれらの陽極が、外部電圧源（７）に接続可能であることを特徴とする燃焼電池設備。
【請求項５】
水蒸気に加えてＣＯ2 が、燃焼ガス入力部（３）を通じて陽極に供給可能であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池設備。
【請求項６】
陽極を迅速に不活性化するため、まず主にＣＯ2 が、これらの陽極に供給可能であり、この場合、供給されたＣＯ2 の量が、水蒸気の増大する供給と共に減少することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池設備。
【請求項７】
水蒸気を陽極に供給する水蒸気生成装置（６）が、陽極入力部（３）に接続されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池設備。
【請求項８】
水蒸気生成装置（６）は、触媒を含むことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の燃料電池設備。
【請求項９】
水蒸気生成装置（６）は、同時に陽極にさらに供給されるＣＯ2 を生成するために使用される請求項４〜８のいずれか１項に記載の燃料電池設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に高温燃料電池を不活性化する方法に関する。さらに本発明は、１つ又は多数の燃料電池及び陽極ガスを陽極に供給する１つの陽極入力部を有する燃料電池設備、特に高温燃料電池に関する。これらの燃料電池はそれぞれ、１つの陽極及び１つの陰極を有する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば溶融炭酸塩燃料電池の場合、通常動作の中断時に、例えば緊急動作又は待機動作時に、燃焼ガスが陽極に供給されるときに、陽極を迅速に不活性化してこれらの陽極を酸化による損傷又は破壊から保護する必要がある点に困難性がある。このことは、特に動作温度が 200℃を超える高温温度燃料電池に対して成立する。公知のシステムの場合、一般的な窒素をバージガス又は保護ガスとして使用することが普通である。必要なガス量に起因して、特にこのために窒素タンクを設ける必要がある。したがって、コスト非常に高くなり、スペースが非常に大きくなる。また、可能な停止時間が、バージガスの貯蔵量の範囲に制限されている。
【０００３】
燃料電池設備が、特開平０４−４５７０号明細書から公知である。この燃料電池設備の場合、主の水素を含む待機ガスが、燃料電池の動作温度を維持しながら燃料電池設備の停止時間を乗り切るために使用される。燃焼ガスが通常動作に対してよりも僅かな量でこの待機ガスに供給されることによって、この待機ガスがリフォーマー内に保存される。同時に加熱装置に対する電気エネルギーの供給を維持するため、二酸化炭素及び水素を含む別のガスが、適切な流速度で陰極に供給される。さらに燃料電池設備が、特開塀４−３２４２５３号明細書から公知である。この燃料電池設備の場合、燃料電池設備の停止時間時にこの燃料電池設備の酸化を阻止するため、窒素で混合された還元性ガスから成る待機ガスが使用される。
【０００４】
米国特許発明第 6,127,057号明細書では、燃料電池設備が開示されている。この燃料電池設備の場合、冷却水が、陰極及び陽極のガス空間に流入する。この冷却水は、保護ガスの場所で保護液として利用される。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許発明第 40 27 655号明細書は、Ｈ2 ／Ｏ2 ／Ｈ2 Ｏ燃料電池を作動させる方法を記す。この方法の場合、動作モード燃料電池と動作モード電気分解との間の交換が可能である。セルが、動作モードの交換時に不活性ガスでバージされる。これによって、残留ガスが先行するサイクルからセル内に存在しないことが保証されなければならない。
【０００６】
特開 2000-277137号明細書では、方法が開示されている。この方法の場合、二酸化炭素及び窒素から成るバージガスが、可燃性ガスの酸化によって製造される。したがって、待機ガスの独立した貯蔵は必要ない。しかし、保護ガスを製造するために必要な追加の装置に関する多大な経費が欠点である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、燃料電池の陽極を不活性化する方法を提供することにある。この方法の場合、待機ガスを特に貯蔵する必要がなく、装置に関する追加の経費が必要ないか又はほとんど必要ない。さらに本発明の課題は、待機ガスを特に貯蔵する必要なしに又は装置に関する特別な経費が必要であることなしに、陽極の不活性化が可能である燃料電池設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、方法では請求項１に記載の方法によって解決される。
【０００９】
本発明の方法の好適なその他の構成は、請求項２及び３に記載されている。
【００１０】
この課題は、装置では請求項４に記載の燃料電池設備によって解決される。
【００１１】
本発明の装置の好適なその他の構成は、請求項５〜９に記載されている。
【００１２】
燃料電池、特に溶融炭酸塩燃料電池の陽極を不活性化する方法が、本発明によって提供される。水蒸気が燃料電池の陽極に供給され、陽極面に接する還元雰囲気を生成する外部電圧が電気分解によって陽極に対して印加されることが、本発明により提唱されている。すなわち、電流が保護動作中に通常動作に対して反対の電流方向に流れるように、外部電圧が印加される。
【００１３】
本発明の方法の利点は、燃料電池設備の不活性化が特にバージガス又は保護ガスを設ける必要なしに可能である点である。もう１つの利点は、乗り切り可能な停止時間がガス貯蔵量の範囲に制限されている点である。既存の装置が利用できるので、特に装置に関する経費がかからない。最後に、燃料電池設備の能動的な保護が、本発明の方法によって可能である。
【００１４】
陽極のハーフセル内の反応に必要な二酸化炭素が、拡散によって空気がある陰極ハーフセルから陽極ハーフセル内に到達する。本発明の方法の好適なその他の構成では、水蒸気に加えてＣＯ2 が陽極に供給されることが提唱され得る。したがって、燃料電池の停止の間の燃料電池の電解液を分解から保護することが微量のＣＯ2 をさらに供給することによってさらに良好に保証されている点が利点である。
【００１５】
本発明の方法のもう１つの好適なその他の構成によれば、まず主にＣＯ2 が陽極を迅速に不活性化するために供給されること、及び、供給されるＣＯ2 の量が水蒸気の供給の増大と共に減少する。これによって、水蒸気が十分な量になるまで、陽極の迅速な保護が保証される。
【００１６】
さらに、陽極と陰極を１つずつ有する１つ又は多数の燃料電池を備え、陽極ガスを陽極に供給する陽極入力部を備える燃料電池設備、特に溶融炭酸塩燃料電池が、本発明によって提供される。本発明によれば、陽極を不活性化するため、水蒸気をこれらの陽極に供給する水蒸気生成装置が設けられていて、これらの陽極に接する還元雰囲気を生成するため、これらの陽極が外部電圧源に接続可能である。その結果、電流が、保護動作中に通常動作に対して反対の方向に流れる。
【００１７】
これらの利点は、上述した本発明の方法に関連して示されている利点と同じである。
【００１８】
本発明の燃料電池設備の好適なその他の構成によれば、水蒸気に加えてＣＯ2 が陽極に供給可能であることが提唱されている。
【００１９】
本発明の燃料電池設備のもう１つの好適なその他の構成によれば、まず主にＣＯ2 が陽極を迅速に不活性化するためにこれらの陽極に供給可能であることが提唱されている。この場合、供給されるＣＯ2 の量が水蒸気の増大する供給と共に減少する。
【００２０】
好ましくは、陽極に水蒸気を供給する水蒸気生成装置が陽極入力部に連結され得る。
【００２１】
本発明の燃料電池設備の好適な実施形によれば、水蒸気生成装置が触媒を有する。
【００２２】
最後に、本発明の燃料電池設備の好適なその他の構成によれば、水蒸気生成装置が同時に陽極にさらに供給されるＣＯ2 を生成するために使用されることが提唱されている。
【００２３】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図は、本発明の実施の形態の燃料電池設備の簡単なブロック図である。このブロック図の場合、燃料電池の陽極を不活性化する本発明の方法及び本発明の燃料電池設備が示されている。
【００２５】
図中では、符号１は、燃料電池配置、特に溶融炭酸塩燃料電池の全体を示す。この燃料電池設備は、１つ又は多数の燃料電池２を有する。この図中には、燃料電池スタックの形態で配置された多数の燃料電池が符号２で示されている。これらの燃料電池２はそれぞれ、陽極と陰極を１つずつ有する。これらの電極は、この図中では陽極と陰極との間に設けられている電解質マトリックスと同様に特に示されてない。さらに燃料電池設備１は、通常動作中に陽極ガス、すなわち燃焼ガスを陽極に供給する燃焼ガス入力部３及び陰極ガス、例えば空気を燃料電池２の陰極に供給する陰極入力部４を有する。
【００２６】
さらに燃料電池設備１は、陽極入力部に供給すべき陽極ガスを改質する装置５，６を有する。この燃料電池設備１は、燃焼ガス改質装置５及び水蒸気生成装置６を有する。通常動作中では、装置５，６は燃料電池動作に対して改質した燃焼ガスを供給する。保護動作中では、陽極ハーフセルに対する燃焼ガスの供給が停止されている時に、装置５，６は、水蒸気を含むガスを触媒経路上で生成するために利用され得る。このガスは、酸素の供給時に燃焼ガスの酸化によって発生する。そのため、燃焼ガス改質装置５及び／又は水蒸気生成装置６は、触媒を有してもよい。二酸化炭素が後述する反応で必要になるので、二酸化炭素が発生しても、この二酸化炭素は本発明を妨害しない。しかし他方では、二酸化炭素が陰極ハーフセル内に存在する空気中で任意に発生するので、二酸化炭素を入力部３を通じて陽極ハーフセル内に供給することは必要ない。二酸化炭素が、拡散によって陽極ハーフセル内に到達する。したがって、水蒸気生成装置６内で作られる水蒸気だけを準備するだけで十分である。このとき、水だけが、水蒸気生成装置６に供給される。この場合、水蒸気生成装置６は、水を気化する熱を生成する。水は、通常動作中でも燃焼ガスの改質時に必要になり、それ故に保護動作に対しても任意に使用される。
【００２７】
さらに燃料電池設備１は、外部電圧を発生させる電圧源７を有する。還元雰囲気を電気分解によって陽極で生成するため、この電圧が陽極に印加される。
【００２８】
燃料電池設備の通常動作でない動作状態時に、すなわち緊急時又は待機動作時に陽極入力部に対する燃焼ガスの供給が中断されている時に、燃料電池２の陽極を不活性化するため、保護動作が開始される。これに対して、水蒸気が燃料電池の陽極に供給され、還元雰囲気が電気分解によって陽極で生成される。以下に機能を記す：
通常動作：
陰極ハーフセル内では、酸素及び二酸化炭素が空気によって供給され、−２に荷電されている炭酸イオン（ＣＯ32- ）が生成される。これらの炭酸イオンは、拡散してマトリックスを通過し水素が供給される陽極ハーフセル内に移動する。水が、炭酸イオンと反応して二酸化炭素と水を生成する。この場合、それぞれ２個の電子が遊離する。
待機動作（保護動作）：
燃焼ガスが陽極ハーフセル内に供給されない動作状態では、酸化による陽極材料の損傷を阻止する必要がある。このことは、外部電圧が印加されること、及び水蒸気が陽極ハーフセル内に供給され、この水蒸気が二酸化炭素と反応して炭酸イオンを生成しながら水素を生成することによって実現される。この必要な二酸化炭素は、陰極ハーフセルから電解液を通じて陽極ハーフセル内に到達する。同時に、陽極ハーフセル内で生成された−２の炭酸イオンが、陰極ハーフセル内に拡散する。二酸化炭素及び炭酸イオンのこの移動は、すなわち陽極ハーフセル内に存在するガスと陰極ハーフセル内に存在するガスとの濃度の差に基づいて拡散する。したがって陽極ハーフセル内では、通常動作中と全く反対の反応が待機動作中に進行する。この反応が開始する必須な前提条件は、外部電圧を印加することである。その結果、電流が流れる。つまり、電流が通常動作と反対方向に流れる（電気分解）。特にこの電圧は、５〜10mA/cm2の平均電流密度が通常動作に対して反対方向の通電で実現される程度の大きさである。
【００２９】
燃料電池２の陽極を不活性化するため、水蒸気に加えてＣＯ2 がこれらの陰極に供給され得る。このＣＯ2 は、水蒸気と一緒に又は同時に水蒸気生成装置６内で、特に触媒経路上で生成され得る。
【００３０】
陽極を迅速に不活性化するため、まず主にＣＯ2 がこれらの陽極に対して供給される。このとき、供給されたＣＯ2 の量が、水蒸気の増大する供給と共に減少する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の燃料電池設備の簡単なブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池設備
２  燃料電池
３  燃焼ガス入力部
４  陰極入力部
５  燃焼ガス改質装置
６  水蒸気生成装置
７  電圧源
【図１】
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【国際調査報告】
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