(57)【要約】【課題】  触媒の劣化反応を抑制することができる燃料電池発電装置及び燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。【解決手段】  この発明は、燃料極１ａと空気極１ｂとで電解質層１ｃを挟持した燃料電池本体１を有する燃料電池発電装置１００であって、前記燃料極１ａに面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路２１と、燃料ガス流路２１の入口と出口を連通するバイパス用配管２４と、バイパス用配管２４に設けられ、燃料ガス流路２１の入口と出口から燃料ガスを供給した後に、バイパス用配管２４を閉止するバルブ２６とを備え、起動時に燃料ガス流路２１の入口と出口の双方から燃料ガスを導入する。【選択図】図１
2008258036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極とで電解質層を挟持した燃料電池本体を有する燃料電池発電装置であって、
前記燃料極に面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備え、
起動時に前記燃料ガス流路の入口と出口の双方から前記燃料ガスを導入する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃料ガス流路の入口と出口を連通するバイパス用配管と、
前記バイパス用配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に、前記バイパス用配管を閉止するバルブとを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記燃料ガス流路の途中に接続され前記燃料ガス流路内のガスを排出する排出用配管をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記排出用配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に前記排出用配管を閉止するバルブをさらに備える、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記排出用配管は、前記燃料ガス流路の入口と出口の中間付近に接続されている、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
燃料極と空気極とで挟持される電解質層と、前記燃料極に面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に面して形成され空気を供給する空気流路とを有する燃料電池の起動方法であって、
起動時に前記燃料ガス流路の入口と出口の双方から前記燃料ガスを導入する、ことを特徴とする燃料電池の起動方法。
【請求項７】
前記燃料ガス流路の入口と出口を連通するバイパス用配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に、前記バイパス用配管を閉止するバルブを閉じる、ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の起動方法。
【請求項８】
前記燃料ガス流路の途中に接続され前記燃料ガス流路内のガスを排出する排出用配管に設けられたバルブを前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に閉じる、ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の燃料電池の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置および燃料電池の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、天然ガスを改質して得られる水素と空気中の酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池発電装置では、電解質と、これを挟持する燃料極及び空気極から成る単位電池を複数積層することによって構成された燃料電池本体が使用されている。
【０００３】
そして、一般に、燃料電池発電装置では、都市ガス等の炭化水素系燃料と水蒸気とを、改質器によって水素を主成分とするガスに改質して、燃料電池本体の燃料極に供給し、その一方で、空気を燃料電池本体の空気極へ供給するようになっている。これら燃料極の水素と空気極の酸素とが、燃料電池本体において電解質を介して化学反応を起こし、これによって直流電流が得られる。 
【０００４】
燃料電池を停止する際には一般的に、燃料極及び空気極を不活性ガス等でパージしたり、封止したりするが、停止中に徐々に外部の空気が電極内に流入してくる。燃料電池発電装置おいて、燃料極、空気極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側のガス流路に水素を供給し始めた初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、空気極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、これに対峙する空気極で、
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- ・・・（１）
という反応が生じる。その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、空気極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
・・・（２）
という反応が起こり、水が生成される。
【０００５】
従来の燃料電池発電装置においては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界（以後、水素／空気フロントと呼称）が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給することが提案されている（例えば、特許文献１、参照）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の燃料電池発電装置においては、燃料ガス流路の入口と出口の圧力差を大きくしなければならず、電解質の両極間の圧力差を制御するのが困難であり、水素／空気フロントの滞在時間の短縮には限界があった。
また、短時間で水素／空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、水素を燃料ガス流路に供給する配管流路の途中にコンプレッサ等の追加装置を配置したり、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路中の流速を速める方策等が必要となる。前者においては、追加の装置が必要となり、コストが高くなるとともに、燃料電池発電装置が大型化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、触媒の劣化反応を抑制することができる燃料電池発電装置及び燃料電池の起動方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料極と空気極とで電解質層を挟持した燃料電池本体を有する燃料電池発電装置であって、前記燃料極に面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備え、起動時に前記燃料ガス流路の入口と出口の双方から前記燃料ガスを導入する。この構成によれば、燃料極の燃料ガス流路の入口と出口から同時に燃料ガスを導入することによって燃料ガスが燃料極内を通過する距離が短くなり、短時間で水素／空気フロントを通過させることができ、触媒の劣化反応を抑制することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池発電装置は、前記燃料ガス流路の入口と出口を連通するバイパス用配管と、前記バイパス配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に、前記バイパス用配管を閉止するバルブとを備える。この構成によれば、簡単な構成によって燃料ガスの入口と出口とから燃料を導入することができ、起動時以降は通常通り燃料ガス流路入口のみから燃料ガスを燃料極内に導入することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電装置は、前記燃料ガス流路の途中に接続され前記燃料ガス流路内のガスを排出する排出用配管をさらに備える。この構成によれば、簡単な構成によって短時間で燃料ガスを水素／空気フロントを通過させることができ、燃料流路の入口と出口から導入された燃料ガスを燃料ガス流路の外部に排出することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池発電装置は、前記排出用配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に前記排出用配管を閉止するバルブをさらに備える。この構成によれば、起動後は、通常通り、燃料ガス流路の入口から入った燃料ガスを燃料ガス流路の出口から排出することができる。
【００１２】
前記排出用配管は、前記燃料ガス流路の入口と出口の中間付近に接続されている。この構成によれば、燃料ガスが燃料極内を通過する距離が約半分になり、短時間で水素／空気フロントを通過させることができ、触媒の劣化反応を抑制することができる。
【００１３】
本発明は、燃料極と空気極とで挟持される電解質層と、前記燃料極に面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に面して形成され空気を供給する空気流路とを有する燃料電池の起動方法であって、起動時に前記燃料ガス流路の入口と出口の双方から前記燃料ガスを導入することを特徴とする。この構成によれば、燃料極の燃料ガス流路の入口と出口から同時に燃料ガスを導入することによって燃料ガスが燃料極内を通過する距離が短くなり、短時間で水素／空気フロントを通過させることができ、触媒の劣化反応を抑制することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の起動方法は、前記燃料ガス流路の入口と出口を連通するバイパス用配管に設けられ、前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に、前記バイパス用配管を閉止するバルブを閉じるようにする。この構成によれば、簡単な構成によって燃料ガスの入口と出口とから燃料を導入することができ、起動時以降は通常通り燃料ガス流路入口のみから燃料ガスを燃料極内に導入することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池の起動方法は、前記燃料ガス流路の途中に接続され前記燃料ガス流路内のガスを排出する排出用配管に設けられたバルブを前記燃料ガス流路の入口と出口から前記燃料ガスを供給した後に閉じるようにする。この構成によれば、起動後は、通常通り、燃料ガス流路の入口から入った燃料ガスを燃料ガス流路の出口から排出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、触媒の劣化反応を抑制することができる燃料電池発電装置及び燃料電池の起動方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池発電装置の構成図である。燃料電池発電装置１００は、燃料極１ａと、空気極１ｂと、燃料極１ａと空気極１ｂとで挟持する電解質層１ｃとを有する燃料電池本体１を有する。燃料電池発電装置１００では、燃料電池本体１内の燃料極１ａ側に導入される水素（Ｈ2）と空気極１ｂ側に導入される空気（酸素（Ｏ2））との反応により電気が発生する。
【００１９】
原燃料は、脱硫器２、改質器３、変成器４、ＣＯ除去器５を順に経由して改質され、それによって最終的に得られる改質ガスが燃料電池本体１内の燃料極１ａ側に導入されるようになっている。この燃料電池発電装置１００の原燃料には、メタン（ＣＨ4）等の炭化水素系燃料が用いられる。
【００２０】
ここで、脱硫器２は原燃料中にＣＨ4とともに含まれる硫黄成分（付臭剤等）を除去する。改質器３は、燃焼空気ブロワ６から送られる空気、燃料電池本体１からの残改質ガスの燃焼熱、および水（後述の冷却水等）を用いて、脱硫器２通過後のＣＨ4をＨ2に改質（水蒸気改質）し、水素を主成分とする改質ガスを生成する。この改質の際には通常、改質器３から二酸化炭素（ＣＯ2）および一酸化炭素（ＣＯ）も生成される。
【００２１】
また、変成器４は、改質器３通過後の燃料中に含まれるＣＯをＣＯ2に変換する。ＣＯ除去器５は、選択酸化空気ブロワ（不図示）から送られる空気を用いて変成器４通過後の燃料中に残るＣＯをＣＯ2に酸化（選択酸化）して除去し、その改質ガスを燃料極１ａへ供給するよう構成されている。空気供給ブロア７は、燃料電池本体１の空気極１ｂに反応用空気を供給し、排気する。
【００２２】
燃料電池本体１には、燃料電池本体の温度を適正な可動温度に保つために冷却水が流れるように構成された冷却系１ｄが組み込まれている。この冷却系１ｄには、その途中に電池冷却水タンク９および電池冷却水ポンプ８が配置されており、必要に応じ、温度調節された冷却水が燃料電池本体１へと送られるようになっている。また、燃料電池本体１の不適切な温度低下を防ぐため、燃料電池本体１上流側には、冷却系１ｄを流れる冷却水を暖める電池冷却水ヒータ（不図示）が配置されている。
【００２３】
なお、電池冷却水タンク９には、燃料電池発電装置パッケージの外部に設けられた貯湯槽１６内の温水が回収ポンプ１３により循環されるようになっている。
貯湯槽１６には、その水量を調節するため、水を貯湯槽１６に補給する補給水弁１５が接続され、温水の余剰分を排出する温水取り出し口（不図示）が設けられている。
【００２４】
このような燃料電池発電装置１００において、通常運転時には、空気流路に空気を、燃料ガス流路に水素を含んだ改質ガスを供給し、触媒と接触させることにより以下のような電気化学反応を生じる。
燃料極側：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋
２ｅ- ・・・（３）
酸化剤極側：２Ｈ+ ＋ １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・（４）
燃料極触媒層では（３）式に示すように、燃料としての水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質の内部を拡散して空気極触媒層側に到達し、電子は外部回路を流れ、出力として取り出される。
【００２５】
一方、空気極触媒層では、電解質を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で（４）式に示すような反応を生じる。このような燃料電池スタックを、起動／停止する際に、燃料電池スタックの停止中においては、燃料電池スタックの水素および空気の供給が停止された状態で放置される。または不活性ガス等により充満された状態で放置される。放置が長時間継続された場合には、外部より大気が浸入して燃料ガス流路内に空気が存在する可能性がある。
【００２６】
燃料極１ａに空気が混在した状態からシステムを起動すると、起動初期に燃料電池スタックは、以下のような状態となる。
（１）空気流路内には空気が充満する。
（２）水素の供給が開始された直後には、燃料ガス流路には水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｂが形成される。
（３）領域Ａにおいては、通常の動作と同様の反応が起こり、空気極１ｂ側に０．８Ｖ以上の電位が立つ。
（４）燃料ガス流路内には、水素と空気の界面である水素／空気フロントが形成される。
【００２７】
一方、この水素／空気フロントを境にして、燃料ガス流路に空気が存在する領域Ｂにおいては、空気極側で前述した（１）式のような反応が、燃料極側で（２）式のような反応が生じる。つまり、電位の高い空気極側で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こる。これにより、空気極触媒層が大きく劣化し、単位セルの性能を劣化させる原因となる。
【００２８】
この劣化を防止するためには燃料流路への水素の供給が開始された直後に、燃料ガス流路内で水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｂの両方が存在する状態を出来るだけ早く水素が存在する領域Ａのみとすることが有効である。
【００２９】
図２は、本発明の実施の形態の起動時の燃料極ガス流路、ガス配管の模式図である。図３は、本発明の実施の形態の運転時の燃料極ガス流路、ガス配管の模式図である。参照符号２０は燃料極１ａのセパレータを示している。
【００３０】
燃料ガス流路２１は、燃料極１ａに面して形成され、燃料ガスを供給するものである。図示は省略するが、空気極１ｂ側には空気極１ｂに面して形成され、空気を供給する空気ガス経路が形成されている。
【００３１】
燃料入口マニホールド２２は、燃料ガスを燃料ガス流路２１に導入する。燃料出口マニホールド２３は、燃料ガス流路２１内の燃料ガスを燃料電池本体１の外部へ排出する。バイパス用配管２４は、燃料ガス流路２１の入口と出口を連通させるものである。バルブ２６は、バイパス用配管２４に設けられ、燃料ガス流路２１の入口と出口から燃料ガスを供給した後に、バイパス用配管２４を閉止するためのものである。
【００３２】
燃料中間マニホールド（排出用配管）２５は、燃料ガス流路２１の途中の中間付近に設けられている。この燃料中間マニホールド２５によって燃料ガス流路２１内のガスを燃料電池本体１の外部へ排出することができる。バルブ２８は、燃料中間マニホールド２５に設けられ、燃料ガス流路２１の入口と出口から燃料ガスを供給した後に燃料中間出口を閉止する。
【００３３】
通常、燃料は、セパレータ２０の一端に配置された燃料ガス入口マニホールド２２から導入され、蛇行溝を有する燃料ガス流路２１を流れて発電反応に寄与したのち、他端の燃料ガス出口マニホールド２３から外部に排出される。ここで、燃料ガス流路２１内を蛇行溝とするのはガス流速を上げて、改質ガス中の水分や、反応による生成水を効率的に排出し、溝が水で詰まることを防止するためである。しかし、蛇行溝としているために燃料ガス流路２１が長くなり、燃料極１ａのガス拡散層全体が燃料ガスで満たされるのに数秒程度掛かってしまう。
【００３４】
そこで、本実施形態では、燃料入口マニホールド２２と燃料出口マニホールド２３の中間付近に燃料中間マニホールド２５を設けて、起動時にはバルブ２６，２８を開とし、バルブ２７を閉として燃料入口マニホールド２２と燃料出口マニホールド２３の両方から燃料ガスを燃料ガス流路２１内に導入し、燃料中間マニホールド２５から排出する。このようにして燃料ガス流路２１の入口と出口から燃料ガスを導入することにより従来のほぼ半分の時間で燃料極１ａのガス拡散層全体を燃料ガスで満たすことができ、水素／空気フロントが出来る時間を短くして、空気極１ｂ側で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食を防止し、セル寿命を延ばすことが出来る。
【００３５】
起動後は発電に伴い、改質ガス中の水分や発電に伴う生成水により各ガス流路の圧損が変化するため、負荷の電流を流す前の開回路の状態で図３に示すようにバルブ２６，２８を閉とし、バルブ２７を開として通常の燃料入口マニホールド２２から燃料ガスを導入し、燃料出口マニホールド２３から燃料ガスを排出する状態に戻す。
【００３６】
上記本実施形態によれば、発電装置起動時に、燃料ガス流路２１の入口と出口から燃料ガスを導入し、中間出口から排出して、燃料ガス流路２１に燃料ガスが行き渡った後に、燃料中間マニホールドを閉止して燃料ガス流路２１の入口から燃料ガスを導入して、燃料ガス流路２１の出口から排出するようにすることで、燃料ガスが燃料極内を通過する距離が短くなり、短時間で水素／空気フロントを通過させることができ、触媒の劣化反応を抑制することができる。これによって、燃料電池発電装置の、起動時にセル特性が低下することを防止し、特に起動停止の頻繁な家庭用、車両等の燃料電池を長寿命化することが出来る。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態の燃料電池発電装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の起動時の燃料極ガス流路、ガス配管の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の運転時の燃料極ガス流路、ガス配管の模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・燃料電池発電装置
１・・・燃料電池本体
２・・・脱硫器
３・・・改質器
４・・・変成器
５・・・ＣＯ除去器
６・・・燃焼空気ブロア
７・・・反応空気ブロア
８・・・電池冷却水ポンプ
９・・・電池冷却水タンク
１３・・・回収水ポンプ
１４・・・改質用水ポンプ
１５・・・補給水弁
【図１】
2008258036.tif 000003
【図２】
2008258036.tif 000004
【図３】
2008258036.tif 000005