(57)【要約】【課題】燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応が生じず、長寿命化が図られた燃料電池を提供すること。【解決手段】水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法である。この運転方法は、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して１／２以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するところに特徴がある。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、
前記燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して１／２以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項２】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、
前記燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項３】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、前記モジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、
前記複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項４】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池構成し、前記モジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、
前記複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項５】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、
前記単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項６】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、
前記単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。
【請求項７】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、
前記燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項８】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、
前記燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項９】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、前記モジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、
前記複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項１０】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、前記モジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、
前記複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項１１】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、
前記単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項１２】
水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、
前記単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。
【請求項１３】
メタンを含む燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼手段と、前記燃焼ガスによって内部に搬入された被焼成体を焼成する焼成炉本体と、を備える焼成炉と、
メタン改質触媒が内部に充填され、そこに流入した前記メタンを含む燃料と水蒸気とからなる改質原料を加熱しながら前記メタン改質触媒に接触させることにより、前記改質原料の中の前記メタンと前記水蒸気とを反応させて、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成させる改質器と、
請求項７〜１２の何れか一項に記載の燃料電池発電装置と、を具備し、
前記焼成炉本体で生じた前記燃焼ガスが有する排熱を使用して、前記改質器で前記水素を含有する改質ガスを発生させ、前記改質ガスを前記燃料電池の燃料として使用して発電し、更に前記燃料電池から排出される未反応の改質ガスを前記燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、前記燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記改質器で生成した前記改質ガスの中の前記水素を選択的に分離して、水素を主成分とする燃料と二酸化炭素を含有する残ガスとに分離させる水素分離器を、更に備え、
前記改質器で発生させた前記水素を含有する前記改質ガスを、前記水素分離器により、水素と二酸化炭素に分離し、前記改質ガスの代わりに前記水素を前記燃料電池の燃料として使用して発電し、更に前記燃料電池から排出される未反応の水素を前記燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を有効利用するとともに、前記燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極における水素のイオン化反応を均一に生じさせることにより燃料電池の長寿命化を図った燃料電池の運転方法と、それを実現する燃料電池発電装置並びに燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料のもつ化学的エネルギーを、燃焼させることなしに電気化学的に直接、電気エネルギーに変えることが出来る、エネルギー変換効率に優れた装置である。なかでも水素を燃料として燃料極（アノード電極）側に供給し空気極（カソード電極）側には空気中の酸素を用いる燃料電池は、エネルギー発生の際に、水素と酸素の反応により水が生成するだけであり、石油、石炭等の化石燃料を燃焼してエネルギーを発生する装置のように二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等を生成して環境負荷の増大を招来することがないため、クリーンなエネルギー源として期待が大きい。
【０００３】
燃料電池は、水素（燃料）に接触させる燃料極と、酸素（空気、酸化剤）に接触させる空気極とが、電解質を挟んで構成される。電解質は、例えば高分子イオン交換膜（固体高分子型燃料電池）、リン酸を含ませたマトリックス（リン酸型燃料電池）等の態様で配設される。燃料電池において、燃料極に水素が供給されると、水素イオンと電子に解離し、解離した電子は、外部回路を通って空気極側に移動するとともに、空気極では電解質中を移動してきた水素イオンと外部回路からの電子と酸素が反応して水が生成する。このような反応によって電力が発生する（例えばリン酸型燃料電池について特許文献１を参照）。
燃料極の反応：                ２Ｈ2  →  ４Ｈ+＋４ｅ
空気極の反応：    Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ   →  ２Ｈ2Ｏ
【特許文献１】特開平９−５５２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池においては、寿命が短いという解決すべき課題があった。そして、検討がなされた結果、燃料極における局所的な過大負荷の発生が短寿命の要因の１つであると考えられた。従来、燃料電池では、空気を利用出来る酸化剤に対して、燃料たる水素の製造にはコストがかかることから、水素を効率良く利用するために、水素の量に比較して過剰の酸素（空気）を供給する運転がなされている。そのため、燃料電池に供給される水素は、常にイオン化可能な状態におかれ、燃料極の入口付近において供給されると直ちにイオン化され、局所的にイオン化反応が生じてしまう（分極が発生する）。この現象によって、燃料極を構成するアノード電極の一部分に負荷がかかるため、局所的に電極部材及び電解質の劣化を加速させる。
【０００５】
特に、一般的な燃料電池では、単電池あたりの出力は１Ｖ未満であるため、通常、工場で使用される電圧である例えば４００Ｖを得るためには、４００〜５００枚の単電池を直列に結合した電池として構成しなければならない。従って、４００〜５００の単電池に均等に水素を分配する必要があるが、それが大変困難であるがために、燃料極において局所的な負荷が発生し易くなり、それに伴って寿命が短くなっていると考えられた。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応が生じず、長寿命化が図られた燃料電池を提供することにある。研究が重ねられた結果、酸素の量に対し相対的に充分な量の水素を燃料電池の燃料極へ投入し、電解質及び燃料極に水素を行き渡らせた状態の燃料電池に対して、その空気極へ、水素の量に対し相対的に少量の酸素（空気）を、流量を制御しながら投入して発電を行う手段によって、上記目的が達成し得ることが見出された。換言すれば、発電の律速になるものが、水素の量ではなく酸素の量であり、燃料電池から、常時、一定量の未反応の水素が排出される程に、電解質中に水素イオンが充分に行き渡った状態で、水素の量に対し相対的に少量の酸素を投入することにより発電を行う手段である。これにより、従来、発生していた燃料極での水素の分極が防止され、燃料電池の長寿命化が図れる。より具体的には、本発明は以下に示す手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して１／２以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第１の燃料電池の運転方法ともいう）。
【０００８】
又、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第２の燃料電池の運転方法ともいう）。
【０００９】
更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第３の燃料電池の運転方法ともいう）。
【００１０】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第４の燃料電池の運転方法ともいう）。
【００１１】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第５の燃料電池の運転方法ともいう）。
【００１２】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される（第６の燃料電池の運転方法ともいう）。
【００１３】
本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第１の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１４】
又、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第２の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１５】
更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第３の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１６】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第４の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１７】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第５の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１８】
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される（第６の燃料電池発電装置ともいう）。
【００１９】
本発明によれば、メタンを含む燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼手段と、燃焼ガスによって内部に搬入された被焼成体を焼成する焼成炉本体と、を備える焼成炉と、メタン改質触媒が内部に充填され、そこに流入したメタンを含む燃料と水蒸気とからなる改質原料を加熱しながらメタン改質触媒に接触させることにより、改質原料の中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成させる改質器と、上記第１〜第６の燃料電池発電装置のうち何れかの燃料電池発電装置と、を具備し、焼成炉本体で生じた燃焼ガスが有する排熱を使用して、改質器で水素を含有する改質ガスを発生させ、改質ガスを燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の改質ガスを燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する燃料電池発電システムが提供される。
【００２０】
本発明に係る燃料電池発電システムにおいては、改質器で生成した改質ガスの中の水素を選択的に分離して、水素を主成分とする燃料と二酸化炭素を含有する残ガスとに分離させる水素分離器を、更に備え、改質器で発生させた水素を含有する改質ガスを、水素分離器により、水素と二酸化炭素に分離し、上記改質ガスの代わりに水素を燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の水素を燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る第１の燃料電池の運転方法によれば、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して１／２以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、空気極において、電解質には潤沢な水素イオンが存在することになる。そのため、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じず、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００２２】
本発明に係る第１の燃料電池発電装置は、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第１の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、燃料極を未反応の水素で充満させ、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じさせず、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００２３】
本発明に係る第２の燃料電池の運転方法によれば、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、より直接的に、燃料極を未反応の水素で充満させることが出来、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じないから、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００２４】
本発明に係る第２の燃料電池発電装置は、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第２の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、より直接的に、燃料極は未反応の水素で充満させることが出来、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じず、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００２５】
本発明に係る第３の燃料電池の運転方法によれば、複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００２６】
本発明に係る第３の燃料電池発電装置は、複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第３の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００２７】
本発明に係る第４の燃料電池の運転方法によれば、複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００２８】
本発明に係る第４の燃料電池発電装置は、複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第４の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００２９】
本発明に係る第５の燃料電池の運転方法によれば、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００３０】
本発明に係る第５の燃料電池発電装置は、単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第５の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００３１】
本発明に係る第６の燃料電池の運転方法によれば、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。
【００３２】
本発明に係る第６の燃料電池発電装置は、単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第６の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。
【００３３】
本発明に係る燃料電池発電システムは、焼成炉本体で生じた燃焼ガスが有する熱の一部を使用して、改質器で水素を含有する改質ガスを発生させ、改質ガスを燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の改質ガスを燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するため、燃焼ガス中の二酸化炭素含有量を大幅に低減することが出来るとともに、燃料の総使用量を低減することが出来る。又、燃料電池において、改質ガスに含まれる水素と反応する酸素の量を相対的に少なくして、酸素の量が発電の律速になるような運転を行った結果、燃料電池から水素を含有する改質ガスが未反応のまま排出されても無駄にならず、且つ、このような燃料電池の運転を行うことにより、燃料電池の寿命を延ばすことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。
【００３５】
本発明に係る第１の燃料電池発電装置は、本発明に係る第１の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて効果を発現するものであるが、本発明に係る第１の燃料電池の運転方法は、本発明に係る第１の燃料電池発電装置によってのみ実現し得るわけでなく、第１の燃料電池の運転方法は第１の燃料電池発電装置とは独立して存在する発明である。第２の燃料電池の運転方法と第２の燃料電池発電装置との関係、第３の燃料電池の運転方法と第３の燃料電池発電装置との関係、第４の燃料電池の運転方法と第４の燃料電池発電装置との関係、第５の燃料電池の運転方法と第５の燃料電池発電装置との関係、第６の燃料電池の運転方法と第６の燃料電池発電装置との関係、についても同様である。
【００３６】
本発明に係る第１〜第６の燃料電池の運転方法、及び、本発明に係る第１〜第６の燃料電池発電装置は、燃料電池の形式を限定しない。リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、等の各種の燃料電池に適用可能である。前２者の場合には、燃料として高純度な水素が要求されるので、それに適合した燃料を供給する必要があるが、このような条件は、本発明の本質を左右するものではない。本明細書において、水素を主成分として含む燃料、と表現するが、リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池の場合には、燃料は純度の高い水素のみで構成され、他方、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池においては、水素の占める割合が高い燃料であればよい。
【００３７】
図１は、本発明に係る第１〜第６の燃料電池の運転方法に共通する技術的思想を説明するための燃料電池の概略構成図であり、図２は従来の燃料電池の運転方法を説明するための燃料電池の概略構成図である。燃料電池は、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と酸化剤として空気が供給される空気極との間に電解質を介在させてなるものであり（実際には単電池が複数積層されてなるものであるが図中において省略している）、燃料極に水素が供給されると、水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ）に解離し、解離した電子は、外部経路を通って空気極側に移動するとともに、空気極では電解質を通ってきた水素イオンと外部回路からの電子と酸素が反応して水が生成する。このような反応によって電力が発生し、例えば電球へ通電し明るくさせる。
【００３８】
本発明に係る第１〜第６の燃料電池の運転方法に共通する技術的思想であり、従来技術に対する貢献を明示する技術的特徴は、酸素の量に対し相対的に充分な量の水素を燃料電池の燃料極へ投入し、燃料電池を電解質及び燃料極に水素を行き渡らせた状態にして、空気極へ水素の量に対し相対的に少量の酸素（空気）を、流量を制御しながら、投入して発電を行うことである（図１参照）。即ち、従来は、酸化剤としての酸素は概ねコストのかからない空気を利用出来るのに対して、燃料たる水素の製造にはコストがかかるため、少しでも水素を無駄にしないために、水素の量に比較して過剰の酸素（空気）を供給して運転していた（図２参照）が、本発明は、水素の量ではなく酸素の量を発電の律速にして、これを制御するところに、特徴がある。燃料電池から、常時、一定量以上の未反応の水素が排出される程に、電解質中に水素イオンが充分に行き渡らせた状態で、水素の量に対し相対的に少量の酸素を投入することによって、局所的な水素のイオン化反応を防止する。
【００３９】
図４は、本発明に係る第１の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池４０は、燃料極４２と空気極４３との間に電解質４１を介在させてなるものである（実際には単電池が複数積層されてなる）。燃料極４２には、水素１を主成分として含む燃料が供給され、空気極４３へは、酸化剤として酸素２（空気）が供給される。
【００４０】
水素１（燃料）の供給系には、例えば燃料流量計１１と水素濃度計１２と演算装置１５で構成される供給水素量測定手段が備わり、燃料極４２へ供給される燃料に含まれる水素１のモル数（物質量）を測定する。又、酸素２の供給系には、例えば調節計１３（あるいは制御装置）と調節弁１４とからなる供給酸素量制御手段が備わり、空気極４３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数（物質量）を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素２のモル数を制御することが可能である。
【００４１】
空気極４３における反応は（Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ）であるから、酸素が１モルに対して水素が２モルの反応である。従って、燃料流量計１１と水素濃度計１２と演算装置１５によって測定された燃料極４２へ供給される燃料に含まれる水素１のモル数を調節計１３へ送り、この水素１のモル数に対して、１／２以下になるように、好ましくは１／２未満になるように、直接的には調節弁１４により空気の流量を制御して、空気極４３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御すること（本発明に係る第１の燃料電池の運転方法）により、この反応が酸素２によって律せられることになる。反応相手である酸素２がいない水素１は、燃料電池４０内に充満し、燃料極４２から、未反応水素３として排出される。他方、反応の結果、生成した水４（Ｈ2Ｏ）も、空気極４３から系外へ排出される。
【００４２】
次に、図５は、本発明に係る第２の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池５０は、燃料極４２と空気極４３との間に電解質４１を介在させてなるものである（実際には単電池が複数積層されてなる）。燃料極４２には、水素１を主成分として含む燃料が供給され、燃料極４２から、未反応水素３を含む未使用の燃料が排出される。空気極４３へは、酸化剤として酸素２（空気）が供給され、空気極４３からは、反応（Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ）の結果、生成した水４（Ｈ2Ｏ）が排出される。
【００４３】
未反応水素３（未使用燃料）の排出系には、例えば未使用燃料流量計２１と水素濃度計２２と演算装置４５で構成される排出水素量測定手段が備わり、燃料極４２から排出される未使用燃料に含まれる未反応水素３のモル数（物質量）を測定する。又、酸素２の供給系には、例えば調節計２３（あるいは制御装置）と調節弁１４とからなる供給酸素量制御手段が備わり、空気極４３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数（物質量）を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素２のモル数を制御することが可能である。
【００４４】
燃料電池５０において、未反応水素３のモル数が一定以上、検出される状態を維持することは、即ち、反応相手である酸素２がいない水素１を燃料電池５０内に充満させていることを、間接的に、確認することになる。従って、未使用燃料流量計２１と水素濃度計２２と演算装置４５によって測定された燃料極４２から排出される未使用燃料に含まれる未反応水素３のモル数を調節計２３へ送り、この未反応水素３のモル数が一定以上になるように、直接的には調節弁１４により空気の流量を制御して、空気極４３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御すること（本発明に係る第２の燃料電池の運転方法）により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。尚、未反応水素３のモル数にかかる一定以上の一定とは、０ではない量であって限定されるものではなく、排出水素量測定手段を構成する機器等の精度を考慮して、任意に決めればよい数値である。
【００４５】
次に、図６は、本発明に係る第３の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池６０は、燃料極５２と空気極５３との間に電解質５１を介在させてなるモジュール電池８０が複数（本例では３つ）備わるものである（実際にはモジュール電池は更に単電池が複数積層されてなる）。各モジュール電池８０の各燃料極５２には、水素１を主成分として含む燃料が供給され、各燃料極５２から、未反応水素３を含む未使用の燃料が排出される。各空気極５３へは、酸化剤として酸素２（空気）が供給され、各空気極５３からは、反応（Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ）の結果、生成した水４（Ｈ2Ｏ）が排出される。
【００４６】
モジュール電池８０の各々には、それぞれの温度を測定する温度計３１，３２，３３と演算装置２６とで構成される温度差測定手段が備わる。又、酸素２の供給系には、例えば調節計２４（あるいは制御装置）と、各モジュール電池８０の各空気極５３への系ごとに設けられた複数の（本例では３つ）調節弁１４とからなる供給酸素量制御手段が備わり、各空気極５３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数（物質量）を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素２のモル数を制御することが可能である。
【００４７】
燃料電池６０において、局所的な水素のイオン化反応が生じると、そこに電流が集中する結果、温度が上昇する。即ち、複数のモジュール電池８０の間の温度差が一定以下になるような状態を維持することは、局所的な水素のイオン化反応が起きていないことを、間接的に、確認することになる。従って、温度計３１，３２，３３と演算装置２６によって測定されたモジュール電池８０間の温度差を調節計２４へ送り、この温度差が一定以下になるように、直接的には各調節弁１４により空気の流量を制御して、何れかの空気極５３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御すること（本発明に係る第３の燃料電池の運転方法）により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。
【００４８】
尚、複数のモジュール電池８０の間の温度差にかかる一定以下の一定とは、運転経験上決定される数値であって限定されるものではなく、その燃料電池の安定運転時におけるモジュール電池の間の最大温度差を考慮して決められる数値である。温度差が一定以下になるという判断は、単に複数のモジュール電池８０の間の温度差を測るのではなく、複数のモジュール電池８０の平均温度を求め、その平均値からの偏差が大きいモジュール電池８０を対象として、空気の流量を制御する等の対応を行うことが可能である。更に、複数のモジュール電池８０の間の温度差を計測するのではなく、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差を求め、各単電池ごとに、供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御することが出来る（本発明に係る第５の燃料電池の運転方法）。
【００４９】
次に、図７は、本発明に係る第４の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池７０は、燃料極５２と空気極５３との間に電解質５１を介在させてなるモジュール電池８０が複数（本例では３つ）備わるものである（実際にはモジュール電池は更に単電池が複数積層されてなる）。各モジュール電池８０の各燃料極５２には、水素１を主成分として含む燃料が供給され、各燃料極５２から、未反応水素３を含む未使用の燃料が排出される。各空気極５３へは、酸化剤として酸素２（空気）が供給され、各空気極５３からは、反応（Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ）の結果、生成した水４（Ｈ2Ｏ）が排出される。
【００５０】
モジュール電池８０の各々には、それぞれの電圧を測定する電圧計３４，３５，３６と演算装置２７とで構成される電圧差測定手段が備わる。又、酸素２の供給系には、例えば調節計２５（あるいは制御装置）と、各モジュール電池８０の各空気極５３への系ごとに設けられた複数の（本例では３つ）調節弁１４とからなる供給酸素量制御手段が備わり、各空気極５３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数（物質量）を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素２のモル数を制御することが可能である。
【００５１】
燃料電池７０において、局所的な水素のイオン化反応が生じると、該当するモジュール電池８０の電圧が上昇する。即ち、複数のモジュール電池８０の間の電圧差が一定以下になるような状態を維持することは、局所的な水素のイオン化反応が起きていないことを、間接的に、確認することになる。従って、電圧計３４，３５，３６と演算装置２７によって測定されたモジュール電池８０間の電圧差を調節計２５へ送り、この電圧差が一定以下になるように、直接的には各調節弁１４により空気の流量を制御して、何れかの空気極５３へ供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御すること（本発明に係る第４の燃料電池の運転方法）により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。
【００５２】
尚、複数のモジュール電池８０の間の電圧差にかかる一定以下の一定とは、運転経験上決定される数値であって限定されるものではなく、その燃料電池の安定運転時におけるモジュール電池の間の最大電圧差を考慮して決められる数値である。電圧差が一定以下になるという判断は、単に複数のモジュール電池８０の間の電圧差を測るのではなく、複数のモジュール電池８０の平均電圧を求め、その平均値からの偏差が大きいモジュール電池８０を対象として、空気の流量を制御する等の対応を行うことが可能である。更に、複数のモジュール電池８０の間の電圧差を計測するのではなく、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差を求め、各単電池ごとに、供給される空気に含まれる酸素２のモル数を制御することが出来る（本発明に係る第６の燃料電池の運転方法）。
【００５３】
以上、本発明に係る第１〜第６の燃料電池の運転方法、及び、本発明に係る第１〜第６の燃料電池発電装置について説明したが、これらの発明では、燃料電池の長寿命化が図れるが、従来より未反応水素（未使用燃料）が増加することになるので、これを有効利用することが必要である。以下、未反応水素を有効に利用可能な燃料電池発電システムについて説明する。
【００５４】
図３は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池発電システムは、燃料電池の他に、焼成炉、改質器、及び水素分離器で構成される。尚、水素分離器は、燃料電池として、高純度の水素が必要とされるリン酸型燃料電池又は固体高分子型燃料電池を採用する場合に必要になるものであり、溶融炭酸塩型燃料電池又は固体電解質型燃料電池を採用する場合には省略出来る。
【００５５】
焼成炉は、焼成炉本体と燃焼手段とを有し、燃焼手段によってメタンを含む燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるとともに、その燃焼ガスによって焼成炉本体に搬入された被焼成体を焼成して製品を得ることが出来るものである。改質器にはメタン改質触媒が充填されていて、このメタン改質触媒に、メタンを含む燃料と（図示しない）水蒸気とからなる改質原料を、焼成炉の燃焼によって生じた排熱を利用して加熱しながら接触させ、これらの反応を生じさせ、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成する。水素分離器は、この改質ガスを受け入れ、この中の水素を選択的に分離して、水素を主成分とする燃料と、二酸化炭素を含有する残ガスと、に分離する。
【００５６】
燃料電池は、水素分離器で得られた純度の高い水素を燃料として受け入れ、本発明に係る燃料電池の運転方法で運転されながら、発電し、電気エネルギーを生み出す。燃料電池は、本発明に係る燃料電池の運転方法で運転される結果として、未反応水素を従来より多く生じるから、これを、上記した水素分離器で生じた残ガスとともに、焼成炉へ送り、燃焼手段の燃料として使用する。
【００５７】
即ち、本発明に係る燃料電池発電システムにおいては、燃料電池を本発明に係る燃料電池の運転方法で運転した結果として生じた未反応水素が、水素分離器で生じた残ガスとともに有効利用され、環境負荷の増大とならない。又、焼成炉の燃焼によって生じた排熱を利用して改質ガスを生成し、更に水素を生み出すので、焼成炉で生じた燃焼ガスが有する熱エネルギーが有効に使用され、環境負荷の増大にならず、高価値な電気エネルギーに変換される。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、自動車用燃料電池、家庭用燃料電池、工場用燃料電池、等を含む全ての燃料電池を運転する方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る第１〜第６の燃料電池の運転方法に共通する技術的思想を説明するための燃料電池の概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池の運転方法を説明するための燃料電池の概略構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明に係る第１の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る第２の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係る第３の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る第４の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…水素、２…酸素、３…未反応水素、４…水、１１…燃料流量計、１２…水素濃度計、１３…調節計、１４…調節弁、１５…演算装置、２１…未使用燃料流量計、２２…水素濃度計、２３…調節計、２４…調節計、２５…調節計、２６…演算装置、２７…演算装置、３１，３２，３３…温度計、３４，３５，３６…電圧計、４０…燃料電池、４１…電解質、４２…燃料極、４３…空気極、４５…演算装置、５０…燃料電池、５１…電解質、５２…燃料極、５３…空気極、６０…燃料電池、７０…燃料電池、８０…モジュール電池。
【図１】
2005310430.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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