(57)【要約】【課題】電池性能を低下させることなく長期間高い出力を得ることができる燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】電解質膜１１をアノード電極１２及びカソード電極１３とで挟持した電池単セル１０を複数個積層した電池セルスタック２０と、電池セルスタック２０のアノード電極１２に連通する入口マニホールド１４ａ及び／又は出口マニホールド１４ｂに配置された加熱装置１６と、燃料電池発電装置の起動時に加熱装置１６を作動して、アノード電極１２に連通するマニホールド内を加熱し、前記加熱開始から所定時間経過後、アノード電極１２に燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガス供給開始と同時または開始した後に、カソード電極１３に酸化剤ガスの供給を開始するように制御する制御装置６０とを有する燃料電池発電装置を用いる。【選択図】図１
2009081112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素及び水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで電解質膜を挟持してなる電池単セルを複数個積層して構成された電池セルスタックを備える燃料電池発電装置の運転方法であって、
燃料電池発電装置の起動時にアノード電極に連通するマニホールド内を加熱し、前記加熱開始から所定時間経過後、アノード電極に燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガス供給開始と同時または開始した後に、カソード電極に酸化剤ガスの供給を開始することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
燃料電池発電装置の起動時に前記マニホールド内の温度が５５０〜６５０℃となるように加熱する、請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
前記マニホールド内に燃焼触媒を配置した状態で、燃料電池発電装置の起動時に前記マニホールド内の温度が２００〜３００℃となるように加熱する、請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】
炭化水素及び水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで電解質膜を挟持してなる電池単セルを複数個積層して構成された電池セルスタックを備える燃料電池発電装置であって、
前記電池セルスタックのアノード電極に連通する入口マニホールド及び／又は出口マニホールドに配置された加熱装置と、
燃料電池発電装置の起動時に前記加熱装置を作動して、アノード電極に連通するマニホールド内を加熱し、前記加熱開始から所定時間経過後、アノード電極に燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガス供給開始と同時または開始した後に、カソード電極に酸化剤ガスの供給を開始するように制御する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記制御装置は、燃料電池発電装置の起動時に、前記マニホールド内が５５０〜６５０℃に昇温するように前記加熱装置を制御する、請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記マニホールド内に燃焼触媒が配置され、
前記制御装置は、燃料電池発電装置の起動時に前記マニホールド内の加熱温度が２００〜３００℃となるように前記加熱装置を制御する、請求項４に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記加熱装置は、シーズヒータ、セラミックヒータ、高抵抗の金属導体から選ばれる一種以上である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長期にわたって安定した出力を得ることができる燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置には、電解質膜と、これを挟持するアノード電極及びカソード電極から成る電池単セルを複数個積層した電池セルスタックが使用されている。そして、アノード電極側に水素を含む燃料ガスを供給すると共に、カソード電極側に酸素を含有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ている。また、燃料ガスとしては、炭化水素を水蒸気改質して得られる改質ガスが一般的に使用されている。
【０００３】
燃料電池発電装置の停止時は、各電極へのガスの供給を停止するが、アノード電極側の経路を開放したままの状態に放置すると、アノード電極内に空気が混入するおそれがある。そして、アノード電極に酸素が満たされた状態で起動時に燃料ガスを供給すると、アノード電極側は、水素と酸素とが偏在した状態になり、局所電池が形成されてカソード電極が高電位に曝され易かった。また、局所電池の形成に伴い、カソード電極中の炭素が奪われるので、電極担体が腐食劣化して、電池特性が低下し易かった。
【０００４】
そこで、電池セルスタックの電池特性を長期に渡って維持するため、燃料電池発電装置の運転停止時においては、電池セルスタック内の酸素濃度を低減させて、アノード電極側に酸素が混在しないようにする試みがなされている。
【０００５】
例えば、下記特許文献１には、アノード電極に供給する燃料ガスに対し、脱酸素処理を施して酸素濃度を低減させたのち、アノード電極に供給することが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２８１２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池発電装置の停止時において、最終的には、アノード電極の入口側の経路と出口側の経路とをそれぞれ封止し、アノード電極内に大気が流入しないようにして再起動時まで保管することが一般的に行われている。
【０００７】
しかしながら、アノード電極内の圧力は、アノード電極に封入されているガス中の水素がプロトンに解離し、カソード電極側へと移動したり、電池セルスタックの温度が低下してアノード電極内に残留していた水蒸気が凝縮することにより、経時的に低下して外気に対して負圧になり易かった。そのため、電池セルスタックのシール部やカソード電極側等から空気等の酸素を含むガスが流入したり、カソード電極側の酸素が電解質を透過してアノード電極側に移動することがあった。
【０００８】
このため、上記特許文献１のように、アノード電極に供給する燃料ガスに対して、脱酸素処理を施し、燃料ガス中の酸素濃度を低減させたとしても、局所電池の形成を十分に抑制することは困難であった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、電池性能を低下させることなく長期間高い出力を得ることができる燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、炭化水素及び水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで電解質膜を挟持してなる電池単セルを複数個積層して構成された電池セルスタックを備える燃料電池発電装置の運転方法であって、燃料電池発電装置の起動時にアノード電極に連通するマニホールド内を加熱し、前記加熱開始から所定時間経過後、アノード電極に燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガス供給開始と同時または開始した後に、カソード電極に酸化剤ガスの供給を開始することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素及び水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、酸素を含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極とで電解質膜を挟持してなる電池単セルを複数個積層して構成された電池セルスタックを備える燃料電池発電装置であって、前記電池セルスタックのアノード電極に連通する入口マニホールド及び／又は出口マニホールドに配置された加熱装置と、燃料電池発電装置の起動時に前記加熱装置を作動して、アノード電極に連通するマニホールド内を加熱し、前記加熱開始から所定時間経過後、アノード電極に燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガス供給開始と同時または開始した後に、カソード電極に酸化剤ガスの供給を開始するように制御する制御装置とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、燃料電池発電装置の起動時に、アノード電極に連通するマニホールド内を加熱するようにしたので、燃料電池発電装置の運転停止中にアノード電極側に混入した酸素を、アノード電極側に滞留している燃料ガス中の水素や炭化水素との燃焼反応により消費できる。このため、燃料電池発電装置の起動時において、アノード電極側に局所電池が形成されるのを防止でき、燃料電池発電装置の起動停止が頻繁に行われたとしても、長期にわたって、優れた電池特性を発揮することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置の起動時に前記マニホールド内の温度が５５０〜６５０℃となるように加熱するか、前記マニホールド内に燃焼触媒を配置した状態で、燃料電池発電装置の起動時に前記マニホールド内の温度が２００〜３００℃となるように加熱することが好ましい。この態様によれば、異常過熱による電池セルスタックの変形や損傷を防止して、アノード電極内に混入した酸素を、アノード電極内に滞留している燃料ガス中の水素や炭化水素との燃焼反応により消費できる。また、燃焼触媒の存在下では、２００〜３００℃程度の低温で燃焼反応を行わせることができるので、マニホールド内に燃焼触媒を配置することで、電池セルスタックの熱的損傷などをより低減できる。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置において、前記加熱装置は、シーズヒータ、セラミックヒータ、高抵抗の金属導体から選ばれる一種以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、停止中にアノード電極内に酸素が混入した場合であっても、アノード電極内に滞留している燃料ガス中の水素や炭化水素との燃焼反応により消費できるので、起動時において、アノード電極側に局所電池が形成されるのを防止できる。このため、燃料電池発電装置の起動停止が頻繁に行われても、長期にわたって優れた電池特性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池発電装置について、図１〜４を用いて更に詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池発電装置の概略構成図である。図２は、同燃料電池発電装置に用いる電池セルスタックの斜視図である。図３は、図２の電池セルスタックのＡ−Ａ線切断図である。図４は、図２の電池セルスタックのＢ−Ｂ線切断図である。
【００１７】
図１に示すように、この燃料電池発電装置５０は、電池セルスタック２０と、燃料ガスの供給源である改質装置３０と、酸化剤ガスの供給源であるブロア４０とを備えている。
【００１８】
改質装置３０は、図示しない改質原料源から伸びた配管Ｌ１が接続しており、配管Ｌ１から、炭化水素と水蒸気とを供給して、水素に富む改質ガスを生成するように構成されている。また、配管Ｌ１には、制御装置６０からの出力によって、配管Ｌ２に流路を切り替えが可能なバルブＶ１が配置されており、改質原料の一部を配管Ｌ２を通して改質装置３０に併設された燃焼装置３１に供給するように構成されている。
【００１９】
改質装置３０の改質ガス吐出側からは、配管Ｌ３が伸びて電池セルスタック２０の燃料ガス導入マニホールド１４ａに接続している。この配管Ｌ３には、制御装置６０からの出力によって、配管Ｌ３に流路の切り替えが可能なバルブＶ２が配置されており、改質ガスの一部を配管Ｌ４を通して燃焼装置３１に供給するように構成されている。
【００２０】
図２〜４を併せて参照すると、電池セルスタック２０は、電解質膜１１の両側に、アノード電極１２と、カソード電極１３とを配置し、さらに両電極の外側に、ガス流路と、該ガス流路に連通するマニホールドを備えたセパレータ１４、１５を配置した電池単セル１０を複数積層（図２〜４では４個）して構成されている。
【００２１】
セパレータ１４は、アノード側セパレータであって、該セパレータの表面には、燃料ガス導入マニホールド１４ａとアノードオフガス排出マニホールド１４ｂとを接続する、燃料ガス流路１４ｃが形成されている。（図３、４の実線が燃料ガスの流通方向である。）
セパレータ１５は、カソード側セパレータであって、該セパレータの表面には、酸化剤ガス導入マニホールド１５ａとカソードオフガス排出マニホールド１５ｂとを接続する、酸化剤ガス流路１５ｃが形成されている。（図３、４の点線が酸化剤ガスの流通方向である。）
【００２２】
電池セルスタック２０の燃料ガス導入マニホールド１４ａ及びアノードオフガス排出マニホールド１４ｂには、制御装置６０によって制御される加熱装置１６が配置されている。加熱装置１６としては、特に限定はなく、シーズヒータ、セラミックヒータ、高抵抗の金属導体などが挙げられる。
【００２３】
電池セルスタック２０の燃料ガス導入マニホールド１４ａは、改質装置３０の改質ガス吐出側から伸びた配管Ｌ３が接続しており、改質装置３０で生成された改質ガスを燃料ガスとしてアノード電極１２側に供給するように構成されている。なお、改質装置３０から供給される改質ガスは、水素を７０〜８５％程度、炭化水素を２〜５％程度含んでいる。
【００２４】
電池セルスタック２０のアノードオフガス排出マニホールド１４ｂからは、配管Ｌ５が伸び、アノードオフガスを燃焼装置３１に導入するように構成されている。
【００２５】
電池セルスタック２０の酸化剤ガス導入マニホールド１５ａは、ブロア４０から伸びた配管Ｌ６が接続しており、酸化剤ガスをカソード電極１３側に供給するように構成されている。
【００２６】
電池セルスタック２０のカソードオフガス排出マニホールド１５ｂからは、配管Ｌ７が伸びて、電極反応に使用された酸化剤ガスをカソードオフガスとして系外に排気できるように構成されている。
【００２７】
次に、本発明の燃料電池発電装置の運転方法について説明する。
【００２８】
この燃料電池発電装置５０は、電力需要量に応じて起動・停止が繰り返される。
【００２９】
起動中は、ブロア４０を作動させて、カソード電極１３に空気などの酸素を含む酸化剤ガスを供給する。また、燃焼装置３１は、点火状態とし、配管Ｌ１から改質装置３０に、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素と、水蒸気とを供給する。
【００３０】
改質装置３０では、改質原料である炭化水素を水蒸気改質して、水素に富む改質ガスが生成される。なお、改質反応は、吸熱反応であることから、点火状態の燃焼装置３１に、配管Ｌ５からアノードオフガスを供給し、これらを燃焼して改質装置３０を加熱する。そして、改質装置３０で生成された改質ガスは、一酸化炭素変成器にて一酸化炭素濃度を１％以下程度まで低減させ、次いで一酸化炭素除去器にて１０ｐｐｍ以下まで低減したのち、配管Ｌ３から、アノード電極１２へと供給される。
【００３１】
電池セルスタック２０では、アノード電極１２に供給された改質ガス中の水素と、カソード電極１３に供給された酸化剤ガス中の酸素とを、電解質膜１１の界面で電気化学反応させて発電し、図示しないインバータユニットなどで所定電圧の交流電力に変換して、電力系統に供給する。
【００３２】
アノード電極１２から排出されるアノードオフガスは、配管Ｌ５を通して燃焼装置３１へと供せられ、上述した燃焼装置３１での燃焼源として用いられる。
【００３３】
なお、通常運転時は、加熱装置１６は停止している。
【００３４】
次に、燃料電池発電装置５０の起動時の運転について説明する。
【００３５】
まず、バルブＶ１を作動させて配管Ｌ１を配管Ｌ２に連係し、配管Ｌ２から燃焼装置３１に改質原料を導入して、改質装置３０を昇温させる（助燃昇温）。そして、改質装置３０の温度が設定値に達した後、バルブＶ１を作動させて配管Ｌ１を配管Ｌ２から切り離すと共に、バルブＶ２を作動させて配管Ｌ３を配管Ｌ４に連係して、改質装置３０に改質原料を供給して改質ガスを生成すると共に、生成された改質ガスを、燃焼装置３１に導入して、改質装置３０を昇温させる（改質昇温）。
【００３６】
次に、燃料ガス導入マニホールド１４ａ及びアノードオフガス排出マニホールド１４ｂに配置された加熱装置１６を作動させて、該マニホールド内を所定時間加熱する。
【００３７】
加熱温度は、アノード電極１２側に混入した酸素が、アノード電極１２側に滞留している炭化水素や水素と燃焼反応できる温度になるよう加熱できれば良く、好ましくは５５０〜６５０℃であり、特に好ましくはマニホールド内に燃焼触媒を設置し２００〜３００℃とすることである。例えば、メタンの発火温度は約５４０℃であるが、白金などの燃焼触媒の存在下で加熱することで、２００〜３００℃程度の加熱温度で燃焼反応を行わせることができるので、加熱装置１６を配置したマニホールドに、白金などの燃焼触媒を充填することで、酸素と、燃料ガス中の水素や炭化水素との燃焼反応が促進され、２００〜３００℃程度の加熱温度で燃焼反応を行わせることができ、電池セルスタック２０の熱的損傷などを低減できる。
【００３８】
また、加熱時間は、アノード電極１２内の酸素が無くなるまで、もしくは、水素及び炭化水素が全て燃焼するように設定することが好ましい。例えば、アノード電極１２内の酸素濃度、水素濃度、炭化水素濃度をモニタし、アノード電極１２内の酸素濃度が無くなるか、水素濃度及び炭化水素濃度が無くなるまで行う。もしくは、あらかじめ酸素濃度が無くなるまでの加熱時間を試験により求めておき、それを加熱時間として設定することもできる。
【００３９】
なお、加熱装置１６は、燃料電池発電装置５０の起動直後から作動させてもよく、改質装置３０の助燃昇温中や改質昇温中に作動させてもよい。
【００４０】
そして、加熱開始から所定時間経過後、加熱装置１６を停止させた後、バルブＶ２を作動させて配管Ｌ３を配管Ｌ４から切り離し、配管Ｌ３から改質装置３０で生成された改質ガスをアノード電極１２に供給すると共に、ブロア４０を作動させて酸化剤ガスをカソード電極１３に供給し、電解質膜１１の界面で電気化学反応を行って、発電出力を図示しないインバータユニットなどで所定電圧の交流電力に変換し、電力系統に供給する。
【００４１】
このように、本発明によれば、起動から所定時間を経過するまでの間、燃料ガス導入マニホールド１４ａ及びアノードオフガス排出マニホールド１４ｂ内を加熱するようにしたので、燃料電池発電装置の運転停止中にアノード電極１２側に酸素が混入したとしても、アノード電極１２側に滞留している改質ガス中の水素や炭化水素との燃焼反応により消費できる。このため、燃料電池発電装置の起動時に、局所電池が形成されるのを防止でき、燃料電池発電装置の起動停止が頻繁に行われたとしても、長期にわたって、優れた電池特性を発揮することができる。
【００４２】
なお、メタンなどの炭化水素は、拡散係数が低いため、改質ガス中の炭化水素は、アノード電極１２に残留しやすい。一方、改質ガスの主成分は水素であり、７０〜８５％含有しているが、水素は拡散係数が高いため、燃料電池発電装置の停止中に、電解質膜１１を介してアノード電極１２側からカソード電極１３側に拡散し、更には、カソード電極１３側からアノード電極１２側に拡散する酸素と反応して消費されるので、燃料電池発電装置の停止後時間が経過するほど、アノード電極１２内の水素濃度は低下する（停止後約２時間で、アノード電極１２内の水素濃度は２〜３％程度になる）。このため、燃料電池発電装置の停止直後は、アノード電極１２内には、比較的水素が高濃度存在しているが、アノード電極１２内に酸素が存在しないため、燃料電池発電装置の停止直後、すぐに再起動して加熱装置１６を作動させたとしても、爆発する恐れはない。
【００４３】
また、この実施形態では、燃料ガス導入マニホールド１４ａと、アノードオフガス排出マニホールド１４ｂの双方に加熱装置１６を配置したが、加熱装置１６はいずれか一方のマニホールドのみに配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図２】同電池セルスタックの斜視図である。
【図３】図２の電池セルスタックのＡ−Ａ線切断図である。
【図４】図２の電池セルスタックのＢ−Ｂ線切断図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：電池単セル
１１：電解質膜
１２：アノード電極
１３：カソード電極
１４：セパレータ
１４ａ：燃料ガス導入マニホールド
１４ｂ：アノードオフガス排出マニホールド
１４ｃ：燃料ガス流路
１５：セパレータ
１５ａ：酸化剤ガス導入マニホールド
１５ｂ：カソードオフガス排出マニホールド
１５ｃ：酸化剤ガス流路
１６：加熱装置
２０：電池セルスタック
３０：改質装置
３１：燃焼装置
４０：ブロア
５０：燃料電池発電装置
６０：制御装置
Ｌ１〜Ｌ７：配管
Ｖ１，Ｖ２：バルブ
【図１】
2009081112.tif 000003
【図２】
2009081112.tif 000004
【図３】
2009081112.tif 000005
【図４】
2009081112.tif 000006