JP2501872B2 - 燃料電池の運転停止時における燃料電極の不活性ガス転換方法 - Google Patents

燃料電池の運転停止時における燃料電極の不活性ガス転換方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池の運転停止時に、燃料電池本体
内部に残留している燃料ガスを不活性ガスに転換可能な
燃料電池の運転停止方法に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池は電解質を挟持した一対の燃料電極と酸化剤
電極とからなる単電池を複数個積層してスタックを構成
し、このスタックに水素を含む燃料ガスおよび空気や酸
素等の酸化剤ガスを供給して発電を行うものであり、こ
の場合に使用する電解質，作動温度の相違によりりん酸
型，アルカリ型，溶融炭酸塩型等各種の燃料電池に分類
される。
一方、これら燃料電池に対してその起動，停止（緊急
停止も含む）時には、安全操作のために，燃料電池本体
における燃料ガスの供給／排出系統を不活性ガス、例え
ば窒素ガスでガス置換する操作が従来より一般に行われ
ている。すなわち停止状態にある燃料電池を起動する場
合に、燃料電池内部の燃料系統内に空気ないし酸素が残
っている状態で水素リッチな燃料ガスを供給すると爆鳴
気が形成されて爆発が生じる危険性があり、また逆に燃
料電池を停止する場合には燃料電池本体内部に燃料ガス
が残ったまま放置すると燃料電池の内部放電あるいは温
度変化等による燃料ガスの圧力が低下し，系外から空気
が燃料側に侵入して爆鳴気を形成するおそれがあるため
に、前述したガス置換を行って安全を図るようにしてい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の燃料電池の運転停止方法においては、上記した
ガス置換を行うためには、燃料ガス，酸化剤ガスの供給
／排出系統とは別に不活性ガスを圧力ポンプ等の貯蔵タ
ンク内に貯蔵して管理し、燃料電池の運転起動，停止の
都度貯蔵タンクから燃料電池の反応ガス系統へ供給する
ようにしている。しかしながら、この方式では燃料の管
理とは別に不活性ガスに関して常時より，不活性ガス貯
蔵タンク内のガス残量の監視，予備分を含めた不活性ガ
スの在庫確保，および購入調達等、手間の掛かる管理等
を必要とし、また、特に移動電源設備では大形の不活性
ガス貯蔵タンクを搭載しなければならないため，設備が
大形化するという問題があった。
この発明は上述の問題点を解決し、燃料ガスを不活性
ガスに簡易に転換し、窒素等の不活性ガスを特別に準備
する必要のない燃料電池の運転停止時における燃料電極
の不活性ガス転換方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題は、この発明によれば、 改質器により改質された燃料ガスが，燃料ガス入口
弁，燃料ガス入口管路を順に通って燃料電極に供給さ
れ，燃料オフガスが，燃料オフガス排出管路，燃料オフ
ガス排出弁を順に通って排出され， 空気ブロワァにより酸化剤ガスとしての空気が空気入
口管路を通して空気電極に供給され，空気排出管路を通
して排出される燃料電池本体が、 前記燃料オフガス排出管路と燃料ガス入口管路とをポ
ンプおよび循環管路内弁を介して連結した燃料ガス循環
管路を備えてなり、さらに， 前記燃料電池本体に具備された電気出力端子にスイッ
チを介して接続された放電抵抗とを備え、 燃料ガスおよび空気（以下、反応ガスという）が電気
化学反応して発電する燃料電池の運転停止時における燃
料電極の不活性ガス転換方法において、 運転停止時には，反応ガスを供給している状態で，前
記燃料オフガス排出弁を閉じ，燃料ガス循環管路内弁を
開き，次に，燃料ガス循環管路内のポンプを動作させ
て、燃料電池内に残留している燃料ガス及び燃料ガス入
口管路を通して導入される燃料ガスを前記燃料ガス循環
管路にて循環させ、この際発生する電力を放電抵抗を介
して放電させ，燃料ガス循環管路内のガスに含まれる水
素を電気化学反応により消費して、燃料ガスを不活性ガ
スに転換することにより達成される。
〔作用〕
燃料電池の運転停止時には、燃料電池本体から給電し
ている負荷を遮断し、反応ガスを供給している状態で，
燃料オフガス排出弁を閉じて燃料電極からの燃料オフガ
スの外部への排出を断ち、循環管路内弁を開き，燃料ガ
ス循環管路内のポンプを動作させることにより、燃料電
池本体内に残留している燃料ガス及び燃料ガス入口管路
を通して導入される燃料ガスを燃料ガス循環管路と燃料
電極との間で循環させる。次に、電気出力端子と放電抵
抗の間に配されたスイッチをONにして、燃料電池本体の
電気出力端子に放電抵抗を接続し，さらに空気電極へ空
気入口管路および空気ブロワァを介して空気を供給し続
け，燃料電池を放電させると、燃料ガス循環管路内のガ
スに含まれる水素が発電に寄与することで消費されて，
時間の経過とともに二酸化炭素等の不活性ガス成分が燃
料ガス循環管路内に徐々に蓄積され、その分，燃料ガス
循環管路中の可燃性成分である水素濃度が低減し、次第
に不燃性ガス成分である不活性ガスに転換することがで
きる。
即ち、改質器で改質された水素リッチなガスは，不活
性ガス成分（主として二酸化炭素）を含むが、この不活
性ガス成分が徐々に燃料ガス循環管路内に蓄積されて，
時間と共に燃料ガス循環管路内は不活性ガスリッチのガ
スに転換される。
なお、上記燃料ガス入口管路を通して燃料ガス循環管
路に供給される燃料ガスの流量は、前記電気化学反応に
より消費された燃料ガスの量に応じて定まる燃料ガス入
口弁部と燃料ガス循環管路との差圧および燃料ガス入口
管路の流体抵抗によって決まる流量となる。改質器に供
給される原料は定常運転時より少量とする必要があるこ
とは当然であるが、例えば，改質器と燃料ガス入口弁と
の間の所定の管路部分に圧力センサを配し，周知の方法
によって，この部分における燃料電池の定常運転時の圧
力と負荷遮断以後の圧力とが常に一定となるように原料
供給量を制御すればよい。
〔実施例〕
以下、この発明を実施例に基づいて説明する。第１図
は本願に係る運転停止方法の実施例が適用される燃料電
池の反応ガス系統図を例示するものであり、図において
1は模式的に表したりん酸型の燃料電池本体、11は燃料
電極、12は空気電極、13は電解質を含浸保持したマトリ
ックスである。燃料電極11の燃料ガスの出口にある燃料
オフガス排出管路41と，燃料電極11の入口にある燃料ガ
ス入口管路43との間には循環管路内弁22を介してポンプ
３が接続され，燃料ガス循環管路２が構成されている。
さらに燃料ガス入口管路43には燃料ガス入口弁21を介し
て改質器５が接続され、燃料オフガス排出管路41には燃
料オフガス排出弁23が接続されている。ここで改質器５
は天然ガス，メタノール等の原燃料に水を添加した原料
を水素リッチな燃料ガスに転換するものであり、燃料電
池の運転時には燃料ガス入口弁21を開いて，燃料ガスを
燃料電極11に供給するものである。一方、空気電極12に
は空気ブロワァ６により酸化剤ガスである例えば空気が
供給される空気入口管路44,および空気が排出される空
気排出管路45が接続されている。
かかる構成において、燃料電池の発電時には循環管路
内弁22は閉じた状態でポンプ３も停止しており、燃料ガ
スは改質器５から燃料ガス入口弁21を介して燃料電極11
に供給され、一方、空気ブロワァ６から空気電極12に空
気が供給されることにより燃料電池が発電する。
燃料電池の停止時には、まず燃料電池本体1に具備さ
れた図示しない電気負荷を遮断する。この遮断信号を入
力し，後述する各弁やポンプの駆動信号を出力する図示
しない制御装置の出力信号により、燃料オフガス排出弁
23を閉じ，循環管路内弁22を開き，ポンプ３を動作さ
せ、燃料電極11中の燃料ガスを燃料ガス循環管路２にて
循環させる。次に、前記制御装置の出力信号により，電
気出力端子51および放電抵抗４の間に配されたスイッチ
をONにして、放電抵抗４を燃料電池本体1の電気出力端
子51に接続すると，放電抵抗４に電流が流れ燃料電池本
体1は放電抵抗４を負荷として発電状態となり、燃料ガ
ス循環管路２内のガスに含まれる可燃性成分である水素
と，空気ブロワァ６により空気電極12に供給された空気
中の酸素とが，電気化学反応により消費される。この
際、燃料ガス循環管路２には電気化学反応により消費さ
れた水素に見合う量の燃料ガスが改質器５から燃料ガス
入口弁21を介して供給される。電気化学反応；2H2＋O2
＝2H2Oにより反応前後で水素が消費された分だけ，燃料
ガス循環管路２の圧力が減圧となり、燃料ガスの流入流
量は，燃料ガス入口弁部と燃料ガス循環管路２との差圧
と燃料ガス入口管路43の流体抵抗とで決まる流量とな
る。前記電気化学反応により，時間の経過とともに二酸
化炭素等の不活性ガス成分が燃料ガス循環管路２内に徐
々に蓄積され、その分，燃料ガス循環管路２中の可燃性
成分である水素濃度が低減する。このようにして、燃料
ガス循環管路内２内の燃料ガスは不活性ガスへと転換さ
れる。一方、放電抵抗４に流れる電流量は燃料電池本体
1の発生電圧と放電抵抗４の抵抗値により決まるもので
あり、この電流量に比例して水素が消費され、放電抵抗
４の抵抗値を大きくすれば，消費される水素の量は少な
くなる。したがって、放電抵抗４の抵抗値を変化させて
やれば，単位時間当たりの水素の消費量を制御でき、電
気化学反応に伴う発熱量も制御できるため、図示しない
燃料電池本体1に配された冷却系を動作させておけば、
該反応熱を容易に除去可能である。
上記の後は，下記のような方法により燃料電極を封止
すればよい。例えば，燃料ガス循環管路２内のガスが消
費されて不活性成分に実用上問題とならない程度に転換
されるに必要な時間，前記燃料ガスの不活性ガスへの転
換する運転を続けた後、図示しない制御装置の出力信号
により，改質器５から燃料ガスが供給されないように燃
料ガス入口弁21を閉じ、次に，ポンプ３を停止し、さら
に，循環管路内弁22を閉じることにより、燃料電極11は
不活性ガスで封止される。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明によれば、 改質器により改質された燃料ガスが，燃料ガス入口
弁，燃料ガス入口管路を順に通って燃料電極に供給さ
れ，燃料オフガスが，燃料オフガス排出管路，燃料オフ
ガス排出弁を順に通って排出され， 空気ブロワァにより酸化剤ガスとしての空気が空気入
口管路を通して空気電極に供給され，空気排出管路を通
して排出される燃料電池本体が、 前記燃料オフガス排出管路と燃料ガス入口管路とをポ
ンプおよび循環管路内弁を介して連結した燃料ガス循環
管路を備えてなり、さらに， 前記燃料電池本体に具備された電気出力端子にスイッ
チを介して接続された放電抵抗とを備え、 燃料ガスおよび空気（以下、反応ガスという）が電気
化学反応して発電する燃料電池の運転停止時における燃
料電極の不活性ガス転換方法において、 運転停止時には，反応ガスを供給している状態で，前
記燃料オフガス排出弁を閉じ，燃料ガス循環管路内弁を
開き，次に，燃料ガス循環管路内のポンプを動作させ
て、燃料電池内に残留している燃料ガス及び燃料ガス入
口管路を通して導入される燃料ガスを前記燃料ガス循環
管路にて循環させ、この際発生する電力を放電抵抗を介
して放電させ，燃料ガス循環管路内のガスに含まれる水
素を電気化学反応により消費して、燃料ガスを不活性ガ
スに転換することにより、 従来方式で必要とされていた窒素などの不活性ガスを
使用することなしに燃料電極を不活性ガスで転換するこ
とが出来る。また特に移動用燃料電池発電装置では、不
活性ガスを貯蔵する大型の貯蔵タンクを設けることが必
要となり装置をコンパクトにでき、さらに不活性ガスの
管理も不要となるので装置の運転管理が簡略化でき、ま
た不活性ガスを消費することがないので運転コストを低
減出来るという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例に係る燃料電池の反応ガス系統
図である。 〔符号の説明〕1 ：燃料電池本体 2:燃料ガス循環管路 3:ポンプ 4:放電抵抗 5:改質器 6:空気ブロワァ 11:燃料電極 12:空気電極 13:マトリックス 21:燃料ガス入口弁 22:循環管路内弁 23:燃料オフガス排出弁 41:燃料オフガス排出管路 43:燃料ガス入口管路 44:空気入口管路 45:空気排出管路 51:電気出力端子

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】改質器により改質された燃料ガスが，燃料
    ガス入口弁，燃料ガス入口管路を順に通って燃料電極に
    供給され，燃料オフガスが，燃料オフガス排出管路，燃
    料オフガス排出弁を順に通って排出され， 空気ブロワァにより酸化剤ガスとしての空気が空気入口
    管路を通して空気電極に供給され，空気排出管路を通し
    て排出される燃料電池本体が、 前記燃料オフガス排出管路と燃料ガス入口管路とをポン
    プおよび循環管路内弁を介して連結した燃料ガス循環管
    路を備えてなり、さらに， 前記燃料電池本体に具備された電気出力端子にスイッチ
    を介して接続された放電抵抗とを備え、 燃料ガスおよび空気（以下、反応ガスという）が電気化
    学反応して発電する燃料電池の運転停止時における燃料
    電極の不活性ガス転換方法において、 運転停止時には，反応ガスを供給している状態で，前記
    燃料オフガス排出弁を閉じ，燃料ガス循環管路内弁を開
    き，次に，燃料ガス循環管路内のポンプを動作させて、
    燃料電池内に残留している燃料ガス及び燃料ガス入口管
    路を通して導入される燃料ガスを前記燃料ガス循環管路
    にて循環させ、この際発生する電力を放電抵抗を介して
    放電させ，燃料ガス循環管路内のガスに含まれる水素を
    電気化学反応により消費して、燃料ガスを不活性ガスに
    転換することを特徴とする燃料電池の運転停止時におけ
    る燃料電極の不活性ガス転換方法。
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