JPH0410360A

JPH0410360A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH0410360A
Application number: JP2109564A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ouchi; 崇大内
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1992-01-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、燃料電池発電装置、ことに燃料電池の起動
、停止時に、燃料電池の反応ガス系統内の反応ガス全不
活性ガスで置換するための置換用ガスの生成、供給系統
の構成に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は周知のように電解質層を挟持した一対の燃料
電極と酸化剤電極とを有する単電池（単位セル）を複数
積層してセルスタックを構成し、このセルスタックに反
応ガスとして水素を含む燃料ガスと、空気等の酸素を含
む酸化剤ガスとを供給して１！池反応による直接光ｉｔ
−行うものであシ、この場合に使用する電解質、運転温
度の相違によジアルカリ形、りん酸形、溶融炭酸塩形等
の燃料電池が知られている。

ところで１反応ガスの供給を停止した燃料電池の起動、
停止時には安全管理のため燃料！池本体およびこれに反
応ガスを供給、排出する系統全不活性ガス、例えば窒素
で置換するガス置換が行われており、特に燃料ガス系統
は水素金倉むため安全管理上ガス置換が不可欠となって
いる。これは、停止状態にある燃料！池を起動する場合
に、燃料ガス系統内に空気または酸化剤ガスが残ってい
る状態で燃料ガスを供給すると、酸素との爆鳴気が形成
されて爆発的反応を起こす危険があるので、不活性ガス
で置換しておぐ必要があるからである。

また、燃料電池の停止時に燃料電池本体内に燃料ガスが
残りなまま放置すると、燃料電池の内部放電、あるいは
湛度変化等釦よって燃料ガスの圧力が低下し、系外から
空気が燃料ガス系に侵入し、前述のように爆鳴気を形成
するおそれがあり、この場合にも不活性ガスによるガス
置換をしておく必要がある。

一万、酸化剤ガス系統では、万一、燃料ガス系統から燃
料ガスが漏洩してぐると爆鳴気を形成して爆発的反応を
起こすので、燃料ガス系統と同様に不活性ガスのガス置
換が必要とされる。

上記のようなガス置換の念めの不活性ガスは従来外部か
ら調達し之不活性ガスを圧力ボンベ等の貯蔵タンク内に
貯蔵し、燃料電池の起動、停止時に貯蔵タンクから反応
ガス系統に不活性ガスを供給するようにしたものが知ら
れている。

〔発明が解決しようとする訓題〕

燃料電池はその運転温度が１７０’Ｃないし２゜０℃と
高ぐ、このような状態で燃料電池を軽負荷または無負荷
状態にすると、第３図に燃料電池の電圧−電流特性線図
の一例を示すように、定常運転（電流密度５０ないし２
００　ｍＡ／ｃｒＩ）Ｔは０゜８℃程度以下に保持され
る単セル電圧がＩＶｋいし１．１℃程度のいわゆる開回
路電圧近くＫまで上昇し、単位セルの電極の劣化が促進
されるという問題が発生する。従来このような問題を回
避する逢めに、燃料電池の出方側に電気ヒータ等の負Ｆ
Ｔ装＋ｔを設けて軽負荷時ま念は無負荷時にも電力′ｌ
ｔ消費し、単セル電圧を０．８ｖ以下に保持する対策が
とられてＡるが、電気ヒータの発生熱の回収には限界が
あり、ことに燃料電池を移動用電源として使用する場合
には発生熱を外部に放熱することすら容易でないなどの
問題があり、発電装置のエネルギー効率の改善が求めら
れている。

一方、従来のガス置換方法では、貯蔵タンクに常時一定
量以上の不活性ガスをＩＦえておく必要があり、不活性
ガスの補充などの管理業務が煩雑なばかりか、移動用電
源装置にあっては、貯蔵タンクを車輌（Ｃ塔載しなけれ
ばならないため釦車軟重量が増し、経済的不利益を招ぐ
という問題がある。

この発明の目的は、エネルギー利用効率が高く、かつ保
守を省力化できる置換ガスの分離生成装置を備え念燃料
電池発電装置？得ることにある。

〔課題を解決する念めの手段〕

上記課題？解決する冷めに、この発明によれば、燃料改
質器で生成する燃料ガスと、ブロワがら送られる反応空
気とを燃料室および空気室にそれぞれ受けて発電する燃
料電池が、その発電の開始および停止に際して前記燃料
室および空気室に残存する＠記燃料ガスおよび反応空気
が不活性ガスに置換されるものにおいて、前記燃料改質
器の＃！暁廃ガスを受けて燃燐廃ガス中の二酸化炭素富
化ガスを分離回収する分離膜式の分離装置と、回収した
二酸化炭素富化ガスの圧縮機と、圧縮された二酸化炭素
富化ガスの貯蔵タンクと、貯蔵された二酸化炭素富化ガ
スを発電の開始ま念は停止時に前記・燃料室および空気
室に供給する配管系とからなる置換ガスの分離生成装置
全＊え、＠泥圧縮機が前記燃料′Ｉ！池の軽質荷時余剰
電力の供給を受けて動作するよう形成されてなるもの、
または＃換ガスの分離生成装置が、空気中の窒素富化ガ
スを分離回収する分離膜式の分離装置と、回収し念窒素
富化ガスの圧縮機と、圧縮した窒素富化ガスの貯蔵タン
クと、貯蔵された窒素富化ガスを発電の開始ま念は停止
時に燃料室および空気室に供給する配管系とからなるも
のとする。

〔作用〕

この発明の構成において、置換ガスの分離生成装置を燃
料改質器バーナの燃焼廃ガス中の二酸化炭素、′またけ
大気中の窒素を分離膜式の分離装置で分離回収し、燃料
電池の余剰電力で駆動される吸気機能を有する圧縮機で
加圧して不活性ガスの貯蔵タンクに蓄積し、燃料電池の
発電の開始または停止時に燃料電池の反応ガス室に供給
してガス置換を行うよう構成し念ことにより、軽負荷時
の発電電力を利用して不活性ガスを分離回収できるとと
もに、単セル電圧ｔｏ、ｓｖ以下に保持して電極の劣化
を阻止する機能が得られる。また、不活性ガスを自動的
に分離生成できるので、不活性ガスの補充などの煩雑な
保守管理を必要とせず、かつ不活性ガス全自己生成する
ことにより貯蔵量を低減できるので、移動電源装置など
車載すべき貯蔵タンクを軽量化できる機能が得られる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池全電装ｆｌ’
を簡略化して示すシステム構成図である。図において、
燃料電池１は、電解液室またはマド＋、＋ックスを挟ん
で一対の電極を配した単位セル１Ｕの積層体で構成され
、各単位セルＩＵＫ＃−ｉ一対のｔｍの基材側に互いに
直交する方向に形成された復数の溝からなる燃料室１Ｆ
と酸化剤室（実施例では空気室）ＩＡが形成される。燃
料改質器２は反応熱を供給するバーナ２Ｂを有する炉体
内に、原料過熱器２Ｈおよび水蒸気改質を行う反応管２
Ｒｉ備え、改質原料としての液化天然ガス（ＬＮＧ）、
液化石油ガス（ＬＰＧ）、ナフサ、またはメタノール等
のいずれかと水蒸気との混合物を原料過熱器２Ｈを介し
て反応管２Ｒに送ることにより、水素リッチな燃料ガス
２Ｆに改質され、燃料ガスの供給系４を介して燃料電池
１の燃料室１Ｆに供給される。一方空気室ｉＡＫは反応
空気ブロワ（まなは圧縮機ン３から反応空気３Ａがその
供給系５を介して供給され、各単位セル１Ｕの一対のｔ
離間で電気化学反応に基づく直接発電が行われる。また
、反応を終った燃料ガス２Ｆのオフガス２Ｇ、および反
応空気３Ａのオフガス３Ｇは改質器バーナ２Ｂに送られ
、その燃焼熱によって改質６２が所定の動作温度に保持
されるとともに、必要な反応熱が反応管２ＲＫ供給され
る。

−万、燃料電池１の発電電力は電流制御部６によって１
ｌｌＪａされ、電力変換器７によって外部負荷に適合し
た例えば一定電圧の交流電力に変換して外部負荷回路に
供給されるとともに１出力電流の一部分は補機を源８を
介して反応空気ブロワ３の駆動モータ３Ｍや図示しない
原料ポンプ、放電用の電気ヒータ、あるいけ操作弁等に
供給される。

１０は置換ガスの分離生成装置であり、改質器バーナ２
Ｂの燃焼廃ガス１２Ｂの一部をダンパー１２を介して受
け、水分凝縮器１５で廃ガス中の水分を除去した後、二
酸化炭素（Ｃｏｔ）　　の分離器１１で００２分１１［
１膜１１Ａによって廃ガスの主成分である二酸化炭素Ｃ
Ｏ倉　　を分離する。回収されたＣＯ１富化ガス１１Ｂ
は、圧縮機１４によって高圧ガスに変換され、操作弁１
４Ｂｔ−介して貯蔵タンク１５に貯蔵される。貯蔵タン
ク１５はその出口側に減圧弁１８を含む配管系１７を備
え、燃料電池の発１の開始時ま念は停止時に反応ガスの
供給を停止し念状態で弁１９Ｆおよび１９Ａを開ぐこと
によってＣＯ２富化ガス７１Ｂが燃料室１Ｆ＋を含む燃
料ガス系および空気室１人を含む反応空気系にそれぞれ
供給され、系内に残っｆｃ燃料ガスおよび空気を系外に
パージして不活性のＣＯ１富化ガスに置換する。

一万燃料電池１の出カフ流制御部６ば、負荷電流工１お
よび補機を流Ｉｓを電流検出器９Ａ、９Ｂ等によって監
使しており、負荷電流工１と補機電流工ｓの和が所定レ
ベル以下（例えば定格電流の２ＯＦＦ；以下）に低下し
たとき、補機電源８に圧縮機１４の駆動モータ１４Ｍの
始動を指令する信号６Ｓを出力するととも釦、駆動モー
タ１４Ｍの駆動を流１ｂを追加供給するよう燃料電池、
燃料改Ｊｉｔ器を制御する。これにより、軽負荷時の余
剰電力を利用して置換用の不活性ガスを生成できると同
時に、燃料電池の出力を流が減り過ぎることによって生
ずる単セル電圧の上昇と、これに基因する１ｉ極の劣化
を防止することができる。

ま九、貯蔵タンク１５のガス圧は圧力スイッチ１６によ
って検出され、圧力が所定レベルに到達し念とき、制御
信号１６Ｓｔ−ダンパー１２．操作弁１４Ｅ、および圧
縮機１４に向けてそれぞれ出力することによシ、貯蔵タ
ンク１５に常時所定量のＣＯ！　富化ガス１１Ｂを貯蔵
してガス置換の待機状態とすることができる。なお、圧
縮機１４は分離膜１１Ａに差圧を生じさせるための吸引
機能を有するものが好ましい。また、制動空気用のコン
プレッサおよび圧力タンクを有する移動電源装置である
場合、これらを置換ガスの分離生成装置の圧縮機および
貯蔵タンクに兼用することも可能であジ、車載重量の４
！減および設備コストの低減に寄与することができる。

第２図は、この発明の異なる実施例を示すシステム構成
図であり、分離装置２１がコンブレ、す２４で加圧され
た空気全Ｍ／素富化ガス２７と窒素富化ガス２６に分離
する酸素透過膜２１Ａを備えた点が前述の実施例と異な
っておシ、複数段の透過膜を酸素が透過することにより
、酸素の大部分が分離され念残りの窒素富化ガス２６が
圧縮機１４でみ圧され、貯蔵タンク１５に蓄積される。

なお、燃料電池１が加圧式である場合、反応空気フロワ
３（この場合コンプレッサンで加圧された空気の一部を
分離装置２１に供給するよう構成してもよく、前述の実
施例と同様に軽負荷時の余剰電力を有効に利用して置換
用の不活性ガスを生成。

貯蔵できるとともに、軽負荷が原因で燃料電池に生ずる
電ｊの劣化全阻止することができる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、燃料電池が軽負荷時において
も発電する余剰電力を利用して改質バーナの廃ガスまた
は空気から不活性ガスを分離生成して貯蔵する置換ガス
の分離生成装置を設け、発電の開始ま念は停止時に貯蔵
した不活性ガスを置換ガスとして利用するよう構成した
。その結果、従来電気ヒータなどを設けて無駄に消費し
ていた軽負荷時の発電電力を不活性ガスを分離生成、貯
蔵するという形で有効利用でき、かつ貯蔵した不活性ガ
スを置換ガスとして利用できるので、燃料電池のエネル
ギー利用効率を改善できると同時に運転コストを低減で
きる利点が得られる。まな、燃料電池の負荷が所定レベ
ル以下に低下することを防止できるので、単セル電圧の
上昇による電極の劣化を阻止することがｒｆｌ能であシ
、これにより燃料電池を長寿命化する効果が得られる。

また、置換ガスの分離生成装置によって常に必要な量の
不活性ガスを生成し貯蔵できるので、不活性ガスの補光
とこれに要する費用を軽減でき、し次がって燃料電池の
管理コスト、運転コスト。

およびメンテナンスコストを低減できる利点が得られる
とともに、移動電源装置においては車載する不活性ガス
量およびその貯蔵ボンベを軽減できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置を簡
略化して示すシステム構成図、第２図はこの発明の異な
る実施例を示すシステム構成図、第３図は燃料電池の電
圧−電流特性の一例を示す特性線図である。７・・・燃料電池、１人・・・空気室、１Ｆ・・・燃料
室、１Ｕ・・・単位セル、２・・・燃料改質器、２Ｅ・
・・バーナ２Ｈ・・・過熱器、２Ｒ・・・反応管、２Ｆ
・・・燃料ガス３・・・反応空気ブロワ、３Ａ・・・反
応空気、４，５・・・反応ガスの供給系、６・・・電流
制御部、７・・・電力変換器、８・・・補機電源、９・
・・電流検出器、１０・・・置換ガスの分離生成装置、
１１．２１・・・分離器、１１Ａ、２１Ａ・・・分離膜
、１２・・・ダンパー　１３・・・＃縮器、１４．２４
・・・圧縮機、１５・・・貯蔵タンク、１６・・・圧力
スイッチ、１７・・・配管、１６．１８　、　１　９Ａ
　、　　１　９Ｂ、＊、　７１Ｂ・・・ｃｏ２　ｇ化ガ
ヌ２６・・・Ｎ１富化ガス、３Ｍ、１４Ｍ、２４Ｍ・、
。

Claims

【特許請求の範囲】１）燃料改質器で生成する燃料ガスと、ブロワから送ら
れる反応空気とを燃料室および空気室にそれぞれ受けて
発電する燃料電池が、その発電の開始および停止に際し
て前記燃料室および空気室に残存する前記燃料ガスおよ
び反応空気が不活性ガスに置換されるものにおいて、前
記燃料改質器の燃焼廃ガスを受けて燃焼廃ガス中の二酸
化炭素富化ガスを分離回収する分離膜式の分離装置と、
回収した二酸化炭素富化ガスの圧縮機と、圧縮された二
酸化炭素富化ガスの貯蔵タンクと、貯蔵された二酸化炭
素富化ガスを発電の開始または停止時に前記燃料室およ
び空気室に供給する配管系とからなる置換ガスの分離生
成装置を備え、前記圧縮機が前記燃料電池の軽負荷時余
剰電力の供給を受けて動作するよう形成されてなること
を特徴とする燃料電池発電装置。２）置換ガスの分離生成装置が、空気中の窒素富化ガス
を分離回収する分離膜式の分離装置と、回収した窒素富
化ガスの圧縮機と、圧縮した窒素富化ガスの貯蔵タンク
と、貯蔵された窒素富化ガスを発電の開始または停止時
に燃料室および空気室に供給する配管系とからなること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。