JP2007128717A

JP2007128717A - 燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP2007128717A
Application number: JP2005319628A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】別途パージ用ガスの供給系を設けずに起動／停止時の昇温動作および降温動作を可能とする燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】改質器２１で原燃料を改質すると共に、改質ガスを発電セルに供給して発電運転を行う燃料電池の運転方法であって、運転開始の際、前記改質器２１にて部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応により水素を含む還元ガスを生成して発電セルの燃料極側に供給することにより、燃料極雰囲気を還元状態に維持しつつ、前記燃料電池を昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質器を備えた燃料電池の運転方法に関し、特に、起動時や停止時のパージ方法に関するものである。

近年、酸化物イオン導電体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ構造を有する燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率、且つクリーンな発電装置として注目されている。

この種の燃料電池は、都市ガス、ＬＰガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料）を水素に改質する改質器を備え、改質器からの改質ガス（水素）を空気と共に発電セルに供給することにより発電運転を行う。

ところで、係る燃料電池では、運転開始時および運転停止時における、昇温／降温過程において、微量水素を含む不活性ガス（例えば、窒素ガス）を発電セルに供給することで燃料極雰囲気を還元状態に維持する、所謂、パージを行っていた（例えば、特許文献１参照）。
これは、起動／停止時の高温状態において、燃料電池の内部に残留する酸素によって燃料極が酸化するのを防止するためである。燃料極が酸化されることにより、発電性能は極端に低下してしまう。

特に、固体酸化物形燃料電池では、作動温度が６００〜１０００℃と極めて高いため、急速起動や急速停止は困難であって、起動／停止のために長い時間を要することから燃燃料極が酸化され易く、また、発電セルの外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造では、外部の酸素含有ガスが電池内部に侵入し易くなっており、このため、起動／停止時には大量のパージが必要であり、また、燃料電池の大型化に伴い、使用する窒素ガスの量も比例的に増加する。

従来では、パージのために、別途、専用のガスボンベを装備して燃料ガス供給経路にパージ用の窒素ガスと水素を供給することが専ら行われており、このため、ガスボンベや窒素ガスの供給経路を含め、燃料電池装置全体が大型化すると共に、そのためのメンテナンス作業も煩雑化するという問題があった。
特開平２−２４４５５９号公報

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、別途パージ用ガスの供給系を設けずに起動・停止時の昇温動作および降温動作を可能とする燃料電池の運転方法を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、改質器で原燃料を改質すると共に、改質ガスを発電セルに供給して発電運転を行う燃料電池の運転方法であって、運転開始の際、前記改質器にて部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応により水素を含む還元ガスを生成して発電セルの燃料極側に供給することにより、燃料極雰囲気を還元状態に維持しつつ、前記燃料電池を昇温させることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、改質器を備え、この改質器で原燃料を改質すると共に、改質ガスを発電セルに供給して発電運転を行う燃料電池の運転方法であって、運転停止の際、前記改質器にて部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応により水素を含む還元ガスを生成して発電セルの燃料極側に供給することにより、燃料極雰囲気を還元状態に維持しつつ、前記燃料電池を降温させることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の温度が少なくとも３００℃以下になるまで燃料極雰囲気を還元状態に維持することを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池より放出された未燃焼の燃流ガスを燃焼手段にて燃焼させ、その燃焼熱を昇温に利用することを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池は、反応に使用しない燃料を前記発電セルの外周部より放出して燃焼させるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。

本発明の運転方法では、起動／停止時の部分酸化反応、或いはオートサーマル反応に伴う発熱により改質器において改質反応が生じ、水素を含む還元ガスが生成されると共に、この還元ガスが燃料極に供給されることにより、発電セルの燃料極を還元状態に維持できるため、昇降温サイクルにおける発電セルの酸化やそれに伴う発電セルの性能劣化が防止でき、高寿命化が図れる。
加えて、従来のような大量の窒素ガスを用いたパージが不要であるから、例えば、窒素ボンベ等を含むパージ用ガス供給系を設ける必要が無くなり、メンテナンス作業を簡略化できる。
また、燃料電池より放出された未燃ガスを燃焼手段にて燃焼すると、燃焼の熱により改質器を含む燃料電池の昇温が促進され、これにより、起動時間の短縮が図れるようになる。

以下、図１〜図３に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は内部配置を示し、図３は燃料電池スタックの要部構成を示している。

図１、図２に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内壁に断熱材（図示せず）を付装したハウジング２０（缶体）を有し、この断熱ハウジング２０内の中央に発電反応を生じさせる燃料電池スタック１が配設されている。

この燃料電池スタック１は、図３に示すように、固体電解質２の両面に燃料極３および空気極４を配した発電セル５と、燃料極３の外側の燃料極集電体６と、空気極４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に縦方向に多数積層した構造を有する。

固体電解質２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極４はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備える。

また、燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極３および空気極４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった未燃のガスを発電セル５の外周部から外（ハウジング２０内）に自由に放出するようになっている。尚、放出未燃ガスは燃料電池スタック１の周辺で燃焼させる。

また、ハウジング２０内には、燃料電池スタック１の他、その周辺の適所に、改質器２１を初めとして水蒸気発生器２２、燃焼触媒２３、補助用電気ヒータ２４、昇温用バーナ２６等が配設されている。図２に示すように、昇温用バーナ２６を除くこれらの部材は、中央の燃料電池スタック１を挟んでそれぞれ２基づつ対向配置されている。

改質器２１内には炭化水素触媒が充填されており、外部から導入される炭化水素系燃料（原燃料）を水素主体の燃料ガスに改質する。また、この改質器２１には、後述する部分酸化起動用のヒータ２５（或いは、イグナイタ）が内蔵されている。
上記改質器２１の入口側には外部からの燃料ガス供給管１５、および空気供給管１７が接続されていると共に、出口側は配管９を介して燃料電池スタック１内の燃料ガスマニホールド１３に接続されている。また、燃料電池スタック１内の酸化剤ガスマニホールド１４には外部からの酸化剤ガス供給管１６が接続されている。
そして、起動時には、燃料ガス供給管１５に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素燃料が導入されると共に、空気供給管１７および酸化剤ガス供給管１６に空気が導入されるようになっている。

水蒸気発生器２２は、燃料電池スタック１からの排熱を熱源とし、上述の改質反応に必要な高温水蒸気を得るための熱交換器で、入口側には給水管１８が接続されると共に、出口側は水蒸気導入管１９により上述の燃料ガス供給管１５に接続されている。発電運転中は、この水蒸気発生器２２からの高温水蒸気が水蒸気導入管１９を介して燃料ガス供給管１５に導入される。

燃焼触媒２３は、燃料電池スタック１から放出される未燃ガスの燃焼手段として配設されたもので、スタック積層方向に沿って配設されている。この燃焼触媒２３は、例えば、薄板状のハニカム触媒を用いて、Ｐｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）等をアルミナに担持したものを用いることができる。
また、本実施形態では、未燃ガスの燃焼手段としてこの燃焼触媒２３の他、補助用電気ヒータ２４等も配設されており、これら燃焼触媒２３と補助用電気ヒータ２４を併用することも勿論可能である。何れにしても、これらの燃焼手段により、未燃ガスはスタック周辺で迅速に着火・燃焼し、スタック全体が効率良く均一に加熱される。

次ぎに、本発明による固体酸化物形燃料電池の運転方法の一実施形態を説明する。

上記構成の固体酸化物形燃料電池では、起動時（運転開始時）、昇温用バーナ２６を着火して燃料電池スタック１の昇温が開始される。この時、改質器２１においては、内蔵の部分酸化起動用ヒータ２５を作動すると共に、燃料ガス供給管１５から炭化水素燃料が、また、空気供給管１７から空気がそれぞれ改質器２１に導入される。これら、炭化水素燃料と空気の混合ガスが部分酸化起動用ヒータ２５によって着火され、改質器２１内において部分酸化反応を生じさせる。

この部分酸化反応では、炭化水素燃料の一部が燃焼して窒素と水（水蒸気）が生成されると共に、この際の燃焼熱と、燃焼の際の水蒸気と、燃焼（すなわち、部分酸化反応）に与らない残りの炭化水素燃料とで改質反応が生じ、水素と窒素による還元ガスが生成される（部分酸化改質反応）。改質器２１内の還元ガスは、配管９、燃料ガスマニホールド１３等を介して発電セル５内に供給され、よって、起動直後より燃料極雰囲気を還元状態に維持することができる。
他方、これと併行してシールレス構造で成る燃料電池スタック１の外周部から放出される未燃ガスが燃焼触媒の作用によってスタック周辺で燃焼し（必要であれば、補助用電気ヒータ２４を作動しておく）、その輻射熱により燃料電池スタック１を外周部より加熱・昇温する。

そして、スタック温度が上昇するに連れて改質器２１への空気供給量を徐々に減少していくと共に、水蒸気発生器２２から水蒸気を供給し、スタック温度が作動温度の５００℃程度まで上昇した時、炭化水素燃料と水蒸気による水蒸気改質に移行する（オートサーマル改質反応）。この間も、改質器２１にて水素含有の還元ガスが生成され、発電セル５に供給されるため、燃料極雰囲気の還元状態は連続的に維持されている。

昇温後の発電運転時は、水蒸気発生器２２からの水蒸気と燃料ガス供給管１５からの炭化水素燃料の混合ガスが改質器２１に供給され、改質器２１内において水蒸気改質反応により水素豊富な改質ガスが生成されると共に、この改質ガスが各発電セル５に供給されることにより、燃料電池スタック１において発電反応が生じる。尚、発電運転時は、空気供給管１７による改質器２１への空気の供給は停止されている。

運転停止の際の降温時は、燃料電池スタック１への改質ガスの供給は停止するが、降温過程においても、炭化水素燃料の供給を徐々に減少していき、改質器２１において上述の部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応を生じさせると共に、スタック温度が少なくとも３００℃以下に低下するまで、これらの反応が継続されて水素を含む還元ガスが発電セル５に供給されることにより、燃料極雰囲気は還元状態に維持される。
これは、運転停止後の高温雰囲気下（３００℃以上）において、燃料極が還元状態でなくなると、燃料極３が酸化されるためである。従って、降温時はスタック温度が３００℃以下に低下するまで燃料極を還元状態に維持する必要がある。

以上のように、本発明の運転方法によれば、運転開始の際の昇温時、および運転停止の際の降温時に、部分酸化反応やオートサーマル反応に伴う発熱により改質器において改質反応を生じさせ、これらの反応により生成された水素を含む還元ガスを燃料極に供給することにより、発電セル５の燃料極３を還元状態に維持するパージを可能とし、これにより、昇降温サイクルにおける発電セル５の酸化やそれに伴う発電セル５の性能劣化が防止でき、高寿命化が図れるようになる。
加えて、従来のような大量の窒素ガスを用いたパージが不要であるから、例えば、窒素ボンベ等を含むパージ用ガス供給系を設ける必要が無くなり、メンテナンス作業を簡略化できると共に、装置自体もシンプルになり小型化できる。
また、燃料電池スタック１より放出された未燃ガスを燃焼触媒等の燃焼手段にて燃焼すると、燃焼の熱により改質器２１を含む燃料電池スタック１の昇温が促進され、これにより、起動時間の短縮が図れるようになる。

特に、シールレス構造の固体酸化物燃料電池は、上述したように、作動温度が高く、起動、停止に長い時間を要すること、外部の酸素含有ガスが電池内部に侵入し易いこと、等の理由により、起動／停止時は大量のパージが必要とされているが、不活性ガスによるパージを必要としない本発明の運転方法は、このような燃料電池にとって極めて有効である。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す図。本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部配置を示す図。図１の燃料電池スタックの要部構成を示す図。

符号の説明

３燃料極
５発電セル
２１改質器
２３、２４燃焼手段（燃焼触媒、補助用電気ヒータ）

Claims

改質器で原燃料を改質すると共に、改質ガスを発電セルに供給して発電運転を行う燃料電池の運転方法であって、
運転開始の際、前記改質器にて部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応により水素を含む還元ガスを生成して発電セルの燃料極側に供給することにより、燃料極雰囲気を還元状態に維持しつつ、前記燃料電池を昇温させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
改質器を備え、この改質器で原燃料を改質すると共に、改質ガスを発電セルに供給して発電運転を行う燃料電池の運転方法であって、
運転停止の際、前記改質器にて部分酸化改質反応またはオートサーマル改質反応により水素を含む還元ガスを生成して発電セルの燃料極側に供給することにより、燃料極雰囲気を還元状態に維持しつつ、前記燃料電池を降温させることを特徴とする燃料電池の運転方法
前記燃料電池の温度が少なくとも３００℃以下になるまで燃料極雰囲気を還元状態に維持することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
前記燃料電池より放出された未燃焼の燃流ガスを燃焼手段にて燃焼させ、その燃焼熱を昇温に利用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
前記燃料電池は、反応に使用しない燃料を前記発電セルの外周部より放出して燃焼させるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池の運転方法。