JPH08180895A

JPH08180895A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH08180895A
Application number: JP6336719A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hara; 毅原; Kenji Kato; 憲二加藤; Katsuji Tanizaki; 勝二谷崎; Yukimoto Ishiko; 超基石子
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Equos Research Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Equos Research Co Ltd
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化除去する
一酸化炭素除去装置を備えた燃料電池発電装置におい
て、簡便な手段により改質ガスの逆流を防止し、発電装
置を引火あるいは爆発の危険性から有効に保護する。【構成】原燃料供給手段としてのタンク１０およびポ
ンプ１２から燃料改質装置１４、一酸化炭素除去装置２
６および水供給装置２８を経て燃料電池の水素極に供給
される原燃料供給流路および改質ガス供給流路に、改質
ガスの逆流を防止する逆止弁３１、３２、３５が設けら
れる。また、一酸化炭素除去装置への酸化剤供給手段と
してのエアポンプ２４から一酸化炭素除去装置に供給さ
れる空気供給流路に、空気の逆流を防止する安全弁３３
が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電
装置の概略システム構成図が図２に示される。ここで燃
料電池本体３０は、公知のように、固体高分子電解質膜
を２枚のガス拡散電極で挟み、ガスセパレータで各燃料
電池セルを隔離する構造を有している。ガス拡散電極に
は一般に白金が用いられるが、特に水素極に導入される
燃料ガス中に一酸化炭素が含まれていると、白金が被毒
されて発電効率を低下あるいは不安定にさせることが知
られている。このため、図２に示される構成において
は、燃料改質装置１４の変成部１６におけるシフト反
応、および一酸化炭素除去装置２６における酸化反応を
経て、改質ガス中の一酸化炭素含量を低減させるものと
している。

【０００３】以下、改質ガスが燃料電池３０の水素極
（−）に導入されるまでの流れを中心として、図２の構
成について説明する。

【０００４】メタノールと過剰量の水とからなる混合液
体燃料がタンク１０からポンプ１２により燃料改質装置
１４内の改質部１５に導入され、該改質部において改質
触媒により改質されて水素と二酸化炭素とからなる改質
ガスを生成する（ＣＨ３ＯＨ（ｇ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→３
Ｈ２＋ＣＯ２）。吸熱反応である改質反応に必要な熱量
は、燃料改質装置１４内の燃焼部１８にメタノールタン
ク２０からのメタノールガスおよびエアーポンプ２４か
らの空気を導入して該メタノールガスを触媒燃焼させる
ことによって熱源ガスを生成し、この熱源ガスを改質部
１５に導入することによって与えられる。燃焼部１８内
に充填された触媒を活性温度まで加熱するためにヒータ
１７が設けられる。

【０００５】改質部１５において改質反応を受けて得ら
れる改質ガスには１％近くの多量の一酸化炭素が含有さ
れている。そこで、次いで、改質部に隣接して燃料改質
装置内に設けられる変成部１６に改質ガスを導入する。
変成部において変成触媒によるシフト反応を受けて、改
質ガス中の一酸化炭素と改質部での余剰水蒸気とから水
素と二酸化炭素を生成する（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ
２）。変成部１６でのシフト反応により改質ガス中の一
酸化炭素を１０００ｐｐｍ程度にまで低下させることが
できる。

【０００６】変成部１６を通過した改質ガスは一酸化炭
素除去装置２６に導入され、選択酸化触媒の下で改質ガ
ス中の一酸化炭素が酸化除去される（ＣＯ＋１／２Ｏ２
→ＣＯ２）。これにより、燃料電池の水素極（−）に導
入する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ未満
にまで低減させることができる。

【０００７】このようにして一酸化炭素濃度を低減され
た水素リッチな改質ガスは、水供給装置２８にて加湿さ
れた後、燃料電池本体３０の水素極（−）に導入され、
エアーポンプ２４から酸素極（＋）に導入される酸化剤
ガス（空気）との間で電池反応を起こして発電を行うも
のである。なお改質ガスの加湿は、燃料電池本体３０内
の固体高分子電解質膜を湿潤状態に保持すると共に、燃
料電池を所定の作動温度（１００℃前後）に温度調節
し、発電効率を最大限に発揮させるために行われる。

【０００８】このような燃料電池発電装置においては、
運転停止時に改質ガス供給ラインに残留している改質ガ
スが可燃性であり、また改質ガス中にリッチに含有され
ている水素が酸素と爆発的に反応する危険性があるた
め、改質ガスの燃料改質装置への逆流を防止する必要が
ある。

【０００９】従来技術における燃料電池発電装置の停止
方法は、停止指令信号を受けて、燃料電池の電気出力系
統を切り離した後、原料ガスの供給を遮断し、代わりに
窒素ガス等の不活性ガスを供給して燃料改質装置におけ
る改質反応を停止させるものである。燃料改質装置より
上流側の改質ガス供給ラインに残留している改質ガス
は、不活性ガスにより徐々に置換されながら燃料電池か
ら排気された後に、燃料改質装置における燃焼部または
他の燃焼装置に供給されて燃焼される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記したよ
うな従来技術における燃料電池発電装置の停止方法は、
停止ボタンの手動操作や発電装置に組み込まれる保護装
置の作動後に、その停止指令信号を受けたコントローラ
が、原料ガス供給を遮断すると共に不活性ガスの供給を
開始すべく各々の流量制御弁を開閉制御する信号を出力
し、この制御信号に応答して各々の流量制御弁が開閉さ
れた後に、不活性ガスによる置換が徐々に進行するもの
である。このため、停止指令信号および弁開閉制御信号
の送受信の間に、燃料改質装置より下流側の改質ガス供
給ラインに残留している改質ガスが燃料改質装置に向け
て逆流することを防止することができない。

【００１１】さらに、図２に示すように、改質ガス中の
一酸化炭素濃度を低減するために空気を酸化剤ガスとし
て一酸化炭素を酸化除去する一酸化炭素除去装置２６を
発電装置内に含む場合には、一酸化炭素除去装置内に残
留する改質ガスと酸化剤ガスとの混合ガスがエアポンプ
２４に逆流することを防止して、発電装置を引火あるい
は爆発の危険性から保護することが必要不可欠である
が、上記従来技術では、一酸化炭素除去装置より下流側
の改質ガス供給ラインに残留している改質ガスが不活性
ガスにより置換されるまでには、停止指令信号の発信か
ら相当の時間が経過していることになり、エアポンプへ
の逆流による引火や爆発の危険を解消し得ない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は上記した
従来技術の問題点を解消し、改質ガス中の一酸化炭素濃
度を酸化除去する一酸化炭素除去装置を備えた燃料電池
発電装置において、簡便な手段により改質ガスの逆流を
防止し、発電装置を引火あるいは爆発の危険性から有効
に保護することを目的とする。

【００１３】かかる目的を達成するために創案された本
発明は、原燃料供給手段からの原燃料を改質触媒の下で
改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させる燃料
改質装置と、該燃料改質装置にて生成された改質ガスお
よび酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスの供給を受け
て該改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒の下で酸化
除去して該改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一
酸化炭素除去装置と、該一酸化炭素除去装置を経て所定
値以下に一酸化炭素濃度が低減された改質ガスが水素極
に供給される一方酸化極には酸化剤ガスが供給されて電
池反応を得る燃料電池本体と、を有する燃料電池発電装
置において、酸化剤ガス供給手段から一酸化炭素除去装
置への酸化剤ガス供給流路に酸化剤ガス逆流防止手段が
設けられると共に、燃料改質装置から一酸化炭素除去装
置への改質ガス供給流路に改質ガス逆流防止手段が設け
られてなることを特徴とする。

【００１４】さらに、原燃料供給手段から燃料改質装置
への原燃料供給流路、および／または、一酸化炭素除去
装置から燃料電池本体への改質ガス供給流路に、同様の
改質ガス逆流防止手段を設けることができる。

【００１５】これらの逆流防止手段としては、平行移動
する弁体を有するリフト型逆止弁、ちょうつがい運動す
る弁体を有するスイング型逆止弁、球状の弁体を有する
ボール弁等の方向制御弁、あるいは一定の内圧以上では
自然に弁よりガスが逃げる構造を有する減圧弁、安全
弁、逃がし弁の圧力制御弁が好適に用いられる。

【００１６】特に、酸化剤ガス供給流路と改質ガス供給
流路においては、それぞれのガス供給源であるエアポン
プおよび燃料改質装置の停止が遅れると、反応管の内圧
が増大して非常に危険となるため、これらの流路には、
方向制御弁よりも圧力制御弁を用いる方が好適である。

【００１７】

【作用】酸化剤ガス逆流防止手段および改質ガス逆流防
止手段がそれぞれの供給流路に設けられることで、運転
中の異常発生時や運転停止時に生じ得る逆流が自動的に
かつ即座に防止される。

【００１８】

【実施例】本発明による固体高分子電解質型燃料電池発
電装置のシステム構成について、図１を参照しながら説
明する。なお、図２に示される従来構成と同一の装置、
部分には同一の符号が付されている。

【００１９】燃料改質装置１４の燃焼部１８には、メタ
ノールタンク２０からの液体メタノールがポンプ２２に
より導入されると共に、エアポンプ２４からの空気が導
入され、該燃焼部に充填される燃焼触媒上で燃焼される
ことによって熱源ガスが生成される。ヒータ１７は、燃
焼触媒を活性温度まで加熱するために設けられている。
なお、熱源は上記に特定されるものではなく、たとえ
ば、空気を燃焼助剤として水素ガスや液体メタノールを
バーナーで燃焼させて熱源ガスを生成してもよい。熱源
ガスは、後述する改質部１５および変成部１６における
改質反応およびシフト反応のための熱源として用いられ
る。

【００２０】改質原料であるメタノールおよび水の混合
液体燃料（混合比１：１〜１：４）はタンク１０に収容
されており、ポンプ１２により燃料改質装置１４の改質
部１５に導入される。ポンプ１２から改質部１５への混
合液体燃料供給ラインには逆止弁３１が設けられ、混合
液体燃料が改質部１５からポンプ１２に向けて逆流する
ことを防止している。

【００２１】改質部１５には図示されないが改質原料を
気化する気化部が備えられ、該気化部にて順次気化され
た改質燃料ガスが改質部の改質触媒上に導入されて、改
質反応（ＣＨ３ＯＨ（ｇ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→３Ｈ２＋Ｃ
Ｏ２）により改質ガスが生成される。改質部１５は改質
触媒の担持体であり、たとえばＣｕ／Ｚｎからなる改質
触媒が含浸、溶射、電着、スパッタ、塗布等により改質
部構造体に担持されている。改質部構造体は前記熱源ガ
スによって改質触媒の活性温度範囲である２５０〜３０
０℃に保持される。改質触媒の下で改質反応を受けて生
成される改質ガスは水素リッチなものではあるが、余剰
水蒸気、二酸化炭素および微量（１％程度）の一酸化炭
素が含まれている。

【００２２】改質反応により生成された改質ガスは、改
質部１５から隣接する変成部１６に導入され、変成触媒
の下でのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）に
より一酸化炭素が除去され、改質ガス中の一酸化炭素濃
度が１０００ｐｐｍ程度にまで低減される。シフト反応
の活性温度範囲は１５０〜２００℃であり、変成部での
加熱源として前記熱源ガスが利用される。

【００２３】変成部１６におけるシフト反応を経た改質
ガスは、逆止弁３２を経て、一酸化炭素除去装置２６に
導入される。また、酸化剤ガスとして、エアポンプ２４
からの空気が安全弁３３を経て一酸化炭素除去装置２６
に導入される。一酸化炭素除去装置２６内には選択酸化
触媒（Ａｕ／α−Ｆｅ２Ｏ３／Ａｌ２Ｏ３）が担持さ
れ、該選択酸化触媒による酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ２
→ＣＯ２）により、改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭
素に酸化除去される。

【００２４】一酸化炭素除去装置２６は、改質ガスを通
過せしめる触媒充填層と１００℃以下に制御された冷却
水を通過せしめる冷却層とが交互に積層されて構成され
ているもので、改質ガスは一酸化炭素除去装置２６の導
入口から排出口に至るまで常に１００℃以下の低温状態
に維持される。したがって、上記選択酸化触媒によって
一酸化炭素を二酸化炭素に酸化除去する反応が十分に活
性化され、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以
下、さらには１０ｐｐｍ以下にまで低減することが可能
となる。

【００２５】一酸化炭素除去装置２６に供給された空気
の余剰分は、安全弁３４を経て、大気中に排気される。

【００２６】このようにして一酸化炭素濃度が低減され
た改質ガスは、逆止弁３５を経た後、恒温水槽およびヒ
ーターよりなる水供給装置２８を介して、燃料電池３０
の水素極（−）に供給される。水供給装置２８において
改質ガスが冷却されると共に加湿されるので、燃料電池
が５０〜１００℃の最適作動温度域に保持され、かつ、
電解質膜に水分補給がなされてその湿潤状態が維持され
る。

【００２７】燃料電池３０の酸化極（＋）には前記エア
ポンプ２４からの空気が酸化剤ガスが供給され、水素極
に供給される改質ガスと反応して発電を得る。水素極に
供給される改質ガスの余剰分は逆止弁３６を経て排気さ
れ、酸化極に供給される空気の余剰分は安全弁３７を経
て排気される。

【００２８】以上のように構成された燃料電池発電装置
においては、逆止弁３１が原燃料の供給流路に設けら
れ、また逆止弁３２および３５が改質ガスの供給流路に
設けられているが、これらはいずれも正常運転時には開
位置に保持され、原燃料および改質ガスの供給を何ら妨
げることはない。同様に、酸化剤供給手段としてのエア
ポンプ２４から一酸化炭素除去装置２６への空気供給流
路に設けられる安全弁３３、および一酸化炭素除去装置
２６からの余剰空気排出路に設けられる安全弁３４も、
正常運転時には空気の供給および余剰空気の排出を何ら
妨げることなく許容している。燃料電池３０からの排気
路に設けられる逆止弁３６および安全弁３７についても
同様である。

【００２９】発電装置の運転が停止され、あるいは何ら
かの異常が発生して、これらのガス（改質ガス、一酸化
炭素除去装置に供給される空気、一酸化炭素除去装置か
ら排出される余剰空気、燃料電池の両極から排出される
排気ガス）の正常運転時の所定流路を逆流しようとした
とき、各流路に設けられた逆止弁または安全弁が即座に
応答して、逆流を阻止するように弁体を移動させる。こ
れにより、発電装置内における引火や爆発の危険が未然
に回避される。

【００３０】

【発明の効果】本発明の燃料電池発電装置によれば、運
転停止時や異常発生時の酸化剤ガスおよび改質ガスの逆
流が自動的かつ即座に防止されるため、発電装置内にお
ける引火や爆発の危険性を完全に解消することができ
る。

【００３１】また、逆流防止手段として逆止弁や安全弁
を用いることにより、複雑な制御を不要化し、きわめて
簡単な装置構成で安全性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体高分子電解質型燃料電池発電
装置の概略システム構成図である。

【図２】従来技術による固体高分子電解質型燃料電池発
電装置の概略システム構成図である。

【符号の説明】

１４燃料改質装置１５改質部１６変成部２６一酸化炭素除去装置３０燃料電池３１、３２、３５、３６逆止弁３３、３４、３７安全弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷崎勝二東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者石子超基東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料供給手段からの原燃料を改質触
媒の下で改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成さ
せる燃料改質装置と、該燃料改質装置にて生成された改
質ガスおよび酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスの供
給を受けて該改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒の
下で酸化除去して該改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減
させる一酸化炭素除去装置と、該一酸化炭素除去装置を
経て所定値以下に一酸化炭素濃度が低減された改質ガス
が水素極に供給される一方酸化極には酸化剤ガスが供給
されて電池反応を得る燃料電池本体と、を有する燃料電
池発電装置において、前記酸化剤ガス供給手段から前記
一酸化炭素除去装置への酸化剤ガス供給流路に酸化剤ガ
ス逆流防止手段が設けられると共に、前記燃料改質装置
から前記一酸化炭素除去装置への改質ガス供給流路に改
質ガス逆流防止手段が設けられてなることを特徴とする
燃料電池発電装置。
【請求項２】前記原燃料供給手段から前記燃料改質
装置への原燃料供給流路に前記燃料改質装置内の改質ガ
スの逆流を防止する第２の改質ガス逆流防止手段が設け
られることを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記一酸化炭素除去装置から前記燃料
電池本体への改質ガス供給流路に第３の改質ガス逆流防
止手段が設けられることを特徴とする請求項１の燃料電
池発電装置。
【請求項４】前記逆流防止手段が、方向制御弁また
は圧力制御弁のいずれかよりなることを特徴とする請求
項１ないし３のいずれかの燃料電池発電装置。