(57)【要約】【課題】停止工程における水素生成装置の圧抜き時において、必要以上に可燃ガス希釈用の燃焼空気供給量を増加させることない、燃料電池発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池発電システム１００において、燃料電池５の発電停止時に、封止弁１３を開閉して水素生成装置１の圧抜きをおこない、圧抜き時には、燃焼空気供給器１０を動作させて、燃焼空気の供給量を発電時よりも増加させる。【選択図】図１
2010218789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
原料と水蒸気とを改質反応させて前記水素含有ガスを生成させる改質器を備える水素生成装置と、
燃焼空気を供給する燃焼空気供給部と、
前記燃料電池から排出される前記水素含有ガスと前記燃焼空気とを燃焼させ、前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記水素生成装置に設けられる、前記改質反応温度を検知する改質温度検知器と、
前記水素生成装置における前記水素含有ガスの経路を封止する封止弁と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電を停止させる時に、
前記封止弁を動作させて、前記水素生成装置の圧抜き動作を行い、
前記燃焼空気供給部を動作させて、前記燃焼部に供給する前記燃焼空気量を前記燃料電池の発電時よりも増加させるとともに、
予め設定される期間は、前記封止弁を短い間隔で開閉動作させ、
前記予め設定される期間後は、前記短い間隔より長い間隔で前記封止弁を開閉動作させる燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、
前記燃料電池の発電を停止させる時に、
前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電時間が、予め設定される発電時間以内の場合、
前記燃焼部へ供給する前記燃焼空気を、前記予め設定される発電時間以後の停止時より増加させるように、前記燃焼空気供給部を動作させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記燃料電池の発電を停止させる時に、
前記改質温度検知器で、予め設定される温度よりも高い温度を検知することで、
前記燃焼部へ供給する前記燃焼空気を増加させるように、前記燃焼空気供給部を動作させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御部は、
前記封止弁の開閉動作回数が、予め設定される回数の間、前記燃焼部へ供給する前記燃焼空気を増加させるように、前記燃焼空気供給部を動作させ、
前記封止弁の開閉動作回数が、前記予め設定される回数後、前記燃焼部へ供給する前記燃焼空気を減少させるように、前記燃焼空気供給部を動作させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記水素生成装置における前記水素含有ガスの経路の圧力を検知する圧力検知器を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電を停止させる時に、
前記圧力検知器で、予め設定される圧力よりも高い圧力を検知することで、前記燃焼部へ供給する前記燃焼空気を増加させるように、前記燃焼空気供給部を動作させる請求項１記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、停止処理時における圧抜き動作を行う水素生成装置を備える、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率で小規模発電が可能な燃料電池発電システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するシステム構築が容易なので、高いエネルギー利用効率を実現する分散型の発電システムとして開発が進められている。燃料電池発電システムは、外部から燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応させて発電を行う。同時に、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯えて、回収熱を有効利用するシステムである。
【０００３】
一般的に、発電時に用いられる水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備がされていないので、燃料電池発電システムに水素生成装置が併設される。水素生成装置は、例えば都市ガス、ＬＰＧ等の既存のインフラから得られる原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質器を備える。なお、水は、改質器と一体、もしくは別に設置される水蒸発部で蒸発させることで、水蒸気として原料と反応させている。水素含有ガスに含まれる一酸化炭素は、変成器及び選択酸化器で低減させて、燃料電池に供給される。燃料電池では、供給された水素含有ガスの大部分は消費されるが、残った水素含有ガス（アノードオフガス、またはオフガスともいう）は、水素生成装置の改質器を加熱するため（改質反応に利用するため）、水素生成装置に設けられた燃焼器に供給される。
【０００４】
さて、燃料電池の発電を停止する時、外部の空気が水素生成装置内に進入し、水素生成装置に用いる触媒を酸化劣化させることを抑制するため、水素生成装置への原料と水の供給の停止に合わせて、水素生成装置を封止する対応がとられることが多い。しかし、その停止工程で、水素生成装置の改質器や蒸発部等に液体の水が残留している場合には、停止後も装置の余熱を受けて水蒸気が発生し、水素生成装置内部の圧力が上昇してしまう現象が起きる。そこで、改質器に残留している水が、余熱により水蒸気化することに基づいて、前記改質系の内圧を増加させるようにし、水蒸気の噴出手段によって圧抜きを行い、噴出させるガスを燃焼器から排出させる構成が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２４３３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素生成装置の圧抜き時に噴出させるガスは、可燃ガス（水素含有ガス）を含むので、燃焼器から排出する場合、燃焼させるか、燃焼空気で希釈することが好ましい。しかしながら、圧抜きによって排出される可燃ガスの量または濃度は、安定しない。例えば、燃焼空気で希釈する場合、水蒸発部に残留する水量が多く水蒸気の発生量が多いと、圧抜きで排出される可燃ガスの量が多くなり、多くの燃焼空気を供給する必要がある。その結果、燃焼空気を供給するための燃焼ファン等の出力を上げる必要があり、動作音による騒音が大きくなる、無駄に電力を消費する等の課題が発生する。
【０００６】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池発電システムの停止工程における水素生成装置の圧抜き動作時において、必要以上に可燃ガス希釈用の燃焼空気の供給量を増加させることない、燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、原料と水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成させる改質器を備える水素生成装置と、燃焼空気を供給する燃焼空気供給部と、燃料電池から排出される水素含有ガスと燃焼空気とを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、水素生成装置に設けられる、改質反応温度を検知する改質温度検知器と、水素生成装置における水素含有ガスの経路を封止する封止弁と、制御部と、を備え、燃料電池の発電を停止させる時に、封止弁を動作させて、水素生成装置の圧抜き動作を行い、燃焼空気供給部を動作させて、燃焼部に供給する燃焼空気量を燃料電池の発電時よりも増加させるとともに、予め設定される期間は、封止弁を短い間隔で開閉動作させ、予め設定される期間後は、短い間隔より長い間隔で封止弁を開閉動作させるシステムとする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池発電システムの停止工程における水素生成装置の圧抜き動作時に、燃焼部への可燃ガス（水素含有ガス）希釈用の燃焼空気の供給量を減少させることができ、燃焼空気供給部の動作を抑制できる燃料電池発電システムを提供することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。
【００１０】
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の構成、及び、発電運転の際の基本的な動作について、図１を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の構成を、模式的に示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００は、発電部の本体としての燃料電池５と、燃料電池５へ供給するための水素含有ガスを生成する水素生成装置１を備えている。この水素生成装置１は、水蒸気改質反応を進行させる改質触媒や、水を蒸発させるための水蒸発部を備えている（詳細構成は、図示せず）。また、この水素生成装置１は、改質触媒の温度、または、改質触媒の近傍における温度を検出する、改質温度検知器となる改質熱電対１１を備えている。この改質熱電対１１としては、例えば、Ｋ型熱電対が用いられる。また、この水素生成装置１は、発電運転時等において、水素生成装置１の改質触媒を加熱するための燃焼器９を備えている。この燃焼器９は、図１では図示しないが、例えば、原料（都市ガス）や、燃料電池５で発電に使われなかった水素含有ガス等を燃焼させて、水素生成装置１の改質触媒を加熱する（改質反応に必要な熱を供給する）バーナを備えている。また、燃焼器９に燃焼のための空気を供給しかつその供給量を制御する燃焼ファンとなる、燃焼空気供給部１０を備えている。
【００１３】
また、図１に示すように、水素生成装置１に原料を供給するブースタポンプ２と、原料流量計３と、原料を供給しない場合に原料を封止する、電磁弁で構成される原料封止弁１４、原料と改質反応させるための水を供給する水供給ポンプ４を備える。また、燃料電池５に向けて発電用の酸素含有ガス（例えば、空気）を供給するカソード空気供給ポンプ７も備えている。さらに、水素生成装置１と燃焼器９の間に、電磁弁で構成される封止弁１３を設け、発電を停止させている間、封止弁１３を閉にして、外部からの空気混入を防止する構成となっている。
【００１４】
また、各構成要素の動作を制御する、制御マイコン１２を備えている。制御マイコン１２は、マイコン等の演算装置で構成され、ＣＰＵ等からなる演算部と、内部メモリ等からなる記憶部とを有している（詳細説明は、省略する）。
【００１５】
なお、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の構成は、従来の燃料電池発電システムの構成とほぼ同様の構成となっており、他の同様構成の詳細な説明は、省略する。
【００１６】
次に、燃料電池発電システム１００の運転動作について説明する。燃料電池発電システム１００では、発電運転の際、水素生成装置１に、原料（例えば都市ガス）が、所定の流量で供給される。又、改質反応に必要な水が、水供給ポンプ４より所定の流量で供給される。改質触媒で進行する原料と水（水蒸気）との水蒸気改質反応により、水素を主成分として二酸化炭素を副成分として含む水素含有ガスを生成する。通常、発電中は、原料中の炭素原子に対して２．５〜３倍程度の水が、水供給ポンプ４から水素生成装置１に供給（Ｓ／Ｃ＝３）されている。この際、水素生成装置１の改質触媒は、燃焼器９のバーナの燃焼熱により、水蒸気改質反応の進行に適した約６００℃〜７００℃に加熱される。そして、水素生成装置１で生成した水素含有ガスは、燃料電池５に供給される。燃料電池５では、水素含有ガス及び酸化剤ガスが供給されると、その供給される水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う。なお、発電に伴い燃料電池５から排出される発電に用いられなかった水素やメタンを含むオフガスは、燃焼器９のバーナに供給され、燃料として用いられる。
【００１７】
次に、燃料電池発電システム１００の停止動作（工程）について説明する。燃料電池発電システム１００の発電を停止させる際には、原料封止弁１４を閉止するとともに、ブースタポンプ２と水供給ポンプ４を停止し、原料ガスと水の供給を停止させる。さらに、外部から水素生成装置１に空気が入らないように封止弁１３を閉止する（各部の動作タイミングは、適宜設定される）。この時、水素生成装置１の内部の水蒸発部には、水が残留する場合があり、装置の余熱により装置停止後もしばらくは少量の水が蒸発する。その結果、水素生成装置１の内部の圧力が徐々に上昇するので、封止弁１３を開閉して、水素生成装置１内部の圧抜きを実施する。圧抜き時の水素生成装置１内部のガスは、燃焼器９から排出させることになる。排出させるガスは、可燃性ガス（水素含有ガスの一部）を含むので、可燃ガスの可燃範囲に入らないように、燃焼空気供給器１０から空気を供給して希釈し、外部に排出する。この時、可燃性ガスを希釈する観点から、燃焼器９に供給す燃焼空気量を燃料電池５の発電時よりも増加させることになる。
【００１８】
ただ、水の蒸発速度が速くなる場合、例えば、発電停止直後の水蒸発部の残水量が多い場合、発電開始直後に発電を停止させた場合、改質部の温度が高く余熱が多い場合等では、圧力上昇が大きくなる。すなわち、水素生成装置内部の圧力上昇は、水の蒸発速度が速くなる場合に大きくなるので、圧力上昇防止のために、水素生成装置１から排出すべき（排出される）ガス（混合気）量が多くなる。燃焼器９に排出されるガス量が多い場合、燃焼器９で可燃範囲に入らないようにするには、多くの空気で希釈する必要がある。例えば、水素生成装置１の水蒸発部に残留する水量が多く水蒸気の発生量が多い条件では、封止弁１３を開閉した場合に排出される可燃ガス流量も多くなる。その状況に対応するため、装置停止動作中に、可燃ガスが多く排出される条件を想定して希釈用の空気を多く供給すると、燃焼空気供給器１０である燃焼ファン（や空気ポンプ）等の出力を上げることになり、燃焼ファンの動作音による騒音が大きくなる、無駄に電力を消費する等の課題が発生する。
【００１９】
そこで、本実施の形態１に示す発明は、上述の課題に対応するため、制御マイコン１２３では、発電停止時に封止弁１３を開閉して水素生成装置１の圧抜きをおこない、圧抜き時には、燃焼空気流量が発電時よりも多くなるように燃焼空気供給器１０を動作させる。この時、予め設定される期間は、封止弁１３を短い間隔で開閉動作させ、予め設定される期間後は、先ほどの間隔より長い間隔で封止弁１３を開閉動作させる。予め設定される期間とは、水素生成装置１内部に残留している水が蒸発する期間であり、発電停止時の運転条件、例えば、水の供給量、発電状態、運転時間等の水残留量に係る条件に基づいて、その期間は設定することができる。また、予め水素生成装置１内部に残留している水の量を想定して、予め開閉動作させる回数を設定しておくこともできる。その場合、予め設定される回数の水素生成装置１の圧抜き動作の間は、封止弁１３の開閉間隔を短く動作させる運転を行うことが好ましい。
【００２０】
上述の動作を行うことで、封止弁１３の開閉を一定の間隔で行う場合と比較して、圧力上昇の大きい停止動作初期に開閉間隔を短くできるので、水素生成装置１の圧力上昇を抑制できるとともに、可燃ガスを充分に希釈して安全に排出できる。また、発電停止後、予め設定される回数の前記水素生成装置の圧抜きの間は、燃焼空気量を増加させ、その後、燃焼空気流量を低下させることで、燃焼空気供給器１０の出力を上げて騒音が大きくなる期間も短くでき、無駄に電力を消費する課題への対応も可能となる。
【００２１】
なお、発電開始直後に、何らかの理由で発電を停止させた場合、起動工程の影響が残り、水素生成装置１の圧力上昇が早くなる。起動時は、燃料電池５で発電していないので、水素を消費せず、供給した原料ガスが燃焼器９に供給される。特に、発電直前には、発電に必要な水素量を燃料電池５に供給する必要があるので、発電時に比べて燃焼器９での加熱量が多くなる。すなわち、発電開始直後に停止させた場合には、水素生成装置１の余熱が多く、水素生成装置の圧力上昇が速くなる場合がある。従って、発電開始から発電停止までの発電時間が所定の値よりも短い場合には、通常の停止工程よりも燃焼空気流量を増加させ、圧抜き時の可燃ガスを充分に希釈して排出することが好ましい。なお、水素生成装置１の熱容量等にもよるが、燃焼空気流量を増加させる時間は、発電時の定常状態になるまでの時間に設定すればよく、通常５分〜３０分に設定することが好ましい。
【００２２】
また、改質部の温度が高い場合には水蒸発部の残水量が同じでも蒸発速度が速くなる。そこで、改質熱電対１１で検知される温度が、予め設定される温度よりも高い温度を検知（例えば６７０℃以上）し、発電を停止させる場合には、燃焼空気流量を通常の停止工程よりも増加させるように空気供給器１０を動作させることが好ましい。前記動作により、圧抜き時の可燃ガスを充分に希釈して排出することが出来る。
【００２３】
なお、圧抜き動作は、発電停止直後の残留水の蒸発が終わる停止動作初期だけで良く、停止動作初期を除けば、水素生成装置１の内部温度の低下とともに、内部の気体の体積が減少するため、水素生成装置１内部の圧力は低下することになる。その場合、適宜圧力低下分、原料を水素生成装置１に供給して、水素生成装置１内部への空気混入を防止すれば良い。
【００２４】
（実施の形態２）
次に発明の第２の実施の形態について述べる。本実施の形態２は、図２に示す様に、水素生成装置１の入口に圧力センサ１５を設置してあること以外は、実施の形態１の燃料電池発電システムとほぼ同一の構成となる。従って、実施の形態１と異なる点を中心に、本実施の形態２を説明する。
【００２５】
燃料電池発電システムでは、封止弁１３を開閉した場合に燃焼器９から排出される可燃ガスは、水素生成装置１の内部の圧力が高い場合ほど多くなる。そこで、本実施の形態２の燃料電池発電システム２００では、水素生成装置１内部の圧力を圧力センサ１５で検知し、予め設定される圧力以上の場合（例えば１０ｋＰａ）に、通常の停止工程よりも、燃焼空気供給器を動作させて、燃焼空気流量を増加させる構成とした。その結果、圧抜き時の可燃ガスを充分に希釈して排出することが出来る。
【００２６】
なお、燃料電池発電システム２００は、起動停止を含めた運転時の最大圧力が高いほど、容器や配管の耐圧性を高めるためにコストが高くなるので、最大圧力は低いほど望ましいが、逆に頻繁に圧抜きが必要となり、封止弁１３の動作回数が増え、弁の耐久性等の課題も生じる場合がある。このため、予め設定される圧力は、水素生成装置の最高圧力が０．５ｋＰａ〜５０ｋＰａ以下、好ましくは０．５〜１０ｋＰａになるように設定されるのが好ましい。
【００２７】
また、燃焼器９の上流の配管の抵抗が大きい場合は、高い圧力設定でもゆっくり可燃ガスが排出できるので、高めの圧力設定（例えば２０ｋＰａ）にしても差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、水素生成装置を備え、起動停止運転を頻繁に行う燃料電池発電システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成図
【符号の説明】
【００３０】
１    水素生成装置
２    ブースタポンプ
３    原料流量計
４    水供給ポンプ
５    燃料電池
６    アノード加湿器
７    カソード空気供給ポンプ
８    カソード加湿器
９    燃焼器
１０    燃焼空気供給器
１１    改質熱電対
１２    制御マイコン
１３    封止弁
１４    原料封止弁
１５    圧力センサ
１００，２００    燃料電池発電システム
【図１】
2010218789.tif 000003
【図２】
2010218789.tif 000004