(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを利用して水素リッチガスを発生させる改質器と、その改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記改質器にパージ用空気を供給する第１空気供給手段と、前記改質器で発生した水素リッチガスと外部からの発電用空気とを利用して発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止し、水蒸気と、前記パージ用空気とをこの順に流す燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する際、前記改質器に水蒸気を供給し、又は前記改質器に水を供給し加熱し水蒸気を発生させ、
次いで、所定の時間経過後に、前記第１空気供給手段より前記改質器に前記パージ用空気を供給する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある実質上全ての水素リッチガスが水蒸気でパージされる時間を意味する請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある水素リッチガスと前記パージ用空気とが接触して危険な状態にならないように、所定量の水蒸気を前記水素リッチガスと前記パージ用空気との間に存在させるに足る時間を意味する請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記改質器に水素発生用水を供給する水供給手段と、前記改質器を加熱し前記水素発生用水を水蒸気にする加熱手段とを備え、
前記改質器は、前記水蒸気をも利用して前記水素リッチガスを発生させる請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池の運転停止後でも、前記水素発生用水を加熱して水蒸気を発生させる請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記加熱手段は、前記燃料電池から排出される水素オフガスを燃料に用いる請求項５又は６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記加熱手段に水蒸気が到達した後に、前記改質器への前記水素発生用水の供給を停止するとともに、前記改質器に前記パージ用空気を供給する請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記改質器の下流に設けられ、前記改質器で発生した水素リッチガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器と、その一酸化炭素除去器に一酸化炭素除去用空気を供給する第２空気供給手段とを備え、
前記燃料電池には、前記一酸化炭素除去器で一酸化炭素が除去された水素リッチガスが供給される請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記第１空気供給手段が前記第２空気供給手段の機能を兼ねており、
前記第１空気供給手段からの空気の供給先を、前記改質器又は前記一酸化炭素除去器に切り替える切替手段を備えた請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
原料ガスを利用して水素リッチガスを発生させる改質器と、その改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記改質器にパージ用空気を供給する第１空気供給手段と、前記改質器で発生した水素リッチガスと外部からの発電用空気とを利用して発電する燃料電池とを用いて発電を行った後の燃料電池発電停止方法であって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止し、水蒸気と、前記パージ用空気とをこの順に流す燃料電池発電停止方法。
【請求項１２】
前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する際、前記改質器に水蒸気を供給し、又は前記改質器に水を供給し加熱し水蒸気を発生させ、
次いで、所定の時間経過後に、前記第１空気供給手段より前記改質器に前記パージ用空気を供給する請求項１１に記載の燃料電池発電停止方法。
【請求項１３】
前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある実質上全ての水素リッチガスが水蒸気でパージされる時間を意味する請求項１２に記載の燃料電池発電停止方法。
【請求項１４】
前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある水素リッチガスと前記パージ用空気とが接触して危険な状態にならないように、所定量の水蒸気を前記水素リッチガスと前記パージ用空気との間に存在させるに足る時間を意味する請求項１２に記載の燃料電池発電停止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、特開平３−２５７７６２に示すように、図４のような構成をしていた。すなわち原料ガスから水素リッチガスを発生させる改質器１と、改質器１を加熱する加熱手段２としてのバーナ２ａと、改質器１上流に窒素供給管１４および遮断弁１５を介して接続された窒素設備１６と、改質器１の下流に改質ガス供給管１７を介して接続され空気中の酸素と発生した水素とを反応させて発電する燃料電池９とを備え、燃料電池９の水素極９ａ側の下流は排水素接続管１２を介してバーナ２ａへ接続されていた。なお、特開平３−２５７７６２の文献の全ての開示は、そっくりそのまま引用する（参照する）ことにより、ここに一体化する。
【０００３】
一般の燃料電池発電システムにおいては、発電運転を停止させる時はまず原料ガスの供給を停止させるが、この時改質器１〜改質ガス供給管１７〜燃料電池９の水素極９ａ〜排水素接続管１２の経路中に水素リッチガスが滞留することになり、大気開放されたバーナ２ａから自然対流によって水素リッチガス経路内に空気が流入した場合、水素が爆発する恐れがあった。
【０００４】
そこで、この従来の燃料電池発電システムのように、発電運転停止時に遮断弁１５を開き、窒素設備１６から窒素供給管１４を介して不活性ガスとしての窒素を改質器１〜改質ガス供給管１７〜燃料電池９の水素極９ａ〜排水素接続管１２の経路に供給し、水素リッチガスを全てパージしバーナ２ａで燃焼させていた。
【０００５】
このように、従来の燃料電池発電システムでは、窒素によるパージ動作によって、水素が爆発することを未然に防止し、安全性を確保していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池発電システムでは、窒素によるパージ動作のため窒素ボンベなどの窒素設備１６を具備する必要があり、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などに用いた場合、大きなスペースが必要で機器のイニシャルコストがかかるという課題がある。また、窒素ボンベを定期的に交換・補充する必要もあり、ランニングコストもかかるという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、燃料電池による発電停止後の燃料電池発電システムに残っている水素リッチガスを窒素ガスを用いずにパージする燃料電池発電システム、及び燃料電池発電停止方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１に対応）は、原料ガスを利用して水素リッチガスを発生させる改質器と、その改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記改質器にパージ用空気を供給する第１空気供給手段と、前記改質器で発生した水素リッチガスと外部からの発電用空気とを利用して発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止し、水蒸気と、前記パージ用空気とをこの順に流す燃料電池発電システムである。
【０００９】
また、第２の本発明（請求項２に対応）は、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する際、前記改質器に水蒸気を供給し、又は前記改質器に水を供給し加熱し水蒸気を発生させ、
次いで、所定の時間経過後に、前記第１空気供給手段より前記改質器に前記パージ用空気を供給する第１の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１０】
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある実質上全ての水素リッチガスが水蒸気でパージされる時間を意味する第２の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１１】
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある水素リッチガスと前記パージ用空気とが接触して危険な状態にならないように、所定量の水蒸気を前記水素リッチガスと前記パージ用空気との間に存在させるに足る時間を意味する第２の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１２】
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、前記改質器に水素発生用水を供給する水供給手段と、前記改質器を加熱し前記水素発生用水を水蒸気にする加熱手段とを備え、
前記改質器は、前記水蒸気をも利用して前記水素リッチガスを発生させる第１から第４のいずれかの本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１３】
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、前記燃料電池の運転停止後でも、前記水素発生用水を加熱して水蒸気を発生させる第５の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１４】
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、前記加熱手段が、前記燃料電池から排出される水素オフガスを燃料に用いる第５又は第６の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１５】
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、前記加熱手段に水蒸気が到達した後に、前記改質器への前記水素発生用水の供給を停止するとともに、前記改質器に前記パージ用空気を供給する第７の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１６】
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、前記改質器の下流に設けられ、前記改質器で発生した水素リッチガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器と、その一酸化炭素除去器に一酸化炭素除去用空気を供給する第２空気供給手段とを備え、
前記燃料電池には、前記一酸化炭素除去器で一酸化炭素が除去された水素リッチガスが供給される第１から第８のいずれかの本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１７】
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、前記第１空気供給手段が前記第２空気供給手段の機能を兼ねており、
前記第１空気供給手段からの空気の供給先を、前記改質器又は前記一酸化炭素除去器に切り替える切替手段を備えた第９の本発明に記載の燃料電池発電システムである。
【００１８】
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、原料ガスを利用して水素リッチガスを発生させる改質器と、その改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記改質器にパージ用空気を供給する第１空気供給手段と、前記改質器で発生した水素リッチガスと外部からの発電用空気とを利用して発電する燃料電池とを用いて発電を行った後の燃料電池発電停止方法であって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止し、水蒸気と、前記パージ用空気とをこの順に流す燃料電池発電停止方法である。
【００１９】
また、第１２の本発明（請求項１２に対応）は、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する際、前記改質器に水蒸気を供給し、又は前記改質器に水を供給し加熱し水蒸気を発生させ、
次いで、所定の時間経過後に、前記第１空気供給手段より前記改質器に前記パージ用空気を供給する第１１の本発明に記載の燃料電池発電停止方法である。
【００２０】
また、第１３の本発明（請求項１３に対応）は、前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある実質上全ての水素リッチガスが水蒸気でパージされる時間を意味する第１２の本発明に記載の燃料電池発電停止方法である。
【００２１】
さらに、第１４の本発明（請求項１４に対応）は、前記所定の時間とは、前記燃料電池発電システムにある水素リッチガスと前記パージ用空気とが接触して危険な状態にならないように、所定量の水蒸気を前記水素リッチガスと前記パージ用空気との間に存在させるに足る時間を意味する第１２の本発明に記載の燃料電池発電停止方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムのシステム構成図である。１は改質器で、内部に改質反応を発生させるための改質触媒１ａが充填されている。改質器１には加熱手段２としてのバーナ２ａが備えつけられており、改質器１の上流１ｂ入口には原料ガス供給弁３と上流１ｂに合流するように接続された水供給手段４としての水ポンプ４ａおよび空気供給手段５としての空気ポンプ５ａが備えつけられている。なお、改質器１の上流１ｂと原料ガス供給弁３との間に、原料ガス中に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器６を設ける場合もある。また、３ａは改質器１に原料ガスを供給する原料ガス供給手段である。
【００２４】
７は、改質器１の下流に接続された一酸化炭素除去器で、内部に一酸化炭素除去反応をさせるための触媒７ａが充填されている。なお、改質器１と一酸化炭素除去器７との間に、変成反応によって一酸化炭素濃度をある程度低下させるための変成器８を設けることもある。９は、一酸化炭素除去器７の下流に接続された燃料電池で、水素極９ａと酸素極９ｂとから構成され、酸素極９ｂには送風機１０が接続されている。１１はこれらシステムの運転制御を行う制御装置である。
【００２５】
つぎに、本実施の形態１における動作を説明する。
【００２６】
発電運転を行う場合、まず原料ガス供給弁３を開き、炭化水素などの原料ガスを改質器１上流１ｂから改質器１に供給する。それとともに、改質器１に水供給手段４から水を供給する。そうすると、原料ガスは改質触媒１ａ内を通過する際バーナ２ａで加熱され、また改質器１に供給された水もバーナ２ａで加熱されて水蒸気となり、原料ガスと水蒸気との改質反応によって水素リッチガスが発生する。このように、本実施の形態１の改質器１では水蒸気改質方式の改質反応により、水素リッチガスを発生させる。
【００２７】
この水素リッチガスには一般的に一酸化炭素が含まれており、そのまま燃料電池９に供給すると水素極９ａの触媒が被毒され発電能力が低下する。特に固体高分子型燃料電池の場合は反応温度が低いためこの傾向が顕著に現れる。そこで、この水素リッチガスを一酸化炭素除去器７に送り、内部の触媒７ａで一酸化炭素除去反応させた後に、燃料電池９の水素極９ａに供給する。一方、燃料電池９の酸素極９ｂには送風機１０から空気が供給される。燃料電池９内では、水素極９ａに供給された水素と酸素極９ｂに供給された空気中の酸素とを反応させ、発電を行うものである。なお、原料ガスの代わりに液体燃料の炭化水素を用いても良い。
【００２８】
つぎに、発電運転を停止させる時の動作について説明する。まず原料ガス供給弁３を閉じ原料ガスの供給を停止させるとともに、水供給手段４としての水ポンプ４ａから供給された水が、改質器１内部に入りバーナ２ａで加熱蒸発され、水蒸気となって改質器１〜一酸化炭素除去器７〜燃料電池９の水素極９ａに送られ、外部に放出される。この動作は、残留する水素リッチガスをパージするものである。
【００２９】
そして、発電停止時に燃料電池発電システムに残っていた水素リッチガスの実質上全てが水蒸気によってパージされた後、バーナ２ａによる加熱と水ポンプ４ａによる水供給を停止し、空気供給手段５としての空気ポンプ５ａから供給された空気により、改質器１〜一酸化炭素除去器７〜燃料電池９の水素極９ａに残留する水蒸気をパージする。
【００３０】
ここで、発電運転停止直後に直接空気によるパージを行わないのは、水素リッチガスと空気との界面で爆発危険濃度の水素が生じ、改質器１内を通過する際に高温雰囲気中で爆発する可能性があるためである。また、水蒸気による水素リッチガスのパージを行った後に再度空気でパージを行うのは、水蒸気が滞留した場合やがて冷却され水滴となって経路内を腐食させる等の悪影響を与えることを防止するためである。
【００３１】
これら一連の動作を制御装置１１で行うことによって、発電運転停止後に水素リッチガスが経路内に滞留することなく、水素が爆発することを未然に防止し、安全性を確保することができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態では、発電停止時に燃料電池発電システムに残っていた水素リッチガスの実質上全てが水蒸気によってパージされた後、空気供給手段５から空気を改質器１に供給するとしたが、要するに、燃料電池９の運転を停止させる際、改質器１への原料ガスの供給を停止し、水蒸気と、パージ用空気とをこの順に流すことを特徴とする。
【００３３】
また、上述した実施の形態では、発電停止時に燃料電池発電システムに残っていた水素リッチガスの実質上全てが水蒸気によってパージされた後、空気供給手段５から空気を改質器１に供給するとした。しかしながら、燃料電池発電システムの下流側に水素リッチガスが残っている状態でも、その残っている水素リッチガスと空気供給手段５からのパージ用空気とが接触して危険な状態にならないように、所定量の水蒸気を水素リッチガスとパージ用空気との間に存在させた後であれば、空気供給手段５からパージ用空気を改質器１に供給してもよい。
【００３４】
また、上述した実施の形態では、発電停止時に燃料電池発電システムに残っている水素リッチガスをパージするための水蒸気を、改質器１に供給した水を加熱することによって得るとしたが、改質器１に水蒸気を供給し、その水蒸気を利用して水素リッチガスをパージするとしてもよい。
【００３５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのシステム構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。１２は、燃料電池９の水素極９ａから排出される水素オフガスをバーナ２ａに供給させるための排水素接続管である。
【００３６】
つぎに、本実施の形態２における動作を説明する。
【００３７】
燃料電池９の水素極９ａで水素の大半は発電反応により消費されるが、若干量は水素オフガスとして排出される。この水素オフガスを排水素接続管１２でバーナ２ａに導き、燃料として使用することにより有効利用するとともに、残存水素を外部に放出せず全て燃やし尽くす。
【００３８】
この実施の形態２では、発電運転停止時は、実施の形態１と同様、まず水蒸気による水素リッチガスのパージを行うが、水蒸気がバーナ２ａに到達した時点で、改質器１への水の供給を停止させ、その後空気によって水蒸気をパージさせ、改質器１への水の供給停止時には既に水素は全て燃え尽きているため、よりいっそうの安全性が確保できる。
【００３９】
なお、上述した実施の形態１及び２では、改質器１では、原料ガス（炭化水素）と水蒸気とを利用して水蒸気改質方式の改質反応によって水素リッチガスを発生させるとしたが、改質器１では水蒸気を利用しない方式、例えば部分酸化方式などの改質反応によって水素リッチガスを発生させるとしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施の形態１及び２では、原料ガス（炭化水素）と改質反応させる水蒸気を生成するために、水供給手段４から水を改質器１に供給するとともに、発電停止後の水素リッチガスをパージするための水蒸気を生成するためにも、水供給手段４から水を改質器１に供給するとした。そうすると、水蒸気改質方式においてコストを上昇させることなく水素リッチガスのパージが可能となり、低コストで安全性を確保することができる。しかしながら、改質反応させる水蒸気を生成するための水の供給源と、発電停止後の水素リッチガスをパージするための水蒸気を生成するための水の供給源とを別々にしてもよい。
【００４１】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムのシステム構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。実施の形態３において、一酸化炭素除去器７は一酸化炭素と空気とを選択的に反応させる選択酸化方式のものである。一般に選択酸化方式の場合は一酸化炭素除去器７に空気を供給する必要があるが、この空気供給装置を空気供給手段５としての空気ポンプ５ａと兼用したもので、切替手段１３によって一酸化炭素除去器７と改質器１上流１ｂに適宜空気供給を切替えるものである。
【００４２】
つぎに、本実施の形態３における動作を説明する。発電運転停止時は、実施の形態１と同様、水蒸気のパージを行うための空気を空気ポンプ５ａによって供給するが、この空気ポンプ５ａを利用して発電運転中も切替手段１３で一酸化炭素除去器７に空気供給を切替えることによって、一酸化炭素除去器７の一酸化炭素除去反応を継続しつづける。
【００４３】
その結果、選択酸化方式においてコストを上昇させることなく水素リッチガスおよび水蒸気のパージが可能となり、低コストで安全性を確保することができる。
【００４４】
なお、上述した実施の形態では、一酸化炭素除去器７への空気の供給源と、発電停止後に改質器１へ供給する空気の供給源とを空気供給手段５としての空気ポンプ５ａで兼用するとしたが、一酸化炭素除去器７への空気の供給源と、改質器１への空気の供給源とを別々にしてもよい。
【００４５】
上述したように、本発明の実施の形態により、発電運転停止後に水素リッチガスが経路内に滞留することなく、水素が爆発することを未然に防止し、安全性を確保できる燃料電池発電システムが提供される。また、水蒸気による水素リッチガスのパージを行う構造をとるため、従来の窒素によるパージ動作のため窒素ボンベなどの窒素設備を具備する必要がなく、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などに用いた場合、機器をコンパクトにし、イニシャルコストを低減できる。さらに、窒素ボンベを定期的に交換・補充する必要がなく、ランニングコストも低減できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、燃料電池による発電停止後の燃料電池発電システムに残っている水素リッチガスを窒素ガスを用いずにパージする燃料電池発電システム、及び燃料電池発電停止方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムのシステム構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのシステム構成図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムのシステム構成図
【図４】従来の燃料電池発電システムのシステム構成図
【符号の説明】
１  改質器
１ｂ  上流
２  加熱手段
２ａ  バーナ
４  水供給手段
５  空気供給手段
７  一酸化炭素除去器
９  燃料電池
１１  制御装置
１３  切替手段
【図１】
0003686062.tif 000002
【図２】
0003686062.tif 000003
【図３】
0003686062.tif 000004
【図４】
0003686062.tif 000005