(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体の燃料極から排出されるオフガスをエゼクタによってリサイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな燃料ガスに前記オフガスを混合させた上で前記燃料極に供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体のオフガス出口と前記エゼクタの吸込口との間に配管したオフガスのリサイクル回路と、
該リサイクル回路を開閉するリサイクルラインバルブと、
前記エゼクタの吸込口付近の圧力を検知する圧力センサと、
前記リサイクル回路のオフガス出口と前記リサイクルラインバルブ間から分岐して大気側に開放するガスパージラインと、
該ガスパージラインを開閉するガスパージラインバルブと、
を備えてなり、
リサイクル開始時に前記リサイクルラインバルブを閉じる一方前記ガスパージラインバルブを開けた状態で、前記圧力センサが検出した吸い込み圧力が所定値以上となった後に、前記リサイクルラインバルブを開ける一方前記ガスパージラインバルブを閉じることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記リサイクル回路の配管径は燃料ガス供給回路から燃料電池本体に至るガス流路の配管径の０．５〜１倍であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力センサで検知されるエゼクタ吸込圧力が所定値より減少した場合、前記リサイクルラインバルブを閉じた後に、前記ガスパージラインバルブを開けることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガスパージラインバルブの開閉動作は、前記リサイクル回路内のガス圧力が前記燃料電池本体の許容圧力を超えないように制御されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
リサイクルするオフガスを前記ガスパージラインバルブから系外に放出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される燃料オフガスをリサイクルし、外部より新たに供給した水素リッチな燃料ガスにオフガスを混合させて燃料電池の燃料極に再循環させるようにした燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近になり、例えば食塩電解工場、ある種の合成化学工場などで主製品の生産に伴う副生物として得られる副生水素を、燃料電池の原燃料ガスとして利用するオンサイト用燃料電池発電装置の開発が進められている。
【０００３】
また、通常燃料電池発電装置において、水素利用率は６０〜８０％であり、燃料極から排出されるオフガスには燃料電池の電気化学反応に寄与しなかった水素が含まれている。このため、原燃料の消費量節減、並びに燃料電池の水素利用効率を高めて出力特性の改善を図ることを狙いに、燃料電池から排出されるオフガスをリサイクルし、外部より新たに供給した水素リッチな燃料ガスにオフガスをエゼクタなどを介して混合させた上で燃料電池に供給するオフガスリサイクル方式の燃料電池（例えば、特開平９−２２７１４号公報）が知られている。
【０００４】
図４は前記オフガスリサイクル方式を採用した従来の燃料電池システムの構成図である。同図において、燃料電池（燃料電池本体）１は、模式的に表した燃料極１ａ、空気極１ｂ、冷却板１ｃを備えている。２はサイト側の副生水素供給源に通じる燃料ガス供給回路、３は燃料ガス供給回路２に介装したエゼクタ（エゼクタポンプとも呼ばれ、燃料ガスを作動ガスとして作動するポンプ）、４は燃料電池１の燃料のオフガス出口とエゼクタ３との間に配管したオフガスのリサイクル回路、５は空気極１ｂへ空気を供給する空気供給回路、６は外部から取り入れた空気を空気供給回路に送り込む空気ブロアである。
【０００５】
かかる構成において、燃料ガスと空気とを燃料電池１のそれぞれ燃料極１ａ、空気極１ｂに供給し、その電気化学的反応で発電することは周知の通りである。また、燃料電池１の燃料極１ａから排出したオフガスは、リサイクル回路４を経由してエゼクタ３に吸い込まれ、ここで外部から新たに供給された燃料ガスと混合され、再度燃料極１ａへ供給されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のエゼクタを用いたオフガスリサイクル方式においては、特に始動時や低負荷時にエゼクタに供給された燃料ガスがエゼクタ吸込口へ流れ込み、リサイクル回路４をガスパージライン７方向へと逆流することがあるため、リサイクル回路４には燃料電池１のガス入り口・出口への配管よりも一般に径の細い（例えば燃料ガス供給回路の配管の０．５倍以下に細い）配管を用いるなどして圧力損失が与えられている。このため、負荷が高まってエゼクタが定常的な運転状態になったとき、リサイクル回路４の配管径が細いとリサイクルされるガスの流量が制限されてしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをリサイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな燃料ガスに前記オフガスを混合させた上で燃料電池の燃料極に供給して発電を行う燃料電池発電装置を対象に、リサイクル回路中をガスが逆流することを防止するとともに、リサイクル回路の配管径の大きなものを用いることでリサイクル流量を大きくできるようにした燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、燃料電池本体の燃料極から排出されるオフガスをエゼクタによってリサイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな燃料ガスに前記オフガスを混合させた上で前記燃料極に供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池本体のオフガス出口と前記エゼクタの吸込口との間に配管したオフガスのリサイクル回路と、該リサイクル回路を開閉するリサイクルラインバルブと、前記エゼクタの吸込口付近の圧力を検知する圧力センサと、前記リサイクル回路のオフガス出口と前記リサイクルラインバルブ間から分岐して大気側に開放するガスパージラインと、該ガスパージラインを開閉するガスパージラインバルブと、を備えてなり、リサイクル開始時に前記リサイクルラインバルブを閉じる一方前記ガスパージラインバルブを開けた状態で、前記圧力センサが検出した吸い込み圧力が所定値以上となった後に、前記リサイクルラインバルブを開ける一方前記ガスパージラインバルブを閉じることを要旨とする燃料電池システムである。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記リサイクル回路の配管径は燃料ガス供給回路から燃料電池本体に至るガス流路の配管径の０．５〜１倍であることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するために請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力センサで検知されるエゼクタ吸込圧力が所定値より減少した場合、前記リサイクルラインバルブを閉じた後に、前記ガスパージラインバルブを開けることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するために請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記ガスパージラインバルブの開閉動作は、前記リサイクル回路内のガス圧力が前記燃料電池本体の許容圧力を超えないように制御されることを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するために請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、リサイクルするオフガスを前記ガスパージラインバルブから系外に放出することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池本体の燃料極から排出されるオフガスをエゼクタによってリサイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな燃料ガスに前記オフガスを混合させた上で前記燃料極に供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池本体のオフガス出口と前記エゼクタの吸込口との間に配管したオフガスのリサイクル回路と、該リサイクル回路を開閉するリサイクルラインバルブと、前記エゼクタの吸込口付近の圧力を検知する圧力センサと、前記リサイクル回路のオフガス出口と前記リサイクルラインバルブ間から分岐して大気側に開放するガスパージラインと、該ガスパージラインを開閉するガスパージラインバルブと、を備えて構成し、リサイクル開始時に前記リサイクルラインバルブを閉じる一方前記ガスパージラインバルブを開けた状態で、前記圧力センサが検出した吸い込み圧力が所定値以上となった後に、前記リサイクルラインバルブを開ける一方前記ガスパージラインバルブを閉じるようにしたので、圧力センサにより実際にリサイクルラインの圧力低下を検出してからリサイクルラインバルブを開くことができるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記リサイクル回路の配管径は燃料ガス供給回路から燃料電池本体に至るガス流路の配管径の０．５〜１倍としたので、リサイクル回路の流体抵抗が小さくなり、燃料電池の負荷が大きい場合の燃料ガスのリサイクル流量を充分確保することができるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、前記圧力センサで検知されるエゼクタ吸込圧力が所定値より減少した場合、前記リサイクルラインバルブを閉じた後に、前記ガスパージラインバルブを開けるようにしたので、燃料電池の始動時のみならず低負荷時等一時的にエゼクタ吸い込み圧力が低下した場合にもリサイクルラインにおける逆流を防止し、それによる燃料電池の出力低下を防ぐことができるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の発明の効果に加えて、前記ガスパージラインバルブの開閉動作は、前記リサイクル回路内のガス圧力が前記燃料電池本体の許容圧力を超えないように制御されるようにしたので、過剰なガス圧力によるスタックの破損を防止することができるという効果がある。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の発明の効果に加えて、リサイクルするオフガスを前記ガスパージラインバルブから系外に放出するようにしたので、ガス中の不純物成分や凝縮水の蓄積による燃料電池の出力低下を防ぐことができるという効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示すシステム構成図であり、請求項１に対応する。図１において、オフガスのリサイクル回路４を開閉するリサイクルラインバルブ１２と、ガスパージライン７を開閉するガスパージラインバルブ１３とが設けられている。また、エゼクタ３の吸込口付近にエゼクタ効果により低下する圧力を検知する圧力センサ１１が設けられている。この圧力センサ１１は、エゼクタ効果によって最も圧力が低くなる位置に設けられるのが望ましい。
【００２３】
なお、図１において図４に示した従来の燃料電池システムにおける燃料ガス系統のシステムフロー図の構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号が付されており、重複する説明は省略する。但し、リサイクル回路４を構成する管路の配管径は、図４とは異なり、燃料ガス供給回路２から燃料電池１に至るガス流路の配管径の０．５〜１倍とされている（請求項２）。このため、燃料電池の負荷が大きいときに、充分なリサイクルガス流量を確保できるようになっている。
【００２４】
この燃料電池システムの始動時において、リサイクルラインバルブ１２を閉じ、ガスパージラインバルブ１３を開けた状態で、エゼクタ３の吸い込み圧が十分大きくなり、リサイクルライン１２の圧力が低下したのを圧力センサ１１で検知した後に、リサイクルラインバルブ１２を開け、ガスパージラインバルブ１３を閉じることで、リサイクル回路４の配管径が大きくてもリサイクル回路４にガスが逆流することなく燃料電池１にガスを循環供給することができる（請求項１）。
【００２５】
運転中何らかの原因でエゼクタ吸い込み圧力が所定値より減少した場合には、これを圧力センサ１１で検知してリサイクル回路へのガスの逆流を防止するためにリサイクルラインバルブ１２を閉じ、ガスパージラインバルブ１３を開ける（請求項３）。
【００２６】
ここで、さらにガスパージラインバルブ１３の開閉動作は、リサイクル回路４の配管内のガス圧力が燃料電池１の許容圧力を越えない圧力範囲となるように制御される（請求項４）。
【００２７】
またガス中の不純物成分や凝縮水を排出するために、リサイクルするオフガスをガスパージラインバルブ１３を開いてガスパージライン７から系外に放出する（請求項５）。
【００２８】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池システムの運転方法を説明する。
【００２９】
図３において、まず運転開始時に、リサイクルラインバルブを閉じ（ステップＳ１０）、ガスパージラインバルブを開く（ステップＳ１２）。この状態で燃料ガス供給回路から燃料ガスを供給し、圧力センサが検出するエゼクタの吸い込み圧力が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１４）。所定値以上でなければ、ステップＳ１０へ分岐する。所定値以上であれば、次いでリサイクルラインバルブを開き（ステップＳ１６）、ガスパージラインバルブを閉じて（ステップＳ１８）、定常運転（ステップＳ２０）となり、再び圧力センサの検出値を判定するため、ステップＳ１４へ移る。
【００３０】
もし低負荷運転等の理由でステップＳ１４の判定がＮｏとなれば、ステップ１０以下の処理により、リサイクルラインバルブが閉じられ、ガスパージラインバルブが開くので、燃料ガス供給回路からエゼクタを経てリサイクル回路へ燃料ガスが逆流することが防止される。
【００３１】
〔第２実施形態〕
図２は、第１実施形態の圧力センサ１１に代えて、燃料ガス供給回路２にガス流量計１４を備えた第２実施形態の構成を示したものである。供給される燃料ガスの温度・圧力・加湿度が明らかであれば、ガス流量計１４を流れる燃料ガスの流量からエゼクタ３の吸い込み圧を推測することができる。
【００３２】
以上説明したように本発明によれば、始動時および低負荷時にリサイクルラインバルブとガスパージラインバルブを協調させて開閉制御してエゼクタを運転すれば、エゼクタの吸い込み圧力が生じてからリサイクル運転を開始できるので、従来のようにリサイクル回路に用いる配管の直径を小さくする必要がなく、それによって小さなエゼクタを用いても定格運転時には大きな流量のガスを流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの運転方法の動作を説明するフローチャートである。
【図４】従来の燃料電池システムにおけるオフガスリサイクル方式を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
１ａ  燃料極
１ｂ  空気極
２  燃料ガス供給回路
３  エゼクタ
４  オフガスのリサイクル回路
５  空気供給回路
６  空気ブロア
７  ガスパージライン
１１  圧力センサ
１２  リサイクルラインバルブ
１３  ガスパージラインバルブ
１４  流量計
【図１】
0003582493.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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