(57)【要約】【課題】  窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで反応器を損傷させることなく、空気や凝縮水で触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易にシステムを停止することができる燃料電池発電システムおよびその停止方法の提供。【解決手段】  燃料改質装置１０と燃料電池１１とを具備する燃料電池発電システム１Ｂであって、燃料改質装置１０への燃料ガス供給部１６と燃料改質装置１０からの改質ガス排出部１７とを連絡する循環ガス循環経路１８を設けるとともに系外からの空気導入手段２０を備えた触媒燃焼器２１を有し、触媒燃焼器２１と燃料改質装置１０間を連結する循環ガス循環経路１８に逆止弁３０を設けたことにより、課題を解決できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する燃料改質装置と、改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを具備する燃料電池発電システムであって、
前記燃料改質装置への燃料ガス供給部と前記燃料改質装置からの改質ガス排出部とを連絡する循環ガス循環経路を設けるとともに系外からの空気導入手段を備えた触媒燃焼器を有し、前記触媒燃焼器と前記燃料改質装置間を連結する前記循環ガス循環経路に逆止弁を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記逆止弁と前記触媒燃焼器間を連結する前記循環ガス循環経路から分岐した経路を設け、前記分岐した経路に閉止弁およびバッファタンクを備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記閉止弁のかわりに真空破壊弁を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記循環ガス循環経路内に気液分離装置を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記循環ガス循環経路内に圧力計測手段を設けたことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池発電システムの燃料改質装置の停止直後に前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とし、その後前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第１規定値以上になった時点で前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とし、そして前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第２規定値以下になった時点で前記触媒燃焼器へ空気導入手段により空気供給を開始するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とすることを特徴とする燃料電池発電システムの停止方法。
【請求項７】
前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第３規定値となった時点で前記触媒燃焼器への空気供給を停止するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とすることを特徴とする請求項６記載の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な燃料電池発電システムおよびその停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料ガス中に含まれる硫黄を除去する脱硫器と、燃料ガスを水蒸気と反応させて水素に改質する改質器（ＲＦ）と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器（ＳＨ）と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）と、このようにして得られた水素（改質ガス）と空気中の酸素などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池とを備えた小型電源としての燃料電池発電システムが提案されている（例えば特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
燃料極（ＡＮ）に水素を含む燃料ガス、空気極（ＣＡ）に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。
【０００４】
図１１に従来の燃料電池発電システムを示す。
図１１に示すように、燃料電池発電システム１Ａは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料ガス（ＬＰＧ）を、閉止弁２を経て脱硫器へ送って脱硫した後、逆止弁４０を経て改質器（ＲＦ）へ送り、一方、水を閉止弁１を経て気化器へ送って気化して逆止弁５０を経て改質器（ＲＦ）へ水蒸気を送って燃料ガスを水素に改質した後、得られた改質ガスをＣＯ変成器（ＳＨ）へ送って改質ガス中の一酸化炭素を変成し、次いでＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）へ送って一酸化炭素を除去する燃料改質装置１０を備えている。
この燃料改質装置１０で得られたＣＯ濃度を低減した水素を閉止弁４を経て燃料電池１１の燃料極（ＡＮ）へ送るとともに、空気を燃料電池１１の空気極（ＣＡ）へ送って、燃料極（ＡＮ）に供給された改質ガス中の水素と、空気極（ＣＡ）へ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
水蒸気改質による反応は吸熱反応であり、改質反応を維持するための加熱媒体として改質器用バーナ１２が使用される。
燃料電池１１から排出される水素ガス（オフガス）は閉止弁８を経てバーナ１２に供給されるとともに、必要に応じて燃料ガス（ＬＰＧ）が閉止弁３を経てバーナ１２に追加されて燃焼用空気により燃焼して改質器（ＲＦ）の改質反応に必要な熱量を供給するようになっている。
【０００５】
燃料電池発電システム１Ａの停止時にはシステム中に可燃性ガスが残留しているとともに、システム中には十分気化していない液体の水が残留しており、出入口を閉止すると、水の気化により反応器内の圧力が上昇したり、出入口を閉止したまま温度が低下すると、反応器内の水蒸気が凝縮して、圧力低下が発生し、反応器内が負圧となり反応器を破損したり、凝縮水が触媒に悪影響を及ぼす問題がある。
一方、出口を開放したまま温度が低下すると、反応器内が負圧になり、外部空気が反応器内に混入し反応触媒が酸化により劣化する問題があり、例えばＣＯ変成触媒にＣｕ−Ｚｎ系触媒などを使用すると、酸化反応により反応器が発熱する問題が生じる。
【０００６】
そこで、燃料ガス供給部の脱硫器の前に開閉弁を備えた窒素ボンベからの窒素供給経路１３を設けるとともに、燃料電池１１から排出される水素ガス（オフガス）の経路１４に開閉弁を備えた排出経路１５を設け、燃料電池発電システム１Ａの停止時に閉止弁１、２、３を閉めて、窒素ガスを窒素ボンベから燃料ガス供給部を経て燃料改質装置１０、燃料電池１１へ送り排出経路１５から大気に放出するなどしてシステム内を窒素ガスで置換するようにしている。
【特許文献１】特開２００３−２１７６２０号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７６２３号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、窒素ガスボンベをシステムに組み込んで使用する方法では窒素ガスボンベ中のガス量のチェック、窒素ガスボンベの交換などの必要があり、システムの管理が煩雑になり、コストアップになるという問題があった。
【０００８】
本発明の第１の目的は、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、安全に経済的にかつ容易にシステムを停止することができる燃料電池発電システムであって、停止時に出入口を閉止した際に発生する反応器内の圧力上昇を抑え、また出入口を閉止したまま温度が低下する際に発生する反応器内の圧力低下を抑えて、反応器が破損したり、凝縮水が触媒に悪影響を及ぼすのを防止し、また反応器内が負圧になって外部空気が混入し反応触媒が酸化により劣化したり、酸化反応により反応器が発熱するのを防止した燃料電池発電システムを提供することであり、
本発明の第２の目的は、燃料電池発電システムを経済的にかつ容易に停止する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解消するための本発明の請求項１に記載の燃料電池発電システムは、燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する燃料改質装置と、改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを具備する燃料電池発電システムであって、
前記燃料改質装置への燃料ガス供給部と前記燃料改質装置からの改質ガス排出部とを連絡する循環ガス循環経路を設けるとともに系外からの空気導入手段を備えた触媒燃焼器を有し、前記触媒燃焼器と前記燃料改質装置間を連結する前記循環ガス循環経路に逆止弁を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の燃料電池発電システムは、請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記逆止弁と前記触媒燃焼器間を連結する前記循環ガス循環経路から分岐した経路を設け、前記分岐した経路に閉止弁およびバッファタンクを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の燃料電池発電システムは、請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記閉止弁のかわりに真空破壊弁を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の燃料電池発電システムは、請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記循環ガス循環経路内に気液分離装置を設けたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の燃料電池発電システムは、請求項２から請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記循環ガス循環経路内に圧力計測手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６は、請求項５記載の燃料電池発電システムの燃料改質装置の停止直後に前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とし、その後前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第１規定値以上になった時点で前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とし、そして前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第２規定値以下になった時点で前記触媒燃焼器へ空気導入手段により空気供給を開始するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とすることを特徴とする燃料電池発電システムの停止方法である。
【００１５】
本発明の請求項７は、請求項６記載の停止方法において、前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第３規定値となった時点で前記触媒燃焼器への空気供給を停止するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に記載の燃料電池発電システムは、燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する燃料改質装置と、改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを具備する燃料電池発電システムであって、
前記燃料改質装置への燃料ガス供給部と前記燃料改質装置からの改質ガス排出部とを連絡する循環ガス循環経路を設けるとともに系外からの空気導入手段を備えた触媒燃焼器を有し、前記触媒燃焼器と前記燃料改質装置間を連結する前記循環ガス循環経路に逆止弁を設けたので、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させることなく、空気や凝縮水で触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に燃料電池発電システムを停止することができる、という顕著な効果を奏する。
【００１７】
すなわち、燃料電池発電システムの停止時には燃料電池発電システムへの原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池本体への改質ガスの供給も停止する。  前記燃料改質装置中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じた時は、この高圧のガスを前記循環ガス循環経路に導入して緩和するので高圧のガスで反応器が損傷を受けたりすることがなくなる。
また、水蒸気が凝縮したりして負圧が大きくなった時は、系外から空気導入手段を経て触媒燃焼器にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を送って系内の高圧の改質ガスを燃焼させ、前記空気中の酸素を消費して窒素にして、窒素を前記循環ガス循環経路を経て前記燃料改質装置へ繰り返し送るようにできるので、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで反応器が損傷を受けたりせず、負圧で外部空気がシステム中に混入して反応器が損傷を受けたりせず、また触媒が空気や凝縮水で劣化しない、という顕著な効果を奏する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の燃料電池発電システムは、請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記逆止弁と前記触媒燃焼器間を連結する前記循環ガス循環経路から分岐した経路を設け、前記分岐した経路に閉止弁およびバッファタンクを備えたので、燃料電池発電システムの停止時に高圧の改質ガスを主体とするガスが生じた時は、この高圧のガスを前記循環ガス循環経路に導入し、前記分岐した経路の閉止弁を開けて前記バッファタンク内に入れて緩和できるので高圧の改質ガスを主体とするガスで反応器が損傷を受けない。
また水蒸気が凝縮したりして負圧が大きくなった時は、系外から空気導入手段を経て触媒燃焼器にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を送るとともに、前記バッファタンク内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ触媒燃焼器に送って、燃焼させ、前記空気中の酸素を消費して窒素にして窒素を前記循環ガス循環経路を経て前記燃料改質装置へ繰り返し送るようにできるので、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで反応器が損傷を受けたりせず、負圧で外部空気がシステム中に混入して反応器が損傷を受けたりせず、また触媒が空気や凝縮水で劣化しないようにできる、というさらなる顕著な効果を奏する。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の燃料電池発電システムは、請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記閉止弁のかわりに真空破壊弁を備えたので、真空・圧力に応じて機械的に自動的に開閉するため電力を節約できるという、さらなる顕著な効果を奏する。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の燃料電池発電システムは、請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記循環ガス循環経路内に気液分離装置を設けたので、例えば、前記バッファタンク内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ気液分離器を経て触媒燃焼器に送って、燃焼させることができ、また、前記空気中の酸素を消費して窒素にして、この窒素中の水蒸気は気液分離器で分離し、水分を分離した窒素を前記循環ガス循環経路を経て前記燃料改質装置へ繰り返し送るようにできるので、前記燃料改質装置の触媒が凝縮水で劣化しないようにできる、というさらなる顕著な効果を奏する。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の燃料電池発電システムは、請求項２から請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記循環ガス循環経路内に圧力計測手段を設けたので、この圧力計測手段により前記循環ガス循環経路内の圧力を計測し、それにより開閉弁の開閉を行って、例えば負圧が大きくなった時は系外から空気導入手段を経て触媒燃焼器に空気を送ったり、前記バッファタンク内に入れた高圧の改質ガスを触媒燃焼器に送ったりすることができる、というさらなる顕著な効果を奏する。
【００２２】
本発明の請求項６は、請求項５記載の燃料電池発電システムの燃料改質装置の停止直後に前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とし、その後前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第１規定値以上になった時点で前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とし、そして前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第２規定値以下になった時点で前記触媒燃焼器へ空気導入手段により空気供給を開始するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態とすることを特徴とする燃料電池発電システムの停止方法であり、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで反応器を損傷させずに、触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に燃料電池発電システムを停止することができる、という顕著な効果を奏する。
【００２３】
すなわち、燃料電池発電システムの停止時には燃料電池発電システムへの原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池本体への改質ガスの供給も停止する。  前記燃料改質装置中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じるので、前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態としこの高圧のガスを前記循環ガス循環経路に導入して前記バッファタンク内に入れて高圧を緩和するようにする。
そして圧が低下して前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第１規定値以下になった時点で前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態として導入した改質ガスを蓄える。
そして圧がさらに低下して負圧になり前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第２規定値以下になった時点で、系外から空気導入手段を経て触媒燃焼器にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を送るとともに、前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を連通状態として前記バッファタンク内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ、気液分離器で水分を分離した後、触媒燃焼器に送って燃焼させる。
そして、前記空気中の酸素を消費して窒素にして、この窒素中の水蒸気は気液分離器で分離し、水分を分離した窒素を前記循環ガス循環経路を経て前記燃料改質装置へ繰り返し送るようにしたので、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで装置が損傷を受けたりせず、負圧で外部空気がシステム中に混入して配管などの装置が損傷を受けたりせず、空気や凝縮水で前記各触媒を劣化させることがない、という顕著な効果を奏する。
【００２４】
本発明の請求項７は、請求項６記載の停止方法において、その後、前記循環ガス循環経路内の圧力が予め設定した第３規定値となった時点で前記触媒燃焼器への空気供給を停止するとともに前記バッファタンクと前記循環ガス循環経路との間を非連通状態とするので、前記バッファタンク内の圧力を維持でき、繰り返し前記バッファタンク内のガスを使用して負圧を解消できる、というさらなる顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に本発明を図を用いて実施の形態に基づいて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の燃料電池発電システムの１例を模式的に説明する説明図である。
図１に示すように、本発明の燃料電池発電システム１Ｂは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料ガス（ＬＰＧ）を、燃料ガス供給部１６の閉止弁２を経て脱硫器へ送って、脱硫した後、逆止弁４０を経て改質器（ＲＦ）へ送り、一方、水を閉止弁１を経て気化器へ送って気化して水蒸気として逆止弁５０を経て改質器（ＲＦ）へ送って水蒸気を添加して燃料ガスを水素に改質した後、得られた改質ガスをＣＯ変成器（ＳＨ）へ送って改質ガス中の一酸化炭素を変成し、次いでＣＯ除去器（ＰＲＯＸ）へ送って一酸化炭素を除去する燃料改質装置１０を備えている。
この燃料改質装置１０で得られたＣＯ濃度を低減した水素を改質ガス排出部１７の改質ガス供給経路１９の閉止弁４を経て燃料電池１１の燃料極（ＡＮ）へ送るとともに、空気を燃料電池１１の空気極（ＣＡ）へ送って、燃料極（ＡＮ）に供給された改質ガス中の水素と、空気極（ＣＡ）へ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
水蒸気改質による反応は吸熱反応であり、改質反応を維持するための加熱媒体として改質器用バーナ１２が使用される。
燃料電池１１から排出される水素ガス（オフガス）が閉止弁８を経てバーナ１２に供給されるとともに、必要に応じて燃料ガス（ＬＰＧ）が閉止弁３を経てバーナ１２に追加されて燃焼用空気により燃焼して改質器（ＲＦ）の改質反応に必要な熱量を供給するようになっている。
【００２６】
本発明の燃料電池発電システム１Ｂは、燃料改質装置１０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１６と燃料改質装置１０から改質ガスを排出する改質ガス排出部１７を連絡する循環ガス循環経路１８が、燃料電池１１本体への改質ガス供給経路１９とは別に設けられている。
そして、循環ガス循環経路１８には、圧力計測手段２２、逆止弁３０、気液分離器２３、系外からの空気導入手段２０（閉止弁７）を備えた触媒燃焼器（水素を燃焼させるための例えば担体に担持した白金触媒などを充填してある）２１、気液分離器２４、閉止弁６を設けるとともに、逆止弁３０と触媒燃焼器２１間を連結する循環ガス循環経路１８に循環ガス循環経路１８から分岐した経路２５を設け、分岐した経路２５に閉止弁５およびバッファタンク２６が設けられている。
循環ガス循環経路１８は燃料ガス供給部１６の逆止弁４０の後に連結されており、そして循環ガス循環経路１８内のガスを循環できるようになっている。
【００２７】
図２は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
図３は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
図２の左縦軸は燃料改質装置内の圧力（実線）、右縦軸は改質器（ＲＦ）内温度（波線）、横軸は経過時間を示し、経過時間に対応する温度、圧力、閉止弁１〜８の開閉状態を示してある。
【００２８】
図２、３に示すように、燃料電池発電システム１Ｂの停止時には、閉止弁１、２、３、４、８を閉める（閉止弁６、７は運転中は閉めてある）。そして閉止弁５を開ける。このようにして原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池１１本体への改質ガスの供給も停止すると燃料改質装置１０中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じるが、この高圧のガスは循環ガス循環経路１８に入り、逆止弁３０を通って分岐した経路２５に入り閉止弁５を経てバッファタンク２６に導入される。高い圧力は緩和され、時間経過とともに燃料改質装置１０内の圧力と温度は低下する。
【００２９】
圧力計測手段２２により計測された圧力が０ｋＰａ以下になった時（循環ガス循環経路１８内の水蒸気が凝縮したりして負圧が大きくなった時）、閉止弁７、閉止弁６を開く。
そして、系外から空気導入手段２０（閉止弁７）を経て触媒燃焼器２１にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を送る。
同時にバッファタンク２６内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ閉止弁５を経た後、気液分離器２３で水分を分離し、触媒燃焼器２１に送って、改質ガスを燃焼させ、空気中の酸素を消費して、残ガスは窒素主体のガスにする。
この窒素中の水蒸気を気液分離器２４で分離し、水分を分離した窒素を閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。
【００３０】
そして圧力計測手段２２により計測された圧力が−０．５ｋＰａ以上になったら閉止弁７を閉じる。閉止弁７を閉じた際、バッファタンク２６内の圧力を保持することで、次回の触媒燃焼器２１への改質ガス供給が可能になるので閉止弁５も閉じることが好ましい。
そして同圧力が−３ｋＰａ以下になったら閉止弁７を開け前記のように水分を分離した窒素を閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。そして、同圧力が−０．５ｋＰａ以上になったら閉止弁７を閉じる。
そして、改質器（ＲＦ）の図示しない温度計による温度計測を行い、室温になるまでこの操作を繰り返し、室温になったら閉止弁５、閉止弁６を閉じ、次回の運転まで待機する。
このようにして燃料電池発電システムを停止することにより、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させずに、また各触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に停止することができる。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図４は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの他の実施の形態の停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
図５は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの他の実施の形態の停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
図４の左縦軸は燃料改質装置内の圧力（実線）、右縦軸は改質器（ＲＦ）内温度（波線）、横軸は経過時間を示し、経過時間に対応する閉止弁１〜８の開閉状態を示してある。
【００３２】
第２の実施の形態は、図１に示したバッファタンク２６として、内容積可変の構造を有する膨張タンク、例えば、水封式可動タンクやジャバラ式あるいはシリンダ式あるいは風船式などの内容積可変の構造を有する膨張タンクを用いた以外は第１の実施の形態と同様になっている。
図４、５に示すように、燃料電池発電システム１Ｂの停止時には、閉止弁１、２、３、４、８を閉める（閉止弁６、７は運転中は閉めてある）。そして閉止弁５を開ける。このようにして原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池１１本体への改質ガスの供給も停止すると燃料改質装置１０中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じるが、この高圧のガスは循環ガス循環経路１８に入り、逆止弁３０を通って分岐した経路２５に入り閉止弁５を経てバッファタンク（内容積可変の構造を有する膨張タンク）２６に導入され、この高い圧力は容易に緩和されほぼ０ｋＰａ（大気圧）となり、温度は時間とともに低下する。
【００３３】
圧力計測手段２２により計測された圧力が０ｋＰａ以下になった時以降は、図５に示したように、閉止弁７、閉止弁６を開く。そして、系外から空気導入手段２０（閉止弁７）を経て触媒燃焼器２１にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を吸引させるとともに、バッファタンク２６内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ閉止弁５を経た後、気液分離器２３で水分を分離し、触媒燃焼器２１に送って、改質ガスを燃焼させ、空気中の酸素を消費して、残ガスは窒素主体のガスにして、この窒素中の水蒸気を気液分離器２４で分離し、水分を分離した窒素を閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。
そして圧力計測手段２２により計測された圧力が−０．５ｋＰａ以上になったら閉止弁７を閉じる。閉止弁７を閉じた際、バッファタンク２６内の圧力を保持することで、次回の触媒燃焼器２１への改質ガス供給が可能になるので閉止弁５も閉じることが好ましい。
そして同圧力が−３ｋＰａ以下になったら閉止弁７を開け前記のように水分を分離した窒素を閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。そして、同圧力が−０．５ｋＰａ以上になったら閉止弁７を閉じる。
そして、改質器（ＲＦ）の図示しない温度計による温度計測を行い、室温になるまでこの操作を繰り返し、室温になったら閉止弁５、閉止弁６を閉じ、次回の運転まで待機する。
このようにして燃料電池発電システムを停止することにより、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させずに、また各触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に停止することができる。
【００３４】
［第３の実施の形態］
図６は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの他の実施の形態の停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
図７は、図１に示した燃料電池発電システム１Ｂの他の実施の形態の停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
図６の左縦軸は燃料改質装置内の圧力（実線）、右縦軸は改質器（ＲＦ）内温度（波線）、横軸は経過時間を示し、経過時間に対応する閉止弁１〜８の開閉状態を示してある。
【００３５】
図６、７に示すように、燃料電池発電システム１Ｂの停止時には、閉止弁１、２、３、４、８を閉める（閉止弁６、７は運転中は閉めてある）。そして閉止弁５を開ける。このようにして原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池１１本体への改質ガスの供給も停止すると燃料改質装置１０中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じるが、この高圧のガスは循環ガス循環経路１８に入り、逆止弁３０を通って分岐した経路２５に入り閉止弁５を経てバッファタンク２６に導入される。高い圧力は緩和され、時間経過とともに燃料改質装置１０内の圧力と温度は低下する。
【００３６】
しかし水分の気化などにより圧力計測手段２２により計測された圧力が４０ｋＰａ（第１規定値の例）以上になった時は一旦閉止弁５を閉じ、バッファタンク２６へ改質ガスを蓄える。
そして同圧力が０ｋＰａ（第２規定値の例）以下になった時（循環ガス循環経路１８内の水蒸気が凝縮したりして負圧が大きくなった時）、閉止弁７、閉止弁６、閉止弁５を開く。
そして、系外から空気導入手段２０（閉止弁７）を経て触媒燃焼器２１にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気を送るとともに、バッファタンク２６内に入れた高圧の改質ガスを必要な量だけ閉止弁５を経た後、気液分離器２３で水分を分離し、触媒燃焼器２１に送って、改質ガスを燃焼させ、導入した空気中の酸素を消費して、残ガスは窒素主体のガスにして、この窒素中の水蒸気を気液分離器２４で分離し、水分を分離した窒素を閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。
【００３７】
そして同圧力が−０．５ｋＰａ（第３規定値の例）以上になったら閉止弁５、閉止弁７を閉じる。閉止弁７を閉じた際、バッファタンク２６内の圧力を保持することで、次回の触媒燃焼器２１への改質ガス供給が可能になるので閉止弁５も閉じることが好ましい。
そして、同圧力が−３ｋＰａ以下になったら閉止弁５、閉止弁７を開け、前記水分を分離した窒素を循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送る。そして、同圧力が−０．５ｋＰａ以上になったら閉止弁５、閉止弁７を閉じる。
そして、そして、改質器（ＲＦ）の図示しない温度計による温度計測の結果、室温になった時、閉止弁６を閉じ、次回の運転まで待機する。
このようにして燃料電池発電システムを停止することにより、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させずに、また各触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に停止することができる。
【００３８】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明の燃料電池発電システムの他の例を模式的に説明する説明図である。
図８に示した本発明の燃料電池発電システム１Ｃは、図１に示した本発明の燃料電池発電システム１Ｂの閉止弁７が、機械的に自動的に閉止、復帰を繰り返すことができる真空破壊弁２０Ａに代えた以外は同じようになっている。
図９は、図８に示した燃料電池発電システム１Ｃの停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
図１０は、図８に示した燃料電池発電システム１Ｃの停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
図９の左縦軸は燃料改質装置内の圧力（実線）、右縦軸は改質器（ＲＦ）内温度（波線）、横軸は経過時間を示し、経過時間に対応する閉止弁１〜８の開閉状態を示してある。
【００３９】
図９、１０に示すように、燃料電池発電システム１Ｃの停止時には、閉止弁１、２、３、４、８を閉める（閉止弁６は運転中は閉めてある）。真空破壊弁２０Ａは閉まっている。そして閉止弁５を開ける。
このようにして原料燃料ガスや水蒸気の供給を停止し、改質反応に必要な熱量を供給するバーナへの燃焼用燃料ガスの供給を停止し、燃料電池１１本体への改質ガスの供給も停止すると燃料改質装置１０中の水分の気化や残ガスの反応により高圧の改質ガスを主体とするガスが生じるが、この高圧のガスは循環ガス循環経路１８に入り、逆止弁３０を通って分岐した経路２５に入り閉止弁５を経てバッファタンク２６に導入される。高い圧力は緩和され、時間経過とともに燃料改質装置１０内の圧力と温度は低下する。
【００４０】
圧力計測手段２２により計測された圧力が０ｋＰａ以下になった時（循環ガス循環経路１８内の水蒸気が凝縮したりして負圧が大きくなった時）、閉止弁６を開く。
すると、真空破壊弁２０Ａが自動的に開いて、真空破壊弁２０Ａを経て触媒燃焼器２１にこの負圧を補償するのに必要な適量の空気が系外から送られ、バッファタンク２６内に入れた高圧の改質ガスの必要な量が閉止弁５を経た後、気液分離器２３で水分が分離され触媒燃焼器２１に送られ、改質ガスが燃焼して、導入された空気中の酸素を消費して、残ガスは窒素主体のガスになり、この窒素中の水蒸気が気液分離器２４で分離され、水分を分離した窒素が閉止弁６を通して循環ガス循環経路１８を経て燃料改質装置１０へ送られる。
圧力計測手段２２により計測された圧力が上昇して、所定圧力（例えば、−０．５ｋＰａ以上）になるとこの真空破壊弁２０Ａが自動的に閉まり、以後これを繰り返す。
そして改質器（ＲＦ）の図示しない温度計による温度計測の結果、室温になった時、閉止弁５、閉止弁６を閉じ、次回の運転まで待機する。
このようにして燃料電池発電システムを停止することにより、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させずに、また各触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に停止することができる。
【００４１】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する燃料改質装置と、改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを具備する燃料電池発電システムであって、
前記燃料改質装置への燃料ガス供給部と前記燃料改質装置からの改質ガス排出部とを連絡する循環ガス循環経路を設けるとともに系外からの空気導入手段を備えた触媒燃焼器を有し、前記触媒燃焼器と前記燃料改質装置間を連結する前記循環ガス循環経路に逆止弁を設けたので、窒素ガスボンベをシステムに組み込むことなく、停止時に発生する高圧ガスや負圧ガスで装置を損傷させることなく、空気や凝縮水で触媒を劣化させることなく、安全に経済的にかつ容易に燃料電池発電システムを停止することができる、という顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの１例を模式的に説明する説明図である。
【図２】図１に示した燃料電池発電システムの停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示した燃料電池発電システムの停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池発電システムの他の実施の形態の停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
【図５】図１に示した燃料電池発電システムの他の実施態様の停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
【図６】図１に示した燃料電池発電システムの他の実施態様の停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
【図７】図１に示した燃料電池発電システムの他の実施態様の停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
【図８】本発明の燃料電池発電システムの他の例を模式的に説明する説明図である。
【図９】図８に示した燃料電池発電システムの停止時における燃料改質装置内の圧力、温度の経時的変化を示すグラフおよび各閉止弁の開閉状態との関係を示す説明図である。
【図１０】図８に示した燃料電池発電システムの停止時における各閉止弁の開閉状態との関係を示すフローチャートである。
【図１１】従来の燃料電池発電システムを模式的に説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  燃料電池発電システム
１〜８  閉止弁
３０、４０、５０  逆止弁
１０  燃料改質装置
１１  燃料電池
１２  バーナ
１６  燃料ガス供給部
１７  改質ガス排出部
１８  循環ガス循環経路
１９  改質ガス供給経路
２０  空気導入手段
２０Ａ  真空破壊弁
２１  触媒燃焼器
２２  圧力計測手段
２３、２４  気液分離器
２５  分岐した経路
２６  バッファタンク
【図１】
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【図２】
2006032173.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006032173.tif 000006
【図５】
2006032173.tif 000007
【図６】
2006032173.tif 000008
【図７】
2006032173.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006032173.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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