(57)【要約】【課題】降温時において減圧を防ぎ、パージガスの減圧補填が不要で、簡素で安定な運転が可能な燃料電池発電システムを得る。【解決手段】燃料ガス配管１１ｃの所定の箇所に設けられ燃料処理装置４０の所定の触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁１２ａ、１２ｂと、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに連通しているガス貯蔵装置４０とを有し、ガス貯蔵装置４０は、上部で分離し下部で連通する第１気層室３２及び第２気層室３３と、第１気層室３２及び第２気層室３３の各々上部に所定の空間を形成するとともに空間が連通しないように貯留された液体３１とを有し、第１気層室３２と触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃが連通され、第２気層室３３が大気空間に連通可能とされている。【選択図】        図１
2004221003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、
前記燃料処理装置及び前記燃料電池本体との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁と、
前記触媒反応部に連通しているガス貯蔵装置とを有し、
前記ガス貯蔵装置は、
上部で分離し下部で連通する第１気層室及び第２気層室と、該第１気層室及び該第２気層室の各々上部に所定の空間を形成するとともに該空間が連通しないように貯留された液体とを有し、前記第１気層室と前記触媒反応部が連通され、前記第２気層室が大気空間に連通可能とされている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第２気層室の大気圧開口には、大気空間に対して連通及び密閉自在とする第２の開閉弁を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記液体は、水及びアルコール系の液体のいずれかである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第１気層室と前記第２気層室の容積は、前記液体の移動により相互に変化する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記ガス貯蔵装置は、Ｕ字状の管である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記ガス貯蔵装置は、上部が仕切により２室に分けられた箱体である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記ガス貯蔵装置は、底部を下方に向けて並設され下部が連通された２本の管である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、
前記燃料処理装置及び前記燃料電池本体との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に、少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁を設け、
上部で分離し下部で連通する第１気層室と第２気層室を有するガス貯蔵装置を用意し、
前記第１気層室及び前記第２気層室内に、各々上部に所定の空間を空けて、且つ該空間が連通しないように液体を貯留し、
前記第１気層室と前記触媒反応部を連通し、
前記第２気層室を大気空間に連通させて運転する
ことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項９】
前記第２気層室の大気圧開口に、大気空間に対して連通及び密閉自在とする第２の開閉弁を設け、
前記第１気層室の圧力が第１の値を超え、前記液体が第２気層室側に移動し、前記第２気層室の上部の空間が消滅する前に前記第２の開閉弁を閉じる
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１０】
前記第１気層室の圧力が第１の値を超え、前記液体が第２気層室側に移動し、前記第２気層室の上部の空間が消滅する前に前記第２の開閉弁を閉じた後、更に前記第１気層室の圧力が上昇し、第２の値を越えた場合前記第２の開閉弁を開ける
ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料から燃料ガスを生成する燃料処理装置と、この燃料ガスに酸化剤ガスを反応させて電気を発生する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電システムに関し、特にシステムの簡素化や無人化に対して改善された燃料電池発電システム及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭化水素またはアルコール等の原燃料を触媒によって水素リッチガスとしての燃料ガスに改質する燃料処理装置と、この燃料ガスに空気等の酸化剤ガスを反応させて電気を発生する燃料電池本体とを有する燃料電池発電システムが提案されている。燃料処理装置は、改質触媒反応部、シフト触媒反応部、及び一酸化炭素除去触媒反応部からなる触媒反応部を有している。各触媒反応部には、脱硫触媒、改質触媒、シフト触媒、及び一酸化炭素除去触媒の各触媒が保持されている。
【０００３】
上述の触媒は、定常動作時には、水素を含む燃料ガスと接触する状態にあり、還元状態が維持され活性が保たれる。一方、停止時や休止時には、燃料ガスの供給が停止され水素雰囲気が保証されないため、触媒の活性金属は不安定な状態になる。そして、最も問題が多いのは停止時触媒空間に空気が混入するケースである。上述の触媒の中ではシフト触媒に含まれる銅が最も不安定であり、続いて改質触媒に含まれるニッケルが不安定である。両者は室温においても酸化し、特に銅触媒は酸化に伴う温度上昇が顕著で、酸化時触媒に致命的な損傷（活性低下）を与える。
【０００４】
空気混入の第一の要因は、触媒反応部や配管系の温度低下に伴う減圧吸引である。温度低下に伴い体積が減少するが、特に不活性ガス置換をしないシステムでは水蒸気が凝縮し更に体積が減少する。従来技術ではそのような触媒の酸化リスクを防ぐため、降温停止時に燃料処理装置の各種反応部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を設けることが提案されている。
【０００５】
不活性ガス供給装置は、具体的には、触媒等にとって不活性なガス、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴン等を供給するもので、不活性ガスを貯蔵した容器と、それに付随したガス供給装置や、不活性ガスを生成し供給する装置である。
【０００６】
そして従来、降温時の反応部減圧による空気吸引を避けるため、不活性ガス供給（パージ）を降温中継続するか、あるいは触媒反応部、及びガス配管部内部の圧力をモニターし、所定の圧力以下になると不活性ガスを追加投入し減圧を防いでいた。即ち、燃料処理装置と不活性ガス供給装置との間に設けられた開閉弁を、パージ中は開状態にしパージガスを排出し、あるいは一定量パージ後は閉状態にし触媒反応部を密封し、密封空間の減圧状態に応じ不活性ガスを適宜補給していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−７２４０２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の方法においては、システムが降温するまで所定の時間（例えば１日以上）と所定の作業（ガスパージや圧力監視等）が必要であり、また結果的に多量のパージガスを必要とするなど、特に起動停止頻度が大きい小型の発電システムでは使い勝手が悪いという問題点があった。
【０００９】
さらに従来技術においては、圧力低下を補うためのガスの補充が不可欠であるが、補填ガスの候補である炭化水素の原燃料は触媒上で炭素析出を伴うため高温での利用が難しく、空気利用は論外であり、結果として不活性ガスの利用が避けられないという問題点もあった。
【００１０】
また、従来の方法において、窒素パージを間欠的に行うにしても、多少なりとも一時的に反応部が減圧状態になることは避けられず、密閉性の良い高価な開閉弁や圧力センサが必要となる等の問題点もあった。
【００１１】
さらにまた、機器の降温に伴う空気の減圧吸引に対し、降温中パージを継続しパージガスの補填により吸引を防止しようとした為、降温に伴い、多量のパージガス、監視人員及び電源の供給を必要とし、頻繁に起動停止を伴うような発電システムでは実用的でないという問題点があった。
【００１２】
さらには、減圧を補填するガスとしてパージガス利用が不可欠であり、パージガスの不要化やパージ系統の削除等のシステム簡素化が望まれていた。
【００１３】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、降温時において減圧を防ぎ、パージガスによる減圧補填が不要で、簡素な構造とすることができ、安定な運転が可能な燃料電池発電システム及びその運転方法を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、燃料処理装置及び燃料電池本体との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁と、触媒反応部に連通しているガス貯蔵装置とを有し、ガス貯蔵装置は、上部で分離し下部で連通する第１気層室及び第２気層室と、第１気層室及び第２気層室の各々上部に所定の空間を形成するとともに空間が連通しないように貯留された液体とを有し、第１気層室と触媒反応部が連通され、第２気層室が大気空間に連通可能とされている。
【００１５】
また、この発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、燃料処理装置及び燃料電池本体との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、燃料ガス配管の所定の箇所に、少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁を設け、上部で分離し下部で連通する第１気層室と第２気層室を有するガス貯蔵装置を用意し、第１気層室及び第２気層室内に、各々上部に所定の空間を空けて、且つ空間が連通しないように液体を貯留し、第１気層室と触媒反応部を連通し、第２気層室を大気空間に連通させて運転する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺のブロック図と運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。図１において、本実施の形態の燃料電池発電システムは、主に、原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置４０、及びこの燃料処理装置４０が生成した燃料ガスと外部から供給された酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体２０から構成されている。
【００１７】
燃料電池本体２０は、燃料処理装置４０が生成した燃料ガスを燃料ガス流路２０ａに流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路２０ｂに流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する。
【００１８】
燃料処理装置４０は、改質触媒反応部４２ａ、シフト触媒反応部４２ｂ、及び一酸化炭素除去触媒反応部４２ｃからなる触媒反応部を有し、図示しない原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する。各触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃには、脱硫触媒、改質触媒、シフト触媒、及び一酸化炭素除去触媒の各触媒が保持されている。
【００１９】
燃料処理装置４０の上流には、含有硫黄成分を除去する脱硫部４１が設けられている。脱硫部４１と燃料処理装置４０との間の燃料ガス配管１１ｂに開閉弁１２ａが設けられている。また、燃料処理装置４０と燃料電池本体２０との間の燃料ガス配管１１ｃに開閉弁１２ｂが設けられている。開閉弁１２ａ，１２ｂは、燃料処理装置４０の触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃを密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁として働く。
【００２０】
燃料処理装置４０には、燃料ガス配管１１ｃを介してＵ字状のガス貯蔵装置３０が接続されている。そして、Ｕ字管からなるガス貯蔵装置３０は、Ｕの字の開放側を上に向けて配置され、内部に水３１が貯留されている。Ｕ字管の一側は第１気層室３２を構成し、他側は第２気層室３３を構成している。第１気層室３２と第２気層室３３とは、上部で分離し下部で連通している。そして、両気層室の上部には、水３１によって各々所定の空間が形成されている。
尚、本実施の形態においては、ガス貯蔵装置３０内に貯留する液体として水３１を用いているが、水に限らず例えばアルコール等であってもよい。
【００２１】
第１気層室３２の上部に形成された空間は、配管３５と燃料ガス配管１１ｃを介して、燃料処理装置４０の触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃと連通している。一方、第２気層室３３の大気圧開口には、大気空間に対して連通及び密閉自在とする第２の開閉弁３４が設けられている。
【００２２】
次ぎに動作について説明する。発電動作時には、図示しない原燃料供給源から燃料ガス配管１１ａを介して脱硫部４１に、ＬＮＧ等の炭化水素原料（代表成分としてメタン）やアルコール類よりなる原燃料が供給される。脱硫部４１はこれを脱硫し燃料処理装置４０に供給する。供給された原燃料は、例えば水蒸気改質反応を用いた改質触媒反応部４２ａでは、水蒸気と混合された原燃料が高温下（例えば６００〜８００℃）改質触媒と接触し、水素を主成分とする改質ガスに変換される（水蒸気改質反応）。
【００２３】
改質ガス中には通常１０〜１５モル％程度（乾きガス基準）の一酸化炭素を含む。一酸化炭素は、低温動作型の燃料電池、例えばリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  ａｃｉｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、固体高分子型燃料電池混合ガス（ＰＥＦＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）の電極触媒を被毒する性質がある。従ってＰＡＦＣを用いた発電システムでは、改質ガス中の一酸化炭素濃度を電池で許容可能なレベル（例えば０．５モル％程度）まで低減するシフト触媒反応部４２ｂ（動作温度２００〜４００℃程度）が改質触媒反応部４２ａの後流に接続されている。
【００２４】
ＰＥＦＣでは、一酸化炭素の被毒傾向がいっそう著しく、一酸化炭素を１０〜５０ｐｐｍ以下にまで低減する必要がある。この場合、シフト触媒反応部４２ｂの後流にさらに一酸化炭素除去触媒反応部４２ｃ（一般的には選択酸化型一酸化炭素除去反応部；動作温度１００〜３００℃程度、その他メタン化により一酸化炭素を除去するメタン化型一酸化炭素除去反応部もある）が接続されている。一酸化炭素が低濃度まで除去された水素リッチな燃料ガスは、開状態の開閉弁１２を通り、後流の燃料電池本体２０に供給され発電に供給される。
【００２５】
燃料処理装置４０は、このような複数の反応部（改質触媒反応部４２ａやシフト触媒反応部４２ｂあるいは一酸化炭素除去触媒反応部４２ｃ）を中核とし、その他適宜、熱交換部、水蒸気発生部、反応熱を与える燃焼部４３等を含み、炭化水素またはアルコール等の原燃料から水素リッチガス（燃料ガス）を生成する装置である（場合によっては、脱硫反応部まで含めて燃料処理装置ということがある）。
【００２６】
燃料処理装置４０に含まれる上述の各種触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、反応を促進する触媒を有する触媒反応部である。触媒は通常、活性金属がセラミクス等の比較的安定な担体上に保持されたもので、金属が還元状態で保たれる必要がある。改質触媒は、例えばニッケルやルテニウム等の活性金属をアルミナ等のセラミック担体に分散保持した触媒である。シフト触媒は、同じく活性金属である銅や白金等を酸化亜鉛やアルミナ等に分散した触媒である。選択酸化触媒／メタン化触媒は、白金やルテニウムをセラミック担体に保持した触媒である。
【００２７】
次ぎに動作について説明する。本実施の形態においては、原燃料が天然ガス（メタン）、燃料電池本体２０がＰＥＦＣの場合の燃料電池発電システムとする。定常発電時、燃料処理装置４０において、天然ガスは、含有硫黄成分が脱硫部４１で除去された後、メタンとスチーム（水）の混合原料が各触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃにおいて改質反応、シフト反応、選択酸化一酸化炭素除去反応を順次受け、水素を主成分、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ以下程度を含む水素リッチな燃料ガスに変換されて燃料ガス配管１１ｃに導かれる。
【００２８】
生成された燃料ガスとしての水素リッチガスは、第１開閉弁１２ｂ（定常発電時には開状態）を経由して燃料電池本体２０に供給される。燃料電池本体２０には同時に酸化剤ガス２１ａとしての空気が電池反応用に供給され、水素と酸素が電気化学反応を経由して水に変換され、その際、燃料電池本体２０内において電力を発生する。燃料電池本体２０で未利用の水素を含む燃料排ガスは、配管１１ｄを経て燃焼部４３に導かれる。燃焼部４３では燃料電池本体２０で未利用の可燃成分を空気と共に燃焼させ、その時生成する燃焼熱を改質反応部４２ａでの改質反応熱として供給する。
【００２９】
本実施の形態による燃料電池発電システムでは、燃料処理装置４０と燃料電池本体２０をつなぐ燃料ガス配管１１ｃの途中に、ガス配管３５を介してガス貯蔵装置３０が連通状態で接続されている。ここでガス貯蔵装置３０は、Ｕ字管に約半分の高さまで水を貯留した容器であり、起動前の静止状態では、液体３１の水位は、燃料ガス配管１１ｃと連通した第１気層室３２と大気と連通した第２気層室３３側で同じである（静止時水位５０）。
【００３０】
発電動作時には、隣接する燃料ガス配管１１ｃには水素を主成分とする燃料ガスが流通し、またガス貯蔵装置３０の第１気層室３２は、圧力においては、ここから下流に位置する機器類や配管の圧力損失に見合う背圧（圧力）を示す。該圧力により、液体３１の水位は下がり、その同体積分第２気層室３３の水位が上昇する。したがって、例えば本発電システムが大気圧動作の場合、燃料ガス配管１１ｃは１．０５〜１．１気圧程度の内部圧力があるため、連通した第１気層室３２側の内圧も上昇し、それに応じて下がった水位（水位差は約５００ｍｍ〜約１０００ｍｍとなる）と断面積の積となる体積が拡張され、水素リッチな燃料ガスにより満たされる。後に説明するように本実施の形態では、上記内圧上昇により増加した第１気層室３２の容積は、減圧により減少し、そこに貯蔵された燃料ガスは、触媒反応部の内部ガスの減圧収縮を補填するガスとして利用される。
【００３１】
次に、システム停止の動作は以下の通りである。システム停止時には、触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃの周囲の複数の第１の開閉弁１２ａ、１２ｂが閉止されるが、ガス貯蔵装置３０の第２気層室３３と大気を繋ぐ第２開閉弁３４が開放されたままである。このとき、内圧が正圧の状態で閉止されるため、ガス貯蔵装置３０内の水位は、第１気層室３２側で下がり、第２気層室３３側で上がった状態になっている（水面を模式的に図示）。その後、各反応部は温度低下を開始し、降温に伴うガスの容積変化により、特に工夫のない従来技術では内部圧力が減圧状態に変化してゆく。例えば改質触媒反応部の場合、反応部の平均温度を５５０℃程度（低温部４００℃〜高温部７００℃の平均値）と仮定し、停止時常温に温度降下すると、温度効果だけで圧力が約１／２．７に低下する。更に、改質ガス中には約３０％程度のスチームが含まれており、スチームの凝縮により圧力が１／１．５程度に低下する。即ち、可燃ガスである改質ガスのまま密閉放置すると、０．２気圧程度までに低下する。
【００３２】
しかしながら本実施の形態では、圧力低下に応じて容積が小さくなるガス貯蔵装置３０内の第１気層室３２を密封された空間の中に含むため、内部ガスの圧力低下にガス貯蔵装置３０内の水３１が第２気層室３３側から第１気層室３２側に移動し、第１気層室の容積を小さくし、減圧状態になることを防ぐ。例えば、システムの停止動作の開始時に高温の密閉空間の容積が３リットル、常温での完全停止状態になるまでに、特に工夫のない従来技術で圧力降下が０．２気圧まで達すると仮定すると、密閉空間内のガス体積は標準状態で０．６リットルとなる。従って、密閉空間の容積３リットルからの減少分である２．４リットルを第１気層室から補填することになるため、通常運転時の内圧を１．１気圧（ゲージ圧で約１００ｃｍ水柱）、Ｕ字管の断面積を５０ｃｍ２とすれば、５０×１００／２＝２５００ｃｍ３（２．５リットル）となり、体積減少分である２．４リットルを補給し、１００ｃｃ余るため、水位差にして２ｃｍ程度の与圧が完全停止後にも掛ったままになる。
【００３３】
このような圧力低下に伴う体積減少分を連続して補給しつづけるガス貯蔵装置３０の圧力調整機能に基づき、温度降下に伴う内部ガスの容積変化に対し第１気層室３２の容積が自動的に追随し、パージガス等の補填や圧力の監視作業が不要になる。更には、第１気層室３２内部に元来存在する水素ガス雰囲気で触媒空間を保持するため、触媒活性の保護にも有利である。
【００３４】
なお、本発明が十分効果を発揮するに重要な点が２点ある。一つは、ガス貯蔵装置３０における第１気層室３２の吸収可能容積は、触媒反応部４２ａ，４２ｂ，４２ｃや配管１１ａ〜１１ｄにおけるガスの容積変化以上である必要がある。ガスの容積変化は、実測や、温度や凝縮による容積変化を気体の状態方程式等に基づき概算することにより予測可能であり、第１気層室３２の吸収可能容積は、停止動作の開始時の内圧と、第１気層室３２の断面積によって決まるため、設計可能な値である。
【００３５】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムは、原燃料供給源から燃料供給配管１１ａを通して供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置４０と、燃料処理装置４０で生成された燃料ガスを燃料ガス配管１１ｃを通して燃料電池本体２０に供給するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス配管２１ａを通して燃料電池本体２０に供給し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体２０とを有する燃料電池発電システムであって、燃料ガス配管１１ａ〜１１ｄの所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置４０の所定の触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを密封及び連通自在にする複数の開閉弁１２ａ、１２ｂと、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内の燃料ガスの圧力の変動を吸収するとともに燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵装置３０とそれを繋ぐ配管３５を有する。
【００３６】
そして、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの圧力に連動して気層室の容積が変化するガス貯蔵装置３０を燃料処理装置４０の触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに連通して設けたので、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを含む密封空間中のガスが体積変化をしても、ガス貯蔵装置３０が自動的にそれに追随し容積の変化を吸収し、密封空間内の減圧を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施可能となり、且つ降温や休止過程におけるパージガスの補填も不要となる。
【００３７】
また、本実施例では、ガス貯蔵装置３０の第２気層室と大気との間に、第２開閉弁３４を設けたので、第２開閉弁３４は、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの圧力に応じて、開閉する制御弁であり、通常運転中、燃料の過剰供給、出口側の閉塞等のトラブルに因る一時的な触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの圧力上昇により、ガス貯蔵装置３０内の水３１が第２気層室３３側に過剰に移動し、大気に放出される場合、予め設定した圧力に達した第１の圧力段階（第１の値）で、第２閉止弁３４を閉じ、水３１の放出を防ぐことができる。そのあとトラブルが収まり、圧力が正常値に戻ると、自動的に第２開閉弁３４は、開放され大気に連通されることになる。しかし、第２閉止弁３４を閉じた後も、圧力上昇が続いた場合、予め設定した第２の圧力段階（第２の値）を超えると再び、第２閉止弁３４を開放し、破裂弁として機能させることとする。
【００３８】
なお、上述の説明では、本実施の形態による発電システムを停止・降温する動作において、その特長を説明したが、起動・昇温時においても以下のような特長がある。起動から発電に至る昇温過程についても、降温時と同じく触媒の酸化防止に係わる配慮が必要である。また、密封状態で昇温すると、内部のガスの熱膨張や吸着ガスの脱離、凝縮水蒸発等により内圧が上昇するという問題点がある。これは降温時の逆現象であり、室温時の２倍以上に圧力が上昇する。
【００３９】
従来技術では内部圧力の上昇を吸収する機構を備えていないため、起動昇温の初期から不活性ガスを流通し昇温するのが一般的であり、このようにして内圧の上昇を防止し、また触媒反応部への空気の逆流を防いでいた。そして、不活性ガスを用いた昇温の後、触媒反応部の温度が反応ガスの導入にふさわしい温度になると、反応ガス（炭化水素またはアルコール類、及びスチーム）に順次切り替えられていた。
【００４０】
これに対して、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ内部のガスの熱膨張を吸収するガス貯蔵装置３０を備えているため、反応部を密封した状態でシステムの昇温をするとガス貯蔵装置３０内の水３１が移動し、上昇する圧力は水位の差分のみとなる。その後、触媒反応部の温度が反応ガスの導入にふさわしい温度迄上昇すると、反応ガス（原燃料及びスチーム）が導入される。即ち、本発明においては、不活性ガスを用いない昇温や降温が可能になり、不活性ガスの使用量を実質的にゼロにすることができる。
【００４１】
このような構成の燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置４０と、燃料処理装置４０で生成された燃料ガスを燃料ガス流路２０ａに流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路２０ｂに流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体２０と、燃料処理装置４０及び燃料電池本体２０との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管１１ｂ、１１ｃとを有する燃料電池発電システムである。
【００４２】
そして、燃料ガス配管１１ｂ、１１ｃの所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置４０の所定の触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁１２ａ，１２ｂと、触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに連通しているガス貯蔵装置３０とを有し、ガス貯蔵装置３０は、上部で分離し下部で連通する第１気層室３２及び第２気層室３３と、第１気層室３２及び第２気層室３３の各々上部に所定の空間を形成するとともに空間が連通しないように貯留された水（液体）３１とを有し、第１気層室３２と触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃが連通され、第２気層室３３が大気空間に連通可能とされている。そのため、降温時において減圧を防ぎ、パージガスの減圧補填が不要で、簡素で安定な運転をすることができる。
【００４３】
また、第２気層室３の大気圧開口には、大気空間に対して連通及び密閉自在とする第２の開閉弁３４が設けられている。そのため、通常運転中、何らかの原因で触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの圧力が上昇し、ガス貯蔵装置３０内の水３１が第２気層室３３側に過剰に移動しても、第２閉止弁３４を閉じることで、水３１の放出を防ぐことができる。
【００４４】
また、ガス貯蔵装置３０に貯留される液体は、水３１なので、安価に作製することができ、コストダウンを図ることができる。また、第１気層室３２と第２気層室３３の容積は、水３１の移動により相互に変化するので、圧力の吸収をスムーズに行うことができ、信頼性が向上する。さらに、ガス貯蔵装置３０は、Ｕ字状の管で作製されているので、水３１の移動がさらにスムーズになり、信頼性が向上する。
【００４５】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムの運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。本実施の形態のガス貯蔵装置６０は、上部が仕切板により第１気層室６２と第２気層室６３の２室に分けられた箱体で構成されている。第１気層室６２、第２気層室６３の断面積、断面形状は、特に一致させる必要がなく、設置場所に応じて任意に決めても何ら機能に支障はない。
【００４６】
このような構成の燃料電池発電システムは、ガス貯蔵装置６０は、上部が仕切により２室に分けられた箱体であるので、装置を小型化することができ、設置スペースを削減することができる。
【００４７】
実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。本実施の形態のガス貯蔵装置７０は、底部を下方に向けて並設され下部が連通された２本の管で構成されている。１側の管の上部に第１気層室７２が形成され、他側の管の上部に第２気層室７３が形成されている。
【００４８】
このように本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、ガス貯蔵装置７０は、底部を下方に向けて並設され下部が連通された２本の管であるので、比較的容易に作成することができる。
【００４９】
尚、上述の実施の形態１から３においては、燃料処理装置４０に一個のガス貯蔵装置を設けた例について説明したが、必ずしも一個である必要は無い。すなわち、複数のガス貯蔵装置を設けても良く、例えば改質触媒反応部４２ａ、及びシフト触媒反応部４２ｂに対して、各々別個にガス貯蔵装置を設けても良い。またその際、各ガス貯蔵装置に対応して触媒反応部の間に配管、及び開閉弁１２を追加し、複数の密封及び連通自在な空間に区切って運用しても良い。
【００５０】
また、上述の実施の形態では、燃料処理装置４０の触媒反応部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及びガス貯蔵装置３０，６０，７０を含む密封及び連通自在な空間から、燃料電池本体２０は除外されているが、本発明の趣旨からすれば、燃料電池本体２０を含むか否かはいずれであっても良い。
【００５１】
【発明の効果】
この発明に係る燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、燃料処理装置及び燃料電池本体との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁と、触媒反応部に連通しているガス貯蔵装置とを有し、ガス貯蔵装置は、上部で分離し下部で連通する第１気層室及び第２気層室と、第１気層室及び第２気層室の各々上部に所定の空間を形成するとともに空間が連通しないように貯留された液体とを有し、第１気層室と触媒反応部が連通され、第２気層室が大気空間に連通可能とされている。そして、内圧上昇により増加された第１気層室の容積は、減圧により減少し、そこに貯蔵された燃料ガスは、触媒反応部の内部ガスの減圧収縮を補填するガスとして利用される。そのため、降温時において減圧を防ぎ、パージガスの減圧補填が不要となる。
【００５２】
また、この発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池本体と、燃料処理装置及び燃料電池本体との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、燃料ガス配管の所定の箇所に、少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の第１の開閉弁を設け、上部で分離し下部で連通する第１気層室と第２気層室を有するガス貯蔵装置を用意し、第１気層室及び第２気層室内に、各々上部に所定の空間を空けて、且つ空間が連通しないように液体を貯留し、第１気層室と触媒反応部を連通し、第２気層室を大気空間に連通させて運転する。そのため、降温時において減圧を防ぐことができ、パージガスの減圧補填が不要となり、簡素で安定な運転をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺のブロック図と運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムの運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。
【図３】本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの運転中のガス貯蔵装置内の水位を示す概念図である。
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  燃料ガス配管、１２ａ，１２ｂ  第１開閉弁、２０  燃料電池本体、２０ａ  燃料ガス流路、２０ｂ  酸化剤ガス流路、２１ａ，２１ｂ  酸化剤ガス配管、３０，６０，７０  ガス貯蔵装置、３１  水（液体）、３２，６２，７２  第１気層室、３３，６３，７３  第２気層室、３４第２開閉弁、３５  連通配管、４０  燃料処理装置、４１  脱硫部、４２ａ  改質触媒反応部（触媒反応部）、４２ｂ  シフト触媒反応部（触媒反応部）、４２ｃ  一酸化炭素除去触媒反応部（触媒反応部）、４３  燃焼部、５０  休止時の水位（大気圧と同圧時の水位）。
【図１】
2004221003.tif 000003
【図２】
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【図３】
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