(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池のアノード出口の排燃料ガスを貯蔵し再供給して燃料電池の起動時間を短縮し、急激な電力負荷変動に対する応答性を高める。【解決手段】本発明の燃料電池発電装置は、水素製造装置２と、燃料電池３と、燃料電池のアノード６の入口配管１１と出口配管１２を接続するバイパス配管１３に設けた燃料ガス貯蔵装置１と、燃料ガス貯蔵装置１の入口に設けた入口流量調整手段１４と、燃料ガス貯蔵装置１の出口に設けた出口流量調整手段１５と、電力負荷８の運転状況を検知して入口流量調整手段１４と出口流量調整手段１５とを制御する制御装置１６とを設けたものである。【選択図】  図１
2004335290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素製造装置と、燃料電池と、前記燃料電池のアノードの入口配管と出口配管を接続するバイパス配管に設けた燃料ガス貯蔵装置と、前記燃料ガス貯蔵装置の入口に設けた入口流量調整手段と、前記燃料ガス貯蔵装置の出口に設けた出口流量調整手段と、電力負荷の運転状況を検知して前記入口流量調整手段と前記出口流量調整手段とを制御する制御装置とを設けた燃料電池発電装置。
【請求項２】
水素製造装置とバイパス配管分岐部との間の入口配管に逆止弁を設けた請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
燃料ガス貯蔵装置を有するバイパス配管に加圧装置を設けた請求項１又は２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
燃料ガス貯蔵装置の出口に設けた水素燃焼装置と、前記水素燃焼装置の反応熱を放熱する放熱器とを設けた請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
燃料電池の冷却熱で加熱する加熱器と水素燃焼装置とを順に接続する給湯回路を設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
カソード入口に設けた加湿器と、水素燃焼装置で生成する水を前記加湿器へ供給する加湿配管と、水素燃焼装置で生成する水を水素製造装置へ供給する水供給管を設けた請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
水素燃焼装置の排気ガス貯蔵装置と、前記排気ガス貯蔵装置から水素製造装置に接続するパージ配管と、前記パージ配管に設けた開閉手段と、前記開閉手段を制御する制御装置とを設けた請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
燃料電池のカソード出口から水素燃焼装置にカソードの排気空気を供給する排空気供給管を設けた請求項７に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスなどの原料を改質して供給する燃料ガスと空気を用いて発電する燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電装置としては、例えば、図９に示されているようなものがあった。図９は、従来の燃料電池発電装置の構成図であり、１は燃料ガス貯蔵装置で、２は水素製造装置で、３は燃料電池で、４は給湯機で、５ａは熱交換器である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９７０４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池と水素製造装置を接続する配管に燃料ガス貯蔵装置を設けているため、燃料電池発電装置の設置時などのように燃料ガス貯蔵装置が空の状態から発電を開始するさいには、水素製造装置で製造した水素が燃料ガス貯蔵装置を満たしてからでないと燃料電池に水素を供給して発電することができず発電起動時間が長くなり、水素製造装置の水素供給応答性が悪いため電力負荷の変動に対応できないなどの課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電の起動時間が短く、電力負荷変動の対する応答性に優れた燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、水素製造装置と、燃料電池と、燃料電池アノードの入口配管と出口配管とを接続するバイパス配管に設けた燃料ガス貯蔵装置と、燃料ガス貯蔵装置の入口に設けた入口流量調整手段と、燃料ガス貯蔵装置の出口に設けた出口流量調整手段と、電力負荷の運転状況を検知して入口流量調整手段と出口流量調整手段とを制御する制御装置とを設けた構成としたものである。
【０００７】
これによって、設置および移転時などの初期運転時は水素製造装置から直接燃料電池に水素を供給して起動し、燃料電池アノード出口の排燃料ガスを燃料ガス貯蔵装置に蓄えて、再起動時に燃料ガス貯蔵装置内の燃料ガスを燃料電池に供給して起動時間を短縮することができる。さらに電力負荷が急激に変動して燃料電池へ供給する水素の供給量に過不足が生じた場合は、燃料ガス貯蔵装置に出入りする燃料ガスの量を入口流量調整手段と出口流量調整手段を制御装置で制御して電力負荷に対応する燃料ガスの量を燃料電池のアノードに供給することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、水素製造装置と、燃料電池と、燃料電池アノードの入口配管と出口配管を接続するバイパス配管に設けた燃料ガス貯蔵装置と、燃料ガス貯蔵装置の入口に設けた入口流量調整手段と、燃料ガス貯蔵装置の出口に設けた出口流量調整手段と、電力負荷の運転状況を検知して入口流量調整手段と出口流量調整手段とを制御する制御装置とを設けた構成することにより、水素製造装置と燃料ガス貯蔵装置の両方から燃料電池へ水素を供給することができるので、燃料ガス貯蔵装置に水素がある場合は水素製造装置が起動するまでの間燃料ガス貯蔵装置から水素を供給し、燃料ガス貯蔵装置に水素が無い場合は水素製造装置から燃料電池へ水素を供給して発電起動時間を短くすることができる。さらに電力負荷が急激に増えて燃料電池への水素供給量が不足する場合は、出口流量調整手段を開けて燃料ガス貯蔵装置から水素を補うように制御器で制御することにより電力負荷の急激な変動へ対応することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の燃料電池発電装置を、水素製造装置とバイパス配管分岐部との間の入口に逆止弁を設けた構成とすることにより、水素製造装置が十分に水素を発生する前に燃料ガス貯蔵装置から燃料電池に水素を供給するときに水素製造装置に水素が逆流して水素製造装置の運転を不安定にするのを防ぐこととなり、水素製造装置の運転を安定に保って燃料電池へ水素を確実に安定的に供給することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置を、燃料ガス貯蔵装置を有するバイパス配管に加圧装置を設けた構成とすることにより、燃料ガス貯蔵装置内の水素を加圧装置で加圧して入口配管に供給し、水素製造装置から供給する水素に燃料ガス貯蔵装置内の水素を加えて燃料電池に供給することとなり、電力負荷が急激に増大して水素製造装置の水素供給量が追いつかない時などでも、電力負荷に応じた水素を燃料電池に供給することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１から３に記載の燃料電池発電装置を燃料ガス貯蔵装置の出口に設けた水素燃焼装置と、水素燃焼装置の反応熱を放熱する放熱器とを設けた構成とすることにより、エネルギー密度の大きな水素を蓄えて、必要なときに水素燃焼装置の反応熱として暖房などの熱負荷に熱を供給することとなり、大きな容積を必要とする貯湯タンクなどが不要な小型の装置で熱利用を実現することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１から４に記載の燃料電池発電装置を燃料電池の冷却熱で加熱する加熱器と水素燃焼装置とを順に接続する給湯回路を設けた構成とすることにより、市水を燃料電池が発生する熱で予熱したあと水素燃焼装置で加熱することとなり、燃料電池で発電する際の熱を給湯などの熱負荷に利用することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１から５に記載の燃料電池発電装置を、カソード入口に設けた加湿器と、水素燃焼装置で生成する水を加湿器へ供給する加湿配管と、水素燃焼装置で生成する水を水素製造装置へ供給する水供給管とを設けた構成とすることにより、水素燃焼装置で水素が酸素と反応するときに生じる水で燃料電池のカソードに供給する空気を加湿し、水素製造装置で都市ガスの改質に使用する水に用いることとなり、外部から燃料電池発電装置に供給する水の量を大幅に減らすことができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１から６に記載の燃料電池発電装置を、空気を導入して水素と反応する水素燃焼装置の排気ガス貯蔵装置と、排気ガス貯蔵装置から水素製造装置に接続するパージ配管と、パージ配管に設けた開閉手段と、開閉手段を制御する制御装置とを設けた構成としたもので、水素燃焼装置運転中に窒素を主成分とする排気ガスを排気ガス貯蔵装置に蓄えておき、燃料電池発電装置の運転終了後にパージ配管に設けた開閉手段を開放し、排気ガス貯蔵装置に蓄えた窒素ガスを水素製造装置に導入して内部にある水素をパージすることとなり、窒素ボンベなどの付帯設備を用いることなく水素製造装置内部などに滞留する残留水素を安全に外部へパージすることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１から７に記載の燃料電池発電装置を、燃料電池のカソード排空気を導入して反応する水素燃焼装置を設けた構成としたもので、窒素濃度の高いカソード排空気を水素燃焼装置に用いることにより純度の高い窒素ガスを大量に得ることとなり、水素製造装置内部に滞留する水素ガスをパージするのに必要な窒素ガスを確保することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は本実施例の第１の実施例における燃料電池発電装置の構成図を示すものである。
【００１８】
図１において、３は燃料ガスの水素ガスをアノード６に供給し空気をカソード７に供給して発電して電力負荷８に電力を供給し、冷却部９で熱回収して放熱器１０で放熱する燃料電池で、水素製造装置２と入口配管１１と出口配管１２とで接続し、入口配管１１と出口配管１２とを接続するバイパス配管１３に燃料ガス貯蔵装置１を設けている。燃料ガス貯蔵装置１の入口に入口流量調整手段１４と出口に出口流量調整手段１５とを設け電力負荷８の運転状況を検知して制御する制御装置１６を設けた構成としている。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２０】
まず、水素製造装置２へは都市ガスなどの原料ガスを供給し水素ガスに改質して入口配管１１から燃料電池３のアノード６に供給しカソード７に供給した空気の酸素とあわせて発電した電力を電力負荷８に供給する。アノード６で発電に使用した残りの水素ガスは出口配管１２から水素製造装置２に戻して燃焼させて改質などの熱源として使用する。装置の設置および移転時のときのようにバイパス配管１３に設けた燃料ガス貯蔵装置１が空の場合は、制御装置１６で入口流量調整手段１４と出口流量調整手段１５を閉止して水素製造装置２で発生する水素ガスを入口配管１１から燃料電池３のアノード６に供給する。運転が定常状態に達した場合は、入口流量調整手段１４を制御装置１６で開放して出口配管１２から燃料ガス貯蔵装置１へ水素ガスを流して蓄える。運転終了後は再び入口流量調整手段１４を閉止して燃料ガス貯蔵装置１内に水素ガスが満たされた状態を保持する。水素製造装置２が水素を発生するまでに時間を要するので、再起動時は出口流量調整手段１５を開放して燃料ガス貯蔵装置１内の水素ガスを入口配管１１から燃料電池３のアノード６に供給して燃料電池３の発電起動時間を短縮する。一方、発電中に電力負荷が急激に上昇して水素製造装置２の水素製造量が追いつかないときは、制御装置１６で出口流量調整手段１５を開放して不足する分を燃料ガス貯蔵装置１内の水素ガスを供給することで発電電力量を保証することとなる。
【００２１】
以上のように、本実施例においては、燃料電池３のアノード６の入口配管１１と出口配管１２を接続するバイパス配管１３に制御装置１６で制御する入口流量調整手段１４と出口流量調整手段１５を有する燃料ガス貯蔵装置１を設けた構成とすることにより、アノード６の出口配管１２から排気水素ガスを燃料ガス貯蔵装置１内に蓄えることとなり、貯蔵装置１内の水素ガスを起動時および負荷変動時に利用することができ発電起動時間を短縮して負荷変動の応答性を高めることができる。
【００２２】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００２３】
図２において、１７は逆止弁で、実施例１の構成と異なるところは、水素製造装置２とバイパス配管１３の分岐部との間の入口配管１１に逆止弁１７を設けた点である。
【００２４】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００２５】
まず、再起動時などのように燃料ガス貯蔵装置１内に水素ガスが満たされている場合は制御装置１６で出口流量調整手段１５を開放して入口配管１１から燃料電池３に水素ガスを供給して起動する。このとき、水素製造装置２の出口側の入口配管１１には逆止弁１７を設けているため水素製造装置２が定常運転に達していない場合でも燃料ガス貯蔵装置１から入口配管１１に流れる水素ガスが水素製造装置２に逆流するのを防止することとなる。
【００２６】
以上のように、本実施例においては水素製造装置２の運転状態にかかわらず燃料電池３に安定して水素ガスを供給することができる。
【００２７】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００２８】
図３において、１８は加圧装置で、実施例２の構成と異なるところは、燃料ガス貯蔵装置１を設けたバイパス配管１３に加圧装置１８を設けた点である。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
まず、急激に電力負荷が上昇する場合は、水素製造装置２の水素ガスの発生量が追いつかないために燃料ガス貯蔵装置１内の水素ガスを入口配管１１に大量に供給する必要があるが、バイパス配管１３に設けた加圧装置１８を作動させて燃料ガス貯蔵装置１内の圧力を高めることにより、入口配管１１に大量の水素ガスを供給することができる。
【００３１】
以上のように、本実施例においては、バイパス配管１３に加圧装置１８を設けたことにより、水素製造装置２の供給圧力が高い場合でも燃料ガス貯蔵装置１から燃料電池３に水素を供給することができ、急激な電力負荷変動に対しても対応が可能であり、短時間に起動ができ急激な負荷変動にも対応することができる。
【００３２】
（実施例４）
図４は、本発明の第４の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００３３】
図４において、１９は熱交換器５ｂを有する水素燃焼装置で、実施例１から３の構成と異なるところは、燃料ガス貯蔵装置１の出口に反応熱を放熱する熱交換器５ｂを有する水素燃焼装置１９を設けた点である。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３５】
まず、燃料ガス貯蔵装置１内に蓄えた燃料電池３のアノード６の排気水素を開閉弁２０を開放して水素燃焼装置１９へ導入し空気の酸素と反応させて反応熱を発生させて、熱交換器５ｂで暖房などの熱として利用する。
【００３６】
以上のように、本実施例においては、燃料電池３のアノード６の排気水素を用いて反応熱を発生する水素燃焼装置１９を設けることにより、暖房などの熱利用が可能となり、蓄熱槽などの温水を貯めて熱負荷に熱を供給する方式に比べて大幅に小型化することができる。
【００３７】
（実施例５）
図５は、本発明の第５の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００３８】
図５において、２１は給湯回路で、実施例１から４の構成と異なるところは、燃料電池３の冷却熱で加熱する加熱器１０ｂと水素燃焼装置１９で市水を加熱する給湯回路２１を設けた点である。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
まず、燃料電池３の発電中に給湯負荷が発生した場合、市水を燃料電池３の冷却熱を回収して加熱する加熱器１０ｂで加熱したあとアノード６の排気水素と空気の酸素を反応させて反応熱を発生する水素燃焼装置１９で必要温度に加熱して給湯する。
【００４１】
以上のように、本実施例においては、市水を加熱器１０ｂで予熱したあと水素燃焼装置１９で加熱する給湯回路２１を設けることにより、燃料電池３の冷却熱と排気水素によって市水を加熱する経済的な給湯を実現することができる。
【００４２】
（実施例６）
図６は、本発明の第６の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００４３】
図６において、２２は加湿配管で、２３加湿器で、２４は水供給管で、実施例５の構成と異なるところは、水素燃焼装置１９で発生する水をカソード７の入口に設けた加湿器２３に供給する加湿配管２２と水素燃焼装置１９で発生する水を水素製造装置２へ供給する水供給管２４とを設けた点である。
【００４４】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４５】
まず、水素燃焼装置１９にアノード６の排気水素と空気を供給して水素と酸素を反応させて反応熱をとりだすがそのとき生成物として水が生成する。生成物の水を加湿配管２２を通してカソード７の入口に設けた加湿器２３に供給してカソード７への供給空気を加湿し、一方で水素燃焼装置１９で生成した水を水供給管２４を通して水素製造装置２へ供給する。
【００４６】
以上のように、本実施例においては水素燃焼装置１９で生成した水を加湿器２３に供給する加湿配管２２と水素製造装置２に供給する供給管２４とを設けることにより、装置内で消費する水を装置内で生成する水で補うことができ、外部から水を供給する必要の無い経済的な燃料電池発電装置を実現することができる。
【００４７】
（実施例７）
図７は、本発明の第７の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００４８】
図７において、２５は排気ガス貯蔵装置で、２６はパージ配管で、２０ｂは開閉弁で、１６は制御装置で、実施例１から６の構成と異なるところは、水素燃焼装置１９の排気出口に排気ガスを貯蔵する排気ガス貯蔵装置２５と、排気ガス貯蔵装置２５の出口に制御装置１６で開閉する開閉弁２０ｂと、水素製造装置２に接続するパージ配管２６とを設けた点である。
【００４９】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５０】
まず、水素燃焼装置１９において、アノード６の排気水素と空気を供給することにより反応熱が発生し水が生成する。このとき水素燃焼装置１９を出る排気ガスの成分の大部分は窒素ガスであるが、この排気ガスを加圧装置１８ｂで加圧して排気ガス貯蔵装置２５に蓄える。燃料電池発電装置の運転が終了したときには、水素製造装置２および配管などに水素がたまっているが、制御装置１６で開閉弁２０ｂを開放してパージ配管２６から水素製造装置２に排気ガス貯蔵装置２５内の窒素ガスを供給して装置内部に滞留する水素ガスを外部に排出することとなる。
【００５１】
以上のように、本実施例においては、水素燃焼装置１９の排気ガスを蓄える排気ガス貯蔵装置２５と、排気ガス貯蔵装置２５内の排気ガスを水素製造装置２に供給するパージ配管２６を設けることにより、外部よりパージ用のガスを供給することなく水素製造装置２などに滞留する水素を安全に外部に放出することができる。
【００５２】
（実施例８）
図８は、本発明の第８の実施例の燃料電池発電装置の構成図である。
【００５３】
図８において、２７は排空気供給管で実施例１から７の構成と異なるところは、燃料電池３のカソード７の出口から水素燃焼装置１９に接続する排空気供給管２７を設けた点である。
【００５４】
以上のように構成された燃料電池発電装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５５】
まず、燃料電池３のカソード７の出口からは、カソード７で酸素が消費された残りの空気がでてくるので窒素成分の多いガスを排空気供給管２７を通して水素燃焼装置１９に供給する。
【００５６】
以上のように、本実施例においては、カソード７の出口から水素燃焼装置１９に接続する排空気供給管２７を設けたことにより、窒素成分の多い空気を水素燃焼装置１９に供給することとなり、大量の窒素ガスを生成して排気ガス貯蔵装置２５に蓄えることができ、水素製造装置２内などに滞留する水素ガスをパージするためのパージ用の窒素ガスを大量に確保することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、燃料電池のアノードの排燃料ガスを貯蔵して再供給することにより、起動時間が短く電力負荷変動に対する応答性に優れた燃料電池発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池発電装置の構成図
【図２】本発明の実施例２における燃料電池発電装置の構成図
【図３】本発明の実施例３における燃料電池発電装置の構成図
【図４】本発明の実施例４における燃料電池発電装置の構成図
【図５】本発明の実施例５における燃料電池発電装置の構成図
【図６】本発明の実施例６における燃料電池発電装置の構成図
【図７】本発明の実施例７における燃料電池発電装置の構成図
【図８】本発明の実施例８における燃料電池発電装置の構成図
【図９】従来の燃料電池コジェネ装置の構成図
【符号の説明】
１  燃料ガス貯蔵装置
２  水素製造装置
３  燃料電池
６  アノード
７  カソード
１０  放熱器
１０ｂ  加熱器
１３  バイパス配管
１４  入口流量調整手段
１５  出口流量調整手段
１６  制御装置
１７  逆止弁
１８  加圧装置
１９  水素燃焼装置
２０  開閉弁
２１  給湯回路
２２  加湿配管
２３  加湿器
２４  水供給管
２５  排気ガス貯蔵装置
２６  パージ配管
２７  排空気供給管
【図１】
2004335290.tif 000003
【図２】
2004335290.tif 000004
【図３】
2004335290.tif 000005
【図４】
2004335290.tif 000006
【図５】
2004335290.tif 000007
【図６】
2004335290.tif 000008
【図７】
2004335290.tif 000009
【図８】
2004335290.tif 000010
【図９】
2004335290.tif 000011