(57)【要約】【課題】運転前の窒素供給を省略すると共に、装置コストを低く抑えつつ燃料電池の起動不能状態を回避することを可能とする燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、前記燃料処理器を昇温する燃料処理器昇温手段とを備え、起動時には燃料処理器に水のみを供給すると共に前記燃料処理器昇温手段で燃料処理器を昇温して水蒸気を発生させ、起動前に燃料処理器内に充満していたガスを水蒸気で追い出す。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料処理器を昇温する燃料処理器昇温手段とを備え、
起動時には燃料処理器に水のみを供給するとともに前記燃料処理器昇温手段で燃料処理器を昇温して水蒸気を発生させ、起動前に燃料処理器内に充満していたガスを水蒸気で追い出す燃料電池発電装置。
【請求項２】
水素と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
前記水素を発電原料から生成する水素生成器と、
前記水素生成器を昇温する昇温手段と、
前記水素生成器から前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池から前記燃焼器に余剰な前記燃料を排出する燃料排出経路と、
前記燃料供給経路に燃焼原料を供給する燃焼原料供給手段とを備え、
起動する際、前記燃焼原料供給手段は、前記燃焼原料を前記燃料供給経路に供給し、供給された前記燃焼原料により前記燃料供給経路の全部または一部、前記燃料電池、及び前記燃料排出経路に残留しているガスを置換し、
前記昇温手段は、前記水素生成器に供給された水から、前記燃料排出経路から供給されてくる前記燃焼原料を燃焼させることによって水蒸気を発生し、
その発生された水蒸気で前記水素生成器に残留していたガスを置換し、
前記水素生成器に残留していた前記ガスが置換された後、前記発電原料が前記水素生成器に供給される燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記燃焼原料は、前記発電原料である請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
起動する際、前記発電原料は、発生された前記水蒸気の積算量が前記水素生成器の容積以上になった際、前記水素生成器に供給される請求項１または２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】
燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池発電装置について説明する。
【０００３】
図４に示すように、従来の燃料電池発電装置は、燃料電池１、燃料処理器２、ブロア３、燃料供給配管４、燃料排出配管５、燃焼器６、及び発電原料調整手段７から構成される。
【０００４】
燃料電池１は、水素である燃料ガスと酸化剤とを用いて発電を行う手段である。燃料処理器２は、発電原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する手段である。ブロア３は、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する手段である。燃料供給配管４は、燃料処理器２にて生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する手段である。燃料排出配管５は、燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスを排出する手段である。燃焼器６は、燃料電池１から排出され燃料排出配管５を経由して供給される天然ガスもしくは残余燃料ガスを燃焼させる手段である。発電原料調整手段７は、天然ガスの供給量を調整する手段である。
【０００５】
燃料電池発電装置は、運転時以外は安全上、窒素などの不活性ガスを用いて燃料ガス経路から可燃ガスを追い出しておくことが必要である。そして、燃料電池発電装置の運転開始時にも燃料処理器２の発電原料供給経路より窒素を流入せしめ、燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の気体を置換しておく必要がある。
【０００６】
燃料電池発電装置の運転開始時には、窒素で天然ガスおよび燃料ガス供給経路内の気体を十分置換した後、天然ガスを燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で燃焼させ、燃料処理器２を昇温する。燃料処理器２が天然ガスと水から水素に富んだ燃料ガスを生成する温度（約７００℃）になったところで水と天然ガスとを燃料処理器２へ供給し、燃料ガスの生成が開始される。
【０００７】
燃料処理器２にて生成された燃料ガスは、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で引き続き燃焼される。
【０００８】
燃料電池１は、燃料供給配管４経由で送られる燃料ガスにより昇温され、燃料電池１が発電に適した温度（約７０℃）に達した時点でブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤としての空気を供給して燃料電池１で発電を開始する。
【０００９】
燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスは燃料排出配管５を経由して燃焼器６で燃焼され燃料処理器２の昇温に用いられる。
【００１０】
発電原料調整手段７は、燃料処理器２の温度を約７００℃に保つと共に、発電に必要な燃料ガスが燃料電池１に供給されるように天然ガスの供給量を調整する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電装置においては、運転の前に燃料ガス経路に窒素を流通させる必要があるため、窒素ボンベが必要となり装置コストを引き上げると共に、窒素の残量が少ない場合には装置を運転できないという課題が発生する。
【００１２】
本発明は、上記課題を考慮し、運転の前に燃料ガス経路に窒素を流通させる必要がなく、従って窒素ボンベが不要な燃料電池発電装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料処理器を昇温する燃料処理器昇温手段とを備え、
起動時には燃料処理器に水のみを供給するとともに前記燃料処理器昇温手段で燃料処理器を昇温して水蒸気を発生させ、起動前に燃料処理器内に充満していたガスを水蒸気で追い出す燃料電池発電装置である。
【００１４】
また、第２の本発明は、水素と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
前記水素を発電原料から生成する水素生成器と、
前記水素生成器を昇温する昇温手段と、
前記水素生成器から前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池から前記燃焼器に余剰な前記燃料を排出する燃料排出経路と、
前記燃料供給経路に燃焼原料を供給する燃焼原料供給手段とを備え、
起動する際、前記燃焼原料供給手段は、前記燃焼原料を前記燃料供給経路に供給し、供給された前記燃焼原料により前記燃料供給経路の全部または一部、前記燃料電池、及び前記燃料排出経路に残留しているガスを置換し、
前記昇温手段は、前記水素生成器に供給された水から、前記燃料排出経路から供給されてくる前記燃焼原料を燃焼させることによって水蒸気を発生し、
その発生された水蒸気で前記水素生成器に残留していたガスを置換し、
前記水素生成器に残留していた前記ガスが置換された後、前記発電原料が前記水素生成器に供給される燃料電池発電装置である。
【００１５】
また、第３の本発明は、前記燃焼原料は、前記発電原料である第２の本発明の燃料電池発電装置である。
【００１６】
また、第４の本発明は、起動する際、前記発電原料は、発生された前記水蒸気の積算量が前記水素生成器の容積以上になった際、前記水素生成器に供給される第１または２の本発明の燃料電池発電装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。従来例と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置は、燃料電池１、燃料処理器２、ブロア３、燃料供給配管４、燃料排出配管５、燃焼器６、発電原料調整手段７、及びヒータ８から構成される。
【００２０】
燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う手段である。燃料処理器２は、発電原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する手段である。ブロア３は、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する手段である。燃料供給配管４は、燃料処理器２にて生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する手段である。燃料排出配管５は、燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスを排出する手段である。燃焼器６は、燃料電池１から排出され燃料排出配管５を経由して供給される天然ガスもしくは残余燃料ガスを燃焼させる手段である。発電原料調整手段７は、天然ガスの供給量を調整する手段である。ヒータ８は、供給されてくる水を昇温度して水蒸気を発生させる手段である。ヒーター８は燃料処理器２の温度が２００℃程度で維持できる容量のものを用いる。
【００２１】
なお、本実施の形態の燃焼器６及びヒータ８は本発明の燃料処理機昇温手段の例である。
【００２２】
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
【００２３】
本実施の形態における燃料電池発電装置は、運転開始時にはまずヒーター８を動作させ燃料処理器２を昇温する。そして、燃料処理器２の温度が１００℃を超えたところで燃料処理器２へ水を供給し、燃料処理器２で水蒸気を発生させる。
【００２４】
燃料処理器２で生成された水蒸気は、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通後、排出される。
【００２５】
そして、供給する水により発生する水蒸気の体積の積算量が燃料処理器の容積以上になった時に天然ガスを燃料処理器２に供給し、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で燃焼させ燃料処理器２を昇温する。その後、燃焼器６での燃焼熱で燃料処理器２の温度が２００℃以上に維持できるようになった時点でヒーター８の動作を停止する。
【００２６】
燃料処理器２の温度が約７００℃になると燃料処理器２では燃料ガスの生成が開始される。燃料処理器２にて生成された燃料ガスは、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で引き続き燃焼される。
【００２７】
燃料電池１は燃料供給配管４経由で送られる燃料ガスにより昇温され、燃料電池１の発電に適した温度（約７０℃）に達した時点でブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤としての空気を供給して燃料電池１で発電を開始する。
【００２８】
燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスは燃料排出配管５を経由して燃焼器６で燃焼され燃料処理器２の昇温に用いられる。
【００２９】
発電原料調整手段７は、燃料処理器２の温度を約７００℃に保つと共に、発電に必要な燃料ガスが燃料電池１に供給されるように天然ガスの供給量を調整する。
【００３０】
以上のように、燃料電池発電装置の運転を開始するときに、水のみを供給し燃料処理器２をヒータ８により１００℃以上に昇温して、燃料処理器２で水蒸気を生成し、水蒸気を燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の順で流通させることにより、不活性ガスである水蒸気で燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の気体を置換することができる。
【００３１】
そのため、窒素などの不活性ガスを外部から供給する必要がなく、窒素などの不活性ガスを保存しておくボンベなども必要無くなり、装置コストを低く抑えることが可能である。また、不活性ガス残量の管理が不要になり、窒素などの不活性ガスの残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合は発生しない。
【００３２】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００３３】
図２は第２の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。従来例もしくは本発明の第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３４】
第２の実施の形態における燃料電池発電装置は、燃料電池１、燃料処理器２、ブロア３、燃料供給配管４、燃料排出配管５、燃焼器６、発電原料調整手段７、第２の燃焼原料供給手段９、及び第２の燃焼原料調整手段１０から構成される。
【００３５】
燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う手段である。燃料処理器２は、発電原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する手段である。ブロア３は、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する手段である。燃料供給配管４は、燃料処理器２にて生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する手段である。燃料排出配管５は、燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスを排出する手段である。燃焼器６は、燃料電池１から排出され燃料排出配管５を経由して供給される天然ガスもしくは残余燃料ガスを燃焼させる手段である。発電原料調整手段７は、天然ガスの供給量を調整する手段である。第２の燃焼原料供給手段９は、燃焼器６へ天然ガスを供給する手段である。第２の燃焼原料調整手段１０は、燃焼原料の供給量を調整する手段である。
【００３６】
第２の実施の形態における燃料電池発電装置は、運転開始時にはまず天然ガスを第２の燃焼原料供給手段９、及び第２の燃焼原料調整手段１０を経由して燃焼器６へ供給し、燃焼器６で燃焼させ燃料処理器２を昇温する。
【００３７】
そして、燃料処理器２の温度が１００℃を超えたところで燃料処理器２へ水を供給し、燃料処理器２で水蒸気を発生させる。第１の燃焼原料調整手段１０は燃料処理器２の温度が２００℃程度になるように燃焼原料を燃焼器６へ供給する量を調整する。
【００３８】
燃料処理器２で生成された水蒸気は、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通後、排出される。そして、供給する水により発生する水蒸気の体積の積算量が燃料処理器の容積以上になった時に天然ガスを燃料処理器２に供給し、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で燃焼させ燃料処理器２を昇温する。
【００３９】
その後、燃焼器６での燃焼熱で燃料処理器２の温度が２００℃以上に維持できるようになった時点で第２の燃焼原料調整手段１０は燃焼原料を燃焼器６へ供給するのを停止する。
【００４０】
燃料処理器２の温度が約７００℃になると燃料処理器２では燃料ガスの生成が開始される。燃料処理器２にて生成された燃料ガスは、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で引き続き燃焼される。
【００４１】
燃料電池１は燃料供給配管４経由で送られる燃料ガスにより昇温され、燃料電池１の発電に適した温度（約７０℃）に達した時点でブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤としての空気を供給して燃料電池１で発電を開始する。
【００４２】
燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスは燃料排出配管５を経由して燃焼器６で燃焼され燃料処理器２の昇温に用いられる。
【００４３】
発電原料調整手段７は、燃料処理器２の温度を約７００℃に保つと共に、発電に必要な燃料ガスが燃料電池１に供給されるように天然ガスの供給量を調整する。
【００４４】
以上のように、燃料電池発電装置の運転を開始するときに、水のみを供給し燃料処理器２を１００℃以上に昇温して、燃料処理器２で水蒸気を生成し、水蒸気を燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の順で流通させることにより、不活性ガスである水蒸気で燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の気体を置換することができる。
【００４５】
そのため、窒素などの不活性ガスを外部から供給する必要がなく、窒素などの不活性ガスを保存しておくボンベなども必要無くなり、装置コストを低く抑えることが可能であり、
また、不活性ガス残量の管理が不要になり、窒素などの不活性ガスの残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合は発生しない。
【００４６】
また、最初の燃料処理器２の昇温手段として燃焼器６を用いることによりヒーターなどの特別な昇温手段が不用になる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図である。従来例もしくは本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００４８】
本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置は、燃料電池１、燃料処理器２、ブロア３、燃料供給配管４、燃料排出配管５、燃焼器６、発電原料調整手段７、第１の燃焼原料供給手段１１、及び第１の燃焼原料調整手段１２から構成される。
【００４９】
燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う手段である。燃料処理器２は、発電原料としての天然ガスに水を添加して改質し水素に富んだ燃料ガスを生成する手段である。ブロア３は、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する手段である。燃料供給配管４は、燃料処理器２にて生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する手段である。燃料排出配管５は、燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスを排出する手段である。燃焼器６は、燃料電池１から排出され燃料排出配管５を経由して供給される天然ガスもしくは残余燃料ガスを燃焼させる手段である。発電原料調整手段７は、天然ガスの供給量を調整する手段である。第１の燃焼原料供給手段１１は、燃料供給配管４、燃料電池１、及び燃料排出配管５を経由して燃焼器６へ天然ガスを供給する手段である。第１の燃焼原料調整手段１２は、第１の燃焼原料供給手段１１を流れる燃焼原料の量を調整する手段である。
【００５０】
なお、本実施の形態の燃焼器６は本発明の昇温手段の例であり、本実施の形態の燃料供給配管４は本発明の燃料供給経路の例であり、本実施の形態の燃料排出配管５は本発明の燃料排出経路の例であり、本実施の形態の第１の燃焼原料供給手段１１及び第１の燃焼原料調整手段１２は、本実施の形態の燃焼原料供給手段の例である。
【００５１】
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
【００５２】
本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置は、運転開始時にはまず天然ガスを第１の燃焼原料供給手段９、第１の燃焼原料調整手段１０、燃料供給配管４、燃料電池１、及び燃料排出配管５を経由して燃焼器６へ供給し、燃焼器６で燃焼させ燃料処理器２を昇温する。そして、燃料処理器２の温度が１００℃を超えたところで燃料処理器２へ水を供給し、燃料処理器２で水蒸気を発生させる。
【００５３】
第１の燃焼原料調整手段１０は燃料処理器２の温度が２００℃程度になるように燃焼原料を燃焼器６へ供給する量を調整する。燃料処理器２で生成された水蒸気は、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通後、排出される。
【００５４】
そして、供給する水により発生する水蒸気の体積の積算量が燃料処理器の容積以上になった時に天然ガスを燃料処理器２に供給し、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で燃焼させ燃料処理器２を昇温する。
【００５５】
その後、燃焼器６での燃焼熱で燃料処理器２の温度が２００℃以上に維持できるようになった時点で第１の燃焼原料調整手段１０は燃焼原料を燃焼器６へ供給するのを停止する。
【００５６】
燃料処理器２の温度が約７００℃になると燃料処理器２では燃料ガスの生成が開始される。燃料処理器２にて生成された燃料ガスは、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６の順に流通し、燃焼器６で引き続き燃焼される。
【００５７】
燃料電池１は燃料供給配管４経由で送られる燃料ガスにより昇温され、燃料電池１は発電に適した温度（約７０℃）に達した時点でブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤としての空気を供給して燃料電池１で発電を開始する。
【００５８】
燃料電池１で消費されなかった残余燃料ガスは燃料排出配管５を経由して燃焼器６で燃焼され燃料処理器２の昇温に用いられる。
【００５９】
燃料電池１での発電中、発電原料調整手段７は、発電に必要な燃料ガスが燃料電池１に供給されるように天然ガスの供給量を調整する。
【００６０】
また、第１の燃焼原料調整手段１０は燃料処理器２の温度を約７００℃程度になるように燃焼原料を燃焼器６へ供給する量を調整する。
【００６１】
以上のように、燃料電池発電装置の運転を開始するときに、水のみを供給し燃料処理器２を１００℃以上に昇温して、燃料処理器２で水蒸気を生成し、水蒸気を燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の順で流通させることにより、不活性ガスである水蒸気で燃料処理器２、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５、及び燃焼器６内の気体を置換することができる。
【００６２】
そのため、窒素などの不活性ガスを外部から供給する必要がなく、窒素などの不活性ガスを保存しておくボンベなども必要無くなり、装置コストを低く抑えることが可能であり、また、不活性ガス残量の管理が不要になり、窒素などの不活性ガスの残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合は発生しない。
【００６３】
さらに、同時に燃料電池１へは第１の燃焼原料供給手段９、第１の燃焼原料調整手段１０、及び燃料供給配管４を経由して天然ガスを供給することにより、燃料電池１は天然ガスと水蒸気の混合気体で内部の気体を置換するので、水蒸気のみで燃料電池１内を置換するよりも置換気体の露点を下げることができ、燃料電池１の流路が水浸しになって発電開始時に燃料ガスの供給を不安定にする危険性が少なくなる。
【００６４】
また、最初の燃料処理器２の昇温手段として燃焼器６を用いることによりヒーターなどの特別な昇温手段が不用になる。
【００６５】
以上説明したところから明らかなように、本実施の形態における燃料電池発電装置は、起動に際して窒素などの不活性ガスを用いずに発電原料および燃料ガスの経路内の気体置換が可能であるため、窒素ボンベなどの不活性ガスの供給源を外部に必要とせず、装置コストを低く抑えることが可能となる。
【００６６】
また、不活性ガスの残存量不足により燃料電池発電装置を起動できない状態が発生しないため、利便性の高い燃料電池発電装置を提供することができる。
【００６７】
【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、運転の前に燃料ガス経路に窒素を流通させる必要がなく、従って窒素ボンベが不要な燃料電池発電装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図４】従来の燃料電池発電装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　燃料処理器
３　ブロア
４　燃料供給配管
５　燃料排出配管
６　燃焼器
７　発電原料調整手段
８　ヒーター
【図１】
2004079187.tif 000003
【図２】
2004079187.tif 000004
【図３】
2004079187.tif 000005
【図４】
2004079187.tif 000006