(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極を有する燃料電池と、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段を含み、前記燃料極を含む前記燃料電池の燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極を含む前記燃料電池の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス流路に前記原料を置換ガスとして供給する置換ガス供給手段と、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段とを具備し、
前記燃料電池の発電終了後において、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換し、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させ、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する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】
前記置換ガス供給手段による前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は燃料ガス生成を行なう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４】
発電終了後に、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
発電終了後に、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換し、かつ、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換する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６】
前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段とに空気を供給して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換する空気供給手段をさらに具備し、前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するとともに、前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換した後に、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段内部との両方に前記空気供給手段により前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換することを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段から前記燃料ガス流路へと直列に行なうことを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段と前記燃料ガス流路とに並列に行なうことを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記燃料ガス生成手段が、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部と、前記変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部とを具備する請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記置換ガス供給手段は、前記燃料ガス生成手段をバイパスして前記原料を前記燃料ガス流路に注入するバイパス手段を具備し、前記燃料電池の発電終了後において、前記バイパス手段を経由して前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するように構成した請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記バイパス手段による前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は燃料ガス生成を行なうことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記燃料電池の発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段の内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記燃料電池の発電終了後に、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換し、かつ、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段とに空気を供給して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するとともに、前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換した後に、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段内部との両方に前記空気供給手段により前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換することを特徴とする請求項１３または１４記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段から前記燃料ガス流路へと直列に行なうことを特徴とする請求項１５記載の燃料電池発電システム。
【請求項１７】
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段と前記燃料ガス流路とに並列に行なうことを特徴とする請求項１５記載の燃料電池発電システム。
【請求項１８】
前記燃料ガス生成手段が、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部と、前記変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部とを具備する請求項１５〜１７のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１９】
前記原料から硫黄成分を除去する脱硫器を備え、前記脱硫器を通過した原料が前記置換ガス供給手段により前記置換ガスとして供給される請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項２０】
燃料極をおよび酸化剤極を有する燃料電池と、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段を含み、前記燃料電池の燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段とを備える燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電終了後において、前記燃料ガス生成手段による前記燃料ガス生成工程を停止させるとともに、前記燃料ガス流路に前記原料を置換ガスとして注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換する第１置換工程と、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換する第３置換工程とを実施する燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２１】
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備する請求項２０記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２２】
前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで前記燃料ガス生成手段において前記燃料ガスが生成される請求項２０記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２３】
前記第１置換工程が、前記燃料ガス生成手段をバイパスして前記原料を前記燃料ガス流路に供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換する工程である請求項２０記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２４】
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備する請求項２３記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２５】
前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで前記燃料ガス生成手段において前記燃料ガスが生成される請求項２３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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムおよびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムあるいは発電方法は、特開平３−２５７７６２号公報に示されるように、図２０のような構成を用いていた。すなわち、燃料電池１と、天然ガスのような原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、脱硫された原料ガスから水素リッチガスを発生させる燃料ガス生成部２の反応部２ａと、反応部２ａを加熱する加熱手段としてのバーナ２ｂと、燃料ガス生成部２の上流に、遮断弁６を有する窒素供給管７により接続された窒素設備５とを備え、燃料ガス生成部２で生成した燃料は改質ガス供給管８を介して燃料電池１の燃料極１ａに供給し、残余の燃料は排水素接続管９を介してバーナ２ｂへ供給するようにしていた。燃料電池１の酸化剤極にはブロア４により空気が供給される。
【０００３】
一般の燃料電池発電システムあるいは発電方法においては、発電運転を停止させる時は、まず原料ガスの供給を停止する。この時に生ずる現象を図２０を用いて説明すると、燃料ガス生成部２から改質ガス供給管８および燃料電池１を経て排水素接続管９までの流路の中で、特に燃料極１ａから排水素接続管９にかけての流路中に水素リッチガスが停留することになる。そのため、大気解放されたバーナ２ｂから自然対流によって水素リッチガス流路内に空気が流入した場合、水素が爆発する恐れがあった。
【０００４】
そこで、上記特開平３−２５７７６２号公報に記載され図２０に示される燃料電池発電システムあるいは発電方法においては、発電運転停止時に遮断弁６を開き、窒素設備５から窒素供給管７を介して不活性ガスとしての窒素ガスを、燃料ガス生成部２から改質ガス供給管８および燃料電池１を経て排水素接続管９までの流路の中で、特に燃料極１ａから排水素接続管９にかけての燃料ガス流路に注入し、窒素ガスにより当該燃料ガス流路から水素リッチガスを排出させ、すなわちパージし、パージされた水素リッチガスをバーナ２ｂで燃焼させるようにしていた。このように、従来の燃料電池発電システムでは、窒素ガスによる水素リッチガスの燃料ガス流路からのパージ工程によって水素が爆発することを未然に防止し、安全性を確保していた。
【特許文献１】特開平３−２５７７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池発電システムあるいは発電方法では、上記の窒素ガスによるパージ工程のため窒素ボンベなどの窒素設備を具備する必要があり、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などに用いた場合、大きなスペースを必要とし、さらにイニシャルコストがかかるという問題がある。また、窒素ボンベを定期的に交換・補充する必要もあり、ランニングコストもかかるという問題がある。
【０００６】
また、燃料ガス生成部の起動時には、生成される燃料ガスには高濃度の一酸化炭素を含む。燃料電池が固体高分子電解質型燃料電池である場合、これは燃料電池の燃料極の触媒を被毒させる。しかし、従来の燃料電池発電システムあるいは発電方法では、起動時の高濃度の一酸化炭素を含む燃料ガスを燃料電池に供給しているため、燃料電池の燃料極の触媒被毒による性能劣化を引き起こす。
【０００７】
本発明は、上述のような従来の燃料電池発電システムあるいは発電方法が有する課題を考慮して、発電開始前および発電終了後に、窒素を用いないで燃料ガス流路から水素リッチガスをパージすることを可能とする燃料電池発電システムおよび発電方法を提供することを目的とする。また、システム運転の起動時において高濃度の一酸化炭素の燃料電池への流入防止を実現できる燃料電池発電システムおよび発電方法を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料極および酸化剤極を有する燃料電池と、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段を含み、前記燃料極を含む前記燃料電池の燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極を含む前記燃料電池の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス流路に前記原料を置換ガスとして供給する置換ガス供給手段と、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段とを具備し、
前記燃料電池の発電終了後において、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換し、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させ、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換するように構成したことを特徴とする。
【０００９】
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換するように構成することが好ましい。
前記置換ガス供給手段による前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は燃料ガス生成を行なうのが好ましい。
発電終了後に、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換するのが好ましい。
発電終了後に、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換し、かつ、前記置換ガス供給手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するのが好ましい。
【００１０】
前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段とに空気を供給して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換する空気供給手段をさらに具備し、前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するとともに、前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換した後に、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段内部との両方に前記空気供給手段により前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換するのが好ましい。
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段から前記燃料ガス流路へと直列に行なうのが好ましい。
前記空気供給手段による前記空気注入は、前記燃料ガス生成手段と前記燃料ガス流路とに並列に行なうのが好ましい。
前記燃料ガス生成手段が、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部と、前記変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部とを具備するのが好ましい。
【００１１】
前記置換ガス供給手段は、前記燃料ガス生成手段をバイパスして前記原料を前記燃料ガス流路に注入するバイパス手段を具備し、前記燃料電池の発電終了後において、前記バイパス手段を経由して前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するように構成するのが好ましい。
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換するのが好ましい。
前記バイパス手段による前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は燃料ガス生成を行なうのが好ましい。
【００１２】
前記燃料電池の発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換した後、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段の内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換するのが好ましい。
前記燃料電池の発電終了後に、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換し、かつ、前記バイパス手段により前記原料を前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するのが好ましい。
【００１３】
前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段とに空気を供給して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、前記燃料ガス流路に前記原料を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換するとともに、前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換した後に、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段内部との両方に前記空気供給手段により前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気とを前記空気で置換するのが好ましい。
前記原料から硫黄成分を除去する脱硫器を備え、前記脱硫器を通過した原料が前記置換ガス供給手段により前記置換ガスとして供給されるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料極をおよび酸化剤極を有する燃料電池と、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段を含み、前記燃料電池の燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段とを備える燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電終了後において、前記燃料ガス生成手段による前記燃料ガス生成工程を停止させるとともに、前記燃料ガス流路に前記原料を置換ガスとして注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換する第１置換工程と、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換する第３置換工程とを実施する。
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備するのが好ましい。
【００１５】
前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで前記燃料ガス生成手段において前記燃料ガスが生成されるのが好ましい。
前記第１置換工程が、前記燃料ガス生成手段をバイパスして前記原料を前記燃料ガス流路に供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料で置換する工程であるのが好ましい。
前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備するのが好ましい。
前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記原料の注入が終了するまで前記燃料ガス生成手段において前記燃料ガスが生成されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明の燃料電池発電システムあるいは燃料電池発電方法によれば、発電開始前および発電終了後の少なくとも一方において、置換ガス、殊に燃料ガス生成手段を備える燃料電池においては、燃料ガス生成手段に供給するガスと同じく、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料を置換ガスとして燃料極を含む燃料ガス流路に注入することにより、その燃料ガス流路に残留するガスを除去し、その燃料ガス流路の雰囲気を置換ガスで置換することができる。
【００１７】
また、空気供給手段を備える燃料電池発電システムあるいは燃料電池発電方法においては、置換ガスで燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気を置換した後に、空気供給手段により空気をその燃料ガス流路に注入することにより、そのガス流路の雰囲気を空気で置換することができる。
さらに、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路への置換ガス注入が終了するまで燃料ガス生成手段で燃料ガス生成を行なうことにより、置換終了までバーナでの安定燃焼を実現できる燃料電池発電システムあるいは燃料電池発電方法を提供することができる。
【００１８】
また、水蒸気供給手段を備えることにより、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路への置換ガス注入が終了した後に燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、水蒸気供給手段により水蒸気を燃料ガス生成手段内部に注入することにより、燃料ガス生成手段に残留する燃料ガスを除去し、燃料ガス生成手段内部の雰囲気を水蒸気で置換することができる。
【００１９】
また、燃料電池発電システムないし発電方法の発電終了後に、燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに水蒸気供給手段により水蒸気を燃料ガス生成手段内部に注入し、かつ、置換ガスを燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路に注入することにより、燃料ガス生成手段に残留する燃料ガスを除去し、燃料ガス生成手段内部の雰囲気を水蒸気で置換し、かつ、その燃料ガス流路に残留する燃料ガスを除去し、その燃料ガス流路の雰囲気を置換ガスで置換することができる。しかも、同時に独立して置換するため置換時間の短縮を実現することができる。
【００２０】
また、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路に置換ガスを注入するとともに燃料ガス生成手段内部に水蒸気を注入してそれぞれの雰囲気を置換した後に、燃料電池の燃料ガス流路と燃料ガス生成手段との両方に空気供給手段により空気を注入することにより、システム内部の原料および燃料の流路全体の雰囲気を空気で置換することができる。
さらに、燃料ガス生成手段が、貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部を備えることにより、空気置換により空気が燃料ガス生成手段の内部に入っても、変成触媒体の性能劣化を防ぐことができる。
【００２１】
さらに、一酸化炭素濃度検知手段により検知される検知値が所定値を下回るまで燃料極を含む燃料ガス流路に置換ガスまたは原料を注入し続けることにより、燃料ガスが拡散的に燃料ガス流路へ流入することを防止し、しかも燃料ガス流路に注入する置換ガスまたは原料の量を適切に管理することができる。
なお、置換ガスは、硫黄成分を含まずかつ炭化水素などの少なくとも炭素と水素を含む化合物を主成分とする置換ガスとすることにより、置換ガスを原料と同じものを使用することができる燃料電池発電システムないし発電方法を提供することができる。
【００２２】
また、原料あるいは置換ガスに含まれる硫黄成分を除去する硫黄成分除去手段を用い、原料と置換ガスのいずれか一方または両方を社会的基盤として整備されている都市ガスとすることにより、ボンベを必要とせず、より簡潔な構成の燃料電池発電システムないし発電方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の第１の方式に基づく燃料電池発電システムは、燃料極および酸化剤極を有する燃料電池と、前記燃料極を含む前記燃料電池の燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極を含む前記燃料電池の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス流路に炭素および水素を含む化合物を主成分とする置換ガスを供給する置換ガス供給手段とを具備し、前記燃料電池の発電終了後において、前記置換ガス供給手段により前記置換ガスを前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換するように構成する。
【００２４】
同様に、本発明の第１の方式に基づく燃料電池発電方法は、燃料極を含む燃料ガス流路および酸化剤極を含む酸化剤ガス流路を有する燃料電池の前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、前記燃料電池の発電終了後において、前記燃料ガス流路に炭素と水素を含む化合物を主成分とする置換ガスを注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換する第１置換工程とを具備する。
これらの発電システムおよび発電方法においては、燃料電池の発電終了後に置換ガスで燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気をパージすることにより、燃料電池の内部に残留する燃料ガスが空気と触れる危険は無く、燃料ガスが燃料電池の内部で爆発する恐れもない。
【００２５】
この本発明第１の方式の発電システムの好ましい態様においては、前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、前記発電終了後に、前記置換ガス供給手段により前記置換ガスを前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記置換ガスで置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記空気で置換する。
【００２６】
同様に、この本発明の第１の方式の発電方法の好ましい態様においては、前記発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備する。
これらの発電システムおよび発電方法の態様においては、燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気を置換ガスでパージした後、さらにその置換ガスを空気でパージするため、運転終了時には、燃料電池は非常に安全な状態で保持できる。また、燃料ガスと空気が接することもないので、燃料電池の内部で爆発する恐れもない。
【００２７】
本発明の第１の方式の発電システムの他の好ましい態様においては、前記燃料ガス供給手段が、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段と、前記燃料ガス生成手段に前記原料を供給する原料供給源とを含み、前記置換ガス供給手段による前記燃料ガス流路への前記置換ガスの注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は前記燃料ガス生成を行なう。
【００２８】
同様に、本発明の第１の方式の発電方法の他の好ましい態様においては、前記燃料ガス供給工程が炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを前記燃料ガスとして生成する燃料ガス生成工程とを具備し、前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記置換ガスの注入が終了するまで前記燃料ガス生成工程において前記燃料ガスが生成される。
これらの発電システムおよび発電方法の態様によれば、燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気の置換ガスによる置換が終了するまで、燃料ガス生成手段における反応部を加熱するバーナでの安定燃焼、すなわち安定した燃料ガス生成工程が実現できる。
【００２９】
本発明の第１の方式の発電システムあるいは発電方法のさらに他の好ましい態様においては、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成手段を水蒸気で置換する水蒸気供給手段あるいは水蒸気による置換工程（第３置換工程）を具備する。そして、燃料電池の発電終了後に、置換ガス供給手段により置換ガスを燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路に注入してその燃料ガス流路を置換ガスで置換した後、燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに水蒸気供給手段により燃料ガス生成手段に水蒸気を注入する。または、燃料電池の発電終了後に、燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに水蒸気供給手段により燃料ガス生成手段内部に水蒸気を注入し、かつ、置換ガス供給手段により置換ガスを燃料電池の前記燃料ガス流路に注入する。すなわち、燃料ガス生成を停止させるとともに、前記第３置換工程と前記第１置換工程を実施する。
【００３０】
これらの発電システムあるいは発電方法の態様によれば、燃料ガス生成手段内部の雰囲気を水蒸気でパージすることにより、燃料ガス流路には可燃ガスがほぼ残存することがない。水蒸気を燃料ガス生成手段に注入することにより、燃料ガス生成手段の冷却が促進され、運転終了までの時間を短縮することができる。燃料ガス生成手段への水蒸気注入と、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路への置換ガス注入を独立して行うことにより、置換のための時間を短縮できる。
【００３１】
本発明の第１の方式の他の好ましい態様においては、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路および燃料ガス生成手段に空気を供給して、前記燃料ガス流路の雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を空気に置換する空気供給手段を具備し、その燃料ガス流路に前記置換ガスを供給するとともに前記燃料ガス生成手段に水蒸気を注入した後に、燃料ガス流路と燃料ガス生成手段内部の両方に空気供給手段により空気を注入する。これにより、燃料ガス流路と燃料ガス生成手段内部の両方の雰囲気を空気で置換することができる。
【００３２】
ここで、前記空気供給手段による空気注入は、燃料ガス生成手段から燃料電池の燃料ガス流路へと直列に行なう。または、前記空気供給手段による空気注入は、燃料ガス生成手段と燃料電池の燃料ガス流路とに並列に行なう。前者によれば、燃料ガス流路の上流から順次流路に沿って下流へと空気で置換することができる。また、後者によれば、燃料ガス流路全体を短時間で空気に置換することができる。
【００３３】
さらに本発明の第１の方式の他の態様においては、前記燃料ガス生成手段が、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部と、前記変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部を具備する。これにより、前記燃料ガス生成手段内部の耐酸化性が高まるため、当該内部に空気を注入しても、その酸化の問題が生じにくい。
【００３４】
本発明の第２の方式に基づく燃料電池発電システムは、燃料極および酸化剤極を有する燃料電池と、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段と、前記燃料ガス生成手段に前記原料を供給する原料供給源と、前記燃料ガス生成手段から前記燃料ガスを前記燃料極を含む前記燃料電池の燃料ガス流路に供給する燃料ガス供給手段と、前記原料供給源より前記燃料ガス生成手段をバイパスして前記原料を前記燃料ガス流路に原料ガスとして注入するバイパス手段とを具備し、  前記燃料電池の発電終了後において、前記バイパス手段を経由して前記燃料ガス流路に前記原料ガスを注入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料ガスで置換するように構成される。
【００３５】
同様に、本発明の第２の方式に基づく燃料電池発電方法は、炭素および水素を含む化合物を主成分とする原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成工程と、燃料極を含む燃料ガス流路および酸化剤極を含む酸化剤ガス流路を有する燃料電池の前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、前記原料を原料ガスとして直接前記燃料ガス流路に供給して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記原料ガスで置換する第１置換工程とを具備し、前記燃料電池の発電終了後において前記第１置換工程が実施される。
【００３６】
これらの発電システムおよび発電方法においては、燃料電池の発電終了後に、原料ガスで燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気をパージすることにより、燃料電池の内部に残留する燃料ガスが空気と触れる危険は無く、燃料ガスが燃料電池の内部で爆発する恐れもない。また、パージを要する雰囲気をパージするためのガスを原料と同じ供給源から供給するので、簡潔で効率的なシステムとすることができる。
【００３７】
本発明の第２の方式の発電システムの好ましい態様においては、前記燃料ガス流路に空気を供給して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記空気で置換する空気供給手段をさらに具備し、前記発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料ガスを前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記原料ガスで置換した後、前記空気供給手段により前記燃料ガス流路に前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記空気で置換する。
【００３８】
同様に、本発明の第２の方式の燃料電池発電方法の好ましい態様においては、前記発電終了後に前記第１置換工程を実施した後、前記燃料ガス流路に空気を注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記空気で置換する第２置換工程を具備する。
これらの発電システムあるいは発電方法の態様によれば、燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気を原料ガスでパージした後、さらにその原料ガスを空気でパージするため、運転終了時には、燃料電池は非常に安全な状態で保持できる。また、燃料ガスと空気が接することもないので、燃料電池の内部で爆発する恐れもない。
【００３９】
本発明の第２の方式の発電システムの好ましい他の態様においては、前記バイパス手段による前記燃料ガス流路への前記原料ガスの注入が終了するまで、前記燃料ガス生成手段は前記燃料ガス生成を行なう。
同様に、本発明の第２の方式の発電方法の好ましい他の態様においては、前記第１置換工程における前記燃料ガス流路への前記原料ガスの注入が終了するまで前記燃料ガス生成工程において前記燃料ガスが生成される。
これらの発電システムあるいは発電方法の態様によれば、燃料極を含む燃料ガス流路の置換ガスによる置換が終了するまで、燃料ガス生成手段における反応部を加熱するバーナでの安定燃焼、すなわち安定した燃料ガス生成工程を実現できる。
【００４０】
本発明の第２の方式の発電システムの好ましいさらに他の態様においては、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換する水蒸気供給手段をさらに具備し、前記発電終了後に、前記バイパス手段により前記原料ガスを前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記原料ガスで置換した後、前記燃料ガス生成手段の前記燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の前記雰囲気を前記水蒸気で置換する。
【００４１】
または、燃料ガス生成手段内部の雰囲気を水蒸気で置換する水蒸気供給手段をさらに具備し、前記発電終了後に、前記燃料ガス生成手段の燃料ガス生成を停止させるとともに、前記水蒸気供給手段により前記燃料ガス生成手段内部に水蒸気を注入し、かつ、前記バイパス手段により前記原料ガスを前記燃料ガス流路に注入して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記原料ガスで置換する。
【００４２】
同様に、本発明の第２の方式の発電方法の好ましいさらに他の態様においては、前記燃料ガス生成工程における前記燃料ガス生成は燃料ガス生成手段を用いて実施され、前記燃料ガス生成手段に水蒸気を供給して前記燃料ガス生成手段内部の雰囲気を前記水蒸気で置換する第３置換工程をさらに具備し、前記発電終了後に、前記燃料ガス生成手段による前記燃料ガス生成工程を停止させるとともに、前記第３置換工程と前記第１置換工程とが実施される。
【００４３】
これらの発電システムあるいは発電方法の態様によれば、燃料ガス生成手段の内部雰囲気を水蒸気でパージすることにより、燃料ガス流路には可燃ガスがほぼ残存することがない。水蒸気を燃料ガス生成手段内部に注入することにより、燃料ガス生成手段の冷却が促進され、運転終了までの時間を短縮することができる。燃料ガス生成手段内部への水蒸気注入と、燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路への置換ガス注入を独立して行うことにより、置換のための時間を短縮できる。
【００４４】
本発明の第２の方式のさらに他の好ましい態様においては、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段とに空気を供給して、前記燃料ガス流路の前記雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の前記雰囲気とを前記空気に置換する空気供給手段をさらに具備し、前記燃料ガス流路に前記原料ガスを供給して前記燃料ガス流路の前記雰囲気を前記原料ガスで置換するとともに、前記燃料ガス生成手段内部に前記水蒸気を注入して前記燃料ガス生成手段内部の前記雰囲気を前記水蒸気で置換した後に、前記燃料ガス流路と前記燃料ガス生成手段内部との両方に前記空気供給手段により前記空気を注入して、前記燃料ガス流路の前記雰囲気と前記燃料ガス生成手段内部の前記雰囲気とを前記空気で置換する。
【００４５】
これにより、システム内部の原料および燃料ガスの流路全体を空気で置換することができる。
ここで、前記空気供給手段による空気注入の好ましい態様においては、燃料ガス生成手段から前記燃料ガス流路へと直列に行なう。または、前記空気供給手段による空気注入の他の好ましい態様においては、燃料ガス生成手段と前記燃料ガス流路とに並列に行なう。
前者によれば、燃料ガス流路の上流から順次流路に沿って下流へと空気で置換することができる。また、後者によれば、燃料ガス流路全体を短時間で空気に置換することができる。
【００４６】
本発明の第２の方式の他の態様においては、前記燃料ガス生成手段が、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部と、前記変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部を具備する。これにより、前記燃料ガス生成手段内部の耐酸化性が高まるため、当該内部に空気を注入しても、その酸化の問題が生じにくい。
【００４７】
上記の本発明の各方式および各態様におけるさらなる態様によれば、前記燃料ガス生成手段において生成される燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段をさらに具備し、前記一酸化炭素濃度検知手段により検知される検知値が所定値を下回るまで、前記燃料極を含む燃料ガス流路に置換ガスまたは置換ガスとしての原料ガスを注入する。これにより、燃料ガス生成手段の運転初期において高濃度の一酸化炭素を含む燃料ガスが拡散により燃料ガス流路に流入して燃料極が被毒する問題を防止することができる。
【００４８】
また、本発明の各方式および各態様において、好ましい置換ガスは、硫黄成分を含まない。これにより、燃料極の触媒の被毒を防止することができる。
さらに本発明の各方式および各態様において、原料供給源から供給される好ましい原料は、都市ガスをそれに含まれる硫黄成分を除去してなるガスである。これにより、原料を簡便に利用することができるとともに、燃料極の触媒の被毒を防止することができる。
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００４９】
《実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１における燃料電池発電システムの構成を示す。本実施形態における燃料電池発電システムは、燃料電池１１、燃料電池の燃料極１１ａに燃料ガスを供給する燃料供給部、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部、および都市ガスから硫黄成分を除去した脱硫ガスを、置換ガスとして、燃料ガス供給管１０に供給するための脱硫ガス供給管１２を備える。この置換ガスは、炭化水素などの炭素と水素を含む化合物を主成分とする。
【００５０】
さらに、脱硫ガス供給管１２には、都市ガスなど硫黄成分を含む置換ガスの原料から硫黄成分を除去する脱硫器１３と、脱硫ガスの供給・遮断を行なうための開閉弁１４を備える。本実施形態では、原料として炭素と水素を含む化合物を主成分とする都市ガスを用いる。代表的な都市ガスは、大部分がメタンであり、一部ブタンを含む。
【００５１】
本実施形態における燃料電池発電システムの動作を説明する。発電を行なう場合、まず開閉弁１４を開とし、都市ガスの硫黄成分を脱硫器１３で除去した脱硫ガスを脱硫ガス供給管１２から燃料ガス供給管１０を通じて燃料電池１１の燃料極１１ａに注入する。これによって、燃料電池の燃料極およびその近傍に残存するガスを燃料電池１１の外部に排出し、燃料極１１ａを含む燃料電池内部の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージする。なお、本明細書においてパージとは、排出させることを意味し、さらに別の表現をすれば、ある空間に存在するガスなどの既存物質をパージ用のガスなどの物質により置換することを意味する。
【００５２】
燃料極１１ａを含む燃料ガス流路内部雰囲気の脱硫ガスによるパージが完了すると、開閉弁１４を閉として脱硫ガスの供給を止め、燃料電池１１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、発電を行なう。発電を停止するときは、まず燃料電池１１への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を止める。次いで、開閉弁１４を開とし、発電を行なう前と同様に、燃料電池１１の燃料極１１ａに脱硫ガスを注入することで、未反応の燃料ガスを燃料電池１１の外部に排出し、燃料極１１ａを含む燃料電池の燃料ガス流路の内部雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００５３】
燃料電池１１の燃料極１１ａに供給する燃料ガスは水素リッチなガスであり、空気と直接触れると爆発する恐れがある。燃料電池１１の発電をしばらく停止している場合、燃料電池１１の燃料極１１ａには管等から外部の空気が流入してくる。しかし、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成をとると、発電開始前には燃料電池１１の燃料極１１ａを含む燃料ガス流路の雰囲気をまず脱硫ガスでパージし、その後に燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給し、発電終了時には燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給するのを止めた後に、脱硫ガスで燃料電池１１の燃料極１１ａを含む燃料ガス流路の雰囲気をパージする。
【００５４】
このため、燃料電池１１の内部に残留する燃料ガスが空気と触れる危険は無く、燃料ガスが燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成によると、燃料電池の発電において、安全な起動・停止を窒素供給なしで実現することができる。
なお、一般的に、水素ガスと空気との混合ガスにおいて、水素ガスが４〜７５容量％の範囲が可燃範囲であることが知られている。場合により、当該可燃範囲にある場合でも燃焼あるいは爆発しない場合もあるが、当該可燃範囲の状態が発生することを避けるべきである。したがって、上記のパージ工程の途中、あるいは以下の実施形態のパージ工程の途中においても、そのような水素ガスが可燃範囲に入ることのないように留意する必要がある。
【００５５】
ここでは、発電開始前と発電終了後の両方に燃料電池の燃料極を含む燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージするパージ工程を説明した。しかし、発電開始前のみのパージについては上記動作説明に示した発電開始前の同パージ効果が、また、発電終了後のみのパージについては上記動作説明に示した発電終了後の同パージ効果が、それぞれ独立して得られる。
【００５６】
《実施形態２》
図２は、本発明の実施形態２における燃料電池発電システムを示す構成図である。本実施形態における燃料電池発電システムは、まず燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１１と、都市ガスを代表とする炭化水素などの炭素と水素を含む化合物を主成分とし、硫黄成分を含む原料としてのガスから、硫黄成分を除去する脱硫器１６とを具備する。
【００５７】
本実施形態では原料ガスとして都市ガスを用いる。本実施形態における燃料電池発電システムはさらに、脱硫された都市ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する反応部１５ａと改質反応を行なうための加熱手段としてのバーナ１５ｂとで構成される燃料ガス生成部１５と、燃料電池１１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１９と、残余燃料ガスをバーナ１５ｂに供給するための残余燃料ガス管２０と、燃料電池１１に酸化剤ガスとしての空気を供給するブロア１７と、都市ガスから硫黄成分を除去した脱硫ガスを燃料ガス供給管１９に供給するための脱硫ガス供給管１２を備える。さらに脱硫ガス供給管１２には、都市ガスから硫黄成分を除去する脱硫器１３と、脱硫ガスの供給・遮断を行なうための開閉弁１４を備える。
【００５８】
また、燃料ガス供給管１９から、残余燃料ガス管２０への燃料電池バイパス管２１を備え、流路切換弁１８により燃料ガス生成部１５からの燃料ガスを燃料電池１１に供給し、または燃料電池バイパス管２１より排気を行なう。更に残余燃料ガス管２０の燃料電池バイパス管２１との合流部より上流には開閉弁２２を備える。さらに必要に応じて、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガス内の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段３２と、その一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値に基づいて開閉弁１４の開閉を制御するための制御部３３とが備えられている。
【００５９】
図２に示す本実施形態における燃料電池発電システムと図３に示す本実施形態の具体的な脱硫ガスによるパージ工程を含む起動方法の第１の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの起動動作の一例を説明する。燃料電池発電システムの発電開始前に、まず流路切換弁１８により燃料ガスが燃料電池バイパス管２１を流れるように流路を切り換える。ついで、開閉弁１４および２２を開とし、脱硫器１３により都市ガスから硫黄成分を除去された脱硫ガスを脱硫ガス供給管１２から燃料ガス供給管１９に注入することより、燃料電池１１の燃料極１１ａおよび流路切換弁１８より下流の燃料ガス供給管１９の内部雰囲気と、開閉弁２２より上流の残余燃料ガス管２０の内部雰囲気とを脱硫ガス
でパージする。
【００６０】
この脱硫ガスでのパージが完了すると、開閉弁１４および２２を閉とする。その後、脱硫器１６で硫黄成分を除去された脱硫ガスを燃料ガス生成部１５に供給し、燃料ガスの成分が燃料電池１１の発電可能な状態になった後、開閉弁２２を開とし、流路切換弁１８により燃料ガス流路を燃料電池１１に接続し、燃料電池１１の燃料極１１ａに燃料ガスを供給する。同時にブロア１７により空気を燃料電池１１の空気極に供給することにより、発電を行なう。
【００６１】
燃料電池１１の燃料極１１ａに供給する燃料ガスは水素リッチなガスであり、空気と直接触れると爆発する恐れがある。しかし、本実施形態におけるパージ工程を行なうと、発電開始前には流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージした後、発電時に燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給して発電を行なう。
【００６２】
従って、運転開始前、すなわちパージ工程前の燃料電池１１の燃料極１１ａに残留するガスに空気が含まれていても、その空気と燃料ガスが触れる危険は無く、それによって燃料ガスが燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本実施形態の具体的な脱硫ガスによる燃料ガス流路の雰囲気のパージ工程によると、燃料電池発電システムの運転において、安全な起動を窒素供給なしで実現することができる。
【００６３】
次に、図２に示す構成の燃料電池発電システムと図４に示す本実施形態の脱硫ガスによるパージ工程を含む運転停止方法のフロー図を参照し、本実施形態２における燃料電池発電システムの運転停止動作の一例を説明する。燃料電池発電システムの発電終了時には、まず流路切換弁１８により、燃料ガス流路を燃料電池バイパス管２１に接続し、原料ガスである都市ガスの供給を停止する。ついで、開閉弁１４を開き、脱硫ガスを燃料ガス供給管１９に注入し、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の流路の雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００６４】
このパージ工程が完了すると、開閉弁１４と開閉弁２２を閉じ、運転を終了する。燃料電池１１の燃料極１１ａに供給する燃料ガスは水素リッチなガスであり、空気と直接触れると爆発する恐れがある。しかし、本実施形態におけるパージ工程を行なうと、発電終了後には燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給するのを止めた後に、脱硫ガスで流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の流路雰囲気をパージするため、燃料電池１１の燃料極１１ａに燃料ガスがほぼ残留することがない。
【００６５】
そのため燃料電池１１の燃料極１１ａ内部に空気が流入してきたとしても、燃料ガスが残存しないため燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。すなわち、本実施形態に示す燃料電池の構成と本実施形態の具体的なパージ工程によると、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現することができる。
本パージ工程では、パージ完了時に開閉弁２２を閉じるとしたが、特に開閉弁２２を開けた状態で運転を終了してもよい。
【００６６】
次に、図２に示す本実施形態の燃料電池発電システムと図５に示す本実施形態の具体的な脱硫ガスによるパージ工程を含む起動方法の第２の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの起動動作の別例を説明する。この燃料電池発電システムには、開閉弁２２は必ずしも必要ではない。しかし、動作の説明では、常に開閉弁２２を開として設置した構成で説明する。
【００６７】
燃料電池発電システムの発電開始前に、まず流路切換弁１８により燃料ガスが燃料電池バイパス管２１を流れるように流路を切り換える。ついで、開閉弁１４を開とし、脱硫器１３により都市ガスから硫黄成分を除去された脱硫ガスを脱硫ガス供給管１２から燃料ガス供給管１９に注入することより、燃料電池１１の燃料極１１ａと流路切換弁１８より下流の燃料ガス供給管１９の内部雰囲気と開閉弁２２より上流の残余燃料ガス管２０の内部雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００６８】
脱硫ガスでのパージ工程が完了すると、脱硫器１６で硫黄成分を除去された脱硫ガスを燃料ガス生成部１５に供給し、燃料ガスの成分が燃料電池１１の発電可能な状態になった後、開閉弁１４を閉とすることにより脱硫ガスの供給を停止する。次いで、流路切換弁１８により燃料ガスを燃料電池１１に供給し、同時にブロア１７により空気を燃料電池１１に供給することにより、発電を行なう。
【００６９】
上記の第２の例のフロー図に基づき説明した起動方法を行なうと、図３の第１の例のフロー図に示した起電方法で説明した効果とともに、以下の効果も得られる。すなわち、燃料電池発電システムの起動時には、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガスには高濃度の一酸化炭素を含んでいるから、もしこれが燃料極に流入すると、燃料極を被毒することになる。しかし、上記のように、起動時は脱硫ガスを燃料ガス供給管１９に注入するので、高濃度の一酸化炭素を含む燃料ガスが燃料電池バイパス管２１から解放中の開閉弁２２を経て燃料極へ拡散的に流入することを防ぐことが実現できる。
【００７０】
ゆえに、本実施形態の具体例の起動方法によると、燃料電池発電システムの運転において、安全な起動を窒素供給なしで実現することができるとともに、起動時における燃料電池１１の燃料極１１ａの一酸化炭素被毒を防ぐことを実現することができる。
前記の燃料電池発電システムにおいては、必要に応じてさらに、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガス内の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段３２と、当該一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値に基づいて開閉弁１４の開閉を制御するための制御部３３とが、さらに備えられる。
【００７１】
その一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値が所定値を下回るまで開閉弁１４を開として燃料極１１ａに脱硫ガスを注入し、検知量が所定値を下回った後は開閉弁１４を閉として脱硫ガスの注入を停止するように制御部３３を設定することにより、燃料電池１１に一酸化炭素が拡散的に流入することを防ぎ、脱硫ガスの使用量を適切に管理することができる。
なお、上記の動作の説明では、開閉弁２２は常に開としたが、開閉弁２２を除去した構成においても同様の効果が得られるとともに、部品を減らすことによりコストダウンが実現される。
【００７２】
《実施形態３》
図６は、本発明の実施形態３における燃料電池発電システムを示す構成図である。実施形態２を示す図２と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。２３は、都市ガスを代表とする炭化水素などの炭素と水素の化合物を主成分とし硫黄成分を含む原料としてのガスから硫黄成分を脱硫器１６により除去した脱硫ガスを、燃料ガス生成部１５をバイパスして直接燃料電池１１に供給するための燃料ガス生成部バイパス管である。本実施形態では、原料ガスとして都市ガスを用いる。
【００７３】
燃料ガス生成部バイパス管２３には、開閉弁２４を備える。さらに、原料ガスとしての脱硫ガスを燃料ガス生成部１５へ供給する管には、原料ガスの供給・停止を行なう原料ガス供給弁２５を有する。さらに必要に応じて、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガス内の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段３２と、その一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値に基づいて開閉弁２４の開閉を制御するための制御部３４とが備えられている。
【００７４】
図６に示す燃料電池発電システムと図７に示す具体的な起電方法の第１の例のフロー図を参照し、本実施形態３における燃料電池発電システムの起電動作の一例を説明する。燃料電池発電システムの発電開始前に、まず流路切換弁１８により燃料ガスが燃料電池バイパス管２１を流れるように流路を切り換える。ついで、開閉弁２４と開閉弁２２を開き、原料ガス供給弁２５を閉とし、脱硫器１６により都市ガスなどの原料としてのガスから硫黄成分を除去された脱硫ガスを燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料ガス供給管１９に注入することより、燃料電池１１の燃料極１１ａと、流路切換弁１８より下流の燃料ガス供給管１９の内部雰囲気と、開閉弁２２より上流の残余燃料ガス管２０の内部雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００７５】
脱硫ガスでのパージ工程が完了すると、開閉弁２４と開閉弁２２を閉とし、その後、原料ガス供給弁２５を開き原料ガスを燃料ガス生成部１５に供給する。そして、燃料ガスの成分が燃料電池１１の発電可能な状態になった後、開閉弁２２を開とし、流路切換弁１８により燃料ガスを燃料電池１１に供給し、同時にブロア１７により空気を燃料電池１１に供給することにより、発電を行なう。
【００７６】
前記の脱硫ガスによるパージ工程を行なうと、発電開始前には流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージした後、発電時に燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給して発電を行なうので、運転開始前、すなわちパージ工程前の燃料電池１１の燃料極１１ａを含む燃料ガス流路に残留するガスに空気が含まれていても、その空気と燃料ガスが触れる危険は無く、それによって燃料ガスが燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。
【００７７】
さらに、パージを要する雰囲気をパージするための脱硫ガスを原料ガスと同じ供給源より使用することで、より簡潔で効果的なシステムを実現できる。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本実施形態の具体的なパージ工程によると、燃料電池発電システムの運転において、より効果的なシステムで安全な起動を窒素供給なしで実現することができる。
【００７８】
次に、図６に示す本実施形態の燃料電池発電システムと図８に示す本実施形態の具体的な運転停止方法の第１の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の一例を説明する。燃料電池発電システムの発電終了時には、まず流路切換弁１８により、燃料ガス流路を燃料電池バイパス管２１に接続し、原料ガス供給弁２５を閉じることにより原料ガスの供給を停止する。ついで、開閉弁２４を開き、脱硫器１６により脱硫された脱硫ガスを燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料ガス供給管１９に注入し、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００７９】
このパージ工程が完了すると、開閉弁２４と開閉弁２２を閉じ、運転を終了する。燃料電池１１の燃料極１１ａに供給する燃料ガスは水素リッチなガスであり、空気と直接触れると爆発する恐れがある。しかし、前記のパージ工程を行なうと、発電終了後には、燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給するのを止めた後に、脱硫ガスで流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気をパージするため、燃料電池１１の燃料極１１ａに燃料ガスがほぼ残留することがない。そのため燃料電池１１の燃料極１１ａ内部に空気が流入してきたとしても、燃料ガスが残存しないため、燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。
【００８０】
すなわち、上記の、本実施形態に示す燃料電池の構成と具体的なパージ工程によると、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現することができる。
本パージ工程では、パージ完了時に開閉弁２２を閉じるとしたが、特に開閉弁２２を開けた状態で運転を終了してもよい。
【００８１】
次に、図６に示す本実施形態の燃料電池発電システムと図９に示す本実施形態の具体的な運転停止方法の第２の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の別例を説明する。燃料電池発電システムの発電終了時には、まず流路切換弁１８により、燃料ガス流路を燃料電池バイパス管２１に接続し、原料ガス供給弁２５は開のまま原料ガスの供給を続行して燃料ガス生成を行なう。ついで、開閉弁２４を開き、脱硫器１６により脱硫された脱硫ガスを燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料ガス供給管１９に注入し、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００８２】
このパージ工程が完了すると、原料ガス供給弁２５を閉じ、原料ガスの供給を停止し、開閉弁２４と開閉弁２２を閉じ、運転を終了する。燃料電池１１の燃料極１１ａに供給する燃料ガスは水素リッチなガスであり、空気と直接触れると爆発する恐れがある。しかし、本実施形態におけるパージ工程を行なうと、発電終了後には燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに供給するのを止めた後に、脱硫ガスで流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の流路雰囲気をパージするため、燃料電池１１の燃料極１１ａに燃料ガスがほぼ残留することがない。
【００８３】
そのため燃料電池１１の燃料極１１ａ内部に空気が流入してきたとしても、燃料ガスが残存しないため、燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。また、脱硫ガスと原料ガスは、双方ともバーナ１５ｂに戻ってくるため、バーナ１５ｂは失火することなく、安定した燃焼を実現できる。
すなわち、本実施形態に示す燃料電池の構成と本実施形態の具体的なパージ工程によると、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現し、終了時の安定したバーナ燃焼を実現することができる。
本パージ工程では、パージ完了時に開閉弁２２を閉じるとしたが、特に開閉弁２２を開けた状態で運転を終了してもよい。
【００８４】
次に、図６に示す本実施形態３の燃料電池発電システムと図１０に示す本実施形態の具体的な起電方法の第２の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの起電動作の別例を説明する。この燃料電池発電システムには、開閉弁２２は必要ではない。しかし、動作の説明では、常に開閉弁２２を開として設置した構成で説明する。
【００８５】
燃料電池発電システムの発電開始前に、まず流路切換弁１８により燃料ガスが燃料電池バイパス管２１を流れるように流路を切り換える。ついで、開閉弁２４を開け、原料ガス供給弁２５を閉じ、脱硫器１６により都市ガスから硫黄成分を除去された脱硫ガスを燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料ガス供給管１９に注入することより、燃料電池１１および流路切換弁１８より下流の燃料ガス供給管１９の内部雰囲気と開閉弁２２より上流の残余燃料ガス管２０の内部雰囲気を脱硫ガスでパージする。
【００８６】
脱硫ガスでのパージ工程が完了すると、その後、原料ガス供給弁２５を開き、都市ガスなどの原料としてのガスから硫黄成分を脱硫器１６で除去された脱硫ガスを燃料ガス生成部１５に供給する。本実施形態では、原料ガスとして都市ガスを用いる。燃料ガス生成部１５で生成する燃料ガスの成分が燃料電池１１の発電可能な状態になった後、開閉弁２４を閉とすることにより燃料ガス供給管１９への脱硫ガスの供給を停止する。一方、流路切換弁１８を切り換えて燃料ガス生成部１５からの燃料ガスを燃料電池１１に供給し、同時にブロア１７により空気を燃料電池１１に供給することにより、発電を行なう。
【００８７】
本実施形態における上記第２の例のフロー図による別例の起動方法を行なうと、図７に第１の例のフロー図を示す起電方法で説明した効果とともに、以下の効果も得られる。すなわち、燃料電池システムの起動時には、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガスには高濃度の一酸化炭素を含んでいるが、本発明の具体的な動作である脱硫ガスを燃料ガス供給管１９に注入することにより、燃料電池１１の燃料極１１ａに燃料ガスが拡散的に流入することを防ぐことが実現できる。
【００８８】
ゆえに、上記別例に基づく本実施形態の具体的な起電方法は、燃料電池発電システムの運転において、安全な起動を窒素供給なしで実現することができるとともに、起動時における燃料電池１１の燃料極１１ａの一酸化炭素被毒を防ぐことを実現することができる。
前記の燃料電池発電システムにおいては、必要に応じてさらに、燃料ガス生成部１５で生成される燃料ガス内の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段３２と、当該一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値に基づいて開閉弁２４の開閉を制御するための制御部３４とが、さらに備えられる。
【００８９】
その一酸化炭素濃度検知手段３２により検知される検知値が所定値を下回るまで開閉弁２４を開として燃料極１１ａに脱硫ガスを注入し、検知量が所定値を下回った後は開閉弁２４を閉として脱硫ガスの注入を停止するように制御部３４を設定することにより、燃料電池１１に一酸化炭素が拡散的に流入することを防ぎ、脱硫ガスの使用量を適切に管理することができる。
なお、上記の動作の説明では、開閉弁２２は常に開としたが、開閉弁２２を除去した構成においても同様の効果が得られるとともに、部品を減らすことによりコストダウンが実現される。
【００９０】
《実施形態４》
図１１は、本発明の実施形態４における燃料電池発電システムを示す構成図である。実施形態２を示す図２と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施形態では、さらに、空気を開閉弁１４の下流の脱硫ガス供給管１２に供給するためのブロア２６とその空気供給路を遮断する開閉弁２７を備える。
【００９１】
図１１に示す燃料電池発電システムと図１２に示す具体的な運転停止方法のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作を説明する。ただし、本実施形態における動作は、実施形態２において、図４にフロー図で示す運転停止方法に基づくシステムの動作の後に行なう動作であるため、燃料電池１１の燃料極１１ａ含む燃料ガス流路の雰囲気の脱硫ガスによるパージの後からの説明を行なう。
【００９２】
脱硫ガスによるパージ工程が完了すると、開閉弁１４を閉じ、開閉弁２７を開きブロア２６にて空気を脱硫ガス供給管１２から燃料ガス供給管１９に注入することにより、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を空気でパージする。空気パージが完了すると、ブロア２６を止め、開閉弁２７を閉じて、システム運転を終了する。
【００９３】
本実施形態におけるパージ工程を行なうと、まず流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の燃料ガス流路の雰囲気を脱硫ガスでパージし、その後、同区間の脱硫ガス雰囲気を空気でパージするため、運転終了時には、燃料電池１１は非常に安全な状態で保持できる。また、燃料ガスと空気が接することもないので、燃料電池１１の内部で爆発する恐れもない。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本実施形態の具体的なパージ工程は、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現し、しかも運転停止時における安全な燃料電池１１の保持を実現することができる。
【００９４】
《実施形態５》
図１３は、本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムを示す構成図である。実施形態３を示す図６と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施形態では、さらに、燃料ガス生成部１５の内部雰囲気を水蒸気でパージする手段である水蒸気生成器２８を備える。
【００９５】
図１３に示す燃料電池発電システムと図１４に示す具体的な運転停止方法の第１の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の一例を説明する。ただし、本具体例で説明する運転停止動作は、実施形態３において、図９にフロー図を示す運転停止方法で説明したパージ工程の後に行なう動作である。したがって、燃料電池１１の燃料極１１ａを含む燃料ガス流路の雰囲気の脱硫ガスによるパージ工程の後からの説明を行なう。
【００９６】
脱硫ガスによる燃料ガス流路のパージ工程が完了すると、原料ガス供給弁２５を閉じた後、開閉弁２４と開閉弁２２を閉じる。その後、水蒸気生成器２８より水蒸気を燃料ガス生成部１５に供給し、その内部雰囲気を水蒸気でパージする。水蒸気によるパージ工程が完了すると、水蒸気生成器２８を停止し運転を終了する。本実施形態におけるパージ工程を行なうと、前記の図９にフロー図を示す実施形態３で説明した効果とともに、以下の効果をも得られる。
【００９７】
まず、燃料ガス生成部１５の内部雰囲気を水蒸気でパージするため、燃料ガス流路には可燃ガスがほぼ残存することがない。さらに、水蒸気を燃料ガス生成部１５に注入することで燃料ガス生成部１５の冷却が促進され、運転終了までの時間を短縮することができる。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本実施形態の具体的なパージ工程は、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現し、終了時の安定したバーナ燃焼を実現するとともに、燃料ガス流路内の可燃ガスを除去することが実現できる。さらに運転終了までの時間も短縮できる。本パージ工程では、運転終了時は開閉弁２２を閉じているが、特に開閉弁２２を開けた状態で運転を終了してもよい。
【００９８】
次に、図１３に示す燃料電池発電システムと図１５に示す具体的な運転停止方法の第２の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の別例を説明する。燃料電池発電システムの発電終了時には、まず流路切換弁１８により、燃料ガス流路を燃料電池バイパス管２１に接続し、原料ガス供給弁２５を閉じ原料ガスの供給を停止する。ついで、水蒸気生成器２８より水蒸気を燃料ガス生成部１５に供給し、その内部雰囲気を水蒸気でパージする。
【００９９】
一方、燃料電池１１については、発電終了時に開閉弁２４を開き、脱硫器１６により脱硫された脱硫ガスを燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料ガス供給管１９に注入し、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の流路雰囲気を脱硫ガスでパージする。燃料ガス生成部１５から燃料電池バイパス管２１にかけての流路の水蒸気によるパージが完了すると、水蒸気生成器２８を停止し水蒸気によるパージを終了する。また、流路切換弁１８から開閉弁２２までの間の流路雰囲気の脱硫ガスでのパージが完了すると、原料ガス供給弁２５を閉じ原料ガスである都市ガスの供給を停止し、開閉弁２４と開閉弁２２を閉じ脱硫ガスによるパージを終了する。
【０１００】
本実施形態におけるパージ工程を行なうと、実施形態３で説明した効果とともに、以下の効果をも得られる。まず、燃料ガス生成部１５の内部雰囲気を水蒸気でパージするため、燃料ガス流路には可燃ガスがほぼ残存することがない。さらに、水蒸気を燃料ガス生成部１５に注入することで燃料ガス生成部１５の冷却が促進され、運転終了までの時間を短縮することができる。その上、燃料ガス生成部１５と燃料電池１１という２つの反応部の内部雰囲気を同時に独立してパージすることができるため、さらに運転終了までの時間も短縮できる。
【０１０１】
すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本実施形態の具体的なパージ工程は、燃料電池発電システムの運転において、安全な運転停止を窒素供給なしで実現するとともに、燃料ガス流路内の可燃ガスを除去することが実現できる。さらに２つの反応部の内部雰囲気を同時に独立してパージするために運転終了までの時間も短縮できる。本パージ工程では、脱硫ガスによるパージ工程完了時に開閉弁２２を閉じるとしたが、特に開閉弁２２を開けた状態で運転を終了してもよい。
【０１０２】
《実施形態６》
図１６は、本発明の実施形態６における燃料電池発電システムを示す構成図である。実施形態５を示す図１３と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施形態では、さらに、脱硫ガスの供給・停止をおこなう脱硫ガス供給弁２９と、空気を燃料ガス生成部１５の上流に供給するブロア３０とその空気供給路を遮断する開閉弁３１を備える。
【０１０３】
図１６に示す燃料電池発電システムを参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの動作を説明する。ただし、本実施形態における動作の特徴は、実施形態５において、図１４または図１５にフロー図に基づいて説明した脱硫ガスおよび水蒸気によるパージ工程の後に行なう動作にある。したがって、燃料ガス生成部１５の内部雰囲気の水蒸気によるパージと、燃料電池１１の燃料極１１ａ含む燃料ガス流路雰囲気の脱硫ガスによるパージ工程との後からの説明を行なう。
【０１０４】
水蒸気によるパージ工程が終了すると、脱硫ガス供給弁２９を閉じる。その後、ブロア３０を作動させるとともに開閉弁３１を開き、燃料ガス生成部１５に空気を供給することで、燃料ガス生成部１５の内部に残留する水蒸気を燃料ガス供給管１９へ除去する。また、燃料電池１１の燃料極１１ａへの空気供給もブロア３０を用いて行なう。これにより、脱硫ガス供給弁２９より下流の燃料ガス流路の雰囲気を空気で安全にパージすることが実現でき、しかも運転停止時における安全な燃料電池１１の保持を実現することができる。また、空気でパージするため、原料ガス供給弁２９より下流の燃料ガス流路は大気に開放することが可能であり、燃料ガス生成部１５が温度低下により圧力低下を起こしても、大気から空気を吸入することで緩和される。
【０１０５】
次に、より効果的な空気によるパージ工程として、図１６に示す燃料電池発電システムと図１７に示す具体的な運転停止方法の第１の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の一例を説明する。燃料ガス生成部１５の内部雰囲気の水蒸気によるパージ、および燃料電池１１の燃料極１１ａを含む燃料ガス流路雰囲気の脱硫ガスによるパージが終了すると、脱硫ガス供給弁２９を閉じる。ついで、開閉弁３１と２２を開き、流路切換弁１８により流路を燃料電池１１に接続する。その後ブロア３０を作動し、空気を燃料ガス生成部１５から燃料電池１１の燃料極１１ａを経てバーナ１５ｂへと流すことにより燃料ガス流路全体の雰囲気を空気でパージする。
【０１０６】
このパージ工程終了後、ブロア３０を停止し、開閉弁３１を閉じることにより運転を終了する。このパージ工程では、パージを要する雰囲気をパージするための空気は、燃料ガス生成部１５の上流より供給し、流路分岐をしない。そのため、燃料ガス流路の上流から順次流路に沿って下流へとその雰囲気を空気によりパージを行なうことができる。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本具体例のパージ工程は、実施形態６の最初に説明した燃料電池発電システムと同様の効果とともに、燃料ガス流路の上流から順次流路に沿って下流へとその雰囲気を空気によりパージすることを実現できるという効果も有する。
【０１０７】
次に、より効果的な空気パージ工程の別法として、図１６に示す燃料電池発電システムと図１８に示す具体的な運転停止方法の第２の例のフロー図を参照し、本実施形態における燃料電池発電システムの運転停止動作の別例を説明する。燃料ガス生成部１５の内部雰囲気の水蒸気によるパージ、および燃料電池１１の燃料極１１ａ含む燃料ガス流路雰囲気の脱硫ガスによるパージが終了すると、脱硫ガス供給弁２９を閉じる。
【０１０８】
ついで、開閉弁３１、２４、２２と原料ガス供給弁２５を開く。さらに、流路切換弁１８により流路を燃料電池バイパス管２１に接続する。その後ブロア３０を作動し、空気を燃料ガス生成部１５から燃料電池バイパス管２１を経てバーナ１５ｂへと、さらに燃料ガス生成部バイパス管２３から燃料電池１１の燃料極１１ａを経てバーナ１５ｂへと流すことにより燃料ガス流路全体の雰囲気を空気でパージする。
【０１０９】
このパージ工程終了後、ブロア３０を停止し、開閉弁３１を閉じることにより運転を終了する。このパージ工程は、燃料ガス生成部１５の内部雰囲気と燃料電池１１の燃料極１１ａ含む燃料ガス流路の雰囲気を同時にパージするため、短時間でのパージを行なうことができる。すなわち、本実施形態に示す燃料電池発電システムの構成と本具体例のパージ工程は、本実施形態６の最初に説明した燃料電池発電システムと同様の効果とともに、短時間で空気によるパージ工程終了を実現できるという効果も有する。
【０１１０】
ところで、上記実施形態４および実施形態６における燃料電池発電システムの燃料ガス生成部１５の反応部１５ａの内部には、空気によるパージを行なう過程で空気が反応部１５ａに流入するか、流入する可能性がある。そこで、燃料ガス生成部１５の反応部１５ａは、図１９に示すように、少なくとも貴金属と金属酸化物を構成材料とする変成触媒体を設けた変成部１５ｄと、変成部に少なくとも一酸化炭素と水蒸気を副成分として含む水素ガスを供給する水素ガス供給部である改質器１５ｃを備えるとより効果的である。
【０１１１】
すなわち、図１９において、原料ガスあるいは脱硫ガスを改質器１５ｃに供給し、その改質器１５ｃ内で水蒸気が存在する高温下で、原料ガスあるいは脱硫ガスの改質反応を起こさせる。その改質反応おける副生成物としての一酸化炭素を、次の変成部１５ｄにおいて水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素を発生させる。バーナ１５ｂは、改質器１５ｃを高温にする役割を有する。
【０１１２】
この構成によれば、上記変成触媒体が、耐酸素被毒性を有するため、パージ工程のために空気を反応部１５ａに流入させても、空気による性能劣化を防止できるという効果が得られる。
なお、上記実施形態１から６では、都市ガスをパージ用ガスあるいは原料用ガスとして用いた例を示した。都市ガスは社会的基盤として整備されているため、窒素のようなボンベをも必要としない。そのため、より簡潔な構成を実現できるとの観点から、より効果的なパージ用ガスとして都市ガスから硫黄成分を除去した脱硫ガスを用いて説明をおこなった。
【０１１３】
しかしながら、パージ用ガスとしては、硫黄成分を含まない炭化水素などの少なくとも炭素と水素を含む化合物を主成分とするガス、たとえばメタンガスなど、を用いても同様の効果が得られる。このときは、脱硫器は不要であり、またパージ用ガスに水素を生成させるための原料と同じものを使用することができる。これら都市ガスあるいはメタンガス以外でも、天然ガス、プロパンガス、ジメチルエーテルガスなども原料としてのガスあるいはパージ用ガスとして用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の燃料電池発電システムは、家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などに好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施形態１における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態２における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態２の燃料電池発電システムの起電方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態２の燃料電池発電システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態２の燃料電池発電システムの起電方法の別例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態３における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態３の燃料電池発電システムの起電方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態３の燃料電池発電システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態３の燃料電池発電システムの運転停止方法の別例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態３の燃料電池発電システムの起電方法の別例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態４における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の実施形態４の燃料電池発電システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施形態５における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の実施形態５の燃料電池発電システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施形態５の燃料電池発電システムの運転停止方法の別例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施形態６における燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図１７】本発明の実施形態６の燃料電池発電システムの運転停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施形態６の燃料電池発電システムの運転停止方法の別例を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の各実施形態に用いることができる燃料ガス生成部の一例の構成を模式的に示す図である。
【図２０】従来の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１１    燃料電池
１１ａ  燃料極
１５    燃料ガス生成部
１５ａ  反応部
１５ｂ  バーナ
１３、１６   脱硫器
１７、２６、３０   ブロア
１２    脱硫ガス供給管
１４、２２、２４、２７、３１   開閉弁
１８    流路切換弁
１９    燃料ガス供給管
２０    残余燃料ガス管
２１    燃料電池バイパス管
２３    燃料ガス生成部バイパス管
２５    原料ガス供給弁
２８    水蒸気生成器
２９    脱硫ガス供給弁
【図１】
0004713547.tif 000002
【図２】
0004713547.tif 000003
【図３】
0004713547.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004713547.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004713547.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004713547.tif 000016
【図１６】
0004713547.tif 000017
【図１７】
0004713547.tif 000018
【図１８】
0004713547.tif 000019
【図１９】
0004713547.tif 000020
【図２０】
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