(57)【要約】【課題】ガス漏れや異常反応に対する安全性を確保し、触媒劣化を防止する燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】圧力検知器２を備えた原料ガス供給経路１と、原料ガス供給経路１の圧力検知器２より下流に設けられたガス遮断手段３およびガス昇圧器４と、原料ガス供給経路１に接続された改質器５と、改質器で発生した水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池８と、制御装置１０とを備え、制御装置１０は、停止時に圧力検知器２が所定値以上の圧力を検知した時に運転を許可し、運転時に圧力検知器２が検知した圧力と停止時に検知した前記圧力との差が、予め設定した正常範囲を超えた時に運転を停止させる。【選択図】図１
2005122920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力検知器を備えた原料ガス供給経路と、前記原料ガス供給経路の前記圧力検知器より下流に設けられたガス遮断手段およびガス昇圧器と、前記原料ガス供給経路に接続された改質器と、前記改質器で発生した水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、制御装置とを備え、前記制御装置は、停止時に前記圧力検知器が所定値以上の圧力を検知した時に運転開始を許可し、運転時に前記圧力検知器が検知した圧力と停止時に検知した前記圧力との差が、予め設定した正常範囲を超えた時に運転を停止させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記原料ガス供給経路の前記ガス昇圧器より上流に、前記ガス遮断手段の機能を有する流路切替手段と、前記流路切替手段と連通する空気供給経路とを備え、運転停止時に前記改質器内および前記燃料電池内の水素リッチガスを排出した後に、前記流路切替手段を切り替えて前記空気供給経路より空気を吸入し前記改質器内および前記燃料電池内を空気で置換する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路切替手段は分岐部と２個の弁で構成された請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流路切替手段は三方切替弁である請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記原料ガス供給経路の前記圧力検知器より上流に第２のガス遮断手段を設け、停止時に前記ガス遮断手段と前記第２のガス遮断手段を閉止し、所定時間内に前記圧力検知器で検知した圧力の低下が、予め設定した正常範囲を超えた時に運転開始を禁止する請求項１記載の燃料システム。
【請求項６】
前記ガス遮断手段は、前記ガス昇圧器の下流に設けられた請求項５記載の燃料システム。
【請求項７】
前記原料ガス供給経路の前記圧力検知器近傍に温度検知器を備え、所定時間内の前記圧力低下測定時に前記温度検知器により検知された温度に基づいて前記正常範囲を補正し、運転開始の是非を判断する請求項５または６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスから生成した水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムは、図５のような構成をしていた。すなわち、上流に燃料遮断検出器５１とガス供給弁５２を備えた原料ガス供給経路５３および水蒸気発生器５４を接続したエジェクタ５５と、エジェクタ５５の下流に接続された改質器５６、変成器５７、燃料電池５８と、コントローラ５９とを備えていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この燃料電池発電システムにおいて、発電運転を行う場合は、まずガス供給弁５２を開き、水蒸気発生器５４から供給される水蒸気がエジェクタ５５を通過する際に原料ガス供給経路５３から都市ガス等の原料ガスを吸引して改質器５６に供給し、改質器５６では改質反応により水素リッチガスを生成し、変成器５７で一酸化炭素を除去した後に燃料電池５８に供給することによって発電を行うものである。この発電運転中に、原料ガス供給経路５３へ供給される燃料が遮断された場合、燃料遮断検出器５１が圧力などから原料ガスの遮断を検出し、コントローラ５９によって適切な処置を行うものである。
【特許文献１】特開平８−２２２２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池発電システムでは、原料ガスの遮断は検出することができるが、原料ガス供給経路で漏れが発生した時は、これを検出することが困難であった。特に、原料ガス遮断検出器５１の下流で漏れがある場合は、条件によってはエジェクタ５５が漏れ箇所から周囲の空気を吸引し、この吸引された空気が改質器５６内に残留する水素と反応し、爆発などの異常反応や改質触媒の劣化を招くなどの課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、ガス漏れや異常反応に対する安全性を確保し、触媒劣化を防止する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、圧力検知器を備えた原料ガス供給経路と、原料ガス供給経路の圧力検知器より下流に設けられたガス遮断手段およびガス昇圧器と、原料ガス供給経路に接続された改質器と、改質器で発生した水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、制御装置とを備え、制御装置は、停止時に圧力検知器が所定値以上の圧力を検知した時に運転開始を許可し、運転時に圧力検知器が検知した圧力と停止時に検知した前記圧力との差が、予め設定した正常範囲を超えた時に運転を停止させるものである。
【０００７】
また、本発明の燃料電池システムは、原料ガス供給経路のガス昇圧器より上流に、ガス遮断手段の機能を有する流路切替手段と、前記流路切替手段と連通する空気供給経路とを設け、運転停止時に改質器内および燃料電池内の水素リッチガスを排出した後に、前記流路切替手段を切り替えて空気供給経路より空気を吸入し改質器内および燃料電池内を空気で置換するものである。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムは、流路切替手段は、分岐部と２個の弁で構成されたものである。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムは、流路切替手段は、三方切替弁を用いたものである。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、原料ガス供給経路の圧力検知器より上流に第２のガス遮断手段を設け、停止時にガス遮断手段と第２のガス遮断手段を閉止し、所定時間内に圧力検知器で検知した圧力の低下が、予め設定した正常範囲を超えた時に運転開始を禁止するものである。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、ガス遮断手段は、ガス昇圧器の下流に設けたものである。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、原料ガス供給経路の圧力検知器近傍に温度検知器を備え、所定時間内の圧力低下測定時に、前記温度検知器により検知された温度に基づいて前記正常範囲を補正し、運転開始の是非を判断する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、原料ガス供給経路の漏れ箇所から周囲の空気を吸引し、この吸引された空気が改質器内に残留する水素と反応し、爆発などの異常反応や改質触媒の劣化を招くことなく、ガス漏れや異常反応に対する安全性を確保するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムのシステム構成図である。１は、原料ガス供給経路で、上流から圧力検知器２、ガス遮断手段３、ガス昇圧器４の順に取付けられている。５は、原料ガス供給経路１の下流に接続された改質器で、本実施の形態では、下流に変成器６と選択酸化器７とが接続されている。８は、燃料極８ａと酸素極８ｂとから構成された燃料電池で、燃料極８ａには選択酸化器７が、酸素極８ｂには酸化剤ガス供給手段９が、それぞれ接続されている。１０は、燃料電池発電システムを制御する制御装置である。
【００１６】
本実施の形態では、原料ガス供給経路１の圧力検知器２とガス昇圧器４との間に分岐部１１と２個の弁１２ａ、１２ｂで構成された流路切替手段１３が設けられている。前記２個の弁のうち、原料ガス供給経路１に設けられた弁１２ａはガス遮断手段３に相当し、空気吸入口１４より導入される空気が通流する空気供給経路１５に設けられたもう一方の弁１２ｂは空気の供給量を調節する。
【００１７】
つぎに、本実施の形態における動作を説明する。発電運転を行う場合、ガス遮断手段３としての弁１２ａを開くことにより、メタン、プロパン等で例示される炭化水素などの原料ガスは、原料ガス供給経路１からガス昇圧器４に供給され、ガス昇圧器４で昇圧された後に改質器５に送られ、改質反応によって水素リッチガスに転換される。この水素リッチガスには一酸化炭素が含まれており、そのまま燃料電池８に供給すると燃料極８ａの触媒が被毒され発電能力が低下するため、この水素リッチガスを変成器６及び選択酸化器７に送り一酸化炭素を除去させた後に、燃料電池８の燃料極８ａに供給する。一方、燃料電池８の酸素極８ｂには酸化剤ガス供給手段９から酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池８内では、燃料極８ａに供給された水素と酸素極８ｂに供給された空気中の酸素とを反応させ発電を行うものである。これらの運転制御は、制御装置１０によって行われるものである。
【００１８】
つぎに、発電運転を停止させる時の動作について説明する。ガス遮断手段３である弁１２ａを閉じることにより、原料ガスの改質器５への供給を停止、すなわち水素リッチガスの燃料電池８へ供給を停止させることで、発電運転を停止する。この時、改質器５、変成器６、選択酸化器７、燃料電池８の燃料極８ａ内の水素リッチガスを水蒸気などで排出（機構については図示せず）した後に、弁１２ｂを開き空気吸入口１４より吸入される空気を空気供給経路１５を通じて導入し、ガス昇圧器４で加圧した後に改質器５、から燃料電池８にかけて空気置換を行うものである。
【００１９】
つぎに、原料ガス供給経路１の漏れ検出動作について、図２にもとづいて説明する。図２は、原料ガス供給経路１における圧力分布図である。停止時には、弁１２ａ上流は原料ガスの元圧で一定圧力Ｐ０となり、弁１２ａ下流は、上述のように弁１２ｂより空気吸引し、燃料電池システムを空気置換しているため大気圧となっている。正常運転時には、原料ガス元圧がかかるものの、圧力検知器２においては圧力損失によってＰ０より若干低下した圧力Ｐ１を示す。弁１２ａでは原料ガス供給経路を形成している配管よりも狭い流路となっており、この狭い流路を原料ガスが流れるため、それに相当した大きさの圧力損失で圧力が低下し、その下流のガス昇圧器４では、原料ガスを改質器５から燃料電池８にかけて生ずる圧力損失に見合う圧力Ｐｍまで昇圧し、原料ガスの供給を継続させるものである。
【００２０】
ここで、弁１２ａとガス昇圧器４の間で漏れが発生した場合、漏れ箇所では大気圧付近となり、圧力検知器２においても圧力がＰ２まで低下する。この時、漏れ箇所から原料ガスが漏洩する場合もあれば、条件によってガス昇圧器４の入口側の負圧によって周囲の空気を吸引する場合もある。運転中に空気が吸引された場合は、改質器５内に残留する水素と反応し、爆発などの異常反応や改質触媒の劣化を招くなどの恐れがあるため、いち早く検出し適切な処置を施す必要がある。
【００２１】
本実施の形態では、制御装置１０によって以下の動作を行う。まず、運転を開始する時は、停止時に圧力検知器２が検知した圧力Ｐ０が大気圧より大きければ、弁１２ａの上流でガス漏れがなく原料ガスの供給可能と判断し運転を許可する。つぎに、燃料電池システムの運転を開始した後、運転中において、圧力検知器２が予め正常運転時に検知した圧力Ｐ１と停止時に検知した圧力Ｐ０との差（Ｐ０−Ｐ１）に対し、圧力検知器２が検知した圧力Ｐ２から算出した圧力差（Ｐ０−Ｐ２）が正常範囲を超えた場合は漏れがあると判断し、弁１２ａを遮断し運転を停止するとともに、警報を出すなどの適切な処置を施す。なお、前記圧力差（Ｐ０−Ｐ２）の正常範囲とは、弁１２ａの下流側の経路で大気圧以下の圧力（負圧）が生じることのない範囲として設定される。
【００２２】
このように、圧力検知器２と制御装置１０の漏れ検出動作によって、ガス漏れや空気吸引による異常反応に対する安全性を確保し、触媒劣化を防止することができるものである。特に、弁１２ｂが故障した時は、大量に周囲空気を吸引する恐れがあるため、よりいっそう上記効果を奏することができるものである。また、流路切替手段１３の一部をガス遮断手段３と兼用することにより、コストを安価に製造することができるものである。
【００２３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのシステム構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。
【００２４】
２１は、流路切替手段としての三方切替弁であり、実施の形態１の分岐部１１と２個の弁１２ａ、１２ｂと同等の機能を有する。すなわち、停止時に原料ガスを遮断する場合は、三方切替弁２１を空気吸入口１４〜ガス昇圧器４側（図中Ｂ）に切替え、運転時に原料ガスを供給する場合は、三方切替弁２１を圧力検知器２〜ガス昇圧器４側（図中Ａ）に切替えるものである。この方式は、１個の部品で流路を切替えることができるため、コストを安価に製造することができるものである。
【００２５】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムのシステム構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。
【００２６】
３１は、原料ガス供給経路１の圧力検知器２より上流に設けられた、第２のガス遮断手段としての弁である。３２は、原料ガス供給経路１の圧力検知器２近傍に設けられた温度検知器である。なお、本実施の形態においては、ガス遮断手段３としての弁１２ａは、ガス昇圧器４の下流に設けられている。
【００２７】
つぎに、原料ガス供給経路１の漏れ検出動作について説明する。停止時にガス遮断手段３としての弁１２ａと第２のガス遮断手段としての弁３１を閉止し、所定時間内に圧力検知器２で検知した圧力Ｐ０の低下が、予め設定した正常範囲を超えた時に漏れがあると判断し、制御装置によって運転を禁止するとともに、警報を出すなどの適切な処置を施す。なお、上記正常範囲は、原料ガス経路１に漏れが発生してない場合に、圧力検知器２により検出される圧力値の範囲として設定される。
【００２８】
この時、弁１２ａと弁３１の間の密閉区間内の原料ガスの温度が変化し、例えば温度が低下した場合は、たとえ漏れがなくても気体の収縮により圧力が低下するため、正確な漏れの有無の判断ができない場合がある。そこで、本実施の形態では、圧力検知器２近傍の原料ガス温度を温度検知器３２によって測定し、制御装置１０で温度検知器３２により検知された温度により上記正常範囲の補正を行った上で漏れの有無を判断することにより、より正確な漏れ検出を行うことができるものである。これらの方式では、弁１２ａと弁３１との間の原料ガス漏れを、精度良く検出することができるものである。
【００２９】
なお、本実施の形態では、ガス昇圧器４をガス遮断手段３としての弁１２ａと第２のガス遮断手段としての弁３１との間の密閉区間内に設けている。これは、ガス昇圧器４は駆動部を有し、経年劣化によって微小のガス漏れが発生する可能性があるためで、耐久寿命の点で異常が発生しても、ガス漏れなどの安全性を確保することができる。
【００３０】
また、本実施の形態のようにガス昇圧器４に限らず改質器５、変成器６、選択酸化器７、燃料電池８の燃料ガス経路、または酸化剤ガス経路等ガス漏れの恐れがある燃料電池システムの所定の経路の両端に弁、及び両方の弁の間に圧力検知器を設ける。そして、上記と同様に圧力検知器により検出される圧力値の値が、所定の正常範囲を超えた時に漏れがあると判断し、制御装置１０により燃料電池システムの運転を停止するあるいは、異常であることを告知しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の燃料電池システムは、原料ガス経路の漏れを検知し、安全性を確保するという効果を奏するもので都市ガス、プロパン等の原料ガスの供給により運転する水素生成装置またはそれを有する燃料電池システムについて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１における、燃料電池発電システムのシステム構成図
【図２】本発明の実施の形態１における、圧力分布図
【図３】本発明の実施の形態２における、燃料電池発電システムのシステム構成図
【図４】本発明の実施の形態３における、燃料電池発電システムのシステム構成図
【図５】従来の燃料電池発電システムのシステム構成図
【符号の説明】
【００３３】
１    原料ガス供給経路
２    圧力検知器
３    ガス遮断手段
４    ガス昇圧器
５    改質器
８    燃料電池
１０    制御装置
１２ａ    弁
１２ｂ    弁
１３    流路切替手段
１４    空気吸入口
１５    空気供給経路
２１    三方切替弁
３１    第２のガス遮断手段
３２    温度検知器
【図１】
2005122920.tif 000003
【図２】
2005122920.tif 000004
【図３】
2005122920.tif 000005
【図４】
2005122920.tif 000006
【図５】
2005122920.tif 000007