(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、停電時においても不活性ガスを用いない停止処理を行うことができるシステムを提供することを目的とする。【解決手段】供給された水素を含む燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを用いて電力の発生を行う燃料電池１１と、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給経路１２と、燃料ガスを供給する燃料供給経路１３と、燃料電池１１よりも上流側の燃料供給経路１３に接続された水蒸気発生手段１４と、水蒸気発生手段１４に水を供給するパージ水経路１５と、水を蓄えるパージ水タンク１６と、水を水蒸気発生手段１４に供給するパージ水供給手段１７として通電時に弁を閉じ、非通電時に弁を開く遮断弁とで構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および酸化剤を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給経路と、前記燃料電池より上流の前記燃料供給経路に接続された水蒸気発生手段と、前記水蒸気発生手段に接続され水を供給するパージ水経路と、前記パージ水経路にて前記水蒸気発生手段へ水を供給するパージ水供給手段と、前記水蒸気発生手段に供給する水を蓄えるパージ水タンクとを具備し、燃料電池システムの運転停止処理時に前記パージ水供給手段により供給される水から、前記水蒸気発生手段で水蒸気を発生させ、発生した水蒸気により燃料電池システムのパージを行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
パージ水タンクへ水を供給するパージ水供給経路と、前記パージ水供給経路に接続され前記パージ水タンクで蓄える水の量を調節するパージ水量調節手段と、水蒸気発生手段の温度を測定する温度測定手段とを具備し、燃料電池システムの運転時に前記温度測定手段により測定された前記水蒸気発生手段の温度に応じて前記パージ水量調節手段を操作し、前記パージ水タンクに蓄える水の量を変化させ、燃料電池システムの運転停止処理時に前記パージ水タンクに蓄えられた水量だけパージを行うことを特徴とする、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
パージ水供給手段は通電時に水の供給を停止し、非通電時に水の供給を行う機能を有することを特徴とする、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
原料と水蒸気を改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成手段を具備し、前記水蒸気発生手段は前記燃料生成手段であることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
パージ水タンクに蓄えられた水を加圧し、前記水蒸気発生手段に供給することが可能な加圧手段を備えることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに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、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムの運転停止処理時には安全のため、窒素などの不活性ガスや、不活性ガスに替わる水蒸気などでシステム内の可燃性ガスのパージを行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
その構成を図４に示す。図４において、燃料電池１１は、酸化剤供給経路１２と燃料供給経路１３により供給される燃料ガスと空気などの酸化剤ガスの反応により、電力を発生させる。燃料生成手段２２は、外部から供給された天然ガスなどの原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱して水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する。燃料電池システムの停止処理時は制御手段２１により制御され、水蒸気供給手段２５により燃料生成手段２２に水蒸気を供給してパージを行い、その後、温度測定手段１８により測定された燃料生成手段２２の温度が改質触媒の酸化温度以下になった時点で、空気供給手段２６により燃料生成手段２２に空気を供給して燃料電池システムのパージを行う。
【特許文献１】特開２００２−８７０１号公報（第８頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような燃料電池システムにおけるパージ方法では、通常の運転停止処理には不活性ガスを用いないパージを行っているが、そのパージ操作・制御が複雑であり、電力を必要とするため、停電時の運転停止処理には不活性ガスを用いたパージを行っている。そのため、不活性ガスを供給する手段を燃料電池システムの内外に別途設置しなければならず、設置スペースやコストが増加するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料および酸化剤を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給経路と、前記燃料電池より上流の前記燃料供給経路に接続された水蒸気発生手段と、前記水蒸気発生手段に接続され水を供給するパージ水経路と、前記パージ水経路にて前記水蒸気発生手段へ水を供給するパージ水供給手段と、前記水蒸気発生手段に供給する水を蓄えるパージ水タンクとを備え、燃料電池システムの運転停止処理時に前記パージ水供給手段により供給される水から、前記水蒸気発生手段で水蒸気を発生させ、発生した水蒸気により燃料電池システムのパージを行うことを特徴とする。
【０００６】
また、第２の本発明の燃料電池システムは、パージ水タンクへ水を供給し蓄えるパージ水供給経路と、前記パージ水供給経路に接続され前記パージ水タンクへ蓄える水の量を調節するパージ水量調節手段と、水蒸気発生手段の温度を測定する温度測定手段とを備え、燃料電池システムの運転時に前記温度測定手段により測定された前記水蒸気発生手段の温度に応じて前記パージ水量調節手段を操作し、前記パージ水タンクに蓄える水の量を変化させ、燃料電池システムの運転停止処理時に前記パージ水タンクに蓄えられた水量だけパージを行うことを特徴とする。
【０００７】
また、第３の本発明の燃料電池システムは、パージ水供給手段は通電時に水の供給を停止し、非通電時に水の供給を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、第４の本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気を改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成手段を備え、前記水蒸気発生手段は前記燃料生成手段であることを特徴とする。
【０００９】
また、第５の本発明の燃料電池システムは、パージ水タンクに蓄えられた水を加圧し、前記水蒸気発生手段に供給することが可能な加圧手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、窒素などの不活性ガスを用いずにパージ操作が容易に行えるとともに、通常の運転停止処理時だけでなく、停電時のような燃料電池システムに外部からの電力の供給が途絶える場合においても、燃料電池システムのパージを行い、安全に停止することができる。その結果、燃料電池システム内外に不活性ガス供給手段を別途設置する必要がなく、燃料電池システムの設置スペースやイニシャルコスト・ランニングコストを削減することが可能となる。
【００１１】
また、水蒸気発生手段として燃料生成手段を用いることで、水蒸気を発生させるために余分なエネルギーを加える必要がなく、停止処理時においても効率的にエネルギーを利用することができるため、消費エネルギーを低減することが可能となる。
【００１２】
また、燃料生成手段の温度に応じて供給するパージ水量を変化させることにより、燃料生成手段の内部に蒸発せずに水が溜まることを防ぐことができる。その結果、燃料生成手段の腐食を防止することができるとともに、次回起動時に水詰まりなどを起こすことなく正常に運転することが可能となる。
【００１３】
また、加圧手段により加圧して水を燃料生成手段に供給することで、燃料生成手段や燃料供給経路、燃料電池などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路の圧力が高い場合にも、燃料電池システムのサイズを大きくすることなくパージを行うことが可能となる。
【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について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。本実施の形態１における燃料電池システムは、供給された水素を含む燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを用いて電力の発生を行う燃料電池１１と、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給経路１２と、燃料ガスを供給する燃料供給経路１３と、燃料電池１１よりも上流側の燃料供給経路１３に接続された水蒸気発生手段１４と、水蒸気発生手段１４に水を供給するパージ水経路１５と、水を蓄えるパージ水タンク１６と、水を水蒸気発生手段１４に供給するパージ水供給手段１７として通電時に弁を閉じ、非通電時に弁を開く遮断弁とで構成されている。
【００１６】
以上のように構成された本実施の形態１について、その動作を説明する。
【００１７】
システム運転時に燃料電池１１は、酸化剤供給経路１２により供給される酸化剤ガスと、燃料供給経路１３により供給される燃料ガスを用いて発電を行う。通常の運転停止処理時には、パージ水供給手段１７を開き、パージ水タンク１６に蓄えられた水を水蒸気発生手段１４に供給する。水蒸気発生手段１４は、供給された水を加熱することで水蒸気を発生させ、接続された燃料供給経路１３に水蒸気を供給することで燃料供給経路１３、燃料電池１１などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路上の燃料ガスを水蒸気でパージして運転を停止する。
【００１８】
また停電時には、燃料電池システムに外部からの電力供給が途絶えると、それに伴ってパージ水供給手段１７の遮断弁が開き、水が水蒸気発生手段１４に供給される。水蒸気発生手段１４の余熱で供給された水が蒸発し、燃料供給経路１３、燃料電池１１などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路上の残留燃料ガスを、その水蒸気でパージすることで安全に停止することができる。
【００１９】
本実施の形態１における燃料電池システムの構成により、窒素などの不活性ガスを用いないパージ操作が容易に行えるとともに、通常の運転停止処理時だけでなく、停電時のような燃料電池システムに外部からの電力の供給が途絶える場合においても、燃料電池システムのパージを行い、安全に停止することができる。そのため、燃料電池システム内外に不活性ガス供給手段を別途設置する必要がなく、燃料電池システムの設置スペースやイニシャルコスト・ランニングコストを削減することが可能となる。
【００２０】
なお、パージ水供給手段１７として遮断弁を用いて以上の説明を行ったが、パージ水供給手段１７については遮断弁に限るものでなく、弁以外でも同様の閉止する機能や供給する機能を有したものについても同様の効果が得られる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。実施の形態１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。本実施の形態２における燃料電池システムは、燃料ガスを生成する燃料生成手段２２と、燃料生成手段２２の温度を測定する温度測定手段１８、パージ水タンク１６に水を供給して蓄えるパージ水供給経路１９と、パージ水供給経路１９に接続されたパージ水量調節手段２０としてのポンプと、制御手段２１とで構成されている。
【００２２】
以上のように構成された本実施の形態２について、その動作を説明する。
【００２３】
システム運転時には、燃料生成手段２２は、外部から供給された天然ガスなどの原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱して水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する。燃料電池１１は、酸化剤供給経路１２により供給される酸化剤ガスと、燃料供給経路１３により供給される燃料ガスを用いて発電を行う。温度測定手段１８により測定された燃料生成手段２２の温度Ｔに応じて、制御手段２１によりパージ水量調節手段２０を操作して、パージ水タンク１６に水量Ｑを供給して蓄える。
【００２４】
水量Ｑは、燃料生成手段２２や燃料供給経路１３、燃料電池１１などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路の容積ＱＳを上限として、制御手段２１によって次のように決定される。燃料生成手段２２の温度Ｔ、比熱Ｃ、重量Ｍと、パージ水の温度ＴＷと沸点ＴＶ、比熱ＣＬ、蒸発潜熱ＣＧとすると、水量Ｑは次式（数１）で表される。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
運転停止処理時には、パージ水供給手段１７を開き、パージ水タンク１６に蓄えられた水を燃料生成手段２２に供給する。燃料生成手段２２は、供給された水を加熱することで水蒸気を発生させ、接続された燃料供給経路１３に水蒸気を供給することで、燃料電池システム内の燃料ガス経路上の燃料ガスを水蒸気でパージして運転を停止する。
【００２７】
本実施の形態２における燃料電池システムの構成により、実施の形態１で述べた効果と
ともに、水蒸気発生手段１４として燃料生成手段２２を用いることで、水蒸気を発生させるために余分なエネルギーを加える必要がなく、停止処理時においても効率的にエネルギーを利用することができるため、消費エネルギーを低減することができる。また、燃料生成手段２２の温度に応じて供給するパージ水量を変化させることにより、燃料生成手段２２の内部に蒸発せずに水が溜まることを防ぐことができる。そのため、燃料生成手段２２の腐食を防止することができるとともに、次回起動時に水詰まりなどを起こすことなく正常に運転することができる。
【００２８】
なお、パージ水供給手段１７として遮断弁を用いて以上の説明を行ったが、パージ水供給手段１７については遮断弁に限るものでなく、弁以外でも同様の閉止する機能や供給する機能を有したものについても同様の効果が得られる。
【００２９】
また、パージ水量調節手段２０としてポンプを用いて以上の説明を行ったが、パージ水タンク１６内の水位などから水量を計測して弁の開閉を制御する構成などについても同様の効果が得られる。
【００３０】
また、厳密にはパージ水の温度ＴＷを測定するのが望ましいが、代表温度で代用した場合についても同様の効果が得られる。
【００３１】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの構成要素については、実施の形態２と同じ図２で示され、同じ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。本実施の形態３のパージ水タンク１６は、加圧手段として、蓄えられた水を加圧して燃料生成手段２２に供給するための構造をしており、パージ水タンク１６の構成図を図３に示す。パージ水タンク１６の内部は、密閉しながらも自由に動くことのできる仕切板２３で上下に分割され、ばね２４がパージ水タンク１６の天板と仕切板２３に接続されている。
【００３２】
以上のように構成された本実施の形態３について、その動作を説明する。
【００３３】
システムの運転時には、燃料生成手段２２は、外部から供給された天然ガスなどの原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱して水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する。燃料電池１１は、酸化剤供給経路１２より供給される酸化剤ガスと、燃料供給経路１３により供給される燃料ガスを用いて発電を行う。温度測定手段１８により測定された燃料生成手段２２の温度Ｔに応じて、制御手段２１によりパージ水量調節手段２０を操作して、パージ水タンク１６に水量Ｑを供給して蓄える。パージ水タンク１６に供給された水は、仕切板２３を押上げ、ばね２４に力を蓄える。
【００３４】
水量Ｑは、燃料生成手段２２や燃料供給経路１３、燃料電池１１などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路の容積ＱＳを上限として、制御手段２１によって次のように決定される。燃料生成手段２２の温度Ｔ、比熱Ｃ、重量Ｍと、パージ水の温度ＴＷと沸点ＴＶ、比熱ＣＬ、蒸発潜熱ＣＧとすると、水量Ｑは実施の形態２同様、式（数１）で表される。
【００３５】
運転停止処理時には、パージ水供給手段１７を開き、パージ水タンク１６に蓄えられた水を燃料生成手段２２に供給する。そのとき、ばね２４に蓄えられた力で仕切板２３が押し下げられることにより、水が加圧されて燃料生成手段２２に供給される。燃料生成手段２２は、供給された水を加熱することで水蒸気を発生させ、接続された燃料供給経路１３に水蒸気を供給することで、燃料電池システム内の燃料ガス経路上の燃料ガスを水蒸気でパージして運転を停止する。
【００３６】
本実施の形態３における燃料電池システムの構成により、実施の形態２で述べた効果とともに、加圧手段により加圧して水を燃料生成手段２２に供給することで、燃料生成手段２２や燃料供給経路１３、燃料電池１１などを含む燃料電池システム内の燃料ガス経路の圧力が高い場合にも、燃料電池システムのサイズを大きくすることなくパージを行うことが可能となる。
【００３７】
なお、加圧手段としてばね２４を用いて以上の説明を行ったが、密閉された空間にガスを充填したガスばねや、パージ水タンク１６そのものが風船のような構造をした体積膨張容器などについても同様の効果が得られる。
【００３８】
また、パージ水供給手段１７として遮断弁を用いて以上の説明を行ったが、パージ水供給手段１７については遮断弁に限るものでなく、弁以外でも同様の閉止する機能や供給する機能を有したものについても同様の効果が得られる。
【００３９】
また、パージ水供給手段１７として各種の二次電池やキャパシタ、乾電池などのバックアップ電源により動作するポンプを用い、ポンプを加圧手段とする構成についても同様の効果が得られる。
【００４０】
また、パージ水量調節手段２０としてポンプを用いて以上の説明を行ったが、パージ水タンク１６内の水位などから水量を計測して弁の開閉を制御する構成などについても同様の効果が得られる。
【００４１】
また、厳密にはパージ水の温度ＴＷを測定するのが望ましいが、代表温度で代用した場合についても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明にかかる燃料電池システムは、停電時のように外部からの電力の供給が途絶える場合においても、燃料電池の燃料経路中の燃料のパージを行い、安全に停止することができるという効果を有し、家庭用、車用、及び携帯機器用の燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図３】本発明の第３の実施の形態によるパージ水タンクの構成図
【図４】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
【００４４】
１１    燃料電池
１２    酸化剤供給経路
１３    燃料供給経路
１４    水蒸気発生手段
１５    パージ水経路
１６    パージ水タンク
１７    パージ水供給手段
１８    温度測定手段
１９    パージ水供給経路
２０    パージ水量調節手段
２１    制御手段
２２    燃料生成手段
２３    仕切板
２４    ばね
２５    水蒸気供給手段
２６    空気供給手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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