(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減させ、前記燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、
前記原料ガスを前記改質部に供給する第１の原料ガス供給路と、
前記第１の原料ガス供給路に設けられた第１の弁と、
前記一酸化炭素低減部の下流側に設けられた第２の弁と、
前記一酸化炭素低減部の途中又はその下流側かつ前記第２の弁の上流側の流路内に原料ガスを供給するための第２の原料ガス供給路と、
前記第２の原料ガス供給路に設けられた原料ガス供給制御部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御することを特徴とする、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された圧力検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記圧力検知部により検知された圧力値が第１の所定閾値以下になると、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給を行うよう制御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】
前記制御部は、前記原料ガス供給制御部により前記原料ガスの供給を行った後、前記圧力検知部による圧力値が第１の所定閾値より大きい第２の所定閾値以上になると前記原料ガス供給制御部により前記原料ガスの供給を停止するよう制御することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記原料ガス供給制御部が、第３の弁であり、前記第３の弁を開閉することで前記原料の供給または停止がなされ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５】
前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された圧力検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁を閉じると共に、前記圧力検知部による圧力値が第３の所定閾値以下になると前記第２の弁を閉じ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】
前記圧力検知部は前記第１の弁と前記改質部の間に設置されていることを特徴とする、請求項２、３、又は５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された温度検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記温度検知部により検知された値が、第４の所定閾値以下になると前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御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８】
前記一酸化炭素低減部は、
前記燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成するシフト反応部と、
前記シフト反応部から送出される燃料ガス中の一酸化炭素を選択反応により低減する選択酸化反応部とを有してい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９】
前記一酸化炭素低減部の途中とは、前記シフト反応部と前記選択酸化反応部の間であることを特徴とする、請求項８記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路を更に備え、
前記第２の弁は、燃料ガス排出路に設けられていることを特徴とする、請求項１、５又は７記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであることを特徴とする、請求項１、２、５又は７記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記第１の弁よりも下流の前記第１の原料ガス供給路に設けられた圧力検知部を更に備え、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであり、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁及び前記燃料電池出口弁を閉じると共に、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替えた後、前記圧力検知部による圧力値が第３の閾値以下になると前記燃料ガス排出路弁を閉じ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１３】
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記加熱部の燃焼を検知するための燃焼検知部を更に備え、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであり、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁及び前記燃料電池出口弁を閉じると共に、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替えた後、前記燃焼検知部により前記加熱部の燃焼の停止を検知すると前記燃料ガス排出路弁を閉じることを特徴とする、請求項１又は７記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減させ、前記燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、
前記原料ガスを前記改質部に供給するための第１の原料ガス供給路と、
前記第１の原料ガス供給路に設けられた第１の弁と、
前記一酸化炭素低減部の下流側に設けられた第２の弁と、
前記一酸化炭素低減部の途中又はその下流側かつ前記第２の弁の上流側の流路内に原料ガスを供給するための第２の原料ガス供給路と、
前記第２の原料ガス供給路に設けられた原料ガス供給制御部と、
を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
発電終了後に、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御することを特徴とする、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燃料電池発電システム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には、図１９に示す構成のものがある（例えば、特許文献１の第３−４頁、第１図など参照）。
【０００３】
図１９に示すように従来の燃料電池発電システムには、原料ガスを供給する原料供給源１００と、原料ガスの硫黄成分を除去する脱硫部１０１と、硫黄成分を除去された天然ガスと水蒸気の混合ガスから水蒸気改質反応により水素リッチガスを生成する改質部１０２と、水素リッチガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部１０３が設置されている。又、燃料電池１０５が設置されており、燃料極に送られた一酸化炭素が低減された水素リッチガスと空気極へ送られた圧縮空気が電気化学的に反応して電気・水・熱となる。燃料電池１０５を出た排出燃料ガスは、改質部１０２を加熱するための燃焼バーナ１０６へと供給され改質部１０２の加熱に利用される。上記脱硫部１０１、改質部１０２、及び一酸化炭素低減部１０３によって燃料処理装置１０４が構成されている。
【０００４】
又、燃料処理装置１０４と原料供給源１００の間には、原料ガス供給路１０７が設置されており原料ガス供給路１０７上には原料ガス遮断弁１０８が設置されている。又、燃料処理装置１０４と燃料電池１０５の間には、燃料ガス供給路１０９が設置されており、燃料ガス遮断弁１１０が設置されている。又、燃料電池１０５と燃焼バーナ１０６の間には、燃料ガス排出路１１１が設置されており、燃料電池出口遮断弁１１２が設置されている。
【０００５】
更に、燃料ガス遮断弁１１０と燃料処理装置１０４の間の燃料ガス供給路１０９と、燃料電池出口遮断弁１１２と燃焼バーナ１０６の間の燃料ガス排出路１１１とを結ぶ燃料電池バイパス路１１３が設置されており、燃料電池バイパス路１１３上にバイパス路遮断弁１１４が設置されている。
【０００６】
このように、燃料処理装置１０４の上流及び下流に複数の遮断弁が設置されている。
【０００７】
上記燃料電池発電システムの停止時には、原料ガス遮断弁１０８が閉じられ、原料ガスの供給が停止された後、各遮断弁１１０、１１２、１１４が閉じられていた。
【０００８】
ところが従来の燃料電池発電システムでは、上述したようにシステム運転終了時にこれらの電磁弁を閉止するため、燃料処理装置１０４を含む流路に閉鎖経路が生じていた。一方、システム運転中は燃料処理装置１０４内部の温度は６００℃以上の高温であるが、システム運転終了後には時間経過とともに温度低下を起こす。また、燃料処理装置１０４で生成された燃料ガスに含まれる水蒸気も温度低下とともに凝縮する。そのため閉鎖経路では、圧力低下が生じる。
【０００９】
以上のことから、起動／停止を行う燃料電池発電システムでは、運転停止後に流路の閉鎖経路が圧力低下により負圧になるという課題があった。この負圧になるという課題は、電磁弁の固着によるシステム不具合や、外部からの空気流入による燃料処理装置１０４内部の触媒の性能劣化を引き起こす要因となっていた。
【００１０】
そこで、この様な課題を解決するために、次の様な燃料電池発電システムが既に提案されている（例えば、特許文献２の実施形態１，段落番号[００２１]、図２、及び図３など参照。特許文献３の段落番号[００１７]、及び図１など参照）。
【００１１】
即ち、特許文献２の燃料電池発電システムでは、システムの運転を停止モードにした時の負圧防止を目的として、燃料改質装置の上流、燃料改質部とＣＯ変成部との間、又は、燃料改質部と燃料電池との間の何れかに、脱酸素された空気を供給するための脱酸素器を備えた構成が開示している。
【００１２】
また、特許文献３の改質装置では、改質装置の稼働を停止して各反応部の温度が下がり、各反応部内のガスが収縮しても、原燃料ガスを改質反応部に供給することにより、各反応部内の圧力を常圧に維持する構成が開示されている。
【特許文献１】特開平６−６８８９４号公報
【特許文献２】特開平１１−１９１４２６号公報
【特許文献３】特開２０００−９５５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献２に記載の方法は、燃料改質装置内に脱酸素された空気すなわち窒素を大量に含む不燃性ガスが供給されるため、次回の起動時に、燃料改質装置内に大量に含まれる残留燃料ガスを燃焼処理する際に、燃焼状態が不安定になるという問題がある。また、脱酸素装置などの装置が必要であり、構成上複雑かつコスト上昇を招くという問題がある。
【００１４】
また、特許文献２に記載のように不燃性ガスに代えて発電に利用される原料ガス等を用いることも考えられるが、改質部において炭素の析出が起こる可能性がある。そのため、特許文献３に記載のように、炭素析出温度以下に下がるまで原料及び水を供給して、エネルギー的に無駄な工程が必要であるという問題がある。また、このエネルギー的な無駄を省くためには、燃料改質装置を密閉系にして自然放冷する方法も考えられるが、その場合、通常運転時の改質部温度（６００℃前後）から炭素析出する可能性の低くなる温度（約３００℃前後）に低下するまでの負圧化のレベルに耐えられず機器が破損する危険性があった。
【００１５】
上記従来の課題を考慮して、本発明の目的は、システム運転停止処理時において改質部が炭素析出するような温度域であっても、原料ガスを用いて燃料処理装置を含む密閉空間における負圧化を回避することを実現できる燃料電池発電システムおよび、燃料電池発電システムの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した目的を達成するために、第１の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減させ、前記燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、
前記原料ガスを前記改質部に供給する第１の原料ガス供給路と、
前記第１の原料ガス供給路に設けられた第１の弁と、
前記一酸化炭素低減部の下流側に設けられた第２の弁と、
前記一酸化炭素低減部の途中又はその下流側かつ前記第２の弁の上流側の流路内に原料ガスを供給するための第２の原料ガス供給路と、
前記第２の原料ガス供給路に設けられた原料ガス供給制御部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御することを特徴とする、燃料電池発電システムである。
【００１７】
また、第２の本発明は、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された圧力検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記圧力検知部により検知された圧力値が第１の所定閾値以下になると、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給を行うよう制御することを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１８】
また、第３の本発明は、前記制御部は、前記原料ガス供給制御部により前記原料ガスの供給を行った後、前記圧力検知部による圧力値が第１の所定閾値より大きい第２の所定閾値以上になると前記原料ガス供給制御部により前記原料ガスの供給を停止するよう制御することを特徴とする、第２の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１９】
また、第４の本発明は、前記原料ガス供給制御部が、第３の弁であり、前記第３の弁を開閉することで前記原料の供給または停止がなされることを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２０】
また、第５の本発明は、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された圧力検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁を閉じると共に、前記圧力検知部による圧力値が第３の所定閾値以下になると前記第２の弁を閉じることを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２１】
また、第６の本発明は、前記圧力検知部は前記第１の弁と前記改質部の間に設置されていることを特徴とする、第２、３、又は５の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２２】
また、第７の本発明は、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路上に設置された温度検知部を更に備え、
前記制御部は、発電終了後に、前記温度検知部により検知された値が、第４の所定閾値以下になると前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御することを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２３】
また、第８の本発明は、前記一酸化炭素低減部は、
前記燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成するシフト反応部と、
前記シフト反応部から送出される燃料ガス中の一酸化炭素を選択反応により低減する選択酸化反応部とを有していることを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２４】
また、第９の本発明は、前記一酸化炭素低減部の途中とは、前記シフト反応部と前記選択酸化反応部の間であることを特徴とする、第８の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２５】
また、第１０の本発明は、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路を更に備え、
前記第２の弁は、燃料ガス排出路に設けられていることを特徴とする、第１、５又は７の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２６】
また、第１１の本発明は、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであることを特徴とする、第１、２、５又は７の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２７】
また、第１２の本発明は、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記第１の弁よりも下流の前記第１の原料ガス供給路に設けられた圧力検知部を更に備え、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであり、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁及び前記燃料電池出口弁を閉じると共に、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替えた後、前記圧力検知部による圧力値が第３の閾値以下になると前記燃料ガス排出路弁を閉じることを特徴とする、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２８】
また、第１３の本発明は、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路と、
前記燃料ガス排出路と接続され、前記改質部を加熱するための加熱部と、
前記一酸化炭素低減部と前記燃料電池の間に設置された前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路と前記燃料ガス排出路とを結び、前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス路とを更に備え、
前記第２の弁は、
前記燃料ガス供給路と前記燃料電池バイパス路の合流部に設置された、前記燃料ガスを前記燃料電池側又は前記燃料電池バイパス路側に切り替える燃料流路切替弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記燃料電池との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料電池出口弁と、
前記燃料電池バイパス路と前記燃料ガス排出路の合流部と、前記加熱部との間の、前記燃料ガス排出路上に設置された燃料ガス排出路弁とを有し、
前記加熱部の燃焼を検知するための燃焼検知部を更に備え、
前記第２の弁を閉じるとは、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替え、前記燃料電池出口弁及び前記燃料ガス排出路弁を閉じることであり、
前記制御部は、発電終了後に、前記第１の弁及び前記燃料電池出口弁を閉じると共に、前記燃料流路切替弁を前記燃料電池バイパス路側に切り替えた後、前記燃焼検知部により前記加熱部の燃焼の停止を検知すると前記燃料ガス排出路弁を閉じることを特徴とする、第１又は７の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２９】
また、第１４の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減させ、前記燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、
前記原料ガスを前記改質部に供給するための第１の原料ガス供給路と、
前記第１の原料ガス供給路に設けられた第１の弁と、
前記一酸化炭素低減部の下流側に設けられた第２の弁と、
前記一酸化炭素低減部の途中又はその下流側かつ前記第２の弁の上流側の流路内に原料ガスを供給するための第２の原料ガス供給路と、
前記第２の原料ガス供給路に設けられた原料ガス供給制御部と、
を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
発電終了後に、前記原料ガス供給制御部により、前記第１の弁及び前記第２の弁で閉じられた流路内に前記原料ガスの供給が行われるよう制御することを特徴とする、燃料電池発電システムの運転方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、システム運転停止処理時において改質部が炭素析出するような温度域であっても、原料ガスを用いて燃料処理装置を含む密閉空間における負圧化を回避することを実現できる燃料電池発電システムおよび、燃料電池発電システムの運転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】
【００３１】
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池発電システムは、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、原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理装置１２と、燃料処理装置１２に原料ガスを供給する原料供給源１３とを備えている。又、原料ガスを原料供給源１３から燃料処理装置１２に供給する原料ガス供給路１４と、燃料ガスを燃料処理装置１２から燃料電池１１に供給する燃料ガス供給路１６が設置されている。又、原料ガス供給路１４上には燃料処理装置１２への原料ガスの供給／遮断を行う原料ガス遮断弁１５が設置されており、燃料ガス供給路１６上には燃料電池１１への燃料ガスの供給／遮断と停止時の燃料電池１１からのガス逆流を防止する燃料ガス遮断弁１７が設置されている。
【００３３】
更に、原料ガス及び燃料ガスの流通方向を基準として、原料供給源１３から供給される原料ガスを、原料ガス遮断弁１５より上流の原料ガス供給路１４から分岐し燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に合流する燃料処理装置バイパス路１８が設置されており、この燃料処理装置バイパス路１８上には燃料処理装置バイパス路１８への原料ガスの供給／遮断を行うバイパス路弁１９が設置されている。又、これら原料ガス遮断弁１５、燃料ガス遮断弁１７、及びバイパス路弁１９を制御するための制御部５が設置されている。
【００３４】
上記燃料処理装置１２は、原料供給源１３から供給される原料ガスの硫黄成分を除去する脱硫部１と、硫黄成分が除去された原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する改質部２とを有している。更に、燃料処理装置１２は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素と水蒸気から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を行うシフト反応部３と、シフト反応部３で除去されなかった一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生成する選択酸化反応を行う選択酸化反応部４を備えている。これらシフト反応部３及び選択酸化反応部４によって燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の低減が行われる。
【００３５】
尚、本発明の第１の原料ガス供給路の一例は、原料ガス供給路１４に相当し、本発明の第１の弁の一例は、本実施の形態１の原料ガス遮断弁１５に相当する。又、本発明の第２の弁の一例は、本実施の形態１の燃料ガス遮断弁１７に相当し、本発明の第２の原料ガス供給路の一例は、本実施の形態１の燃料処理装置バイパス路１８に相当する。又、本発明の原料ガス供給制御部、及び、本発明の第３の弁の一例は、本実施の形態１のバイパス路弁１９に相当し、本発明の制御部の一例は、本実施の形態１の制御部５に相当する。
【００３６】
又、本実施の形態１では燃料処理装置１２内に脱硫部１が設置されているが、原料供給源１３と原料ガス遮断弁１５の間に設置されていてもよい。
【００３７】
又、本発明の第１の弁及び第２の弁で閉じられた流路の一例は、本実施の形態１では、原料ガス遮断弁１５および燃料ガス遮断弁１７により遮断される、燃料処理装置１２並びに原料ガス供給路１４及び燃料ガス供給路１６の一部に相当する。以下、燃料処理装置１２を含む密閉空間ともいう。
【００３８】
又、原料ガスとしては、メタンや天然ガス、都市ガス等が考えられる。さらに、原料供給源１３としては、メタンや天然ガス等の炭化水素系ガスが充填されたボンベや、都市ガス等の配管が考えられる。
【００３９】
以下に、上記構成の本実施の形態１における燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００４０】
まず、本実施の形態１における燃料電池発電システムの発電時の動作について説明する。
【００４１】
原料ガス遮断弁１５と燃料ガス遮断弁１７が開かれ、バイパス路弁１９が閉じられることにより、原料供給源１３の原料ガスは原料ガス供給路１４を通じて燃料処理装置１２に供給される。燃料処理装置１２に供給された原料ガスは、脱硫部１にて原料ガス中の硫黄成分が除去され、改質部２にて６００℃以上の高温下において水蒸気とともに改質反応され、水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、燃料処理装置１２のシフト反応部３及び選択酸化反応部４にて燃料ガスに含まれる一酸化炭素が燃料電池１１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去される。
【００４２】
燃料処理装置１２により一酸化炭素濃度が十分低減された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス供給路１６を通じて燃料電池１１へ供給され、供給される空気とともに発電が行われる。なお、燃料電池１１からは発電に用いられなかった水素と水蒸気と二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガスが燃料電池１１の排出側から排出される。
【００４３】
次に、本実施の形態１における燃料電池発電システムの発電終了後の動作について説明する。なお、本実施の形態１の燃料電池発電システムの発電終了後の動作について説明するとともに、本発明の燃料電池発電システムの運転方法の一実施の形態についても説明する。又、以下の実施の形態についても同様である。
【００４４】
燃料電池１１に供給している空気の供給が停止され、同時に原料ガス遮断弁１５が閉じられ、燃料処理装置１２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料ガス遮断弁１７が閉じられ、燃料電池１１への燃料ガスの供給が停止される。
【００４５】
次に、バイパス路弁１９が開かれ、燃料処理装置バイパス路１８を通じて原料ガスが燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に供給される。原料ガスの供給が終了すると、バイパス路弁１９が閉じられ、燃料処理装置バイパス路１８が封止される。なお、上述の燃料処理装置バイパス路１８を介した原料ガスの供給停止について、バイパス路弁１９を用いたが、第１の原料供給源と別の第２の原料供給源から原料ガスの供給停止を行う場合は、原料の供給停止を制御可能な第２の原料供給源を用いれば、バイパス路弁１９を用いなくても本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法が実現できる。
【００４６】
上記本実施の形態１における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、以下の作用効果が得られる。
【００４７】
停止時には、燃料処理装置１２、並びに原料ガス供給路１４及び燃料ガス供給路１６の一部は、原料ガス遮断弁１５および燃料ガス遮断弁１７により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置１２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。
【００４８】
しかし、本実施の形態１では、燃料処理装置バイパス路１８を通じて原料ガスを燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に供給するため、燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。
【００４９】
また、改質部２の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態１では、燃料処理装置１２の下流から原料ガスを供給するので、改質部２の下流側に位置するシフト反応部３及び選択酸化反応部４に原料ガスが圧力低下に応じて供給される。そのため、上流に位置する改質部２には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又改質部２内には少量の水蒸気が残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【００５０】
又、燃料処理装置バイパス路１８の下流端（原料ガス流出側）が、本発明の一酸化炭素低減部の途中の一例であるシフト反応部３と選択酸化反応部４の間に接続されていても良い。
【００５１】
又、本発明の一酸化炭素低減部の一例は、本実施の形態１のシフト反応部３及び選択酸化反応部４に相当するが、シフト反応部のみであってもよく、その際に燃料処理装置バイパス路１８の下流端（原料ガス流出側）はシフト反応部３の下流側に接続されるのが好ましい。要するに、燃料処理装置バイパス路１８を介して供給される原料ガスが、仮に、改質部２内に流入したとしても、触媒性能に影響を与えない量しか流入しないように、改質部２の下流側に所定の容量があればよい。
【００５２】
この様に、燃料処理装置バイパス路１８を介して供給される原料ガスが、仮に、改質部２内に流入したとしても、例えば、改質器２の下流側に、触媒性能に影響を与えない量しか原料ガスが流入しない様にできる十分な容量を有する箇所から原料ガスを供給するという工夫により、改質部２内で炭素析出が生ずる可能性が低く、触媒性能の低下を抑制することが出来る。
【００５３】
従って、本実施の形態のように改質部の下流側の一酸化炭素低減部の途中、又はその下流側の流路から原料ガスを供給することで、システム運転停止処理時において改質部が炭素析出するような温度域であっても、原料ガスを用いて燃料処理装置を含む密閉空間における負圧化を回避出来るという効果を発揮する。
【００５４】
尚、この効果は、以下に述べる実施の形態の構成においても同様に発揮される。
【００５５】
また、本実施の形態１では、「バイパス路弁１９が開かれることによる燃料ガス供給路１６への原料ガス供給」を１回実施する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、複数回行なっても構わない。
【００５６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態２における燃料電池発電システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、原料ガス遮断弁１５と燃料処理装置１２との間の原料ガス供給路１４の圧力を検知する圧力計２０と、実施の形態１の制御部５に代えて、圧力計２０の信号を受けてバイパス路弁１９の開閉を制御する制御部２１とを備えている点が異なる。尚、本実施の形態２における圧力計２０および制御部２１は、本発明における圧力検知部および制御部の一例に相当する。
【００５７】
本実施の形態２における燃料電池発電システムの発電時の動作については実施の形態１と同様のため省略し、本実施の形態２における燃料電池発電システムの発電終了後の動作についてのみ図３を参照しながら説明する。尚、図３は本実施の形態２における燃料電池発電システムの発電終了時の動作を示すフロー図である。
【００５８】
燃料電池１１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ１）、同時に原料ガス遮断弁１５が閉じられ（Ｓ２）、燃料処理装置１２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料ガス遮断弁１７が閉じられ（Ｓ３）、燃料電池１１への燃料ガスの供給が停止される。
【００５９】
次に、圧力計２０によって、燃料処理装置１２を含む密閉空間の燃料処理装置１２より上流側の圧力Ｐが検知される（Ｓ４）。検知された圧力Ｐは制御部２１で本発明の第１の所定閾値の一例である第１の圧力閾値Ｐ１と比較される（Ｓ５）。ここで第１の圧力閾値Ｐ１は、密閉空間の内圧がＰ１以下になったときに密閉空間の圧力を回復させるための設定値である。そのためＰ１の上限値は、システムに供給される原料ガス圧力より低い値に設定する。またＰ１の下限値は、システムの性能上および構造上耐え得る低圧側圧力より高い値に設定する。たとえば、原料ガスが都市ガスの場合、供給圧は１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）であるため、Ｐ１は２．５ｋＰａより低い値に設定する。
【００６０】
また、原料ガス遮断弁１５または燃料ガス遮断弁１７に電磁弁を用いた密閉空間が負圧になると、電磁弁の弁固着発生が頻発し、次回起動が出来なくなることがある。これを抑制するため、Ｐ１は０ｋＰａ(ゲージ圧)以上の値に設定することが好ましい。また、負圧になった閉止空間に都市ガスを供給した場合、一気にガスが流入し、ユーティリティ（システム外部の配管、ガスコック等）側が一瞬負圧になるため、安全装置（ガスマイコンメータ内の遮断装置、ガスコックのヒューズ等）が働き、ガス供給がストップする。その結果、圧力回復動作を行なっても、これ以降の圧力回復が出来なくなるとともに、安全装置から下流のガス配管のさらなる負圧化を引き起こし、システムが次回起動は出来なくなる場合がある。これを抑制するためにもＰ１が０ｋＰａ以上の値に設定することが好ましい。
【００６１】
さらには、システムが万一故障した場合、原料ガス供給路に空気が逆流することも起こりえる。このことからも、密閉空間に都市ガスを供給するときは、極力負圧にしないことが望ましい。
【００６２】
Ｐ≦Ｐ１の時は、バイパス路弁１９が開かれ（Ｓ６）、燃料処理装置バイパス路１８を通じて、原料ガスが燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に供給される。この燃料ガス供給路１６への原料ガス供給により、燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力は回復される。
【００６３】
続いて、圧力Ｐが検知されており、検知された圧力Ｐと本発明の第２の所定閾値の一例である第２の圧力閾値Ｐ２が、制御部２１で比較され（Ｓ７）、Ｐ≧Ｐ２の時は、バイパス路弁１９が閉じられ（Ｓ８）、燃料処理装置バイパス路１８が封止される。ここで第２の圧力閾値Ｐ２は、密閉空間の内圧がＰ２以上になったときに圧力回復を終了させるための設定値である。そのためＰ２は、システムに供給される原料ガスの供給圧の範囲で設定する。たとえば、原料ガスが都市ガスの場合、供給圧は１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）であるが、Ｐ２は都市ガスの供給圧より低い値に設定する。
【００６４】
上記本実施の形態２における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、以下の作用効果が得られる。
【００６５】
停止時には、燃料処理装置１２並びに原料ガス供給路１４及び燃料ガス供給路１６の一部は、原料ガス遮断弁１５および燃料ガス遮断弁１７により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置１２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。
【００６６】
しかし、本実施の形態２では、上記の密閉空間の圧力を圧力計２０で検知し、その圧力が第１の圧力閾値Ｐ１以下になると、燃料処理装置バイパス路１８を通じて、燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に、原料ガスが供給される。この原料ガス供給により圧力計２０で検知する圧力が第２の圧力閾値Ｐ２以上になると、バイパス路弁１９が閉じられ、流路封止が行なわれるため、燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。
【００６７】
また、改質部２の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態では、燃料処理装置１２の下流から原料ガスを供給するので、改質部２の下流側に位置するシフト反応部３及び選択酸化反応部４に原料ガスが圧力低下に応じて供給される。そのため、上流に位置する改質部２には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又、少量の水蒸気は改質部２内に残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態２では、「バイパス路弁１９が開かれることによる燃料ガス供給路１６への原料ガス供給」を１回する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、制御部２１での圧力計２０からの圧力信号により複数回行なっても構わない。
【００６９】
また、上記第１の圧力閾値Ｐ１と第２の圧力閾値Ｐ２を、Ｐ２≧Ｐ１となるように設定すると、原料ガス供給を十分に行なうことができるため好ましい。また、上記第１の圧力閾値Ｐ１を、Ｐ１＞０となるように設定すると、密閉空間の負圧を確実に回避できるため好ましい。
【００７０】
さらには、原料ガスとして一般の家庭用都市ガスを用いる時は、そのガス圧がゲージ圧で１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａであるため、１．０≧Ｐ２と設定するのが好ましい。
【００７１】
これは、Ｐ２を、例えば、１．５ｋＰａ（ゲージ圧）と設定すると、供給圧が１．２ｋＰａ（ゲージ圧）の低圧地域に設置したシステムでは、１．２ｋＰａ（ゲージ圧）までしか圧力回復できないため、圧力回復動作が終了せず、ユーティリティ側と閉止空間とが連通した状態が続くためである。そこでＰ２を１．０ｋＰａ以下（ゲージ圧）に設定することで、低圧地域から高圧地域の全地域で、圧力回復動作を確実に終了することが可能となり、結果、ユーティリティと閉止空間とが原料ガス遮断弁１５で区切られることで流路封止を確実に実現できるのである。
【００７２】
また、本実施の形態２では、「圧力計２０は原料ガス遮断弁１５と燃料処理装置１２との間の原料ガス供給路１４に備える」としたが、圧力計２０は原料ガス遮断弁１５と燃料ガス遮断弁１７とにより密閉となる少なくとも燃料処理装置１２を含む空間の圧力を検知できさえすればいいので、燃料処理装置１２と燃料ガス遮断弁１７との間の燃料ガス供給路１６に備えても良いし、バイパス路弁１９より下流の燃料処理装置バイパス路１８に備えても良いし、燃料処理装置１２内に備えても良い。
【００７３】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態３における燃料電池発電システムは、図２に示す実施の形態２の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、実施の形態２の制御部２１に代えて、圧力計２０の信号を受けて燃料ガス遮断弁１７の開閉を制御する機能をさらに有する制御部２２を備えている点が異なる。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、本発明の制御部の一例は、本実施の形態３の制御部２２に相当する。
【００７４】
本実施の形態３における燃料電池発電システムの動作については実施の形態２と同様に、発電終了後の動作についてのみ図５を参照しながら説明する。尚、図５は本実施の形態３における燃料電池発電システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【００７５】
燃料電池１１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ１１）、同時に原料ガス遮断弁１５が閉じられ（Ｓ１２）、燃料処理装置１２への原料ガスの供給が停止される。
【００７６】
次に、圧力計２０では燃料処理装置１２より上流の側の圧力Ｐが検知される（Ｓ１３）。検知された圧力Ｐは制御部２２で第３の圧力閾値Ｐ３と比較される（Ｓ１４）。ここで第３の圧力閾値Ｐ３は、密閉空間となりうる空間の内圧がＰ３以下になったとき、空間を密閉にするための設定値である。そのためＰ３の上限値は、システムの性能上および構造上耐え得る高圧側圧力より低い値に設定する。またＰ３の下限値は、流路が密閉される前の圧力回復動作を防止するために、Ｐ１より高い値に設定する。
【００７７】
Ｐ≦Ｐ３となると、燃料ガス遮断弁１７が閉じられ（Ｓ１５）、燃料電池１１への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置１２および原料ガス供給路１４と燃料ガス供給路１６の一部が封止され密閉状態となる。
【００７８】
続いて、圧力計２０では燃料処理装置１２を含む密閉空間の燃料処理装置１２より上流側の圧力Ｐが検知（Ｓ１６）される。検知された圧力Ｐは制御部２２で第１の圧力閾値Ｐ１と比較（Ｓ１７）される。
【００７９】
Ｐ≦Ｐ１の時は、バイパス路弁１９が開かれ（Ｓ１８）、燃料処理装置バイパス路１８を通じて燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に、原料ガスが供給される。この燃料ガス供給路１６への原料ガス供給により、燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力は回復される。
【００８０】
続いて、圧力Ｐが検知され（Ｓ１９）、検知された圧力Ｐと第２の圧力閾値Ｐ２が、制御部２２で比較され（Ｓ２０）、Ｐ≧Ｐ２の時は、バイパス路弁１９が閉じられ（Ｓ２１）、燃料処理装置バイパス路１８が封止される。
【００８１】
上記本実施の形態３における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、実施の形態２に説明した作用効果に加えて、更に以下の作用効果が得られる。
【００８２】
発電停止のために原料ガスと改質用の水の供給を停止することにより、燃料処理装置１２での水素生成が停止する。また、原料ガスは原料ガス遮断弁１５を閉とすることで瞬時に供給停止することができる。
【００８３】
一方、改質用の水供給を停止しても、停止直前に燃料処理装置１２内部に供給された水は、その後内部余熱で加熱蒸発する。そのため、原料ガス供給停止と同時に燃料ガス遮断弁１７も閉じられると、燃料処理装置１２を含む密閉空間の内部の圧力が異常に上昇する。
【００８４】
しかし、本実施の形態３では、燃料処理装置１２の上流側の圧力が圧力計２０で検知され、その圧力が本発明の第３の所定閾値である第３の圧力閾値Ｐ３以上の時は燃料ガス遮断弁１７が開かれ、燃料電池１１への燃料ガス流路が確保される。このように改質部２の内部で加熱蒸発された圧力の高い水蒸気を含む燃料ガスを燃料処理装置１２の下流の燃料電池１１へ排出することにより内部圧力を低下することができる。又、圧力計２０で検知される圧力が第３の圧力閾値Ｐ３以下に低下すると燃料ガス遮断弁１７を閉とし、燃料処理装置１２を含む空間を密閉状態にすることができる。
【００８５】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態４における燃料電池発電システムは、図２に示す実施の形態２の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、圧力計２０に代えて、原料ガス遮断弁１５と燃料処理装置１２との間の原料ガス供給路１４の温度を検知する温度検知器２３と、実施の形態２の制御部２１に代えて、温度検知器２３の信号を受けてバイパス路弁１９の開閉を制御する制御部２４とを備えている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、本実施の形態４における温度検知器２３および制御部２４は、本発明における温度検知部および制御部の一例である。
【００８６】
本実施の形態４における燃料電池発電システムの動作については、実施の形態２と同様に発電終了後の動作についてのみ図７を参照しながら説明する。尚、図７は本実施の形態４における燃料電池発電システムの発電終了時の動作を示すフロー図である。
【００８７】
燃料電池１１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ３１）、同時に原料ガス遮断弁１５が閉じられ（Ｓ３２）、燃料処理装置１２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料ガス遮断弁１７が閉じられ（Ｓ３３）、燃料電池１１への燃料ガスの供給が停止される。
【００８８】
温度検知器２３では燃料処理装置１２を含む密閉空間の燃料処理装置１２より上流側の温度Ｔが検知される（Ｓ３４）。検知された温度Ｔは制御部２４で温度閾値Ｔ１と比較される。（Ｓ３５）
ここで、Ｔ≦Ｔ１の時は、バイパス路弁１９が開かれ（Ｓ３６）、燃料処理装置バイパス路１８を通じて、燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に、原料ガスが供給される。この燃料ガス供給路１６への原料ガス供給が完了すると、バイパス路弁１９が閉じられ（Ｓ３７）、燃料処理装置バイパス路１８が封止される。
【００８９】
上記本実施の形態４における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、以下の作用効果が得られる。
【００９０】
停止時には、燃料処理装置１２および原料ガス供給路１４と燃料ガス供給路１６の一部は、原料ガス遮断弁１５および燃料ガス遮断弁１７により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置１２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。
【００９１】
図８は、図６に示す燃料電池発電システムの停止時における燃料処理装置１２を含む密閉空間の、温度検知器２３による温度変化と圧力変化を示す図である。図８に示すように、温度低下とともに圧力低下が進行している。このため、本実施の形態４では、実施の形態２で用いた圧力計２０の代わりに温度検知器２３を用いることにより、燃料処理装置１２を含む密閉空間内の圧力の低下を検知することが可能となる。
【００９２】
上述した様に、本実施の形態４では、上記の密閉空間の温度を温度検知器２３で検知し、その温度が温度閾値Ｔ１より低下すると、燃料処理装置バイパス路１８を通じて、燃料ガス遮断弁１７より上流の燃料ガス供給路１６に原料ガスが供給され、原料ガス供給完了後に、バイパス路弁１９が閉じられ、流路封止が行なわれるため、燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。尚、本発明の第４の所定閾値の一例は、本実施の形態４の温度閾値Ｔ１に相当する。
【００９３】
また、改質部２の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態では、燃料処理装置１２の下流から原料ガスを温度低下に応じて供給するので、改質部２の下流側に位置するシフト反応部３及び選択酸化反応部４に原料ガスが供給される。そのため、上流に位置する改質部２には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又、少量の水蒸気は改質部２内に残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【００９４】
なお、本実施の形態４では、「バイパス路弁１９が開かれることによる燃料ガス供給路１６への原料ガス供給」を１回する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、制御部２４において温度閾値をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、…と複数個設定し、温度検知器２３からの温度信号により複数回行なっても構わない。
【００９５】
なお、本実施の形態４では、「温度検知器２３を原料ガス遮断弁１５と燃料処理装置１２との間の原料ガス供給路１４に備える」としたが、温度検知器２３は原料ガス遮断弁１５と燃料ガス遮断弁１７とにより密閉となる少なくとも燃料処理装置１２を含む空間の温度を検知できればいいので、燃料処理装置１２と燃料ガス遮断弁１７との間の燃料ガス供給路１６に備えても良いし、バイパス路弁１９より下流の燃料処理装置バイパス路１８に備えても良いし、さらには、燃料処理装置１２の内部に備えても良い。
【００９６】
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態５における燃料電池発電システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、燃料ガス遮断弁１７の代わりに、燃料ガスの通流方向を基準として、燃料電池出口遮断弁２５が燃料電池１１より下流の燃料ガス排出路２７に備えられ、かつ、燃料処理装置バイパス路１８が燃料ガス排出路２７に合流するように設置されている点が異なる。又、実施の形態１の制御部５の代わりに、原料ガス遮断弁１５、バイパス路弁１９、及び燃料電池出口遮断弁２５を制御するための制御部２６が設置されている。尚、本発明の制御部の一例は、本実施の形態５の制御部２６に相当し、本発明における第２の弁の一例は、本実施の形態５における燃料電池出口遮断弁２５に相当する。
【００９７】
本実施の形態５における燃料電池発電システムの発電時の動作については実施の形態１と同様のため省略し、本実施の形態５における燃料電池発電システムの発電終了後の動作についてのみ説明する。
【００９８】
燃料電池１１に供給している空気の供給が停止され、同時に原料ガス遮断弁１５が閉じられ、燃料処理装置１２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料電池出口遮断弁２５が閉じられ、燃料電池１１と燃料処理装置１２を含む空間が封止され密閉空間を形成する。
【００９９】
次に、バイパス路弁１９が開かれ、燃料処理装置バイパス路１８を通じて原料ガスが燃料電池出口遮断弁２５より上流の燃料ガス排出路２７に供給される。原料ガスの供給が終了すると、バイパス路弁１９が閉じられ、燃料処理装置バイパス路１８が封止される。
【０１００】
上記本実施の形態５における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、以下の作用効果が得られる。
【０１０１】
停止時には、燃料電池１１、燃料処理装置１２、並びに原料ガス供給路１４及び燃料ガス供給路１６及び燃料ガス排出路２７の一部は、原料ガス遮断弁１５および燃料電池出口遮断弁２５により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置１２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。
【０１０２】
しかし、本実施の形態５では、燃料処理装置バイパス路１８を通じて原料ガスを燃料電池出口遮断弁２５より上流の燃料ガス排出路２７に供給するため、燃料電池１１及び燃料ガス供給路１６を通じて燃料処理装置１２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。
【０１０３】
また、改質部２の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態５では、燃料電池１１の下流から原料ガスを供給するので、改質部２の下流側に位置するシフト反応部３、選択酸化反応部４、及び燃料電池１１に原料ガスが圧力低下に応じて供給される。そのため、上流に位置する改質部２には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又、改質部２内には少量の水蒸気が残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【０１０４】
また、本実施の形態５では、燃料電池１１の下流から原料ガスを供給するので、燃料電池のスタック内部の水蒸気を追い出すことで、停止処理時のスタックの温度低下に伴うアノード経路内の水凝縮が抑制され、次回の運転時のフラッディングが抑制出来るという効果を発揮する。
【０１０５】
又、本発明の一酸化炭素低減部の一例は、本実施の形態５のシフト反応部３及び選択酸化反応部４に相当するが、シフト反応部のみであってもよい。
【０１０６】
（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。図１０に示すように、本実施の形態６における燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池３１と、原料ガスを水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理装置３２と、燃料処理装置３２に原料ガスを供給する原料供給源３４とを備えている。燃料処理装置３２は、実施の形態１と同様に、脱硫部４５、改質部４６、シフト反応部４７、及び選択酸化反応部４８を有しており、この改質部４６を加熱するバーナ３３が設置されている。
【０１０７】
又、原料ガスを原料供給源３４から燃料処理装置３２に供給する原料ガス供給路３５と、燃料ガスを燃料処理装置３２から燃料電池３１に供給する燃料ガス供給路３７と、燃料電池３１での発電に使用しなかった燃料ガスをバーナ３３へ供給する燃料ガス排出路３８が設置されている。又、これら燃料ガス供給路３７と燃料ガス排出路３８を結び、燃料ガスを燃料電池３１をバイパスして燃料ガス排出路３８に供給する燃料電池バイパス路３９が設置されている。
【０１０８】
又、原料ガス供給路３５上には、燃料処理装置３２への原料ガスの供給／遮断を行う原料ガス遮断弁３６が設置されており、燃料電池バイパス路３９と燃料ガス供給路３７の合流部には、燃料ガスを燃料電池３１側または燃料電池バイパス路３９側に切り替える燃料流路切替弁４０が設置されている。又、燃料電池バイパス路３９と燃料ガス排出路３８の合流部と燃料電池３１の間の燃料ガス排出路３８上には、停止時に燃料電池１１のガス逆流を防止する燃料電池出口弁４１が設置されている。又、燃料電池バイパス路３９と燃料ガス排出路３８の合流部とバーナ３３の間の燃料ガス排出路３８上には、バーナ３３への燃料ガスの供給／遮断と停止時のバーナ３３からの空気等のガス逆流を防止する燃料ガス排出路弁４２が設置されている。
【０１０９】
原料供給源３４からの原料ガスを原料ガス遮断弁３６より上流の原料ガス供給路３５より分岐し、燃料ガス排出路弁４２より上流でかつ燃料電池出口弁４１より下流の燃料ガス排出路３８に合流する燃料処理装置バイパス路４３が設置されており、燃料処理装置バイパス路４３上に燃料処理装置バイパス路４３への原料ガスの供給／遮断を行うバイパス路弁４４が設置されている。
【０１１０】
又、原料ガス遮断弁３６、燃料流路切替弁４０、燃料電池出口弁４１、燃料ガス排出路弁４２、及びバイパス路弁４４を制御する制御部３０が設置されている。
【０１１１】
尚、本発明の第１の原料ガス供給路の一例は、本実施の形態６の原料ガス供給路３５に相当し、本発明の第１の弁の一例は、本実施の形態６の原料ガス遮断弁３６に相当する。本発明の第２の弁の一例は、本実施の形態６の燃料ガス排出路弁４２に相当する。又、本発明の第２の原料ガス供給路の一例は、本実施の形態６の燃料処理装置バイパス路４３に相当し、本発明の第３の弁の一例は、本実施の形態６のバイパス路弁４４に相当する。又、本発明の制御部の一例は、本実施の形態６の制御部３０に相当する。
【０１１２】
又、本発明の加熱部の一例は、本実施の形態６ではバーナ３３に相当し、改質部４６の加熱を行っているが、シフト反応部４７、選択酸化反応部４８の加熱を行っても良い。
【０１１３】
又、本発明の第１の弁と第２の弁で閉じられた流路の一例は、本実施の形態６では、原料ガス遮断弁３６、燃料流路切替弁４０、及び燃料ガス排出路弁４２により遮断されている、燃料処理装置３２、燃料電池バイパス路３９、並びに原料ガス供給路３５、燃料ガス供給路３７及び燃料ガス排出路３８の一部に相当する。以下、燃料処理装置３２を含む密閉空間ともいう。
【０１１４】
また、原料ガスとしては、メタンや天然ガス、都市ガス等が考えられる。さらに、原料供給源３４としては、メタンや天然ガス等の炭化水素系ガスが充填されたボンベや、都市ガス等の配管が考えられる。
【０１１５】
以下に、上記構成の本実施の形態６の燃料電池発電システムの動作について説明する。
【０１１６】
まず、本実施の形態６における燃料電池発電システムの発電時の動作について説明する。
【０１１７】
原料ガス遮断弁３６と燃料ガス排出路弁４２が開かれ、燃料電池出口弁４１とバイパス路弁４４が閉じられ、燃料流路切替弁４０は燃料電池バイパス路３９側に切り替えられて、原料供給源３４の原料ガスは原料ガス供給路３５を通じて燃料処理装置３２に供給される。燃料処理装置３２に供給された原料ガスは、脱硫部４５にて原料ガス中の硫黄成分が除去され、改質部４６にて６００℃以上の高温下において水蒸気とともに改質反応され、水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料処理装置３２のシフト反応部４７及び選択酸化反応部４８にて燃料ガスに含まれる一酸化炭素が燃料電池３１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去される。
【０１１８】
しかしながら、燃料処理装置３２の起動時には燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高いため、燃料ガス供給路３７へ流入した燃料ガスは、燃料流路切替弁４０によって燃料電池バイパス路３９側に供給され、燃料ガス排出路３８を通じてバーナ３３に供給される。バーナ３３に供給された燃料ガスは、燃料処理装置３２の加熱源として燃焼される。
【０１１９】
一方、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低減されると、燃料流路切替弁４０は燃料電池３１側に切り替えられ、燃料電池出口弁４１が開かれる。燃料処理装置３２により一酸化炭素濃度を十分低減された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス供給路３７を通じて燃料電池３１へ供給され、供給空気とともに発電が行われる。なお、燃料電池３１からは発電に用いられなかった燃料ガスが燃料電池３１の排出側から排出され、燃料ガス排出路３８を通じてバーナ３３に供給され燃焼される。
【０１２０】
次に、本実施の形態６における燃料電池発電システムの発電終了後の動作について説明する。なお、本実施の形態６の燃料電池発電システムの発電終了後の動作について説明しながら、本発明の運転方法の一実施の形態についても説明する。又、以下の実施の形態についても同様である。
【０１２１】
燃料電池３１に供給している空気の供給が停止され、同時に原料ガス遮断弁３６が閉じられ、燃料処理装置３２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料流路切替弁４０が燃料電池バイパス路３９側に切り替えられ、燃料電池出口弁４１が閉じられ、燃料電池３１への燃料ガスの供給が停止され、燃料電池３１が密閉状態にされる。さらに燃料ガス排出路弁４２が閉じられ、バーナ３３への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置３２を含む空間が密閉状態となる。
【０１２２】
次に、バイパス路弁４４が開かれ、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。原料ガスの供給が終了すると、バイパス路弁４４が閉じられ、燃料処理装置バイパス路４３が封止される。
【０１２３】
上記本実施の形態６における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、以下の作用効果が得られる。
【０１２４】
停止時には、燃料処理装置３２、燃料電池バイパス路３９、並びに原料ガス供給路３５、燃料ガス供給路３７、及び燃料ガス排出路３８の一部は、原料ガス遮断弁３６、燃料流路切替弁４０および燃料ガス排出路弁４２により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置３２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。しかし、本実施の形態６では、燃料処理装置バイパス路４３を通じて原料ガスを燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に供給するため、燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。
【０１２５】
また、改質部４６の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態６では、燃料処理装置３２から配管距離のある燃料ガス排出路弁４２の上流近傍から原料ガスが圧力低下に応じて供給される。ここで、改質触媒のある改質部４６から原料ガスの供給される燃料処理装置バイパス路４３までには、シフト反応部４７、選択酸化反応部４８、燃料ガス供給路３７の一部、燃料電池バイパス路３９、及び燃料ガス排出路３８の一部が配置されているため、改質部４６には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又少量の水蒸気は改質部４６に残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【０１２６】
ところで、燃料電池バイパス路３９は、その流路をバイパス路３９から燃料電池３１に切り替えた際に、燃料電池側とバイパス路側とで圧力損失に大きな差があると燃焼バーナ３３に対して供給されるガスの流量が急激に変動し、燃焼安定性が悪くなる。そのため、通常、バイパス路３９は、燃料電池側の圧力損失と等しくなるよう非常に断面積の小さい流路で構成される。従って、バイパス路３９内に水蒸気を含む燃料ガスが残留していると、バイパス路３９内において、次回の起動時に水詰まりの問題が生じたり、凍結による破損等の危険性が生じる。
【０１２７】
従って、本実施の形態６で述べた様に、原料ガス供給で圧張りを行う際に、残留燃料ガスに比して水分の少ない都市ガス等の原料ガスが、バイパス路３９を経由して水素生成装置に注入されるよう燃料ガス排出路３８より供給されることで、バイパス路３９内の水分が排出され、水詰まりや凍結破損の危険性が低減されるという効果を発揮する。上記効果は、以下の実施の形態についても同様に発揮される。
【０１２８】
また、本実施の形態では、上記の通り水分の少ない都市ガス等の原料ガスを供給するため、次回の起動時の残留ガスの燃焼時にバーナ３３の着火性が向上出来るという効果も発揮する。
【０１２９】
尚、このバイパス路３９内の水詰まり、凍結防止、及び着火性向上の効果は、以下の実施の形態についても同様に発揮される。
【０１３０】
又、本発明の一酸化炭素低減部の一例は、本実施の形態１のシフト反応部３及び選択酸化反応部４に相当するが、シフト反応部のみであってもよい。又、燃料処理装置バイパス路４３の下流端は、本発明の一酸化炭素低減部の途中の一例であるシフト反応部４７と選択酸化反応部４８の間、選択酸化反応部４８から燃料流路切替弁４０の間、燃料電池バイパス路３９上、又は燃料電池出口弁４１と燃料ガス排出路弁４２の間に接続されていても良い。要するに、燃料処理装置バイパス路４３を介して供給される原料ガスが、例え改質部４６内に流入したとしても触媒性能に影響を与えない量しか流入しないように、改質部４６の下流側に所定の容量があればよい。
【０１３１】
なお、本実施の形態６では、「バイパス路弁４４が開かれることによる燃料ガス排出路３８への原料ガス供給」を１回する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、複数回行なってもかまわない。
【０１３２】
（実施の形態７）
図１１は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１０と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態７における燃料電池発電システムは、図１０に示す実施の形態６の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、原料ガス遮断弁３６と燃料処理装置３２との間の原料ガス供給路３５の圧力を検知する圧力計４９と、実施の形態６の制御部３０に代えて、圧力計４９の信号を受けてバイパス路弁４４の開閉を制御する制御部５０とを備えている点が異なる。尚、本実施の形態７における圧力計４９および制御部５０は、本発明における圧力検知部および制御部の一例である。
【０１３３】
本実施の形態７における燃料電池発電システムの発電時の動作については実施の形態６と同様のため省略し、本実施の形態７における燃料電池発電システムの発電終了後の動作についてのみ図１２を参照しながら説明する。尚、図１２は本実施の形態７における燃料電池発電システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【０１３４】
燃料電池３１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ４１）、同時に原料ガス遮断弁３６が閉じられ、燃料処理装置３２への原料ガスの供給が停止される（Ｓ４２）。また、燃料流路切替弁４０がバイパス側に切り替えられ（Ｓ４３）、燃料電池出口弁４１が閉じられ（Ｓ４４）、燃料電池３１への燃料ガスの供給が停止され、燃料電池３１が密閉状態となる。
【０１３５】
さらに燃料ガス排出路弁４２が閉じられ（Ｓ４５）、バーナ３３への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置３２を含む空間が密閉状態となる。
【０１３６】
圧力計４９では燃料処理装置３２を含む密閉空間の燃料処理装置３２より上流側の圧力Ｐが検知される（Ｓ４６）。検知された圧力Ｐは制御部５０で第１の圧力閾値Ｐ１と比較される（Ｓ４７）。
【０１３７】
ここで、Ｐ≦Ｐ１の時は、バイパス路弁４４が開かれ（Ｓ４８）、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。この燃料ガス排出路３８への原料ガス供給により、燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力は回復される。
【０１３８】
続いて、圧力Ｐが検知されており（Ｓ４９）、検知された圧力Ｐは制御部５０で第２の圧力閾値Ｐ２と比較され（Ｓ５０）、Ｐ≧Ｐ２の時は、バイパス路弁４４が閉じられ（Ｓ５１）、燃料処理装置バイパス路４３が封止される。
【０１３９】
上記本実施の形態７における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、以下の作用効果が得られる。
【０１４０】
停止時には、燃料処理装置３２、燃料電池バイパス路３９、並びに原料ガス供給路３５、燃料ガス供給路３７、及び燃料ガス排出路３８の一部は、原料ガス遮断弁３６、燃料流路切替弁４０および燃料ガス排出路弁４２により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置３２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。しかし、本実施の形態７では、上記の燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を圧力計４９で検知し、その圧力が第１の圧力閾値Ｐ１以下になると、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。そして、原料ガス供給により圧力計４９で検知する圧力が第２の圧力閾値Ｐ２以上になると、バイパス路弁４４が閉じられ、流路封止が行なわれるため、燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。
【０１４１】
また、改質部４６の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気が不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態７では、燃料処理装置３２から配管距離のある燃料ガス排出路弁４２の上流近傍から原料ガスが圧力低下に応じて供給される。ここで、改質触媒のある改質部４６から原料ガスの供給される燃料処理装置バイパス路４３までには、シフト反応部４７、選択酸化反応部４８、燃料ガス供給路３７の一部、燃料電池バイパス路３９、及び燃料ガス排出路３８の一部が配置されているため、改質部４６には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又少量の水蒸気は改質部４６内に残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【０１４２】
なお、本実施の形態７では、「バイパス路弁４４が開かれることによる燃料ガス排出路３８への原料ガス供給」を１回する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、制御部５０での圧力計４９からの圧力信号により複数回行なっても構わない。
【０１４３】
また、上記第１の圧力閾値Ｐ１と第２の圧力閾値Ｐ２を、Ｐ２≧Ｐ１となるように設定すると、原料ガス供給を十分に行なうことができるため好ましい。また、上記第１の圧力閾値Ｐ１を、Ｐ１≧０となるように設定すると、密閉空間の負圧を確実に回避できるため好ましい。さらには、原料ガスとして一般の家庭用都市ガスを用いる時は、そのガス圧がゲージ圧で１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａであるため、１．０≧Ｐ２と設定すると、原料ガス供給後の流路封止を確実に実現できるため好ましい。尚、本発明の第１の所定閾値の一例は、本実施の形態７の第１の圧力閾値Ｐ１に相当し、本発明の第２の所定閾値の一例は、本実施の形態７の第２の圧力閾値Ｐ２に相当する。
【０１４４】
また、本実施の形態７では、「圧力計４９は原料ガス遮断弁３６と燃料処理装置３２との間の原料ガス供給路３５に備える」としたが、圧力計４９は原料ガス遮断弁３６と燃料ガス排出路弁４２とにより密閉となる少なくとも燃料処理装置３２を含む空間の圧力を検知できさえすればいいので、燃料処理装置３２と燃料流路切替弁４０との間の燃料ガス供給路３７に備えても良い。又、バイパス路弁４４より下流の燃料処理装置バイパス路４３に備えても良いし、燃料電池バイパス路３９や、燃料電池出口弁４１と燃料ガス排出路弁４２との間の燃料ガス排出路３８に備えても良いし、燃料処理装置３２内に備えても良い。
【０１４５】
（実施の形態８）
図１３は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態８における燃料電池発電システムは、図１１に示す実施の形態７の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、実施の形態７の制御部５０に対して、圧力計４９の信号を受けて燃料ガス排出路弁４２の開閉を制御する機能をさらに有する制御部５１を備えている点が異なる。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、本発明の制御部の一例は、本実施の形態８の制御部５１に相当する。
【０１４６】
本実施の形態８における燃料電池発電システムの動作については実施の形態７と同様に、発電終了後の動作についてのみ図１４を参照しながら説明する。尚、図１４は本実施の形態８における燃料電池発電システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【０１４７】
燃料電池３１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ６１）、同時に原料ガス遮断弁３６が閉じられ（Ｓ６２）、燃料処理装置３２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料流路切替弁４０が燃料電池バイパス路３９側に切り替えられ（Ｓ６３）、燃料電池出口弁４１が閉じられ（Ｓ６４）、燃料電池３１への燃料ガスの供給が停止され、燃料電池３１が密閉状態となる。
【０１４８】
圧力計４９では燃料処理装置３２より上流の側の圧力Ｐが検知され（Ｓ６５）、検知された圧力Ｐは制御部５１で第３の圧力閾値Ｐ３と比較される（Ｓ６６）。
【０１４９】
ここで、Ｐ≦Ｐ３となると、燃料ガス排出路弁４２が閉じられ（Ｓ６７）、バーナ３３への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置３２を含む空間が密閉状態となる。
【０１５０】
続いて、圧力計４９では燃料処理装置１２を含む密閉空間の燃料処理装置３２より上流側の圧力Ｐが検知される（Ｓ６８）。検知された圧力Ｐは制御部４６で第１の圧力閾値Ｐ１と比較される（Ｓ６９）。
【０１５１】
ここで、Ｐ≦Ｐ１の時は、バイパス路弁４４が開かれ（Ｓ７０）、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。この燃料ガス排出路３８への原料ガス供給により、燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力は回復される。
【０１５２】
さらに続いて、圧力Ｐが検知され（Ｓ７１）、検知された圧力Ｐは制御部５１で第２の圧力閾値Ｐ２と比較され（Ｓ７２）、Ｐ≧Ｐ２の時は、バイパス路弁４４が閉じられ（Ｓ７３）、燃料処理装置バイパス路４３が封止される。
【０１５３】
上記本実施の形態８における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、実施の形態７に説明した作用効果に加えて、更に以下の作用効果が得られる。
【０１５４】
発電停止のために原料ガスと改質用の水の供給を停止することにより、燃料処理装置３２での水素生成が停止する。また、原料ガスは原料ガス遮断弁３６を閉とすることで瞬時に供給停止することができる。
【０１５５】
一方、改質用の水供給を停止しても、停止直前に燃料処理装置３２内部に供給された水は、その後内部余熱で加熱蒸発する。そのため、原料ガス供給停止と同時に燃料ガス排出路弁４２も閉じられると、燃料処理装置３２を含む空間の内部の圧力が異常に上昇する。
【０１５６】
しかし、本実施の形態８では、燃料処理装置３２の上流側の圧力が圧力計４９で検知され、その圧力が第３の圧力閾値Ｐ３以上の時は燃料ガス排出路弁４２が開かれ、燃料処理装置３２から燃料電池バイパス路３９を通じて、バーナ３３への燃料ガス流路が確保される。このように改質部４６内部で加熱蒸発された圧力の高い水蒸気を含む燃料ガスを、燃料処理装置１２の下流のバーナ３３へ排出することにより内部圧力を低下することができる。又、圧力計４９で検知される圧力が第３の圧力閾値Ｐ３より低下すると燃料ガス排出路弁４２を閉とし、燃料処理装置３２を含む空間を密閉状態にすることができる。尚、本発明の第３の所定閾値の一例は、本実施の形態８の第３の圧力閾値Ｐ３に相当する。
【０１５７】
（実施の形態９）
図１５は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態９における燃料電池発電システムは、図１１に示す実施の形態７の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、実施の形態７の圧力計４９に代えて、原料ガス遮断弁３６と燃料処理装置３２との間の原料ガス供給路３５の温度を検知する温度検知器５２と、実施の形態７の制御部５０に代えて、温度検知器５２の信号を受けてバイパス路弁４４の開閉を制御する制御部５３とを備えている点が異なる。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、本実施の形態９における温度検知器５２および制御部５３は、本発明における温度検知部および制御部の一例である。
【０１５８】
本実施の形態９における燃料電池発電システムの動作については実施の形態７と同様に発電終了時の動作についてのみ図１６を参照しながら説明する。尚、図１６は本実施の形態９における燃料電池発電システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【０１５９】
燃料電池３１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ８１）、同時に原料ガス遮断弁３６が閉じられ（Ｓ８２）、燃料処理装置３２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料流路切替弁４０が燃料電池バイパス路３９側に切り替えられ（Ｓ８３）、燃料電池出口弁４１が閉じられ（Ｓ８４）、燃料電池３１への燃料ガスの供給が停止され、燃料電池３１が密閉状態になる。
【０１６０】
さらに燃料ガス排出路弁４２が閉（Ｓ８５）じられ、バーナ３３への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置３２を含む空間が密閉状態となる。
【０１６１】
温度検知器５２では燃料処理装置３２を含む密閉空間の燃料処理装置３２より上流側の温度Ｔが検知される（Ｓ８６）。検知された温度Ｔは制御部５３で温度閾値Ｔ１と比較される（Ｓ８７）。
【０１６２】
ここで、Ｔ≦Ｔ１の時は、バイパス路弁４４が開かれ（Ｓ８８）、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。そして、燃料ガス排出路３８への原料ガス供給が完了すると、バイパス路弁４４が閉じられ（Ｓ８９）、燃料処理装置バイパス路４３が封止される。
【０１６３】
上記本実施の形態９における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、以下の作用効果が得られる。
【０１６４】
停止時には、燃料処理装置３２、燃料電池バイパス路３９、並びに原料ガス供給路３５、燃料ガス供給路３７、及び燃料ガス排出路３８の一部は、原料ガス遮断弁３６、燃料流路切替弁４０および燃料ガス排出路弁４２により遮断されているため、密閉状態である。そのため時間の経過とともに燃料処理装置３２等の内部温度が低下し、圧力低下が起こる。さらに、内部に封入されている燃料ガス中の水蒸気が凝縮することにより、更なる圧力低下が起こる。
【０１６５】
ここで、実施の形態４と同様に、燃料電池発電システムの停止時における燃料処理装置３２を含む密閉空間の温度検知器５２よる温度は、圧力低下とともに低下する。このため、本実施の形態９では、実施の形態７で用いた圧力計４９の代わりに温度検知器５２を用いることにより、密閉空間内の圧力低下を検知することが可能となる。
【０１６６】
上述したように、本実施の形態９では、上記の密閉空間の温度を温度検知器５２で検知し、その温度が温度閾値Ｔ１より低下すると、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給され、原料ガス供給完了後に、バイパス路弁４４が閉じられ、流路封止が行なわれるため、燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復することが実現できる。尚、本発明の第４の所定閾値の一例は、本実施の形態９の温度閾値Ｔ１に相当する。
【０１６７】
また、改質部４６の改質触媒は４００℃以上の温度で、水蒸気の不足したメタン等の炭化水素雰囲気にすると触媒上に炭素析出し、触媒性能の劣化が起こる。しかし、本実施の形態９では、燃料処理装置３２から配管距離のある燃料ガス排出路弁４２の上流近傍から原料ガスが温度低下に応じて供給される。ここで、改質触媒のある改質部４６から原料ガスの供給される燃料処理装置バイパス路４３までには、シフト反応部４７、選択酸化反応部４８、燃料ガス供給路３７の一部、燃料電池バイパス路３９、及び燃料ガス排出路３８の一部が配置されているため、改質部４６には、例え原料ガスが流入したとしても拡散によって流入する程度の極小量であり、又、少量の水蒸気が改質部４６に残っているため、触媒性能には影響を与えず、性能の確保を実現することができる。
【０１６８】
なお、本実施の形態９では、「バイパス路弁４４が開かれることによる燃料ガス排出路３８への原料ガス供給」を１回する場合について説明したが、この動作は「燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を回復」するためのものであり、制御部５３において温度閾値をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、…と複数個設定し、温度検知器５２からの温度信号により複数回行なっても構わない。
【０１６９】
なお、本実施の形態９では、「温度検知器５２は原料ガス遮断弁３６と燃料処理装置３２との間の原料ガス供給路３５に設置されている」としたが、温度検知器５２は原料ガス遮断弁３６と燃料ガス排出路弁４２とにより密閉となる少なくとも燃料処理装置３２を含む密閉空間の圧力を検知できればいいので、燃料処理装置３２と燃料流路切替弁４０との間の燃料ガス供給路３７に備えても良いし、バイパス路弁４４より下流の燃料処理装置バイパス路４３に備えても良いし、燃料電池バイパス路３９や、燃料電池出口弁４１と燃料ガス排出路弁４２との間の燃料ガス排出路３８に備えても良い。さらには、燃料処理装置３２の内部に備えても良い。
【０１７０】
（実施の形態１０）
図１７は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１５と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。本実施の形態１０における燃料電池発電システムは、図１５に示す実施の形態９の燃料電池発電システムと基本的構成は同じであるが、バーナ３３での燃焼状態を監視するために火炎検知器５５を備え、さらに実施の形態９の制御部５３に代えて、火炎検知器５５の信号を受けて燃料ガス排出路弁４２の開閉を制御する機能を有する制御部５４を備えている点が異なる。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、本発明の燃焼検知部の一例は、本実施の形態１０の火炎検知器５５に相当し、本発明の制御部の一例は、本実施の形態１０の制御部５４に相当する。
【０１７１】
本実施の形態１０における燃料電池発電システムの動作については実施の形態９と同様に、発電終了後の動作についてのみ図１８を参照しながら説明する。尚、図１８は本実施の形態１０における燃料電池発電システムの停止時の動作を示すフロー図である。
【０１７２】
燃料電池３１に供給している空気の供給が停止され（Ｓ９１）、同時に原料ガス遮断弁３６が閉じられ（Ｓ９２）、燃料処理装置３２への原料ガスの供給が停止される。また、燃料流路切替弁４０が燃料電池バイパス路３９側に切り替えられ（Ｓ９３）、燃料電池出口弁４１が閉じられ（Ｓ９４）、燃料電池３１への燃料ガスの供給が停止され、燃料電池３１が密閉状態となる。
【０１７３】
制御部５４は火炎検知器５５から出力される信号を受けて、バーナ３３での燃焼状態を監視する（Ｓ９５）。バーナ３３での燃焼の停止が検知されると（Ｓ９６）、燃料ガス排出路弁４２が閉じられる（Ｓ９７）ことにより、バーナ３３への燃料ガスの供給が停止されるとともに、燃料処理装置３２を含む空間が密閉状態となる。
【０１７４】
次に、温度検知器５２では燃料処理装置３２を含む密閉空間の燃料処理装置３２より上流側の温度Ｔが検知される（Ｓ９８）。検知された温度Ｔは制御部５４で温度閾値Ｔ１と比較される（Ｓ９９）。
【０１７５】
ここで、Ｔ≦Ｔ１の時は、バイパス路弁４４が開かれる（Ｓ１００）ことにより、燃料処理装置バイパス路４３を通じて、燃料ガス排出路弁４２より上流の燃料ガス排出路３８に、原料ガスが供給される。燃料ガス排出路３８への原料ガス供給が完了すると、バイパス路弁４４を閉じられ（Ｓ１０１）、燃料処理装置バイパス路４３が封止される。尚、本発明の第４の所定閾値は、本実施の形態１０の温度閾値Ｔ１に相当する。
【０１７６】
上記本実施の形態１０における燃料電池発電システムの構成および運転方法を採用すると、実施の形態８に説明した作用効果に加えて、更に以下の作用効果が得られる。
【０１７７】
発電停止のために原料ガスと改質用の水の供給を停止することにより、燃料処理装置３２での水素生成が停止する。また、原料ガスは原料ガス遮断弁３６を閉とすることで瞬時に供給停止することができる。
【０１７８】
一方、改質用の水供給を停止しても、停止直前に燃料処理装置３２内部に供給された水は、その後内部余熱で加熱蒸発する。そのため、原料ガス供給停止と同時に燃料ガス排出路弁４２も閉じられると、燃料処理装置３２を含む空間の内部の圧力が異常に上昇する。
【０１７９】
しかし、本実施の形態１０では、燃料ガス排出路弁４２が開かれることにより、水蒸気蒸発により燃料処理装置３２から押し出される水素リッチな燃料ガスをバーナ３３で燃焼させることが可能となる。水蒸気蒸発の終了により燃料処理装置３２内部の圧力が低下し、燃料ガスの押し出しがなくなると、バーナ３３での燃焼も停止するが、バーナ３３での燃焼状態を火炎検知器５５を用いて監視することによりその時機を確実に検知でき、結果、燃料処理装置３２を含む空間の圧力を低下することができる。バーナ３３での燃焼停止を検知された時に、燃料ガス排出路弁４２が閉じられ、燃料処理装置３２を含む空間を密閉状態にすることができる。
【０１８０】
なお、本実施の形態１０における火炎検知器５５としては、フレームロッドや熱電対を用いることができる。
【０１８１】
又、上述した本発明の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムの運転方法の制御工程の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを提供することも有効である。
【０１８２】
又、上述した本発明の目的を達成するために、上述した本発明の燃料電池発電システムの運転方法の制御工程の全部又は一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記動作を実行する記録媒体を提供することも有効である。
【０１８３】
又、上記「工程の動作」とは、前記工程の全部又は一部の動作を意味する。
【０１８４】
又、上記プログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【０１８５】
又、上記プログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【０１８６】
又、上記記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。
【０１８７】
又、上述したコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
【０１８８】
尚、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本発明にかかる燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムの運転方法は、システム運転終了後の燃料処理装置を含む密閉空間における負圧化を回避することを実現できる効果を有し、燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムの運転方法等として有用である。またメタン等の炭化水素系ガスの燃料を改質することにより生成される水素を使用する燃料電池自動車等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９０】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における燃料電池発電システムを示す構成図
【図２】本発明にかかる実施の形態２における燃料電池発電システムを示す構成図
【図３】本発明にかかる実施の形態２における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図４】本発明にかかる実施の形態３における燃料電池発電システムを示す構成図
【図５】本発明にかかる実施の形態３における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図６】本発明にかかる実施の形態４における燃料電池発電システムを示す構成図
【図７】本発明にかかる実施の形態４における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図８】本発明にかかる実施の形態４の燃料電池発電システムの燃料処理装置を含む密閉空間の内部温度変化と圧力変化の関係のグラフを示す図
【図９】本発明にかかる実施の形態５における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１０】本発明にかかる実施の形態６における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１１】本発明にかかる実施の形態７における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１２】本発明にかかる実施の形態７における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図１３】本発明にかかる実施の形態８における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１４】本発明にかかる実施の形態８における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図１５】本発明にかかる実施の形態９における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１６】本発明にかかる実施の形態９における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図１７】本発明にかかる実施の形態１０における燃料電池発電システムを示す構成図
【図１８】本発明にかかる実施の形態１０における燃料電池発電システムの動作を示すフロー図
【図１９】従来の燃料電池発電システムを示す構成図
【符号の説明】
【０１９１】
１、４５、脱硫部
２、４６、改質部
３、４７  シフト反応部
４、４８  選択酸化反応部
５、２１、２２、２４、２６、３０、５０、５１、５３、５４  制御部
１１、３１  燃料電池
１２、３２  燃料処理装置
１３、３４  原料供給源
１４、３５  原料ガス供給路
１５、３６  原料ガス遮断弁
１６、３７  燃料ガス供給路
１７  燃料ガス遮断弁
１８、４３  燃料処理装置バイパス路
１９、４４  バイパス路弁
２０、４９  圧力計
２３、５２  温度検知器
３３  バーナ
２７、３８  燃料ガス排出路
３９  燃料電池バイパス路
４０  燃料流路切替弁
２５、４１  燃料電池出口弁
４２  燃料ガス排出路弁
５５  火炎検知器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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