(57)【要約】【課題】本発明は、停止や停電時にバックアップ電源なしで水蒸気パージを行うことができ、イニシャルコストやランニングコストを低減できる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】改質用水供給経路の水を送水する改質用水供給ポンプより下流の改質用水供給経路の水を滞留させる改質用水滞留装置を具備し、燃料電池発電システムの停止または停電時に改質用水滞留装置に滞留された水を改質器に供給して水蒸気を発生させ、水素ガスが通流する経路を水蒸気パージする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用水供給経路から供給する水および原燃料供給経路から供給する原燃料を改質器で反応させて燃料を生成し、前記燃料を燃料電池に供給する燃料供給手段と、
酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料および前記酸化剤を反応させて発電する燃料電池と
を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記水を送水する改質用水供給ポンプより下流の前記改質用水供給経路に、前記水を滞留させる改質用水滞留装置を具備し、燃料電池発電システムの停止時に前記改質用水滞留装置に滞留された水を前記改質器の蒸気発生部に供給して水蒸気を発生させ、前記燃料供給手段、前記改質器および前記燃料電池の可燃性ガス系統を水蒸気パージすることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記蒸気発生部よりも上部に前記改質用水滞留装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記改質用水滞留装置は、通電時に閉じて停電時に開く弁、または、前記改質用水滞留装置外から前記改質用水滞留装置内方向へ通流可能な逆止弁を備えることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記弁、または、前記逆止弁の片側の接続先が大気、もしくは、前記改質器の下流の燃料ガスが通流する経路であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記改質用水滞留装置が水柱であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質用水供給経路から供給する水および原燃料供給経路から供給する原燃料を改質器で反応させて燃料を生成し、前記燃料を燃料電池に供給する燃料供給手段と、酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、前記燃料および前記酸化剤を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムの水蒸気パージに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）式はアノード側に於ける反応、（２）式はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。
【０００３】
【化１】
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【０００４】
【化２】
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【０００５】
【化３】
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燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。
【０００６】
そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池発電システムには改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料の改質を行い、燃料ガスを生成している。
【０００７】
（４）式は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
【０００８】
【化４】
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（４）式に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を600〜700℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。
【０００９】
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、ここで一酸化炭素は1%以下に低減され、リン酸形燃料電池(PAFC)であれば、このガスを燃料電池へと導入して発電を行うことが出来る。
【００１０】
一方、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、その動作温度が60〜80℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化することから、一酸化炭素をさらに低減するために改質ガスは一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素を10ppm以下に低減させる。
【００１１】
なお、前述の通り固体高分子形燃料電池(PEFC)は、反応温度が低いため、リン酸形燃料電池(PAFC)(反応温度約180℃)と異なり、その発熱量で改質用の水蒸気を発生させることができないことから、改質系機器の中でこれを発生させる必要があり、この蒸気発生（気化）のための熱量は、改質器内部の余熱または改質器を出た後の燃焼排ガスとの熱交換で得ている。すなわち、改質用蒸気は、改質用水をポンプで改質器内部または改質器外の蒸気発生部に供給することで蒸発気化して得られている。
【００１２】
図５は、従来の燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００１３】
脱硫器１にて硫黄分を取り除かれた原燃料は、改質用水供給ポンプ８で供給された改質用水と混合した後、蒸気発生部２に供給され、改質用水が気化された後に改質器３の改質触媒９に供給されて、化４に示した水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスにされた後に、一酸化炭素変成器４に供給されて一酸化炭素変成反応によって水素濃度が高められ、さらにその後、図示しない一定量の空気とともに一酸化炭素除去器５に供給されて、一酸化炭素選択酸化反応によって一酸化炭素が10ppm以下に低減された後、燃料電池６へと供給される。
【００１４】
一般の燃料電池発電システムにおいて、運転を停止させる時はまず原料ガスの供給を停止させるが、この時改質器３〜燃料電池６の燃料極〜燃料オフガス経路中に水素リッチガスが残留することになり、大気開放されたバーナから自然対流によって水素リッチガス経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。そこで、この従来の燃料電池発電システムのように、運転停止時に、図示しない遮断弁を開き、窒素設備から窒素供給管を介して不活性ガスとしての窒素を改質器３〜燃料電池６の燃料極〜燃料オフガスの経路に供給し、水素リッチガスを全て排出しバーナで燃焼させていた。このように、従来の燃料電池発電システムでは、毎回の運転停止時に窒素によるパージ動作を行い、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。
【００１５】
しかし、従来の窒素パージ動作のため大型の窒素ボンベなどの窒素設備を具備する必要があるため、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、大きなスペースが必要で機器のイニシャルコストが多くかかるという課題があった。そして、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課題があった。 
【００１６】
また上記課題を回避するために、窒素ボンベを使用しない方法として、発電停止後も改質用水を一定時間流し続けて、水蒸気パージによって経路内に残留する水素ガスを排出させることが考えられたが、停電時にも、水素ガスが通流する経路の水蒸気パージをする必要があることから、水を供給する改質用水供給ポンプを動かすためのバックアップ電源が必要となり、イニシャルコストが多くかかるという課題があった。
【００１７】
また、水蒸気パージに用いる水を貯えるパージ水タンクを改質用水供給経路とは別に備え、燃料電池発電システム停止時に改質器にパージ水タンクに貯えられた水を供給して、水蒸気を発生させ、燃料電池発電システムを水蒸気パージする装置が知られている（図６参照）が、パージ水タンクに貯えられた水を改質器に供給する経路を設置する必要があり、イニシャルコストが多くかかるという課題があった。さらに、予めパージ水タンクに水を溜めておき、停止時に電磁弁を開いてその水を水蒸気発生手段に供給しているため、その「予め水を溜めておく」手間と、その水が長期間未使用で滞っている場合に蒸発による消失や腐敗が発生しやすいという不都合がある。（特許文献１）
【特許文献１】特開２００５−６３８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記従来の課題を考慮し、本発明は、停止や停電時にもバックアップ電源なしで水蒸気パージを行うことができ、イニシャルコストやランニングコストを低減でき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】
【００１９】
請求項１の発明は、改質用水供給経路から供給する水および原燃料供給経路から供給する原燃料を改質器で反応させて燃料を生成し、前記燃料を燃料電池に供給する燃料供給手段と、酸化剤を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段と、前記燃料および前記酸化剤を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記改質用水供給経路の前記水を送水する改質用水供給ポンプより下流の前記改質用水供給経路の前記水を滞留させる改質用水滞留装置を具備し、燃料電池発電システムの停止時に前記改質用水滞留装置に滞留された水を前記改質器の蒸気発生部に供給して水蒸気を発生させ、前記燃料供給手段、前記改質器および前記燃料電池の可燃性ガス系統を水蒸気パージすることを特徴とする。改質用水滞留装置は、水蒸気パージに必要な水量を貯留できる容積を持つ。（請求項１）
また、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記改質器の蒸気発生部よりも上部に前記改質用水滞留装置を設けたことを特徴とする。前記改質器よりも上部に前記改質用水滞留装置を設けることにより、水の位置エネルギーにより水を改質器に送水できる。（請求項２）
また、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記改質用水滞留装置は、通電時に閉じて停電時に開く弁、または、前記改質用水滞留装置外から前記改質用水滞留装置内方向へ通流可能な逆止弁を備えることを特徴とする。（請求項３）
また、請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記弁、または、前記逆止弁の片側の接続先が大気、もしくは、前記改質器の下流の燃料ガスが通流する経路であることを特徴とする。（請求項４）
【発明の効果】
【００２０】
水を送水する改質用水供給ポンプより下流の前記改質用水供給経路に、前記水を滞留させる改質用水滞留装置を具備し、燃料電池発電システムの停止時に改質用水滞留装置に滞留された水を改質器の蒸気発生部に供給して水蒸気を発生させ、燃料供給手段、改質器および燃料電池を水蒸気パージさせる構成とすることで、窒素ガス供給手段が不要であり燃料電池発電システムの設置スペースが小さくでき、また、水蒸気パージ用に改質用水供給ポンプのバックアップ電源を必要としない。そして、運転停止時や停電時には、燃焼ガス供給経路内に水素ガスが滞留することなく、水素ガスが燃料電池発電システム内で燃焼することを防止し、安全性を確保でき、イニシャルコストとランニングコストを低減できる。
【００２１】
また、改質用水とは別の経路に水を溜めておく必要がなく、長期間未使用の場合にも蒸発による消失や腐敗という不都合が発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図１から図３を用いて説明する。従来技術を示した図５に示すものと同じ機能を有するものには同じ名称を記載して説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の第１番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図である。燃料電池発電システムの発電運転時は、改質器３から燃料電池６のアノード極に供給される燃料ガスと燃料電池６のカソード極に供給される酸化ガス（酸化ガス供給経路は図示していない）を反応させて燃料電池６が発電を行なっている。
【００２４】
脱硫器１にて硫黄分を取りかれた原燃料は、改質用水供給経路２１を介して、改質用水供給ポンプ８で供給された改質用水と混合される。改質用水供給ポンプ８から蒸気発生部２につながる改質用水供給経路２１は、蒸気発生部２に接続する前に一旦、蒸気発生部２より上方まで配管され、その配管頂部に改質用水滞留装置２２を設けられている。改質用水滞留装置２２は、改質用水供給経路２１を流れる改質用水を滞留させる役割をもつ。改質用水滞留装置２２の代用として蒸気発生部２よりも上部に位置する改質用水供給路２１の配管のうち、改質用水が上から下の方向に流れる部分の配管の径もしくは配管長さを大きくして、水蒸気パージに必要な水を配管内に滞留させるようにしてもよい。また、改質用水滞留装置２２より下流の改質用水供給路２１の配管は、燃料電池発電システムの停止時に前記原燃料や改質途中の燃料ガスが改質用水供給路２１を逆流するように勾配がついている。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００２６】
燃料電池発電システムの停止と共に改質用水供給ポンプ８が止まる。しかし、改質用水滞留装置２２に滞留した水は、重力によって落下しようとし、入れ替わりに改質用水供給路２１や改質器３の内部にあった原燃料や改質途中の燃料ガスが逆流する。そして、改質用水滞留装置２２に滞留した水は、改質器３の蒸気発生部２に供給される。従来、停電時に改質用水供給ポンプ８を作動させて水蒸気パージするためにバックアップ用電源が必要であったが、このような構成にすることによりバックアップ用電源を必要としないという効果が得られる。また、運転開始時には、改質用水滞留装置２２に残留する気体の多くは、改質用水の流れによって押し出され排除される。さらに、改質用水滞留装置２２に残留する気体を排除するために図示しない自動空気抜き弁を備えても良い。
【００２７】
次に、本発明の第２番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図を図２に示す。第２番目の実施形態では、改質用水滞留装置２２の頂部に、弁２３を備える点が第１番目の実施形態と異なっている。この弁２３は、通電時に閉じて停電時に開く弁または改質用水滞留装置外から改質用水滞留装置内方向へ通流可能な逆止弁とする。そして、弁２３の片側は、弁が開時に大気と連通可能とする。このような構成において、発電装置が停止もしくは停電になる場合には、改質用水供給ポンプ８が止まるため弁２３が前記逆止弁の場合は改質用水滞留装置２２内の圧力が低下して弁２３が開き、弁２３が電磁弁の場合は、電磁弁に電気が供給されないので弁２３が開く。すると、改質用水滞留装置２２に滞留した水が改質器３の蒸気発生部２に供給され、水蒸気パージが一定期間継続される。
【００２８】
次に、本発明の第３番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図を図３に示す。第３番目の実施形態では、弁２３の出口を改質器よりも下流の改質ガス経路（例えば燃料オフガス経路）と、弁２３とを、パージ補助経路２４で接続した点が第２番目の実施形態と異なっている。このような構成によれば、停止直後に改質用水供給経路２１の圧力が高くて水が噴出す可能性のある場合でも、水が大気に噴出しないという効果が得られる。
【００２９】
次に、本発明の第４番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図を図４に示す。第４番目の実施形態では、改質用水滞留装置２２が水柱２７である点が第１番目の実施形態と異なっている。改質用水滞留装置２２の水流路の圧力が水柱２７を介して大気圧と平衡する構成とする。そして、燃料電池発電システムの運転時における改質用水滞留装置２２の水流路の圧力を10kPaGに対して上下限値を予め定め、改質用水供給ポンプ８の流量を前記上下限値になるように制御すると、約1mの垂直な水柱２７でバランスする。そして、燃料電池発電システムの停止とともに、改質用水供給ポンプ８が止まり改質用水滞留装置２２の水流路の圧力がほぼゼロになると、水柱２７に溜まっていた水が重力で落ち、蒸気発生部２に供給される。
【００３０】
なお、第２番目、第３番目、第４番目の燃料電池発電システムの実施形態では、改質用水滞留装置に供給される気体は前記弁や前記逆止弁や水柱の大気開放部分から供給されるため、改質用水滞留装置２２より下流の改質用水供給路２１の配管が、燃料電池発電システムの停止時に前記原燃料や改質途中の燃料ガスが改質用水供給路２１を逆流するように勾配がついている必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図
【図２】本発明の第２番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図
【図３】本発明の第３番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図
【図４】本発明の第４番目の実施形態における燃料電池発電システムの概略構成図
【図５】従来の燃料電池発電システムの概略構成図
【図６】従来の水蒸気パージに関する異なる実施例の概略構成図
【符号の説明】
【００３２】
１  脱硫器
２  蒸気発生部
３  改質器
４  一酸化炭素変成器
５  一酸化炭素除去器
６  燃料電池
７  改質用水タンク
８  改質用水供給ポンプ
９  改質触媒
１０  原燃料ガスブロワ
１１  燃焼空気ブロワ
２１  改質用水供給経路
２２  改質用水滞留装置
２３  弁
２４  パージ補助経路
２５  燃料供給経路
２６  酸化剤供給経路
２７  水柱
【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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