(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、前記燃料処理装置及び前記燃料電池装置との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、前記密封及び連通自在な空間に連通され該密封及び連通自在な空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともに該ガスを貯蔵するガス貯蔵装置とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、前記燃料処理装置及び前記燃料電池装置との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、前記密封及び連通自在な空間に連通され該密封及び連通自在な空間内のガスの圧力を前記燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記密封及び連通自在な空間は、前記燃料処理装置の触媒反応部のうち、前記燃料ガスに改質触媒を反応させる改質触媒反応部、及び燃料ガスにシフト触媒を反応させるシフト触媒反応部を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記密封及び連通自在な空間は、前記燃料電池装置の前記燃料ガス流路を含まないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記密封及び連通自在な空間と前記ガス貯蔵装置とを連通する燃料ガス配管に設けられた第２の開閉弁をさらに有する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記密封及び連通自在な空間に接続され該空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記不活性ガス供給装置の不活性ガスは、前記ガス貯蔵装置を経由して前記密封及び連通自在な空間に至ることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、あるいは両者の混合ガスであることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記ガス貯蔵装置は、貯蔵ガスの圧力が一定の値を超えたときに破損し、前記密封及び連通自在な空間内のガスを外部に放出することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記ガス貯蔵装置は、中空筒と該中空筒の内部で摺動するピストンにより形成された容積の変化する密閉空間に前記ガスを貯蔵することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記ガス貯蔵装置は、外周部にベローズを有する伸縮自在な襞状構造部の内部空間に前記ガスを貯蔵することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記ガス貯蔵装置は、伸縮性を有し内部に前記ガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋と、該伸縮貯蔵袋を収納する構造体とを有し、前記構造体には外部の排気口に連通する排気配管が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記ガス貯蔵装置は、伸縮性を有し内部に前記ガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋と、剛性を有し内部に前記伸縮貯蔵袋を収納し該伸縮貯蔵袋が所定の大きさに膨らんだときにこれを規制する補強構造体とを有する
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記伸縮貯蔵袋は、気密性を有する高分子フィルムまたは高分子フィルムと金属シートを多層に張り合わせた金属・高分子ラミネートフィルムで作製され、前記補強構造体は、金属、硬質プラスチック、或いは金属・プラスチック複合材料のいずれかで作製されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記補強構造体は、円柱、球、或いは角柱のいずれかの形状をなす
ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする開閉弁は、閉止時に水封されることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１７】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、前記燃料処理装置及び前記燃料電池装置との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、前記密封及び連通自在な空間に該空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともに該ガスを貯蔵するガス貯蔵装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に前記開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しないことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１８】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、前記燃料処理装置及び前記燃料電池装置との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、前記密封及び連通自在な空間に該空間内のガスの圧力を、燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構を接続し、発電システムの起動時または停止時に前記開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しないことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１９】
原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された前記燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、前記燃料処理装置及び前記燃料電池装置との間に設けられ前記燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも前記燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、前記密封及び連通自在な空間に該空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともに該ガスを貯蔵するガス貯蔵装置及び不活性ガス供給装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に前記開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素またはアルコール等の原燃料から水素リッチガスとしての燃料ガスを生成する燃料処理装置と、この燃料ガスに空気等の酸化剤ガスを反応させて電気を発生する燃料電池装置とを備えた燃料電池発電システム及びその運転方法と、燃料電池発電システムに用いられるガス貯蔵装置に関し、特にシステムの簡素化や無人化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の反応部（改質触媒反応部やシフト触媒反応部あるいは一酸化炭素除去触媒反応部）を中核とし、その他適宜、熱交換部、水蒸気発生部、脱硫部、反応熱を与える燃焼部等を含み、炭化水素またはアルコール等の原燃料から水素リッチガス（燃料ガス）を生成する燃料処理装置が設けられた燃料電池システムにおいて、従来、触媒の酸化リスクを防ぐ目的で、不活性ガス供給装置を設け、降温停止時には切り替え弁を不活性ガス供給装置の方に切り替え、例えば窒素ガス等の不活性ガスを、燃料処理装置の各種反応部（改質触媒反応部やシフト触媒反応部あるいは一酸化炭素除去触媒反応部）に流通させるよう設計された燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】
そして、このような燃料電池発電システムにおいて、従来、降温時の反応部減圧による空気吸引を避けるため、不活性ガス供給（パージ）を降温中継続するか、あるいは触媒反応部またはガス配管部内部の圧力をモニターし、所定の圧力以下になると不活性ガスを追加投入し減圧を防ぐ、即ち、燃料処理装置出口側の開閉弁を、パージ中は開状態にしパージガスを排出し、あるいは一定量パージ後は閉状態にし触媒反応部を密封し、密封空間の減圧状態に応じ不活性ガスを適宜補給する提案がされていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−７２４０２号公報
【０００５】
しかしながら、このような従来の方法においては、システムが降温するまで所定の時間（例えば１日以上）と所定の作業（ガスパージや圧力監視等）が必要であり、また結果的に多量のパージガスを必要とするなど、特に起動停止頻度が大きい小型の発電システムでは使い勝手が悪いという問題点があった。
【０００６】
さらに従来技術においては、圧力低下を補うためのガスの補充が不可欠であるが、補填ガスの候補である炭化水素の原燃料は触媒上で炭素析出を伴うため高温での利用が難しく、空気利用は論外であり、結果として不活性ガスの利用が避けられないという問題点もあった。
【０００７】
また、従来の方法において、窒素パージを間欠的に行うにしても、多少なりとも一時的に反応部が減圧状態になることは避けられず、密閉性の良い高価な開閉弁や圧力センサが必要となる等の問題点もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の発電システムにおいては、機器の降温に伴う空気の減圧吸引に対し、降温中パージを継続しパージガスの補填により吸引を防止しようとした。そのため、降温に伴い、多量のパージガス、監視人員及び電源の供給を必要とし、頻繁に起動停止を伴うような発電システムでは実用的でないという問題点があった。
【０００９】
さらには、減圧を補填するガスとしてパージガス利用が不可欠であり、パージガスの不要化やパージ系統の削除というシステム簡素化が望まれていた。
【００１０】
この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、降温時において減圧を防ぎ、パージガスの減圧補填が不要で、簡素で安定な運転が可能な燃料電池発電システム、燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムのガス貯蔵装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵装置とを有する。
【００１２】
また、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、密封及び連通自在な空間に連通され該密封及び連通自在な空間内のガスの圧力を燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構を有する。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
【００１４】
また、燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に該空間内のガスの圧力を燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
【００１５】
また、燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に該空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともに該ガスを貯蔵するガス貯蔵装置及び不活性ガス供給装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
【００１６】
さらに、この発明に係る燃料電池発電システムのガス貯蔵装置は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管と、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁とを有する燃料電池発電システムに用いられ、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。図１において、燃料処理装置１は、脱硫部２ａ、改質触媒反応部２ｂ、シフト触媒反応部２ｃ、及び一酸化炭素除去触媒反応部２ｄからなる触媒反応部を有している。各触媒反応部には、脱硫触媒３ａ、改質触媒３ｂ、シフト触媒３ｃ、及び一酸化炭素除去触媒３ｄの各触媒が保持されている。改質触媒反応部２ｂには、反応熱を与える燃焼部４が設けられ、さらに、燃料処理装置１は、原燃料または燃料ガスが流通する燃料ガス配管６、及び燃料ガス配管６と燃料電池装置９との間に設けられた開閉弁８を有している。そして、燃料電池発電システムは、内部に燃料ガスを流通する燃料ガス流路１０ａ、酸化剤ガス流路１０ｂを有する燃料電池装置９と、伸縮性を有し燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵装置１１を有している。
【００１８】
発電動作時には、原燃料供給源から、ＬＮＧ等の炭化水素原料（代表成分としてメタン）やアルコール類よりなる原燃料が燃料処理装置１に供給される。供給された原燃料は、脱硫部２ａで硫黄成分が除去された後、例えば水蒸気改質反応を用いた改質触媒反応部２ｂでは、水蒸気と混合された原燃料が高温下（例えば６００〜８００℃）で改質触媒３ｂと接触し、水素を主成分とする改質ガスに変換される（水蒸気改質反応）。
【００１９】
改質ガス中には通常１０〜１５モル％程度（乾きガス基準）の一酸化炭素を含む。一酸化炭素は、低温動作型の燃料電池例えばリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：phosphoric acid fuel cell）、固体高分子型燃料電池混合ガス（ＰＥＦＣ：polymer electrolyte fuel cell）の電極触媒を被毒する性質がある。従ってＰＡＦＣを用いた発電システムでは、改質ガス中の一酸化炭素濃度を電池で許容可能なレベル（例えば０．５モル％程度）まで低減するシフト触媒反応部２ｃ（動作温度２００〜４００℃程度）が改質触媒反応部２ｂの後流に接続されている。
【００２０】
ＰＥＦＣでは、一酸化炭素の被毒傾向がいっそう著しく、一酸化炭素を１０〜５０ｐｐｍ以下にまで低減する必要がある。この場合、シフト触媒反応部２ｃの後流にさらに一酸化炭素除去触媒反応部２ｄ（一般的には選択酸化型一酸化炭素除去反応部；動作温度１００〜３００℃程度、その他メタン化により一酸化炭素を除去するメタン化型一酸化炭素除去反応部もある）が接続されている。一酸化炭素が低濃度まで除去された水素リッチな燃料ガスは、開状態の開閉弁８を通り、後流の燃料電池装置９に供給され発電に供給される。
【００２１】
燃料処理装置１は、このような複数の反応部（改質触媒反応部２ｂやシフト触媒反応部２ｃあるいは一酸化炭素除去触媒反応部２ｄ）を中核とし、その他適宜、熱交換部、水蒸気発生部、脱硫部２ａ、反応熱を与える燃焼部４等を含み、炭化水素またはアルコール等の原燃料から水素リッチガス（燃料ガス）を生成する装置である。
【００２２】
燃料処理装置１に含まれる上述の各種触媒反応部は、反応を促進する触媒を有する触媒反応部である。触媒は通常、活性金属がセラミクス等の比較的安定な担体上に保持されたもので、金属が還元状態で保たれる必要がある。改質触媒３ｂは、例えばニッケルやルテニウム等の活性金属をアルミナ等のセラミック担体に分散保持した触媒である。シフト触媒３ｃは、同じく活性金属である銅や白金等を酸化亜鉛やアルミナ等に分散した触媒である。選択酸化触媒またはメタン化触媒３ｄは、白金やルテニウムをセラミック担体に保持した触媒である。
【００２３】
次ぎに動作について説明する。原燃料が天然ガス（メタン）、燃料電池装置９がＰＥＦＣの場合の燃料電池発電システムについて以下説明する。定常発電時、燃料処理装置１において、天然ガスは、含有硫黄成分が脱硫部２ａで除去された後、メタンとスチーム（水）の混合原料が各触媒反応部２ｂ、２ｃ、２ｄにおいて改質反応、シフト反応、選択酸化一酸化炭素除去反応を順次受け、水素を主成分、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ以下程度を含む水素リッチな燃料ガスに変換される。
【００２４】
生成された燃料ガスとしての水素リッチガスは、燃料ガス配管６、開閉弁８（定常発電時には開状態）を経由して燃料電池装置９の燃料ガス流路１０ａに供給される。燃料電池装置９には同時に酸化剤ガスとしての空気が電池反応用に供給され、水素と酸素が電気化学反応を経由して水に変換され、その際、燃料電池装置９内において電力を発生する。燃料電池装置９で未利用の水素を含む燃料排ガスは、配管６を経て燃焼部４に導かれる。燃焼部４では燃料電池装置９で未利用の可燃成分を空気と共に燃焼させ、その時生成する燃焼熱を改質反応部２ｂでの改質反応熱として供給する。
【００２５】
本実施の形態による燃料電池発電システムでは、燃料処理装置１と燃料電池装置９をつなぐ燃料ガス配管６の途中に、ガス貯蔵装置１１が連通状態で接続されている。発電動作時には、隣接する燃料ガス配管６には水素を主成分とする燃料ガスが流通し、またガス貯蔵装置１１は、圧力においては、ここから下流に位置する機器類や配管の圧力損失に見合う背圧（圧力）を示す。ここでガス貯蔵装置１１は、例えば、アルミ箔と高分子フィルム（例えばポリエチレン）等の多層構造よりなるラミネートフィルムを用いた柔軟性に富んだ容器である。従って、例えば本発電システムが大気圧動作の場合、ガス貯蔵装置１１は１．０５〜１．１気圧程度の内部圧力をもって膨張し、且つ内部には圧力に従い水素リッチな燃料ガスがそのまま貯蔵される。後に説明するように本実施の形態では、ガス貯蔵装置１１に貯蔵された燃料ガスは、触媒反応部の内部ガスの減圧収縮を補填するガスとして利用される。
【００２６】
次ぎにシステム停止の動作は以下の通りである。システム停止時には、触媒反応部２ｂ，２ｃ，２ｄとガス貯蔵装置１１は、それらと外部とをつなぐ複数の開閉弁８がすべて閉止され密封状態にされる。その後、各反応部は温度低下を開始し、降温に伴うガスの容積変化により、特に工夫のない従来技術では内部圧力が減圧状態に変化してゆく。例えば改質触媒反応部の場合、反応部の平均温度を５５０℃程度（低温部４００℃〜高温部７００℃の平均値）と仮定し、停止時常温に温度降下すると、温度効果だけで圧力が約１／２．７に低下する。更に、改質ガス中には約３０％程度のスチームが含まれており、スチームの凝縮により圧力が１／１．５程度に低下する。即ち、可燃ガスである改質ガスのまま密閉放置すると、０．２気圧程度までに低下する。
【００２７】
しかしながら本実施の形態では、密封された空間の中に伸縮性に富むガス貯蔵装置１１を含むため、内部ガスの容積変化にガス貯蔵装置１１の伸縮が追随し減圧状態になることを防ぐ。例えば、十分な可撓性を有する０．１３ｍｍの厚みのアルミラミネートフィルムで作製されたガス貯蔵装置１１（容積１Ｌ）の圧力−容積変化の関係を図２に示す。ガス貯蔵装置１１は、図２に示すように、大気より０．００５気圧（５０ｍｍＨ2Ｏ）程度大きい圧力差で容積が十分膨らみ、逆に０．００２気圧（２０ｍｍＨ2Ｏ）小さな負圧でほぼ完全にしぼんでしまう。
【００２８】
このような伸縮性に富むガス貯蔵装置１１を所定の反応部を含む空間と接続し、密封された空間を構成することにより、ガス貯蔵装置１１の圧力調整機能に基づき温度降下に伴う内部ガスの容積変化に対しガス貯蔵装置１１の容積が自動的に追随し、パージガス等の補填や圧力の監視作業が不要になる。更には、ガス貯蔵装置１１内部に元来存在する水素ガス雰囲気で触媒空間を保持するため、触媒活性の保護にも有利である。
【００２９】
なお、本発明が十分効果を発揮するに重要な点が２点ある。一つは、ガス貯蔵装置１１における吸収可能容積は、触媒反応部や配管部におけるガスの容積変化以上である必要がある。ガスの容積変化は、実測や、温度や凝縮による容積変化を気体の状態方程式等に基づき概算することにより、予測可能である。
【００３０】
もう一点は、ガス貯蔵装置１１の伸縮性の選択である。第一にガス貯蔵装置１１は構造として、定常動作時等の最大圧力に耐える必要がある。ちなみに、先に図２に示したガス貯蔵装置１１を、図１に示す構造のシステムに適用した場合、最大圧力が約１．０７気圧、アルミラミネートフィルムによるガス貯蔵装置１１の破裂圧力は１．５気圧であった。第二に、ガス貯蔵装置１１にガスを満たし或いは放出するために必要な圧力差である。システムに組み込んだ際この圧力差は、密封された空間の減圧値に相当する。可撓性に富む材料を用いるほど、システムに組み込んだ際、必要とされる減圧値は小さくなり、空気吸引リスクが小さくなる。
【００３１】
即ちガス貯蔵装置の伸縮性は、使用条件、即ちどの程度の耐圧が必要とされるか、あるいはどの程度の減圧を許容するか、により決定される。例えば、利用可能な素材として、柔軟な順序に、気密性高分子フィルム、金属・高分子ラミネートフィルム、金属箔シートが挙げられる。高分子フィルムやラミネートフィルムを用いたガス貯蔵装置１１は、耐圧に弱いが伸縮性が大きく、実質的に減圧せず貯蔵しているガスの利用（出し入れ）が可能である。
【００３２】
一方、金属箔シートでガス貯蔵装置を作製すると、総体的に強度（耐圧）が増すが、若干の減圧を許容する必要がある。例えば０．１ｍｍ厚みのステンレスシートで箱体を形成すると減圧値が一例として０．０２気圧程度であり、高分子フィルムやラミネートフィルム製に比べ大きくなる。
【００３３】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置１と、燃料処理装置１で生成された燃料ガスを燃料ガス流路１０ａに流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路１０ｂに流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置９と、燃料処理装置１及び燃料電池装置９との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管６とを有する燃料電池発電システムであって、燃料ガス配管６の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置１の所定の触媒反応部２ｂ、２ｃ、２ｄを密封及び連通自在にする複数の開閉弁８と、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内の燃料ガスの圧力の変動を吸収するとともに燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵装置１１とを有する。
【００３４】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、原燃料または燃料ガスが流通する配管６または燃料処理装置１１内の燃料ガスの流通経路６上に開閉弁８を設け燃料処理装置１の所定の触媒反応部２ｂ、２ｃ、２ｄを密封及び連通自在にするとともに、この触媒反応部２ｂ、２ｃ、２ｄを含む密封空間に伸縮性を有するガス貯蔵装置１１を接続したものである。
【００３５】
そして、伸縮性のあるガス貯蔵装置１１を燃料処理装置１の触媒反応部に連通して設けたので、触媒反応部２ｂ、２ｃ、２ｄを含む密封空間中のガスが体積変化をしても、ガス貯蔵装置１１が自動的にそれに追随し容積の変化を吸収し、密封空間内の減圧を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施可能となり、且つ降温や休止過程におけるパージガスの補填も不要となる。
【００３６】
そして、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、密封及び連通自在な空間は、燃料電池装置９の燃料ガス流路１０ａを含まない。そのため、システムの停止時に、燃料ガス流路に隣接して設置される燃料電池の電極触媒を保護することができ、システムの信頼性を向上することができる。
【００３７】
また、ガス貯蔵装置１１は、気密性を有する高分子フィルム、高分子フィルムと金属シートを多層に張り合わせた金属・高分子ラミネートフィルム、或いは金属薄膜シートのいずれかで作製され伸縮性を有する。そのため、圧力変化を吸収する十分な機能を有するとともに、安価で高信頼性を有するガス貯蔵装置とすることができる。
【００３８】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。柔軟性に富みながら且つ耐圧性に優れたガス貯蔵装置の例として図３に示すものがある。図３において、ガス貯蔵装置１１は、ガス貯蔵装置１１の一部をなし内部に燃料ガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋１２と、燃料ガス接続配管１３、伸縮貯蔵袋１２を収納する補強構造体１４とを有している。高分子フィルムやラミネートフィルム等からなる柔軟性に富む伸縮貯蔵袋１２を、金属、硬質プラスチック、金属・プラスチック複合材料などからなる補強構造体１４の中に収納し、柔軟性と耐圧性を兼ね備える優れたガス貯蔵装置１１とする。本実施の形態では、圧力差に基づく柔軟な容積追随は伸縮貯蔵袋１２の働きによって行われ、先に図２に示したように、大気圧に対して実質的に負圧になることなく発電システムを運用できる。
【００３９】
一方、実働動作に必要な耐圧性は補強構造体１４によって与えられる。補強構造体１４は、伸縮貯蔵袋１２が発電システムの燃料ガスの動作圧力を受け最大に膨らんだ際、伸縮貯蔵袋１２の外面（少なくとも一部）を補強構造体の内面から支持し、燃料ガスの内圧を実質的に補強構造体１４で受けるよう設計されている。このことにより、伸縮貯蔵袋１２の耐圧性にかかわりなくガス貯蔵装置１１に耐圧性を与えることができる。
【００４０】
常圧動作の燃料電池発電システムでは、燃料ガス系の動作圧力は、ガス貯蔵装置１１が接続される発電システムの位置にも依存するが、例えば１．０５〜１．３気圧程度である。従って外気とは０．０５〜０．３気圧程度の差圧であり、通常の構造力学の手法により設計することができる。
【００４１】
形状については、この程度の差圧であればシステムの取り合い等に合わせて自由な設計が可能であるが、補強構造体の肉厚をできるだけ薄く軽量にするためには、図３に示したような円柱や、球、或いは角柱等の形状をベースにするのが有利である。
【００４２】
また、例えば発電システムの他の機器または機器ハウジング（の一部）を二重構造にし、二重構造の中に伸縮貯蔵袋１２を収容しガス貯蔵装置１１として利用する等、システムの他の機器と組み合わせることも可能である。この場合には強度的には不利であるが、平板形状や箱形状のほうが活用しやすい。また、大きな耐圧性は元来必要無く、伸縮貯蔵袋１２の外面全面を補強構造体により必ずしもサポートする必要は無い。即ち、例えば骨組み構造やパンチングメタル等を用いた構造体により部分的に伸縮貯蔵袋をサポートする等、一層の軽量化を狙っても良い。
【００４３】
なお、図１に示す実施の形態１では、触媒反応部２ｂ，２ｃ，２ｄよりなる密封及び連通自在な空間とガス貯蔵装置１１との間の接続配管に、開閉弁を設けない例について説明した。しかしながら、接続配管上に開閉弁を設け、密封及び連通自在な空間とガス貯蔵装置１１との間を任意に開閉可能としても良い。改質された燃料ガスはスチームを含むため、ガス貯蔵装置１１が燃料ガス配管６と常に連結していると、スチームが一部凝縮しガス貯蔵装置１１に凝縮水がたまりやすい。そのため、密封及び連通自在な空間とガス貯蔵装置１１との間の接続配管に開閉弁を設け、ガス貯蔵装置１１に改質ガスを充填するに必要な最低限の間開閉弁を開状態にすることにより、凝縮水の不要な進入を防ぐことが可能である。ガス貯蔵装置１１内部に保持したガスが触媒に触れる場合、ガスが液滴を含まない事が、過剰なスチーム生成による触媒酸化防止や触媒担体の劣化防止等の観点から好ましい。またこの意味では、ガス貯蔵装置１１につなぐ配管に関し、一酸化炭素除去触媒反応部２ｄから燃料電池装置９へつながる燃料ガス配管に対し、燃料ガス配管の上方向に接続することが好ましい。また、開閉弁８に対し、密封空間を構成する燃料ガス配管６を上方向に接続することで、密封空間内で生成した凝縮水により開閉弁８を水封することが可能となる。これにより、締め切り性の不十分な安価な弁を用いた場合でも、ガスの混入を低減することが可能である。
【００４４】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、ガス貯蔵装置１１は、伸縮性を有し内部にガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋１２と、剛性を有し内部に伸縮貯蔵袋１２を収納し伸縮貯蔵袋１２が所定の大きさに膨らんだときにこれを規制する補強構造体１４とを有する。そのため、柔軟性と耐圧性とを兼ね備えた優れたガス貯蔵装置とすることができる。
【００４５】
また、伸縮貯蔵袋１２は、気密性を有する高分子フィルムまたは高分子フィルムと金属シートを多層に張り合わせた金属・高分子ラミネートフィルムで作製され、補強構造体１４は、金属、硬質プラスチック、或いは金属・プラスチック複合材料のいずれかで作製されている。そのため、圧力変化を吸収し柔軟性と耐圧性を有するとともに、安価で高信頼性を有するガス貯蔵装置とすることができる。
【００４６】
また、補強構造体１４は、円柱、球、或いは角柱のいずれかの形状をなす。そのため、補強構造体の肉厚をできるだけ薄くし軽量化を図る際に有利である。
【００４７】
さらに、開閉弁８は、閉止時に装置内部で生成した凝縮水により水封される。そのため、開閉弁８からの微小な漏れこみを防止することができ、また、水封用の水を容易に供給することが可能である。
【００４８】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。図４において、本実施の形態のガス貯蔵装置１５は、有底円筒状の中空筒１６と、この中空筒１６の内部に摺動可能に設けられ中空筒１６の内部に容積の変化する密閉空間を形成する短尺円柱状のピストン１７と、この容積の変化する空間と燃料ガス配管６とを連通する燃料ガス接続配管１３とを有している。ピストン１７の外周部と中空筒１６との間には、シリコングリスが充填され、ピストン１７は外周部をシールした状態で中空筒１６の内部を非常に小さな抵抗で移動可能とされている。このように中空筒１６の内部で往復するピストン１７により密封された空間を形成することにより、ガス貯蔵装置１１の圧力調整機能に基づき温度降下に伴う内部ガスの容積変化に対しガス貯蔵装置１１の容積が自動的に追随し、パージガス等の補填や圧力の監視作業が不要になる。
【００４９】
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、ガス貯蔵装置１５は、中空筒１６と中空筒１６の内部で摺動するピストン１７により形成された容積の変化する密閉空間にガスを貯蔵する。そのため、圧力変化を吸収する十分な機能を有する。
【００５０】
実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。図５において、本実施の形態のガス貯蔵装置１８は、外周部がベローズで覆われた襞状構造部１９と、この襞状構造部１９の内部の密閉空間と燃料ガス配管６とを連通する燃料ガス接続配管１３とを有している。そして、襞状構造部１９は非常に小さな力で伸縮する。このようにガス貯蔵装置に連通する襞状構造部１９を設けることにより、ガス貯蔵装置１９の圧力調整機能に基づき温度降下に伴う内部ガスの容積変化に対しガス貯蔵装置１９の容積が自動的に追随し、パージガス等の補填や圧力の監視作業が不要になる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、ガス貯蔵装置１８は、外周部にベローズを有する伸縮自在な襞状構造部１９の内部空間にガスを貯蔵する。そのため、圧力変化を吸収する十分な機能を有する。
【００５２】
実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。図６において、本実施の形態のガス貯蔵装置２０は、ガス貯蔵装置２０の一部をなし内部に燃料ガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋２１と、この伸縮貯蔵袋２１を収納する気密性構造体２２と、気密性構造体２２内部の空間を排気口に接続する排気配管２３と、伸縮貯蔵袋２１の内部空間と燃料ガス配管６とを連通する燃料ガス接続配管１３とを有している。伸縮貯蔵袋１２は、所定の部分が他の部分より薄肉にされて所定の力で破損するようにされている。本実施の形態においては、例えば貯蔵ガスの圧力が1kgG/cm2を超えた場合に破損する。この薄肉とされた部分の耐圧強度は、薄肉部の厚さを変えて調整する。本実施の形態では、燃料ガス配管６の閉塞や原燃料供給系の故障等に起因する、系内の異常な圧力上昇が生じた場合、系内の圧力が伸縮貯蔵袋２１の耐圧である1kgG/cm2を上回ったときに伸縮貯蔵袋２１が破裂し、燃料ガスを安全な排気口まで漏れることなく排出して圧力上昇を抑える機能を有する。これによりガス貯蔵装置に破裂板や安全弁と同様の機能を持たせることが可能となる。
【００５３】
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、ガス貯蔵装置２０は、貯蔵ガスの圧力が一定の値を超えた場合に破裂し、密封及び連通自在な空間内のガスを外部に放出する。そのため、系内の異常な圧力上昇が生じた場合、系内の圧力が伸縮貯蔵袋２１の破裂圧力を上回った時点で伸縮貯蔵袋２１が破裂し、系内の異常な圧力上昇を抑える機能を有する。
【００５４】
また、ガス貯蔵装置２０は、伸縮性を有し内部にガスを貯蔵する伸縮貯蔵袋２１と、伸縮貯蔵袋２１を収納する構造体２２とを有し、構造体２２には外部の排気口連通する排気配管２３が設けられている。そのため、系内の異常な圧力上昇が生じた場合、系内の圧力が伸縮貯蔵袋２１の破裂圧力を上回った時点で伸縮貯蔵袋２１が破裂し、燃料ガスを安全な排気口まで漏れることなく排出して圧力上昇を抑える機能を有する。
【００５５】
実施の形態６．
図７は本発明の実施の形態６の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。図１に示す実施の形態１では、燃料処理装置１における改質触媒反応部２ｂ、シフト触媒反応部２ｃ、一酸化炭素選択酸化触媒反応部２ｄ全てを開閉弁８で区切り密封及び連通自在な空間としたが、必ずしもそうである必要はない。空気に暴露しても問題のない触媒については、触媒反応部を密封及び連通自在な空間から除外することが可能である。そのような例が本実施の形態である。代表的な一酸化炭素選択酸化触媒である例えば白金またはアルミナ触媒は、動作温度が２００℃程度と低く、降温中に空気に暴露されても性能に大きな問題がない。従って、本実施の形態においては、降温時および休止時空気混入を防ぐべき触媒反応部として改質触媒反応部２ｂ、シフト触媒反応部２ｃを選択し、前後に開閉弁８を設置し密封及び連通自在な空間を形成している。
【００５６】
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、密封及び連通自在な空間は、燃料処理装置１の触媒反応部のうち、燃料ガスに改質触媒を反応させる改質触媒反応部２ｂ、及び燃料ガスにシフト触媒を反応させるシフト触媒反応部２ｃを含む。そのため、空気に暴露しても問題のない触媒反応部を密封及び連通自在な空間から除外し、必要最小限の空間を密封及び連通自在とすることで装置を簡素化して安価とすることができるとともに、装置の信頼性を向上することができる。
【００５７】
実施の形態７．
図８は本発明の実施の形態７の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図７に示す実施の形態６と概略同じ構成であるが、さらに燃料処理装置１に窒素パージラインを付加したものである。
【００５８】
休止時安全上の観点から反応部や配管を不活性ガスで置換したい場合、あるいは触媒が低温保管時物性的に湿り気を嫌う場合等、システムは停止時、不活性ガスでガスパージされる。本実施の形態はそのような発電システムに本発明を適用したケースである。本実施の形態では停止時、ガス貯蔵装置１１に隣接した開閉弁８ａ（第２の開閉弁）と不活性ガス供給装置５との間に設けられた開閉弁８ｂが開になり、不活性ガス供給装置５からガス貯蔵装置１１を通して不活性ガス（例えば窒素や二酸化炭素、アルゴン等）がガス置換すべき触媒反応部空間、例えば改質触媒反応部２ｂ、シフト触媒反応部２ｃに導入される。
【００５９】
そして、反応部空間内の可燃ガスがパージされた後バージ供給側の開閉弁８ｂ、パージガス出口側の開閉弁８ｃが閉止され、密閉空間が形成される。この時、開閉弁８ａは開状態であり、反応部空間とガス貯蔵装置１１とが合わせて密封空間となる。その後、システムは完全に遮断（例えば操作電源オフ）され、各種反応部２ｂ，２ｃ，２ｄは温度低下する。
【００６０】
不活性ガスの機能は、酸化性や支燃性の無い性質により、ガス雰囲気下、触媒等の材料を安定に保ち、あるいは燃焼ガスを燃焼させることなく安全にガス置換する事にある。代表的なガス種は、窒素、二酸化炭素、アルゴン等が広く知られている。コスト的には、窒素や二酸化炭素が安価に利用でき、さらには、燃焼部４排ガス中の残留酸素を低濃度に抑えること等により、窒素と二酸化炭素が主たる成分である燃焼排ガスにも適用可能性がある。
【００６１】
本実施の形態において、密封可能な空間の内部圧力と主要反応部の温度降下状況を調べた試験結果を図９に示す。図９に示すように、本実施の形態では、停止操作による窒素パージ直後約１．０８気圧の内部圧力（大気との差圧として０．０８気圧；８００ｍｍＨ2Ｏ）を示しているが、それ以降、温度低下に従い内部圧力が低下している。ほぼ１０時間後に密封可能な空間内部（シフト触媒反応部）と大気との圧力差が無くなっているが、それ以降、本実施の形態では実質的に減圧になることはない（大気から負圧として最大０．０００５気圧以下であり、それ以上減圧になることはなかった）。
【００６２】
このように本実施の形態では、密封されている改質触媒反応部２ｂやシフト触媒反応部２ｃ内の不活性ガスは降温により体積収縮するが、ガス貯蔵装置１１の容積が収縮に追随して体積変化するため、密封可能な空間が実質的に負圧になることはない。即ち、内部圧力の監視や不活性ガスの追加的な補給が不要であり、簡便な操作で触媒の安定が保持される。また、常時全く負圧になる恐れが無いため、開閉弁は通常仕様の物が利用可能である。即ち、特別なガスシール性に優れた物や、逆圧に耐えるような仕様は不要である。
【００６３】
なお、図５に示す本実施の形態では、ガス貯蔵装置１１を介して不活性ガスを触媒反応部２ｂ，２ｃ，２ｄ等に導入する例について説明した。このことは本発明の趣旨からは必ずしも必要ではなく、例えば不活性ガス供給装置５を直接燃料ガス配管６に開閉弁８ｂを介して接続することが可能である。但し図８に示した構成においては、ガス貯蔵装置１１に常にフレッシュな不活性ガスが貯蔵されるという特長があり、触媒反応部内部の触媒保護に安心して使用できる利点がある。不活性ガス供給装置５を直接燃料ガス配管６に接続するケースでは、開閉弁８ａ，８ｂの開閉のタイミングに注意を払い、燃料ガス配管６からガス貯蔵装置１１へスチームが逆流しないよう配慮することが必要である。
【００６４】
なお、上述の説明では、本実施の形態による発電システムを停止・降温する動作において、その特長を説明したが、起動・昇温時においても以下のような特長がある。起動から発電に至る昇温過程についても、降温時と同じく触媒の酸化防止に係わる配慮が必要である。また、密封状態で昇温すると、内部のガスの熱膨張や吸着ガスの脱離、凝縮水蒸発等により内圧が上昇するという問題点がある。これは降温時の逆現象であり、室温時の優に倍以上に圧力が上昇する。
【００６５】
従来技術では内部圧力の上昇を吸収する機構を備えていないため、起動昇温の初期から不活性ガスを流通し昇温するのが一般的であり、このようにして内圧の上昇を防止し、また触媒反応部への空気の逆流を防いでいた。そして、不活性ガスを用いた昇温の後、触媒反応部の温度が反応ガスの導入にふさわしい温度になると、反応ガス（炭化水素またはアルコール類、およびスチーム）に順次切り替えられていた。
【００６６】
これに対して、図７や図８に示した本発明では、触媒反応部内部のガスの熱膨張を吸収するガス貯蔵装置１１を備えているため、反応部を密封した状態でシステムの昇温が可能である。その後、触媒反応部の温度が反応ガスの導入にふさわしい温度迄上昇すると、反応ガス（原燃料およびスチーム）が導入される。即ち、本発明においては、不活性ガスを使用しない昇温や降温が可能になり、不活性ガスの使用量を実質的にゼロにできる。システムとして不活性ガス供給装置５保持の有無を決定するには、他に緊急時の安全確保に関する検討等が必要であるが、降昇温に関しては不要化が可能になる。即ち、パージガスやガスラインの簡略化が可能になる。
【００６７】
図８の実施の形態についても、降温時に不活性ガスパージをしているため、起動時には触媒反応部２やガス貯蔵装置１１に不活性ガスが既に充満されている。従って本実施の形態に拠れば、不活性ガスの供給無しに不活性ガス雰囲気での昇温が可能であり、従来では必要であった昇温時の不活性ガスの供給を省略しながら、従来と同等の安定した運転を実現することができる。
【００６８】
尚、以上の実施の形態では燃料処理装置１に一個のガス貯蔵装置１１を設けた例について説明したが、必ずしもそうである必要は無い。すなわち、複数のガス貯蔵装置１１を設けて良く、例えば改質触媒反応部２ｂ、シフト触媒反応部２ｃに各々別個に対応するガス貯蔵装置１１を設けても良い。またその際、各ガス貯蔵装置１１に対応して触媒反応部の間に開閉弁８を追加し、複数の密封及び連通自在な空間に区切って運用しても良い。
【００６９】
また、以上の実施の形態では、燃料処理装置１の触媒反応部およびガス貯蔵装置１１を含む密封及び連通自在な空間から、燃料電池装置９の燃料ガス流路１０ａは除外されているが、本発明の趣旨からすれば、燃料ガス流路１０ａを含むか否かはいずれであっても良い。但し、一般的には燃料電池９の電極触媒（燃料ガス流路１０ａに隣接して設置してある）保護の視点から、停止時には燃料ガス流路１０ａから燃料ガスをパージするのが一般的である。従って、不活性ガスによるパージを含まない図１や図４の実施の形態では、密封及び連通自在な空間から燃料ガス流路１０ａを除外する方が好ましい。一方、不活性ガスによるパージを含む図８の実施の形態では、燃料ガス流路１０ａを密封及び連通自在な空間に含めるかはいずれであっても良い。
【００７０】
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、密封及び連通自在な空間とガス貯蔵装置１１とを連通する燃料ガス配管６に設けられた第２の開閉弁８ａをさらに有する。そのため、燃料ガス配管６からガス貯蔵装置１１へスチーム等が逆流することなく、ガス貯蔵装置１１に常にフレッシュな不活性ガスが貯蔵され、触媒反応部内部の触媒が保護されるのでシステムの信頼性を向上することができる。
【００７１】
また、密封及び連通自在な空間に接続され空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置５をさらに有する。そのため、システムの停止時に、反応部や配管を不活性ガスで置換したい場合、あるいは触媒が低温保管時物性的に湿り気を嫌う場合等、システムの停止時に不活性ガスでガスパージすることができる。
【００７２】
また、不活性ガス供給装置５の不活性ガスは、ガス貯蔵装置１１を経由して密封及び連通自在な空間に至る。そのため、ガス貯蔵装置１１に常にフレッシュな不活性ガスが貯蔵され、触媒反応部内部の触媒が保護されるのでシステムの信頼性を向上することができる。
【００７３】
また、不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、あるいは両者の混合ガスである。そのため、安価で安全な不活性ガスとすることができる。
【００７４】
実施の形態８．
図１０は本発明の実施の形態８の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１と概略同じ構成であるが、密封空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともに該ガスを貯蔵する、実施の形態１のガス貯蔵装置１１の代わりに、密封空間内のガスの圧力を、燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節装置２４を設置している。圧力調節装置２４は、実際には、実施の形態３の図４のガス貯蔵装置１５の密閉空間が形成された側と反対側のピストン１７と中空筒１６との間にバネが設けられたような構造をなしている。そして、圧力調節装置２４は、密封空間内のガスの圧力を外部の圧力より若干高いように調整する。この圧力の高さはシステムの本来の動作に支障を来すものではない。
【００７５】
このような構成の燃料電池発電システムにおいては、触媒反応部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、圧力調節装置２４が自動的に圧力を調節し、燃料処理装置外部の圧力より所定の大きさだけ高くすることで外部からの空気の流入を防ぐことができ、改質器触媒の劣化の防止が可能になる。
【００７６】
【発明の効果】
この発明に係る燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムであって、
燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵装置とを有する。
そのため、触媒反応部を含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、ガス貯蔵装置が自動的にそれに追随し容積を変化させ、密封及び連通自在な空間内の圧力変化を吸収し空気の流入を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施することが可能となり、且つ降温や休止過程における内部圧力監視やパージガス供給も不要になり、安価で簡便な装置とすることが出来るとともに、信頼性の高い発電システムとする事が出来る。
【００７７】
また、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁と、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内のガスの圧力を燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構を有する。
そのため、触媒反応部を含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、圧力調節機構が自動的に圧力を調節し、燃料処理装置外部の圧力以上にし、外部からの空気の流入を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施することが可能となり、且つ降温や休止過程における内部圧力監視やパージガス供給も不要になり、安価で簡便な装置とすることが出来るとともに、信頼性の高い発電システムとする事が出来る。
【００７８】
また、この発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
そのため、触媒反応部を含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、ガス貯蔵装置が自動的にそれに追随し容積を変化させ、密封及び連通自在な空間内の圧力変化を吸収し空気の流入を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施することが可能となり、システム停止時の無人化を図ることができる。
【００７９】
また、燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に空間内のガスの圧力を燃料処理装置外部の圧力以上に調節する圧力調節機構を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
そのため、触媒反応部を含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、圧力調節機構が自動的に圧力を調節し、燃料処理装置外部の圧力以上にし、外部からの空気の流入を防ぐ。その結果、システムの降温過程を無人で実施することが可能となり、システム停止時の無人化を図ることができる。
【００８０】
また、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管とを有する燃料電池発電システムの運転方法であって、
燃料ガス配管の所定の箇所に複数の開閉弁を設け少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在な空間にし、密封及び連通自在な空間に空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵装置及び不活性ガス供給装置を接続し、発電システムの起動時または停止時に開閉弁を閉鎖して密封及び連通自在な空間を密封し外部から不活性ガスを供給しない。
そのため、システムの停止時に、反応部や配管を不活性ガスで置換したい場合、あるいは触媒が低温保管時物性的に湿り気を嫌う場合等、システムの停止時に不活性ガスでガスパージすることができる。
【００８１】
また、この発明に係る燃料電池発電システムのガス貯蔵装置は、原燃料供給源から供給された原燃料を触媒によって燃料ガスに改質する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料ガス流路に流入するとともに外部から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に流入し、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて電気を発生する燃料電池装置と、燃料処理装置及び燃料電池装置との間に設けられ燃料ガスを流通させる燃料ガス配管と、燃料ガス配管の所定の箇所に設けられ少なくとも燃料処理装置の所定の触媒反応部を密封及び連通自在にする複数の開閉弁とを有する燃料電池発電システムに用いられ、密封及び連通自在な空間に連通され密封及び連通自在な空間内のガスの圧力の変動を吸収するとともにガスを貯蔵する。
そのため、触媒反応部を含む密封及び連通自在な空間中のガスが体積変化をしても、ガス貯蔵装置が自動的にそれに追随し容積を変化させ、密封及び連通自在な空間内の圧力変化を吸収し空気の流入を防ぐ。その結果、燃料電池発電システムの降温過程を無人で実施することが可能となり、且つ降温や休止過程における内部圧力監視やパージガス供給も不要になり、安価で簡便な装置とすることが出来るとともに、信頼性の高い燃料電池発電システムを得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。
【図２】  ガス貯蔵装置の圧力差−容積の関係図である。
【図３】  本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。
【図４】  本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。
【図５】  本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。
【図６】  本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムを説明するガス貯蔵装置の斜視図である。
【図７】  本発明の実施の形態６の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。
【図８】  本発明の実施の形態７の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。
【図９】  停止時の触媒反応部の内圧と温度の低下状況を示す関係図である。
【図１０】  本発明の実施の形態８の燃料電池発電システムの燃料処理装置周辺の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料処理装置、２ａ  脱硫部（触媒反応部）、２ｂ  改質触媒反応部（触媒反応部）、２ｃ  シフト触媒反応部（触媒反応部）、２ｄ  一酸化炭素除去触媒反応部（触媒反応部）、３ａ  脱硫触媒（触媒）、３ｂ  改質触媒（触媒）、３ｃ  シフト触媒（触媒）、３ｄ  選択酸化触媒またはメタン化触媒（触媒）、５  不活性ガス供給装置、６  燃料ガス配管、８  開閉弁、９  燃料電池装置、１０ａ  燃料ガス流路、１０ｂ  酸化剤ガス流路、１１，１５，１８，２０  ガス貯蔵装置、１２，２１  伸縮貯蔵袋、１３  燃料ガス接続配管、１４  補強構造体、１６  中空筒、１７  ピストン、１９  襞状構造部、２２  気密性構造体、２３  排気配管、２４  圧力調節装置。
【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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