(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電する発電用燃料電池と、改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させることによって空気中の酸素を消費させて窒素リッチなパージガスを生成させるパージガス生成用燃料電池とを具備して成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
パージガス生成用燃料電池に負荷抵抗を接続して成る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】
パージガス生成用燃料電池で生成されるパージガスを貯蔵するパージガスタンクをパージガス生成用燃料電池に接続して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐した流路より供給されるものを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐される流路より供給されるものを用いると共に、且つ、パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
発電用燃料電池とパージガス生成用燃料電池を一体化して成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
パージガス生成用燃料電池を単一のセルで形成して成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転停止時に配管等に不活性なパージガスを充填するようにした燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
源燃料を改質器で水素リッチな改質ガスに改質し、この改質ガスと空気とを燃料電池に供給して、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電を行なうようにした燃料電池発電システムにおいて、源燃料や改質ガスは可燃性ガスであるので、運転停止時にシステムの配管などにこれらのガスが残留すると、残留ガス中の可燃成分が何らかの原因で引火し、爆発が発生する危険性がある。また改質器で水蒸気改質反応のために用いられる水蒸気が凝縮したり、その凝縮によって生じた負圧で外部空気がシステムの配管等に混入したりすると、配管や改質器の触媒などを劣化させるおそれがあり、寿命や性能を劣化させる可能性がある。
【０００３】
そこで、不活性なパージガスを燃料電池発電システムの配管等に充填し、配管等内の残留ガスをパージして排除するようにしている。この不活性なパージガスとしては一般に窒素ガスが用いられており、窒素ボンベやバルブ、バルブを開閉制御する制御回路等を燃料電池発電システムに組み込んで、システムの運転停止時に窒素ガスをパージガスとしてシステムの配管等に充填してパージを行なうようにする方法がとられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ボンベ等をシステムに組み込んでパージガスを使用する方法では、ボンベの残量を頻繁に把握したり、残量に応じてボンベを交換したりする必要があり、システムの管理が煩雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、パージガス用のボンベを組み込む必要がなく、管理が容易になる燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電システムは、水素リッチな改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電する発電用燃料電池１と、改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させることによって空気中の酸素を消費させて窒素リッチなパージガスを生成させるパージガス生成用燃料電池２とを具備して成ることを特徴とするものである。
【０００７】
また請求項２の発明は、パージガス生成用燃料電池２に負荷抵抗３を接続して成ることを特徴とするものである。
【０００８】
また請求項３の発明は、パージガス生成用燃料電池２で生成されるパージガスを貯蔵するパージガスタンク４をパージガス生成用燃料電池２に接続して成ることを特徴とするものである。
【０００９】
また請求項４の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐した流路６より供給されるものを用いることを特徴とするものである。
【００１０】
また請求項５の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気として、発電用燃料電池１から排出される排空気を用いることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項６の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐される流路６より供給されるものを用いると共に、且つ、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気として、発電用燃料電池１から排出される排空気を用いることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項７の発明は、発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体化して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項８の発明は、パージガス生成用燃料電池２を単一のセル２ａで形成して成ることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、発電用燃料電池１には改質装置によって生成された水素リッチな改質ガス（純水素であってもよい）を供給する改質ガス供給流路５が接続してある。また発電用燃料電池１には空気を供給する空気供給流路１０が接続してあり、さらに発電用燃料電池１を通過した改質ガスを排出する改質ガス排気流路１１及び、発電用燃料電池１を通過した空気を排出する空気排気流路１２がそれぞれ発電用燃料電池１に接続してある。また、パージガス生成用燃料電池２には改質ガス供給流路６が接続してあり、この改質ガス供給流路６には上記の改質ガス排気流路１１が接続してある。さらにパージガス生成用燃料電池２を通過した改質ガスを排気する改質ガス排気流路１３や、パージガス生成用燃料電池２に空気を供給する空気供給流路１４、パージガス生成用燃料電池２で後述のように生成されたパージガスを排出するパージガス排気流路１５がパージガス生成用燃料電池２に接続してある。ここで、空気とは、酸素を含んだ酸化性のガス全般をさすが、一般的には大気中の空気を意味する。
【００１６】
上記のように形成される燃料電池発電システムにあって、発電用燃料電池１に改質ガス供給流路５から改質ガスが、空気供給配管１０から空気が供給されると、改質ガス中の水素と空気中の酸素が電気化学的に反応し、発電がなされる。燃料電池１内で水素の一部が消費された改質ガスは、排改質ガスとして改質ガス排気流路１１から排出され、また発電用燃料電池１内で酸素の一部が消費された空気は、排空気として空気排気流路１２から排出され、例えば大気中に放出される。
【００１７】
そして、パージガスを生成させるようにパージガス生成用燃料電池２を運転するときには、発電用燃料電池１から排出される改質ガスを改質ガス排気流路１１から改質ガス供給流路６を通じてパージガス生成用燃料電池２に供給すると共に空気供給流路１４から空気をパージガス生成用燃料電池２に供給する。改質ガス中には発電用燃料電池１で消費されない水素が含有されているので、パージガス生成用燃料電池２内で改質ガス中の水素と空気中の酸素が電気化学的に反応する。このときパージガス生成用燃料電池２で発電がなされる。ここで、このように空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給される空気はその酸素が改質ガス中の水素と反応して消費されている。このため、改質ガス中の水素と量論（当量）で反応する酸素量より少ない空気を空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給することによって、パージガス排気流路１５から排気される排空気は酸素濃度を無視することができる程度に窒素リッチで不活性なパージガスとして得ることができるものである。
【００１８】
このようにしてパージガス生成用燃料電池２で生成されてパージガス排気流路１５から排気されるパージガスは、燃料電池発電システムの運転停止時に配管や流路に充填し、システム内の残留ガスを追い出すパージに用いられるものである。従って、パージガスのボンベをシステムに組み込んでパージガスを使用する場合のような、ボンベの残量を頻繁に把握したり、残量に応じてボンベを交換したりするような必要がなくなり、システムの管理が容易になるものである。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、パージガス生成用燃料電池２に負荷抵抗３が接続してある。その他の構成は図１と同じである。パージガス生成用燃料電池２内で改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて、空気中の酸素を消費してパージガスを生成するためには、パージガス生成用燃料電池２で発電を行なわせる必要がある。この発電の際の電気エネルギーを負荷抵抗３で消費することによって、パージガス生成用燃料電池２で発電が行なわれるようにすることができ、改質ガス中の水素と空気中の酸素の反応を円滑に行なわせて、安定してパージガスを生成させることができるものである。負荷抵抗３の抵抗値は、パージガス生成用燃料電池２に供給される改質ガスや空気の組成、量など、各種の要因に応じて決まるので、一義的に定めることがはできないが、酸素を十分に消費して酸素量が十分に少ないパージガスを得ることができるような抵抗値を持つものであることが必要である。
【００２０】
図３は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、パージガス排気流路１５にパージガスタンク４が接続してある。またこのパージガスタンク４にはバルブ１７を設けたパージガス供給流路１８が接続してある。その他の構成は図２のものと同じである。上記のようにパージガス生成用燃料電池２を運転することによって生成されるパージガスはパージガス排気流路１５から排出され、さらにこのパージガスはパージガス排気流路１５からパージガスタンク４に供給されて貯留することができる。従って、パージガスタンク４に必要量のパージガスが貯まると、パージガス生成用燃料電池２の運転を停止することができ、無駄な運転をして改質ガスの水素をパージガス生成用燃料電池２で消費することを防ぐことができる。また改質ガス供給流路６からパージガス生成用燃料電池２に改質ガスを供給しながら、空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２への空気の供給を停止すると、パージガス生成用燃料電池２内では空気と改質ガスとの反応も止まるので、水素を消費されないで改質ガスは改質ガス排気流路１３から排出されることになり、この排出される改質ガスを発電や燃焼等に利用することができるものである。また、このようにパージガスをパージガスタンク４に貯蔵しておくことによって、システムの運転停止が緊急に行なわれても対処することができると共に、パージガスがパージを行なうのに不足することもなくなるものである。
【００２１】
上記の各実施の形態では、発電用燃料電池１の改質ガス排気流路１１をパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続し、発電用燃料電池１で水素の一部が消費されて水素濃度が低くなった改質ガスをパージガス生成用燃料電池２に供給するようにしているが、図４の実施の形態では、発電用燃料電池１に接続される改質ガス排気流路１１はパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続されないようにしてある。そして発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐して改質ガス供給流路６を設け、この改質ガス供給流路６をパージガス生成用燃料電池２に接続してある。その他の構成は図３と同じである。
【００２２】
このものにあって、改質ガスは発電用燃料電池１で水素が消費されることなく、改質ガス供給流路５から分岐した改質ガス供給流路６を通して直接、パージガス生成用燃料電池２に供給されるものであり、パージガス生成用燃料電池２に供給される改質ガスの水素濃度は高い。このため、パージガス生成用燃料電池２内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また改質ガス中の水素と量論（当量）で反応する酸素量が多くなるので、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気流量を増すことができ、短時間に多量のパージガスを得ることができるものである。
【００２３】
上記の図１乃至図３の各実施の形態では、発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は空気排気流路１２から排出されるようにしてあり、また大気中の空気が空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給されるようになっているが、図５の実施の形態では、発電用燃料電池１の空気排気流路１２とパージガス生成用燃料電池２の空気供給流路１４を排空気供給流路２０で接続してある。そして発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は排空気供給流路２０を通してパージガス生成用燃料電池２に供給されるようにしてある。その他の構成は図３と同じである。
【００２４】
このものにあって、大気中の空気は空気供給流路１０から発電用燃料電池１に供給され、空気中の酸素の一部が発電の際に消費される。従って発電用燃料電池１から排出される排空気中の酸素濃度は低くなっている。そしてこの排空気は空気排気流路１２から排空気供給流路２０を通じて空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給され、改質ガス中の水素とこの排空気中の酸素が反応して消費されてパージガスが生成されるが、排空気中の酸素濃度は低いので、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また、パージガス生成用燃料電池２で改質ガスと反応する排空気の酸素濃度が低いので、反応量が小さくなり、この発電に伴う発電量も小さくなって発電による電気エネルギーのロスを小さくすることができるものであり、さらに、パージガス生成用燃料電池２に空気を供給するためのエアポンプなど空気供給装置を設ける必要もなくなるものである。
【００２５】
図６は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、このものでは図４と図５の実施形態を総合した構成に形成してある。すなわち、発電用燃料電池１の改質ガス排気流路１１はパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続されないようにしてあると共に、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐して改質ガス供給流路６が設けてあり、この分岐した改質ガス供給流路６をパージガス生成用燃料電池２に接続してある。また発電用燃料電池１の空気排気流路１２とパージガス生成用燃料電池２の空気供給流路１４を排空気供給流路２０で接続してあり、発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は排空気供給流路２０を通してパージガス生成用燃料電池２に供給されるようにしてある。その他の構成は図３と同じである。
【００２６】
このものにあって、発電用燃料電池１に供給される改質ガスは発電用燃料電池１で水素が消費されることなく水素濃度が高いものであり、パージガス生成用燃料電池２内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度の低いパージガスを得ることができる。しかもパージガス生成用燃料電池２に供給される空気は、発電用燃料電池１で酸素が消費されて酸素濃度の低い排空気であり、より酸素濃度が低いパージガスを得ることができる。従って、一層酸素濃度の低いより不活性なパージガスを得ることができるものである。
【００２７】
図７は発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２の外観を概略的に示すものである。発電用燃料電池１は高分子電解質膜や電極を内蔵して形成される複数のセル１ａからなるものであり、各セル１ａを重ね合わせると共に直列に接続してある。そして一方の端部に位置するセル１ａに改質ガス供給流路５と空気供給流路１０が接続してあり、他方の端部に位置するセル１ａに改質ガス排気流路１１と空気排気流路１２が接続してある。一方の端部のセル１ａに改質ガス供給流路５や空気供給流路１０から供給された改質ガスや空気は、各セル１ａを通過して他方の端部のセル１ａの改質ガス排気流路１１や空気排気流路１２から排気され、各セル１ａで発電がなされる。またパージガス生成用燃料電池２は高分子電解質膜や電極を内蔵して形成される複数のセル２ａからなるものであり、各セル２ａを重ね合わせると共に直列に接続してある。そして一方の端部に位置するセル２ａに改質ガス供給流路６と空気供給流路１４が接続してあり、他方の端部に位置するセル２ａに改質ガス排気流路１３とパージガス排気流路１５が接続してある。一方の端部のセル２ａに改質ガス供給流路５や空気供給流路１０から供給された改質ガスや空気は、各セル２ａを通過してパージガスが生成された後、他方の端部のセル２ａの改質ガス排気流路１１やパージガス排気流路１５から排気される。
【００２８】
ここで、図７の実施の形態では、発電用燃料電池１を構成するセル１ａとパージガス生成用燃料電池２を構成するセル２ａを重ね合わせて一体化することによって、発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体構造に形成してある。このように発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体化することによって、システム全体を小型化することができるものである。
【００２９】
図８の実施の形態は、発電用燃料電池１を図７と同様に複数のセル１ａで形成すると共に、パージガス生成用燃料電池２は単一のセル２ａで形成するようにしてある。パージガス生成用燃料電池２を複数のセル２ａで形成すると、各セル２ａの内部抵抗等のばらつきによって各セル２ａで発電量が異なる場合、セル２ａによっては電気分解が生じて水素や酸素を発生させる逆の反応が行なわれるおそれがあり、低酸素濃度のパージガスを安定して生成できないおそれがあると共に引火等の危険性を生じるおそれがあるが、単一のセル２ａでパージガス生成用燃料電池２を形成するようにすれば、このような問題はなくなるものである。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように本発明に係る燃料電池発電システムは、水素リッチな改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電する発電用燃料電池と、改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させることによって空気中の酸素を消費させて窒素リッチなパージガスを生成させるパージガス生成用燃料電池とを具備して形成してあるので、パージガス生成用燃料電池に供給される空気はその酸素が改質ガス中の水素と反応して消費され、窒素リッチで不活性なパージガスとして生成させることができるものであり、パージガスのボンベをシステムに組み込むような必要がなくなって、システムの管理が容易になるものである。
【００３１】
また請求項２の発明は、パージガス生成用燃料電池に負荷抵抗を接続するようにしたので、電気エネルギーを負荷抵抗で消費することによって、パージガス生成用燃料電池で発電が行なわれるようにすることができ、改質ガスの水素と空気中の酸素の反応を円滑に行なわせて、安定してパージガスを生成させることができるものである。
【００３２】
また請求項３の発明は、パージガス生成用燃料電池で生成されるパージガスを貯蔵するパージガスタンクをパージガス生成用燃料電池に接続したので、パージガスタンクに必要量のパージガスが貯まると、パージガス生成用燃料電池の運転を停止することができるものであり、無駄な運転をして改質ガスの水素をパージガス生成用燃料電池で消費することを防ぐことができると共に、またパージガス生成用燃料電池に改質ガスを供給しながら空気の供給を停止すると、パージガス生成用燃料電池内では空気と改質ガスとの反応も止まり、水素を消費されないで排出される改質ガスを発電や燃焼等に利用することができるものである。また、このようにパージガスをパージガスタンクに貯蔵しておくことによって、システムの運転停止が緊急に行なわれても対処することができると共に、パージガスがパージを行なうのに不足することもなくなるものである。
【００３３】
また請求項４の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐した流路より供給されるものを用いるようにしたので、改質ガスは発電用燃料電池で水素が消費されることなく、改質ガス供給流路から分岐した改質ガス供給流路を通して直接、パージガス生成用燃料電池に供給されるものであって、パージガス生成用燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度は高く、パージガス生成用燃料電池内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また改質ガス中の水素と反応する酸素量が多くなるので、パージガス生成用燃料電池に供給する空気流量を増すことができ、短時間に多量のパージガスを得ることができるものである。
【００３４】
また請求項５の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いるようにしたので、発電用燃料電池で酸素が消費されて酸素濃度が低くなった排空気がパージガス生成用燃料電池に供給されるものであり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また、パージガス生成用燃料電池で改質ガスと反応する排空気の酸素濃度が低いので、反応量が小さくなり、この発電に伴う発電量も小さくなって発電による電気エネルギーのロスを小さくすることができるものである。
【００３５】
また請求項６の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐される流路より供給されるものを用いると共に、且つ、パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いるようにしたので、一層酸素濃度の低いより不活性なパージガスを得ることができるものである。
【００３６】
また請求項７の発明は、発電用燃料電池とパージガス生成用燃料電池を一体化するようにしたので、システム全体を小型化することができるものである。
【００３７】
また請求項８の発明は、パージガス生成用燃料電池を単一のセルで形成して成るようにしたので、パージガス生成用燃料電池を複数のセルで形成する場合のような、各セルの内部抵抗等のばらつきによって各セルで発電量が異なって、セルによっては電気分解が生じて水素や酸素を発生させる逆の反応が行なわれるようなことを防ぐことができ、低酸素濃度のパージガスを安定して生成することができると共に引火等の危険性がなくなるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】請求項２の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図３】請求項３の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図４】請求項４の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図５】請求項５の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図６】請求項６の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図７】請求項７の発明の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図８】請求項８の発明の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１  発電用燃料電池
２  パージガス生成用燃料電池
３  負荷抵抗
４  パージガスタンク
５  改質ガス供給流路
６  改質ガス供給流路
【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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