(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質手段と、
該改質手段から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質手段に炭化水素系燃料を供給する燃料供給管から分岐すると共に炭化水素系燃料を前記燃料電池のアノード側に供給する分岐管と、
前記分岐管に設けられた開閉可能な調節弁と、
所定のパージ指示がなされたときに前記調節弁を開弁し、前記調節弁を開弁した後に前記燃料電池のパージに必要な時間が経過するのを待って前記調節弁を閉弁して前記燃料電池への炭化水素系燃料の供給を一時停止し、該炭化水素系燃料の供給を一時停止してから所定時間経過した後に前記調節弁を開弁して前記燃料電池の負圧を解消するのに必要な炭化水素系燃料を前記燃料電池に供給する制御手段と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記炭化水素系燃料は都市ガスである請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池発電システムであって、
前記燃料供給管に取り付けられて都市ガスの硫黄分を除去する脱硫手段を備え、
前記分岐管は、前記燃料供給管の前記脱硫手段の後流側で分岐する管である、
燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記所定のパージ指示に伴って行なわれるパージの際に排出される排ガス中の可燃成分を燃焼する燃焼手段を備える請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃焼手段は、パージに用いられた炭化水素系燃料を燃焼可能な手段である請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池からの直流電力を所望の電力に変換して他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な電力変換供給手段を備える請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備える請求項１ないし６いずれか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、燃料電池発電システムおよび燃料電池のパージ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池のパージ方法としては、燃焼ガスを用いてパージするものが提案されている（例えば、特開２０００−２４３４２３号公報など）。このパージ方法では、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを水素を含むガスを用いて混合燃焼して得られる還元雰囲気ガスでアノードをパージし、アノードから排出されるアノードオフガスを酸素を含むガスを用いて混合燃焼して得られる酸化雰囲気ガスでカソードをパージすることにより、アノードを還元雰囲気で保持すると共にカソードを酸化雰囲気で保持してパージしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池のパージ方法では、燃焼ガスの温度や水分などを調整する必要があるために、パージに時間を要してしまう。また、カソードオフガスを混合燃焼するカソードオフガス用の燃焼部とアノードオフガスを混合燃焼するアノードオフガス用の燃焼部の双方を備える必要があるため、システムが複雑になってしまう。
【０００４】
本発明の燃料電池発電システムおよび燃料電池のパージ方法は、専用のパージ用のガスを用いることなくパージすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムおよび燃料電池のパージ方法は、迅速にパージすることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池発電システムは、パージに要する設備をシンプル化することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムおよび燃料電池のパージ方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池発電システムは、
気体の炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質手段と、
該改質手段から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質手段に炭化水素系燃料を供給する燃料供給管から分岐すると共に炭化水素系燃料を前記燃料電池のアノード側に供給する分岐管と、
前記分岐管に設けられた開閉可能な調節弁と、
所定のパージ指示がなされたときに前記調節弁を開弁し、前記調節弁を開弁した後に前記燃料電池のパージに必要な時間が経過するのを待って前記調節弁を閉弁して前記燃料電池への炭化水素系燃料の供給を一時停止し、該炭化水素系燃料の供給を一時停止してから所定時間経過した後に前記調節弁を開弁して前記燃料電池の負圧を解消するのに必要な炭化水素系燃料を前記燃料電池に供給する制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池発電システムでは、所定のパージ指示がなされたときに、調節弁を開弁し、分岐管を経由して改質手段で用いる改質原料としての気体の炭化水素系燃料を用いて燃料電池をパージするから、専用のパージ用のガスを用いることなくパージすることができる。この結果、専用のパージ用のガスを用いるものや燃料電池からのオフガスを燃焼して用いるものに比してシステムをシンプルなものにすることができる。しかも、炭化水素系燃料の温度や水分などを調整する必要がないから、迅速にパージを完了することができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素系燃料は都市ガスであるものとすることもできる。この場合、前記燃料供給管に取り付けられて都市ガスの硫黄分を除去する脱硫手段を備え、前記分岐管は、前記燃料供給管の前記脱硫手段の後流側で分岐する管である、ものとすることもできる。
【０００９】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記所定のパージ指示に伴って行なわれるパージの際に排出される排ガス中の可燃成分を燃焼する燃焼手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、パージの際に排出される排ガス中の可燃成分を燃焼して排気することができる。この態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼手段は、パージに用いられた炭化水素系燃料を燃焼可能な手段であるものとすることもできる。こうすれば、パージに用いた炭化水素系燃料を燃焼して排気することができる。こうした燃焼手段を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃焼手段は、前記改質手段における改質反応に必要な熱を得るために該改質手段に設けられた燃焼部であるものとすることもできる。こうすれば、パージの際に排出される排ガス中の可燃成分の燃焼やパージに用いられた炭化水素系燃料の燃焼に用いる専用の燃焼部を設ける必要がない。この結果、システムをシンプル化することができる。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池からの直流電力を所望の電力に変換して他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な電力変換供給手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、他系統電源と共に付加に電力を供給することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池からの熱を利用することができるから、システムのエネルギー効率を向上させることができる。なお、燃料電池からの熱以外の熱をも用いるものとしてもよいのは勿論である。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の参考例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。参考例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、ガス配管２２から都市ガス（１３Ａ）の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池４０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、変換された直流電力を商用電源１０と同位相の交流電力に変換して商用電源１０から遮断器１４を介して負荷１６へ電力を供給する電力ライン１２に遮断器５５を介して供給するインバータ５４と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、負荷１６で消費する負荷電力を検出する負荷電力計５８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００１９】
改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２６と硫黄分を除く脱硫器２７と調節弁２８とを介して供給される都市ガスと水タンク３６から蒸発器３７を介して調節弁３８によりその流量が調整される水蒸気とによる次式（１）および次式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２にはガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２３とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部３２には、燃料電池４０のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。なお、アノードオフガス中の水素量が所定量より多いときには、バルブ４７およびバルブ４８の操作によりアノードオフガスの一部または全部を燃焼器４９に導いて燃焼して排気できるようになっている。
【００２０】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2    （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2      （２）
【００２１】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（参考例では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
【００２２】
燃料電池４０は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガス中の水素とブロア４１からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池４０には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温（参考例では、８０〜９０℃程度）に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器４２が設けられており、燃料電池４０の冷却水との熱交換により貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
【００２３】
燃料電池４０の図示しない出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２，インバータ５４，遮断器５５を介して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が商用電源１０と同位相の交流電力に変換されて商用電源１０からの交流電力に付加されて負荷１６に供給できるようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷１６は、遮断器１８を介して電力ライン１２に接続されている。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側から分岐した電力ラインには、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，ポンプ４６などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６が接続されている。
【００２５】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、図示しないインバータ５４内の電流センサや電圧センサからの出力電流ｉや電圧Ｖ，負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏ，改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４，２８のアクチュエータや昇圧ポンプ２３，２６，ブロア４１，循環ポンプ４３，ポンプ４６などへの駆動信号や燃焼部３２への点火信号，バルブ４７，４８への駆動信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やＤＣ／ＤＣコンバータ５６への制御信号，インバータ５４へのスイッチング制御信号，遮断器５５への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２６】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム２０の動作、特にシステムを停止する際のパージの動作について説明する。図２は電子制御ユニット６０により実行されるパージ処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、遮断器５５により商用電源１０側と遮断されると共にインバータ５４をオフした後にパージ指示がなされたときに実行される。
【００２７】
このパージ処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、調節弁３８を閉成すると共に蒸発器３７を停止して改質反応に用いられる水蒸気の供給を停止すると共に（ステップＳ１００）、調節弁４７を閉成すると共に調節弁４８を開成してアノードオフガスの燃焼経路をパージ用に切り替え（ステップＳ１０２）、燃焼器４９を作動させると共に（ステップＳ１０４）、改質器３０の燃焼部３２を停止する（ステップＳ１０６）。改質器３０への水蒸気の供給の停止と改質器３０の燃焼部３２の停止により、ガス配管２２から供給され脱硫器２７で脱硫された後の都市ガスは、改質器３０で改質反応することなく、改質器３０，ＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０の順に反応途中にある都市ガスや燃料ガスを押し出しながら流れる。このとき、燃料電池４０のアノード側から排出されるガスは、燃焼器４９に導入されて燃焼されて排気される。
【００２８】
こうした処理を行なってからパージに必要な時間経過するのを待って（ステップＳ１０８）、調節弁２８と調節弁４８とを閉成して改質器３０から燃料電池４０に至る燃料ガス系を密閉する（ステップＳ１１０）。ここで、パージに必要な時間は、改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０内のガスを都市ガスに置き換えるのに必要な時間であり、都市ガスの供給流量や改質器３０，ＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０の容量、燃料ガス系の配管の容量などにより設定できる。
【００２９】
燃料ガス系を密閉すると、燃料ガス系を密閉してから所定時間経過するのを待って（ステップＳ１１２）、都市ガスを所定量だけ改質器３０に供給して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了する。ここで、所定時間は改質器３０の温度がある程度低くなるのに要する時間として設定されるものである。このように、改質器３０の温度が低くなってから都市ガスを改質器３０に所定量だけ供給するのは、温度の低下に伴って生じる改質器３０の負圧を緩和するためである。
【００３０】
以上説明した参考例の燃料電池発電システム２０によれば、改質原料としての都市ガスをパージ用のガスとして用いて改質器３０と燃料電池４０とをパージするから、パージ専用のガスを準備する必要がない。しかも、改質器３０から燃料電池４０への燃料ガスの供給流路をそのまま用いることができるから、パージ用の配管を行なう必要がない。この結果、システムをシンプルなものとすることができる。また、パージ用のガスとして用いる都市ガスに対して温度の調整や水分の調整を行なう必要がないから、迅速にパージすることができる。
【００３１】
参考例の燃料電池発電システム２０によれば、都市ガスを用いて改質器３０と燃料電池４０とをパージした後に改質器３０の温度がある程度低くなるのを待って都市ガスを改質器３０に供給するから、改質器３０の負圧を緩和することができる。この結果、改質器３０に外気が混入するのを抑制することができる。
【００３２】
参考例の燃料電池発電システム２０では、パージ完了後所定時間経過したときに所定量の都市ガスを改質器３０に供給するものとしたが、改質器３０の温度が予め定めた温度以下のなったのを検出したときに所定量の都市ガスを改質器３０に供給するものとしてもよい。また、パージ完了後に改質器３０に都市ガスを供給する回数は１回に限定されるものではなく、パージ完了後複数回に亘って改質器３０に都市ガスを供給するものとしてもよい。
【００３３】
また、参考例の燃料電池発電システム２０では、パージ完了後所定時間経過したときに所定量の都市ガスを改質器３０に供給するものとしたが、改質器３０の密閉性が非常に高い場合には、パージ完了後は都市ガスを改質器３０に供給しないものとしても差し支えない。
【００３４】
参考例の燃料電池発電システム２０では、パージ処理の際に都市ガスにより押し出されて燃料電池４０から排出されるガスを燃焼器４９に導いて燃焼して排気したが、燃焼器４９に代えて改質器３０の燃焼部３２に導いて燃焼して排気するものとしてもよい。こうすれば、燃焼器４９を備える必要がない。
【００３５】
参考例の燃料電池発電システム２０では、都市ガスにより改質器３０と燃料電池４０とパージするものとしたが、都市ガスにより燃料電池４０だけをパージするものとしてもよい。実施例の燃料電池発電システム２０Ｂの構成の概略を図３に示す。この実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、図示するように、ガス配管２２から改質器３０への供給管の脱硫器２７の後段側でパージ用配管７０を分岐して燃料電池４０のアノードへの供給管に接続し、パージ用配管７０に調節弁７２を取り付けると共に燃料電池４０のアノードへの供給管に調節弁７６を取り付ける。そして、パージ指示がなされたときには、図２のパージ処理ルーチンに代えて図４のパージ処理を実行する。この実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、まず、改質反応に用いられる水蒸気の供給を停止すると共に（ステップＳ２００）、改質器３０の燃焼部３２を停止する（ステップＳ２０２）。そして、調節弁２８および調節弁７６を閉成して改質器３０およびＣＯ選択酸化部３４を密閉すると共に（ステップＳ２０４）、調節弁７２および調節弁４８を開成すると共に調節弁４７を閉成してパージ用の配管を形成し（ステップＳ２０６）、燃焼器４９を作動する（ステップＳ２０８）。ガス配管２２から供給され脱硫器２７で脱硫された後の都市ガスは、パージ用配管７０を介して燃料電池４０に供給され、燃料電池４０のアノード側から排出されるガスは、燃焼器４９で燃焼されて排気される。こうしてパージを開始したら、パージに必要な時間が経過するのを待って（ステップＳ２１０）、調節弁２４を閉成してガス配管２２からの都市ガスの供給を一時停止する（ステップＳ２１２）。そして、燃料電池４０の温度がある程度低くなるまでの所定時間経過するのを待って（ステップＳ２１４）、燃料電池４０の負圧を解消するのに必要な量の都市ガスを供給して（ステップＳ２１６）、本ルーチンを終了する。こうした実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでも改質原料としての都市ガスを用いて燃料電池４０をパージすることができる。なお、この実施例では、改質器３０はパージされない。改質器３０は必ずしもパージされる必要はないからである。
【００３６】
参考例の燃料電池発電システム２０や実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、都市ガス（１３Ａ）を改質原料として用いると共にパージ用のガスとして用いたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質原料として用いると共にパージ用のガスとして用いるものとしてもよい。パージ用のガスとして用いる改質原料は、都市ガスやプロパンガスに限定されるものではなく、常温で気体であれば如何なる感化水素系の燃料としてもよい。
【００３７】
参考例の燃料電池発電システム２０や実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、燃料電池４０からの直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５２およびインバータ５４により変換して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に供給するものとしたが、燃料電池４０からの直流電力の用い方についてはこれに限定されるものではなく、如何なる用い方を行なうものとしてもよい。
【００３８】
参考例の燃料電池発電システム２０や実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、燃料電池４０の熱を用いて加温された水を貯湯槽４４に蓄えるものとしたが、貯湯槽４４を備えないものとしても差し支えない。
【００３９】
参考例の燃料電池発電システム２０や実施例の燃料電池発電システム２０Ｂでは、都市ガスの硫黄分を除去する脱硫器２７を備えるものとしたが、都市ガスが硫黄分を含まない場合には脱硫器２７を備える必要はない。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態について参考例と実施例とを用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  電子制御ユニット６０により実行されるパージ処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】  実施例の燃料電池発電システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図４】  実施例の燃料電池発電システム２０Ｂで実行されるパージ処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  商用電源、１２  電力ライン、１４  遮断器、１６  負荷、１８  遮断器、２０，２０Ｂ  燃料電池発電システム、２２  ガス配管、２４，２８  調節弁、２３，２６  昇圧ポンプ、２７  脱硫器、３０  改質器、３２  燃焼部、３４  ＣＯ選択酸化部、３６  水タンク、３７  蒸発器、３８  調節弁、４０  燃料電池、４１  ブロア、４２  熱交換器、４３  循環ポンプ、４４  貯湯槽、４６  ポンプ、５２  ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４  インバータ、５５  遮断器、５６  ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８  負荷電力計、６０  電子制御ユニット、６２  ＣＰＵ、６４  ＲＯＭ、６６  ＲＡＭ、６８  タイマ、７０  パージ用配管７０、７２，７６  調節弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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