(57)【要約】【課題】ワンステップ停止時にも触媒ダメージのないロバストなシステムが得られる。【解決手段】燃料電池本体２１と、この燃料電池本体２１に水素を供給するための内燃式の燃料処理器２２と、この燃料処理器２２に燃料を供給するための，改質燃料ブロア２８を含む燃料供給系２３と、前記燃料処理器２２に空気を供給するための，改質空気ブロア３２を含む空気供給系２４と、前記燃料供給系２３及び空気供給系２４を夫々構成する各部材に電気的に接続する制御装置２６とを具備した燃料電池発電システムであって、前記改質燃料ブロア２８の下流に、一定以上の体積を有するバッファタンク３０、及び流量制御オリフィス３１を順次配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。【選択図】図１
2009048910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、この燃料電池本体に水素を供給するための内燃式の燃料処理器と、この燃料処理器に燃料を供給するための，燃料昇圧器を含む燃料供給系と、前記燃料処理器に空気を供給するための，空気昇圧器を含む空気供給系と、前記燃料供給系及び空気供給系を夫々構成する各部材に電気的に接続する制御装置とを具備した燃料電池発電システムであって、
前記燃料昇圧器の下流に、一定以上の体積を有するバッファタンク、及び流量制御オリフィスを順次配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記バッファタンクは、容積が増すと圧力が上がる機能を有する半容積式の構造であることを特徴とする請求項１の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池本体と、この燃料電池本体に水素を供給するための内燃式の燃料処理器と、この燃料処理器に燃料を供給するための，燃料昇圧器を含む燃料供給系と、前記燃料処理器に空気を供給するための，空気昇圧器を含む空気供給系と、前記燃料供給系及び空気供給系を夫々構成する各部材に電気的に接続する制御装置とを具備した燃料電池発電システムであって、
前記燃料昇圧器は慣性が大きく電源停止後も一定時間動作するタイプの構造であり、前記燃料昇圧器の上流に容積式のバッファタンクを配置し、かつ前記燃料昇圧器の下流に、電源停止で機械的な構造により電源停止後時間遅れを生じて閉止する遅閉性遮断弁を配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記バッファタンクは、容積式の構造であることを特徴とする請求項３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、化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すもので、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。同時に、燃料電池は静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきた。しかし、最近では小型のＰＥＦＣ（個体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
【０００３】
ところで、この家庭用燃料電池発電システムでは、普及に向けたコストダウンが必須であり、その一環として、システムの簡素化、機器の小型化の努力が各メーカにおいて勢力的に行われている。なかでも、コストは電池本体や改質器等の占める割合が大きいため、これら主機のコストダウンは極めて重要である。しかし、一般的な水蒸気改質方式の改質器の場合は、構造が複雑なことからコストダウンが難しいことが知られている。一方で、内熱式改質器の場合は、比較的構造が単純なことからコストダウンを進めやすい利点はあるものの、水蒸気改質方式に比べ運転が難しいという問題があった。
【０００４】
図５は、内熱式の改質器を用いた従来の典型的な燃料電池発電システムの構成図である。このシステムは、燃料電池本体１と、この燃料電池本体１に水素を供給するための内燃式燃料処理器（内燃式ＦＰＳ）２と、この内燃式ＦＰＳ２に燃料を供給するための燃料供給系３と、前記内燃式ＦＰＳ２に空気を供給するための空気供給系４と、混合器５と、制御装置６を備えている。
【０００５】
燃料供給系３は、原燃料を内燃式ＦＰＳ２に供給するためのもので、原燃料入口側から順に配置された原燃料遮断弁７と、改質燃料ブロア８と、プロセス燃料遮断弁９を備えている。空気供給系４は、改質空気を内燃式ＦＰＳ２に供給するためのもので、改質空気ブロア１０と改質空気遮断弁１１を備えている。混合器５は、原燃料と改質空気の２流体を混合して混合ガスにするためのものである。前記内燃式ＦＰＳ２は、混合ガスを水素に変換する機能を有している。制御装置６は、原燃料遮断弁７、改質燃料ブロア８、プロセス燃料遮断弁９、改質空気ブロア１０及び改質空気遮断弁１１と電気的に接続されている。
【０００６】
こうした構成の燃料電池発電システムの作用は次の通りである。  
原燃料入口から導入された原燃料は改質燃料ブロア８により昇圧され、プロセス燃料遮断弁９を経由して混合器５に導かれる。同時に改質空気ブロア１０によって昇圧された改質空気は、改質空気遮断弁１１を経由し混合器５にて燃料と混合され、内熱式ＦＰＳ２へ導入される。内熱式ＦＰＳ２では、導入されたガスを水素リッチガスに変換し、燃料電池本体１へ送る。燃料電池本体１では導入された水素と、別に導入された酸素（図示せず）から化学的に発電を行う。
【０００７】
ところで、図５のシステムにおいては、改質空気流量と原燃料流量の比率を一定に制御することが求められる。この理由は次の通りである。即ち、燃料が一定以上に過多となると、水素の発生率が低下し、発電継続ができなくなる。一方、空気が一定以上過多になると、反応触媒が過熱し、触媒が修理不能のダメージを受ける。このため、この故障モードは絶対に避けなくてはならない。
【０００８】
空気過多を防止することは、発電中のみならず、停止時についても重要である。このため、通常は、発電を止める際に、まず改質空気を遮断し、その後、燃料を遮断するというステップが必要となる。図６は、図５の燃料電池発電システムの制御ブロック図を示す。発電中、改質空気／燃料を一定幅に制御するが、発電を停止した場合、通常停止（リスクなし停止）と停電停止（リスクあり停止）に分けられる。ここで、通常停止の場合、改質空気ブロア１０が停止し、改質空気遮断弁１１が閉じて改質空気の混合器６への供給が遮断される。２秒保持した後、改質燃料ブロア８が停止し、プロセス燃料遮断弁９が閉じて原燃料の混合器６への供給が遮断される。更に他の停止工程の後、停止状態に至る。一方、停電停止の場合、改質空気ブロア１０、改質空気遮断弁１１、改質燃料ブロア８、プロセス燃料遮断弁９が全て同時にＯＦＦとなり、停止状態に至る。
【０００９】
前述のとおり、良好に制御されている状態（通常停止の場合）では、制御により空気の過剰投入を防ぐため、停止操作時においても、前述の触媒ダメージのリスクを抑えることができる。しかし、発電運転中の状態から、制御装置６が故障した場合や、停電停止の場合は、シーケンス的な制御は行うことができず、全てがワンステップ動作となる。このため、改質空気と燃料が同時に停止することとなり、触媒過熱，ダメージのリスクが発生する。
【００１０】
このようなことから、特許文献１のような自己酸化内部加熱型改質装置の停止方法が提案されている。この方法は、原料ガス、水蒸気および酸素含有ガスを供給し、酸素含有リッチで原料ガスの一部を酸化し、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行うものである。しかし、特許文献１では、停止時にまず空気、その後しばらくして燃料停止のステップを踏んでいるが、ワンステップ停止時の対応等までは考慮されていない。
【特許文献１】特開２００５−３１４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、ワンステップ停止時にも触媒ダメージを回避し得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】
【００１２】
本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、この燃料電池本体に水素を供給するための内燃式の燃料処理器と、この燃料処理器に燃料を供給するための，燃料昇圧器を含む燃料供給系と、前記燃料処理器に空気を供給するための，空気昇圧器を含む空気供給系と、前記燃料供給系及び空気供給系を夫々構成する各部材に電気的に接続する制御装置とを具備した燃料電池発電システムであって、前記燃料昇圧器の下流に、一定以上の体積を有するバッファタンク、及び流量制御オリフィスを順次配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、この燃料電池本体に水素を供給するための内燃式の燃料処理器と、この燃料処理器に燃料を供給するための，燃料昇圧器を含む燃料供給系と、前記燃料処理器に空気を供給するための，空気昇圧器を含む空気供給系と、前記燃料供給系及び空気供給系を夫々構成する各部材に電気的に接続する制御装置とを具備した燃料電池発電システムであって、前記燃料昇圧器は慣性が大きく電源停止後も一定時間動作するタイプの構造であり、前記燃料昇圧器の上流に、一定以上の体積を有するバッファタンクを配置し、かつ前記燃料昇圧器の下流に、電源停止で機械的な構造により電源停止後時間遅れを生じて閉止する遅閉性遮断弁を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ワンステップ停止時にも触媒ダメージを回避し得る燃料電池発電システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の燃料電池発電システムについて更に詳しく説明する。  
次に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。  
（第１の実施形態）  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図である。このシステムは、燃料電池本体２１と、この燃料電池本体２１に水素を供給するための内燃式燃料処理器（内燃式ＦＰＳ）２２と、この内燃式ＦＰＳ２２に燃料を供給するための燃料供給系２３と、前記内燃式ＦＰＳ２２に空気を供給するための空気供給系２４と、混合器２５と、制御装置２６を備えている。
【００１６】
燃料供給系２３は、原燃料を内燃式ＦＰＳ２２に供給するためのもので、原燃料入口側から順に配置された原燃料遮断弁２７と、改質燃料ブロア（燃料昇圧器）２８と、プロセス燃料遮断弁２９と、ブロア下流バッファタンク３０と、流量制御オリフィス３１を備えている。空気供給系２４は、改質空気を内燃式ＦＰＳ２２に供給するためのもので、改質空気ブロア(空気昇圧器)３２と改質空気遮断弁３３を備えている。混合器２５は、原燃料と改質空気の２流体を混合して混合ガスにするためのものである。前記内燃式ＦＰＳ２２は、混合ガスを水素に変換する機能を有している。制御装置２６は、原燃料遮断弁２７、改質燃料ブロア２８、プロセス燃料遮断弁２９、改質空気ブロア３２及び改質空気遮断弁３３と電気的に接続されている。
【００１７】
図１の燃料電池発電システムでは、発電中に、流量制御オリフィス３１の効果により、ブロア下流バッファタンク３０には、直接内燃式ＦＰＳ２２に導入されるガスよりも高い圧力の燃料が保持されることになる。実際の想定は、ブロア下流バッファタンク３０の圧力は２０ＫＰａであり、オリフィス３１の下流の圧力は１０ＫＰａ程度である。この状態から、電源停止等によりワンステップ停止が発生すると、改質空気の供給は瞬時に遮断されるが、燃料は、ブロア下流バッファタンク３０の中の圧力が２０ＫＰａと高いため、この容積の約２０％燃料ガスが供給され続けることとなる。安全の観点からこの量は必要最小限とする必要があるため、ブロア下流バッファタンク３０の容量は、触媒過熱リスクを防ぐ必要最小限とする必要がある。図２は図１の燃料制御発電システムの制御ブロックを示す。
【００１８】
発電中、改質空気／燃料を一定幅に制御するが、発電を停止した場合、通常停止（リスクなし停止）と停電停止（リスクあり停止）に分けられる。ここで、通常停止の場合、改質空気ブロア３２が停止し、改質空気遮断弁３３が閉じて改質空気の混合器２５への供給が遮断される。２秒保持した後、改質燃料ブロア２８が停止し、プロセス燃料遮断弁２９が閉じて原燃料の混合器２５への供給が遮断される。更に他の停止工程の後、停止状態に至る。一方、停電停止の場合、改質空気ブロア３２、改質空気遮断弁３３、改質燃料ブロア２８、プロセス燃料遮断弁２９が全て同時にＯＦＦとなり、更にブロア下流バッファタンク３０から燃料供給が数秒継続した後、停止状態に至る。
【００１９】
第１の実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体２１と、この燃料電池本体２１に水素を供給するための内燃式ＦＰＳ２２と、この内燃式ＦＰＳ２２に燃料を供給するための，原燃料遮断弁２７，改質燃料ブロア２８，プロセス燃料遮断弁２９，ブロア下流バッファタンク３０及びオリフィス３1を有した燃料供給系２３と、内燃式ＦＰＳ２２に空気を供給するための，改質空気ブロア３２及び改質空気遮断弁３３を有した空気供給系２４と、原燃料遮断弁２７、改質燃料ブロア２８、プロセス燃料遮断弁２９、改質空気ブロア３２及び改質空気遮断弁３３と夫々電気的に接続された制御器２６を備えた構成となっている。  
このように、改質燃料ブロア２８の下流に、一定以上の体積を有するブロア下流バッファタンク３０及び流量制御オリフィス３１を順次配置した構成であるため、ワンステップ停止時にも、燃料流量が短時間計測するので、触媒ダメージのないロバストなシステムとすることができる。また、ブロア下流バッファタンク３０を半容積式（ゴム風船のような、圧力が上がると、その圧力を保持しつつ容積が増える構造のもの）とすることにより、完全固定式と比べて大きさを抑えることができる。
【００２０】
（第２の実施形態）  
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図である。なお、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
このシステムは、燃料電池本体２１と、この燃料電池本体２１に水素を供給するための内燃式燃料処理器（内燃式ＦＰＳ）２２と、この内燃式ＦＰＳ２２に燃料を供給するための燃料供給系２３と、前記内燃式ＦＰＳ２２に空気を供給するための空気供給系２４と、混合器２５と、制御装置２６を備えている。
【００２１】
燃料供給系２３は、原燃料入口側から順に配置された原燃料遮断弁２７と、ブロア上流バッファタンク３４と、改質燃料ブロア２８と、プロセス燃料遮断弁２９を備えている。但し、ブロア上流バッファタンク３４は、一定以上の体積を有する（容積式）構造のタンクである。また、プロセス燃料遮断弁２９は、フェイスクローズの遅閉性遮断弁である。通常、フェイスクローズの遮断弁は、ばね等の力により速やかに閉まる構造である。しかし、本実施形態では、ダンパー機能を入れることで、フェイス状態となっても電源停止で機械的な構造（例えば、ばねとダンパー）により電源停止後時間遅れを生じてゆっくり（数秒経過後）閉止する機能を有している。空気供給系２４は、図１と同様、改質空気ブロア３２と改質空気遮断弁３３を備えている。改質燃料ブロア２８は慣性が大きく電源停止後も一定時間動作するタイプの構造である。ここで、「慣性が大きく」とは、電源がＯＦＦとなっても、数秒は動きつづけるタイプのもの、という意味である。
【００２２】
図３の燃料電池発電システムでは、発電中に、ブロア上流バッファタンク３４は原燃料の元圧により燃料ガスを一定量蓄えている。この状態から、電源停止等によりワンステップ停止が発生すると、改質空気の供給は瞬時に遮断されるが、改質燃料ブロワ２８の慣性が大きいこと、及びプロセス燃料遮断弁２９の閉まるのが遅いことから、燃料は一定時間供給されることになる。図４は図３の燃料制御発電システムの制御ブロックを示す。
【００２３】
発電中、改質空気／燃料を一定幅に制御するが、発電を停止した場合、通常停止（リスクなし停止）と停電停止（リスクあり停止）に分けられる。ここで、通常停止の場合、改質空気ブロア３２が停止し、改質空気遮断弁３３が閉じて改質空気の混合器２５への供給が遮断される。２秒保持した後、改質燃料ブロア２８が停止し、プロセス燃料遮断弁２９が閉じて原燃料の混合器２５への供給が遮断される。更に他の停止工程の後、停止状態に至る。一方、停電停止の場合、改質空気ブロア３２、改質空気遮断弁３３、燃料元弁が閉じ、更に改質燃料ブロア慣性で動作継続するとともに、改質燃料遮断弁３３がゆっくり閉じた後、停止状態に至る。ここで、「燃料元弁」とは、燃料系には安全ルール上多数の遮断弁が直列についており、その最上流の遮断弁を意味する。
【００２４】
第２の実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体２１と、この燃料電池本体２１に水素を供給するための内燃式ＦＰＳ２２と、この内燃式ＦＰＳ２２に燃料を供給するための，この内燃式ＦＰＳ２２に燃料を供給するための，原燃料遮断弁２７，ブロア上流バッファタンク３４，改質燃料ブロア２８，プロセス燃料遮断弁２９を有した燃料供給系２３と、内燃式ＦＰＳ２２に空気を供給するための，改質空気ブロア３２及び改質空気遮断弁３３を有した空気供給系２４と、原燃料遮断弁２７、改質燃料ブロア２８、プロセス燃料遮断弁２９、改質空気ブロア３２及び改質空気遮断弁３３と夫々電気的に接続された制御器２６を備えた構成となっている。  
このように、改質燃料ブロア２８の上流に容積式のブロア上流バッファタンク３４を配置し、改質燃料ブロア２８は慣性が大きく電源停止後も一定時間動作するフェイスクローズの遅閉型構造であり、かつ前記燃料昇圧器の下流に電源停止で機械的にゆっくり閉止するプロセス燃料遮断弁２９を配置した構成になっている。従って、第２の実施形態のシステムによれば、第１の実施形態のシステムと同様な効果を有する。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、上記実施形態では、混合器を用いた場合について述べたが、これに限らず、原燃料や改質空気の供給の制御状態によっては混合器を省略することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図。
【図２】図１の燃料電池発電システムの制御ブロック図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図。
【図４】図３の燃料電池発電システムの制御ブロック図。
【図５】従来の燃料電池発電システムの構成図。
【図６】図５の燃料電池発電システムの制御ブロック図。
【符号の説明】
【００２７】
２１…燃料電池本体、２２…内燃式燃料処理器、２３…空気供給系、２４…燃料供給系、２５…混合器、２６…制御装置、２７…原燃料遮断弁、２８…改質燃料ブロア（燃料昇圧器）、２９…プロセス燃料遮断弁、３０…ブロア下流バッファタンク、３１…流量制御オリフィス、３２…改質空気ブロア（空気昇圧器）、３３…改質空気遮断弁、３４…ブロア上流バッファタンク。
【図１】
2009048910.tif 000003
【図２】
2009048910.tif 000004
【図３】
2009048910.tif 000005
【図４】
2009048910.tif 000006
【図５】
2009048910.tif 000007
【図６】
2009048910.tif 000008