(57)【要約】    【課題】発電運転を停止して保管する際のパージ用不活性ガスの消費量が少量に抑えられ、かつ、改質触媒の性能低下が回避される運転方法を得る。    【解決手段】原燃料供給遮断弁１と水蒸気供給遮断弁１０と排気弁１３を閉状態へと移行し、不活性ガスパージ弁１１、１２、１５を開状態へと移行することにより、パージ用の不活性ガスを、空気極５ｂ、次いで気水分離器８、次いで脱硫器２、燃料改質器３、ＣＯ変成器４から燃料極５ａへと送って、これらを順次パージし、加熱用ヒーター７による燃料改質器３の加熱に使用したのち排出する。【選択図】          図１
2009070590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルを積層して構成される燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体の燃料極に供給する燃料ガスを得る燃料改質器と、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を組み込んだ電池冷却水系とを備えてなる燃料電池発電装置の運転方法において、
該燃料電池発電装置の発電運転を停止する際に、燃料ガスの燃料電池本体の燃料極への供給と反応空気の燃料電池本体の空気極への供給を停止するとともに、不活性ガスを不活性ガス供給源から空気極、前記気水分離器、前記燃料改質器、および、燃料極の順に経由して通流させてパージを行うことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記パージは不活性ガス供給流量設定値を一定に維持して行うものであり、前記不活性ガス供給源から供給される不活性ガスの流量計測値Ｑ〔m3/h〕と前記気水分離器内の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕とに基づいて（１）式から算出される抵抗係数Ｋの値が、予め決められた上限値または下限値を超えたときにアラーム信号を発信することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
Ｋ＝[Ｑ2／（101.325＋Ｐ）]×103           （１）
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記不活性ガス供給源より供給される不活性ガスの流量Ｑ〔m3/h〕と、前記気水分離器の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕が、予め定められた設定値以下となったとき、運用していた前記不活性ガス供給源から待機していた不活性ガス供給源に切替えることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】
単位セルを積層して構成される燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体の燃料極に供給する燃料ガスを得る燃料改質器と、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を組み込んだ電池冷却水系とを備えてなる燃料電池発電装置において、
不活性ガス供給源と、前記不活性ガス供給源と前記空気極とを接続する第１の弁を備えた配管と、前記空気極出口に接続された第２の弁を備えた配管と、前記第２の弁の上流から分岐して前記気水分離器の気相部に接続する第３の弁を備えた配管と、原燃料を前記燃料改質器の上流の脱硫器に供給する原燃料供給遮断弁を備えた配管と、前記原燃料供給遮断弁の下流側配管と前記気水分離器の気相部とを接続する第４の弁を備えた配管と、前記脱硫器と前記改質器の間の配管と前記気水分離器の気相部とを接続する第５の弁を備えた配管とを有し、
燃料電池発電装置の運転停止時のパージ工程の際、前記第１、第３および第４の弁が開、前記第２、第５および原燃料供給遮断弁が閉となることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電装置およびその運転方法に関わり、特に、発電運転を停止して保管する際の不活性ガスによるパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、複数の単位セルを積層して構成される燃料電池本体、原燃料を改質して燃料電池本体の燃料極に供給する高水素濃度の燃料ガスを得る燃料改質器、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を備えた電池冷却水系等から構成される。従来の燃料電池発電装置では、発電運転を停止して保管状態とする際には、電池電圧の上昇を抑制し、燃料改質器の酸化を防止するために、特許文献１に開示されているように、空気極と燃料極、並びに燃料改質器を不活性ガスでパージして保持する方法が採られている。
図２は、原燃料として都市ガスを用いた従来のりん酸形燃料電池発電装置の発電運転を停止し、保管状態にある際の構成を模式的に示した図である。本図において、符号５は燃料電池本体であり、５ａはその燃料極、５ｂは空気極である。また、符号２，３，４は、それぞれ燃料改質系を構成する脱硫器、燃料改質器、ＣＯ変成器である。また、６は保温ヒーター、７は燃料改質器３の加熱用ヒーター、８は電池冷却水系の気水分離器である。図に見られるように、発電運転時には気水分離器８で分離された水蒸気が、脱硫器２で脱硫された都市ガスとともに燃料改質器３へと送られ、水蒸気改質される。改質ガスを燃料電池本体５の燃料極５ａに、反応空気を空気極５ｂに供給することによって発電が行われる。燃料電池発電装置の発電運転を停止して、保管状態とする際には、原燃料供給遮断弁１、および水蒸気供給遮断弁１０を閉止し、不活性ガスパージ弁１１を開放して、燃料極５ａおよびそれにつながる燃料改質器のパージを行うとともに、不活性ガスパージ弁１２を開放して、空気極５ｂのパージを行っている。
【０００３】
また、燃料電池発電装置の発電運転停止、保管状態において、電池冷却水系の気水分離器８を密閉状態に保持すると、温度の低下に伴って負圧となり、損傷する危険性がある。このため、気水分離器８は負圧とならないように大気開放弁９を開いて大気開放状態にされる。したがって、気水分離器８の気相部は空気雰囲気に保持されることとなる。
【特許文献１】例えば、  特開昭57―212774号公報、特開昭60―140672号公報、特開平４−26070号公報  など
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来の燃料電池発電装置では、その発電運転を停止して保管状態に保持する際に、空気極と燃料極、並びに燃料改質器を不活性ガスでパージしており、これによって系が不活性ガス雰囲気に保たれ、電池電圧の上昇が抑制されるとともに、燃料改質器の改質触媒の酸化が防止されている。しかしながら、この構成の燃料電池発電装置では、上記のように、燃料極とそれに連通する燃料改質器をパージする系統と、空気極をパージする系統との二つの系統を用いてパージを行っているので、不活性ガスの消費量が多量になるという難点がある。
また、従来の燃料電池発電装置では、その発電運転を停止して保管状態に保持する際に、上記のように、気水分離器８の気相部は空気雰囲気に保持されるので、この燃料電池発電装置の再起動の際、気相部に滞留していた空気が水蒸気とともに燃料改質器へ送られ、燃料改質器の改質触媒が徐々に酸化して、改質性能が低下していくという問題点がある。
本発明は、このような技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、発電運転を停止して保管する際に使用されるパージ用の不活性ガスの消費量が少量に抑えられ、かつ、気水分離器への空気混入に起因する改質触媒の性能低下が回避されて、運転停止、保管が、低コストで、かつ性能低下を生じることなく安定に実施できる燃料電池発電装置およびその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては、上記の目的を達成するために、
（１）単位セルを積層して構成される燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体の燃料極に供給する燃料ガスを得る燃料改質器と、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を組み込んだ電池冷却水系とを備えてなる燃料電池発電装置の運転方法において、
この燃料電池発電装置の発電運転を停止する際に、燃料電池本体の燃料極への燃料ガスの供給と燃料電池本体の空気極への反応空気の供給を停止するとともに、不活性ガスを不活性ガス供給源から空気極、前記気水分離器、前記燃料改質器、および、燃料極の順に経由して通流させてパージを行うこととする。
（２）また、上記（１）の運転方法において、不活性ガス供給流量設定値を一定に維持して前記パージを行い、前記不活性ガス供給源から供給される不活性ガスの流量計測値Ｑ〔m3/h〕と前記気水分離器内の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕とに基づいて下記の（１）式から算出される抵抗係数Ｋの値が、予め決められた上限値または下限値を超えたときにアラーム信号を発信させることとする。
Ｋ＝[Ｑ2／（101.325＋Ｐ）]×103           （１）
（３）また、上記（１）または（２）の運転方法において、前記不活性ガス供給源より供給される不活性ガスの流量計測値Ｑ〔m3/h〕と、前記気水分離器の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕が、予め定められた設定値以下となったとき、運用していた前記不活性ガス供給源から待機していた不活性ガス供給源に切替えることとする。
【０００６】
（４）また、単位セルを積層して構成される燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体の燃料極に供給する燃料ガスを得る燃料改質器と、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を組み込んだ電池冷却水系とを備えてなる燃料電池発電装置で、
不活性ガス供給源と、前記不活性ガス供給源と前記空気極とを接続する第１の弁を備えた配管と、前記空気極出口に接続された第２の弁を備えた配管と、前記第２の弁の上流から分岐して前記気水分離器の気相部に接続する第３の弁を備えた配管と、原燃料を前記燃料改質器の上流の脱硫器に供給する原燃料供給遮断弁を備えた配管と、前記原燃料供給遮断弁の下流側配管と前記気水分離器の気相部とを接続する第４の弁を備えた配管と、前記脱硫器と前記改質器の間の配管と前記気水分離器の気相部とを接続する第５の弁を備えた配管とを有するものにおいて、
燃料電池発電装置の運転停止時のパージ工程の際、前記第１、第３および第４の弁を開とし、前記第２、第５および原燃料供給遮断弁を閉とする。
【発明の効果】
【０００７】
燃料電池発電装置の発電運転を停止して保管状態とする際に、上記（１）のごとく、燃料ガスの燃料電池本体の燃料極への供給と反応空気の燃料電池本体の空気極への供給を停止するとともに、不活性ガスを不活性ガス供給源から空気極、前記気水分離器、前記燃料改質器、および、燃料極の順に経由して通流させてパージを行うこととすれば、１系統の不活性ガスによって系全体がパージできるので、従来法に比べて不活性ガスの消費量が少量に抑えられ、低コストでパージできることとなる。また、この方法によれば、気水分離器への空気混入が防止できるので、空気混入によって改質触媒の性能が低下するという従来の方法での難点が回避されることとなる。なお、改質触媒をパージすると運転の進行とともに若干粉化し、下流へ飛散する傾向があるため、１系統の不活性ガスによって系全体をパージする際には、上記のごとく、燃料改質器のパージに先立って空気極のパージを行うのが望ましい。
また、上記（２）のごとく、不活性ガス供給流量設定値を一定に維持してパージを行い、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスの流量計測値Ｑ〔m3/h〕と気水分離器内の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕とに基づいて前記（１）式から算出される抵抗係数Ｋの値が、予め決められた上限値または下限値を超えたときにアラーム信号を発信させることとすれば、ガス流量の低下や圧力の上昇等のパージガスの不調が生じると、これを的確に把握することができるので、効果的に安定したパージを行うことができる。
【０００８】
また上記（３）のごとく、不活性ガス供給源より供給される不活性ガスの流量Ｑ〔m3/h〕と、気水分離器の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕が、予め定められた設定値以下となったとき、運用していた不活性ガス供給源から待機していた不活性ガス供給源に切替えることとすれば、不活性ガスの供給不足を生じることなく連続的にパージすることができる。
また、上記（４）のごとく燃料電池発電装置を構成すれば、上記（１）のごとき運転方法、さらには、上記（２）、（３）のごとき運転方法が適用できるので、運転停止、保管が、低コストで、かつ性能低下を生じることなく安定に実施できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の最良の実施形態は、
燃料電池本体と、原燃料を改質して燃料ガスを得る燃料改質器と、改質用水蒸気を取り出す気水分離器を組み込んだ電池冷却水系とを備えた燃料電池発電装置の発電運転を停止して保管状態とする際、燃料ガスと反応空気の供給を停止し、不活性ガスを空気極のガス流路、次いで気水分離器の気相部に通流させ、さらに燃料改質器を経て燃料極のガス流路へと送ることによって、空気極と燃料極、並びにそれに連結された燃料改質器をパージすることにある。
さらに、このパージ工程中、不活性ガスの流量計測値Ｑ〔m3/h〕と前記気水分離器内の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕とに基づいて（１）式から算出される抵抗係数Ｋの値が、予め決められた上限値または下限値を超えたときにアラーム信号を発信することとした。
Ｋ＝[Ｑ2／（101.325＋Ｐ）]×103           （１）
これに当り、まず調整運転時に、発電停止時のパージ工程の窒素パージ流量Ｑを0.6〔ｍ3／ｈ〕にセットした。その時の圧力計測値Ｐは 10〔kPaG〕であり、上記（１）式から、抵抗係数Ｋの初期値は、
Ｋ＝[0.62／（101.325＋10）]×103＝3.23
であった。
その後の連続運転開始後（ユーザーによる運転開始後）のパージ工程の窒素パージ流量も、0.6〔ｍ3／ｈ〕で一定制御を行う。
そして、パージ工程中に流量計測値Ｑおよび圧力計測値Ｐから算出される抵抗係数Ｋが初期値からずれる原因として、流量計または圧力計の故障、配管の閉塞、または配管からのガス漏洩が考えられるが、抵抗係数Ｋが、次のように定めた上限値または下限値を超えるとアラーム信号を発信するように設定した。
すなわち、パージ工程時の窒素流量を抑えるという観点から、窒素ガス流量計測値Ｑが前記流量設定値（0.6〔ｍ3／ｈ〕）の 25 ％増のときを上限とし、空気の混入を抑えるという観点から窒素ガス流量計測値Ｑが前記流量設定値（0.6〔ｍ3／ｈ〕）の 25 ％減のときを下限とした。そしてこれら上限値または下限値のとき、流量計測値Ｑが増減したにも関わらず、圧力計が故障して初期値表示のままであると仮定して、
Ｋmax＝[（1.25×0.6）2／（101.325＋10）]×103＝5.05
Ｋmin＝[（0.75×0.6）2／（101.325＋10）]×103＝1.82
と各々設定した。
また、燃料電池発電装置には不活性ガス供給源として窒素ガスボンベを２本以上用意しており、流量計測値Ｑ〔m3/h〕または圧力計測値Ｐ〔kPaG〕が予め定めた設定値以下になったとき（例えば、ＱまたはＰの何れかがゼロとなったとき）に、接続していた窒素ボンベから待機していた別の窒素ボンベに切替えることとした。
【実施例】
【００１０】
図１は、本発明の運転方法の実施例を適用したりん酸形燃料電池発電装置の構成を模式的に示した図である。本図に示されている燃料電池発電装置の構成部品のうち、図２の従来例と同一機能をもつ構成部品には同一の符号が付されている。図２に示されていない符号１４は不活性ガス流量計であり、符号１６は気水分離器８の圧力を計測する圧力計である。図に見られるように、本燃料電池発電装置では、発電運転時には原燃料供給遮断弁１を開状態にして都市ガスを脱硫器２、燃料改質器３、ＣＯ変成器４からなる燃料改質系に送り、高水素濃度の改質ガスに改質して燃料電池本体５の燃料極５ａへ供給するとともに、図示しない反応空気供給ラインを介して空気極５ｂへ反応空気を供給して発電を行っている。この発電運転時には、図中の原燃料供給遮断弁１と水蒸気供給遮断弁１０と排気弁１３を開状態に、また、燃料極側の不活性ガスパージ弁１１と空気極側の不活性ガスパージ弁１２と気水分離器８の不活性ガスパージ弁１５を閉状態に保持して運転される。
本燃料電池発電装置の発電運転を停止して保管状態に保持する際には、上記の原燃料給遮断弁１と水蒸気供給遮断弁１０と排気弁１３を開状態から閉状態へと移行させ、燃料極側の不活性ガスパージ弁１１と空気極側の不活性ガスパージ弁１２と気水分離器８の不活性ガスパージ弁１５を閉状態から開状態へと移行させる。このように弁を操作すると、燃料電池本体５への都市ガスと反応空気の供給が停止するとともに、不活性ガス供給源から供給されたパージ用の不活性ガスが、不活性ガスパージ弁１２を通して燃料電池本体５の空気極５ｂへと送られる。空気極５ｂのガス流路を流れてパージした不活性ガスは、次いで不活性ガスパージ弁１５を通して気水分離器８へと送られる。気水分離器８の気相を流れて排出された不活性ガスは、不活性ガスパージ弁１１を通して燃料改質装置の上流側へ供給され、脱硫器２、燃料改質器３、ＣＯ変成器４を順次流れてパージしたのち、燃料電池本体５の燃料極５ａへと送られる。燃料極５ａをパージした不活性ガスは、加熱用ヒーター７による燃料改質器３の加熱に使用されたのち、排気口から排出される。
本実施例の燃料電池発電装置では、上記のように空気極と燃料極、並びにそれに連結された燃料改質器を１系統の不活性ガスによってパージすることとしたので、従来法に比べて不活性ガスの消費量が少量に抑えられ、低コストでパージできることとなった。また、本実施例の方法でパージ操作を行なえば、気水分離器への空気混入が防止できるので、空気混入によって改質触媒の性能が低下するという従来の方法での難点が回避され、パージ操作が安定に実施できることとなる。
また、本実施例では、不活性ガス流量計１４で計測される流量計測値Ｑ〔m3/h〕と、圧力計１６の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕とを図示しない制御装置に入力し、上記（１）式に基づき算出される抵抗係数Ｋが 1.82 を下回ったとき、または 5.05 を超えたときにアラーム信号を発信するよう設定した。これにより、不活性ガス流量計１４や圧力計１６の故障、配管の閉塞、または配管からのガス漏洩により、抵抗係数Ｋが調整運転時に算出した初期値からずれたことを検知し、これらのトラブルによる問題発生を未然に防止するための対処を講じることができる。
さらに、不活性ガス供給源として切り替え可能な２系統以上の不活性ガス供給源（窒素ボンベ）を配置し、不活性ガス流量計１４の流量計測値Ｑ〔m3/h〕および圧力計１６の圧力計測値Ｐ〔kPaG〕の何れかがゼロになった時に、自動で他の系統に切り替えを行うこととし、またこれと同時に不活性ガス交換を知らせるアラームを発することとしたので、不活性ガス欠乏のトラブルを未然に防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
以上述べたように、本発明の運転方法により燃料電池発電装置のパージ操作を行えば、不活性ガスの消費量が少量に抑えられて、低コストでパージが実施可能となるとともに、気水分離器への空気混入が防止できるので、空気混入によって改質触媒の性能が低下するという従来の方法での難点が回避され、パージ操作が安定に実施できるので、各種の燃料電池発電装置の運転方法として好適に利用されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の運転方法を適用した燃料電池発電装置の概略構成を模式的に示した図
【図２】従来の燃料電池発電装置の発電運転を停止して保管状態に保持した際の概略構成を模式的に示した図
【符号の説明】
【００１３】
１    原燃料供給遮断弁
３    燃料改質器
５    燃料電池本体
６    保温ヒーター
７    加熱用ヒーター
８    気水分離器
９    大気開放弁
１０    水蒸気供給遮断弁
１１    不活性ガスパージ弁（燃料改質器および燃料極側）
１２    不活性ガスパージ弁（空気極側）
１３    排気弁
１４    不活性ガス流量計
１５    不活性ガスパージ弁（気水分離器）
１６    圧力計
【図１】
2009070590.tif 000003
【図２】
2009070590.tif 000004