(57)【要約】【課題】燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができるとともに、小形化を図ることができる燃料電池発電装置を得る。【解決手段】燃料電池１には、燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通す供給用燃料ガス管２、排出用燃料ガス管３、供給用酸化剤ガス管４及び排出用酸化剤ガス管５が接続されている。各ガス管２〜５には、開閉弁１２，１３，９，１０が設けられている。供給用燃料ガス管２の開閉弁１２よりも燃料電池１に近い部分には、ガス圧緩和装置１７が接続されている。ガス圧緩和装置１７は、水が溜められ、供給用燃料ガス管２内の圧力変化に応じて水が所定の液出入口１８ａを通って出入りするガス貯蔵タンク１８と、水に浮かべられ、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出量が所定量になることにより、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出を阻止するフロート弁２１とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通すガス流路が接続され、上記燃料ガス及び上記酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する燃料電池、
上記ガス流路に設けられ、閉動作により上記燃料電池を密閉可能な開閉弁、及び
上記ガス流路の上記開閉弁よりも上記燃料電池に近い部分に連通し、かつ液体が内部に溜められ、上記ガス流路内の圧力変化に応じて上記液体が所定の液出入口を通って出入り可能なガス貯蔵タンクと、上記液体に浮かべられ、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出量が所定量になることにより、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出を阻止するフロート弁とを有するガス圧緩和装置
を備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
上記ガス圧緩和装置は、上記ガス貯蔵タンクからの上記液体を蓄えるリザーバタンクと、上記ガス貯蔵タンク及び上記リザーバタンク間で上記液体を移動させる連通管とをさらに有し、
上記連通管の断面積は、上記ガス貯蔵タンク及び上記リザーバタンクのそれぞれの水平断面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
上記リザーバタンクの位置は、上記ガス貯蔵タンクの位置よりも高位置であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられ、
上記フロート弁には、上記ガス流路内の圧力変化を受ける受圧面と、上記受圧面の面積よりも小さな面積を持つ対向面とが設けられており、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記液出入口が上記対向面に塞がれることにより阻止されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられ、
上記フロート弁の形状は、側面が傾斜面とされたテーパ形状とされ、
上記液出入口の内面は、上記フロート弁の側面に沿って形成されており、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記フロート弁の側面が上記液出入口の内面に接触した状態で上記フロート弁が上記液出入口を塞ぐことにより阻止されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
上記フロート弁は、上記ガス貯蔵タンク内の上記液体に浮かべられた浮き板と、上記浮き板から離れて上記液体中に保たれる塞ぎ部材と、上記浮き板及び上記塞ぎ部材間を繋ぐ連結部材とを有し、
上記ガス貯蔵タンクからの上記液体の排出は、上記液出入口が上記塞ぎ部材に塞がれることにより阻止されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気化学反応を利用して発電する燃料電池を有する燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池発電装置では、燃料ガス（例えば水素等）及び酸化剤ガス（例えば空気等）が燃料電池に供給されることにより、燃料電池において発電が行われる。燃料ガスは、例えば都市ガス等の原料が燃料処理装置で改質されることにより生成される。燃料処理装置で生成された燃料ガスは、燃料ガス流路を通って燃料電池へ送られる。
【０００３】
燃料電池発電装置の運転時には、燃料電池内及び燃料処理装置内で化学反応が行われるので、燃料電池及び燃料処理装置の温度は高温になっている。高温の状態で燃料電池発電装置の運転が停止されると、燃料電池内及び燃料処理装置内の圧力の低下により、外気が燃料電池内及び燃料処理装置内に進入するおそれがある。燃料電池内及び燃料処理装置内に外気が進入すると、電極や触媒の酸化等により、燃料電池や燃料処理装置の性能が劣化してしまう。
【０００４】
従来、燃料処理装置内への外気の進入を防止するために、燃料ガス流路にガス貯蔵装置を接続した燃料電池発電システムが提案されている。ガス貯蔵装置は、一端部が燃料ガス流路に連通され他端部が外気に開放されたＵ字管と、Ｕ字管内に貯留された水とを有している。
【０００５】
Ｕ字管内の水は、燃料電池発電装置の運転時に、燃料ガス流路からの燃料ガスの圧力によってＵ字管の他端部側へ移動される。燃料電池発電装置の運転が停止されると、燃料ガス流路内の圧力の低下に応じてＵ字管内の水がＵ字管の一端部側へ戻る。これにより、Ｕ字管内の燃料ガスが燃料ガス流路へ送られ、燃料ガス流路内の圧力が負圧になることが防止される。このようにして、燃料処理装置内への外気の進入が防止される（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２１００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、燃料ガスと外気との圧力差が大きい場合には、Ｕ字管内の水の移動量が大きくなるので、Ｕ字管の高さ寸法が大きくなってしまう。また、燃料ガス流路の内圧に応じてＵ字管と外部との間に設置された開閉弁の開閉を制御する必要があるために、燃料ガス流路のガス圧を測定するための機器や開閉弁の開閉を制御する動力源が必要であった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができるとともに、貯水容量や機器の小形化を図ることができる燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る燃料電池発電装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスを個別に通すガス流路が接続され、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する燃料電池、ガス流路に設けられ、閉動作により燃料電池を密閉可能な開閉弁、及びガス流路の開閉弁よりも燃料電池に近い部分に連通し、かつ液体が内部に溜められ、ガス流路内の圧力変化に応じて液体が所定の液出入口を通って出入り可能なガス貯蔵タンクと、液体に浮かべられ、ガス貯蔵タンクからの液体の排出量が所定量になることにより、ガス貯蔵タンクからの液体の排出を阻止するフロート弁とを有するガス圧緩和装置を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る燃料電池発電装置では、ガス貯蔵タンク内の液体が、ガス流路内の圧力変化に応じてガス貯蔵タンクに対して出入り可能になっており、ガス貯蔵タンクからの液体の排出量が所定量になると、液体に浮かべられたフロート弁により、ガス貯蔵タンクからの液体の排出が阻止されるので、ガス貯蔵タンク内から排出される液体の高さが低くても、フロート弁が液体の排出を阻止することにより、所定量の燃料ガスあるいは酸化剤ガスをガス貯蔵タンク内に貯蔵することができる。従って、ガス圧緩和装置の高さ寸法の縮小化を図ることができ、燃料電池発電装置の小形化を図ることができる。また、密閉状態とされることによりガス流路内の圧力が低下した場合には、ガス貯蔵タンク内に貯蔵された燃料ガスあるいは酸化剤ガスをガス流路内に供給することができるので、ガス流路内の圧力が負圧になることを防止することができる。従って、燃料電池内への外気の進入の防止を図ることができる。さらに、燃料ガス流路のガス圧を測定する機器や開閉弁の開閉を制御する動力源が不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、燃料電池１には、燃料ガス（例えば水素等）をそれぞれ通す供給用燃料ガス管（燃料ガス流路）２及び排出用燃料ガス管（燃料ガス流路）３と、酸化剤ガス（例えば空気等）をそれぞれ通す供給用酸化剤ガス管（酸化剤ガス流路）４及び排出用酸化剤ガス管（酸化剤ガス流路）５と、冷却水をそれぞれ通す供給用冷却水管６及び排出用冷却水管７とが接続されている。
【００１２】
燃料電池１は、燃料電池発電装置の運転時に、供給用燃料ガス管２及び供給用酸化剤ガス管４のそれぞれから燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け、燃料電池１内を通った後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスとして、排出用燃料ガス管３及び排出用酸化剤ガス管５へそれぞれ排出する。また、燃料電池１は、燃料電池発電装置の運転時に、供給用冷却水管６から冷却水の供給を受け、燃料電池１内を通った後の冷却水を冷却排水として排出用冷却水管７へ排出する。
【００１３】
また、燃料電池１は、積層された複数の単電池（図示せず）を有している。各単電池は、燃料ガスが通される電池内燃料流路が設けられた第１セパレータと、酸化剤ガスが通される電池内酸化剤流路が設けられた第２セパレータと、第１及び第２セパレータ間に挟まれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される電極膜接合体とを有している（いずれも図示せず）。第１及び第２セパレータの少なくともいずれかには、供給用冷却水管６からの冷却水が流される電池内冷却水路（図示せず）が設けられている。
【００１４】
電極膜接合体は、第１セパレータの電池内燃料流路に接触する燃料電極と、第２セパレータの電池内酸化剤流路に接触する酸化剤電極と、燃料電極及び酸化剤電極間に挟まれた電解質膜とを有している（いずれも図示せず）。電極膜接合体は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間で酸化還元反応を起こすことにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。即ち、燃料電池１は、供給用燃料ガス管２及び供給用酸化剤ガス管４のそれぞれから燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けることにより発電する。
【００１５】
供給用酸化剤ガス管４には、外気を酸化剤ガスとして燃料電池１へ送るためのブロア８と、供給用酸化剤ガス管４内の開閉を行う酸化剤供給側開閉弁９とが設けられている。排出用酸化剤ガス管５には、排出用酸化剤ガス管５内の開閉を行う酸化剤排出側開閉弁１０が設けられている。
【００１６】
供給用酸化剤ガス管４及び排出用酸化剤ガス管５には、酸化剤ガスと排出酸化剤ガスとの間で熱及び水分の交換を行う全熱交換器１１が設けられている。即ち、酸化剤ガスの流れ方向について燃料電池１よりも上流側及び下流側のそれぞれには、共通の全熱交換器１１が設けられている。全熱交換器１１は、酸化剤供給側開閉弁９の下流側に設けられ、酸化剤排出側開閉弁１０の上流側に設けられている。排出酸化剤ガスの熱及び水分は、排出酸化剤ガスが全熱交換器１１を通ることにより、酸化剤ガスへ移動する。
【００１７】
供給用燃料ガス管２には、供給用燃料ガス管２内の開閉を行う燃料供給側開閉弁１２が設けられている。排出用燃料ガス管３には、排出用燃料ガス管３内の開閉を行う燃料排出側開閉弁１３が設けられている。
【００１８】
燃料電池１は、酸化剤供給側開閉弁９、酸化剤排出側開閉弁１０、燃料供給側開閉弁１２及び燃料排出側開閉弁１３のそれぞれの閉動作により、密閉可能になっている。
【００１９】
供給用燃料ガス管２には、原料（例えば都市ガス及び水等）から燃料ガスを生成する燃料処理装置１４が接続されている。この例では、燃料処理装置１４が燃料供給側開閉弁１２よりも上流側に設けられている。即ち、燃料ガスの流れの方向について、燃料処理装置１４と燃料電池１との間に燃料供給側開閉弁１２が設けられている。
【００２０】
燃料処理装置１４は、原料を改質することにより、水素を主成分とするガスを生成する改質反応部と、改質反応部により生成されたガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低下させるシフト反応部と、シフト反応部により生成されたガス中に含まれる一酸化炭素の濃度をさらに低下させ１０ｐｐｍ以下にする一酸化炭素除去反応部とを有している。燃料ガスは、原料が改質反応部、シフト反応部及び一酸化炭素除去反応部の順に通されることにより生成される。また、燃料処理装置１４内には、改質反応部、シフト反応部及び一酸化炭素除去反応部における化学反応を促進させるための燃焼部が設けられている。
【００２１】
燃料処理装置１４の燃焼部には、排出用燃料ガス管３が接続されている。燃料電池１からの排出燃料ガスは、燃焼用ガスとして燃料部に供給される。
【００２２】
供給用冷却水管６及び排出用冷却水管７は、冷却水を溜める冷却水タンク１５に接続されている。また、供給用冷却水管６には、冷却水タンク１５内の冷却水を燃料電池１へ供給する給水ポンプ１６が設けられている。冷却水は、給水ポンプ１６の動力により、冷却水タンク１５と燃料電池１内との間を循環される。燃料電池１の温度は、冷却水の循環により調整される。
【００２３】
供給用燃料ガス管２の燃料供給側開閉弁１２よりも燃料電池１に近い部分（即ち、供給用燃料ガス管２の燃料供給側開閉弁１２と燃料電池１との間の部分）には、供給用燃料ガス管２内の圧力が負圧（燃料電池発電装置の外圧よりも低い圧力）になることを防止するガス圧緩和装置１７が接続されている。
【００２４】
ガス圧緩和装置１７は、供給用燃料ガス管２に連通しかつ水（液体）が溜められたガス貯蔵タンク１８と、ガス貯蔵タンク１８からの水を蓄えるリザーバタンク１９と、ガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９間で水を移動させる連通管２０と、ガス貯蔵タンク１８内の水に浮かべられたフロート弁２１とを有している。
【００２５】
ガス貯蔵タンク１８には、連通管２０が接続された所定の液出入口１８ａが設けられている。ガス貯蔵タンク１８内の水は、供給用燃料ガス管２内の圧力変化に応じて液出入口１８ａを通ってガス貯蔵タンク１８を出入り可能になっている。即ち、ガス圧緩和装置１７の水は、供給用燃料ガス管２内の圧力変化に応じて、液出入口１８ａを通ってガス貯蔵タンク１８と連通管２０との間を移動される。ガス貯蔵タンク１８内の水位は、ガス貯蔵タンク１８に対する水の出入りにより変化する。燃料ガスは、ガス貯蔵タンク１８から水が排出されることにより供給用燃料ガス管２からガス貯蔵タンク１８内へ流入し、ガス貯蔵タンク１８に水が注入されることによりガス貯蔵タンク１８内から供給用燃料ガス管２へ流出する。
【００２６】
リザーバタンク１９の上部は、外部に開放されている。リザーバタンク１９の下部には、連通管２０が接続されている。ガス貯蔵タンク１８内の水が連通管２０へ排出されるときには、連通管２０からリザーバタンク１９内へ水が注入される。また、連通管２０からガス貯蔵タンク１８内へ水が注入されるときには、リザーバタンク１９内からの水が連通管２０へ排出される。
【００２７】
連通管２０の断面積（連通管２０の長さ方向に垂直な断面における断面積）は、ガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっている。これにより、ガス圧緩和装置１７に用いられる水の少量化が図られている。
【００２８】
フロート弁２１は、ガス貯蔵タンク１８内の水位の変化に応じてガス貯蔵タンク１８に対して上下方向へ変位される。また、フロート弁２１は、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出量が所定量になることにより、液出入口１８ａを塞いでガス貯蔵タンク１８からの水の排出を阻止する。
【００２９】
図２は、図１のガス貯蔵タンク１８を示す拡大図である。また、図３は、図２のガス貯蔵タンク１８における供給用燃料ガス管２との連通部分をフロート弁２１が塞いでいる状態を示す拡大図である。なお、図２は、ガス貯蔵タンク１８の液出入口１８ａをフロート弁２１が塞いでいる状態を示す図である。図において、供給用燃料ガス管２には、ガス貯蔵タンク１８の上部が連通されている。液出入口１８ａは、ガス貯蔵タンク１８の底部に設けられている。
【００３０】
フロート弁２１は、ガス貯蔵タンク１８における供給用燃料ガス管２（図１）との連通部分を塞ぐ上限位置（図３）と、液出入口１８ａを塞ぐ下限位置（図２）との間で変位可能になっている。ガス貯蔵タンク１８内には、上限位置と下限位置との間でフロート弁２１を案内する管状のガイド部材２２が設けられている。ガイド部材２２には、水を通すための複数の穴が設けられている。
【００３１】
フロート弁２１は、液出入口１８ａから水が排出されてガス貯蔵タンク１８内の水位が低下することにより、ガイド部材２２に沿って下限位置へ案内される。また、フロート弁２１は、液出入口１８ａから水が注入されてガス貯蔵タンク１８内の水位が上昇することにより、ガイド部材２２に沿って上限位置へ案内される。
【００３２】
また、フロート弁２１は、フロート本体２３と、フロート本体２３の下面に設けられたゴム製の下部接触部材２４と、フロート本体２３の上面に設けられたゴム製の上部接触部材２５とを有している。上部接触部材２５の上面は、供給用燃料ガス管２内の圧力変化を受ける受圧面とされている。下部接触部材２４の下面は、受圧面に平行な対向面とされている。
【００３３】
ガス貯蔵タンク１８からの水の排出量が所定量になると、フロート弁２１が下限位置に達し、液出入口１８ａがフロート弁２１の対向面に塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出が阻止される。ガス貯蔵タンク１８内への水の注入量が所定量になると、フロート弁２１が上限位置に達し、ガス貯蔵タンク１８における供給用燃料ガス管２との連通部分がフロート弁２１の受圧面に塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク１８から供給用燃料ガス管２への水の流入が防止される。
【００３４】
次に、動作について説明する。燃料電池発電装置の運転時には、酸化剤供給側開閉弁９、酸化剤排出側開閉弁１０、燃料供給側開閉弁１２及び燃料排出側開閉弁１３が開いている。都市ガス及び水（水蒸気）が原料として燃料処理装置１４へ供給されると、燃料処理装置１４では複数の化学反応が行われ、原料が燃料ガスに変換される。この後、生成された燃料ガスは、供給用燃料ガス管２を通して燃料処理装置１４から燃料電池１へ送られる。
【００３５】
一方、供給用酸化剤ガス管４からは、ブロア８の動力により、外気が酸化剤ガスとして燃料電池１へ送られる。このとき、酸化剤ガスは、全熱交換器１１を通ることにより加熱されるとともに加湿される。
【００３６】
燃料電池１が燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの供給を受けると、燃料電池１内において発電が行われる。
【００３７】
この後、発電に利用されなかった余剰の燃料ガス（排出燃料ガス）は、燃料処理装置１４の燃焼部へ排出用燃料ガス管３を通して送られる。排出燃料ガスは、燃料処理装置１４において原料を燃料ガスに変換するための熱源の燃料（燃焼用ガス）として用いられる。
【００３８】
一方、発電に利用されなかった余剰の酸化剤ガス（排出酸化剤ガス）は、燃料電池１の外部へ排出用酸化剤ガス管５を通して排出される。このとき、全熱交換器１１では、排出酸化剤ガスから熱及び水分が放出される。また、排出酸化剤ガスからの熱及び水分は、供給用酸化剤ガス管４を通る酸化剤ガスに与えられる。
【００３９】
冷却水タンク１５内の冷却水は、給水ポンプ１６の動力により、冷却水タンク１５と燃料電池１との間を循環される。これにより、燃料電池１の温度が所定の温度に維持される。
【００４０】
燃料処理装置１４で生成された燃料ガスの一部は、供給用燃料ガス管２を通ってガス貯蔵タンク１８内へ送られる。燃料ガスは、燃料電池１内や供給用燃料ガス管２等を流れるので、これらによる抵抗損失分の圧力を有している。従って、ガス貯蔵タンク１８内を満たされた水の水面は、燃料ガスの圧力により下方へ押し下げられる。これにより、ガス貯蔵タンク１８内の水は、液出入口１８ａから排出され、リザーバタンク１９へ送られる。このとき、フロート弁２１は、水の排出量に応じて下方へ変位される。
【００４１】
ガス貯蔵タンク１８内の水面が低下してフロート弁２１が下限位置に達すると（図２）、液出入口１８ａがフロート弁２１により塞がれる。これにより、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出が阻止されるとともに、ガス貯蔵タンク１８内での燃料ガスの貯蔵量の増加が停止される。
【００４２】
燃料電池発電装置の運転時には、燃料ガスの圧力が大気圧よりも常に高くなっているので、ガス貯蔵タンク１８内の水面が押し下げられ、ガス貯蔵タンク１８による燃料ガスの貯蔵が行われる。燃料ガスの圧力が液出入口１８ａでの水圧よりも常に高いときには、フロート弁２１が燃料ガスの圧力で液出入口１８ａに押し付けられ、液出入口１８ａがフロート弁２１に塞がれた状態が維持される。
【００４３】
具体的には、燃料ガスの圧力が５ｋＰａである場合、燃料ガスは、ガス貯蔵タンク１８から排出された水の高さが５０ｃｍになるまで、ガス貯蔵タンク１８内の水面を押し下げる。このことから、ガス貯蔵タンク１８から排出された水の高さを５０ｃｍ以下にすると、燃料ガスの圧力が液出入口１８ａでの水圧よりも常に高くなるので、フロート弁２１が液出入口１８ａを塞ぐまで、ガス貯蔵タンク１８内の水面の低下が継続される。
【００４４】
フロート弁２１が液出入口１８ａを塞いだ後も、燃料ガスの圧力により、フロート弁２１が液出入口１８ａに押し付けられる。液出入口１８ａは、燃料ガス（気体）よりも粘性の高い水（液体）を介してフロート弁２１により塞がれるので、フロート弁２１によるシール性能が向上し、燃料ガスがガス貯蔵タンク１８内から漏出することが防止される。
【００４５】
燃料電池発電装置の運転が停止されるときには、酸化剤供給側開閉弁９、酸化剤排出側開閉弁１０、燃料供給側開閉弁１２及び燃料排出側開閉弁１３のそれぞれが閉じる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃料電池１への供給が停止され、燃料電池１が密閉状態となる。
【００４６】
この後、発電による発熱がなくなるため、燃料電池１の温度が低下する。これにより、密閉された領域内（即ち、燃料電池１内、各開閉弁９、１０、１２及び１３の燃料電池１側の部分及びガス貯蔵タンク１８内）では、燃料ガスや酸化剤ガスの体積収縮や水蒸気の凝縮等によって圧力が低下する。
【００４７】
密閉された領域内の圧力が低下すると、フロート弁２１を押し付ける力が低下する。ガス貯蔵タンク１８内の圧力が液出入口１８ａでの水圧よりも低くなると、リザーバタンク１９からの水が液出入口１８ａを通ってガス貯蔵タンク１８内に戻り、フロート弁２１が水によって押し上げられる。ガス貯蔵タンク１８内に戻る水の量は、燃料ガスと外気との圧力差、及びリザーバタンク１９へ移動した水の高さによって決まる。
【００４８】
リザーバタンク１９からの水がガス貯蔵タンク１８内へ戻ると、ガス貯蔵タンク１８内で燃料ガスを蓄える容積が縮小するので、燃料ガスがガス貯蔵タンク１８から供給用燃料ガス管２へ押し出される。これにより、供給用燃料ガス管２内の圧力が負圧になることが防止される。
【００４９】
一方、燃料電池１内に残留する酸化剤ガス中の酸素は、燃料ガス中の水素と反応することにより消費される。燃料電池１の電位は、酸化剤ガス中の酸素の量の低下により低下する。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが燃料電池１内で反応しているときには、供給用燃料ガス管２内の圧力は低下する。
【００５０】
ガス貯蔵タンク１８からは、供給用燃料ガス管２内の圧力の低下が停止して燃料電池１の温度が室温になるまで、燃料ガスが燃料電池１内へ送られる。従って、ガス貯蔵タンク１８の容積は、温度低下により縮小する燃料ガスの体積の変化量、及び運転停止後に燃料電池１内で消費される燃料ガスの量の合計値よりも大きい容積とされている。
【００５１】
例えば、燃料電池１の温度が７０℃から２０℃に低下する場合、燃料ガスの体積は、水蒸気の凝縮により約３０％小さくなり、温度の低下による収縮により約１５％小さくなる。最終的には、密閉された領域内での燃料ガスの体積は、約４０％縮小する。
【００５２】
また、運転停止後の燃料電池１内で消費される水素量は、酸化剤ガス中の酸素量の半分である。酸化剤ガス中の酸素量は酸化剤ガス量の約２１％であるので、酸化剤ガス中の酸素をすべて消費するためには、密閉された領域内での酸化剤ガス量の約１０％の水素量が必要になる。即ち、運転停止後には、密閉された領域内での酸化剤ガス量の約１０％の水素を含む燃料ガスが消費される。
【００５３】
従って、ガス貯蔵タンク１８の容積は、運転停止後に縮小する燃料ガスと、運転停止後の燃料電池１で消費される燃料ガスとを補填可能な容積とされている。
【００５４】
このような燃料電池発電装置では、ガス貯蔵タンク１８内の水が、供給用燃料ガス管２内の圧力変化に応じてガス貯蔵タンク１８に対して出入り可能になっており、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出量が所定量になると、水に浮かべられたフロート弁２１により、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出が阻止されるので、ガス貯蔵タンク１８内から排出される水の高さが低くても、フロート弁２１が水の排出を阻止することにより、ガス貯蔵タンク１８内に所定量の燃料ガスを貯蔵することができる。従って、ガス圧緩和装置１７の高さ寸法の縮小化を図ることができ、燃料電池発電装置の小形化を図ることができる。また、密閉状態とされることにより供給用燃料ガス管２内の圧力が低下した場合には、ガス貯蔵タンク１８内に貯蔵された燃料ガスを供給用燃料ガス管２内に供給することができるので、供給用燃料ガス管２内の圧力が負圧になることを防止することができる。従って、燃料電池１内への外気の進入の防止を図ることができる。
【００５５】
また、ガス圧緩和装置１７は、ガス貯蔵タンク１８と、ガス貯蔵タンク１８からの水を蓄えるリザーバタンク１９と、ガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９間で水を移動させる連通管２０とを有し、連通管２０の断面積がガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっているので、連通管２０内の水の量を少なくすることができ、ガス圧緩和装置１７に必要な水の量を少なくすることができる。
【００５６】
また、ガス貯蔵タンク１８内への水の注入量が所定量となることにより、ガス貯蔵タンク１８における供給用燃料ガス管２との連通部分がフロート弁２１により塞がれるので、ガス貯蔵タンク１８から供給用燃料ガス管２への水の流入（逆流）の防止を図ることができる。
【００５７】
なお、上記の例では、ガス貯蔵タンク１８内に溜められる液体が水とされているが、これに限定されるものではなく、例えば水素等のガスが溶けない不凍液であってもよい。
【００５８】
また、上記の例では、燃料供給側開閉弁１２が燃料ガスの流れの方向について燃料処理装置１４の下流側に設けられているが、燃料処理装置１４の上流側に燃料供給側開閉弁１２を設けてもよい。このようにすれば、各開閉弁９、１０、１２及び１３の各閉動作により燃料電池１及び燃料処理装置１４をまとめて密閉することができる。従って、運転停止後に、燃料電池１への外気の進入だけでなく、燃料処理装置１４への外気の進入の防止も図ることができる。
【００５９】
また、上記の例では、ガス圧緩和装置１７が供給用燃料ガス管２に接続されているが、排出用燃料ガス管３にガス圧緩和装置１７を接続してもよい。このようにしても、ガス圧緩和装置１７によって燃料電池１内の圧力が負圧になることを防止することができるので、燃料電池１への外気の進入の防止を図ることができる。なお、この場合、ガス貯蔵タンク１８内には、燃料電池１から排出された水素濃度の低い燃料ガスが蓄えられるので、運転停止後の燃料電池１の電位を下げるためには、供給用燃料ガス管２にガス圧緩和装置１７を接続する場合よりもガス貯蔵タンク１８の容積を大きくする必要がある。
【００６０】
また、上記の例では、供給用燃料ガス管２の燃料供給側開閉弁１２よりも下流側の部分にのみガス圧緩和装置１７が接続されているが、供給用燃料ガス管２の燃料供給側開閉弁１２よりも上流側の部分にもガス圧緩和装置１７を接続してもよい。この場合、燃料処理装置１４の上流側にも開閉弁が設けられる。このようにすれば、各開閉弁を閉じることにより燃料電池１及び燃料処理装置１４を個別に密閉することができ、燃料電池１及び燃料処理装置１４への外気の進入の防止を各ガス圧緩和装置１７によって個別に図ることができる。
【００６１】
また、供給用酸化剤ガス管４及び排出用酸化剤ガス管５の少なくともいずれかにガス圧緩和装置１７を接続してもよい。このようにしても、燃料電池１への外気の進入の防止を図ることができる。
【００６２】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、冷却水タンク１５とリザーバタンク１９とが互いに独立して設けられているが、リザーバタンク１９に冷却水タンク１５の機能を兼用させた共通のタンク（兼用タンク）としてもよい。
【００６３】
即ち、図４は、この発明の実施の形態２による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、水が溜められた兼用タンク３１には、供給用冷却水管６、排出用冷却水管７及び連通管２０のそれぞれが接続されている。兼用タンク３１内の水は、燃料電池１と兼用タンク３１との間を給水ポンプ１６の動力により循環されるとともに、ガス貯蔵タンク１８と兼用タンク３１との間を移動可能になっている。
【００６４】
燃料電池発電装置の運転停止時には、兼用タンク３１内の水は、燃料電池１の冷却に利用されないので、ガス貯蔵タンク１８へ送られる。また、燃料電池発電装置の運転時には、燃料ガスの圧力によって水がガス貯蔵タンク１８から兼用タンク３１に回収されるので、給水ポンプ１６の動力により、兼用タンク３１内の水が冷却水として循環される。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００６５】
このような燃料電池発電装置では、リザーバタンク１９が冷却水タンク１５の機能を兼用するようにしたので、燃料電池発電装置全体の小形化をさらに図ることができる。
【００６６】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による燃料電池発電装置を示す構成図である。図において、リザーバタンク１９は、ガス貯蔵タンク１８上に載せられてガス貯蔵タンク１８と一体化されている。即ち、リザーバタンク１９の位置は、ガス貯蔵タンク１８の位置よりも高位置とされている。また、リザーバタンク１９の上部には、外部に開放された開口部１９ａが設けられている。
【００６７】
液出入口１８ａは、ガス貯蔵タンク１８の上部に設けられ、ガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９間を貫通している。連通管２０は、ガス貯蔵タンク１８内に上下方向に沿って配置されている。連通管２０の上端部は液出入口１８ａに接続され、連通管２０の下端部はガス貯蔵タンク１８の底面近傍に位置している。
【００６８】
フロート弁２１は、リザーバタンク１９内の水に浮かべられている。また、フロート弁２１は、リザーバタンク１９内の水位の変化に応じて上下方向へ変位される。フロート弁２１は、リザーバタンク１９内への水の注入量（即ち、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出量）が所定量になることにより、開口部１９ａを塞ぐようになっている。これにより、リザーバタンク１９から開口部１９ａを通って水が排出されることが防止され、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出が阻止される。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００６９】
燃料電池発電装置の運転時及び運転停止時の動作は、ガス圧緩和装置１７の動作を除いて、実施の形態１と同様である。
【００７０】
ガス圧緩和装置１７では、燃料電池発電装置の運転時に、燃料ガスの圧力に応じてガス貯蔵タンク１８内の水面が押し下げられる。これにより、ガス貯蔵タンク１８内の水が連通管２０を通って上方へ排出され、供給用燃料ガス管２からの燃料ガスがガス貯蔵タンク１８内に蓄えられる。ガス貯蔵タンク１８から連通管２０へ排出された水は燃料ガスの圧力で押し上げられることによりリザーバタンク１９内へ注入され、リザーバタンク１９内の水面が上昇する。
【００７１】
この後、リザーバタンク１９内の水面の上昇により開口部１９ａがフロート弁２１により塞がれると、リザーバタンク１９内の水面の上昇が停止し、ガス貯蔵タンク１８からの水の排出が阻止される。
【００７２】
燃料電池発電装置の運転が停止されると、ガス貯蔵タンク１８内の燃料ガスの圧力の低下によって、リザーバタンク１９内の水が連通管２０を通ってガス貯蔵タンク１８内へ戻る。これにより、リザーバタンク１９内の水面が低下し、ガス貯蔵タンク１８内の水面が上昇する。これにより、ガス貯蔵タンク１８内に蓄えられた燃料ガスが供給用燃料ガス管２へ押し出され、供給用燃料ガス管２内の圧力が負圧になることが防止される。
【００７３】
このような燃料電池発電装置では、リザーバタンク１９の位置がガス貯蔵タンク１８の位置よりも高位置とされているので、リザーバタンク１９内の水とガス貯蔵タンク１８内の水との位置の差による圧力がガス貯蔵タンク１８内に加わり、リザーバタンク１９及びガス貯蔵タンク１８の各位置の高さが同一である場合よりも高い圧力をガス貯蔵タンク１８内に与えることができる。従って、燃料電池１内への外気の進入の防止をさらに図ることができる。
【００７４】
また、連通管２０がガス貯蔵タンク１８内に配置されているので、ガス圧緩和装置１７の小形化をさらに図ることができる。
【００７５】
また、フロート弁２１がリザーバタンク１９内の水に浮かべられているので、燃料ガスが流入しない位置にフロート弁２１を配置することができる。従って、例えばフロート弁２１の交換等の保守作業を容易にすることができる。
【００７６】
なお、上記の例では、ガス貯蔵タンク１８及びリザーバタンク１９が一体とされているが、図６に示すように、ガス貯蔵タンク１８から分離したリザーバタンク１９をガス貯蔵タンク１８の位置に対して高位置に配置してもよい。このようにしても、ガス貯蔵タンク１８内の圧力を高くすることができ、燃料電池１内への外気の進入の防止をさらに図ることができる。
【００７７】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁２１には、供給用燃料ガス管２内の圧力変化を受ける受圧面（上面）２１ａと、受圧面２１ａの面積よりも小さな面積を持つ対向面（下面）２１ｂとが設けられている。受圧面２１ａと対向面２１ｂとは平行になっている。
【００７８】
フロート弁２１がガス貯蔵タンク１８内の水に浮かべられているときには、受圧面２１ａがガス貯蔵タンク１８内の水から露出され、対向面２１ｂがガス貯蔵タンク１８内の水中に配置されている。対向面２１ｂの面積は、液出入口１８ａの断面積よりも大きくなっている。
【００７９】
ガス貯蔵タンク１８からの水の排出は、液出入口１８ａがフロート弁２１の対向面２１ｂにより塞がれることにより阻止される。フロート弁２１は、受圧面２１ａが燃料ガスの圧力を受けることにより、液出入口１８ａの周囲部分に押し付けられる。液出入口１８ａの周囲部分には、対向面２１ｂが接触する。他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。
【００８０】
このような燃料電池発電装置では、受圧面２１ａの面積が対向面２１ｂの面積よりも大きくなっているので、燃料ガスの圧力によってフロート弁２１を液出入口１８ａの周囲部分に押し付ける力をさらに大きくすることができる。これにより、液出入口１８ａでのフロート弁２１によるシール性能の向上を図ることができる。
【００８１】
実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁２１の形状は、側面が傾斜面とされたテーパ形状とされている。フロート弁２１には、供給用燃料ガス管２内の圧力変化を受ける受圧面（上面）２１ａと、受圧面２１ａの面積よりも小さな面積を持つ対向面（下面）２１ｂとが設けられている。即ち、フロート弁２１の断面積は、受圧面２１ａから対向面２１ｂに向かって連続的に小さくなっている。
【００８２】
液出入口１８ａの内面は、フロート弁２１の側面に沿って形成されている。従って、液出入口１８ａの内面は、フロート弁２１の側面に沿った傾斜面とされている。
【００８３】
ガス貯蔵タンク１８からの水の排出は、フロート弁２１の側面が液出入口１８ａの内面に接触した状態でフロート弁２１が液出入口１８ａを塞ぐことにより阻止される。他の構成及び動作は実施の形態４と同様である。
【００８４】
このような燃料電池発電装置では、フロート弁２１の形状がテーパ形状とされ、液出入口１８ａの内面がフロート弁２１の側面に沿った傾斜面とされているので、フロート弁２１が液出入口１８ａを塞いでいるときの液出入口１８ａの内面とフロート弁２１との接触面積を大きくすることができる。これにより、フロート弁２１によるシール性能の向上をさらに図ることができる。
【００８５】
実施の形態６．
図９は、この発明の実施の形態６による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。図において、フロート弁２１は、ガス貯蔵タンク１８内の水に浮かべられた浮き板４１と、浮き板４１から離れて水中に保たれる塞ぎ部材４２と、浮き板４１及び塞ぎ部材４２間を繋ぐ棒状の連結部材４３とを有している。
【００８６】
フロート弁２１が水に浮かべられているときには、浮き板４１の上面が水中から露出している。浮き板４１の水平断面積は、塞ぎ部材４２の水平断面積よりも大きくなっている。また、連結部材４３の水平断面積は、浮き板４１及び塞ぎ部材４２のそれぞれの水平断面積よりも小さくなっている。
【００８７】
ガス貯蔵タンク１８からの水の排出は、液出入口１８ａが塞ぎ部材４２に塞がれることにより阻止される。他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。
【００８８】
このような燃料電池発電装置では、フロート弁２１の塞ぎ部材４２が水中に保たれるので、フロート弁２１が液出入口１８ａを塞いでいるときに、フロート弁２１には、燃料ガスの圧力とともに、ガス貯蔵タンク１８内に残っている水の圧力が加わる。従って、フロート弁２１を液出入口１８ａの周囲部分に押し付ける力を大きくすることができ、フロート弁２１によるシール性能の向上をさらに図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】この発明の実施の形態１による燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図２】図１のガス貯蔵タンクを示す拡大図である。
【図３】図２のガス貯蔵タンクにおける供給用燃料ガス管との連通部分をフロート弁が塞いでいる状態を示す拡大図である。
【図４】この発明の実施の形態２による燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３による燃料電池発電装置の他の例を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態４による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態５による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態６による燃料電池発電装置のガス貯蔵タンクを示す構成図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  燃料電池、２  供給用燃料ガス管（ガス流路）、３  排出用燃料ガス管（ガス流路）、４  供給用酸化剤ガス管（ガス流路）、５  排出用酸化剤ガス管（ガス流路）、９  酸化剤供給側開閉弁（開閉弁）、１０  酸化剤排出側開閉弁（開閉弁）、１２  燃料供給側開閉弁（開閉弁）、１３  燃料排出側開閉弁（開閉弁）、１７  ガス圧緩和装置、１８  ガス貯蔵タンク、１８ａ  液出入口、１９  リザーバタンク、２０  連通管、２１  フロート弁、２１ａ  受圧面、２１ｂ  対向面、４１  浮き板、４２  塞ぎ部材、４３  連結部材。
【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】
2009187699.tif 000009
【図８】
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【図９】
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