JP2002231293A - 燃料電池システムのパージ装置およびその方法 - Google Patents

燃料電池システムのパージ装置およびその方法

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JP2002231293A
JP2002231293A JP2001024854A JP2001024854A JP2002231293A JP 2002231293 A JP2002231293 A JP 2002231293A JP 2001024854 A JP2001024854 A JP 2001024854A JP 2001024854 A JP2001024854 A JP 2001024854A JP 2002231293 A JP2002231293 A JP 2002231293A
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Noritoshi Sanagi
徳寿 佐薙
Yuji Nagata
裕二 永田
Motohiro Takahashi
元洋 高橋
Takayuki Kaneko
隆之 金子
Naoki Kanie
尚樹 蟹江
Masahiro Ogawa
雅弘 小川
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】構造簡易、操作容易にして、系統内に残ってい
る可燃ガス、凝縮水を確実に除去できる燃料電池システ
ムのパージ装置およびその方法を提供する。 【解決手段】本発明に係る燃料電池システムのパージ装
置は、蒸気供給系統１８と空気供給系統１９とを備え
た。また、本発明に係る燃料電池システムのパージ方法
は、燃料改質器１２、燃料電池本体１１、燃料供給系統
１３にパージ運転を行わせる際、最初に蒸気によるパー
ジ運転を行わせた後、空気によるパージ運転を行わせ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、未反応の可燃ガス
を燃料供給系統からパージさせる燃料電池システムのパ
ージ装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギ変換装置とし
て、燃料電池システムが脚光を浴びている。
【０００３】燃料電池システムは、幾つかのタイプのも
のが稼動または研究開発中であるが、その中でも電解質
としてプロトンを用いた固体高分子型燃料電池システム
がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、かつ簡易
なシステムで運転が可能なことから定置分散電源用だけ
でなく、宇宙用や車両用、さらには家庭用などの電力供
給源として注目されている。
【０００４】このように、期待の大きい燃料電池システ
ム、特に固体高分子型燃料電池システムは、図１３に示
すように、燃料電池本体１、燃料改質器２、パージ系統
３等を備えた構成になっている。
【０００５】燃料電池本体１は、例えばプロトン導電性
の固体高分子膜４ｃを触媒層付きのガス拡散電極４で挟
む膜電極複合体を備えるとともに、その両外側に集電体
としてのガス供給溝を備えたガス透過性の低い材料から
なるセパレータ５ａ，５ｂとを交互に積層状に配置して
構成されている。
【０００６】また、ガス拡散電極４には、片面が燃料極
４ａ、残りの片面が酸化剤極（空気極）４ｂを備えてお
り、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータ
５ａ，５ｂのガス供給溝を介してそれぞれ区分けして供
給されている。
【０００７】その際、酸化剤極４ｂからの酸素イオンが
固体高分子膜４ｃを通って燃料極４ａの水素と反応して
電子を放出し、その放出した電子を直流電力として取り
出すようになっている。
【０００８】また、燃料改質器２は、都市ガス等の炭化
水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成する
ものであり、都市ガス等に含まれている硫黄分を水添脱
硫等の手段で除去後、触媒を用いて化学反応により、例
えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素を主成分とす
る燃料ガスに改質させている。
【０００９】一方、パージ系統３は、窒素等の不活性ガ
ス供給設備６、不活性ガス弁７を備え、燃料供給系統８
の燃料弁１０の下流側に接続し、運転終了後、燃料電池
本体１、燃料改質器２、燃料供給系統８に残っている上
述直流電力発生の際に生成された凝縮水や未反応の水素
ガス等を不活性ガス供給設備６から不活性ガス弁７を介
して供給される不活性ガスでパージさせ、その排気を排
気管９で系外パージさせていた。
【００１０】このように、従来の燃料電池システムで
は、未反応の水素ガスによる爆発事故凝縮水による腐食
等に対処させてパージ運転を行っていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】図１３で示した従来の
燃料電池システムでは、燃料供給系の未反応による可燃
ガスの残留に基づく爆発性、凝縮水の残留に基づく機器
の腐食性、あるいは機器に被覆した触媒の損傷、さらに
酸素ガスに基づく触媒の酸化のために活性化の低下を招
く等を考慮して運転停止の際、窒素等の不活性ガスを用
いて可燃ガスや凝縮水を系外パージさせていた。
【００１２】しかし、窒素ガス等の不活性供給設備は、
システムの複雑化、大型化、コスト高、ランニングコス
ト高を招くとともに、より多くの付帯設備を必要とする
などの種々の不都合、不具合があった。
【００１３】また、家庭などに導入する場合、窒素供給
設備を必要とする燃料電池システムは受け入れられ難
く、家庭用への適用、拡販の阻害要因になっていた。
【００１４】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、構造簡素、操作容易にして系統内に残って
いる可燃ガス、凝縮水を確実に除去する燃料電池システ
ムのパージ装置およびその方法を提供することを目的と
する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池シ
ステムのパージ装置は、上述の目的を達成するために、
請求項１に記載したように、燃料改質器、燃料電池本
体、燃料供給系統を備えるとともに、前記燃料供給系統
に接続してパージ系統を設けた燃料電池システムのパー
ジ装置において、前記パージ系統は蒸気供給系統と空気
供給系統とを備えたものである。
【００１６】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に
記載したように、蒸気供給系統は、蒸気弁と蒸気溜を備
えたものである。
【００１７】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に
記載したように、蒸気弁は、弁開閉時間を設定するタイ
マ回路を備えたものである。
【００１８】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に
記載したように、空気供給系統は、ブロアと空気弁を備
えたものである。
【００１９】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に
記載したように、空気弁は、弁開閉時間を設定するタイ
マ回路を備えたものである。
【００２０】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に
記載したように、ブロアは、起動開始時間を設定するタ
イマ回路を備えたものである。
【００２１】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に
記載したように、空気弁は、弁開閉を間欠開閉させる間
欠信号発生器を備えたものである。
【００２２】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に
記載したように、ブロアは、運転を間欠駆動させる間欠
信号発生器を備えたものである。
【００２３】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に
記載したように、空気供給系統は、空気弁とブロアを備
えるとともに、前記空気弁と前記ブロアとの間に窒素分
離膜を備えたものである。
【００２４】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０
に記載したように、燃料改質器、一酸化炭素変成器、一
酸化炭素選択酸化装置、燃料電池本体、燃料供給系統を
備えるとともに、前記燃料供給系統に接続してパージ系
統を設けた燃料電池システムのパージ装置において、前
記燃料改質器、前記一酸化炭素変成器、前記一酸化炭素
選択酸化装置、前記燃料電池本体のそれぞれに設けた温
度検出器および前記燃料電池本体に設けた電池電圧検出
器に異常を監視する監視装置を備えたものである。
【００２５】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１
に記載したように、燃料改質器、燃料電池本体、燃料供
給系統にパージ運転を行わせる際、最初に蒸気によるパ
ージ運転を行わせた後、空気によるパージ運転を行わせ
る方法である。
【００２６】本発明に係る燃料電池システムのパージ方
法は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載
したように、蒸気によるパージ運転は、可燃ガスが安全
上問題のないレベルまで低下するときの燃料電池本体の
電池電圧値を予め計測しておき、前記電池電圧が予め計
測しておいた値になったとき、蒸気弁を弁閉させてパー
ジ運転を終了させる方法である。
【００２７】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１３
に記載したように、蒸気によるパージ運転は、燃料改質
器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれ
ぞれの温度の最小値が水蒸気の凝縮温度に近付いたと
き、蒸気弁を弁閉させてパージ運転を終了させる方法で
ある。
【００２８】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１４
に記載したように、蒸気によるパージ運転は、可燃ガス
が安全上問題のないレベルまで低下するときの燃料電池
本体の電池電圧値時間を予め計測しておき、この計測時
間を用いて蒸気弁を弁閉させパージ運転を終了させる方
法である。
【００２９】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１５
に記載したように、空気によるパージ運転は、燃料改質
器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれ
ぞれの温度の最小値が水蒸気の凝縮温度に近付く時間を
計測し、この計測時間を用いてブロアを起動し、空気弁
を弁開させパージ運転を開始させる方法である。
【００３０】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１６
に記載したように、空気によるパージ運転は、燃料改質
器の触媒に付着した水蒸気が凝縮水になるまでの時間を
計測し、この計測時間を用いてブロアを起動し、空気弁
を弁開させてパージ運転を開始させる方法である。
【００３１】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１７
に記載したように、燃料改質器、燃料電池本体、燃料供
給系統にパージ運転を行わせる際、最初に蒸気によるパ
ージ運転を行わせ、次に空気によるパージ運転を行わせ
た後、空気弁の弁開閉を間欠に行わせるとともにブロア
の運転を間欠に行わせる間欠パージ運転にする方法であ
る。
【００３２】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１８
に記載したように、燃料改質器、燃料電池本体、燃料供
給系統に蒸気によるパージ運転および空気によるパージ
運転のうち、いずれか一方の運転中、前記燃料改質器、
一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれぞれ
に設けた温度検出器の異常を監視し、前記温度検出器に
異常があったとき、運転を停止させ異常を解消させた
後、再び前記蒸気によるパージ運転および空気によるパ
ージ運転を行わせる方法である。
【００３３】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項１９
に記載したように、燃料改質器、燃料電池本体、燃料供
給系統にパージ運転を行わせる際、前記燃料改質器のバ
ーナ燃焼室に残っているガスを利用してパージ運転を行
わせる方法である。
【００３４】また、本発明に係る燃料電池システムのパ
ージ方法は、上述の目的を達成するために、請求項２０
に記載したように、燃料改質器、燃料電池本体、燃料供
給系統にパージ運転を行わせる際、前記燃料改質器のバ
ーナ燃焼室に燃料と空気を供給して燃焼ガスを生成し、
生成した燃焼ガスを利用してパージ運転を行わせる方法
である。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池シス
テムのパージ装置およびその方法の実施形態を図面およ
び図面に付した符号を引用して説明する。
【００３６】図１は、本発明に係る第１実施形態を示す
概略系統図である。
【００３７】本実施形態は、燃料電池本体１１、燃料改
質器１２、燃料供給系統１３に、パージ系統１４を設け
たものである。
【００３８】燃料電池本体１１は、例えばプロトン導電
性の固体高分子膜５ｃを触媒層付きのガス拡散電極１５
で挟む膜電極複合体を備えるとともに、その両外側に集
電体としてのガス供給溝を備えたガス透過性の低い材料
からなるセパレータ１６ａ，１６ｂとを交互に積層状に
配置して構成されている。
【００３９】また、ガス拡散電極１５には、片面が燃料
極１５ａ、残りの片面が酸化剤極（空気極）１５ｂを備
えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパ
レータ１６ａ，１６ｂのガス供給溝を介してそれぞれ区
分けして供給されている。
【００４０】その際、酸化剤極１５ｂからの酸素イオン
が固体高分子膜１５ｃを通って燃料極１５ｂの水素と反
応して電子を放出し、その放出した電子を直流電力とし
て取り出すようになっている。
【００４１】また、燃料改質器１２は、都市ガス等の炭
化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成す
るものであり、都市ガス等に含まれている硫黄分を水添
脱硫等の手段で除去後、触媒を用いて化学反応により、
例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素を主成分と
する燃料ガスに改質させている。
【００４２】一方、パージ系統１４は、燃料供給系統１
３の燃料弁１７の下流側に接続する蒸気供給系統１８と
空気供給系統１９とを備えている。
【００４３】蒸気供給系統１８は、蒸気弁２０と例えば
水蒸気を溜める蒸気溜２１とを備えた構成になってい
る。なお、蒸気溜２１は、例えば燃料電池本体１１の燃
料極１５ａから出る排ガスに含まれる水蒸気を分離する
気液分離器でもよい。
【００４４】また、空気供給系統１９は、空気弁２２と
ブロア２３とを備えた構成になっている。
【００４５】次に、燃料電池本体１１、燃料改質器１
２、燃料供給系統１３のパージ方法を説明する。
【００４６】燃料電池システムは、運転終了後、まず、
蒸気弁２０を弁開させ、蒸気溜２１からの水蒸気を蒸気
供給系統１８、燃料供給系統１３を介して燃料改質器１
２、燃料電池本体１１に供給し、ここで未反応の水素等
の燃料ガスをパージし、燃料改質器１２の排気管２４か
ら系外パージさせる。
【００４７】次に、燃料電池システムは、空気弁２２を
開弁させ、ブロア２３を起動させ、空気を燃料改質器１
２、燃料供給系統１３、燃料電池本体１１に残っている
凝縮水をパージさせ、排気管２４から系外パージさせ
る。
【００４８】このように、本実施形態は、燃料電池本体
１１、燃料改質器１２、燃料供給系統１３のそれぞれ
に、蒸気を供給してその器内に残っている未反応の水素
等の燃料ガスを系外にパージさせ、次に系内に残ってい
る凝縮水を空気により系外にパージさせるので、設備を
簡素化させて未反応の燃料ガス、凝縮水を確実に除去し
て燃料電池システムの安全かつ安定運転に供給すること
ができる。
【００４９】図２は、本発明に係る第２実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５０】本実施形態は、燃料電池本体１１に残って
いる水素ガス等の未反応の燃料ガスがなくなって安全
上、問題のないレベルにまでなったとき、燃料電池本体
１１に設けた電池電圧検出器２５に、その値を検出させ
たもので、蒸気による未反応燃料ガスのパージ運転中、
電池電圧検出器２５がその値になったとき、空気による
凝縮水のパージ運転に移行させたものである。なお、他
の部分は、第１実施形態と同じなので、その説明を省略
する。
【００５１】このように、本実施形態は、蒸気による未
反応の燃料ガスのパージ運転から空気による凝縮水のパ
ージ運転に移行させる際、燃料電池本体１１の電池電圧
検出器２５が可燃ガスの安全上、問題のないレベルまで
の電池電圧値になったことを確認して移行させるので、
未反応の燃料ガスを確実に除去して燃料電池システムの
安全かつ安定運転に供することができる。
【００５２】図３は、本発明に係る第３実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５３】本実施形態は、燃料改質器１２に設けた温
度検出器２６ａ、一酸化炭素変成器２７に設けた温度検
出器２６ｂ、一酸化炭素選択酸化装置２８に設けた温度
検出器２６ｃのそれぞれの最小値が水蒸気の凝縮温度に
近付いたとき、蒸気弁２０を弁閉させ、蒸気による未反
応の燃料ガスのパージ運転を終了させたものである。な
お、他の部分は第１実施形態と同じなので、その説明を
省略する。
【００５４】このように、本実施形態は、蒸気による未
反応の燃料ガスのパージ運転から空気による凝縮水のパ
ージ運転に移行させる際、燃料改質器１２、一酸化炭素
変成器２７、一酸化炭素選択酸化装置２８のそれぞれに
設けた温度検出器２６ａ，２６ｂ，２６ｃのそれぞれの
最小値が水蒸気の凝縮温度に近付いたことを確認して蒸
気弁２０を弁閉させ、蒸気による未反応の燃料ガスのパ
ージ運転を終了させるので、未反応の燃料ガスを確実に
除去して燃料電池システムの安全かつ安定運転に供する
ことができる。
【００５５】図４は、本発明に係る第４実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５６】本実施形態は、図４及び図１２に示すよう
に、燃料電池本体１１の運転停止後、燃料電池本体１１
に設けた電池電圧検出器２５が可燃ガスの安全上、問題
のないレベルになるまでの電池電圧値の時間を予め計測
するとともに、例えば燃料改質器１２に設けた温度検出
器２６ａにおける触媒温度の最小値が水蒸気の凝縮温度
になるまでの時間を予め計測し、予め計測しておいた上
述の電池電圧値になるまでの時間を蒸気弁２１に設けた
第１タイマ回路２９にセットし、セットした時間だけ蒸
気弁２１を弁開させるとともに、上述触媒温度の最小値
が水蒸気の凝縮温度になる時間から弁を弁開させるその
弁開時間を空気弁２２に設けた第２タイマ回路３０にセ
ットし、触媒温度の最小値が水蒸気の凝縮温度になる時
間から空気弁２２を弁開させるものである。なお、他の
部分は、第１実施形態と同じなので、その説明は省略す
る。
【００５７】このように、本実施形態は、燃料電池本体
１１の運転停止からの弁開閉時間のそれぞれを蒸気弁２
１に設けた第１タイマ回路２９および空気弁２２に設け
た第２タイマ回路３０のそれぞれにセットし、蒸気弁２
１を弁開させて蒸気による未反応の燃料ガスをパージさ
せた後、空気弁２２を弁開させて空気による凝縮水をパ
ージさせるので、未反応の燃料ガスおよび凝縮水を確実
に除去して燃料電池システムの安全かつ安全運転に供す
ることができる。
【００５８】図５は、本発明に係る第５実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５９】本実施形態は、燃料改質器１２に設けた温
度検出器２６ａ、一酸化炭素変成器２７に設けた温度検
出器２６ｂ、一酸化炭素選択酸化装置２８に設けた温度
検出器２６ｃのそれぞれの温度の最小値が水蒸気の凝縮
温度に近付いたとき、ブロア２３を起動させ、空気弁２
２を弁開させ、空気による凝縮水のパージ運転を開始さ
せたものである。なお、他の部分は第１実施形態と同じ
なので、その説明を省略する。
【００６０】このように、本実施形態は、蒸気による未
反応の燃料ガスのパージ運転から空気による凝縮水のパ
ージ運転に移行させる際、燃料改質器１２、一酸化炭素
変成器２７、一酸化炭素選択酸化装置２８のそれぞれに
設けた温度検出器２６ａ，２６ｂ，２６ｃのそれぞれの
温度の最小値が水蒸気の凝縮温度に近付いたことを確認
して空気による凝縮水のパージ運転を開始させるので、
未反応の燃料ガスを確実に除去して燃料電池システムの
安全かつ安定運転に供することができる。
【００６１】図６は、本発明に係る第６実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６２】本実施形態は、例えば燃料改質器１２の器
内温度が予め定められた温度になると器内の水蒸気が凝
縮水になること、具体的には燃料改質器の触媒温度が最
小値になると凝縮水が生成されることに着目したもの
で、図６および図１２に示すように、燃料電池本体１１
の停止から燃料改質器１２が予め定められた器内温度に
なり、触媒に付着した水蒸気が凝縮水になるまでの時間
を予め測定しておき、その測定時間をブロア２３および
空気弁２１に設けた第３タイマ回路３１にセットし、燃
料電池本体１１の停止運転から上述の測定時間経過後、
第３タイマ回路３１をＯＮさせ、ブロア２３を起動さ
せ、空気弁２２を弁開させ、空気による凝縮水のパージ
運転を開始させたものである。なお、他の部分は、第１
実施形態と同じなので、その説明を省略する。
【００６３】このように、本実施形態は、蒸気による未
反応の燃料ガスのパージ運転から空気による凝縮水のパ
ージ運転に移行させる際、例えば燃料改質器１２の器内
の水蒸気が凝縮水になったときタイマ回路３１をＯＮさ
せ、ブロア２３を起動させ、空気弁２２を弁開させ、空
気による凝縮水のパージ運転を開始させるので、未反応
の燃料ガスを確実に除去して燃料電池システムの安全か
つ安定運転に供することができる。
【００６４】図７は、本発明に係る第７実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６５】本実施形態は、蒸気による未反応の燃料ガ
スのパージ運転を経て空気による凝縮水のパージ運転終
了後、燃料改質器１２の触媒に残っていた水蒸気が凝縮
水になることを考慮したもので、ブロア２３を間欠運転
させるとともに空気弁２２を間欠開閉させたものであ
る。
【００６６】ブロア２３の間欠運転および空気弁２２の
間欠開閉は、間欠信号発生器３２からの間欠信号が与え
られる。なお、他の部分は、第１実施形態と同じなの
で、その説明を省略する。
【００６７】このように、本実施形態は、蒸気による未
反応の燃料ガスのパージ運転を経て空気による凝縮水の
パージ運転終了後、燃料改質器１２の触媒に残っていた
水蒸気が凝縮水になることを防止するもので、ブロア２
３に間欠信号を与えて間欠運転を行わせるとともに、空
気弁２２に間欠弁開閉信号を与えて間欠開閉させ、空気
を凝縮水に間欠的な押圧力として与え、凝縮水を確実に
除去して燃料電池システムの安全かつ安定運転に供する
ことができる。
【００６８】図８は、本発明に係る第８実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６９】本実施形態は、蒸気による未反応の燃料ガ
スのパージ運転中および空気による凝縮水のパージ運転
中のいずれか一方の運転中、燃料改質器１２に設けた温
度検出器２６ａ、一酸化炭素変成器２７に設けた温度検
出器２６ｂ、一酸化炭素選択酸化装置２８に設けた温度
検出器２６ｃ、燃料電池本体１１に設けた温度検出器２
６ｄおよび電池電圧検出器２５を監視装置３３で監視さ
せ、少なくとも一つ以上に何らかの事情で故障が発生し
たことがわかった場合、故障を解消させた後、蒸気によ
る未反応の燃料ガスのパージ運転および空気による凝縮
水のパージ運転のうち、少なくとも一方を再び繰り返す
ようにしたものである。各温度検出器２６ａ〜２６ｄ等
に監視装置３３を設けると、残存する可燃ガスとパージ
空気とが触媒層で燃焼反応を起す場合でも、触媒層温度
の過度な上昇から各温度検出器２６ａ〜２６ｄ等の故障
を検出することができる。
【００７０】このように、本実施形態は、各温度検出器
２６ａ〜２６ｄ等を監視装置３３で監視させることによ
り、故障を確実に検出することができ、蒸気による可燃
ガスのパージ運転および空気による凝縮水のパージ運転
のうち、少なくとも一方を再び繰り返して行わせること
ができ、燃料電池システムの安全かつ安定運転に供する
ことができる。
【００７１】図９は、本発明に係る第９実施形態を説明
するために用いた概略系統図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７２】本実施形態は、燃料改質器１２のバーナ燃
焼室３４に残っている不活性ガスとみなせるガスを用い
て燃料電池本体１１の燃料極１５ａに残っている凝縮水
をパージさせるもので、燃料電池システムの運転停止
後、まず、空気弁２２を弁開させ、排気管２４から分岐
し、燃料供給系統１３の燃料弁１７の出口側に接続した
バーナ燃焼室排気管３５のバーナ燃焼室排気弁３６を弁
開させ、パージ放出管３７のパージ放出弁３８を弁開さ
せるとともに、排気管２４の排気弁３９を弁閉させた
後、ブロア２３を起動させ、ブロア２３からの空気の押
圧力でバーナ燃焼室３４の不活性ガスとみなせるガスを
バーナ燃焼室排気弁３６、燃料供給系統１３、燃料電池
本体１１の燃料極１５ａにパージさせ、ここで、燃料極
１５ａに残っている凝縮水をパージ放出弁３８を介して
系外パージさせている。
【００７３】このように、本実施形態は、燃料改質器１
２のバーナ燃焼室３４に残っている不活性ガスとみなせ
るガスを用いて燃料極１５ａに残っている凝縮水を系外
にパージさせるので、新たに不活性ガスを用いることが
なく、低コストで燃料極１５ａに残っている凝縮水を容
易に系外にパージさせることができる。
【００７４】図１０は本発明にかかる第１０実施形態を
説明するために用いた概略系統図である。なお、第１実
施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７５】本実施形態は、燃料供給系統１３からの燃
料を空気供給系統１９からの空気とをバーナ燃焼室３４
に供給して燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスが不活性ガ
スとみなせることを考慮して燃料電池本体１１の燃料極
１５ａに残っている凝縮水をパージさせるもので、燃料
電池システムの運転停止後、まず燃料バイパス系統４０
のバイパス弁４１を弁開させ、空気弁２２を開弁させ、
排気管２４から分岐し、燃料供給系統１３の燃料弁１７
の出口側に接続したバーナ燃焼室排気管３５のバーナ燃
焼室排気弁３６を弁開させ、パージ放出管３７のパージ
放出弁３８を開弁させるともに、パージ切替弁４２およ
び排気管２４の排気弁３９を弁閉させた後、ブロア２３
を起動させ、ブロア２３からバーナ燃焼室３４に供給さ
れた空気と燃料バイパス系統４０からバーナ燃焼室３４
に供給された燃料とで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼
ガスが不活性ガスとみなせるから、その燃焼ガスをバー
ナ燃焼室排気弁３６、燃料供給系統１３、燃料電池本体
１１の燃料極１５ａはパージさせ、ここで燃料極１５ａ
に残っている凝縮水をパージ放出弁３８を介して系外パ
ージさせている。
【００７６】このように、本実施形態は、燃料改質器１
２のバーナ燃焼室３４で不活性ガスとみなせる燃焼ガス
を生成し、生成した燃焼ガスを用いて燃料極１５ａに残
っている凝縮水を系外パージさせるので、新たに不活性
ガスを用いることがなく、低コストで燃料極１５ａに残
っている凝縮水を容易に系外にパージさせることができ
る。
【００７７】図１１は、本発明に係る第１１実施形態を
説明するために用いた概略系統図である。なお、第１実
施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７８】本実施形態は、空気供給系統１９の空気弁
２２の入口側に窒素分離膜４３を設け、窒素分離膜４３
により空気中の窒素のみを抽出し、その窒素の押圧力に
より燃料電池本体１１の燃料極１５ａに残っている凝縮
水を系外にパージさせたものである。
【００７９】このように、本実施形態は、窒素分離膜４
３により空気中から抽出した窒素を用いて燃料極１５ａ
に残っている凝縮水を系外パージさせるので、新たに不
活性ガスを用いることがなく、低コストで燃料極１５ａ
に残っている凝縮水を容易に系外パージさせることがで
きる。
【００８０】
【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明に係る燃料
電池システムのパージ装置およびその方法は、燃料供給
系統から分岐し、蒸気供給系統と空気供給系統との二つ
の系統からなるパージ系統を備え、蒸気供給系統から燃
料供給系統、燃料改質器、燃料電池本体に蒸気を供給し
て系内に残っている可燃ガスを系外パージさせた後、空
気系統から燃料供給系統等に空気を供給し、系内に残っ
ている凝縮水を系外パージさせるので、設備を簡素化さ
せ未反応の可燃ガス、凝縮水を確実に除去して燃料電池
システムの安全かつ安全運転に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図２】本発明に係る第２実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図３】本発明に係る第３実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図４】本発明に係る第４実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図５】本発明に係る第５実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図６】本発明に係る第６実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図７】本発明に係る第７実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図８】本発明に係る第８実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図９】本発明に係る第９実施形態を説明するために用
いた概略系統図。
【図１０】本発明に係る第１０実施形態を説明するため
に用いた概略系統図。
【図１１】本発明に係る第１１実施形態を説明するため
に用いた概略系統図。
【図１２】燃料電池システムの蒸気によるパージ運転お
よび空気によるパージ運転を行う際、燃料電池本体の停
止から可燃ガスが安全上問題ないレベルになるまでの電
池電圧値の時間および燃料改質器の触媒温度が最小値に
なって水蒸気が凝縮温度に近付くまでの時間を示す挙動
線図。
【図１３】従来の燃料電池システムを示す概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体 ２ 燃料改質器 ３ パージ系統 ４ ガス拡散電極 ４ａ 燃料極 ４ｂ 酸化剤極 ４ｃ 固体高分子膜 ５ａ，５ｂ セパレータ ６ 不活性ガス供給設備 ７ 不活性ガス弁 ８ 燃料供給系統 ９ 排気管 １０ 燃料弁 １１ 燃料電池本体 １２ 燃料改質器 １３ 燃料供給系統 １４ パージ系統 １５ ガス拡散電極 １５ａ 燃料極 １５ｂ 酸化剤極 １５ｃ 固体高分子膜 １６ａ，１６ｂ セパレータ １７ 燃料弁 １８ 蒸気供給系統 １９ 空気供給系統 ２０ 蒸気弁 ２１ 蒸気溜 ２２ 空気弁 ２３ ブロア ２４ 排気管 ２５ 電池電圧検出器 ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ 温度検出器 ２７ 一酸化炭素変成器 ２８ 一酸化炭素選択酸化装置 ２９ 第１タイマ回路 ３０ 第２タイマ回路 ３１ 第３タイマ回路 ３２ 間欠信号発信器 ３３ 監視装置 ３４ バーナ燃焼室 ３５ バーナ燃焼室排気管 ３６ バーナ燃焼室排気弁 ３７ パージ放出管 ３８ パージ放出弁 ３９ 排気弁 ４０ 燃料バイパス系統 ４１ バイパス弁 ４２ パージ切替弁 ４３ 窒素分離膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者 高橋 元洋 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 金子 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 蟹江 尚樹 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 小川 雅弘 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 MM02 MM12 MM13 MM14

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給系
    統を備えるとともに、前記燃料供給系統に接続してパー
    ジ系統を設けた燃料電池システムのパージ装置におい
    て、前記パージ系統は蒸気供給系統と空気供給系統とを
    備えたことを特徴とする燃料電池システムのパージ装
    置。
  2. 【請求項２】 蒸気供給系統は、蒸気弁と蒸気溜を備え
    たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの
    パージ装置。
  3. 【請求項３】 蒸気弁は、弁開閉時間を設定するタイマ
    回路を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池
    システムのパージ装置。
  4. 【請求項４】 空気供給系統は、ブロアと空気弁を備え
    たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの
    パージ装置。
  5. 【請求項５】 空気弁は、弁開閉時間を設定するタイマ
    回路を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池
    システムのパージ装置。
  6. 【請求項６】 ブロアは、起動開始時間を設定するタイ
    マ回路を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電
    池システムのパージ装置。
  7. 【請求項７】 空気弁は、弁開閉を間欠開閉させる間欠
    信号発生器を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃
    料電池システムのパージ装置。
  8. 【請求項８】 ブロアは、運転を間欠駆動させる間欠信
    号発生器を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料
    電池システムのパージ装置。
  9. 【請求項９】 空気供給系統は、空気弁とブロアを備え
    るとともに、前記空気弁と前記ブロアとの間に窒素分離
    膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シ
    ステムのパージ装置。
  10. 【請求項１０】 燃料改質器、一酸化炭素変成器、一酸
    化炭素選択酸化装置、燃料電池本体、燃料供給系統を備
    えるとともに、前記燃料供給系統に接続してパージ系統
    を設けた燃料電池システムのパージ装置において、前記
    燃料改質器、前記一酸化炭素変成器、前記一酸化炭素選
    択酸化装置、前記燃料電池本体のそれぞれに設けた温度
    検出器および前記燃料電池本体に設けた電池電圧検出器
    に異常を監視する監視装置を備えたことを特徴とする燃
    料電池システムのパージ装置。
  11. 【請求項１１】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給
    系統にパージ運転を行わせる際、最初に蒸気によるパー
    ジ運転を行わせた後、空気によるパージ運転を行わせる
    ことを特徴とする燃料電池システムのパージ方法。
  12. 【請求項１２】 蒸気によるパージ運転は、可燃ガスが
    安全上問題のないレベルまで低下するときの燃料電池本
    体の電池電圧値を予め計測しておき、前記電池電圧が予
    め計測しておいた値になったとき、蒸気弁を弁閉させて
    パージ運転を終了させることを特徴とする請求項１１記
    載の燃料電池システムのパージ方法。
  13. 【請求項１３】 蒸気によるパージ運転は、燃料改質
    器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれ
    ぞれの温度の最小値が水蒸気の凝縮温度に近付いたと
    き、蒸気弁を弁閉させてパージ運転を終了させることを
    特徴とする請求項１１記載の燃料電池システムのパージ
    方法。
  14. 【請求項１４】 蒸気によるパージ運転は、可燃ガスが
    安全上問題のないレベルまで低下するときの燃料電池本
    体の電池電圧値を予め計測しておき、この計測時間を用
    いて蒸気弁を弁閉させパージ運転を終了させることを特
    徴とする請求項１１記載の燃料電池システムのパージ方
    法。
  15. 【請求項１５】 空気によるパージ運転は、燃料改質
    器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれ
    ぞれの温度の最小値が水蒸気の凝縮温度に近付く時間を
    予め計測し、この計測時間を用いてブロアを起動し、空
    気弁を弁開させパージ運転を開始させることを特徴とす
    る請求項１１記載の燃料電池システムのパージ方法。
  16. 【請求項１６】 空気によるパージ運転は、燃料改質器
    の触媒に付着した水蒸気が凝縮水になるまでの時間を計
    測し、この計測時間を用いてブロアを起動し、空気弁を
    弁開させてパージ運転を開始させることを特徴とする請
    求項１１記載の燃料電池システムのパージ方法。
  17. 【請求項１７】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給
    系統にパージ運転を行わせる際、最初に蒸気によるパー
    ジ運転を行わせ、次に空気によるパージ運転を行わせた
    後、空気弁の弁開閉を間欠に行わせるとともにブロアの
    運転を間欠に行わせる間欠パージ運転にすることを特徴
    とする燃料電池システムのパージ方法。
  18. 【請求項１８】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給
    系統に蒸気によるパージ運転および空気によるパージ運
    転のうち、いずれか一方の運転中、前記燃料改質器、一
    酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化装置のそれぞれに
    設けた温度検出器の異常を監視し、前記温度検出器に異
    常があったとき、運転を停止させ異常を解消させた後、
    再び前記蒸気によるパージ運転および空気によるパージ
    運転を行わせることを特徴とする燃料電池システムのパ
    ージ方法。
  19. 【請求項１９】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給
    系統にパージ運転を行わせる際、前記燃料改質器のバー
    ナ燃焼室に残っているガスを利用してパージ運転を行わ
    せることを特徴とする燃料電池システムのパージ方法。
  20. 【請求項２０】 燃料改質器、燃料電池本体、燃料供給
    系統にパージ運転を行わせる際、前記燃料改質器のバー
    ナ燃焼室に燃料と空気を供給して燃焼ガスを生成し、生
    成した燃焼ガスを利用してパージ運転を行わせることを
    特徴とする燃料電池システムのパージ方法。
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