JP2003282114A - 燃料電池発電装置の停止方法 - Google Patents
燃料電池発電装置の停止方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 装置の停止時に、空気の侵入を防止した合理
的なパージを行なって、触媒酸化の防止を図り、かつ経
済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止方法を提供す
る。 【解決手段】 炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して
得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化
学反応に基づいて電気を発生する燃料電池10と、燃料
改質器11と、CO変成器12と、CO除去器13と、
改質用蒸気を発生する水蒸気発生器14とを有する燃料
電池発電装置の停止方法において、燃料電池発電装置の
停止時に、前記諸機器における可燃性ガス系内に、水蒸
気を通流して可燃性ガスをパージし、燃料改質器中の触
媒層11bの出口温度が所定温度に低下した時点で、原
燃料ガスを導入して前記系内の水蒸気をパージした後、
前記系内を外気と遮断する。
的なパージを行なって、触媒酸化の防止を図り、かつ経
済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止方法を提供す
る。 【解決手段】 炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して
得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化
学反応に基づいて電気を発生する燃料電池10と、燃料
改質器11と、CO変成器12と、CO除去器13と、
改質用蒸気を発生する水蒸気発生器14とを有する燃料
電池発電装置の停止方法において、燃料電池発電装置の
停止時に、前記諸機器における可燃性ガス系内に、水蒸
気を通流して可燃性ガスをパージし、燃料改質器中の触
媒層11bの出口温度が所定温度に低下した時点で、原
燃料ガスを導入して前記系内の水蒸気をパージした後、
前記系内を外気と遮断する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系原燃
料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス(空
気)との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電
池と、燃料改質器と、CO変成器と、CO除去器と、改
質用蒸気を発生する水蒸気発生手段とを有する燃料電池
発電装置の停止方法、特に、可燃性ガス系のパージ方法
に関する。
料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス(空
気)との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電
池と、燃料改質器と、CO変成器と、CO除去器と、改
質用蒸気を発生する水蒸気発生手段とを有する燃料電池
発電装置の停止方法、特に、可燃性ガス系のパージ方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電
池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって
異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を
電解質として用い、その運転温度が約80℃と比較的低
いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電
池がよく知られている。
池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって
異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を
電解質として用い、その運転温度が約80℃と比較的低
いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電
池がよく知られている。
【0003】この固体高分子電解質型燃料電池は、リン
酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス(都市ガス)
等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガ
ス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極およ
び空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発
電を行うものである。
酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス(都市ガス)
等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガ
ス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極およ
び空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発
電を行うものである。
【0004】また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際し
ては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改
質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行
なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があ
り、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補
給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であ
ることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純
物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例であ
る。
ては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改
質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行
なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があ
り、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補
給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であ
ることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純
物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例であ
る。
【0005】一方、燃料電池の電気化学反応では発電生
成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気
改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴
い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道
水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水とし
て用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができる
ため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、こ
れらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とす
る方法が、通常採用されている。
成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気
改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴
い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道
水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水とし
て用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができる
ため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、こ
れらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とす
る方法が、通常採用されている。
【0006】また、燃料電池の電気化学反応では反応に
伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯
槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯
槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【0007】図3は、都市ガスを原燃料とする従来の固
体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図
である。
体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図
である。
【0008】図3において、模式的に示した燃料電池1
0は、燃料極10aと空気極10bとを有する単位セル
を複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示し
ない冷却板を配設,積層することにより構成されてい
る。
0は、燃料極10aと空気極10bとを有する単位セル
を複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示し
ない冷却板を配設,積層することにより構成されてい
る。
【0009】原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器
11に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素
に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒ま
たはニッケル系触媒が用いられる。
11に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素
に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒ま
たはニッケル系触媒が用いられる。
【0010】CH4+H2O→3H2+CO (吸熱反応)
その後、この改質ガスは、CO変成器12に供給され、
以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は1%程度
まで低減される。CO変成用触媒としては、例えば、銅
−亜鉛系触媒が用いられる。
以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は1%程度
まで低減される。CO変成用触媒としては、例えば、銅
−亜鉛系触媒が用いられる。
【0011】CO+H2O→H2+CO2 (発熱反応)
その後、さらにCO除去器13に供給され、以下の反応
により、改質ガス中の一酸化炭素は100ppm程度まで低減
された後、燃料電池の燃料極10aに供給される。CO
除去器においては、ブロアによって供給された空気によ
り選択酸化される。
により、改質ガス中の一酸化炭素は100ppm程度まで低減
された後、燃料電池の燃料極10aに供給される。CO
除去器においては、ブロアによって供給された空気によ
り選択酸化される。
【0012】CO+1/2O2→CO2 (発熱反応)
上記の如く、改質器11において改質反応を行う場合、
水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発
電装置では、その熱源として改質器11の燃焼排ガスの
顕熱,CO変成器12及びCO除去器13の反応熱を利
用するのが一般的である。そのため、ポンプ54にて供
給される改質用水を、CO変成器12,CO除去器1
3,水蒸気発生器14の各反応器を直列に順次流すため
の改質用水蒸気供給ライン15を設け、前記各反応器か
ら熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合
して、改質用水蒸気供給ライン15から改質器11へ導
入する構成としている。なお、図3においては、CO変
成器12,CO除去器13への前記改質用水の通流ライ
ンを省略している。
水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発
電装置では、その熱源として改質器11の燃焼排ガスの
顕熱,CO変成器12及びCO除去器13の反応熱を利
用するのが一般的である。そのため、ポンプ54にて供
給される改質用水を、CO変成器12,CO除去器1
3,水蒸気発生器14の各反応器を直列に順次流すため
の改質用水蒸気供給ライン15を設け、前記各反応器か
ら熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合
して、改質用水蒸気供給ライン15から改質器11へ導
入する構成としている。なお、図3においては、CO変
成器12,CO除去器13への前記改質用水の通流ライ
ンを省略している。
【0013】又、上記の各反応器は触媒による化学反応
を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温
度に予め昇温する必要がある。各反応器の適正な温度は
以下のとおりである。改質器:500〜700℃、CO変成
器:200〜300℃、CO除去器:100〜250゜Cである。
を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温
度に予め昇温する必要がある。各反応器の適正な温度は
以下のとおりである。改質器:500〜700℃、CO変成
器:200〜300℃、CO除去器:100〜250゜Cである。
【0014】このため、改質器11は、燃料電池の排水
素供給ライン19から供給される水素を改質器内に設置
されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱さ
れているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させるこ
とにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスによ
り水蒸気発生器14も昇温している。一方、CO変成器
12とCO除去器13とは、それぞれが個々に備える図
示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナに
は、燃焼空気ブロア18により、燃焼用空気が導入され
る。なお、18aは、CO除去器における選択酸化用の
空気を供給するための反応空気ブロアである。
素供給ライン19から供給される水素を改質器内に設置
されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱さ
れているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させるこ
とにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスによ
り水蒸気発生器14も昇温している。一方、CO変成器
12とCO除去器13とは、それぞれが個々に備える図
示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナに
は、燃焼空気ブロア18により、燃焼用空気が導入され
る。なお、18aは、CO除去器における選択酸化用の
空気を供給するための反応空気ブロアである。
【0015】都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア17によ
り、まず脱硫器16へ導入され、都市ガス内に含まれる
硫黄成分が除去された後、改質器11の触媒反応器へ導
入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改
質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
り、まず脱硫器16へ導入され、都市ガス内に含まれる
硫黄成分が除去された後、改質器11の触媒反応器へ導
入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改
質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【0016】次に、図3における燃料電池の冷却水系機
器50および回収水系機器30について以下に述べる。
冷却水系機器50は、電池冷却水冷却器51と、カソー
ドオフガス冷却器52と、燃焼排ガスの排ガス冷却器5
3と、純水タンク55と、電池冷却水循環ポンプ54、
その他配管等を含む。
器50および回収水系機器30について以下に述べる。
冷却水系機器50は、電池冷却水冷却器51と、カソー
ドオフガス冷却器52と、燃焼排ガスの排ガス冷却器5
3と、純水タンク55と、電池冷却水循環ポンプ54、
その他配管等を含む。
【0017】燃料電池10は、前述のように約80℃で
運転され、前記電池冷却水循環ポンプ54によって、純
水タンク55から通流される水によって冷却され、電池
冷却水冷却器51によって除熱される。電池冷却水冷却
器51には、図3には図示しない貯湯槽に接続される循
環水導出ライン56から供給される、例えば約50℃の
水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その
後、カソードオフガス冷却器52および燃焼排ガスの排
ガス冷却器53を経由して、例えば約60℃に昇温され
て、循環水導出ライン57から前記貯湯槽に還流する。
前記純水タンク55には、液面計が設けてあり、液面が
下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置
35を介して、間歇的に補給される。
運転され、前記電池冷却水循環ポンプ54によって、純
水タンク55から通流される水によって冷却され、電池
冷却水冷却器51によって除熱される。電池冷却水冷却
器51には、図3には図示しない貯湯槽に接続される循
環水導出ライン56から供給される、例えば約50℃の
水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その
後、カソードオフガス冷却器52および燃焼排ガスの排
ガス冷却器53を経由して、例えば約60℃に昇温され
て、循環水導出ライン57から前記貯湯槽に還流する。
前記純水タンク55には、液面計が設けてあり、液面が
下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置
35を介して、間歇的に補給される。
【0018】次に、回収水系機器30について述べる。
回収水系機器30は、回収水タンク31と、回収水ポン
プ33と、回収水冷却器34等からなる。前記回収水タ
ンク31の上部には、カソードオフガス冷却器52およ
び燃焼排ガスの排ガス冷却器53により冷却されたオフ
空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の
含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布す
ることにより凝縮して、回収水タンク31の下部に回収
する。この回収水を、回収水冷却器34により冷却し
て、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段に
は、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式
凝縮器を設ける場合もある。
回収水系機器30は、回収水タンク31と、回収水ポン
プ33と、回収水冷却器34等からなる。前記回収水タ
ンク31の上部には、カソードオフガス冷却器52およ
び燃焼排ガスの排ガス冷却器53により冷却されたオフ
空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の
含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布す
ることにより凝縮して、回収水タンク31の下部に回収
する。この回収水を、回収水冷却器34により冷却し
て、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段に
は、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式
凝縮器を設ける場合もある。
【0019】上記回収水は、前述のように、水処理装置
で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タン
ク31の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の
水が不足した場合には、補給水として市水が供給され
る。
で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タン
ク31の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の
水が不足した場合には、補給水として市水が供給され
る。
【0020】ところで、上記燃料電池発電装置は、電力
の需要に応じて、起動もしくは停止することが必要であ
る。停止する場合には、原燃料ガスや改質ガス等の可燃
性ガスが系内の一部に充填された状態となっており、ま
た、場所によって異なるものの、改質系は高温度(最高
温度約700℃)で運転しているので、温度を徐々に低
下させるとともに、停止状態において、例えば触媒劣化
が生じないように、可燃性ガス系内を適切な雰囲気に整
えた上で、停止を完結する必要がある。
の需要に応じて、起動もしくは停止することが必要であ
る。停止する場合には、原燃料ガスや改質ガス等の可燃
性ガスが系内の一部に充填された状態となっており、ま
た、場所によって異なるものの、改質系は高温度(最高
温度約700℃)で運転しているので、温度を徐々に低
下させるとともに、停止状態において、例えば触媒劣化
が生じないように、可燃性ガス系内を適切な雰囲気に整
えた上で、停止を完結する必要がある。
【0021】上記観点から、従来、改質系を備えた燃料
電池発電装置においては、その停止時に、改質器系内に
可燃性ガスを残存させず、また燃料電池の燃料極側、空
気極側のガス圧バランスを維持して保護するために、改
質器系内を窒素などの不活性ガスを用いてパージしてい
る。
電池発電装置においては、その停止時に、改質器系内に
可燃性ガスを残存させず、また燃料電池の燃料極側、空
気極側のガス圧バランスを維持して保護するために、改
質器系内を窒素などの不活性ガスを用いてパージしてい
る。
【0022】しかしながら、一般家庭向けなどに用いら
れる燃料電池発電装置においては、不活性ガスを用いる
には、別途そのための設備が必要となるとともに、不活
性ガスの残量管理が必要となるので、不活性ガスを用い
ることは好ましくない。
れる燃料電池発電装置においては、不活性ガスを用いる
には、別途そのための設備が必要となるとともに、不活
性ガスの残量管理が必要となるので、不活性ガスを用い
ることは好ましくない。
【0023】そこで、不活性ガスを用いる方法以外のパ
ージ方法として、例えば、特開平1−183073号公
報には、改質ガス生成用原料としてメタノールを用いる
場合であるが、燃料電池の運転停止時に改質器の燃焼排
ガスを用いてパージする方法が記載されている。また、
特開2000−8701号公報には、運転停止時に、改
質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージした
後、該改質器中の改質触媒の温度が該改質触媒の酸化温
度以下になった時点で、改質器に空気を導入して改質器
系内の水蒸気をパージする方法が記載されている。
ージ方法として、例えば、特開平1−183073号公
報には、改質ガス生成用原料としてメタノールを用いる
場合であるが、燃料電池の運転停止時に改質器の燃焼排
ガスを用いてパージする方法が記載されている。また、
特開2000−8701号公報には、運転停止時に、改
質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージした
後、該改質器中の改質触媒の温度が該改質触媒の酸化温
度以下になった時点で、改質器に空気を導入して改質器
系内の水蒸気をパージする方法が記載されている。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の燃料電池発電装置のパージ方法を採用した
停止方法においては、下記のような問題点があった。
ような従来の燃料電池発電装置のパージ方法を採用した
停止方法においては、下記のような問題点があった。
【0025】前記燃焼排ガスを用いてパージする方法に
おいては、燃焼排ガス中に含まれる酸素によって改質器
中の改質触媒が酸化される。このため次回起動時に水素
などによる還元操作が必要となるばかりでなく、該改質
触媒の劣化が促進されることになってしまう。
おいては、燃焼排ガス中に含まれる酸素によって改質器
中の改質触媒が酸化される。このため次回起動時に水素
などによる還元操作が必要となるばかりでなく、該改質
触媒の劣化が促進されることになってしまう。
【0026】また、前記水蒸気を流通させて可燃性ガス
をパージした後、改質触媒の酸化温度以下になった時点
で、改質器に空気を導入する方法においては、温度が低
いとはいえ、改質触媒およびCO変成触媒(例えば、銅
−亜鉛系触媒)の酸化は徐々に進行するので、寿命の観
点から好ましくない。
をパージした後、改質触媒の酸化温度以下になった時点
で、改質器に空気を導入する方法においては、温度が低
いとはいえ、改質触媒およびCO変成触媒(例えば、銅
−亜鉛系触媒)の酸化は徐々に進行するので、寿命の観
点から好ましくない。
【0027】さらに、前記水蒸気を流通させて可燃性ガ
スをパージした後、水蒸気雰囲気のままで、外気と遮断
する方法もあるが、この場合にも、水蒸気の凝縮に伴
い、系内が減圧・真空状態となり、いずれは空気を吸い
込むので、上記触媒酸化の問題は解消できない。
スをパージした後、水蒸気雰囲気のままで、外気と遮断
する方法もあるが、この場合にも、水蒸気の凝縮に伴
い、系内が減圧・真空状態となり、いずれは空気を吸い
込むので、上記触媒酸化の問題は解消できない。
【0028】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、この発明の課題は、装置の停止時に、空気の侵
入を防ぐ合理的なパージを行なって、触媒酸化の防止を
図り、かつ経済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止
方法を提供することにある。
もので、この発明の課題は、装置の停止時に、空気の侵
入を防ぐ合理的なパージを行なって、触媒酸化の防止を
図り、かつ経済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止
方法を提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明においては、炭化水素系原燃料ガスを水
蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空
気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池
と、燃料改質器と、CO変成器と、CO除去器と、改質
用蒸気を発生する水蒸気発生手段とを有する燃料電池発
電装置の停止方法において、燃料電池発電装置の停止時
に、前記諸機器における可燃性ガス系内に、水蒸気を通
流して前記可燃性ガスをパージし、前記燃料改質器中の
触媒層出口温度が所定温度に低下した時点で、前記原燃
料ガスを導入して前記系内の水蒸気をパージした後、前
記系内を外気と遮断する(請求項1の発明)。
めに、この発明においては、炭化水素系原燃料ガスを水
蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空
気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池
と、燃料改質器と、CO変成器と、CO除去器と、改質
用蒸気を発生する水蒸気発生手段とを有する燃料電池発
電装置の停止方法において、燃料電池発電装置の停止時
に、前記諸機器における可燃性ガス系内に、水蒸気を通
流して前記可燃性ガスをパージし、前記燃料改質器中の
触媒層出口温度が所定温度に低下した時点で、前記原燃
料ガスを導入して前記系内の水蒸気をパージした後、前
記系内を外気と遮断する(請求項1の発明)。
【0030】上記停止方法によれば、可燃性ガス系内
は、原燃料ガスで充填されて空気が吸い込まれることが
ないので、触媒酸化の防止を図ることができる。なお、
可燃性ガスを原燃料ガスで直接置換する前に、可燃性ガ
スの水蒸気パージを行なう理由は、下記のとおりであ
る。
は、原燃料ガスで充填されて空気が吸い込まれることが
ないので、触媒酸化の防止を図ることができる。なお、
可燃性ガスを原燃料ガスで直接置換する前に、可燃性ガ
スの水蒸気パージを行なう理由は、下記のとおりであ
る。
【0031】第1の理由は、可燃性ガスを原燃料ガスで
直接置換する場合には、ガス同士の拡散・混合などの理
由により、通常、置換スペースの5倍のパージガスが必
要であり、原燃料ガスを無駄に消費することとなって、
好ましくない。水蒸気と原燃料ガスとの置換の場合に
は、上記無駄の発生は少ない。
直接置換する場合には、ガス同士の拡散・混合などの理
由により、通常、置換スペースの5倍のパージガスが必
要であり、原燃料ガスを無駄に消費することとなって、
好ましくない。水蒸気と原燃料ガスとの置換の場合に
は、上記無駄の発生は少ない。
【0032】また、第2の理由としては、原燃料ガス
が、高温度の状態にある触媒層に直接接触すると、原燃
料ガス内の炭素が分解して触媒に粘着する、所謂、コー
キングが生ずる。前述のように、水蒸気を通流して可燃
性ガスをパージし、燃料改質器中の触媒層出口温度が所
定温度に低下した時点で、原燃料ガスを導入して系内の
水蒸気をパージする場合には、温度が低く、かつ水蒸気
が混合した環境下にあるので、前記コーキングは発生し
ない。
が、高温度の状態にある触媒層に直接接触すると、原燃
料ガス内の炭素が分解して触媒に粘着する、所謂、コー
キングが生ずる。前述のように、水蒸気を通流して可燃
性ガスをパージし、燃料改質器中の触媒層出口温度が所
定温度に低下した時点で、原燃料ガスを導入して系内の
水蒸気をパージする場合には、温度が低く、かつ水蒸気
が混合した環境下にあるので、前記コーキングは発生し
ない。
【0033】なお、前記触媒層出口温度の所定温度は、
上記コーキングが発生しない条件と、かつ水蒸気発生手
段において水蒸気が発生する条件の両者を満足する温度
に設定する。
上記コーキングが発生しない条件と、かつ水蒸気発生手
段において水蒸気が発生する条件の両者を満足する温度
に設定する。
【0034】前記請求項1の発明の実施態様としては、
下記請求項2ないし5の発明が好ましい。即ち、請求項
1に記載の停止方法において、前記所定温度を400℃
以下とする(請求項2の発明)。前記触媒層出口温度が
約400℃に低下した場合には、前記コーキングの発生
の問題はなく、また約400℃付近であれば、蒸気の発
生は充分に可能である。
下記請求項2ないし5の発明が好ましい。即ち、請求項
1に記載の停止方法において、前記所定温度を400℃
以下とする(請求項2の発明)。前記触媒層出口温度が
約400℃に低下した場合には、前記コーキングの発生
の問題はなく、また約400℃付近であれば、蒸気の発
生は充分に可能である。
【0035】また、前記請求項1または2に記載の停止
方法において、前記燃料改質器は、前記触媒層を中空円
筒状に設けたものとし、かつこの触媒層の外側に、改質
用蒸気を発生する水蒸気発生手段を、前記触媒層の円筒
軸と同心状に配設したものとする(請求項3の発明)。
方法において、前記燃料改質器は、前記触媒層を中空円
筒状に設けたものとし、かつこの触媒層の外側に、改質
用蒸気を発生する水蒸気発生手段を、前記触媒層の円筒
軸と同心状に配設したものとする(請求項3の発明)。
【0036】前記燃料改質器の構成に関しては、本願と
同一出願人から、特願2000−309075号により
出願されている。詳細は後述するが、この構成の燃料改
質器によれば、改質器の運転を停止した後もしばらくの
間は、余熱により水蒸気は効率よく発生する。
同一出願人から、特願2000−309075号により
出願されている。詳細は後述するが、この構成の燃料改
質器によれば、改質器の運転を停止した後もしばらくの
間は、余熱により水蒸気は効率よく発生する。
【0037】さらに、前記請求項1ないし3のいずれか
に記載の停止方法において、前記原燃料ガスを導入して
前記系内の水蒸気をパージする際、前記系外に排出する
原燃料ガスは、前記燃料改質器が備えるバーナもしくは
別途設けたバーナにより燃焼させた後に排出する(請求
項4の発明)。これにより、安全性が確保できる。
に記載の停止方法において、前記原燃料ガスを導入して
前記系内の水蒸気をパージする際、前記系外に排出する
原燃料ガスは、前記燃料改質器が備えるバーナもしくは
別途設けたバーナにより燃焼させた後に排出する(請求
項4の発明)。これにより、安全性が確保できる。
【0038】さらに、前記請求項1ないし4のいずれか
に記載の停止方法において、前記原燃料ガスを導入して
前記系内の水蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮
断するタイミングは、水蒸気をパージ可能な予め求めた
所定時間とし、外気との遮断は、燃料電池から燃料改質
器への排水素供給ラインに設けた開閉弁もしくは逆止弁
により行なうこととする(請求項5の発明)。これによ
り、簡便に外気との遮断を行なうことができる。
に記載の停止方法において、前記原燃料ガスを導入して
前記系内の水蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮
断するタイミングは、水蒸気をパージ可能な予め求めた
所定時間とし、外気との遮断は、燃料電池から燃料改質
器への排水素供給ラインに設けた開閉弁もしくは逆止弁
により行なうこととする(請求項5の発明)。これによ
り、簡便に外気との遮断を行なうことができる。
【0039】
【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施例に
ついて以下にのべる。
ついて以下にのべる。
【0040】図1は、この発明に関わる実施例を示す系
統図であり、図3と同じ機能を有する部材には同一の番
号を付して説明を省略する。また、図1においては、説
明の便宜上、図3に示したシステム系統の内、可燃性ガ
ス系を主体として、一部追加変更して示し、電池冷却水
系や回収水系等の他の系統は一部省略して示す。
統図であり、図3と同じ機能を有する部材には同一の番
号を付して説明を省略する。また、図1においては、説
明の便宜上、図3に示したシステム系統の内、可燃性ガ
ス系を主体として、一部追加変更して示し、電池冷却水
系や回収水系等の他の系統は一部省略して示す。
【0041】図1においては、水蒸気発生器14を改質
器11とは離れた位置に示す。また、図1の改質器11
においては、バーナ11aと触媒層11bとを明示し、
さらに起動時の、バーナへの原燃料供給ライン19aお
よび同ライン上に設けた遮断弁を示す。さらにまた、C
O変成器12およびCO除去器13においては、それぞ
れ、昇温用の電気ヒータ12aおよび12bを示すが、
実質的に図3と同一である。
器11とは離れた位置に示す。また、図1の改質器11
においては、バーナ11aと触媒層11bとを明示し、
さらに起動時の、バーナへの原燃料供給ライン19aお
よび同ライン上に設けた遮断弁を示す。さらにまた、C
O変成器12およびCO除去器13においては、それぞ
れ、昇温用の電気ヒータ12aおよび12bを示すが、
実質的に図3と同一である。
【0042】図1と図3とのシステム構成上の相違点
は、触媒層11bの出口部に温度センサ2を設けた点
と、燃料電池の燃料極10aから改質器バーナ11aへ
の排水素供給ライン19上に、逆止弁4を設けた点と、
触媒層11bへの原燃料ガスの供給ライン上に、原燃料
ガス開閉弁3を設けた点である。
は、触媒層11bの出口部に温度センサ2を設けた点
と、燃料電池の燃料極10aから改質器バーナ11aへ
の排水素供給ライン19上に、逆止弁4を設けた点と、
触媒層11bへの原燃料ガスの供給ライン上に、原燃料
ガス開閉弁3を設けた点である。
【0043】図1に示す構成において、燃料電池発電装
置を停止する際には、可燃性ガス系内に、まず開閉弁3
を閉として原燃料ガスの供給を止める一方、水蒸気の供
給を継続して前記可燃性ガスをパージし、温度センサ2
の温度、即ち、燃料改質器中の触媒層出口温度が所定温
度に低下した時点で、原燃料ガス開閉弁3を開として原
燃料ガスを導入し、前記系内の水蒸気を所定時間パージ
する。所定時間パージした後、前記原燃料ガス開閉弁3
を閉とすれば、前記系内は、逆止弁4の作用により、バ
ーナ11a側からの空気の流入を回避して、外気と遮断
することができる。
置を停止する際には、可燃性ガス系内に、まず開閉弁3
を閉として原燃料ガスの供給を止める一方、水蒸気の供
給を継続して前記可燃性ガスをパージし、温度センサ2
の温度、即ち、燃料改質器中の触媒層出口温度が所定温
度に低下した時点で、原燃料ガス開閉弁3を開として原
燃料ガスを導入し、前記系内の水蒸気を所定時間パージ
する。所定時間パージした後、前記原燃料ガス開閉弁3
を閉とすれば、前記系内は、逆止弁4の作用により、バ
ーナ11a側からの空気の流入を回避して、外気と遮断
することができる。
【0044】前記手順について、図1に基づき詳細に述
べる。まず、可燃性ガスをパージするための水蒸気は、
ポンプ54から供給された水が、CO変成器12および
CO除去器13内の熱交換器を経由して予熱され、水蒸
気発生器14において、改質器バーナ停止後の余熱によ
り水蒸気となる。この水蒸気は、触媒層11b,CO変
成器12およびCO除去器13,燃料極10a,排水素
供給ライン19を経て、バーナ11aに到達し、その
後、改質器11の燃焼排ガスラインを経て、水蒸気発生
器14から排気される。なお、水蒸気の一部は、例え
ば、燃料極10aにおいて凝縮して水となり、残部が水
蒸気の状態で移動する。
べる。まず、可燃性ガスをパージするための水蒸気は、
ポンプ54から供給された水が、CO変成器12および
CO除去器13内の熱交換器を経由して予熱され、水蒸
気発生器14において、改質器バーナ停止後の余熱によ
り水蒸気となる。この水蒸気は、触媒層11b,CO変
成器12およびCO除去器13,燃料極10a,排水素
供給ライン19を経て、バーナ11aに到達し、その
後、改質器11の燃焼排ガスラインを経て、水蒸気発生
器14から排気される。なお、水蒸気の一部は、例え
ば、燃料極10aにおいて凝縮して水となり、残部が水
蒸気の状態で移動する。
【0045】温度センサ2の温度が、約400℃に低下
した時点で、原燃料ガス開閉弁3を開として原燃料ガス
を導入し、前記系内の水蒸気を所定時間パージする。こ
の場合、原燃料ガスは、触媒層11b,CO変成器12
およびCO除去器13,燃料極10a,排水素供給ライ
ン19を経て、バーナ11aに到達し、バーナ11aに
おいて燃焼した後排出する。
した時点で、原燃料ガス開閉弁3を開として原燃料ガス
を導入し、前記系内の水蒸気を所定時間パージする。こ
の場合、原燃料ガスは、触媒層11b,CO変成器12
およびCO除去器13,燃料極10a,排水素供給ライ
ン19を経て、バーナ11aに到達し、バーナ11aに
おいて燃焼した後排出する。
【0046】原燃料ガスを導入して前記系内の水蒸気を
所定時間パージした後、原燃料ガス開閉弁3を閉とすれ
ば、逆止弁4の作用により、バーナ11a側からの空気
の流入を回避して、前記系内は、簡便に外気と遮断する
ことができる。
所定時間パージした後、原燃料ガス開閉弁3を閉とすれ
ば、逆止弁4の作用により、バーナ11a側からの空気
の流入を回避して、前記系内は、簡便に外気と遮断する
ことができる。
【0047】さらに、請求項2の発明に関わる改質シス
テムの実施例について述べる。図2は、前記特願200
0−309075号において開示された改質システムの
構成の一例を示す。前述のように、図2に示す燃料改質
器は、触媒層を中空円筒状に設けたものとし、かつこの
触媒層の外側に、改質用蒸気を発生する水蒸気発生手段
を、前記触媒層の円筒軸と同心状に配設したものであ
る。なお、図2に示す例においては、CO変成器も同心
状に設けて一体化した例を示し、この種の構成について
は、種々の変形例について出願している。
テムの実施例について述べる。図2は、前記特願200
0−309075号において開示された改質システムの
構成の一例を示す。前述のように、図2に示す燃料改質
器は、触媒層を中空円筒状に設けたものとし、かつこの
触媒層の外側に、改質用蒸気を発生する水蒸気発生手段
を、前記触媒層の円筒軸と同心状に配設したものであ
る。なお、図2に示す例においては、CO変成器も同心
状に設けて一体化した例を示し、この種の構成について
は、種々の変形例について出願している。
【0048】図2に示す改質システムは、原燃料ガスを
水素濃度の高い改質ガスヘと改質する燃料改質手段の外
側に改質用水を加熱して改質用蒸気を発生する改質用蒸
気発生手段を備えた燃料改質器12Bと、その外周に断
熱層41を介して配されたCO変成器14Aとから構成
されている。
水素濃度の高い改質ガスヘと改質する燃料改質手段の外
側に改質用水を加熱して改質用蒸気を発生する改質用蒸
気発生手段を備えた燃料改質器12Bと、その外周に断
熱層41を介して配されたCO変成器14Aとから構成
されている。
【0049】即ち、燃料改質器12Bは、基本的に、内
側円筒、中間円筒および外側円筒よりなる三重円筒構造
である。内側円筒の内部の空間の下部にはバーナー1が
設置されており、燃料電池の燃料極より排出された水素
を含む燃料極排ガスが空気とともに導入され、燃焼され
る。燃焼ガスは、原燃料ガス加熱用の熱媒体として最内
部空間を下部より上部へと流れ、上端より排出される。
側円筒、中間円筒および外側円筒よりなる三重円筒構造
である。内側円筒の内部の空間の下部にはバーナー1が
設置されており、燃料電池の燃料極より排出された水素
を含む燃料極排ガスが空気とともに導入され、燃焼され
る。燃焼ガスは、原燃料ガス加熱用の熱媒体として最内
部空間を下部より上部へと流れ、上端より排出される。
【0050】この最内部空間の外側に隣接する内側円筒
と中間円筒とで形成される空間には、燃料改質用の触媒
6が充填されており、最内部空間を流れる燃焼ガスによ
り加熱されて所定の温度に保持される。原燃料ガスは上
部に設けられた導入口より触媒6の内部へと導かれ、下
部へ流れるに従つて加熱され、同時に水素濃度の高い改
質ガスヘと改質される。得られた高温の改質ガスは、下
端において中間円筒と外側円筒により形成される外側空
間へと導かれ、上方へと流れた後、燃料改質器12Bよ
り排出される。
と中間円筒とで形成される空間には、燃料改質用の触媒
6が充填されており、最内部空間を流れる燃焼ガスによ
り加熱されて所定の温度に保持される。原燃料ガスは上
部に設けられた導入口より触媒6の内部へと導かれ、下
部へ流れるに従つて加熱され、同時に水素濃度の高い改
質ガスヘと改質される。得られた高温の改質ガスは、下
端において中間円筒と外側円筒により形成される外側空
間へと導かれ、上方へと流れた後、燃料改質器12Bよ
り排出される。
【0051】燃料改質器12Bの外側円筒の外周には、
改質用水を加熱して改質用蒸気を発生するための改質用
水配管7が螺旋状に巻回されており、内側の空間を流れ
る高温の改質ガスの熱を有効に利用して改質用蒸気を発
生している。得られた改質用蒸気は、燃料改質器12B
より取出され、外部より送られる原燃料と混合されて改
質触媒層へと導かれる。なお、図2に見られるように、
改質用水を改質用水配管7の上部から供給して下方へと
送る構成とし、改質用水の突沸による蒸気の脈動の発生
を未然に防止している。なお、図2において、部番42
はCO変成触媒を示す。
改質用水を加熱して改質用蒸気を発生するための改質用
水配管7が螺旋状に巻回されており、内側の空間を流れ
る高温の改質ガスの熱を有効に利用して改質用蒸気を発
生している。得られた改質用蒸気は、燃料改質器12B
より取出され、外部より送られる原燃料と混合されて改
質触媒層へと導かれる。なお、図2に見られるように、
改質用水を改質用水配管7の上部から供給して下方へと
送る構成とし、改質用水の突沸による蒸気の脈動の発生
を未然に防止している。なお、図2において、部番42
はCO変成触媒を示す。
【0052】上記構成によれば、改質器の運転を停止し
た後もしばらくの間は、余熱により水蒸気は効率よく発
生する。
た後もしばらくの間は、余熱により水蒸気は効率よく発
生する。
【0053】
【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、炭化
水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと
酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電
気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、CO変成器
と、CO除去器と、改質用蒸気を発生する水蒸気発生手
段とを有する燃料電池発電装置の停止方法において、燃
料電池発電装置の停止時に、前記諸機器における可燃性
ガス系内に、水蒸気を通流して前記可燃性ガスをパージ
し、前記燃料改質器中の触媒層出口温度が所定温度に低
下した時点で、前記原燃料ガスを導入して前記系内の水
蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮断することと
したので、装置の停止時に、空気の侵入を防止した合理
的なパージを行なって、触媒酸化の防止を図り、かつ経
済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止方法を提供す
ることができる。
水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと
酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電
気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、CO変成器
と、CO除去器と、改質用蒸気を発生する水蒸気発生手
段とを有する燃料電池発電装置の停止方法において、燃
料電池発電装置の停止時に、前記諸機器における可燃性
ガス系内に、水蒸気を通流して前記可燃性ガスをパージ
し、前記燃料改質器中の触媒層出口温度が所定温度に低
下した時点で、前記原燃料ガスを導入して前記系内の水
蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮断することと
したので、装置の停止時に、空気の侵入を防止した合理
的なパージを行なって、触媒酸化の防止を図り、かつ経
済的にも好ましい燃料電池発電装置の停止方法を提供す
ることができる。
【図1】この発明の燃料電池発電装置の停止方法の実施
例に関わる系統図
例に関わる系統図
【図2】図1の燃料電池発電装置における改質システム
の実施例を示す構成断面図
の実施例を示す構成断面図
【図3】従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
2:温度センサ、3:原燃料ガス開閉弁、4:逆止弁、
10:燃料電池、11:改質器、11a:バーナ、11
b:触媒層、12:CO変成器、13:CO除去器、1
4:水蒸気発生器。
10:燃料電池、11:改質器、11a:バーナ、11
b:触媒層、12:CO変成器、13:CO除去器、1
4:水蒸気発生器。
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
Claims (5)
- 【請求項1】 炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して
得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化
学反応に基づいて電気を発生する燃料電池と、燃料改質
器と、CO変成器と、CO除去器と、改質用蒸気を発生
する水蒸気発生手段とを有する燃料電池発電装置の停止
方法において、 燃料電池発電装置の停止時に、前記諸機器における可燃
性ガス系内に、水蒸気を通流して前記可燃性ガスをパー
ジし、前記燃料改質器中の触媒層出口温度が所定温度に
低下した時点で、前記原燃料ガスを導入して前記系内の
水蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮断すること
を特徴とする燃料電池発電装置の停止方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の停止方法において、前
記所定温度を400℃以下とすることを特徴とする燃料
電池発電装置の停止方法。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の停止方法にお
いて、前記燃料改質器は、前記触媒層を中空円筒状に設
けたものとし、かつこの触媒層の外側に、改質用蒸気を
発生する水蒸気発生手段を、前記触媒層の円筒軸と同心
状に配設したものとすることを特徴とする燃料電池発電
装置の停止方法。 - 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の停
止方法において、前記原燃料ガスを導入して前記系内の
水蒸気をパージする際、前記系外に排出する原燃料ガス
は、前記燃料改質器が備えるバーナもしくは別途設けた
バーナにより燃焼させた後に排出することを特徴とする
燃料電池発電装置の停止方法。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の停
止方法において、前記原燃料ガスを導入して前記系内の
水蒸気をパージした後、前記系内を外気と遮断するタイ
ミングは、水蒸気をパージ可能な予め求めた所定時間と
し、外気との遮断は、燃料電池から燃料改質器への排水
素供給ラインに設けた開閉弁もしくは逆止弁により行な
うことを特徴とする燃料電池発電装置の停止方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002085430A JP2003282114A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 燃料電池発電装置の停止方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002085430A JP2003282114A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 燃料電池発電装置の停止方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003282114A true JP2003282114A (ja) | 2003-10-03 |
Family
ID=29232401
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---|---|---|---|
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003282114A (ja) |
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- 2002-03-26 JP JP2002085430A patent/JP2003282114A/ja active Pending
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