JP2005071934A - 燃料電池システム及びその起動停止保管方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒素供給設備等を設けなくても安全に燃料電池システム１０の起動停止及びその保管が行えるようにする。
【解決手段】 原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質系２と、該燃料改質系２からの燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体１とを備えた燃料電池システム１０において、燃料改質系２への原燃料の流入を制御する入口開閉器７と、燃料改質系２からの燃料ガスの流出を制御する出口開閉器８と、燃料電池システム１０を停止させる際に、入口開閉器７及び出口開閉器８を閉じる制御部６とを備えて、燃料電池システム１０の停止時には燃料改質系２内に残留している燃料ガスを当該燃料改質系２内に閉じ込めることで安全性を確保する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒素ガスによるパージ等を行うことなく安全に起動停止及び保管することができる燃料電池システム及びその起動停止保管方法に関する。

燃料電池システムは、燃料改質系を備えて原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して、燃料電池本体で当該燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行っている。

ところが、燃料電池システムの停止中に、可燃性の原燃料又は燃料ガスが燃料改質系等に残留していると、それが機外に漏れて発火してしまうような恐れがある。

そこで、燃料電池システムを停止させる際に、燃料改質系に残っている原燃料又は燃料ガスをシステム外に排出するために、窒素パージを行う提案がなされている（特許文献１参照）。

図５は、かかる燃料電池システムの概略構成を示した図で、当該燃料電池システムは、燃料電池本体１、燃料改質系２、窒素供給設備５等を備えている。

そして、燃料電池システムの停止時には、燃料改質系入口弁３を閉じて、燃料改質系２への原燃料の供給を停止する。

その後、窒素弁６を開けて窒素供給設備５から燃料改質系２に窒素ガスを導入して、当該燃料改質系２等に残留する原燃料又は燃料ガスを窒素ガスで置換している。

また、最近では燃料電池システムの一般家庭用への導入を考慮し、例えば燃料改質系２等を水蒸気でパージして可燃ガスを置換し、その後に燃料改質系２等で生成される凝縮水を除去するために空気でパージするという停止方法や、プラント排ガスを有効に活用して燃料改質系２等のパージを行なう方法が提案されている。
特開２００２−１５１１２４号公報

しかしながら、窒素ガスを用いて燃料改質系２等をパージする場合は、窒素供給設備５や窒素ガスが別途必要になると共に、窒素ガスの配管が必要となって、システムの複雑化、大型化、システムのコストアップ、ランニングコストアップを招く問題があった。

また、このような窒素ガスによるパージを行う燃料電池システムを一般家庭に導入する場合には、大型化に伴い設置面積の確保が困難になると共に、窒素ガスの補給システムが未熟であるため、普及が進まない問題があった。

また、水蒸気と空気とを用いて燃料改質系２等をパージする方法は、水蒸気系統を持たない部分酸化型改質器を搭載する燃料電池システムには適用できない問題があった。

さらに、プラント排ガスを用いて燃料改質系２等をパージする方法は、排ガス生成のために原燃料ブロワやバーナ空気ブロワなどの補機動力を別途設けて、プラントの運転停止後に該補機動力を駆動するため、新たな設備が必要になると共に当該補機動力を駆動するための電力が必要となる問題があった。

そこで、本発明は、上述したような窒素供給設備や補機等を設けなくても安全に燃料電池システムの起動停止及びその保管が行えるようにした燃料電池システム及びその起動停止保管方法を提供することを目的とする。

課題を解決するため、燃料電池システムにかかる発明は、原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質系と、該燃料改質系からの燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料改質系の入口を開閉する入口開閉器と、燃料改質系の出口を開閉する出口開閉器と、燃料電池システムを停止させる際に、入口開閉器及び出口開閉器を制御して燃料改質系の入口及び出口を閉じる制御部とを備えて、燃料改質系内に残留している燃料ガスを当該燃料改質系内に閉じ込めることで安全性を向上させた特徴とする。

また、燃料電池システムの起動停止保管方法にかかる発明は、原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質系と、該燃料改質系からの燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムを停止する際には、燃料改質系を孤立系にして該燃料改質系内に残留している燃料ガスを当該燃料改質系内に閉じ込め、燃料電池システムを起動する際には、燃料改質系に原燃料を流入させた後に、当該燃料改質系で生成された燃料ガスの供給を行うようにして、燃料電池システムの起動停止保管時における安全性を向上させた特徴とする。

本発明によれば、燃料改質系の残留燃料ガスを、この燃料改質系に閉じ込めるようにしたので、窒素ガスや水蒸気等により残留燃料ガスのパージを行わなくても燃料電池システムの起動停止保管が安全性に行えるようになり、燃料電池システムの簡素化、低コスト化、コンパクト化及びランニングコストの低減が可能となる。

また、窒素供給設備を必要としないため、燃料電池システム１０の一般家庭への普及が促進できるようになる。

さらに、水蒸気系統を持たない部分酸化型改質器を搭載する燃料電池システムにも適用できるため、幅広い利用が可能になる。

本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は第１の実施の形態の説明に適用される燃料電池システムの発明の要部を示すブロック図である。なお、従来と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。

当該燃料電池システム１０は、燃料電池本体１、燃料改質系２、該燃料改質系２の入口及び出口に設けられた入口開閉器７及び出口開閉器８、該入口開閉器７及び出口開閉器８を制御する制御部６等を有している。

なお、入口開閉器７及び出口開閉器８としては、「開」「閉」の２値的に動作する弁の適用が可能であるが、開度が調整可能な弁であっても良い。

このような燃料電池システム１０の起動停止は、以下のように行われる。先ず、燃料電池システム１０を停止する場合は、制御部６が入口開閉器７及び出口開閉器８を制御して、燃料改質系２の入口及び出口をこの順で閉じる。

これにより燃料改質系２内の残留燃料ガスは、当該燃料改質系２内に閉込められた状態となるので、この残留燃料ガスが外部に漏れたりする恐れがなくなる。

一方、このような停止状態から起動を行う場合には、図２に示すように、制御部６は先ず入口開閉器７を制御して入口を開くことにより（Ｐ１の状態）、原燃料を燃料改質系２に導入する。これにより、燃料改質系２の圧力が上昇して大気圧以上になると出口開閉器８を制御して出口を開く（Ｐ２の状態）。

このように先に入口を開き、次に出口を開くのは、以下の理由による。

即ち、入口及び出口が閉じられて燃料電池システム１０が停止すると、孤立系となった燃料改質系２の圧力は温度の低下に伴い下がって負圧状態になることがある。

この負圧状態で入口より先に出口を開くと、燃料改質系２より下流側の配管に空気が含まれていると、当該空気が燃料改質系２に逆流して、燃料改質系２内で水素と反応してしまう事態が生じる。

そこで、先ず入口を開いて燃料改質系２の圧力を大気圧以上にし、その後に出口を開くことで燃料改質系２より下流側の配管に空気が含まれていても当該空気が燃料改質系２に流入しないようにしている。

以上の構成により、窒素ガスや水蒸気等により残留燃料ガスのパージを行わなくても燃料電池システムの起動停止保管が安全性に行えるようになり、燃料電池システムの簡素化、低コスト化、コンパクト化及びランニングコストの低減が可能となる。

また、窒素供給設備を必要としないため、燃料電池システム１０の一般家庭への普及が促進できるようになる。

さらに、水蒸気系統を持たない部分酸化型改質器を搭載する燃料電池システムにも適用できるため、幅広い利用が可能になる。

なお、上記説明では、入口開閉器７及び出口開閉器８を制御して入口及び出口を開く際には、ステップ的に開く場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、徐々に開くようにしても良い。

図３は、入口を徐々に開く場合のタイミングを示した図で、起動する際には、先ず入口を徐々に開いて（Ｐ３の状態）燃料改質系２の圧力が大気圧以上になって配管中の空気が燃料改質系２に逆流する恐れが無くなったところで出口を開く（Ｐ４の状態）ように入口開閉器７及び出口開閉器８を制御する。

このように入口を徐々に開くのは、当該入口をステップ的に開くことにより原燃料が燃料改質系２に突入するのを防止して、該原燃料の突入による燃料改質系２に用いられている触媒等への影響を抑制するためである。

なお、出口を開く際にも同様の理由により、徐々に開くことが好ましい。即ち、出口を開く際には入口は既に開かれているため、当該出口をステップ的に開くと燃料改質系２の圧力が急減して、原燃料の突入が起きてしまう。これを防止するため、出口を開く際にも徐々に開くように出口開閉器８を制御することが好ましい。

但し、出口をステップ的に開いたときの燃料改質系２の圧力変動は、入口をステップ的に開いたときの燃料改質系２の圧力変動より小さいので、その分だけ出口は入口より速い速度で開くことが可能である。

このように、入口や出口を徐々に開くようにするためには、例えば入口開閉器７及び出口開閉器８を電動弁として、制御部６がその駆動電流をアナログ的に又ディジタル的に徐々に変化させて駆動することにより可能となる。

以上により、触媒等の特性劣化を防止しながら、安全に燃料電池システム１０を起動停止することが可能になる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は、本実施の形態の説明に適用される燃料電池システムの停止保管時における入口開閉器の動作を示すタイミングチャートである。なお、第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

第１の実施の形態は、燃料電池システム１０の起動停止に関するものであった。これに対し、本実施の形態では燃料電池システム１０の保管中（停止中）に関するものである。

先に述べたように、燃料電池システム１０の停止により燃料改質系２の圧力は徐々に低くなる。通常、燃料改質系２は原燃料の圧力に耐えるように設計されるが、その際に当該燃料改質系２が負圧になる状態については余り考慮されていない。

従って、燃料改質系２の入口及び出口が閉じられて孤立した状態が長時間続くと、場合によっては縮爆が起きることが危惧される。

そこで、本発明では、燃料電池システム１０が停止してから所定時間毎に又は燃料改質系２の圧力が所定圧力になると、図４に示すように、制御部６は所定時間ｔだけ入口開閉器７を制御して入口を開くことにより、原燃料を燃料改質系２に導入する。

これにより、燃料電池システム１０が停止している間でも、燃料改質系２の圧力が調整されるため縮爆が起きるような不都合が防止できるようになる。

本発明の各実施の形態の説明に適用される燃料電池システムの要部を示すブロック図である。 起動時における入口開閉器及び出口開閉器の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 起動時における入口開閉器を徐々に開く場合のタイミングチャートである。 第２の実施の形態の説明に適用される燃料電池システムの停止保管時における入口開閉器の動作を示すタイミングチャートである。 従来の技術の説明に適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 燃料改質系
６ 制御部
７ 入口開閉器
８ 出口開閉器
１０ 燃料電池システム

Claims (7)

1. 原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質系と、該燃料改質系からの燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料改質系の入口を開閉する入口開閉器と、
   前記燃料改質系の出口を開閉する出口開閉器と、
   前記燃料電池システムを停止させる際に、前記入口開閉器及び出口開閉器を制御して前記燃料改質系の入口及び出口を閉じる制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部が前記入口開閉器及び出口開閉器を制御して、前記燃料改質系の入口及び出口を開き、その際には前記入口を開いた後で前記出口を開くように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部が、前記入口開閉器及び出口開閉器を制御して、前記出口に先立ち前記入口を開き、その際には当該入口が徐々に開くように制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部が、前記燃料電池システムの停止中に、前記燃料改質系の圧力に応じて、又は所定時間毎に前記入口のみを開くように前記入口開閉器を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
5. 原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質系と、該燃料改質系からの燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムを停止する際には、前記燃料改質系を孤立系にして該燃料改質系内に残留している前記燃料ガスを当該燃料改質系内に閉じ込め、前記燃料電池システムを起動する際には、前記燃料改質系に前記原燃料を流入させた後に、当該燃料改質系で生成された前記燃料ガスの供給を行うことを特徴とする燃料電池システムの起動停止保管方法。
6. 前記燃料電池システムの起動時には、前記燃料改質系の圧力が徐々に変化するように前記原燃料の流入量や前記燃料ガスの流出量を調整することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの起動停止保管方法。
7. 前記燃料電池システムを停止させて保管する際には、所定時間毎に又は前記燃料改質系の圧力に応じて前記原燃料を当該燃料改質系に導入して該燃料改質系の圧力が負圧にならないようにすることを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システムの起動停止保管方法。