JP2005122977A - 燃料電池発電装置、及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置の運転停止時、燃料電池発電装置の正常なパージ動作が不能となっても、燃料電池発電装置を損傷することなく、かつ安全に停止させることが可能な燃料電池発電装置及びその運転方法を提供する。
【解決手段】燃料を用いて発電する燃料電池１と、前記燃料の流通経路のパージを行うためのパージ用空気供給手段６と、空気以外の流体供給手段３とを備え、その停止の際に、前記燃料の流通経路の少なくとも一部に対し、残存する前記燃料のパージを前記空気以外の流体を用いて行い、その後、残存する前記空気以外の流体のパージをパージ用空気を用いて行う燃料電池発電装置１００及びその運転方法であって、前記空気以外の流体の供給が異常か否かを判断するパージ動作判断手段８を有し、異常であると判断した場合に、前記パージ用空気を用いたパージを行わない。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池発電装置、及びその運転方法に関する。

近年、炭酸ガスによる地球温暖化や酸性雨等の影響により、地球規模での環境問題に対する関心が高まっている。そのため、電源開発の分野においては、高効率で、かつ炭酸ガスを排出しないクリ−ンなエネルギ−変換が可能な燃料電池発電装置に対する注目が集まっている。

図４は、従来の燃料電池発電装置の構成の一例を模式的に示す機能ブロック図である。

図４に示すように、従来の燃料電池発電装置４００は、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスを改質し水素を豊富に含む燃料ガスを生成して燃料電池１に供給する燃料処理器２と、燃料処理器２に天然ガスを供給する天然ガス供給装置１１と、天然ガスの改質に必要な水を燃料処理器２に供給する水供給装置３と、燃料電池１から排出される排出ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するブロア５と、燃料処理器２にパージ用の空気を供給する空気供給装置６と、燃料処理器２にパージ用の窒素を供給する窒素供給装置７と、燃料電池発電装置４００の動作を制御する制御装置４０１とを有している。

この従来の燃料電池発電装置４００を運転して発電を行う場合には、燃料処理器２において、水素を豊富に含む燃料ガスを原料ガスである天然ガスを改質して生成する。この時、天然ガスを改質するために必要な水が、水供給装置３から燃料処理器２に供給される。そして、その生成した燃料ガスを、所定の配管を通して燃料電池１に供給する。一方、ブロア５を動作させて、酸化剤ガスである空気を、所定の配管を通して燃料電池１に供給する。すると、燃料電池１では、燃料処理器２から供給される燃料ガスと、ブロア５から供給される空気とが用いられて発電が行われる。尚、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃焼器４に供給され、該燃焼器４において燃焼される。この燃焼器４において余剰の燃料ガスが燃焼して発生する熱は、燃料処理器２の加熱に利用される。そして、燃料電池１で発電された所定の電圧の直流は図示しない直交変換装置に入力され、この直交変換装置において所定の電圧の交流に変換される。これにより、燃料電池発電装置４００からは、所定の電圧の交流が出力されるようになる。尚、燃料電池発電装置４００の全ての動作は、制御装置４０１によって適宜制御される。

この従来の燃料電池発電装置４００では、燃料電池発電装置４００の運転を停止する際には、燃料電池発電装置４００の安全性を維持するために、水素が豊富な燃料ガスを流路内から排出する必要がある。そこで、燃料電池発電装置４００の運転を停止する際、先ず窒素供給装置７を動作させて燃料ガスが流れる流路内に窒素を供給し、前記流路内の燃料ガスを燃焼器４から排出する。その後、空気供給装置６を動作させて前記流路内の窒素を空気でパージする。これにより、燃料ガスが流れる全ての流路内が空気でパージされるので、燃料電池発電装置４００は、安全に保たれる。

ところで、このように動作する従来の燃料電池発電装置４００では、燃料ガスが流れる流路内に窒素を供給するための窒素供給装置７は、燃料電池発電装置４００の運転を停止する際に燃料ガスを前記流路内から排出するためだけに配設されている。つまり、燃料電池発電装置４００を立ち上げる際や、燃料電池発電装置４００が発電運転を行っている時には、窒素供給装置７は全く使われることが無く一切機能していない。このように、従来の燃料電池発電装置４００では、使用比率の低い設備も燃料電池発電装置４００の構成要素として配設する必要があったため、燃料電池発電装置４００の低価格化が阻害されているという問題があった。

そこで、燃料電池発電装置４００の低価格化が阻害される問題を回避すべく、窒素供給装置７の代わりに燃料処理器２を用い、燃料電池発電装置４００の運転停止時、水供給装置３を動作させて燃料処理器２に水を供給して水蒸気を発生させ、この燃料処理器２で発生した水蒸気を燃料ガスが流れる流路内に供給することによって、前記流路内から燃料ガスを排出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる方法が用いられる燃料電池発電装置では、燃料処理器を用いて燃料ガスを排出することが可能であり、これによって、窒素等の不活性ガスの供給に係る設備が不要となるため、燃料電池発電装置の低コスト化が具現化される。
特開２００２−８７０１号公報

上述したように、燃料処理器に水を供給して水蒸気を発生させ、その発生した水蒸気を燃料ガスが流れる流路内に供給することにより前記流路内から燃料ガスを排出する方法によれば、窒素供給装置を動作させる場合と同様に前記流路内から燃料ガスを排出することが可能になるので、窒素供給装置は不要となる。つまり、燃料電池発電装置の低価格化が阻害されるという問題は解決される。

しかしながら、上記提案の燃料処理器で水蒸気を発生させ、その発生した水蒸気を燃料ガスが流れる流路内に供給して該流路内の燃料ガスを排出する形態の燃料電池発電装置では、水供給装置が正常に機能する場合には燃料ガスの排出は確実に行われるが、水供給装置に不具合が発生して燃料処理器に対する水の供給ができなくなった場合には、燃料処理器内において水蒸気を発生することができないため、前記流路内の燃料ガスを排出することができない。そして、この場合には、燃料電池発電装置の運転停止時において前記流路内に水素を豊富に含む燃料ガスが滞留したままの状態で該流路内にパージ用の空気を供給することになるので、前記滞留する燃料ガスと前記供給する空気とが相互に反応して発熱し、この発熱によって燃料処理器や燃料電池等、燃料ガスが流れる流路を有する機器が損傷する可能性がある。又、上記燃料ガスと空気との反応が急激に進行した場合には、燃料電池発電装置自体が動作不能になる可能性がある。

本発明は、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、燃料電池発電装置の運転停止時、燃料電池発電装置の正常なパージ動作が不能となっても、燃料電池発電装置を損傷することなく、かつ安全に停止させることが可能な燃料電池発電装置、及びその運転方法を提供することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る燃料電池発電装置及びその運転方法は、燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料の流通経路のパージを行うためのパージ用空気を供給する第１のパージ用流体供給手段と、前記燃料の流通経路のパージを行うための空気以外の流体を供給する第２のパージ用流体供給手段とを備え、その停止の際に、前記燃料の流通経路の少なくとも一部に対し、残存する前記燃料のパージを前記第２のパージ用流体供給手段から供給される前記空気以外の流体を用いて行い、その後、残存する前記空気以外の流体のパージを前記第１のパージ用流体供給手段から供給されるパージ用空気を用いて行う燃料電池発電装置及びその運転方法であって、前記第２のパージ用流体供給手段からの前記空気以外の流体の供給が異常か否かを判断するパージ動作判断手段を有し、前記パージ動作判断手段が前記空気以外の流体の供給が異常であると判断した場合に、前記パージ用空気を用いたパージを行わない（請求項１，９）。かかる構成とすると、燃料電池発電装置を正常に停止できない場合であっても、燃料電池発電装置を損傷することなく、かつ安全に停止させることが可能になる。

この場合、前記空気以外の流体が水蒸気である（請求項２）。かかる構成とすると、残存する燃料を安全にパージすることが可能になる。

又、原料ガスと水とから前記燃料を生成してこれを前記燃料電池に供給する燃料処理器を有し、前記燃料電池発電装置の停止の際に、前記燃料処理器が前記水を用いて前記空気以外の流体としての水蒸気を発生し、それにより、前記燃料処理器が前記第２のパージ用流体供給手段として機能する（請求項３）。かかる構成とすると、水蒸気を生成するための第２のパージ用流体供給手段を新たに配設する必要が無くなるので、燃料電池発電装置の構成の複雑化を防止することが可能になる。

又、前記水を燃料処理器に供給する水供給装置を有し、前記パージ動作判断手段は、前記水の供給が異常であると判断した場合に、前記空気以外の流体の供給が異常であると判断する（請求項４）。かかる構成とすると、水供給装置からの水の供給が異常となった場合に空気以外の流体の供給が異常であると判断されるので、燃料電池発電装置を損傷することなく安全に停止させることが可能になる。

又、前記パージ動作判断手段は、前記水の供給量が所定値以下である場合に、前記水の供給が異常であると判断する（請求項５）。かかる構成とすると、水供給装置から供給される水の量に基づいて異常が判断されるので、燃料電池発電装置を的確にかつ安全に停止させることが可能になる。

又、前記パージ動作判断手段は、前記燃料電池発電装置が運転時に前記燃料処理器の温度が所定値以上となって運転を停止した場合に、前記水の供給が異常であると判断する（請求項６）。かかる構成とすると、燃料処理器の温度に基づいて異常が判断されるので、燃料電池発電装置を的確にかつ安全に停止させることが可能になる。

又、前記原料ガスを前記燃料電池に前記燃料処理器をバイパスして供給するバイパス手段を有し、前記燃料処理器内に残留する前記燃料を前記発生する水蒸気でパージし、かつ前記燃料電池内に残留する前記燃料を前記バイパス手段から前記供給される原料ガスでパージする（請求項７）。かかる構成としても、残存する燃料を安全にパージすることが可能になる。

又、前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置を有し、前記パージ動作判断手段は、前記原料ガスの供給が異常であると判断した場合に前記バイパス手段への前記原料ガスの供給を停止させ、かつ前記燃料処理器内に残留する前記燃料を前記発生する水蒸気でパージした後に該水蒸気を前記パージ用空気でパージする（請求項８）。かかる構成とすると、燃料処理器内に残留する燃料を水蒸気でパージした後にパージ用空気でパージするので、燃料電池発電装置の内部に滞留する燃料ガスの量を最小限とすることが可能になる。

本発明は以上に述べたような構成を有し、燃料電池発電装置の運転停止時、燃料電池発電装置の正常なパージ動作が不能となっても、燃料電池発電装置を損傷することなく、かつ安全に停止させることが可能な燃料電池発電装置、及びその運転方法を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。

先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成について説明する。

図１に示すように、燃料電池発電装置１００は、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスを改質し水素を豊富に含む燃料ガスを生成して燃料電池１に供給する燃料処理器２と、燃料処理器２に天然ガスを供給する天然ガス供給装置１１と、天然ガスの改質に必要な水を燃料処理器２に供給する水供給装置３と、燃料処理器２に供給する水の量を検出する水供給量検出装置９と、燃料電池１から排出される発電に用いられなかった燃料ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するブロア５と、燃料処理器２にパージ用ガスとしての空気を供給する空気供給装置６と、水供給量検出装置９から出力される信号に基づいて水供給装置３と空気供給装置６との動作を制御するパージ動作判断装置８と、燃料電池発電装置１００の動作を制御する制御装置１０１とを備えている。パージ動作判断装置８及び制御装置１０１は、コンピュータで構成されている。

図１に示す燃料電池発電装置１００において、天然ガス供給装置１１と燃料処理器２とは、配管ａにより相互に接続されている。又、空気供給装置６と燃料処理器２とは、配管ｂにより相互に接続されている。更に、水供給装置３と燃料処理器２とは、水供給量検出装置９を介して、配管ｃにより相互に接続されている。そして、燃料処理器２からは配管ｅが延出しており、この配管ｅは燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂに接続されている。この燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂには配管ｇが接続されており、この配管ｇは燃焼器４に接続されている。一方、ブロア５からは配管ｄが延出しており、この配管ｄは燃料電池１内の酸化剤ガス用流路１ａに接続されている。この燃料電池１内の酸化剤ガス用流路１ａには、配管ｆが接続されている。尚、配管ｆの酸化剤ガス用流路１ａに接続されていない端部は、ここでは開放状態とされている。

一方、パージ動作判断装置８と水供給装置３とは、配線ｉにより相互に電気的に接続されている。又、パージ動作判断装置８と空気供給装置６とは、配線ｈにより相互に電気的に接続されている。更に、パージ動作判断装置８と水供給量検知装置９とは、配線ｊにより相互に電気的に接続されている。そして、制御装置１０１と、燃料電池発電装置１００を構成する各構成要素とは、図示しない配線によって相互に電気的に接続されている。

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の動作について説明する。

図１に示す燃料電池発電装置１００を運転して発電を行う場合には、先ず、天然ガス供給装置１１を動作させ、天然ガスを配管ａの内部に流入する。これによって、天然ガスが燃料処理器２に供給される。この燃料処理器２に供給された天然ガスは、配管ｅ及び燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇの内部を流れて、燃焼器４に到達する。そして、その到達した天然ガスを燃焼器４において燃焼させることにより、燃料処理器２を約７００℃の温度に到達するまで昇温する。その後、燃料処理器２の温度が約７００℃で安定した後、その燃料処理器２において、水素を豊富に含む燃料ガスを、原料ガスである天然ガスを改質することによって生成する。この時、水供給装置３を動作させて、天然ガスを改質するために必要な水を水供給量検出装置９及び配管ｃを介して燃料処理器２に供給する。そして、燃料処理器２で生成した燃料ガスを、配管ｅの内部を通して、燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂに供給する。一方、ブロア５を動作させて、酸化剤ガスである空気を、配管ｄの内部を通して燃料電池１内の酸化剤ガス用流路１ａに供給する。すると、燃料電池１では、燃料処理器２から供給される燃料ガスと、ブロア５から供給される空気とが用いられる発電が行われる。そして、燃料電池１で発電された所定の電圧の直流は図示しない直交変換装置に入力され、この直交変換装置において所定の電圧の交流に変換される。これにより、燃料電池発電装置１００からは、所定の電圧の交流が出力されるようになる。尚、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは、配管ｇを介して燃焼器４に供給され、この燃焼器４において燃焼される。この燃焼器４において余剰の燃料ガスが燃焼して発生する熱は、燃料処理器２を約７００℃に加熱するために利用される。又、発電に用いられなかった余剰の空気は、配管ｆの開放端から大気中へ放出される。又、燃料電池発電装置１００の全ての動作は、制御装置１０１によって適宜制御される。

一方、燃料電池発電装置１００の運転を停止する場合には、先ず、天然ガス供給装置１１の動作を停止させ、燃料処理器２に対する天然ガスの供給を停止する。又、ブロア５の動作を停止させ、燃料電池１に対する空気の供給を停止する。これによって、燃料処理器２における燃料ガスの生成と、燃料電池１に対する燃料ガスの供給と、燃焼器４による燃料処理器２の加熱と、燃料電池１に対する空気の供給とが各々停止されるので、燃料電池１における発電は停止する。この時、水供給装置３による燃料処理器２に対する水の供給は継続して行うようにする。そして、その後、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部に滞留している燃料ガスを排出し、その燃料ガスが排出された燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部をパージ用ガスとしての空気でパージする等の燃料電池発電装置１００のパージ動作が開始される。ここで、このパージ動作は、水供給量検出装置９によって検出される燃料処理器２に対する水の供給量に基づくパージ動作判断装置８の判断によって異なる。そこで、以下、パージ動作判断装置８の判断に基づく燃料電池発電装置１００のパージ動作について詳細に説明する。

燃料電池発電装置１００の運転を停止する際、パージ動作判断装置８は、水供給量検出装置９の検出信号に基づいて、燃料処理器２に対する水の供給量が所定値以上であるか否かを判断する。そして、この水の供給量が所定値以上である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置１００の正常なパージ動作が可能と判断する。尚、前記所定値とは燃料処理器２に対して水を正常に供給できているか否かの判断基準値であり、例えば、正常な前記パージ動作を行う場合に供給する水の量の半分と設定する事ができる。そして、パージ動作判断装置８によって正常な燃料電池発電装置１００のパージ動作が可能と判断された後、パージ動作判断装置８は、水の供給を継続するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を更に継続する。そして、燃料処理器２に供給された水は燃料処理器２が有する余熱によって水蒸気となり、この水蒸気によって、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部に滞留している燃料ガスが燃焼器４に向けて排出される。尚、この排出された燃料ガスは、燃焼器４において燃焼される。その後、水素を豊富に含む燃料ガスの濃度は次第に低下してくため、燃焼器４における燃焼は停止する。しかし、燃料処理器２の余熱によって水蒸気の生成は継続して行われ、又、燃料処理器２に対する水蒸気の供給も継続して行われるため、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部は水蒸気によって完全にパージされるようになる。

燃料処理器２で生成された水蒸気の量が燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部に滞留していた燃料ガスを完全に排出する量に達し、更に、燃料処理器２の温度が４００℃程度まで低下した時、パージ動作判断装置８は水供給装置３の運転を停止させるための制御信号を出力する。これによって水供給装置３は停止し、従って燃料処理器２に対する水の供給が停止する。その後、パージ動作判断装置８は、空気供給装置６に対して、燃料処理器２に対し空気を供給するように制御信号を、配線ｈを通して出力する。これにより空気供給装置６は動作を開始し、これによって空気供給装置６から燃料処理器２に対して空気が供給されるようになる。この燃料処理器２に供給された空気は、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部を通過して、燃焼器４から排出される。つまり、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部は、空気供給装置６によって供給された空気によって完全にパージされる。空気による前記パージが完全に完了した後、パージ動作判断装置８は空気供給装置６の動作を停止させる。これによって、空気供給装置６から燃料処理器２に対する空気の供給が停止する。そして、以上によって、燃料電池発電装置１００の正常なパージ動作が完了する。尚、前記４００℃という温度を挙げた理由は、燃料処理器２に用いられている触媒がルテニウムを主成分としている場合を想定しているためである。つまり、前記４００℃という温度は、前記触媒が高温である時に空気に触れて酸化することにより触媒性能の劣化を引き起こさないために、ある程度の安全率を見込んで設定した温度である。そのため、安全率の設定によっては温度が変化することは当然であり、又、触媒の種類が異なれば、自ずと異なった温度に設定されるべきである。

一方、燃料電池発電装置１００の運転を停止する際、水供給手段３が何らかの原因で故障した、若しくは、配管ｃに水漏れが発生する等して、燃料処理器２に対する水の供給量が所定値未満である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置１００の正常なパージ動作が不可能であると判断する。この場合、パージ動作判断装置８は、水の供給を停止するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を停止する。又、この時、パージ動作判断装置８は、空気供給装置６に対して、空気の供給を行わないための制御信号を、配線ｈを通して出力する。これにより、空気供給装置６は、燃料処理器２に対する空気の供給を行わないようになる。このように、燃料処理器２に対する水の供給が停止され、かつ空気供給装置６による空気の供給が行われない状態となると、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部には、燃料ガス又は発電に用いられなかった燃料ガス等が滞留する。しかし、燃焼器４のバーナの燃料ガス（余剰ガス）噴出口は大気に開放されているため、この滞留した前記燃料ガス等は、燃焼器４のこの噴出孔から拡散によって配管ｇの内部に入り込む空気等と緩やかに反応し、その反応によって安全にかつ穏和に二酸化炭素と水等の反応後物質に変化する。以上によって、燃料電池発電装置１００の正常なパージ動作が不可能である場合の停止動作が完了する。

上記の如く構成され動作する本実施の形態に係る燃料電池発電装置１００では、水供給装置３等に何らかの不具合が生じ、この不具合によって十分な量の水蒸気を発生させるだけの水を燃料処理器２に対して供給できない場合には、空気によるパージ動作を中断する事により燃料処理器２や、配管ｅ、燃料ガス用流路１ｂ、及び配管ｇ等の内部に積極的に空気を供給しないので、燃料ガスと空気とが激しく反応することは無い。従って、燃料処理器２や燃料電池１等、燃料ガスが流れる流路を有する機器が損傷する可能性が防止される。又、燃料電池発電装置自体が動作不能となる不具合が発生することも防止される。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。尚、図２においても、図１に示した構成要素と同一の構成要素には各々同一の符号を付与して、その説明を省略する。

図２に示すように、燃料電池発電装置２００は、実施の形態１の水供給量検出装置９に代えて、燃料処理器２の温度を測定する温度検出装置１０を備えている。パージ動作判断装置８は、温度検出装置１０から出力される検出信号に基づいて水供給装置３と空気供給装置６との動作を制御する。その他の点は、実施の形態１と同様である。

このように構成された燃料電池発電装置２００では、運転を停止する場合には、先ず、天然ガス供給装置１１の動作を停止させ、燃料処理器２に対する天然ガスの供給を停止する。又、ブロア５の動作を停止させ、燃料電池１に対する空気の供給を停止する。これによって、燃料処理器２における燃料ガスの生成と、燃料電池１に対する燃料ガスの供給と、燃焼器４による燃料処理器２の加熱と、燃料電池１に対する空気の供給とが各々停止されるので、燃料電池１における発電は停止する。この時、水供給装置３による燃料処理器２に対する水の供給は継続して行うようにする。そして、その後、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部に滞留している燃料ガスを排出し、その燃料ガスが排出された燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部をパージ用ガスとしての空気でパージする等の燃料電池発電装置２００のパージ動作が開始される。ここで、このパージ動作は、温度検出装置１０によって測定される燃料処理器２の温度に基づくパージ動作判断装置８の判断によって異なる。そこで、パージ動作判断装置８の判断に基づく燃料電池発電装置２００のパージ動作について詳細に説明する。

燃料電池発電装置２００の運転を停止する際、パージ動作判断装置８は、温度測定装置１０によって検出された燃料処理器２の温度が所定値未満であるか判断する。この所定値は、ここでは７５０℃に設定されている。パージ動作判断装置８は、燃料処理器２の温度が７５０℃未満である場合には、燃料電池発電装置２００の正常なパージ動作が可能と判断する。尚、パージ動作判断装置８によって燃料電池発電装置２００の正常なパージ動作が可能と判断された後の動作については、実施の形態１で示した燃料電池発電装置１００の正常なパージ動作と同様である。

一方、燃料処理器２の温度が７５０℃以上である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置２００の正常なパージ動作が不可能であると判断する。この場合、パージ動作判断装置８は、水の供給を停止するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を停止する。又、この時、パージ動作判断装置８は、空気供給装置６に対して、空気の供給を行わないための制御信号を、配線ｈを通して出力する。これにより、空気供給装置６は、燃料処理器２に対する空気の供給を行わないようになる。以降の動作は、実施の形態１と同様である。

上記の如く構成され動作する本実施の形態に係る燃料電池発電装置２００では、温度検出装置１０によって測定される燃料処理器２の温度に基づいて、燃料電池発電装置２００のパージ動作が決定されている。これは、水供給装置３が何らかの原因で故障するか、若しくは、配管ｃに水漏れが発生する等して、燃料処理器２に対して必要十分な量の水を供給できなくなった場合に、燃料処理器２の温度が異常に上昇することに基づいている。換言すれば、燃料処理器２における天然ガスの燃料ガスへの改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理器２に対して前記改質反応のための必要十分な量の水が供給され、これによって前記改質反応が正常に行われていれば、燃料処理器２の温度が異常に上昇することはないことに基づいている。そして、本実施の形態では、水供給装置３や配管ｃ等に何らかの不具合が生じ、この不具合によって燃料処理器２の温度が７５０℃以上となった場合には、空気によるパージ動作を中断する事により燃料処理器２や、配管ｅ、燃料ガス用流路１ｂ、及び配管ｇ等の内部に積極的に空気を供給しないので、燃料ガスと空気とが激しく反応することは無い。従って、本実施の形態によっても、燃料処理器２や燃料電池１等、燃料ガスが流れる流路を有する機器が損傷する可能性が防止される。又、燃料電池発電装置自体が動作不能となる不具合が発生することも防止される。

尚、本実施の形態では、燃料電池発電装置２００のパージ動作が、温度検出装置１０によって測定される燃料処理器２の温度が７５０℃未満であるか否かによって決定されているが、７５０℃に限定されることは無く、例えば７００℃〜８００℃の範囲において任意に設定してもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。尚、図３においても、図１，２に示した構成要素と同一の構成要素には各々同一の符号を付与して、その説明を省略する。

先ず、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成について説明する。

図３に示すように、燃料電池発電装置３００は、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスを改質し水素を豊富に含む燃料ガスを生成して燃料電池１に供給する燃料処理器２と、天然ガスの改質に必要な水を燃料処理器２に供給する水供給装置３と、燃料処理器２に供給する水の量を検出する水供給量検出装置９と、燃料電池１から排出される発電に用いられなかった燃料ガスを燃焼する燃焼器４と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するブロア５と、燃料処理器２にパージ用ガスとしての空気を供給する空気供給装置６と、燃料処理器２に天然ガスを供給する天然ガス供給装置１１と、燃料処理器２に供給される天然ガスの量を測定する天然ガス供給量検出装置１４と、燃料処理器２の温度を測定する温度検出装置１０と、水供給量検出装置９及び温度検出装置１０から出力される信号に基づいて水供給装置３と空気供給装置６との動作を制御するパージ動作判断装置８と、流路を切り換える三方弁１２及び１３と、燃料電池発電装置３００の動作を制御する制御装置１０１とを備えている。

図３に示す燃料電池発電装置３００において、天然ガス供給装置１１と燃料処理器２とは、天然ガス供給量検出装置１４と三方弁１２とを介して配管ａにより相互に接続されている。又、水供給装置３と燃料処理器２とは、水供給量検出装置９を介して配管ｃにより相互に接続されている。又、空気供給装置６からは配管ｌが延出しており、この配管ｌの先端は天然ガス供給量検出装置１４と三方弁１２とを接続する配管ａに接続されている。そして、燃料処理器２からは配管ｅが延出しており、この配管ｅは燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂに三方弁１３を介して接続されている。この燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂからは配管ｇが延出しており、この配管ｇの先端は燃焼器４に接続されている。又、三方弁１２からは配管ｍが延出しており、この配管ｍの先端は三方弁１３と燃料ガス用流路１ｂとを接続する配管ｅに接続されている。又、三方弁１３からは配管ｎが延出しており、この配管ｎの先端は配管ｇの途中に接続されている。一方、ブロア５からは配管ｄが延出しており、この配管ｄは燃料電池１内の酸化剤ガス用流路１ａに接続されている。この燃料電池１内の酸化剤ガス用流路１ａには、配管ｆが接続されている。尚、配管ｆの酸化剤ガス用流路１ａに接続されていない端部は、ここでは開放状態とされている。

一方、パージ動作判断装置８と水供給装置３とは、配線ｉにより相互に電気的に接続されている。又、パージ動作判断装置８と空気供給装置６とは、配線ｈにより相互に電気的に接続されている。又、パージ動作判断装置８と水供給量検出装置９とは、配線ｊにより相互に電気的に接続されている。更に、パージ動作判断装置８と温度検出装置１０とは、配線ｋにより相互に電気的に接続されている。そして、制御装置１０１と、燃料電池発電装置３００を構成する各構成要素とは、図示しない配線によって相互に電気的に接続されている。

次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の動作について説明する。

図３に示す燃料電池発電装置３００を運転して発電を行う場合には、先ず、天然ガス供給装置１１から供給される天然ガスが配管ｍに流入しないように、又、燃料処理器２から供給される燃料ガスが配管ｎに流入しないように、三方弁１２及び１３の各々を切り換える。尚、その後の発電動作については、図１に示した実施の形態１に係る燃料電池発電装置１００の発電動作と同様であるため、ここではその説明を省略する。

燃料電池発電装置３００の運転を停止する場合には、先ず、天然ガス供給装置１１から供給される天然ガスの供給先が配管ｍとなるように三方弁１２を切り換えて、これによって天然ガスを配管ｍ及び配管ｅ経由で燃料電池１へ供給する。又、この時、燃料処理器２から供給される燃料ガスの供給先が配管ｎとなるように三方弁１３を切り換えて、これによって燃料ガスを配管ｎ及び配管ｇ経由で燃焼器４へ供給する。更に、ブロア５の動作を停止させ、燃料電池１に対する空気の供給を停止する。これによって、燃料処理器２における燃料ガスの生成と、燃料電池１に対する燃料ガスの供給と、燃料電池１に対する空気の供給とが各々停止されるので、燃料電池１における発電は停止する。この時、水供給装置３及び天然ガス供給装置１１による燃料処理器２に対する水の供給と燃料電池１に対する天然ガスの供給とは継続して行うようにする。そして、その後、燃料電池発電装置３００のパージ動作が開始される。ここで、このパージ動作は、水供給量検出装置９によって検出される燃料処理器２に対する水の供給量、温度検出装置１０によって検出される燃料処理器２の温度、天然ガス供給量検出装置１４によって検出される燃料処理器２に対する天然ガスの供給量等に基づくパージ動作判断装置８の判断によって異なる。そこで、パージ動作判断装置８の判断に基づく燃料電池発電装置３００のパージ動作について詳細に説明する。

燃料電池発電装置３００の運転を停止する際、燃料処理器２に対する水の供給量が所定値以上であることを水供給量検出装置９が確認し、かつ燃料処理器２の温度が７５０℃未満であることを温度検出装置１０が測定し、かつ燃料電池１に対する天然ガスの供給量が所定値以上であることを天然ガス供給量検出装置１４が測定した場合には、水供給量検出装置９は水の供給量が所定値以上であることを意味する制御信号を配線ｊを通してパージ動作判断装置８に対し出力し、温度検出装置１０は燃料処理器２の温度が７５０℃未満であることを意味する制御信号を配線ｋを通してパージ動作判断装置８に対し出力し、天然ガス供給量検出装置１４は天然ガスの供給量が所定値以上であることを意味する制御信号を配線ｏを通してパージ動作判断装置８に対し出力する。これらにより、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置３００の正常なパージ動作が可能と判断する。尚、前記所定値とは燃料処理器２に対して水及び天然ガスを正常に供給できているか否かの判断基準値であり、例えば、正常な前記パージ動作を行う場合に供給する水及び天然ガスの量の半分と設定する事ができる。そして、パージ動作判断装置８によって正常な燃料電池発電装置１００のパージ動作が可能であると判断された後、パージ動作判断装置８は、水の供給を更に継続するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。又、パージ動作判断装置８は、天然ガスの供給を更に継続するための制御信号を、天然ガス供給装置１１に対して配線ｐを通して出力する。これにより、水供給装置３及び天然ガス供給装置１１は、燃料処理器２に対する水の供給と、燃料電池１に対する天然ガスの供給とを更に継続する。そして、燃料処理器２に供給された水は燃料処理器２が有する余熱によって水蒸気となり、この水蒸気によって燃料処理器２内に滞留している燃料ガスが燃焼器４に向けて排出される。又、配管ｍを経由して燃料電池１に対して天然ガスが供給されることによって、燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇの内部に滞留している燃料ガスが燃焼器４に向けて排出される。尚、この排出された各々の燃料ガスは、燃焼器４において燃焼される。その後、水素を豊富に含む燃料ガスの濃度は次第に低下してくため、燃焼器４における燃焼は停止する。しかし、燃料処理器２の余熱によって水蒸気の生成は継続して行われるため、燃料処理器２の内部は水蒸気によって完全にパージされるようになる。又、配管ｍを経由して燃料電池１に対して継続的に供給される天然ガスによって、燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇの内部は天然ガスによって完全にパージされるようになる。

燃料処理器２で生成された水蒸気の量が燃料処理器２の内部に滞留していた燃料ガスを完全に排出する量に達し、又、配管ｍを経由して供給された天然ガスの量が燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇの内部に滞留していた燃料ガスを完全に排出する量に達し、更に、燃料処理器２の温度が４００℃程度まで低下した時、パージ動作判断装置８は水供給装置３及び天然ガス供給装置１１の運転を停止させるための制御信号を出力する。これによって水供給装置３及び天然ガス供給装置１１は停止し、従って燃料処理器２に対する水の供給と、燃料電池１に対する天然ガスの供給とが停止する。その後、三方弁１２及び１３を適宜操作して、三方弁１２及び１３の状態を、燃料電池発電装置３００の発電運転時と同様の状態に戻す。又、パージ動作判断装置８は、燃料処理器２に対し空気を供給するように制御信号を、空気供給装置６に対して配線ｈを通して出力する。これにより空気供給装置６は動作を開始し、従って空気供給装置６から燃料処理器２に対して空気が供給されるようになる。この燃料処理器２に供給された空気は、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部を通過して、燃焼器４から排出される。つまり、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部は、空気供給装置６によって供給された空気によって完全にパージされる。そして、空気による前記パージが完全に完了した後、パージ動作判断装置８は空気供給装置６の動作を停止させる。これによって、空気供給装置６から燃料処理器２に対する空気の供給が停止する。そして、以上によって、燃料電池発電装置３００の正常なパージ動作が完了する。尚、前記４００℃という温度を挙げた理由は、燃料処理器２に用いられている触媒がルテニウムを主成分としている場合を想定しているためである。つまり、前記４００℃という温度は、前記触媒が高温である時に空気に触れて酸化することにより触媒性能の劣化を引き起こさないために、ある程度の安全率を見込んで設定した温度である。そのため、安全率の設定によっては温度が変化することは当然であり、又、触媒の種類が異なれば、自ずと異なった温度に設定されるべきである。

一方、燃料電池発電装置３００の運転を停止する際、水供給手段３が何らかの原因で故障した、若しくは、配管ｃに水漏れが発生する等して、燃料処理器２に対する水の供給量が所定値未満である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置３００の正常なパージ動作が不可能であると判断する。この場合、パージ動作判断装置８は、水の供給を停止するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を停止する。又、この時、パージ動作判断装置８は、天然ガスの供給を停止するための制御信号を、天然ガス供給装置１１に対して配線ｐを通して出力する。これにより、天然ガス供給装置１１は、燃料電池１に対する天然ガスの供給を停止する。更に、この時、パージ動作判断装置８は、空気の供給を行わないための制御信号を、空気供給装置６に対して配線ｈを通して出力する。これにより、空気供給装置６は、空気の供給を行わないようになる。このように、燃料処理器２に対する水の供給が停止され、かつ天然ガス及び空気の供給が行われない状態となると、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部には、燃料ガス又は発電に用いられなかった燃料ガス等が滞留する。しかし、燃焼器４のバーナの燃料ガス（余剰ガス）噴出口は大気に開放されているため、この滞留した前記燃料ガス等は、燃焼器４のこの噴出口から拡散によって配管ｇの内部に入り込む空気等と緩やかに反応し、その反応によって安全にかつ穏和に二酸化炭素と水等の反応後物質に変化する。

又、燃料電池発電装置３００の運転を停止する際、燃料処理器２の温度が７５０℃以上である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置３００の正常なパージ動作が不可能であると判断する。この場合、パージ動作判断装置８は、水の供給を停止するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を停止する。又、この時、パージ動作判断装置８は、天然ガスの供給を停止するための制御信号を、天然ガス供給装置１１に対して配線ｐを通して出力する。これにより、天然ガス供給装置１１は、燃料電池１に対する天然ガスの供給を停止する。更に、この時、パージ動作判断装置８は、空気の供給を行わないための制御信号を、空気供給装置６に対して配線ｈを通して出力する。これにより、空気供給装置６は、配管ａに対する空気の供給を行わないようになる。このように、燃料処理器２に対する水の供給が停止され、かつ天然ガス及び空気の供給が行われない状態となると、燃料処理器２と、配管ｅと、燃料ガス用流路１ｂと、配管ｇとの各々の内部には、燃料ガス又は発電に用いられなかった燃料ガス等が滞留する。しかし、この場合も、その滞留した前記燃料ガス等は前述と同様に配管ｇの内部に入り込む空気等と緩やかに反応し、その反応によって安全にかつ穏和に二酸化炭素と水等の反応後物質に変化する。

更に、燃料電池発電装置３００の運転を停止する際、燃料電池１に対する天然ガスの供給量が所定値未満である場合には、パージ動作判断装置８は、燃料電池発電装置３００の正常なパージ動作が不可能であると判断する。この場合、パージ動作判断装置８は、天然ガスの供給を停止するための制御信号を、天然ガス供給装置１１に対して配線ｐを通して出力する。これにより、天然ガス供給装置１１は、燃料電池１に対する天然ガスの供給を停止する。一方、水供給装置３による燃料処理器２に対する水の供給は継続する。これによって、燃料処理器２の内部では余熱により水蒸気が発生する。そして、燃料処理器２で生成した水蒸気の量が燃料処理器２内に滞留している燃料ガスを完全に追い出すために十分な量に達し、更に燃料処理器２の温度が４００℃程度まで低下したとき、パージ動作判断装置８は、水の供給を停止するための制御信号を、水供給装置３に対して配線ｉを通して出力する。これにより、水供給装置３は、燃料処理器２に対する水の供給を停止する。そして、水供給装置３による燃料処理器２への水の供給が停止したとき、空気供給装置６を動作させることによって空気を燃料処理器２へ供給する。これによって、燃料電池発電装置３００の停止処理が完了する。この時、三方弁１２を、パージ用の空気を燃料処理器２のみに供給するように切り換え、又、三方弁１３を、燃料処理器２から排出される空気を燃焼器４のみへ直接供給するように切り換えて、燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇ以外の部分に空気を送り込むようにする。

上記の如く構成され動作する本実施の形態に係る燃料電池発電装置３００では、燃料電池発電装置３００の運転中に燃料処理器２の温度が異常に上昇した場合や、燃料電池発電装置３００の停止時おいて、水供給手段３等に何らかの不具合が生じて水蒸気を十分発生させるだけの水を燃料処理器２へ供給できない事等によって正常なパージ動作が不可能であるとパージ動作判断装置８が判断した場合には、パージ動作を中断する事により燃料処理器２や燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇ等の内部に積極的に空気を供給しないので、それらの内部に滞留する水素を豊富に富む燃料ガスと空気とが激しく反応することが防止される。又、燃料電池発電装置自体が動作できなくなる不具合が発生することも防止される。

又、燃料電池発電装置３００の停止時おいて、天然ガスの供給量が十分で無いことを天然ガス供給量検出装置１４が測定し、これによって燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ内及び配管ｇ内への天然ガスによるパージ動作が十分に行えないことをパージ動作判断装置８が判断した場合には、燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇ以外の経路のみパージ動作を行うことにより、燃料電池発電装置３００の内部に滞留する燃料ガスの量を最小限とすることができる。又、燃料電池１内の燃料ガス用流路１ｂ及び配管ｇの内部に積極的に空気を供給しないので、それらの内部に滞留する水素を豊富に含む燃料ガスと空気が激しく反応することが防止される。又、燃料電池発電装置自体が動作できなくなる不具合が発生することも防止される。

本発明に係る燃料電池発電装置及びその運転方法は、燃料電池発電装置の運転停止時、燃料電池発電装置の正常なパージ動作が不能となっても、燃料電池発電装置を損傷することなく、かつ安全に停止させることが可能な燃料電池発電装置、及びその運転方法として有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す機能ブロック図である。 従来の燃料電池発電装置の構成の一例を模式的に示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料処理器
３ 水供給装置
４ 燃焼器
５ ブロア
６ 空気供給装置
７ 窒素供給装置
８ パージ動作判断装置
９ 水供給量検出装置
１０ 温度検出装置
１１ 天然ガス供給装置
１２ 三方弁
１３ 三方弁
１４ 天然ガス供給量検出装置
１００〜４００ 燃料電池発電装置
１０１ 制御装置
ａ〜ｇ 配管
ｈ〜ｋ 配線
ｌ〜ｎ 配管
ｏ，ｐ 配線

Claims (9)

1. 燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料の流通経路のパージを行うためのパージ用空気を供給する第１のパージ用流体供給手段と、前記燃料の流通経路のパージを行うための空気以外の流体を供給する第２のパージ用流体供給手段とを備え、その停止の際に、前記燃料の流通経路の少なくとも一部に対し、残存する前記燃料のパージを前記第２のパージ用流体供給手段から供給される前記空気以外の流体を用いて行い、その後、残存する前記空気以外の流体のパージを前記第１のパージ用流体供給手段から供給されるパージ用空気を用いて行う燃料電池発電装置であって、
   前記第２のパージ用流体供給手段からの前記空気以外の流体の供給が異常か否かを判断するパージ動作判断手段を有し、
   前記パージ動作判断手段が前記空気以外の流体の供給が異常であると判断した場合に、前記パージ用空気を用いたパージを行わない、燃料電池発電装置。
2. 前記空気以外の流体が水蒸気である、請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 原料ガスと水とから前記燃料を生成してこれを前記燃料電池に供給する燃料処理器を有し、前記燃料電池発電装置の停止の際に、前記燃料処理器が前記水を用いて前記空気以外の流体としての水蒸気を発生し、それにより、前記燃料処理器が前記第２のパージ用流体供給手段として機能する、請求項２記載の燃料電池発電装置。
4. 前記水を燃料処理器に供給する水供給装置を有し、前記パージ動作判断手段は、前記水の供給が異常であると判断した場合に、前記空気以外の流体の供給が異常であると判断する、請求項３記載の燃料電池発電装置。
5. 前記パージ動作判断手段は、前記水の供給量が所定値以下である場合に、前記水の供給が異常であると判断する、請求項４記載の燃料電池発電装置。
6. 前記パージ動作判断手段は、前記燃料電池発電装置が運転時に前記燃料処理器の温度が所定値以上となって運転を停止した場合に、前記水の供給が異常であると判断する、請求項４記載の燃料電池発電装置。
7. 前記原料ガスを前記燃料電池に前記燃料処理器をバイパスして供給するバイパス手段を有し、前記燃料処理器内に残留する前記燃料を前記発生する水蒸気でパージし、かつ前記燃料電池内に残留する前記燃料を前記バイパス手段から前記供給される原料ガスでパージする、請求項３記載の燃料電池発電装置。
8. 前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置を有し、前記パージ動作判断手段は、前記原料ガスの供給が異常であると判断した場合に前記バイパス手段への前記原料ガスの供給を停止させ、かつ前記燃料処理器内に残留する前記燃料を前記発生する水蒸気でパージした後に該水蒸気を前記パージ用空気でパージする、請求項７記載の燃料電池発電装置。
9. 燃料を用いて発電する燃料電池と、前記燃料の流通経路のパージを行うためのパージ用空気を供給する第１のパージ用流体供給手段と、前記燃料の流通経路のパージを行うための空気以外の流体を供給する第２のパージ用流体供給手段とを備え、その停止の際に、前記燃料の流通経路の少なくとも一部に対し、残存する前記燃料のパージを前記第２のパージ用流体供給手段から供給される前記空気以外の流体を用いて行い、その後、残存する前記空気以外の流体のパージを前記第１のパージ用流体供給手段から供給されるパージ用空気を用いて行う燃料電池発電装置の運転方法であって、
   前記第２のパージ用流体供給手段からの前記空気以外の流体の供給が異常か否かを判断するパージ動作判断手段を有し、
   前記パージ動作判断手段が前記空気以外の流体の供給が異常であると判断した場合に、前記パージ用空気を用いたパージを行わない、燃料電池発電装置の運転方法。

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