JP2006172736A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統内の圧力の低下時に、原料ガス供給系統からの原料ガスの吸引を防止する、燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成装置１８と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池１１と、原料ガス供給系統１から供給される原料ガスを燃料生成装置１８に導く原料ガス流路１３と、原料ガス流路１３に配設されているガス昇圧装置１５と、原料ガス供給異常検出手段１６と、制御装置１７と、を備え、制御装置１７は、ガス昇圧装置１５運転中において、原料ガス供給異常検出手段１６を介して原料ガス供給系統１からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統１内の圧力の低下を検出すると、ガス昇圧装置１５の運転を停止して、ガス昇圧装置１５による原料ガス供給系統１からの原料ガスの吸引を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。特に原料ガス供給系統から供給される原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置を有する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

家庭、事業所等に設置され、電気、あるいは電気及び熱を家庭、事業所等に供給する燃料電池システムは、一般的に、燃料電池のアノードガスの原料ガスとして、家庭、事業所等に配設されているガス供給手段のガス、例えば、ガス供給インフラあるいはガスボンベのガスを用いている。そして、従来のガス供給手段（原料ガス供給手段）には、給湯器、炊事用のガスコンロ、暖房用のヒータ等ガス使用機器が配管等で接続されている。つまり、これら配管とガス供給手段とからガス供給系統（原料ガス供給系統）が構成されており、燃料電池システムはこの原料ガス供給系統に接続される。

しかしながら、原料ガス供給手段のガス供給圧力、すなわち原料ガス供給系統内圧力は、これらガス使用機器におけるガス燃焼によるガスの利用を前提として設定されており、例えば、家庭等の小規模需要家においては一般的に２ｋＰａ程度であり、燃料電池システムで用いるには圧力が低すぎて適当ではない。

そこで、ガス昇圧装置を備え、原料ガスを昇圧させてから燃料生成装置等に供給するように構成されている燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献１参照)。

図５は、ガス昇圧装置が組み込まれた従来の燃料電池システムの概略を示す系統図である。図において、従来の燃料電池システム５００は、原料ガス供給系統１の供給圧は２ｋＰａ程度であり、燃料生成装置１８や燃料電池１１などでの圧力損失が大きいため燃料電池１１に充分な流量の改質ガスを流すことができない。そのため、ガス昇圧装置１５により原料ガス圧力を数十ｋＰａに高め、燃料電池１１に必要なガスの流量を得るように構成されている。すなわち、原料ガス供給系統１から供給される原料ガスは、ガス昇圧装置１５により昇圧された後、燃料生成装置１８に供給される。燃料生成装置１８においては、原料ガスは水供給手段４４から供給される水が燃焼器４３の熱によって気化されて、原料ガスが水蒸気と混合されて水蒸気改質反応され、一酸化炭素の変成反応及び一酸化炭素の選択反応によって一酸化炭素が低減されて、燃料電池１１のアノードに供給される。また、酸化剤ガス供給装置１９により燃料電池１１のカソードに酸化剤ガスが供給される。燃料電池１１は、アノードの改質ガスとカソードの酸化剤ガスとの間で電気化学反応を起こし、発電及び発熱する。そして、燃料電池１１を経由した余剰の改質ガスや反応生成物質はオフガス流路４１に排出され、燃焼器４３において燃焼され、燃焼排ガスが大気放出される。また、燃焼器４３の燃焼熱を利用して水供給手段４４から供給される水が水蒸気に気化されて、この水蒸気が燃料生成装置１８における原料ガスの水蒸気改質反応に利用される。さらに、冷却水ポンプ２２により冷却水が冷却水経路２１を循環される。これによって、燃料電池１１での電気化学反応は、発熱反応であるので、燃料電池１１を所定の温度に冷却・維持することができる。

他方で、ガス供給手段から各家庭、事業所等の施設に供給されるガス供給口には、ガスの使用量を計測するガスメータが配設され、ガスの流通方向においてガスメータの下流側にはガスコンロ、給湯器、ヒータ、燃料電池システム等が配管等によって接続されている原料ガス供給系統が構成されている。そして、ガスメータあるいはその周辺には、地震やガス漏れなどの異常時にはガスの供給を遮断する保護装置が配設されている。
特開２００３−２１０７１号公報

しかしながら、発明者らは、従来のガス使用機器においては、ガスを吸引して使用する形態の機器が一般的でないことから、ガス昇圧装置を備えた燃料電池システムが、原料ガス供給系統に接続された場合には、ガス使用機器や配管等原料ガス供給系統に影響を及ぼす可能性があることに気が付いた。すなわち、従来の燃料電池システムでは、非常時に保護装置が原料ガスを遮断した場合、原料ガスの不足による燃料電池の出力電圧低下など燃料電池システム内での異常が検出されるまで燃料電池システムの運転は継続され、ガス昇圧装置が動作を続ける。そして、ガス昇圧装置の動作により原料ガスの流通方向においてガス昇圧装置より上流の原料ガス供給系統内の原料ガスが吸引され、保護装置と燃料電池システムとの間のガス供給系統内の圧力が通常時より低下する。その結果、２ｋＰａ程度のガス供給圧を想定して設計されているガス使用機器において、電磁弁等ガスの流量調整にかかわる弁類が固着して動作しなくなるなどの動作不良や損傷が発生するおそれがある。最悪の場合には、原料ガス供給系統内の圧力が大気圧以下にまで低下し、ガス使用機器や配管などから原料ガス供給系統内に空気が流入してしまい原料ガス供給系統内で異常燃焼が発生するおそれもある。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置を備える燃料電池システムにおいて、原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統内の圧力の低下時に、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、燃料電池システムを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成装置と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、原料ガス供給系統から供給される前記原料ガスを前記燃料生成装置に導く原料ガス流路と、
前記原料ガス流路に配設されて、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置と、原料ガス供給異常検出手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給異常検出手段を介して前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出すると、前記ガス昇圧装置の運転を停止して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する（請求項１）。また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成装置と、前記燃料ガスと酸化剤を用いて発電する燃料電池と、原料ガス供給系統から供給される前記原料ガスを前記燃料生成装置に導く原料ガス流路と、前記原料ガス流路に配設されて、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出するステップと、前記ガス昇圧装置の運転を停止して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するステップと、を備える（請求項９）。以上のように構成すると、原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統内の圧力の低下時に、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止することができるので、燃料電池システムに起因する原料ガス供給系統の損傷を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、原料ガス吸引防止手段をさらに備え、前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給異常検出手段を介して前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出すると、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項２）。また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料ガス吸引防止手段をさらに備え、前記原料ガス吸引防止手段が前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項１０）。以上のように構成すると、原料ガス供給系統は原料ガス吸引防止手段によって、原料ガスの吸引を防止することができるので、ガス昇圧装置の動作状況の如何に関わらず、例えば、ガス昇圧装置が動作を完全に停止するまでの状況に関わらず、原料ガス供給系統の圧力低下を防止することができる。

本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の燃料電池システムは、前記原料ガス供給異常検出手段が、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された圧力検出装置であって、前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記圧力検出装置の検出値が所定の閾値以下の場合には、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項３）。また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された圧力検出装置を備え、前記ガス昇圧装置運転中において、前記圧力検出装置の検出値が所定の閾値以下の場合には、前記原料ガス吸引防止手段が前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止するとよい（請求項１１）。

本発明の燃料電池システムは、前記原料ガス供給異常検出手段が、前記原料ガス供給系統に配設された原料ガス流路遮断装置と通信を行う通信装置であって、前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記通信装置を介して前記原料ガスの供給が遮断された信号を受けた場合には、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項４）。また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記原料ガス供給系統に配設された原料ガス原料ガス流路遮断装置と通信を行う通信装置を備え、前記ガス昇圧装置運転中において、前記通信装置が前記原料ガスの供給が遮断された信号を受けた場合には、前記原料ガス吸引防止手段が前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止するとよい（請求項１２）。以上のように構成すると、原料ガス供給系統のガスの遮断を直接的に検出することが可能となるので、原料ガス流路内の圧力低下を検出するより早く燃料電池システムへの原料ガスの供給を防止することができ、原料ガス供給系統等の損傷等の防止をより確実に実行することができる。

本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、前記原料ガス吸引防止手段が、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された原料ガス流路遮断装置であって、前記原料ガス流路遮断装置を閉止することによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項５、請求項１３）。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、前記原料ガスを蓄えた原料ガスボンベと、前記原料ガスボンベの原料ガスを前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に導く原料ガスボンベ流路と、前記原料ガスボンベ流路が前記原料ガス流路に接続する接続部に配設されて前記ガス昇圧装置に導入される原料ガスの流路を前記原料ガス供給系統側と前記ガスボンベ側とに切り換える切換装置とを備え、前記原料ガス吸引防止手段が、前記切換装置であって、前記原料ガスボンベの原料ガスを前記ガス昇圧装置に導くように前記切換装置を切り換えることによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するとよい（請求項６、請求項１４）。このように構成すると、ガス昇圧装置への原料ガスの供給は維持されるので燃料電池システムの運転を暫時継続できるので、燃料電池システム内残留ガスのパージや燃焼など燃料電池システムの停止動作を行うことができ、燃料電池システムの急激な停止に伴う燃料電池システムの損傷を防止することができる。また、原料ガス供給系統の原料ガスの供給が回復するまでの間燃料電池システムの運転を維持することができるので、運転継続の柔軟性を有する燃料電池システムを提供することができる。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、前記原料ガス流路に接続された原料ガス充填流路と、前記原料ガス充填流路に配設されて通常は閉止されている原料ガス充填弁と、原料ガスが充填されて前記原料ガス充填弁に配設された原料ガスボンベとを備え、前記原料ガスの吸引防止動作後、前記原料ガス流路内圧力が所定の圧力以下である場合には、前記原料ガス充填弁を開放するとよい（請求項７，請求項１５）。このように構成すると、前記原料ガスの吸引防止動作後、原料ガス流路内圧力が過剰に低下した場合において、過剰な減圧に伴う燃料電池システムの損傷を防止したり、原料ガス供給系統の復旧後の原料ガス吸引防止手段の解除動作の不調を解消したりすることができる。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、前記原料ガスボンベと前記原料ガス充填弁とは、脱着自在に構成されているとよい（請求項８，請求項１６）。このように構成すると、必要に応じて原料ガスボンベを原料ガス充填弁に脱着することができるので、燃料電池システムに原料ガスボンベを常設する負担を回避することができるとともに、原料ガス流路の圧力回復に必要な容量の原料ガスボンベを選択することができ、効率的な対応が可能となる。

本発明の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統内の圧力の低下時に、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止することができるので、燃料電池システムに起因する原料ガス供給系統の損傷を抑制することができる。

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に係る燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。

図1に示すように、燃料電池システム１００は、原料ガス流路遮断装置（原料ガス吸引防止手段）１４において、原料ガスを略数ｋＰａの供給圧で供給する原料ガス供給系統１に接続されている。ここで、原料ガス供給系統は、原料ガス供給手段と、原料ガス供給手段からガス使用機器に原料ガスを導く配管等の原料ガス供給流路とによって構成されている。

原料ガス流路遮断装置１４は、電磁弁で構成されていて、電磁弁の開閉によって、原料ガス流路１３を流通する原料ガスを遮断することができるように配設されている。

原料ガス流路１３は、原料ガス流路遮断装置１４から燃料生成装置１８に原料ガスを導くように構成されている。

この原料ガス流路１３に、圧力検出装置１６が、原料ガス流通方向において原料ガス流路遮断装置１４の下流に位置するように配設されている。圧力検出装置１６には、一般的なガス圧力の検出装置が用いられている。これによって、圧力検出装置１６は、原料ガス１３と接続される原料ガス供給系統１内の圧力の低下を検出することができる。すなわち、異常が検出されない通常時には、原料ガス流路遮断装置１４は動作せずに、原料ガス供給系統１と原料ガス流路１３とは連通しているので、原料ガス供給系統１内の圧力の低下は、原料ガス流路１３内の圧力を検出する圧力検出装置１６によって検出される。

原料ガス流通方向において圧力検出装置１６の下流の原料ガス流路１３にガス昇圧装置１５が配設されている。ガス昇圧装置１５は、プランジャーポンプが用いられ、上流から原料ガスを吸引して、原料ガスを略数十ｋＰａに昇圧して、下流に供給するように構成されている。具体的には、燃料電池システム１００の圧力損失特性を踏まえて、燃料電池１１に改質ガスが円滑に供給されるようなガス圧まで原料ガスが昇圧される。

原料ガス流通方向においてガス昇圧装置１５の下流の原料ガス流路１３に燃料生成装置１８が接続されている。燃料生成装置１８は、図示しないが、改質器、変成器及び選択酸化器を備えていて、原料ガスと水との水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成するとともに、変成反応及び一酸化炭素選択酸化反応によって改質ガス中の一酸化炭素を低減するように構成されている。

燃料生成装置１８で生成された改質ガスは、改質ガス流路４０を介して燃料電池１１のアノードに供給される。なお、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給装置１９から酸化剤ガス流路２０を介して燃料電池１１のカソードに供給される。

燃料電池１１には、固体高分子形燃料電池が用いられ、アノードに供給された改質ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。

燃料電池１１で反応に用いられなかった改質ガスを含むオフガスは、オフガス流路４１を介して、燃焼器４３に供給される。

このオフガス流路４１には、オフガス流路遮断装置４２が配設されている。オフガス流路遮断装置４２は、電磁弁で構成されていて、電磁弁の開閉によって、オフガス流路４２を流通するオフガスを遮断することができるように配設されている。

燃焼器４３は、オフガスを燃焼して燃料生成装置１８に熱を供給する。

燃料生成装置１８には、水供給手段４４から水が供給されていて、燃焼器４３からの熱によって、水が気化され、かつ原料ガスが加熱されて水蒸気改質反応等が進行する。
酸化剤ガス供給装置１９及び酸化剤ガス流路２０は、燃料電池１１のカソード側に酸化剤ガスとして空気が供給されるように配設されている。

一方、燃料電池１１の冷却水流路（図示せず）には、冷却水経路２１及び冷却水ポンプ２２が冷却水を供給するように配設されている。

また、燃料電池システム１００は、制御装置１７を備えている。制御装置１７は、燃料電池システム１００の動作を制御する。制御装置１７は、図示しないが、マイコン等によって構成される制御部、メモリ等によって構成される記憶部、キーボード等によって構成されている入力手段によって構成されている。特に、制御装置１７は、圧力検出装置１６の検出値を取得して、原料ガス流路遮断装置１４及びガス昇圧装置１５を制御するように構成されている。具体的には、記憶部に記憶されている所定の閾値、あるいは入力手段から入力されて制御部に設定されている所定の閾値が、制御部において検出値と比較され、検出値が所定の閾値以上の場合には原料ガス流路遮断装置１４を制御して原料ガス流路１３を開通させ、検出値が所定値未満の場合には原料ガス流路遮断装置１４を制御して原料ガス流路１３を遮断するように構成されている。なお、所定の閾値は、原料ガス供給系統１内の圧力が正常と判断される下限値に設定される。ここでは、０乃至０．５ｋPａに相当する値が設定される。これにより、原料ガス供給系統１内の供給圧が負圧になるまで低下する前にガス昇圧装置１５による原料ガスの吸引を防止することができ、原料ガス供給系統１の損傷や原料ガス供給系統１内への空気の流入を防止することができる。あるいは、所定値として燃料電池システム１００や原料ガス供給系統１に接続されたガス使用機器の最低動作圧力に相当する検出値を設定してもよい。これによって、原料ガス供給系統１自体の配管損傷等や、原料ガス供給系統に接続されている他のガス使用機器の動作不良及び損傷を予防することができる。

ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置１７は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するように構成されていてもよい。

次に、燃料電池システム１００の通常運転時の動作（運転方法）を概略説明する。これらの動作は制御装置１７によって制御されることにより遂行される。

まず、通常運転時には、原料ガス流路遮断装置１４が開放されていて、原料ガス供給系統１の原料ガスが燃料電池システム１００に供給されて、燃料電池システム１００の起動、運転、停止などの動作が行われる。すなわち、原料ガスはガス昇圧装置１５で昇圧されて、原料ガスあるいは改質ガスが燃料生成装置１８及び燃料電池１１のアノードを流通することができるように供給される。原料ガスの供給量は、ガス昇圧装置１５、あるいは図示しないが原料ガス流路１３に配設された流量調整弁が制御装置１７によって制御されて調整される。また、酸化剤ガス供給装置１９により燃料電池１１のカソードに酸化剤ガスが供給される。原料ガスは燃料生成装置１８で原料ガスが水素を主に含む改質ガスに改質され、改質ガスは燃料電池１１のアノードで、燃料電池１１のカソードに供給された酸化剤ガスとの間での電気化学反応に利用される。さらに、冷却水ポンプ２２により冷却水が冷却水経路２１を循環される。これによって、燃料電池１１での電気化学反応は、発熱反応であるので、燃料電池１１を所定の温度に冷却・維持することができる。また、制御装置１７により燃料電池システムの運転に応じた原料ガスの供給が行われる。

そして、燃料電池１１から余剰の改質ガスがオフガス流路４１に排出され、燃焼器４３において燃焼され、燃焼排ガスが大気放出される。また、燃焼器４３の燃焼熱を利用して水供給手段４４から供給される水が水蒸気に気化されて、この水蒸気が燃料生成装置１８における原料ガスの水蒸気改質反応に利用される。

ここで、原料ガス流路１３内の原料ガス圧力が、圧力検出装置１６により検出される。圧力検出装置１６の検出値は、制御装置１７において、制御装置１７の制御部に設定されている所定値と比較され、所定値以上であれば、通常運転動作が継続される。

次に、本発明の特徴である、原料ガス供給系統１のガス供給が停止若しくは原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合の燃料電池システム１００の動作について説明する。

原料ガス流路遮断装置１４が開放されていて、ガス昇圧装置１５が動作している場合において、保護装置の作動による原料ガス供給系統１のガス供給の停止、原料ガス供給系統１の配管からの原料ガス漏洩、原料ガス供給系統１に接続されているガス使用機器からの原料ガス漏洩等何らかの原因により原料ガス供給系統１の圧力が低下すると、まず、原料ガス流路１３内の原料ガス圧力が低下する。制御装置１７は、圧力検出装置１６によって、原料ガス圧力の低下を検出する。

次に、圧力検出装置１６の検出値が所定値未満になると、制御装置１７が原料ガス流路遮断装置１４を制御して原料ガス流路１３を遮断する。これによって、原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合、ガス昇圧装置１５による原料ガス供給系統１からの原料ガスの吸引が防止されるので、原料ガス供給系統１内ガス圧の過剰な低下を防止することができる。

そして、制御装置１７は、原料ガス流路遮断装置１４の閉止動作と連動するようにしてガス昇圧装置１５を可及的速やかに停止動作するよう制御する。これにより、原料ガス流路遮断装置１４からガス昇圧装置１５に至る区間の原料ガス流路１３内の圧力低下を防止することができる。

また、制御装置１７は、原料ガス流路遮断装置１４の遮断動作と連動するようにして、燃料生成装置１８を停止するとともに、オフガス流路遮断装置４２を制御してオフガス流路４１を遮断する。これによって、燃料電池システム１００の原料ガス流路遮断装置１４からオフガス流路遮断装置４２に至る一連の隔離区域、つまり、原料ガス流路１３と、圧力検出装置１６と、ガス昇圧装置１５と、燃料生成装置１８と、改質ガス流路４０と、燃料電池１１と、オフガス流路４１の一部と、が外部から隔離される。そして、オフガス流路遮断装置４２あるいは図示しない圧力調整装置によって、隔離区域に配設されている配管、装置等の設備が圧力によって損傷を受けないように隔離区域内の圧力が調整される。

なお、燃料電池１１については、発電出力の状況に応じながら、送電端が開放されて発電が停止される。

以上に説明したように、燃料電池システム１００により、原料ガス供給系統１からの原料ガス供給が停止若しくは原料ガス供給系統１内の圧力が低下した場合においても、原料ガス供給系統１のガス供給圧の過剰な低下、例えば大気圧以下までの低下を防止して燃料電池システム１００を停止させることができるので、原料ガス供給系統１の損傷、原料ガス供給系統１内への空気の流入に伴う原料ガス供給系統１内での異常燃焼のおそれ、ならびに原料ガス供給系統１に接続されているガス使用機器の動作不良及び損傷を防止することができる。

また、原料ガス供給系統１は原料ガス流路遮断装置１４によって原料ガスの吸引を防止することができるので、ガス昇圧装置１５の動作状況の如何に関わらず、例えば、ガス昇圧装置１５が動作を完全に停止するまでの状況に関わらず、原料ガス供給系統１の圧力低下を防止することができる。

［変形例１］
本実施の形態においては、原料ガス流路遮断装置１４を設けたが、原料ガス流路遮断装置１４を省略しても、本発明の目的を達成することができる。すなわち、圧力検出装置１６の検出値が所定値未満になると、制御装置１７は、ガス昇圧装置１５を可及的速やかに停止動作するよう制御する。これによって、原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合、ガス昇圧装置１５による原料ガス供給系統１からの原料ガスの吸引が防止されるので、原料ガス供給系統１内ガス圧の過剰な低下を防止することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、実施の形態１の燃料電池システム１００において、原料ガス流路遮断装置１４が省かれていて、代わりに、原料ガスボンベ２３と、原料ガスボンベ２３から原料ガスを供給する原料ガスボンベ流路２４と、圧力検出装置１６とガス昇圧装置１５との間の原料ガス経路１３に設置されて原料ガスボンベ流路２４を切換可能に原料ガス流路１３に接続する切換装置（原料ガス吸引防止手段）２５とが配設されている燃料電池システムである。したがって、燃料電池システム１００と相違する部分についてのみ説明する。また、図２において、図１の燃料電池システム１００と同一または相当する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

原料ガスボンベ２３は、原料ガスが加圧充填されているボンベである。

切換装置２５は、例えば三方弁で構成されていて、ガス昇圧装置１５の原料ガスの吸入源を原料ガス供給系統１あるいは原料ガスボンベ２３に切換えることができるように構成されている。あるいは複数の電磁弁が組み合わされて構成されていてもよい。

次に、燃料電池システム２００の通常運転時の動作（運転方法）を概略説明する。これらの動作は制御装置１７によって制御されることにより遂行される。

まず、通常運転時には、切換装置２５は原料ガス供給系統１がガス昇圧装置１５と接続されるように切り換えられていて、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様にして運転される。つまり、原料ガス供給系統１の原料ガスが燃料電池システム２００に供給されて、燃料電池システム２００の起動、運転、停止などの動作が行われる。

次に、本発明の特徴である、原料ガス供給系統１のガス供給が停止若しくは原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合の燃料電池システム２００の動作（運転方法）について説明する。

原料ガス流路遮断装置１４が開放されていて、ガス昇圧装置１５が動作している場合において、実施の形態１と同様にして、原料ガス供給系統１の圧力が低下すると、まず、原料ガス流路１３内の原料ガス圧力が低下する。制御装置１７は、圧力検出装置１６によって、原料ガス圧力の低下を検出する。

そして、圧力検出装置１６の検出値が所定値未満になると、制御装置１７が切換装置２５を制御して原料ガス供給系統１とガス昇圧装置１５との接続を遮断すると共に、ガス昇圧装置１５に原料ガスボンベ２３が接続するようにガス昇圧装置１５の吸入源を切り換える。これによって、原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合、ガス昇圧装置１５による原料ガス供給系統１からの原料ガスの吸引が防止されるので、原料ガス供給系統１内ガス圧の過剰な低下を防止することができる。また、ガス昇圧装置１５への原料ガスの供給は維持されるので燃料電池システム２００の運転を暫時継続できるので、燃料電池システム２００内残留ガスのパージや燃焼など燃料電池システム２００の停止動作を行うことができ、燃料電池システム２００の急激な停止に伴う燃料電池システム２００の損傷を防止することができる。また、原料ガス供給系統１の原料ガスの供給が回復するまでの間燃料電池システム２００の運転を維持することができるので、運転継続の柔軟性を有する燃料電池システムを提供することができる。

そして、制御装置１７は、切換装置２５の切り換え動作と連動するようにしてガス昇圧装置１５を可及的速やかに停止動作するよう制御する。これにより、切換装置２５からガス昇圧装置１５に至る区間の原料ガス流路１３内の圧力低下を防止することができる。

また、制御装置１７は、切換装置２５の切り換え動作と連動するようにして、燃料生成装置１８を停止するとともに、オフガス流路遮断装置４２を制御してオフガス流路４１を遮断する。これによって、燃料電池システム２００の原料ガスボンベ２３からオフガス流路遮断装置４２に至る一連の隔離区域、つまり、原料ガスボンベ２３と，原料ガスボンベ流路２４、原料ガス流路１３と、ガス昇圧装置１５と、燃料生成装置１８と、改質ガス流路４０と、燃料電池１１と、オフガス流路４１の一部と、が外部から隔離される。そして、オフガス流路遮断装置４２あるいは図示しない圧力調整装置によって、隔離区域に配設されている配管、装置等の設備が圧力によって損傷を受けないように隔離区域内の圧力が調整される。

なお、燃料電池１１については、発電出力の状況に応じながら、送電端が開放されて発電が停止される。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。図３に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３００は、実施の形態１の燃料電池システム１００において、圧力検出装置１６が省かれていて、代わりに、原料ガス供給系統１に配設されている保護装置２の動作を検出して保護装置２の動作を制御装置１７に通信する通信装置（原料ガス供給異常検出手段）２７が配設されている燃料電池システムである。したがって、燃料電池システム１００と相違する部分についてのみ説明する。また、図３において、図１の燃料電池システム１００と同一または相当する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、保護装置２は、原料ガス供給系統１に一般に装着されている装置であって、流量、圧力、温度等を検出する検出装置と原料ガスの供給を遮断する遮断装置、例えば電磁弁を有していて、検出装置の検出値に異常がある場合には遮断装置を制御して原料ガス供給系統１内の原料ガスの供給を遮断する装置である。

通信装置２７は、保護装置２の動作を検出して、制御装置１７に無線又は有線の通信を行う装置である。

燃料電池システム３００の通常運転時の動作（運転方法）は、燃料電池システム１００と同じである。ただし、制御装置１７は通信装置２７により保護装置２のガス遮断動作の有無を監視している。

次に、本発明の特徴である、原料ガス供給系統１のガス供給が停止若しくは原料ガス供給系統１内の圧力が低下する場合の燃料電池システム３００の動作（運転方法）について説明する。

原料ガス流路遮断装置１４が開放されていて、ガス昇圧装置１５が動作している場合において、まず、保護装置２が遮断動作をすると、制御装置１７は、通信装置２７によって、この遮断動作の情報を取得する。

次に、制御装置１７は、原料ガス流路遮断装置１４を制御して原料ガス流路１３を閉止する。これによって、地震等何らかの原因によって保護装置２が遮断動作をした場合、ガス昇圧装置１５による原料ガス供給系統１からの原料ガスの吸引が防止されるので、原料ガス供給系統１内ガス圧の過剰な低下を防止することができ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、原料ガス供給系統１内の圧力低下を検出することなく、原料ガス供給系統１の原料ガスの遮断を直接的に検出することが可能となるので、原料ガス供給系統１内の圧力低下が検出されるより早く燃料電池システム３００への原料ガスの供給を停止することができ、原料ガス供給系統１等の損傷等の防止をより確実に実行することができる。

そして、制御装置１７は、原料ガス流路遮断装置１４の遮断動作と連動するようにしてガス昇圧装置１５を可及的速やかに停止動作するよう制御する。これにより、原料ガス流路遮断装置１４からガス昇圧装置１５に至る区間の原料ガス流路１３内の圧力低下を防止することができる。

また、制御装置１７は、原料ガス流路遮断装置１４の遮断動作と連動するようにして、燃料生成装置１８を停止するとともに、オフガス流路遮断装置４２を制御してオフガス流路４１を遮断する。これによって、燃料電池システム３００の原料ガス流路遮断装置１４からオフガス流路遮断装置４２に至る一連の隔離区域、つまり、原料ガス流路１３と、ガス昇圧装置１５と、燃料生成装置１８と、改質ガス流路４０と、燃料電池１１と、オフガス流路４１の一部と、が外部から隔離される。そして、オフガス流路遮断装置４２あるいは図示しないリリーフ弁等の圧力調整装置によって、隔離区域に配設されている配管、装置等の設備が圧力によって損傷を受けないように隔離区域内の圧力が調整される。

なお、燃料電池１１については、発電出力の状況に応じながら、送電端が開放されて発電が停止される。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システム４００は、燃料電池システム１００において、原料ガス流路遮断装置１４とガス昇圧装置１５の間の原料ガス流路１３に接続された原料ガス充填流路２８と、原料ガス充填流路２８に配設された原料ガス充填弁２９と、原料ガス充填弁２９に接続された原料ガスボンベ２３とをさらに備えている燃料電池システムである。なお、原料ガスボンベ２３は原料ガス充填弁２９とは脱着可能に接続されていて、必要時にのみ原料ガス充填弁２９に接続される。したがって、燃料電池システム１００と相違する部分についてのみ説明する。また、図４において図１の燃料電池システム１００と同一または相当する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

燃料電池システム４００の通常運転時の動作（運転方法）及び原料ガス供給系統１のガス供給が停止若しくはガス供給圧が低下する場合の動作（運転方法）は、燃料電池システム１００と同じである。なお、原料ガス充填弁２９は閉止されている。

次に、本発明の特徴である、原料ガスの供給停止若しくは原料ガス供給系統１内の圧力低下時の燃料電池システム４００の運転動作後、すなわち原料ガス遮断装置１４によって原料ガス流路１３が遮断された後の動作（運転方法）について説明する。

原料ガス遮断装置１４によって原料ガス流路１３が遮断された後、原料ガスボンベ２３が原料ガス充填弁２９に接続される。あるいは、原料ガス遮断装置１４によって原料ガス流路１３が遮断される前に、原料ガスボンベ２３が原料ガス充填弁２９に接続されていてもよい。そして、原料ガス流路１３の圧力がさらに低下し、所定の圧力以下になる場合、原料ガス充填弁２９が開放されて原料ガスボンベ２３の原料ガスが原料ガス流路１３内、ひいては燃料電池システム４００内に充填される。具体的には、原料ガス充填弁２９は、開放後、原料ガス流路１３が所定の圧力に到達するまで開放されて、原料ガス流路１３に原料ガスが充填される。また、原料ガス充填弁が圧力調整弁（図示せず）を備えていて、所定の圧力で原料ガス流路１３に原料ガスが充填されるように構成してもよい。ここで、所定の圧力は、原料ガス流路遮断装置１４が固着したり、原料ガス流路１３及び燃料電池システム４００が損傷することのないと判断される下限値に設定される。ここでは、０乃至０．５ｋPａに相当する値が設定される。これによって、原料ガスの供給停止若しくはガス供給圧低下時の燃料電池システム４００の運転動作後、燃料電池システム４００の温度低下等によって原料ガス流路１３内圧力が過剰に低下した場合において、過剰な減圧に伴う燃料電池システム４００の損傷を防止したり、原料ガス供給系統１復旧後の原料ガス流路遮断装置１４の遮断開放動作の不調を解消し、かつ、かつ原料ガス流路遮断装置１４を再度開放した場合に原料ガス供給系統１にガスが逆流することを防止することができる。また、必要に応じて原料ガスボンベ２３を原料ガス充填弁２９に脱着することができるので、燃料電池システム４００に原料ガスボンベ２３を常設する負担を回避することができるとともに、原料ガス流路１３の圧力回復に必要な容量の原料ガスボンベ２３を選択することができ、効率的な対応が可能となる。

以上、本発明の実施形態１乃至４について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、原料ガス流路遮断装置１４としての電磁弁、ガス昇圧装置１５としてのプランジャーポンプ、切換装置２５としての切換装置はそれぞれ好ましい例示の1つであってこれらに限定されるものではなく他の一般的な開閉手段やガス昇圧手段を用いることができる。

本発明の燃料電池システムおよびその運転方法は、原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは原料ガス供給系統内の圧力の低下時に、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止することができるので、燃料電池システムに起因する原料ガス供給系統の損傷を抑制することができる、燃料電池システムおよ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にかかる燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システムの概略構成を示す系統図である。 ガス昇圧装置が組み込まれた従来の燃料電池システムの概略を示す系統図である。

符号の説明

１ 原料ガス供給系統
２ 保護装置
１１ 燃料電池
１３ 原料ガス流路
１４ 原料ガス流路遮断装置
１５ ガス昇圧装置
１６ 圧力検出装置
１７ 制御装置
１８ 燃料生成装置
１９ 酸化剤ガス供給装置
２０ 酸化剤ガス流路
２１ 冷却水経路
２２ 冷却水ポンプ
２３ 原料ガスボンベ
２４ 原料ガスボンベ流路
２５ 切換装置
２７ 通信装置
２８ 原料ガス充填流路
２９ 原料ガス充填弁
４０ 改質ガス流路
４１ オフガス流路
４２ オフガス流路遮断装置
４３ 燃焼器
４４ 水供給手段
１００，２００，３００，４００，５００ 燃料電池システム

Claims (16)

1. 原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成装置と、
   前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
   原料ガス供給系統から供給される前記原料ガスを前記燃料生成装置に導く原料ガス流路と、
   前記原料ガス流路に配設されて、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置と、
   原料ガス供給異常検出手段と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給異常検出手段を介して前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出すると、前記ガス昇圧装置の運転を停止して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、燃料電池システム。
2. 原料ガス吸引防止手段をさらに備え、
   前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給異常検出手段を介して前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出すると、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記原料ガス供給異常検出手段が、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された圧力検出装置であって、
   前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記圧力検出装置の検出値が所定の閾値以下の場合には、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記原料ガス供給異常検出手段が、前記原料ガス供給系統に配設された原料ガス流路遮断装置と通信を行う通信装置であって、
   前記制御装置は、前記ガス昇圧装置運転中において、前記通信装置を介して前記原料ガスの供給が遮断された信号を受けた場合には、前記ガス昇圧装置の運転を停止し、かつ前記原料ガス吸引防止手段を制御して、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記原料ガス吸引防止手段が、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された原料ガス流路遮断装置であって、
   前記制御装置が前記原料ガス流路遮断装置を閉止することによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 前記原料ガスを蓄えた原料ガスボンベと、前記原料ガスボンベの原料ガスを前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に導く原料ガスボンベ流路と、前記原料ガスボンベ流路が前記原料ガス流路に接続する接続部に配設されて前記ガス昇圧装置に導入される原料ガスの流路を前記原料ガス供給系統側と前記ガスボンベ側とに切り換える切換装置とを備え、
   前記原料ガス吸引防止手段が、前記切換装置であって、前記制御装置が前記原料ガスボンベの原料ガスを前記ガス昇圧装置に導くように前記切換装置を切り換えることによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記原料ガス流路に接続された原料ガス充填流路と、前記原料ガス充填流路に配設されて通常は閉止されている原料ガス充填弁と、原料ガスが充填されて前記原料ガス充填弁に配設された原料ガスボンベとを備え、
   前記制御装置は、前記原料ガスの吸引防止動作後、前記原料ガス流路内圧力が所定の圧力以下である場合には、前記原料ガス充填弁を開放する、請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記原料ガスボンベと前記原料ガス充填弁とは、脱着自在に構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成装置と、
   前記燃料ガスと酸化剤を用いて発電する燃料電池と、
   原料ガス供給系統から供給される前記原料ガスを前記燃料生成装置に導く原料ガス流路と、
   前記原料ガス流路に配設されて、上流側の原料ガスを吸引して下流側の原料ガス流路の原料ガス圧力を昇圧するガス昇圧装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記ガス昇圧装置運転中において、前記原料ガス供給系統からの原料ガスの供給の停止あるいは前記原料ガス供給系統内の圧力の低下を検出するステップと、
   前記ガス昇圧装置の運転を停止して、前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止するステップと、を備える、燃料電池システムの運転方法。
10. 原料ガス吸引防止手段をさらに備え、
    前記原料ガス吸引防止手段が前記ガス昇圧装置による前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を防止する、請求項９記載の燃料電池システムの運転方法。
11. 前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された圧力検出装置を備え、
    前記ガス昇圧装置運転中において、前記圧力検出装置の検出値が所定の閾値以下の場合には、前記原料ガス吸引防止手段が前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
12. 前記原料ガス供給系統に配設された原料ガス原料ガス流路遮断装置と通信を行う通信装置を備え、
    前記ガス昇圧装置運転中において、前記通信装置が前記原料ガスの供給が遮断された信号を受けた場合には、前記原料ガス吸引防止手段が前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
13. 前記原料ガス吸引防止手段が、前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に配設された原料ガス流路遮断装置であって、
    前記原料ガス流路遮断装置を閉止することによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
14. 前記原料ガスを蓄えた原料ガスボンベと、前記原料ガスボンベの原料ガスを前記原料ガスの流通方向において前記ガス昇圧装置の上流側の前記原料ガス流路に導く原料ガスボンベ流路と、前記原料ガスボンベ流路が前記原料ガス流路に接続する接続部に配設されて前記ガス昇圧装置に導入される原料ガスの流路を前記原料ガス供給系統側と前記ガスボンベ側とに切り換える切換装置とを備え、
    前記原料ガス吸引防止手段が、前記切換装置であって、前記原料ガスボンベの原料ガスを前記ガス昇圧装置に導くように前記切換装置を切り換えることによって、前記原料ガス供給系統からの前記原料ガスの吸引を停止する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
15. 前記原料ガス流路に接続された原料ガス充填流路と、前記原料ガス充填流路に配設されて通常は閉止されている原料ガス充填弁と、原料ガスが充填されて前記原料ガス充填弁に配設された原料ガスボンベとを備え、
    前記原料ガスの吸引停止動作後、前記原料ガス流路内圧力が所定の圧力以下である場合には、前記原料ガス充填弁を開放する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
16. 前記原料ガスボンベと前記原料ガス充填弁とは、脱着自在に構成されている、請求項１５に記載の燃料電池システムの運転方法。

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