JP2006210019A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、システム停止後の燃料ガスパージに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel gas purge after the system is stopped.
燃料電池システムとして、燃料電池と、原料ガスを改質して燃料電池のアノードに供給される水素リッチな燃料ガスを発生させる改質器と、燃料電池のアノードに接続された窒素ボンベとを具備し、運転停止後に燃料電池のアノード側に残留している水素リッチガスの全部または一部を、窒素置換(不活性ガスでパージ)することのできる燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。 The fuel cell system includes a fuel cell, a reformer that reforms a raw material gas to generate a hydrogen-rich fuel gas supplied to the anode of the fuel cell, and a nitrogen cylinder connected to the anode of the fuel cell. In addition, a fuel cell system is known in which all or part of the hydrogen-rich gas remaining on the anode side of the fuel cell after the operation is stopped can be purged with nitrogen (purged with an inert gas) (for example, Patent Documents). 1).
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、パージ用の不活性ガスを貯蔵・供給する装置(窒素ボンベ)を別途用意する必要があるため、システムが複雑になると共に設置スペースも増える。一方、システム停止後に、燃料電池アノードへの外気(酸素)混入を防止すべく、燃料電池の前後に設けた遮断弁を閉弁して密閉空間を形成しても、その後、燃料電池温度が低下したり、残存ガスが燃料電池内で反応して消費されると、この密閉空間がその下流側よりも低圧となり、下流側の遮断弁から不可避的に外気が混入してしまうことがある。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, it is necessary to separately prepare an apparatus (nitrogen cylinder) for storing and supplying an inert gas for purging, so that the system becomes complicated and the installation space increases. On the other hand, after shutting down the system, even if the shutoff valves provided before and after the fuel cell are closed to form a sealed space in order to prevent outside air (oxygen) from entering the anode of the fuel cell, the temperature of the fuel cell subsequently decreases. If the residual gas reacts and is consumed in the fuel cell, the sealed space becomes lower in pressure than the downstream side, and external air may be inevitably mixed in from the downstream shut-off valve.
そこで、本発明は、パージ用の不活性ガスを貯蔵しておく手段を不要にでき、また、システム停止後に燃料電池を含む密閉空間が所定圧よりも低くなることを抑制できる燃料電池システムの提供を目的とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system that can eliminate the need for storing an inert gas for purging, and can prevent the sealed space containing the fuel cell from becoming lower than a predetermined pressure after the system is stopped. With the goal.
本発明の燃料電池システムは、気体の炭化水素系燃料の燃料供給部から炭化水素系燃料を改質手段により水素リッチな燃料ガスに改質し、該燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記改質手段をバイパスして前記気体の炭化水素系燃料を前記燃料電池へ供給可能なパージ通路を備え、前記パージ通路に、前記燃料電池を含んでその前後に形成される密閉空間が所定圧よりも低下した場合に当該パージ通路内のガスを前記密閉空間へ導入する弁装置を設けたものである。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that reforms a hydrocarbon fuel from a fuel supply unit of a gaseous hydrocarbon fuel into a hydrogen-rich fuel gas by reforming means, and generates power using the fuel gas. A purge passage capable of bypassing the reforming means and supplying the gaseous hydrocarbon fuel to the fuel cell, the purge passage including the fuel cell and before and after the purge passage. A valve device is provided that introduces the gas in the purge passage into the sealed space when the sealed space formed in is reduced below a predetermined pressure.
システム停止時に、気体炭化水素系燃料を使用してバイパス通路から燃料電池内をパージし、次いで、燃料電池を含む密閉空間を形成することにより、その後に温度低下や残存ガス消費等によって密閉空間内の圧力が低下しても、パージ通路内の気体炭化水素系燃料が密閉空間に導入され、所定圧よりも低くなることが回避される。この所定圧は、密閉空間の下流側の圧力であり、例えば大気圧である。 When the system is stopped, the fuel cell is purged from the bypass passage using gaseous hydrocarbon fuel, and then the sealed space including the fuel cell is formed. Even if the pressure decreases, the gaseous hydrocarbon fuel in the purge passage is introduced into the sealed space and is prevented from becoming lower than the predetermined pressure. This predetermined pressure is a pressure on the downstream side of the sealed space, for example, atmospheric pressure.
また、気体炭化水素系燃料は、燃料電池内の触媒に対しては不活性ガスであるので、この気体炭化水素系燃料を使用した燃料ガスパージが可能になることによって、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化が図られ、発電とは無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段が不要になる。特に、燃料電池が定置型燃料電池である場合には、設置スペースの狭小化という点で有利である。 In addition, since the gaseous hydrocarbon fuel is an inert gas for the catalyst in the fuel cell, the fuel gas purge using the gaseous hydrocarbon fuel can be performed. And means for storing an inert gas for purging that is not related to power generation become unnecessary. In particular, when the fuel cell is a stationary fuel cell, it is advantageous in that the installation space is reduced.
弁装置は、その下流側の圧力が上流側の圧力よりも低いときだけ開弁して上流側から下流側への流通を許容する逆止弁であってもよい。 The valve device may be a check valve that opens only when the pressure on the downstream side is lower than the pressure on the upstream side and allows the flow from the upstream side to the downstream side.
かかる構成においては、密閉空間内の圧力が低下して逆止弁の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなると、その差圧によって逆止弁が機械的に開弁するので、密閉空間の圧力低下を検知するための手段を特に必要とすることなく、パージ通路内のガスを密閉空間に導入することが可能となる。 In such a configuration, when the pressure in the sealed space decreases and the pressure on the downstream side of the check valve becomes lower than the pressure on the upstream side, the check valve is mechanically opened by the differential pressure. It is possible to introduce the gas in the purge passage into the sealed space without requiring a means for detecting the pressure drop.
炭化水素系燃料として、天然ガス(都市ガス)を利用することもできる。 Natural gas (city gas) can also be used as the hydrocarbon fuel.
本発明の燃料電池システムによれば、システム停止時に、気体炭化水素系燃料を使用してバイパス通路から燃料電池内をパージした後、燃料電池を含む密閉空間を形成することにより、たとえその後に温度低下や残存ガス消費等によって密閉空間内の圧力が低下しても、パージ通路内の気体炭化水素系燃料が密閉空間に導入されるので、所定圧よりも低くなることは回避される。これにより、燃料電池を含む密閉空間への外気混入を有効に抑制することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the system is stopped, the inside of the fuel cell is purged from the bypass passage using the gaseous hydrocarbon fuel, and then the sealed space including the fuel cell is formed, so that the temperature is thereafter increased. Even if the pressure in the sealed space is reduced due to a decrease, residual gas consumption, or the like, the gaseous hydrocarbon fuel in the purge passage is introduced into the sealed space, so that it is avoided that the pressure becomes lower than the predetermined pressure. Thereby, external air mixing into the sealed space including the fuel cell can be effectively suppressed.
また、気体炭化水素系燃料は、燃料電池内の触媒に対しては不活性ガスであることから、この気体炭化水素系燃料を使用した燃料ガスパージが可能になることによって、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化を図ることができる。これにより、発電とは無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段を不要にし得て、システム構成の簡素化と設置スペースの狭小化を図ることができる。 Further, since the gas hydrocarbon fuel is an inert gas for the catalyst in the fuel cell, the fuel gas purge using this gas hydrocarbon fuel becomes possible, so that the gas for power generation and the purge gas are used. It can be shared with gas. As a result, a means for storing the inert gas for purging unrelated to power generation can be made unnecessary, and the system configuration can be simplified and the installation space can be reduced.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック(燃料電池=FC)10が建物(住宅、ビル等)用発電設備としてのいわゆる定置型燃料電池とされた定置用発電システムであるが、本発明はこれに限らず、燃料電池車両の車載発電システムへの適用や、可搬燃料電池への適用も可能である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system of the present invention. This fuel cell system is a stationary power generation system in which the fuel cell stack (fuel cell = FC) 10 is a so-called stationary fuel cell as a power generation facility for buildings (housing, buildings, etc.). Not limited to this, it can be applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle, or to a portable fuel cell.
燃料電池スタック10は水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体であり、各セルは電解質膜を挟んで水素極(以下、アノード)と酸素極(以下、カソード)とが配置された構成となっている。アノード及びカソードは、例えば白金などの触媒を担持した多孔質のカーボン素材等で構成されている。
The
アノードには改質器(改質手段)20から水素リッチな燃料ガスが供給され、カソードには図示しないコンプレッサにより酸化剤ガスとしての空気が供給される。アノードからの排気(以下、アノードオフガス)の一部は、配管31を通じて改質器20に戻されて再利用され、残りは配管32を通じて図示しない燃焼器に供給される又は希釈器で希釈される。一方、カソードからの排気(以下、カソードオフガス)は、図示せぬ配管を通じて外部に排出される。
Hydrogen-rich fuel gas is supplied from the reformer (reforming means) 20 to the anode, and air as oxidant gas is supplied to the cathode by a compressor (not shown). A part of the exhaust from the anode (hereinafter referred to as anode off-gas) is returned to the
改質器20は、配管41を通じて燃料供給部21から供給される天然ガス、例えば住宅・ビル用であれば都市ガス(13A)によって供給される天然ガス、またはプロパンガス等の気体炭化水素系燃料を原燃料として、例えば水蒸気改質反応を主反応とする改質反応によって水素を主成分とする水素リッチな燃料ガスを生成する装置である。この改質器20は、蒸発部、燃焼部、改質部、及びCO低減部等を備えて構成されており、アノードからのアノードオフガスは配管31を介して燃焼部に供給される。
The
燃料供給部21−改質器20間の配管41には、改質器20をバイパスして燃料供給部21からの原燃料を燃料電池スタック10へ供給可能なパージ配管(パージ通路)42が接続されている。このパージ配管42には、その上流側から順に遮断弁50及び逆止弁(弁装置)51が設けられている。
Connected to the
遮断弁50は、制御装置60からの制御指令に応じて開閉が制御される電磁式の開閉弁である。一方、逆止弁51は、その上流側と下流側の圧力差により機械的に作動する弁であり、下流側の圧力が上流側の圧力よりも低いときだけ開弁して上流側から下流側への流通を許容する。
The shut-off
改質器20−燃料電池スタック10間の配管43には遮断弁52が設けられている。この遮断弁52は、バイパス配管42から配管43への合流部Aよりも上流側(改質器20側)に配置されている。また、アノードオフガスが流通するFC下流側配管33にも遮断弁53が設けられている。この遮断弁53は、FC下流側配管33から配管31への分岐部Bよりも上流側(燃料電池スタック10側)に配置されている。
A
これら遮断弁52,53は、制御装置60からの制御指令に応じて開閉が制御される電磁式の開閉弁である。
These shut-off
制御装置60は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、燃料電池システムの各部に設けられた図示しないセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、電流計、電圧計等)や各機器(コンプレッサ、弁等)からの制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
The
次に、図2及び図3を参照しながら、システム停止時のパージ処理について説明する。 Next, the purge process when the system is stopped will be described with reference to FIGS.
このパージ処理は、制御装置60がシステム停止指令を検知した際に実行されるものであり、まず、燃料電池スタック10のアノード下流側に設けられた遮断弁53を開弁したまま、アノード上流側に設けられた遮断弁52を閉弁し、バイパス配管42に設けられた遮断弁50を開弁する。
This purge process is executed when the
すると、図2の矢線で示すように、燃料供給部21からパージガスとしての原燃料がバイパス配管42を介して燃料電池スタック10に供給され、遮断弁52−燃料電池スタック10間、燃料電池スタック10内、及び燃料電池スタック10のFC下流側配管33に残存する燃料ガスが外部にパージ(排出)されて、原燃料雰囲気となる。
Then, as shown by the arrow in FIG. 2, the raw fuel as the purge gas is supplied from the
しかる後、燃料電池スタック10のFC下流側配管33に設けられた遮断弁53を閉弁し、バイパス配管42に設けられた遮断弁50を閉弁する。すると、遮断弁52−遮断弁53間に、燃料電池スタック10を含む密閉空間が形成され、外部から燃料電池スタック10への外気混入は遮断される。
Thereafter, the
ところが、その後、スタック温度が低下したり、アノード及びカソードの残存ガスが燃料電池スタック10内で反応して消費されると、燃料電池スタック10を含む上記密閉空間内の圧力が低下する。そして、この密閉空間がその下流側の圧力(大気圧)よりも低くなると、外気が遮断弁53を通過して密閉空間に混入する虞が生じる。
However, after that, when the stack temperature decreases or the remaining gas of the anode and cathode reacts and is consumed in the
しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、上記密閉空間の圧力が低下して逆止弁51の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなると、その差圧によって逆止弁51が機械的に駆動されて開弁し、図3の矢線で示すように、原燃料(パージガス)雰囲気になっているバイパス配管42から上記密閉空間へと原燃料が導入される。これにより、上記密閉空間の圧力低下が回避され、燃料電池スタック10を含む密閉空間への外気混入を有効に抑制することができる。
However, in the fuel cell system of the present embodiment, when the pressure in the sealed space decreases and the pressure on the downstream side of the
しかも、この原燃料は、燃料電池スタック10内の触媒に対しては不活性ガスであるから、本実施形態の燃料電池システムでは、原燃料を使用した燃料ガスパージを可能にしたことにより、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化が図られている。これにより、発電と無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段が不要になり、システム構成の簡素化と設置スペースの狭小化を図ることができる。
Moreover, since this raw fuel is an inert gas with respect to the catalyst in the
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, the present invention is not limited to this embodiment. It is included in the scope of the invention.
例えば、上記実施の形態では、弁装置として逆止弁51を例示したが、これに代えて電磁式開閉弁等の遮断弁を採用すると共に、密閉空間内の圧力を検知する手段(例えば、圧力センサ等)を適所に設け、密閉空間が所定圧よりも低くなったことを検知したら当該遮断弁を開弁する構成としてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、上記実施の形態では、燃料電池スタック10が原燃料によりパージされた後、遮断弁53および遮断弁50を閉弁しているが、遮断弁53を閉弁し遮断弁50は開弁状態のままとしてもよい。この場合、遮断弁52、遮断弁53およい逆止弁51により燃料電池スタック10を含む密閉空間が実質的に形成され、外部から燃料電池スタック10への外気混入は遮断される。スタック温度が低下して燃料電池スタック10を含む密閉空間の圧力が低下すると、上記実施の形態と同様に、逆止弁51が機械的に駆動され開弁し、バイパス配管42から上記密閉空間に原燃料が導入される。これにより、燃料電池スタック10を含む密閉空間への外気導入を有効に抑制することができる。
In the above embodiment, after the
また、上記実施の形態では、パージ配管42に遮断弁50、改質器20−燃料電池スタック10間に遮断弁52を設けているが、図示しない適所に設けられた弁等により、燃料電池スタック10を含んでその前後に密閉空間を形成することができれば、遮断弁50,52を省略可能である。
Further, in the above embodiment, the
10…燃料電池スタック(燃料電池)、20…改質器(改質手段)、42…パージ配管(パージ通路)、51…逆止弁(弁装置)
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記改質手段をバイパスして前記気体の炭化水素系燃料を前記燃料電池へ供給可能なパージ通路を備え、
前記パージ通路に、前記燃料電池を含んでその前後に形成される密閉空間が所定圧よりも低下した場合に当該パージ通路内のガスを前記密閉空間へ導入する弁装置を設けた燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell that reforms a hydrocarbon-based fuel from a fuel supply unit of a gaseous hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas by a reforming means, and generates power using the fuel gas. ,
A purge passage capable of bypassing the reforming means and supplying the gaseous hydrocarbon fuel to the fuel cell;
A fuel cell system in which a valve device is provided in the purge passage to introduce gas in the purge passage into the sealed space when the sealed space formed before and after the fuel cell includes a pressure lower than a predetermined pressure.
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