JP2006294466A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の窒素ガスを作成する機能を有する燃料電池発電システムでは、酸素除去器を流通する酸素含有ガスの流量に対し、充分な脱酸素反応速度を有する脱酸素材を用いる必要がある。
【解決手段】 燃料を改質して水素を生成する燃料改質器２と、燃料改質器２で生成した水素を使用して発電する燃料電池１と、脱酸素材１５を内蔵しガスを貯蔵しながらガス中の酸素を除くタンク８と、酸素含有ガスをタンク８に昇圧して供給する昇圧手段１３と、燃料改質器２または燃料電池１とタンク８を結ぶ不活性ガス配管１６と、不活性ガス配管１６の途中に設けられた遮断弁１７とを備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、システム停止時の系内可燃性ガスの置換や温度降下に伴う系内への空気吸引の防止のために使用する窒素ガスを自システム内で作成する機能を有する燃料電池発電システムに関するものである。

従来の燃料電池発電システムでは、システム停止時の系内可燃性ガスの置換（可燃性ガスを追い出して不活性ガスを充満させること）や温度降下に伴う空気吸引の防止等を行うために、不活性ガスボンベを備えていた。
不活性ガスボンベを備える燃料電池発電システムは、付帯設備の増大やガス管理の負担を招く。そのため、不活性ガスを自システム内で作成する機能を備えた燃料電池発電システムが検討されており、例えば脱酸素材を用いた酸素除去器により酸素含有ガス(燃焼排ガス)を流通させつつ脱酸素処理し、生成した不活性ガス（窒素）を貯蔵タンクに蓄えて系内可燃性ガスの置換等に用いるよう構成される。（例えば特許文献１）。

特開平６−２０３８６５号公報。

従来の窒素ガスを作成する機能を有する燃料電池発電システムでは、酸素除去器を流通する酸素含有ガスの流量に対し充分な脱酸素反応速度を有する脱酸素材を用いる必要が有る。また、脱酸素材を酸化還元して繰り返し使用することで脱酸素材の性能が低下する。このため、高性能かつ多量の脱酸素材を必要とするという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高性能な脱酸素材を用いる必要を無くすることを目的とする。

この発明に係る燃料電池発電システムは、燃料を改質して水素を生成する燃料改質器と、該燃料改質器で生成した水素を使用して発電する燃料電池と、脱酸素材を内蔵しガスを貯蔵しながらガス中の酸素を除くタンクと、酸素含有ガスを前記タンクに昇圧して供給する昇圧手段と、前記燃料改質器または前記燃料電池と前記タンクを結ぶ不活性ガス配管と、該不活性ガス配管の途中に設けられた遮断弁とを備えたものである。

この発明に係る燃料電池発電システムは、燃料を改質して水素を生成する燃料改質器と、該燃料改質器で生成した水素を使用して発電する燃料電池と、脱酸素材を内蔵しガスを貯蔵しながらガス中の酸素を除くタンクと、酸素含有ガスを前記タンクに昇圧して供給する昇圧手段と、前記燃料改質器または前記燃料電池と前記タンクを結ぶ不活性ガス配管と、該不活性ガス配管の途中に設けられた遮断弁とを備えたものなので、脱酸素処理に寄与する脱酸素材と酸素含有ガスとの接触時間を著しく増大させることができ、低い脱酸素反応速度の脱酸素材でも充分に脱酸素処理を行うことが可能であるという効果が有る。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。この燃料電池発電システムは、例えば商店や会社など日中の消費電力が大きい場所で日中に発電して使用することを想定している。そのため、燃料電池発電システムは起動と停止を毎日行うことになり、システム停止時に使用する不活性ガスを安価に製造することが重要である。

燃料電池発電システムは、水素を使用して発電する燃料電池である固体高分子型燃料電池１と、水蒸気改質反応により都市ガスを水素主体の燃料ガスに変換する燃料改質器２と、燃料改質器２に原料である都市ガスを供給する都市ガス供給系３と、燃料改質器２に水を供給する水供給系４と、都市ガスと水を混合して燃料改質器２に流す原料供給配管５と、燃料改質器２で発生した水素主体の燃料ガスを固体高分子型燃料電池１に流す燃料ガス供給配管６と、固体高分子型燃料電池１に空気を供給する空気供給系７と、システム停止時の系内可燃性ガスの置換や温度降下に伴う空気吸引の防止などを行うために、固体高分子型燃料電池１及び燃料改質器２に供給される不活性ガスを貯えるタンク８などから構成される。

燃料改質器２は、原料である都市ガスと水が混合して供給されて、水蒸気改質反応により水素主体の燃料ガスを固体高分子型燃料電池１のアノード１Ａに供給する。一方、空気供給系７より空気を固体高分子型燃料電池１のカソード１Ｂに供給する。固体高分子型燃料電池１では、水素と空気中の酸素を以下の反応式で反応させて発電する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
１／２×Ｏ２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ （２）
（１）式の反応はアノード１Ａで発生し、発生した電子は外部に取り出され電気として利用される。利用された後の電子はカソード１Ｂに供給され、固体高分子型燃料電池１内を移動して来た水素イオン(Ｈ^＋)と酸素とで、（２）式の反応が起きる。

燃料改質器２における水蒸気改質反応による水素生成は、約７００℃の温度で発生し、また反応熱を必要とする。燃料改質器２を約７００℃に加熱し反応熱を供給するため、燃料改質器２にはバーナ２Ａが備えられており、このバーナ２Ａにより水素を含んだアノード排ガスを燃焼させている。アノード排ガスをバーナ２Ａに供給するために、アノード排ガス供給配管９が有る。

システム停止時には燃料改質器２に都市ガスと水の供給を停止できるように、都市ガス供給系３と原料供給配管５の間には遮断弁１０が有り、水供給系４と原料供給配管５の間には遮断弁１１が有る。また、アノード排ガス供給配管９にはシステム停止時にアノード排ガスの流れを遮断する遮断弁１２が有る。システム停止時に燃料改質器２に空気が混入すると触媒の酸化による性能低下の原因になるので、システム停止時は系内には窒素ガスを封入する。ここで、原料供給配管５の上流に有る遮断弁１０及び遮断弁１１よりも下流で燃料電池１のアノード１Ａの下流に有る遮断弁１２までを系内と呼ぶ。
昇圧手段であるコンプレッサ１３により酸素含有ガスである空気が昇圧すなわち圧縮され、遮断弁１４を介してタンク８に貯蔵される。タンク８の容量は、発電電力が１０ｋＷ程度に対して数Ｌの容量とする。

タンク８の内部には脱酸素材１５が充填されている。脱酸素材１５には、例えば銅や鉄、ニッケル等の金属粉、金属塊、または金属粉とセラミクスの成形物のような、自らが酸化されて酸素を除去するようなものを用いる。タンク８は燃料改質器２に隣接し、燃料改質器２の熱が伝わるように設置され、燃料改質器２及び固体高分子型燃料電池１が動作時にタンク８内の脱酸素材１５が例えば１００℃の温度に保たれるような適切な所定の位置に設置される。この所定の位置は、燃料改質器２または固体高分子型燃料電池１の何れかまたは両方を基準にして決める。脱酸素材１５の動作温度については、酸化、還元に要する触媒性能を勘案して設定する。タンク８の内部で脱酸素材１５により空気から酸素が除去された窒素を主成分とするガスを、脱酸素窒素ガスと呼ぶこととする。脱酸素窒素ガスは、不活性ガスである。
このようにタンク８で脱酸素材１５による酸化反応及び還元反応が効率的にできる温度条件とするために、燃料電池システム内で発生する熱を利用することにより、新たな熱源が不要になり、燃料電池システムのエネルギー効率を向上できるという効果が有る。

タンク８と原料供給配管５の間を、脱酸素窒素ガス供給配管１６が遮断弁１７を介して接続する。燃料電池発電システムの発電停止時には、遮断弁１７を開いて脱酸素窒素ガス供給配管１６に脱酸素窒素ガスを流して、原料供給配管５、燃料改質器２、燃料ガス供給配管６、固体高分子型燃料電池１、アノード排ガス供給配管９に脱酸素窒素ガスを充満させる。
また、脱酸素材１５を還元（酸素を分離すること）するために燃料ガスの一部を使用するために、燃料ガス供給配管６の途中から分岐して遮断弁１８を介してタンク８に入る還元ガス配管である還元ガス供給配管１９と、タンク８から出たガスをアノード排ガス供給配管９の途中に戻す還元ガス排出配管２０とが有る。還元ガス排出配管２０には遮断弁２１が有る。

次に動作を説明する。タンク８内に充填した脱酸素材１５の還元及び脱酸素の処理については、様々な手順による動作が可能であるが、一例を以下に示す。
脱酸素材１５を還元するために、燃料改質器２の動作中に数十分から数時間程度の所定の時間だけ、遮断弁１８と遮断弁２１とを開き、遮断弁１４と遮断弁１７とを閉じておく。このような状態の期間には、水素主体の燃料ガスの一部がタンク８に供給される。脱酸素材１５は燃料ガスにより還元され、脱酸素材１５としての機能を再生する。タンク８を出た未反応分の水素はバーナ２Ａで燃焼する。還元ガス供給配管１９または還元ガス排出配管２０には、オリフィス等の流量調節手段(図示せず)を設置し、還元反応に過不足無い適切な流量を設定することが、燃料電池システムの効率上は望ましい。

脱酸素材１５の還元後、遮断弁１８と遮断弁２１とを閉じ、遮断弁１４を開にし、コンプレッサ１３で空気を圧縮しタンク８に供給する。タンク８を上限圧力（例えば１０気圧）になるまで空気を供給した後、コンプレッサ１３を停止し遮断弁１４を閉にする。タンク８に供給された空気は、脱酸素材１５により脱酸素処理され、不活性ガスである脱酸素窒素ガスに変換されてタンク８内に貯蔵される。

脱酸素処理後は酸素が除去されるため、タンク８内のガス圧力は空気供給時の上限圧力よりも低くなる。空気中の酸素濃度をα（ここでは、仮に２０％）とすると、酸素がほぼ除かれると圧力も（１−α）倍に下がる。所定の圧力まで下がると、再び、遮断弁１４を開にし、コンプレッサ１３で空気を圧縮しタンク８に供給する。タンク８を上限圧力になるまで空気を供給した後、コンプレッサ１３を停止し遮断弁１４を閉にする動作を繰り返すことで、上限圧力に近い窒素をタンク８に貯蔵することが可能である。そして、タンク８内で脱酸素材１５による脱酸素処理が完了するまで待つと、タンク８内には脱酸素窒素ガスが充満することになる。

初回の空気の充填では、タンク８の上限圧力でタンク８の容量分の空気を充填する。２回目以降では、除かれた酸素と同じ量の空気を充填するので、充填する空気の量はしだいに少なくなる。脱酸素材１５が酸素を除去する速度は酸素が脱酸素材１５に触れる確率すなわち酸素濃度に比例関係にあると仮定すると、タンク８内の酸素濃度は酸素濃度の対数が時間に比例して減少することになる。したがって、酸素が充填直後のβ（例えば、０．１）倍になるまでに要する時間は、酸素濃度によらず一定になる。酸素が充填直後のβ倍になるまでに要する時間をＴ（例えば、２分）とし、空気の充填に要する時間をゼロと仮定し充填してから時間Ｔが経過すると空気を供給することをｎ回繰り返したとすると、充填直後の酸素濃度をＣ(ｎ)、次の充填直前の酸素濃度をＤ(ｎ)とすると、以下の関係が有る。
まず、タンク８内で酸素が脱酸素材１５により除去されるので、以下のようになる。
Ｄ(ｎ)＝β×Ｃ(ｎ) （３）
脱酸素材１５により除去された酸素の替わりに空気を充填するので、以下のようになる。
Ｃ(ｎ＋１)＝Ｄ(ｎ)＋(Ｃ(ｎ)−Ｄ(ｎ))×α （４）

（３）式と（４）式から、初回の充填直後ではＣ(１)＝αであることから、以下のようになる。
Ｃ(ｎ)＝(β＋(１−β)×α)^ｎ−１×α （５）
Ｄ(ｎ)＝(β＋(１−β)×α)^ｎ−１×α×β （６）
酸素除去が完了した後でのタンク内のガスの圧力と上限圧力との差がγ（例えば、１％）以内で、タンク８にガスを充填するために必要な充填の繰り返し回数Ｎは、（５）式から計算するＣ（ｎ）がγ以下となる最小のｎである。β＝０．１とするとＮ＝３となり、β＝０．０１でもＮ＝３である。β＝０．０１の場合でのＴはβ＝０．１の場合でのＴの２倍になるので、空気の充填の繰り返しが完了するまでの時間は、β＝０．１の場合の方が早く充填を完了できる。なお、空気をタンク８内に充填するのに数秒から数十秒の時間を要し、タンク８内に空気を充填する途中でも脱酸素材１５により酸素の除去が行われるので、上記がそのまま成立する訳ではないが、ほぼ同様なことが言える。

タンク８で作成かつ貯蔵した脱酸素窒素ガスを、発電停止時の燃料電池発電システムにおける系内の不活性ガスによる置換に使用したり、システム停止時の負圧吸引を防止するために不活性ガスの補填に使用したりする。
系内の不活性ガスによる置換は、燃料電池システムの停止時に遮断弁１０と遮断弁１１とを閉じて原料の供給を停止し、遮断弁１７を開いて脱酸素窒素ガス供給配管１６により脱酸素窒素ガスを原料供給配管５に流すことにより行う。脱酸素窒素ガス供給配管１６にオリフィス等の流量調節手段（図示せず）を設置し、脱酸素窒素ガスの流量を調節することが可能である。なお、不活性ガスによる置換は、燃料電池システムの停止時だけでなく起動時にも実施してもよい。

系内を不活性ガスで充満した後も、タンク８内に貯蔵した脱酸素窒素ガスを系内に流通させる。これは、システム停止するとバーナ２Ａでの燃焼も停止するので、燃料電池システム全体の温度が低下するが、温度低下により系内のガス圧力が低下し空気を系内に吸引することを防止するためである。十分に温度が低下した後で、遮断弁１２と遮断弁１７を閉じる。十分に温度が低下する前に、遮断弁１２と遮断弁１７を閉じて系内を密封空間とし、圧力調節機構等を通じて系内に大気圧よりも高い圧力で脱酸素窒素ガスを供給し、温度低下に伴う圧力低下後でも大気圧よりも高い適切な圧力になるようにしてもよい。

この実施の形態１では、タンク８中に脱酸素材１５を設置し、加圧貯蔵した酸素含有ガスを脱酸素処理する。本発明による方法を静止系の方法と呼ぶ。これに対して、従来の脱酸素材１５に酸素含有ガスを流通させて脱酸素処理し、脱酸素処理により生成した脱酸素窒素ガスをタンクに貯蔵する方法を流通系の方法と呼ぶ。
静止系の方法では、脱酸素処理に寄与する脱酸素材１５と酸素含有ガスとの接触時間を著しく増大させることができ、低い脱酸素反応速度の脱酸素材１５でも充分に脱酸素処理を行うことが可能である。このため高性能な脱酸素材１５を用いる必要が無く、また、脱酸素材１５の使用量の低減も可能である。

流通系の方法と静止系の方法での脱酸素反応に要する脱酸素材１５の量について、以下に説明する。まず、脱酸素反応について基本的なことを説明する。脱酸素材１５は、酸素を吸収する材料を空間的に分散させて配置する。この実施の形態１では、銅系触媒を使用し、１００℃の温度で脱酸素反応させる。１５０ｇの脱酸素材１５が占める容積はほぼ０．１５Ｌであり、１５０ｇの脱酸素材１５に空気が１分３０秒間接触すると、酸素濃度が０．１％まで減少する。流通系でも静止系でも、同じ量の同じ性能の脱酸素材に同じ時間触れれば、同じように酸素濃度は減少する。

約０．１５Ｌの体積を占める１５０ｇの脱酸素材１５を保持する酸素除去器を使用して流通系で脱酸素処理を行う場合には、０．１Ｌ／分の速度で空気を流すと、５Ｌの空気を流すのに５０分を要し、空気は平均１分３０秒の間、酸素除去器の中に留まることになるので、酸素除去器を出る気体の酸素濃度は０．１％になる。より短い時間で脱酸素処理を行う必要が有る場合は、酸素除去器の容量と脱酸素材１５の量を大きくする必要が有る。例えば、脱酸素材１５の重量とその占める体積を１０倍にして１５００ｇの脱酸素材１５を使用する酸素除去器では、１Ｌ／分の速度で空気を流した場合の酸素除去器を出るガス中の酸素濃度は０．１％になる。

静止系の方法では、０．５Ｌの容積のタンク８内に約０．１５Ｌの体積を占める１５０ｇの脱酸素材を配置し、１００℃で１０気圧の空気を充填して脱酸素処理を行う場合を考える。この場合には、タンク８内には１００℃、１気圧で５Ｌの空気を充填したことになり、タンク８内のガスが脱酸素材１５に触れる時間比率は、０．１５／０．５＝０．３なので、空気を充填してから５分後に空気が脱酸素材１５に触れる時間の平均が１分３０秒になり、タンク８内の酸素濃度は０．１％になる。時間が経過すれば、酸素濃度はさらに低下する。また、時間をかけて脱酸素処理を行う場合には、より少ない量の脱酸素材１５でよい。例えば、充填から５０分後に酸素濃度を０．１％にするには、静止系の方法では１５ｇの脱酸素材でよい。

このように静止系の方法では、圧縮された空気に脱酸素材が触れるので、脱酸素材に触れるガスの量を流通系の方法の場合よりも大きくでき、同じ時間で同じ量の脱酸素後のガスを生成するために必要な脱酸素材の量を流通系の方法の場合よりも小さくできる。静止系の方法ではタンク８内に貯蔵している間に脱酸素処理されるので、より長い時間かけて脱酸素処理することも可能であり、より長い時間をかける場合にはより少ない量の脱酸素材でよいことになる。
また、静止系の方法では脱酸素反応速度の低い脱酸素材も適用可能となり、高性能な高分散金属担持触媒でなく、より安価な多孔化した金属粒等を適用することも可能である。

本実施の形態では、都市ガスなどの燃料すなわち炭化水素を水素主体の燃料ガスに変換する燃料改質器を備えた燃料電池発電システムについての例を示したが、水素供給手段である水素供給システムにより燃料電池に水素を供給する燃料電池発電システムにおいても適用可能である。
また、系内の不活性ガスによる置換などに使用する配管及び遮断弁を、脱酸素材１５の還元に用いる燃料ガスを流通させる配管及び遮断弁と兼用させる構成としてもよい。例えば、脱酸素窒素ガス供給配管１６と遮断弁１７を無くして、遮断弁１８を開き遮断弁２１を閉じることにより、系内の不活性ガスによる置換などを行ってもよい。

本実施の形態では脱酸素材１５の還元時にタンク８を出たガスをバーナ２Ａに送る構成としたが、燃料電池のアノード１Ａの入口側に供給してもよい。また、脱酸素材１５の還元時に遮断弁１８を常に開放するのではなく、定期的に遮断弁１８を閉じ、タンク８内に滞留する水素により還元を行うようにしてもよい。これにより、還元反応に水素を効率よく用いることが可能である。また、還元処理の最後をタンク８内に滞留した水素で還元することでタンク８内の水素濃度が低下し、脱酸素に供する酸素含有ガスを供給する際に、酸素と水素が急激に反応する可能性を低減でき、より安全化を図ることができる。遮断弁１８を閉じて脱酸素処理を実施すると、燃料ガスの拡散による水素濃度の上昇を妨げることができ、より効果的である。還元するためのガスを間欠的に供給することによる効果は、水素ガス以外を使用する場合でも同様である。
ここでは燃料電池発電システムの発電動作時に脱酸素窒素ガスを生成する手順としたが、脱酸素材１５が脱酸素機能を有する還元状態にあれば、いずれのタイミングで脱酸素窒素ガスの生成を行ってもよく、例えば発電停止後や燃料電池発電システムの起動時に脱酸素窒素ガスを生成してもよい。また、複数のタイミングで脱酸素窒素ガスを生成してもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。実施の形態２では、脱酸素窒素ガスを生成するのに用いる酸素含有ガスを、空気より低酸素濃度のガスである燃料改質器２から排出される燃焼排ガスを用いる構成とした。
実施の形態１の場合での図１とは異なる点だけを説明する。燃料改質器２の排ガスの一部をコンプレッサ１３に入力する燃焼ガス配管である燃焼排ガス供給配管２２を追加している。タンク８内の貯蔵ガス圧力を測定する圧力測定手段である圧力計２３、圧力計２３で測定した圧力を入力されて脱酸素材１５の反応速度を算出する演算回路２４、タンク８内に存在する凝縮水を集める脱酸素窒素ガス供給配管１６の途中に設けたドレンタンク２５も追加している。

次に動作を説明する。脱酸素材１５の還元は実施の形態１と同様に行う。脱酸素材１５の還元後、遮断弁１８と遮断弁２１とを閉じ、遮断弁１４を開にする。燃焼排ガス供給配管２２から供給される燃料改質器２の排ガスの一部をコンプレッサ１３で圧縮しタンク８に供給する。脱酸素処理は、事前に計測した温度に関するデータを使用して圧力計２３により計測した圧力変化のデータから演算回路２４で脱酸素材１５の反応速度を算出しながら、実施の形態１と同様に行う。算出した脱酸素材１５の反応速度は、脱酸素材１５が十分な性能を保持しているかどうか判断する材料とする。

酸素含有ガスをタンク８に供給して脱酸素処理を行う際に、脱酸素反応が進行するにつれて貯蔵ガスの圧力が低下する。つまり、単位時間当たりの圧力低下は、脱酸素材１５の反応速度に比例する。脱酸素材１５は酸化還元を繰り返すことにより、脱酸素性能が低下する。脱酸素材１５の酸化反応速度が低下した場合、タンク８内の圧力低下の速度が低下する。したがって、圧力計２３により測定した圧力低下を演算回路２４に入力して脱酸素材１５の反応速度を算出することにより、触媒の性能低下に伴う交換の必要性を判断することが可能である。より正確な判断ができるように、貯蔵ガスの温度変化等、圧力条件に係わる情報を測定し、演算回路２４にて補正してもよい。
系内の不活性ガスによる置換は、実施の形態１と同様に、燃料電池システムの停止時に遮断弁１７を開いて脱酸素窒素ガス供給配管１６により脱酸素窒素ガスを原料供給配管５に流すことにより行う。脱酸素窒素ガス供給配管１６の途中にはドレンタンク２５を設けているので、タンク８内に生成した凝縮水をタンク８外に排出することができる。

この実施の形態でも、静止系の方法による脱酸素反応を用いているので、流通系の方法と比較して脱酸素処理に寄与する脱酸素材と酸素含有ガスとの接触時間を著しく増大させることができ、脱酸素反応速度が低い脱酸素材も使用可能であり、脱酸素反応に必要な脱酸素材の使用量を低減することが可能である。
燃料改質器２から排出される燃焼排ガスは空気より低酸素濃度のガスなので、タンク８における脱酸素処理の時間をより短くできるか、脱酸素処理の時間を同じにした場合は必要となる脱酸素材１５はより少量でよくなる。

さらに、反応速度を計算する演算回路２４を備えることにより脱酸素材１５を交換する必要が有るかどうかも正確に判断できるようになる。
本実施の形態では燃焼ガスを用いた構成としたが、システム内で生成する空気より低酸素濃度のガスを用いることで同様の効果が得られ、例えば、燃料電池のカソード排ガスを用いてもよい。また、水分を含んだ酸素含有ガスを供給する場合、コンプレッサで昇圧する前に、気水分離を行うことが望ましい。
本実施の形態では脱酸素窒素ガス供給配管１６にドレンタンク２５を設置したが、還元ガス排出配管２０にドレンタンク２５を設置してもよい。タンク８からガスが流れ出る配管であれば、ドレンタンク２５はどこに設置してもよい。
以上のことは他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３による燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。実施の形態３では、遮断弁１７とタンク８の間に有る脱酸素窒素ガス供給配管１６の途中に、第２のタンクである常温タンク２６と第２の遮断弁である遮断弁２７を備えた。タンク８は、例えば燃料改質器２及び固体高分子型燃料電池１が動作時にタンク８内の脱酸素材１５が１００℃の温度に保たれるような所定の位置に設置されるのに対し、常温タンク２６は常温タンク２６内外の温度が室温になるような位置に設置される。

動作例を以下に示す。タンク８内に充填した脱酸素材１５の還元及び脱酸素の処理は、実施の形態１の場合と同様である。脱酸素材１５を還元するために、燃料改質器２の動作中に所定の時間だけ、遮断弁１８と遮断弁２１とを開き、遮断弁１４、遮断弁１７及び遮断弁２７を閉じておく。このような状態の期間には、水素主体の燃料ガスの一部がタンク８に供給される。脱酸素材１５は燃料ガスにより還元され、脱酸素材１５としての機能を再生する。

脱酸素材１５の還元後、遮断弁１８と遮断弁２１とを閉じ遮断弁１４を開き、コンプレッサ１３で空気を圧縮しタンク８に供給する。タンク８を上限圧力、例えば１０気圧になるまで空気を供給した後、コンプレッサ１３を停止し遮断弁１４を閉じる。ここでタンク８に供給された空気は脱酸素材１５により脱酸素処理され、不活性ガスである窒素を主成分とする脱酸素窒素ガスが残りタンク８内に貯蔵される。
脱酸素処理が十分に進んだ後で、遮断弁２７を開にしてタンク８と常温タンク２６の圧力を均一化し、両タンク内に脱酸素窒素ガスを分配する。そして、再び遮断弁２７を閉じ、遮断弁１４を開き、コンプレッサ１３で空気を圧縮しタンク８に供給する。タンク８を上限圧力になるまで空気を供給した後、コンプレッサ１３を停止し遮断弁１４を閉じ、脱酸素処理後に遮断弁２７を開にしてタンク８と常温タンク２６の圧力を均一化する動作を繰り返すことで上限圧力に近い脱酸素窒素ガスを、タンク８と常温タンク２６に貯蔵することが可能である。

同一の貯蔵圧力において、貯蔵するタンク８内のガス温が高いほどタンク容積あたりの脱酸素窒素ガスの貯蔵量は小さくなる。本実施の形態では、脱酸素反応に用いるタンク８が室温より高い温度になっている場合においても、タンク８と常温タンク２６の合計容量であるタンク容量あたりの貯蔵脱酸素窒素ガス量をより多くすることが可能である。また、常温タンク２６のタンク８に対する容積割合が高いほど、その効果は高くなる。
このようにして作成かつ貯蔵した脱酸素窒素ガスを燃料電池発電システムにおける、系内の不活性ガス置換やシステム停止時の負圧吸引の補填に本ガスを用いることが可能である。
常温タンク２６を備えることにより、タンク８で脱酸素材１５を還元中であったり、タンク８での脱酸素反応が十分に進んでいなかったりする場合でも、脱酸素窒素ガスを使用することが可能になり、燃料電池発電システムの運用の自由度が高くなるという効果が有る。

また、上記脱酸素材１５の還元後にはタンク８内に可燃性ガス成分が残留する。ここで、タンク８内に酸素含有ガスを供給する前に、遮断弁２７と遮断弁２１を開いて、常温タンク２６内に貯蔵した脱酸素窒素ガスをタンク８内に流すことで可燃性ガスと空気が混合するのを防止することが可能であり、より安全な動作が実現可能である。

この発明の実施の形態１での燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。 この発明の実施の形態２での燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。 この発明の実施の形態３での燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図である。

符号の説明

１ ：固体高分子型燃料電池（燃料電池）
１Ａ：アノード
１Ｂ：カソード
２ ：燃料改質器
２Ａ：バーナ
３ ：都市ガス供給系
４ ：水供給系
５ ：原料供給配管
６ ：燃料ガス供給配管
７ ：空気供給系
８ ：タンク
９ ：アノード排ガス供給配管
１０ ：遮断弁
１１ ：遮断弁
１２ ：遮断弁
１３ ：コンプレッサ（昇圧手段）
１４ ：遮断弁
１５ ：脱酸素材
１６ ：脱酸素窒素ガス供給配管（不活性ガス配管）
１７ ：遮断弁
１８ ：遮断弁
１９ ：還元ガス供給配管（還元ガス配管）
２０ ：還元ガス排出配管
２１ ：遮断弁
２２ ：燃焼排ガス供給配管（燃焼排ガス配管）
２３ ：圧力計（圧力測定手段）
２４ ：演算回路
２５ ：ドレンタンク
２６ ：常温タンク（第２のタンク）
２７ ：遮断弁（第２の遮断弁）

Claims (10)

1. 燃料を改質して水素を生成する燃料改質器と、該燃料改質器で生成した水素を使用して発電する燃料電池と、脱酸素材を内蔵しガスを貯蔵しながらガス中の酸素を除くタンクと、酸素含有ガスを前記タンクに昇圧して供給する昇圧手段と、前記燃料改質器または前記燃料電池と前記タンクを結ぶ不活性ガス配管と、該不活性ガス配管の途中に設けられた遮断弁とを備えた燃料電池発電システム。
2. 水素を使用して発電する燃料電池と、該燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、脱酸素材を内蔵しガスを貯蔵しながらガス中の酸素を除くタンクと、酸素含有ガスを前記タンクに昇圧して供給する昇圧手段と、前記燃料電池と前記タンクを結ぶ不活性ガス配管と、該不活性ガス配管の途中に設けられた遮断弁とを備えた燃料電池発電システム。
3. 燃料電池発電システム内で発生した空気より低酸素濃度のガスを前記昇圧手段が処理することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 燃料電池システム内で発生する水素を含むガスを前記タンクに導く還元ガス配管を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記タンクを所定の温度条件となるように燃料電池システム内で発生する熱を利用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記タンク内のガスの圧力を測定する圧力測定手段と、該圧力測定手段により測定した圧力低下速度から前記脱酸素材の交換の必要性を判断する演算回路とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記タンクからガスが流れ出る配管に接続され凝縮水を溜めるドレンタンクを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記タンク内の前記脱酸素材を還元するガスを間欠的に前記タンク内に入れることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記不活性ガス配管の途中に設けた前記遮断弁よりも前記タンク側に設けた第２のタンクと、該第２のタンクと前記タンクの間に設けた第２の遮断弁とを備え、前記第２のタンクは前記タンクよりも低い温度になるようにし、前記タンクで脱酸素処理したガスを前記第２の遮断弁を開いて前記第２のタンクに分配することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記タンク内の前記脱酸素材を還元した後に、前記第２のタンク内のガスにより前記タンク内のガスを置換することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。

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