JP2009064662A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原燃料供給装置を有効に小型化するとともに、運転状況に応じて原燃料を安定して且つ効率的に供給することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０を構成する原燃料供給部１６は、改質部４１に連通する原燃料供給通路７０を有し、前記原燃料供給通路７０には、原燃料を供給する原燃料供給装置７２と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器７４と、前記原燃料の流量を検出する流量計７６とが、上流側から順次配置される。原燃料供給通路７０は、原燃料供給装置７２の上流側を構成する第１通路領域７０ａと、前記原燃料供給装置７２の下流側から流量計７６の上流側を構成する第２通路領域７０ｂと、前記第１通路領域７０ａと前記第２通路領域７０ｂとに両端が連通するバイパス通路７８と、前記第１及び第２通路領域７０ａ、７０ｂの各圧力に基づいて前記バイパス通路７８を開閉する開閉弁８０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタック、改質部、原燃料供給部及び水供給部を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池発電装置用燃料ガス供給装置では、図８に示すように、燃料ポンプ１の下流側には、燃料ガス供給ライン２が接続されるとともに、この燃料ガス供給ライン２には、燃料処理装置３を構成する改質器４に接続されている。燃料ガス供給ライン２には、脱硫器５と流量計６とが下流側に向かって、順次配置されている。

ここで、脱硫器５は、調圧器として構成されており、この脱硫器５に導入された都市ガスは、整流されて排出されている。このため、燃料ポンプ１から供給される都市ガスの脈動による圧力変動及び流量変動を、脱硫器５によって抑えることができる、としている。

特開２００６−２６０８７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池において、例えば、急激な高負荷運転が必要となって燃料処理装置３に多量の燃料の要求がなされた際、脱硫器５の調圧作用によって燃料ポンプ１の負荷が高くなるため、燃料を迅速に改質器４に供給することができないという問題がある。このため、燃料ポンプ１自体を大型化して対応することも考えられるが、実際上、適用することができない。

しかも、燃料電池を停止する際、脱硫器５が調圧機能を有するために、燃料ガス供給ライン２中に、燃料ガスの残圧が存在してしまう。この残圧により、燃料ガスが不要に改質器４側に供給されてしまい、燃料電池を迅速に停止することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、原燃料供給装置を有効に小型化するとともに、運転状況に応じて原燃料を安定して且つ効率的に供給することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック、原燃料を改質して燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する改質部、前記原燃料を前記改質部に供給する原燃料供給部、及び、水を前記改質部に供給する水供給部を備える燃料電池システムに関するものである。

原燃料供給部は、改質部に連通する原燃料供給通路を有するとともに、前記原燃料供給通路には、原燃料を供給する原燃料供給装置と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前記原燃料の流量を検出する流量計とが、上流側から順次配置されている。

そして、原燃料供給通路は、原燃料供給装置の上流側を構成する第１通路領域と、前記原燃料供給装置の下流側から流量計の上流側を構成する第２通路領域と、少なくとも前記原燃料供給装置をバイパスして前記第１通路領域と前記第２通路領域とに両端が連通するバイパス通路と、前記第１通路領域の圧力と前記第２通路領域の圧力とに基づいて、前記バイパス通路を開閉する開閉弁とを備えている。

また、燃料電池システムは、第１通路領域の圧力が第２通路領域の圧力と等しい、もしくは前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より大きい際に、開閉弁を介してバイパス通路を閉塞する一方、前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より小さい際に、前記開閉弁を介してバイパス通路を開放するための制御部を備えることが好ましい。従って、圧力に応じて通路切換処理が行われるため、早期起動、早期停止及び負荷変動に対応した原燃料の供給が簡単且つ良好に遂行可能になる。しかも、原燃料供給装置が大型化することがなく、原燃料の供給を効率的に行うことができる。

さらに、改質部は、原燃料と水との混合蒸気を得るための蒸発器と、前記混合蒸気を改質するための改質器とを備えることが好ましい。水蒸気改質により燃料ガスを生成するためである。

さらにまた、原燃料供給部及び水供給部は、蒸発器内で連通することが好ましい。水蒸気改質により燃料ガスを生成するためである。

また、原燃料供給部は、流量計と蒸発器との間に位置して逆止弁を配置することが好ましい。このため、蒸発器から原燃料供給部に原燃料及び水が逆流することを阻止することができる。

さらに、水供給部は、改質部に連通する水供給通路を有するとともに、前記水供給通路には、水を供給する水供給装置と、前記水の流量を検出する流量計と、逆止弁とが、上流側から順次配置されることが好ましい。これにより、所望量の水を良好に供給するとともに、蒸発器から水供給装置に原燃料及び水が逆流することを阻止することが可能になる。

さらにまた、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック、原燃料を改質して燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する改質部、前記原燃料を前記改質部に供給する原燃料供給部、及び、水を前記改質部に供給する水供給部を備え、前記原燃料供給部を構成し前記改質部に連通する原燃料供給通路には、前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前記原燃料の流量を検出する流量計とが、上流側から順次配置される燃料電池システムの運転方法に関するものである。

原燃料供給通路は、原燃料供給装置の上流側を構成する第１通路領域と、前記原燃料供給装置の下流側から流量計の上流側を構成する第２通路領域と、少なくとも前記原燃料供給装置をバイパスして前記第１通路領域と前記第２通路領域とに両端が連通するバイパス通路とを有し、前記第１通路領域の圧力と前記第２通路領域の圧力とに基づいて、前記バイパス通路を開閉制御している。

また、前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力と等しい、もしくは第１通路領域の圧力が第２通路領域の圧力より大きい際に、バイパス通路を閉塞する一方、前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より小さい際に、前記バイパス通路を開放することが好ましい。従って、圧力に応じて通路切換処理が行われるため、早期起動、早期停止及び負荷変動に対応した原燃料の供給が簡単且つ良好に遂行可能になる。しかも、原燃料供給装置が大型化することがなく、原燃料の供給を効率的に行うことができる。

さらに、バイパス通路の開閉制御は、少なくとも燃料電池スタックの起動時、停止時又は負荷変動時のいずれかに行うことが好ましい。このため、起動時、停止時又は負荷変動時に、迅速且つ良好な原燃料の供給が可能になる。

本発明によれば、例えば、第２通路領域の圧力が第１通路領域の圧力よりも高い時には、バイパス通路を開放して前記第２通路領域から前記第１通路領域に圧力を逃がすことができる。このため、原燃料供給装置は、容量を大きくする必要がなく、例えば、原燃料ポンプの回転数の制御だけで、原燃料を安定して供給することが可能になる。

しかも、バッファタンクとして機能する脱硫器が配置されている第２通路領域では、前記脱硫器により残圧が発生している。従って、第２通路領域の残圧は、バイパス通路により第１通路領域に解放されるため、燃料電池スタックの停止時間を短縮することができる。さらに、専用のバッファタンクが不要になり、設備全体の簡素化が図られるとともに、原燃料供給装置の脈動を抑制して原燃料を安定して供給することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の回路図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器（例えば、トーチヒータ）１４と、前記燃料電池モジュール１２に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給部１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給部２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備える。

図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設ける。複数の燃料電池３２は、鉛直方向に積層されることにより、固体酸化物形の燃料電池スタック３４が構成される。

燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、脱硫原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。蒸発器３８及び改質器４０は、改質部４１を構成する（図１参照）。

燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図２参照）。

改質器４０は、脱硫された都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。

熱交換器３６は、図３に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。この第１排ガス通路４４は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。

蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８内では、原燃料通路５６と水通路５８とが連通する。これは、あとで説明するが、原燃料と水蒸気とが蒸発器３８内で混合されることになる。この蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。

外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。

図１に示すように、原燃料供給部１６は、改質部４１の原燃料通路５６に連通する原燃料供給通路７０を有するとともに、前記原燃料供給通路７０には、原燃料を供給する原燃料供給装置（ガスコンプレッサを含む）７２と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器７４と、前記原燃料の流量を検出する流量計７６とが、上流側から順次配置される。

原燃料供給通路７０は、原燃料供給装置７２の上流側を構成する第１通路領域７０ａと、前記原燃料供給装置７２の下流側から流量計７６の上流側を構成する第２通路領域７０ｂと、前記第１通路領域７０ａと前記第２通路領域７０ｂとに両端が連通するバイパス通路７８と、前記バイパス通路７８に配置され、前記第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１と前記第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２とに基づいて、前記バイパス通路７８を開閉する開閉弁（電磁弁）８０とを備える。

バイパス通路７８は、一端が原燃料供給装置７２と脱硫器７４との間に連通するとともに、他端が前記原燃料供給装置７２の上流に連通することにより、前記原燃料供給装置７２をバイパスする。原燃料供給装置７２の上流には、第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１を検出する第１圧力計８２ａが配置され、前記原燃料供給装置７２の下流には、第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２を検出する第２圧力計８２ｂが配置される。

水供給部２０は、改質部４１の水通路５８に連通する水供給通路８４を有する。水供給通路８４には、水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）８６と、前記水の流量を検出する流量計８８とが、上流側から順次配置される。

図２に示すように、酸化剤ガス供給部１８は、酸化剤ガス供給装置（ガスポンプを含む）９０を備え、この酸化剤ガス供給装置９０は、空気供給管５２に接続される。空気供給管５２の途上には、切換弁９２が設けられるとともに、前記切換弁９２には、空気分岐通路９４が接続される。この空気分岐通路９４は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、トーチヒータを備えており、空気及び電流が供給される。

原燃料供給部１６、酸化剤ガス供給部１８及び水供給部２０は、制御装置２４により制御される。制御装置２４は、第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１が第２通路領域の圧力と等しい、もしくは前記第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１が前記第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２より大きい際に（圧力Ｐ１≧圧力Ｐ２）、開閉弁８０を閉塞する一方、前記第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１が前記第２通路領域の圧力より小さい際に（圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２）、前記開閉弁８０を開放するための制御部として機能する。電力変換装置２２には、例えば、商用電源９６（又は、負荷や２次電池等）が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１及び図２に示すように、原燃料供給部１６を構成する原燃料供給装置７２の駆動作用下に、原燃料供給通路７０には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。この原燃料は、脱硫器７４を通過することにより、脱硫原燃料が得られ、この脱硫原燃料が原燃料通路５６に供給される。

一方、水供給部２０を構成する水供給装置８６の駆動作用下に、水供給通路８４を介して水通路５８には、水が供給される。さらに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給部１８を構成する酸化剤ガス供給装置９０を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

図３に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６と水通路５８とが連通することによって前記原燃料通路５６を流れる脱硫原燃料が水蒸気と混合されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。

この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック３４の起動時、停止時及び負荷変動時に、制御装置２４を介して開閉弁８０の開閉制御が行われる。なお、上記の起動時、停止時又は負荷変動時の少なくともいずれかの時に、開閉弁８０の開閉制御を行ってもよい。

先ず、燃料電池スタック３４の起動時では、原燃料供給装置７２を起動させて原燃料を改質部４１に送り出す必要がある。ここで起動時とは、燃料電池スタック３４を発電状態とするために最初から立ち上げる通常の起動を意味するだけでなく、前記燃料電池スタック３４の一時停止（アイドル）状態から再起動させることも含む。その際、第１通路領域７０ａの圧力Ｐ１と、第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２とが、圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２であると、原燃料供給装置７２を有効に作動させることができず、原燃料の圧送不良が惹起するとともに、この原燃料供給装置７２が破損するおそれもある。

このため、制御装置２４では、起動時に、第１圧力計８２ａと第２圧力計８２ｂとから得られる圧力Ｐ１、Ｐ２を監視している（図４中、ステップＳ１）。そして、圧力Ｐ１≧圧力Ｐ２であることが検出されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、開閉弁８０が閉じられるとともに、原燃料供給装置（ガスコンプレッサ）７２が起動される。従って、原燃料は、原燃料供給装置７２を介して脱硫器７４で脱硫された後、改質部４１に圧送される。

一方、ステップＳ１において、圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２であると検出されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、開閉弁８０が開放される。このため、高圧側の第２通路領域７０ｂは、低圧側の第１通路領域７０ａに連通し、圧力Ｐ１＝圧力Ｐ２の状態に至るまで、前記第２通路領域７０ｂ側の圧力Ｐ２が降圧される。そして、圧力Ｐ１＝圧力Ｐ２となった後、開閉弁８０が閉塞されるとともに、原燃料供給装置７２がＯＮされる（ステップＳ２及びステップＳ３）。

これにより、原燃料供給部１６では、圧力に応じて通路切換処理が行われ、第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２を迅速に降圧した後、原燃料供給装置７２を介して原燃料の供給が簡単に且つ良好に遂行可能になる。

しかも、原燃料供給装置７２は、下流側である第２通路領域７０ｂ側に残圧が存在することがないため、必要以上に大型化する必要がなく、消費電力の低減が図られ、例えば、ガスコンプレッサの回転数の制御だけで、原燃料の供給を効率的に且つ安定して行うことができるという効果が得られる。

また、燃料電池スタック３４の負荷変動時には、起動時と同様に、図４に示すフローチャートに沿って開閉弁８０の開閉制御が行われる。すなわち、燃料電池スタック３４の圧力が変動する場合、負荷変動に伴って原燃料の送り出し量（圧力）が変更される。その際、圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２であると、原燃料供給装置７２から原燃料を圧送することができず、開閉弁８０を開放することによって、圧力Ｐ２を降圧させる。従って、負荷変動に応じた原燃料の供給が、簡単且つ良好に遂行可能になるという効果が得られる。

次いで、燃料電池スタック３４の停止時には、図５に示すフローチャートに沿って制御される。先ず、燃料電池スタック３４が停止されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、開閉弁８０が開放される。

すなわち、原燃料供給装置７２が停止される際、脱硫器７４がバッファタンクとして機能するため、第２通路領域７０ｂ内の圧力の低下が遅延する。このため、原燃料供給装置７２が停止された後にも、脱硫器７４から改質部４１に原燃料が流れ易くなる。従って、コーキング等を防止するために、水供給部１１４から改質部４１に水を流す必要があり、燃料電池スタック３４を完全に停止させるために時間が必要である。

そこで、第１の実施形態では、燃料電池スタック３４の停止時に、開閉弁８０を開放することにより、脱硫器７４内の圧力を低圧側である第１通路領域７０ａに戻して前記脱硫器７４内の圧力を下げている。これにより、改質部４１側に原燃料が流れることを抑制し、燃料電池スタック３４を迅速に停止することができるという利点がある。

さらにまた、脱硫器７４は、バッファタンクとして機能するため、専用のバッファタンクを用いる必要がない。このため、設備全体の簡素化が図られるとともに、原燃料供給装置７２の脈動を抑制して、原燃料を安定して供給することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の機械系回路を示す概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００は、原燃料供給部１０２を備える。原燃料供給部１０２は、バイパス通路１０４を備えるとともに、このバイパス通路１０４は、一端が脱硫器７４と流量計７６との間に連通するとともに、他端が原燃料供給装置７２の上流側に連通する。

従って、第２の実施形態では、第１通路領域の圧力Ｐ１と第２通路領域７０ｂの圧力Ｐ２とに基づいて、バイパス通路１０４を開閉することにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０の機械系回路を示す概略構成説明図である。

燃料電池システム１１０は、原燃料供給部１１２と水供給部１１４とを備える。原燃料供給部１１２は、流量計７６と蒸発器３８との間に、前記流量計７６側への流れを阻止する第１逆止弁１１６ａを配置する。水供給部１１４は、流量計８８と蒸発器３８との間に、前記流量計８８側への流れを阻止する第２逆止弁１１６ｂを配置する。

このように構成される第３の実施形態では、原燃料供給部１１２が、流量計７６と蒸発器３８との間に、第１逆止弁１１６ａを配置するため、前記蒸発器３８から前記流量計７６側に原燃料及び水が逆流することを阻止することができる。同様に、水供給部１１４は、流量計８８と蒸発器３８との間に、第２逆止弁１１６ｂを配置することにより、前記蒸発器３８から前記流量計８８側に原燃料及び水が逆流することを阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。 前記燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 前記燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 特許文献１の固体高分子型燃料電池発電装置用燃料ガス供給装置の説明図である。

符号の説明

１０、１００、１１０…燃料電池システム
１２…燃料電池モジュール １４…燃焼器
１６、１０２、１１２…原燃料供給部 １８…酸化剤ガス供給部
２０、１１４…水供給部 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
４１…改質部 ４４、４８…排ガス通路
４６…空気通路 ５６…原燃料通路
５８…水通路 ６６…燃料ガス供給連通孔
７０…原燃料供給通路 ７０ａ、７０ｂ…通路領域
７２…原燃料供給装置 ７４…脱硫器
７６、８８…流量計 ７８、１０４…バイパス通路
８０…開閉弁 ８２ａ、８２ｂ…圧力計
８４…水供給通路 ８６…水供給装置
９０…酸化剤ガス供給装置 ９２…切換弁
９４…空気分岐通路 １１６ａ、１１６ｂ…逆止弁

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック、原燃料を改質して燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する改質部、前記原燃料を前記改質部に供給する原燃料供給部、及び、水を前記改質部に供給する水供給部を備える燃料電池システムであって、
   前記原燃料供給部は、前記改質部に連通する原燃料供給通路を有するとともに、
   前記原燃料供給通路には、前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前記原燃料の流量を検出する流量計とが、上流側から順次配置される一方、
   前記原燃料供給通路は、前記原燃料供給装置の上流側を構成する第１通路領域と、
   前記原燃料供給装置の下流側から前記流量計の上流側を構成する第２通路領域と、
   少なくとも前記原燃料供給装置をバイパスして前記第１通路領域と前記第２通路領域とに両端が連通するバイパス通路と、
   前記第１通路領域の圧力と前記第２通路領域の圧力とに基づいて、前記バイパス通路を開閉する開閉弁と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力と等しい、もしくは前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より大きい際に、前記開閉弁を介して前記バイパス通路を閉塞する一方、
   前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より小さい際に、前記開閉弁を介して前記バイパス通路を開放するための制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記改質部は、前記原燃料と前記水との混合蒸気を得るための蒸発器と、
   前記混合蒸気を改質するための改質器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部及び前記水供給部は、前記蒸発器内で連通することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記原燃料供給部は、前記流量計と前記蒸発器との間に位置して逆止弁を配置することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水供給部は、前記改質部に連通する水供給通路を有するとともに、
   前記水供給通路には、前記水を供給する水供給装置と、前記水の流量を検出する流量計と、逆止弁とが、上流側から順次配置されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック、原燃料を改質して燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する改質部、前記原燃料を前記改質部に供給する原燃料供給部、及び、水を前記改質部に供給する水供給部を備え、前記原燃料供給部を構成し前記改質部に連通する原燃料供給通路には、前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、前記原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前記原燃料の流量を検出する流量計とが、上流側から順次配置される燃料電池システムの運転方法であって、
   前記原燃料供給通路は、前記原燃料供給装置の上流側を構成する第１通路領域と、前記原燃料供給装置の下流側から前記流量計の上流側を構成する第２通路領域と、少なくとも前記原燃料供給装置をバイパスして前記第１通路領域と前記第２通路領域とに両端が連通するバイパス通路とを有し、
   前記第１通路領域の圧力と前記第２通路領域の圧力とに基づいて、前記バイパス通路を開閉制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 請求項７記載の運転方法において、前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力と等しい、もしくは前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より大きい際に、前記バイパス通路を閉塞する一方、
   前記第１通路領域の圧力が前記第２通路領域の圧力より小さい際に、前記バイパス通路を開放することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項７又は８記載の運転方法において、前記バイパス通路の開閉制御は、少なくとも前記燃料電池スタックの起動時、停止時又は負荷変動時のいずれかに行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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