JP2009283278A

JP2009283278A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2009283278A
Application number: JP2008133946A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Kato; 芳樹加藤; Takayuki Watanabe; 崇之渡邉; Manabu Watanabe; 学渡辺
Original assignee: Ebara Ballard Corp
Current assignee: Ebara Ballard Corp
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】蓄電池を備えることなく商用電源の停電時に損傷の発生を抑制する停止状態にすることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池３０と、燃料電池３０の商用電源９９への連系と解列とを切り換える切換手段３４と、酸化剤ガス遮断弁６４が配設された酸化剤ガスライン５４と、カソードオフガス遮断弁６７が配設されたカソードオフガスライン５４Ｑと、停電検出手段４５と、制御装置３６とを備える。酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７は、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する。制御装置３６は、商用電源９９が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、燃料電池３０を商用電源９９から解列すると共に酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を閉じるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に蓄電池を備えることなく商用電源の停電時に損傷の発生を抑制する停止状態にすることができる燃料電池システムに関する。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は、発電に必要な水素を生成する改質器や、水素及び酸素を燃料電池に供給するブロワ等の補機類が併設された燃料電池システムが構築されることが多い。また、燃料電池は、電力負荷への電力供給の安定化の観点から商用電源と連系されるのが一般的である。そして商用電源が所定の時間以上停電した際には、停電復帰時の感電防止という安全上の観点から燃料電池を独立して運転させることが禁止されている場合が多いため、燃料電池を商用電源から解列しつつ燃料電池を停止させる制御を行うことが一般的である。他方、燃料電池を停止させる際には、燃料電池が残電圧で高電位にさらされることによる損傷や酸化劣化による損傷を防ぐため、所定の停止工程を経て停止されるのが一般的である。したがって、燃料電池を商用電源から解列しつつ停止させる際には、蓄電池から補機類や制御部等へ電力が供給されるのが一般的である。すなわち、燃料電池システムは蓄電池を備えていることが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−１０１７８号公報（段落００３０、００４６等）

しかしながら、我が国における商用電源網の現状に鑑みると、災害時などの特例を除いて燃料電池の起動中に停電する確率が非常に低い地域が多い。蓄電池は、商用電源から電力の供給を受けることができない状況の中で、停止状態に向かいつつある燃料電池システムを損傷から回避する状態にするために補機類等を作動させるのに寄与しているが、発生する確率が低い停電のために蓄電池を備えることは、燃料電池システムの構成を複雑にし、設置スペースが嵩むこととなる。

本発明は上述の課題に鑑み、蓄電池を備えることなく商用電源の停電時に損傷の発生を抑制する停止状態にすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素を含む水素含有ガスｇを導入するアノード３１と、酸素を含む酸化剤ガスｔを導入するカソード３２とを有し、アノード３１に導入した水素とカソード３２に導入した酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と；燃料電池３０の商用電源９９への連系と解列とを切り換える切換手段３４と；酸化剤ガスｔをカソード３２に導く酸化剤ガスライン５４と；酸化剤ガスライン５４に配設され、酸化剤ガスライン５４内の酸化剤ガスｔの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁６４であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する酸化剤ガス遮断弁６４と；燃料電池３０における電気化学的反応後にカソード３２から導出されるカソードオフガスｑを内部に流すカソードオフガスライン５４Ｑと；カソードオフガスライン５４Ｑに配設され、カソードオフガスライン５４Ｑ内のカソードオフガスｑの流れを遮断可能なカソードオフガス遮断弁６７であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動するカソードオフガス遮断弁６７と；商用電源９９が停電したことを検出する停電検出手段４５と；商用電源９９が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、燃料電池３０を商用電源９９から解列すると共に酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を閉じるように、切換手段３４、酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を制御する制御装置３６とを備える。

このように構成すると、商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、燃料電池を商用電源から解列すると共に酸化剤ガス遮断弁及びカソードオフガス遮断弁を閉じるので、燃料電池の残電圧で作動させることが可能な酸化剤ガス遮断弁及びカソードオフガス遮断弁を閉じる際に蓄電池の電力が不要となり、カソードへ流体の出入りを遮断することとなって損傷の発生を抑制する最低限の状態にすることができる。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０において、炭化水素系の原料ｍ１と水分ｓとを導入し、原料ｍ１を水蒸気改質して水素含有ガスｇを生成する改質部２５を有する改質器２０と；改質部２５に原料ｍ１を供給する原料供給装置２８であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する原料供給装置２８と；改質部２５に水分ｓを供給する水分供給装置２７であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する水分供給装置２７と；酸化剤ガスライン５４に配設され、カソード３２に酸化剤ガスｔを供給する酸化剤ガス供給装置２９であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する酸化剤ガス供給装置２９とを備え；制御装置３６が、商用電源９９が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、原料供給装置２８、水分供給装置２７、及び酸化剤ガス供給装置２９への通電を停止させる制御を行うように構成されている。

このように構成すると、商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、原料供給装置、水分供給装置、及び酸化剤ガス供給装置への通電を停止させるので、酸化剤ガス遮断弁及びカソードオフガス遮断弁を閉じるために必要な電力が不足することを回避することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０において、炭化水素系の原料ｍ１と水分ｓとを導入し原料ｍ１を水蒸気改質して水素含有ガスｇを生成する改質部２５と、燃料電池３０における電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐと燃焼用空気ａとを導入しアノードオフガスｐを燃焼させて改質部２５における水蒸気改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部２３とを有する改質器２０と；燃焼部２３に燃焼用空気ａを導く燃焼用空気ライン５８であって、内部を流れる燃焼用空気ａの流量を検出する流量検出器３８が配設された燃焼用空気ライン５８と；流量検出器３８よりも下流側の燃焼用空気ライン５８に配設され、燃焼用空気ライン５８内の燃焼用空気ａの流れを遮断可能な燃焼用空気遮断弁６８であって、燃料電池３０で発電された電力及び商用電源９９から供給される電力により作動する燃焼用空気遮断弁６８とを備え；制御装置３６が、商用電源９９が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、燃焼用空気遮断弁６８を閉じる制御をするように構成されている。

このように構成すると、商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに燃焼用空気遮断弁を閉じるので、燃料電池の残電圧で作動させることが可能な燃焼用空気遮断弁を閉じる際に蓄電池の電力が不要となり、流量検出器を燃焼部から逆流した流体から保護することが可能となって、燃料電池システムの損傷の発生を抑制することが可能となる。

本発明によれば、商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、燃料電池を商用電源から解列すると共に酸化剤ガス遮断弁及びカソードオフガス遮断弁を閉じるので、燃料電池の残電圧で作動させることが可能な酸化剤ガス遮断弁及びカソードオフガス遮断弁を閉じる際に蓄電池の電力が不要となり、カソードへ流体の出入りを遮断することとなって損傷の発生を抑制する最低限の状態にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、水素含有ガスとしての改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質器２０に水分としての改質用水ｓを供給する水分供給装置としての改質用水ポンプ２７と、改質器２０に原料ｍ１を供給する原料供給装置としての燃料ブロワ２８と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、燃料電池３０に酸化剤ガスｔを供給する酸化剤ガス供給装置としての空気ブロワ２９と、切換手段としてのパワーコンディショナ３４と、燃料電池システム１０を制御する制御装置３６と、停電検出手段としての電力計４５とを備えている。

改質器２０は、原料ｍ１と改質用水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入する改質用水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５５と、改質用水ｓを導入するための改質用水管２６とが接続されている。改質用水管２６は、改質部２５直近の原料管５５に接続されていると、原料ｍ１と改質用水ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、改質用水管２６が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５５には、原料弁６５が設けられている。原料弁６５は、典型的にはノーマルクローズの電磁弁である。改質用水管２６には、改質用水ｓを改質部２５に供給する改質用水ポンプ２７が配設されている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに改質部２５には、温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼用燃料ｍ２、並びに燃料電池３０から導出された水素を含むガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、原料供給ラインとしての燃料管５７を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物（例えばメタン等）が含まれている。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ２８が配設されている。燃料ブロワ２８は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃料ｍの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ２８に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ２８として説明する。

燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガスラインとしてのアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６と、燃焼用空気ａを導入する燃焼用空気ラインとしての燃焼空気管５８とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼燃料弁６６が設けられている。燃焼燃料弁６６は、典型的にはノーマルクローズの電磁弁である。燃焼空気管５８には、内部を流れる燃焼用空気ａの流量を検出する流量検出器としての流量計３８と、燃焼用空気ａの流れを遮断可能な燃焼用空気遮断弁６８とが、上流側から下流側に向かってこの順に配設されている。燃焼用空気遮断弁６８は、典型的には電動機（モータ）により弁の開閉が行われる電動二方弁である。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。

燃料電池３０は、出力ケーブル４１及び商用電源ケーブル４９を介して商用電源９９に接続されている。商用電源９９は、電力会社から供給される交流電力の電源である。出力ケーブル４１と商用電源ケーブル４９との接続部には、電力負荷９８につながる電力負荷ケーブル４８が接続されている。すなわち、燃料電池３０と、商用電源９９と、電力負荷９８とは電気的に接続されている。電力負荷９８は、典型的には、家電や生産機械等の電気機器である。出力ケーブル４１にはパワーコンディショナ３４が配設されている。また、商用電源ケーブル４９には、商用電源９９から供給を受ける電力を計測する電力計４５が配設されている。電力計４５は、電力を検出しないことをもって商用電源９９の停電を検出することができる。電力計４５は、信号ケーブルを介して制御装置３６に電力値の信号を送信できるように構成されている。

また、パワーコンディショナ３４の燃料電池３０側及び商用電源９９側の出力ケーブル４１に補機ケーブル４２が接続されている。補機ケーブル４２には、交流電力を直流電力に変換するコンバータを有するＡＣ／ＤＣ電源３５が配設されている。ＡＣ／ＤＣ電源３５は、商用電源９９から入力した交流電力を直流電力に変換して出力するように構成されている。ＡＣ／ＤＣ電源３５よりも燃料電池３０側の補機ケーブル４２にはＤＣケーブル４３が接続されており、ＤＣケーブル４３には直流電力で作動するＤＣ補機１４３が接続されている。ＡＣ／ＤＣ電源３５よりも商用電源９９側の補機ケーブル４２にはＡＣケーブル４４が接続されており、ＡＣケーブル４４には交流電力で作動するＡＣ補機１４４が接続されている。

パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０と商用電源９９とを連系する機能を有している。パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。インバータは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を複数有しており、スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換する。また、インバータは、スイッチング素子をすべてオフにすることにより、燃料電池３０と商用電源９９との連系を電気的に遮断（解列）することができるように構成されている。パワーコンディショナ３４は、制御装置３６と信号ケーブルで接続されており、制御装置３６からの指令信号を受信して燃料電池３０と商用電源９９とを連系するか解列するかを切り換えることができるように構成されている。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガスラインとしての改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガスｇの流れを遮断可能な改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐの流れを遮断可能なアノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。改質ガス弁６１、アノードオフガス弁６２、バイパス弁６３は、典型的にはノーマルクローズの電磁弁である。

カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガスラインとしての酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガスラインとしてのカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４からは、燃焼空気管５８が分岐している。燃焼空気管５８への分岐部よりも上流側の酸化剤ガス管５４には、カソード３２に酸化剤ガスｔを送ると共に燃焼部２３に燃焼用空気ａを送る酸化剤ガス供給手段としての空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃焼用空気ａや酸化剤ガスｔの流量を増減することができるように構成されている。燃焼空気管５８への分岐部よりも下流側の酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガスｔの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁６４が設けられている。酸化剤ガス遮断弁６４は、典型的には電動二方弁である。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。カソードオフガス管５４Ｑには、カソードオフガスｑの流れを遮断可能なカソードオフガス遮断弁６７が設けられている。カソードオフガス遮断弁６７は、典型的には電動二方弁である。

燃料電池３０の冷却部３３の冷却水導入口には冷却水管７５が、冷却水導出口には冷却水管７４が、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５は、図１では省略しているが、熱交換器（不図示）を介して接続され、熱交換器（不図示）を通過して温度が下がった冷却水ｃが冷却水ポンプ（不図示）により燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。

制御装置３６は、燃料電池システム１０の運転を制御する。燃料電池システム１０の運転は、典型的には後述する作用の説明の手順に沿ったシーケンスに従って制御される。制御装置３６は、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。なお、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８、空気ブロワ２９に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、各弁６１〜６８とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、流量計３８及び電力計４５とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、流量計３８から流量信号を及び電力計４５から電力信号をそれぞれ受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して、燃料電池３０における発電電流を設定する一方、燃料電池３０と商用電源９９との連系及び解列を切り換えることができるように構成されている。また、制御装置３６は、改質部２５の温度を検出する温度検出器（不図示）と信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、不揮発性メモリ（不図示）を有しており、制御装置３６への電力の供給が途絶えた時点の燃料電池システム１０の状態を記憶することができるように構成されている。

燃料電池システム１０を構成する補機類は、原則として、燃料電池３０で発電された電力で作動することも、商用電源９９から供給された電力で作動することもできるようになっている。補機類とは、燃料電池３０から出力を得るために流体の搬送や流量の調節等を行うように作動させる電気機器であり、改質用水ポンプ２７及び各ブロワ２８、２９や弁６１〜６８等が、適宜ＤＣ補機１４３又はＡＣ補機１４４に振り分けられる。なお、ＤＣ補機１４３、ＡＣ補機１４４は、燃料電池システム１０を構成する補機類（改質用水ポンプ２７及び各ブロワ２８、２９や弁６１〜６８等）の総称である。本実施の形態では、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８、空気ブロワ２９、酸化剤ガス遮断弁６４、カソードオフガス遮断弁６７、燃焼用空気遮断弁６８、及び制御装置３６のそれぞれが、燃料電池３０で発電された電力で作動することも、商用電源９９から供給された電力で作動することもできるように構成されている。また、改質ガス弁６１、アノードオフガス弁６２、バイパス弁６３、原料弁６５、燃焼燃料弁６６のそれぞれも、燃料電池３０で発電された電力で作動することも、商用電源９９から供給された電力で作動することもできるように構成されている。

また、本実施の形態では、可燃性ガスの燃料電池システム１０外への漏洩を抑制する観点から炭化水素系ガス（改質ガスｇ、燃料ｍ）系統に配設された改質ガス弁６１、アノードオフガス弁６２、バイパス弁６３、原料弁６５、燃焼燃料弁６６をノーマルクローズの電磁弁とし、炭化水素系ガスに比べて流量が多くなる空気（酸化剤ガスｔ、燃焼用空気ａ）を通すため口径が大きくなる弁において消費電力を低減する観点から空気系統に配設された酸化剤ガス遮断弁６４、カソードオフガス遮断弁６７、燃焼用空気遮断弁６８を電動二方弁としている。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃料ブロワ２８を起動して燃焼部２３に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、燃焼燃料弁６６及び燃焼用空気遮断弁６８は開、その他の弁６１〜６５、６７は閉となっている。燃焼部２３で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５には改質用水ポンプ２７の起動により改質用水ｓも導入され、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。改質器２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２３に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の燃焼用燃料ｍ２を燃焼燃料弁６６を開にして燃焼部２３に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼燃料弁６６を閉とする。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置３６は、酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に酸化剤ガスｔが導入される。典型的には、アノード３１に供給される改質ガスｇの量が、水素の利用率が７０〜８０％程度、好ましくは７５％程度となるように、改質器２０で改質ガスｇが生成される（これに合わせて原料ｍ１が改質部２５に導入される）。また、酸素の利用率が４５〜６０％程度、好ましくは５０％程度となる量の酸化剤ガスｔがカソード３２に供給されるように空気ブロワ２９の回転数や流量調整弁（不図示）が調節される。

燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３４で交流電力に変換されて電力負荷９８に、及び改質用水ポンプ２７、各ブロワ２８、２９、各弁６１〜６８に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷及び改質用水ポンプ２７、各ブロワ２８、２９、各弁６１〜６８等を含む補機類の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ３４で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。このときパワーコンディショナ３４では燃料電池３０と商用電源９９とを連系するようにインバータが制御されており、不足分の電力は、商用電源９９から交流電力の供給を受ける。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６を開けて燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス管５９を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。

上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、冷却水ポンプ（不図示）を起動して冷却水ｃを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度（約６０℃〜８０℃程度）に維持される。

燃料電池３０の発電を停止する際は、まず、空気ブロワ２９を停止すると共に酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を閉じてカソード３２を密封する。次に、燃料ブロワ２８及び改質用水ポンプ２７を停止すると共に原料弁６５、改質ガス弁６１、アノードオフガス弁６２、及び燃焼用空気遮断弁６８を閉にする。また、燃焼燃料弁６６が開になっている場合はこれを閉にする。このように、まずカソード３２を密封すると、カソード３２に密封された酸化剤ガスｔ中の酸素がアノード３１中の水素と電気化学的反応を起こし、反応により発生した電力は例えば燃料ブロワ２８の動力として消費されると共に、カソード３２の酸素が消費される。カソード３２の酸素が消費されると燃料電池３０における発電がなくなるため、上記の停止処理を行う際に必要な燃料ブロワ２８や改質用水ポンプ２７等の稼働に必要な電力は商用電源９９から供給を受ける。カソード３２に密封した酸化剤ガスｔ中の酸素を消費することにより、酸化剤ガスｔ中から酸素成分がなくなってカソード３２を不活性雰囲気にすることができると共に、残留酸素により燃料電池３０で発電された電力を消費するので停止中の燃料電池３０が残電圧により高電位にさらされることを回避することができる。停止中の燃料電池３０のカソード３２を不活性雰囲気にすることにより、残留酸素が固体高分子膜を透過してカソード３２からアノード３１に入り込むことを回避することができ、これにより燃料電池３０が酸化により損傷することを防ぐことができる。

上述のように、燃料電池システム１０は、商用電源９９と連系して電力負荷９８に電力を供給している。ところが、商用電源９９が所定の時間以上（例えば０．１秒以上）停電した際には、停電復帰時の感電防止の観点から燃料電池３０を独立して運転を継続する自立運転が禁止されている場合がある。このような場合は、商用電源９９が所定の時間以上停電した際に直ちに燃料電池３０が商用電源９９から解列されると共に、燃料電池システム１０も停止するように制御される。燃料電池３０が商用電源９９から解列され、燃料電池３０での発電も行われないと、燃料電池システム１０を構成する補機類（各ポンプ及びブロワ２７、２８、２９や弁６１〜６８等）が電力の供給を受けられなくなり、上記の所定の停止工程が完結せず、燃料電池３０が酸化により損傷しうる状態で燃料電池システム１０が停止してしまう可能性がある。このような不都合を回避するため、本実施の形態では、商用電源９９が所定の時間以上停電した際に以下のような制御を行う。

ここで図２を参照して、商用電源９９が停電した際の燃料電池システム１０の制御を説明する。図２は、商用電源９９が停電した際の燃料電池システム１０の制御を説明するフローチャートである。以下の説明において言及する燃料電池システム１０の構成の符号については、適宜図１を参照することとする。

典型的には外部からの指令により、燃料電池システム１０が起動すると（Ｓ１）、燃料電池システム１０を構成する補機類は商用電源９９から電力の供給を受け、上述した燃料電池システム１０の運転を開始する手順で燃料電池３０を発電可能にする。燃料電池３０で発電が行われるようになると、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０を商用電源９９に連系し（Ｓ２）、燃料電池システム１０が定常運転状態となる。燃料電池システム１０が定常運転をしている状態で、制御装置３６は電力計４５から随時信号を受信して商用電源９９が停電したか否かを判断する（Ｓ３）。停電していなければ燃料電池３０と商用電源９９とが連系した燃料電池システム１０の定常運転状態を維持する。

他方、商用電源９９が停電した場合は、商用電源９９の停電が所定の時間以上であったか否かを判断する（Ｓ４）。ここで「所定の時間」は、典型的には、商用電源９９側の配電系統において配電線を適当な区間に区分して異常が生じた区間より下流側を切り離して異常の捜査が行われるような停電が継続した時間であり、例えば０．１秒である。所定の時間以上の停電が生じた際は、捜査時に燃料電池３０で発電された電力が商用電源９９側の配電系統に印加することがないように、燃料電池３０の商用電源９９からの解列が求められる。商用電源９９の停電が所定の時間以上であったか否かを判断する工程（Ｓ４）において、所定時間以上でなかった場合は、燃料電池システム１０の定常運転状態を維持する。

他方、商用電源９９の停電が所定の時間以上であった場合は、制御装置３６はパワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０を商用電源９９から解列する（Ｓ５）。これと共に、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９を停止して（Ｓ６）、改質器２０への改質用水ｓ及び原料ｍ１の供給、並びに燃料電池３０への改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの供給を停止する。その後、酸化剤ガス遮断弁６４、カソードオフガス遮断弁６７、及び燃焼用空気遮断弁６８を閉にする（Ｓ７）。この、各弁６４、６７、６８を閉にする工程（Ｓ７）では、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９を停止した後に燃料電池３０に残存する改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発生した電力（この電力を以下「残電力」という。）によって電動弁のモータが動かされる。本実施の形態では、燃料電池３０を商用電源９９から解列すると共に比較的消費電力が大きい改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９を停止して燃料電池３０の残電力の消費を防ぐことにより、燃料電池３０を商用電源９９から解列した後の酸化剤ガス遮断弁６４、カソードオフガス遮断弁６７、及び燃焼用空気遮断弁６８を閉にする動作を可能にしている。燃焼用空気遮断弁６８を閉にすることにより、改質器２０の燃焼部２３から蒸気が逆流拡散して結露した水分が流量計３８に付着することによる流量計３８の故障を回避することができる。なお、燃料電池３０の酸化による損傷を防ぐ観点から、酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７を、燃焼用空気遮断弁６８よりも優先して閉にすることが好ましい。

酸化剤ガス遮断弁６４、カソードオフガス遮断弁６７、燃焼用空気遮断弁６８を閉にしたら（Ｓ７）、残電力を制御装置３６に供給して（Ｓ８）残電力を消費させる。残電力を消費させることにより、酸化剤ガス遮断弁６４及びカソードオフガス遮断弁６７が閉じられて密封されたカソード３２が不活性雰囲気となることを促進させると共に、燃料電池システム１０の停止中に燃料電池３０が高電位にさらされることを回避することができる。なお、本実施の形態では、典型的には、改質用水ポンプ２７、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９を停止した際（Ｓ６）に改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２も閉にして、バーナが消えているために燃焼されない水素含有ガスが燃焼部２３に流入することを防いでいるが、密封されたカソード３２の酸素消費を促進させるために改質部２５に残存する改質ガスｇがアノード３１へ入るのを許容する観点から、残電力を制御装置３６に供給すると共に改質ガス弁６１にも供給して、改質ガス弁６１を開の状態に維持してもよい。

カソード３２に密封された酸化剤ガスｔ中から酸素成分がなくなり残電力の発生がなくなると、制御装置３６への電力の供給も途絶える。このとき、改質ガス弁６１にも残電力を供給していた場合は、ノーマルクローズの改質ガス弁６１への電力の供給も途絶えて改質ガス弁６１が閉となる。本実施の形態では、残電力の発生がなくなって制御装置３６への電力の供給が途絶えても燃料電池システム１０が停止した際の状態を制御装置３６が有する不揮発性メモリが記憶するため、一般的に生じうる制御装置３６への電力の供給が途絶えてシーケンスがリセットされることによって燃料電池システム１０の各部材（ブロワや弁等）の状態とシーケンスとに齟齬が生じて商用電源９９が復電したときに「システム状態不一致」を検出して燃料電池システム１０を再起動することができなくなる、という不都合が生じることを回避することができる。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。商用電源停電時の燃料電池システムの制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム
２０改質器
２３燃焼部
２５改質部
２７改質用水ポンプ
２８燃料ブロワ
２９空気ブロワ
３０燃料電池
３１アノード
３２カソード
３４パワーコンディショナ
３６制御装置
３８流量計
４５電力計
５４酸化剤ガスライン
５４Ｑカソードオフガスライン
５８燃焼用空気ライン
６４酸化剤ガス遮断弁
６７カソードオフガス遮断弁
６８燃焼用空気遮断弁
９９商用電源
ａ燃焼用空気
ｇ改質ガス
ｑカソードオフガス
ｍ１原料
ｓ改質用水
ｔ酸化剤ガス

Claims

水素を含む水素含有ガスを導入するアノードと、酸素を含む酸化剤ガスを導入するカソードとを有し、前記アノードに導入した水素と前記カソードに導入した酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と；
前記燃料電池の商用電源への連系と解列とを切り換える切換手段と；
前記酸化剤ガスを前記カソードに導く酸化剤ガスラインと；
前記酸化剤ガスラインに配設され、前記酸化剤ガスライン内の前記酸化剤ガスの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動する酸化剤ガス遮断弁と；
前記燃料電池における前記電気化学的反応後に前記カソードから導出されるカソードオフガスを内部に流すカソードオフガスラインと；
前記カソードオフガスラインに配設され、前記カソードオフガスライン内の前記カソードオフガスの流れを遮断可能なカソードオフガス遮断弁であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動するカソードオフガス遮断弁と；
前記商用電源が停電したことを検出する停電検出手段と；
前記商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、前記燃料電池を前記商用電源から解列すると共に前記酸化剤ガス遮断弁及び前記カソードオフガス遮断弁を閉じるように、前記切換手段、前記酸化剤ガス遮断弁及び前記カソードオフガス遮断弁を制御する制御装置とを備える；
燃料電池システム。
炭化水素系の原料と水分とを導入し、前記原料を水蒸気改質して前記水素含有ガスを生成する改質部を有する改質器と；
前記改質部に前記原料を供給する原料供給装置であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動する原料供給装置と；
前記改質部に水分を供給する水分供給装置であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動する水分供給装置と；
前記酸化剤ガスラインに配設され、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動する酸化剤ガス供給装置とを備え；
前記制御装置が、前記商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、前記原料供給装置、前記水分供給装置、及び前記酸化剤ガス供給装置への通電を停止させる制御を行うように構成された；
請求項１に記載の燃料電池システム。
炭化水素系の原料と水分とを導入し前記原料を水蒸気改質して前記水素含有ガスを生成する改質部と、前記燃料電池における前記電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスと燃焼用空気とを導入し前記アノードオフガスを燃焼させて前記改質部における前記水蒸気改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部とを有する改質器と；
前記燃焼部に前記燃焼用空気を導く燃焼用空気ラインであって、内部を流れる前記燃焼用空気の流量を検出する流量検出器が配設された燃焼用空気ラインと；
前記流量検出器よりも下流側の前記燃焼用空気ラインに配設され、前記燃焼用空気ライン内の前記燃焼用空気の流れを遮断可能な燃焼用空気遮断弁であって、前記燃料電池で発電された電力及び前記商用電源から供給される電力により作動する燃焼用空気遮断弁とを備え；
前記制御装置が、前記商用電源が所定の時間にわたり停電したことが検出されたときに、前記燃焼用空気遮断弁を閉じる制御をするように構成された；
請求項１に記載の燃料電池システム。