JP2015185507A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池本体の緊急停止後、水蒸気が脱硫器に逆流することを防止し、脱硫器に含まれる脱硫剤の性能を維持すること。
【解決手段】本発明は、燃料電池１００は、燃料ガス流路４ｂ・４ｃに接続されたノーマルオープンバルブ１０を備え、燃料ガスを脱硫器８および燃料ガス流路４ｂ・４ｃを通ってアノードに供給することによって燃料電池本体２が正常に動作している時には、ノーマルオープンバルブ１０は閉状態に維持され、燃料電池本体２の動作が緊急停止された場合には、ノーマルオープンバルブ１０が開けられ、燃料ガス流路４ｂ・４ｃを通って脱硫器８に向かって逆流する流体が、ノーマルオープンバルブ１０を通って燃料ガス流路４ｂ・４ｃの外部に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関する。特に、本発明は、燃料電池本体の動作の緊急停止時に、脱硫器の性能低下を抑制できる燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する発電装置である。燃料電池は、高効率かつクリーンな発電装置として注目されている。

燃料電池は、カソード、アノード、および固体電解質を具備する。固体電解質は、アノードおよびカソードの間に挟まれている。酸素および燃料ガスが、それぞれ、カソードおよびアノードに供給され、酸素および燃料ガスの反応で発電する。燃料ガスの例は、水素、一酸化炭素、またはメタンである。

具体的には、カソードに供給された酸素は、カソードに含まれる気孔を通ってカソードおよび固体電解質の間の界面の近傍に到達する。酸素は、そこでカソードから電子を受け取って、化学式Ｏ^2-によって表される酸化物イオンになる。酸化物イオンは、アノードに向かって固体電解質の内部に拡散し、アノードおよび固体電解質の間の界面の近傍に到達する。酸化物イオンは、そこで燃料ガスと反応し、アノードに電子を放出する。同時に、Ｈ₂ＯまたはＣＯ₂のような反応生成物が燃料電池の外部に放出される。アノードに放出された電子は、起電力として取り出される。

アノードに供給される燃料ガスは、改質器で水を用いて天然ガスまたは液化石油ガスを水蒸気改質することにより作られる。燃料ガスは、水および空気を用いた炭化水素のオートサーマル反応を介して得られた水素または一酸化炭素であり得る。燃料ガスおよび水蒸気が直接的にアノードに供給される内部改質も提案されている。

典型的な天然ガスおよび液化石油ガスは、ガス漏れを検知するための硫黄系付臭剤を含有する。燃料ガスも、硫黄成分を不純物として含有し得る。改質器およびアノードに用いられる触媒は、硫黄で被毒されるため、改質器に供給される燃料ガスはあらかじめ脱硫器で脱硫される。言い換えれば、燃料ガスは脱硫器で脱硫され、次いでこのように脱硫された燃料ガスが改質器に供給される。

脱硫方法の例は、水添脱硫法、加熱脱硫法、または常温脱硫法である。水添脱硫法では、燃料ガスに水素が添加され、次いで摂氏２００度〜摂氏４００度の温度下で燃料ガスが脱硫される。加熱脱硫法では、燃料ガスが加熱され、燃料ガスが脱硫される。水添脱硫法または加熱脱硫法では、脱硫剤として銅系脱硫剤がしばしば用いられる。常温脱硫法では、ゼオライト系脱硫剤が用いられて、常温で燃料ガスを脱硫する。

特許文献１は、脱硫器を具備する燃料電池発電システムを開示している。さらに、特許文献１は、燃料電池の緊急停止にも言及している。図８は、特許文献１に開示された燃料電池発電システムの概略図を示す。図８に示されるように、特許文献１に開示された燃料電池発電システムでは、脱硫器１、改質器２、ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４をこの順に接続配管して燃料改質装置を構成し、炭化水素系の原燃料導入側に第１の開閉弁６を、改質ガス導出側に第２の開閉弁７をそれぞれ設けて締め切り可能に形成する。前記脱硫器１と改質器２との接続配管の中間部に、二酸化炭素を収容したボンベ８を接続配管し、このボンベ８の接続個所より上流側に第３の開閉弁９を、下流側に第４の開閉弁１０をそれぞれ設け、且つボンベ８の接続配管にレギュレータ１２を設け、このレギュレータ１２より下流側に第５の開閉弁１１を設ける。燃料改質装置の非常停止時又はリーク検知時等に前記ボンベ８から二酸化炭素を供給してパージする。又、リークにより改質器２の内部圧力が負圧になった時に、ボンベ８から二酸化炭素を供給して空気の流入を抑制し、触媒の性能低下を防ぐ。改質ガスは、燃料電池５に供給される。改質器２は、改質器２の下に位置するバーナー２によって加熱される。

特許文献２もまた、脱硫器を具備する燃料電池を開示している。さらに、特許文献２もまた、燃料電池の緊急停止にも言及している。

特開２００６−２８６２４９号公報 特開２０１２−１３８１８５号公報

燃料電池の運転は、緊急時において、燃料ガスおよび空気を燃料電池に供給することを停止することによって停止される。これにより、燃料電池は、発電を停止する。燃料ガスの供給が停止した後であっても、燃料電池における水蒸気の蒸発はしばらく続く。その結果、改質器が水蒸気で満たされる。一方、脱硫器は、燃料電池の動作時には、常温よりも高い温度下で動作するが、緊急停止時には、脱硫器が暖められない限り、脱硫器の温度は低下する。このため、脱硫器内で気体が収縮する。これが、改質器に充満した水蒸気が脱硫器に向けて逆流するという不具合を引き起こす。脱硫器に流入した水蒸気は、脱硫器に含まれる脱硫剤上で凝縮する。これが、脱硫器の性能を低下させる。

脱硫器の性能の低下が、以下、より詳細に説明される。加熱しながら脱硫するために用いられる銅系脱硫剤は、水蒸気に曝されると、銅系脱硫剤に含まれる銅が酸化される。さらに、銅系脱硫剤の強度も低下する。ゼオライトのような常温脱硫剤が水蒸気に曝されると、ゼオライトが吸水する。その結果、吸着性能が低下し、かつ脱硫剤の強度も低下する。このようにして、水蒸気は脱硫器の性能を低下させる。

本発明の目的は、燃料電池本体の緊急停止後、水蒸気が脱硫器に逆流することを防止し、脱硫器に含まれる脱硫剤の性能を維持することにある。

本発明は、燃料電池であって、
アノードおよびカソードを具備する燃料電池本体、
燃料ガスを脱硫するための脱硫器、および
アノードに向かう燃料ガスが流れる燃料ガス流路、
を具備し、
ここで、
燃料電池本体は、アノードおよびカソードにそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いることによって発電し、
燃料ガス流路は、脱硫器をアノードに接続しており、
燃料電池は、ノーマルオープンバルブをさらに備え、
ノーマルオープンバルブは、燃料ガス流路に接続されており、
燃料ガスを脱硫器および燃料ガス流路を通ってアノードに供給することによって燃料電池本体が正常に動作している時には、ノーマルオープンバルブは閉状態に維持され、
燃料電池本体の動作が緊急停止された場合には、ノーマルオープンバルブが開けられ、燃料ガス流路を通って脱硫器に向かって逆流する流体が、ノーマルオープンバルブを通って燃料ガス流路の外部に排出される。

本発明は、燃料電池本体の緊急停止後、水蒸気が脱硫器に逆流することを防止し、脱硫器に含まれる脱硫剤の性能を維持する。

図１は、第１実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。 図２は、燃料電池本体２の動作の緊急停止時での改質器１２の温度低下の経時変化のグラフである。 図３は、燃料電池１００の緊急停止時における燃料電池１００の概略図を示す。 図４は、図３において改質器１２および脱硫器８の温度が低下した後の燃料電池１００の概略図を示す。 図５は、第２実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。 図６は、第３実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。 図７は、第４実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。 図８は、特許文献１に開示された燃料電池発電システムの概略図を示す。

本発明の実施形態が、以下、図面を参照しながら説明される。

（第１実施形態）
（燃料電池１００）
図１は、第１実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。図１に示されるように、燃料電池１００は、燃料電池本体２、燃料ガス供給流路４ａ、燃料ガス流路４、燃焼部６、脱硫器８、ノーマルオープンバルブ１０、改質器１２、酸化剤ガス流路１４、および水供給流路１６を具備する。燃料ガス流路４は、第１燃料ガス流路４ｂおよび第２燃料ガス流路４ｃから構成される。第１燃料ガス流路４ｂは、脱硫器８から改質器１２までにある。第２燃料ガス流路４ｃは、改質器１２から燃料電池本体２までにある。言い換えれば、第１燃料ガス流路４ｂは、脱硫器８を改質器１２に接続している。第２燃料ガス流路４ｃは、改質器１２を燃料電池本体２に接続している。

（燃料電池本体２）
燃料電池本体２は、カソード、アノード、および固体電解質を具備する。固体電解質は、アノードおよびカソードの間に挟まれている。燃料電池本体２では、酸素および燃料ガスがカソードおよびアノードに供給され、酸素および燃料ガスの反応を介して発電する。燃料電池本体２の例は、固体酸化物燃料電池または固体高分子形燃料電池である。

燃料ガスは、燃料電池１００の外部から燃料ガス供給流路４ａを通って脱硫器８に供給される。燃料ガスの例は、天然ガスおよび液化石油ガスである。脱硫器８へ供給される燃料ガスの流量は、燃料ガス供給流路４ａの上流において調整され得る。例えば、昇圧器および流量調整弁の少なくとも一方が、燃料ガス供給流路４ａの上流に設けられる。昇圧器の例は、モータを用いて駆動する定容積型ポンプである。燃料ガスは、原料供給源から供給される。原料供給源は、所定の供給圧を有し得る。原料供給源の例は、原料ガスボンベまたは原料ガスインフラである。

（燃料部６）
燃焼部６では、燃料電池本体２に含まれるアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノード排ガスおよびカソード排ガスが燃料する。アノード排ガスの例は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水の混合物である。カソード排ガスの例は、空気である。

（脱硫器８）
脱硫器８は、燃料ガス供給流路４ａを通って供給される燃料ガスに含有される硫黄化合物を除去するために用いられる。脱硫器８は、脱硫剤をその内部に含む容器から構成され得る。脱硫剤は、水添脱硫剤、加熱脱硫剤、および吸着脱硫剤からなる群から選択される。水添脱硫剤および加熱脱硫剤の例は、銅系脱硫剤である。銅系脱硫剤は、摂氏２００度〜摂氏３００度の温度下で用いられ得る。吸着脱硫剤の例は、ゼオライトである。ゼオライトに含有されるカチオンの少なくとも一部が銀および／または銅に置換されるようにイオン交換したゼオライトが望ましい。

２種類以上の脱硫剤の組み合わせも採用され得る。例えば、水添脱硫剤は、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能を有する第１脱硫剤および硫化水素を吸着する機能を有する第２脱硫剤の組み合わせから構成され得る。これに代えて、水添脱硫剤は、これらの２つの機能を有する脱硫剤であり得る。第１脱硫剤の例は、ＣｏＭｏ系触媒である。第２脱硫剤の例は、ＺｎＯ系触媒である。銅系脱硫剤が単独で用いられ得る。

加熱脱硫剤は、摂氏２００度〜摂氏３５０度に加熱され得る。常温脱硫剤も、燃料電池本体２から伝わってくる熱を利用して、摂氏５０度〜摂氏７０度に加温されて用いられることが望ましい。

硫黄化合物は、付臭剤として意図的に燃料ガスへ添加されてもよいし、燃料ガス自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。硫黄化合物の例は、ターシャリーブチルメルカプタン、ジメチルスルフィド、テトラヒドロチオフェン、硫化カルボニル、または硫化水素である。

脱硫器８により脱硫された燃料ガスは、第１燃料ガス流路４ｂを通って改質器１２に供給される。

（改質器１２）
改質器１２は、反応ガスおよび燃料ガスの改質反応により水素含有ガスを生成するために用いられる。改質反応の例は、水蒸気改質反応、オートサーマル反応、または部分酸化反応である。これらの３つの改質反応では、水が生成し得る。燃料ガスは、少なくとも炭素及び水素を構成元素として有する有機化合物を含む。燃料ガスの例は、有機化合物を含有するガスおよびアルコールである。有機化合物を含有するガスの例は、メタンを主成分として有する都市ガスまたは天然ガスである。有機化合物を含有するガスの他の例は、液化石油ガスである。アルコールの例は、メタノールである。

改質反応が水蒸気改質である場合、反応ガスの例は、水蒸気である。改質反応がオートサーマル反応である場合、反応ガスの例は、水蒸気および空気の混合物である。改質反応が部分酸化反応である場合には、反応ガスの例は空気である。空気は、酸化剤ガス流路１４を通って改質器１２に供給される。水は、水供給流路１６を通って改質器１２に供給される。

改質器１２は、改質反応を進行させるための改質触媒を具備する。改質触媒の例は、ＲｕまたはＮｉのような触媒金属である。

燃料電池１００は、改質反応のために必要とされる装置を具備し得る。改質反応が水蒸気改質反応である場合、燃料電池１００は、改質器１２を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器を具備し得る。改質反応がオートサーマル反応である場合、燃料電池１００は、改質器１２に空気を供給する空気供給器、または改質触媒の温度を検知する温度計を具備し得る。

ノーマルオープンバルブ１０は、燃料ガス流路４に接続されている。図１においては、ノーマルオープンバルブ１０は、第１燃料ガス供給流路４ｂに接続されている。具体的には、ノーマルオープンバルブ１０は、ガス連通流路４ｄに設けられている。ガス連通流路４ｄは、第１燃料ガス流路４ｂに酸化剤ガス流路１４を介して接続されている。

ノーマルオープンバルブ１０に電力が供給されている間、ノーマルオープンバルブ１０は閉状態に維持され、第１燃料ガス流路４ｂを空気から切り離している。一方、ノーマルオープンバルブ１０に電源が供給されなくなったときには、ノーマルオープンバルブ１０は開状態になる。ノーマルオープンバルブ１０が開いた後には、第１燃料ガス流路４ｂを流れる流体は、ノーマルオープンバルブ１０を介して第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出される。ノーマルオープンバルブ１０は開状態になった場合には、第１燃料ガス流路４ｂを流れる流体は燃料電池１００の外部に排出されることが望ましい。より望ましくは、第１燃料ガス流路４ｂを流れる流体が大気に排出される。ノーマルオープンバルブ１０の例は、電磁式の開閉弁である。

第１実施形態では、ノーマルオープンバルブ１０は、燃料電池本体２に電線２０を用いて電気的に接続されている。燃料電池本体２の動作の緊急停止時には燃料電池本体２からの電力の供給が停止し、ノーマルオープンバルブ１０を開く。

（燃料電池の運転）
図１に示される燃料電池１００では、燃料電池１００の起動時に水および空気が炭化水素のような燃料ガスと共に供給され、改質器１２でのオートサーマル反応を介して水素または一酸化炭素の少なくとも一方が生成される。オートサーマル反応のため、燃料電池１００は短時間で起動する。

このようにして改質された燃料ガス、すなわち、水素、一酸化炭素、またはこれらの混合物は、第２燃料ガス流路４ｃを通って燃料電池本体２のアノードに供給される。このようにしてアノードに供給された燃料ガスおよびカソードに供給された酸素を用いることによって、電力が生じる。改質器１２において生じる部分酸化反応のため、改質器１２の温度は、摂氏１００度を超える高温、例えば、およそ摂氏４００度以上およそ摂氏７００度以下に維持されている。

燃料電池１００の通常運転時には、改質器１２において水を用いた燃料の水蒸気改質により、水素、一酸化炭素、またはこれらの混合物が作られる。上記と同様、水素、一酸化炭素、またはこれらの混合物は、第２燃料ガス流路４ｃを通って燃料電池本体２のアノードに供給され、発電するために用いられる。このようにして、燃料ガスが、脱硫器８、第１燃料ガス流路４ｂ、改質器１２、および第２燃料ガス流路４ｃを通ってアノードに供給され、燃料電池本体２は正常に動作する。ノーマルオープンバルブ１０は燃料電池本体２に電線２０を用いて電気的に接続されているので、燃料電池本体２が正常に動作している間は、ノーマルオープンバルブ１０は閉状態に維持されている。

次に、燃料電池１００の緊急停止が説明される。第１実施形態では、何らかの原因で燃料電池本体２が発電しなくなった場合が仮定される。燃料電池本体２の動作が緊急停止された際には、燃料ガス、空気、および水の供給が停止される。後述される図３に含まれる符号「Ｘ」を参照せよ。

第１の実施形態では、燃料電池１００の緊急停止時には燃料電池本体２が発電しなくなるので、燃料電池本体２に電線２０を用いて電気的に接続されているノーマルオープンバルブ１０は直ちに開状態になる。

図２は、燃料電池本体２の動作の緊急停止時での改質器１２の温度低下の経時変化のグラフである。燃料電池本体２の動作が停止された直後では、改質器１２に含まれる水の蒸発遅延が生じる。図２の区間Ａを参照せよ。水の蒸発遅延は、数分で終わると考えられる。

図３に示されるように、改質器１２で蒸発した水は、ノーマルオープンバルブ１０を通って、燃料電池１００の外部に排出される。図３に含まれる符号「Ｘ」は、流路が閉鎖されていることを意味する。図３では、酸化剤ガスの流路、水の流路、及び燃料ガスの流路は閉鎖されている。このように、緊急停止時に蒸発遅れにより改質器１２に充満した水蒸気は第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出される。言い換えれば、改質器１２に充満した水蒸気は脱硫器８に供給されない。そのため、脱硫器８の性能は低下しない。

続いて、改質器１２および脱硫器８の温度の低下に伴い、脱硫器８及び改質器１２に含まれる気体が収縮する。図２の区間Ｂを参照せよ。そのため、図４に示されるように、空気がノーマルオープンバルブ１０を通じて、脱硫器８及び改質器１２に供給される。空気は高温の水蒸気を含まないので、脱硫器８の性能は低下しない。図４においても、符号「Ｘ」により表されるように、酸化剤ガスの流路、水の流路、及び燃料ガスの流路は閉鎖されている。

改質器に含まれる改質触媒も、改質器１２に含まれる水蒸気の凝縮が原因で水濡れし、その性能が低下し得る。これは、触媒活性金属の水蒸気酸化、担体の水熱処理による変質、および／または比表面積の低下が原因であると考えられる。以下、これが説明される。

改質器１２の温度が低下すると、改質器１２に含まれる水蒸気が収縮する。同時に、改質器１２に含まれる水が凝縮する。燃料電池本体２が緊急停止された直後では、改質器１２の温度は、およそ摂氏４００度以上およそ摂氏７００度以下であり得る。改質器１２の温度が摂氏６００度から摂氏１００度まで低下すると、改質器１２に含まれる水蒸気の体積は約４０パーセントに減少する。ノーマルオープンバルブ１０を通って供給された空気は、改質器１２に含まれる水蒸気を燃料電池本体２に向けて押し出す。そのため、改質器１２に含まれる改質触媒が水濡れすることが防止され、改質触媒の性能を維持できる。改質器１２に含まれる全ての水蒸気が凝縮した後には、さらに多くの量の空気がノーマルオープンバルブ１０を通って改質器１２に供給される。そのため、改質器１２に含まれる改質触媒が水濡れすることが効果的に防止され、改質触媒の性能を効果的に維持できる。

このように、緊急停止時の最初の段階では、改質器１２に含まれる水の蒸発遅延が生じるが、改質器１２で蒸発した水は、開状態となっているノーマルオープンバルブ１０を通って第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出される。時間の経過ともに改質器１２の温度が下がってきた段階では、温度低下によって改質器１２に含まれる気体が収縮するため、ノーマルオープンバルブ１０を通って燃料電池１００の外部から改質器１２および脱硫器８に空気が流れる。これにより、脱硫器８に含まれる脱硫剤および改質器１２に含まれる改質触媒の水濡れが抑制でき、これらの性能が維持される。

ゼオライト系脱硫剤を含む吸着脱硫器が脱硫器８に用いられる場合、通常運転時には、ゼオライト系脱硫剤は燃料電池本体２が生じる熱を用いて摂氏５０度〜摂氏７０度に加温される。図２に示されるように、燃料電池本体２の動作が緊急停止された後には、脱硫器８の温度は低下するため、脱硫器８に含まれる気体は収縮する。これが原因で、改質器１２に充填されている水蒸気が緊急停止後に改質器１２から脱硫器８に逆流し得る。しかし、ノーマルオープンバルブ１０を通って、改質器１２に充填されている水蒸気は第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出されるので、改質器１２に充填される水蒸気は脱硫器８に流れない。従って、脱硫器８の性能は低下しない。

第１実施形態では、第１燃料ガス流路４ｂおよび第２燃料ガス流路４ｃの間に、燃料ガスを改質する改質器１２が設けられている。しかし、改質器１２は省かれ得る。この場合、燃料電池本体２において燃料ガスが改質され、発電される。しかし、燃料電池本体２において燃料ガスが改質される場合、炭素の析出のために燃料電池本体２の性能が低下し得る。そのため、改質器１２が設けられることが望ましい。改質器１２によってアノードに安定的に改質された燃料ガスが供給され得、安定した発電性能を得られる。

ノーマルオープンバルブ１０は、第１燃料ガス流路４ｂに接続されている。言い換えれば、ノーマルオープンバルブ１０は、改質器１２の上流側に設けられておいる。改質された燃料ガスの温度は、摂氏５００度〜摂氏７００度である。このように、高温のガスがアノードに供給される。このような高温のガスが流れる第２燃料ガス流路４ｃにノーマルオープンバルブ１０を設けることは困難であり得る。一方、改質される前の燃料ガスの温度はずっと低く、例えば、室温〜摂氏４００度程度である。そのため、第１燃料ガス流路４ｂにノーマルオープンバルブ１０を設けることは容易である。従って、第１燃料ガス流路４ｂにノーマルオープンバルブ１０を設けることが望ましい。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。図５に示されるように、第２実施形態による燃料電池１００においては、ノーマルオープンバルブ１０を有するガス連通流路４ｄに、改質器１２への空気の流入を防ぐ逆止弁１８が設けられている。

逆止弁１８は、ガス連通流路４ｄに流れる流体が、ノーマルオープンバルブ１０を通って第１燃料ガス流路４ｂの外部に流れることを抑止しない。一方、逆止弁１８は、ガス連通流路４ｄに流れる流体が、ノーマルオープンバルブ１０を通って第１燃料ガス流路４ｂに流れることを抑止する。言い換えれば、流体は、逆止弁１８を通って第１燃料ガス流路４ｂの外部に流れ得るが、逆止弁１８を通って第１燃料ガス流路４ｂに流れない。第１実施形態による燃料電池１００は、このような逆止弁１８を具備していないことに留意せよ。

逆止弁１８のため、緊急停止時であっても、第１実施形態の場合と同様に水蒸気は排出されるが、空気は改質器１２および脱硫器８に供給されない。水蒸気または酸素は、脱硫器８に含まれる銅系脱硫剤を劣化させるが、逆止弁１８は、脱硫器８に含まれる銅系脱硫剤を劣化させる酸素が、緊急停止時において改質器１２および脱硫器８に供給されることを防止する。

逆止弁１８は、ノーマルオープンバルブ１０の上流側または下流側に設けられ得る。図５においては、逆止弁１８はノーマルオープンバルブ１０の上流側に設置されている。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。図６に示されるように、第３実施形態による燃料電池１００は、制御装置３０により制御される。第１実施形態の燃料電池１００とは異なり、ノーマルオープンバルブ１０は、電線２２を用いて制御装置３０に電気的に接続されている。燃料電池本体２が正常に動作している間には、制御装置３０はノーマルオープンバルブ１０に電線２２を介して電気を供給し、ノーマルオープンバルブ１０を閉状態に維持する。

第３実施形態では、制御装置３０が、異常な状態が発生したために燃料電池本体２を緊急停止させる必要があると判断した場合、制御装置３０は、燃料ガス、空気、および水の供給を停止する。燃料電池１００の管理者が、異常な状態が発生したために燃料電池本体２を緊急停止させる必要があると判断した場合も、制御装置３０を介して、管理者は燃料ガス、空気、および水の供給を停止する。

燃料ガス、空気、および水の供給の停止と同時に、制御装置３０は、ノーマルオープンバルブ１０へ電力を供給することを停止する。このようにして、ノーマルオープンバルブ１０は開状態になる。第１実施形態の場合と同様、改質器１２において発生した水蒸気はノーマルオープンバルブ１０を通って第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出される。その後、空気がノーマルオープンバルブ１０を通って改質器１２および脱硫器８に供給される。図５に示されるように、第３実施形態においても、逆止弁１８が設けられ、空気がノーマルオープンバルブ１０を通って改質器１２および脱硫器８に流れないようにし得る。

燃料電池本体２が緊急停止されることを必要とされる異常な状態の例が、以下、列記される。
燃料電池本体２の異常な高温
（ｉｉ） 燃料電池本体２から出力される電力の異常な上昇または低下
（ｉｉｉ） 燃料ガスの供給量の異常な増加または低下
（ｉｖ） 制御装置３０自体の異常
地震の発生
（ｖｉ） 制御装置３０への電力供給の意図しない停止（燃料電池本体２から電線２４を用いて制御装置３０に電力が供給されている場合における燃料電池本体２の動作の意図しない停止を含む）

図５においては、燃料電池本体２から電線２４を用いて制御装置３０に電力が供給されている。しかし、商用電源が制御装置３０に供給され得る。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態による燃料電池１００の概略図を示す。図７に示されるように、第４実施形態による燃料電池１００は、さらに蒸発器４０を具備する。脱硫器８により脱硫された燃料ガスは、第１燃料ガス流路４ｂを通って蒸発器４０に供給される。空気および水が、それぞれ、酸化剤ガス流路１４および水供給流路１６を通って、蒸発器４０に供給される。酸化剤ガス流路１４および水供給流路１６は、第１燃料ガス流路４ｂに接続されている。燃料ガス、酸化剤ガス、および水が第１燃料ガス流路４ｂの蒸発器４０側の一端部の近くで混合され、この混合物が蒸発器４０に供給される。第２燃料ガス流路４ｃは、蒸発器４０を燃料電池本体２に接続する。改質器１２は、第２燃料ガス流路４ｃに設けられ得る。言い換えれば、第２燃料ガス流路４ｃは、改質器１２を含み得る。

蒸発器４０は、水供給流路１６を通って供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する。言い換えれば、蒸発器４０は第１燃料ガス流路４ｂを通って蒸発器４０に供給された混合物に含有される水を蒸発させ、燃料ガス、酸化剤ガス、および水蒸気の混合ガスを得る。

このようにして蒸発器４０において得られた混合ガスは、改質器１２に供給される。

図７においては、燃料電池本体２から電線２４を介して制御装置３０に電力が供給されている。しかし、商用電源が制御装置３０に供給され得る。図５に示される場合と同様、逆止弁１８が第４実施形態においても設けられ得る。

第１実施形態の場合と同様、燃料電池１００の通常運転時には、ノーマルオープンバルブ１０は、閉状態に維持されている。燃料電池１００の緊急停止時には、ノーマルオープンバルブ１０は直ちに開状態になる。第４実施形態においては、蒸発器４０で蒸発した水は、ノーマルオープンバルブ１０を通って、燃料電池１００の外部に排出される。第１実施形態の場合と同様、酸化剤ガスの流路、水の流路、及び燃料ガスの流路は閉鎖されている。このように、緊急停止時に蒸発器４０に充満した水蒸気は第１燃料ガス流路４ｂの外部に排出される。言い換えれば、蒸発器４０に充満した水蒸気は脱硫器８に供給されない。そのため、脱硫器８の性能は低下しない。

本発明は、燃料電池本体の緊急停止後、水蒸気が脱硫器に逆流することを防止し、脱硫器に含まれる脱硫剤の性能を維持する。

２ 燃料電池本体
４ａ 燃料ガス供給流路
４ 燃料ガス流路
４ｂ 第１燃料ガス流路
４ｃ 第２燃料ガス流路
４ｄ ガス連通流路
６ 燃焼部
８ 脱硫器
１０ ノーマルオープンバルブ
１２ 改質器
１４ 酸化剤ガス流路
１６ 水供給流路
１８ 逆止弁
２０ 電線
２２ 電線
２４ 電線
３０ 制御装置
４０ 蒸発器

１００ 燃料電池

Claims (10)

1. 燃料電池であって、
   アノードおよびカソードを具備する燃料電池本体、
   燃料ガスを脱硫するための脱硫器、および
   前記アノードに向かう前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路、
   を具備し、
   ここで、
   燃料電池本体は、前記アノードおよび前記カソードにそれぞれ供給される燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを用いることによって発電し、
   前記燃料ガス流路は、前記脱硫器を前記アノードに接続しており、
   前記燃料電池は、ノーマルオープンバルブをさらに備え、
   前記ノーマルオープンバルブは、前記燃料ガス流路に接続されており、
   燃料ガスを前記脱硫器および前記燃料ガス流路を通ってアノードに供給することによって前記燃料電池本体が正常に動作している時には、前記ノーマルオープンバルブは閉状態に維持され、
   前記燃料電池本体の動作が緊急停止された場合には、前記ノーマルオープンバルブが開けられ、前記燃料ガス流路を通って前記脱硫器に向かって逆流する流体が、ノーマルオープンバルブを通って前記燃料ガス流路の外部に排出される。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   さらに改質器を具備し、
   前記燃料ガス流路は、第１燃料ガス流路および第２燃料ガス流路に分割されており、
   前記第１燃料ガス流路は、前記脱硫器を前記改質器に接続しており、
   前記第２燃料ガス流路は、前記改質器を前記燃料電池本体に接続している。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記ノーマルオープンバルブは、前記第１燃料ガス流路に接続されている。
4. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記アノードおよび前記カソードからそれぞれ排出されるアノード排ガスおよびカソード排ガスが燃焼する燃焼部をさらに具備する。
5. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   さらにガス連通流路を具備し、
   前記ノーマルオープンバルブが前記燃料ガス流路に接続されるように、前記ガス連通流路は、前記燃料ガス流路に接続されており、
   前記ガス連通流路は、空気が前記燃料ガス流路の外部から前記燃料ガス流路に流れることを抑制する逆止弁を具備している。
6. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記ノーマルオープンバルブは前記燃料電池本体に電線を用いて電気的に接続されており、
   前記燃料電池本体が正常に動作している間は、前記燃料電池本体から前記電線を介して前記ノーマルオープンバルブに電力が供給されており、
   前記燃料電池本体の動作が緊急停止された場合には、前記燃料電池本体から前記ノーマルオープンバルブへの電力供給が停止されてノーマルオープンバルブが開状態にされる。
7. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記ノーマルオープンバルブは制御装置に電気的に接続されており、
   前記燃料電池本体が正常に動作している間は、前記制御装置から前記ノーマルオープンバルブに電力が供給されており、
   前記燃料電池本体の動作が緊急停止された場合には、前記制御装置から前記ノーマルオープンバルブに電力供給が停止されて前記ノーマルオープンバルブが開状態にされる。
8. 請求項７に記載の燃料電池であって、
   前記制御装置が、以下の項目〜（ｖｉ）の少なくとも１つから選択される異常事態が生じたと判断した場合には、前記制御装置が前記燃料電池本体の動作を緊急停止する。
   前記燃料電池本体の異常な高温
   （ｉｉ） 前記燃料電池本体から出力される電力の異常な上昇または低下
   （ｉｉｉ） 前記燃料ガスの供給量の異常な増加または低下
   （ｉｖ） 前記制御装置自体の異常
   地震の発生
   （ｖｉ） 前記制御装置への電力供給の意図しない停止
9. 請求項１に記載の燃料電池であって、さらに蒸発器を具備し、
   前記燃料ガス流路は、第１燃料ガス流路および第２燃料ガス流路に分割されており、
   前記第１燃料ガス流路は、前記脱硫器を前記蒸発器に接続しており、
   前記第２燃料ガス流路は、前記蒸発器を前記燃料電池本体に接続している。
10. 請求項１に記載の燃料電池であって、
    前記流体が水蒸気を含有する。

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