JP2015185537A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫器まわりの圧力上昇抑制処理を行う際に機器類への影響を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、脱硫器１１と、燃料電池５３と、燃料電池５３に発電用空気ＡＧを供給する発電用空気供給部４１と、被脱硫原料ライン１８と、被脱硫原料ライン１８に設けられた第１の遮断弁２１と、脱硫器１１から流出した原料Ｄを発電用空気ＡＧに合流させる脱硫器流出原料ライン３１と、脱硫器流出原料ライン３１に設けられた第２の遮断弁３２と、脱硫器１１の内圧を検知する脱硫器内圧検知器２３と、制御部６０とを備える。制御部６０は、脱硫器１１が密封された状態で脱硫器内圧検知器２３が検知した圧力が第１の所定の値以上となったときに、発電用空気ＡＧを供給すると共に第２の遮断弁３２を開にして脱硫器内圧検知器２３の検知圧力を低下させる減圧処理を行うように発電用空気供給部４１及び第２の遮断弁３２を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に脱硫器まわりの圧力上昇を抑制する処理を行う際に機器類への影響を抑制する燃料電池システムに関する。

水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入して発電する燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器（燃料処理機）が併設されることが多い。燃料電池に供給する水素含有ガスを、炭化水素系原料を改質して生成する場合、脱硫器において炭化水素系原料を脱硫してから改質するのが一般的である。

運転時の温度が異なる脱硫器及び燃料処理機の、運転停止後の温度変化の相違に伴う圧力変化の相違によって必要となる、燃料処理機を含む空間の補圧処理を、以下のように行う燃料処理装置が知られている。その燃料処理装置は、脱硫器の上流の原料ガス流路に設けられた第１の弁と、脱硫器と燃料処理機との間の原料ガス流路に設けられた第２の弁と、燃料処理機の下流に設けられた第３の弁とを備え、脱硫器を含む空間の圧力が第１の圧力閾値以上の圧力に加圧されている状態で、燃料処理機を含む空間の補圧処理を行う場合に、第１の弁及び第３の弁を閉じたまま、第２の弁を開放することとしている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２１７９５２号公報（段落００３０、図１等）

しかしながら、特許文献１に記載された燃料処理装置では、第１の弁と第３の弁との間に封入されていた原料ガスが排出されると、燃料処理装置の下流側に設置されている燃料電池システムを構成するガス検知器等の機器類の誤作動を発生させるおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑み、脱硫器まわりの圧力上昇を抑制する処理を行う際に機器類への影響を抑制す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、炭化水素系の原料である被脱硫原料Ｄｒを脱硫して脱硫済原料Ｄｆを生成する脱硫器１１と；脱硫済原料Ｄｆの改質によって生成された水素を含有する燃料ガスＥと、発電用空気ＡＧとを導入して発電する燃料電池５３と；燃料電池５３に発電用空気ＡＧを供給する発電用空気供給部４１と；脱硫器１１に被脱硫原料Ｄｒを導く被脱硫原料ライン１８と；被脱硫原料ライン１８に設けられた第１の遮断弁２１と；脱硫器１１から流出した原料Ｄを、発電用空気供給部４１から供給された発電用空気ＡＧに合流させる脱硫器流出原料ライン３１と；脱硫器流出原料ライン３１に設けられた第２の遮断弁３２と；脱硫器１１の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知器２３と；第１の遮断弁２１及び第２の遮断弁３２に挟まれた脱硫器１１が密封された状態で、脱硫器内圧検知器２３が検知した圧力が第１の所定の値以上となったときに、発電用空気ＡＧを供給すると共に、第２の遮断弁３２を開にすることによって脱硫器内圧検知器２３が検知する圧力を低下させる減圧処理を行うように、発電用空気供給部４１及び第２の遮断弁３２を作動させる制御部６０とを備える。

このように構成すると、発電用空気を供給しつつ第２の遮断弁を開にするので、第２の遮断弁を通過して流下した炭化水素系の原料が発電用空気で希釈されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。

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１において、脱硫器流出原料ライン３１に設けられた流出流量抑制手段３３であって、減圧処理によって脱硫器１１から流出した原料Ｄが燃焼下限未満の濃度で外部に排出されるように、原料Ｄの脱硫器１１からの流出流量を抑制する流出流量抑制手段３３を備える。

このように構成すると、原料を穏やかに外部へ排出することができる。

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２の態様に係る燃料電池システム１において、脱硫器流出原料ライン３１が、脱硫器１１から流出した原料Ｄを、燃料電池５３よりも下流側で発電用空気ＡＧに合流させるように構成されている。

このように構成すると、脱硫されていない原料が燃料電池に導入され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の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１において、脱硫器１１から流出した原料Ｄと発電用空気ＡＧとが合流した流体を外部へ導く合流流体ライン５８、５９と；燃料電池５３よりも下流側の合流流体ライン５８、５９に設けられた、原料Ｄを燃焼させる燃焼部５５とを備える。

このように構成すると、脱硫器から排出された原料を燃焼させてから外部へ排出させることができ、環境負荷を低減することができる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１において、制御部６０は、減圧処理を開始した後、脱硫器内圧検知器２３が検知する圧力が第１の所定の値よりも小さい第２の所定の値に低下したときに、第２の遮断弁３２を閉にするように構成されている。

このように構成すると、外部に排出される原料を希釈しつつ、脱硫器内を適切な圧力にすることができると共に、原料のロスを抑制することができる。

また、本発明の第５の態様に係る脱硫器の過圧解消方法として、例えば図１及び図２を参照して示すと、炭化水素系の原料Ｄｒを脱硫する脱硫器１１内に存在する原料Ｄを封入する原料封入工程（Ｓ１）と；原料Ｄが封入された脱硫器１１の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）と；脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）で検知される圧力が第１の所定の値以上となったときに、燃料電池５３に向けて発電用空気ＡＧを供給すると共に、脱硫器１１内の原料Ｄを発電用空気ＡＧに合流させることで、脱硫器１１の内部の圧力を低下させつつ外部に排出される原料Ｄを希釈する減圧希釈工程（Ｓ４、Ｓ５）とを備えることとしてもよい。

このように構成すると、原料が発電用空気で希釈されて外部に排出されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。

本発明によれば、原料が発電用空気で希釈されて外部に排出されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。

本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける脱硫器の過圧解消制御のフローチャートである。 本発明の第２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。

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、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、原料Ｄを脱硫する脱硫器１１と、脱硫器１１で脱硫された原料Ｄを水素に富む燃料ガスＥに改質する改質器５１と、燃料電池５３と、制御部６０と、を主要構成機器として備えている。

原料Ｄは、改質することで燃料電池５３における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス（水素リッチガス）にできるものであり、炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。以下の説明では、脱硫器１１で脱硫される前の原料Ｄを脱硫前原料Ｄｒといい、脱硫器１１で脱硫された後の原料Ｄを脱硫済原料Ｄｆといい、両者を区別しない場合は単に原料Ｄと総称することとする。脱硫前原料Ｄｒは被脱硫原料に相当する。

脱硫器１１は、脱硫前原料Ｄｒに含まれている硫黄分を吸着する脱硫触媒１１ｃを内部に有している。脱硫触媒１１ｃには、ゼオライト系触媒や金属系触媒等が用いられる。脱硫器１１には、脱硫前原料Ｄｒを脱硫器１１に導く被脱硫原料ラインとしての脱硫前原料管１８と、脱硫済原料Ｄｆを改質器５１に導く脱硫済原料ラインとしての脱硫済原料管１９と、原料Ｄを改質器５１及び燃料電池５３をバイパスして燃料電池５３の下流側に導くバイパスラインとしてのバイパス管３１とが接続されている。本実施の形態では、バイパス管３１が脱硫器流出原料ラインに相当する。なお、「・・・ライン」とは、流体の流路であり、典型的には専ら流体を案内する管であるが、他の用途に用いられる物と物との間に形成された空間であってもよい。

脱硫前原料管１８には、流路を遮断可能な第１の遮断弁としての入口遮断弁２１が配設されている。入口遮断弁２１よりも上流側の脱硫前原料管１８には上流遮断弁２９が配設されている。脱硫済原料管１９には、流路を遮断可能な出口遮断弁２２が配設されている。バイパス管３１には、流路を遮断可能なバイパス遮断弁３２が配設されている。本実施の形態では、バイパス遮断弁３２が第２の遮断弁に相当する。入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２は、本実施の形態では電磁弁が用いられている。出口遮断弁２２よりも下流側の脱硫済原料管１９には、脱硫済原料Ｄｆを改質器５１に向けて圧送する原料ブロワ１３が配設されている。脱硫器１１と入口遮断弁２１との間の脱硫前原料管１８には、脱硫器内圧検知器としての圧力計２３が設けられている。なお、圧力計２３は、脱硫器１１の内部の圧力を検知することができればよく、出口遮断弁２２よりも上流側の脱硫済原料管１９や、バイパス遮断弁３２よりも上流側のバイパス管３１や、脱硫器１１に設けられていてもよい。

改質器５１は、脱硫済原料Ｄｆの改質を促進させる改質触媒５１ｃを内部に有している。本実施の形態では、改質触媒５１ｃとして、水蒸気改質触媒が改質器５１に収容されている。また、改質器５１には、水蒸気改質後のシフト反応に適した触媒（不図示）が収容されている。改質器５１には、脱硫済原料管１９と、改質水導入管（不図示）とが接続されている。改質器５１は、脱硫済原料Ｄｆと改質水とを導入し、脱硫済原料Ｄｆ中の炭化水素と改質水（水蒸気）とを改質触媒５１ｃの下で水蒸気改質反応させて水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成し、さらに改質ガス中の一酸化炭素と改質水（水蒸気）とをシフト反応させて水素に富み二酸化炭素を含む燃料ガスＥを生成するように構成されている。改質器５１における反応では、空気（酸素）が用いられないため、改質器５１には空気を供給するラインが接続されていない。改質器５１には、上述した脱硫済原料管１９及び改質水導入管（不図示）のほか、生成された燃料ガスＥを導出する燃料ガスラインとしての燃料ガス管５２が接続されている。

燃料電池５３は、燃料ガス管５２を介して改質器５１と接続されている。燃料電池５３には、また、発電用空気ＡＧを導入する発電用空気ラインとしての発電用空気管４２が接続されている。発電用空気管４２には、発電用空気ＡＧを燃料電池５３に向けて圧送する発電用空気ブロワ４３が配設されている。発電用空気管４２と発電用空気ブロワ４３とを含んで、発電用空気供給部４１を構成している。燃料電池５３は、燃料ガスＥ及び発電用空気ＡＧを導入し、燃料ガスＥ中の水素等と発電用空気ＡＧ中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されており、一般にセルスタックと呼称される場合もある。燃料電池５３としては、本実施の形態では円筒型（平板円筒型を含む）の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられているが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等の、ＳＯＦＣ以外の燃料電池であってもよい。燃料電池５３における発電のために燃料電池５３に供給された燃料ガスＥ及び発電用空気ＡＧは、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池５３の発電電流に応じた分が利用され、発電に利用されなかった分は、オフガスＦとして導出される。なお、本実施の形態では、燃料電池５３の下流側に、燃料電池５３から導出されたオフガスＦを燃焼させるバーナー（不図示）が設けられており、バーナー（不図示）でオフガスＦを燃焼させたときの発熱で改質器５１を加熱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１は、燃料電池５３の下流に、燃焼部５５を備えている。燃焼部５５は、燃料電池５３から排出されてバーナー（不図示）で燃焼した後のオフガスＦを導入し、１次燃焼後のオフガスＦ中に含まれる未燃の可燃成分を燃焼処理するように構成されている。燃焼部５５は、主として１次燃焼後のオフガスＦ中の未燃成分を燃焼させるためのものであるが、改質器５１に隣接して配置し、改質器５１内の改質触媒５１ｃに熱を与えることができるように構成されていてもよい。燃焼部５５は、１次燃焼後のオフガスＦ中の可燃成分を燃焼させる燃焼触媒（不図示）と、燃焼触媒を活性温度に昇温するヒータ５５ｈとを有している。燃焼触媒は、１次燃焼後のオフガスＦ中の可燃成分の酸化を促進させる物質で構成されており、例えば、白金、パラジウム等の貴金属系触媒や、マンガン、鉄等の卑金属系触媒等を用いることができる。ヒータ５５ｈは、燃料電池システム１の起動時に燃焼触媒（不図示）を活性温度まで速やかに上昇させることができる発熱量を有するように構成されている。燃焼部５５は、１次燃焼後のオフガスＦの燃焼によって生じる排ガスＧを排出するように構成されている。

燃焼部５５には、燃料電池５３から排出された１次燃焼後のオフガスＦを燃焼部５５に導くオフガスラインとしてのオフガス管５８と、燃焼部５５から排出された排ガスＧを燃料電池システム１の外に導く排ガスラインとしての排ガス管５９とが接続されている。オフガス管５８には、一端が脱硫器１１に接続されたバイパス管３１の他端が接続されている。バイパス管３１は、オフガス管５８との接続部とバイパス遮断弁３２との間に、脱硫器１１から流出される原料Ｄの流量を抑制する流出流量抑制手段としての絞り部材３３が設けられている。絞り部材３３として、典型的にはキャピラリ又はオリフィスが用いられるが、適切な開度に調節されたバルブ等が用いられることとしてもよい。絞り部材３３は、脱硫器１１から流出した原料Ｄが、燃焼下限未満の濃度となる流量でオフガス管５８を流れるように構成されている。

制御部６０は、燃料電池システム１の動作を制御する機器である。制御部６０は、入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２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、制御部６０は、圧力計２３と信号ケーブルで接続されており、圧力計２３が検知した値を信号として受信することができるように構成されている。また、制御部６０は、原料ブロワ１３及び発電用空気ブロワ４３とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、原料ブロワ１３及び発電用空気ブロワ４３の発停を制御することができるように構成されている。また、制御部６０は、ヒータ５５ｈと信号ケーブルで接続されており、ヒータ５５ｈのオン・オフを制御することができるように構成されている。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。燃料電池システム１の停止時は、原則として、入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２が閉になっている。燃料電池システム１を起動する指令を制御部６０が受けると、制御部６０は、入口遮断弁２１及び出口遮断弁２２を開にすると共に、原料ブロワ１３を起動する。なお、上流遮断弁２９は、燃料電池システム１の運転時は常時開となっている。原料ブロワ１３が起動すると、脱硫前原料管１８を介して脱硫前原料Ｄｒが脱硫器１１に導入される。脱硫前原料Ｄｒは、脱硫器１１において脱硫触媒１１ｃの作用によって硫黄分が吸着され、改質器５１及び燃料電池５３に悪影響を与えないように脱硫された脱硫済原料Ｄｆとなる。脱硫前原料Ｄｒの脱硫が行われている脱硫器１１は、概ね５０℃程度となる。脱硫済原料Ｄｆは、脱硫済原料管１９を介して改質器５１に導入される。

脱硫済原料Ｄｆが改質器５１に導入されるようになると、制御部６０は、改質水導入管（不図示）を介して改質水も導入させる。脱硫済原料Ｄｆ及び改質水が導入された改質器５１では、水蒸気改質反応が行われ、燃料ガスＥが生成される。水蒸気改質反応が行われている改質器５１は、概ね８００℃程度となる。改質器５１で生成された燃料ガスＥは、燃料ガス管５２を介して燃料電池５３に供給される。

燃料ガスＥが燃料電池５３に供給されるようになると、制御部６０は、発電用空気ブロワ４３を起動する。発電用空気ブロワ４３が起動すると、発電用空気管４２を介して発電用空気ＡＧが燃料電池５３に導入される。燃料ガスＥ及び発電用空気ＡＧが導入された燃料電池５３では、燃料ガスＥ中の水素等と発電用空気ＡＧ中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる。燃料電池５３で発生した電力は、燃料電池システム１内の電気機器（各ブロワ１３、４３等）及び／又は燃料電池システム１外の電力負荷（不図示）に供給される。燃料電池５３に導入された燃料ガスＥ及び発電用空気ＡＧは、発電に利用された後にオフガスＦとして排出され、バーナー（不図示）で１次燃焼されて改質器５１に熱を与えた後、オフガス管５８を介して燃焼部５５に至る。

燃焼部５５では、燃料電池システム１の起動初期は、燃焼触媒が活性温度に達していないため、制御部６０がヒータ５５ｈを作動させ、燃焼触媒を速やかに活性温度に上昇させる。制御部６０は、燃焼触媒が活性温度に達したら、ヒータ５５ｈへの通電を停止する。燃焼部５５に導入された１次燃焼後のオフガスＦは、燃焼触媒によって燃焼処理される。燃焼部５５における１次燃焼後のオフガスＦの燃焼によって生ずる燃焼熱を、改質器５１における改質反応に利用することとしてもよい。燃焼部５５で１次燃焼後のオフガスＦが燃焼されることによって生じた排ガスＧは、排ガス管５９を流れて燃料電池システム１から排出される。

上述のように運転する燃料電池システム１の発電を停止する際、制御部６０は、原料ブロワ１３を停止すると共に、入口遮断弁２１及び出口遮断弁２２を閉にする。これにより、脱硫済原料Ｄｆの改質器５１への供給が停止され、ひいては燃料ガスＥの燃料電池５３への供給が停止される。また、制御部６０は、発電用空気ブロワ４３を停止する。これにより、発電用空気ＡＧの燃料電池５３への供給が停止される。閉じられている入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２の間にある脱硫器１１並びに脱硫器１１と連絡（連通）している脱硫前原料管１８、脱硫済原料管１９、バイパス管３１の部分は、内部が密封された空間となっているため、周囲の環境の温度の変化に応じて内部の圧力が変動することとなる。典型的には、脱硫器１１の温度が上昇したときに内部の圧力が上昇し、脱硫器１１の温度が低下したときに内部の圧力が低下することとなる。

脱硫器１１内の圧力の過度の上昇を回避するために、圧力計２３が検知した値が第１の所定の値以上となったときに、例えばバイパス遮断弁３２を開にすることで、脱硫器１１内の圧力を逃がすことができる。ここで、第１の所定の値は、脱硫器１１の保護の観点から設定される圧力の上限値であり、例えば６５ｋＰａ（ゲージ圧）とすることができる。バイパス遮断弁３２を開にすることで、脱硫器１１内の圧力を逃がすことができるが、脱硫器１１まわりに封入されていた原料Ｄがそのまま下流側に流出すると、燃料電池システム１内に設置されているガス検知器等の補機類の誤作動が生じ得る。燃料電池システム１では、以下の方策により、補機類の誤作動を回避しつつ、脱硫器１１内の圧力上昇を抑制することとしている。

図２は、燃料電池システム１における脱硫器１１の過圧解消制御のフローチャートである。以下の説明において、燃料電池システム１の構成に言及しているときは適宜図１を参照することとする。燃料電池システム１は、発電の停止中、上述のように、入口遮断弁２１、出口遮断弁２２、バイパス遮断弁３２を閉じて脱硫器１１まわりを密封し、脱硫器１１内に存在する原料Ｄを封入している（原料封入工程：Ｓ１）。そして、制御部６０は、圧力計２３が検知した値を適宜受信しており、圧力計２３が検知した値が第１の所定の値以上か否かを判断する（脱硫器内圧検知工程：Ｓ２）。圧力計２３が検知した値が第１の所定の値以上ではない場合は、再び脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）に戻る。

他方、脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）において、圧力計２３が検知した値が第１の所定の値以上の場合、制御部６０は、ヒータ５５ｈを起動する（Ｓ３）。ヒータ５５ｈが起動すると、燃焼部５５の温度上昇が始まる。ヒータ５５ｈを起動したら、又はヒータ５５ｈの起動と同時に、制御部６０は、発電用空気ブロワ４３を起動する（Ｓ４）。発電用空気ブロワ４３の起動により、発電用空気ＡＧが燃料電池５３に供給される。しかし、発電が停止している燃料電池システム１では、燃料ガスＥが燃料電池５３に供給されていない。このため、燃料電池５３に供給された発電用空気ＡＧは、燃料電池５３を通過して、オフガス管５８及び排ガス管５９を流れていく。

次に、制御部６０は、バイパス遮断弁３２を開にする（Ｓ５）。これにより、脱硫器１１内の原料Ｄが脱硫器１１から流出し始め、脱硫器１１の内部の圧力が低下する減圧処理が行われることとなる。バイパス遮断弁３２を開にすることで脱硫器１１から流出した原料Ｄは、バイパス管３１を流れてオフガス管５８に流入する。オフガス管５８に流入した原料Ｄは、燃料電池５３を通過してオフガス管５８を流れてきた発電用空気ＡＧに合流することで希釈される。このとき、原料Ｄは、バイパス管３１を流れる際に絞り部材３３を通過しているので、発電用空気ＡＧに合流した際に燃焼下限未満の濃度となる。このように、発電用空気ブロワ４３を起動する（Ｓ４）と共にバイパス遮断弁３２を開にする（Ｓ５）ことで、脱硫器１１の減圧処理と原料Ｄの希釈が並行して行われるため、これらをまとめて減圧希釈工程ということとする。上述のように、原料Ｄが発電用空気ＡＧで希釈されて排出されることにより、原料Ｄがそのまま排出された場合に生じ得る補機類の誤作動を回避することができる。

脱硫器１１から排出され、バイパス管３１を介して発電用空気ＡＧと合流した原料Ｄは、燃焼部５５に至る。このとき、圧力計２３が第１の所定の値以上を検知してからの時間で、ヒータ５５ｈによって燃焼部５５の温度が上昇している。そのため、原料Ｄは、燃焼部５５を通過する際に、燃焼部５５において燃焼触媒により燃焼され、排ガスＧとなる（Ｓ６）。排ガスＧは、排ガス管５９を介して燃料電池システム１の外へ排出される。本実施の形態では、原料Ｄが燃焼されてから外部に排出されることで、原料Ｄとして温室効果係数が大きいメタンを含む都市ガス等を用いた場合であっても、環境へ与える負荷を低減することができる。なお、発電用空気ＡＧと混合した原料Ｄは、燃焼下限未満の濃度に希釈されているので、仮に燃焼部５５で燃焼されなくても、燃料電池システム１の外に排出されたときに燃焼することはない。本実施の形態では、バイパス管３１を流れてきた原料Ｄが、オフガス管５８の途中で発電用空気ＡＧと合流するため、バイパス管３１との接続部よりも下流側のオフガス管５８及び排ガス管５９が、合流流体ラインに相当する。

バイパス遮断弁３２を開にすることで脱硫器１１の減圧処理が行われたら（Ｓ５）、制御部６０は、圧力計２３が検知した値が第２の所定の値以下か否かを判断する（脱硫器内圧低下確認工程：Ｓ７）。ここで、第２の所定の値は、脱硫器１１の過圧が解消した後に温度が低下しても脱硫器１１が負圧になることを回避し得る圧力であり、例えば４０ｋＰａ（ゲージ圧）とすることができる。このとき、圧力計２３が検知した値が第２の所定の値を下回ったとしても、圧力計２３が検知した値はこれまでの過程で第１の所定の値から低下してきたものであるから、第２の所定の値から大きく乖離することはない。圧力計２３が検知した値が第２の所定の値以下ではない場合は、再び脱硫器内圧低下確認工程（Ｓ７）に戻る。他方、脱硫器内圧低下確認工程（Ｓ７）において、圧力計２３が検知した値が第２の所定の値以下の場合、バイパス遮断弁３２を閉にする（Ｓ８）。これにより、再び脱硫器１１の内部が密封される。なお、圧力計２３が検知した値が第２の所定の値以下になったときにバイパス遮断弁３２を閉にすることで、原料Ｄのロス、及び燃焼部５５の過昇温を防ぐことができる。また、制御部６０は、発電用空気ブロワ４３を停止する（Ｓ９）。バイパス遮断弁３２を閉にすると共に発電用空気ブロワ４３を停止したら、制御部６０は、燃料電池システム１が発電を開始したか否かを判断する（Ｓ１０）。発電を開始していない場合、脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）に戻り、以下、上述のフローを行う。他方、燃料電池システム１が発電を開始したか否かを判断する工程（Ｓ１０）において、発電を開始した場合、脱硫器１１の過圧解消制御は終了する。

以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１によれば、過圧解消制御において脱硫器１１の内部圧力が第１の所定の値以上となったときに、圧力を逃がすためにバイパス遮断弁３２を開にしつつ、発電用空気ブロワ４３を起動して発電用空気ＡＧを供給するので、脱硫器１１から排出された原料Ｄが発電用空気ＡＧで希釈されることとなり、原料Ｄがそのまま排出された場合に生じ得る補機類の誤作動を回避することができる。また、原料Ｄが燃焼されてから外部に排出されることで、環境へ与える負荷を低減することができる。

次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム２を説明する。図３は、燃料電池システム２の模式的系統図である。燃料電池システム２の構成は、燃料電池システム１（図１参照）と比較して、燃料電池システム１（図１参照）では設けられていたバイパス管３１（バイパス管３１に配設されたバイパス遮断弁３２及び絞り部材３３を含む）が設けられていない点で異なっている。かかる構成の相違に伴って、制御部６０による脱硫器１１の過圧解消制御が、後述するように異なることとなる。燃料電池システム２では、出口遮断弁２２が第２の遮断弁に相当し、脱硫済原料管１９が脱硫器流出原料ラインに相当する。燃料電池システム２の上記以外の構成は、燃料電池システム１（図１参照）と同様である。

燃料電池システム２では、燃料電池５３における発電が行われる定常運転は、燃料電池システム１（図１参照）と同様に行われる。他方、脱硫器１１の過圧解消制御においては、図２に示すフローの原料封入工程（Ｓ１）では、入口遮断弁２１と出口遮断弁２２とを閉にすることで、脱硫器１１まわりを密封する。その後、脱硫器内圧検知工程（Ｓ２）を経て、ヒータ５５ｈを起動し（Ｓ３）、発電用空気ブロワ４３を起動する（Ｓ４）までは、燃料電池システム１（図１参照）と同様である。その後、制御部６０は、第２の遮断弁としての出口遮断弁２２を開ける。出口遮断弁２２を開けると、脱硫器１１内に封入されていた原料Ｄの一部が脱硫器１１から排出され、脱硫器１１内の圧力が低下する減圧処理が行われることとなる。脱硫器１１から排出された原料Ｄは、脱硫済原料管１９を通って、改質器５１及び燃料電池５３の方に向けて流れることとなる。このとき、脱硫済原料管１９には、絞り部材３３（図１参照）に相当する構成が設けられていないため、出口遮断弁２２を全開の状態で維持すると、過大な流量の原料Ｄが改質器５１及び燃料電池５３を経て、燃料電池システム２から排出されることが生じ得る。そこで、制御部６０は、減圧処理の際、燃料電池システム２から排出される原料Ｄが燃焼下限未満の濃度となる程度に、出口遮断弁２２の開閉を繰り返す（出口遮断弁２２を断続的に開ける）ことで、脱硫器１１内に封入されていた原料Ｄの一部を排出し、脱硫器１１内の圧力を低下させるとよい。制御部６０は、例えば、出口遮断弁２２を、０．１秒間開け、その後０．３秒間閉じることを繰り返す（開閉比率が１：３）ように制御することができる。この場合、出口遮断弁２２の開閉動作の繰り返しが流出流量抑制手段となる。

減圧処理において出口遮断弁２２を開けることによって脱硫器１１から排出された原料Ｄは、燃料電池５３において発電用空気ＡＧと混合されて希釈される。燃料電池５３において発電用空気ＡＧと合流した原料Ｄは、燃料電池システム１（図１参照）と同様に、燃焼部５５において燃焼触媒により燃焼されて排ガスＧとなり（Ｓ６）、脱硫器内圧低下確認工程（Ｓ７）が行われる。そして、燃料電池システム２では、脱硫器内圧低下確認工程（Ｓ７）において圧力計２３が検知した値が第２の所定の値以下の場合、出口遮断弁２２を閉にする。その後、発電用空気ブロワ４３を停止する工程（Ｓ９）、及び燃料電池システム１が発電を開始したか否かを判断する工程（Ｓ１０）と続くのは、燃料電池システム１（図１参照）と同様である。

以上のように、燃料電池システム２では、図２に示すフローにおいて、バイパス遮断弁３２を開にする（Ｓ５）ことに代えて、出口遮断弁２２を開にし、バイパス遮断弁３２を閉にする（Ｓ８）ことに代えて、出口遮断弁２２を閉にする点で、燃料電池システム１（図１参照）と異なっているが、その他の工程は燃料電池システム１と同様である。なお、出口遮断弁２２を開にする際は、出口遮断弁２２の開閉を繰り返す（出口遮断弁２２を断続的に開ける）ことが好ましいとしたが、これに代えて、出口遮断弁２２を電動弁として、出口遮断弁２２の開度を調節することとしてもよい。出口遮断弁２２を電動弁とすると、弁の頻繁な開閉に伴う劣化を抑制することができる。他方、出口遮断弁２２を電磁弁とすると、応答を早めることができる。

また、燃料電池システム２では、脱硫器１１の過圧解消制御の際、流出流量抑制手段として、電磁弁の開閉動作の繰り返し、又は電動弁の開度調節を行うこととしたが、出口遮断弁２２の下流側の脱硫済原料管１９に絞り部材３３（図１参照）が設置されたバイパス管を設け、脱硫器１１から排出された原料Ｄが絞り部材３３（図１参照）が設置されたバイパス管を通過するように構成してもよい。このようにすると、原料Ｄの排出流量の抑制の信頼性を向上させることができる。他方、原料Ｄの排出流量の調節を弁の開閉動作又は開度調節で行うこととすると、特別な装置を設けることなく原料Ｄを穏やかに排出することができる。

以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム２によれば、過圧解消制御において脱硫器１１の内部圧力が第１の所定の値以上となったときに、圧力を逃がすために出口遮断弁２２を開にしつつ、発電用空気ブロワ４３を起動して発電用空気ＡＧを供給するので、脱硫器１１から排出された原料Ｄが発電用空気ＡＧで希釈されることとなり、原料Ｄがそのまま排出された場合に生じ得る補機類の誤作動を回避することができる。また、原料Ｄが燃焼されてから外部に排出されることで、環境へ与える負荷を低減することができる。

以上の説明では、燃料電池システム１、２が燃焼部５５を備えていることとしたが、原料Ｄを燃焼させなくても差し支えない場合は、燃焼部５５を省略してもよい。この場合、図２に示すフローにおいて、ヒータ５５ｈを起動する工程（Ｓ３）及び原料Ｄを燃焼する工程（Ｓ６）が省略されることとなる。

１ 燃料電池システム
１１ 脱硫器
１８ 脱硫前原料管
１９ 脱硫済原料管
２１ 入口遮断弁
２２ 出口遮断弁
２３ 圧力計
３１ バイパス管
３２ バイパス遮断弁
３３ 絞り部材
４１ 発電用空気供給部
４３ 発電用空気ブロワ
５３ 燃料電池
５５ 燃焼部
６０ 制御部
Ｄ 原料
Ｄｒ 脱硫前原料
Ｄｆ 脱硫済原料
Ｅ 燃料ガス
ＡＧ 発電用空気

Claims (5)

1. 炭化水素系の原料である被脱硫原料を脱硫して脱硫済原料を生成する脱硫器と；
   前記脱硫済原料の改質によって生成された水素を含有する燃料ガスと、発電用空気とを導入して発電する燃料電池と；
   前記燃料電池に前記発電用空気を供給する発電用空気供給部と；
   前記脱硫器に前記被脱硫原料を導く被脱硫原料ラインと；
   前記被脱硫原料ラインに設けられた第１の遮断弁と；
   前記脱硫器から流出した前記原料を、前記発電用空気供給部から供給された前記発電用空気に合流させる脱硫器流出原料ラインと；
   前記脱硫器流出原料ラインに設けられた第２の遮断弁と；
   前記脱硫器の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知器と；
   前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁に挟まれた前記脱硫器が密封された状態で、前記脱硫器内圧検知器が検知した圧力が第１の所定の値以上となったときに、前記発電用空気を供給すると共に、前記第２の遮断弁を開にすることによって前記脱硫器内圧検知器が検知する圧力を低下させる減圧処理を行うように、前記発電用空気供給部及び前記第２の遮断弁を作動させる制御部とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記脱硫器流出原料ラインに設けられた流出流量抑制手段であって、前記減圧処理によって前記脱硫器から流出した前記原料が燃焼下限未満の濃度で外部に排出されるように、前記原料の前記脱硫器からの流出流量を抑制する流出流量抑制手段を備える；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記脱硫器流出原料ラインが、前記脱硫器から流出した原料を、前記燃料電池よりも下流側で前記発電用空気に合流させるように構成された；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記脱硫器から流出した原料と前記発電用空気とが合流した流体を外部へ導く合流流体ラインと；
   前記燃料電池よりも下流側の前記合流流体ラインに設けられた、前記原料を燃焼させる燃焼部とを備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記減圧処理を開始した後、前記脱硫器内圧検知器が検知する圧力が前記第１の所定の値よりも小さい第２の所定の値に低下したときに、前記第２の遮断弁を閉にするように構成された；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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