JP3824911B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムについて図４を参照しながら説明する。
従来の燃料電池システムは、一般に、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスのような発電原料（Ｒｓ）に水（Ｗ）を添加して改質し、水素に富んだ燃料ガスを生成する燃料生成器２と、空気などの酸化剤（Ｏ）を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５とを有する。
【０００３】
従来の燃料電池システムには、さらに、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、燃料ガスの流出経路を燃料供給配管４側と第１バイパス配管６側との間で切換えるガス経路切換手段７と、燃料ガスを第１バイパス配管６へ供給する間、燃料ガスが燃料排出配管５から燃料電池１へ逆流もしくは拡散しないようにする開閉弁８と、天然ガス、燃料ガスもしくは残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２に具備された触媒の劣化物などの不要物が燃料電池１へ流入しないように捕捉するフィルタ１０とを有するものが考案されている。
【０００４】
燃料電池システムは、運転時以外は安全上、ガス経路から可燃ガスを追い出しておく必要がある。そこで、燃料電池システムの運転前後には、発電原料の燃料生成器２への供給経路から窒素（Ｎ）を流入させ、燃料生成器２、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料電池１、燃料排出配管５、開閉弁８を順次経由させて燃焼器９から排出させている。
燃料電池システムの運転開始時には、窒素の供給を停止して、発電原料を燃料生成器２に供給する。しかし、燃料生成器２が水素に富んだ燃料ガスを生成することができる温度（約７００℃）にまで達しない間は、発電原料が燃料生成器２からガス経路切換手段７により第１バイパス配管６を経由して燃焼器９に導かれた後、燃焼器９で燃焼される。燃焼器９で発電原料が燃焼され、燃料生成器２が７００℃程度になったところで、燃料生成器２へ水が供給され、燃料ガスの生成が開始される。
【０００５】
燃料生成器２は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去するための一酸化炭素除去装置を具備する。しかし、燃料ガスの生成開始後、数十分間は一酸化炭素除去装置の温度が安定しないため、高濃度の一酸化炭素が燃料ガス中に含まれている。その間は燃料ガスを燃料電池１へ供給できないため、燃料ガスは、ガス経路切換手段７により第１バイパス配管６を経由して燃焼器９に導かれた後、燃焼器９で燃焼される。このとき、一酸化炭素濃度の高い燃料ガスが、燃料排出配管５から燃料電池１へ逆流しないように、開閉弁８は閉止されている。
【０００６】
燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ以下になったところで、開閉弁８を開くと共に、ガス経路切換手段７により燃料ガスを燃料供給配管４を経由させて燃料電池１側へ導入する。同時にブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【０００７】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整し、燃焼器９へ供給される燃料ガス量を調整することにより約７００℃に維持される。燃料生成器２の温度が低くなった場合、発電原料の供給量を増やして燃料ガスを増加させ、燃焼器９へ供給される燃料ガスを増加させる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合、発電原料の供給量を減らして燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９へ供給される燃料ガスを減少させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定して燃料ガスを燃料電池１へ供給するまでの間、燃料電池１は密閉状態となる。そのため、燃料電池内の圧力が上昇することがあり、燃料電池が破損する可能性がある。
【０００９】
また、燃料ガスは通常１００℃程度の温度で燃料生成器２から排出されてくるので、ガス経路切換手段７も１００℃程度の耐熱性が必要である。しかし、ガス経路切換手段７を高耐熱なバルブなどで構成すると、装置コストが高くなる。
【００１０】
さらに、燃料生成器２の温度を調整するためには発電原料の流量を調整する必要があるが、流量を変更すると燃料電池１へ供給される燃料ガスの流量も変化するため、燃料電池１での安定な発電が妨げられる。
【００１１】
加えて、フィルタ１０に不要物が堆積してくると、燃料電池１へ燃料ガスを供給する妨げとなるため、フィルタ１０は交換可能な構成をとる必要がある。そのため装置の構成が複雑になり、装置コストが高くなると共に、メンテナンスも必要となる。また、不要物が短時間で大量にフィルタ１０に堆積した場合、システムの運転が不可能となる。
【００１２】
そして、従来の燃料電池システムにおいては、運転の前後にガス経路に窒素を流通させる必要があるため、窒素ボンベが必要となり、装置コストが高くなる。また、窒素の残量が少ない場合には、装置を運転できないという不具合が発生する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料および酸化剤から電力を発生させる燃料電池と、発電原料から水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料生成器で生成された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料供給配管と、燃料電池で消費されなかった残余燃料を燃料生成器の燃焼器へ導入する燃料排出配管と、燃料供給配管と燃料排出配管とを接続する第１バイパス配管と、発電原料を燃料排出配管へ供給する第２バイパス配管と、
（１）燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ａまたは
（２）燃料排出配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ｂを有し、
第２バイパス配管が、第１バイパス配管との接続部よりも残余燃料の上流側で、燃料排出配管と接続しており、運転開始して前記ガス流路切換手段Ａまたは前記ガス流路切換手段Ｂを前記第１バイパス配管側に切り換えている際に、前記第２バイパス配管より発電原料を供給することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００１４】
前記燃料電池システムは、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に、フィルタを有することが好ましい。
前記燃料電池システムは、燃料生成器へ空気を供給する燃料側空気供給手段を有することが好ましい。
前記燃料電池システムは、第２バイパス配管上に発電原料の流量調整手段を有することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。図４に示した従来のシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸素を含む酸化剤を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成した燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段７と、燃料生成器２が排出する発電原料、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、ガス経路切換手段７は、燃料生成器２から送られるガスの流出経路を燃料供給配管４側と、第１バイパス配管６側との間で切り換える機能を有する。燃料供給配管４と第１バイパス配管６との接続部近傍において、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに開閉弁を設けることにより、ガス経路切換手段を構成することができる。２つの開閉弁のどちらか一方を開き、他方を閉じることにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６のどちらか一方に導入することができる。また、この場合、２つの開閉弁の両方を開くことにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に導入することもできる。
燃料供給配管４には、燃料生成器２に具備される触媒の劣化物などの不要物が燃料電池１へ流入しないように、不要物を捕捉するためのフィルタを、ガス経路切換手段７よりも燃料ガスの下流側かつ燃料電池１よりも燃料ガスの上流側に設けることが好ましい。
【００１８】
この燃料電池システムは、さらに、発電原料を燃料生成器２へ送り込むための供給経路に空気を導入する燃料側空気供給手段１１と、発電原料を燃料排出配管５へ供給する第２バイパス配管１２とを有し、第２バイパス配管上にはバイパス開閉弁１３を有する。
【００１９】
燃料電池システムの運転開始時には、まず、燃料側空気供給手段１１を作動させて、発電原料の代わりに空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。従って、燃料電池システムの運転前にガス経路に窒素を流通させる必要はない。
次いで、ガス経路切換手段７を第１バイパス配管６側に切り換え、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、第１バイパス配管６、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。
【００２０】
空気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段７を用いる場合、空気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
その後、燃料側空気供給手段１１から燃料生成器２へ空気を供給するのを停止し、天然ガスなどの発電原料を燃料生成器２へ導入する。このときガス経路切換手段７により、発電原料を第１バイパス配管６に導入し、燃料排出配管５を経由させて燃焼器９へ供給する。また、バイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２からも、燃料排出配管５を経路させて発電原料を燃焼器９へ供給する。そして、燃焼器９に供給された発電原料を燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。
【００２１】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段７を燃料供給配管４側に切り換え、燃料ガスを燃料電池１に供給する。このときそれまで開いていたバイパス開閉弁１３が閉じられる。同時にブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００２２】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、バイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２、燃料排出配管５という経路でガスを流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
【００２３】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整して燃焼器９へ供給される燃料ガスの量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、発電原料の供給量を増やして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを増加させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を増やして燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、発電原料の供給量を減らして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を減らして燃焼量を減少させることができる。
【００２４】
燃料電池システムを停止する際には、燃料生成器２への発電原料の供給を停止し、水だけを燃料生成器２へ供給し、燃料生成器２の余熱で水蒸気を発生させる。そして、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させた水蒸気を、燃焼器９から排出する。
次に、ガス経路切換手段７を第１バイパス配管６側に切り換え、ガス経路切換手段７、第１バイパス配管６、燃料排出配管５を経由させた水蒸気を、燃焼器９から排出する。
水蒸気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段７を用いる場合、水蒸気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
ここで、水蒸気は、次にシステム内に送り込まれる空気がシステム内に残存する水素と急激に反応するのを防止する役割を果たす。
次いで、燃料生成器２への水の供給を停止し、燃料側空気供給手段１１を用いて燃料電池システム内に空気を流通させる。従って、燃料電池システムの運転後にも、ガス経路に窒素を流通させる必要はない。空気を燃料電池システムへ流通させる仕方は、上述のシステム運転開始時と同様である。
【００２５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、圧力上昇による燃料電池１の破損が起こらず、その運転前後にガス経路に窒素を流通させる必要もない。従って、信頼性が高く、かつ、窒素ボンベを要さない低コストの燃料電池システムが実現可能である。また、窒素の残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合も発生しない。
なお、上述においては、燃料生成器２の一酸化炭素除去部の温度が安定化し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、バイパス開閉弁１３を閉じている。しかし、引き続きバイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２、燃料排出配管５を経由させて、ガスを燃焼器９へ供給し続けても、同様の効果を得ることができる。
【００２６】
第２の実施形態
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。図１に示したシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、第１バイパス配管６から送られてくる天然ガス、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２からの不要物が燃料電池１へ流入しないように不要物を捕捉するためのフィルタ１０とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、フィルタ１０は、燃料供給配管４上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に設けられている。
【００２７】
この燃料電池システムは、さらに、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部に設けられたガス経路切換手段１４と、発電原料の燃料生成器２への供給経路に空気を送り込む燃料側空気供給手段１１と、発電原料を燃料排出配管５へ供給する第２バイパス配管１２と、第２バイパス配管を流れる発電原料の流量を調整する流量調整手段１５とを有する。
ガス経路切換手段１４は、燃料生成器２から送られるガスの流出経路を燃料供給配管４側と、第１バイパス配管６側との間で切り換える機能を有する。例えば、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部近傍において、燃料排出配管５と第１バイパス配管６のそれぞれに開閉弁を設けることにより、ガス経路切換手段１４を構成することができる。２つの開閉弁のどちらか一方を開き、他方を閉じることにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６のどちらか一方に導入することができる。また、２つの開閉弁の両方を開くことにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に導入することができる。
【００２８】
燃料電池システムの運転時は、まず、燃料側空気供給手段１１を作動させて、発電原料の代わりに空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から、燃料供給配管４、フィルタ１０、燃料電池１、ガス経路切換手段１４、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。従って、燃料電池システムの運転前にガス経路に窒素を流通させる必要はない。
次いで、ガス経路切換手段１４を第１バイパス配管６側に切り換え、燃料生成器２から、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。
空気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料排出配管５と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段１４を用いる場合、空気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
【００２９】
次いで、燃料側空気供給手段１１から燃料生成器２へ空気を供給するのを停止し、天然ガスなどの発電原料を燃料生成器２へ導入する。このとき発電原料は、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４を経由して燃焼器９へ供給される。一方、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４を経由させた発電原料を、燃焼器９へ供給し、燃焼器９にて発電原料を燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。
【００３０】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段１４により、燃料供給配管４側にガス経路を切り換え、燃料ガスをフィルタ１０を経由させて、燃料電池１へ供給する。一方、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料経路切換手段１４を経由させた発電原料を燃焼器９へ供給する。同時にブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００３１】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、下流側燃料経路切換手段１４の順に発電原料を流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
また、燃料電池１を一定の温度で運転するための冷却手段により、燃料電池１に供給されるガスよりも、燃料電池１から排出されるガスの方が、温度が低くなっている。従って、ガス経路切換手段１４を燃料電池１よりも下流側に設置することにより、ガス経路切換手段１４を経由するガスの温度を低く抑えることが可能となり、バルブなどの耐熱温度を比較的低く抑えることができ、装置コストを低く抑えることができる。
【００３２】
また、この燃料電池システムでは、燃料生成器２の温度は、流量調整手段１５で第２バイパス配管１２を流れる発電原料の流量を調整し、燃焼器９へ供給されるガス量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、流量調整手段１５により、第２バイパス配管１２を流れる発電原料を増やし、燃焼器９の燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、流量調整手段１５により、第２バイパス配管１２を流れる発電原料を減らし、燃焼器９の燃焼量を減少させることができる。従って、燃料生成器２に導入する発電原料の量は、燃料電池１の発電を安定に行うのに必要な燃料ガスの量に合わせて調整することができる。
なお、第１の実施形態において、バイパス開閉弁の代わりに流量調整手段１５を用いても、同様の効果が得られる。
【００３３】
燃料電池システムを停止する際には、燃料生成器２の発電原料の供給を停止し、水だけを燃料生成器２へ供給し、燃料生成器２の余熱で水蒸気を発生させる。そして、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させた水蒸気を燃焼器９から排出する。
また、天然ガスをバイパス流量調整手段１５を用いて第２バイパス配管１２、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４、という経路で燃焼器９に供給し、燃焼器９にて天然ガスを燃焼させる。
次いで、燃料生成器２への水の供給を停止し、燃料側空気供給手段１１を作動させて空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から燃料供給配管４、フィルタ１０、第１バイパス配管６、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させて燃焼器９から空気を排出する。従って、燃料電池システムの運転後にも、ガスの流通経路に窒素を流通させる必要はない。
【００３４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、圧力上昇による燃料電池１の破損がおこらず、その運転前後に窒素を流通させる必要もない。従って、信頼性が高く、かつ、窒素ボンベを要さない低コストの燃料電池システムが実現可能である。また、窒素の残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合も発生しない。
【００３５】
さらに、本実施形態の燃料電池システムは、流量調整手段１５を有するため、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、ガス経路切換手段１４を経由して燃焼器９へ供給される発電原料の流量を調整することができる。従って、燃料生成器２の温度を調整するために、燃料生成器２へ供給する発電原料の量を変動させる必要がなく、燃料電池１に供給される燃料ガスの量は安定に維持される。
【００３６】
加えて、本実施形態の燃料電池システムは、その運転前後に、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４の順に発電原料や空気を流通させることができる。このとき、フィルタ１０へは燃料電池１の発電時とは逆にガスが流れるため、フィルタ１０に堆積した不要物は、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経て燃焼器９で燃焼されるか、外部へ排出される。従って、フィルタ１０は、交換可能な構成をとる必要がなく、装置の構成を簡単にすることができ、メンテナンスも容易になる。結果として、低コストで、安定して発電を継続することが可能なシステムを実現できる。
【００３７】
第１の実施形態および第２の実施形態では、空気を燃料生成器２に供給するため、燃料生成器２に具備されている一酸化炭素除去装置は、酸化雰囲気に耐性を有する触媒で構成する。このような触媒には、例えば貴金属系の触媒が挙げられる。
【００３８】
参考形態
図３は、別の燃料電池システムの構成を示す概念図である。図１または２に示したシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
図３の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、第１バイパス配管６から送られてくる天然ガス、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２からの不要物が燃料電池１へ流入しないように捕捉するためのフィルタ１０とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、フィルタ１０は、燃料供給配管４上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に設けられている。
【００３９】
この燃料電池システムは、また、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部に設けられたガス経路切換手段１４と、燃料排出配管５から置換剤を燃料電池１を通過させてフィルタ１０よりも燃料ガスの上流側まで流通させるための置換剤供給手段１６とを有する。
ガス経路切換手段１４の構成は、第２の実施形態と同様である。置換剤としては、窒素ガスなどを用いることができる。
【００４０】
燃料電池システムは、運転時以外は安全上、ガス経路から可燃ガスを追い出しておく必要があるため、燃料電池システムの運転前後に燃料生成器２への発電原料の供給経路から、窒素を流入させる。そして、燃料生成器２から、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させた窒素を燃焼器９から排出する。同時に置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、燃料供給配管４、ガス経路切換手段１４を経由させた窒素などの置換剤を燃焼器９から排出する。
【００４１】
燃料電池システムの運転開始時には、まず、窒素を燃料生成器２へ供給することを停止し、発電原料を燃料生成器２へ供給する。そして、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由した発電原料を燃焼器９へ供給し、燃焼器９で燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。このとき、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、燃料供給配管４、ガス経路切換手段１４を経由させて燃焼器９に供給している置換剤は停止しない。従って、燃料生成器２から排出される発電原料は、フィルタ１０を通って燃料電池１に達することなく、第１バイパス配管６へ導入される。
【００４２】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させて燃焼器９まで置換剤を流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
また、燃料電池１を一定の温度で運転するための冷却手段により、燃料電池１に供給されるガスよりも、燃料電池１から排出されるガスの方が、温度が低くなっている。従って、ガス経路切換手段１４を燃料電池１よりも下流側に設置することにより、ガス経路切換手段１４を経由するガスの温度を低く抑えることが可能となり、バルブなどの耐熱温度を比較的低く抑えることができ、装置コストを低く抑えることができる。
【００４３】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段１４により、燃料供給配管４側にガス経路を切り換えて、燃料供給配管４からフィルタ１０を経由させた燃料ガスを燃料電池１へ供給する。同時に燃料排出配管５への窒素の供給を停止する。また、ブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００４４】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整して燃焼器９へ供給される燃料ガスの量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、発電原料の供給量を増やして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを増加させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を増やして燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、発電原料の供給量を減らして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を減らして燃焼量を減少させることができる。
【００４５】
また、図３の燃料電池システムは、その運転前後に、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４の順に置換剤を流通させることができる。このとき、フィルタ１０へは燃料電池１の発電時とは逆にガスが流れるため、フィルタ１０に堆積した不要物は、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経て燃焼器９で燃焼されるか、外部へ排出される。従って、フィルタ１０は、交換可能な構成をとる必要がなく、装置の構成を簡単にすることができ、メンテナンスも容易になる。結果として、低コストで、安定して発電を継続することが可能なシステムを実現できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、装置コストを低く抑えると共に、安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料供給配管と燃料排出配管とを接続する第１バイパス配管と、発電原料を燃料排出配管へ供給する第２バイパス配管とを有し、第２バイパス配管が、第１バイパス配管よりも残余燃料の上流側で燃料排出配管と接続していることから、常に燃料排出配管５に発電原料を流通させることができ、燃料電池が密閉状態になることがないため、燃料電池内の圧力が上昇して燃料電池が破損することがない。
【００４７】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料排出配管上にガス経路切換手段を有する場合、ガス経路切換手段を流れるガスの温度を低く抑えることが可能となり、ガス経路切換手段をバルブなどで構成する場合でも、その耐熱温度を低く抑えることができるため、装置コストが低くなる。
【００４８】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料供給配管上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側に、フィルタを有する場合、燃料電池の運転前後において、燃料ガスの流れとは逆方向にガスを流通させてフィルタに堆積した不要物を燃焼器で燃焼させるか外部へ排出することができるため、フィルタは交換可能である必要がなく、装置構造が簡単になり、装置コストが低く抑えられる。また、メンテナンスも容易となる。
【００４９】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料生成器へ空気を供給する燃料側空気供給手段を有する場合、燃料電池システムの運転前後に燃料ガス経路に窒素を流通させる必要がなくなり、窒素ボンベが不要となり、装置コストが低く抑えられる。また、窒素の残量が少ない場合にはシステムを運転できないという不具合は発生しない。
【００５０】
また、本発明の燃料電池システムが、第２バイパス配管上に発電原料の流量調整手段を有する場合、発電に必要な量の燃料ガスの燃料電池への供給が維持され、燃料電池の安定した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図３】 参考形態の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図４】 従来の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムについて図４を参照しながら説明する。
従来の燃料電池システムは、一般に、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスのような発電原料（Ｒｓ）に水（Ｗ）を添加して改質し、水素に富んだ燃料ガスを生成する燃料生成器２と、空気などの酸化剤（Ｏ）を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５とを有する。
【０００３】
従来の燃料電池システムには、さらに、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、燃料ガスの流出経路を燃料供給配管４側と第１バイパス配管６側との間で切換えるガス経路切換手段７と、燃料ガスを第１バイパス配管６へ供給する間、燃料ガスが燃料排出配管５から燃料電池１へ逆流もしくは拡散しないようにする開閉弁８と、天然ガス、燃料ガスもしくは残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２に具備された触媒の劣化物などの不要物が燃料電池１へ流入しないように捕捉するフィルタ１０とを有するものが考案されている。
【０００４】
燃料電池システムは、運転時以外は安全上、ガス経路から可燃ガスを追い出しておく必要がある。そこで、燃料電池システムの運転前後には、発電原料の燃料生成器２への供給経路から窒素（Ｎ）を流入させ、燃料生成器２、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料電池１、燃料排出配管５、開閉弁８を順次経由させて燃焼器９から排出させている。
燃料電池システムの運転開始時には、窒素の供給を停止して、発電原料を燃料生成器２に供給する。しかし、燃料生成器２が水素に富んだ燃料ガスを生成することができる温度（約７００℃）にまで達しない間は、発電原料が燃料生成器２からガス経路切換手段７により第１バイパス配管６を経由して燃焼器９に導かれた後、燃焼器９で燃焼される。燃焼器９で発電原料が燃焼され、燃料生成器２が７００℃程度になったところで、燃料生成器２へ水が供給され、燃料ガスの生成が開始される。
【０００５】
燃料生成器２は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去するための一酸化炭素除去装置を具備する。しかし、燃料ガスの生成開始後、数十分間は一酸化炭素除去装置の温度が安定しないため、高濃度の一酸化炭素が燃料ガス中に含まれている。その間は燃料ガスを燃料電池１へ供給できないため、燃料ガスは、ガス経路切換手段７により第１バイパス配管６を経由して燃焼器９に導かれた後、燃焼器９で燃焼される。このとき、一酸化炭素濃度の高い燃料ガスが、燃料排出配管５から燃料電池１へ逆流しないように、開閉弁８は閉止されている。
【０００６】
燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ以下になったところで、開閉弁８を開くと共に、ガス経路切換手段７により燃料ガスを燃料供給配管４を経由させて燃料電池１側へ導入する。同時にブロア３を動作させて燃料電池１に酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【０００７】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整し、燃焼器９へ供給される燃料ガス量を調整することにより約７００℃に維持される。燃料生成器２の温度が低くなった場合、発電原料の供給量を増やして燃料ガスを増加させ、燃焼器９へ供給される燃料ガスを増加させる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合、発電原料の供給量を減らして燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９へ供給される燃料ガスを減少させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定して燃料ガスを燃料電池１へ供給するまでの間、燃料電池１は密閉状態となる。そのため、燃料電池内の圧力が上昇することがあり、燃料電池が破損する可能性がある。
【０００９】
また、燃料ガスは通常１００℃程度の温度で燃料生成器２から排出されてくるので、ガス経路切換手段７も１００℃程度の耐熱性が必要である。しかし、ガス経路切換手段７を高耐熱なバルブなどで構成すると、装置コストが高くなる。
【００１０】
さらに、燃料生成器２の温度を調整するためには発電原料の流量を調整する必要があるが、流量を変更すると燃料電池１へ供給される燃料ガスの流量も変化するため、燃料電池１での安定な発電が妨げられる。
【００１１】
加えて、フィルタ１０に不要物が堆積してくると、燃料電池１へ燃料ガスを供給する妨げとなるため、フィルタ１０は交換可能な構成をとる必要がある。そのため装置の構成が複雑になり、装置コストが高くなると共に、メンテナンスも必要となる。また、不要物が短時間で大量にフィルタ１０に堆積した場合、システムの運転が不可能となる。
【００１２】
そして、従来の燃料電池システムにおいては、運転の前後にガス経路に窒素を流通させる必要があるため、窒素ボンベが必要となり、装置コストが高くなる。また、窒素の残量が少ない場合には、装置を運転できないという不具合が発生する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料および酸化剤から電力を発生させる燃料電池と、発電原料から水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成器と、燃料生成器で生成された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料供給配管と、燃料電池で消費されなかった残余燃料を燃料生成器の燃焼器へ導入する燃料排出配管と、燃料供給配管と燃料排出配管とを接続する第１バイパス配管と、発電原料を燃料排出配管へ供給する第２バイパス配管と、
（１）燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ａまたは
（２）燃料排出配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ｂを有し、
第２バイパス配管が、第１バイパス配管との接続部よりも残余燃料の上流側で、燃料排出配管と接続しており、運転開始して前記ガス流路切換手段Ａまたは前記ガス流路切換手段Ｂを前記第１バイパス配管側に切り換えている際に、前記第２バイパス配管より発電原料を供給することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００１４】
前記燃料電池システムは、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に、フィルタを有することが好ましい。
前記燃料電池システムは、燃料生成器へ空気を供給する燃料側空気供給手段を有することが好ましい。
前記燃料電池システムは、第２バイパス配管上に発電原料の流量調整手段を有することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。図４に示した従来のシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸素を含む酸化剤を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成した燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段７と、燃料生成器２が排出する発電原料、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、ガス経路切換手段７は、燃料生成器２から送られるガスの流出経路を燃料供給配管４側と、第１バイパス配管６側との間で切り換える機能を有する。燃料供給配管４と第１バイパス配管６との接続部近傍において、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに開閉弁を設けることにより、ガス経路切換手段を構成することができる。２つの開閉弁のどちらか一方を開き、他方を閉じることにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６のどちらか一方に導入することができる。また、この場合、２つの開閉弁の両方を開くことにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に導入することもできる。
燃料供給配管４には、燃料生成器２に具備される触媒の劣化物などの不要物が燃料電池１へ流入しないように、不要物を捕捉するためのフィルタを、ガス経路切換手段７よりも燃料ガスの下流側かつ燃料電池１よりも燃料ガスの上流側に設けることが好ましい。
【００１８】
この燃料電池システムは、さらに、発電原料を燃料生成器２へ送り込むための供給経路に空気を導入する燃料側空気供給手段１１と、発電原料を燃料排出配管５へ供給する第２バイパス配管１２とを有し、第２バイパス配管上にはバイパス開閉弁１３を有する。
【００１９】
燃料電池システムの運転開始時には、まず、燃料側空気供給手段１１を作動させて、発電原料の代わりに空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。従って、燃料電池システムの運転前にガス経路に窒素を流通させる必要はない。
次いで、ガス経路切換手段７を第１バイパス配管６側に切り換え、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、第１バイパス配管６、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。
【００２０】
空気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段７を用いる場合、空気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
その後、燃料側空気供給手段１１から燃料生成器２へ空気を供給するのを停止し、天然ガスなどの発電原料を燃料生成器２へ導入する。このときガス経路切換手段７により、発電原料を第１バイパス配管６に導入し、燃料排出配管５を経由させて燃焼器９へ供給する。また、バイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２からも、燃料排出配管５を経路させて発電原料を燃焼器９へ供給する。そして、燃焼器９に供給された発電原料を燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。
【００２１】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段７を燃料供給配管４側に切り換え、燃料ガスを燃料電池１に供給する。このときそれまで開いていたバイパス開閉弁１３が閉じられる。同時にブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００２２】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、バイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２、燃料排出配管５という経路でガスを流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
【００２３】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整して燃焼器９へ供給される燃料ガスの量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、発電原料の供給量を増やして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを増加させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を増やして燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、発電原料の供給量を減らして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を減らして燃焼量を減少させることができる。
【００２４】
燃料電池システムを停止する際には、燃料生成器２への発電原料の供給を停止し、水だけを燃料生成器２へ供給し、燃料生成器２の余熱で水蒸気を発生させる。そして、燃料生成器２から、ガス経路切換手段７、燃料供給配管４、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させた水蒸気を、燃焼器９から排出する。
次に、ガス経路切換手段７を第１バイパス配管６側に切り換え、ガス経路切換手段７、第１バイパス配管６、燃料排出配管５を経由させた水蒸気を、燃焼器９から排出する。
水蒸気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料供給配管４と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段７を用いる場合、水蒸気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
ここで、水蒸気は、次にシステム内に送り込まれる空気がシステム内に残存する水素と急激に反応するのを防止する役割を果たす。
次いで、燃料生成器２への水の供給を停止し、燃料側空気供給手段１１を用いて燃料電池システム内に空気を流通させる。従って、燃料電池システムの運転後にも、ガス経路に窒素を流通させる必要はない。空気を燃料電池システムへ流通させる仕方は、上述のシステム運転開始時と同様である。
【００２５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、圧力上昇による燃料電池１の破損が起こらず、その運転前後にガス経路に窒素を流通させる必要もない。従って、信頼性が高く、かつ、窒素ボンベを要さない低コストの燃料電池システムが実現可能である。また、窒素の残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合も発生しない。
なお、上述においては、燃料生成器２の一酸化炭素除去部の温度が安定化し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、バイパス開閉弁１３を閉じている。しかし、引き続きバイパス開閉弁１３を開いて、第２バイパス配管１２、燃料排出配管５を経由させて、ガスを燃焼器９へ供給し続けても、同様の効果を得ることができる。
【００２６】
第２の実施形態
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。図１に示したシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、第１バイパス配管６から送られてくる天然ガス、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２からの不要物が燃料電池１へ流入しないように不要物を捕捉するためのフィルタ１０とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、フィルタ１０は、燃料供給配管４上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に設けられている。
【００２７】
この燃料電池システムは、さらに、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部に設けられたガス経路切換手段１４と、発電原料の燃料生成器２への供給経路に空気を送り込む燃料側空気供給手段１１と、発電原料を燃料排出配管５へ供給する第２バイパス配管１２と、第２バイパス配管を流れる発電原料の流量を調整する流量調整手段１５とを有する。
ガス経路切換手段１４は、燃料生成器２から送られるガスの流出経路を燃料供給配管４側と、第１バイパス配管６側との間で切り換える機能を有する。例えば、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部近傍において、燃料排出配管５と第１バイパス配管６のそれぞれに開閉弁を設けることにより、ガス経路切換手段１４を構成することができる。２つの開閉弁のどちらか一方を開き、他方を閉じることにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６のどちらか一方に導入することができる。また、２つの開閉弁の両方を開くことにより、ガスを燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に導入することができる。
【００２８】
燃料電池システムの運転時は、まず、燃料側空気供給手段１１を作動させて、発電原料の代わりに空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から、燃料供給配管４、フィルタ１０、燃料電池１、ガス経路切換手段１４、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。従って、燃料電池システムの運転前にガス経路に窒素を流通させる必要はない。
次いで、ガス経路切換手段１４を第１バイパス配管６側に切り換え、燃料生成器２から、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４、燃料排出配管５を経由させた空気を、燃焼器９から排出する。
空気を燃料電池システムに流通させる順序は、上述と逆であってもかまわない。また、燃料排出配管５と第１バイパス配管６のそれぞれに設けた開閉弁からなるガス経路切換手段１４を用いる場合、空気を燃料供給配管４と第１バイパス配管６の両方に同時に流通させることもできる。
【００２９】
次いで、燃料側空気供給手段１１から燃料生成器２へ空気を供給するのを停止し、天然ガスなどの発電原料を燃料生成器２へ導入する。このとき発電原料は、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４を経由して燃焼器９へ供給される。一方、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４を経由させた発電原料を、燃焼器９へ供給し、燃焼器９にて発電原料を燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。
【００３０】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段１４により、燃料供給配管４側にガス経路を切り換え、燃料ガスをフィルタ１０を経由させて、燃料電池１へ供給する。一方、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料経路切換手段１４を経由させた発電原料を燃焼器９へ供給する。同時にブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００３１】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、下流側燃料経路切換手段１４の順に発電原料を流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
また、燃料電池１を一定の温度で運転するための冷却手段により、燃料電池１に供給されるガスよりも、燃料電池１から排出されるガスの方が、温度が低くなっている。従って、ガス経路切換手段１４を燃料電池１よりも下流側に設置することにより、ガス経路切換手段１４を経由するガスの温度を低く抑えることが可能となり、バルブなどの耐熱温度を比較的低く抑えることができ、装置コストを低く抑えることができる。
【００３２】
また、この燃料電池システムでは、燃料生成器２の温度は、流量調整手段１５で第２バイパス配管１２を流れる発電原料の流量を調整し、燃焼器９へ供給されるガス量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、流量調整手段１５により、第２バイパス配管１２を流れる発電原料を増やし、燃焼器９の燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、流量調整手段１５により、第２バイパス配管１２を流れる発電原料を減らし、燃焼器９の燃焼量を減少させることができる。従って、燃料生成器２に導入する発電原料の量は、燃料電池１の発電を安定に行うのに必要な燃料ガスの量に合わせて調整することができる。
なお、第１の実施形態において、バイパス開閉弁の代わりに流量調整手段１５を用いても、同様の効果が得られる。
【００３３】
燃料電池システムを停止する際には、燃料生成器２の発電原料の供給を停止し、水だけを燃料生成器２へ供給し、燃料生成器２の余熱で水蒸気を発生させる。そして、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させた水蒸気を燃焼器９から排出する。
また、天然ガスをバイパス流量調整手段１５を用いて第２バイパス配管１２、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、燃料経路切換手段１４、という経路で燃焼器９に供給し、燃焼器９にて天然ガスを燃焼させる。
次いで、燃料生成器２への水の供給を停止し、燃料側空気供給手段１１を作動させて空気を燃料生成器２に送り込む。そして、燃料生成器２から燃料供給配管４、フィルタ１０、第１バイパス配管６、燃料電池１、燃料排出配管５を経由させて燃焼器９から空気を排出する。従って、燃料電池システムの運転後にも、ガスの流通経路に窒素を流通させる必要はない。
【００３４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、圧力上昇による燃料電池１の破損がおこらず、その運転前後に窒素を流通させる必要もない。従って、信頼性が高く、かつ、窒素ボンベを要さない低コストの燃料電池システムが実現可能である。また、窒素の残量が少ない場合には装置を運転できないという不具合も発生しない。
【００３５】
さらに、本実施形態の燃料電池システムは、流量調整手段１５を有するため、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、ガス経路切換手段１４を経由して燃焼器９へ供給される発電原料の流量を調整することができる。従って、燃料生成器２の温度を調整するために、燃料生成器２へ供給する発電原料の量を変動させる必要がなく、燃料電池１に供給される燃料ガスの量は安定に維持される。
【００３６】
加えて、本実施形態の燃料電池システムは、その運転前後に、第２バイパス配管１２から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４の順に発電原料や空気を流通させることができる。このとき、フィルタ１０へは燃料電池１の発電時とは逆にガスが流れるため、フィルタ１０に堆積した不要物は、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経て燃焼器９で燃焼されるか、外部へ排出される。従って、フィルタ１０は、交換可能な構成をとる必要がなく、装置の構成を簡単にすることができ、メンテナンスも容易になる。結果として、低コストで、安定して発電を継続することが可能なシステムを実現できる。
【００３７】
第１の実施形態および第２の実施形態では、空気を燃料生成器２に供給するため、燃料生成器２に具備されている一酸化炭素除去装置は、酸化雰囲気に耐性を有する触媒で構成する。このような触媒には、例えば貴金属系の触媒が挙げられる。
【００３８】
参考形態
図３は、別の燃料電池システムの構成を示す概念図である。図１または２に示したシステムと同じ構成要素には、同じ番号を付している。
図３の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料生成器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア３と、燃料生成器２で生成された燃料ガスを燃料電池１へ供給する燃料供給配管４と、燃料電池１で消費されなかった残余燃料を排出する燃料排出配管５と、燃料ガスを燃料電池１へ供給せずに燃料供給配管４から燃料排出配管５へ送る第１バイパス配管６と、第１バイパス配管６から送られてくる天然ガス、燃料ガスもしくは燃料電池１から排出された残余燃料を燃焼させて燃料生成器２を昇温する燃焼器９と、燃料生成器２からの不要物が燃料電池１へ流入しないように捕捉するためのフィルタ１０とを有する。
燃料生成器２には、所定の触媒からなる一酸化炭素除去装置が設けられている。また、フィルタ１０は、燃料供給配管４上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に設けられている。
【００３９】
この燃料電池システムは、また、燃料排出配管５と第１バイパス配管６との接続部に設けられたガス経路切換手段１４と、燃料排出配管５から置換剤を燃料電池１を通過させてフィルタ１０よりも燃料ガスの上流側まで流通させるための置換剤供給手段１６とを有する。
ガス経路切換手段１４の構成は、第２の実施形態と同様である。置換剤としては、窒素ガスなどを用いることができる。
【００４０】
燃料電池システムは、運転時以外は安全上、ガス経路から可燃ガスを追い出しておく必要があるため、燃料電池システムの運転前後に燃料生成器２への発電原料の供給経路から、窒素を流入させる。そして、燃料生成器２から、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させた窒素を燃焼器９から排出する。同時に置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、燃料供給配管４、ガス経路切換手段１４を経由させた窒素などの置換剤を燃焼器９から排出する。
【００４１】
燃料電池システムの運転開始時には、まず、窒素を燃料生成器２へ供給することを停止し、発電原料を燃料生成器２へ供給する。そして、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由した発電原料を燃焼器９へ供給し、燃焼器９で燃焼させて燃料生成器２の昇温を開始する。このとき、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、燃料供給配管４、ガス経路切換手段１４を経由させて燃焼器９に供給している置換剤は停止しない。従って、燃料生成器２から排出される発電原料は、フィルタ１０を通って燃料電池１に達することなく、第１バイパス配管６へ導入される。
【００４２】
このように燃料電池システムの運転開始から燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定するまでの間は、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経由させて燃焼器９まで置換剤を流通させることにより、燃料電池１が密封状態になるのを防ぐことができる。従って、燃料電池１内の圧力が上昇して燃料電池１が破損することはない。
また、燃料電池１を一定の温度で運転するための冷却手段により、燃料電池１に供給されるガスよりも、燃料電池１から排出されるガスの方が、温度が低くなっている。従って、ガス経路切換手段１４を燃料電池１よりも下流側に設置することにより、ガス経路切換手段１４を経由するガスの温度を低く抑えることが可能となり、バルブなどの耐熱温度を比較的低く抑えることができ、装置コストを低く抑えることができる。
【００４３】
燃料生成器２が７００℃程度になったところで水を燃料生成器２へ供給すると、燃料ガスの生成が開始される。燃料生成器２の一酸化炭素除去装置の温度が安定し、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍ程度になったところで、ガス経路切換手段１４により、燃料供給配管４側にガス経路を切り換えて、燃料供給配管４からフィルタ１０を経由させた燃料ガスを燃料電池１へ供給する。同時に燃料排出配管５への窒素の供給を停止する。また、ブロア３を作動させて燃料電池１に酸素を含む酸化剤を供給し、燃料電池１で発電を開始する。
【００４４】
燃料生成器２の温度は、燃料生成器２へ供給する発電原料の流量を調整して燃焼器９へ供給される燃料ガスの量を調整することにより約７００℃に維持することができる。すなわち、燃料生成器２の温度が低くなった場合には、発電原料の供給量を増やして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを増加させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を増やして燃焼量を増加させることができる。逆に、燃料生成器２の温度が高くなった場合には、発電原料の供給量を減らして、燃料生成器２で生成される燃料ガスを減少させ、燃焼器９への燃料ガスの供給を減らして燃焼量を減少させることができる。
【００４５】
また、図３の燃料電池システムは、その運転前後に、置換剤供給手段１６から、燃料排出配管５、燃料電池１、フィルタ１０、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４の順に置換剤を流通させることができる。このとき、フィルタ１０へは燃料電池１の発電時とは逆にガスが流れるため、フィルタ１０に堆積した不要物は、燃料供給配管４、第１バイパス配管６、ガス経路切換手段１４を経て燃焼器９で燃焼されるか、外部へ排出される。従って、フィルタ１０は、交換可能な構成をとる必要がなく、装置の構成を簡単にすることができ、メンテナンスも容易になる。結果として、低コストで、安定して発電を継続することが可能なシステムを実現できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、装置コストを低く抑えると共に、安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料供給配管と燃料排出配管とを接続する第１バイパス配管と、発電原料を燃料排出配管へ供給する第２バイパス配管とを有し、第２バイパス配管が、第１バイパス配管よりも残余燃料の上流側で燃料排出配管と接続していることから、常に燃料排出配管５に発電原料を流通させることができ、燃料電池が密閉状態になることがないため、燃料電池内の圧力が上昇して燃料電池が破損することがない。
【００４７】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料排出配管上にガス経路切換手段を有する場合、ガス経路切換手段を流れるガスの温度を低く抑えることが可能となり、ガス経路切換手段をバルブなどで構成する場合でも、その耐熱温度を低く抑えることができるため、装置コストが低くなる。
【００４８】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料供給配管上の、燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側に、フィルタを有する場合、燃料電池の運転前後において、燃料ガスの流れとは逆方向にガスを流通させてフィルタに堆積した不要物を燃焼器で燃焼させるか外部へ排出することができるため、フィルタは交換可能である必要がなく、装置構造が簡単になり、装置コストが低く抑えられる。また、メンテナンスも容易となる。
【００４９】
また、本発明の燃料電池システムが、燃料生成器へ空気を供給する燃料側空気供給手段を有する場合、燃料電池システムの運転前後に燃料ガス経路に窒素を流通させる必要がなくなり、窒素ボンベが不要となり、装置コストが低く抑えられる。また、窒素の残量が少ない場合にはシステムを運転できないという不具合は発生しない。
【００５０】
また、本発明の燃料電池システムが、第２バイパス配管上に発電原料の流量調整手段を有する場合、発電に必要な量の燃料ガスの燃料電池への供給が維持され、燃料電池の安定した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図３】 参考形態の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図４】 従来の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
Claims (4)
- 燃料および酸化剤から電力を発生させる燃料電池と、発電原料から水素を含む燃料ガスを生成する燃料生成器と、前記燃料生成器で生成された燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料供給配管と、前記燃料電池で消費されなかった残余燃料を前記燃料生成器の燃焼器へ導入する燃料排出配管と、前記燃料供給配管と前記燃料排出配管とを接続する第１バイパス配管と、前記発電原料を前記燃料排出配管へ供給する第２バイパス配管と、
（１）前記燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ａまたは
（２）前記燃料排出配管と第１バイパス配管との接続部に設けられたガス経路切換手段Ｂを有し、
第２バイパス配管が、第１バイパス配管との接続部よりも前記残余燃料の上流側で、前記燃料排出配管と接続しており、運転開始して前記ガス流路切換手段Ａまたは前記ガス流路切換手段Ｂを前記第１バイパス配管側に切り換えている際に、前記第２バイパス配管より発電原料を供給することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料供給配管と第１バイパス配管との接続部よりも燃料ガスの下流側で、かつ、燃料電池よりも上流側に、フィルタが設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記燃料生成器へ空気を供給する燃料側空気供給手段を有する請求項１または２記載の燃料電池システム。
- 第２バイパス配管上に前記発電原料の流量調整手段を有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
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