JP4307766B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な燃料電池発電システムに関わり、特に燃料電池発電システムの停止操作を不活性ガスを使用しないで行うことのできる燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器、シフト反応器、選択酸化器、燃料電池本体等は高い温度になるため、発電停止時にはこれらの機器の保護や安全性を保つために、主として窒素のような不活性ガスで流路内をパージし、所定の温度に低下した後パージガスを止めることが行われていた。
【０００３】
特開平7-272737号公報には燃料電池停止後に燃料電池内を不活性雰囲気下にする燃料電池停止装置、特開平8-69808号公報には不活性ガス置換が可能な改質装置の小型化、特開平8-203548号公報には燃料電池の運転停止時の装置内への大気進入を回避する燃料電池システム及び特開平8-273684号公報には燃料電池の運転停止の際に燃料電池から燃料ガス中のメタノールを除去する燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池発電システムを一般家庭用電源として用いたり、あるいは比較的小規模の分散発電システムとして用いたり、あるいは可搬用電源として用いるとき、不活性ガスを燃料電池発電システムに付随させるのは、経済性及びスペースの両面から困難を伴うものである。特に、一般家庭用電源として用いる場合、窒素ガス源を設けることは大きな阻害要因になる。
【０００５】
又、上述の公報には、燃料電池の運転を燃料改質に用いる水蒸気によって停止させる燃料電池発電システムは開示されていない。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池を停止する際、窒素などの不活性ガスを用いて系内をパージすることなく、燃料電池を停止することのできる燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池を停止する際、燃料電池からの電気取り出しを停止して燃料電池を外部系統から切り離し、次に炭化水素燃料ガスの改質をやめて、各機器とそのガス流路系内に水蒸気を流通させ、各機器の温度が低下した後に各機器に空気を流してガス流路系内の水蒸気を燃料電池に対して設けられたバイパス流路を介して除去する燃料電池発電システムにある。
【０００８】
即ち、本発明は、水素を燃料とし、酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池発電システムにおいて、炭化水素を水蒸気によって改質して水素を作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素ガスを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
燃料電池の停止に際し、燃料電池に接続した電流取り出し回路を遮断した後、
燃料電池に供給するガス流路を遮断してバイパス流路を開き、前記燃料改質器への炭化水素燃料の供給を停止し、前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給流路系内に前記水蒸気を流通させ、
次いで各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定値に低下した時点で前記各機器への水蒸気の供給を停止し、その後、空気を前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順に前記各機器に供給し、該各機器とそのガス流路系内の水蒸気を前記バイパス流路を通して除去することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【０００９】
又、本発明は、燃料電池発電システムを停止する時、窒素のような不活性ガスをパージして系内の温度を低下させるという従来の方法に代わり、燃料を水素に変換するために必要とされる水蒸気を用いて系内の温度を低下させ、その後系内を空気でパージすることにより燃料電池を停止させるものである。
【００１０】
又、燃料電池発電システムを停止する時、燃料電池からの電気取り出しを停止して燃料電池を系統から切り離し、次に燃料ガスの改質をやめて、系内に水蒸気を流通させ、温度が低下した後に空気を流して系内の水蒸気を除去する。この時、燃料電池にはガスを流さず、バイパス回路を作動させる。
【００１１】
更に、燃料電池部分はこれらの操作中に切り離された状態で孤立しており、バイパス回路を通して一連の操作が行われる。燃料電池内には反応ガス又は反応生成ガスが満たされた状態になっており、一切のパージは燃料電池の温度が低下するまで行われない。燃料電池からは負荷が取り出されないので、反応に伴う発熱がなくなり、燃料電池の温度は低下する。空気を流しても電極触媒活性がなくならない温度に低下した後、パージが必要なときは空気を流通させる。燃料電池の内部が所定の湿度よりも乾燥状態にある時は空気の流通は止めるか、または極短時間のみ行う。以上の操作により、燃料電池発電システムは窒素のような不活性ガスを用いることなく、安全に停止することができる。
【００１２】
又、本発明は、炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素を作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素を燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池から外部負荷を電気的に切り離す工程、
前記バイパス流路を開き前記燃料電池への前記水素ガスの供給を停止する工程、
前記燃料改質器への前記炭化水素燃料の供給を停止し前記水蒸気を前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給流路系内に供給する工程、
前記各機器の温度の低下に合わせて前記水蒸気の供給量を少なくする工程、
前記各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定の温度に達した後に前記各機器への前記水蒸気の供給を停止した後、前記各機器に前記順に前記空気を供給し、前記各機器とそのガス流路系内の前記水蒸気を前記バイパス流路を通して除去する工程、
を順次有することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１３】
シフト反応器は、燃料改質器で生成された水素リッチガス中に含まれる数％のＣＯガスを数千ｐｐｍ程度まで低下させ、更に、そのガス中に残中している数千ｐｐｍのＣＯガスをＣＯ選択酸化器で１０ｐｐｍ以下に低下させるものである。
【００１４】
前記炭化水素燃料がメタンを主成分とする燃料からなること、各機器の所定温度が水蒸気の結露温度以上に設定されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは燃料供給部１、空気供給部２、水蒸気発生部３、炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素ガスを作る燃料改質部４、燃料改質器４より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応部５、シフト反応器５から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化部６、燃料改質部４より得られた水素ガスよりＣＯガスを除去し、それを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池７、DC/AC変換部８、バルブＶ６及びＶ７によって接続された燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する。図には示されていないが、本発電システムには、燃料電池に空気を供給する空気供給系、燃料電池内部の湿度を調節する加湿部、さらには2次電池などを付随させてもよく、図１では本発明を説明するために必要な系統のみを示している。
【００１６】
燃料電池７を停止する時、まず最初にDC/AC変換部８を燃料電池７から電気的に切り離す。これにより、燃料電池７から電気が取り出されなくなるので、燃料電池７では電気化学平衡反応のみが生じ、発熱を伴う反応は生じなくなる。次にバイパス回路のバルブＶ６とＶ７を開き、燃料電池７の入り口出口に設けられたバルブＶ４とＶ５を閉止する。なお、これらは燃料ガス系のみであり、燃料電池７に供給する空気系はその供給を停止するだけでよい。図１には空気系は示していない。
【００１７】
次に、燃料改質部４に供給している燃料供給部１のバルブＶ１を閉止する。この時、水蒸気発生部３からは水蒸気が燃料改質部４に供給された状態になっている。一方、空気供給部２のバルブＶ２は閉止されており、燃料系には供給されていない。水蒸気のみを供給していると、燃料改質部４、シフト反応部５、ＣＯ選択酸化部６の温度は低下して来る。温度の低下に合わせて、水蒸気の供給量を少なくして行く。各部の温度が空気をパージしても問題ない所定の温度に低下したことを確認した後、空気供給部２のバルブＶ２を開き、水蒸気発生部３からの水蒸気供給用バルブＶ３を閉止する。これにより、空気によって系内の水蒸気が取り去られる。
【００１８】
燃料電池７内の残留水蒸気量が多いときは、バルブＶ６とＶ７を閉じ、バルブＶ４とＶ５を開いて空気でパージする。以上の方法で燃料電池発電システムを安全に停止することができる。
【００１９】
以上述べた様に、窒素のような不活性ガスを用いなくても燃料電池を安全に停止することができる。従って、燃料電池発電システムに余計な付帯設備を付随する必要がなく、簡単な構造で、かつスペースを取らない小形でコンパクトな燃料電池発電システムを提供することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、窒素のような不活性ガスを用いなくても燃料電池発電システムを安全に停止することができる。従って、燃料電池発電システムに余計な付帯設備を付随する必要がなく、経済性がよく、かつスペースを取らない小形でコンパクトな燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池発電システムの系統図である。
【符号の説明】
１…燃料供給部、２…空気供給部、３…水蒸気発生部、４…燃料改質部、５…シフト反応部、６…ＣＯ選択酸化部、７…燃料電池、８…DC/AC変換部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な燃料電池発電システムに関わり、特に燃料電池発電システムの停止操作を不活性ガスを使用しないで行うことのできる燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池発電システムにおいて、燃料改質器、シフト反応器、選択酸化器、燃料電池本体等は高い温度になるため、発電停止時にはこれらの機器の保護や安全性を保つために、主として窒素のような不活性ガスで流路内をパージし、所定の温度に低下した後パージガスを止めることが行われていた。
【０００３】
特開平7-272737号公報には燃料電池停止後に燃料電池内を不活性雰囲気下にする燃料電池停止装置、特開平8-69808号公報には不活性ガス置換が可能な改質装置の小型化、特開平8-203548号公報には燃料電池の運転停止時の装置内への大気進入を回避する燃料電池システム及び特開平8-273684号公報には燃料電池の運転停止の際に燃料電池から燃料ガス中のメタノールを除去する燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池発電システムを一般家庭用電源として用いたり、あるいは比較的小規模の分散発電システムとして用いたり、あるいは可搬用電源として用いるとき、不活性ガスを燃料電池発電システムに付随させるのは、経済性及びスペースの両面から困難を伴うものである。特に、一般家庭用電源として用いる場合、窒素ガス源を設けることは大きな阻害要因になる。
【０００５】
又、上述の公報には、燃料電池の運転を燃料改質に用いる水蒸気によって停止させる燃料電池発電システムは開示されていない。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池を停止する際、窒素などの不活性ガスを用いて系内をパージすることなく、燃料電池を停止することのできる燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池を停止する際、燃料電池からの電気取り出しを停止して燃料電池を外部系統から切り離し、次に炭化水素燃料ガスの改質をやめて、各機器とそのガス流路系内に水蒸気を流通させ、各機器の温度が低下した後に各機器に空気を流してガス流路系内の水蒸気を燃料電池に対して設けられたバイパス流路を介して除去する燃料電池発電システムにある。
【０００８】
即ち、本発明は、水素を燃料とし、酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池発電システムにおいて、炭化水素を水蒸気によって改質して水素を作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素ガスを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
燃料電池の停止に際し、燃料電池に接続した電流取り出し回路を遮断した後、
燃料電池に供給するガス流路を遮断してバイパス流路を開き、前記燃料改質器への炭化水素燃料の供給を停止し、前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給流路系内に前記水蒸気を流通させ、
次いで各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定値に低下した時点で前記各機器への水蒸気の供給を停止し、その後、空気を前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順に前記各機器に供給し、該各機器とそのガス流路系内の水蒸気を前記バイパス流路を通して除去することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【０００９】
又、本発明は、燃料電池発電システムを停止する時、窒素のような不活性ガスをパージして系内の温度を低下させるという従来の方法に代わり、燃料を水素に変換するために必要とされる水蒸気を用いて系内の温度を低下させ、その後系内を空気でパージすることにより燃料電池を停止させるものである。
【００１０】
又、燃料電池発電システムを停止する時、燃料電池からの電気取り出しを停止して燃料電池を系統から切り離し、次に燃料ガスの改質をやめて、系内に水蒸気を流通させ、温度が低下した後に空気を流して系内の水蒸気を除去する。この時、燃料電池にはガスを流さず、バイパス回路を作動させる。
【００１１】
更に、燃料電池部分はこれらの操作中に切り離された状態で孤立しており、バイパス回路を通して一連の操作が行われる。燃料電池内には反応ガス又は反応生成ガスが満たされた状態になっており、一切のパージは燃料電池の温度が低下するまで行われない。燃料電池からは負荷が取り出されないので、反応に伴う発熱がなくなり、燃料電池の温度は低下する。空気を流しても電極触媒活性がなくならない温度に低下した後、パージが必要なときは空気を流通させる。燃料電池の内部が所定の湿度よりも乾燥状態にある時は空気の流通は止めるか、または極短時間のみ行う。以上の操作により、燃料電池発電システムは窒素のような不活性ガスを用いることなく、安全に停止することができる。
【００１２】
又、本発明は、炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素を作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素を燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池から外部負荷を電気的に切り離す工程、
前記バイパス流路を開き前記燃料電池への前記水素ガスの供給を停止する工程、
前記燃料改質器への前記炭化水素燃料の供給を停止し前記水蒸気を前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給流路系内に供給する工程、
前記各機器の温度の低下に合わせて前記水蒸気の供給量を少なくする工程、
前記各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定の温度に達した後に前記各機器への前記水蒸気の供給を停止した後、前記各機器に前記順に前記空気を供給し、前記各機器とそのガス流路系内の前記水蒸気を前記バイパス流路を通して除去する工程、
を順次有することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１３】
シフト反応器は、燃料改質器で生成された水素リッチガス中に含まれる数％のＣＯガスを数千ｐｐｍ程度まで低下させ、更に、そのガス中に残中している数千ｐｐｍのＣＯガスをＣＯ選択酸化器で１０ｐｐｍ以下に低下させるものである。
【００１４】
前記炭化水素燃料がメタンを主成分とする燃料からなること、各機器の所定温度が水蒸気の結露温度以上に設定されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは燃料供給部１、空気供給部２、水蒸気発生部３、炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素ガスを作る燃料改質部４、燃料改質器４より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応部５、シフト反応器５から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化部６、燃料改質部４より得られた水素ガスよりＣＯガスを除去し、それを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池７、DC/AC変換部８、バルブＶ６及びＶ７によって接続された燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する。図には示されていないが、本発電システムには、燃料電池に空気を供給する空気供給系、燃料電池内部の湿度を調節する加湿部、さらには2次電池などを付随させてもよく、図１では本発明を説明するために必要な系統のみを示している。
【００１６】
燃料電池７を停止する時、まず最初にDC/AC変換部８を燃料電池７から電気的に切り離す。これにより、燃料電池７から電気が取り出されなくなるので、燃料電池７では電気化学平衡反応のみが生じ、発熱を伴う反応は生じなくなる。次にバイパス回路のバルブＶ６とＶ７を開き、燃料電池７の入り口出口に設けられたバルブＶ４とＶ５を閉止する。なお、これらは燃料ガス系のみであり、燃料電池７に供給する空気系はその供給を停止するだけでよい。図１には空気系は示していない。
【００１７】
次に、燃料改質部４に供給している燃料供給部１のバルブＶ１を閉止する。この時、水蒸気発生部３からは水蒸気が燃料改質部４に供給された状態になっている。一方、空気供給部２のバルブＶ２は閉止されており、燃料系には供給されていない。水蒸気のみを供給していると、燃料改質部４、シフト反応部５、ＣＯ選択酸化部６の温度は低下して来る。温度の低下に合わせて、水蒸気の供給量を少なくして行く。各部の温度が空気をパージしても問題ない所定の温度に低下したことを確認した後、空気供給部２のバルブＶ２を開き、水蒸気発生部３からの水蒸気供給用バルブＶ３を閉止する。これにより、空気によって系内の水蒸気が取り去られる。
【００１８】
燃料電池７内の残留水蒸気量が多いときは、バルブＶ６とＶ７を閉じ、バルブＶ４とＶ５を開いて空気でパージする。以上の方法で燃料電池発電システムを安全に停止することができる。
【００１９】
以上述べた様に、窒素のような不活性ガスを用いなくても燃料電池を安全に停止することができる。従って、燃料電池発電システムに余計な付帯設備を付随する必要がなく、簡単な構造で、かつスペースを取らない小形でコンパクトな燃料電池発電システムを提供することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、窒素のような不活性ガスを用いなくても燃料電池発電システムを安全に停止することができる。従って、燃料電池発電システムに余計な付帯設備を付随する必要がなく、経済性がよく、かつスペースを取らない小形でコンパクトな燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池発電システムの系統図である。
【符号の説明】
１…燃料供給部、２…空気供給部、３…水蒸気発生部、４…燃料改質部、５…シフト反応部、６…ＣＯ選択酸化部、７…燃料電池、８…DC/AC変換部。
Claims (5)
- 炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素ガスを作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素ガスを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池からの電気取出を停止した後、
前記バイパス流路を開き前記燃料電池への前記水素ガスの供給流路系を閉じると共に、前記燃料改質器への前記炭化水素燃料の供給を停止して前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給流路系内に水蒸気を流通させ、
次いで前記各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定の温度に低下した後に前記各機器への前記水蒸気の供給を停止した後、
前記各機器に前記順に前記空気を供給し、前記各機器とそのガス流路系内の前記水蒸気を前記バイパス流路を通して除去することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 炭化水素燃料を水蒸気によって改質して水素ガスを作る燃料改質器、該燃料改質器より生成されたＣＯガスを水蒸気と反応させるシフト反応器、該シフト反応器から出た前記水素ガス中に残留する前記ＣＯガスを酸化させるＣＯ選択酸化器、前記水素ガスを燃料とし酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池及び該燃料電池への前記水素ガスの供給をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池から外部負荷を電気的に切り離す工程、
前記バイパス流路を開き前記燃料電池への前記水素ガスの供給を停止する工程、
前記燃料改質器への前記炭化水素燃料の供給を停止し前記水蒸気を前記燃料改質器、シフト反応器及びＣＯ選択酸化器の順にそれらの各機器とそれらのガス供給系路系内とに供給する工程、
前記各機器の温度の低下に合わせて前記水蒸気の供給量を少なくする工程、
前記各機器の温度が空気を供給しても問題ない所定の温度に達した後に前記各機器への前記水蒸気の供給を停止した後、前記各機器に前記順に前記空気を供給し、前記各機器とそのガス流路系内の前記水蒸気を前記バイパス流路を通して除去する工程、
を順次有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項１又は２において、前記炭化水素燃料がメタンを主成分とする燃料からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
- 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記各機器の所定の温度が水蒸気の結露温度以上に設定されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
- 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記燃料電池から得られる電気を直交変換する直交変換器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
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|---|---|
| JP2003092126A JP2003092126A (ja) | 2003-03-28 |
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| JP4066882B2 (ja) * | 2003-05-22 | 2008-03-26 | トヨタ自動車株式会社 | 車載燃料電池発電システムの制御装置および制御方法 |
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| JP2008251240A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2009087684A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Casio Comput Co Ltd | 燃料電池システム並びに燃料電池システムの動作方法及び制御方法 |
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2001
- 2001-09-18 JP JP2001282880A patent/JP4307766B2/ja not_active Expired - Fee Related
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