JP5942092B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、都市ガスなどの原料ガスを使用する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させ、発生した電気を外部電力負荷（例えば、家庭で使用される電気機器）に供給するシステムである。

従来の燃料電池でシステムは、例えば、図３に示すような構成となっているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示す。図３に示すように、特許文献１には、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、原燃料の一部及び燃焼空気を燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器で燃焼する燃焼空気を供給する燃焼用空気供給器と、燃焼排ガスを排出する排気口と、を備えた燃料電池発電システムが開示されている。

特開２００８−１７６９９９号公報

前記従来の構成では、燃料電池が停止している時に、少なくとも燃焼空気を供給する給気口と少なくとも燃焼排ガスを排出する排気口がシステム筐体の同一の面にあり、給気口にかかる風圧と排気口にかかる風圧が同一になる場合は、排気口から給気口への空気の逆流は起こり難い。しかし、給気口が配置された面と排気口が配置された面が異なる場合、排気口にかかる風圧と給気口にかかる風圧に差が生じ、排気口にかかる風圧が給気口にかかる風圧より大きくなると、排気口にかかる風圧と給気口にかかる風圧の圧力差により、排気口から給気口に空気が逆流する恐れがあった。特に、燃料電池システムの停止後に、圧力差により排気口から排出経路を通り燃焼器に空気が逆流すると、燃焼器は燃料電池システム運転中に原料ガスや水素含有ガスを燃焼し高温となり、燃料電池システム運転停止後も高温である為、逆流した空気は燃焼器を通過する時に高温に熱せられ高温の空気となる。さらに、高温に熱せられた空気は燃焼器から燃焼用空気供給経路を通り燃焼用空気供給器に流れる恐れがあった。高温の空気が燃焼用空気供給経路を通り燃焼用空気供給器に流れた場合、高温の空気により燃焼用空気供給器が、燃焼用空気供給器の耐熱温度以上に熱せられ、熱劣化するという課題を有していた。

本発明は、燃料電池システムが停止した時に、排気口から排出経路、燃焼器を通り燃焼用空気供給器に空気が流れることを抑止することにより、燃焼用空気供給器が、燃焼用空気供給器の耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防止でき、燃焼用空気供給器が熱劣化することを抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決する為に、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される未反応の前記水素含有ガスを燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃料電池及び前記燃焼器をその内部に配置する筺体と、前記筺体に形成され、前記燃焼器で燃焼するための燃焼空気を給気する給気口と、一端が前記燃焼器に接続され、他端が大気に開放される排気口であり、前記
燃焼器から排出される燃焼排ガスを排出する排出経路と、前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記燃焼用空気供給器と前記燃焼器とを連通する燃焼用空気供給経路と、前記燃焼用空気供給経路上に配置された弁と、前記弁を制御する制御器と、を備えている。そして、前記制御器は、前記燃焼器の消火後に、前記燃焼用空気供給器の運転を継続し、前記弁を閉止した後、前記燃焼用空気供給器を停止するよう制御する、燃料電池システムである。

これにより、燃焼器の消火後は、燃焼用空気供給器と燃焼器とを連通する燃焼用空気供給経路上に配置された弁を閉止するまで燃焼用空気供給器の運転を継続しているので、弁が閉止するまでは、燃焼用空気供給器から燃焼器を経由し排気口への流れを保つことが出来る為、排気口にかかる圧力が給気口にかかる圧力より大きくなった場合でも、排気口から排出経路を通り燃焼器に空気が流れることをより確実に防止できる。

この為、燃焼器内が高温であったとしても、燃焼器に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器から燃焼用空気供給経路を通って燃焼用空気供給器へ高温の空気が流れることをより確実に防止できる。これにより、燃焼用空気供給器が燃焼用空気供給器の耐熱温度以上の高温の空気にさらされることをより確実に防ぐことができ、燃焼用空気供給器が熱劣化することをより確実に抑制することができる。

本発明の燃料電池システムでは、排気口から燃焼器に空気が流れることを防止することができ、燃焼用空気供給経路上に配置された空気供給器が耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防止できる。この為、燃焼用空気供給器が熱劣化することを抑制でき、安定した燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図 従来の家庭用燃料電池システムの構成図

第１の発明の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される未反応の前記水素含有ガスを燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃料電池及び前記燃焼器をその内部に配置する筺体と、前記筺体に形成され、前記燃焼器で燃焼するための燃焼空気を給気する給気口と、一端が前記燃焼器に接続され、他端が大気に開放される排気口であり、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを排出する排出経路と、前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記燃焼用空気供給器と前記燃焼器とを連通する燃焼用空気供給経路と、前記燃焼用空気供給経路上に配置された弁と、前記弁を制御する制御器と、を備えている。そして、前記制御器は、前記燃焼器の消火後に、前記燃焼用空気供給器の運転を継続し、前記弁を閉止した後、前記燃焼用空気供給器を停止するよう制御するものである。

この構成により、燃焼器の消火後は、燃焼用空気供給器と燃焼器とを連通する燃焼用空気供給経路上に配置された弁を閉止するまで燃焼用空気供給器の運転を継続しているので、弁が閉止するまでは、燃焼用空気供給器から燃焼器を経由し排気口への流れを保つことが出来る為、排気口にかかる圧力が給気口にかかる圧力より大きくなった場合でも、排気口から排出経路を通り燃焼器に空気が流れることをより確実に防止できる。この為、燃焼器内が高温であったとしても、燃焼器に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器から燃焼用空気供給経路を通って燃焼用空気供給器へ高温の空気が流れることをより確実に防止できる。この為、燃焼用空気供給器が燃焼用空気供給器の耐熱温度以上の高温の空気にさらされることをより確実に防ぐことができ、燃焼用空気供給器が熱劣化することをより確実に抑制することができる。

さらに、燃焼器に空気が流れ込むことを防ぐことが出来る為、流入した空気により燃焼
器及び併設された燃料処理器が冷却されることを抑制できる。

この為、燃料電池システム停止中の燃料処理器の温度低下を抑制でき、再び運転する際に燃料処理器を高温にする為のエネルギーを低減する事が出来るので、燃料電池システムのエネルギー効率をあげ、省エネ性を向上させることができる。

第２の発明の燃料電池システムは、特に、第１の発明に係る燃料電池システムにおいて、前記燃焼用空気供給経路上に配置された流量検知器、圧力検知器、およびフィルタのうち少なくともいずれか１つの補器を備え、前記弁は、補器と燃焼器との間に配置される検知構成であってもよい。

この構成により、燃料電池システムが停止した時に、排気口から給気口に空気が逆流しうる場合でも、検知補器が耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防止でき、燃焼用空気供給経路上に配置された補器検知が熱劣化することを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１は、筐体２内に原料ガスである都市ガスやＬＰガスなどと改質用の水から水素含有ガスを生成する燃料処理器３と、この水素含有ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電を行う燃料電池４と、燃料電池４で発電された電気を外部に供給する電力調整装置（図示せず）と、燃料電池４に酸化剤としての空気を供給する反応用空気供給器５と、原料ガスや未反応の水素含有ガスを燃焼する燃焼器６と、燃焼器６で燃焼する燃焼空気を供給する燃焼用空気供給器７と、空気を給気する給気口８と、燃焼用空気供給器７と燃焼器６を連結する燃焼用空気供給経路９
と、燃焼器６から排出される燃焼排ガスを排出する排出経路１０と、燃焼排ガスを排出する排気口１１と、燃焼用空気供給経路９上に配置される弁１２と、弁１２を制御する制御器１３とを備えている。そして、制御器１３は、燃焼器６の消火後に、弁１２が閉止するよう制御を行う燃料電池システム１を構成している。

以上のように構成された燃料電池システム１について、以下その動作、作用を説明する。

まず、燃料処理器３に原料ガス経路１４から原料ガスである都市ガスやＬＰガスなどと、水経路１５から改質用の水が供給され、燃料処理器３で水素含有ガスが生成される。

燃料電池４では反応用空気供給器５から酸化剤としての空気と、燃料処理器３で生成された水素含有ガスが供給され電気化学的に反応して電力が発生する。

燃料電池４で発電された電気は電力調整装置（図示せず）により外部に供給される。

燃焼器６には、原料ガス未反応の水素含有ガスのうちの少なくとも一方が供給される。また、燃焼用空気供給器７から燃焼用空気供給経路９を介して燃焼空気が供給され燃料処理器３を加熱する為に燃焼される。燃焼器６で燃焼されたガスは、燃焼排ガスとして排出経路１０を介して、排気口１１から排出される。

制御器１３は、燃焼器６の消火後に、弁１２が閉止するよう制御する。この構成により、燃料電池システムが停止した時に排気口１１から給気口８へ空気が逆流しうる場合でも、燃焼用空気供給経路９上に配置された弁１２が閉止されている為、空気が排気口１１から排出経路を通って燃焼器６に流れることを防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通って燃焼用空気供給器７へ高温の空気が流れることが防止できる。

以上のように、本実施の形態において、制御器１３が、燃焼用空気供給経路９上に配置される弁１２を、燃焼器６の消火後に閉止するように制御することにより、燃料電池システム１が停止した時に、排気口１１にかかる圧力が給気口８にかかる圧力より大きくなった場合でも、燃焼用空気供給経路９上に配置された弁１２が閉止されている為、排気口１１から排出経路を通って燃焼器６に空気が流れることを防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通って燃焼用空気供給器７へ高温の空気が流れることが防止できる。この為、燃焼用空気供給器７が燃焼用空気供給器７の耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防止でき、燃焼用空気供給器７が熱劣化することを抑制することができる。

さらに、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことが出来る為、流入した空気により燃焼器６及び燃料処理器３が冷却されることも抑制できる。

この為、燃料電池システム１停止中の燃料処理器３の温度低下を抑制でき、再び運転する際に燃料処理器３を高温にする為のエネルギーを低減する事が出来るので、燃料電池システム１のエネルギー効率をあげ、省エネ性を向上させることができる。ここで、弁１２は、開閉弁や、流量調整弁が好ましく、特に、開閉弁を用いる場合、ノーマルクローズ弁であることが好ましい。なお、弁１２は燃焼器６が十分に冷えたあとは開放してもよい。また、燃焼器６は、例えば、バーナーであってもよく、触媒燃焼器であってもよい。また、燃焼器６は、燃料電池から排出される未反応の水素含有ガスを少なくとも燃焼するよう構成されていればよく、原料ガスを燃焼してもよく、燃料処理器から排出される水素含有
ガスを燃焼ガスするよう構成されていてもよい。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの概略の構成を示す模式図である。

図２に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、燃焼用空気供給器７と燃焼器６を連結する燃焼用空気供給経路９上にフィルタ１６、圧力検知器１７、および流量検知器１８のうちの少なくともいずれか１つである補器を備えており、弁は補器と燃焼器６の間に配置されている点が異なる。図２ではフィルタ１６、圧力検知器１７、及び流量検知器１８を全て図示している。なお、補器は弁１２と燃焼器６の間に配置されないことが好ましい。また、燃焼用空気供給経路９上に配置される、燃焼用空気供給器７、フィルタ１６、圧力検知器１７、及び流量検知器１８の配置順番は図２に示す順番に限定されるものでない。

以上のように構成された燃料電池システム１により、燃料電池システム１が停止した時に排気口１１から給気口８に空気が逆流しうる場合でも、燃焼用空気供給経路９上に配置された弁１２が閉止されている為、排気口１１から排出経路を通って燃焼器６に空気流れることを防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通ってフィルタ１６、圧力検知器１７、及び流量検知器１８に高温の空気が流れることを防止できる。

以上のように、本実施の形態において、燃料電池システム１が停止した時に、排気口１１から給気口８に空気が逆流しうる場合でも、燃焼用空気供給経路９上に配置された弁１２が閉止されている為、排気口１１から排出経路を通って燃焼器６に空気が流れることを防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通って流量検知器１８、圧力検知器１７、およびフィルタ１６に高温の空気が流れることを防止できる。この為、流量検知器１８、圧力検知器１７、およびフィルタ１６が耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防止でき、燃焼用空気供給経路９上に配置された燃焼用空気供給器７、流量検知器１８、圧力検知器１７、およびフィルタ１６が熱劣化することを抑制することができる。

（実施の形態３）
図１及び図２は本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの概略の構成を示す模式図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１は、実施の形態１及び２に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、制御器１３が燃焼器６の火炎消火後に、燃焼用空気供給器７の運転を継続し、弁１２を閉止後もしくは同時に燃焼用空気供給器７を停止するよう制御するように構成されている点が異なる。

以上のように構成された燃料電池システム１により燃焼器６の消火後に排気口１１から給気口８に空気が逆流しうる場合でも、弁１２を閉止するまで燃焼用空気供給器７の運転を継続され、弁１２が閉止するまでは、燃焼用空気供給器７から排気口１１への空気の流れを保つことが出来る為、排気口１１から排出経路１０を通り燃焼器６に空気が流れることをより確実に防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むこと防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通って燃焼用空気供給器７へ高温の空気が流れることが防止できる。

以上のように、本実施の形態において、燃焼器６の消火後に排気口１１にかかる圧力が給気口８にかかる圧力より大きくなった場合でも、弁１２を閉止するまで燃焼用空気供給器７の運転を継続され、弁１２が閉止するまでは、燃焼用空気供給器７から排気口１１への空気の流れを保つことが出来る為、空気が排気口１１から排出経路１０を通り燃焼器６に流れることをより確実に防止できる。この為、燃焼器６内が高温であったとしても、燃焼器６に空気が流れ込むこと防ぐことができ、燃焼器６から燃焼用空気供給経路９を通って燃焼用空気供給器７へ高温の空気が流れることが防止できる。この為、燃焼用空気供給経路９上に配置された燃焼用空気供給器７、流量検知器１８、圧力検知器１７、およびフィルタ１６が耐熱温度以上の高温の空気にさらされることを防ぐことができ、燃焼用空気供給器７、流量検知器１８、圧力検知器１７、およびフィルタ１６が熱劣化することを抑制することができる。

さらに、燃焼器６に空気が流れ込むことを防ぐことが出来る為、流入した空気により燃焼器６が冷却されることを防止でき、さらに燃料処理器３が冷却されることも抑制できる。

この為、燃料電池システム１停止中の燃焼器６及び燃料処理器３の温度低下を抑制でき、再び運転する際に燃焼器６及び燃料処理器３を高温にする為のエネルギーを低減する事が出来るので、燃料電池システム１のエネルギー効率をあげ、省エネ性を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムのエネルギー効率をあげ、省エネ性を向上させることが可能であり、家庭用、定置用及び自動車用の燃料電池システム等の用途に適用できる。

１ 燃料電池システム
２ 筐体
３ 燃料処理器
４ 燃料電池
５ 反応用空気供給器
６ 燃焼器
７ 燃焼用空気供給器
８ 給気口
９ 燃焼用空気供給経路
１０ 排出経路
１１ 排気口
１２ 弁
１３ 制御器
１４ 原料ガス経路
１５ 水経路
１６ フィルタ
１７ 圧力検知器
１８ 流量検知器
１９ 反応用空気供給経路
２０ 水素含有ガス経路
２１ オフガス経路

Claims (2)

1. 水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される未反応の前記水素含有ガスを燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃料電池及び前記燃焼器をその内部に配置する筺体と、
   前記筺体に形成され、前記燃焼器で燃焼するための燃焼空気を給気する給気口と、
   一端が前記燃焼器に接続され、他端が大気に開放される排気口であり、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを排出する排出経路と、
   前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、
   前記燃焼用空気供給器と前記燃焼器とを連通する燃焼用空気供給経路と、
   前記燃焼用空気供給経路上に配置された弁と、
   前記弁を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記燃焼器の消火後に、前記燃焼用空気供給器の運転を継続し、前記弁を閉止した後、前記燃焼用空気供給器を停止するよう制御する、燃料電池システム。
2. 前記燃焼用空気供給経路上に配置された流量検知器、圧力検知器、およびフィルタのうち少なくともいずれか１つの補器を備え、
   前記弁は、補器と燃焼器との間に配置される、請求項１に記載の燃料電池システム。

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