JPH0922714A - 燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをリ
サイクルし、外部から新たに供給した燃料ガス（副性水
素）に前記オフガスを混合させた上で燃料電池の燃料極
に再循環させる燃料電池発電装置を対象に、オフガスの
リサイクルに伴って燃料ガスに含まれている水素以外の
微量な不純物の濃度が蓄積するのを抑制し、燃料電池を
長期間安定した性能で運転が行えるようにする。 【構成】燃料電池１の燃料極１ａのガス出口と燃料ガス
供給回路２に設置のエゼクタポンプ３との間に配管した
オフガスのリサイクル回路４に対して、その配管路の途
中に大気側に開放したガスパージライン７を分岐配管
し、リサイクルするオフガスの一部を前記ガスパージラ
インを通じて系外に放出する。これにより、燃料ガス中
に含まれている微量な不純物がリサイクルの繰り返しで
系内に蓄積するのを抑制して電池性能の安定維持が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池から排出され
る燃料オフガスをリサイクルし、外部より新たに供給し
た水素リッチな燃料ガスにオフガスを混合させて燃料電
池の燃料極に再循環させるようにした燃料電池発電装
置、特にそのオフガスリサイクル方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近になり、例えば食塩電解工場，ある
種の合成化学工場などで主製品の生産に伴う副生物とし
て得られる副生水素を、燃料電池の原燃料ガスとして利
用するオンサイト用燃料電池発電装置の開発が進められ
ている。また、この燃料電池発電装置について、原燃料
の消費量節減，並びに燃料電池の水素利用率を低めて出
力特性の改善を図ることを狙いに、燃料電池から排出さ
れる燃料オフガス（燃料電池の水素利用率は通常６０〜
８０％であり、オフガスには燃料電池の電気化学反応に
寄与しなかった水素が含まれている）をリサイクルし、
外部より新たに供給した燃料ガス（化学工場での副生水
素）にオフガスをエゼクタなどを介して混合させた上で
燃料電池に供給し、ようにした方式のものが知られてい
る。

【０００３】図１０は前記したオフガスリサイクル方式
を採用した従来の燃料電池発電装置のシステムフロー図
である。図において、１は燃料電池（リン酸型燃料電
池）、１ａ，１ｂ，１ｃは模式的に表した燃料極，空気
極，冷却板、２はサイト側の副生水素供給源に通じる燃
料ガス供給回路、３は燃料ガス供給回路２に介装したエ
ゼクタポンプ（燃料ガスを作動ガスとして作動するポン
プ）、４は燃料電池１の燃料のオフガス出口と前記エゼ
クタポンプ３との間に配管したオフガスのリサイクル回
路、５は空気供給回路、６は空気ブロアである。

【０００４】かかる構成で、燃料ガス（水素リッチな副
生ガス）と空気を燃料電池１の燃料極１ａ，空気極１ｂ
に供給し、その電気化学的反応で発電することは周知の
通りである。また、燃料電池１の燃料極１ａから排出し
たオフガス（燃料電池で消費されなかった水素を含む）
はリサイクル回路４を経由してエゼクタポンプ３に吸い
込まれ、ここで外部から新たに供給された燃料ガスと合
流する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、化学工場で
の副生物として得た副生水素は精製して燃料電池に供給
するようにしているが、その純度は工場によって異な
り、水素以外に微量ながら酸素，塩素，アンモニアなど
の不純物を含んでいる。そのために、前記のように燃料
電池のオフガスをリサイクルして燃料電池に再循環させ
ると、リサイクルの繰り返しに伴って不純物が次第に濃
縮して燃料電池に導入される燃料ガスの不純物濃度が上
昇し、これが原因で長期運転の間に燃料電池の電極触媒
活性を低下させたり、腐食を与えたりして電池性能に悪
影響を及ぼすおそれがある。

【０００６】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをリ
サイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな燃料
ガスに前記オフガスを混合させた上で燃料電池の燃料極
に供給して発電を行う燃料電池発電装置を対象に、その
第１の目的は燃料オフガスのリサイクル過程でオフガス
の一部を系外に放出して電池性能に悪影響を及ぼすガス
中の不純物の蓄積を抑制するようにし、また第２の目的
はオフガスの一部を系外に放出する際に大気側から系内
への空気逆流を防いで安全に運転が行えるようにした燃
料電池発電装置のオフガスリサイクル方式を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明によれば、燃料電池のオフガス出口と
燃料ガス供給回路における燃料ガス／オフガス混合地点
との間に配管したオフガスのリサイクル回路に対し、そ
の配管路に大気側に開放したガスパージラインを分岐配
管し、リサイクルするオフガスの一部を前記ガスパージ
ラインを通じて系外に放出するものとする。

【０００８】また、前記方式の実施に際して第２の目的
を達成するために、本発明によれば、リサイクル回路の
ガス圧低下時にガスパージラインを通じて大気側から空
気がリサイクル回路に流入するのを防ぐ空気逆流防止手
段を備えるものとし、その空気逆流防止手段は、具体的
に次記のような態様で実施することができる。 １）空気逆流防止手段として、ガスパージラインに外部
から不活性ガスを導入する不活性ガス供給ラインを設け
る。

【０００９】２）前項１）において、不活性ガス供給ラ
インを通じてガスパージラインへ不活性ガスを常時供給
する。 ３）前項１）において、不活性ガス供給ラインにガス供
給弁を備え、リサイクル回路のガス圧力変動に対応して
ガス供給弁を開閉制御する。 ４）前項３）において、ガスパージラインに圧力計，な
いし酸素濃度計を備え、その信号を基にガス供給弁を開
閉制御する。

【００１０】５）空気逆流防止手段として、リサイクル
回路のガス圧を検出する圧力計、および燃料ガス供給回
路に接続した流量調節弁を備え、前記ガス圧検出手段の
信号を基に、オフガスのガス圧低下時には流量調節弁の
調節により燃料ガス供給量を増量してオフガスのガス圧
を大気圧以上に保持するようにする。 ６）空気逆流防止手段として、リサイクル回路にガス圧
を検出する圧力計，および圧力調節弁を備え、前記圧力
計の信号を基に、オフガスのガス圧低下時には圧力調節
弁の弁開度を絞って燃料電池より排出するオフガスのガ
ス圧力を大気圧以上に保持するようにする。

【００１１】７）前項６）において、圧力調節弁をガス
パージラインの分岐地点より下流側，ないしはガスパー
ジラインに備える。 ８）空気逆流防止手段として、リサイクル回路のガス圧
を検出する圧力計、燃料ガス供給回路に接続した流量調
節弁、およびリサイクル回路に圧力調節弁を備え、前記
圧力計の信号を基に、オフガスのガス圧低下時には流量
調節弁の調節により燃料ガス供給量を増量するととも
に、圧力調節弁の弁開度を絞って燃料電池より排出した
オフガスのガス圧力を大気圧以上に保持するようにす
る。

【００１２】さらに、大気側から系内への空気逆流が原
因で燃料電池がダメージを受けるのを防止する手段とし
て、ガスパージラインに圧力計を備え、その検出値が大
気圧を基準に設定した許容下限値に達した際に燃料電池
を緊急停止する、あるいはガスパージラインに酸素濃度
計を備え、該計器が酸素を検出した際に燃料電池を緊急
停止する方式もある。

【００１３】

【作用】前記のように燃料電池から排出される燃料オフ
ガスをリサイクルする過程で、オフガスの一部をリサイ
クル回路から分岐したガスパージラインを通じて系外に
放出することにより、オフガスのリサイクル量が減少し
てその分だけガス中に含まれている不純物濃度の上昇が
抑制される。なお、外部から燃料電池に供給する燃料ガ
ス（副生水素）のガス圧ははゲージ圧で数百mmAg程度で
あり、また燃料電池から排出されるオフガスのガス圧
は、リサイクル回路の配管径にもよるが、大凡１００〜
２００mmAgであって大気圧よりも高い。

【００１４】ところで、リサイクル回路を流れるオフガ
スは外部から新たに供給する燃料ガスを駆動ガスとする
エゼクタ（図１０参照）に吸い込まれるため、例えば燃
料電池の負荷が急増（燃料電池での燃料ガス消費量が増
大する）するなどして過渡的に燃料電池から排出される
オフガスの量が減少すると、リサイクル回路のガス圧が
低下して大気圧に対して負圧になり、このためにガスパ
ージラインを通じて大気側から系内に空気が逆流して燃
料ガスに空気が混入するおそれがある。このような事態
になると燃料ガスの水素と空気中の酸素とが直接反応し
て電池性能を低下させ、空気の混入量が増加すれば安全
上の問題も派生する。

【００１５】かかる点、空気の逆流防止手段としてガス
パージラインに窒素などの不活性ガスを導入すれば、オ
フガスのガス圧が低下した場合でも大気側から空気が系
内に逆流するのを防止できる。また、オフガスの圧力低
下を圧力計で検出し、その信号を基に燃料ガス供給回路
に接続した流量調節弁の弁開度を開いて燃料ガスの供給
量を増量すれば、これに伴ってオフガス量も増えてリサ
イクル回路のガス圧が回復するので、空気の逆流が防止
できる。同様にオフガスの圧力低下時にリサイクル回路
に介装した圧力調節弁の弁開度を絞るように調節すれ
ば、弁より上流側の管路を流れるオフガスのガス圧が回
復する。

【００１６】さらに、リサイクル回路のガスパージライ
ンに配した圧力計，あるいは酸素濃度計にてガス圧，酸
素濃度を監視し、電池負荷の増大などでオフガスのガス
圧が大気圧を基準に設定した許容下限値以下に低下した
り、あるいはガス低下に伴って大気中から空気が逆流防
して酸素が検出される事態になった場合には、前記圧力
計，酸素濃度計の検出信号を基に燃料電池を緊急停止す
ることで、燃料電池のダメージを未然に回避して保護で
きる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、各実施例の図中で図１０に対応する同一部
材には同じ符号が付してある 実施例１：図１は本発明の請求項１に対応する実施例を
示すものであり、オフガスのリサイクル回路４に対し
て、その途中から大気中に開放したガスパージライン７
が分岐接続されている。このガスパージライン７はリサ
イクル回路４の本管に較べて管径の細い管を使用し、燃
料電池１から排出されるオフガスの量を１００％として
例えば５％程度のオフガスをガスパージライン７より大
気側に放出し、残りの９５％をリサイクル回路４を通じ
て燃料ガス供給回路２へリサイクルするようにしてい
る。

【００１８】このように、燃料電池の運転時にオフガス
の一部をリサイクル回路４からガスパージライン７を通
じて系外に放出することにより、燃料ガス中に含まれて
いる微量の不純物がオフガスリサイクルの繰り返しで高
い濃度に濃縮されるのを抑制でき、それだけ燃料電池の
電池性能に及ぼす悪影響を軽減して長期間に亘り安定し
た電池性能の維持が図れる。

【００１９】実施例２：図２は実施例１のガスパージラ
イン７に対して、空気の逆流防止手段として不活性ガス
供給ラックを備えた本発明の請求項２，３，４に対応す
る実施例を締めものである。この実施例においては、ガ
スパージライン７にガス供給弁８を介して不活性ガス
（窒素）供給源に通じる不活性ガス供給ライン９を接続
し、燃料電池１の運転中にガス供給弁９を開いて不活性
ガス（ガス圧を大気圧より若干高い圧力に設定してお
く）を常時導入する。

【００２０】かかる構成により、燃料電池の運転中に電
池負荷の急増などに伴ってリサイクル回路４を流れるオ
フガスのガス圧が低下し、大気圧に対して負圧になった
場合でも大気側から空気の逆流するこおそれがない。 実施例３：図３は本発明の請求項５，６に対応する前記
実施例２の応用実施例を示し、オフガスのリサイクル回
路４から分岐したガスパージライン７に圧力計１０を配
備し、そのガス圧の検出値を基に図２の不活性ガス供給
ライン９に接続したガス供給弁８を開閉制御するように
したものである。

【００２１】ここで、オフガスが十分なガス圧を保って
いる定常運転時には前記ガス供給弁８を閉じておき、オ
フガスの一部をガスパージライン７を通じて系外に放出
する。一方、オフガスのガス圧が大気圧を基準に設定し
た許容下限値に低下すると、圧力計１０の検出値を基に
ガス供給弁８を開いてガスパージライン７に不活性ガス
を導入し、大気側から空気が逆流するのを防止する。

【００２２】実施例４：図４は前記実施例３の応用実施
例を示すものであり、この実施例においては、実施例３
の圧力計を酸素濃度計１１に置き換え、不活性ガス供給
ライン９のガス供給弁８を開閉制御するようにしてい
る。すなわち、オフガスのガス圧が許容下限圧以下に低
下し、このためにガスパージライン７を通じて大気側か
ら空気が逆流して酸素濃度計１１が空気中の酸素を検出
すると、その信号を基にガス供給弁８を開いてガスパー
ジライン７に不活性ガスを導入し、リサイクル回路４へ
の空気逆流を防止する。

【００２３】実施例５：図５は先記実施例２〜４とは異
なる空気逆流防止手段を備えた本発明の請求項７に対応
する実施例を示すものである。この実施例においては、
空気逆流防止手段として、ガスパージライン７に配した
圧力計１０のほかに、燃料ガス供給回路２にはエゼクタ
３の上流側に流量調節弁１２，およびガス流量計１３を
備えている。

【００２４】そして、電池負荷の急増時など、燃料電池
１から排出するオフガス量が減少してリサイクル回路４
に流れるオフガスのガス圧が低下した際には、圧力計１
０の検出信号を基に流量調節弁１２の弁開度を大きくな
るように調節制御して、燃料電池１に供給する燃料ガス
量を増量し、そのガス流量の増加をガス流量計１３によ
り検出してフィードバック制御する。これにより、燃料
電池１から排出するオフガス量も増加してリサイクル回
路４，およびガスパージライン７のガス圧が回復し、こ
の結果としてガスパージライン７を通じて大気側からの
空気逆流が防止される。

【００２５】実施例６：図６は実施例５をさらに発展さ
せた本発明の請求項８，９，１０に対応する実施例を示
すものである。この実施例においては、図５の構成に加
えてリサイクル回路４におけるガスパージライン７の分
岐点より下流側に圧力調節弁１４が追加装備されてい
る。

【００２６】そして、オフガスの圧力低下時には、圧力
計１０の検出信号う基に実施例５と同様に燃料ガス供給
回路２に接続した流量調節弁１２の弁開度を開いて燃料
電池１から排出するオフガス量を増量する方向に制御す
るとともに、同時にリサイクル回路４に接続した圧力調
節弁１４の弁開度を絞り、ガスパージライン７を含めた
圧力調節弁１４の上流側のガス圧を急速に回復させて大
気側からの空気逆流を防止する。なお、オフガスの圧力
低下が大きい場合には圧力が十分回復するまで圧力調節
弁１４を完全に閉じてオフガスのリサイクルを一時的に
中断させる方法をある。

【００２７】実施例７：図７は前記実施例６の応用実施
例を示すものであり、この実施例では図６における圧力
調節弁１４がガスパージライン７に移し変えて設置され
ている。そして、オフガスの圧力低下時には圧力調節弁
１４を絞るか，あるいは閉じてガスパージライン７にお
ける系内側のガス圧を大気圧よりも高い圧力に保持し、
空気の逆流防止を図る。

【００２８】実施例８：図８は本発明の請求項１記載の
１０に対応する実施例を示すものである。この実施例に
おいては、ガスパージライン７に配した圧力計１０によ
りオフガスのガス圧を監視し、ガス圧が大気圧を基準と
した許容下限値まで低下した場合には、圧力計１０の検
出信号を基に燃料電池発電装置の運転制御部１５から緊
急停止指令を出力し、燃料ガス系への空気逆流により燃
料電池１がダメージを受ける以前に発電装置の運転を停
止して保護する。

【００２９】実施例９：図９は実施例８の応用実施例を
示すものであり、図８における圧力計１０を酸素濃度計
１１に置き換え、酸素濃度計１１がガスパージライン７
からの空気逆流防止を検出した際には、運転制御部１５
からの指令で直ちに燃料電池発電装置を緊急停止させ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のオフガスリ
サイクル方式によれは次記の効果を奏する。 １）請求項１によれば、オフガスのリサイクル回路から
分岐したガスパージラインを設けて燃料電池から排出す
るオフガスの一部を系外に放出するようにしたので、化
学工場から得た副生水素などの燃料ガスに含まれている
水素以外の微量な不純物の濃度がオフガスをリサイクル
する間に燃料ガス系内に増大するのを抑制し、これによ
り長期間に亘って燃料電池を安定した性能を維持して運
転することができる。

【００３１】２）また、前記のガスパージラインに対し
て、請求項３ないし１２に記した各種の空気逆流防止手
段を採用することにより、燃料電池の負荷変動などに起
因してリサイクル回路のガス圧が低下した際でも、ガス
パージラインを通じて大気側から空気が燃料ガス系に逆
流するのを防止することがてき、これにより燃料電池を
燃料ガスの水素と空気中の酸素との直接反応に起因する
性能低下，ダメージから安全に保護してオフガスリサイ
クル方式の信頼性向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する実施例のシステム
フロー図

【図２】本発明の実施例２に対応する実施例のシステム
フロー図

【図３】本発明の実施例３に対応する実施例のシステム
フロー図

【図４】本発明の実施例４に対応する実施例のシステム
フロー図

【図５】本発明の実施例５に対応する実施例のシステム
フロー図

【図６】本発明の実施例６に対応する実施例のシステム
フロー図

【図７】本発明の実施例７に対応する実施例のシステム
フロー図

【図８】本発明の実施例８に対応する実施例のシステム
フロー図

【図９】本発明の実施例９に対応する実施例のシステム
フロー図

【図１０】従来における燃料電池発電装置のオフガスリ
サイクル方式を示すシステムフロー図

【符号の説明】

１ 燃料電池 １ａ 燃料極 ２ 燃料ガス供給回路 ３ エゼクタポンプ ４ オフガスのリサイクル回路 ７ ガスパージライン ８ ガス供給弁 ９ 不活性ガス供給ライン １０ 圧力計 １１ 酸素濃度計 １２ 流量調節弁 １３ ガス流量計 １４ 圧力調節弁 １５ 運転制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 浩 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 三上 誠 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の燃料極から排出されるオフガス
   をリサイクルし、外部から新たに供給した水素リッチな
   燃料ガスに前記オフガスを混合させた上で燃料電池の燃
   料極に供給して発電を行う燃料電池発電装置において、
   燃料電池のオフガス出口と燃料ガス供給回路における燃
   料ガス／オフガス混合地点との間に配管したオフガスの
   リサイクル回路に対し、その配管路に大気側に開放した
   ガスパージラインを分岐配管し、リサイクルするオフガ
   スの一部を前記ガスパージラインを通じて系外に放出す
   るようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置のオフ
   ガスリサイクル方式。
2. 【請求項２】請求項１記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、リサイクル回路のガス圧低下時にガスパージラ
   インを通じて大気側から空気がリサイクル回路に流入す
   るのを防ぐ空気逆流防止手段を備えたことを特徴とする
   燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方式。
3. 【請求項３】請求項２記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、空気逆流防止手段として、ガスパージラインに
   外部から不活性ガスを導入する不活性ガス供給ラインを
   設けたことを特徴とする燃料電池発電装置のオフガスリ
   サイクル方式。
4. 【請求項４】請求項３記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、不活性ガス供給ラインを通じてガスパージライ
   ンへ不活性ガスを常時供給することを特徴とする燃料電
   池発電装置のオフガスリサイクル方式。
5. 【請求項５】請求項３記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、不活性ガス供給ラインにガス供給弁を備え、リ
   サイクル回路のガス圧力変動に対応してガス供給弁を開
   閉制御することを特徴とする燃料電池発電装置のオフガ
   スリサイクル方式。
6. 【請求項６】請求項５記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、ガスパージラインに圧力計，ないし酸素濃度計
   を備え、その信号を基にガス供給弁を開閉制御すること
   を特徴とする燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方
   式。
7. 【請求項７】請求項２記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、空気逆流防止手段として、リサイクル回路のガ
   ス圧を検出する圧力計、および燃料ガス供給回路に接続
   した流量調節弁を備え、前記ガス圧検出手段の信号を基
   に、オフガスのガス圧低下時には流量調節弁の調節によ
   り燃料ガス供給量を増量してオフガスのガス圧を大気圧
   以上に保持するようにしたことを特徴とする燃料電池発
   電装置のオフガスリサイクル方式。
8. 【請求項８】請求項２記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、空気逆流防止手段として、リサイクル回路にガ
   ス圧を検出する圧力計，および圧力調節弁を備え、前記
   圧力計の信号を基に、オフガスのガス圧低下時には圧力
   調節弁の弁開度を絞って燃料電池より排出するオフガス
   のガス圧力を大気圧以上に保持するようにしたことを特
   徴とする燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方式。
9. 【請求項９】請求項８記載のオフガスリサイクル方式に
   おいて、圧力調節弁をガスパージラインの分岐地点より
   下流側，ないしはガスパージラインに備えたことを特徴
   とする燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方式。
10. 【請求項１０】請求項２記載のオフガスリサイクル方式
    において、空気逆流防止手段として、リサイクル回路の
    ガス圧を検出する圧力計、燃料ガス供給回路に接続した
    流量調節弁、およびリサイクル回路に圧力調節弁を備
    え、前記圧力計の信号を基に、オフガスのガス圧低下時
    には流量調節弁の調節により燃料ガス供給量を増量する
    とともに、圧力調節弁の弁開度を絞って燃料電池より排
    出するオフガスのガス圧力を大気圧以上に保持するよう
    にしたことを特徴とする燃料電池発電装置のオフガスリ
    サイクル方式。
11. 【請求項１１】請求項１記載のオフガスリサイクル方式
    において、ガスパージラインに圧力計を備え、その検出
    値が大気圧を基準に設定した許容下限値に達した際に燃
    料電池を緊急停止することを特徴とする燃料電池発電装
    置のオフガスリサイクル方式。
12. 【請求項１２】請求項１記載のオフガスリサイクル方式
    において、ガスパージラインに酸素濃度計を備え、該計
    器が酸素を検出した際に燃料電池を緊急停止することを
    特徴とする燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方
    式。