JP2003317772A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素リッチな燃料ガスと酸素含有ガスとの反
応により発電を行う燃料電池発電システムにおいて、原
料ガスを改質して燃料ガスを生成する反応器(42〜45)の
触媒劣化やコストアップなどの問題が生じないパージ運
転を可能にする。 【解決手段】 燃料電池(10)の排ガスを燃焼して得られ
る不活性な燃焼排ガスを運転停止時にパージガスとし
て、これを原料ガスの流れる水素系統回路(30)に供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムに関し、特に、燃料ガスが流れる水素系統回路の配
管内を運転停止時にパージする機構を備えた燃料電池発
電システムに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電システムは、燃料
の酸化により生じる化学的エネルギーを電気エネルギー
に変換するように構成されている。この燃料電池発電シ
ステムは、具体的には、都市ガスなどの原料ガスを改質
して生成される水素リッチな燃料ガスと空気（酸素含有
ガス）とを燃料電池に供給し、燃料ガス中の水素と空気
中の酸素との反応により水ができるときのエネルギーを
電気に変換する。

【０００３】この燃料電池発電システムでは、例えば、
原料ガスの改質プロセスにおいて、原料ガスに酸素及び
水蒸気を混合したものを、水素系統回路の脱硫器、改質
器、変成器、及び一酸化炭素除去器などの反応器に順に
通過させることにより、水素を主体とする燃料ガスを生
成するようにしている。

【０００４】このうち、脱硫器では原料ガスから硫黄化
合物を除去する処理を行い、改質器では脱硫後の原料ガ
スから水素リッチな燃料ガスを生成する処理を行う。こ
の改質器では、原料ガスの改質反応に伴って一酸化炭素
も発生するが、燃料ガスが一酸化炭素を含んだままで燃
料電池に供給されると燃料電池の電池電極に利用されて
いる触媒が被毒して十分な発電特性が得られなくなる。
そこで、上記変成器では一酸化炭素を二酸化炭素に変成
する処理を行う。

【０００５】また、上記一酸化炭素除去器は、変成器を
通過した燃料ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する
ために用いられている。これは、燃料電池発電システム
の発電特性を十分に高めるためには、燃料ガス中の一酸
化炭素濃度を例えば１０ｐｐｍ以下のレベルまで低減さ
せることが必要であり、一般に上記変成器だけでは不十
分であるのを補うためである。具体的には、改質器及び
変成器で改質した燃料ガスに空気を混合し、これを一酸
化炭素選択酸化触媒を含んだ一酸化炭素除去器に通過さ
せることによって、残った一酸化炭素を除去する処理を
行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記システ
ムに設けられている各反応器内が燃料ガスで満たされた
状態で運転を停止すると、燃料ガス中の水蒸気が触媒上
で凝縮し、触媒劣化の進行を早める原因となる。また、
システム内を可燃性の燃料ガスで充満させたまま放置し
ておくことも安全衛生上好ましいことではない。このた
め、従来の燃料電池発電システムでは、例えば特開平７
−７３８９５号公報に記載されているように、運転停止
時には、各反応器内や配管内を通常は窒素などの不活性
ガスでパージする方法が採られている。

【０００７】しかし、このようにすると不活性ガスのガ
スボンベやガス発生装置を別途用意する必要があり、シ
ステム構成が複雑になるとともにコストが高くなり、ボ
ンベの交換等のメンテナンスも必要となる。

【０００８】また、例えば空気をパージガスとして用い
ると、触媒の劣化を招いてしまうおそれがある。これ
は、燃料改質系の触媒の中には通常は卑金属触媒が含ま
れていて、この卑金属触媒が活性金属を還元した状態で
用いられているために、空気による急な酸化が大きな発
熱を伴い、触媒に急な熱衝撃を与えて劣化を早める原因
となってしまうからである。

【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みて創案
されたものであり、その目的とするところは、水素系統
回路の反応器の触媒劣化やシステムのコストアップを伴
わずに、運転停止時のパージを行えるようにすることで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池(10)
の排ガスを燃焼して得られた燃焼排ガスをパージガスと
して用いるようにしたものである。

【００１１】具体的に、請求項１に記載の発明は、原料
ガスを改質して生成される燃料ガスが流れる水素系統回
路(30)と、酸素含有ガスが流れる酸素系統回路(20)と、
水素系統回路(30)及び酸素系統回路(20)に接続されると
ともに燃料ガス中の水素と酸素含有ガス中の酸素との反
応により発電を行う燃料電池(10)とを備え、水素系統回
路(30)に、原料ガスと酸素及び水蒸気とから水素リッチ
な燃料ガスを生成する反応器(40)を備えた燃料電池発電
システムを前提としている。

【００１２】そして、この燃料電池発電システムは、燃
料電池(10)から排出される排ガスを燃焼する燃焼器(70)
と、該燃焼器(70)で排ガスを燃焼した後の燃焼排ガスを
水素系統回路(30)の原料ガス供給管(31)に導入するパー
ジガス供給通路(72)と、該パージガス供給通路(72)を開
閉する開閉機構(SV5) とを備えていることを特徴として
いる。

【００１３】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の燃料電池発電システムにおいて、水素系統回路
(30)に、燃料電池(10)の流入側と流出側に連通して燃料
電池をバイパスするバイパス通路(31a) を備え、運転停
止時に、水素系統回路(30)が燃料電池(10)をバイパスし
て反応器(40)から燃焼器(70)へ連通する状態として、パ
ージガス供給通路(72)の開閉機構(SV5) を開いて燃焼排
ガスを原料ガス供給管(31)に導入するように構成されて
いることを特徴としている。

【００１４】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載の燃料電池発電システムにおいて、水素
系統回路(30)の反応器(40)が、原料ガスを改質して燃料
ガスを生成する改質器(44)を含み、改質器(44)を構成し
ている改質触媒が、アルミナ、シリカ、シリカアルミ
ナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以
上を含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、
パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を
担持していることを特徴としている。

【００１５】また、請求項４に記載の発明は、請求項
１，２または３に記載の燃料電池発電システムにおい
て、水素系統回路(30)の反応器(40)が、該燃料ガスに含
まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変成器(45)を
含み、変成器(45)を構成している変成触媒が、セリア、
ジルコニア、チタニアの少なくとも１つ以上を含む担体
に白金を担持していることを特徴としている。

【００１６】また、請求項５に記載の発明は、請求項
１，２，３または４に記載の燃料電池発電システムにお
いて、水素系統回路(30)の反応器(40)が、燃料ガス中の
未反応の一酸化炭素を酸化して除去する一酸化炭素除去
器(46)を含み、一酸化炭素除去器(46)を構成している一
酸化炭素除去触媒が、アルミナ、シリカ、シリカアルミ
ナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以
上を含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、
パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を
担持していることを特徴としている。

【００１７】さらに、請求項６に記載の発明は、請求項
１，２，３，４または５に記載の燃料電池発電システム
において、燃焼器(70)を構成している燃焼触媒が、アル
ミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニ
ア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体に、パラジ
ウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持し
ていることを特徴としている。

【００１８】本発明においては、原料ガスと酸素及び水
蒸気とから、改質器(44)での改質反応と、変成器(45)と
一酸化炭素除去器(46)とにおける反応などを経て、水素
リッチな燃料ガスが生成される。そして、この燃料ガス
と酸素含有ガスとが燃料電池(10)に供給され、発電が行
われる。

【００１９】システムの停止の際には、燃料電池(10)へ
の燃料ガスの供給を停止するとともに、燃焼器(70)で燃
料電池(10)の排ガスを燃焼した後の燃焼排ガスを原料ガ
ス供給管(31)に導入することによって、水素系統回路(3
0)の反応器(40)と配管がパージされる。燃焼排ガスは酸
素をほとんど含まず不活性であるため、反応器(40)の触
媒が急激に酸化されて熱劣化するのを抑えられる。ま
た、水蒸気による触媒の劣化も抑えられる。

【００２０】特に、各反応器に貴金属触媒を用いると、
卑金属触媒よりも酸素による性能低下が少ないため、触
媒の劣化をさらに確実に抑えられる。

【００２１】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態１を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００２２】図１は、この燃料電池発電システムの回路
系統図である。この燃料電池発電システムは、燃料電池
(10)と、空気（酸素含有ガス）が流れる酸素系統回路(2
0)と、燃料ガスが流れる水素系統回路(30)とを備えてい
る。水素系統回路(30)には、原料ガスとしての都市ガス
を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するように、複
数の反応器により構成された改質装置(40)が設けられて
いる。そして、燃料ガスと酸素含有ガスとが燃料電池(1
0)に供給され、該燃料電池(10)において燃料ガス中の水
素と酸素含有ガス（酸化剤ガス）中の酸素とが反応して
発電が行われる。

【００２３】また、この燃料電池発電システムは、温水
を生成する水循環路(50)を備えており、いわゆるコジェ
ネレーションシステムを構成している。

【００２４】上記燃料電池(10)は、固体高分子電解質型
に構成されている。この燃料電池(10)では、フッ素系の
高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子を分
散させて電極を形成することで、単電池が構成されてい
る。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノード）
となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃料電
池(10)は、バイポーラ板を介して単電池が積層されたス
タック（集合電池）を構成している。なお、上述した燃
料電池(10)の構造については、図示を省略する。

【００２５】上記燃料電池(10)では、バイポーラ板と電
解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路(11)が形成
され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって水素
極側ガス通路(12)が形成されている。酸素極側ガス通路
(11)には、その入口側に空気供給管(21)が接続され、そ
の出口側に酸素極排気管(22)が接続されている。一方、
水素極側ガス通路(12)には、その入口側に改質装置(40)
及び水素供給管(31)が配管接続され、その出口側に水素
極排気管(32)が接続されている。

【００２６】燃料電池(10)には、冷却水回路(60)が接続
されている。この冷却水回路(60)は、冷却水が充填され
た閉回路であって、冷却水ポンプ(61)と冷却水タンク(6
2)と水熱交換器(63)と第１加熱熱交換器(64)とが接続さ
れている。冷却水回路(60)は、冷却水が循環することに
よって、燃料電池(10)を所定の作動温度に保つ作用をす
るものである。

【００２７】上記空気供給管(21)は、その始端が屋外に
開口し、その終端が燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(1
1)に接続されている。空気供給管(21)には、その始端か
ら終端に向かって順に、ブロア(23)と、熱交換器である
第１ガス加熱器(24)と、第１加湿器(25)とが設けられて
いる。

【００２８】また、空気供給管(21)には、第１分岐管(2
6)が設けられている。この第１分岐管(26)は、その始端
がブロア(23)と第１ガス加熱器(24)との間に接続されて
いる。また、空気供給管(21)には第２分岐管(27)と第３
分岐管(28)とが設けられている。第２分岐管(27)は、そ
の始端が第１ガス加熱器(24)と第１加湿器(25)との間に
接続されている。第３分岐管(28)は、その始端が第１加
湿器(25)と燃料電池(10)との間に接続されている。

【００２９】上記第１加湿器(25)は、水蒸気透過膜（図
示せず）を備えている。水蒸気透過膜は、水蒸気が透過
可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜等の
親水性の膜により構成されている。上記第１加湿器(25)
には、水蒸気透過膜を介して、第１被加湿側通路(25a)
と第１排ガス通路(25b) とが区画形成されている。第１
被加湿側通路(25a) には、空気供給管(21)が接続されて
おり、酸素含有ガスとしての空気が導入される。第１排
ガス通路(25b) には、酸素極排気管(22)が接続されてお
り、燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)から電池排ガ
スとして排出された酸素極排ガスが導入される。この酸
素極排気管(22)は、第１ガス加熱器(24)を通り、室外に
開口している。

【００３０】上記改質装置(40)は、原料ガスとしての都
市ガスから水素主体の燃料ガスを生成するように構成さ
れている。この改質装置(40)には、ガスの流れに沿って
順に、脱硫器(41)と、熱交換器である第２ガス加熱器(4
2)と、第２加湿器(43)と、改質器(44)と、変成器(45)
と、ＣＯ（一酸化炭素）除去器(46)とが設けられてい
る。また、改質装置(40)における脱硫器(41)と第２ガス
加熱器(42)の間には、空気供給管(21)の第１分岐管(26)
が接続されている。この第１分岐管(26)には、電磁弁な
どの開閉弁(SV1) が設けられている。

【００３１】上記脱硫器(41)は、原料ガスとして供給さ
れた都市ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成さ
れている。

【００３２】上記第２加湿器(43)は、水蒸気透過膜（図
示せず）を備えている。水蒸気透過膜は、水蒸気が透過
可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜等の
親水性の膜により構成されている。上記第２加湿器(43)
には、水蒸気透過膜を介して、第２被加湿側通路(43a)
と第２排ガス通路(43b) とが区画形成されている。第２
被加湿側通路(43a) は、改質装置(40)における第２ガス
加熱器(42)と改質器(44)の間に設けられ、原料ガスが導
入される。第２排ガス通路(43b) には、水素極排気管(3
2)が接続されており、燃料電池(10)の水素極側ガス通路
(12)から電池排ガスとして排出された水素極排ガスが導
入される。

【００３３】上記改質器(44)は、部分酸化反応に対して
活性を呈する触媒と、水蒸気改質反応に対して活性を呈
する触媒とを備えている。改質器(44)では、部分酸化反
応及び水蒸気改質反応によって、原料ガスから水素が生
成される。その際、改質器(44)は、発熱反応である部分
酸化反応の反応熱を、吸熱反応である水蒸気改質反応の
反応熱として利用する。改質器(44)を構成している改質
触媒は、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、
ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以上を
含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラ
ジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持
したものである。

【００３４】上記変成器(45)は、シフト反応（一酸化炭
素変成反応）に活性を呈する触媒を備えている。変成器
(45)では、シフト反応によって、ガス中の一酸化炭素が
削減されると同時に水素が増加する。変成器(45)を構成
している変成触媒は、例えば、セリア、ジルコニア、チ
タニアの少なくとも１つ以上を含む担体に白金を担持し
たものである。

【００３５】上記ＣＯ除去器(46)は、ＣＯ選択酸化反応
に活性を呈する触媒を備えている。ＣＯ除去器(46)で
は、ＣＯ選択酸化反応によって、ガス中のＣＯが更に削
減される。そして、ＣＯ除去器(46)から出た水素主体の
ガスが、燃料ガスとして燃料電池(10)の水素極側ガス通
路(12)へ供給されるように、水素供給管(31)が燃料電池
(10)に接続されている。ＣＯ除去器(46)を構成している
ＣＯ除去触媒は、例えば、アルミナ、シリカ、シリカア
ルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの少なくとも１
つ以上を含む担体に、ロジウム、ルテニウム、イリジウ
ム、パラジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元
素を担持したものである。

【００３６】上記水素極排気管(32)には、燃焼器（オフ
ガスバーナ）(70)が設けられており、上記改質装置(40)
における第２加湿器(43)と燃焼器(70)の間には、上記空
気供給管(21)の第２分岐管(27)が接続されている。ま
た、この改質装置(40)における変成器(45)とＣＯ除去器
(46)との間には、上記空気供給管(21)の第３分岐管(28)
が接続されている。この第３分岐管(28)には、電磁弁な
どの開閉弁(SV2) が設けられている。

【００３７】また、水素供給管(31)には、ＣＯ除去器(4
6)と燃料電池(10)との間の位置にバイパス管(31a) が設
けられている。このバイパス管(31a) は、水素極排気管
(32)に対して、燃料電池(10)と第２加湿器(43)の間の位
置に接続されていて、水素系統回路(30)において燃料電
池(10)の流入側と流出側に連通している。また、水素供
給管(31)におけるバイパス管(31a) と燃料電池(10)の間
の位置と、該バイパス管(31a) とには、それぞれ電磁弁
などの開閉弁(SV3,SV4) が設けられ、燃料ガスの流路を
切り換えることができるようになっている。

【００３８】上記燃焼器(70)は、水素極排気管(32)の終
端に接続され、水素極排ガス中に残存する水素（Ｈ₂)な
どの可燃成分を、第２分岐管(27)から供給される空気を
利用して燃焼させるように構成されている。燃焼器(70)
を構成している燃焼触媒は、例えば、アルミナ、シリ
カ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの
少なくとも１つ以上を含む担体に、パラジウム、白金の
少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持したものであ
る。

【００３９】また、燃焼器(70)には、燃焼ガス管(71)の
始端が接続されている。燃焼ガス管(71)は、その終端が
屋外に開口すると共に、その途中に第２ガス加熱器(42)
と第１ガス加熱器(24)が設けられている。水素極排ガス
の燃焼によって生成した高温の燃焼排ガスは、燃焼ガス
管(71)を流れて屋外へ排出される。

【００４０】この燃焼ガス管(71)は、第２ガス加熱器(4
2)と第１ガス加熱器(24)の間でパージガス供給通路(72)
に分岐している。このパージガス供給通路(72)は、水素
供給管(31)における第１分岐管(26)と第２ガス加熱器(4
2)の間に接続されていて、燃焼器(70)で排ガスを燃焼し
た後の燃焼排ガスを、水素系統回路(30)の原料ガス供給
管である水素供給管(31)に第２ガス加熱器(42)の上流側
から導入する。

【００４１】このパージガス供給通路(72)には、該パー
ジガス供給通路(72)を開閉するために電磁弁などの開閉
弁(SV5) が設けられている。そして、パージガス供給通
路(72)と上記第１分岐管(26)は、それぞれの開閉弁(SV
1,SV5) を操作することにより、一方が開口して他方が
閉鎖した状態となるように制御される。

【００４２】具体的に、通常運転時には、第１分岐管(2
6)の開閉弁(SV1) を開いてパージガス供給通路(72)の開
閉弁(SV5) を閉じる設定が行われる。また、バイパス管
(31a) の開閉弁(SV4) は閉じた状態で、第３分岐管(28)
の開閉弁(SV2) と水素供給管(31)の開閉弁(SV3) とは開
いた状態となる。

【００４３】一方、運転停止時には、水素供給管(31)に
おけるバイパス管(31a) と燃料電池(10)の間の開閉弁(S
V3) を閉じて燃料電池(10)への燃料ガスの供給を停止さ
せるとともに、バイパス管(31a) の開閉弁(SV4) を開
き、さらに都市ガスの供給源を停止して水素系統回路(3
0)の各反応器(44,45,46)への原料ガスの供給を停止させ
た状態で、開閉弁(SV1) を閉じるとともに開閉弁(SV5)
を開いて、燃焼排ガスを水素供給管(31)に導入するよう
に構成されている。このとき、水素系統回路(30)は、各
反応器(40)から燃料電池(10)をバイパスして燃焼器(70)
へ連通している。

【００４４】上記水循環路(50)は、熱媒水が充填された
閉回路である。この水循環路(50)には、熱媒水の循環方
向において、循環ポンプ(51)と、水熱交換器(63)と、第
２加熱熱交換器(52)と、貯湯タンク(53)とが順に設けら
れている。水循環路(50)を循環する熱媒水は、水熱交換
器(63)及び第２加熱熱交換器(52)で加熱され、温水とな
って貯湯タンク(53)に蓄えられる。そして、貯湯タンク
(53)の温水は、必要に応じて給湯に供される。

【００４５】上記水熱交換器(63)には、図示していない
が冷却水流路と熱媒水流路とが区画形成されている。水
熱交換器(63)は、その冷却水流路が冷却水回路(60)に接
続され、その熱媒水流路が水循環路(50)に接続されてい
る。この水熱交換器(63)は、冷却水流路の冷却水と熱媒
水流路の熱媒水とを熱交換させるように構成されてい
る。また、上記第２加熱熱交換器(52)は、燃焼排ガスと
熱媒水とを熱交換させるように構成されている。

【００４６】−運転動作− 次に、上記燃料電池発電システムの運転動作を説明す
る。通常は、開閉弁(SV1,SV2,SV3) が開かれる一方、開
閉弁(SV4,SV5) が閉鎖されている。

【００４７】まず、起動時に空気供給管(21)のブロア(2
3)を運転すると、該空気供給管(21)に空気が取り込まれ
る。この空気は、その一部が第１分岐管(26)を通じて改
質装置(40)へ送られ、残りが酸素含有ガス（酸化剤ガ
ス）として第１ガス加熱器(24)へ導入される。この酸素
含有ガスは、第１ガス加熱器(24)を流れる間に、空気極
排ガスと燃焼ガスとから吸熱して加熱される。

【００４８】第１ガス加熱器(24)において加熱された酸
素含有ガスは、続いて第１加湿器(25)の第１被加湿側通
路(25a) へ流入する。このとき、第１加湿器(25)の第１
排ガス通路(25b) には、酸素極排ガスが導入されてい
る。そして、第１被加湿側通路(25a) の酸素含有ガス
（空気）には、第１加湿器（25）の水蒸気透過膜を透過
した酸素極排ガス中の水蒸気が供給される。つまり、こ
の第１加湿器(25)では、燃料電池(10)から排出された水
蒸気が酸素含有ガス（空気）に回収される。

【００４９】第１加湿器(25)において加湿された酸素含
有ガスは、燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)へ導入
される。このように、酸素極側ガス通路(11)へ導入され
る酸素含有ガスを第１加湿器(25)で加湿しておくこと
で、燃料電池(10)における電解質膜の乾燥を防止してい
る。

【００５０】改質装置(40)へは、原料ガスとして都市ガ
スが供給される。この原料ガスは、先ず脱硫器(41)へ導
入される。脱硫器(41)では、原料ガスに含まれる硫黄分
が除去される。脱硫器(41)から出た原料ガスは、第１分
岐管(26)からの空気が混入された後に、第２ガス加熱器
(42)へ導入される。この原料ガスは、第２ガス加熱器(4
2)を流れる間に燃焼ガスから吸熱して加熱される。

【００５１】第２ガス加熱器(42)において加熱された原
料ガスは、続いて第２加湿器(43)の第２被加湿側通路(4
3a) へ流入する。一方、第２加湿器(43)の第２排ガス通
路(43b) には、水素極排ガスが導入されている。そし
て、第２被加湿側通路(43a) の原料ガスには、水蒸気透
過膜を透過した水素極排ガス中の水蒸気が供給される。
この第２加湿器(43)では、改質器(44)における水蒸気改
質反応、及び変成器(45)におけるシフト反応に必要な量
の水蒸気が、原料ガスに対して付与される。

【００５２】第２加湿器(43)で加湿された原料ガスは、
改質器(44)へ導入される。つまり、改質器(44)に対して
は、都市ガス、空気、及び水蒸気の混合物である原料ガ
スが供給される。改質器(44)では、メタン（ＣＨ₄)の部
分酸化反応と水蒸気改質反応とが行われ、水素（Ｈ₂)と
一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。改質器(44)における
部分酸化反応及び水蒸気改質反応の反応式は、 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … 部分酸化反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応 に示す通りである。

【００５３】改質器(44)から流出した反応後のガスは、
変成器(45)へ送られる。変成器(45)へ導入されるガスに
は、改質器(44)で生成した水素と一酸化炭素が含まれて
いる。また、このガスには、第２加湿器(43)において供
給されたものの水蒸気改質反応に用いられなかった水蒸
気が残存している。変成器(45)では、シフト反応が行わ
れ、一酸化炭素が減少すると同時に水素が増加する。シ
フト反応の反応式は、 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応 に示す通りである。

【００５４】変成器(45)から出たガスは、ＣＯ除去器(4
6)へ導入される。ここで、変成器(45)からＣＯ除去器(4
6)へ送られるガスは、水素が主成分となっているもの
の、未だに一酸化炭素を含んでいる。この一酸化炭素
は、残ったままでは水素極の触媒毒となる。そこで、Ｃ
Ｏ除去器(46)は、ＣＯ選択酸化反応によってガス中の一
酸化炭素を更に削減する。ＣＯ選択酸化反応の反応式
は、次の通りである。 ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … ＣＯ選択酸化反
応 そして、ＣＯ除去器(46)で一酸化炭素を削減されたガス
は、燃料ガスとして燃料電池(10)の水素極側ガス通路(1
2)へ供給される。

【００５５】上述のように、燃料電池(10)には、水素極
側ガス通路(12)へ燃料ガスが供給され、酸素極側ガス通
路(11)へ酸素含有ガス（酸化剤ガス）が供給される。燃
料電池(10)は、燃料ガス中の水素を燃料とし、酸素含有
ガス中の酸素を酸化剤として発電を行う。具体的に、燃
料電池(10)では、水素極及び酸素極の電極表面において
下記の電池反応が行われる。 水素極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- 酸素極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ この電池反応により、燃料ガスに含まれる水素の燃焼反
応の化学エネルギが電気エネルギに変換される。

【００５６】燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)から
は、電池排ガスとして酸素極排ガスが排出される。この
酸素極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰酸素
が含まれている。また、酸素極排ガス中には、電池反応
によって生じたＨ₂Ｏ が水蒸気の状態で存在している。
この酸素極排ガスは、酸素極排気管(22)を通じて第１加
湿器(25)の第１排ガス通路(25b) へ導入される。上述の
ように、酸素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気透過膜を透
過して第１被加湿側通路(25a) の酸素含有ガス（空気）
へ供給される。第１加湿器(25)において水蒸気を奪われ
た酸素極排ガスは、第１ガス加熱器(24)を通過した後、
排気される。

【００５７】一方、燃料電池(10)の水素極側ガス通路(1
2)からは、電池排ガスとして水素極排ガスが排出され
る。この水素極排ガスには、電池反応に使われなかった
水素が残存している。また、水素極排ガス中には、電池
反応によって生じたＨ₂Ｏ が水蒸気の状態で存在してい
る。この水素極排ガスは、水素極排気管(32)を通じて第
２加湿器(43)の第２排ガス通路(43b) へ導入される。上
述のように、水素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気透過膜
を透過して第２被加湿側通路(43a) の原料ガスへ供給さ
れる。第２加湿器(43)において水蒸気を奪われた水素極
排ガスは、燃焼器(70)へ送り込まれる。

【００５８】燃焼器(70)は、第２分岐管(27)から供給さ
れる酸素含有ガスを利用して、水素極排ガス中の水素を
燃焼させる。この水素極排ガスの燃焼によって、高温の
燃焼ガスが生成する。この燃焼ガスは、該燃焼器(70)に
おいて、第２加熱熱交換器（52）を流れる熱媒水に対し
て放熱する。

【００５９】燃焼器(70)から流出した燃焼ガスは、続い
て第２ガス加熱器(42)へ導入される。第２ガス加熱器(4
2)では、燃焼ガスが原料ガスに対して放熱する。また、
この燃焼ガスは、さらに第１ガス加熱器(24)を通過し、
その際に酸素含有ガス（空気）に対して更に放熱する。
その後、燃焼ガスは、燃焼ガスの流路から出て屋外へ排
気される。

【００６０】一方、冷却水ポンプ(61)の運転により、冷
却水回路(60)において冷却水が循環する。具体的には、
冷却水は、まず冷却水タンク(62)から水熱交換器(63)へ
流れて水循環路(50)の熱媒水に対して放熱した後、燃料
電池(10)へ送られて吸熱作用を行う。この冷却水の吸熱
作用により、燃料電池(10)が所定の作動温度（例えば８
５℃程度）に維持される。燃料電池(10)で吸熱した冷却
水は、第１加熱熱交換器(64)においてＣＯ除去器(46)に
より加熱された後、冷却水ポンプ(61)に吸入される。そ
の後、冷却水ポンプ(61)から吐出された冷却水は、冷却
水タンク(62)に流入し、以降は同様の循環が繰り返され
る。

【００６１】また、循環ポンプ(51)の運転により、水循
環路(50)においては熱媒水が循環する。貯湯タンク(53)
から流出した熱媒水は、循環ポンプ(51)によって水熱交
換器(63)の水流路へ送り込まれる。水熱交換器(63)にお
いて、熱媒水は、熱媒水流路を流れる間に冷却水流路の
冷却水から吸熱する。これにより、燃料電池(10)とＣＯ
除去器(46)の排熱が、熱媒水に回収される。

【００６２】その後、熱媒水は、第２加熱熱交換器(52)
へ導入される。第２加熱熱交換器(52)において、熱媒水
は、燃焼器(70)の燃焼ガスから吸熱する。つまり、水素
極排ガス中に残存する水素の燃焼熱が、熱媒水に回収さ
れる。そして、第２加熱熱交換器(52)から出た熱媒水
は、貯湯タンク(53)へ送り返され、温水として貯留され
る。貯湯タンク(53)に温水として蓄えられた熱媒水は、
給湯に利用される。

【００６３】一方、本実施形態では、運転停止時に、改
質器(44)、変成器(45)、及びＣＯ除去器(46)の内部と、
これらの前後の配管内とを燃焼排ガスによりパージし
て、残存する燃料ガスによる触媒劣化の進行を防止する
ようにしている。

【００６４】具体的に、燃料電池発電システムの停止時
には、まず燃料電池(10)の電気出力を停止させるととも
に、各開閉弁(SV1〜SV5)の状態を切り換え、図２に破線
で示す配管を閉鎖した状態とする。

【００６５】このため、水素供給管(31)の開閉弁(SV3)
を閉じ、バイパス管(31a) の開閉弁(SV4) を開く操作を
行う。また、第３分岐管(28)の開閉弁(SV2) を閉鎖する
操作も行う。さらに、第１分岐管(26)の開閉弁(SV1) を
閉じ、パージガス供給通路(72)の開閉弁(SV5)を開いた
状態とする。この状態で都市ガスの供給源を止めて燃料
ガスの供給を停止する一方、ブロア(23)による酸素の供
給は風量を落として継続する。

【００６６】こうすると、燃料ガスは、燃料電池(10)の
手前でバイパス管(31a) に流入し、燃料電池(10)へは流
れない。このとき、空気供給管(21)のブロア(23)によ
り、空気が第２分岐管(27)から燃焼器(70)に送り込まれ
ており、そのエジェクタ効果によって、各反応器(42〜4
5)に残存する燃料ガスは、上記バイパス管(31a) 及び水
素極排気管(32)を通って第２加湿器(43)及び燃焼器(70)
へ流入する。このように、酸素系統回路(20)のブロア(2
3)を利用して水素系統回路(20)をパージするようにして
いるので、パージ専用の駆動源は不要である。

【００６７】この燃料ガスは、上記燃焼器(70)で燃焼さ
れ、過剰に酸素を含まない不活性の燃焼排ガスとなって
燃焼ガス管(71)に流出する。この燃焼ガスは、一部が第
１ガス加熱器(24)を通って室外へ排気され、他の一部が
水素供給管(31)に流入して、第２ガス加熱器(42)、第２
加湿器(43)、改質器(44)、変成器(45)、そしてＣＯ除去
器(46)を順に流れていく。このことにより、燃焼排ガス
でこれら反応器(42〜45)と配管内がパージされ、可燃成
分を含んだ燃料ガスが不活性の燃焼排ガスに置換され
る。したがって、燃料ガス中の水蒸気が触媒上で凝縮し
て触媒劣化の進行を早めたり、システム内の未反応の燃
料ガス中の可燃成分が各反応器(42〜45)の触媒上で酸化
したりするのを防止できる。

【００６８】また、水素系統回路(30)のパージが進む
と、配管内の燃焼排ガスも排出され、やがて空気で置換
される。このときは、配管内に燃料ガスがほとんど残存
しないので、可燃成分が反応器(42〜45)の触媒上で酸化
するおそれは少ない。特に各反応器(42〜45)に貴金属触
媒を用いているため、触媒の酸化による劣化をより確実
に防止できる。

【００６９】なお、このパージ運転を開始した直後に
は、可燃成分濃度の高い燃料ガスが燃焼器(70)に導入さ
れるため、燃焼器(70)における急な発熱を防ぐために必
要であれば、第２分岐管(27)からの空気量を調節した
り、もしくは燃料電池(10)の出力を段階的に落としてか
ら停止させたりすることで、濃度の濃い燃料ガスが急に
燃焼器(70)に流入しないようにするとよい。

【００７０】また、運転停止時には、燃料電池(10)の前
後の配管内に若干の残余水素が含まれているが、その水
素が燃料電池(10)に悪影響を及ぼすと考えられる場合
や、配管内に残っている水素の濃度が比較的高いと考え
られる場合などには、パージ操作の途中で燃料電池(10)
の手前のバイパス管(31a) の開閉弁(SV4) を閉鎖して燃
料電池(10)側の配管の開閉弁(SV3) を開き、燃料電池(1
0)の前後もパージするとよい。

【００７１】これらの操作を行った後、開閉弁(SV1,SV
2,SV3) を開き、開閉弁(SV4,SV5) を閉じると、パージ
処理は終了となり、システムの次回起動に備える状態と
なる。

【００７２】以上説明したように、この実施形態によれ
ば、燃料電池(10)の排ガスを燃焼して得られる不活性な
燃焼排ガスをパージガスとして用いるようにしているの
で、配管経路を切り換えるだけの簡単な操作で、反応器
(42〜45)の触媒が劣化するのを防止できる。そして、窒
素ガスボンベや窒素ガス発生装置などの大がかりなパー
ジ専用の装置が不要となるので、コストアップを防止で
き、装置のメンテナンスも不要となる。

【００７３】−実施形態１の変形例− 図１の例では、燃料ガスの供給経路に第２加湿器(43)を
設けて燃料ガスを加湿するようにしているが、燃料電池
発電システムは、この第２加湿器(43)を設けない構成に
してもよい。

【００７４】図３に示すように、この例では、第２加湿
器(43)を設ける代わりに、改質装置(40)には、第２ガス
加熱器(42)と改質器(44)との間にスチーム供給器(47)が
接続されている。また、燃料電池(10)の水素極排気管(3
2)には湿度交換器(48)が接続され、水素極排ガスの水分
を回収するようにしている。

【００７５】この変形例でも、酸素供給管(21)の第１分
岐管(26)には開閉弁(SV1) が設けられ、第３分岐管(28)
には開閉弁(SV2) が設けられている。また、水素供給管
(31)にはＣＯ除去器(46)と燃料電池(10)との間に開閉弁
(SV3) が設けられ、バイパス管(31a) には開閉弁(SV4)
が設けられ、さらにパージガス供給通路(72)には開閉弁
(SV5) が設けられている。

【００７６】これらの開閉弁(SV1〜SV5)は、図１，図２
の例と同様に制御される。具体的には、通常運転時に開
閉弁(SV1,SV2,SV3) が「開」で開閉弁(SV4,SV5) が
「閉」になる一方、パージ運転時に開閉弁(SV1,SV2,SV
3) が「閉」で開閉弁(SV4,SV5) が「開」となる。

【００７７】こうすることにより、配管を切り換えるだ
けの簡単な操作で不活性な燃焼排ガスをパージガスとし
て用いることが可能となり、反応器(42〜45)の触媒が劣
化するのを防止できる。また、上記実施形態と同様に窒
素ガスボンベや窒素ガス発生装置などの大がかりなパー
ジ専用の装置は不要であり、コストアップを防止できる
とともに装置のメンテナンスも不要となる。

【００７８】

【発明のその他の実施の形態】本発明は、上記実施形態
について、以下のような構成としてもよい。

【００７９】例えば、上記実施形態では、各反応器に貴
金属触媒を用いる例について説明したが、卑金属触媒を
用いてもよく、その場合でも燃焼排ガスでパージするこ
とにより、空気による急な酸化が生じないので、過度の
発熱による触媒の劣化を抑えることが可能となる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項
１，２によれば、燃料電池(10)の排ガスを燃焼して得ら
れる燃焼排ガスをパージガスとして水素系統回路(30)に
供給するようにして、酸素を過剰に含まない不活性ガス
をパージに用いているので、システム内の未反応の可燃
性ガスで改質系の各反応器(40)の触媒が劣化するのを防
止できる。また、水蒸気による触媒の劣化も防止でき
る。さらに、専用のパージガスボンベなどを別途用意せ
ずに燃料電池発電システムの運転を停止することが可能
であり、コストアップも防止できる。

【００８１】また、請求項３から６によれば、各反応器
(40)に貴金属触媒を用いているので、卑金属触媒の場合
は僅かな酸素が性能に影響する可能性があるのに対し
て、酸化による触媒の劣化をより確実に防止することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム
の回路系統図である。

【図２】図１においてパージ運転の状態を示す図であ
る。

【図３】図１の燃料電池発電システムの変形例を示す回
路系統図である。

【符号の説明】

(10)燃料電池 (20)酸素系統回路 (30)水素系統回路 (31)水素供給管（原料ガス供給管） (40)反応器 (44)改質器 (45)変成器 (46)一酸化炭素除去器 (70)燃焼器 (72)パージガス供給通路 (SV5) 開閉弁（開閉機構）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 伸樹 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 岡本 康令 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 4G140 EA03 EA06 EA07 EB22 EB34 EB36 EB41 EC03 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 MM01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを改質して生成される燃料ガス
   が流れる水素系統回路(30)と、酸素含有ガスが流れる酸
   素系統回路(20)と、水素系統回路(30)及び酸素系統回路
   (20)に接続されるとともに燃料ガス中の水素と酸素含有
   ガス中の酸素との反応により発電を行う燃料電池(10)と
   を備え、 水素系統回路(30)に、原料ガスと酸素及び水蒸気とから
   水素リッチな燃料ガスを生成する反応器(40)を備えた燃
   料電池発電システムであって、 燃料電池(10)から排出される排ガスを燃焼する燃焼器(7
   0)と、該燃焼器(70)で排ガスを燃焼した後の燃焼排ガス
   を水素系統回路(30)の原料ガス供給管(31)に導入するパ
   ージガス供給通路(72)と、該パージガス供給通路(72)を
   開閉する開閉機構(SV5) とを備えていることを特徴とす
   る燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 水素系統回路(30)に、燃料電池(10)の流
   入側と流出側に連通して燃料電池をバイパスするバイパ
   ス通路(31a) を備え、 運転停止時に、水素系統回路(30)が燃料電池(10)をバイ
   パスして反応器(40)から燃焼器(70)へ連通する状態とし
   て、パージガス供給通路(72)の開閉機構(SV5)を開いて
   燃焼排ガスを原料ガス供給管(31)に導入するように構成
   されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発
   電システム。
3. 【請求項３】 水素系統回路(30)の反応器(40)が、原料
   ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器(44)を含み、 改質器(44)を構成している改質触媒が、アルミナ、シリ
   カ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、セリアの
   少なくとも１つ以上を含む担体に、ロジウム、ルテニウ
   ム、イリジウム、パラジウム、白金の少なくとも１つ以
   上の貴金属元素を担持していることを特徴とする請求項
   １または２記載の燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 水素系統回路(30)の反応器(40)が、該燃
   料ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変
   成器(45)を含み、 変成器(45)を構成している変成触媒が、セリア、ジルコ
   ニア、チタニアの少なくとも１つ以上を含む担体に白金
   を担持していることを特徴とする請求項１，２または３
   記載の燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】 水素系統回路(30)の反応器(40)が、燃料
   ガス中の未反応の一酸化炭素を酸化して除去する一酸化
   炭素除去器(46)を含み、 一酸化炭素除去器(46)を構成している一酸化炭素除去触
   媒が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニ
   ア、チタニア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体
   に、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、
   白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持している
   ことを特徴とする請求項１，２，３または４記載の燃料
   電池発電システム。
6. 【請求項６】 燃焼器(70)を構成している燃焼触媒が、
   アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタ
   ニア、セリアの少なくとも１つ以上を含む担体に、パラ
   ジウム、白金の少なくとも１つ以上の貴金属元素を担持
   していることを特徴とする請求項１，２，３，４または
   ５記載の燃料電池発電システム。