JP4831973B2

JP4831973B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4831973B2
Application number: JP2005017315A
Authority: JP
Inventors: 克宏梶尾; 武桝井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: JP2006210019A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、システム停止後の燃料ガスパージに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池と、原料ガスを改質して燃料電池のアノードに供給される水素リッチな燃料ガスを発生させる改質器と、燃料電池のアノードに接続された窒素ボンベとを具備し、運転停止後に燃料電池のアノード側に残留している水素リッチガスの全部または一部を、窒素置換（不活性ガスでパージ)することのできる燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６５０３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、パージ用の不活性ガスを貯蔵・供給する装置（窒素ボンベ）を別途用意する必要があるため、システムが複雑になると共に設置スペースも増える。一方、システム停止後に、燃料電池アノードへの外気（酸素）混入を防止すべく、燃料電池の前後に設けた遮断弁を閉弁して密閉空間を形成しても、その後、燃料電池温度が低下したり、残存ガスが燃料電池内で反応して消費されると、この密閉空間がその下流側よりも低圧となり、下流側の遮断弁から不可避的に外気が混入してしまうことがある。

そこで、本発明は、パージ用の不活性ガスを貯蔵しておく手段を不要にでき、また、システム停止後に燃料電池を含む密閉空間が所定圧よりも低くなることを抑制できる燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の燃料電池システムは、気体の炭化水素系燃料の燃料供給部から炭化水素系燃料を改質手段により水素リッチな燃料ガスに改質し、該燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記改質手段をバイパスして前記気体の炭化水素系燃料を前記燃料電池へ供給可能なパージ通路を備え、前記パージ通路に、前記燃料電池を含んでその前後に形成される密閉空間の圧力がパージ通路内の圧力よりも低下した場合にだけ、当該パージ通路内のガスを前記密閉空間へ流通させる逆止弁を設けたものである。

システム停止時に、気体炭化水素系燃料を使用してバイパス通路から燃料電池内をパージし、次いで、燃料電池を含む密閉空間を形成することにより、その後に温度低下や残存ガス消費等によって密閉空間内の圧力が低下しても、パージ通路内の気体炭化水素系燃料が密閉空間に導入され、所定圧よりも低くなることが回避される。この所定圧は、密閉空間の下流側の圧力であり、例えば大気圧である。

また、気体炭化水素系燃料は、燃料電池内の触媒に対しては不活性ガスであるので、この気体炭化水素系燃料を使用した燃料ガスパージが可能になることによって、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化が図られ、発電とは無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段が不要になる。特に、燃料電池が定置型燃料電池である場合には、設置スペースの狭小化という点で有利である。

さらに、密閉空間内の圧力が低下して逆止弁の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなると、その差圧によって逆止弁が機械的に開弁するので、密閉空間の圧力低下を検知するための手段を特に必要とすることなく、パージ通路内のガスを密閉空間に導入することが可能となる。

炭化水素系燃料として、天然ガス（都市ガス）を利用することもできる。

本発明の燃料電池システムによれば、システム停止時に、気体炭化水素系燃料を使用してバイパス通路から燃料電池内をパージした後、燃料電池を含む密閉空間を形成することにより、たとえその後に温度低下や残存ガス消費等によって密閉空間内の圧力が低下しても、パージ通路内の気体炭化水素系燃料が密閉空間に導入されるので、所定圧よりも低くなることは回避される。これにより、燃料電池を含む密閉空間への外気混入を有効に抑制することができる。

また、気体炭化水素系燃料は、燃料電池内の触媒に対しては不活性ガスであることから、この気体炭化水素系燃料を使用した燃料ガスパージが可能になることによって、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化を図ることができる。これにより、発電とは無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段を不要にし得て、システム構成の簡素化と設置スペースの狭小化を図ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池＝ＦＣ）１０が建物（住宅、ビル等）用発電設備としてのいわゆる定置型燃料電池とされた定置用発電システムであるが、本発明はこれに限らず、燃料電池車両の車載発電システムへの適用や、可搬燃料電池への適用も可能である。

燃料電池スタック１０は水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体であり、各セルは電解質膜を挟んで水素極（以下、アノード）と酸素極（以下、カソード）とが配置された構成となっている。アノード及びカソードは、例えば白金などの触媒を担持した多孔質のカーボン素材等で構成されている。

アノードには改質器（改質手段）２０から水素リッチな燃料ガスが供給され、カソードには図示しないコンプレッサにより酸化剤ガスとしての空気が供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガス）の一部は、配管３１を通じて改質器２０に戻されて再利用され、残りは配管３２を通じて図示しない燃焼器に供給される又は希釈器で希釈される。一方、カソードからの排気（以下、カソードオフガス）は、図示せぬ配管を通じて外部に排出される。

改質器２０は、配管４１を通じて燃料供給部２１から供給される天然ガス、例えば住宅・ビル用であれば都市ガス（１３Ａ）によって供給される天然ガス、またはプロパンガス等の気体炭化水素系燃料を原燃料として、例えば水蒸気改質反応を主反応とする改質反応によって水素を主成分とする水素リッチな燃料ガスを生成する装置である。この改質器２０は、蒸発部、燃焼部、改質部、及びＣＯ低減部等を備えて構成されており、アノードからのアノードオフガスは配管３１を介して燃焼部に供給される。

燃料供給部２１−改質器２０間の配管４１には、改質器２０をバイパスして燃料供給部２１からの原燃料を燃料電池スタック１０へ供給可能なパージ配管（パージ通路）４２が接続されている。このパージ配管４２には、その上流側から順に遮断弁５０及び逆止弁（弁装置）５１が設けられている。

遮断弁５０は、制御装置６０からの制御指令に応じて開閉が制御される電磁式の開閉弁である。一方、逆止弁５１は、その上流側と下流側の圧力差により機械的に作動する弁であり、下流側の圧力が上流側の圧力よりも低いときだけ開弁して上流側から下流側への流通を許容する。

改質器２０−燃料電池スタック１０間の配管４３には遮断弁５２が設けられている。この遮断弁５２は、バイパス配管４２から配管４３への合流部Ａよりも上流側（改質器２０側）に配置されている。また、アノードオフガスが流通するＦＣ下流側配管３３にも遮断弁５３が設けられている。この遮断弁５３は、ＦＣ下流側配管３３から配管３１への分岐部Ｂよりも上流側（燃料電池スタック１０側）に配置されている。

これら遮断弁５２，５３は、制御装置６０からの制御指令に応じて開閉が制御される電磁式の開閉弁である。

制御装置６０は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、燃料電池システムの各部に設けられた図示しないセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、電流計、電圧計等）や各機器（コンプレッサ、弁等）からの制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

次に、図２及び図３を参照しながら、システム停止時のパージ処理について説明する。

このパージ処理は、制御装置６０がシステム停止指令を検知した際に実行されるものであり、まず、燃料電池スタック１０のアノード下流側に設けられた遮断弁５３を開弁したまま、アノード上流側に設けられた遮断弁５２を閉弁し、バイパス配管４２に設けられた遮断弁５０を開弁する。

すると、図２の矢線で示すように、燃料供給部２１からパージガスとしての原燃料がバイパス配管４２を介して燃料電池スタック１０に供給され、遮断弁５２−燃料電池スタック１０間、燃料電池スタック１０内、及び燃料電池スタック１０のＦＣ下流側配管３３に残存する燃料ガスが外部にパージ（排出）されて、原燃料雰囲気となる。

しかる後、燃料電池スタック１０のＦＣ下流側配管３３に設けられた遮断弁５３を閉弁し、バイパス配管４２に設けられた遮断弁５０を閉弁する。すると、遮断弁５２−遮断弁５３間に、燃料電池スタック１０を含む密閉空間が形成され、外部から燃料電池スタック１０への外気混入は遮断される。

ところが、その後、スタック温度が低下したり、アノード及びカソードの残存ガスが燃料電池スタック１０内で反応して消費されると、燃料電池スタック１０を含む上記密閉空間内の圧力が低下する。そして、この密閉空間がその下流側の圧力（大気圧）よりも低くなると、外気が遮断弁５３を通過して密閉空間に混入する虞が生じる。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、上記密閉空間の圧力が低下して逆止弁５１の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなると、その差圧によって逆止弁５１が機械的に駆動されて開弁し、図３の矢線で示すように、原燃料（パージガス）雰囲気になっているバイパス配管４２から上記密閉空間へと原燃料が導入される。これにより、上記密閉空間の圧力低下が回避され、燃料電池スタック１０を含む密閉空間への外気混入を有効に抑制することができる。

しかも、この原燃料は、燃料電池スタック１０内の触媒に対しては不活性ガスであるから、本実施形態の燃料電池システムでは、原燃料を使用した燃料ガスパージを可能にしたことにより、発電用ガスとパージ用ガスとの共用化が図られている。これにより、発電と無関係なパージ用不活性ガスを貯蔵する手段が不要になり、システム構成の簡素化と設置スペースの狭小化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施の形態では、弁装置として逆止弁５１を例示したが、これに代えて電磁式開閉弁等の遮断弁を採用すると共に、密閉空間内の圧力を検知する手段（例えば、圧力センサ等）を適所に設け、密閉空間が所定圧よりも低くなったことを検知したら当該遮断弁を開弁する構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、燃料電池スタック１０が原燃料によりパージされた後、遮断弁５３および遮断弁５０を閉弁しているが、遮断弁５３を閉弁し遮断弁５０は開弁状態のままとしてもよい。この場合、遮断弁５２、遮断弁５３およい逆止弁５１により燃料電池スタック１０を含む密閉空間が実質的に形成され、外部から燃料電池スタック１０への外気混入は遮断される。スタック温度が低下して燃料電池スタック１０を含む密閉空間の圧力が低下すると、上記実施の形態と同様に、逆止弁５１が機械的に駆動され開弁し、バイパス配管４２から上記密閉空間に原燃料が導入される。これにより、燃料電池スタック１０を含む密閉空間への外気導入を有効に抑制することができる。

また、上記実施の形態では、パージ配管４２に遮断弁５０、改質器２０−燃料電池スタック１０間に遮断弁５２を設けているが、図示しない適所に設けられた弁等により、燃料電池スタック１０を含んでその前後に密閉空間を形成することができれば、遮断弁５０，５２を省略可能である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図。図１に示す燃料電池システムで実施するパージ処理を説明する図。図１に示す燃料電池システムで実施するパージ処理を説明する図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２０…改質器（改質手段）、４２…パージ配管（パージ通路）、５１…逆止弁（弁装置）

Claims

気体の炭化水素系燃料の燃料供給部から炭化水素系燃料を改質手段により水素リッチな燃料ガスに改質し、該燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記改質手段をバイパスして前記気体の炭化水素系燃料を前記燃料電池へ供給可能なパージ通路を備え、
前記パージ通路に、前記燃料電池を含んでその前後に形成される密閉空間の圧力が前記パージ通路内の圧力よりも低下した場合にだけ、当該パージ通路内のガスを前記密閉空間へ流通させる逆止弁を設けた燃料電池システム。
前記燃料電池が定置型燃料電池である請求項１記載の燃料電池システム。
前記炭化水素系燃料が天然ガスである請求項１又は２に記載の燃料電池システム。