燃料電池システムおよびその運転方法
【課題】燃料電池発電システムの信頼性と省エネ性を向上させる。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池本体２と、アノード電極１３から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナ１０を備えてアノード電極１３に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器６と、バーナ１０に空気を供給するバーナ空気ブロア２６と、バーナ空気ブロア２６から供給された空気とアノード排ガスとをバーナ１０の上流側で予混合させる予混合配管６２と、予混合配管６２に設けられてバーナ１０からの逆流を阻止するために永久磁石を用いた予混合配管逆止弁４０と、を有する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池本体２と、アノード電極１３から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナ１０を備えてアノード電極１３に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器６と、バーナ１０に空気を供給するバーナ空気ブロア２６と、バーナ空気ブロア２６から供給された空気とアノード排ガスとをバーナ１０の上流側で予混合させる予混合配管６２と、予混合配管６２に設けられてバーナ１０からの逆流を阻止するために永久磁石を用いた予混合配管逆止弁４０と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改質器を備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード電極と酸化剤極であるカソード電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。車載用等では、機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。いずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギが供給される。
【０００３】
ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。
【０００４】
一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器（バーナ）を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。
【０００５】
このような熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発が行われ、既に日本では実用化が始まっている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その環境性や省エネ性に注目が集まっているためである。
【０００６】
この家庭用燃料電池システムにおいては、発電や排熱利用のために各種動作流体が流れており、それら流れ方向を制御するための電磁式遮断弁が多く使われている。これら電磁式遮断弁の仕様は、耐久性・信頼性が高いことはもとより、省エネ性、つまり低消費電力であることが要求される。この省エネ性を高めるため、近年使われている電磁式遮断弁は保持電力を低める省電力回路を採用してケースが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９５０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１３３７４４号公報
【特許文献３】特開２００６−３１６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記省電力回路を利用した電磁式遮断弁においても、消費電力を小さくするだけであり、完全にゼロにすることは困難である。特に、動作流体の流れる流量が多い、容量係数Ｃｖ値の大きい電磁式遮断弁においては、消費電力のミニマム化は困難であり、その値は補機効率を低下させる原因となる。また、電磁式遮断弁においては長期の信頼性を考慮すると、省電力回路等電気回路の信頼性を十分確立させる必要がある。
【０００９】
なお、電力消費を伴わない逆止弁の構造は種々のものが知られている（特許文献１ないし特許文献３参照）。しかし、逆止弁を採用した燃料電池システム構成については知られていない。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電システムの信頼性と省エネ性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、を有する。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記バーナ空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記予混合配管逆止弁を開放し、前記予混合配管逆止弁を開放した後に前記バーナ空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記カソード電極に空気を供給するカソード空気ブロアと、前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、前記カソード排ガス配管に配置された、逆止弁を用いたカソード排ガス弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記カソード空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記カソード排ガス弁を開放し、前記カソード排ガス弁を開放した後に前記カソード空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池発電システムの信頼性と省エネ性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】図１の逆止弁の一例を示す立断面図であって、逆止弁が閉じた状態を示す図である。
【図３】図２のIII−III線矢視断面図である。
【図４】図２の逆止弁を示す立断面図であって、逆止弁が開いた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を、図１を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
【００１７】
燃料電池システムは、おもに、燃料処理系（ＦＰＳ；Fuel Processing System）１および電池本体（ＣＳＡ；Cell Stack Assembly）２から構成される。燃料処理系１は、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水ポンプ１１、排熱凝縮熱交換器７０などから構成される。燃料３は、炭化水素系燃料、たとえば都市ガスやプロパンである。電池本体２は、アノード電極１３およびカソード電極１４を有する固体高分子型燃料電池である。排熱凝縮熱交換器７０の下部には水タンクが形成されている。
【００１８】
ここで、燃料処理系１の構成について説明する。都市ガスなどの燃料３は、弁２０、脱硫器４、燃料ブロア３１、電磁遮断弁２２を順次通って、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８へ送られる。ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８での熱交換によって昇温した燃料は改質器６に送られる。
【００１９】
改質器６はバーナ１０を有し、バーナ１０に空気を供給するためにバーナ空気ブロア２６が配置され、バーナ空気ブロア２６から供給される空気が通るバーナ空気配管６０がバーナ１０に接続されている。さらに、アノード電極１３から排出されたアノード排ガスが通るアノード排ガス配管６１がバーナ空気配管６０に接続され、アノード排ガスと空気が予混合される予混合配管６２を経てバーナ１０に接続されている。予混合配管６２には第１の逆止弁（予混合配管逆止弁）４０が配置されている。
【００２０】
改質器６で改質された燃料は、ＣＯシフト反応器７へ送られ、さらにＣＯ選択酸化器８へ送られる。ここで、ＣＯシフト反応およびＣＯ選択酸化が行なわれる。ＣＯ選択酸化器８には、ＣＯ選択酸化空気配管７５が接続され、ＣＯ選択酸化空気配管７５には、ＣＯ選択酸化空気ブロア１８から、ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁４１を介して空気が送られるように構成されている。ＣＯ選択酸化器８を出た燃料は熱交換器６３およびアノード入口電磁遮断弁４３を順次経て、アノード電極１３へ供給されるように配管が接続されている。
【００２１】
熱交換器６３とアノード入口電磁遮断弁４３の間でアノードバイパス配管６４が分岐し、アノードバイパス遮断弁４２を経てアノード排ガス配管６１に合流するように結合されている。
【００２２】
アノード排ガス配管６１がアノードバイパス配管６４と合流する位置の下流側でかつ予混合配管６２の上流側に第２の逆止弁（アノード排ガス弁）４５が配置されている。
【００２３】
燃料ブロア３１の吐出側と電磁遮断弁２２の間からバイパス燃料配管６５が分岐し、起動用遮断弁２１を経て、予混合配管６２の上流側でアノード排ガス配管６１と合流するように構成されている。
【００２４】
カソード電極１４には、カソード電極用空気ブロア１５から、カソード入口電磁遮断弁４４を介して空気が供給されるように構成されている。カソード電極１４からの排気部は、カソード排ガス配管６６を経て排熱凝縮熱交換器７０の上部に接続されている。カソード排ガス配管６６には第３の逆止弁（カソード排ガス弁）４６が配置されている。
【００２５】
改質器６のバーナ１０から出たバーナ排ガスは、水蒸気発生器５で熱交換して降温した後にバーナ排ガス配管６８を経て、カソード排ガス配管６６の第３の逆止弁４６の下流側と接続されている。
【００２６】
電池本体２を冷却する冷却水としては、排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に溜まった水が、電池冷却水ポンプ２９に送られる。電池本体２から出て高温になった冷却水は、排熱熱交換器７１を経て排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に戻される。排熱凝縮熱交換器７０の水タンクから電池冷却水ポンプ２９の吸い込み側に向かう冷却水の一部は分岐して改質用水ポンプ１１を経て熱交換器６３へ送られ、ＣＯ選択酸化器８を出た燃料と熱交換して加熱される。熱交換器６３で加熱された冷却水は水蒸気発生器５に送られ、そこで、バーナ１０から排出された排ガスと熱交換して加熱されて蒸気になる。水蒸気発生器５で発生した蒸気はＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８に送られる。
【００２７】
ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８から排出された蒸気と水の混合体は、水蒸気分離器９にて蒸気と水に分離され、水は弁６７を経て排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に戻される。水蒸気分離器９で分離された蒸気は、弁２７を経て、改質ラインの電磁遮断弁２２の下流側と合流して、燃料とともにＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８に送られる。
【００２８】
この固体高分子型燃料電池システムのパッケージ外の熱利用系３６に水道水が供給され、熱利用系３６の水が、温水循環ポンプ３３を経て排熱凝縮熱交換器７０に送られ、ここで、アノード排ガスおよびバーナ排ガスなどによって加熱されるように構成されている。さらに、排熱凝縮熱交換器７０から排出された排気は水道水の加熱に利用される。
【００２９】
この固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料にたとえば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。
【００３０】
起動時は、この燃料処理系１を加熱するために、最初に改質用バーナ１０にて火炎を形成する必要がある。そのために、起動用遮断弁２１を開いて、都市ガス燃料３を、脱硫器４を経てバーナ１０に供給する。このとき、電磁遮断弁２２は閉じている。第１の逆止弁４０は、燃料と空気とが混合する予混合配管６２に設置されていることから、万一の場合の逆火を防止することができる。なお、燃焼用空気はバーナ空気ブロア２６により供給される。
【００３１】
改質器６が加熱されて改質状態になると、改質ラインの電磁遮断弁２２が開き、都市ガス燃料３は脱硫器４を通過した後に改質器６を通過する。脱硫器４では、たとえば活性炭やゼオライト吸着等によって硫黄分が取り除かれる。
【００３２】
一方、純水は、改質水ポンプ１１により供給され、熱交換器６３で加熱され、水蒸気発生器５でガス化され、ガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素が生成されるが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器６には改質用バーナ１０が含まれている。
【００３３】
固体高分子型燃料電池では、電池本体２の電解質膜および触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ２へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ２Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁４１を介してＣＯ選択酸化空気ブロア１８の空気供給により酸化反応を進める必要がある。また、改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際の装置では、下流側温度を下げるための水熱交換器（図示せず）を配置することが望ましい。次に、各触媒でのおもなプロセス反応を以下に示す。たとえばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
【００３４】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ２ → ２ＣＯ２ …（３）
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、おもに、水素、炭酸ガスおよび余った水蒸気等より構成される。
【００３５】
起動時、発電を開始する前の状態においては、アノードバイパス遮断弁４２は開いており、アノード入口電磁遮断弁４３は閉じている。改質ガスはアノードバイパス遮断弁４２を通リ、改質用バーナ１０に供給されて水素リッチな火炎を形成する。この場合も第１の逆止弁４０を介してバーナ１０に改質ガスが供給されるため、予混合燃焼時に懸念される逆火の発生を防止することができる。
【００３６】
発電状態に入ると、改質ガスは、アノード入口電磁遮断弁４３を介してアノード電極１３に送り込まれるとともにアノードバイパス遮断弁４２は閉じられる。アノード電極１３に水素ガスが送り込まれ、プロトンＨ＋が、ＭＥＡの触媒層を経て電解質膜を通過する。一方、カソード電極空気ブロア１５により、カソード入口電磁遮断弁４４を介してカソード電極１４に空気が供給される。ここで空気中の酸素および電子とプロトンＨ＋とが結びついて水が生成される。したがって、アノード電極は−極、カソード電極は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。
【００３７】
発電に使われずに残ったアノード電極出口ガスは、第２の逆止弁４５を介して改質用バーナ１０に供給され、水蒸気加熱器５および改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード電極出口ガスは、カソード排ガス配管６６を通り、第３の逆止弁４６を通って、排熱凝縮熱交換器７０に送られる。さらに、バーナ１０での燃焼によって生じた燃焼ガスは、水蒸気加熱器５からバーナ排ガス配管６８を経て排熱凝縮熱交換器７０に送られる。排熱凝縮熱交換器７０では排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、システムでの水自立を図る。
【００３８】
一方、電池本体２の排熱は、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器７１によって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転により、排熱熱交換器７１および排熱凝縮熱交換器７０で熱交換して暖められた温水は、熱利用系３６に蓄熱され、給湯や風呂への温水として使われる。
【００３９】
ここで、本実施形態におけるバーナ予混合配管６２の第１の逆止弁４０、アノード出口の第２の逆止弁４５、並びにカソード出口の第３の逆止弁４６の各逆止弁の具体的構成例について、図２ないし図４を参照して説明する。図２はこれらの逆止弁の一例を示す立断面図であって、逆止弁が閉じた状態を示す図である。図３は図２のIII−III線矢視断面図である。図４は図２の逆止弁を示す立断面図であって、逆止弁が開いた状態を示す図である。この逆止弁は、永久磁石で弁体を保持する構造である。
【００４０】
この逆止弁は、フェライト系金属の弁体４７と、磁石部５２をゴム材５３で覆った弁座４８と、ストッパ４９と、ボディ部５０とから構成されている。図２の弁が閉じた状態では弁体４７が弁座４８に磁力によって保持され、図４の弁が開いた状態では、弁体４７が弁座４８から離れてストッパ４９で保持され、その隙間５５（図３）をガス流体が流れる構造となっている（特許文献２参照）。図４に示す矢印１００が流れの向きを示している。
【００４１】
第１の逆止弁４０はバーナ１０の火炎にさらされる可能性があるので、不燃性の材料、たとえば金属製とする。第２の逆止弁４５および第３の逆止弁４６のボディ部５０は、たとえばポリフェニレンサルファルド樹脂（ＰＰＳ）やポリエーテルサルホン樹脂（ＰＥＳ）等の、温水への溶出性が低くかつ難燃性の樹脂で成形されている。また、逆止弁入出口部はＯリングを用いたクイックファスナで接続できる構造となっているため、接続が非常に容易になっている。この場合、逆止弁入出口部はメスになっているが、オスの構造であっても構わない。
【００４２】
一方、これら逆止弁の設置姿勢であるが、図２と図４で示すように、弁座側が上方、弁側が下方にあり、弁が開いている時はガス流体の流れは上から下に向かっている。これによりガス中に水分が含まれ凝縮した場合には重力により、水が下に流れ、水閉塞のリスクは小さくなる。特に、水が生成されるカソード出口の第３の逆止弁４６に対しては大きな効果がある。なお、この設置姿勢であるが、必ずしも鉛直方向である必要はなく、凝縮水の排出が容易なように水平あるいは弁側が下側に傾いていれば構わない。
【００４３】
次に、これら逆止弁が閉止している時の作用および効果を簡単に説明する。第１の逆止弁の狙いは予混合燃焼による逆火防止である。第１の逆止弁４０のラインは、起動時においては都市ガスやＬＰＧ燃料と空気の予混合ガス、発電時は水素リッチガスと空気の予混合ガスになる。これら予混合ガスでは燃焼速度がラインを通過するガスの流速より速い場合、ガス流の方向とは逆の方向に火炎が走るため、爆発を誘導するような非常に危険な状態となる。特に、都市ガスやＬＰＧより燃焼速度が非常に速い水素リッチなガスで予混合燃焼させる場合、逆止弁は必ず必要となる。言い換えれば、本逆止弁を提供することで、発電時のオフガス燃焼においても予混合燃焼が可能となり、安全性を確保できる。
【００４４】
第２、第３の逆止弁４２、４６の狙いは、運転停止時の周囲空気のシステムへの流入防止である。発電が停止すると燃料処理系１や電池本体２は熱源の供給が停止されるため、各機器の温度低下が始まる。これに伴い、内部のガスに含まれていた水蒸気の凝縮が起こり、大気圧に比べて圧力が低くなるため、発電時の各ガスの流れとは逆の流れが生じる。つまり、第２、第３の逆止弁４２、４６が機能しなければ、燃料処理系１や電池本体２への空気インリークが起こる。これら逆止弁を設置することで、この空気インリークを防止し、燃料処理系１触媒の劣化やＣＳＡ２の電位上昇を防止することができる。
【００４５】
さらに、起動時の運用方法として、第１の逆止弁４０の上流側のバーナ空気ブロア２６および第３の逆止弁４６の上流側のカソード電極空気ブロア１５の出力を一時的に増加し、空気流量を増加させることで、第１の逆止弁４０および第３の逆止弁４６の固着リスクを低減することができる。これは長期間運転を停止した場合の逆止弁の弁と弁座の固着リスクを想定した対策効果である。
【００４６】
さらに、第２の逆止弁４５の上流側の燃料ブロア３１の出力を一時的に増加し、燃料流量を増加させることで、第２の逆止弁４５の固着リスクを低減することもできる。
【００４７】
このような本実施形態の構成や運転方法によれば、以下のような効果の大きい燃料電池システムを提供することができる。
【００４８】
（ａ）従来型電磁遮断弁に対して逆止弁を採用するため、電気回路が不要でかつ消費電力がゼロのため低コストで省エネ性の高い機器と燃料電池システムを提供できる。
【００４９】
（ｂ）逆止弁の構造において弁の保持方法が永久磁石式になっているため、大流量のガスを流しても圧損が小さく、従来型電磁遮断弁と比較してそれらラインに設置される空気や燃料ブロアの消費電力の増加はほとんどない、したがって、ばね式等の圧損の大きい逆止弁に比べて省エネ性の高い燃料電池システムを提供できる。
【００５０】
（ｃ）逆止弁の設置方向を弁側を下方、弁座側を上方にして流体を上から下に流すことで、弁が開いたときの水の排出が容易で信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。
【００５１】
（ｄ）起動時に、空気ラインの空気ブロア出力を増加し、空気流量を増加することで逆止弁の固着リスクを低減することができる。
【００５２】
（ｅ）燃料と空気の予混合配管を除いた場所に、難燃性樹脂を採用することで、安全、軽量となり、かつ金属に比べてクイックファスナに対応したメスあるいはオス型の構造が容易に成形できるためコストダウンを図ることができる。そして、これら逆止弁の接続は非常に容易となる。
【００５３】
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５４】
たとえば、上記実施形態における第２および第３の逆止弁のうちの一方または両方を従来の電磁弁などで置き換えてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料処理系、２…電池本体、３…燃料、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…ＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用バーナ（改質用燃焼器）、１１…改質用水ポンプ、１３…アノード電極、１４…カソード電極、１５…カソード電極空気ブロア、１８…ＣＯ選択酸化空気ブロア、２１…起動用遮断弁、２２…電磁遮断弁、２６…バーナ空気ブロア、２９…電池冷却水ポンプ、３１…燃料ブロア、３３…温水循環ポンプ、３６…熱利用系、４０…第１の逆止弁（予混合配管逆止弁）、４１…ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁、４２…アノードバイパス遮断弁、４３…アノード入口電磁遮断弁、４４…カソード入口電磁遮断弁、４５…第２の逆止弁（アノード排ガス弁）、４６…第３の逆止弁（カソード排ガス弁）、４７…弁体、４８…弁座、４９…ストッパ、５０…ボディ部、５２…磁石部、５３…ゴム材、６０…バーナ空気配管、６１…アノード排ガス配管、６２…予混合配管、６３…熱交換器、６４…アノードバイパス配管、６５…バイパス燃料配管、６６…カソード排ガス配管、６８…バーナ排ガス配管、７０…排熱凝縮熱交換器、７１…排熱熱交換器、７５…ＣＯ選択酸化空気配管
【技術分野】
【０００１】
この発明は、改質器を備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード電極と酸化剤極であるカソード電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。車載用等では、機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。いずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギが供給される。
【０００３】
ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。
【０００４】
一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器（バーナ）を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。
【０００５】
このような熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発が行われ、既に日本では実用化が始まっている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その環境性や省エネ性に注目が集まっているためである。
【０００６】
この家庭用燃料電池システムにおいては、発電や排熱利用のために各種動作流体が流れており、それら流れ方向を制御するための電磁式遮断弁が多く使われている。これら電磁式遮断弁の仕様は、耐久性・信頼性が高いことはもとより、省エネ性、つまり低消費電力であることが要求される。この省エネ性を高めるため、近年使われている電磁式遮断弁は保持電力を低める省電力回路を採用してケースが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９５０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１３３７４４号公報
【特許文献３】特開２００６−３１６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記省電力回路を利用した電磁式遮断弁においても、消費電力を小さくするだけであり、完全にゼロにすることは困難である。特に、動作流体の流れる流量が多い、容量係数Ｃｖ値の大きい電磁式遮断弁においては、消費電力のミニマム化は困難であり、その値は補機効率を低下させる原因となる。また、電磁式遮断弁においては長期の信頼性を考慮すると、省電力回路等電気回路の信頼性を十分確立させる必要がある。
【０００９】
なお、電力消費を伴わない逆止弁の構造は種々のものが知られている（特許文献１ないし特許文献３参照）。しかし、逆止弁を採用した燃料電池システム構成については知られていない。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電システムの信頼性と省エネ性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、を有する。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記バーナ空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記予混合配管逆止弁を開放し、前記予混合配管逆止弁を開放した後に前記バーナ空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、前記カソード電極に空気を供給するカソード空気ブロアと、前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、前記カソード排ガス配管に配置された、逆止弁を用いたカソード排ガス弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記カソード空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記カソード排ガス弁を開放し、前記カソード排ガス弁を開放した後に前記カソード空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池発電システムの信頼性と省エネ性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】図１の逆止弁の一例を示す立断面図であって、逆止弁が閉じた状態を示す図である。
【図３】図２のIII−III線矢視断面図である。
【図４】図２の逆止弁を示す立断面図であって、逆止弁が開いた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を、図１を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
【００１７】
燃料電池システムは、おもに、燃料処理系（ＦＰＳ；Fuel Processing System）１および電池本体（ＣＳＡ；Cell Stack Assembly）２から構成される。燃料処理系１は、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水ポンプ１１、排熱凝縮熱交換器７０などから構成される。燃料３は、炭化水素系燃料、たとえば都市ガスやプロパンである。電池本体２は、アノード電極１３およびカソード電極１４を有する固体高分子型燃料電池である。排熱凝縮熱交換器７０の下部には水タンクが形成されている。
【００１８】
ここで、燃料処理系１の構成について説明する。都市ガスなどの燃料３は、弁２０、脱硫器４、燃料ブロア３１、電磁遮断弁２２を順次通って、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８へ送られる。ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８での熱交換によって昇温した燃料は改質器６に送られる。
【００１９】
改質器６はバーナ１０を有し、バーナ１０に空気を供給するためにバーナ空気ブロア２６が配置され、バーナ空気ブロア２６から供給される空気が通るバーナ空気配管６０がバーナ１０に接続されている。さらに、アノード電極１３から排出されたアノード排ガスが通るアノード排ガス配管６１がバーナ空気配管６０に接続され、アノード排ガスと空気が予混合される予混合配管６２を経てバーナ１０に接続されている。予混合配管６２には第１の逆止弁（予混合配管逆止弁）４０が配置されている。
【００２０】
改質器６で改質された燃料は、ＣＯシフト反応器７へ送られ、さらにＣＯ選択酸化器８へ送られる。ここで、ＣＯシフト反応およびＣＯ選択酸化が行なわれる。ＣＯ選択酸化器８には、ＣＯ選択酸化空気配管７５が接続され、ＣＯ選択酸化空気配管７５には、ＣＯ選択酸化空気ブロア１８から、ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁４１を介して空気が送られるように構成されている。ＣＯ選択酸化器８を出た燃料は熱交換器６３およびアノード入口電磁遮断弁４３を順次経て、アノード電極１３へ供給されるように配管が接続されている。
【００２１】
熱交換器６３とアノード入口電磁遮断弁４３の間でアノードバイパス配管６４が分岐し、アノードバイパス遮断弁４２を経てアノード排ガス配管６１に合流するように結合されている。
【００２２】
アノード排ガス配管６１がアノードバイパス配管６４と合流する位置の下流側でかつ予混合配管６２の上流側に第２の逆止弁（アノード排ガス弁）４５が配置されている。
【００２３】
燃料ブロア３１の吐出側と電磁遮断弁２２の間からバイパス燃料配管６５が分岐し、起動用遮断弁２１を経て、予混合配管６２の上流側でアノード排ガス配管６１と合流するように構成されている。
【００２４】
カソード電極１４には、カソード電極用空気ブロア１５から、カソード入口電磁遮断弁４４を介して空気が供給されるように構成されている。カソード電極１４からの排気部は、カソード排ガス配管６６を経て排熱凝縮熱交換器７０の上部に接続されている。カソード排ガス配管６６には第３の逆止弁（カソード排ガス弁）４６が配置されている。
【００２５】
改質器６のバーナ１０から出たバーナ排ガスは、水蒸気発生器５で熱交換して降温した後にバーナ排ガス配管６８を経て、カソード排ガス配管６６の第３の逆止弁４６の下流側と接続されている。
【００２６】
電池本体２を冷却する冷却水としては、排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に溜まった水が、電池冷却水ポンプ２９に送られる。電池本体２から出て高温になった冷却水は、排熱熱交換器７１を経て排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に戻される。排熱凝縮熱交換器７０の水タンクから電池冷却水ポンプ２９の吸い込み側に向かう冷却水の一部は分岐して改質用水ポンプ１１を経て熱交換器６３へ送られ、ＣＯ選択酸化器８を出た燃料と熱交換して加熱される。熱交換器６３で加熱された冷却水は水蒸気発生器５に送られ、そこで、バーナ１０から排出された排ガスと熱交換して加熱されて蒸気になる。水蒸気発生器５で発生した蒸気はＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８に送られる。
【００２７】
ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８から排出された蒸気と水の混合体は、水蒸気分離器９にて蒸気と水に分離され、水は弁６７を経て排熱凝縮熱交換器７０の水タンク内に戻される。水蒸気分離器９で分離された蒸気は、弁２７を経て、改質ラインの電磁遮断弁２２の下流側と合流して、燃料とともにＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８に送られる。
【００２８】
この固体高分子型燃料電池システムのパッケージ外の熱利用系３６に水道水が供給され、熱利用系３６の水が、温水循環ポンプ３３を経て排熱凝縮熱交換器７０に送られ、ここで、アノード排ガスおよびバーナ排ガスなどによって加熱されるように構成されている。さらに、排熱凝縮熱交換器７０から排出された排気は水道水の加熱に利用される。
【００２９】
この固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料にたとえば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。
【００３０】
起動時は、この燃料処理系１を加熱するために、最初に改質用バーナ１０にて火炎を形成する必要がある。そのために、起動用遮断弁２１を開いて、都市ガス燃料３を、脱硫器４を経てバーナ１０に供給する。このとき、電磁遮断弁２２は閉じている。第１の逆止弁４０は、燃料と空気とが混合する予混合配管６２に設置されていることから、万一の場合の逆火を防止することができる。なお、燃焼用空気はバーナ空気ブロア２６により供給される。
【００３１】
改質器６が加熱されて改質状態になると、改質ラインの電磁遮断弁２２が開き、都市ガス燃料３は脱硫器４を通過した後に改質器６を通過する。脱硫器４では、たとえば活性炭やゼオライト吸着等によって硫黄分が取り除かれる。
【００３２】
一方、純水は、改質水ポンプ１１により供給され、熱交換器６３で加熱され、水蒸気発生器５でガス化され、ガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素が生成されるが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器６には改質用バーナ１０が含まれている。
【００３３】
固体高分子型燃料電池では、電池本体２の電解質膜および触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ２へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ２Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁４１を介してＣＯ選択酸化空気ブロア１８の空気供給により酸化反応を進める必要がある。また、改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際の装置では、下流側温度を下げるための水熱交換器（図示せず）を配置することが望ましい。次に、各触媒でのおもなプロセス反応を以下に示す。たとえばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
【００３４】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ２ → ２ＣＯ２ …（３）
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、おもに、水素、炭酸ガスおよび余った水蒸気等より構成される。
【００３５】
起動時、発電を開始する前の状態においては、アノードバイパス遮断弁４２は開いており、アノード入口電磁遮断弁４３は閉じている。改質ガスはアノードバイパス遮断弁４２を通リ、改質用バーナ１０に供給されて水素リッチな火炎を形成する。この場合も第１の逆止弁４０を介してバーナ１０に改質ガスが供給されるため、予混合燃焼時に懸念される逆火の発生を防止することができる。
【００３６】
発電状態に入ると、改質ガスは、アノード入口電磁遮断弁４３を介してアノード電極１３に送り込まれるとともにアノードバイパス遮断弁４２は閉じられる。アノード電極１３に水素ガスが送り込まれ、プロトンＨ＋が、ＭＥＡの触媒層を経て電解質膜を通過する。一方、カソード電極空気ブロア１５により、カソード入口電磁遮断弁４４を介してカソード電極１４に空気が供給される。ここで空気中の酸素および電子とプロトンＨ＋とが結びついて水が生成される。したがって、アノード電極は−極、カソード電極は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。
【００３７】
発電に使われずに残ったアノード電極出口ガスは、第２の逆止弁４５を介して改質用バーナ１０に供給され、水蒸気加熱器５および改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード電極出口ガスは、カソード排ガス配管６６を通り、第３の逆止弁４６を通って、排熱凝縮熱交換器７０に送られる。さらに、バーナ１０での燃焼によって生じた燃焼ガスは、水蒸気加熱器５からバーナ排ガス配管６８を経て排熱凝縮熱交換器７０に送られる。排熱凝縮熱交換器７０では排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、システムでの水自立を図る。
【００３８】
一方、電池本体２の排熱は、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器７１によって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転により、排熱熱交換器７１および排熱凝縮熱交換器７０で熱交換して暖められた温水は、熱利用系３６に蓄熱され、給湯や風呂への温水として使われる。
【００３９】
ここで、本実施形態におけるバーナ予混合配管６２の第１の逆止弁４０、アノード出口の第２の逆止弁４５、並びにカソード出口の第３の逆止弁４６の各逆止弁の具体的構成例について、図２ないし図４を参照して説明する。図２はこれらの逆止弁の一例を示す立断面図であって、逆止弁が閉じた状態を示す図である。図３は図２のIII−III線矢視断面図である。図４は図２の逆止弁を示す立断面図であって、逆止弁が開いた状態を示す図である。この逆止弁は、永久磁石で弁体を保持する構造である。
【００４０】
この逆止弁は、フェライト系金属の弁体４７と、磁石部５２をゴム材５３で覆った弁座４８と、ストッパ４９と、ボディ部５０とから構成されている。図２の弁が閉じた状態では弁体４７が弁座４８に磁力によって保持され、図４の弁が開いた状態では、弁体４７が弁座４８から離れてストッパ４９で保持され、その隙間５５（図３）をガス流体が流れる構造となっている（特許文献２参照）。図４に示す矢印１００が流れの向きを示している。
【００４１】
第１の逆止弁４０はバーナ１０の火炎にさらされる可能性があるので、不燃性の材料、たとえば金属製とする。第２の逆止弁４５および第３の逆止弁４６のボディ部５０は、たとえばポリフェニレンサルファルド樹脂（ＰＰＳ）やポリエーテルサルホン樹脂（ＰＥＳ）等の、温水への溶出性が低くかつ難燃性の樹脂で成形されている。また、逆止弁入出口部はＯリングを用いたクイックファスナで接続できる構造となっているため、接続が非常に容易になっている。この場合、逆止弁入出口部はメスになっているが、オスの構造であっても構わない。
【００４２】
一方、これら逆止弁の設置姿勢であるが、図２と図４で示すように、弁座側が上方、弁側が下方にあり、弁が開いている時はガス流体の流れは上から下に向かっている。これによりガス中に水分が含まれ凝縮した場合には重力により、水が下に流れ、水閉塞のリスクは小さくなる。特に、水が生成されるカソード出口の第３の逆止弁４６に対しては大きな効果がある。なお、この設置姿勢であるが、必ずしも鉛直方向である必要はなく、凝縮水の排出が容易なように水平あるいは弁側が下側に傾いていれば構わない。
【００４３】
次に、これら逆止弁が閉止している時の作用および効果を簡単に説明する。第１の逆止弁の狙いは予混合燃焼による逆火防止である。第１の逆止弁４０のラインは、起動時においては都市ガスやＬＰＧ燃料と空気の予混合ガス、発電時は水素リッチガスと空気の予混合ガスになる。これら予混合ガスでは燃焼速度がラインを通過するガスの流速より速い場合、ガス流の方向とは逆の方向に火炎が走るため、爆発を誘導するような非常に危険な状態となる。特に、都市ガスやＬＰＧより燃焼速度が非常に速い水素リッチなガスで予混合燃焼させる場合、逆止弁は必ず必要となる。言い換えれば、本逆止弁を提供することで、発電時のオフガス燃焼においても予混合燃焼が可能となり、安全性を確保できる。
【００４４】
第２、第３の逆止弁４２、４６の狙いは、運転停止時の周囲空気のシステムへの流入防止である。発電が停止すると燃料処理系１や電池本体２は熱源の供給が停止されるため、各機器の温度低下が始まる。これに伴い、内部のガスに含まれていた水蒸気の凝縮が起こり、大気圧に比べて圧力が低くなるため、発電時の各ガスの流れとは逆の流れが生じる。つまり、第２、第３の逆止弁４２、４６が機能しなければ、燃料処理系１や電池本体２への空気インリークが起こる。これら逆止弁を設置することで、この空気インリークを防止し、燃料処理系１触媒の劣化やＣＳＡ２の電位上昇を防止することができる。
【００４５】
さらに、起動時の運用方法として、第１の逆止弁４０の上流側のバーナ空気ブロア２６および第３の逆止弁４６の上流側のカソード電極空気ブロア１５の出力を一時的に増加し、空気流量を増加させることで、第１の逆止弁４０および第３の逆止弁４６の固着リスクを低減することができる。これは長期間運転を停止した場合の逆止弁の弁と弁座の固着リスクを想定した対策効果である。
【００４６】
さらに、第２の逆止弁４５の上流側の燃料ブロア３１の出力を一時的に増加し、燃料流量を増加させることで、第２の逆止弁４５の固着リスクを低減することもできる。
【００４７】
このような本実施形態の構成や運転方法によれば、以下のような効果の大きい燃料電池システムを提供することができる。
【００４８】
（ａ）従来型電磁遮断弁に対して逆止弁を採用するため、電気回路が不要でかつ消費電力がゼロのため低コストで省エネ性の高い機器と燃料電池システムを提供できる。
【００４９】
（ｂ）逆止弁の構造において弁の保持方法が永久磁石式になっているため、大流量のガスを流しても圧損が小さく、従来型電磁遮断弁と比較してそれらラインに設置される空気や燃料ブロアの消費電力の増加はほとんどない、したがって、ばね式等の圧損の大きい逆止弁に比べて省エネ性の高い燃料電池システムを提供できる。
【００５０】
（ｃ）逆止弁の設置方向を弁側を下方、弁座側を上方にして流体を上から下に流すことで、弁が開いたときの水の排出が容易で信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。
【００５１】
（ｄ）起動時に、空気ラインの空気ブロア出力を増加し、空気流量を増加することで逆止弁の固着リスクを低減することができる。
【００５２】
（ｅ）燃料と空気の予混合配管を除いた場所に、難燃性樹脂を採用することで、安全、軽量となり、かつ金属に比べてクイックファスナに対応したメスあるいはオス型の構造が容易に成形できるためコストダウンを図ることができる。そして、これら逆止弁の接続は非常に容易となる。
【００５３】
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５４】
たとえば、上記実施形態における第２および第３の逆止弁のうちの一方または両方を従来の電磁弁などで置き換えてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料処理系、２…電池本体、３…燃料、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…ＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用バーナ（改質用燃焼器）、１１…改質用水ポンプ、１３…アノード電極、１４…カソード電極、１５…カソード電極空気ブロア、１８…ＣＯ選択酸化空気ブロア、２１…起動用遮断弁、２２…電磁遮断弁、２６…バーナ空気ブロア、２９…電池冷却水ポンプ、３１…燃料ブロア、３３…温水循環ポンプ、３６…熱利用系、４０…第１の逆止弁（予混合配管逆止弁）、４１…ＣＯ選択酸化器入口電磁遮断弁、４２…アノードバイパス遮断弁、４３…アノード入口電磁遮断弁、４４…カソード入口電磁遮断弁、４５…第２の逆止弁（アノード排ガス弁）、４６…第３の逆止弁（カソード排ガス弁）、４７…弁体、４８…弁座、４９…ストッパ、５０…ボディ部、５２…磁石部、５３…ゴム材、６０…バーナ空気配管、６１…アノード排ガス配管、６２…予混合配管、６３…熱交換器、６４…アノードバイパス配管、６５…バイパス燃料配管、６６…カソード排ガス配管、６８…バーナ排ガス配管、７０…排熱凝縮熱交換器、７１…排熱熱交換器、７５…ＣＯ選択酸化空気配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、
前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、
前記予混合配管に設けられて前記バーナからの火炎の逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記予混合配管逆止弁は永久磁石を用いた逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノード排ガスが前記バーナ空気ブロアから供給される空気と合流する合流点の上流側に配置されたアノード排ガス弁と、
前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、
前記カソード排ガス配管に配置されたカソード排ガス弁と、
を有し、
アノード排ガス弁とカソード排ガス弁とのうちのいずれか少なくとも一つが永久磁石を用いた逆止弁であること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記逆止弁のいずれか少なくとも一つが、上流側が上方または水平方向になるように配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、
前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、
前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記バーナ空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記予混合配管逆止弁を開放し、前記予混合配管逆止弁を開放した後に前記バーナ空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記カソード電極に空気を供給するカソード空気ブロアと、
前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、
前記カソード排ガス配管に配置された、逆止弁を用いたカソード排ガス弁と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記カソード空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記カソード排ガス弁を開放し、前記カソード排ガス弁を開放した後に前記カソード空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される前の燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、
前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、
前記予混合配管に設けられて前記バーナからの火炎の逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記予混合配管逆止弁は永久磁石を用いた逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノード排ガスが前記バーナ空気ブロアから供給される空気と合流する合流点の上流側に配置されたアノード排ガス弁と、
前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、
前記カソード排ガス配管に配置されたカソード排ガス弁と、
を有し、
アノード排ガス弁とカソード排ガス弁とのうちのいずれか少なくとも一つが永久磁石を用いた逆止弁であること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記逆止弁のいずれか少なくとも一つが、上流側が上方または水平方向になるように配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記バーナに空気を供給するバーナ空気ブロアと、
前記バーナ空気ブロアから供給された空気と前記アノード排ガスとを前記バーナの上流側で予混合させる予混合配管と、
前記予混合配管に設けられて前記バーナからの逆流を阻止するための予混合配管逆止弁と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記バーナ空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記予混合配管逆止弁を開放し、前記予混合配管逆止弁を開放した後に前記バーナ空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
水素を含有する燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、を備えた燃料電池本体と、
前記アノード電極から排出されたアノード排ガスを燃焼させるバーナを備えて前記アノード電極に供給される燃料ガスを水素リッチに改質する改質器と、
前記カソード電極に空気を供給するカソード空気ブロアと、
前記カソード電極からカソード排ガスを排出するカソード排ガス配管と、
前記カソード排ガス配管に配置された、逆止弁を用いたカソード排ガス弁と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
当該運転方法は、当該燃料電池システムの起動時に、前記カソード空気ブロアの流量を一時的に増大して、前記カソード排ガス弁を開放し、前記カソード排ガス弁を開放した後に前記カソード空気ブロアの流量を低下させること、を特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１９８５３３（Ｐ２０１１−１９８５３３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６１９７１（Ｐ２０１０−６１９７１）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
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