JP2012204330A - 燃料電池発電装置及びその停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 停止後に改質装置の触媒に好適な改質ガスを改質装置内に保持しつつ水分を除去できるようにすることが可能な、燃料電池発電装置及びその停止方法を提供する。
【解決手段】 実施形態によれば、制御部１００は、燃料電池発電装置１を停止する際に、少なくとも燃料電池アノード入口遮断弁３５と燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７とを閉じた状態で改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開いて改質水蒸発器１１の改質水の水抜きを行い、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じた後、一定量の改質水を改質装置２に供給し、少なくとも改質装置入口遮断弁３２、燃料電池アノード入口遮断弁３５、もしくは燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７を操作することによりプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力の値が一定の範囲内に収まるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電装置及びその停止方法に関する。

燃料電池発電装置は、改質装置で生成した水素を、燃料電池本体において直接電気エネルギーに変換するシステムである。このシステムは化学反応による発電であるために発電効率が高く、汚染物質の排出及び騒音が少なく、環境性に優れた発電装置として評価されている。

改質装置内には改質触媒層を配した改質部を有し、炭化水素燃料などと改質水蒸発器で発生させた水蒸気との改質反応により水素を含む改質ガスを生成する。改質反応は高温での吸熱反応であるため、起動時には改質触媒層を運転温度まで昇温させる必要があり、また運転中は改質触媒層を加熱し続ける必要がある。そのため一般に改質装置はバーナとバーナ燃焼空間を備えており、可燃ガスを燃焼させることで起動時及び運転時に改質触媒に熱を供給する。

また、改質部から導出される改質ガスは、高濃度の一酸化炭素を含んでいるため、シフト反応器で一酸化炭素濃度を低下させる。シフト反応器の下流では、ＰＲＯＸ（ＣＯ選択酸化反応器）にてＰＲＯＸ空気と選択酸化反応させる、あるいはメタネーション反応器で一酸化炭素と水素からメタンを発生させる、などの方法で、更に一酸化炭素濃度を低減することもできる。

また、改質部に導入する炭化水素燃料に硫黄分があると改質触媒が劣化するため、改質部入口に脱硫器を設けるが、これに水素の存在が好適である触媒が適用されている場合、ＰＲＯＸ空気が導入される位置よりも上流の位置から改質ガスを脱硫器よりも上流の位置へリサイクルし、また、リサイクル流路が凝縮水で閉塞しないようプロセスライン凝縮熱交換器をリサイクルライン上流に備えるようにしている。

改質装置から導出された改質ガスは、燃料電池アノードを通過する間に発電により水素が消費され、残余の水素などを含むアノードオフガスは前記バーナで燃焼される。アノードオフガス中の水蒸気が過多だとバーナで燃焼しにくいので、アノードオフガスライン凝縮熱交換器を備えて水蒸気及び水ミストを除去するようにしている。

特許第４１３０６０３号公報 特許第４１７５４３２号公報 特許第４０９８２５８号公報

上述したような改質装置においては、停止後は水蒸気パージを行い、起動時も水蒸気パージを行って、バーナ燃焼空間から空気が逆流することを防ぐことが行われている。しかし改質装置に適用される反応器の触媒、特にシフト反応器に広く使用されている銅亜鉛系触媒は、水蒸気に暴露されると酸化により劣化してしまう。また改質触媒層に用いられる触媒にも水蒸気により劣化するリスクがあるものがある。このため、起動停止操作を繰り返すにつれ、該装置の性能が低下する可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、停止後に改質装置の触媒に好適な改質ガスを改質装置内に保持しつつ水分を除去する、燃料電池発電装置及びその停止方法を提供することである。

実施形態の燃料電池発電装置は、改質水から水蒸気を発生させる改質水蒸発器と、燃料に含まれる炭化水素と前記改質水蒸発器により発生される水蒸気とから水素を含む改質ガスを発生させる改質装置と、前記改質装置の入口へ供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う改質装置入口遮断弁と、前記改質装置で発生する改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮するプロセスライン凝縮熱交換器と、前記プロセスライン凝縮熱交換器を通過する改質ガスに含まれる水素を消費する燃料電池アノードと、前記燃料電池アノードの入口へ供給される改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノード入口遮断弁と、前記燃料電池アノードを上流から下流にバイパスする燃料電池アノードバイパスラインと、前記燃料電池アノードバイパスラインを通る改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノードバイパスライン遮断弁と、前記改質水蒸発器の改質水上流の分岐からの改質水の排出及びその解除を開閉操作により行う改質水蒸発器水抜き遮断弁とを備えた燃料電池発電装置であって、前記プロセスライン凝縮熱交換器近傍の改質ガスの圧力を測定するプロセスライン凝縮熱交換器圧力計と、前記燃料電池発電装置を停止する際に、少なくとも前記燃料電池アノード入口遮断弁と前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁とを閉じた状態で前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を開いて前記改質水蒸発器から改質水を排出し、前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を閉じた後、一定量の改質水を前記改質装置に供給し、少なくとも前記改質装置入口遮断弁、前記燃料電池アノード入口遮断弁、もしくは前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁を操作することにより前記プロセスライン凝縮熱交換器圧力計により測定される圧力の値が一定の範囲内に収まるように制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、停止後に改質装置の触媒に好適な改質ガスを改質装置内に保持しつつ水分を除去することが可能となる。

第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図。 同実施形態に係る燃料電池発電装置の停止手順の一例を示すフローチャート。 同実施形態に係る燃料電池発電装置の停止手順の一例を示すタイミングチャート。 第２の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図。 第３の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図である。

図１に示される燃料電池発電装置１は、改質装置２、燃料電池３、改質部４、脱硫器５、燃料予熱器６、シフト反応器一段目７、シフト反応器二段目８、プロセスライン凝縮熱交換器９、ＰＲＯＸ（ＣＯ選択酸化反応器）１０、改質水蒸発器１１、水蒸発器出口圧力損失要素１２、起動燃料圧力損失要素１３、排熱回収装置１４、換気ファン１５、燃料入口圧力計１６、改質装置圧力計１７、燃料流量計１８、バーナ空気流量計１９、燃料ブロア２１、バーナ空気ブロア２２、カソード空気ブロア２３、ＰＲＯＸ空気ブロア２４、改質水ポンプ２５、アノードオフガスライン凝縮熱交換器２７、アノードオフガスライン凝縮水排出装置２８、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９、燃料入口遮断弁３０、改質装置入口遮断弁３２、バーナ燃料遮断弁３３、ＰＲＯＸ空気遮断弁３４、燃料電池アノード入口遮断弁３５、燃料電池アノード出口遮断弁３６、燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７、燃料電池アノードバイパスライン３７Ａ、リサイクルライン遮断弁３８、リサイクルライン３８Ａ、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９、プロセスライン凝縮水排出装置４０、プロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１、制御部１００などを有する。

改質装置２は、燃料に含まれる炭化水素と改質水蒸発器１１により発生される水蒸気とから、水素を含む改質ガスを発生させるものであり、改質部４、脱硫器５、燃料予熱器６、シフト反応器一段目７、シフト反応器二段目８、ＰＲＯＸ１０、改質水蒸発器１１、及び水蒸発器出口圧力損失要素１２を含む。

燃料電池３は、燃料電池アノード３ａと燃料電池カソード３ｂとを備えている。

改質部４は、改質触媒層４ａ、改質部バーナ４ｂ、及びバーナ燃焼空間４ｃを備え、改質燃料が改質触媒層４ａを通過する間、バーナ燃焼空間４ｃからの伝熱により、改質反応を促進させ、主成分が水素である改質ガスを生成する。なお、改質触媒層４ａ及びバーナ燃焼空間４ｃには、それらの温度を検出する温度検出器（図示せず）がそれぞれ備えられており、温度検出結果が制御部１００に伝えられる。

脱硫器５は、起動時の加熱などの温度調節に用いる脱硫器温度調節部５ａを備え、燃料ブロア２１から供給される燃料から附臭剤などの硫黄を含む有機物を分解除去する。

燃料予熱器６は、改質部４内に導入する前の燃料に予熱を与えるとともに、改質部４から生成される改質ガスにも熱を与える。

シフト反応器一段目７は、起動時の加熱などの温度調節に用いるシフト反応器一段目温度調節部７ａを備え、改質部４から供給される改質ガスに対し、シフト反応を促進させる。

シフト反応器二段目８は、起動時の加熱などの温度調節に用いるシフト反応器二段目温度調節部８ａを備え、シフト反応器一段目７から供給される改質ガスに対し、さらにシフト反応を促進させる。

プロセスライン凝縮熱交換器９は、シフト反応器二段目８から供給される改質ガスに対し、冷却水との熱交換により水蒸気を凝縮させる。

ＰＲＯＸ１０は、冷却ファンなどのＰＲＯＸ温度調節部１０ａを備え、供給される改質ガスに対し、選択酸化反応により一酸化炭素を燃焼除去し、一酸化炭素の濃度を低下させる。

改質水蒸発器１１は、改質水ポンプ２５から供給される改質水を二相流もしくは過熱蒸気にする。

水蒸発器出口圧力損失要素１２は、改質水蒸発器１１から供給される水蒸気を通過させる際に一定の圧力損失を生じさせる。

起動燃料圧力損失要素１３は、燃料ブロア２１から供給される燃料を通過させる際に一定の圧力損失を生じさせる。

排熱回収装置１４は、バーナ燃焼空間４ｃから改質水蒸発器１１の高温側を通過して改質水の蒸発に利用された燃焼排ガスを、燃料電池カソード３ｂの排出ガスとともに熱回収する。

換気ファン１５は、排熱回収装置１４により熱回収された排ガスを燃料電池発電装置１全体の換気と混合して外部に排出する。

燃料入口圧力計１６は、燃料入口遮断弁３０を通じて燃料ブロア２１により引き込まれる燃料の圧力を計測する。

改質装置圧力計１７は、改質装置入口遮断弁３２を通じて改質部４に導入される燃料の圧力を計測する。

燃料流量計１８は、燃料ブロア２１により燃料入口遮断弁３０を通じて引き込まれる燃料の流量を計測する。

バーナ空気流量計１９は、バーナ空気ブロア２２により引き込まれる空気の流量を計測する。

燃料ブロア２１は、燃料を改質部４に通じる第一の系統及び第二の系統に引き込む。

バーナ空気ブロア２２は、外部の空気を改質部バーナ４ｂに引き込む。

カソード空気ブロア２３は、外部の空気を燃料電池カソード３ｂに引き込む。

ＰＲＯＸ空気ブロア２４は、ＰＲＯＸ１０へ供給する改質ガスと混合させるための空気を外部から引き込む。

改質水ポンプ２５は、改質装置２の外側に設置された純水タンクからの改質水を改質装置２内の改質水蒸発器１１に供給する。

アノードオフガスライン凝縮熱交換器２７は、燃料電池アノード３ａからの水素が消費された改質ガス、または燃料電池アノードバイパスライン３７Ａを通じて供給される改質ガスに対し、冷却水との熱交換により水蒸気を凝縮させ、これにより露点が調整された改質ガスを改質部バーナ４ｂに供給する。

アノードオフガスライン凝縮水排出装置２８は、アノードオフガスライン凝縮熱交換器２７により生成された凝縮水を排出する。

プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９は、プロセスライン凝縮熱交換器９近傍（例えば、プロセスライン凝縮熱交換器９の下流側）の改質ガスの圧力を計測する。

燃料入口遮断弁３０は、燃料入口から燃料ブロア２１により供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

改質装置入口遮断弁３２は、燃料ブロア２１により第二の経路を通じて改質装置２内の脱硫器５へ供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

バーナ燃料遮断弁３３は、燃料ブロア２１により第一の経路を通じて改質装置２内の改質部バーナ４ｂへ供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

ＰＲＯＸ空気遮断弁３４は、ＰＲＯＸ空気ブロア２４により供給される空気の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

燃料電池アノード入口遮断弁３５は、燃料電池アノード３ａの入口に供給される改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

燃料電池アノード出口遮断弁３６は、燃料電池アノード３ａの出口から排出される改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

燃料電池アノードバイパスライン３７Ａは、燃料電池アノード３ａを上流から下流にバイパスする配管であり、燃料電池アノード入口遮断弁３５の上流と燃料電池アニード出口遮断弁３６の下流とを繋ぐ。

燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７は、燃料電池アノードバイパスライン３７Ａを通じる改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

リサイクルライン３８Ａは、プロセスライン凝縮熱交換器９の下流から一部の改質ガスを燃料ブロア２１の上流へとリサイクルさせる配管であり、プロセスライン凝縮熱交換器９の下流と燃料ブロア２１の上流とを繋ぐ。

リサイクルライン遮断弁３８は、リサイクルライン３８Ａを通じてリサイクルされる改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

改質水蒸発器水抜き遮断弁３９は、改質水蒸発器１１からの排出される改質水の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

プロセスライン凝縮水排出装置４０は、プロセスライン凝縮熱交換器９が水蒸気を凝縮して生成した凝縮水を排出する。

プロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１は、プロセスライン凝縮水排出装置４０出口から排出される凝縮水の遮断及びその解除を開閉操作により行う開閉弁である。

制御部１００は、燃料電池発電装置１全体の動作を司るものであり、各部に設置される燃料入口圧力計１６、改質装置圧力計１７、燃料流量計１８、バーナ空気流量計１９、パージ燃料流量計２０、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９などの各種センサの検出結果を取り込み、それらの値に応じて、プロセスライン凝縮熱交換器９、燃料ブロア２１、バーナ空気ブロア２２、カソード空気ブロア２３、ＰＲＯＸ空気ブロア２４、改質水ポンプ２５、各種の遮断弁３０，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４１などの補機類の動作を制御する。

例えば、制御部１００は、燃料電池発電装置１を停止する際に、少なくとも燃料電池アノード入口遮断弁３５と燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７とを閉じた状態で改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開いて改質水蒸発器１１の改質水の水抜きを行い、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じた後、一定量の改質水を改質装置２に供給し、少なくとも改質装置入口遮断弁３２、燃料電池アノード入口遮断弁３５、もしくは燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７を開閉操作することによりプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力の値が一定の範囲内に収まるように制御する機能を有する。

より具体的には、制御部１００は、一定量の改質水を改質装置２に供給した後、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力を監視し、その圧力が第１の値以上となった場合には改質装置入口遮断弁３２を閉じて燃料の供給を停止するとともに改質水の供給を停止し、プロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通を開始し、その圧力が第１の値よりも高い第２の値以上となった場合にはプロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通量を増加させ、一方、その圧力が第３の値以下となった場合にはプロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通を停止し、その圧力が第３の値よりも低い第４の値以下となった場合には改質装置入口遮断弁３２を開いて燃料を供給するとともに改質水を供給し、その圧力が第４の値よりも低い第５の値以下となった場合には燃料及び改質水の供給量を増加させる制御を行う機能を有する。

更に、制御部１００は、改質装置２の改質部４の温度が所定値（予め定められた値）以下となった場合には、少なくとも改質装置入口遮断弁３２を開くとともに改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開いて改質水蒸発器１１の改質水の水抜きを行い、改質装置入口遮断弁３２及び改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じた後、少なくとも燃料電池アノード入口遮断弁３５と燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７とを閉じた状態で改質装置２へ供給される燃料の圧力（改質装置圧力計１７により測定される圧力）もしくはプロセスライン凝縮熱交換器９近傍の改質ガスの圧力（プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力）を監視し、その圧力が所定値以下となった場合には改質装置入口遮断弁３２を開き、その圧力が所定値以上となった場合には改質装置入口遮断弁３２を閉じる制御を行う機能を有する。

上記構成において、燃料電池発電装置１の運転中は、燃料が燃料入口遮断弁３０を通じて燃料ブロア２１により引き込まれ、そのときの圧力が燃料入口圧力計１６、流量が燃料流量計１８により計測される。燃料ブロア２１上流にはリサイクルライン３８Ａの出口があり、リサイクルライン遮断弁３８を通じて少量の改質ガスがリサイクルされる。燃料ブロア２１下流は二系統に別れ、第一の系統は燃料が起動燃料圧力損失要素１３とバーナ燃料遮断弁３３とを通じて、改質装置２内の改質部バーナ４ｂに補助的な燃料として供給される。第二の系統は燃料が改質装置入口遮断弁３２を通じて、改質装置２内の脱硫器５に供給され、附臭剤などの硫黄を含む有機物が分解除去される。

一方、改質装置２の外側に設置された純水タンクからは、改質水ポンプ２５により改質水が改質装置２に供給され、改質水蒸発器１１で二相流もしくは過熱蒸気となった後、水蒸発器出口圧力損失要素１２を通過し、脱硫器５から導出された改質燃料と合流して燃料予熱器６で予熱され、改質触媒層４ａに導入される。改質触媒層４ａを通過する間に、改質部４内でバーナ燃焼空間４ｃからの伝熱により、改質反応が進み、主成分が水素である改質ガスとして燃料予熱器６の高温側を通過し、シフト反応器一段目７へ、続けてシフト反応器二段目８に導入される。

シフト反応器から導出された改質ガスは、燃料電池発電装置１の雰囲気温度より高い露点で水蒸気を含み、特にリサイクルライン３８Ａで流通する過程で凝縮し流通を阻害するおそれがある。このため、プロセスライン凝縮熱交換器９により水蒸気を凝縮させ、プロセスライン凝縮水排出装置４０により排出させる。図１では、このようなプロセスライン凝縮水排出装置４０の一例として、フロート式の自力式液面調整弁を例示しているが、水位センサを用いて出口弁を開閉する形式など、水が排出できるものであれば他の種類のものを採用してもよい。また、プロセスライン凝縮水排出装置４０出口に設けられるプロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１は、自力式液面調整弁を用いる限り本来不要ではあるが、後述する停止操作の際に使用できるように設置することが望ましい。プロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１の例としては、電磁弁のほか、内外の圧力差が期待できるなら逆止弁を採用してもよい。また、プロセスライン凝縮熱交換器９近傍に設けられるプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９は、図１の例では、低温かつ凝縮の恐れが低い方が好適であることから下流に設置しているが、上流に設置しても構わない。

一方、ＰＲＯＸ空気ブロア２４により送気されたＰＲＯＸ空気は、ＰＲＯＸ空気遮断弁３４を通じて、プロセスライン凝縮熱交換器９から導出された改質ガスと混合され、ＰＲＯＸ（ＣＯ選択酸化反応器）１０に導入される。ＰＲＯＸ１０では選択酸化反応により一酸化炭素が燃焼除去され、濃度１０ｐｐｍ以下となって導出される。ＰＲＯＸ１０から導出された改質ガスは、燃料電池アノード入口遮断弁３５を通じて燃料電池アノード３ａに導入され、カソード空気ブロア３を通じて燃料電池カソード３ｂに供給された空気中の酸素との反応により水素を消費されて燃料電池アノード出口遮断弁３６を通じて導出される。

燃料電池アノード入口遮断弁３５の上流と燃料電池アニード出口遮断弁３６の下流を繋ぐ燃料電池アノードバイパスライン３７Ａには、燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７が配置される。この燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７は、起動または停止中に改質装置２の内圧が過度に上昇した際に開かれる。

燃料電池アノード出口遮断弁３６から導出された改質ガスは、水素消費により流量が減るため、露点が上昇している。そのためアノードオフガスライン凝縮熱交換器２７で水蒸気を凝縮させ、アノードオフガスライン凝縮水排出装置２８を通じて排出する。このように露点を調整した改質ガスを改質部バーナ４ｂに導入し、バーナ空気ブロア２２によりバーナ空気流量計１９を通じて導入された空気とともに燃焼させる。燃焼排ガスは、バーナ燃焼空間４ｃから改質水蒸発器１１の高温側を通過して改質水の蒸発に利用された後、改質装置２の外側に導出され、燃料電池カソード３ｂの排出ガスとともに排熱回収装置１４にて熱回収した後、換気ファン１５による燃料電池発電装置１全体の換気と混合されて外部に排出される。

次に、図２のフローチャート及び図３のタイミングチャートを参照して、同実施形態に係る燃料電池発電装置を停止する際の制御部１００による動作について説明する。なお、図２，図３の中では、各構成要素をその参照符号のみで簡略的に表すことにより、記載の簡潔化を図っている。

燃料電池発電装置１において発電停止の指示があった場合（ステップＳ１）、以下の処理（ステップＳ２）を行う。

カソード空気ブロア２３の運転を停止して、発電を停止する。また、燃料ブロア２１を停止し、燃料入口遮断弁３０、改質装置入口遮断弁３２を閉じ、改質水ポンプ２５の運転を停止することで改質装置への原料の供給を停止するとともに、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じ、バーナ燃料遮断弁３３を閉じて改質部バーナ４ｂへの燃料の供給を止め、火炎を消火して降温させる。なお、改質部４及び改質装置２全体の温度を下げるため、バーナ空気ブロア２２の運転は継続させる。また、ＰＲＯＸ空気ブロア２４を停止し、ＰＲＯＸ空気遮断弁３４を閉じて、ＰＲＯＸ空気流通を停止させる。また、リサイクルライン遮断弁３８を閉じて改質ガスのリサイクルを停止する。また、降温のため脱硫器温度調節部５ａ、燃料予熱器温度調節部６ａ、シフト反応器一段目温度調節部７ａ、シフト反応器二段目温度調節部８ａ、ＰＲＯＸ温度調節部１０ａを停止する。この上で、燃料電池アノード入口遮断弁３５、燃料電池アノード出口遮断弁３６、燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７、及びプロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１を閉じ、改質装置２とプロセスライン凝縮熱交換器９を含む区画を締め切る。この段階では一時的にプロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通を停止することが望ましい。なぜなら、次の操作で区画内に減圧する機器があると望ましい結果が得られない可能性がある上、プロセスライン凝縮水排出装置４０から排水ができない状態だからである。

上記の条件を満たした段階で、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開き、改質水蒸発器１１から改質水を排水する（ステップＳ３）。

改質水蒸発器水抜き遮断弁３９以外の遮断弁は全て閉じているため、改質水蒸発器１１から排水された分、改質装置２内の気相が増え、改質装置圧力計１７の計測値が低下する。この増分をΔＰとすると、
ΔＰ＞（停止前の改質装置圧力計１７の絶対圧、もしくは設計上の改質装置圧力計１７の絶対圧）×｛（改質水蒸発器水抜き遮断弁３９から改質水蒸発器１１入口までの配管容積）｝＋（改質水蒸発器１１内の容積）｝÷（改質装置２内の容積）
となったときに改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じる、もしくは、排水に要する時間を予め計測しておき、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開いてから該時間経過後に閉じる（ステップＳ４，Ｓ５）。

これにより、気相の改質ガスを無駄に漏出することなく改質水を抜くことができる。また、このように水抜きを行うことにより、この後の締切り運転で改質装置２の内圧が上昇するリスクを低減することができる。

改質水蒸発器１１の水抜きを行い、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じた後、改質水ポンプ２５を運転し（ステップＳ５）、改質水蒸発器１１の入口までの配管を満たしながら改質水蒸発器１１までは入らない程度の一定量の改質水、例えば、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９から改質水蒸発器１１入口までの配管容積分の改質水を供給して再水張りを行い（ステップＳ６）、改質水ポンプ２５を停止させる（ステップＳ７）。

このようにして改質ガスパージの準備が整った段階で、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９の値が所定値ｂｂ以上であるかを確認する（ステップＳ８）。

負圧の状態から再開すると水を吸い込むので、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９の値が所定値ｂｂよりも低い場合は、燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７を開いて、バーナ燃焼空間４ｃの残熱による気相圧力上昇を一定時間待ち、その後に燃料電池アノードバイパスライン遮断弁３７を閉じる（ステップＳ９）。所定値ｂｂ以上になれば、プロセスライン凝縮水排出装置出口遮断弁４１を開く（ステップＳ１０）。

この後、改質触媒層４ａの温度及びバーナ燃焼空間４ｃの温度が所定値以下となるまでは（ステップＳ１１のＮｏ）、以下のように各種の補機類を操作することにより、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力が一定の範囲内に収まるように制御する。

当該制御の中では、適宜、燃料ブロア２１による改質原料の導入やプロセスライン凝縮熱交換器９による冷媒流通などを行うが、改質原料の導入は、改質装置２の圧力を増加させる要因となる一方で、プロセスライン凝縮熱交換器９での凝縮による水蒸気の除去と改質装置２全体の温度低下は、圧力が低下する要因となる。そこで、最も圧力が低下する箇所にプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９を設置し、このプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９の圧力を監視しながら、以下に示す保圧制御を実施する。

例えば、プロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９の圧力が所定値ａ以上となった場合には（ステップＳ１２のＹｅｓ）、燃料入口遮断弁３０及び改質装置入口遮断弁３２を閉じるとともに燃料ブロア２１及び改質水ポンプ２５の運転を停止することにより、燃料の供給を停止するとともに改質水の供給を停止し（ステップＳ１３）、プロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通を開始する（ステップＳ１４）。このとき、締切り状態で凝縮を行うため、プロセスライン凝縮熱交換器９は減圧され、改質部４からの流れができる。それでもなお圧力上昇が続き、その圧力が所定値ａよりも高い所定値ａａ以上となった場合には（ステップＳ１５のＹｅｓ）、プロセスライン凝縮熱交換器９での冷媒流通量を増加させる（ステップＳ１６）。

一方、その圧力が所定値ｃ以下となった場合には（ステップＳ１７のＹｅｓ）、プロセスライン凝縮熱交換器９の冷媒流通を停止する（ステップＳ１８）。それでもなお圧力低下が続き、その圧力が所定値ｃよりも低い所定値ｂ以下となった場合には（ステップＳ１９のＹｅｓ）、燃料入口遮断弁３０及び改質装置入口遮断弁３２を開くとともに燃料ブロア２１及び改質水ポンプ２５の運転を実施することにより、燃料を供給するとともに改質水を供給する（ステップＳ２０）。改質燃料と改質水との供給比（Ｓ／Ｃ）は、２．５〜３．５の範囲になるよう選定し、微量もしくは間欠的に供給することが望ましい。それでもなお圧力低下が続き、その圧力が所定値ｂよりも低い所定値ｂｂ以下となった場合には（ステップＳ２１のＹｅｓ）、燃料ブロア２１からの燃料供給量及び改質水ポンプ２５からの改質水供給量を増加させる。

このような制御を継続している間に、改質触媒層４ａの温度及びバーナ燃焼空間４ｃの温度が所定値以下になり、降温が完了したら（ステップＳ１１のＹｅｓ）、燃料入口遮断弁３０及び改質装置入口遮断弁３２を閉じ、燃料ブロア２１及び改質水ポンプ２５の運転を停止することにより、燃料の供給を停止するとともに改質水の供給を停止する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ１１に示される所定値以下とは、水蒸気がない状態で燃料を改質触媒に供給してもカーボン発生などの不適合が起こらない温度であり、燃料や改質触媒の種別にもよるが、２８０〜３５０℃であることが望ましい。

次に、燃料入口遮断弁３０及び改質装置入口遮断弁３２を開くとともに、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を開き、改質装置２の入口から脱硫器５を経由し改質水蒸発器１１に至るまでを燃料でパージさせる（ステップＳ２４）。改質装置２の入口から導入された燃料は、脱硫器５を経由し、脱硫された燃料で改質水蒸発器１１がパージされるので、この後に改質装置２を締め切っても、水蒸気発生による圧力上昇の可能性が低減される。また、改質部４から下流側はパージされないので、この区間の水素を含む改質ガスは保持される。また、次回起動時に硫黄を含むガスが改質部４に流入する可能性を防止することができる。

そして、一定時間経過後（ステップＳ２５のＹｅｓ）、燃料入口遮断弁３０及び改質装置入口遮断弁３２を閉じるとともに、改質水蒸発器水抜き遮断弁３９を閉じる（ステップＳ２６）。この状態で、改質装置圧力計１７もしくはプロセスライン凝縮熱交換器圧力計２９により測定される圧力を監視し、その圧力が所定値以下となったら改質装置入口遮断弁３２を開き、その圧力が所定値以上となったら改質装置入口遮断弁３２を閉じ、主に温度低下により圧力が低下する分だけ燃料を供給するような保圧制御を行う（ステップＳ２７）。この場合、燃料供給により改質ガス濃度中の水素濃度が低下することはあっても、改質ガスは燃料によって完全に置換されることはないので、触媒周囲に水素がある雰囲気を保ったまま徐々に水蒸気を除去することができる。

第１の実施形態によれば、簡便な構成により、改質装置２の触媒に好適な改質ガスを改質装置２内に保持しながら、停止操作中に水分を除去し、改質装置２の温度低下が完了した時点でも内部が凝縮水で濡れないよう保つことができる。また、停止操作中に圧力が過大となったり、圧力が低下してプロセスライン凝縮水排出装置９から水を吸い込んだりすることがないようにすることができる。また、停止操作中、改質ガスが他のガスに置換されることを防ぐことができ、改質装置４の出口から可燃性ガスが排出される心配がない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

なお、第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４は、第２の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図である。

図４に示される燃料電池発電装置１では、ＰＲＯＸ１０はプロセスライン凝縮熱交換器９の下流側ではなく上流側に存在する。また、ＰＲＯＸ空気ブロア２４により送気されたＰＲＯＸ空気は、ＰＲＯＸ空気遮断弁３４を通じて、プロセスライン凝縮熱交換器９から導出された改質ガスと混合されるのではなく、シフト反応器８から導出された改質ガスと混合され、ＰＲＯＸ（ＣＯ選択酸化反応器）１０に導入される。この場合、プロセスライン凝縮熱交換器９で露点を低下されたガスは、窒素を含み、これをリサイクルするとなると改質部４でアンモニアが発生するリスクがある。そのため、本実施形態ではリサイクルライン３８Ａは設けられていない。

その他の構成や動作は、前述の第１の実施形態の場合と同様となる。

第２の実施形態によれば、基本的な構成や動作が前述の第１の実施形態と共通しており、前述の第１の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

なお、第３の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図５は、第３の実施形態に係る燃料電池発電装置の構成の一例を示す構成図である。

図５に示される燃料電池発電装置１では、ＰＲＯＸ１０は設けられないが、プロセスライン凝縮熱交換器９の上流側にはメタネーション反応器２６が設けられる。このメタネーション反応器２６は、温度調節に用いるメタネーション反応器温度調節部２６ａを備え、一酸化炭素と水素からメタンを発生させることにより一酸化炭素濃度を低減させる。なお、ＰＲＯＸ空気は、改質ガスとの混合には使用されない。メタネーション反応器２６はＰＲＯＸ空気なしで動作するため、プロセスライン凝縮熱交換器９で露点を低下されたガスには窒素が含まれず、脱硫器５に供給するガスとしては好適である。そのため、本実施形態ではリサイクルライン３８Ａが設けられる。

その他の構成や動作は、前述の第１の実施形態の場合と同様となる。

第３の実施形態によれば、基本的な構成や動作が前述の第１の実施形態と共通しており、前述の第１の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…燃料電池発電装置、２…改質装置、３…燃料電池、３ａ…燃料電池アノード、３ｂ…燃料電池カソード、４…改質部、４ａ…改質触媒層、４ｂ…改質部バーナ、４ｃ…バーナ燃焼空間、５…脱硫器、５ａ…脱硫器温度調節部、６…燃料予熱器、６ａ…燃料予熱器温度調節部、７…シフト反応器一段目、７ａ…シフト反応器一段目温度調節部、８…シフト反応器二段目、８ａ…シフト反応器二段目温度調節部、９…プロセスライン凝縮熱交換器、１０…ＰＲＯＸ、１０ａ…ＰＲＯＸ温度調節部、１１…改質水蒸発器、１２…水蒸発器出口圧力損失要素、１３…起動燃料圧力損失要素、１４…排熱回収装置、１５…換気ファン、１６…燃料入口圧力計、１７…改質装置圧力計、１８…燃料流量計、１９…バーナ空気流量計、２０…パージ燃料流量計、２１…燃料ブロア、２２…バーナ空気ブロア、２３…カソード空気ブロア、２４…ＰＲＯＸ空気ブロア、２５…改質水ポンプ、２６…メタネーション反応器、２６ａ…メタネーション反応器温度調節部、２７…アノードオフガスライン凝縮熱交換器、２８…アノードオフガスライン凝縮水排出装置、２９…プロセスライン凝縮熱交換器圧力計、３０…燃料入口遮断弁、３２…改質装置入口遮断弁、３３…バーナ燃料遮断弁、３４…ＰＲＯＸ空気遮断弁、３５…燃料電池アノード入口遮断弁、３６…燃料電池アノード出口遮断弁、３７…燃料電池アノードバイパスライン遮断弁、３７Ａ…燃料電池アノードバイパスライン、３８…リサイクルライン遮断弁、３８Ａ…リサイクルライン、３９…改質水蒸発器水抜き遮断弁、４０…プロセスライン凝縮水排出装置、４１…凝縮水排出装置出口遮断弁、１００…制御部。

Claims (5)

1. 改質水から水蒸気を発生させる改質水蒸発器と、燃料に含まれる炭化水素と前記改質水蒸発器により発生される水蒸気とから水素を含む改質ガスを発生させる改質装置と、前記改質装置の入口へ供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う改質装置入口遮断弁と、前記改質装置で発生する改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮するプロセスライン凝縮熱交換器と、前記プロセスライン凝縮熱交換器を通過する改質ガスに含まれる水素を消費する燃料電池アノードと、前記燃料電池アノードの入口へ供給される改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノード入口遮断弁と、前記燃料電池アノードを上流から下流にバイパスする燃料電池アノードバイパスラインと、前記燃料電池アノードバイパスラインを通る改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノードバイパスライン遮断弁と、前記改質水蒸発器の改質水上流の分岐からの改質水の排出及びその解除を開閉操作により行う改質水蒸発器水抜き遮断弁とを備えた燃料電池発電装置であって、
   前記プロセスライン凝縮熱交換器近傍の改質ガスの圧力を測定するプロセスライン凝縮熱交換器圧力計と、
   前記燃料電池発電装置を停止する際に、少なくとも前記燃料電池アノード入口遮断弁と前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁とを閉じた状態で前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を開いて前記改質水蒸発器から改質水を排出し、前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を閉じた後、一定量の改質水を前記改質装置に供給し、少なくとも前記改質装置入口遮断弁、前記燃料電池アノード入口遮断弁、もしくは前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁を操作することにより前記プロセスライン凝縮熱交換器圧力計により測定される圧力の値が一定の範囲内に収まるように制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記一定量の改質水を前記改質装置に供給した後、前記プロセスライン凝縮熱交換器圧力計により測定される圧力を監視し、その圧力がある値以上となった場合には前記改質装置入口遮断弁を閉じて燃料の供給を停止するとともに改質水の供給を停止する、もしくは前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通を開始する、もしくは前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通量を増加させる制御を行い、一方、その圧力がある値以下となった場合には前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通を停止する、もしくは前記改質装置入口遮断弁を開いて燃料を供給するとともに改質水を供給する、もしくは燃料及び改質水の供給量を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記一定量の改質水を前記改質装置に供給した後、前記プロセスライン凝縮熱交換器圧力計により測定される圧力を監視し、その圧力が第１の値以上となった場合には前記改質装置入口遮断弁を閉じて燃料の供給を停止するとともに改質水の供給を停止し、前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通を開始し、その圧力が前記第１の値よりも高い第２の値以上となった場合には前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通量を増加させ、一方、その圧力が第３の値以下となった場合には前記プロセスライン凝縮熱交換器の冷媒流通を停止し、その圧力が前記第３の値よりも低い第４の値以下となった場合には前記改質装置入口遮断弁を開いて燃料を供給するとともに改質水を供給し、その圧力が前記第４の値よりも低い第５の値以下となった場合には燃料及び改質水の供給量を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記改質装置の改質部の温度が所定値以下となった場合には、少なくとも前記改質装置入口遮断弁を開くとともに前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を開いて前記改質水蒸発器から改質水を排出し、前記改質装置入口遮断弁及び前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を閉じた後、少なくとも前記燃料電池アノード入口遮断弁と前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁とを閉じた状態で前記改質装置へ供給される燃料の圧力もしくは前記プロセスライン凝縮熱交換器圧力計により測定される圧力を監視し、その圧力が所定値以下となった場合には前記改質装置入口遮断弁を開き、その圧力が所定値以上となった場合には前記改質装置入口遮断弁を閉じる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置の停止方法。
5. 改質水から水蒸気を発生させる改質水蒸発器と、燃料に含まれる炭化水素と前記改質水蒸発器により発生される水蒸気とから水素を含む改質ガスを発生させる改質装置と、前記改質装置の入口へ供給される燃料の遮断及びその解除を開閉操作により行う改質装置入口遮断弁と、前記改質装置で発生する改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮するプロセスライン凝縮熱交換器と、前記プロセスライン凝縮熱交換器を通過する改質ガスに含まれる水素を消費する燃料電池アノードと、前記燃料電池アノードの入口へ供給される改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノード入口遮断弁と、前記燃料電池アノードを上流から下流にバイパスする燃料電池アノードバイパスラインと、前記燃料電池アノードバイパスラインを通る改質ガスの遮断及びその解除を開閉操作により行う燃料電池アノードバイパスライン遮断弁と、前記改質水蒸発器の改質水上流の分岐からの改質水の排出及びその解除を開閉操作により行う改質水蒸発器水抜き遮断弁とを備えた燃料電池発電装置の停止方法であって、
   制御手段により、前記燃料電池発電装置を停止する際に、少なくとも前記燃料電池アノード入口遮断弁と前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁とを閉じた状態で前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を開いて前記改質水蒸発器から改質水を排出し、前記改質水蒸発器水抜き遮断弁を閉じた後、一定量の改質水を前記改質装置に供給し、少なくとも前記改質装置入口遮断弁、前記燃料電池アノード入口遮断弁、もしくは前記燃料電池アノードバイパスライン遮断弁を操作することにより前記プロセスライン凝縮熱交換器近傍の改質ガスの圧力の値が一定の範囲内に収まるように制御することを特徴とする燃料電池発電装置の停止方法。

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