JP4971629B2

JP4971629B2 - 燃料電池発電システムおよびその運転方法

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Publication number: JP4971629B2
Application number: JP2005358566A
Authority: JP
Inventors: 悦朗坂田; 昌平松田
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP2007165073A

Description

この発明は燃料電池発電システムおよびその運転方法に関し、特に、停止保管中の燃料電池本体の電圧性能低下を抑制した燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。

燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができるものである。しかも、この燃料電池発電システムは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいという環境性に極めて優れた特徴を有する。

従来の典型的な燃料電池発電システムでは、原燃料は燃料処理装置に供給されて、改質され、水素濃度の高まった水素リッチガスとなる。その後、水素リッチガスとなった燃料ガスは燃料電池本体内部の燃料極へ導かれて発電に使われる。酸化剤ガスは、酸化剤ガスブロワによって燃料電池本体内部の酸化剤極に導かれる。また、燃料極から排出されるガス（アノードオフガス）および酸化剤極から排出されるガス（カソードオフガス）はアフターバーナーで処理されるもしくは燃料処理装置の昇温のために使われる。排熱回収ラインは、燃焼ガス熱交換器または電池冷却水熱交換器を介し、貯湯槽に熱を蓄える。

以上のような従来の燃料電池発電システムにおいては、運転停止中は、窒素などの不活性ガスを燃料電池本体の燃料極および酸化剤極に封入して保管している。しかし、このように不活性ガスを封入しても外気である空気が燃料電池本体内のガス流路に拡散し、ある程度の酸素が燃料極および酸化剤極の両極に含まれた状態になる。また、たとえ窒素ガスでパージしたとしても燃料極の触媒層に吸着した酸素を完全に除去することはできないため、部分電池反応が生じて、停止保管中に燃料電池本体の電圧性能が低下するという課題があった。

ここで、部分電池反応について、図６を参照して、部分電池による腐食反応について説明する。この図は、従来の燃料電池発電システムの起動時における電池面内での電流の流れを示す。図に示すように、膜状の電解質２５の両面を燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂで挟み込み、さらにその外側を燃料ガス流路２６と酸化剤ガス流路２７で挟み込んでいる。この図６に示す接合体がセパレータ（図示せず）を介して複数積層されて燃料電池本体を構成している。

両極が酸素を含む雰囲気である状態において、燃料ガス流路２６に水素を含んだ燃料ガスが燃料電池に導入されると、燃料入口付近には水素が存在するため水素電位（０Ｖ）であり、燃料出口付近では水素が到達しないため空気電位のままであり、燃料極２ａ面内に出口から入口に向かって電位勾配が生じる。

この電位勾配に従って電流が燃料極２ａ面内に流れると、それを打ち消すように空気極２ｂ面内には逆方向の電流が流れる。燃料入口部では水素が（１）式のようにプロトンに分解されて、燃料極２ａから酸化剤極２ｂへの電流を担う。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ … （１）
燃料出口部では、電流の担い手であるプロトンは（２）式の反応に従って炭素から生成される。この反応により触媒の担持カーボンが消失し、電池性能を低下させる。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ … （２）
また、パージ用不活性ガスとして窒素ガスを使用する場合、一般的には、窒素ガスをボンベから供給しており、ボンベ交換の手間とランニングコストがかかるという課題があった。特に、一般家庭において使用する場合には、窒素ボンベの交換は避けたいという要求がある。また、自動車用燃料電池においては、起動時にパージするために、起動時間が長くなるという課題もある。

このような課題を解決するために、停止時に燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂの上流と下流に開閉手段を備え、停止時に燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂを封じきり状態にし、燃料電池本体内部へのガスの混入を防止するという手法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００２−９３４４８号公報

上述した燃料電池発電システムの停止・保管・起動方法では、次のような課題がある。

停止時に燃料極および酸化剤極を封じきり状態にした場合、高温状態で運転されている燃料電池本体が停止後、燃料電池本体の温度が下がると、燃料極または酸化剤極に水が生成される。あるいは、直接および間接的に燃料ガス流路または酸化剤ガス流路へ水を供給する方式の燃料電池発電システムにおいては、燃料極および酸化剤極を封じきった後の残存した燃料ガスおよび酸化剤ガスが反応し消費されることにより燃料極と酸化剤極が負圧となり、水が両極に染み出す場合がある。

このため、燃料電池発電システム起動時の燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池本体に導入される際、燃料極および酸化剤極の開閉手段が開かれると、前記生成水が配管を通じて排出されるため、燃料電池本体の上流もしくは下流に設置されている機器およびプロセス状態に悪影響を及ぼすことがある。

特に、燃料極から排出されるアノードオフガスおよび酸化剤極から排出されるカソードオフガスをアフターバーナーに導入するシステムにおいては、燃料電池本体の停止・保管中に生成する水によって、バーナーが失火する等の問題がある。前記システムにおいては、前記生成水のみならず、発電運転中に生じるアノードオフガスまたはカソードオフガス中に含まれる水分の凝縮によってもアフターバーナーが失火する原因となる。

また、ガス封入手段を閉じた状態で燃料極の水素および酸化剤極の酸化剤が消費されると、燃料極および酸化剤極は負圧となる。この状態で、燃料極および酸化剤極の開閉手段が開かれると、燃料極または酸化剤極の前後の流体が燃料電池本体に吸い込まれ、燃料電池発電システムのプロセス状態に悪影響を与えることがある。

その他、上記開閉手段を燃料電池発電システムに組み込むと、燃料電池発電システムの容量が大きくなるという課題がある。特に貯湯槽と一体となった燃料電池発電システムにおいては、貯湯槽容量も含めて、容量を小さくする必要性がある。

本発明は上記の課題を解決するものであって、燃料電池発電システムを停止して封じきりの状態で保管した後に再起動する際に、燃料電池本体またはその周辺の機器に与える悪影響を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池発電システムは、燃料ガスが流通する燃料極と、酸化剤ガスが流通する酸化剤極と、を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池本体の燃料極と燃料ガス供給源の間を接続する燃料極入口配管と、前記燃料電池本体の燃料ガス流路の出口側に接続された燃料極出口配管と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス供給装置の間を接続する酸化剤極入口配管と、前記燃料電池本体の酸化剤ガス流路の出口側に接続された酸化剤極出口配管と、前記燃料極入口配管および燃料極出口配管それぞれに設けられた燃料ガス封入遮断弁と、前記酸化剤極入口配管および酸化剤極出口配管それぞれに設けられた酸化剤ガス封入遮断弁と、を具備する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極入口配管および酸化剤極入口配管の一部が前記燃料電池本体の上面よりも高い位置にあり、前記燃料極出口配管の燃料ガス封入遮断弁下流側または前記酸化剤極出口配管の前記酸化剤ガス封入遮断弁下流側の少なくとも一方に、気体と液体とを分離するドレンセパレーターが配置され、前記燃料ガス封入遮断弁下流側のドレンセパレーターである燃料ガスドレンセパレーターは、前記燃料極出口配管から導入される燃料ガスを冷却してこの燃料ガスの一部を凝縮させる燃料ガス凝縮器を有し、前記酸化剤ガス封入遮断弁下流側のドレンセパレーターである酸化剤ガスドレンセパレーターは、前記酸化剤極出口配管から導入される酸化剤ガスを冷却してこの酸化剤ガスの一部を凝縮させる酸化剤ガス凝縮器を有し、前記燃料ガス凝縮器を通過した燃料ガスおよび前記酸化剤ガス凝縮器を通過した酸化剤ガスが移送されるアフターバーナーを有し、前記アフターバーナー上流側に熱交換器が配置され、この熱交換器で前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが、前記アフターバーナーから排出される排ガスによって加熱されるように構成されていること、を特徴とする。

また、本発明による燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガスが流通する燃料極と、酸化剤ガスが流通する酸化剤極と、を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料極と前記燃料ガス供給手段の間を接続する燃料極入口配管と、前記燃料電池本体の燃料極の出口側に接続された燃料極出口配管と、前記燃料電池本体の酸化剤極と前記酸化剤ガス供給手段の間を接続する酸化剤極入口配管と、前記燃料電池本体の酸化剤極の出口側に接続された酸化剤極出口配管と、前記燃料極入口配管および燃料極出口配管それぞれに設けられた燃料ガス封入遮断弁と、前記酸化剤極入口配管および酸化剤極出口配管それぞれに設けられた酸化剤ガス封入遮断弁と、を具備する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料ガス封入遮断弁および酸化剤ガス封入遮断弁が閉じて燃料電池発電システムの運転を停止していた状態から、前記燃料極入口配管および酸化剤極入口配管を通じてそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの前記燃料電池本体への導入を開始する際に、前記燃料極入口配管側の燃料ガス封入遮断弁および前記酸化剤極入口配管側の酸化剤ガス封入遮断弁を開いた後に、前記燃料極出口配管側の燃料ガス封入遮断弁および前記酸化剤極出口配管側の酸化剤ガス封入遮断弁を開くこと、を特徴とする。

また、本発明による燃料電池発電システムの運転方法は、燃料ガスが流通する燃料極を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料極と前記燃料ガス供給手段の間を接続する燃料極入口配管と、前記燃料電池本体の燃料極の出口側に接続された燃料極出口配管と、前記燃料極入口配管および燃料極出口配管それぞれに設けられた燃料ガス封入遮断弁と、を具備する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料ガス封入遮断弁が閉じて燃料電池発電システムの運転を停止している状態が所定時間継続したときに、前記燃料極入口配管側の燃料ガス封入遮断弁が開くこと、を特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムを停止して封じきりの状態で保管した後に再起動する際に、燃料電池本体またはその周辺の機器に与える悪影響を抑制することができる。

［第１の実施形態］
まず、図１を用いて、本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システム５１について説明する。なお、従来の構成と同一の部分には図６と同一の符号を付して説明する。

図６に示すように、燃料電池本体２には燃料極２ａと酸化剤極２ｂとがあって、燃料極２ａに燃料ガスを供給する燃料ガス流路２６と、酸化剤極２ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２７が燃料電池本体２内に形成されている。図１では、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂなどの図示を省略している。

原燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料処理装置１が配置され、燃料処理装置１から燃料極入口配管１０および燃料ガス上流封入遮断弁１５を通して燃料ガス流路２６に燃料が供給できるようになっている。一方、酸化剤である空気は、空気フィルタ３、酸化剤ガス供給装置（ブロワ）４、酸化剤極入口配管１２、酸化剤ガス上流封入遮断弁１７を介して酸化剤ガス流路２７に供給されるように構成されている。

燃料ガス流路２６を出た残りの燃料ガスは、燃料極出口配管１１および燃料ガス下流封入遮断弁１６を介して燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａに送られる。また、酸化剤ガス流路２７を出た残りの酸化剤ガスは、酸化剤極出口配管１３および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８を介して酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ａに送られる。燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａと酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ａはほぼ同様の構造であって、ガス中の液分を分離する機能を有する。

燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａで分離されたガス分と酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ａで分離されたガス分とは混合してアフターバーナー５へ送られ、ここで燃焼する。アフターバーナー５から出た高温の燃焼ガスは水蒸気を含み、燃焼ガス熱交換器６で冷却され、凝縮器８へ送られて冷却される。

燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａで分離された液分と酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ａで分離された液分とは凝縮器８へ送られる。

凝縮器８で凝縮した凝縮水は、冷却水として燃料電池本体２に送られ、その後、電池冷却水熱交換器７で冷却されて、凝縮器８に戻る。

燃焼ガス熱交換器６で加熱された冷却水は、排熱回収ライン１４を経て貯湯槽９に送られる。貯湯槽９からの水は凝縮器８を通過して加熱され、電池冷却水熱交換器７でさらに加熱され、燃焼ガス熱交換器６の冷却水としてさらに加熱される。

凝縮器８で凝縮した残りのガスは排気として排出される。

この実施形態で、燃料極入口配管１０および酸化剤極入口配管１２の途中には図１に示すように立上がり部１０ａ、１２ａがあって、立上がり部１０ａ、１２ａの最上部は燃料電池本体２の最上部よりも高い位置にある。

この図１に示す実施形態の変形例として、燃料処理装置１および酸化剤供給ガス装置４などを燃料電池本体２の上面よりも高い位置に配置して、燃料極入口配管１０および酸化剤極入口配管１２全体を下り勾配にしてもよい。

燃料極出口配管１１および酸化剤極出口配管１３の一部または全部に下り勾配をつけ、燃料ガス下流封入遮断弁１６および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８はそれぞれ、燃料極出口配管１１および酸化剤極出口配管１３の鉛直方向部分に配置される。

なお、燃料電池発電システム停止中は、燃料極２ａおよび酸化剤２ｂは負圧となるため、燃料ガス下流封入遮断弁１６および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８の出口側の圧力が高くなる。よって、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂの封じきり効果を強めるために、燃料ガス下流封入遮断弁１６および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８は、通常運転時の流体流れ方向とは逆方向となるように設置する。燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａおよび酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ａの底部は、上記ドレンセパレーター１９ａ、２０ａよりも低い位置に設置される凝縮器８と配管で繋がっている。この場合、凝縮器８の替わりに水タンクでもかまわない。

本実施形態の燃料電池発電システムの作用は以下の通りである。停止時に燃料ガス流路２６（燃料極２ａ）および酸化剤ガス流路２７（酸化剤極２ｂ）を封じきり状態に保持した場合、燃料極２ａまたは酸化剤極２ｂに水が生成する。しかし、このように構成された本実施の形態においては、燃料極入口配管１０および酸化剤極入口配管１２が燃料電池本体２よりも高い位置を経るため、燃料電池本体２の上流側へ前記生成水が流出することがなくなる。また、燃料極出口配管１１および酸化剤極出口配管１３に下り勾配をつけ、燃料ガス下流封入遮断弁１６および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８の取り付け位置を鉛直方向とすることで、燃料電池発電システム起動時の燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池本体２に導入されるとき、前記生成水は配管や下流封入遮断弁１６、１８で滞留することがなく、ドレンセパレーター１９ａ、２０ａで完全に分離され、凝縮器８にて再利用される。

本実施の形態によれば、燃料極２ａから排出されるアノードオフガスおよび酸化剤極２ｂから排出されるカソードオフガスをアフターバーナー５に導入するシステムにおいて、燃料電池本体２の停止・保管中に生成する水が、燃料電池本体２に導入される燃料ガスおよび酸化剤ガスに押し出されることによりアフターバーナー５に導入され、アフターバーナー５が失火するといった問題がなくなる。前記アノードオフガスおよびカソードオフガスを燃料処理装置１に再利用するシステムにおいても同様の効果を得ることができる。また、燃料処理装置１または酸化剤供給ガス装置４に前記生成水が導入されることもなくなり、燃料電池発電システムの安定運用が可能となる。

なお、本実施形態は、燃料処理装置１を具備する燃料電池発電システムについてのものであるが、水素ボンベなどから直接燃料電池発電システムに水素を供給するシステム（図６参照）においても同様の効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態の燃料電池発電システム５２について、図２を用いて説明する。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施形態では、図１で示される燃料電池発電システムの構成の燃料ガス下流ドレンセパレーター１９ａを燃料ガス下流凝縮器１９ｂ（ドレンセパレーターおよび凝縮器一体型）に替え、酸化剤ガス下流ドレンセパレーター２０ｂを酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂ（ドレンセパレーターおよび凝縮器一体型）に替える。また、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂでのアノードオフガスおよびカソードオフガスの冷却手段として、前記アノードオフガスおよびカソードオフガスと排熱回収ライン１４を流れる流体とで熱交換する構成とする。

本実施形態によれば、第１の実施形態の作用に加えて、燃料電池発電中に、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれる水分が常に燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂにて回収される。さらに、排熱回収ライン１４の水が加温される。

本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれる水分が配管途中で凝縮し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が閉塞することおよび前記凝縮水がアフターバーナー５に導入し、バーナーの燃焼状態が変化することを防止できる。また、アフターバーナー５が触媒燃焼器の場合、燃焼触媒に導入される凝縮水は前記燃焼触媒表面で蒸発するため、前記燃焼触媒が劣化するという問題があるが、本実施形態により、前記燃焼触媒の劣化を防ぐことができる。また、排熱回収ライン１４を流れる流体温度を高めることにより、貯湯槽容量をコンパクトにすることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態も燃料電池発電システム５３について、図３を用いて説明する。なお第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施形態では、図２で示される燃料電池発電システムの構成に加え、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂとアフターバーナー５の間に再熱交換器２１を配置し、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスとアフターバーナー５から排出される燃焼排ガスとが熱交換する構成とする。

本実施形態によれば、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂで冷却されたアノードオフガスおよびカソードオフガスは再熱交換器２１にて再び温められてアフターバーナー５に導入される。

本実施形態によれば、アノードオフガスおよびカソードオフガスがアフターバーナー５に導入される前に温められることにより、アフターバーナー５から排出される排ガス温度を高めることができる。また、アノードオフガスおよびカソードオフガスの露点を下げることにより、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれる蒸気分が配管放熱によって凝縮することを防止できる。また、結果として、燃焼ガス熱交換器６で熱交換する排熱回収ライン１４を流れる流体温度を高めることが可能で、貯湯槽容量をコンパクトにすることができる。

なお、本実施形態では、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスと、アフターバーナー５から排出される燃焼排ガスとが熱交換する構成とした。この変形例として、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスが、燃料ガス下流凝縮器１９ｂおよび酸化剤ガス下流凝縮器２０ｂに導入される前のアノードオフガスもしくはカソード排ガスと熱交換される構成としても同様の効果が得られる（図示せず）。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態の燃料電池発電システム５４について、図４を用いて説明する。なお第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施形態では、図３で示される燃料電池発電システムの構成における燃焼ガス熱交換器６と再熱交換器２１を、ステンレス鋼製の仕切り板２２ａおよび２２ｂを用いることにより、燃焼排ガスのための流路を確保し、一体型熱交換器とする。

本実施形態に係る作用は第３の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、燃焼ガス熱交換器６と再熱交換器２１を一体型とすることで、燃料電池発電システム内の配管構造を簡潔にすることができ、燃料電池発電システム全体の容量を小さくすることが可能である。また、燃焼排ガスの配管からの放熱量も少なくすることができる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態の燃料電池発電システムの運転方法について説明する。この実施形態では、構成については第１の実施形態（図１）と同様である。

本実施形態の運転は次のように行なう。燃料ガスを燃料極２ａに導入する際、燃料ガス上流封入遮断弁１５を開いた後に、燃料ガス下流封入遮断弁１６を開く。同様に、酸化剤ガスを酸化剤極２ｂに導入する際、酸化剤ガス上流封入遮断弁１７を開いた後に、酸化剤ガス下流封入遮断弁１８を開く。

本実施形態によれば次のような効果が得られる。

燃料電池発電システムの停止・保管中に封入遮断弁１５、１６、１７、１８を閉じた状態で、燃料極２ａの水素および酸化剤極２ｂの酸化剤が消費されると、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂは負圧となる。この状態で、燃料ガス上流封入遮断弁１５、燃料ガス下流封入遮断弁１６、酸化剤ガス上流封入遮断弁１７、酸化剤ガス下流封入遮断弁１８が同時に開放されると、燃料極２ａまたは酸化剤極２ｂ前後の流体が燃料電池本体２に吸い込まれ、燃料電池発電システムに悪影響を及ぼすことがある。しかし、本実施形態によれば、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂの下流に位置する燃料ガス下流封入遮断弁１６および酸化剤ガス下流封入遮断弁１８が開く前に燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂが正圧となるため、前記の問題が生じることなく安定した燃料電池発電システムの起動を実施することができる。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態の燃料電池発電システム５６について、図５を用いて説明する。なお第１の実施形態（図１）と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施形態では、燃料処理装置１（図１参照）がなく、水素ボンベ（図示せず）などから燃料ガス上流封入遮断弁１５を介して燃料電池本体２の燃料ガス流路２６に水素が供給される。本実施形態の運転は次のように行なう。燃料電池発電システムの停止・保管中のガス封入手段を閉じた状態である一定時間が経過すると、燃料ガス流路２６（燃料極２ａ）に封入された燃料ガスが酸化剤ガス流路２７（酸化剤極２ｂ）に封入された酸化剤ガスと反応して消費され、燃料ガス流路２６（燃料極２ａ）の負圧が大きくなる。よって、ある一定時間以上燃料電池発電システムが停止した場合に、燃料ガス上流封入遮断弁１５を開ける。これによって、燃料ガス流路２６（燃料極２ａ）内の圧力低下をある一定値以下に抑えることができる。

また、酸化剤ガス流路２７（酸化剤極２ｂ）に酸化剤が存在する状態で、燃料極２ａ内の水素が不足すると、燃料電池本体２の性能が低下することが知られているが、水素ボンベなどから直接燃料電池発電システムに水素を供給するシステムにおいては、前記状態になることを防ぎ、燃料電池本体２の性能低下を抑える効果も同時に得ることができる。

本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示す系統図である。本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の構成を示す系統図である。本発明による燃料電池システムの第３の実施形態の構成を示す系統図である。本発明による燃料電池システムの第４の実施形態の構成を示す系統図である。本発明による燃料電池システムの第５の実施形態の構成を示す系統図である。起動時における電池面内での電流の流れを示す模式的断面図である。

符号の説明

１…燃焼処理装置
２…燃料電池本体
２ａ…燃料極
２ｂ…酸化剤極
３…酸化剤フィルタ
４…酸化剤供給ガス装置（ブロワ）
５…アフターバーナー
６…燃焼ガス熱交換器
７…電池冷却水熱交換器
８…凝縮器
９…貯湯槽
１０…燃料極入口配管
１１…燃料極出口配管
１２…酸化剤極入口配管
１３…酸化剤極出口配管
１４…排熱回収ライン
１５…燃料ガス上流封入遮断弁
１６…燃料ガス下流封入遮断弁
１７…酸化剤ガス上流封入遮断弁
１８…酸化剤ガス下流封入遮断弁
１９ａ…燃料ガス下流ドレンセパレーター
１９ｂ…燃料ガス下流凝縮器（ドレンセパレーターおよび凝縮器一体型）
２０ａ…酸化剤ガス下流ドレンセパレーター
２０ｂ…酸化剤ガス下流凝縮器（ドレンセパレーターおよび凝縮器一体型）
２１…再熱交換器
２２…一体型熱交換器
２２ａ、２２ｂ…仕切り板
２５…電解質
２６…燃料ガス流路
２７…酸化剤ガス流路
５１、５２、５３、５４、５５、５６…燃料電池発電システム

Claims

燃料ガスが流通する燃料極と、酸化剤ガスが流通する酸化剤極と、を有する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池本体の燃料極と燃料ガス供給源の間を接続する燃料極入口配管と、
前記燃料電池本体の燃料ガス流路の出口側に接続された燃料極出口配管と、
前記燃料電池本体の酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス供給装置の間を接続する酸化剤極入口配管と、
前記燃料電池本体の酸化剤ガス流路の出口側に接続された酸化剤極出口配管と、
前記燃料極入口配管および燃料極出口配管それぞれに設けられた燃料ガス封入遮断弁と、
前記酸化剤極入口配管および酸化剤極出口配管それぞれに設けられた酸化剤ガス封入遮断弁と、
を具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料極入口配管および酸化剤極入口配管の一部が前記燃料電池本体の上面よりも高い位置にあり、
前記燃料極出口配管の燃料ガス封入遮断弁下流側または前記酸化剤極出口配管の前記酸化剤ガス封入遮断弁下流側の少なくとも一方に、気体と液体とを分離するドレンセパレーターが配置され、
前記燃料ガス封入遮断弁下流側のドレンセパレーターである燃料ガスドレンセパレーターは、前記燃料極出口配管から導入される燃料ガスを冷却してこの燃料ガスの一部を凝縮させる燃料ガス凝縮器を有し、
前記酸化剤ガス封入遮断弁下流側のドレンセパレーターである酸化剤ガスドレンセパレーターは、前記酸化剤極出口配管から導入される酸化剤ガスを冷却してこの酸化剤ガスの一部を凝縮させる酸化剤ガス凝縮器を有し、
前記燃料ガス凝縮器を通過した燃料ガスおよび前記酸化剤ガス凝縮器を通過した酸化剤ガスが移送されるアフターバーナーを有し、前記アフターバーナー上流側に熱交換器が配置され、この熱交換器で前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが、前記アフターバーナーから排出される排ガスによって加熱されるように構成されていること、を特徴とする燃料電池発電システム。
原燃料を燃料ガスに改質する燃料処理装置を具備し、前記燃料処理装置または酸化剤ガス供給装置が前記燃料電池本体の上面よりも高い位置にあること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料ガス凝縮器および前記酸化剤ガス凝縮器を冷却する冷却水を循環しその凝縮器で回収された熱を利用する熱利用循環水系統を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
前記熱交換器と一体に形成されて前記アフターバーナーから排出される排ガスと熱利用循環水系統とで熱交換する他の熱交換器を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。