JP2008234869A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの水補給を行なうことなく、しかも簡易な制御によって水自立運転の安定向上を図ると共にメンテナンスコストの低減を図ること。
【解決手段】凝縮水を一旦溜める回収水タンク１０の水位を検知する水位センサ２０と、回収水タンク１０の水位が予め定めた設定水位よりも低いときは燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を減らすことで燃料電池２の空気利用率を大きくする方向に制御し、回収水タンク１０の水位が設定水位よりも高いときは燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を増やすことで燃料電池２の空気利用率を小さくする方向に制御するための制御部２１とを備えた燃料電池システム７である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水自立運転型の燃料電池システムに関するものである。

一般に、水素と酸素を固体高分子電解質を介して電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池システムには、天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原燃料を水蒸気改質して水素リッチの改質燃料ガスを生成する燃料改質装置が含まれている。この燃料改質装置は、一般に、都市ガスから硫黄化合物を除去してから、水蒸気改質触媒の共存下で水蒸気と反応させて改質ガスを生成し、さらに改質ガスに含まれるＣＯをＣＯ選択酸化触媒の共存下で空気中の酸素で選択的に酸化してＣＯを除去するものである。

従来では、燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガスをそれぞれ凝縮器で冷却して凝縮水として回収水タンクに一旦溜め、その水を水処理装置で処理して再利用することにより、外部からの水を補給しない運転、いわゆる水自立運転型の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）。

ところで、通常運転下では、燃料電池の電気化学反応により水蒸気ガスが生じ、また燃料改質装置においても燃焼に伴い水蒸気ガスが生じ、これらの水蒸気を冷却して水を回収することで、システム運転に必要な水量に比較して回収水の方が勝り、通常、回収水を回収水タンクからオーバーフローさせている。

しかしながら、前記燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガスを充分に冷却できないときは回収される水量が不足して、水自立運転ができなくなる。例えば、外気温が高くて冷却に用いる水（多くは燃料電池の排熱と熱交換される貯湯槽の水）の温度が高くなった場合や、排ガスの量が増大した場合などは、排ガスを充分に冷却できなくなり、結果、水の回収量が不足して水自立運転ができなくなり、この場合、外部から回収水タンク内に水を補給している。ところが、外部から補給水を入れると、回収水タンク内の水の水質が悪くなる（例えばイオン負荷が高くなる）ため、水処理装置の負荷が高くなり、そのためにイオン交換樹脂など消耗品の交換周期が短くなり、メンテナンスコストが高くなるという問題が生じる。また断水時には外部補給水の確保も困難となる。
特開平８−２２８３３号公報

本発明は前記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、外部から水補給を行なうことなく、しかも簡易な制御によって水自立運転の安定向上を図ると共にメンテナンスコストの低減を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために本発明は、天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する燃料改質装置１と、酸化剤ガスとしての反応空気を供給する反応空気ブロア８と、前記改質ガスと反応空気中の酸素とを固体高分子電解質を介して電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池２と、燃料電池２の排ガス及び燃料改質装置１の排ガス中の水蒸気から水を回収する凝縮器９と、凝縮水を一旦溜める回収水タンク１０とを備え、回収水タンク１０内の水を改質用水蒸気等に再利用する燃料電池システムにおいて、前記回収水タンク１０の水位を検知する水位センサ２０と、前記回収水タンク１０の水位が予め定めた設定水位よりも低いときは燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を減らすことで燃料電池２の空気利用率を大きくする方向に制御し、回収水タンク１０の水位が設定水位よりも高いときは燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を増やすことで燃料電池２の空気利用率を小さくする方向に制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。

このような構成とすることで、回収水タンク１０の水位が設定水位未満になった場合は制御手段によって燃料電池２のカソードに供給される反応空気供給量を減少する方向に制御されるので、燃料電池２の空気利用率（理論空気量を反応空気供給量で除した値）が大きくなって、燃料電池２から廃棄される排ガス量が少なくなり、これに伴い凝縮器９の能力が充分に発揮されて、回収される水量が増加して回収水タンク１０の水位が上昇する。逆に、回収水タンク１０内の水位が設定水位以上のときは制御手段によって反応空気供給量を増加する方向に制御されるので、燃料電池２から廃棄される排ガス量が多くなり、回収される水量が減少して回収水タンク１０からの水のオーバーフローを防止できる。これにより外部からの水補給をなくしながら、回収水タンク１０の水位を設定水位に保つことができ、安定した水自立運転が可能となる。

ここで、燃料電池２の発電の際に消費される理論的な酸素量を理論空気量とし、燃料電池２のカソードに供給される空気量を反応空気供給量としたとき、理論空気量を反応空気供給量で除した値を空気利用率という。反応空気供給量を減らすと空気利用率が大きくなり、燃料電池２からの排ガス量が減る方向、つまり水の回収量が増加する方向に変移する。逆に、反応空気供給量を増やすと空気利用率が小さくなり、燃料電池２からの排ガス量が増える方向、つまり水の回収量が減少する方向に変移する。よって、水の回収量を増やすためには空気利用率を大きくする方向に制御することが望ましい。

本発明は、回収水タンクの水位に応じて燃料電池のカソードに供給される反応空気供給量を制御するという簡単な構造で、燃料電池システムにおける水自立運転の安定向上及びメンテナンスコストの低減を図ることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１は、水自立運転型の燃料電池システム７として、燃料電池２の排熱を貯湯槽（図示せず）に温水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示している。このシステムは、天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する燃料改質装置１と、この燃料改質装置１により製造された改質ガスと酸化剤ガスとしての反応空気中の酸素とを固体高分子電解質を介して電気化学的に反応させて電気を発生する固体高分子型の燃料電池２と、前記燃料改質装置１に供給される水蒸気を発生する水蒸気分離器３と、前記水蒸気分離器３に送られる水をイオン交換樹脂４を用いて純水化する水処理装置５と、水処理装置５から燃料改質装置１内部の冷却通路を経て水蒸気分離器３に至るリサイクルラインＬとを備えており、前記水処理装置５で純水化された水が燃料電池冷却水として水蒸気分離器３で回収された水と共に燃料電池２の冷却通路へと供給されてから水蒸気分離器３に投入され、さらに水蒸気分離器３から改質用水蒸気として燃料改質装置１に供給されるようになっている。なお図１中の６は活性炭フィルタであり、水蒸気分離器３に投入される直前の水に含有されている有害物質、例えば、燃料電池２の構成材料やシステム内の配管材料、もしくはイオン交換樹脂４などから溶出した有機化合物やシロキサン等の有害物質を捕捉・除去するものである。

前記固体高分子型の燃料電池２は、燃料改質装置１から送られてくる水素と反応空気ブロア８により送入される空気中の酸素とが反応して直流電流と熱と水を発生する。燃料電池２は図示省略したアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設、積層することにより構成されている。この燃料電池２の発電原理は例えば特開平６−１３２０３８号公報などに開示されており、詳細な説明は省略する。

前記燃料電池２で発生する直流電流は、図示省略したインバータで一般用途用の交流に変換される。燃料電池２内で発生する熱は、主として高温蒸気として取り出されて、高温熱負荷（例えば貯湯槽）に与えられる。

前記燃料改質装置１は、図２に示すように、原燃料から硫黄化合物を除去する脱硫器２３と、脱硫された原燃料を水蒸気改質触媒の共存下で水蒸気と反応させて改質ガスを生成する改質器２４と、改質ガス中のＣＯを触媒の共存下で水蒸気と反応させてＣＯ_２に変換するＣＯ変成器２５と、改質ガス中のＣＯをＣＯ選択酸化触媒の共存下で空気中の酸素により選択的に酸化させてＣＯを除去するＣＯ選択酸化反応器２６とが、この順に配置され、ＣＯ選択酸化反応器２６から出た水素リッチの改質燃料ガスが燃料電池２のアノードに供給される。

ここで、前記改質器２４では以下の水蒸気改質反応により、ＣＯ濃度が約１０％程度まで低減される。

ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２
（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２）
前記ＣＯ変成器２５では以下の水性シフト反応により、ＣＯ濃度が約５０００ｐｐｍ程度まで低減される。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
前記ＣＯ選択酸化反応器２６では以下のＣＯ選択酸化反応により、改質ガス中のＣＯは約１０ｐｐｍ以下まで低減される。

ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
一方、燃料改質装置１から排出される排ガスは、燃料電池２から排出される排ガスと共に、凝縮器９へと送られ、この凝縮器９で水が回収されて水処理装置５に送られる。水処理装置５は、凝縮器９から回収された水もしくは外部から補給された水を受ける回収水タンク１０と、この回収水タンク１０からの処理原水を濾過するフィルタ装置１１と、フィルタ装置１１にて濾過された処理原水を化学処理して純水化する処理槽１２と、送水用のポンプ１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、これらを連結する配管１４及び処理水の一部を回収水タンク１０へ戻す戻り配管１５により構成されている。本例では、燃料電池２の排ガスからの回収水と市水や工業用水等の補給水をフィルタ装置１１で濾過したのち、処理槽１２に設けたイオン交換樹脂４に通すことで、電気伝導度の低い純水を得るようにしている。

ここで、本発明においては、図１に示す回収水タンク１０内の水位を検知する水位センサ２０を備えている。この水位センサ２０は、例えば水圧から水位を検出する半導体圧力センサのような圧力式水位センサで構成され、制御部２１に接続されている。制御部２１は、回収水タンク１０の水位が設定水位未満のときは、燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を減らす方向に反応空気ブロア８を駆動制御するものであり、一方、回収水タンク１０の水位が設定水位よりも高いときは、燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を増やす方向に反応空気ブロア８を駆動制御するものである。尚、回収水タンク１０には図示省略した外部補給水管やオーバーフロー管が接続されている。

図３は、前記回収水タンク１０の水位を増減させる制御フローの一例を示している。通常運転時には水位センサ２０にて回収水タンク１０の水位を常に監視する。回収水タンク１０内の検出水位が設定水位未満になったときは、ステップｎ１からｎ２に移行して、制御部２１は反応空気ブロア８の出力を減らして反応空気供給量（燃料電池２のカソードに供給される単位時間当たりの空気量）を規定値よりも減少させる。これにより、燃料電池２の空気利用率（理論空気量を反応空気供給量で除した値）が大きくなって、燃料電池２から廃棄される排ガス量が少なくなり、これに伴い凝縮器９の能力が充分に発揮されて、回収される水量が増加して回収水タンク１０の水位が上昇する。ステップｎ３で検出水位が設定水位に達すると、ステップｎ７に移行して反応空気ブロア８の出力を元に戻すことで反応空気供給量を元の規定値に戻す。逆に、回収水タンク１０内の検出水位が設定水位以上になったときは、ステップｎ４からｎ５に移行して、制御部２１は反応空気ブロア８の出力を増やして反応空気供給量を規定値よりも増加させる。これにより、燃料電池２から廃棄される排ガス量が多くなり、回収される水量が減少することで、回収水タンク１０の水位が過剰とならず、回収水タンク１０から水のオーバーフローをなくすことができる。ステップｎ６で検出水位が設定水位に達すると、ステップｎ７に移行して反応空気供給量を元の規定値に戻す。

具体的数値を挙げて説明すると、通常運転時に燃料電池２の空気利用率が５５％程度になるように、燃料電池２のカソードに空気を供給するための反応空気ブロア８の出力が、燃料電池２の電流値に対してあるテーブルを持って設定されている。回収水タンク１０の満タン状態の定義を水位が９５〜１００％の状態（設定水位）としたとき、通常運転時において水位が、例えば満タン時よりも１０％低下（水位８５％）した場合は、空気利用率を５ポイント高くする空気利用率６０％設定とし、２０％低下（水位７５％）した場合は、空気利用率を１０ポイント高くする空気利用率６５％設定とする。このように水位が１％低下するごとに０．５ポイント空気利用率を高くする設定として、反応空気ブロア８を運転制御する。逆に、水位が２４時間満タンの場合は、空気利用率を５ポイント低くする空気利用率５０％設定とする。

しかして、前記回収水タンク１０の水位に応じて反応空気ブロア８の出力を制御するという簡単な構造で、燃料電池コージェネレーションシステムにおける水自立運転の安定向上を図ることができると共に、外部からの補給水をなくすことができるので、イオン交換樹脂４の負荷を軽減でき、メンテナンスコストの低減を図ることができる。さらに断水時にも安定した水自立運転を継続できる。

ところで、水の回収量を減らして空気利用率を小さくすると、燃料電池２の電圧が上昇することから、発電能力を高めるためには空気利用率は小さい方が望ましい。一方、本発明のように、水の回収量を増やすためには空気利用率を大きくする必要がある。そこで、燃料電池２の電圧が下がりすぎない範囲内で空気利用率を大きくするのが望ましい。これにより、燃料電池２の発電能力を維持しながら水自立運転の安定向上を図ることができるものである。

本発明の一実施形態に用いる燃料電池システムの全体構成図である。 同上の燃料電池システムに用いる燃料改質装置のブロック図である。 同上の反応空気流量に関連するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料改質装置
２ 燃料電池
７ 燃料電池システム
８ 反応空気ブロア
９ 凝縮器
１０ 回収水タンク
２０ 水位センサ
２１ 制御部

Claims (1)

1. 天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する燃料改質装置と、酸化剤ガスとしての反応空気を供給する反応空気ブロアと、前記改質ガスと反応空気中の酸素とを固体高分子電解質を介して電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガス中の水蒸気から水を回収する凝縮器と、凝縮水を一旦溜める回収水タンクとを備え、回収水タンク内の水を改質用水蒸気等に再利用する燃料電池システムにおいて、前記回収水タンクの水位を検知する水位センサと、前記回収水タンクの水位が予め定めた設定水位よりも低いときは燃料電池のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を減らすことで燃料電池の空気利用率を大きくする方向に制御し、回収水タンクの水位が設定水位よりも高いときは燃料電池のカソードに供給される単位時間当たりの反応空気供給量を増やすことで燃料電池の空気利用率を小さくする方向に制御する制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。

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