JP2011029116A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランニングコストを抑えることができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器６と、熱交換器６での熱交換により生じる凝縮水を改質器４に向けて供給するための凝縮水供給管１４と、凝縮水供給管１４に設けられた弁１５と、熱交換器６と弁１５との間の凝縮水供給管１４に配置された、凝縮水の導電率を測定するための導電率センサ１６と、導電率センサ１６により計測される凝縮水の導電率が所定の値以下の場合に、凝縮水を改質器４に向けて供給するように弁１５を制御し、導電率センサ１６により計測される凝縮水の導電率が所定の値より高い場合に、凝縮水を排水するように弁１５を制御する制御装置９を備えることにより、改質器４の交換頻度を抑えることができることから、少なくとも改質器４のランニングコストを抑えることができる燃料電池装置を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを、集電部材を介して複数個配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに固定してセルスタック装置を構成し、そのセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池装置においては、総合効率のよい燃料電池装置を提供するにあたり、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を具備し、熱交換により生成される凝縮水を、改質器に供給する燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１７９３８６号公報

ところで、燃料電池装置の運転時（特には起動時や運転初期時）においては、熱交換器により生成される凝縮水中に、燃料電池装置の組立時に生じる埃や、組立作業者の汗、燃料電池装置を構成する各部材に用いられるバインダー等が含まれることにより、凝縮水の純度が低い場合がある。

このような純度の低い凝縮水を改質器に供給すると、改質器に備えられている改質触媒が劣化し、改質器が故障するおそれがある。この場合、改質器の交換頻度が増大し、燃料電池装置における少なくとも改質器のランニングコストが増加するおそれがある。

それゆえ、本発明は、ランニングコストを低減できる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、前記燃料電池セルの運転に伴って生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を前記改質器に供給するための凝縮水供給管と、該凝縮水供給管に設けられた、前記凝縮水を前記改質器に向けて供給するか前記凝縮水を排水するかを切り換えるための弁と、前記熱交換器と前記弁との間の前記凝縮水排水管に配置された、前記凝縮水の導電率を測定するための導電率センサと、該導電率センサにより計測される前記凝縮水の導電率が所定の値以下の場合に、前記凝縮水を前記改質器に向けて供給するように前記弁を制御し、前記導電率センサにより計測される前記凝縮水の導電率が所定の値より高い場合に、前記凝縮水を排水するように前記弁を制御する制御装置を備えることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、制御装置が、導電率センサにより測定された凝縮水の導電率の値に基づいて、凝縮水を改質器に向けて供給するか排水するかを切り換えるための弁を制御することにより、純度の低い凝縮水が改質器に供給されることを容易に抑制（防止）することができる。

それにより、改質器が故障することを抑制（防止）することができることから、改質器の交換頻度が増大することを抑制でき、少なくとも改質器のランニングコストを抑えることができる燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記弁と前記改質器との間の前記凝縮水供給管に、前記凝縮水を浄化するための凝縮水浄化装置が設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、弁と改質器との間の凝縮水供給管に、凝縮水を浄化するための凝縮水浄化装置が設けられていることから、改質器に供給する純水を効率よく生成することができ、改質器が故障することを抑制（防止）することができる。

さらに、制御装置が、導電率センサにより測定された凝縮水の導電率の値に基づいて、凝縮水を改質器に向けて供給するか排水するかを切り換えるための弁を制御することにより、純度の低い凝縮水が凝縮水浄化装置に供給されることを容易に抑制（防止）することができる。それにより、凝縮水浄化装置が劣化することを抑制でき、少なくとも改質器および凝縮水浄化装置のランニングコストを抑えることができる燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記導電率センサにより測定された前記凝縮水の導電率が、前記所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、前記燃料電池装置の運転を停止するように制御することが好ましい。

導電率センサにより測定された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合には、燃料電池装置に異常や故障が生じていると判断することができる。この場合に、制御装置が燃料電池装置の運転を停止するように制御することにより、燃料電池装置が故障することを抑制（防止）することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池装置の外部より供給される水を浄化し、該浄化された水を前記改質器に供給するための外部水浄化装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記導電率センサにより測定された前記凝縮水の導電率が、前記所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、前記外部水浄化装置により浄化された水を前記改質器に供給するように前記外部水浄化装置の動作を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、導電率センサにより測定された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、外部より供給される水を浄化し、浄化された水を改質器に供給することにより、燃料電池装置の運転を継続して行なうことができる。

本発明の燃料電池装置は、少なくとも改質器のランニングコストを抑えることができる。

本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。

図１は、本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。まず、図１を用いて本発明の燃料電池装置の構成の一例について説明する。

図１に示す燃料電池システムは、本発明の燃料電池装置に相当する発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。

図１に示す燃料電池装置は、複数個の燃料電池セルを組み合わせてなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段２、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される水（純水、以下適宜水と略す場合がある）を気化し、原燃料供給手段２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えている。

なお、詳細は後述するが、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールが構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。

また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換器６で生成された凝縮水を改質器４に向けて供給するための凝縮水供給管１４が設けられており、熱交換器６で生成された凝縮水は、水タンク７に貯水された後、水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず）に供給される。

さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電流の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）８、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１０のほか、制御装置９が設けられており、循環配管１２内で水を循環させる循環ポンプ１１とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置９については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる（図示せず）。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１３を具備して構成されている。

また、セルスタック１と熱交換器６との間には、燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に排ガス処理手段を収納してなり、排ガス処理手段としては、一般的に公知の燃焼触媒を用いることができる。

図中の矢印は、原燃料、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置９に伝送される主な信号経路、または制御装置９より伝送（発信）される主な信号経路を示している。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。燃料電池セルの発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される水は、熱交換器６において燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１２を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管１４を流れて水タンク７に供給される。水タンク７に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給され、原燃料供給手段２より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

なお、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールが構成される。なお、図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。

ところで、燃料電池装置の運転時（特には起動時や運転初期時）においては、熱交換器により生成される凝縮水中に、燃料電池装置の組立時に生じる埃や、組立作業者の汗、燃料電池装置を構成する各部材に用いられるバインダー等が含まれることにより、凝縮水の純度が低い場合がある。

このような純度の低い凝縮水を改質器４に供給することにより、改質器４に備える改質触媒が劣化し、改質器４が故障するおそれがある。この場合、改質器４の交換頻度が増大し、少なくとも改質器のランニングコスト、ひいては燃料電池装置のランニングコストが増加するおそれがある。

ここで、図１に示す本発明の燃料電池装置においては、凝縮水供給管１４に、熱交換器６の熱交換により生成された凝縮水を改質器４に向けて供給するか排水するかを切り換えるための弁１５が設けられているとともに、熱交換器６と弁１５との間の凝縮水供給管１４に、熱交換器６により生成され凝縮水供給管１４を流れる凝縮水の導電率を測定するための導電率センサ１６が配置されている。また、制御装置９は、導電率センサ１６により測定された凝縮水の導電率に基づいて、弁１５の動作を制御し、凝縮水を改質器４に向けて供給するもしくは排水する。

すなわち、燃料電池装置の運転時において、熱交換器６により生成された凝縮水の導電率が所定の値よりも高い場合（すなわち純度が低い場合）には、凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御することにより、純度の低い凝縮水が改質器４に供給されることを容易に抑制（防止）することができる。それにより、改質器４が故障することを抑制（防止）することができることから、改質器４の交換頻度を抑えることができ、少なくとも改質器４のランニングコスト、ひいては燃料電池装置のランニングコストを抑えることができる。

一方、熱交換器６により生成された凝縮水の導電率が所定の値以下である場合（即ち純度が高い場合）には、凝縮水を改質器４に供給することで、燃料電池装置の運転において水自立運転を行なうことができ、効率のよい燃料電池装置とすることができる。

なお、凝縮水を改質器４に向けて供給するか排水するかの判断基準となる凝縮水の導電率は、改質器４に備える改質触媒の性能や大きさ等により適宜設定することができ、例えば、５〜２５ｍＳ／ｃｍの範囲で適宜設定することができる。

また、弁１５としては、熱交換器６より流れる凝縮水を２方向（改質器４に向けて流す側と排水側）に流すことができるものであればよく、例えば三方弁を用いることができる。

なお、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、凝縮水を浄化するための凝縮水浄化装置を設けていない例を示している。この場合においては、凝縮水浄化装置が不要となることに伴って、凝縮水浄化装置を交換することも不要となることから、燃料電池装置のランニングコストをさらに抑えることができる。

図２は、本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システムの構成の他の一例を示した構成図である。

図２に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、弁１５と改質器４との間の凝縮水供給管１４に、凝縮水を浄化するための凝縮水浄化装置１７が設けられている。なお、凝縮水浄化装置１７としては、イオン交換樹脂等を用いることができる。

図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、凝縮水浄化装置１７を設けていないことから、熱交換器６により生成された凝縮水の純度が継続して低い場合（即ち、導電率が継続して所定の値よりも低い場合）に、弁１５が凝縮水を継続して排水するように制御されることで、水自立運転が難しくなる場合がある。

それゆえ、効率よく水自立運転を行なうにあたり、弁１５と改質器４との間の凝縮水供給管１４に凝縮水浄化装置１７を設けることが好ましい。それにより、凝縮水浄化装置１７により浄化された水を改質器４に供給することができ、改質器４が故障することを抑制（防止）することができる。

なお、凝縮水浄化装置１７を設けることにより、凝縮水を改質器４に向けて供給する（すなわち凝縮水浄化装置１７に供給する）かもしくは排水するかの判断基準となる凝縮水の導電率は、凝縮水浄化装置１７を設けていない場合と同等以上の値に設定することができる。具体的には、例えば５〜２５ｍＳ／ｃｍの範囲で適宜設定することができる。それにより、効率よく水自立運転を行なうことができる。

ここで、熱交換器６により生成された凝縮水が凝縮水浄化装置１７に供給される場合において、制御装置１０が、純度の低い凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御することから、純度の低い凝縮水が凝縮水浄化装置１７に供給されることを容易に抑制（防止）することができる。

それにより、凝縮水浄化装置１７の劣化を抑制することができることから、凝縮水浄化装置１７の交換頻度を抑えることができる。それゆえ図２に示した燃料電池装置（発電ユニット）においては、少なくとも改質器４および凝縮水浄化装置１７のランニングコストを抑えることができる燃料電池装置とすることができる。

ところで、本発明の燃料電池装置においては、燃料電池装置の運転に伴い、凝縮水の導電率が所定の値よりも高い場合、制御装置９は凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御するが、その状況が長期間続く場合は、燃料電池装置に異常や故障が生じていると判断することできる。この場合に、燃料電池装置の運転を継続することにより、燃料電池装置が故障するおそれがある。

それゆえ、導電率センサ１６により測定された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、制御装置９は燃料電池装置の運転を停止するように制御することが好ましい。それにより、燃料電池装置が故障することを抑制（防止）することができる。なお、凝縮水の導電率における所定の値とは、上述した値とすることができる。

また、所定時間とは、燃料電池装置の構成や燃料電池装置内を循環する水の量等により適宜設定することができ、例えば１分〜１０分の間で適宜設定することができる。

なお、燃料電池装置を停止するにあたっては、制御装置９は、セルスタック１に供給される燃料ガスの量を減少するように原燃料供給手段２を制御した後、セルスタック１に供給される酸素含有ガスの供給量を減少するように酸素含有ガス供給手段３を制御することが好ましい。それにより、燃料電池装置の停止の際に、燃料ガスの不完全燃焼が生じることを抑制できる。

図３は、本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を備える燃料電池システムを示す構成図であり、図３に示す燃料電池装置においては、凝縮水浄化装置１７のほか、外部より供給される水（水道水等）を浄化し、浄化された水を改質器４に供給するための外部水浄化装置Ｘを備えている。

燃料電池装置の運転に伴い、導電率センサ１６により測定された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い場合、制御装置９は凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御するが、凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合には、凝縮水の排水量が増加し、水自立運転を行なうことが困難となるおそれがある。

また、燃料電池装置の運転において、凝縮水の導電率が所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、制御装置９が燃料電池装置の運転を停止するように制御すると、燃料電池装置が頻繁に停止するおそれがある。

それゆえ、図３に示す燃料電池装置においては、外部より供給される水を浄化し、浄化された水を改質器４に供給するための外部水浄化装置Ｘを具備している
ここで、外部水浄化装置Ｘとしては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁１９、水を浄化するための活性炭フィルタ装置２０、逆浸透膜装置２１およびイオン交換樹脂装置２２の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置２２（好ましくは全ての装置）、各装置を接続する水供給管１８を具備する。なお、イオン交換樹脂装置２２にて浄化された水は、水タンク７に供給される。

なお、本発明でいう外部水浄化装置とは、上述した外部から供給される水を処理するための各装置を意味するものとし、図３に示した燃料電池システムにおいては、上記各装置のすべてを備える構成を示している。

また、図３において、外部より供給される水を浄化し、浄化された水を改質器４に供給するための各装置類を一点鎖線により囲い、外部水浄化装置Ｘとして示している。

制御装置９は、導電率センサ１６により測定された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い場合に、凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御する。しかしながら、凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合には、凝縮水が継続して排水されることにより、燃料電池装置内を循環する水の量が減少する。それにより、改質器４に供給される水の量が減少し、改質器４で効率のよい水蒸気改質反応を行なうことが難しくなり、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合には、制御装置９は、外部より供給され外部水浄化装置Ｘにより浄化された水が、改質器４に供給されるように、給水弁１９（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）を開く制御を行なうことが好ましい。それにより、改質器４に継続して水が供給されることから、燃料電池装置の効率のよい運転を継続して行なうことができる。

なお、この間においても、凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を示す場合には、制御装置９が、熱交換器６により生成された凝縮水を排水するように弁１５の動作を制御することから、凝縮水浄化装置１７に純度の低い凝縮水が供給されることを抑制でき、凝縮水浄化装置１７の劣化を抑制することができる。それにより、凝縮水浄化装置１７の交換頻度を抑えることができ、少なくとも改質器４および凝縮水浄化装置１７のランニングコストを抑えることができる燃料電池装置とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、熱交換器６にて生成された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、燃料電池装置の運転を停止する制御を行なうことについて説明したが、凝縮水の排水量が所定の量以上となった場合に、燃料電池装置の運転を停止するように制御することもできる。

燃料電池装置において水自立運転を行う場合に、凝縮水の排水量が所定量以上となった場合（燃料電池装置内に残存する水の量が所定量以下となった場合）、水自立運転を行なうことが困難となるおそれがある。それゆえ、例えば、凝縮水の排水により、燃料電池装置内に残存する水の量が、燃料電池装置の水自立運転に最低限必要な量となった場合（凝縮水の排水量が所定量に達した場合）に、燃料電池装置の運転を停止することもできる。

また、熱交換器６にて生成された凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、外部より供給される水を用いて燃料電池装置を継続して運転することについて説明したが、この場合に、凝縮水の導電率が所定の値よりも高い値をさらに継続した場合には、燃料電池装置が故障していると判断することができる。

それゆえ、制御装置９は、給水弁２０を作動させてから所定時間経過した際に、凝縮水の導電率が、所定の値よりも高い値を示す場合には、燃料電池装置の運転を停止するように制御することもできる。なお、所定時間とは適宜設定することができ、例えば給水弁２０を作動させてから、６０〜１２０分後とすることができる。

１：セルスタック
４：改質器
６：熱交換器
９：制御装置
１４：凝縮水供給管
１５：弁
１６：導電率センサ
１７：凝縮水浄化装置
１９：給水弁
Ｍ：燃料電池モジュール
Ｘ：外部水浄化装置

Claims (4)

1. 燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、前記燃料電池セルの運転に伴って生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器での熱交換により生じる凝縮水を前記改質器に供給するための凝縮水供給管と、該凝縮水供給管に設けられた、前記凝縮水を前記改質器に向けて供給するか前記凝縮水を排水するかを切り換えるための弁と、前記熱交換器と前記弁との間の前記凝縮水供給管に配置された、前記凝縮水の導電率を測定するための導電率センサと、該導電率センサにより計測される前記凝縮水の導電率が所定の値以下の場合に、前記凝縮水を前記改質器に向けて供給するように前記弁を制御し、前記導電率センサにより計測される前記凝縮水の導電率が所定の値より高い場合に、前記凝縮水を排水するように前記弁を制御する制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記弁と前記改質器との間の前記凝縮水供給管に、前記凝縮水を浄化するための凝縮水浄化装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記導電率センサにより測定された前記凝縮水の導電率が、前記所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、前記燃料電池装置の運転を停止するように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池装置の外部より供給される水を浄化し、該浄化された水を前記改質器に供給するための外部水浄化装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記導電率センサにより測定された前記凝縮水の導電率が前記所定の値よりも高い値を所定時間継続した場合に、前記外部水浄化装置により浄化された水を前記改質器に供給するように前記外部水浄化装置の動作を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
   
   
   

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