JP2013206657A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電運転の停止時に、純水ポンプを逆流運転させて、水供給通路に滞留した水を貯留タンクに回収又は外部に排水可能な燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電システム１は、燃料電池２の排気ガスを冷却して凝縮水を回収する水回収手段２１と、凝縮水中の不純物を除去する水処理部２２と、この水処理部２２で処理された水を貯留する貯留手段２３と、この貯留手段２３に貯留された水を蒸発部１５へ供給する水供給手段２４と、この水供給手段２４を制御する制御手段４１とを備え、水供給手段２４は、貯留手段２３と蒸発部１５とを接続する水供給通路３１と、この水供給通路３１に設置された正逆両方向へ供給可能な純水ポンプ３２とを備え、燃料電池２の発電運転が停止した場合、制御手段４１は、水供給通路３１内に滞留した水を貯留手段２３側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプ３２を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に発電運転の停止時に、水処理装置の水供給通路内に滞留した純水を回収又は排水するものに関する。

従来、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯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が実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電システムと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯システムと、燃料電池発電システムと貯湯システムとの間に湯水を循環させる湯水循環通路等を備えている。

ここで、上記の燃料電池発電システムは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電モジュールと、この燃料電池発電モジュールからの排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換する熱交換器と、この熱交換器で回収された凝縮水を改質器に供給する純水へ浄化する水処理装置等を備えている。

ところで、上記の水処理装置では、凝縮水を処理タンクでイオン交換して純水を生成するが、この生成された純水は純水タンクに一時的に貯留され、純水ポンプの駆動に伴い水供給通路を介して、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器に供給されるので、水供給通路の純水ポンプと蒸発器との間の通路部には、発電運転時・運転停止時に関わらず純水が常時滞留してしまう。

そこで、上記の純水の滞留を防止する技術として、例えば、特許文献１では、燃料電池発電システムの発電運転の停止時に、純水が流れる純水通路に空気導入経路を介してエアを導入し、このエア圧によって純水通路に滞留した純水を純水タンクに押し流して回収することで、純水通路内で純水が滞留するのを防止する構造が開示されている。

特開２００４−３３５２４０号公報

しかし、特許文献１の水の滞留防止構造では、発電には寄与しない滞留防止の為の専用のエア供給機構を設ける必要があるので、燃料電池発電システム全体が大型化する上にコスト高となってしまう。このため、専用のエア供給機構を設けない事が望ましい。ところが、水供給通路内に水が滞留した状態のままでは、寒冷地や冬場等で発電運転を停止した場合、純水の凍結に伴う体積膨張によって内部の圧力が上昇し、水供給通路が損傷してしまう虞がある。従って、水の凍結防止の為に、水供給通路には、複数のヒータが設置されている場合が多いが、水供給通路の全体に亙って複数のヒータを設置すると、消費電力が増加してしまい、コストが増加してしまう。

また、燃料電池発電システムの発電運転の停止時でも、水供給通路の純水ポンプと蒸発器との間の通路部に滞留した純水が、蒸発器の余熱によって蒸発してしまい、純水が無駄に消費されてしまう上、この水蒸気が運転停止状態の燃料電池発電モジュールの内部に入り込むことで結露が発生し、燃料電池発電システムに不具合が生じる虞がある。

本発明の目的は、発電運転停止時における燃料電池モジュール内の結露の発生を防止可能な燃料電池発電システムを提供すること、及び、水供給通路内の純水の凍結防止が可能な燃料電池発電システムを提供すること、等である。

請求項１の燃料電池発電システムは、燃料電池の排気ガスを冷却して凝縮水を回収する水回収手段と、前記凝縮水中の不純物を除去する水処理部と、この水処理部で処理された水を貯留する貯留手段と、この貯留手段に貯留された水を蒸発部へ供給する水供給手段と、この水供給手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記水供給手段は、前記貯留手段と前記蒸発部とを接続する水供給通路と、この水供給通路に設置された正逆両方向へ供給可能な純水ポンプとを備え、前記燃料電池の発電運転が停止した場合、前記制御手段は、前記水供給通路内に滞留した水を前記貯留手段側へ戻す逆流運転となるように前記純水ポンプを制御することを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電システムは、請求項１の発明において、前記水供給通路の前記貯留手段と前記純水ポンプとの間の通路部に、前記水供給通路内に滞留した水と前記貯留手段に貯留された水を排水する為の排水手段を設け、凍結予防が必要な場合、前記排水手段を開放状態に切り換えると共に、前記制御手段は、前記水供給通路内に滞留した水を前記貯留手段側へ戻す逆流運転となるように前記純水ポンプを制御することで、前記貯留手段と前記水供給通路内の水を排水することを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電システムは、請求項１又は２の発明において、前記純水ポンプが、バルブレスプランジャポンプで構成されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、水供給手段は、貯留手段と蒸発部とを接続する水供給通路と、この水供給通路に設置された正逆両方向へ供給可能な純水ポンプとを備え、燃料電池の発電運転が停止した場合、制御手段は、水供給通路内に滞留した水を貯留手段側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプを制御するので、水供給通路内に滞留した水を貯留手段に回収することができる。従って、蒸発部の余熱により水供給通路内に滞留した水が蒸発するのを防止するので、純水の無駄な消費を抑制することができ、さらに、発電運転停止時に燃料電池内に結露が発生するのを抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、水供給通路の貯留手段と純水ポンプとの間の通路部に、水供給通路に滞留した水と貯留手段に貯留された水を排水する為の排水手段を設け、凍結予防が必要な場合、排水手段を開放状態に切り換えると共に、制御手段は、水供給通路内に滞留した水を貯留手段側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプを制御することで、貯留手段と水供給通路内の水を排水するので、水供給通路に凍結予防の為のヒータを設置せずとも、寒冷地や冬場等における水の凍結を防止することができ、コストを低減することができる。

請求項３の発明によれば、純水ポンプが、バルブレスプランジャポンプで構成されたので、汎用性のあるポンプを採用することができ、基本的に請求項１，２と同様の効果を奏する。

実施例１に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 水処理装置の概略構成図である。 純水回収運転制御のフローチャートである。 実施例２に係る凍結防止運転制御のフローチャートである。 部分変更形態に係る凍結防止運転制御のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、燃料電池発電システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１は、燃料電池発電モジュール２（燃料電池に相当する）、カソード空気ブロア６、燃料ガス昇圧ブロア７、燃料改質空気ブロア８、排気ガス排出通路９、熱交換器１１、水処理装置１２、インバータ１３等から構成されている。燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

尚、この燃料電池発電システム１は、熱交換器１１による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯システムと、この貯湯システムと燃料電池発電システム１との間に循環ポンプ１９を介して湯水を循環させる為の湯水循環配管４等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成しているが、燃料電池発電システム１以外の構成の詳細な説明は省略する。

次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電モジュール２（以下、発電モジュール２という）は、燃料電池セルスタック１４、蒸発器１５（蒸発部に相当する）、燃料改質器１６、オフガス燃焼室１７等を備え、燃料改質器１６によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１４で化学反応させることで発電を行うものである。

蒸発器１５は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器１６に供給するものである。蒸発器１５には、燃料ガス昇圧ブロア７によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（都市ガスやＬＰＧ等）と、燃料改質空気ブロア８によって取り込まれた燃料改質用の空気とが、共通通路１８ａを介して供給され、水処理装置１２から水供給通路３１を介して純水が供給される。

燃料改質器１６は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器１５から混合通路１８ｂを介して供給される燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを、改質燃料ガス供給路１８ｃを介して燃料電池セルスタック１４の燃料極側に供給する。

燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セルを並べて構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固体電解質と燃料極と酸素極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック１４の燃料極（アノード）側には、燃料改質器１６から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック１４の酸素極（カソード）側には、カソード空気ブロア６から空気通路１８ｄを介して空気が供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

オフガス燃焼室１７は、燃料電池セルスタック１４の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック１４の燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室１７では、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスで燃料改質器１６と熱交換器１１を加熱してから、排気ガス排出通路９を介して外部に排出する。

熱交換器１１は、排気ガス排出通路９の途中部に設けられ、湯水循環通路４の一部を構成する熱交換通路部１１ａを備えている。この熱交換器１１において、発電モジュール２から排出される排気ガスを、熱交換通路部１１ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、水処理装置１２について説明する。
図１，図２に示すように、水処理装置１２は、水回収手段２１、水処理部２２、貯留手段２３、水供給手段２４、排水手段２５等を備え、水回収手段２１にて凝縮された凝縮水を回収し、水処理部２２により不純物を取り除いた純水を、貯留手段２３で貯留し、水供給手段２４介して発電モジュール２の蒸発器１５に供給するものである。尚、水処理装置１２（又は燃料電池発電システム１）の外気温度は温度センサ２０により検出され、この検出された信号は制御装置４１に送信される。

次に、水回収手段２１と水処理部２２と貯留手段２３とを順に説明する。
水回収手段２１は、発電モジュール２から排出される排気ガスから凝縮水を回収する為のものであり、排気ガスを冷却する上記の熱交換器１１と、この熱交換器１１により冷却された凝縮水を回収する為に排気ガス排出通路９に上流端が接続された回収通路２６とを備えている。

水処理部２２は、熱交換器１１から回収した凝縮水の不純物を除去する為のものであり、処理タンク２７を備えている。処理タンク２７には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。処理タンク２７の上端部に回収通路２６の下流端が接続されている。

貯留手段２３は、水処理部２２により処理された水を貯留する為のものであり、貯留タンク２９を備えている。貯留タンク２９の上端部には、処理タンク２７の下端部と接続するタンク連結通路２８が接続されている。

次に、水供給手段２４について説明する。
図１，図２に示すように、水供給手段２４は、貯留タンク２９内の浄化された純水を発電モジュール５の蒸発器１５へ供給する為のものであり、貯留タンク２９の下端部と蒸発器とを接続する水供給通路３１と、この水供給通路３１に設置された純水ポンプ３２とを備えている。純水ポンプ３２の駆動により、貯留タンク２９内の純水を、水供給通路３１を介して蒸発器１５に供給する。

純水ポンプ３２は、正逆両方向（図２の矢印ａで示す正方向と矢印ｂで示す逆方向）へ水を供給可能なバルブレスプランジャポンプで構成されているが、ポンプの種類はこれに限定する必要はなく、正逆両方向へ水の供給が可能な構成であれば、ギアポンプや軸流ポンプ等の種々のポンプを採用しても良い。この純水ポンプ３２は、蒸発器１５に水を供給する通常運転時には、制御装置４１により水が正方向に流れるように運転される。

次に、排水手段２５について説明する。
図２に示すように、排水手段２５は、水供給通路３１内に滞留した純水と貯留タンク２９内に貯留された純水とを排水する為のものであり、さらに、回収通路２６内、処理タンク２７内、タンク連結通路２８内の水も排水する為のものである。

排水手段２５は、回収通路２６から分岐して外部に延びる第１排水通路３３、タンク連結通路２８から分岐して外部に延びる第２排水通路３４、水供給通路３１の貯留タンク２９と純水ポンプ３２との間の通路部３１ａから分岐して外部に延びる第３排水通路３５、第１排水通路３３に設置された電磁弁からなる第１開閉弁３６、第２排水通路３４に設置された電磁弁からなる第２開閉弁３７、第３排水通路３５に設置された電磁弁からなる第３開閉弁３８を備えている。

次に、制御装置４１について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電システム１は、純水ポンプ３２等を制御する制御装置４１（制御手段に相当する）を備えている。温度センサ２０を含む各種の温度センサや流量センサ（図示略）からの信号を制御装置４１が受信し、この信号に基づいて、制御装置４１は純水ポンプ３２、第１〜第３開閉弁３６〜３８等を制御し、各種運転（通常の純水回収運転、凍結防止運転等）を実行する。

次に、制御装置４１より実行される純水回収運転制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。この運転制御の制御プログラムは、制御装置４１のコンピュータの記憶部（例えば、ＲＯＭ）に予め格納されている。尚、図中Ｓｉ（ｉ＝１，２・・・）は各ステップを示す。

先ず、発電モジュール２の発電運転が停止したか否かを判定し（Ｓ１）、Ｓ１の判定がＹｅｓの場合、水供給通路３１内に滞留した水を貯留タンク２９に戻す為に純水回収運転モードを実行する（Ｓ２）。つまり、制御装置４１は、水が逆方向に流れるように純水ポンプ３２を逆流運転させて、Ｓ３に移行する。このとき、第１〜第３開閉弁３６〜３８は閉弁状態を維持する。Ｓ１の判定がＮｏの場合は、そのままリターンする。

Ｓ３にて、純水ポンプ３２が逆流運転されてから所定時間経過したか否かを判定し、Ｓ３の判定がＹｅｓの場合、つまり、水供給通路３１（特に純水ポンプ３２より下流側の通路部３１ｂ）内に滞留した水が、貯留タンク２９に戻されたと判定した場合、純水ポンプ３２の運転を停止し（Ｓ４）、この純水回収運転モードを終了する。Ｓ３の判定がＮｏの場合は、水供給通路３１内の純水が貯留タンク２９に回収されたと判定される迄、Ｓ３の判定を繰り返す。

尚、燃料電池発電システムを再稼動する際は、制御装置４１は、貯留タンク２９から水供給通路３１を通り蒸発器１５に純水が至る迄、純水ポンプ３２を予備純水送水運転させる。

次に、本発明の燃料電池発電システム１の作用及び効果について説明する。
この燃料電池発電システム１は、発電モジュール２の発電運転が停止した場合、水供給通路３１内に滞留した純水を貯留タンク２９に戻す純水回収運転モードを有する。この純水回収運転モードにおいては、制御装置４１は、水供給通路３１内に滞留した水を貯留タンク２９側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプ３２を制御する。このとき、第１〜第３開閉弁３６〜３８は閉弁状態を維持する。

このように、発電モジュール２（燃料電池）の発電運転が停止した場合、制御装置４１は、水供給通路３１内に滞留した水を貯留手段２３側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプ３２を制御するので、水供給通路３１内に滞留した水を貯留タンク２９に回収することができる。従って、蒸発器１５の余熱により水供給通路３１内に滞留した水が蒸発するのを防止するので、純水の無駄な消費を抑制することができ、さらに、発電運転停止時に発電モジュール２内に結露が発生するのを抑制して、発電モジュール２の耐久性を向上させることができる。

次に、実施例１の燃料電池発電システム１を部分的に変更した実施例２について説明する。尚、実施例１では、純水回収運転モードに関して説明したが、実施例２では、凍結防止時に実行される凍結防止運転モードに関して説明する。

制御装置４１より実行される凍結防止運転制御について、図４のフローチャートに基づいて説明する。この運転制御の制御プログラムは、制御装置４１のコンピュータの記憶部（例えば、ＲＯＭ）に予め格納されている。尚、図中Ｓｉ（ｉ＝１１，１２・・・）は各ステップを示す。

先ず、発電モジュール２の発電運転が停止したか（又は停止中か）否かを判定し（Ｓ１１）、Ｓ１１の判定がＹｅｓの場合、温度センサ２０の検出値に応じて、つまり、外気温度に応じて凍結防止運転が必要か否かを判定する（Ｓ１２）。Ｓ１１の判定がＮｏの場合は、そのままリターンする。

Ｓ１２の判定がＹｅｓの場合、つまり、寒冷地や冬場等において運転停止中に水が凍結する虞があると判定した場合、凍結防止運転モードを実行する為に、制御装置４１は、第１〜第３開閉弁３６〜３８を開放状態に切り換え、純水ポンプ３２を純水の流れが逆方向となる逆流運転となるように制御する（Ｓ１３）。Ｓ１２の判定がＮｏの場合は、そのままリターンする。

Ｓ１４にて、純水ポンプ３２が逆流運転されてから所定時間経過したか否かを判定し、Ｓ１４の判定がＹｅｓの場合、つまり、水供給通路３１内、貯留タンク２９内、タンク連結通路２８内、処理タンク２７内、回収通路２６内のこれら全ての水が外部に排水されたと判定した場合、純水ポンプ３２の運転を停止し、第１〜第３開閉弁３６〜３８を閉弁状態に切り換えて（Ｓ１５）、この凍結防止運転を終了する。Ｓ１４の判定がＮｏの場合は、全ての水が外部に排水される迄、Ｓ１４の判定を繰り返す。

次に、実施例２の燃料電池発電システム１の作用及び効果について説明する。
この燃料電池発電システム１は、発電運転の停止時又は停止中であって純水の凍結防止が必要な場合に、水供給通路３１内に滞留した純水や貯留タンク２９内に貯留された純水を含む水処理装置１２内の水を外部に排水する凍結防止運転モードを有している。

この凍結防止運転モードは、排水手段２５を開放状態に切り換えると共に、制御装置４１は、水供給通路３１内に滞留した純水を貯留手段２３側へ戻す逆流運転となるように純水ポンプ３２を制御することで、貯留タンク２９内と水供給通路３１内の水を排水すると共に、回収通路２６内と処理タンク２７内とタンク連結通路２８内の水も排水する。

このように、第３排水通路３５と第３開閉弁３８とを設けて、第３開閉弁３８を開放状態に切り換えて、貯留タンク２９と水供給通路３１内の水を第３排水通路３５を介して排水するので、貯留タンク２９や水供給通路３１に凍結予防の為のヒータを設置せずとも、寒冷地や冬場等における水の凍結を防止することができ、コストを低減することができる。

さらに、第１排水通路３３と第１開閉弁３６及び第２排水通路３４と第２開閉弁３７を設けることで、回収通路２６内に滞留した水と、処理タンク２７内に貯留された水と、タンク連結通路２８内に滞留した水とを排水できるので、水処理装置１２内の水を完全に排水することができ、回収通路２６、処理タンク２７及びタンク連結通路２８に凍結予防の為のヒータを設置する必要がなく、コストを低減することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］図５に示すように、前記実施例２の凍結防止運転モードにおいて、Ｓ１２の判定がＮｏの場合、Ｓ１６に移行して、実施例１の純水回収運転モードを実行しても良い。つまり、燃料電池発電システム１の外気温度に応じて、純水が凍結する可能性があると判断した場合は凍結防止運転モードが実行されるが、発電運転停止時に凍結防止する必要がないと判断した場合、水供給通路３１内の水を貯留タンク２９に戻す純水回収運転モードを実行するので、水供給通路３１内の純水の凍結を防止すると共に燃料電池モジュール２内の結露の発生も防止することできる。

［２］前記実施例１，２において、第１〜第３開閉弁３６〜３８は電磁弁から夫々構成され、制御装置４１により開弁状態と閉弁状態とを択一的に切り換え可能に構成されているが、この構成に限定する必要はなく、手動で開閉可能な開閉弁で構成しても良い。この場合、凍結防止運転モードでは、純水ポンプ３２の逆流運転に伴い手動で開弁状態に切り換える必要がある。

［３］前記実施例１の純水回収運転制御のＳ３及び前記実施例２の凍結防止運転制御のＳ１４において、制御装置４１は、所定時間の経過に基づいて、純水ポンプ３２の運転を停止するか否かを判定しているが、この所定時間の経過に代えて、純水ポンプ３２の所定の回転数に基づいて判定するようにしても良い。この場合、水供給通路３１の通路部３１ｂの配管容量に応じた回転数に設定することが望ましい。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 燃料電池発電システム
２ 燃料電池発電モジュール
１２ 水処理装置
１５ 蒸発器（蒸発部）
２１ 水回収手段
２２ 水処理部
２３ 貯留手段
２４ 水供給手段
２５ 排水手段
３１ 水供給通路
３２ 純水ポンプ
４１ 制御装置（制御手段）

Claims (3)

1. 燃料電池の排気ガスを冷却して凝縮水を回収する水回収手段と、前記凝縮水中の不純物を除去する水処理部と、この水処理部で処理された水を貯留する貯留手段と、この貯留手段に貯留された水を蒸発部へ供給する水供給手段と、この水供給手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記水供給手段は、前記貯留手段と前記蒸発部とを接続する水供給通路と、この水供給通路に設置された正逆両方向へ供給可能な純水ポンプとを備え、
   前記燃料電池の発電運転が停止した場合、前記制御手段は、前記水供給通路内に滞留した水を前記貯留手段側へ戻す逆流運転となるように前記純水ポンプを制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記水供給通路の前記貯留手段と前記純水ポンプとの間の通路部に、前記水供給通路内に滞留した水と前記貯留手段に貯留された水を排水する為の排水手段を設け、
   凍結予防が必要な場合、前記排水手段を開放状態に切り換えると共に、前記制御手段は、前記水供給通路内に滞留した水を前記貯留手段側へ戻す逆流運転となるように前記純水ポンプを制御することで、前記貯留手段と前記水供給通路内の水を排水す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。
3. 前記純水ポンプが、バルブレスプランジャポンプで構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。