JP5121269B2

JP5121269B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5121269B2
Application number: JP2007082469A
Authority: JP
Inventors: 英二谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008243594A

Description

本発明は、燃料電池と、該燃料電池の発電に必要な燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、改質器内部に水を供給するための水供給管とを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池と、該燃料電池を作動するための補器類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池に供給し、酸素含有ガスを燃料電池セル中の酸素極に接触させ、かつ水素を燃料電池セル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、燃料電池セルの発電が行われる。

水素ガスの生成方法としては、水蒸気改質法、部分酸化改質法およびこれらの両方を併用して改質反応を行なう併用改質法（オートサーマル）が知られている。

水蒸気改質法は、原燃料である炭化水素を水蒸気と反応させて水素を得ることができる吸熱反応であり、ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯで表すことができ、水素を得る効率のよい反応として知られている。なお、水蒸気改質を行なうにあたっては、水供給手段にて処理された水（純水）と原燃料（炭化水素）が改質器に供給されて水蒸気改質が行なわれる。

一方、部分酸化改質法は、原燃料である炭化水素を酸素と反応させて水素を得ることができる発熱反応であり、ＣＨ_４＋Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２で表すことができ、原燃料（炭化水素）と酸素が改質器に供給されて部分酸化改質が行なわれる。この部分酸化改質法は、水蒸気改質法よりも水素を得る効率は劣るものの、発熱反応であることが大きな特徴である。

そして、燃料電池の運転において、部分酸化改質法と水蒸気改質法を組み合わせる方法として、例えば燃料電池の起動時に部分酸化改質法を用い、燃料電池もしくは改質器が所定の温度を超えた場合に、より効率良く水素を生成できる水蒸気改質法に切り替える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、燃料電池装置として、改質器を具備する燃料電池と、前記改質器に対して複数種のガスまたは水を供給するガス・水供給システムと、前記燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄える水タンクとを有し、前記ガス・水供給システムは、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、前記水タンクからの水をそのまままたは水蒸気として前記改質器に供給する水供給手段とを具備し、前記改質器にて前記被改質ガスと前記酸素含有ガス及び／または前記水とによる改質反応を行わせるべく、前記水タンクの貯水量を検知する貯水量センサの信号に基づいて前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段とを切り替えるかまたは両供給手段を併用させるかを制御する制御手段とを具備する燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載された燃料電池装置では、水タンクの貯水量が十分なときは水供給手段から改質器へ水を供給することにより水蒸気改質を行わせることができ、水タンクの貯水量が不足状態となったときは水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができる。
特開２００５−３１７４０５号公報国際公開第２００６／１３７３９０号パンフレット

しかしながら、仮に、水タンクの貯水量が十分なときであっても、水供給手段により改質器に水を供給していない場合には、水蒸気改質を行うことができなという問題があった。このような改質器への水供給不良を防止するため、水を供給するための水供給管に水流れセンサを設けること等が考えられるが、水流れセンサよりも下流側の水供給管に断裂等が生じ、この断裂等から水が漏出する虞がある。また、長期間の発電により、水供給管先端部の内面にカルシウムやシリカ等が析出し、水供給管の内径が狭まり、水を設計通りに供給できなくなる虞があった。このような場合には、水供給管に水流れセンサを設けたとしても、改質器に水が供給されているか否かの確認が困難であった。

本発明は、改質器への水供給を確実に確認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、燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質器に接続され前記改質器内部に水を供給するための水供給管とを具備する燃料電池装置であって、前記改質器内部に、前記水供給管の開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサを設けてなることを特徴とする。

このような燃料電池装置では、改質器内部に、水供給管の開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサを設けたため、言い換えれば、温度センサが、改質器内部に、水供給管の先端開口部から水又は水蒸気が噴出される方向に設けられているため、水供給管から改質器内部に水が供給されると、この水（水蒸気である場合もある）が温度センサに接触し、温度センサの温度が、改質器内部の温度よりも低い状態となる。従って、温度センサの温度が、定常状態の改質器内部の温度より低い場合には、水供給管から改質器内部に実際に水が供給されていると直接的に判断することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記温度センサの温度が所定温度よりも高くなった場合に警報を発する警報装置を具備することを特徴とする。

このような燃料電池装置では、上記したように、水供給管から改質器内部に水が供給されると、この水が温度センサに接触し、温度センサの温度が、改質器内部の温度よりも低い状態となるため、所定温度よりも高くなった場合には、水供給管から改質器内部に水が供給されていないと判断することができ、制御部は、警報装置を制御し警報を発するため、水供給系に異常があることを容易に把握でき、その後の処理、例えば後述するように、燃料電池の発電を停止することなく、部分酸化改質を行いながら、水供給系のメンテナンス、交換等を行うことができ、また、燃料電池の発電を停止して、水供給系のメンテナンス、交換等を行うこともできる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記改質器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と、定常運転時は、前記改質器にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給管により供給される水とで水蒸気改質を行なわせるように制御する制御部とを具備し、該制御部は、前記温度センサの温度が所定温度よりも高くなった場合には、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質器にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御することを特徴とする。

このような燃料電池装置は、温度センサの温度が、所定温度よりも高くなった場合には、水供給管から改質器内部に水が供給されていない、もしくは水の供給量が不十分と判断することができ、この場合には、制御部は、水供給手段による水の供給を停止し、改質器にて、原燃料供給手段により供給される原燃料と酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御するため、燃料電池の発電を停止させることなく、継続して発電することができる。

また、改質器にて原燃料と酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうため、この間に、水供給系のメンテナンスを実施することができ、燃料電池の発電を停止することなく、水供給系をメンテナンスすることができる。さらに、水供給手段と酸素含有ガス供給手段とを切り替えて改質器に供給するための切り替え手段を具備することにより、切り替え手段を切り替えるだけで水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えることができることから、メンテナンスの実施者が、水供給系の交換等のメンテナンスを行った後、切り替え手段を切り替え、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水供給系をメンテナンスすることができる。

本発明の燃料電池装置は、改質器内部に、水供給管の開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサを設けたため、水供給管から改質器内部に水が供給されると、この水（水蒸気である場合もある）が温度センサに接触し、温度センサの温度が、改質器内部の温度よりも低い状態となる。従って、温度センサの温度が、定常状態の改質器内部の温度より低い場合には、水供給管から改質器内部に実際に水が供給されていると直接的に判断することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガス等の原燃料を供給する例えばポンプからなる原燃料供給手段２、酸素含有ガス（主には空気）を燃料電池１に供給するための例えばブロワからなる酸素含有ガス供給手段３、燃料ガス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、後述するが、酸素含有ガス供給手段３から供給される酸素含有ガスは、燃料電池１と改質器４の両方に供給される場合があるため、それらの分岐部に、酸素含有ガス流れ方向調整弁１９が設けられている。

ここで、改質器４に純水を供給する水供給系Ｘは、水供給管５、水供給管５に設けられ水給水管５より供給される水を調整する給水弁６、活性炭フィルタ７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜とする）、イオン交換樹脂装置９、水タンク１０、水ポンプ１１により構成されている。水処理手段は、活性炭フィルタ７、逆浸透膜８（以下、ＲＯ膜とする）、イオン交換樹脂９から構成され、水供給手段は水ポンプ１１から構成されている。

そして、燃料電池１、原燃料供給手段２、酸素含有ガス供給手段３、改質器４および水供給系Ｘにて、主たる発電部が構成される。

さらに、上記した主たる発電部に加え、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換する熱交換器１３、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３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１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御部１４、により発電ユニットが構成されている。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。

さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管１７をあわせて燃料電池装置が構成される。

なお、図中の矢印は、原燃料（または燃料ガス）、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御部１４に伝送される主な信号経路、または制御部１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、原燃料供給手段２と改質器４の間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池を用いることができるが、燃料電池および燃料電池セルを小型化する上で、固体電解質形燃料電池を用いることが好ましい。

そして、本発明では、図２に示すように、改質器４内部に水を供給するための水供給管５ａを具備しており、改質器４内部には、水供給管５ａの開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサ２１が設けられている。

即ち、水供給管５ａの先端部が改質器４内部に挿入されており、温度センサ２１が、改質器４内部に、水供給管５ａの先端開口部から水又は水蒸気が噴出される方向に設けられている。言い換えれば、水供給管５ａの先端開口部と、所定間隔をおいて対向して温度センサ２１が設けられており、温度センサ２１は水又は水蒸気に晒されるようになっている。温度センサとしては、熱電対を用いることができる。

改質器４は、図２に示すように、触媒収納ケース４１内に、水気化部４３、都市ガスでよい原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質するのに適した触媒が充填された改質触媒部４５、改質ガス予熱部４７が形成されている、水気化部４３には、水供給管５ａの先端部が挿入され、その開口部は温度センサ２１に向けて開口している。

この温度センサ２１からの温度信号は、制御部１４に送られ、この制御部１４にて所定温度よりも低いか否かを判定するようになっている。所定温度とは、例えば、改質器４が定常状態で改質している場合の改質器内の温度より低い温度とされている。そして、図示しないが、本発明の燃料電池装置は警報装置を具備しており、この警報装置は、温度センサ２１からの信号から、温度センサ２１の温度が所定温度よりも高くなった場合に、警報を発するように制御部１４により制御されるようになっている。警報としては、ブザーの鳴動、ランプの点灯がある。

さらに、制御部１４は、温度センサ２１からの信号から、温度センサ２１の温度が所定温度よりも高くなったと判定した場合には、水ポンプ１１の駆動を停止し、水供給管５ａからの水の供給を停止し、原燃料供給手段２及び酸素含有ガス供給手段３により原燃料と酸素含有ガスを改質器４に供給するように制御し、改質器４にて部分酸化改質を行なわせるように制御する。

そして、本発明においては、後述するように、燃料電池（装置）の発電を停止する必要がないことから、起動停止に時間を要する固体酸化物形の燃料電池を用いる場合に特に有効となる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、まず水蒸気改質により得られる燃料ガス（改質ガス）を用いて発電を行なう場合の燃料電池装置の運転方法について説明する。

燃料電池１の発電に用いられる燃料ガス（改質ガス）を得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（純水）は、水供給系Ｘを構成する給水弁６が開放され、水供給管５を通して活性炭フィルタ７に給水される。活性炭フィルタ７を流通した水は、続いてＲＯ膜８を流通する。ＲＯ膜８を流通した水は、続いてイオン交換樹脂９を流通して純水が生成される。イオン交換樹脂９を流通して生成された純水は水タンク１０に貯水され、水ポンプ１１により水供給管５ａを介して改質器４内に供給される。

この際、改質器４内部には、水供給管５ａの開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサ２１が設けられているため、水供給管５ａの先端開口部から水又は水蒸気が噴出され、温度センサ２１が水又は水蒸気に晒され、冷却され、所定温度よりも低温となる。この温度センサ２１の信号は制御部１４に送られ、所定温度よりも低温か否かを判定し、低温の場合には、水供給管５ａから改質器４内部に水が供給されていると判定し、水蒸気改質を継続する。

なお、図１においては、給水弁６より水ポンプ１１にかけて、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、イオン交換樹脂９、水タンク１０と順に配置したが、例えば、イオン交換樹脂９と水タンク１０の順序を逆にすることもできる。なお、給水弁６としては、電磁弁のほか、エア駆動バルブ等を用いることができる。

改質器４においては、水供給管５ａからの純水と、原燃料供給手段２より供給される原燃料とにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された燃料ガス（改質ガス）は、燃料電池１に送られ、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反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて、外部負荷に供給される。

一方、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排ガスが燃料電池１より熱交換器１３に供給される。

熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を流通（循環）する水とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

ここで定常運転時は、上述したように、水素を得る効率のよい反応である水蒸気改質により、燃料電池１の運転に必要な改質ガス（燃料ガス）を得て、燃料電池１の発電を行なうことができる。

しかしながら、何らかの原因、例えば水供給系の劣化、水供給管５ａ内面へのシリカ、カルシウム等の不純物の析出等により、改質器４内に供給される水量の低減、もしくは水供給不可の状態が発生する場合がある。このような状態になると、改質器４における触媒劣化等により改質性能が劣化したり、改質器４が破損する虞もあった。

改質器４への水量が減少したり、供給不可になった場合に、燃料電池１の発電を停止することも考えられるが、燃料電池を停止することは、特に燃料電池１が固体酸化物形燃料電池である場合には、７００℃程度の高温で発電するため、燃料電池１の発電の停止や再起動を行なうにあたり長時間を必要とするため効率が悪い。

そこで、本発明では、定常運転では、改質器４にて水蒸気改質を行うが、温度センサ２１からの信号から、温度センサ２１の温度が所定温度よりも高くなった場合に、警報を発するように制御部１４により制御され、また、水供給管５ａによる改質器４への水供給を停止し、酸素含有ガスの供給を開始し、改質器４にて部分酸化改質を行うように制御する。

即ち、制御部１４は、給水弁６および水ポンプ１１に対し、それらの動作を停止するよう信号を伝送する。続いて、制御部１４は、酸素含有ガス供給手段３に対し、燃料電池１および部分酸化改質を行なう改質器４に必要な酸素含有ガスを供給するように、場合によっては酸素含有ガス供給量を増加するよう信号を伝送する。あわせて制御部１４は、酸素含有ガス流れ方向調整弁１９に対し、定常運転時は、燃料電池１にのみ酸素含有ガスが流れるように調整している酸素含有ガス流れ方向調整弁１９を、燃料電池１および改質器４の両方に酸素含有ガスが流れるように調整するよう信号を伝送する。それにより、酸素含有ガス供給手段３より、改質器４に対して酸素含有ガスが供給されることとなり、改質器４にて部分酸化改質を行うことができる。

また、制御部１４は、温度センサ２１の温度が所定温度よりも高くなった場合に、警報を発するため、水供給系に異常があることを容易に直接的に把握でき、温度センサ２１の温度が緩やかに上昇する等の緊急でない場合には、改質器４にて部分酸化改質を行い、水供給系のメンテナンス、交換等を、燃料電池の発電を停止することなく行うこともできる。

さらに、水供給手段と酸素含有ガス供給手段とを切り替えて改質器に供給するための切り替え手段を具備することにより、切り替え手段を切り替えるだけで水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えることができることから、メンテナンスの実施者が、水供給系の交換等のメンテナンスを行った後、切り替え手段を切り替え、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水供給系をメンテナンスすることができる。

尚、上記形態では、制御部１４は、温度センサ２１の温度が所定温度よりも高くなった場合に、水蒸気改質から部分酸化改質に直接変更したが、水蒸気改質から部分酸化改質と水蒸気改質を併用して改質反応を行ない、その後部分酸化改質へと移行するようにすることが、改質触媒へのダメージを低減する上で望ましい。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。改質器及びその近傍を示す断面図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：原燃料供給手段
３：酸素含有ガス供給手段
４：改質器
５、５ａ：水供給管
１４：制御部
２１：温度センサ

Claims

燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質器に接続され前記改質器内部に水を供給するための水供給管とを具備する燃料電池装置であって、前記改質器内部に、前記水供給管の開口部と所定間隔をおいて対向するように温度センサを設けてなることを特徴とする燃料電池装置。
前記温度センサの温度が所定温度よりも高くなった場合に警報を発する警報装置を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
前記改質器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と、定常運転時は、前記改質器にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給管により供給される水とで水蒸気改質を行なわせるように制御する制御部とを具備し、該制御部は、前記温度センサの温度が所定温度よりも高くなった場合に、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質器にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。