JP5132142B2

JP5132142B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5132142B2
Application number: JP2006348415A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林; 英二谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008159462A

Description

本発明は、水蒸気改質により生成された燃料ガスにより発電を行なう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セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池やそれを外装ケースに収納してなる燃料電池装置、さらにはその運転方法（システム）が種々提案されている。

この燃料電池の発電においては、改質器にて被改質ガス（炭化水素系燃料）を改質し、改質ガス（燃料ガス）と酸素含有ガスとを燃料電池セルへ供給して発電が行なわれる。

炭化水素系燃料を改質する方法としては、水（水蒸気）を用いて改質反応を行なう水蒸気改質法、酸素を用いて改質反応を行なう部分酸化改質法、これらを併用して使用する併用改質（オートサーマル）法が知られている。

ところで被改質ガスを水蒸気改質する従来の燃料電池装置においては、改質反応を行なう改質器に水を供給するための給水管に設けられた給水弁を調整して水を供給し、水タンクに貯水するとともに、貯水した水が水ポンプにより改質器に供給される。

ここで、水タンクに貯水された水の水位を測定する目的で、水タンク中に水位検知手段（例えば、水位検知スイッチや電極式のセンサ等）を設けることが知られている。そして、水位検知スイッチとしてフロートスイッチを水タンクに設けた燃料電池装置が提案されている（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、フロートスイッチが水タンクの貯水量を検知し、その検知した貯水量に応じて給水弁を開閉し、水タンクの貯水量が所定量となるように調整される。
特開２００６−１５５９８２号公報

ところで、改質器に水を供給する過程で、各種フィルタを通して塩素等の成分が除去された水が水タンクに貯水される場合には、水タンク中にコケ類等が発生する場合があり、この発生したコケ類等が水位検知手段に固着することで、水位検知手段が正常に作動しない場合があった。

そして、水位検知手段が故障した場合は、例えば水タンクへの水の供給が過剰となり水タンクから水がオーバーフローするといった問題や、水タンクの水が空となり、改質器に水を供給することができず、改質器や燃料電池が故障するおそれがあった。

それゆえ、本発明は水位検知手段の故障を検知する（見分ける）とともに、その故障を知らせるための警報装置を設けた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改質ガスを生成するために水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給する給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するための水ポンプと、前記水タンクの水位を検知するための水位検知手段と、前記水タンクの水位に基づき前記給水弁の開閉を制御する制御装置とを具備する燃料電池装置において、前記水位検知手段が前記水タンクの上限水位を検知した際、前記制御装置は、前記給水弁を閉じる制御を行なうとともに、前記燃料電池の発電量を一定時間増加させて、前記水ポンプから前記改質器に供給される水の量を一定時間増加させた場合に、前記水位検知手段が、前記水タンクの上限水位を検知してから継続して一定時間、前記水タンクの下限水位を検知しない場合に、前記水位検知手段の故障の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、水位検知手段が設定上限水位を検知した際、水位検知手段の故障か否かを判断するため、水ポンプから改質器に供給される水の量を一定時間増加させる（すなわち、燃料電池の発電量を一時的に増加する）。それに伴い、水タンクの水位は下がるため、水位検知手段が設定上限水位を検知してから継続して一定時間、設定下限水位を検知しない場合には、水位検知手段が故障していることが分かる。

そして、水位検知手段が故障している場合に警報を発する警報装置を具備することから、水位検知手段の故障を容易に認識することができる。

本発明は、水タンクに設けられた水位検知手段に故障が生じたことを容易に認識することができる燃料電池装置を提供することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成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、天然ガス等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための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。

ここで、改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｘは、給水管５、給水管５に設けられ給水管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８（以下、ＲＯ膜とする）、イオン交換樹脂９、水タンク１０、水ポンプ１１により構成されている。

そして燃料電池１、被改質ガス供給手段２、酸素含有ガス供給手段３、改質器４および水供給手段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により構成されている。

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、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、被改質ガス供給手段２と改質器４の間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス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（家庭用燃料電池として使用する）上で、固体電解質形燃料電池を用いることが好ましい。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。また、あわせて負荷追従に優れた燃料電池装置とすることができる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、本発明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改質ガスを生成するための改質器４で使用される水（純水）は、水供給手段Ｘを構成する給水弁６が開放され、給水管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を通水した水は、続いてＲＯ膜８を通水する。ＲＯ膜８を通水した水は、続いてイオン交換樹脂９を通水して純水が生成される。イオン交換樹脂９を通水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により改質器４に供給される。

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。それにより、改質器４が必要とする水を迅速に供給することができ、改質器４に対して水応答性を向上することができる。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、水ポンプ１１により供給された純水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガス（改質ガス）とにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガスは、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、水タンク１０に貯水される水は、水ポンプ１１により改質器４に水が供給され（すなわち水タンク１０から水が減少する）、また給水弁６が開くことにより水が供給されることにより、水タンク１０の水位が変動する。

それゆえ、水タンク１０に水位検知手段（図１では示さず）を設けるとともに、水位検知手段により水タンク１０の水位情報が制御部１４に伝送され、その水位情報に基づき制御部が給水弁６を開閉して、水タンク１０の水位（貯水量）が予め定められた水位となるように調整するのが好ましい。

ここで、水位検知手段としては、例えばフロートスイッチや電極式のセンサ等があげられる。図２は、水供給手段Ｘと制御部１４とを抜粋して示し、水検知装置としてフロートスイッチ１９を設けた例を示す。以下の説明においては、水位検知手段としてフロートスイッチを例として説明を行ない、水位検知手段とフロートスイッチは同一の符号を用いて説明する。

ところで、水タンク１０に供給される水（純水）は、活性炭フィルタ７等を通水する過程で、塩素等の成分が除去される。それゆえ、水タンク１０の水は、菌類等の微生物やコケ類等により汚染される場合がある。ここで、例えば水タンク１０にコケ類等が発生した場合に、この発生したコケ類等が水位検知手段１９に固着する場合があり、その場合、水位検知手段１９が正常に作動しない場合がある。

また、家庭用燃料電池装置において要求される小型軽量化に応じて水タンク１０や水位検知手段１９等が小型化される場合に、水位検知手段１９が検知する上限水位と下限水位との水位差が非常に狭くなり、給水弁６の制御が頻繁に行なわれる場合がある。この場合、給水弁６が頻繁に開閉を繰り返すことにより、給水弁６が故障する場合がある。

そして水位検知手段１９や給水弁６が故障した場合には、水タンク１０への水の供給が過剰となり、水タンクから水がオーバーフローするといった問題や、水タンク１０中の水が空となり、改質器４に水を供給できないことで、改質器４や燃料電池１が故障するといったおそれが生じる。

それゆえ、水位検知手段１９や給水弁６の故障を検知する（見分ける）ことが必要となる。

本発明においては、まず、水位検知手段１９が、水タンク１０の設定下限水位を検知してから継続して一定時間、設定上限水位を検知しない場合に、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じていることが分かる。

この場合、水位検知手段１９が水タンク１０の設定下限水位を検知するとともに、給水弁６を開くよう制御部１４より信号が伝送され、給水弁６が開くこととなる。それにより、水タンク１０に予め定められた設定上限水位になるまで水が供給される（すなわち、水タンク１０の水位が上昇する）。したがって、水位検知手段１９が水タンク１０の設定下限水位を検知してから（すなわち、給水弁６が開かれてから）継続して一定時間、設定上限水位を検知しない場合に、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じていることが分かる。このような場合とは、例えば水位検知手段１９の故障の場合には、水位検知手段１９がフロートスイッチの場合には、フロートスイッチにコケ類等が付着し、水タンク１０の水位上昇に伴いフロートが上昇しないこと等が挙げられる。一方、給水弁６に故障が生じている場合には、給水弁６が閉じたままとなっているもしくは、給水弁６の開き度合いが少ない等が挙げられる。

ここで、水位検知手段１９が水タンク１０の設定下限水位を検知してから一定時間とは、水タンク１０の大きさや、水位検知手段１９による水タンクの設定上限水位・設定下限水位の水位差、さらには給水弁６から供給される水量、水ポンプ１１から改質器４に供給される水量等を考慮して適宜設定することができる。例えば、水タンク１０の底面サイズが１０ｃｍ×１０ｃｍ、水位検知手段１９の設定上限水位・設定下限水位の水位差が５ｃｍ、給水弁６からの供給水量が１１０ｍＬ／分、水ポンプ１１の供給水量が１０ｍｌ／分とすると、余裕率２０％を加味し、６分とすることができる。なお、以降の説明においても、「継続して一定時間」とは、上述したことと同意である。

そして、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じている場合には、あわせて警報装置（図示せず）が警報を発し、水位検知手段１９または給水弁６の故障を容易に認識することができる。ここで警報としては、例えば、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じた場合に音を鳴らすブザーや、水位検知手段１９または給水弁６の故障を示す表示機器、さらには水位検知手段１９または給水弁６が故障していることを携帯電話やパソコンなどのメールに送信する機器等を、適宜選択して使用することができる。さらに、以降の説明において「警報装置」とは、上述したことと同意である。

本発明においてはまた、水ポンプ１１が改質器４に水を継続して供給している場合に、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから継続して一定時間、設定下限水位を検知しない場合に、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じていることが分かる。

すなわち、水位検知手段１９が設定上限水位を検知すると、給水弁６を閉じるように制御部１４より信号が伝送され、給水弁６が閉じられる。ここで、水ポンプ１１が改質器４に水を継続して供給することから、水タンク１０の水位は低下する。したがって、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから（すなわち、給水弁６が閉じられてから）継続して一定時間、設定下限水位を検知しない場合は、水位検知手段１９に故障が生じているか、給水弁６が完全に閉じられていない等の故障を生じていることが分かる。

そして、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じている場合には、あわせて警報装置が警報を発し、水位検知手段１９または給水弁６の故障を容易に認識することができる。

さらに本発明においては、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから、継続して水ポンプ１１が所定水量を改質器４に給水する間に、水位検知手段１９が設定下限水位を検知しない場合に、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じていることが分かる。

上述したのと同様に、水位検知手段１９が設定上限水位を検知すると、給水弁６を閉じるように制御部１４より信号が伝送され、給水弁６が閉じられる。ここで、水ポンプ１１が改質器４に水を継続して供給することから、水タンク１０の水位は低下する。したがって、水ポンプ１１が所定水量を改質器４に給水する間に、水位検知手段１９が設定下限水位を検知しない場合は、水位検知手段１９に故障が生じているか、給水弁６が完全に閉じられていない等の故障を生じていることが分かる。

ここで、例えば燃料電池１の発電量に変動があり、一定時間を定めることが困難な場合に、水ポンプ１１が改質器４に給水する所定水量を定めることにより、水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じていることを検知することができる。

なお、水ポンプ１１が改質器４に給水する所定水量とは、水タンク１０の大きさや、水位検知手段１９による水タンク１０の設定上限水位・設定下限水位の水位差等に応じて適宜設定することができ、例えば、水タンク１０の底面サイズが１０ｃｍ×１０ｃｍ、水位検知手段１９の設定上限水位・設定下限水位の水位差が５ｃｍとすると、余裕率２０％を加味し、６００ｍＬとすることができる。

ところで、上述した水位検知手段１９または給水弁６に故障が生じている場合に、給水弁６の開閉を連続して繰り返すよう制御することが好ましい。

この場合に、例えば、給水弁６にゴミが挟まっていることにより給水弁６が完全に閉じられない場合には、給水弁６の開閉を連続して数回繰り返すよう制御することで、ゴミを除去することができる場合がある。

この場合に、その後、水位検知手段１９が設定下限水位を検知すれば、給水弁６のみが故障しており、水位検知手段１９は故障していないことが分かる。

ところで、水位検知手段１９の故障を調べるにあたり、例えば燃料電池装置のメンテナンス時等においては、より短時間で調査できることが好ましい。

そこで、本発明の燃料電池装置は、水位検知手段１９が設定上限水位を検知した際、水位検知手段１９の故障か否かを判断するため、水ポンプ１１から改質器４に供給される水の量を一定時間増加させる（すなわち、燃料電池の発電量を一時的に増加する）。それに伴い、水タンク１０の水位は下がるため、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから継続して一定時間、設定下限水位を検知しない場合には、水位検知手段１９に故障が生じていることが分かる。

すなわち、水位検知手段１９が設定上限水位を検知すると、給水弁６を閉じるように制御部１４より信号が伝送され、給水弁６が閉じられる。ここで、水ポンプ１１から改質器４に供給される水の量を一定時間増加させ、水タンク１０の水位をより早く低下させる。そして、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから、すなわち、継続して水ポンプ１１から改質器４に供給される水の量を増加させて一定時間経過した後に、水位検知手段１９が設定下限水位を検知しない場合には、水位検知手段１９に故障が生じていることが分かる。それにより、より短時間で水位検知装置１９の故障が分かる。

そして、水位検知手段１９に故障が生じている場合には、あわせて警報装置が警報を発し、水位検知手段１９の故障を容易に認識することができる。

また、水位検知手段１９の故障を、短時間で調査できる別の燃料電池装置としては、水タンク１０に貯水された水を排水するための排水管を設けるとともに、水位検知手段１９が設定上限水位を検知した場合に、水タンク１０に貯水された水を排水管より排水する燃料電池装置があげられる。

図３は、水供給手段Ｘと制御部１４を抜粋して示し、水位検知手段としてフロートスイッチ１９を設けるとともに、水タンク１０に排水管２０が設けられている例を示している。

この場合、水位検知手段１９が設定上限水位を検知すると、給水弁６を閉じるとともに、排水管２０を通じて水タンク１０に貯水された水を排水する。それにより、水タンク１０の水位は下がるため、水位検知手段１９が設定上限水位を検知してから（すなわち、排水管２０によりタンクの水１０が排水されてから）継続して一定時間、設定下限水位を検知しない場合には、水位検知手段１９が故障していることが分かる。

なお、排水管２０は水タンク１０より水が排水できれば、水タンク１０の設置場所について何ら問題はないが、より効率よく排水するために、水タンク１０の底部付近に接続するように設けることが好ましい。

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、水位検知手段としては、フロートスイッチや電極式のセンサ（電極センサ）を例示したが、設定水位の上限と下限を検知できるものであれば、他のセンサ類を使用してもよい。例えば、水タンクの重さを計る重量計や水量による圧力変化より計測する圧力計を使用することができる。

また、フロートスイッチを用いる場合には、設定上限水位と設定下限水位を検知できるものであればよく、例えば、複数のフロートスイッチを用いてもよく、また設定上限水位と設定下限水位を１つのフロートスイッチで検知できるフロートスイッチを用いてもよい。

さらに、電極センサとしては、電極を３本以上とし、１つの電極センサで設定上限水位と設定下限水位を検知できるようにしてもよい。この場合は、設定上限水位と設定下限水位にあわせて、電極の長さを異なるようにしてもよい。なお、電極を２本以上とした場合には、あわせて水タンクの水の導電率を測定することもできる。さらに、水タンク１０に貯水された水の導電率が異常な値を示した場合に、警報を発する警報装置を設けることもできる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。本発明の燃料電池装置の構成の一部を示す、水供給手段Ｘと制御部を示した構成図である。本発明の燃料電池装置の構成の一部を示す、水タンクに排水管を設けた構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料供給装置
３：酸素含有ガス供給装置
４：改質器
５：水供給管
６：給水弁
７：活性炭フィルタ
８：ＲＯ膜
９：イオン交換樹脂
１０：水タンク
１１：水ポンプ
１４：制御部
１９：フロートスイッチ
２０：排水管

Claims

燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するために水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給する給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するための水ポンプと、前記水タンクの水位を検知するための水位検知手段と、前記水タンクの水位に基づき前記給水弁の開閉を制御する制御装置とを具備する燃料電池装置において、前記水位検知手段が前記水タンクの上限水位を検知した際、前記制御装置は、前記給水弁を閉じる制御を行なうとともに、前記燃料電池の発電量を一定時間増加させて、前記水ポンプから前記改質器に供給される水の量を一定時間増加させた場合に、前記水位検知手段が、前記水タンクの上限水位を検知してから継続して一定時間、前記水タンクの下限水位を検知しない場合に、前記水位検知手段の故障の警報を発する警報装置を具備することを特徴とする燃料電池装置。