JPWO2012091120A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システム（１）では、発電部（２１）から排出されるＦＣガスを排気する排気経路において、排気口（２６）の開閉を切り替えるダンパ（２２）が設けられている。そして、流動方向検出部（２３）によって排気口（２６）に向かって流れる流通ガスの逆流が検出された場合に、ダンパ（２２）を閉じてシステムが停止するようになっている。したがって、この燃料電池システム（１）では、発電部（２１）側に排ガスが逆流することによるセルスタック（５）や各種触媒もしくは吸着剤、あるいはイオン交換樹脂、各種補機類等の短寿命化を抑制できる。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

この種の分野の技術として、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムがある。この従来の燃料電池システムは、熱交換器で熱交換された後の排ガスをケース外部に排気する排気口を備えている。排気口の手前には、不純物を収集するためのセパレート部材が設けられており、排気口から熱交換器側に不純物が入り込むことを防止している。

特開２００９−１８１７０１号公報

燃料電池システムの設置態様の一例として、燃料電池システムを屋内に設置し、排気口を煙突に接続する場合がある。その煙突を他の機器と共有している場合、煙突内に充満する外部排ガスには、燃料電池システムにとっては好ましくない成分や、集合煙突内の粉塵が含有されている可能性がある。このとき、他の機器からの排気圧力上昇や煙突自体に閉塞が生じた場合に、煙突内の外部排ガスが燃料電池システム側に流入してくる恐れがある。

上述したような従来の燃料電池システムでは、熱交換器に対して単独の排気口が設けられている。しかしながら、他の機器からの排ガス（外部排ガス）が燃料電池システム側に流入することを十分に抑制することは困難である。燃料電池システムにとって好ましくない成分や、粉塵を含む外部排ガスが燃料電池システム内に流入してくると、燃料電池システムの構成要素であるセルスタックや各種触媒もしくは吸着剤、あるいはイオン交換樹脂、各種補機類等が短寿命化するおそれがある。したがって、燃料電池システム側への外部排ガスの流入を抑制する技術が必要となっている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、燃料電池システム側への外部排ガスの流入を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、少なくとも発電部から排出される排出ガスをシステムの外部に排出させる排気口と、発電部と排気口との間の排気経路に配置され、当該排気経路中の流通ガスの流動方向を検出する流動方向検出部と、排気経路において流動方向検出部の下流側に配置され、排気口の開閉を切り替えるダンパと、流動方向検出部によって流通ガスの逆流が検出された場合に、ダンパを閉鎖してシステムを停止させる制御部と、を備える。

この燃料電池システムでは、排出ガスを排気する排気経路において、排気経路内の流通ガスの流れを制御するダンパが設けられている。そして、流動方向検出部によって排気経路に流れる流通ガスの逆流が検出された場合に、外部排ガスの流入或いはその恐れがあると判断し、ダンパを閉鎖してシステムを停止させる。したがって、この燃料電池システムでは、システム側に外部排ガスが流入することによるセルスタック、各種触媒もしくは吸着剤、各種補機類等の短寿命化を抑制できる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システム側への外部排ガスの流入を抑制できる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す図である。 図１に示した燃料電池システムの排気経路を示す図である。 流動方向検出部の一例を示す図である。 流動方向検出部の他の例を示す図である。 制御部の動作の第１形態を示すフローチャートである。 制御部の動作の第２形態を示すフローチャートである。 制御部の動作の第３形態を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、熱交換部１５とを備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

なお、例えば純水素ガスや水素富化ガスなど、改質処理を必要としない水素含有燃料を用いる場合は、脱硫器２、水供給部８、水気化部３、および水素発生部４のうちの一つまたは複数を省略することができる。

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

熱交換部１５は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）、及び水（熱媒体）を流通させることで、燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する。この水は、例えば燃料電池システム１が設置された施設に湯を供給するための貯湯槽に貯留され、その貯湯槽から熱交換部１５に循環供給されるものである。

続いて、上述した燃料電池システム１の排気経路について説明する。図２は、燃料電池システム１の排気経路を示す図である。

図２に示すように、燃料電池システム１の排気経路は、発電部２１と、上述の熱交換部１５と、ダンパ２２と、流動方向検出部２３と、制御部２４とを含んで構成され、筐体２５内に収容されている。筐体２５には、少なくとも発電部２１側から排出される排出ガス（ＦＣ排ガス）が流れる流通ガス流路２７及び排気口２６が設けられている。詳細は図示しないが、ダンパ２２及び流動方向検出部２３を含む流通ガス経路２７は外部の空気に対して気密性を有している。なお、ここでの気密性とは、筐体２５からの排出が予定されている気体以外の外気に対して気密であることを意味する。具体的には、筐体２５内からの気体の排出は専用の気体排出路からのみ行われる構造を意味する。

発電部２１は、上述したセルスタック５を含んで構成されたものである。発電部２１は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。また、熱交換部１５には、熱回収水系として、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換部１５に流入させる水流路、及びその水を熱交換部１５から流出させる水流路がそれぞれポンプ等を介して接続されている。熱交換部１５からは、熱交換後の排ガスが筐体２５の排気口２６に向かって排出される。

ダンパ２２は、排気経路内の流通ガス（ＦＣ排ガス、外部排ガス、またはそれらの混合ガス）の流れを制御するためのものである。例えば回転軸の周囲に羽根が取り付けられてなる羽根車や、弁体が流路に対して直角に横切るギロチンダンパなどである。ダンパ２２は、流通ガス流路２７において、熱交換部１５及び後述の流動方向検出部２３の下流側で排気口２６の手前となる位置に設けられ、排気口２６の開閉を切り替える。なお、ダンパの代わりにバルブを用いることもできる。

流動方向検出部２３は、流通ガス流路２７に流れる流通ガスの流動方向を検出する部分である。流動方向検出部２３は、例えば図３に示すように、排気口２６に向かう流通ガス流路２７内に設けられたファン２８によって構成されている。ファン２８は、流通ガス流路２７内に流れる流通ガスの流動方向によって回転方向が変化するため、ファン２８の回転方向から流通ガスの流動方向を判断することができる。そして、ファン２８は、回転方向を示す信号を制御部２４に出力する。

なお、流動方向検出部２３は、例えば図４に示すように、排気口２６に向かう流通ガス流路２７内に設けられたフラップ２９であってもよい。フラップ２９は、流通ガスが排気口２６に向かって流れている場合には排気口２６側に傾き、流通ガスが逆流している場合には排気口２６と反対側に傾く。フラップ２９の傾きは、例えばフラップ２９の根元に設けたスイッチのＯＮ／ＯＦＦによって判断してもよく、レーザ検出等を用いてもよい。また、カメラ等による画像検出であってもよく、フラップ２９の根元を固定した状態で歪みゲージによる検出を行ってもよい。

制御部２４は、排出経路における流通ガスの流動方向の診断処理を行う部分である。図２において、制御部２４は、筐体２５内に配置されているが、燃料電池システム１の制御部１１に制御部２４の機能を付与した形態であってもよい。この制御部２４による診断処理は、例えば燃料電池システム１の運転中、所定の間隔で繰り返し実施される。

図５は、制御部２４の動作の第１形態を示すフローチャートである。同図の例では、診断処理が開始されると、流動方向検出部２３から制御部２４に対して流通ガスの流動方向を示す信号が出力される。信号を受け取った制御部２４では、流通ガスの逆流が検出されたか否かが判断され（ステップＳ１０１）、流通ガスの逆流が検出されない場合には、ステップＳ１０１が繰り返し実行される。一方、ステップＳ１０１において、流通ガスの逆流が検出された場合には、ダンパ２２が閉鎖される（ステップＳ１０２）。そして、ダンパ２２の閉鎖の後、燃料電池システムの停止工程が実行される（ステップＳ１０３）。

この実施形態では、ＦＣ排ガスを排気する排気経路において、流動方向検出部２３によって流通ガスの逆流が検出された場合に、ダンパ２２を閉じてシステムが停止するようになっている。したがって、燃料電池システム１側に流通ガスが逆流することによるセルスタック５や燃料電池システム１に搭載されている各種触媒もしくは吸着剤、あるいはイオン交換樹脂、各種補機類等の短寿命化を抑制できる。

また、図６は、制御部２４の動作の第２形態を示すフローチャートである。同図の例では、診断処理が開始されると、流動方向検出部２３から制御部２４に対して流通ガスの流動方向を示す信号が出力される。信号を受け取った制御部２４では、流通ガスの逆流が検出されたか否かが判断される（ステップＳ２０１）。流通ガスの逆流が検出されない場合には、ステップＳ２０１が繰り返し実行される。

ステップＳ２０１において、流通ガスの逆流が検出された場合には、ダンパ２２が閉鎖される（ステップＳ２０２）。ダンパ２２の閉鎖後、依然として流通ガスの逆流が検出されるか否かが判断される（ステップＳ２０３）。流通ガスの逆流が検出される場合には、流動方向検出部２３に異常がある、またはダンパ２２に異常があり、逆流している流動ガスが閉鎖しきれていないと判断され、ダンパ２２が開放された後（ステップＳ２０４）、燃料電池システム１が予め定めた第１停止工程を経て停止される（ステップＳ２０５）。なお、ここでいう第１停止工程とは、例えば水素含有燃料の供給停止、発電部内に充満するガスのパージ処理、セルスタック５の冷却工程など、予め定められた手順を経て燃料電池システム１を停止させることをいう。

ステップＳ２０３において流通ガスの逆流が検出されない場合には、ダンパ２２の閉鎖が継続される（ステップＳ２０６）。この場合、外部排ガスが流入している、または流入する恐れがあると判断され、燃料電池システム１が第１停止工程の少なくとも一部を省略した第２停止工程を経て停止される（ステップＳ２０７）。

この実施形態においても、ＦＣ排ガスを排気する排気経路において、流動方向検出部２３によって流通ガスの逆流が検出された場合に、ダンパ２２を閉じてシステムが停止するようになっている。したがって、燃料電池システム１側に流通ガスが逆流することによるセルスタック５や燃料電池システム１に搭載されている各種触媒もしくは吸着剤、あるいはイオン交換樹脂、各種補機類等の短寿命化を抑制できる。また、この実施形態では、１回目の流通ガスの逆流検出を行った後、暫定的措置としてダンパ２２を閉鎖した状態で２回目の流通ガスの逆流検出により排気経路の異常を判定する。これにより、排気経路における異常の有無に応じて燃料電池システム１の停止工程を選択することができる。

具体的には、ステップＳ３０３で異常が検出された場合、流動方向検出部２３及びダンパ２２のいずれか一方または両方の故障が疑われる。流動方向検出部２３のみが故障している場合、流通ガスの逆流が発生しないことから、ダンパ２２を開放して第１停止工程を実行する。また、ダンパ２２のみ、または、流動方向検出部２３とダンパ２２の両方が故障している場合は、ダンパ２２に閉鎖の信号を送っても流通ガスの逆流を遮断することができないため、第１停止工程を実行する。燃料電池システム１の運転を停止して、不具合箇所の修理をする機会を早期に確保することにより、将来発生する恐れがある流通ガスの逆流を抑制することができる。このとき、第１停止工程は、発電部２１内または各種触媒が充填されたリアクターに充満するガスのパージ処理や、燃料電池システム１の各部の空気冷却処理等を含むことが好ましい。これにより、停止工程中に燃料電池システム１から排出されるＦＣ排ガスによって、流通ガスの逆流を軽減することができる。

また、図７は、制御部２４の動作の第３形態を示すフローチャートである。同図の例では、診断処理が開始されると、流動方向検出部２３から制御部２４に対して流通ガスの流動方向を示す信号が出力される。信号を受け取った制御部２４では、流通ガスの逆流が検出されたか否かが判断される（ステップＳ３０１）。流通ガスの逆流が検出されない場合には、ステップＳ３０１が繰り返し実行される。

ステップＳ３０１において、流通ガスの逆流が検出された場合には、ダンパ２２が閉鎖される（ステップＳ３０２）。ダンパ２２の閉鎖後、依然として流通ガスの逆流が検出されるか否かが判断される（ステップＳ３０３）。流通ガスの逆流が検出された場合には、流動方向検出部２３に異常がある、またはダンパ２２に異常があり、逆流している流動ガスが閉鎖しきれていないと判断され、ダンパ２２が開放された後（ステップＳ３０４）、燃料電池システム１が第１停止工程を経て停止される（ステップＳ３０５）。

一方、ステップＳ３０３において流通ガスの逆流が検出されない場合には、ダンパ２２が一旦開放される（ステップＳ３０６）。そして、再び流通ガスの逆流が検出されるか否かが判断される（ステップＳ３０７）。流通ガスの逆流が検出された場合には、ダンパ２２を閉鎖した後（ステップＳ３０８）、燃料電池システム１が第２停止工程を経て停止される（ステップＳ３０９）。また、ステップＳ３０７で流通ガスの逆流が検出されない場合には、流通ガスの逆流が生じなくなったと判断し、燃料電池システム１の運転が継続される（ステップＳ３１０）。

この実施形態においても、ＦＣ排ガスを排気する排気経路において、流動方向検出部２３によって流通ガスの逆流が検出された場合に、ダンパ２２を閉じてシステムが停止するようになっている。したがって、燃料電池システム１側に流通ガスが逆流することによるセルスタック５や燃料電池システム１に搭載されている各種触媒もしくは吸着剤、あるいはイオン交換樹脂、各種補機類等の短寿命化を抑制できる。また、１回目の流通ガスの逆流検出を行った後、暫定的措置としてダンパ２２を閉鎖した状態で２回目の流通ガスの逆流検出により排気経路の異常を判定する。これにより、排気経路における異常の有無に応じて燃料電池システム１の停止工程を選択することができる。

さらに、この実施形態では、２回目の流通ガスの逆流検出によって排気経路の異常を判定した後、再びダンパ２２を開放した状態で流通ガスの逆流の有無を再度検出する。これにより、瞬時的な流通ガスの逆流が発生する度に燃料電池システム１の停止工程を実行することを回避でき、燃料電池システム１の停止頻度を低減できる。したがって、燃料電池システム１の長寿命化が図られると共に、安定的な発電を行うことができる。

１…燃料電池システム、５…セルスタック、２１…発電部、２２…ダンパ、２３…流動方向検出部、２４…制御部、２６…排気口、２７…排ガス流路、２８…ファン、２９…フラップ。

Claims (8)

1. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
   少なくとも前記発電部から排出される排出ガスをシステムの外部に排出させる排気口と、
   前記発電部と前記排気口との間の排気経路に配置され、当該排気経路中の流通ガスの流動方向を検出する流動方向検出部と、
   前記排気経路において前記流動方向検出部の下流側に配置され、前記排気口の開閉を切り替えるダンパと、
   前記流動方向検出部によって前記流通ガスの逆流が検出された場合に、前記ダンパを閉鎖してシステムを停止させる制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記流動方向検出部によって前記流通ガスの逆流が検出された場合に、前記流動方向検出部または前記ダンパの異常の有無を判断し、予め定める第１停止工程、または前記第１停止工程の少なくとも一部を省略した第２停止工程のいずれかを実行する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記流動方向検出部または前記ダンパに異常があると判断した場合に、前記ダンパを開放して前記第１停止工程を実行する請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記流動方向検出部及び前記ダンパに異常がないと判断した場合に、前記ダンパの閉鎖を継続して前記第２停止工程を実行する請求項２又は３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記流動方向検出部または前記ダンパに異常があると判断した場合に、前記ダンパを一旦開放した状態で前記流動方向検出部によって前記流通ガスの逆流が検出されるか否かを判断し、前記流通ガスの逆流が検出された場合に、前記ダンパを再度閉鎖して前記第２停止工程を実行する請求項２又は３記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記流通ガスの逆流が検出されなかった場合に、前記ダンパの開放を継続してシステムの運転を継続させる請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記流動方向検出部は、前記排気口に向かう前記燃料ガスの流路内に設けられたファンを有しており、前記ファンの回転方向によって前記燃焼ガスの流動方向を検出する請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池システム。
8. 前記流動方向検出部は、前記排気口に向かう前記燃料ガスの流路内に設けられたフラップを有しており、前記フラップの傾きによって前記燃焼ガスの流動方向を検出する請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池システム。
   

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