JP2005243614A

JP2005243614A - 燃料電池発電装置の運転方法

Info

Publication number: JP2005243614A
Application number: JP2005003776A
Authority: JP
Inventors: Toru Kiyota; 透清田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】水素ゲインを精度良く直接的に測定し、燃料電池に異常があると判断された場合には、運転を停止することなく、複数種の異常に対して、その異常を解消または改善することが可能な燃料電池発電装置の運転方法を提供する。
【解決手段】異常の解消を目的とする異常原因に応じた運転条件の変更の複数種の中から、１つの運転条件の変更を選択して、改質ガス燃料運転に戻し、運転条件の変更による改善効果を、純水素運転によって水素ゲインを測定して確認し、異常が解消できない場合、前記運転条件の変更とは異なる運転条件に変更して、再度、水素ゲイン測定によって異常解消の有無を確認し、異常が解消できた場合には、解消できた改質ガス燃料運転条件により、運転を継続する。
【選択図】なし

Description

本発明は、都市ガス等の炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する方式を採用した燃料電池発電装置の運転方法に関する。

従来、燃料電池発電装置の運転試験においては純水素を準備し、改質ガスと純水素の切り替え試験を行い、その水素ゲインの測定によって、耐CO性の低下やガス拡散性の低下等の問題を把握していたが、実サイトにおいては、純水素が一般に入手できないために、水素ゲインを測定するという手法はとられていなかった。なお、改質ガスから純水素に切り替えた時に純水素の場合には水素分圧が高いので燃料電池の特性が向上し電池電圧が高くなる。その電圧差を前記水素ゲインという。

これを補間する手法として、特許文献１には以下の方法が開示されている。即ち、特許文献１の請求項３の記載を参照すれば、「燃料極に供給する燃料ガス流量を複数レベル変更し、その際のそれぞれの電池電圧と電池電流とを測定し、次に各燃料ガス流量と各直流電流とから得られた燃料極の入口及び出口の各水素濃度から各平均水素濃度を求め、その後各測定点の平均水素濃度と電池電圧との一次回帰により純水素濃度における電池電圧の外挿値を求め、この電池電圧と定格燃料ガス流量に対応した定格電池電圧との差から水素ゲインを求め、この水素ゲインから燃料極のガス拡散性能を診断する」旨の手法が、特許文献１には開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示された方法の場合、異常の診断対象は、ガス拡散性能の異常に限定されているので、ガス拡散性能以外の異常には対処できない。また、特許文献１に開示された診断方法の場合、いくつもの測定値を換算し、その計算結果の平均値を一次回帰するというような手法では誤差が大きく、診断の高信頼性を確保することができない。実サイトにおいては、精度良く直接的に測定できる手法の確立が望まれていた。

また、特許文献２には、りん酸形燃料電池における電解液保持量の適否判定方法が開示されている。即ち、特許文献２の特許請求の範囲の項の記載を引用すれば、特許文献２は「水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして運転する燃料電池を対象とした電解液保持量の適否を判定する方法であって、燃料ガス供給ラインに純水素ガス供給源を接続して置き、運転中の適宜時期に電池本体に供給する燃料ガスを改質ガスから純水素ガスに切替えてその前後での電池出力電圧を比較し、ガス切替後の出力電圧がガス切替前の出力電圧よりも低下した条件で電解液不足の状態を判定することを特徴とする燃料電池の電解液保持量の適否判定方法」を開示する。

上記特許文献２の場合も、異常の診断対象は、りん酸形燃料電池における電解液保持量の適否に限定され、複数種の異常に対処することができない。また、上記特許文献１および２は、いずれも、りん酸形燃料電池を対象としており、固体高分子形燃料電池の運転方法に関しては、具体的な記載がない。なお、下記特許文献３については後述する。
特開平１０−３０２８２３号公報特開昭６３−２５９９７３号公報特開２０００−３４８７５０号公報

本発明は、前記上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、実サイトにおいて燃料電池の故障診断指標の一つである水素ゲインを精度良く直接的に測定でき、かつ測定の結果、燃料電池に異常があると判断された場合には、運転を停止することなく、複数種の異常に対して、その異常を解消または改善することが可能な燃料電池発電装置、主に、固体高分子形燃料電池の運転方法を提供することにある。

上記課題は、本発明によれば、以下により達成される。即ち、炭化水素系燃料を改質したガスを燃料として使用する燃料電池発電装置の運転方法において、改質ガス燃料を純水素に切り替えて水素ゲインを測定し、この水素ゲイン測定結果に基づいて、燃料電池発電装置に異常が判明した場合には、異常の解消を目的とする異常原因に応じた運転条件の変更の複数種の中から、１つの運転条件の変更を選択して、改質ガス燃料運転に戻し、前期運転条件の変更による改善効果を、純水素運転によって水素ゲインを測定して確認し、異常が解消できない場合には、前記運転条件の変更とは異なる運転条件に変更して、再度、水素ゲインの測定によって異常解消の有無を確認し、異常が解消できた場合には、解消できた改質ガス燃料運転条件により、運転を継続することを特徴とする（請求項１）。

また、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、水素ゲインを測定するための前記改質ガス燃料の純水素への切り替えは、予め定めたインターバルにより定期的に行うことを特徴とする（請求項２）。

さらに、前記請求項２に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記水素ゲインの測定により、燃料電池発電装置に異常が判明した場合には、前記インターバルを変更することを特徴とする（請求項３）。

また、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記運転条件の変更は、固体高分子形燃料電池の場合に、S/C（スチーム/カーボン比）を増加させるか、もしくはCO除去器の選択酸化反応用空気を増加させる等の改質系の運転条件の変更により、CO濃度を低下させる変更とすることを特徴とする（請求項４）。

さらに、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記運転条件の変更は、固体高分子形燃料電池の場合に、改質系のS/Cを減少させて、改質ガスの露点を下げるか、もしくは改質ガス流量を増加させる、あるいは反応空気の露点を下げるか、もしくは空気流量を増加させる変更とすることを特徴とする（請求項５）。

また、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記運転条件の変更は、りん酸形燃料電池の場合に、改質ガス流量を増加させる変更とすることを特徴とする（請求項６）。

また、前記請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の運転方法において、前記純水素は、燃料電池発電装置内または隣接して設置された水素製造装置または水素ステーション、もしくは水素タンクまたは水素ボンベから供給されることを特徴とする（請求項７）。

上記本発明によれば、前記特許文献３に開示されたような、燃料電池発電装置と高純度水素製造装置を組合わせたシステム、または、単独の燃料電池発電装置と単独の高純度水素製造装置を併設するサイト、もしくは、例えば水素製造装置を設置した水素ステーションの近隣に家庭用燃料電池が設置されているサイト等において、高純度水素製造装置で製造される純水素をある期間をおいて定期的に燃料電池発電装置に送り込み、改質ガス燃料(水素濃度約70%dry)による発電から純水素による発電に切り替えることによって、前述の水素ゲインから燃料電池に発生している問題となる現象（即ち、異常）が、どの種の異常であるかを認知し、故障を未然に防ぐことができる。詳細は後述する。

なお、前記特許文献３には、以下のような燃料電池発電装置が開示されている。即ち、「天然ガスやメタノール等の炭化水素化合物を含む原燃料を改質器によって改質し、得られた水素に富む改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置において、改質器で得られた改質ガスを燃料電池の燃料極へと供給する供給配管に、該改質ガスを圧縮機と水素精製装置を直列に備えた水素精製系へと選択的に分岐させる分岐配管が連結されていることを特徴とする燃料電池発電装置。」である。前記水素精製系の純水素に切り替えて発電することによって、前述の水素ゲインが計測できる。

さらに、本発明の作用効果について、さらに詳述する。

例えば、固体高分子形燃料電池の場合には水素ゲインを確認することによって、耐CO性が低下している、または水の排出性が低下している、異物が流路を閉塞している等の異常現象を察知することができ、また、りん酸形燃料電池の場合には同様に異物が流路を閉塞している等の異常現象を察知し、故障を未然に防ぐことが可能となる。更には、固体高分子形燃料電池の場合で耐CO性低下が想定される時には、S/Cを増加させる又はCO除去器の選択酸化反応用の空気を増加させる等の手段を講じて改質系の運転条件を変更し、CO濃度を低下させ、運転状態を改善し、その効果を再び純水素に切り替えて、水素ゲインを測定することで改善度合いを確認することができる。同様に、固体高分子形燃料電池の場合でガス拡散性低下が想定される時には、改質系のS/Cを減少させ、改質ガスの露点を下げるか、もしくは改質ガス流量を増加させることで水の排出性向上と共に異物を燃料電池外に飛散させることができる。

また、固体高分子形燃料電池の場合には、電解質膜を通じて水が移動するので、燃料極側で水の排出性が低下している場合には一般に空気極の水排出性も低下している。そこで、この場合には、反応空気の露点を下げる、または空気流量を増加させることで空気極水排出性を向上させ、その効果を再び純水素に切り替えて、水素ゲインを測定することで改善度合いを確認することができる。ここで、空気極側の水排出性向上操作のみを行なう手法を記載したのは、空気極の水を排出することで電解質膜を通じて燃料極側の水が空気極側に移動し、燃料極側の水排出性の改善を図ることも可能だからである。勿論、前記空気極側の運転条件の変更と、燃料極側の運転条件の変更とを併用してもよい。

さらに、りん酸形燃料電池の場合には、水素ゲイン測定の結果判明する問題点は、前記特許文献１に記載されたような電池内部の経時的変化に基づく拡散性能低下の異常や、あるいは異物による流路閉塞ガス拡散性能低下の異常である。りん酸形燃料電池の場合でガス拡散性低下の時には、改質ガス流量を増加させることにより、異常の解消が可能となるが、この場合、前記異物か電池内部の経時的変化かにより、改質ガス流量の増加量条件が異なる。異物の場合には、比較的増加量を大とする必要があるが、異物を燃料電池外へ飛散させることで改善を図り、再び水素ゲインを測定することで改善効果を確認することができる。なお、りん酸形燃料電池の場合、固体高分子形燃料電池と異なり運転温度が高いので、水排出性の低下や耐CO性低下の問題はない。

この発明によれば、前記運転方法を行うことにより、実サイトにおいて燃料電池の故障診断指標の一つである水素ゲインを精度良く直接的に測定でき、かつ測定の結果、燃料電池に異常があると判断された場合には、運転を停止することなく、複数種の異常に対して、その異常を解消または改善することが可能となり、全体的に、高信頼性を有する燃料電池発電装置の運転方法が提供できる。

次に、この発明の実施例に関して、図１に基いて説明する。図１は、本発明に係る都市ガス燃料を用いた固体高分子型燃料電池発電装置の模式的概略構成図である。

図１において、都市ガスは脱硫器１を通過し、硫黄分を除去された後、改質器２、変成器３、CO除去器４を通過する間に改質され水素リッチなガスとなり、燃料電池本体５へと導かれる。ここで燃料電池本体５の電気化学反応に寄与しなかった残りの改質ガスは、改質器バーナ６へと導かれる。一方、燃焼用空気は燃焼空気ブロア９から導入され、空気予熱器７で予熱され、改質器バーナ６へと導かれ燃焼反応に寄与する。改質器バーナ６で燃焼したガスは、その燃焼熱の一部を改質器２における反応熱として与えた後、改質器から導出される。ここで残りの熱エネルギーを空気予熱器７で燃焼空気ブロア９からの燃焼空気に与え、続いて蒸気発生器８で改質用水ポンプ１１から供給された改質用水に熱エネルギーを与え蒸発させ、最終的に大気中に排気される。

また、選択酸化反応用空気ブロア１６は、CO除去器４での選択酸化反応に使用される空気を供給する。更に、電池冷却水系統は冷却水タンク１２に保有された冷却水を電池冷却水ポンプ１０で循環させ、燃料電池本体５へ送り込み排熱を回収し、運転温度を一定に制御する。

通常運転時には、都市ガスを改質した水素リッチなガスを燃料として、遮断弁１４を開、遮断弁１５を閉とし、燃料電池本体５へ改質ガスを供給し、発電に使用する。

一方、通常は別の用途として使用されている水素製造装置１３で製造される高純度水素を、ある期間をおいて定期的に、遮断弁１４を閉、遮断弁１５を開として、燃料電池本体５に送り込み改質ガス燃料（水素濃度約70%dry）による発電から純水素による発電に切り替えることによって、前記水素ゲインから燃料電池に発生している異常を察知する。水素ゲインの異常判断値は、燃料電池の種類や設計思想、製造方法や運転負荷の違いによって一概には言えないが、一般的には20mV程度が目安になり、これ以上の水素ゲインが得られる場合には異常と判断できる。

異常と判断した場合には、前述のように、異常の解消を目的とする異常原因に応じた運転条件の変更の複数種の中から、１つの運転条件の変更を選択して、改質ガス燃料運転に戻し、前記運転条件の変更による改善効果を、純水素運転によって水素ゲインを測定して確認し、異常が解消できない場合には、前記運転条件の変更とは異なる運転条件に変更して、再度、水素ゲインの測定によって異常解消の有無を確認し、異常が解消できた場合には、解消できた改質ガス燃料運転条件により、運転を継続する。

さらに、異常と判断された場合には、例えば、定期的な測定期間を短くして水素ゲインの変化状況を把握する。

本発明の運転方法に関わる燃料電池発電装置の模式的概略構成図。

符号の説明

１脱硫器
２改質器
３変成器
４ CO除去器
５燃料電池本体
６改質器バーナ
７空気予熱器
８蒸気発生器
９燃焼空気ブロア
１２冷却水タンク
１３水素製造装置
１４，１５遮断弁
１６選択酸化反応用空気ブロア

Claims

炭化水素系燃料を改質したガスを燃料として使用する燃料電池発電装置の運転方法において、改質ガス燃料を純水素に切り替えて水素ゲインを測定し、この水素ゲイン測定結果に基づいて、燃料電池発電装置に異常が判明した場合には、異常の解消を目的とする異常原因に応じた運転条件の変更の複数種の中から、１つの運転条件の変更を選択して、改質ガス燃料運転に戻し、前記運転条件の変更による改善効果を、純水素運転によって水素ゲインを測定して確認し、異常が解消できない場合には、前記運転条件の変更とは異なる運転条件に変更して、再度、水素ゲインの測定によって異常解消の有無を確認し、異常が解消できた場合には、解消できた改質ガス燃料運転条件により、運転を継続することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
水素ゲインを測定するための前記改質ガス燃料の純水素への切り替えは、予め定めたインターバルにより定期的に行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
前記水素ゲインの測定により、燃料電池発電装置に異常が判明した場合には、前記インターバルを変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
前記運転条件の変更は、固体高分子形燃料電池の場合に、S/C（スチーム/カーボン比）を増加させるか、もしくはCO除去器の選択酸化反応用空気を増加させる等の改質系の運転条件の変更により、CO濃度を低下させる変更とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
前記運転条件の変更は、固体高分子形燃料電池の場合に、改質系のS/Cを減少させて、改質ガスの露点を下げるか、もしくは改質ガス流量を増加させる、あるいは反応空気の露点を下げるか、もしくは空気流量を増加させる変更とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
前記運転条件の変更は、りん酸形燃料電池の場合に、改質ガス流量を増加させる変更とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
前記純水素は、燃料電池発電装置内または隣接して設置された水素製造装置または水素ステーション、もしくは水素タンクまたは水素ボンベから供給されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の運転方法。