JP2007035537A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの安全性を簡単な構成で向上させる。
【解決手段】水素製造装置１の改質ガス（水素）と共に、冷却水タンク８の冷却水を加湿器４で水蒸気に変え、取り込み空気を加湿して燃料電池３に供給し、水素と空気中の酸素を反応させて発電する。改質ガス系統の凝縮水は改質ガスの凝縮水分離タンク７ａによる凝縮水と、燃料電池３の下流の改質ガス排ガスの凝縮水分離タンク７ｃによる凝縮水を凝縮水タンク１１に蓄える。空気系統の凝縮水は燃料電池３下流の空気排ガスの凝縮水分離タンク７ｂによる凝縮水を冷却水タンク８に蓄える。改質ガス系統と空気系統の凝縮水が分離して蓄えられるので、これら凝縮水中にガスが巻き込まれてもタンク内で混合、爆発することがなく、燃料電池発電システムの安全性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は運転中に発生した凝縮水を回収し、燃料電池システムの運転に必要な水を自己補給することを特徴とする燃料電池発電システムに関する。

近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことにより、オンサイト型分散電源として家庭用固体高分子形燃料電池システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用燃料電池システムの商用化時には従来の発電システムよりも高い発電効率、安全性、低コスト化が期待されており、さまざまな提案がされている。

固体高分子形燃料電池発電システムは、たとえば炭化水素系燃料を水素製造装置で水素を含む改質ガスに改質して改質ガス中のCOを除去した後に、燃料電池に供給して改質ガス中の水素と空気中の酸素を消費して発電を行う。燃料電池から排出される未反応のガスは、水素製造装置で炭化水素系燃料を改質するための熱源として使用する。

このような発電システムではシステムを運転するために、水素製造装置、燃料電池へ供給するガスを加湿する装置および冷却水タンクに、水道水中の不純物を除去した純水を供給している。システムの運転に必要な純水の供給量は１Ｌ／ｈ以上であり、純水を製造するためにはさらに多くの水を必要とする。

特許文献１には、燃料電池から排出される改質ガスの排出ガスと酸化剤ガスの排出ガスから凝縮水を回収し、システムの運転に必要な供給水を確保する技術が開示されている。

特開２００３−１７３６３２号公報

特許文献１においては、燃料電池から排出される改質ガスの排出ガスと酸化剤ガスの排出ガスから回収した回収水を同一のタンクに蓄える。このため、回収水の中に水素を含む改質ガスまたは酸化剤ガスを巻き込んだ場合、このタンク内で可燃性ガスと酸化剤ガスが混合し、爆発する危険性がある。

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、可燃性ガスと酸化剤ガスの混合を防止し、簡単で安全性が高い燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを発生させる水素製造装置と、前記改質ガスおよび空気系の酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却系統と、前記改質ガス、前記燃料電池の排出ガスおよび前記燃料電池の冷却水系から熱を回収する熱交換器を備える燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の酸化剤ガスの排出ガスから分離された凝縮水は前記冷却系等の冷却水タンクに、前記燃料電池の上流側の改質ガス及び下流側の改質ガスの排出ガスから分離された凝縮水は凝縮水タンクに、それぞれ蓄える構成としたことを特徴とする。

凝縮水を分離する凝縮水分離タンクは、前記冷却水タンクの上流側、及び前記燃料電池の上流側と下流側にそれぞれ備える。

また、前記冷却水タンクから冷却水を取出して精製し、前記冷却水タンクに戻す水浄化ユニットを備える。あるいは、前記酸化剤ガスの排出ガスから回収した凝縮水を前記冷却水タンクに供給する系統に凝縮水を浄化する水浄化ユニットを備える。

本発明の運転方法は、燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを発生させ、空気系の酸化剤ガスと前記改質ガスにより発電を行う燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池発電システムを用い、前記凝縮水タンクの上流側であって、前記燃料電池の上流側の前記改質ガス及び下流側の改質ガスの排出ガスから凝縮水を回収する系統の各々に設けられた弁を、両方の弁が同時に開にならないように制御することを特徴とする。

本発明の作用と効果を説明する。本発明では燃料ガス系統と空気系統に分けて凝縮水を分離する。すなわち、燃料電池の上流に設けた改質ガス凝縮水分離タンクと下流に設けた改質ガス排ガス凝縮水分離タンクで分離された凝縮水は凝縮水タンクに蓄えられる。また、燃料電池下流の空気系に設けた空気排ガス凝縮水分離タンクで分離された凝縮水は冷却水タンクに蓄えられる。

水素製造装置へ供給する水は、燃料電池に供給する水のように高い純度を要求されない。したがって、改質ガス凝縮水分離タンクと改質ガス排ガス凝縮水分離タンクで分離された凝縮水は、水浄化ユニットで処理することなく水素製造装置に直接供給する。これにより、凝縮水タンク内に可燃ガスである改質ガスが溜まり、水素製造装置へ供給された場合でも、供給された改質ガスは水素製造装置の反応により消費されるため、系外へ排出されることがない。

また、改質ガス凝縮水分離タンクから凝縮水タンクへ凝縮水を供給する系統と、改質ガス排ガス凝縮水分離タンクから凝縮水タンクへ凝縮水を供給する系統にそれぞれ設置した弁を、２つの弁が同時に開くことがないように制御する。これにより、一方の分離タンクの凝縮水が他方の分離タンクへ流れることがないので、システムを安定して運転することが可能になる。

本発明によれば、改質ガス系統の凝縮水を蓄えるタンクと空気系統の凝縮水を蓄えるタンクを分離することによって、これらのガスが凝縮水中に巻き込まれてもタンク内で混合することがなく、燃料電池発電システムの安全性を向上できる効果がある。

また、凝縮水タンクから水素製造装置へ供給水を送ることにより、凝縮水タンク内に可燃ガスである改質ガスが溜まっている場合でも、水素製造装置へ供給された改質ガスは水素製造装置の反応により消費されるため、系外へ排出されることがなく、燃料電池発電システムの安全性を向上する効果がある。

本発明によれば、改質ガス凝縮水分離タンクから凝縮水タンクへ凝縮水を供給する系統と、改質ガス排ガス凝縮水分離タンクから凝縮水タンクへ凝縮水を供給する系統に２つの弁を設置し、２つの弁が同時に開くことがないように制御するので、システムを安定して運転することが可能になる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例による燃料電池発電システムの構成図である。燃料電池３は、燃料である水素と空気中の酸素を反応させて発電するものであり、例えば、固体高分子形燃料電池が用いられる。本燃料電池システムでは、水素製造装置１で製造した水素を含む改質ガスは、改質ガス熱交換器２を通して改質ガスから熱を回収した後に、改質ガス凝縮水分離タンク７ａで凝縮水を分離して燃料電池３に供給される。また、燃料電池３で発電を行った後に排出される改質ガスは、燃料電池排ガス熱交換器５を通して熱を回収し、改質ガス排ガス凝縮水分離タンク７cで凝縮水を分離して水素製造装置１に供給される。

一方、燃料電池３の発電に必要な空気は、加湿器４を通して加湿した後に燃料電池３に供給される。また、燃料電池３で発電を行った後に排出される空気は、燃料電池排ガス熱交換器５を通して熱を回収し、空気排ガス凝縮水分離タンク７ｂで凝縮水を分離して系外に排出される。

ここで、改質ガス凝縮水分離タンク７ａと改質ガス排ガス凝縮水分離タンク７ｃで分離された凝縮水は凝縮水タンク１１に蓄えられる。また、水素製造装置１への供給水は、凝縮水タンク１１から供給される。一方、空気排ガス凝縮水分離タンク７ｂで分離された凝縮水は冷却水タンク８に蓄えられる。

このように、改質ガス系統の凝縮水を蓄えるタンクと空気系統の凝縮水を蓄えるタンクを分離することによって、これらのガスが凝縮水中に巻き込まれてもタンク内で混合することがなく、燃料電池発電システムの安全性を向上できる効果がある。

また、凝縮水タンク１１から水素製造装置１へ供給水を送ることにより、凝縮水タンク１１に可燃ガスである改質ガスが溜まり、水素製造装置１へ供給された場合でも、供給された改質ガスは水素製造装置１の燃焼反応により消費される。このため、系外へ排出されることがなく、燃料電池発電システムの安全性を向上できる効果がある。

さらに、水素製造装置１へ供給する水は、燃料電池３に供給する水のように高い純度を要求されないので、回収した凝縮水は処理せずに水素製造装置１に直接供給可能である。したがって、特許文献１の従来技術にくらべて水浄化ユニット１での水処理量を低減できる効果がある。

図２は、本発明の第２の実施例による燃料電池発電システムの構成図である。第１の実施例との相違は、空気排ガス凝縮水分離タンク７ｂから冷却水タンク８へ凝縮水を供給する系統に、水浄化ユニット９が配置されている点である。

冷却水タンク８の水は、燃料電池３を冷却するために循環する。これと共に、加湿器４に供給されて蒸気として燃料電池３に供給され、さらに空気排ガス凝縮水分離タンク７ｂで凝縮水として分離される。この凝縮水は空気排ガスの圧力によって水浄化ユニット９に導かれ、浄化された後に冷却水タンク８に戻る。本実施例では、冷却水タンク８内の水は水浄化ユニット９を通って循環される構成となるので、冷却水タンク８内の水は常時、精製されている。

また、図２のシステム構成では水浄化ユニット９に供給する凝縮水は空気排ガスの圧力により供給されるので、図１のシステムのようにポンプを必要とせず、システムを簡素化できる効果がある。

また、燃料電池排ガス熱交換器５で熱を回収した後の凝縮水を回収するため、冷却水タンク８に水浄化ユニット９を設置する場合と比べて処理する水の温度が低くなり、水浄化ユニットの耐熱温度を下げることができるという効果がある。

図３は、本発明の第３の実施例による燃料電池発電システムの構成図である。本実施例においては、改質ガス凝縮水分離タンク７ａから凝縮水タンク１１へ凝縮水を供給する系統と、改質ガス排ガス凝縮水分離タンク７ｃからの凝縮水タンク１１へ凝縮水を供給する系統の合流点よりも上流側に、それぞれバルブ１２とバルブ１３が配置される。バルブ１２とバルブ１３は制御部１４により、二つの弁が同時に開くことがないように制御される。

図４は第３の実施例におけるバルブの運転制御方法を示すフローチャートである。制御部１４は、凝縮水タンク７ａの凝縮水液面が満水（閾値１に到達）であることを検知すると（ｓ１０１）、凝縮水タンク７ｃ下流のバルブ１３の開閉状態をチェックする（ｓ１０２）。

凝縮水タンク７ａの凝縮水液面が満水（閾値１に到達）でない場合、凝縮水タンク７ａ下流のバルブ１２は必ず閉である。このとき、凝縮水タンク７ｃの凝縮水液面が満水（閾値１に到達）であれば凝縮水タンク７ｃ下流のバルブ１３は開になる。また、凝縮水液面が満水（閾値１に到達）でなければ凝縮水タンク７ｃ下流のバルブ１３は閉である。

制御部１４は、凝縮水タンク７ｃ下流のバルブ１３が閉であれば、二つのバルブが同時に操作されないように一定時間待機した後に（ｓ１０３）、凝縮水タンク７ａ下流のバルブ１２を開ける（ｓ１０４）。もし、ｓ１０２のチェックでバルブ１３の状態が開であれば以降の制御に進めない。実際には、一定時間進行できなければ、システムはエラーを出して止まることになる。

その後、制御部１４は、凝縮水タンク７ａの凝縮水液面低（閾値２に低下）を検知すると（ｓ１０５）、凝縮水タンク７ａ下流のバルブ１２を閉じる（ｓ１０６）。

また、凝縮水タンク7c下流のバルブ１３についても、凝縮水タンク７ａ下流のバルブ１２の動作と同様な運転制御を行う。この運転制御により、二つのバルブ１２、１３は同時に開くことがないように制御される。

この二つのバルブ１２，１３が同時に開くと、改質ガスは圧力が高い改質ガス凝縮水分離タンク７aから圧力の低い改質ガス排ガス凝縮水分離タンク７cへ水回収系統を通って供給されてしまう。このため、十分な量の改質ガスが燃料電池３に供給されなくなり、燃料電池性能が急激に低下し、これに伴って発電電力も急激に低下する。また、改質ガスの一部が燃料電池３で消費されずに水素製造装置１に戻ってくることから、水素製造装置１の改質ガス排ガス燃焼部の温度が急激に上昇し、水素製造装置１の熱バランスが取れなくなる。

しかし、本実施例によれば、二つのバルブ１２、１３は同時に開くことがないように制御されるので、改質ガスが燃料電池３をバイパスすることは防止され、システムの安定運転が可能になり、燃料電池発電システムの安全性を向上することができるという効果がある。

本発明の第１の実施例による燃料電池発電システムの構成図。 本発明の第２の実施例による燃料電池発電システムの構成図。 本発明の第３の実施例による燃料電池発電システムの構成図。 第３の実施例の運転方法を示すフローチャート。

符号の説明

１…水素製造装置、２…改質ガス熱交換器、３…燃料電池、４…加湿器、５…燃料電池排ガス熱交換器、６…燃料電池冷却水熱交換器、７ａ…改質ガス凝縮水分離タンク、７ｂ…空気排ガス凝縮水分離タンク、７ｃ…改質ガス排ガス凝縮水分離タンク、８…冷却水タンク、９…水浄化ユニット、１０…ポンプ、１１…凝縮水タンク、１２…バルブ、１３…バルブ、１４…制御部。

Claims (8)

1. 燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを発生させる水素製造装置と、前記改質ガスおよび空気系の酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却系統と、前記改質ガス、前記燃料電池の排出ガスおよび前記燃料電池の冷却水から熱を回収する熱交換器を備える燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池の酸化剤ガスの排出ガスから分離された凝縮水は前記冷却系等の冷却水タンクに、前記燃料電池の上流側の改質ガス及び下流側の改質ガスの排出ガスから分離された凝縮水は凝縮水タンクに、それぞれ蓄える構成としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、凝縮水を分離する凝縮水分離タンクを前記冷却水タンクの上流側、及び前記燃料電池の上流側と下流側にそれぞれ備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項２において、前記酸化剤ガスの排出ガスから凝縮水を分離する凝縮水分リタンクと前記冷却タンクの間の冷却系統に、凝縮水を浄化する水浄化ユニットを備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを発生させる水素製造装置と、空気系の酸化剤ガスと前記改質ガスにより発電を行う燃料電池と、冷却水を蓄える冷却水タンクを有し燃料電池を冷却する冷却系統と、前記改質ガス、前記燃料電池の排出ガスおよび前記燃料電池の冷却水から熱を回収する熱交換器を備える燃料電池発電システムにおいて、
   前記改質ガス及び前記燃料電池から排出される改質ガス排出ガスの可燃ガス系統から凝縮水を回収する凝縮水タンクと、前記燃料電池の酸化剤ガス排出ガスの空気系統から凝縮水を回収する冷却水タンクを備え、前記凝縮水タンクの水は前記水素製造装置に、前記冷却水タンクの水は前記燃料電池に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項４において、前記冷却水タンクから冷却水を取出して精製し、前記冷却水タンクに戻す水浄化ユニットを備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項４において、前記酸化剤ガス排出ガスから回収した凝縮水を前記冷却水タンクに供給する系統に凝縮水を浄化する水浄化ユニットを備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項１−６の何れかにおいて、前記凝縮水タンクの上流側であって、前記燃料電池の上流側の前記改質ガス及び下流側の改質ガスの排出ガスから凝縮水を回収する系統の各々に弁を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを発生させ、空気系の酸化剤ガスと前記改質ガスにより発電を行う燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記燃料電池発電システムは請求項７に記載の燃料電池発電システムであって、前記弁の両方が同時に開くこことがないように制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

Images