JP2008130434A

JP2008130434A - パッケージ形燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2008130434A
Application number: JP2006315759A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ouchi; 崇大内
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】保守用の信号を発電装置の外部に取り出してプロセス監視を可能とすること、さらに、これに加えて、プロセス監視機器は防水性を備え、かつ発電装置としては小形で外観デザインが良好な固体高分子電解質型燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、回収水系機器とからなるプロセス機器を有し、前記プロセス機器と、直交変換装置と、制御装置と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置の保守用の信号として、燃料電池セル電圧、プロセスモニター温度、プロセスモニター圧力等の監視用の信号を、コネクターを介して燃料電池発電装置の外部に取り出す保守信号取出し部を、前記パッケージの外周部に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器とからなるプロセス機器を有し、前記プロセス機器と、燃料電池の出力としての直流を交流に変換する直交変換装置と、制御装置と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。

この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。

また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。

一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。

また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される（特許文献１参照）。

図４は、特許文献１において図３として開示され部番等一部を修正した、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図である。

図４において、模式的に示した燃料電池１０は、燃料極１０ａと空気極１０ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設，積層することにより構成されている。

原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器１１に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒またはニッケル系触媒が用いられる。

CH₄＋H₂O→3H₂＋CO （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。ＣＯ変成用触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。

CO＋H₂O→H₂＋CO₂ （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器１３に供給され、ブロアによって供給された空気によりＣＯを選択酸化する以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は10ppm程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１０ａに供給される。

CO＋1/2O₂→CO₂ （発熱反応）
上記の如く、改質器１１において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器１１の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３，水蒸気発生器１４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン１５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン１５から改質器１１へ導入する構成としている。なお、図４においては、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３への前記改質用水の通流ラインを省略している。

又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：500〜700℃、ＣＯ変成器：200〜300℃、ＣＯ除去器：100〜250゜Cである。

このため、改質器１１は、燃料電池の排水素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器１４も昇温している。一方、ＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア１８により、燃焼用空気が導入される。なお、１８ａは、燃料電池本体の空気極に反応用の空気およびＣＯ除去器におけるＣＯ選択酸化用の空気を供給するための反応空気ブロアである。

また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア１７により、まず脱硫器１６へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器１１の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。

次に、図４における燃料電池の冷却水系機器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソードオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、その他配管等を含む。

燃料電池１０は、前述のように約８０℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却器５１には、図４には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃に昇温されて、循環水導出ライン５７から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置３５を介して、間歇的に補給される。

次に、回収水系機器３０について述べる。回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポンプ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。

この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図４には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器３４で冷却された４０℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。

上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水（水道水）が供給され、この市水は水処理装置で純化される。

ところで、比較的大形のリン酸型燃料電池発電装置等においては、プロセス機器の各部温度、圧力等の運転データを収集し、遠隔監視することにより、装置異常を早期発見して予防保全を行う事例がある。発電装置の稼働率と安全性を高める観点から、発電装置の高信頼性を求める需要家には、遠隔監視を活用した、予防保全サービスのニーズも多い。

しかしながら、例えば、出力100kW級のりん酸型燃料電池発電装置の場合には、発電装置内の空隙スペースを活用して、監視用計測機器や、データ伝送機器を追加設置して、データ収集することは容易であるが、前記図４に示すような固体高分子電解質型燃料電池発電装置、特に家庭用の比較的小形の燃料電池発電装置の場合には、コンパクト性と低コストが要求され、内部空間が狭い為、データ監視装置等のオプション機器を装置内に設置することは困難であり、これまで実施されていなかった。

また、固体高分子電解質型燃料電池発電装置に用いられる制御装置としては、産業用シーケンサ（ＰＬＣ）ではなく、小型化、低コスト化が可能な専用プリント板により制御する事例が多く、発電装置内の最小限のプロセスデータにより制御を行い、制御用専用プリント板の小型化、コスト低減を図るのが一般的である。
特開２００５−６３６９７号公報

上記のように、従来の比較的小形の燃料電池発電装置の場合、発電装置の直接制御に用いない予防保全用のプロセスデータを、発電装置の外部において入手することは困難であった。

ここで、前記発電装置の直接制御に用いる制御信号としては、燃料電池スタック全電圧、プロセス制御温度／圧力等のアナログ信号と、外部停止信号、各種警報信号、水位計接点信号、及び連係運転中や停止中などのモード信号等のデジタル信号等がある。なお、これらの制御信号は、前記発電装置内部の制御装置に入力されて各種の制御に用いられ、発電装置の外部に取り出す信号ではない。

一方、予防保全、保守用の信号としては、発電時間、発電電力量、燃料積算量、単セル電圧、前記プロセス機器におけるプロセスモニター温度、及びプロセスモニター圧力等のアナログ信号がある。これらの信号の少なくとも一部を定期的に監視計測することにより、経時的、突発的なプロセスの異常を早期発見することができ、トラブル発生を未然に防止することができる。また、トラブルの要因分析に活用することにより、トラブル発生時の停止期間短縮が可能となる。従って、比較的小形の燃料電池発電装置においても、これらの保守用の信号に基づいて、予防保全サービスを行なうようにすることが望まれる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、保守用の信号を発電装置の外部に取り出してプロセス監視を可能とすること、さらに、これに加えて、プロセス監視機器は防水性を備え、かつ発電装置としては小形で外観デザインが良好な固体高分子電解質型燃料電池発電装置を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器とからなるプロセス機器を有し、前記プロセス機器と、燃料電池の出力としての直流を交流に変換する直交変換装置と、制御装置と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、前記燃料電池発電装置の保守用の信号として、燃料電池セル電圧、プロセスモニター温度、プロセスモニター圧力等の監視用の信号を、コネクターを介して燃料電池発電装置の外部に取り出す保守信号取出し部を、前記パッケージの外周部に備えたことを特徴とする（請求項１）。

前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載のものにおいて、前記パッケージの外周部に備えた保守信号取出し部は、前記燃料電池の反応ガス、燃料電池発電装置からの排気ガス、燃料電池冷却水等のユーティリティー配管の出入口部を兼ね、前記保守信号取出しと前記配管の出入とを、パッケージ外周部の一箇所に集約した保守信号兼配管取出し部としたことを特徴とする（請求項２）。

また、前記請求項２に記載のものにおいて、前記保守信号兼配管取出し部は、複数本の配管を水平方向に、すのこ状に１列もしくは複数列に配設したユーティリティー配管部と、この配管部の上部に設けた天板と、この天板と前記すのこ状ユーティリティー配管部との間に設け、保守信号取出し用の配線およびコネクターを収納した配線収納区画部とからなることを特徴とする（請求項３）。

さらに、前記請求項３に記載のものにおいて、前記保守信号取出し用の配線は、前記配線収納区画部から、前記ユーティリティー配管部の各配管間の隙間を経て、前記パッケージの底部から燃料電池発電装置外部へ取り出される構成としたことを特徴とする（請求項４）。

この発明によれば、保守用の信号を発電装置の外部に取り出してプロセス監視が可能となり、かつ小形で外観デザインが良好な固体高分子電解質型燃料電池発電装置が提供できる。さらに、前記請求項３または４の発明によれば、プロセス監視用の取出し部は防水性を備え、かつ発電装置は、より一層、小形で外観デザインが良好となる。

次に、この発明の実施例について図１〜３に基いて述べる。図１〜３において、１は燃料電池本体、２は改質器系機器、３は水回収系装置、４は電池冷却系機器、６は直交変換装置、７は制御装置、８は外部取合い配管（ユーティリティー配管）、９は計測配線、９ａは屋内仕様コネクタ、２０は保守信号取出し部、２１は配線接続ボックス、２２は配線収納区画、２２ａは天板、２３は配線取出し口、４０，４０ａは保守信号兼配管取出し部である。なお、各図において、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は上面図、（ｃ）図は側面図をそれぞれ示し、同一機能部材には同一番号を付して示す。

（実施例１）
図１は、前記図４に示した各機器を機能別にブロック化し、かつ一部の機器を省略もしくは追加して示す、本発明の実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の模式的構成図である。図１において、都市ガス等の原燃料ガスは、改質系機器２にて、水蒸気改質により水素リッチガスを生成し、燃料ガスとして燃料電池本体１に供給される。この水蒸気改質には、純水が必要であり、反応空気オフガス及び燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する水回収系装置３が設けられる。また、電池の運転温度を所定の温度に均一に維持する為の電池冷却系機器４が設置される。これらの機器全体を総称して、「プロセス機器」と呼称する。

燃料電池の直流出力は、直交変換装置６により交流出力に変換して、家庭用電源等に利用される。また、制御装置７により、前記プロセス機器の運転制御や電気出力制御を行っている。さらに、図１においては、図示しない保守用のデータ監視装置を発電装置近傍に設置し、保守信号取出し部２０から計測配線９を発電装置外部に取出し、前記データ監視装置に接続する。なお、データ監視装置を、図示しない付属の貯湯槽部に設置する方法もある。この場合には、発電装置から貯湯槽部のデータ監視装置までの計測配線施工が必要となる。

一方、図１の実施例１においては、外部取合い配管（ユーティリティー配管）８は、側面部にランダムに配置されている。図１の場合、外部取合い配管（ユーティリティー配管）８を、代表的に５個示しているが、これらは、図４において、円の中に黒塗り三角を付した符号で示す空気、都市ガス、水、排気等の導入または導出配管の一部に相応する。

ところで、上記図１に示す実施例の場合には、本願発明の基本的課題は解消するものの、下記のような、さらに改良されるべき点がある。

まず、取合い配管８を、図１に示すように側面部にランダムに水平配置した場合には、水平配管の上下スペースは、機器取り付けや配管接続が難しく、デッドスペースとなり易い。小型化が要求される家庭用燃料電池においては有効なスペースの活用が望まれる。

また、図１に示す保守信号取出し部２０は、発電装置のパッケージの外に張り出した構成となっており、発電装置の外形寸法が大となり、外観デザイン上も好ましくない。

家庭用燃料電池の場合、屋外設置が多く、発電装置から配線を取出す場合には、防水コネクタを用いるか、図１に示すように配線接続ボックスを用いて防水性を図るのが一般的である。しかしながら、発電装置近傍に配線接続ボックス等のケースを設置することは、前述のように突起が目立つ外観デザインとなり、寸法上も望ましくない。また、小型の燃料電池発電装置は主に住宅用途であり、設置場所の制約も多様化するので、配線接続ボックスの設置が困難な設置環境も想定される。

一方、防水コネクタを用いる場合には、コネクタ長が長く、小型家庭用燃料電池の内部に収納することが困難であると共に、価格が高くなる問題がある。これに対して、図１に示すように、屋内仕様コネクタ９ａを用いる場合には、収納スペースを小型化できるとともに、低コストにできるメリットがあるが、防水性が無い為、配線取合い部を配線接続ボックス２１内に収納する必要が生じる。

上記のような、図１に示す実施例の問題を解消し改良した実施例が、後述する実施例２（図２）および実施例３（図３）である。

（実施例２）
図２は、保守信号取出しと前記配管の出入とを、パッケージ外周部の一箇所に集約した保守信号兼配管取出し部４０として構成した実施例を示す。この保守信号兼配管取出し部４０は、複数本の外部取合い配管（ユーティリティー配管）８を水平方向に、すのこ状に１列に配設したユーティリティー配管部と、この配管部の上部に設けた天板２２ａと、この天板２２ａと前記すのこ状ユーティリティー配管部との間に設け、保守信号取出し用の計測配線９および屋内仕様コネクター９ａを収納した配線収納区画２２とからなる。

図２において、外部取合い配管８は、発電装置側面部に１列水平に配置し、かつ配管上部に数十mmの空隙を開けて天板２２ａを設置して配線収納区画２２を形成する。配線接続ボックス２１は、外部取り合いを行う計測配線９のコネクタ接続作業と配線収納作業を行うサービスハッチとして、また、外部取合い配線を装置外部へ取り出す配線取り出し口として使用する。

かかる構成により、万一、発電装置内へ雨水が浸入した場合や、水処理装置交換などのメンテナンス時に漏水した場合においても、外部取合い配管８により、配線類は床面から一定の距離を保って隔離することができるので、防水性の低い屋内仕様、非防水の配線コネクタを採用した場合でも、簡単なシート養生程度で、漏電を効果的に防止できる。

また、従来、有効活用困難であった、外部取合い配管廻りのスペースを、計測配線類の取合いスペースとして活用できることができ、より安全、安定に運転可能で、かつ低コストでコンパクトな発電装置を得ることができる。

（実施例３）
図３は、保守信号取出し用の配線を、配線収納区画部２２から、ユーティリティー配管部の各配管間の隙間を経て、パッケージの底部に設けた配線取出し口２３から燃料電池発電装置外部へ取り出す構成とした実施例を示す。

かかる構成により、配線取出し用の配線接続ボックス２１をパッケージの外周部に設けることなく、より防水性に優れた配線取出し構造を得ることができる。また、パッケージ壁面に突き出し部の無い、フラットなデザインにすることができ、発電装置の外観向上が図れる。

本発明の実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の模式的構成図。本発明の図１とは異なる実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の模式的構成図。本発明の図１とはさらに異なる実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の模式的構成図。特許文献１に開示され一部修正した都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図。

符号の説明

１：燃料電池本体、２：改質器系機器、３：水回収系装置、４：電池冷却系機器、６：直交変換装置、７：制御装置、８：外部取合い配管（ユーティリティー配管）、９：計測配線、９ａ：屋内仕様コネクタ、２０：保守信号取出し部、２１：配線接続ボックス、２２：配線収納区画、２２ａ：天板、２３：配線取出し口、４０，４０ａ：保守信号兼配管取出し部。

Claims

炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器とからなるプロセス機器を有し、前記プロセス機器と、燃料電池の出力としての直流を交流に変換する直交変換装置と、制御装置と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、
前記燃料電池発電装置の保守用の信号として、燃料電池セル電圧、プロセスモニター温度、プロセスモニター圧力等の監視用の信号を、コネクターを介して燃料電池発電装置の外部に取り出す保守信号取出し部を、前記パッケージの外周部に備えたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
請求項１に記載のものにおいて、前記パッケージの外周部に備えた保守信号取出し部は、前記燃料電池の反応ガス、燃料電池発電装置からの排気ガス、燃料電池冷却水等のユーティリティー配管の出入口部を兼ね、前記保守信号取出しと前記配管の出入とを、パッケージ外周部の一箇所に集約した保守信号兼配管取出し部としたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
請求項２に記載のものにおいて、前記保守信号兼配管取出し部は、複数本の配管を水平方向に、すのこ状に１列もしくは複数列に配設したユーティリティー配管部と、この配管部の上部に設けた天板と、この天板と前記すのこ状ユーティリティー配管部との間に設け、保守信号取出し用の配線およびコネクターを収納した配線収納区画部とからなることを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
請求項３に記載のものにおいて、前記保守信号取出し用の配線は、前記配線収納区画部から、前記ユーティリティー配管部の各配管間の隙間を経て、前記パッケージの底部から燃料電池発電装置外部へ取り出される構成としたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。