JP2008159467A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と低コスト化を達成できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】空気及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池１と、空気及び燃料ガスをそれぞれ燃料電池１に供給する発電用空気供給手段Ａ及び燃料ガス供給手段Ｂとを具備するとともに、燃料ガス供給手段Ｂは、被改質ガスを改質する改質器４と、該改質器４に純水を供給する水供給手段Ｂ１と、改質器４に空気を供給する改質用空気供給手段Ｂ２と、改質器４に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段Ｂ３とを具備する燃料電池装置であって、発電用空気供給手段Ａと改質用空気供給手段Ｂ２の空気を圧送するポンプ３を共用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段が、改質器と、水供給手段と、改質用酸素含有ガス供給手段と、被改質ガス供給手段とを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池を収納容器内に収納した燃料電池モジュールが種々提案されており、燃料電池モジュールには、図４に示すように、空気及び燃料ガスをそれぞれ燃料電池に供給する発電用空気供給手段Ａ及び燃料ガス供給手段Ｂが設けられて、燃料電池装置が構成されている。

燃料ガス供給手段は、燃料電池に供給される燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器に純水を供給するための水供給手段Ｂ１と、改質器に空気を供給するための改質用空気供給手段Ｂ２と、改質器に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段Ｂ３とを具備している。

燃料電池の発電に用いる燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、水素ガスと空気とを燃料電池に供給し、空気を燃料電池の空気極に接触させ、かつ水素ガスを燃料電池の燃料極に接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。

従来、起動時では、温度が低いため、発熱反応である部分酸化改質を行って燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、燃料電池が所定温度に達した後は、効率の高い吸熱反応である水蒸気改質が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３１７４０５号公報

改質器への空気供給量は少ないものの、改質器へ供給される被改質ガス（例えば都市ガス）の圧力は高いため、そのガス圧よりも高い圧力で改質用空気供給手段Ｂ２により空気を改質器に圧送する必要があり、一方、燃料電池へ供給される空気の圧力はそれほど必要ないが、改質用空気供給手段Ｂ２より供給される空気量よりも発電用空気供給手段Ａにより供給される空気量は数倍多い。従って、発電用空気供給手段Ａ、改質用空気供給手段Ｂ２では、全く異なる条件で燃料電池、改質器へ空気を供給しなければならないため、従来、燃料電池、改質器に必要な空気は、それぞれ別個のポンプにて供給されていた。

また、通常、電解質が高分子タイプの燃料電池と、これに用いられる改質器は、それぞれの温度が全く異なっていたため、異なる位置に配置されており、燃料電池、改質器に必要な空気は、それぞれ別個のポンプにて供給されていた。

しかしながら、近年では、分散型発電、例えば家庭用として用いられる燃料電池装置は、小型化、低コストが要求されており、燃料電池、改質器に必要な空気を、それぞれ別個のポンプにて供給するには２台のポンプが必要であり、コスト高になるとともに、ポンプの占める容積が大きいため、燃料電池装置が大型化してしまうという問題があった。さらに、家庭用として用いられる燃料電池装置、特に固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合には、特に、燃料電池と改質器を同じ収納容器内に収納し、燃料電池の反応熱で改質器を加熱するタイプの固体電解質形燃料電池では、燃料電池と改質器が同じ収納容器内に隣接して存在しており、２台のポンプを共用することも可能である。

本発明は、小型化と低コスト化を達成できる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、酸素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記酸素含有ガス及び燃料ガスをそれぞれ前記燃料電池に供給する発電用酸素含有ガス供給手段及び燃料ガス供給手段とを具備するとともに、前記燃料ガス供給手段は、被改質ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、該改質器に純水を供給する水供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給する改質用酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段とを具備する燃料電池装置であって、前記発電用酸素含有ガス供給手段及び前記改質用酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガスを圧送するポンプを共用したことを特徴とする。

このような燃料電池装置では、発電用酸素含有ガス供給手段と改質用酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガスを圧送するポンプを共用したので、ポンプが１台でよく、コストを削減できる。また、ポンプの占める容積を小さくでき、小型化を達成できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記ポンプからの酸素含有ガス供給配管が、前記燃料電池への発電用酸素含有ガス供給管と前記改質器への改質用酸素含有ガス供給管とに分岐しており、前記発電用酸素含有ガス供給管及び前記改質用酸素含有ガス供給管のうち少なくとも一方に流量調整弁が設けられているとともに、前記発電用酸素含有ガス供給管及び前記改質用酸素含有ガス供給管のうち少なくとも一方に流量計が設けられていることを特徴とする。

改質器へ供給される被改質ガス（例えば都市ガス）の圧力は高いため、そのガス圧よりも高い圧力で空気等の酸素含有ガスを改質器に圧送する必要があるが、供給量は少ない。一方で、燃料電池へ供給される空気等の酸素含有ガスの圧力はそれほど必要ないが、供給量は多い。本発明の燃料電池装置では、発電用酸素含有ガス供給管及び改質用酸素含有ガス供給管の少なくとも一方に流量調整弁が設けられるとともに、発電用酸素含有ガス供給管及び改質用酸素含有ガス供給管のうち少なくとも一方に流量計が設けられているため、発電用酸素含有ガス供給管及び改質用酸素含有ガス供給管に最適な圧力で、かつ最適な供給量で酸素含有ガスを供給できる。

本発明の燃料電池装置は、前記発電用酸素含有ガス供給管に前記流量調整弁が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、発電用酸素含有ガス供給管に流量調整弁を設けたので、改質用酸素含有ガス供給管に供給する酸素含有ガスの圧力を高めることができ、燃料電池よりも高い圧力で酸素含有ガスを供給する必要がある改質器に確実に酸素含有ガスを供給できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記改質用酸素含有ガス供給管に前記流量調整弁及び前記流量計が設けられており、前記流量調整弁は前記流量計より前記改質器側に設けられていることを特徴とする。従来、燃料電池装置の運転を停止により改質器へのガス供給を停止すると、残圧により改質器に供給した水蒸気が逆流する傾向があり、水蒸気が逆流すると、流量計のセンサ部に水分が付着し、誤動作、故障の原因になるが、本発明の燃料電池装置では、改質用酸素含有ガス供給管に設けられた流量調整弁は、流量計より改質器側に設けられているため、ポンプによる改質器への酸素含有ガス供給を停止する際には、流量調整弁を閉止し、これにより流量計への水蒸気の逆流を防止することができる。

前記流量調整弁はステッピングモータを用いることが望ましい。これにより、流量制御がリニアにできる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池及び前記改質器は収納容器に収納されており、前記改質器は、燃料電池の反応熱により加熱されて、改質反応を行うことを特徴とする。

このような燃料電池装置では、酸素含有ガスが必要とされる燃料電池と改質器が隣接しているため、それぞれに酸素含有ガスを供給するポンプを共用することが可能であり、しかも小型化という点から、本発明を好適に用いることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、家庭用として用いられることを特徴とする。家庭用に用いられる燃料電池装置は、例えば１ｋＷ以下の発電量であり、しかも、例えばマンション等に設置され、小型化、低コストの要求が高いため、本発明を好適に用いることができる。

本発明の燃料電池装置は、発電用酸素含有ガス供給手段と改質用酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガスを圧送するポンプを共用したので、ポンプが１台でよく、コストを削減できるとともに、ポンプの占める容積を小さくでき、小型化を達成できる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、例えば発電量が１ｋＷ以下の家庭用として用いられるもので、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。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池１と、例えば空気等の酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための発電用空気供給手段（発電用酸素含有ガス供給手段）Ａと、燃料電池１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段Ｂとを具備している。

燃料ガス供給手段Ｂは、燃料電池１に供給される燃料ガスを生成するための改質器４と、該改質器４に純水を供給するための水供給手段Ｂ１と、改質器４に例えば空気等の酸素含有ガスを供給するための改質用空気供給手段（改質用酸素含有ガス供給手段）Ｂ２と、改質器４に天然ガス等の被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段Ｂ３とを具備している。

改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｂ１は、活性炭フィルタ７、逆浸透膜８（以下、ＲＯ膜とする）、水タンク９、イオン交換樹脂１０、ショットポンプ１１、フロースイッチ２５により構成されている。活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、水タンク９、イオン交換樹脂１０、ショットポンプ１１、フロースイッチ２５、改質器４はそれぞれ配管５にて接続されている。

ショットポンプ１１は、例えば、シリンダ内に設けたピストンがモータ駆動又は油圧駆動で上昇する際に水を入口からシリンダ内に吸い込み、ピストンの下降でシリンダの出口から吐出するように構成されており、これにより、配管内の水は間欠的に流れ、また、１ショット当たりの吐出量は、ピストンの移動量で決定されるように構成されている。ショットポンプ１１は安価であるため、微少流量の液体を供給する際に好適に用いられている。尚、ショットポンプ１１は上記構成に限定されるものではなく、１ショット毎に液体を圧送するものであれば良い。

また、フロースイッチ２５は、ショットポンプ１１からの水の間欠流れを感知し、信号を発するように構成されている。例えば、流体通路内に、フロートを上下動可能に設け、フロートの周面に磁石を固定するとともに、流体通路の壁に、磁力を検出するホールＩＣを設置してフロースイッチ２５が構成されている。このようなフロースイッチ２５では、流体通路内に流体が流れていないときには、フロートが下部ストッパによって支持され、その位置に留まっている。この状態では、フロートの磁石による磁力は、ホールＩＣに影響を与えないが、流体通路に流体が流れると、フロートが上方へ移動して、上部ストッパに当接し、その位置に留まるため、フロートの磁石の磁力が、ホールＩＣに作用する。したがって、ホールＩＣで磁力を検出するか否かによって、流体が流体通路内を流れているか否かを確認でき、流体が間欠的に流れる時には、フロースイッチ２５は間欠的にＯＮ、ＯＦＦを繰り返し、間欠信号を発するように構成されている。

そして、制御部１４では、ショットポンプ１１による１ショット当たりの吐出量の設定値、及びフロースイッチ２５からの間欠信号から、単位時間当たりの水の供給量を算出する。即ち、例えばショットポンプ１１による１ショット当たりの吐出量が０．５ｃｃであり、１分当たりのフロースイッチ２５の信号が１０回であると、５ｃｃ／分が水の供給量となる。

燃料電池１、発電用空気供給手段Ａ、燃料ガス供給手段Ｂ、改質器４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を具備して構成されている。

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ている。

なお、図中の矢印は、燃料ガス、空気、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。さらに、図示していないが、被改質ガスを供給するポンプ２と改質器４の間に、燃料ガスを加湿するための燃料加湿器を設けることも可能である。

そして、本発明では、発電用空気供給手段Ａと改質用空気供給手段Ｂ２では、ポンプ３を共用しており、図２に示すようにポンプ３からの空気供給配管３１が、燃料電池１への発電用空気供給管３１ａと改質器４への改質用空気供給管３１ｂとに分岐しており、発電用空気供給管３１ａに流量調整弁３３が設けられ、発電用空気供給管３１ａ及び改質用空気供給管３１ｂに流量計３５、３７が設けられている。

流量調整弁３３は、燃料電池１、改質器４に必要とされる空気量を調整し、必要な圧力と供給量を制御するもので、制御装置１４からの信号で制御される。流量計３５、３７は、発電用空気供給管３１ａ及び改質用空気供給管３１ｂを流れる空気量を検出し、その信号を制御装置１４に出力し、制御装置１４では、その信号を基に流量調整弁３３を制御する。流量調整弁３３としては、電力消費量が少ないという点から電動膨張弁が好適に用いられる。

流量調整弁３３としては、ステッピングモータを用いることが望ましい。これにより、流量制御がリニアにできる。

尚、流量調整弁３３は、発電用空気供給管３１ａに設けることなく、改質用空気供給管３１ｂに設けてもよく、また、発電用空気供給管３１ａと改質用空気供給管３１ｂの両方に流量調整弁３３を設けてもよい。両方に流量調整弁３３を設けることにより、流量、圧力の制御が容易となる。

燃料電池１と改質器４は、図２に示すように、収納容器４１内に収容されており、収納容器４１の外部から、水、被改質ガスが改質器４に供給され、改質器４にて改質されて燃料ガスを生成し、燃料ガスは、燃料電池１に供給され、燃料電池１を構成する、例えば中空平板形燃料電池セルの内部に供給され、一方、発電に必要な空気は、発電用空気供給管３１ａにより、収納容器４１内部の燃料電池セルの外側に供給され、燃料電池セルにて発電反応が生じるとともに、発電に用いられなかった燃料ガス、空気は余剰の燃料ガス、空気として、燃料電池セルと改質器４との間に放出され、例えば、燃焼される。改質器４は、反応熱及び燃焼により加熱される。

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。

先ず、起動時には、発電用空気供給管３１ａ及び改質用空気供給管３１ｂにて空気が燃料電池１、改質器４に供給されるとともに、改質器４には、被改質ガス供給手段Ｂ３により被改質ガスが供給され、改質器４では、被改質ガスが部分酸化改質反応により水素ガスに改質され、燃料電池１に供給され、余剰の燃料ガスが燃焼され、改質器４が反応熱、燃焼熱により加熱され、改質器４が水蒸気改質反応が可能な温度となると、流量調整弁３３が開とされ、改質用空気供給管３１ｂへの空気供給が停止されるとともに、圧力の低い発電用空気供給管３１ａに空気が供給され、一方で、水供給手段Ｂ１により改質器４に水が供給され、水蒸気改質反応が行われる。

燃料電池１の発電に用いられる改質ガスを得るための改質器４で使用される純水は、給水電磁弁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を流通した水は、続いてＲＯ膜８を流通して水タンク９に貯水される。水タンク９に貯水された水は、イオン交換樹脂１０と流通して精製度の高い水（純水）とされ、ショットポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４においては、ショットポンプ１１により供給され精製された水と、燃料供給装置２より供給される被改質ガスとにより、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、ポンプ３により供給される空気中の酸素と反応して、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。

以上のような燃料電池装置では、発電用空気供給手段Ａと改質用空気供給手段Ｂ２では、ポンプ３を共用しているため、ポンプ３が１台でよく、コストを削減できるとともに、ポンプ３の占める容積を小さくでき、小型化を達成できる。

また、本発明の燃料電池装置では、発電用空気供給管３１ａに流量調整弁３３を設けたので、流量調整弁３３を開とすることにより、供給圧力を高くしなければ供給できない改質用空気供給管３１ｂへの供給を停止し、発電用空気供給管３１ａに空気を供給することができる。

さらに、本発明の燃料電池装置では、燃料電池１と改質器４は収納容器４１に収納されており、空気が必要とされる燃料電池１と改質器４が隣接しているため、それぞれに空気を供給するポンプを共用することができ、しかも小型化という点から、本発明を好適に用いることができる。

図３は、本発明の他の燃料電池装置を示すもので、この燃料電池装置では、発電用空気供給管３１ａのみならず、改質用空気供給管３１ｂにも、流量調整弁３３が設けられており、流量調整弁３３は流量計３７より改質器４側に設けられている。

従来、燃料電池装置の運転停止により改質器４へのガス供給を停止すると、残圧により改質器４に供給した水蒸気が逆流する傾向があり、水蒸気が逆流すると、流量計３７のセンサ部に水分が付着し、誤動作、故障の原因になるが、本発明の燃料電池装置では、改質用空気供給管３１ｂに設けられた流量調整弁３３は、流量計３７より改質器４側に設けられているため、ポンプ３による改質器４への空気供給を停止する際には、流量調整弁３３を閉止し、これにより流量計３７への水蒸気の逆流を防止することができる。また、発電用空気供給管３１ａ及び改質用空気供給管３１ｂに流量調整弁３３が設けられているため、発電用空気供給管３１ａ及び改質用空気供給管３１ｂより供給される空気量を正確に制御することができる。

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。

本発明の燃料電池装置を示す構成図である。 図１の一部を拡大して示す概念図である。 発電用空気供給管及び改質用空気供給管に流量調整弁を設けた本発明の他の燃料電池装置を示す構成図である。 従来の燃料電池装置を示す概念図である。

符号の説明

１：燃料電池
３：ポンプ
４：改質器
１１：ショットポンプ
１４：制御部
２５：フローセンサ
３１：空気供給配管（酸素含有ガス供給管）
３１ａ：発電用空気供給管（発電用酸素含有ガス供給管）
３１ｂ：改質用空気供給管（改質用酸素含有ガス供給管）
３３：流量調整弁
３５、３７：流量計
４１：収納容器
Ａ：発電用空気供給手段（発電用酸素含有ガス供給手段）
Ｂ：燃料ガス供給手段
Ｂ１：水供給手段
Ｂ２：改質用空気供給手段（改質用酸素含有ガス供給手段）
Ｂ３：被改質ガス供給手段

Claims (6)

1. 酸素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記酸素含有ガス及び燃料ガスをそれぞれ前記燃料電池に供給する発電用酸素含有ガス供給手段及び燃料ガス供給手段とを具備するとともに、前記燃料ガス供給手段は、被改質ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、該改質器に純水を供給する水供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給する改質用酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段とを具備する燃料電池装置であって、前記発電用酸素含有ガス供給手段及び前記改質用酸素含有ガス供給手段の酸素含有ガスを圧送するポンプを共用したことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記ポンプからの酸素含有ガス供給配管が、前記燃料電池への発電用酸素含有ガス供給管と前記改質器への改質用酸素含有ガス供給管とに分岐しており、前記発電用酸素含有ガス供給管及び前記改質用酸素含有ガス供給管のうち少なくとも一方に流量調整弁が設けられているとともに、前記発電用酸素含有ガス供給管及び前記改質用酸素含有ガス供給管のうち少なくとも一方に流量計が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記発電用酸素含有ガス供給管に前記流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記改質用酸素含有ガス供給管に前記流量調整弁及び前記流量計が設けられており、前記流量調整弁は前記流量計より前記改質器側に設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池及び前記改質器は収納容器に収納されており、前記改質器は、前記燃料電池の反応熱により加熱されて、改質反応を行うことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
6. 家庭用として用いられることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池装置。

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