JP2008186791A

JP2008186791A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2008186791A
Application number: JP2007021894A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Oga; 俊輔大賀
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】燃料電池スタックの停止時における燃料極の腐食による劣化を回避し、燃料電池へのダメージを抑制できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体１０の封止された燃料極２１側空間と大気開放された回収水タンク７０内に貯留された液相とを連通する連通管４０内の水位に基づいて、燃料極２１側空間の圧力が大気圧と所定の差圧の範囲内にあるかを検出する水位計３５，３６、水位計３５，３６の検出結果に基づいて、運転停止後の燃料極２１側空間の圧力が所定の範囲の圧力に収まるように制御する制御装置５０と、を有する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

固体高分子型燃料電池は、作動温度が１００℃以下と低いため、起動時間を短くでき、さらに取り扱いも容易であるため、自動車用、家庭用（温熱併給、コージェネレーション）等幅広い需要が見込まれている。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟んで担持された燃料極側に、水素、メタノール等の燃料を導入し、もう一方の酸化剤極側に、空気、酸素等の酸化剤ガスを導入することによって、固体高分子膜間に起電力を生じ、外部回路に電子を取り出すことによって発電を行い、その際に熱を発生する。燃料極−固体高分子膜−酸化剤極のセットをセルと呼び、セルを複数枚積層したものをスタックと呼ぶ。

固体高分子型燃料電池を含んで構成される固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、燃料電池スタックから電力出力を取り出すと同時に、燃料電池スタックからの排熱を回収し、熱出力として利用する。当該コージェネレーションシステムは、電力出力と熱出力を合わせた総合熱効率が８０〜９０％(ＬＨＶ)であり、高い省エネルギー性を提供することができ、エネルギーコストを削減できるほか、ＣＯ_２排出抑制等環境面に大きく貢献できる分散電源として期待されている。

例えば、出力が０．５〜２ｋＷ程度である小型の固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムは、一般家庭が市場と想定されているが、一般家庭における電力需要は時間帯による差が大きい。また、現時点では系統への電力逆潮流は認められていない。そのため、家庭における電力需要の少ない夜間などは燃料電池ユニット内に放熱用ラジエータ等を持たせることによって、電力と熱を内部で処理しない限り、停止せざるをえず、頻繁な起動停止が想定される。尚、燃料電池発電装置に関する技術は、特許文献１、２等に開示されている。
２００５−２５９６６３号公報２００５−１５８２９８号公報

一方、家庭用の燃料電池スタックの想定寿命は、ＤＳＳベース(一日一度の起動停止)で４万時間、起動停止回数３０００回以上といわれており、レベルの高い耐久性が要求される。特に起動時においては、以下の要因等により燃料極側の電極、または酸化剤極側の電極が腐食により劣化しやすくなるなど、起動停止回数の多い燃料電池スタックでは耐久性への影響が大きく、解決すべき課題となっている。

すなわち、燃料電池スタックの停止時に封止された燃料極側の温度が下がることにより、燃料極側の圧力が低下すると、酸素が燃料極に入って燃料極側で一時的に部分電池を形成し、燃料極の腐食による劣化を招く。
また、燃料極の腐食劣化防止という観点では、封止された燃料極側の圧力が負圧になることだけを避ければ十分であり、かつ、封止された燃料極側の圧力が大気圧に近ければ原料の漏洩による消費が少なく、安全であることを維持できる。
しかしながら、燃料極側の圧力が大気圧に近い（例えば、±０．１ｋＰａＧ以内）ことを検出、管理するためには、精密な圧力検出器が必要であり、コストが上昇するという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタックの停止時における燃料極の腐食による劣化を回避し、燃料電池へのダメージを抑制できる燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体の封止された燃料極側空間と大気開放された容器内に貯留された液相とを連通する連通管内の水位に基づいて、前記燃料極側空間の圧力が大気圧と所定の差圧の範囲内にあるかを検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、運転停止後の前記燃料極側空間の圧力が所定の範囲の圧力に収まるように制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、燃料極側空間の圧力を直接計測することなく連通管内の水位を計測することにより検出することができるので、簡易にかつ安価に燃料極側空間の圧力制御が可能となる。

上記構成において、前記大気開放された容器がシステム内の回収水タンクである、構成を採用できる。

上記構成において、前記所定の差圧の絶対値が０．１ｋＰａＧ以内である、構成を採用できる。

上記構成において、前記制御手段は、燃料極側空間の圧力が大気圧よりも前記所定の差圧以上下回った場合に、燃料極入口側に接続する配管の弁を開放して改質系内に残留している改質ガス又は炭化水素系燃料を導入する、構成を採用できる。

本発明によれば、燃料電池スタックの停止時における燃料極の腐食による劣化を回避し、燃料電池へのダメージを抑制できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図である。
この燃料電池コージェネレーションシステムは、一体型改質システム１０、燃料電池本体２０、電磁弁３１〜３３、水位計３５，３６、連通管４０、制御装置５０、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器６０、空気ブロア６１，６２、昇圧器６３、空気ブロア６４、ポンプ６５〜６８、回収水タンク７０、水位計７１、冷却水タンク８０、水処理装置９０、貯湯槽１００、冷却器１０１〜１０３等から構成されている。
また、燃料電池コージェネレーションシステムの配管系は、都市ガス等の燃料を供給する燃料供給ラインＬ１、選択酸化用空気供給ラインＬ２、燃焼用空気供給ラインＬ３、反応空気供給ラインＬ４、改質ガス搬送ラインＬ５、切替ラインＬ６、燃料極オフガス搬送ラインＬ７、オーバフローラインＬ８、補給水供給ラインＬ９、温熱回収水循環ラインＬ１０等を有する。

一体型改質システム１０は、脱硫器６０及び昇圧器６３を介して供給される都市ガスを水素を主成分とする改質ガスに改質し（例えば、水素の成分がモル％で約７０〜７５％）、改質ガスを改質ガス搬送ラインＬ５を通じて燃料電池本体２０の燃料極２１へ供給する。
また、一体型改質システム１０は、空気ブロア６２により、選択酸化用空気供給ラインＬ２を通じて供給される選択酸化用空気がその選択酸化部に供給され、選択酸化部では、ＣＯ変成が行われた改質ガス中に残存する一酸化炭素ガスの選択的酸化が行われる。尚、一体型改質システム１０の構造については、周知であるので詳細説明を省略する。

燃料電池本体２０は、燃料極２１、空気極２２、冷却板２３、加湿部２４等から構成される周知の構造を有している。

制御装置５０は、燃料電池コージェネレーションシステムの起動運転、定常運転、停止運転を制御する。また、図示しない制御信号により、電磁弁３１〜３３を制御すると共に、水位計３５，３６の検出信号が入力される。さらに、後述するように、制御装置５０は、運転停止後の燃料電池本体２０の燃料極２１側の空間の圧力が所定の範囲の圧力に収まるように制御する。

電磁弁３１は、改質ガス搬送ラインＬ５に設けられており、制御装置５０からの制御指令（不図示）に基づいて、改質ガス搬送ラインＬ５を開閉する。
尚、改質ガス搬送ラインＬ５は、一体型改質システム１０の選択酸化部と燃料電池本体２０の燃料極２１側とを繋ぎ、選択酸化部から燃料極２１側に改質ガスを搬送する。

電磁弁３２は、燃料極オフガスラインＬ７に設けられており、制御装置５０からの制御指令（不図示）に基づいて、燃料極オフガスラインＬ７を開閉する。
尚、燃料極オフガスラインＬ７は、燃料電池本体２０の燃料極２１側から燃料極オフガスを一体型改質システム１０の燃焼部に供給する。

電磁弁３３は、切替ラインＬ６に設けられており、制御装置５０からの制御指令（不図示）に基づいて、切替ラインＬ６を開閉する。
尚、切替ラインＬ６は、改質ガス搬送ラインＬ５の電磁弁３１の上流側から分岐して燃料極オフガスラインＬ７の電磁弁３２の下流側に接続されるラインである。

連通管４０は、燃料極オフガスラインＬ７の電磁弁３２の上流側と大気開放された容器としての回収水タンク７０内に貯留された液相とを連通するラインである。この連通管４０内には、その途中まで回収水タンク７０内の水が浸入しており、連通管４０内の水位は、燃料極オフガスラインＬ７側の圧力と大気圧との差圧に応じて変動する。

水位計３５は、連通管４０に設けられており、回収水タンク７０のオーバフローラインＬよりも高い位置に設けられている。具体的には、燃料極オフガスラインＬ７側の圧力が大気圧よりも約０．１ｋＰａ低くなったときに、連通管４０の水の液面を検出するように配置されている。水位計３５は検出信号を制御装置５０へ送信する。

水位計３６は、連通管４０に設けられており、回収水タンク７０のオーバフローラインＬよりも低い位置に設けられている。具体的には、燃料極オフガスラインＬ７側の圧力が大気圧よりも約０．１ｋＰａ高くなったときに、連通管４０の水の液面を検出するように配置されている。水位計３６は検出信号を制御装置５０へ送信する。
尚、水位計３５，３６は、特に限定されるものではないが、例えば電気伝導度計を水位計３５、３６として設置し、水位が各電気伝導度計（水位計３５、３６）に達したか否かの判断を電気伝導度の検出の有無により行うこととすれば、安価に構成することができる。

空気ブロア６１は、反応空気を燃料電池本体２０の加湿部２４へ供給する。
昇圧器６３は、脱硫器６０を通じて脱硫された都市ガスの圧力を昇圧（約１．５ｋＰａＧ）に昇圧して一体型改質システム１０へ供給する。

空気ブロア６４は、燃焼用空気を一体型改質システム１０の燃焼室へ供給する。ポンプ６５は、温熱回収水循環ラインＬ１０に設けられて温水を循環させるのに用いられる。ポンプ６６は、回収水タンク７０に貯留された水を水処理装置９０へ供給する。水処理装置９０は、回収水タンク７０からの水に所定の水処理を施して、電池冷却用の冷却水タンク８０へ送る。

ポンプ６７は、冷却水タンク８０に貯留された水を燃料電池本体２０の冷却板２３へ供給する。ポンプ６８は、冷却水タンク８０に貯留された水を一体型改質システム１０へ供給する。

回収水タンク７０は、一体型改質システム１０等で使用されるシステム内の水が貯留される。この回収水タンク７０は、大気開放されている。
水位計７１は、回収水タンク７０に貯留された水の水位を検出する。尚、運転中は、回収水が余剰気味になっているので、回収水タンク７０の水位は、略オーバーフローラインＬ８のオーバフローレベルにある。

貯湯槽１００は、冷却器１０１ないし１０３を通じて加熱された温水を給湯用として貯留する。

次に、燃料電池停止後における制御装置５０の処理の一例について説明する。
先ず、燃料電池停止後に、制御装置５０は、電磁弁３１〜３１を閉鎖して、燃料電池本体２０の燃料極２１側の空間を封止する。

制御装置５０は、水位計３５及び水位計３６の検出信号に基づいて、燃料極２１側の空間の圧力を監視する。すなわち、連通管４０内の水位が水位計３５と水位計３６との間にある場合には、燃料極２１側の空間の圧力の絶対値が０．１ｋＰａＧ以内にあり、略大気圧と一致していると判断する。

燃料電池停止後に燃料極２１側の温度が低下すると、燃料極２１側の圧力が低下する。これにより、連通管４０内の水位が上昇して水位計３５を越えると、燃料極２１側の圧力が大気圧よりも０．１ｋＰａＧ以上低下したと判断し、電磁弁３１を開放し、一体型改質システム１０側から都市ガス又は滞留している改質ガスを燃料極２１内に導入する。これにより、燃料極２１内の圧力が大気圧よりも低下するのを防止することができる。

一方、燃料極２１内の圧力が大気圧よりも上昇して、大気圧よりも０．１ｋＰａＧ以上上昇した場合には、都市ガス又は滞留している改質ガスの漏洩を防ぐために、電磁弁３２を開放して、燃料極２１内のガスを燃料極オフガスラインＬ７を通じて一体型改質システム１０の燃焼部側へ排出することにより、燃料極２１内の圧力上昇を防ぐ。

以上のように、本実施形態によれば、燃料極２１内の圧力を精密な圧力センサで検出することなく、回収水タンクの液相と燃料極２１側空間とを連通する連通管４０内の水位を検出することで簡易に燃料極２１内の圧力を監視できる。これにより、システムのコストを低減できると共に、燃料極２１の酸化腐食による劣化を抑制できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。尚、上記実施形態では、連通管を連通する容器として回収水タンクを用いた場合について説明したが、これに限定されることなく、大気開放された液体を収容する容器であれば適用可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図である。

符号の説明

１０…一体型改質システム
２０…燃料電池本体
２１…燃料極
２２…空気極
２３…冷却板
２４…加湿部
３１〜３３…電磁弁
３５，３６…水位計（検出手段）
４０…連通管
５０…制御装置（制御手段）
６０…脱硫器
６１，６２…空気ブロア
６３…昇圧器
６４…空気ブロア
６５〜６８…ポンプ
７０…回収水タンク
７１…水位計
７２…オーバフローライン
８０…冷却水タンク
９０…水処理装置
１００…貯湯槽
１０１〜１０３…冷却器

Claims

燃料電池本体の封止された燃料極側空間と大気開放された容器内に貯留された液相とを連通する連通管内の水位に基づいて、前記燃料極側空間の圧力が大気圧と所定の差圧の範囲内にあるかを検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、運転停止後の前記燃料極側空間の圧力が所定の範囲の圧力に収まるように制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記大気開放された容器がシステム内の回収水タンクである、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記所定の差圧の絶対値が０．１ｋＰａＧ以内である、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記制御手段は、燃料極側空間の圧力が大気圧よりも前記所定の差圧以上下回った場合に、燃料極入口側に接続する配管の弁を開放して改質系内に残留している改質ガス又は炭化水素系燃料を導入する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。