JP2008210632A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排出される排ガスの白煙化を抑制できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、該燃料電池１に空気を供給するとともに、排気管３５ｂに空気を供給するための空気供給ブロワ３と、燃料電池１の発電により生じる排ガスを排気するための排気管３５ｂとを具備することを特徴とする。空気供給ブロワ３と燃料電池１との間には、空気供給ブロワ３から排気管３５ｂに向けて空気を流すガス流れ方向調整弁１０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、該燃料電池に空気を供給するための空気供給ブロワと、燃料電池の発電により生じる排ガスを排気するための排気管とを具備する燃料電池装置に関する。

従来の燃料電池装置として、図４に示すような固体酸化物形の燃料電池装置が知られている。この固体酸化物形の燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガスなどを燃料電池１に供給する燃料供給装置２、および酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するための空気供給装置３、燃料電池１に供給される燃料ガスを加湿する燃料加湿器４、燃料ガスを改質する改質器５，燃料加湿器４に純水を供給する純水タンク１１、純水ポンプ７、水処理装置１０を具備して構成されている。水処理装置１０には、純水化用の水を供給する純水化用給水管１２、給水電磁弁１３が接続され、また前記水処理装置１０には水処理後の濃縮水を排出する排水管が接続されている。

燃料電池１には、発電により生じる排熱を湯水に熱交換する熱交換器６が接続され、さらに熱交換器６には、貯湯タンク１４内の水を循環するための循環配管１５が接続され、循環配管１５には循環配管１５内の水を熱交換器６に通す循環ポンプ８が設けられている。循環配管１５の一端は貯湯タンク１４の底部に、他端は貯湯タンク１４の上部に接続され、循環ポンプ８により、貯湯タンク底部の水を熱交換器６を通して貯湯タンク１４の上部に戻すように構成されている。

燃料電池１は、発電と共に熱を発生するが、その発生した熱の大半は燃料電池１自体の温度を維持するために使われるが、残った熱は熱交換器６、循環配管１５を介して、貯湯タンク１４へ回収される。上記のような構成で、熱交換器６の循環水出口温度が水温センサ１６により検出され、この信号が制御装置１７に送信され、制御装置１７が循環ポンプ８を熱交換器６の循環水出口温度が設定温度Ｔ_０になるように循環ポンプ８を制御している。

起動処理時において水蒸気改質の純水が供給されはじめると、排ガス中に多量の水蒸気が含まれ、外部に排出される。このとき外気温により排ガスが急激に冷却されて、水蒸気が白煙化する。そこで、熱交換器６から排出される排ガス部に新たに別の熱交換部を設け排ガス温度を下げる方法や、逆に上げる方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

さらには、特許文献３、４には、部屋を換気した換気空気と、燃料電池からの排ガスと混合して希釈し、水蒸気濃度を低下させて外部に放出する燃料電池装置が記載されている。このような燃料電池装置では、排ガスと換気空気が混合され、水蒸気濃度が低下されて外部に放出されるため、混合ガスが外気と接触し、冷却されたとしても、白煙化を抑制することができる。
特開平９−２２３５１０号公報 特開２００２−１００３８２号公報 特開平８−２９３３１６号公報 特開平８−１６７４１９号公報

特許文献３、４では、部屋の換気空気を燃料電池からの排ガスに混合して外部に排出することが記載されているが、一般に換気空気量は、燃料電池への空気供給量よりも多く、このため、燃料電池からの排ガス量は、換気空気量よりも少ないため、燃料電池への換気空気の逆流が発生する虞があった。

特に、固体酸化物形燃料電池では、排ガス量が少なく、特許文献３、４のように換気空気を排ガスに混合した場合には、排ガスが燃料電池へ逆流する虞があった。

即ち、固体高分子形燃料電池では、所定量の燃料ガスに対する発電量、いわゆる発電効率が理論的に低いため、所定の発電量を得るために、都市ガスを多量に供給する必要があり、このため、排ガス量も多くなるが、固体酸化物形燃料電池は、所定量の燃料ガスに対する発電量が高分子形燃料電池よりも多いため、少量燃料ガスを供給しても十分に使用電力を賄え、これに伴い、排ガス量も少なくなる。

一方で、固体酸化物形燃料電池は、６００℃程度以上の高温での発電であるため、燃料電池は熱を放熱し、燃料電池周辺が高温になる傾向にあるため、換気空気が多くならざるを得ず、このため、単純に、少ない排ガスに換気空気を混合するだけでは、排ガスが燃料電池に逆流する虞があった。特に、１ＫＷ以下の家庭用の燃料電池装置の場合には、排ガス量が少なくなる傾向があり、排ガスが燃料電池へ逆流する虞があった。

また、家庭用の燃料電池装置は、発電効率向上のため貯湯タンクを具備しており、燃料電池からの排ガスの熱を回収する熱交換器と、貯湯タンクとの間で湯水を循環させることが行われており、湯水が熱交換器と貯湯タンクとの間で循環し、熱交換器で排ガスを外気よりも冷却できるため、定常運転時には白煙は発生しにくく、白煙は、湯水が熱交換器と貯湯タンクとの間で循環しない起動処理工程や停止処理工程に生じやすい事象であり、別途新たに熱交換部を追加することはコストアップになるという問題があった。

本発明は、排出される排ガスの白煙化を抑制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、燃料電池と、該燃料電池に空気を供給するための第１空気供給ブロワと、前記燃料電池の発電により生じる排ガスを排気するための排気管と、該排気管に空気を供給するための第２空気供給ブロワとを具備することを特徴とする。

このような燃料電池装置では、第２空気供給ブロワにより、排気管に空気を供給することができるため、排ガスと空気とを混合し、希釈して水蒸気濃度を低下でき、外部に排出した場合でも白煙化を防止することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記排気管に空気を供給するための第２空気供給ブロワを、前記燃料電池に空気を供給するための第１空気供給ブロワと共用していることを特徴とする。このような燃料電池装置では、空気供給ブロワを共用するため、安価に白煙化を防止することができる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、原燃料を水素ガスに改質する改質器と、該改質器からの水素ガスと空気とを用いて電力を発生させる前記燃料電池と、該燃料電池からの排ガスが通過し排熱を回収するための熱交換器と、該熱交換器から外部に排ガスを導出するための前記排気管と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記熱交換器への往路と復路とを有し前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水を循環させる循環配管とを具備するとともに、前記第２空気供給ブロワは前記排気管に配管を介して連結さ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、第２空気供給ブロワは、配管を介して熱交換器から外部に排ガスを導出するための排気管に連結されているため、熱交換器の下流側における排気管に空気が供給され、熱交換器による熱交換効率を低下させることがない。

また、本発明の燃料電池装置は、前記第２空気供給ブロワは、前記燃料電池の起動処理工程において、前記改質器で水蒸気改質を開始した時に、前記排気管への空気の供給を開始することを特徴とする。このような燃料電池装置では、水蒸気改質を開始した時以降に、排ガスに水蒸気が含まれることになるため、改質器で水蒸気改質を開始した時に、排気管への空気の供給を開始することにより、第２空気供給ブロワを効率よく用いることができ、第２空気供給ブロワの寿命を向上できる。尚、改質器で水蒸気改質を開始した時よりも少々前に、排気管への空気の供給を開始しても良い。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記第２空気供給ブロワは、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水の循環が開始された時に、前記排気管への空気の供給を終了することを特徴とする。このような燃料電池装置では、熱交換器と貯湯タンクとの間で湯水の循環が開始されると、排ガスが冷却されて凝縮し、水蒸気濃度が低下するため、排ガスの白煙化を防止できる。従って、熱交換器と貯湯タンクとの間で湯水の循環が開始された時に、排気管への空気の供給を終了することにより、第２空気供給ブロワを効率よく用いることができ、第２空気供給ブロワの寿命を向上できる。尚、熱交換器と貯湯タンクとの間で湯水の循環が開始された時よりも少々後に、排気管への空気の供給を終了しても良い。

また、本発明の燃料電池装置は、前記第２空気供給ブロワは、前記燃料電池の停止処理工程において、前記改質器で水蒸気改質が行われている間、前記排気管への空気の供給が行われることを特徴とする。このような燃料電池装置では、上記したように、停止処理工程で水蒸気改質が行われている間、排気管への空気の供給が行われるため、第２空気供給ブロワを効率よく用いることができ、第２空気供給ブロワの寿命を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記第２空気供給ブロワは、起動処理工程から継続して前記排気管に空気を供給することを特徴とする。このような燃料電池装置では、熱交換器と貯湯タンクとの間で湯水が循環した場合であっても、排ガス温度をそれ程冷却できず、白煙が生じる場合も考えられるが、そのような場合であっても、白煙化を防止できる。また、排ガス濃度を低下できるため、排ガス中に含まれるＣＯ濃度を希釈できる。

尚、湯水の温度が、例えば７０℃と高温になった場合には、湯水が循環する場合であっても（さらに高温となった場合には湯水が循環しない場合もある）、排ガス温度をそれ程冷却できず、排ガス中の水蒸気を凝縮させることが困難となり、水蒸気を大量に含んだ高温の排ガスが排出されるため、白煙が生じるおそれがある。この場合には、上記したように、起動処理工程から継続して空気を供給することなく、湯水温度が所定温度以上となった場合には、第２空気供給ブロワで排気管に空気を供給するようにすることができる。さらに、この場合、熱交換器を通過した排ガス温度が外気温度よりも所定温度高い場合に、第２空気供給ブロワで排気管に空気を供給するように制御することにより、効率的な白煙防止が可能となる。

本発明の燃料電池装置は、家庭用の燃料電池に好適に用いることができ、特に、固体酸化物形燃料電池に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、固体酸化物形燃料電池と改質器とが収納容器内に収納されている場合に好適に用いることができる。このような燃料電池装置では、例えば、水素ガスと空気との燃焼ガス、反応熱等により燃料電池が加熱され発電を開始するが、加熱開始から発電を開始するまで一定の時間を要するため、排ガス中に水蒸気が含まれ易く、本発明を用いる意義が高い。

本発明の燃料電池装置では、第２空気供給ブロワにより、排気管に空気を供給することができるため、排ガスと空気とを混合し、希釈して水蒸気濃度を低下でき、外部に排出した場合でも白煙化を防止することができる。

燃料電池装置は、図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１、天然ガスなどを燃料電池１に供給する燃料供給装置２、および酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給するための空気供給装置（空気供給ブロワ）３、燃料電池１に供給される燃料ガスを加湿する燃料加湿器４、燃料ガスを改質する改質器５、燃料加湿器４に純水を供給する純水タンク１１、うず巻きポンプからなる純水ポンプ７、水処理装置１０を具備して構成されている。水処理装置１０には、純水化用の水を供給する純水化用給水管１２および給水電磁弁１３が接続され、前記水処理装置１０には水処理後の濃縮水を排出する排水管が接続されている。尚、図１では、燃料電池１と改質器５とは別個に記載したが、同一収納容器内に収容され、燃料電池１の熱により改質器５が加熱されるようになっている。

燃料電池１には、発電により生じる排熱を湯水に熱交換する熱交換器６が接続され、さらに熱交換器６には、貯湯タンク１４内の水を循環するための循環配管１５が接続され、循環配管１５には循環配管１５内の水を熱交換器６に通す循環ポンプ８が設けられている。循環配管１５の熱交換器６への往路１５ａの一端は貯湯タンク１４の底部に、熱交換器６からの復路１５ｂの他端は貯湯タンク１４の上部に接続され、循環ポンプ８により、貯湯タンク底部の水を熱交換器６を介して貯湯タンク１４の上部に戻す。

即ち、貯湯タンク１４の底部と、熱交換器６と、貯湯タンク１４の上部とが順に水循環配管１５を介して接続されている。水循環配管１５には、うず巻きポンプからなる循環ポンプ８が設けられており、貯湯タンク１４の底部から流出した水が熱交換器６を通過してお湯となり、貯湯タンク１４の上部から流入するようになっている。

熱交換器６には、筐体で囲まれた排ガスの流通する内部空間（シェル側）と、排ガス流れ方向を軸として蛇行形状の水の流通する水流通流路が設けられている。熱交換器６の上部から下部に向かって排ガスが流れ、逆に下部から上部に向かって水が流れるようになっており、いわゆる対向流となっている。

燃料電池１は、発電と共に熱を発生するが、その発生した熱の大半は燃料電池１自体の温度を維持するために使われ、残った熱は熱交換器６を介して循環配管１５を経由し、湯水として貯湯タンク１４に回収される。

熱交換器６の復路１５ｂには、熱交換器６の湯水出口温度を測定する水温センサ１６が配置されており、熱交換器６から出てきた湯水の温度を測定できる。この水温センサ１６からの信号が制御装置１７に送信され、定常運転時には、制御装置１７により、熱交換器６の循環水出口温度が設定温度Ｔ_０になるように循環ポンプ８を制御している。また、この制御装置１７は、純水ポンプ７からの信号も受け取るようになっている。尚、符号１８はパワコンディショナを示す。

固体酸化物形燃料電池１は、燃料極と空気極が酸化物からなる固体電解質層を介して対向するように設けられ、空気極側に空気を供給するとともに、燃料極側に燃料ガス（水素）を供給することにより、空気極で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極で下記式（２）の電極反応を生じることによって発電するものである。

空気極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
燃料ガス供給装置２及び空気供給ブロワ３は、燃料ガス及び空気の流量をコントロールしながら燃料ガス及び空気を固体酸化物形燃料電池１に送るように設定されたものである。そして、燃料ガス供給装置２から送り出された燃料ガスは、改質に適した水素／水蒸気比となるように燃料加湿器４で加湿され、改質器５を経て固体酸化物形燃料電池１へ送られる。

固体酸化物形燃料電池１には、この燃料電池１の発電により生じる排ガスの熱量を回収するための熱交換器６が排気管３５ａを介して接続されており、固体酸化物形燃料電池１からの排ガスが熱交換器６を通過し排気管３５ｂにより排出されるようになっている。

図２を用いて、燃料電池１及びその近傍について具体的に説明する。図２は、燃料電池１及びその近傍を概略的に示した概略図である。なお、図中の破線は、後述する制御部に伝送される主な信号経路、または制御部より伝送される主な信号経路を示している。また、実線矢印は空気、排ガスの流れを示している。

図２において、燃料電池１、熱交換器６、空気供給ブロワ３、制御装置１７の各部材は、外装ケース３６に収納されており、排気管３５ｂの先端が外装ケース３６より突出している。燃料電池１の発電により生じた排ガスは、排気管３５ｂを通じて外装ケース３６の外部に排気される。外装ケース３６の上面には、外装ケース３６内の空気を外部に排気するための外装ケース排気ファン３９が設けられている。

空気供給ブロワ３と燃料電池１との間には、空気供給ブロワ３から排気管３５ｂに向けて空気を流すガス流れ方向調整弁１０が設けられている。

尚、図２は燃料電池装置を概略的に示したものであり、燃料電池１に水を供給するための水供給手段や、天然ガスなどを燃料電池１に供給する燃料供給手段等の記載は省略した。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池を用いることができるが、燃料電池１より排気される排ガスを有効利用する上で、固体酸化物形燃料電池を用いることが好ましい。またあわせて、固体酸化物形燃料電池を用いることで、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。また、あわせて負荷追従の優れた燃料電池装置とすることができる。

このような燃料電池装置の運転方法について、起動処理工程から説明する。天然ガスなどの燃料ガスが燃料供給装置２を介して改質器５に導入され、一方、空気が空気供給ブロワ３を介して改質器５に供給され、改質器５にて部分酸化改質が行われ、生成した水素が燃料電池１の燃料極に供給されるとともに、空気供給ブロワ３を介して空気が燃料電池１の酸素極に供給され、大部分が燃焼し、収納容器内の燃料電池セル等の燃料電池１を加熱するとともに、改質器５を加熱する。この際の排ガスは熱交換器６を通過し、排気管３５ｂを介して外部に放出される。この排ガスには水蒸気が含まれていないため、外部に排出されても白煙化は生じない。

また、水温センサ１６による湯水の温度が所定温度Ｔになったら、制御装置１７は、湯水の温度が設定温度Ｔ_０になるように、湯水の流速を変化させるポンプ８を運転制御するようになっている。従って、起動処理工程の初期では、排ガス温度が低く、所定温度Ｔにならないため、ポンプ８を停止している。

この後、改質器５が加熱され、一定温度になると、改質効率の高い水蒸気改質を行うべく、純水ポンプ７から加湿装置４に純水が供給されるとともに、純水を供給したとの信号が制御装置１７に送信される。純水が供給され加湿された燃料ガスは混合され、改質器５に導入され、この改質器５にて水蒸気改質が行われ、燃料電池１に供給され、別途供給された酸化剤ガスと水素ガスにより燃料電池１で発電が行われる（この段階での発電はごく僅か）とともに、発電に使用されなかった水素と酸化剤ガスが反応し、燃焼し、排ガスとして、熱交換器６を通過し、排気管３５ｂを介して外部に放出される。この排ガスには水蒸気が多量に含まれている。

そして、本発明では、純水を供給したとの信号が制御装置１７に送信されると、制御装置１７は、空気の一部が空気供給ブロワ３から排気管３５ｂに向けても流れるように、ガス流れ方向調整弁１０を制御し、空気を排気管３５ｂに流す。これにより、排気管３５ｂに空気を供給することができるため、排ガスと空気とを混合し、希釈して水蒸気濃度を低下でき、外部に排出した場合でも白煙化を防止することができる。

この後、水温センサ１６による湯水の温度が所定温度Ｔになると、制御装置１７は、ポンプ８を設定温度Ｔ_０になるように運転制御し、定常運転が行われる。この定常運転では、湯水が貯湯タンク１４の底部から水循環配管１５の往路１５ａを介して熱交換器６に導入され、排ガスと熱交換し、加熱されて、復路１５ｂを介して貯湯タンク１４の上部から流入する。この状態では、熱交換器６内を通過する排ガスと湯水とが熱交換し、排ガスを冷却し、含まれている水蒸気を凝縮水とし、排ガス中の水分を少なくすることができる。

従って、熱交換器６から外部に放出される排ガスは水蒸気が凝縮水とされ、白煙化を十分に抑制することができる。従って、空気供給ブロワ３は、熱交換器６と貯湯タンク１４との間で湯水の循環が開始された時に、排気管３５への空気の供給を終了するように、制御装置１７により制御される。よって、少なくとも、空気供給ブロワ３は、水蒸気改質を開始した時以降、熱交換器６と貯湯タンク１４との間で湯水の循環が開始されるまで、排気管３５ｂへの空気の供給が行われ、空気供給ブロワ３を効率よく用いることができ、空気供給ブロワの寿命を向上できる。

停止処理工程は、発電を停止し（電流の取り出しを停止し）、燃料ガス供給装置からの燃料ガス供給量及び水蒸気量、空気量を次第に絞っていき、ある温度、例えば、３００℃になると、燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気供給を停止し、代わりに窒素等の不活性ガスで収納容器内をパージし、停止する。

空気供給ブロワ３は、燃料電池の停止処理工程において、改質器で水蒸気改質が行われている間、排気管への空気の供給が行われることを特徴とする。このような燃料電池装置では、上記したように、停止処理工程で水蒸気改質が行われている間、排気管３５ｂへの空気の供給が行われるため、空気供給ブロワ３を効率よく用いることができ、空気供給ブロワ３の寿命を向上できる。

尚、上記形態では、起動処理工程、停止処理工程で、空気供給ブロワ３により排気管３５ｂに空気を供給した場合について説明したが、空気供給ブロワ３が、起動処理工程から継続して排気管３５ｂに空気を供給しても良い。このような燃料電池装置では、熱交換器６と貯湯タンク１４との間で湯水の循環した場合であっても、排ガス温度をそれ程冷却できず、白煙が生じる場合も考えられるが、そのような場合であっても、白煙化を防止できる。また、排ガス濃度を低下できるため、排ガス中に含まれるＣＯ濃度を希釈できる。

図３は、排気管３５ｂへの空気の供給を、燃料電池１への空気供給を行う第１空気供給ブロワ４２とは別個の第２空気供給ブロワ４３で行った場合の形態を示す。このような燃料電池装置では、ガス流れ方向調整弁１０が不要となり、容易に制御することができる。

尚、上記形態では、熱交換器６を有する燃料電池装置について説明したが、本発明では、熱交換器を有しないタイプの燃料電池装置にも適用できる。

本発明の燃料電池装置のブロック図である。 本発明の燃料電池装置の概念図である。 排気管への空気の供給を、燃料電池への空気供給を行う空気供給ブロワとは別個の空気供給ブロワで行った場合の形態を示す概念図である。 従来の燃料電池装置を示すブロック図である。

符号の説明

１：燃料電池
３：空気供給ブロワ
５：改質器
６：熱交換器
８：循環ポンプ
１０：ガス流れ方向調整弁
１４：貯湯タンク
１５：循環配管
３５ａ、３５ｂ：排気管
４２：第１空気供給ブロワ
４３：第２空気供給ブロワ

Claims (7)

1. 燃料電池と、該燃料電池に空気を供給するための第１空気供給ブロワと、前記燃料電池の発電により生じる排ガスを排気するための排気管と、該排気管に空気を供給するための第２空気供給ブロワとを具備することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記排気管に空気を供給するための第２空気供給ブロワを、前記燃料電池に空気を供給するための第１空気供給ブロワと共用し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. 原燃料を水素ガスに改質する改質器と、該改質器からの水素ガスと空気とを用いて電力を発生させる前記燃料電池と、該燃料電池からの排ガスが通過し排熱を回収するための熱交換器と、該熱交換器から外部に排ガスを導出するための前記排気管と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記熱交換器への往路と復路とを有し前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水を循環させる循環配管とを具備するとともに、前記第２空気供給ブロワは前記排気管に配管を介して連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。
4. 前記第２空気供給ブロワは、前記燃料電池の起動処理工程において、前記改質器で水蒸気改質を開始した時に、前記排気管への空気の供給を開始することを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記第２空気供給ブロワは、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水の循環が開始された時に、前記排気管への空気の供給を終了することを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置。
6. 前記第２空気供給ブロワは、前記燃料電池の停止処理工程において、前記改質器で水蒸気改質が行われている間、前記排気管への空気の供給が行われることを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
7. 前記第２空気供給ブロワは、起動処理工程から継続して前記排気管に空気を供給することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。

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