JP2008243598A - 燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】改質部における改質性能を高く維持できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池1と、燃料ガスを生成するための改質部4と、改質部4に原燃料を供給するための原燃料供給手段2と、改質部4に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段3と、改質部4に水を供給するための水ポンプ11と、改質部4に供給される水を処理するための水処理手段と、定常運転時は、改質部4にて水蒸気改質を行なわせるように制御する制御部14とを具備する燃料電池装置であって、水処理手段と改質部4との間に水質検出手段21を具備し、制御部14は、水質検出手段21からの信号により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、水ポンプ11による水の供給を停止し、改質部4にて、原燃料供給手段2により供給される原燃料と酸素含有ガス供給手段3により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池の発電に必要な燃料ガスを生成するための改質部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、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池と、該燃料電池を作動するための補器類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、水素ガスと酸素含有ガス(通常、空気である)とを燃料電池に供給し、酸素含有ガスを燃料電池セル中の酸素極に接触させ、かつ水素を燃料電池セル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、燃料電池セルの発電が行われる。
水素ガスの生成方法としては、水蒸気改質法、部分酸化改質法およびこれらの両方を併用して改質反応を行なう併用改質法(オートサーマル)が知られている。
水蒸気改質法は、原燃料である炭化水素を水蒸気と反応させて水素を得ることができる吸熱反応であり、CH+HO→3H+COで表すことができ、水素を得る効率のよい反応として知られている。なお、水蒸気改質を行なうにあたっては、水供給手段にて処理された水(純水)と原燃料(炭化水素)が改質部に供給されて水蒸気改質が行なわれる。
一方、部分酸化改質法は、原燃料である炭化水素を酸素と反応させて水素を得ることができる発熱反応であり、CH+O→2H+COで表すことができ、原燃料(炭化水素)と酸素が改質部に供給されて部分酸化改質が行なわれる。この部分酸化改質法は、水蒸気改質法よりも水素を得る効率は劣るものの、発熱反応であることが大きな特徴である。
そして、燃料電池の運転において、部分酸化改質法と水蒸気改質法を組み合わせる方法として、例えば燃料電池の起動時に部分酸化改質法を用い、燃料電池もしくは改質部が所定の温度を超えた場合に、より効率良く水素を生成できる水蒸気改質法に切り替える方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
一方、燃料電池装置として、改質部を具備する燃料電池と、前記改質部に対して複数種のガスまたは水を供給するガス・水供給システムと、前記燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄える水タンクとを有し、前記ガス・水供給システムは、前記改質部に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段と、前記改質部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、前記水タンクからの水をそのまままたは水蒸気として前記改質部に供給する水供給手段とを具備し、前記改質部にて前記被改質ガスと前記酸素含有ガス及び/または前記水とによる改質反応を行わせるべく、前記水タンクの貯水量を検知する貯水量センサの信号に基づいて前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段とを切り替えるかまたは両供給手段を併用させるかを制御する制御手段とを具備する燃料電池装置が知られている(特許文献2参照)。
この特許文献2に記載された燃料電池装置では、水タンクの貯水量が十分なときは水供給手段から改質部へ水を供給することにより水蒸気改質を行わせることができ、水タンクの貯水量が不足状態となったときは水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができる。
特開2005−317405号公報 国際公開第2006/137390号パンフレット
特許文献2記載の燃料電池装置では、水タンクの貯水量が不足状態となったときは水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段にて酸素含有ガスを供給し、部分酸化改質を行うため、燃料電池の発電を停止することがなく、継続して運転することができるものの、水タンクから供給される水の水質が悪化した場合でも、この水が改質部に供給されるため、改質性能が低下するという問題があった。
本発明は、改質部における改質性能を高く維持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、該燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための改質部と、該改質部に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質部に水を供給するための水供給手段と、前記改質部に供給される水を処理するための水処理手段と、定常運転時は、前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行なわせるように制御する制御部とを具備する燃料電池装置であって、前記水処理手段と前記改質部との間に水質検出手段を具備するとともに、前記制御部は、前記水質検出手段により前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御することを特徴とする。
このような燃料電池装置では、水処理手段から改質部に供給される水の水質が水質検出手段により検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部は、水供給手段による水の供給を停止し、改質部にて、原燃料供給手段により供給される原燃料と酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるため、水質が悪化した水が改質部に供給されることがなく、改質部における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部における改質性能を高く維持できる。
また、本発明の燃料電池装置は、前記水質検出手段は導電率センサであり、前記制御部は、前記導電率センサによる導電率が所定値以上の場合に水質が悪化したと判定することを特徴とする。
このような燃料電池装置では、水の導電率が所定値以上である場合に、水に不純物が多数含まれていると判定することができ、水質の悪化を容易に検出できる。
さらに、本発明の燃料電池装置は、前記改質部と前記水質検出手段との間に、水排出手段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、例えば、改質部での水蒸気改質を停止して水処理手段を交換(メンテナンス)した際、水供給管に水が残っているかどうかを水質検出手段により確認できる。従って、水を改質部に供給するための水供給管に水排出手段を設け、この水排出手段を用いて排水することができ、水処理手段のメンテナンス後に水蒸気改質を開始する場合に、水供給管に残っていた水が、改質部内に供給されることを抑制することができ、改質部に水が溜まることや改質部が故障することを防止できる。また、水供給管に残っている水を水排出手段にて排水する間も、導電率センサにより導電率を検知することができることから、導電率を検知できなくなった場合には、水供給管に残っている水をすべて排水したことが分かる。
さらに、本発明の燃料電池装置は、前記制御部は警報機能を具備するとともに、前記水質検出手段により前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発することを特徴とする。このような燃料電池装置では、改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合に警報を発することから、水処理手段に異常があることを容易に把握でき、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段のメンテナンス、交換等を行うことができる。
即ち、水処理手段が寿命となった時などのメンテナンスを実施している間、改質部にて原燃料と酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうため、水処理手段のメンテナンスの間、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。さらに、水供給手段と酸素含有ガス供給手段とを切り替えるための切り替え手段を具備することにより、切り替え手段を切り替えるだけで水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えることができることから、メンテナンスの実施者が、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、切り替え手段を切り替えることで、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。
本発明の燃料電池装置は、水処理手段から改質部に供給される水の水質が水質検出手段により検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部は、水供給手段による水の供給を停止し、改質部にて、原燃料供給手段により供給される原燃料と酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御するため、悪化した水が改質部に供給されることがなく、改質部における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部における改質性能を高く維持できる。
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、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湯水が循環するための循環配管から構成されている。
図1に示す燃料電池装置は、燃料電池1、天然ガス等の原燃料を供給する例えばポンプからなる原燃料供給手段2、酸素含有ガス(主には空気)を燃料電池1に供給するための例えばブロワからなる酸素含有ガス供給手段3、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質部4を具備している。なお、後述するが、酸素含有ガス供給手段3から供給される酸素含有ガスは、燃料電池1と改質部4の両方に供給される場合があるため、それらの分岐部に、酸素含有ガス流れ方向調整弁19が設けられている。
ここで、改質部4に純水を供給する水供給系Xは、水供給管5、水供給管5に設けられ水給水管5より供給される水を調整する給水弁6、活性炭フィルタ7、逆浸透膜装置8(以下、RO膜とする)、イオン交換樹脂装置9、水タンク10、水ポンプ11により構成されている。水処理手段は、活性炭フィルタ7、逆浸透膜8(以下、RO膜とする)、イオン交換樹脂9から構成され、水供給手段は水ポンプ11から構成されている。
そして、燃料電池1、原燃料供給手段2、酸素含有ガス供給手段3、改質部4および水供給系X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る。
なお、図中の矢印は、原燃料(または燃料ガス)、酸素含有ガス、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。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、原燃料供給手段2と改質部4の間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。
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、燃料電池および燃料電池セルを小型化する上で、固体電解質形燃料電池を用いることが好ましい。
そして、本発明では、水処理手段と改質部4との間に水質検出手段21を具備しており、制御部14は、水質検出手段21からの信号により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、水ポンプ11からの水の供給を停止し、原燃料供給手段2及び酸素含有ガス供給手段3により原燃料と酸素含有ガスを改質部4に供給するように制御し、改質部4にて部分酸化改質を行なわせるように制御する。
即ち、イオン交換樹脂9の下流側に水タンク10、水ポンプ11、水質検出手段21、改質部4が設けられており、水質検出手段21は、例えば、導電率センサから構成されている。導電率センサとしては、例えば2本の端子を具備しており、これらの2本の端子間の水の導電率を測定するものが用いられる。水質検出手段21としては、導電率センサ以外に、2本の端子間の水の抵抗を測定する抵抗計を用いることができる。水質検出手段21が導電率センサである場合には、導電率が所定値以上の場合に水質が悪化したと判断することができる。導電率が所定値以上である場合には、不純物等が多数含まれており、水(純水)の純度が低下し、水質が悪化したと判断できる。
さらに、本発明では、制御部14は警報機能を具備し、水質検出手段21により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発するように制御する。警報機能を構成するものとしては、ブザー、ランプを用いることができ、ブザーの鳴動、ランプの点灯により警報するようにすれば良い。
そして、本発明においては、後述するように、燃料電池(装置)の発電を停止する必要がないことから、起動停止に時間を要する固体酸化物形の燃料電池を用いる場合に特に有効となる。
ここで、図1に示した燃料電池装置を用いて、まず水蒸気改質により得られる燃料ガス(改質ガス)を用いて発電を行なう場合の燃料電池装置の運転方法について説明する。
燃料電池1の発電に用いられる燃料ガス(改質ガス)を得るために水蒸気改質を行なうにあたり改質部4で使用される水(純水)は、水供給系Xを構成する給水弁6が開放され、水供給管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を流通する。RO膜8を流通した水は、続いてイオン交換樹脂9を流通して純水が生成される。イオン交換樹脂9を流通して生成された純水は水タンク10に貯水され、水ポンプ11により改質部4に供給される。水ポンプ11と改質部4との間には、水質を検出する導電率センサからなる水質検出手段21が設けられているため、この水質検出手段21により改質部4に供給される水質が導電率として検出され、制御部14に信号が送られる。
なお、図1においては、給水弁6より水ポンプ11にかけて、活性炭フィルタ7、RO膜8、イオン交換樹脂9、水タンク10と順に配置したが、例えば、イオン交換樹脂9と水タンク10の順序を逆にすることもできる。なお、給水弁6としては、電磁弁のほか、エア駆動バルブ等を用いることができる。
改質部4においては、水ポンプ11により供給された純水と、原燃料供給手段2より供給される原燃料とにより、水蒸気改質を行なう。改質部4にて生成された燃料ガス(改質ガス)は、燃料電池1に送られ、酸素含有ガス供給手段3より供給される酸素含有ガスと反応して、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。
ここで定常運転時は、上述したように、水素を得る効率のよい反応である水蒸気改質により、燃料電池1の運転に必要な改質ガス(燃料ガス)を得て、燃料電池1の発電を行なうことができる。
しかしながら、何らかの原因、例えば水処理手段の劣化により、改質部4に供給される水の水質が悪化する場合がある。このような水質の悪化した水を改質部4に供給すると、改質部4における触媒劣化等により改質性能が劣化してしまう。また、改質部4に水供給管にて水を供給する場合には、水供給管の先端部にてシリカ、カルシウム等が析出し、水を十分に供給できなくなり、改質性能が低下することもあった。
水質が悪化した場合に、燃料電池1の発電を停止することも考えられるが、燃料電池を停止することは、特に燃料電池1が固体電解質形燃料電池である場合には、700℃程度の高温で発電するため、燃料電池1の発電の停止や再起動を行なうにあたり長時間を必要とするため効率が悪い。
そこで、本発明では、定常運転では、改質部4にて水蒸気改質を行うが、水ポンプ11と改質部4との間に設けられた水質検出手段21により検出された水の導電率が、制御部14に送られ、所定値以上の導電率の場合に、水の不純物が増加し、水質が悪化したと判定し、水ポンプ11による改質部4への水供給を停止し、酸素含有ガスの供給を開始し、改質部4にて部分酸化改質を行うように制御する。
即ち、制御部14は、給水弁6および水ポンプ11に対し、それらの動作を停止するよう信号を伝送する。続いて、制御部14は、酸素含有ガス供給手段3に対し、燃料電池1および部分酸化改質を行なう改質部4に必要な酸素含有ガスを供給するように、場合によっては酸素含有ガス供給量を増加するよう信号を伝送する。あわせて制御部14は、酸素含有ガス流れ方向調整弁19に対し、定常運転時は、燃料電池1にのみ酸素含有ガスが流れるように調整している酸素含有ガス流れ方向調整弁19を、燃料電池1および改質部4の両方に酸素含有ガスが流れるように調整するよう信号を伝送する。それにより、酸素含有ガス供給手段3より、改質部4に対して酸素含有ガスが供給されることとなり、改質部4にて部分酸化改質を行うことができる。
また、制御部14は、水質検出手段により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発するように制御する。これにより、水処理手段に異常があることを容易に把握でき、燃料電池を停止することなく、水処理手段のメンテナンス、交換等を行うことができる。
即ち、水処理手段が寿命となった時などのメンテナンスを実施している間、改質部4にて原燃料と酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうため、水処理手段のメンテナンスの間、燃料電池の発電を停止することなく発電を継続できる。さらに、水供給手段と酸素含有ガス供給手段とを切り替えるための切り替え手段を具備することにより、切り替え手段を切り替えるだけで水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えることができることから、メンテナンスの実施者が、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、切り替え手段を切り替えることで、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。この場合、水処理手段のメンテナンス、交換等をすることなく、そのまま部分酸化改質を行うようにしても良い。
尚、上記形態では、制御部14は、水の水質が悪化したと判定した場合には、水蒸気改質から部分酸化改質に直接変更したが、水蒸気改質から部分酸化改質と水蒸気改質を併用して改質反応を行ない、その後部分酸化改質へと移行するようにすることが、改質触媒へのダメージを低減する上で望ましい。
図2を用いて本発明の燃料電池装置の他の形態を説明する。図2に示す燃料電池装置において、例えば、改質部4での水蒸気改質を停止して、水処理手段の1つであるイオン交換樹脂装置10の不具合や定期点検等により交換等のメンテナンスを行い、イオン交換樹脂装置10のメンテナンス後に改質部4で水蒸気改質を開始する場合、改質部4に供給される水は、新たなイオン交換樹脂装置10を通水した後、改質部4に供給されるため、改質部4で水蒸気改質を開始してから一定時間経過した後に、改質部4に純水が供給されることになる。この場合に、改質部4と水ポンプ11を接続している改質−ポンプ間の水供給管5の中に水が残っている場合がある。
この場合に、改質部4に水を供給するための水ポンプ11が作動すると、改質−ポンプ間の水供給管5中に残っている水が、新たなイオン交換樹脂装置10を通水した水よりも、先に改質部4内に供給されることとなり、水蒸気改質の再開に伴い、改質部4での改質反応を想定して、予め設定された時間に水を改質部4に供給するように制御している場合には、設定時間よりも早く改質部4に水が供給されることとなり、改質部4内に水が溜まるおそれがある。
一方、改質部4内に水が溜まるのを抑制すべく、改質部4の温度を上げた後、改質−ポンプの水供給管5に残っている水を用いて水蒸気改質を行なうように制御する場合には、水ポンプ11の運転の開始後に、イオン交換樹脂装置10を通水して改質部4に供給される水は、水蒸気改質を再開して一定時間経過した後、改質部4に供給されることから、改質−ポンプの水供給管5に残存する水が改質部4に供給された後、一定時間、改質部4に水が供給されないこととなる。それゆえ、改質部4が故障するおそれがあり、場合によっては燃料電池1が故障するおそれがある。
ここで、図2の形態においては、改質部4と水質検出手段21との間には、水供給管5に設けられた弁22と、この弁22が設けられた水供給管5から水を排出するための水排出管23とからなる水排出手段が設けられている。この形態では、水処理手段から改質部4に供給される水の水質が水質検出手段21により検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部14は、水ポンプ11による水の供給を停止し、改質部4にて、原燃料供給手段2により供給される原燃料と酸素含有ガス供給手段3により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるため、悪化した水が改質部4に供給されることがなく、改質部4における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部4における改質性能を高く維持できる。
そして、メンテナンスの実施者が、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、切り替え手段を切り替えることで、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替え、水蒸気改質を再開する場合に、改質−ポンプの水供給管に設けられた水排出管23より排水する。それにより水供給管5に残っていた水が、改質部4内に供給されることを抑制でき、改質部4に水が溜まることや改質部4が故障することを防止できる。
より具体的には、例えば燃料電池1の運転の開始前に水ポンプ11を起動する。水ポンプ11を起動して一定時間内に、水質検出手段21が水の導電率を検知した場合に、水供給管5(改質−ポンプの水供給管)に水が残存していることが分かる。そして、水質検出手段21が水の導電率を検知した場合に、弁22を調整することにより、水排出管23より水供給管5に残っている水を排水することができる。
また、改質−ポンプの水供給管5に残っている水をすべて排水した後は、弁22を水排出管23から水が流れないように閉じる。
この形態では、改質−ポンプの水供給管5のうち、改質部4と水質検出手段21との間に水排出手段を設けることで、改質−ポンプの水供給管5より水排出手段を介して水を排水している間も、水質検出手段21により水の流れを検知することができる。
本発明の燃料電池装置を示す構成図である。 本発明の水排出手段を具備する燃料電池装置を示す構成図である。
符号の説明
1:燃料電池
2:原燃料供給手段
3:酸素含有ガス供給手段
4:改質部
11:水ポンプ(水供給手段)
14:制御部
21:水質検出手段
22:弁
23:水排出管

Claims (4)

  1. 燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための改質部と、該改質部に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質部に水を供給するための水供給手段と、前記改質部に供給される水を処理するための水処理手段と、定常運転時は、前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行なわせるように制御する制御部とを具備する燃料電池装置であって、前記水処理手段と前記改質部との間に水質検出手段を具備するとともに、前記制御部は、前記水質検出手段により前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記水質検出手段は導電率センサであり、前記制御部は、前記水質検出手段による導電率が所定値以上の場合に水質が悪化したと判定することを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。
  3. 前記改質部と前記水質検出手段との間に、水排出手段が設けら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. 前記制御部は警報機能を具備するとともに、前記水質検出手段により前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発することを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれかに記載の燃料電池装置。
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