JP2009032406A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫器の交換時に燃料ガスの漏出を容易に確認できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池装置は、燃料電池１を収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに水素を供給するための燃料ガス供給装置１１とを具備する燃料電池装置であって、燃料ガス供給装置１１が、炭化水素ガス供給元より供給された炭化水素ガス中の硫黄を除去するための脱硫器６と、脱硫された炭化水素ガスを圧送するためのガスポンプ４と、圧送された炭化水素ガスの供給圧を前記炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げることが可能な供給圧調整器５と、供給圧が調整された炭化水素ガスを水素に改質するための改質器３とを、燃料ガス供給管１２にて順に接続してなることから、脱硫器６を容器ごと交換して再接続した場合に、脱硫器６と燃料ガス供給管１２との継ぎ手からの炭化水素ガスの漏出を容易に確認できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置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、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池（セル）を複数収納してなる燃料電池モジュールと、燃料電池に供給する水素を生成するための改質器と、改質器に燃料ガス（炭化水素ガス）を供給するための燃料供給装置等の補機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。

ここで、例えば燃料電池が固体電解質形燃料電池である場合、燃料ガスとして都市ガス等の炭化水素ガスを用いることが知られており、炭化水素ガスから生成した水素を燃料電池に供給して、酸素と化学反応させることによって発電しながら、同時に発生する熱エネルギーを給湯に利用して、全体として高いエネルギー効率を得ることができる燃料電池システムとすることができる。

ところで、炭化水素ガス（都市ガス）を改質器に供給するにあたり、都市ガスの供給元と燃料電池とを接続する燃料ガス供給管に設けられた昇圧ポンプを定格運転させることによって都市ガスを昇圧し、一定圧力で圧送することにより、炭化水素ガスを改質器に供給することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、そのような従来の燃料電池装置のうち、燃料電池に炭化水素ガスを供給するための部材を示しており、炭化水素ガスは、２つの電磁弁、脱硫器、昇圧ガスポンプ、バッファ、ガス流量計を介して改質器に供給され、改質器で改質された改質ガス（水素ガス）が燃料電池に供給されている。
特開２００２−３５８９９０号公報

ところで、燃料電池が例えば固体酸化物形燃料電池の場合に、夜中等の使用電力量が少ない場合には、都市ガス等の炭化水素ガスの元圧よりも低い圧力で炭化水素ガスを供給しても十分に使用量を賄うことができる場合がある。ここで、上述した燃料電池装置においては、供給する炭化水素ガスの流量を制御するためには、昇圧ガスポンプを停止することが考えられるが、その場合、炭化水素ガスの元圧と大気圧との圧力差による流れが最低流量となり、それ以下の流量制御は不可能であった。その結果、必要以上の炭化水素ガスを供給する一方で、発電量は微量となり、発電効率が悪化するという問題があった。

それゆえ本出願人は、先に燃料電池に水素を供給するための燃料ガス供給装置として、炭化水素ガスより水素を生成するための改質器、炭化水素ガス中の硫黄を除去する脱硫器、脱硫した炭化水素ガスを改質器供給するためのポンプ、炭化水素ガスの改質器への供給圧を炭化水素ガスの元圧よりも下げる供給圧調整器とを具備し、脱硫器を供給圧調整器の下流側に設けてなる燃料電池装置を提案している（特願２００７−４５６１３）。

このような燃料電池装置により、炭化水素ガスの供給圧を調整することができ、夜間等の使用電力量が少ない場合に、低流量の炭化水素ガスを供給することができることから、発電効率を向上することができた。

しかしながら、上述した燃料電池装置においては、例えば筒状等の容器内に脱硫触媒を充填してなる脱硫器を、脱硫触媒の劣化に伴い筒状の容器ごと交換する場合において、脱硫器を再接続した場合に、脱硫器と燃料ガス供給管との継ぎ手から炭化水素ガスの漏出の有無を確認することが難しい場合があった。

それゆえ、本発明は、燃料電池に最適流量の炭化水素ガスを供給することができ、かつ脱硫器の交換時に、炭化水素ガスの漏出の有無を確認することが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、燃料電池を収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに水素を供給するための燃料ガス供給装置とを具備する燃料電池装置であって、前記燃料ガス供給装置は、炭化水素ガス供給元より供給された炭化水素ガス中の硫黄を除去するための脱硫器と、脱硫された炭化水素ガスを圧送するためのガスポンプと、圧送された炭化水素ガスの供給圧を前記炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げることが可能な供給圧調整器と、供給圧が調整された炭化水素ガスを水素に改質するための改質器とを、燃料ガス供給管にてこの順に接続してなることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、例えば、都市ガス、プロパンガス等の炭化水素ガスを燃料電池モジュールに供給するにあたり、供給圧調整器を設けたことにより、炭化水素ガスの改質器への供給圧を炭化水素ガスの供給元の元圧よりも下げることが可能となる。それにより、脱硫器にて硫黄が除去された炭化水素ガスを低流量で改質器に供給することが可能となることから、夜間等の使用電力量が少ない場合であっても、発電効率を向上することができる。

また、燃料ガス供給装置が、炭化水素ガスの供給元より供給された炭化水素ガス中の硫黄を除去するための脱硫器と、脱硫された炭化水素ガスを圧送するためのガスポンプと、圧送された炭化水素ガスを炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げることが可能な供給圧調整器と、供給圧が調整された炭化水素ガスを水素に改質するための改質器とを、燃料ガス供給管にてこの順に接続してなることから、炭化水素ガスは元圧のまま脱硫器に供給され、脱硫器により硫黄が除去された炭化水素ガスが、ガスポンプにより改質器に供給される。それにより、脱硫器が配置された部位が負圧となることが抑制されることから、例えば、容器の内部に脱硫触媒を充填してなる脱硫器を、脱硫触媒の劣化に伴い容器ごと交換する場合において、脱硫器を再接続した際に、脱硫器と燃料ガス供給管との継ぎ手からの炭化水素ガスの漏出の有無を確認することができる。

また本発明の燃料電池装置は、前記供給圧調整器は、リリーフ弁または減圧弁であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、供給圧調整器が、リリーフ弁または減圧弁であることから、炭化水素ガスの改質器への供給圧を、炭化水素ガスの供給元の元圧よりも低くすることができ、炭化水素ガスを低流量で供給することが可能となる。

また本発明の燃料電池装置は、前記供給圧調整器が、電磁弁と、該電磁弁を迂回し下流側のガス圧を前記炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げる抵抗管とからなることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、電磁弁を閉じることで、炭化水素ガスが電磁弁を迂回する抵抗管を通過する。それにより、炭化水素ガスの改質器への供給圧を炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げることができ、炭化水素ガスを低流量で供給する制御が可能となる。

また本発明の燃料電池装置は、前記改質器に供給される炭化水素ガスの流量を測定するためのガス流量計を具備するとともに、該ガス流量計が、前記脱硫器と前記ガスポンプとを接続する前記燃料ガス供給管に設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、炭化水素ガスの流量を測定するためのガス流量計を具備するとともに、脱硫器とガスポンプとを接続する燃料ガス供給管に設けられることから、炭化水素ガスの流量の測定が供給圧調整器の動作に影響されることが抑制され、改質器に供給される炭化水素ガスの流量をより正確に測定することができる。

また本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、都市ガス等の炭化水素ガスを低流量で供給することが可能であることから、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池において特に有用となり、夜間等の使用電力が少ない場合に、低流量の炭化水素ガスで十分に使用電力を賄うことができ、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池装置は、炭化水素ガスの改質器への供給圧を炭化水素ガスの供給元の元圧よりも下げることが可能となることから、燃料電池に最適流量の炭化水素ガスを供給することができる。さらに、内部に脱硫触媒を具備する脱硫器を、脱硫器ごと交換して再接続した場合に、脱硫器と燃料ガス供給管との継ぎ手からの炭化水素ガスの漏出の有無を確認することができることから、安全性が向上した燃料電池装置とすることができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。燃料電池装置は、燃料電池１と、この燃料電池１に水素を供給する燃料ガス供給装置１１とを具備して構成されている。なお、以降の図において、同一の構成については同一の番号を付するものとする。

燃料ガス供給装置１１は、炭化水素ガス供給元側から、燃料ガス供給管１２を介して、２つの電磁弁７、脱硫器６、ガス流量計８、バッファ９、ガスポンプ４、供給圧調整器５、改質器３がこの順に接続されている。

脱硫器６は、炭化水素ガス供給元より供給された炭化水素ガス中に含まれる硫黄を除去するためのものであり、内部に脱硫触媒を有する容器等を用いることができる。それにより、燃料電池に供給される炭化水素ガス（以下、炭化水素ガスを燃料ガスと称する場合がある）の不純物である硫黄を除去することができる。ガス流量計８は、燃料ガス供給管１２を流れる脱硫された燃料ガスの流量を計測するためのものである。ガスポンプ４は脱硫された燃料ガスを圧送するものであり、バッファ９により脈動が抑制され、一定の流量の燃料ガスを改質器３に供給することができる。また、ガス流量計８にて測定された燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガス（脱硫された燃料ガス）の流量情報が制御装置１０に伝送され、制御装置１０は、ガス流量計８にて測定された燃料ガスの流量に基づいてガスポンプ４の作動を制御する。

そして、ガスポンプ４にて改質器３に向けて供給される燃料ガスは、供給圧調整器５であるリリーフ弁により供給圧が調整されたのち改質器３に供給される。なお、図１の説明においては、供給圧調整器５としてリリーフ弁を用いる場合を示しており、以下供給圧調整器５をリリーフ弁５として説明する。

リリーフ弁５は、燃料ガス供給側（上流側）のガス圧よりも大きな圧力で開くように設定されている。すなわち、ガスポンプ４を作動させ、燃料ガス供給元より供給される燃料ガスを吐出することで、リリーフ弁５に対してガス元圧よりも大きな圧力がかかることにより、リリーフ弁５が開いて燃料ガスが流れることとなる。それにより、低流量にて燃料ガスを供給することが可能となる。

なお、燃料ガスが都市ガスの場合には、都市ガスの元圧が１．５〜３．０ｋＰａであるため、リリーフ弁５が開く圧力としては、例えば３．５〜６ｋＰａとすることができる。なお、リリーフ弁５は燃料電池の発電量により制御することもでき、例えば燃料電池の発電量が大きい場合には、リリーフ弁５を開放状態とすることにより、必要量の燃料ガスを改質器３側に供給することができる。

ガスポンプ４は、燃料ガス供給元より供給される燃料ガスを、昇圧して改質器３側に圧送するものであって、一般にダイアフラム式のガスポンプ４が用いられる。ただし、このダイアフラム式のポンプは、シリンダ内のダイアフラムの往復運動によって、燃料ガスの吸引と送出を行なうため、脈動が発生しやすい。

それゆえ、ガスポンプ４の上流側に、一定容積の空間であるバッファ９を設けることにより、ガスポンプ４により供給される燃料ガスの脈動を減衰させることができる。なお、バッファ９は、一定容積の空間を有する部材を用いる他、燃料ガス供給管１２の一部を太くすることにより一定容積の空間を有するようにしてもよい。

ガス流量計８は、燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガスの流量を計測するためのものであり、バッファ９によりガスポンプ４の脈動が減衰することで、正確な燃料ガスの流量を測定することができる。それゆえ、バッファ９はリリーフ弁５の作動により影響を受けることを抑制するために、リリーフ弁５よりも遠い位置に設けることが好ましく、図１に示す燃料電池装置においては、脱硫器６とガスポンプ４とを接続する燃料ガス供給管１２に設けている。

なお、ガス流量計８にて測定された燃料ガスの流量情報は制御装置１０に伝送され、改質器３での改質反応に必要な燃料ガス量となるよう、制御装置１０によりガスポンプ４の動作が制御される。すなわち、改質器３で要求される燃料ガス量と、燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガス量とを比較し、燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガス量が少ない場合には、ガスポンプ４により供給される燃料ガスを増やすようガスポンプ４を制御し、逆に燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガス量が多い場合には、ガスポンプ４により供給される燃料ガス量が少なくなるようガスポンプ４を制御する。

なお、燃料電池１としては、各種燃料電池が知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池１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、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

また、本発明においては、燃料電池１を発電効率の高い固体酸化物形燃料電池とすることで、夜間等の使用電力が少ない場合に、低流量の燃料ガスで十分に使用電力を賄うことができることから、低流量の燃料ガスを供給する制御が可能な本発明の燃料電池装置において特に有用となる。なお、以下の説明において燃料電池１を固体酸化物形燃料電池１として説明するものとし、燃料電池１と略す。

図１においては、燃料電池１は収納容器２に収納されて燃料電池モジュールとされる。また、あわせて改質器３が燃料電池１の上方に配置された状態で収納容器２内に収納されている。そして、燃料ガス供給管１２を流れる燃料ガスが改質器３に供給される。

改質器３は、燃料ガス供給管１２を流れて供給された燃料ガスを改質して水素を生成し、生成した水素を燃料電池１に供給する。なお、改質器３での改質反応としては、部分酸化改質法、オートサーマル法、水蒸気改質法のいずれを用いることもでき、また複数の改質法を組み合わせて改質反応を行なうこともできる。

燃料電池１は、改質器３より供給される水素と、収納容器２の外部より供給される酸素含有ガスとにより発電を行なう。なお、発電において余剰となった水素は、燃料電池１の上方にて収納容器２の外部より供給される酸素含有ガスと燃焼することにより、燃料電池１の上方に配置された改質器３を加熱することができ、それにより改質反応を効率よく行なうことができる。

なお、燃料電池１の形状としては各種形状の燃料電池を用いることができるが、効率よく燃料電池１の発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池１とすることができる。このような中空平板型の燃料電池１としては、内側に燃料極が、外側に酸素極が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池を用いることができ、この燃料電池１の複数個がマニホールド上に立設され、電気的に直列に接続される。なお、中空平板型の燃料電池１においては、内部に水素が流れるガス流路を有しており、改質器３にて生成された水素が、マニホールドを介して燃料電池１に供給される。

ところで、燃料電池１の発電を継続的に行なうことにより、燃料ガスに含有される硫黄を除去するための内部に脱硫触媒が充填されてなる脱硫器は、脱硫触媒の劣化に伴い定期的に交換等のメンテナンスを行なう必要がある。

ここで、本発明で用いるリリーフ弁５を、例えば電磁弁７と脱硫器６との間に配置している場合には、脱硫器６に供給される燃料ガスのガス圧が、大気圧よりも低くなるため、脱硫器６が負圧となる場合がある。

この場合、脱硫器６が内部に脱硫触媒が充填されている筒状の容器からなる場合において、脱硫器６ごと交換して脱硫器６を再接続した場合に、脱硫器６と燃料ガス供給管１２との継ぎ手が強固に締結されていないと、その継ぎ手から燃料ガス供給管１２内に空気が入り込むことで、脱硫器６と燃料ガス供給管１２との継ぎ手からの燃料ガスの漏出を確認することが困難となるおそれがある。また、あわせて脱硫器６と燃料ガス供給管１２とが強固に接続されていない場合には、脱硫器６と燃料ガス供給管１２との継ぎ手より空気が入り込み、空気が混合した燃料ガスが改質器３に供給されることにより、燃料電池１の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明においては、図１に示すようにリリーフ弁５を改質器３の手前（改質器３の上流側）に設ける（改質器３の手前側の燃料ガス供給管１２に設ける）ことにより、脱硫器６に対して燃料ガス供給元からの元圧のまま燃料ガスが供給されるため、脱硫器６を容器ごと交換して再接続する場合において、脱硫器６と燃料ガス供給管１２とが強固に締結されていない場合には、その継ぎ手より燃料ガスが漏出し、それにより燃料ガスの漏出を検知することができる（すなわち、脱硫器６と燃料ガス供給管１２とが強固に接続されているか否かを容易に判断することができる。）。なお、燃料ガスの漏出を検知するにあたっては、脱硫器６の近傍にガス漏れ検知センサを設け、ガス漏れ検知センサにより、燃料ガスの漏出を検知することができる。

また、本発明の燃料電池装置においては、ガスポンプ４の下流側にリリーフ弁５を設けるとともに、リリーフ弁５は燃料ガス供給側（上流側）のガス圧よりも大きな圧力で開くように設定されることから、ガスポンプ４を作動させ、燃料ガス供給元より供給される燃料ガスを吐出することで、リリーフ弁５に対してガス元圧よりも大きな圧力がかかることにより、リリーフ弁５が開いて燃料ガスが流れることから、燃料電池１に低流量の燃料ガス（都市ガス等）を供給することができ、例えば夜中等の発電量が少ない場合においても、効率よく燃料電池１の発電を行なうことができる。

なお、供給圧調整器５としてリリーフ弁５を用いることにより、安価とすることができ、それにより燃料電池装置をより安価とすることができる。

図２は、本発明の燃料電池装置の他の実施形態を示したものであり、供給圧調整器１３として減圧弁を設けた例を示したものである。

減圧弁１３は、下流側の圧力を減圧するものである。それゆえ、例えば燃料ガスとして都市ガスを供給する場合においては、減圧弁１３の上流側は、ガス元圧１．５〜３．０ｋＰａとされ、下流側は燃料ガス供給側の元圧よりも減圧状態に維持されることから、燃料ガス（都市ガス等）の元圧に影響されることなく、ガスポンプ４により少量の燃料ガスを改質器３（燃料電池１）に供給することができる。なお、減圧弁１３の他に、燃料ガス供給元のガス圧よりも低い圧力で減圧することができるガバナ等を用いることもできる。

図３は、本発明の燃料電池装置のさらに他の実施形態を示したものであり、図３においては、供給圧調整器として、リリーフ弁５や減圧弁１３の代わりに、燃料ガス供給管１２に設けられた電磁弁１４と、電磁弁１４を迂回し、下流側の燃料ガスのガス圧を燃料ガスの元圧よりも下げることが可能な抵抗管１５とからなる供給圧調整器を具備している。

このような供給圧調整器では、電磁弁１４を閉じることで、燃料ガスが抵抗管１５を流れることにより、抵抗管１５の下流側のガス圧は、抵抗管１５の上流側（燃料ガスの元圧側）よりも小さくなるため、燃料ガス（都市ガス等）供給側の元圧に影響されることなく、ガスポンプ４により低流量の燃料ガスを改質器３（燃料電池１）に供給することができる。

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。

例えば、燃料ガスとしてプロパンガスを用いることもでき、これらの場合においても、本発明を有効に用いることができる。

また、脱硫器６が内部に脱硫触媒を有する筒状の容器から構成されている場合においては、単に脱硫器６の負圧を抑制するために、供給圧調整器を脱硫器６の直後の下流側に、供給圧調整器５を配置することも可能である。この場合においても、脱硫器６が負圧となることを抑制できるため、燃料ガスの漏出が容易に判断できる。ただしこの場合は、供給圧調整器５の下流側（例えば、ガス流量計８やガスポンプ４）が負圧となる場合があるため、脱硫器６を容器ごと交換する場合において注意が必要となる。

また、燃料電池１として内側が燃料極、外側が酸素極とした燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池を示したが、例えば、内側が酸素極、外側が燃料極とした空気極支持タイプの中空平板型燃料電池や、固体高分子形燃料電池等の他の燃料電池を収納してなる燃料電池装置を用いることもできる。

供給圧調整器としてリリーフ弁を用いた本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。 供給圧調整器として減圧弁を用いた本発明の燃料電池装置の他の実施形態の構成の一例を示す構成図である。 供給圧調整器として抵抗管を用いた本発明の燃料電池装置のさらに他の実施形態の構成の一例を示す構成図である。 従来の燃料電池装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：収納容器
３：改質器
４：ガスポンプ
５：リリーフ弁
６：脱硫器
７、１４：電磁弁
８：ガス流量計
９：バッファ
１０：制御装置
１２：燃料ガス供給管
１３：減圧弁
１５：抵抗管

Claims (5)

1. 燃料電池を収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに水素を供給するための燃料ガス供給装置とを具備する燃料電池装置であって、前記燃料ガス供給装置は、炭化水素ガス供給元より供給された炭化水素ガス中の硫黄を除去するための脱硫器と、脱硫された炭化水素ガスを圧送するためのガスポンプと、圧送された炭化水素ガスの供給圧を前記炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げることが可能な供給圧調整器と、供給圧が調整された炭化水素ガスを水素に改質するための改質器とを、燃料ガス供給管にてこの順に接続してなることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記供給圧調整器は、リリーフ弁または減圧弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記供給圧調整器が、電磁弁と、該電磁弁を迂回し下流側のガス圧を前記炭化水素ガス供給元の元圧よりも下げる抵抗管とからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記改質器に供給される炭化水素ガスの流量を測定するためのガス流量計を具備するとともに、該ガス流量計が、前記脱硫器と前記ガスポンプとを接続する前記燃料ガス供給管に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。

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