JP2009064784A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置の水廻りに関する流路の水張り作業を簡単に行なえる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電を行う燃料電池装置において、流路である例えば改質用水ライン７４の水張りを処理実行する手段としての水張り処理手段を、装置の制御装置５５に設ける。このようにすると、制御装置５５に備えた水張り処理手段が、対象となる改質用水ライン７４の水張り作業を自動的に処理実行する。そのため、水廻りに関する改質用水ライン７４の水張り作業を簡単に行うことが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利用した燃料電池装置が考えられている。

こうした燃料電池装置は、例えば特許文献１などに開示されているように、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池に酸素（空気）を供給する空気供給装置（空気ブロア）と、燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、熱交換器を具備し燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置と、本体（パッケージ）内を換気する送風装置（換気ファン）と、排熱を利用しない場合の冷却に使用する放熱装置（クーリングモジュール）とにより基本的に構成される。

また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロアや、天然ガスの硫黄分を除去する脱硫器や、改質装置に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解膜質を加湿するために、この燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換装置や、燃料ガス，空気，水の流量を電磁弁で制御する制御部としてのコントローラなどの、様々な補助機器が配置され、配管や配線によって物理的および電気的に接続されている。
特開２００２−２１６８２８号公報

さらに、燃料電池装置を正常に運転するには、事前に水廻りに関する流路に水を張る必要があるため、該当する流路に応じて電磁弁や調節弁の開け閉めを行なったり、水張り用のポンプの駆動を行なわなければならず、作業が煩雑で熟練を要するものであった。

本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、水廻りに関する流路の水張り作業を簡単に行なう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。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、制御部に備えた手段が、対象となる流路の水張り作業を自動的に処理実行する。そのため、水廻りに関する流路の水張り作業を簡単に行なうことが可能になる。

本発明の請求項２記載の燃料電池装置によれば、対象となる流路に設けられた弁部やポンプ部を、自動的に適切なタイミングで制御することができるので、装置内における水張り作業の煩雑さを解消することができる。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、水廻りに関する流路の水張り作業を簡単に行なうことが可能になる。

本発明の請求項２記載の燃料電池装置によれば、装置内における水張り作業の煩雑さを解消することができる。

以下、本発明における燃料電池装置の一実施例について、添付図面を参照しながら説明する。装置の全体構成を示す図１において、１は燃料ガスとしての都市ガスを取り入れるための燃料取入れ口で、この燃料取入れ口１は、燃料遮断弁２，活性炭などからなる脱硫器３を経由して、燃料昇圧ブロア４の入口側に接続される。燃料昇圧ブロア４は前記燃料ガスを昇圧するためのもので、その出口は一方が改質燃料遮断弁５の入口に接続され、改質燃料遮断弁５の出口は燃料ガスを予熱する機能も兼用するＣＯ変成・除去器６の受熱側を経由して、改質器７の改質部入口７ａに接続される。また、改質器７の改質部出口７ｂには、前記燃料予熱器６の放熱側を経由して、触媒からなる前記ＣＯ変成・除去器６の入口が接続される。そして、このＣＯ変成・除去器６の出口は、第１の蒸気熱交燃器１３を経由して燃料電池１５のアノード１６の入口に接続される。

一方、前記燃料昇圧ブロア４の出口は、第１のバーナー遮断弁であるスタートバーナー燃料遮断弁１９を経由して、改質器７のバーナー部７ｃにも別に接続される。また、前記燃料電池１５のアノード１６の出口も、オフガス熱交換器２１を通り、第２のバーナー遮断弁であるメインバーナー燃料遮断弁２２を経由して、改質器７のバーナー部７ｃに接続される。

前記改質器７のバーナー排気ガス出口は、第２の蒸気熱交換器２４を経由して排熱熱交換器２５に接続される。また、第２の蒸気熱交換器２４から排熱熱交換器２５に繋がる途中で、燃料電池１５のカソード１７の出口が合流するように、第２の蒸気熱交換器２４から排熱熱交換器２５に至る管路の途中で、燃料電池１５のカソード１７出口からの管路が接続している。これにより、改質器７のバーナー部７ｃから第２の蒸気熱交換器２４を通過した燃焼排気ガスが、燃料電池１５のカソード１７からのカソード排気ガスと共に、排熱熱交換器２５に送り出されるようになっている。

前記燃料電池１５は、触媒を担持した電極としてのアノード１６とカソード１７との間に、固体高分子からなる電解質膜１８を挟持すると共に、アノード１６およびカソード１７のそれぞれに燃料ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータ（図示せず）を備えて構成される。また２８は、第１の空気供給装置としてのカソード空気ブロアで、これはカソード空気調節弁２９を通って燃料電池１５のカソード１７に接続される。３１は第２の空気供給装置としての選択酸化空気ブロアであり、これは酸化空気調節弁３２を通ってＣＯ選択酸化器１２の入口に接続される。さらに３３は、第３の空気供給装置としてのバーナー空気ブロアであり、これはバーナー空気調節弁３４を通って改質器７のバーナー部７ｃに接続される。

３７は市水入口で、この市水入口３７は市水の流入量を制限する市水調圧弁３８の入口に接続される。市水調圧弁３８の出口は、一方が熱利用外部機器である貯湯槽３９の冷水側に接続されると共に、他方が市水遮断弁４０を経由して排熱熱交換器２５の貯水部２５ａに接続される。この排熱熱交換器２９の貯水部２５ａに貯えられる凝縮水は、水遮断弁４４と、フィルターなどからなる水浄化装置４５を通過し、この水浄化装置４５の出口側に分岐して接続する冷却水ポンプ４６と改質水ポンプ４７にそれぞれ供給される。そして、冷却水ポンプ４６の吐出口は、燃料電池１５のアノード１６に接続される一方で、改質水ポンプ４７の吐出口は、第１の蒸気熱交換器１３および第２の蒸気熱交換器２４を順次接続してなる受熱側流路を経由して水蒸気調節弁４９の入口に接続され、この水蒸気調節弁４９の出口を改質燃料遮断弁５の出口側に接続している。

５１は循環ポンプであり、これは前記貯湯槽３９内から引き込んだ冷水を、オフガス交換器２１から排熱熱交換器２５の受熱側通路２５ｂを経由して、再び貯湯槽３９に温水として送り込むもので、これにより貯湯槽３９の上部には温水が貯えられる。

５５は、上述した装置各部の運転を制御するための制御装置で、これは各ポンプ４６，４７，５１や、各ブロア４，２８，３１，３３や、各遮断弁２，５，１９，２２，４０，４４や、各調節弁２９，３２，３４，４９や、図示しない各センサなどの入出力デバイスの他に、ソフトウェア上の機能として制御プログラムを組み込んで構成される。なお、本図には図示していないが、空気や水の流れおよび温度を監視する各種センサのほかに、条件設定のためのコントローラや、開閉器（電磁弁）なども、制御装置５５に各々電気的に接続した状態で装置に組み込まれている。さらに、５６はインバータで、これは発電された直流電力を商用電圧および周波数を有する交流電力に変換するためのものである。そして、前記市水調圧弁３８，貯湯槽３９，温水出口遮断弁５２を除く上記各構成が、パッケージである装置本体５７内に収容される。

排熱熱交換器２５からイオン交換装置４３，水遮断弁４４，水浄化装置４５，改質水ポンプ４７，第１の蒸気熱交換器１３，ＣＯ変成・除去器６，および水蒸気調節弁４９を経て、改質燃料遮断弁５に至る改質用水ライン７４に水を満たす水張りを行なう際の構成を図４に示す。

制御装置５５はソフトウェア上のプログラム機能として、改質用水ライン７４の水張りを処理実行する水張り処理手段７５を備えている。この水張り処理手段７５は、排熱熱交換器２５内に設けられた水位計７６を入力側ポートに接続すると共に、改質燃料遮断弁５，改質水ポンプ４７，水遮断弁４４，水蒸気調節弁４９，市水調圧弁３８，市水遮断弁４０を出力側ポートに接続して構成される。

次に、上記構成についてその作用を説明する。起動スイッチ（図示せず）を投入することにより、燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが燃料取入れ口１から開弁した燃料遮断弁２を経由して、脱硫器３に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。脱硫器３により硫黄分を除去する目的は、その後の改質器７などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止することにある。

脱硫器３を通過した燃料ガスは、昇圧ブロア４により昇圧された後、開弁したスタートバーナー燃料遮断弁１９を経由して、改質器７のバーナー部７ｃに送り出される。また、バーナー空気ブロア３３から送り込まれる空気が、バーナー空気調節弁３４を通って改質器７のバーナー部７ｃで燃料ガスと混合および燃焼され、改質器７を改質に必要な温度にまで昇温させる。一方、この改質器７のバーナー部７ｃから排出されるバーナー排ガス（燃焼排気ガス）は、第４の蒸気熱交換器２４を通過して、燃料電池１５のカソード１７からの出口空気（カソード排気ガス）と共に、排熱熱交換器２５に送り出され、ここで持っている熱エネルギーを放出する。

改質器７が設定した温度に上昇すると、制御装置５５は改質燃料遮断弁５を開弁する。こうなると、前記燃料昇圧ブロア４から改質燃料遮断弁５を通過した燃焼ガスが、ＣＯ変成・除去器６で発生した水蒸気と混合され、この混合した燃焼ガスが、ＣＯ変成・除去器６を通って改質器７の改質部７ａに送り出される。この改質部７ａはバーナー部７ｃにより約７５０℃前後に加熱されており、燃料ガスはここで触媒の作用により水素ガスと炭酸ガス（二酸化炭素）とに変化する。しかし、ここで生成したガスには、一酸化炭素も若干含まれているが、後述する固体高分子型の燃料電池１５は、一酸化炭素によりその性能が著しく低下するため、一酸化炭素の濃度を一定値以下にする必要がある。

改質器７を通過した燃料ガスはＣＯ変成・除去器６に入り、ここで触媒の作用により一酸化炭素は水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変化し、一酸化炭素の濃度をかなり低いレベルにまで低下させることができる。ＣＯ変成・除去器６を通過する燃料ガスは、選択酸化空気ブロア３１により送り込まれた空気（酸素）と混合されながら、その中に含まれる一酸化炭素が触媒の作用により二酸化炭素に変化する。この時点で初めて燃料電池１５に悪影響を及ぼさない濃度まで、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を下げることができる。

ＣＯ変成・除去器６を通過した燃料ガスは、燃料電池１５の一方の電極であるアノード１６に送り込まれる。また、他方の電極であるカソード１７には、カソード空気ブロア２８からカソード空気調節弁２９を通って空気（酸素）が送り込まれる。アノード１６の水素は触媒の作用によりイオン化し、電解膜質１８を通ってカソード１７側の酸素と結び付く。これにより、水が生成されると同じに反応熱が発生する。またこの電気化学反応によって、アノード１６にマイナス極、カソード１７にプラス極の電位が生じ、燃料電池１５より電力を取り出すことができる。

アノード１６を通過した燃料ガスは、大部分の水素ガスが消費されているが、まだかなりの濃度の水素ガスと若干の水蒸気とを含んでおり、これをオフガス熱交換器２１で水蒸気の一部を凝縮水として取り除いた後、メインバーナー燃料遮断弁２２から改質器７のバーナー部７ｃに戻して、バーナー空気ブロア３３からバーナー空気調節弁３４を通過して送り込まれた空気と混合させ、バーナー部７ｃで燃焼させる。この状態では、制御装置５５によりスタートバーナー燃料遮断弁２２が閉弁され、改質器７のバーナー部７ｃはアノード１６を通過した残留する水素ガス（オフガス）を利用して燃焼を継続する。

カソード１７を通過した空気は、燃料電池１５で発生した水（水蒸気）と熱を有しており、この空気は排熱熱交換器２５を通過して冷却されることにより凝縮水に戻る。また、循環ポンプ５１により貯湯槽３９の下部より吸引された水が、オフガス熱交換器２１を経て排熱熱交換器２５の受熱側を通過し、暖められて貯湯槽３９の上部に徐々に蓄積されて行く。

排熱熱交換器２５の貯水部２５ａに貯えられる凝縮水は、開弁した水遮断弁４４から水浄化装置４５に入って不純物が除去される。水浄化装置４５で浄化された水は、冷却水ポンプ４６により燃料電池１５のアノード１６に送り込まれ、固体高分子膜（電解質膜１８）の加湿および燃料電池１５の冷却に使用される。同じく改質水ポンプ４７により、第３の蒸気熱交換器１３に送り込まれた水は、この第３の蒸気熱交燃器１３から第４の蒸気熱交換器２４，ＣＯ変成・除去器６を通過して加熱され、水蒸気となって開弁した水蒸気調節弁４９から燃料ガスに混合される。さらに燃料電池１５のアノード１６およびカソード１７にそれぞれ接続されたインバータ５６によって、直流電力は商用電圧／周波数の交流電力に変換される。以上の動作により、燃料電池装置は発電を行うことができる。

次に、貯湯槽１７を含む熱利用外部機器の動作について説明する。先ず、燃料電池装置を運転する前に市水調圧弁３８と市水遮断弁４０を開放し、市水入口３７から取り込まれる市水を貯湯槽３９に満たしておく。その後、燃料電池装置の運転を開始すると循環ポンプ５１が作動し、この循環ポンプ５１によって貯湯槽３９の冷水がオフガス熱交換器２１および排熱熱交換器２５に送り込まれ、燃料電池１５のカソード１７や改質器７のバーナー部７ｃからの排気ガスの熱エネルギーを貰って温水となる。この温水は排熱熱交換器２５から貯湯槽３９の温水入口に送り出され、再び貯湯槽３９に戻る。貯湯槽３９の内部は水温の違いにより２層状態になっており、温水は貯湯槽３９の上層に、冷水は貯湯槽３９の下層に位置している。ここで、貯湯槽３９の上層にある温水を使用することが可能になる。

改質用水ライン７４の水張りを行なう場合の動作手順を説明すると、この場合は入力手段を利用して、制御装置５５のシステムを水張り検査モードに設定し、水張り検査処理手段７５により改質用水ライン７４の途中にある水遮断弁４４と水蒸気調節弁４９を開弁する一方で、改質用水ライン７４の終端にある改質燃料遮断弁５を閉弁する。次に水張り処理手段７５は改質水ポンプ４７を動作させ、排熱熱交換器２５の貯水部２５ａに貯えられる水を水浄化装置４５に通して、排熱熱交換器２５から水蒸気調節弁４９までの流路を水で満たす。なお、貯水部２５ａ内の水位は、排熱熱交換器２５内に設けられた水位計７６により検知され、水張り処理手段７５は、この水位計７６の検知出力を基に市水遮断弁４０の開閉、ひいては排熱熱交換器２５内への市水の流入量を制御して、貯水部２５ａ内の水位を一定に保つようにしている。

また、水蒸気調節弁４９までの改質用水ライン７４内に水が満たされたか否かを判断するには、第４の蒸気熱交換器２４を越えて水が満たされていればよいことから、例えば改質水ポンプ４７の駆動時間により判断したり、さもなければ改質用水ライン７４の途中に水位検知手段を設け、この水位検知手段からの検知出力により判断してもよい。

以上のように本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、流路である例えば改質用水ライン７４の水張りを処理実行する手段としての水張り処理手段７５を、装置の制御装置５５に設けている。

このようにすると、制御装置５５に備えた水張り処理手段７５が、対象となる改質用水ライン７４の水張り作業を自動的に処理実行する。そのため、水廻りに関する改質用水ライン７４の水張り作業を簡単に行なうことが可能になる。

また特に本実施例の水張り処理手段７５は、流路である例えば改質用水ライン７４に設けられる弁部（改質燃料遮断弁５，水遮断弁４４，水蒸気調節弁４９など）の開閉もしくは開度や、ポンプ部（改質用水ポンプ４７など）の運転を制御するように構成している。

このようにすると、対象となる改質用水ライン７４に設けられた弁やポンプを、自動的に適切なタイミングで制御することができるので、装置内における水張り作業の煩雑さを解消することができる。

なお、ここでいう流路とは、改質用水ライン７４のみならず、電池冷却用水ラインや熱回収水ラインなどを含む。

また、他の参考例では、ガスである燃料ガスと酸化剤ガス（空気中の酸素）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池装置において、装置に設けられる流路（例えば、燃料改質ライン６１）の検査すなわちリーク検査を処理実行する手段としてのリーク検査処理手段７１を、装置の各部の動作を制御する制御部たる制御装置５５に設けている。

こうすると、制御装置５５に備えたリーク検査処理手段７１が、検査対象となる流路のリーク検査を自動的に処理実行する。そのため、装置のリーク検査作業を簡単に行なうことが可能になる。

また本参考例では特に、検査対象となる流路に、ガス圧調整手段６４や、検査ラインの開口部の開閉操作手段に相当する検査ガス遮断弁６５や、圧力測定手段６６や、検査ガスを注入するための検査装置６８を設けると共に、この検査装置６８との信号接続部５５ａ，５５ｂを制御装置５５に設けている。

このようにすれば、制御装置５５の信号接続部５５ａ，５５ｂを検査装置６８に接続すれば、後はリーク検査処理手段７１が検査装置６８の動作を適切なタイミングで自動的に制御するので、検査装置６８におけるリーク検査作業の煩雑さを解消することができる。

さらに本参考例では、検査対象となる流路に設けられる弁部（各遮断弁２，５，１９，２２，４０，４４や、各調節弁２９，３２，３４，４９）の開閉または開度を、リーク検査処理手段７１により制御するように構成している。

このようにすれば、検査対象となる流路に設けられた弁部を、わざわざ手動ではなく自動的に適切なタイミングで制御することができるので、装置内におけるリーク検査作業の煩雑さを解消することができる。

また本参考例では、圧力測定手段６６からの検査圧力を読み込み、この検査圧力が安定するように圧力調整手段６４を制御して、検査圧力が安定したらガス供給ラインである配管部６７に設けられた検査ガス遮断弁６５を閉弁し、設定時間後における流路（例えば、燃料改質ライン６１）の圧力低下値を検査規格値と比較して、その比較結果を出力手段７２に音，光，表示などで出力するように構成している。

このようにすると、検査対象となる燃料改質ライン６１がリークしているか否かを、音，光，表示などで確認することができる。

なお、ここでいう流路とは、燃料改質ライン６１のみならず、起動用燃料ラインや、燃焼空気・排気ガスラインや、カソード空気ラインや、改質・電池冷却用水ラインや、熱回収用ラインなどを含む。

本発明は上記実施例及び参考例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例及び参考例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、燃料電池装置の構成も本実施例及び参考例のものに限定されないことは勿論、実施例では水張りの処理手段を、参考例ではリーク検査を、制御装置５５のソフトウェア上の機能として組み込んだ例を示したが、別な検査に関する処理手段を制御装置５５に設け、検査装置６８を流路に接続したときに、同様に処理手段が検査を自動的に処理実行するものでもよい。

本発明の一実施例における燃料電池装置のシステム構成を示す概略説明図である。 本発明の一参考例のリーク検査時における燃料電池装置のシステム構成を示す概略説明図である。 同上、燃料改質ラインのリーク検査に関わる燃料電池装置のブロック構成図である。 本発明の一実施例における水張りに関する燃料電池装置のブロック構成図である。 本発明の一参考例における燃料改質ラインのリーク検査の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２，５，１９，２２，４０，４４ 遮断弁（弁部）
２９，３２，３４，４９ 調節弁（弁部）
４６，４７，５１ ポンプ（ポンプ部）
５５ 制御装置（制御部）
５５ａ，５５ｂ 信号接続部
７４ 改質用水ライン（流路）
７５ 水張り処理手段（手段）

Claims (2)

1. ガスの化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、流路の水張りを処理実行する手段を装置の制御部に設けたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記手段は、前記流路に設けられる弁部およびポンプ部を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。

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