JP2009217951A

JP2009217951A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009217951A
Application number: JP2008057436A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Taguchi; 清田口; Yoshihisa Tamura; 佳央田村; Shigeki Yasuda; 繁樹保田; Hideo Obara; 英夫小原
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】発電中においても可燃ガスの漏れを検知し、安全に動作させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】原料ガスを用いて水素を含む燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器１と、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池５と、燃料処理器１を通過したガスを燃焼し、改質器に熱を供給するための燃焼器２と、改質器の温度を検知する温度検知器１１と、原料ガスを供給する原料ガス供給器９と、温度検知器１１の検知温度が所定温度になるよう原料ガス供給器９をフィードバック制御する制御器７と、燃料電池５の発電量に応じて定められる原料ガス流量目標値に対して、制御器７によるフィードバック制御で追加される原料ガス流量が所定の閾値以上である場合、異常の旨を報知する異常報知器とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池システムに関し、特に、少なくとも水素を構成元素として含む含水素有機化合物を含む原料ガスと水とから水素を含む燃料燃料ガスを生成して発電に利用する燃料電池システムに関する。

従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池システムでは、発電運転の際、その発電部の本体として配設される燃料電池スタック（以下、単に燃料電池という）に、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが各々供給される。燃料電池では、その供給される燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素とが用いられて、所定の電気化学反応が進行する。この所定の電気化学反応が進行することにより、燃料電池において、水素及び酸素が有する化学的なエネルギーが、電気的なエネルギーに直接変換される。これにより、燃料電池システムは、負荷に向けて電力を出力する。

ところで、燃料電池システムの発電運転時に必要となる燃料ガスの供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、従来の燃料電池システムには、発電運転時に必要となる燃料ガスを生成するための燃料処理器が設けられている。この燃料処理器では、燃料電池システムの発電運転時、改質触媒体において水蒸気改質反応が進行することにより、有機化合物を含む都市ガス等の原料と水とから水素を含む燃料ガスが生成される。この際、燃料処理器が有する改質触媒体は、燃焼器により水蒸気改質反応の進行に適した温度に加熱される。燃焼器は、例えば都市ガスと空気との混合ガスを燃焼することにより、燃料処理器が有する改質触媒体を加熱する。これにより、燃料処理器では、都市ガス等の原料と水とから水素を含む燃料ガスが効率良く生成される。燃料電池システムは、燃料処理器が生成する燃料ガスと酸化剤ガスとしての例えば空気を利用して発電する。

以下、従来の燃料電池システムにおける水素含有ガスを生成するための構成及びその動作について、図面を参照しながら概説する。

図２は、従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

図２に示すように、従来の燃料電池システムは、発電運転時に水素含有ガスを生成する燃料処理器２１を備えている。この燃料処理器１は、水蒸気改質反応を進行させる改質触媒２１ａを備えている。また、この燃料処理器１は、改質触媒の温度を検出する温度検知器３１を備えている。一方、図１に示すように、この燃料電池システムは、発電運転時に燃料処理器２１を加熱する燃焼器２２を備えている。この燃焼器２２は、例えば都市ガスと空気との混合ガスを燃焼して燃料処理器２１の改質触媒２１ａを実質的に加熱する。また、この燃料電池システムは、燃焼器２２に空気を供給する燃焼空気供給器８を備えている。さらに、この燃料電池システムは、温度検知器３１の出力電圧に基づき燃焼器２２への都市ガスの供給量を制御すると共に、燃焼器２２に供給する混合ガスの空燃比を適切に確保するよう燃焼空気供給器２８におけるモータ回転数を制御する制御器２７を備えている。

この従来の燃料電池システムでは、発電運転の際、燃料処理器２１は、例えば都市ガスと水とが供給されて、改質触媒で進行する水蒸気改質反応により、水素を主成分とし一酸化炭素を副成分として含む水素含有ガスを生成する。この際、燃料処理器２１の改質触媒２１ａは、燃焼器２２により、水蒸気改質反応の進行に適した温度に加熱される。温度検知器２１の出力電圧に基づき制御器２７により供給量が制御された都市ガスと、燃焼空気供給器２８から供給され、かつ制御器２７により空燃比を適切に確保するよう供給量が制御された空気との混合ガスを燃焼して、燃料処理器２１の改質触媒を燃焼加熱する。制御器２７は、燃焼器２２へ供給する混合ガスの空燃比を適切に確保するために、都市ガスの供給量と燃焼空気供給器２８におけるモータの適切な回転数（つまり、空気の適切な供給量）との予め設定される対応関係に基づき、都市ガスの供給量に応じて燃焼空気供給器２８におけるモータ回転数を適切に制御する。尚、燃焼器２２での混合ガスの燃焼により発生する水、及び二酸化炭素を含む排気ガスは、燃焼器２２から燃料電池システムの外部へ排出される。

ところで、可燃ガス経路において外部へのガス漏れが生じた場合には、安全のために運転を停止させたり、メンテナンスが速やかにできる様に漏れ箇所を特定するなどの必要がある。

このため、従来より電磁弁によって各経路を区分けし、区分けされた経路に圧力を加えたあと閉空間にして圧力計によって圧力低下を検知するなどの方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、筐体内に水素等の可燃ガスが漏洩すると、引火等の危険性があるため筐体内部に水素検知器を設け、燃料電池システムの運転時に、換気ファンを動作させながら、燃料ガス中に含まれる水素ガスの漏洩を監視することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２０１８２２号公報特開２００６−６６３２６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の燃料電池システムでは、起動処理における燃焼器の着火動作前や停止処理における燃焼器の燃焼停止後には、実施できるが、燃料電池システム内に原料ガスや燃料ガス等の可燃ガスを通流させる必要がある、燃料電池システムの発電中においては、上記特許文献１記載の燃料電池システムの方法で可燃ガス経路からのガス漏れを検知することができない。

また、特許文献２記載の方法では、燃料電池システムの運転中において可燃ガス経路から微少なガス漏れがあった場合、換気ファンを動作により生じるガス流れにより希釈された状態で水素検知器に供給され、通常、上記微少な可燃ガス漏洩を検知することは困難である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、発電中においても可燃ガス経路からの可燃ガスの漏れの検知を可能にすることで、安全に動作させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、原料ガスを用いて水素を含む燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器と、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記改質器に熱を供給するための燃焼器と、前記改質器の温度を検知する温度検知器と、前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記温度検知器の検知温度が所定温度になるよう前記原料ガス供給器をフィードバック制御する制御器と、前記燃料電池の発電量に応じて定められる原料ガス流量目標値に対して、前記制御器による前記フィードバック制御で追加される原料ガス流量が所定の閾値以上である場合、異常の旨を報知する異常報知器とを備えることを特徴とする。

また、第２の本発明の燃料電池システムは、前記追加される原料ガス流量が所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池システムの運転を停止させる運転停止器を備えることを特徴とする。

また、第３の本発明の燃料電池システムは、前記原料ガス供給器より供給される前記原料ガスの流量を計測する原料ガス流量計測器と、前記燃料処理器及び前記燃料電池を含む可燃ガス経路上に設けられた複数の弁と、前記運転停止器により開始された停止処理において前記原料ガスが漏洩している区間を特定するガス漏洩区間特定器とを備え、前記ガス漏洩区間特定器は、前記複数の弁の開閉動作に伴う前記原料ガス流量計測器の検出値に基づき前記原料ガスが漏洩している区間を特定することを特徴とする。

また、第４の本発明の燃料電池システムは、前記所定の閾値を設定する閾値設定器を備え、前記ガス漏洩区間特定器により、前記原料ガスの漏洩区間が特定できなかった場合、前記閾値設定器は、前記所定の閾値を増加させることを特徴とする。

また、第５の本発明の燃料電池システムは、前記所定の閾値を設定する閾値設定器を備え、前記閾値設定器は、前記燃料電池の発電量に応じて前記所定の閾値を更新することを特徴とする。

また、第６の本発明の燃料電池システムは、前記所定の閾値の上限値は、前記燃料電池の燃料ガス利用率の上限値に基づき定められる。

また、第７の本発明の燃料電池システムは、所定の閾値の上限値は、前記燃料電池システム内の可燃ガス漏洩流量の上限値に基づき定められる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、発電中においても可燃ガスの漏れの検知が可能になり、安全に動作させることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成、及び、発電運転の際の基本的な動作について、図１を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。また、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムのハードウェアの構成は、従来の燃料電池システムのハードウェアの構成と同様である。即ち、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、発電部の本体としての燃料電池５と、燃料電池５に向けて水素を含む燃料ガスを供給する燃料処理器１と、燃料電池５に向けて発電用の酸化剤ガス（本実施の形態では、空気）を供給する酸化剤ガス供給器１２と、各構成要素の動作を制御する制御器７とを備えている。また、燃料電池５は単セルと呼ばれる平板状の燃料電池を積層したものである。積層するセル数が多いほど電圧を高くすることができるが、大型化したりコストが上がるため、通常は２０〜５０セルを積層される。

また、燃料電池５の前後の燃料ガス経路に、燃料処理器１より送出されたガスの流入先を燃料電池５に供給するか、又は燃料電池５をバイパスするバイパス経路１４かを切り替えるための切替器としての第１弁１３ａ及び第２弁１３ｂを備えており発電時には燃料電池５に燃料ガスを流通させ、燃料電池５の発電時以外にはバイパス流路１４にガスを流通させる様にしている。

一方、燃料処理器１は、図１に示すように、水蒸気改質反応を進行させる改質触媒１ａを備えている。又、この燃料処理器１は、改質触媒１ａの温度、又は、改質触媒１ａの近傍に設けられ、改質器の温度を検出する本発明の温度検出器の一例である温度検知器１１を備えている。この温度検知器１１としては、例えば、Ｋ型熱電対が用いられる。又、この燃料処理器１は、燃料電池５の発電運転時等において燃料処理器１の改質触媒１ａを加熱するための燃焼器２を備えている。この燃焼器２は、図１に図示しないが、燃焼器２に供給される燃料電池５のオフ燃料ガスと燃焼空気との混合ガスを燃焼して燃料処理器１の改質触媒１ａを実質的に加熱するバーナを備えている。

制御器７は、マイコン等の演算装置で構成され、ＣＰＵ等からなる演算部（図示せず）と、内部メモリ等からなる記憶部（図示せず）とを有している。

かかる燃料電池システムでは、燃料電池５の発電運転の際、燃料処理器１は、例えば、都市ガスが原料ガス経路３により所定の流量で供給されると共に、改質触媒１ａに有害な硫黄や塩素等の化合物を除去した水が水供給経路４より所定の流量で供給されて、改質触媒１ａで進行する水蒸気改質反応により、水素を主成分として二酸化炭素を副成分として含む燃料ガスを生成する。この際、燃料処理器１の改質触媒１ａは、燃焼器２のバーナの燃焼により、改質反応の進行に適した温度に加熱される。制御器７は、温度検知器１１の検知温度が改質反応に適した所定の目標温度になるように原料ガス供給器９の操作量を制御するとともに、燃焼器２に供給されたオフ燃料ガスが完全燃焼するよう燃焼空気供給器８の操作量を制御して、適切な空燃比を確保している。また、制御器７は、適切な空燃比を確保するために、原料ガスの供給量と温度検知器１１の検出温度から推定される転化率から算定される燃料処理器１で生成される燃料ガス量と電流検知器１５で検知される電流量より推定される燃料電池５での水素消費量から燃焼器２に供給されるオフ燃料ガス中の可燃ガス量（未消費水素量＋未転化原料ガス量）を推定し、この推定可燃ガス量に基づき燃焼器で完全燃焼が行われるための最適な空気比が確保できるよう燃焼空気供給器８の操作量を制御している。例えば、燃焼空気供給器８が送風モータである場合、上記推定可燃ガス量に対して上記空気比を満たすようその回転数を適切に制御する。

次に、本実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作について、図１を参照しながら詳細に説明する。

燃料電池５で発電に用いた水素量に対して燃料処理器１から供給される水素量の比率は燃料利用率として定義される。燃料電池５の性能によって最適な燃料利用率は異なるが、通常６５〜８５％程度の燃料利用率で運転する。燃料利用率を低くすると無駄に水素を作ることになり、燃料電池システムの効率が低下し、燃料利用率を高くすると燃料電池５における各セルへの水素分配が悪くなり、電圧が低下したり、燃料電池５の電極触媒の劣化を招くことになる。燃料処理器１から燃料電池５へ供給される水素量は原料ガス経路３から供給される原料ガス流量と改質触媒１ａで原料ガスを水素に変換する割合である転化率から計算される。また、転化率は反応温度とスチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃ）に依存する平衡反応であるため、一定のＳ／Ｃで動作させた場合には温度検知器１１で検知される改質触媒１ａの温度に対応する。また、燃料電池５で消費した水素量は、電流検知器１５によって計測される燃料電池５の出力電流値から計算される。

燃料電池５の発電時には、燃料電池５の目標発電量と燃料ガスの目標利用率（例えば、７５％）から算出される必要水素量と温度検知器１１から求められる転化率から原料流量目標値が決定される。そして、上記原料流量目標値になるよう原料ガス流量計測器１６の検出値に基づき制御器７が原料ガス供給器９の操作量を制御する。その後、温度検知器１１で検知される改質触媒１ａの温度が所定の目標温度（例えば、６５０℃）となるように原料ガス供給器９によってフィードバック制御する。ここで、温度検知器１１の検出温度を目標温度にするためのフィードバック制御において原料ガス流量が追加された場合、この原料流量目標値に対する追加分の原料流量値を追加原料流量値として定義する。通常、追加原料流量値は燃料電池の発電量の上昇や下降に応じて、増加または減少するが、例えば１ｋＷの発電時に原料ガスの目標流量が４（ＮＬ／ｍｉｎ）程度となるシステムの場合、通常、追加原料流量値が毎分０．１〜０．５（ＮＬ／ｍｉｎ）（０℃換算流量）程度の値となる。

ところで、燃料電池５の発電時に燃料処理器１や燃料電池５を含む可燃ガス経路において、配管接続部や燃料電池５の微少クラック等から可燃ガス漏れが生じた場合には、温度検知器１１の検知温度を所定の目標温度に維持するには追加原料流量値が増加することになる。したがって、制御器７に内蔵された閾値設定器（図示せず）により、追加原料流量値の限界値として所定の閾値（以下、追加原料流量限界値）を設定し、異常検知器１９は、原料ガス流量計測器１６の計測値をモニタし、この計測値から求められる追加原料流量値が上記追加原料流量限界値以上になった場合、異常検知器１９は、記可燃ガス漏洩異常として検知するとともに、異常信号を異常報知器２０及び制御器７に出力するよう構成されている。そして、異常信号の入力を受けた異常報知器２０は、可燃ガス漏洩異常の旨を外部に報知し、また、制御器７は運転停止指令を出力し、燃料電池システムの運転を停止させる。

なお、上記追加原料流量限界値は、燃料電池システムの特性に合わせて決定すれば良いが、上述のように燃料電池５の発電量の増減に応じて通常必要となる追加原料流量限界値も増減するため、燃料電池５の目標発電量に応じて閾値設置器により追加原料流量限界値を更新することが好ましい。

また、追加原料流量限界値の上限値としては、燃料電池５の発電時における目標の燃料利用率から計算される水素量を作るのに必要な原料ガス流量（原料流量目標値）に対して、燃料電池５の劣化が進行しやすくなる燃料利用率（例えば、８５％）となる燃料利用率から計算される原料ガス流量との差を設定することが好ましい。これにより、燃料電池５の劣化が進行する前に可燃ガス漏洩の検知が可能になる。

また、追加原料流量限界値の上限値として、燃料電池システムにおいて許容される可燃ガス漏洩流量の上限値に基づき定められることが好ましい。ここで、可燃ガス漏洩流量の上限値とは、燃料電池システムの筐体内部でガス漏れが起きた場合に換気器の換気動作により燃焼下限界未満に希釈可能な可燃ガス漏洩流量の上限値を指す。従って、追加原料流量限界値の上限値を、通常必要となる追加原料流量値に対して更に上記可燃ガス漏洩流量の上限値を加えて値にすれば、漏洩した可燃ガスが可燃範囲で筐体外に排出されてしまうという危険な状態になる前に可燃ガス漏洩を検知することが可能となり、安全性上より好ましい。

また、制御器７が、異常検知器１９の異常信号を受けて運転停止指令を出力し、停止処理に移行した場合、燃料電池５での発電を停止させると同時に、燃料処理器１への原料ガス供給を停止させることが好ましい。

また、燃料電池システムの停止処理の最終工程として、可燃ガス経路上の設けられた上記第１弁１３ａ、第２弁１３ｂの開閉制御により、ガス漏洩が発生している区間を特定する動作を行う。具体的には、原料ガスが都市ガスである場合、原料ガス供給器９を動作させないで、原料ガス供給器９の上流に設けられた、原料ガス遮断弁（図示せず）を開いて、都市ガス圧（通常、約２ｋＰａ）を加え、第１弁１３ａ、第２弁１３ｂを開閉することで各区分けされた可燃ガス経路からのガス漏れを原料ガス流量計１６で計測される原料ガス流量の値に基づき制御器７に内蔵されるガス漏洩区間特定器（図示せず）が検知するよう構成されている。例えば、第１弁１３ａを閉じた状態で原料ガス遮断弁が開放している場合、燃料処理器１から第１弁１３ａまでの第１区間において都市ガス圧が加わる状態になり、この状態において原料ガス流量計測器１６の計測値が所定の閾値以上（例えば、毎分０．１（ＮＬ／ｍｉｎ））であった場合に、ガス漏れが生じている区間として特定することが可能になる。また、上記第１区間において原料ガス流量計測器１６の計測値からガス漏れが検知されなかった場合には、第１弁１３ａを開放して、第２弁１３ｂを閉じて燃料処理器１から第２弁１３ｂまでの区間に都市ガス圧がかかり、ここで原料ガス流量計測器１６の計測値が所定の閾値以上になった場合には、第１弁１３ａと第２弁１３ｂとで区切られる第２区間にガス漏れが発生していると特定される。上記制御により可燃ガス経路におけるガス漏れ箇所が特定され、メンテナンスを行うときに速やかに対応することが可能となる。

また、上記停止処理における可燃ガス漏洩箇所の特定動作で可燃ガス漏洩箇所が特定できなかった場合には、可燃ガス経路からのガス漏れがないものとして、閾値設定器は、次の燃料電池システムの運転が開始されるまでの間に、追加原料流量限界値に所定の数値（例えば、毎分０．１（ＮＬ／ｍｉｎ））を加えた追加原料流量限界値に更新させることが好ましい。これは、可燃ガス経路からの可燃ガス漏れでないにも拘わらず次の運手時にも同様に異常停止することを避けるためである。なお、可燃ガス経路からの可燃ガス漏れでないにも拘わらず、追加原料流量限界値を超えてしまう要因としては、例えば、長期間燃料電池システムを運転した場合の燃料電池５の劣化により、クロスリークと呼ばれる燃料電池の電極膜を介してアノードからカソードへのガス漏れが少しずつ増加する。この場合にはガス漏れではないため、漏れ箇所特定動作では漏れが検知されないとともに、運転には問題ない。このように、機器の経年劣化等により追加原料流量限界値を超えるような場合があっても、追加原料流量限界値を増加させることで燃料電池システムの運転を継続することが可能になる。

本発明に係る燃料電池システムは、発電中においても可燃ガスの漏れを検知し、安全に動作させることが可能になるので家庭用燃料電池システム等として、有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図

符号の説明

１燃料処理器
１ａ改質触媒
２燃焼器
３原料ガス経路
４水供給経路
５燃料電池
７制御器
８燃焼空気供給器
９原料ガス供給器
１１温度検知器
１２酸化剤ガス供給器
１３ａ第１弁
１３ｂ第２弁
１４バイパス流路
１５電流検知器
１６原料ガス流量計測器
１７水供給器
１９異常検知器
２０異常報知器
２１燃料処理器
２２燃焼器
２３原料ガス供給器
２４水供給経路
２５燃料電池
２７制御器
２８燃焼空気供給器
２９原料ガス供給器
３１温度検知器
３２酸化剤ガス供給器
３３ａ第１弁
３３ｂ第２弁
３４バイパス流路
３５電流検知器
３６原料ガス流量計測器
３７水供給器

Claims

原料ガスを用いて水素を含む燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器と、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料処理器を通過したガスを燃焼し、前記改質器に熱を供給するための燃焼器と、
前記改質器の温度を検知する温度検知器と、
前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
前記温度検知器の検知温度が所定温度になるよう前記原料ガス供給器をフィードバック制御する制御器と、
前記燃料電池の発電量に応じて定められる原料ガス流量目標値に対して、前記制御器による前記フィードバック制御で追加される原料ガス流量が所定の閾値以上である場合、異常の旨を報知する異常報知器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記追加される原料ガス流量が所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池システムの運転を停止させる運転停止器を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記原料ガス供給器より供給される前記原料ガスの流量を計測する原料ガス流量計測器と、前記燃料処理器及び前記燃料電池を含む可燃ガス経路上に設けられた複数の弁と、前記運転停止器により開始された停止処理において前記原料ガスが漏洩している区間を特定するガス漏洩区間特定器とを備え、前記ガス漏洩区間特定器は、前記複数の弁の開閉動作に伴う前記原料ガス流量計測器の検出値に基づき前記原料ガスが漏洩している区間を特定することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
前記所定の閾値を設定する閾値設定器を備え、
前記ガス漏洩区間特定器により、前記原料ガスの漏洩区間が特定できなかった場合、前記閾値設定器は、前記所定の閾値を増加させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
前記所定の閾値を設定する閾値設定器を備え、前記閾値設定器は、前記燃料電池の発電量に応じて前記所定の閾値を更新することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記所定の閾値の上限値は、前記燃料電池の燃料ガス利用率の上限値に基づき定められる請求項１〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。
所定の閾値の上限値は、前記燃料電池システム内の可燃ガス漏洩流量の上限値に基づき定められる請求項１〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。