JP2010218790A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒燃焼式のＣＯ検知器は、燃焼排ガス中の可燃性ガス濃度の高い条件では、センサー部分で可燃性ガスも反応するので、誤検知する課題があった。
【解決手段】燃焼器７を有する水素生成装置１を具備する燃料電池発電システム１００で、燃料電池５からのアノードオフガス燃焼している状態以外では、ＣＯ検知器９への通電量を少なくし、ＣＯ検知器９における触媒での反応性を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置を備える燃料電池発電システムに関する。

従来から、高効率で小規模発電が可能な燃料電池発電システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するシステム構築が容易なので、高いエネルギー利用効率を実現する分散型の発電システムとして開発が進められている。燃料電池発電システムは、外部から燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応させて発電を行う。同時に、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯えて、回収熱を有効利用するシステムである。

一般的に、発電時に用いられる水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備がされていないので、燃料電池発電システムに水素生成装置が併設される。水素生成装置は、例えば都市ガス、ＬＰＧ等の既存のインフラから得られる原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質器を備える。なお、水は、改質器と一体、もしくは別に設置される水蒸発部で蒸発させることで、水蒸気として原料と反応させている。水素含有ガスに含まれる一酸化炭素は、変成器及び選択酸化器で低減させて、燃料電池に供給される。燃料電池では、供給された水素含有ガスの大部分は消費されるが、残った水素含有ガス（アノードオフガス、またはオフガスともいう）は、水素生成装置の改質器を加熱するため（改質反応に利用するため）、水素生成装置に設けられた燃焼器に供給される。

この燃焼器の燃焼安定性を確認するために、通常、燃焼検知器とＣＯ（一酸化炭素）検知器が用いられる。燃焼検知は、一般的な燃焼器で用いられるフレームロッドや熱電対を用いて火炎の有無を検知し、ＣＯ検知器には、触媒燃焼式のものが用いられ、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検知する。その一例として、燃焼検知器とＣＯ検知器を用いて、燃焼不良状態を正確に判定し、的確に加熱バーナを停止する水素生成器が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２１３５６５号公報

しかしながら、触媒燃焼を用いたＣＯ検知器は、ＣＯ（一酸化炭素）以外の可燃ガスにも反応し、着火前に水素生成装置内を原料でパージする場合にも、パージガスなどをＣＯと誤検知して、異常と判断する、可燃ガスの反応によりＣＯ検知器の出力がずれてしまう等の課題があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、燃焼器で燃焼させていない時に、ＣＯ検知器への通電量を少なくし、ＣＯ検知器の触媒の反応性を低下させることで、誤検知の少ない、燃焼不良状態を正確に把握できる燃料電池発電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、本発明に係る燃料電池発電システムは、原料と水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成させる改質器を備える水素生成装置と、原料を水素生成装置に供給する原料供給部と、水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池より排出される水素含有ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する、触媒燃焼式のＣＯ検知器と、燃焼器の燃焼状態を検知する燃焼検知器と、制御部と、を備え、制御部は、燃焼検知器で少なくとも燃焼を検知せず、ＣＯ検知器に水素含有ガスもしくは原料が供給される場合、ＣＯ検知器への通電量を、燃焼検知器で燃焼を検知している場合より低下させる構成とする。

本発明によれば、ＣＯ検知器を検知に適正な動作条件にすることができるので、燃焼器における燃焼状態を、誤検知が少なく、燃焼不良状態を正確に把握できる燃料電池発電システムを提供することが可能になる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００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に係る燃料電池発電システム１００の構成を模式的に示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００は、発電部の本体としての燃料電池５と、燃料電池５へ供給するための水素含有ガスを生成する水素生成装置１を備えている。この水素生成装置１は、水蒸気改質反応を進行させる改質触媒を備えている（詳細は、図示せず）。また、この水素生成装置１は、発電運転時等において、水素生成装置１の改質触媒を加熱するための燃焼器７を備えている。この燃焼器７は、図１では図示しないが、例えば、原料（都市ガス）や、燃料電池５で発電に使われなかった水素含有ガス等を燃焼させて、水素生成装置１の改質触媒を加熱するバーナを備えている。また、燃焼器７は燃焼検知器としてフレームロッド８を備える。更に、図１に示すように、水素生成装置１に原料を供給するブースタポンプ２と、原料と反応させて水素含有ガスを発生させるための水を供給する水供給ポンプ４を備える。また、燃焼器７に燃焼用空気を供給し、かつその供給量を制御する燃焼空気供給器１０を備えている。また、この水素生成装置１は、改質触媒の温度、または、改質触媒の近傍における温度を検出する、改質温度検知器となる改質熱電対１１を備えている。この改質熱電対１１としては、例えば、Ｋ型熱電対が用いられる。また、燃焼器７の排気ガスを排出する燃焼排ガス出口１５と燃焼器７の間には、ＣＯ検知器９が設置されている。また、燃料電池５に向けて発電用の酸素含有ガス（本実施例では空気）を供給するカソード空気供給ポンプ６と、各構成要素の動作を制御する制御部となる制御マイコン１２とを備えている。制御マイコン１２は、マイコン等の演算装置で構成され、ＣＰＵ等からなる演算部と、内部メモリ等からなる記憶部とを有している。

なお、ＣＯ検知器９は、給湯器等でも一般的用いられる触媒燃焼式の検知器であり、センサー部分での触媒に一酸化炭素が接触し、発熱する温度上昇を抵抗の変化等で検知することで、一酸化炭素を検知する構成となっている。なお、ＣＯ検知器９に通電することで、ＣＯ検知器９内部の触媒素子（図示せず）も加熱される。通常２００〜３００℃に触媒素子は昇温され、接触するＣＯが反応するような温度に設定されている。

なお、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の構成は、従来の燃料電池発電システムの構成とほぼ同様の構成となっており、他の同様構成の詳細な説明は、省略する。

次に、燃料電池発電システム１００の運転動作について、説明する。燃料電池発電システム１００では、発電運転の際、水素生成装置１に、原料（例えば都市ガス）が、所定の流量で供給される。又、改質反応に必要な水が、水供給ポンプ４より所定の流量で供給される。改質触媒で進行する原料と水（水蒸気）との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水素含有ガスを生成する。通常、発電中は、原料中の炭素原子に対して２．５〜３倍程度の水が、水供給ポンプ４から水素生成装置１に供給（Ｓ／Ｃ＝３）されている。この際、水素生成装置１の改質触媒は、燃焼器７のバーナの燃焼熱により、水蒸気改質反応の進行に適した約６００℃〜７００℃に加熱される。そして、水素生成装置１が生成した水素含有ガスは、燃料電池５に供給される。燃料電池５は、水素含有ガス及び酸化剤ガスが供給されると、その供給される水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う。なお、発電に伴い燃料電池５から排出される発電に用いられなかった水素やメタンを含むオフガスは、燃焼器７のバーナに供給され、燃料として用いられる。この時、燃焼排ガス出口１５と燃焼器７の間に設置されたＣＯ検知器９は、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を検知する。制御マイコン１２で、ＣＯ検知器９で高いＣＯ濃度をであることを認識すると、燃焼空気供給器１０の出力を上げて燃焼空気流量を増加させる、燃料電池発電システム１００の運転を停止させるなどの動作をさせる。

次に、燃料電池発電システム１００の停止動作について、説明する。燃料電池発電システム１００の発電を停止させる際には、原料封止弁１４を閉止するとともに、ブースタポンプ２と水供給ポンプ４を停止し、原料と水の供給を停止させる。発電停止後、時間の経過に伴い、水素生成装置１内部の温度は低下する。そして、１００℃以下になると水が凝縮する恐れがあるので、原料（原料ガス、水蒸気）等で水素生成装置１の内部の水素含有ガスをパージして原料に置換する。パージして排出されるガスは、最初は水素を含む水素含有ガス、最後は原料となり、燃焼器７で燃焼させて排出するか、燃焼空気供給器１０で燃焼空気を供給し、可燃範囲外まで希釈して排出する。

この水素生成装置１のパージ動作で、水素生成装置１の内部の可燃ガスを含むガスを燃焼器７に排気した場合、可燃ガスがＣＯ検知器９に供給される。その結果、ＣＯを含まないガスであるにもかかわらず、ＣＯ検知器９で誤検知する課題があった。これは、触媒燃焼式のＣＯ検知器９では、触媒に反応する可燃ガスであれば、ＣＯ同様にセンサー部分（触媒）で反応が進行するからである。具体的には、水素生成装置１に供給される原料として用いられるガスである都市ガス、プロパン、ＬＰＧ、水素含有ガス中の水素等でも、ＣＯ同様にセンサー部分（触媒）で反応が進行し、ＣＯ検知器から信号が発せられることになるからである。また、安全性の観点から、ＣＯ検知器９で検知するＣＯ濃度は数百ｐｐｍのレベルに設定する必要がある。ただ、ＣＯ検知器９に供給される可燃性ガスの濃度が高く、センサー部分の温度上昇が大きくなると、ＣＯ検知器９の設定条件がずれ、次回以降の運転で、ＣＯ濃度を正確に検知できなくなる場合もある。

そこで、本実施の形態１に示す発明では、制御マイコン１２で、フレームロッド８で少なくとも燃焼を検知せず、水素生成装置１のパージによりＣＯ検知器９に水素含有ガスもしくは原料（可燃性ガス）が供給される場合、ＣＯ検知器９への通電量を、フレームロッド９で燃焼を検知している場合より低下させる動作を行う。ＣＯ検知器９への通電量を低下させることで、ＣＯ検知器９の触媒素子の温度が低下し、可燃ガスの反応性が低下し、ＣＯ検知器９の検知出力が低下する。その結果、可燃性ガス濃度が増加することが明らかな、水素生成装置１のパージ時におけるＣＯ検知器９の誤検知を、未然に防止できる。なお、フレームロッド９で燃焼していないことを検知した場合、通電量の低下割合は、他の可燃ガスが反応しない通電量にすればよく、通常運転時の半分から４分の１程度でも良く、ＣＯ検知器の通電を停止させても良い。

なお、本実施の形態１に示す発明では、最も燃焼排ガス出口１５に可燃ガスが排出されやすい、水素生成装置１のパージ時について説明したが、他の燃焼器７で燃焼が検出されず、ＣＯ検知器９に水素含有ガスもしくは原料（可燃性ガス）が供給される場合、例えば、燃焼器７の着火時、燃焼器７における突然の消火時にも、ＣＯ検知器９の通電量を低下または通電を停止させることで、ＣＯ検知器の誤検知を防止することができる。

なお、運転を再開する等で、通電開始後にＣＯ検知器９が安定するまでに時間が必要な場合には、早めにＣＯ検知器９への通電を開始することが好ましい。燃料電池発電システムが着火動作に入る前に、ＣＯ検知器９への通電を開始することにより、燃焼時のＣＯ濃度を正確に検知することができる。

（実施の形態２）
次に発明の第２の実施の形態について述べる。本実施の形態は、図２に示す様に、ＣＯ検知器９の近傍にＣＯ検知器ヒータ１６を設置してあること以外は、実施の形態１の燃料電池発電システムとほぼ同一の構成となる。従って、実施の形態１と異なる点を中心に、本実施の形態２を説明する。

燃料電池発電システムでは、通常、ＣＯ検知器９に通電させている間は、ＣＯ検知器９の温度が上昇するため、ＣＯ検知器９への結露が抑制される。しかし、ＣＯ検知器９の通電量を低下させた場合には、センサー部分の温度が低下して、排ガス中の水蒸気が結露する場合がある。ＣＯ検知器９のセンサー部分（触媒素子部分）に水滴が接触すると、センサー部分が急冷され、ＣＯ検知器９の出力が変化して、誤検知する等の原因となる。

そこで、本実施の形態２の燃料電池発電システム２００では、ＣＯ検知器９の近傍にＣＯ検知器ヒータ１６を設置する。そして、制御マイコン１２で、ＣＯ検知器９への通電量を低下させている少なくとも一部の期間で、ＣＯ検知器ヒータ１６の通電量を増加させる構成となっている。ＣＯ検知器ヒータ１６に通電することにより、センサー部分の温度が維持できるので、ＣＯ検知器９の誤検知を防ぐと同時に、結露も抑制することが出来る。

なお、水素生成装置１から排出される燃焼排ガスによるＣＯ検知器９への結露は、燃焼器９で着火した後が最も発生しやすい場合が多いため、着火の少し前にＣＯ検知器ヒータ１６に通電することが好ましい。

本発明は、燃焼器と、燃焼器の燃焼状態をモニタする触媒燃焼式のＣＯ検知器を備える、水素生成装置を具備した家庭用燃料電池発電システムに有用である。

実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成図

１ 水素生成装置
２ ブースタポンプ
３ 原料流量計
４ 水供給ポンプ
５ 燃料電池
６ カソード空気供給ポンプ
７ 燃焼器
８ フレームロッド
９ ＣＯ検知器
１０ 燃焼空気供給器
１１ 改質熱電対
１２ 制御マイコン
１３ 封止弁
１４ 原料封止弁
１５ 燃焼排ガス出口
１６ ＣＯ検知器ヒータ

Claims (5)

1. 原料と水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成させる改質器を備える水素生成装置と、
   前記原料を前記水素生成装置に供給する原料供給部と、
   前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池より排出される水素含有ガスを燃焼させ、前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する、触媒燃焼式のＣＯ検知器と、
   前記燃焼器の燃焼状態を検知する燃焼検知器と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃焼検知器で少なくとも燃焼を検知せず、前記ＣＯ検知器に前記水素含有ガスもしくは前記原料が供給される場合、
   前記ＣＯ検知器への通電量を、前記燃焼検知器で燃焼を検知している場合より低下させる燃料電池発電システム。
2. 前記制御部は、
   前記燃焼検知器が燃焼していないことを検知した場合、
   前記ＣＯ検知器への通電を停止させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御部は、
   前記燃焼器の着火動作に入る前、
   前記ＣＯ検知器への通電を開始する請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 前記制御部は、
   装置停止時に、
   前記原料供給部を動作させ、前記水素生成装置を少なくとも原料で置換し、
   前記置換した原料により前記水素生成装置から押し出されるガスを、前記燃焼器に供給して、前記燃焼検知器が燃焼していないことを検知した場合、
   前記ＣＯ検知器への通電量を低下させる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
5. 前記ＣＯ検知器の近傍に、ＣＯ検知器ヒータを設置し、
   前記制御部は、
   前記ＣＯ検知器のへの通電量を低下させている少なくとも一部の期間で、
   前記ＣＯ検知器ヒータの通電量を増加させる請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。

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