JP2011100628A

JP2011100628A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2011100628A
Application number: JP2009254674A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hatano; 進波多野; Kohei Yamaguchi; 耕平山口; Shigeki Yasuda; 繁樹保田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】燃料電池装置の設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置から発生する騒音を低減する。
【解決手段】燃料電池装置１は、選択酸化反応器１５に接続された選択酸化空気配管３ｂと燃料電池６のカソード極６ｃに接続されたカソード空気配管３ｃとに途中で分岐する空気配管３ａと、排気側に空気配管３ａが接続され空気配管３ａと選択酸化空気配管３ｂとを介して選択酸化反応器１５に空気を供給すると共に空気配管３ａとカソード空気配管３ｃとを介して燃料電池６のカソード極６ｃに空気を供給する空気供給装置４と、選択酸化空気配管３ｂを流れる空気の流量を調整する空気流量調整手段９と、カソード空気配管３ｃに設けられ空気供給装置４からの吐出脈動騒音を抑制する騒音抑制手段１０としての小径部１０ａとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を主成分とする燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する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や特許文献２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器と、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、この燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、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、改質器に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解質膜を加湿するために、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。

また、上記基本的な構成において、低価格の燃料電池装置を提供するために空気供給装置については、燃料電池のカソード極に空気を供給し、かつ燃料電池のアノード極の上流に構成され一酸化炭素を空気と選択的に反応させてこれを除去する選択酸化反応器への空気の供給を、一つの空気供給装置で行うように構成されている。

図３に示すように、従来の燃料電池装置は、アノード極６ａ、カソード極６ｃおよび冷却板６ｗからなる燃料電池６と、燃料電池６のアノード極６ａに供給する燃料ガス１１の経路と、燃料電池６のカソード極６ｃに供給する空気２の経路を有する。

まず、空気２の経路については、空気供給装置４によって流量調整された空気２が空気配管３ａに導入され、空気配管３ａから選択酸化空気配管３ｂとカソード空気配管３ｃに分配され、カソード空気配管３ｃのカソード制御弁５を通ってカソード極６ｃに導入される。

また、選択酸化空気配管３ｂとカソード空気配管３ｃの空気の流量は、空気供給装置４と空気流量調整手段９により調節される。

次に、燃料ガス１１の経路については、燃料供給装置１２によって流量調整された天然ガスやＬＰＧなどの原料ガス（燃料ガス）１１を改質器１３に導入し、この改質器１３の改質反応によって得られた改質ガス（燃料ガス）１１を変成器１４に導入し、変成器１４で水素リッチガスとなった還元剤（燃料ガス）１１を選択酸化反応器１５に導入し、熱交換器１６により排熱を回収できるようにしている。

ここで、選択酸化反応器１５は、一酸化炭素を選択的に反応させ、一酸化炭素を除去するもので、燃料電池６の触媒が一酸化炭素により被毒されて性能が低下することを防止している。また、選択酸化反応器１５から出た還元剤（燃料ガス）１１は、熱交換器１６を介して燃料電池６のアノード極６ａに導入される。

これにより、燃料電池６で還元剤（燃料ガス）１１と空気２（正確には、空気２中の酸素）との電気化学反応により電気エネルギーが発生し発電が行われる。この場合、還元剤（燃料ガス）１１と空気２のそれぞれの量は、発電負荷や電池電流に応じた適切な量となるように調整される。

また、燃料電池６（カソード極６ｃ）に導入された空気２のうち発電反応に寄与しなかった残りは、水分を回収して再利用される。また、コジェネレーション型の燃料電池システムでは、燃料電池６での発生熱を冷却板６ｃによって回収し、排熱回収配管７に設けられた熱交換器８より排熱として取り出し回収し利用するようにしている。

特開２００８−８４５６４号公報特開２００２−３６７６４３号公報

このような燃料電池装置を家庭用の発電機として使用する場合、燃料電池装置は大きな設置スペースが必要となるため、屋外に設置されることが一般的であり、また家庭で使用する電力の一部若しくは全部を賄うため、終日運転することが普通である。

また、近年、燃料電池装置の低コスト化のために、一つの空気供給装置を用いて燃料電池への酸化剤（空気）供給と一酸化炭素を含んだアノードガスへの選択酸化空気供給をするため、空気供給装置にかかる負荷は増加傾向にあり、燃料電池装置の運転時に大きな騒音が発生する原因の一つとなっているが、この騒音は使用者のみに止まらず、近隣住民にも不快感を与えることもある。

したがって、終日にわたってであるが、特に夜間においては、使用者や近隣住民に与える不快感を一掃するために燃料電池装置の低騒音化が不可欠となっている。

燃料電池装置から発生する騒音の多くは、燃料電池装置の構成機器である空気供給装置に起因し、排気音や、運転時に発生する脈動・振動が配管や外郭などへ伝播することにより、燃料電池装置から大きな騒音が発生する。そのため、燃料電池装置の騒音源である空気供給装置の騒音を抑えることが必要である。

この課題を解決する方法として、空気供給装置と燃料電池などの空気供給先の機器とを接続する配管の直径を太くすることにより、圧力損失を低減し、空気供給装置を構成するモータの出力を下げる方法が有る。このようにすれば、モータの出力が下がるため、空気供給装置の脈動・振動を低減することができ、したがって、空気供給装置に接続された配管や、燃料電池装置の外郭に伝播する脈動・振動を低減することができると同時に、空気を排気するときの流量が低減されるため、排気音を低減することができる。

しかし、上記方法では、空気供給装置と空気供給先の機器とを接続する配管を太くすることにより、ユニットが大型化するという問題がある。そのため、より多くの設置スペースが必要となり、家庭用として使用する場合では、設置スペースが確保できないなどの弊害が発生することとなる。また、モータの出力を下げることにより、空気供給装置の空気供給量が減少するため、燃料電池装置の発電出力の低下や発電効率の低下を招来するという問題がある。

そこで本発明は上記課題点に鑑み、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、空気供給装置の排出部で発生する騒音を遮音・低減することが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池装置は、選択酸化反応器に接続された選択酸化空気配管と燃料電池に接続されたカソード空気配管とに途中で分岐する空気配管と、排気側に前記空気配管が接続され前記空気配管と前記選択酸化空気配管とを介して前記選択酸化反応器に空気を供給すると共に前記空気配管と前記カソード空気配管とを介して前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、前記選択酸化空気配管を流れる空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記カソード空気配管に設けられ前記空気供給装置からの吐出脈動騒音を抑制する騒音抑制手段とを備えたのである。

これにより、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、空気供給装置の排出部で発生する騒音を遮音・低減することができる。

本発明の燃料電池装置によれば、簡単な構成でありながら、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減し、さらに空気流量調整手段の弁開度は、騒音抑制手段の圧力損失の影響を受けないので、空気供給装置の電力消費を抑制して所定の選択酸化空気流量を流すことが可能になる。

本発明の実施の形態１における燃料電池装置の構成を示すブロック図本発明の燃料電池装置の実施例における騒音測定結果を示す特性図従来例の燃料電池装置の構成を示すブロック図

第１の発明は、改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、変性触媒を用いて前記改質器で生成された前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する変成器と、前記変成器で一酸化炭素濃度が低減された前記改質ガスに空気を混合し選択酸化触媒を用いてさらに一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成する選択酸化反応器と、前記選択酸化反応器で生成された前記燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記選択酸化反応器に接続された選択酸化空気配管と前記燃料電池に接続されたカソード空気配管とに途中で分岐する空気配管と、排気側に前記空気配管が接続され前記空気配管と前記選択酸化空気配管とを介して前記選択酸化反応器に空気を供給すると共に前記空気配管と前記カソード空気配管とを介して前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、前記選択酸化空気配管を流れる空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記カソード空気配管に設けられ前記空気供給装置からの吐出脈動騒音を抑制する騒音抑制手段とを備えた燃料電池装置である。

かかる構成とすることにより、本発明の燃料電池装置は、簡単な構成でありながら、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減し、さらに空気流量調整手段の弁開度は、騒音抑制手段の圧力損失の影響を受けないので、空気供給装置の電力消費を抑制して所定の選択酸化空気流量を流すことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明に加えて、前記カソード空気配管のカソード空気の流量を検知するカソード流量計と、前記カソード流量計で検知した流量を基に前記カソード空気配管のカソード空気の流量を所定の流量に制御する制御手段とを備えた燃料電池装置である。

かかる構成とすることにより、本発明の燃料電池装置は、カソード空気流量の特に高流量側のバラツキを抑制できるので、カソード空気流量の増大による騒音の増大を抑制し、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音をより遮音・低減することができる。

以下、本発明の燃料電池装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように本実施の形態の燃料電池装置１は、アノード極６ａ、カソード極６ｃおよび冷却板６ｗからなる燃料電池６と、燃料電池６のアノード極６ａに供給する燃料ガス１１の経路と、燃料電池６のカソード極６ｃに供給する空気２の経路を有する。

まず、空気２の経路については、制御装置１７の指令により、空気供給装置４によって流量調整された空気２が空気配管３ａに導入され、空気配管３ａから選択酸化空気配管３ｂとカソード空気配管３ｃに分配され、カソード空気配管３ｃの燃料電池６の上流側に設けられた騒音抑制手段１０とカソード制御弁５を通ってカソード極６ｃに導入される。

また、制御装置１７は、空気流量調整手段９で検知した流量データとカソード流量計１８で検知した流量データを基に空気供給装置４と空気流量調整手段９を制御し、選択酸化反応器１５とカソード極６ｃに空気２を供給する。

次に、燃料ガス１１の経路については、制御装置１７の指令により、燃料供給装置１２によって流量調整された天然ガスやＬＰＧなどの原料ガス（燃料ガス）１１を改質器１３に導入し、この改質器１３の改質反応によって得られた改質ガス（燃料ガス）１１を変成器１４に導入し、変成器１４で水素リッチガスとなった還元剤（燃料ガス）１１を選択酸化反応器１５に導入し、熱交換器１６により排熱を回収できるようにしている。

次に、上記のように構成された本実施の形態の燃料電池装置１の動作について、図面を参照しながら説明する。

図１において、空気供給装置４は、たとえば回転翼を要するファンやポンプ等の送風機やダイヤフラム式電磁ポンプ等を設けることができるが、本実施の形態では空気供給装置４に電磁ポンプを用いている。電磁ポンプは、摺動部を持ち潤滑油を必要とする回転式ポンプと違い、排出空気が比較的清浄である。また、電磁ポンプは、その構造上、ダイヤフラムの往復運動で空気を排出するため、排出動作ごとに排出空気に脈動が発生し、ダイヤフラムの往復周波数に対応し、その構造上、空気供給装置４の脈動動作による騒音が発生するため、電源周波数を５０Ｈｚとした時、５０Ｈｚの倍数が音源周波数となり、空気供給装置４の脈動騒音が、低周波数域（たとえば１ＫＨｚ未満）の５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、・・・・・・１０００Ｈｚ程度の透過損失が小さい音域では、低周波数域の騒音抑制が大変重要な課題である。

空気供給装置４の動作において、少なくとも一つの周波数で共鳴すると、その周波数の騒音レベルが上昇するが、このときの騒音レベルは、流量が増大すると、さらに大きくなる。選択酸化空気配管３ｂの流量（０．２〜１ｃｃ／ｍｉｎ）に比べ、カソード空気配管３ｃの流量（４０ｃｃ／ｍｉｎ）は、かなり多く、空気供給装置４の騒音は、このカソード空気配管３ｃの騒音が支配的である。

よって、カソード空気配管３ｃに低周波数域の騒音を抑制する騒音抑制手段１０として、配管径を絞った構成の小径部１０ａを配設している。小径部１０ａはカソード空気配管３ｃより内径が小さく、配管の内径Ｄ３と長さＤｌの比がＤ３／Ｄｌ＝０．０１〜０．８となるように構成されている。

このとき、選択酸化反応器１５に所定の流量（０．２〜１ｃｃ／ｍｉｎ）を供給するときの空気流量調整手段９の弁の開度は、全開状態で１ｃｃ／ｍｉｎ以上が要求される。流量調整手段９の弁開度は、空気供給装置４の出力を一定にした時、以下のような圧力損失との関係がある。

すなわち、選択酸化反応器１５へ所定の空気流量を送るときの選択酸化反応器１５の入口圧力（Ｐ）は、小径部１０ａの圧力損失（ΔＰ１）、空気流量調整手段９の圧力損失（ΔＰ２）、空気供給装置４の吐出口圧力（Ｐ０）で決まり、次の（１）の関係がある。

Ｐ＝Ｐ０−ΔＰ２・・・（１）
また、小径部１０ａを空気配管３ａに取付けると、次の（２）の関係となる。

Ｐ＝Ｐ０−ΔＰ２−△Ｐ１・・・（２）
空気供給装置４の出力を一定にしたとき、（２）の選択酸化反応器１５の入口圧力（Ｐ）は、（１）よりも小さくなるので、選択酸化空気１５に導入される空気も少なくなる。つまり、空気供給装置４が同じ出力においては、空気流量調整手段９は、弁の開度が全開状態でも流量調整範囲は所定の流量を流すことができず、所定の流量を流すためには空気供給装置４の出力を（１）よりも増加する必要があり、電力消費が大きくなってしまうという問題が発生する。

よって、騒音抑制手段１０をカソード空気配管３ｃに配設することにより、空気流量調整手段９の弁開度は、小径部１０ａの圧力損失の影響を受けないので、空気供給装置４の電力消費を抑制して所定の選択酸化空気流量を流すことができる。

このように本実施の形態１に係る燃料電池装置１は、改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器１２と、変性触媒を用いて改質器１２で生成された改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する変成器１４と、変成器１４で一酸化炭素濃度が低減された改質ガスに空気を混合し選択酸化触媒を用いてさらに一酸化炭素濃度を低減した燃料ガス１１を生成する選択酸化反応器１５と、選択酸化反応器１５で生成された燃料ガス１１と空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池６と、選択酸化反応器１５に接続された選択酸化空気配管３ｂと燃料電池６のカソード極６ｃに接続されたカソード空気配管３ｃとに途中で分岐する空気配管３ａと、排気側に空気配管３ａが接続され空気配管３ａと選択酸化空気配管３ｂとを介して選択酸化反応器１５に空気を供給すると共に空気配管３ａとカソード空気配管３ｃとを介して燃料電池６のカソード極６ｃに空気を供給する空気供給装置４と、選択酸化空気配管３ｂを流れる空気の流量を調整する空気流量調整手段９と、カソード空気配管３ｃに設けられ空気供給装置４からの吐出脈動騒音を抑制する騒音抑制手段１０としての小径部１０ａとを備えている。

かかる構成とすることにより、本実施の形態の燃料電池装置１は、簡単な構成でありながら、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置１の外郭から漏出する騒音を遮音・低減し、さらに空気流量調整手段９の弁開度は、騒音抑制手段１０としての小径部１０ａの圧力損失の影響を受けないので、空気供給装置４の電力消費を抑制して所定の選択酸化空気流量を流すことができる。

さらに、カソード空気配管３ｃのカソード空気の流量を検知するカソード流量計１８をカソード空気配管３ｃに配設し、カソード流量計１８で検知した流量を基にカソード空気配管３ｃのカソード空気の流量を所定の流量に制御する制御手段１７を備えたことにより、カソード空気流量の特に高流量側のバラツキを抑制できるので、カソード空気配管３ｃのカソード空気流量の増大による騒音の増大を抑制し、燃料電池装置１の外郭から漏出する騒音をより遮音・低減することができる。

図１に示す構成の空気供給装置４を備える空気配管３ａ、選択酸化空気配管３ｂ、カソード空気配管３ｃを燃料電池装置１に組み込み、この燃料電池装置１を空気供給装置４のみを単独運転した場合の、騒音試験を行った。

このとき、測定対象である燃料電池装置１は防音室の中央に設置し、騒音値を測定するマイクロフォンは燃料電池発電装置１から１ｍ離れた位置に設置した。マイクロフォンは人間の可聴域特性を模擬したＡ特性フィルターをかけて使用した。

ここで、空気供給装置４としては、電源仕様５０Ｈｚの電磁ポンプを使用し、カソード空気配管３ｃの一部は、騒音抑制手段１０としてカソード空気配管３ｃより内径が小さく、配管の内径Ｄ３と長さＤｌの比が０．０５の関係となるような小径部１０ａとした。

ここで用いた空気供給装置４からの騒音測定は、その騒音が最大となる条件で行った。すなわち、空気流量が最大値となる騒音が最も大きくなる４０Ｌ／ｍｉｎ条件で運転させた。

また、小径部１０ａ（騒音抑制手段１０）を設けない以外は同一の条件とした場合についても、同様に騒音試験を行った。

騒音の測定結果を図２に示す。図２は小径部１０ａ（騒音抑制手段１０）を設けない場合と設けた場合の騒音の測定結果を１／３オクターブ周波数分析比較した結果である。

図２から、小径部１０ａ（騒音抑制手段１０）を設けない場合には、特に５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚの１ＫＨｚ未満の低周波数において強いピークの騒音値が表れていることが確認でき、また小径部１０ａ（騒音抑制手段１０）を設けた場合には、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚの周波数のピークの騒音値が大幅に低減することが確認できる。この結果、小径部１０ａ（騒音抑制手段１０）を設けることでオールパスの騒音値が約６ｄＢ低減したことが確認できる。

以上のように本発明にかかる燃料電池装置は、簡単な構成でありながら、コスト、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置の外郭から漏出する騒音を遮音・低減し、さらに空気流量調整手段の弁開度は、騒音抑制手段の圧力損失の影響を受けないので、空気供給装置の電力消費を抑制して所定の選択酸化空気流量を流すことが可能になる。そのため、燃料電池コージェネレーションシステムのほか、燃料電池自動車等へも適用できる。

１燃料電池装置
２空気
３ａ空気配管
３ｂ選択酸化空気配管
３ｃカソード空気配管
４空気供給装置
６燃料電池
９空気流量調整手段
１０騒音抑制手段
１０ａ小径部
１１燃料ガス
１３改質器
１４変成器
１５選択酸化反応器
１７制御装置
１８カソード流量計

Claims

改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、変性触媒を用いて前記改質器で生成された前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する変成器と、前記変成器で一酸化炭素濃度が低減された前記改質ガスに空気を混合し選択酸化触媒を用いてさらに一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成する選択酸化反応器と、前記選択酸化反応器で生成された前記燃料ガスと空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記選択酸化反応器に接続された選択酸化空気配管と前記燃料電池に接続されたカソード空気配管とに途中で分岐する空気配管と、排気側に前記空気配管が接続され前記空気配管と前記選択酸化空気配管とを介して前記選択酸化反応器に空気を供給すると共に前記空気配管と前記カソード空気配管とを介して前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、前記選択酸化空気配管を流れる空気の流量を調整する空気流量調整手段と、前記カソード空気配管に設けられ前記空気供給装置からの吐出脈動騒音を抑制する騒音抑制手段とを備えた燃料電池装置。
前記カソード空気配管のカソード空気の流量を検知するカソード流量計と、前記カソード流量計で検知した流量を基に前記カソード空気配管のカソード空気の流量を所定の流量に制御する制御手段とを備えた請求項１に記載の燃料電池装置。