JP2011249185A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの寿命の到来の検出の確実性を向上した燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置は，水素と酸素の反応により発電し，水蒸気を含むガスを排出する燃料電池スタックと，前記ガスを冷却して前記水蒸気を凝縮し，凝縮水を生成する凝縮部と，上水を供給する上水供給部と，前記凝縮部で生成される凝縮水と，前記上水供給部から供給される上水と，を統合して原料水として蓄積するタンクと，前記原料水を浄化するフィルタと，前記フィルタ通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部と，前記導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第１検出部と，前記上水供給部から供給される上水の供給量を計測する供給量計測部と，前記供給量計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第２検出部と，を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は，燃料電池装置に関する。

燃料電池では，水素と酸素を化学反応させて，発電する。燃料電池に供給する水素ガスは，例えば，水蒸気改質によって，炭化水素系燃料（例えば，天然ガスやメタンガス）に水蒸気を添加して，生成される。燃料電池の発電反応によって生成される水蒸気は凝縮されて，凝縮水として回収され，水蒸気改質等に再利用される。

回収された凝縮水は，再利用の前に，フィルタ（例えば，イオン交換樹脂）によって浄化される。フィルタが劣化し，浄化能力が低下すると，フィルタは交換される。
特許文献１，２に，この再利用に関する技術が開示されている。特許文献１には，凝縮水を回収利用する際に，改質に不足している水を水道水から補給してフィルタで浄化すること，および改質用水の純度は導電率計で観測していることが記載されている。特許文献２には，フィルタ寿命（交換時期）を予測するために導電率計を用いることが記載されている。

特開２００９−９８０７ 特開２００４−２６５７１２

ここで，導電率計が故障した場合に，フィルタの寿命予測の信頼性が低下する可能性がある。すなわち，導電率計が正常に作動しているかどうかが不明となる。
上記に鑑み，本発明は，フィルタの寿命の到来の検出の確実性を向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池装置は，水素と酸素の反応により発電し，水蒸気を含むガスを排出する燃料電池スタックと，前記ガスを冷却して前記水蒸気を凝縮し，凝縮水を生成する凝縮部と，上水を供給する上水供給部と，前記凝縮部で生成される凝縮水と，前記上水供給部から供給される上水と，を統合して原料水として蓄積するタンクと，前記原料水を浄化するフィルタと，前記フィルタ通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部と，前記導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第１検出部と，前記上水供給部から供給される上水の供給量を計測する供給量計測部と，前記供給量計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第２検出部と，を備える。
燃料電池装置が，第１，第２検出部を有することで，例えば，第１検出部または導電率計測部が故障した場合でも，第２検出部によってフィルタの寿命の到来を検出できる。

（１）前記供給量計測部は，前記上水供給部から供給される上水の流量を計測する流量計を有し，前記第２検出部は，前記流量計での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出しても良い。
流量計を用いて，上水の供給量を計測し，フィルタの寿命の到来を検出できる。

（２）前記上水供給部が，前記タンクの水位が第１の水位以下のときに開状態となり，前記タンクの水位がこの第１の水位より高い第２の水位以上のときに閉状態となる，弁を有し，前記供給量計測部は，前記弁の開閉回数を計数する計数器を有し，前記第２検出部は，前記計数器での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出しても良い。
流量計を用いること無く，弁の開閉回数の計数により，上水の供給量を計測し，フィルタの寿命の到来を検出できる。

（３）（２）の燃料電池装置が，前記タンクの上流側に配置され，上水の流れの有無を検出する流れ検出部と，前記流れ検出部での検出結果と前記弁の開閉状態に基づき，前記弁の動作不良を検出する第３検出部と，をさらに備えても良い。
流れ検出部での検出結果を用いて，弁の動作不良を検出できる。

（４）燃料電池装置が，前記フィルタ通過前の原料水の導電率を計測する第２の導電率計測部，をさらに備え，前記第２検出部は，前記供給量計測部および前記２の導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出しても良い。
フィルタ通過前の原料水の導電率の計測結果を加味することで，フィルタの寿命の到来をより正確に検出できる。

（５）燃料電池装置が，前記第１，第２の検出部のいずれかが前記フィルタの寿命の到来を検出した場合，警報を発する警報部，をさらに備えても良い。
警報によって，燃料電池装置の使用者にフィルタの寿命（交換時期）の到来を通知できる。

（６）燃料電池装置が，前記供給量計測部の上流側に配置されるストレーナ，をさらに備えても良い。
ストレーナを備えることで，上水に含まれる固形物等による供給量計測部の故障を防止できる。

（７）燃料電池装置が，前記フィルタで浄化された原料水を気化する気化器と，前記気化器で気化された原料水を用いて，燃料ガスから水素ガスを生成し，前記燃料電池スタックに供給する改質器と，をさらに備えても良い。
フィルタで浄化した純水を水蒸気改質に利用できる。

本発明によれば，フィルタの寿命の到来の検出の確実性を向上した燃料電池装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置１００を表す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置１００ａを表す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置１００ｂを表す模式図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置１００ｃを表す模式図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置１００を表す模式図である。
燃料電池装置１００は，ホットモジュール１１０，パワーコンディショナ１１６，ストレーナ１２１，排熱回収器１２２，給水弁１２３，タンク１２４，フィルタ１２５，改質水ポンプ１２６，流量計１３１，導電率計１３２，流量計１３３，コントローラ１４０，警報器１４５を備える。

ホットモジュール１１０は，気化器１１１，改質器１１２，燃料電池スタック１１３，燃焼器１１４，断熱容器１１５を有する。

ホットモジュール１１０に，燃料ガス（天然ガス，メタンガス，都市ガス等の炭化水素系燃料），酸化剤ガス（酸素ガスを含むガス，例えば，大気），および純水が供給される。燃料ガス，酸化剤ガスはそれぞれ不図示のポンプによってホットモジュール１１０に供給される。また，燃料ガス，酸化剤ガスそれぞれの流量を測定する不図示の流量計が配置されている。

気化器１１１は，純水を気化して水蒸気とし，燃料ガスと混合する。
改質器１１２は，燃料ガスと水蒸気を反応させ，水素ガスを生成する（水蒸気改質）。

燃料電池スタック１１３に，改質器１１２からの水素ガス，および酸化剤ガスが供給され，水素と酸素の反応により電力を生成し（発電），発電後のオフガス（水蒸気を含む排ガス）を排出する。

燃焼器１１４は，発電後のオフガスに含まれる未反応の水素やＣＯ（一酸化炭素）を燃焼させ，オフガスを浄化する。後述のように，浄化されたオフガスは排熱回収器１２２で冷却され，大気中に放出される。

断熱容器１１５は，気化器１１１，改質器１１２，燃料電池スタック１１３，燃焼器１１４を外部から断熱する。吸熱する気化器１１１および改質器１１２と，発熱する燃料電池スタック１１３を燃料電池スタック１１３内に収容することで，設置スペースを低減できる。燃料電池スタック１１３が高温となる固体酸化物形の場合，特に有効である。

パワーコンディショナ１１６は，燃料電池スタック１１３からの直流出力を交流出力に変換して家庭用の機器類等に供給する。

ストレーナ１２１は，上水（水道水等）流入側に設けられ，スケールなどの上水に含まれるゴミ（例えば，数十μｍ程度以上のサイズのゴミ）を除去し，給水弁１２３や流量計１３１の故障を防止し，上水の供給量の検出精度を確保する。

排熱回収器１２２は，上水によって，オフガス中に含まれる水蒸気を冷却・凝縮させて凝縮水として回収する。オフガスは排熱回収器１２２から大気に放出される。排熱回収器１２２の冷却に用いられた上水は，熱交換によって温水になり貯湯槽等に溜めて利用される。排熱回収器１２２は，水蒸気を含むガスを冷却して水蒸気を凝縮し，凝縮水を生成する凝縮部として機能する。

給水弁１２３は，コントローラ１４０によって開閉され，タンク１２４への上水の供給を制御する。発電中はタンク１２４に凝縮水が溜められていくが，凝縮水の回収量は発電量や気温に左右される。このため，燃料電池の運転に必要な量の凝縮水が回収できない可能性がある。凝縮水の回収量が不足した場合，コントロータ１４０の制御により，給水弁１２３が開かれ，タンク１２４内に上水が供給される。タンク１２４に所定量の上水が供給されたら，給水弁１２３を閉じて上水の供給を停止する。給水弁１２３は，上水を供給する上水供給部として機能する。

タンク１２４は，排熱回収器１２２からの凝縮水および給水弁１２３からの上水を水蒸気改質の原料水として蓄積する。タンク１２４から排熱回収器１２２で冷却された排ガスが大気に放出される。また，必要に応じて（例えば，タンク１２４内の原料水の水量が過剰な場合），タンク１２４から原料水が排出される。タンク１２４は，凝縮部で生成される凝縮水と，前記上水供給部から供給される上水と，を統合して原料水として蓄積するタンクとして機能する。

フィルタ１２５は，原料水を浄化して純水（水蒸気改質用の水）を生成する，例えば，イオン交換樹脂である。フィルタ１２５は，イオン交換樹脂の他に，活性炭等の別途の浄化手段を有しても良い。イオン交換樹脂の上流側に活性炭等を配置することで，イオン交換樹脂の交換頻度を低減することができる。

改質水ポンプ１２６は，純水を気化器１１１に供給する。
流量計１３１は，給水弁１２３からタンク１２４に供給される上水の流量を測定する。

導電率計１３２は，純水の導電率を測定するものであり，フィルタ通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部として機能する。水蒸気改質用の水は純度が高い方が良い。このため，導電率計１３２によって，フィルタ１２５を通過した水の純度をモニターし，導電率が所定の値に達したらフィルタ１２５を交換する。
流量計１３３は，改質水ポンプ１２６から気化器１１１に供給される純水の流量を測定する。

コントローラ１４０は，燃料電池装置１００全体を制御する制御装置，例えば，ＣＰＵ(Central Processing Unit)である。コントローラ１４０は，不図示のタイマ（計時部）を有し，時間の計測が可能である。

コントローラ１４０は，ホットモジュール１１０への燃料ガス，酸化剤ガス，および純水（改質用水）の供給量を制御する。既述のように，燃料ガス，酸化剤ガスはそれぞれ不図示のポンプによってホットモジュール１１０に供給される。また，燃料ガス，酸化剤ガスそれぞれの流量を測定する不図示の流量計が備わっている。コントローラ１４０は，不図示の流量計，流量計１３３から燃料ガス，酸化剤ガス，および純水の流量の情報を受け取る。コントローラ１４０は，パワーコンディショナ１１６等から発電状態の情報を受け取る。コントローラ１４０は，これら流量の情報および発電状態の情報に基づき，燃料ガス，酸化剤ガス，および純水（改質用水）の供給量を制御する。

コントローラ１４０は，フィルタ１２５の寿命の到来を検出し，警報器１４５によって警報出力を発報して，外部にフィルタ１２５の交換の必要性を通知する。

寿命の到来の検出に，導電率計１３２を利用することができる。即ち，導電率計１３２で測定される導電率Ｓが閾値Ｓｔｈに達したときに，フィルタ１２５の寿命の到来を検出したとする。即ち，コントローラ１４０は，導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第１検出部として機能する。

他方，寿命の到来の検出に，流量計１３１を利用することができる。即ち，流量計１３１で測定される流量から算出される，上水の総供給量Ｖが閾値Ｖｔｈに達したときに，フィルタ１２５の寿命の到来を検出したとする。

次の式（１）に示すように，流量計１３１で測定される流量Ｆ（ｔ）［Ｌ／ｍｉｎ］を時間で積分することで，供給量Ｖ［Ｌ］を算出できる（ｔ：時間）。
Ｖ＝∫Ｆ（ｔ）ｄｔ ……式（１）

これに替えて，次の式（２）に示すように，流量計１３１の作動時間を計時し，計時された作動時間Ｔ［ｍｉｎ］および流量計１３１で測定される流量Ｆ［Ｌ／ｍｉｎ］に基づいて，供給量Ｖ［Ｌ］を算出できる。
Ｖ＝Ｆ＊Ｔ ……式（２）

コントローラ１４０は，導電率Ｓが閾値Ｓｔｈに達したとき，または供給量Ｖが閾値Ｖｔｈに達したとき，フィルタ１２５の寿命の到来を検出する。以上のように，コントローラ１４０は，「上水供給部から供給される上水の供給量を計測する供給量計測部」および「供給量計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第２検出部」として機能する。

ここで，導電率計１３２が故障し，例えば，常時純度の高い値を示す可能性がある。仮に，導電率計１３２のみを用いて，フィルタ１２５の寿命の到来を検出すると，導電率計１３２の故障時にフィルタ１２５の交換時期が不明となる。そこで，流量計１３１を併用して，フィルタ１２５の寿命の到来を検出することで，より確実な検出が可能となる。

警報器１４５は，第１，第２の検出部のいずれかが前記フィルタの寿命の到来を検出した場合，警報を発する警報部として機能し，コントローラ１４０によって制御され警報を発する。警報には，音声，光，画像等種々のものを用いることができる。

以上のように，導電率計１３２と流量計１３１を併用して，フィルタ１２５の寿命の到来を検出する。この結果，フィルタ１２５の寿命検出の信頼性を高くすることが可能となり，燃料電池装置１００の運転への支障を低減できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態を説明する。
図２は本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置１００ａを表す模式図である。
燃料電池装置１００ａは，燃料電池装置１００に対して，流量計１３１を有せず，水位検出器１３４および流れ検知器１３５が追加されている。後述のように，電池装置１００ａでは，流量計１３１に替えて，水位検出器１３４を用いて，上水の供給量を算出し，フィルタ１２５の寿命の到来を検出する。

水位検出器１３４は，タンク１２４内での原料水の水位を検出する検出器，例えば，フロースイッチである。例えば，第１，第２の水位それぞれにフロースイッチを配置することで，タンク１２４内での原料水の水位が第１，第２の水位に達したことを検出できる。

流れ検知器１３５は，タンク１２４外部の上水流入ラインに設けられ，給水弁１２３からの上水の流れの有無を検知するものであり，タンクの上流側に配置され，上水の流れの有無を検出する流れ検出部として機能する。給水弁１２３の開閉と，流れ検知器１３５で検知される上水の流れの検知が対応すれば，給水弁１２３の正常動作を確認できる。流れ検知器１３５は，フローセンサ，フロースイッチ，圧力スイッチなどがあるが，水が流れていることを検知できれば手段は問わない。

コントローラ１４０ａは，例えば，タンク１２４内部の水位が第1水位に達したら，給水弁１２３を開いて上水を供給する。コントローラ１４０ａは，例えば，タンク１２４内部の水位が第1水位より高い第２水位に達したら，給水弁１２３を閉じて上水の供給を停止する。即ち，給水弁１２３は，タンクの水位が第１の水位以下のときに開状態となり，前記タンクの水位がこの第１の水位より高い第２の水位以上のときに閉状態となる，弁として機能する。

コントローラ１４０ａは，給水弁１２３の開閉回数をカウントする。即ち，次の式（３）に示すように，給水弁１２３の開閉回数Ｃから上水の供給量Ｖ［ｍ^３］を算出できる。
Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）＊Ｃ ……式（３）
ここで，Ｖ１： 第１水位でのタンク１２４内の水の容積
Ｖ２： 第１水位でのタンク１２４内の水の容積

コントローラ１４０ａは，給水弁１２３の開閉回数をカウントし，その回数とタンクの貯水容量との積から上水の供給量の算出が可能である。

以上のように，コントローラ１４０ａは，「導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第１検出部」，「上水供給部から供給される上水の供給量を計測する供給量計測部」，「供給量計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第２検出部」，「流れ検出部での検出結果と前記弁の開閉状態に基づき，前記弁の動作不良を検出する第３検出部」として機能する。この供給量計測部に「弁の開閉回数を計数する計数器」が含まれる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態を説明する。
図３は本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置１００ｂを表す模式図である。燃料電池装置１００ｃは，燃料電池装置１００ａに対して，導電率計１３６が追加されている。

流れ検知器１３５は，第２の実施形態と同様なので説明を省略する。
導電率計１３６は，タンク１２４とフィルタ１２５の間に配置され，フィルタ１２５通過前の原料水の導電率を測定する。即ち，導電率計１３６は，フィルタ通過前の原料水の導電率を計測する第２の導電率計測部として機能する。なお，導電率計１３６を，タンク１２４外側の水道水流入側や，タンク１２４の内部に配置しても良い。

コントローラ１４０ｂは，流量計１３１で測定される流量から算出される，上水の総供給量Ｖ，および導電率計１３６で測定される導電率に基づき，フィルタ１２５の寿命の到来を検出できる。例えば，導電率計１３６で測定される導電率に対応して，上水の総供給量Ｖの閾値Ｖｔｈを変更する。これに替えて，次の式（４）に示すように，導電率Ｓと水量Ｖの積Ｉを用いて，フィルタ１２５の寿命の到来を検出しても良い。即ち，積Ｉが閾値Ｉｔｈに達したときに，フィルタ１２５の寿命の到来を検出したとする。
Ｉ＝Ｖ＊Ｓ ……式（４）
さらに，次の式（５）に示すように，積算値Ｉを導電率Ｓ（ｔ）および流速Ｆ（ｔ）の積分から算出しても良い（ｔ：時間）。
Ｉ＝∫（Ｆ（ｔ）＊Ｓ（ｔ））ｄｔ ……式（５）
このようにすると，導電率Ｓ（ｔ）の時間的変化への適切な対応が容易になる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態を説明する。
図４は本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置１００ｃを表す模式図である。燃料電池装置１００ｃは，燃料電池装置１００ａに対して，導電率計１３６が追加されている。

この実施形態では，第２の実施形態で説明した式（２）を用いて上水の供給量Ｖを算出し，第３の実施形態で説明した式（４）または（５）を用いてフィルタ１２５の寿命の到来を検出できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，改質水ポンプ１２６がフィルタ１２５の下流に配置されているが，改質水ポンプ１２６をフィルタ１２５の上流に配置しても良い。
また，上記実施形態では，燃料電池装置を固体酸化物形としているが，固体高分子形に本発明を適用しても良い。この場合，固体酸化物形の場合と純水の用途が異なる。固体酸化物形では燃料ガスの改質に純水が用いられるのに対して，電解質に純水が直接供給される。

１００ 燃料電池装置
１１０ ホットモジュール
１１１ 気化器
１１２ 改質器
１１３ 燃料電池スタック
１１４ 燃焼器
１１５ 断熱容器
１１６ パワーコンディショナ
１２１ ストレーナ
１２２ 排熱回収器
１２３ 給水弁
１２４ タンク
１２５ フィルタ
１２６ 改質水ポンプ
１３１ 流量計
１３２ 導電率計
１３３ 流量計
１３４ 水位検出器
１３５ 流れ検知器
１３６ 導電率計
１４０ コントローラ
１４５ 警報器

Claims (8)

1. 水素と酸素の反応により発電し，水蒸気を含むガスを排出する燃料電池スタックと，
   前記ガスを冷却して前記水蒸気を凝縮し，凝縮水を生成する凝縮部と，
   上水を供給する上水供給部と，
   前記凝縮部で生成される凝縮水と，前記上水供給部から供給される上水と，を統合して原料水として蓄積するタンクと，
   前記原料水を浄化するフィルタと，
   前記フィルタ通過後の原料水の導電率を計測する導電率計測部と，
   前記導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第１検出部と，
   前記上水供給部から供給される上水の供給量を計測する供給量計測部と，
   前記供給量計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する第２検出部と，
   を備える燃料電池装置。
2. 前記供給量計測部は，
   前記上水供給部から供給される上水の流量を計測する流量計を有し，
   前記第２検出部は，前記流量計での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する，
   請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記上水供給部が，前記タンクの水位が第１の水位以下のときに開状態となり，前記タンクの水位がこの第１の水位より高い第２の水位以上のときに閉状態となる，弁を有し，
   前記供給量計測部は，前記弁の開閉回数を計数する計数器を有し，
   前記第２検出部は，前記計数器での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する，
   請求項１記載の燃料電池装置。
4. 前記タンクの上流側に配置され，上水の流れの有無を検出する流れ検出部と，
   前記流れ検出部での検出結果と前記弁の開閉状態に基づき，前記弁の動作不良を検出する第３検出部と，
   をさらに備える請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記フィルタ通過前の原料水の導電率を計測する第２の導電率計測部，をさらに備え，
   前記第２検出部は，前記供給量計測部および前記２の導電率計測部での計測結果に基づき，前記フィルタの寿命の到来を検出する，
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
6. 前記第１，第２の検出部のいずれかが前記フィルタの寿命の到来を検出した場合，警報を発する警報部，
   をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
7. 前記供給量計測部の上流側に配置されるストレーナ
   をさらに備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
8. 前記フィルタで浄化された原料水を気化する気化器と，
   前記気化器で気化された原料水を用いて，炭化水素系燃料から水素ガスを生成し，前記燃料電池スタックに供給する改質器と，
   をさらに備える請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。

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