JP2013089541A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気改質用の純水の流れを検知する安価で、消費電力の低減が可能な熱式流量センサを備えた燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池発電装置は、燃料電池発電モジュールに水蒸気改質用の純水を供給する純水ポンプ２９と、この純水ポンプ２９により供給される純水の流れを検知し且つヒータ部３２と１対の温度検出センサ３３，３４とを備えた熱式流量センサ３１と、純水ポンプ２９と熱式流量センサ３１とを制御する制御ユニット３５とを備え、熱式流量センサ３１のヒータ部３２に印加する電力を、純水ポンプ２９の吐出周期と同期させ、制御ユニット３５は熱式流量センサ３１の１対の温度検出センサ３３，３４の検出信号に基づいて純水の流れの有無を検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料電池発電モジュールの蒸発器へ純水ポンプから水蒸気改質用の純水を供給する場合に、この純水の流れを熱式流量センサにより検知可能にした燃料電池発電装置に関する。

従来、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電装置と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯装置と、燃料電池発電装置と貯湯装置との間に湯水を循環させる湯水循環通路等を備えている。

ここで、上記の燃料電池発電装置は、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電モジュールと、前記燃料電池発電モジュールからの排気ガスと貯湯槽の湯水との間で熱交換する熱交換器と、この熱交換器で回収された水を前記改質器に供給する純水へ浄化する水処理装置等を備えている。

ところで、上記の燃料電池発電モジュールにおいて、空気、燃料ガス及び純水を夫々反応させて電力を発生させる構成上、これらの供給量は発電量に応じて予め標準的な値が設定されている。このため、上記の供給量が標準値に対してバラツキが大きくなると燃料電池発電モジュールが劣化し、耐久性が短くなるという問題がある。

従って、一般的に燃料電池発電モジュールの空気、燃料ガス及び純水の各供給通路には、供給量を正確に計測する為に流量センサが設けられている。この種の流量センサとしては、例えば、特許文献１には、計量室と１対の回転子とで形成される容積を基準容積として、計量室内に流入する流体を回転子の回転に応じて排出しつつ回転子の回転数から流量を算出する容積流量センサが開示されている。

特許第４２９１３３８号公報

ところで、上記の３種類の供給材料のうち空気と燃料ガスの供給に関しては、流量バラツキの許容範囲は狭く、精度の高い流量センサを使用することで供給量のバラツキを抑制している（例えば、バラツキ範囲±５％）。一方で、純水の供給に関しては、ある程度は多めに供給しても発電には問題ないため（例えば、バラツキ範囲０％−２０％）、流量センサを使用せずに純水ポンプの駆動周波数によるフィードフォワード制御で純水の供給を制御することも可能である。

しかし、純水の流量を検知する流量センサを使用しない場合、何らかの原因で水処理装置から改質器へ接続する純水通路が詰まって、改質器へ純水が供給されなくなっても、純水ポンプは作動状態を維持するため、純水の供給が停止したことを検知できず、燃料電池発電モジュールが故障する虞がある。このため、流量センサを使用して純水の流れの有無を検出可能にする方が望ましいが、特許文献１のような容積型の流量センサは、一般的に高価なものなのでコストが増加する。

本発明の目的は、安価な熱式流量センサにより純水の流れを検知する燃料電池発電装置を提供すること、この熱式流量センサの消費電力の低減が可能な燃料電池発電装置を提供すること、等である。

請求項１の燃料電池発電装置は、燃料電池発電モジュールに水蒸気改質用の純水を供給する純水ポンプと、この純水ポンプにより供給される純水の流れを検知する熱式流量センサとを備えた燃料電池発電装置において、前記熱式流量センサのヒータ部に印加する電力を、前記純水ポンプの吐出周期と同期させることを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記純水ポンプはプランジャポンプからなり、このプランジャポンプの純水吐出量は、６．０ｃｃ／ｍｉｎ以下に設定されることを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電装置は、請求項１又は２の発明において、前記熱式流量センサは、前記純水ポンプから吐出された純水を加熱する前記ヒータ部と、このヒータ部の上流側と下流側に配設された１対の温度検出センサとを備えると共に、前記純水ポンプから前記燃料電池発電モジュールの蒸発器へ連なる純水通路に設けられ、前記純水ポンプと前記熱式流量センサとを制御する制御ユニットを備え、この制御ユニットは前記１対の温度検出センサからの検出信号に基づいて純水の流れの有無を検知することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、純水ポンプにより供給される純水の流れを検知する熱式流量センサを備えているので、高価な容積型の流量センサを設ける必要もなくなり、また、熱式流量センサのヒータ部に印加する電力を、純水ポンプの吐出周期と同期させるので、吐出量が脈動的に変動しても同一吐出量の時にヒータ部を作動させるため、純水の温度上昇のバラツキを小さくし、純水の流れを検知する検知精度、信頼性を高めることができる。

請求項２の発明によれば、純水ポンプはプランジャポンプからなり、このプランジャポンプの純水吐出量は、６．０ｃｃ／ｍｉｎ以下に設定されるので、プランジャポンプのプランジャの本数を少なくでき、純水ポンプの吐出周期とヒータ部に印加する電力とを同期させるのに適した大きな脈動的な流れで純水を吐出することができる。

請求項３の発明によれば、熱式流量センサは、ヒータ部と、このヒータ部の上流側と下流側に配設された１対の温度検出センサとを備えたので、純水通路内を流れる純水をヒータ部により加熱することができ、ヒータ部の上流側と下流側の温度を１対の温度検出センサにより検出することができる。制御ユニットは、純水ポンプの吐出口から純水通路に供給される純水の流れの有無を、１対の温度検出センサによる検出信号に基づいて高精度に検知することができる。

実施例１に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 水処理装置の概略構成図である。 純水ポンプの吐出周期に基づく純水の流量変化と吐出周期に同期する熱式流量センサのヒータ部の駆動状態を示す線図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、燃料電池発電装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２と、カソード空気ブロア６と、燃料ガス昇圧ブロア７と、燃料改質空気ブロア８と、排気ガス排出通路９と、熱交換器１１と、水処理装置１２と、インバータ１３等から構成されている。燃料発電モジュール２にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

尚、この燃料電池発電装置１は、熱交換器１１による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯装置と、この貯湯装置と燃料電池発電装置１との間に湯水を循環させる為の湯水循環配管４等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムが構成されるが、燃料電池発電装置１以外の構成の詳細な説明は省略する。

次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電モジュール２（以下、発電モジュール２という）は、燃料電池セルスタック１４と、蒸発器１５と、燃料改質器１６と、オフガス燃焼室１７等を備え、燃料改質器１６によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１４で化学反応させることで発電を行うものである。

蒸発器１５は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器１６に供給するものである。蒸発器１５には、燃料ガス昇圧ブロア７によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（天然ガス、都市ガスやプロパン等）と、燃料改質空気ブロア８によって取り込まれた燃料改質用の空気とが、共通通路１８ａを介して供給され、水処理装置１２から純水通路２８を介して水が供給され、これらを混合して気化させて、燃料ガスと水蒸気を生成する。

燃料改質器１６は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器１５から混合通路１８ｂを介して供給される燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素リッチな燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを、改質燃料ガス供給路１８ｃを介して燃料電池セルスタック１４の燃料極側に供給する。

燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セルを多層に積層して構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固定電解質と燃料極と酸素極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック１４の燃料極側には、燃料改質器１６から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック１４の酸素極側には、カソード空気ブロア６から空気通路１８ｄを介して空気が供給され、これらを高温下の環境で電気化学反応させて直流電力を生成する。

オフガス燃焼室１７は、燃料電池セルスタック１４の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック１４の燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室１７には、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とが供給され、これらを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスで熱交換器１１を加熱してから、排気ガス排出通路９を介して外部に排出する。

熱交換器１１は、排気ガス排出通路９の内部に設けられ、湯水循環通路４の一部を構成する熱交換通路部１１ａを備えている。この熱交換器１１において、発電モジュール２から排出される排気ガスを、熱交換通路部１１ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、水処理装置１２について説明する。
図２に示すように、水処理装置１２は、処理タンク１９と、貯留タンク２１と、水供給手段２２と、熱式流量センサ３１等を備え、熱交換器１１にて凝縮された凝縮水を、回収通路２３を介して回収し、処理タンク１９により不純物を取り除いた水蒸気改質用の純水を発電モジュール２に供給するものである。

処理タンク１９は、熱交換器１１から回収した凝縮水の不純物を取り除く為のものである。処理タンク１９には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。

貯留タンク２１は、処理タンク１９により処理された水を一時的に貯留する為のものである。貯留タンク２１の上部には、処理タンク１９と接続するタンク連結通路２５と、貯留タンク２１内が水で満杯になった場合に外部のドレン排出部２７に排出する為の排出通路２６とが接続されている。貯留タンク２１内には、例えば、貯留タンク２１内の１／５程度の高さのレベルまで低下した水位を検知する水位センサ２１ａが設けられている。

水供給手段２２は、貯留タンク２１内の浄化された純水を発電モジュール２の蒸発器１５へ供給する為のものであり、貯留タンク２１の下端部に接続された純水通路２８と、この純水通路２８の途中部に介装された純水ポンプ２９とを備え、純水ポンプ２９の駆動により、貯留タンク２１内の純水を、純水通路２８を介して蒸発器１５に供給する。

次に、純水ポンプ２９について説明する。
純水ポンプ２９は、ステッピングモータにより偏心カムを介して進退駆動されるプランジャと、このプランジャが進退駆動可能に収容され且つ吸込口と吐出口とを有するチャンバ等を備えたプランジャポンプで構成され、プランジャの進退駆動に伴いチャンバ内の純水を蒸発器１５に圧送する。純水ポンプ２９のステッピングモータは、純水供給中は予め設定された純水供給量となるように連続的に回転駆動される。図３（ａ）は、この純水ポンプ２９から吐出される純水の純水通路２８内における流量変化を示している。

純水ポンプ２９は、例えば、１ストローク毎に０．１ｃｃの純水を純水通路２８に吐出可能である。この純水ポンプ２９の純水吐出量は１．５ｃｃ／ｍｉｎ以上で且つ６．０ｃｃ／ｍｉｎ以下に設定されている。つまり、この純水ポンプ２９は、少量の純水を１分間に１５回から６０回という比較的長い吐出周期で吐出するものである。この吐出周期は、図３（ａ）に示す定常状態時における純水の流量波形と同じ周期となる。尚、純水ポンプ２９の上記の性能は、ほんの一例を示したに過ぎない。

また、純水ポンプ２９は、ステッピングモータの所定の原点位置を検出可能なエンコーダを備えている。この所定の原点位置は、例えば、プランジャが最大限後退した位置に対応づけて設定されている。エンコーダは原点位置信号を制御ユニット３５に送信する。尚、所定の原点位置に対応するプランジャの位置は、プランジャが最大限後退した位置に、特に限定されるものではない。

次に、熱式流量センサ３１について説明する。
図２に示すように、熱式流量センサ３１は、純水ポンプ２９から吐出された純水を加熱するヒータ部３２と、このヒータ部３２の上流側と下流側に配設された１対の温度検出センサ３３，３４とを備え、純水ポンプ２９から蒸発器１５へ連なる純水通路２８に設けられている。温度検出センサ３３はヒータ部３２から所定距離上流側に配置されている。

ヒータ部３２は、例えば、純水通路２８に固定された発熱抵抗体で構成され、純水ポンプ２９の吐出口の下流側に配設されている。ヒータ部３２は、制御ユニット３５内の抵抗体駆動回路に接続され、純水を加熱する場合は発熱抵抗体にパルス状の電力が供給される。

１対の温度検出センサ３３，３４は、例えば、温度変化に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体（所謂サーミスタ）で夫々構成されている。温度検出センサ３３，３４は、純水通路２８に密着状に固定されている。１対の温度検出センサ３３，３４は、ヒータ部３２の上流側と下流側の純水温度を示す検出信号を制御ユニット３５に夫々送信する。

次に、制御ユニット３５について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電装置１は、純水ポンプ２９と熱式流量センサ３１とを制御する制御ユニット３５を備えている。制御ユニット３５は、発電量に応じて設定される純水供給量となるように純水ポンプ２９を駆動するステッピングモータを、モータ駆動回路を介して駆動制御すると共に、エンコーダからの原点位置信号と上記モータを駆動する駆動ステップ数に基づいて現在のステッピングモータの回転角度（原点位置からの回転角度）を算出する。その回転角度とプランジャの進退位置は対応関係にある。

また、制御ユニット３５は、純水ポンプ２９の吐出周期と同期させて、熱式流量センサ３１のヒータ部３２に周期的にパルス状の駆動電力を印加し、１対の温度検出センサ３３，３４の間を流れる純水に温度差を生じさせ、その温度差から純水通路２８内の純水の流れ（純水の流れの有無）を検知するようになっている。
尚、本実施例の場合、ヒータ部３２に１回に印加するパルス状の駆動電力は、一定電力であるが、純水の流量に応じて適宜設定するように構成してもよい。

そして、制御ユニット３５は、各検出信号から算出される上流側と下流側の純水の温度差が予め設定された閾値（例えば、３℃）以上か否かを判定して、閾値以上の場合は、純水ポンプ２９により設定流量以上の純水が流れていると判定する。つまり、制御ユニット３５は、純水ポンプ２９により供給される純水の流れを検知する。

次に、燃料電池発電装置１の作用、効果について説明する。
先ずは、燃料電池発電装置１の発電稼動に伴い、制御ユニット３５は、予め設定された純水流量が発電モジュール２の蒸発器１５に供給されるように純水ポンプ２９のステッピングモータを駆動する。このとき、純水ポンプ２９は、プランジャの進退駆動に伴い一定の吐出周期で純水を吐出し、エンコーダから原点位置信号が制御ユニット３５に繰り返し送信される。制御ユニット３５は、この原点位置信号と駆動ステップ数に基づいて純水ポンプ２９のステッピングモータの現在の回転角度を算出する。

一方で、制御ユニット３５は、純水通路２８内の純水が流れているかを検知する為に、熱式流量センサ３１のヒータ部３２にパルス状の駆動電力を供給する。ここで、純水通路２８内では、図３（ａ）に示す流量波形のように脈動的に純水が流れるので、制御ユニット３５は、図３（ｂ）に示すように純水の最大流量の時点に同期するようにヒータ部３２に駆動電力を供給（オン駆動）して純水を加熱し、それ以外では駆動電力の供給を停止（オフ駆動）して余熱で純水を加熱するように制御する。例えば、具体的には、前記原点信号の受信後ステッピングモータが４５°から１３５°まで回転する間にヒータ部３２にパルス状の駆動電力を供給する。尚、ヒータ部３２による加熱を、必ずしも最大流量の時点に同期させる必要はなく、平均的流量の時点や最低流量の時点に同期させてもよい。

このように，純水ポンプ２９の吐出周期に同期させてヒータ部３２に駆動電力を供給するため、純水ポンプ２９からの吐出量が脈動的に変動しても、同一吐出量の時にヒータ部３２を作動させるため、純水の温度上昇のバラツキを小さくし、純水の流れを検知する検知精度、信頼性を高めることができる。

また、純水供給量が増加し、ポンプ２９の回転速度が大きくなった場合には、吐出周期が短くなるが、この場合も吐出周期に同期するようにヒータ部３２を作動させるため、純水供給量の増加に応じた駆動電力をヒータ部３２に供給することができる。このため、純水供給量の変化に応じて純水に加える熱量を増減させることができ、純水の温度上昇幅を供給量に関わらずほぼ一定に維持することができる。また、熱式流量センサの消費電力を節減することもできる。

ここで、例えば、燃料電池発電装置１の発電量が７００Ｗクラスの場合、純水供給量は最小１．５ｃｃ／ｍｉｎ、最大６．０ｃｃ／ｍｉｎ程度必要となる。熱式流量センサ３１のヒータ部３２が、最大流量時には純水を１℃上昇させる為には６ｃａｌ／ｍｉｎの熱量でもって純水を加熱する必要がある一方で、純水が脈動的に流れる場合、純水の流量が少量又はゼロのときに最大流量時の熱量で純水を加熱すると、純水の温度が大幅に上昇してしまい、検出温度のバラツキが大きくなってしまう。そのため、上記のようにヒータ部３２による加熱の時期を純水ポンプ２９の吐出周期に同期させて、同一吐出量の条件下で加熱と、温度検出を行うことが望ましい。

そして、制御ユニット３５は、温度検出センサ３３，３４で検出された純水温度から算出した温度差が前記の閾値以上である場合に、純水の流れが存在すると判定し、その旨を表示部に表示する。ここで、温度検出センサ３３，３４からの検出信号の入力時期を吐出周期に同期せておくことが望ましい。例えば、前記原点信号の受信後ステッピングモータが９０°回転した時の検出信号を用いて、純水の検出温度、温度差を算出することが望ましい。その場合、下流側の温度検出センサ３４で検出する温度が脈動的に変動する場合にも、同一条件下に温度検出することで、検出温度のバラツキを小さくすることができる。

尚、何らかの原因で純水通路２８が詰まり、純水の供給が停止すると、ヒータ部３２の近傍部における純水通路２８内の純水の温度は、ヒータ部３２の上流側と下流側に関係なく均等に上昇する。すると、１対の温度検出センサ３３，３４により検出される純水温度の温度差が小さくなり、温度差が閾値未満になると（例えば、上流側と下流側の純水の温度差が３℃以下になった場合）、制御ユニット３５は純水の流れがないと判定し、表示部にその旨を表示し、ランプや音声による警告を出力する。

純水ポンプ２９により供給される純水の流れを検知する熱式流量センサ３１を採用したので、高価な容積型の流量センサを設ける必要もなくなり、製作費の面で有利である。
また、ヒータ部３２にパルス状の駆動電力を供給するため、常時駆動電力を供給する場合と比較して省エネルギーを図ることができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記ステッピングモータに設けたエンコーダを省略し、モータでポンプを駆動する偏心カムの所定部位を検出する近接スイッチからので検出信号に基づいて、ヒータ部３２に駆動で供給する時期を決定してもよい。また、モータを１回転させる複数の駆動パルスのうち何れか１つの駆動パルスに同期させて、熱式流量センサ３１のヒータ部３２に周期的に駆動電力を印加しても良い。

［２］前記実施例の純水ポンプ２９は、プランジャポンプであるが、特にプランジャポンプに限定する必要はなく、ダイアフラムポンプを採用しても良い。この場合も、純水ポンプ２９の吐出周期に同期させてヒータ部３２に駆動電力を供給するものとする。

［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池発電モジュール
２８ 純水通路
２９ 純水ポンプ
３１ 熱式流量センサ
３２ ヒータ部
３３，３４ １対の温度検出センサ
３５ 制御ユニット

Claims (3)

1. 燃料電池発電モジュールに水蒸気改質用の純水を供給する純水ポンプと、この純水ポンプにより供給される純水の流れを検知する熱式流量センサとを備えた燃料電池発電装置において、
   前記熱式流量センサのヒータ部に印加する電力を、前記純水ポンプの吐出周期と同期させることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記純水ポンプはプランジャポンプからなり、このプランジャポンプの純水吐出量は、６．０ｃｃ／ｍｉｎ以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記熱式流量センサは、前記純水ポンプから吐出された純水を加熱する前記ヒータ部と、このヒータ部の上流側と下流側に配設された１対の温度検出センサとを備えると共に、前記純水ポンプから前記燃料電池発電モジュールの蒸発器へ連なる純水通路に設けられ、
   前記純水ポンプと前記熱式流量センサとを制御する制御ユニットを備え、この制御ユニットは前記１対の温度検出センサからの検出信号に基づいて純水の流れの有無を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。

Images