JP2013186994A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安全性、製品寿命を確保しつつ、安価な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１と、原料ガスを供給する原料ガス供給部２と、原料ガスを脱硫する脱硫器２１と、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器３と、原料ガス供給部２及び脱硫器２１を連通する原料ガス供給ライン４と、原料ガス供給ライン上に設けられた第１の開閉弁８と、原料ガス供給ライン４上のうち、脱硫器２１及び第１の開閉弁８の間のラインに設けられ、第１の開閉弁よりも引き上げ力の高い第２の開閉弁９と、脱硫器の下流に設けられた第３の開閉弁と、第１の開閉弁及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を制御する制御部１０と、を備え、制御部は、第１の開閉弁及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を開放する場合、第１の開閉弁、第２の開閉弁、第３の開閉弁の順で開放するよう制御する。安全性を確保しつつ安価な燃料電池システムを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないクリーンな発電装置として、近年期待されている。特に、燃料電池の発電時に発生する排熱も回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。

燃料電池システムは、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとを電気化学反応させて電気エネルギーを生成する発電装置である。燃料ガスは、都市ガス等の原料ガスが脱硫器において内部に含まれる付臭剤等の硫黄成分を除去された後、水素生成器に送られ触媒による改質反応をすることで生成される。一方、酸化材ガスは装置外部の空気中の酸素が用いられる。燃料ガスと酸化剤ガスは、燃料電池スタックにおいて、電気化学的に反応し、電気エネルギーを生成後、反応を終えた燃料オフガスは、燃料電池スタックより排出され、一般に水素生成器において燃焼され、改質反応時の加熱源として利用される。また、燃料電池スタックで反応を終えた酸化剤オフガスは、外部に排出される。

このような燃料電池システムは、特許文献１に開示されているように、脱硫器、水素生成器（特許文献１では改質器）、燃料電池スタック（特許文献１では燃料電池）の前後に開閉弁を設け、開閉弁を開閉することで運転状態を制御し、また、上流からの原料ガスや下流からの空気によって、脱硫器、水素生成器中の触媒が被毒されることを抑制している。

特開２００６−２８６２４９号公報

上記従来の構成は、原料ガス供給部とシステムが連通する部分に開閉弁が１つしか配置されていないため、開閉弁が故障した場合、原料ガスが漏れる恐れがあった。そのため、２つの開閉弁が連続して設置され、原料ガスの遮断を二重の機構で行うことが安全上好ましい。しかしながら、２つの開閉弁を用いると、安全は担保されるものの、開閉弁の占有空間およびコストがアップし、結果燃料電池システムが大型化およびコストアップするという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な方法で、大型化を抑え、安全性、製品寿命を確保しつつ、安価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、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、原料ガスを供給する原料ガス供給部と、原料ガスを脱硫する脱硫器と、前記脱硫器を通過した原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記原料ガス供給部及び前記脱硫器を連通する原料ガス供給ラインと、前記原料ガス供給ライン上に設けられた第１の開閉弁と、前記原料ガス供給ライ
ン上のうち、前記脱硫器及び前記第１の開閉弁の間のラインに設けられ、前記第１の開閉弁よりも引き上げ力の高い第２の開閉弁と、前記脱硫器の下流に設けられた第３の開閉弁と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の開閉弁及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を開放する場合、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、前記第３の開閉弁の順で開放するよう制御するものである。

原料ガス供給部とシステムが連通する部分には、２つの開閉弁が連続して設置され、原料ガスの遮断を二重の機構で行うことで、弁等の機構の故障に対する冗長性を持たせ、システムの安全性を担保している。

燃料電池システムを停止する場合、安全性のため、また下流からの大気吸入による脱硫器及び水素生成器の被毒を抑えるため、一般にシステム内の開閉弁は閉止するよう制御されるが、脱硫器の上流および下流に配置された開閉弁が閉止した場合、脱硫器内部には原料ガスが残存するため、原料ガスが消費されるまで化学反応が継続し、結果脱硫器内部が負圧になる場合がある。

一方、開閉弁として、いわゆる電磁弁を用いる場合、一般にバネの付勢力は、開閉弁に求められる閉止力、つまり開閉弁の下流側からの圧力（逆圧）から決定されるものであり、一方コイルの引き上げ力は、前記バネの付勢力と、開閉弁の上流側および下流側の差圧による閉止力の和、より大きくなるような電磁吸引力を発生するように、コイルやポストなどの電磁石部が決定される。そのため、開閉弁の上流側と下流側の差圧が小さいほど、コイル巻数を少なく、ポストのサイズを小さくすることができるため、開閉弁の大型化およびコストを抑えることができる。

ここでは、第１及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を開放する場合、第１の開閉弁、第２の開閉弁、第３の開閉弁の順で開放するよう制御することで、第１の開閉弁の差圧は、原料ガス供給部と第１の開閉弁および第２の開閉弁間の配管内部圧力となり、第２の開閉弁の差圧は、原料ガス供給部と脱硫器内部圧力となる。そのため、上記理由より第２の開閉弁は脱硫器内部負圧に対応した引き上げ力が必要だが、第１の開閉弁は高い引き上げ力を必要としない。また、第３の開閉弁を最後に開放し大気吸入による改質器および水素生成器の被毒を抑えることができるため、安全性、製品寿命を確保しつつ安価な燃料電池システムを実現できる。

また、一般に通常停止の場合は、原料ガス流量を減少させてから、開閉弁を閉止するよう制御されるが、発電中に例えば停電により異常停止した場合は、原料ガスが最大流量で流れている場合もあり、通常停止時に比べ、脱硫器内部に残存する原料ガス量が多くなる。脱硫器内部の負圧は通常停止時より大きくなるため、第２の開閉弁の引き上げ力は通常停止時より大きい力が必要となる。

ここでは、燃料電池システムが発電中に、異常停止した後、次回起動する場合に、第１の開閉弁、第２の開閉弁、第３の開閉弁の順で開放するよう制御することで、第１の開閉弁は高い引き上げ力を必要としないため、第２の開閉弁に対する第１の開閉弁のコストは、通常停止時と比べてさらに抑制できる。

本発明によれば、安全性、製品寿命を確保しつつ安価な燃料電池システムを実現できる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態における第１の開閉弁及び第２の開閉弁の構成図

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、原料ガスを供給する原料ガス供給部と、原料ガスを脱硫する脱硫器と、前記脱硫器を通過した原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記原料ガス供給部及び前記脱硫器を連通する原料ガス供給ラインと、前記原料ガス供給ライン上に設けられた第１の開閉弁と、前記原料ガス供給ライン上のうち、前記脱硫器及び前記第１の開閉弁の間のラインに設けられ、前記第１の開閉弁よりも引き上げ力の高い第２の開閉弁と、前記脱硫器の下流に設けられた第３の開閉弁と、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の開閉弁及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を開放する場合、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、前記第３の開閉弁の順で開放するよう制御するものである。なお、第３の開閉弁は脱硫器の下流であれば、水素生成器および燃料電池スタックとの位置関係は限定しない。

これにより、第１の開閉弁の差圧は、原料ガス供給部と第１の開閉弁および第２の開閉弁間の配管内部圧力となり、第２の開閉弁の差圧は、原料ガス供給部と脱硫器内部圧力となる。そのため、上記理由より第２の開閉弁は脱硫器内部負圧に対応した引き上げ力が必要だが、第１の開閉弁は高い引き上げ力を必要としない。また、第３の開閉弁を最後に開放し大気吸入による改質器および水素生成器の被毒を抑えることができるため、安全性、製品寿命を確保しつつ安価な燃料電池システムを実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の構成と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池スタック１と、原料ガスを供給する原料ガス供給部２と、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器３と、原料ガス供給部２及び水素生成器３とを連通する原料ガス供給ライン４と、を備えたものである。

原料ガス供給ライン４上には、第１の開閉弁８である第１のガス元弁と、この下流側に隣接して第２の開閉弁９である第２のガス元弁を備え、さらに、原料ガス中に含まれる付臭剤等の硫黄成分を除去する脱硫器２１を備える。また、脱硫器２１と水素生成器３の間には、水素生成器３への原料ガスの通流と遮断、及び水素生成器３から脱硫器２１への逆流防止のため、第３の開閉弁２２を備える。なお、燃料電池システムは、燃料電池スタック１、水素生成器３、第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２など、システムを制御するための制御部１０を備えている。原料ガス供給部２とシステムとの連通部分に、第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９を連続して設置することで、原料ガスの遮断を二重の機構で行うことになる。弁を二重に設置することで、弁故障による不具合に冗長性を持たせ、システムの安全性を担保することができる。

燃料電池スタック１は、水素生成器３で製造された燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤ガス供給部（図示せず）から送られた酸化剤ガス（例えば、空気中の酸素）とが、燃料極であるアノードおよび酸素極であるカソード（図示せず）において電気化学的に反応し
、発電を行うものである。原料ガス供給部２は、例えば、原料ガスとして都市ガスを用いる燃料電池システムであれば、都市ガスの供給配管であり、ＬＰガスを用いるシステムであれば、ＬＰガスのボンベとなる。水素生成器３は、原料ガス供給部２から供給される原料ガス（例えば、メタンやプロパン）から、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により燃料ガス（例えば、水素）を製造し、燃料電池スタック１の燃料極に送出するものである。改質反応は一般に高温下で行われるため、水素生成器３は、原料ガスや排燃料ガスを燃焼させ水素生成器３内の原料ガス等を加熱している。

このような燃料電池システムにおいて、通常発電を行う場合は、まず、第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２を開放し、原料ガス供給部２より原料ガス供給ライン４に原料ガスを導入する。導入された原料ガスは、脱硫器２１において、内部に含まれる付臭剤等の硫黄成分を除去された後、原料ガス昇圧ブロワ（図示せず）により昇圧され、水素生成器３に送られる。この水素生成器３において、原料ガスは改質反応により燃料ガスに改質される。水素生成器３で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ライン５を通じ、燃料電池スタック１に供給される。一方、酸化剤ガス供給部は、例えば、装置外部の空気を燃料電池スタック１に供給するブロワである。この酸化剤ガス供給部より送られた空気も同様に、燃料電池スタック１に供給される。

燃料電池スタック１において、水素生成器３で生成された燃料ガス（水素）と、酸化剤ガス供給部から送られた酸化剤ガス（空気に含まれる酸素）とが、電気化学的に反応し、電気エネルギーを生成する。燃料電池スタック１で反応を終えた燃料オフガスは、燃料電池スタック１より排出され、一般に水素生成器３において燃焼され、改質反応時の加熱源として利用される。また、燃料電池スタック１で反応を終えた酸化剤オフガスは、外部に排出される。

なお、発電を停止する場合は、第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２を閉止し、原料ガス供給部２から原料ガス供給ライン４への原料ガスの導入を防止するとともに、原料ガス昇圧ブロアや酸化剤ガス供給部からの６としてのブロワの駆動を停止する。

ここで、発電を停止する場合、安全性のため、また下流からの大気吸入による脱硫器及び水素生成器の被毒を抑えるため、システム内の開閉弁は閉止するよう制御されるが、脱硫器２１の上流に配置された第２の開閉弁９および下流に配置された第３の開閉弁２２が閉止した場合、脱硫器２１の内部には原料ガスが残存するため、原料ガスが消費されるまで化学反応が継続し、その結果、脱硫器２１の内部が負圧になる場合がある。次回起動時に、第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２を開放する場合、第１の開閉弁８、第２の開閉弁９、第３の開閉弁２２の順で開放するよう制御する。第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２としては、一般に、いわゆる電磁弁が使用されることが多い。

図２は、本発明の実施の形態１における第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９の構成図である。電磁弁である第１の開閉弁８は、下面に弁体３１を備えたプランジャ３３をコイル３６の電磁力により上方に吸引することで、弁体３１を弁座３２から引き離して流路５１と流路５２とを連通させて開放状態とする。一方、コイル３６の電磁力を解除することで、バネ３５の付勢力によりプランジャ３３の弁体３１を弁座３２に押し付け、閉塞状態するものである。第２の開閉弁９についても同様に、弁体４１を備えたプランジャ４３をコイル４６の電磁力により上方に引き上げることで、弁体４１を弁座４２から引き離して流路５２と流路５３とを連通させて開放状態とする。一方、コイル４６の電磁力を解除することで、バネ４５の付勢力によりプランジャ４３の弁体４１を弁座４２に押し付け、閉塞状態とするものである。

一般に、バネ３５および４５の付勢力は、開閉弁に求められる閉止力、つまり開閉弁の下流側からの圧力（逆圧）から決定されるものであり、一方コイル３６および４６の引き上げ力は、前記バネの付勢力と、開閉弁の上流側および下流側の差圧による閉止力の和、より大きくなるような電磁吸引力を発生するように、コイル３６および４６やポスト３４および４４などの電磁石部が決定される。そのため、開閉弁の上流側と下流側の差圧が小さいほど、コイル巻数を少なくしたり、ポストのサイズを小さくすることができるため、開閉弁の大型化およびコストを抑えることができる。

本実施の形態の燃料電池システムによれば、前記第１の開閉弁８及び第２の開閉弁９及び第３の開閉弁２２を開放する場合、第１の開閉弁８、第２の開閉弁９、第３の開閉弁２２の順で開放するよう制御することにより、第１の開閉弁８の差圧は、原料ガス供給部２と第１の開閉弁８および第２の開閉弁９間の配管内部圧力となり、第２の開閉弁９の差圧は、原料ガス供給部２と脱硫器２１の内部圧力となる。そのため、第２の開閉弁９は脱硫器２１の内部負圧に対応した引き上げ力が必要だが、第１の開閉弁８は高い引き上げ力を必要としない。また、第３の開閉弁２２を最後に開放し大気吸入による改質器および水素生成器の被毒を抑えることができるため、安全性、製品寿命を確保しつつ安価な燃料電池システムを実現できる。

したがって、本実施の形態によれば、安全性を確保しつつ、安価な燃料電池システムを提供できる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池や固体酸化物型燃料電池などの種々の燃料電池を用いた、自動車用燃料電池及び定置用燃料電池コージェネレーションシステムに有用である。

１ 燃料電池スタック
２ 原料ガス供給部
３ 水素生成器
４ 原料ガス供給ライン
５ 燃料ガス供給ライン
８ 第１の開閉弁
９ 第２の開閉弁
１０ 制御部
２１ 脱硫器
２２ 第３の開閉弁

Claims (2)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
   原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
   原料ガスを脱硫する脱硫器と、
   前記脱硫器を通過した原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記原料ガス供給部及び前記脱硫器を連通する原料ガス供給ラインと、
   前記原料ガス供給ライン上に設けられた第１の開閉弁と、
   前記原料ガス供給ライン上のうち、前記脱硫器及び前記第１の開閉弁の間のラインに設けられ、前記第１の開閉弁よりも引き上げ力の高い第２の開閉弁と、
   前記脱硫器の下流に設けられた第３の開閉弁と、
   前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁及び前記第３の開閉弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１の開閉弁及び第２の開閉弁及び第３の開閉弁を開放する場合、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、前記第３の開閉弁の順で開放するよう制御する、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、燃料電池システムが異常停止した後、次回起動する場合に、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、前記第３の開閉弁の順で開放するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。