JP2016066556A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置において、改質用や冷却用の空気送風ブロワを低減可能な構造を備えたもの、燃料ガス昇圧ブロワを共用して燃料ガスと空気（改質用空気又は冷却用空気）を供給可能な構造を備えたもの、等を提供することである。
【解決手段】燃料電池発電装置１は、燃料電池発電部２と、この燃料電池発電部２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置４と、燃料電池発電部２に発電用空気を供給する発電用空気供給装置３とを備え、燃料ガス供給装置４は、燃料ガス供給通路２２と、この燃料ガス供給通路２２に設置され且つ燃料ガスを昇圧して燃料電池発電部２に供給するガス昇圧ブロワ２５とを備え、燃料ガス供給通路２２のガス昇圧ブロワ２５より上流側に、空気を供給可能な空気供給通路２６の下流端が接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料電池発電部への燃料ガスと空気の供給構造を改善したものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを供給することで電力を発生させる燃料電池発電装置が実用に供されている。この種の燃料電池発電装置は、例えば、発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する貯湯給湯装置と、燃料電池発電装置と貯湯給湯装置との間に湯水を循環させる排熱回収循環回路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を構成することができる。

上記の燃料電池発電装置は、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（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質器及び蒸発器とオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部に発電用空気や燃料ガス及び純水等を供給する種々の供給装置、燃料電池発電部にて発電された直流を交流に変換するパワーコンディショナユニット、種々の器具を制御する制御ユニット等を備えている。

ところで、通常の発電運転時において、燃料電池発電部の燃料改質器では、高温状態下で水蒸気改質が行われ、燃料ガスと水蒸気とを反応させて改質燃料ガスが生成される。このように、高温状態化では、燃料ガスと水蒸気とから改質燃料ガスを安定的に生成することができるが、起動時の常温（低温）状態化では、燃料ガスに改質用空気を混合してから水蒸気と反応させる部分酸化改質等を行う必要がある。また、停止時には、燃料電池発電部を冷却して燃料電池セルスタックの性能劣化を防止する為に冷却用空気を供給する必要がある。

このため、従来の燃料電池発電装置には、発電用空気を供給する発電用空気供給装置以外にも、改質用空気や冷却用空気を供給する為の空気供給装置が別途設けられている。この種の空気供給装置は、起動時には改質用空気を燃料ガス供給通路や燃料電池発電部に供給することができ、停止時には冷却用空気を燃料電池発電部に供給することができる。

上記の発電用空気供給装置以外に設けられた空気供給装置の構造については、種々の文献で開示されている。例えば、特許文献１の燃料電池システムにおいて、空気供給装置は、改質用空気を供給するものであり、燃料ガス供給通路に下流端が接続された空気供給通路、この空気供給通路の途中部に設置された空気送風ブロワ等を備え、空気供給通路の上流端に設けられた空気導入部（フィルタ）が、発電用空気供給装置の空気導入部と共有する構造が開示されている。

特開２０１３−１０５６３４号公報

しかし、特許文献１の燃料電池システムにおいて、改質用の空気供給装置は、専用の空気送風ブロワを備えているが、この空気送風ブロワは、燃料電池発電装置の起動時に改質用空気を供給する場合又は停止時に冷却用空気を供給する場合にしか駆動されず、しかも、空気送風ブロワは一般的に高価なものであるので、通常の発電運転時には使用されない空気送風ブロワを設置することは、コスト高の要因になってしまう。

本発明の目的は、燃料電池発電装置において、改質用や冷却用の空気送風ブロワを低減可能な構造を備えたもの、燃料ガス昇圧ブロワを共用して燃料ガスと空気（改質用空気又は冷却用空気）を供給可能な構造を備えたもの、等を提供することである。

請求項１の燃料電池発電装置は、燃料電池発電部と、この燃料電池発電部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池発電部に発電用空気を供給する発電用空気供給手段とを備えた燃料電池発電装置であって、前記燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給通路と、この燃料ガス供給通路に設置され且つ燃料ガスを昇圧して前記燃料電池発電部に供給するガス昇圧手段とを備えた燃料電池発電装置において、前記燃料ガス供給通路の前記ガス昇圧手段より上流側に、空気を供給可能な空気供給通路の下流端が接続されてい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、前記空気供給通路の上流端には、空気フィルタが設けられてい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の発明において、前記空気供給通路には、前記ガス昇圧手段側への空気の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁が設けられていることを特徴としている。

請求項４の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記燃料ガス供給通路の前記空気供給通路が接続する接続部には、三方弁が設けられていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、燃料ガス供給通路のガス昇圧手段より上流側に、空気を供給可能な空気供給通路の下流端が接続されているので、空気を改質用又は冷却用として燃料電池発電部に供給する場合、燃料ガス供給手段のガス昇圧手段を駆動することで、空気供給通路から燃料ガス供給通路を通して燃料電池発電部に空気を供給することができる。

従って、既存の燃料ガス供給手段のガス昇圧手段を、空気（改質用空気又は冷却用空気）の供給と共用することで、空気供給通路に専用の空気送風ブロワを設置する必要がなくなるので、従来では設置されていた空気送風ブロワを省略することができ、コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、空気供給通路の上流端には、空気フィルタが設けられているので、この空気フィルタによって、空気中の粉塵や酸性ガス成分等が除去された空気を、燃料電池発電部に供給することができる。

請求項３の発明によれば、空気供給通路には、ガス昇圧手段側への空気の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁が設けられているので、この逆止弁によって、燃料ガスが燃料ガス供給通路から空気供給通路に逆流するのを防止することができる。

請求項４の発明によれば、燃料ガス供給通路の空気供給通路が接続する接続部には、三方弁が設けられているので、三方弁を制御することによって、燃料ガス供給通路と空気供給通路との切り換え、燃料ガスの流量調整及び空気の流量調整を容易に行うことができる。

本発明の実施例に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 燃料電池発電部と種々の供給装置の概略構成図である。 部分変更形態に係る燃料電池発電部と種々の供給装置の概略構成図である。

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、燃料電池発電部２、発電用空気供給装置３、燃料ガス供給装置４、純水供給装置６、排熱回収装置７、パワーコンディショナユニット８、制御ユニット９等を備えており、燃料電池発電部２にて発電された直流電力がパワーコンディショナユニット８を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電部２や種々の器具等が外装ケース１１に収納されて構成されている。即ち、外装ケース１１の内部は、燃料電池発電部２が収納された上側発電室１１Ａと、種々の供給装置３，４，６や排熱回収装置７等の補機類、パワーコンディショナユニット８、制御ユニット９等が収納された下側補機室１１Ｂとに仕切られている。

尚、燃料電池発電装置１は、例えば、排熱回収装置７の熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と燃料電池発電装置１とに亙って湯水を循環させる為の排熱回収循環回路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を構成することができる。また、燃料電池発電装置１は、貯湯タンクと排熱回収循環回路等を同じ外装ケースに収納して貯湯タンク一体型に構成することもできる。

次に、燃料電池発電部２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電部２は、燃料電池セルスタック２ａ、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器２ｂ、燃料ガスと水蒸気とを混合して反応させて改質燃料ガスを生成する燃料改質器２ｃ、燃料電池セルスタック２ａによる発電に伴い生じるオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室２ｄ等を備え、燃料改質器２ｃ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２ａで高温の環境下で化学反応させることで発電を行う。

燃料電池セルスタック２ａは、複数の燃料電池セルから構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固体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２ａの燃料極（アノード）側には、改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック２ａの酸素極（カソード）側には、発電用空気が供給される。

蒸発器２ｂは、純水供給装置６から供給される純水から燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器２ｃに供給する。燃料改質器２ｃは、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと水蒸気と（起動時には改質用空気と）を混合して反応（水蒸気改質、部分酸化改質等）させて改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを燃料電池セルスタック２ａの燃料極側に供給する。

オフガス燃焼室２ｄは、燃料電池セルスタック２ａ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２ａ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２ｄでは、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を燃焼させることによって高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスで燃料改質器２ｃ等を加熱してから排気通路（図示略）に排出する。

燃料電池発電部２から排出される排気ガスは、排気通路に設けられた排熱回収装置７の排熱回収熱交換器（図示略）にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。排気ガス中に含まれる水蒸気は、熱交換によって冷却され凝縮されて凝縮水となる。

発電用空気供給装置３（発電用空気供給手段に相当する）は、燃料電池発電部２へ発電用空気を供給するものであり、空気フィルタからなる発電用空気吸入部１３、発電用空気供給通路１４、発電用空気を送風する空気送風ブロワ１５、発電用空気の流量を検出する流量センサ１６等を備えている（図２参照）。

燃料ガス供給装置４（燃料ガス供給手段に相当する）は、燃料電池発電部２へ燃料ガスを供給するものであり、ガス供給源（図示略）に接続されるガス吸入部２１、燃料ガス供給通路２２、燃料ガスの流量を検出する流量センサ２３、燃料ガスを脱硫する脱硫器２４、後述する三方弁３１、ガス昇圧ブロワ２５（ガス昇圧手段に相当する）等を備えている（図２参照）。

排熱回収装置７は、貯湯タンクの湯水と燃料電池発電部２からの排気とを熱交換する排熱回収熱交換器を備えている。即ち、この排熱回収熱交換器は、排気通路の途中部に設けられ、貯湯タンクから排熱回収循環回路を流れる湯水を利用して、排気通路を流れる排気を冷却して凝縮水を生成することで排熱を回収する。

純水供給装置６は、凝縮水回収通路、純水供給通路、処理タンク、貯留タンク、純水ポンプ等を備えている。排熱回収装置７の排熱回収熱交換器にて凝縮された凝縮水を、凝縮水回収通路を介して回収し、処理タンクで凝縮水から不純物を取り除き、凝縮水から生成された純水を貯留タンクで貯留した後に、純水供給通路を介して燃料電池発電部２の蒸発器２ｂ及び燃料改質器２ｃに供給する。

パワーコンディショナユニット８は、燃料電池発電部２にて発電された電力を変換する為のものであり、例えば、燃料電池発電部２にて発電された直流電力を、通常の住宅で利用可能な１００Ｖの交流電力に変換して、配線を介して分電盤に出力する。制御ユニット９は、マイコン等から構成され、種々の器具の動作制御を実行するものである。

次に、発電用空気供給装置３と燃料ガス供給装置４の設置構造について説明する。
図２に示すように、発電用空気供給装置３において、発電用空気吸入部１３から延びる発電用空気供給通路１４の下流端は、燃料電池発電部２の燃料電池セルスタック２ａに接続され、発電用空気供給通路１４の途中部には、空気送風ブロワ１５、流量センサ１６が上流側から下流側に向かって順に設置されている。

燃料電池発電部２に発電用空気を供給する場合、発電用空気吸入部１３から発電用空気を空気送風ブロワ１５に取り込み、この取り込まれた発電用空気を燃料電池セルスタック２ａの酸素極側に供給することできる。

図２に示すように、燃料ガス供給装置４において、ガス吸入部２１から延びる燃料ガス供給通路２２の下流端は、燃料電池発電部２の蒸発器２ｂ及び燃料改質器２ｃに接続され、燃料ガス供給通路２２の途中部には、流量センサ２３、脱硫器２４、三方弁３１、ガス昇圧ブロワ２５が上流側から下流側に向かって順に設置されている。

燃料電池発電部２に燃料ガスを供給する場合、図示外のガス供給源からガス吸入部２１に供給された燃料ガスを、脱硫器２４を通して脱硫し、ガス昇圧ブロワ２５に取り込み、この昇圧された燃料ガスを燃料電池発電部２の蒸発器２ｂ及び燃料改質器２ｃに供給することができる。

次に、本発明に関連する空気供給通路２６について説明する。
図２に示すように、空気供給通路２６は、外部から取り込んだ空気を燃料ガス供給通路２２に供給可能なものであり、空気供給通路２６の上流端は、空気フィルタからなる空気吸入部２７に接続され、空気供給通路２６の下流端は、燃料ガス供給通路２２のガス昇圧ブロワ２５より上流側で且つ脱硫器２４より下流側に接続されている。

燃料ガス供給通路２２の空気供給通路２６が接続する接続部には、三方弁３１が設けられている。三方弁３１は、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａと下流側通路２２ｂとの接続・遮断、燃料ガス供給通路２２の下流側通路２２ｂと空気供給通路２６との接続・遮断、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａ及び下流側通路２２ｂと空気供給通路２６の全ての通路の接続・遮断の切換え可能に構成されている。さらに、三方弁３１は、燃料ガスの流量及び空気の流量を調整する為に開度調整可能に構成されている。

空気供給通路２６の途中部には、空気の流量を検出する流量センサ２８、空気供給通路２６を接続・遮断し且つ燃料ガスの逆流を防止可能な開閉弁２９、ガス昇圧ブロワ２５側への空気の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁３２が上流側から下流側に向かって順に設置されている。

燃料ガス供給通路２２（燃料電池発電部２）に空気を供給する場合、空気吸入部２７から空気を空気供給通路２６から三方弁３１を通して、燃料ガス供給通路２２の下流側通路２２ｂに設置されたガス昇圧ブロワ２５に取り込み、この取り込まれた空気を、下流側通路２２ｂを通して燃料電池発電部２に供給する。

次に、本発明の燃料電池発電装置１の作用及び効果について説明する。
燃料電池発電装置１の起動時の常温環境下では、燃料改質器２ｃの改質触媒には部分酸化改質等の為に改質用空気が必要であるので、三方弁３１を、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａ及び下流側通路２２ｂと空気供給通路２６との全ての通路を接続した状態に設定し、ガス昇圧ブロワ２５の駆動を介して、ガス吸入部２１から燃料ガスを取り込むと共に、空気吸入部２７から空気を取り込み、燃料ガス供給通路２２の下流側通路２２ｂで燃料ガスと空気とを混合した混合気体を燃料改質器２ｃに供給し、燃料改質器２ｃで混合気体と水蒸気とを反応させる部分酸化改質が行われる。

燃料改質器２ｃの温度上昇と共に空気の流量を調整して供給量を徐々に低減し、燃料改質器２ｃが所定の高温状態になると、三方弁３１を、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａと下流側通路２２ｂとを接続及び燃料ガス供給通路２２の下流側通路２２ｂと空気供給通路２６とを遮断した状態に設定し、燃料改質器２ｃへの空気の供給を停止し、燃料改質器２ｃで燃料ガスと水蒸気とを反応させる水蒸気改質が行われる。

燃料電池発電装置１の停止時には、燃料電池発電部２を冷却する為の冷却用空気が必要であるので、三方弁３１を、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａ及び下流側通路２２ｂと空気供給通路２６との全ての通路を接続した状態に設定し、燃料ガスの流量を調整して燃料ガスの供給量を徐々に低減すると共に空気の流量を調整して空気の供給量を徐々に増加することで、燃料電池発電部２の冷却を開始し、燃料電池発電部２が所定の温度に低下すると、三方弁３１を、燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａと下流側通路２２ｂとの遮断及び燃料ガス供給通路２２の下流側通路２２ｂと空気供給通路２６とを接続した状態に設定し、燃料電池発電部２に空気のみを供給して燃料電池発電部２を冷却する。

以上説明したように、燃料ガス供給通路２２のガス昇圧ブロワ２５より上流側に、空気供給通路２６の下流端が接続されているので、空気を改質用又は冷却用として燃料電池発電部２に供給する場合、燃料ガス供給装置４のガス昇圧ブロワ２５を駆動することで、空気供給通路２６から燃料ガス供給通路２２を通して燃料電池発電部２に空気を供給することができる。

従って、既存の燃料ガス供給装置４のガス昇圧ブロワ２５を、空気（改質用空気又は冷却用空気）の供給と共用することで、空気供給通路２６に専用の空気送風ブロワを設置する必要がなくなるので、従来では設置されていた空気送風ブロワを省略することができ、コストを低減することができる。

また、空気供給通路２６の上流端には、空気吸入部２７（空気フィルタ）が設けられているので、この空気フィルタによって、空気中の粉塵や酸性ガス成分等が除去された空気を、燃料電池発電部２に供給することができる。

さらに、空気供給通路２６には、ガス昇圧ブロワ２５側への空気の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁３２が設けられているので、この逆止弁３２によって、燃料ガスが燃料ガス供給通路２２から空気供給通路２６に逆流するのを防止することができる。

燃料ガス供給通路２２の空気供給通路２６が接続する接続部には、三方弁３１が設けられているので、三方弁３１を制御することによって、燃料ガス供給通路２２と空気供給通路２６の切り換え、燃料ガスの流量調整及び空気の流量調整を容易に行うことができる。

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］図３に示すように、燃料ガス供給装置４Ａにおいて、前記実施例の三方弁３１に代えて、燃料ガス供給通路２２の空気供給通路２６が接続する接続部より上流側に開閉弁３３を設けた構造であっても良い。尚、この燃料ガス供給通路２２の上流側通路２２ａに設置された開閉弁３３と空気供給通路２６に設置された開閉弁２９は、開閉機能と開度調整機能を備えたものであっても良いし、開閉機能のみを備えたものであっても良い。

この構造によれば、燃料電池発電部２に燃料ガスと空気との混合気体を供給する場合、開閉弁３３と開閉弁２９とを開弁状態に夫々設定し、ガス昇圧ブロワ２５を駆動することで、燃料電池発電部２に混合気体を供給することができ、料電池発電部２に冷却用空気を供給する場合、開閉弁３３を閉弁状態に設定し、開閉弁２９を開弁状態に設定し、ガス昇圧ブロワ２５を駆動することで、燃料電池発電部２に空気のみを供給することができる。開閉弁３３と開閉弁２９とが開度調整機能を夫々備えている場合、燃料ガスと空気の流量を調整して燃料電池発電部２に供給可能である。

［２］前記実施例において、燃料ガス供給通路２２のガス昇圧ブロワ２５より上流側に、空気供給通路２６の下流端を接続する構造であれば、特に実施例の構造に限定する必要はなく、適宜変更可能である。

［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 燃料電池発電部
４，４Ａ 燃料ガス供給装置
２２ 燃料ガス供給通路
２５ ガス昇圧ブロワ
２６ 空気供給通路
２７ 空気吸入部（空気フィルタ）
３１ 三方弁
３２ 逆止弁

Claims (4)

1. 燃料電池発電部と、この燃料電池発電部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池発電部に発電用空気を供給する発電用空気供給手段とを備えた燃料電池発電装置であって、前記燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給通路と、この燃料ガス供給通路に設置され且つ燃料ガスを昇圧して前記燃料電池発電部に供給するガス昇圧手段とを備えた燃料電池発電装置において、
   前記燃料ガス供給通路の前記ガス昇圧手段より上流側に、空気を供給可能な空気供給通路の下流端が接続されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記空気供給通路の上流端には、空気フィルタが設けられてい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. 前記空気供給通路には、前記ガス昇圧手段側への空気の流れを許容し且つその逆の流れを禁止する逆止弁が設けられてい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。
4. 前記燃料ガス供給通路の前記空気供給通路が接続する接続部には、三方弁が設けられてい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。