JP2016207580A - 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、排気通路に単一のブロワを設置した構造であっても、容易に且つ簡単な構造でもって燃料ガスの供給量を調節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、燃料ガスと空気の供給を受けて発電を行う燃料電池発電モジュール２と、この燃料電池発電モジュール２に燃料ガスを供給する為の燃料ガス通路４と、燃料電池発電モジュール２から発電後の排気を機外に排出する為の排気通路６とを備え、排気通路６の途中部に、排気ブロワ８が設けられ、燃料ガス通路４の途中部に、排気通路６内の圧力を信号圧として作動する均圧弁４ｃが設けられ、信号圧を排気通路６内の複数個所から取得可能に構成されると共に燃料電池発電モジュール２の運転状況に応じて信号圧の取得位置を変更可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に発電後の排気を器具外に排出する為の排気通路に排気ブロワが設置されたものに関する。

従来から、ジルコニア等のイオン伝導性セラミックスを使用した電解質を挟み込むように１対の電極（酸素極及び燃料極）を設け、酸素極（カソード）側に酸化剤ガスを供給し、燃料極（アノード）側に改質ガス（水素含有ガス）を供給して、これらを高温環境下で酸化還元反応させることで化学エネルギーを電気エネルギーに変換して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。

上記の燃料電池発電装置は、酸化剤ガスと改質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ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質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モジュール、この燃料電池発電モジュールからの排気を外部に排出する排気通路、この燃料電池発電モジュールに酸化剤ガスや燃料ガス及び純水等を供給する各種供給装置や各種器具を制御する制御ユニット等を備えている。

上記の各種供給装置において、一般的に、燃料電池発電モジュールに燃料ガスを供給する燃料ガス通路には昇圧ブロワが設置され、酸化剤ガス（発電用空気）を供給する発電用空気通路及び改質用空気を供給する改質用空気通路には送風ファンが夫々設置されている場合が多い。

また、例えば、特許文献１の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池発電モジュールから器具外に排気を流す排気通路に１つの排気ブロワを設置し、燃料電池発電モジュールの上流側の燃料ガス通路や発電用空気通路等の昇圧ブロワや送風ファンを省略することで、排気ブロワを各種のガスの供給・排出の為に共有化した構造も開示されている。

特公平８−２１４１１号公報

しかし、特許文献１の燃料電池発電システムのような、排気通路に設置された単一の排気ブロワによって各種のガスの供給・排出の流動を制御する構造では、燃料電池発電モジュールへ供給される燃料ガスの供給量は、排気ファンの回転数（排気の流量）に依存するので、要求発電量やセルスタック温度等に応じて、燃料ガスの流量を調節することができず、空気と燃料ガスの比率（空燃比）を変更するのが困難という問題がある。

そこで、燃料ガス通路に燃料ガスを調節する為の単独で制御可能な流量調節弁を設置することが望ましいが、この構造の場合、流量調節弁と排気ブロワを別々に制御する必要があるので、燃料電池発電装置の制御が複雑化してコストが増加してしまい、各種のブロワやファンを共有化した構造の利点を活かせないという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池発電装置において、排気通路に単一の排気ブロワを設置した構造であっても、容易に且つ簡単な構造でもって燃料ガスの供給量を調節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、燃料ガスと空気の供給を受けて発電を行う発電部と、この発電部に燃料ガスを供給する為の燃料ガス通路と、前記発電部から発電後の排気を機外に排出する為の排気通路とを備えた燃料電池発電装置において、前記排気通路の途中部に、排気ブロワが設けられ、前記燃料ガス通路の途中部に、前記排気通路内の圧力を信号圧として作動する均圧弁が設けられた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、前記信号圧を前記排気通路内の複数個所から取得可能に構成すると共に、前記発電部の運転状況に応じて前記信号圧の取得位置を変更可能に構成し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２の発明において、前記排気通路のうち前記信号圧の取得箇所に対応する配管部を、下流側程小径化するテーパ形状に構成したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、燃料電池発電装置において、排気通路の途中部に、排気ブロワが設けられ、燃料ガス通路の途中部に、排気通路内の圧力を信号圧として作動する均圧弁が設けられたので、排気ブロワの回転駆動に伴い発生する排気通路内の圧力を利用して、均圧弁の開度を変更することで、燃料ガス通路を流れる燃料ガスの流量を調節することができる。

従って、排気通路に各種のガスの供給・排出の流動を制御する単一の排気ブロワを設置した構造であっても、燃料ガス通路に均圧弁を設けることで、容易に且つ簡単な構造でもって燃料ガスの流量調節が実現可能であるので、燃料ガスの流量調節に複雑な制御を必要としなくなり、コスト増加を抑制することができる。

請求項２の発明によれば、信号圧を排気通路内の複数個所から取得可能に構成すると共に、発電部の運転状況に応じて信号圧の取得位置を変更可能に構成しているので、発電部の運転状況に応じて信号圧の取得位置を変更することで、燃料ガスの流量を調節し、燃料電池発電装置の発電効率を向上することができる。

請求項３の発明によれば、排気通路のうち信号圧の取得箇所に対応する配管部を、下流側程小径化するテーパ形状に構成したので、配管部のテーパ形状によって排気通路内の信号圧の取得箇所の圧力を確実に変化させることができ、燃料ガスの流量を確実に調節することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 均圧弁の概略断面図である。 実施例２に係る燃料電池発電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、燃料電池発電モジュール２、発電用空気通路３、燃料ガス通路４、純水供給通路５、排気通路６、排熱回収用熱交換器７、排気ブロワ８等を備え、燃料電池発電モジュール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（図示略）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、例えば、排熱回収用熱交換器７による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクを備えた貯湯給湯装置と、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９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（発電部に相当する）は、燃料電池セルスタック１１、蒸発器１２、燃料改質器１３、空気用熱交換器１４、これら器具（蒸発器１２、燃料改質器１３、空気用熱交換器１４）を燃焼ガスによって加熱するオフガス燃焼室１５等を備えている。燃料電池発電モジュール２は、燃料改質器１３によって改質された改質ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１１で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。

燃料電池セルスタック１１は、複数の燃料電池セルを並べて構成されている。各燃料電池セルの燃料極側（各燃料電池セルの内部通路）には、燃料改質器１３から改質ガス通路１６を介して改質ガスが供給され、各燃料電池セルの酸素極側（各燃料電池セルの外部）には、空気用熱交換器１４から酸化剤ガス通路１７を介して酸化剤ガスが供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

蒸発器１２は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器１３に供給するものである。燃料改質器１３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）させて改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池セルスタック１１の燃料極側に供給するものである。

オフガス燃焼室１５は、燃料電池セルスタック１１の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理するものであり、燃料電池セルスタック１１の燃料電池セルの燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。オフガス燃焼室１５では、燃料極側から排出された残余燃料ガスと、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排気を生成し、この排気で燃料改質器１３等を加熱してから、排気通路６を介して外部に排出する。

次に、各種通路３〜６について説明する。
発電用空気通路３は、燃料電池発電モジュール２へ発電用空気を供給するものである。発電用空気通路３の上流端には、外部から空気を導入可能なフィルタ付き空気吸入部３ａが設けられている。

発電用空気通路３において、燃料電池発電モジュール２の発電運転に伴い、空気吸入部３ａから外部の発電用空気が取り込まれ、この取り込まれた発電用空気は、酸化剤ガスとして空気用熱交換器１４に供給される。

燃料ガス通路４は、燃料電池発電モジュール２へ燃料ガスを供給するものである。燃料ガス通路４の上流端には、ガス吸入部４ａが設けられている。燃料ガス通路４の途中部には、上流側から下流側に向かって、燃料ガスの流量を検出する為の流量センサ４ｂ、排気通路６の圧力を信号圧として作動して燃料ガスの流量を調節する為の均圧弁４ｃ、燃料ガスを脱硫する為の脱硫器４ｄが順に設けられている。

燃料ガス通路４において、燃料電池発電モジュール２の発電運転に伴い、ガス供給源に接続されたガス吸入部４ａから燃料ガスが取り込まれ、この取り込まれた燃料ガスは、均圧弁４ｃで流量を調節されてから脱硫器４ｄを通して脱硫され、この脱硫された燃料ガスは、蒸発器１２及び燃料改質器１３に供給される。

純水供給通路５は、燃料電池発電モジュール２へ純水を供給するものである。即ち、後述する排熱回収用熱交換器７にて凝縮されて生成された凝縮水を排熱通路６から回収して不純物を取り除き、この浄化された凝縮水を貯留した後に純水として、純水供給通路５を介して蒸発器１２及び燃料改質器１３に供給する。

排気通路６は、燃料電池発電モジュール２から発電後の排気を機外に排出するものである。排気通路６の途中部には、上流側から下流側に向かって、排熱回収用熱交換器７と、排気ブロワ８と、図示略の凝縮水回収部が順に設けられている。排気通路６の下流端には、排気口６ａが設けられている。

排熱回収用熱交換器７は、貯湯タンクから排熱回収循環回路９を流れる湯水を利用して、排気通路６を流れる排気を冷却して凝縮水を生成すると共に排熱を回収するものである。排気通路６において、燃料電池発電モジュール２から排出される排気は、排熱回収用熱交換器７にて排熱回収循環回路９を循環する湯水との間で熱交換されて温度を低下させた後に、排気口６ａから外部に排出される。

次に、排気ブロワ８について説明する。
排気ブロワ８は、排気通路６の排熱回収用熱交換器７の下流側に配置され、例えば、公知の軸流送風機等から構成され、排気通路６から排気を器具外に送り出すと共に、発電用空気通路３に発電用空気を取り込み、燃料ガス通路４に燃料ガスを取り込むものである。

即ち、燃料電池発電装置１は、排気ブロワ８の回転駆動に伴い、燃料電池発電モジュール２に燃料ガス及び発電用空気を専用のブロワやファンを介さずとも供給可能に構成されている。燃料電池発電装置１は、単一の排気ブロワ８によって各種のガスの供給及び排出の流動を制御可能に構成されている。

次に、本発明に関連する均圧弁４ｃに入力される信号圧の取得構造について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料ガス通路４に設置された均圧弁４ｃに入力される信号圧を排気通路６内の複数個所から取得可能に構成されると共に、燃料電池発電モジュール２の運転状況（要求発電量やセルスタック温度等）に応じて信号圧の取得位置を変更可能に構成されている。

即ち、図１に示すように、排気通路６の排気ブロワ８の下流側の配管部６ｂと燃料ガス通路４の均圧弁４ｃとの間には、第１〜第３圧力検知通路部２１〜２３及び共通検知通路部２４が設けられている。配管部６ｂには、上流側から下流側に向かって、第１圧力検知通路部２１の上流端、第２圧力検知通路部２２の上流端、第３圧力検知通路部２３の上流端が所定の間隔をあけて夫々接続されている。第１〜第３圧力検知通路部２１〜２３の下流端は合流され、この合流部から延びる共通検知通路部２４の下流端が、均圧弁４ｃに接続されている。

第１圧力検知通路部２１には、第１開閉弁２１ａが設置され、第２圧力検知通路部２２には、第２開閉弁２２ａが設置され、第３圧力検知通路部２３には、第３開閉弁２３ａが設置されている。これら第１〜第３開閉弁２１ａ〜２３ａは、制御ユニット（図示略）によって燃料電池発電モジュール２の運転状況に応じて選択的に開閉駆動される。

図２に示すように、均圧弁４ｃは、公知の均圧弁であり、１次側（下方空間）に供給される燃料ガスの圧力と２次側（上方空間）に供給される排気の圧力との差に応じて変形するダイヤフラム３１と、このダイヤフラム３１をバルブ３３が常時開となるように弾性付勢するスプリング３２と、ダイヤフラム３１の変形量に応じて開度が変更され且つこの開度に応じて燃料ガスが流通するバルブ３３等を備えている。

燃料ガス通路４において、ガス吸入部４ａからの燃料ガスは、均圧弁４ｃの流入口３４から流入し、バルブ３３を通って流出口３５から流出し、脱硫器４ｄへ流れる。ここで、均圧弁４ｃのバルブ３３の開度は、共通検知通路部２４から信号圧導入部３６を介して導入される排気の圧力に応じた開度となる。即ち、排気の圧力が高くなると、ダイヤフラム３１の変形を介してバルブ３３が下方に移動することで、バルブ３３の開度が大きくなり、排気の圧力が低くなると、ダイヤフラム３１の変形を介してバルブ３３が上方に移動することで、バルブ３３の開度が小さくなる。

排気通路６の排気ブロワ８の下流側の配管部６ｂ（排気通路６のうち信号圧の取得箇所に対応する配管部６ｂ）は、排気流の下流側程小径化するテーパ形状に構成されている。即ち、配管部６ｂの流通面積が上流側から下流側に向かう程減少することで、排気は下流に流れる程流速が上昇すると共に圧力が低下するので、配管部６ｂ内の信号圧の取得箇所の圧力を確実に変化させることができる。

このように、本発明の燃料電池発電装置１は、排気通路６内を流れる排気の圧力が第１〜第３圧力検知通路部２１〜２３と共通検知通路部２４を介して均圧弁４ｃに信号圧として伝達され、この信号圧に基づいて、均圧弁４ｃの開度が変更されて燃料ガスの流量が調節されるように構成されている。即ち、排気通路６の取得位置の異なる複数の信号圧に基づいて、燃料電池発電モジュール２へ供給される空気と燃料ガスの比率（空燃比）を変更することができる。

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の発電運転時等において、排気ブロワ８の回転駆動に伴い、燃料電池発電モジュール２に対して、発電用空気通路３を介して発電用空気が供給されると共に燃料ガス通路４を介して均圧弁４ｃによって流量が調整された燃料ガスが供給され、燃料電池発電モジュール２から発電後の排気が排気通路６に排出される。

ここで、例えば、燃料電池発電装置１を起動する場合や発電量を増加する場合には、排気通路６内の排気ブロワ８の吐出口近傍の圧力は排気口６ａ側と比較して高いので、排気ブロワ８の回転数を増加すると共に、第１開閉弁２１ａを開放状態にし、第２，第３開閉弁２２ａ，２３ａを閉止状態にすることで、高い排気圧力が、第１圧力検知通路部２１と共通検知通路部２４を介して均圧弁４ｃに信号圧として入力され、燃料ガスの流量が増加される。

また、例えば、燃料電池発電装置１を停止する場合や発電量を低減する場合には、排気通路６内の排気口６ａ近傍の圧力は排気ブロワ８の吐出口側と比較して低いので、排気ブロワ８の回転数を低減すると共に、第３開閉弁２３ａを開放状態にし、第１，第２開閉弁２１ａ，２２ａを閉止状態にすることで、低い排気圧力が、第３圧力検知通路部２３と共通検知通路部２４を介して均圧弁４ｃに信号圧として入力され、燃料ガスの流量が低減される。

このように、燃料電池発電装置１の起動時や停止時、通常の発電運転時においては要求発電量やセルスタック温度に応じて、排気ブロワ８の回転数を可変制御すると共に、第１〜第３開閉弁２１ａ〜２３ａの開閉状態を択一的に設定することで、排気通路６の複数個所の異なる排気の圧力を、第１〜第３圧力検知通路部２１〜２３と共通検知通路部２４を介して均圧弁４ｃに伝達して、燃料ガスの流量を調節し、空気と燃料ガスの比率を変更する。

以上説明したように、燃料電池発電装置１において、排気通路６の途中部に、排気ブロワ８が設けられ、燃料ガス通路４の途中部に、排気通路６内の圧力を信号圧として作動する均圧弁４ｃが設けられたので、排気ブロワ８の回転駆動に伴い発生する排気通路６内の圧力を利用して、均圧弁４ｃの開度を変更することで、燃料ガス通路４を流れる燃料ガスの流量を調節することができる。

従って、排気通路６に各種のガスの供給・排出の流動を制御する単一の排気ブロワ８を設置した構造であっても、燃料ガス通路４に均圧弁４ｃを設けることで、容易に且つ簡単な構造でもって燃料ガスの流量調節が実現可能であるので、燃料ガスの流量調節に複雑な制御を必要としなくなり、コスト増加を抑制することができる。

また、信号圧を排気通路６内の複数個所から取得可能に構成すると共に、燃料電池発電モジュール２の運転状況に応じて信号圧の取得位置を変更可能に構成しているので、燃料電池発電モジュール２の運転状況に応じて信号圧の取得位置を変更することで、燃料ガスの流量を調節し、燃料電池発電装置１の発電効率を向上することができる。

さらに、排気通路６のうち信号圧の取得箇所に対応する配管部６ｂ（排気通路６の排気ブロワ８の下流側の配管部６ｂ）を、下流側程小径化するテーパ形状に構成したので、配管部６ｂのテーパ形状によって排気通路６内の信号圧の取得箇所の圧力を確実に変化させることができ、燃料ガスの流量を確実に調節することができる。

次に、実施例１の燃料電池発電装置１を部分的に変更した実施例２について説明する。尚、実施例１では、排気通路６の排気ブロワ８の下流側から排気通路６内の圧力を取得しているが、この実施例２では、排気通路６の排気ブロワ８の上流側から排気通路６内の圧力を取得している。

図３に示すように、排気通路６の排気ブロワ８の上流側の配管部６ｃと燃料ガス通路４の均圧弁４ｃとの間には、第１〜第３圧力検知通路部２１Ａ〜２３Ａ及び共通検知通路部２４Ａが設けられている。第１〜第３圧力検知通路部２１Ａ〜２３Ａには、夫々、第１〜第３開閉弁２１Ａａ〜２３Ａａが設けられている。

即ち、配管部６ｃには、上流側から下流側に向かって、第１圧力検知通路部２１Ａの上流端、第２圧力検知通路部２２Ａの上流端、第３圧力検知通路部２３Ａの上流端が所定の間隔をあけて夫々接続されている。第１〜第３圧力検知通路部２１Ａ〜２３Ａの下流端は合流され、この合流部から延びる共通検知通路部２４Ａの下流端が、均圧弁４ｃに接続されている。

排気通路６の排気ブロワ８の上流側の配管部６ｃ（排気通路６のうち信号圧の取得箇所に対応する配管部６ｃ）は、排気流の下流側程小径化するテーパ形状に構成されている。即ち、排気通路６の配管部６ｃの流通面積が下流側程減少することで、排気が下流に流れる程流速が上昇すると共に圧力が低下するので、配管部６ｃ内の信号圧の取得箇所の圧力を確実に変化させることができる。尚、その他の構成、作用及び効果について、実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。

次に、前記実施例１，２を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１，２において、排気通路６内の圧力を排気ブロワ８の上流側又は下流側の３箇所から取得しているが、特にこれらの構造に限定する必要はなく、３箇所以上の複数個所から排気通路６内の圧力を取得するようにしても良く、排気通路６内の圧力の取得箇所及び取得数は、燃料電池発電装置１の能力やサイズに応じて適宜変更可能である。

［２］前記実施例１，２において、排気通路６のうち信号圧の取得箇所に対応する配管部６ｂ，６ｃをテーパ形状に構成しているが、特にこの構造に限定する必要はなく、排気通路６内を流れる排気の圧力が変動するのであれば、これらの形状は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 燃料電池発電モジュール（発電部）
４ 燃料ガス通路
４ｃ 均圧弁
６ 排気通路
７ 排熱回収用熱交換器
８ 排気ブロワ

Claims (3)

1. 燃料ガスと空気の供給を受けて発電を行う発電部と、この発電部に燃料ガスを供給する為の燃料ガス通路と、前記発電部から発電後の排気を機外に排出する為の排気通路とを備えた燃料電池発電装置において、
   前記排気通路の途中部に、排気ブロワが設けられ、
   前記燃料ガス通路の途中部に、前記排気通路内の圧力を信号圧として作動する均圧弁が設けられたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記信号圧を前記排気通路内の複数個所から取得可能に構成すると共に、前記発電部の運転状況に応じて前記信号圧の取得位置を変更可能に構成し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. 前記排気通路のうち前記信号圧の取得箇所に対応する配管部を、下流側程小径化するテーパ形状に構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。