JP2017143033A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】ガス濃度検出部３０が検出するガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）以下の場合、排出バルブＶ１を閉にし、かつ、戻しバルブＶ２を開にして、吸引ポンプＰが吸引したガスを循環させ、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えた場合、排出バルブＶ１を開にし、かつ、戻しバルブＶ２を閉にする制御を行い、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えた場合であっても、上限濃度Ｈｔｈを越えない限り、緊急停止を行わず、通常運転を継続し、かつ、ガス濃度Ｇを低下させる処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる燃料電池装置に関する。

燃料電池内にマニホールド構造を有し、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールでは、燃料ガスのクロスリークを無くすことは難しく、燃料ガスのクロスリーク量を規定値内に抑えるため、燃料極と空気極との差圧を精度良く抑制したり、ヒートショックなどによる燃料ガスのクロスリーク量の増加を抑えるため、負荷変化速度の抑制などを行っている。

この燃料ガスのクロスリーク量を運転中に直接計測することは困難であるため、燃料電池の局部発熱や特性劣化などを検知する事によってクロスリーク量を間接的に検出している。この結果、燃料ガスのクロスリークが規定値以上となる燃料電池の異常状態を迅速に検出できず、空気極外部での燃料ガスの燃焼などによって燃料電池のダメージが大きくなる。

特許文献１では、ガス検知センサを、燃料電池などを収納するパッケージ上部に設置し、パッケージ内に漏洩する可燃性滞留ガスのガス濃度を検知し、ガス濃度が規定値以上になった場合、換気ファンで可燃性滞留ガスを排出するガス濃度調整を行うようにしている。

特開２００３−２２９１４８号公報

しかし、特許文献１に記載されたように換気ファンを用いて可燃性滞留ガスを外部に排出すると、燃料電池の筐体内温度バランスが崩れ、装置が緊急停止する可能性が高くなる。この緊急停止の回数の増大は、燃料電池の電極寿命を低下させてしまう。特に、固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が６００℃〜１０００℃程度である。したがって、高温型燃料電池が緊急停止すると、急激な温度低下によって電池内に温度分布がつきクラックが発生する等で燃料電池の寿命が短くなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料ガスが空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても緊急停止の回数を少なくして燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる燃料電池装置は、燃料電池スタックと、外部から供給される燃料を前記燃料電池スタックに導入するとともに前記燃料電池スタックから排出する燃料接続部と、外部から供給される空気を前記燃料電池スタックに導入するとともに前記燃料電池スタックから排出する空気接続部とを気密筐体内に配置した燃料電池モジュールを有した燃料電池装置であって、前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスを前記気密筐体外に吸引する吸引配管上に設けた吸引ポンプと、前記吸引配管上に設けられ前記可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、前記吸引配管から分岐して前記可燃性滞留ガスを前記気密筐体外に排出する排出配管と、前記吸引配管から分岐して前記可燃性滞留ガスを前記気密筐体内に戻す戻し配管と、前記可燃性滞留ガスの流通先を前記排出配管または前記戻し配管のいずれかに切り替える可燃性滞留ガス切替部と、前記可燃性滞留ガス切替部を切り替え制御することで、前記ガス濃度が所定濃度以下では前記可燃性滞留ガスを前記戻し配管に流通させ、前記ガス濃度が前記所定濃度を超えた場合、前記可燃性滞留ガスを前記排出配管に流通させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記可燃性滞留ガス切替部は、前記排出管上に設けられた排出バルブと、前記戻し配管上に設けられた戻しバルブと、からなり、前記制御部は、前記ガス濃度が前記所定濃度以下の場合、前記排出バルブを閉にし、かつ、前記戻しバルブを開にし、前記ガス濃度が前記所定濃度を超えた場合、前記排出バルブを開にし、かつ、前記戻しバルブを閉にすることを特徴とする。

また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記ガス濃度が所定濃度を超えた場合、前記ガス濃度が所定濃度以下の場合における前記吸引ポンプによるガス吸引量に比して大きいガス吸引量となるように前記吸引ポンプを制御することを特徴とする。

また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記所定濃度よりも高いガス濃度の上限濃度を検知し、前記ガス濃度が前記上限濃度以下の場合、前記燃料および前記空気を前記燃料電池スタックに供給して運転を継続させることを特徴とする。

また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記ガス濃度が前記上限濃度を超えた場合、装置を直ちに停止させる緊急停止を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる燃料電池装置は、上記の発明において、前記戻し配管は、前記気密筐体内の下部に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料が空気極側にクロスリークする可能性のある燃料電池モジュールを有する場合であっても、上限濃度以下であれば緊急停止されず、所定濃度を超えた場合にガス濃度の減少処理を実行しているので、緊急停止の回数が少なくなり燃料電池モジュールの寿命を長くすることができる。

図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、燃料入口マニホールドの詳細構成を示す一部破断図である。 図３は、制御部によるガス濃度に対する運転制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池装置１の全体構成を示すブロック図である。燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２を有する。燃料電池モジュール２は、断熱気密筐体３内部に設けられた燃料電池スタック４を有する。燃料電池スタック４は、燃料供給ラインＬ１０から導入される燃料と、空気供給ラインＬ２０から導入される空気とを反応させて発電する発電セル４ａを複数設けたセルスタックである。

燃料電池スタック４は、例えば円筒形の発電セル４ａを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セル４ａを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施の形態の燃料電池スタック４は、発電セル４ａが円筒形であり、円筒内側に燃料極が形成され、円筒外側に空気極が形成されている。したがって、円筒内には燃料が流入する。燃料電池スタック４は、燃料極と空気極との間に、電解質としてイオン導電性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

燃料供給ラインＬ１０から供給される燃料は、図示しない原燃料（例えば、メタンガスや都市ガス等）に対して図示しない脱硫器によって硫黄成分が除去され、さらに図示しない改質器によって改質されて水素リッチとなっている。

燃料供給ラインＬ１０から供給された燃料は、燃料供給ブロア１０によって流量調整される。燃料供給ブロア１０から導出される燃料は、燃料供給ラインＬ１１、接続部１１を介して燃料電池モジュール２内の燃料接続部１２に供給される。燃料接続部１２は、燃料供給ラインＬ１２および燃料入口マニホールド１３を有する。接続部１１を介して導入した燃料は、燃料供給ラインＬ１２から燃料入口マニホールド１２に流入する。燃料入口マニホールド１２は、燃料供給ラインＬ１２から供給された燃料を各発電セル４ａの円筒内に供給する。

燃料電池スタック４の発電セル４ａ内で反応あるいは未反応の燃料オフガスは、燃料出口マニホールド１４で集められ、燃料オフガスラインＬ１３、接続部１５、燃料オフガスラインＬ１４を介して排出される。なお、燃料出口マニホールド１４および燃料オフガスラインＬ１３は、燃料接続部１６を構成する。

一方、空気供給ラインＬ２０からの空気は、空気供給ブロア２０によって流量調整される。空気供給ブロア２０から導出される空気は、空気供給ラインＬ２１、接続部２１、燃料電離モジュール２内の空気供給ラインＬ２２を介して燃料電池モジュール２内に供給される。空気供給ラインＬ２２から導出された空気は、発電セル４ａの空気極を介して燃料極の燃料と反応する。燃料電池モジュール２内の空気は、燃料電池モジュール２内の空気排出ラインＬ２３、接続部２２、空気排出ラインＬ２４を介して排出される。空気供給ラインＬ２２および空気排出ラインＬ２３は、空気接続部２３を構成する。

図２は、燃料入口マニホールド１３の詳細構成を示す一部破断図である。図２に示すように、燃料入口マニホールド１３は、シール１３ａを介して円筒形の発電セル４ａを接続する。燃料圧は、空気圧に比して大きく、燃料電池スタック４は、起動時に常温から６００℃〜１０００℃程度まで変化するため、シール１３ａから燃料が漏れる可能性がある。特に、発電セル４ａは、温度変化に伴い軸方向および径方向に伸縮するため、燃料漏れが生じる可能性が大きい。この漏れたガスは、水素やメタンを主成分とするものであり、空気よりも軽いため、断熱気密筐体３の上部に可燃性滞留ガスＧＡとして滞留する。なお、本実施の形態では、マニホールドをもつ燃料電池スタック構造について記載したが、マニホールドが無い燃料電池スタック構造についても、本発明は同様に実施可能である。

そこで、図１に示すように、断熱気密筐体３の上部に、吸引配管Ｌ３０を接続し、吸引配管Ｌ３０上に吸引ポンプＰと可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを検出するガス濃度検出部３０とを設ける。吸引配管Ｌ３０には、排出配管Ｌ３１が接続され、排出配管Ｌ３１の分岐点ＰＴには、戻し配管Ｌ３２が接続される。排出配管Ｌ３１と、戻し配管Ｌ３２上には、可燃性滞留ガス切替部Ｖが設けられる。本実施例では、可燃性滞留ガス切替部Ｖとして、バルブ（Ｖ１，Ｖ２）を用いたが、三方弁等の他の手段を用いてもよい。排出配管Ｌ３１上には排出バルブＶ１が設けられ、排出バルブＶ１が開のとき、吸引ポンプＰで吸引されたガスは、外部に排出される。一方、戻し配管Ｌ３２上には、戻しバルブＶ２が設けられる。戻し配管Ｌ３２は、接続部３１を介して燃料電池モジュール２の下部に接続される。したがって、排出バルブＶ１が閉で、戻しバルブが開のとき、吸引ポンプＰで吸引されたガスは、燃料電池モジュール２に戻されて循環することになる。なお、ガス濃度検出部３０は、燃料電池モジュール２の外部に設けられるため、運転温度が６００℃〜１０００℃程度となる高温型燃料電池であってもガス濃度検出を行うことができる。

図１に示すように、制御部Ｃは、排出バルブＶ１および戻しバルブＶ２の開閉を制御する。また、制御部Ｃは、吸引ポンプＰの吸引流量を調整する。さらに、制御部Ｃは、数濃度検出部３０が検出したガス濃度Ｇを取得する。なお、制御部Ｃは、燃料供給ブロア１０および空気供給ブロア２０の流量調整を行うことによって燃料電池スタック４における空気比を調整して燃焼を制御する。

制御部Ｃは、可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇをサンプリング検出する場合、排出バルブＶ１を閉にし、戻しバルブＶ２を開にし、吸引ポンプＰを最小流量に調整して可燃性滞留ガスＧＡを吸引させて、ガス濃度検出部３０が検出したガス濃度Ｇを取得する。

制御部Ｃは、サンプリング検出した可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合、燃料電池装置１を緊急停止させる。また、制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えた場合、排出バルブＶ１を開にし、戻しバルブＶ２を閉にし、吸引ポンプＰを最大流量で吸引させて、吸引ポンプＰが吸引した可燃性滞留ガスＧＡを迅速に外部に排出する。これによって、燃料電池モジュール２内のガス濃度Ｇを低くすることができる。一方、制御部Ｃは、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えない場合、排出バルブＶ１を閉にし、戻しバルブＶ２を開にし、吸引ポンプＰを最小流量で吸引させて、吸引ポンプＰが吸引した可燃性滞留ガスＧＡを燃料電離モジュール２内に戻して循環させる。

これによって、吸引ポンプＰによって吸引されたガスを外部に排出することなくガス濃度Ｇを検出できるとともに、燃料電池モジュール２の運転を継続することができる。この際、吸引ポンプＰによって吸引されたガスは、外部に排出されないので、燃料電池モジュールからの排熱回収できない排気ガスがなく、運転効率の低下を抑止することができる。また、吸引ポンプＰによって吸引されたガスは、断熱気密筐体２の下部に戻されるため、可燃性滞留ガスＧＡが断熱気密筐体２の上部で滞留するのを抑止することができる。

（ガス濃度Ｇに対する運転制御処理）
つぎに、図３に示したフローチャートを参照して、制御部Ｃによるガス濃度Ｇに対する運転制御処理手順の詳細について説明する。図３に示すように、まず、制御部Ｃは、燃料電池装置１を運転状態にしており（ステップＳ１０１）、排出バルブＶ１を閉にし、戻しバルブＶ２を開にし、吸引ポンプＰの流量を最小流量にする（ステップＳ１０２）。この状態で、制御部Ｃは、取得したガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超える場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）には、燃料電池装置１を緊急停止し（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。この緊急停止では、少なくとも燃料供給ブロア１０を停止による燃料供給停止を行い、排出バルブＶ１を開にし、戻しバルブＶ２を閉にし、吸引ポンプＰの流量を最大流量にする。すなわち、少なくとも、断熱気密筐体３内に供給される燃料をなくし、断熱気密筐体３内の可燃性滞留ガスＧＡをなくす処理を最大能力で実行する。

一方、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを超えない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）には、さらに、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）を超えるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超えない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行して運転状態を継続する。

ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈを超える場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、排出バルブＶ１を開にし、戻しバルブＶ２を閉にし、吸引ポンプＰの流量を最大流量にして（ステップＳ１０６）、断熱気密筐体３内に滞留する可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを迅速に減少させる処理を行い、ステップＳ１０３に移行する。換言すれば、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ以下になるまで通常運転を行いつつ、可燃性滞留ガスＧＡのガス濃度Ｇを迅速に減少させる処理を行う。

本実施の形態では、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ（＜上限濃度Ｈｔｈ）以下の場合、可燃性滞留ガスＧＡを外部に排出せずに、循環させ、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｈｔを超える場合に、運転を停止せずに、可燃性滞留ガスＧＡを外部に排出してガス濃度Ｇを低下させる処理を行うようにしている。したがって、ガス濃度Ｇが上限濃度Ｈｔｈを越えない限り、通常運転が継続され、緊急停止の回数が少なくなる。このため、燃料電池スタック４の触媒劣化を防止でき、燃料電池モジュール２の寿命を長くすることができる。

また、ガス濃度Ｇが所定濃度Ｇｔｈ以下の場合、吸引ポンプＰが吸引したガスを断熱気密筐体３内に戻して循環させ、外部に排出しないようにしているので、排熱回収できない排気ガスがなくなるため、運転効率を向上させることができる。

１ 燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
３ 断熱気密筐体
４ 燃料電池スタック
４ａ 発電セル
１０燃料供給ブロア
１１、１５、２１、２２、３１ 接続部
１２ 燃料接続部
１３ａ シール
１３ 燃料入口マニホールド
１４ 燃料出口マニホールド
１６ 燃料接続部
２０ 空気供給ブロア
２３ 空気接続部
３０ ガス濃度検出部
Ｇ ガス濃度
ＧＡ 可燃性滞留ガス
Ｇｔｈ 所定濃度
Ｈｔｈ 上限濃度
Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２ 燃料供給ライン
Ｌ１３、Ｌ１４ 燃料オフガスライン
Ｌ２０〜Ｌ２２ 空気供給ライン
Ｌ２３、Ｌ２４ 空気排出ライン
Ｌ３０ 吸引配管
Ｌ３１ 排出配管
Ｌ３２ 戻し配管
Ｐ 吸引ポンプ
ＰＴ 分岐点
Ｖ 可燃性滞留ガス切替部
Ｖ１ 排出バルブ
Ｖ２ 戻しバルブ

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、外部から供給される燃料を前記燃料電池スタックに導入するとともに前記燃料電池スタックから排出する燃料接続部と、外部から供給される空気を前記燃料電池スタックに導入するとともに前記燃料電池スタックから排出する空気接続部とを気密筐体内に配置した燃料電池モジュールを有した燃料電池装置であって、
   前記気密筐体内の上部に滞留した可燃性滞留ガスを前記気密筐体外に吸引する吸引配管上に設けた吸引ポンプと、
   前記吸引配管上に設けられ前記可燃性滞留ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出部と、
   前記吸引配管から分岐して前記可燃性滞留ガスを前記気密筐体外に排出する排出配管と、
   前記吸引配管から分岐して前記可燃性滞留ガスを前記気密筐体内に戻す戻し配管と、
   前記可燃性滞留ガスの流通先を前記排出配管または前記戻し配管のいずれかに切り替える可燃性滞留ガス切替部と、
   前記可燃性滞留ガス切替部を切り替え制御することで、前記ガス濃度が所定濃度以下では前記可燃性滞留ガスを前記戻し配管に流通させ、前記ガス濃度が前記所定濃度を超えた場合、前記可燃性滞留ガスを前記排出配管に流通させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記可燃性滞留ガス切替部は、前記排出管上に設けられた排出バルブと、
   前記戻し配管上に設けられた戻しバルブと、からなり、
   前記制御部は、前記ガス濃度が前記所定濃度以下の場合、前記排出バルブを閉にし、かつ、前記戻しバルブを開にし、前記ガス濃度が前記所定濃度を超えた場合、前記排出バルブを開にし、かつ、前記戻しバルブを閉にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御部は、前記ガス濃度が前記所定濃度を超えた場合、前記ガス濃度が所定濃度以下の場合における前記吸引ポンプによるガス吸引量に比して大きいガス吸引量となるように前記吸引ポンプを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御部は、前記所定濃度よりも高いガス濃度の上限濃度を検知し、前記ガス濃度が前記上限濃度以下の場合、前記燃料および前記空気を前記燃料電池スタックに供給して運転を継続させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
5. 前記制御部は、前記ガス濃度が前記上限濃度を超えた場合、装置を直ちに停止させる緊急停止を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
6. 前記戻し配管は、前記気密筐体内の下部に接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池装置。

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