JP3680980B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置の構成、特に水蒸気分離器から原燃料供給ラインへの水蒸気の逆流異常の検知機能を備えた燃料電池発電装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスやＬＰＧなどの燃料ガスを水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質し、この改質された燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料極および酸化剤極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する燃料電池発電装置が周知であり、かかる燃料電池発電装置は一般に図３に示すような構成が採用されている。
【０００３】
図３は、従来の燃料電池発電装置の燃料供給系，冷却系および水蒸気改質の系統に着目した概略構成を示すもので、燃料電池本体２０は、燃料極２１および酸化剤極２２を有する単電池を５から８個積層する毎に冷却水を通流する冷却板を積層してなり、燃料極２１および酸化剤極２２にはそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う。図３において燃料ガスは、改質器４からＣＯ変成器５を介して供給される。
【０００４】
燃料電池は発電に伴って熱を発生するので発電中は冷却を要し、その冷却水４０は水蒸気分離器７からポンプ５０および熱交換器３０を経て燃料電池本体２０に供給される。この冷却水の温度は通常、燃料電池の運転中は約１６０℃で、加圧水の状態で流れ、水蒸気分離器７で気液分離される。水蒸気分離器７から出た水は、熱交換器３０で冷却水温度が制御された後、燃料電池本体２０を冷却し、水蒸気分離器７に戻される。
【０００５】
水蒸気分離器７で気液分離された蒸気は、蒸気配管９によりエゼクタ３に導入され、原燃料供給ライン８から原燃料を前記水蒸気流のエゼクタ吸引力により吸引して、原燃料と水蒸気の混合物を改質器４に導入する。原燃料は改質器における改質反応により水素リッチなガスに改質される。
【０００６】
原燃料供給ライン８は、原燃料供給源１５とエゼクタ３との間に、原燃料遮断弁１０，原燃料調節弁１および脱硫器２を有し、原燃料調節弁１により燃料電池の負荷に応じて燃料供給量が調節される。原燃料の一部は、助燃ガス供給ライン１４から改質器４にも供給される。助燃ガス供給ライン１４は、原燃料供給ライン８の前記原燃料遮断弁１０と原燃料調節弁１との間から分岐し，助燃ガス遮断弁１３を備える。改質器４の反応は吸熱反応であるために熱の供給が必要であり、この熱は、燃料電池で発電反応に消費されなかった燃料ガスのオフガス燃焼により主にまかなわれるが、特に燃料電池の起動時は補助燃料が必要であり、この補助燃料として、前記助燃ガスが使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の燃料電池発電装置においては、下記のような問題があった。発電開始前の燃料電池の起動過程において、改質器４にいきなり都市ガス等の原燃料を通流すると、改質器の触媒反応により炭素が発生して触媒に付着し、触媒の改質性能が低下する。これを防ぐために、原燃料を流す前に、改質器４に水蒸気分離器７から改質蒸気のみを供給する工程がある。この時点では、原燃料遮断弁１０および助燃ガス遮断弁１３は開いている。原燃料調節弁１は閉じているものの、調節弁の構造上、気密性はない。
【０００８】
この時、エゼクタ３の下流側で改質蒸気の流れを阻害する異常が起き、改質蒸気が流れなくなる，もしくは流れ難くなると、水蒸気分離器７の蒸気はエゼクタ３を経て原燃料供給ライン８へ逆流する。前記した流れを阻害する異常の例としては、以下のようなケースがある。ＣＯ変成器５の出口もしくは燃料電池本体の入口に設けられるフィルタのエレメントが、例えば水濡れ状態となって閉塞し、改質蒸気が流れ難くなるケース、あるいは、燃料電池本体入口に設けられた電磁弁の誤動作により電磁弁が閉じてしまい、改質蒸気が流れなくなるケース等である。
【０００９】
上記の原燃料供給ライン８へ逆流した蒸気は、脱硫器２，原燃料調節弁１，原燃料遮断弁１０を経て、燃料電池発電装置外の配管へ流出し、周辺設備ひいては燃料電池発電装置自体に損傷をもたらす。例えば、装置外の配管内に蒸気のドレンが溜まり、配管が閉塞して原燃料の供給ができなくなる、また、配管内が腐食し、腐食物がストレーナー等に詰まり、原燃料の供給阻害を起こす、さらに、他の周辺設備にドレンが流れ込み動作不良を起こす等である。原燃料の供給阻害を起こすと、燃料電池の起動過程で原燃料が供給できないこととなり、燃料電池発電装置が起動できない事態が生ずる。
【００１０】
この発明は、これらの問題点を解消するためになされたもので、その目的は、燃料電池発電装置の起動過程において、水蒸気分離器から原燃料供給ラインへの水蒸気の逆流異常を検知し、この検知信号に基づいて、燃料電池発電装置の運転を速やかに停止して、蒸気逆流に伴う周辺装置を含めた燃料電池発電装置の損傷を最小にする燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、請求項１の発明では、原燃料を水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行い，発電に伴い発生する熱を冷却水で冷却してなる燃料電池本体と、この冷却水中の水と蒸気とを分離し，水は燃料電池本体に供給し，水蒸気はエゼクタを介して改質器に供給し前記原燃料改質用の水蒸気として利用するために設けた水蒸気分離器と、前記エゼクタに原燃料供給源から原燃料遮断弁と原燃料調節弁を経て原燃料を供給する原燃料供給ラインと、このラインの前記原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間から分岐し，助燃ガス遮断弁を経て原燃料を前記改質器に供給する助燃ガス供給ラインとを備えた燃料電池発電装置において、前記原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁の前後の圧力の大小および圧力差を測定するための差圧計と、この差圧計の出力に基づき，原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁前の原燃料供給源側の圧力が小でかつ前記圧力差が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置とを備えるものとする。
【００１２】
上記構成によれば、万一原燃料供給ラインに水蒸気の逆流が起こった場合、原燃料供給ラインにおいて、水蒸気の上流側の圧力が下流側に比較して大、即ち、原燃料調節弁前の原燃料供給源側の圧力が小となるので、差圧計により所定値を検出した際に、原燃料遮断弁を閉じかつ燃料電池発電装置の運転を停止することにより、所期の目的を達成することができる。
請求項２の発明は、請求項１の差圧計に代えて温度計を使用するもので、原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間に温度計を設け、この温度計の出力に基づき，当該温度が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置とを備えるものとする。通常、原燃料供給ラインは常温であるが、万一、水蒸気逆流異常が発生した場合には、原燃料供給ラインの温度が上昇するので、温度が所定値に到達した際に、燃料電池発電装置の運転を停止することにより、所期の目的を達成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００１４】
図１は、請求項１の発明に関わる実施例を示す燃料電池発電装置の構成図で、図３の従来の装置と同一の部材には同一番号を付して説明を省略する。図１の構成が図３の従来の構成と異なる点は、請求項１に記載した差圧計１１と、この差圧計の出力に基づき，原燃料供給ライン８における原燃料調節弁１より前の原燃料供給源側の圧力が小でかつ前記圧力差が所定値に到達した際に原燃料遮断弁１０を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号Ｓを出力する制御装置１０１を設けた点である。
【００１５】
図１の構成によれば、前述のように、原燃料供給ライン８に水蒸気分離器７からの水蒸気の逆流が万一発生しても、原燃料供給ライン８において、水蒸気の上流側の圧力が下流側に比較して大、即ち、原燃料調節弁１の紙面左側の圧力の方が、紙面右側の圧力より小となるので、差圧計により逆流の有無を検知でき、この検知信号に基づいて、燃料電池発電装置の運転を速やかに停止して、蒸気逆流に伴う周辺装置を含めた燃料電池発電装置の損傷を最小にする燃料電池発電装置を提供することできる。
【００１６】
図２は、請求項２の発明に関わる実施例を示す燃料電池の構成図を示す。図１と異なる点は、差圧計に代えて、温度計１２を原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間に設け、この温度計の出力に基づき，当該温度が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号Ｓを出力する制御装置１０２を設けた点である。
【００１７】
図２の実施例の構成によれば、前述のように、万一、水蒸気逆流異常が発生した場合には、原燃料供給ライン８の温度が上昇するので、温度が所定値に到達した際に、燃料電池発電装置の運転を停止することにより、所期の目的を達成することができる。
【００１８】
なお、前記差圧計や温度計を設ける位置は、この発明の技術思想の範囲内において、原燃料供給ライン上の前記とは異なる位置に設けることができる。例えば、差圧計の場合は、前記ライン上に流体的に「絞り」があれば、その前後に設けることができる。また、温度計の場合は、水蒸気流による温度変化がこの発明の目的に沿って的確に検出できる適宜の位置でよい。
【００１９】
【発明の効果】
上記のとおり、請求項１および請求項２の発明によれば、「原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁の前後の圧力の大小および圧力差を測定するための差圧計と、この差圧計の出力に基づき，原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁前の原燃料供給源側の圧力が小でかつ前記圧力差が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置とを備えるもの」および「原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間に温度計を設け、この温度計の出力に基づき，当該温度が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置とを備えるもの」としたので、燃料電池発電装置の起動過程において、水蒸気分離器から原燃料供給ラインへの水蒸気の逆流異常が万一発生しても、これを検知し、この検知信号に基づいて、燃料電池発電装置の運転を速やかに停止し、蒸気逆流に伴う周辺装置を含めた燃料電池発電装置の損傷を最小にする燃料電池発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に係る発明の実施例を示す燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図２】請求項２に係る発明の実施例を示す燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図３】従来の燃料電池発電装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１：原燃料調節弁、３：エゼクタ、４：改質器、７：水蒸気分離器、８：原燃料供給ライン、１０：原燃料遮断弁、１１：差圧計、１２：温度計、１３：助燃ガス遮断弁、１４：助燃ガス供給ライン、１５：原燃料供給源、２０：燃料電池本体、１０１，１０２：制御装置。

Claims (2)

1. 都市ガスやＬＰＧなどの原燃料を水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行い，発電に伴い発生する熱を冷却水で冷却してなる燃料電池本体と、この冷却水中の水と蒸気とを分離し，水は燃料電池本体に供給し，水蒸気はエゼクタを介して改質器に供給し前記原燃料改質用の水蒸気として利用するために設けた水蒸気分離器と、前記エゼクタに原燃料供給源から原燃料遮断弁と原燃料調節弁を経て原燃料を供給する原燃料供給ラインと、このラインの前記原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間から分岐し，助燃ガス遮断弁を経て原燃料を前記改質器に供給する助燃ガス供給ラインとを備えた燃料電池発電装置において、前記原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁の前後の圧力の大小および圧力差を測定するための差圧計と、この差圧計の出力に基づき，原燃料供給ラインにおける原燃料調節弁前の原燃料供給源側の圧力が小でかつ前記圧力差が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 都市ガスやＬＰＧなどの原燃料を水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行い，発電に伴い発生する熱を冷却水で冷却してなる燃料電池本体と、この冷却水中の水と蒸気とを分離し，水は燃料電池本体に供給し，水蒸気はエゼクタを介して改質器に供給し前記原燃料改質用の水蒸気として利用するために設けた水蒸気分離器と、前記エゼクタに原燃料供給源から原燃料遮断弁と原燃料調節弁を経て原燃料を供給する原燃料供給ラインと、このラインの前記原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間から分岐し，助燃ガス遮断弁を経て原燃料を前記改質器に供給する助燃ガス供給ラインとを備えた燃料電池発電装置において、前記原燃料遮断弁と原燃料調節弁との間に設けた温度計と、この温度計の出力に基づき，当該温度が所定値に到達した際に原燃料遮断弁を閉じ，かつ燃料電池発電装置の運転を停止する信号を出力する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。

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