JP4836968B2 - 燃料電池のためのガス・水供給システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のためのガス・水供給システムに関する。

一般に、燃料が有しているエネルギーを電気エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟むように配置された一対の電極を有している。一対の電極のうち一方の電極の表面に水素の反応ガス（燃料ガス）を接触させ、一対の電極のうち他方の電極の表面に酸素を含有する空気を接触させることにより、電気化学反応が発生する。燃料電池は、この電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギーを取り出すものである。特許文献１には、改質器を備えた燃料電池システムの運転方法について記載されており、改質器の温度が急激に上昇する現象を防止するため、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用運転するとともに、吸熱反応である水蒸気改質の割合を大きくする運転方法が開示されている。
特開２０００−４０５１９号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムの運転方法では、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用して改質するため、水蒸気改質を行うための水が必要であり、改質器への水が供給できなくなった場合には、燃料電池システムを停止せざるを得ないという問題があった。

一般的に水蒸気改質を行う燃料電池システムにおいて、水自立（凝縮水で燃料電池に必要な水をすべてまかなうこと）は困難であり、外部補給水のラインを設ける必要があったり、仮に水自立ができたとしても凝縮水の生成部にコストがかかるという問題や水がなくなった場合にシステムを停止しなければならないといった問題があった。また、外気温の影響をうけて水供給システムが凍るという問題、凝縮水が減少するという問題、あるいは凍結防止にヒーターを使うことにより消費電力が大きくなるといった問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、水タンクの貯水量の影響を考慮した制御や完全水自立可能な燃料電池のためのガス・水供給システムを提供することを目的とする。

（１）請求項１に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムは、燃料電池に改質ガスを供給する改質部と、
前記改質部に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段と、
前記改質部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
水を貯える水タンクと、
前記水タンクからの水をそのまままたは水蒸気として前記改質部に供給する水供給手段と、
前記水タンクの貯水量を検知する貯水量センサと、
前記改質部にて、前記被改質ガスと前記酸素含有ガス及び前記水の双方とによる改質反応、又は、前記被改質ガスと前記酸素含有ガス又は前記水のいずれかとによる改質反応を行わせるべく、前記貯水量センサによる信号に基づいて前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段とを切り替えるかまたは両供給手段を併用させるかを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

（２）請求項２に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムは、請求項１において、前記水タンクは、前記燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄えることを特徴とする。

（３）請求項３に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムは、請求項１または２において、前記水タンクは、外部水供給源から供給される水を蓄えることを特徴とする。

（４）請求項４に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムは、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記貯水量センサの信号に基づいて前記水タンクの貯水量が予め設定した値より少ないと判断したときは、前記水供給手段を停止させると共に前記酸素含有ガス供給手段を動作させることにより改質反応を行わせることを特徴とする。

（５）請求項５に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段との間で切り替える場合に、一定期間両手段を併用して動作させることを特徴とする。

請求項１に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムでは、改質部に対して水供給手段と酸素含有ガス供給手段とを並列して接続しており、水供給手段へは水を蓄える水タンクから水を供給可能である。水供給手段は、水をそのまま改質部に供給しても、水蒸気としてから改質部に供給してもよい。さらに、水供給手段と酸素含有ガス供給手段の各々から改質部への供給を制御する制御手段が、水タンクの貯水量センサの信号に基づいて水供給手段と酸素含有ガス供給手段との切り替えを行うことができる。
従って、水タンクの貯水量が十分なときは水供給手段のみから改質部へ水を供給することにより水蒸気改質を行わせることができる。
一方、水タンクの貯水量が不足状態となったとき、水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができ、改質部およびシステム全体を停止させることなく運転することが可能となる。
また、水供給手段と酸素含有ガス供給手段の両供給手段を併用することにより水タンクからの水の供給量の変動を補いつつ常に安定した改質反応を行わせることができる。

請求項２に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムでは、水タンクに燃料電池の排熱回収により生じた凝縮水を蓄える。これにより凝縮水を廃棄することなく有効利用できる。また、凝縮水の供給量には変動があるが、水タンクの貯水量が十分なときは水供給手段のみから改質部へ水または水蒸気を供給することにより水蒸気改質を行わせることができる。
一方、凝縮水が減少して水タンクの貯水量が不足状態となった場合は、水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができ、また、貯水量が回復した場合には再び水蒸気改質に切り替えることができるため、改質部およびシステム全体を停止させることなく運転することが可能となる。このようにして、補給水を外部から供給する必要がなく完全な水自立システムを構築することができる。

請求項３に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムでは、水タンクに外部水供給源から供給される水を蓄える。これにより外部水供給源の確保できる地域（水道設備等の水インフラの設備の整備されている地域）で使用する場合は、正常時であれば貯水量を十分得られるため水供給手段のみから改質部へ水または水蒸気を供給することにより水蒸気改質を行わせることができる。
一方、外部水供給源の確保できる地域であっても例えば災害や工事等の断水時に水タンクの貯水量が不足状態となった場合は、水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができ、また、断水が復旧した場合には再び水蒸気改質に切り替えることができるため、改質部およびシステム全体を停止させることなく運転することが可能となる。
また、水インフラの設備が整備されていない地域、例えば、僻地、砂漠等で使用する場合にもそのまま対応できる燃料電池システムを提供できる。さらに、例えば、水インフラの設備の整備されている地域で使用していた燃料電池（水蒸気改質していたもの）システムを、水インフラの設備が整備されていない地域に移転する必要が生じた場合であっても、本システムであればそのまま使用できる。
またさらに、外部水供給源から供給される水（例えば、水道水、井戸水）の水質が低下したときにも、部分酸化改質を行わせることができ、燃料電池セルの劣化等を防止できる。水質の低下は例えばセンサにより検知でき、それに基づいて部分酸化改質を行わせることができる。またさらに、水タンクヘの水供給管、水供給手段における水供給管が凍結したときにも、水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段に切り替えることにより部分酸化改質を行わせることができ、また、凍結解除された場合には再び水蒸気改質に切り替えることができるため、改質部およびシステム全体を停止させることなく運転することが可能となる。

請求項４に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムでは、貯水量センサの信号に基づいて水タンクの貯水量を検知するため、水蒸気改質と部分酸化改質の切り替えを正確かつ迅速に行うことができる。

請求項５に係る、燃料電池のためのガス・水供給システムでは、酸素含有ガス供給手段と水供給手段との間で切り替える場合に、一定期間両手段を併用して動作させることにより急激な変化が燃料電池に悪影響を及ぼすことが避けられ、徐々に改質反応を移行させることができる。

図１は本発明の、燃料電池のためのガス・水供給システムを、固体酸化物形燃料電池システム１に適用した例について、簡略化して示すブロック図である。燃料電池本体２０内には、電解質を一対の電極で挟んだセルの集合体である燃料電池２１が設置され、改質触媒を内包する改質部２２は燃料電池２１と隣接するように構成されている。これにより、燃料電池２１の発電反応による熱及び余剰ガスの燃焼熱を改質部２２内における改質反応に利用することが可能となる。

燃料電池本体２０に対して複数種のガスおよび水を供給するガス・水供給システム１０が設けられる。それぞれのガスまたは水は燃料電池本体２０に接続された適宜の供給管により供給される。空気供給部１１からは、燃料電池２１に対して酸素を含有する空気が供給される。燃料電池２１に対してはさらに、改質部２２において改質された水素リッチな燃料ガスが供給されることにより発電反応を生じ、高温の排ガスが排出される。

ガス・水供給システム１０にはさらに、改質部２２に対して種々のガスまたは水を供給する複数の供給部１２〜１４が含まれる。被改質ガス供給部１２は改質反応に用いられる被改質ガスを供給する。この被改質ガスは、都市ガス、プロパンガス等の当初からガス状であるもののみならず、灯油、石油等の液状の燃料を気化したものを使用できる。酸素含有ガス供給部１３は空気等の酸素含有ガスを供給する。また水供給部１４は水または水蒸気を供給する。水蒸気を供給する場合は、水供給部１４が蒸発器１４ａを具備している。以下、水供給部１４が水をそのまま改質部２２に供給する実施例について説明するが、水蒸気を供給する場合も同様の制御となる。

水供給部１４から改質部２２に供給される水は、水蒸気改質（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ）に必要である。一方、酸素含有ガス供給部１３から改質部２２に供給される酸素含有ガスは、部分酸化改質（ＣＨ_４＋Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２）に必要である。

改質部２２への水の供給及び停止は、例えば水供給部１４に設けた送出ポンプ等を運転及び停止させることにより、あるいは適宜のバルブの開閉により行うことができる。また、改質部２２への酸素含有ガスの供給及びその停止は、例えば酸素含有ガス供給部１３に設けた送出ポンプ等を運転及び停止させることにより、あるいは適宜のバルブの開閉により行うことができる。さらに、これらの送出ポンプの運転及び停止あるいはバルブの開閉は、例えば、ガス・水供給システム１０の制御装置を含むガス供給制御部１５からの電気制御信号Ｃ１及びＣ２によりそれぞれ制御可能である。これにより、水及び酸素含有ガスのいずれかまたは双方を選択的に改質部２２へ供給することができる。

また、燃料電池２１からの排ガスから凝縮水を回収するための排熱回収部４０が設けられている。排熱回収部４０で生成した凝縮水は水タンク５０へ送られて蓄えられる。そして、水蒸気改質用の水として水供給部１４を経て改質部２２に供給される。

また、水タンク５０には凝縮水の蓄えられた量を検知する貯水量センサ５１が設けられている。貯水量センサ５１は、例えばフロートスイッチのように水タンク５０内の水の一定の貯水量に応じてＯＮ、ＯＦＦするセンサである。一定の貯水量は予め設定される。貯水量センサ５１は、予め設定された貯水量を検知すると、その検知信号をガス供給制御部１５へ送信する。

以下、実際の運転方法について述べる。通常時の燃料電池の運転においては、酸素含有ガス供給部１３から改質部２２への酸素含有ガスを停止し、水供給部１４の水を供給することにより水蒸気改質による運転が行われる。これは、水蒸気改質のほうが発電効率が高くロスが少ないためである。水蒸気改質を行うことにより水タンク５０内の凝縮水は消費されていく、一方、排熱回収部４０では凝縮水が生成され水タンク５０に蓄えられていく。

何らかの条件（後述）により水タンク内の凝縮水の貯水量が減少し、予め設定された値以下の低レベルとなる。このとき貯水量センサ５１のスイッチがＯＮとなり、検知信号がガス供給制御部１５へ送信される（矢印Ｓ１）。これによりガス供給制御部１５は凝縮水の貯水量が少ないことを感知し、水供給部１４の運転を停止する一方、酸素含有ガス供給部１３の運転を開始する（矢印Ｃ１、Ｃ２）。この結果、水蒸気改質から部分酸化改質へと切り替わる。

ガス供給の急激な変化が燃料電池２１に悪影響を及ぼす場合は、双方の供給部１３、１４を一定期間併用運転し、次第に部分酸化改質反応へと切り替えていく。あるいは水蒸気改質と部分酸化改質反応の比率を徐々にそれぞれ減少、上昇させていってもよい。部分酸化改質中の間は、水タンク５０の凝縮水は使用されることがなく、排熱回収部４０より凝縮水が生成されることにより、水タンク５０内の凝縮水は増えていくことになる。

水タンク５０の貯水量が予め設定された値を超える高レベルになると、貯水量センサ５１によりスイッチがＯＮとなり、検知信号がガス供給制御部１５へ送信される（矢印Ｓ１）。このとき、ガス供給制御部１５は凝縮水の貯水量が増加したことを感知し、酸素含有ガス供給部１３の運転を停止する一方、水供給部１４の運転を開始する（矢印Ｃ１、Ｃ２）。この結果、部分酸化改質から水蒸気改質へと切り替わる。

ガス供給の急激な変化が燃料電池２１に悪影響を及ぼす場合は、双方のガス供給部１３、１４を一定期間併用運転し、次第に水蒸気改質反応へと切り替えていく。あるいは水蒸気改質と部分酸化改質反応の比率を徐々にそれぞれ増加、減少させていってもよい。

さらに、発電量が定格の所定比率以下、例えば４０％以下になる発電量の減少が発生した場合、水蒸気改質は吸熱反応であるために改質部２２に隣接した燃料電池２１の温度が６５０℃と低下し、電池の性能がますます低下する。これを防ぐために、燃料電池２１の発電量、あるいは燃料電池２１の温度を感知して水供給部１４の運転を停止する一方、酸素含有ガス供給部１３の運転を開始し、水蒸気改質から部分酸化改質へと切り替える。燃料電池２１の発電量は、例えば発電量モニタ３１により検知されその検知信号がガス供給制御部１５へ送信される（矢印Ｓ２）。また、燃料電池２１の温度は、例えば熱電対等の燃料電池温度センサ２３により検知されその検知信号がガス供給制御部１５へ送信される（矢印Ｓ３）。

部分酸化改質は発熱反応であるために、改質部２２に隣接した燃料電池２１の温度を下げることなく発電反応を行うことが可能である。急激な変化が燃料電池２１に悪影響を及ぼす場合は、これらのガス供給部１３及び水供給部１４を一定期間併用運転し、次第に部分酸化反応に切り替えていく。あるいは水蒸気改質と部分酸化改質反応の比率を徐々にそれぞれ減少、上昇させていってもよい。燃料電池２１の温度が例えば７００℃に回復したならば、逆に水蒸気改質に切り替えていく。

さらに外気温が低下したときに、例えばサーミスタ等の外気温センサ７０等によりそれを感知し、検知信号をガス供給制御部１５へ送信する（矢印Ｓ４）。これに応じてガス供給制御部１５は水供給部１４の運転を停止し、酸素含有ガス供給部１３の運転を開始する。この結果、水蒸気改質から部分酸化改質へと切り替わる。これにより、水の凍結による水蒸気改質ができない問題を解消する。さらには外気温により燃料電池２１の動作温度が低下した場合も同様になる。急激な変化が燃料電池２１に悪影響を及ぼす場合は、これらを一定期間併用運転し、次第に部分酸化反応に切り替えていく。あるいは水蒸気改質と部分酸化改質反応の比率を徐々にそれぞれ減少、上昇させていってもよい。燃料電池２１の外気温が例えば４℃以上と回復した場合は、逆に水蒸気改質に切り替えていく。このような制御は、外気温だけではなく、水タンク５０の水温等を検知しても可能である。

ガス供給の急激な変化が撚料電池２１に悪影響を及ぼす場合は、双方のガス供給部１３、水供給部１４を一定期間併用運転し、次第に部分酸化改質反応へと切り替えていく。あるいは水蒸気改質と部分酸化改質反応の比率を徐々にそれぞれ減少、上昇させていってもよい。これを実行する具体的制御方法としては、改質部に具備された温度検出手段の検出値に基づき、あらかじめ設定された温度範囲（例えば５００〜７００℃）より高くなる場合には酸素含有ガス供給量を減少し水供給量を増加させる。一方、設定された温度範囲より低くなる場合には酸素含有ガス供給量を増加し水供給量を減少させる。酸素含有ガス供給量、及び、水供給量は炭素析出など悪影響を及ぼさない範囲内で実施される。

即ち、改質部には熱電対等の温度検出手段が具備されており、水供給手段を停止すると共に酸素含有ガス供給手段を動作させることにより改質反応を行わせる際に、温度検出手段の検出値があらかじめ設定されている所定範囲から逸脱しないように、酸素含有ガス供給量と水供給量を制御することが望ましい。

酸素含有ガス供給手段と水供給手段との間で切り替える場合に、改質器の温度条件によっては炭素析出などの悪影響を及ぼしやすい。しかし、改質器に温度検出手段を設けておき、この検出値があらかじめ設定されている温度範囲内におさまるように酸素含有ガス量、水供給量の制御を行いながら改質反応を移行させることで、損傷なく安全に改質方式を切り替えることができる。

燃料電池システムは、家庭用として、例えば、０．５〜１．５kWの発電性能を有することが望ましく、小型で、分散型電源として用いることが望ましい。

尚、上記の図１の形態では、水タンクが燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄える場合について説明したが、図２は、本発明の別の形態を示すブロック図である。図２の形態では、水タンク５０に、外部水供給源６０から供給される水を貯めるように構成している。他の構成については図１の形態と同様である。外部水供給源６０は、例えば、水道水または井戸水の設備であり適宜の配管を連結することにより水タンク５０に水が供給される。この場合には、例えば、水インフラ（水道設備等）の設備が整備されている地域で使用する場合、水インフラの設備が整備されていない地域、例えば、僻地、砂漠等で使用する場合のいずれにも対応できる燃料電池システムを提供できる。さらに自然災害などにより断水が生じた場合であっても、燃料電池システムが停止することなく稼働でき、自然災害時などの非常時において電源を確実に確保できる。また、配管内の水の凍結等により水タンク５０に水を供給できなくなった場合であっても、燃料電池システムが停止することなく稼働できる。

さらに、図示しないが、図１の形態と図２の形態を併合した形態のシステムも可能である。すなわち、水タンクが、排熱回収による凝縮水と、外部水供給源から供給される水の双方を蓄えることができるようにしてもよい。その場合、水タンクは、図１に示したように排熱回収部と連結される一方、図２に示したように外部水供給源とも連結される。また、いずれからの水を蓄えるかを選択・切り替え可能とする適宜のバルブおよびその制御手段を備えてもよい。このようなシステムでは、凝縮水を蓄えている水タンクの水位が何らかの理由で一定以上低下した場合にフロースイッチが入り、外部水供給源から水タンクに水が供給される。そして、何らかの理由で、外部水供給源（例えば水道）から水が供給できなくなり、水タンクの水位が一定以上低下した場合にフロースイッチが入り、部分酸化改質させることができる。

燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 燃料電池システムの他の構成を概略的に示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ ガス・水供給システム
１２ 被改質ガス供給部
１３ 酸素含有ガス供給部
１４ 水供給部
１５ ガス供給制御部
２１ 燃料電池
２２ 改質部
５０ 水タンク
５１ 貯水量センサ

Claims (5)

1. 燃料電池に改質ガスを供給する改質部と、
   前記改質部に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段と、
   前記改質部に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
   水を貯える水タンクと、
   前記水タンクからの水をそのまままたは水蒸気として前記改質部に供給する水供給手段と、
   前記水タンクの貯水量を検知する貯水量センサと、
   前記改質部にて、前記被改質ガスと前記酸素含有ガス及び前記水の双方とによる改質反応、又は、前記被改質ガスと前記酸素含有ガス又は前記水のいずれかとによる改質反応を行わせるべく、前記貯水量センサによる信号に基づいて前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段とを切り替えるかまたは両供給手段を併用させるかを制御する制御手段と、を有することを特徴とする、燃料電池のためのガス・水供給システム。
2. 前記水タンクは、前記燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄えることを特徴とする請求項１記載の、燃料電池のためのガス・水供給システム。
3. 前記水タンクは、外部水供給源から供給される水を蓄えることを特徴とする請求項１または２記載の、燃料電池のためのガス・水供給システム。
4. 前記制御手段が、前記貯水量センサの信号に基づいて前記水タンクの貯水量が予め設定した値より少ないと判断したときは、前記水供給手段を停止させると共に前記酸素含有ガス供給手段を動作させることにより改質反応を行わせることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の、燃料電池のためのガス・水供給システム。
5. 前記制御手段が、前記酸素含有ガス供給手段と前記水供給手段との間で切り替える場合に、一定期間両手段を併用して動作させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の、燃料電池のためのガス・水供給システム。

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