JP4889931B2 - 燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの運転方法に関し、特に燃料電池に導入する燃料ガスの漏洩があった場合に漏洩した燃料ガスを迅速に希釈し得る燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの運転方法に関するものである。

燃料電池は水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する装置である。上述のように燃料電池に導入する燃料ガスには水素が豊富に含まれるが、燃料ガスとして純水素が用いられる場合もある。一般に、水素の空気中における爆発限界は４〜７５体積％であることが知られている。このような燃料ガスが万一漏れても爆発しないようにすることは安全上重要である。この安全対策として、燃料電池及びその周辺要素を収納した燃料電池パッケージの排気部付近に可燃ガス（燃料ガス）漏洩検知手段を設け、この可燃ガス漏洩検知手段からの可燃性ガス検知信号に基づきパッケージ内の換気風量を増加させるように制御する制御装置を備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平８−３１４３６号公報（段落００１２等）

しかし、可燃ガス配管が複雑に入り組んでいるパッケージ型燃料電池システムに可燃ガス漏洩検知手段からの信号に基づき換気風量を制御する安全対策を講じた場合は、可燃ガスの漏洩個所と可燃ガス漏洩検知手段の設置位置との関係によって可燃ガスの検知遅れが生じ、ひいては換気風量の増加に遅れが生じるおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑み、万一燃料電池に導入する燃料ガスの漏洩があった場合に、漏洩した燃料ガスを迅速に希釈し得る燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、水素に富む燃料ガスｇを導入して発電する燃料電池１３と；燃料電池１３を収容し、吸気口１６ａと排気口１６ｂとを有するケース１６と；ケース１６の内部を換気する換気ファン１４と；燃料電池１３に導入する燃料ガスｇの流量を検知して検知した燃料ガスｇのすべてが漏れたと仮定して排気口１６ｂから排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように換気ファン１４で換気する風量を制御する制御装置１５とを備える。

このように構成すると、燃料電池に導入する燃料ガスの流量に応じて換気ファンで換気する風量を制御するので、万一燃料ガスの漏洩があった場合に漏洩した燃料ガスを迅速に希釈することができる。また、燃料電池の低出力時には換気風量が少なくなるので、燃料電池が過度に冷却されることがない。

上述のように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、制御装置１５は、燃料電池１３に導入する燃料ガスｇのすべてが漏れたと仮定して排気口１６ｂから排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように風量を制御するように構成されている。

このように構成すると、排気口から排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように風量を制御するので、燃料ガスが漏れた場合でも燃料ガス中の水素が爆発することがない。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット１において、制御装置１５は、換気ファン１４の回転数制御及び複数台の換気ファン１４の台数制御の少なくとも一方の制御を行うように構成されている。

このように構成すると、換気ファンの動力を削減することができる。また、複数台の換気ファンの台数制御を行った場合は、換気ファンの寿命を延ばすことができる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明に係る燃料電池ユニットの運転方法は、水素に富む燃料ガスを導入して発電する燃料電池がケースに収容された燃料電池ユニットを運転する方法であって；燃料電池に導入する燃料ガスの流量を検知する工程と；検知した燃料ガスのすべてが漏れたと仮定してケースから排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように燃料電池ユニットの内部を換気する工程とを備える。

このように構成すると、検知した燃料ガスの流量に応じた風量で燃料電池ユニットの内部を換気するので、万一燃料ガスの漏洩があった場合に漏洩した燃料ガスを迅速に希釈することができる。また、燃料電池の低出力時には換気風量が少なくなるので、燃料電池が過度に冷却されることがない。

本発明によれば、燃料電池に導入する燃料ガスの流量を検知して検知した燃料ガスのすべてが漏れたと仮定して前記排気口から排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように換気する風量を制御するので、万一燃料ガスの漏洩があった場合に漏洩した燃料ガスを迅速に希釈することができると共に、燃料ガス中の水素が爆発することがない。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１の概略構成を説明する模式的断面図である。燃料電池ユニット１は、原料燃料供給装置１１と、燃料処理装置１２と、燃料電池１３と、換気ファン１４と、制御装置１５とを備えている。

原料燃料供給装置１１は、燃料ガスｇの原料である原料燃料ｍを燃料処理装置１２に供給する装置である。原料燃料ｍには、典型的には、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール等の気体の原料燃料や、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の液体の原料燃料が用いられる。原料燃料供給装置１１は、燃料処理装置１２の改質触媒の硫黄被毒を避けるために原料燃料ｍから硫黄分を除去する脱硫器を備えている。また、原料燃料供給装置１１は、原料燃料ｍを燃料処理装置１２に送るためのブロワ又はポンプを備えている。原料燃料ｍが気体の場合はブロワが、液体の場合はポンプが用いられる。さらに、原料供給装置１１は、原料燃料ｍが液体の場合は、ポンプの下流側に気化器を備えるように構成されている。原料供給装置１１は、原料燃料ｍを貯留するタンクを備えていてもよい。タンクを備えない場合は、外部の貯蔵タンクから原料燃料ｍを導入するように構成されている。

燃料処理装置１２は、原料燃料ｍを導入し改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する装置である。「水素に富む燃料ガス」とは、水素を４０体積％以上、典型的には８０体積％程度含むガスである。燃料処理装置１２は、原料燃料供給装置１１から送られてくる原料燃料ｍを導入し、改質剤としての改質用水を加え、原料燃料ｍを改質して生成された燃料ガスｇを燃料電池１３に供給するように構成されている。燃料処理装置１２は、改質触媒充填層を備えており、原料燃料ｍの水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理装置１２は、改質に必要な改質熱を供給するための燃焼部を有している。燃焼部はバーナーを有し、可燃燃料と空気とを導入し燃焼して改質熱を得ることができるように構成されている。可燃燃料には、原料燃料ｍや燃料電池１３から排出される水素を含有するアノードオフガスが用いられる。

燃料電池１３は、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池１３は、典型的には固体高分子型燃料電池である。固体高分子型燃料電池は、電解質である固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟み、これをさらにセパレータで挟んで単層のセルが構成されている、この単層のセルが複数積層されて燃料電池１３本体が構成されている。燃料極と空気極とは外部電気回路によって接続されている。燃料極には燃料ガスｇが導入され、空気極には酸化剤ガスが導入されて電気化学的反応が行われて発電し、熱と水分を発生するように構成されている。反応後の燃料ガスｇはアノードオフガスとして燃料極から排出され、反応後の酸化剤ガスは生成された水分と共にカソードオフガスとして空気極から排出される。上述のように、燃料極から排出されたアノードオフガスは、燃料処理装置１２の燃焼部で燃焼される可燃燃料として利用される。燃料電池１３は、発電電力を段階的に増減することができるように構成されている。燃料電池１３と制御装置１５との間には信号ケーブルが敷設されており、燃料電池１３の発電電力を信号として制御装置１５に送信することができるように構成されている。

燃料電池１３の燃料極と燃料処理装置１２とは制御弁１９が配置された流路で接続されており、燃料処理装置１２で生成された燃料ガスｇを燃料電池１３の燃料極に供給することができるように構成されている。制御弁１９は、典型的には電動二方弁である。制御弁１９と制御装置１５との間には信号ケーブルが敷設されており、制御弁１９は制御装置１５からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。

換気ファン１４は、典型的には有圧扇である。換気ファン１４を起動することにより、燃料電池ユニット１内の空気を入れ換えることができるように構成されている。換気ファン１４は、制御装置１５に設置された換気ファン用のインバータにより、回転数を調整することができるように構成されている。燃料電池ユニット１内の抵抗に変動がなければ、換気風量は換気ファン１４の回転数に比例する。なお、換気ファン１４は複数台設置してもよい。

制御装置１５は、燃料電池１３から発電電力の信号を受信して、その発電電力を得るために必要な燃料ガスｇの流量を割り出し、割り出した燃料ガスｇの流量に応じた風量で燃料電池ユニット１内を換気するように換気ファン１４の運転を制御する装置である。なお、所定の発電電力を得るために必要な燃料ガスｇの流量を割り出すことが燃料ガスｇの流量を検知することに相当する。換気ファン１４の制御は、インバータによる回転数制御が行われる。換気ファン１４が複数台設置される場合は台数制御としてもよく、回転数制御と台数制御を併用してもよい。燃料ガスｇの流量に応じた風量とは、燃料ガスｇの流量が増加すれば換気する風量も増やし、燃料ガスｇの流量が減少すれば換気する風量も減らすことを意味する。換気する風量は、燃料ガスｇのすべてが漏れたと仮定して、燃料ガス中の水素が爆発限界下限未満となる風量である。一般に、空気中における水素の爆発限界は４〜７５体積％である。したがって、換気風量は、燃料ガスｇのすべてが漏れたと仮定して、空気中における水素が４体積％未満となる風量であり、好ましくは空気中における水素が２体積％以下となる風量である。

燃料電池ユニット毎に定まる、燃料電池１３の発電電力と、所定の発電電力を得るために必要な燃料ガスｇの流量と、燃料ガスｇ中の水素を爆発限界下限未満に希釈するのに必要な換気量との関係は試運転等により予め求められており、これが例えば図２に示すようなテーブルとして制御装置１５に記憶されている。本実施の形態では、燃料ガスｇ中に水素が８０体積％含まれているものとして、空気中に占める水素の割合を２体積％以下になるように換気量を決定している。換気量は、（燃料ガスｇの流量）×０．８÷０．０２の式によって求まる。なお、燃料ガスｇに純水素を用いる場合は、原料燃料ｍを改質した場合に比べて燃料ガスｇ中の水素含有率が高いため、換気量を増加させる必要がある。この場合の換気量は、（燃料ガスｇの流量）÷０．０２の式によって求まる。図２中のファン回転数及び電流は、設置される換気ファン１４の特性によって定まる。

上述の、原料燃料供給装置１１、燃料処理装置１２、燃料電池１３、換気ファン１４、制御装置１５はケース１６に収容されている。ケース１６には、燃料電池ユニット１を据え付けたときに下部となる一側面に、吸気口１６ａが設けられている。また、ケース１６には、燃料電池ユニット１を据え付けたときに上部となる、吸気口１６ａのほぼ対角線（吸気口１６ａからの距離が遠くなる箇所）の一側面に、排気口１６ｂが設けられている。燃料電池ユニット１は、吸気口１６ａから外気を導入し、内部の気体を排気口１６ｂから排出するように構成されている。吸気口１６ａと排気口１６ｂとがほぼ対角線上に設けられていることにより、燃料電池ユニット１内に導入された外気がショートサーキットすることがない。

なお、燃料電池ユニット１内に警報発報用の水素検知器１８を設置してもよい。水素検知器１８が設置される場合は、水素検知器１８と制御装置１５との間には信号ケーブルが敷設される。また、水素検知器１８は水素の漏洩を検知すると制御装置１５に信号を送信することができるように構成するとよい。また、水素検知器１８からの信号を受信した制御装置１５は、不図示の警報器に信号を送信し、警報を発することができるように構成するとよい。

続いて、図１を参照して燃料電池ユニット１の作用について説明する。
原料燃料供給装置１１は、内部又は外部のタンクに貯蔵されている原料燃料ｍを脱硫器で脱硫した後、ブロワ又はポンプで燃料処理装置１２に圧送する。燃料処理装置１２では、供給された原料燃料ｍと、別に導入した改質用水とを改質触媒充填層に導き、燃焼部から改質熱を得て水蒸気改質反応が行われる。原料燃料ｍにメタンを用いた場合の改質反応は、次のように表される。
ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２ ＋ ＣＯ
３Ｈ_２ ＋ ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２ ＋ ＣＯ_２
なお、燃料電池１３の電極触媒の被毒防止の観点から、一酸化炭素を低減させている。

燃料処理装置１２で生成された水素に富む燃料ガスｇは、燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、燃料ガスｇと酸化剤ガスとしての空気とを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する。また、電気化学的反応により熱が発生し、水分が生成される。電気化学的反応により発生する熱及び水分は発電電力に比例する。電気化学的反応は、燃料極側では次の反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻
また、空気極側では次の反応が行われる。
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
燃料極側の電子が外部電気回路を通って空気極側に移動する際に電力を得ることができる。燃料極側の水素イオンは固体高分子膜を通過して空気極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。

図２に示すように、燃料電池１３の発電電力と消費する燃料ガスｇの流量とは比例関係にある。制御装置１５は、外部から要求される発電電力からその発電電力を得るために必要な燃料ガスｇの流量を割り出し（検知し）、燃料電池１３の発電電力に対応した燃料ガスｇが燃料電池１３に供給されるように、制御弁１９に信号を送信して制御弁１９の開度を制御する。また、制御装置１５は、換気ファン１４に信号を送信して換気風量を制御する。

燃料電池１３に燃料ガスｇが導入されると、連動して換気ファン１４が起動する。換気ファン１４が起動すると、吸気口１６ａから燃料電池ユニット１内に外気が取り込まれ、排気口１６ｂから燃料電池ユニット１内の気体が排出される。換気量は、予め制御装置１５に記憶されている、図２に例示した、テーブルに従って制御される。制御される換気量は、燃料電池１３に供給される燃料ガスｇの流量を、爆発限界下限未満に、好ましくは２体積％に希釈し得る量である。このように、漏洩した燃料ガスｇの流量ではなく、燃料電池１３に導入された燃料ガスｇの流量を対象とすることで安全性を高めることができる。すなわち、燃料ガス漏れの検知遅れに伴う換気量増加の遅れが生じることがない。換言すれば、万一燃料ガスｇの漏洩があっても漏洩した燃料ガスｇを迅速に爆発限界下限未満まで希釈することができる。

また、固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜をその導電率を高く維持するために所定の湿度に加湿する必要がある。そのため、燃料電池１３に導入される燃料ガスｇ及び酸化剤ガスは、燃料電池１３の発電に適した温度かつ水蒸気飽和した状態で供給されることが好ましい。このような事情があるにもかかわらず燃料電池ユニット１の換気量が過大であると、特に外気温が低い場合は、燃料電池ユニット１内の温度が下がりすぎ、燃料ガスｇ及び酸化剤ガスの温度が適正温度以下になり、燃料ガスｇ及び酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮して燃料ガスｇ及び酸化剤ガスの流路を閉塞する不都合が生じることがある。本発明によれば、燃料電池１３に導入する燃料ガスｇの流量に応じた換気量とするので、燃料電池１３の低出力時には換気風量が少なくなり、燃料電池１３が過度に冷却されることがない。

換気量を燃料電池１３に導入する燃料ガスｇに対応した風量とするために、換気ファン１４はインバータにより回転数制御が行われる。図３に燃料電池１３の運転時間の推移と燃料電池の発電電力及び換気ファンの風量との関係の一例を示す。既述のように、燃料電池１３の発電電力は段階的に増減される。図３において燃料電池ユニット１の起動時は、燃料処理装置１２での燃料ガスｇの生成が十分に行われないので、燃料電池１３の出力は０．２５ｋｗであり、このときの換気ファン１４の回転数は最大時の２５％となる。その後定常運転に移り燃料ガスｇが十分に生成されるようになると、燃料電池１３の出力は１ｋｗとなり、このときの換気ファン１４の回転数は１００％となる。図３に示す例では、その後、外部からの発電要求が減少したため燃料電池１３に減段要求がなされている。燃料電池１３の出力が０．７５ｋｗのときは換気ファン１４の回転数は７５％となり、燃料電池１３の出力が０．５ｋｗのときは換気ファン１４の回転数は５０％となる。その後、発電要求がなくなると換気ファン１４は停止する。このように換気ファン１４の回転数制御を行うと、常に燃料電池１３の最大出力に対応した風量で換気を行う場合と比較して、換気ファン１４の動力を削減することができ、図３中斜線で示した部分の面積が削減することができる動力に相当する。

また、図４に換気ファン１４を２台設置した場合の燃料電池１３の運転時間の推移と燃料電池の発電電力及び換気ファンの風量との関係の一例を示す。燃料ガスｇの流量に応じた換気量の最大風量と最小風量との差が大きい場合には、換気ファン１４を複数台（本実施の形態では２台）設置して、１台当たりの換気ファン１４が受け持つ風量の範囲を制限し、できるだけ効率のよい運転点で運転できるようにすることが好ましい。図４において燃料電池ユニット１の起動時は、燃料処理装置１２での燃料ガスｇの生成が十分に行われないので、燃料電池１３の出力は０．２５ｋｗであり、このときの換気ファン１４は１号機のみが起動し、その回転数は１号機の最大風量時の５０％となる。その後定常運転に移り燃料ガスｇが十分に生成されるようになると、燃料電池１３の出力は１ｋｗとなり、このとき換気ファン１４は２台が起動し、回転数は２台とも１００％となる。図４に示す例では、その後、外部からの発電要求が減少したため燃料電池１３に減段要求がなされている。燃料電池１３の出力が０．７５ｋｗのときは換気ファン１４の回転数は、２号機が５０％となり１号機が１００％となる。燃料電池１３の出力が０．５ｋｗになると、換気ファン１４は、２号機が停止し１号機は回転数１００％での運転となる。その後、発電要求がなくなると換気ファン１４は１号機も停止する。換気ファン１４の両方共が停止すると、次に燃料電池１３に対して発電要求があり、換気ファン１４を起動するときには１号機と２号機の運転順序を入れ替える。このように、換気ファン１４の起動をローテーションすることでそれぞれの換気ファンの稼働時間を均一化することができ、換気ファン１４の寿命を延ばすことができる。また、換気ファン１４の回転数制御及び台数制御を行うと、常に燃料電池１３の最大出力に対応した風量で換気を行う場合と比較して、換気ファン１４の動力を削減することができ、図４中斜線で示した部分の面積が削減することができる動力に相当する。

警報発報用の水素検知器１８が設置された場合は、燃料ガスｇの漏洩があり、燃料電池ユニット１内の水素が所定の濃度に達すると、水素検知器１８から制御装置１５を経由して不図示の警報器に信号が送られ、警報が発せられる。所定の濃度としては、空気中における水素の濃度が３体積％程度になったときに警報が発せられることが好ましい。水素検知器１８からの信号が制御装置１５を経由しているので、水素検知器１８からの信号を受信した制御装置１５は、燃料電池１３の発電電力を０にするように原料燃料供給装置１１のブロワを停止させ燃料処理装置１２での燃料ガスｇの生成を停止させるという、二重の安全対策を講ずるこもできる。

以上の説明では、原料燃料ｍが液体の場合に原料燃料供給装置１１に気化器を設けることとして説明したが（段落００１５）、これに代えて、燃料処理装置１２に気化器を内蔵させてもよい。

以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが（段落００１６）、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部が不要になり、燃料処理装置１２をコンパクトにすることができる。

以上の説明では、燃料電池１３は固体高分子型燃料電池として説明したが（段落００１７）、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。

以上の説明では、燃料電池１３は発電電力を段階的に増減することができることとして説明したが（段落００１７）、発電電力を連続的に増減することができるように構成されてもよい。この場合、制御装置１５に予め記憶されている燃料電池出力と燃料ガス流量と換気風量との関係は、テーブルではなく関数とすることが好ましい。

以上の説明では、換気風量を換気ファン１４の回転数制御若しくは台数制御又はこれらの併用によって制御することとして説明したが（段落００２０）、吸気口１６ａにダンパを設置して換気風量を制御してもよい。ただし、回転数制御や台数制御とした方が換気ファン１４の無駄な動力を削減することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を説明する模式的断面図である。 燃料電池出力と燃料ガス流量と換気風量との関係の一例をテーブルに表した図である。 燃料電池の運転時間の推移と燃料電池の発電電力及び換気ファンの風量との関係を模式的に例示する図である。 換気ファンを２台設置した場合における燃料電池の運転時間の推移と燃料電池の発電電力及び換気ファンの風量との関係を模式的に例示する図である。

符号の説明

１ 燃料電池ユニット
１３ 燃料電池
１４ 換気ファン
１５ 制御装置
１６ ケース
１６ａ 吸気口
１６ｂ 排気口
ｇ 燃料ガス

Claims (4)

1. 水素に富む燃料ガスを導入して発電する燃料電池と；
   前記燃料電池を収容し、吸気口と排気口とを有するケースと；
   前記ケースの内部を換気する換気ファンと；
   前記燃料電池に導入する燃料ガスの流量を検知して前記検知した燃料ガスのすべてが漏れたと仮定して前記排気口から排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように前記換気ファンで換気する風量を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池ユニット。
2. 原料燃料を導入して前記燃料電池に供給する前記燃料ガスを生成する燃料処理装置と；
   前記原料燃料から硫黄分を除去する脱硫器を有し、脱硫された前記原料燃料を前記燃料処理装置に供給する原料燃料供給装置とを備える；
   請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記制御装置は、前記換気ファンの回転数制御及び複数台の前記換気ファンの台数制御の少なくとも一方の制御を行うように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット。
4. 水素に富む燃料ガスを導入して発電する燃料電池がケースに収容された燃料電池ユニットを運転する方法であって；
   前記燃料電池に導入する燃料ガスの流量を検知する工程と；
   前記検知した燃料ガスのすべてが漏れたと仮定して前記ケースから排出される気体中の水素濃度が爆発限界の下限未満となるように前記燃料電池ユニットの内部を換気する工程とを備える；
   燃料電池ユニットの運転方法。

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