JP4925814B2 - 燃料電池装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池の発電に必要な改質ガスを生成するための改質器とを具備する燃料電池装置およびその運転方法に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池や、燃料電池を作動するための補記類を外装ケースに収納してなる燃料電池装置、さらにはその運転方法（システム）が種々提案されている。

この燃料電池（セル）において発電に用いる燃料ガスとしては水素が用いられ、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池セルに供給し、酸素含有ガスを燃料電池セル中の酸素極に接触させ、かつ水素を燃料電池セル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、燃料電池セルの発電が行われる。

この燃料ガスである水素の生成方法としては、水蒸気改質法、部分酸化改質法およびこれらの両方を併用して改質反応を行なう併用改質法（オートサーマル）が知られている。

水蒸気改質法は、被改質ガスである炭化水素を水蒸気と反応させて水素を得ることができる吸熱反応であり、ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯで表すことができ、水素を得る効率のよい反応として知られている。なお、水蒸気改質を行なうにあたっては、水供給手段にて処理された水（純水）と被改質ガス（炭化水素）が改質器に供給されて水蒸気改質が行なわれる。

一方、部分酸化改質法は、被改質ガスである炭化水素を酸素と反応させて水素を得ることができる発熱反応であり、ＣＨ_４＋Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２で表すことができ、被改質ガス（炭化水素）と酸素が改質器に供給されて部分酸化改質が行なわれる。この部分酸化改質法は、水蒸気改質法よりも水素を得る効率は劣るものの、発熱反応であることが大きな特徴である。

そして、燃料電池（装置）の運転において、部分酸化改質法と水蒸気改質法を組み合わせる方法として、例えば燃料電池の起動時に部分酸化改質法を用い、燃料電池もしくは改質器が所定の温度を超えた場合に、より効率良く水素を生成できる水蒸気改質法に切り替える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３１７４０５号公報

しかしながら、水蒸気改質により得られる改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池装置において、例えば、改質器に水を供給する水供給手段に不具合が生じて、部品交換等のメンテナンスを行なう場合や、定期点検時のメンテナンス等にあたっては、そのメンテナンスを実施している間は、改質器に水を供給することができない（すなわち、水蒸気改質を行うことができない）ことから、燃料ガスを燃料電池セルに供給することができず、燃料電池（燃料電池装置）を停止する必要があった。

ここで、燃料電池、特には固体電解質形燃料電池においては、７００〜１０００℃の高温で発電するため、燃料電池の停止や再起動を行なうにあたり長時間を必要とする場合があるため効率が悪く、さらに水供給手段のメンテナンスの度に燃料電池を停止することは非効率的であった。

したがって本発明は、燃料電池を停止することなく、水供給手段のメンテナンスを行うことができる燃料電池装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するための改質器と、該改質器に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水供給手段とを具備する燃料電池装置であって、定常運転時は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行なわせ、前記水供給手段のメンテナンスを実施している間は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせる制御部を具備することを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、水供給手段が寿命となった時や、水供給手段に不具合等が発生した時などのメンテナンスを実施している間、改質器にて被改質ガスと酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせる制御部を有することから、水供給手段のメンテナンスの間、燃料電池を停止することなく、水供給手段をメンテナンスすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水供給手段と前記酸素含有ガス供給手段とを切り替えるための切り替え手段を有することが好ましい。

それにより、切り替え手段を切り替えるだけで水供給手段と酸素含有ガス供給手段を切り替えることができることから、メンテナンスの実施者が、メンテナンスを行なう前に切り替え手段を切り替えることで、水供給手段と酸素含有ガス供給手段を容易に切り替えて部分酸化改質を行ない、部分酸化改質を行なっている間に、水供給手段の交換等のメンテナンスを行うことができる。それゆえ、燃料電池を停止することなく、水供給手段をメンテナンスすることができる。

本発明の燃料電池装置の運転方法は、燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するための改質器と、該改質器に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水供給手段とを具備する燃料電池装置の運転方法であって、定常運転時は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行ない、前記水供給手段のメンテナンスを実施している間は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうことを特徴とする。

このような燃料電池装置の運転方法においては、定常運転時には水蒸気改質を行ない、水供給手段が寿命となった時や、水供給手段に不具合等が発生した時などのメンテナンスを実施している間は、改質器にて被改質ガスと酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なう。それにより、水供給手段のメンテナンスを実施している間、燃料電池を停止することなく、水供給手段をメンテナンスすることができる。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池装置を構成する水供給手段に不具合が生じて部品交換等などのメンテナンスを必要とする場合や、定期点検時のメンテナンス等であっても、燃料電池（装置）の発電を止める必要がなく、継続して発電することができる燃料電池装置を提供することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池装置は、燃料電池１、天然ガス等の被改質ガスを供給する例えばポンプからなる被改質ガス供給手段２、酸素含有ガス（主には空気）を燃料電池１に供給するための例えばブロアからなる酸素含有ガス供給手段３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、後述するが、酸素含有ガス供給手段３から供給される酸素含有ガスは、燃料電池１と改質器４の両方に供給される場合があるため、それらの分岐部に、酸素含有ガス流れ方向調整弁１９が設けられている。

ここで、改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｘは、給水管５、給水管５に設けられ給水管５より供給される水を調整する給水弁６、活性炭フィルタ７、逆浸透膜８（以下、ＲＯ膜とする）、イオン交換樹脂９、水タンク１０、水ポンプ１１により構成されている。

そして燃料電池１、被改質ガス供給手段２、酸素含有ガス供給装置３、改質器４および水供給手段Ｘにて、主たる発電部が構成される。

さらに、上記した主たる発電部に加え、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換する熱交換器１３、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御部１４、により発電ユニットが構成されている。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８により構成されている。

さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット、貯湯ユニット、循環配管１７をあわせて燃料電池装置が構成される。

なお、図中の矢印は、被改質ガス（または燃料ガス）、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御部１４に伝送される主な信号経路、または制御部１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに、図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４の間に、燃料ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１としては、各種燃料電池を用いることができるが、燃料電池および燃料電池セルを小型化する上で、固体電解質形燃料電池を用いることが好ましい。そして、本発明においては、後述するように、水供給手段Ｘに不具合等が生じた場合や定期点検等のメンテナンス時に、燃料電池（装置）を停止する必要がないことから、燃料電池として固体電解質形燃料電池を用いる場合に特に有効となる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、まず水蒸気改質により得られる燃料ガス（改質ガス）を用いて発電を行なう場合の燃料電池装置の運転方法について説明する。

燃料電池１の発電に用いられる燃料ガス（改質ガス）を得るために水蒸気改質を行なうにあたり改質器４で使用される水（純水）は、水供給手段Ｘを構成する給水弁６が開放され、給水管５を通して活性炭フィルタ７に給水される。活性炭フィルタ７を流通した水は、続いてＲＯ膜８を流通する。ＲＯ膜８を流通した水は、続いてイオン交換樹脂９を流通して純水が生成される。イオン交換樹脂９を流通して生成された純水は水タンク１０に貯水され、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

なお、図１においては、給水弁６より水ポンプ１１にかけて、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、イオン交換樹脂９、水タンク１０と順に配置したが、例えば、イオン交換樹脂９と水タンク１０の順序を逆にすることもできる。それにより、改質器４が必要とする水を迅速に供給することができ、改質器４に対して水応答性を向上することができる。なお、給水弁６としては、電磁弁のほか、エア駆動バルブ等を用いることができる。

改質器４においては、水ポンプ１１により供給された純水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された燃料ガス（改質ガス）は、燃料電池１に送られ、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて、外部負荷に供給される。

一方、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排ガスが燃料電池１より熱交換器１３に供給される。

熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を流通（循環）する水とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

ここで定常運転時は、上述したように、水素を得る効率のよい反応である水蒸気改質により、燃料電池１の運転に必要な改質ガス（燃料ガス）を得て、燃料電池１の発電を行なうことができる。

しかしながら、水蒸気改質により得られる改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１において、例えば、改質器４に水を供給する水供給手段Ｘに不具合（寿命や故障等）が生じて、部品交換等のメンテナンスを行なう場合や、定期点検等のメンテナンスにあたっては、そのメンテナンスを実施している間は、改質器４に水を供給することができない（すなわち、水蒸気改質を行うことができない）こととなる。この場合に、燃料ガスを燃料電池１に供給することができずに、燃料電池１（燃料電池装置）を停止することは、特に燃料電池１が固体電解質形燃料電池である場合には、７００〜１０００℃の高温で発電するため、燃料電池１の発電の停止や再起動を行なうにあたり長時間を必要とするため効率が悪く、水供給手段Ｘのメンテナンスや定期点検等のメンテナンスの度に燃料電池１を停止することは非効率的となる。ちなみに、水供給手段Ｘのメンテナンスとは、例えば活性炭フィルタ７の交換や、イオン交換樹脂９に充填されているイオン交換樹脂の交換等があげられ、通常年に１〜数回程度行なう必要があり、これら水供給手段Ｘの大きさや種類により頻度が異なる
ここで、本発明においては、水供給手段Ｘの不具合等や定期点検によりメンテナンスが必要な場合に、そのメンテナンスを実施する間は、改質器４にて、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスと、酸素含有ガス供給手段３により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なう。それにより、燃料電池１を停止する必要がなく、継続して発電することができる。

ここで、改質器４にて改質方法を水蒸気改質から部分酸化改質に切り替える場合の運転方法について、水供給手段Ｘの不具合等によるメンテナンスの場合を例として説明する。

まず、水供給手段Ｘのメンテナンス等が必要になった場合には、その情報を制御部１４に伝達する。この場合において、制御部１４に水供給手段Ｘのメンテナンス等が必要になったことを伝達するにあたっては、例えば制御部１４に対して、メンテナンスを実施するための情報を直接入力する等により、水供給手段Ｘのメンテナンスを実施するための情報が制御部１４に伝達される。

続いて、制御部１４は、給水弁６および水ポンプ１１に対し、それらの動作を停止するよう信号を伝送する。続いて、制御部１４は、酸素含有ガス供給手段３に対し、燃料電池１および部分酸化改質を行なう改質器４に必要な酸素含有ガスを供給するように、場合によっては酸素含有ガス供給量を増加するよう信号を伝送する。あわせて制御部１４は、酸素含有ガス流れ方向調整弁１９に対し、定常運転時は、燃料電池１にのみ酸素含有ガスが流れるように調整している酸素含有ガス流れ方向調整弁１９を、燃料電池１および改質器４の両方に酸素含有ガスが流れるように調整するよう信号を伝送する。それにより、酸素含有ガス供給手段３より、改質器４に対して酸素含有ガスが供給されることとなり、改質器４にて部分酸化改質を行うことができるとともに、燃料電池１にも酸素含有ガスが供給されることから、水供給手段Ｘのメンテナンス等が必要な場合に、燃料電池１を停止する必要がないこととなる。

したがって、水供給手段Ｘのメンテナンスの間、燃料電池１を停止することなく、水供給手段Ｘをメンテナンスすることができる。

ところで、水供給手段Ｘのメンテナンス等が必要となった場合に、改質器４での改質方法を、水蒸気改質から部分酸化改質に切り替えることを制御部１４に伝達する手段として、制御部１４に対して、メンテナンスを実施するための情報を直接入力する以外に、例えば、燃料電池装置に切り替え手段を設け、その切り替え手段をＯＮ−ＯＦＦすることにより、改質器４での改質方法を、水蒸気改質から部分酸化改質に切り替えることができる。

それにより、切り替え手段のＯＮ−ＯＦＦを切り替えるだけで、改質器４での改質方法を、水蒸気改質から部分酸化改質に容易に切り替えることができる。したがって、水供給手段Ｘのメンテナンス実施者は、水供給手段Ｘのメンテナンスを実施する前に、切り替え手段のＯＮ−ＯＦＦを切り替え、改質器４での改質方法を水蒸気改質から部分酸化改質に切り替える。そして、改質器４で部分酸化改質を行なっている間に、水供給手段の交換等のメンテナンスを行うことができる。

なお、水供給手段Ｘのメンテナンスが終了した後は、改質器４での改質方法を、部分酸化改質から水蒸気改質に戻すことが好ましい。それゆえ、メンテナンス実施者は、水供給手段Ｘのメンテナンス終了後、切り替え手段のＯＮ−ＯＦＦを切り替え、改質器４での改質方法を部分酸化改質から水蒸気改質に切り替える。

この場合において、水供給手段Ｘのメンテナンスが終了した後、水供給手段Ｘの各部材を水が通水するのに一定時間がかかることから、水供給手段Ｘのメンテナンス直後に改質器４に水を供給することは難しい。したがって、水供給手段Ｘのメンテナンスが終了した後、一定時間が経過するまでは、引き続いて部分酸化改質を行なうことが好ましい。そして、改質器４に水が供給できる状況になった後、改質器４での改質方法を、部分酸化改質から水蒸気改質に戻すことが好ましい。この場合に、例えば部分酸化改質と水蒸気改質を併用して改質反応を行ない、徐々に水蒸気改質へと移行するようにしてもよい。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

たとえば、改質器４での改質方法が、水蒸気改質から部分酸化改質に切り替わっていることを示す表示装置（ランプ）等を設けてもよい。この場合、水蒸気改質と部分酸化改質とのいずれが行なわれているかを確認することができることから、メンテナンス実施者が水供給手段Ｘのメンテナンスを安全に行うことができる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料供給装置
３：酸素含有ガス供給装置
４：改質器
５：水供給管
６：給水弁
７：活性炭フィルタ
８：ＲＯ膜
９：イオン交換樹脂
１０：水タンク
１１：水ポンプ
１４：制御部
１９：酸素含有ガス流れ方向調整弁

Claims (3)

1. 燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するための改質器と、該改質器に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水供給手段とを具備する燃料電池装置であって、定常運転時は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行なわせ、前記水供給手段のメンテナンスを実施している間は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なわせる制御部を具備することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記水供給手段と前記酸素含有ガス供給手段とを切り替えるための切り替え手段を有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. 燃料電池と、該燃料電池に供給される改質ガスを生成するための改質器と、該改質器に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給手段と、前記改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水供給手段とを具備する燃料電池装置の運転方法であって、定常運転時は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質を行ない、前記水供給手段のメンテナンスを実施している間は、前記改質器にて、前記被改質ガス供給手段により供給される被改質ガスと前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。