JP4994024B2 - 燃料電池装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水蒸気改質により生成された燃料ガスにより発電を行なう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。

この燃料電池の発電においては、改質器にて被改質ガス（炭化水素系燃料）を改質し、改質ガス（燃料ガス）と酸素含有ガスとを燃料電池セルへ供給して発電が行なわれる。

被改質ガス（炭化水素系燃料）を改質する方法としては、水（水蒸気）を用いて改質反応を行なう水蒸気改質法、酸素を用いて改質反応を行なう部分酸化改質法、これら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。

そして、この被改質ガス（炭化水素系燃料）を水蒸気改質するにあたり、従来の燃料電池装置においては、給水管に設けられた給水弁を調整して水を水タンクに貯水するとともに、貯水された水が水ポンプにより改質器に供給されている。

ここで、水タンクに貯水された水の水位を測定する目的で、水タンク中に水位検知装置（例えば、水位検知スイッチや電極式のセンサ等）を設けることが知られている。そして、水タンクに水検知装置を設けた燃料電池の例として、水位検知スイッチとしてフロートスイッチを用いた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池においては、フロートスイッチが水タンクの貯水量を検知し、その検知した貯水量に応じて給水弁を開閉し、水タンクの貯水量が一定の範囲となるように調整される。
特開２００６−１５５９８２号

ところで、例えば、家庭用燃料電池装置においては、特に小型軽量化が要求されることから、水蒸気改質により得られる改質ガスを用いて燃料電池セルの発電を行なう燃料電池装置を構成する各部材においては、例えば、改質器に供給する水を貯水するための水タンク等を小型化する必要がある。

ここで、小型化した水タンクに水位検知装置を設ける場合に、例えば、水タンクの水位の一点のみを検知する水位検知装置で給水弁を制御する方法や、水タンクの上限を検知する水位検知装置と水タンクの水位の下限を検知する水位検知装置を設けて、水タンクの水位に基づき給水弁を制御する方法や、１つの水位検知装置で、水タンクの水位の上限および下限を検知し、給水弁を制御する方法等が考えられる。

しかしながら、例えば、小型化された水タンクに、水タンクの水位の上限および下限を検知するように水位検知装置を設ける場合に、水位検知装置がわずか数ミリ程度の水位差でスイッチのＯＮ−ＯＦＦを行なう場合があり、それに伴い給水弁が頻繁に開閉を繰り返すことから、給水弁の寿命が短くなるという問題があった。

また、給水弁が頻繁に開閉を防止すべく、水位検知装置が検知する水位差を広くしようとする場合には、水位検知装置や水タンク、さらには燃料電池装置が大型化し、家庭用燃料電池装置で要求される小型軽量化を満足できない場合があった。

それゆえ、本発明は、水タンクに水を供給するための給水弁の寿命を長くすることができるとともに、特に家庭用燃料電池に求められる小型軽量化に適応できる燃料電池装置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、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給するための給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプと、前記水タンク中の水位を検知するための水位検知装置と、該水位検知装
置が前記水タンクの水位低下を検知してから一定時間が経過した後、前記給水弁を開く制御部とを具備するとともに、前記水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから、前記給水弁が開くまでの時間が、前記改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定されていることを特徴とする。

すなわち制御部は、水位検知装置が水タンクの水位低下を検知してから、一定時間経過した後に、給水弁が開くよう制御するが、水タンクの水位の低下速度は、水タンクに貯水された水が水ポンプにより改質器に供給される量、言い換えると改質器での水蒸気改質に必要な被改質ガスの量に応じて変動する。

ここで、改質器に供給される被改質ガスの量に応じて、制御部が給水弁を開くまでの時間を設定することにより、被改質ガスの量に対応して改質器に供給される水の量が設定されるため、水タンクが空となることを防止することができるとともに、改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定された時間が経過した後に給水弁を開くことで、水タンクに水を貯水することができる。

それにより、給水弁が頻繁に開閉することを抑制することができ、給水電磁弁の寿命を長くすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水位検知装置がフロートスイッチであることが好ましい。

本発明においては、水タンクに設ける水位検知装置を、フロートスイッチとしたことから、水位検知装置を小型化かつ安価とすることができる。また、あわせて水タンクを小型化することができ、さらには燃料電池装置を小型化することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水位検知装置が電極式のセンサであることが好ましい。

水位検知装置を電極式のセンサとした場合においても、水位検知装置を小型化かつ安価とすることができる。また、あわせて水タンクを小型化することができ、さらには燃料電池装置を小型化することができる。

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、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給するための給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプと、前記水タンク中の水位を検知するための水位検知装置とを具備する燃料電池の運転方法であって、前記水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから、前記改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定された時間が経過した後、前記給水弁を開くことを特徴とする。

このような燃料電池装置の運転方法においては、水タンクや水位検知装置が小型化され、水タンクの水位の上限および下限を検知するように水位検知装置を設ける場合に、水位検知装置がわずか数ミリ程度の水位差で作動する場合であっても、水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから、改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定された時間が経過した後、前記給水弁を開くことから、給水弁が頻繁に開閉することを抑制することができ、給水弁の寿命を長くすることができる。

本発明は、小型化が要求される燃料電池装置において、水タンクに設けられた水位検知装置が、水タンクの水位低下を検知してから一定時間が経過後に、給水弁を開く制御部を
具備するとともに、水位検知装置が水タンクの水位低下を検知してから、給水弁が開くまでの時間が、改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定されていることから、給水弁が頻繁に開閉を繰り返すことを抑制でき、給水弁の寿命を長くする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被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための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。

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。なお、これら水供給手段Ｘの構成については後述する。

そして燃料電池１、被改質ガス供給装置２、酸素含有ガス供給手段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、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、また点線は制御部に伝送される主な信号経路、または制御部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、被改質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、各種燃料電池が知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体電解質形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行うことができる。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いて、本発明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改質ガスを得るための改質器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を通水した水は、続いてＲＯ膜８を通水する。ＲＯ膜８を通水した水は、続いてイオン交換樹脂９を通水して純水が生成される。イオン交換樹脂９を通水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。

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にて生成された改質ガス（燃料ガス）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１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

ここで、水タンク１０に貯水される水は、水ポンプ１１により改質器４に水が供給され、また給水弁６が開くことにより水が供給されることにより、水タンク１０の水位が変動する。

それゆえ、水タンク１０に水位検知装置を設けるとともに、水位検知装置により水タンク１０の水位情報が制御部１４に伝送され、その水位情報に基づき制御部が給水弁６を開閉して、水タンク１０の貯水量が一定の範囲となるよう調整される。ここで、このような水位検知装置としては、フロートスイッチや電極式のセンサ等が挙げられる。

図２は、水供給手段Ｘを構成する各部材および制御部１４を抜粋して示したものであり、（ａ）は水位検知装置としてフロートスイッチ１９を用いた場合を、（ｂ）は水位検知装置として電極式のセンサ２０を用いた場合を示している。なお、（ａ）においては、水タンク１０の水位の上限水位と下限水位を1つのフロートスイッチ１９で検知できるフロートスイッチ１９を示している。

図２において、フロートスイッチ１９や電極式のセンサ２０により水タンク１０の水位情報が制御部１４に伝送され、その水位情報に基づき制御部１４より給水弁６を開くまたは閉じるよう信号が伝送される。それにより、水タンク１０の水位が一定の範囲となるように制御される。

ところで、家庭用燃料電池装置においては、特に小型軽量化が要求されることから、燃料電池装置を構成する各部材も小型化される。それに伴い、水タンク１０や水位検知装置も小型化されることとなる。

ここで、水タンク１０の小型化に伴い、水位検知装置が小型化され、また水タンク１０の上限水位および下限水位を検知するように水位検知装置を設ける場合に、水タンク１０の水位を検知するに当たり、水位検知装置が検知する上限水位と下限水位を測定する範囲が非常に狭いものとなり、例えばわずか数ミリ程度の水位差で水位検知装置が作動し、それに伴い給水弁６が頻繁に開閉する場合がある。

具体的には、水ポンプ１１により水タンク１０から改質器４に水が供給されると、水位検知装置が下限水位を検知して給水弁６が開かれるとともに、給水弁６が開いて水タンク１０の水位が上昇すると、水位検知装置が上限水位を検知して給水弁６を閉じることとなる。そして、この水位検知装置が小型化され、上限水位と下限水位を測定する範囲が非常に狭い場合には、給水弁６が頻繁に開閉を繰り返すこととなる。

したがって、本発明においては、給水弁６の寿命を長くすべく、制御部１４は、水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知して一定時間が経過した後、給水弁６を開くことを特徴とする。

具体的には、給水弁６の制御について図２（ａ）の構成により説明すると、水タンク１０の水位が低下した場合には、フロートが水面の低下とともに下がり、フロートスイッチ１９に設けられているスイッチをＯＮとする（すなわち、水タンク１０の水位低下を示す）。ここでフロートスイッチ１９に設けられているスイッチがＯＮとなった情報が制御部１４に伝送され、一定時間経過後、給水弁６に給水弁を開放する信号が伝送される。給水弁６が開放されると、給水弁６より供給される水が、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、イオン交換樹脂９を通じて、水タンク１０に貯水される。そして、水タンク１０の水面が上昇するのに伴いフロートが浮き、フロートスイッチ１９に設けられているスイッチがＯＦＦ（すなわち、水タンク１０が満水状態となったことを示す）となる。そして、フロートスイッチ１９に設けられているスイッチがＯＦＦとなった情報が、制御部１４に伝送され、制御部１４より給水弁６を閉じる信号が伝送される。

それにより、給水弁６が頻繁に開閉することを抑制することができ、給水弁６の寿命を長くすることができる。

なお、水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知して一定時間経過した後とは、水位検知装置の種類や水タンク１０の大きさ、さらには改質器に供給される被改質ガスの量等にあわせて適宜設定できる。

また、本発明においては、水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知してから、一定時間が経過した後に給水弁６が開いて水タンク１０に水が供給されることとなるが、この一定時間経過後に水タンク１０が空となることは好ましくない。したがって、一定時間とは、最長でも水タンク１０が空になる直前までの時間とすることが好ましい。また、一定時間とは、水位検知装置が水位低下を検知した際の水タンク１０に残っている水の量が、半分〜１／４となるまでの時間とするのが好ましい。それにより、水タンクが空になることを防止できるとともに、給水弁６が頻繁に開閉することを抑制できる。

ここで、水タンク１０の水位の低下速度は、水タンク１０に貯水された水が水ポンプ１１により水タンク１０から改質器４に供給される水の量、言い換えると改質器４での水蒸気改質に必要な被改質ガスの量に応じて変動する。したがって、水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知してから、給水弁６が開くまでの時間は、改質器４に供給される被改質ガスの量に応じて設定されることが好ましい。

それゆえ、例えば水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知した場合の水タンク１０の水量（水タンク１０の残りの水量）が３００ｍＬである場合に、改質器４に供給される被改質ガスの量が３Ｌ／ｍｉｎの場合においては、水ポンプ１１により改質器４に供給される水の量が７ｍＬ／ｍｉｎとなることから、一定時間とは、水位検知装置が水タンク１０の水位低下を検知してから４０分未満とすることができ、給水弁６の開閉頻度や水タンク１０の貯水量を考慮して、２０〜３０分とするのが好ましい。

なお、図２（ａ）において示した水位検知装置であるフロートスイッチ１９は、水タンク１０の水位を検知できればよく、この場合には、水タンク１０の一点の水位を検知する１つのフロートスイッチを設けることができる。さらには、水タンク１０の水位の上限および下限を検知できることが好ましく、この場合は例えば、水タンク１０の大きさに合わせて、水タンク１０の水位の上限を検知するフロートスイッチと、水位の下限を検知するフロートスイッチとを設けるほか、水タンク１０をさらに小型化する場合には、１つのフロートスイッチで水位の上限および下限を検知できるフロートスイッチを設けることが好ましい。

それにより、水位検知装置を小型化かつ安価とすることができるとともに、小型化された水タンク１０においても、水タンク１０の水位を検知することができる。

また、水位検知装置を電極式のセンサ（以下、電極センサという）２０とした場合においても、水位検知装置を小型化かつ安価とすることができる。

なお、図２（ｂ）においては、電極センサに電極が２本設けられている場合を示しているが、水タンク１０のサイズにあわせて、電極を３本以上とすることもできる。ここで、電極が３本設けられる場合には、１つの電極センサで、水タンク１０の水位の上限および下限を検知することができる。なお、この場合において３本の電極は、水タンク１０の水位の上限と下限を測定する部位にあわせて、適宜長さを変えることができる。

また、電極センサが電極を２本以上設けた場合には、電磁センサ２０は、あわせて水タンク１０に貯水された水の導電率を測定することができる。この場合には、水タンク１０に貯水された水の水位のみでなく、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、イオン交換樹脂１０等の水供給手段Ｘが故障していることが分かる。

すなわち、この場合水タンク１０の水位低下とともに、水タンク１０の導電率も低下するが、導電率が低下しない場合や、異常な値を示す場合には、活性炭フィルタ７等の水供給手段Ｘが故障していることがわかる。また逆に、水タンク１０の水位上昇とともに、導電率が上昇しない場合や、異常な値を示す場合にも、活性炭フィルタ７等の水供給手段Ｘが故障していることが分かる。

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。

例えば、水供給手段Ｘに供給される水として、雨水や井戸水等を用いることもできる。この場合においては、雨水や井戸水等に含まれるさらに多様な不純物を除去すべく、上述した以外のフィルタやＵＶランプ等を設けることもできる。

また、水位検知装置としては、水タンク１０の水位を測定でき、かつ小型化することができる装置であればよく、例えば圧力センサやＬＥＤなどによる光センサを用いることができる。

また、電極式のセンサを用いる場合に、水タンク１０に貯水された水の導電率が、異常な値を示した場合に、警報を発する警報装置を設けることもできる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置の構成の一部を示す構成図であり、水供給手段Ｘと関連する部材の構成を示したものである。

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：フロートスイッチ
２０：電極センサ

Claims (4)

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、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給するための給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプと、前記水タンク中の水位を検知するための水位検知装置と、該水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから一定時間が経過した後、前記給水弁を開く制御部とを具備するとともに、前記水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから、前記給水弁が開くまでの時間が、前記改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記水位検知装置がフロートスイッチであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記水位検知装置が電極式のセンサであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 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、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、該水タンクに水を供給するための給水弁を有する給水管と、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプと、前記水タンク中の水位を検知するための水位検知装置とを具備する燃料電池の運転方法であって、前記水位検知装置が前記水タンクの水位低下を検知してから、前記改質器に供給される被改質ガスの量に応じて設定された時間が経過した後、前記給水弁を開くことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。

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