JP5110929B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池と、燃料電池の発電に必要な燃料ガスを生成するための改質部とを具備する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device including a fuel cell and a reforming unit for generating fuel gas necessary for power generation of the fuel cell.
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と、該燃料電池を作動するための補器類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, various next-generation energy fuel cell devices in which a fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and auxiliary devices for operating the fuel cell are housed in an outer case have been proposed.
この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素ガスが用いられ、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。 Hydrogen gas is used as a fuel gas for power generation in this fuel cell. Hydrogen gas and an oxygen-containing gas (usually air) are supplied to the fuel cell, and the oxygen-containing gas is supplied to the oxygen electrode in the fuel cell. The fuel cell is generated by bringing it into contact with each other and bringing hydrogen into contact with the fuel electrode in the fuel cell to cause a predetermined electrode reaction.
水素ガス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。 As a method for producing hydrogen gas, a steam reforming method, a partial oxidation reforming method, and a combined reforming method (autothermal) in which a reforming reaction is performed using both of them are known.
水蒸気改質法は、原燃料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、CH4+H2O→3H2+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)と原燃料(炭化水素)が改質部に供給されて水蒸気改質が行なわれる。 The steam reforming method is an endothermic reaction in which hydrocarbon, which is a raw fuel, can be reacted with steam to obtain hydrogen, which can be expressed as CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO, and is efficient in obtaining hydrogen. Known as a reaction. In performing steam reforming, water (pure water) and raw fuel (hydrocarbon) treated by the water supply means are supplied to the reforming section, and steam reforming is performed.
一方、部分酸化改質法は、原燃料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、CH4+O2→2H2+CO2で表すことができ、原燃料(炭化水素)と酸素が改質部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。 On the other hand, the partial oxidation reforming method is an exothermic reaction in which hydrocarbon, which is a raw fuel, can be reacted with oxygen to obtain hydrogen, and can be expressed as CH 4 + O 2 → 2H 2 + CO 2. Hydrocarbon) and oxygen are supplied to the reforming section to perform partial oxidation reforming. Although this partial oxidation reforming method is inferior in efficiency to obtain hydrogen than the steam reforming method, it is a major feature that it is an exothermic reaction.
そして、燃料電池の運転において、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部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)。 In the operation of the fuel cell, as a method of combining the partial oxidation reforming method and the steam reforming method, for example, the partial oxidation reforming method is used at the start of the fuel cell, and the fuel cell or the reforming unit has exceeded a predetermined temperature. In some cases, a method of switching to a steam reforming method that can generate hydrogen more efficiently is known (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料電池装置として、改質部を具備する燃料電池と、前記改質部に対して複数種のガスまたは水を供給するガス・水供給システムと、前記燃料電池の排熱回収により凝縮した水を蓄える水タンクとを有し、前記ガス・水供給システムは、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、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を具備し、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/または前記水とによる改質反応を行わせるべく、前記水タンクの貯水量を検知する貯水量センサの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具備する燃料電池装置が知られている(特許文献2参照)。 On the other hand, as a fuel cell device, a fuel cell provided with a reforming unit, a gas / water supply system for supplying a plurality of types of gas or water to the reforming unit, and condensed by exhaust heat recovery of the fuel cell A water tank for storing water, wherein the gas / water supply system includes a reformed gas supply means for supplying a reformed gas to the reforming unit, and an oxygen for supplying an oxygen-containing gas to the reforming unit And a water supply means for supplying water from the water tank as it is or as water vapor to the reforming section, wherein the reformed gas and the oxygen-containing gas and / or Alternatively, in order to perform the reforming reaction with the water, the oxygen-containing gas supply means and the water supply means are switched or both supply means are switched based on a signal of a storage amount sensor that detects the storage amount of the water tank. Control whether to use together Fuel cell devices are known comprising a that control means (see Patent Document 2).
この特許文献2に記載された燃料電池装置では、水タンクの貯水量が十分なときは水供給手段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、水タンクの貯水量が不足状態となったとき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る。
特許文献2記載の燃料電池装置では、水タンクの貯水量が不足状態となったときは水供給手段を停止して酸素含有ガス供給手段にて酸素含有ガスを供給し、部分酸化改質を行うため、燃料電池の発電を停止することがなく、継続して運転することができるものの、水タンクから供給される水の水質が悪化した場合でも、この水が改質部に供給されるため、改質性能が低下するという問題があった。 In the fuel cell device described in Patent Document 2, when the amount of water stored in the water tank becomes insufficient, the water supply means is stopped and oxygen-containing gas is supplied by the oxygen-containing gas supply means to perform partial oxidation reforming. Therefore, although it is possible to continue operation without stopping the power generation of the fuel cell, even if the quality of the water supplied from the water tank deteriorates, this water is supplied to the reforming unit, There was a problem that the reforming performance was lowered.
本発明は、改質部における改質性能を高く維持できる燃料電池装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of maintaining high reforming performance in a reforming section.
本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための改質部と、該改質部に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質部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、前記改質部に水を供給するための水供給手段と、前記改質部に供給される水を処理するための水処理手段と、前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質、または前記原燃料供給手段により供給される原燃料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ように制御する制御部とを具備する燃料電池装置であって、前記水処理手段と前記改質部とを接続する水供給管と、該水供給管に設けられた導電率センサと、前記水供給管の前記導電率センサより下流に設けられた水排出手段と、をさらに備え、前記制御部は、前記導電率センサにより測定された値に基づいて前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質部での改質を前記水蒸気改質から前記部分酸化改質に切り替えるように制御し、前記部分酸化改質から前記水蒸気改質に切り替える際において、前記導電率センサが水を検出した場合に、前記制御部は、前記水排出手段が前記水供給管に残存する水を排出するように制御することを特徴とする。
The fuel cell device of the present invention includes a fuel cell, a reforming unit for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell, a raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reforming unit, and the modified An oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the mass part, a water supply means for supplying water to the reforming part, and a water treatment for treating the water supplied to the reforming part and means, in front Kiaratame reacting section, the raw fuel supplied to said steam reforming with water supplied by the water supply means and the raw fuel supplied by the raw fuel supply means, or by the raw fuel supply means And a control unit that controls to perform partial oxidation reforming with the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply unit , wherein the water treatment unit, the reforming unit, A water supply pipe for connecting the water and a conductive member provided in the water supply pipe A sensor, further comprising a water discharge means provided downstream from the conductivity sensor of the water supply pipe, wherein the control unit is supplied to the reforming unit based on the measured value by the conductivity sensor When it is determined that the quality of the water to be deteriorated, the supply of water by the water supply means is stopped, and the reforming in the reforming unit is switched from the steam reforming to the partial oxidation reforming. When controlling and switching from the partial oxidation reforming to the steam reforming, when the conductivity sensor detects water, the control unit discharges the water remaining in the water supply pipe. It controls to do.
このような燃料電池装置では、水処理手段から改質部に供給される水の水質が導電率センサにより検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部は、水供給手段による水の供給を停止し、改質部にて、原燃料供給手段により供給される原燃料と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ため、水質が悪化した水が改質部に供給されることがなく、改質部における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部における改質性能を高く維持できる。また、制御部は、部分酸化改質から水蒸気改質に切り替える際において、導電率センサが水を検出した場合に、水排出手段が水供給管に残存する水を排出するように制御することから、水供給管に残存した水が、改質部内に供給されることを抑制でき、改質部に水が溜まることや改質部が故障することを防止することができる。
In such a fuel cell device, when the quality of water supplied from the water treatment means to the reforming unit is detected by the conductivity sensor and it is determined that the quality of the water is deteriorated by the signal, the control unit In order to stop water supply by the water supply means and perform partial oxidation reforming with the raw fuel supplied by the raw fuel supply means and the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means in the reforming section In addition, water with deteriorated water quality is not supplied to the reforming unit, deterioration in reforming performance due to catalyst degradation or the like in the reforming unit can be suppressed, and the reforming performance in the reforming unit can be maintained high. In addition, when switching from partial oxidation reforming to steam reforming, the control unit controls the water discharging means to discharge water remaining in the water supply pipe when the conductivity sensor detects water. The water remaining in the water supply pipe can be suppressed from being supplied into the reforming unit, and water can be prevented from accumulating in the reforming unit and the reforming unit from being damaged.
また、本発明の燃料電池装置は、前記水質検出手段は導電率センサであり、前記制御部は、前記導電率センサによる導電率が所定値以上の場合に水質が悪化したと判定することを特徴とする。 In the fuel cell device of the present invention, the water quality detection means is a conductivity sensor, and the control unit determines that the water quality has deteriorated when the conductivity measured by the conductivity sensor is equal to or higher than a predetermined value. And
このような燃料電池装置では、水の導電率が所定値以上である場合に、水に不純物が多数含まれていると判定することができ、水質の悪化を容易に検出できる。 In such a fuel cell device, when the conductivity of water is equal to or higher than a predetermined value, it can be determined that the water contains many impurities, and deterioration of water quality can be easily detected.
さらに、本発明の燃料電池装置は、前記改質部と前記水質検出手段との間に、水排出手段が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、例えば、改質部での水蒸気改質を停止して水処理手段を交換(メンテナンス)した際、水供給管に水が残っているかどうかを水質検出手段により確認できる。従って、水を改質部に供給するための水供給管に水排出手段を設け、この水排出手段を用いて排水することができ、水処理手段のメンテナンス後に水蒸気改質を開始する場合に、水供給管に残っていた水が、改質部内に供給されることを抑制することができ、改質部に水が溜まることや改質部が故障することを防止できる。また、水供給管に残っている水を水排出手段にて排水する間も、導電率センサにより導電率を検知することができることから、導電率を検知できなくなった場合には、水供給管に残っている水をすべて排水したことが分かる。 Furthermore, the fuel cell device of the present invention is characterized in that a water discharge means is provided between the reforming section and the water quality detection means. In such a fuel cell device, for example, when the steam reforming in the reforming section is stopped and the water treatment means is replaced (maintenance), it can be confirmed by the water quality detection means whether water remains in the water supply pipe. . Therefore, when a water supply means is provided in the water supply pipe for supplying water to the reforming section, the water discharge means can be used to drain water, and when the steam reforming is started after maintenance of the water treatment means, It is possible to suppress the water remaining in the water supply pipe from being supplied into the reforming section, and to prevent water from accumulating in the reforming section and failure of the reforming section. In addition, while the water remaining in the water supply pipe is drained by the water discharge means, the conductivity can be detected by the conductivity sensor, so if the conductivity can no longer be detected, You can see that all the remaining water has been drained.
さらに、本発明の燃料電池装置は、前記制御部は警報機能を具備するとともに、前記水質検出手段により前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発することを特徴とする。このような燃料電池装置では、改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合に警報を発することから、水処理手段に異常があることを容易に把握でき、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段のメンテナンス、交換等を行うことができる。 Furthermore, in the fuel cell device of the present invention, the control unit has an alarm function, and issues an alarm when the water quality detection means determines that the quality of the water supplied to the reforming unit has deteriorated. It is characterized by that. In such a fuel cell device, an alarm is issued when it is determined that the quality of the water supplied to the reforming unit has deteriorated, so that it is easy to grasp that there is an abnormality in the water treatment means, and the power generation of the fuel cell The water treatment means can be maintained and replaced without stopping the operation.
即ち、水処理手段が寿命となった時などのメンテナンスを実施している間、改質部にて原燃料と酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうため、水処理手段のメンテナンスの間、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。さらに、水供給手段と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具備することにより、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、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、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切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。 That is, while performing maintenance such as when the water treatment means reaches the end of its life, since partial oxidation reforming is performed with raw fuel and oxygen-containing gas in the reforming section, during maintenance of the water treatment means, The water treatment means can be maintained without stopping the power generation of the fuel cell. Further, since the switching means for switching between the water supply means and the oxygen-containing gas supply means is provided, the water supply means and the oxygen-containing gas supply means can be switched only by switching the switching means. However, after performing maintenance such as replacement of the water treatment means, by switching the switching means, the water supply means and the oxygen-containing gas supply means can be switched to perform steam reforming. Therefore, the water treatment means can be maintained without stopping the power generation of the fuel cell.
本発明の燃料電池装置は、水処理手段から改質部に供給される水の水質が導電率センサにより検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部は、水供給手段による水の供給を停止し、改質部にて、原燃料供給手段により供給される原燃料と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ように制御するため、悪化した水が改質部に供給されることがなく、改質部における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部における改質性能を高く維持できる。また、制御部は、部分酸化改質から水蒸気改質に切り替える際において、導電率センサが水を検出した場合に、水排出手段が水供給管に残存する水を排出するように制御することから、水供給管に残存した水が、改質部内に供給されることを抑制でき、改質部に水が溜まることや改質部が故障することを防止することができる。 In the fuel cell device of the present invention, when the water quality of the water supplied from the water treatment means to the reforming unit is detected by the conductivity sensor and it is determined that the water quality is deteriorated by the signal, the control unit The supply of water by the water supply means is stopped, and the partial oxidation reforming is performed in the reforming unit with the raw fuel supplied by the raw fuel supply means and the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means. Therefore, the deteriorated water is not supplied to the reforming unit, the reforming performance deterioration due to catalyst degradation or the like in the reforming unit can be suppressed, and the reforming performance in the reforming unit can be kept high. In addition, when switching from partial oxidation reforming to steam reforming, the control unit controls the water discharging means to discharge water remaining in the water supply pipe when the conductivity sensor detects water. The water remaining in the water supply pipe can be suppressed from being supplied into the reforming unit, and water can be prevented from accumulating in the reforming unit and the reforming unit from being damaged.
図1は、本発明の燃料電池装置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湯水が循環するための循環配管から構成されている。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell device of the present invention. The fuel cell device of the present invention is composed of a power generation unit for generating power, a hot water storage unit for storing hot water after heat exchange, and a circulation pipe for circulating hot water between these units.
図1に示す燃料電池装置は、燃料電池1、天然ガス等の原燃料を供給する例えばポンプからなる原燃料供給手段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ワ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部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と改質部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。
The fuel cell device shown in FIG. 1 is a fuel cell 1, a raw fuel supply means 2 comprising, for example, a pump that supplies raw fuel such as natural gas, and an oxygen-containing gas (mainly air) for supplying the fuel cell 1 For example, an oxygen-containing gas supply means 3 made of a blower and a reforming
ここで、改質部4に純水を供給する水供給系Xは、水供給管5、水供給管5に設けられ水給水管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、逆浸透膜装置8(以下、RO膜とする)、イオン交換樹脂装置9、水タンク10、水ポンプ11により構成されている。水処理手段は、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から構成され、水供給手段は水ポンプ11から構成されている。
Here, the water supply system X that supplies pure water to the reforming
そして、燃料電池1、原燃料供給手段2、酸素含有ガス供給手段3、改質部4および水供給系Xにて、主たる発電部が構成される。
The fuel cell 1, the raw fuel supply means 2, the oxygen-containing gas supply means 3, the reforming
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。
Further, in addition to the main power generation unit described above, a power conditioner 12 for switching the DC power generated by the fuel cell 1 to AC power and supplying it to an external load, exhaust gas (exhaust heat) generated by the power generation of the fuel cell 1
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を具備して構成されている。
The hot water storage unit includes a hot
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。
Furthermore, a circulation pipe 17 for circulating water between the
なお、図中の矢印は、原燃料(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、原燃料供給手段2と改質部4の間に、原燃料を加湿するための原燃料加湿器を設けることも可能である。
In addition, the arrow in a figure shows the flow direction of raw fuel (or fuel gas), oxygen-containing gas, and water, and a broken line shows the main signal path | route transmitted to the
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。 Various fuel cells can be used as the fuel cell 1, but a solid oxide fuel cell is preferably used in order to reduce the size of the fuel cell and the fuel cell.
そして、本発明では、水処理手段と改質部4との間に水質検出手段21を具備しており、制御部14は、水質検出手段21からの信号により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、水ポンプ11からの水の供給を停止し、原燃料供給手段2及び酸素含有ガス供給手段3により原燃料と酸素含有ガスを改質部4に供給するように制御し、改質部4にて部分酸化改質を行なわせるように制御する。
In the present invention, the water quality detection means 21 is provided between the water treatment means and the reforming
即ち、イオン交換樹脂9の下流側に水タンク10、水ポンプ11、水質検出手段21、改質部4が設けられており、水質検出手段21は、例えば、導電率センサから構成されている。導電率センサとしては、例えば2本の端子を具備しており、これらの2本の端子間の水の導電率を測定するものが用いられる。水質検出手段21としては、導電率センサ以外に、2本の端子間の水の抵抗を測定する抵抗計を用いることができる。水質検出手段21が導電率センサである場合には、導電率が所定値以上の場合に水質が悪化したと判断することができる。導電率が所定値以上である場合には、不純物等が多数含まれており、水(純水)の純度が低下し、水質が悪化したと判断できる。
That is, the
さらに、本発明では、制御部14は警報機能を具備し、水質検出手段21により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発するように制御する。警報機能を構成するものとしては、ブザー、ランプを用いることができ、ブザーの鳴動、ランプの点灯により警報するようにすれば良い。
Further, in the present invention, the
そして、本発明においては、後述するように、燃料電池(装置)の発電を停止する必要がないことから、起動停止に時間を要する固体酸化物形の燃料電池を用いる場合に特に有効となる。 In the present invention, as will be described later, since it is not necessary to stop the power generation of the fuel cell (device), it is particularly effective when using a solid oxide fuel cell that takes time to start and stop.
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。 Here, an operation method of the fuel cell apparatus when generating power using the fuel gas (reformed gas) obtained by steam reforming using the fuel cell apparatus shown in FIG. 1 will be described.
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部4で使用される水(純水)は、水供給系Xを構成する給水弁6が開放され、水供給管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により改質部4に供給される。水ポンプ11と改質部4との間には、水質を検出する導電率センサからなる水質検出手段21が設けられているため、この水質検出手段21により改質部4に供給される水質が導電率として検出され、制御部14に信号が送られる。
Water (pure water) used in the reforming
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。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。
In FIG. 1, the activated carbon filter 7, the
改質部4においては、水ポンプ11により供給された純水と、原燃料供給手段2より供給される原燃料とにより、水蒸気改質を行なう。改質部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。
In the reforming
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。
On the other hand, the exhaust gas (exhaust heat) generated by the power generation of the fuel cell 1 is mainly used to increase or maintain the temperature of the fuel cell 1, but the surplus exhaust gas is supplied from the fuel cell 1 to the
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。
The exhaust gas supplied to the
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。 Here, during steady operation, as described above, reformed gas (fuel gas) necessary for operation of the fuel cell 1 is obtained by steam reforming, which is an efficient reaction for obtaining hydrogen, and power generation by the fuel cell 1 is performed. Can be performed.
しかしながら、何らかの原因、例えば水処理手段の劣化により、改質部4に供給される水の水質が悪化する場合がある。このような水質の悪化した水を改質部4に供給すると、改質部4における触媒劣化等により改質性能が劣化してしまう。また、改質部4に水供給管にて水を供給する場合には、水供給管の先端部にてシリカ、カルシウム等が析出し、水を十分に供給できなくなり、改質性能が低下することもあった。
However, the quality of water supplied to the reforming
水質が悪化した場合に、燃料電池1の発電を停止することも考えられるが、燃料電池を停止することは、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℃程度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い。 Although it is conceivable to stop the power generation of the fuel cell 1 when the water quality deteriorates, stopping the fuel cell is a high temperature of about 700 ° C., particularly when the fuel cell 1 is a solid electrolyte fuel cell. Therefore, since it takes a long time to stop or restart the power generation of the fuel cell 1, the efficiency is poor.
そこで、本発明では、定常運転では、改質部4にて水蒸気改質を行うが、水ポンプ11と改質部4との間に設けられた水質検出手段21により検出された水の導電率が、制御部14に送られ、所定値以上の導電率の場合に、水の不純物が増加し、水質が悪化したと判定し、水ポンプ11による改質部4への水供給を停止し、酸素含有ガスの供給を開始し、改質部4にて部分酸化改質を行うように制御する。
Therefore, in the present invention, in the steady operation, the steam reforming is performed in the reforming
即ち、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部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および改質部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、改質部4に対して酸素含有ガスが供給されることとなり、改質部4にて部分酸化改質を行うことができる。
That is, the
また、制御部14は、水質検出手段により改質部4に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、警報を発するように制御する。これにより、水処理手段に異常があることを容易に把握でき、燃料電池を停止することなく、水処理手段のメンテナンス、交換等を行うことができる。
Moreover, the
即ち、水処理手段が寿命となった時などのメンテナンスを実施している間、改質部4にて原燃料と酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうため、水処理手段のメンテナンスの間、燃料電池の発電を停止することなく発電を継続できる。さらに、水供給手段と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具備することにより、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、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、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切り替えて水蒸気改質を行なうことができる。それゆえ、燃料電池の発電を停止することなく、水処理手段をメンテナンスすることができる。この場合、水処理手段のメンテナンス、交換等をすることなく、そのまま部分酸化改質を行うようにしても良い。
That is, during the maintenance such as when the water treatment means reaches the end of its life, the partial oxidation reforming with the raw fuel and the oxygen-containing gas is performed in the reforming
尚、上記形態では、制御部14は、水の水質が悪化したと判定した場合には、水蒸気改質から部分酸化改質に直接変更したが、水蒸気改質から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、その後部分酸化改質へと移行するようにすることが、改質触媒へのダメージを低減する上で望ましい。
In the above embodiment, when it is determined that the water quality has deteriorated, the
図2を用いて本発明の燃料電池装置の他の形態を説明する。図2に示す燃料電池装置において、例えば、改質部4での水蒸気改質を停止して、水処理手段の1つであるイオン交換樹脂装置10の不具合や定期点検等により交換等のメンテナンスを行い、イオン交換樹脂装置10のメンテナンス後に改質部4で水蒸気改質を開始する場合、改質部4に供給される水は、新たなイオン交換樹脂装置10を通水した後、改質部4に供給されるため、改質部4で水蒸気改質を開始してから一定時間経過した後に、改質部4に純水が供給されることになる。この場合に、改質部4と水ポンプ11を接続している改質−ポンプ間の水供給管5の中に水が残っている場合がある。
Another embodiment of the fuel cell device of the present invention will be described with reference to FIG. In the fuel cell device shown in FIG. 2, for example, the steam reforming in the reforming
この場合に、改質部4に水を供給するための水ポンプ11が作動すると、改質−ポンプ間の水供給管5中に残っている水が、新たなイオン交換樹脂装置10を通水した水よりも、先に改質部4内に供給されることとなり、水蒸気改質の再開に伴い、改質部4での改質反応を想定して、予め設定された時間に水を改質部4に供給するように制御している場合には、設定時間よりも早く改質部4に水が供給されることとなり、改質部4内に水が溜まるおそれがある。
In this case, when the
一方、改質部4内に水が溜まるのを抑制すべく、改質部4の温度を上げた後、改質−ポンプの水供給管5に残っている水を用いて水蒸気改質を行なうように制御する場合には、水ポンプ11の運転の開始後に、イオン交換樹脂装置10を通水して改質部4に供給される水は、水蒸気改質を再開して一定時間経過した後、改質部4に供給されることから、改質−ポンプの水供給管5に残存する水が改質部4に供給された後、一定時間、改質部4に水が供給されないこととなる。それゆえ、改質部4が故障するおそれがあり、場合によっては燃料電池1が故障するおそれがある。
On the other hand, in order to suppress the accumulation of water in the reforming
ここで、図2の形態においては、改質部4と水質検出手段21との間には、水供給管5に設けられた弁22と、この弁22が設けられた水供給管5から水を排出するための水排出管23とからなる水排出手段が設けられている。この形態では、水処理手段から改質部4に供給される水の水質が水質検出手段21により検出され、その信号により水の水質が悪化したと判定した場合には、制御部14は、水ポンプ11による水の供給を停止し、改質部4にて、原燃料供給手段2により供給される原燃料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わせるため、悪化した水が改質部4に供給されることがなく、改質部4における触媒劣化等による改質性能劣化を抑制でき、改質部4における改質性能を高く維持できる。
Here, in the embodiment of FIG. 2, a
そして、メンテナンスの実施者が、水処理手段の交換等のメンテナンスを行った後、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切り替え、水蒸気改質を再開する場合に、改質−ポンプの水供給管に設けられた水排出管23より排水する。それにより水供給管5に残っていた水が、改質部4内に供給されることを抑制でき、改質部4に水が溜まることや改質部4が故障することを防止できる。
Then, after the maintenance person performs maintenance such as replacement of the water treatment means, the switching means is switched, so that the water supply means and the oxygen-containing gas supply means are switched and the steam reforming is resumed. Water is drained from a
より具体的には、例えば燃料電池1の運転の開始前に水ポンプ11を起動する。水ポンプ11を起動して一定時間内に、水質検出手段21が水の導電率を検知した場合に、水供給管5(改質−ポンプの水供給管)に水が残存していることが分かる。そして、水質検出手段21が水の導電率を検知した場合に、弁22を調整することにより、水排出管23より水供給管5に残っている水を排水することができる。
More specifically, for example, the
また、改質−ポンプの水供給管5に残っている水をすべて排水した後は、弁22を水排出管23から水が流れないように閉じる。
Further, after all the water remaining in the
この形態では、改質−ポンプの水供給管5のうち、改質部4と水質検出手段21との間に水排出手段を設けることで、改質−ポンプの水供給管5より水排出手段を介して水を排水している間も、水質検出手段21により水の流れを検知することができる。
In this embodiment, by providing a water discharge means between the reforming
1:燃料電池
2:原燃料供給手段
3:酸素含有ガス供給手段
4:改質部
11:水ポンプ(水供給手段)
14:制御部
21:水質検出手段
22:弁
23:水排出管
1: Fuel cell 2: Raw fuel supply means 3: Oxygen-containing gas supply means 4: Reformer 11: Water pump (water supply means)
14: Control unit 21: Water quality detection means 22: Valve 23: Water discharge pipe
Claims (3)
該燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための改質部と、
該改質部に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
前記改質部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、
前記改質部に水を供給するための水供給手段と、
前記改質部に供給される水を処理するための水処理手段と、
前記改質部にて、前記原燃料供給手段により供給される原燃料と前記水供給手段により供給される水とで水蒸気改質、または前記原燃料供給手段により供給される原燃料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ように制御する制御部とを具備する燃料電池装置であって、
前記水処理手段と前記改質部とを接続する水供給管と、
該水供給管に設けられた導電率センサと、
前記水供給管の前記導電率センサより下流に設けられた水排出手段と、をさらに備え、
前記制御部は、前記導電率センサにより測定された値に基づいて前記改質部に供給される水の水質が悪化したと判定した場合には、前記水供給手段による水の供給を停止し、前記改質部での改質を前記水蒸気改質から前記部分酸化改質に切り替えるように制御し、
前記部分酸化改質から前記水蒸気改質に切り替える際において、前記導電率センサが水を検出した場合に、前記制御部は、前記水排出手段が前記水供給管に残存する水を排出するように制御することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell;
A reforming section for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell;
Raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reforming section;
Oxygen-containing gas supply means for supplying oxygen-containing gas to the reforming section;
Water supply means for supplying water to the reforming section;
Water treatment means for treating the water supplied to the reforming section ;
In front Kiaratame reacting section, wherein the steam reforming in the water supplied by the water supply means and the raw fuel supplied by the raw fuel supply means or said the raw fuel supplied by the raw fuel supply means oxygen A fuel cell device comprising: a control unit that controls to cause partial oxidation reforming with the oxygen-containing gas supplied by the containing gas supply means ;
A water supply pipe connecting the water treatment means and the reforming unit ;
A conductivity sensor provided in the water supply pipe;
Water discharge means provided downstream from the conductivity sensor of the water supply pipe, and
When the control unit determines that the quality of the water supplied to the reforming unit has deteriorated based on the value measured by the conductivity sensor , the control unit stops the water supply by the water supply unit, Controlling the reforming in the reforming section to switch from the steam reforming to the partial oxidation reforming ,
When switching from the partial oxidation reforming to the steam reforming, when the conductivity sensor detects water, the control unit causes the water discharging means to discharge water remaining in the water supply pipe. A fuel cell device that is controlled .
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