JP5132144B2 - 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と、燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置およびその運転方法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（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、これらを併用して使用する併用改質（オートサーマル）法が知られている。

ここで従来、被改質ガスである炭化水素系燃料を水蒸気改質して生成される改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池装置は、改質ガス（燃料ガス）と酸素含有ガスが供給され発電を行なう燃料電池セルと、燃料電池セルに供給する改質ガスを生成するための改質器と、改質器に供給する純水を生成するための水処理手段と、水処理手段で生成された水を貯水する水タンクと、貯水した水を改質器に供給するための給水管と水ポンプとを具備することが知られている。

また、水ポンプから改質器に水を供給するための給水管に流量センサを具備する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２５９５８６号公報

ところで、例えば、水蒸気改質により生成された改質ガス（燃料ガス）を用いて発電を行なう燃料電池装置において、水処理手段の不具合や定期点検等で燃料電池を停止して、部品交換等のメンテナンスを行い、メンテナンス後に燃料電池の運転を開始する場合、改質器に供給される水は、水処理手段により処理された後に改質器に水が供給される。それゆえ、改質器に供給される水は、燃料電池の運転を開始してから一定時間経過した後に、改質器に供給されることとなる。

ここで、水処理手段や水タンク等の部品交換等のメンテナンス後に、改質器に水を供給するための給水管に水が残っている場合がある。この場合に、改質器に水を供給するために水ポンプが運転を開始すると、給水管に残っていた水が先に改質器内に供給され、予め設定された時間に水を改質器に供給する制御をしたとしても、設定時間よりも早く改質器に水を供給してしまい、改質器内に水が溜まり、改質器が故障するおそれがあった。

それゆえ本発明は、水処理手段や水タンク等のメンテナンス後に燃料電池の運転を開始する場合において、改質器に水が溜まることや改質器が故障することを防止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、該改質器に供給する水を貯水するための水タンクと、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するための水ポンプと、該水ポンプにより前記改質器に水を供給するための給水管と、該給水管に設けられ、前記水ポンプから前記改質器に向けて供給される水の流れを検知するための水流れセンサとを具備する燃料電池装置であって、前記改質器と前記水流れセンサとの間の前記給水管に、前記給水管から水を排水する排水管を有するとともに該排水管を開閉する弁を有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、例えば、燃料電池の運転を停止して水処理手段や水タンク等を交換（メンテナンス）した際、給水管に残っている水を、排水管を開閉する弁を開く事により排水管を通じて給水管より排水することができる。それにより、水処理手段や水タンク等のメンテナンス後に燃料電池の運転を開始する場合に、給水管に残っていた水が、改質器内に供給されることを抑制することができ、改質器に水が溜まることや改質器が故障することを防止できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記排水管が、前記改質器と前記水流れセンサとの間の前記給水管に位置していることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、給水管に残っている水を排水管にて排水する間も、水流れセンサにより水の流れを検知することができることから、水流れを検知できなくなった場合には、給水管に残っている水をすべて排水したことが分かる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水ポンプを作動させた後、一定時間内に前記水流れセンサが水の流れを検知した場合に、警報を発する警報装置が設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、水ポンプが作動した後、一定時間内に水流れセンサが水の流れを検知した場合に警報を発することから、給水管に水が残っていることを容易に把握することができる。したがって、給水管に残っている水を適切に排水することができる。

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被改質ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水ポンプと、前記水ポンプより前記改質器に水を供給するための給水管と、該給水管に設けられ前記水ポンプから前記改質器に向けて供給される水の流れを検知するための水流れセンサとを具備する燃料電池装置の運転方法であって、前記燃料電池の運転を開始し、前記水ポンプを起動してから一定時間内に、前記水流れセンサが水の流れを検知した場合に、前記給水管から水を排水することを特徴とする。

このような燃料電池装置の運転方法においては、例えば水処理手段や水タンク等の部品交換等（メンテナンス）を行なった後、燃料電池の運転を開始し、水ポンプが起動してから一定時間内に、水流れセンサが水の流れを検知した場合、給水管から水を排水することから、給水管に残っていた水が、改質器内に供給されることを抑制することができる。

それにより、水処理手段のメンテナンス後に燃料電池の運転を開始する場合に、改質器に水が溜まることや改質器が故障することを防止できる。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池装置を構成する水処理手段の不具合や定期点検において、燃料電池を停止して部品交換等などのメンテナンスを行ない、メンテナンス終了後に燃料電池の運転を開始する場合に、改質器の内部に水が溜まることや改質器が故障することを防止できる燃料電池装置およびその運転方法を提供する。

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、被改質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に純水を供給するにあたっては、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）により生成された水が水タンク９に貯水される。水タンク９に貯水された水は、続いてイオン交換樹脂１０を通水して、水ポンプ１１により改質器４に供給される。なお、本発明でいう水処理手段とは、改質器４に供給する水を生成するための手段を意味し、具体的には、活性炭フィルタ７、ＲＯ膜８、イオン交換樹脂１０を意味する。

さらに、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。

そして、本図においては、改質器４と水ポンプ１１との間の給水管５（以後この改質器４と水ポンプ１１とを接続している給水管５を、改質−ポンプ給水管５’と称す）に、水ポンプ１１から改質器４に向けて供給される水の流れを検知するための水流れセンサ１９が設けられている。なお、水流れセンサ１９としては、水の流れを確認できればよく、例えばフローセンサ、流量計等を用いることができる。また、改質−ポンプ給水管５’に、給水管５より水を排水する排水管２１が設けられている。なお、排水管２１は排水管２１を開閉する弁２０を有している。また、弁２０は給水管５側に設けることも可能である。なお、図１においては弁２０を強調して示している。また、図１においては、排水管２１を、改質−ポンプ給水管５’のうち、改質器４と水流れセンサ１９との間に位置する例を示している。

なお、図中の矢印は、被改質ガス、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、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。

ここで、図１に示した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（燃料ガス）を生成す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、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、水タンク９に貯水される。水タンク９に貯水された水は、引き続きイオン交換樹脂１０を通水して純水が生成され、水ポンプ１１により改質器４に供給される。そして、水ポンプ１１により改質器４に向けて水が供給されていることを、水流れセンサ１９により確認する。ちなみに、例えば、水タンク９とイオン交換樹脂１０の配置を逆とすることも可能である。また、給水弁６としては、例えば、電磁弁や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。

ところで、図１に示す燃料電池装置において、例えば、燃料電池１（装置）の運転を停止して、水処理手段の１つであるイオン交換樹脂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１０のメンテナンス後に燃料電池１の運転を開始する場合、改質器４に供給される水は、新たなイオン交換樹脂１０を通水した後、改質器４に供給されるため、燃料電池（装置）の運転を開始してから一定時間経過した後に、改質器４に純水が供給されることになる。

そして燃料電池１の運転を開始する場合に、改質器４と水ポンプ１１を接続している改質−ポンプ給水管５’の中に水が残っている場合がある。

この場合に、燃料電池１の運転を開始して、改質器４に水を供給するための水ポンプ１１が作動すると、改質−ポンプ給水管５’中に残っている水が、新たなイオン交換樹脂１０を通水した水よりも、先に改質器４内に供給されることとなる。それゆえ、燃料電池１の運転の開始に伴い、改質器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器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器に水が供給されることとなり、改質器４内に水が溜まるおそれがある。

一方、改質器４内に水が溜まるのを抑制すべく、改質器４の温度を上げた後、改質−ポンプ給水管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、燃料電池１の運転の開始（水ポンプ１１の運転の開始）後に、イオン交換樹脂１０を通水して改質器４に供給される水は、燃料電池１（水ポンプ１１）が運転を開始して一定時間経過した後、改質器４に供給されることから、改質−ポンプ給水管５’に残存する水が改質器４に供給された後、一定時間、改質器４に水が供給されないこととなる。それゆえ、改質器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。

ここで、本発明においては、燃料電池１（水ポンプ１１）の運転を開始する場合に、改質−ポンプ給水管５’に設けられた排水管２１より排水する。それにより給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に残っていた水が、改質器４内に供給されることを抑制でき、改質器４に水が溜まることや改質器４が故障することを防止できる。

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、水流れセンサ１９が水の流れを検知した場合に、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に水が残存していることが分かる。そして、水流れセンサ１９が水の流れを検知した場合に、排水管２１に設けられている弁２０を調整することにより、排水管２１より給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に残っている水を排水することができる。

また、改質−ポンプ給水管５’に残っている水をすべて排水した後は、排水管２１に設けられている弁２０を、排水管２１に水が流れないように閉じることが好ましい。

ここで、排水管２１は、改質−ポンプ給水管５’のうち、改質器４と水流れセンサ１９との間に位置するよう配置することが好ましい。

排水管２１を改質−ポンプ給水管５’のうち、改質器４と水流れセンサ１９との間に位置するよう配置することで、改質−ポンプ給水管５’より排水管２１へ水を排水している間も、水流れセンサ２０により水の流れを検知することができる。

ここで例えば、イオン交換樹脂１０のメンテナンス後に燃料電池１（水ポンプ１１）の運転を開始する場合、改質器４に供給される水は、新たなイオン交換樹脂１０を通水した後、改質器４に供給されるため、改質−ポンプ給水管５’に残っていた水が流れた後、新たなイオン交換樹脂１０を通水した水が改質−ポンプ給水管５’を流れるまでは、改質−ポンプ給水管５’は一定時間水が流れないこととなる。

したがって、水流れセンサ２０が水の流れを検知できない場合には、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に残っていた水をすべて排水したことが分かる。それゆえ、その場合に弁２０を調整し、排水管２１に水が流れないようにすることで、引き続いて、改質−ポンプ給水管５’を流れる新たなイオン交換樹脂１０を通水した水を、改質器４に供給することができる。

なお、排水管２１に設けられる弁２０は手動で操作する他、自動的に開閉する弁を用いることもできる。そのような自動的に開閉する弁２０は、例えば、水流れセンサ１９が水の流れを検知し、その情報が制御装置１４に転送されると、制御装置１４から弁２０に弁を調整する信号が伝送され、改質−ポンプ給水管５’に残っている水を、排水管２１に流すように弁を自動的に開閉（調整）するといった弁があげられ、例えば電磁弁や三方弁等を用いることができる。

また、排水管２１に設けられる弁２０を手動式の弁２０とする場合にあっては、改質−ポンプ給水管５’に残っている水が、改質器４に溜まることを防止すべく、水ポンプ１１を作動させた後、一定時間内に水流れセンサ１９が水の流れを検知した際に、水の流れを検知した警報を発する警報装置（図示せず）が設けられていることが好ましい。それにより、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に残っていることを把握できる。また、給水管５に水が残っている場合には、弁２０を開閉することで、排水管２１より排水することができるとともに、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）に残っていた水が、改質器４内に供給されることを抑制でき、改質器４に水が溜まることや改質器４が故障することを防止できる。

ここで警報としては、例えば水流れセンサ１９が水の流れを検知した場合に、音を鳴らすブザー、水流れセンサ１９が水の流れを検知したことを示す表示機器、さらには水流れセンサ１９が水の流れを検知したことを携帯電話やパソコンなどのメールに送信する機器等を、適宜選択して使用することができる。

なお、水ポンプ１１を作動させた後一定時間とは、例えばイオン交換樹脂１０を交換した場合であれば、新たなイオン交換樹脂１０を通水した後、改質−ポンプ給水管５’に流れ始めるまでの時間とするのが好ましい。そのように設定することにより、水流れセンサ１９が検知する水の流れが、改質−ポンプ給水管５’に残っていた水であることが分かる。なお、一定時間とは、水流れセンサ１９が改質−ポンプ給水管５’に残っていた水の流れを検知するのに必要な時間であるため、短時間とすることができる。

また本発明の燃料電池装置の運転方法においては、例えば、水処理手段等をメンテナンス等により交換するため、燃料電池１の運転を停止し、メンテナンス終了後に、燃料電池１の運転を開始させる場合に、水ポンプ１１を起動させてから一定時間内に、水流れセンサ１９が水の流れを検知した場合に、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）から水を排水する。それにより、給水管５に残っている水を排水することから、改質器４に水が溜まることや改質器４が故障することを防止することができる。

それにより、水処理手段等のメンテナンス後に燃料電池１の運転を開始する場合に、改質器４に水が溜まることや改質器が故障することを防止できる。

なお、ここで、給水管５に残っている水を排水するにあたっては、上述したように、排水管２１の弁２０を調整して排水する他、例えば水ポンプ１１や水流れセンサ１９、さらには改質器４に接続されているそれぞれの給水管５を取り外して、排水することも可能である。そして、この場合においては、水流れセンサ１９で水を検知した場合に、警報を発する警報装置を設けることも可能である。

また、燃料電池１を停止せずに、部品交換等のメンテナンスを行うことができる場合には、燃料電池１を停止させずに、メンテナンス終了後、水ポンプ１１を起動させてから一定時間内に、水流れセンサ１９が水の流れを検知した場合に、給水管５（改質−ポンプ給水管５’）から水を排水する。それにより、給水管５に残っている水を排水することもできる。

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。

たとえば、燃料電池は固体電解質形の燃料電池とすることができる。それにより、負荷追従に優れた燃料電池とすることができるうえ、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：給水管
６：給水弁
７：活性炭フィルタ
８：ＲＯ膜
９：水タンク
１０：イオン交換樹脂
１１：水ポンプ
１４：制御部
１９：水流れセンサ
２０：弁
２１：排水管

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、前記水タンクに貯水された水を前記改質器に供給するための水ポンプと、該水ポンプにより前記改質器に水を供給するための給水管と、該給水管に設けられ、前記水ポンプから前記改質器に向けて供給される水の流れを検知するための水流れセンサとを具備する燃料電池装置であって、前記改質器と前記水ポンプとの間の前記給水管に、前記給水管から水を排水する排水管を有するとともに、該排水管を開閉する弁を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記排水管が、前記改質器と前記水流れセンサとの間の前記給水管に位置していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記水ポンプを作動させた後、一定時間内に前記水流れセンサが水の流れを検知した場合に、警報を発する警報装置が設けられてい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、該改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段と、前記改質器に水を供給するための水ポンプと、前記水ポンプより前記改質器に水を供給するための給水管と、該給水管に設けられ前記水ポンプから前記改質器に向けて供給される水の流れを検知するための水流れセンサとを具備する燃料電池装置の運転方法であって、前記燃料電池の運転を開始し、前記水ポンプを起動してから一定時間内に、前記水流れセンサが水の流れを検知した場合に、前記給水管から水を排水することを特徴とする燃料電池装置の運転方法。

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