JP5153178B2

JP5153178B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5153178B2
Application number: JP2007082463A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008210763A

Description

本発明は、水蒸気改質により生成された改質ガスにより発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、この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。

ここで、燃料電池の発電に必要な水素の生成方法の１つとして水蒸気改質法があるが、この水蒸気改質を用いる燃料電池装置は、燃料ガス（水素ガス）を生成するための改質器、水道水等を処理して純水を生成する水処理装置、処理した水を一時的に貯水するための水タンク、水道水を供給するための水供給管等を具備する。

そして水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置、さらに水を浄化するための逆浸透膜装置、そして浄化された水より純水を生成するためのイオン交換樹脂装置等を具備することが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平１０−２３５３９６号公報特開２００１−３３８６６８号公報

ところで、これら水処理装置は使用により劣化を生じるため、水処理装置の容積にもよるが、例えば、数ヶ月に１度、もしくは数年に１度といったように、適宜交換等のメンテナンスを行なう必要性が生じる場合がある。また、水処理装置に故障が生じる場合もある。

ここで、これら水処理装置（特にはイオン交換樹脂）の交換時期や故障を適切に判断することができない場合、劣化したまたは故障した水処理装置を使用することで純水の純度が低下するおそれがあり、純度が低下した純水に含まれる不純物により、改質触媒が劣化するおそれや、改質器に設けられた配管がつまるというおそれがあった。

それゆえ本発明は、水処理装置（特にはイオン交換樹脂）の交換時期や故障を適切に判断することが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に水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に供給される水を処理するためのイオン交換樹脂装置を備える水処理装置と、前記イオン交換樹脂装置と前記改質器との間を接続する水供給管と、該水供給管に接続され前記改質器に水を供給するための水ポンプと、該水ポンプと前記改質器との間の前記水供給管に設けられた導電率センサと、を具備し、前記水ポンプの再起動時において、前記改質器と前記水ポンプとの間の前記水供給管の水を排水した後、前記水ポンプを再起動させて一定時間の間に前記導電率センサが導電率を測定しない場合に、前記水ポンプの異常を示す警報を発する警報装置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、例えば、イオン交換樹脂装置等の水処理装置の交
換後や、燃料電池装置の運転初期時等に、水ポンプを作動させて一定時間の間に導電率センサが導電率を測定しない場合は、水ポンプの異常を認識することができる。そして、この場合に、水ポンプの異常を示す警報を発する警報装置を具備していることにより、水ポンプの異常（故障等）を容易に認識することができる。

本発明の燃料電池装置は、水ポンプの再起動時において、改質器と水ポンプとの間の水供給管の水を排水した後、水ポンプを再起動させて一定時間の間に導電率センサが導電率を測定しない場合に、水ポンプの異常を示す警報を発する警報装置を具備することから、水ポンプの異常（故障等）を容易に認識することができる。

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、天然ガスや灯油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に純水を供給する手段である水供給手段Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜装置とする）、水タンク１０および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置と、これら各装置と改質器４とをこの順で接続する水供給管５とで主に構成されている。また、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整する給水弁６が設けられている。

また、ＲＯ膜装置８と水タンク１０との間の水供給管５に第１の導電率センサを、イオン交換樹脂装置９と改質器４との間の水供給管５に第２の導電率センサをそれぞれ設けてある。

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）と水とで熱交換を行なう熱交換器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装置１４、により発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後述する。

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を具備して構成されている。

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、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置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。

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、固体酸化物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。

このように、本発明の燃料電池装置は、水蒸気改質を行なう燃料電池装置において有用であり、なかでも、例えば燃料電池１の上方に、水蒸気改質を行なうための改質器４を配置し、燃料電池１の燃料ガスで改質器４を加熱する固体酸化物形燃料電池において最適となる。

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、水供給管５を通して活性炭フィルタ装置７に給水される。活性炭フィルタ装置７にて処理された水は、続いてＲＯ膜装置８に給水される。ＲＯ膜装置８にて処理された水は、一時的に水タンク１０に貯水される。水タンク１０に貯水された水は、改質器４で必要となる水の量に応じてイオン交換樹脂装置９に供給・処理され、生成された純水が、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

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に供給され、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た後、燃料電池１より熱交換器１３に供給され外部に放出される。

熱交換器１３に供給された排ガスは、熱交換器１３内を通水（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。なお熱交換器１３の詳細な説明については、図２を用いて説明する。

ところで、これら水処理装置は使用頻度に伴い劣化や故障を生じる。特に、改質器４に純水を供給するイオン交換樹脂装置９に劣化や故障が生じた場合には、劣化したイオン交換樹脂装置９を継続して使用することで、生成される純水の純度が低下するおそれがある。

ここで、純水の純度が低下した場合（以下、低純水と呼ぶ場合がある）は、その低純水中に含まれる不純物が、改質器４内に配置される水蒸気改質を行なうための改質触媒（図示せず）に悪影響を与え、水蒸気改質反応が低下するおそれがある。また、低純水中に含まれる不純物が、改質器内に設けられた配管（水供給管）内に析出し、配管内を閉塞することにより、水蒸気改質を行なうことが困難になるといったおそれもある。

ここで図１においては、ＲＯ膜装置８と水タンク１０とを接続する水供給管５に第１の導電率センサ１９を設けるとともに、イオン交換樹脂装置９と改質器４とを接続する水供給管５に第２の導電率センサ２０をそれぞれ設け、各センサ１９、２０の情報は、モニタ等（図示せず）に表示されるようになっている。

それにより、第１の導電率センサ１９で測定されるＲＯ膜装置８で処理された（ＲＯ膜装置８を通った、以下通水したと表現する）水と、第２の導電率センサ２０で測定されるイオン交換樹脂装置９を通水した水の導電率について、予め設定範囲を定めておくとともに、第１の導電率センサ１９の値が設定範囲内の値を示し（すなわち、ＲＯ膜装置８で処理された水が正常である）、第２の導電率センサ２０の値が設定範囲外の値を示す（すなわち、イオン交換樹脂装置９で処理された水が異常である）場合には、イオン交換樹脂装置９が劣化または故障等の異常を示していることが分かる。

それゆえ、イオン交換樹脂装置９の交換時期や故障等の異常を容易に判断することができることから、適切な時期にイオン交換樹脂装置９を交換・修理することで、イオン交換樹脂装置９で生成される純水の純度が低下することを抑制することができる。あわせて、イオン交換樹脂装置９で生成される純水に不純物が含まれることを抑制できることから、改質器４内に配置される改質触媒に悪影響を与えることを抑制できる。さらには、改質器４内に水を供給する配管（水供給管）内に不純物が析出して配管内を閉塞し、水蒸気改質を行なうことが困難となるといった問題も回避することができる。

なお、第１の導電率センサ１９は、ＲＯ膜装置８を通水した水の導電率を測定できればよいことから、例えば、ＲＯ膜装置８の出口や水タンク１０の入口に設けることもできる。あわせて、第２の導電率センサ２０は、イオン交換樹脂装置９を通水した水の導電率を測定できればよいことから、イオン交換樹脂装置９の出口や改質器４の入口に設けることもできる。

また、第１の導電率センサ１９は、ＲＯ膜装置８を通水した水の導電率を測定することにより、ＲＯ膜装置８の交換時期や故障等の異常を適切に判断することができる。すなわち、第１の導電率センサが設定範囲外の値を示す場合には、ＲＯ膜装置８が劣化または故障していることが分かり、ＲＯ膜装置８の交換時期や故障等の異常が容易に分かる。

図２は、燃料電池１の発電により生じた排ガスを、熱交換器１３内を流れる水とで熱交換する際に生じる凝縮水を、凝縮水供給管２１により水タンク１０に供給する場合の一例を示している。またあわせて、改質器４に水を供給するための水ポンプ１１を、イオン交換樹脂装置９と改質器４とを接続する水供給管５に設け、水ポンプ１１と改質器４とを接続する水供給管５に、第２の導電率センサ２０を設けている。

ここで、燃料電池１の発電により生じた排ガスより凝縮水を回収して水タンク１０に供給することから、水を有効に活用することができる。さらに、熱交換により生じた凝縮水は、水処理装置であるイオン交換樹脂装置９により処理された後、改質器４に供給されることから、凝縮水を回収し再利用する場合であっても、改質器４に対して純水を供給することができる。

なお、凝縮水供給管２１を水タンク１０に接続する場合であっても、第１の導電率センサ１９は、ＲＯ膜装置８と水タンク１０とを接続する水供給管５に接続することから、第１の導電率センサ１９により、ＲＯ膜装置８の交換時期や故障等の異常を適切に判断することができる。

図３は、図１に示した燃料電池装置と同様の構成であるが、改質器４に純水を供給する手段である水供給手段Ｘにおいて、イオン交換樹脂装置９と水タンク１０とが逆に配置されている例を示す。

図３に示す燃料電池装置の構成については上述したとおりであるが、この図３においては、ＲＯ膜装置８とイオン交換樹脂装置９とを接続する水供給管５に第１の導電率センサ１９を設け、イオン交換樹脂９と改質器４とを接続する水供給管５に第２の導電率センサを設けた例を示している。

それにより、第１の導電率センサ１９が予め定められた設定範囲の値を示し、第２の導電率センサ２０が予め定められた設定範囲外の値を示した場合には、イオン交換樹脂装置９が劣化または故障していることが分かり、イオン交換樹脂装置９の交換時期や故障等の異常を容易に認識することができる。

それゆえ、適切な時期にイオン交換樹脂装置９を交換・修理することで、イオン交換樹脂装置９により生成される純水の純度が低下することを抑制できる。またあわせて、改質触媒の劣化や、改質器４に設けられた配管のつまりを抑制（防止）することができる。

なお、図３において、第２の導電率センサ２０は水タンク１０と改質器４とを接続する水供給管５に配置した例を示しているが、例えば、イオン交換樹脂装置９と水タンク１０とを接続する水供給管５に配置することもできる。

図４は、図２に示した燃料電池装置と同様の構成であるが、凝縮水供給管２１の一端が、ＲＯ膜装置８とイオン交換樹脂装置９とを接続する水供給管５に接続されているとともに、第１の導電率センサ１９が、ＲＯ膜装置８とイオン交換樹脂装置９とを接続する水供給管５のうち凝縮水の供給部（凝縮水供給管２１の一端側との接続部）よりもＲＯ膜装置側に配置されている燃料電池装置の一例を示す。

このような燃料電池装置においては、燃料電池１の発電により生じた排ガスより凝縮水を回収して水供給管５に供給することから、水を有効に活用することができる。

さらに、第１の導電率センサ１９は、ＲＯ膜装置８により処理された水と凝縮水とが混合する前、すなわちＲＯ膜装置８で処理された水の導電率を測定することができ、第２の導電率センサの２０の測定値と比較することで、イオン交換樹脂装置９の劣化や故障等の異常を容易に判断することができる。また、第１の導電率センサ１９により、凝縮水を回収する構成の燃料電池装置であっても、ＲＯ膜装置８の交換時期や故障を適切に判断することができる。

以上、本発明の燃料電池装置の説明において、イオン交換樹脂装置９の配置場所を変更した例や、凝縮水の回収・供給を行なう例を示したが、このような燃料電池装置において、さらに、第１の導電率センサ１９や第２の導電率センサ２０が、予め定められた設定範囲外の導電率を示した場合に、イオン交換樹脂装置９やＲＯ膜装置８の交換時期や故障等の異常を示す警報を発する警報装置（図示せず）を設けることにより、これら水処理装置の交換時期や故障等の異常を容易に認識することができる。

ここで警報装置としては、例えば、イオン交換樹脂装置９の交換時期や故障等の異常を示す音を鳴らすブザーや、イオン交換樹脂装置９の交換時期や故障等の異常を示す表示機器、さらにはイオン交換樹脂装置９の交換時期や故障等の異常の情報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、これら警報装置は、第１の導電率センサ１９および第２の導電率センサ２０のうち、いずれの導電率センサが、予め定められた設定範囲外の導電率を示したかが分かるように警報を発することが好ましい。それにより、どの水処理装置が交換時期や故障等の異常を生じているかを容易に認識することができる。

また、上述したような燃料電池装置の運転初期時に、イオン交換樹脂装置９と改質器４とを接続する水供給管５に水が供給されていない場合があり、この場合第２の導電率センサ２０は導電率を測定しないこととなる。

それゆえ、燃料電池装置の運転初期時において、水ポンプ１１を作動させて一定時間の間に、第２の導電率センサ２０が導電率を測定しない場合には、水ポンプ１１に異常が生じている（故障している）と判断することができる。

また、イオン交換樹脂装置９等の水処理装置を交換する際、改質器４と水ポンプ１１とを接続する水供給管５に水が残っている場合がある。この場合、水供給管５に残っている水が水ポンプ１１の再起動とともに、改質器４に供給され改質器４内に水が溜まることにより、改質器４が故障するおそれがある。それゆえ、イオン交換樹脂装置９等の水処理装置を交換する場合に、改質器４と水ポンプ１１とを接続する水供給管５に残っている水を排水した後に、水ポンプ１１を再起動する場合がある。

この場合に、図２や図４で示したように、第２の導電率センサ２０を水ポンプ１１と改質器４とを接続する水供給管５に設けることにより、水ポンプ１１と改質器４とを接続する水供給管５に残っている水を排水した後、水ポンプ１１を作動させて一定時間の間に第２の導電率センサ２０が導電率を測定しない場合には、水ポンプ１１に異常が生じていると判断することができる。

そして、水ポンプ１１を作動させて一定時間の間に第２の導電率センサ２０が導電率を測定しない場合に、水ポンプ１１の異常を示す警報を発する警報装置（図示せず）を具備することにより、水ポンプ１１の故障等の異常を容易に認識することができる。なお、警報装置としては、上述したような警報装置を適宜使用することができる。

また、水ポンプ１１が故障等の異常を示していると判断することができた場合には、水ポンプ１１の作動を停止するよう制御することが好ましい。それゆえ制御装置１４は、水ポンプ１１を作動するよう制御した後、一定時間の間に第２導電率センサ２０が導電率を測定しない場合には、水ポンプ１１の異常を示す警報を発する警報装置を制御するとともに、水ポンプ１１の作動を停止するよう制御することが好ましい。

なお、上述したような、水処理装置の異常を示す警報装置と水ポンプ１１の異常を示す警報装置は、それぞれ別個の装置として設けることもできるが、燃料電池装置の小型化を踏まえ、１つの警報装置として設けることが好ましく、さらには上述した制御装置にその機能を持たせてもよい。

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。

例えば、図２および図４において、凝縮水を回収する場合に、凝縮水供給管２１を水タンク１０に接続するほか、活性炭フィルタ装置７やＲＯ膜装置８を流れるように、凝縮水供給管２１を給水弁６と活性炭フィルタ装置７とを接続する水供給管５に接続することも可能である。この場合においては、凝縮水の水質が何らかの原因で悪化した場合に、活性炭フィルタ装置７やＲＯ膜装置８を通水させることにより、その悪化した凝縮水を浄化することができる。したがって、例えば、凝縮水供給管２１に導電率センサを設け、導電率が予め定められた設定範囲外となった場合に、凝縮水を給水弁６と活性炭フィルタ装置７とを接続する水供給管５に流すようにすることもできる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。凝縮水を回収して水供給管に供給するとともに、第２の導電率センサを水ポンプと改質器とを接続する水供給管に設けた本発明の燃料電池装置の他の構成の一例を示す構成図である。図１で示した水処理装置のうち、イオン交換樹脂装置と水タンクの配置を入れ替え、第１の導電率センサをＲＯ膜装置とイオン交換樹脂装置とを接続する水供給管に配置した本発明の燃料電池装置のさらに他の構成の一例を示す構成図である。図２で示した水処理装置のうち、イオン交換樹脂装置と水タンクの配置を入れ替え、第１の導電率センサをＲＯ膜装置とイオン交換樹脂装置とを接続する水供給管に配置した本発明の燃料電池装置のさらに他の構成の一例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：活性炭フィルタ装置
８：ＲＯ膜装置
９：イオン交換樹脂装置
１０：水タンク
１１：水ポンプ
１４：制御装置
１９：第１の導電率センサ
２０：第２の導電率センサ
２１：凝縮水供給管

Claims

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に水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に供給される水を処理するためのイオン交換樹脂装置を備える水処理装置と、前記イオン交換樹脂装置と前記改質器との間を接続する水供給管と、該水供給管に接続され前記改質器に水を供給するための水ポンプと、該水ポンプと前記改質器との間の前記水供給管に設けられた導電率センサと、を具備し、
前記水ポンプの再起動時において、前記改質器と前記水ポンプとの間の前記水供給管の水を排水した後、前記水ポンプを再起動させて一定時間の間に前記導電率センサが導電率を測定しない場合に、前記水ポンプの異常を示す警報を発する警報装置を具備することを特徴とする燃料電池装置。