JP5248337B2

JP5248337B2 - 燃料電池発電システムおよびその検査方法

Info

Publication number: JP5248337B2
Application number: JP2009002585A
Authority: JP
Inventors: 徳寿佐薙
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: JP2010160969A

Description

本発明は、燃料電池発電システムおよびその検査方法に関する。

燃料電池発電システムでは、燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する。このシステムは、燃料電池本体のほかに、改質器や、制御装置などを備えている。改質器は、炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池本体は、この改質器が生成した改質ガスを燃料ガスとして用いて発電する。改質器に原燃料を供給する原燃料系統には、燃料遮断弁が設けられている。

原燃料系統での原燃料の遮断は、安全上の観点から、二重遮断をすることが求められている（非特許文献１参照）。このため、一般的に、燃料遮断弁は、原燃料系統に直列に２つ設けられる。原燃料の二重遮断を確認するため、定期点検などにおいては、燃料遮断弁の健全性確認を実施する必要がある。

日本電機工業規格ＪＩＳＣ８８２２、「小形固体高分子形燃料電池システムの安全基準」、２００８年

しかし、２つの燃料遮断弁のいずれか一方のシートリークが発生した場合、シートリークの発生していないもう一方の燃料遮断弁で燃料が遮断されるため、安全上求められている原燃料の二重遮断を確認することは困難である。そこで、燃料遮断弁の健全性確認は、定期点検などで行う必要がある。このため、余分な保守費用がかかるだけでなく、高頻度での健全性確認は困難であった。

そこで、本発明は、燃料電池発電システムの原燃料系統における原燃料の二重遮断を容易に確認できるようにすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、炭化水素を含有する原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給配管と、前記原燃料ガス供給配管に設けられた第１燃料遮断弁と、前記原燃料ガス供給配管の前記第１燃料遮断弁よりも下流側に設けられた第２燃料遮断弁と、前記原燃料ガス供給配管の前記第２燃料遮断弁よりも下流側に設けられた圧力センサと、燃料流路が形成されたアノードおよび酸化剤流路が形成されたカソードを備えた燃料電池本体と、前記改質器と前記燃料流路とを接続する改質ガス供給配管と、前記燃料流路の下流側の端部に接続されたアノード排ガス配管と、前記アノード排ガス配管に設けられた下流側遮断弁と、前記圧力センサの検出値を受信し、前記第１燃料遮断弁と前記第２燃料遮断弁と前記下流側遮断弁とを開閉可能に設けられ、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を開とした状態から、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を閉とした場合において、前記圧力センサの検出値が時間とともに上昇するときに前記第１燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定し、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした状態から、前記第１燃料遮断弁を開、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした場合において、前記圧力センサの検出値が時間とともに上昇するときに前記第２燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する、制御器と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、炭化水素を含有する原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給配管と、前記原燃料ガス供給配管に設けられた第１燃料遮断弁と、前記原燃料ガス供給配管の前記第１燃料遮断弁よりも下流側に設けられた第２燃料遮断弁と、燃料流路が形成されたアノードおよび酸化剤流路が形成されたカソードを備えた燃料電池本体と、前記改質器と前記燃料流路とを接続する改質ガス供給配管と、前記燃料流路の下流側の端部に接続されたアノード排ガス配管と、前記アノード排ガス配管に設けられた下流側遮断弁と、を備えた燃料電池発電システムの発電停止中の検査方法において、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を開とした状態から、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を閉として前記第２燃料遮断弁の下流で前記原燃料ガス供給配管の内部の圧力を測定する第１測定工程と、前記第１測定工程で測定した圧力が時間とともに上昇するときに前記第１燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する工程と、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした状態から、前記第１燃料遮断弁を開、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉として前記第２燃料遮断弁の下流で前記原燃料ガス供給配管の内部の圧力を測定する第２測定工程と、前記第２測定工程で測定した圧力が時間とともに上昇するときに前記第２燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムの原燃料系統における原燃料の二重遮断を容易に確認できるようになる。

本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態におけるブロック図である。本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態における検査方法のフローチャートである。

本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。

図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、原燃料ガス供給配管１９と、改質器１２と、一酸化炭素変成器１３と、一酸化炭素除去器１４と、燃料電池本体１１と、制御器１５を備えている。燃料電池本体１１は、燃料流路が形成されたアノードおよび酸化剤流路が形成されたカソードを備えている。

原燃料ガス供給配管１９は、炭化水素を含有する都市ガスなどの原燃料を供給する供給源と改質器１２とを接続していて、改質器１２に原燃料ガスを供給する。原燃料ガス供給配管１９の途中には、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７が直列に設けられている。第２燃料遮断弁１７は、第１燃料遮断弁１６よりも下流側に設けられている。原燃料ガス供給配管１９の第２燃料遮断弁１７よりも下流側には、圧力センサ１８が取り付けられている。

制御器１５は、圧力センサ１８に接続されていて、圧力センサ１８が測定した圧力を示す信号を受信する。また、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７は、制御器１５によって開閉される電磁弁である。

改質器１２は、供給された原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する。改質器１２と燃料電池本体１１の燃料流路との間には、改質ガス供給配管２１が延びている。改質器１２によって生成された改質ガスには一酸化炭素が含有されている。改質ガスに含有されている一酸化炭素は、改質ガス供給配管２１の途中に設けられた一酸化炭素変成器１３および一酸化炭素除去器１４で除去される。改質ガスは、一酸化炭素が除去された後、燃料電池本体１１のアノードに供給される。

燃料電池本体１１は、酸化剤流路に供給される空気などに含まれる酸素および燃料流路に供給される改質ガスに含まれる水素ガスを用いて発電する。燃料電池本体１１の燃料流路に供給されたガスは、電池反応によって水素濃度が減少し、燃料流路の下流側に接続されたアノード排ガス配管２０から排出される。アノード排ガス配管２０の燃料電池本体１１に対して反対側の端部は、大気に開放されている。アノード排ガス配管２０には、下流遮断弁２４が設けられている。

なお、電池反応に用いられなかった水素をバーナーなどの燃料とするために、アノード排ガス配管２０は、燃料電池本体１１と開放端との間で改質器１２などに接続されていてもよい。また、改質ガス供給配管とアノード排ガス配管との間に、バイパス弁を備えたバイパス配管を設けてもよい。

このような燃料電池発電システムにおいて、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７の下流に設置された圧力センサ１８を用いて、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７のシートリークを検出する。燃料遮断弁のシートリークの検査は、燃料電池発電システムの停止中、すなわち、燃料電池本体１１の発電停止中に行われる。

図２は、本実施の形態における検査方法のフローチャートである。

燃料遮断弁のシートリークの検査では、まず、第１燃料遮断弁１６を閉、第２燃料遮断弁１７を開、燃料系の下流の下流遮断弁２４を開とすることにより、第１燃料遮断弁１６の出口より下流の部分を大気開放とする（Ｓ１）。次に、下流遮断弁２４を閉とし（Ｓ２）、圧力センサ１８の検出値が上昇するかどうかを確認する（Ｓ３）。

第１燃料遮断弁１６が健全であるならば、第２燃料遮断弁１７を開けても、圧力センサ１８の検出値は上昇しないはずである。第１燃料遮断弁１６にシートリークがある場合は、原燃料の供給圧が圧力センサ１８の部分にかかり、検出値が供給圧程度まで上昇する。圧力センサ１８の検出値に上昇が見られた場合、第１燃料遮断弁１６のシートリークと判定される（Ｓ８）。

続いて、第２燃料遮断弁１７を閉とし（Ｓ４）、その後、第１燃料遮断弁１６を開とし（Ｓ５）、圧力センサ１８の検出値が上昇するかどうかを確認する（Ｓ６）。第２燃料遮断弁１７が健全であるならば、第１燃料遮断弁１６を開けても、圧力センサ１８の検出値は上昇しないはずである。第２燃料遮断弁１７にシートリークがある場合は、原燃料の供給圧が圧力センサ１８の部分にかかり、検出値が供給圧程度まで上昇する。圧力センサ１８の検出値に上昇が見られた場合、第２燃料遮断弁１７のシートリークと判定される（Ｓ９）。

上記のいずれの場合も圧力センサ１８の検出値に上昇が見られない場合、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７にシートリークがなく、健全な状態であると判定する（Ｓ７）。

この燃料遮断弁のシートリークの検査は、たとえば燃料電池発電システムに電源が投入される毎に行われる。また、燃料電池発電システムを起動する、すなわち、燃料電池本体１１に発電を開始させる毎に行ってもよい。さらに、燃料電池発電システムの停止期間中に、定期的に検査してもよい。

また、燃料電池システムによる発電中は第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７が常時開の状態にある。このため、何らかの原因で弁の一部がスティッキングして閉状態にできないおそれがある。そこで、燃料遮断弁のシートリークの検査を、燃料電池システムを停止した直後に行ってもよい。

第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７の少なくとも一方にシートリークが発生していると判定した場合、システムの起動を中止するように制御器１５を構成してもよい。また、第１燃料遮断弁１６および第２燃料遮断弁１７の少なくとも一方にシートリークが発生していると判定した場合に、警報を発報するように制御器１５を構成してもよい。

このように本実施の形態の燃料電池発電システムでは、原燃料系統における原燃料の二重遮断を容易に確認できる。このため、燃料電池発電システムは、簡便かつ高頻度に原燃料の二重遮断を確認することができる。したがって、燃料電池発電システムの保守費用を低減し、安全性を向上させることができる。また、原燃料の二重遮断の確認のためのユーザーの負担も小さい。

１１…燃料電池本体、１２…改質器、１３…一酸化炭素変成器、１４…一酸化炭素除去器、１５…制御器、１６…第１燃料遮断弁、１７…第２燃料遮断弁、１８…圧力センサ、１９…原燃料ガス供給配管、２０…アノード排ガス配管、２１…改質ガス供給配管、２４…下流遮断弁

Claims

炭化水素を含有する原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給配管と、
前記原燃料ガス供給配管に設けられた第１燃料遮断弁と、
前記原燃料ガス供給配管の前記第１燃料遮断弁よりも下流側に設けられた第２燃料遮断弁と、
前記原燃料ガス供給配管の前記第２燃料遮断弁よりも下流側に設けられた圧力センサと、
燃料流路が形成されたアノードおよび酸化剤流路が形成されたカソードを備えた燃料電池本体と、
前記改質器と前記燃料流路とを接続する改質ガス供給配管と、
前記燃料流路の下流側の端部に接続されたアノード排ガス配管と、
前記アノード排ガス配管に設けられた下流側遮断弁と、
前記圧力センサの検出値を受信し、前記第１燃料遮断弁と前記第２燃料遮断弁と前記下流側遮断弁とを開閉可能に設けられ、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を開とした状態から、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を閉とした場合において、前記圧力センサの検出値が時間とともに上昇するときに前記第１燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定し、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした状態から、前記第１燃料遮断弁を開、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした場合において、前記圧力センサの検出値が時間とともに上昇するときに前記第２燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する、制御器と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記制御器は、前記第１燃料遮断弁および前記第２燃料遮断弁の少なくとも一方にシートリークが発生していると判定した場合に、前記燃料電池本体に発電を開始させないように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記制御器は、前記第１燃料遮断弁および前記第２燃料遮断弁の少なくとも一方にシートリークが発生していると判定した場合に警報を発するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
炭化水素を含有する原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給配管と、前記原燃料ガス供給配管に設けられた第１燃料遮断弁と、前記原燃料ガス供給配管の前記第１燃料遮断弁よりも下流側に設けられた第２燃料遮断弁と、燃料流路が形成されたアノードおよび酸化剤流路が形成されたカソードを備えた燃料電池本体と、前記改質器と前記燃料流路とを接続する改質ガス供給配管と、前記燃料流路の下流側の端部に接続されたアノード排ガス配管と、前記アノード排ガス配管に設けられた下流側遮断弁と、を備えた燃料電池発電システムの発電停止中の検査方法において、
前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を開とした状態から、前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を開、前記下流遮断弁を閉として前記第２燃料遮断弁の下流で前記原燃料ガス供給配管の内部の圧力を測定する第１測定工程と、
前記第１測定工程で測定した圧力が時間とともに上昇するときに前記第１燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する工程と、
前記第１燃料遮断弁を閉、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉とした状態から、前記第１燃料遮断弁を開、前記第２燃料遮断弁を閉、前記下流遮断弁を閉として前記第２燃料遮断弁の下流で前記原燃料ガス供給配管の内部の圧力を測定する第２測定工程と、
前記第２測定工程で測定した圧力が時間とともに上昇するときに前記第２燃料遮断弁にシートリークが発生していると判定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの検査方法。