JP2013105634A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べてメンテナンス作業の作業性が向上し、逆止弁等に漏れが発生しても外部に燃料ガスが排出されることを防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
燃料電池７と、燃料ガスを改質装置８に供給する燃料ガス供給経路５と、燃料ガスをアノード反応ガスに改質する改質装置８と、空気を燃料電池７に供給するカソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５に空気を導入する改質用空気導入経路８とを有した燃料電池システム１であって、カソード空気供給経路３と改質用空気導入経路６を通過する空気の導入部を共有する構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。本発明は、特に固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに好適である。

発電モジュールとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料（例えば、水素やメタン）と空気（酸素）の化学反応による化学エネルギーを、熱変換処理を行わずに直接電気エネルギーとして取り出すことができるため、従来のガスエンジン等の熱機関を利用した発電機に比べてエネルギー変換効率が高いという利点がある。

燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）は、他の燃料電池に比べて、作動に適した温度（作動温度）が摂氏７００度〜摂氏１，０００度と高温であるため、高価な白金触媒を使用する必要がないという点、改質ガスを使用可能であるという点で優れている。

ＳＯＦＣは、アノード（燃料極）とカソード（酸素極）とアノードとカソードに挟まれた固体酸化物電解質とによって、単電池（所謂、単セル）を形成し、単セルを複数備えた電池スタックで構成される。
ＳＯＦＣの基本的な発電原理を説明すると、カソードで酸素が電子と反応して酸化物イオンとなり、酸化物イオンが固体酸化物電解質を通り、アノードで水素と反応して水蒸気と電子を生成する。さらに、アノードで一酸化炭素と酸化物イオンが反応して二酸化炭素と電子を生成する。この固体酸化物電解質は、酸化物イオンを通すが、水蒸気や一酸化炭素、電子を通さない。そのため、アノードで生じた電子は、アノードとカソードを結ぶ外部回路内を移動してカソードに至り、カソードで再び酸素をイオン化することによって外部回路に電流が流れる。

ところで、ＳＯＦＣのアノードに供給される水素や一酸化炭素は、都市ガス、メタノール、ガソリン、プロパンガスなどの燃料を改質装置によって改質することで得られる。

従来、改質を行う場合、ＳＯＦＣが起動してある程度の高温領域（例えば摂氏５００度以上）に至るまでの間（以下、起動動作ともいう）では、部分酸化改質法（ＰＯＸ；Partial Oxidation Reforming）、自己熱改質法（ＡＴＲ；Auto Thermal Reforming）、水蒸気改質法（ＳＲ；Steam Reforming）を適宜組み合わせて行い、高温領域（例えば摂氏５００度以上）に至ってからは、水蒸気改質法（ＳＲ）のみ行っている。
即ち、水蒸気改質法に用いる反応は吸熱反応であるため、ある程度高温領域下でないと反応が起こりにくい。そのため、ＳＯＦＣが起動してある程度の高温領域（例えば摂氏５００度以上）に至るまでの間では、３つの改質法を組み合わせて、水素リッチな条件を形成するとともに、バーナー等を用いて温度を上昇させている。

具体的には、部分酸化改質法（ＰＯＸ）を用いると下記反応（１）が起こり、自己熱改質法（ＡＴＲ）を用いると下記反応（２）が起こり、水蒸気改質法（ＳＲ）を用いると下記反応（３）が起こる。

即ち、高温領域（摂氏５００度以上）に至るまでの間では、部分酸化改質法（ＰＯＸ）と自己熱改質法（ＡＴＲ）を用いるため、燃料ガスを空気（酸素）と混合する必要がある。そのため、従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムでは、外部から燃料電池に空気（酸素）を供給する経路（以下、空気供給経路ともいう）と燃料電池に燃料ガスを供給する経路（以下、燃料ガス経路ともいう）が設けられており、さらに、燃料ガス経路に改質ガス用の空気を導入する経路（以下、改質用空気経路ともいう）が別途に接続されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−７６８４６号公報

例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、改質用空気経路には、吸気フィルター、改質用空気ブロワ、バッファータンク、流量センサー、閉止弁、逆止弁等の補機類が設けられている。また、燃料ガスと混合される空気は、吸気フィルターから導入され、改質用空気ブロワ、バッファータンク、流量センサー、閉止弁、逆止弁を通過して、燃料ガス経路に導入される。

ところが、上記したように高温領域（摂氏５００度以上）に至り、ＳＯＦＣの発電が開始すると、水蒸気改質法のみが行われる。即ち、水蒸気改質反応では、反応式（３）のように燃料ガスと水蒸気のみが反応し、空気（酸素）は反応に関与しないため、ＳＯＦＣの発電中は、前記した改質用空気経路を使用しない。

即ち、ＳＯＦＣの発電中において、改質用空気経路の下流側（燃料ガス経路側）は、燃料ガスのみが供給されており、改質用空気経路の上流側（改質用空気ブロワ側）は、空気を吸引していないため大気圧となっている。言い換えると、改質用空気経路は、燃料ガス経路に対して相対的に負圧となっている。そのため、ＳＯＦＣの発電時に閉止弁及び逆止弁に漏れが発生すると、燃料電池内に供給される燃料ガスが逆流し、燃料ガスが改質用空気経路を介して吸気フィルターから外部に排出される虞があった。

また、改質用空気経路は、空気供給経路とは別途に設けているため、供給ガスが共に空気であるにも関わらず、そのそれぞれの経路に吸気フィルターを取り付けなければならない。そのため、吸気フィルターのメンテナンス作業を別途行わなければならず、作業性が悪い。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するものであり、従来に比べてメンテナンス作業時の作業性が向上し、例え逆止弁等に漏れが発生しても外部に燃料ガスが排出されることを防止可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノード反応ガスに改質する改質装置と、改質装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池にカソード反応ガスたる空気を供給するカソード空気供給経路と、改質装置又は燃料ガス供給経路に接続され改質に用いられる空気を供給するための改質用空気導入経路とを有した燃料電池システムであって、改質用空気導入経路には、改質用空気導入経路内に空気を取り込む改質用空気取込手段が設けられており、カソード空気供給経路には、カソード空気供給経路内に空気を取り込むカソード空気取込手段が設けられており、前記カソード空気供給経路と前記改質用空気導入経路に導入される空気は、同一の空気導入部から導入されることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明の構成によれば、カソード空気供給経路と改質用空気導入経路に導入される空気は、同一の空気導入部から導入される。即ち、同一の空気導入部を用いているため、従来のように、改質用空気導入経路とカソード空気供給経路の双方にそれぞれ吸気フィルターを設ける必要がない。それ故に、吸気フィルターにかかるコストを低減できる。また、吸気フィルターを設けるスペースも省略できるため、燃料電池システム全体の省スペース化が可能である。さらに、改質用空気導入経路及び空気供給経路の空気導入部が同一であるため、吸気フィルターの交換等のメンテナンス作業を同時にできる。即ち、メンテナンス作業にかかる時間を短縮することができ、従来に比べてメンテナンス作業の作業性が向上する。
また、燃料電池の発電時では、カソード空気供給経路では、空気導入部からカソード空気取込手段によってカソード反応ガスたる空気が吸引されている。それ故に、燃料電池の発電時に閉止弁及び逆止弁等に燃料ガスの漏れが発生し、燃料ガスが改質用空気導入経路に逆流したとしても、同一の空気導入部を用いているため、逆流した燃料ガスは、空気導入部でカソード空気供給経路内に吸引される。そのため、空気導入部から外部に排出されることを防止できる。

請求項２に記載の発明は、前記空気導入部と前記改質用空気取込手段との間には、逆止弁が設けられており、前記逆止弁は、空気導入部から改質用空気取込手段に向けて流通を可能とするものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

本発明の構成によれば、逆止弁は、空気導入部から改質用空気取込手段に向けて流通を可能とするものであるため、改質用空気取込手段側からの逆流を防止することができる。そのため、従来の燃料電池システムに比べて燃料ガス供給経路側から空気導入部側に逆流しにくい。また、改質用空気導入経路に空気が流通していない場合において、例え、空気導入部の吸気フィルター等にほこり等が溜まり、目詰まりを起こしたとしても、カソード空気取込手段の吸引力によって、改質用空気導入経路内の空気が空気導入部を介してカソード空気供給経路内に取り込まれることを防止できる。

本発明の構成によれば、カソード空気供給経路と改質用空気導入経路の空気導入部を共有しているため、従来に比べてメンテナンス作業の作業性が向上し、例え、逆止弁等に漏れが発生しても外部に燃料ガスが排出されることを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す作動原理図である。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、カソード空気供給経路を黒塗りで示した図である。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、燃料ガス供給経路を黒塗りで示した図である。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、改質用空気導入経路を黒塗りで示した図である。 図１の空気導入部を表す斜視図であり、空気の流れを矢印で示している。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、起動動作時の空気及び燃料ガスの流れを矢印で示した図である。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、発電動作時の空気及び燃料ガスの流れを矢印で示した図である。 図１の燃料電池システムの作動原理図であり、閉止弁及び逆止弁が破損したと仮定した際の燃焼ガスの流れを矢印で示した図である。 図８の空気導入部を表す平面図であり、改質用空気導入経路から逆流した燃料ガスの流れを矢印で示している。 本発明の燃料電池システムの参考例となる作動原理図である。

以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。
本発明の燃料電池システム１は、図１のように燃料電池モジュール２と、カソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５と、改質用空気導入経路６と、空気導入部２０とを備えている。

燃料電池モジュール２は、モジュール筐体１１内に、少なくとも燃料電池７と改質装置８と温度センサー１０を内蔵している。また、モジュール筐体１１内には、図示しないバーナー等の加熱装置が設けられている。
燃料電池７は、特に限定されるものではないが、自己発熱を改質に利用できる観点から中温又は高温作動形の燃料電池が好ましい。ここでいう中温又は高温作動形とは、作動温度が摂氏５００度以上である燃料電池を表す。中温又は高温作動形の燃料電池の一例としては、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cells）や固体酸化物形燃料電池などが挙げられる。なお、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池を用いて説明する。
改質装置８は、公知のものと同様であり、燃料ガスをアノード反応ガスに改質可能な改質装置である。本実施形態では、燃料ガスを、少なくとも水素と一酸化炭素に改質可能となっている。
温度センサー１０は、モジュール筐体１１内の温度を感知するセンサーであり、具体的には、熱電対である。

カソード空気供給経路３は、図２の黒塗りのように、空気導入部２０と、燃料電池モジュール２とを接続する流路であり、カソード空気供給経路３は、モジュール筐体１１内の燃料電池７のカソードに接続されている。
カソード反応ガスは、燃料電池７の発電時に燃料電池７のカソードで反応キャリアとして使用されるガスであり、具体的には、空気である。
カソード空気供給経路３は、空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料電池７側）に向けて順にカソードブロワ１２（カソード空気取込手段）と、流量センサー１５と、逆止弁１６が設けられている。
カソードブロワ１２は、公知の昇圧ブロワであり、空気の流量を制御可能となっている。
流量センサー１５は、公知の流量センサーであり、カソード空気供給経路３内を通過する空気の流量を検知するセンサーである。
逆止弁１６は、公知の逆止弁であり、燃料電池モジュール２側から空気が逆流することを防止するために設けられている。即ち、空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料電池モジュール２側）への流通が可能となっている。

燃料ガス供給経路５に目を移すと、燃料ガス供給経路５は、図３の黒塗りのように燃料ガス導入部２１と、燃料電池モジュール２とを接続する流路であり、原則的に燃料ガスが通過する流路である。燃料ガス供給経路５は、モジュール筐体１１内の改質装置８に接続されている。
燃料ガスは、改質装置８によって改質されるガスであり、少なくとも組成に炭素を含有するガスである。例えば、都市ガス、プロパンガスなどが採用されている。
燃料ガス供給経路５は、燃料ガスの流れ方向上流側（燃料ガス導入部２１側）から下流側（改質装置８側）に向けて順に流量調整部２２と、流量センサー２３と、脱硫器２５と、逆止弁２７が設けられている。
流量調整部２２は、燃料ガスの流量を調整する部位であり、バルブ６１やガバナ６２や昇圧ブロワ６３やバッファータンク６４を組み合わせて形成されている。
流量センサー２３は、公知の流量センサーであり、燃料ガス供給経路５内を通過する燃料ガスの流量を検知するセンサーである。
脱硫器２５は、公知の脱硫器であり、燃料ガスから硫化物成分を取り除く装置である。
逆止弁２７は、公知の逆止弁であり、燃料電池モジュール２側から燃料ガス等が逆流することを防止するために設けられている。即ち、燃料ガスの流れ方向上流側（燃料ガス導入部２１側）から下流側（燃料電池モジュール２側）への流通が可能となっている。

改質用空気導入経路６に目を移すと、改質用空気導入経路６は、図４の黒塗りのように、空気導入部２０と、燃料ガス供給経路５とを接続する流路である。
改質用空気導入経路６は、燃料ガス供給経路５の脱硫器２５の燃料ガスの流れ方向下流側でかつ、逆止弁２７の上流側に接続されている。
改質用空気導入経路６は、空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料ガス供給経路５側）に向けて順に、逆止弁３０、改質用空気ブロワ３１（改質用空気取込手段）と、流量センサー３２と、閉止弁３３と、逆止弁３５が設けられている。
改質用空気ブロワ３１は、公知の昇圧ブロワであり、改質用空気の流量を制御可能となっている。
流量センサー３２は、公知の流量センサーであり、改質用空気導入経路６内を通過する空気の流量を検知するセンサーである。
逆止弁３０，３５は、公知の逆止弁であり、燃料電池モジュール２側からガス（空気も含む）が逆流することを防止するために設けられている。即ち、改質用空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料ガス供給経路５側）へのガス（空気も含む）の流通が可能となっている。
閉止弁３３は、公知の電磁弁であって、通電することで開状態となるものが採用されている。

空気導入部２０に目を移すと、空気導入部２０は、図５のように、一方の方向に開口５３を有した筐体５０を、フィルター部５１によって仕切ることによって形成されている。開口５３とフィルター部５１を介して対向する内壁５５にカソード空気供給経路３と改質用空気導入経路６が幅方向ｗに並列して接続されている。そして、内壁５５とフィルター部５１との間には、所定の間隔が設けられており、筐体５０の内壁と、フィルター部５１によって閉鎖された空間５２が形成されている。即ち、カソード空気供給経路３と改質用空気導入経路６は、内壁５５に開口し、筐体５０の空間５２と連通している。
フィルター部５１は、公知の布や活性炭等を組み合わせて、フィルター部５１を通過する空気からゴミや粉塵等を除去するものである。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１の通常の運転モードにおける動作について説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１の通常の運転動作は、公知技術とほぼ同様であるため、運転動作時の空気及び燃料ガスの流れについては簡単に説明するのみとする。
本実施形態の燃料電池システム１は、起動して高温領域（摂氏５００度以上）に達するまでの起動動作と、高温領域に達した後の発電動作とに区分される。

起動動作では、カソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５と、改質用空気導入経路６に空気及び／又は燃料ガスが流通する。即ち、カソード空気供給経路３では、図６の矢印のように、カソードブロワ１２の吸引力によって、空気導入部２０から空気が導入され、逆止弁１６を通って、燃料電池７のカソードに供給される。
燃料ガス供給経路５では、図６の矢印のように、流量調整部２２によって、空気導入部２０から燃料ガスが導入され、脱硫器２５を通る。一方、改質用空気導入経路６では、改質用空気ブロワ３１の吸引力によって、空気導入部２０から空気が導入され、逆止弁３０，３５、閉止弁３３を通って、燃料ガス供給経路５に導入される。そして、燃料ガス供給経路５と改質用空気導入経路６の接続部位３６で燃料ガスと空気が混合される。その後、当該混合されたガスは、逆止弁２７を通って、モジュール筐体１１内部の改質装置８に至り、上記したように改質装置８で改質されて燃料電池７のアノードに供給される。

一方、発電動作では、図７に示すように、カソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５に空気又は燃料ガスが流通し、改質用空気導入経路６には空気及び燃料ガスが流通しない。即ち、改質用空気ブロワ３１が停止し、閉止弁３３が閉鎖されることによって、改質用空気導入経路６が閉鎖されている。
燃料ガス供給経路５では、図７の矢印のように、流量調整部２２によって、燃料ガス導入部２１から燃料ガスが導入され、脱硫器２５を通り、改質用空気導入経路６との接続部位３６で空気と混合されずに逆止弁２７を通って、改質装置８に至る。そして、上記したように改質装置８で改質されて燃料電池７のアノードに供給される。
以上が、運転動作時の空気及び燃料ガスの流れの説明である。

ところで、上記したように、発電動作では改質用空気導入経路６には空気及び燃料ガスが流通しない。そのため、例えば、図１０のようなカソード空気供給経路３と改質用空気導入経路６のそれぞれに空気導入部１０１，１０２を備えた燃料電池システム１００では、発電時に、改質用空気導入経路６内は大気圧になっており、燃料ガス供給経路５に対して改質用空気導入経路６が相対的に負圧となる。即ち、逆止弁３５及び閉止弁３３に漏れが発生すると、燃料ガス導入部２１から導入された燃料ガスの一部が燃料電池モジュール２側に流れず、改質用空気導入経路６側に流れる虞があった。改質用空気導入経路６側に流れると、燃料電池７内にアノード反応ガスの滞留が起こり、アノード反応ガスの欠乏状態で反応が進行するため、燃料電池７に過負荷がかかる虞があった。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、逆止弁３５及び閉止弁３３、逆止弁３０の故障を検知する機能を有する。
なお、本実施形態の燃料電池システム１は、発電時には逆止弁３５や閉止弁３３、逆止弁３０によって逆流が防止されているため、原則的には燃料ガスの逆流は起こらない。そこで、外的要因等によって逆止弁３５や閉止弁３３、逆止弁３０が破損したものと仮定して、この特徴的機能たる逆止弁３５及び閉止弁３３、逆止弁３０の故障を検知する機能について、図面を用いて詳細に説明する。

逆止弁３５及び閉止弁３３、逆止弁３０が故障している場合の燃料ガスの流れについて説明する。
まず、図８の矢印のように、燃料ガス供給経路５において、燃料ガス導入部２１から導入され脱硫器２５を通過した燃料ガスは、大部分が改質用空気導入経路６側に流れる。そして、改質用空気ブロワ３１、逆止弁３０を通って、空気導入部２０に至る。
ここで、発電時において、カソードブロワ１２によって、カソード空気供給経路３側に吸引し続けているため、図９のように、空気導入部２０の空間５２に排出した燃料ガスは、カソードブロワ１２によって、カソード空気供給経路３内に吸引される。
そして、図８の矢印のように、カソード空気供給経路３内に吸引された燃料ガスは、カソードブロワ１２，逆止弁１６を通って、燃料電池７に至る。モジュール筐体１１内で、当該燃料ガスは空気と混合燃焼され、異常燃焼を起こす。温度センサー１０（異常検知手段）がモジュール筐体１１内の通常時の発電温度に対して１０パーセント以上の温度上昇を感知すると、燃料電池７の運転を停止するように制御されている。より詳細には、モジュール筐体１１内の通常時の発電温度が摂氏７００度から摂氏８００度であれば、摂氏９００度以上の温度を検知すると異常と認識し、燃料電池７の運転を停止するように制御されている。

燃料電池システム１によれば、モジュール筐体１１内に生じる異常燃焼を検知することによって、逆止弁３５及び閉止弁３３、逆止弁３０の漏れを検知することができる。
また、燃料電池システム１によれば、空気導入部２０の空間５２に排出した燃料ガスは、カソードブロワ１２によって、カソード空気供給経路３内に吸引されるため、燃料電池システム１の外部に燃料ガスが漏洩することがない。即ち、安全に燃料電池システム１を停止することができる。

燃料電池システム１によれば、異常燃焼を検知すると、燃料電池７の運転を停止する。したがって、燃料電池７内にアノード反応ガスの滞留が起こって、アノード反応ガスの欠乏状態下で反応が進行することを防止できる。
また、燃料電池システム１によれば、発電動作時において、例え、空気導入部２０のフィルター部５１にほこり等が溜まり、目詰まりを起こしたとしても、カソードブロワ１２の吸引力によって、改質用空気ブロワ３１内の空気が空気導入部２０を介して、カソード空気供給経路３内に取り込まれることを防止できる。

上記した実施形態では、異常検知手段として温度センサー１０を用い、弁の破損を異常燃焼による温度変化によって検知したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池の出力を監視し、燃料電池の単位時間当たりの出力の変化によって異常を検知し、弁の破損を検知してもよい。例えば、燃料電池の通常時の平均出力に対して５パーセント以上の出力の低下を感知し、所定時間以上に亘って出力の低下状態が続いた場合、燃料電池７の運転を停止するように制御されていることが好ましい。

１ 燃料電池システム
３ カソード空気供給経路
５ 燃料ガス供給経路
６ 改質用空気導入経路
７ 燃料電池
８ 改質装置
１２ カソードブロワ（カソード空気取込手段）
２０ 空気導入部
３０ 逆止弁
３１ 改質用空気ブロワ（改質用空気取込手段）

Claims (2)

1. 燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノード反応ガスに改質する改質装置と、改質装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池にカソード反応ガスたる空気を供給するカソード空気供給経路と、改質装置又は燃料ガス供給経路に接続され改質に用いられる空気を供給するための改質用空気導入経路とを有した燃料電池システムであって、
   改質用空気導入経路には、改質用空気導入経路内に空気を取り込む改質用空気取込手段が設けられており、
   カソード空気供給経路には、カソード空気供給経路内に空気を取り込むカソード空気取込手段が設けられており、
   前記カソード空気供給経路と前記改質用空気導入経路に導入される空気は、同一の空気導入部から導入されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空気導入部と前記改質用空気取込手段との間には、逆止弁が設けられており、
   前記逆止弁は、空気導入部から改質用空気取込手段に向けて流通を可能とするものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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