JP5856004B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、外装ケース内に、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルと改質器とを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを収納するためのモジュール収納室と、該燃料電池モジュールを稼動するための補機を収納するための補機収納室とを、上下に区画してなる燃料電池装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池装置においては、天然ガスや灯油等の原燃料を、脱硫触媒を備える脱硫器で脱硫処理した後、改質器に供給し、改質器にて水蒸気改質等を行なうことで燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。

そして、この脱硫器での脱硫効率を向上することを目的とした燃料電池装置が提供されており、燃料電池モジュールより排出される排ガスを活用してなる燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００９−２０５８２６号公報 特開２０１１−１８１２６８号公報

しかしながら、燃料電池モジュールより排出される排ガスは、燃料電池モジュールの発電等の状況により温度が変化し、それに伴い脱硫器での脱硫効率が変化し、運転効率が低下する場合がある。

それゆえ、本発明においては、より効率の良い運転を行なうことが可能な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、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段と、前記燃料電池モジュール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を、外装ケース内に収納してなるとともに、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御するとともに、該低温媒体供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュールの温度を測定するためのモジュール温度センサと、前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段
と、該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段とを、外装ケース内に収納してなるとともに、前記モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御するとともに、該酸素含有ガス供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることから、脱硫器の温度を所定の範囲内に制御することができ、それにより運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることから、燃料電池モジュールより排出される排ガスの温度を所定の範囲内に制御することで、脱硫器の温度を所定の範囲内に制御することができ、それにより運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。

図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されており、発電ユニットが本発明の燃料電池装置に相当する。

図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、複数個の固体酸化物形の燃料電池セル（例えば中空平板型の燃料電池セル等）を組み合わせてなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段２、セルスタック１を構成する燃料電池セル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３、原燃料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。なお、改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される水（純水、以下適宜水と略す場合がある。）を気化し、原燃料供給手段２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えている。

なお、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。
）が構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。

また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換器６で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置１５、凝縮水処理装置１５にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク７とが設けられており、水タンク７と熱交換器６とが凝縮水供給管１４により接続されている。なお、熱交換器６での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置１５を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置１５が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク７を設けない構成とすることもできる。

水タンク７に貯水された水は、水タンク７と改質器４とを接続する水供給管１６に備えられた水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず。）に供給される。

さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電流の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）８、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６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１０のほか、制御装置９が設けられており、循環配管１２内で水を循環させる循環ポンプ１１とあわせて発電ユニット（燃料電池装置）が構成されている。なお、制御装置９については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な発電ユニットとすることができる（図示せず）。なお、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１３を具備して構成されている。

また、セルスタック１と熱交換器６との間には、原燃料供給手段２より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備える脱硫器１７が配置されており、脱硫器１７により脱硫された原燃料が、改質器４に供給される。

また、モジュールＭの排気口には、燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に収納することができ、排ガス処理装置としては、一般的に公知の燃焼触媒を収納して構成することができる。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。まず、原燃料供給手段２より脱硫器１７に原燃料が供給される。原燃料は、脱硫器１７により脱硫処理される。脱硫器１７により脱硫された原燃料は引き続き改質器４に供給される。なお、脱硫器１７は、熱交換器６と一体的なものとすることもでき、詳細については後述する。

改質器４には、熱交換器６において燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１２を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が供給される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水処理装置１５により処理されて（純水とされて）水タンク７に供給される。水タンク７に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給される。

それにより、脱硫器１７より供給された脱硫後の原燃料と、水ポンプ５より供給された水とで、改質器４にて水蒸気改質が行われ、水蒸気改質により生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと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を用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

図２は、図１に示すモジュールＭの一例を示す外観斜視図である。モジュールＭは、収納容器２０内に、燃料電池セル２１の複数個を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック１の下端を、燃料電池セル２１に燃料ガスを供給するためのマニホールド２２に固定してなるセルスタック装置２６を収納している。

なお、燃料電池セル２１にて使用する燃料ガスを得るために、脱硫器１７により処理された脱硫後の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器４をセルスタック１の上方に配置している。なお、図２においては、脱硫器１７より改質器４に供給される脱硫後の原燃料の供給管は省略している。また改質器４は、改質器４にて水蒸気改質を行なうために、水ポンプ５より水供給管１６を介して供給された水を気化するための気化部２３と、気化部２３にて気化された水と原燃料とで改質反応を行なうための内部に改質触媒を備える改質部２４とを備えている。そして、改質部２４で生成された燃料ガスは、ガス流通管２５を介してマニホールド２２に供給され、マニホールド２２を介して燃料電池セル２１に供給される。

また、図２においては、収納容器２０の一部（前後壁）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置２６および改質器４を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示した燃料電池モジュールＭにおいては、セルスタック装置２６を、収納容器２０内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置２６は、改質器４を含むものとしても良い。

なお、特に説明していないが、収納容器２０の底面には、燃料電池セル２１に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管（図２において左側）と、燃料電池セルの発電等により生じる排ガスを脱硫器１７に向けて排気するための排気管（図２において右側）とが接続されている。

また収納容器２０の内部には、酸素含有ガス供給管より供給された酸素含有ガスを燃料電池セル２１に供給するための酸素含有ガス導入部材２７が配置されており、図２に示すモジュールＭにおいては、酸素含有ガス導入部材２７は、マニホールド２２に並置されたセルスタック１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２１の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル２１の下端部に酸素含有ガスを供給する。

そして、燃料電池セル２１より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２１の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２１の温度を上昇させることができ、セルスタック装置２６の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２１の上端部側にて、燃料電池セル２１から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル２１（セルスタック１）の上方に配置された改質器４を温めることができる。それにより、改質器４で効率よく改質反応を行うことができるほか、モジュールＭの温度を高温に維持することができる。

ところで、脱硫器１７にて原燃料に含有される硫黄成分を除去するにあたり、脱硫触媒として、ゼオライト系脱硫剤、マンガン−銅系脱硫剤、酸化亜鉛系脱硫剤等の脱硫触媒を用いることができるが、これらの脱硫触媒の活性を高めるために、脱硫触媒の温度を適度に向上させることが好ましい。

本実施形態の燃料電池装置１においては、モジュールＭにおいて余剰の燃料ガスを燃焼させて生じる排ガスを用いて脱硫器１７と熱交換することにより、脱硫触媒の温度を上昇させることができる。それにより、脱硫効率が向上し、燃料電池装置の運転効率の向上や
、寿命を長くすることができる。

しかしながら、モジュールＭより排出される排ガスは、セルスタック１での発電量等に応じて排ガスの温度が変化する。ここで、燃料電池システムを構成する燃料電池セルが劣化した場合や、その他の原因等により、モジュールＭより排出される排ガスの温度が高温となった場合に、脱硫器１７の温度が上昇しすぎてしまい、それにより、脱硫器１７に備えられた脱硫触媒の劣化が早まるおそれがあるほか、脱硫効率が低下し、ひいては燃料電池装置の運転効率が低下するおそれがある。

それゆえ、図１に示す燃料電池装置を備える燃料電池システムにおいては、脱硫器１７の周囲に冷媒を供給するための低温媒体供給手段１８と、脱硫器１７の温度を測定するための脱硫器温度センサ１９とを備えている。なお、図中の矢印は、原燃料、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９に伝送される主な信号経路、または制御装置９より伝送（発信）される主な信号経路を示している。

本実施形態の燃料電池装置では、制御装置９は、脱硫器温度センサ１９により測定された温度が所定温度以上となった場合に、脱硫器１７の温度を低下させるための低温媒体供給手段１８を動作させ、脱硫器１７の温度を低下させることができる。なお、低温媒体としては、例えば空気や水を用いることができ、これらは脱硫器１７の冷却後に、モジュールＭに供給することも可能である。なお、脱硫器温度センサ１９により測定された温度が所定温度未満となった場合に、低温媒体供給手段１８の動作を停止することで、脱硫器１７の温度が低下しすぎることを防止することができる。

それにより、脱硫器１７の温度を一定の範囲に制御することができることから、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

なお、上記において、所定の温度とは、脱硫器１７に備える脱硫触媒の種類によって適宜設定することができるが、例えば脱硫触媒を酸化亜鉛系触媒とした場合には、所定温度を１００〜４００℃の範囲で適宜設定することができる。

また、図１に示す燃料電池システムのような制御を行った場合において、脱硫器１７の温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、制御装置９は、燃料電池セル２の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することが好ましい。

脱硫器１７の周囲に低温媒体供給手段１８により冷媒を供給しているにもかかわらず、脱硫器１７の温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、燃料電池装置が故障していると判断することができる。この場合に、制御装置９が燃料電池セル２１の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することで、燃料電池装置が故障することを未然に防止することができる。なお、所定温度とは上述した温度とすることができ、所定時間とは例えば０．５〜２時間とすることができる。

なお、本実施形態の燃料電池装置においては、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスは、続いて熱交換器６に供給される。それにより、熱交換器６において、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスと循環配管１２を流れる水とで熱交換することで、凝縮水の生成およびお湯の生成を行なうことができる。

図３は、本実施形態の他の例の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。図４に示す燃料電池システムにおいては、モジュールＭの温度を測定する
ためのモジュール温度センサ２８を備えている。

図１に示す燃料電池システムにおいては、脱硫器１７の温度を直接測定していたが、図２に示す燃料電池システムでは、モジュールＭの温度を測定することで、脱硫器１７の温度を間接的に測定している。それにより、脱硫器１７の温度を間接的に測定することができることで、脱硫器１７に備えられた脱硫触媒の劣化が早まることを抑制する制御が可能となる。

そして、図３に示す燃料電池システムでは、モジュール温度センサ２８により測定されたモジュールＭの温度が所定温度以上となった場合には、制御装置９は、モジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大するように酸素含有ガス供給手段３の動作を制御する。それにより、モジュールＭからの排ガスの温度を低下させることができ、それにより、脱硫器１７の温度を低下させることができる。なお、図１に示す燃料電池システムと同様に、モジュール温度センサ２８により測定された温度が所定温度未満となった場合に、モジュールＭに供給される酸素含有ガス量を低下する（元に戻す）ように、酸素含有ガス供給手段３の動作を制御することで、脱硫器１７の温度が低下しすぎることを防止することができる。

なお、上記において、所定の温度とは、脱硫器１７に備える脱硫触媒の種類によって適宜設定することができるが、例えば脱硫触媒を酸化亜鉛系触媒とした場合には、所定温度を１００〜４００℃の範囲で適宜設定することができる。

そして、図３に示す燃料電池システムのような制御を行った場合において、モジュールＭの温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、制御装置９は、燃料電池セル２の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することが好ましい。

モジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大しているにも関わらず、モジュールＭの温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、燃料電池装置が故障していると判断することができる。この場合に、制御装置９が燃料電池セル２１の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することで、燃料電池装置が故障することを未然に防止することができる。なお、所定温度とは上述した温度とすることができ、所定時間とは例えば０．５〜２時間とすることができる。

また、図３に示す燃料電池システムにおいても、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスは、続いて熱交換器６に供給される。それにより、熱交換器６において、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスと循環配管１２を流れる水とで熱交換することで、凝縮水の生成およびお湯の生成を行なうことができる。

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。

例えば、本実施形態の燃料電池装置において、図１に示す燃料電池システムと図３に示す燃料電池システムを組み合わせて用いることもできる。例えば、脱硫器１７の周囲に低温媒体供給手段１８より冷媒を供給しても、脱硫器１７の温度が所定温度以上を継続する場合に、酸素含有ガス供給手段３よりモジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大させることもできる。それにより、脱硫器１７の温度範囲を所定の温度範囲とすることができ、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。なお、先に酸素含有ガスの供
給量を増大させて、その後冷媒を供給するようにしてもよい。

１：セルスタック
４：改質器
９：制御装置
１７：脱硫器
２８：冷媒供給手段
２９：脱硫器温度センサ
３０：排ガス温度センサ
Ｍ：燃料電池モジュール

Claims (5)

1. 収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、
   前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
   該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、
   前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、
   前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段と、
   前記燃料電池モジュール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を、
   外装ケース内に収納してなるとともに、
   前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御するとともに、該低温媒体供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記脱硫器温度センサにより測定された温度が、所定温度以上を所定時間継続した場合に、前記制御装置が、前記燃料電池セルの発電を停止するように、前記改質器に向けた原燃料の供給を停止するように前記原燃料供給手段の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュール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、
   前記燃料電池モジュールの温度を測定するためのモジュール温度センサと、
   前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
   該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、
   前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、
   前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段とを、
   外装ケース内に収納してなるとともに、
   前記モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御するとともに、該酸素含有ガス供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記燃料電池モジュールの温度が所定温度以上を所定時間継続した場合に、前記燃料電池セルの発電を停止するように、前記改質器に向けた原燃料の供給を停止するように前記原燃料供給手段の動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池モジュールより排出され、前記脱硫器とで熱交換された後の排ガスと、水とで熱交換するための熱交換器を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。