JP2010009752A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置を起動または再起動する場合において、水タンクより改質器に水を供給するための給水管が詰まることや改質器の故障を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置の起動時に、加熱部２４が水タンク１０に貯水された水を加熱した後、水ポンプ１１を動作させるとともに、水ポンプ１１を動作させてから所定時間の間、給水管５を流れる水を排水するために排水管２３を開くよう、加熱部２４、水ポンプ１１および弁２２のそれぞれを制御する制御装置１４を具備することから、水タンク１０より改質器４に水を供給するための給水管５が詰まることや改質器４の故障を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【選択図】図１

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が種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池セルに改質ガス（燃料ガス）と酸素含有ガスを供給することにより発電が行われる。ここで、燃料電池セルに供給される改質ガスは、改質器において被改質ガス（原燃料）を改質することにより生成され、その改質方法としては、水（水蒸気）を用いて改質反応を行なう水蒸気改質法を用いることができる。

ところで、水蒸気改質を行なう改質器を具備する燃料電池装置において、改質器に供給する水として純水が用いられるが、純水は微生物が発生しやすい環境となる。ここで改質器に供給する水に微生物等が生じると、配管のつまりなどの不具合の原因となる可能性があり、それにより燃料電池装置の運転に悪影響を及ぼすおそれがある。

それゆえ、水タンクに貯水され改質器に供給される水に含まれる微生物等を殺菌する方法が提案されており、例えば、回収水タンク内の回収水温度を一時的に７０℃以上にする方法や、水タンクの水温などに応じて塩素、硫黄、フッ素を含まない有機系抗菌抗黴剤を水中に溶解または分散させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
特開平８−１３８７１４号公報 特開２００２−３４３３９３号公報

ところで、水蒸気改質により生成された燃料ガスを用いて発電を行なう燃料電池装置において、改質器に水を供給するための各装置の不具合や定期点検等で燃料電池装置の運転を停止して部品交換等のメンテナンスを行ない、メンテナンス後に燃料電池装置の運転を開始（再開）する場合がある。

ここで、燃料電池装置の停止期間が長期間となった場合に、水タンクや給水管に貯水された水等に微生物が発生する可能性がある。ここで長期間停止後に燃料電池装置を起動（再起動）させると、水タンクから改質器内に水を供給するための給水管が詰まり、水蒸気改質に必要な量の水を供給することが困難となるおそれや、改質器内に配置された改質触媒が劣化するおそれがある。

それゆえ、本発明においては、燃料電池装置を起動（再起動）する場合において、微生物等によって給水管が詰まることや改質器の故障を抑制（防止）する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、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、該水タンクに貯水された水を前記改質器に導くための給水管と、該給水管に接続され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該給水管から水を排水するための排水管と該排水管を開閉する弁とを有するとともに、前記水タンクに該水タンクに貯水された水を加熱するための加熱部を備え、かつ前記燃料電池装置の起動時に、前記加熱部が前記水タンクに貯水された水を加熱した後、前記水ポンプを動作させるとともに、前記水ポンプを動作させてから所定時間の間、前記給水管を流れる水を排水するために前記排水管を開くよう、前記加熱部、前記水ポンプおよび前記弁のそれぞれを制御する制御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、燃料電池装置の起動時に、加熱部が水タンクに貯水された水を加熱することにより、水タンクに貯水された水を殺菌することができる。さらに、水ポンプを動作させてから所定時間の間、給水管を流れる水を排水管より排水することにより、例えば燃料電池装置を再起動する際に、水タンクと水ポンプとを接続する給水管に残存する水に微生物等が発生した場合においても、その微生物が含まれる水は排水管より排水されることとなり、給水管の詰まりを抑制できるとともに、改質器に微生物を含む水が供給されることを抑制することができる。

また、排水管を改質器と水ポンプとの間の給水管に位置するように設けることで、少なくとも水タンクと水ポンプとの間の給水管に残った水が改質器に供給されることを抑制できる。

それにより、燃料電池装置を起動または再起動する場合において、水タンクより改質器に水を供給するための給水管が詰まることを抑制できるとともに、改質器の故障を抑制することができ、信頼性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、前記加熱部は、前記水タンクに貯水された水を、前記水タンクに貯水された水に含まれる微生物を加熱殺菌可能な温度に上昇させることが好ましい。

それにより、水タンクに貯水された水に含まれる微生物を有効に殺菌することができ、燃料電池装置を起動または再起動する場合において、水タンクより改質器に水を供給するための給水管が詰まることを抑制できるとともに、改質器の故障を抑制することができ、信頼性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、前記制御装置は、前記水ポンプを動作させてから所定時間経過後に、前記排水管を閉じるように前記弁を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、制御装置が、水ポンプを動作させてから所定時間経過後に排水管を閉じるように弁を制御することから、微生物を含まない水（純水）を効率よく改質器に供給することができる。

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、該水タンクに貯水された水を前記改質器に導くための給水管と、該給水管に接続され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該給水管から水を排水するための排水管と該排水管を開閉する弁とを有するとともに、前記水タンクに該水タンクに貯水された水を加熱するための加熱部を備え、かつ前記燃料電池装置の起動時に、前記加熱部が前記水タンクに貯水された水を加熱した後、前記水ポンプを動作させるとともに、前記水ポンプを動作させてから所定時間の間、前記給水管を流れる水を排水するために前記排水管を開くよう、前記加熱部、前記水ポンプおよび前記弁のそれぞれを制御する制御装置を具備することから、燃料電池装置を起動または再起動する場合において、水タンクより改質器に水を供給するための給水管が詰まることや改質器の故障を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

図１は、本発明の燃料電池装置を具備する燃料電池システム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、図１においては発電を行なう発電ユニットに相当し、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とあわせて、燃料電池システムが構成されている。なお、貯湯ユニットや循環配管も含めて本発明の燃料電池装置とすることもできる。

図１に示す燃料電池装置（システム）は、燃料電池（セル）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。

また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、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、熱交換により生成された凝縮水を処理する凝縮水処理装置１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水処理装置１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水は、水タンク１０に貯水された後、水ポンプ１１により改質器４に供給される。なお、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段（例えば、イオン交換樹脂等。図示せず。）は、凝縮水処理装置１９のほか、凝縮水供給管２１等にも設けることができる。なお、水タンク１０には、水タンク１０に貯水された水を加熱するための加熱部２４が設けられている。加熱部２４については後に詳述する。

一方、凝縮水処理装置１９に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することもでき、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各水処理装置を具備している。

ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各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７、逆浸透膜装置８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の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置９（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水される。なお、図１においては、水処理装置として、上記各装置全てを備えるとともに、外部より供給される水の量を調整するための給水弁６が設けられている。また、凝縮水処理装置１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、凝縮水処理装置１９と改質器４とを水ポンプ１１を介して接続することも可能である。

また、改質器４に水を供給するための各水処理装置および凝縮水処理装置をあわせて、水供給装置Ｘとして表し、図１においては一点鎖線により囲って示している（なお、改質器４と水ポンプ１１を接続する給水管５、タンク連結管２０、凝縮水供給管２１も水供給装置Ｘに含まれるものとする。）。

さらに図１に示す燃料電池装置は、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、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のほか、制御装置１４が設けられており、循環ポンプ１６とあわせて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燃料電池装置とすることができる。また図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、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。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１８を具備して構成されている。

そして、図１においては、改質器４に水を導くための給水管５のうち、改質器４と水ポンプ１１とを接続する給水管５に、給水管５を流れる水を排水するための排水管２３が設けられており、排水管２３と給水管５との接続部位に、排水管２３を開閉するための弁２２が設けられている。

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。

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、熱交換器１３において燃料電池１の発電により生じた排ガスと循環配管１７を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器１３にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水処理装置１９に供給される。凝縮水処理装置１９に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管２０を介して水タンク１０に供給される。水タンク１０に貯水された水は、水ポンプ１１により改質器４に供給され、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとで水蒸気改質が行われ、生成された改質ガス（燃料ガス）が燃料電池１に供給される。燃料電池１においては、改質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。以上の方法により、凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行うことができる。

一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。

この場合においては、まず給水弁６（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管５を通して活性炭フィルタ７に供給される。活性炭フィルタ７にて処理された水は、続いて逆浸透膜８に供給される。逆浸透膜８にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置９に供給され、イオン交換樹脂装置９で処理されることにより生成された純水が、水タンク１０に貯水される。水タンク１０に貯水された純水は、上述した方法により、燃料電池１の発電に利用される。

ところで、水供給装置Ｘ（例えば凝縮水処理装置１９）の不具合や定期点検等において、燃料電池装置の運転を長期間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装置の運転を開始（再開）する場合がある。

ここで、燃料電池装置を長期間停止した場合に、水タンク１０に貯水された水や、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存した水に微生物が発生するおそれがある。また、燃料電池装置を最初に起動する場合においても、水タンク１０に純水を補給してから最初の起動までの時間が長くなる場合においては、同様に水タンク１０に貯水された水に微生物が発生するおそれがある。

ここで水タンク１０に貯水された水や、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存した水に微生物が発生した場合には、微生物により給水管５が詰まるおそれや、微生物の種類によっては、改質器５に備える改質触媒（図示せず）が劣化するおそれがある。ここで、給水管５が詰まったり改質触媒が劣化したりすると、燃料電池１の発電を効率よく行うことが困難となる。

そこで、本発明においては、燃料電池装置の起動時や再起動時に、制御装置１４は、加熱部２４が水タンク１０に貯水された水を加熱した後、水ポンプ１１を動作させ、水ポンプ１１を動作させてから所定時間の間、排水管２３を開いて給水管５を流れる水を排水管２３より排水するように弁２２を制御する。すなわち、燃料電池装置の起動時や再起動時に、制御装置１４は、加熱部２４、水ポンプ１１、弁２２の各装置の動作を制御する。

具体的には、制御装置１４は、まず加熱部２４を動作させて水タンク１０に貯水された水を加熱するように制御する。ここで、加熱部２４としては、例えばヒータ等を用いることができる。またヒータを用いる場合においては、水タンク１０の内部に設けてもよく、また外部に設けてもよい。また制御装置１４は、水タンク１０に貯水された水を、微生物を加熱殺菌可能な温度に上昇させるように加熱部２４を制御することが好ましく、例えば水タンク１０に貯水された水の温度が６０℃以上となるように加熱部２４の動作を制御することが好ましい。なお、加熱部２４の動作を制御するにあたり、水タンク１０中に、水タンク１０に貯水された水の温度を測定するための温度センサを設けることができる。

ここで、加熱部２４の動作は、水タンク１０に貯水された水の温度に基づいて適宜設定することができるが、例えば水タンク１０に貯水された水の温度を７０℃に上昇させる場合には、７０℃を１５秒間維持できるように、加熱部２４を動作させることが好ましい。ちなみに、本明細書において、「加熱した後」とは、水タンク１０に貯水された水が少なくとも６０℃以上となるように加熱した後を意味し、より好ましくは水タンク１０に貯水された水を加熱殺菌した後を意味するものとする。

なお、加熱部２４は水タンク１０に貯水された水の温度を、微生物を加熱殺菌可能な温度に上昇させることが好ましいが、その加熱された水が改質器４に供給されることとなることから、給水管５や水ポンプ１１の耐熱性を考慮したうえで、加熱部２４の動作を設定することが好ましい。

そして、制御装置１４は、燃料電池装置の起動時（再起動時）に、水タンク１０に貯水された水を加熱するように加熱部２４を制御することから、水タンク１０に貯水された水に微生物が発生した場合であっても、微生物を効果的に殺菌することができることから、水供給管５が詰まることや改質器４が故障することを抑制することができる。

続いて制御装置１４は、水タンク１０に貯水された水を加熱殺菌した後、加熱部２４を停止する制御を行なった後に、水ポンプ１１を動作させる制御を行う。なお、制御装置１４は、給水管５や水ポンプ１１の耐熱性が低い場合には、水タンク１０に設けた温度センサが測定する水タンク１０に貯水された水の温度が、所定の温度以下となった後に、水ポンプ１１を動作させる制御を行うことが好ましい。

あわせて制御装置１４は、水ポンプ１１を動作させてから所定時間の間は、給水管５を流れる水を排水するために排水管２３を開くように弁２２を制御する。

特に、燃料電池装置を再起動する場合において、水タンク１０と改質器４とを接続する給水管５、特には水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に水が残存する場合がある。

ここで、上述したように燃料電池装置を長時間停止している場合において、この給水管５に残存する水に微生物が発生する可能性がある。そして微生物が発生した水が、改質器４に供給されることにより、その発生した微生物の種類によっては、改質器４に備える改質触媒（図示せず）が劣化する、さらには給水管５が目詰まりするおそれがある。

そこで、制御装置１４は、水ポンプ１１を動作させて所定時間の間、排水管２３を開くよう弁２２を制御する（弁２２を開く制御を行なう）。それにより、少なくとも水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水を排水管２３より排水することができ、改質器４に微生物を含む水が供給されることを抑制することができる。

なお、水ポンプ１１を動作させて所定時間の間とは、少なくとも水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水が、排水管２３より排水することができる時間とすることが好ましく、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５の長さや太さ、さらには水ポンプ１１の送水能に応じて適宜設定することができる。なお、改質器４に微生物を含む水が供給されることを抑制するにあたり、所定時間の間を、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水を排水管２３より排水することができる時間よりも長い時間（わずかに長い時間）とすることもできる。

また、給水管５に残存する水が改質器４に供給されることを抑制すべく、弁２２および排水管２３は、水ポンプ１１と改質器４とを接続する給水管５に接続され、水ポンプ１１と改質器４とを接続する給水管５のうち、改質器４側に接続されていることが好ましい。それにより、改質器４に微生物を含む水が供給されることを効果的に抑制することができる。

なお弁２２は、水ポンプ１１より送水される水の供給を、改質器４または排水管２３に供給できる切り替え機能を有していることが好ましく、例えば三方弁を用いることができる。

ここで、水ポンプ１１を動作させてから所定時間が経過すると、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水のほぼ全てが排水管２３より排水される。そして水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水が排水された後は、水タンク１０の加熱殺菌された水が水ポンプ１１により供給されることから、給水管５に残存する水を排水した後は、水タンク１０に貯水された水が改質器４に供給されるように排水管２３を閉じるように弁２２を制御することが好ましい。すなわち、制御装置１４は、水ポンプ１１を動作させてから所定時間経過後に、排水管２３を閉じるように弁２２を制御することが好ましい。それにより、水タンク１０の加熱殺菌された水を、効率よく改質器４に供給することができる。

なお、水ポンプ１１を動作させてから所定時間経過後とは、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５に残存する水のほぼ全てが排水管２３より排水された後となるように設定すればよく、水タンク１０と水ポンプ１１とを接続する給水管５の長さや太さ、さらには水ポンプ１１の送水能に応じて適宜設定することができる。

以上のような構成により、燃料電池装置を起動または再起動する場合において、水タンク１０より改質器４に水を供給するための給水管５が詰まることや改質器４の故障を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

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、熱交換器１３にて生成された凝縮水のみを用いて燃料電池装置の運転を行う場合（すなわち、外部の水を供給する各水処理装置を具備しない場合）において、凝縮水処理装置１９と水タンク１０の配置順序を逆にすることもできる。

この場合においては、制御装置１４は、凝縮水処理装置１９に含まれる凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）の耐熱性を考慮して、加熱部２４の動作や水ポンプ１１の動作を制御することが好ましい。

さらに、本発明の燃料電池装置は、燃料電池装置を長期間停止した場合や、水タンク１０に純水を補給してから最初の起動までの時間が長くなる場合において特に有用となるが、長期間停止した場合とは、燃料電池装置内を循環する水の量や水タンク１０の大きさ、外気温などに基づいて適宜設定することができ、例えば３日〜１週間以上とすることができる。

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（セル）
４：改質器
５：給水管
１０：水タンク
１１：水ポンプ
１３：熱交換器
１４：制御装置
１９：凝縮水処理装置
２２：弁
２３：排水管
２４：加熱部

Claims (3)

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、該水タンクに貯水された水を前記改質器に導くための給水管と、該給水管に接続され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該給水管から水を排水するための排水管と該排水管を開閉する弁とを有するとともに、前記水タンクに該水タンクに貯水された水を加熱するための加熱部を備え、かつ前記燃料電池装置の起動時に、前記加熱部が前記水タンクに貯水された水を加熱した後、前記水ポンプを動作させるとともに、前記水ポンプを動作させてから所定時間の間、前記給水管を流れる水を排水するために前記排水管を開くよう、前記加熱部、前記水ポンプおよび前記弁のそれぞれを制御する制御装置を具備することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記加熱部は、前記水タンクに貯水された水を、前記水タンクに貯水された水に含まれる微生物を加熱殺菌可能な温度に上昇させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記水ポンプを動作させてから所定時間経過後に、前記排水管を閉じるように前記弁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。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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