(57)【要約】【課題】多数ある消耗品の交換を、発電装置のユーザーが簡便かつ確実に実施することを可能とするパッケージ形燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】燃料電池本体と、脱硫器を有する燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、水処理樹脂を有する回収水系機器等のプロセス機器を備え、前記プロセス機器と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、脱硫器２の脱硫剤、水処理樹脂１９のイオン交換樹脂、燃料ガス内の粉塵ろ過用の燃料極入口フィルタ１８、反応空気内の粉塵ろ過用の空気極入口フィルタ１７、パッケージ内換気用の空気ろ過用の換気口フィルタ２０等の複数種の消耗品を備え、消耗品内の少なくとも複数種の消耗品を一箇所に集約してユニット化した消耗品カセット１０をパッケージ外周部に設け、各消耗品に対して予め設定する各寿命を近似させたものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、脱硫器を有する燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収し、回収水の純化処理を行なう水処理樹脂を有する回収水系機器とからなるプロセス機器を備え、前記プロセス機器と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、
前記燃料電池発電装置は、前記脱硫器における脱硫剤、前記水処理樹脂におけるイオン交換樹脂、前記燃料ガス内の粉塵ろ過用の燃料極入口フィルタ、前記反応空気内の粉塵ろ過用の空気極入口フィルタ、前記パッケージ内換気用の空気ろ過用の換気口フィルタ等の複数種の消耗品を備え、前記消耗品の内の少なくとも複数種の消耗品を一箇所に集約してユニット化した消耗品カセットをパッケージの外周部に設けてなり、かつ前記消耗品カセット内の各消耗品に対して予め設定する各寿命期間を近似させたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記消耗品カセット内の各消耗品は、ガスまたは水の通流配管と接続され、前記各消耗品へのガスまたは水の入口側および出口側ポートと前記通流配管との各接続部を、同一面に配設したことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載のものにおいて、前記各接続部には、ガスまたは水のシール装置を備えたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記消耗品カセットは、パッケージ最外周部において、パッケージ内換気用空気ろ過用の換気口フィルタを備えたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のものにおいて、前記消耗品カセットは、その使用時間を記憶し、前記使用時間と、前記各消耗品に対して予め設定する各寿命から予め設定した消耗品カセットの使用制限時間とを比較し、前記使用時間が前記使用制限時間に到達した際に警報信号を出力するリミッタを備えたことを特徴とするパッケージ形燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、脱硫器を有する燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収し、回収水の純化処理を行なう水処理樹脂を有する回収水系機器とからなるプロセス機器を備え、前記プロセス機器と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置に関する。特に、家庭用、車載用の小型の固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料である水素と酸化剤である空気を電気化学反応させて電気エネルギーを得るものであり、高効率でクリーンな発電装置として知られている。
【０００３】
従来は数百kWクラスの比較的大型のものが主力であったが、近年は固体高分子電解質型燃料電池(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)のように、運転温度が低く、比較的安価な小容量の発電装置が開発されている。その応用分野としては、発電装置の排熱を給湯に有効利用する家庭用コジェネレーションシステム、あるいは自動車用燃料電池発電装置等が有力視されている。
【０００４】
上記固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００５】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００６】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００７】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される（特許文献１参照）。
【０００８】
図２は、特許文献１において開示されたものとは若干異なるが、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図である。
【０００９】
図２において、原燃料である都市ガスは、脱硫器２により硫黄分を除去された後に改質器３で水素リッチなガスに変換され、変成器４、CO除去器５により反応に有害なCOを取り除かれた後に、燃料極入口フィルタ１８で粉塵や触媒紛等をろ過された後に燃料電池本体１に導入される。
【００１０】
一方、酸化剤としての空気は、反応空気ブロワ７により大気から導入され、空気極入口フィルタ１７により大気中の粉塵をろ過された後に燃料電池本体１に導入され、前記水素リッチガスと電気化学反応して電気エネルギーを発生する。発生した電気はエネルギーは外部の電気機器に供給される。
【００１１】
ところで、改質器３で燃料が水素に変換されるためには、水蒸気が必要であり燃料電池本体１で水素と酸素が反応して生成される水分を排気空気から、さらには改質器３の燃焼排ガス中の水を回収して使用される。生成水は、回収水ポンプ１４で一旦冷却水タンク９で冷却に供された後に改質用水ポンプ１５により取り出され、水処理樹脂１９により純化した後に燃料ガスに混合され改質器３に導入される。
【００１２】
また、発電装置の各種プロセス機器と、その他補助機器等の各種機器を収納したパッケージ３０には、燃料電池本体１、改質器３等の放熱により高温状態にならないように、外気を導入する換気口がパッケージ壁面に開口しており、砂や昆虫等のゴミが侵入しないように換気口フィルタ２０も装備されている。なお、図２において、６は燃焼空気ブロワ、８は電池冷却水ポンプ、１６は補給水弁である。
【００１３】
上記空気極入口フィルタ１７，燃料極入口フィルタ１８，換気口フィルタ２０等のフィルタ類は何れもある一定期間を過ぎると目詰まりや反応作用が弱まるため、一定頻度での交換が必要である。さらに、前記脱硫器２における脱硫剤、前記水処理樹脂１９におけるイオン交換樹脂も、各吸着反応に寿命があり、一定頻度での交換が必要である。
【特許文献１】特開２００５−６３６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、燃料電池発電装置には多数の消耗品が内蔵しており、これらの交換による保守管理が必要であるが、消耗品は交換寿命がバラバラでありその都度、発電装置パッケージを開放して個々の部品を交換するという煩雑な作業が必要である。これら一連の作業は、従来の大型の燃料電池のように、専門の保守担当員がおり業務として保守をしている分には煩雑ながら大きな問題にならないが、家庭用や車載用の燃料電池のように、一般ユーザーが対象の場合、煩雑かつ手間がかかる作業は敬遠され、ひいては確実なメンテナンスがなされずに正常な運転状態が維持できないばかりか、発電装置を損傷する危険性があった。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、多数ある消耗品の交換を、発電装置のユーザーが簡便かつ確実に実施することを可能とするパッケージ形燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題は、以下により達成される。即ち、炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池本体と、脱硫器を有する燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収し、回収水の純化処理を行なう水処理樹脂を有する回収水系機器とからなるプロセス機器を備え、前記プロセス機器と、その他補助機器等の各種機器をパッケージ内に収納してなるパッケージ形燃料電池発電装置において、前記燃料電池発電装置は、前記脱硫器における脱硫剤、前記水処理樹脂におけるイオン交換樹脂、前記燃料ガス内の粉塵ろ過用の燃料極入口フィルタ、前記反応空気内の粉塵ろ過用の空気極入口フィルタ、前記パッケージ内換気用の空気ろ過用の換気口フィルタ等の複数種の消耗品を備え、前記消耗品の内の少なくとも複数種の消耗品を一箇所に集約してユニット化した消耗品カセットをパッケージの外周部に設けてなり、かつ前記消耗品カセット内の各消耗品に対して予め設定する各寿命期間を近似させたことを特徴とする（請求項１）。
【００１７】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載のものにおいて、前記消耗品カセット内の各消耗品は、ガスまたは水の通流配管と接続され、前記各消耗品へのガスまたは水の入口側および出口側ポートと前記通流配管との各接続部を、同一面に配設したことを特徴とする（請求項２）。また、前記請求項２に記載のものにおいて、前記各接続部には、ガスまたは水のシール装置を備えたことを特徴とする（請求項３）。上記請求項２または３の発明によれば、各消耗品の交換作業がより簡便となる。
【００１８】
さらに、下記請求項４または５の発明がリーズナブルであって好ましい。前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記消耗品カセットは、パッケージ最外周部において、パッケージ内換気用空気ろ過用の換気口フィルタを備えたことを特徴とする（請求項４）。
【００１９】
また、前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載のものにおいて、前記消耗品カセットは、その使用時間を記憶し、前記使用時間と、前記各消耗品に対して予め設定する各寿命から予め設定した消耗品カセットの使用制限時間とを比較し、前記使用時間が前記使用制限時間に到達した際に警報信号を出力するリミッタを備えたことを特徴とする（請求項５）。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、フィルター交換等の保守を敬遠する一般ユーザーでも、簡便、かつ確実な保守管理が可能となるため、正常な運転状態を長く維持でき、使い易く信頼性の高い燃料電池発電装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、この発明の実施例について図１、ならびに図３および４に基いて述べる。図１は、本発明の実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の一例を示す系統図であり、図１において、前記図２に示した部材と同一機能部材には同一番号を付し、それらの詳細説明を省略する。図３は各種フィルタの寿命を予め設定する場合の説明図、図４は脱硫剤またはイオン交換樹脂の寿命を予め設定する場合の説明図であるが、図３および４については後述する。
【００２２】
図１と図２との相違点は、図１の場合、破線のブロックで示す消耗品カセット１０を備えている点であり、図１の消耗品カセット１０は、空気極入口フィルタ１７、燃料極入口フィルタ１８、水処理樹脂１９および換気口フィルタ２０から構成された例を示す。
【００２３】
代表的な消耗品としては、前述したように、脱硫器２の脱硫剤、換気口フィルタ２０、空気極入口フィルタ１７、燃料極入口フィルタ１８、水処理樹脂１９のイオン交換樹脂があるので、これらを全て消耗品カセットとして一体的に収納し、各消耗品の寿命設定を、後述するようにして同時期に設定することが望ましい。図１においては、脱硫器２は破線で示す消耗品カセット１０内に含んではいないが、機器配置を工夫することにより同一カセット内、あるいはカセット近傍に配置することが可能である。また、配置上や寿命設定上で無理に全てを同一としなくても、グループ分けして複数のカセットとすることもできる。
【００２４】
図１における消耗品カセット１０内の各フィルタ１７，１８，２０や水処理樹脂１９は、着脱可能な配管により接続されており、フィルタや水処理樹脂本体は、従来のものと同一とすることができる。この場合、消耗品交換を容易にする観点から、各消耗品へのガスまたは水の入口側および出口側ポートと、ガスまたは水の通流配管との各接続部は、同一面に配設することが望ましい。また、前記各接続部には、ガスまたは水のシール装置を備えることが望ましい。
【００２５】
次に、消耗品カセット内の各消耗品の予め設定する各寿命の決め方について、図３および図４を参照して以下に述べる。前述のように、交換可能な消耗品としては、換気口フィルタ２０、空気極入口フィルタ１７、燃料極入口フィルタ１８、脱硫器２の脱硫剤、水処理樹脂１９がある。
【００２６】
この内、２０、１７、１８のフィルタは、不織布や多孔質材の目開き部（すきま）にて除去すべき粉塵をトラップする衝突式のフィルタであり、粉塵の粒子径に合わせて目開き寸法を一定以下に選定する必要がある。フィルタ寿命は粉塵のトラップが進むことにより目詰まりが進行して、通過させるべき気体（空気または燃料ガス）の流体抵抗が増大することにより、必要量の流量が得られなくなる限界が寿命であり、通過面積と体積を適正化することにより寿命の調節が可能となる。
【００２７】
フィルタの寿命設定およびフィルター容量の決定手順は、以下のとおりである。
（１）気体（空気または燃料ガス）をサンプリングして粒度分布を測定する。
（２）粒子径に合わせて、適正な目開きのフィルターを選定する。
（３）フィルターの交換インターバル内に通過する粉塵量から、フィルター容量を決める。
（４）フィルターメーカーの資料だけでは寿命推定が不確実な場合は、図３に示すように、運転時間とフィルター流体抵抗の関係に基づいて、実験により流量の限界点を求め、これに応じて寿命およびフィルター容量を決める。
【００２８】
次に、脱硫器の脱硫剤、水処理樹脂について述べる。脱硫器２の脱硫剤は一般的に活性炭やゼオライト等の吸着剤が用いられ、化学吸着によりガス中の硫黄分をトラップして除去する。また、水処理樹脂１９には有機高分子重合体のイオン交換樹脂が用いられ、吸着反応により通過する処理水中の珪素、カルシウム等の不純物を吸着反応により除去する。
【００２９】
必用な寿命を得るためには、吸着剤やイオン交換樹脂の体積を適正化することにより可能であり、計算によりある程度は推定可能であるが除去すべき物質の組合せが多種であるため、実流体を流した実験により検証して体積を決定する必要がある。
【００３０】
手順は、以下のとおりである。
（１）燃料ガス、および回収水をサンプリングして成分の定量分析をする。
（２）成分に合わせて、適正な吸着剤、およびイオン交換樹脂を選定する。
（３）選定した吸着剤、樹脂に実際の流体を流す実験を行い、図４に示すように、吸着限界（ブレークポイント）を検証する。
（４）それぞれの吸着限界に一定の余裕を与えて、体積を決定する。
【００３１】
ユーザーは決められた一定の運転時間の後に、消耗品カセット１０における換気口部分のみ開放して各フィルターのカセットや水処理樹脂を交換すれば保守は完了する。
【００３２】
なお、交換時期と作業を確実にするためには、消耗品カセット１０は、その使用時間を記憶し、この使用時間と、各消耗品に対して予め設定された各寿命から予め設定した消耗品カセット１０の使用制限時間とを比較し、使用時間が使用制限時間に到達した際に警報信号を出力するリミッタを備えるものとすることが望ましい。例えば、タイマー、積算電力計等により使用時間を求め、これに基づいてランプ表示、ブザー警告等を行ない交換時期をユーザーに喚起する構成とすることにより、より確実な保守が可能となる。
【００３３】
ところで、交換作業が複雑な従来構造の場合、ユーザーはランプやブザーを単にリセットするだけで実際の保守をしない可能性があった。上記のようなリセットを防止する方法として、例えば、各フィルターのカセット装着状態においてON状態となる、図示しないリミットスイッチを付加することにより、カセットを外さない限りリセットできないようにすれば更に確実な保守が維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例に係るパッケージ形燃料電池発電装置の系統図。
【図２】従来例によるパッケージ形燃料電池発電装置の系統図。
【図３】各種フィルタの寿命を設定する場合の説明図。
【図４】脱硫剤またはイオン交換樹脂の寿命を設定する場合の説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１：燃料電池本体、２：脱硫器、３：改質器、９：電池冷却水タンク、１０：消耗品カセット、１７：空気極入口フィルタ、１８：燃料極入口フィルタ、１９：水処理樹脂、２０：換気口フィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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