(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムにおいて、性能を抑制した安価な水分検知手段を採用しても脱硫器寿命を判定可能な構造を備えたもの、等を提供することである。【解決手段】燃料電池発電システム１は、燃料電池発電部５と、この燃料電池発電部５における排熱を回収して湯水として貯留する貯湯部２１と、この貯湯部２１の湯水の温度が低い場合に湯水の加熱を行う補助熱源機２２とを備え、さらに、燃料ガスの脱硫を行う脱硫器１５を備え、補助熱源機２２は、脱硫器１５に供給される燃料ガスと同じ供給源から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段で構成され、補助熱源機２２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管３５に、燃料ガス中の水分レベルを検知する水分検知センサ４１が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの脱硫を行う脱硫手段を備えた燃料電池発電システムであって、燃料電池発電部と、この燃料電池発電部における排熱を回収して湯水として貯留する貯湯部と、この貯湯部の湯水の温度が低い場合に湯水の加熱を行う補助熱源手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記補助熱源手段は、前記脱硫手段に供給される燃料ガスと同じ供給源から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段で構成され、
前記補助熱源手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管に、燃料ガス中の水分レベルを検知する水分検知手段が設けられたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記水分検知手段によって検知された燃料ガスの水分レベルに基づいて、前記脱硫手段の寿命を判定すると共に寿命を報知する脱硫寿命判定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電システムに関し、特に燃料ガスの脱硫を行う脱硫器の寿命を判定する技術を改善した燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池発電システムが実用に供されている。この燃料電池発電システムは、発電を行なう燃料電池ユニットと、この燃料電池ユニットから排出される排気ガスとの間で熱交換された後の湯水を貯留する貯湯部を有する貯湯ユニットとを備えている。
【０００３】
上記の燃料電池ユニットは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気ガスと貯湯部の湯水との間で熱交換する熱交換器、前記改質器に供給する純水を排気ガスから回収して貯留する水処理装置等を備えている。
【０００４】
ところで、上記の改質器に供給される燃料ガスとして、付臭材として硫黄化合物が混合されている都市ガスやＬＰＧ等が使用されているので、改質器に硫黄化合物を含んだ燃料ガスを直接供給すると、改質器の触媒が硫黄化合物によって劣化してしまう。そこで、従来では、燃料ガス中の硫黄化合物を除去する為に、改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路に脱硫器が設けられている。
【０００５】
しかし、脱硫器の内部には、脱硫材としてゼオライトやシリカゲル、活性炭等が充填されているが、これら材料は硫黄化合物を吸着するだけでなく水分も吸着してしまう。このように、燃料ガス中の水分を吸着した場合には脱硫器の脱硫性能が著しく低下し、硫黄化合物の吸着のみを前提にして設定された脱硫器の寿命が著しく短くなる場合がある。
【０００６】
一般的に、燃料ガス中に含まれる水分量は微少量である場合には、脱硫材への吸着は問題にはならない。しかし、配管工事や配管劣化時に燃料ガスが流れる配管が損傷すると、配管の内部に水分が流入し、燃料ガスが大量の水分を含んだ状態になる場合がある。この場合、脱硫器による脱硫が不十分な状態のまま燃料ガスが改質器に供給されるので、燃料電池ユニットに不具合が生じる虞がある。
【０００７】
そこで、このような問題を解決する為に、例えば、特許文献１，２の燃料電池発電システムにおいては、燃料ガスの供給源から改質器に連なる燃料ガス供給配管の途中部に、燃料ガス中の水分量を検知する水分検知センサを設け、この水分検知センサの検知信号に基づいて脱硫器の寿命を判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２６０７７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６９０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記の燃料電池ユニットの運転時間は、通常は長時間（実質的に常時稼動）となるため、燃料ガス供給通路には、燃料ガスが常時流れることになるので、水分検知センサの作動状態を長期間維持しなければならず、水分検知センサに耐久性が要求されるという問題がある。
【００１０】
また、燃料電池ユニットの燃料電池発電部に供給される燃料ガスの流量は、燃焼式の給湯機等に供給される燃料ガスの流量と比べると少量であるため、上記の燃料ガス供給通路に設けられる水分検知センサの検知精度に対して高性能のものが要求されるので、結果的にコスト高となってしまう。
【００１１】
本発明の目的は、燃料電池発電システムにおいて、性能を抑制した安価な水分検知手段を採用しても脱硫器寿命を判定可能な構造を備えたもの、等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の燃料電池発電システムは、燃料ガスの脱硫を行う脱硫手段を備えた燃料電池発電システムであって、燃料電池発電部と、この燃料電池発電部における排熱を回収して湯水として貯留する貯湯部と、この貯湯部の湯水の温度が低い場合に湯水の加熱を行う補助熱源手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記補助熱源手段は、前記脱硫手段に供給される燃料ガスと同じ供給源から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段で構成され、前記補助熱源手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管に、燃料ガス中の水分レベルを検知する水分検知手段が設けられたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の燃料電池発電システムは、請求項１の発明において、前記水分検知手段によって検知された燃料ガスの水分レベルに基づいて、前記脱硫手段の寿命を判定すると共に寿命を報知する脱硫寿命判定手段を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、補助熱源手段は、脱硫手段に供給される燃料ガスと同じ供給源から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段で構成され、補助熱源手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管に、燃料ガス中の水分レベルを検知する水分検知手段が設けられたので、この水分検知手段によって、補助熱源手段に供給される燃料ガス中の水分レベルであって脱硫手段に供給される燃料ガスと同じ燃料ガス中の水分レベルを検知することができる。
【００１５】
従って、貯湯部の湯水の温度が下がった場合等に補助熱源手段が稼動される、つまり、補助熱源手段の稼動頻度及び時間が低いことを利用することで、水分検知手段の作動時間を短時間にすることができるので、耐久性の低い安価な水分検知手段を利用することができる。
【００１６】
また、補助熱源手段は、燃焼式の加熱手段で構成されるので、補助熱源手段へ供給される燃料ガスの流量は、燃料電池発電部へ供給される燃料ガスの流量より大となる。それ故、燃料ガス中の水分レベルを安定的に測定することができるので、性能を抑制した安価な水分検知手段を採用することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、水分検知手段によって検知された燃料ガスの水分レベルに基づいて、脱硫手段の寿命を判定すると共に寿命を報知する脱硫寿命判定手段を備えたので、脱硫寿命判定手段によって脱硫手段の交換時期をユーザーに適切に報知することができ、改質器の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池発電システムの燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図３】燃料電池発電システムの貯湯ユニットの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
最初に、本発明の燃料電池発電システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１は、発電を行なう燃料電池ユニット２と、熱交換後の湯水を貯留する貯湯ユニット３と、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３との間に湯水を循環させる為の湯水循環回路２５等から構成されている。
【００２１】
次に、燃料電池ユニット２について簡単に説明する。
図２に示すように、燃料電池ユニット２は、湯水を加熱する為の貯湯ユニット３の外部熱源であり、燃料電池発電部５、燃料改質空気用送風手段６、カソード空気用送風手段７、燃料ガス昇圧手段８、排気ガス排出通路９、排熱回収用熱交換器１１、水処理手段１２、インバータ１３等を備え、これらの各種手段が外装ケース１４に一体的に収納されて構成されている。
【００２２】
燃料電池発電部５は、燃料電池セルスタック５ａ、蒸発器５ｂ、燃料改質器５ｃ、オフガス燃焼室５ｄ等を備え、燃料改質器５ｃによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック５ａで化学反応させることで発電を行うものである。
【００２３】
燃料電池発電部５にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。燃料電池発電部５から排出される排気ガスは、排熱回収用熱交換器１１にて湯水循環回路２５を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。蒸発器５ｂは、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器５ｃに供給するものである。燃料改質器５ｃは、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応させて改質燃料ガスを生成する。
【００２４】
次に、脱硫器１５について説明する。
図２に示すように、脱硫器１５は、燃料改質器５ｃに供給される燃料ガスに含有されている硫黄化合物の除去（脱硫）を行う為のものであり、燃料ガス昇圧手段８の燃料ガス供給通路１６に設けられている。この脱硫器１５は、脱硫材としてゼオライトやシリカゲル、活性炭等が内部に充填されているが、特に脱硫材の材料は限定されるものではない。
【００２５】
燃料ガスは、ガス供給源から電磁弁８ａとガスガバナ８ｂを通されて燃料昇圧ブロワ８ｃに取り込まれ、昇圧された燃料ガスは、バッファタンク８ｄと流量センサ８ｅを通って脱硫器１５に流入し、脱硫器１５で脱硫された燃料ガスは、燃料電池発電部５において蒸発器５ｂを介して燃料改質器５ｃに供給される。
【００２６】
次に、貯湯ユニット３について簡単に説明する。
図３に示すように、貯湯ユニット３は、貯湯、給湯、床暖房パネル等の温水暖房端末への温水の供給、風呂への給湯及び風呂の追い焚き等の機能を有するものであり、貯湯部２１、補助熱源機２２、第１，第２熱交換器２３，２４、湯水循環回路２５、給水通路２６、出湯通路２７、風呂給湯追焚回路２８、温水暖房回路２９、熱利用循環回路３１、制御ユニット３２等を備え、これら大部分は外装ケース３３内に一体的に収納されて構成されている。
【００２７】
貯湯部２１は、燃料電池発電部５における排熱を回収して湯水として貯留する為のものであり、高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成されている。貯湯部２１は、貯留された温水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサにより検出される。
【００２８】
次に、補助熱源機２２について説明する。
図３に示すように、補助熱源機２２（補助熱源手段に相当する）は、熱利用循環回路３１に設けられ、脱硫器１５に供給される燃料ガスと同じ供給源（図示略）から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段である公知のガス給湯器で構成されている。
【００２９】
補助熱源機２２は、貯湯部２１内の湯水の温度が低くなり設定温度以下になった場合や、湯水循環回路２５や熱利用循環回路３１を循環する湯水の温度が不足する等の特別な場合に限り、制御ユニット３２から指令が送信されて燃焼作動され、熱利用循環回路３１を流れる湯水を加熱するものである。
【００３０】
補助熱源機２２は、バーナー２２ａ、熱交換器２２ｂ、送風ファン２２ｃ、ドレン処理装置２２ｄ等を備え、燃料ガス供給通路３５を介して燃料ガスが供給される。燃料ガス供給通路３５には、能力切換ガス電磁弁３６ａ、給湯ガス電磁弁３６ｂ、ガス比例弁３６ｃ、元ガス電磁弁３６ｄ等の各種の開閉弁が設けられている。
【００３１】
即ち、補助熱源機２２が設けられた熱利用循環回路３１において、貯湯部２１の上部から熱利用循環ポンプ３１ａを介して湯水が補助熱源機２２の熱交換器２２ｂに送られ必要に応じて再加熱され、補助熱源機２２を通った湯水は、風呂給湯追焚回路２８を流れるお湯との間で熱交換を行う第１熱交換器２３又は温水暖房回路２９を流れる暖房水との間で熱交換を行う第２熱交換器２４に送られ、この第１，第２熱交換器２３，２４で熱交換された湯水は、貯湯部２１の下部に戻される。
【００３２】
図１に示すように、燃料電池ユニット２の燃料ガス供給通路１６と貯湯ユニット３の燃料ガス供給通路３５は、夫々の外装ケース１４，３３の外部において燃料ガス共通通路３７と接続され、この燃料ガス共通通路３７を介して燃料ガス供給通路１６，３５は燃料ガスの供給源に接続されている。
【００３３】
燃料電池発電システム１は、制御ユニット３２によって制御される。各種の温度センサ、各種の流量センサ等の検出信号が制御ユニット３２に送信され、この制御ユニット３２により、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３の動作、各種のポンプの作動・停止、各種弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（湯水循環運転、風呂注湯運転、風呂追い焚き運転、暖房運転、給湯運転等）を実行する。
【００３４】
次に、本発明に係る水分検知センサ４１について説明する。
図３に示すように、水分検知センサ４１（水分検知手段に相当する）は、燃料ガス中の水分レベル（水分量）を検知する為のものであり、燃料ガス供給配管３５の各種の開閉弁の上流側に設けられている。水分検知センサ４１は、補助熱源機２２の温度の影響を極力受けないことが望ましいので、補助熱源機２２から離隔した外装ケース１４の近傍部の燃料ガス供給通路３５に設けられている。
【００３５】
水分検知センサ４１は、例えば、水分レベルの増減に応じて静電容量が変化する公知の静電容量式のものが適用されている。即ち、水分検知センサ４１は、補助熱源機２２の稼動に応じて燃料ガス供給通路３５に燃料ガスが流れると、燃料ガス中の水分レベルによって変化した静電容量に応じた検知信号を制御ユニット３２に送信し、制御ユニット３２は、予め格納されたテーブルに基づいて検知信号から燃料ガス中の水分レベルを演算する。
【００３６】
次に、脱硫寿命判定手段について説明する。
図２，図３に示すように、脱硫寿命判定手段は、水分検知センサ４１によって検知された燃料ガスの水分レベル（水分量）に基づいて、脱硫器１５の寿命を判定すると共に寿命を報知するものであり、制御ユニット３２、燃料ガス昇圧手段８に設けられた流量センサ８ｅ、水分検知センサ４１等を備えている。この脱硫寿命判定手段を実行する為の制御プログラムは、制御ユニット３２に予め格納されている。
【００３７】
具体的に、制御ユニット３２は、水分検知センサ４１により検知された燃料ガス中の水分レベルに基づく補正係数を演算し、この補正係数と流量センサ８ｅにより検知された脱硫器１５に流入する単位時間あたりの燃料ガスの流量とを乗算して、脱硫器１５に流入する単位時間あたりの水分レベルに対応した燃料ガスの流量を演算する。補正係数は、例えば、燃料ガス中に水分が含まれていない場合、１．０と設定され、燃料ガス中に水分が含まれている場合、燃料ガス中に含まれる水分レベルに応じて１．０以上の大きい数値に設定される。つまり、燃料ガス中に含まれる水分レベルが高い程、燃料ガスの流量が多くなるように換算される。
【００３８】
次に、基準時間から現時点までに脱硫器１５に供給された水分レベルに対応した燃料ガスの流量の積算量を演算し、この積算量が予め設定された設定値以上になった場合に脱硫器１５が寿命に達したと判定する。基準時間としては、例えば、燃料電池発電システム１の設置時期や、新しい脱硫器１５の交換終了時期等が設定される。尚、脱硫器１５の寿命判定の手段としては、種々の手段を採用可能であり特に限定する必要はない。
【００３９】
尚、補助熱源機２２の稼動頻度に関して、一般的に、補助熱源機２２は夏場等の外気温度が高い場合を除き、１日１回程度は稼動されるものである。従って、補助熱源機２２が稼動する毎に、水分検知センサ４１の検知信号に基づく上記の補正係数を更新し、この更新された補正係数を使用して、脱硫器１５に流入する単位時間あたりの水分レベルに対応した燃料ガスの流量を演算する。
【００４０】
脱硫器１５が寿命に達した場合、制御ユニット３２は、ユーザーに対して、例えば、操作パネルのディスプレイへの表示、操作パネルのランプの点灯やブザーによる警報等を介して、脱硫器１５の寿命が尽きたことを報知する。
【００４１】
尚、脱硫器１５の寿命報知に関しては、ユーザーへの報知のみを実行しても良いし、ユーザーへの報知に加えて、燃料電池発電部５への燃料ガスの供給を停止して運転を停止することで、硫黄化合物を多く含んだ燃料ガスが燃料電池発電部５へ流入することを防止するようにしても良い。
【００４２】
ここで、一般的には、燃焼式の補助熱源機２２に供給される燃料ガスの流量（例えば、２．０〜３．０ｍ３／ｈｒ）は、燃料電池発電部５に供給される燃料ガスの流量（例えば、０．１２〜０．１８ｍ３／ｈｒ）より大きくなる。従って、燃料ガス供給通路３５において水分検知センサ４１は十分な量の燃料ガスに晒されることになるので、水分検知センサ４１は燃料ガス中の水分レベルを安定的に測定することができる。
【００４３】
次に、本発明の燃料電池発電システム１の作用及び効果について説明する。
補助熱源機２２は、脱硫器１５に供給される燃料ガスと同じ供給源から供給される燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う燃焼式の加熱手段で構成され、補助熱源機２２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管３５に、燃料ガス中の水分レベルを検知する水分検知センサ４１を設けたので、この水分検知センサ４１によって、補助熱源機２２に供給される燃料ガス中の水分レベルであって脱硫器１５に供給される燃料ガスと同じ燃料ガス中の水分レベルを検知することができる。
【００４４】
従って、貯湯部２１の湯水の温度が下がった場合等に補助熱源機２２が稼動される、つまり、補助熱源機２２の稼動頻度及び時間が低いことを利用することで、水分検知センサ４１の作動時間を短時間にすることができるので、耐久性の低い安価な水分検知センサ４１を利用することができる。
【００４５】
また、補助熱源機２２は、燃焼式の加熱手段で構成されるので、補助熱源機２２へ供給される燃料ガスの流量は、燃料改質器５ｃへ供給される燃料ガスの流量より大となる。それ故、燃料ガス中の水分レベルを安定的に測定することができるので、性能を抑制した安価な水分検知センサ４１を採用することができる。
【００４６】
さらに、水分検知センサ４１によって検知された燃料ガスの水分レベルに基づいて、脱硫器１５の寿命を判定すると共に寿命を報知する脱硫寿命判定手段を備えたので、脱硫寿命判定手段によって脱硫器１５の交換時期をユーザーに適切に報知することができ、燃料改質器５ｃの劣化を防止することができる。
【００４７】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、水分検知センサ４１は、静電容量式のものが採用されているが、特に静電容量式に限定する必要はなく、水分レベルの増減に応じて電気抵抗が変化する抵抗式のものや、燃料ガス中の水分レベルを検知するものであれば、その他の方式のものを適宜採用することができる。
【００４８】
［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４９】
１      燃料電池発電システム
５      燃料電池発電部
１５    脱硫器
２１    貯湯部
２２    補助熱源機
３２    制御ユニット
３５    燃料ガス供給配管
４１    水分検知センサ
【図１】
2014165120.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014165120.tif 000005