(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給され、発電に使用されなかった前記燃料ガスと水蒸気とを含む排ガスを排出する燃料電池モジュールと、
前記排ガス中の前記水蒸気を冷媒との熱交換によって凝縮し凝縮水を生成する凝縮部と、
外部から供給される原燃料と前記凝縮水とにより改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
前記凝縮水の水量を検知する水量検知部と、
前記凝縮部に供給される前記冷媒の供給量を前記水量検知部により検知された水量に応じて制御する制御部とを備えた燃料電池装置であって、
前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスが供給され、前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとにより発電を行なうとともに、前記冷媒が前記燃料電池モジュールに供給される前記酸素含有ガスであり、
前記凝縮部に接続され、前記酸素含有ガスを外部に排出する酸素含有ガス排出管と、
前記燃料電池モジュールの温度を検知する温度検知部をさらに備え、
前記制御部が、前記温度検知部により検出された温度に応じて、前記燃料電池モジュールに供給される前記酸素含有ガスの一部を前記酸素含有ガス排出管に流すことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記凝縮水を貯水する貯水タンクと、
該貯水タンクに設けられ、前記貯水タンクの水位を検出する水位検知部と、を備え、
前記制御部が、前記酸素含有ガスの流量を前記水位検出部により検出された水位に応じて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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
燃料電池装置としては、排ガスを凝縮器に送り込んで凝縮水を生成し、生成した凝縮水を原燃料と混合した後、改質器に送り込み、改質後の燃料ガスを燃料極へ送り込むような水自立したものが知られている(例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５９３７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて、凝縮水を改質器に送り込む燃料電池装置においては、排ガス中に含まれる水蒸気の量が少ない場合や、凝縮器に供給される冷媒の量が少ない場合に、改質器に供給される凝縮水の量が不足してしまい、改質器にて十分に改質が行なわれなかった燃料ガスが、燃料電池モジュールに供給されるおそれがあり、燃料電池装置が破損する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスが供給され、発電に使用されなかった前記燃料ガスと水蒸気とを含む排ガスを排出する燃料電池モジュールと、排ガス中の水蒸気を冷媒との熱交換によって凝縮し凝縮水を生成する凝縮部と、外部から供給される原燃料と凝縮水とにより改質して燃料ガスを生成する改質部と、凝縮水の水量を検知する水量検知部と、凝縮部に供給される冷媒の供給量を水量検知部により検知された水量に応じて制御する制御部とを備え、前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスが供給され、前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとにより発電を行なうとともに、前記冷媒が前記燃料電池モジュールに供給される前記酸素含有ガスであり、前記凝縮部に接続され、前記酸素含有ガスを外部に排出する酸素含有ガス排出管と、前記燃料電池モジュールの温度を検知する温度検知部をさらに備え、前記制御部が、前記温度検知部により検出された温度に応じて、前記燃料電池モジュールに供給される前記酸素含有ガスの一部を前記酸素含有ガス排出管に流すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料電池装置によれば、水量検知部により検知された水量に応じて、凝縮器に供給される冷媒の供給量を制御することから、改質部に供給される凝縮水の量が不足することを抑えることができ、改質部にて十分に改質が行なわれなかった燃料ガスが、燃料電池モジュールに供給されることを低減することができる。それにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図である。
【図４】図３に示す燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】図３に示す燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１の実施形態＞
図１を用いて燃料電池装置について説明する。
【００１０】
燃料電池装置は、燃料ガスが供給され、発電に使用されなかった燃料ガスと水蒸気とを含む排ガスを排出する燃料電池モジュール１と、排ガス中の水蒸気を冷媒との熱交換によって凝縮し凝縮水を生成する凝縮部５と、外部から供給される原燃料と凝縮水とにより改質して燃料ガスを生成する改質部４と、凝縮水の水量を検知する水量検知部１２と、凝縮部に供給される冷媒の供給量を水量検知部１２により検知された水量に応じて制御する制御部９とを備えている。
【００１１】
燃料電池モジュール１は、原燃料供給部２から供給された原燃料を改質部４にて燃料ガス（水素含有ガス）に生成し、生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給部３から供給された酸素含有ガスとにより発電を行なっている。そして、燃料電池モジュール１は、燃料電池セル（図示せず）の複数個を電気的に直列に接続したセルスタック（図示せず）により発電しており、発電に使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガスは燃焼され、水蒸気を含んだ排ガスを排出している。
【００１２】
水蒸気を含んだ排ガスは、燃料電池モジュール１を排出された後、排ガスラインＬ４を凝縮部５を通じて燃料電池装置の外部に排出される。排ガスは水素含有ガスを燃焼させることにより生じるため、排ガス中には水蒸気が含まれることとなる。凝縮部５は、排ガスに含まれる水蒸気を冷媒により熱交換することで排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ凝縮水を生成している。凝縮部５により生成した凝縮水は、燃料電池装置内の凝縮水ラインＬ３に供給され、貯水タンク６に貯水される。
【００１３】
凝縮水ラインＬ３は、凝縮部５により生成された凝縮水を改質部４に供給するための供給ラインであり、貯水タンク６と、凝縮水処理部８と、凝縮水ポンプ１１と、水量検知部１２とを備えている。
【００１４】
凝縮水ラインＬ３から供給された凝縮水は、改質部４にて燃料ガスを生成する際に使用される。つまり、改質部４にて、原燃料供給部２から供給される原燃料と、凝縮水ラインＬ３から供給される凝縮水とにより、水蒸気改質を行ない燃料ガスを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であることから、燃料電池モジュール１による燃焼熱を利用して水蒸気改質を行なうことが好ましい。図１では、燃料電池モジュール１の外部に改質部４を設けた例を示しているが、燃料電池モジュール１の内部に改質部４を配置してもよい。それにより、燃料電池モジュール１内の燃焼熱を効率よく利用することができる。
【００１５】
凝縮部５にて排ガスと熱交換する冷媒は冷媒ラインＬ５を循環しており、冷媒ラインは冷媒供給部７および冷媒ポンプ１０により構成されている。冷媒としては、例えば、水を利用することができ、その場合は冷媒供給部７として水タンクを利用することができる。また、冷媒として水ではなく、窒素ガス等の気体を用いることもできる。本発明の燃料電池装置においては、凝縮水ラインＬ３における水量検知部１２と冷媒ラインＬ５における凝縮水ポンプ１０とが制御部９と接続されている。
【００１６】
燃料電池装置の作動について説明すると、原燃料供給部２により供給された原燃料を改質部４にて凝縮水を用いて水蒸気改質して生成した燃料ガスと、酸素含有ガス供給部３により供給された酸素含有ガスとを用いて燃料電池モジュール１にて発電を行なう。発電に使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガスを燃焼させ、燃焼により生じた排ガスを排ガスラインＬ４にて燃料電池モジュール１の外部へ排出する。その際に、排ガスラインＬ４に設けられた凝縮部５にて冷媒供給部７により供給された冷媒と排ガスとが熱交換されることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ凝縮水を生成し、凝縮水は、凝縮水ラインＬ３に供給され、凝縮水処理部８により処理された後に、改質部４に供給される。凝縮水処理部８は、凝縮水に含まれる不純物を除去するためのフィルター等により構成することができる。
【００１７】
そして、本発明の燃料電池装置は、凝縮水ラインＬ３に設けられた水量検知部１２により、改質部４に供給される凝縮水の水量を検知して制御部９に信号を送り、制御部９にて送られてきた信号に応じて冷媒ラインＬ５に設けられた冷媒ポンプの作動を制御している。冷媒ポンプの作動を制御することにより、凝縮部５に供給される冷媒の量を制御することができ、凝縮部５にて所定の量の凝縮水を得ることができる。
【００１８】
所定の量の凝縮水とは、燃料電池装置の作動に必要な量の燃料ガスを生成するために必要とされる凝縮水である。燃料電池装置の作動に必要な量の燃料ガスの量は、発電に使用される燃料ガスの量および燃焼に使用される燃料ガスの量であり、実験やシミュレーションを通じて、データテーブルを作成し、このデータテーブルに基づいて燃料電池装置の作動に必要な量の燃料ガスの量を求めることができる。
【００１９】
制御部９としては、例えば、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。そして、制御部９は、システムの各部を制御することにより、燃料電池装置の運転状態を制御している。
【００２０】
水量検知部１２としては、例えば、市販されている流量計を用いることができる。その場合、流量計は凝縮水ポンプ１１と別体として設けることができる。また、凝縮水ポンプ１１の回転数から流量を算出するような凝縮水ポンプ１１と一体的な流量計を用いてもよい。
【００２１】
図２を用いて、制御部９における制御についてフローチャートを用いて説明する。まず、水量検知部１２にて凝縮水ラインＬ３を流れる凝縮水の水量を検知し、改質部４に供給される凝縮水の水量を制御部９に伝達する。次に、制御部９にて水量検知部１２により検知された水量が所定の水量であるか否かを判別する。水量検知部１２により検知された水量が所定の水量であれば、現状の水量を維持するように制御するため、冷媒ポンプ１０の出力は変更しない。
【００２２】
水量検知部１２により検知された水量が所定の水量ではなく、検知された水量が所定の水量よりも多い場合は、冷媒ポンプ１０の出力を小さくするように制御を行なう。それにより、凝縮部５に供給される冷媒の供給量が少なくなることから、凝縮部５にて凝縮される凝縮水の量が減少することとなり、所定の水量に近づけることができる。
【００２３】
また、水量検知部１２により検知された水量が所定の水量でなく、検知された水量が所定の水量より少ない場合は、冷媒ポンプ１０の出力を大きくするように制御を行なう。それにより、凝縮部５に供給される冷媒の供給量が多くなることから、凝縮部５にて凝縮される凝縮水の量が増大することとなり、所定の水量に近づけることができる。
【００２４】
ここで、所定の水量とは、燃料電池装置の作動に必要な燃料ガスを生成するために必要な凝縮水の水量をいい、例えば、１〜１０ｃｃ／分とすることができる。燃料電池装置が低出力で運転している場合は所定の水量として１〜３ｃｃ／分とすることができ、７００Ｗの定格運転を行なう場合は所定の水量として５〜７ｃｃ／分とすることができる。水量検知部１２により検知された水量が所定の水量を保つことにより、改質部４にて凝縮水の不足により燃料電池装置の作動に必要な量の燃料ガスが生成されないことを低減することができる。また、改質部４に必要量以上の凝縮水が供給され、改質部４の温度が低下し、改質部４にて改質反応が行なわれないことを低減することができる。
【００２５】
所定の水量は、燃料電池装置の態様や燃料電池モジュール１の態様により適宜設定することができるが、燃料電池モジュール１の発電出力に応じて、実験やシミュレーションにより求められた基準値に基づいて設定することができる。また、排ガスラインＬ３に流量計を設けて排ガスの流量を測定し、測定された排ガスの流量を加味して制御することもできる。凝縮部５にて生成される凝縮水の水量は、冷媒の温度や排ガスの流量により異なることとなるが、例えば、実験やシミュレーションを通じて凝縮水の生成量と冷媒の供給量との関係を取得し、この関係を規定したデータテーブルまたは計算式を参照することにより、冷媒の供給量による凝縮水の生成量を求めることができる。また、水量検知部１２を凝縮水ポンプ１１と改質部４との間に設けた例を示したが、凝縮部５と貯水タンク６との間に設けてもよい。水量検知部１２を凝縮水ポンプ１１と改質部４との間に設けることで、改質部４に供給される水量を少ない誤差で検知することができる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
図３を用いて燃料電池装置の第２の実施形態について説明する。
【００２７】
第２の実施形態である燃料電池装置は、貯水タンク６に貯水タンクの水位を検知する水位検知部１５が設けられており、凝縮部５に酸素含有ガスを外部に排出するための酸素含有ガス排出管１６が設けられている。酸素含有ガス排出管１６に向けた酸素含有ガス供給ラインＬ５には弁１７が設けられている。そして、水量検知部１２と、酸素含有ガスポンプ１４と、水位検知部１５と、弁１７とが制御部９に接続されており、水量検知部１２および水位検知部１５により検知された信号に応じて、酸素含有ガスポンプ１４および弁１７を制御している。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の制御を行なっており、水量検知部１２からの信号に応じて冷媒としての酸素含有ガスの供給量を制御している。つまり、水量検知部１２からの信号に応じて酸素含有ガスポンプ１４の制御を行なっている。
【００２８】
水位検知部１５は、フロートスイッチ等を挙げることができ、貯水タンク６の水位を検出している。
【００２９】
貯水タンクに設けられた水位検知部１５により検出した信号に応じた制御部９における制御について図４のフローチャートを用いて説明する。
【００３０】
まず、水位検知部１５にて貯水タンク６の水位を検知し、検知された水位を制御部９に伝達する。制御部９にて検知された水位が所定の水位であるかを判別する。検知された水位が所定の水位であれば、現状の水位を維持するように制御するため、酸素含有ガスポンプ１４の出力を変更しない。
【００３１】
検知された水位が所定の水位でなければ、検知された水位が所定の水位より多いか判別する。次に検知された水位が所定の水位よりも高い場合は、酸素含有ガスポンプ１４の出力を小さくするように制御を行なう。それにより、凝縮部５に供給される冷媒としての酸素含有ガスの供給量が少なくなることから、凝縮部５にて凝縮される凝縮水の量が減少することとなり、貯水タンク６に供給される凝縮水の量を減少することができ、所定の水位とすることができる。
【００３２】
また、検知された水位が所定の水位ではなく、検知された水位が所定の水位より低い場合は、酸素含有ガスポンプ１４の出力を大きくするように制御を行なう。それにより、凝縮部５に供給される冷媒としての酸素含有ガスの供給量が多くなることから、凝縮部５にて凝縮される凝縮水の量が増大することとなり、貯水タンク６に供給される凝縮水の量を増大することができ、所定の水位とすることができる。
【００３３】
所定の水位とは、燃料電池装置の構成により適宜設定することができるが、例えば、貯水タンク６の貯水量が３０〜７０％となるような水位を所定の水位と設定することができる。つまり、貯水量が３０％となる水位が所定の水位の下限となり、貯水量が７０％となる水位が所定の水位の上限として設定することができる。なお、燃料電池モジュール１においては、貯水タンク６の貯水量が３０〜７０％となるような水位を所定の水位として設定することができる。
【００３４】
第２の実施形態においては、冷媒として燃料電池モジュール１に供給される酸素含有ガスを用いて凝縮部５にて凝縮水を生成している。そのため、高温な排ガスと燃料電池モジュール１に供給される酸素含有ガスとが熱交換されることとなり、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池モジュール１に供給することができる。それにより、燃料電池モジュール１の発電効率を向上させることができる。
【００３５】
貯水タンク６に水位検出部１５を設け、水位検出部１５により検知された水位に応じて冷媒としての酸素含有ガスの供給量を設定することにより、貯水タンク６の水位を所定の水位とすることができる。つまり、貯水タンク６に所定の量の凝縮水が貯水されていることとなる。そのため、燃料電池装置が要求された負荷に追従し、要求する凝縮水の量が急激に増加しても、所定の量の凝縮水が貯水されていることから、要求する凝縮水を不足することなく、改質部４に供給することができる。
【００３６】
また、所定の水位に上限を設けることで、凝縮水が貯水タンク６に溢れることを抑えることができる。なお、貯水タンク６にオーバーフロー機構を設ければ、所定の水位に上限を設ける必要はなく、所定の水位の下限のみを設定すればよい。
【００３７】
さらに、水量検知部１２により改質部４に供給される水量を検知し、水量検知部１２により検知される水量を所定の水量に制御する燃料電池装置において、凝縮水ラインＬ３に含まれる貯水タンク６の水位を検知し、所定の水位を保つように制御することで、より改質部４に供給される水量を所定の水量に制御することができる。
【００３８】
図３に示すように酸素含有ガスラインＬ２は、凝縮部５の内部にて、燃料電池モジュール１に供給されるラインと、酸素含有ガス排出管１６につながる排出ラインＬ５とに分岐しており酸素含有ガス排出管１６につながる排出ラインＬ５には弁１７が設けられている。そして、燃料電池モジュール１の内部に、燃料電池モジュール１の温度を検知するための温度検知部１８が設けられており、通常閉じている弁１７を、温度検知部１８にて検知された温度に応じて弁１７の開閉の制御を行なっている。
【００３９】
温度検知部１８としては、燃料電池モジュール１の発電温度に従って各種の温度センサを用いることができるが、３００〜７５０度という高温下のもとで発電する固体酸化物形燃料電池の場合には、熱電対やサーミスタを用いて温度を検知することができる。
【００４０】
弁１７としては、一般的に売られている電動弁を用いることができるが、流量を制御できるオリフィス機能のついた電動弁を用いることが好ましい。また、電動弁ではなく、電磁弁を用いてもかまわない。電磁弁を用いることで、弁の開閉を瞬時に行なうことができる。
【００４１】
燃料電池モジュール１に設けられた温度検知部１５により検出した信号に応じた制御部９における制御について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
まず、温度検知部１８にて燃料電池モジュール１内部の温度を検知し、検知された温度を制御部９に伝達する。次に制御部９にて検知された温度が所定の温度以上であるかを判別する。検知された温度が所定の温度以上であれば、弁１７が閉じた状態を維持する。
【００４３】
検知された温度が所定の温度より低い場合は、弁１７を開ける制御を行なう。それにより、凝縮部５に供給された酸素含有ガスの一部が酸素含有ガス排出管１６に向けて流れることとなる。そのため、発電に必要な量以上の酸素含有ガスが燃料電池モジュール１に供給されることを低減し、燃料電池モジュール１の温度の低下を抑えることができる。
【００４４】
図３には示していないが、酸素含有ガス排出管１６に流れる流路を測定するための流量測定部を設けてもよい。流量測定部により検知された流量となるように、例えば電動弁１７を制御することで、燃料電池モジュール１に供給される酸素含有ガスの量を確保することができるとともに、燃料電池モジュール１に過剰に酸素含有ガスが供給されることを低減することができる。
【００４５】
所定の温度とは、燃料電池モジュール１の構成により適宜設定することができるが、例えば、６００〜８００℃とすることができる。また、所定の温度は燃料電池モジュール１の発電出力に応じて適宜変更することができ、例えば、発電出力が低い場合には６５０℃、発電出力が高い場合には７５０度とすることができる。発電出力と燃料電池モジュール１内部の温度との関係は、実験やシミュレーションを通じて求めることができ、この関係を規定したデータテーブルまたは計算式を参照することにより、必要な発電出力とそれに相当する燃料電池モジュール１内部の温度を求めることができる。
【００４６】
また、温度検知部１８にて検知された温度が所定の温度より高い場合は、燃料電池モジュール１の内部の温度を下げる必要があるため、弁１７が開いている場合は弁１７を閉じた後、酸素含有ガスポンプ１４の出力を増加させ、発電に必要な量以上の酸素含有ガスを燃料電池モジュール１に供給することが好ましい。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態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。
【００４８】
例えば、酸素含有ガス供給ラインＬ２の燃料電池モジュール１に供給される部位に、温度検出部を設けることもできる。そして、検出された温度が燃料電池装置が要求する酸素含有ガスの温度より低い場合は、弁１７を開けることにより、燃料電池モジュール１に供給される酸素含有ガスの一部を酸素含有ガス排出管１６に向けて流すことで、燃料電池モジュール１に供給される酸素含有ガスの量を制御することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１：燃料電池モジュール
２：原燃料供給部
３：酸素含有ガス供給部
４：改質部
５：凝縮部
６：貯水タンク
７：冷媒供給部
８：凝縮水処理部
９：制御部
１０：冷媒ポンプ
１１：凝縮水ポンプ
１２：水量検知部
１３：原燃料ポンプ
１４：酸素含有ガスポンプ
１５：水位検知部
１６：酸素含有ガス排出管
１７：弁
１８：温度検知部
【図１】
0005723140.tif 000002
【図２】
0005723140.tif 000003
【図３】
0005723140.tif 000004
【図４】
0005723140.tif 000005
【図５】
0005723140.tif 000006