(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、スリップ現象等によるセルスタックへの被毒要因物質の供給を迅速且つ合理的な構成で検知して、セルスタックの被毒を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】セルスタック１３における一部を被毒検知用セルＳｂとすると共に、当該被毒検知用セルＳｂがセルスタック１３に対して着脱可能に構成され、アノードガスＧ２に含まれる被毒要因物質による被毒検知用セルＳｂの被毒を当該被毒検知用セルＳｂ以外の他の燃料電池セルＳである本体セルＳａよりも促進させる被毒促進構造を備え、被毒検知用セルＳｂの起電力に基づいて被毒検知用セルＳｂの被毒を検知する被毒検知部２１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質部で燃料ガスを改質して得られたアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池セルを複数積層してなるセルスタックを備え、当該燃料電池セルの起電力を発電電力として出力する燃料電池システムであって、
前記セルスタックにおける一部を被毒検知用セルとすると共に、当該被毒検知用セルが前記セルスタックに対して着脱可能に構成され、
前記アノードガスに含まれる被毒要因物質による前記被毒検知用セルの被毒を当該被毒検知用セル以外の他の燃料電池セルである本体セルよりも促進させる被毒促進構造を備え、
前記被毒検知用セルの起電力に基づいて前記被毒検知用セルの被毒を検知する被毒検知部を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記被毒要因物質が、前記燃料ガスに含まれる硫黄成分であり、
前記改質部へ供給される燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫部を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セルスタックを構成する複数の燃料電池セルの夫々に対して前記アノードガスを分配供給するアノードガス供給部を備え、
前記被毒促進構造は、前記アノードガス供給部でのアノードガスの流れ方向に沿って、前記被毒検知用セルへのアノードガスの供給箇所を、前記本体セルへのアノードガスの供給箇所よりも上流側とする構造である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記被毒促進構造は、前記被毒検知用セルの構成材料を、前記本体セルの構成材料よりも被毒し易いものとする構造である請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セルスタックから排出されるアノードオフガスを燃焼させて当該セルスタックを加熱する燃焼部を備え、
前記被毒促進構造は、前記燃焼部による前記被毒検知用セルの加熱を抑制して、前記被毒検知用セルを前記本体セルよりも低温で作動させる構造である請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質部で燃料ガスを改質して得られたアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池セルを複数積層してなるセルスタックを備え、当該燃料電池セルの起電力を発電電力として出力する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池システムでは、燃料ガスとして都市ガスや液化天然ガスを用いた場合、その燃料ガスに付臭剤として含まれる硫黄成分は、セルスタックに供給されることで、そのセルスタックを構成する燃料電池セルのアノードや電解質等の構成材料を被毒させる。そこで、従来の燃料電池システムでは、このような被毒要因物質である硫黄成分を燃料ガスから除去するための脱硫部が設けられている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
更に、この特許文献１に記載の燃料電池システムでは、脱硫部の脱硫性能が低下して燃料ガス中の硫黄成分が除去されることなくセルスタックに供給される現象（以下、このように被毒要因物質が除去されることなくセルスタックに供給される現象を「スリップ現象」と呼ぶ。）を早期に知るための構成を備える。具体的に、この燃料電池システムは、脱硫部からセルスタックに供給される燃料ガスの一部をバイパス路に取り出し、当該取り出した燃料ガスを硫黄成分により色等の物理的特性が変化する指標剤物質に接触させ、その指標剤物質の色等の物理特性の変化を監視することで、スリップ現象等によるセルスタックへの被毒要因物質の供給を検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５３４４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の燃料電池システムでは、スリップ現象等によるセルスタックへの被毒要因物質の供給を検知するために、燃料ガスの一部を取り出すためのバイパス路、被毒要因物質により色等の物理的特性が変化する指標剤物質、更には指標剤物質の色等の物理的変化を監視するための色検出光電センサー等を追加する必要があり、このことで、構造の煩雑化、寸法の大型化、及び高コスト化等が問題となる。
【０００６】
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、燃料電池システムにおいて、スリップ現象等によるセルスタックへの被毒要因物質の供給を迅速且つ合理的な構成で検知して、セルスタックの被毒を抑制することができる技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１特徴構成は、改質部で燃料ガスを改質して得られたアノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池セルを複数積層してなるセルスタックを備え、当該燃料電池セルの起電力を発電電力として出力する燃料電池システムであって、
前記セルスタックにおける一部を被毒検知用セルとすると共に、当該被毒検知用セルが前記セルスタックに対して着脱可能に構成され、
前記アノードガスに含まれる被毒要因物質による前記被毒検知用セルの被毒を当該被毒検知用セル以外の他の燃料電池セルである本体セルよりも促進させる被毒促進構造を備え、
前記被毒検知用セルの起電力に基づいて前記被毒検知用セルの被毒を検知する被毒検知部を備えた点にある。
【０００８】
本構成によれば、セルスタックが、主に起電力が発電電力として取り出される本体セルと、当該セルスタックに対して着脱自在な被毒検知用セルとで構成されることになる。更には、上記被毒促進構造を備えることにより、セルスタックへ供給されるアノードガスに被毒要因物質が含まれる場合、被毒検知用セルは、本体セルよりも、被毒要因物質による被毒が促進して、その起電力が著しく低下することになる。
そこで、上記被毒検知部を備えることにより、被毒検知用セルにおける起電力の著しい低下を被毒検知用セルの許容範囲を超える被毒として検知するなどの形態で、被毒検知用セルの起電力に基づいて当該被毒検知用セルの被毒を、本体セルの被毒が進行する前に迅速に検知することができる。
【０００９】
このように被毒検知部により、セルスタックへの被毒要因物質の供給に起因する被毒検知用セルの被毒が検知されるので、その検知結果に基づいて被毒要因物質の除去のためのメンテナンスを早期に行うことができ、結果、比較的高価で交換が困難な本体セルの被毒を事前に回避することができる。一方、一旦被毒した被毒検知用セルについては、容易にセルスタックから取り外して新品に交換することができる。更には、被毒検知のために新規な流路や部材等を追加する必要がなく、既存のセルスタックや起電力の検出等によりセルスタックの被毒を検知できるので、装置構成の簡素化、小型化、更には低コスト化が可能となる。
従って、本発明により、スリップ現象等によるセルスタックへの被毒要因物質の供給を迅速且つ合理的な構成で検知して、セルスタックの被毒を抑制することができる燃料電池システムを実現できる。
【００１０】
本発明の第２特徴構成は、前記被毒要因物質が、前記燃料ガスに含まれる硫黄成分であり、
前記改質部へ供給される燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫部を備えた点にある。
【００１１】
本構成によれば、被毒要因物質が燃料ガスに含まれる硫黄成分である場合には、上記脱硫部を備えることで、改質部へ供給される燃料ガスから硫黄成分を除去することができる。
更に、この脱硫部の脱硫性能低下により硫黄成分のスリップ現象が生じ、そのことで当該硫黄成分がセルスタックに供給された場合であっても、その旨を被毒検知部により被毒検知用セルの起電力に基づいて迅速に検知することができるので、本体セルの硫黄成分による被毒を事前に回避することができる。
【００１２】
本発明の第３特徴構成は、前記セルスタックを構成する複数の燃料電池セルの夫々に対して前記アノードガスを分配供給するアノードガス供給部を備え、
前記被毒促進構造は、前記アノードガス供給部でのアノードガスの流れ方向に沿って、前記被毒検知用セルへのアノードガスの供給箇所を、前記本体セルへのアノードガスの供給箇所よりも上流側とする構造である点にある。
【００１３】
本構成によれば、上記アノードガス供給部を介してセルスタックに供給されるアノードガスに被毒要因物質が含まれる場合、その被毒要因物質は、本体セルに供給されるのに先立って、被毒検知用セルに到達することになる。従って、この構成により、被毒要因物質による被毒検知用セルの被毒を、本体セルよりも促進させる被毒促進構造を合理的に実現することができる。
【００１４】
本発明の第４特徴構成は、前記被毒促進構造は、前記被毒検知用セルの構成材料を、前記本体セルの構成材料よりも被毒し易いものとする構造である点にある。
【００１５】
本構成によれば、セルスタックに供給されるアノードガスに被毒要因物質が含まれる場合、被毒検知用セルのアノードに用いられている触媒や電解質等の構成材料は、本体セルの構成材料よりも被毒が促進することになる。従って、この構成により、被毒要因物質による被毒検知用セルの被毒を、本体セルよりも促進させる被毒促進構造を合理的に実現することができる。
【００１６】
本発明の第５特徴構成は、前記セルスタックから排出されるアノードオフガスを燃焼させて当該セルスタックを加熱する燃焼部を備え、
前記被毒促進構造は、前記燃焼部による前記被毒検知用セルの加熱を抑制して、前記被毒検知用セルを前記本体セルよりも低温で作動させる構造である点にある。
【００１７】
本構成によれば、例えば本体セルと被毒検知用セルとの間に断熱材を介装させるなどして、燃焼部による被毒検知用セルに対する加熱が、本体セルに対する加熱よりも抑制されており、このことで、被毒検知用セルが本体セルよりも低温で作動する。そして、燃料電池セルは、一般的に、低温で作動するほど被毒要因物質による被毒が進行しやすいことから、この構成により、被毒要因物質による被毒検知用セルの被毒を、本体セルよりも促進させる被毒促進構造を合理的に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示す燃料電池システム１００は、改質部１１で燃料ガスＧ１を改質して得られたアノードガスＧ２と空気Ａに含まれる酸素（カソードガスの一例）との電気化学反応により電力を発生する燃料電池セルＳを複数積層してなるセルスタック１３を備え、当該燃料電池セルＳの起電力を発電電力として出力するものとして構成されている。そして、この燃料電池システム１００は、電力と熱とを供給する所謂熱電併給システムとして構成されており、詳細な図示は省略するが、セルスタック１３で発生した電力を、適宜インバータ４０等を通じて商用電力系統と連係する形態で需要家の電力負荷等に供給すると共に、燃料電池モジュール１０から排出される排熱で湯水を加熱して温水を生成して、その温水を需要家に供給することができる。
【００２０】
この種の燃料電池システム１００は、通常、燃料電池モジュール１０等を内蔵する筐体が屋外に設けられ、その筐体の運転を操作するためのリモコン３０が屋内に設けられる形態で、利用者の施設や住居に設置される。また、筐体内にはコンピュータからなる制御装置２０が設けられており、この制御装置２０は、所定のコンピュータプログラムを実行することにより、燃料電池システム１００の運転を制御する。
一方、リモコン３０は、燃料電池システム１００の発電出力や各種運転状態等を表示するための表示部３１と、燃料電池システム１００の起動・停止や各種運転条件を入力するための操作部３２とが設けられている。
【００２１】
燃料電池システム１００が備える燃料電池モジュール１０は、供給された燃料ガスＧ１を水蒸気改質して水素リッチなアノードガスＧ２を生成する改質部１１と、改質部１１で生成されたアノードガスＧ２と空気Ａに含まれる酸素（カソードガスの一例）との電気化学反応により電力を発生する燃料電池セルＳを積層してなるセルスタック１３と、セルスタック１３から排出されたアノードオフガスを燃焼させてその火炎Ｆ（高温の燃焼ガス）により改質部１１やセルスタック１３を加熱する燃焼部１４とを有する。
【００２２】
改質部１１は、燃焼部１４の火炎Ｆにより加熱され、供給された改質用水Ｗで水蒸気を生成すると共に、供給された燃料ガスＧ１に当該水蒸気を混合して当該燃料ガスＧ１の水蒸気改質を行って、水素リッチなアノードガスＧ２を生成する。
【００２３】
セルスタック１３は、詳細な図示は省略するが、アノードガスＧ２が通過するアノードと、カソードガスとしての空気Ａが供給されるカソードと、これらアノードとカソードとの間に介装される電解質とからなる燃料電池セルＳを、複数枚適宜電気的に直列接続した状態で積層して構成されている。そして、アノードを通過するアノードガスＧ２中の水素と、カソードを通過する空気Ａ中の酸素とが、電解質を介して電気化学反応を行うことで、これらアノードとカソードとの間に起電力が生じ、各セルの起電力を直列的に取り出すことで電力を発生する。
【００２４】
更に、この燃料電池セルＳは、平板状のアノードとカソードとの間に平板状の電解質層を介装する形態で、全体として平板状に形成されている。そして、この平板状の燃料電池セルＳの複数を、面内方向が鉛直方向に沿うように立設させた状態で一方向に積層させる形態で、セルスタック１３が構成されている。
【００２５】
このセルスタック１３の底面側には、当該セルスタック１３を構成する複数の燃料電池セルＳの夫々に対してアノードガスＧ２を分配供給するアノードガス供給部１２が設けられている。そして、このアノードガス供給部１２には、燃料電池セルＳの積層方向における一端部側（図１で右側面側）にアノードガスＧ２が供給される。即ち、アノードガス供給部１２において、各燃料電池セルＳへのアノードガスの供給箇所が、アノードガスの流れ方向に沿って並設されることになって、アノードガス供給部１２に供給されたアノードガスＧ２は、燃料電池セルＳの積層方向に沿って順次、各燃料電池セルＳに分配供給されることになる。
【００２６】
燃焼部１４は、セルスタック１３のアノードを通過したアノードオフガスが供給されると共に、セルスタック１３のカソードを通過したカソードオフガス等が燃焼用の空気Ａとして供給されて、当該アノードオフガスを燃焼させる。そして、この燃焼で形成される火炎Ｆにより、上述した改質部１１やセルスタック１３を加熱する。
【００２７】
燃料電池システム１００に供給される都市ガスや液化天然ガスなどの原燃料ガスＧ０には、セルスタック１３を構成する燃料電池セルＳのアノードや電解質等の構成材料を被毒させる要因となる硫黄成分が付臭剤として含まれている。そこで、原燃料ガスＧ０から被毒要因物質である硫黄成分を除去するための脱硫部５が設けられており、この脱硫部５で硫黄成分が除去された燃料ガスＧ１が燃料電池モジュール１０の改質部１１に供給される。尚、この脱硫部５は、公知の脱硫剤の吸着作用により硫黄成分を吸着除去するように構成されている。
このように脱硫部５を設けた場合においても、この脱硫部５の脱硫性能が低下して、セルスタック１３の被毒要因物質である原燃料ガスＧ０中の硫黄成分が、除去されることなくセルスタック１３に供給される場合がある。このような現象をスリップ現象と呼ぶ。
【００２８】
以上が燃料電池システム１００の基本構成であるが、この燃料電池システム１００は、脱硫部５におけるスリップ現象によりセルスタック１３に被毒要因物質である硫黄成分が供給された場合でも、それを迅速且つ道理的な構成で検知して、セルスタック１３の被毒を抑制することができる構成を有しており、その詳細について以下に説明を加える。
【００２９】
〔被毒検知用セル〕
燃料電池システム１００は、セルスタック１３における一部を被毒検知用セルＳｂとして構成されている。即ち、セルスタック１３を構成する複数の燃料電池セルＳの殆どが、主に起電力を発電電力として取り出すための本体セルＳａとして構成されており、１乃至数個の一部の燃料電池セルＳが、本体セルＳａとは別に起電力を取出し可能で、セルスタック１３に対して着脱自在に構成された被毒検知用セルＳｂとして構成されている。尚、被毒検知用セルＳｂを着脱自在な構成としては、起電力を送るための電線等の電気的な接続部については、コネクタ等により接続すると共に、アノードガス供給部１２や隣接する本体セルＳａに対する機械的な接続部については、適宜シール構造を介在させてネジ接続や嵌合接続により接続することができる。
【００３０】
〔被毒促進構造〕
更に、被毒検知用セルＳｂについては、アノードガスＧ２に含まれる硫黄成分による被毒を本体セルＳａよりも促進させる被毒促進構造が設けられており、更には、その被毒を本体セルＳａよりも大幅に促進させるために、後述する３つの被毒促進構造の全てを採用している。以下、その３つの被毒促進構造である第１〜第３の被毒促進構造について、順に説明する。
【００３１】
（第１の被毒促進構造）
第１の被毒促進構造は、アノードガス供給部１２でのアノードガスＧ２の流れ方向に沿って、被毒検知用セルＳｂへのアノードガスの供給箇所を、本体セルＳａへのアノードガスの供給箇所よりも上流側とする構造として構成されている。即ち、アノードガス供給部１２においてアノードガスＧ２の供給箇所に最も近い箇所（図１において最も右側）に被毒検知用セルＳｂが配置されており、その奥側（図１において左側）に本体セルＳａが配置されている。
【００３２】
この第１の被毒促進構造を採用することで、上記アノードガス供給部１２を介してセルスタック１３に供給されるアノードガスＧ２に硫黄成分が含まれる場合、その硫黄成分は、下流側の本体セルＳａに供給されるのに先立って、上流側の被毒検知用セルＳｂに到達することになる。よって、被毒検知用セルＳｂは本体セルＳａよりも先にアノードガスＧ２に含まれる硫黄成分により被毒することになるので、この構造により、被毒検知用セルの硫黄成分による被毒を本体セルＳａよりも促進させる被毒促進構造が合理的に実現されている。
尚、この第１の被毒促進構造を採用するにあたり、後述する第２被毒促進構造を採用することが無い場合には、被毒検知用セルＳｂの構成材料や構造を本体セルＳと同じものとしても構わない。
【００３３】
（第２の被毒促進構造）
第２の被毒促進構造は、被毒検知用セルＳｂのアノードや電解質等の構成材料を、本体セルＳａの構成材料よりも被毒し易いものとする構造として構成されている。例えば、本体セルＳａの電解質として、硫黄成分に対して比較的被毒耐性が高いイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ），スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），ランタンガレート（ＬａＧａＯ３）等を採用した場合には、被毒検知用セルＳｂの電解質として、硫黄成分に対して比較的被毒耐性が低いスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）等を採用することで、当該被毒検知用セルＳｂの電解質を本体セルＳａよりも被毒し易いものとすることができる。また、被毒検知用セルＳｂの構成材料が、本体セルＳと同じであった場合でも、構成材料の被毒の耐性を向上させるための被毒耐性処理を、本体セルＳに対してのみ行うことで、被毒検知用セルＳｂの構成材料を本体セルＳよりも被毒し易いものとしても構わない。
【００３４】
この第２被毒促進構造を採用することで、上記アノードガス供給部１２を介してセルスタック１３に供給されるアノードガスＧ２に硫黄成分が含まれている場合、被毒検知用セルＳｂの構成材料は本体セルＳａよりも多く被毒することになる。よって、この構造により、被毒検知用セルの硫黄成分による被毒を本体セルＳａよりも促進させる被毒促進構造が合理的に実現されている。
【００３５】
（第３の被毒促進構造）
第３の被毒促進構造は、燃焼部１４による被毒検知用セルＳｂの加熱を抑制して、被毒検知用セルＳｂを本体セルＳａよりも低温で作動させる構造として構成されている。
具体的に、本体セルＳａと被毒検知用セルＳｂとの間に断熱材１５が会装されており、燃焼部１４は、この断熱材１５の本体セルＳａでのみ火炎Ｆを形成するように構成されている。このことにより、燃焼部１４の火炎Ｆにより、本体セルＳａについては十分高温に加熱されるが、被毒検知用セルＳｂについては、比較的低温に維持されることになる。
【００３６】
一般的に、燃料電池セルＳについては、低温で作動するほど硫黄成分等の被毒要因物質による被毒が進行しやすいことが知られていることから、この構造により、被毒検知用セルＳｂの硫黄成分による被毒を本体セルＳａよりも促進させる被毒促進構造が合理的に実現されている。
尚、この第３の被毒促進構造を採用するにあたり、前述した第２被毒促進構造を採用することが無い場合には、被毒検知用セルＳｂの構成材料や構造を本体セルＳと同じものとしても構わない。
【００３７】
〔被毒検知部〕
更に、燃料電池システム１００は、制御装置２０が所定のプログラムを実行することで機能する被毒検知部２１を備えており、この被毒検知部２１は、被毒検知用セルＳｂの起電力に基づいて被毒検知用セルＳｂの被毒を検知するように構成されている。
【００３８】
即ち、上述したような被毒促進構造を採用することにより、セルスタック１３へ供給されるアノードガスＧ２に硫黄成分が含まれる場合、被毒検知用セルＳｂは、本体セルＳａよりも、硫黄成分による被毒が促進して、その起電力が著しく低下する。
そこで、被毒検知部２１は、その被毒検知用セルＳｂにおける起電力の著しい低下を被毒検知用セルＳｂの許容範囲を超える被毒として、本体セルＳａの被毒が進行する前に迅速に検知することができる。
【００３９】
制御装置２０は、被毒検知部２１により被毒検知用セルＳｂの被毒を検知した場合には、その旨を警報として表示部３１に表示させることで、使用者に対して、脱硫部５の交換等の硫黄成分の除去のためのメンテナンスの早期実施を促すことができる。更に、原燃料ガスＧ０の供給を停止して、燃料電池システム１００の運転を停止することで、比較的高価な本体セルＳａの被毒を事前に回避することができる。
尚、一旦被毒した被毒検知用セルＳｂについては、本体セルＳａよりも大幅に規模が小さいため安価であり、セルスタック１３から容易に取り外して新品に交換することができる。
【００４０】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃料電池セルＳの被毒の要因となる被毒要因物質を、原燃料ガスＧ０に含まれる硫黄成分として説明したが、改質部１１において水蒸気改質等で生成される一酸化炭素や別の物質を被毒要因物質として取り扱って、被毒検知用セルＳｂ及び被毒促進構造を構成しても構わない。
【００４１】
（２）上記実施形態では、被毒促進構造として、第１〜第３の被毒促進構造の全てを採用した例を説明したが、これらのうちの一部の被毒促進構造を採用するように構成しても構わない。また、被毒検知用セルＳｂの電力負荷を他の本体セルＳよりも高めに設定して、当該被毒検知用セルＳｂを本体セルＳよりも被毒し易くするなどのように、これら第１〜第３被毒促進構造とは別の被毒促進構造を採用しても構わない。
【符号の説明】
【００４２】
５      脱硫部
１１    改質部
１２    アノードガス供給部
１３    セルスタック
１４    燃焼部
２１    被毒検知部
１００  燃料電池システム
Ｇ１    燃料ガス
Ｇ２    アノードガス
Ｓ      燃料電池セル
Ｓａ    本体セル
Ｓｂ    被毒検知用セル
【図１】
2017188217.tif 000003