JP2007265669A

JP2007265669A - 燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法

Info

Publication number: JP2007265669A
Application number: JP2006086049A
Authority: JP
Inventors: Masashi Tanaka; 雅士田中; Norihisa Kamiya; 規寿神家; Takeshi Tabata; 健田畑; Mitsuaki Echigo; 満秋越後; Yukio Yasuda; 征雄安田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】微小なリークを定期点検によらずに通常の動作において検出することができる燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法を提供する。
【解決手段】燃料改質装置と、燃料電池本体と、燃料電池発電の運転休止時に燃料電池本体又は／及び燃料改質装置（以下、保圧対象）の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段とを備え、前記保圧手段を、保圧対象内を密閉させるための密閉手段と、保圧用ガスを保圧対象に供給する保圧用ガス供給源と、途中に開閉弁を備えた保圧用ガス供給路とで構成し、運転休止時に、保圧対象の内気圧が所定値以下になると前記開閉弁を開いて保圧用ガスを保圧対象に供給した後開閉弁を閉じて外気圧よりも高い圧力で保圧する燃料電池発電システムのリーク検出方法であって、保圧用ガスを燃料電池に供給するための開閉弁の開動作の時間当たりの回数が所定回数以上となった場合にリークが発生していると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法に関するものである。

燃料電池発電システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置と、改質ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体とを備え、燃料電池本体の燃料極に水素リッチな改質ガスを供給すると共に、空気極に酸化剤として酸素を含む空気を供給して直流発電を行い、通常は得られた直流電流をインバータにて交流に変換して利用すると共に、燃料電池本体からの排熱を回収して利用するものである。

この燃料電池発電システムは、運転休止時において、外部より燃料電池本体に大気が侵入すると、電極に用いている触媒が酸化等によって活性が損なわれたり、大気中の水蒸気が燃料電池本体内で凝縮してしまったり、燃料電池本体の温度が下がって燃料電池本体の内気圧が負圧（外気圧より低い圧力）となることで燃料電池本体が損傷されたりする、というような問題があった。そこで、運転休止時に燃料電池本体の内気圧が負圧となるのを防止するシステムが開発されている（例えば特許文献１参照）。

保圧手段は、燃料電池本体内を密閉させる密閉手段、保圧用ガス供給源、保圧用ガス供給路で主体が構成され、運転休止時に燃料電池本体内を密閉させ、保圧用ガス供給路の途中に設けた開閉弁を開いて保圧用ガス供給源から保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料電池本体に供給した後、開閉弁を閉じて燃料電池本体の内気圧を正圧（外気圧よりも高い圧力）で保持し、時間経過によって燃料電池本体の内気圧が所定値以下に下がると、再び上記のように保圧用ガスを燃料電池本体に供給して正圧で保圧するものである。これにより、上述した問題を解決していた。

ところで、このような従来の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池の改質ガス、空気等の流路のリークを定期点検を行うことで発見するものであった。通常の発電運転に影響を及ぼすような大きなリークは点検するまでもなく発見されるが、微小なリークは前記定期点検を行わない限り発見し難いものであった。リークが発生していると発電効率が悪いうえに、更に大きなリークに発展する惧れもあり、定期点検で発見された時にはメンテナンスの準備や作業のために長期にわたって運転休止しなければならないものであった。また、定期点検においても検査項目としてリークの検査を行わなければならず、検査項目が多くなって作業が煩雑となっていた。
特開２００２−３２９５２０号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微小なリークを定期点検によらずに通常の動作において検出することができる燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る発明は、原燃料のガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置と、前記改質ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体と、燃料電池発電の運転休止時に燃料電池本体の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段とを備え、前記保圧手段を、燃料電池本体内を密閉させるための閉止弁からなる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料電池本体に供給する保圧用ガス供給源と、前記保圧用ガス供給源から燃料電池本体に至り途中に開閉弁を備えた保圧用ガス供給路とで構成し、運転休止時に燃料電池本体内を密閉させた状態として、燃料電池本体の内気圧が所定値以下になると前記開閉弁を開いて保圧用ガスを燃料電池本体に供給した後開閉弁を閉じて外気圧よりも高い圧力で保圧する燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法であって、保圧用ガスを燃料電池に供給するための前記開閉弁の開動作の時間当たりの回数が所定回数以上となった場合にリークが発生していると判定することを特徴とするものである。

このような方法によれば、通常の発電運転においては殆ど影響を及ぼさない微小なリークを通常の動作において容易に検出することができ、リークによる発電効率の低下を防止することができると共に、修復の準備や作業のために長期にわたって発電運転を休止するといったことをなくすことができる。

また、上記課題を解決するために請求項２に係る発明は、原燃料のガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置と、前記改質ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体と、燃料電池発電の運転休止時に燃料改質装置の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段とを備え、前記保圧手段を、燃料改質装置内を密閉させるための閉止弁からなる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料改質装置に供給する保圧用ガス供給源と、前記保圧用ガス供給源から燃料改質装置に至り途中に開閉弁を備えた保圧用ガス供給路とで構成し、運転休止時に燃料改質装置内を密閉させた状態として、燃料改質装置の内気圧が所定値以下になると前記開閉弁を開いて保圧用ガスを燃料改質装置に供給した後開閉弁を閉じて外気圧よりも高い圧力で保圧する燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法であって、保圧用ガスを燃料電池に供給するための前記開閉弁の開動作の時間当たりの回数が所定回数以上となった場合にリークが発生していると判定することを特徴とするものである。

本発明にあっては、通常の発電運転においては殆ど影響を及ぼさない微小なリークを通常の動作において容易に検出することができて、リークによる発電効率の低下を防止することができると共に、早期の微小な段階で発見することができて修復の準備や作業のために長期にわたって発電運転を休止する必要がないものであり、発電運転の休止による損失や修復にかかるコストを低く抑えることができる。また定期点検でリークの検査を行う必要がなくなり、検査項目を減らして作業を容易にすることができる。またこれにあたり、開閉弁の開閉の回数をカウントするだけでよいため、特にリークの検出のための装置を設ける必要がなく低コストで達成することができる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。まず、燃料電池発電システムの基本構成について説明する。図１に燃料電池発電システムの全体概略構成図を示し、図２に燃料電池本体の説明図を示す。

燃料電池発電システムは、原燃料から改質ガスを生成する燃料改質装置と、改質ガスと酸化剤とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体とを必須構成として備えると共に、発電により得られた直流電流を交流に変換するインバータと、燃料電池本体を冷却する冷却水により燃料電池本体からの排熱を回収する排熱回収手段（凝縮器等）とを備えている。本実施形態では固体高分子形燃料電池として説明するが特に限定されない。

図１に示すように、燃料改質装置１は、都市ガスや天然ガス等のガスを原燃料とし、触媒の存在下で原燃料ａと水蒸気ｂとを加熱手段のバーナ１１により高温に加熱することで水素リッチな改質ガスｃに改質するものである。燃料電池本体２は、図２に示すように、空気極２１および空気極２１側の流路２２と、燃料極２３および燃料極２３側の流路２４と、前記流路２２、２４の間に介在する電解質膜２５とでセルが構成され、複数のセルをセパレータ（図示せず）を介して積層してセルスタックが構成される。但し図２では一つのセルのみを示している。燃料極２３側の流路２４を流れる改質ガスｃの水素は燃料極２３に設けた触媒によって水素イオンと電子とに電離し、この時発生した電子が空気極２１に流れる際の電流ｉが電力として利用される。図中の符号３はインバータを示す。燃料極２３側で生成された水素イオンは電解質膜２５を通って空気ｄが流れる空気極２１側の流路２２に移動し、空気極２１側の流路２２において電子を受容すると共に酸化剤としての空気ｄ中の酸素と化学反応して水が生成される。また、図示しないがセルスタックには冷却水が流されて燃料電池本体２が冷却され、排熱が回収されて利用される。

また、燃料電池本体２の燃料極２３側の流路２４から排出される、発電に利用されなかった水素を含む未燃ガスｅは、燃料改質装置１の加熱手段のバーナ１１の燃料として利用される。そして、燃料改質装置１のバーナの排ガスｆと、燃料電池本体２の空気極２１側の流路２２から排出される排気ｇは、凝縮器４にて熱回収されて排熱の利用がなされ、回収された凝縮水ｈは蒸気発生器６で水蒸気ｂとして利用したり燃料電池本体２の冷却水として利用される。

ここで、冷却手段の仔細や冷却水の利用については特に限定されないものである。また特に説明を行わないが、燃料改質手段にて生成された改質ガスｃのＣＯ変成を行うＣＯ変成器やＣＯ除去を行うＣＯ除去器、燃料電池本体２に供給する改質ガスｃや空気ｄを加湿する加湿装置、といった機器についても仔細や有無は特に限定されないものである。

燃料装置発電システムは、燃料電池発電の運転休止時に燃料電池本体２の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段５を備えている。保圧手段５は、燃料電池本体２内を密閉させる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料電池本体２に供給する保圧用ガス供給源５１と、前記保圧用ガス供給源５１から燃料電池本体２に燃料電池本体２に至る流路の途中に開閉弁５２を備えた保圧用ガス供給路５３とで構成される。保圧用ガスとしては、窒素ガス、メタンガスや都市ガス等の安定したガスが好適に用いられる。密閉手段は、燃料電池本体２に接続される流路、すなわち、燃料電池本体２の燃料極２３側の流路２４への給排気流路および空気極２１側の流路２２への給排気流路に閉止弁（図示せず）を設けて構成され、閉止弁および後述する開閉弁５２を閉じることで燃料電池本体２内を密閉させることができる。

保圧用ガス供給源５１は、保圧用ガスを収容した高圧ボンベやタンク等からなり、通常は減圧弁（図示せず）を介して所定の圧力に減圧して保圧用ガス供給路５３に供給される。保圧用ガス供給路５３は燃料電池本体２の流路に連通接続されており、途中に電磁弁からなる開閉弁５２を設けてある。以下、燃料電池発電の運転休止時の動作について説明する。

まず、閉止弁を閉じて燃料電池本体２の流路を閉塞する。次に開閉弁５２を開いて保圧用ガスを外気圧（大気圧）よりも高い圧力（以下、正圧という）で燃料電池本体２内に供給し、開閉弁５２を閉じる（これを保圧動作というものとする）。これにより、燃料電池本体２内の内気圧が保圧用ガスにて正圧に保圧される。特に不具合としてのリークが発生していなくても、時間経過とともに温度が低下して、燃料電池本体２の内気圧は下がってくるために、この圧力低下は起こるものである。この燃料電池本体２の内気圧が所定値以下に下がると、再び上述した保圧動作を行って燃料電池本体２の内気圧を保圧開始時の圧力に上昇させ、以降これを繰り返して燃料電池本体２の保護を行っている。これらの弁の開閉やその他機器の制御は図示しない制御部によって制御される。

燃料電池本体２が正常な場合には、図３に示すように時間当たりの上記保圧動作は略所定回数で安定しているが、燃料電池本体２に不具合としてのリークが発生していると、図４に示すように時間当たりの保圧動作の回数が前記所定回数よりも増加する。図中のイは保圧動作の開閉弁を開いた時点を示す。そこで、時間当たりの保圧動作が所定回数以上となった場合に、不具合としてのリークが発生していると判定してリークの検出がなされるものである。リークの検出すなわち、保圧動作の回数のカウント、前記回数が所定回数以上か否かの判定は制御部にて行われ、リークが検出されると音声や光、その他の方法により報知される。

上記のようなリーク検出方法を採用することで、通常の発電運転においては殆ど影響を及ぼさない微小なリークを通常の動作において容易に検出することができて、リークによる発電効率の低下を防止することができると共に、早期の微小な段階で発見することができて、修復の準備や作業のために長期にわたって発電運転を休止する必要がなく、発電運転の休止による損失や修復にかかるコストを低く抑えることができるものであり、これにあたって、開閉弁５２の開閉の回数をカウントするだけでよく、特にリークの検出のための装置を設ける必要がなく低コストで達成することができる。また、定期点検でリークの検査を行う必要がなくなって、検査項目を減らして作業を容易にすることができてコストダウンを図ることができる。

また、図１に示す上実施形態においては、保圧手段５による保圧対象は燃料電池本体２内であり、燃料電池本体２に至る改質ガスｃの流路、空気ｄの流路、燃料電池本体２からの未燃ガスｅの流路、排気ｇの流路の途中に設けた図示しない閉止弁によってこの内部を密閉させて、この密閉された部分を保圧しているが、図５に示すように燃料改質装置１を保圧対象としてもよい。燃料改質装置１に至る原燃料ａの流路、未燃ガスｅの流路、燃料改質装置１からの改質ガスｃの流路、排ガスｆの流路の途中に設けた閉止弁によって内部を密閉させる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力でケーシング内に供給する保圧用ガス供給源５１と、途中に開閉弁５２を備え前記保圧用ガス供給源５１からケーシングに至る保圧用ガス供給路５３とで構成される保圧手段５とを備えている。

この場合の保圧動作およびリークの検出については上実施形態と同様であり、このようにすることで、燃料改質装置１を保圧対象としたものにあっても上述したのと同様の効果が得られる。また、燃料電池本体２および燃料改質装置１を保圧対象としたものであっても、同様の効果が得られるものである。

燃料電池発電システムの全体構成図である。同上の燃料電池本体の構成図である。リークが発生していない場合の開閉弁の動作状況を示す時間−圧力関係線図である。リークが発生している場合の開閉弁の動作状況を示す時間−圧力関係線図である。他の実施形態の全体構成図である。

符号の説明

１燃料改質装置
１１加熱手段のバーナ
２燃料電池本体
３インバータ
４凝縮器
５保圧手段
５１保圧用ガス供給源
５２開閉弁
５３保圧用ガス供給路
６蒸気発生器
ａ原燃料
ｃ改質ガス
ｄ空気

Claims

原燃料のガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置と、前記改質ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体と、燃料電池発電の運転休止時に燃料電池本体の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段とを備え、前記保圧手段を、燃料電池本体内を密閉させるための閉止弁からなる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料電池本体に供給する保圧用ガス供給源と、前記保圧用ガス供給源から燃料電池本体に至り途中に開閉弁を備えた保圧用ガス供給路とで構成し、運転休止時に燃料電池本体内を密閉させた状態として、燃料電池本体の内気圧が所定値以下になると前記開閉弁を開いて保圧用ガスを燃料電池本体に供給した後開閉弁を閉じて外気圧よりも高い圧力で保圧する燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法であって、保圧用ガスを燃料電池に供給するための前記開閉弁の開動作の時間当たりの回数が所定回数以上となった場合にリークが発生していると判定することを特徴とする燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法。
原燃料のガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置と、前記改質ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池本体と、燃料電池発電の運転休止時に燃料改質装置の内気圧を外気圧よりも高い圧力で保圧する保圧手段とを備え、前記保圧手段を、燃料改質装置内を密閉させるための閉止弁からなる密閉手段と、保圧用ガスを外気圧よりも高い圧力で燃料改質装置に供給する保圧用ガス供給源と、前記保圧用ガス供給源から燃料改質装置に至り途中に開閉弁を備えた保圧用ガス供給路とで構成し、運転休止時に燃料改質装置内を密閉させた状態として、燃料改質装置の内気圧が所定値以下になると前記開閉弁を開いて保圧用ガスを燃料改質装置に供給した後開閉弁を閉じて外気圧よりも高い圧力で保圧する燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法であって、保圧用ガスを燃料電池に供給するための前記開閉弁の開動作の時間当たりの回数が所定回数以上となった場合にリークが発生していると判定することを特徴とする燃料電池発電システムにおけるリーク検出方法。