JP2008034204A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質器に水を供給する水ポンプの異常や、改質器に供給する水を精製する水処理装置の異常を、簡易にかつ安価に判別することができる手段を有する燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器４と、改質器４に供給するための水を精製する水処理装置７と、水処理装置で精製された水を貯水するための水タンク５と、水タンク５に貯水された水を改質器４に供給する水ポンプ６とを具備する燃料電池装置において、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水ポンプ６の異常を検出することができる。またあわせて、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水処理装置７の異常を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、改質器に供給するための水を精製する水処理装置と、水処理装置で精製された水を貯水するための水タンクと、水タンクに貯水された水を改質器に供給する水ポンプと、を備えた燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、複数の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池やその運転方法（システム）が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２に、従来の燃料電池システムを示すシステム構成図を示す。

図２における燃料電池システムは、燃料電池２１、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置２２、酸素含有ガスを燃料電池２１に供給するための酸素含有ガス供給装置２３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器２４、給水管３２より供給された水を精製する水処理装置３０と、給水管３２より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁３３、水処理装置３０により精製された水を貯水するための水タンク３１、水タンク３１に貯水された水を改質器２４に供給するための水ポンプ２７により構成されている。

なお図２に示した燃料電池システムにおいては、さらに燃料電池２１の発電により生じた排熱を湯水に熱交換する熱交換器２６、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク３４、湯水を循環するための循環配管３５、および循環ポンプ２８が併設されている。

なお、上記特許文献１においては、水タンク中に水位検知スイッチや導電率式水状態検知センサを設け、これらを併用することにより水タンク中の水位が設定どおりになっているか否かを簡単に検定することができるとともに、水タンクに貯水されている水が脱イオンになっているか否かが簡単に検定できる旨が記載されている。
特開２００５−３１０６１５号公報

しかしながら、上記特許文献１には、水タンク中の水位を検定することは容易であるが、水タンクに貯水された水を、改質器に水を供給する水ポンプの異常検出する異常検出手段を具備する燃料電池装置については記載されておらず、また水タンクに精製した水を供給する水処理装置の異常についても、水タンクへの供給量に関する異常を検出する検出手段を具備する燃料電池装置については記載されていない。

さらに、上述したような従来の燃料電池システムにおいては、例えば、水ポンプ２７が正常に作動し、水タンク３１より改質器２４に水（水蒸気）が正確に供給されているか、さらには精製度の高い水（水蒸気）が供給されているかを検出する手段が設けられていない。

一方、水タンクに貯水された水を、改質器に供給するための水ポンプが正常に作動しているかどうかを確認するにあたって、改質器に供給される水量を測定することが考えられる。しかしながら、改質器に供給される水は、その流量がごくわずかであり、現在、そのようなごくわずかな流量を測定するための流量センサが開発されているが、未だ実用化にはいたっておらず、また高額となることが想定される。

ここで、水ポンプに異常が生じ、改質器に水が供給されない場合には、改質器内に充填されている改質触媒に炭素が析出し、改質触媒の改質能力が著しく低下し、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。

さらには、燃料電池に水（水蒸気）が供給されないことにより、燃料電池セルに炭素が析出し、燃料電池セルそのものが劣化を引き起こすことにより、燃料電池の発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化するおそれがある。

一方、水処理装置に異常が生じ、水タンクに水が貯水されない場合には、改質器に十分な水が供給されず、改質器や燃料電池が劣化するおそれがある。

それゆえ、本発明の目的は、水ポンプの異常や水処理装置の異常を簡易にかつ安価に判別することができ、改質器や燃料電池の劣化を未然に防止することができ、安定して燃料電池の発電を行うことが可能な燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に供給するための水を精製する水処理装置と、該水処理装置で精製された水を貯水するための水タンクと、該水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプとを具備する燃料電池装置において、前記水タンク中の水の導電率を測定することにより、前記水ポンプの異常を検出する異常検出手段を有することを特徴とする。

本発明においては、導電率センサを水タンクに貯水された水中に浸漬するように配置すると、水ポンプが正常に作動し改質器に水が供給されている場合において、例えば、水処理装置から水タンクに貯水される水の量より、水タンクより改質器に供給される水の量が多い場合や、水処理装置から水タンクに貯水される水の供給を一時停止した場合には、水タンク中の水位が下がることとなる。それにより、水タンク中の水の導電率も下がることとなる。

したがって、上述の場合において、水ポンプが作動しているにもかかわらず、水タンク中の水の導電率が変化しない場合は、改質器に水が供給されていないこととなる。

また、水ポンプが正常に作動している場合の水タンク中の水の導電率の経時的変化を予め測定しておくことにより、水タンク中の水の導電率の経時的変化が、所定の範囲外となった場合においては、水ポンプに異常が生じていると判断できる。

よって、水タンク中の水の導電率を測定することにより、高額な流量センサを用いることなく、水ポンプの異常を簡易にかつ安価に判別することができ、改質器や燃料電池の劣化を未然に防止することができ、安定して燃料電池の発電を行うことが可能な燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記異常検出手段は、前記水タンクへの貯水を一定時間中断し、該中断時間中における前記水タンク中の水の導電率の変化を測定することにより、前記水ポンプの異常を検出することが好ましい。

水タンクへの貯水を一定時間中断することにより、水タンクの貯水量が一定となる。それゆえ、この状態で水タンク中の水の導電率を測定することにより、水タンクに貯水された水の減少量がより明確となり、水タンク中の水の導電率の変化をより測定しやすくなることから、水ポンプの異常についての判別が容易となる。

また、本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に供給するための水を精製する水処理装置と、該水処理装置で精製された水を貯水するための水タンクと、該水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプとを具備する燃料電池装置において、前記水処理装置に水が供給されている際に、前記水タンク中の水の導電率を測定することにより、前記水処理装置の異常を検出する異常検出手段を有することを特徴とする。

水処理装置は、水タンクに供給する水の精製度は正常であるものの、供給する水の量が不足するといった異常が発生する場合がある。

そして、その異常が長時間続いた場合には、水タンクに十分な水が供給されず、水タンクが枯渇し、改質器に十分な水を供給することができなくなり、改質器での燃料ガスの改質効率が悪化する、または改質器が劣化するといったおそれがある。

ここで、水処理装置に水が供給されている場合において、例えば、水タンクより改質器に供給される水の量より、水処理装置から水タンクに貯水される水の量が多く設定されている場合や、水ポンプの作動を一時停止した場合には、水処理装置にて精製された水が、水タンク中に貯水され、水タンク中の水位が上昇する。それにより、水タンク中の水の導電率が上昇することとなる。

それゆえ、上述の場合において、水処理装置が正常に作動している場合の水タンク中の水の導電率の経時的変化を予め測定しておくことにより、水タンク中の水の導電率の経時的変化が、所定の範囲を下回った場合や、変化していない場合には、水処理装置に異常が生じていると判別できる。

よって、水処理装置に水が供給されている際に、水タンク中の水の導電率を測定することにより、水処理装置の異常を判別することができ、改質器や燃料電池の劣化を未然に防止することができる燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記水ポンプまたは前記水処理装置が異常を生じた場合に、燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることが好ましい。

水ポンプまたは水処理装置が異常を示した際に、燃料電池の発電を継続して行った場合は、改質器や燃料電池が劣化するおそれがある。

本発明においては、水ポンプまたは水処理装置が異常を生じた場合に、燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることにより、燃料電池に安定して改質ガスを提供することが容易となることから、改質器や燃料電池の劣化を有効に防止することが容易となる。それにより、安定して燃料電池の発電を行うことが可能な燃料電池装置を提供することが容易となる。

本発明の燃料電池装置は、水ポンプの異常や水処理装置の異常を容易にかつ安価に検出することができることから、改質器や燃料電池の劣化を未然に防止することができ、安定して燃料電池の発電を行うことが可能な燃料電池装置を提供できる。

図１は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、燃料電池１、燃料供給装置２、酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給装置３、被改質ガスを改質する改質器４、給水管９より供給された水を精製する水処理装置７と、給水管９より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁８、水処理装置７により精製された水を貯水するための水タンク５、水タンク５に貯水された水（本発明においては水蒸気も含み、以下同意である）を改質器４に供給するための水ポンプ６により構成されている。なお、図示していないが、水処理装置７には、不要となった水を排出する排水管を設けることもできる。

また、水タンク５には、水タンク５の水位を検知する水位検知装置１１、水タンク５中の水の導電率を計測する導電率センサ１０が設けられている。また、水位検知装置１１により検知された水タンク５の水位情報に基づき、給水管９より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁８を制御する制御装置１２が設けられている。

燃料電池装置の発電に用いられる水は、制御装置１２の指令により、給水電磁弁８が開放され、給水管９を通して水処理装置７に給水される。給水された水は水処理装置７により精製度の高い水（好ましくは純水）に精製され、水タンク５に貯水される。水タンク５に貯水された精製度の高い水は、水ポンプ６により改質器４に供給され、燃料供給装置２より供給された被改質ガスと反応し、被改質ガスを改質して燃料ガスを生成する。そして、改質された燃料ガスが燃料電池１に送られて、燃料電池１の発電が行われる。

ここで、導電率センサ１０が、水タンク５に貯水された水中に浸漬するように配置する。それゆえ、水タンク５中の水の水位は、導電率センサ１０が浸漬するよう、所定の水位に設定される。ここで導電率センサ１０を、水タンク５に貯水された水中に完全に浸漬するように配置すると、水タンク５の水位の変化をより感知しやすいため好ましく、その場合は、例えば水タンク５の所定の水位を満水とすることが好ましい。

水ポンプ６は、改質器４に供給する燃料ガスの量に応じて、水タンク５より改質器４に供給される水の量を設定するが、例えば０．５ｍＬ／ｍｉｎ〜１０ｍＬ／ｍｉｎという少量に設定される。

ここで、例えば、水処理装置７から水タンク５に貯水される水の量より、水タンク５より改質器４に供給される水の量が多く設定されている場合や、水処理装置７から水タンク５に貯水される水の供給を一時停止した場合において、水ポンプ６が正常に作動し改質器４に水が供給されている場合には、水タンク５の水位が下がるとともに、導電率センサ１０にて計測される水タンク５中の水の導電率も下がることとなる。

言い換えると、水ポンプ６が作動しているにもかかわらず、水タンク５中の水の導電率が変化しない場合は、改質器４に水が供給されていないこととなり、水ポンプ６がエアロック等の異常を生じていることが判別できる。

また、水ポンプ６が正常に作動している場合の水タンク５中の水の導電率の経時的変化を予め測定しておくことにより、水タンク５中の水の導電率が、所定の範囲外の値を示した場合に、改質器４に過剰な水量もしくは不足する水量が供給されていることとなり、水ポンプ６に異常が生じていることが判断できる。

一方、本発明においては、水タンク５への貯水を一定時間中断して、中断時間中の水タンク５中の水の導電率を計測することが好ましい。

そのような方法としては、例えば、水タンク５に設けた水位検出装置１１により、水タンクの水位を検出する。ここで、水位検出装置１１が、水タンク５の予め設定した水位（例えば、満水）を検出した場合に、その水位情報が制御装置１２に伝送され、制御装置１２より給水電磁弁８を閉じる指令が伝送される。それにより、給水電磁弁８が閉じられ、水タンク５への貯水が一定時間中断する。すなわち、この一定時間中断している間は、水タンク５の貯水量が一定となる。なお、水位検出装置１１としては、例えば水量計、水量センサ、フロートスイッチ等があり、適宜選択して使用することができる。

そして、この状態で水ポンプ６を作動し、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水タンク５に貯水された水の減少量がより明確となり、水の導電率の変化をより測定しやすくなることから、水ポンプ６の異常について、容易に判別することができる。

また、水ポンプ６が正常に作動している場合の水タンク５中の水の導電率の経時的変化を予め規定することにより、水タンク５中の水の導電率の経時的変化が、所定の範囲を下回った場合には、水ポンプ６による水の供給が少なくなっていると判別できる。また、所定の範囲を上回った場合には、水ポンプによる水の供給が過剰となっていると判別できる。それゆえ、水タンク中の水の導電率が、所定の範囲外となった場合においては、水ポンプに異常が生じていると判断できる。

その際、例えば水ポンプ６に異常が生じている場合に、異常を知らせる警告信号を発信する警告信号発信手段を具備することもできる。水ポンプ６の異常を知らせる警告信号を発信することにより、水ポンプ６が異常となっていることを認識させることができ、水ポンプ６の交換を適切に行うことが容易となる。

それにより、水ポンプが異常のまま継続して燃料電池の発電を行うことを防止することができ、改質器４や燃料電池１の劣化等を未然に防止することが容易となり、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。

そのような警告信号としては、例えば、水ポンプ６が異常となった場合に音を鳴らすブザーや、水ポンプ６の異常を示す表示機器、さらには水ポンプ６が異常となっていることを携帯電話やパソコンなどのメールに送信する機器等を、適宜選択して使用することができる。

また、本実施形態においては、水ポンプ６より改質器４に水を供給する場合について説明したが、例えば、水ポンプ６より供給される水を、燃料加湿器に供給し、加湿した燃料を改質器４に供給するようにしてもよい。

また、本発明においては、水処理装置７に水が供給されている際、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水処理装置７の異常を検出することができる。

水処理装置７は、水タンク５に供給する水の精製度は正常であるものの、供給する水の量が不足するといった異常が発生する場合がある。

この場合において、水処理装置７に何らかの異常が発生した場合には、水タンクに十分な貯水を行うことができないこととなり、その異常が長時間続いた場合には、水タンクに十分な水が供給されず、水タンク５が枯渇し、改質器４に十分な水を供給することができなくなり、改質器４での燃料ガスの改質効率が悪化する、または改質器４が劣化するといったおそれがある。

水タンク５に貯水される水は、制御装置１２の指令により、給水電磁弁８が開放され、給水管９より水処理装置７に水が供給され、水処理装置７により精製された後、水タンク５に貯水される。

ここで、水処理装置７に水が供給されている場合において、例えば、水タンク５より改質器４に供給される水の量より、水処理装置７から水タンク５に貯水される水の量が多く設定されている場合や、水ポンプ６の作動を一時停止した場合には、水処理装置７にて精製された水が、水タンク５中に貯水され、水タンク５中の水位が上昇する。それにより、水タンク５中の水の導電率が上昇することとなる。

したがって、水処理装置７が正常に作動している場合の水タンク５中の水の導電率の経時的変化を予め測定しておくことにより、水タンク５中の水の導電率の経時的変化が、所定の範囲外の値を示した場合や、変化していない場合には、水処理装置７に異常が生じていると判別できる。そなわち、水処理装置７の交換時期が分かる。

したがって、水処理装置７に水が供給されている際、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水処理装置７の異常を簡易にかつ安価に判別することができ、改質器４や燃料電池１の劣化等を未然に防止することができ、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。る。

また、本発明においては、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水処理装置７より供給される水の精製度が低くなるといった異常を検出することも可能である。

燃料電池装置の外部より供給される水は、水処理装置７により精製された後、水タンク５に貯水される。しかしながら、水処理装置７を長期間使用すると、水処理装置７の精製能力が低下し、水タンクに供給される水が、精製度の低い水、すなわち純度の低い純水となるおそれがある。

ここで、導電率センサ１０を、水タンク５に貯水された水中に浸漬するように配置し、水タンク５中の水の水位は、導電率センサ１０が浸漬するよう所定の水位に設定される。その際、導電率センサ１０を、水タンク５に貯水された水中に完全に浸漬するように配置すると、水タンク５の水位の変化をより感知しやすく、例えば水タンク５の水位を満水とすることが好ましい。

水の精製度が低い場合、すなわち純水の純度が低い（不純物が多い）場合には、導電率センサ１０にて計測した導電率が高い値、場合によっては非常に高い値となる。

それゆえ、例えば、水タンク５が所定の水位（好ましくは満水時）となった場合の、改質器４に供給できる水として許容できる導電率の範囲を予め設定することにより、水タンク５中の水の導電率を測定した場合に、その許容できる範囲外となった場合には、水処理装置７によって精製された水の精製度が低くなっていることを判断することが容易となる。すなわち、水処理装置７の交換時期を判別することが容易となる。

したがって、水タンク５中の水の導電率を測定することにより、水処理装置７の異常を簡易にかつ安価に判別することができ、改質器４や燃料電池１の劣化等を未然に防止することが容易となり、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。

また、水処理装置７に異常が生じている場合に、異常を知らせる警告信号を発信する警告信号発信手段を具備することもできる。水処理装置７の異常を知らせる警告信号を発信することにより、水処理装置７が異常となっていることを認識させることができ、水処理装置７の交換を適切に行うことが容易となる。

それにより、水処理装置７が異常のまま継続して燃料電池の発電を行うことを防止することができ、改質器４や燃料電池１の劣化等を未然に防止することが容易となり、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。

そのような警告信号としては、例えば、水処理装置７が異常となった場合に音を鳴らすブザーや、水処理装置７の異常を示す表示機器、さらには水処理装置７が異常となっていることを携帯電話やパソコンなどのメールに送信する機器等を、適宜選択して使用することができる。

なお、本発明において、水ポンプ６の異常を検出する異常検出手段（水ポンプ異常検出手段）と水処理装置７の異常を検出する異常検出手段（水処理装置異常検出手段）とを、同一の手段で行うことも可能である。

また、水ポンプ６または水処理装置７が異常を示している場合に、燃料電池の発電を継続して行った場合、改質器４や燃料電池１の劣化等を引き起こすおそれがある。それゆえ、本発明の燃料電池は、水ポンプ６または水処理装置７が異常を生じた場合に、燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることができる。

そして、改質器４における燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることにより、燃料電池１に安定して改質ガスを提供することができることから、改質器４や燃料電池１の劣化等を有効に防止することが容易となり、安定して燃料電池の発電を行うことが容易となる。

なおその際、水ポンプ６または水処理装置７が異常を生じた場合に、直ちに燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えるほか、一定時間経過した後に部分酸化改質法に切り替えることも可能である。

すなわち、水ポンプ６または水処理装置７が異常を生じた後、一定時間以内に水ポンプ６または水処理装置７が取り替えられない場合に、改質器４における燃料ガスの改質穂法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることにより、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。

また、水ポンプ６または水処理装置７が異常を生じた場合に、警告信号を発信する警告信号発信手段を具備している場合には、例えば、水ポンプ６または水処理装置７の異常を示す警告信号を一定時間発信した後、一定時間以内に水ポンプまたは水処理装置が取り替えられない場合に、改質器における燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えるよう設定することも可能である。

その場合においては、警告信号を一定時間発信した後、一定時間以内に水ポンプ６または水処理装置７が取り替えられない場合に、改質器４における燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることにより、燃料電池に安定して改質ガスを提供することができることから、改質器４や燃料電池１の劣化等を有効に防止することが容易となり、安定して燃料電池１の発電を行うことが容易となる。

このような燃料ガスの改質方法を切り替える方法としては、例えば、制御装置１２より水ポンプ６に停止命令を伝送し、酸素含有ガス供給装置３に酸素含有ガスを改質器４に供給するように命令を伝送する事により、部分酸化改質反応による燃料ガスの改質を継続して行い、燃料電池１を継続して運転することが容易となる。

なお、本発明の燃料電池装置は、水ポンプ６や水処理装置７が異常を示した後に、または異常を示してから一定時間経過した後に、さらには、燃料電池装置が警告信号発信手段を具備している場合には、警告信号を発信した後（好ましくは一定時間発信した後）に、燃料電池１の発電を停止することもできる。

すなわち、水ポンプ６または水処理装置７が異常を示した場合に、燃料電池１の発電を継続して行った場合、改質器４や燃料電池１の劣化等を引き起こすおそれがある。

本発明においては、水ポンプ６または水処理装置７が異常を示した場合に、燃料電池１の発電を停止することから、改質器４や燃料電池１の劣化等を有効に防止することが容易となる。

また、水ポンプ６または水処理装置７の異常に気づかない場合であっても、燃料電池１の発電が停止し、電力の供給が停止することから、水ポンプ６または水処理装置７に異常が生じていること、すなわち燃料電池装置に異常が生じていることを認識させることが容易となる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。 従来の燃料電池装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料供給装置
３：酸素含有ガス供給装置
４：改質器
５：水タンク
６：水ポンプ
７：水処理装置
８：給水電磁弁
９：給水管
１０：導電率センサ
１１：水位検知装置
１２：制御装置

Claims (4)

1. 燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に供給するための水を精製する水処理装置と、該水処理装置で精製された水を貯水するための水タンクと、該水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプとを具備する燃料電池装置において、前記水タンク中の水の導電率を測定することにより、前記水ポンプの異常を検出する異常検出手段を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記異常検出手段は、前記水タンクへの貯水を一定時間中断し、該中断時間中における前記水タンク中の水の導電率の変化を測定することにより、前記水ポンプの異常を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給すべく水蒸気改質を行う改質器と、該改質器に供給するための水を精製する水処理装置と、該水処理装置で精製された水を貯水するための水タンクと、該水タンクに貯水された水を前記改質器に供給する水ポンプとを具備する燃料電池装置において、前記水処理装置に水が供給されている際に、前記水タンク中の水の導電率を測定することにより、前記水処理装置の異常を検出することを特徴とする燃料電池装置。
4. 前記水ポンプまたは前記水処理装置が異常を生じた場合に、燃料ガスの改質方法を水蒸気改質法から部分酸化改質法に切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。

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