特開 2024-137235 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024137235

(43)【公開日】2024-10-07

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240927BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20240927BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240927BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240927BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240927BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20240927BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240927BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0612

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/0438

H01M8/04664

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048679

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】樋口 和宏

(72)【発明者】

【氏名】野田 航平

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC02

5H127BA01

5H127BA13

5H127BA34

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB37

5H127DB13

5H127DB19

5H127DB33

5H127DB39

5H127DB47

5H127DC22

5H127DC76

5H127EE02

(57)【要約】

【課題】セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内の狭窄を防止できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置が、改質用水を気化させる気化部２と、原燃料を気化部２から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部３と、燃料ガス及び空気供給器１３から供給される空気を用いて発電するセルスタック４と、セルスタック４から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部５と、セルスタック４から燃焼部５へ供給されるオフガスが流れるオフガス配管１５と、オフガス配管１５の狭窄度合いを検出する狭窄検出部１６とを備え、制御部２１は、狭窄検出部１６が検出した狭窄度合いが高いと判定した場合、原燃料供給器８及び空気供給器１３の少なくとも一方を動作させて、オフガス配管１５に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原燃料を供給する原燃料供給器と、空気を供給する空気供給器と、改質用水を供給する改質用水供給器と、前記改質用水供給器から供給される前記改質用水を気化させる気化部と、前記原燃料供給器から供給される前記原燃料を前記気化部から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガス及び前記空気供給器から供給される前記空気を用いて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記セルスタックから前記燃焼部へ供給される前記オフガスが流れるオフガス配管と、制御部とを備える燃料電池装置であって、
前記オフガス配管の狭窄度合いを検出する狭窄検出部を備え、
前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した前記狭窄度合いが高いと判定した場合、前記原燃料供給器及び前記空気供給器の少なくとも一方を動作させて、前記オフガス配管に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせるための狭窄解消処理を行う燃料電池装置。

【請求項2】

前記目標流量は、定格運転を行っている場合に前記オフガス配管を単位時間当たりに流れるガスの流量より多い値に設定される請求項１に記載の燃料電池装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した前記狭窄度合いが高いと判定した場合、前記セルスタックの温度が設定セルスタック温度以下である間に前記狭窄解消処理を行う請求項１又は２に記載の燃料電池装置。

【請求項4】

前記改質部で生成された前記燃料ガスが前記セルスタックに向けて流れる燃料ガス流路と、
前記セルスタックに供給される前記空気が流れる空気供給路とを備え、
前記燃料ガス流路の途中の分岐部から分岐して前記オフガス配管の途中に合流する第１バイパス配管、及び、前記空気供給路の途中の分岐部から分岐して前記オフガス配管の途中に合流する第２バイパス配管の少なくとも一方を備え、
前記制御部は、前記狭窄解消処理を行う場合、前記第１バイパス配管にガスを流すこと及び前記第２バイパス配管に前記空気を流すことの少なくとも一方を行う請求項１又は２に記載の燃料電池装置。

【請求項5】

前記狭窄検出部は、前記オフガス配管の内部の圧力を検出する圧力センサを有し、
前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した圧力が所定の基準圧力以上になっている場合に前記狭窄度合いが高いと判定する請求項１又は２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】

燃料電池には、供給される改質用水を気化させる気化部、原燃料を気化部から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部、改質部で生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルを有するセルスタック、及び、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼部などが設けられている。

【0003】

特許文献１（特開２００６－３５１２９３号公報）には、気化部と改質部とを連通させる流路内で閉塞が発生するといったコーキングトラブルを防止することを目的として、液体燃料を所定の温度範囲に制御する液体燃料温度制御手段と、改質用燃料を所定の温度範囲に制御する改質用燃料温度制御手段とを設ける構成が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－３５１２９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１には記載されていないが、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管でも炭素の析出が問題になる場合がある。特に、高燃料利用率で運転されている場合、及び、気化部での水の突沸が発生した場合などには、セルスタックから燃焼部へ流れるガスに含まれる一酸化炭素の濃度が高くなるため、一酸化炭素の不均化反応が発生して、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内に炭素が析出する可能性が高まる。

【0006】

そして、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内に炭素が析出した場合、配管内の流路が狭くなるため、燃焼部に十分なガスが供給されずに失火してしまう可能性がある。

【0007】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内の狭窄を改善できる燃料電池装置を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池装置の特徴構成は、原燃料を供給する原燃料供給器と、空気を供給する空気供給器と、改質用水を供給する改質用水供給器と、前記改質用水供給器から供給される前記改質用水を気化させる気化部と、前記原燃料供給器から供給される前記原燃料を前記気化部から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガス及び前記空気供給器から供給される前記空気を用いて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記セルスタックから前記燃焼部へ供給される前記オフガスが流れるオフガス配管と、制御部とを備える燃料電池装置であって、
前記オフガス配管の狭窄度合いを検出する狭窄検出部を備え、
前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した前記狭窄度合いが高いと判定した場合、前記原燃料供給器及び前記空気供給器の少なくとも一方を動作させて、前記オフガス配管に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせるための狭窄解消処理を行う点にある。
ここで、前記狭窄検出部は、前記オフガス配管の内部の圧力を検出する圧力センサを有し、前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した圧力が所定の基準圧力以上になっている場合に前記狭窄度合いが高いと判定してもよい。

【0009】

上記特徴構成によれば、オフガス配管の狭窄度合いが高い場合、狭窄解消処理が行われることで、オフガス配管には所定の目標流量以上のガスが流される。そして、そのガス流により、オフガス配管を狭窄させている例えば炭素などが除去されることが期待される。
従って、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内の狭窄を改善できる燃料電池装置を提供できる。

【0010】

本発明に係る燃料電池装置の別の特徴構成は、前記目標流量は、定格運転を行っている場合に前記オフガス配管を単位時間当たりに流れるガスの流量より多い値に設定される点にある。

【0011】

上記特徴構成によれば、狭窄解消処理では、定格運転を行っている場合にオフガス配管を流れるガス流よりも多量のガスが流される。その結果、定格運転を行っている間にオフガス配管を流れるガス流では除去されなかった例えば炭素などが狭窄解消処理によって除去されることが期待される。

【0012】

本発明に係る燃料電池装置の別の特徴構成は、前記制御部は、前記狭窄検出部が検出した前記狭窄度合いが高いと判定した場合、前記セルスタックの温度が設定セルスタック温度以下である間に前記狭窄解消処理を行う点にある。

【0013】

多量のガスを、セルスタックを経由してオフガス配管に流す場合、大流量のガスによってセルスタックに大きな負荷が加わるという問題がある。
ところが本特徴構成では、セルスタックの温度が設定セルスタック温度以下である間に狭窄解消処理が行われる。つまり、セルスタックの温度が比較的低い間、即ち、セルスタックの強度低下が顕著に現れない間に狭窄解消処理が行われるため、大流量のガスによってセルスタックが大きな影響を受けないようにできる。

【0014】

本発明に係る燃料電池装置の別の特徴構成は、前記改質部で生成された前記燃料ガスが前記セルスタックに向けて流れる燃料ガス流路と、
前記セルスタックに供給される前記空気が流れる空気供給路とを備え、
前記燃料ガス流路の途中の分岐部から分岐して前記オフガス配管の途中に合流する第１バイパス配管、及び、前記空気供給路の途中の分岐部から分岐して前記オフガス配管の途中に合流する第２バイパス配管の少なくとも一方を備え、
前記制御部は、前記狭窄解消処理を行う場合、前記第１バイパス配管にガスを流すこと及び前記第２バイパス配管に前記空気を流すことの少なくとも一方を行う点にある。

【0015】

上記特徴構成によれば、狭窄解消処理において、セルスタックを迂回してオフガス配管に多量のガスを流すことができる。その結果、オフガス配管に多量のガスを流した場合にセルスタックに加わる圧力が上昇しすぎないようにできる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態の燃料電池装置の構成を説明する図である。

【図2】第２実施形態の燃料電池装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図１は、第１実施形態の燃料電池装置の構成を説明する図である。図示するように、燃料電池装置は、気化部２と、改質部３と、セルスタック４と、燃焼部５とを備える。ホットモジュール６は容器１を有し、その容器１の内部に、気化部２、改質部３、セルスタック４、及び、燃焼部５を備える。

【0018】

気化部２には、改質用水供給路９を介して改質用水が供給される。改質用水供給路９には、ポンプや流量計などを用いて実現される、改質用水を供給する改質用水供給器１０が設けられる。改質用水供給器１０が、気化部２に供給する単位時間当たりの改質用水の流量を調節できる。そして、気化部２では、後述する燃焼部５で発生した燃焼熱の供給を受けて、改質用水供給器１０から供給される改質用水を気化させる。

【0019】

また、気化部２には、原燃料供給路７を介して炭化水素を含む原燃料が供給される。原燃料供給路７には、ブロアや流量計などを用いて実現される、原燃料を供給する原燃料供給器８が設けられる。原燃料供給器８が、気化部２に供給する単位時間当たりの原燃料の流量を調節できる。

【0020】

本実施形態では、気化部２で生成された水蒸気と供給される原燃料とが混合されて、その混合ガスが改質部３に供給される。尚、原燃料を改質部３に対して直接供給してもよい。

【0021】

改質部３には、上述したような原燃料供給路７を介して炭化水素を含む原燃料が供給される。改質部３には、気化部２での改質用水の気化によって生成された水蒸気が気化部２から供給される。また、改質部３には、後述する燃焼部５で発生した燃焼熱が供給される。そして、改質部３では、原燃料供給器８から供給される原燃料を気化部２から供給される水蒸気を用いて水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する。

【0022】

セルスタック４は、アノードと、カソードと、電解質とを有する複数の燃料電池セルを備える。例えば、燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セルであるが、他のタイプの燃料電池セルでも構わない。また、セルスタック４の温度を測定する温度センサＴ１も設けられる。燃料電池装置は、改質部３で生成された燃料ガスがセルスタック４に向けて流れる燃料ガス流路１１と、セルスタック４に供給される空気が流れる空気供給路１２とを備える。尚、改質部３で燃料ガスが生成されていない場合は、燃料ガス流路１１には原燃料ガスが流れる。

【0023】

そして、各燃料電池セルは、改質部３で生成された燃料ガス及び空気供給器１３から供給される空気（酸素）を用いて発電する。具体的には、アノードには、燃料ガス流路１１を介して燃料ガスが供給され、カソードには、空気供給路１２を介して空気（酸素）が供給される。空気供給路１２には、ポンプや流量計などを用いて実現される、空気を供給する空気供給器１３が設けられる。空気供給器１３が、セルスタック４に供給する単位時間当たりの空気の流量を調節できる。

【0024】

尚、アノードに供給される燃料ガスに含まれる例えば水素等の全てが発電で用いられるのではなく、アノードから排出されるアノード排ガスにも水素等は含まれている。また、カソードから排出されるカソード排ガスにも酸素は含まれている。燃料電池装置は、セルスタック４から燃焼部５へ供給されるオフガス（アノード排ガス及びカソード排ガス）が流れるオフガス配管１５を備えている。つまり、アノード排ガス及びカソード排ガスが混合された状態でオフガス配管１５を流れる。そして、燃焼部５では、セルスタック４から排出されるオフガスに含まれるアノード排ガスが燃焼される。燃焼部５で発生した燃焼熱は容器１の内部空間の温度を上昇させ、特に改質部３及び気化部２に伝達される。燃焼部５から排出される燃焼排ガスは燃焼排ガス路１４を介して容器１の外部に排出される。

【0025】

燃料電池装置の動作、即ち、原燃料供給器８の動作、空気供給器１３の動作、改質用水供給器１０の動作などは制御部２１が制御する。

【0026】

このような燃料電池装置において、オフガス配管１５の内部に炭素が析出して、オフガス配管１５を狭窄させることがある。そのため、本実施形態の燃料電池装置は、オフガス配管１５の狭窄度合いを検出する狭窄検出部１６を備え、制御部２１は、狭窄検出部１６が検出した狭窄度合いが高いと判定した場合、原燃料供給器８及び空気供給器１３の少なくとも一方を動作させて、オフガス配管１５に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせるための狭窄解消処理を行う。

【0027】

例えば、狭窄検出部１６は、オフガス配管１５の内部の圧力を検出する圧力センサを有する。そして、制御部２１は、狭窄検出部１６としての圧力センサが検出した圧力が所定の基準圧力以上になっている場合に狭窄度合いが高いと判定する。例えば、基準圧力は、上述したような狭窄が発生していないと考えられる燃料電池装置を設置した直後（例えば試運転時など）の定格発電時でのオフガス配管１５の内部の圧力よりも高い値、例えば上述したような試運転時などに実際に計測されたオフガス配管１５の内部の圧力に所定圧力を加算することで導出される値などに設定できる。或いは、上述したような狭窄が発生していないと考えられる燃料電池装置を定格発電で動作させた場合にオフガス配管１５の内部で想定される圧力よりも所定圧力だけ高い値に設定できる。

【0028】

そして、制御部２１は、狭窄解消処理において、原燃料供給器８によって気化部２に供給される原燃料の単位時間当たりの流量を増加させること、及び、空気供給器１３によってセルスタック４に供給される空気の単位時間当たりの流量を増加させることの少なくとも一方を行うことで、結果的にオフガス配管１５に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせることができる。尚、燃料電池装置の発電運転中などに狭窄解消処理を行う場合、原燃料供給器８によって気化部２に供給される原燃料の単位時間当たりの流量を増加させること、及び、空気供給器１３によってセルスタック４に供給される空気の単位時間当たりの流量を増加させることの両方を行ってもよい。

【0029】

具体的には、制御部２１は、狭窄解消処理においてオフガス配管１５に流れる単位時間当たりのガスの流量を所定の目標流量以上にさせる場合、その目標流量は、定格運転を行っている場合にオフガス配管１５を単位時間当たりに流れるガスの流量より多い値に設定する。このような値にすることで、オフガス配管１５において、定格運転を行っている間のガス流では除去されなかった例えば炭素などの異物が、狭窄解消処理を行っている間のガス流で除去される可能性が高まる。

【0030】

尚、多量のガスを、セルスタック４を経由してオフガス配管１５に流す場合、大流量のガスによってセルスタック４に大きな負荷が加わるという問題がある。そのような問題を回避するため、制御部２１は、狭窄検出部１６が検出した狭窄度合いが高いと判定した場合、温度センサＴ１で測定されるセルスタック４の温度が設定セルスタック温度以下（例えば２００℃以下など）である間に狭窄解消処理を行うような構成を採用してもよい。この場合、セルスタック４の温度が比較的低い間、即ち、セルスタック４の強度低下が顕著に現れない間に狭窄解消処理が行われるため、大流量のガスによってセルスタック４が大きな影響を受けないようにできる。

【0031】

以上のように、オフガス配管１５の狭窄度合いが高い場合、狭窄解消処理が行われることで、オフガス配管１５には所定の目標流量以上のガスが流される。そして、そのガス流により、オフガス配管１５を狭窄させている例えば炭素などの異物が除去されることが期待される。従って、セルスタック４から燃焼部５へガスが流れるオフガス配管１５の内部の狭窄を改善できる燃料電池装置を提供できる。

【0032】

＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池装置は、オフガス配管１５にガスを流すための構成が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池装置について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

【0033】

図２は、第２実施形態の燃料電池装置の構成を示す図である。図示するように、燃料電池装置は、燃料ガス流路１１の途中の分岐部としての燃料ガス分岐部１１ａから分岐してオフガス配管１５の途中に合流する第１バイパス配管１７、及び、空気供給路１２の途中の分岐部としての空気分岐部１２ａから分岐してオフガス配管１５の途中に合流する第２バイパス配管１８を備えている。また、第１バイパス配管１７には第１開閉弁１９が設けられ、第２バイパス配管１８には第２開閉弁２０が設けられる。第１開閉弁１９及び第２開閉弁２０の動作は制御部２１が制御する。
尚、本実施形態では、燃料電池装置が第１バイパス配管１７及び第２バイパス配管１８の両方を備える構成を説明するが、燃料電池装置は第１バイパス配管１７及び第２バイパス配管１８の少なくとも一方を備えていればよい。

【0034】

第１開閉弁１９が開状態になっている場合には、燃料ガス流路１１を流れるガスの少なくとも一部が、第１バイパス配管１７を流れて、即ち、セルスタック４を迂回して、オフガス配管１５に流入する。また、第２開閉弁２０が開状態になっている場合には、空気供給路１２を流れるガスの少なくとも一部が、第２バイパス配管１８を流れて、即ち、セルスタック４を迂回して、オフガス配管１５に流入する。尚、第１開閉弁１９が閉状態である場合には第１バイパス配管１７にガスが流れることはなく、第２開閉弁２０が閉状態である場合には第２バイパス配管１８にガスが流れることはない。

【0035】

そして、制御部２１は、狭窄解消処理を行う場合、第１バイパス配管１７にガス（原燃料又は燃料ガス）を流すこと及び第２バイパス配管１８にガス（空気）を流すことの少なくとも一方を行う。これにより、狭窄解消処理において、セルスタック４を迂回してオフガス配管１５に多量のガスを流すことができる。その結果、オフガス配管１５に多量のガスを流した場合にセルスタック４に加わる圧力が上昇しすぎないようにできる。

【0036】

＜別実施形態＞
上記実施形態では、燃料電池装置の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。

【0037】

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、セルスタックから燃焼部へガスが流れる配管内の狭窄を防止できる燃料電池装置に利用できる。

【符号の説明】

【0039】

２ ：気化部
３ ：改質部
４ ：セルスタック
５ ：燃焼部
８ ：原燃料供給器
１０ ：改質用水供給器
１１ ：燃料ガス流路
１１ａ ：燃料ガス分岐部（分岐部）
１２ ：空気供給路
１２ａ ：空気分岐部（分岐部）
１３ ：空気供給器
１５ ：オフガス配管
１６ ：狭窄検出部
１７ ：第１バイパス配管
１８ ：第２バイパス配管
２１ ：制御部

【図1】

【図2】