JP2006120421A - Fuel cell power generation system - Google Patents
Fuel cell power generation system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006120421A JP2006120421A JP2004305939A JP2004305939A JP2006120421A JP 2006120421 A JP2006120421 A JP 2006120421A JP 2004305939 A JP2004305939 A JP 2004305939A JP 2004305939 A JP2004305939 A JP 2004305939A JP 2006120421 A JP2006120421 A JP 2006120421A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- gas
- power generation
- power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は燃料電池発電システムに関し、特に長時間の連続運転を行なうに際して発電効率の低下を抑制する燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly to a fuel cell power generation system that suppresses a decrease in power generation efficiency when performing continuous operation for a long time.
燃料電池発電システムとして、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と、燃料電池に供給する水素に富む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、燃料電池で発生した熱を水を媒体として蓄える貯湯タンクとを備えるものが知られている。燃料電池は、電解質を燃料極と空気極とで挟んで構成されており、燃料極に水素に富む燃料ガスを導入し、空気極に酸素を含有する酸化剤ガスを導入して電気化学的反応を起こさせる。燃料極及び空気極には、電気化学的反応を促進させるために、それぞれ種類の異なる触媒が付着されている。また、燃料処理装置は、原料燃料を改質する改質部と、改質部で生成された水素と一酸化炭素とを含有する混合ガスから一酸化炭素を低減する、一酸化炭素低減部とを有している。一酸化炭素低減部では、混合ガスに酸素含有ガスを加えて一酸化炭素を酸化反応させることにより一酸化炭素を低減する。一酸化炭素低減部には触媒が充填されており、酸化反応を促進させている。 As a fuel cell power generation system, a fuel cell that generates electricity and generates heat by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel processing device that generates a fuel gas rich in hydrogen supplied to the fuel cell, and heat generated in the fuel cell It is known to have a hot water storage tank that stores water as a medium. A fuel cell is constructed by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode, introducing a fuel gas rich in hydrogen into the fuel electrode, and introducing an oxidant gas containing oxygen into the air electrode to perform an electrochemical reaction. Wake up. Different types of catalysts are attached to the fuel electrode and the air electrode in order to promote the electrochemical reaction. The fuel processing apparatus includes a reforming unit that reforms the raw material fuel, and a carbon monoxide reducing unit that reduces carbon monoxide from a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide generated in the reforming unit. have. In the carbon monoxide reduction section, carbon monoxide is reduced by adding an oxygen-containing gas to the mixed gas to cause the carbon monoxide to undergo an oxidation reaction. The carbon monoxide reduction section is filled with a catalyst to promote the oxidation reaction.
一般的に、燃料電池で発電した電力はシステム外の電灯や電気機器等の電力負荷に使用され、発電の際に燃料電池から発生する熱は貯湯タンク等に蓄えられてシステム外の熱需要に使用される。従来の燃料電池発電システムは、システム外の電力負荷や熱需要が存在する場合には、できる限り燃料電池発電システムで発生した電力や熱で需要を賄うように、燃料電池発電システムの運転を継続していた。 In general, the power generated by the fuel cell is used for power loads such as lights and electrical equipment outside the system, and the heat generated from the fuel cell during power generation is stored in a hot water storage tank, etc., to meet the heat demand outside the system. used. Conventional fuel cell power generation systems continue to operate the fuel cell power generation system to cover the demand with the power and heat generated by the fuel cell power generation system as much as possible when there is a power load and heat demand outside the system Was.
しかし、燃料電池発電システムを長時間にわたって連続運転すると、燃料電池の空気極及び燃料極の触媒活性、並びに燃料処理装置の一酸化炭素低減部の触媒活性が低下してしまうことが経験的に認められる。つまり、燃料電池発電システムを長時間にわたって連続運転すると、燃料電池及び燃料処理装置の性能が低下することとなり、効率が低い状態で運転することとなっていた。 However, it has been empirically recognized that if the fuel cell power generation system is continuously operated for a long time, the catalytic activity of the air electrode and the fuel electrode of the fuel cell and the catalytic activity of the carbon monoxide reduction unit of the fuel processing device are reduced. It is done. That is, if the fuel cell power generation system is continuously operated over a long period of time, the performance of the fuel cell and the fuel processing device is lowered, and the fuel cell power generation system is operated with low efficiency.
本発明は上述の課題に鑑み、長時間の連続運転を行なうに際して発電効率の低下を抑制する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that suppresses a decrease in power generation efficiency when performing continuous operation for a long time.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、水素に富む燃料ガスgを導入する燃料極21と酸素を含有する酸化剤ガスa1を導入する空気極22とを有し、燃料ガスg中の水素と酸化剤ガスa1中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池20と;発電された電圧を計測する電圧計測手段24、25と;計測した電圧が所定の値以下になったときに、燃料極21への燃料ガスgの導入を継続しつつ空気極22への酸化剤ガスa1の導入を停止することにより燃料電池20の発電を停止する制御装置40とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention includes a
このように構成すると、計測した電圧が所定の値以下になったときに、燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ空気極への酸化剤ガスの導入を停止するので、燃料電池発電システムの効率が低くなる前に空気極に残留している酸素を消費してさらに空気極を還元雰囲気におくことで空気極の触媒活性を復元させることができる。 With this configuration, when the measured voltage becomes a predetermined value or less, the introduction of the oxidant gas to the air electrode is stopped while continuing the introduction of the fuel gas to the fuel electrode. It is possible to restore the catalytic activity of the air electrode by consuming oxygen remaining in the air electrode and lowering the air electrode in a reducing atmosphere before the efficiency of the air electrode decreases.
また、請求項2に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、水素に富む燃料ガスgを導入する燃料極21と酸素を含有する酸化剤ガスa1を導入する空気極22とを有し、燃料ガスg中の水素と酸化剤ガスa1中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池20と;燃料電池20で発電された累積時間を計測し、その累積時間が第1の所定の時間に達したときに、燃料極21への燃料ガスgの導入を継続しつつ空気極22への酸化剤ガスa1の導入を停止することにより燃料電池20の発電を停止する制御装置40とを備える。
Further, the fuel cell power generation system according to the second aspect of the present invention includes an
このように構成すると、燃料電池で発電された累積時間が第1の所定の時間に達したときに、燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ空気極への酸化剤ガスの導入を停止するので、燃料電池発電システムの効率が低くなる前に空気極に残留している酸素を消費してさらに空気極を還元雰囲気におくことで空気極の触媒活性を復元させることができる。なお「第1の所定時間」は、典型的には、燃料電池を連続運転した際に、燃料電池の電極触媒活性の低下又は燃料処理装置における一酸化炭素低減部の触媒活性の低下が許容できる範囲の運転時間である。 With this configuration, when the cumulative time generated by the fuel cell reaches the first predetermined time, the introduction of the oxidant gas to the air electrode is stopped while the introduction of the fuel gas to the fuel electrode is continued. Therefore, the catalytic activity of the air electrode can be restored by consuming oxygen remaining in the air electrode before the efficiency of the fuel cell power generation system is lowered and further placing the air electrode in a reducing atmosphere. The “first predetermined time” typically allows a decrease in the electrode catalyst activity of the fuel cell or a decrease in the catalyst activity of the carbon monoxide reduction unit in the fuel processing apparatus when the fuel cell is continuously operated. It is the operating time of the range.
また、請求項3に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池発電システム1において、制御装置40が、燃料極21への燃料ガスgの導入を継続しつつ空気極22への酸化剤ガスa1の導入を停止する制御を所定回数行った後、空気極22への酸素の導入を許しつつ燃料極21への燃料ガスgの導入を停止することにより燃料電池20の発電を停止する制御を行なう。
Moreover, the fuel cell power generation system according to the invention described in claim 3 is the fuel cell
このように構成すると、空気極への酸素の導入を許しつつ燃料極への燃料ガスの導入を停止するので、燃料極の触媒活性を復元させることができる。なお、「所定回数」は、空気極及び燃料極の触媒活性の低下の進行の程度を考慮して決定される。 With this configuration, the introduction of the fuel gas to the fuel electrode is stopped while allowing the introduction of oxygen to the air electrode, so that the catalytic activity of the fuel electrode can be restored. The “predetermined number of times” is determined in consideration of the degree of progress of the decrease in the catalytic activity of the air electrode and the fuel electrode.
また、請求項4に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム1において、燃料電池20で発生した熱を、水を媒体として蓄える貯湯タンク31と;貯湯タンク31に蓄えられた蓄熱量を検知する蓄熱量検知手段32と;燃料電池20で発電された電力のうち外部の電力負荷へ供給する電力を検知する外部電力負荷検知手段28と;前述の燃料電池20の発電を停止する条件に加え、蓄熱量検知手段32で検知された蓄熱量が所定の熱量以上で、かつ、外部電力負荷検知手段28で検知された消費電力が所定の電力以下のときに、燃料電池20での発電を停止する制御装置40とを備える。
A fuel cell power generation system according to a fourth aspect of the present invention is the
このように構成すると、前述の燃料電池の発電を停止する条件に加え、蓄熱量が所定の熱量以上で、かつ、消費電力が所定の電力以下のときに、燃料電池での発電を停止するので、燃料電池での発熱及び発電の要求が少ないときに燃料電池を停止することができる。なお、「外部の電力負荷」とは、燃料電池発電システム外の電力負荷であり、したがって、システム内の補器類は含まれない。 With this configuration, in addition to the above-described conditions for stopping the power generation of the fuel cell, the power generation in the fuel cell is stopped when the heat storage amount is equal to or greater than the predetermined heat amount and the power consumption is equal to or less than the predetermined power. The fuel cell can be stopped when there is little demand for heat generation and power generation in the fuel cell. The “external power load” is a power load outside the fuel cell power generation system, and therefore does not include auxiliary devices in the system.
また、請求項5に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム1において、燃料電池20で発生した熱を、水を媒体として蓄える貯湯タンク31と;貯湯タンク31に蓄えられた蓄熱量を検知する蓄熱量検知手段32と;燃料電池20で発電された電力のうち外部の電力負荷へ供給する電力を検知する外部電力負荷検知手段28と;蓄熱量検知手段32で検知された蓄熱量に基いて一日のうちの蓄熱量の変動を記録し、外部電力負荷検知手段28で検知された消費電力に基いて一日のうちの消費電力の変動を記録し、蓄熱量及び消費電力の記録に基いて、一日のうちで蓄熱量が所定の熱量以上、かつ、消費電力が所定の電力以下になると予想される時間帯に、前述の燃料電池20の発電を停止する条件を具備したときに、燃料電池20での発電を停止する制御装置40とを備える。
Further, the fuel cell power generation system according to the invention described in
このように構成すると、一日のうちで蓄熱量が所定の熱量以上、かつ、消費電力が所定の電力以下になると予想される時間帯に、前述の燃料電池の発電を停止する条件を具備したときに、燃料電池での発電を停止するので、燃料電池での発熱及び発電の要求が少ないと予想される時間帯に燃料電池を停止することができる。 If comprised in this way, the condition which stops the electric power generation of the above-mentioned fuel cell was comprised in the time slot | zone when it is anticipated that the heat storage amount will be more than predetermined | prescribed amount of heat within a day, and power consumption will be below predetermined | prescribed electric power. Occasionally, since power generation in the fuel cell is stopped, it is possible to stop the fuel cell in a time zone in which it is expected that there is little demand for heat generation and power generation in the fuel cell.
また、請求項6に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム1において、制御装置40は、燃料電池20の発電の停止後、第2の所定時間が経過した後に、燃料電池20の発電を再開する。ここで、燃料電池の発電の再開は、空気極への酸化剤ガスの導入が停止されているときは空気極への酸化剤ガスの導入の再開により、燃料極への燃料ガスの導入が停止されているときは燃料極への燃料ガスの導入の再開により行なわれ、燃料極への燃料ガスの導入の再開には、空気極への酸化剤ガスの導入を一旦止めた後に、燃料極への燃料ガスの導入、空気極への酸化剤ガスの導入の順に再開される場合も含まれる。
Further, the fuel cell power generation system according to the invention described in claim 6 is the
このように構成すると、燃料電池20の発電の停止後、第2の所定時間が経過した後に、燃料電池の発電を再開するので、燃料電池の性能を低下させる要因がなくなった後に燃料電池での発電を再開させることとなり、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。なお、「第2の所定時間」は、典型的には、燃料電池の触媒活性が復元するまでに必要な時間である。
With this configuration, the power generation of the fuel cell is resumed after the second predetermined time has elapsed after the power generation of the
また、請求項7に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム1において、原料燃料mを導入し改質して水素と一酸化炭素とを含む混合ガスrを生成する改質部13と、改質に必要な熱を改質部13に供給する燃焼部11と、酸素含有ガスa2と混合ガスrとを導入して混合ガスr中の一酸化炭素を低減し燃料ガスgを生成する一酸化炭素低減部14とを有する燃料処理装置10と;燃料極21への燃料ガスgの導入を停止したときに、燃料処理装置10で生成された燃料ガスgを燃料極21をバイパスして燃焼部11に導入すると共に、一酸化炭素低減部14への酸素含有ガスa2の導入を停止するように制御する制御装置40とを備える。
A fuel cell power generation system according to the invention described in claim 7 is the fuel cell
このように構成すると、燃料処理装置で生成された燃料ガスを燃料極をバイパスして燃焼部に導入すると共に一酸化炭素低減部への酸素含有ガスの導入を停止するので、燃料処理装置での水素を含有する混合ガスの生成を継続してその混合ガスで一酸化炭素低減部の触媒活性を復元させることができる。 If comprised in this way, since the fuel gas produced | generated with the fuel processing apparatus bypasses a fuel electrode and introduce | transduces into a combustion part, and introduction | transduction of the oxygen-containing gas to a carbon monoxide reduction part is stopped, The generation of the mixed gas containing hydrogen can be continued to restore the catalytic activity of the carbon monoxide reducing portion with the mixed gas.
本発明によれば、計測した電圧が所定の値以下になったとき、若しくは燃料電池で発電された累積時間が第1の所定の時間に達したときに、燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ空気極への酸化剤ガスの導入を停止するので、燃料電池の空気極の触媒活性を復元させ、長時間の連続運転を行なうに際して発電効率の低下を抑制することができる。 According to the present invention, when the measured voltage falls below a predetermined value, or when the accumulated time generated by the fuel cell reaches the first predetermined time, the fuel gas is introduced into the fuel electrode. Since the introduction of the oxidant gas to the air electrode is stopped while continuing, the catalytic activity of the air electrode of the fuel cell can be restored, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed when performing continuous operation for a long time.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。図1中、破線は制御信号を表す。
まず、図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1を説明する模式的系統図である。燃料電池発電システム1は、燃料処理装置10と、燃料電池20と、貯湯タンク31と、制御装置40とを備えている。以下、これらの構成を順に説明する。
Hereinafter, a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, a broken line represents a control signal.
First, a configuration of a fuel cell
燃料処理装置10は、原料燃料mと改質用水sとを導入し、原料燃料mを改質して水素に富む燃料ガスgを生成する装置である。燃料処理装置10は、燃焼部11と、水蒸気発生部12と、改質部13と、一酸化炭素低減部14とを有している。
The
燃焼部11は、原料燃料mを改質するために必要な改質熱を発生するように構成されている。燃焼部11は、典型的にはバーナーを有しており、燃焼用の燃料m1と燃焼用の空気a3とを導入し、燃焼用の燃料m1を燃焼させて改質熱を発生するように構成されている。燃焼用の燃料m1には、原料燃料mを用いてもよいし、他の燃料を用いてもよい。また、燃焼用の燃料m1の代わりに、燃料電池20の燃料極21から導出されるアノードオフガスpを導入して燃焼させてもよく、燃料処理装置10で生成した燃料ガスgを導入して燃焼させてもよい。なお、アノードオフガスpとは、燃料電池20の燃料極21に導入された燃料ガスのうち電気化学的反応に使用されずに排出された、水素を含むガスである。燃焼部11で燃焼された燃焼用の燃料m1又はアノードオフガスp又は燃料ガスgは、排ガスeとして燃焼部11から排出される。燃焼部11と燃料電池20の燃料極21とは、流路53を介して接続されている。
The
水蒸気発生部12は、改質用水sを導入し加熱して、原料燃料mを改質するために必要な水蒸気を作り出すように構成されている。水蒸気発生部12には、改質用水sを導入するための流路50が接続されている。流路50には、改質用水制御弁17が配設されている。改質用水制御弁17が開閉動作をすることにより、水蒸気発生部12への改質用水sの導入量を調整し、又は停止することができる。改質用水制御弁17と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、改質用水制御弁17は制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調整することができるように構成されている。水蒸気発生部12は、燃焼部11及び一酸化炭素低減部14と隣接するように設置され、燃焼部11及び一酸化炭素低減部14から放出される熱を改質用水sの気化熱に利用することが好ましい。
The water
改質部13は、原料燃料mを導入し改質して、水素を主成分とし一酸化炭素を含む混合ガスrを生成するように構成されている。改質部13は、原料燃料mの他に水蒸気発生部12で生成された水蒸気を導入し、燃焼部11から改質熱を得て、原料燃料mを水蒸気改質反応させるように構成されている。また、改質部13には、改質反応を促進させるための改質触媒が充填されている。改質触媒は、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。
The reforming
改質部13に導入される原料燃料mは、典型的には、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール等の気体の原料燃料や、GTL(Gas to Liquid)や灯油等の液体の原料燃料が用いられる。原料燃料mは、改質触媒の硫黄被毒を回避するために、脱硫器(不図示)により脱硫された後に改質部13に導入されることが好ましい。気体の原料燃料mは、ブロワ18により改質部13に圧送されるように構成されている。原料燃料mが液体の場合は、ブロワ18に代えてポンプが用いられる。また、原料燃料mが液体の場合は、改質部13の上流側に気化器を設けることが好ましい。液体の原料燃料mを気化するための気化熱は、燃焼部11の熱を利用するとよい。
The raw material fuel m introduced into the reforming
一酸化炭素低減部14は、混合ガスrを導入し、これに酸素含有ガスa2を加え、混合ガスr中の一酸化炭素を低減して水素に富む燃料ガスgを生成するように構成されている。酸素含有ガスa2は、典型的には空気である。また、「水素に富む燃料ガス」とは、水素を40%以上、典型的には75%程度含むガスである。一酸化炭素低減部14は、さらに、変成部15と選択酸化部16とに分けられて、混合ガスrから効率的に一酸化炭素を低減するように構成されていることが好ましい。
The carbon
変成部15は、変成触媒が充填されており、混合ガスrを導入して混合ガスr中の一酸化炭素を低減した、水素に富む変成ガスhを生成するように構成されている。変成触媒としては、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。
The
選択酸化部16は、選択酸化触媒が充填されており、変成ガスhを導入してこれに酸素含有ガスa2を加え、変成ガスhからさらに一酸化炭素を低減して水素に富む燃料ガスgを生成するように構成されている。選択酸化触媒としては、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。また、選択酸化部16には、酸素含有ガスa2を導入するための流路51が接続されている。流路51には、酸素含有ガス制御弁19が配設されている。酸素含有ガス制御弁19が開閉動作をすることにより、選択酸化部16への酸素含有ガスa2の導入量を調整し、又は停止することができる。酸素含有ガス制御弁19と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、酸素含有ガス制御弁19は制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調整することができるように構成されている。また、選択酸化部16と燃料電池20の燃料極21とは、流路52を介して接続されている。また、流路52と流路53との間にバイパス流路54が設けられており、選択酸化部16で生成された燃料ガスgを、燃料電池20の燃料極21に導入させずに、直接燃焼部11に導くことができるように構成されている。バイパス流路54にはバイパス制御弁41が配設されており、バイパス流路54内を流れる燃料ガスgの流量を調整できるように構成されている。バイパス制御弁41と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、バイパス制御弁41は制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調整することができるように構成されている。
The
燃料電池20は、水素に富む燃料ガスgと酸素を含有する酸化剤ガスa1とを導入し、燃料ガスg中の水素と酸化剤ガスa1中の酸素との電気化学的反応により発電し熱と水分とを発生する装置である。燃料電池20は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池20は、燃料極21と空気極22との間に電解質(不図示)を挟んで構成されるセルが複数積層されて構成されている。複数積層されたセルの間の適切な箇所に冷却部23が設けられている。
The
燃料極21は、燃料ガスgを導入し、アノードオフガスpを排出するように構成されている。アノードオフガスpとは、前述の通り、燃料ガスgのうちの電気化学的反応に使われなかった水素を含むオフガスである。燃料極21は、典型的には、カーボン担体に白金−ルテニウム触媒を付着させて構成されている。燃料極21には、燃料ガスgを導入する流路52と、アノードオフガスpを排出する流路53とが接続されている。流路52には燃料ガス制御弁42が配設されている。燃料ガス制御弁42と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されている。燃料ガス制御弁42は、制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調整し、燃料極21に導入する燃料ガスgの流量を調整することができるように構成されている。他方、流路53にはアノードオフガス開閉弁43が配設されている。アノードオフガス開閉弁43と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されている。アノードオフガス開閉弁43は、制御装置40からの信号を受信して弁の開閉動作をすることができるように構成されている。
The
空気極22は、酸化剤ガスa1を導入し、カソードオフガスqを排出するように構成されている。カソードオフガスqとは、酸化剤ガスa1のうちの電気化学的反応に使われなかったガスと、電気化学的反応により生じた水分とが混合したオフガスである。空気極22は、典型的には、カーボン担体に白金触媒を付着させて構成されている。空気極22には、酸化剤ガスa1を導入する流路55と、カソードオフガスqを排出する流路56とが接続されている。流路55には酸化剤ガス制御弁44が配設されている。酸化剤ガス制御弁44と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されている。酸化剤ガス制御弁44は、制御装置40からの信号を受信して弁の開度を調整し、空気極22に導入する酸化剤ガスa1の流量を調整することができるように構成されている。また、流路55にはブロワ(不図示)が配設されており、酸化剤ガスa1を空気極22に圧送することができるように構成されている。他方、流路56にはカソードオフガス開閉弁45が配設されている。カソードオフガス開閉弁45と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されている。カソードオフガス開閉弁45は、制御装置40からの信号を受信して弁の開閉動作をすることができるように構成されている。
The
冷却部23は、冷却水cを媒体として、燃料電池20から電気化学的反応によって生じた熱を搬出するように構成されている。冷却部23には循環流路58が接続されている。循環流路58には熱交換器33と冷却水ポンプ35が設けられており、冷却部23から導出された冷却水cの温度を熱交換器33で下げ、温度の下がった冷却水cを冷却水ポンプ35で冷却部23に圧送することができるように構成されている。
The cooling
燃料電池20には、複数積層されたセルのうち、個別のセルの電圧を計測することができるセル電圧計測器24が接続されている。なお、図1中の燃料電池20は、実際には複数積層されたセルを簡略化して観念的に示している。セル電圧計測器24と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、セル電圧計測器24で計測した各セルの電圧を信号として随時制御装置40に送信することができるように構成されている。セル電圧計測器24で電圧を計測するセルは、典型的には、燃料電池20のすべてのセルであるが、適当なセルをいくつか選ぶようにしてもよい。また、一つのセル毎に限らず複数のセル毎に電圧を計測するようにしてもよい。
A cell
また、燃料電池20には電気化学的反応により発電した電流が流れるケーブル29a、29bが接続されている。空気極22にはケーブル29aが、燃料極21にはケーブル29bが接続されており、ケーブル29a、29bによって燃料電池20とパワーコンディショナー28とが接続されている。燃料電池20で発電される電力は直流電力であり、電流は空気極22からケーブル29a、パワーコンディショナー28、ケーブル29bを介して燃料極21に向かって流れる。ケーブル29aには、燃料電池20からの電流を計測する電流計26が配設されている。電流計26と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、電流計26で計測した電流を信号として随時制御装置40に送信することができるように構成されている。また、ケーブル29a、29bには燃料電池20全体の電圧を計測する電圧計25が配設されている。電圧計25と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、電圧計25で計測した燃料電池20全体の電圧を信号として随時制御装置40に送信することができるように構成されている。
The
燃料電池20とケーブル29a、29bで接続されたパワーコンディショナー28は、直流電力を交流電力に変換する装置である。パワーコンディショナー28は、システム外の外部電力負荷へ送電される電力源を、燃料電池20での発電電力とするかシステム外の系統電力(典型的には商用電力)とするかの切換え及び両電力の比率の変更をすることができるように構成されている。パワーコンディショナー28には、ケーブル68が接続されており、変換した交流電力を、電灯や電気機器等の外部電力負荷に供給することができるように構成されている。また、パワーコンディショナー28は、外部電力負荷へ供給する電力を検知することができ、外部電力負荷検知手段としても機能している。厳密にいえば、外部電力負荷へ供給する電力は、外部電力負荷が消費する電力に送電ロスを加えた電力となるが、ここでは便宜上送電ロスを無視して、外部電力負荷へ供給する電力と外部電力負荷が消費する電力とが同じであるとして説明する。パワーコンディショナー28と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、検知した外部電力負荷を信号として随時制御装置40に送信することができるように構成されている。なお、パワーコンディショナー28に外部電力負荷検知手段としての機能を持たせずに、外部電力負荷検知器を別途ケーブル68に設けてもよい。また、パワーコンディショナー28は、電圧降下用の抵抗を備えていてもよい。
A
貯湯タンク31は、燃料電池20で発生した熱を、水を媒体として蓄えるタンクである。貯湯タンク31で蓄えられた熱は、典型的には、システム外の給湯や暖房等の熱需要にて消費される。貯湯タンク31には循環流路59が接続されており、循環流路59には熱交換器33と循環ポンプ34とが設けられている。循環流路59は、貯湯タンク31の上部と下部とを結んで構成されており、貯湯タンク31の下部から温度が低い水が流出し、貯湯タンク31の上部に温度が高い水が流入するように構成されている。なお、ここで説明した「水」は、温度を考慮しておらず、温度を考慮すると、貯湯タンク31に出入りする水は、いわゆる「温水」である。貯湯タンク31内の温度分布は、上部の温度が高く、下部に行くにしたがって温度が低くなる、いわゆる温度成層が形成されている。また、貯湯タンク31には、温度が高い水をシステム外の熱需要に向けて導出する外部流路61と、システム外の熱需要で熱が消費されて温度が下がった水を外部流路61よりも下部に導入する外部流路62とが接続されている。
The hot
貯湯タンク31は、典型的には、密閉型のタンクである。貯湯タンク31には、貯湯タンク31内の蓄熱量を検知することができる、蓄熱量検知手段としての蓄熱量検知器32が設けられている。蓄熱量検知器32は、複数の温度計32a〜32eを有している。温度計32a〜32eを貯湯タンク31の鉛直方向に配置することにより、蓄熱量検知器32は、貯湯タンク31の鉛直方向の温度分布から蓄熱量を検知することができるように構成されている。蓄熱量検知器32と制御装置40との間には信号ケーブルが敷設されており、蓄熱量検知器32で検知した貯湯タンク31の蓄熱量を信号として制御装置40に随時送信することができるように構成されている。
The hot
制御装置40は、セル電圧計測器24、電圧計25及び電流計26からの信号を受信し、次のような判断をして、酸化剤ガス制御弁44に、又はバイパス制御弁41及び燃料ガス制御弁42並びに酸素含有ガス制御弁19に信号を送信することができるように構成されている。制御装置40における判断は、セル電圧計測器24で計測したセル電圧のうち最も低いもの又は電圧計25で計測した燃料電池20の電圧が、電流計26で計測した電流値に応じた所定の電圧以下になったときに、酸化剤ガス制御弁44を全閉にするか、又はバイパス制御弁41を開にすると共に燃料ガス制御弁42及び酸素含有ガス制御弁19を全閉にする。このように制御弁を動作させるきっかけとなる、電流計26で計測した電流値に応じた所定の電圧の値は、対象が、セル電圧計測器24で計測したセル電圧か、電圧計25で計測した燃料電池20の電圧かで異なる。以下、セル電圧計測器24で計測したセル電圧と比較する際の電流計26で計測した電流値に応じた所定の電圧値を「第1の所定の値」と、電圧計25で計測した燃料電池20の電圧と比較する際の電流計26で計測した電流値に応じた所定の電圧値を「第2の所定の値」ということとする。
The
ここで図2を参照して、電流計26で計測した電流値と所定の電圧との関係について説明する。図2は、燃料電池20の電流と電圧との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は電圧(グラフの左側に燃料電池全体の電圧(スタック電圧)の目盛を、右側にセル電圧の目盛を示す)、横軸は電流である。図中、曲線STNは、定常運転時(燃料電池20の触媒活性が低下していない時)の発電電流に対する燃料電池全体の電圧を表している。曲線STDは、電流計26で計測した電流値に応じた第2の所定の電圧値を表している。
Here, the relationship between the current value measured by the
曲線CLNは、ある運転時(燃料電池20の触媒活性には無関係)の発電電流に対し、燃料電池20を構成する各セルが受け持つ電圧を(平均セル電圧)を表している。曲線CLNは、燃料電池20の触媒活性が低下してくると低い電圧値を示すようになり、他方、触媒活性を回復した直後は高い電圧値を示すようになる。曲線CLDは、曲線CLN(平均セル電圧)よりある一定の電圧が低下した電圧を表している。曲線CLDで示される電圧値が、第1の所定の電圧値に相当する。
A curve CLN represents a voltage (average cell voltage) that each cell constituting the
制御装置40は、セル電圧計測器24で計測したセル電圧のうち最も低い電圧値を示すセル(ある複数のセル毎に電圧を計測している場合はそのまとまったセル)の電圧が曲線CLNより算出された曲線CLD以下になるか、電圧計25で計測した燃料電池20の電圧が曲線STD以下になったときに、上述のように制御弁を動作させるように構成されている(段落0039参照)。例えば、電流計26で計測した電流値が15Aのとき、セル電圧計測器24で計測した単一のセル電圧のうち最も低い電圧値を示すセルの電圧が平均セル電圧を示す曲線CLNより0.15V低下したときに(複数のセル毎に電圧を計測している場合はそのまとまったセルの電圧(例えばセル3枚毎に電圧を計測している場合はセル3枚の合計の電圧)から0.15V低下したとき)、上述のような制御を行なう。又は電流計26で計測した電流値が15Aのとき、電圧計25で計測した燃料電池20全体の電圧が38V以下になったときに、上述のような制御を行なう。
The
再び図1に戻って、燃料電池発電システム1の構成について説明する。制御装置40は、また、電流計26から受信する信号に基き燃料電池20が発電した累積の時間を計測し、累積時間が第1の所定時間に達したときに、酸化剤ガス制御弁44に信号を送信して酸化剤ガス制御弁44を全閉にすることができるように構成されている。又は、累積時間が第1の所定時間に達したときに、バイパス制御弁41及び燃料ガス制御弁42並びに酸素含有ガス制御弁19に信号を送信してバイパス制御弁41を開にすると共に燃料ガス制御弁42及び酸素含有ガス制御弁19を全閉にすることができるように構成されている。ここで、「第1の所定時間」とは、燃料電池20を連続運転した際に、燃料電池20の電極触媒活性の低下又は燃料処理装置10の選択酸化部16の触媒活性の低下が許容できる範囲の運転時間である。第1の所定時間は、発電電流の大小には無関係に計測されるため、安全側を見て、最大電流を基準に決定される。
Returning to FIG. 1 again, the configuration of the fuel cell
また、制御装置40は、パワーコンディショナー28及び蓄熱量検知器32からの信号を受信して、上述の電圧の低下又は第1の所定の累積時間の経過に加えて、貯湯タンク31の蓄熱量が所定の蓄熱量以上で、かつ、外部電力負荷の消費電力が所定の電力以下のときに、酸化剤ガス制御弁44に、又はバイパス制御弁41及び燃料ガス制御弁42並びに酸素含有ガス制御弁19に信号を送信することができるように構成されている。このとき、信号を受信した酸化剤ガス制御弁44は全閉となる。また、バイパス制御弁41は開になると共に燃料ガス制御弁42及び酸素含有ガス制御弁19は全閉となる。
Moreover, the
また、制御装置40は、随時受信するパワーコンディショナー28及び蓄熱量検知器32からの信号に基き、一日のうちの蓄熱量及び消費電力の変動を記録することができるように構成されている。制御装置40は、上述の電圧の低下又は第1の所定の累積時間の経過に加えて、記録された蓄熱量及び消費電力の変動に基き、一日のうちで蓄熱量が所定の熱量以上、かつ、消費電力が所定の電力以下になると予想される時間帯に、酸化剤ガス制御弁44に、又はバイパス制御弁41及び燃料ガス制御弁42並びに酸素含有ガス制御弁19に信号を送信することができるように構成されていてもよい。このとき、信号を受信した酸化剤ガス制御弁44は全閉となる。また、バイパス制御弁41は開になると共に燃料ガス制御弁42及び酸素含有ガス制御弁19は全閉となる。
Moreover, the
続いて図1に加え、図3、図4を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の作用について説明する。図3は本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の動作を説明するフローチャートである。また、図4は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の各制御弁の状態を図3のフローチャートにおける各工程毎に示す図である。なお、図4中、「開」は内部を流れるガスの必要量に応じて弁開度が調整されて開いている状態であり、「全閉」はガスの流通を遮断している状態である。
Subsequently, the operation of the fuel cell
燃料処理装置10では、以下のように燃料ガスgが生成される(S201)。燃焼部11に燃焼用の燃料m1としての原料燃料mと燃焼用の空気a3とが導入され、原料燃料mが燃やされる。水蒸気発生部12には改質用水sが導入され、燃焼部11から受熱して水蒸気が生成される。生成された水蒸気と原料燃料mとが改質部13に導入され、改質熱を得て原料燃料mが水蒸気改質反応により改質されて、水素と一酸化炭素とが混合した混合ガスrが生成される。例えば、原料燃料mがメタンの場合は、次の(1)式に示す水蒸気改質反応が行なわれる。
CH4+H2O→3H2+CO ・・・(1)
混合ガスrは改質部13から変成部15に導かれ、次の(2)式に示す水蒸気との変成反応が行なわれ、変成ガスhが生成される。なお、(2)式には表れないが、変成ガスhは変成反応が行なわれなかった一酸化炭素を含んでいる。
CO+H2O→H2+CO2 ・・・(2)
変成ガスhは変成部15から選択酸化部16に導かれ、酸素含有ガスa2を導入して選択酸化反応が行なわれる。選択酸化反応により、変成ガスhは一酸化炭素をほとんど含まない、水素に富む燃料ガスgとなる。選択酸化反応は次の(3)式で表される。
2CO+O2→2CO2 ・・・(3)
以上のように、燃料処理装置10で燃料ガスgが生成される(S201)。このとき、図4に示すように、酸素含有ガス制御弁19は開となっている。
In the
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (1)
The mixed gas r is introduced from the reforming
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)
The shift gas h is introduced from the
2CO + O 2 → 2CO 2 (3)
As described above, the fuel gas g is generated in the fuel processing apparatus 10 (S201). At this time, as shown in FIG. 4, the oxygen-containing
燃料処理装置10で生成された燃料ガスgは、燃料電池20の燃料極21に導入される。他方、空気極22には酸化剤ガスa1が導入される(S202)。燃料ガスgと酸化剤ガスa1とが導入された燃料電池20では、燃料ガスg中の水素と酸化剤ガスa1中の酸素との電気化学的反応により発電し、発熱する(S203)。電気化学的反応後は、燃料極21からアノードオフガスpが排出され、空気極22からカソードオフガスqが排出される。アノードオフガスpは水素を含んでおり、燃料処理装置10の燃焼部11に導かれ、燃やされて、改質熱を発生させる。燃焼部11にアノードオフガスpが導入されると、燃焼用の燃料m1及び燃焼用の空気a3の導入は停止される。燃料電池20で発電された直流電力はパワーコンディショナー28で交流電力に変換され、システム外の外部電力負荷に送電されて消費される。なお、燃料電池発電システム1が停止しているとき又は起動し始めのときで、燃料電池20での発電電力だけでは必要な電力が不足する場合は、システム外の系統電力から必要な電力を賄う。燃料電池20での発電電力及び系統電力の外部電力負荷への接続の切換は、パワーコンディショナー28が行なう。
The fuel gas g generated by the
一方、燃料電池20での電気化学的反応の際に発生した熱は、冷却部23を通る冷却水cに奪われて燃料電池20の外に搬出される。冷却水cに奪われた熱は熱交換器33にて流路59を流れる温水uに伝達される。冷却水cから受熱した温水uは貯湯タンク31に導入され、熱が貯湯タンク31に蓄えられる。貯湯タンク31に蓄えられた熱は、システム外の給湯や暖房等の熱需要に供給されて消費される。なお、燃料電池20で発生した熱を貯湯タンク31に蓄えるに際し、熱交換器33を介さなくてもよいが、熱交換器33を設けることで冷却水cの水質管理が容易となる。
On the other hand, the heat generated during the electrochemical reaction in the
ところで、燃料電池発電システム1の運転を長時間にわたって継続していると、燃料電池20の空気極22及び燃料極21の触媒活性、並びに燃料処理装置10の選択酸化部16の触媒活性が低下してしまうことが経験的に認められる。燃料電池20及び燃料処理装置10の性能が低下すると、効率が低い状態で運転することとなり不経済である。このような不都合を回避するために、燃料電池発電システム1は、制御装置40により以下のように制御される。
By the way, if the operation of the fuel cell
燃料電池発電システム1の運転中に、制御装置40は、セル電圧検知器24及び電圧計25から送信される発電電圧の信号、並びに電流計26から送信される発電電流の信号に基き、セル電圧のうち最も低いものが第1の所定の値以下になったか、又は燃料電池20の発電電圧が第2の所定の値以下になったか否かを判断している(S204)。セル電圧のうち最も低いものが第1の所定の値より大きいか、又は燃料電池20の発電電圧が第2の所定の値より大きければ、燃料ガスg及び酸化剤ガスa1の燃料電池20への導入を継続する(S202)。セル電圧のうち最も低いものが第1の所定の値以下か、又は燃料電池20の発電電圧が第2の所定の値以下であれば、蓄熱量検知器32から送信される信号に基き、貯湯タンク31内の蓄熱量が所定の熱量以上か否かを判断する(S205)。蓄熱量が所定の熱量未満であれば、燃料ガスg及び酸化剤ガスa1の燃料電池20への導入を継続する(S202)。蓄熱量が所定の熱量以上であれば、パワーコンディショナー28から送信される信号に基き、外部電力負荷での消費電力が所定の電力以下か否かを判断する(S206)。消費電力が所定の電力より大きければ、燃料ガスg及び酸化剤ガスa1の燃料電池20への導入を継続する(S202)。消費電力が所定の電力以下であれば次の工程(S207)に進む。
During the operation of the fuel cell
消費電力が所定の値以下であれば、電流を絞ることで燃料電池20での発電電力を降下させる(S207)。電流を絞るには、燃料ガス制御弁42、酸化剤ガス制御弁44、酸素含有ガス制御弁19、改質用水制御弁17を制御して、燃料ガスgを生成するのに十分足りる温度に燃料処理装置10の温度を保ちつつ、燃料ガスg、酸化剤ガスa1、酸素含有ガスa2、改質用水sの燃料電池発電システム1内への導入量を減らす。電流を絞って、燃料電池発電システム1内の補機類の電力を賄う状態まで発電電力を降下させる。
If the power consumption is less than or equal to a predetermined value, the power generated by the
発電電力を降下させた後、燃料電池20への燃料ガスg又は酸化剤ガスa1の導入を停止して、燃料電池20の電極触媒活性の低下を抑制するのであるが、空気極22の触媒活性の低下が起こる頻度と燃料極21の触媒活性の低下が起こる頻度とは同じではない。本発明では両者の起こる頻度を考慮して、空気極22への酸化剤ガスa1の導入の停止を3回行なううちに燃料極21への燃料ガスgの導入停止を1回行なうこととする。そして、ここでは、燃料ガスgと酸化剤ガスa1のどちらの導入を停止するか判断するために便宜的に用いる記号Nの値が3以下か否かを判断する(S208)。そして、まず、Nの値が3以下である場合の説明をする。なお、このNの値が「所定回数」に相当する。
After the generated power is lowered, the introduction of the fuel gas g or the oxidant gas a1 to the
Nの値が3以下であるときは、そのときのNの値に1を加えた値を新たにNとする(S230)。この後、燃料電池システム1内の補機類のうち微小電力を消費する補機の動力のみを燃料電池20で賄い、他の補機類の電力を燃料電池発電システム1外の系統電力から賄う状態とする。又は補機類の電力のすべてを系統電力から賄う状態とし、電圧降下用の抵抗(不図示)をあらかじめパワーコンディショナー28に備えておき、燃料電池20を、ケーブル29a、29b、及びパワーコンディショナー28内の電圧降下用の抵抗(不図示)に接続してもよい(S231)。
When the value of N is 3 or less, a value obtained by adding 1 to the value of N at that time is newly set as N (S230). After this, only the power of the auxiliary machine that consumes minute electric power among the auxiliary machines in the
次に、酸化剤ガス制御弁44及びカソードオフガス開閉弁45を全閉にし(S232)、燃料電池20の空気極22への酸化剤ガスa1の導入を停止する(S233)。このとき、燃料極21への燃料ガスgの導入は継続している。これにより、空気極22の酸素濃度が低下し、また、燃料電池20に残っていた電圧が、微小電力を消費する補機の動力、あるいは電圧降下用の抵抗(不図示)によって降圧され(S234)、燃料電池20の発電が停止する。その後、第2の所定時間が経過するまで、燃料極21に燃料ガスgを流し続ける(S235)。これにより、燃料極21から空気極22に燃料ガスgが少しずつ拡散移動して、空気極22の触媒活性を復元させる。このようにして燃料電池20の性能が回復する。なお、第2の所定時間とは、空気極22の触媒活性が復元するまでに必要な時間である。第2の所定時間が経過したら(S235)、酸化剤ガス制御弁44及びカソードオフガス開閉弁45を開として(S236)、燃料電池20への酸化剤ガスa1の導入を再開して(S202)、発電を再開する(S203)。
Next, the oxidant
次に、Nの値が3以下でない場合を説明する。この場合は、Nの値を0にする(S250)。この後、補機類の電力を系統電力から賄う状態として完全に電流値を0とする。次に、バイパス制御弁41を開にして燃料ガス制御弁42及びアノードオフガス開閉弁43を閉にする(S251)。このとき、酸化剤ガス制御弁44を開として酸化剤ガスa1の導入を許し、燃料電池20への燃料ガスgの導入停止に伴う燃料電池20の温度低下により、空気極22が負圧になるのを防いでいる。燃料ガス制御弁42及びアノードオフガス開閉弁43を閉にすることにより、燃料電池20への燃料ガスgの導入が停止される(S252)。燃料電池20への導入が停止された燃料ガスgは、バイパス流路54を通って、燃料処理装置10の燃焼部11に直接導入される。燃料処理装置10では燃料ガスgの生成が継続されている。次に、酸素含有ガス制御弁19を閉にして選択酸化部16への酸素含有ガスa2の導入を停止する(S253)。選択酸化部16に充填されている触媒の触媒活性は、継続して生成されている変成ガスhにより復元され、燃料処理装置10の性能が回復する。ここで、生成されているガスが変成ガスhであるのは、選択酸化部16への酸素含有ガスa2の導入が停止されているため選択酸化反応が行なわれず、燃料ガスgが生成されないからである。なお、ここで生成されるのが一酸化炭素を含む変成ガスhであっても、これが燃料極21に導入されることがないため、燃料極21の電極触媒の被毒の問題は生じない。
Next, a case where the value of N is not 3 or less will be described. In this case, the value of N is set to 0 (S250). Thereafter, the current value is completely set to 0 in a state where the power of the auxiliary machinery is covered by the system power. Next, the
燃料極21への燃料ガスgの導入が停止されると(S252)燃料電池20の発電が停止する。その後、第2の所定時間が経過するまでその状態を維持する(S254)。第2の所定時間が経過するまでの間に、空気極22に自然拡散により入り込んでくる酸化剤ガスa1が空気極22から燃料極21に少しずつ拡散により移動して、酸化剤ガスa1のうちの酸素分子により燃料極21の触媒活性が復元され、燃料電池20の性能が回復する。なお、この場合における第2の所定時間とは、燃料極21の触媒活性が復元するまでに必要な時間である。
When the introduction of the fuel gas g to the
第2の所定時間が経過したら(S254)、酸化剤ガス制御弁44及びカソードオフガス開閉弁45を閉にする(S255)。その後、第3の所定時間が経過したら(S256)、酸素含有ガス制御弁19を開にする(S257)。続いて、燃料ガス制御弁42及びアノードオフガス開閉弁43を開とし、バイパス制御弁41を閉として(S258)、燃料電池20への燃料ガスgの導入を再開する。その後、酸化剤ガス制御弁44及びカソードオフガス開閉弁45を開にし(S259)、酸化剤ガスa1の導入も再開して(S202)、発電を再開する(S203)。
When the second predetermined time has elapsed (S254), the oxidant
ここで、燃料電池20への燃料ガスgの導入を停止してから再開するまでの間、燃料処理装置10へ原料燃料mを供給する状態を維持して選択酸化触媒を復元しており、燃料処理装置10が冷えることがないので、燃料処理装置10の起動時の予熱に使うための熱を節約することができる。なお、このことは長時間にわたってシステム外の熱需要や電力負荷がない場合に、燃料処理装置10の停止をすることを妨げる趣旨ではない。また、燃料電池20の発電を再開する際に、燃料電池20の燃料極21へ燃料ガスgを先に導入し、その後空気極22に酸化剤ガスa1を導入するようにして、空気極22が瞬時に高電位になることを防止し、電極の劣化を防止するようにしている。
Here, during the period from when the introduction of the fuel gas g to the
図3のフローチャートにおいて、セル電圧のうち最も低いものが第1の所定の値以下になったか、又は燃料電池20の発電電圧が第2の所定の値以下になったか否かを判断する(S204)ことに代えて、電流計26から送信される信号に基いて燃料電池20で発電された累積時間を計測し、累積時間が第1の所定時間に達したか否かを判断してもよい。この場合、累積時間が第1の所定時間に達していない場合は、燃料ガスg及び酸化剤ガスa1の燃料電池20への導入を継続する(S202)。累積時間が第1の所定時間に達した場合は、貯湯タンク31内の蓄熱量が所定の熱量以上か否かを判断する工程に進み(S205)、以下、フローにしたがって制御される。なお、第1の所定時間とは、燃料電池発電システム1を連続運転するときに、経験から把握される、燃料電池20及び燃料処理装置10の性能の低下が許容できる範囲の時間である。また、累積時間の計測は、燃料電池20への酸化剤ガスa1又は燃料ガスgの導入を停止することにより、燃料電池20の発電を停止する毎にリセットされる。
In the flowchart of FIG. 3, it is determined whether or not the lowest cell voltage is equal to or lower than a first predetermined value, or whether the power generation voltage of the
また、図3のフローチャートにおいて、貯湯タンク31内の蓄熱量の判断(S205)及び外部電力負荷の消費電力の判断(S206)は、判断時の状況ではなく、制御装置40に記憶されている過去の蓄熱量及び消費電力の変動に基き予想された状況でもよい。このとき、消費電力が所定の電力以下になる時間帯にあわせて蓄熱量が所定の熱量以上になるように燃料電池発電システム1を運転するとよい。
In the flowchart of FIG. 3, the determination of the amount of heat stored in the hot water storage tank 31 (S205) and the determination of the power consumption of the external power load (S206) are not the situation at the time of determination, but the past stored in the
以上の説明では、一酸化炭素低減部14は変成部15と選択酸化部16とを有することとして説明したが(段落0027)、燃料電池20の触媒を硫黄被毒させない程度に混合ガスr中の一酸化炭素を低減することができるときは、変成部15を設けなくてもよい。その場合は、選択酸化部16に直接混合ガスrが導入される。
In the above description, the carbon
以上の説明では、燃料電池20は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
In the above description, the
以上の説明では、Nの値が3以上であるか否かで燃料ガスg及び酸化剤ガスa1のどちらの導入の停止を行なうかを判断したが(段落0053)、用いる燃料電池の特性に応じて3以外の値を用いてもよい。 In the above description, it has been determined whether the introduction of the fuel gas g or the oxidant gas a1 is stopped depending on whether the value of N is 3 or more (paragraph 0053), depending on the characteristics of the fuel cell used. A value other than 3 may be used.
また、空気極22への酸化剤ガスa1の導入の停止を行なう方が燃料極21への燃料ガスgの導入停止を行なうよりも多いものとして説明したが(段落0053)、空気極22への酸化剤ガスa1の導入の停止を行なうよりも燃料極21への燃料ガスgの導入停止を行なう方が多くてもよい。この場合、図3のフローチャートにおいて、工程S230がN=0となり、工程S250がN=N+1となる。
Further, it has been described that the introduction of the oxidant gas a1 to the
1 燃料電池発電システム
10 燃料処理装置
11 燃焼部
13 改質部
14 一酸化炭素低減部
20 燃料電池
21 燃料極
22 空気極
24 セル電圧計測器(電圧計測手段)
25 電圧計(電圧計測手段)
28 パワーコンディショナー(外部電力負荷検知手段)
31 貯湯タンク
32 蓄熱量検知器(蓄熱量検知手段)
40 制御装置
a1 酸化剤ガス
a2 酸素含有ガス
g 燃料ガス
m 原料燃料
r 混合ガス
DESCRIPTION OF
25 Voltmeter (Voltage measuring means)
28 Power conditioner (external power load detection means)
31 Hot
40 control device a1 oxidant gas a2 oxygen-containing gas g fuel gas m raw material fuel r mixed gas
Claims (7)
前記発電された電圧を計測する電圧計測手段と;
前記計測した電圧が所定の値以下になったときに、前記燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ前記空気極への酸化剤ガスの導入を停止することにより前記燃料電池の発電を停止する制御装置とを備える;
燃料電池発電システム。 A fuel electrode for introducing a fuel gas rich in hydrogen and an air electrode for introducing an oxidant gas containing oxygen, and generating electric power by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas And a fuel cell to do;
Voltage measuring means for measuring the generated voltage;
When the measured voltage falls below a predetermined value, the fuel cell power generation is stopped by stopping the introduction of the oxidant gas to the air electrode while continuing the introduction of the fuel gas to the fuel electrode. A control device for
Fuel cell power generation system.
前記燃料電池で発電された累積時間を計測し、該累積時間が第1の所定の時間に達したときに、前記燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ前記空気極への酸化剤ガスの導入を停止することにより前記燃料電池の発電を停止する制御装置とを備える;
燃料電池発電システム。 A fuel electrode for introducing a fuel gas rich in hydrogen and an air electrode for introducing an oxidant gas containing oxygen, and generating electric power by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas And a fuel cell to do;
The accumulated time generated by the fuel cell is measured, and when the accumulated time reaches a first predetermined time, the oxidant gas to the air electrode is continuously introduced while the fuel gas is being introduced to the fuel electrode. A control device that stops the power generation of the fuel cell by stopping the introduction of the fuel cell;
Fuel cell power generation system.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池発電システム。 The control device performs the control for stopping the introduction of the oxidant gas to the air electrode while continuing the introduction of the fuel gas to the fuel electrode, while allowing the introduction of oxygen to the air electrode. Performing control to stop power generation of the fuel cell by stopping introduction of fuel gas to the fuel electrode;
The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2.
前記貯湯タンクに蓄えられた蓄熱量を検知する蓄熱量検知手段と;
前記燃料電池で発電された電力のうち外部の電力負荷へ供給する電力を検知する外部電力負荷検知手段と;
前記燃料電池の発電を停止する条件に加え、前記蓄熱量検知手段で検知された蓄熱量が所定の熱量以上で、かつ、前記外部電力負荷検知手段で検知された消費電力が所定の電力以下のときに、前記燃料電池での発電を停止する制御装置とを備える;
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 A hot water storage tank for storing heat generated in the fuel cell using water as a medium;
A heat storage amount detecting means for detecting a heat storage amount stored in the hot water storage tank;
An external power load detecting means for detecting power supplied to an external power load among the power generated by the fuel cell;
In addition to the condition for stopping the power generation of the fuel cell, the heat storage amount detected by the heat storage amount detection means is equal to or greater than a predetermined heat amount, and the power consumption detected by the external power load detection means is equal to or less than the predetermined power. And a controller for stopping power generation in the fuel cell;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3.
前記貯湯タンクに蓄えられた蓄熱量を検知する蓄熱量検知手段と;
前記燃料電池で発電された電力のうち外部の電力負荷へ供給する電力を検知する外部電力負荷検知手段と;
前記蓄熱量検知手段で検知された蓄熱量に基いて一日のうちの蓄熱量の変動を記録し、前記外部電力負荷検知手段で検知された消費電力に基いて一日のうちの消費電力の変動を記録し、該蓄熱量及び消費電力の記録に基いて、一日のうちで蓄熱量が所定の熱量以上、かつ、消費電力が所定の電力以下になると予想される時間帯に、前記燃料電池の発電を停止する条件を具備したときに、前記燃料電池での発電を停止する制御装置とを備える;
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 A hot water storage tank for storing heat generated in the fuel cell using water as a medium;
A heat storage amount detecting means for detecting a heat storage amount stored in the hot water storage tank;
An external power load detecting means for detecting power supplied to an external power load among the power generated by the fuel cell;
Based on the heat storage amount detected by the heat storage amount detection means, the fluctuation of the heat storage amount of the day is recorded, and the power consumption of the day is recorded based on the power consumption detected by the external power load detection means. Recording the fluctuation, and based on the record of the heat storage amount and the power consumption, the fuel is stored in the time zone in which the heat storage amount is expected to be equal to or greater than the predetermined heat amount and the power consumption is equal to or less than the predetermined power within a day. A control device that stops power generation in the fuel cell when conditions for stopping power generation of the battery are provided;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The control device resumes power generation of the fuel cell after a second predetermined time has elapsed after stopping of power generation of the fuel cell;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5.
前記燃料極への燃料ガスの導入を停止したときに、前記燃料処理装置で生成された燃料ガスを前記燃料極をバイパスして前記燃焼部に導入すると共に、前記一酸化炭素低減部への酸素含有ガスの導入を停止するように制御する制御装置とを備える;
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
A reforming section that introduces and reforms a raw material fuel to generate a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide; a combustion section that supplies heat necessary for the reforming to the reforming section; and an oxygen-containing gas; A fuel processing apparatus having a carbon monoxide reducing unit that introduces the mixed gas to reduce carbon monoxide in the mixed gas and generates the fuel gas;
When the introduction of the fuel gas to the fuel electrode is stopped, the fuel gas generated by the fuel processing device is introduced into the combustion part, bypassing the fuel electrode, and oxygen to the carbon monoxide reduction part A control device for controlling to stop the introduction of the contained gas;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 6.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004305939A JP2006120421A (en) | 2004-10-20 | 2004-10-20 | Fuel cell power generation system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004305939A JP2006120421A (en) | 2004-10-20 | 2004-10-20 | Fuel cell power generation system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006120421A true JP2006120421A (en) | 2006-05-11 |
Family
ID=36538126
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004305939A Pending JP2006120421A (en) | 2004-10-20 | 2004-10-20 | Fuel cell power generation system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006120421A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008010367A (en) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Toyota Motor Corp | Diagnostic device and diagnostic method of fuel cell |
JP2008066016A (en) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Ebara Ballard Corp | Operation method of fuel cell system and fuel cell system |
JP2009076398A (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Nippon Oil Corp | Fuel cell system and operation method of fuel cell system |
JP2009301868A (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Panasonic Corp | Fuel cell electric power generation system and its operation method |
JP2010027443A (en) * | 2008-07-22 | 2010-02-04 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell system |
JP2016225165A (en) * | 2015-06-01 | 2016-12-28 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel cell system and operation method therefor |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4294892A (en) * | 1979-05-02 | 1981-10-13 | Electrochemische Energieconversie, N.V. | Method for the operation of a fuel cell |
JPH1064571A (en) * | 1996-08-21 | 1998-03-06 | Toshiba Corp | Fuel cell power generating system |
JP2001189165A (en) * | 2000-01-05 | 2001-07-10 | Daikin Ind Ltd | Fuel cell system, method of stopping and starting the same |
JP2002093448A (en) * | 2000-09-11 | 2002-03-29 | Osaka Gas Co Ltd | Stopping method and stopping-retaining method for fuel cell |
JP2002124286A (en) * | 2000-10-12 | 2002-04-26 | Nissan Motor Co Ltd | Reform device for fuel cell |
JP2002295309A (en) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kubota Corp | Method of operating heat/electricity utilizing system and heat/electricity utilizing system |
JP2003115318A (en) * | 2001-10-03 | 2003-04-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Operational device and method of fuel cell |
JP2003536232A (en) * | 2000-06-22 | 2003-12-02 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Method and apparatus for regenerating PEM fuel cell performance |
JP2004053120A (en) * | 2002-07-19 | 2004-02-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Cogeneration system |
JP2004103487A (en) * | 2002-09-12 | 2004-04-02 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Fuel cell power generation system and operation method of the same |
JP2004172106A (en) * | 2002-10-31 | 2004-06-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Operation method of fuel cell system and fuel cell system |
JP2004186137A (en) * | 2002-11-21 | 2004-07-02 | Denso Corp | Fuel cell system |
-
2004
- 2004-10-20 JP JP2004305939A patent/JP2006120421A/en active Pending
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4294892A (en) * | 1979-05-02 | 1981-10-13 | Electrochemische Energieconversie, N.V. | Method for the operation of a fuel cell |
JPH1064571A (en) * | 1996-08-21 | 1998-03-06 | Toshiba Corp | Fuel cell power generating system |
JP2001189165A (en) * | 2000-01-05 | 2001-07-10 | Daikin Ind Ltd | Fuel cell system, method of stopping and starting the same |
JP2003536232A (en) * | 2000-06-22 | 2003-12-02 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Method and apparatus for regenerating PEM fuel cell performance |
JP2002093448A (en) * | 2000-09-11 | 2002-03-29 | Osaka Gas Co Ltd | Stopping method and stopping-retaining method for fuel cell |
JP2002124286A (en) * | 2000-10-12 | 2002-04-26 | Nissan Motor Co Ltd | Reform device for fuel cell |
JP2002295309A (en) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Kubota Corp | Method of operating heat/electricity utilizing system and heat/electricity utilizing system |
JP2003115318A (en) * | 2001-10-03 | 2003-04-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Operational device and method of fuel cell |
JP2004053120A (en) * | 2002-07-19 | 2004-02-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Cogeneration system |
JP2004103487A (en) * | 2002-09-12 | 2004-04-02 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Fuel cell power generation system and operation method of the same |
JP2004172106A (en) * | 2002-10-31 | 2004-06-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Operation method of fuel cell system and fuel cell system |
JP2004186137A (en) * | 2002-11-21 | 2004-07-02 | Denso Corp | Fuel cell system |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008010367A (en) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Toyota Motor Corp | Diagnostic device and diagnostic method of fuel cell |
JP2008066016A (en) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Ebara Ballard Corp | Operation method of fuel cell system and fuel cell system |
JP2009076398A (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Nippon Oil Corp | Fuel cell system and operation method of fuel cell system |
JP2009301868A (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Panasonic Corp | Fuel cell electric power generation system and its operation method |
JP2010027443A (en) * | 2008-07-22 | 2010-02-04 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell system |
JP2016225165A (en) * | 2015-06-01 | 2016-12-28 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel cell system and operation method therefor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6322917B1 (en) | Diagnostic method and control of preferential oxidation of carbon monoxide | |
JP3870455B2 (en) | Carbon monoxide concentration reducing device and method, and fuel cell power generator | |
US8039154B2 (en) | Fuel cell system, method of starting fuel cell system | |
US8765314B2 (en) | Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system | |
US8709668B2 (en) | Hydrogen generation device and fuel cell system | |
JP4870909B2 (en) | Fuel cell power generator | |
JP4939114B2 (en) | Fuel processing apparatus and fuel cell system | |
JP4296741B2 (en) | Cogeneration system | |
JP2007137719A (en) | Fuel reforming apparatus, and fuel cell power generation apparatus using it and its operation method | |
CA2518416C (en) | Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system | |
JP2004047438A (en) | Operation control method of fuel cell generator | |
JP2006120421A (en) | Fuel cell power generation system | |
US7666537B2 (en) | Fuel cell system for preventing hydrogen permeable metal layer degradation | |
JP2007200771A (en) | Reforming catalyst temperature control system and control method of fuel cell power generator | |
JPH07263007A (en) | Heating device of reformer for fuel cell | |
US20080152964A1 (en) | Technique and apparatus to regulate a reactant stoichiometric ratio of a fuel cell system | |
JP4263401B2 (en) | Fuel cell power generation system and control method thereof | |
US20110151344A1 (en) | Method of controlling fuel cell system | |
JP4466049B2 (en) | Water flow control method for reforming steam | |
US20080154390A1 (en) | Predicting reactant production in a fuel cell system | |
JP5592760B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP2020047400A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP3921391B2 (en) | Fuel cell power generation system and power generation method using fuel cell | |
US20070148504A1 (en) | Maintaining a fluid level in a heat exchanger of a fuel cell system | |
JP2005206413A (en) | Hydrogen generating apparatus and fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070813 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20090917 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110114 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110118 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110802 |