CN112349939A - 燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

实施方式提供一种能够使用至少含有氢与烃的燃料气体来产生更高的有效能量的燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法。本实施方式的燃料电池发电系统具备燃料电池和能量产生部。燃料电池使用至少含有氢与烃的燃料气体的氢来进行发电。能量产生部使用燃料气体的氢的含有率因燃料电池的发电而降低了的未使用气体来产生可利用的能量。

Description

燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法

相关申请

本申请享受以日本专利申请2019－144260号(申请日：2019年8月6日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法。

背景技术

以往以来，作为将燃料所具有的化学能量直接转换为电的系统，已知有燃料电池。该燃料电池使作为燃料的氢与作为氧化剂的氧电化学反应而直接取出电，能够以高效率取出电能。另外，由于安静且不排出有害的废气，因此是具有环境性优异的特征的系统。近年来，主要开发了相对大型的PAFC(磷酸型)。另一方面，最近，小型的PEFC(固体高分子型燃料电池)的开发变得活跃，从2009年度起也实现了家庭用燃料电池发电系统的商品化。另外，在2018年度，成为日本国内设置有超过25万台的台数的状况。

家庭用燃料电池发电系统是将都市燃气、LP燃气重整并转换为氢而进行发电的系统。另一方面，为了适用于将来的氢社会，也开发了直接导入纯氢的纯氢燃料电池发电系统。纯氢燃料电池发电系统是以纯氢为燃料进行发电的燃料电池发电系统，但现状是纯氢昂贵，因此当前难以产生经济上的优点。

另一方面，在一部分的工厂中，有时在制造产品的过程中产生氢，一般将其称为副产氢。该副产氢通常价值较低，也存在将其燃烧或者释放而未有效利用的情况。

一般来说，在副产氢中，有从化学工厂产生的副产氢、从铁钢工厂产生的副产氢、从石油精制工厂产生的副产氢等各种各样的种类。这些副产氢在两个方面与纯氢不同。一是有可能混入了对燃料电池内的催化剂产生负面影响的微量成分。例如，当硫黄成分为1ppm时，存在向燃料电池催化剂附着并使其迅速恶化的隐患。另外，在CO成分为几ppm以上的情况下，电池电压降低而难以发电。这些一般能够通过设置脱硫器、与成分相应的去除器来避免。

二是氢浓度不为100％，例如氢浓度为50％～80％。剩余的成分一般为CO2、甲烷、氮等。在纯氢燃料电池中，通过控制设置、一部分设备的变更，若为95％左右的氢浓度则有可能能够应对，但在比其低的情况下，难以发电。因而，即使在未混入上述那样的催化剂毒成分的情况下，在通常的纯氢燃料电池中，利用副产氢的发电也是困难的。寻求利用这种氢浓度不满足95％的副产氢来产生更高的有效能量。

发明内容

本发明要解决的课题在于，提供一种能够使用至少含有氢与烃的燃料气体来产生更高的有效能量的燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法。

本实施方式的燃料电池发电系统具备燃料电池和能量产生部。燃料电池使用至少含有氢与烃的燃料气体的氢来进行发电。能量产生部使用燃料气体的氢的含有率因燃料电池的发电而降低了的未使用气体来产生可利用的能量。

附图说明

图1是对第一实施方式的燃料电池发电系统的构成进行说明的框图。

图2是表示燃料电池发电系统的控制动作的一个例子的流程图。

图3是对第二实施方式的燃料电池发电系统的构成进行说明的框图。

图4是表示主控制装置的构成的框图。

图5是对第二实施方式的变形例的燃料电池发电系统的构成进行说明的框图。

附图标记说明

1：燃料电池发电系统，4：副产氢引入管，12：燃料电池，16：能量产生部，18：转子发动机，20：锅炉，22：火炬烟囱(flare stack)，24：主控制装置，26：重整型燃料电池。PL2～PL6：配管，PL8：旁通配管。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

本实施方式并不限定本发明。

(第一实施方式)

图1是对第一实施方式的燃料电池发电系统1的构成进行说明的框图。如图1所示，本实施方式的燃料电池发电系统1是使用至少含有氢与烃的副产氢来进行发电的系统，具备送风机8、脱硫器10、燃料电池12、集管14、能量产生部16、压力计PT、逆流防止阀V2、以及自力阀V4。即，本实施方式的至少含有氢与烃的副产氢对应于燃料气体。该燃料气体例如为含有氢90％、烃(例如甲烷)10％的气体。

能量产生部16使用因燃料电池12的发电而燃料气体中的氢的含有率降低了的未使用气体、即未利用高烃气，产生可利用的能量。未利用高烃气例如为含有氢20％、烃(例如甲烷)80％的气体。

能量产生部16具有多个能量产生装置。即，该能量产生部16包含废热发电设备、发电机、燃气发动机以及锅炉中的至少一个而构成。例如，能量产生部16具有转子发动机18、第一控制部18a、锅炉20、第二控制部20a、以及火炬烟囱22。

图1还示出了设于燃料电池发电系统1外的副产氢母管2、副产氢引入管4、配管PL2、PL4、PL6。副产氢母管2是将从制碱(日文：曹達)工厂、石油精制工厂等工厂所产生的气体中分离出的副产氢气体供给至发电施设等的母管。在该副产氢母管2上接合副产氢引入管4的一端。另外，虽然副产氢气体含有杂质，但一般其组成大致一定，且稳定。

副产氢引入管4的另一端经由送风机8、脱硫器10而与燃料电池12的吸气口接合。即，经由副产氢引入管4而从副产氢母管2供给的燃料气体被供给至燃料电池12。

配管PL2是将燃料电池12的排出口与集管14连接的配管。配管PL4以及PL6是将集管14与转子发动机18、锅炉20、以及火炬烟囱22并联连接的配管。即，配管PL2、PL4、以及PL6将因燃料电池12的发电而燃料气体中的氢的含有率降低了的未使用气体并列地供给至转子发动机18、锅炉20、以及火炬烟囱22。这些配管PL4、PL6内的压力与集管14内的压力同压。

送风机8例如是鼓风机，使副产氢引入管4的燃料气体升压。

脱硫器10去除燃料气体中的微量硫黄成分。例如，脱硫器10使燃料气体中的几ppm的硫黄浓度降低至几ppb。由此，可抑制燃料电池12的燃料电池催化剂的恶化。另外，从脱硫器10向燃料电池12供给的燃料气体的压力例如为90千帕。

燃料电池12使用经由副产氢母管2及副产氢引入管4供给的至少含有氢与烃的燃料气体、以及例如大气中的氧气来进行发电。燃料电池12将氢用于发电，将甲烷等烃原样地排出。由此，燃料电池12所排出的未使用气体的氢的比例减少，烃的比例上升。另外，本实施方式的燃料电池12使用大气中的氧来进行发电，但并不限定于此。例如，也可以使用高浓度地含有氧的含氧气体来进行发电。

逆流防止阀V2设于燃料电池12与集管14之间的配管PL2，防止燃料电池12所排出的未使用气体逆流。另外，逆流防止阀、减压阀等也可以设于副产氢引入管4、配管PL2、4、6的各个位置。

集管14是具有规定的容积的空间，抑制配管PL4、6内的脉动。

压力计PT测定集管14内的压力，并将包含配管PL6内的压力的信息的信号供给至第一控制部18a以及第二控制部20a。在燃料电池发电系统1的稳定运转时，燃料电池12例如以5千帕排出未使用气体。

能量产生部16具有通过配管PL2、PL4、PL6与燃料电池12中的未使用气体的排出口并联连接的多个能量产生装置。更具体而言，本实施方式的能量产生部16如上述那样，具有转子发动机18和锅炉20。另外，对于氢含有率高的燃料气体的有效能(exergy)，构成为燃料电池12比能量产生部16高。

转子发动机18以利用未利用高烃气的燃气发动机而存在，进行发电以及排热。该转子发动机18是能量产生部16之中有效能最高的装置。有效能是指，在系统仅与外界交换热量·功的同时状态变化至与外界平衡时，从系统理论上可以取出的最大的作功量。有时被称作有效能量等。另外，在本实施方式中，作为能量产生部16之中有效能最高的装置，使用转子发动机18来进行说明，但并不限定于此。

第一控制部18a例如是PI控制部(Proportional－Integral－DifferentialController，比例积分控制器)，对转子发动机18进行反馈控制。更具体而言，当压力计PT的压力达到设定压力即3千帕时，开始转子发动机18的驱动。另外，第一控制部18a对转子发动机18进行反馈控制，以使压力计PT所示的压力达到设定压力即3千帕。由此，在转子发动机18的驱动负载小于100％的情况下，集管内的压力被控制为3千帕。另一方面，当转子发动机18的驱动负载超过100％时，集管内的压力超过3千帕并上升。

锅炉20能够燃烧氢与烃的混合燃料，进行排热。该锅炉20是能量产生部16之中有效能第二高的装置。另外，在本实施方式中，作为有效能第二高的装置，使用锅炉20来进行说明，但并不限定于此。另外，能量产生部16中的装置的数量并不限定于2台。例如也可以是1～10台等。

第二控制部20a例如是PI控制部(Proportional－Integral－DifferentialController)，对锅炉20进行反馈控制。更具体而言，当压力计PT的压力达到设定压力即4千帕时，开始锅炉20的驱动。另外，第二控制部20a对锅炉20进行反馈控制，以使压力计PT所示的压力达到设定压力即4千帕。由此，在锅炉20的驱动负载小于100％的情况下，能够将集管内的压力控制为4千帕。另一方面，当锅炉20的驱动负载超过100％时，集管内的压力超过4千帕。在该情况下，转子发动机18的驱动负载也维持100％。另外，第一控制部18a、第二控制部20a以设定压力为目标值、例如中心值而进行控制。因此，例如若压力上升的变化率较高，则有时在先行动作中从达到设定压力之前起开始控制动作。

当集管14内的压力超过火炬烟囱22的设定压力即4.5千帕时，自力阀成为开状态，将未利用气体供给至火炬烟囱22。

火炬烟囱22燃烧未利用气体。由此，可防止未利用气体释放到大气中。

如此，能量产生部16的中的压力设定值随着有效能变高而被设定得更低。由此，按有效能从高到低的顺序进行驱动，当负载达到100％时，接着驱动有效能高的装置。由此可知，能量产生部16整体的有效能被控制得较高。

图2是表示燃料电池发电系统1的控制动作的一个例子的流程图。从副产氢母管2引入到副产氢引入管4的副产氢通过送风机8而升压，在脱硫器10中脱硫之后，被导入燃料电池12，燃料电池12开始发电(步骤S100)。由此，集管14的压力从大气压起开始上升。

第一控制部18a测量压力计PV的压力，判定是否超过了转子发动机18的设定压力即第一压力(例如3千帕)(步骤S102)。在判定为未超过的情况下(步骤S102的否)，第一控制部18a继续步骤S102的处理。

另一方面，第一控制部18a在判定为已超过的情况下(步骤S102的是)，开始转子发动机18的驱动。接下来，第一控制部18a开始转子发动机18的反馈控制，以维持第一压力。即，在压力比第一压力上升的情况下，提高转子发动机18的负载，在压力比第一压力下降的情况下，降低负载。

第二控制部20a测量压力计PV的压力，判定是否超过了锅炉20的设定压力即第二压力(例如4千帕)(步骤S108)。在判定为未超过的情况下(步骤S108的否)，燃料电池发电系统1继续从步骤S104开始的控制。

另一方面，第二控制部20a在判定为已超过的情况下(步骤S108的是)，开始锅炉20的驱动。接下来，第二控制部20a开始锅炉20的反馈控制，以维持第二压力。即，在压力比第二压力上升的情况下，提高锅炉20的负载，在压力比第二压力下降的情况下，降低锅炉20的负载。另外，由于压力超过了第一压力，因此转子发动机18维持负载100％。

自力阀V4测量排气管V4的压力，在未超过火炬烟囱22的设定压力即第三压力(例如4.5千帕)的情况下(步骤S114的否)，自力阀V4维持闭状态，燃料电池发电系统1继续从步骤S110开始的控制。

另一方面，在超过了第三压力的情况下(步骤S114的是)，自力阀V4成为开状态，将未使用气体供给至火炬烟囱22。火炬烟囱22燃烧未使用气体。

如此，通过压力控制来决定以通常有效能换算能够有效利用的优先级。由此，按照优先级最高的转子发动机18、锅炉20、火炬烟囱22的顺序进行利用，能量产生部16整体的有效能被控制得更高。

如以上那样，本实施方式的燃料电池发电系统1为，燃料电池12使用至少含有氢与烃的燃料气体中的氢进行发电，能量产生部16使用因燃料电池12的发电而燃料气体中的氢的含有率降低了的未使用气体来产生可利用的能量。如此，能量产生部16将未被燃料电池12利用的未使用气体转换为可利用的能量。对于氢含有率高的含有氢与烃的燃料气体的有效能，由于燃料电池12比能量产生部16高，因此通过按照有效能从高到低顺序使用燃料气体，使得燃料电池发电系统1整体的有效能进一步提高。

另外，能量产生部16中的压力设定值随着有效能变高而被设定得更低，按照有效能从高到低的顺序进行驱动。由此，当负载达到100％时，接着驱动有效能高的装置，因此能量产生部16整体的有效能被控制得较高。如此，能够使用至少含有氢与烃的燃料气体来产生更高的有效能量。

(第二实施方式)

在第二实施方式的燃料电池发电系统1中，旁通配管PL8与副产氢引入配管4和集管14连接。另外，由于主控制装置24按照能量产生部16的有效能的顺序来设定设定压力，因而与第一实施方式的燃料电池发电系统1不同。以下，针对与第一实施方式的燃料电池发电系统1的不同点进行说明。

图3是对第二实施方式的燃料电池发电系统1的构成进行说明的框图。如图3所示，本实施方式的燃料电池发电系统1还具备主控制装置24。另外，代替转子发动机18而具备重整型燃料电池26。

重整型燃料电池26在将氢含有率低的氢与含有烃的未使用气体重整而使氢的比例增加之后进行发电。有效能比转子发动机18高。

图4是表示主控制装置24的构成的框图。主控制装置24对能量产生部16所具有的多个能量产生装置设定优先级，按照优先级依次驱动多个能量产生装置。例如，越能够高有效能地利用，主控制装置24将优先级设定得越高。该主控制装置24具有输入部24a、有效能设定部24b、以及压力设定部24c。

输入部24a将各装置名、以及所对应的有效能输入至主控制装置24。

有效能设定部24b在所输入的有效能之中按照有效能从高到低的顺序对各装置进行排序。

压力设定部24c按照各装置的顺序，以有效能越高的装置、设定压力越低的方式设定压力。然后，在第一控制部18a、第二控制部20a中设定设定压力。

如以上那样，本实施方式的燃料电池发电系统1为，主控制装置24对能量产生部16中的多个能量产生装置设定优先级，并按照优先级设定多个能量产生装置的设定压力。由此，能够使集管14的压力上升的顺序与优先级一致，能够按照压力的上升顺序驱动优先级高的装置。特别是，在按照有效能从高到低的顺序设定了优先级的情况下，能够按照集管14的压力上升的顺序驱动有效能高的装置。因此，能够进一步提高能量产生部16整体的有效能。

(第二实施方式的变形例)

在第二实施方式的变形例的燃料电池发电系统1中，由于在副产氢引入配管4连接旁通配管PL8，因而与第一实施方式的燃料电池发电系统1不同。以下，针对与第二实施方式的燃料电池发电系统1的不同点进行说明。

图5是对第二实施方式的变形例的燃料电池发电系统1的构成进行说明的框图。如图5所示，本实施方式的燃料电池发电系统1还具备集管28。另外，设置将集管14与集管28连接的旁通配管PL8。

集管28是具有规定的容积的空间，蓄积规定量的副产氢引入配管4内的燃料。在旁通配管PL8设有自力阀V6与逆流防止阀V8。

自力阀V6的压力设定被设定为比能量产生部16之中最低的设定压力(例如3千帕)更低的压力以下的例如2.5千帕。由此，能够从副产氢引入配管4经由旁通配管PL8向配管PL6供给燃料气体的一部分。例如，当重整型燃料电池26所利用的未使用气体不足时，集管14的压力成为2.5千帕以下。在该情况下，自力阀V6成为开状态，能够从副产氢引入配管4经由旁通配管PL8、集管14向配管PL6供给燃料气体的一部分。如此，第二实施方式的变形例的燃料电池发电系统1成为在从燃料电池12排出的气体不足的情况下，可以原样地使用上游的副产氢气体的构成。

如以上那样，本变形例的燃料电池发电系统1为，在副产氢引入配管4设置旁通配管PL8，并在旁通配管PL8设置自力阀V6。另外，将自力阀V6的开阀压力设为比能量产生部16之中最低的设定压力(例如3千帕)更低的压力的2.5千帕，由此，当重整型燃料电池26所利用的未使用气体不足时，集管14的压力成为2.5千帕以下，能够从副产氢引入配管4经由旁通配管PL8、集管14向配管PL6供给燃料气体的一部分。

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形例包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围中。

Claims (10)

1.一种燃料电池发电系统，具备：

燃料电池，使用至少含有氢与烃的燃料气体的氢来进行发电；以及

能量产生部，使用所述燃料气体的所述氢的含有率因所述燃料电池的发电而降低了的未使用气体来产生能够利用的能量。

2.如权利要求1所述的燃料电池发电系统，

所述能量产生部具有多个能量产生装置，该多个能量产生装置通过配管与所述燃料电池中的所述未使用气体的排出口并联连接。

3.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，

按所述多个能量产生装置的每个设定有开始驱动的压力。

4.如权利要求3所述的燃料电池发电系统，

所述多个能量产生装置进行反馈控制，以使所述配管内的压力维持在所述设定的压力。

5.如权利要求4所述的燃料电池发电系统，

所述燃料电池发电系统还具备主控制装置，该主控制装置对所述多个能量产生装置设定优先级，按照所述优先级依次驱动所述多个能量产生装置。

6.如权利要求5所述的燃料电池发电系统，

越能够高有效能地利用，主控制装置将所述优先级设定得越高。

7.如权利要求3至6中任一项所述的燃料电池发电系统，

在所述配管连接有旁通配管，该旁通配管设于将所述燃料气体供给至所述燃料电池的引入管，

以比所述设定的压力之中最低的压力更低的压力以下，从所述旁通管向所述配管供给所述燃料气体的一部分。

8.如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池发电系统，

所述能量产生部包括废热发电设备、发电机以及锅炉中的至少一个。

9.如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池发电系统，

所述能量产生部包括能够利用所述燃料气体的重整型燃料电池、燃气发动机、锅炉中的至少某个。

10.一种燃料电池发电系统的控制方法，所述燃料电池发电系统具有：

燃料电池，使用至少含有氢与烃的燃料气体中的氢进行发电；以及多个能量产生装置，通过配管与所述燃料电池中的排出燃料气体的未使用气体的排出口并联连接，其中，在燃料电池发电系统的控制方法中，

当所述配管内的压力达到按照所述多个能量产生装置中的有效能从高到低的顺序设定得较低的压力时，驱动与所达到的压力对应的能量产生装置。

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