JP2004178974A

JP2004178974A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004178974A
Application number: JP2002343753A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Izaki; 博和井崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】実際の使用状態において、供給ガスの流量や給水流量を的確に制御して燃料電池の安定した発電を実現できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池６を備えた燃料電池システムＳにおいて、ガスの供給若しくは給水を行う供給手段と、この供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実ガス流量若しくは実給水流量を保有しており、供給手段を制御してガス流量若しくは給水流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実ガス流量若しくは実給水流量とを用い、供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を用いて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極反応によって燃料ガス（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。特に、固体高分子型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：「ＰＥＦＣ」）は、固体高分子電解質膜（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｃｅ）の両面にアノードとカソードとが配されたセルと、セルを挟持する一対のリブ付きセパレータなどから構成され、このセパレータのリブ間に構成されるガス通路（燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路）を介して、アノードとカソードにそれぞれポンプにより水素ガス（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）を供給し、水素と空気中の酸素が酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである（特許文献１参照）。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜は、アノード側で生成されたプロトン（Ｈ^＋）がカソード側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が一般的に用いられる。しかしながら、係る陽イオン伝導は水和水とともに成されることから、固体高分子電解質膜は湿潤された状態（水分が含まれた状態）でなければならない。そのため、固体高分子電解質膜は燃料電池を運転する際、常時湿潤させておく必要がある。そこで、一般的には水素ガスと空気を加湿した後、アノードとカソードにそれぞれ供給する方式が採られていた。
【０００４】
また、係る燃料電池を用いた燃料電池システムでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの原料ガスから水素ガス（燃料ガス）を改質生成する場合、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器とを備えた改質装置が使用される。
【０００５】
上記改質器はバーナを有し、燃料ガスと内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって改質ガスを生成する。この水蒸気を作る水はポンプにより改質器に供給される。また、ＣＯ除去器にはＣＯ変成器を経た改質ガスと空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減される。この場合に改質ガスに混合する空気もポンプによってＣＯ除去器に供給される（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１７０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８０９１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つために水素ガスや空気は加湿されてセルに供給されるため、ガス通路入口の露点温度が高くなるとガス通路表面に結露が生じて通路を詰まってしまう状態になる。一方、露点温度が低くなると、今度は固体高分子電解質膜が乾燥状態に陥り、何れにしても燃料電池の出力電圧が不安定となって、結果的として低下していくことになる。
【０００８】
この露点温度はガス通路に流れるガス流量によって変化する。即ち、ガス流量が少なくなると、ガス通路に結露が生じ易くなる。また、ガス流量を増大させればガス通路は詰まりにくくなるが、今度は固体高分子電解質膜が乾燥するようになる。そこで、実際には適切なガス流量を予め決定しておき、水素ガスや空気を送り込むポンプの運転周波数（制御量）を所定の制御パラメータに則って制御するものであるが、水素ガスや空気の温度や圧力、湿度などの状態によって実際の使用状態におけるガス流量は一義的には決まらない。
【０００９】
即ち、ポンプの同じ運転周波数でも実際にガス通路を流れる水素ガスや空気の流量は使用状況によって異なってくると云う問題があった。係るポンプと実際の流量に関しては、改質器に供給される水やＣＯ除去器に供給される空気についても同様のことが云える。
【００１０】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、実際の使用状態において、供給ガスの流量や給水流量を的確に制御して燃料電池の安定した発電を実現できる燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、ガスの供給若しくは給水を行う供給手段と、この供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実ガス流量若しくは実給水流量を保有しており、供給手段を制御してガス流量若しくは給水流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実ガス流量若しくは実給水流量とを用い、供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行するものである。
【００１２】
請求項２の発明は、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、燃料ガス通路を介してアノードに燃料ガスを加湿供給し、酸化剤ガス通路を介してカソードに酸化剤ガスを加湿供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、この酸化剤ガス供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実酸化剤ガス流量を保有しており、酸化剤ガス供給手段を制御してカソードへの酸化剤ガス流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該酸化剤ガス供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実酸化剤ガス流量とを用い、酸化剤ガス供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、燃料ガス通路を介してアノードに燃料ガスを加湿供給し、酸化剤ガス通路を介してカソードに酸化剤ガスを加湿供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実燃料ガス流量を保有しており、燃料ガス供給手段を制御してアノードへの燃料ガス流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該燃料ガス供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実燃料ガス流量とを用い、燃料ガス供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器と、この改質器にて改質された燃料ガスを用いて電力を発生させる燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、改質器に給水する水供給手段と、この水供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実給水流量を保有しており、水供給手段を制御して改質器への給水流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該水供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実給水流量とを用い、水供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、改質器にて改質され、ＣＯ除去器にて一酸化炭素を除去された燃料ガスを用いて電力を発生させる燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、ＣＯ除去器に空気を供給する空気供給手段と、この空気供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、燃料電池の出力電圧が不安定となる実空気流量を保有しており、空気供給手段を制御してＣＯ除去器への空気流量を徐々に減少させ、出力電圧が不安定となる当該空気供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と実空気流量とを用い、空気供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、上記各発明において制御手段は、燃料電池の出力電圧に異常が発生した場合、当該出力電圧のパターンから異常原因を推定すると共に、推定された原因に関する制御量を調整し、その場合の出力電圧から推定の正否を判定して、判定された原因に関する制御量についてパラメータ補正制御を実行することを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は上記において、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器が起動時に安定するまで燃料ガスを燃焼させるためのプロセスガスバーナを備え、制御手段は、判定された原因に関する制御量が、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段若しくは燃料ガス供給手段のものであった場合、燃料ガスをプロセスガスバーナに供給して燃焼させると共に、その発熱により燃料電池を保温又は加熱することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、燃料ガスや酸化剤ガスの流量や、給水流量、空気流量を徐々に減少させていって燃料電池の出力電圧を強制的に不安定とし、その場合のそれらガスや水の供給手段の制御量を特定し、特定された制御量と係る燃料電池の出力電圧が不安定となるそれらの実流量とに基づいて、供給手段の制御パラメータを補正するので、実際の使用状態におけるガス流量や給水流量、空気流量を供給手段の運転制御によって的確に制御することができるようになる。これにより、燃料電池を安定した運転制御を実現することが可能となるものである。
【００１９】
更に、請求項６の発明で制御手段は、燃料電池の出力電圧に異常が発生した場合、当該出力電圧のパターンから異常原因を推定すると共に、推定された原因に関する制御量を調整し、その場合の出力電圧から推定の正否を判定して、判定された原因に関する制御量についてパラメータ補正制御を実行するようにしたので、突発的な機器特性の変化が生じた場合にも、異常原因を特定し、特定されたガスや水の供給手段の制御パラメータを補正して運転を継続することができるようになる。
【００２０】
また、請求項７の発明では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器が起動時に安定するまで燃料ガスを燃焼させるためのプロセスガスバーナを備え、制御手段は、判定された原因に関する制御量が、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段若しくは燃料ガス供給手段のものであった場合、燃料ガスをプロセスガスバーナに供給して燃焼させると共に、その発熱により燃料電池を保温又は加熱するようにしたので、異常原因が酸化剤ガス通路や燃料ガス通路の水詰まりであり、回復に時間がかかるような場合に、燃料電池の発電を低減若しくは遮断し、プロセスガスバーナで燃料ガスを燃焼させ、燃料電池を加熱して水詰まりを迅速に解消することができるようになる。これにより、運転停止及び再開にかかる時間的ロスを解消することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。図１において、１００は、建家を示しており、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計１０２及び分電盤１０３を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、第１のケーブル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６等に供給されている。
【００２２】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する本発明の固体高分子型の燃料電池システムＳが、建家１００の外に設置されている。
【００２３】
この燃料電池システムＳは、図２に示すようにＰＥＦＣ装置と熱回収装置とから構成される。この熱回収装置は、貯湯タンク７と水処理装置８とを有し、この水処理装置８には水道管を通じて市水が供給される。この市水は水処理装置８で純水にされて、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１、１２に供給され、また、水タンク２１を介して改質装置１３に供給される。そして、ＰＥＦＣ装置Ｓは、改質装置（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１３を有している。
【００２４】
この改質装置１３には天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの原料ガスが供給され、ここには更に前記水タンク２１からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。１４は発電制御を司る制御手段としての制御装置である。
【００２５】
そして、発電された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を経て、１００Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、図１に示した第２のケーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池システムＳは、系統連系インバータ１６を介して商用電源に接続されている。
【００２６】
この燃料電池システムＳでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯タンク７に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯タンク７は、建家１００の外に設置される。
【００２７】
次に、係る固定高分子型の燃料電池システムＳについて、図３を参照して説明する。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなど（原料ガス）の燃料の供給源である燃料供給源１と、原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）６とを備える。改質装置１３は、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００２８】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素と空気中に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、アノード（燃料極）６Ａと、カソード（空気極）６Ｂと、冷却部６Ｃと、加熱部６Ｅを備えている。
【００２９】
図４に係る燃料電池６のセル構造を示す。燃料電池６は、固体高分子電解質膜（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｃｅ）６Ｄの両面にアノード６Ａとカソード６Ｂとが配されたセル８１と、セル８１を挟持する一対のリブ付きセパレータ８２、８３などから構成され、このセパレータ８２、８３のリブ間に構成される燃料ガス通路８４及び酸化剤ガス通路８６を介して、アノード６Ａとカソード６Ｂにそれぞれ水素ガス（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）が供給され、水素と空気中の酸素が下記化学式▲１▼及び▲２▼の酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである。
【００３０】
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・・▲１▼
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・・▲２▼
【００３１】
この場合、固体高分子電解質膜６Ｄは、アノード６Ａ側で生成されたプロトン（Ｈ^＋）がカソード６Ｂ側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が用いられる。
【００３２】
前記燃料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び燃料ガス供給手段を構成する昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。ガス管２２からは電磁開閉弁５１が設けられたガス管５２が分岐し、このガス管５２は改質器３のバーナ５３に接続されている。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、水供給手段を構成する昇圧ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００３３】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して前記水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、電磁開閉弁５６が設けられた配管２４を介して燃料電池６のアノード６Ａ側の前記燃料ガス通路８４に接続される。このアノード６Ａ側の燃料ガス通路８４は、電磁開閉弁５７が設けられたガス管３７を介して改質器３のバーナ５３に接続されている。そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６Ｃに接続され、冷却部６Ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００３４】
他方、上記水タンク１２は、配管３１を介して酸化剤ガス供給手段としての空気ポンプ３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６のカソード６Ｂ側の前記酸化剤ガス通路８６に接続される。このカソード６Ｂ側の酸化剤ガス通路８６は、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレンパイプ３６が接続される。
【００３５】
また、上記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により電磁開閉弁５８が設けられた配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。前記ＣＯ除去器５は、配管５９を介して空気供給手段としての空気ポンプ６１と接続されている。
【００３６】
図３において６２はプロセスガス（ＰＧ）バーナである。このプロセスガスバーナ６２は、起動時に改質装置１３が安定するまで改質ガスを燃焼させるものであり、ガス管２４から分岐し、電磁開閉弁６３が設けられたガス管６４と、ガス管５７から分岐し、電磁開閉弁６６が設けられたガス管６７が接続されている。６８はこのプロセスガスバーナ６２の燃焼で加熱される熱回収用熱交換器であり、この熱回収用熱交換器６８はそれぞれ電磁開閉弁６９、７１が設けられた配管７２、７３によって電磁開閉弁５８の前後の配管４２に接続されている。また、配管７３からは電磁開閉弁７４が設けられた配管７６が分岐し、この配管７６は加熱部６Ｅに接続されている。更に、配管７２からは電磁開閉弁７７、昇圧ポンプ７８が設けられた配管７９が分岐し、この配管７９は加熱部６Ｅに接続されている。
【００３７】
制御装置１４により燃料電池システムＳの定常運転において、燃料供給源１からの原料ガスは、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば酸化亜鉛や活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た原料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００３８】
この改質器３ではバーナ５３によって脱硫器２からの燃料ガスと昇圧ポンプ４０から供給される水を内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって水素（燃料ガス）、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。
【００３９】
このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給される。この場合、ＣＯ除去器５にはＣＯ変成器４を経た改質ガスと空気ポンプ６１によって供給される空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは内部の熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の未変性の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減され、実質的にガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００４０】
このＣＯ除去器５を経て一酸化炭素が除去された後の水素がガス管２３を経て水タンク１１に入り、そこで加湿された後、ガス管２４及び電磁開閉弁５６（開）を介して燃料ガス通路８４から燃料電池６のアノード６Ａに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ３０から水タンク１２に空気が供給され、そこで加湿された空気が酸化剤ガス通路８６から燃料電池６のカソード６Ｂに供給される。これにより、アノード６Ａに供給された水素と、カソード６Ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜６Ｄを湿潤状態とする。
【００４１】
尚、上記改質器３のバーナ５３にはガス管３７及び電磁開閉弁５７（開）を介して、アノード６Ａ側の燃料ガス通路８４を経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、アノード６Ａ及び燃料ガス通路８４に一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、図示しないドレンパイプにより外部に排出される。
【００４２】
また、カソード６Ｂの酸化剤ガス通路８６から配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレンパイプ３６より外部に排出される。
【００４３】
上述した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置１３に設けられた前記バーナ５３によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００４４】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００４５】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６Ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６Ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が配管４２及び電磁開閉弁５８（開）を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。これにより、水タンク１１の水が冷却部６Ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００４６】
上記改質器３の排気系には、前述した熱交換器が接続され、水タンク２１の水が前述の如く昇圧ポンプ４０を介して供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原料ガスと混合して改質器３に供給される。
【００４７】
燃料電池システムＳの起動時には、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経た改質ガスが安定していないので、それが安定するまではこのガスを燃料電池６に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまで、制御装置１４は電磁開閉弁５６を閉じ、電磁開閉弁６３を開くことにより、係る不安定な状態にある改質ガスをプロセスガスバーナ６２に導いて燃焼させる。プロセスガスバーナ６２が燃焼している間、制御装置１４は電磁開閉弁５８を閉じ、電磁開閉弁６９、７１を開くことにより、貯湯タンク７の水を熱回収用熱交換器６８に流し、プロセスガスバーナ６２の燃焼による熱を回収する。
【００４８】
そして、各反応器が安定した後、電磁開閉弁６３を閉じ、電磁開閉弁５６を開いて燃料電池６に改質ガス（水素ガス）を導入して発電を行う。また、制御装置１４は当初電磁開閉弁５７を閉じ、電磁開閉弁６６を開くことにより、燃料電池６での発電に使用できなかった未反応ガスをプロセスガスバーナ６２に導いて燃焼させ、システムの系が安定した後、電磁開閉弁６６を閉じ、電磁開閉弁５７を開いて改質器３のバーナ５３に導入して燃焼させる。プロセスガスバーナ６２に未反応ガスを導入している間、制御装置１４は電磁開閉弁５１を開いてバーナ５３に原料ガスを導入し、燃焼させる。
【００４９】
以上の如き構成により、燃料電池発電システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減されるものである。
【００５０】
ここで、制御装置１４は燃料電池６の出力電圧Ｖ、電流Ｉ、燃料ガス通路８４（入口）の露点温度ＤＨ（水タンク１１の温度で決まる）、酸化剤ガス通路８６（入口）の露点温度ＤＡ（水タンク１２の温度で決まる）、燃料電池６の温度ＴＭを図示しないセンサ出力で把握している。
【００５１】
また、要求電力に応じ、昇圧ポンプ１９、空気ポンプ３０、昇圧ポンプ４０及び空気ポンプ６１の運転を予め設定された制御パラメータに基づいて制御し、燃料ガス通路８４からアノード６Ａに供給される水素ガス（燃料ガス）流量ＷＨ、酸化剤ガス通路８６からカソード６Ｂに供給される空気（酸化剤ガス）流量ＷＡ、改質器３に供給される給水流量Ｗｗ及び、ＣＯ除去器５に供給される空気流量Ｗｐａを調節するものであるが、使用状態における空気や水素ガス、水の温度などにより、各ポンプの同じ運転周波数においても、実際の流量は異なってくる。即ち、システムが構成された時点で予め規定された各ポンプの制御パラメータでは、実際の使用状態にそぐわなくなり、予め規定された制御パラメータに基づく運転周波数と、それにより期待される流量とが食い違ってくることになる。
【００５２】
そこで、制御装置１４は例えば定期的に以下に説明するパラメータ補正制御を実行する。
【００５３】
（１）空気ポンプ３０の制御パラメータ補正
先ず、燃料電池６のカソード６Ｂに供給される空気流量ＷＡを減少させた場合、前述した如く酸化剤ガス通路８６に結露が生じてくることから空気が詰まる状態に至り、それにより酸化還元反応が阻害され、準静的な電池電圧特性から出力電圧Ｖが不安定となり低下してくる。燃料電池６において出力電圧Ｖが不安定となる実際の空気流量（実空気流量ＷＡ１）は予め測定され、制御装置１４に格納されている。
【００５４】
そして、制御装置１４は例えば一定期間ごとに空気ポンプ３０の運転周波数を徐々に低下させていき、カソード６Ｂへの空気流量ＷＡを徐々に減少させる。そして、燃料電池６の出力電圧Ｖが不安定となる空気ポンプ３０の運転周波数（制御量）ＨｚＡ１を特定する。これにより、空気ポンプ３０を運転周波数ＨｚＡ１で運転した場合の実際の空気流量はＷＡ１であることが判明する。
【００５５】
そこで、制御装置１４は空気ポンプ３０を運転周波数ＨｚＡ１で運転した場合に空気流量がＷＡ１となるように前述した空気ポンプ３０の制御パラメータの偏差を補正する。以後は、補正された制御パラメータを用い、酸化剤ガス通路８６に結露が生じず、且つ、固体高分子電解質膜６Ｄの湿潤状態が維持できる範囲内で空気ポンプ３０の運転を制御する。これにより、実際の使用状態におけるカソード６Ｂへの空気流量を的確に制御し、燃料電池６を安定して運転制御できるようになる。また、空気ポンプ３０の必要最小限の運転を実現できるようになるので、ランニングコストの低減も図れるようになる。
【００５６】
（２）昇圧ポンプ１９の制御パラメータ補正
次に、燃料電池６のアノード６Ａに供給される水素ガス流量ＷＨを減少させた場合、前述した如く燃料ガス通路８４に結露が生じてくることから水素ガスが詰まる状態に至り、それにより酸化還元反応が阻害されて準静的な電池電圧特性から出力電圧Ｖが不安定となり低下してくる。燃料電池６において出力電圧Ｖが不安定となる実際の水素ガス流量（実水素ガス流量ＷＨ１）は予め測定され、制御装置１４に格納されている。
【００５７】
そして、制御装置１４は同様に一定期間ごとに昇圧ポンプ１９の運転周波数を徐々に低下させていき、アノード６Ａへの水素ガス流量ＷＨを徐々に減少させる。そして、燃料電池６の出力電圧Ｖが不安定となる昇圧ポンプ１９の運転周波数（制御量）ＨｚＨ１を特定する。これにより、昇圧ポンプ１９を運転周波数ＨｚＨ１で運転した場合の実際の水素ガス流量はＷＨ１であることが判明する。
【００５８】
そこで、制御装置１４は昇圧ポンプ１９を運転周波数ＨｚＨ１で運転した場合に水素ガス流量がＷＨ１となるように前述した昇圧ポンプ１９の制御パラメータの偏差を補正する。以後は、補正された制御パラメータを用い、水素ガス通路８４に結露が生じず、且つ、固体高分子電解質膜６Ｄの湿潤状態が維持できる範囲内で昇圧ポンプ１９の運転を制御する。これにより、実際の使用状態におけるアノード６Ａへの水素ガス流量を的確に制御し、燃料電池６を安定して運転制御できるようになる。また、昇圧ポンプ１９の必要最小限の運転を実現できるようになるので、ランニングコストの低減も図れるようになる。
【００５９】
（３）昇圧ポンプ４０の制御パラメータ補正
次に、改質器３への給水流量Ｗｗを減少させた場合、改質器３における原料ガスの改質反応が悪化してくることから水素ガス量が低下し、準静的な電池電圧特性から出力電圧Ｖが不安定となり低下してくる。燃料電池６において出力電圧Ｖが不安定となる実際の給水流量（実給水流量Ｗｗ１）は予め測定され、制御装置１４に格納されている。
【００６０】
そして、制御装置１４は同様に一定期間ごとに昇圧ポンプ４０の運転周波数を徐々に低下させていき、改質器３への給水流量Ｗｗを徐々に減少させる。そして、燃料電池６の出力電圧Ｖが不安定となる昇圧ポンプ４０の運転周波数（制御量）ＨｚＷ１を特定する。これにより、昇圧ポンプ４０を運転周波数ＨｚＷ１で運転した場合の実際の給水流量はＷｗ１であることが判明する。
【００６１】
そこで、制御装置１４は昇圧ポンプ４０を運転周波数ＨｚＷ１で運転した場合に給水流量がＷｗ１となるように前述した昇圧ポンプ４０の制御パラメータの偏差を補正する。以後は、補正された制御パラメータを用い、改質器３における原料ガスの改質反応が効率的に行われる範囲内で昇圧ポンプ４０の運転を制御する。これにより、実際の使用状態における改質器３への給水流量を的確に制御し、燃料電池６を安定して運転制御できるようになる。また、昇圧ポンプ４０の必要最小限の運転を実現できるようになるので、ランニングコストの低減も図れるようになる。
【００６２】
（４）空気ポンプ６１の制御パラメータ補正
次に、ＣＯ除去器５への空気流量Ｗｐａを減少させた場合、ＣＯ除去器５における一酸化炭素の選択酸化反応が悪化してくることから燃料電池６のアノード６Ａに供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇し、発電が阻害されて準静的な電池電圧特性から出力電圧Ｖが不安定となり低下してくる。燃料電池６において出力電圧Ｖが不安定となる実際の空気流量（実空気流量Ｗｐａ１）は予め測定され、制御装置１４に格納されている。
【００６３】
そして、制御装置１４は同様に一定期間ごとに空気ポンプ６１の運転周波数を徐々に低下させていき、ＣＯ除去器５への空気流量Ｗｐａを徐々に減少させる。そして、燃料電池６の出力電圧Ｖが不安定となる空気ポンプ６１の運転周波数（制御量）ＨｚＡ２を特定する。これにより、空気ポンプ６１を運転周波数ＨｚＡ２で運転した場合の実際の空気流量はＷｐａ１であることが判明する。
【００６４】
そこで、制御装置１４は空気ポンプ６１を運転周波数ＨｚＡ２で運転した場合に空気流量がＷｐａ１となるように前述した空気ポンプ６１の制御パラメータの偏差を補正する。以後は、補正された制御パラメータを用い、ＣＯ除去器５における一酸化炭素の除去反応が効率的に行われる範囲内で空気ポンプ６１の運転を制御する。これにより、実際の使用状態におけるＣＯ除去器５への空気流量を的確に制御し、燃料電池６を安定して運転制御できるようになる。また、空気ポンプ６１の必要最小限の運転を実現できるようになるので、ランニングコストの低減も図れるようになる。
【００６５】
（５）異常状態に対する対処
ここで、燃料電池システムＳの定常運転時に異常が発生した場合、この異常は燃料電池６の出力電圧Ｖの変化として現れる。この場合の出力電圧Ｖの変化のパターンは、前述した水素ガス流量ＷＨ、空気流量ＷＡ、給水流量Ｗｗ及び、空気流量Ｗｐａの何れに起因するかによって異なってくる。そして、各原因による出力電圧Ｖの変化のパターンは予め測定され、制御装置１４に格納されている。
【００６６】
制御装置１４は、実際の出力電圧Ｖの変化のパターンと予め記憶されているパターンとを比較し、その原因を推定する。次に、推定された原因に関する前述した制御量を調整し、推定された原因の正否を判定する。例えば、改質器３への給水流量Ｗｗに原因があると推定した場合、制御装置１４は昇圧ポンプ４０の運転周波数を増大させる。これにより、出力電圧Ｖが正常に戻れば推定された原因は正しかったものと判断する。その後、制御装置１４は前述した昇圧ポンプ４０の制御のパラメータ補正制御を実行して運転を継続する。
【００６７】
尚、係る制御は異常原因が水素ガス流量ＷＨ、空気流量ＷＡ、Ｗｐａであると推定された場合についても同様である。これにより、突発的な機器特性の変化が生じた場合にも、異常原因を特定し、特定された昇圧ポンプや空気ポンプの制御パラメータを補正して運転を継続することができるようになる。
【００６８】
ここで、上述した異常原因が燃料ガス通路８４や酸化剤ガス通路８６の水詰まりであると判断し、且つ、回復に時間がかかり、或いは、出力電圧の低下によりユニットが停止する危険性がある場合、制御装置１４は以下の異常復旧制御を実行する。
【００６９】
（６）異常復旧制御
この場合、制御装置１４はプロセスガスバーナ６２の着火運転を開始すると共に、電磁開閉弁５２を開いて原料ガスを改質器３のバーナ５３に供給し、電磁開閉弁５７を閉じ、電磁開閉弁６６を開いてアノード６Ａからの未反応ガス（水素ガス）をプロセスガスバーナ６２に供給して燃焼させる。また、電磁開閉弁５６を閉じて燃料電池６の発電を遮断し、電磁開閉弁６３を開いて改質ガスをプロセスガスバーナ６２に導入し、燃焼させる。尚、このとき、電磁開閉弁５６を開いたままとし、改質ガスの一部をプロセスガスバーナ６２に導いて燃料電池６の発電を低減するようにしてもよい。
【００７０】
更に、電磁開閉弁６９、７１を閉じ（電磁開閉弁５８は開）、電磁開閉弁７４、７７を開き、昇圧ポンプ７８を運転する。これにより、プロセスガスバーナ６２の燃焼により熱回収用熱交換器６８で加熱された水を電磁開閉弁６の加熱部６Ｅに循環させ、燃料電池６を保温し、又は、加熱して各通路８４及び８６の水詰まりの解消を待つ。
【００７１】
これにより、燃料電池６内の水詰まりを迅速に解消することができるようになり、運転停止及び再開にかかる時間的ロスを解消することができるようになる。尚、水詰まりが解消したら制御装置１４は運転状態を定常運転に復帰させるものである。
【００７２】
以上、一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものでは無く、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは云うまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、燃料ガスや酸化剤ガスの流量や、給水流量、空気流量を徐々に減少させていって燃料電池の出力電圧を強制的に不安定とし、その場合のそれらガスや水の供給手段の制御量を特定し、特定された制御量と係る燃料電池の出力電圧が不安定となるそれらの実流量とに基づいて、供給手段の制御パラメータを補正するので、実際の使用状態におけるガス流量や給水流量、空気流量を供給手段の運転制御によって的確に制御することができるようになる。これにより、燃料電池を安定した運転制御を実現することが可能となるものである。
【００７４】
更に、請求項６の発明で制御手段は、燃料電池の出力電圧に異常が発生した場合、当該出力電圧のパターンから異常原因を推定すると共に、推定された原因に関する制御量を調整し、その場合の出力電圧から推定の正否を判定して、判定された原因に関する制御量についてパラメータ補正制御を実行するようにしたので、突発的な機器特性の変化が生じた場合にも、異常原因を特定し、特定されたガスや水の供給手段の制御パラメータを補正して運転を継続することができるようになる。
【００７５】
また、請求項７の発明では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器が起動時に安定するまで燃料ガスを燃焼させるためのプロセスガスバーナを備え、制御手段は、判定された原因に関する制御量が、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段若しくは燃料ガス供給手段のものであった場合、燃料ガスをプロセスガスバーナに供給して燃焼させると共に、その発熱により燃料電池を保温又は加熱するようにしたので、異常原因が酸化剤ガス通路や燃料ガス通路の水詰まりであり、回復に時間がかかるような場合に、燃料電池の発電を低減若しくは遮断し、プロセスガスバーナで燃料ガスを燃焼させ、燃料電池を加熱して水詰まりを迅速に解消することができるようになる。これにより、運転停止及び再開にかかる時間的ロスを解消することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図２】図１の屋外部分の系統図である。
【図３】本発明の実施例の燃料電池システムの回路図である。
【図４】本発明の実施例の燃料電池システムの燃料電池のセルの断面図である。
【符号の説明】
Ｓ燃料電池システム
３改質器
５ＣＯ除去器
６燃料電池
６Ａアノード
６Ｂカソード
６Ｅ加熱部
１１、１２、２１水タンク
１４制御装置（制御手段）
１９昇圧ポンプ（燃料ガス供給手段）
３０空気ポンプ（酸化剤ガス供給手段）
４０昇圧ポンプ（水供給手段）
６１空気ポンプ（空気供給手段）
６２プロセスガスバーナ

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
ガスの供給若しくは給水を行う供給手段と、
該供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が不安定となる実ガス流量若しくは実給水流量を保有しており、前記供給手段を制御して前記ガス流量若しくは給水流量を徐々に減少させ、前記出力電圧が不安定となる当該供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と前記実ガス流量若しくは実給水流量とを用い、前記供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、燃料ガス通路を介して前記アノードに燃料ガスを加湿供給し、酸化剤ガス通路を介して前記カソードに酸化剤ガスを加湿供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
該酸化剤ガス供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が不安定となる実酸化剤ガス流量を保有しており、前記酸化剤ガス供給手段を制御して前記カソードへの酸化剤ガス流量を徐々に減少させ、前記出力電圧が不安定となる当該酸化剤ガス供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と前記実酸化剤ガス流量とを用い、前記酸化剤ガス供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、燃料ガス通路を介して前記アノードに燃料ガスを加湿供給し、酸化剤ガス通路を介して前記カソードに酸化剤ガスを加湿供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
該燃料ガス供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が不安定となる実燃料ガス流量を保有しており、前記燃料ガス供給手段を制御して前記アノードへの燃料ガス流量を徐々に減少させ、前記出力電圧が不安定となる当該燃料ガス供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と前記実燃料ガス流量とを用い、前記燃料ガス供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器と、該改質器にて改質された燃料ガスを用いて電力を発生させる燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器に給水する水供給手段と、
該水供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が不安定となる実給水流量を保有しており、前記水供給手段を制御して前記改質器への給水流量を徐々に減少させ、前記出力電圧が不安定となる当該水供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と前記実給水流量とを用い、前記水供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、前記改質器にて改質され、ＣＯ除去器にて一酸化炭素を除去された燃料ガスを用いて電力を発生させる燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ除去器に空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段の運転を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が不安定となる実空気流量を保有しており、前記空気供給手段を制御して前記ＣＯ除去器への空気流量を徐々に減少させ、前記出力電圧が不安定となる当該空気供給手段の制御量を特定すると共に、当該特定された制御量と前記実空気流量とを用い、前記空気供給手段の制御パラメータを補正するパラメータ補正制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池の出力電圧に異常が発生した場合、当該出力電圧のパターンから異常原因を推定すると共に、推定された原因に関する前記制御量を調整し、その場合の前記出力電圧から推定の正否を判定して、判定された原因に関する前記制御量について前記パラメータ補正制御を実行することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の燃料電池システム。
天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどを改質する改質器が起動時に安定するまで燃料ガスを燃焼させるためのプロセスガスバーナを備え、
前記制御手段は、前記判定された原因に関する前記制御量が、前記酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段若しくは前記燃料ガス供給手段のものであった場合、前記燃料ガスを前記プロセスガスバーナに供給して燃焼させると共に、その発熱により前記燃料電池を保温又は加熱することを特徴とする請求項６の燃料電池システム。