JP2004213985A

JP2004213985A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004213985A
Application number: JP2002380987A
Authority: JP
Inventors: Koji Shindo; 浩二進藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system appropriately treating dump power in a fuel cell in a relatively simple constitution. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with the fuel cell 6 operated by linking with a commercial electric power system 67, and has an electric heater 53 and a heater control circuit 54 controlling power supply to the electric heater 53, and the heater control circuit 54 controls so that the dump power generating in the fuel cell 6 is consumed with the electric heater 53. When reverse tidal current to the electric power system 67 is generated, the heater control circuit 54 supplies it to the electric heater 53. When a load 68 connected to the system is dropped, the heater control circuit 54 supplies power to the electric heater 53. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電力系統に連系して運転するシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】
特に、家庭用の小型電源としては固体高分子形の燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、制御装置と、水タンクと、各種ポンプ類と、発電時に生じる廃熱を回収して温水とする熱交換器と、燃料電池で発電した電力を調整して商用交流に変換する電力変換装置とを備えたＰＥＦＣ装置と、上記熱交換器にて燃料電池で発生した熱を回収した温水（熱回収水）を貯留する貯湯タンクなどを備えた熱回収装置とにより構成される。そして、固体高分子電解質膜の両面に設けたアノードとカソードに前述の水素ガスと空気を供給し、空気中の酸素（酸化剤ガス）と反応させて電力を発生させるものであった。
【０００４】
このような燃料電池システムは、商用電力系統に系統連系されて使用され、燃料電池により発電した電力を単独で、若しくは商用電力と共に使用できるように構成される。例えば家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力消費量（負荷）は大きく変動するが、そのような場合には燃料電池の発電量より負荷が大きくなった時点で商用電力がその分を補う構成とされていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−６８１２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、電力消費量（負荷）が燃料電池の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池で発電された電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流現象が発生するため好ましくない。これを防止するためには燃料電池における発電量を係る負荷の変動に応じて調整することが考えられる。しかしながら、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、発電量の調整は負荷変動に対してどうしても遅れが生じる。また、余剰水素を消費する改質装置などにおいて熱バランスが崩れると云う問題も生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、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、燃料電池における余剰電力を的確に処理できる燃料電池システムを、比較的簡単な構成にて提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電力系統に連系して運転されるもので、内部負荷と、この内部負荷への通電を制御する制御装置を備え、この制御装置は、燃料電池において発生する余剰電力を内部負荷にて消費することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記において制御装置は、系統への逆潮流が生じる場合、内部負荷に通電することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明において制御装置は、システムに接続される負荷が低下した場合、内部負荷に通電することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、例えばシステムに接続される負荷が急激に変動し、燃料電池の発電制御が追従できずに系統への逆潮流が生じる場合に、燃料電池での余剰電力を内部負荷で消費して係る逆潮流の発生を回避できるようになる。また、燃料電池の発電制御範囲より負荷が減少した場合などにも、当該内部負荷にて余剰電力を消費できるので、燃料電池の発電を停止すること無く運転を継続し、且つ、システム内での熱バランスも維持することができるようになる。そして、これら逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の内部負荷にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができるようになるものである。
【００１２】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記各発明において内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであるので、余剰電力を有効に利用することができるようになるものである。
【００１４】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３の発明において内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明に加えて内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたので、燃料電池の出力調整と上記逆潮流の防止及び低負荷時の対処を電力変換装置内に集約することができるようになり、生産性が向上するものである。
【００１６】
請求項６の発明の燃料電池システムは、上記各発明において制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御するので、燃料電池で生じる余剰電力を内部負荷にて的確且つ効率的に解消することが可能となるものである。
【００１８】
【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。実施例における燃料電池システムＳは、固体高分子形燃料電池（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）を用いた発電システムであり、例えば、図示しない家屋の軒下などに設置されるものである。
【００１９】
この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置の他に燃料電池システムＳの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用しているため、熱回収装置として貯湯タンク７を有している。
【００２０】
図１を参照して実施例の固体高分子形の燃料電池システムＳについて説明する。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、ブタン等の燃料の供給源である燃料供給源１と、燃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、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、燃料ガスから水素、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。
【００２１】
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（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）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、燃料極（アノード）６ａと、空気極（カソード）６ｂと、冷却部６ｃとを備えている。
【００２２】
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。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、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。
【００２３】
ここで、水タンク２１は、水道管を通じて市水が供給された水処理装置８により、純水とされた水を貯留するものである。尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１及び１２に搬送される。また、水道管４７を通じて市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。
【００２４】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。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。
【００２５】
他方、上記水タンク１２は、配管３１を介して空気ポンプ（空気供給源）３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに接続される。この空気極６ｂ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及びドレン水配管３６が接続される。
【００２６】
また、上記貯湯タンク７は、ポンプ４５により温水配管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により温水配管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。尚、５０は燃料電池６の発電を制御するコントローラ（制御手段）であり、上記各ポンプや弁などのシステム内機器を制御するものである。
【００２７】
以上の構成により、制御装置５０が燃料電池システムＳの運転を開始すると、燃料供給源１から燃料ガスが、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。ここで燃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を経た燃料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００２８】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。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。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００２９】
このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管２３、水タンク１１及びガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。他方、空気極６ｂには、空気ポンプ３０から空気が供給された水タンク１２より空気が供給される。これにより、燃料極６ａに供給された水素と、空気極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。
【００３０】
尚、上記改質器３は、内部に図示しないバーナを有し、ここには配管３７を介して、燃料極６ａ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、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３のバーナにおいて生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出される。
【００３１】
また、空気極６ｂ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の水が温水配管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水配管３６より外部に排出される。
【００３２】
そして、この燃料電池６にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、出力線５１を介して昇圧コンバータ１５に送られ、当該昇圧コンバータ１５を経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、系統連系インバータ１６（昇圧コンバータ１５と系統連系インバータ１６を合わせて電力変換装置２０とする。）に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図２に示す如く連系リレー６６を介し、図示しない家庭に供給される商用電力系統６７に接続される。
【００３３】
コントローラ５０は、図２に示す電力需要負荷（家庭内の電気機器）６８に応じて昇圧ポンプ１９や空気ポンプ３０を制御し、所定の制御範囲内で燃料電池６における発電量を制御する。そして、燃料電池６の最大の発電量が電力需要負荷６８に満たない場合には、商用電力系統６７から電力需要負荷６８に電力が供給されることになる。
【００３４】
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によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００３５】
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。
【００３６】
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の水が温水配管４２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。
【００３７】
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。また、貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。
【００３８】
上記改質器３の排気系には、図示しない熱交換器が接続され、水タンク２１の水がポンプ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、原燃料と混合して改質器３に供給される。
【００３９】
以上の構成により、燃料電池システム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。
【００４０】
次に、図２を用いて燃料電池システムＳに設けられた内部負荷について説明する。この内部負荷は燃料電池６で発電された余剰電力を消費するために用いられるものであり、実施例では貯湯タンク７内、若しくは、熱回収用熱交換器２７と貯湯タンク７間の温水配管４２（熱回収水経路）と交熱的に設けられた電気ヒータ５３である。
【００４１】
この電気ヒータ５３（内部負荷）は、燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路（制御装置）５４を介して接続されている。このヒータ制御回路５４には出力線５１及び商用電力系統６７の配電線５６に設けられた電流センサ５７、５８の出力が入力されている。尚、各電流センサ５７、５８の出力は前記コントローラ５０にも入力され、燃料電池６の発電制御に供される。
【００４２】
ここで、コントローラ５０は前述した如く電力需要負荷６８に応じて燃料電池６における発電量を制御するものであるが、実施例の如く家庭用で使用された場合には、家人が在宅中か否か、或いは、活動中か就寝中か否かなどによって電力需要（電力消費量）は大きく変動する。上述した如く燃料電池６の発電量より負荷６８が大きくなった時点で商用電力系統６７からその分が補われるが、負荷６８が燃料電池６の発電量よりも小さくなり、余剰電力が生じると、燃料電池６で発電された電力が商用電力系統６７に流れ込む逆潮流現象が発生する。
【００４３】
一方、発電は水素と酸素の化学反応によって生じるため、コントローラ５０による発電量の調整は負荷６８の変動に対してどうしても遅れが生じる。そのため、このままでは余剰電力が商用電力系統６７に逆潮流してしまうことになる。他方、急激にガス供給量などを変更すると、前述したオフガス量の増大などによりシステム内の熱バランスが崩れて運転を継続できなくなる。
【００４４】
また、電力需要負荷６８が減少して燃料電池６の発電制御範囲よりも小さくなった場合にも余剰負荷が発生し、逆潮流が生じる。係る場合には燃料電池６における発電を停止することも考えられるが、一旦燃料電池６の発電を停止した後、再起動するには時間がかかるため、停止させたくないと云う要求もある。
【００４５】
これらを解消するため、ヒータ制御回路５４は各電流センサ５７、５８が検出する出力線５１を流れる電流及び配電線５６を流れる電流に基づき、逆潮流が発生する場合、電気ヒータ５３に出力線５１から電流を流して発熱させ、係る余剰電力を消費してしまう。これにより、逆潮流を防止し、且つ、燃料電池６を停止させること無く、低負荷に対処できることになる。
【００４６】
この場合、逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の電気ヒータ５３（内部負荷）にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができる。尚、この電気ヒータ５３への通電量はスイッチング素子を用いてヒータ制御回路５４が調整し、余剰電力量に応じて的確な値に制御される。そして、この電気ヒータ５３の発熱はまた貯湯タンク７内や温水配管４２を流れる温水を加熱するので、無駄にならず、有効に回収できる。
【００４７】
尚、実施例では燃料電池６の出力線５１にヒータ制御回路５４を介して電気ヒータ５３を接続したが、それに限らず、電力変換装置２０内に内蔵し、昇圧コンバータ１５を系統連系インバータ１６の間に接続してもよい（図２中※１）。係る場合には、電力変換装置２０と電気ヒータ５３、ヒータ制御回路５４を一体化できるので生産性が向上する。また、電気ヒータ５３を電力変換装置２０の後段に接続してもよい（図２中※２）。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、例えばシステムに接続される負荷が急激に変動し、燃料電池の発電制御が追従できずに系統への逆潮流が生じる場合に、燃料電池での余剰電力を内部負荷で消費して係る逆潮流の発生を回避できるようになる。また、燃料電池の発電制御範囲より負荷が減少した場合などにも、当該内部負荷にて余剰電力を消費できるので、燃料電池の発電を停止すること無く運転を継続し、且つ、システム内での熱バランスも維持することができるようになる。そして、これら逆潮流の防止と低負荷時の対処を同一の内部負荷にて実現できるので、生産コストの削減も図ることができるようになるものである。
【００４９】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて内部負荷は、システム内の熱回収水経路、又は、熱回収水を貯溜する貯湯タンクを加熱する電気ヒータであるので、余剰電力を有効に利用することができるようになるものである。
【００５０】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明に加えて内部負荷を、燃料電池の出力を調整する電力変換装置内に設けたので、燃料電池の出力調整と上記逆潮流の防止及び低負荷時の対処を電力変換装置内に集約することができるようになり、生産性が向上するものである。
【００５１】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて制御装置は、余剰電力量に応じて内部負荷への通電量を制御するので、燃料電池で生じる余剰電力を内部負荷にて的確且つ効率的に解消することが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムの商用電力系統への接続状態を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｓ燃料電池システム
６燃料電池
７貯湯タンク
１３改質装置
１５昇圧コンバータ
１６系統連系インバータ
２０電力変換装置
４２温水配管
５０コントローラ
５３電気ヒータ（内部負荷）
５４ヒータ制御回路（制御装置）
６７商用電力系統
６８電力需要負荷[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a system for operating a fuel cell in connection with a power system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a reformer that reforms fuel gas such as natural gas, city gas, methanol, LPG, and butane to hydrogen, a CO converter that converts carbon monoxide, and a CO remover that removes carbon monoxide , A reformer, a CO converter, and a CO remover are collectively referred to as a reformer), and a fuel cell power generation system including a fuel cell that generates power using hydrogen has been proposed.
[0003]
In particular, a polymer electrolyte fuel cell system is used as a small household power supply. Such a fuel cell system includes a reformer, a fuel cell, a controller, a water tank, and various pumps. A PEFC device including a heat exchanger that collects waste heat generated during power generation to generate hot water, a power conversion device that adjusts power generated by the fuel cell and converts it into commercial AC, The heat recovery apparatus includes a hot water storage tank for storing hot water (heat recovery water) that recovers heat generated in the fuel cell. Then, the above-mentioned hydrogen gas and air are supplied to the anode and the cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and are reacted with oxygen (oxidant gas) in the air to generate electric power.
[0004]
Such a fuel cell system is used by being system-connected to a commercial power system, and is configured such that the power generated by the fuel cell can be used alone or together with the commercial power. For example, when used for home use, the power consumption (load) varies greatly depending on whether the family member is at home or active or sleeping, but in such a case, the fuel consumption When the load becomes larger than the amount of power generated by the battery, commercial power compensates for the load (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-68125 A
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, if the power consumption (load) becomes smaller than the power generation amount of the fuel cell and surplus power is generated, a reverse power flow phenomenon in which the power generated by the fuel cell flows into the commercial power system occurs, which is not preferable. In order to prevent this, it is conceivable to adjust the amount of power generation in the fuel cell according to the fluctuation of the load. However, since power generation is caused by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, adjustment of the power generation amount is inevitably delayed with respect to load fluctuation. In addition, there is a problem that a heat balance is lost in a reformer or the like that consumes excess hydrogen.
[0007]
Therefore, the present invention has been made to solve the conventional technical problem, and provides a fuel cell system capable of accurately processing surplus power in a fuel cell with a relatively simple configuration. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the fuel cell system of the present invention is operated in connection with an electric power system, and includes an internal load and a control device for controlling the energization of the internal load. The surplus power is consumed by the internal load.
[0009]
A fuel cell system according to a second aspect of the present invention is characterized in that the control device energizes an internal load when a reverse power flow to the system occurs.
[0010]
A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in each of the above inventions, the control device energizes the internal load when the load connected to the system decreases.
[0011]
According to the present invention, for example, when the load connected to the system fluctuates suddenly and the power generation control of the fuel cell cannot follow, and a reverse power flow to the system occurs, the excess power in the fuel cell is consumed by the internal load. As a result, the generation of the reverse power flow can be avoided. Further, even when the load is reduced from the power generation control range of the fuel cell, the surplus power can be consumed by the internal load, so that the operation can be continued without stopping the power generation of the fuel cell, and in the system. The heat balance can be maintained. Since the prevention of the reverse power flow and the countermeasure at the time of low load can be realized with the same internal load, the production cost can be reduced.
[0012]
A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in each of the above inventions, the internal load is an electric heater for heating a heat recovery water path in the system or a hot water storage tank for storing the heat recovery water.
[0013]
According to the invention of claim 4, in addition to the above inventions, the internal load is an electric heater for heating the heat recovery water path in the system or the hot water storage tank for storing the heat recovery water. It can be used for
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the internal load is provided in a power converter for adjusting an output of the fuel cell.
[0015]
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the first to third aspects of the present invention, the internal load is provided in the power converter for adjusting the output of the fuel cell. It is possible to centralize the prevention of the problem and the countermeasure at the time of a low load in the power converter, thereby improving the productivity.
[0016]
A fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in each of the above inventions, the control device controls the amount of current supplied to the internal load according to the surplus power.
[0017]
According to the invention of claim 6, in addition to the above inventions, the control device controls the amount of power supplied to the internal load according to the amount of surplus power, so that the surplus power generated in the fuel cell can be accurately and efficiently used by the internal load. It is possible to eliminate the problem.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The fuel cell system S in the embodiment is a power generation system using a polymer electrolyte fuel cell (polymer electrolite fuel cell: PEFC device), and is installed under the eaves of a house (not shown), for example. is there.
[0019]
Since the fuel cell system S employs a cogeneration system that effectively uses heat generated in power generation of the fuel cell system S in addition to the PEFC device, the fuel cell system S includes the hot water storage tank 7 as a heat recovery device. ing.
[0020]
The polymer electrolyte fuel cell system S of the embodiment will be described with reference to FIG. In this fuel cell system S, a fuel supply source 1 as a supply source of a fuel such as natural gas, city gas, methanol, LPG, butane, a desulfurizer 2 for removing a sulfur component from a fuel gas, a reformer 13 And a polymer electrolyte fuel cell 6. The reformer 13 includes a reformer 3 that generates a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide from a fuel gas, and converts carbon monoxide contained in the reformed gas from the reformer 3 into carbon dioxide. And a CO remover 5 that removes unmodified carbon monoxide from the CO converter 4.
[0021]
The fuel cell 6 generates electric power by reacting hydrogen (fuel gas) from which carbon monoxide has been removed from the CO remover 5 of the reformer 13 with oxygen (oxidant gas) contained in air. The fuel cell 6 includes a fuel electrode (anode) 6a, an air electrode (cathode) 6b, and a cooling unit 6c.
[0022]
A gas pipe 17 extends from the fuel supply source 1. The gas pipe 17 is provided with an electromagnetic on-off valve 18 and a booster pump 19, and the gas pipe 17 is connected to the desulfurizer 2. The desulfurizer 2 is connected to the reformer 3 of the reformer 13 via the gas pipe 22. The reformer 3 is sequentially connected to a CO modifier 4 and a CO remover 5 by a gas pipe (not shown). The water tank 21 is connected to the reformer 13 via a pipe 41 provided with a pump 40.
[0023]
Here, the water tank 21 stores pure water by the water treatment device 8 supplied with city water through a water pipe. In addition, the purified water in the water treatment device 8 is transported to the water tanks 11 and 12 by the pump 44 via the pipes 9 and 10. It is also assumed that city water is supplied to the hot water storage tank 7 through the water pipe 47.
[0024]
The CO remover 5 is connected to a water tank 11 via a gas pipe 23, and the water tank 11 is connected to a fuel electrode 6a of the fuel cell 6 via a pipe 24. The fuel electrode 6a is connected to the reformer 13 via a pipe 37, and a drain water pipe 38 is connected to the pipe 37. The water tank 11 is connected to the cooling unit 6c of the fuel cell 6 via a pipe 25, and the cooling unit 6c is connected to the water tank 11 again via a pipe 26 provided with a heat recovery heat exchanger 27. It is connected.
[0025]
On the other hand, the water tank 12 is connected to an air pump (air supply source) 30 via a pipe 31 and connected to the air electrode 6 b of the fuel cell 6 via a pipe 32. The air electrode 6b is connected to a heat recovery heat exchanger 33 via a pipe. An exhaust duct 35 and a drain water pipe 36 are connected to the heat recovery heat exchanger 33.
[0026]
The hot water storage tank 7 is connected to the above-described heat recovery heat exchanger 27 via a hot water pipe 42 by a pump 45, and is also connected to the above heat recovery heat exchange via a hot water pipe 43 by a booster pump 46. Connected to the device 33. Reference numeral 50 denotes a controller (control means) for controlling the power generation of the fuel cell 6, which controls devices in the system such as the pumps and valves.
[0027]
With the above configuration, when the control device 50 starts the operation of the fuel cell system S, the fuel gas from the fuel supply source 1 enters the booster pump 19 via the electromagnetic on-off valve 18 and is boosted by the booster pump 19. Is supplied to the desulfurizer 2. Here, the sulfur component is removed from the fuel gas. When a catalyst utilizing an adsorption reaction of, for example, activated carbon is used in the desulfurizer 2, the sulfur component can be removed at room temperature. The fuel gas having passed through the desulfurizer 2 is supplied to the reformer 3 of the reformer 13 via the gas pipe 22.
[0028]
In this reformer 3, a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide is generated. The gas that has passed through the reformer 3 is supplied to a CO converter 4, where carbon monoxide contained in the reformed gas is denatured into carbon dioxide. The gas that has passed through the CO converter 4 is supplied to a CO remover 5, where the native carbon monoxide in the gas that has passed through the CO converter 4 is removed.
[0029]
Hydrogen from which the carbon monoxide has been removed through the CO remover 5 is supplied to the fuel electrode 6 a of the polymer electrolyte fuel cell 6 via the gas pipe 23, the water tank 11 and the gas pipe 24. . On the other hand, the air electrode 6b is supplied with air from the water tank 12 to which air is supplied from the air pump 30. Thereby, the hydrogen supplied to the fuel electrode 6a reacts with the oxygen contained in the air supplied to the air electrode 6b to generate electric power.
[0030]
The reformer 3 has a burner (not shown) inside, and unreacted hydrogen that has passed through the fuel electrode 6a is supplied thereto as an off-gas via a pipe 37. At this time, part of the water left or moved in the fuel electrode 6 a due to the chemical reaction and drain water generated in the burner of the reformer 13 are discharged to the outside by the drain water pipe 38.
[0031]
Further, the temperature of the air led out from the air electrode 6b to the pipe 34 is increased by the exothermic reaction of the fuel cell 6, and the exhaust air having the increased temperature circulates through the hot water storage tank 7 through the hot water pipe 43. After the heat is recovered by the heat recovery heat exchanger 33, the heat is released to the outside through the exhaust duct 35. At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 7 rises due to the heat exchange in the heat recovery heat exchanger 33. On the other hand, the water generated in the chemical reaction of the fuel cell 6 is present as water vapor in the exhaust air whose temperature has increased, and condensed when the heat exchange with the water in the hot water storage tank 7 is performed by the heat recovery heat exchanger 33. Then, the water is discharged from the drain water pipe 36 to the outside as drain water.
[0032]
The electric power generated by the chemical reaction between hydrogen and oxygen in the air in the fuel cell 6 is sent to the boost converter 15 via the output line 51, passes through the boost converter 15, and is necessary for the inverter. The voltage is boosted to a voltage and sent to the grid-connected inverter 16 (the boost converter 15 and the grid-connected inverter 16 are collectively referred to as a power conversion device 20), from which a single-phase three-wire 100V / 200V power source is provided. As shown in FIG. 2, it is connected to a commercial power system 67 supplied to a home (not shown) via an interconnection relay 66.
[0033]
The controller 50 controls the boost pump 19 and the air pump 30 according to the power demand load (electric equipment in the home) 68 shown in FIG. 2 and controls the amount of power generated by the fuel cell 6 within a predetermined control range. Then, when the maximum power generation amount of the fuel cell 6 is less than the power demand load 68, power is supplied from the commercial power system 67 to the power demand load 68.
[0034]
In the reformer 3, the CO shift converter 4, the CO remover 5, and the fuel cell 6, a chemical reaction having a predetermined reaction temperature is performed. Since the chemical reaction in the reformer 3 is an endothermic reaction, the chemical reaction is performed while being constantly heated by the burner provided in the reformer 13.
[0035]
Further, since the chemical reaction performed in the CO converter 4 and the CO remover 5 is an exothermic reaction, a burner (not shown) is burned only when the system is started to generate combustion gas, and the heat of the combustion gas generated at this time is used. The temperature of the CO remover 5 is raised to the reaction temperature, and after the temperature is raised to this reaction temperature, cooling is performed so that the temperature of the exothermic reaction does not rise above the reaction temperature.
[0036]
In the fuel cell 6, an electrochemical reaction is performed, and heat is generated by activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance overvoltage during the electrochemical reaction. At this time, the water in the water tank 11 is supplied to the cooling unit 6c of the fuel cell 6 by a pump (not shown), and the water passing through the cooling unit 6c passes through the heat recovery heat exchanger 27 via the pipe 26. Then, it returns to the water tank 11 again. In addition, since the water in the hot water storage tank 7 circulates through the heat recovery heat exchanger 27 through the hot water pipe 42, the temperature of the water in the hot water storage tank 7 increases, and the temperature of the water in the water tank 11 decreases.
[0037]
Thereby, the fuel cell 6 is cooled by circulating the water in the water tank 11 through the cooling unit 6c. In addition, since the temperature of the water in the hot water storage tank 7 can be raised by using heat generated during power generation, hot water is generated from city water using the heat, and the hot water is supplied to a bath (not shown) at home. It can be supplied to kitchens.
[0038]
A heat exchanger (not shown) is connected to the exhaust system of the reformer 3, and when the water in the water tank 21 is supplied via the pump 40, the heat exchanger converts the water into steam. And supplied to the reformer 3.
[0039]
With the above configuration, since the fuel cell system S takes the form of a cogeneration system, energy can be effectively used. Therefore, a high overall thermal efficiency is obtained, so that the consumption of raw fuel is reduced and the emission of carbon dioxide is reduced.
[0040]
Next, an internal load provided in the fuel cell system S will be described with reference to FIG. This internal load is used for consuming the surplus electric power generated by the fuel cell 6, and in the embodiment, the hot water pipe 42 in the hot water storage tank 7 or between the heat recovery heat exchanger 27 and the hot water storage tank 7 is used. An electric heater 53 provided so as to exchange heat with the (heat recovery water path).
[0041]
The electric heater 53 (internal load) is connected to the output line 51 of the fuel cell 6 via a heater control circuit (control device) 54. The output of the output line 51 and the outputs of current sensors 57 and 58 provided on the distribution line 56 of the commercial power system 67 are input to the heater control circuit 54. The outputs of the current sensors 57 and 58 are also input to the controller 50, and are used for controlling the power generation of the fuel cell 6.
[0042]
Here, the controller 50 controls the amount of power generation in the fuel cell 6 according to the power demand load 68 as described above. However, when the controller 50 is used for home use as in the embodiment, it is determined whether the family member is at home. Or, the power demand (power consumption) greatly fluctuates depending on whether the user is active or sleeping. As described above, when the load 68 becomes larger than the power generation amount of the fuel cell 6, the amount is supplemented by the commercial power system 67. However, when the load 68 becomes smaller than the power generation amount of the fuel cell 6 and surplus power is generated, The reverse power flow phenomenon in which the power generated by the fuel cell 6 flows into the commercial power system 67 occurs.
[0043]
On the other hand, since power generation is caused by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, the adjustment of the power generation amount by the controller 50 is inevitably delayed with respect to the fluctuation of the load 68. Therefore, in this state, the surplus power flows backward to the commercial power system 67. On the other hand, if the gas supply amount is suddenly changed, the heat balance in the system is lost due to the increase in the off-gas amount described above, and the operation cannot be continued.
[0044]
Also, when the power demand load 68 decreases and becomes smaller than the power generation control range of the fuel cell 6, a surplus load is generated, and reverse power flow occurs. In such a case, it is conceivable to stop the power generation in the fuel cell 6, but once power generation in the fuel cell 6 is stopped, it takes a long time to restart the power generation.
[0045]
In order to solve these problems, the heater control circuit 54 supplies the output line 51 to the electric heater 53 when a reverse power flow occurs based on the current flowing through the output line 51 detected by each of the current sensors 57 and 58 and the current flowing through the distribution line 56. , A current is caused to flow to generate heat, and the surplus power is consumed. As a result, a reverse load can be prevented, and a low load can be dealt with without stopping the fuel cell 6.
[0046]
In this case, since the prevention of reverse power flow and the countermeasure at the time of low load can be realized by the same electric heater 53 (internal load), the production cost can be reduced. The amount of electricity supplied to the electric heater 53 is adjusted by the heater control circuit 54 using a switching element, and is controlled to an appropriate value according to the amount of surplus power. The heat generated by the electric heater 53 also heats the hot water flowing in the hot water storage tank 7 and the hot water pipe 42, so that it can be effectively collected without being wasted.
[0047]
In the embodiment, the electric heater 53 is connected to the output line 51 of the fuel cell 6 via the heater control circuit 54. However, the present invention is not limited to this. (* 1 in FIG. 2). In such a case, productivity can be improved because the power conversion device 20, the electric heater 53, and the heater control circuit 54 can be integrated. Further, the electric heater 53 may be connected to the subsequent stage of the power converter 20 (* 2 in FIG. 2).
[0048]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, for example, when the load connected to the system fluctuates abruptly and the power generation control of the fuel cell cannot follow, and a reverse power flow to the system occurs, the surplus power in the fuel cell Is consumed by the internal load, and the generation of the reverse power flow can be avoided. In addition, even when the load is reduced from the power generation control range of the fuel cell, the surplus power can be consumed by the internal load, so that the operation is continued without stopping the power generation of the fuel cell, and The heat balance can be maintained. Since the prevention of the reverse power flow and the countermeasures at the time of low load can be realized with the same internal load, the production cost can be reduced.
[0049]
According to the invention of claim 4, in addition to the above inventions, the internal load is an electric heater that heats the heat recovery water path in the system or the hot water storage tank that stores the heat recovery water, so that the surplus power is effectively used. It can be used for
[0050]
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the first to third aspects of the present invention, the internal load is provided in the power converter for adjusting the output of the fuel cell. It is possible to centralize the prevention of the problem and the countermeasure at the time of a low load in the power converter, thereby improving the productivity.
[0051]
According to the invention of claim 6, in addition to the above inventions, the control device controls the amount of electricity supplied to the internal load according to the amount of surplus power, so that the surplus power generated in the fuel cell can be accurately and efficiently used by the internal load. It is possible to eliminate the problem.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a connection state of the fuel cell system of FIG. 1 to a commercial power system.
[Explanation of symbols]
S Fuel cell system 6 Fuel cell 7 Hot water storage tank 13 Reformer 15 Boost converter 16 Grid-connected inverter 20 Power converter 42 Hot water piping 50 Controller 53 Electric heater (internal load)
54 heater control circuit (control device)
67 Commercial power system 68 Power demand load

Claims

In a fuel cell system including a fuel cell operated in connection with an electric power system,
An internal load, comprising a control device for controlling the energization to the internal load,
The fuel cell system, wherein the control device consumes surplus power generated in the fuel cell at the internal load.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller supplies power to the internal load when a reverse power flow to the system occurs. 3.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device supplies power to the internal load when a load connected to the system decreases. 4.

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the internal load is an electric heater for heating a heat recovery water path in the system or a hot water storage tank for storing the heat recovery water. .

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the internal load is provided in a power converter for adjusting an output of the fuel cell.

6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device controls an amount of current supplied to the internal load in accordance with the surplus power amount. .