JP2005197120A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
凝縮水の発生による悪影響を除いて、安定な運転が可能な燃料電池発電システムを提供することにある。
【解決手段】
制御装置１００は、燃料改質する燃料処理装置１から燃料電池９に供給されるアノードガスの燃料電池入口温度を、電池スタック温度よりもある許容範囲内の温度差を保って常に低くなるよう温度制御する。熱交換器１１−Ａは、燃料処理装置１の出口と燃料電池９のアノード入口との間に設けられ、燃料処理装置１から燃料電池９に供給されるアノードガス（高温側）と冷却媒体（低温側）を熱交換させる。制御装置１００は、電池スタック温度を監視しながら、冷却媒体の流量あるいは熱交換器の入口温度を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を主電源とする燃料電池発電システムに係り、特に、電力需要変動及び給湯需要変動の大きい固体高分子型の家庭用燃料電池発電給湯システムに用いるに好適な燃料電池発電システムに関する。

従来の燃料電池発電システムの構成としては、例えば、特開２００１−９３５５０号公報に記載されているようなものが知られている。燃料電池は、家庭用のように一部時間帯により高い需要電力が必要だが、平均的には需要電カが低い場合は、効率的な運転をするために、電力需要に追随して部分負荷運転するのが経済的である。このような部分負荷追従運転状況下のもとでは、負荷に応じて電池の温度が変化するとともに、燃料改質装置からの改質ガスの流量や組成も変化する。また、排熱回収系の熱交換器での熱交換量も変化する。さらに、１００℃以下の温度で運転され、かつ、改質ガスを含む電池に出入りするガスの水蒸気濃度が高いため、凝縮水が発生し、この凝縮水量も変動する。

特に燃料改質装置から出たアノードガスは水蒸気濃度が高く、このままの濃度で電池内に供給されると電池内で凝縮が起こり、セパレータ流路内でフラッディングや流路閉塞を起こし、電池性能の低下や電圧の不安定化を招くとともに、補機動力を増大させる原因ともなる。

このため擬水性の高いセパレータ流路構成材料をもちいて、水の移動をスムーズにして電池外に排出しやすくしたり、流速を速くするため電池スタックのセパレータ流路構造を改善し、全ての運転範囲においてフラッディングや流路閉塞を起こさないように工夫することが考えられている。

特開２００１−９３５５０号公報

しかし、上述の電池スタック構造では、圧力損失の増大を招き、ブロア動力の増大による発電効率の低下やセパレータ流路構造や製作プロセスが非常に複雑になり、製作コストアップにつながることなど問題が多く、又凝縮水の電池外への確実な排除という面から見ても信頼性において充分確立した技術とはいえなかった。

電池を低コストで提供し、しかも安定した運転とかつ所定の性能を維持する上で、上記の欠点は大きな障害となるため、システム面から運転状態に応じたアノードガス中の水蒸気濃度の管理が必要である。

この改善策として、改質装置と電池間にはアノードガスを冷却し、ガス中の水分を凝縮させ、気水分離器によりガス中から水を緋除し、ガス中の水蒸気濃度を低減するための熱交換器を備えている。

ただし、熱交換器の冷却性能は、一般的には定格負荷条件あるいは任意の負荷条件にて設計されていたり、また、給湯温度を維持するような熱回収システムに主眼が置かれており、様々な負荷条件下においても最適なアノードガス中の水蒸気濃度を維持し、電池内の凝縮水発生に起因する悪影響を緋除できるような配慮はなされていない。

本発明の目的は、凝縮水の発生による悪影響を除いて、安定な運転が可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃料改質する燃料処理装置と燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガスの燃料電池入口温度を、電池スタック温度よりもある許容範囲内の温度差を保って常に低くなるよう温度制御する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、凝縮水の発生による悪影響を除いて、安定な運転が可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記燃料処理装置の出口と前記燃料電池のアノード入口との間に設けられ、前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガス（高温側）と冷却媒体（低温側）を熱交換させる熱交換器を備え、前記制御手段は、電池スタック温度を監視しながら、前記冷却媒体の流量あるいは前記熱交換器の入口温度を調整するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記温度差を負荷が小さくなるほど大きくするように設定するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記冷却媒体として、水道からポンプにより供給される給湯用の温水となる熱回収水を用い、前記制御手段は、前記熱交換器を流れる熱回収水の流量を制御することにより、アノードガスの熱交換器の出口温度（前記燃料電池の入口のアノードガス温度）を調節するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記燃料電池発電給湯システムの排熱回収源となる前記燃料電池の出口の冷却媒体，前記燃料電池の出口のカソード排ガス，前記燃料電池の出口のアノード排ガスの各熱源流体に対し、給湯用の水道水を加温するための熱交換器を配置した排熱回収水系統を有し、この排熱回収水系統の任意の箇所から熱回収水の一部、あるいは全部を、前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガスと熱交換させるための熱交換器と、上記排熱回収水系統の任意の箇所から上記熱交換器に熱回収水を供給するためのバイパス系統とを備えるようにしたものである。

本発明によれば、凝縮水の発生による悪影響を除いて、安定な運転が可能となる。

以下、図１を用いて、本発明の第１の実施形態による燃料電池発電システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。

本実施形態の燃料電池発電給湯システムは、都市ガス２，空気３を昇圧するブロア３４，３５と、水道水３０から脱イオン水５をつくる水処理装置２３と、水素を含むアノードガス６を生成する燃料処理装置１と、燃料電池９と、燃料電池９にカソード空気８を供給する空気ブロア３６と、空気８を加湿する加湿セル２８と、燃料電池の冷却系統を構成する電池９内の冷却セル９ｃ，冷却水タンク１０，冷却水ポンプ２４，熱交換器１１−Ｂと、熱回収系統を構成する、３つの熱交換器１１−Ａ，Ｂ，Ｄ，熱回収により発生した温水２０を貯える貯湯槽１８，熱回収系統に水道水２１を送り込む循環ポンプ１７と、その他、燃料電池９へ供給するカソード空気８を燃料電池９からのカソード排ガス１５ａで予熱する熱交換器１１−Ｃと、水道水２１と温水２０からバイパスされた温水１９とブレンドする合流弁１６とから、主として構成される。

以上のように構成された燃料電池発電給湯システムでは、都市ガス２，空気３，脱イオン水５，及び戻りアノードガス４が、それぞれ燃料処理装置１に導入される。燃料処理装置１では、上記導入ガスや水により、水素リッチなアノードガス６が生成され、また、燃焼排ガス７が排出される。次に、燃料電池９には、燃料処理装置１からのアノードガス６が熱交換器１１−Ａにて冷却され、電池に適した温度のアノードガス３１となり、冷却した際に凝縮した水はドレントラップ２５にて排除されアノード９ａへ、また、カソード空気ブロア３６により空気８は加湿セル２８を通って加湿された空気２９となり、カソード９ｂへそれぞれ流入する。燃料電池９では、空気２９中の酸素とアノードガス６中の水素が電気化学反応により直流の電力と、熱を発生させる。この熱の一部は、先に述べた燃料電池冷却系で除去され、残りはカソード排ガス１５ａ及びアノード排ガス１４となって電池外へ排出される。

次に熱回収系統について説明する。水道水２１が循環ポンプ１７により熱回収系統に設けられた３つの熱交換器１１−Ｄ，１１−Ｂ，１１−Ａの順に通過することにより熱をもらい、所定の給湯温度の温水２０となって貯湯槽１８に貯められる。最上流側の熱交換器１１−Ｄでは、電池アノード９ａを出たアノード排ガス１４とカソード９ｂを出たカソード排ガス１５ｂと熱交換する。次の熱交換器１１−Ｂでは、冷却セル９ｃを出た電池冷却水１２と熱交換される。電池冷却水系統では、燃料電池９を冷却するために、貯水槽１０からポンプ２４により冷却水１３が冷却セル９ｃを流れて、電池を冷却する。そして電池から出てきた冷却水１２は加湿セル２８を通って、熱交換器１１−Ｂに入り、電池から奪った熱を低温側の熱回収系続２７に与え、貯水槽１０にもどる。最後の熱交換器１１−Ａでは燃料処理装置１からの１００℃以上の温度のアノードガス６との熱交換である。この熱交換器を出た熱回収水は所定の６０℃の温水２０となる。

ここで問題となるのは、熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１の温度である。燃料処理装置１から生成されるアノードガス６中には燃料処理装置１の運転条件にもよるが、高い露点温度（６０〜７０℃）の水蒸気を有している場合が多い。すなわち、熱交換器１１−Ａで冷却されるアノードガス６の出口温度が露点温度になり、アノードガス３１に含まれる水分濃度を決定することになる。もし、この温度が電池９の温度に近い、あるいは高くなると、電池内のアノード流路内で水が凝縮し、フラッディングや流路閉塞を引き起こし、セル電圧の低下や不安定な挙動が生じやすくなる。これを防ぐには、理想的にはアノード流路内が飽和状態、あるいはそれを少し下回る程度が、膜の乾燥を防ぐ上でも、また、凝縮を抑える点においても好ましいものである。そのためには、アノードガス３１の露点温度は電池温度よりも低くする必要がある。なぜなら反応により水素が消費され相対的に水蒸気の農度が高くなるため、入口での水蒸気濃度が高いとそれだけ電池内で飽和に達しやすくなり、凝縮も生じやすくなるからである。

本実施形態では、上記の点を考慮し、さらに、アノードガス３１の温度を制御する手段を備えている。すなわち、電池温度測定部１０５の温度と熱交換器１１−Ａ入口の熱回収水温度測定部１０６の温度が検出され、制御部１００にそれぞれ入力信号１０３，１０２として送られる。制御部１００では、その温度差△Ｔを求め、その値が運転負荷レベルに応じて定まる設定値に収まるように、制御部１００から流量制御信号１０１が熱回収水循環ポンプ１７に伝わり、ポンプ吐出流量を制御する。即ち、温度差△Ｔが設定値より大きいときは、熱回収水２１のポンプ吐出流量を減少させて熱回収水温度測定部１０６の温度を上げることにより、アノードガス入口温度３１の温度を上げる。逆に、温度差△Ｔが設定値より小さいときは、熱回収水２１のポンプ吐出流量を増加させて、熱回収水温度１０６、アノードガス入口温度３１の温度を下げる。

事前の評価で熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１の温度は、熱回収側の入口温度に引っ張られやすく、このため熱交換器１１−Ａ入口の熱回収水温度測定部１０６の温度と熱交換器１１−Ａ出口のアノードガス３１の温度はほとんど等しくなるので、制御対象と操作因子を同一の熱回収水側にすることにより制御の信頼性、応答性を高めている。従って、熱交換器１１−Ａの入口の熱回収水温度測定部１０６の代わりにアノードガス入口温度３１の温度を用いてもよいものである。

なお、上記温度差△Ｔの設定値は、例えば、１KW級電池において、定格条件では約５℃程度、負荷が小さくなるにつれて△Ｔを大きく設定するようにしており、負荷５０％では１０〜１５℃程度必要になる。温度差ΔＴをどの程度に設定するかは、流路の内表面の撥水性で変える必要がある。例えば、負荷５０％では撥水性が良い場合には１０℃程度であり、撥水性があまりよくない場合には１５℃程度である。また、負荷と温度差ΔＴの関係は、ほぼ直線的に変化させるようにする。負荷範囲としては、例えば、３０％〜１００％程度の範囲であり、したがって、負荷３０％では１２〜１９℃程度必要になる。

これは、凝縮水によるフラッディングや流路閉塞が電池セパレータ流路内を流れるガスの流速と密接な関係にあり、流速が遅いほど、流路内に生成された凝縮水が電池外に排出されにくくなることに起因しているからである。負荷が小さくなるほど燃料利用率一定運転では、負荷に比例してアノードガス流量も減少するため、セパレータ流路内のガス流速も遅くなるので低負荷になるほど、電池温度とアノードガス入口温度の差をとることにより、電池内での凝縮水発生量を抑えることで、流速の問題を回避しようとするものである。

以上説明したように、本実施形態では、大きな電池スタック構造変更を伴うことなく、アノードガス電池入口温度制御を新たに加えることにより、定格運転条件だけでなく、部分負荷運転時においても、電池内アノード流路内で発生する凝縮水量を制御できることになり、電池内の凝縮水に起因するフラッディングや流路閉塞を防止できるので、常時安定した運転ができる。

次に、図２を用いて、本発明の第２の実施形態による燃料電池発電システムの構成について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態は、図１に示した部分負荷まで含めたシステムの安定運転だけでなく、電池温度が低下する部分負荷運転時において必要な給湯温度を維持できるようにしたものである。

部分負荷時では、発電による発熱量が低下するのに対して、放熱などの熱損失はあまり変化しないため、一般的に電池温度測定部１０５の温度は下がる。システム自体の断熱効果によっても異なるが、例えば定格で７０℃以上の電池運度が５０％負荷だと６５℃以下になる。このため、電池安定運転のためには上述したように熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１ａの温度も電池温度に伴い低くなる。その結果、熱交換器１１−Ａの入口の熱回収水温度も低くせざるを得なくなり、熱交換器１１−Ａの出口での温水２０の温度が所定の給湯温度（６０℃）に至らない可能性も運転状態によっては生じる。

このため本実施形態では、給湯温度測定点１１２の温度信号１１１を制御部１１０に入カし、所定の給湯温度が得られるよう、熱回収水循環ポンプ１７に流量制御信号１０１が送られ、ポンプ吐出流量を制御する。即ち給湯温度測定部１１２の温度が設定値より低いときは、熱回収水２１のポンプ吐出流量を減少させて給湯温度測定部１１２の温度を上げることになる。

この場合、給湯温度は所定温度の６０℃以上に保たれることになるが、熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１ａの温度も給湯温度に引きずられる形で高くなり、電池温度との温度差△Ｔが小さくなり電池の安定性に問題が生じる場合が出てくる。

そこで図２の熱交換器１１−Ａの出口でのアノードガス３１ａの温度は、給湯温度が保たれる程度までしか冷却させずにし、所定の△Ｔになるまでの冷却は電池９と熱交換器１１−Ａの間に設けた冷却器３２により行う。冷却器出口に設けたアノードガス温度３１ｂの温度測定部１０７の温度信号１０４と電池温度の温度信号１０３から制御部１００にて、所定の温度差△Ｔに必要な冷却器制御信号１０８が冷却器に送られ、アノードガスを冷却する。冷却方式は空冷、水冷など任意の方式がとられる。

本実施形態では、給湯温度制御とは別に電池アノード入口温度を別に冷却する手段を設けたことにより、部分負荷運転時においても給湯温度と電池安定運転を同時に維持することができる。

次に、図３を用いて、本発明の第３の実施形態による燃料電池発電システムの構成について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態は、図２に示したアノードガス３１ａの冷却方法に関するもので、図２とは異なる冷却システムを示すものである。

本実施形態では、熱交換器１１−Ｄ出口の熱回収水２７ａの温度は電池温度よりは低く、しかも４０℃以上の温度があるので、この熱回収水をバイパスライン３７を通して熱交換器３２に導入し、アノードガス３１ａを冷却する。即ち、熱回収水２７ａの温度は、電池温度よりも低く、しかも△Ｔからみて低過ぎもせず、アノードガス温度を調節するには好適な温度といえる。

バイパス流量は、冷却器出口のアノードガス３１ｂの温度信号１０４と電池温度の温度信号１０３から制御部１００にて所定の△Ｔに必要な流量調節弁３３への開度制御信号１０９が流量調節弁３３に送られることにより制御され、冷却に必要な熱回収水が熱交換器３２に供給される。熱交換器３２を出た熱回収水３９は元の熱回収ラインに合流部３８ａを通して戻される。

なお、熱交換器１１−Ｄの出口熱回収水２７ａの温度測定部１１３の温度や熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１ａの温度測定部１１４の温度も制御部１００に入力するようにしている。熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１ａは、冷却器出口のアノードガス３１ｂよりも上流に位置するため、この温度が急変した場合等は、制御装置１００は、熱交換器１１−Ａの出口のアノードガス３１ａの温度によりフィードフォワード制御して温度差ΔＴが所定値となるように速やかに制御できる。また、熱交換器１１−Ｄの出口熱回収水２７ａの温度変化も、温度差ΔＴの制御に影響するため、熱交換器１１−Ｄの出口熱回収水２７ａの温度が急変した場合等は、制御装置１００は、熱交換器１１−Ｄの出口熱回収水２７ａの温度によりフィードフォワード制御して温度差ΔＴが所定値となるように速やかに制御できる。これらの温度情報を用いてバイパス流量の決定に活用することで、制御性が向上する。

本実施形態では、熱交換器が一個増えるが、アノードガスを所定温度に冷却するために最も適した温度の熱回収水が使えるので制御性が向上する。また、冷却した熱回収水は戻されるので、図２に示した実施形態２に比べてエネルギー損失を低減できる。

次に、図４を用いて、本発明の第４の実施形態による燃料電池発電システムの構成について説明する。
図４は、本発明の第４の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態は、図２に示した実施形態と同様に、アノードガス３１ａの冷却方法に関するものであり、図３に示した実施形態とは別の例である。特に、一時的に温度差△Ｔが小さくなるときの対策を示したもので、負荷変化させるとき、電池の熱容量や熱交換器の熱容量などの関係から電池温度とアノードガス３１ａの温度差が小さくなることに対応するものである。

本実施形態では、図３の実施形態３とは熱回収水のバイパス位置が変更されているだけで、その他は図３と同じである。すなわち、熱回収水２７ｂを熱回収循環水ポンプ１７の後流からバイパスライン３７を通して熱交換器３２に導入するもので、従って熱回収水温度は４０℃以下と、図３の例に比べてより低い温度となっている。バイパス流量は冷却器出口のアノードガス温度３１ｂの温度信号１０４と電池温度の温度信号１０３から制御部１００にて所定の温度差△Ｔに必要な流量調節弁３３への開度制御信号１０９が流量調節弁３３に送られることにより制御され、冷却に必要な熱回収水が熱交換器３２に供給される。熱交換器３２を出た熱回収水３９は元の熱回収ラインに合流部３８ｂを通して戻される。

なお、熱交換器１１−Ｄの入口熱回収水２７ｂの温度測定部１１５の温度も制御部１００に入力するようにしている。熱交換器１１−Ｄの入口熱回収水２７ｂの温度変化も、温度差ΔＴの制御に影響するため、熱交換器１１−Ｄの入口熱回収水２７ｂの温度が急変した場合等は、制御装置１００は、熱交換器１１−Ｄの入口熱回収水２７ｂの温度によりフィードフォワード制御して温度差ΔＴが所定値となるように速やかに制御できる。これらの温度情報を用いてバイパス流量の決定に活用することで、制御性が向上する。

本実施形態では、何らかの原因で温度差△Ｔが小さくなったときや負荷変化時において、緊急用としてできるだげ短時間にアノードガスを冷却し、△Ｔを許容範囲内にすることが可能となるため、負荷追従における運転信頼性を向上できる。

本発明の第１の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。 本発明の第３の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。 本発明の第４の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。

符号の説明

１…燃料処理装置
２…都市ガス
３…空気
４…アノード戻りガス
５…脱イオン水
６…アノードガス
７…燃焼排ガス
８…カソード空気
９…燃料電池
９ａ…アノード
９ｂ…カソード
９ｃ…冷却セル
１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃ…熱交換器
１２…冷却水（出口）
１３…冷却水（入口）
１４…アノード排ガス
１５ａ，１５ｂ…カソード排ガス
１６…合流弁
１７…熱回収水循環ポンプ
１８…貯湯槽
１９…温水バイパス系統
２０…温水
２１…水道水
２２…給湯ライン
２３…水処理装置
２４…冷却水ポンプ
２５，２６…気水分離器
２７ａ，２７ｂ…熱回収水
２８…加湿セルスタツク
２９…加湿空気
３１…電池入口アノードガス
３２…熱交換器、冷却器
３３…バイパス流量調節弁
３４…燃料ブロア
３５…空気ブロア
３６…カソード空気ブロア
３７…熱回収水バイパスライン
３８ａ，３８ｂ…合流部
３９…熱回収水戻りライン
１００…制御部（アノードガス温度）
１０１…循環水ポンブ制御信号
１０２，１０３，１０４…温度信号
１０５，１０６，１０７…温度測定部
１０８…冷却器制御信号
１０９…流量調節弁開度制御信号
１１０…制御部（給湯温度）
１１１…温度信号
１１２，１１３，１１４…温度測定部

Claims (5)

1. 燃料改質する燃料処理装置と燃料電池とを有する燃料電池発電給湯システムにおいて、
   前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガスの燃料電池入口温度を、電池スタック温度よりもある許容範囲内の温度差を保って常に低くなるよう温度制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料処理装置の出口と前記燃料電池のアノード入口との間に設けられ、前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガス（高温側）と冷却媒体（低温側）を熱交換させる熱交換器を備え、
   前記制御手段は、電池スタック温度を監視しながら、前記冷却媒体の流量あるいは前記熱交換器の入口温度を調整することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御手段は、前記温度差を負荷が小さくなるほど大きくするように設定することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記冷却媒体として、水道からポンプにより供給される給湯用の温水となる熱回収水を用い、
   前記制御手段は、前記熱交換器を流れる熱回収水の流量を制御することにより、アノードガスの熱交換器の出口温度（前記燃料電池の入口のアノードガス温度）を調節することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池発電給湯システムの排熱回収源となる前記燃料電池の出口の冷却媒体，前記燃料電池の出口のカソード排ガス，前記燃料電池の出口のアノード排ガスの各熱源流体に対し、給湯用の水道水を加温するための熱交換器を配置した排熱回収水系統を有し、
   この排熱回収水系統の任意の箇所から熱回収水の一部、あるいは全部を、前記燃料処理装置から前記燃料電池に供給されるアノードガスと熱交換させるための熱交換器と、
   上記排熱回収水系統の任意の箇所から上記熱交換器に熱回収水を供給するためのバイパス系統とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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