JP2007073418A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 排出水素濃度の抑制を維持しながら、発電負荷の高負荷から低負荷へ移行するときのシステム応答性を向上させるとともに、燃費・騒音を改善する。
【解決手段】 水素循環路１１と並列にバイパス路１８と、バイパス路１８上の圧力容器１６を設ける。燃料電池システムの運転負荷が高負荷から低負荷への移行時に、圧力容器入口弁１４を開いて、アノード４及び水素循環路１１の水素の一部を圧力容器１６へ移す。この時点でアノード４及び水素循環路１１内の圧力が、圧力容器１６とバイパス路１８とを合わせた容積分だけ膨張低下するので、同時にコンプレッサ５の回転数を下げ、カソード圧力調整弁７の開度を調節してカソード３の圧力をアノード圧力低下に見合うように低下させる。アノード圧力が所定圧力に低下した時点で圧力容器入口弁１４を閉じる。次いで、圧力容器１６内の水素を圧力容器出口弁１７で流量を調節しながら排出させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を使用した発電技術の分野に属し、特に発電に使用する空気の排気と排水素ガスを混合して安全に排気を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池発電システムにおいて燃料ガスを含む排気を行う場合、安全上の面からアノードからの排水素濃度を可燃限界未満に抑制して大気へ放出する必要がある。このため、例えば特許文献１記載のような、カソードの排気を利用して排水素を希釈する方法や触媒燃焼器で燃焼する方法が知られている。
特開２００２−２８９２３７号公報（第７頁、図１）

しかしながら、排燃料ガスを排空気で希釈するアノード循環型の燃料電池システムにおいて、発電出力が高負荷から低負荷へ移る時に、水素循環路の内圧を下げる分と運転を維持するためのパージ分の水素を合わせて排気しなければならず、大量の希釈空気を必要とし、空気供給装置に大容量の能力が必要となったり、大量の希釈空気による騒音が生じるという問題点があった。

また、希釈空気量を確保しながら運転状態を移行させるので、発電出力の高負荷から低負荷への移行に遅れを生じるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、カソードに供給された酸素とアノードに供給された水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、前記アノードに水素を供給する水素供給手段と、前記アノードから排出された未反応水素を前記アノードへ循環させる水素循環路と、前記水素循環路内のガスを循環駆動する水素循環ポンプと、前記水素循環路から排出するガス量を調整するパージ弁と、前記水素循環ポンプ下流から前記パージ弁下流へバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に配置された圧力容器と、前記圧力容器の入口及び出口の流量をそれぞれ調整する圧力容器入口弁及び圧力容器出口弁とを備え、燃料電池の発電負荷が高負荷から低負荷へ移行する際に、前記水素循環路内のガスの一部を前記圧力容器へ移してアノード圧力を低下させた後、前記圧力容器内のガスを徐々に処理することを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池システムの発電負荷が高負荷から低負荷へ移行時に、圧力容器へ水素を移すことで外気へ放出することなく運転圧力を短時間に下げられるので、システムの応答性を向上させることができるとともに、取り出し電力に対し過剰な発電運転を抑制することで燃費を向上でき、水素希釈必要量以上の排空気が流れる任意の運転点にて安全に圧力容器内の水素を希釈処理可能となる（図２（ａ））。

また、一般に空気供給手段としてコンプレッサを用いた場合の電力消費量は、発電出力に対して図２（ｂ）に示すように２次曲線的に変化するため、運転圧・空気供給量を下げた場合に排水素希釈処理の時間が延びてもコンプレッサの総消費電力量は抑える効果が期待できる。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１は、カソード３に供給された空気中の酸素とアノード４に供給された水素との電気化学反応により発電する燃料電池２と、空気供給手段としてのコンプレッサ５と、カソード出口の空気を絞ってカソード圧力を調整するカソード圧力調整弁７と、水素供給手段としての高圧水素を貯蔵した水素タンク８と、水素タンク８から供給する水素の圧力・流量を調整する水素供給量調整弁９と、アノード出口４ｂから排出された未反応水素をアノード入口４ａへ循環させる水素循環路１１と、水素循環路１１内のガスを循環駆動する水素循環ポンプ１２と、アノード出口４ｂから排出された未反応水素を含むガスを系外へ排出させるパージ弁１３と、水素循環ポンプ１２の下流からパージ弁１３の下流へバイパスするバイパス路１８と、バイパス路１８上に配置された圧力容器１６と、圧力容器入口弁１４と、圧力容器出口弁１７とを備えている。

尚、圧力計６，１０，１５は、それぞれカソード入口３ａ、アノード入口４ａ、圧力容器１６内部の圧力を検出するセンサであり、図示しないコントローラへ圧力検出信号を送信する。コントローラは、これら圧力計の検出値に基づいて燃料電池システム１全体を制御するとともに、燃料電池の発電負荷が高負荷から低負荷へ移行する際に、圧力容器入口弁１４及び圧力容器出口弁１５の開閉及び開度を制御して、アノード４及び水素循環路１１内のガスの一部を圧力容器１６へ取り込み、アノード運転圧力を低下させると共に、その後の圧力容器１６からの水素を含むガスの放出を制御する。

次に、本実施例の燃料電池システム１における運転負荷が高負荷から低負荷へ変化する際のコントローラによる制御を説明する。

まず、通常運転時の状態は、運転負荷に応じた空気供給量がコンプレッサ５からカソード３へ供給されると共に、カソード圧力調整弁７が運転負荷に応じたカソード圧力となるように圧力を制御する。圧力計６は、カソード入口３ａの運転圧力を検出し、この圧力検出値に基づいてコントローラは、コンプレッサ５の回転速度及びカソード圧力調整弁７の開度を調整する。また運転負荷に応じた水素供給量が水素タンク８から水素供給量調整弁９を介してアノード４へ供給され、アノード出口４ｂから排出された余剰水素は、水素循環ポンプ１２によりアノード入口へ再循環される。また、圧力計１０が検出するアノード入口４ａの運転圧力は、コントローラに入力される。コントローラは、このアノード運転圧力を水素供給量調整弁９の開度制御にフィードバックするとともに、運転負荷に応じた水素循環ポンプ１２の循環量に制御する。さらに、運転圧力に応じたパージ弁１３の排出流量が設定される。

次に、燃料電池システム１の高負荷運転から低負荷運転への運転負荷変更時の制御を図３のタイムチャートを参照して説明する。図３の（ａ）〜（ｄ）は、圧力容器を備えない従来の燃料電池システムと同じ構成の比較例における（ａ）発電出力目標、（ｂ）アノード圧力、（ｃ）水素排出量、（ｄ）コンプレッサ消費電力をそれぞれ示す図である。図３の（ｅ）〜（ｈ）は、圧力容器を備えた本実施例における（ｅ）発電出力目標、（ｆ）アノード圧力、（ｇ）水素排出量、（ｈ）コンプレッサ消費電力をそれぞれ示す図である。

高負荷運転時に、低負荷運転へ運転負荷の変更指示が出されたとき、コントローラは、水素供給量調整弁９の開度を減少させて低負荷運転に応じた水素供給量へ変更すると共に、圧力容器入口弁１４を開きアノード４及び水素循環路１１内から圧力容器１６へ水素を導く（出力移行開始点）。この時点でアノード４及び水素循環路１１内の圧力が、圧力容器１６とバイパス路１８とを合わせた容積分だけ膨張して低下するので、同時にコンプレッサ５の回転数を下げ、カソード圧力調整弁７の開度を調節してカソード３の圧力をアノード圧力低下に見合うように低下させる。

水素循環路１１内の圧力が所定圧に低下した時点で圧力容器入口弁１４を閉じ、所定圧が出力目標低下後の目標運転圧より高い場合でも所定圧から運転を始め、徐々に水素循環路１１内の圧力を目標運転圧まで低下させるととともに、圧力容器１６内の水素を圧力容器出口弁１７で流量を調節しながら排出させる。圧力容器へ水素ガスを移した時点において、排水素処理の安全性を確保しながら最も燃費を抑制できる運転点を設定できる。

ただし、所定圧とは定常運転時に水素希釈必要量より過剰に排空気が流れる運転条件であり、図２（ａ）で示した圧力容器水素希釈分の空気流量を確保できる発電量に対応する運転圧力である。

尚、圧力容器１６に一時貯蔵した水素を運転圧力が低下した後に、圧力容器入口弁１４で流量調整しながら、アノード入口４ａ側の水素循環路１１へ戻して、発電に利用してもよい。これにより、圧力容器内へ移した水素ガスを用いて発電を行うことができ、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例を説明するシステム構成図である。 燃料電池システムにおける（ａ）発電量と空気供給量との関係、（ｂ）発電量と空気供給手段の消費電力の関係を説明する図である。 高負荷から低負荷へ移行運転時の圧力容器の有無による各パラメータの時間変化を説明する図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…カソード
４…アノード
５…コンプレッサ（空気供給手段）
６、１０、１５…圧力計
７…カソード圧力調整弁
８…水素タンク（水素供給手段）
９…水素供給量調整弁
１１…水素循環路
１２…水素循環ポンプ
１３…パージ弁
１４…圧力容器入口弁
１６…圧力容器
１７…圧力容器出口弁
１８…バイパス路

Claims (3)

1. カソードに供給された酸素とアノードに供給された水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、
   前記アノードに水素を供給する水素供給手段と、
   前記アノードから排出された未反応水素を前記アノードへ循環させる水素循環路と、
   前記水素循環路内のガスを循環駆動する水素循環ポンプと、
   前記水素循環路から排出するガス量を調整するパージ弁と、
   前記水素循環ポンプ下流から前記パージ弁下流へバイパスするバイパス路と、
   前記バイパス路に配置された圧力容器と、
   前記圧力容器の入口及び出口の流量をそれぞれ調整する圧力容器入口弁及び圧力容器出口弁とを備え、
   燃料電池の発電負荷が高負荷から低負荷へ移行する際に、前記水素循環路内のガスの一部を前記圧力容器へ移してアノード圧力を低下させた後、前記圧力容器内のガスを徐々に処理することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素循環路内のガスの一部を前記圧力容器へ移した直後のアノード運転圧は、水素循環路の内圧で決定される発電運転に必要な排出水素量と、圧力容器から放出する排出水素量との総量を可燃限界濃度未満まで希釈する空気量がカソードから排気される時の運転圧とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記圧力容器の内圧より低いアノード運転圧へ移行する場合に、前記圧力容器内ガスを前記水素循環路へ戻して水素の供給を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

Images