JP2007128666A - 燃料電池発電システムの燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電システムへの燃料ガスの供給に使用する昇圧機の消費電力を低減し、システムの総合的な発電効率を向上させること。
【解決手段】本発明は、燃料ガス１を主昇圧機４によって高圧燃料ガス７にし、この高圧燃料ガス７を含む燃料を燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムの燃料供給方法において、補助昇圧機４１を前記主昇圧機４に並列に設け、前記昇圧機の負荷が定格負荷であることを燃料ガス１の流量によって判別したときは前記主昇圧機４のみを運転し、重負荷であることを流量によって判別したときは前記主昇圧機４及び前記補助昇圧機４１を共に運転する燃料電池発電システムの燃料供給方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する昇圧機の消費電力を低減するための燃料電池発電システムの燃料供給方法に関するものである。

図３は、従来技術における燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。同図においては、燃料電池１５の種類が固体酸化物型燃料電池であり、燃料が空気１、都市ガス２及び純水３である場合を例示する。この固体酸化物型燃料電池は、800℃を超える高温状態において安定して発電する。空気１及び都市ガス２のように燃料の中でガスであるものを燃料ガスと呼ぶことにする。以下、同図を参照して説明する。

昇圧機４は、燃料ガスである空気１を圧縮して高圧にし、圧縮空気７を燃料供給部９に供給する。昇圧機５は、燃料ガスである都市ガス２を高圧にし、高圧都市ガス８を燃料供給部９に供給する。純水ポンプ６は、純水３を燃料供給部９に供給する。燃料供給部９は、これら圧縮空気７、高圧都市ガス８及び純水３を入力として、所望圧力及び所望流量に調節した燃料用空気１０及び燃料用都市ガス１２並びに燃料用純水３を燃料電池１５に供給する。さらに、この燃料供給部９は、所望圧力及び所望流量に調節したバーナ用空気１３及びバーナ用都市ガス１４をガスバーナ１７に供給する。燃料電池１５は、上記の燃料用空気１０、燃料用都市ガス１１及び燃料用純水１２を燃料として化学反応によって電気１６を発電する。ガスバーナ１７は、上記のバーナ用空気１３及びバーナ用都市ガス１４を燃焼させて、上記の燃料電池１５を予備加熱するための熱１８を発生する。

上述したように、固体酸化物型燃料電池は高温で安定動作するために、燃料電池発電システムの起動時の過渡期間においてはガスバーナ１７、電気ヒータ等で燃料電池１５を予備加熱する必要がある。同様に、システムを停止するときの過渡期間中も、ガスバーナ１７等によって燃料電池１５の温度を緩やかに低下させる必要がある。これら起動／停止時の過渡期間は数時間以上かかることも多い。また、過渡期間を短縮するためには、上記の燃料用空気１０、燃料用都市ガス１１の流量を定格運転時よりも相当に多くする必要もある。このように、システムの起動／停止に時間がかかるので、システムの電力変換効率を高めるためにシステムはできるだけ定格運転を継続するように運用される。

図４は、上記の燃料供給部９の詳細なブロック図である。同図は、空気１が昇圧され、圧力及び流量が所望値に調節されて、燃料用空気１０及びバーナ用空気１３が出力される部分のみを図示している。都市ガス２の場合も同様であるので省略している。以下、同図を参照して説明する。

昇圧機４は、空気１を圧縮して高圧にして、圧縮空気７を出力する。昇圧機４は、交流電源ＡＣに接続されて運転状態にある。この圧縮空気７は、以下のように燃料用空気１０及びバーナ用空気１３を供給する２系統に分岐する。

（１）第１圧力調節弁ＰＢ１は、上記の圧縮空気７の圧力を所望値に調節する。第１流量調節弁ＦＢ１は、後述する第１流量制御信号Ｆc1によって上記の圧力調節された圧縮空気７の流量を所望値に調節して燃料用空気１０を出力する。第１流量検出器ＦＤ１は、燃料用空気１０の流量を検出して、第１流量検出信号Ｆd1を出力する。第１流量設定回路ＦＲ１は、燃料用空気１０の流量を設定するための第１流量設定信号Ｆr1を出力する。第１誤差増幅回路ＥＡ１は、上記の第１流量設定信号Ｆr1と第１流量検出信号Ｆd1との誤差を増幅し上記の第１流量調節弁ＦＢ１を制御するための第１流量制御信号Ｆc1を出力する。これにより、燃料用空気１０の圧力及び流量が所望値に調節される。

（２）第２圧力調節弁ＰＢ２は、上記の圧縮空気７の圧力を所望値に調節する。第２流量調節弁ＦＢ２は、後述する第２流量制御信号Ｆc2によって上記の圧力調節された圧縮空気７の流量を所望値に調節してバーナ用空気１３を出力する。第２流量検出器ＦＤ２は、バーナ用空気１３の流量を検出して、第２流量検出信号Ｆd2を出力する。第２流量設定回路ＦＲ２は、バーナ用空気１３の流量を設定するための第２流量設定信号Ｆr2を出力する。第２誤差増幅回路ＥＡ２は、上記の第２流量設定信号Ｆr2と第２流量検出信号Ｆd2との誤差を増幅し上記の第２流量調節弁ＦＢ２を制御するための第２流量制御信号Ｆc2を出力する。これにより、バーナ用空気１３の圧力及び流量が所望値に調節される。

特開２００４−３６３４５６号公報

図４において、燃料電池発電システムの起動／停止時の過渡期間中は、上述したように、燃料用空気１０の流量を定格運転時よりも相当に多くする必要がある。さらに、システムの起動／停止時の過渡期間中は、上述したように、燃料電池１５の予備加熱等のためにバーナ用空気１３を供給する必要がある。したがって、上記の過渡期間中の圧縮空気７の最大流量は、定格運転時の流量に過渡期間の増加流量及びバーナ用の流量を加算した値となる。増加分流量及びバーナ用流量は、定格運転時流量と同じ程度の値になる場合も多い。この圧縮空気７の最大流量に基づいて昇圧機４の容量が決定されることになる。都市ガス用の昇圧機５についても同様である。すなわち、空気１、都市ガス２等の燃料ガスを昇圧するための昇圧機の容量は、負荷が重くなる過渡期間に基づいて決定されることになる。

このために、流量が少なくなる定格運転時の定格負荷状態においては、昇圧機はその最大能力の半分以下程度で動作することになる。上述したように、燃料電池発電システムは発電効率を高めるためにできる限り定格運転を継続する。このために、昇圧機はほとんど定格負荷状態で動作し、最大能力を発揮する過重期間の重負荷状態はわずかな時間比率となる。燃料電池発電システムにとって、昇圧機の消費電力はシステムの発電効率を低下させる大きな要因の一つである。それにもかかわらず、わずかな時間比率しかない重負荷に合わせて大きな消費電力の昇圧機を使う必要があった。

そこで、本発明では、昇圧機の消費電力を低減してシステムの発電効率を向上させることができる燃料電池発電システムの燃料供給方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、燃料ガスを主昇圧機によって高圧燃料ガスにし、この高圧燃料ガスを含む燃料を燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムの燃料供給方法において、
補助昇圧機を前記主昇圧機に並列に設け、前記昇圧機の負荷が定格負荷であるときは前記主昇圧機のみを運転し、重負荷であるときは前記主昇圧機及び前記補助昇圧機を共に運転する、ことを特徴とする燃料電池発電システムの燃料供給方法である。

また、第２の発明は、前記昇圧機の負荷状態を前記高圧燃料ガスの流量によって判別する、第１の発明記載の燃料電池発電システムの燃料供給方法である。

また、第３の発明は、前記昇圧機の負荷が前記定格負荷の範囲で軽負荷であるときは前記主昇圧機のみを運転し、かつ、インバータによって前記主昇圧機を制御する、第１又は第２の発明記載の燃料電池発電システムの燃料供給方法である。

上記第１の発明によれば、昇圧機の負荷が定格負荷であるときは主昇圧機のみを運転し、重負荷になると補助昇圧機を追加運転するので、昇圧機の総合的な消費電力を低減することができる。このために、燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。さらに、昇圧機の保守作業時において、定格運転をしながら補助昇圧機のメンテナンスを行うことができる。このときに、主昇圧機と補助昇圧機の役割りを交代させることで、システムを停止することなく主昇圧機のメンテナンスも行うことができる。

上記第２の発明によれば、昇圧機の負荷状態を燃料ガスの流量によって判別することによって上記の効果を奏することができる。

上記第３の発明によれば、昇圧機の負荷が軽負荷であるときはインバータにより主昇圧機を制御することによって、軽負荷時の昇圧機の消費電力を低減することができる。このために、燃料電池発電システムの総合的な発電効率をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。同図は、上述した図４と同様に、上述した図３における燃料供給部９の一部を示すものである。同図において図４と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図４とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。

空気１を圧縮するために、主昇圧機４及び補助昇圧機４１を並列に設ける。主昇圧機４の容量は、燃料電池発電システムの定格運転時に必要となる燃料用空気１０の流量に基づいて決定する。補助昇圧機４１の容量は、起動／停止時の過渡期間中の増加流量に基づいて決定する。増加流量とは、起動／停止時の過渡期間中の最大流量から定格運転時の流量を減算した流量である。主昇圧機４はシステムを起動してから停止するまでの間、常に運転状態にある。他方、補助昇圧機４１は、後述する起動スイッチＯＮによってオン／オフされる。

加算回路ＡＤは、第１流量設定信号Ｆr1と第２流量設定信号Ｆr2とを加算して、流量設定信号Ｆｒを出力する。コンパレータ回路ＣＰは、この流量設定信号Ｆｒの値が基準値を超えたときはＨｉｇｈレベルになる比較信号Ｃｐを出力する。この基準値は、例えば定格運転時流量とする。起動スイッチＯＮは、上記の比較信号ＣｐがＨｉｇｈレベルのときはオンとなり補助昇圧機４１を運転する。比較信号ＣｐがＬｏｗレベルになると起動スイッチＯＮはオフになり、補助昇圧機４１は停止する。これにより、流量が定格負荷に相当するときには主昇圧機４のみが運転し、重負荷となるときには補助昇圧機４１も追加して運転する。

同図は空気１の供給について説明したが、都市ガス２についても同様である。また、同図においては補助昇圧機４１の起動／停止を流量を基準として行うが、システムの起動／停止時の過渡期間のみ補助昇圧機４１を運転しても良い。これは、上述したように、過渡期間中の負荷が重くなるためである。実施の形態１によれば、定格負荷時は主昇圧機４のみ運転し、負荷が所定値を超えたときは補助昇圧機４１を追加運転するので、昇圧機の総合的な消費電力を大幅に低減することができる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。同図は、上述した図１と同様に、上述した図３における燃料供給部９の一部を示すものである。同図において図１と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。

第２コンパレータ回路ＣＰ２は、流量設定信号Ｆｒの値が第２基準値以下のときはＨｉｇｈレベルになる第２比較信号Ｃp2を出力する。この第２基準値は、定格負荷の流量に基づき設定し、定格負荷流量の９０％程度以下で設定する。インバータＩＮＶは、主昇圧機４の動作を制御する。切換スイッチＳＷは、上記の第２比較信号Ｃp2がＨｉｇｈレベルのときはｂ側に切り換わり上記のインバータＩＮＶによって主昇圧機４を制御し、Ｌｏｗレベルのときはａ側に切り換わり通常の電源によって主昇圧機４を運転する。

同図は空気１の供給について説明したが、都市ガス２の供給についても同様である。実施の形態２によれば、主昇圧機４の負荷が定格負荷よりも相当に軽いときは主昇圧機４をインバータＩＮＶによって制御することで、主昇圧機４の消費電力を低減することができる。軽負荷時に主昇圧機４を通常電源で運転するとムダな電力を消費するためである。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。 従来技術の燃料電池発電システムのブロック図である。 従来技術における燃料電池発電システムの燃料供給方法を示すブロック図である。

符号の説明

１ 空気
２ 都市ガス
３ 純水
４ 空気用の昇圧機、主昇圧機
５ 都市ガス用の昇圧機
６ 純水ポンプ
７ 圧縮空気
８ 高圧都市ガス
９ 燃料供給部
１０ 燃料用空気
１１ 燃料用都市ガス
１２ 燃料用純水
１３ バーナ用空気
１４ バーナ用都市ガス
１５ 燃料電池
１６ 電気
１７ ガスバーナ
１８ 熱
４１ 補助昇圧機
ＡＣ 交流電源
ＡＤ 加算回路
ＣＰ コンパレータ回路
Ｃｐ 比較信号
ＣＰ２ 第２コンパレータ回路
Ｃp2 第２比較信号
ＥＡ１ 第１誤差増幅回路
ＥＡ２ 第２誤差増幅回路
ＦＢ１ 第１流量調節弁
ＦＢ２ 第２流量調節弁
Ｆc1 第１流量制御信号
Ｆc2 第２流量制御信号
ＦＤ１ 第１流量検出器
Ｆd1 第１流量検出信号
ＦＤ２ 第２流量検出器
Ｆd2 第２流量検出信号
Ｆｒ 流量設定信号
ＦＲ１ 第１流量設定回路
Ｆr1 第１流量設定信号
ＦＲ２ 第２流量設定回路
Ｆr2 第２流量設定信号
ＩＮＶ インバータ
ＯＮ 起動スイッチ
ＰＢ１ 第１圧力調節弁
ＰＢ２ 第２圧力調節弁
ＳＷ 切換スイッチ

Claims (3)

1. 燃料ガスを主昇圧機によって高圧燃料ガスにし、この高圧燃料ガスを含む燃料を燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムの燃料供給方法において、
   補助昇圧機を前記主昇圧機に並列に設け、前記昇圧機の負荷が定格負荷であるときは前記主昇圧機のみを運転し、重負荷であるときは前記主昇圧機及び前記補助昇圧機を共に運転する、ことを特徴とする燃料電池発電システムの燃料供給方法。
2. 前記昇圧機の負荷状態を前記高圧燃料ガスの必要流量によって判別する、請求項１記載の燃料電池発電システムの燃料供給方法。
3. 前記昇圧機の負荷が前記定格負荷に対して軽負荷であるときは前記主昇圧機のみを運転し、かつ、インバータによって前記主昇圧機を制御する、請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システムの燃料供給方法。
   
   

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