JP2008140686A

JP2008140686A - 燃料電池発電装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP2008140686A
Application number: JP2006326788A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ohashi; 哲雄大橋; Takayuki Kaneko; 隆之金子
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】安定した運転が可能で、信頼性の高い、簡素化された燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池本体３０と、燃料電池本体３０に燃料ガスを供給する燃料ブロワ５と、燃料ブロワ５により供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計３と、燃料流量計３の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことおよび／または燃料ブロワ５の出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知しとときに燃料電池の発電運転を停止させる自動停止手段２とを備える。さらに、燃料ガスの圧力を調整する減圧弁と、改質されたガスの一部を燃料ブロワ入口に戻すリサイクルラインとを備えてもよい。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池発電装置およびその制御方法に関し、特に燃料供給系の制御に関する。

化石燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を発生させるものであり、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことができる。

また、燃料電池からの排熱を温水として回収することで、総合効率の向上を図ることができるとともに、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する発電装置である。

このような燃料電池としては、近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活性化し、家庭用燃料電池システムの普及も間近な状況となっている。

ところで、この燃料電池発電装置は、脱硫器、燃料処理装置、発電部である燃料電池本体、燃料電池本体より発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、制御装置、熱交換器、反応器、回転器などから構成されている。

そして、当該燃料処理装置には、外部から都市ガスやプロパンガスなどの原燃料が供給され、燃料電池内は停止時も常に一定圧力以上に保たれている。また、燃料電池発電装置の発電時には、原燃料を当該燃料処理装置に供給するための燃料ブロワが動作し、安定した燃料供給がなされている。

このような燃料電池発電装置の燃料供給の制御に関わるものとして、燃料電池停止後の燃料系保圧に関する制御方法（特許文献１）、燃料供給の過流防止に関する構成（特許文献２）や水素リサイクル流量の制御方法（特許文献３）などが知られている。
特開２００５−２６７９１０号公報特開２００６−５７７７３号公報特開２００６−９２７６４号公報

上述したような燃料電池発電装置においては、一般に燃料供給圧力を監視する圧力スイッチが設けられ、この圧力スイッチで燃料供給圧力を監視し、発電運転中に燃料元圧が低下した場合には燃料電池発電装置を自動的に停止させている。また、燃料電池発電装置の停止中に燃料処理装置の内圧が一定値以下にならないよう、圧力センサーが設けられ、燃料処理装置の内圧を制御することにより、配管内部への空気の混入を防止している。

このような燃料電池発電装置では、燃料供給圧力を監視する圧力スイッチの故障や誤差により、必要以上に燃料電池発電装置を停止させてしまう恐れがあった。また、燃料供給系に圧力スイッチと圧力センサーを配置することにより、システム構成や制御方法が複雑であった。

そこで、本発明では安定した燃料電池発電装置の運転を実現すべく、信頼性の高い、簡素化された燃料電池発電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電装置は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことおよび前記燃料ブロワの出力が所定の範囲を超えて増加したことを検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電装置の他の態様は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電装置の他の態様は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したこと検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電装置の制御方法は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことおよび前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池本体の発電運転を自動停止させることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電装置の制御方法の他の態様は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池本体の発電運転を自動停止させることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電装置の制御方法の他の態様は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池の発電運転を自動停止させることを特徴とする。

本発明によれば、圧力スイッチを設けることなく、安全に燃料電池発電装置を自動停止させることができ、またシステム構成や制御方法が簡素化されるので、省力化や誤動作防止により信頼性の高い燃料電池発電装置の健全な運転が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施形態の燃料供給方法を示すシステムフロー図である。

都市ガスやプロパンガスなどの原燃料ガス１０は、入口遮断弁１を介して燃料電池発電装置内部へ導入される。この燃料は燃料流量計３にて測定され、燃料ブロワ５の回転数を制御することにより調整がなされる。そして、燃料ブロワ５を通じた燃料の一部は、バーナ燃料ガスライン１２により、燃料処理装置２１のバーナ燃焼に利用される。

また、残りの燃料は供給遮断弁６および脱硫器２０を介して燃料処理装置２１へ導入され、主に水素と二酸化炭素に改質され、燃料電池本体３０へ供給される。なお、内部圧力センサー７は燃料電池発電装置の停止時、脱硫器２０および燃料処理装置２１内の圧力を監視し、内部圧力が一定値以下まで低下した場合には、入口遮断弁１および供給遮断弁６を開き、内部圧力を一定値以上に保つことにより、内部への空気混入を防止し、燃料処理装置２１内の触媒の活性が維持される。

ここで、燃料流量計３からの指示値および燃料ブロワ５からの出力値を自動停止手段２に入力し、燃料流量計３の指示値と設定値との偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したこと、かつ燃料ブロワ５の出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、燃料電池発電装置を自動停止する。なお、自動停止手段２には、制御装置や、弁、スイッチなどが含まれうる。

図３は、運転時の燃料流量設定、燃料流量計の指示値および燃料ブロワ出力の状態変化の一例を示すグラフであり、この自動停止方法による作用を説明するものである。

すなわち、燃料元圧が低下すると燃料流量計の指示値は低下し、燃料流量設定と燃料流量計の指示値との偏差が大きくなる。その結果、燃料ブロワの出力は、燃料流量を燃料流量設定レベルまで上昇させようと増加する。したがって、一定時間内に燃料流量が回復しない場合および燃料ブロワの出力が急激に増加する場合を検知することで、燃料供給圧力を監視するための圧力スイッチを設けることなく、燃料電池発電装置を自動的に停止することができる。

以上により、圧力スイッチを設けることなく、安全に燃料電池発電装置を自動停止させることができ、またシステム構成や制御方法が簡素化されるので、省力化や誤動作防止により信頼性の高い燃料電池発電装置の健全な運転が実現できる。

なお、燃料電池発電装置の運転中に燃料元圧が低下した場合に、本実施の形態において、燃料流量計３の指示値と設定値との偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことのみ、または燃料ブロワ５の出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことのみによって、燃料電池発電装置を自動的に停止させるような構成としても、同様の作用効果が得られる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る燃料電池発電装置の第２の実施形態における燃料供給方法を示すシステムフロー図である。なお、図中、第１の実施形態と同一または類似する部分には、共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

図２において、脱硫器２０の触媒種類により燃料処理装置２１で生成した水素の一部を、燃料ブロワ５の上流に戻す水素リサイクルライン１１が設けられ、この場合、燃料ブロワ５入口での合流圧力を調整するための減圧弁４も設けられている。

このように水素リサイクルラインを設けた場合にも第１の実施の形態と同様に、以上燃料流量計３の指示値と設定値との偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したこと、または燃料ブロワ５の出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことのいずれか一方または両方を検知することによって、燃料電池発電装置を自動的に停止させる自動停止手段２を設けることにより、同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施形態における燃料供給方法を示すシステムフロー図である。本発明に係る燃料電池発電装置の第２の実施形態における燃料供給方法を示すシステムフロー図である。本発明に係る燃料電池発電装置の第１および第２の実施形態におけるプロセスデータの変化を示す状態グラフである。

符号の説明

１…入口遮断弁
２…自動停止手段
３…燃料流量計
４…減圧弁
５…燃料ブロワ
６…供給遮断弁
７…内部圧力センサー
１０…原燃料ガス
１１…水素リサイクルライン
１２…バーナ燃料ガスライン
２０…脱硫器
２１…燃料処理装置
３０…燃料電池本体

Claims

燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、
前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、
前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことおよび前記燃料ブロワの出力が所定の範囲を超えて増加したことを検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、
前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、
前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、
前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計と、
前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知したときに前記燃料電池本体の発電運転を停止させる自動停止手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記燃料ブロワの上流側に配置されて前記燃料ガスの圧力を調整する減圧弁と、
前記燃料ブロワの下流側でかつ前記燃料電池本体の上流側に配置されて、燃料ガスを改質する燃料処理装置と、
をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
前記燃料処理装置で改質された燃料ガスの一部を前記燃料ブロワの上流側に戻すリサイクルラインをさらに有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装置。
燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、
前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことおよび前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池本体の発電運転を自動停止させることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、
前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料流量計の指示値と燃料設定値の偏差が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池本体の発電運転を自動停止させることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ブロワと、前記燃料ブロワにより供給される燃料ガス流量を計測する燃料流量計とを備えた燃料電池発電装置の制御方法において、
前記燃料電池発電装置の発電時に燃料元圧が低下した場合、前記燃料ブロワの出力が所定時間内に所定の範囲を超えて増加したことを検知し、前記燃料電池の発電運転を自動停止させることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。