JP2012009175A

JP2012009175A - 燃料電池発電システムおよびその運転方法

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Publication number: JP2012009175A
Application number: JP2010141787A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Sakata; 悦朗坂田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: JP5646223B2

Abstract

【課題】燃料電池本体への水素量の供給不足が生じる可能性を低減する。
【解決手段】燃料電池発電システムに、燃料電池本体２と燃料極排気流量調整弁１２と空気ブロワ４と燃焼器５と燃焼温度センサー１３と制御器５１と備える。燃料電池本体２は、燃料極４１に供給される水素および空気極４２に供給される酸素を用いて発電する。燃料極排気流量調整弁１２は、燃料極４１に供給される水素量を加減する。空気ブロワ４は、空気極４２に酸素を供給する。燃焼器５は、燃料極４１から排出されるガスを燃焼させる。燃焼温度センサー１３は、燃焼器５内の燃焼ガスの温度を測定する。制御器５１は、燃焼温度センサー１３が測定する温度が目標とする燃料利用率に対応する理論断熱燃焼温度以下になった場合に燃料極排気流量調整弁１２を開く。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、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取り出すシステムである。この燃料電池発電システムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、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持っている。最近では、小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が加速し、家庭用燃料電池発電システムの販売が開始された。この家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、電力と発電に伴う排熱を供給する熱電併給、いわゆるコージェネレーション装置として使用される。

現在は、燃料供給基盤の制約によって、都市ガスやＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料により発電する燃料電池発電システムを中心に開発、商品化が進められている。将来的には水素供給基盤の整備が計画されており、水素循環型の社会が到来すると考えられ、燃料電池発電システムは水素循環型社会の重要な構成要素となることが期待されている。すなわち純水素を燃料とする純水素型燃料電池発電システムが家庭のあるいは小規模事業者のエネルギーを供給するようになる。

純水素型燃料電池発電システムにおいては、発電部である燃料電池本体における燃料利用率を可能な限り高めることが、システム全体の発電効率向上に寄与する。ここで、燃料利用率は、次式で求めることができる。

燃料利用率［％］
＝燃料電池本体で発電に使用する水素発熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ^３（ＬＨＶ）］
／燃料電池本体に供給する水素発熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ^３（ＬＨＶ）］
×１００
＝電流値［Ａ］×２２．４×６０×セル枚数
／（Ｆ×２×燃料流量［ＮＬ／ｍｉｎ］）×１００
ここで、水素発熱量は低位発熱量（ＬＨＶ：Lower Heating Value）であり、Ｆ＝９６４８５（ファラデー定数）である。

特開２００８−２６２７８６号公報

純水素型燃料電池発電システムにおいては、発電部である燃料電池本体における燃料利用率を可能な限り高めることが、システム全体の発電効率向上に寄与する。燃料電池発電システムにおける燃料利用率は、燃料電池本体に供給する水素流量を計測する流量計指示値、燃料電池本体の電流値を計測する電流センサー指示値および燃料電池本体を構成するセル枚数から計算することができる。しかし、流量計や電流センサーの測定誤差によっては、計算によって求まる燃料利用率が実際の燃料電池本体における燃料利用率よりも低くなる可能性がある。計算によって求めた燃料利用率が実際の燃料利用率よりも低い場合、さらに燃料利用率を高めてしまうと、燃料電池本体に必要な燃料が不足している状態で運転が継続される可能性がある。燃料電池本体に必要な燃料が不足している状態で運転が継続されると、燃料電池本体が劣化する。

そこで、本発明は、燃料電池本体への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、前記燃焼温度センサーが測定する温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御器と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程で測定した温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、料電池本体への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。燃料電池発電システムにおいて燃料極に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計の指示値に対する誤差と燃料利用率の計算値の誤差との関係の例を示すグラフである。本実施の形態における燃料利用率と理論断熱燃焼温度との関係を示すグラフである。本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。

本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、水素供給源４４から水素を供給されて発電および給湯するいわゆる純水素型燃料電池発電システムである。水素は、純粋な水素ガスあるいは水素を豊富に含むガスとして水素供給源４４から供給される。水素供給源４４は、パイプライン、貯蔵設備、あるいは、複数の燃料電池発電システムに水素を供給するために設置された中央設置燃料処理装置などである。

燃料電池発電システムは、燃料電池本体２と、燃料極排気流量調整弁１２と、空気ブロワ４と、燃焼器５と、燃焼温度センサー１３と、制御器５１とを有している。燃料電池本体２は、電解質膜を挟んで設けられた燃料極４１と空気極４２とを有している。燃料電池本体２の内部には、冷却流路４３が形成されている。

燃料電池本体２の燃料極４１は、水素供給源４４に接続されている。燃料極４１の排気は、燃料極排気流量調整弁１２を介して燃焼器５に送られる。燃料極排気流量調整弁１２を調節することによって排気流量は変化し、これにともなって水素供給源４４から燃料極４１に送られる燃料流量、すなわち、単位時間当たりの水素の供給量は変化する。つまり、燃料極排気流量調整弁１２は、燃料極４１に供給される水素量を加減する手段である。

燃料電池本体２の空気極４２は、空気ブロワ４の排気側に接続されている。空気ブロワ４の吸気側は、空気フィルター３に接続されている。空気極４２の排気は、燃料極排気流量調整弁１２の下流側で燃料極４１の排気と予混合されて燃焼器５に送られる。

燃焼器５の排気は、燃焼排ガス熱交換器７の高温側を通過した後、凝縮器８に送られる。凝縮器８に蓄えられた凝縮水は、冷却水ポンプによって燃料電池本体２の冷却流路４３に送られる。冷却流路４３から流れ出た冷却水は、冷却水熱交換器６の高温側を通過して凝縮器８に戻る。

また、燃料電池発電システムは、パッケージ１の外部に貯湯槽３０を有している。貯湯槽３０から水が排熱回収水ポンプ９で送出される。排熱回収水ポンプ９で送出された水は、凝縮器８の低温側、冷却水熱交換器６の低温側、燃焼排ガス熱交換器７の低温側を順次通過して貯湯槽３０に戻る。

燃焼器５には、燃焼温度センサー１３が取り付けられている。燃焼温度センサー１３が測定した温度を示す信号は、制御器５１に送られる。また、冷却流路４３の出口近傍には、冷却流路４３から排出された冷却水の温度を測定する冷却水出口温度センサー５３が取り付けられている。冷却水出口温度センサー５３が測定した温度を示す信号は、制御器５１に送られる。制御器５１は、燃焼温度センサー１３が測定した温度に基づいて燃料極排気流量調整弁１２の開度を制御する。

このような燃料電池発電システムにおいて、水素供給源４４から供給された燃料は、燃料電池本体２の燃料極４１へ供給される。また、燃料電池本体２の空気極４２へは、空気フィルター３にて不純物や粉塵を取り除いた空気が空気ブロワ４によって供給される。燃料極４１に供給された水素および空気極４２に供給された酸素によって電池反応が生じ、燃料電池本体２は起電力を発生する。

燃料極４１に供給された燃料は、燃料電池本体２における発電反応に一部消費される。燃料極４１の排ガスは、燃料極排気流量調整弁１２により設定された流量で排出される。空気流量は空気ブロワ４の可変速制御あるいは流量調整弁などにより調整可能であり、その流量は燃料電池本体２の発電量の関数として決定される。

燃料極４１の排気は、燃焼器５の内部で燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この高温の燃焼ガスは、燃焼排ガス熱交換器７および凝縮器８を経て低温の排気としてパッケージ１外へ排出される。排熱回収水は、排熱回収水ポンプ９によってパッケージ１と貯湯槽３０とを結ぶ排熱回収水循環ラインを循環する。この循環の際に、排熱回収水は、冷却水ポンプ１０によって燃料電池本体２に供給されて燃料電池本体２で加温された冷却水および燃焼器５からの燃焼排ガスから、冷却水熱交換器６および燃焼排ガス熱交換器７で熱回収する。回収した熱は、温められた水として貯湯槽３０に蓄えられる。

発電時の燃料電池本体２の電流値は、電流センサー１４により計測される。電流センサー１４により計測される電流値と燃料電池本体２を構成するセル枚数から、燃料電池本体２の発電によって消費される水素量および酸素量が計算によって求められる。そこで、空気極４２に供給される空気量は、たとえば燃料電池本体２の電流値に基づいて制御される。また、供給された空気量と、電流値から求められた酸素消費量とから算出される空気極４２の下流の酸素濃度をたとえば空気極４２の下流側に設けられた酸素センサー５２によって測定された酸素濃度とを比較して、供給する空気流量を空気利用率が一定になるように制御してもよい。

電流センサー１４により計測される電流値と燃料電池本体２を構成するセル枚数から燃料電池本体２の発電によって消費される水素量が計算により求まる。したがって、燃料極４１に供給される水素量が分かれば、どれだけの水素が燃料電池本体２で消費されたかが分かる。つまり、燃料極４１に供給される燃料ガスの流量をたとえば流量計で測定すれば、電流センサー１４により計測される電流値および燃料電池本体２を構成するセル枚数とから計算によって求められる消費水素量から、燃料電池本体２に供給される燃料の内、どれだけの水素が燃料電池本体２で消費されたか、すなわち燃料利用率を求めることができる。

流量計の測定精度はそれほど高いものではない。その結果、燃料流量計の指示値に基づいて燃料利用率を求めた場合、その精度はそれほど高いものではない。

図２は、燃料電池発電システムにおいて燃料極に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計の指示値に対する誤差と燃料利用率の計算値の誤差との関係の例を示すグラフである。

たとえば、流量計の流量精度が、流量計のフルスケール（ＦＳ）に対して１％である（１％ＦＳ）場合、計算によって求まる燃料利用率は、実際の燃料電池本体における燃料利用率と比較して５％程度低めにずれる可能性がある。このような場合、たとえば燃料利用率が９５％となるように目標値を設定して運転すると、実際には燃料利用率が１００％になる可能性がある。つまり、このような場合、燃料電池本体に必要な燃料供給量が不足した状態で運転が継続される。燃料電池本体に必要な燃料供給量が不足した状態で運転を行うと、燃料電池本体を構成する燃料極において局部的な水素不足が生じる。燃料極に水素不足が生じると、燃料極を構成するカーボンが消失し、燃料電池本体が劣化する原因となる可能性がある。逆に、燃料利用率のずれを考慮して、燃料利用率が１００％になることがないように制御しようとすると、水素の利用率が過度に低下してしまうこととなる。

そこで、本実施の形態では、比較的高い精度で測定できる燃焼器５での燃焼ガスの温度に基づいて燃料流量を制御している。燃焼器５に流入した混合ガスの理論断熱燃焼温度は、燃焼器５入口でのガス温度およびその混合ガスの組成によって決まる。燃焼器５入口でのガス温度は、燃料極４１および空気極４２の出口でのガス温度とほぼ等しい。燃料極４１および空気極４２の出口でのガスは、冷却流路４３出口での冷却水の温度にほぼ等しく、かつ、水蒸気が飽和した状態にある。したがって、燃焼器５入口での混合ガスの温度は、冷却流路４３出口において冷却水出口温度センサー５３で測定した温度に等しい。また、燃焼器５に流入する混合ガスの組成は、水素濃度すなわち燃料利用率を除き求めることができる。

図３は、本実施の形態における燃料利用率と理論断熱燃焼温度との関係を示すグラフである。図３において、空気極４２における空気利用率は一定としている。

理論断熱燃焼温度は、燃料利用率が増加に伴って単調に減少する。本実施の形態において、燃焼器５における理論断熱燃焼温度は、燃料利用率を変数とした一次関数で近似される。そこで、本実施の形態では、目標とする燃料利用率に対応する理論断熱燃焼温度を燃焼温度の設定値とし、燃焼温度センサー１３が測定した温度がこの設定値よりも低くなった場合、制御器５１は燃料極排気流量調整弁１２の開度を大きくして燃料極４１への水素の供給量を増加させる。

このように運転制御することにより、燃料極４１に供給される燃料ガスの流量を測定する燃料流量計や電流センサー１４の測定誤差に関わらず、燃料極４１での燃料利用率をある一定値以下に制御することができる。その結果、燃料電池本体２への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。つまり、燃料極４１で局部的な水素不足が生じて腐食が発生する可能性を低減することができる。したがって、燃料電池発電システムを高燃料利用率で長期安定運転が可能となる。また、本実施の形態では、燃焼器５での燃焼温度によって、燃料流量を推定できる。よって、燃料極４１に流入する燃料の流量を測定する燃料流量計を設ける必要がなく、システムを簡素化できる。

燃焼器５の断熱が完全ではない場合、燃焼ガスの温度は理論断熱燃焼温度よりも低くなる。しかし、燃焼ガスの温度が低くなることは、燃料利用率を高く見積もることである。したがって、燃焼ガスの温度が所定の温度以下にならないように水素供給量を増加させることにより、燃料利用率が目標の値を超えることはない。

本実施の形態では、冷却流路４３出口での冷却水の温度を燃焼器５の入口での混合ガスの温度としている。燃料極４１および空気極４２から排出されたガスの温度は、燃焼器５に到達するまでに、配管からの放熱などにより温度が低下する可能性がある。しかし、燃焼器５の入口での混合ガスの温度が想定した値よりも低い場合にも、燃焼ガスの温度は理論断熱燃焼温度よりも低くなる。この場合にも、燃焼ガスの温度が所定の温度以下にならないように水素供給量を増加させることにより、燃料利用率が目標の値を超えることはない。

また、本実施の形態では、燃焼器５の燃焼温度をある一定値以上に維持するため、燃料極４１の排気中に含まれる水素を確実に燃焼器５で燃焼させることができる。その結果、パッケージ１外に排出される排気中に、水素が含まれず、安全性を向上させることができる。さらに、燃焼器５の燃焼温度を高めることにより、燃焼器５で発生した熱の回収効率が向上する。また、貯湯槽３０に蓄えられる湯の温度を高めることができるため、同じ容量の貯湯槽３０により大きな熱量の湯を蓄えておくことができる。

燃焼温度センサー１３がある温度より高い温度を検知した場合、制御器５１は燃料極排気流量調整弁１２の開度を小さくして燃料極４１への水素の供給量を低下させてもよい。これにより、燃料極４１での燃料利用率をある一定の値以上とすることができ、発電効率を向上させることができる。

さらに、燃焼温度センサー１３がある温度より低い温度を検知したときに、空気極４２の排ガスの一部を燃焼器５の下流側にバイパスさせてもよい。この場合、燃焼器５に流入する水素濃度が高まるため、理論断熱燃焼温度が上昇する。その結果、燃焼器５での混合ガスの燃焼温度が高まり、燃焼器５での燃焼がより安定する。また、このような場合であっても、バイパスされる空気量を把握しておけば、燃焼器５に流入する混合ガスの組成は把握できるため理論断熱燃焼温度を求めることができる。したがって、空気極４２の排ガスの一部をバイパスした場合には、そのときの混合ガスの組成に対応した理論断熱燃焼温度と燃料利用率との関係に基づいて、燃料流量を増大すべき所定の燃焼温度を決定すればよい。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。

本実施の形態では、燃料電池発電システムのパッケージ１に供給された燃料は、送出量が可変の燃料ブロワ１６で昇圧された後に、燃料電池本体２に供給される。つまり、燃料極４１に供給される燃料の流量は、燃料ブロワ１６によって変化させる。また、本実施の形態では、燃焼器５入口での混合ガスの温度を測定する混合ガス温度センサー５４を設けている。

このような燃料電池発電システムであっても、空気極４２から排出されるガスの組成が分かっていれば、混合ガス温度センサー５４で測定した燃焼器５入口での混合ガスの温度を用いて、燃料極４１の燃料利用率に対する燃焼器５での理論断熱燃焼温度を求めることができる。そこで、本実施の形態でも、燃焼温度センサー１３が測定した温度が目標とする燃料利用率に対応する理論断熱燃焼温度よりも低くなった場合、制御器５１は燃料ブロワ１６の送出量を大きくして燃料極４１への水素の供給量を増加させる。

このように運転制御することにより、燃料極４１での燃料利用率をある一定値以下に制御することができる。その結果、燃料電池本体２への水素量の供給不足が生じる可能性を低減することができる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…パッケージ、２…燃料電池本体、３…空気フィルター、４…空気ブロワ、５…燃焼器、６…冷却水熱交換器、７…燃焼排ガス熱交換器、８…凝縮器、９…排熱回収水ポンプ、１０…冷却水ポンプ、１２…燃料極排気流量調整弁、１３…燃焼温度センサー、１４…電流センサー、１６…燃料ブロワ、３０…貯湯槽、４１…燃料極、４２…空気極、４３…冷却流路、４４…水素供給源、５１…制御器、５２…酸素センサー、５３…冷却水出口温度センサー、５４…混合ガス温度センサー

Claims

燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、
前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、
前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する燃焼温度センサーと、
前記燃焼温度センサーが測定する温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御器と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記制御器は前記燃焼温度センサーが測定した温度が所定の設定温度以下のときに燃料供給量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
冷却水出口温度を測定する冷却水出口温度センサーをさらに有し、前記所定の設定温度は前記冷却水出口温度センサーが測定した温度の関数であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
前記制御器は前記燃焼温度センサーが測定した温度が所定の上限温度以上のときに燃料供給量を低下させ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１項に記載の燃料電池発電システム。
燃料極に供給される水素および酸化剤極に供給される酸素を用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料極に供給される水素量を加減する燃料加減手段と、前記酸化剤極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料極から排出されるガスを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃焼器内の燃焼ガスの温度を測定する温度測定工程と、
前記温度測定工程で測定した温度に基づいて前記燃料加減手段を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。