JP2012059559A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冬場や寒冷地においても起動時の安定なガス供給を可能にし、信頼性の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０２を備える燃料電池システム１００であって、燃料電池システムの発電運転に必要なガスを供給するガス供給器１０３，１１０，１１１，１１３，１１６と、外気温を検出する温度検知器１２２と、ガス供給器の動作開始時において温度検知器の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、検知温度が所定の温度より高い場合よりもガス供給器の操作量が大きくなるよう制御する制御器１２３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、外気温が低い場合における燃料電池システムの起動に関する。

従来の燃料電池システムは、水素を主成分とする燃料ガスと空気中の酸素を電気化学反応させ、電力を得る発電装置である。また、発電の際に発生する熱エネルギーを温水として回収することで高いエネルギー効率を有するコージェネレーションシステムとしても利用されている。

上記燃料電池システムは、燃料電池の発電運転に関係する水が流れる水経路を有するのが一般的である。例えば、燃料電池の発電時に生成する水を回収し、貯える回収水タンク、回収水タンク内の水を利用する水利用機器へ水を供給する水供給経路、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水経路等が例示される。上記水利用機器は、例えば、燃料電池へ供給される反応ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）が流れる反応ガスを加湿する加湿器等が例示される。

そして、上記燃料電池システムは、外気温が低下し、氷点下以下になると上記水経路内の水が凍結し、水配管等の構成部材が破損することを避けるために、凍結を予防する運転を実行する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０７０７００号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、外気温が低下した場合の水経路内の水への影響については考慮されているが、燃料電池システムにおいて利用されるガス供給器への影響については、考慮されてない。

本発明は、上記課題を鑑み、外気温が低いときにおいても、ガス供給器より安定したガス供給が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

燃料電池システムで使用されるガス供給器は外気温が低下すると、起動時においてガス供給器が動作を開始する時に、同じ操作量であっても十分なガス量が供給できない場合がある。例えば、樹脂製のダイアフラムを用いたダイアフラム式ポンプでは外気温が氷点下以下の所定の温度（例えば、−１０℃）以下になると常温時に比べダイアフラムの硬化が進み、常温時と同じ操作量を与えても供給量が減少することが分かった。また、樹脂製のベローズを用いたベローズ式ポンプでも同様の問題が発生することも分かった。

そこで、本発明者等は、外気温が低くい場合、ポンプの操作量を大きくすることで、上記課題を解決することを想到した。

すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの発電運転に必要なガスを供給するガス供給器と、外気温を検出する温度検知器と、前記ガス供給器の動作開始時において前記温度検知器の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、前記検知温度が前記所定の温度より高い場合よりも前記ガス供給器の操作量が大きくなるよう制御する制御器と、を備える。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、ガス供給器より前記燃料電池システムの発電運転に必要なガスを供給するステップ(ａ)と、温度検知器により外気温を検出するステップ（ｂ）とを備え、
前記ステップ（ａ）の開始時において、前記ステップ（ｂ）の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、前記検知温度が前記所定の温度よりも高い場合よりも前記ガス供給器の操作量を大きくすることを特徴とする。

本発明により、ガス供給器の動作開始時において外気温が低い場合においても、安定したガス供給が可能になる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図を示す。 図２は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの動作フロー図を示す。

以下、本発明の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
[装置構成]
図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。

本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０２と、燃料電池システム１００の発電運転に必要なガスを供給するガス供給器と、外気温を検出する温度検知器１２２と、ガス供給器の動作開始時において前記温度検知器の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、前記検知温度が前記所定の温度より高い場合よりも前記ガス供給器の操作量が大きくなるよう制御する制御器１２３とを備える。

ここで、本実施の形態の燃料電池システムは、ガス供給器として、酸化剤ガス供給器１０３、原料ガス供給器１１０、水蒸気供給器１１１、燃焼用空気供給器１１３、及び酸化ガス供給器１１６を備えているが、上記制御が実行されるガス供給器は、これらの少なくともいずれか一つであってよい。また、燃料電池１０２は、固体高分子形燃料電池が用いられるが、燃料電池１０２の形態は任意である。具体的には、リン酸形燃料電池や固体酸化物形燃料電池であってもよい。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池１０２のアノードに供給される水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器１０９を備える。燃料ガス生成器１０９は、改質器ａ、ＣＯ除去器ｂを備える。改質器ａは原料ガスと水蒸気を用いて水素を含む水素含有ガスを生成する。ＣＯ除去器ｂは、水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減する。そして、ＣＯ除去器ｂにおいて一酸化炭素を低減した水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池１０２に供給される。なお、本実施の形態の燃料電池システムでは、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する機器としてＣＯ除去器ｂを設ける形態を採用したが、ＣＯ除去器ｂに流入する前の水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器を設ける形態を採用しても構わない。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する必要のない燃料電池（例えば、固体酸化物形燃料電池）であるときは、変成器及びＣＯ除去器ｂのいずれも設けない形態を採用しても構わない。また、上記燃料ガス生成器１０９は、燃料電池１０２に燃料ガスを供給するための機器の一例であり、これに限定されるものではない。例えば、水素貯蔵容器（図示せず）を備え、水素貯蔵容器から燃料ガスとして水素を供給する形態を採用しても構わない。

燃焼器１１２は、改質器ａを加熱し、改質反応に必要な熱を供給する。なお、上記燃焼器１１２は、燃料電池システムの起動時においては燃料ガス生成器１０９より送出された可燃性ガス（原料ガスまたは燃料ガス）を燃焼し、発電運転時においては燃料電池１０２の発電に用いられなかったオフ燃料ガスを燃焼するよう構成されている。ここで、上記原料ガスは、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガスである。具体的には、天然ガス、メタン、エタン、ＬＰＧ等の炭化水素やメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。

次に、上記各ガス供給器及びガス流路について、詳細に説明する。
酸化剤ガス供給器１０３は、燃料電池１０２のカソードに酸化剤ガスを供給するための機器であり、本実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を供給するよう構成されている。酸化剤ガス流路１０５は、酸化剤ガス供給器１０３より供給される酸化剤ガスが流れる流路である。

原料ガス供給器１１０は、改質器ａに原料ガスを供給するための機器であり、原料ガス供給路１１４は、原料ガス供給器１１０より供給される原料ガスが流れる流路である。
水蒸気供給器１１１は、改質器ａに水蒸気を供給するための機器であり、水蒸気供給路１１５は、水蒸気供給器１１１より供給される水蒸気が流れる流路である。
燃焼用空気供給器１１３は、燃焼器１１２に燃焼用空気を供給するための機器であり、燃焼用空気供給路１１８は、燃焼用空気供給器１１３より供給される燃焼用空気が流れる流路である。

酸化ガス供給器１１６は、ＣＯ除去器ｂに一酸化炭素の酸化反応のための酸化ガスを供給するための機器であり、本実施の形態では、酸化ガスとして空気を供給するよう構成されている。酸化ガス供給路１１７は、燃焼用空気供給器１１３より供給される燃焼用空気が流れる流路である。

ここで、上記酸化剤ガス供給器１０３、原料ガス供給器１１０、燃焼用空気供給器１１３、酸化ガス供給器１１６の少なくとも一つは、樹脂製部材の伸縮に伴いガス供給が実行されるガス供給器が用いられる。具体的には、樹脂製ダイアフラムを用いたダイアフラム式ポンプやダイアフラム式ブロアを用いてもよい。また、樹脂製ベローズを用いたベローズ式のポンプを用いてもよい。

また、バイパス路１１９は、燃料ガス供給路１０６と燃料ガス排出路１０８とを連通する流路である。

第１弁１２０は、バイパス路１１９を連通／遮断する弁であり、第２弁は、燃料ガス供給路１０６を連通／遮断する弁である。
制御器１２３は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等から構成され、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して制御を実行する制御器群をも含むことも意味する。よって、制御器２００は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システムの動作を制御するように構成されていてもよい。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池システムを構成する上記機器を収納する筐体１０１を備えている。ここで、温度検知器１２２は、図１に示されるように、筐体１０１内部に設けられているが、外気温を検出可能であれば、いずれの箇所に設けても構わない。例えば、筐体１０１外部に設けても構わないし、ガス供給器より供給されるガスの温度を検知可能な箇所に設けても構わない。

[起動運転]
燃料電池システム１００の起動時における動作について、以下、説明する。

以下の動作は制御器１２３により制御される。

起動時、第１遮断弁１２０は閉止状態とされ、第２遮断弁１２１は開放状態とされる。
原料ガス供給器１１０より改質器ａに原料ガス（例えば、天然ガス）が原料ガス供給経路１１４を介して供給される。起動開始時は改質器ａが改質反応が進行可能な温度ではないので燃料ガス生成器１０９内を通過した原料ガスを用いて燃焼器１１２により、これを燃焼し、改質部ａを加熱する。また、ＣＯ除去器ｂも燃焼器１１２により改質器ａで加熱された原料ガスがＣＯ除去器ｂを通過する際に、昇温される。このとき、燃料ガス生成器１０９を通過した原料ガスはバイパス路１１９を経由して、燃焼器１１２に送られる。改質器ａが改質反応の進行可能な温度（例えば、３００℃）になると、水蒸気供給器１１１より改質器ａに水蒸気が供給され、改質反応が開始される。その後も、一酸化炭素濃度が低く安定した組成の燃料ガスを燃料電池１０２に供給可能な温度になるまで、改質器ａ及びＣＯ除去器ｂの昇温を継続する。燃料電池１０２に燃料ガスを供給可能か否かを判定する基準となる温度としては、例えば、改質器ａは６５０℃、ＣＯ除去器ｂは、１５０℃と設定される。

そして、改質器ａ及びＣＯ除去器ｂの各温度が、燃料電池１０２への燃料ガスが供給可能か否かを判定する基準となる温度になると、第１遮断弁１２０が開放状態、第２遮断弁１２１が閉止状態とされる。これにより燃料ガス生成器１０９より燃料電池１０２へ燃料ガスが供給される。ここで、酸化剤ガス供給器１０３は、酸化剤ガス供給路１０５を通じて燃料電池１０２のカソードへ酸化剤ガスを供給する。

そして、燃料電池システム１００の起動運転が終了し、発電運転が開始されると、燃料電池１０２に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応が進行し、電力が得られる。電気化学反応に寄与せず、燃料電池１０２より排出されたオフ燃料ガスは燃料ガス排出路１０８を通じて燃焼器１１２に供給される。燃焼器１１２でオフ燃料ガスと燃焼用空気供給器１１３から燃焼器１１２に供給された燃焼用空気が燃焼し、改質器ａの温度を制御温度（例えば、６５０℃）に維持して発電運転が継続される。

ここで、本実施の形態の燃料電池システム１００は、起動時において、制御器１２３は、ガス供給器の動作を開始するときの温度検知器１２２の検知温度に基づきガス供給器の操作量を制御するよう構成されている。以下に、その具体的な制御動作について説明する。

[起動運転と周囲温度の判定]
次に、本実施の形態の燃料電池システム１００の起動時において、ガス供給器（例えば、酸化剤ガス供給器）の動作を開始する際の制御について説明する。

図２は、起動時において、ガス供給器の動作を開始するときの制御動作の一例を示すフロー図である。

図２に示すように、燃料電池システム１００が起動を開始すると（スタート）、温度検知器１２２が温度を検知する（ステップＳ１０１）。そして、制御器１２３は、検知温度が、所定の温度Ｔｔｈ１（例えば、−１０℃）以下であるかの判定を行う（ステップＳ１０２）。検知温度が、上記所定の温度よりも高い場合、制御器１２３は、設定Ａの操作量でガス供給器の制御を実行する（ステップＳ１０６）。一方、検知温度が、Ｔｔｈ１以下の場合、制御器１２３は、設定Ｂの操作量でガス供給器の制御を実行する（ステップＳ１０３）。

ここで、上記設定Ａと設定Ｂは、ガス供給器の操作量に対して設けられた設定値であり、設定Ｂの方が設定Ａよりも操作量が大きくなるよう設定されている。本実施の形態は、設定Ｂの方が設定Ａよりも１０％操作量が多くなるよう設定されている。また、上記所定の温度Ｔｔｈ１は、ガス供給器の構成（例えば、樹脂製部材の種類）によって適宜設計されるが、Ｔｔｈ１よりも高いときと同等のガス供給量にするためにガス供給器の操作量の増加が必要な温度として設定される。本実施の形態においては、Ｔｔｈ１は、例えば、氷点よりも低い温度として設定される。設定Ｂでガス供給器の動作を開始後、制御器１２３は温度検知器１２２の検知温度を取得する（ステップ１０４）。そして、検知温度が所定の温度Ｔｔｈ２（例えば、０℃）以上であるかを判定する（ステップ１０５）。上記所定の温度Ｔｔｈ２は、ガス供給器が安定して動作することが可能な安定温度として設定され、Ｔｔｈ１よりも高い値となる。「安定して動作する」とは、操作量（入力値）に対するガス供給器の動作量（出力値）のズレが許容範囲内であったり、操作量が一定であるときに、ガス供給器の動作量がふらつかないことを意味する。

そして、検知温度がＴｔｈ２以上であると判定されると（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、制御器１２３は、設定Ａの操作量でガス供給器の制御を実行する（ステップＳ１０６）。検知温度がＴｔｈ２未満の場合、設定Ｂの操作量でガス供給器の制御を継続する。そして、ステップＳ１０５でＹｅｓとなるまで、所定の間隔（本実施の形態では、３００ｍｓｅｃ間隔）毎にステップＳ１０４及びＳ１０５を繰返し実行する。

なお、上記動作フローに基づき制御するガス供給器は、酸化剤ガス供給器１０３、原料ガス供給器１１０、水蒸気供給器１１１、燃焼用空気供給器１１３、及び酸化ガス供給器１１６の少なくともいずれか一つであればよい。これは、少なくとも一つのガス供給器で上記制御が実行されれば、外気温が低下した場合において、従来の燃料電池システムよりも安定したガス供給が可能になるからである。

［変形例１］
実施の形態の燃料電池システム１００の変形例１について説明する。本変形例の燃料電池システムは、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５に代えて、制御器１２３が設定Ｂの操作量でガス供給器の制御を開始してからの経過時間が、所定の時間以上であるか否か判定し、所定の時間以上になれば、制御器１２３は、設定Ａの操作量でガス供給器の制御を実行するよう構成されていることを特徴とする。ここで、上記所定の時間は、設定Ａの操作量に戻してもガス供給器が安定して動作可能な時間として設定される。これは、ガス供給器の動作に伴う発熱によりガス供給器自体が暖機され、設定Ａに戻してもガス供給器の動作が安定するからである。

これにより、ガス供給器の動作開始後、検知温度がＴｔｈ２以上になるまで外気温が上昇しなくても、設定Ｂよりも操作量の小さい設定Ａに戻されるので、ガス供給器による消費電力を低減することが可能になる。

［変形例２］
実施の形態の燃料電池システム１００の変形例２について説明する。本変形例の燃料電池システム１００は、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５に代えて、燃料電池システム１００が起動運転を終了し、発電運転を開始するときに、制御器１２３は、設定Ａの操作量でガス供給器の制御を実行するよう構成されていることを特徴とする。

通常、燃料電池システムの起動には時間を要するので、ガス供給器の動作を開始してからの経過時間は、変形例１における「所定の時間」を経過している可能性が高い。そこで、本変形例では、上記制御を実行するよう構成することで、変形例１と同様の効果を得ることができる。

上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。

本発明にかかる燃料電池システムは、寒冷地設置あるいは冬季などの低温環境下でも、ガス供給器の動作開始時において外気温が低い場合においても、安定したガス供給が可能になり、燃料電池システム等として有用である。

１００ 燃料電池システム
１０１ 筐体
１０２ 燃料電池
１０３ 酸化剤ガス供給器
１０５ 酸化剤ガス流路
１０６ 燃料ガス路
１０８ 燃料ガス排出路
１０９ 燃料ガス生成器
１１０ 原料ガス供給器
１１１ 水蒸気供給器
１１２ 燃焼器
１１３ 燃焼用空気供給器
１１４ 原料ガス供給路
１１５ 水蒸気供給路
１１６ 酸化ガス供給器
１１７ 酸化ガス供給路
１１８ 燃焼用空気供給路
１１９ バイパス路
１２０ 第１遮断弁
１２１ 第２遮断弁
１２２ 温度検出器
１２３ 制御器
ａ 改質器
ｂ ＣＯ除去器

Claims (9)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの発電運転に必要なガスを供給するガス供給器と、
   外気温を検出する温度検知器と、
   前記ガス供給器の動作開始時において前記温度検知器の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、前記検知温度が前記所定の温度より高い場合よりも前記ガス供給器の操作量が大きくなるよう制御する制御器とを備える、燃料電池システム。
2. 前記ガス供給器は、樹脂製部材の伸縮に伴いガス供給が実行されるポンプである、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給器は、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼する燃焼器を備え、
   前記ガス供給器は、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給器である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
5. 原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を備え、
   前記ガス供給器は、前記原料を供給する原料供給器である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
6. 原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するＣＯ低減器とを備え、
   前記ガス供給器は、前記ＣＯ低減器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、前記制御を実行した後、前記ガス供給器の操作量を前記検知温度が前記所定の温度よりも高いときの操作量と同等の操作量に変更する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記燃料電池システムの起動時は前記制御を実行し、前記燃料電池の発電運転時は、ガス供給器の操作量を、前記検知温度が前記所定の温度よりも高い場合の操作量と同等の操作量に変更する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
9. 燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   ガス供給器より前記燃料電池システムの発電運転に必要なガスを供給するステップ(ａ)と、
   温度検知器により外気温を検出するステップ（ｂ）とを備え、
   前記ステップ（ａ）の開始時において、前記ステップ（ｂ）の検知温度が氷点下以下の所定の温度以下である場合、前記検知温度が前記所定の温度よりも高い場合よりも前記ガス供給器の操作量を大きくする、燃料電池システムの運転方法。

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