JP2014022246A

JP2014022246A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2014022246A
Application number: JP2012161177A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼; Yuichi Kusumaru; 雄一藥丸
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-02-03

Abstract

【課題】燃料電池発電システムへの燃料切れで、装置が停止すると、発電能力が低下する可能性がある。
【解決手段】燃料電池発電システム７は、燃料電池を備えた燃料電池発電部１と、燃料電池発電部に燃料を供給する燃料供給部の燃料の残量を検出する燃料残量検出部３と、燃料電池の運転動作状態を報知する報知部６と、制御部５とを備える構成とし、制御部５は、燃料残量検出部３で、燃料供給部の燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出することで、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作に移行し、報知部６から、運転可能時間を報知させる。これにより、起動停止による発電させる能力が低下しにくい燃料電池発電システムを提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電に必要な燃料を外部から供給されることで発電する、燃料電池発電システム関するものである。

燃料電池発電システムは、発電部の本体である燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池発電システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等を燃料とし、６００〜７００℃の温度でＲｕ触媒やＮｉ触媒を用いて水蒸気との改質反応により水素含有ガス（改質ガス）を生成させ、その水素含有ガスを燃料として発電するシステム構成がとられることが多い。
インフラストラクチャーから供給される天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等は、ボンベや燃料容器に充填され、その容器から供給される形態がとられることがある。
ボンベや燃料容器に充填された燃料を用いる場合、燃料の貯蔵量が決まる。例えば、燃料電池システムに、熱エネルギー補完のために給湯器を併用する場合、燃料の貯蔵量が少なくなると、燃料電池発電システムの動作だけでなく給湯器の動作も行えなくなる。そこで、燃料タンクに、残油量を検出する残油検知機を設け、残油量が少なくなってきたら、燃料電池の出力電力を低下させ、あるいは燃料電池を停止させて、給湯器に優先的に燃料が供給されるようにすることが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２４８００９号公報

改質反応により水素含有ガス（改質ガス）を生成させる構成、燃料電池の中でリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池は、比較的高温で作動させる構成であり、燃料電池システムを起動停止させることで、水素含有ガス（改質ガス）を生成させる能力、発電させる能力が低下する課題があり、燃料電池発電システムの能力を低下させないことが望まれている。
本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料切れへの対応性の高い燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を備えた燃料電池発電部と、燃料電池発電部に燃料を供給する燃料供給部の燃料の残量を検出する燃料残量検出部と、燃料電池の運転動作状態を報知する報知部と、制御部とを備える構成とする。
本構成によって、制御部は、燃料残量検出部で、燃料供給部の燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出することで、燃料電池発電部での発電動作を制限する第１の運転動作に移行し、報知部から、運転可能時間を報知させることができる。

燃料電池発電部での発電動作を制限することで、運転可能時間を増加させることができ、また、運転可能時間を報知させることで、燃料の補給への対応が容易となり、起動停止による発電させる能力が低下しにくい燃料電池発電システムを提供できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略図本発明の実施の形態１における燃料電池発電システム動作のフローチャート本発明の実施の形態１における燃料電池発電システム動作のフローチャート本発明の実施の形態１の変形例となる燃料電池発電システムの概略図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システム７の概略図である。
燃料電池発電システム７は、燃料電池発電部１、燃料残量検出部３、制御部５、報知部６を備える。なお、燃料電池発電部１には、燃料の供給を行う燃料供給経路２が接続され、燃料電池発電部１の動作温度を検出する温度検出部４が設けられている。
燃料電池発電部１は、供給される燃料から水素含有ガスを生成させる改質構成、水素含有ガスと空気で発電する燃料電池、改質構成を運転させるための燃料供給構成や空気供給構成等の補機類を備えるが、一般的な燃料電池発電部となるので、詳細な構成の説明は省略する。なお、本実施の形態１に用いる燃料電池は、高温で動作する固体電解質型燃料電池とした。燃料残量検出部３は、燃料電池発電部１に供給される燃料の供給圧を測定する圧力計である。制御部５は、燃料電池発電部１の動作を制御するとともに、燃料残量検出部３からの情報をもとに、報知部６の動作を制御する。報知部６は、燃料電池の運転動作状態を報知する。
なお、本実施の形態１では、燃料供給経路２から天然ガスを供給する構成とした。燃料供給経路２へは、ボンベに充填された天然ガスが配置される燃料供給部から、天然ガスが供給される構成としている。なお、燃料としては、ボンベや燃料容器に充填されたＬＰＧ、ガソリン、灯油等を用いてもよい。一般的な燃料供給部構成となるので、さらなる詳細な説明は省略する。
次に、本実施の形態１における燃料電池発電システム７の動作について説明する。
通常動作時は、燃料供給経路２から燃料（本実施の形態では、天然ガス）が燃料電池発電部１に供給され発電する。この時の燃料電池発電部１の動作は、制御部で制御することになるが、通常動作時は、一般的な燃料電池発電部と同じ動作なので、詳細な構成の説明は省略する。
次に、本実施の形態１における特徴的な動作について説明する。

本実施の形態１では、図２のフローチャートに示すように、制御部５が、燃料残量検出部３で、燃料供給部から供給される燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出することで、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作に移行し、報知部６から、燃料の残量で運転可能時間を報知させることである。なお、燃料残量検出部３で、燃料供給部から供給される燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出しない場合は、そのまま運転動作を継続させる。

まず、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作に移行することで、燃料電池発電部１での燃料消費量を少なくし、燃料電池発電システム７が燃料不足で停止するまでの時間を長くできる。合わせて、報知部６から、燃料の残量で運転可能時間を報知させることで、燃料電池発電システム７を停止させない燃料補給までの時間が把握できるので、燃料補給の計画立案、燃料補給の優先順位付け、配送時間の管理等も行いやすくなり、燃料電池発電システム７が燃料不足で停止する確率を小さくすることができる。その結果、起動停止による発電させる能力が低下しにくい燃料電池発電システム７をとすることができる。また、燃料補給後には、燃料電池発電システム７はすでに運転状態となっているので、直ちに必要な発電量を得るための発電動作に移行させることも可能となる。

なお、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作の条件は、燃料電池発電部で消費する燃料を少なくする条件で任意に設定すればよい。例えば、燃料電池発電部１が再度燃料補給された時に、発電させる能力が低下しない運転動作となる条件とすることが好ましい。また、燃料電池発電部１の運転継続に必要な温度維持動作とすることもでき、その場合、温度検出部４の検出温度をもとに、温度検出部４の検出温度が燃料電池発電部１の運転継続に必要な温度を維持するように、制御部５で燃料電池発電部１の動作を制御すればよい。また、燃料電池発電部１の動作維持する補機の運転に必要な発電量が得られる動作条件とすることもできる。
また、燃料の残量となる予め設定される第１の閾値は、残量を多く設定すると、本来必要な発電量を得るための発電動作を制限することになるので、本来必要な発電量を得るための発電動作を制限しない範囲で設定することが好ましい。また、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作の条件で消費される燃料量と、燃料補給までにかかる時間を想定して設定することも好ましい。

なお、燃料の補給が遅くなり、燃料電池発電部での発電動作を制限する第１の運転動作中に、燃料切れを起こすことも想定される。そこで、燃料残量検出部３で、燃料供給部での燃料の残量が、第１の閾値よりも小さく予め設定される第２の閾値を下回ることを検出することで、燃料電池発電部１の動作を停止させることもできる。この第２の閾値は、燃料電池発電部１にダメージが少ない条件で、燃料電池発電部１の動作を停止させることができる燃料量を確保する量以上で設定することが好ましい。
なお、本実施の形態１の燃料残量検出部３は、燃料をガスとするので圧力計を用いたが、燃料供給部の残量を計測するものであれば、どのような構成でもかまわない。例えば、燃料供給部の残量を重量で検出するものでもよい。
また、制御部５の代わりに、燃料残量検出部３は、燃料電池発電部の運転動作から、消費する燃料を計算して、燃料残量を検出する構成でもよく、燃料残量検出部３は特別な検出構成を不要にできる。具体的な動作は、図３のフローチャートに示すように、燃料残量検出部３で燃料電池の運転状況から燃料消費量を計算、計算した燃料消費量を積算、積算した燃料消費量から燃料残量を計算する。そして、燃料残量検出部３で、燃料供給部から供給される燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出することで、燃料電池発電部１での発電動作を制限する第１の運転動作に移行し、報知部６から、燃料の残量で運転可能時間を報知させることである。なお、燃料残量検出部３で、燃料供給部から供給される燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出しない場合は、そのまま運転動作を継続させる。なお、制御部５が燃料残量検出部３の機能を兼ねて、燃料電池発電部の運転動作から、消費する燃料を計算して、燃料残量を検出する構成でもよく、燃料残量検出部３は特別な検出構成を不要にできる。
また、本実施の形態１では、燃料電池は、固体電解質型燃料電池としたが、固体電解質型燃料電池は、高温で動作するので、起動停止によりヒートショックや熱ひずみを受けやすく、発電させる能力が低下する可能性が高くなる。本実施の形態１に示す発明と組み合わせることで、起動停止の確率が小さくなるので、発電させる能力が低下する可能性をより小さくできる。
（変形例）
図４は、本発明の実施の形態１の変形例となる燃料電池発電システム７の概略図である。
燃料電池発電部１に、補助燃料供給部８を設け、燃料供給部の燃料の残量が、第１の閾値よりも小さく予め設定される第２の閾値を下回ることを検出することで、補助燃料供給部８から燃料供給を行い、燃料電池発電部１の動作を停止させる。これにより、燃料供給部での燃料の残量が少なくなった場合でも、燃料電池発電部１にダメージが少ない条件で燃料電池発電部１の動作を停止させることができる。
なお、補助燃料供給部８の燃料量は、少なくとも燃料電池発電部１にダメージが少ない条件で燃料電池発電部１の動作を停止させることのできる燃料量とすることが好ましい。また、燃料でなくとも、窒素等の不活性ガスでも代用できる。

本発明にかかる燃料電池発電システムは、ボンベや燃料容器に充填される燃料が供給される構成に有用である。

１燃料電池発電部
２燃料供給経路
３燃料残量検出部
４温度検出部
５制御部
６報知部
７燃料電池発電システム
８補助燃料供給部

Claims

燃料電池を備えた燃料電池発電部と、
前記燃料電池発電部に燃料を供給する燃料供給部の燃料の残量を検出する燃料残量検出部と、
前記燃料電池の運転動作状態を報知する報知部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料残量検出部で、前記燃料供給部の燃料の残量が、予め設定される第１の閾値を下回ることを検出することで、
前記燃料電池発電部での発電動作を制限する第１の運転動作に移行し、
前記報知部から、運転可能時間を報知させる燃料電池発電システム。
前記制御部は、
前記燃料残量検出部で検出した第一の閾値から、前記燃料電池発電部での前記第１の運転動作での運転可能時間を算出し、
前記報知部から、前記運転可能時間を報知させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料残量検出部は、燃料電池発電システムの運転情報から、前記燃料電池発電部での前記第１の運転動作での運転可能時間を算出する、
請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料残量検出部は、燃料電池発電システムに供給される燃料の圧力情報から、前記燃料電池発電部での前記第１の運転動作での運転可能時間を算出する、
請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
前記第１の運転動作は、
前記燃料電池発電システムの運転継続に必要な量を発電する動作である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
前記第１の運転動作は、
前記燃料電池発電部の運転継続に必要な温度を維持する動作である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
前記燃料電池発電部は、固体酸化物を電解質とする燃料電池を備えた燃料電池発電部である、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
前記制御部は、
前記燃料残量検出部で、前記燃料供給部での燃料の残量が、前記第１の閾値よりも小さく予め設定される第２の閾値を下回ることを検出することで、前記燃料電池発電部の動作を停止させる請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
補助燃料供給部をさらに備え、
前記燃料残量検出部で、前記燃料供給部の燃料の残量が、前記第１の閾値よりも小さく予め設定される第２の閾値を下回ることを検出することで、前記補助燃料供給部から燃料供給を行い、前記燃料電池発電部の動作を停止させる請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。