JP2018113144A

JP2018113144A - 燃料電池システムの運転方法

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Publication number: JP2018113144A
Application number: JP2017002368A
Authority: JP
Inventors: 哲朗大西; Tetsuro Onishi; 潤岩見; Jun Iwami; 俊哉御堂; Toshiya Mido
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP6940280B2

Abstract

【課題】省燃料化を行いやすい燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】改質部２と、燃料電池４と、原燃料ガスの量を調整する原燃料ガス量調整手段３と、空気の量を調整する空気量調整手段５と、アノードオフガスとカソードオフガスとにより燃焼を行って改質部２および燃料電池４の加熱を行う燃焼部６と、電力需要を取得する電力需要取得部７と、制御部８と、を備えた燃料電池システム１の運転方法である。制御部８は、電力需要に応じて原燃料ガスの量を第１燃料量としかつ空気の量を第１空気量とする通常モードと、通常モードにおいて電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まる状態が所定時間継続する場合に通常モードから移行して、原燃料ガスの量を第１燃料量よりも小さい第２燃料量としかつ空気の量を第１空気量よりも小さい第２空気量とする省燃料モードと、を実行可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの運転方法に関する。

従来、燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池と、改質部と、燃料電池からのアノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼されて改質部および燃料電池を加熱する燃焼部と、制御部とを備えている。

このような燃料電池システムにおいては、燃焼部における失火が問題となっている。すなわち、制御部は、電力需要に応じて、改質部に流入させる原燃料ガス量を調整して燃料電池に流入させる改質ガス量を調整するとともに、燃料電池に流入させる空気量を調整する。

電力需要が変動する場合、制御部が燃料電池に流入する改質ガス量および空気量を調整するものの、アノードオフガスに含まれる可燃成分とカソードオフガスに含まれる酸素の量が変動して燃焼部における燃焼が不安定となり、失火に至るおそれがある。

そこで、燃料電池において所定電力を発生させる場合、電力需要が変動しても失火が発生しないように、所定電力の発生に要するよりも多い量の原燃料ガスを改質部に流入させるようにしていた。

特開２００７−２１２００６号公報

上記のような従来の燃料電池システムにあっては、失火の発生を抑制することができるものの、常に所定電力の発生に要するよりも多い量の原燃料ガスを消費するため、省燃料化するのが困難なものであった。

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、省燃料化を行いやすい燃料電池システムの運転方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、原燃料ガスと水蒸気とにより改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に供給する原燃料ガスの量を調整する原燃料ガス量調整手段と、アノードに供給される前記改質ガスとカソードに供給される空気とにより発電を行う燃料電池と、前記カソードに供給する空気の量を調整する空気量調整手段と、前記燃料電池からのアノードオフガスとカソードオフガスとにより燃焼を行って前記改質部および前記燃料電池の加熱を行う燃焼部と、電力需要を取得する電力需要取得部と、前記原燃料ガス量調整手段と前記空気量調整手段とを制御する制御部と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記制御部は、電力需要に応じて前記改質部に供給する原燃料ガスの量を第１燃料量となるように前記原燃料ガス量調整手段を制御するとともに前記カソードに供給する空気の量を第１空気量となるように前記空気量調整手段を制御する通常モードと、前記通常モードにおいて前記電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まる状態が所定時間継続する場合に前記通常モードから移行して、電力需要に応じて前記改質部に供給する原燃料ガスの量を前記第１燃料量よりも小さい第２燃料量となるように前記原燃料ガス量調整手段を制御するとともに前記カソードに供給する空気の量を前記第１空気量よりも小さい第２空気量となるように前記空気量調整手段を制御する省燃料モードと、を実行可能であることを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知手段を備え、前記燃料電池温度検知手段が検知した燃料電池温度が所定温度よりも低い場合に、前記制御部が前記通常モードから前記省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行うことを特徴とする。

また請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記燃料電池システムは、前記燃焼部における失火を検知する失火検知手段を備え、前記失火検知手段が検知した失火の頻度が所定頻度よりも大きい場合に、前記制御部が前記通常モードから前記省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行うことを特徴とする。

また請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、前記燃料電池システムは、負荷機器使用促進手段を備え、前記制御部は、前記負荷機器使用促進手段により、複数の負荷機器を組み合わせて使用させて電力需要を定格出力に一致させるかあるいはできるだけ近づけるように、負荷機器の使用を促す制御を行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明にあっては、失火が発生するおそれが小さい場合に省燃料モードに移行することができて、所定の電力需要に対して通常モードにおけるよりも供給する原燃料ガスの量が少なくてすみ、省燃料化を行いやすくなる。

請求項２に係る発明にあっては、燃焼部における失火の発生を抑えることができる。

請求項３に係る発明にあっては、燃焼部における失火の発生をより一層抑えることができる。

請求項４に係る発明にあっては、負荷機器の電力需要を定格出力に一致するか近づけやすくなり、安定した燃料電池システムの運転を行いやすくなる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。図２は、同上の燃料電池システムの運転を示すフロー図である。

本発明に係る燃料電池システム１およびその運転方法の第一実施形態について図１および図２に基いて説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、改質部２と、原燃料ガス量調整手段３と、燃料電池４と、空気量調整手段５と、燃焼部６と、電力需要取得部７と、制御部８と、を備える。さらに、第一実施形態では、燃料電池システム１は、水蒸気発生器１１を備える。

改質部２は、原燃料ガスと水蒸気とにより、燃料電池４に供給するのに適した改質ガスを生成する。原燃料ガスとしては、メタン、エタンをはじめとする炭化水素やこれらを含む天然ガスやＬＰガス等が好適に挙げられるが、特に限定されない。第一実施形態では、原燃料ガスは天然ガスである。

改質部２は、図示しないが、脱硫器、改質器、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を適宜備える。改質器は、後述するバーナを有する燃焼部６により改質触媒を加熱しながら原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する。

改質部２には、原燃料ガス供給流路２１を通じて原燃料ガスが供給されるとともに、水蒸気供給流路２２を通じて水蒸気が供給される。原燃料ガス供給流路２１には、改質部２に供給する原燃料ガスの量を調整する原燃料ガス量調整手段３が設けられる。原燃料ガス量調整手段３は、流量調整弁３０により構成される。

水蒸気供給流路２２の上流端には、水蒸気発生器１１が接続される。水蒸気発生器１１で発生した水蒸気は、水蒸気供給流路２２を通じて改質部２に供給される。

燃料電池４は、第一実施形態では、高分子電解質形燃料電池である。このような高分子電解質形燃料電池は、様々な公知のものが適宜利用可能であり、概略のみ説明する。

燃料電池４は、アノード４１（燃料極）に改質ガスが供給されるとともに、カソード４２（空気極）に空気（酸素）が供給される。アノード４１には、改質ガス供給流路４３を通じて改質ガスが供給されるとともに、空気供給流路４４を通じて空気が供給される。空気供給流路４４の上流端には、カソード４２に空気を送るブロア等の送風手段１２が設けられる。空気供給流路４４には、カソード４２に供給する空気の量を調整する空気量調整手段５が設けられる。空気量調整手段５は、流量調整弁５０により構成される。

アノード４１では、供給された水素によりＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻という反応が生じる。アノード４１で発生したｅ⁻は、外部の家電製品等の負荷機器９を通ってカソード４２へと移動する。また、アノード４１で発生したＨ^＋は、電解質４０を通ってカソード４２へと移動する。

カソード４２では、電解質４０を通って移動してきたＨ^＋と、外部の負荷機器９を通って移動してきたｅ⁻と、供給された酸素とにより４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏという反応が生じる。

燃料電池４で発生して外部を通るｅ⁻により、負荷機器９にエネルギーが与えられる。このとき、パワーコンディショナ１３等が適宜利用可能である。

燃料電池４のアノード４１には、アノード排気流路４５が接続され、カソード４２には、カソード排気流路４６が接続され、アノード排気流路４５およびカソード排気流路４６の下流端に燃焼部６が接続される。

燃焼部６には、燃料電池４のアノード４１から排出されるアノードオフガスがアノード排気流路４５を通じて供給されるとともに、カソード４２から排出されるカソードオフガスがカソード排気流路４６を通じて供給される。燃焼部６は、これらのアノードオフガスとカソードオフガスとを用いて燃焼を行って、改質部２および燃料電池４の加熱を行うバーナにより構成される。

燃料電池システム１が備える電力需要取得部７は、負荷機器９の電力需要を取得するもので、例えばいわゆるＨＥＭＳ(Home Energy Management System)で用いられる電力管理装置１４により構成される。第一実施形態では、電力需要取得部７は前記のような電力管理装置１４の一機能により構成され、負荷機器９はＨＥＭＳに対応した機器となっている。

燃料電池システム１が備える制御部８は、電力需要取得部７で取得した負荷機器９の電力需要に応じて、原燃料ガス量調整手段３と空気量調整手段５とを制御する。第一実施形態では、制御部８は電力管理装置１４の一機能により構成される。

上記のような燃料電池システム１においては、燃料電池４において改質ガスと酸素とが反応した後に、アノードオフガスに残存する可燃成分と、カソードオフガスに残存する酸素とにより、燃焼部６における燃焼が行われる。このような燃焼は、供給される原燃料ガスおよび酸素の量と、燃料電池４において実際の化学反応に用いられるガスと酸素の量の影響を受けるため、不安定になって失火が発生しやすい。

そこで、通常、所定の電力需要に対して、最低限必要となる原燃料ガスの量（流量）よりも多い第１燃料量を供給する通常モードにより燃料電池システム１が運転される。すなわち、通常モードにおいて、制御部８は、電力需要に応じて改質部２に供給する原燃料ガスの量が第１燃料量となるように、原燃料ガス量調整手段３を制御する。第１燃料量は、電力需要に応じて変化するものである。

さらに制御部８は、通常モードにおいて、カソード４２に供給する空気の量（流量）を、第１燃料量に対応した第１空気量となるように空気量調整手段５を制御する。第１空気量も、上記所定の電力需要に対して最低限必要となる空気量よりも多い。第１空気量も、電力需要に応じて変化するものである。

このような通常モードにより燃料電池システム１を運転することで、負荷機器９の電力需要が変動しても、アノードオフガスに残存する可燃成分やカソードオフガスに残存する酸素が不足して失火が発生することが抑制され、燃焼部６における燃焼を安定化させることができる。

しかしながら、通常モードにおいては、所定の電力需要に対して本来必要である原燃料ガスの量よりも多くの原燃料ガスを消費するため、通常モードのみでは省燃料化ができないものであった。

そこで、本発明では、通常モードで運転中に電力需要の変動が所定の条件を満たす場合に、改質部２に供給する原燃料ガスの量を第１燃料量よりも小さい第２燃料量とするとともに、カソード４２に供給する空気の量を第１空気量よりも小さい第２空気量とする省燃料モードに移行する。

第２燃料量は、第１燃料量より小さく、所定の電力需要に対して最低限必要となる原燃料ガスの量と同じかこれよりも多い。第２空気量も、第１空気量より小さく、所定の電力需要に対して最低限必要となる空気量と同じかこれよりも多い。第２燃料量および第２空気量も、電力需要に応じて変化するものである。

所定の条件は、通常モードを運転中に、負荷機器９の電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まる状態が所定時間継続することである。所定時間は、例えば通常モード中の３０分、１時間、２時間等の時間であるが、数値は特に限定されない。所定変動幅は、例えば定格出力が７００Ｗの場合、例えば７Ｗであるが、数値は特に限定されない。すなわち、通常モードを運転中の１時間等の間に、負荷機器９の電力需要が７００±７Ｗの範囲内に収まると、省燃料モードに移行する。

図２に基いて、第一実施形態における燃料電池システム１の運転について説明する。

燃料電池システム１の運転を開始した後、燃料電池４における発電が可能な状態となると、（Ｓ１）において通常モードを開始する。

次に、（Ｓ２）において、負荷機器９の電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まっているか否かが判定され、変動幅が所定変動幅内に収まっていない場合には（Ｓ３）に進む。

（Ｓ３）において、時間の計測（計時）が既に開始されているか否かが判定され、計時が未だ開始されていない場合にはそのまま（Ｓ２）に戻り、計時が既に開始されている場合には（Ｓ４）において計時を停止してリセットした後、（Ｓ２）に戻る。

（Ｓ２）において、負荷機器９の電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まっている場合には（Ｓ５）に進む。

（Ｓ５）において、計時が既に開始されているか否かが判定され、計時が未だ開始されていない場合には（Ｓ６）において計時を開始した後（Ｓ７）に進み、計時が既に開始されている場合にはそのまま（Ｓ７）に進む。

（Ｓ７）において、計時開始から所定時間継続しているか否かが判定され、所定時間継続していない場合には（Ｓ２）に戻り、所定時間継続している場合には（Ｓ８）に進む。

（Ｓ８）において通常モードを停止し、（Ｓ９）において省燃料モードを開始する。

省燃料モード中の（Ｓ１０）において、負荷機器９の電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まっているか否かが判定され、変動幅が所定変動幅内に収まっている場合には、そのまま（Ｓ１０）に戻って省燃料モードを継続する。

（Ｓ１０）において、変動幅が所定変動幅内に収まっていない場合には、次の（Ｓ１１）において省燃料モードを停止した後、（Ｓ１）に戻って通常モードを開始し、以降は上記を繰り返す。

このように、失火が発生するおそれが小さい場合に省燃料モードに移行することで、所定の電力需要に対して最低限必要となる原燃料ガスの量と同じかこれより若干多い量の原燃料ガスを供給すればよく、同じ電力需要に対して通常モードにおけるよりも供給する原燃料ガスの量が少なくてすみ、省燃料化を行いやすくなる。

次に、本発明に係る燃料電池システム１の運転方法の第二実施形態について説明する。なお、第二実施形態の燃料電池システム１は、第一実施形態の燃料電池システム１と大部分において同じである。このため、第一実施形態と重複する説明については、説明を省略する。

第二実施形態では、第一実施形態において、特定の場合には、所定の条件を満たしても、通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する。

特定の場合というのは、燃料電池４の温度が所定温度よりも低い場合である。燃料電池システム１は、燃料電池４の温度を検知するサーミスタや熱電対等からなる燃料電池温度検知手段を備え、制御部８は燃料電池温度検知手段による燃料電池温度を把握する。

高分子電解質形燃料電池は、発電時の温度は通常１００〜２００℃である。燃料電池温度が例えば８０℃等の所定温度よりも低い場合、燃焼部６において失火が発生するおそれが大きい。このため、制御部８は燃料電池温度が所定温度よりも低い場合、通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行う。

具体的には、燃料電池温度が８０℃等の所定温度よりも低い場合、制御部８は通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する禁止フラグを立てる。禁止フラグが立つと、図２に示す（Ｓ２）〜（Ｓ１１）のステップは実行せず、通常モードのみを行う。燃料電池温度が所定温度以上となると、禁止フラグが解除され、（Ｓ２）〜（Ｓ１１）のステップの実行が可能となる。

このようにすることで、燃焼部６における失火の発生を抑えることができる。

次に、本発明に係る燃料電池システム１の運転方法の第三実施形態について説明する。なお、第三実施形態の燃料電池システム１は、第一実施形態または第二実施形態の燃料電池システム１と大部分において同じである。このため、第一実施形態または第二実施形態と重複する説明については、説明を省略する。

第三実施形態では、第一実施形態または第二実施形態において、特定の場合には、所定の条件を満たしても、通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する。

特定の場合というのは、失火の頻度が所定頻度よりも大きい場合である。燃料電池システム１は、燃焼部６における失火を検知する失火検知手段を備え、制御部８は失火検知手段により失火を把握する。失火検知手段は、サーミスタや熱電対等からなる燃焼部温度検知手段により構成される。

制御部８は失火の頻度が所定頻度、例えば１時間等の所定時間に５回等の所定回数の失火が発生した場合、通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行う。

具体的には、燃焼部温度が１００℃等、所定温度よりも低い温度である場合に、失火であると判定する。１時間等の所定時間に５回等の所定回数の失火が発生した場合、制御部８は、通常モードから省燃料モードに移行するのを禁止する禁止フラグを立てる。禁止フラグが立つと、図２に示す（Ｓ２）〜（Ｓ１１）のステップは実行せず、通常モードのみを行う。失火の頻度が所定頻度以下となると、禁止フラグが解除され、（Ｓ２）〜（Ｓ１１）のステップの実行が可能となる。

このようにすることで、燃焼部６における失火の発生をより一層抑えることができる。

次に、本発明に係る燃料電池システム１の運転方法の第四実施形態について説明する。なお、第四実施形態の燃料電池システム１は、第一実施形態〜第三実施形態の燃料電池システム１と大部分において同じである。このため、第一実施形態〜第三実施形態と重複する説明については、説明を省略する。

第四実施形態の燃料電池システム１は、第一実施形態〜第三実施形態における燃料電池システム１の構成に加えて、さらに、負荷機器使用促進手段を備える。負荷機器使用促進手段は、電力管理装置１４が有するディスプレイ等の表示機能やスピーカ等の音声出力機能により構成可能である。

燃料電池４には、設計上、定格出力が定められており、定格出力の発電を行っているときに最も安定した運転を行うことができる。このため、制御部８は、負荷機器使用促進手段により、複数の負荷機器９を組み合わせて使用させて合計の電力需要を定格出力に一致させるかあるいはできるだけ近づけるように、利用者に負荷機器９の使用を促す制御を行う。

第四実施形態では、電力管理装置１４が、過去に利用した負荷機器９の種類および使用電力を記憶している。そして、ある時点で使用している負荷機器９の電力需要の合計が定格出力に満たない場合、電力管理装置１４は、使用していない負荷機器９から、使用すれば合計の電力需要が定格出力に一致するかできるだけ近づくように一または複数の負荷機器９を選び出し、負荷機器使用促進手段を通じて利用者に選び出した負荷機器９の使用を促す。

このようにすることで、負荷機器９の電力需要を定格出力に一致するか近づけやすくなり、安定した燃料電池システム１の運転を行いやすくなる。

なお、本発明に係る燃料電池システム１の運転方法は上述した実施形態に限定されるものではない。

上述した実施形態では、燃料電池４は、変動する電力需要に追従しやすい高分子電解質形燃料電池であり、このような高分子電解質形燃料電池の場合に本発明の運転方法が特に有効であるが、燃料電池４は高分子電解質形燃料電池に限定されない。

また、アノードオフガスとカソードオフガスは別の流路を通じて燃焼部６に供給されているが、アノードオフガスとカソードオフガスとが同じ流路を通じて供給されてもよい。

また、水蒸気供給流路２２に流量調整弁等からなる水蒸気量調整手段が設けられてもよい。

また、燃料電池システム１は、貯湯システムとともに組み込まれてコジェネレーションシステムを構成するものであってもよい。

１燃料電池システム
２改質部
３原燃料ガス量調整手段
４燃料電池
４１アノード
４２カソード
５空気量調整手段
６燃焼部
７電力需要取得部
８制御部

Claims

原燃料ガスと水蒸気とにより改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部に供給する原燃料ガスの量を調整する原燃料ガス量調整手段と、
アノードに供給される前記改質ガスとカソードに供給される空気とにより発電を行う燃料電池と、
前記カソードに供給する空気の量を調整する空気量調整手段と、
前記燃料電池からのアノードオフガスとカソードオフガスとにより燃焼を行って前記改質部および前記燃料電池の加熱を行う燃焼部と、
電力需要を取得する電力需要取得部と、
前記原燃料ガス量調整手段と前記空気量調整手段とを制御する制御部と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記制御部は、電力需要に応じて前記改質部に供給する原燃料ガスの量を第１燃料量となるように前記原燃料ガス量調整手段を制御するとともに前記カソードに供給する空気の量を第１空気量となるように前記空気量調整手段を制御する通常モードと、前記通常モードにおいて前記電力需要の変動幅が所定変動幅内に収まる状態が所定時間継続する場合に前記通常モードから移行して、電力需要に応じて前記改質部に供給する原燃料ガスの量を前記第１燃料量よりも小さい第２燃料量となるように前記原燃料ガス量調整手段を制御するとともに前記カソードに供給する空気の量を前記第１空気量よりも小さい第２空気量となるように前記空気量調整手段を制御する省燃料モードと、を実行可能であることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知手段を備え、
前記燃料電池温度検知手段が検知した燃料電池温度が所定温度よりも低い場合に、前記制御部が前記通常モードから前記省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
前記燃料電池システムは、前記燃焼部における失火を検知する失火検知手段を備え、
前記失火検知手段が検知した失火の頻度が所定頻度よりも大きい場合に、前記制御部が前記通常モードから前記省燃料モードに移行するのを禁止する制御を行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムの運転方法。
前記燃料電池システムは、負荷機器使用促進手段を備え、
前記制御部は、前記負荷機器使用促進手段により、複数の負荷機器を組み合わせて使用させて電力需要を定格出力に一致させるかあるいはできるだけ近づけるように、負荷機器の使用を促す制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。