JP2018137094A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電効率の低下を低減しつつ、長期信頼性を向上した燃料電池装置を提供する。【解決手段】 本開示の燃料電池装置は、予め定められた定格発電量を発電可能な燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記燃料電池の劣化の度合いを判定し、該判定結果に基づいて、前記定格発電量を変更することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガスと酸素含有ガスと（空気）を用いて発電を行なう燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、それを備える燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置では、各燃料電池装置により定格発電量が定められており、この定格発電量の範囲内に手発電を行なう。一方で、燃料電池装置を長時間運転している場合や、何らかのトラブルが生じた場合に、セルスタックの温度が上昇する場合がる。この場合、これを放置しておくと、セルスタックの劣化が進むことから、例えば、セルスタックの温度が予め定められた判定基準を超えると、定格発電量（電流）を一定に保ちつつ、空気を増量させて、温度を下げるという制御が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５３３６８１８号公報

しかしながら、定格発電量を一定に保ちつつ、空気を増量させて、温度を下げる制御を行なうと、発電効率が低下する他、燃料電池セルに対して過度な負担を生じることとなり、長期信頼性が低下するおそれがあった。

それゆえ、本発明は、発電効率の低下を低減しつつ、長期信頼性を向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。

本開示の燃料電池装置は、予め定められた定格発電量を発電可能な燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記燃料電池の劣化の度合いを判定し、該判定結果に基づいて、前記定格発電量を変更することを特徴とする。

本開示の燃料電池装置は、発電効率の低下を低減しつつ、長期信頼性を向上した燃料電池装置とすることができる。

本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。 発電効率のシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施形態の燃料電池装置の運転制御の一例の一部を示すフローチャートである。

図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。

図１に示す発電ユニットは、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を有する固体酸化物形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック５、都市ガス等の原燃料を後述する改質器３に供給する燃料ガス供給装置である原燃料供給ポンプ１を有する原燃料供給ライン、セルスタック５を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置である酸素含有ガス供給ポンプ（ブロワ）２を有する酸素含有ガス供給ライン、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器３を備えている。原燃料供給ラインには原燃料供給ポンプ１より供給される原燃料の量を測定する原燃料流量計４１が設けられており、また酸素含有ガス供給ラインには、酸素含有ガス供給ポンプ２より供給される酸素含有ガスの量を測定する酸素含有ガス流量計４２が設けられている。

なお、図１に示す発電ユニットでは、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある。）が構成され、図１においては、二点鎖線により囲って示している。また、セルスタック５から排出される発電に使用されなかった排ガスを排出する排ガスラインには、該排ガスを浄化するための、一般的に知られているような、多孔質の担体に、白金、パラジウム等の貴金属類の他、マンガン、コバルト、銀、銅、ニッケル等を担持させた燃焼触媒を備える浄化装置４３が設けられている。なお、浄化装置４３には、燃焼触媒の温度を測定するための温度センサ４６が設けられている。また、図１には示していないが、モジュール４内には発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置（着火ヒーター等）が設けられている。

また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック５を構成する燃料電池セルの発電に伴って生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器８に水を循環させる循環配管１５、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置９、水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。なお、水処理装置９としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。

水タンク１１に貯水された水は、水タンク１１と改質器３とを接続する水供給管１３に備えられた水ポンプ１２により改質器３に供給される。

さらに図１に示す発電ユニットは、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）６、熱交換器８の出口に設けられ熱交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１４のほか、後述する各種機器の動作を制御する制御装置７が設けられており、循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７とあわせて発電ユニットが構成されている。制御装置７およびパワーコンディショナ６の機能については、後述する。

なお、制御装置７はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１６を具備して構成されている。なお、循環ポンプ１７は貯湯ユニット側に設けることもできる。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。

セルスタック５の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置７は原燃料供給ポンプ１、水ポンプ１２を作動させる。それにより、改質器３に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層に供給される。

一方、制御装置７は酸素含有ガス供給ポンプ２を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、制御装置７はモジュール４において着火装置（図示せず）を作動させることにより、セルスタック５の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック５や改質器３の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。

セルスタック５の発電に伴って生じた排ガスは、燃焼触媒を備える浄化装置４３にて浄化された後、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、水処理装置９に供給される。凝縮水は、水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

なお、上述の例においては、貯湯ユニットを備える燃料電池システムの構成の一例を示したが、貯湯ユニットを備えていない、いわゆるモノジェネレーションシステムとすることもできる。この場合、凝縮水を生成するにあたり、ラジエターを備えた構成として、ラジエターにより排ガスを冷却することで、凝縮水を生成してもよい。

さらに、上述の例においては、熱交換器８にて生成される凝縮水のみを改質器３に供給する構成の燃料電池装置を用いて説明したが、改質器３に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置にて生成した純水が、水タンク１１に貯水されるよう各装置を接続する。

このような燃料電池装置においては、セルスタック５の構成等（燃料電池セルの数等）に応じて定格発電量が予め定められている。そして、外部負荷の要求に応じて、セルスタック５の発電量が制御され、制御された発電量がパワーコンディショナ６を介して外部負荷に供給される。

具体的には、パワーコンディショナ６にて検知した外部負荷の要求電力量の情報が制御装置７に伝送される。制御装置７は、外部負荷の要求電力量をセルスタック５が発電可能となるように、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２、水ポンプ１２等の稼働
を制御する。原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２、水ポンプ１２等の稼働に応じてセルスタック５が発電を行ない、発電した電力量を外部負荷に供給する。

ところで、燃料電池装置を長期間運転すると、燃料電池セルが経年劣化する。経年劣化すると、１つの燃料電池セルあたりの発電量が低下する。それゆえ、予め定められた定格発電量の発電を維持するにあたり、必要量となる燃料ガス量が増加する。燃料ガス量が増加することは、言い換えれば余剰の燃料ガス量が増加する。本実施形態の燃料電池装置においては、セルスタック５の上方で、余剰の燃料ガスを燃焼していることから、モジュール４の温度が上昇する。モジュール４の温度が上昇すると、結果的に燃料電池セル１の劣化が促進されてしまうため、モジュール４の温度を低下させる必要がある。そのため、酸素含有ガス供給ポンプ２の出力を増大させ、モジュール４の温度を低下させることとなる。それによって、結果的に発電効率が低減することとなる。また、あわせて燃料電池セルに過度の負担をかけるため、長期信頼性も低減する。

そこで、本開示の燃料電池装置においては、制御装置７は、燃料電池（燃料電池セルまたはセルスタック５）の劣化の度合いを判定し、その判定結果に基づいて、定格発電量を変更する制御を行なう。具体的には、劣化の度合いが進むにつれて、定格発電量を低減する制御を行なう。

それにより、燃料電池（セル、セルスタック）の劣化の度合いに応じて、定格発電量は低減するものの、過度な燃料ガス量や酸素含有ガス量を供給する必要がなく、発電効率が低減することを抑制できる。あわせて、燃料電池に対して過度な負担が生じることを低減できることから、長期信頼性を向上することができる。

なお、本実施形態において、発電効率とは、発電量（電力の出力量）／燃料ガスのエネルギー量（ＬＨＶ）であらわされる効率のことを言う。

ここで、燃料電池の劣化の度合いは、直接的に燃料電池の劣化を判定してもよく、また累積発電時間または累積発電量等から間接的に燃料電池の劣化を判定してもよい。またこの判定においては、１〜数段階の段階をもって判定してもよい。

具体的には、累積発電時間を用いて判断する場合、例えば、燃料電池装置の寿命を１０万時間とした場合、１万時間ごとに劣化の判定をすることができる。

図２は、累積発電時間を用いて判定する一例を示すグラフである。該グラフでは、定格発電量を８００Ｗ（ＤＣ端）とし、燃料電池装置の需要を１０万時間とした場合における発電効率のシミュレーション結果を示している。該グラフにおいては、１万時間ごとに、残りの寿命時間における発電効率を目標出力（ＤＣ端）ごとにプロットしている。すなわち、例えば１万時間のグラフでは、残り９万時間における定格発電量を変化させた場合に、発電効率がどのように変化するかをシミュレーションした結果を示している。

このグラフに示すように、燃料電池装置の稼働時間によって、発電効率が最も高い値を示す出力が変動する。本開示の燃料電池装置では、燃料電池装置の稼働時間に応じて、定格発電量をこの発電効率が最も高い値（もしくはその近傍の値）を示す目標出力に変更することによって、発電効率の低下を低減しつつ、長期信頼性を向上することができる。

なお、図２においては、燃料電池装置の累積発電時間に基づく発電効率のグラフを示したが、燃料電池の劣化の度合いが判別できれば、累積発電時間に限られるものではない。例えば、劣化の度合いの判定を累積発電量としてもよく、さらには燃料電池セルの劣化度合いを直接示す劣化率としてもよい。ここで、劣化率とは、１−（燃料電池装置の累積運
転時間ｔの発電効率／初期の発電効率）×１００％で求めることができる。

ここで、制御装置７における制御について図３に示すフローチャートを用いて説明する。まず、制御フローを始める前に、制御装置７において、ＲＯＭである記憶部が、上記の累積発電時間、累積発電量、劣化率等の燃料電池の劣化の度合いに関する発電効率の関係式を記憶しておく。

まずステップＳ１において、制御装置７は、累積発電時間、累積発電量、劣化率等が所定の段階に到達したかを判定する。ここで、所定の段階に到達していない場合には、ステップＳ２に進み、その時点における定格発電量を維持する。

一方、累積発電時間、累積発電量、劣化率等が所定の段階に到達した場合には、ステップＳ３に到達した場合には、記憶部に記憶されている関係式に基づいて、各段階における最適発電効率に対応する最適定格発電量を算出する。

次に、ステップＳ４において、パワーコンディショナ６に対して、求められた最適定格発電量となるように定格発電量を変更する制御信号を伝送する。

次に、ステップＳ５において、パワーコンディショナ６における定格発電量が最適発電量となったことを確認する。その後は、再度ステップＳ１に戻り、累積発電時間、累積発電量、劣化率等が、次の所定の段階に到達したかどうかを判定し、上記した各ステップを繰り返す。

なお、フローチャートには示していないが、制御装置７は、累積発電時間、累積発電量、劣化率等が所定の段階に到達した際に、ステップＳ３で求められた最適定格発電量より多い発電量を発電している場合には、ステップＳ４でパワーコンディショナ６に対して制御信号を伝送するとともに、原燃料供給ポンプ１、酸素含有ガス供給ポンプ２、水ポンプ１２等の動作も制御するよう各ポンプに制御信号を伝送する。

制御装置７がこのような制御を行なうことで、発電効率の低下を低減しつつ、長期信頼性を向上した燃料電池装置とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述のフローチャート説明において、定格発電量が最適発電量となったことを確認するステップＳ５については設けない構成とすることもできる。

また、図２に示したグラフにおいて、記憶部で各累積発電時間における発電効率のグラフを記憶させていたが、各累積発電時間における最適発電効率とそれに対応する目標出力のみを記憶してもよく、またこれらを結ぶ近似線の関係式を記憶してもよい。

また、燃料電池セルの種類として、固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明したが、固体酸化物形以外の、例えば固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形等の各種の燃料電池セルを用いることもできる。

１：原燃料供給ポンプ
２：酸素含有ガス供給ポンプ
３：改質器
４：燃料電池モジュール
６：パワーコンディショナ
７：制御装置

Claims (4)

1. 予め定められた定格発電量を発電可能な燃料電池と、
   前記燃料電池の発電量を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、
   前記燃料電池の劣化の度合いを判定し、該判定結果に基づいて、前記定格発電量を変更することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、前記燃料電池の発電開始からの累積発電時間または累積発電量に基づいて、前記燃料電池の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池の劣化率に基づいて、前記燃料電池の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記燃料電池の劣化の度合いに応じた、最適発電効率と目標出力との関係式を記憶しており、前記判定結果に基づいて、前記定格発電量を、前記燃料電池の劣化の度合いに応じた最適発電効率と対応する前記目標出力に変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。