JP3349526B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を用いた発電
システムに関し、特に電池冷却水を連続的に安定に補給
して電池冷却水の温度や圧力を一定に保ち、排熱回収を
安定に行えるようにした燃料電池発電システムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図５に基本的な燃料電池発電システムお
よびその燃料電池発電システムからの排熱を利用した冷
房システムの構成を示す。燃料電池発電システム１′は
主に、改質器２，電池スタック３，電池冷却水配管４か
ら構成され、電池冷却水配管４には排熱回収用熱交換器
６，気水分離器５が設けられている。気水分離器５には
水位検出手段７，電池冷却水温度（または圧力）検出手
段１５が設けられると共に、改質用水蒸気供給管８が接
続されている。また電池冷却水配管４には電池冷却水補
給管９，電池冷却水補給ポンプ１０，補給水タンク１１
が接続されている。水位検出手段７は、オンオフコント
ローラ４０に信号伝送線３３ｂを介して接続されてい
る。また燃料電池発電システム１′からの排熱を利用し
た冷房システムは主に、吸収式冷凍機系統配管２０，吸
収式冷凍機２１，排熱回収用温水制御弁２２から構成さ
れている。

【０００３】次に、この燃料電池発電システム１′の電
池冷却水からの排熱回収方法および電池冷却水補給方法
について説明する。燃料電池発電システム１′の電池ス
タック３は、燃料極に都市ガス等の燃料を改質器２で改
質した水素が供給され、空気極に空気中の酸素が供給さ
れて、電気と熱を発生する。この発生した熱を奪った電
池冷却水は、排熱回収用熱交換器６に導かれ、その熱を
吸収式冷凍機２１に供給した後、気水分離器５に導か
れ、燃料を改質して水素を製造する際に必要となる燃料
改質用水蒸気を供給する。燃料改質のために電池冷却水
から失われた水蒸気分は、補給水タンク１１より電池冷
却水補給ポンプ１０により電池冷却水配管４に供給され
る。オンオフコントローラ４０は、気水分離器５の水位
検出手段７が低水位を検出すると信号伝送線３３ａを通
して電池冷却水補給ポンプ１０の運転を開始させ、高水
位を検出するとその運転を停止させる。

【０００４】一方、電池冷却水温度は、その温度が高く
なると電池スタック３に使用されている触媒が焼結し、
その温度が低くなると発電効率が低下する等の問題が生
じる。そこで、電池冷却水温度（または圧力）検出手段
１５で検出した電池冷却水の温度あるいは圧力が設定値
以下になった場合には、排熱回収用温水制御弁２２をバ
イパス側にして排熱回収を停止し、設定値以上になった
場合には、排熱回収用温水制御弁２２を熱回収側にして
排熱回収を行って電池冷却水の温度あるいは圧力を一定
に保っている。

【０００５】また、上記のほかに、電池冷却水の補給水
量を一定にするために、電池冷却水補給ポンプ１０の回
転数を燃料電池の発電電流に従って制御する方法（特願
平３−１７３５５８号）も提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６は、上記従来の電
池冷却水の補給方法による電池冷却水の補給水量（Ａ）
と排熱回収量（Ｂ）の関係を示す図である。従来の電池
冷却水の補給方法では、ポンプ１０をオンオフしていた
ため、図６に示すように、電池冷却水の不足が検出さ
れ、低温の補給水が電池冷却水配管４に供給されると、
電池冷却水の温度あるいは圧力が低下して排熱回収用温
水制御弁２２がバイパス側になり排熱回収量が低下した
り、排熱回収が行えなくなったりして、吸収式冷凍機２
１が安定して運転できないという欠点があった。

【０００７】また、電池冷却水の補給水量を一定にする
ために、電池冷却水補給ポンプ１０の回転数を燃料電池
の発電電流に従って制御する方法（特願平３−１７３５
５８号）では、ポンプ１０の性能によっては、ポンプ１
０の回転数を下げて補給水量を小さくした場合にポンプ
１０の揚程も小さくなり、補給水を高圧の電池冷却水に
補給できなくなるという欠点があった。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、燃料電池の電池冷却水
の補給を連続的に安定に行うことにより、燃料電池から
の排熱回収を安定して行えるようにした燃料電池発電シ
ステムを提供することにある。

【０００９】上記の目的を達成するため、本発明の燃料
電池発電システムにおいては、燃料を改質して得られる
水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池と、前記反
応に伴って発生した熱を前記燃料電池から取り出した電
池冷却水が導かれて熱回収をする排熱回収用熱交換器
と、前記熱回収後の前記電池冷却水から燃料改質用の水
蒸気を改質器に供給する気水分離器と、前記気水分離器
で失われた水蒸気分を前記電池冷却水に補給する補給水
系とを有する燃料電池発電システムの構成を、前記燃料
電池の発電電流検出手段と、前記電池冷却水の圧力検出
手段と、前記電池冷却水の補給系に設けた弁開度の制御
が可能な電池冷却水補給水量制御弁と、前記発電電流検
出手段からの検出信号および前記電池冷却水の圧力検出
手段からの検出信号を入力し、前記電池冷却水補給水量
制御弁の弁開度を、前記発電電流が大きいほど大きく
し、前記発電電流が小さいほど小さくするとともに、前
記電池冷却水圧力が高いほど大きくし、前記電池冷却水
圧力が低いほど小さくする弁開度制御信号を出力するコ
ントローラとを具備するものとしたことを特徴としてい
る。

【００１０】

【作用】本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池
冷却水補給管に補給水量を連続的に制御するための制御
弁を設け、燃料電池の発電電流と電池冷却水の圧力とを
測定し、これらの測定による検出信号を入力して燃料改
質に必要な水蒸気量を計算し、この燃料改質用水蒸気量
に見合った燃料電池冷却水の補給が行えるように燃料電
池冷却水補給水量制御弁の弁開度を制御することによ
り、電池冷却水の補給を連続的に安定に行う。このよう
な連続的な電池冷却水の補給によって、電池冷却水の温
度をあるいは圧力を一定に保ち、発電効率の低下と触媒
の焼結を防止するとともに、排熱回収を安定に行えるよ
うにしている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１２】図１は本発明の実施例と比較するための参
考例の構成を示す図である。本参考例の燃料発電システ
ムは、電池冷却水の補給系およびその補給系の制御系を
除いて、図５に示した従来例とほぼ同様に構成されてお
り、同様の構成要素には同一の符号を付してある。

【００１３】即ち、本参考例の燃料電池発電システムは
主に改質器２，電池スタック３，電池冷却水配管４から
構成され、電池冷却水配管４には排熱回収用熱交換器
６，気水分離器５，冷却水循環ポンプ１４が設けられて
いる。

【００１４】電池スタック３は、燃料極３ａと空気極３
ｂを有し、燃料極３ａには改質器２において都市ガス等
の燃料を改質して得られる水素が供給され、一方、空気
極３ｂには空気中の酸素が供給されて、発電が行なわれ
るとともに熱を発生する。この熱は、ポンプ１４で循環
される電池冷却水により取り出され、排熱回収用熱交換
器６で回収されて吸収式冷凍器２１等の熱源として利用
される。燃料改質に必要な水蒸気は、気水分離器５から
改質用水蒸気配管８を通して供給される。燃料極３ｂの
排ガスは、未反応の水素が含まれるため、改質器２で必
要な燃焼ガスとして利用される。

【００１５】本参考例における電池冷却水補給系とその
制御系では、補給水タンク１１から電池冷却水配管４に
接続された電池冷却水補給管９に順に逆流防止用逆止弁
１３と電池冷却水補給ポンプ１０を設け、ポンプ１０に
並列に電池冷却水補給水量制御弁１２を設ける。この制
御弁１２を制御するために、燃料電池の発電電流検出手
段３０と、弁開度制御手段３１と、コントローラ３２を
設け、発電電流検出手段３０の発電電流計測信号を信号
伝送線３３ｄを通してコントローラ３２に入力し、その
発電電流に基づいてコントローラ３２が信号伝送線３３
ｅを通し弁開度制御手段３１を介して補給水量制御弁１
２の弁開度を制御する。本参考例では、電池冷却水補給
ポンプ１０を、燃料電池の最大発電電流に対応する補給
水量が供給できるような一定回転数で制御し、補給水量
制御弁１２を開いてバイパスさせることにより電池冷却
水の補給水量を所望の値に制御する。

【００１６】以上の燃料電池発電システムからの排熱を
利用する冷房システムは、主に吸収式冷凍機系配管２
０，吸収式冷凍機２１から構成され、配管２０には排熱
回収用温水制御弁２２，排熱回収用温水循環ポンプ２３
が設けられている。この冷房システムでは、排熱回収用
熱交換器６を介して、電池スタック３で発生した熱を奪
った電池冷却水から温水としてその排熱を回収する。

【００１７】以上のように構成した参考例の動作および
作用を述べる。

【００１８】本参考例では、燃料電池の発電電流検出手
段３０で検出した発電電流計測信号をコントローラ３２
に入力し、この発電電流に基づいて燃料改質用水蒸気量
すなわち電池冷却水補給水量を算出し、あらかじめコン
トローラ３２に記憶させた電池冷却水補給水量と電池冷
却水補給水量制御弁１２の弁開度の関係式により、電池
冷却水補給水量制御弁１２の弁開度を求め、この弁開度
設定信号を電池冷却水補給水量制御弁の弁開度制御手段
３１に出力する。

【００１９】本参考例では電池冷却水補給水量制御弁１
２を、電池冷却水補給ポンプ１０の吐出側から吸引側へ
のリサイクルラインにポンプ１０と並列になるように設
けて電池冷却水補給水量の制御を行っているが、この理
由は、制御弁１２を電池冷却水補給ポンプ１０の吐出側
にポンプ１０と直列になるように設ける場合に比較し
て、揚程の減少が少ないこと、弁１２の全閉時にポンプ
１０が締切り運転により破損する恐れがないことであ
る。また、逆流防止用逆止弁１３はポンプ１０が停止し
た場合に高圧の電池冷却水が補給水タンク１１に逆流し
ないようにすること等を目的に設けてある。もちろん、
上記の利点は得られなくなるが、他の参考例として、電
池冷却水補給水量制御弁を電池冷却水補給ポンプ１０に
直列に設けても良い。

【００２０】本参考例に示したコントローラ３２におけ
る電池冷却水補給水量制御弁１２の弁開度算出の演算ア
ルゴリズムを図４に示す。コントローラ３２は、まず、
発電電流の関数（ｆ（発電電流））から電池冷却水補給
水量を算出し、次に、この電池冷却水補給水量の関数
（ｇ（電池冷却水補給水量））から電池冷却水補給水量
制御弁１２の弁開度を算出する。即ち、コントローラ３
２は、電池冷却水補給水量制御弁１２を、発電電流検出
手段３０で検出した発電電流が大きい場合は電池冷却水
補給水量が大きくなるように制御し、発電電流が小さい
場合は電池冷却水補給水量が小さくなるように制御す
る。

【００２１】次に、本発明の実施例を説明する。

【００２２】図３は、その構成を示す図である。前述の
参考例では電池冷却水の圧力が変動すると電池冷却水補
給水量制御弁１２の弁開度が同じでも電池冷却水補給水
量が変動する。そこで本実施例では、電池冷却水の圧力
が変動しても電池冷却水補給水量がこの圧力変動の影響
を受けないようにしたものである。このため、本実施例
では、図１の参考例に加えて、気水分離器５に電池冷却
水圧力検出手段３４を設け、その検出圧力を信号伝送線
３３ｃを通してコントローラ３２に入力し、コントロー
ラ３２がこの検出圧力と発電電流検出手段３０の検出電
流に基づいて弁開度制御手段３１を介し電池冷却水補給
水量制御弁１２の弁開度を制御する構成としている。

【００２３】以上のような構成の実施例の動作および作
用を述べる。

【００２４】燃料電池の発電電流検出手段３０で検出し
た発電電流計測信号と、電池冷却水圧力検出手段３４に
より検出した電池冷却水圧力計測信号をコントローラ３
２に入力し、この発電電流に基づいて電池冷却水補給水
量を算出し、あらかじめコントローラ３２に記憶させた
電池冷却水補給水量および電池冷却水圧力と、電池冷却
水補給水量制御弁１２の弁開度の関係式により、電池冷
却水補給水量制御弁１２の弁開度を求め、この弁開度設
定信号を電池冷却水補給水量制御弁１２の弁開度制御手
段３１に出力する。

【００２５】本実施例に示したコントローラ３２におけ
る電池冷却水補給水量制御弁の弁開度算出の演算アルゴ
リズムを図４に示す。本実施例ではコントローラ３２
が、まず、発電電流の関数（ｆ（発電電流））から電池
冷却水補給水量を算出した後、気水分離器圧力とこの電
池冷却水補給水量の関数（ｇ（気水分離器圧力、電池冷
却水補給水量））から電池冷却水補給水量制御弁１２の
弁開度を算出する。即ち、本実施例におけるコントロー
ラ３２は、電池冷却水補給水量制御弁１２を、発電電流
検出手段３０で検出した発電電流が大きい場合は電池冷
却水補給水量が大きくなるように制御し、発電電流が小
さい場合は電池冷却水補給水量が小さくなるように制御
するが、これとともに、コントローラ３２は電池冷却水
補給水量制御弁１２の開度を、電池冷却水圧力検出手段
３４で検出した電池冷却水圧力が高い場合は大きくなる
ように制御し、電池冷却水圧力が低い場合は小さくなる
ように制御する。

【００２６】本実施例に述べたような電池冷却水の補給
を行うと、電池冷却水補給水の温度が大きく変化しない
範囲内では、電池冷却水の温度あるいは圧力を一定に保
つことができ、電池冷却水系からの排熱回収が安定して
行えるようになる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
燃料電池発電システムは、燃料電池の発電電流を測定し
て、燃料改質に必要な水蒸気量を計算し、この燃料改質
用水蒸気量に見合った電池冷却水の補給が行えるように
電池冷却水補給水量制御弁の弁開度を制御するので、電
池冷却水の補給が連続的に安定に行える。この結果、電
池冷却水補給水の温度が大きく変化しない範囲では、電
池冷却水の温度あるいは圧力が一定に保つことができ、
燃料電池からの排熱回収が安定して行えるようになっ
て、例えば燃料電池排熱を熱源として利用する吸収式冷
凍機の冷房能力を一定に保てるようになる。また、電池
冷却水補給ポンプの運転が従来のオンオフ運転から連続
運転になるので、電池冷却水補給ポンプの故障回数を減
少させる効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例を示す構成図

【図２】上記参考例のコントローラにおける電池冷却水
補給水量制御弁の弁開度算出のアルゴリズムを示す図

【図３】本発明の実施例を示す構成図

【図４】上記実施例のコントローラにおける電池冷却水
補給水量制御弁の弁開度算出のアルゴリズムを示す図

【図５】従来の基本的な燃料電池発電システムとその排
熱を利用する冷房システムの構成図

【図６】従来の電池冷却水補給方法による電池冷却水補
給水量と排熱回収量の関係を示す図

【符号の説明】

１…燃料電池発電システム ２…改質器 ３…電池スタック ４…電池冷却水配管 ５…気水分離器 ６…排熱回収用熱交換器 ８…改質用水蒸気供給管 ９…電池冷却水補給管 １０…電池冷却水補給ポンプ １１…補給水タンク １２…電池冷却水補給水量制御弁 １３…逆流防止用逆止弁 ２１…吸収式冷凍機 ２２…排熱回収用温水制御弁 ３０…燃料電池の発電電流検出手段 ３１…燃料電池冷却水補給水量制御弁の弁開度制御手段 ３２…コントローラ ３４…電池冷却水圧力検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀山 寿雄 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 飯野 栄一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 田村 豊一 東京都港区海岸１丁目５番20号 東京瓦 斯株式会社内 (72)発明者 西崎 邦博 東京都港区海岸１丁目５番20号 東京瓦 斯株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−217863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−241874（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を改質して得られる水素と酸素を反
   応させて発電を行う燃料電池と、前記反応に伴って発生
   した熱を前記燃料電池から取り出した電池冷却水が導か
   れて熱回収をする排熱回収用熱交換器と、前記熱回収後
   の前記電池冷却水から燃料改質用の水蒸気を改質器に供
   給する気水分離器と、前記気水分離器で失われた水蒸気
   分を前記電池冷却水に補給する補給水系とを有する燃料
   電池発電システムにおいて、 前記燃料電池の発電電流検出手段と、前記電池冷却水の
   圧力検出手段と、前記電池冷却水の補給系に設けた弁開
   度の制御が可能な電池冷却水補給水量制御弁と、前記発
   電電流検出手段からの検出信号および前記電池冷却水の
   圧力検出手段からの検出信号を入力し、前記電池冷却水
   補給水量制御弁の弁開度を、前記発電電流が大きいほど
   大きくし、前記発電電流が小さいほど小さくするととも
   に、前記電池冷却水圧力が高いほど大きくし、前記電池
   冷却水圧力が低いほど小さくする弁開度制御信号を出力
   するコントローラとを具備することを特徴とする燃料電
   池発電システム。