JP3992423B2 - 燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 - Google Patents
燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3992423B2 JP3992423B2 JP2000187133A JP2000187133A JP3992423B2 JP 3992423 B2 JP3992423 B2 JP 3992423B2 JP 2000187133 A JP2000187133 A JP 2000187133A JP 2000187133 A JP2000187133 A JP 2000187133A JP 3992423 B2 JP3992423 B2 JP 3992423B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- fuel cell
- fuel
- reformer
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、改質器を用いて得られた水素を使用して発電をする燃料電池の起動方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
水素を燃料ガスとして使用する固体高分子型燃料電池(以下燃料電池という)は、酸やアルカリによる腐食の心配がなく寿命が長い上に、化石燃料改質ガスにより燃料ガスを得るものは応用範囲も広くコージェネシステムなどでも用いられつつある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置に連結された燃料電池は、水素ボンベや水素吸蔵合金を使って水素(燃料ガス)の供給を受けるものと比較して、燃料電池の起動に時間がかかるという問題がある。
【0004】
改質装置は、例えば、脱硫器、改質器、CO(一酸化炭素)変成器、CO除去器等から構成され、天然ガスや都市ガス等の原燃料ガスを水蒸気と混合させて行なう改質化学反応によって、比較的簡便に燃料電池の燃料ガスである水素を得られるという利点があるものの、原燃料ガスと水蒸気とから水素ガスを得る改質化学反応は、吸熱反応であるために熱源を要し、改質器の温度が安定しなければ、改質機能が不安定になり、定常的な水素の調達が難しく、燃料電池に供給される水素の量が安定しなければ、燃料電池の温度や発電能力も安定せず、燃料電池全体としてのエネルギ効率を高く保つことが困難であるという問題がある。
【0005】
また、燃料電池の使用期間中に、燃料電池が経時変化することは避け難く、燃料電池の性能等の変化に対応した原燃料の供給が実現できなければ、燃料電池システム全体としての高いエネルギ効率は保てないものである。
【0006】
この発明は、従来技術の問題点を解決するもので、その目的は、固体高分子型燃料電池において、改質反応の熱源として使用されているガスバーナの燃料を燃料ガスから燃料電池のオフガスに切替えるときに、改質器の温度をできるだけ乱さないようにして燃料ガスからオフガスに切替えることができるようにした燃料電池の運転起動装置を提供することである。
【0007】
又、この発明の他の目的は、小型燃料電池システムの燃料ガス(水素)の供給に改質器を用いた場合に、起動時に十分なる水素ガス量を確保して燃料電池システムの発電効率を向上するようにした燃料電池システムの起動方法及びその装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1の燃料電池システムの運転起動方法は、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴としている。
【0009】
また、請求項2の燃料電池システムの運転起動方法は、請求項1記載の燃料電池システムの運転起動方法において、ガスバーナのオフガスへの燃料切替時にオフガスで前記改質装置のガスバーナの燃焼をさせると同時に、ガスバーナの燃料ガス量を安定出力状態になった前記改質装置の温度を乱さないように維持する最小の燃料量に設定するようにしたことを特徴としている。
【0010】
さらに、請求項3の燃料電池システムの運転起動装置は、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池を備え、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにはオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、かつ、前記ガスバーナにおけるオフガスの燃焼の開始前に前記燃料供給制御手段により原燃料量をその時の燃料電池電流に対応した流量に調整する制御装置を有し、前記制御装置は、前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、前記記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴としている。
【0011】
さらにまた、請求項4の燃料電池システムの運転起動装置は、請求項3記載の燃料電池システムの運転起動装置において、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する原燃料供給制御手段及び改質反応の熱源用のガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナには原燃料ガスによる燃焼量を制御する燃焼制御弁及びオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、さらに、前記改質装置のガスバーナの燃焼をオフガスによる定常燃焼へ切替える毎に原燃料供給制御手段の開度の調整設定をして燃焼制御弁を閉止する制御装置を有していることを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0013】
図1は燃料電池システムの基本構成を示し、符号3は改質器、6は、例えば、固体高分子型燃料電池等、100℃以下で動作する低温動作型の燃料電池、12は改質装置加熱用のバーナである。
【0014】
燃料電池6は燃料極6a、空気極6k及び冷却部6cを有している。燃料極6aは管路64を介して改質器3に接続され、改質器3から高濃度の水素ガス(改質ガス)を燃料電池6の燃料ガスとして導入し、燃料電池6で発電に使用する。燃料極6aで反応しなかった余剰水素はオフガスとして制御弁92を経て管路15に排出される。
【0015】
一方、空気極6kは、管路16を介して水タンク21、空気ポンプ11に接続され、酸化剤としての反応空気を導入して燃料電池6の発電に使用し、反応後の空気は、管路27を経て大気中に排出する。
【0016】
冷却部6cには、燃料電池6が作動温度に維持されるように、冷却水等の冷却媒体が循環されている。
【0017】
改質器3では、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の原燃料ガスが燃料管1、燃料供給制御手段41経由、昇圧ポンプ10で昇圧されて水蒸気源20からの水蒸気と共に改質器3に供給される。
【0018】
改質器3に供給された原燃料ガス及び水蒸気は、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、さらに、後述するCO変成器やCO除去器を経て、一酸化炭素濃度が10ppm以下に低減された水素濃度の高いガス(改質ガス)として、燃料電池の燃料極6aに供給される。
【0019】
上記構成において、改質器3における改質反応は吸熱反応であるので、バーナ12で加熱することによって改質反応が維持される。
【0020】
バーナ12へは、燃焼制御弁42を有する燃料管13を介して燃料ガスが供給され、オフガス制御弁92を有する管路15を介してオフガスが供給される。バーナ12では、送風機14によって供給される燃焼空気によって、燃料ガスとオフガスの燃焼が行われる。
【0021】
発電システムの起動時には、改質器3及び燃料電池6の温度は低く、オフガスの発生もないので、改質器3のバーナ12は、燃焼制御弁42を有する燃料管13を経て供給される燃料ガスによって燃焼が行われる。このようにして改質器3が加熱され、改質装置で改質ガスが発生し、燃料電池6に送られて、燃料電池6における発電が始まると、燃料電池6の温度も次第に作動温度となる。
【0022】
このようにして、改質器3及び燃料電池6の作動温度が安定し、燃料電池システムが定常運転に移行したときは、燃料電池の燃料極6aからオフガスが安定して排出されるようになり、このオフガスを、管路15経由バーナ12に供給して、オフガス中の未反応水素ガスを燃焼させて改質器3の加熱に使用するように制御される。
【0023】
燃料電池6の定常運転においては、燃料管13からの燃料ガスの供給は断たれる。バーナ12による改質器3の加熱は、オフガスの燃焼のみで継続されるように燃焼制御弁42及びオフガス制御弁92が作動する。
【0024】
空気極6kへ供給される反応空気は、空気ポンプ11によって水タンク21内の水中に反応空気を泡立てつつ気相部53に送出することによって加湿が行われる。空気はこのように燃料電池6における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後、管路16を経て燃料電池の空気極6kに供給される。
【0025】
燃料電池6では、燃料極6aに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ11によって空気極6kに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる一方、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により燃料電池自体が反応熱を発生し、燃料電池6の作動に必要な温度が維持される。
【0026】
燃料電池6の冷却部6cは、燃料電池6が定常運転状態に移行した後に、燃料電池6の反応熱等で過熱しないようにするために、燃料電池6の電極6a、6kに並置された冷却装置である。冷却部6cにポンプ48で水タンク21の水を冷却水として循環させ、この冷却水で、燃料電池6内の温度が発電に適した温度、例えば、70℃〜80℃の作動温度に保たれるように冷却制御し、これにより、燃料電池6の温度が反応熱で過度に上昇し過ぎて、燃料電池の構成材料の機能が低下したり、燃料電池の固体高分子膜を損傷させたりしないようにしている。
【0027】
燃料電池システムでは、上述のようにして改質器3から燃料電池の燃料電極6aに改質ガスが供給され、燃料電池6では、所定の化学反応と発電が継続される。
【0028】
次に、この燃料電池システムに用いられる燃料電池の起動制御について説明をする。
【0029】
図1中の95は、燃料電池システムの制御装置であり、この制御装置95は、改質器3の温度センサ44及び燃料電池6の温度センサ45によって、改質器3および燃料電池6の温度を監視しつつ、燃料電池システムの燃料やガスの流れ及び燃料電池6で発電された電力の供給制御等を行なう装置である。49は、燃料電池6で発電された電気の電流量を検出する電流センサである。
【0030】
制御装置95による燃料ガスの制御は、原燃料ガスの燃料管1及び13に設けられた燃料供給制御手段41及び燃焼制御弁42、改質ガスが流れる管路64及び35に設けられた開閉弁91及び開閉弁36、ならびに、オフガスが流れる管路38及び15に設けられた開閉弁39及びオフガス制御弁92の開閉制御によっておこなわれる。
【0031】
燃料電池システムの起動時には、改質器3等を経た改質ガスの組成が安定していないので、組成が安定するまでは、改質ガスを燃料電池6に供給しない。制御装置95は、改質器3等の各反応器の温度が安定するまでは、開閉弁91を閉じ、開閉弁36を開くことにより、不安定な組成状態にある改質ガスを、管路35経由でPGバーナ34に導いて、ここで燃焼させる。
【0032】
このような改質器3の作動開始の後、改質器3を含む各反応器の温度や作動が安定した後に、制御装置95は、開閉弁36を閉じ、開閉弁91を開くことにより、改質ガスを燃料電池6に導入し、燃料電池6における発電を開始する。
【0033】
改質ガスの導入によって、発電を開始した燃料電池6は直ちに定格安定出力状態になる訳ではない。制御装置95は、燃料電池6の温度が低く、発電の出力も僅かな中は、DC/DCコンバータ107や系統連係インバータ108を制御して燃料電池6の発電能力に見合った負荷、即ち、取出す電流を徐々に増大しながら燃料電池自身の発熱で燃料電池の温度が上がるよう(負荷昇温)に制御しつつ、燃料電池6で発電に使用されなかった未反応ガスは、管路38、開閉弁39経由でPGバーナ34に導いて燃焼させる。
【0034】
燃料電池6の温度が負荷昇温によって上昇し、燃料電池6が作動温度(例えば、70℃〜80℃)近くで安定し、定格出力状態に達した後は、燃料極6aから排出されるオフガスの組成も安定してくるので、制御装置95は、オフガスの流れを管路38から管路15に切替えるように開閉弁39を閉じ、オフガス制御弁92を開き、オフガスの燃焼がPGバーナ34から改質器のバーナ12に切替わるように制御する。
【0035】
この過程において、制御装置95は、温度センサ45によって燃料電池6の温度を監視しながら、そのときの燃料電池温度に応じて取出し電流値を増やす形で、燃料電池6に対する電気負荷を徐々に増大するような形で負荷昇温の制御をする。
【0036】
このような電気負荷の印加は、例えば、制御装置95が、上述のようにして弁91、39を開放して改質ガスを燃料極6aに流し始め、その後に燃料電池のオープン電圧を確認したら直ちにオープン電圧からインバータ108を介した電力系統に連係させる形で行われる。
【0037】
すなわち、燃料電池6へ改質ガスの供給を開始し、燃料電池による発電が開始されてそのオープン電圧が確認されたら、直ちにオープン電圧からインバータ108を介した電力系統への連係を行い、発電能力が小さい中から、燃料電池6に電気負荷をかけ始め、制御装置95により燃料電池6を損傷しない範囲での最大負荷を与えるように、電流を増大させ、燃料電池6の自己反応熱によって、燃料電池の温度をできるだけ早く定格安定出力状態の温度に上げて、すみやかに固体高分子型燃料電池の運転を定常運転状態に移行させるものである。これにより燃料電池6を起動する際のエネルギ損失を極限まで少なくすることができる。
【0038】
このようにして、燃料電池6が定格安定出力状態に達した後は、改質器3のバーナ12では、管路15経由で導入されるオフガス中の未反応ガスが燃焼されて改質器3の加熱が継続される。
【0039】
このような形の負荷印加の方法と制御によれば、燃料電池6の昇温のための加熱ヒータ等の機器は必要でなくなり、また、加熱用のエネルギが別途に必要とされるような無駄もなく、燃料電池6を速やかに定常運転状態に移行できるものである。
【0040】
燃料電池6の定常運転状態における管路の弁の開閉は、開閉弁91、92が開かれ、開閉弁36、39が閉じられた状態であり、燃料電池6で発電に使用されなかった未反応ガス(オフガス)は管路15を経てバーナ12に供給され、改質器3の加熱に使われる。また、燃料電池6は、冷却部6cによって燃料電池6の温度が作動温度(70℃〜80℃)の定格安定出力状態に保たれ連続して燃料電池固有の定格発電が行なえるようになる。
【0041】
この状態では、改質ガスの大部は発電に使われ、得られた電力は上述のようにDC/DCコンバータ107経由でこの燃料電池システムに接続された電気機器などの負荷に供給される。
【0042】
この時の燃料電池6から得られる電流量(電力)と管路1経由で燃料電池システムに供給される原燃料の量との関係は、例えば、図2に示すように、燃料電池電流値と改質用原燃料量(改質器3へ供給される原燃料量)とが略比例関係にある。
【0043】
図2は燃料電池において、発電に使用される水素ガスの利用率を一定の割合(例えば、70%程度)に規定し、残余はオフガスとして排出されるようにしたときの関係を示している。図2から、原燃料量を増やせば、発電電力(燃料電池電流値)も比例して増加できるようになっていることがわかる。
【0044】
一方、燃料電池6が定格安定出力状態になった後は、燃料電池システムを構成する附属機器、例えば、ポンプや送風機、制御弁や開閉弁或いは、制御器等の電力は燃料電池6で発電された電力によってまかなわれる。
【0045】
図3は、燃料電池システムの運転をその時の定格出力状態(例えば、交流出力Woが1kwの出力状態)に維持するための電流量(以下運転維持電流値という)をI1としたとき、開閉弁91を開いて燃料電池6に改質ガスを流し始めた後における、改質用原燃料量、改質器バーナ12への燃料ガスの供給、開閉弁39、オフガス制御弁92の開閉制御に関する時間的な変化を示したタイムチャートである。
【0046】
ここで、燃料電池システムの運転をその時の定格出力状態に維持するための電流量(I1)とは、燃料電池6自身が発電した電力を燃料電池システムを構成する送風機やポンプ等の補機に供給し、かつ、燃料電池システムの出力を定格出力状態に継続するために必要とされている電流量を意味している。
【0047】
図3において、原燃料の量は、制御装置95によって、あらかじめ決められた量(Fo)が導入されている。この原燃料量Foは、前回に燃料電池6を起動した際に得られた燃料ガスの基準量(後述する原燃料ガスの基礎供給量F1)を基に、制御装置95が演算して設定したガス量として改質器3に供給される。
【0048】
領域Iは燃料電池システムを起動して改質器3の温度が上昇し、開閉弁91が開かれて改質ガスが燃料電池の燃料極6aに供給され始めた後の状態を示している。
【0049】
改質ガスの供給を受けた燃料電池6では発電が開始され、燃料電池6から電力が得られているが、未だ安定した出力とはいえない。起電力はあるが電流は定格出力に十分でない。このため、制御弁92は閉じられており、燃料極6aから排出されるオフガスはすべて、開閉弁39を介してPGバーナ34で燃焼されることを示している。
【0050】
改質器のバーナ12も、燃焼制御弁42、管路13を経て流入する燃料ガスによって燃焼が続けられる。
【0051】
制御装置95は、温度センサ44、45によって改質器3及び燃料電池6の温度が定格安定出力状態の温度にほぼ達するまで、この状態を保つように開閉弁39、92その他ポンプ等の機器の制御をする。
【0052】
領域IIは、改質器3及び燃料電池6の温度がほぼ作動温度に近づき、AC出力も例えば、1kwの定格出力(Wo)を出している状態を示している。
【0053】
この状態に達すると、現在の燃料電池電流値が、定格出力状態を維持するための維持電流値(I1)になる。燃料電池システムの運転開始の当初に、仮に設定されて改質器3に供給されていた原燃料ガス量(Fo)は、この現在の電流値(I1)に対応した原燃料量(F1)(図2参照)へと徐々に減少していく。
【0054】
これに応じて、改質器3の温度を一定に保持するために、バーナ12に供給されていた燃料量もFBoから徐々に減少してFB1となる。
【0055】
この時、オフガス制御弁92は閉じられ、開閉弁39が開かれた状態であり、燃焼制御弁42、管路13経由で改質器のバーナ12に供給される燃料ガスは、改質器3の温度を一定に保ち、改質反応維持のための加熱用燃料として使われる。
【0056】
制御装置95は、温度センサ44、45によって、改質器3及び燃料電池6の温度が乱れないようにし、かつ、燃料電池による発電量が定格出力(Wo)に保たれており、その時の運転維持電流値(I1)を電流センサ49によって監視しつつ、原燃料供給制御手段41の開度を徐々に絞り、燃料電池システムに供給する原燃料の量を、上述した運転維持電流値(I1)に応じた原燃料量(F1)まで徐々に減らす。
【0057】
或いはまた、燃料電池6が起動し、改質器3や燃料電池6が作動温度で安定した後に、制御装置95が、オフガス制御弁92を開き、改質器3の温度を乱さないようにバーナ12の燃焼を維持しつつ、改質器のガスバーナ12の燃料を燃料ガスからオフガス主体の燃焼に切り換えていく。
【0058】
領域IIは、これらに伴い、改質器3への原燃料ガスの量がFoからF1へ次第に減じられ、改質器のバーナ12へ供給される燃料ガス量もFBoから次第に減じられてFB1になっていく遷移状態にあることも示している。
【0059】
燃料電池6による発電電流量と改質器3に供給する原燃料ガスの量との間には、例えば、図2にモデル的に示されているように密接な関係がある。このような関係を基に、制御装置95は、制御弁41の操作及び温度センサ44、45や電流センサ49等からの入力データを基に、改質器3に供給される原燃料ガスが、燃料電池6において現在の燃料電池の発電電流値(運転維持電流値I1)を維持するのに必要な最小の供給量として原燃料ガスの基礎供給量(F1)を演算して求めることができる。この基礎供給量(F1)は、制御装置95内で記憶され、次回の燃料電池システムの運転開始時に改質器3へ供給される原燃料ガス量(Fo)を演算するためのデータや電気負荷に応じた原燃料ガスを改質器3に供給するための基準量を得るためのデータとして利用される。
【0060】
このように改質器のバーナ12における燃焼を燃料ガスからオフガスの燃焼に切替える前に、改質器3に供給する原燃料ガスの基準量(基礎供給量F1)を定めるようにすることは、燃料電池6が設置される場所の温度や風の状態等の環境、或いは、燃料電池が運転される季節の違いや燃料電池の使用を開始した後の機器の経時的な変化によって燃料電池の電流が変化することに対応して、燃料電池システムの運転開始ごとに最適な供給の原燃料量(Fo)を演算し、決定するためのデータを得ることになる。このようにして得られた値に従った量の原燃料を燃料電池6の起動の際に改質器3に供給すれば、燃料電池6における使用エネルギの効率化と燃料電池システムの総合エネルギ効率の向上に役立つものである。
【0061】
このような過程を経て、改質器3及び燃料電池6の温度が定格安定出力状態の温度にほぼ達すると、燃料電池6の発電能力は、燃料電池6の能力に応じた電力を発電するのに充分な機能を発揮できるような状態になっている。
【0062】
領域IIIは、原燃料ガスの基礎供給量(F1)の特定ができた後の領域である。この領域では、制御装置95は、開閉弁39を閉じ、開閉弁92を開いて燃料極6aからのオフガスを改質器のバーナ12で燃焼させるようにするとともに、領域IIで求められた原燃料ガスの基礎供給量(F1)を基に、原燃料供給制御手段41の開度を設定する。制御装置95は、この開度で決められた原燃料供給量に応じた燃料電池からのオフガスの燃焼で改質器3が安定した温度に維持されるようにバーナ12へ供給する燃料ガスの量を図3のFB2の値に制御する。
【0063】
さらに、新たに外部負荷への電力供給が開始されたり、外部の負荷の量が増大するなどして燃料電池6の発電量を増加する必要があるときは、制御装置95は、電流センサ49によってこの変化を検知し、図2で説明したような形で、増大した負荷電力量に応じた改質ガスが燃料極6aに供給されるように、原燃料ガスの供給量を演算して、原燃料供給制御手段41の開度を広げ、改質用の原燃料量を増大するとともに、改質器3に供給する水蒸気源20からの水蒸気量も増やす。これにより、燃料電池の燃料極6aでは、外部の負荷の増大に応じた電力を発電することができる。
【0064】
なお、図1には具体的には示していないが、バーナ12及びPGバーナ34に設けられている送風機14および37は、それぞれのバーナ12及び34に供給される燃料ガスの量に応じた量の空気をバーナに供給するものである。
【0065】
また、図3では、開閉弁39と開閉弁92とを同時的に切替えるように示しているが、この開閉制御は同時でなくても良い。例えば、管路38に設けた開閉弁39、管路13に設けた燃焼制御弁42および管路15に設けたオフガス制御弁92をいずれも、開度が自在に変えられる弁とし、図3の領域IIの終了近くにおいては、改質器3の温度を乱さないようにしつつ、改質器のバーナ12には、オフガス制御弁92を経由したオフガスと燃焼制御弁42を経由した原燃料ガスとを並行して供給して燃焼させ、制御装置95が、改質器3に供給する原燃料ガスの基礎供給量(F1)を特定した後に、燃焼制御弁42を閉止し、オフガスのみの燃焼に切替える。その後も、随時、管路38、開閉弁39経由で余分なオフガスをPGバーナ34に導いて燃焼させて、改質器3の温度を安定させるようにしてもよい。
【0066】
また、上述の実施の形態では燃料電池として、固体高分子型燃料電池を中心に説明をしたが、本発明が使用できる燃料電池は、改質装置を燃料電池の燃料ガス(水素)の供給源とする燃料電池であれば、他の燃料電池、例えば、PAFC(燐酸電解質型)やAFC(アルカリ水溶液電解質型)等の燃料電池にも使用できるものである。
【0067】
図4は、このような燃料電池システムに、ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル等の固体高分子型燃料電池を用い、電力と温水とを外部に供給できるように組込んだ家庭用の小型総合エネルギシステムに使用された実施形態を示す図である。
なお、図4において、図1と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
この実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、後述するように燃料電池6を用いた発電システムのほかに熱回収装置RDを含んでいる。
【0068】
この燃料電池発電システムの燃料電池6で発電された電力は、DC/DCコンバータ107を経て、180Vにまで昇圧され、系統連系インバータ108を経て、照明装置やテレビ等の電気機器に供給される一方、系統連系インバータ108を介して商用電源に接続されている。
【0069】
熱回収装置RDは、貯湯タンク50、熱交換器32、46、ポンプ33、47、とを備えた水の循環路等で連結されている。
【0070】
このような燃料電池6を用いた固体高分子型燃料電池システムでは、貯湯タンク50に接続された水供給管61を通じて、貯湯タンク50内に市水が供給される。この貯湯タンク50に供給された市水を、例えば、燃料電池6による発電の過程で発生する熱や、固体高分子型燃料電池システムで生じるガスを燃焼して加温する等、得られた熱エネルギや排熱を回収して水を加熱し、昇温された温水を貯湯タンク50に蓄え、給湯管62を経て、風呂や台所等に供給する等、燃料電池6に使用される燃料が持つエネルギの有効利用を図っている。
【0071】
図4において、燃料電池6への燃料ガス供給は、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の原燃料が燃料管1を経て脱硫器2に供給され、ここで原燃料から硫黄成分が除去される。この脱硫器2を経た原燃料は、昇圧ポンプ10で昇圧して改質器3に供給される。
【0072】
改質器3の排気系31には、熱交換器17が接続され、この熱交換器17に、水タンク21の水が、ポンプ22を介して供給されると、この熱交換器17で水蒸気化するようになっている。すなわち、熱交換器17は、改質器3に対しては、水蒸気源20として機能し、この水蒸気は、脱硫器2、ポンプ10を通った原燃料と混合して改質器3に供給される。
【0073】
この改質器3に供給された原燃料は、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、CO変成器4に供給され、ここでは燃料ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このCO変成器4を経たガスは、CO除去器5に供給され、ここではCO変成器4を経たガス中の未変成の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。CO除去器5を経て、一酸化炭素濃度が10ppm以下に低減された水素濃度の高いガス(改質ガス)が、固体高分子型の燃料電池6の燃料極6aに供給される。
【0074】
このとき、ポンプ22によって、水タンク21から改質器3に供給される処理水の量を調節することによって改質ガスへの水蒸気の添加量が調整される。例えば、熱交換器17を経て改質器3に供給される水蒸気の量と原燃料ガスの量との比(S/C比)を、従来のS/C比である2乃至3の値よりも高めの値、例えば、3乃至4のS/C比となるように設定すれば、改質器3を出た改質ガスに含まれる水分量を増大させることができる。
【0075】
CO除去器5を出た燃料ガスを直接に燃料電池6に供給するようにしてもよいが、高温のままの燃料ガスが流入し、燃料電池6が高温になり過ぎて発電機能が低下したり、燃料電池の電極を損傷するおそれがあるときは、CO除去器5と燃料電池6との間の管路64に熱交換器(図示せず)を設け、この熱交換器に水タンク21の水を流す等して改質ガスと熱交換させ改質ガスの温度調節をする。
【0076】
S/C比を高めにすると、改質ガスを加湿するための独立した加湿装置を特別に付設しないでも、燃料電池の燃料極6aに供給される改質ガスに適度の水分を与えることができる。
【0077】
発電システムの起動時には、上述のように、バーナ12に、燃料ガスと燃焼空気が供給されて燃焼が行われ、起動後に、改質器3および燃料電池6の温度が安定したときには、燃料管13からの燃料の供給が断たれ、代わりに管路15を介して、燃料極6aから排出されるオフガスが燃料として供給されてバーナ12の燃焼が継続される。
【0078】
CO変成器4、CO除去器5で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばCO除去器5では、システム起動時のみバーナ(図示せず)を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でCO除去器5の温度を反応温度まで上昇させる。
【0079】
その後は、自らの発熱反応の熱により反応温度が維持される。外部からは、必要に応じてCO変成器4及びCO除去器5が反応温度以上に昇温しないように冷却制御が行われる。
【0080】
燃料電池6では、燃料極6aに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ11、水タンクの気相部53を経て、空気極6kに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる一方、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により燃料電池自体が反応熱を発生する。
燃料電池6の冷却部6cは、ポンプ48で水タンク21の水を冷却水として循環させ、この冷却水で、燃料電池6内の温度が、発電に適した温度、例えば、70℃〜80℃の温度に保たれるように冷却制御している。
【0081】
改質器3とCO変成器4との間、CO変成器4とCO除去器5との間には、それぞれ熱交換器18、19が接続され、各熱交換器18、19には水タンク21から、ポンプ23、24を介して水が循環され、改質器3、CO変成器4を経たガスがそれぞれ冷却される。
【0082】
このようにして改質器3、CO変成器4、CO除去器5及び燃料電池6では、所定の化学反応と発電が継続される。
【0083】
改質器3および燃料電池6の温度が安定し、連続して定格発電が行われる(定格安定出力状態)ようになった後は、改質ガスの大部は発電に使われ、得られた電力は上述のようにDC/DCコンバータ107経由で電気機器などの負荷に供給される。
【0084】
制御装置95は、上述のように、燃料電池で発電される電力の制御や負荷昇温をする一方、固体高分子型燃料電池6の起動後に、改質器3の温度が安定して、一定の成分の改質ガスが得られるまでは、燃料電池6で生じる不安定なガス組成の改質ガスをガスバーナ(PGバーナ34)と、改質器3の加熱用のバーナ12とで燃焼させて、これらのバーナにつながれている熱負荷、例えば、貯湯タンク50などに熱エネルギを回収するように制御するものである。
【0085】
改質器3等の反応器から所定の質の改質ガスが得られる状態になったら燃料電池の燃料極6aに改質ガスを流してその排出ガスをガスバーナ(PGバーナ34)で燃焼させつつ、徐々に取出し電流を増大させるなどして、燃料電池を負荷昇温させ、燃料電池6がほぼ定格安定出力状態に達したら燃料極6aからのオフガスの流れを改質装置の加熱バーナ12側に切替えるような制御が制御装置95によって行われる。
【0086】
本発明の固体高分子型燃料電池の起動方法によれば、発電が開始される前のエネルギは、温水に替えて利用されるようにしつつ、速やかに固体高分子型燃料電池を定格安定出力状態に移行させ、かつ、この電力及び燃料電池で生じる熱や未利用の燃料ガスなどを熱として回収し、温水負荷に利用するので、燃料電池システム全体としてのエネルギの有効活用が図られる。
【0087】
また、小型総合エネルギシステム等に本発明の燃料電池を搭載すれば燃料電池単独の発電効率ばかりでなく、供給される原燃料のエネルギの一層の有効活用に結びつかせることができ、発電と熱利用効果の大きいコージェネレーションシステムを提供することができものである。
【0088】
【発明の効果】
本発明では、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたので、燃料電池が運転される季節の違いや燃料電池の使用を開始した後の機器の経時的な変化に応じるように原燃料ガスの基礎供給量をその時の燃料電池電流に対応して個々に設定して改質装置へ供給でき、可及的に燃料の無駄が少ない運転起動装置を提供することができる。これらの結果、燃料電池における使用エネルギの効率化と燃料電池システムの総合エネルギ効率の向上に役立つこととなる。
【0089】
また、燃料電池や燃料電池を組込んだシステムの制御装置に個々に制御のパラメータを入力し直す作業等をしないでも、速やかに燃料電池の定格安定出力状態に移行させ、運転起動時にほぼ自動的に燃料電池に必要十分な原燃料量(基礎供給量)を演算し、その後に、燃料電池による発電を開始するので、少ない原燃料で省エネルギに貢献する燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による運転起動装置を有する燃料電池システムの基本構成を示す図である。
【図2】燃料電池による発電電流値と改質用原燃料量との関係を示す図である。
【図3】燃料電池に改質ガスを流し始めた後における、改質用原燃料量、改質装置バーナへの原燃料ガスの供給、開閉弁39およびオフガス制御弁の開閉制御の関連を示すタイムチャートである。
【図4】固体高分子型燃料電池を用い、電力と温水とを外部に供給できるように組込んだ家庭用の小型総合エネルギシステムの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料管
3 改質器
6 燃料電池
6a 燃料極
6k 空気極
12 改質器のバーナ
13、15、35、38 管路
20 水蒸気源
34 PGバーナ
36、39、91 開閉弁
41 燃料供給制御手段
42 燃焼制御弁
44、45 温度センサ
49 電流センサ
92 オフガス制御弁
95 制御装置
107 DC/DCコンバータ
108 系統連系インバータ
Claims (4)
- 水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動方法。 - 請求項1記載の燃料電池システムの運転起動方法において、
ガスバーナのオフガスへの燃料切替時にオフガスで前記改質装置のガスバーナの燃焼をさせると同時に、ガスバーナの燃料ガス量を安定出力状態になった前記改質装置の温度を乱さないように維持する最小の燃料量に設定するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動方法。 - 水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池を備え、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにはオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、かつ、前記ガスバーナにおけるオフガスの燃焼の開始前に前記燃料供給制御手段により原燃料量をその時の燃料電池電流に対応した流量に調整する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、前記記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動装置。 - 請求項3記載の燃料電池システムの運転起動装置において、
該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する原燃料供給制御手段及び改質反応の熱源用のガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナには原燃料ガスによる燃焼量を制御する燃焼制御弁及びオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、さらに、前記改質装置のガスバーナの燃焼をオフガスによる定常燃焼へ切替える毎に原燃料供給制御手段の開度の調整設定をして燃焼制御弁を閉止する制御装置を有していることを特徴とする燃料電池システムの運転起動装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000187133A JP3992423B2 (ja) | 2000-06-22 | 2000-06-22 | 燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000187133A JP3992423B2 (ja) | 2000-06-22 | 2000-06-22 | 燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002008697A JP2002008697A (ja) | 2002-01-11 |
JP3992423B2 true JP3992423B2 (ja) | 2007-10-17 |
Family
ID=18687168
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000187133A Expired - Fee Related JP3992423B2 (ja) | 2000-06-22 | 2000-06-22 | 燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3992423B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10008854B2 (en) | 2015-02-19 | 2018-06-26 | Enphase Energy, Inc. | Method and apparatus for time-domain droop control with integrated phasor current control |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6958195B2 (en) * | 2002-02-19 | 2005-10-25 | Utc Fuel Cells, Llc | Steam generator for a PEM fuel cell power plant |
JP2005294135A (ja) * | 2004-04-02 | 2005-10-20 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 燃料電池システム及びその運転方法 |
DE102015225394A1 (de) | 2015-12-16 | 2017-06-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Energieerzeugung sowie Energieerzeugungsvorrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen |
JP7003655B2 (ja) * | 2017-12-28 | 2022-02-04 | 株式会社アイシン | 燃料電池システム |
-
2000
- 2000-06-22 JP JP2000187133A patent/JP3992423B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10008854B2 (en) | 2015-02-19 | 2018-06-26 | Enphase Energy, Inc. | Method and apparatus for time-domain droop control with integrated phasor current control |
US10951037B2 (en) | 2015-02-19 | 2021-03-16 | Enphase Energy, Inc. | Method and apparatus for time-domain droop control with integrated phasor current control |
US11355936B2 (en) | 2015-02-19 | 2022-06-07 | Enphase Energy, Inc. | Method and apparatus for time-domain droop control with integrated phasor current control |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002008697A (ja) | 2002-01-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8470484B2 (en) | Fuel cell system | |
KR20020086641A (ko) | 고체 고분자형 연료 전지 발전 장치 | |
WO2001071837A1 (fr) | Pile a combustible a polymere solide | |
JP3416653B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 | |
JP6943285B2 (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 | |
JP5033379B2 (ja) | 燃料電池発電システムの起動方法 | |
JP3889553B2 (ja) | 燃料電池システムの制御方法およびその装置 | |
JP3548043B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
JP3992423B2 (ja) | 燃料電池システムの運転起動方法およびその装置 | |
JP2006093157A (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
JP3530458B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池の起動方法及びその装置 | |
JP2003217623A (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 | |
JP4030256B2 (ja) | 燃料電池を用いたコージェネレーションシステム | |
JP4052784B2 (ja) | 熱電併給型燃料電池発電装置およびその運転方法 | |
JP3679792B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 | |
JP2004213985A (ja) | 燃料電池システム | |
JP4516362B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP3448567B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 | |
JP5145313B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP3939333B2 (ja) | 給湯システム | |
JP3561706B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 | |
JP2000294264A (ja) | 高分子電解質型燃料電池システム | |
JP2001210343A (ja) | 貯湯・給湯システム | |
JP2004178974A (ja) | 燃料電池システム | |
JP4281529B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池発電装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040521 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050928 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051101 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051221 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070626 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070724 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100803 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100803 Year of fee payment: 3 |
|
S201 | Request for registration of exclusive licence |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314201 |
|
S201 | Request for registration of exclusive licence |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314201 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100803 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110803 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120803 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130803 Year of fee payment: 6 |
|
S211 | Written request for registration of transfer of exclusive licence |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314213 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314531 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
S211 | Written request for registration of transfer of exclusive licence |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314213 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314531 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
S211 | Written request for registration of transfer of exclusive licence |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314213 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |