JP4645017B2

JP4645017B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP4645017B2
Application number: JP2003373765A
Authority: JP
Inventors: 雅一長谷川
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005135875A

Description

本発明は、燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置から発生する熱を冷却水を介して除去する排熱処理装置とを備えた燃料電池発電システムに関する。

リン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell : ＰＡＦＣ）、固体高分子形燃料電池（固体電解質形燃料電池。Polymer Electrolyte Fuel Cell : ＰＥＦＣ）等の燃料電池は、発電する際に熱を発生する。この熱は、通常は温水として取出され冷暖房または給湯などにコージェネレーションとして熱利用される。このように熱利用されない場合であっても、燃料電池の発電における発熱は冷却する必要があり、そのための装置として排熱処理設備が存在する。

排熱処理設備により冷却される燃料電池発電装置内の機器には以下のようなものがある。燃料電池本体の温度をコントロールする電池冷却水系を冷却するための燃料電池冷却水冷却器、燃料電池より発生する直流電流を交流電流へ変換するためのインバータ素子の発熱を冷却するためのインバータ冷却部、回収水を純粋化させる水処理装置の通水温度を冷却するための回収水冷却器、燃料電池本体の反応後のオフ空気と、燃料ガスを水素リッチなガスへ改質する改質器の燃焼後のオフガスとを冷却し水回収するための排熱ガス冷却器等がある。

従来技術では、排熱処理設備の冷却能力は冷却ファンモータの回転数および冷却水温度コントロール弁により、上述の冷却する必要があるすべての機器を必要温度へ冷却可能なように、排熱処理設備の冷却水出口温度を所望の一定値にコントロールしていた。例えば、特許文献１にはコンパクト化された空冷式冷却器を用いた排熱処理装置について記載されている。

上述の冷却する必要がある機器は各々の温度が計測されており、計測された温度が高くなって各機器の許容温度に達した場合に冷却システムの異常が発生したものと判断される。この場合、各機器を保護するために警報を発したり、あるいは燃料電池発電装置の出力を最低負荷まで低減したりする。例えば、特許文献２には発電機能を停止させて燃料電池本体の発電性能を維持する燃料電池発電システムについて記載されている。

ここで上述のインバータ冷却部におけるインバータ冷却水系について説明する。排熱処理設備の外気温度が設計値よりも高温となった場合、または排熱処理設備の冷却器が汚れ等により性能低下した場合は、冷却ファンモータの回転周波数が１００％に達することになり、冷却能力が不足して排熱処理設備出口の冷却水出口温度が上昇し設定値を越えることとなる。この結果、インバータ冷却水出口温度が上昇してインバータ保護のために決められた許容温度に達した場合は冷却系の異常と判断され、インバータを保護するために燃料電池の出力を最低まで下げるようにする。以上のように、従来技術では排熱処理設備の冷却水出口温度により冷却システムをコントロールしていたため、排熱処理装置の冷却能力が不足した場合は、本来冷却するべき部位の状態が不明であることから、安全のために燃料電池の出力を最低出力まで下げなければならなかった。このため、必要な電力が十分に供給できなくなるという問題があった。

図４は、従来の燃料電池発電システム５０を示す。図４上、左側は燃料電池発電装置６０内を示し、一点鎖線で区切られた右側は燃料電池発電装置６０外を示す。図４において、符号４は燃料電池の単セルが複数個重なった燃料電池スタックであり、燃料極３０、空気極３２および冷却板３１から構成されている。符号２は天然ガス等の原燃料ガス１を水素リッチなガスへ改質する改質器、３は原燃料ガス１を脱硫し、改質器２で生成されたＣＯ成分をＣＯ_２へ変える脱硫器／ＣＯ変成器、５は水蒸気分離器である。原燃料ガス１は脱硫器／ＣＯ変成器３で脱硫された後、水蒸気分離器５で分離された水蒸気と共に改質器２で水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスとなる。ここで符号３５は脱硫後の原燃料ガス１と水蒸気との混合を行なうためのエジェクタである。この後、改質ガス中のＣＯ成分は脱硫器／ＣＯ変成器３でＣＯ_２へ変えられて、燃料電池スタック４の燃料極３０へ供給される。

符号８は燃料電池スタック４の空気極３２へ空気供給系３３を介して空気を供給する電池反応空気ブロア、３４は電池反応後の空気を凝縮水タンク９へ供給する空気排出系である。

燃料電池スタック４の冷却板３１には、冷却水を循環させるために電池冷却水系６、水蒸気分離器５および電池冷却水循環ポンプ７が接続されている。水蒸気分離器５は冷却板３１から排出された水および蒸気を水蒸気と冷却水とに分離する。分離された水蒸気は上述のようにエジェクタ３５を介して改質器２へ送出される。一方、分離された冷却水は電池冷却水循環ポンプ７により冷却板３１へ送出される。

凝縮水タンク９へは、改質器２から排ガス冷却器１０を通って排出された燃焼排ガスと、上述のように燃料電池スタック４の空気極３２から空気排出系３４を通って送出された電池反応後の空気とが供給されている。回収水は回収水系３６から回収水ポンプ１１により回収水冷却器１２を通り、インバータ冷却水系２２によりインバータ１６を冷却した後、回収水系３６へ戻される。この時、インバータ冷却水出口温度センサ２４によりインバータ冷却水出口温度Ｔ２が測定される。一方、回収水冷却器１２から送出された冷却水は水処理装置１４へ導入されて純水化された後、給水ポンプ１５により水蒸気分離器５へ還流供給される。水処理装置１４の通水速度を一定量とするため、水処理装置１４から送出された純水の一部は再循環用配管３７を通って再び水処理装置１４へと戻される。

燃料電池発電システム５０の内、燃料電池発電装置６０外には排熱処理設備（排熱処理装置）１８があり、冷却ファン３８を冷却ファンモータ１９で回転させることにより、低温水冷却水系２１を冷却する。冷却ファンモータ１９の回転数は可変電圧可変周波数（Variable Voltage Variable Frequency : ＶＶＶＦ）２０により制御する。低温水冷却水系２１は、凝縮水タンク９から燃料電池発電装置６０内の低温水循環ポンプ１７により燃料電池発電装置６０外の冷却水温度コントロール弁２５を経由して凝縮水タンク９へ戻される。この時、低温水冷却水出口温度センサ２３により低温水冷却水出口温度Ｔ１が測定される。低温水冷却水系２１からは回収水冷却器１２へも送出されている。

図４の信号線ＳＯＴ（点線）で示されるように、冷却ファンモータ１９のコントロールは低温水冷却水出口温度センサ２３で測定された低温水冷却水出口温度Ｔ１に応じて、冷却水温度コントロール弁２５およびＶＶＶＦ２０により行なわれている。外気温度が設計値以上に上昇した場合、低温水冷却水出口温度Ｔ１は設定値以上に上昇し、これと合わせてインバータ冷却水出口温度Ｔ２も上昇する。インバータ冷却水出口温度Ｔ２が許容温度に達すると、インバータ１６を保護するために燃料電池発電装置６０は最低まで負荷を低減する。

図５（Ａ）は従来の燃料電池発電システム５０における外気温度と低温水冷却水出口温度Ｔ１等との関係を示す。図５（Ａ）において、横軸は外気温度、縦軸は低温水冷却水出口温度Ｔ１等である。図５（Ｂ）は従来の燃料電池発電システム５０における外気温度と燃料電池発電装置６０の出力との関係を示す。図５（Ｂ）において、横軸は外気温度、縦軸は燃料電池発電装置６０の出力である。図５（Ａ）に示されるように、燃料電池発電装置６０の出力時に外気温度が排熱処理設備１８の冷却能力の限界である外気温度ｔ１に達する前は、低温水冷却水出口温度Ｔ１はほぼ一定値を保ち、インバータ冷却水出口温度Ｔ２もほぼ一定値を保っている。図５（Ｂ）に示されるように、外気温度がｔ１に達する前は燃料電池発電装置６０の出力はほぼ一定の高い値ｏｕｔ１を保っている。ここで、図５（Ａ）に示されるように燃料電池発電装置６０の出力時に外気温度が徐々に上昇してｔ１に達した場合、符号Ａで示されるように低温水冷却水出口温度Ｔ１が徐々に上昇し、これに合わせてインバータ冷却水出口温度Ｔ２も符号Ｂで示されるように上昇する。この結果、インバータ冷却水出口温度Ｔ２がインバータ冷却水出口許容温度Ｔ３に達して外気温度がｔ２になると、図５（Ｂ）に示されるように燃料電池発電装置６０は出力を最低出力ｏｕｔｍへと低下させる。
特開２００２−２８００３３特開平１０−４０９４１

上述のように、従来技術では排熱処理設備１８の低温水冷却水出口温度Ｔ１が上昇してインバータ冷却水出口温度Ｔ２が許容温度Ｔ３に達した場合は、インバータ１６を保護するために燃料電池発電装置６０の出力を最低出力まで下げていた。このため、必要な電力が十分に供給できなくなるという問題があった。冷却能力が不足する状況を避けるためには、夏場等のように外気温度が上昇した場合においても、あるいは排熱処理処理設備１８の冷却器が汚れた場合においても、排熱処理設備１８の冷却能力を常に排熱処理設備１８の低温水冷却水出口温度Ｔ１またはインバータ冷却水出口温度Ｔ２が所望の設定温度Ｔ３以下となるようにする必要がある。しかし、このようにするためには排熱処理設備１８の設備容量が大きくなり、設置スペースが広くなると共にコストの増大を招くという問題があった。その上、排熱処理設備１８の能力が限界に達した場合は、やはり燃料電池発電装置６０の出力を最低出力まで下げる必要があるという点に変わりはなかった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電装置の該当部位の温度が許容温度に達した場合に、排熱処理設備の設備容量の増加、設置スペースの増大およびコストの増加を招かず、且つ燃料電池発電装置の出力を最低出力まで下げることもなく、燃料電池発電装置の該当部位の温度を許容温度以下になるようにすることができる燃料電池発電システムを提供することにある。

この発明の燃料電池発電システムは、燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、該燃料電池発電装置から発生する熱を除去する排熱処理装置と、該燃料電池発電装置と該排熱処理装置との間に設けられた低温水冷却水系とを備え、該低温水冷却水系における該排熱処理装置から該燃料電池発電装置へ戻る冷却水により、該燃料電池発電装置が有するインバータを冷却するインバータ冷却水系の冷却水を冷却する燃料電池発電システムにおいて、前記インバータを冷却した後の冷却水の温度を測定する冷却水出口温度センサを備え、該冷却水出口温度センサにより測定された温度に基づき、前記排熱処理装置の冷却能力を制御し、且つ、前記排熱処理装置の冷却能力が最大限に達した場合であって且つ該冷却水出口温度センサにより測定された温度が許容温度に収まらない場合、前記燃料電池発電装置の出力を所定の出力値だけ低下させることを特徴とする。

燃料電池発電装置内で冷却水により制御されている該当部位、例えばインバータ冷却水系のインバータ冷却水出口温度を計測することにより、燃料電池出力を制御するため夏場の一時的な外気温度の上昇等を考慮する必要がなくなる。この結果、排熱処理設備の設備容量を増加させることなく小型化を図ることができるため、設置スペースを増加させることもなくなり、コストを抑えることもできる。さらに、排熱処理設備の能力に合わせて燃料電池発電装置の負荷を変化させることができるため、排熱処理設備の冷却能力が限界に達した場合においても、燃料電池発電装置の出力を最低出力まで下げることなく最大限に引き出すことができるという効果がある。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における燃料電池発電システム５５を示す。図１において、図４の従来の燃料電池発電システム５０と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。本実施例１における燃料電池発電システム５５が従来の燃料電池発電システム５０と異なる点は、図１に示されるように燃料電池発電装置６５外のＶＶＶＦ２０と燃料電池発電装置６５内のインバータ冷却水出口温度センサ２４とを信号線ＳＩＮで接続した点にある。この接続により、冷却ファンモータ１９のコントロールを従来の低温水冷却水出口温度センサ２３で測定された低温水冷却水出口温度Ｔ１だけではなく、インバータ冷却水出口温度センサ２４で測定されたインバータ冷却水出口温度Ｔ２にも応じて、冷却水温度コントロール弁２５およびＶＶＶＦ２０により行うことができる。

本実施例１の燃料電池発電システム５５では、通常運転時は低温水冷却水出口温度センサ２３により低温水冷却水出口温度Ｔ２を測定し、当該温度Ｔ２が所望の設定温度になるように冷却水温度コントロール弁２５と冷却ファンモータ１９の回転数とをＶＶＶＦ２０により制御している。ここで、冷却水温度コントロール弁２５の制御を冷却ファンモータ１９の回転数の制御より優先させる方が、動力が少なくて済むため好適である。外気温度が上昇し、低温水冷却水出口温度Ｔ２が所望の設定温度となった場合、まず冷却水温度コントロール弁２５を制御して排熱処理設備１８へ送る流量と冷却ファンモータ１９の回転数とを増加させる。次に、冷却水温度コントロール弁２５が排熱処理設備１８側へ全量通水状態となり、さらに冷却ファンモータ１９の回転数を最大としても、なお低温水冷却水出口温度Ｔ２が上昇して設定温度を超え、これによりインバータ冷却水出口温度Ｔ２も上昇した場合、当該温度Ｔ２がインバータ１６の許容温度に達しないように、インバータ冷却水出口温度Ｔ２により燃料電池発電装置６５の出力を低減させる。このように燃料電池発電装置６５の出力を低減させることにより、インバータ冷却水系２２の許容温度は上昇し、さらに燃料電池発電装置６５の出力が低減するためインバータ１６からの発熱量も減少することになる。

図２（Ａ）は本発明の実施例１の燃料電池発電システム５５における外気温度と低温水冷却水出口温度Ｔ１等との関係を示す。図２（Ａ）において、横軸は外気温度、縦軸は低温水冷却水出口温度Ｔ１等である。図２（Ｂ）は本発明の実施例１の燃料電池発電システム５５における外気温度と燃料電池発電装置６５の出力との関係を示す。図２（Ｂ）において、横軸は外気温度、縦軸は燃料電池発電装置６５の出力である。図２（Ａ）に示されるように、燃料電池発電装置６５の出力時に外気温度が排熱処理設備１８の冷却能力の限界である外気温度ｔ１に達する前は、低温水冷却水出口温度Ｔ１はほぼ一定値を保ち、インバータ冷却水出口温度Ｔ２もほぼ一定値を保っている。図２（Ｂ）に示されるように、外気温度がｔ１に達する前は燃料電池発電装置６５の出力はほぼ一定の高い値ｏｕｔ１を保っている。ここで、図２（Ａ）に示されるように燃料電池発電装置６５の出力時に外気温度が徐々に上昇してｔ１に達した場合、符号Ａで示されるように低温水冷却水出口温度Ｔ１が徐々に上昇し、これに合わせてインバータ冷却水出口温度Ｔ２も符号Ｂで示されるように上昇する。ここで、インバータ冷却水出口温度Ｔ２がインバータ冷却水出口許容温度Ｔ３に達し外気温度がｔ２になると、図２（Ｂ）に示されるように燃料電池発電装置６５の出力を所望の一定出力値だけ低下させてｏｕｔ２とする。ここで、所望の一定出力値（＝ｏｕｔ１−ｏｕｔ２）は例えば１０ｋｗ程度とすることが好適である。このように出力を低下させることによりインバータ１６の素子の許容温度が上がることから、図２（Ａ）に示されるようにインバータ出口冷却水許容温度Ｔ３はＴ３’へ上がる。その後、外気温度が再度徐々に上昇した場合、符号Ａ１で示されるように低温水冷却水出口温度Ｔ１が徐々に上昇し、これに合わせてインバータ冷却水出口温度Ｔ２も符号Ｂ１で示されるように徐々に上昇する。インバータ冷却水出口温度Ｔ２がインバータ冷却水出口許容温度Ｔ３’に達し外気温度がｔ３になると、図２（Ｂ）に示されるように燃料電池発電装置６５の出力を再度所望の一定出力値だけ低下させてｏｕｔ３とする。ここで、所望の一定出力値（＝ｏｕｔ２−ｏｕｔ３）は上述と同様に例えば１０ｋｗ程度とすることが好適である。もちろん、上述と異なる一定出力値としてもよい。このように出力を低下させることによりインバータ１６の素子の許容温度が再度上がることから、図２（Ａ）に示されるようにインバータ出口冷却水許容温度Ｔ３’はＴ３’’へ上がる。以上のように、インバータ冷却水出口温度Ｔ２により燃料電池発電装置６５の出力を制御することにより、燃料電池発電装置６５の出力を従来技術のように最低出力ｏｕｔｍとすることなく高い出力を保つことが可能となる。外気温度が低下してインバータ冷却水出口温度Ｔ２が許容温度Ｔ３以下になった場合は、再び負荷を上昇させることも可能である。

図３は、本発明の燃料電池発電装置６５における直流電流と冷却水出口温度（インバータ冷却水出口温度Ｔ２または低温水冷却水出口温度Ｔ１）との関係を示す。図３において、横軸は直流電流（Ａ）、縦軸は冷却水出口温度（℃）である。一般に、燃料電池は運転状態が終期に近づくと性能が低下するため直流電流が増加する。運転終期（ＥＯＲ）では図３に示されるように直流電流は１３４９Ａとなる。本発明の燃料電池発電システム５５では、この時に冷却水出口温度が約５６℃となるため（Ｐ点）、許容温度を５５℃と設定している。同じ１００ｋＷの出力でも運転初期は直流電流が低くなり、冷却水出口温度の許容温度は上がる。図３では直流電流をｘと冷却水出口温度をｙとした場合の関係式の一例、ｙ＝−０．１１８４ｘ＋２１６．４１を示してある。

以上より、本発明の実施例１によれば、燃料電池発電装置６５外のＶＶＶＦ２０と燃料電池発電装置６５内のインバータ冷却水出口温度センサ２４とを信号線ＳＩＮで接続することにより、従来の低温水冷却水出口温度センサ２３で測定された低温水冷却水出口温度Ｔ１だけではなく、インバータ冷却水出口温度センサ２４で測定されたインバータ冷却水出口温度Ｔ２にも応じて、冷却ファンモータ１９のコントロールを冷却水温度コントロール弁２５およびＶＶＶＦ２０により行うことができる。外気温度が上昇し、低温水冷却水出口温度Ｔ２が所望の設定温度となった場合、まず冷却水温度コントロール弁２５を制御して排熱処理設備１８へ送る流量と冷却ファンモータ１９の回転数とを増加させる。次に、冷却水温度コントロール弁２５が排熱処理設備１８側へ全量通水状態となり、さらに冷却ファンモータ１９の回転数を最大としても、なお低温水冷却水出口温度Ｔ２が上昇して設定温度を超え、これによりインバータ冷却水出口温度Ｔ２がインバータ冷却水出口許容温度Ｔ３に達し外気温度がｔ２になった場合、燃料電池発電装置６５の出力を所望の一定出力値だけ低下させる。このように出力を低下させることによりインバータ１６の素子の許容温度が上がることから、インバータ出口冷却水許容温度Ｔ３はＴ３’へ上がる。その後、外気温度が再度徐々に上昇してインバータ冷却水出口温度Ｔ２がインバータ冷却水出口許容温度Ｔ３’に達した場合、燃料電池発電装置６５の出力を再度所望の一定出力値だけ低下させてｏｕｔ３とする。このように、インバータ冷却水出口温度Ｔ２により燃料電池発電装置６５の出力を制御することにより、燃料電池発電装置６５の出力を従来技術のように最低出力ｏｕｔｍとすることなく高い出力を保つことが可能となる。

以上のように、燃料電池発電装置５５内で冷却水により制御されている該当部位として、例えばインバータ冷却水系２２を取り上げた。インバータ冷却水出口温度Ｔ２を計測することにより、燃料電池出力を制御するため夏場の一時的な外気温度の上昇等を考慮する必要がなくなる。この結果、排熱処理設備１８の設備容量を増加させることなく小型化を図ることができるため、設置スペースを増加させることもなくなり、コストを抑えることもできる。さらに、排熱処理設備１８の能力に合わせて燃料電池発電装置５５の負荷を変化させることができるため、排熱処理設備１８の冷却能力が限界に達した場合においても、燃料電池発電装置５５の出力を最低出力まで下げることなく最大限に引き出すことができる。

上述の実施例１では、燃料電池発電装置５５内で冷却水により制御されている該当部位としてインバータ冷却水系２２を例に説明した。本実施例２では上記該当部位として、燃料電池スタック４からのオフ空気、オフガスから水を回収するための排ガス冷却器２０を挙げることができる。あるいは、水処理装置１４の樹脂筒（不図示）への通水温度を下げるための給水ラインの冷却器（不図示）を挙げることもできる。いずれの場合であっても、所望の部位の温度を測定するセンサを設け、当該センサとＶＶＶＦ２０とを接続することにより、実施例１と同様に排熱処理設備１８の冷却能力を制御することができる。

本発明の活用例として、燃料電池発電装置のインバータ冷却水系２２、排ガス冷却器２０または給水ラインの冷却器（不図示）への適用が活用例として挙げられる。

本発明の実施例１における燃料電池発電システム５０を示す図である。本発明の実施例１の燃料電池発電システム５５における外気温度と低温水冷却水出口温度Ｔ１等との関係を示す図である。本発明の実施例１の燃料電池発電システム５５における外気温度と燃料電池発電装置６５の出力との関係を示す図である。本発明の燃料電池発電装置６５における直流電流とインバータ冷却水出口温度Ｔ２または低温水冷却水出口温度Ｔ１との関係を示す図である。従来の燃料電池発電システム５０を示す図である。従来の燃料電池発電システム５０における外気温度と低温水冷却水出口温度Ｔ１等との関係を示す図である。従来の燃料電池発電システム５０における外気温度と燃料電池発電装置６０の出力との関係を示す図である。

符号の説明

１原燃料ガス、２改質器、３脱硫器／CO変性器、４燃料電池スタック、５水蒸気分離器、６電池冷却水系、７電池冷却水循環ポンプ、８電池反応空気ブロワ、９凝縮水ポンプ、１０排ガス冷却器、１１回収水ポンプ、１２回収水冷却器、１４水処理装置、１５給水ポンプ、１６インバータ、１７低温水循環ポンプ、１８排熱処理設備、１９冷却ファンモータ、２０ＶＶＶＦ、２１低温水冷却水系、２２インバータ冷却水系、２３低温水冷却水出口温度センサ、２４インバータ冷却水出口温度センサ、２５冷却水温度コントロール弁、３０燃料極、３１冷却板、３２空気極、３３空気供給系、３４空気排出系、３５エジェクタ、３６回収水系、３７再循環用配管、３８冷却ファン、５０従来の燃料電池発電システム、５５本発明の燃料電池発電システム、６０従来の燃料電池発電装置、６５本発明の燃料電池発電装置。

Claims

燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、該燃料電池発電装置から発生する熱を除去する排熱処理装置と、該燃料電池発電装置と該排熱処理装置との間に設けられた低温水冷却水系とを備え、該低温水冷却水系における該排熱処理装置から該燃料電池発電装置へ戻る冷却水により、該燃料電池発電装置が有するインバータを冷却するインバータ冷却水系の冷却水を冷却する燃料電池発電システムにおいて、
前記インバータを冷却した後の冷却水の温度を測定する冷却水出口温度センサを備え、該冷却水出口温度センサにより測定された温度に基づき、前記排熱処理装置の冷却能力を制御し、且つ、前記排熱処理装置の冷却能力が最大限に達した場合であって且つ該冷却水出口温度センサにより測定された温度が許容温度に収まらない場合、前記燃料電池発電装置の出力を所定の出力値だけ低下させることを特徴とする燃料電池発電システム。