JP5127212B2 - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックに水素含有ガス及び空気をそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池発電システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、環境性に優れるという特徴を持つ。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。

このような燃料電池本体は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、なかでも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、及び発電に伴う発熱を回収する熱利用系等から構成されている。

ここで、燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の代わりに純水素を燃料として供給するシステムにおいては、システム内に改質装置を設置する必要がないため、起動時間の短縮化、コンパクト化を実現することができる。このような純水素燃料電池発電システムは、集合住宅用のコージェネレーションシステムとしての適用が期待されている。

このような純水素燃料電池発電システムは、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料極に水素、酸化剤極に空気を供給して発電を行うと共に、燃焼排ガスを触媒燃焼器で燃焼させ、発生する熱量を回収する熱交換器とからなるシステム構成となっている。

また、水素排ガスを燃料極に循環させて運転する純水素燃料電池発電システムにおいては、徐々に燃料極の窒素分圧や水蒸気分圧が上昇するため、例えば、特許文献２に記載されているように、定期的に排出する必要があるアノード排ガスを、燃焼器や排出処理装置に供給して、排熱回収または排ガス処理するシステムも考案されている。このような構成は車載用システムにおいても適用されている。
特開２００６−８６０８０号公報 特開２００５−２８５５２５号公報

しかしながら、上述したような純水素燃料電池発電システムにおいては、集合住宅向けあるいは車載用のように設置スペースが限られる場合には、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化の実現が切望されている。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化を可能とした燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインとを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインを設けたことを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料極から排出される水素含有ガスを酸化剤極に還流させて酸化剤極で処理することができるので、従来、燃料極出口に配設されていた触媒燃焼器等の水素処理装置が不要となり、システムのコンパクト化、簡素化が可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料供給ラインには水素供給弁を、前記酸化剤供給ラインには空気供給弁を、前記酸化剤排出ラインには空気排出弁をそれぞれ設け、前記酸化剤極に空気が供給されている間は、前記酸化剤極入口における水素濃度が４％未満となるように、前記水素含有ガス及び前記空気の流量、前記水素供給弁、空気供給弁及び空気排出弁の開閉を制御するように構成したことを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項４に記載の発明によれば、酸化剤極に空気が供給されている間、酸化剤極入口の水素濃度を所定値以下となるように制御することにより、安全性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

請求項６に記載の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインとを備え、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインを設けた燃料電池発電システムの発電開始過程において、前記燃料極に水素含有ガスの供給を開始した後、酸化剤極に空気の供給を開始し、前記酸化剤極入口の水素濃度が所定値以下となるように、前記水素含有ガス量及び空気流量を制御することを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項６に記載の発明によれば、酸化剤極に空気が供給されている間、酸化剤極入口の水素濃度を所定値以下となるように制御することにより、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

請求項７に記載の燃料電池発電システムの運転方法は、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインとを備え、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインを設けた燃料電池発電システムの発電停止過程において、前記水素還流ラインが前記酸化剤供給ラインと合流する部分よりも上流部分を閉止した後、前記燃料供給ライン及び酸化剤排出ラインをそれぞれ閉止することを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項７に記載の発明によれば、燃料電池発電システムの停止保管時に燃料電池スタックを水素封入することができるので、触媒の劣化を防止することができる。

以上のような本発明によれば、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化を可能とした燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することができる。

以下、本発明を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図１は本発明による燃料電池発電システム及びその運転方法に関する実施形態を示す構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図、太い点線は後述する制御装置による制御をそれぞれ示している。

（１）構成
図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池スタック１の燃料極１ａに燃料供給ライン４が接続され、この燃料供給ライン４を介して、水素供給源２から水素が供給されるように構成されている。また、燃料極１ａからの排出ガスは、水素還流ライン５を経由して酸化剤極１ｂへ還流されるように構成されている。なお、前記燃料供給ライン４には、水素供給弁１０ａが設けられている。

一方、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂには、酸化剤供給ライン６及び酸化剤排出ライン７が接続され、この酸化剤供給ライン６を介して、空気ブロワ３からの空気が供給されるように構成されている。なお、前記酸化剤供給ライン６には空気供給弁１０ｂが、また、酸化剤排出ライン７には空気排出弁１０ｄが設けられている。さらに、前記酸化剤排出ライン７には前記空気排出弁１０ｄの下流側に、簡易触媒燃焼器８及び熱交換器９が接続されている。

なお、前記簡易触媒燃焼器８としては、従来から用いられている燃料極排出ガスを連続的に処理する触媒燃焼器または水素処理器とは大きく異なり、空気ブロワ等による空気供給等の複雑な操作及び複雑な構造を必要とせず、例えば、ハニカム状の構造体に銅系や貴金属系などの酸化触媒を添着させたものが用いられる。

また、燃料電池スタック１の冷却板１１を流通する冷媒は、冷却水ポンプ１２を介して前記熱交換器９に導入されるように構成され、この熱交換器９によって、冷却板１１を流通する冷媒及び酸化剤極排ガスの排熱が回収され、貯湯槽１３に蓄熱されるように構成されている。

すなわち、酸化剤極１ｂにおいて、供給された空気中の酸素と燃料極から電解質膜１ｃを経由して移動してきたプロトンとの酸素還元反応、及び燃料極出口から水素還流ライン５を経由して還流された水素との燃焼反応が同時に生じた際に得られた熱エネルギーは、冷却板１１を流通する冷媒から回収される熱と共に、熱交換器９によって回収され、貯湯槽１３に蓄熱されるように構成されている。

また、燃料電池スタック１で得られた直流電力は、電気制御装置１４により交流電力に変換されて、外部負荷１５に供給されるように構成されている。なお、この電気制御装置１４は燃料電池スタック１の負荷電流を制御する機能も有している。

そして、制御装置２０によって、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄの開閉が制御されるように構成されている。なお、図中、太い点線で示した矢印は、制御装置２０による制御を示している。

また、上記のような燃料電池発電システムにおいては、酸化剤極に空気が供給されている間は、酸化剤極入口における水素濃度が、爆発限界である４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは安全率を考慮して１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように留意する必要がある。

そのため、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、酸化剤極入口における水素濃度が４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように、発電時には所定範囲の燃料利用率、酸素利用率で運転すると共に、起動停止時には水素流量、空気流量、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄの開閉を制御するように構成されている。また、燃料電池発電システムの安全性を監視すべく、酸化剤極入口に水素濃度検出器（図示せず）を設置し、必要に応じてシステムを停止する機能を持たせている。

（２）作用
（２−１）起動時
本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法の概略は以下の通りである。すなわち、起動時には、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ及び空気排出弁１０ｄはすべて遮断され、燃料電池スタック１は密封された状態にある。この状態で起動指令がなされると、まず燃料極入口の水素供給弁１０ａ及び空気排出弁１０ｄが開かれ、燃料極１ａに水素が供給される。その後、空気ブロワ３が稼動されると共に空気供給弁１０ｂが開かれ、酸化剤極１ｂに空気が供給される。酸化剤極１ｂへの空気供給直後に、電気制御装置１４により燃料電池スタックの負荷電流を上昇させ、定格発電に移行した後、起動を完了する。

なお、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、上述したように、燃料極１ａに供給する水素量及び酸化剤極１ｂに供給する空気量は、酸化剤極入口における水素濃度が４％（１００％ＬＥＬ）未満となるように制御されている。

図２は、起動時におけるより詳細なタイミングチャートを示したものである。すなわち、起動指令がなされると（図中、時刻Ｔ０）、燃料極入口の水素供給弁１０ａ及び空気排出弁１０ｄが開かれ（図中、Ａ点及びＢ点）、燃料極１ａに水素が供給される。

続いて、燃料極１ａから排出された水素が水素還流ライン５を経由して酸化剤極１ｂに到達する前に（図中、時刻Ｔ１）、空気供給弁１０ｂが開かれ（図中、Ｃ点）、酸化剤極１ｂに空気が供給される。酸化剤極１ｂへの空気供給が開始されると共に、水素供給量に基づいて酸化剤極入口における水素濃度が４％以下となるように、空気供給量が決定される。その後、水素流量及び負荷電流の上昇を開始し（図中、時刻Ｔ２）、水素流量と負荷電流を同期させて負荷電流を上昇させ、定格発電に移行した後、起動を完了する（図中、時刻Ｔ３）。

一方、起動前に酸化剤極１ａに水素が封入されている場合には、起動直後には酸化剤極１ｂより水素が排出される。このような場合には、空気排出弁１０ｄの下流に設けられた簡易触媒燃焼器８を用いて、保管中に進入した空気により燃焼処理されるように構成されている。

（２−２）定格運転時
定格運転時には、電力需要により決定される負荷電流値に応じて、水素流量を決定し、その水素流量に応じて酸化剤極入口における水素濃度が４％以下、より好ましくは１％以下となるように空気流量を決定するように制御される。すなわち、図３に示したように、水素濃度が４％未満、より好ましくは１％未満となる酸素利用率及び燃料利用率において運転を行うように制御するように構成されている。言い換えれば、燃料極１ａに供給される燃料の燃料利用率を、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率により決定される所定値以上とするように制御するように構成されている。

（２−３）停止保管時
停止指令がなされた場合には、図４のタイミングチャートに示したように、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄを閉止すると共に、負荷運転を継続する。徐々に電圧が低下し、所定の値を下回った時点で水素供給弁１０ａを閉止する。

すなわち、図中、時刻Ｔ４にて停止指令がなされると、空気供給弁１０ｂ及び空気排出弁１０ｄが遮断され（図中、Ｄ点及びＥ点）、燃料電池スタックの酸化剤極への空気供給が停止される。また、時刻Ｔ４にて同時に電気制御装置１４の運転モードを固定抵抗運転モードに切り替え（図中、Ｆ点）、燃料電池スタック１に固定抵抗を接続して、酸化剤極１ｂの酸素を消費させる。このとき、酸化剤極１ｂでの酸素消費量に応じて水素還流ライン５から水素が充填されると共に、燃料電池スタック１の平均セル電圧は徐々に低下する。

燃料電池スタック１の平均セル電圧がＶ０（ここでは０．１Ｖ）を下回った時刻Ｔ５において、電気制御装置１４を停止モードに切り替え（図中、Ｇ点）、燃料電池スタック１に接続した固定抵抗を遮断すると共に、水素供給弁１０ａを遮断して燃料極１ａの水素供給を停止する（図中、Ｈ点）。このとき、燃料電池スタック１は水素及び窒素の混合雰囲気で密封される。

（３）効果
上述したように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料極１ａから排出される水素含有ガスを酸化剤極１ｂに還流させて酸化剤極１ｂで処理することができるので、従来、燃料極出口に配設されていた触媒燃焼器等の水素処理装置が不要となり、システムのコンパクト化、簡素化が可能となる。さらに、停止保管時に燃料電池スタックを水素封入することにより、触媒の劣化を防止することができる。

また、燃料電池スタックを密封するシステムにおいては、従来燃料極及び酸化剤極の出入口の合計４箇所に閉止弁を配置する必要があったが、本実施形態においては、排出燃料を酸化剤極に還流させているため、閉止弁を３箇所にすることができ、システムの簡素化が可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、酸化剤極入口の水素濃度を所定値以下となるように制御することにより、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

（４）他の実施形態
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような種々の変形例が考えられる。例えば、図５に示したように、前記水素還流ライン５に昇圧ブロワ３０を配設しても良い。これにより、酸化剤極１ｂの圧損が高い場合や燃料極１ａに供給する水素含有ガスの供給圧力が低い場合でも、上記の実施形態と同様の作用・効果が得られる。

また、図６に示したように、前記水素還流ライン５が合流する酸化剤極入口の酸化剤供給ライン６にエゼクター４０を配設しても良い。この場合も、酸化剤極１ｂの圧損が高い場合や燃料極１ａに供給する水素含有ガスの供給圧力が低い場合でも、上記の実施形態と同様の作用・効果が得られる。

また、燃料電池スタック１の燃料極出口を燃料極入口に循環させるように構成された燃料電池発電システムにおいては、燃料極中の窒素濃度が上昇するために、定期的に燃料の一部を排出する必要がある。この場合には、図７に示すように構成することが望ましい。

すなわち、図７に示したように、燃料極出口側から燃料極入口側に水素リサイクルライン５０が設けられると共に、この水素リサイクルライン５０に水素リサイクルブロワ５１が配設され、燃料極出口から排出された燃料ガスを燃料極入口に循環させる燃料電池発電システムにおいて、前記水素リサイクルライン５０から分岐され酸化剤極入口に接続される水素還流ライン５を設けると共に、この水素還流ライン５に水素排出弁１０ｃを設ける。

このような構成を有する燃料電池発電システムにおいては、燃料極中の窒素濃度が上昇した場合には、水素還流ライン５に設けられた水素排出弁１０ｃを開放することにより、燃料極より排出される水素含有ガスを酸化剤極入口に還流させることが可能となる。その結果、従来のシステムで必須となっていた燃料極出口の触媒燃焼器等の水素処理装置を省略することができるので、コンパクト化、簡素化が可能となる。

本発明に係る燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの起動時における発電起動動作を示すタイミングチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの定格運転時における燃料利用率と酸素利用率を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの運転停止時における発電停止動作を示すタイミングチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの変形例の構成を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの変形例の構成を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの変形例の構成を示す図。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極
１ｂ…酸化剤極
１ｃ…電解質膜
２…水素供給源
３…空気ブロワ
４…燃料供給ライン
５…水素還流ライン
６…酸化剤供給ライン
７…酸化剤排出ライン
８…簡易触媒燃焼器
９…熱交換器
１０ａ…水素供給弁
１０ｂ…空気供給弁
１０ｃ…水素排出弁
１０ｄ…空気排出弁
１１…冷却板
１２…冷却水ポンプ
１３…貯湯槽
１４…電気制御装置
１５…外部負荷
２０…制御装置
３０…昇圧ブロワ
４０…エゼクター
５０…水素リサイクルライン
５１…水素リサイクルブロワ

Claims (1)

1. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインとを備え、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインを設けた燃料電池発電システムの発電時において、
   前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率を、前記酸化剤極に供給する空気の酸素利用率により決定される所定値以上とするように制御して、前記酸化剤極入口における水素濃度を所定値未満にすることを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

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