JP5389716B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムとして、原燃料及び水を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力電力が定格出力電力値に達した場合に、起動運転を終了させて通常運転を開始させる。

特開２００７−１０３０３４号公報

しかしながら、燃料電池スタックの経時劣化等の要因により、燃料電池スタックの出力電力が定格出力電力値に達せず、起動運転が長時間にわたって続けられる場合がある。このような場合には、燃料電池スタックの出力電圧が上昇及び降下を繰り返すことがあり、その結果、燃料電池スタックに余計な負荷が与えられるおそれがある。

そこで、本発明は、起動運転時に燃料電池スタックに余計な負荷が与えられるのを防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、所定の条件を満たした場合に起動運転を終了させて通常運転を開始させる燃料電池システムであって、水を気化して水蒸気を生成する気化器と、原燃料及び水蒸気を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、起動運転及び通常運転の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、起動運転時において、燃料電池スタックの出力電圧が所定の値以上降下した場合に、所定の条件を第１条件から第２条件に変更し、第１条件は、燃料電池スタックの出力電力が所定の基準電力値に到達することであり、第２条件は、気化器の温度が所定の基準温度以上になることである、ことを特徴とする。

この燃料電池システムでは、まず、起動運転の終了の条件が、燃料電池スタックの出力電圧が所定の基準電力値に到達することという第１条件に設定された状態で、起動運転が開始される。このとき、何らかの要因により燃料電池スタックの出力電力が所定の基準電力値に達せずに、上記のように燃料電池スタックの出力電圧が上昇及び降下を繰り返し得る状態となっても、燃料電池スタックの出力電圧が所定の値以上降下した場合に、起動運転の終了の条件を気化器の温度が所定の基準温度以上になることという第２条件に変更するので、燃料電池スタックの出力電圧が上昇及び降下が繰り返されることが防止される。その結果、起動運転時に燃料電池スタックに余計な負荷が与えられるのが防止される。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、制御部は、所定の条件を第１条件から第２条件に変更した後に、気化器に対する水の供給量を減少させる、ことが好ましい。この場合、気化器の温度が速やか上昇するので、第２条件を早く満たすことができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、所定の基準電力値は、燃料電池スタックの定格出力電力値である、ことが好ましい。この場合、燃料電池スタックの出力電圧が所定の値以上降下しなければ、定格出力電力に到達した時点で起動運転が終了して通常運転が開始される。このため、発電を効果的に行うことができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、所定の基準温度は、水を過熱水蒸気とすることが可能な温度である、ことが好ましい。この場合、第２条件が満たされて燃料電池スタックの出力電力が定格出力電力値に到達せずに起動運転が終了された場合であっても、気化器の温度が水を過熱水蒸気とすることが可能な温度に以上となっているので、その後の通常運転において、改質装置に効率よく水蒸気を供給できる。

本発明によれば、起動運転時に燃料電池スタックに余計な負荷が与えられるのを防止することができる燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す構成図である。 図１に示される燃料電池システムの起動方法の手順を示すフローチャートである。 セルスタックの出力電力の時間変化（ａ）、セルスタックの出力電圧の時間変化（ｂ）、及び、気化器の温度の時間変化（ｃ）の一例を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、気化器２と、改質器３及びバーナ４を有する改質装置５と、固体高分子形のセルスタック（燃料電池スタック）６と、を備えている。

気化器２は、燃料電池システム１内に設置されている水回収タンク（不図示）から供給された水を気化して水蒸気を生成し、生成した水蒸気を改質装置５へ供給する。気化器２は、改質装置５のバーナ４の燃焼により加熱されたガスとの熱交換により加熱される。なお、気化器２は、改質装置５内に配置されていてもよい。

改質器３内には、改質触媒３ａが配置されている。改質装置５は、バーナ４により加熱された改質触媒３ａで原燃料ガス及び水蒸気を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。原燃料ガスは、脱硫器（不図示）において硫黄分が除去された後に改質装置５に導入される。原燃料ガスとしては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス等の炭化水素系気体燃料や、灯油等の炭化水素系液体燃料が気化されたものを用いることができる。

セルスタック６は、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）と称されるセルが複数層積層されたものである。各セルは、高分子膜である電解質が燃料極と空気極との間に配置されて構成されている。セルスタック６においては、燃料極側には改質装置５によって生成された改質ガスが導入され、空気極側には空気が導入される。このようにセルスタック６は、改質ガスと空気（酸素）を用いて発電を行う。なお、セルスタック６の燃料極側に導入された改質ガスのオフガスは、改質装置５のバーナ４に供給されて再利用される。

燃料電池システム１は、制御部７をさらに備えている。制御部７は、気化器２の温度を測定するための温度測定器、セルスタック６の出力電力を測定するための電力測定器、及び、セルスタック６の出力電圧を測定するための電圧測定器等の各測定結果に基づいて、燃料電池システム１の起動運転及び通常運転の制御を行う。特に、制御部７は、電力測定器の測定結果に基づいて、起動運転を終了させるために満たすべき所定の条件（終了条件）を、第１条件から第２条件へ変更する。

燃料電池システム１の起動運転とは、改質装置５への原燃料ガス及び水蒸気の導入量やセルスタック６への空気の導入量等を徐々に増やして、セルスタック６の出力電力（発電量）を徐々に上昇させる運転であり、通常運転とは、電力の配給先からの電力需要に追従して、セルスタック６の出力電力や、改質装置５への原燃料ガス及び水蒸気の導入量やセルスタック６への空気の導入量等を調整しながら行う運転である。

また、本実施形態において、第１条件はセルスタック６の出力電力が定格出力電力値（基準電力値）に到達することである。また、第２条件は気化器２の温度が水を過熱水蒸気とすることが可能な温度（基準温度）以上になることである。

なお、制御部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等を有するコンピュータシステムとして構成されており、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、上記のような燃料電池システム１の起動運転及び通常運転の制御を行う。

次に、図２を参照して、燃料電池システム１に起動方法について説明する。この起動方法においては、まず、起動運転が開始される（ステップＳ１）。この時点では、燃料電池システム１の起動運転の終了条件は上記の第１条件に設定されている。

起動運転が開始されると、改質装置５へ導入される原燃料ガス及び水蒸気の導入量や、セルスタック６への空気の導入量等が徐々に増加し、それに伴ってセルスタック６の出力電力が徐々に上昇する。なお、改質装置５のバーナ４は、起動運転の開始時には原燃料ガスのみを燃料として利用するが、セルスタック６での発電が開始されると、セルスタック６からのオフガスも燃料として利用する。

ステップＳ１で燃料電池システム１の起動運転が開始されたとき、例えばセルスタック６の劣化の度合いが比較的小さいと、セルスタック６の出力電力は、図３（ａ）の実線に示されるように、所定の時間ｔ_１で定格出力電力値に到達する。一方で、例えばセルスタック６の劣化の度合いが比較的大きいと、セルスタック６の出力電力は、図３（ｂ）の一点鎖線に示されるように、所定の時間ｔ_１の経過後にも、定格出力電力値に到達しない場合がある。そのような場合には、起動運転が長時間にわたって続けられ、その結果、セルスタック６の出力電圧が、図３（ｂ）に示されるように、上昇及び降下を繰り返すようになる場合がある。

そこで、制御部７は、電圧測定器の測定結果に基づいて、セルスタック６の出力電圧が所定の値以上降下したか否かを判定する（ステップＳ２）。つまり、制御部７は、セルスタック６において所定の値以上の電圧降下が検出されたか否かを判定する。

ステップＳ２の判定の結果が、セルスタック６の出力電圧が所定の値以上降下した場合、即ち、図３（ｂ）に示されるように、セルスタック６において所定の値△Ｖ以上の電圧降下が検出された場合、制御部７は、起動運転の終了条件を第１条件から第２条件に変更する（ステップＳ３）。

そして、制御部７は、ステップＳ３で終了条件を第１条件から第２条件に変更した後に、気化器２に対する水の供給量を減少させる（ステップＳ４）。水の供給量の減少は、例えば、気化器２へ水を供給するためのラインに設けられたバルブ（不図示）を、制御部７が制御することにより行うことができる。

このように気化器２へ供給する水の量を減少させることにより、気化器２内において水を気化するために消費されていたエネルギーが、気化器２内の雰囲気の温度上昇に用いられることとなるので、気化器２の温度が速やかに上昇することとなる。

続いて、制御部７は、温度測定器の測定結果に基づいて、気化器２の温度が第２条件を満たす温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。つまり、制御部７は、気化器２の温度が、気化器２に供給された水を過熱水蒸気とすることが可能な温度以上であるか否かを判定する。

ステップＳ５の判定の結果、気化器２の温度が、図３（ｃ）に示されるように、水を過熱水蒸気とすることが可能な温度Ｔ_１以上である場合、制御部７は、気化器２の温度が温度Ｔ_１に到達した時刻ｔ_３をもって燃料電池システム１の起動運転を終了する（ステップＳ６）。そして、制御部７は、燃料電池システム１の通常運転を開始する（ステップＳ７）。

一方、ステップＳ２の判定の結果、セルスタック６の出力電圧が所定の値以上降下していない場合、制御部７は、電力測定器の測定結果に基づいて、セルスタック６の出力電力が定格出力電力値に到達しているか否か（第１条件を満たしているか否か）の判定を行う（ステップＳ８）。

ステップＳ８の判定の結果、セルスタック６の出力電力が定格出力電力値に到達している場合、燃料電池システム１の起動運転を終了し（ステップＳ６）、通常運転を開始する（ステップＳ７）。

他方、ステップＳ８の判定の結果、セルスタック６の出力電力が定格出力電力値に到達していない場合、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降のステップを繰り返す。

また、ステップＳ５の判定の結果、気化器２の温度が水を過熱水蒸気とすることが可能な温度以上でない場合、所定の時間間隔をもってステップＳ５の判定を繰り返す。

以上説明したように、燃料電池システム１では、まず、起動運転の終了条件が、セルスタック６の出力電圧が定格出力電力値に到達することという第１条件に設定された状態で、起動運転が開始される。このとき、セルスタック６の出力電力が定格出力電力値に達せずに、セルスタック６の出力電圧が上昇及び降下を繰り返し得る状態となっても、セルスタック６の出力電圧が所定の値以上降下した場合に、起動運転の終了条件を気化器２の温度が基準温度以上になることという第２条件に変更するので、セルスタック６の出力電圧が上昇及び降下が繰り返されることが防止される。その結果、起動運転時にセルスタック６に余計な負荷が与えられるのが防止される。

ところで、セルスタック６がその出力電力を定格出力電力値に到達せしめることが可能な性能を一時的に発揮できなくても、セルスタック６の寿命が十分に残っている場合がある。このような場合には、上述のように起動運転の終了条件を変更することで適切に起動運転を終了することができる。このため、セルスタック６を交換しなくても運転を続けることができる。よって、燃料電池システム１によれば、セルスタック６の長寿命化を図ることが可能となる。

また、燃料電池システム１では、セルスタック６の出力電力が定格出力電力値に到達せずに起動運転が終了された場合であっても、気化器２の温度が水を過熱水蒸気とすることが可能な温度に達しているので、その後の通常運転において、改質装置５に効率的に水蒸気を供給できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、セルスタック６は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形、或いは、固体酸化物形等であってもよい。

また、燃料電池システム１の起動方法において、ステップＳ４は、気化器２に対する水の供給量を減少させるものとしたが、これに限らない。例えば、当該ステップＳ４では、水の供給量を一定にし、改質器３に対する原燃料ガスの供給量を増加させてもよい。つまり、当該ステップＳ４では、制御部７は、水の供給量と原燃料ガスの供給量との比率であるＳ／Ｃ［Steam／Carbon］が小さくなるような制御を行えばよい。

１…燃料電池システム、２…気化器、３…改質器、６…セルスタック、７…制御部。

Claims (4)

1. 所定の条件を満たした場合に起動運転を終了させて通常運転を開始させる燃料電池システムであって、
   水を気化して水蒸気を生成する気化器と、
   原燃料及び前記水蒸気を用いて水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記起動運転及び前記通常運転の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記起動運転時において、前記燃料電池スタックの出力電圧が所定の値以上降下した場合に、前記所定の条件を第１条件から第２条件に変更し、
   前記第１条件は、前記燃料電池スタックの出力電力が所定の基準電力値に到達することであり、
   前記第２条件は、前記気化器の温度が所定の基準温度以上になることである、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記所定の条件を前記第１条件から前記第２条件に変更した後に、前記気化器に対する前記水の供給量を減少させる、ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記所定の基準電力値は、前記燃料電池スタックの定格出力電力値である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記所定の基準温度は、水を過熱水蒸気とすることが可能な温度である、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
   
   
   
   

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