JP5421875B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に関する。

従来の燃料電池システムとしては、バーナを用いて燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質部を有する水素製造装置と、水素含有ガスを用いて発電を行うスタックと、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムは、水素製造装置を加熱する電気ヒータを有しており、起動時において、バーナを作動させると共に系統電源の電力を用いて電気ヒータを作動させることにより水素製造装置を昇温することが図られている。

特開２００６−２４０９５２号公報

ところで、上述したような燃料電池システムでは、系統電源が遮断されたいわゆる停電状態のときに自立起動させる（系統電源を用いずにシステムを起動させる）場合、自立起動用電源（蓄電池等）を別途用いて、発電させるために必要な補記類を動作させる必要がある。しかし、このような自立起動時には、自立起動用電源の残量に余裕があるとは限らず、また、その容量は限られたものであることから、起動時の消費電力を低減することが望まれる。

そこで、本発明は、自立起動時において消費電力を低減することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素製造装置と、水素製造装置を加熱するバーナと、水素含有ガスを用いて発電を行うスタックと、水素製造装置を加熱する電気ヒータと、を備え、水素製造装置は、系統電源から電力供給を受けて起動する場合には、電気ヒータを作動させて昇温すると共に、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、電気ヒータを作動させずにバーナを作動させて昇温することを特徴とする。

この本発明の燃料電池システムでは、自立起動時、つまり、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合、電気ヒータを作動させずにバーナを作動させることで水素製造装置が昇温する。よって、本発明によれば、自立起動時において、少ない電力でシステムを起動することができ、起動時の消費電力を低減することが可能となる。

また、発電に伴って生じた熱で加熱された水を貯湯水として貯留する貯湯槽をさらに備え、水素製造装置は、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、貯湯槽における貯湯水の熱量を利用して昇温することが好ましい。この場合、貯湯水の熱量を利用して水素製造装置が一層昇温することとなる。

このとき、貯湯槽には、貯湯水を循環させる循環流路が設けられており、水素製造装置は、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、循環流路を循環する貯湯水から熱交換器で熱を移動させることにより昇温することが好ましい。この場合、貯湯水の熱量を利用して水素製造装置を昇温するという上記作用効果を、好適に発揮させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムの起動方法は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素製造装置と、水素製造装置を加熱するバーナと、水素含有ガスを用いて発電を行うスタックと、水素製造装置を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、系統電源から電力供給を受けて起動する場合には、電気ヒータを作動させて水素製造装置を昇温し、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、電気ヒータを作動させずにバーナを作動させて水素製造装置を昇温することを特徴とする。

この本発明の燃料電池システムの起動方法では、自立起動時、つまり、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合、電気ヒータを作動させずにバーナを作動させることで水素製造装置が昇温する。よって、本発明によれば、自立起動時において、少ない電力でシステムを起動することができ、起動時の消費電力を低減することが可能となる。

また、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、発電に伴って生じた熱で加熱された水を貯湯水として貯留する貯湯槽における貯湯水の熱量を利用して、水素製造装置を昇温することが好ましい。この場合、貯湯水の熱量を利用して水素製造装置が一層昇温することとなる。

このとき、貯湯槽には、貯湯水を循環させる循環流路が設けられており、自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、循環流路を循環する貯湯水から熱交換器で熱を移動させることにより、水素製造装置を昇温することが好ましい。この場合、貯湯水の熱量を利用して水素製造装置を昇温するという上記作用効果を、好適に発揮させることができる。

本発明によれば、自立起動時において消費電力を低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１の燃料電池システムの自立起動時を説明するための図であり、（ｂ）は図１の燃料電池システムの自立起動時を説明する他の図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば家庭用の電力供給源として用いられるものであり、システム本体２と貯湯槽３とを備えている。システム本体２は、原料供給装置１０、Fuel Processor System（ＦＰＳ：水素製造装置）２０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、燃料電池（スタック）５０、システム制御部６０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）７０、カソードガス供給装置８０及び余剰電力ヒータ９０を備えている。

原料供給装置１０は、ＦＰＳ２０において処理される原料（原燃料）を供給するためのものである。原料としては、炭素及び水素を含んでなる化合物（例えば、メタン及びプロパン等の炭化水素類、メタノール及びエタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油が一層好ましい。

ＦＰＳ２０は、原料供給装置１０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものである。ここでのＦＰＳ２０は、改質部２１、シフト部２２、選択酸化部２３、電気ヒータ２４及び熱交換器２５を含んで構成されている。

改質部２１は、改質触媒を用いて原料供給装置１０から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属とを含んで構成されている。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）及び二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、及びコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質及び自己熱交換改質等が挙げられる。

改質部２１には、バーナ２１ａが設けられている。バーナ２１ａは、改質部２１における改質に要する熱を供給するためのものであり、燃料供給装置３０から供給される燃料及び酸素含有ガス供給装置４０から供給される酸素含有ガスを用いて燃焼を行うことにより熱を発生する構造を有している。

シフト部２２は、改質部２１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を、シフト触媒を用いて除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウム等の貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下とされる。

選択酸化部２３は、シフト部２２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を、選択酸化触媒を用いて除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属とを含んで構成されている。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）及び二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金及びルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部２３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下とされる。

電気ヒータ２４は、ＦＰＳ２０を加熱して昇温させるものであり、ここでは、少なくとも改質部２１を昇温させる。この電気ヒータ２４は、ＰＣＳ７０に接続されており、該ＰＣＳ７０から電力が供給されて作動される。電気ヒータ２４としては、例えばシーズヒータ等が用いられる。

熱交換器２５は、後述の循環流路３ａを介して貯湯槽３から導入された貯湯水との間で熱交換を行うものである。この熱交換器２５は、燃料電池の発電時において、発電に伴って生じた熱を回収する熱回収系を構成する。つまり、燃料電池の発電時の熱交換器２５は、循環流路３ａを流通する貯湯水へ熱を移動させて該貯湯水を加熱する。

燃料供給装置３０は、バーナ２１ａで燃焼される燃料を供給するためのものである。燃料としては、原料供給装置１０により供給される原料と同様のものが挙げられるが、エネルギーを有効利用する観点から、定常駆動時等には、燃料電池５０から排出される水素含有ガス（いわゆるオフガス）を用いることが好ましい。

酸素含有ガス供給装置４０は、バーナ２１ａでの燃料の燃焼に使用される酸素含有ガスを該バーナ２１ａに供給するためのものである。酸素含有ガス供給装置４０としては、例えばポンプ、ファン、及びブロワが挙げられる。本実施形態における酸素含有ガス供給装置４０は、ＰＣＳ７０に接続されており、該ＰＣＳ７０を介して酸素含有ガスが供給されるように構成されている。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、及び空気が挙げられるが、中でも取扱容易性及びコストの観点から空気が好ましい。

燃料電池５０は、アノード５１及びカソード５２を有しており、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させるものである。水素含有ガスとしては、上述の改質ガス等が挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、及び空気が挙げられるが、中でも取扱容易性及びコストの観点から空気が好ましい。

アノード５１は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極であり、ＦＰＳ２０から改質ガスが供給されるように構成されている。カソード５２は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極であり、後述のカソードガス供給装置８０を介して空気が供給されるように構成されている。なお、本実施形態における燃料電池５０は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用して説明しているが、これには限られず、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を採用してもよい。

システム制御部６０は、燃料電池システム１の駆動を制御する駆動制御部としての機能を有するものである。例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。本実施形態におけるシステム制御部６０は、ＰＣＳ７０、原料供給装置１０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、及びカソードガス供給装置８０等の補機類（以下、単に「補機類」と称す）と電気的に接続されている。

ＰＣＳ７０は、燃料電池５０で発生した電力の調整を行う電力調整機構としての役割を担うものであり、電圧変換器７１及び直交変換器７２を有している。電圧変換器７１は、燃料電池５０から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。直交変換器７２は、電圧変換器７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣコンバータ及びインバータが挙げられる。

ＰＣＳ７０は、燃料電池システム１から供給される電力を外部電力負荷ＥＩに供給する他、燃料電池システム１内部に設けられた原料供給装置１０、酸素含有ガス供給装置４０、貯湯水循環用のポンプＰ、ＦＰＳ昇温用のヒータ２４、バーナ２１ａ等、燃料電池システム１の運転に必要な補機類に電力を供給する。

このＰＣＳ７０は、外部電力負荷ＥＩ及び外部電力系統（系統電源）ＣＥに対して電気的に接続されている。なお、外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１から供給される電力を消費するものである。また、ＰＣＳ７０は、補機類に電気的に接続されており、当該補機類に電力を供給する。ＰＣＳ７０には、蓄電池等の自立起動用電源１００が電気的に接続されている。

カソードガス供給装置８０は、燃料電池５０のカソード５２にカソードガスを供給するためのものである。本実施形態におけるカソードガス供給装置８０は、接続長さを小さくして消費電力（電力ロス）を低減し、効率低下を抑制するという観点から、燃料電池５０と電圧変換器７１との間から電力が供給されるように構成されていてもよく、電圧変換器７１と直交変換器７２との間、或いは、直交変換器７２と外部電力負荷ＥＩとの間から電力が供給されるように構成されていてもよい。

余剰電力ヒータ９０は、燃料電池５０で生じた電力のうち、燃料電池システム１内部の補機類及び外部電力負荷ＥＩで消費しきれない余剰分の電力を利用して、貯湯槽３から導入された貯湯水を加熱するためのものである。この余剰電力ヒータ９０は、ＰＣＳ７０に電気的に接続されている。

貯湯槽３は、発電に伴って生じた熱で加熱された水を貯湯水として貯留するものである。この貯湯槽３には、システム本体２内にて貯湯水を循環させる循環流路３ａが設けられている。循環流路３ａは、熱交換器２５に接続されており、これにより、循環流路３ａを流通する貯湯水は、熱交換器２５において熱が授受されることとなる。また、循環流路３ａには、循環流路３ａにより貯湯水が循環するよう該貯湯水を圧送するポンプＰが設けられている。

以上のように構成された燃料電池システム１では、外部電力系統ＣＥを利用する通常起動時（つまり、外部電力系統ＣＥから電力供給を受けて起動する場合）において、まず、外部電力系統ＣＥから補機類にＰＣＳ７０を介して電力が供給され、起動状態とされる。このとき、外部電力系統ＣＥからの電力は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータによって交流から直流に変換したうえで補機類に供給される。

続いて、バーナ２１ａが作動されると共に電気ヒータ２４が作動され、ＦＰＳ２０が昇温する。具体的には、燃料供給装置３０を介してバーナ２１ａに燃料が供給されると共に、酸素含有ガス供給装置４０を介してバーナ２１ａに酸素含有ガスが供給され、バーナ２１ａの燃焼が開始される。これと共に、電気ヒータ２４に電力が供給されて発熱される。これにより、改質部２１の改質触媒、シフト部２２のシフト触媒、及び選択酸化部２３の選択酸化触媒のうちの少なくとも１つが所定温度まで昇温する。

そしてその後、燃料電池システム１では、発電運転が行われる。すなわち、原料供給装置１０を介して改質部２１に原料が供給されて改質され、この改質部２１で水素含有ガス（改質ガス）が生成される。生成された改質ガスは、シフト部２２及び選択酸化部２３を介して一酸化炭素が所定濃度まで低減され、燃料電池５０のアノード５１に供給される。

続いて、燃料電池５０では、ＦＰＳ２０から供給された改質ガス（水素）、及びカソードガス供給装置８０から供給された酸素含有ガス（酸素）が用いられて発電が行われる。その後、発電された電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって変圧された上で直交変換器７２によって直流から交流に変換され、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。なお、電圧変換器７１によって変圧された直流電力は、その一部が余剰電力ヒータ９０にも供給される。

このような発電運転に併せ、ポンプＰが作動され、貯湯槽３内に貯留された貯留水が循環流路３ａによって循環される。具体的には、貯留水は、システム本体２に導入され、熱交換器２５によって熱交換されて加熱された後、貯湯槽３に戻される。これにより、貯留水は、例えば６５℃の温水として家庭用の給湯に使用可能とされる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１を自立起動させる場合について、外部電力系統ＣＥからの電力の供給が遮断されたいわゆる停電状態の場合を例示して説明する。

燃料電池システム１では、停電状態の場合、図２（ａ）に示すように、まず、補機類に自立起動用電源１００がＰＣＳ２０に電気的に接続される。自立起動用電源１００は、発電機や蓄電池を用いることができる。蓄電池の場合は、燃料電池システム１に内蔵していてもよいし、燃料電池システム１外部から接続してもよい。続いて、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０等の補機に自立起動用電源１００から電力が供給され、起動状態とされる。このとき、システム制御部６０により、自立起動用電源１００からの電力が電気ヒータ２４に供給されないよう制御する。

続いて、電気ヒータ２４を作動させずにバーナ２１ａのみが作動され、ＦＰＳ２０が昇温する。具体的には、燃料供給装置３０を介してバーナ２１ａに燃料が供給されると共に、酸素含有ガス供給装置４０を介してバーナ２１ａに酸素含有ガスが供給され、バーナ２１ａにおける燃焼が開始される。これにより、改質部２１の改質触媒、シフト部２２のシフト触媒、及び選択酸化部２３の選択酸化触媒の少なくとも１つが、貯湯水温度まで昇温することとなる。起動の工程を経て燃料電池５０が発電を開始した後には、補機類への電力供給源を自立起動用電源１００から燃料電池５０に切り替えて燃料電池システム１の運転を継続することができる。

或いは、図２（ｂ）に示すように、電気ヒータ２４を作動させずにバーナ２１ａ作動させるのに加え、貯湯水の熱量が利用されてＦＰＳ２０が昇温させてもよい。具体的には、燃料供給装置３０を介してバーナ２１ａに燃料が供給されると共に、酸素含有ガス供給装置４０を介してバーナ２１ａに酸素含有ガスが供給され、バーナ２１ａにおける燃焼が開始される。加えて、ＰＣＳ７０によりポンプＰが作動され、循環流路３ａによって貯留水が循環され、熱交換器２５によって貯湯水からＦＰＳ２０へ熱が移動される（熱交換される）。これにより、少なくとも改質部２１の改質触媒、シフト部２２のシフト触媒、及び選択酸化部２３の選択酸化触媒が、所定温度まで一層昇温することとなる。

以上、本実施形態によれば、自立起動時、つまり、外部電力系統ＣＥを用いずに自立起動用電源１００から電力供給を受けて起動する場合、電気ヒータ２４を作動させずにバーナ２１ａを作動させることでＦＰＳ２０が昇温する。よって、自立起動時において、少ない電力でシステムを起動することができ、起動時の消費電力を低減することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、自立起動時において、貯湯槽３に貯留される貯湯水を熱交換器２５に循環させてもよい。これにより、改質部２１の改質触媒、シフト部２２のシフト触媒、及び選択酸化部２３の選択酸化触媒の少なくとも１つをさせることができる。電気ヒータ２４よりも消費電力が少ない貯留水の圧送ポンプＰを動作させることにより、消費電力を低減しつつ、より短時間でＦＰＳ２０を昇温させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記実施形態では、電気ヒータ２４としてシーズヒータ等を用いているが、電力が供給されることで発熱する電気ヒータであれば、種々のものを用いてもよい。

１…燃料電池システム、３…貯湯槽、３ａ…循環流路、２０…ＦＰＳ（水素製造装置）、２１ａ…バーナ、２４…電気ヒータ、２５…熱交換器、５０…燃料電池（スタック）、１００…自立起動用電源、ＣＥ…外部電力系統（系統電源）。

Claims (6)

1. 原燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素製造装置と、
   前記水素製造装置を加熱するバーナと、
   前記水素含有ガスを用いて発電を行うスタックと、
   前記水素製造装置を加熱する電気ヒータと、を備え、
   前記水素製造装置は、
   系統電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記電気ヒータを作動させて昇温すると共に、
   自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記電気ヒータを作動させずに前記バーナを作動させて昇温することを特徴とする燃料電池システム。
2. 発電に伴って生じた熱で加熱された水を貯湯水として貯留する貯湯槽をさらに備え、
   前記水素製造装置は、前記自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記貯湯槽における前記貯湯水の熱量を利用して昇温す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. 前記貯湯槽には、前記貯湯水を循環させる循環流路が設けられており、
   前記水素製造装置は、前記自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記循環流路を循環する前記貯湯水から熱交換器で熱を移動させることにより昇温することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 原燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素製造装置と、前記水素製造装置を加熱するバーナと、前記水素含有ガスを用いて発電を行うスタックと、前記水素製造装置を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
   系統電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記電気ヒータを作動させて前記水素製造装置を昇温し、
   自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記電気ヒータを作動させずに前記バーナを作動させて前記水素製造装置を昇温することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
5. 前記自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、発電に伴って生じた熱で加熱された水を貯湯水として貯留する貯湯槽における前記貯湯水の熱量を利用して、前記水素製造装置を昇温することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの起動方法。
6. 前記貯湯槽には、前記貯湯水を循環させる循環流路が設けられており、
   前記自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、前記循環流路を循環する前記貯湯水から熱交換器で熱を移動させることにより、前記水素製造装置を昇温することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの起動方法。

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