JP5749100B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって、電気と熱を発生する燃料電池が注目されており、自動車用、携帯用の用途の他に、家庭などで使う定置用としての燃料電池システムの開発が進められている。特に、家庭用燃料電池システムは、電気化学反応により発電すると同時に発生する反応熱によって、２次冷却水を加熱して温水を生成する、コージェネレーションシステムとして注目されている。

家庭用燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料改質器、ブロアなどの空気供給手段、冷却水循環手段、制御手段、貯湯タンク等から成る。冷却水循環手段は、燃料電池スタックに冷却水を供給するポンプと、冷却水を浄化する手段と、燃料電池スタックで加熱された冷却水と熱交換して家庭に供給する２次冷却水を温める熱交換器から構成される。熱交換器は、燃料電池スタックの排ガスラインにも設けており、排ガスとの熱交換により２次冷却水を温める。これらの熱交換器によって加熱された温水は、貯湯タンクに溜められる。

家庭で使用する温水を溜めるにはある程度の運転時間が必要である。温水は風呂、暖房として夜間に使われることが多く、朝から夜にかけての運転によって、夜に必要な温水を溜める。また、温水の使用量は外気温などによって変化する。そのため、前述の制御手段において、温水の需要を予測し、必要な温水量を確保するための運転時間を求め、運転開始時刻を決める。

しかし、この種の家庭用燃料電池システムにおいては、家庭での電力需要と熱需要が季節によって変化し、その変化が電力需要と熱需要とで一致しないという課題がある。また、冬季においては、外気温が低いために、貯湯槽からの放熱が大きいという課題がある。このため、熱需要に合わせた効率良い運転制御を行うことは困難であった。

特開２００７−２３４３４７号公報

発明が解決しようとする課題は、熱需要の季節変動及び１日の熱需要に合わせた効率良い運転制御を行うことができる燃料電池システムを提供することである。

実施形態の燃料電池システムは、燃料と酸素との電気化学反応によって、電気と熱を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する手段と、前記燃料電池スタックに空気を供給する手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する手段と、前記燃料ガス及び空気の流量、及び発電出力を制御する制御部とから成り、前記制御部は、前記燃料ガス及び空気を各々所定の流量で供給する通常運転モードと、前記通常運転モード時よりも前記燃料ガス及び空気の少なくとも１つを前記所定の流量よりも少ない流量で供給する低流量運転モードと、を、熱需要の上昇に備えて前記燃料電池スタックを高温で運転するときの前記低流量運転モードと、そうでないときの前記通常運転モードとの間で切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、熱需要の季節変動及び１日の熱需要に合わせた効率良い運転制御を行うことができる。

第１の実施形態に係わる家庭用燃料電池システムを示す概略構成図。 第１の実施形態の作用を説明するためのもので、空気利用率と温度との関係を示す特性図。 第１の実施形態を説明するためのもので、１日における熱需要と貯湯量との関係を示す模式図。 第２の実施形態に係わる家庭用燃料電池システムを示す概略構成図。

以下、実施形態の詳細を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる家庭用燃料電池システムを示す概略構成図である。

本実施形態の燃料電池システムは、複数の燃料電池を積層してなる燃料電池スタック１１、燃料電池スタック１１に燃料ガスを供給する手段、空気を供給する手段、冷却水を供給する手段、及び制御部４１等から構成されている。また、図１には示さないが、燃料電池スタック１１で得られる直流出力を昇圧する昇圧器、更には直流出力（ＤＣ）を交流出力（ＡＣ）に変換するインバータ等が設けられている。

燃料電池スタック１１に燃料を供給する手段は、燃料供給ライン２１と燃料改質器（図示せず）から成る。燃料改質器は、都市ガス、天然ガス、プロパンガス、灯油などの原燃料を改質反応によって、水素を含む燃料ガスに変換する装置である。水素を原燃料とする燃料電池システムにおいては、燃料改質器は省略される。

燃料電池スタック１１に空気を供給する手段は、空気供給ライン３１と空気ブロア３２から成る。空気ブロア３２からの空気流量は、制御部４１からの制御信号によって調整される。

燃料電池スタック１１に冷却水を供給する手段は、冷却水ライン５１，ポンプ５２，及び熱交換器５３から成る。燃料電池スタック１１には、冷却水ライン５１から冷却水が導入される。導入された冷却水は燃料電池反応による発熱を吸収し、高温となって燃料電池スタック１１から出てくる。燃料電池スタック１１から出てきた高温の冷却水は熱交換器５３に導入される。

熱交換器５３には、ポンプ６２により廃熱回収ライン６１から２次冷却水が導入され、２次冷却水は燃料電池スタック１１からの高温の冷却水によって加熱される。また、図１には示さないが、燃料電池スタックの排ガスラインにも熱交換器が設けられており、この熱交換器でも排ガスとの熱交換により２次冷却水が温められる。そして、これらの熱交換器によって加熱された２次冷却水（温水）は、貯湯タンク６３に溜められるようになっている。

燃料電池スタック１１に供給される空気流量は、発電電流に応じて決められる。発電に必要な空気流量は、次の（１）式で求められる。

（流量）＝（電流）×（セル数）×（１／４Ｆ）×22.4
×（１／0.21）×（１／空気利用率）［NL/sec］・・・(1)
但し、上式においてＦはファラデー定数、22.4［mol/L］は標準状態の理想気体１［mol］の体積、0.21は空気中の酸素濃度である。空気利用率は、燃料電池スタック１１に供給される空気のうち発電で消費される空気の割合である。定格出力運転時と低負荷運転時では電流値が異なるので、運転状態が切り替えられた時には、制御部４１からの信号によって燃料電池スタック１１に導入する空気流量を制御する。空気流量を制御する方法としては、空気ブロア３２の回転数を変更する、空気供給ライン３１に設けたバルブの開度を変更する、といった方法が取られる。

燃料電池スタック１１の運転時には、発電反応によってカソード側に水が生成される。この生成水が反応ガスの拡散を阻害して電圧が低下する現象をフラディングと呼ぶ。燃料電池スタック１１の長期運転による性能低下を抑制するためには、フラディングを防止する必要がある。フラディングを防止するためには、空気流量を多くし、触媒表面への酸素の供給量を確保する、或いは余剰の空気による生成水の持ち出し量を多くするという方法がある。

このような理由から、通常運転時の空気流量、即ち空気利用率は、フラディングが生じない範囲に設定される。通常運転時の空気利用率は一般に３０〜６０％であり、燃料電池スタックの仕様或いは運転条件によって決められる。

本実施形態では、通常運転とは別に、低流量運転として通常運転時（通常運転モード）よりも空気流量を低減した運転モード（低流量運転モード）を設けることを特徴とする。このとき、（通常運転時の空気利用率）＜（低流量運転時の空気利用率）となる。低流量運転時には通常運転時に比べて、余剰な空気が少ない条件で運転される。

図２は、空気利用率を変えたときの、燃料電池スタック１１からの冷却水出口温度及び空気排ガス温度を示している。空気流量を少なくした低流量運転モードでは、空気利用率を上げることになる。空気利用率を上げるに従って、何れの温度も上昇していることが分かる。従って、低流量運転モードを選択することにより、燃料電池システムの熱交換効率を上げる効果が得られる。

このように低流量運転時には、余剰な空気による熱の持ち出し量が抑制されるために、燃料電池スタック１１を高温で運転することが可能であり、燃料電池システムの熱回収効率を向上させる利点がある。しかし、余剰な空気が少ないことは、フラディングを生じ易いために燃料電池スタック１１の性能が低下する恐れがある。一方、通常運転時は、低流量運転時に比べて熱回収効率に劣るものの、フラディングを防止することができるという利点を有する。

本実施形態においては、ユーザーの熱需要に合わせて、通常運転と低流量運転とを切り換えることを特徴とする。即ち、熱需要の高い冬季において、低流量運転を行うようにする。特に、夜間の熱需要の増加に合わせて、午後の運転を低流量運転とする。この場合、溜めた温水を時間を空けずに使用することによって、貯湯タンク６３からの放熱を抑制し、熱効率を向上することが可能である。一方、深夜から午前にかけては、外気温が低く貯湯タンク６３からの放熱も大きいため、低流量運転で多量の温水を溜めるとそれに伴って放熱量も大きくなる。さらに、低流量運転は燃料電池スタック１１の性能低下を引き起こす恐れがあることから、深夜から午前にかけての時間帯は通常運転で運転することが望ましい。

低流量運転を実施する時期は、システムの設置環境に依存する。目安として、冬季で夜間の外気温が５℃を下回る時期において、低流量運転を実施することが望ましい。

低流量運転時の空気利用率は、７０〜９０％とする。空気利用率が高いほど、余剰の空気による熱の持ち出しを低減し、燃料電池スタック１１の温度を高く保つ効果が得られるため、熱回収効率を高くする効果がある。一方、空気利用率が９０％を超えると、低負荷運転時であってもフラディングによる電圧低下の恐れがある。従って、空気利用率を７０〜９０％とすることが望ましい。

図３に、本実施形態における熱需要と貯湯量との関係を従来例と比較して示す。図３中のＰは熱需要、Ｑは従来例における貯湯量、Ｒは本実施形態における貯湯量である。

家庭の熱需要、即ち温水の使用量は季節によって変動する。一般に、熱需要は冬季に高く、夏季に低くなる。外気温が低い冬季には、風呂や暖房設備に使用する温水量が増加することが理由である。一方、電気需要は冬季及び夏季が高くなる。夏季の電力需要の増加は、エアコンによる冷房の使用量が増加するためである。

家庭で使用する温水を溜めるにはある程度の運転時間が必要である。温水は風呂、暖房として夜間に使われることが多く、朝あるいは昼から夜にかけての運転によって、夜に必要な温水を溜める。温水の使用量は外気温などによって変化する。そのため、前述の制御手段において、温水の需要を予測し、必要な温水量を確保するための運転時間を求め、運転開始時刻を決める。

従来装置では、常に空気流量大で通常運転しており、熱需要の大きな時間帯よりも前に十分な温水を溜める必要がある。例えば、０時から１８時までの運転により貯湯タンク６３に十分な量の温水を溜めている。このとき、実際に温水を使用する時間帯（１８時以降）よりもかなり前から貯湯タンク６３の温水量は大きくなるため、実際に温水を使用する時間帯までにおける貯湯タンク６３からの放熱が大きくなる。従って、温水利用の効率は悪いものとなる。

本実施形態では、夜間の運転は空気流量大の通常運転とし、午後の運転を低流量運転としている。この場合、午後の運転では、低流量運転のため、短い時間にも拘わらず、熱需要の大きな時間帯（１８時以降）までに十分な温水を溜めることができる。このとき、温水を溜めておく時間が短いため、貯湯タンク６３からの放熱量は少なくなり、温水利用の効率が良くなる。しかも、夜間の運転では通常運転を行っているため、フラッディングが生じるのを防止することができる。また、短い時間で温水を溜めることができるため、例えば午前中の時間帯で運転を停止することも可能となる。

低流量運転を行う時間帯は必ずしも午後に限定されるものではなく、温水が必要な時刻及び温水量等に応じて適宜変更可能である。さらに、必要な温水量は季節によっても変わる。従って、低流量運転を行う時間帯を外気温度に応じて調整することにより、熱需要の季節変動に合わせた運転制御を行うことも可能となる。

このように本実施形態によれば、午後の時間帯で低流量運転を行うことにより、１日の熱需要に合わせた効率良い運転制御を行うことができる。しかも、夜間に通常運転を行うことにより、フラッディングの発生も未然に防止することができる。また、通常運転と低流量運転の時間帯を外気の温度に応じて変更することができ、熱需要の季節変動に合わせた効率良い運転制御を行うこともできる。

なお、本実施形態では熱需要に応じて空気流量を制御したが、この代わりに燃料ガスの流量を制御するようにしても良い。燃料ガスについても流量を低減することによって、空気と同様の効果を得ることができる。但し、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス流量は空気流量よりも少ないために、熱交換効率に対する効果は空気よりも低い。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係わる家庭用燃料電池システムを示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

基本的な構成は前記図１と同様であるが、本実施形態では、制御部４１からの制御信号により冷却水ポンプ５２の送液量を制御可能になっている。そして、通常運転とは別に、低流量運転として通常運転時（通常運転モード）よりも冷却水の流量を低減した運転モード（低流量運転モード）を設けている。

本実施形態においては、低流量運転時において、燃料電池スタック１１に導入する冷却水の流量を低減する。通常運転から低流量運転に移行する時に、制御部４１から冷却水ポンプ５２に信号が送られ、冷却水ポンプ５２の送液量を低減する。

冷却水流量が低減されれば、燃料電池スタック１１からの熱持ち出し量を低減し、燃料電池スタック１１を高温に保つことが可能になる。そのとき、燃料電池スタック１１から出てくる冷却水の温度を高く保ち、熱交換器５３における熱交換効率を高く保つ効果が得られる。

第１の実施形態と同様に、熱需要の高い冬季において、低流量運転を行う。特に、夜間の熱需要の増加に合わせて、午後の運転を低流量運転とする。溜めた温水を時間を空けずに使用することによって、貯湯タンク６３からの放熱を抑制し、熱効率を向上することが可能である。深夜から午前にかけては、外気温も低いために貯湯タンク６３からの放熱も大きい。低流量運転は燃料電池スタック１１の性能低下を引き起こす恐れがあることから、深夜から午前にかけての時間帯は通常運転で運転することが望ましい。低流量運転を実施する時期は、システムの設置環境に依存する。目安として、夜間の外気温が５℃を下回る時期において、低流量運転を実施することが望ましい。

このように本実施形態によれば、熱需要に応じて冷却水の流量を制御することにより、温水の利用効率を高めることができる。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、燃料，空気，冷却水の何れか１つの流量を低下させて低流量運転を行うようにしたが、これらの複数種の流量を低下させることにより、更に優れた低流量運転を行うことも可能である。

また、通常運転と低流量運転を行う時間帯の設定は、季節や温度に応じて適宜変更することが可能である。さらに、システム構成は、前記図１や図４に何ら限定されるものではなく、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガス、空気、及び冷却水を供給する手段と、通常運転モードと低流量運転モードとを熱需要に応じて切り換える制御部と、を有するものであればよい。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…燃料電池スタック
２１…燃料供給ライン
３１…空気供給ライン
３２…空気ブロア
４１…制御部
５１…冷却水ライン
５２…冷却水ポンプ
５３…熱交換器
６１…熱回収ライン
６２…熱回収ラインポンプ
６３…貯湯タンク

Claims (6)

1. 燃料と酸素との電気化学反応によって、電気と熱を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する手段と、
   前記燃料電池スタックに空気を供給する手段と、
   前記燃料電池スタックに冷却水を供給する手段と、
   前記燃料ガス及び空気の流量、及び発電出力を制御する制御部とから成り、
   前記制御部は、
   前記燃料ガス及び空気を各々所定の流量で供給する通常運転モードと、前記通常運転モード時よりも前記燃料ガス及び空気の少なくとも１つを前記所定の流量よりも少ない流量で供給する低流量運転モードと、を、熱需要の上昇に備えて前記燃料電池スタックを高温で運転するときの前記低流量運転モードと、そうでないときの前記通常運転モードとの間で切り換える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、電力需要及び熱需要に応じて前記燃料電池スタックを動作させると共に、熱需要を満たすために前記燃料電池スタックを動作させる場合に、１日のうちで熱需要が所定値以上となる時間帯をＡとしたとき、時間帯Ａよりも一定時間前の時刻Ｂから時間帯Ａまでを前記低流量運転モードにし、それ以外の時間を前記通常運転モードにするものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、冬季は前記通常運転モードと前記低流量運転モードの切り換えを行い、それ以外の季節は運転モードを切り換えることなく前記通常運転モードを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、夜間の外気温が所定値以下となる場合に前記通常運転モードと前記低流量運転モードとの切り換えを行い、それ以外の場合は運転モードを切り換えることなく前記通常運転モードを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、１日の運転時間のうち午後に前記低流量運転モードを行い、それ以外は前記通常運転モードを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックに供給されて加熱された前記冷却水との熱交換により温水を生成する手段を、更に有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。

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