JP6861340B2 - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給して発電する燃料電池システムに関するものである。

電解質層を燃料極（アノード）と空気極（カソード）で挟持してセルを構成し、燃料として水素を含む燃料ガスを、また空気極に酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により、電気エネルギーが得られる。１個の単電池で得られる発生電圧は１Ｖ未満であることが多いため、実用の燃料電池では単電池を積層して、高い電圧を得ている。

また近年、燃料電池システムは一般家庭用途だけでなく、車載や、業務用途としても用いられるようになっており、車載や業務用途では、一般家庭用途の燃料電池システムよりも大きな容量の発電能力が求められている。

大きな容量の発電量を実現するために、単電池を積層して構成した複数個の燃料電池スタックを並列構成したものが一般的に知られている。（例えば、特許文献１参照）

電解質層を燃料極（アノード）と空気極（カソード）で挟持してセルを構成し、燃料として水素を含む燃料ガスを、また空気極に酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により、電気エネルギーが得られる。１個の単電池で得られる発生電圧は１Ｖ未満であることが多いため、実用の燃料電池では単電池を積層して、高い電圧を得ている。

また近年、燃料電池システムは一般家庭用途だけでなく、車載や、業務用途としても用いられるようになっており、車載や業務用途では、一般家庭用途の燃料電池システムよりも大きな容量の発電能力が求められている。

大きな容量の発電量を実現するために、単電池を積層して構成した複数個の燃料電池スタックにおいて燃料ガス供給配管の連結を行い、必要な発電量を確保する構成が一般的に知られている。（例えば、特許文献１参照）

図３は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムにおける複数台の燃料電池スタックの構成を示したブロック図から主要な構成を抜き出したものである。

図３に示すように、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給源６、改質器７、燃料ガス供給経路８、第１燃料ガス供給弁９−１、第２燃料ガス供給弁９−２、第３燃料ガス供給弁９−３、第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３、電力出力経路１０、外部負荷１１、制御器１２から構成されている。

従来の燃料電池システム２００は、発電中は、燃料ガス供給源６から供給する燃料ガスである炭化水素を改質器７によって水素に改質し、燃料ガス供給経路８に設置する第１燃料ガス供給弁９−１、第２燃料ガス供給弁９−２、第３燃料ガス供給弁９−３、を開放することで、水素を含む燃料ガスを第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３へ供給する。第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３は、電力出力経路１０より外部負荷１１に並列で接続し、制御器１２によって発電電力を外部負荷１１へ供給する。

また、燃料電池スタックのアノードに酸素が侵入すると、発電性能が損なわれることが
知られている。これにより、燃料電池スタックに大気から空気が進入することを防ぐために、所定タイミングで燃料ガス供給弁を開閉し、停止中の燃料電池スタック内に燃料ガスを供給して燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする構成（例えば、特許文献２参照）がある。

図４は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムを大気圧に対して正圧に保つ構成を示したブロック図から主要な構成を抜き出したものである。

図４に示すように、燃料電池システム３００は、燃料ガス供給経路１３、未反応燃料ガス排出経路１４、改質器７、加湿器１５、弁ａ１６、弁ｂ１７、燃料電池スタック１８、アノード１８ａ、カソード１８ｂ、電解質膜１８ｃ、制御器１９から構成されている。

従来の燃料電池システム３００は、発電中は、燃料ガスである炭化水素を改質器７によって水素に改質し、弁ａ１６と弁ｂ１７を開放することで水素を含む燃料ガスを燃料ガス供給経路１３、加湿器１５を通過して燃料電池スタック１８のアノード１８ａへ供給する。また、発電停止中は、カソード１８ｂから電解質膜１８ｃを介してアノード１８ａへ酸化剤ガスが侵入してアノード１８ａが劣化することを防ぐ為に弁ｂ１７は常時閉止状態で、定期的に弁ａ１６を開いている。これによって、水素を含む燃料ガスを定期的に燃料電池スタック１８のアノード１８ａへ供給することが可能となり、アノード１８ａの圧力が大気圧あるいはカソード１８ｂに対して正圧となるようにし、アノード１８ａが劣化することを防いでいる。

特開２０１２−１８８２３号公報 特開２０１４−７１６９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする際に燃料ガス供給弁を開閉させる必要があり、燃料ガス供給弁の耐久性が低下する。さらに複数台の燃料電池スタックを用いて発電を行なう場合、発電停止中の燃料電池スタックの数が増えるほど、燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にする際に制御する燃料ガス供給弁の開閉回数が増加し、消費電力が増加するという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電停止中の燃料電池スタックに燃料ガス供給経路を介して燃料ガスを供給可能な複数台の燃料電池スタックからなる燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給弁を用いることなく、発電停止中の燃料電池を大気圧に対して正圧にすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスの流量を調整する複数の流量調整器と、複数の流量調整器から排出する未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に合流させ、未反応燃料ガスを複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガス循環経路と、制御器と、を備えたものである。

これによって、複数の燃料電池スタックは未反応燃料ガス循環経路を経由して連通することとなり、発電中の燃料電池スタックから排出される未反応燃料ガスを停止中の燃料電
池スタックに供給することが出来、燃料ガス供給弁での電力を消費することなく停止中の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にすることができる。

本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックが連通する未反応燃料ガス循環経路を備えることにより、未反応燃料ガス循環経路を通して、発電中の燃料電池スタックから排出される未反応燃料ガスを停止中の燃料電池スタックへ供給することで、燃料ガス供給弁の開閉を行わずとも、燃料電池スタックを大気圧に対して正圧にすることが可能になるため、燃料ガス供給弁が必要なくなる。燃料ガス供給弁がなくなることにより燃料ガス供給弁の消費電力を削減し、燃料電池システムの発電効率を向上させることができ、燃料ガス供給弁の耐久劣化しなくなることにより燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。これにより燃料電池スタックのアノードに酸素が侵入することを防ぎ、燃料電池スタックの耐久性を向上することができる。また燃料ガスを循環することによって濃縮される不純物は、未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に合流させることで、濃度を均一化して複数の燃料電池スタックに供給させることができる。これにより、流量調整器を複数の燃料電池スタックごとに異なる制御をしなくても、不純物の濃度に対応した、燃料ガスの流量制御ができる。

実施の形態１における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態１における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 従来の燃料電池システムにおける複数台の燃料電池スタックの構成を示したブロック図 従来の燃料電池システムを大気圧に対して正圧に保つ構成を示したブロック図

第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスの流量を調整する複数の流量調整器と、複数の流量調整器から排出する未反応燃料ガスを大気圧に対して正圧にして燃料ガス供給経路に合流させ、未反応燃料ガスを複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガス循環経路と、制御器と、を備える。そして、目標発電量に応じて複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させる場合、複数の燃料電池スタックは未反応燃料ガス循環経路を経由して連通することで、発電中の燃料電池スタックから排出される未反応燃料ガスを停止中の燃料電池スタックに供給することができる。これにより、燃料ガス供給弁での電力を消費することなく停止中の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、制御器は、発電中の複数の燃料電池スタックのそれぞれの発電量に基づき、発電中の複数の燃料電池スタックに接続された複数の流量調整器が未反応燃料ガス供給経路を介して燃料ガス供給経路に合流させる未反応燃料ガスの流量を制御することにより停止中の燃料電池スタック内は大気圧に対して正圧となり、大気からの空気の進入を防ぐことができる。これにより燃料電池スタックの劣化を防ぐことができる。

第３の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する複数の燃料電池スタックと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスの流量を調整する複数の流量調整器と、複数の流量調整器から排出する未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に合流させ、未反応燃料ガスを複数の燃料
電池スタックに供給する未反応燃料ガス循環経路と、を有する燃料電池システムの運転方法である。目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、前記複数の燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、前記複数の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にするステップとを実行することで、燃料ガス供給弁での電力を消費することなく停止中の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成のブロック図を示すものである。

図１において、燃料電池システム１００は、第１燃料ガス供給経路１−１と、第２燃料ガス供給経路１−２と、第３燃料ガス供給経路１−３と、第１燃料電池スタック２−１と、第２燃料電池スタック２−２と、第３燃料電池スタック２−３と、第１流量調整器３−１と、第２流量調整器３−２と、第３流量調整器３−３と、未反応燃料ガス循環経路４と、制御器５とを備える。

第１燃料電池スタック２−１は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む空気（図示せず）を用いて発電するものである。第１燃料電池スタック２−１は、固体高分子型燃料電池を用いる。

第１燃料ガス供給経路１−１は、第１燃料電池スタック２−１に接続し、燃料ガスを供給するための経路である。

第１流量調整器３−１は、第１燃料電池スタック２−１の下流に接続し、下流側から燃料ガスを吸引し、第１燃料電池スタック２−１から未反応燃料ガスが排出されるように燃料ガス流量を制御することで、第１燃料電池スタック２−１は、燃料ガス不足に陥ることなく発電量に応じた流量の燃料ガスを供給することができる。本実施の形態では、燃料ガスに純水素ガスを、第１流量調整器３−１として純水素用のポンプを使用する。

第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３は第１燃料電池スタック２−１と同じ構成である。また、第２燃料ガス供給経路１−２、第３燃料ガス供給経路１−３は第１燃料ガス供給経路１−１と同じ構成である。また、第２流量調整器３−２、第３流量調整器３−３は第１流量調整器３−１と同じ構成である。

未反応燃料ガス循環経路４は、第１流量調整器３−１、第２流量調整器３−２、第３流量調整器３−３とが連通するようにそれぞれの下流に接続した後で合流させ、第１燃料ガス供給経路１−１、第２燃料ガス供給経路１−２、第３燃料ガス供給経路１−３の上流で、分岐させる前の合流部に接続し、第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３のそれぞれへ未反応燃料ガスを、供給するための経路である。

制御器５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を、図
２を参照しながら説明する。

図２は、実施の形態１における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、制御器５の制御によって実行される。第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３で発電させるそれぞれの発電量は、燃料電池システム１００の目標発電量から算出するように、制御器５のプログラム上で予め定められている。以下の説明では、燃料電池システム１００の目標発電量が１５００Ｗに設定され、これに対し、第１燃料電池スタック２−１を１０００Ｗ、第２燃料電池スタック２−２を５００Ｗ、第３燃料電池スタック２−３を停止させる制御を行う場合について説明する。

先ず、制御器５は、要求される負荷（例えば１４００Ｗ）に追従するため、燃料電池システム１００の目標発電量を１５００Ｗと決定する（ステップＳ１０１）。

次に、制御器５は、目標発電量から第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３の３台の燃料電池スタックの内、発電させる台数を２台、停止させる台数を１台と決定する（ステップＳ１０２）。

次に、制御器５は、目標発電量を１５００Ｗに対応するため、第１燃料電池スタック２−１の発電量を１０００Ｗ、第２燃料電池スタック２−２の発電量を５００Ｗに設定し、第３燃料電池スタック２−３を停止させる（ステップＳ１０３）。

次に、制御器５は、発電させる燃料電池スタックの発電量に応じ、該燃料電池スタックに供給する燃料ガスの流量を決定する。なお、発電させる燃料電池スタックに供給する燃料ガスの流量の制御は、該燃料電池スタックに接続されている流量調整器から排出される未反応燃料ガスの流量調整により実施される。また、停止させる燃料電池スタックには、該燃料電池スタックに接続された流量調整器により停止させる燃料電池スタックからの未反応燃料ガスの排出を止めて、燃料ガスを供給する（Ｓ１０４）。

例えば、１０００Ｗの発電量の燃料電池スタック２−１には５０Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスが供給さるように第１流量調整器３−１を制御し、５００Ｗの発電量の第２燃料電池スタック３−２には２５Ｌ／ｍｉｎの燃料ガスが供給されるように第２流量調整器３−２を制御する。また、停止させる第３燃料電池スタック３−３に接続されている第３流量調整器３−３により第３燃料電池スタック３−３から排出される未反応燃料ガスの排出を止めて、第３燃料電池スタック３−３内を燃料ガスの供給圧力とほぼ等しく保つ（ステップＳ１０４）。

ここで、燃料電池スタックの発電量に応じた燃料ガス流量は、例えば、実験的に求められる値である。なお、燃料電池スタックには、燃料ガス供給不足に陥ることがなく、劣化を抑えられるため、発電するために必要な燃料ガス流量よりも多くの流量の燃料ガスを供給することが望ましい。また、後述のように未反応燃料ガスは未反応燃料ガス循環経路４を介して再利用される。

そして、目標発電量に変更がある場合、制御部５は、ステップＳ１０１の処理に戻り、目標発電量に変更がない場合、ステップＳ１０４の処理に戻る（ステップＳ１０５）。

なお、各ステップでは、各ステップでの処理を完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行する。

上記説明のとおり、ステップＳ１０４を実行することで、第１燃料電池スタック２−１
、第２燃料電池スタック２−２に燃料ガスが供給されることで、第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２内は大気圧に対して正圧となる。また、停止している燃料電池スタック２−３は、未反応燃料ガス循環経路４を経由して連通しているため、第３流量調整器３−３が停止している状態でも燃料ガスが供給される。そのため、燃料電池スタック２−３は燃料ガスの供給圧力とほぼ等しく保たれる。これにより、第３燃料電池スタック２−３は発電を停止していても、大気圧に対して正圧となる。

このように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給弁が必要なくなる。燃料ガス供給弁が不要となることで、燃料ガス供給弁を開閉させるための消費電力を削減することができる。さらに、消費電力の削減により燃料電池システムの発電効率を向上させることもできる。

また、燃料ガス供給弁を削除することで燃料ガス供給弁の耐久劣化がなくなり、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。

また、第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２の未反応燃料ガスを未反応燃料ガス循環経路４で合流させ、燃料ガスを循環することによって濃縮される不純物は、濃度を均一化して第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２に供給される。これにより、第１流量調整器３−１と第２流量調整器３−２は、不純物の濃度に対応した異なる制御をしなくても、燃料ガスの流量制御ができる。

なお、複数台の燃料電池スタックとして、第１燃料電池スタック２−１、第２燃料電池スタック２−２、第３燃料電池スタック２−３の３台の構成で記載しているが、２台以上であればよい。

また、本実施の形態では、未反応燃料ガス循環経路４を用いて、発電する燃料電池スタックに対して未反応燃料ガスを循環することにより、燃料電池スタック２−１〜２−３のうち発電するもの対して発電するために必要な燃料ガス流量よりも多くの流量の燃料ガスを供給できるため、燃料電池スタック２−１〜２−３は燃料ガス供給不足に陥ることがなくなり、劣化を抑えられることができる。

また、停止中のスタックのアノードに大気が進入すると、水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入る可能がある。しかしながら、本実施の形態によれば、燃料電池スタック２−１〜２−３の内部の圧力は発電、停止に関わらず、常に大気圧に対して正圧に保つことができるので、アノードで水素と酸素の混合気体が可燃性の範囲に入ることがない。

また、制御部５は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して各燃料電池スタック２−１〜２−３の分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、燃料電池スタック２−１〜２−３は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、停止中の燃料電池スタックを大気圧に対して正圧にすることが可能になるので、家庭用、または業務用の燃料電池システムに適用できる。

１−１ 第１燃料ガス供給経路
１−２ 第２燃料ガス供給経路
１−３ 第３燃料ガス供給経路
２−１ 第１燃料電池スタック
２−２ 第２燃料電池スタック
２−３ 第３燃料電池スタック
３−１ 第１流量調整器
３−２ 第２流量調整器
３−３ 第３流量調整器
４ 未反応燃料ガス循環経路
５、１２、１９ 制御器
６ 燃料ガス供給源
７ 改質器
９−１ 第１燃料ガス供給弁
９−２ 第２燃料ガス供給弁
９−３ 第３燃料ガス供給弁
１０ 電力出力経路
１１ 外部負荷
１４ 未反応燃料ガス排出経路
１５ 加湿器
１００、２００、３００ 燃料電池システム

Claims (3)

1. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する複数の燃料電池スタックと、
   前記燃料ガスを前記複数の燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給経路と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスの流量を調整する複数の流量調整器と、
   前記複数の流量調整器から排出する前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に合流させ、前記未反応燃料ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガス循環経路と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させ、前記複数の燃料電池スタックの前記アノードに前記燃料ガスを供給し、前記複数の燃料電池スタックのうち発電を停止させる前記燃料電池スタックがあるとき、発電を停止させる前記燃料電池スタックからの前記未反応燃料ガスの排出を止めるように、前記発電を停止させる前記燃料電池スタックからの前記未反応燃料ガスの流量を調整している前記流量調整器を制御し、前記複数の燃料電池スタックの前記アノード内を大気圧に対して正圧にする、
   燃料電池システム。
2. 前記制御器は、発電中の前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの発電量に基づき、発電中の前記複数の燃料電池スタックに接続された前記複数の流量調整器が前記未反応燃料ガス循環経路を介して前記燃料ガス供給経路に合流させる前記未反応燃料ガスの流量を制御する、
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する複数の燃料電池スタックと、
   前記燃料ガスを供給する前記複数の燃料電池のアノードに燃料ガス供給経路と、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれから排出する未反応燃料ガスの流量を調整する複数の流量調整器と、
   前記複数の流量調整器から排出する前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に合流させ、前記未反応燃料ガスを前記複数の燃料電池スタックに供給する未反応燃料ガス循環経路と、
   を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   目標発電量に応じて前記複数の燃料電池スタックの運転台数を変えて発電させるステップと、
   前記複数の燃料電池スタックの前記アノードに前記燃料ガスを供給し、前記複数の燃料電池スタックのうち発電を停止させる前記燃料電池スタックからの前記未反応燃料ガスの排出を止めるように、前記複数の燃料電池スタックの前記アノード内を大気圧に対して正圧にするステップと、
   を有する燃料電池システムの運転方法。

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